Сверхтвердый алмазный сплав может стать превосходным режущим инструментом

Названия фильмов о Бонде могут быть обманчивы: бриллианты не вечны, когда дело касается таких сложных задач, как резка стали. Теперь исследователи объединили алмаз с кубическим нитридом бора, твердым искусственным материалом, чтобы получить сплав, который превосходит коммерческие режущие инструменты. Если материал можно будет производить в практических масштабах, он может быть полезен в строительной, автомобильной или аэрокосмической промышленности.

Вверху: Образцы материалов из сплава алмазно-кубического нитрида бора. Внизу: полированные передние поверхности фрез... [+] из сплава. (Фото: DW He/SCU)

Работа группы под руководством Дуанвэя Хэ из Института атомной и молекулярной физики Сычуаньского университета в Чэнду, Китай, опубликована в журнале Applied Physics Letters.

Допустим, вы участвуете в строительном проекте, требующем обработки стали, а затем резки гранита. К инструментам, которые режут, шлифуют и полируют, предъявляются два основных требования: они должны быть тверже материала, который они разрезают, и не должны разрушаться под воздействием тепла, выделяемого в процессе резки. Алмаз настолько тверд, насколько он есть, но он не является химически непроницаемым. Его поверхность может окисляться при температурах, необходимых для обработки железосодержащих сплавов, таких как сталь. Кубический нитрид бора обладает превосходной стабильностью, поэтому он является идеальным абразивом для многих видов стали и других материалов. Однако он не такой твердый, как алмаз, поэтому его характеристики не всегда превосходят алмаз.

Кажется логичным каким-то образом смешать алмаз с кубическим нитридом бора, чтобы получить лучшее от обоих миров — универсальный режущий материал. Это трудная задача. Оказывается, одной из больших проблем было получение достаточного количества материала для проверки его стабильности и режущих характеристик.

Он и его коллеги решили проблему размера. Их новые сплавы достигают 3 миллиметров в диаметре. Это примерно одна восьмая дюйма, достаточно большая, чтобы превратить ее в режущие инструменты. Чтобы изготовить сплавы, исследователи подвергли смеси порошка алмаза и кубического нитрида бора в соотношении 1:1 воздействию одновременно высокого давления (примерно в 100 000–200 000 раз превышающего давление земного воздуха на уровне моря) и высоких температур (от 1300 до 2600 градусов Кельвина). , примерно втрое горячее поверхности Солнца).

Лучшие из сплавов He превзошли имеющиеся в продаже инструменты, содержащие либо поликристаллический алмаз, либо поликристаллический кубический нитрид бора, в испытаниях на высокоскоростную резку закаленной стали и гранита. Эти сплавы также привели к увеличению срока службы инструмента по сравнению с двумя другими материалами. Важно отметить, что сплавы обладают ожидаемым сочетанием свойств: они почти такие же твердые, как алмаз, и почти такие же инертные, как кубический нитрид бора.

Два вопроса будут в центре внимания будущей работы. Во-первых, какие химические знания можно почерпнуть из этого сплава для разработки еще более совершенных материалов? Измерения команды показывают, что связи могли образоваться между бором и углеродом, а также углеродом и азотом, скорее всего, на границах между зернами двух материалов. Количество и характер облигаций не ясны.

Во-вторых, будет ли этот синтез при высоком давлении и высокой температуре масштабироваться последовательно и дешево? Для нагрева и прессования этого сплава требуется энергия. Команда работает над синтезом сплавов сантиметрового, а не миллиметрового размера. Время покажет, будут ли они конкурировать в банке так же хорошо, как в механическом цехе.