CN1540310A - 内涨鼓泡法检测金刚石涂层附着强度的测量装置 - Google Patents
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Abstract
内涨鼓泡法检测金刚石涂层附着强度的测量装置主要包括测量基座，He－Ne激光干涉测量系统，压力给进系统，压力测量系统。测量基座是四孔底部相连、边长为7cm的立方体有机玻璃块平台，四孔出口分别与样品支架、压力测量系统、压力给进系统和卸荷阀相连接。采用无变形钢螺栓制作样品支架，采用“嵌入式”连接压力测量系统，采用OFV－3000光纤激光振动仪作为He－Ne激光干涉测量系统，采用注射泵作为压力给进系统加压机构，采用卸荷阀对系统压力进行调整。该测量装置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。
Description
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量装置，特别是一种采用内涨鼓泡法检测金刚石涂层附着强度的测量装置，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。在已有测量方法中，包括压痕测试方法、垂直拉伸方法和刮剥式测量方法等。其中压痕测试方法是一种应用最广、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。而垂直拉伸方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。刮剥式测量方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、间接地测量涂层的附着力，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及相应装置来作保证。
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，本发明提供一种与内涨鼓泡法检测金刚石涂层附着强度测试技术相对应的内涨鼓泡测量装置，该测量装置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。
本发明装置主要包括测量基座，He-Ne激光干涉测量系统，压力给进系统，压力测量系统。测量基座是用有机玻璃块加工成边长为7cm的立方体平台，在立方体四个面的中心开有四个孔，四个孔的底部相互连通。为了便于连接，其中有三个孔被再加工成螺纹孔。顶面螺纹孔通过螺纹连接与样品支架相连接。样品支架是沿着中心轴向下加工出一个通孔的无变形钢螺栓，螺栓中心通孔可以使压力油流过对样品进行加压，而样品窗口则被环氧化在样品支架的顶面。样品支架螺栓末端用O型密封圈进行密封。压力测量系统中的压力传感器通过螺纹连接直接旋入到测量基座左面螺纹孔中，联接螺纹采用生料带进行密封。压力给进系统是由注射泵和步进马达组成，而注射泵则是由密封套管和压力推进杆组成，注射泵通过压盖和紧固螺钉被固定在测量基座右面孔中，并采用O型密封圈进行密封。系统的加压可直接由注射泵活塞的运动来控制，采用真空泵油作为压力油，注射泵的活塞被粘贴在压力推进杆上由步进马达来推动，采用计算机来控制步进马达的转动。卸荷阀通过螺纹连接直接旋入到测量基座底面螺纹孔中，螺栓末端用O型密封圈进行密封。此外，通过调整支架，将He-Ne激光干涉测量系统的激光测量器直接对准样品窗口中央以测量涂层变形时的垂直位移，测量信号通过信号放大器放大后由数据采集卡输入到计算机控制系统中。通过测量结果分析可以精确定量地得到金刚石涂层的附着强度大小。
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，可方便地用于复杂形状基体金刚石涂层的附着强度测量。本发明装置操作简单，使用方便，使用范围广，因而具有显著的经济效益。
附图说明
图1是本发明的测量装置示意图。
图2是内涨鼓泡测量基座半剖面结构示意图。
图中1是He-Ne激光干涉测量系统，2是金刚石涂层样品窗口，3是样品支架，4是压力测量系统，5是压力给进系统，6是测量基座，7是卸荷阀，8是信号放大器，9是计算机控制系统，10压力传感器，11～13是密封圈，14是压盖，15是紧固螺钉，16是密封套管，17是压力推进杆。
具体实施方式
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，本发明装置主要包括测量基座6、He-Ne激光干涉测量系统1、样品支架3、压力测量系统4、压力给进系统5、卸荷阀7、信号放大器8和计算机控制系统9。测量基座6是由有机玻璃块加工成边长为7cm的立方体平台，在立方体四个面的中心开有四个孔，四个孔的底部相互连通，孔的直径为2mm。为了便于连接，其中顶面、底面和左面的三个孔的出口处加工成螺纹孔。样品支架3通过螺纹连接直接旋入到测量基座6的顶面螺纹孔中，旋入到有机玻璃块内的样品支架3螺栓末端用O型密封圈11进行密封。压力测量系统4中的压力传感器10通过螺纹连接直接旋入到测量基座6左面螺纹孔中，联接螺纹采用聚四氟乙烯生料带进行密封，压力测量系统4的信号输出端与计算机控制系统9电连接，所采集的测量信号可通过数据线传送到计算机控制系统9中。压力给进系统5是由注射泵和步进马达组成，而注射泵则是由密封套管16和压力推进杆17组成，注射泵通过压盖14和四个紧固螺钉15被固定在测量基座6右面开孔中，并采用O型密封圈13进行密封，步进马达的驱动信号线与计算机控制系统9相连接，由此可由计算机来控制步进马达的转动，而步进马达的转动将带动注射泵压力推进杆17移动，在注射泵压力推进杆17的推动作用下，注射泵内的压力油不断地被压入到测量基座6的内孔中，从而实现对系统加压给进。卸荷阀7通过螺纹连接直接旋入到测量基座6底面螺纹孔中，旋入到有机玻璃块内的螺栓末端用O型密封圈12进行密封。
样品支架3是沿着中心轴向下加工出一个通孔的无变形钢螺栓，螺栓中心通孔可以使压力油流过对样品进行加压，选择无变形钢螺栓是为了防止金刚石涂层基体在样品支架3螺栓被拧紧旋入到有机玻璃块内时发生变形。
He-Ne激光干涉测量系统1采用市场已有出售的OFV-3000光纤激光振动仪测量系统，测量时通过调整支架，将激光测量器直接对准金刚石涂层样品窗口2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到信号放大器8，经放大后由数据采集卡输入到计算机控制系统9中，系统测量位移精度可以达到0.3101μm。
压力测量系统4采用“嵌入式”连接，直接将压力传感器10旋入到测量基座6左面的螺纹孔中，这样使得传感器暴露给压力油的面积最小，从而减小了与压力油的接触面积，且没有压痕或内孔，使其无法收藏空气，因而保证了系统的整体刚性。压力测量系统4采用了北京鸿基点科技发展有限公司的AK-1型应变式脉动压力传感测量系统。
压力给进系统5是由注射泵和步进马达组成，而注射泵则是由密封套管16和压力推进杆17组成，系统的加压可直接由注射泵活塞的运动来控制。注射泵的活塞被粘贴在压力推进杆17上由步进马达来推动。注射泵的推动位移精度可达5×10-5英寸(1.27μm)，是由步进马达的步长和压力推进杆17的传动所决定的，每步所输出的压力油的容积由注射泵的尺寸所决定，采用计算机控制系统9来控制步进马达的移动。采用真空泵油作为压力油。压力给进系统5采用三和通商株式会社的3001SZWB2压力给进系统。
卸荷阀6采用SMC公司的两通手动阀，其型号为VHK2-06F-M5，阀门的中间为手柄，可以手动控制其接通和断开。
在使用本发明装置进行测量时，首先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2的涂层基体环氧化固定在样品支架3的顶面，并使样品窗口2的中心与样品支架3顶部通孔的中心相重合。通过计算机控制系统9控制压力给进系统5对系统进行加压，步进马达在计算机控制系统9的驱动下推动注射泵向测量基座6内孔中注入压力油，同时记录步进马达每步向测量基座6内孔中注入压力油的容积。与此同时，通过压力测量系统4和He-Ne激光干涉测量系统1实时测定系统内压强和样品窗口2中央高度的变化，并通过计算机控制系统9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数据处理。根据理论模型分析得知，当所测定的样品窗口2中央高度的变化与窗口半径的变化之比发生变化时，涂层将发生剥离，这时通过所测定的样品窗口2高度的变化和相应的压强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。
Claims (3)
1.一种内涨鼓泡法检测金刚石涂层附着强度的测量装置，其特征在于该测量装置包括：测量基座(6)、He-Ne激光干涉测量系统(1)、样品支架(3)、压力测量系统(4)、压力给进系统(5)、卸荷阀(7)、信号放大器(8)和计算机控制系统(9)，测量基座(6)是由有机玻璃块加工成边长为7cm的立方体平台，在立方体四个面的中心开有四个孔，四个孔的底部相互连通，孔的直径为2mm，其中顶面、底面和左面的三个孔出口处加工成螺纹孔；样品支架(3)通过螺纹连接直接旋入到测量基座(6)的顶面螺纹孔中，旋入到有机玻璃块内的样品支架(3)螺栓末端用O型密封圈(11)进行密封；压力测量系统(4)中的压力传感器(10)通过螺纹连接直接旋入到测量基座(6)左面螺纹孔中，联接螺纹采用聚四氟乙烯生料带进行密封，压力测量系统(4)的信号输出端与计算机控制系统(9)电连接；压力给进系统(5)是由注射泵和步进马达组成，而注射泵则是由密封套管(16)和压力推进杆(17)组成，注射泵通过压盖(14)和4个紧固螺钉(15)被固定在测量基座(6)右面孔中，并采用O型密封圈(13)进行密封，步进马达的驱动信号线与计算机控制系统(9)相连接；卸荷阀(7)通过螺纹连接直接旋入到测量基座(6)底面螺纹孔中，旋入到有机玻璃块内的螺栓末端用O型密封圈(12)进行密封；He-Ne激光干涉测量系统(1)的信号输出端与信号放大器(8)电连接，信号放大器(8)与计算机控制系统(9)电连接。
2.根据权利要求1所述的内涨鼓泡法检测金刚石涂层附着强度的测量装置，其特征还在于：样品支架(3)是沿着中心轴向下加工出一个通孔的无变形钢螺栓。
3.根据权利要求1所述的内涨鼓泡法检测金刚石涂层附着强度的测量装置，其特征还在于：He-Ne激光干涉测量系统(1)采用OFV-3000光纤激光振动仪测量系统，通过调整支架，将激光测量器直接对准金刚石涂层样品窗口(2)中央；压力测量系统(4)采用AK-1型应变式脉动压力传感测量系统；采用真空泵油作为压力油；压力给进系统(5)采用型号为3001SZWB2压力给进系统；卸荷阀(6)采用型号为VHK2-06F-M5两通手动阀。
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