Погоня за твердостью и прочностью режущих материалов является неотъемлемой составляющей научно-технического прогресса. И в этом плане современным ученым удалось достигнуть заметных успехов. Ведь теперь для нужд механической обработки стал доступен самый твердый из известных на сегодняшний день материалов, представленный техническим алмазом.
Обзор расскажет о резке металла алмазом, про алмазный инструмент и технологию синтезирования технических алмазов.
Промышленное изготовление технических алмазов началось в 50-х годах XX столетия. Изначально синтетический алмаз использовался для формирования режущей кромки на твердосплавных пластинах и заточки твердосплавного инструмента.
Синтетический (технический) алмаз – искусственно выращенный материал, повторяющий состав и структуру природного алмаза. Основой алмаза является графит, который при определенном давлении и температуре приобретает особую кристаллическую решетку, представленную геометрически правильным соединением кубов, состоящих из 18 атомов углерода.
Для синтеза алмазов необходимо давление на уровне 50 000 – 60 000 атмосфер и температура не менее 1400 С. Конечно, существуют технологии выращивания технических алмазов и без избыточного давления. О наиболее распространенных методах синтеза алмазов будет рассказано ниже по тексту.
Главным достоинством алмаза является высочайший уровень твердости. Синтетический алмаз демонстрирует твердость на уровне 100 HRc, превосходя по данному показателю сверхпрочные твердосплавные материалы и режущую керамику.
Вместе с тем алмаз обладает минимальным коэффициентом теплового расширения и превосходным уровнем теплопроводности.
В целом эксплуатационные характеристики технического (синтетического) алмаза превосходят параметры кубического нитрида бора (КНБ). Хотя алмаз и КНБ не являются конкурентами, данные материалы используются для разных целей.
Ниже можно будет узнать про виды инструмента с алмазным напылением.
Технический или синтетический алмаз
Стоит сразу заметить, что техническим может быть как искусственно синтезированный, так и природный алмаз. Как показывает практика, примерно 80% добываемых из земных недр природных алмазов отправляются в категорию технических.
Техническим называют алмаз, который не имеет нужной кондиции, чтобы использоваться в ювелирном деле. Как правило, это экземпляры с различными дефектами, по типу посторонних включений, пустот, мутной поверхности и пр.
Синтетические алмазы не имеют допуска, чтобы применяться в ювелирном деле, за исключением бижутерии. Каждый из искусственно выращенных технических алмазов подвергается контролю и учету.
Большая часть синтетических алмазов идет на нужды механообработки и электроники. Резка металла алмазом отличается высочайшей производительностью и экономичностью.
Природные алмазы формируются в глубинах земной мантии, в условиях сверхвысокого давления и большой температуры. Алмазы начали выходить на поверхность около 3 млрд лет назад, что обусловлено геологическими процессами.
Технический алмаз и резка металлов
Высочайший уровень твердости и отменная теплопроводность обусловили широкую сферу применения алмазов в области механообработки.
Алмазный инструмент относится к категории специализированного. Ведь у алмаза есть одна специфическая особенность. В условиях сильного нагрева, 800-1000 С, синтетический алмаз начинает окисляться, что приводит к разложению некогда сверхпрочного материала. Технический алмаз просто сгорает с выделением углекислого газа.
Металлорежущий инструмент с алмазной кромкой при обычных условиях не используется для резки на высоких скоростях, более 100-120 (м/мин), когда температура в зоне контакта начинает достигать критически высоких значений, свыше 800 С.
Исключение составляют лишь случаи, когда алмазный инструмент задействуется на металлорежущих станках с закрытой камерой механообработки. В условиях вакуума или инертного газа алмазный режущий инструмент способен выдерживать абсолютно любые нагрузки. При отсутствии окисления алмазная режущая кромка сохраняет стойкость вплоть до 2000 С, когда начинается температурное разложение алмаза до состояния графита.
Теперь подробнее про виды инструмента с алмазным напылением. Большая часть алмазного металлорежущего инструмента задействуется в сфере инструментального производства:
- Порезка твердосплавных и керамических пластин
- Формирование режущего профиля пластин из твердых сплавов, керамики, алмаза и кубического нитрида бора
- Заточка режущего инструмента из твердых сплавов, керамики, КНБ и алмаза
Алмазные круги для порезки и шлифования активно используются при обработке штампов, пуансонов, прессформ, калибров и прочего оснащения, созданного на основе сверхпрочных материалов.
Алмазный инструмент является незаменимым при обработке магнитных металлических сплавов и ферритов, которые обладают повышенной твердостью и хрупкостью.
Металлорежущий инструмент с алмазным напылением часто используется при обработке высокопрочных алюминиевых сплавов, когда требуется достигнуть особо высокой точности и чистоты целевых поверхностей.
Алмазная резка хорошо подходит для обработки стекла. Классический стеклорез отличается высокой надежностью и долговечностью. Алмазной кромке можно доверить раскрой как обычного стекла, так и высокопрочного сапфирового. Алмазный инструмент часто используется при порезке оптических линз.
Производство алмазного инструмента
Разумеется, алмазный инструмент достаточно дорого стоит. Но из-за высочайшего уровня твердости, в паре с хорошей теплопроводностью и минимальным коэффициентом температурного расширения, применение алмазной режущей кромки сулит наилучшую экономическую выгоду для многих механообрабатывающих операций.
Подавляющее большинство режущего инструментария с алмазной кромкой использует порошковое напыление или же спеченную композицию.
Но в некоторых случаях, особенно в пластинах для резцов и фрез, могут использоваться и цельные алмазные вставки, которые зачеканиваются или запаиваются в режущую головку.
Высокой надежностью и долговечностью обладают шлифовальные круги на основе кобальтовой композиции. Кобальт является одним из немногих металлов, кто проявляет абсолютную инертность к углероду, без перехода в карбидную фазу.
В кобальтово-алмазных композициях мелкие зерна кристаллов мирно сосуществуют с металлическим наполнителем при достаточно высоких температурах.
Для формирования режущей кромки и заточки алмазного инструмента нередко применяют лазерную обработку.
Что еще нужно знать про виды инструмента с алмазным напылением.
Как получают синтетические алмазы
Стоит сразу заметить, что синтетические алмазы являются более пригодными для использования в инструментарии и электронике. Дело в том, что лабораторное оборудование позволяет взять под полный контроль размер зерен и форму искусственно выращиваемых алмазов.
Наибольшее распространение получили несколько технологий получения синтетических (технических) алмазов:
- Метод высокого давления и температуры (High Pressure High Temperature, HPHT)
- Метод химического осаждения (Chemical Vapor Deposition, CVD)
Каждая из технологий имеет свои особенности, преимущества и недостатки.
- Метод высокого давления и температуры – данная технология находится у истоков изготовления первого синтетического алмаза. Процесс получения кристаллов повторяет природный геологический принцип, основанный на сжатии и нагреве углерода.
Для синтеза алмазов необходимо давление в пределах 50 000 – 60 000 атмосфер. Нагрев при этом достигает 1400 С. При помощи точного значение температуры, давления и времени выдержки можно регулировать многие параметры будущего кристалла.
Для сжатия используется гидравлический пресс. Нагрев и контроль температуры обычно производится термопарой. Прессформа создается на основе керамики. Сегодня чаще всего применяется сферическая форма изложницы с рабочим объемом около 3 (см3).
Метод высокого давления и температуры имеет сегодня наилучшую экономическую рентабельность.
Разумеется, данная технология заметно ограничивает возможности по настройке структуры алмазных слоев.
- Метод химического осаждения – эта технология основана на обработке микроволновым или лазерным излучением углеводородных соединений. Алмазы осаживаются на графитовой матрице после перехода в газовую фазу и ионизации газообразного углерода.
У метода химического осаждения есть несколько важных преимуществ:
- Возможность выращивания многослойных алмазов
- Осаждение алмазов на большой площади
Слои технического алмаза могут различаться по свойствам, что достигается за счет изменения температуры нагрева подложки, интенсивности ионизации углерода и состава углеводородной смеси.
Методика химического осаждения дает возможность получать алмазы с уникальными оптическими, химическими и физико-механическими свойствами.
