论文部分内容阅读
化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)金刚石薄膜具有许多接近天然金刚石的优异性能,如硬度高、弹性模量大,摩擦系数低、耐磨性强以及表面化学性能稳定等,并且CVD金刚石薄膜的制备不受基体形状的制约,能够直接沉积在复杂形状的基体表面。因此,CVD金刚石薄膜非常适合作为耐磨减摩涂层材料沉积在传统刀具,尤其是复杂形状刀具,以及拉拔模具的工作表面,从而达到提高传统工模具的使用寿命,降低生产成本,改进加工质量,提高生产效率等目的,这不仅能够获得显著的经济效益,提升相关行业的加工水平,并且对节约战略资源钨、钴的消耗,建设资源节约型社会,实现经济可持续发展战略均具有重要意义。本文围绕CVD金刚石薄膜在各类难加工材料切削刀具以及金属拉拔模具领域的应用,开展了以下几个方面的研究工作:
1)考察了CVD金刚石薄膜与DLC薄膜在干摩擦及水润滑条件下与铜、轴承钢、硬质合金以及氮化硅等材料配副时的摩擦学特性,揭示了超光滑金刚石薄膜在水润滑条件下不仅具有优异的表面减摩特性,并且显示出与MCD薄膜同样优异的表面耐磨性。此外,还揭示了超光滑金刚石薄膜摩擦界面上形成的水润滑膜对降低其表面磨损的作用机理。
2)采用能够耦合热传导、热对流以及热辐射效应的有限容积法对热丝CVD法沉积金刚石薄膜的生长环境进行了模拟仿真,揭示了热丝直径、数量及排布方式以及进气口的数量及排布方式等参数对基体表面温度场分布以及反应腔内气体密度场分布等生长环境的影响,获得了能够在基体表面形成最优薄膜生长环境的参数配置,并在薄膜沉积实验中验证了模拟结果的准确性。
3)针对复杂形状整体式刀具,研制了适用于产业化生产的CVD金刚石涂层刀具制备装置,能够制备多种适用于玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、高性能EDM石墨电极以及PCB板材料等难加工材料的切削加工的纳米金刚石涂层铣刀、钻头以及微细刀具。切削实验结果表明,纳米金刚石涂层刀具的耐用度可比硬质合金刀具提高5-10倍左右,在加工过程中的受力比硬质合金刀具减少30％以上,并且能够获得更好的加工表面完整性。
4)采用有限元法模拟了金刚石涂层拉拔模具拉制铜管(包括空拔和游动芯头拉拔)、低碳钢管以及不锈钢管的加工过程,获得了管材及拉拔模具表面的应力及应变分布情况,阐明了管材缩径现象的内在机理,并揭示了拉拔模具的过渡圆弧半径、工作锥半角、定径带长度、主压缩区及副压缩区半角等几何参数对管材及拉拔模具工作表面轴向及径向应力分布、管材缩径量等参数的影响。进一步采用正交实验法和响应曲面法,以最小化等效应力最大值以及管材缩径量为目标,对拉拔模具的关键几何参数进行了优化,分别获得了空拔铜管拉拔模、游动芯头拉拔铜管外模、低碳钢管拉拔模具以及不锈钢管拉拔模具的最优几何参数。
5)采用HFCVD法在氮化硅陶瓷基体表面沉积了微米金刚石薄膜和纳米金刚石薄膜,并采用扫描电镜、白光干涉仪、X射线衍射、拉曼光谱等对薄膜的表面形貌、表面粗糙度、晶面取向以及结构成分等特性进行了表征。制备了陶瓷基MCD及NCD涂层可转位刀片,它们在加工玻璃纤维增强复合材料(GFRP)时的耐用度分别是未涂层氮化硅刀片的2.5倍和5倍。此外,在碳化硅电缆紧压模和铜管拉拔模具的内孔表面沉积了超光滑金刚石涂层,单只拉拔产量可比未涂层碳化硅陶瓷模具提高10倍以上,并且能够显著提高生产效率、改善产品质量、有效节约原材料,能够为生产企业带来了巨大的经济效益。