Témata
Reklama

Speciální syntetický diamant určený pro obrábění

11. 02. 2015

Syntetický diamant je možné vyrobit ve speciálním zařízení při vysokém tlaku a vysoké teplotě nebo procesem CVD. Řízením velikosti a pevnosti, tepelné stability a vnějšího tvaru zrn diamantů je možné zlepšit výkon obrábění.

Firma Element Six je významná světová firma ve vývoji a výrobě vysoce výkonných materiálů ze syntetického diamantu. Firma má v této oblasti více než padesátileté zkušenosti a průběžně investuje do výzkumu a vývoje, jakož i do nových strojů a zařízení. Nejlepším příkladem toho je Globální inovační centrum (GIC) o rozloze 5 000 m2, vybudované v blízkosti Oxfordu v Anglii. Zde pracuje více než 140 inženýrů, vědců z oboru materiálu, fyziků a techniků. Zabývají se výrobou diamantů (obr. 1), tj. syntézou, včetně zkoušek jejich použití v praxi.

Reklama
Reklama
Obr. 1: HPHT lis pro výrobu syntetických diamantů je schopen vyvinout tlak až 55 000 atm.

Diamant jako nejtvrdší známý materiál se používá zejména jako materiál odolávající opotřebení. Kromě šperkařství se využívá také v průmyslu. Od vývoje syntetického diamantu v padesátých letech vzrostla jak poptávka, tak také výroba z 50 milionů karátů v šedesátých letech na současných 5 miliard karátů ročně. Stabilní zásobování, příznivé ceny, precizní kontrola a konstantní vlastnosti umožnily syntetickým diamantům uplatit se plně v průmyslu.

Nepravidelně tvarovaná zrna

Různé syntetické materiály, jakož i výrobky z kubického nitridu boru (cBN) jsou „šité na míru“ rozmanitým oblastem použití. Vzhledem k řízené velikosti a pevnosti, tepelné stabilitě, stupni čisto-ty, jakož i tvaru zrn diamantů může firma Element Six nabídnout pro libovolné použití optimální veli-kosti zrn (obr. 2). Oblasti použití jsou rozmanité, od řezání a dělení kamenů, broušení keramiky, skla, nástrojů z kovu nebo slinutého karbidu a vačkových hřídelí, až po leštění a obrábění. Obecně lze říci, že tvary částic v bloku s minimem vměstků jsou stabilní a opotřebovávají se pomaleji. Na-proti tomu jsou nepravidelná zrna více náchylná ke zlomení a rychleji se opotřebovávají, ale mají větší počet řezných hran.

Obr. 2: Přehled velikostí různých diamantových materiálů.

Při pokojové teplotě a tlaku okolí je diamant metastabilní systém uhlíku, jehož stabilní formou je grafit. Vazba SP3 sp3 je základní chemická vazba, při které diamant existuje. Může vzniknout za různých podmínek. V závislosti na požadovaných konečných vlastnostech se uplatnily především dva postupy syntetizace diamantů. Přírodní diamanty rostou při vysokých tlacích a teplotě v zemi. Tyto podmínky je možné pomocí tzv. metody HPHT (High Pressure High Temperature) snadno simulovat (aplikovat) (obr. 1).

Metoda HPHT probíhá při tlaku cca 55 000 atm a teplotě cca 1 500 °C pomocí katalyzátorů. Při těchto podmínkách se přemění hexagonální mřížky grafitu na mřížku kubickou, čímž vznikne diamant. Ve firmě Element Six se používají dva způsoby vyvození tlaku – obvodový, který v příští generaci brzy použijí v GIC, a objemový.

Monodiamanty pro dosažení vysokého lesku

Tyto tlaky se používají především pro dvě skupiny materiálů. První skupina (obr. 2) sestává ze zrn diamantu různých velikostí. Druhá skupina materiálů jsou polykrystalické materiály, jako je PKD (polykrystalický diamant) nebo PcBN (polykrystalický nitrid boru), které syntetizují v různých tvarech. Nejčastějšími je pro PKD a PcBN tvar kruhový, který je většinou syntetizován v jednom pouzdře s podložkou ze slinutého karbidu. Je však také možné provádět syntézu bez této podložky. Kruhový tvar vyrobené destičky je pak rozřezán na požadované tvary a zabudován do nástroje. Do rostoucí oblasti použití patří trojrozměrné výrobky s konečnou geometrií, jako je PCD – Cones, PCD – Tubes, S-tec (technologie solid) a V-tec (technologie vein), o kterých je pojednáno dále.

Další možností syntetizace je metoda CVD (Chemical Vapour Deposition), která není založena na principu termodynamickém (jako je metoda HPHT), ale na principu reakčně-kinematickém, tedy probíhají zde fyzikálně-chemické reakce (obr. 3). Vylučování z plynné fáze se děje za podmínek, kdy diamant není alotropicky stabilní, pročež nemůže probíhat termodynamický proces.

Obr. 3: Pohled na reaktor CVD, ve kterém se pěstuje (roste) diamant o velikostirychlostí 5 až 15 µm.h

-1

U metody CVD je plyn, který sestává mimo jiné z metanu stabilizovaného vodíkem, přiváděn do reaktivní komory, ze které je pomocí energie mikrovln generováno plazma o teplotě cca 2 000 °C. Při nízkém tlaku se ukládá uhlík z plazmatu na diamantovou strukturu chladného substrátu. Zde vypěstovaný diamant roste rychlostí 5 až 15 µm.h-1. Rozlišujeme také monokrystaly a polykrystaly vyrobené metodou CVD. Vyrobené polykrystalické diamanty se liší od PKD jedinečnou strukturou. V tabulkách 1 a 2 jsou uvedeny typické vlastnosti krystalů vyrobených různými technologiemi.

Výhody PKDs vytvořené na slinutých karbidech spočívají v lepší pájitelnosti a obrobitelnosti, protože PKD nejsou závislé na směru. Monodiamanty se používají např. pro obrobení vysoce hladké plochy na kovovém materiálu, protože řezné hrany (ostří) nevykazují žádné hranice mezi zrny.

Výkonné materiály pro novou generaci nástrojů

Vývoj nových moderních materiálů nepožaduje pouze vývoj nových strojů a moderních nástrojů, nýbrž také další vývoj a stálé zlepšování syntetických výrobků. Dobře je to patrné na dvou příkladech z praxe.


Tabulka 1: Mechanické vlastnosti diamantu
Tabulka 2: Tepelné vlastnosti diamantu. Pro zvětšení klikněte na tabulky

Nejmenší velikost zrn diamantů se nazývá Mikron. Pomocí ní je možné vyrábět vysoce kvalitní výkonné nástroje pro náročná průmyslová použití, jako je řezání, broušení a leštění. Dosud byl Mik-ron vyráběn většinou z větších zrn jejich drcením. Firma Element Six pracuje na výrobě Mikronu přímo technologií HPHT, vizuální rozdíl ukazuje obrázek 4. Cílem je vyrobit materiál o zrnitosti menší než 40 µm a s vyšší pevností, než má Mikron vzniklý drcením. Tím se má dosáhnout zlepšení výkonu řezání a lepšího chování při velmi specifickém použití, jako je řezání a leštění safíru a křemíku. Malá zrna ve tvaru bloku nevykazují například žádná místa zlomu, která se jinak vyskytují u Mikronu vyráběného drcením.

Obr. 4: Porovnání syntetizovaného a drceného materiálu Mikron
Obr. 5: Fréza provedení V-tec dosahuje ve srovnání s frézou s PKD značně větší trvanlivosti břitu

V-tec (obr. 5) je trojrozměrný produkt s konečnými obrysy, který nachází uplatnění převážně v leteckém a kosmickém průmyslu. Na podkladě ze slinutého karbidu je nasyntrována vrstva PKD. Různé nástroje se liší růstem a orientací krystalů. Při jednom pokusu se obráběl materiál CFK stopkovou frézou s PKD a také frézou s provedením V-tec. Výsledky pokusu ukázaly, že u provedení V-tec se mnohonásobně zvýšila nejen trvanlivost břitu, ale břity nevykazovaly žádné zuhelnatění. Ve srovnání se slinutým karbidem je možné použít značně větší řeznou rychlost a současně, vzhledem k zubům ve šroubovici, jsou i malé i řezné síly.

Tim Halpin a Jana Haas-Wittmüss

MM Das Industriemagazin, č. 24, 2014

Zpracoval: - VŘ –

zuzana.zidlicka@mmspektrum.com

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 150101
Datum: 11. 02. 2015
Rubrika: Výroba / Obrábění
Autor:
Související články
Čtrnáctý ročník soutěže Ocenění českých podnikatelek úspěšně odstartován

Ve čtvrtek 3. června 2021 byl zahájen další ročník prestižní soutěže Ocenění českých podnikatelek, který odstartovala online konference Women in Business s podtitulem Nová realita roku 2021 a společný (re)start, most k jednotě a spolupráci. Tuto soutěž již tradičně vyhlašuje podnikatelská platforma Helas – Budujeme hrdé Česko. Patronkou letošního ročníku je Kateřina Kadlecová, generální ředitelka společnosti USSPA. 

Třpytivý svět krystalů

Turnovská společnost Crytur patří svým pojetím ke světovému unikátu. V přesně definovaných podmínkách pěstuje umělé krystaly z vlastního výzkumu a vývoje, které následně po opracování dodává buď jako specifické optické díly pro další celky, nebo přímo kompletní výrobky.

Implantáty z Čech až na konec světa

V 70. letech minulého století stál u zrodu prvních ortopedických implantátů v Čechách. V roce 1992 pak v rámci privatizace založil vlastní firmu téhož zaměření, jejíž výrobky dodnes pomáhají lidem znovu se hýbat. Ano, hovoříme o Stanislavu Beznoskovi a české firmě téhož jména, kterou dnes úspěšně řídí členové rodiny zakladatele.

Související články
MM Podcast: Glosa - Když se země otřásají v základech

Krize vyvolaná pandemií koronaviru v řadě oborů působí jako urychlovač trendů patrných před jejím vypuknutím. Mnoho odvětví si prochází zásadní strukturální transformací, ale část z nich – které se stát snaží podpůrnými prostředky za každou cenu stále držet nad vodou, zanikne. 

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Vývoj UHT nástrojů
v plném proudu krizi navzdory

Hlavním motivem založení VaV centra Rotana byla připravenost na nové trendy v automobilovém a leteckém průmyslu a výroba vlastních produktů s vysokou přidanou hodnotou – konkrétně ultratvrdých (UHT) nástrojů pro speciální aplikace. Centrum je vybaveno nejmodernějšími technologiemi a stále se rozrůstá. Na kontě má několik úspěšně zakončených projektů v podobě prototypových nástrojů a užitných vzorů. O tom, na jakých projektech v centru pracují nyní a jaké mají plány do budoucna, jsme si povídali se třemi hlavními osobnostmi celého projektu vývoje a výroby UHT nástrojů.

Odměřovací pravítka, lanovka a Ferrari

Odměřovací pravítko je jednou z klíčových komponent obráběcího stroje. Zpravidla je ukryto hluboko uvnitř stroje a většina uživatelů obráběcích strojů jej nikdy na vlastní oči neviděla. Přesto jsou na ně kladeny velmi vysoké nároky. Musejí pracovat spolehlivě po dobu mnoha let, zaručovat očekávanou přesnost a rozlišení, a musejí být odolná proti znečištění, pronikání kapalin, prachu i třískám a proti spoustě dalších faktorů. A kdyby se náhodou něco pokazilo, musejí být snadno vyměnitelná.

Názorové fórum odborníků

V tomto vydání MM Průmyslového spektra se věnujeme mimo jiné tématu obráběcích strojů. Proto jsme s anketní otázkou oslovili zástupce výrobců a dovozců v této komoditě.
Čas jsou peníze. Každá minuta prostoje výrobního zařízení je nežádoucí, proto se dnes vedle vysoké produktivity u strojů očekává také jejich vysoká spolehlivost.

Stroje v pohybu – Sledování zásilek na dálku

Takzvaný internet věcí (IoT) nabízí mnoho možností. Základem této technologie je bezdrátová komunikace velkého počtu autonomních zařízení prostřednictvím datových sítí, jež jsou navrženy tak, aby datový přenos spotřeboval co nejméně energie. Toho využívají i moderní sledovací jednotky (lokátory), které mohou díky energetické úspornosti pracovat i několik let bez dobíjení baterií.

Fórum výrobních průmyslníků

Jakým způsobem se po 15 měsících od vypuknutí pandemie koronaviru tento stav projevuje ve vaší společnosti – jak z pohledu objemu zakázek, jejich realizace a ekonomiky jako takové (např. vlivem navýšení cen vstupních materiálů, nedostatku některých komponent)? Dokážete predikovat, jak se bude situace ve vaší komoditě vyvíjet ve druhé polovině roku, na čem bude záviset?

Fórum děkanů strojních fakult

Jak současná doba ovlivňuje realizaci smluvního výzkumu na již hotových projektech, resp. při akvizici nových? Zaznamenáváte aktuálně pokles zájmu firem o spolupráci?

Semináře nově s high-tech technologiemi

Školicí a tréninkové centrum společnosti Ceratizit ve Velkém Meziříčí prošlo v loňském roce rozsáhlou modernizací. Nové Technické centrum i technologie v něm bohužel kvůli pandemii covid-19 nemělo možnost navštívit mnoho zákazníků. Všichni pevně věříme, že se to brzy změní. Než se tomu tak stane, požádali jsme Jana Gryče, technického ředitele společnosti Ceratizit, aby nám představil, co je v centru nového a na co se mohou zákazníci těšit. Při té příležitosti jsme oslovili také Pavla Němečka, obchodně-technického zástupce společnosti Hermle, aby pohovořil o pětiosém stroji C 32 U, které je v centru nové.

Švédové jsou féroví a přímí obchodníci

Celosvětová pandemie covid-19 mění světa vytváří nové příležitosti a výzvy pro exportně orientované firmy. Zahraniční kanceláře CzechTrade registrují příležitosti v daných destinacích a vytvářejí partnerství českým výrobním společnostem a jsou jim nápomocni při vstupu na trh a upevnění jejich pozice.

Digitalizace: klíč k úspěchu

Již od roku 1919 zkoumá, vyvíjí a vyrábí zabezpečovací techniku společnost EVVA - rodinná firma se sídlem ve Vídni. To, že se nyní, přibližně o 100 let později, stala průkopníkem propojené výroby, je zásluhou její jasné strategie s důrazem na digitalizaci. Důležitým milníkem nové výrobní filozofie společnosti EVVA je soustružnické a frézovací centrum Hyperturn 65 Powermill v kombinaci se síťovým řídicím rozhraním Emconnect. S flexibilním výrobním systémem od společnosti Emco lze nyní kompletně automatizovat obrábění mosazných dílů v kusové výrobě i výrobě středních sérií.

MSV ve znamení obrábění

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro meku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, kromě lidí z dalších oborů, setkají i výrobci vynikajících obráběcích strojů. Proto jsme se na postřehy a názory tentokrát zeptali Petra Odehnala z obchodního oddělení společnosti Pilart stroje.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit