Свойства алмаза и его использование в различных областях народного хозяйства

3

Свойства алмаза и его использование в различных областях народного хозяйства

Алмаз! Это название известно каждому. С ним ассоциируется представление о несравненном блеске и непревзойденной твердости. Со вторым свойством связано и название минерала, которое происходит или от арабского слова ал-мас (“твердейший”), или от греческого адамас (“непреодолимый”, ”несокрушимый”).

Алмазы издавна использовались в качестве самых изысканных украшений. Ювелиры разделяют алмазы почти на тысячи сортов в зависимости от прозрачности, тона, густоты и равномерности окраски, наличие трещин, минеральных включений и некоторых других признаков. В конце двадцатого века алмазы начинают применятся на производстве. В настоящее время экономический потенциал наиболее развитых государств в значительной мере связывается с использованием ими алмазов.

Какие же свойства алмаза определяют его широкое использование в самых различных областях народного хозяйства? В первую очередь, конечно, исключительная твердость, которая, если судить по скорости истирания, в 150 раз выше, чем у корунда, и в десятки раз лучше, чем у лучших сплавов, применяемых для изготовления резцов. Алмаз применяется при бурение горных пород и механической обработке самых разнообразных материалов, для протягивание (волочения) тонкой проволки, в качестве абразива и т.п.

Более половины добычи технических алмазов идет на изготовления специального инструмента для обрабатывающей промышленности. Применение алмазных резцов и сверл на обработке цветных и черных металлов, твердых и сверхтвердых сплавов , стекла , каучука, пласмасс и других синтетических веществ дает огромный экономический эффект по сравнению с использованием твердосплавного инструмента. Чрезвычайно важно, что при этом не только в десятки раз повышает производительность труда (при токарной обработке пластмасс даже в сотни раз!), но одновременно значительно улучшается качество продукции. Обработанные алмазным резцом поверхность не требуют шлифовки, на них практически отсутствуют микро трещины, в результате чего многократно увеличивается срок службы получаемых деталей.

Практически все современные отрасли промышленности, в первую очередь электротехническая, радиоэлектронная и приборостроительная, в огромных количествах используют тонкую проволку, изготавливаемую из различных При этом предъявляются строгие требования к круговой форме и неизменности диаметра поперечного сечения проволки при высокой чистоте поверхности. Такая проволка из твердых металлов и сплавов (вольфрама, хромоникелевой стали и др.) может быть изготовлена лишь с помощью алмазных фильер. Фильеры представляют собой пластинчатые алмазы с просверленными в них тончайшими отверстиями.

Широкое применение в промышленности находят и алмазные порошки. Их получают путем дробление низкосортных природных алмазов, а также изготавливают на специальных предприятиях по производство синтетических алмазов. Алмазные порошки используются в дисковых алмазных пилах, мелкоалмазных буровых коронках, специальных напильниках и в качестве абразива. Только с применением алмазных порошков удалось создать уникальные сверла, которые обеспечивают получение глубоких тонких отверстий в твердых и хрубких материалах.

Алмазные порошки находят применения на гранильных фабриках, где все самоцветы, и в том числе алмазы, подвергаются органике и шлифовке, благодаря чему невзрачные до этого камни становятся таинственно светящимися или ослепительно сверкающими драгоценностями, к неповторимой красоте которых никто не останется равнодушным. В алмазе под действием заряженной частице происходит световая вспышка и возникает импульс тока. Эти свойства позволяют использовать алмазы в качестве детекторов ядерного излучения. Свечение алмазов и возникновение импульсов электрического тока при облучении позволяет применять их в счетчиках быстрых частиц. Алмаз в качестве такого счетчика обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с газовыми и другими кристаллическими приборами.

В Советском Союзе после открытия якутских месторождений была создана алмазодобывающая промышленность. В значительных масштабах у нас производятся и синтетические алмазы.

Алмазом, как и другим кристаллическим телам, свойственна анизотропия некоторых характеристик в том числе и анизотропия твердости, что обусловлено особенностями внутреннего строения кристаллов. Твердость меняется не только от грани к грани, но и не редко в пределах одной грани кристалла, что не обходимо учитывать при обработке алмаза и при работе с алмазным инструментом.

Прочие физико-механические свойства. Важное значение имеет очень низкий коэффициент трения алмаза по металлу на воздухе - всего 0.1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких пленок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие пленки не образуются, коэффициент трения возрастает и достигает 0.5-0.55. Низкий коэффициент трения обуславливает исключительную износостойкость алмаза на истирание, которая превышает износостойкость корунда в 90 раз, а других абразивных материалов - в сотни и тысячи раз. В результате, например, при шлифовании изделий из твердых сплавов алмазного порошка расходуется в 600-3000 раз меньше, чем любого другого абразива.

Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению с другими известными материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия.

Термические свойства. Температура плавления алмаза составляет 3700-4000'C. На воздухе алмаз сгорает при 850-1000'С, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720-800'С, полностью превращаясь в конечном счете в углекислый газ. При нагреве до 2000-3000'С без доступа воздуха алмаз переходит в графит.

Рассматриваемый минерал обладает исключительно высокой теплопроводностью, что обусловливает быстрый отход тепла, возникающего в процессе обработки деталей инструментом, изготовленным из него. Кроме того, для алмаза характерен низкий температурный коэффициент линейного расширения (ниже, чем у твердых сплавов и стали). Это свойство алмаза учитывается при вставке его в оправу из разных металлов и других материалов.

Оптические свойства. Средний показатель преломления бесцветных кристаллов алмаза в желтом цвете равен примерно 2.417, а для различных цветов спектра он варьирует от 2.402 (для красного) до 2.465 (для фиолетового). Способность кристаллов разлагать белый цвет на отдельные составляющие называется дисперсией. Для алмаза дисперсия равна 0.063. Как показатели преломления, так и дисперсия алмаза намного превышают аналогичные свойства всех других природных прозрачных веществ, что и обусловливает в сочетании с твердостью непревзойденные качества алмазов как драгоценных камней. Высокое преломление в совокупности с чрезвычайно сильной дисперсией вызывает характерный блеск отполированного алмаза, названным алмазным.

Одним из важных свойств алмазов является люминесценция. Под действием солнечного света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают люминесцировать - светиться различными цветами. Под действием катодного и рентгеновского излучения светятся все разновидности алмазов, а под действием ультрафиолетового - только некоторые. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике для извлечения алмазов из породы.

Форма кристаллов. Большая часть алмазов встречается в природе в виде отдельных хорошо оформленных кристаллов или их обломков. Преобладают октаэдры, ромбододекаэдры и кубы, а также их комбинации. Это кристаллы с ровными плоскими гранями. Так их и называют - плоскогранными. Реже встречаются кривогранные, округлые кристаллы, однако в некоторых месторождениях они преобладают. Зачастую кристаллы алмаза срастаются друг с другом или же как бы “прорастают” друг друга, образуя соответственно так называемые двойники срастания и прорастания.

Практически во всех алмазных месторождениях присутствуют микро- и скрытокристаллические агрегаты, сложенные сотнями тесно сросшихся мельчайших зерен алмаза. Они подразделяются на борт, баллас и карбонадо. Бортом обычно называют неправильные мелкозернистые сростки. Балласы представляют собой шарообразные агрегаты, радиально-лучистого строения, карбонадо - тонкозернистые агрегаты, имеющие массивное, пористое, коксовидное и шлаковидное строение. Наиболее ценятся массивные карбонадо, покрытие эмалевидной корочкой, которая тверже самого алмазного ядра. Карбонадо незаменимы для изготовления алмазных буровых коронок.

Классификация алмазов. Попытки классифицировать алмазы предпринимались с незапамятных времен. Так, древние индусы разделяли алмазы, как и людей, на четыре касты: брахманы, кшатрии, вайшии и шудры. К брахманам относились прозраные высококачественные кристаллы, к кшатриям и вайшиям - камни камни более низкосортные с красноватым оттенком, к шудрам - наиболее низкокачественные алмазы серого цвета. Соответственно шудры оценивались в четверть, вайшии - в половину, а кшатрии - в три четверти стоимости брахманов.

В настоящее время существует множество классификаций алмазов, основанных на различных принципах. В одних классификационных схемах сделаны попытки учесть все свойства алмазов, в других - в основу положен генетический принцип, т.е. представления об условиях образования тех или иных групп алмазов. В Советском Союзе наибольшее распространение получили классификационные схемы Ю.Л.Орлова и З.В. Бартошинского. В то же время ювелиры, подходя к данному вопросу со своих позиций, разделяют алмазы почти на тысячу сортов в зависимости от прозрачности, тона, густоты и равномерности окраски, наличия трещин, минеральных включений и некоторых других признаков.

В нашей стране принята классификация, где учитывается качество алмазов, их размерность, масса и сфера применения. По качеству определяется 9 категорий природного алмазного сырья. К категориям 1и 2 отнесены ювелирные алмазы, к остальным - различные сорта технических. В свою очередь, категории подразделяются на группы с учетом массы и размеров кристаллов, а группы - на подгруппы с указанием области использования алмазов.