金刚石与磨料磨具工程

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MPCVD金刚石的制备与应用研究进展

马志斌

2021, 41(1): 1-4.

摘要(223)

PDF 2342KB(40)

摘要:

基于孕镶金刚石颗粒的硬质合金基底的预固晶预处理新方法

简小刚, 马千里, 唐金垚, 胡吉博

2021, 41(1): 5-11. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0001

摘要(392)

PDF 4948KB(16)

摘要:
为进一步提高孕镶金刚石颗粒的硬质合金基底上金刚石涂层的质量，提出了“预固晶”预处理新方法，即对基底附着钛粉后引晶，并通过微波进行预结合处理。借助SEM电镜、拉曼光谱分析、压痕试验等对比该方法与常规方法所制备的金刚石涂层质量及其结合性能。结果表明：预固晶预处理后，低温下金刚石形核密度较常规预处理的提高约1.5倍，涂层的均匀性和平整性明显提高；借助拉曼光谱分析可见，金刚石纯度指标及结晶度指标改善约30%，涂层内应力降低一半以上；压痕对比试验证明其结合强度得到了一定程度改善。

沉积气压对金刚石膜微米纳米结构转变的影响

范冰庆, 王传新, 徐远钊, 黄凯

2021, 41(1): 12-16. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0002

摘要(357)

PDF 2995KB(30)

摘要:
利用热丝化学气相沉积(HFCVD)装置研究不同气压下氩气体积分数对金刚石膜晶粒尺寸的影响，并对不同气压下其微米纳米尺寸转变的临界值进行分析，同时用SEM以及拉曼光谱对沉积的金刚石膜进行分析。结果表明：随着氩气体积分数的增大，金刚石膜的晶粒会越来越小，但不同气压下金刚石膜从微米转变成纳米级别所需要的氩气体积分数不一样；在2.0～0.5 kPa范围内，随着气压的降低，转变所需的氩气体积分数逐步降低，从2.0 kPa时需要60.0%，到1.5 kPa时需要52.5%，再到1.0 kPa时需要32.5%降至0.5 kPa时仅需20.0%。在临界点得到的金刚石膜的质量与内应力也不相同，随着气压降低，膜的质量提高，内应力增大。

钨表面激光处理对金刚石膜附着力的影响

黄逸豪, 马志斌

2021, 41(1): 17-20. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0003

摘要(307)

PDF 2471KB(14)

摘要:
利用微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)，在CH₄/H₂体系下沉积金刚石膜，通过发射光谱仪测量等离子体参数，结合Raman光谱仪测量金刚石膜的内应力, 用SEM测试金刚石膜的表面以及断面形貌，通过热震试验来探究钨表面激光处理对金刚石膜附着力的影响。结果表明：钨片表面激光处理能释放金刚石膜的应力，增强钨片与金刚石膜的附着力；在确保钨与金刚石膜附着力得到极大提高与钨片表面损伤尽量小的前提下，钨片表面切割深度在0.035 mm时较合适。

用于六面顶压机的2种叶蜡石成分及传压性能对比

江明全, 王义鹏, 杨功章, 贺端威

2021, 41(1): 21-26. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0004

摘要(316)

PDF 3879KB(24)

摘要:
分别对产自南非和中国的2种叶蜡石原矿和粉压块进行扫描电镜能谱(EDS)及X射线粉末衍射(XRD)分析，得出其主要化学成分和物相组成，并用Bi、Tl、 Ba 3种物质的高压相变来原位标定合成腔体的压力。结果表明：南非叶蜡石原矿是伊利石型叶蜡石，国内叶蜡石原矿是水铝石型叶蜡石；900 ℃处理后的南非叶蜡石原矿中SiO₂质量分数比国内叶蜡石的高约4.50%，且2种叶蜡石粉压块的压力发生效率基本相同。在Bi、Tl、Ba压力标定试验中，在10～50 MPa油压下用南非叶蜡石块为介质的压机右、前、上各缸前进位移比用国内叶蜡石块为介质的大约0.33 mm；在20～50 MPa油压下，试验前后的南非叶蜡石原矿及粉压块的密度较国内叶蜡石原矿及粉压块的低0.055～0.081 g/cm³。对南非叶蜡石粉压块制备方案进行优化，使其达到目前广泛使用的国内叶蜡石粉压块相同的密度，可替代国内叶蜡石粉压块使用。

新型组装方式烧结纯PcBN材料

邓福铭, 王浩, 宋美娇, 王涵, 杨幸, 张鹏

2021, 41(1): 27-31. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0005

摘要(378)

PDF 3247KB(14)

摘要:
为降低合成纯PcBN的温度和压力条件，改进合成腔体内的组装方式：使用横截面积更小的高导电型石墨管，采用双加热管设计和填充大尺寸的白云石。采用新型组装方式，在高温超高压条件下用粒度尺寸为10 μm的cBN的微粉合成出纯聚晶立方氮化硼(PcBN)烧结体。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对烧结体的微观形貌和物相进行分析，同时测试烧结体的致密性、显微硬度以及抗压强度。结果表明：采用新型组装方式可在相对较低的烧结温度下得到性能良好的纯PcBN样品。在压力为7.5 GPa，温度为1 700 ℃下烧结得到的纯PcBN的组织结构致密度最好，其硬度达到了3 992.7 Hv，高于传统PcBN材料的硬度，且样品中形成大量的cBN-cBN颗粒间键合，有效提升了烧结体的综合性能。

Ni-Cr合金钎焊镀W金刚石的微观结构分析

苏仕超, 肖冰, 王树义, 王君临, 肖鸿志

2021, 41(1): 32-37. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0006

摘要(474)

PDF 4245KB(16)

摘要:
在1 030 ℃、保温20 min的真空条件下，空烧镀W金刚石及用Ni-Cr合金粉末钎焊镀W金刚石。用X射线衍射仪分析镀W金刚石空烧前后镀层物相的变化，用扫描电镜和能谱仪综合分析金刚石界面微观结构、新生物相和形貌以及元素分布特征。结果表明：镀W金刚石的镀层物相由空烧前的W₂C和单质W转变为空烧后的大量WC和少量W₂C，且镀层未脱落。镀W金刚石钎焊后，其镀层和钎料中有少量的NiW相生成，在镀W金刚石/Ni-Cr合金界面处有柱状Cr₇C₃生成，在钢基体/Ni-Cr合金界面处有铬基金属间化合物生成。

SLS和FDMS制造超薄金刚石锯片对比研究

张绍和, 苏舟, 刘磊磊, 孔祥旺, 何焘

2021, 41(1): 38-43. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0007

摘要(339)

PDF 3465KB(26)

摘要:
提出了一种使用增材技术制造金刚石工具的新思路，即使用熔融沉积成型烧结(FDMS)工艺来制造超薄金刚石锯片。详细介绍了选择性激光烧结(SLS)工艺和FDMS工艺在超薄金刚石锯片制造中的应用，并从主要设备仪器、工艺原理、工艺步骤以及成型材料、成本与生产应用等角度，对2种工艺进行比对。研究发现：在选择合适材料的条件下，2种工艺均能够制造出精度极高、性能优良的金刚石超薄片。SLS工艺具有能耗较高、成本昂贵，工艺简洁、一次成品等特点，适合于超薄金刚石锯片的研发等用途；FDMS工艺环节较多，且每个环节需单独优化参数，工艺流程较烦琐，但其便于批量生产性能一致的产品。FDMS工艺所制试样能够具备与传统粉末热压烧结试样相近的物理力学性能，但仍有一定的优化空间。

CVD金刚石刀具微铣削AA356铝合金的磨损分析

张亚博, 白清顺, 何欣, 庆凌博, 岳松洁, 刘新

2021, 41(1): 44-50. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0008

摘要(432)

PDF 4208KB(20)

摘要:
AA356铝合金已广泛应用于航空航天等领域，但其在微细加工过程中刀具磨损严重且相关机理尚不明晰。为揭示工艺参数对CVD金刚石刀具微铣削AA356铝合金的刀具磨损影响机制，基于正交试验和响应曲面法开展了微细加工试验，采用最小二乘法和粒子群优化算法建立刀具磨损的预测方程，分析刀具的磨损形貌和切削用量对刀具磨损的影响规律。结果表明：刀具磨损主要源于复杂切削载荷引起的涂层脱落和粘接磨损；刀具磨损的主要影响因素是轴向切削深度，其次是进给速度，最后是主轴转速；主轴转速和进给速度对刀具磨损的影响存在较强的交互耦合作用。

单颗磨粒划擦SiC_f/SiC陶瓷基复合材料的试验研究

周雯雯, 王建青, 赵晶, 刘瑶

2021, 41(1): 51-57. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0009

摘要(478)

PDF 5153KB(32)

摘要:
为研究SiC纤维(SiC_f)增强SiC陶瓷基复合材料(SiC_f/SiC)的磨削损伤机理，搭建试验平台开展单颗磨粒划擦试验，测量划擦力并观察其表面损伤形式，研究磨粒形状、划痕深度和SiC_f取向对复合材料磨削机理的影响。试验结果表明：SiC_f/SiC陶瓷基复合材料的划擦损伤形式主要有基体崩碎、纤维裂纹、断裂和拔出等。在SiC_f/SiC陶瓷基复合材料划擦过程中，尖锐状磨粒的划擦力更小，且整条划痕的表面损伤范围较扁平状磨粒的小。用扁平状磨粒划擦但纤维取向γ= 0°时，划痕形貌中纤维断裂、纤维拔出等损伤形式出现较少。

超声振动螺线磨削砂轮表面的功率谱密度分析

王秋燕, 梁志强, 白硕玮, 吴勇波, 贾顺

2021, 41(1): 58-64. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0010

摘要(359)

PDF 5424KB(25)

摘要:
超声振动螺线磨削过程中，砂轮表面微观形貌的变化复杂。为准确表征其特征，采用功率谱密度分析方法，将砂轮表面的微观结构分解为不同频率、振幅和相位的谐波，对比分析不同磨削行程时普通磨削和超声振动螺线磨削砂轮表面的磨损行为。结果表明：砂轮表面功率谱密度曲线的斜率k随着磨削行程的增大而逐渐减小，即k越小砂轮表面磨损越严重。其中，在早中期磨削阶段(行程不超过60次)，超声砂轮表面的斜率k明显大于普通砂轮表面的，而在中后期超声砂轮表面的斜率k下降的速率显著高于普通砂轮表面的，该变化趋势揭示了2种磨削方式下砂轮表面有效磨粒数和砂轮堵塞的变化规律。进一步分析发现磨粒磨平和脱落使得磨粒功率谱密度占比减小，砂轮堵塞使得功率谱密度曲线的总体能量值增大。在早中期磨损阶段，超声振动螺线磨削砂轮表面的有效磨粒数多于普通磨削砂轮表面的，而在中后期其砂轮堵塞情况比普通磨削砂轮的更显著。

18CrNiMo7-6钢高速外圆磨削残余应力和硬度的试验分析

张银霞, 原少帅, 王子乐, 杨鑫, 郜伟

2021, 41(1): 65-70. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0011

摘要(387)

PDF 3205KB(12)

摘要:
针对18CrNiMo7-6渗碳钢工件，以砂轮线速度v_s、工件转速n_w、砂轮径向进给速度v_fr和砂轮CBN磨料粒度为变量设计单因素试验，分别采用X射线残余应力分析仪和显微硬度计对工件的表面残余应力和硬度进行检测。结果表明：高速外圆磨削可为18CrNiMo7-6渗碳钢工件的表面引入残余压应力，X方向的压应力小于Y方向的压应力，同时高速外圆磨削可以提高工件表面的硬度；随着v_s的增大，残余压应力先增大后趋于平稳，硬度先减小后增大且在v_s为75 m/s时最小；随着n_w的增大，工件表面残余压应力和硬度的变化不具单调性；v_fr对工件表面残余压应力和硬度的影响较大，线性拟合后残余压应力和硬度整体上均呈减小趋势；不同CBN磨料粒度砂轮磨削在工件表面产生残余压应力和硬度的大小依次为M10/20最大，120/140次之，230/270最小；18CrNiMo7-6钢表面存在拉应力时硬度较低，表面存在压应力时硬度较高。

基于动态惯性权重粒子群算法的磨削低能耗加工方法

张昆, 田业冰, 丛建臣, 刘俨后, 闫宁, 鲁涛

2021, 41(1): 71-75. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0012

摘要(291)

PDF 2872KB(12)

摘要:
利用三层误差反向传播(back propagation, BP)神经网络建立磨削能耗预测模型，以砂轮线速度、进给速度和磨削深度为影响因素设计125组全因子试验，并取其中的75组试验数据作为该预测模型的训练样本与测试样本。采用动态惯性权重改进粒子群算法(adaption particle swarm optimization, APSO)，以BP神经网络的预测作为适应度函数，以最小能耗为目标进行迭代寻优获取最优工艺参数。结果表明：模型预测结果较为准确，采用优化后的工艺参数能够有效降低磨削能耗。

基于机器视觉的滚抛磨块缺陷检测方法

贾坡, 田建艳, 杨英波, 彭宏丽, 杨胜强

2021, 41(1): 76-82. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0013

摘要(385)

PDF 3868KB(15)

摘要:
为检测烧结型球状滚抛磨块的圆度和黑心缺陷，提出基于机器视觉的滚抛磨块缺陷检测方法。首先利用单片机、步进电机、采样圆盘、数字显微镜和上位机搭建磨块图像采集系统，实现磨块图像的连续采集；后利用图像灰度化、阈值分割、形态学处理提取磨块区域和黑心缺陷区域；再计算磨块区域的圆度和黑心缺陷尺寸；最后通过磨块缺陷检测试验确定磨块缺陷的检测阈值。结果表明：该方法能够对烧结型球状磨块的圆度和黑心缺陷进行数字化检测，分析磨块制备过程中存在的问题，为磨块制备方法改进提供反馈依据。

1, 2, 4-三氮唑和苯并三氮唑对316L不锈钢化学机械抛光的影响

王浩, 陈国美, 倪自丰, 钱善华, 卞达, 赵永武

2021, 41(1): 83-88. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0014

摘要(670)

PDF 2995KB(21)

摘要:
为探究1, 2, 4-三氮唑(TAZ)和苯并三氮唑(BTA)对316L不锈钢化学机械抛光(CMP)的影响及作用机理，在酸性条件下使用TAZ或BTA为缓蚀剂化学机械抛光316L不锈钢，用白光干涉仪观测316L不锈钢抛光后的表面质量，用红外光谱仪表征缓蚀剂的结构，用接触角测量仪检测抛光表面钝化膜的疏水性能，并用电化学工作站分析缓蚀剂的抑制效果和类型。结果表明：不锈钢材料去除率随TAZ或BTA含量的增大而减小。当TAZ浓度为3 mmol/L时，不锈钢表面粗糙度最低，为2.64 nm；BTA浓度为2 mmol/L时，不锈钢表面粗糙度最低，为2.53 nm。两者都含有含N官能团，都会增大316L不锈钢表面所生成钝化膜的疏水性并减小腐蚀电流密度，但使用TAZ时生产的保护膜更弱。且2种缓蚀剂均为阳极抑制型缓蚀剂。

磨粒半径对金刚石研磨加工影响机制的仿真研究

张桐齐, 岳晓斌, 雷大江, 杨宁

2021, 41(1): 89-94. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0015

摘要(551)

PDF 4880KB(39)

摘要:
为解析金刚石磨粒尺寸变化对金刚石材料研磨质量的影响机制，利用分子动力学方法建立球形刚性金刚石磨粒研磨金刚石工件的模型，研究不同磨粒半径下的磨削力变化规律和应力、相变分布。结果表明: 磨粒半径从6a增大到20a(a为金刚石晶格常数)，磨削平均法向力和平均切向力均线性增加，但平均法向力增量为平均切向力的3倍；磨粒与工件间的剪切作用相对挤压和摩擦的作用越来越小，且磨削力波动幅度变大表明工件的位错形成更剧烈；同时，磨粒前下方形成的强压应力区和磨粒后方由摩擦引起的集中拉应力区增大，非晶相变区域增大，研磨区后方缺陷增多，工件的加工表面质量变差。当半径为10a、15a和20a的磨粒压入深度为2 nm时，磨粒刻划后的工件表面显微硬度比未刻划时的有所降低，分别减少2.8%、9.6%和18.3%，即磨粒半径增大会显著降低工件表面力学性能。

基于热性能分析的PDC切削齿选型试验研究

王传留

2021, 41(1): 95-100. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0016

摘要(371)

PDF 3663KB(19)

摘要:
为提高PDC切削齿选型的可靠性，从热性能角度出发，分别对不同厂家的PDC切削齿进行常温激光拉曼、高温激光拉曼及热重等分析，并结合其高温磨耗比测试，分析PDC切削齿的残余应力、石墨化转变、热稳定性以及高温耐磨性等，综合评价不同厂家的PDC切削齿性能；同时，制作φ94 mm四翼弧角PDC钻头并进行现场钻进试验。结果表明：现场试验结果与PDC切削齿热性能检测和分析得出的结论基本一致。热性能优异的PDC切削齿高温磨耗比高，钻进性能表现出色，平均时效为25.0 m/h，平均寿命为266 m，相对于其他热性能稍差的PDC切削齿的均有不同程度的提高。故从微观角度完善和补充了PDC宏观检测方法，有利于提高PDC切削齿选型的准确性。

中国超硬行业2019年运行情况

孙兆达, 李志宏, 赵兴昊, 李利娟, 张贝贝

2021, 41(1): 101-104. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1.0018

摘要(355)

PDF 1655KB(52)

摘要:
根据统计到的超硬行业经济数据，分析中国超硬行业在2019年的发展情况。认为行业总体发展受限，主要经济指标全面下挫，尤其是利润总额降幅高达34%。但也有部分细分产品领域发展较好，如宝石级金刚石、复合超硬材料、树脂砂轮等产品，其销售额增幅均超过了10%。