镀覆金刚石的结构、性能及其磨具的失效机制研究

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金刚石表面包覆金属或金属化合物后,金刚石本身的力学性能及表面状态均会发生变化,通常利用金刚石金属化来改善普通金刚石与金属结合剂之间的结合状态,以避免金刚石工具服役过程中,金刚石的过早脱落及宏观破碎,并保证胎体与金刚石有较好的匹配度,保证金刚石工具的工作效率及工作寿命。本文首先选取经双阴极等离子溅射后的金刚石进行镀层表面状态及成分分析,并将其与普通镀覆金刚石进行对比;然后将镀钛、镀铬及未镀金刚石进行常规力学性能检测,并分析镀覆后金刚石力学性能与镀覆温度、镀覆材料的关系,将镀覆后的金刚石置于酸液中,进行酸蚀,观察金刚石表面镀层变化,并通过SEM进一步观察金刚石的镀层状态变化;最后将金刚石应用于Co基金属结合剂锯片中,采用两种不同工作方式评估金刚石锯片切割性能,切割完毕后,观察金刚石节块上金刚石的分布状态及金刚石与结合剂的结合状态,分析金刚石在金刚石工具服役过程中的工作形式与失效形式,进而研究镀覆金刚石对金刚石工具磨削性能的影响。  通过FIB-SEM、TEM观察了双阴极等离子溅射镀铬金刚石镀层形貌、晶粒大小、镀层生长方式及镀层元素分布,利用XPS分析了镀层表面各元素价态,结果表明经双阴极等离子溅射后金刚石表面形成了一层厚度约为500nm,晶粒尺寸约为10nm呈柱状方式生长的致密金属保护层。经元素分布及元素价态分析,除在离金刚石基底约100nm范围内可能有铬的碳化物形成外,镀层的主要组成为纯金属铬,表面层由于镀覆过程中金刚石本身的吸附氧和镀覆完成后自然氧化的原因呈现为铬的氧化物。  选取镀钛、镀铬及未镀金刚石进行常规力学性能检测,利用金刚石单颗粒静压强度测定仪和人造金刚石冲击强度测定仪检测各镀覆材料及不同镀覆温度下金刚石的抗压强度与冲击韧性。将镀覆金刚石置于稀盐酸中,观察经长时间酸蚀后金刚石表面镀层变化情况。结果表明,相对未镀金剐石,经镀钛及镀铬后,金刚石的抗压强度有不同程度提高而冲击韧性有少许降低。随着镀覆温度的提高,镀铬金刚石的抗压强度及冲击韧性均有不同程度的降低。经酸蚀后,普通镀覆金刚石镀层脱落较严重,双阴极等离子溅射镀覆金刚石镀层脱落均十分轻微。  将双阴极等离子溅射镀钛、镀铬及未镀金刚石应用于Co基金属结合剂中,经混合、预压、真空热压烧结、焊接后制成规格直径分别为115mm和350mm的圆锯片,在恒定牵引力,恒定切割长度及恒定切割厚度的条件下,记录单次切割时间,计算出各圆锯片的切割速度,以评定各锯片的锋利度;在恒定切割速度,恒定切割厚度及恒定切割面积条件下,测量圆锯片的磨损量,计算出锯片的理论切割寿命。观察金刚石锯片端面上金刚石的分布状态及节块断面上金刚石与结合剂的结合状态。结果表明,较未镀覆金刚石,经双阴极等离子溅射后,镀覆金刚石锯片的锋利度和切割寿命分别有200%和20%的提高,断面上镀覆金刚石与结合剂之间结合紧密呈化学键和状态,未发现明显间隙,未镀金刚石与结合剂之间呈机械啮合状态,结合面存在较大间隙。端面上镀覆金刚石主要呈现状态为微破碎及出刃,脱落坑的深度很小;未镀金刚石锯片节块上的宏观破碎及深度大的脱落坑占较大比例,间接解释了未镀金刚石锯片较低的锋利度与服役寿命的原因。
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