Царь камней на службе человека

[ЦАРЬ [КАМНЕЙ А ОШЖБЕ ЧЕЛОВЕКА

Виктор Васильевич Бескрованов,

доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры физики твердого тела Физико-технического института ЯГУ, заведующий Научно-технологическим центром алмаза ОИФТПС СО РАН, заместитель главногоредактора журнала.

1.3. Алмазные резцы

Почти две тысячи лет назад Плиний Старший в своей «Естественной истории» отметил высокие технологические возможности алмаза для обработки материалов: «Вырезыватели на камнях стараются приобрести тонкие пластины алмаза и оправляют их в железо. Посредством их весьма легко выдалбливают отверстия в твердейшем веществе». В древней Индии, например,с помощью алмаза обрабатывали различные драгоценные камни. В таком же качестве его использовали в Египте, Греции и Италии. Им же гравировали и резали не только драгоценные камни, но и металлы. Считается, что в Европе алмазы начали использовать с XV века. Алмазы хорошего качества шли на изготовление драгоценностей, а темные алмазы плохой окраски стали применяться для технических целей.

Широкое использование алмаза в качестве режущего лезвийного инструмента началось с внедрением в промышленность новых труднообрабатываемых материалов. Спрос на алмазы технического качества резко возрос с 30-х годов прошлого столетия и особенно в годы второй мировой войны. Алмаз был занесен в категорию стратегического сырья. В послевоенные годы алмазные инструменты получили широкое распространение в машиностроении, горной, электронной, ракето-строительной и многих других отраслях промышленности.

По абразивным свойствам алмаз имеет неоспоримые преимущества перед всеми известными твердыми материалами. Термин «абразивный» происходит от латинского «аЬгаэю», что означает соскабливание. Преимущества перед другими абразивными материалами алмазу создают, главным образом, три его физико-технических особенности: 1) исключительная твердость кристаллов; 2) высокое поверхностное натяжение и 3) большая теплопроводность. Такое сочетание физико-технических свойств не имеет ни один из всех известных твердых материалов.

В. В. Бескрованов

О рекордной твердости алмаза мы уже говорили. Твердейшие искусственные системы, широко используемые в качестве абразивных средств, такие, как карбиды бора, кремния, титана, кобальта и вольфрама, уступают ему по твердости и износостойкости при использовании в обрабатывающих инструментах. И только синтезированный кубический нитрид бора может конкурировать с алмазом и в некоторых случаях даже превосходить его по твердости. Но и он уступает алмазу по другим физико-механическим свойствам.

При механической обработке в зоне контакта рабочей части инструмента и обрабатываемого материала в результате трения возникают интенсивные локальные разогревы и выделяется большое количество тепла. В результате перегрева рабочая часть обрабатывающего инструмента быстро изнашивается или даже повреждается. Поэтому в процессе обработки в зону контакта для отвода тепла подают охлаждающую жидкость. Алмаз, обладая высокой теплопроводностью, обеспечивает быстрый отвод тепла из зоны контакта. Его средняя теплопроводность значительно превышает этот показатель у твердых сплавов, а удельная теплоемкость в 3 раза больше, чем у твердых сплавов.

Алмаз обладает необычайно высоким поверхностным натяжением в кристаллах. Так, для грани ромбододекаэдра кристалла алмаза его величина достигает 10 ООО Н/м, что неизмеримо выше поверхностного натяжения других твердых тел, не превышающего 400 Н/м. Высокое поверхностное натяжение кристаллов алмаза ослабляет молекулярное поле поверхности обрабатываемых изделий и тем самым подготавливает возможность легкого проникновения его в глубь изделия.

Большая твердость и износостойкость алмаза позволяют на больших скоростях и весьма эффективно шлифовать обрабатываемую поверхность практически без потерь алмазного порошка. Высокая теплопроводность алмаза обеспечивает спокойный режим шлифования или

резания изделий, так как при этом локальные тепловые перенапряжения незначительны. Алмазный порошок позволяет при небольших давлениях (в 5 раз меньше, чем на другие абразивные материалы типа твердых сплавов, корунда, карборунда и др.) весьма эффективно обрабатывать детали из самых твердых материалов, обеспечивая при этом высокую чистоту обработки поверхностей.

Алмазные резцы используются во многих отраслях промышленности для обработки самых разнообразных материалов. С их помощью обрабатываются цветные металлы (медь, алюминий) и их сплавы - бронза, дюралюминий, а также драгоценные и поделочные камни, мягкая и твердая резина, все разновидности пластмасс и многие другие материалы. При алмазном точении достигаются большие скорости резания, что невозможно при применении резцов из других материалов; высокий класс чистоты поверхности и соблюдение требуемой формы изделий.

Для изготовления алмазных резцов выбираются сравнительно небольшие кристаллы без видимых дефектов и трещин массой от 0,31 до 0,85 карат (примущественно 0,5 - 0,6 карат). Отсортированные образцы алмаза подвергают размерной механической обработке, в результате которой их режущая кромка приобретает острые края. Затем их ориентируют в специальных держателях таким образом, чтобы острые края служили рабочей частью резца и надежно закрепляют в держателях с помощью мягкого металла, в качестве которого обычно используется латунь.

Производительность алмазных резцов намного превышает этот показатель для твердосплавных аналогов, например, при обточке пластмассовых изделий - в 900 раз. Режущая кромка резца из любого, даже очень прочного материала, рано или поздно теряет свою остроту, и для ее восстановления резец требуется заново заточить (переточить). Алмазные резцы длительное время могут работать без переточки и переналадки, поэтому широко применяются в машиностроении, автомобильной и других отраслях промышленности.

О замечательных технологических возможностях алмаза в качестве резца свидетельствуют следующие цифры. Резец из быстрорежущей стали, прежде чем прийти в негодность, способен снять металлическую стружку общей длиной от 6 до 8 километров. Стружка, снятая резцом из твердого сплава, будет гораздо длиннее (до 20 и даже 30 км). Но и быстрорежущая сталь, и твердые сплавы - слабые соперники алмазу. Резец из

него может снять металлическую стружку длиной до 3 тысяч км, прежде чем потребует новой заточки! Очень красноречиво преимущества алмазного резца демонстрирует таблица, в которой приведены сравнительные результаты работы резцов из разных материалов. Как следует из таблицы, алмазный резец имеет огромные преимущества по всем компонентам точения. У него на порядок выше общая скорость резания, значительно меньше время обработки одного изделия и неизмеримо больше количество обработанных деталей приходится на каждый экземпляр, прежде чем он затупится и потребуется новая заточка.

Если твердосплавный резец способен произвести обработку не более 40 деталей из магниевой бронзы, то

алмазный резец - более трех тысяч!

Известно, что добавление в алюминиевые сплавы высоких содержаний кремния позволяет повысить механическую прочность изделий из них. При точении этих изделий рабочий элемент инструмента подвергается большим нагрузкам и требует частой переточки. Твердосплавный резец, например, тупится уже после обработки 120 деталей, а алмазный резец способен обработать до 50 тысяч изделий.

При изготовлении ручных часов крайне трудоемкой операцией является шлифование и полирование их корпуса (рис. 1). Он изготавливается из нейзильбера -

сплава меди, никеля и цинка. После использования специальных алмазных резцов необходи мость в дальнейшей шлифовке кор-пусов отпадает: их поверхность становится зеркальной и удовлетворяет требованиям высокого класса чистоты по шкале государственного стандарта. Обработанные алмазом корпуса часов готовы для хромирова-

Показатели работы Материал резца

Быстрорежущая сталь Твердый сплав Алмаз

Скорость резания, мм/мин 40 200 300

Путь резания между переточками, км 8 33 до 3000

Продолжительность обработки одной детали, мин 5,9 1,12 0,78

Количество обработанных деталей между переточками, шт. 34 139 8460

ние. 1. Использование алмазного резца для обтачивания часового корпуса.

Рис. 2. Алмазные резцы.

ния или золочения. Высокая стойкость алмазного резца позволяет обточить 50 тысяч корпусов, и только после этого он требует переточки. Пройденный резцом путь составляет не менее 53 километров.

При точении часовых деталей из твердой латуни одним резцом удалось выточить два миллиона деталей. При выполнении этой технологической операции на часовом заводе один из алмазов, прежде чем затупиться, прошел целых 33 тысячи километров.

Любопытен и следующий факт. Расход алмаза на обточку тысячи часовых корпусов из такого твердого материала, как нержавеющая сталь, составляет не более 0,003 карата.

Итак, алмазный кристалл представляет собой превосходный режущий инструмент, его использование дает высокий экономический эффект. Большая стоимость алмаза, по сравнению с твердосплавными резцами, в конечном счете, окупается экономией времени, трудозатрат и средств.

По форме заточки алмазные резцы могут быть круглой формы или специального профиля с одним или несколькими режущими лезвиями (рис. 2).

Внимательный читатель, вероятно, уже заметил, что обсуждая преимущества алмаза перед другими материалами в качестве резца, мы обошли вниманием обработку алмазом самых используемых в промышленности металлов - железа, кобальта, никеля, хрома, молибдена и вольфрама. И это не упущение автора. Дело в том, что перечисленные металлы и их сплавы плохо поддаются обработке алмазом. Причина их устойчивости перед алмазом заключается не в том, что молибден и вольфрам, например, а также их различные сплавы обладают высокой стойкостью к обработке и даже сами широко используются в качестве материалов для изготовления обрабатывающих инструментов. Причина в другом.

Токари, имеющие опыт работы с алмазными резцами, давно заметили, что при обработке изделий из железа, кобальта, никеля, хрома, молибдена или

вольфрама алмазный резец быстро приходит в негодность. При этом характер изменения рабочей кромки резца отличается от обычного затупления при обработке, например, цветных металлов. Режущий край кромки изнашивается не равномерно, а образует профиль с зазубринами и мелкими сколами. Создается впечатление, будто отдельные частички алмазной кромки каким-то образом вырваны из резца. Особенно отчетливо стали заметны эти повреждения, когда пришло время скоростных токарных станков (с высокой частотой оборотов шпинделя).

Причину удалось выяснить ученым. Оказалось, что при скоростной обработке изделий изхрома,молибдена и вольфрама на контакте алмазный резец - обрабатываемый материал создаются условия для возникновения физического процесса, именуемого адгезией. Это название происходит от латинского слова «ас^аеэю», что означает прилипание. В целом процесс адгезии представляет собой сцепление поверхностей разнородных тел. В этом процессе остается непонятным, почему при сцеплении алмаза и каждого из указанных металлов, повреждается именно поверхность алмаза, а не металла. Если провести мысленный эксперимент и представить склеенные поверхности кристалла алмаза и металлического образца из хрома, молибдена или вольфрама, то следует ожидать, что при их разъединении пострадает поверхность металла, поскольку величина межатомного взаимодействия углерода в алмазе намного выше, чем в металлах. Вопрос, почему на практике адгезионный износ наблюдается преимущественно у алмаза, остается открытым.

Впрочем, адгезия наблюдается при скоростной обработке и твердосплавными резцами. Само это явление было обнаружено, когда скорости обработки резко возросли. А вот низкая эффективность алмазного резца при обработке изделий из железа, кобальта, никеля и их сплавов не связана с адгезией и имеет другую физическую природу. В этом случае проявляется, так называемый диффузионный износ. Его механизм таков: атомы углерода алмаза при высокой температуре, возникающей при трении на контакте, растворяются в железной матрице обрабатываемого образца. В результате отдельные участки режущей кромки «схватываются» с металлом обрабатываемого изделия и вырываются им, образуя зазубрины.

Явление диффузионного износа получило в Якутии неожиданное применение. В Институте геологии тогдашнего Якутского филиала СО АН СССР, ныне Института геологии алмаза и благородных металлов СО РАН, А. П. Григорьевым, С. X. Лифщицем и П. П. Шамае-вым в 1975 году был разработан уникальный термохимический способ обработки алмаза. Он получил признание и известен сейчас во многих странах мира. В нашем

журнале об этом способе уже была опубликована статья («Наука и техника в Якутии, № 1, 2002). Суть термохимического метода заключается в следующем. Если на кристалл алмаза поместить пластину из таких металлов, как железо или вольфрам, и всю систему нагреть до высокой температуры, поместив ее предварительно в нейтральную среду, чтобы предотвратить окисление, то углерод алмаза начинает растворяться в металле и пластина проделает в драгоценном камне соответствующее своей форме отверстие. К диффузионному износу термохимический способ имеет следующее отношение. Уже после преждевременной кончины главного генератора идей А. П. Григорьева один из его бывших коллег рассказал мне, что идея термохимического метода возникла у авторов после того, как они прочитали заметку о порче алмазных резцов при обработке железных изделий. Можно только догадываться, как возникает научная идея, где берут начало ее истоки, в виде каких образов она зреет в уме создателя. Другие авторы открытия свидетельствуют о том, что сначала был разработан термохимический способ, а затем возникло объяснение порчи алмазных резцов. В те годы я работал в алмазной лаборатории и мне припоминается, что сам А. П. Григорьев как-то заметил, что термохимический метод обработки алмаза - это просто повернутый в обратную сторону метод его синтеза.

1.4. Алмазные стеклорезы

Более ста лет назад в одной из петербургских газет появилась статья об алмазе, где, в частности, упоминалось: «Кроме употребления для резки стекла, он служит главным образом украшением». Уже из этой фразы следует, что в жизненной практике обычному человеку из всех алмазных инструментов более других знаком именно алмазный стеклорез. И это неудивительно. Стеклорез потребовался ему сразу же вслед за изобретением стекла, когда возникла потребность разделения плоского стекла на части при использовании, например, в окнах.

Главное назначение любого стеклореза состоит в нанесении на поверхности стекла тонкой риски, вдоль которой даже при небольшом динамическом воздействии будет развиваться разделительная трещина. Понятно, что материал рабочей части стеклореза должен превосходить по твердости стекло. Чем выше эта разница, тем легче наносится риска, следовательно, лучше и эффективнее работает стеклорез. Поэтому рабочая часть стеклореза изготавливается из особо прочных сплавов, например, победита - металлокерами-ческого сплава кобальта и вольфрама. Стеклорезы, рабочей частью которых служит ролик из победита, широко распространены и наверняка знакомы читателю.

Но по твердости победит и другие сплавы намного уступают алмазу, а следовательно, алмазный стеклорез способен наиболее эффективно наносить на стекло риску. Алмазные стеклорезы известны и используются давно. В этой роли алмаз нашел применение сразу после знакомства с ним человека.

Алмазный стеклорез состоит из небольшого кристаллика алмаза, массой менее 0,2 карата и латунной державки. Непосредственно алмазная часть стеклореза может представлять собой необработанный октаэд-рический образец или его осколок с острым краем. В первом случае режущим элементом служат вершина и ребра октаэдра, во втором - край скола алмазной пластинки, отделенной от исходного кристалла по октаэдри-ческой плоскости спайности. Алмазным стеклорезом можно вручную резать стекло толщиной до 1 см.

Подсчитано, что если в стеклорезе использовать более крупный алмаз весом до 1 карата, то этим инструментом до полного истирания алмаза можно нарезать ни много ни мало - миллион квадратных метров оконного стекла. Его хватит, чтобы застеклить целый поселок или городской микрорайон из40 тысяч квартир!

Высокая величина поверхностного натяжения в кристаллах алмаза обеспечивает его высокую режущую способность по отношению к стеклу. Благодаря высокому поверхностному натяжению, алмаз в процессе резки не царапает стекло, а вызывает образование трещины по пути движения стеклореза.

В стеклорезах используются кристаллы алмаза без видимых дефектов, иначе в процессе резания в них могут возникнуть трещины. Поэтому для стеклорезов выбираются кристаллы алмаза без трещин и включений других минералов (массой от 0,02 до 0,2 каратов). В зависимости от размера применяемых кристаллов изготавливаются две группы алмазных стеклорезов. Для резки стекла толщиной до 5 мм используются алмазные стеклорезы группы А с алмазными зернами весом от 0,04 до 0,12 карата. Более крупные алмазы - от 0,12 до 0,2 карата - идут в стеклорезы группы Б, которыми режут толстые стекла до 10 мм.

Алмазные стеклорезы нужны не только для резания стекла. В приборостроении они применяются для резания на части тонких полупроводниковых пластин. На их поверхности наносят алмазом тонкие риски, которые, как и на стекле, служат концентраторами напряжений. Вдоль этих рисок полупроводниковая пластина раскалывается на узкие полоски. Использование алмазных стеклорезов дает возможность повысить производительность процесса резания и снизить процент брака и отходов. Правда, в этом случае возникает риторический вопрос - имеем ли мы право именовать стеклорезом инструмент, предназначенный для разрезания полупроводниковых материалов?

Вспомним еще об одном использовании алмаза. Это гравировка узоров и надписей на твердых предметах. Наносят их с помощью инструмента, напоминающего по конструкции обычный стеклорез - осколки алмазных кристалликов, закрепленные в рукоятке. Подобным же способом наносят тончайшие деления на стеклянные шкалы очень точных оптических приборов.

(Продолжение следует).

АФХИ №У<Г№Ь1ХШ1СЛ(ЕЙ

Во время кризиса нельзя пренебрегать искусством и науками; наоборот, следует больше значения придавать духовным ценностям. А расширение пределов человеческой мысли посредством изучения мира, в котором мы живем, - это великая радость!

Вайскопф