Поликристаллический алмаз — это сверхтвердый материал, получаемый путем спекания алмазного порошка размером в микроны и металлического связующего вещества в условиях сверхвысокого давления и высокой температуры. Являясь “острыми зубами” современной промышленности, поликристаллический алмаз (PCD) является основным расходным материалом для эффективной обработки углеродных композитных материалов и алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния в аэрокосмической отрасли, бурения в экстремальных горных породах при разведке нефти и газа, а также прецизионной волочилки. Однако одного лишь знания этих базовых химических свойств недостаточно, чтобы предотвратить преждевременный износ инструментов на производственной линии. Чтобы правильно подобрать ПКД, необходимо понимать, как размер частиц, потеря связующего и адгезия к матрице напрямую определяют износостойкость инструмента. Сегодня мы подробно рассмотрим, как выбирать, закупать и применять материалы ПКД для снижения затрат на механическую обработку и бурение.

Монокристалл Контраст Поликристалл

Изотропная структура предотвращает непредсказуемое сколы при сильных промышленных ударах. У природного алмаза есть поверхность спайности — это один из видов структурной слабости: при ударе под определенным углом весь камень расколется прямо по линии трещины. Но поликристаллический алмаз устроен иначе: он равномерно распределяет силу удара на миллионы хаотично расположенных, прочно связанных между собой зерен. Говоря прямо, эта структурная хаотичность, напротив, устраняет физические слабые места. В условиях прерывистой резки, требующих чрезвычайно высокой амортизации ударов и напрямую определяющих срок службы инструмента, руководитель проекта обычно напрямую назначает ПКД в качестве замены монокристаллического алмаза.

Особенность	Поликристаллический алмаз (PCD)	Монокристаллический алмаз (MCD)
Твёрдость	Очень сложно, но чуть проще, чем MCD	Чрезвычайно твердый, обладает самой высокой из известных степеней твердости
Ударопрочность	Хорошо, благодаря случайной ориентации алмазных зерен	Более хрупкий, при сильном ударе может отколоться или сломаться
Экстремальные температуры	До 700 °C (в инертной атмосфере); температура ниже, чем у MCD в воздухе, из-за наличия связующего вещества	До 1200 °C (в инертной атмосфере), повышенная термостойкость
Основные области применения	Режущие инструменты (сверла, фрезы), изнашиваемые детали, матрицы для волочения проволоки, горнодобывающие инструменты	Высокоточные режущие инструменты, оптические компоненты, алмазные наковальни, медицинские инструменты, ювелирные изделия

Основные области промышленного применения PCD

В промышленности применение ПКД в основном обусловлено его исключительной износостойкостью при обработке материалов с высокой скоростью съема материала и цветных металлов.

Обработка цветных металлов для аэрокосмической отрасли

Если использовать стандартный твердосплавный инструмент для резки углепластика или алюминиевого сплава с высоким содержанием кремния, он придет в негодность уже через несколько минут. При тех же условиях эксплуатации инструмент из ПКД способен сохранять остроту в течение нескольких недель. В настоящее время авиационная промышленность широко использует ПКД с размером зерен от 10 до 25 микрон для фрезерования и сверления конструкций крыльев, чтобы избежать проблем с вытягиванием волокон или расслоением. При серийном производстве больших партий инструменты из твердого сплава с покрытием заменяются лезвиями из ПКД, что позволяет значительно снизить затраты на инструмент.

Бурение глубоких скважин в нефтегазовой отрасли

В настоящее время в нефтегазовом бурении преобладают PDC-коронки. Производитель наносит слой PCD на карбидную основу методом пайки, получая таким образом режущие зубья PDC. Данные коронки используют механический принцип соскабливания для измельчения горных пород, а не их сильного разбивания. Согласно данным, полученным непосредственно на местах, по сравнению с устаревшими конусными долотами полный переход на долота PDC позволяет сократить время строительства скважины на 60%.

Прецизионная матрица для волочения проволоки

Процесс волочения проволоки предъявляет чрезвычайно высокие требования к стабильности размеров отверстия — практически нулевые. При волочении медной, алюминиевой и нержавеющей проволоки возникает постоянное сильное трение, и для противодействия этому используется форма из ПКД. Мелкозернистый ПКД размером от 1 до 3 микрон обладает практически нулевым износом, что гарантирует, что экструдированная проволока всегда будет сохранять абсолютно точный диапазон допусков при непрерывном производстве длиной до нескольких миль.

“Матрица отбора ”3-T»

Проводя оценку на производстве, я обычно обнаруживаю, что основной причиной брака инструментов в подавляющем большинстве случаев является несоответствие марки ПКД фактическим условиям эксплуатации. Вы можете сразу же применить эту эксклюзивную “матрицу 3-T” для оценки вашей следующей партии заказов на закупку.

Материал заготовки Материал заготовки: Материал заготовки напрямую определяет химическую совместимость. Необходимо строго определить сферу применения ПЦД при обработке цветных металлов и неметаллов.

Температурный предел: Стандартный PCD быстро изнашивается при превышении температуры 700 °C. Содержащееся в нем кобальтовое связующее ускоряет термический разрыв, что приводит к микроразрушению. Поэтому необходимо выбрать соответствующую стратегию использования смазочно-охлаждающей жидкости и поддерживать температуру зоны резания ниже этого предельного значения.

Размер зерна / Текстура: Размер зерна, по сути, представляет собой компромисс между сроком службы инструмента и качеством поверхности. Для получения сверхгладкой поверхности на алюминии следует выбрать мелкозернистую фрезу с размером зерна 2 микрона; если же речь идет о черновом фрезеровании углепластика (CFRP), при котором приоритетом является износостойкость, следует сразу использовать крупнозернистую фрезу с размером зерна 25 микронов.

Руководство по тому, как избежать ловушки

Если поликристаллический алмаз (PCD) используется для обработки черных металлов, инструмент 100% придет в негодность. Железо обладает чрезвычайно высокой химической аффинностью к углероду. При резке стали или чугуна в поликристаллическом алмазе происходит химическая реакция, называемая “графитизацией». Проще говоря, алмаз непосредственно превращается в графит, превращаясь в железную стружку. При работе с железными материалами всегда целесообразно использовать PCBN.

Еще одной распространенной ошибкой является то, что качество деталей ухудшается непосредственно из-за использования крупнозернистого ПКД при зеркальной обработке. Крупные алмазные частицы оставляют на поверхности заготовки микроскопические царапины, невидимые невооруженным глазом, но поддающиеся измерению. Многие отделы закупок считают само собой разумеющимся, что обычный среднезернистый материал позволит добиться высококачественной финишной обработки. Прислушайтесь к моему совету: обязательно полностью разделяйте заказы на инструменты для черновой и чистовой обработки и четко указывайте точный индекс зернистости в заказе на закупку.

Тенденции в области передовых технологий: TSP и технология лазерной абляции

Термостойкий поликристаллический алмаз полностью преодолевает только что упомянутый предел разрушения в 700 °C. После первоначального спекания при высокой температуре и высоком давлении производитель применяет метод кислотного выщелачивания для удаления кобальтового связующего из алмазной матрицы. После удаления кобальта структурная целостность режущего элемента TSP сохраняется вплоть до 1 200 °C. В настоящее время многие инженеры-буровики активно внедряют использование TSP в глубоких геотермальных скважинах, где стандартные PDC-коронки плавятся.

Кроме того, лазерная абляция ускоряет процесс замены традиционной проволочной резки при изготовлении сложных инструментов из алмазоподобных углеродных насадок (PCD). Электроэрозионная обработка (ЭЭО), при которой происходит локальное плавление кобальтового связующего, приводит к повреждению кромки алмазного слоя. С помощью ультракороткоимпульсного лазера алмаз можно непосредственно газифицировать, при этом не возникает зоны термического влияния. Режущая кромка, полученная с помощью этого современного производственного процесса, имеет идеальное качество. По сравнению с линейной резкой срок службы инструмента может быть резко увеличен на 30%.

ЧаВо

В чём заключается разница между поликристаллическим алмазом и природным алмазом?

Поликристаллический алмаз — это материал, синтезированный в лабораторных условиях. Он состоит из тысяч микроалмазов, соединенных с металлическими растворителями. Его структура отличается высокой прочностью и изотропностью. Природный алмаз представляет собой монокристалл, добываемый из земли; хотя он и более твердый, но вдоль поверхности естественного спайности он очень легко подвержен хрупкому разрушению.

Можно ли использовать поликристаллический алмаз для резки стали?

Ни в коем случае. Поликристаллический алмаз при высоких температурах вступает в химическую реакцию с металлами на основе железа. Алмаз непосредственно разлагается на графит и растворяется в стали, мгновенно выводя из строя весь инструмент. Инженеры обычно режут сталь с помощью PCBN.

Какова максимальная рабочая температура PCD?

Стандартный поликристаллический алмаз (PCD), содержащий кобальтовые связующие вещества, начинает разрушаться при температуре около 700 °C. Однако если удалить кобальт для получения термостабильного поликристаллического алмаза, он может продолжать работать при температурах до 1 200 °C.

Что означает термин “размер зерен” при выборе ПКД?

Под размером зерна понимается физический диаметр спеченных между собой алмазных частиц. Мелкозернистая структура позволяет получить чрезвычайно острые кромки, подходящие для зеркальной полировки. Крупнозернистая структура обеспечивает максимальную ударопрочность и износостойкость, что особенно важно при черновой обработке материалов с высокой степенью износа.

Как производители обычно шлифуют или формуют резцы из ПКД?

Для придания формы инструментам из ПКД производители обычно используют ротационную электроэрозионную обработку, медленную электроэрозионную обработку проволокой или более современные методы лазерной абляции. Поскольку ПКД содержит кобальт и обладает электропроводностью, электроэрозионная обработка по-прежнему остается наиболее распространенным в отрасли методом формирования режущей кромки инструментов.

Почему поликристаллический алмаз всегда соединяется с основой из карбида вольфрама?

Матрица из карбида вольфрама обеспечивает необходимую ударопрочность и способность к пайке. Этот слой PCD действительно обладает чрезвычайной износостойкостью, но при этом очень тонкий. Алмазный слой спекается непосредственно на опорной пластине из твердого сплава, и композитное лезвие не только способно поглощать механические удары, но и облегчает последующую прямую пайку к стальному корпусу резака.