不同湿度环境下镀钛金刚石烧结聚晶金刚石的摩擦学性能

聚晶金刚石(Polycrystalline diamond,PCD)机具在钻探破岩与切削过程中服役于边界润滑环境,湿度条件是影响其摩擦磨损性能及切削钻进效率的重要因素。采用磁控溅射技术在金刚石微粉表面沉积厚度为~500 nm的钛薄膜,并选用镀钛金刚石微粉为原料烧结聚晶金刚石(Ti-polycrystalline diamond,Ti-PCD)。研究了Ti-PCD在5%~50%相对湿度(Relative humidity,RH)条件下对磨氮化硅的摩擦磨损性能,利用SEM、XRD、AES等表征镀钛金刚石微粉和Ti-PCD的微观组织、表面形貌及相结构。采用光学显微镜、白光三维形貌仪、拉曼光谱仪分析Ti-PCD和氮化硅球的磨损形貌。结果表明,Ti-PCD中金刚石晶粒与粘结剂钴界面处形成碳化钛过渡层。在相对湿度为5%~50%RH条件下,氮化硅磨斑处的碳质转移膜是影响Ti-PCD稳态摩擦因数的主要原因。5%RH干燥环境下,摩擦滑移过程中碳原子重杂化过程形成连续均匀的碳质转移膜,获得超低的稳态摩擦因数0.034。Ti-PCD表面相对较疏水,水分子钝化作用减弱,有助于形成具有减摩作用的碳质转移膜,致使湿度环境下的稳态摩擦因数比传统PCD降低~30%。Ti-PCD磨损在5%~50%RH湿度范围内逐渐减轻。Ti-PCD中的碳化钛相发挥结合桥作用,利用界面效应强化粘结剂钴和金刚石的界面结合,抑制摩擦滑移过程中的金刚石颗粒剥落,提高Ti-PCD的耐磨性。应用金刚石微粉表面涂层技术制备减摩Ti-PCD,从界面结合和补强增韧方面强化金刚石与粘结剂钴的界面状态,对设计制造高效长寿钻探机具有重要的研究意义。