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
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:
Firmy
Související články
Zrod (a znovuzrození) břitové destičky

Prakticky veškeré výrobky z kovů se obrábějí pomocí břitových destiček – ať už se jedná o letecký průmysl, výrobu energetických zařízení, nebo oblast spotřebního zboží. Břitové destičky jsou využívány ve velkém měřítku a pro širokou škálu aplikací, od frézování masivních bloků motorů a tvarového obrábění forem využívaných výrobci sportovní obuvi až po obrábění číselníků. Seznam požadavků na břitové destičky je dlouhý: vysoká odolnost proti opotřebení a dlouhá životnost, vysoké rychlosti úběru kovu a maximální spolehlivost, a to i v náročných podmínkách, jako jsou složité dráhy nástrojů nebo hluboké dutiny, špičková výkonnost při obrábění za sucha i za mokra a vynikající kvalita obrobené plochy při dodržení přísných tolerancí.

Vzestup leteckého a vesmírného trhu

Pro sektor třískového obrábění je automobilový průmysl jedním z nejdůležitějších trhů. V trendu stále více se uplatňujícího elektrického pohonu automobilů se výrobci obráběcích strojů a nástrojů snaží objevit nové trhy. Zaměřují se na letecký a vesmírný průmysl.

Zubní náhrady aneb strojírenství i v dentálním průmyslu

Zubní náhrady se vyrábějí již od dob egyptských faraonů téměř stejným způsobem. Pouze materiály a metody se za tu dobu vyvinuly na úroveň 21. století.

Související články
Plasty pomáhají modernizovat strojírenství

S pokračujícím vývojem nových materiálů se mění i materiálová skladba strojírenských výrobků a zařízení. V současné době si již nelze rozvoj téměř všech strojírenských odvětví bez použití plastových materiálů představit. Vývoj pak ukazuje, že plasty budou hrát ve strojírenství stále významnější úlohu.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Laserové řešení pro plastikářský průmysl

Konvenční technologie opracování plastů již v mnoha případech nevyhovuje požadavkům koncových uživatelů. Moderní lasery posouvají kvalitu výroby plastů na zcela novou úroveň. Lastic představuje implementaci nejmodernějších laserových technologií a ergonomického ovládání do jediného produktu, jenž je navržen tak, aby jeho aplikace do stávajících výrobních linek byla zcela bezproblémová.

Nová provedení komponentů pro balicí stroje

Širokou nabídku součástí pro balicí stroje lze nalézt v portfoliu výrobce Elesa+Ganter. Jedná se především o ruční kola, ukazatele polohy, ovládací a polohovací prvky a průmyslové panty či madla.

Madla s vyšší přidanou hodnotou

Sklopná madla a ruční kolečka v hygienické bílé nebo v ušlechtilé kombinaci kovů – to jsou nové produkty reagující na potřeby uživatelů.

Aditivní výroba ve tváření plechů

Trojrozměrný (3D) tisk, označovaný také jako aditivní výroba (additive manufacturing - AM), zaznamenal v poslední době značný rozvoj. Touto technologií je umožněna výroba i velmi tvarově komplikovaných trojrozměrných produktů. Objekty nebo výrobky jsou vytvářeny z podkladu digitálních 3D modelů nebo jiných elektronických datových zdrojů. Aplikační možnosti 3D tisku se s ohledem na progresivní vývoj této technologie jeví jako neomezené.

Trubkové spojky klasické i speciální

Pro vývoj průmyslových komponent je bezesporu nezbytná znalost koncových aplikací, nicméně existují také kategorie produktů, u nichž je velmi obtížné předjímat způsob jejich použití. Příkladem takových konstrukčních elementů, jež nabízejí nespočet variant využití, jsou trubkové spojky.

Skutečná účinnost datového centra pomocí transparentnosti napájení

V současné době se velká většina vlastníků a provozovatelů datových center při jejich správě zabývá neuvěřitelným množstvím činností. Od malých až po extrémně velká datová centra je zvláštní pozornost věnována všem aspektům jejich provozu včetně „zelené“ IT, chlazení a topologie. Velký důraz je kladen také na měření výkonu aplikací a na využívání mnoha ukazatelů výkonnosti softwaru pro zvyšování efektivity a optimalizaci. Bohužel nejsou tyto činnosti vždy tak konzistentní a komplexní, jak by mohly být. Dennis O’Sullivan, provozní specialista řešení datových center ve společnosti Eaton EMEA, zkoumá, jak by tento problém měl být řešen.

Ukazatelé hladiny pro náročné aplikace

Průmyslové aplikace ve všech odvětvích procházejí nepřetržitým vývojem. Jinak tomu není ani v segmentu výroby strojních součástí. I ty jsou neustále inovovány s cílem maximálně vyhovět specifickým podmínkám prostředí, v němž mají být použity.

Lehké konstrukce automobilů - sendvičové materiály

O prodejnosti a úspěšnosti vozidla v silném konkurenčním prostředí dnes rozhoduje z velké míry tvar a funkčnost karoserie. Mezi technickým vybavením jednotlivých výrobců dnes není propastný rozdíl a proto první, čím automobil promlouvá k zákazníkovi, jsou právě silueta vozu, linie hran, elegance i vizuální dynamika. Na karoserii jsou proto kladeny náročné požadavky v řadě případů z hlediska technologie výroby protichůdné.

Lehké konstrukce automobilů - hybridní materiály

Automobilový průmysl je specifické odvětví, které je významně poháněno společenskými tlaky na ekologický provoz vozidel, tedy na snižování emisní zátěže i obecné spotřeby pohonných hmot a kontinuální vývoj elektromobility. Tyto trendy se dotýkají jak konstrukce vozu, tak i technologické zpracovatelnosti jednotlivých komponentů. Jenom v horizontu 10 let se předpokládá redukce dílů z oceli o 20 % a jejich nahrazení speciálními materiály na bázi kompozitu.

Lehké konstrukce karoserií osobních automobilů

Rostoucí požadavky na snižování spotřeby pohonných hmot a emisní limity vytvářejí soustavný tlak na snižování hmotnosti karoserií. Druhou alternativou, která se nadále rozvíjí, je rozšířené nasazení alternativních hybridních pohonů automobilů, zejména kombinace spalovacích motorů s elektropohony. Nedodržení emisních limitů osobních automobilů 95 g/100 km by mělo být od roku 2020 navíc finančně postihováno. Jak ukazují aktuální problémy koncernů Volkswagen Group a Citroen, je tato problematika rozšířena ještě o NOx. Je však zřejmé, že se to týká prakticky všech výrobců osobních i nákladních vozů. Tato problematika je zásadní s ohledem na vyráběné množství. V konstrukci letadel, raket a vesmírné techniky je řada nových výrobních technologií již delší dobu používána. Je to nejenom otázka vhodných materiálů, jejich dostupnosti a možností použitých výrobních technologií. V souvislosti s lehkými konstrukcemi všechny tyto oblasti stojí před dlouhodobým a zásadním rozvojem.

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