行业资讯栏目
行业新闻 | 企业新闻 | 协会动态 | 展会报道 | 最新报价 | 市场分析 | 行业标准 | 展馆介绍 | 产业链 | 关注我们 | 价格行情 | 政策
当前位置 您当前的位置:首页 下层栏目 行业资讯 下层栏目 技术应用 当前位置 正文

金刚石工具镀层失效脱落原因评估(连载二)

http://www.momo35.com   来源:《磨料磨具》杂志  日期:2018/09/04


  虽然金刚石-碳化钨压痕试验曾经常开展实施,离散荷载条件下破裂和表面破坏尺寸的全部数据(罗克韦尔压痕测试范围),除了进行连续控制荷载(或位移控制)压痕来监控失效。金刚石-碳化钨压痕试验得出没有任何数据,可以直接验证该模型。因为研发的该模型不需要专门材料,用其他材料一般也足可以进行测试。因此,在硅基体上沉积氧化锌薄膜的研究,采用控制荷载压痕测试(显微维氏硬度计)过去常用来进行该项模拟实验。在该研究实验报告中,临界荷载条件下不同镀膜厚度会发生镀层分层。有限元模型进行修改:压头形状和尺寸,镀层和基体的材料,以及预测出不同厚度情况下接触面分层的临界荷载数值,要与以往实验数据进行对比。数据对比显示相对误差为170%。考虑到镀层失效情况复杂性和材料性能的不确定性,误差数据大小趋势显示与实验结果基本一致。
  
  一旦进行测试,该模型测试临界荷载造成表面破损,对结合区(最佳接触区)影响。除此之外,镀层失效状况下对于镀层杨氏模量和厚度效果都要进行评估。


  
  结论和探讨
  
  接触面效果
  
  如例图1所示,用两个条件来对比金刚石碳化钨-钴系统的压痕(1200GPa杨氏模量和10微米厚度)主应力:(a)最佳接触面(英文简写:PI),例如:无限力,(b)结合区接触面(英文简写:CZI)。我们能够注意到最大应力区是位于最佳接触面的镀层面,但是结合区接触面情况位于接触面。因此,最佳接触面的假设条件可能无法正确预测出失效位置和状况。此外,假设金刚石破损强度15GPa,最佳接触面最初失效临界荷载大于结合区接触面(5.8牛顿对4.2牛顿)。从而基体屈变也相同。在50牛顿荷载情况下,最佳接触面塑性应变大于结合区接触面,为0.036对0.026.
  
  压痕实验中接触面失效情况可能会在两种情况下发生:剪切分层和正常分层。在荷载情况下,接触面处于压力中。根据此情况,接触面分层仅会在剪切模式的状况下发生。如例图2所示,在增加荷载条件下剪切应力逐渐变化。按照目前测试参数,即便施加最大荷载,剪切模式分层也不会出现。
  
  如果基体不能承受最大荷载,一旦压头完全脱落,镀层将会完全变形。然而,若基体可弯曲,永久的塑性压痕就会存在于基体上,张性牵引力将会逐渐在接触面出现。因此,如果法向分离超过特性长度,卸载荷载中会出现接触面分层,以及相应法向牵引力立即会出现增高。例如3显示压头完全从镀层表面去掉后,接触面法向牵引力等高线。最大接触面法向牵引力位置,将会达到正强度(543MPa),就是所指的分裂点。在此研究例子中,正方向接触面失效能形成一个圆形约13微米半径的分层。


  
  接触面性能收到几个与沉积层和基体的因素有关。为了测试接触面性能的不确定性,结合区参数需要减半,以及模拟实验时候原有数值减少10%。我们可以推断出镀层表面拉伸开裂不会对接触面强度产生明显影响。另一方面,分层尺寸受到接触面状况的影响。例图4绘制出接触面分层尺寸参考数值。研究结果凭直觉来推理,接触面强度更大,分层尺寸更小。
  
  镀层杨氏模量数值的效果
  
  金刚石镀层通过不同沉积加工过程生产出来,设定参数可能需要更多范围的性能,例如:杨氏模量数值,在金刚石镀层能获得和预示杨氏模量数值从600GPa增加至1200GPa。杨氏模量数值会明显影响镀层系统的机械性能,镀层失效状况会产生不利作用。因此,在压痕模拟中,该镀层杨氏模量数值可以能够发现出其不同效果。为了比较实验目的,金刚石镀层的拉伸断裂强度假设为15GPa,实验报告设定范围不大,为7至20GPa。
  
  镀层表面断裂是坚硬镀层-基体系统主要失效之一。对于球型压头,研究人员发现靠近接触圆环边缘处常会开始圆形开裂,这就是赫茨裂环。例图5a显示从碳化物基体金刚石镀层压痕处的裂环例子。另一方面,镀层开裂可能会来从接触面的对称轴上开始,沿着径向扩展开来。此外,由于接触面失效出现的分层可能会导致镀层剥离,如例图5b所示。


  
  对于镀层开裂和分层,镀层杨氏模量系数效果如例图6所示(30微米厚度镀层)。采用这样厚度镀层,临界拉应力经常会在镀层顶部表面,而不是接触面,裂环会是主要情况。从该图表中,表明增加镀层杨氏模量数值将会降低临界荷载量,例如,将会降低抗开裂性能。另一方面,设定50牛顿荷载,随着增加镀层杨氏模量数值,分层状况会线性降低。采用大杨氏模量系数的镀层将会受到较小的张力和变形更小的影响,也会减少基体的塑性变形,进而分层尺寸会更小。例图7绘图所示镀层杨氏模量系数,对应基体屈变的临界荷载数值。如图所示镀层杨氏模量系数越小将降低基体屈变时临界荷载数值,将会造成接触面分层。


  
  镀层厚度效果
  
  从模拟情况来看,镀层厚度超过5微米和10微米将会造成径向裂痕(例如,接触面最大应力),同时其余(大于10微米)镀层厚度会造成裂环(例如,镀层表面最大应力)。例图7所示确定临界荷载数值,施加50牛顿荷载力会出现最初镀层开裂,同时会出现分层。研究结果所示增加镀层厚度(厚度大于10微米情况)。同时,临界荷载将会减少镀层表面开裂和赫茨裂环出现,相反会主要出现径向裂痕。另一方面,镀层表面厚度低,柔软基体镀层抗折性能将会增加拉伸应力,但是最上部表面抗压应力增加。不同镀层厚度,这两个方法可能会失效。随着镀层厚度增加,抗折效果可能会逐渐消失,临界荷载将会随着镀层厚度减少也会降低。蔡先生和劳恩开展了在聚碳酸酯基体沉积不同镀层压痕试验。他们试验镀层失效演化过程从有限元模拟中获取。
  
  接触面分层的镀层厚度结果也会在例图8所示。对于40微米和50微米厚度镀层,50牛顿压痕荷载重量下不会出现分层现象。随着镀层厚度降低,由于塑性变形加强,分层尺寸竟会明显减少。另外有趣地注意到试验中将镀层厚度更进一步减少到一定程度,例如:5微米,硬度缺失情况将会发生相反结果。接触面牵引力可能会导致镀层偏差,预防镀层拉伸度恢复,镀层拉伸开裂可能超过接触面分层情况。
  
  结论
  
  该研究中,结合区模型采用无限参数来模拟分层周期,金刚石镀膜碳化钨-钴使用圆形压头。结合区模型是基于牵引-分离原则,最大法向强度和剪切强度,法向和剪切长度,均由碳化钨断裂性能来决定。
  
  该有限元模拟实验随后采用调查,镀层基体失效状况下研究结合接触面的重要性(对最佳接触面),同时调查出不同镀层失效情况下镀层的杨氏模量和厚度效果。模拟研究结果总结如下:
  
  (1) 总体来说,对于较薄镀层,最大应力区和数值在最佳接触面和结合接触面之间完全不同。然而,对于较厚镀层(大于10微米),赫茨裂环是主要开裂情况,结合区接触面不会影响临界荷载量而引起镀层表面拉伸开裂。
  
  (2) 若金刚石镀层杨氏模量增加,对于镀层表面开裂情况临界荷载会减少。此外,接触面分层尺寸将会随着杨氏模量数值增加而减少。
  
  (3) 对于较厚镀层,对于镀层失效(裂环)的临界荷载将会随着镀层增加而减少。此外,对于较薄镀层将会出现相反的发展趋势,会出现横向开裂镀层失效状况。此外,增加镀层厚度将会减少接触面分层尺寸。

 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!
  
  免费领取《磨料磨具》杂志请致电:0755-33277999/33277994
  
  QQ:1980989615、164715798


 
磨商网公众号
磨商网版权及免责申明:(点击查看)
相关资讯
相关资讯
最新资讯
行业新闻