PCD вставки или CVD алмазное покрытие?

В этой статье мы попробуем пролить больше света на дилемму, с которой сталкиваются многие потребители при обработке композитных материалов, когда им требуется выбрать тип инструмента для решения данной задачи.

Существует два основных типа инструментов для обработки композитов: PCD инструменты, где режущая кромка состоит из нескольких PCD сегментов определённых формы и размера, и инструменты с CVD алмазным покрытием, где режущая кромка полностью формируется в процессе шлифования, а затем покрывается алмазным покрытием методом химического осаждения.

Краткое напоминание о материалах:

PCD (Poly Crystalline Diamond - [поликристаллический алмаз]) в отличие от монокристаллического алмаза производится синтетически путем спекания множества (Poly) алмазных частиц, обычно размером от 2 до 30 микрометров с металлическим связующим (обычно кобальт) при высокой температуре и под высоким давлением. Доля алмазных частиц составляет 90-95%, остальное - кобальт.

CVD (Chemical Vapor Deposition - [химическое осаждение из паровой фазы]) - это процесс нанесения покрытия из нано частиц алмаза на основу из твёрдого сплава размером от 6 до 16 микрометров. Основа из твёрдого сплава должна иметь низкое содержание кобальта, например, 6% и пройти специальную обработку поверхности. Такая обработка уменьшает содержание кобальта во внешнем слое, воздействует на алмазные кромки, чтобы создать достаточную адгезию между алмазным покрытием и основой.

Сравнение двух типов материалов:

	PCD	CVD
Твёрдость	PCD - композитный алмаз, 90-95% алмазного порошка + кобальтовая связка, поэтому твёрдость ниже, чем у CVD. Около 6000 по Виккерсу.	CVD - это на 99% чистый алмаз, поэтому твёрдость максимальная. Около 8500 по Виккерсу.
Износостойкость	Так как PCD содержит кобальт, кромка изнашивается быстрее, но это происходит до достижения определённого радиуса кромки и остаётся неизменным в течение более длительного периода.	Так как CVD представляет собой чистое алмазное покрытие, износостойкость выше, поэтому радиус кромки остаётся острым в течение более длительного периода. Однако, когда покрытие изнашивается, поскольку материал под ним - твёрдый сплав, острота кромки теряется намного быстрее.
Прочность	Кобальтовая связка в материале PCD увеличивает прочность по сравнению с алмазом CVD. Следовательно, он имеет лучшее сопротивление выкрашиванию при фрезеровании и в нестабильных условиях обработки.	Слой почти чистого алмаза имеет более низкую эластичность и прочность, поэтому вероятность его разрушения и расслоения выше, чем у PCD.
Конструкция	PCD инструменты, состоящие из сегментов, имеют геометрическую форму, ограниченную формой сегмента. Однако, когда используется инструмент с наконечником из PCD, конструктивных ограничений нет.	Так как инструмент CVD формируется во время шлифования, конструктивных ограничений по геометрии нет.

Фрезерование:

Операция фрезерования включает прерывистое резание, при котором каждый зуб фрезы входит в контакт с материалом и выходит из него за каждый оборот инструмента. Каждый раз, когда режущая кромка входит в материал имеет место ударный эффект, который повреждает режущую кромку инструмента. Согласно приведенной выше таблице, инструменты из PCD могут выдержать «ударный» эффект при фрезеровании. В инструментах с CVD алмазным покрытием, покрытие в конечном итоге отслаивается, и остается только основа из твёрдого сплава. В PCD, даже при небольшом разрушении, алмаз остаётся твёрдым и, следовательно, сохраняет те же характеристики. Тем не менее, есть опасения по поводу геометрических ограничений PCD. Например, когда требуется большая длина канавки, или, когда требуется особая геометрия инструмента, алмазный инструмент с CVD покрытием имеет преимущество.

Сверление:

При сверлении композитов в высокотехнологичных деталях в аэрокосмической промышленности серьезной проблемой является расслоение материала на выходе из отверстия. Существует ряд конструкторских и технологических мероприятий, минимизирующих или практически устраняющих эту проблему. Во время операции сверления режущая кромка имеет постоянный контакт с материалом детали, в отличие от фрезерования, поэтому она менее подвержена сколам или трещинам. Исходя из этого, алмазные сверла CVD с оптимальным сочетанием твердости и остроты кромки работают лучше в отношении минимизации расслоения материала на выходе из отверстия.

Когда критерием отказа является расслоение материала сверла CVD превосходят сверла PCD. Когда критерием ожидаемого отказа является диаметр отверстия, сверло PCD прослужит дольше, чем сверло CVD. Причина в том, что CVD алмаз представляет собой покрытие. Когда оно в конечном счёте отслаивается от твёрдого сплава, износ кромки резко увеличивается. PCD, с другой стороны, как было отмечено ранее, представляет собой цельный алмаз. Скорость развития износа практически постоянная. Другой пример, когда сверло PCD может иметь преимущество - сверление слоистых панелей, таких как углепластик/алюминий, где выходные отверстия находятся в алюминиевом слое. В этом случае расслоение не является проблемой, поэтому сверло PCD будет первым выбором, так как оно прослужит дольше и может быть переточено несколько раз.

Преимуществом алмазного сверла CVD является гибкость конструкции по сравнению со стандартным сверлом с напаянными алмазными пластинами, где сегмент PCD определяет геометрию. Однако, у сверла с PCD наконечником (Fullnib) нет ограничений по геометрии, а гибкость конструкции такая же, как и у алмазного сверла CVD, при условии, что высота наконечника PCD (которая ограничена) не создает других ограничений.

Зенкерование:

Хотя зенкование считается ручной операцией, корпус зенковки изготавливается из стали, в основном за счет резьбового соединения. Сталь нельзя покрывать CVD алмазом, поэтому большинство зенковок на рынке композитов изготовлены из PCD. Сегменты PCD припаиваются к стальному корпусу зенковки. Полностью твердосплавные зенковки, на которые можно нанести покрытие, редко можно увидеть из-за того, что шлифование резьбы на твердосплавном корпусе является сложной задачей.

Заключение:

Основная цель этой статьи - помочь потребителям сосредоточиться на своих целях. Знание и понимание ваших целей поможет уточнить требования к инструменту и выбрать подходящий инструмент для вашей задачи. Как было упомянуто в статье, использование PCD и CVD имеет свои достоинства и недостатки. Ни один из них не может полностью заменить другой. Мы не обсуждали в этой статье другие факторы, такие как стоимость инструмента, восстановление, ограничения диаметра и другое. Некоторые из этих факторов, безусловно, повлияют на решения и будут рассмотрены в следующих статьях.

Telcon предлагает решения для обработки композитов: как PCD, так и CVD свёрла, концевые фрезы, роутеры и зенковки для всех ваших применений.