Diamantes y CBN para afilar cuchillos

diamantes naturales

El diamante es un mineral, la única piedra preciosa compuesta por un solo elemento. Además, es una de las modificaciones alotrópicas del carbono y la sustancia más dura. Su densidad es de 3,48 a 3,56 g/cm³ y su microdureza, de 8600 a 10 000 kgf/mm².

El diamante está compuesto de un 96-99% de carbono. Además, su composición contiene (entre un 0,2% y un 0,3%) de otros elementos: boro, silicio, nitrógeno, oxígeno, aluminio, manganeso, cobre, así como impurezas de hierro, níquel, titanio, zinc y otros elementos. Presenta inclusiones de grafito, olivino, piropo, etc. El diamante cristaliza en la clasificación cúbica (isométrica) de grupos de simetría cristalina y se presenta como octaedro o cristales de forma similar. Generalmente, los diamantes son transparentes y amarillentos, pero también los hay de color azul, verde, cereza, amarillo brillante y rosa-morado. Los diamantes pueden ser completamente transparentes o turbios.

En Sudáfrica y Rusia se producen diamantes de alta calidad 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 costeros-marinos, donde se extrajeron como resultado de la destrucción de brechas volcánicas de kimberlita que contienen diamantes.

Los diamantes sufren una gran tensión interna, ya que su formación se produjo bajo enormes presiones en las profundidades del manto de nuestro planeta y, presumiblemente, hace 3.000 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.

Debido a varios factores, el diamante posee propiedades únicas. A temperaturas medias, es químicamente inerte, y a altas temperaturas, adquiere actividad química. Al calentarse, el diamante se disuelve en nitrato de sodio y potasio fundidos y en sosa. En carbonatos alcalinos fundidos, a 1000-1200 grados, el diamante se convierte 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, fragmentos o agregados policristalinos. Existen diamantes de joyería y diamantes técnicos. Los diamantes de joyería incluyen diamantes con la 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 los diamantes con mayor resistencia. Al mismo tiempo, los diamantes se trituran, se pulen, se tratan térmicamente y se metalizan.

La dureza del diamante es de 10 en la escala de Mohs, la más alta de todos los minerales. La microdureza del diamante oscila entre 93 157 y 98 648 milipascales (mPa), mientras que la del corindón es de 20 200 (mPa), la del topacio es de 1399 (mPa) y la del cuarzo es de 981 (mPa). Sin embargo, el diamante presenta anisotropía de dureza; es decir, en diferentes caras y en diferentes direcciones, la dureza es ligeramente diferente. Esto se debe a la estructura del mineral.

En cuanto a las propiedades abrasivas, cabe destacar que la resistencia media al desgaste del diamante es varias veces superior a la del carburo de boro y el carburo de silicio. Si consideramos la abrasividad del diamante como 1, la capacidad abrasiva del carburo de boro será de 0,5 a 0,6, y la del carburo de silicio, de 0,2 a 0,3. El módulo de elasticidad (en mPa) del diamante es de 88254 (el carburo de boro tiene aproximadamente 294180, el carburo de silicio, 357919, y las aleaciones de acero duro, hasta 588360). El diamante puede deformarse al exponerse al material procesado. En este sentido, al procesar diversos materiales con diamante, la presión y la temperatura específicas son varias veces inferiores a las de otros abrasivos. La resistencia a la flexión del diamante es baja (206-490 mPa), de tres a cuatro veces menor que la de una aleación de acero duro. Su resistencia a la compresión es, en promedio, de 1961 mPa, la mitad de la resistencia a la compresión promedio de una aleación de acero duro. La relación de compresión del diamante y su módulo de compresibilidad son cuatro veces menores que los del hierro.

El diamante es un abrasivo casi perfecto que puede manipular eficazmente cualquier acero, trabajar con rapidez y no contaminar significativamente el lugar de trabajo. Se trabaja y deslustra lentamente. Al mismo tiempo, cabe destacar que los diamantes en bruto con liga galvánica también pueden competir con otros abrasivos en precio.

diamantes sintéticos

Además de los diamantes naturales (designación A), hoy en día también se utilizan activamente los diamantes sintéticos (designación AC). Los diamantes sintéticos y naturales comparten propiedades similares: la misma red cristalina, densidad, dureza, etc. Se diferencian únicamente en la forma de los granos, las características superficiales, la resistencia y la fragilidad.

Hoy en día, existen tres tecnologías principales para la producción de diamantes sintéticos: diamantes HPHT, diamantes CVD y diamantes PCD. Los métodos HPHT, que utilizan alta presión y alta temperatura, requieren prensas de varias toneladas capaces de desarrollar una presión de hasta 5 hPa a 1500 °C. La deposición química en fase de vapor (CVD) es un método que crea un plasma de átomos de carbono sobre un sustrato, desde el cual los átomos se condensan gradualmente hacia la superficie para formar un diamante. Esta tecnología permite obtener diamantes de diferentes tamaños geométricos. También existen tecnologías para la creación de diamantes semicristalinos (PCD). En las herramientas de PCD, los segmentos de diamante se unen mediante soldadura de alta temperatura sobre un sustrato de carburo. Los elementos de PCD se producen mediante la sinterización de polvos micrométricos de diamantes sintéticos para unir las partículas en un proceso caracterizado por alta temperatura y presión. Este material se produce mediante la cocción de carburo cementado, y al añadir cobalto, se produce 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 (rusos: АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС) se producen en tamaños de 0,04 a 0,63 mm, y los micropolvos ASM y ASN (rusos: АСМ, АСН) en tamaños de 1 a 60 micras.* Los granos de diamante ASO tienen la menor resistencia, mientras que los ASS la mayor. Dependiendo del tamaño del grano, los diamantes ASS tienen una resistencia de 1,3 a 2 veces mayor que la de los diamantes naturales. El rendimiento de los polvos de pulido de diamante sintético depende de la forma de los granos, la naturaleza de su superficie y la resistencia mecánica. La superficie más desarrollada es la de los granos de diamante ASO, y la más lisa es la de los ASS.

CBN

El CBN es un material superduro basado en la modificación β cúbica del nitruro de boro o nitruro de boro cúbico. Otros nombres: borazón, kubonita, qingsongita, kiborita. En cuanto a dureza y otras propiedades, es similar al diamante, con una dureza de 10 en la escala de Mohs. Su fórmula química es BN. El nitruro de boro cúbico fue obtenido por primera vez en 1957 por Robert Ventham (Robert H. Wentorf Jr.) para 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 Altas Presiones y recibió el nombre de "Elbor" (borazón de Leningrado).

El nitruro de boro cúbico es un material sintético superduro con una dureza similar a la del diamante, pero con mayor resistencia térmica. Es un compuesto químico de dos elementos: boro (43,6 %) y nitrógeno (56,4 %). Su red cristalina tiene una estructura y parámetros prácticamente idénticos a los del diamante. Su color puede variar del blanco (incoloro) al 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, su dureza es de 3 a 4 veces superior a la de los abrasivos tradicionales, lo que reduce significativamente el desgaste de los granos de CBN durante el rectificado y mantiene su filo durante mucho tiempo. Otra propiedad importante del CBN es su resistencia a las temperaturas. La oxidación superficial del grano comienza a 1000-1200 °C, a diferencia de los 600-700 °C del diamante. Estas temperaturas de rectificado son instantáneas y se producen únicamente en condiciones de rectificado muy duras. Por lo tanto, el grano de CBN se desgasta muy poco por las cargas térmicas. El CBN también presenta una alta resistencia química. No reacciona con ácidos ni álcalis y es inerte a casi todos los elementos químicos presentes en aceros y aleaciones. Su principal ventaja es la inercia del CBN al hierro, mientras que el diamante se disuelve bien en este, lo que explica el intenso desgaste de las muelas de diamante al rectificar aceros. Los abrasivos de CNB pueden soportar velocidades de procesamiento muy altas y altas temperaturas. Al igual que los diamantes, el CBN se trabaja mejor en aceros con una dureza superior a 55 HRC. El desgaste del CBN en aceros más blandos será más rápido, ya que este acero desprende los granos abrasivos y acelera su desgaste.

El CBN como material abrasivo ofrece una serie de ventajas para el afilado de cuchillos. Conserva el filo del grano durante mucho tiempo (alta resistencia al desgaste), soporta altas cargas térmicas, no requiere agua ni aceite y se deslustra lentamente. La tecnología de producción permite sintetizar nitruro de boro de cualquier tamaño, por lo que las piezas brutas de CBN son ideales para el afilado basto y el acabado de cuchillos.