Diferencias en la definición de monocristales y policristales

El diamante monocristalino y el diamante policristalino están ambos compuestos de átomos de carbono, pero las diferencias internas determinan sus usos completamente diferentes. El diamante monocristalino es un cristal con una red continua y sin límites de grano. Sus propiedades varían según el plano y la dirección del cristal. La dureza y suavidad del mismo cristal en diferentes direcciones no son iguales. El diamante policristalino es un material formado por la combinación de una gran cantidad de granos de diamante de tamaño micrométrico o incluso más finos, con una pequeña cantidad de fase metálica y poros diminutos que quedan entre los granos. Muchas fuentes escriben monocristales como diamantes monocristalinos, resumiendo la comparación entre ambos como diamantes monocristalinos vs policristalinos, que es esencialmente lo mismo: el compromiso entre monocristales continuos y agregados policristalinos.

Anisotropía y exfoliación

La característica más obvia del diamante monocristalino es su direccionalidad. Su dureza, resistencia al desgaste y comportamiento de fractura cambian con el plano cristalino. Si no se controla la orientación del cristal durante la fabricación de la herramienta, el filo puede caer precisamente en una dirección que se divide fácilmente. Los monocristales también tienen planos de exfoliación bien definidos. Cuando la dirección de la carga y los planos de exfoliación forman una combinación desfavorable, las grietas pueden penetrar rápidamente todo el cristal en una dirección, causando una fractura frágil repentina. Los granos del diamante policristalino están orientados aleatoriamente, y las direcciones de los granos adyacentes son diferentes entre sí. Cuando las grietas cruzan los granos, se verán forzadas a desviarse y bifurcarse, consumiendo más energía. Esto también muestra que aunque los policristales no tienen una trayectoria fija que pueda dividirse hasta el fondo como los monocristales, aún pueden romperse en debilitamientos de límite de grano o concentración de tensiones.

Dureza y filo

Solo mirando la dureza, el diamante monocristalino puede ser muy prominente en la dirección cristalina favorable, mientras que la dureza del policristalino se reducirá ligeramente debido a la fase de unión y los poros. Lo que realmente amplió la brecha fue el filo. Los monocristales no tienen límites de grano ni fases de unión en su interior, lo que permite mecanizar bordes de corte nanométricos continuos y casi sin muescas, lo que los hace ideales para el corte de ultraprecisión de metales no ferrosos, cristales y moldes ópticos. Los filos policristalinos naturalmente tienen ondulaciones en los límites de grano y desprendimiento de partículas diminutas, y su nitidez máxima generalmente no es tan buena como la de los monocristales de alta calidad. La fortaleza de los monocristales radica en su calidad superficial máxima y precisión de contorno, mientras que la fortaleza de los policristales radica en que el filo permanece estable incluso bajo desgaste.

Resiliencia y resistencia al astillamiento

Si cambiamos nuestro enfoque de la dureza a la tenacidad, la situación se invertirá. El diamante policristalino convencional generalmente tiene una tenacidad a la fractura más alta que la mayoría de los monocristales, y los granos orientados aleatoriamente pueden absorber parte de la energía a través de la desviación y el puenteo de grietas. Los monocristales son propensos a una fractura catastrófica una vez que los defectos se expanden en direcciones desfavorables debido a la presencia de exfoliación de largo alcance. Para los dientes de corte de perforación sometidos a impactos aleatorios, cargas multiaxiales y desgaste continuo extenso, el riesgo de falla en un solo punto es difícil de aceptar; controlar la orientación del cristal pieza por pieza y luego amplificarlo en elementos de corte en la broca aumentará significativamente los costos y las dificultades de gestión.

Resistencia al desgaste y propiedades térmicas

En términos de resistencia al desgaste, algunas orientaciones de cristal de los monocristales son muy resistentes al desgaste, mientras que otras son más fáciles de rectificar, y su rendimiento depende altamente de la orientación. Los policristales promedian las diferencias en diferentes direcciones de cristal a través de la orientación aleatoria, haciendo que el desgaste sea más predecible. En términos de conductividad térmica, tanto el monocristal de alta pureza como el diamante policristalino depositado por vapor de alta pureza pueden alcanzar niveles muy altos, mientras que la conductividad térmica del policristalino sinterizado que contiene fases metálicas de unión disminuirá significativamente, y los límites de grano y los metales residuales dispersarán el flujo de calor. También se debe tener en cuenta que la alta conductividad térmica y la alta resistencia al calor son dos cosas diferentes. La primera describe la velocidad de transferencia de calor, mientras que la segunda describe si la estructura y el rendimiento pueden mantenerse a altas temperaturas.

Forma de fabricación y aplicación práctica

Los tamaños disponibles, las caras de cristal y los defectos del diamante monocristalino deben seleccionarse pieza por pieza, y los bordes de corte complejos de gran tamaño están limitados por el crecimiento y procesamiento del cristal. El diamante policristalino puede producirse en masa en discos, láminas y compuestos mediante la proporción de polvo y sinterización a alta temperatura y alta presión, lo que lo hace más adecuado para la producción industrial. Esto explica por qué los monocristales se encuentran principalmente en herramientas de mecanizado de precisión, mientras que los dientes de corte PDC utilizados en perforación de petróleo y gas, exploración geológica, minería y perforación de pozos de agua casi todos usan diamante policristalino como capa de trabajo.

Por qué los dientes de corte de perforación utilizan estructura compuesta

Los dientes de corte de perforación no hacen una elección simple entre monocristal y policristalino; su estructura es una estructura compuesta de capa de trabajo de diamante policristalino y matriz de carburo cementado. La capa policristalina es responsable de resistir el desgaste abrasivo de la roca, mientras que la matriz de carburo es responsable de soportar, transmitir cargas y proporcionar una interfaz de montaje soldable. Aunque los monocristales son afilados, carecen de las capacidades de soporte para ser instalados, transportados y producidos en masa. Volviendo a la comparación entre el diamante monocristalino y el diamante policristalino, quién es más adecuado depende de la pieza de trabajo que desee procesar, la carga a la que está sometido y el objetivo que persigue. En última instancia, la conclusión la dan las condiciones de trabajo específicas.