金刚石与其表面金属化层及胎体间的热应力分析(3)

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-29 原文发表时间:2007-06-30 人气:1

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3 3　讨论
上述的公式及计算是在假设的条件下获得的,为了便于比较而统一工艺条件,但实际的情况要复杂的多。金刚石是多面体而非球形且各向异性,材料各种物理参数在温变的过程也会变化,理论值与实际值也有差距,烧结过程胎体会有相变,也常有液相出现,在高温下胎体材料在应力作用下有热塑性形变,以及工艺过程的外界影响等等。尽管如此,所作的分析对热应力状况有了粗略的或半定量的结果。
热应力来源于不同材料间不同的热膨胀量,所以Ｃｒ3Ｃ2有最大的热应力,因其线膨胀系数最大。由(6)、(7)、(8)式可知,热应力最大值产生在界面处。观察ＴｉＣ、Ｃｒ3Ｃ2的情况。考虑粒度100/120的金刚石,层厚1μｍ,温差为900℃,在金刚石表面处,它们的切向拉应力σθ分别为2 34ＧＰａ和3 47ＧＰａ,大大高于它们的抗拉强度[11],因此金属化层会开裂。为避免开裂,除改变工艺外,应设法降低温度,减小层厚或采用多层金属化层的结构等方法,3 2中的金刚石/ＴｉＣ/ＣｕＳｎ10就是一种多层结构,由于ＴｉＣ层的存在而大大降低了ＣｕＳｎ10层的热应力。
由计算值可知,切向拉应力σθ(约为1～4ＧＰａ)比径向压应力σｒ(约为-0 05～-0 1ＧＰａ)高出一到两个数量级。切向拉应力对金属化层及胎体均有不利影响,应设法降低。而径向压应力是金刚石把持力的主要来源,应设法增大。金刚石的抗压强度约为1～12ＧＰａ,从数值上看,径向压应力不对金刚石构成威胁。不幸的是σｒ的增大伴随着σθ的增大,另一方面,由于缺陷的存在,金刚石事实上抗压强度要低的多,所以σｒ不能无限增大,应避免因把持力增大而导致金刚石的使用强度却下降的情况。综合考虑,从理论上说,多层金属化层和多层胎体的多层结构应是解决的方法之一。

4　结论
1)由给定的条件推导出了热应力公式(6)、(7)、(8)式,计算分析了热应力与金属化层厚度、工艺温差、金刚石粒度的关系,计算分析了热应力在金属化层及胎体层中的变化。切向拉应力σθ的值比径向压应力σｒ的值高出一到两个数量级,σθ的值约为几个ＧＰａ,随参数的变化而略有变化。σｒ的值在零点零几到零点几个ＧＰａ之间,随参数的变化而显著变化。

2)金属化层中,Ｃｒ3Ｃ2的热应力最大,ＮｂＣ的热应力最小。3)多层金属化层和多层胎体的多层结构应是降低热应力的方法之一。

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