ייצור ויישום של כלי יהלום פוליקריסטלי

כלי PCD עשוי מקצה סכין יהלום פוליקריסטלי ומטריצת קרביד שעברו סינטור בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה. הוא יכול לא רק למקסם את היתרונות של קשיות גבוהה, מוליכות תרמית גבוהה, מקדם חיכוך נמוך, מקדם התפשטות תרמית נמוך, זיקה קטנה למתכת ולא-מתכת, מודול אלסטיות גבוה, משטח ללא ביקוע, איזוטרופיות, אלא גם לקחת בחשבון את החוזק הגבוה של סגסוגת קשה.
יציבות תרמית, קשיחות פגיעות ועמידות בפני שחיקה הם מדדי הביצועים העיקריים של PCD. מכיוון שהוא משמש בעיקר בסביבות טמפרטורה גבוהות ועומס גבוה, יציבות תרמית היא הדבר החשוב ביותר. המחקר מראה כי ליציבות התרמית של PCD יש השפעה רבה על עמידות השחיקה וקשיחות הפגיעות שלו. הנתונים מראים שכאשר הטמפרטורה גבוהה מ-750 ℃, עמידות השחיקה וקשיחות הפגיעות של PCD יורדות בדרך כלל ב-5% -10%.
מצב הגביש של ה-PCD קובע את תכונותיו. במיקרו-מבנה, אטומי פחמן יוצרים קשרים קוולנטיים עם ארבעה אטומים סמוכים, מקבלים מבנה טטרהדרלי, ולאחר מכן יוצרים גביש אטומי, בעל כוח קשירה וכיוון חזקים, וקשיחות גבוהה. מדדי הביצועים העיקריים של PCD הם כדלקמן: ① קשיות יכולה להגיע ל-8000 HV, פי 8-12 מקרביד; ② מוליכות תרמית היא 700W/mK, פי 1.5-9, אפילו גבוהה יותר מ-PCBN ונחושת; ③ מקדם החיכוך הוא בדרך כלל רק 0.1-0.3, הרבה פחות מ-0.4-1 של קרביד, מה שמפחית משמעותית את כוח החיתוך; ④ מקדם ההתפשטות התרמית הוא רק 0.9x10⁻⁶-1.18x10⁻⁶,1/5 של קרביד, מה שיכול להפחית עיוות תרמי ולשפר את דיוק העיבוד; ⑤ וחומרים לא מתכתיים נוטים פחות ליצור גושים.
לבורון ניטריד קובי עמידות חזקה בפני חמצון והוא יכול לעבד חומרים המכילים ברזל, אך הקשיות נמוכה יותר מיהלום גבישי יחיד, מהירות העיבוד איטית והיעילות נמוכה. ליהלום גבישי יחיד קשיות גבוהה, אך הקשיחות אינה מספקת. אניזוטרופיה מקלה על דיסוציאציה לאורך פני השטח (111) תחת השפעת כוח חיצוני, ויעילות העיבוד מוגבלת. PCD הוא פולימר המסונתז על ידי חלקיקי יהלום בגודל מיקרון באמצעים מסוימים. האופי הכאוטי של הצטברות חלקיקים לא מסודרת מוביל לאופי איזוטרופי מקרוסקופי שלו, ואין משטח כיווני וחשוף בחוזק המתיחה. בהשוואה ליהלום גבישי יחיד, גבול הגרעינים של PCD מפחית ביעילות את האניזוטרופיה וממטב את התכונות המכניות.
1. עקרונות תכנון של כלי חיתוך PCD
(1) בחירה סבירה של גודל חלקיקי PCD
תיאורטית, PCD צריך לנסות לעדן את הגרגירים, וחלוקת התוספים בין המוצרים צריכה להיות אחידה ככל האפשר כדי להתגבר על האניסוטרופיה. בחירת גודל החלקיקים של PCD קשורה גם לתנאי העיבוד. באופן כללי, PCD בעל חוזק גבוה, קשיחות טובה, עמידות טובה בפני פגיעות וגרגירים עדינים יכול לשמש לגימור או גימור-על, ו-PCD בעל גרגירים גסים יכול לשמש לעיבוד גס כללי. גודל החלקיקים של PCD יכול להשפיע באופן משמעותי על ביצועי הבלאי של הכלי. ספרות רלוונטית מציינת שכאשר גרגיר חומר הגלם גדול, עמידות הבלאי עולה בהדרגה עם הירידה בגודל הגרגיר, אך כאשר גודל הגרגירים קטן מאוד, כלל זה אינו ישים.
בניסויים קשורים נבחרו ארבע אבקות יהלום עם גודל חלקיקים ממוצע של 10 מיקרון, 5 מיקרון, 2 מיקרון ו-1 מיקרון, והמסקנות היו כי: ① עם הירידה בגודל החלקיקים של חומר הגלם, ה-Co מתפזר בצורה שווה יותר; עם הירידה ב-②, עמידות הבלאי והעמידות בחום של ה-PCD ירדו בהדרגה.
(2) בחירה סבירה של צורת פתח הלהב ועובי הלהב
צורת פתח הלהב כוללת בעיקר ארבעה מבנים: קצה הפוך, עיגול קהה, קצה הפוך, עיגול קהה, מרוכב וזווית חדה. המבנה הזוויתי החד הופך את הקצה לחד, מהירות החיתוך מהירה, יכול להפחית משמעותית את כוח החיתוך והקור, לשפר את איכות פני השטח של המוצר, מתאים יותר לסגסוגות אלומיניום בעלות קשיות נמוכה ודברים אחרים בעלי גימור אחיד של מתכות לא ברזליות. המבנה העגול הקהה יכול להפוך את פתח הלהב לפסיביציה, ליצור זווית R, ולמנוע ביעילות את שבירת הלהב, מתאים לעיבוד סגסוגות אלומיניום בעלות קשיות בינונית/גבוהה. במקרים מיוחדים, כגון עומק חיתוך רדוד והזנת סכין קטנה, עדיף להשתמש במבנה העגול הקהה. מבנה הקצה ההפוך יכול להגדיל את הקצוות והפינות, לייצב את הלהב, אך בו זמנית יגביר את הלחץ ואת עמידות החיתוך, מתאים יותר לחיתוך בעומסים כבדים של סגסוגת אלומיניום בעלת קשיות גבוהה.
על מנת להקל על תהליך ה-EDM, בדרך כלל בוחרים שכבת יריעת PDC דקה (0.3-1.0 מ"מ), בתוספת שכבת קרביד, כאשר העובי הכולל של הכלי הוא כ-28 מ"מ. שכבת הקרביד לא צריכה להיות עבה מדי כדי למנוע ריבוד הנגרם מהפרשי המאמצים בין משטחי ההדבקה.
2, תהליך ייצור כלי PCD
תהליך הייצור של כלי PCD קובע ישירות את ביצועי החיתוך ואת חיי השירות של הכלי, שהם המפתח ליישומו ולפיתוחו. תהליך הייצור של כלי PCD מוצג באיור 5.
(1) ייצור טבליות PCD מרוכבות (PDC)
① תהליך ייצור של ה-PDC
PDC מורכב בדרך כלל מאבקת יהלומים טבעיים או סינתטיים וחומר קישור בטמפרטורה גבוהה (1000-2000 מעלות צלזיוס) ובלחץ גבוה (5-10 אטמ'). חומר הקישור יוצר גשר קישור עם TiC, Sic, Fe, Co, Ni וכו' כמרכיבים העיקריים, וגביש היהלום מוטמע בשלד גשר הקישור בצורת קשר קוולנטי. PDC מיוצר בדרך כלל לדיסקים בקוטר ועובי קבועים, ועוברים שיוף וליטוש וטיפולים פיזיקליים וכימיים תואמים אחרים. בעיקרון, הצורה האידיאלית של PDC צריכה לשמור על המאפיינים הפיזיקליים המצוינים של יהלום גבישי יחיד ככל האפשר, לכן, התוספים בגוף הסינטור צריכים להיות מינימליים ככל האפשר, ובמקביל, שילוב קשרי DD של החלקיקים ככל האפשר.
② סיווג ובחירת קלסרים
חומר הקישור הוא הגורם החשוב ביותר המשפיע על היציבות התרמית של כלי ה-PCD, דבר המשפיע ישירות על קשיותו, עמידותו בפני שחיקה ויציבותו התרמית. שיטות הדבקה נפוצות ב-PCD הן: ברזל, קובלט, ניקל ומתכות מעבר אחרות. אבקת תערובת של Co ו-W שימשה כחומר הדבקה, והביצועים המקיפים של PCD בסינטור היו מיטביים כאשר לחץ הסינתזה היה 5.5 GPa, טמפרטורת הסינטור הייתה 1450 ℃ והבידוד היה 4 דקות. SiC, TiC, WC, TiB2 וחומרים קרמיים אחרים. היציבות התרמית של SiC טובה יותר מזו של Co, אך הקשיות וקשיחות השבר נמוכות יחסית. הפחתה מתאימה של גודל חומר הגלם יכולה לשפר את הקשיות והקשיחות של PCD. ללא דבק, עם גרפיט או מקורות פחמן אחרים בטמפרטורה גבוהה במיוחד ובלחץ גבוה לשרוף ליהלום פולימרי ננומטרי (NPD). השימוש בגרפיט כחומר מקדים להכנת NPD הוא התנאים התובעניים ביותר, אך ל-NPD הסינתטי יש את הקשיות הגבוהה ביותר ואת התכונות המכניות הטובות ביותר.
בחירה ובקרה של גרגירים ③
אבקת היהלום, חומר הגלם, היא גורם מפתח המשפיע על ביצועי ה-PCD. טיפול מקדים באבקת היהלום המיקרו, הוספת כמות קטנה של חומרים המעכבים צמיחה לא תקינה של חלקיקי יהלום ובחירה סבירה של תוספי סינטור יכולים לעכב את הצמיחה של חלקיקי יהלום לא תקינים.
NPD טהור במיוחד עם מבנה אחיד יכול לבטל ביעילות את האניסוטרופיה ולשפר עוד יותר את התכונות המכניות. אבקת ננוגרפיט שהוכנה בשיטת טחינת כדורים באנרגיה גבוהה שימשה לוויסות תכולת החמצן בטמפרטורה גבוהה לפני סינטור, תוך הפיכת גרפיט ליהלום תחת 18 GPa ו-2100-2300 ℃, ויצרה NPD של למלות וגרגירים, והקשיות גדלה עם ירידה בעובי הלמלה.
④ טיפול כימי מאוחר
באותה טמפרטורה (200 מעלות צלזיוס) ובאותה זמן (20 שעות), אפקט הסרת הקובלט של חומצת לואיס-FeCl3 היה טוב משמעותית מזה של מים, והיחס האופטימלי של HCl היה 10-15 גרם / 100 מ"ל. היציבות התרמית של PCD משתפרת ככל שעומק הסרת הקובלט עולה. עבור PCD בעל גרגירים גסים, טיפול בחומצה חזקה יכול להסיר לחלוטין את ה-Co, אך יש לו השפעה רבה על ביצועי הפולימר; הוספת TiC ו-WC משנה את מבנה הפוליקריסטל הסינתטי ושילוב עם טיפול בחומצה חזקה משפר את יציבות ה-PCD. כיום, תהליך ההכנה של חומרי PCD משתפר, קשיחות המוצר טובה, האניזוטרופיה שופרה מאוד, ייצור מסחרי הושג, ותעשיות קשורות מתפתחות במהירות.
(2) עיבוד להב ה-PCD
① תהליך חיתוך
ל-PCD קשיות גבוהה, עמידות טובה בפני שחיקה ותהליך חיתוך קשה במיוחד.
② תהליך ריתוך
ריתוך PDC וגוף הסכין באמצעות הידוק מכני, חיבור והלחמה. הלחמה היא לחיצה על PDC על מטריצת הקרביד, כולל הלחמת ואקום, ריתוך דיפוזיה ואקום, הלחמת חימום אינדוקציה בתדירות גבוהה, ריתוך לייזר וכו'. הלחמת חימום אינדוקציה בתדירות גבוהה היא בעלת עלות נמוכה ותשואה גבוהה, והיא נמצאת בשימוש נרחב. איכות הריתוך קשורה לשטף, לסגסוגת הריתוך ולטמפרטורת הריתוך. טמפרטורת הריתוך (בדרך כלל נמוכה מ-700 מעלות צלזיוס) משפיעה בצורה הגדולה ביותר, טמפרטורה גבוהה מדי, קל לגרום לגרפיטיזציה של PCD, או אפילו "שריפה יתר", מה שמשפיע ישירות על אפקט הריתוך, וטמפרטורה נמוכה מדי תוביל לחוזק ריתוך לא מספק. ניתן לשלוט בטמפרטורת הריתוך על ידי זמן הבידוד ועומק האדמומיות של PCD.
③ תהליך טחינת להב
תהליך השחזה של כלי PCD הוא המפתח לתהליך הייצור. באופן כללי, ערך השיא של הלהב והלהב הוא בטווח של 5 מיקרון, ורדיוס הקשת הוא בטווח של 4 מיקרון; משטח החיתוך הקדמי והאחורי מבטיח גימור פני שטח מסוים, ואף מפחית את משטח החיתוך הקדמי Ra ל-0.01 מיקרון כדי לעמוד בדרישות המראה, לגרום לשבבים לזרום לאורך משטח הסכין הקדמי ולמנוע הידבקות של הסכין.
תהליך השחזה של להבים כולל השחזה מכנית של גלגל השחזה של יהלום, השחזה חשמלית של להבים עם ניצוצות (EDG), השחזה אלקטרוליטית של גלגל השחזה עם להב קשיח במיוחד (ELID) ועיבוד שבבי של להבים מרוכבים. ביניהם, השחזה מכנית של גלגל השחזה של יהלום היא הבשלה ביותר והנפוצה ביותר.
ניסויים קשורים: ① גלגל השחזה עם חלקיקים גסים יוביל לקריסת להב חמורה, גודל החלקיקים של גלגל השחזה יורד ואיכות הלהב משתפרת; גודל החלקיקים של גלגל השחזה ② קשור קשר הדוק לאיכות הלהב של כלי PCD עם חלקיקים עדינים או חלקיקים עדינים במיוחד, אך יש לו השפעה מוגבלת על כלי PCD עם חלקיקים גסים.
מחקרים קשורים בארץ ובחו"ל מתמקדים בעיקר במנגנון ובתהליך של טחינת להב. במנגנון טחינת הלהב, הסרה תרמוכימית והסרה מכנית הן הדומיננטיות, והסרת שבירות והסרה עייפות הן קטנות יחסית. בעת הטחינה, בהתאם לחוזק ועמידות החום של גלגלי השחזה של חומרי קשירה שונים, יש לשפר את המהירות ותדירות התנודה של גלגל השחזה ככל האפשר, למנוע הסרה של שבירות ועייפות, לשפר את שיעור ההסרה התרמוכימית ולהפחית את חספוס פני השטח. חספוס פני השטח של טחינה יבשה נמוך, אך קל לשרוף את פני הכלי עקב טמפרטורת עיבוד גבוהה.
בתהליך השחזה של הלהב יש לשים לב ל: ① בחירת פרמטרים סבירים של תהליך השחזה של הלהב יכולה להפוך את איכות פתח הלהב למצוינת יותר, וגימור פני השטח של הלהב הקדמי והאחורי גבוה יותר. עם זאת, יש לקחת בחשבון גם כוח השחזה גבוה, הפסדים גדולים, יעילות השחזה נמוכה ועלות גבוהה; ② בחירת איכות סבירה של גלגל השחזה, כולל סוג חומר הקשר, גודל החלקיקים, ריכוז חומר הקשר, ליטוש גלגל השחזה, ותנאי השחזה סבירים של הלהב היבש והרטוב, יכולה לייעל את הפינות הקדמיות והאחוריות של הכלי, ערך הפסיבציה של קצה הסכין ופרמטרים נוספים, תוך שיפור איכות פני השטח של הכלי.
לגלגלי השחזה שונים של יהלום מקשר יש מאפיינים שונים, מנגנוני השחזה והשפעות שונות. גלגל השחזה של יהלום מקשר הוא רך, חלקיקי השחזה נופלים בקלות בטרם עת, אינם עמידים בחום, המשטח מעוות בקלות בחום, משטח השחזה של הלהב נוטה לסימני שחיקה, חספוס גדול; גלגל השחזה של יהלום מקשר מתכת נשמר חד על ידי השחזה ריסוק, יכולת עיצוב טובה, חספוס פני שטח נמוך של השחזה של הלהב, יעילות גבוהה יותר, עם זאת, יכולת הקישור של חלקיקי השחזה הופכת את ההשחזה העצמית גרועה, וקצה החיתוך משאיר בקלות פער פגיעות, מה שגורם נזק שולי חמור; לגלגל השחזה של יהלום מקשר קרמי חוזק בינוני, ביצועי עירור עצמי טובים, נקבוביות פנימיות רבות יותר, מועדף על הסרת אבק ופיזור חום, יכולת הסתגלות למגוון נוזלי קירור, טמפרטורת השחזה נמוכה, גלגל השחזה פחות שחוק, שימור צורה טוב, דיוק יעילות גבוהות ביותר, עם זאת, גוף השחזה של יהלום מקשר מוביל להיווצרות בורות על פני הכלי. השימוש בהתאם לחומרי העיבוד, יעילות השחזה מקיפה, עמידות שחיקה ואיכות פני השטח של חומר העבודה.
המחקר על יעילות השחזה מתמקד בעיקר בשיפור הפרודוקטיביות ובקרת עלויות. באופן כללי, קצב השחזה Q (הסרת PCD ליחידת זמן) ויחס הבלאי G (יחס הסרת PCD לאובדן גלגל השחזה) משמשים כקריטריוני הערכה.
חוקר גרמני KENTER טוחן כלי PCD בלחץ קבוע, בדיקה: 1. מגדיל את מהירות גלגל השחזה, גודל החלקיקים של ה-PDC וריכוז נוזל הקירור מופחתים, קצב השחזה ויחס הבלאי מופחתים; 2. מגדיל את גודל חלקיקי השחזה, מגדיל את הלחץ הקבוע, מגדיל את ריכוז היהלום בגלגל השחזה, קצב השחזה ויחס הבלאי עולים; 3. סוג הקשר שונה, קצב השחזה ויחס הבלאי שונים. KENTER נחקר באופן שיטתי תהליך השחזה של להב כלי PCD, אך השפעת תהליך השחזה של הלהב לא נותחה באופן שיטתי.

3. שימוש וכשל בכלי חיתוך PCD
(1) בחירת פרמטרים של חיתוך כלי
במהלך התקופה הראשונית של כלי ה-PCD, פתח הקצה החד עבר פסיטה בהדרגה, ואיכות פני השטח של העיבוד השתפרה. פסיבציה יכולה להסיר ביעילות את הפערים המיקרו והקוצים הקטנים הנגרמים עקב שיוף הלהב, לשפר את איכות פני השטח של קצה החיתוך, ובמקביל ליצור רדיוס קצה עגול כדי ללחוץ ולתקן את פני השטח המעובדים, ובכך לשפר את איכות פני השטח של חומר העבודה.
בכלי PCD לכלי כרסום משטחים בסגסוגת אלומיניום, מהירות החיתוך היא בדרך כלל 4000 מטר/דקה, עיבוד חורים הוא בדרך כלל 800 מטר/דקה, ועיבוד מתכות אלסטיות-פלסטיות אלסטיות דורש מהירות סיבוב גבוהה יותר (300-1000 מטר/דקה). נפח הזנה מומלץ בדרך כלל בין 0.08-0.15 מ"מ/סל"ד. נפח הזנה גדול מדי, כוח חיתוך מוגבר, שטח גיאומטרי שיורי מוגדל של פני השטח של חומר העבודה; נפח הזנה קטן מדי, חום חיתוך מוגבר ובלאי מוגבר. עומק החיתוך גדל, כוח החיתוך גדל, חום החיתוך גדל, אורך החיים מתקצר, עומק חיתוך מוגזם יכול בקלות לגרום לקריסת הלהב; עומק חיתוך קטן יוביל להתקשות עיבוד שבבי, בלאי ואף לקריסת הלהב.
(2) צורת שחיקה
עיבוד כלי עבודה, עקב חיכוך, טמפרטורה גבוהה וסיבות אחרות, שחיקה היא בלתי נמנעת. הבלאי של כלי היהלום מורכב משלושה שלבים: שלב הבלאי המהיר הראשוני (הידוע גם כשלב המעבר), שלב הבלאי היציב עם קצב בלאי קבוע, ושלב הבלאי המהיר שלאחר מכן. שלב הבלאי המהיר מצביע על כך שהכלי אינו פועל ודורש ליטוש מחדש. צורות הבלאי של כלי חיתוך כוללות שחיקה באמצעות דבק (בלאי ריתוך קר), שחיקה באמצעות דיפוזיה, שחיקה באמצעות שוחקים, שחיקה באמצעות חמצון וכו'.
בשונה מכלים מסורתיים, צורת הבלאי של כלי PCD היא שחיקה עקב דבק, שחיקה עקב דיפוזיה ונזק לשכבה פוליקריסטלית. ביניהם, נזק לשכבת הפוליקריסטלית הוא הסיבה העיקרית, המתבטאת בקריסת להב עדינה הנגרמת כתוצאה מפגיעות חיצוניות או אובדן דבק בשכבת הפוליקריסטלית, ויוצרת פער, השייך לנזק מכני פיזי, שיכול להוביל לירידה בדיוק העיבוד ולגריטה של חומר העבודה. גודל חלקיקי ה-PCD, צורת הלהב, זווית הלהב, חומר חומר העבודה ופרמטרי העיבוד ישפיעו על חוזק הלהב וכוח החיתוך, ולאחר מכן יגרמו נזק לשכבת הפוליקריסטלית. בהנדסה, יש לבחור את גודל חלקיקי חומר הגלם המתאימים, פרמטרי הכלי ופרמטרי העיבוד בהתאם לתנאי העיבוד.

4. מגמת פיתוח של כלי חיתוך PCD
כיום, טווח היישומים של כלי PCD הורחב מחריטה מסורתית לקידוח, כרסום וחיתוך במהירות גבוהה, והוא נמצא בשימוש נרחב בארץ ובחו"ל. הפיתוח המהיר של כלי רכב חשמליים לא רק השפיע על תעשיית הרכב המסורתית, אלא גם הביא אתגרים חסרי תקדים לתעשיית הכלים, מה שדחף את תעשיית הכלים להאיץ את האופטימיזציה והחדשנות.
היישום הנרחב של כלי חיתוך PCD העמיק וקידם את המחקר והפיתוח של כלי חיתוך. עם העמקת המחקר, מפרטי PDC הולכים וקטנים, אופטימיזציה של איכות עידון הגרעינים, אחידות הביצועים, קצב הטחינה ויחס הבלאי עולים ויותר, וגיוון הצורה והמבנה. כיווני המחקר של כלי PCD כוללים: ① מחקר ופיתוח שכבת PCD דקה; ② מחקר ופיתוח חומרים חדשים לכלי PCD; ③ מחקר לשיפור ריתוך כלי PCD והפחתת עלויות נוספת; ④ מחקר משפר את תהליך השחזה של להבי כלי PCD כדי לשפר את היעילות; ⑤ מחקר מייעל את פרמטרי כלי ה-PCD ומשתמש בכלים בהתאם לתנאים המקומיים; ⑥ מחקר בוחר באופן רציונלי פרמטרי חיתוך בהתאם לחומרים המעובדים.
סיכום קצר
(1) ביצועי חיתוך כלי PCD מפצים על המחסור בכלי קרביד רבים; יחד עם זאת, המחיר נמוך בהרבה מכלי יהלום גבישי יחיד, ובחיתוך מודרני, הוא כלי מבטיח;
(2) בהתאם לסוג ולביצועי החומרים המעובדים, בחירה סבירה של גודל החלקיקים והפרמטרים של כלי PCD, שהיא הבסיס לייצור ושימוש בכלים,
(3) לחומר PCD קשיות גבוהה, שהוא החומר האידיאלי לחיתוך סכינים, אך הוא גם מביא קושי לייצור כלי חיתוך. בעת הייצור, יש לקחת בחשבון באופן מקיף את קושי התהליך ואת צרכי העיבוד, על מנת להשיג את ביצועי העלות הטובים ביותר;
(4) בחומרי עיבוד PCD במחוז סכינים, עלינו לבחור באופן סביר פרמטרי חיתוך, על סמך עמידה בביצועי המוצר, ככל האפשר כדי להאריך את חיי השירות של הכלי על מנת להשיג איזון בין חיי הכלי, יעילות הייצור ואיכות המוצר;
(5) מחקר ופיתוח של חומרי PCD חדשים כדי להתגבר על חסרונותיהם הטבועים.
מקור המאמר הזה הוא ב"רשת חומרים סופר-קשים"