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金刚石热稳定性及其刀具受热损伤的研究

王适  
【摘要】:近年来,金刚石制品的生产者和使用者越来越关注产品的热稳定性。英国Element Six(原De Beers)和美国GE等公司都加大了对其金刚石产品热稳定性的测试和研究工作。在国外热稳定性被作为确定金刚石应用领域最重要的依据。目前,对金刚石制品性能的评估,也不再局限于强度、硬度、耐磨性等,而是加入热稳定性指标的综合评价。本文结合实际应用,对影响单晶金刚石热稳定性的內在因素进行了量化分析;并且结合聚晶金刚石复合片刀具的制作过程,对聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compacts)的热稳定性和感应加热造成的热损伤进行了深入的研究。 单晶金刚石热稳定性的影响因素较多,并且各个因素之间也是互相影响。这里基于灰色系统理论,提出可以充分利用产品原始信息的方法,即灰色关联分析,对四种金刚石内在因素对其热稳定性的影响进行量化分析,得到灰关联序。进而建立了Ⅰ_b型单晶金刚石热稳定性的灰色预测模型,它可以有效地对热稳定性进行预测。同时提出以单晶金刚石差热曲线上的外推起始温度,作为热稳定性的标识温度。 聚晶金刚石复合片刀具的焊接,严格要求加热温度和时间的参数。因此建立了聚晶金刚石复合片高频感应钎焊模糊控制及同步数据采集系统。该系统基于模糊控制原理,利用单片机技术,结合高频感应加热设备使用可控硅控制的原理和特点,对聚晶金刚石复合片刀具的钎焊实现了参数化控制,并且控制效果显著。它是进一步研究刀具的焊接工艺和感应加热对聚晶金刚石表面热损伤的基础性试验设备。 利用上述设备,对聚晶金刚石复合片刀具钎焊过程涉及到的钎料对钎焊金属的润湿能力、钎焊温度对钎焊接头强度的影响、恒温保持时间对钎焊接头强度的影响、钎焊金属表面粗糙度对接头强度的影响等方面的问题,进行了深入的研究。 利用差热分析(DTA)、热重分析(TGA)、X射线衍射(XRD)、电子扫描电镜(SEM)等分析手段,对聚晶金刚石在空气中加热的氧化行为进行了深入研究。分析了聚晶金刚石在空气中热损伤的四种形式,深入探讨了复合片在感应加热条件下的热损伤机理。 感应加热过程对聚晶金刚石复合片的影响,决定了焊后刀具的质量。因此,进行了感应加热对刀具前刀面和后刀面热损伤的研究。前刀面热损伤层的定量分析,可以为随动磨削的加工余量提供理论依据。后刀面热损伤层的定量分析,可以为确定最小刃磨余量提供理论支持。 针对聚晶金刚石的热稳定性,深入分析了其差热分析曲线和电子扫描电镜照片,并提出以聚晶金刚石差热曲线上的起始氧化温度作为其热稳定性的标识温度。据此,对聚晶金刚石复合片的两种内在因素对其热稳定性的影响能力,进行了灰色关联分析的量化 大连理工大学博士学位论文 评定。进一步探讨了聚晶金刚石的氧化和石墨化是否同时进行的问题。得出聚晶金刚石 的石墨化温度在960℃左右,随着加热温度的增加,复合片有石墨化的趋势。结合聚晶 金刚石复合片热损伤研究的结果,认为:加热时聚晶金刚石复合片的氧化和石墨化可能 同时进行。


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