L'alliage de diamant super dur peut constituer des outils de coupe supérieurs

Les titres des films Bond peuvent être trompeurs : les diamants ne sont pas éternels lorsqu’il s’agit de tâches exigeantes comme la coupe de l’acier. Aujourd’hui, des chercheurs ont combiné le diamant avec du nitrure de bore cubique, un matériau dur fabriqué par l’homme, pour créer un alliage qui surpasse les outils de coupe commerciaux. Si le matériau peut être fabriqué à une échelle pratique, il pourrait être utile dans les industries de la construction, de l’automobile ou de l’aérospatiale.

En haut : échantillons de matériaux en alliage diamant-nitrure de bore cubique. En bas : faces de coupe polies des fraises... [+] fabriquées à partir de l'alliage. (Crédit : DW He/SCU)

Les travaux, réalisés par une équipe dirigée par Duanwei He de l'Institut de physique atomique et moléculaire de l'Université du Sichuan, à Chengdu, en Chine, apparaissent dans la revue Applied Physics Letters.

Disons que vous participez à un projet de construction qui nécessite d'usiner de l'acier puis de couper du granit. Les outils qui coupent, meulent et polissent ont deux exigences essentielles : ils doivent être plus durs que le matériau qu'ils coupent et ils ne doivent pas se dégrader en raison de la chaleur générée par le processus de coupe. Le diamant est aussi dur que possible, mais il n’est pas chimiquement imperméable. Sa surface peut s'oxyder aux températures nécessaires au travail des alliages contenant du fer comme l'acier. Le nitrure de bore cubique a une stabilité supérieure, c'est donc l'abrasif de prédilection pour de nombreux types d'acier, entre autres matériaux. Pourtant, il n'est pas aussi dur que le diamant, il ne peut donc pas toujours offrir les meilleures performances du diamant.

Il semble logique de mélanger le diamant avec du nitrure de bore cubique pour obtenir le meilleur des deux mondes : un matériau de coupe universel. C'est un défi de taille. Il s’avère que l’un des grands défis a été d’obtenir suffisamment de matériau pour tester la stabilité et les performances de coupe.

Lui et ses collègues ont résolu le problème de la taille. Leurs nouveaux alliages atteignent 3 millimètres de diamètre. Cela représente environ un huitième de pouce, suffisamment grand pour être transformé en outils de coupe. Pour fabriquer ces alliages, les chercheurs ont soumis des mélanges 1:1 de poudre de diamant et de nitrure de bore cubique à une gamme simultanée de hautes pressions (environ 100 000 à 200 000 fois la pression atmosphérique terrestre au niveau de la mer) et de températures élevées (de 1 300 à 2 600 degrés Kelvin). , environ un tiers de la chaleur de la surface du soleil).

Le meilleur des alliages He a surpassé les outils commerciaux contenant du diamant polycristallin ou du nitrure de bore cubique polycristallin lors des tests de coupe à grande vitesse sur l'acier trempé et le granit. Les alliages ont également permis une durée de vie des outils plus longue que celle des deux autres matériaux. Il est important de noter que les alliages possèdent le mélange attendu de propriétés : presque aussi durs que le diamant et presque aussi inertes que le nitrure de bore cubique.

Deux questions seront au centre des travaux futurs. Premièrement, quelles informations chimiques peut-on tirer de cet alliage pour concevoir des matériaux encore meilleurs ? Les mesures de l'équipe suggèrent que des liaisons pourraient s'être formées entre le bore et le carbone ainsi qu'entre le carbone et l'azote, très probablement aux interfaces entre les grains des deux matériaux. La quantité et la nature des obligations ne sont pas claires.

Deuxièmement, cette synthèse à haute pression et à haute température sera-t-elle développée de manière cohérente et à moindre coût ? Il faut de l’énergie pour chauffer et presser cet alliage pour qu’il existe. L’équipe travaille à synthétiser des alliages de taille centimétrique plutôt que millimétrique. Le temps nous dira si ceux-ci seront aussi compétitifs à la banque qu’à l’atelier d’usinage.