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金刚石工具镀层失效脱落原因评估

http://www.momo35.com   来源:《磨料磨具》杂志  日期:2018/08/15

  摘要:从经济来讲,金刚石镀层切割工具类产品使用聚晶金刚石制成,应用于车削加工领域。除了优良的磨削和机械加工性能外,金刚石镀层工具还常出现有镀层与基体结合性不佳的情况。结合界面特性是决定金刚石镀层工具能否正常发挥其性能与否的重要因素。该研究报告中,对于金刚石镀层碳化钨系统的粘合模拟量进行调查研究。结合模拟量采用应力与位移原则,最代表性四个技术参数:最大法向应力和切变强度,应力和典型的切变长度,这些数值均有碳化钨断裂特性决定。结合模量采用有限元来模拟镀层与基体系统。
  
  该模量是用于检查界面中压痕状态,镀层系统中结合界面失效状况,以及各种镀层失效状况下镀层杨氏模量和厚度效应。(1)镀层表面拉伸开裂不会影响结合界面临界荷载量,但是会引起塑性应变。(2)若杨氏模量数值增加,镀层表面开裂状况将会减少,然而界面分层剥离的阻力随之增加。(3)一旦增加镀层厚度将会增加临界荷载导致表面开裂。但是,镀层超过一定厚度,会造成相反效果。此外,过厚镀层将会明显地减少界面分层剥离情况。
  
  关键词:镀层失效  金刚石镀层  有限元  接触面分层脱离
  
  介绍
  
  金刚石镀层采用高级表面工程工艺技术,广泛地应用于车削加工的工具。从经济角度来讲,金刚石镀层工具产品采用聚晶金刚石制成,制造成各种复杂外形的切削工具,例如:钻头。除了优良的磨削和机械性能之外,常出现镀层与基体结合性不佳的情况会严重影响金刚石镀层工具的使用,可能会难以承受苛刻研磨以及车削过程中出现粘附磨损情况。车削过程中,工具接触面粘合不牢,将导致整个工具过早、彻底地丧失磨削性能。
  
  通过应用不同的工艺方法来评估界面粘合性能,多数采用压痕工艺方法,广泛地应用于研究和工业应用领域。此外,研究结果大多数可以采用定量进行解释。有限元(英文简称:FE)方法应用于研究镀层固体物失效情况。众所周知的是,镀层表面的柔性基底上会出现集中拉伸应力,如果拉伸应力超过了镀层材料的断裂强度,将会出现镀层面开裂。此外,造成最初镀层表面破裂的临界荷载,似乎与界面强度有关联。更进一步来说,很多研究仅仅关注镀层破损和基体塑性变形,而接触面分层剥离很少有人讨论。主要研究难点是接触面性能的模型化。在多数研究例子中,研究人员或假设接触面有强度无限大,或者按照磨削失效准则预设特定超强接触面的应力。
  
  内聚力模型概念是在几十年前提出。在最初研究工作中,达格代尔描述破损点附近塑性变形进行分析,以及研究报告使用弹性佳的塑性材料,正常应变力将抗屈强度限定在一定范围内。根据应力首先会出现接触面出现脱离,随后减少并逐渐消失,巴伦布莱特采用应力与位移原则,制定出内聚力模型基本概念,用来解释原子晶格剥离情况。最近数年,在一定接触面荷载下,尽管考虑粘连结合关系而不采用特殊技术,几位研究人员开始研究镀层固体物的接触面磨削失效。
  
  在以往研究中,镀层与基体系统的有限元压痕模式,包括结合接触面研究。该研究将检查镀层与基体失效的结构粘合接触面(对应最佳接触面)状况,以及对不同镀层失效情况,杨氏模量的镀层和厚度效果量化。
  
  金刚石镀层工具粘合接触面压痕模拟试验
  
  使用ANSYS来代表有限元数字,来体现出粘合接触面,模拟将周长50微米球形金刚石尖金刚石镀层压痕安装在碳化钨—钴基体上。结合区域模型的本构关系是基于徐研究员和尼德尔曼的方法。在接触面中拉伸与位移间断之间关系用来解释接触面状况。
  
  软熔结合部位模型具有四个参数:σ最大数值,τ最大数值,δn和δt,分别是接触面法向强度和切边强度,法向模式和切变模式条件下标准长度。目前,没有有效试验技术能够直接测量出这些参数数值。该研究中,软熔结合部位参数数值,较为理想材料常数是由该系统内强度较差部件—基体来决定。粘合部位中较差材料最强结合性能可以通过试验和理论来验证。碳化钨—钴基体金刚石镀层中,沉积前蚀刻掉钴,以防止发生石墨化反应。因此,结合区参数大概完全是碳化钨决定。正常分离和I模型临界应力强度(K1C)之间的关系,σ最大数值和τ最大数值分别为543MPa和314MPa,δn和δt分别为0.26微米和1.05微米。该过程需要指出的是接触面特性会收到沉积过程和基体状况影响,从而呈现出明显不同地模型参数。在模拟试验中,采用硬度更高的基体,金刚石镀层和拉伸塑性材料会让工具的拉伸性能更佳。压痕过程中,准静态结构分析能够模拟荷载—非荷载循环。

  注释:Indenter:压头  Surface ring crack 表面环状破裂
  
  Interface接触面  Initiation location起始位置

  
  例图1.两个例子镀层系统最大应力等高线:(a)最佳接触面(b)结合接触面(10微米镀层,700GPa杨氏模量)
  
  注释:Radial crack径向裂痕  Initiation location起始位置


   
严肃警示:本文系《磨料磨具》杂志57期原创作品,如媒体及个人执意转载,请尊重他人的知识产权和劳动成果,必须标明文章出处“《磨料磨具》杂志”及文章作者!对于那些肆意违反商业、职业道德,破坏公平竞争环境,擅自霸占删改我方文章信息、图片资料等劳动成果,或将其用作直接盈利目的的媒体及个人,我们将依法追究其侵权责任!
  
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