专利名称：内涨鼓泡法检测金刚石涂层附着强度的测试技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种定量检测各种形状硬质合金刀具基体上金刚石涂层附着强度的测试技术，特别是一种采用内涨鼓泡法精确定量检测金刚石涂层附着强度的测试技术，属于机械切削涂层刀具涂层性能检测技术领域。
背景技术：
金刚石因具有高硬度、高导热系数、低摩擦系数、低热膨胀系数、和化学稳定性好等优异性能而成为理想的工具材料，在金刚石涂层切削刀具领域得到了广泛的应用，但目前仍未实现规模化生产。其主要原因之一是关于金刚石涂层内在质量(主要是力学性能)评价缺乏统一标准。已有技术中，包括压痕测试法、垂直拉伸法和刮剥式测量法等。其中压痕测试法是一种应用最广、操作简单、结果较为直观的定性测量方法，它把一个硬压头(一般为天然金刚石单晶压头)以一已知的负载压入材料中，然后再测量由此在材料中残留的压痕面积或深度，压头的压入会产生一个半球状塑性区，把材料向外挤出并在涂层的周围产生压应力，假如涂层将会发生起泡、剥离及从基体向上弯曲等现象，则这些压应力能够得到释放，该方法只能定性地比较涂层附着力的大小。而垂直拉伸法则可以较直观地给出化学气相沉积(CVD)金刚石涂层的附着力，它采用一对拉伸杆分别同心地与金刚石涂层表面及基体背面用环氧树脂粘结牢固，测量用来拉离粘贴在基体上涂层所需的应力以确定金刚石涂层附着力的一种方法，测试的结果受所加应力的角度变化和粘结胶的厚度影响大，而且，测试的范围也受粘结胶的粘结强度所限制。刮剥式测量法则是使用特制的刮剥刀具，以与刮削相类似的加载方式将涂层沿涂层/基体界面从基体上剥离下来，并以剥离涂层过程中所消耗的能量作为涂层/基体间附着强度量度的测量方法。由此可以看出，上述方法都是定性、间接地描述涂层的附着力，测试范围受附着强度大小、基体形状等因素限制，相互之间缺乏可比性。因此，要使金刚石涂层材料真正应用到刀具领域并实现产业化生产，必须要有完善的对金刚石涂层附着强度进行直接定量检测的技术来作保证。

发明内容
为了克服现有的金刚石涂层附着强度检测方法不能进行精确定量检测及受基体形状限制等诸多不足，本发明提供一种内涨鼓泡测量方法，该测量方法不仅能精确定量测定金刚石涂层的附着强度，而且不受基体形状的限制，可方便地用于复杂形状基体金刚石涂层的附着强度测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是在金刚石涂层基体的背面采用化学腐蚀、显微加工或者其它方法加工出一个窗口容腔使得原先与基体接触的涂层内表面暴露在外，同时不损伤到金刚石涂层，然后在原先与基体接触的涂层内表面上施加液压或者气压，使金刚石涂层受到均布载荷的作用而产生变形，根据帕斯卡定律及板壳理论推导出内涨鼓泡法测量涂层附着强度的理论模型，见公式(1)和公式(2)所示，其中h为在窗口中央的垂直位移(气泡的高度)；a为窗口半径；p为压强；k1、k2为计算系数；kv是容积系数；Gc是定量描述金刚石涂层附着强度的临界裂纹扩张应力；V是容腔内压力油体积。借助Matlab等应用软件可以将这个计算模型转化成计算程序。通过计算机编程，编制内涨鼓泡测量计算机控制系统软件，并将其安装在计算机中以便在实验过程中完成对整个测量环节的控制和实验数据的采集、储存及分析。从公式(1)可以知道乘积ph是仅关于(h/a)2的函数。因此，能量释放率Gc是一个关于(h/a)2的函数。这意味着假如在实验中遇到的临界裂纹扩展应力Gc保持不变，则h/a也不变，气泡的断面在其增长时仍保持自相似。因而在(h/a)发生变化的瞬时，涂层将会发生剥离，这时通过He-Ne激光干涉测量系统精确测量窗口中央的垂直位移h和压力测量系统测出相应的压强p，便可以得到金刚石涂层所受载荷与其变形间的关系，再由容积方程式(3)计算得到窗口半径a，然后再根据方程式(2)便可以精确定量地计算出金刚石涂层的附着强度。
h·p(h)=k1(ha)2+k2(ha)4---(1)]]>Gc=4k1+5k2(ha)24(k1+k2(ha)2)·kVπph---(2)]]>V＝kva2h (3)本发明的有益效果是，可以精确定量地检测到金刚石涂层的附着强度，并且测量范围不受基体形状及附着强度大小的限制，具有显著的经济效益。


图1是样品窗口在内涨鼓泡测量过程中产生弹塑性变形示意图。
图2是本发明的内涨鼓泡测量系统示意图。
图中1是金刚石涂层，2是涂层基体，3是加工出的窗口容腔，4是He-Ne激光干涉测量系统，5是金刚石涂层样品窗口，6是样品支架，7是压力测量系统，8是压力给进系统，9是测量基座，10是卸荷阀，11是信号放大器，12是计算机控制系统。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的描述。如图1、图2所示，本发明的具体实施可按以下步骤进行第一步根据本项发明的技术原理，研制了一整套的内涨鼓泡测量系统，它主要包括测量基座9、He-Ne激光干涉测量系统4、压力测量系统7和压力给进系统8，其中He-Ne激光干涉测量系统4、压力测量系统7和压力给进系统8可采用市场上已有出售的产品以降低整个系统的成本，缩短产品开发周期。测量基座9是用有机玻璃块制作的边长为7cm的立方体平台，在立方体四个面的中心开有四个孔，四个孔的底部互相连通，其中顶面的一个孔与样品支架6通过螺纹连接，样品支架6是采用沿中心轴线开通孔的无变形钢螺栓加工而成。与顶面孔对应的底面孔则与卸荷阀10相连接，卸荷阀10通过螺纹连接直接旋入到测量基座9中，旋入到有机玻璃块内的螺栓末端用O型密封圈进行密封。测量基座9左面孔出口与压力测量系统7相连，压力测量系统7主要由压力传感器和数据采集及传送部件组成，其中压力传感器通过螺纹连接直接旋入到测量基座9中，联接螺纹采用聚四氟乙烯生料带进行密封，所采集的测量信号通过数据线连接被传送到计算机控制系统12中。测量基座9右面孔出口与压力给进系统相8连接，压力给进系统8是由注射泵和步进马达组成，步进马达的驱动信号线与计算机控制系统12相连接，由此可以通过计算机来控制步进马达的转动，从而推动注射泵向测量基座9内孔中注入压力油以实现对系统加压的控制。
第二步制备金刚石涂层样品窗口5，在金刚石涂层基体2的背面采用化学腐蚀、显微加工或者其它方法加工出一个窗口容腔3使得原先与基体接触的涂层内表面暴露在外，同时不损伤到金刚石涂层1。
第三步采用缩水甘油醚类二酚基丙烷型环氧树脂粘结剂将制备好的金刚石涂层样品窗口5环氧化固定在样品支架6的顶部，这样涂层基体2将被牢牢地粘贴在样品支架6的顶部，而金刚石涂层样品窗口5的中心则对准样品支架6顶部通孔的中心。
第四步通过计算机控制系统12控制压力给进系统8对系统进行加压，步进马达在计算机控制系统12的驱动下推动注射泵向测量基座9内孔中注入压力油，同时记录步进马达每步所输出的压力油的容积以测定样品窗口5半径a的变化。这时金刚石涂层1在压力油内压力作用下发生弹塑性变形，da的一个微小增量能有效的提高窗口的半径dh。半径的增大引起了涂层内应力和变形涂层的总面积的增加，因此涂层的变形能也增加。由受压液体挤压涂层所作的功比起涂层内应变能的增加更大。这两个量之差，可以表示为能量释放率G，它可以表示能够有效地剥离涂层所需要的能量。仅当G等于或大于把涂层从基体剥离时每单位面积上所消耗的能量时，涂层才会发生剥离，而这个每单位面积上所消耗的能量可记作为临界裂纹扩张应力(Gc)，它包括界面的化学键能和在界面裂纹尖端附近发生弹塑性变形所消耗的额外能量。用它即可精确定量地描述金刚石涂层的附着强度。
第五步在计算机控制系统12控制压力给进系统8对系统进行加压的同时，通过压力测量系统7实时测定系统内压强p的变化，并且通过计算机控制系统12将所采集到的测量信号通过数据线传送、储存在计算机中以方便后续处理。
第六步在计算机控制系统12控制压力给进系统8对系统进行加压的同时，通过He-Ne激光干涉测量系统4实时测定金刚石涂层样品窗口5中央高度h的变化。通过调整支架，将He-Ne激光干涉测量系统4的激光测量器直接对准样品窗口5中央以测量涂层变形时的垂直位移，所获得的测量信号通过数据线连接被输入到信号放大器11中，经放大后由计算机控制系统12将所采集到的测量信号储存在计算机中以方便后续处理。
第七步通过计算程序计算出涂层1的附着强度。根据理论模型分析得知，当所测定的样品窗口5中央高度h的变化与窗口半径a的变化之比发生变化时，涂层1将发生剥离，这时通过所测定的金刚石涂层样品窗口5高度h的变化和相应的压强p便可以由计算机内的计算程序精确定量地计算出金刚石涂层1的附着强度。
权利要求
1.一种内涨鼓泡法检测金刚石涂层附着强度的测试技术，其特征在于该测试技术包括下述测试步骤[1]制备金刚石涂层样品窗口(5)在金刚石涂层基体(2)的背面采用化学腐蚀、显微加工或者其它方法加工出一个窗口容腔(3)使得原先与基体接触的涂层内表面暴露在外，同时不损伤到金刚石涂层(1)；[2]采用缩水甘油醚类二酚基丙烷型环氧树脂粘结剂将制备好的金刚石涂层样品窗口(5)基体环氧化固定在样品支架(6)的顶部，而金刚石涂层样品窗口(5)的中心则对准样品支架(6)顶部通孔的中心；[3]通过计算机控制系统(12)控制压力给进系统(8)对系统进行加压，步进马达在计算机控制系统(12)的驱动下推动注射泵向测量基座(9)内孔中注入压力油，同时记录步进马达每步向测量基座(9)内孔中注入压力油的容积；[4]在计算机控制系统(12)控制压力给进系统(8)对系统进行加压的同时，通过压力测量系统(7)实时测定系统内压强的变化，并通过计算机控制系统(12)将所采集到的测量信号通过数据线传送、储存在计算机中以方便后续处理。[5]在计算机控制系统(12)控制压力给进系统(8)对系统进行加压的同时，通过He-Ne激光干涉测量系统(4)实时测定金刚石涂层样品窗口(5)中央高度的变化。通过调整支架，将He-Ne激光干涉测量系统(4)的激光测量器直接对准样品窗口(5)中央以测量涂层变形时的垂直位移，所获得的测量信号通过数据线连接被输入到信号放大器(11)中，经放大后由计算机控制系统(12)将所采集到的测量信号储存在计算机中以方便后续处理。[6]通过计算程序计算出涂层的附着强度，根据理论模型分析得知，当所测定的样品窗口中央高度h的变化与窗口半径a的变化之比发生变化时，涂层将发生剥离，这时通过所测定的金刚石涂层样品窗口高度的变化h和相应的压强p便可以由计算机内的计算程序精确定量地计算出金刚石涂层的附着强度。
全文摘要
内涨鼓泡法检测金刚石涂层附着强度的测试技术。该测试技术首先在金刚石涂层基体的背面采用化学腐蚀、显微加工或者其它方法加工出一个窗口容腔使得原先与基体接触的涂层内表面暴露在外。然后通过压力油从窗口容腔内对涂层施加压强，使涂层受到均布载荷的作用而产生变形。再根据帕斯卡定律及板壳理论推导出内涨鼓泡法测量涂层附着强度的理论模型，并将其转化为计算程序。由此通过精确测定涂层的变形和相应的压强便可以定量地计算出金刚石涂层的附着强度。该测量方法不仅能精确定量测定金刚石涂层的附着强度，而且测量范围不受基体形状及附着强度大小的限制，可方便地用于复杂形状基体金刚石涂层的附着强度测量，因而具有显著的经济效益。
文档编号G01N19/00GK1540309SQ20031010830
公开日2004年10月27日 申请日期2003年10月30日 优先权日2003年10月30日
发明者陈明, 孙方宏, 张志明, 简小刚, 马玉平, 陈 明 申请人:上海交通大学