Глава 2. Промышленно-экономические характеристики технических алмазов и сфера их применения

Значение алмаза в техническом прогрессе огромно. Сегодня не существует ни одной отрасли промышленности, в которой природные и синтетические алмазы не применялись бы как высокоэффективный, сверхтвердый материал. Их роль особенно велика в отраслях, где необходимы такие уникальные свойства алмаза как: теплопроводность, прозрачность в широком диапазоне длин волн, стойкость к агрессивным средам, электрические свойства. Алмаз занял особое положение при конструировании и изготовлении теплоотводов для миниатюрных полупроводниковых источников излучения, окон в специальной оптической аппаратуре, детекторов ионизирующего излучения и других устройств, в которых используется полупроводниковый характер температурной зависимости электропроводности одного из типов алмазов.

В соответствии со статистическими данными до 80% добываемых в мире алмазов используются в промышленности и только 20% – в ювелирном деле. К техническим принадлежат природные алмазы, которые не пригодны для ювелирного производства: темноцветные кристаллы, кристаллы, имеющие трещины и другие дефекты, двойники, сростки, отколы. Однако в отдельных видах особо ответственного инструмента и изделий используются алмазы и ювелирного качества.

Синтетические алмазы применяются, в основном, для технических нужд. Наиболее распространенными формами использования технических алмазов являются:

а) алмазы, подвергающиеся обработке с целью получения зерен определенной геометрической формы. Такие алмазы идут на изготовление резцов, сверл, наконечников для измерения твердости, наконечников для измерения чистоты поверхности, стеклорезов, контактов, подшипников;

б) необработанные кристаллы алмазов, используемые для различных инструментов (буровых коронок, алмазо-металлических карандашей, оправ для правки, контактов);

в) абразивные алмазы – мелкие кристаллы, имеющие значительные дефекты (трещины, включения, пустоты) и пригодные только для измельчения в порошок. Из них готовят шлифовальные круги, отрезные диски, пасты, буровые коронки, порошки для доводки и полировки, инструмент для зубопротезирования.

Среди капиталистических стран первое место по переработке алмазов в бриллианты и производству алмазных инструментов занимает Бельгия, которая ежегодно ввозит 25-27% мировой добычи алмазов. Бельгийские фирмы «Сосьете Аноним», «Диаман Боарт» и «Ателье Жак Денбитцер» являются основными предприятиями по производству алмазного инструмента. Фирмы «Сосьете Аноним» и «Диаман Боарт» изготавливают алмазные инструменты из необработанных кристаллов и дробленых алмазов и выпускают алмазные круги, пилы, буровые коронки, бруски, притиры, зубоврачебные инструменты. Фирма «Ателье Жак Денбитцер» производит алмазный инструмент из монокристаллов и дробленых алмазов. Продукция этих фирм вывозится, главных образом, в США, Великобританию, Францию и ФРГ.

Крупные предприятия по производству алмазного инструмента организованы также в США, Израиле и ФРГ. США – основной потребитель технических алмазов в капиталистическом мире и потребитель алмазного инструмента, его производством заняты фирмы: «Нортон компани» и «Корборундум». Филиалы этих предприятий имеются в Великобритании, Франции, ЮАР, Австралии и Канаде. В США потребление технических алмазов растет из года в год. Так (в млн карат): 1955 г. – 11, 0; 1960 г. – 13, 5; 1965 г. – 15, 0; 1970 г. – 21, 0; 1974 г. – 25, 0; 1975 г. – 26, 0. После 1975 года публикаций нет. При этом использование алмазов на различные технические нужды составляет:

а) шлифование, заточка и доводка инструментов и деталей машин из твердых сплавов – 60-70%;

б) оправка шлифовальных кругов – 10-12%;

в) бурение – 10%;

г) волочение проволоки – 10%;

д) резка и шлифование изделий из стекла, керамики, мрамора, сверление и доводка твердосплавных деталей, обработка часовых и ювелирных изделий – 10-12%.

2.1. Использование абразивных свойств алмазов. Основными параметрами, которые определяют абразивные свойства алмазов, являются: высокое поверхностное натяжение, исключительная твердость кристаллов, большая теплопроводность. Эти физико-механические свойства обеспечивают исключительно высокую износостойкость алмазов на истирание. Она выше чем у корунда в 90 раз. При шлифовании твердых сплавов расходуется в 600-3000 раз меньше алмазного порошка, чем другого абразива.

Алмазные порошки. Алмазный порошок с одинаковым размером частиц обладает лучшими абразивными свойствами. Его изготавливают путем проведения операций:

а) стадийного дробления с рассевом;

б) очистки от примесей термической обработкой до 500^оС, промывкой в растворах минеральных кислот.

Алмазные порошки подразделяются на две группы – шлифпорошки и микро-порошки различных марок. При написании марок используются обозначения: АС – алмаз синтетический, В – высокопрочный, П – прочный, О – обычный, А – алмаз природный. Так, марка АСВ обозначает порошок из алмаза синтетического, высокопрочный. Алмазные порошки никогда не применяют в сухом виде, т.к. это вызывает огромную потерю массы (у алмаза очень большая «прыгучесть»). Их смачивают жидкостями: керосином, бензином или жирными кислотами.

Алмазные пасты. Готовятся из переизмельченного материала, образующегося при изготовлении алмазных порошков. Крупинки частиц в пасте имеют размеры меньше 10 мкм. Применяются на доводочных операциях для получения зеркальных поверхностей. Алмазные пасты готовятся на основе субмикропорошков, затираемых на оливковом масле с добавлением жирных кислот, способствующих получению однородной и вязкой массы. Инструменты из алмазных порошков имеют различное значение.

Алмазные диски и пилы. Используются алмазные порошки разной зернистости, а также различные наполнители и связывающие вещества. Зерна алмазов впрессовываются в поверхность дисков из красной меди, большая вязкость которой обеспечивает закрепление алмазных частиц. В качестве связки применяется щелочная фенолформальдегидная смола, а в качестве наполнителя – различные сыпучие материалы: карбид бора, железный порошок и др.

Алмазные карандаши. Это прессованные вставки из алмазного порошка и порошка твердого сплава. Такие алмазно-металлические карандаши имеют массу алмазов от 0, 5 до 1, 0 карата.

Алмазные боры и диски для зубоврачебной практики. При сверлении алмазным бором исключен сильный перегрев зуба (у алмаза большая теплопроводность).

Инструменты из монокристаллов алмаза. Резцы, иглы, стеклорезы, фильеры и другие инструменты готовятся из отдельных кристаллов алмазов или их крупных частей. Здесь используются камни массой от 0, 1 до 2, 0 и даже до 5, 0 карат.

Алмазные резцы. Резцы используются для резания разнообразных материалов – металлов, камня, мягкой и твердой резины, пластмасс и т.д. Производительность с их применением увеличивается, например при работе с пластмассами, в 900 раз. Для резцов используют алмазы от 0, 31 до 0, 85 карат (чаще 0, 5-0, 6 карат).

Алмазные иглы – это кристаллы с естественной острой вершиной или осколки с острым ребром и массой от 0, 1 до 0, 3 карат, закрепленные в металлических стержнях. Применяются для изготовления метчиков на резьбо-шлифовальных станках.

Стеклорезы. Используются кристаллы без дефектов массой 0, 02-0, 2 карата.

Фильеры – пластинки с просверленными в них тончайшими отверстиями, которые используются для волочения проволоки. Алмазы фильер должны быть прозрачными, без дефектов, трещин, раковин и посторонних включений, при массе кристаллов 0, 1-3, 5 карата. Отверстия сверлят ультразвуком с помощью алмазных игл и суспензии из 50% алмазного порошка и 50% воды. В последнее время стали использовать лазерный метод. Одна алмазная волока заменяет 245 волок из твердых сплавов, при увеличении скорости волочения в 2-3 раза.

Алмазные буровые инструменты. Алмазные коронки позволяют увеличивать производительность труда буровых работ в 1, 5-2 раза. В настоящее время около 12% всех технических алмазов расходуется на изготовление алмазных коронок. Для их изготовления применяют алмазы массой 0, 01-0, 2 карата.

Другие области применения технических алмазов. Широкое применение алмазы находят при изготовлении подложек полупроводниковых схем, которые эффективно отводят тепло (в несколько раз быстрее чем медь), счетчиков ядерных частиц, термометров, измеряющих температуру в таких труднодоступных местах, как вращающиеся роторы турбин и др.