Природний алмаз
Алмаз - найтвердіший мінерал, що зустрічається в природі і дорогоцінний камінь, що складається з одного елемента. Назва, можливо, походить від грецького "адамас" (непереможний, непереборний) або від арабського "ал-мас" (перське "елма") - дуже тверда. Алмаз - одна з алотропних модифікацій вуглецю і найтвердіша з відомих речовин. Інша алотропна модифікація вуглецю - графіт - одна з м'яких речовин. Щільність алмазу - 3,48-3,56 г/см3, твердість за Моосом - 10, мікротвердість 8600-10000 кгс/мм2.
Алмаз складається з вуглецю (96-99,8%). Крім того, у кількості від тисячних до 0,2-0,3% у ньому містяться домішки хімічних елементів – азоту, кисню, алюмінію, бору, кремнію, марганцю, міді, а також домішок заліза, нікелю, титану, цинку та ін. Зустрічаються включення графіту, олівіну, піропу, хроміту, хромдіопсиду, енстатиту та ін.
Алмаз кристалізується в кубічній (ізометричній) сингонії і зазвичай зустрічається у вигляді октаедрів або кристалів близької форми. При обколюванні алмазу від материнської маси відщеплюються уламки мінералу. Це стає можливим завдяки досконалій спайності. Зазвичай алмази безбарвні або жовті, але відомі також блакитні, зелені, яскраво-жовті, рожево-лілові, димчасто-вишневі, червоні камені; трапляються і чорні алмази. Алмази бувають прозорими та непрозорими, а порошок з них – білим або безбарвним.
Алмази ювелірної якості зустрічаються в ПАР та в Республіці Саха (Якутія, Росія) у кімберлітах – темних зернистих ультраосновних вулканічних породах, складених переважно олівіном та серпентином. Кімберліти залягають у формі трубчастих тіл («трубок вибуху») і зазвичай мають брекчієподібну будову. З кількох тонн видобутого кімберліту витягують частки карата високоякісного алмазу. Також алмази видобувають з алювіальних (річкових) та прибережно-морських галькових розсипів, куди їх виносило в результаті руйнування алмазовмісної кімберлітової вулканічної брекчії. Такого походження ювелірні камені зазвичай набувають шорсткої поверхні. Часто вони є кращими обмежувальними каменями, так як протистояли руйнівній дії ударів об каміння при перенесенні водотоками або морськими хвилями в зоні прибою, і тому представляють міцну міцну масу відносно вільну від внутрішніх напруг. Відомі випадки, коли алмази, здобуті з кімберлітових трубок, вибухали, що свідчить про колосальну напругу всередині каменю. Це явище дає ключ до розуміння того, що кристалізація алмазів мала протікати в умовах величезних тисків. Вважають, що алмази утворилися на великих глибинах у мантії Землі, а потім не менш як 3 млрд. років тому потужними вибухами були винесені на поверхню. Алмази виявлено також і у метеоритах.
Масовий інтерес до алмазів пояснюється їхньою цінністю як дорогоцінного каміння, але ще більш важливе значення вони набувають як матеріал для виготовлення металорізальних та інших інструментів, що широко використовуються в промисловості (різців, свердлів, фільєр, штампів, дискових пилок, бурових коронок тощо) .), а також як абразивні матеріали - алмазних порошків і мікропорошків.
Властивості алмазу
Алмаз при нормальних температурах хімічно інертний. Кислоти, навіть найсильніші, на нього не діють. При високих температурах алмаз набуває хімічної активності. Суміш сірчаної кислоти з дворомовокислим калієм під час нагрівання окислює алмазні порошки у вуглекислоту. Алмаз розчиняється в розплавленій натрієвій та калієвій селітрах та соді при нагріванні. У розплавлених карбонатах лугів при 1000-1200 оС алмаз перетворюється на окис вуглецю. Окремі метали (залізо, сплави заліза, нікель та ін) при більш ніж 800 оС частково розчиняють алмаз.
Алмаз не змочується водою, але прилипає до жирових сумішей.
Показник заломлення алмазу високий (2417), цим пояснюється його яскравий, алмазний блиск. Для променів різного кольору показник заломлення різний: червоного 2,402, жовтого 2,417, зеленого 2,42 фіолетового 2,465. Таким чином, дисперсія алмазу 0,063, що набагато вище, ніж інші мінерали. Високою дисперсією пояснюється "гра" діамантів усіма кольорами веселки. Кут внутрішнього відображення для алмазу за показником заломлення 2,42 становить 24о 51'.
Кристали алмазу оптично ізотропні, проте через наявність різних дефектів під мікроскопом практично завжди виявляється двозаломлення. Під впливом катодних, рентгенівських та ультрафіолетових променів алмази люмінескують, що спричинено дефектами структури. Колір люмінесценції різний – від зеленого та жовтого до блакитного чи синього. Деякі алмази не мають цієї властивості.
У природі алмази зустрічаються як окремих кристалів, їх уламків чи поликристаллических агрегатів. Алмази поділяють на ювелірні та технічні. До ювелірних відносять алмази кристалічної форми, прозорі, без тріщин та включень, плям та вад. Всі інші кристали, а також полікристалічні різновиди відносять до технічних алмазів. Технічні алмази низького сорту та полікристалічні різновиди обов'язково проходять попередню обробку з метою поділу їх за формою та розмірами, а також для виділення алмазів з більш високими властивостями міцності. При цьому алмази дроблять, оволізують, полірують, а також піддають термічній обробці та металізації.
Твердість алмазу – 10 за шкалою Мооса, найвища серед усіх мінералів. Мікротвердість (МПа) алмазу 93157-98648, у той час як корунд 20200, топаза 1399, кварцу 981. Однак у алмазу спостерігається анізотропія твердості, що виражається в тому, що на різних гранях і в різних напрямках твердість дещо відрізняється. Це з особливостями структури.
Зносостійкість алмазів коливається в широких межах, середня зносостійкість алмазу в кілька разів вища за зносостійкість широко відомих абразивних матеріалів – карбідів бору та кремнію. Абразивна здатність матеріалу визначається відношенням маси сошліфованого матеріалу до маси витраченого абразиву. Якщо прийняти абразивну здатність алмазу за одиницю, абразивна здатність карбіду бору складе 0,5-0,6, а карбіду кремнію 0,2-0,3.
Теоретично густина алмазу становить 3,515 г/см3. Проте трапляються алмази, які мають значні відхилення від середньої величини щільності. Це з наявністю різних включень, тріщин, пір, і навіть агрегативним будовою. Найменшу густину мають карбонадо (до 3,4 г/см3). Щільність балласів зменшується від світлих різниць до темних. У монокристалів з помітним неозброєним оком зональною будовою – «алмазів в оболонці» і у графітизованих кристалів щільність нижче за середнє значення.
Алмаз має досконалу спайність, злам рівний, ступінчастий, раковистий. Модуль пружності (МПа) алмазу дорівнює 88254 (у карбіду бору близько 294180, карбіду кремнію 357919, твердого сплаву до 588360). Цим пояснюється здатність алмазу деформуватися при вплив на оброблюваний матеріал. У зв'язку з цим при алмазній обробці матеріалів питомий тиск і температура у кілька разів нижче, ніж при використанні інших абразивів.
Межа міцності на вигин у алмазу невисока – 206-490 МПа, що у три-чотири рази менше, ніж у твердого сплаву (1079-1471 МПа), межа міцності алмазів при стисканні залежить від його форми та дефектності, він становить у середньому 1961 МПа що вдвічі менше середньої межі міцності на стиск у твердих сплавів (3922-4903 МПа). Міцність на розрив 7746740 МПа (теоретична). Коефіцієнт стиснення алмазу та модуль стисливості вчетверо менше, ніж заліза.
Алмаз характеризується високою теплопровідністю, що дозволяє швидше відводити тепло з поверхні виробів, що обробляються. Він є діелектриком, разом з тим окремі різновиди алмазів (наприклад, блакитний або синій) можуть мати напівпровідникові властивості.
Температура плавлення алмазу близько 4000 оС. Під час нагрівання алмаз згоряє, утворюючи вуглекислий газ. У струмені кисню він горить блакитним полум'ям за нормальної температури близько 720 оС, в атмосфері повітря температура горіння 850 оС. При нагріванні без доступу повітря поверхня алмазу графітізується при 1000 оС, за більш високої температури він повністю перетворюється на графіт.
Застосування алмазу як абразивного матеріалу.
Всі перелічені властивості алмазу лягли в основу його абразивного застосування.
Алмазні матеріали та алмазний інструмент стоїть окремо від усіх абразивних матеріалів, як супперабразиви.
Вимоги до алмазних шліфувальних матеріалів жорстко регламентовані стандартами ГОСТ 9206-80 «Порошки алмазні. Технічні умови», ГОСТ Р 52370-2005 «Порошки із природних алмазів. Технічні умови», ІСО 6106:1979 "Абразивні матеріали. Зернистість алмазних порошків та порошків кубічного нітриду бору"
Зазначені стандарти встановлюють вимоги на порошки з природних алмазів, призначені для виготовлення алмазного інструменту, що застосовується при каменеобробці, бурінні гірських порід, правці абразивних кіл, різанні та обробці неметалічних матеріалів, кольорових металів і сплавів, а також для застосування в незакріпленому стані у вигляді паст та суспензій.
Стандартами встановлені такі терміни з відповідними визначеннями, які дозволяють всім фахівцям однозначно розуміти одне одного:
Алмаз природний: мінерал, що складається з вуглецю і кристалізується в кубічній сингонії.
Алмазні порошки: сукупність кристалів алмазів та їх уламків розміром 1000 мкм і менше, отриманих у результаті сортування необроблених або оброблених алмазів відповідно до нормативних документів на порошки з природних алмазів.
Зернистість алмазних шліфпорошків: розмір основної фракції, виражений у мікронах або мішах*, що переважає по масі, що позначається дробом, у якого чисельник відповідає розміру боку осередку верхнього сита, а знаменник - розміру сторони осередку нижнього сита.
*Міш - число отворів на 1 дюймі (1 дюйм = 2,54 см).
Коефіцієнт форми: відношення найбільшої довжини зерна для його найменшої ширини.
Цілий кристал алмазу: неушкоджений кристал, а також кристал, відколотий не більше ніж на 1/3 частину вихідного об'єму, за умови, що ці відколи незначно спотворюють початкову кристалографічну форму кристала.
Уламок кристала алмазу: частина кристала алмазу, що становить менше 2/3 його вихідного обсягу, або алмаз, що не має чітко вираженої кристалографічної форми.
Ізометричний кристал алмазу: алмазний кристал, розміри якого у проекції у трьох взаємоперпендикулярних напрямках близькі до відношення 1:1:1 з допустимим збільшенням одного або двох розмірів у 1,3 рази.
Алмазне зерно: цілий кристал алмазу або його уламок, що входить до складу алмазного порошку.
Подовжене алмазне зерно: алмазне зерно, максимальний і мінімальний розміри якого в площині проекції мають відношення від 1,3:1 до 3:1 і менший із цих розмірів перевищує розмір зерна в напрямку, перпендикулярному до площини проекції, не більше ніж у 3 рази.
Пластинчасте алмазне зерно: алмазне зерно, максимальний і мінімальний розміри якого в площині проекції мають відношення менше 3:1 і менший з них перевищує розмір зерна в напрямку, перпендикулярному до площини проекції, в 3 рази і більше.
Показник міцності алмазного зерна: значення статичного навантаження, при досягненні якого руйнується алмазне зерно.
Кристалографічна форма алмазу: форма кристалів алмазу, обумовлена особливостями його кристалічної будови і придбана алмазами залежно від конкретних фізико-хімічних умов та механізмів його утворення. Кристалографічними формами алмазу є: октаедр, ромбододекаедр, куб, октаедроїд, ромбододекаедроїд, а також двійники за шпінельним законом і полікристалічні зростки алмазів.
Основними класифікаційними ознаками алмазних порошків є такі характеристики алмазних зерен:
розмір; коефіцієнт форми; міцність.
Алмазні порошки в залежності від розміру зерен поділяються на групи:
- шліфпорошки різних марок - розмір зерен від 1000 до 40 мкм (від 18 до 400 меш в системі ІСО);
- мікропорошки - розмір зерен від 40 мкм і дрібніший.
Розмір зерен кожної фракції алмазних шліфпорошків визначають номінальними розмірами сторін осередків у світлі двох контрольних сит у мікрометрах, причому через верхнє сито зерна повинні проходити, а на нижньому затримуватись.
Розмір зерен алмазних мікропорошків визначають напівсумою довжини та ширини прямокутника, умовно описаного навколо проекції зерна таким чином, щоб більша сторона прямокутника відповідала найбільшій довжині проекції зерна.
Марки шліфпорошків визначаються ізометричністю та міцністю зерен.
Алмазні шліфпорошки складаються з цілих кристалів та їх уламків і позначаються буквеними індексами АК:
А – природні алмази;
К – індекс міцності, виражений у ньютонах.
До літерного позначення додаються цифрові індекси, які означають:
- після індексу А – вміст ізометричних кристалів та їх уламків, виражений десятками відсотків;
- після індексу К – умовний показник міцності зерен алмазного порошку.
Алмазні мікропорошки складаються з уламків кристалів, отриманих в результаті дроблення алмазів, і позначаються буквеним індексом АМ - мікропорошки із природних алмазів.
Приклади умовних позначень:
Шліфпорошок із природних алмазів марки А8К100, зернистістю 500/400:
А8К100 500/400 ГОСТ Р 52370-2005.
Те ж, зернистістю 35/40 меш:
А8К 100 35/40 міш ГОСТ Р 52370-2005.
Те саме, марки А, зернистістю 200/40:
А 200/40 ГОСТ Р 52370-2005.
Мікропорошок із природних алмазів марки АМ, зернистістю 40/0:
Мікропорошок АМ 40/0 ГОСТ Р 52370-2005.
Марки алмазних порошків та області застосування повинні відповідати зазначеним у таблиці 1:
Таблиця 2 – Зернистість алмазних порошків за різними стандартами:
Зернистість по |
Основна фракція, мкм, по |
|||
ИСО 6106:1979 |
ГОСТ 9206-80, |
ГОСТ 9206-80 |
ГОСТ Р 52370-2005 |
|
I система, мкм |
II система, меш |
|||
Широкий діапазон зернистостей |
||||
852 |
20/30 |
1000/630 |
1000/630 |
-1000+630 |
602 |
30/40 |
630/400 |
630/400 |
-630+400 |
427 |
40/50 |
400/250 |
400/250 |
-400+250 |
252 |
60/80 |
250/160 |
250/160 |
-250+160 |
Вузький діапазон зернистостей |
||||
1001 |
18/20 |
1000/800 |
1000/800 |
-1000+800 |
851 |
20/25 |
800/630 |
800/630 |
-800+630 |
711 |
25/30 |
- |
- |
- |
601 |
30/35 |
630/500 |
630/500 |
-630+500 |
501 |
35/40 |
500/400 |
500/400 |
-500+400 |
426 |
40/45 |
400/315 |
400/315 |
-400+315 |
356 |
45/50 |
- |
- |
- |
301 |
50/60 |
315/250 |
315/250 |
-315+250 |
251 |
60/70 |
250/200 |
250/200 |
-250+200 |
213 |
70/80 |
200/160 |
200/160 |
-200+160 |
181 |
80/100 |
- |
- |
- |
151 |
100/120 |
160/125 |
160/125 |
-160+125 |
126 |
120/140 |
125/100 |
125/100 |
-125+100 |
107 |
140/170 |
100/80 |
100/80 |
-100+80 |
91 |
170/200 |
80/63 |
80/63 |
-80+63 |
76 |
200/230 |
- |
- |
- |
64 |
230/270 |
63/50 |
63/50 |
-63+50 |
54 |
270/325 |
50/40 |
50/40 |
-50+40 |
46 |
325/400 |
- |
- |
- |
Таблиця 3 - Показники статичної міцності шліфпорошків:
Зернистість, |
Показник статичної міцності, Н, щонайменше, для марок з індексом міцності |
|||||||||||
К15 |
К20 |
К32 |
К50 |
К65 |
К80 |
К100 |
К125 |
К160 |
К200 |
К250 |
К300 |
|
Широкий діапазон зернистостей |
||||||||||||
1000/630 |
40,5 |
58,2 |
94 |
125 |
162 |
200 |
225 |
311 |
400 |
500 |
625 |
750 |
630/400 |
30,7 |
42,5 |
64,8 |
89 |
115 |
142 |
177 |
221 |
283 |
353 |
441 |
529 |
400/250 |
22,6 |
30,3 |
45,3 |
62 |
80 |
99 |
124 |
155 |
198 |
247 |
309 |
370 |
250/160 |
16,2 |
22 |
32,8 |
43 |
56 |
69 |
86 |
107,5 |
138 |
172,5 |
215 |
258 |
160/100 |
11,9 |
16,2 |
23,8 |
30 |
39 |
48 |
60 |
75 |
96 |
120 |
150 |
180 |
100/63 |
9,2 |
12,5 |
17,3 |
21 |
27 |
33 |
41 |
51 |
65 |
81 |
101 |
121 |
63/40 |
7,1 |
9,6 |
13,2 |
15 |
19,5 |
24 |
30 |
37,5 |
48 |
60 |
75 |
90 |
Вузький діапазон зернистостей |
||||||||||||
1000/800 |
43,5 |
62,8 |
102,5 |
135 |
175 |
216 |
270 |
336 |
433 |
540 |
675 |
810 |
800/630 |
37,5 |
53,7 |
85,4 |
115 |
149 |
184 |
230 |
287 |
368 |
460 |
575 |
690 |
630/500 |
32,3 |
45,9 |
71,2 |
98 |
127 |
157 |
196 |
245 |
313 |
390 |
487 |
585 |
500/400 |
29,2 |
39,2 |
58,3 |
79,4 |
103 |
127 |
159 |
198 |
254 |
317 |
396 |
470 |
400/315 |
24,8 |
33,3 |
49,6 |
68 |
88 |
109 |
136 |
170 |
217 |
270 |
337 |
405 |
315/250 |
20,5 |
27,4 |
41,0 |
56 |
73 |
89 |
112 |
140 |
179 |
224 |
280 |
336 |
250/200 |
17,3 |
23,5 |
34,5 |
48 |
64 |
78 |
98 |
123 |
157 |
196 |
245 |
294 |
200/160 |
15,1 |
20,6 |
31,2 |
43 |
56 |
69 |
86 |
107 |
137 |
171 |
- |
- |
160/125 |
13,0 |
17,6 |
25,9 |
36 |
47 |
58 |
72 |
- |
- |
- |
- |
- |
125/100 |
10,8 |
14,7 |
21,6 |
30 |
39 |
48 |
60 |
- |
- |
- |
- |
- |
100/80 |
9,7 |
13,2 |
18,4 |
25 |
32 |
40 |
50 |
- |
- |
- |
- |
- |
80/63 |
8,6 |
11,8 |
16,2 |
22,1 |
29 |
36 |
45 |
- |
- |
- |
- |
- |
63/50 |
7,6 |
10,3 |
14,0 |
19,6 |
25 |
31 |
39 |
- |
- |
- |
- |
- |
50/40 |
6,5 |
8,8 |
12,3 |
17,6 |
22 |
27 |
34 |
- |
- |
- |
- |
- |