超硬ダイヤモンド合金は優れた切削工具を作る可能性がある

ボンド映画のタイトルは騙される可能性がありますが、鋼鉄の切断などの要求の厳しい作業に関しては、ダイヤモンドは永遠ではありません。 今回、研究者らはダイヤモンドと人造の硬質材料である立方晶窒化ホウ素を組み合わせて、市販の切削工具を上回る性能を発揮する合金を作成した。 この材料が実用的な規模で製造できれば、建設、自動車、航空宇宙産業で役立つ可能性がある。

上: ダイヤモンド立方晶窒化ホウ素合金材料のサンプル。 下: 研磨されたカッターのすくい面... [+] 合金製。 (クレジット: DW He/SCU)

この研究は、中国成都市にある四川大学原子分子物理学研究所のDuanwei He氏率いるチームによるもので、学術誌「Applied Physics Letters」に掲載された。

鋼材を機械加工してから花崗岩を切断する必要がある建設プロジェクトに携わっているとします。 切断、研削、研磨を行う工具には 2 つの必須要件があります。1 つは切断する材料よりも硬くなければならないということ、もう 1 つは切断プロセスで発生する熱の結果として劣化してはいけないということです。 ダイヤモンドは非常に硬いですが、化学的に不浸透性ではありません。 その表面は、鋼などの鉄含有合金を加工するのに必要な温度で酸化する可能性があります。 立方晶窒化ホウ素は安定性に優れているため、さまざまな種類の鋼や他の材料に最適な研磨剤です。 しかし、ダイヤモンドほど硬くないため、常にダイヤモンドの最高のパフォーマンスを発揮できるとは限りません。

普遍的な切削材料である両方の長所を得るには、どういうわけかダイヤモンドと立方晶窒化ホウ素を混合するのが論理的であるように思えます。 それは難しい注文だ。 大きな課題の 1 つは、安定性と切断性能をテストするのに十分な材料を入手することであることが判明しました。

彼と同僚はサイズの問題を解決しました。 彼らの新しい合金は直径 3 ミリメートルに達します。 これは約 1/8 インチで、切削工具に加工するのに十分な大きさです。 合金を作るために、研究者らは粉末ダイヤモンドと立方晶窒化ホウ素を1:1で混合したものを、ある範囲の高圧（海面における地球の大気圧の約10万～20万倍）と高温条件（1300ケルビン～2600ケルビン）に同時に曝した。 、太陽の表面の約 3 分の 1 の温度です）。

最高の He 合金は、焼入れ鋼や花崗岩の高速切削テストにおいて、多結晶ダイヤモンドまたは多結晶立方晶窒化ホウ素を含む市販の工具を上回りました。 この合金は、他の 2 つの材料と比較して工具寿命も長くなりました。 重要なのは、この合金は、ダイヤモンドとほぼ同じ硬さであり、立方晶窒化ホウ素とほぼ同じ不活性という、予想通りの特性の組み合わせを備えていることです。

2 つの質問が今後の研究の焦点となります。 まず、より優れた材料を設計するために、この合金からどのような化学的洞察を収集できるでしょうか? 研究チームの測定は、ホウ素と炭素、および炭素と窒素の間に結合が形成され、おそらく 2 つの材料の粒子間の界面で結合が形成された可能性があることを示唆しています。 結合の量と性質は明らかではありません。

第二に、この高圧高温合成は一貫して安価にスケールアップできるでしょうか? この合金を加熱してプレスして存在させるにはエネルギーが必要です。 研究チームは、ミリメートルではなくセンチメートルサイズの合金の合成に取り組んでいる。 彼らが機械工場と同じように銀行でも競争できるかどうかは、時間が経てば分かるだろう。