La clave para el rendimiento superior del diamante policristalino (PCD) térmicamente estable en condiciones difíciles, como altas temperaturas y cargas elevadas, reside en su composición de material única y diseño de microestructura. En comparación con el PCD convencional, la versión térmicamente estable presenta mejoras específicas en la selección de materias primas, optimización de la fase de unión y pos-procesamiento, lo que mejora significativamente su resistencia al calor y su vida útil, manteniendo al mismo tiempo la dureza extremadamente alta del diamante.
La estructura básica del PCD consta de partículas de diamante de tamaño micrométrico- a submicrométrico-sinterizadas junto con una fase de unión. En el PCD térmicamente estable, el tamaño de las partículas y la forma cristalina del polvo de diamante se seleccionan estrictamente y, por lo general, se utiliza polvo de diamante monocristalino-de alta-pureza- para garantizar una unión estrecha entre los granos y una consistencia mecánica general. Controlar la distribución del tamaño de las partículas es particularmente crucial; un tamaño de partícula excesivamente grueso puede crear zonas de unión débiles, mientras que un tamaño de partícula excesivamente fino reduce la resistencia macroscópica del filo. Una relación razonable logra un equilibrio entre resistencia al desgaste y resistencia al impacto.
La fase de unión es un factor crucial que determina la estabilidad térmica. El PCD convencional suele utilizar metales como el cobalto y el níquel como catalizadores y aglutinantes. Estos metales pueden favorecer la transformación del diamante en grafito a altas temperaturas, limitando su temperatura de funcionamiento. El PCD térmicamente estable emplea un sistema de unión modificado, que suprime eficazmente las reacciones de transformación de fases a altas temperaturas mediante la reducción del contenido de metal catalítico o la introducción de fases de unión no metálicas- basadas en cerámica o carburo-. Por ejemplo, algunas formulaciones utilizan siliciuros o boruros como fases puente, manteniendo la unión metalúrgica entre las partículas al tiempo que reducen la actividad de la grafitización catalítica, lo que permite que el material mantenga la estabilidad de la fase de diamante por encima de los 700 grados.
En la etapa de pos-procesamiento, el PCD térmicamente estable se recoce bajo un vacío de alta-temperatura o protección atmosférica, lo que hace que la fase catalítica del metal residual se desactive o migre a regiones no-críticas en los límites de los granos, mejorando así aún más la temperatura de descomposición térmica y la resistencia a la oxidación. Este proceso mejora significativamente la resistencia a la fatiga térmica del material sin reducir significativamente la dureza, lo que lo hace menos propenso a la propagación de microfisuras bajo cargas de calor alternas.
Además, se pueden aplicar tratamientos de funcionalización a la superficie de PCD para cumplir con diferentes requisitos de aplicación, como formar una capa protectora extremadamente delgada mediante deposición de vapor para mejorar aún más la resistencia a la corrosión o controlar el coeficiente de fricción. La selección de este tipo de material de superficie está estrechamente relacionada con la fuerza de unión con la matriz, y es necesario garantizar que la red coincida con los granos de diamante para evitar la delaminación entre capas causada por la concentración de tensión térmica.
En general, el rendimiento superior del PCD térmicamente estable se debe al efecto sinérgico del polvo de diamante cuidadosamente seleccionado, el diseño optimizado de la fase de unión y los procesos de tratamiento térmico especializados. Un conocimiento profundo de sus materiales principales no solo ayuda a seleccionar materiales que coincidan con las tareas de procesamiento, sino que también sienta una base sólida para la posterior innovación de procesos y mejora del rendimiento.
