專利名稱：內(nèi)漲鼓泡法檢測金剛石涂層附著強度的測試技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種定量檢測各種形狀硬質(zhì)合金刀具基體上金剛石涂層附著強度的測試技術(shù)，特別是一種采用內(nèi)漲鼓泡法精確定量檢測金剛石涂層附著強度的測試技術(shù)，屬于機械切削涂層刀具涂層性能檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
金剛石因具有高硬度、高導(dǎo)熱系數(shù)、低摩擦系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)、和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能而成為理想的工具材料，在金剛石涂層切削刀具領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但目前仍未實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。其主要原因之一是關(guān)于金剛石涂層內(nèi)在質(zhì)量(主要是力學(xué)性能)評價缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。已有技術(shù)中，包括壓痕測試法、垂直拉伸法和刮剝式測量法等。其中壓痕測試法是一種應(yīng)用最廣、操作簡單、結(jié)果較為直觀的定性測量方法，它把一個硬壓頭(一般為天然金剛石單晶壓頭)以一已知的負(fù)載壓入材料中，然后再測量由此在材料中殘留的壓痕面積或深度，壓頭的壓入會產(chǎn)生一個半球狀塑性區(qū)，把材料向外擠出并在涂層的周圍產(chǎn)生壓應(yīng)力，假如涂層將會發(fā)生起泡、剝離及從基體向上彎曲等現(xiàn)象，則這些壓應(yīng)力能夠得到釋放，該方法只能定性地比較涂層附著力的大小。而垂直拉伸法則可以較直觀地給出化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石涂層的附著力，它采用一對拉伸桿分別同心地與金剛石涂層表面及基體背面用環(huán)氧樹脂粘結(jié)牢固，測量用來拉離粘貼在基體上涂層所需的應(yīng)力以確定金剛石涂層附著力的一種方法，測試的結(jié)果受所加應(yīng)力的角度變化和粘結(jié)膠的厚度影響大，而且，測試的范圍也受粘結(jié)膠的粘結(jié)強度所限制。刮剝式測量法則是使用特制的刮剝刀具，以與刮削相類似的加載方式將涂層沿涂層/基體界面從基體上剝離下來，并以剝離涂層過程中所消耗的能量作為涂層/基體間附著強度量度的測量方法。由此可以看出，上述方法都是定性、間接地描述涂層的附著力，測試范圍受附著強度大小、基體形狀等因素限制，相互之間缺乏可比性。因此，要使金剛石涂層材料真正應(yīng)用到刀具領(lǐng)域并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，必須要有完善的對金剛石涂層附著強度進(jìn)行直接定量檢測的技術(shù)來作保證。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的金剛石涂層附著強度檢測方法不能進(jìn)行精確定量檢測及受基體形狀限制等諸多不足，本發(fā)明提供一種內(nèi)漲鼓泡測量方法，該測量方法不僅能精確定量測定金剛石涂層的附著強度，而且不受基體形狀的限制，可方便地用于復(fù)雜形狀基體金剛石涂層的附著強度測量。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是在金剛石涂層基體的背面采用化學(xué)腐蝕、顯微加工或者其它方法加工出一個窗口容腔使得原先與基體接觸的涂層內(nèi)表面暴露在外，同時不損傷到金剛石涂層，然后在原先與基體接觸的涂層內(nèi)表面上施加液壓或者氣壓，使金剛石涂層受到均布載荷的作用而產(chǎn)生變形，根據(jù)帕斯卡定律及板殼理論推導(dǎo)出內(nèi)漲鼓泡法測量涂層附著強度的理論模型，見公式(1)和公式(2)所示，其中h為在窗口中央的垂直位移(氣泡的高度)；a為窗口半徑；p為壓強；k1、k2為計算系數(shù)；kv是容積系數(shù)；Gc是定量描述金剛石涂層附著強度的臨界裂紋擴張應(yīng)力；V是容腔內(nèi)壓力油體積。借助Matlab等應(yīng)用軟件可以將這個計算模型轉(zhuǎn)化成計算程序。通過計算機編程，編制內(nèi)漲鼓泡測量計算機控制系統(tǒng)軟件，并將其安裝在計算機中以便在實驗過程中完成對整個測量環(huán)節(jié)的控制和實驗數(shù)據(jù)的采集、儲存及分析。從公式(1)可以知道乘積ph是僅關(guān)于(h/a)2的函數(shù)。因此，能量釋放率Gc是一個關(guān)于(h/a)2的函數(shù)。這意味著假如在實驗中遇到的臨界裂紋擴展應(yīng)力Gc保持不變，則h/a也不變，氣泡的斷面在其增長時仍保持自相似。因而在(h/a)發(fā)生變化的瞬時，涂層將會發(fā)生剝離，這時通過He-Ne激光干涉測量系統(tǒng)精確測量窗口中央的垂直位移h和壓力測量系統(tǒng)測出相應(yīng)的壓強p，便可以得到金剛石涂層所受載荷與其變形間的關(guān)系，再由容積方程式(3)計算得到窗口半徑a，然后再根據(jù)方程式(2)便可以精確定量地計算出金剛石涂層的附著強度。
h·p(h)=k1(ha)2+k2(ha)4---(1)]]>Gc=4k1+5k2(ha)24(k1+k2(ha)2)·kVπph---(2)]]>V＝kva2h (3)本發(fā)明的有益效果是，可以精確定量地檢測到金剛石涂層的附著強度，并且測量范圍不受基體形狀及附著強度大小的限制，具有顯著的經(jīng)濟效益。


圖1是樣品窗口在內(nèi)漲鼓泡測量過程中產(chǎn)生彈塑性變形示意圖。
圖2是本發(fā)明的內(nèi)漲鼓泡測量系統(tǒng)示意圖。
圖中1是金剛石涂層，2是涂層基體，3是加工出的窗口容腔，4是He-Ne激光干涉測量系統(tǒng)，5是金剛石涂層樣品窗口，6是樣品支架，7是壓力測量系統(tǒng)，8是壓力給進(jìn)系統(tǒng)，9是測量基座，10是卸荷閥，11是信號放大器，12是計算機控制系統(tǒng)。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施作進(jìn)一步的描述。如圖1、圖2所示，本發(fā)明的具體實施可按以下步驟進(jìn)行第一步根據(jù)本項發(fā)明的技術(shù)原理，研制了一整套的內(nèi)漲鼓泡測量系統(tǒng)，它主要包括測量基座9、He-Ne激光干涉測量系統(tǒng)4、壓力測量系統(tǒng)7和壓力給進(jìn)系統(tǒng)8，其中He-Ne激光干涉測量系統(tǒng)4、壓力測量系統(tǒng)7和壓力給進(jìn)系統(tǒng)8可采用市場上已有出售的產(chǎn)品以降低整個系統(tǒng)的成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。測量基座9是用有機玻璃塊制作的邊長為7cm的立方體平臺，在立方體四個面的中心開有四個孔，四個孔的底部互相連通，其中頂面的一個孔與樣品支架6通過螺紋連接，樣品支架6是采用沿中心軸線開通孔的無變形鋼螺栓加工而成。與頂面孔對應(yīng)的底面孔則與卸荷閥10相連接，卸荷閥10通過螺紋連接直接旋入到測量基座9中，旋入到有機玻璃塊內(nèi)的螺栓末端用O型密封圈進(jìn)行密封。測量基座9左面孔出口與壓力測量系統(tǒng)7相連，壓力測量系統(tǒng)7主要由壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集及傳送部件組成，其中壓力傳感器通過螺紋連接直接旋入到測量基座9中，聯(lián)接螺紋采用聚四氟乙烯生料帶進(jìn)行密封，所采集的測量信號通過數(shù)據(jù)線連接被傳送到計算機控制系統(tǒng)12中。測量基座9右面孔出口與壓力給進(jìn)系統(tǒng)相8連接，壓力給進(jìn)系統(tǒng)8是由注射泵和步進(jìn)馬達(dá)組成，步進(jìn)馬達(dá)的驅(qū)動信號線與計算機控制系統(tǒng)12相連接，由此可以通過計算機來控制步進(jìn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動，從而推動注射泵向測量基座9內(nèi)孔中注入壓力油以實現(xiàn)對系統(tǒng)加壓的控制。
第二步制備金剛石涂層樣品窗口5，在金剛石涂層基體2的背面采用化學(xué)腐蝕、顯微加工或者其它方法加工出一個窗口容腔3使得原先與基體接觸的涂層內(nèi)表面暴露在外，同時不損傷到金剛石涂層1。
第三步采用縮水甘油醚類二酚基丙烷型環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑將制備好的金剛石涂層樣品窗口5環(huán)氧化固定在樣品支架6的頂部，這樣涂層基體2將被牢牢地粘貼在樣品支架6的頂部，而金剛石涂層樣品窗口5的中心則對準(zhǔn)樣品支架6頂部通孔的中心。
第四步通過計算機控制系統(tǒng)12控制壓力給進(jìn)系統(tǒng)8對系統(tǒng)進(jìn)行加壓，步進(jìn)馬達(dá)在計算機控制系統(tǒng)12的驅(qū)動下推動注射泵向測量基座9內(nèi)孔中注入壓力油，同時記錄步進(jìn)馬達(dá)每步所輸出的壓力油的容積以測定樣品窗口5半徑a的變化。這時金剛石涂層1在壓力油內(nèi)壓力作用下發(fā)生彈塑性變形，da的一個微小增量能有效的提高窗口的半徑dh。半徑的增大引起了涂層內(nèi)應(yīng)力和變形涂層的總面積的增加，因此涂層的變形能也增加。由受壓液體擠壓涂層所作的功比起涂層內(nèi)應(yīng)變能的增加更大。這兩個量之差，可以表示為能量釋放率G，它可以表示能夠有效地剝離涂層所需要的能量。僅當(dāng)G等于或大于把涂層從基體剝離時每單位面積上所消耗的能量時，涂層才會發(fā)生剝離，而這個每單位面積上所消耗的能量可記作為臨界裂紋擴張應(yīng)力(Gc)，它包括界面的化學(xué)鍵能和在界面裂紋尖端附近發(fā)生彈塑性變形所消耗的額外能量。用它即可精確定量地描述金剛石涂層的附著強度。
第五步在計算機控制系統(tǒng)12控制壓力給進(jìn)系統(tǒng)8對系統(tǒng)進(jìn)行加壓的同時，通過壓力測量系統(tǒng)7實時測定系統(tǒng)內(nèi)壓強p的變化，并且通過計算機控制系統(tǒng)12將所采集到的測量信號通過數(shù)據(jù)線傳送、儲存在計算機中以方便后續(xù)處理。
第六步在計算機控制系統(tǒng)12控制壓力給進(jìn)系統(tǒng)8對系統(tǒng)進(jìn)行加壓的同時，通過He-Ne激光干涉測量系統(tǒng)4實時測定金剛石涂層樣品窗口5中央高度h的變化。通過調(diào)整支架，將He-Ne激光干涉測量系統(tǒng)4的激光測量器直接對準(zhǔn)樣品窗口5中央以測量涂層變形時的垂直位移，所獲得的測量信號通過數(shù)據(jù)線連接被輸入到信號放大器11中，經(jīng)放大后由計算機控制系統(tǒng)12將所采集到的測量信號儲存在計算機中以方便后續(xù)處理。
第七步通過計算程序計算出涂層1的附著強度。根據(jù)理論模型分析得知，當(dāng)所測定的樣品窗口5中央高度h的變化與窗口半徑a的變化之比發(fā)生變化時，涂層1將發(fā)生剝離，這時通過所測定的金剛石涂層樣品窗口5高度h的變化和相應(yīng)的壓強p便可以由計算機內(nèi)的計算程序精確定量地計算出金剛石涂層1的附著強度。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)漲鼓泡法檢測金剛石涂層附著強度的測試技術(shù)，其特征在于該測試技術(shù)包括下述測試步驟[1]制備金剛石涂層樣品窗口(5)在金剛石涂層基體(2)的背面采用化學(xué)腐蝕、顯微加工或者其它方法加工出一個窗口容腔(3)使得原先與基體接觸的涂層內(nèi)表面暴露在外，同時不損傷到金剛石涂層(1)；[2]采用縮水甘油醚類二酚基丙烷型環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑將制備好的金剛石涂層樣品窗口(5)基體環(huán)氧化固定在樣品支架(6)的頂部，而金剛石涂層樣品窗口(5)的中心則對準(zhǔn)樣品支架(6)頂部通孔的中心；[3]通過計算機控制系統(tǒng)(12)控制壓力給進(jìn)系統(tǒng)(8)對系統(tǒng)進(jìn)行加壓，步進(jìn)馬達(dá)在計算機控制系統(tǒng)(12)的驅(qū)動下推動注射泵向測量基座(9)內(nèi)孔中注入壓力油，同時記錄步進(jìn)馬達(dá)每步向測量基座(9)內(nèi)孔中注入壓力油的容積；[4]在計算機控制系統(tǒng)(12)控制壓力給進(jìn)系統(tǒng)(8)對系統(tǒng)進(jìn)行加壓的同時，通過壓力測量系統(tǒng)(7)實時測定系統(tǒng)內(nèi)壓強的變化，并通過計算機控制系統(tǒng)(12)將所采集到的測量信號通過數(shù)據(jù)線傳送、儲存在計算機中以方便后續(xù)處理。[5]在計算機控制系統(tǒng)(12)控制壓力給進(jìn)系統(tǒng)(8)對系統(tǒng)進(jìn)行加壓的同時，通過He-Ne激光干涉測量系統(tǒng)(4)實時測定金剛石涂層樣品窗口(5)中央高度的變化。通過調(diào)整支架，將He-Ne激光干涉測量系統(tǒng)(4)的激光測量器直接對準(zhǔn)樣品窗口(5)中央以測量涂層變形時的垂直位移，所獲得的測量信號通過數(shù)據(jù)線連接被輸入到信號放大器(11)中，經(jīng)放大后由計算機控制系統(tǒng)(12)將所采集到的測量信號儲存在計算機中以方便后續(xù)處理。[6]通過計算程序計算出涂層的附著強度，根據(jù)理論模型分析得知，當(dāng)所測定的樣品窗口中央高度h的變化與窗口半徑a的變化之比發(fā)生變化時，涂層將發(fā)生剝離，這時通過所測定的金剛石涂層樣品窗口高度的變化h和相應(yīng)的壓強p便可以由計算機內(nèi)的計算程序精確定量地計算出金剛石涂層的附著強度。
全文摘要
內(nèi)漲鼓泡法檢測金剛石涂層附著強度的測試技術(shù)。該測試技術(shù)首先在金剛石涂層基體的背面采用化學(xué)腐蝕、顯微加工或者其它方法加工出一個窗口容腔使得原先與基體接觸的涂層內(nèi)表面暴露在外。然后通過壓力油從窗口容腔內(nèi)對涂層施加壓強，使涂層受到均布載荷的作用而產(chǎn)生變形。再根據(jù)帕斯卡定律及板殼理論推導(dǎo)出內(nèi)漲鼓泡法測量涂層附著強度的理論模型，并將其轉(zhuǎn)化為計算程序。由此通過精確測定涂層的變形和相應(yīng)的壓強便可以定量地計算出金剛石涂層的附著強度。該測量方法不僅能精確定量測定金剛石涂層的附著強度，而且測量范圍不受基體形狀及附著強度大小的限制，可方便地用于復(fù)雜形狀基體金剛石涂層的附著強度測量，因而具有顯著的經(jīng)濟效益。
文檔編號G01N19/00GK1540309SQ20031010830
公開日2004年10月27日 申請日期2003年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月30日
發(fā)明者陳明, 孫方宏, 張志明, 簡小剛, 馬玉平, 陳 明 申請人:上海交通大學(xué)