Alat PCD terbuat dari ujung pisau berlian polikristalin dan matriks karbida melalui proses sintering suhu tinggi dan tekanan tinggi. Hal ini tidak hanya dapat memanfaatkan sepenuhnya keunggulan kekerasan tinggi, konduktivitas termal tinggi, koefisien gesekan rendah, koefisien ekspansi termal rendah, afinitas kecil dengan logam dan non-logam, modulus elastisitas tinggi, permukaan tanpa belahan, dan isotropik, tetapi juga mempertimbangkan kekuatan tinggi dari paduan keras.
Stabilitas termal, ketangguhan benturan, dan ketahanan aus adalah indikator kinerja utama PCD. Karena sebagian besar digunakan dalam lingkungan suhu tinggi dan tekanan tinggi, stabilitas termal adalah hal yang paling penting. Studi ini menunjukkan bahwa stabilitas termal PCD memiliki dampak besar pada ketahanan aus dan ketangguhan benturannya. Data menunjukkan bahwa ketika suhu lebih tinggi dari 750℃, ketahanan aus dan ketangguhan benturan PCD umumnya menurun sebesar 5% -10%.
Keadaan kristal PCD menentukan sifat-sifatnya. Dalam mikrostruktur, atom karbon membentuk ikatan kovalen dengan empat atom yang berdekatan, memperoleh struktur tetrahedral, dan kemudian membentuk kristal atom, yang memiliki orientasi dan gaya ikat yang kuat, serta kekerasan yang tinggi. Indeks kinerja utama PCD adalah sebagai berikut: ① kekerasan dapat mencapai 8000 HV, 8-12 kali lipat dari karbida; ② konduktivitas termal adalah 700W/mK, 1,5-9 kali lipat, bahkan lebih tinggi dari PCBN dan tembaga; ③ koefisien gesekan umumnya hanya 0,1-0,3, jauh lebih rendah dari 0,4-1 pada karbida, secara signifikan mengurangi gaya pemotongan; ④ koefisien ekspansi termal hanya 0,9x10⁻⁶-1,18x10⁻⁶, 1/5 dari karbida, yang dapat mengurangi deformasi termal dan meningkatkan akurasi pemrosesan; ⑤ dan bahan non-logam memiliki afinitas yang lebih rendah untuk membentuk nodul.
Boron nitrida kubik memiliki ketahanan oksidasi yang kuat dan dapat memproses material yang mengandung besi, tetapi kekerasannya lebih rendah daripada berlian kristal tunggal, kecepatan pemrosesannya lambat, dan efisiensinya rendah. Berlian kristal tunggal memiliki kekerasan tinggi, tetapi ketangguhannya tidak mencukupi. Anisotropi membuatnya mudah terurai di sepanjang permukaan (111) di bawah pengaruh gaya eksternal, dan efisiensi pemrosesannya terbatas. PCD adalah polimer yang disintesis dari partikel berlian berukuran mikron dengan cara tertentu. Sifat kacau dari akumulasi partikel yang tidak teratur menyebabkan sifat isotropik makroskopisnya, dan tidak ada arah dan permukaan belahan pada kekuatan tarik. Dibandingkan dengan berlian kristal tunggal, batas butir PCD secara efektif mengurangi anisotropi dan mengoptimalkan sifat mekanik.
1. Prinsip desain alat potong PCD
(1) Pemilihan ukuran partikel PCD yang wajar
Secara teoritis, PCD seharusnya berupaya memperhalus butiran, dan distribusi aditif antar produk harus seuniform mungkin untuk mengatasi anisotropi. Pemilihan ukuran partikel PCD juga berkaitan dengan kondisi pemrosesan. Secara umum, PCD dengan kekuatan tinggi, ketangguhan yang baik, ketahanan benturan yang baik, dan butiran halus dapat digunakan untuk penyelesaian akhir atau penyelesaian super, sedangkan PCD dengan butiran kasar dapat digunakan untuk pemesinan kasar umum. Ukuran partikel PCD dapat secara signifikan memengaruhi kinerja keausan alat. Literatur terkait menunjukkan bahwa ketika butiran bahan baku besar, ketahanan aus secara bertahap meningkat seiring dengan penurunan ukuran butiran, tetapi ketika ukuran butiran sangat kecil, aturan ini tidak berlaku.
Percobaan terkait memilih empat bubuk intan dengan ukuran partikel rata-rata 10um, 5um, 2um, dan 1um, dan disimpulkan bahwa: ① Dengan berkurangnya ukuran partikel bahan baku, Co berdifusi lebih merata; dengan berkurangnya ②, ketahanan aus dan ketahanan panas PCD secara bertahap menurun.
(2) Pemilihan bentuk mulut pisau dan ketebalan pisau yang wajar
Bentuk mulut mata pisau terutama meliputi empat struktur: tepi terbalik, lingkaran tumpul, komposit tepi terbalik dan lingkaran tumpul, serta sudut tajam. Struktur sudut tajam membuat tepi tajam, kecepatan pemotongan cepat, dapat secara signifikan mengurangi gaya pemotongan dan gerinda, meningkatkan kualitas permukaan produk, lebih cocok untuk paduan aluminium silikon rendah dan logam non-ferrous dengan kekerasan rendah dan permukaan seragam lainnya. Struktur bulat tumpul dapat mempasivasi mulut mata pisau, membentuk sudut R, secara efektif mencegah mata pisau patah, cocok untuk memproses paduan aluminium silikon menengah/tinggi. Dalam beberapa kasus khusus, seperti kedalaman pemotongan dangkal dan pengumpanan pisau kecil, struktur bulat tumpul lebih disukai. Struktur tepi terbalik dapat meningkatkan tepi dan sudut, menstabilkan mata pisau, tetapi pada saat yang sama akan meningkatkan tekanan dan resistensi pemotongan, lebih cocok untuk pemotongan beban berat pada paduan aluminium silikon tinggi.
Untuk mempermudah proses EDM, biasanya dipilih lapisan lembaran PDC tipis (0,3-1,0 mm), ditambah lapisan karbida, sehingga total ketebalan alat sekitar 28 mm. Lapisan karbida tidak boleh terlalu tebal untuk menghindari stratifikasi yang disebabkan oleh perbedaan tegangan antara permukaan yang akan diikat.
2. Proses pembuatan alat PCD
Proses manufaktur alat PCD secara langsung menentukan kinerja pemotongan dan masa pakai alat tersebut, yang merupakan kunci penerapan dan pengembangannya. Proses manufaktur alat PCD ditunjukkan pada Gambar 5.
(1) Pembuatan tablet komposit PCD (PDC)
① Proses pembuatan PDC
PDC umumnya terdiri dari bubuk berlian alami atau sintetis dan bahan pengikat pada suhu tinggi (1000-2000℃) dan tekanan tinggi (5-10 atm). Bahan pengikat membentuk jembatan pengikat dengan TiC, SiC, Fe, Co, Ni, dll. sebagai komponen utama, dan kristal berlian tertanam dalam kerangka jembatan pengikat dalam bentuk ikatan kovalen. PDC umumnya dibuat menjadi cakram dengan diameter dan ketebalan tetap, dan digiling serta dipoles dan diberi perlakuan fisik dan kimia lainnya yang sesuai. Pada intinya, bentuk ideal PDC harus mempertahankan karakteristik fisik yang sangat baik dari berlian kristal tunggal sebanyak mungkin, oleh karena itu, aditif dalam badan sinter harus sesedikit mungkin, pada saat yang sama, kombinasi ikatan partikel DD sebanyak mungkin.
② Klasifikasi dan pemilihan bahan pengikat
Bahan pengikat merupakan faktor terpenting yang memengaruhi stabilitas termal alat PCD, yang secara langsung memengaruhi kekerasan, ketahanan aus, dan stabilitas termalnya. Metode pengikatan PCD yang umum adalah: besi, kobalt, nikel, dan logam transisi lainnya. Bubuk campuran Co dan W digunakan sebagai bahan pengikat, dan kinerja komprehensif PCD hasil sintering terbaik diperoleh ketika tekanan sintesis 5,5 GPa, suhu sintering 1450℃, dan isolasi selama 4 menit. SiC, TiC, WC, TiB2, dan bahan keramik lainnya. Stabilitas termal SiC lebih baik daripada Co, tetapi kekerasan dan ketangguhan retaknya relatif rendah. Pengurangan ukuran bahan baku yang tepat dapat meningkatkan kekerasan dan ketangguhan PCD. Tanpa perekat, dengan grafit atau sumber karbon lainnya yang dibakar pada suhu dan tekanan ultra tinggi menjadi berlian polimer skala nano (NPD). Penggunaan grafit sebagai prekursor untuk pembuatan NPD merupakan kondisi yang paling menantang, namun NPD sintetis memiliki kekerasan tertinggi dan sifat mekanik terbaik.
Pemilihan dan pengendalian biji-bijian ③
Bahan baku berupa bubuk intan merupakan faktor kunci yang memengaruhi kinerja PCD. Pra-perlakuan bubuk mikro intan, penambahan sejumlah kecil zat yang menghambat pertumbuhan partikel intan abnormal, dan pemilihan aditif sinter yang tepat dapat menghambat pertumbuhan partikel intan abnormal.
NPD dengan kemurnian tinggi dan struktur seragam dapat secara efektif menghilangkan anisotropi dan lebih meningkatkan sifat mekanik. Serbuk prekursor nanografit yang disiapkan dengan metode penggilingan bola berenergi tinggi digunakan untuk mengatur kandungan oksigen pada pra-sintering suhu tinggi, mengubah grafit menjadi intan di bawah 18 GPa dan 2100-2300℃, menghasilkan NPD lamela dan granular, dan kekerasan meningkat seiring dengan penurunan ketebalan lamela.
④ Perawatan kimia terlambat
Pada suhu (200 °℃) dan waktu (20 jam) yang sama, efek penghilangan kobalt oleh asam Lewis-FeCl3 secara signifikan lebih baik daripada air, dan rasio HCl optimal adalah 10-15 g/100 ml. Stabilitas termal PCD meningkat seiring dengan peningkatan kedalaman penghilangan kobalt. Untuk PCD dengan pertumbuhan butiran kasar, perlakuan asam kuat dapat sepenuhnya menghilangkan Co, tetapi sangat memengaruhi kinerja polimer; penambahan TiC dan WC untuk mengubah struktur polikristal sintetis dan dikombinasikan dengan perlakuan asam kuat dapat meningkatkan stabilitas PCD. Saat ini, proses pembuatan material PCD semakin membaik, ketangguhan produknya baik, anisotropinya telah sangat ditingkatkan, telah terealisasi produksi komersial, dan industri terkait berkembang pesat.
(2) Pemrosesan bilah PCD
① proses pemotongan
PCD memiliki kekerasan tinggi, ketahanan aus yang baik, dan proses pemotongan yang sangat sulit.
② prosedur pengelasan
PDC dan badan pisau disatukan dengan penjepit mekanis, pengikatan, dan penyolderan. Penyolderan adalah proses menekan PDC pada matriks karbida, termasuk penyolderan vakum, pengelasan difusi vakum, penyolderan pemanasan induksi frekuensi tinggi, pengelasan laser, dll. Penyolderan pemanasan induksi frekuensi tinggi memiliki biaya rendah dan pengembalian tinggi, dan telah banyak digunakan. Kualitas pengelasan berkaitan dengan fluks, paduan pengelasan, dan suhu pengelasan. Suhu pengelasan (umumnya lebih rendah dari 700 °℃) memiliki dampak terbesar, suhu yang terlalu tinggi mudah menyebabkan grafitisasi PCD, atau bahkan "terbakar berlebihan", yang secara langsung memengaruhi efek pengelasan, dan suhu yang terlalu rendah akan menyebabkan kekuatan pengelasan yang tidak mencukupi. Suhu pengelasan dapat dikontrol oleh waktu isolasi dan kedalaman kemerahan PCD.
③ proses pengasahan mata pisau
Proses penggerindaan alat PCD merupakan kunci dalam proses manufaktur. Umumnya, nilai puncak mata pisau dan bilah berada dalam kisaran 5 μm, dan radius busur berada dalam kisaran 4 μm; permukaan pemotongan depan dan belakang memastikan hasil akhir permukaan tertentu, dan bahkan mengurangi Ra permukaan pemotongan depan hingga 0,01 μm untuk memenuhi persyaratan cermin, membuat serpihan mengalir di sepanjang permukaan pisau depan dan mencegah pisau menempel.
Proses pengasahan mata pisau meliputi pengasahan mata pisau mekanis menggunakan roda gerinda intan, pengasahan mata pisau dengan percikan listrik (EDG), pengasahan mata pisau dengan roda gerinda abrasif super keras pengikat logam secara online (ELID), dan pengasahan mata pisau komposit. Di antara metode tersebut, pengasahan mata pisau mekanis menggunakan roda gerinda intan adalah yang paling matang dan paling banyak digunakan.
Percobaan terkait: ① roda gerinda partikel kasar akan menyebabkan kerusakan serius pada mata pisau, dan ukuran partikel roda gerinda berkurang, sehingga kualitas mata pisau menjadi lebih baik; ② ukuran partikel roda gerinda sangat berkaitan dengan kualitas mata pisau alat PCD partikel halus atau partikel ultrahalus, tetapi memiliki pengaruh terbatas pada alat PCD partikel kasar.
Penelitian terkait di dalam dan luar negeri terutama berfokus pada mekanisme dan proses penggerindaan mata pisau. Dalam mekanisme penggerindaan mata pisau, penghilangan termokimia dan penghilangan mekanis adalah yang dominan, sedangkan penghilangan getas dan penghilangan kelelahan relatif kecil. Saat menggerinda, sesuai dengan kekuatan dan ketahanan panas dari roda gerinda intan dengan bahan pengikat yang berbeda, tingkatkan kecepatan dan frekuensi ayunan roda gerinda semaksimal mungkin, hindari penghilangan getas dan kelelahan, tingkatkan proporsi penghilangan termokimia, dan kurangi kekasaran permukaan. Kekasaran permukaan pada penggerindaan kering rendah, tetapi mudah terbakar permukaan alat karena suhu pemrosesan yang tinggi.
Proses pengasahan mata pisau perlu memperhatikan: ① memilih parameter proses pengasahan mata pisau yang wajar, dapat membuat kualitas ujung mata pisau lebih baik, dan permukaan depan dan belakang mata pisau lebih halus. Namun, perlu juga mempertimbangkan gaya pengasahan yang tinggi, kehilangan material yang besar, efisiensi pengasahan yang rendah, dan biaya yang tinggi; ② memilih kualitas roda gerinda yang wajar, termasuk jenis pengikat, ukuran partikel, konsentrasi, pengikat, dan perawatan roda gerinda, dengan kondisi pengasahan mata pisau kering dan basah yang wajar, dapat mengoptimalkan sudut depan dan belakang alat, nilai pasivasi ujung pisau, dan parameter lainnya, sekaligus meningkatkan kualitas permukaan alat.
Roda gerinda intan dengan pengikat resin yang berbeda memiliki karakteristik yang berbeda, serta mekanisme dan efek penggerindaan yang berbeda. Roda gerinda intan dengan pengikat resin lunak, partikel gerinda mudah terlepas sebelum waktunya, tidak tahan panas, permukaannya mudah berubah bentuk karena panas, permukaan gerinda mata pisau rentan terhadap bekas aus, kekasaran yang besar; Roda gerinda intan dengan pengikat logam tetap tajam karena proses penggerindaan yang menghancurkan, memiliki kemampuan pembentukan dan perataan permukaan yang baik, kekasaran permukaan gerinda mata pisau rendah, efisiensi lebih tinggi, namun, kemampuan pengikatan partikel gerinda membuat pengasahan sendiri buruk, dan mata pisau mudah meninggalkan celah benturan, menyebabkan kerusakan tepi yang serius; Roda gerinda intan dengan pengikat keramik memiliki kekuatan sedang, kinerja eksitasi sendiri yang baik, lebih banyak pori internal, menguntungkan untuk pembuangan debu dan panas, dapat beradaptasi dengan berbagai pendingin, suhu penggerindaan rendah, roda gerinda kurang aus, retensi bentuk yang baik, akurasi efisiensi tertinggi, namun, badan gerinda intan dan pengikat menyebabkan pembentukan lubang pada permukaan alat. Gunakan sesuai dengan bahan yang diproses, efisiensi penggilingan komprehensif, daya tahan abrasif, dan kualitas permukaan benda kerja.
Penelitian tentang efisiensi penggilingan terutama berfokus pada peningkatan produktivitas dan pengendalian biaya. Umumnya, laju penggilingan Q (pengangkatan PCD per satuan waktu) dan rasio keausan G (rasio pengangkatan PCD terhadap kehilangan roda gerinda) digunakan sebagai kriteria evaluasi.
Peneliti Jerman KENTER melakukan pengujian dengan menggerinda alat PCD dengan tekanan konstan: ① peningkatan kecepatan roda gerinda, ukuran partikel PDC, dan konsentrasi pendingin, laju penggerindaan dan rasio keausan berkurang; ② peningkatan ukuran partikel gerinda, peningkatan tekanan konstan, peningkatan konsentrasi intan dalam roda gerinda, laju penggerindaan dan rasio keausan meningkat; ③ jenis pengikat berbeda, laju penggerindaan dan rasio keausan berbeda. KENTER telah mempelajari secara sistematis proses penggerindaan mata pisau alat PCD, tetapi pengaruh proses penggerindaan mata pisau belum dianalisis secara sistematis.
3. Penggunaan dan kegagalan alat potong PCD
(1) Pemilihan parameter pemotongan alat
Selama periode awal penggunaan alat PCD, ujung tajam secara bertahap mengalami pasivasi, dan kualitas permukaan hasil pemesinan menjadi lebih baik. Pasivasi dapat secara efektif menghilangkan celah mikro dan gerinda kecil yang disebabkan oleh penggerindaan mata pisau, meningkatkan kualitas permukaan ujung pemotong, dan pada saat yang sama, membentuk radius ujung melingkar untuk menekan dan memperbaiki permukaan yang diproses, sehingga meningkatkan kualitas permukaan benda kerja.
Untuk pemesinan permukaan paduan aluminium menggunakan alat PCD, kecepatan pemotongan umumnya 4000 m/menit, pemrosesan lubang umumnya 800 m/menit, pemrosesan logam non-ferrous dengan elastisitas-plastisitas tinggi sebaiknya menggunakan kecepatan putar yang lebih tinggi (300-1000 m/menit). Volume umpan umumnya direkomendasikan antara 0,08-0,15 mm/r. Volume umpan yang terlalu besar meningkatkan gaya pemotongan, meningkatkan luas geometris sisa permukaan benda kerja; volume umpan yang terlalu kecil meningkatkan panas pemotongan, dan meningkatkan keausan. Kedalaman pemotongan meningkat, gaya pemotongan meningkat, panas pemotongan meningkat, umur pakai berkurang, kedalaman pemotongan yang berlebihan dapat dengan mudah menyebabkan kerusakan mata pisau; kedalaman pemotongan yang kecil akan menyebabkan pengerasan pemesinan, keausan, dan bahkan kerusakan mata pisau.
(2) Bentuk pemakaian
Dalam proses pengolahan benda kerja menggunakan alat, keausan tidak dapat dihindari karena gesekan, suhu tinggi, dan alasan lainnya. Keausan alat intan terdiri dari tiga tahap: fase keausan cepat awal (juga dikenal sebagai fase transisi), fase keausan stabil dengan laju keausan konstan, dan fase keausan cepat selanjutnya. Fase keausan cepat menunjukkan bahwa alat tersebut tidak berfungsi dan perlu diasah ulang. Bentuk-bentuk keausan alat potong meliputi keausan adhesif (keausan pengelasan dingin), keausan difusi, keausan abrasif, keausan oksidasi, dan lain-lain.
Berbeda dengan alat tradisional, bentuk keausan alat PCD adalah keausan adhesif, keausan difusi, dan kerusakan lapisan polikristalin. Di antaranya, kerusakan lapisan polikristalin adalah penyebab utama, yang dimanifestasikan sebagai kerusakan halus pada mata pisau yang disebabkan oleh benturan eksternal atau hilangnya adhesi pada PDC, membentuk celah, yang termasuk kerusakan mekanis fisik, yang dapat menyebabkan penurunan presisi pemrosesan dan kerusakan benda kerja. Ukuran partikel PCD, bentuk mata pisau, sudut mata pisau, material benda kerja, dan parameter pemrosesan akan memengaruhi kekuatan mata pisau dan gaya potong, dan kemudian menyebabkan kerusakan lapisan polikristalin. Dalam praktik teknik, ukuran partikel bahan baku, parameter alat, dan parameter pemrosesan yang sesuai harus dipilih sesuai dengan kondisi pemrosesan.
4. Tren perkembangan alat potong PCD
Saat ini, jangkauan aplikasi alat PCD telah diperluas dari pembubutan tradisional ke pengeboran, penggilingan, pemotongan kecepatan tinggi, dan telah banyak digunakan di dalam dan luar negeri. Perkembangan pesat kendaraan listrik tidak hanya berdampak pada industri otomotif tradisional, tetapi juga membawa tantangan yang belum pernah terjadi sebelumnya bagi industri perkakas, mendorong industri perkakas untuk mempercepat optimalisasi dan inovasi.
Penerapan luas alat potong PCD telah memperdalam dan mendorong penelitian dan pengembangan alat potong. Dengan semakin dalamnya penelitian, spesifikasi PCD semakin kecil, kualitas penghalusan butiran semakin optimal, keseragaman kinerja semakin tinggi, laju penggerindaan dan rasio keausan semakin tinggi, serta bentuk dan struktur semakin beragam. Arah penelitian alat PCD meliputi: ① penelitian dan pengembangan lapisan PCD tipis; ② penelitian dan pengembangan material alat PCD baru; ③ penelitian untuk pengelasan alat PCD yang lebih baik dan pengurangan biaya lebih lanjut; ④ penelitian untuk meningkatkan proses penggerindaan mata pisau alat PCD untuk meningkatkan efisiensi; ⑤ penelitian untuk mengoptimalkan parameter alat PCD dan menggunakan alat sesuai dengan kondisi lokal; ⑥ penelitian untuk memilih parameter pemotongan secara rasional sesuai dengan material yang diproses.
ringkasan singkat
(1) Kinerja pemotongan alat PCD, menutupi kekurangan banyak alat karbida; pada saat yang sama, harganya jauh lebih rendah daripada alat berlian kristal tunggal, dalam pemotongan modern, merupakan alat yang menjanjikan;
(2) Sesuai dengan jenis dan kinerja bahan yang diproses, pemilihan ukuran partikel dan parameter alat PCD yang wajar, merupakan premis pembuatan dan penggunaan alat,
(3) Material PCD mempunyai kekerasan tinggi, yang merupakan material ideal untuk pisau pemotong, namun hal ini juga menimbulkan kesulitan dalam pembuatan alat pemotong. Saat pembuatan, perlu dipertimbangkan secara komprehensif kesulitan proses dan kebutuhan pemrosesan, untuk mencapai kinerja biaya terbaik;
(4) Dalam pengolahan bahan PCD di wilayah pisau, kita harus memilih parameter pemotongan secara wajar, berdasarkan pemenuhan kinerja produk, dan sebisa mungkin memperpanjang umur pakai alat untuk mencapai keseimbangan antara umur pakai alat, efisiensi produksi, dan kualitas produk;
(5) Meneliti dan mengembangkan material alat PCD baru untuk mengatasi kekurangan bawaannya
Artikel ini bersumber dari "jaringan material superkeras"
Waktu posting: 25 Maret 2025
