Fabricação e aplicação de ferramentas de diamante policristalino

A ferramenta PCD é feita de ponta de faca de diamante policristalino e matriz de carboneto por sinterização em alta temperatura e alta pressão. Ela não só aproveita ao máximo as vantagens de alta dureza, alta condutividade térmica, baixo coeficiente de atrito, baixo coeficiente de expansão térmica, baixa afinidade com metais e não metais, alto módulo de elasticidade, superfície sem clivagem e isotropia, como também leva em consideração a alta resistência da liga dura.
Estabilidade térmica, tenacidade ao impacto e resistência ao desgaste são os principais indicadores de desempenho do PCD. Por ser utilizado principalmente em ambientes de alta temperatura e alta tensão, a estabilidade térmica é o fator mais importante. O estudo mostra que a estabilidade térmica do PCD tem um grande impacto em sua resistência ao desgaste e tenacidade ao impacto. Os dados mostram que, quando a temperatura é superior a 750°C, a resistência ao desgaste e a tenacidade ao impacto do PCD geralmente diminuem de 5% a 10%.
O estado cristalino do PCD determina suas propriedades. Na microestrutura, os átomos de carbono formam ligações covalentes com quatro átomos adjacentes, obtendo a estrutura tetraédrica e, em seguida, formando o cristal atômico, que tem forte orientação e força de ligação e alta dureza. Os principais índices de desempenho do PCD são os seguintes: ① a dureza pode chegar a 8000 HV, 8-12 vezes o carboneto; ② a condutividade térmica é de 700 W / mK, 1,5-9 vezes, ainda maior do que PCBN e cobre; ③ o coeficiente de atrito é geralmente de apenas 0,1-0,3, muito menor do que 0,4-1 do carboneto, reduzindo significativamente a força de corte; ④ o coeficiente de expansão térmica é de apenas 0,9x10-6-1,18x10-6,1 / 5 do carboneto, o que pode reduzir a deformação térmica e melhorar a precisão do processamento; ⑤ e materiais não metálicos têm menos afinidade para formar nódulos.
O nitreto de boro cúbico possui forte resistência à oxidação e pode processar materiais contendo ferro, mas apresenta dureza inferior à do diamante monocristalino, velocidade de processamento lenta e baixa eficiência. O diamante monocristalino possui alta dureza, mas tenacidade insuficiente. A anisotropia facilita a dissociação ao longo da superfície (111) sob o impacto de forças externas, e a eficiência do processamento é limitada. O PCD é um polímero sintetizado por partículas de diamante de tamanho micrométrico por certos processos. A natureza caótica do acúmulo desordenado de partículas leva à sua natureza isotrópica macroscópica, e não há superfície direcional e de clivagem na resistência à tração. Comparado ao diamante monocristalino, o contorno de grão do PCD reduz efetivamente a anisotropia e otimiza as propriedades mecânicas.
1. Princípios de projeto de ferramentas de corte de PCD
(1) Seleção razoável do tamanho de partícula de PCD
Teoricamente, o PCD deve refinar os grãos, e a distribuição dos aditivos entre os produtos deve ser a mais uniforme possível para superar a anisotropia. A escolha do tamanho das partículas do PCD também está relacionada às condições de processamento. De modo geral, o PCD com alta resistência, boa tenacidade, boa resistência ao impacto e grãos finos pode ser usado para acabamento ou superacabamento, enquanto o PCD com grãos grossos pode ser usado para usinagem de desbaste geral. O tamanho das partículas do PCD pode afetar significativamente o desempenho de desgaste da ferramenta. A literatura relevante aponta que, quando o grão da matéria-prima é grande, a resistência ao desgaste aumenta gradualmente com a diminuição do tamanho do grão, mas quando o tamanho do grão é muito pequeno, essa regra não se aplica.
Experimentos relacionados selecionaram quatro pós de diamante com tamanhos médios de partículas de 10um, 5um, 2um e 1um, e foi concluído que: ① Com a diminuição do tamanho de partícula da matéria-prima, o Co se difunde de forma mais uniforme; com a diminuição de ②, a resistência ao desgaste e a resistência ao calor do PCD diminuíram gradualmente.
(2) Escolha razoável da forma da boca da lâmina e da espessura da lâmina
A forma da boca da lâmina inclui principalmente quatro estruturas: borda invertida, círculo rombudo, composto de círculo rombudo com borda invertida e ângulo agudo. A estrutura angular afiada torna a borda afiada, a velocidade de corte é rápida, pode reduzir significativamente a força de corte e rebarbas, melhorando a qualidade da superfície do produto, é mais adequada para ligas de alumínio com baixo teor de silício e outras durezas baixas, com acabamento uniforme em metais não ferrosos. A estrutura redonda obtusa pode passivar a boca da lâmina, formando um ângulo R, prevenindo efetivamente a quebra da lâmina, adequada para processamento de ligas de alumínio com médio/alto teor de silício. Em alguns casos especiais, como profundidade de corte rasa e pequena alimentação de faca, a estrutura redonda romba é preferida. A estrutura da borda invertida pode aumentar as bordas e cantos, estabilizar a lâmina, mas ao mesmo tempo aumentará a pressão e a resistência ao corte, mais adequada para cortes de carga pesada em ligas de alumínio com alto teor de silício.
Para facilitar a eletroerosão, geralmente é escolhida uma camada fina de chapa de PDC (0,3-1,0 mm), mais a camada de carboneto, com espessura total de cerca de 28 mm. A camada de carboneto não deve ser muito espessa para evitar a estratificação causada pela diferença de tensão entre as superfícies de ligação.
2, processo de fabricação de ferramentas PCD
O processo de fabricação da ferramenta PCD determina diretamente o desempenho de corte e a vida útil da ferramenta, sendo a chave para sua aplicação e desenvolvimento. O processo de fabricação da ferramenta PCD é mostrado na Figura 5.
(1) Fabricação de comprimidos compostos de PCD (PDC)
① Processo de fabricação do PDC
O PDC é geralmente composto por pó de diamante natural ou sintético e um agente ligante em alta temperatura (1000-2000°C) e alta pressão (5-10 atm). O agente ligante forma a ponte de ligação com TiC, Sic, Fe, Co, Ni, etc. como componentes principais, e o cristal de diamante é incorporado ao esqueleto da ponte de ligação na forma de uma ligação covalente. O PDC é geralmente transformado em discos com diâmetro e espessura fixos, sendo submetido a retificação, polimento e outros tratamentos físicos e químicos correspondentes. Em essência, a forma ideal do PDC deve reter ao máximo as excelentes características físicas do diamante monocristalino. Portanto, os aditivos no corpo de sinterização devem ser os mínimos possíveis, ao mesmo tempo em que a combinação de ligações DD das partículas é maximizada.
② Classificação e seleção de ligantes
O ligante é o fator mais importante que afeta a estabilidade térmica da ferramenta PCD, o que afeta diretamente sua dureza, resistência ao desgaste e estabilidade térmica. Os métodos comuns de ligação de PCD são: ferro, cobalto, níquel e outros metais de transição. Pó misto de Co e W foi usado como agente de ligação, e o desempenho abrangente do PCD de sinterização foi melhor quando a pressão de síntese foi de 5,5 GPa, a temperatura de sinterização foi de 1450 ℃ e o isolamento por 4 min. SiC, TiC, WC, TiB2 e outros materiais cerâmicos. SiC A estabilidade térmica do SiC é melhor do que a do Co, mas a dureza e a tenacidade à fratura são relativamente baixas. A redução apropriada do tamanho da matéria-prima pode melhorar a dureza e a tenacidade do PCD. Sem adesivo, com grafite ou outras fontes de carbono na temperatura ultra-alta e alta pressão queimada em um diamante de polímero em nanoescala (NPD). Usar grafite como precursor para preparar NPD é as condições mais exigentes, mas o NPD sintético tem a maior dureza e as melhores propriedades mecânicas.
Seleção e controle de grãos ③
A matéria-prima em pó de diamante é um fator-chave que afeta o desempenho do PCD. O pré-tratamento do micropó de diamante, a adição de uma pequena quantidade de substâncias que impedem o crescimento de partículas anormais de diamante e a seleção criteriosa de aditivos de sinterização podem inibir o crescimento de partículas anormais de diamante.
NPD de alta pureza com estrutura uniforme pode eliminar eficazmente a anisotropia e melhorar ainda mais as propriedades mecânicas. O pó precursor de nanografita, preparado pelo método de moagem de esferas de alta energia, foi utilizado para regular o teor de oxigênio em pré-sinterização de alta temperatura, transformando grafite em diamante sob temperaturas de 18 GPa e 2100-2300°C, gerando NPD lamelar e granular, e a dureza aumentou com a diminuição da espessura da lamela.
④ Tratamento químico tardio
À mesma temperatura (200 °C) e tempo (20 h), o efeito de remoção de cobalto do ácido de Lewis-FeCl3 foi significativamente melhor do que o da água, e a proporção ideal de HCl foi de 10-15 g/100 ml. A estabilidade térmica do PCD melhora com o aumento da profundidade de remoção de cobalto. Para PCD de crescimento de granulação grossa, o tratamento com ácido forte pode remover completamente o Co, mas tem grande influência no desempenho do polímero; a adição de TiC e WC altera a estrutura policristalina sintética e a combinação com o tratamento com ácido forte melhora a estabilidade do PCD. Atualmente, o processo de preparação de materiais de PCD está melhorando, a tenacidade do produto é boa, a anisotropia foi significativamente aprimorada, a produção comercial foi realizada e as indústrias relacionadas estão se desenvolvendo rapidamente.
(2) Processamento da lâmina de PCD
① processo de corte
O PCD tem alta dureza, boa resistência ao desgaste e processo de corte muito difícil.
2 procedimento de soldagem
O PDC e o corpo da faca são fixados mecanicamente, colados e brasados. A brasagem consiste em pressionar o PDC sobre a matriz de carboneto, incluindo brasagem a vácuo, soldagem por difusão a vácuo, brasagem por aquecimento por indução de alta frequência, soldagem a laser, etc. A brasagem por aquecimento por indução de alta frequência apresenta baixo custo e alto retorno, sendo amplamente utilizada. A qualidade da soldagem está relacionada ao fluxo, à liga de soldagem e à temperatura de soldagem. A temperatura de soldagem (geralmente inferior a 700 °C) tem o maior impacto. Temperaturas muito altas podem causar grafitização do PCD, ou até mesmo "queima excessiva", o que afeta diretamente o efeito da soldagem, e temperaturas muito baixas podem levar à resistência de soldagem insuficiente. A temperatura de soldagem pode ser controlada pelo tempo de isolamento e pela profundidade da vermelhidão do PCD.
3 Processo de retificação da lâmina
O processo de retificação de ferramentas PCD é a chave para o processo de fabricação. Geralmente, o valor de pico da lâmina e da lâmina está dentro de 5um, e o raio do arco está dentro de 4um; as superfícies de corte frontal e traseira garantem um acabamento superficial preciso, e até mesmo reduzem o Ra da superfície de corte frontal para 0,01 μm para atender aos requisitos de espelhamento, fazendo com que os cavacos fluam ao longo da superfície da lâmina frontal e evitando que a lâmina grude.
O processo de retificação de lâminas inclui retificação mecânica de lâminas com rebolo diamantado, retificação de lâminas com faísca elétrica (EDG), retificação de lâminas com abrasivos superduros com ligantes metálicos, retificação de lâminas de acabamento eletrolítico (ELID) e usinagem de retificação de lâminas compostas. Dentre eles, a retificação mecânica de lâminas com rebolo diamantado é a mais madura e amplamente utilizada.
Experimentos relacionados: ① a roda de moagem de partículas grossas levará ao colapso sério da lâmina, e o tamanho da partícula da roda de moagem diminui, e a qualidade da lâmina se torna melhor; o tamanho da partícula da roda de moagem ② está intimamente relacionado à qualidade da lâmina de ferramentas PCD de partículas finas ou ultrafinas, mas tem efeito limitado em ferramentas PCD de partículas grossas.
Pesquisas relacionadas, nacionais e internacionais, concentram-se principalmente no mecanismo e no processo de retificação de lâminas. No mecanismo de retificação de lâminas, a remoção termoquímica e a remoção mecânica são predominantes, com a remoção de fragilidade e a remoção por fadiga relativamente pequenas. Durante a retificação, de acordo com a resistência e a resistência ao calor de diferentes rebolos diamantados com agentes ligantes, a velocidade e a frequência de oscilação do rebolo devem ser aumentadas o máximo possível, evitando a remoção de fragilidade e fadiga, aumentando a proporção de remoção termoquímica e reduzindo a rugosidade da superfície. A rugosidade da superfície da retificação a seco é baixa, mas facilmente se deteriora devido à alta temperatura de processamento, queimando a superfície da ferramenta.
O processo de retificação da lâmina requer atenção aos seguintes pontos: ① Escolha parâmetros razoáveis do processo de retificação da lâmina, o que pode melhorar a qualidade da borda da lâmina e melhorar o acabamento da superfície frontal e traseira da lâmina. No entanto, considere também alta força de retificação, grande perda, baixa eficiência de retificação e alto custo; ② Selecione uma qualidade razoável do rebolo, incluindo tipo de ligante, tamanho de partícula, concentração, ligante e acabamento do rebolo. Com condições razoáveis de retificação da lâmina a seco e a úmido, é possível otimizar os cantos frontal e traseiro da ferramenta, o valor de passivação da ponta da faca e outros parâmetros, melhorando a qualidade da superfície da ferramenta.
Diferentes rodas de retificação diamantadas de ligação têm características diferentes, e diferentes mecanismos de retificação e efeito. A roda de retificação diamantada de ligante de resina é macia, As partículas de retificação são fáceis de cair prematuramente, Não tem uma resistência ao calor, A superfície é facilmente deformada pelo calor, A superfície de retificação da lâmina é propensa a marcas de desgaste, Grande rugosidade; A roda de retificação diamantada de ligante de metal é mantida afiada por trituração de moagem, Boa conformabilidade, superfície, Baixa rugosidade da superfície da retificação da lâmina, Maior eficiência, No entanto, a capacidade de ligação das partículas de retificação torna a autoafiação ruim, E a aresta de corte é fácil de deixar uma lacuna de impacto, Causando sérios danos marginais; A roda de retificação diamantada de ligante de cerâmica tem uma resistência moderada, Bom desempenho de autoexcitação, Mais poros internos, Favorece a remoção de poeira e dissipação de calor, Pode se adaptar a uma variedade de refrigerantes, A baixa temperatura de retificação, A roda de retificação é menos desgastada, Boa retenção de forma, A precisão da mais alta eficiência, No entanto, o corpo da retificação diamantada e do ligante leva à formação de cavidades na superfície da ferramenta. Use de acordo com os materiais de processamento, eficiência de moagem abrangente, durabilidade abrasiva e qualidade da superfície da peça de trabalho.
A pesquisa sobre eficiência de retificação concentra-se principalmente na melhoria da produtividade e no controle de custos. Geralmente, a taxa de retificação Q (remoção de PCD por unidade de tempo) e a taxa de desgaste G (razão entre remoção de PCD e perda do rebolo) são utilizadas como critérios de avaliação.
O pesquisador alemão KENTER realizou testes de retificação de ferramentas de PCD com pressão constante: ① aumenta a velocidade da roda de retificação, o tamanho das partículas de PDC e a concentração do líquido de arrefecimento, reduzindo a taxa de retificação e a taxa de desgaste; ② aumenta o tamanho das partículas de retificação, aumenta a pressão constante e aumenta a concentração de diamante na roda de retificação, aumentando a taxa de retificação e a taxa de desgaste; ③ o tipo de ligante é diferente, e a taxa de retificação e a taxa de desgaste são diferentes. KENTER: O processo de retificação da lâmina da ferramenta de PCD foi estudado sistematicamente, mas a influência do processo de retificação da lâmina não foi analisada sistematicamente.

3. Uso e falha de ferramentas de corte de PCD
(1) Seleção dos parâmetros de corte da ferramenta
Durante o período inicial da ferramenta PCD, a borda afiada da ferramenta foi gradualmente passivada, e a qualidade da superfície usinada melhorou. A passivação pode remover eficazmente as micro-lacunas e pequenas rebarbas causadas pela retificação da lâmina, melhorando a qualidade da superfície da aresta de corte e, ao mesmo tempo, formando um raio de aresta circular para comprimir e reparar a superfície processada, melhorando assim a qualidade da superfície da peça.
Fresamento de superfície de liga de alumínio com PCD, a velocidade de corte é geralmente de 4000 m/min, o processamento de furos é geralmente de 800 m/min, e o processamento de metais não ferrosos de alta elasticidade e plástico deve ser feito com velocidades de torneamento mais altas (300-1000 m/min). O volume de avanço é geralmente recomendado entre 0,08-0,15 mm/r. Volume de avanço muito grande, aumento da força de corte, aumento da área geométrica residual da superfície da peça; volume de avanço muito pequeno, aumento do calor de corte e aumento do desgaste. O aumento da profundidade de corte, a força de corte aumenta, o calor de corte aumenta, a vida útil diminui, e profundidade de corte excessiva pode facilmente causar o colapso da lâmina; profundidade de corte pequena levará ao endurecimento da usinagem, desgaste e até mesmo ao colapso da lâmina.
(2) Forma de desgaste
O desgaste da peça de trabalho durante o processamento da ferramenta é inevitável devido ao atrito, altas temperaturas e outros fatores. O desgaste da ferramenta diamantada consiste em três estágios: a fase inicial de desgaste rápido (também conhecida como fase de transição), a fase de desgaste estável com taxa de desgaste constante e a fase subsequente de desgaste rápido. A fase de desgaste rápido indica que a ferramenta não está funcionando e precisa ser reafiada. As formas de desgaste das ferramentas de corte incluem desgaste adesivo (desgaste por soldagem a frio), desgaste por difusão, desgaste abrasivo, desgaste por oxidação, etc.
Diferentemente das ferramentas tradicionais, as formas de desgaste das ferramentas de PCD são o desgaste adesivo, o desgaste por difusão e os danos à camada policristalina. Entre eles, o dano à camada policristalina é a principal causa, que se manifesta como um colapso sutil da lâmina causado por impacto externo ou pela perda de adesivo no PDC, formando uma lacuna, que pertence aos danos físicos e mecânicos, o que pode levar à redução da precisão do processamento e ao desperdício de peças de trabalho. O tamanho das partículas de PCD, o formato da lâmina, o ângulo da lâmina, o material da peça de trabalho e os parâmetros de processamento afetarão a resistência da lâmina e a força de corte, e então causarão danos à camada policristalina. Na prática da engenharia, o tamanho de partícula da matéria-prima, os parâmetros da ferramenta e os parâmetros de processamento apropriados devem ser selecionados de acordo com as condições de processamento.

4. Tendência de desenvolvimento de ferramentas de corte PCD
Atualmente, a gama de aplicações das ferramentas de PCD expandiu-se do torneamento tradicional para furação, fresamento e corte de alta velocidade, sendo amplamente utilizada no país e no exterior. O rápido desenvolvimento dos veículos elétricos não só impactou a indústria automobilística tradicional, como também trouxe desafios sem precedentes para a indústria de ferramentas, impulsionando-a a acelerar a otimização e a inovação.
A ampla aplicação de ferramentas de corte PCD aprofundou e promoveu a pesquisa e o desenvolvimento de ferramentas de corte. Com o aprofundamento da pesquisa, as especificações PDC estão se tornando cada vez menores, a otimização da qualidade do refinamento do grão, a uniformidade do desempenho, a taxa de retificação e a taxa de desgaste são cada vez maiores, e a diversificação de formas e estruturas. As direções de pesquisa de ferramentas PCD incluem: ① pesquisar e desenvolver camadas finas de PCD; ② pesquisar e desenvolver novos materiais para ferramentas PCD; ③ pesquisar para melhorar a soldagem de ferramentas PCD e reduzir ainda mais os custos; ④ pesquisar para aprimorar o processo de retificação de lâminas de ferramentas PCD para melhorar a eficiência; ⑤ pesquisar para otimizar os parâmetros das ferramentas PCD e usar ferramentas de acordo com as condições locais; ⑥ pesquisar para selecionar racionalmente os parâmetros de corte de acordo com os materiais processados.
breve resumo
(1) O desempenho de corte da ferramenta PCD compensa a escassez de muitas ferramentas de carboneto; ao mesmo tempo, o preço é muito menor do que a ferramenta de diamante de cristal único, no corte moderno, é uma ferramenta promissora;
(2) De acordo com o tipo e desempenho dos materiais processados, uma seleção razoável do tamanho das partículas e parâmetros das ferramentas PCD, que é a premissa da fabricação e uso das ferramentas,
(3) O material PCD possui alta dureza, sendo ideal para corte de facas, mas também apresenta dificuldades na fabricação de ferramentas de corte. Durante a fabricação, é fundamental considerar de forma abrangente a dificuldade do processo e as necessidades de processamento, a fim de obter o melhor custo-benefício;
(4) Materiais de processamento de PCD no condado de facas, devemos selecionar razoavelmente os parâmetros de corte, com base no atendimento ao desempenho do produto, tanto quanto possível para estender a vida útil da ferramenta a fim de atingir o equilíbrio entre vida útil da ferramenta, eficiência de produção e qualidade do produto;
(5) Pesquisar e desenvolver novos materiais para ferramentas de PCD para superar suas desvantagens inerentes
Este artigo foi extraído do "rede de material superduro"