Diamants et CBN pour l'affûtage des couteaux

Diamants naturels

Un diamant est un minéral, la seule pierre précieuse constituée d’un seul élément. De plus, le diamant est l’une des modifications allotropiques du carbone et la substance la plus dure. La densité du diamant est de 3,48 à 3,56 g/cm3, et la microdureté est de 8600 à 10000 kgf/mm2.

Le diamant est composé à 96-99 % de carbone. Sa composition contient également (dans une proportion de 0,2 à 0,3 %) d’autres éléments : bore, silicium, azote, oxygène, aluminium, manganèse, cuivre, ainsi que des impuretés de fer, nickel, titane, zinc et d’autres éléments. On trouve des inclusions de graphite, olivine, pyrope, etc. Le diamant cristallise dans la classification cubique (isométrique) des groupes de symétrie cristalline et se présente sous forme d’octaèdres ou de cristaux de forme similaire. Habituellement, les diamants ont une couleur transparente et jaunâtre, mais il existe aussi des pierres bleues, vertes, cerise, jaune vif, rose-violet. Les diamants peuvent être totalement transparents ou troubles.

Les diamants de première qualité sont produits en Afrique du Sud et en Russie dans des kimberlites – roches volcaniques composées principalement d’olivine et de serpentine. Les kimberlites se présentent sous forme de corps tubulaires (« tubes d’explosion »). De plus, les diamants sont extraits des placers de galets fluviaux et côtiers-marins, où ils ont été transportés suite à la destruction de brèches volcaniques kimberlitiques contenant des diamants.

Il existe de fortes contraintes internes dans les diamants, car leur formation s’est déroulée sous des pressions énormes dans les profondeurs du manteau de notre planète et, vraisemblablement, ils ont été amenés à la surface il y a environ 3 milliards d’années. Selon la forme des cristaux, les diamants peuvent être : plans, courbés, déformés, allongés, en marches, polycentriques, etc.

Pour plusieurs raisons, le diamant possède des propriétés uniques. À température moyenne, il est chimiquement inerte, et à haute température, il devient chimiquement actif. Lorsqu’il est chauffé, le diamant se dissout dans le nitrate de sodium et de potassium fondus ainsi que dans la soude. Dans les carbonates alcalins fondus à 1000-1200 degrés, le diamant se transforme en monoxyde de carbone. Certains métaux, comme le fer et le nickel, dissolvent partiellement le diamant à une température supérieure à 800 degrés.

Dans la nature, les diamants se trouvent sous forme de cristaux individuels, de fragments ou d’agrégats polycristallins. Il existe des diamants de joaillerie et des diamants techniques. Les diamants de joaillerie comprennent ceux de forme cristalline correcte, transparents, sans fissures, inclusions ni taches. Tous les autres cristaux, ainsi que les variétés polycristallines, appartiennent aux diamants techniques. Les diamants techniques sont pré-traités pour les séparer selon leur forme et leur taille, ainsi que pour isoler les diamants aux propriétés mécaniques supérieures. Dans ce processus, les diamants sont broyés, polis, traités thermiquement et métallisés.

La dureté du diamant est de 10 sur l’échelle de Mohs, la plus élevée parmi tous les minéraux. La microdureté du diamant est de 93157 à 98648 millipascals (mPa), tandis que celle du corindon est de 20200 (mPa), du topaze de 1399 (mPa), et du quartz de 981 (mPa). Cependant, le diamant présente une anisotropie de dureté, c’est-à-dire que la dureté varie légèrement selon les faces et les directions, ce qui est lié à la structure du minéral.

En ce qui concerne les propriétés abrasives, il faut noter que la résistance moyenne à l’usure du diamant est plusieurs fois supérieure à celle du carbure de bore et du carbure de silicium. Si l’on prend l’abrasivité du diamant pour 1, alors la capacité abrasive du carbure de bore sera de 0,5 à 0,6, et celle du carbure de silicium de 0,2 à 0,3. Le module d’élasticité (en mPa) du diamant est de 88254 (le carbure de bore a environ 294180, le carbure de silicium 357919, l’alliage d’acier dur jusqu’à 588360). Le diamant peut se déformer sous l’effet du matériau travaillé. À cet égard, lors du travail de divers matériaux avec du diamant, la pression spécifique et la température sont plusieurs fois inférieures à celles utilisées avec d’autres abrasifs. La résistance à la flexion du diamant est faible – 206 à 490 mPa, soit trois à quatre fois moins que celle d’un alliage dur d’acier, la résistance à la compression des diamants est en moyenne de 1961 mPa, soit la moitié de la résistance moyenne à la compression d’un alliage dur d’acier. Le rapport de compression du diamant et le module de compressibilité sont quatre fois inférieurs à ceux du fer.

Le diamant est un abrasif presque parfait qui peut travailler efficacement tout acier, agir rapidement et ne pas polluer significativement le lieu de travail. Il s’use lentement et s’échauffe peu. Il convient également de noter que les diamants bruts sur liant galvanique peuvent rivaliser avec d’autres abrasifs en termes de prix.

Diamants synthétiques

Outre les diamants naturels (désignation A), les diamants synthétiques (désignation AC) sont également largement utilisés aujourd’hui. Les diamants synthétiques et naturels possèdent les mêmes propriétés : même réseau cristallin, densité, dureté, etc. Ils diffèrent seulement par la forme des grains, la qualité de surface, la résistance et la fragilité.

Il existe aujourd’hui trois principales technologies de production des diamants synthétiques : diamants HPHT, diamants CVD et diamants PCD. Les méthodes HPHT – haute pression et haute température – nécessitent l’utilisation de presses multi-tonnes capables de développer une pression jusqu’à 5 GPa à 1500 °C. Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est une méthode dans laquelle un plasma d’atomes de carbone est créé au-dessus d’un substrat, à partir duquel les atomes se condensent progressivement à la surface pour former un diamant. Cette technologie permet d’obtenir des diamants de différentes tailles géométriques. Il existe aussi des technologies pour créer des diamants semi-cristallins (PCD). Dans les outils PCD, les segments de diamant sont liés par brasage à haute température sur un substrat en carbure. Les éléments PCD sont produits par frittage de poudres microniques de diamants synthétiques pour lier les particules dans un processus caractérisé par une haute température et pression. Ce matériau est produit par frittage de carbure cémenté, et lorsque du cobalt est ajouté, un processus de frittage se produit. Pendant ce processus, le métal du substrat en carbure dur pénètre entre les grains de diamant, assurant leur adhérence.

Les types de diamants synthétiques sont très variés. Les diamants synthétiques ASO, ASR, ASV, ASK et ASS (russe АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС) sont produits en tailles allant de 0,04 à 0,63 mm, les micro-poudres ASM et ASN (russe АСМ, АСН) en tailles de 1 à 60 microns.* Les grains de diamant ASO ont la résistance la plus faible, ASS la plus élevée. Selon la taille des grains, les diamants ASS ont une résistance 1,3 à 2 fois supérieure à celle des diamants naturels. Les propriétés de performance des poudres abrasives en diamant synthétique dépendent de la forme des grains, de la nature de leur surface et de leur résistance mécanique. Les grains de diamant ASO ont la surface la plus développée, et les ASS la plus lisse.

CBN

Le CBN est un matériau superdur à base de la modification cubique β du nitrure de bore ou nitrure de bore cubique. Autres noms : borazon, kubonit, qingsongite, kiborit. En dureté et autres propriétés, il est proche du diamant et a une dureté de 10 sur l’échelle de Mohs. Sa formule chimique est BN. Le nitrure de bore cubique a été obtenu pour la première fois en 1957 par Robert Ventham (Robert H. Wentorf Jr.) pour la société General Electric. En 1969, la marque « Borazon » a été déposée. En URSS, le nitrure de bore cubique a été synthétisé en 1960 à l’Institut de physique des hautes pressions et a été nommé « Elbor » (borazon de Leningrad).

Le nitrure de bore cubique est un matériau superdur synthétique proche du diamant en dureté mais présentant une résistance thermique plus élevée. C’est un composé chimique de deux éléments — bore (43,6 %) et azote (56,4 %). Il possède un réseau cristallin avec une structure et des paramètres presque identiques à ceux du diamant. La couleur peut varier du blanc (incolore) au noir. Les cristaux synthétisés sont classés en différentes qualités. La synthèse peut se faire dans le système lithium-bore-azote ou magnésium-bore-azote.

Le CBN est presque aussi dur que le diamant. Selon ce critère, il est 3 à 4 fois plus dur que les abrasifs traditionnels, et l’usure des grains de CBN lors du meulage est nettement moindre, ce qui leur permet de conserver leur tranchant longtemps. Une autre propriété importante du CBN est sa résistance aux températures. L’oxydation de la surface des grains commence à 1000-1200 °C, contre 600-700 °C pour le diamant. Ces températures de meulage sont instantanées et ne se produisent que dans des conditions de meulage très sévères. Par conséquent, les grains de CBN s’usent très peu sous les charges thermiques. Le CBN présente également une grande résistance chimique. Il ne réagit pas avec les acides et les alcalis et est inerte à presque tous les éléments chimiques présents dans les aciers et alliages. L’avantage principal est l’inertie du CBN au fer, alors que le diamant se dissout bien dans le fer, ce qui explique l’usure rapide des meules diamantées lors du meulage des aciers. Les abrasifs CBN peuvent supporter des vitesses de travail très élevées et des températures élevées. Comme les diamants, le CBN est mieux utilisé sur des aciers d’une dureté supérieure à 55 HRC. L’usure du CBN sur des aciers plus tendres sera plus rapide, car l’acier mou arrache les grains abrasifs, entraînant leur usure rapide.

Le CBN, en tant que matériau abrasif, présente plusieurs avantages pour l’affûtage des couteaux. Il conserve longtemps la netteté des grains (grande résistance à l’usure), supporte de fortes charges thermiques, ne nécessite pas l’utilisation d’eau ou d’huile, et s’échauffe peu. La technologie de production permet de synthétiser du nitrure de bore de toute taille, de sorte que les pièces en CBN conviennent à l’affûtage grossier comme à la finition des couteaux.