热丝CVD金刚石薄膜的摩擦磨损性能研究

金刚石薄膜在摩擦磨损试验条件下表现出来的磨损性能与其在实际应用中的磨损性能往往存在差异，尤其可以从上面的研究结果中可以看出，在摩擦磨损试验中，金刚石薄膜附着性能的差异并没有对其磨损率产生明显的影响，而在实际应用中，附着性能却常常成为制约金刚石薄膜综合摩擦磨损性能的一个重要因素。本章对于金刚石薄膜摩擦磨损性能的研究主要是为金刚石薄膜在耐磨减摩器件，尤其是拉拔模具内孔表面的应用提供理论依据，因此本节根据拉拔模具的实际应用条件，采用内孔线抛光机作为试验设备，设计了一种新型的内孔金刚石薄膜应用摩擦磨损性能的检测方法，以评价不同类型的金刚石薄膜在近似应用环境下的摩擦磨损性能［106］。

应用摩擦磨损试验设备（内孔线抛光机）及原理图如图3-28所示。试验中采用的外试样分别为在内孔表面沉积了厚度约为30μm的不同类型金刚石薄膜（基于丙酮碳源的MCD、BDD、NCD、BD-UCD、BD-UM-NCCD薄膜，采用不同碳源沉积的MCD薄膜）的定径带直径为3.0 mm的拉拔模具，以及同样尺寸参数的未涂层硬质合金模具。样品的表面形貌与摩擦磨损试验中采用的平片样品类似，在此不再赘述。内试样为直径3.6 mm的低碳钢丝。通过弹塑性静态仿真计算可知，在该过盈的初始状态下，内外试样之间的径向载荷约为7 000 N。试验前，先将外试样浸泡在丙酮溶液中进行30 min的超声清洗以去除内孔试验表面的杂质，然后采用线拉拔机将内试样装配入外试样的定径带内孔中，内外试样呈过盈配合。试验过程中，内试样以0.3 m/s的线速度va沿模具轴向做往复运动，外试样则以300 r/min的转速ωa做圆周运动，因此内外试样对磨表面会产生剧烈摩擦，同时外试样还有可能会对内试样压缩区和定径带的连接位置产生冲击作用。根据上述参数换算得到内外试样之间相对运动的线速度约为0.303 7 m/s。

图3-28　应用摩擦磨损试验设备及原理

在试验过程中每隔3 min采用计量精度为±0.01 mg的精密电子天平测量外试样的失重，以此为依据可以计算不同金刚石薄膜或硬质合金材料在应用摩擦磨损条件下的磨损率Ida，每个采样时间点外试样的磨损率Ida定义为该时间点前3 min内的失重除以内外试样之间的径向载荷和该时间段内的相对运动距离（mg/N·m）。假设不同外试样材料对于内试样的磨损完全一致，并假设在整个试验过程中，内外试样之间的径向载荷固定为7 000 N，每次测量之前同样要将样品浸泡在丙酮溶液中进行15 min的超声清洗以去除表面黏附的破碎磨料或样品材料。同时采用体视显微镜观测外试样内孔表面的磨损形貌，以通过薄膜剥落等失效特征来综合评价不同金刚石薄膜的耐磨损性能。

硬质合金及五种不同金刚石薄膜涂层外试样模具在应用摩擦磨损试验条件下磨损率犐da随时间的变化曲线如图3-29（a）所示，五种金刚石薄膜在应用摩擦磨损试验条件下的磨损性能与其在试验机摩擦磨损试验条件下的磨损性能存在一定的区别。首先可以看出，在应用摩擦磨损试验条件下，硬质合金的犐da仍然远高于各种金刚石薄膜在稳态磨损阶段（前半段）的犐da，而五种金刚石薄膜涂层样品在经历了稳态磨损阶段之后，犐da均会迅速上升，并且达到甚至超过硬质合金样品的犐da，这主要是由金刚石薄膜的大面积脱落以及薄膜大面积脱落或全部磨损之后失去金刚石薄膜保护作用的硬质合金基体的持续磨损造成的。在金刚石薄膜涂层样品中，硬质合金基体是采用酸碱两步法进行过预处理的，其基体的耐磨损性能不及未涂层未处理硬质合金样品的耐磨损性能，因此曲线中后半段的犐da数值甚至会超过硬质合金。在五种金刚石薄膜中，NCD薄膜的稳态磨损率显著高于其他四种薄膜，这主要是因为NCD薄膜中金刚石纯度的降低及晶粒细化导致的薄膜硬度的降低。然而，表层为NCD薄膜层的BD-UM-NCCD薄膜则表现出与BD-UCD薄膜几乎一致的稳态磨损率，这则是因为其表层的NCD薄膜层较薄，如图3-16所示，在应用摩擦磨损试验初期表层的一部分NCD薄膜层就会很快地磨损，而中间层的MCD薄膜极高的硬度特性和耐磨损性能就会体现出来，从而保证BD-UMNCCD薄膜也具有较小的稳态磨损率和较好的耐磨损性能。(www.xing528.com)

与金刚石薄膜的冲蚀磨损性能类似，薄膜脱落同样是评价其应用摩擦磨损性能的一个重要指标，并且薄膜脱落特性同样取决于不同金刚石薄膜与基体之间的附着性能。NCD薄膜与基体之间的附着性能最差，因此在9 min之后其磨损率犐da就开始迅速上升，这意味着NCD薄膜已经开始出现大面积的脱落。对附着性能一般的MCD薄膜而言，薄膜大面积脱落的起始时间为12 min。BDD、BD-UCD以及BD-UM-NCCD薄膜的底层均为BDD薄膜，硼掺杂作用有利于改进基体与金刚石薄膜之间的附着性能，并且各层金刚石薄膜之间同样具有较高的结合强度，因此这三种薄膜开始出现大面积脱落的时间均在21 min左右，相比较于NCD及MCD薄膜，其应用摩擦磨损性能均有显著提升。五种不同金刚石薄膜不同的薄膜脱落特性同样可以从它们在应用摩擦磨损试验进行12 min时的表面磨损形貌中直观地观察到，如图3-29（b）所示。

图3-29　硬质合金及五种金刚石薄膜在应用摩擦磨损试验条件下磨损率随时间的变化曲线及试验时间为12 min时五种不同金刚石薄膜的表面磨损形貌（10倍放大）

（a）磨损率变化曲线；（b）磨损形貌

综上所述，硼掺杂技术可以显著提高金刚石薄膜的附着性能，因此BDD薄膜的应用摩擦磨损性能优于MCD薄膜。NCD薄膜中金刚石成分的降低及附着性能的劣化对其应用摩擦磨损性能产生了不利影响。由于MCD薄膜层的作用，BD-UM-NCCD薄膜具有较好的应用摩擦磨损性能。BD-UCD综合了BDD薄膜附着性能好和MCD薄膜硬度高的优点，因此表现出最佳的应用摩擦磨损性能。结合标准摩擦磨损试验结果可知，在对工作表面摩擦磨损性能（包括摩擦系数、磨损、薄膜寿命）提出较高综合要求的内孔应用场合，BD-UM-NCCD薄膜是最适用的内孔表面耐磨涂层。