Diamantes y CBN para afilar cuchillos

Diamantes naturales

Un diamante es un mineral, la única piedra preciosa compuesta por un solo elemento. Además, el diamante es una de las modificaciones alotrópicas del carbono y la sustancia más dura. La densidad del diamante es de 3.48—3.56 g/cm3, y la microdureza es de 8600-10000 kgf/mm2.

El diamante está compuesto en un 96-99% por carbono. También, su composición contiene (dentro del 0.2-0.3%) otros elementos: boro, silicio, nitrógeno, oxígeno, aluminio, manganeso, cobre, así como impurezas de hierro, níquel, titanio, cinc y otros elementos. Hay inclusiones de grafito, olivino, pirope, etc. El diamante cristaliza en la clasificación cúbica (isométrica) de los grupos de simetría cristalina y se presenta como octaedro o cristales de forma similar. Usualmente, los diamantes tienen un color transparente y amarillento, pero también existen piedras azules, verdes, cereza, amarillo brillante, rosa-púrpura. Los diamantes pueden ser completamente transparentes o turbios.

Los diamantes de primera calidad se producen en Sudáfrica y Rusia en kimberlitas, rocas volcánicas compuestas principalmente de olivino y serpentina. Las kimberlitas se presentan en forma de cuerpos tubulares ("tubos de explosión"). Además, los diamantes se extraen de placeres de guijarros fluviales y costero-marinos, donde fueron transportados como resultado de la destrucción de la brecha volcánica kimberlítica que contiene diamantes.

Existe una gran tensión interna dentro de los diamantes, ya que su formación tuvo lugar bajo condiciones de enormes presiones en las profundidades del manto de nuestro planeta y, presumiblemente, hace 3 mil millones de años fueron traídos a la superficie. Según la forma de los cristales, los diamantes pueden ser: planos, curvos, deformados, alargados, escalonados, policéntricos, etc.

Por varios factores, el diamante tiene propiedades únicas. A temperaturas medias, es químicamente inerte, y a altas temperaturas adquiere actividad química. Al calentarse, el diamante se disuelve en nitrato fundido de sodio y potasio y en sosa. En carbonatos alcalinos fundidos a 1000-1200 grados, el diamante se transforma en monóxido de carbono. Ciertos metales, como el hierro y el níquel, disuelven parcialmente el diamante a temperaturas superiores a 800 grados.

En la naturaleza, los diamantes se encuentran en forma de cristales individuales, sus fragmentos o agregados policristalinos. Hay diamantes para joyería y diamantes técnicos. Los diamantes para joyería incluyen aquellos con forma cristalina correcta, transparentes, sin grietas, inclusiones ni manchas. Todos los demás cristales, así como las variedades policristalinas, pertenecen a los diamantes técnicos. Los diamantes técnicos se preprocesan para separarlos por forma y tamaño, así como para aislar diamantes con mayores propiedades de resistencia. Al mismo tiempo, los diamantes se trituran, pulen, tratan térmicamente y metalizan.

La dureza del diamante es 10 en la escala de Mohs, la más alta entre todos los minerales. La microdureza del diamante es de 93157-98648 milipascales (mPa), mientras que el corindón es 20200 (mPa), el topacio 1399 (mPa), el cuarzo 981 (mPa). Sin embargo, el diamante presenta anisotropía de dureza, es decir, en diferentes caras y direcciones la dureza varía ligeramente. Esto está relacionado con la estructura del mineral.

En cuanto a las propiedades abrasivas, debe señalarse que la resistencia media al desgaste del diamante es varias veces mayor que la del carburo de boro y el carburo de silicio. Si tomamos la abrasividad del diamante como 1, entonces la capacidad abrasiva del carburo de boro será de 0.5-0.6, y la del carburo de silicio de 0.2-0.3. El módulo de elasticidad (en mPa) del diamante es 88254 (el carburo de boro tiene alrededor de 294180, el carburo de silicio 357919, la aleación de acero duro hasta 588360). El diamante puede deformarse al estar en contacto con el material procesado. En este sentido, al trabajar con diversos materiales con diamante, la presión y temperatura específicas son varias veces menores que al usar otros abrasivos. La resistencia a la flexión del diamante es baja – 206-490 mPa, que es tres a cuatro veces menor que la de una aleación dura de acero; la resistencia a la compresión de los diamantes es en promedio 1961 mPa, que es la mitad de la resistencia media a la compresión de una aleación dura de acero. La relación de compresión y el módulo de compresibilidad del diamante es cuatro veces menor que el hierro.

El diamante es un abrasivo casi perfecto que puede trabajar eficazmente cualquier acero, trabajar rápido y no contaminar significativamente el lugar de trabajo. Se desgasta lentamente y se embota lentamente. Al mismo tiempo, debe señalarse que los diamantes en bruto sobre un enlace galvánico también pueden competir en precio con otros abrasivos.

Diamantes sintéticos

Además de los diamantes naturales (designación A), hoy en día se usan activamente los diamantes sintéticos (designación AC). Los diamantes sintéticos y naturales tienen las mismas propiedades: la misma red cristalina, densidad, dureza, etc. Solo difieren en la forma de los granos, cualidades superficiales, resistencia y fragilidad.

Actualmente, existen tres tecnologías principales para producir diamantes sintéticos: diamantes HPHT, diamantes CVD y diamantes PCD. Los métodos HPHT - uso de alta presión y alta temperatura, requieren el uso de prensas de varias toneladas que pueden desarrollar una presión de hasta 5 hPa a 1500 °C. La deposición química de vapor (CVD) es un método en el que se crea un plasma de átomos de carbono sobre un sustrato, del cual los átomos se condensan gradualmente en la superficie para formar un diamante. Esta tecnología permite obtener diamantes de diferentes tamaños geométricos. También existen tecnologías para crear diamantes semicristalinos (PCD). En herramientas PCD, los segmentos de diamante se unen mediante soldadura a alta temperatura sobre un sustrato de carburo. Los elementos PCD se producen por sinterización de polvos micrométricos de diamantes sintéticos para unir las partículas en un proceso caracterizado por alta temperatura y presión. Este material se produce usando la cocción de carburo cementado, y cuando se añade cobalto, ocurre un proceso de sinterización. Durante este proceso, el metal del sustrato de carburo de aleación dura penetra entre los granos de diamante, asegurando su adhesión.

Los tipos de diamantes sintéticos son muy diversos. Los diamantes sintéticos ASO, ASR, ASV, ASK y ASS (rus. АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС) se producen en tamaños de 0.04 a 0.63 mm, micro-polvos - ASM y ASN (rus. АСМ, АСН) - en tamaños de 1 a 60 micrones.* Los granos de diamante ASO tienen la menor resistencia, ASS — la mayor. Dependiendo del tamaño del grano, los diamantes ASS tienen una resistencia 1,3—2 veces mayor que la de los diamantes naturales. Las propiedades de rendimiento de los polvos abrasivos de diamante sintético dependen de la forma de los granos, la naturaleza de su superficie y la resistencia mecánica. La superficie más desarrollada la tienen los granos de diamante ASO, y la más lisa es la de ASS.

CBN

El CBN es un material superduro basado en la modificación cúbica β del nitruro de boro o nitruro de boro cúbico. Otros nombres: borazón, cubonita, qingsongita, kiborita. En dureza y otras propiedades, es cercano al diamante y tiene una dureza de 10 en la escala de Mohs. La fórmula química es BN. El nitruro de boro cúbico fue obtenido por primera vez en 1957 por Robert Ventham (Robert H. Wentorf Jr.) para la empresa General Electric. En 1969 se registró la marca "Borazón". En la URSS, el nitruro de boro cúbico se sintetizó en 1960 en el Instituto de física de alta presión y se denominó "Elbor" (borazón de Leningrado).

El nitruro de boro cúbico es un material superduro sintético que se acerca al diamante en dureza pero tiene mayor resistencia al calor. Es un compuesto químico de dos elementos — boro (43.6%) y nitrógeno (56.4%). Tiene una red cristalina con casi la misma estructura y parámetros que el diamante. El color puede variar de blanco (incoloro) a negro. Los cristales sintetizados se dividen en diferentes grados. La síntesis puede ocurrir en el sistema litio-boro-nitrógeno o en el sistema magnesio-boro-nitrógeno.

El CBN es casi tan duro como el diamante. Según este parámetro, es 3-4 veces más duro que los abrasivos tradicionales, y presenta un desgaste significativamente menor de los granos de CBN durante el rectificado, manteniendo su filo por mucho tiempo. Otra propiedad importante del CBN es su resistencia a las temperaturas. La oxidación de la superficie del grano comienza a 1000-1200 °C, a diferencia de 600-700 °C para el diamante. Estas temperaturas de rectificado son instantáneas y ocurren solo bajo condiciones muy severas. Por ello, el grano de CBN se desgasta muy poco por cargas térmicas. El CBN también tiene alta resistencia química. No reacciona con ácidos ni álcalis y es inerte a casi todos los elementos químicos que forman parte de los aceros y aleaciones. La principal ventaja es la inercia del CBN frente al hierro, mientras que el diamante se disuelve bien en hierro, lo que causa el desgaste intenso de las muelas de diamante al rectificar aceros. Los abrasivos de CBN pueden soportar velocidades de trabajo muy altas y altas temperaturas. Al igual que los diamantes, el CBN se trabaja mejor en aceros con dureza superior a 55 HRC. El desgaste del CBN en aceros más blandos será más rápido, ya que el acero blando arranca los granos abrasivos y provoca su desgaste acelerado.

El CBN como material abrasivo tiene varias ventajas al afilar cuchillos. Conserva el filo del grano por mucho tiempo (alta resistencia al desgaste), soporta altas cargas térmicas, no requiere el uso de agua ni aceite, y se embota lentamente. La tecnología de producción permite sintetizar nitruro de boro de cualquier tamaño, por lo que los blanks de CBN son adecuados tanto para afilado grueso como para acabado del cuchillo.