Una aleación de diamante superdura puede fabricar herramientas de corte superiores

Los títulos de las películas de Bond pueden ser engañosos: los diamantes no duran para siempre cuando se trata de tareas exigentes como cortar acero. Ahora, los investigadores han combinado diamante con nitruro de boro cúbico, un material duro fabricado por el hombre, para crear una aleación que supera a las herramientas de corte comerciales. Si el material se puede fabricar a escala práctica, podría resultar útil en las industrias de la construcción, la automoción o la aeroespacial.

Arriba: Muestras de materiales de aleación de nitruro de boro cúbico de diamante. Abajo: Caras de inclinación pulidas de cortadores... [+] fabricados con la aleación. (Crédito: DW He/SCU)

El trabajo, de un equipo dirigido por Duanwei He del Instituto de Física Atómica y Molecular de la Universidad de Sichuan, en Chengdu, China, aparece en la revista Applied Physics Letters.

Digamos que estás en un proyecto de construcción que requiere mecanizar acero y luego cortar granito. Las herramientas que cortan, esmerilan y pulen tienen dos requisitos esenciales: deben ser más duras que el material que cortan y no deben degradarse como resultado del calor que genera el proceso de corte. El diamante es tan duro como parece, pero no es químicamente impermeable. Su superficie puede oxidarse a las temperaturas necesarias para trabajar aleaciones que contienen hierro, como el acero. El nitruro de boro cúbico tiene una estabilidad superior, por lo que es el abrasivo preferido para muchos tipos de acero, entre otros materiales. Sin embargo, no es tan duro como el diamante, por lo que no siempre puede superar el rendimiento del diamante.

Parece lógico mezclar de alguna manera diamante con nitruro de boro cúbico para obtener lo mejor de ambos mundos: un material de corte universal. Esa es una tarea difícil. Resulta que un gran desafío ha sido obtener suficiente material para probar la estabilidad y el rendimiento de corte.

Él y sus colegas han resuelto el problema del tamaño. Sus nuevas aleaciones alcanzan los 3 milímetros de diámetro. Eso es aproximadamente un octavo de pulgada, lo suficientemente grande como para procesarlo en herramientas de corte. Para fabricar las aleaciones, los investigadores sometieron mezclas 1:1 de diamante en polvo y nitruro de boro cúbico a un rango simultáneo de alta presión (alrededor de 100.000 a 200.000 veces la presión del aire de la Tierra al nivel del mar) y condiciones de alta temperatura (de 1300 a 2600 grados Kelvin). , aproximadamente un tercio de la temperatura de la superficie del sol).

Las mejores aleaciones de He superaron a las herramientas comerciales que contienen diamante policristalino o nitruro de boro cúbico policristalino en pruebas de corte de alta velocidad en acero endurecido y granito. Las aleaciones también dieron como resultado una vida útil más larga en comparación con los otros dos materiales. Es importante destacar que las aleaciones tienen la combinación esperada de propiedades: casi tan duras como el diamante y casi tan inertes como el nitruro de boro cúbico.

Dos preguntas serán el foco del trabajo futuro. En primer lugar, ¿qué conocimientos químicos se pueden extraer de esta aleación para diseñar materiales aún mejores? Las mediciones del equipo sugieren que pueden haberse formado enlaces entre el boro y el carbono, así como entre el carbono y el nitrógeno, muy probablemente en las interfaces entre los granos de los dos materiales. La cantidad y naturaleza de los bonos no está clara.

En segundo lugar, ¿esta síntesis a alta presión y alta temperatura aumentará de manera consistente y económica? Se necesita energía para calentar y presionar esta aleación para que exista. El equipo está trabajando para sintetizar aleaciones de tamaño centimétrico, en lugar de milimétrico. El tiempo dirá si competirán en el banco tan bien como en el taller mecánico.