硬质合金基体金刚石薄膜摩擦学性能的探究

硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物微米级粉末，并通过Co等较软金属为黏结剂烧结而成的一种合金，具有高韧性、高硬度、良好的热稳定性等优良特性，在耐磨和低粗糙度加工方面应用ม非常广泛，为制造刀具的理想材料。传统硬质合金刀具在高速切削过程中，随着切削速度的加快，刀具温度随之升高，温度升高会导致硬质合✯金硬度降低，最终会影响加工零件的精度。随着硬质难加工材料在精细加工领域越来越多的应用，如汽车、航空航天、集成电路板卡等，传统的硬质合金刀具已经很难满足加工的精度要求。如何对刀具表面进行强化以提高其使用寿命并扩大其应用范围，成为一个亟待解决的问题。CVD金刚石薄膜因具有天然金刚石的高硬度、低摩擦系数等优异的性能而被誉为21世纪最具发展前途的新 ☺型工具涂层材料，适用于高硅铝合金、金属基复合材料、工程陶瓷、纤维增强塑料等难加工材料的切削加工。CVD金刚石薄膜材料的优势在于，可以在复杂形状的硬质合金基体上直接沉积以制造金刚石涂层刀具。CVD金刚石薄膜作为理想的工具涂层和耐磨材料，还应用于内表面要求耐磨和低粗糙度的工具，如拉丝模、紧压模等，应用前景广泛。

基于以上优势，对硬质合金基体表面沉积的金刚石薄膜的摩擦磨损性能进行研究具有重要意义。本文综述了近年来国内外对硬质合金基体金刚石薄膜摩擦学性能研究的进展，指出了硬质合金衬底表面金刚石涂层摩擦磨损研究的方向。

1 硬质合金基体CVD金刚石薄膜的摩擦机理CVD金刚石薄膜的摩擦学行为是众多因素共同作用和影响的结果。由于在制备过程和测试过程中，存在很多不确定因素，如沉积参数、薄膜表面粗糙度、周围环境因素、实验温度和载荷等，因此，摩擦学机理一直没有统一的理论。

文献中指出，金刚石薄膜的摩擦学机理大体有3种情况：薄膜的表面光滑度。金刚石薄膜的摩擦磨损性能与金刚石的晶粒尺寸大小有关，当晶粒尺寸较大、表面较粗糙时，在滑动过程中容易在摩擦副表面产生犁沟磨损以及剪切滑移现象，使得其摩擦系数增大，加剧磨损。金刚石薄膜的表面结构。金刚石薄膜表面的高度钝化是薄膜具有低摩擦系数的本质原因。薄膜表面钝化之后，其摩擦副表面之间的黏着效应就基本消除，这也是摩擦磨损程度降低的重要原因。相转移。在高温高压等苛刻的条件下，摩擦会引发金刚石薄膜的表面相发生转化，金刚石晶粒会石墨化，而石墨是一种良好的润滑剂，可以减少摩擦磨损。

早在上世纪九十年代初期，Harrison 和Perry等就利用分子动力学方法对由两个金刚石氢化表面组成的自耦摩擦副在纳米尺度下的摩擦行为进行了广泛而又深入的研究，发现原子尺度下的摩擦行为具有各向异性的特点。

B.Shen等的研究表明：在摩擦过程的不同阶段，摩擦机理有着很大的差异。初始阶段，摩擦副磨损主要是接触面上的微凸体直接具有机械锁合效应，以及滑动过程中尖锐的金刚石凸峰在配副表面产生严重的犁削效应。在随后的摩擦过程中，摩擦副表面磨损产生的磨屑会在CVD金刚石薄膜表面形成转移膜，导致摩擦系数的上升。

Gardos等研究发现：金刚石薄膜的摩擦学行为主要取决于摩擦副表面之间的化学性质，而在摩擦副表面通常会有化学键的形成和断裂，配副表面化学键的断裂导致磨损的出现。

金刚石薄膜的摩擦学机理分为3种情况：薄膜的表面光滑度。当金刚石薄膜的晶粒尺寸较大、表面较粗糙时，在滑动过程中容易产生犁沟磨损和剪切滑移现象，使得其摩擦系数增大，加剧磨损。表面化学结构。金刚石薄膜的低摩擦系数的本质是由于其表面的高度钝化，表面钝化❤之后，其表面之间的黏着效应就基本消除，这也是摩擦磨损程度降低的原因。相转移。在苛刻的条件下，摩擦会引发金刚石薄膜的表面相发生转化，金刚石在高温高压条件下发生石墨化，而石墨是一种良好的润滑剂，可以减少摩擦磨损。

2 国外研究进展

目前，针对沉积在硬质合℃金基体表面的CVD金刚石薄膜的摩擦学性能的研究比较深入。C.Martini等在硬质合金基体上用物理气相沉积法沉积二硼化钛薄膜，用化学气相沉积法沉积CVD金刚石薄膜，分别在干摩擦条件下测试它们的摩擦学性能。结果表明：在表面镀有CVD金刚石薄膜的样品具有更低的摩擦系数，而且在薄膜表面没有产生转移相，几乎没有磨损。当用金刚石薄膜刀具加工A390合金时，其磨损率较未涂层的刀具要低很多，且加工后的表面光洁度明显提高，使用的寿命提高了10倍以上。此外，在铝合金加工过程中，CVD金刚石薄膜涂层刀具较未涂层刀具有较强的抗黏结性，不易产生崩刃现象。

配副材料对CVD金刚石薄膜水润滑摩擦学性能的也有不同的影响。P.Hollman 和S.Hogmark等采用热焰CVD法在硬质合金衬底上沉积了纳米金刚石薄膜，并通过大量的实验研究了与不同摩擦副的摩擦磨损性能，在水润滑条件下，摩擦系数、摩擦副的磨损有所降低。Almeida等在硬质合金基体上沉积的纳米金刚石薄膜的摩擦磨损研究表明：其切削石墨所获得的工件表面粗糙度要比微米金刚石薄膜刀具要低。

Straffelini和Polini等采用HFCVD法在三种经过不同预处理方法处理过的硬质合金衬底上沉积了金刚石薄膜，并研究了它们与奥氏体不锈钢组成的摩擦副的摩擦磨损性能。试样S在摩擦初期摩擦系数稳定在0.05左右，随后逐渐增大到0.3左右，当滑动行程达到190m之后，接触面处的薄膜完全被磨穿，摩擦系数会突然增大至0.6，并在0.6左右波动。相比S试样，SE及SM 试样的每个阶段持续时间较短且薄膜几乎没有磨损，同时摩擦配副的磨损量达8.3510-4 mm3/m，SE试样在摩擦进行1h后摩擦曲线会急剧降低，此时SE基体表面观测到薄膜的局部剥离，而SM 试样在摩擦进行7.5h后它的平均摩擦系数在0.4～0.5之间。

M.S.Raghaveer等采用加入嵌入式不连续金刚石层的方法制备得到了硬质合金衬底/不连续的金刚石层/TiN/TiC/金刚石薄膜复合涂层，并通过加工芯板材研究了其摩擦性能。研究发现：工具的耐磨性可以得到很大程度地改善，而中间过程层可以很好地将不连续金刚石层与金刚石薄膜之间粘接牢固，提高了金刚石薄膜与基体之间的附着强度。

3 国内研究进展

马磊等利用在线HFCVD制备了SiC梯度过渡层的金刚石薄膜，在干摩擦和油润滑条件下实验。薄膜在干摩擦条件下的磨损机制主要为微断裂和磨平，由于薄膜表面的微凸体与对磨球发生机械咬合作用，导致薄膜在起始阶段摩擦系数较高，随着对磨的进行，磨屑被磨平或被挤出，摩擦系数下降，平均摩擦系数为0.147。油润滑条件下，金刚石表面形成一层油膜，同时减小薄膜与摩擦副的接触面积导致薄膜的摩擦系数明显下降，平均摩擦系数为0.063 2。

上海交通大学的简小刚等在硬质合金衬底上制备了细晶粒金刚石薄膜，并在销盘式摩擦试验机上对配副材料对CVD金刚石薄膜摩擦性能的影响做了大量的实验研究，发现金刚石薄膜与碳化硅、铜以及铝材料组成的摩擦副的摩擦系数分别为0.122，0.143和0.165，较硬质合金的摩擦系数有较大降低。

侯亚奇等利用磨损试验机分别研究具有金刚石薄膜、石墨/金刚石复合膜以及未涂层YG6硬质合金3种试样的摩擦性能。在干摩擦条件下，3种试样的摩擦系数均较大，一般在0.2以上。三者相比，未涂层合金摩擦系数最大，最高可达0.85左右，石墨/金刚石复合膜的摩擦系数最低，石墨的存在起到减摩的作用。在液体石蜡润滑条件下，金刚石薄膜与石墨/金刚石复合薄膜的磨损体积损失均小于7.5010-4 mm3，两者的磨损机理主要为亚微断裂机制及黏着磨损，载荷越大，亚微断裂与黏着磨损越严重，摩擦系数和磨损体积损失也越大。

陈靖等通过对硬质合金注入Mo离子后沉积金刚石薄膜和未注入Mo离子的金刚石薄膜进行对比实验。压痕实验表明：未经离子注入的样品在450N载荷下薄膜己严重脱落，经离子注入的样品在450N载荷下压痕比较规则，薄膜周边未有开裂。作者认为，Mo离子的注入可以减小金刚石的颗粒度，降低其表面粗糙度，在切削过程中减小摩擦，有利于提高刀具的使用寿命。

周辉峰等通过设置3组不同试样在干摩擦条件下来对比研究硬质合金表面金刚石薄膜的摩擦学性能。通过砂轮磨损试验，以砂轮的磨损量与试片的磨损量的比值，即磨耗比作为比较参数。分别记录下YG6硬质合金试片磨耗比平均值Et=2.25，预植入单晶金刚石层的YG6硬质合金试片磨耗比平均值Ed=352.35，在预植单晶金刚石层的基体沉积30～40nm厚的金刚石YG6硬质合金试片的磨耗比平均值Ef=502.25。表面沉积金刚石薄膜可以显著提高硬质合金刀具的摩擦学性能，提高使用寿命。

安孝玲等在干摩擦、水润滑和油润滑条件下研究了施加不同载荷时金刚石薄膜的摩擦性能，结果表明：有金刚石薄膜涂层刀具的摩擦系数明显低于无涂层刀具的摩擦系数，且金刚石薄膜涂层刀具磨损率随载荷的增加而增大，在水润滑条件下，薄膜涂层的摩擦表面有硬质颗粒脱落，留下许多凹坑;但在油润滑条件下，涂层表面较为平坦，其摩擦表面没有硬质颗粒脱落，油能有效减缓磨损。

沈彬等分别在硬质合金衬底上制备常规金刚石薄膜和超细晶粒金刚石薄膜，并在往复式球盘摩擦磨损试验机上分别研究了薄膜在干摩擦和水润滑条件下的摩擦磨损性能。干摩擦条件下，MCD的摩擦系数约为0.36，FGD 约为0.24。而MCD 和FGD在水润滑下的摩擦系数分别约为0.25和0.22，FGD对偶件的磨损率仅为7.010-6 mm3/，比MCD的低了近2个数量级，减摩性能良好。

此外，沈彬制备了一种超光滑金刚石复合薄膜，分别进行USCD、MCD以及FGD与不同配副材料在干摩擦条件下对摩实验，MCD和FGD的摩擦系数与轴承钢、铜配副材料的摩擦系数分别为0.27，0.24以及0.29，0.24，而USCD的摩擦系数则低很多，仅有0.13和0.17。在水润滑条件下，MCD和FGD的摩擦系数分别下降至0.20，0.18以及0.23，0.20，而USCD的摩擦系数则大幅降低至0.05和0.14。水润滑条件下，与未镀层的硬质合金拉拔模具相比，USCD涂层拉拔模具在低碳钢管的拉拔加工过程中，单只超光滑金刚石复合涂层拉拔模具的拉拔产量可提高20倍左右。

4 结束语

目前，国内外对沉积在硬质合金基体材料表面CVD金刚石薄膜的摩擦学性能的研究还不十分充分，研究主要集中于宏观的干摩擦磨损研究，而对于金刚石薄膜的微观摩擦磨损机理以及不同润滑条件下的薄膜摩擦机理研究较少。

影响CVD金刚石薄膜的摩擦磨损性能的因素有很多，对金刚石薄膜表面结构及化学性质的变化对硬质合金基体CVD金刚石薄膜的摩擦磨损性能的影响还未有人做深入研究。

此外，建立诸如薄膜表层原子级磨损、表层微观结构等对其摩擦学性能的影响模型方面的研究还比较缺乏，这也极大地制约了CVD金刚石薄膜在硬质合金工模具中的进一步推广应用，以后需在此方面进行系统、深入的研究。