Алмаз. Свойства, строение, применение

Исключительная твёрдость алмаза находит своё применение в промышленности: его используют для изготовления ножей, свёрл, резцов и тому подобных изделий. Потребность в алмазе для промышленного применения вынуждает расширять производство искусственных алмазов. В последнее время проблема решается за счет кластерного и ионно-плазменного напыления алмазных пленок на режущие поверхности. Алмазный порошок (как отход при обработке природного алмаза, так и полученный искусственно) используется как абразив для изготовления режущих и точильных дисков, кругов и т. д.

Крайне перспективно развитие микроэлектроники на алмазных подложках. Уже есть готовые изделия, обладающие высокой термо- и радиационной стойкостью.

Однако подавляющая часть (по стоимости) природных алмазов используется для производства бриллиантов. Хорошие кристаллы подвергаются огранке и используются в ювелирном деле. Ювелирными считаются около 15% добываемых алмазов, еще 45% считаются околоювелирными, т.е. уступают ювелирным по размеру, цвету или чистоте. В настоящее время общемировой объем добычи алмазов составляет порядка 130 миллионов карат в год.

 

Огранка алмазов

Основными типами огранки являются: круглая (со стандартным числом 57 граней) и фантазийные, к которым относятся такие виды огранки как «овальная», «груша» (одна сторона овала — острый угол), «маркиза» («овал с двумя острыми углами», в плане похож на стилизованное изображение глаза), «принцесса», «радиант» и проч.

Форма огранки бриллианта зависит от формы исходного кристалла алмаза. Чтобы получить бриллиант максимальной стоимости, огранщики стараются свести к минимуму потери алмаза при обработке. В зависимости от формы кристалла алмаза, при его обработке теряется от 55 % до 70 % веса. Пропорционально этому увеличивается цена (но не стоимость!) бриллианта. Так из алмаза весом 1 карат, стоимостью 100 долл. и ценой 100 долл. за карат при 50 % «выхода годного» будет получен бриллиант весом 0,5 карата, стоимостью 100 долл. (учитывая только издержки на сырье, без других расходов) ценой 200 долл. за карат.

 

Рис. 10. Виды огранки алмазов.

 

Применительно к технологии обработки, алмазы можно условно разделить на три большие группы: — «соублз» (как правило кристаллы правильной октаэдрической формы, которые вначале должны быть распилены на две части, при этом получаются заготовки для производства двух бриллиантов); — «мэйкблз» (кристаллы неправильной или округлой формы, подвергаются огранке «одним куском»); — «кливаж» (содержат трещину и не распиливаются, а раскалываются перед дальнейшей обработкой).

Основными центрами огранки бриллиантов являются: Индия, специализурющаяся преимущественно на мелких бриллиантах, массой до 0,30 карата, производит ежегодно этого товара на 7 млрд долл.; Израиль, гранящий бриллианты массой более 0,30 карата, стоимостью около 2,5 млрд долл. в год; Китай, Россия, Украина, Таиланд, Бельгия, США. Производство в пяти последних из перечисленных стран находится на уровне 0,5-1 млрд долл. При этом в США производят только крупные высококачественные бриллианты, в Китае и Таиланде — мелкие, в России и Бельгии — средние и крупные. Подобная специализация сформировалась в результате различий в оплате труда огранщиков.

Имитация алмазов

Для имитации алмазов используется бесцветный циркон, синтетический рутил, титанат стронция, синтетические бесцветные шпинель и корунд, алмазные дублеты и свинцовое стекло; а также синтетические иттрий – алюминиевый гранат, гадолиний – галлиевый гранат и кубический оксид циркония. Все эти соединения мягче алмаза, не обладают характерной голубой люминесценцией, отличаются по показателю преломления. Облучение алмазов в ядерных реакторах позволяет превращать бесцветные или желтые камни в более дорогие зеленые и голубые.

                                                                                    Рис. 11. Кольцо с бриллиантом.

Диагностика алмаза

Эффективная диагностика и имитация алмазов проводится «алмазным щупом», действие которого основано на определении уникальной теплопроводности алмаза, превышающей теплопроводность серебра и меди: при этом возможна проверка даже очень мелких камней, закрепленных в глубокой оправе. Используется также «алмазный карандаш», заправленный специальными чернилами, оставляющими на поверхности хорошо смачивающегося жиром алмаза сплошную черту, тогда как на имитациях чернила собираются в отдельные капельки. Чистота абразивных порошков из алмазов проверяется рентгеновским и люминесцентным методами; синтетические порошки обычно обладают магнитными свойствами, выявляемыми мощными магнитами или электромагнитами.                                                    Рис. 12. Ограненный алмаз.

 

 

 

 

 

 

Алмазный инструмент

 

Рис. 13. Обработка алмазным инструментом: а) резание; б) шлифование; в) сверление.

 

Алмазный инструмент (рис. 13) получил широкое распространение благодаря уникальным свойствам алмазов, закрепленных на его поверхности. Закрепление алмазов может осуществляться гальваническим способом, спеканием и прессованием. Материал посредством которого алмазы закрепляются на поверхности режущего инструмента называется связкой. Тип алмазов, их концентрация и свойства связки определяют ресурс и производительность инструмента.

 

            Рис. 14. Резание алмазным инструментом

С – глубина заделки алмаза в связующий материал; Т – глубина погружения алмаза в обрабатываемый материал; З – зазор между связкой и материалом; V – направление движения инструмента.

 

При резании (рис. 14) алмазные зерна разрушаются, а связка истирается. Если связку выбрать слишком жесткой – она будет изнашиваться медленнее алмазов и будет происходить так называемое засаливание (падение производительности за счет недостаточной обнаженности алмазов). Если связку выбрать слишком мягкой – она будет изнашиваться быстрее алмазов и они будут выпадать из алмазоносного слоя не отработав свой ресурс. Таким образом, для поддержания режущей способности инструмента связка должна изнашиваться пропорционально износу алмазных зерен.

Для лучшего удаления разрушенного материала инструмент выполняют в виде сегментов (рис. 15).

 

Рис. 15. Сегменты алмазного инструмента: а) дисковая пила; б) шлифовальный круг; в) тросовая пила.

 

Для обработки твердых материалов используют монокристаллы алмаза (рис. 16). Они обладают высокой изломостойкостью, обеспечивают малую поверхность трения и длительный срок работы инструмента. Поликристаллы дешевле монокристаллических зерен, поэтому их используют для обработки сравнительно мягких материалов.

 

Рис. 16. Внешний вид кристаллов алмаза:

а) монокристаллических; б), в) поликристаллических.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Заключение.

Итак, мы рассмотрели строение и свойства алмазов, их происхождение и нахождение в природе. Подробно остановились на производстве и применении как природных, так и синтетических алмазов.

Освоение производства синтетических алмазов является подлинной технической революцией для многих отраслей промышленности, т.к. работать с применением алмаза значит работать быстрее, выпускать продукцию высшего качества при меньшей себестоимости.

Если алмазы были раньше дефицитными и имели ограниченные области применения, то с развитием производства синтетических алмазов они стали доступны любой отрасли промышленности, любому предприятию. В настоящее время во всех странах ведутся исследования по широкому внедрению искусственных алмазов в промышленность и изыскание новых областей, где натуральные алмазы смогут быть заменены искусственными.

Ведутся исследования по улучшению свойств синтетических алмазов: снижению хрупкости, увеличению размера кристаллов, получение монокристаллов, что позволит внедрить искусственные алмазы во все новые отрасли промышленности и приведет к все  возрастающему увеличению производства синтетических алмазов, возможности которого безграничны.

Одновременно с этим в настоящее время еще многие области, где натуральные алмазы не могут быть полностью заменены синтетическими - это процессы, где применяются большие скорости подач и имеют место высокие  удельные давления, при бурении, резке и других операциях.

Синтетические алмазы пока не применяются  для изготовления однокристаллического и многокристаллического алмазного инструмента, где требуются большие размеры кристаллов для изготовления стеклорезов, резцов, сверл и др. Кроме того 20% всего количества добываемых натуральных алмазов являются ювелирными алмазами.

Таким образом, увеличение добычи натуральных алмазов обеспечивает широкое применение алмазов во всех областях промышленности. Применение натуральных алмазов в промышленности приносит от 25 до 80, а иногда до 200 долл. экономии на каждый используемый карат. Кроме того, натуральные ювелирные алмазы являются драгоцейнешим  экспортируемым материалом.

Натуральные алмазы могут рассматриваться как стратегический материал:  изготовление точнейших деталей и приборов, сложнейшие задачи электронной техники решаются только с применением алмазов.

Поэтому следует считать, что с освоением процесса синтеза алмазов роль и значение натуральных отнюдь не уменьшились. Расширение и увеличение добычи натуральных алмазов во всех странах остается чрезвычайно актуальной проблемой, и увеличение добычи натуральных алмазов может также рассматриваться как одно из условий увеличения промышленного потенциала и технического уровня любой страны.    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Список литературы.

1. Васильев  Л.А. Алмазы, их свойства и применение. – Москва, 1983.
2. Коломейская  М.Я. Натуральные и синтетические алмазы в промышленности. – Москва, 1967.
3. Костиков В.И. Графитация и алмазообразование. – Москва, 1991.
4. Кремень З.И. Технология обработки абразивным и алмазным инструментом. – Ленинград, 1989.
5. Орлов Ю. Л. Минералогия алмаза. – Москва, 1973.
6. Поляков В.П. Алмазы и сверхтвердые материалы. – Москва, 1990.
7. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. – Ленинград: Химия, 1977. – 105с.
8. Федосеев Д.В., Новиков И.В. Алмаз. Справочник. – Киев, 1981.
9. Чукова Ю.П. Тайны алмаза. – Москва: Знание, 1988. – 6с.
10. Технология получения и очистки детонационных алмазов // Физика твердого тела, 2004, том 46, вып.4. – 586с.
11. Химическая энциклопедия, т.5. –  Москва: Советская энциклопедия, 1999. – 25с.