金刚石与磨料磨具工程

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基于玻璃碳基底的超薄自支撑多晶金刚石膜制备

熊枭, 王兵, 熊鹰, 吴国栋

2023, 43(5): 531-536. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0005

摘要(56)

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PDF 2487KB(5)

摘要:
选取Ti、Si、玻璃碳3种基底，采用微波等离子体化学气相沉积技术，以CH₄/H₂为反应源制备超薄多晶金刚石膜。通过SEM、Raman、台阶仪表征并分析所制备的金刚石薄膜整体形态、表面（断面）形貌、组成、应力状态等。结果表明：仅以玻璃碳为基体生长的金刚石膜能自动剥离形成完整自支撑体，且薄膜表面晶粒的晶面显形清晰，膜厚仅为10 μm; Raman光谱表征表明薄膜呈强的尖锐金刚石特征峰，且计算的残余应力最低，仅有−0.2161 GPa。可为超薄自支撑CVD金刚石膜的一步法生长-剥离提供新的技术途径。

TiN_0.3/AlN复合烧结界面扩散现象

邹芹, 孙俊绒, 李艳国, 罗永安

2023, 43(5): 537-545. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0222

摘要(16)

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PDF 3734KB(1)

摘要:
为研究TiN_0.3/AlN复合烧结体中两相界面区域的N原子的扩散现象，通过机械合金化方法制备出非化学计量比TiN_0.3，采用放电等离子体烧结技术分层及复合烧结TiN_0.3/AlN复合材料，采用金相、XRD、SEM、EDS及TEM等分析表征TiN_0.3/AlN复合材料的物相组成、元素分布和组织形貌。结果表明： AlN中的N通过空位扩散机制向TiN_0.3中扩散，其扩散程度逐渐减弱；与AlN接触的TiN_0.3部分由于吸收了来自AlN中的N使成分接近正常比例的TiN，而远离界面处的部分则接近TiN_0.3的成分；在两相结合区域有宽度在1 nm以下的非晶层，其电子衍射斑点出现纵向伸长，产生共格，说明六方结构的AlN晶格向TiN晶格畸变，形成面心立方结构的TiN_0.3/AlN。

热压烧结温度对SiCp/Al复合材料性能的影响

蔡佳宁, 乐晨, 樊子民, 李鑫, 唐明强, 赵放

2023, 43(5): 546-552. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0105

摘要(10)

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PDF 2630KB(1)

摘要:
采用热压烧结法制备SiCp/Al复合材料，研究烧结温度对复合材料性能的影响。用X射线衍射、阿基米德排水法、三点弯曲法和扫描电镜分析复合材料样品的物相组成、相对密度、力学性能及微观形貌，并测定其热导率和热膨胀系数。结果表明： SiCp/Al复合材料由SiC、Al和Mg₂Si相组成，加入Mg提高了基体和SiC颗粒之间的浸润性。随着烧结温度升高，复合材料的硬度和抗弯强度先增加后下降，在700 ℃时达到最大值98 HRB和275 MPa；复合材料的热导率先增加后下降，热膨胀系数先下降后增加，在700 ℃时分别达到最大值218.187 W/(m·K)和最小值8.6 × 10⁻⁶ K⁻¹。

PDC钻头齿的破岩机理和性能测试方法研究现状

李彦操

2023, 43(5): 553-567. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0155

摘要(49)

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PDF 5230KB(1)

摘要:
聚晶金刚石复合片（polycrystalline diamond compact，PDC）钻头，是钻井工程中主要破岩工具之一。PDC钻头切削齿的破岩效率、耐磨性、热稳定性和抗冲击性等性能指标对PDC钻头的使用效果影响很大，相关研究在国内外备受关注。本文总结了国内外有关PDC钻头齿破岩机理和性能测试的实验装置、测试方法等代表性成果，按照PDC钻头齿与岩石相互作用的方式，相关实验主要包括5大类：PDC钻头齿直线切削实验、旋转切削实验、落锤冲击实验、PDC钻头单齿静压实验以及全尺寸PDC钻头实验；按照测试目的，又可分为PDC钻头齿的破岩机理和性能测试2大类。通过调研分析这些实验研究的优缺点，以期为PDC钻头齿的研究与优化、PDC钻头的整体个性化设计等提供参考。

CBN超硬磨粒工具的超声振动辅助钎焊结合界面微观组织和力学性能

蔡开达, 赵彪, 吴帮福, 丁文锋, 徐九华, 赵正彩, 温学兵, 李邵鹏, 陈清良

2023, 43(5): 568-578. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0190

摘要(19)

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PDF 4670KB(4)

摘要:
采用高频感应钎焊方法制备钎焊CBN工具存在钎料层厚薄不均匀、连接界面内部易出现气孔等问题，导致钎料对磨粒的把持强度大幅下降、工具使用寿命显著降低。提出用超声振动辅助钎焊的工艺方法制备钎焊CBN工具，借助超声波在钎焊过程中的空化效应和振荡作用减少钎料合金内部的气孔，同时细化晶粒，以大幅提升磨粒的把持强度。结果表明：相比于普通钎焊工艺，采用超声振动辅助钎焊工艺的钎料合金铺展更均匀，区域内部气孔尺寸变小，相同面积上气孔数量减少了75%，单颗CBN磨粒的剪切力提高了27.7%。通过Ti-6Al-4V钛合金磨削对比试验可知：相比普通钎焊工具，超声振动辅助钎焊工具的法向磨削力降低了4.1%～19.6%，切向磨削力降低了8.3%～26.4%，磨削温度降低了5.3%～17.9%。此外，在相同材料去除体积下，超声振动辅助钎焊CBN工具的磨粒大块破碎现象明显减少，大幅提升了工具的耐磨性和使用寿命。

WC对感应钎涂金刚石涂层组织及性能的影响

吴奇隆, 董显, 张雷, 钟素娟, 陈治强, 贾连辉, 罗灵杰

2023, 43(5): 579-585. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0205

摘要(9)

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PDF 4750KB(2)

摘要:
在镍基钎料中加入WC微粉，采用钎涂的方法在Q235钢上制备金刚石涂层，研究WC微粉对金刚石涂层组织及耐磨性的影响，并通过扫描电镜、能谱分析、显微硬度和磨损失重测试表征金刚石钎焊涂层的组织和耐磨性能。结果表明：在钎涂过程中，金刚石、WC微粉与镍基钎料合金发生冶金结合，WC颗粒在镍基基体中具有弥散强化与细晶强化作用，添加质量分数为10%WC的钎料合金的洛氏硬度与未添加WC时的比较提高了7.5%；且在相同的磨损实验条件下，未添加WC微粉的钎涂金刚石涂层质量损失为0.196 g，而添加WC微粉后的涂层质量损失为0.148 g，后者的耐磨性能提高了24.5%。

多弧离子镀工艺对硬质合金PCB铣刀涂层性能的影响

杨小璠, 林海洋, 陈艺聪, 纪荣杰, 沈志煌, 李凌祥

2023, 43(5): 586-591. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0123

摘要(13)

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PDF 3502KB(1)

摘要:
在硬质合金PCB(printed circuit board)铣刀表面制备高性能的硬质涂层，可以改善切削过程中刀具快速磨损的问题。采用多弧离子镀涂层技术在YG06硬质合金试片及PCB铣刀基体上分别制备AlCrN单涂层、CrN/AlCrN复合涂层以及AlCrSiN/AlCrN纳米复合涂层，利用压痕仪及扫描电镜分析观察3种涂层的力学性能及形貌特征，且在相同条件下对3种PCB涂层铣刀进行涂层性能对比试验，分析刀具磨损机理。结果表明：3种工艺方案的涂层均有较好的膜基结合力；AlCrSiN/AlCrN纳米复合涂层铣刀使用寿命最长，约为CrN/AlCrN复合涂层铣刀的1.5倍，AlCrN单涂层铣刀的1.9倍；且其涂层的致密性和表面质量最好，更适用于IT158覆铜板的高速切削加工。

PW-CFRP弹性性能预测及三维钻削仿真

周强, 陈燕, 王晓宇, 张川川, 陈雪梅, 刘元吉, 陈清良, 勾江洋

2023, 43(5): 592-603. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0177

摘要(21)

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PDF 4482KB(1)

摘要:
平纹编织结构碳纤维增强树脂基复合材料（plain-woven carbon fiber-reinforced plastic，PW-CFRP）展现出高损伤容限特性，在航空航天领域应用广泛。针对PW-CFRP钻削仿真中由于其材料弹性性能变化导致单一尺度钻削仿真难以体现实际钻削力的问题，研究其弹性性能预测及多尺度三维钻削仿真。基于周期性边界条件的弹性性能参数预测模型，利用预测的材料弹性性能参数，采用多尺度有限元方法，仿真PW-CFRP的三维钻削并开展试验验证。研究结果表明：基于周期边界条件的有限元法能准确预测编织复合材料的弹性常数；在剪切载荷下，其编织单胞的边界面均由平面变成曲面，发生凸凹翘曲变形；基于刚度预测模型基础的PW-CFRP三维钻削仿真模型能够准确预测制孔过程中的轴向力、扭矩；在相同工艺参数下，制孔轴向力和扭矩的仿真预测与试验结果相对误差分别为14.2%和8.5%。

晶体各向异性及工艺参数对蓝宝石切片加工面形偏差的影响

王超, 葛培琪, 贺基凯, 王新辉

2023, 43(5): 612-620. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0207

摘要(7)

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PDF 7369KB(2)

摘要:
在多线锯切片加工中，由于蓝宝石晶体材料的各向异性，不同加工位置处的力学性能不同，导致金刚石线锯在垂直进给方向上产生偏移，从而造成切片加工晶片面形偏差。为深入研究晶体各向异性对切片加工晶片面形偏差的影响机制，通过分析蓝宝石晶体材料的特性，并计算常用晶面弹性模量分布情况，结合线锯受力情况模拟，计算晶片的面形偏差，分析工艺参数对面形偏差的影响。结果表明：C面、A面和M面晶片面形偏差不受蓝宝石各向异性的影响；R面晶片切片加工时，可选择切片进给角度为90°或270°以获得较小晶片面形偏差；减小比进给速度或采用变速进给方法可降低晶片面形偏差。

基于Python语言的超薄金刚石切割片建模与SiC晶片切割仿真

何艳, 李翔, 高兴军, 凡林, 刘铭, 徐子成

2023, 43(5): 621-631. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2003.0001

摘要(28)

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PDF 4239KB(1)

摘要:
为改善SiC晶片在切割过程中存在的边缘崩边和亚表面损伤等问题，采用Python语言与Abaqus有限元分析软件相结合的方法建立超薄金刚石切割片切割SiC晶片的模型，研究切割参数对切割过程中的切割力、切割温度、晶片切割边缘形貌、切割边缘损伤宽度以及晶片亚表面损伤深度的影响。结果表明：切割力、切割温度与切割深度正相关，切割边缘损伤程度和亚表面损伤深度存在最优值。在切割深度为6 μm时，SiC晶片的切割效果最好，其切割边缘损伤宽度为8 μm，损伤面积为4 905.56 μm²，亚表面损伤深度为10.67 μm，损伤面积为7 022.18 μm²。在切割速度为60～121 m/s的高速切割阶段，切割速度对切割力、晶片的温度、晶片切割边缘形貌及亚表面损伤均无显著影响。

成形砂轮修整对18CrNiMo7-6钢磨削表面完整性的影响

郜伟, 李梦琪, 殷会鹏, 张银霞, 刘治华

2023, 43(5): 632-639. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0170

摘要(20)

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PDF 2393KB(2)

摘要:
为了探究修整切深a_d、轴向进给速度f_d和修整速比q_d等修整工艺参数对18CrNiMo7-6齿轮钢磨削表面完整性的影响，分别采用树脂结合剂金刚石碟轮、青铜结合剂金刚石碟轮和单颗粒金刚石笔3种修整工具对陶瓷结合剂铬刚玉砂轮进行成形修整工艺正交试验，并用修整后的铬刚玉砂轮对18CrNiMo7-6齿轮钢进行横磨试验。结果表明：随着各修整工艺参数的增大，齿轮钢磨削加工表面粗糙度R_a增大，磨削表面更容易产生残余压应力；通过归一化无量纲方法综合评价3种修整工具的磨削表面完整性，表明采用青铜结合剂金刚石碟轮修整时的磨削表面完整性优于其余2种修整工具的，且当a_d=4 μm，f_d=100 mm/min，q_d=0.3时齿轮钢，磨削表面的完整性较优。

基于声发射的磨削表面粗糙度模型及实验验证

尹国强, 丰艳春, 韩华超, 李东旭, 李超

2023, 43(5): 640-648. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0160

摘要(38)

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摘要:
为实现对磨削过程中表面粗糙度的预测，在磨削过程中增加声发射装置，采用AE信号监测磨削状态，分析AE信号特征参量和频谱随磨削深度a_p、砂轮速度v_s和进给速度v_w等磨削参数变化的规律。结果表明：随着a_p和v_w的增大，AE信号特征参量的有效值和振铃计数值都增大，AE信号的主要能量集中频谱在90～140 kHz，对应的频谱幅值呈逐渐增大趋势；而随着v_s逐渐增大，AE信号特征参量的有效值逐渐减小，振铃计数值逐渐增大，频段对应的频谱幅值呈逐渐减小的趋势。对数据进一步分析，得出AE信号特征参量与加工表面粗糙度的对应关系，为表面粗糙度预测模型建立提供样本。利用基于BP神经网络的多信息融合算法对AE信号的多种特征参量信息进行合理融合，建立基于AE信号的磨削加工表面粗糙度多信息融合预测模型，该模型可在实际生产中预测磨削表面粗糙度。

热场辅助单晶蓝宝石晶圆精研加工性能

许永超, 孙家宝, 詹浩, 傅滨杰, 詹友基, 郑天清

2023, 43(5): 649-656. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0203

摘要(14)

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PDF 3087KB(1)

摘要:
针对传统蓝宝石晶圆精磨加工表面质量差、效率低下的难题，提出热场辅助蓝宝石晶圆加工技术，研究热场辅助对蓝宝石晶圆精研加工性能的影响。通过自行设计的热场辅助装置控制加工区温度，基于半固结柔性磨具，在不同加工区温度条件下对蓝宝石晶圆进行精研加工，对比分析加工区温度对其加工性能的影响，并深入探讨材料去除机理。仿真结果表明，自行设计的热场辅助装置可使精研加工区迅速达到设定温度，且整个过程中晶圆的温度差＜1.3 ℃。与室温下的加工结果相比，当加工区温度控制在50.0 ℃时，蓝宝石晶圆的表面粗糙度下降了6%，材料去除率提高了近114.2%。磨屑检测结果表明，提高加工区温度后，晶圆表面材料在去除过程中发生晶态结构转变，提高了蓝宝石加工过程中的水合反应速率，从而提高了材料去除率。热场辅助蓝宝石晶圆精研加工可同时获得较高的表面质量和加工效率，具有广阔的应用前景。

Si₃N₄基底表面粗糙度对HFCVD法制备金刚石薄膜摩擦学性能的影响

王贺, 温凯翔, 闫广宇, 王延祥, 靳一帆, SU Peichen

2023, 43(5): 604-611. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0184

摘要(22)

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PDF 3982KB(1)

摘要:
采用热丝化学气相沉积法（hot filament chemical vapour deposition，HFCVD）在不同表面粗糙度的Si₃N₄基底表面制备金刚石薄膜，并对薄膜的特性进行检测与分析。利用场发射电子扫描显微镜、原子力显微镜检测植晶后的Si₃N₄基底表面以及制备的金刚石薄膜表面形貌；利用多功能摩擦磨损实验机、探针式轮廓仪，在干摩擦条件下，测试金刚石薄膜的摩擦系数及磨损率。综合基底粗糙度对植晶质量的影响、金刚石薄膜表面形貌与摩擦磨损检测实验结果，确定了Si₃N₄基底表面粗糙度对金刚石薄膜耐磨性的影响。结果表明：基底表面粗糙度会影响植晶的均匀性及致密性，进而影响金刚石颗粒在基底表面的生长，同时基底的表面形貌也会复映在金刚石薄膜表面。表面粗糙度为0.15 μm和0.20 μm的基底所制备的金刚石薄膜拥有较好的耐磨性，可得到最低的磨损率1.75 × 10⁻⁷ mm³/（m·N）和最低的摩擦系数0.078。