Fabricació i aplicació d'eines de diamant policristal·lí

L'eina PCD està feta d'una punta de ganivet de diamant policristal·lí i una matriu de carbur mitjançant sinterització a alta temperatura i alta pressió. No només pot aprofitar al màxim els avantatges de l'alta duresa, l'alta conductivitat tèrmica, el baix coeficient de fricció, el baix coeficient d'expansió tèrmica, la petita afinitat amb metalls i no metalls, l'alt mòdul elàstic, la manca de superfície d'escissió i la isotròpia, sinó que també té en compte l'alta resistència de l'aliatge dur.
L'estabilitat tèrmica, la tenacitat a l'impacte i la resistència al desgast són els principals indicadors de rendiment del PCD. Com que s'utilitza principalment en entorns d'alta temperatura i alta tensió, l'estabilitat tèrmica és el més important. L'estudi demostra que l'estabilitat tèrmica del PCD té un gran impacte en la seva resistència al desgast i tenacitat a l'impacte. Les dades mostren que quan la temperatura és superior a 750 ℃, la resistència al desgast i la tenacitat a l'impacte del PCD generalment disminueixen entre un 5% i un 10%.
L'estat cristal·lí del PCD determina les seves propietats. En la microestructura, els àtoms de carboni formen enllaços covalents amb quatre àtoms adjacents, obtenen l'estructura tetraèdrica i després formen el cristall atòmic, que té una forta orientació i força d'unió, i una alta duresa. Els principals índexs de rendiment del PCD són els següents: ① la duresa pot arribar als 8000 HV, 8-12 vegades la del carbur; ② la conductivitat tèrmica és de 700 W/mK, 1,5-9 vegades, fins i tot més alta que la del PCBN i el coure; ③ el coeficient de fricció és generalment només de 0,1-0,3, molt inferior al 0,4-1 del carbur, cosa que redueix significativament la força de tall; ④ el coeficient d'expansió tèrmica és només de 0,9x10-6-1,18x10-6,1/5 del carbur, cosa que pot reduir la deformació tèrmica i millorar la precisió del processament; ⑤ i els materials no metàl·lics tenen menys afinitat per formar nòduls.
El nitrur de bor cúbic té una forta resistència a l'oxidació i pot processar materials que contenen ferro, però la duresa és inferior a la del diamant monocristall, la velocitat de processament és lenta i l'eficiència és baixa. El diamant monocristall té una duresa elevada, però la tenacitat és insuficient. L'anisotropia facilita la dissociació al llarg de la superfície (111) sota l'impacte d'una força externa, i l'eficiència de processament és limitada. El PCD és un polímer sintetitzat per partícules de diamant de mida micrònica per certs mitjans. La naturalesa caòtica de l'acumulació desordenada de partícules condueix a la seva naturalesa isotròpica macroscòpica, i no hi ha cap superfície direccional ni de clivatge en la resistència a la tracció. En comparació amb el diamant monocristall, el límit de gra del PCD redueix eficaçment l'anisotropia i optimitza les propietats mecàniques.
1. Principis de disseny d'eines de tall PCD
(1) Selecció raonable de la mida de partícula de PCD
Teòricament, el PCD hauria d'intentar refinar els grans, i la distribució d'additius entre els productes hauria de ser el més uniforme possible per superar l'anisotropia. L'elecció de la mida de partícula de PCD també està relacionada amb les condicions de processament. En general, el PCD amb alta resistència, bona tenacitat, bona resistència a l'impacte i gra fi es pot utilitzar per a l'acabat o el superacabat, i el PCD de gra gruixut es pot utilitzar per al mecanitzat desbastant general. La mida de partícula de PCD pot afectar significativament el rendiment de desgast de l'eina. La literatura pertinent assenyala que quan el gra de la matèria primera és gran, la resistència al desgast augmenta gradualment amb la disminució de la mida del gra, però quan la mida del gra és molt petita, aquesta regla no és aplicable.
Experiments relacionats van seleccionar quatre pols de diamant amb mides mitjanes de partícula de 10 µm, 5 µm, 2 µm i 1 µm, i es va concloure que: ① Amb la disminució de la mida de partícula de la matèria primera, el Co es difon més uniformement; amb la disminució de ②, la resistència al desgast i la resistència a la calor del PCD disminueixen gradualment.
(2) Elecció raonable de la forma de la boca de la fulla i del gruix de la fulla
La forma de la boca de la fulla inclou principalment quatre estructures: vora invertida, cercle rom, cercle rom compost de vora invertida i angle agut. L'estructura angular aguda fa que la vora sigui afilada, la velocitat de tall és ràpida, pot reduir significativament la força de tall i les rebaves, millorar la qualitat superficial del producte, és més adequada per a aliatges d'alumini amb baix contingut de silici i altres acabats de metalls no ferrosos de baixa duresa i uniformes. L'estructura rodona obtusa pot passivar la boca de la fulla, formant un angle R, evitant eficaçment que la fulla es trenqui, adequada per al processament d'aliatges d'alumini amb baix contingut de silici. En alguns casos especials, com ara una profunditat de tall baixa i una alimentació de ganivets petita, es prefereix l'estructura rodona roma. L'estructura de vora invertida pot augmentar les vores i les cantonades, estabilitzar la fulla, però alhora augmentarà la pressió i la resistència al tall, més adequada per al tall amb càrregues pesades d'aliatges d'alumini amb alt contingut de silici.
Per facilitar l'EDM, normalment escolliu una capa fina de làmina PDC (0,3-1,0 mm), més la capa de carbur, el gruix total de l'eina és d'uns 28 mm. La capa de carbur no ha de ser massa gruixuda per evitar l'estratificació causada per la diferència de tensió entre les superfícies d'unió.
2, procés de fabricació d'eines PCD
El procés de fabricació de l'eina PCD determina directament el rendiment de tall i la vida útil de l'eina, la qual cosa és clau per a la seva aplicació i desenvolupament. El procés de fabricació de l'eina PCD es mostra a la Figura 5.
(1) Fabricació de comprimits compostos de PCD (PDC)
① Procés de fabricació del PDC
El PDC generalment es compon de pols de diamant natural o sintètic i un agent aglutinant a alta temperatura (1000-2000 ℃) i alta pressió (5-10 atm). L'agent aglutinant forma el pont d'unió amb TiC, Sic, Fe, Co, Ni, etc. com a components principals, i el cristall de diamant està incrustat a l'esquelet del pont d'unió en forma d'enllaç covalent. El PDC generalment es fa en discos amb un diàmetre i gruix fixos, i es mòlt i polit i altres tractaments físics i químics corresponents. En essència, la forma ideal de PDC hauria de conservar tant com sigui possible les excel·lents característiques físiques del diamant monocristall, per tant, els additius al cos de sinterització haurien de ser el mínim possible, alhora que la combinació d'enllaços DD de partícules hauria de ser el màxim possible.
② Classificació i selecció d'aglutinants
L'aglutinant és el factor més important que afecta l'estabilitat tèrmica de l'eina PCD, que afecta directament la seva duresa, resistència al desgast i estabilitat tèrmica. Els mètodes d'unió PCD habituals són: ferro, cobalt, níquel i altres metalls de transició. La pols mixta de Co i W es va utilitzar com a agent d'unió, i el rendiment integral del PCD de sinterització va ser millor quan la pressió de síntesi va ser de 5,5 GPa, la temperatura de sinterització va ser de 1450 ℃ i l'aïllament durant 4 minuts. SiC, TiC, WC, TiB2 i altres materials ceràmics. SiC L'estabilitat tèrmica del SiC és millor que la del Co, però la duresa i la tenacitat a la fractura són relativament baixes. Una reducció adequada de la mida de la matèria primera pot millorar la duresa i la tenacitat del PCD. Sense adhesiu, amb grafit o altres fonts de carboni a temperatura ultra alta i alta pressió es crema en un diamant de polímer a nanoescala (NPD). L'ús de grafit com a precursor per preparar NPD és la condició més exigent, però el NPD sintètic té la duresa més alta i les millors propietats mecàniques.
Selecció i control dels grans ③
La pols de diamant com a matèria primera és un factor clau que afecta el rendiment del PCD. El pretractament de la micropols de diamant, l'addició d'una petita quantitat de substàncies que dificulten el creixement anormal de partícules de diamant i una selecció raonable d'additius de sinterització poden inhibir el creixement de partícules de diamant anormals.
El NPD d'alta puresa amb una estructura uniforme pot eliminar eficaçment l'anisotropia i millorar encara més les propietats mecàniques. La pols precursora de nanografita preparada mitjançant el mètode de mòlta de boles d'alta energia es va utilitzar per regular el contingut d'oxigen a la sinterització prèvia a alta temperatura, transformant el grafit en diamant a 18 GPa i 2100-2300 ℃, generant lamel·les i NPD granular, i la duresa va augmentar amb la disminució del gruix de la lamel·la.
④ Tractament químic tardà
A la mateixa temperatura (200 °℃) i temps (20 h), l'efecte d'eliminació de cobalt de l'àcid de Lewis-FeCl3 va ser significativament millor que el de l'aigua, i la proporció òptima d'HCl va ser de 10-15 g/100 ml. L'estabilitat tèrmica del PCD millora a mesura que augmenta la profunditat d'eliminació de cobalt. Per al PCD de creixement de gra gruixut, el tractament amb àcid fort pot eliminar completament el Co, però té una gran influència en el rendiment del polímer; afegint TiC i WC per canviar l'estructura policristal·lina sintètica i combinant-lo amb un tractament amb àcid fort per millorar l'estabilitat del PCD. Actualment, el procés de preparació dels materials PCD està millorant, la resistència del producte és bona, l'anisotropia s'ha millorat molt, s'ha aconseguit la producció comercial i les indústries relacionades s'estan desenvolupant ràpidament.
(2) Processament de la fulla PCD
① procés de tall
El PCD té una alta duresa, bona resistència al desgast i un procés de tall molt difícil.
② Procediment de soldadura
PDC i el cos del ganivet mitjançant subjecció mecànica, unió i soldadura. La soldadura consisteix a pressionar el PDC sobre la matriu de carbur, incloent-hi la soldadura al buit, la soldadura per difusió al buit, la soldadura per escalfament per inducció d'alta freqüència, la soldadura per làser, etc. La soldadura per escalfament per inducció d'alta freqüència té un cost baix i un alt rendiment, i s'ha utilitzat àmpliament. La qualitat de la soldadura està relacionada amb el flux, l'aliatge de soldadura i la temperatura de soldadura. La temperatura de soldadura (generalment inferior a 700 °℃) té el major impacte, si la temperatura és massa alta, és fàcil que es produeixi grafitització del PCD, o fins i tot "sobrecombustió", cosa que afecta directament l'efecte de soldadura, i una temperatura massa baixa comportarà una resistència de soldadura insuficient. La temperatura de soldadura es pot controlar mitjançant el temps d'aïllament i la profunditat de l'envermelliment del PCD.
③ procés de rectificat de fulles
El procés de rectificat d'eines PCD és la clau del procés de fabricació. Generalment, el valor màxim de la fulla i la fulla és de menys de 5 µm, i el radi de l'arc és de menys de 4 µm; la superfície de tall frontal i posterior garanteix un cert acabat superficial, i fins i tot redueix la superfície de tall frontal Ra a 0,01 μm per complir els requisits de mirall, fent que les encenalls flueixin al llarg de la superfície frontal de la fulla i evitant que la fulla s'enganxi.
El procés de rectificat de fulles inclou el rectificat mecànic de fulles de mola de diamant, el rectificat elèctric de fulles de guspira (EDG), el rectificat electrolític en línia de fulles de mola abrasiva superdura amb aglutinant metàl·lic (ELID) i el mecanitzat de rectificat de fulles compostes. Entre elles, el rectificat mecànic de fulles de mola de diamant és el més madur i el més utilitzat.
Experiments relacionats: ① la mola de partícules gruixudes provocarà un col·lapse greu de la fulla, i la mida de les partícules de la mola disminueix i la qualitat de la fulla millora; la mida de les partícules de la mola ② està estretament relacionada amb la qualitat de la fulla de les eines PCD de partícules fines o ultrafines, però té un efecte limitat sobre les eines PCD de partícules gruixudes.
La recerca relacionada a nivell nacional i internacional se centra principalment en el mecanisme i el procés de rectificat de fulles. En el mecanisme de rectificat de fulles, l'eliminació termoquímica i l'eliminació mecànica són les dominants, i l'eliminació de fragilitat i l'eliminació de fatiga són relativament petites. En rectificar, segons la resistència a la calor de les diferents moles de diamant amb agent aglutinant, milloreu la velocitat i la freqüència de balanceig de la mola en la mesura del possible, eviteu la fragilitat i l'eliminació de fatiga, milloreu la proporció d'eliminació termoquímica i reduïu la rugositat superficial. La rugositat superficial del rectificat en sec és baixa, però fàcilment a causa de l'alta temperatura de processament, crema la superfície de l'eina,
En el procés de rectificat de les fulles, cal tenir en compte els següents punts: ① triar uns paràmetres raonables del procés de rectificat de les fulles, cosa que pot fer que la qualitat de la boca del tall sigui més excel·lent i que l'acabat superficial de la fulla frontal i posterior sigui més alt. Tanmateix, també cal tenir en compte l'alta força de rectificat, les grans pèrdues, la baixa eficiència de rectificat i l'alt cost; ② seleccionar una qualitat raonable de mola, incloent-hi el tipus d'aglutinant, la mida de les partícules, la concentració, l'aglutinant i el recobriment de la mola. Amb unes condicions raonables de rectificat de les fulles en sec i en humit, es pot optimitzar la cantonada frontal i posterior de l'eina, el valor de passivació de la punta del ganivet i altres paràmetres, alhora que es millora la qualitat superficial de l'eina.
Les diferents moles de diamant amb aglutinant tenen característiques diferents, i diferents mecanismes i efectes de mòlta. La mola de sorra de diamant amb aglutinant de resina és suau, les partícules de mòlta són fàcils de caure prematurament, no té resistència a la calor, la superfície es deforma fàcilment per la calor, la superfície de mòlta de la fulla és propensa a marques de desgast, gran rugositat; la mola de diamant amb aglutinant metàl·lic es manté afilada mitjançant la mòlta aixafada, bona formabilitat, superfície, baixa rugositat superficial de la mòlta de la fulla, major eficiència, però, la capacitat d'unió de les partícules de mòlta fa que l'autoafilat sigui deficient, i el tall de tall és fàcil deixar un buit d'impacte, causant danys marginals greus; la mola de diamant amb aglutinant ceràmic té una resistència moderada, bon rendiment d'autoexcitació, més porus interns, afavoreix l'eliminació de pols i la dissipació de calor, pot adaptar-se a una varietat de refrigerants, la baixa temperatura de mòlta, la mola està menys desgastada, bona retenció de la forma, la precisió de la màxima eficiència, però, el cos de mòlta de diamant i aglutinant condueix a la formació de forats a la superfície de l'eina. Utilitzeu-ho segons els materials de processament, l'eficiència de mòlta completa, la durabilitat abrasiva i la qualitat superficial de la peça.
La recerca sobre l'eficiència de la mòlta se centra principalment en la millora de la productivitat i el control dels costos. Generalment, la velocitat de mòlta Q (eliminació de PCD per unitat de temps) i la relació de desgast G (relació entre l'eliminació de PCD i la pèrdua de la mola) s'utilitzen com a criteris d'avaluació.
L'erudit alemany KENTER va provar una eina de rectificat de PCD amb pressió constant: ① augmenta la velocitat de la mola, la mida de les partícules del PDC i la concentració de refrigerant, cosa que redueix la velocitat de rectificat i la relació de desgast; ② augmenta la mida de les partícules de rectificat, augmenta la pressió constant, augmenta la concentració de diamant a la mola, cosa que augmenta la velocitat de rectificat i la relació de desgast; ③ el tipus d'aglomerant és diferent, la velocitat de rectificat i la relació de desgast són diferents. KENTER El procés de rectificat de la fulla de l'eina de PCD s'ha estudiat sistemàticament, però la influència del procés de rectificat de la fulla no s'ha analitzat sistemàticament.

3. Ús i fallades de les eines de tall de PCD
(1) Selecció dels paràmetres de tall de l'eina
Durant el període inicial de l'eina PCD, la boca del tall afilat va patinar gradualment i la qualitat de la superfície de mecanitzat va millorar. La passivació pot eliminar eficaçment els microespais i les petites rebaves provocades pel rectificat de la fulla, millorar la qualitat superficial del tall i, alhora, formar un radi de tall circular per comprimir i reparar la superfície processada, millorant així la qualitat superficial de la peça.
Fresat de superfícies d'eines PCD d'aliatge d'alumini, la velocitat de tall és generalment de 4000 m/min, el processament de forats és generalment de 800 m/min, el processament de metalls no ferrosos d'alta elasticitat-plàstica ha de tenir una velocitat de gir més alta (300-1000 m/min). El volum d'avanç generalment es recomana entre 0,08-0,15 mm/r. Un volum d'avanç massa gran, augmenta la força de tall, augmenta l'àrea geomètrica residual de la superfície de la peça; un volum d'avanç massa petit, augmenta la calor de tall i augmenta el desgast. La profunditat de tall augmenta, augmenta la força de tall, augmenta la calor de tall, disminueix la vida útil, una profunditat de tall excessiva pot causar fàcilment el col·lapse de la fulla; una petita profunditat de tall provocarà l'enduriment del mecanitzat, el desgast i fins i tot el col·lapse de la fulla.
(2) Forma de desgast
El desgast de la peça de treball en el processament d'eines és inevitable a causa de la fricció, les altes temperatures i altres motius. El desgast de l'eina de diamant consta de tres etapes: la fase inicial de desgast ràpid (també coneguda com a fase de transició), la fase de desgast estable amb una taxa de desgast constant i la fase posterior de desgast ràpid. La fase de desgast ràpid indica que l'eina no funciona i requereix un reafinament. Les formes de desgast de les eines de tall inclouen el desgast adhesiu (desgast de soldadura en fred), el desgast per difusió, el desgast abrasiu, el desgast per oxidació, etc.
A diferència de les eines tradicionals, la forma de desgast de les eines de PCD és el desgast per adhesiu, el desgast per difusió i el dany a la capa policristal·lina. Entre elles, el dany a la capa policristal·lina és la raó principal, que es manifesta com el subtil col·lapse de la fulla causat per impactes externs o la pèrdua d'adhesiu al PDC, formant un buit, que pertany al dany mecànic físic, que pot conduir a la reducció de la precisió del processament i al rebuig de les peces de treball. La mida de les partícules de PCD, la forma de la fulla, l'angle de la fulla, el material de la peça de treball i els paràmetres de processament afectaran la resistència de la fulla i la força de tall, i després causaran el dany a la capa policristal·lina. En la pràctica d'enginyeria, la mida de les partícules de la matèria primera, els paràmetres de l'eina i els paràmetres de processament adequats s'han de seleccionar segons les condicions de processament.

4. Tendència de desenvolupament de les eines de tall PCD
Actualment, la gamma d'aplicacions de l'eina PCD s'ha ampliat des del tornejat tradicional fins al trepat, fresat i tall d'alta velocitat, i s'ha utilitzat àmpliament tant a nivell nacional com internacional. El ràpid desenvolupament dels vehicles elèctrics no només ha tingut un impacte en la indústria automobilística tradicional, sinó que també ha comportat reptes sense precedents per a la indústria de les eines, cosa que ha instat la indústria de les eines a accelerar l'optimització i la innovació.
L'àmplia aplicació de les eines de tall PCD ha aprofundit i promogut la recerca i el desenvolupament d'eines de tall. Amb l'aprofundiment de la recerca, les especificacions del PDC són cada cop més petites, l'optimització de la qualitat del refinament del gra, la uniformitat del rendiment, la velocitat de mòlta i la relació de desgast són cada cop més altes, i la diversificació de la forma i l'estructura. Les direccions de recerca de les eines PCD inclouen: ① recerca i desenvolupament de capes primes de PCD; ② recerca i desenvolupament de nous materials per a eines PCD; ③ recerca per millorar la soldadura d'eines PCD i reduir encara més els costos; ④ recerca que millora el procés de mòlta de les fulles d'eines PCD per millorar l'eficiència; ⑤ recerca que optimitza els paràmetres de l'eina PCD i utilitza les eines segons les condicions locals; ⑥ recerca que selecciona racionalment els paràmetres de tall segons els materials processats.
breu resum
(1) El rendiment de tall de l'eina PCD compensa l'escassetat de moltes eines de carbur; alhora, el preu és molt inferior al de l'eina de diamant monocristall, i en el tall modern és una eina prometedora;
(2) Segons el tipus i el rendiment dels materials processats, una selecció raonable de la mida de partícula i els paràmetres de les eines PCD, que és la premissa de la fabricació i l'ús de les eines,
(3) El material PCD té una duresa elevada, cosa que el fa ideal per a la fabricació de ganivets de tall, però també presenta dificultats per a la fabricació d'eines de tall. En fabricar, cal tenir en compte la dificultat del procés i les necessitats de processament per tal d'aconseguir el millor rendiment econòmic;
(4) En el cas dels materials de processament de PCD al comtat de ganivets, hem de seleccionar raonablement els paràmetres de tall, basant-nos en el compliment del rendiment del producte, per tal d'allargar la vida útil de l'eina i aconseguir l'equilibri entre la vida útil de l'eina, l'eficiència de la producció i la qualitat del producte;
(5) Investigar i desenvolupar nous materials d'eines PCD per superar els seus inconvenients inherents
Aquest article prové de "xarxa de materials superdurs"