La lega diamantata superdura può produrre utensili da taglio di qualità superiore

I titoli dei film di Bond possono essere ingannevoli: i diamanti non sono per sempre quando si tratta di compiti impegnativi come il taglio dell'acciaio. Ora, i ricercatori hanno combinato il diamante con il nitruro di boro cubico, un materiale duro prodotto dall’uomo, per creare una lega che supera le prestazioni degli utensili da taglio commerciali. Se il materiale potesse essere prodotto su scala pratica, potrebbe essere utile nell’industria edile, automobilistica o aerospaziale.

In alto: campioni di materiali in lega di nitruro di boro cubico e diamante. In basso: facce di spoglia lucide delle frese... [+] realizzate in lega. (Credito: DW Lui/SCU)

Il lavoro, condotto da un team guidato da Duanwei He dell'Istituto di fisica atomica e molecolare dell'Università di Sichuan, a Chengdu, in Cina, appare sulla rivista Applied Physics Letters.

Supponiamo che tu stia partecipando a un progetto di costruzione che richiede la lavorazione dell'acciaio e il taglio del granito. Gli strumenti che tagliano, levigano e lucidano hanno due requisiti essenziali: devono essere più duri del materiale che stanno tagliando e non devono degradarsi a causa del calore generato dal processo di taglio. Il diamante è duro come viene, ma non è chimicamente impermeabile. La sua superficie può ossidarsi alle temperature necessarie per lavorare leghe contenenti ferro come l'acciaio. Il nitruro di boro cubico ha una stabilità superiore, quindi è l'abrasivo preferito per molti tipi di acciaio, tra gli altri materiali. Tuttavia non è duro come il diamante, quindi non sempre può migliorare le prestazioni del diamante.

Sembra logico mescolare in qualche modo il diamante con il nitruro di boro cubico per ottenere il meglio da entrambi i mondi: un materiale da taglio universale. È un compito arduo. Una grande sfida, a quanto pare, è stata ottenere materiale sufficiente per testare la stabilità e le prestazioni di taglio.

Lui e i suoi colleghi hanno risolto il problema delle dimensioni. Le loro nuove leghe raggiungono i 3 millimetri di diametro. Si tratta di circa un ottavo di pollice, abbastanza grande da poter essere trasformato in utensili da taglio. Per realizzare le leghe, i ricercatori hanno sottoposto miscele 1:1 di diamante in polvere e nitruro di boro cubico a una gamma di condizioni simultanee di alta pressione (da circa 100.000 a 200.000 volte la pressione atmosferica terrestre al livello del mare) e di alta temperatura (da 1.300 a 2.600 gradi Kelvin). , circa un terzo della temperatura della superficie solare).

Le migliori leghe He hanno sovraperformato gli utensili commerciali contenenti diamante policristallino o nitruro di boro cubico policristallino nei test di taglio ad alta velocità su acciaio temprato e granito. Le leghe hanno inoltre comportato una maggiore durata dell'utensile rispetto agli altri due materiali. È importante sottolineare che le leghe presentano la combinazione di proprietà prevista: durezza quasi quanto il diamante e inerte quasi quanto il nitruro di boro cubico.

Due domande saranno al centro del lavoro futuro. Innanzitutto, quali conoscenze chimiche si possono ricavare da questa lega per progettare materiali ancora migliori? Le misurazioni del team suggeriscono che potrebbero essersi formati legami tra boro e carbonio, nonché tra carbonio e azoto, molto probabilmente alle interfacce tra i grani dei due materiali. La quantità e la natura delle obbligazioni non sono chiare.

In secondo luogo, questa sintesi ad alta pressione e alta temperatura aumenterà in modo coerente ed economico? Ci vuole energia per riscaldare e dare vita a questa lega. Il team sta lavorando per sintetizzare leghe di dimensioni centimetriche, anziché millimetriche. Il tempo dirà se questi competeranno in banca così come fanno nell'officina meccanica.