Fabricación y aplicación de herramientas de diamante policristalino

La herramienta PCD está fabricada con punta de diamante policristalino y matriz de carburo mediante sinterización a alta temperatura y alta presión. No solo aprovecha al máximo las ventajas de alta dureza, alta conductividad térmica, bajo coeficiente de fricción, bajo coeficiente de expansión térmica, baja afinidad con metales y no metales, alto módulo elástico, superficie sin hendiduras e isotropía, sino que también tiene en cuenta la alta resistencia de la aleación dura.
La estabilidad térmica, la tenacidad al impacto y la resistencia al desgaste son los principales indicadores de rendimiento del PCD. Dado que se utiliza principalmente en entornos de alta temperatura y alta tensión, la estabilidad térmica es fundamental. El estudio demuestra que la estabilidad térmica del PCD tiene un gran impacto en su resistencia al desgaste y tenacidad al impacto. Los datos muestran que, a temperaturas superiores a 750 °C, la resistencia al desgaste y la tenacidad al impacto del PCD generalmente disminuyen entre un 5 % y un 10 %.
El estado cristalino del PCD determina sus propiedades. En su microestructura, los átomos de carbono forman enlaces covalentes con cuatro átomos adyacentes, obteniendo una estructura tetraédrica y formando así el cristal atómico, que posee una fuerte orientación y fuerza de enlace, además de una alta dureza. Los principales índices de rendimiento del PCD son los siguientes: ① Su dureza puede alcanzar los 8000 HV, de 8 a 12 veces la del carburo; ② Su conductividad térmica es de 700 W/mK, de 1,5 a 9 veces superior, incluso superior a la del PCBN y el cobre; ③ Su coeficiente de fricción es generalmente de tan solo 0,1-0,3, muy inferior al 0,4-1 del carburo, lo que reduce significativamente la fuerza de corte; ④ Su coeficiente de expansión térmica es de tan solo 0,9x10⁻¹-1,18x10⁻¹/µ del carburo, lo que reduce la deformación térmica y mejora la precisión del procesamiento; ⑤ Su afinidad para formar nódulos es menor en materiales no metálicos.
El nitruro de boro cúbico tiene una fuerte resistencia a la oxidación y puede procesar materiales que contienen hierro, pero la dureza es menor que la del diamante monocristalino, la velocidad de procesamiento es lenta y la eficiencia es baja. El diamante monocristalino tiene alta dureza, pero la tenacidad es insuficiente. La anisotropía facilita la disociación a lo largo de la superficie (111) bajo el impacto de la fuerza externa, y la eficiencia de procesamiento es limitada. El PCD es un polímero sintetizado por partículas de diamante de tamaño micrométrico por ciertos medios. La naturaleza caótica de la acumulación desordenada de partículas conduce a su naturaleza isotrópica macroscópica, y no hay superficie direccional ni de clivaje en la resistencia a la tracción. En comparación con el diamante monocristalino, el límite de grano del PCD reduce efectivamente la anisotropía y optimiza las propiedades mecánicas.
1. Principios de diseño de herramientas de corte de PCD
(1) Selección razonable del tamaño de partícula de PCD
En teoría, el PCD debe intentar refinar los granos, y la distribución de aditivos entre los productos debe ser lo más uniforme posible para superar la anisotropía. La elección del tamaño de partícula del PCD también está relacionada con las condiciones de procesamiento. En general, el PCD con alta resistencia, buena tenacidad, buena resistencia al impacto y grano fino se puede utilizar para acabado o superacabado, mientras que el PCD de grano grueso se puede utilizar para mecanizado de desbaste general. El tamaño de partícula del PCD puede afectar significativamente el rendimiento de desgaste de la herramienta. La literatura relevante señala que cuando el grano de la materia prima es grande, la resistencia al desgaste aumenta gradualmente a medida que disminuye el tamaño del grano, pero cuando el tamaño del grano es muy pequeño, esta regla no es aplicable.
Experimentos relacionados seleccionaron cuatro polvos de diamante con tamaños de partículas promedio de 10 um, 5 um, 2 um y 1 um, y se concluyó que: ① Con la disminución del tamaño de partícula de la materia prima, el Co se difunde de manera más uniforme; con la disminución de ②, la resistencia al desgaste y la resistencia al calor del PCD disminuyeron gradualmente.
(2) Elección razonable de la forma de la boca de la hoja y del grosor de la hoja.
La forma de la boca de la cuchilla incluye principalmente cuatro estructuras: filo invertido, círculo romo, compuesto de círculo romo con filo invertido y ángulo agudo. La estructura angular aguda afila el filo, acelera el corte, reduce significativamente la fuerza de corte y las rebabas, mejora la calidad superficial y es más adecuada para aleaciones de aluminio con bajo contenido de silicio y otros acabados de metales no ferrosos de baja dureza y uniformes. La estructura redonda obtusa pasiva la boca de la cuchilla, formando un ángulo R que previene eficazmente la rotura de la cuchilla y es adecuada para procesar aleaciones de aluminio con contenido medio/alto de silicio. En casos especiales, como cortes poco profundos y poca alimentación de cuchilla, se prefiere la estructura redonda roma. La estructura de filo invertido aumenta los filos y las esquinas, estabiliza la cuchilla y, al mismo tiempo, aumenta la presión y la resistencia al corte, siendo más adecuada para cortar aleaciones de aluminio con alto contenido de silicio bajo cargas pesadas.
Para facilitar la electroerosión, se suele elegir una capa fina de lámina de PDC (0,3-1,0 mm), además de la capa de carburo. El espesor total de la herramienta es de aproximadamente 28 mm. La capa de carburo no debe ser demasiado gruesa para evitar la estratificación causada por la diferencia de tensión entre las superficies de unión.
2. Proceso de fabricación de herramientas PCD
El proceso de fabricación de herramientas de PCD determina directamente su rendimiento de corte y su vida útil, lo cual es clave para su aplicación y desarrollo. El proceso de fabricación de herramientas de PCD se muestra en la Figura 5.
(1) Fabricación de comprimidos compuestos de PCD (PDC)
① Proceso de fabricación del PDC
El PDC se compone generalmente de polvo de diamante natural o sintético y un aglutinante a alta temperatura (1000-2000 °C) y alta presión (5-10 atm). El aglutinante forma el puente de unión con TiC, Sic, Fe, Co, Ni, etc. como componentes principales, y el cristal de diamante se incrusta en el esqueleto del puente mediante un enlace covalente. El PDC se fabrica generalmente en discos con diámetro y espesor fijos, y se somete a rectificado, pulido y otros tratamientos físicos y químicos correspondientes. En esencia, la forma ideal del PDC debe conservar al máximo las excelentes características físicas del diamante monocristalino. Por lo tanto, se debe minimizar el uso de aditivos en el cuerpo de sinterización y, al mismo tiempo, optimizar la combinación de enlaces DD de las partículas.
② Clasificación y selección de aglutinantes
El aglutinante es el factor más importante que afecta la estabilidad térmica de la herramienta de PCD, lo que afecta directamente su dureza, resistencia al desgaste y estabilidad térmica. Los métodos comunes de unión de PCD son: hierro, cobalto, níquel y otros metales de transición. Se utilizó un polvo mixto de Co y W como agente aglutinante, y el rendimiento integral del PCD de sinterización fue óptimo cuando la presión de síntesis fue de 5,5 GPa, la temperatura de sinterización fue de 1450 ℃ y el aislamiento durante 4 min. SiC, TiC, WC, TiB₂ y otros materiales cerámicos. SiC La estabilidad térmica del SiC es mejor que la del Co, pero la dureza y la tenacidad a la fractura son relativamente bajas. La reducción adecuada del tamaño de la materia prima puede mejorar la dureza y la tenacidad del PCD. Sin adhesivo, con grafito u otras fuentes de carbono en la temperatura ultraalta y alta presión quemada en un diamante polímero a escala nanométrica (NPD). El uso de grafito como precursor para preparar NPD es las condiciones más exigentes, pero el NPD sintético tiene la mayor dureza y las mejores propiedades mecánicas.
Selección y control de granos ③
El polvo de diamante como materia prima es un factor clave que afecta el rendimiento del PCD. El pretratamiento del micropolvo de diamante, la adición de una pequeña cantidad de sustancias que inhiben el crecimiento anormal de partículas de diamante y la selección adecuada de aditivos de sinterización pueden inhibir dicho crecimiento.
El NPD de alta pureza con una estructura uniforme puede eliminar eficazmente la anisotropía y mejorar aún más las propiedades mecánicas. El polvo precursor de nanografito, preparado mediante molienda de bolas de alta energía, se utilizó para regular el contenido de oxígeno durante la presinterización a alta temperatura, transformando el grafito en diamante a 18 GPa y 2100-2300 °C, generando NPD lamelar y granular. La dureza aumentó al disminuir el espesor de las lamelas.
④ Tratamiento químico tardío
A la misma temperatura (200 °C) y tiempo (20 h), el efecto de eliminación de cobalto del ácido de Lewis-FeCl₃ fue significativamente mejor que el del agua, y la proporción óptima de HCl fue de 10-15 g/100 ml. La estabilidad térmica del PCD mejora a medida que aumenta la profundidad de eliminación de cobalto. Para el PCD de crecimiento de grano grueso, el tratamiento con ácido fuerte puede eliminar completamente el Co, pero tiene una gran influencia en el rendimiento del polímero; la adición de TiC y WC para cambiar la estructura policristalina sintética y la combinación con el tratamiento con ácido fuerte para mejorar la estabilidad del PCD. En la actualidad, el proceso de preparación de materiales de PCD está mejorando, la tenacidad del producto es buena, la anisotropía se ha mejorado considerablemente, se ha logrado la producción comercial y las industrias relacionadas se están desarrollando rápidamente.
(2) Procesamiento de la hoja de PCD
① proceso de corte
El PCD tiene alta dureza, buena resistencia al desgaste y un proceso de corte muy difícil.
② procedimiento de soldadura
El PDC y el cuerpo de la cuchilla se unen mediante sujeción mecánica, unión y soldadura fuerte. La soldadura fuerte consiste en presionar el PDC sobre la matriz de carburo, incluyendo la soldadura fuerte al vacío, la soldadura por difusión al vacío, la soldadura fuerte por calentamiento por inducción de alta frecuencia (HIF), la soldadura láser, etc. La HIF tiene un bajo costo y una alta rentabilidad, y se ha utilizado ampliamente. La calidad de la soldadura depende del fundente, la aleación y la temperatura. Una temperatura de soldadura (generalmente inferior a 700 °C) es la más afectada. Una temperatura demasiado alta puede causar grafitización del PCD o incluso sobrecalentamiento, lo que afecta directamente el efecto de la soldadura. Una temperatura demasiado baja puede resultar en una resistencia insuficiente de la soldadura. La temperatura de soldadura se puede controlar mediante el tiempo de aislamiento y la profundidad del enrojecimiento del PCD.
③ Proceso de afilado de cuchillas
El proceso de rectificado de herramientas PCD es clave en la fabricación. Generalmente, el valor de pico de la cuchilla y la cuchilla se encuentra dentro de los 5 µm, y el radio del arco está dentro de los 4 µm. Las superficies de corte frontal y posterior garantizan un acabado superficial preciso e incluso reducen el Ra de la superficie de corte frontal a 0,01 µm para cumplir con los requisitos de espejo, facilitar el flujo de virutas a lo largo de la superficie frontal de la cuchilla y evitar que se atasque.
El proceso de rectificado de cuchillas incluye el rectificado mecánico con muela de diamante, el rectificado electroquímico (EDG), el rectificado de cuchillas con acabado electrolítico en línea (ELID) con muela abrasiva superdura con aglutinante metálico y el mecanizado de cuchillas compuestas. Entre estos, el rectificado mecánico con muela de diamante es el más consolidado y el más utilizado.
Experimentos relacionados: ① La muela de molienda de partículas gruesas provocará un colapso grave de la cuchilla, y el tamaño de partícula de la muela de molienda disminuye y la calidad de la cuchilla mejora; el tamaño de partícula de ② la muela de molienda está estrechamente relacionado con la calidad de la cuchilla de las herramientas PCD de partículas finas o partículas ultrafinas, pero tiene un efecto limitado en las herramientas PCD de partículas gruesas.
La investigación relacionada, tanto nacional como internacional, se centra principalmente en el mecanismo y el proceso de afilado de cuchillas. En este proceso, predominan la eliminación termoquímica y mecánica, mientras que la eliminación de fragilidad y fatiga es relativamente baja. Durante el afilado, según la resistencia y la resistencia térmica de las muelas de diamante con diferentes aglutinantes, se debe aumentar al máximo la velocidad y la frecuencia de oscilación de la muela para evitar la eliminación de fragilidad y fatiga, aumentar la proporción de eliminación termoquímica y reducir la rugosidad superficial. La rugosidad superficial en el afilado en seco es baja, pero se quema fácilmente debido a la alta temperatura de procesamiento.
El proceso de afilado de cuchillas debe tener en cuenta los siguientes aspectos: 1. Seleccionar parámetros adecuados para el proceso de afilado, lo que permite obtener una excelente calidad de la boca del filo y un mejor acabado superficial de la cuchilla frontal y posterior. Sin embargo, también se debe considerar la alta fuerza de afilado, las grandes pérdidas, la baja eficiencia de afilado y el alto costo. 2. Seleccionar una muela de afilado de calidad adecuada, incluyendo el tipo de aglutinante, el tamaño de partícula, la concentración, el aglutinante y el rectificado de la muela. Con condiciones adecuadas de afilado en seco y húmedo, se pueden optimizar las esquinas frontal y posterior de la herramienta, el valor de pasivación de la punta de la cuchilla y otros parámetros, a la vez que se mejora la calidad superficial de la herramienta.
Las diferentes muelas abrasivas de diamante con aglutinante tienen diferentes características, mecanismos y efectos de rectificado. La muela abrasiva de diamante con aglutinante de resina es blanda, las partículas de rectificado se desprenden prematuramente con facilidad, no tiene resistencia al calor, la superficie se deforma fácilmente con el calor, la superficie de rectificado de la cuchilla es propensa a marcas de desgaste y presenta una gran rugosidad. La muela abrasiva de diamante con aglutinante metálico se mantiene afilada mediante trituración, buena conformabilidad y superficie, baja rugosidad superficial del rectificado de la cuchilla y mayor eficiencia. Sin embargo, la capacidad de unión de las partículas de rectificado hace que el autoafilado sea deficiente y el filo de corte deja fácilmente una brecha de impacto, causando graves daños marginales. La muela abrasiva de diamante con aglutinante cerámico tiene una resistencia moderada, buen rendimiento de autoexcitación, mayor poros internos, es ideal para la eliminación de polvo y la disipación de calor, se adapta a una variedad de refrigerantes, la baja temperatura de rectificado reduce el desgaste de la muela, mantiene la forma y ofrece la máxima precisión. Sin embargo, el cuerpo de la muela abrasiva de diamante y el aglutinante provocan la formación de picaduras en la superficie de la herramienta. Úselo de acuerdo con los materiales de procesamiento, la eficiencia de pulido integral, la durabilidad del abrasivo y la calidad de la superficie de la pieza de trabajo.
La investigación sobre la eficiencia del rectificado se centra principalmente en mejorar la productividad y controlar los costes. Generalmente, se utilizan como criterios de evaluación la tasa de rectificado Q (remoción de PCD por unidad de tiempo) y la relación de desgaste G (relación entre la remoción de PCD y la pérdida de muela).
El experto alemán KENTER rectificado de herramientas PCD a presión constante. Prueba: 1. Aumenta la velocidad de la muela, el tamaño de las partículas de PDC y la concentración de refrigerante, lo que reduce la velocidad de rectificado y el índice de desgaste; 2. Aumenta el tamaño de las partículas de rectificado y la presión constante, lo que aumenta la concentración de diamante en la muela, lo que aumenta la velocidad de rectificado y el índice de desgaste; 3. El tipo de aglutinante varía, lo que también varía la velocidad de rectificado y el índice de desgaste. KENTER estudió sistemáticamente el proceso de rectificado de cuchillas de herramientas PCD, pero no analizó sistemáticamente su influencia.

3. Uso y fallo de las herramientas de corte de PCD
(1) Selección de parámetros de corte de la herramienta
Durante el período inicial de la herramienta PCD, la boca del filo se fue pasificando gradualmente y la calidad de la superficie mecanizada mejoró. La pasivación puede eliminar eficazmente los microhuecos y las pequeñas rebabas generadas por el rectificado de la cuchilla, mejorando la calidad superficial del filo y, al mismo tiempo, formando un radio de filo circular para comprimir y reparar la superficie procesada, mejorando así la calidad superficial de la pieza de trabajo.
Fresado de superficies de aleación de aluminio con herramientas PCD: la velocidad de corte suele ser de 4000 m/min, el procesamiento de agujeros suele ser de 800 m/min. El procesamiento de metales no ferrosos de alta elasticidad-plástico requiere una velocidad de torneado mayor (300-1000 m/min). Se recomienda un volumen de alimentación de entre 0,08 y 0,15 mm/min. Un volumen de alimentación demasiado grande aumenta la fuerza de corte y el área geométrica residual de la superficie de la pieza; un volumen de alimentación demasiado pequeño aumenta el calor de corte y el desgaste. La profundidad de corte aumenta, la fuerza de corte aumenta, el calor de corte aumenta y la vida útil disminuye. Una profundidad de corte excesiva puede causar fácilmente el colapso de la cuchilla; una profundidad de corte pequeña provocará endurecimiento por mecanizado, desgaste e incluso el colapso de la cuchilla.
(2) Forma de desgaste
El desgaste de las herramientas de corte es inevitable debido a la fricción, las altas temperaturas y otras razones. El desgaste de las herramientas de diamante consta de tres etapas: la fase inicial de desgaste rápido (también conocida como fase de transición), la fase de desgaste estable con una tasa de desgaste constante y la fase posterior de desgaste rápido. La fase de desgaste rápido indica que la herramienta no funciona y requiere un reafilado. Los tipos de desgaste de las herramientas de corte incluyen el desgaste adhesivo (desgaste por soldadura en frío), el desgaste por difusión, el desgaste abrasivo y el desgaste por oxidación, entre otros.
A diferencia de las herramientas tradicionales, las herramientas de PCD se desgastan por adhesión, difusión y daño de la capa policristalina. El daño de la capa policristalina es la principal causa, manifestándose en un ligero colapso de la cuchilla por impactos externos o pérdida de adhesivo en el PDC, formando una brecha. Este daño físico-mecánico puede reducir la precisión del procesamiento y generar piezas de desecho. El tamaño de las partículas de PCD, la forma y el ángulo de la cuchilla, el material de la pieza y los parámetros de procesamiento afectan la resistencia y la fuerza de corte de la cuchilla, causando daños en la capa policristalina. En ingeniería, el tamaño de las partículas de la materia prima, los parámetros de la herramienta y los parámetros de procesamiento deben seleccionarse según las condiciones de procesamiento.

4. Tendencia de desarrollo de herramientas de corte de PCD
Actualmente, el rango de aplicación de las herramientas PCD se ha ampliado del torneado tradicional al taladrado, fresado y corte de alta velocidad, y se ha extendido a nivel nacional e internacional. El rápido desarrollo de los vehículos eléctricos no solo ha impactado a la industria automotriz tradicional, sino que también ha planteado desafíos sin precedentes a la industria de herramientas, lo que la impulsa a acelerar la optimización y la innovación.
La amplia aplicación de las herramientas de corte PCD ha impulsado la investigación y el desarrollo de herramientas de corte. Con esta investigación, las especificaciones de las herramientas de corte PDC son cada vez más reducidas, se optimiza la calidad del grano, la uniformidad del rendimiento, la velocidad de rectificado y la relación de desgaste son cada vez mayores, y se diversifican las formas y estructuras. Las líneas de investigación en herramientas PCD incluyen: 1) investigación y desarrollo de capas delgadas de PCD; 2) investigación y desarrollo de nuevos materiales para herramientas PCD; 3) investigación para mejorar la soldadura de herramientas PCD y reducir aún más los costes; 4) investigación para mejorar el proceso de rectificado de cuchillas de herramientas PCD y aumentar la eficiencia; 5) investigación para optimizar los parámetros de las herramientas PCD y utilizarlas según las condiciones locales; 6) investigación para seleccionar racionalmente los parámetros de corte según los materiales procesados.
breve resumen
(1) El rendimiento de corte de la herramienta PCD compensa la escasez de muchas herramientas de carburo; al mismo tiempo, el precio es mucho más bajo que el de la herramienta de diamante monocristalino, en el corte moderno, es una herramienta prometedora;
(2) De acuerdo con el tipo y el rendimiento de los materiales procesados, una selección razonable del tamaño de partícula y los parámetros de las herramientas de PCD, que es la premisa de la fabricación y el uso de herramientas,
(3) El material PCD presenta una alta dureza, ideal para la fabricación de cuchillas de corte, pero también presenta dificultades para la fabricación de herramientas de corte. Durante la fabricación, es necesario considerar exhaustivamente la complejidad del proceso y las necesidades de procesamiento para lograr la mejor relación calidad-precio.
(4) Materiales de procesamiento de PCD en el condado de cuchillos, debemos seleccionar razonablemente los parámetros de corte, en función del cumplimiento del rendimiento del producto, en la medida de lo posible para extender la vida útil de la herramienta a fin de lograr el equilibrio entre la vida útil de la herramienta, la eficiencia de producción y la calidad del producto;
(5) Investigar y desarrollar nuevos materiales para herramientas de PCD para superar sus inconvenientes inherentes
Este artículo proviene de "red de materiales superduros"