Diamants et CBN pour l'affûtage des couteaux

Diamants naturels

Le diamant est un minéral, la seule pierre précieuse composée d'un seul élément. Il est également l'une des modifications allotropiques du carbone et la substance la plus dure. Sa masse volumique est de 3,48 à 3,56 g/cm³, et sa microdureté de 8 600 à 10 000 kgf/mm².

Le diamant est composé de 96 à 99 % de carbone. Il contient également (entre 0,2 et 0,3 %) d'autres éléments : bore, silicium, azote, oxygène, aluminium, manganèse, cuivre, ainsi que des impuretés de fer, de nickel, de titane, de zinc et d'autres éléments. On y trouve des inclusions de graphite, d'olivine, de pyrope, etc. Le diamant cristallise selon la classification cubique (isométrique) des groupes de symétrie cristalline et se présente sous forme d'octaèdres ou de cristaux de forme similaire. Les diamants sont généralement transparents et jaunâtres, mais on trouve aussi des pierres bleues, vertes, cerise, jaune vif et rose-violet. Les diamants peuvent être totalement transparents ou opaques.

Des diamants de haute qualité sont extraits en Afrique du Sud et en Russie à partir de kimberlites, des 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 de placers de galets fluviaux et côtiers-marins, où ils ont été extraits suite à la destruction de brèches volcaniques kimberlitiques diamantifères.

Les diamants subissent d'importantes contraintes internes, car leur formation s'est déroulée sous d'énormes pressions dans les profondeurs du manteau terrestre et ils ont probablement été remontés à la surface il y a 3 milliards d'années. Selon la forme des cristaux, les diamants peuvent être plans, courbés, déformés, allongés, étagés, polycentriques, etc.

Le diamant possède des propriétés uniques pour plusieurs raisons. À température moyenne, il est chimiquement inerte, et à haute température, il acquiert une activité chimique. Chauffé, le diamant se dissout dans les nitrates de sodium et de potassium et dans la soude fondus. Dans les carbonates alcalins fondus à 1 000-1 200 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 présentent sous forme de cristaux individuels, de fragments ou d'agrégats polycristallins. On distingue les diamants de joaillerie et les diamants techniques. Les diamants de joaillerie sont des diamants de forme cristalline parfaite, transparents, sans fissures, inclusions ni taches. Tous les autres cristaux, ainsi que les variétés polycristallines, appartiennent aux diamants techniques. Ces derniers sont prétraités afin de les séparer par forme et taille, et d'isoler les diamants présentant les propriétés les plus résistantes. Ils sont ensuite broyés, polis, traités thermiquement et métallisés.

La dureté du diamant est de 10 sur l'échelle de Mohs, la plus élevée de tous les minéraux. La microdureté du diamant est de 93 157 à 98 648 millipascals (mPa), celle du corindon de 20 200 mPa, celle de la topaze de 1 399 mPa et celle du quartz de 981 mPa. Cependant, le diamant présente une anisotropie de dureté, c'est-à-dire que sa dureté varie légèrement sur différentes faces et dans différentes directions. Ceci est lié à la structure du minéral.

Concernant les propriétés abrasives, il convient de noter que la résistance à l'usure moyenne du diamant est plusieurs fois supérieure à celle du carbure de bore et du carbure de silicium. Si l'on considère l'abrasivité du diamant comme 1, 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 88 254 (environ 294 180 pour le carbure de bore, 357 919 pour le carbure de silicium et jusqu'à 588 360 pour les alliages d'acier dur). Le diamant peut se déformer au contact du matériau traité. De ce fait, lors du traitement de divers matériaux au diamant, la pression et la température spécifiques sont plusieurs fois inférieures à celles des autres abrasifs. La résistance à la flexion du diamant est faible – 206-490 mPa, soit trois à quatre fois inférieure à celle d'un alliage d'acier dur. Sa résistance à la compression est en moyenne de 1 961 mPa, soit la moitié de la résistance moyenne à la compression d'un alliage d'acier dur. Le taux de compression et le module de compressibilité du diamant sont quatre fois inférieurs à ceux du fer.

Le diamant est un abrasif quasi parfait, efficace sur tout type d'acier, rapide à travailler et peu polluant. Il s'use et s'émousse lentement. Il convient également de noter que les diamants bruts sur liant galvanique peuvent concurrencer 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 présentent les mêmes propriétés : même réseau cristallin, même densité, même dureté, etc. Ils ne diffèrent que par la forme des grains, l'état de surface, la résistance et la fragilité.

Aujourd'hui, il existe trois principales technologies de production de diamants synthétiques : les diamants HPHT, les diamants CVD et les diamants PCD. Les méthodes HPHT, qui utilisent des pressions élevées et des températures élevées, nécessitent l'utilisation de presses de plusieurs tonnes pouvant atteindre une pression de 5 hPa à 1 500 °C. Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) consiste à créer un plasma d'atomes de carbone sur un substrat, puis à les condenser progressivement à la surface pour former un diamant. Cette technologie permet d'obtenir des diamants de différentes tailles géométriques. Il existe également des technologies de création de diamants semi-cristallins (PCD). Dans les outils PCD, les segments de diamant sont soudés à haute température sur un substrat en carbure. Les éléments PCD sont produits par frittage de poudres micrométriques de diamants synthétiques pour lier les particules, selon un procédé caractérisé par une température et une pression élevées. Ce matériau est obtenu par cuisson de carbure cémenté, et l'ajout de cobalt provoque un frittage. Au cours de ce processus, le métal du substrat en carbure d'alliage 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 (russes АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС) sont produits dans des tailles allant de 0,04 à 0,63 mm, tandis que les micropoudres ASM et ASN (russes АСМ, АСН) sont disponibles dans des tailles allant de 1 à 60 microns*. Les grains de diamant ASO ont la résistance la plus faible, ceux de diamant ASS la plus élevée. Selon la granulométrie, les diamants ASS ont une résistance 1,3 à 2 fois supérieure à celle des diamants naturels. Les performances des poudres abrasives diamantées synthétiques dépendent de la forme des grains, de la nature de leur surface et de leur résistance mécanique. La surface des grains de diamant ASO est la plus développée, tandis que celle des grains de diamant ASS est la plus lisse.

CBN

Le CBN est un matériau extra-dur issu de la modification β cubique du nitrure de bore, ou nitrure de bore cubique. Autres noms : borazon, kubonit, qingsongite, kiborit. Sa dureté et ses autres propriétés sont proches de celles du diamant et sa dureté est 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 baptisé « Elbor » (borazon de Leningrad).

Le nitrure de bore cubique est un matériau synthétique extra-dur, proche de celui du diamant en termes de dureté, mais offrant une résistance thermique supérieure. Il s'agit d'un composé chimique de deux éléments : le bore (43,6 %) et l'azote (56,4 %). Son réseau cristallin présente une structure et des paramètres quasiment identiques à ceux du diamant. Sa 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 dans le système magnésium-bore-azote.

Le CBN est presque aussi dur que le diamant. Selon ce paramètre, sa dureté est 3 à 4 fois supérieure à celle des abrasifs traditionnels. Il s'use nettement moins lors du meulage et conserve son tranchant longtemps. Une autre propriété importante du CBN est sa résistance aux températures. L'oxydation de la surface du grain commence à 1 000-1 200 °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 difficiles. Par conséquent, le grain CBN est très peu sujet à l'usure thermique. Le CBN présente également une grande résistance chimique. Il ne réagit pas aux acides et aux alcalis et est inerte à la quasi-totalité des éléments chimiques présents dans les aciers et les alliages. Son principal avantage réside dans son inertie vis-à-vis du fer, tandis que le diamant se dissout bien dans le fer, ce qui explique l'usure importante des meules diamantées lors du meulage des aciers. Les abrasifs CNB peuvent supporter des vitesses d'usinage très élevées et des températures élevées. Tout comme le diamant, le CBN est plus particulièrement adapté aux aciers d'une dureté supérieure à 55 HRC. L'usure du CBN sur les aciers plus tendres sera plus rapide, car l'acier tendre arrache les grains abrasifs et entraîne leur usure rapide.

Le CBN, utilisé comme matériau abrasif, présente de nombreux avantages pour l'affûtage des couteaux. Il préserve durablement le tranchant du grain (haute résistance à l'usure), résiste aux fortes charges thermiques, ne nécessite ni eau ni huile et s'émousse lentement. Sa technologie de production permet de synthétiser du nitrure de bore de toutes tailles ; les ébauches en CBN conviennent donc parfaitement à l'affûtage grossier et à la finition des couteaux.