Природний алмаз

01.02.16
5092
0

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:

Марка алмазного порошку

Характеристика порошку

Область застосування, що рекомендується

Шліфпорошки

А10К300,
А9К300,
А8К300,
А10К250,
А9К250,
А8К250

З цілих кристалів різних форм. Зміст ізометричних алмазів – 100%-80%

Виготовлення інструментів на металевій зв'язці для обробки найбільш твердих гірських порід, бетону, жароміцних матеріалів, виправлення абразивних кіл

А10К200,
А9К200,
А8К200,
А7К200

З цілих кристалів різних форм. Вміст ізометричних алмазів – 100%-70%

 

А10К160,

А6К160,
А9К160,
А8К160,
А7К160

З цілих кристалів різних форм. Зміст ізометричних алмазів – 100%-60%. За показником міцності є аналогом марки АС160 за ГОСТ 9206

Виготовлення інструментів на металевій зв'язці для обробки найбільш твердих гірських порід, бетону, жароміцних матеріалів, виправлення абразивних кіл

А9К125, А8К125, А7К125, А6К125

З цілих кристалів різних форм та їх уламків.

Зміст ізометричних алмазів – 90%-60%.
За показником міцності є аналогом марки АС125 за ГОСТ 9206

Виготовлення інструментів на металевому зв'язуванні для обробки гірських порід, бетону, скла; у буровому та правлячому інструменті

З цілих кристалів (60%) та їх уламків.
Зміст ізометричних зерен-90%-50%.
За показником міцності є аналогом марки АС100 за ГОСТ 9206

Виготовлення інструментів на металевому зв'язуванні для обробки гірських порід, бетону, скла; у буровому та правлячому інструменті

 

А9К80, А8К80, А7К80, А6К80, А5К80

В основному з уламків кристалів.
Зміст ізометричних зерен-90%-50%.
За показником міцності є аналогом марки АС80 по ГОСТ 9206

Виготовлення інструментів на металевому зв'язуванні для обробки гірських порід середньої твердості, природного каменю, кераміки, скла, бетону, рубіну; для чорнового шліфування

А8К65, А7К65, А6К65, А5К65, А4К65

В основному з уламків кристалів.
Зміст ізометричних зерен – 80%-40%.
За показником міцності є аналогом марки АС65 за ГОСТ 9206

Виготовлення інструментів на металевому зв'язуванні для обробки гірських порід середньої твердості, природного каменю, кераміки, скла, бетону, рубіну; для чорнового шліфування

А7К50, А6К50, А5К50, А4К50, А3К50

В основному з уламків кристалів.
Зміст ізометричних зерен-70%-30%.
За показником міцності є аналогом марки АС50 за ГОСТ 9206

Виготовлення інструментів на металевому зв'язуванні для обробки гірських порід середньої твердості, природного каменю, кераміки, скла, бетону, рубіну; для чорнового шліфування

А5К32, А4К32, А3К32, А2К32

А5К20, А4К20, А3К20, А2К20

З уламків подовженої та пластинчастої форми.

Вміст ізометричних зерен-50%-10%
За показником міцності є аналогами марок АС32, АС20, АС15 за ГОСТ 9206

Виготовлення інструментів на металевій та керамічній зв'язках для обробки м'яких гірських порід, твердого сплаву, скла, рубіну, корундів та інших крихких матеріалів.

А5К15, А4К15, А3К15, А2К15, А1К15

 

 

А

З уламків кристалів різної форми, одержаних дробленням алмазів, з розміром зерен від 200 до 40 мкм

Виготовлення порошків для інструментів на металевій зв'язці для обробки скла, кераміки та важкообробних матеріалів

Микропорошки

AM

З уламків кристалів різної форми, отриманих в результаті дроблення з розміром зерен від 40 мкм і менше

Виготовлення мікропорошків для отримання композиційних матеріалів та використання у вільному стані для полірування матеріалів

Морфологічна характеристика алмазних зерен шліфпорошків визначається на вимогу замовника.

 

Таблиця 2 – Зернистість алмазних порошків за різними стандартами:

Зернистість по

Основна фракція, мкм, по

ИСО 6106:1979

ГОСТ 9206-80,
мкм

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,
мкм

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

-

-

-

-

-

 

*скачать статью полностью в PDF - Скачать
Ми завжди раді Вам допомогти!
Графічна CAPTCHA
Введіть символи з малюнку.
Відправити запит
Графічна CAPTCHA
Введіть символи з малюнку.