Un primer plano de un segmento de una hoja de sierra de diamante.
Una herramienta de diamante es una herramienta de corte con granos de diamante fijados a las partes funcionales de la herramienta mediante un material adhesivo u otro método. Como el diamante es un material superduro , las herramientas de diamante tienen muchas ventajas en comparación con las herramientas fabricadas con abrasivos comunes como el corindón y el carburo de silicio .
Historia
En su obra Historia natural , Plinio escribió: "Cuando se rompe con éxito un adamas , se desintegra en astillas tan pequeñas que apenas son visibles. Estas astillas son muy buscadas por los grabadores de gemas y se insertan en herramientas de hierro porque hacen huecos en los materiales más duros sin dificultad". [1]
Ventajas
El diamante es uno de los materiales naturales más duros de la Tierra, mucho más duro que el corindón y el carburo de silicio. El diamante también tiene una gran resistencia, buena resistencia al desgaste y un bajo coeficiente de fricción. Por lo tanto, cuando se utiliza como abrasivo , tiene muchas ventajas obvias sobre muchos otros abrasivos comunes.
Ventajas de las herramientas de pulido de diamante
El diamante se puede utilizar para fabricar herramientas de pulido que presentan las siguientes ventajas:
Alta eficiencia de pulido, baja fuerza de pulido : el orificio generará menos calor durante el proceso de pulido. Esto puede reducir o evitar quemaduras y grietas en la superficie de la pieza de trabajo y reducir el desgaste del equipo y el consumo de energía.
Alta resistencia al desgaste : el cambio de dimensión de las herramientas de pulido de diamante es pequeño, lo que permite obtener una buena calidad de pulido y una alta precisión de pulido.
Larga vida útil, largo período de preparación : esto puede aumentar en gran medida la eficiencia del trabajo, mejorar el entorno laboral de los trabajadores y disminuir la intensidad laboral del producto.
Bajo costo integral : el costo de procesamiento de cada pieza de trabajo es menor.
Categorías
Existen miles de tipos de herramientas de diamante. Se pueden clasificar según sus métodos de fabricación y sus usos.
Categorías por método de fabricación
Según sus métodos de fabricación o tipos de aglomerante, las herramientas de diamante se pueden clasificar de la siguiente manera:
Herramientas de diamante con aglomerante metálico : el material de unión de la herramienta es metal sinterizado que contiene granulado de diamante. Las partes funcionales de la herramienta suelen ser segmentos de diamante . Estas herramientas incluyen hojas de sierra de diamante con aglomerante metálico , muelas de copa de diamante para esmerilado , brocas de diamante para perforación con núcleo , etc. En el caso de las herramientas de diamante con aglomerante metálico, el aglomerante es uno de los factores principales a la hora de seleccionar qué herramienta utilizar para cortar o esmerilar un material específico, dependiendo de lo duro o abrasivo que sea el material. El aglomerante utilizado determina la velocidad a la que los polvos metálicos se desgastan y exponen nuevos cristales de diamante en la superficie, manteniendo así una superficie de corte abrasiva. Se consiguen diferentes resistencias de unión mediante la mezcla de aleación de polvos metálicos elegida y la cantidad de calor y presión que se aplican al segmento sinterizado. El material de referencia ha sido históricamente el cobalto, gracias a la alta retención de diamante, la facilidad de procesamiento mediante prensado en caliente y la velocidad de desgaste ajustable mediante polvos de bronce [2] o carburo de tungsteno mezclados. Debido a su precio alto e inestable y a preocupaciones medioambientales, se han desarrollado sistemas alternativos basados en aleaciones o mezclas de hierro y cobre, con otras adiciones metálicas y no metálicas. [3]
Herramientas de diamante con aglomerante de resina : el material de unión de las herramientas es principalmente polvo de resina. Un ejemplo de este tipo de herramientas son las almohadillas de pulido de diamante con aglomerante de resina que se utilizan en la industria de la construcción.
Herramientas de diamante enchapadas : estas herramientas se fabrican fijando los diamantes a la base de la herramienta mediante un método de galvanoplastia o mediante el método de CVD (deposición química en fase de vapor). Por lo general, se pueden fabricar con una buena precisión de procesamiento.
Herramientas de diamante con aglomerante cerámico : el aglomerante de las herramientas suele ser polvo de vidrio y cerámica. Estas herramientas suelen tener las características de buena estabilidad química, pequeña deformación elástica, pero alta fragilidad, etc.
Diamante policristalino (PCD) : normalmente se fabrica sinterizando muchos cristales de diamante individuales de tamaño micro a alta temperatura y alta presión. El PCD tiene buena tenacidad a la fractura y buena estabilidad térmica, y se utiliza para fabricar brocas geológicas.
Compuestos o Compactos de Diamante Policristalino (PDC) : Se fabrican combinando algunas capas de diamantes policristalinos (PCD) con una capa de revestimiento de carburo cementado a alta temperatura y alta presión. El PDC tiene las ventajas de la alta resistencia al desgaste del diamante con la buena tenacidad del carburo.
Herramientas de diamante soldadas a alta temperatura : esta herramienta se fabrica soldando una sola capa de diamantes sobre la herramienta mediante una soldadura a una temperatura de más de 900 °C mediante soldadura al vacío o soldadura con protección atmosférica. Esta herramienta tiene varias ventajas: la soldadura puede sujetar los diamantes con mucha firmeza, la altura expuesta de la capa única de diamantes puede ser del 70% al 80% de sus tamaños y los diamantes pueden disponerse de manera regular sobre la herramienta.
Categorías por uso
Si se clasifica por uso, hay herramientas de pulido de diamante, herramientas de corte de diamante (por ejemplo, brocas helicoidales revestidas de diamante), herramientas de perforación de diamante, herramientas de corte de diamante (por ejemplo, hojas de sierra de diamante ), matrices de dibujo de diamante, etc.
Aplicaciones
Materiales aplicables
Las herramientas de diamante son adecuadas para procesar los siguientes materiales:
Aleación de carburo
Materiales no metálicos duros o abrasivos, por ejemplo, piedra, hormigón, asfalto, vidrio, cerámica, piedras preciosas y materiales semiconductores.
Metales no ferrosos como el aluminio, el cobre y sus aleaciones, y algunos materiales blandos pero resistentes como el caucho y la resina.
Como los diamantes pueden reaccionar con Fe, Co, Ni, Cr, V bajo las altas temperaturas generadas en los procesos de rectificado, normalmente las herramientas de diamante no son adecuadas para procesar aceros, incluidos los aceros comunes y varios aceros aleados tenaces, mientras que la otra herramienta superdura, la herramienta de nitruro de boro cúbico (CBN), sí es adecuada para procesar aceros. Las herramientas fabricadas con abrasivos comunes (por ejemplo, corindón y carburo de silicio) también pueden realizar la tarea.
Dominios aplicados
Las herramientas de diamante se utilizan en los siguientes ámbitos:
Exploración geológica o de proyectos : se utilizan con frecuencia brocas de diamante para perforación geológica, brocas de diamante para perforación petrolera y brocas de diamante para perforación de pared delgada. La principal aplicación de las brocas de perforación PCD es en las industrias del petróleo y el gas natural y en la industria minera.
Procesamiento de piedra : Las hojas de sierra circular de diamante, las sierras de banda de diamante y las sierras de cinta de diamante se utilizan para serrar mármol, granito y otros bloques de piedra. Las sierras de hilo de diamante se utilizan en canteras de piedra para explotar bloques de piedra en bruto. Las herramientas de diamante con forma se utilizan para procesar la piedra hasta obtener una forma particular. Las almohadillas de pulido de diamante con aglomerante de resina se utilizan para pulir la piedra.
Construcción : Las hojas de sierra de diamante de tamaño mediano o pequeño, las brocas de diamante y algunas herramientas de pulido o esmerilado de diamante se utilizan a menudo para reparar carreteras, remodelar edificios y procesar materiales de construcción.
Carpintería : Los suelos laminados compuestos son muy utilizados. Son tan resistentes como la piedra. Para su procesamiento se utilizan hojas de sierra circulares PCD, fresas perfiladoras, brocas helicoidales y otras herramientas de diamante.
Procesamiento de repuestos de automóviles : se utilizan herramientas de corte PCD y PCBN para cumplir con los requisitos de procesamiento de alta eficiencia y baja desviación en este dominio.
Procesamiento de productos de TI y electrodomésticos : se utilizan ruedas de corte de diamante superdelgadas de alta precisión para cortar láminas de silicio. Las ruedas de pulido de diamante con aglomerante de resina se utilizan para procesar cerámica en la industria de la fibra óptica.
Procesamiento de cerámica de ingeniería : la cerámica de ingeniería se utiliza ampliamente en muchas industrias. Tiene propiedades de alta tenacidad, alta dureza y resistencia a altas temperaturas. Se han desarrollado muelas de diamante de alta tenacidad y durabilidad para procesarlas.
Procesamiento de herramientas de carburo y otras herramientas mecánicas : Las herramientas de diamante se utilizan para obtener una alta precisión y eficiencia de procesamiento.
Además de lo mencionado anteriormente, también hay otros dominios donde se aplican herramientas de diamante, por ejemplo, en medicina, el científico venezolano Humberto Fernández Morán inventó el cuchillo de diamante para su uso en cirugías delicadas en 1955.
Además de su uso como abrasivo debido a su alta dureza, el diamante también se utiliza para fabricar otros productos por sus muchas otras buenas propiedades, como alta conductividad térmica, bajo coeficiente de fricción, alta estabilidad química, alta resistividad y altas prestaciones ópticas. Estas aplicaciones incluyen recubrimientos en cojinetes y discos compactos, actuando como lentes y termistores, fabricando interruptores y sensores de alto voltaje, etc.
Algunos ejemplos de herramientas de diamante
Herramientas para afilar diamantes
Los afiladores de diamante consisten en herramientas de una o varias puntas soldadas a un vástago de acero y que se utilizan para rectificar y afilar muelas de amolar. Las herramientas vienen en varios tipos, entre ellos: impregnadas de grano, tipo cuchilla, tipo corona y tipo disco. Las ventajas de las herramientas de varias puntas sobre las de una sola punta son:
Se puede utilizar todo el diamante; en una herramienta de una sola punta, cuando la punta está desafilada, se debe reajustar el diamante y, después de varios ajustes, se reemplaza el diamante.
Las herramientas multipunta tienen mayor precisión, especialmente en el rectificado de formas , donde se utilizan tipos de cuchillas. Las cuchillas están formadas por diamantes alargados. El espesor está controlado y las cuchillas están disponibles en espesores de 0,75 a 1,40 milímetros (0,030 a 0,055 pulgadas).
Las herramientas de tipo grano son de un grado resistente y se pueden utilizar para amoladoras de banco.
Como se utilizan puntas pequeñas, los diamantes tienen un filo con puntas naturales, a diferencia de las herramientas de punta única, que tienen puntas brutas.
El coste de las herramientas multipunta es menor, ya que se utilizan diamantes más pequeños y menos costosos.
Herramientas de corte de PCD
El diamante policristalino (PCD) se forma en una gran prensa de alta temperatura y alta presión (HT-HP), ya sea como una oblea de diamante sobre un respaldo de carburo o formando una "vena" de diamante dentro de una oblea o varilla de carburo.
La mayoría de las obleas se pulen hasta obtener un acabado de espejo y luego se cortan con una herramienta de mecanizado por descarga eléctrica (EDM) en segmentos más pequeños y trabajables que luego se sueldan a la hoja de sierra, el escariador, el taladro u otra herramienta. A menudo se mecanizan por EDM y/o se rectifican una vez más para exponer la veta de diamante a lo largo del borde de corte. Estas herramientas se utilizan principalmente para el mecanizado de materiales no metálicos y no ferrosos.
La operación de rectificado se combina con la electroerosión por varias razones. Por ejemplo, según Modern Machine Shop, [ cita requerida ] la combinación permite una mayor tasa de eliminación de material y, por lo tanto, es más rentable. Además, el proceso de electroerosión afecta ligeramente el acabado de la superficie. El rectificado se utiliza en el área afectada para proporcionar una superficie final más fina. El Instituto de Electromecanizado de Pekín [ cita requerida ] atribuye una forma más fina y una geometría de superficie más fina a la combinación de los dos procesos en uno.
El proceso en sí se lleva a cabo combinando los dos elementos de cada proceso individual en una sola muela de rectificado. La muela de diamante y grafito realiza la tarea de rectificado, mientras que el anillo de grafito que rodea la muela existente sirve como parte de la electroerosión. Sin embargo, dado que el diamante no es un material conductor, la unión en la pieza de trabajo de PCD debe ser lo suficientemente amplia como para proporcionar la conductividad necesaria para que funcione el proceso de electroerosión.
Las herramientas de diamante policristalino se utilizan ampliamente en las industrias automotriz y aeroespacial. Son ideales para el mecanizado de alta velocidad (9000 pies de superficie por minuto o más) en aleaciones de aluminio resistentes y abrasivas, y procesos de alta abrasión como la perforación de fibra de carbono y cerámica. Los bordes de corte de diamante hacen que duren más tiempo antes de que sea necesario reemplazarlas. Los procesos de alto volumen, las tolerancias ajustadas y los procesos altamente abrasivos son ideales para las herramientas de diamante.
Compactos de diamante policristalino
A fines de la década de 1970, General Electric fue pionera en la tecnología de compactos de diamante policristalino (PDC) como reemplazo de los diamantes naturales en las brocas . [4] Los PDC se han utilizado para cortar superficies de rocas cristalinas durante períodos prolongados de tiempo en entornos de laboratorio, y estas capacidades ahora se han implementado en entornos hostiles en todo el mundo.
En agosto de 2000, el Departamento de Energía de los Estados Unidos afirmó que casi un tercio del total de la superficie perforada en todo el mundo se estaba perforando con brocas de PDC, con un supuesto ahorro de casi 100.000 dólares por broca de PDC en comparación con las brocas de núcleo de rodillo. [5]
Pasta de diamante yestiércol líquido
Las pastas de diamante se utilizan para pulir materiales que requieren un acabado de espejo. A menudo se utilizan en muestras metalúrgicas, matrices de carburo, sellos de carburo, industria de vidrio para gafas y para pulir diamantes. La pasta de diamante se utiliza principalmente en requisitos industriales para pulir y afilar hojas de metal y otras superficies metálicas. La pasta no solo sirve para pulir la hoja de metal, sino también para afilar el filo.
Herramientas galvanizadas con diamante
El polvo de diamante depositado mediante galvanoplastia se utiliza para fabricar limas (incluidas limas de uñas) y en pequeñas aplicaciones de pulido.
Herramientas de torneado de diamante de una sola punta
El torneado de diamante de una sola punta (SPDT) utiliza un diamante sólido e impecable como filo de corte. El diamante monocristalino puede ser natural o sintético, y se afila hasta las dimensiones deseadas mediante rectificado y pulido mecánicos . El filo de corte de la mayoría de las herramientas de diamante tiene un filo de decenas de nanómetros, lo que lo hace muy eficaz para cortar materiales no ferrosos con alta resolución. El SPDT es un proceso de mecanizado muy preciso, que se utiliza para crear ópticas asféricas e irregulares terminadas sin necesidad de pulido adicional después de la finalización. La máquina herramienta más precisa del mundo, la LODTM, anteriormente en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore , tenía una precisión de perfil estimada en 28 nm, mientras que la mayoría de las máquinas buscan una rugosidad dentro de esa desviación. [6]
SPDT se utiliza para óptica, para superficies planas donde se requiere tanto un acabado superficial como una precisión dimensional inusualmente alta y cuando el lapeado sería antieconómico o poco práctico.
Hojas de sierra de diamante
Para sierras de corte a gas de alta velocidad, sierras manuales, amoladoras manuales, sierras de puente, sierras de mesa, sierras para baldosas y otros tipos de sierras.
Hoja cóncava
Para cortar curvas en encimeras para instalar lavabos o esculpir estatuas.
Punteros de tuck
Discos de diamante gruesos para restauración, que implican el pulido y reemplazo de mortero.
Cazadores de grietas
Hojas de diamante gruesas en forma de V para reparar grietas en hormigón.
Copas de pulido con punta de diamante
Generalmente se utiliza en amoladoras manuales para moler hormigón o piedra.
Broca con punta de diamante o sierra de corona
Tubo hueco de acero con segmentos con punta de diamante para perforar agujeros en paredes de hormigón en la industria de la construcción, baldosas de porcelana o encimeras de granito en la industria doméstica o también se utiliza para extracciones de núcleos de muestra en la industria minera.
Inserto de herramienta PCD
Se utiliza en máquinas herramientas para mecanizar cerámica y aluminio a alta velocidad.
Inserto de herramienta PD
Se utiliza en centros de torneado para óptica y superficies de precisión.
Almohadillas de pulido
Almohadillas con cristales de diamante para pulir mármol y otras piedras finas.
Corte con hilo de diamante
Alambre con cristales de diamante para cortar.
Algunas de las características del corte con hilo de diamante son:
No percusivo, sin humo y silencioso Cara de corte suave Profundidad de corte ilimitada Corte horizontal, vertical y en ángulo de aberturas circulares de hasta 2500 mm de diámetro Función de corte por inmersión que permite formar aberturas ciegas y rebajadas Operación con control remoto para mayor seguridad
Cadena de sierra de diamante
Para cortar piedra, hormigón y ladrillo con una motosierra especial .
^ Plinio el Viejo. «Historia natural». Traducido por DE Eichholz. Archivado desde el original el 1 de enero de 2017. Consultado el 28 de mayo de 2014 .{{cite web}}: CS1 maint: URL no apta ( enlace )
^ "Comportamiento de sinterización libre de polvos de bronce para herramientas de diamante".
^ Konstanty, Janusz (2013). "Herramientas de diamante sinterizado: tendencias, desafíos y perspectivas". Metalurgia de polvos . 56 (3): 184–188. Bibcode :2013PowM...56..184K. doi :10.1179/1743290113Y.0000000058. S2CID 137707986.
^ Journal of Petroleum Technology. "Leyendas de la perforación" (PDF) . pp. 50–55. Archivado desde el original (PDF) el 26 de julio de 2011. Consultado el 2 de agosto de 2010 .
^ Laboratorio Nacional de Energías Renovables (agosto de 2000). Brocas con cortador de diamante (PDF) (PDF). Departamento de Energía de los Estados Unidos. pág. 2.(DOE/GO 100098-482)
^ El torno más preciso del mundo, Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, abril de 2001
