О термохимических методах обработки алмазов с новых позиций Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

О ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДАХ ОБРАБОТКИ АЛМАЗОВ С НОВЫХ ПОЗИЦИЙ

Известно, что в среднем лишь 20-25 % добываемого алмазного сырья по своим цветовым и качественным характеристикам может применяться как ювелирное сырье. Остальные 75-80 % алмазов используются в промышленности и в различныхтехнических изделиях.

В промышленном применении алмазов (абразивы, режущие инструменты, сверла, долота, буры, волоки, пилы, диски, фильеры и т.д.) трудно ожидать каких-либо революционных нововведений и принципиально новых технологических решений. Совсем другие перспективы открываются при применении алмазов в новых областях техники. Как отмечают авторы монографии «Природные алмазы России», изданной в 1999 г., «внедрение природных алмазов в новые области техники осуществляется двумя путями. Во-первых, это попытки использовать на практике (в датчиках, теплоотводах и других устройствах) наиболее выдающиеся свойства алмаза, заменив им уже применяющиеся материалы. Во-вторых, это поиск новых явлений, новых функциональных возможностей и «приборных идей», позволяющих реализовать эвристический потенциал алмаза, как материала техники ближайшего будущего. Это направление быстро расширяется и зиждется на оптоэлектронных свойствах, присущих главным образом только природным алмазам...» [1]. Рис.

Расширение области применения алмаза обязательно потребует усовершенствования известных или разработки новых методов обработки самого кристалла алмаза, а также изучения взаимодействия алмаза с соприкасающимися с ним материалами и окружающей средой.

В 1975 г. в лаборатории экспериментальной минералогии Института геологии ЯФ СО АН СССР под руководством к.х.н. А. П. Григорьева проводились исследования взаимодействия алмаза с переходными металлами в различных газовых средах при высоких температурах и атмосферном давлении. В одном из опытов пластинка начала углубляться в кристалл алмаза. Достижение этого результатата положило начало планомерным работам по разработке новых методов обработки алмаза, названных «термохимическими». Первая заявка на изобретение «Способ размерной обработки алмаза» была подана нами в мае 1975 г. В общей сложности по термохимическим методам обработки алмаза получено более 20-и авторских свидетельств СССР, РФ, патентов РФ, семь зарубежных патентов, написаны десятки статей в

Ж

сн.

шшш

П. П. Шамаев, А. С. Григорьева, В. В. Ботвин

научные журналы и сборники. Технологические возможности термохимических методов обработки алмаза подробно изложены в научно-популярных журналах [2,3].

Сущность термохимического способа обработки алмаза заключается в растворении алмаза металлами переходной группы или сплавами этих металлов при температурах выше 600°С. Упрощенно его можно представить так (рис. 1). На обрабатываемую поверхность алмаза кладется кусочек фольги никеля, железа, платины или их сплавов. При нагревании алмаза в атмосфере водорода фольга начинает погружаться в алмаз. Происходит каталитическое гидрирование углерода алмаза по схеме:

Алмаз раствор углерода в металле газ(СН)

При указанной температуре обработки алмаз не реагирует непосредственно с водородом, но последний хорошо реагирует с растворенным в металле углеродом алмаза, образуя метан. Таким образом, достигается сохранность кристалла алмаза в не подлежащих обработке участках и непрерывная регенерация алмазообрабатываю-щего металла. С помощью вышеописанного способа из алмаза можно вырезать изделия или проделывать в нем отверстия сложных трафаретных форм. Для демонстрации возможности использования этого способа в объеме алмаза была вырезана шестеренка диаметром около 2,5 мм на глубину 0,8 мм. Если вместо фольги на алмаз нанести тонкие металлические линии, то можно гравировать алмаз, наносить на кристалл знаки, рисунки, вензеля и т.д.

При обработке алмаза неподвижным относительно него инструментом обработанная поверхность кристалла принимает рельеф поверхности металла. Для полирования и расширения числа операций обработки, а также для повышения скорости процесса алмаз обрабатывали движущимся относительно обрабатываемой поверхности инструментом [4, 5]. Качественно новые результаты достигнуты при шлифовании алмаза. В традиционном механическом способе шлифования удаление массы алмаза происходит за счет механического соударения с частицами абразива при быстром вращении алмазного диска. При термохимическом способе алмаз контактирует при минимальной нагрузке с медленно вращающимся

нагретым диском [4]. Удаление массы алмаза

происходит за счет растворения углерода алмаза металлическим диском. Все это позволяет получать при применении термохимического способа шлифования высокую чистоту обработанной поверхности.

На рис. 2 и 3 изображены схемы установок с различными вариантами расположения деталей: 1 - алмазообрабатывающий диск; 2 - кожух; 3 -кристаллодержатель с алмазом; 4 - крышка; 5 -смотровое окно; 6 - нагреватель; 7 - основание; 8 -шкив; 9- пружинный упор; 10- полость.

Для повышения производительности установки можно увеличить диаметр ________

диска и снабдить установку несколькими окнами для кристаллодержателей, т.е. производить одновременно шлифование нескольких образцов. Интенсивную регенерацию (обезуглероживание) диска можно достигн-уть.снабдив установку дополнительной полостью 10. Кожух наполняется ( продувается) восстановительным газом I (например, водород и смеси). В процессе обработки в полость 10 подается газ II (воздух, кислород, СО, водяной пар и другие, интенсивно обезуглероживающие диск). Состав и количество газа II выбирается таким образом, чтобы он не подавлял защитные свойства газа I, и не было бы травления алмаза в необрабатываемых местах.

Для поддержания направления инструмента при изготовлении глубоких отверстий в алмазе использовали составной инструмент [5]. Этот инструмент с жаростойкой несущей частью значительно расширил технологические возможности термохимического способа.

Следует заметить, что одним из основных недостатков термохимических методов обработки алмаза является низкая скорость обработки. Поиск путей повышения скорости термохимического шлифования привел кобработке алмаза расплавами металлов [6]. Основная трудность обработки (шлифования) расплавами заключается в получении желаемых форм и размеров алмазных изделий. Если способы скоростного шлифования расплавами металлов нами до конца не разработаны, то скоростная распиловка алмаза эвтектическим расплавом Ре - С уже применяется на практике.

При термохимическом способе распиливания алмаза происходит локальное растворение атомов углерода в металле (сплаве), способном

Рис. 2

Ряс. 3

растворять значительное количество углерода (до 3-5 %). В дальнейшем раствор углерода в металле (или сплаве) удаляют, и в зону растворения алмаза транспортируют новые порции металла, не содержащего углерода. Технологически это проделыва-ется следующим образом. Проволока из тугоплавкого материала (молибден, вольфрам) покрывается слоем рабочего металла или сплава (железо, кобальт, никель и др.). Распиливаемый кристалл нагревается до температуры эвтектики. Затем нагретый кристалл и проволока контактируют друг с другом. В месте контакта металл растворяет углерод и образуется жидкий раствор углерода в металле -эвтектика. Затем проволока приводится в движение относительно кристалла. Происходит непрерывное удаление расплава металл-углерод из зоны обработки с одновременной транспортировкой к месту распиливания чистого (ненауглероженного) металла. Для того, чтобы в алмазе сделать запил, обрабатываемый кристалл двигают вертикально относительно режущей проволоки. Возможен обратный вариант, когда проволоку продвигают относительно неподвижного алмаза.

Лабораторные испытания способа показали следующее: - максимальная производительность термохимического способа распиливания составляет 3 мм/мин, что примерно в десять раз выше механического способа;

-термохимическим способом можно производить распиливание по любому кристаллографическому направлению, в то время как механически это возможно только по «мягким» направлениям;

- термохимическим способом можно проделывать одновременно несколько параллельных разрезов на одном кристалле.

Все вышеуказанные операции можно выполнять и с помощью лазера, но преимущество термохимического способа распиливания в его дешевизне.

Установка термохимической резки алмаза показана на рис. 4. Она состоит из кожуха 1, охлаждаемого проточной водой (система охлаждения на схеме не показана). Наблюдение за процессом резки производят визуально с помощью микроскопа через смотровое окно 2. Режущая проволока 5 проходит в кожух 1 установки через узкие щели (щели не показаны) по направляющим роликам 4. Назначение роликов-жестко фиксиро-

вать положение режущей проволоки. Её можно также перемещать в горизонтальной плоскости. Распиливаемый кристалл 6 движется вертикально. Движение проволоки 5 обеспечивает перемоточный механизм, аналогичный механизму перемотки магнитофонной ленты.

Сравним стоимость распиливания кристаллов алмаза лазером и термохимическим способом. Лазерная установка стоит порядка 150 ООО - 200 ООО долл.США. Установку для термохимического распиливания можно изготовить из доступных материалов при наличии токарного и сверлильного станков.

На основе термохимического шлифования алмаза была разработана технология прецизионной заточки лезвий монокристальных алмазных инструментов. 14 марта 1983 г. в Московском НИИ Микрохирургии глаза (МНИИМГ) МЗ РСФСР прошли успешные испытания первого отечественного алмазного микролезвия. Радости известного офтальмолога-микрохирурга Святослава Федорова не было границ. В то время его институт покупал за границей по 1000 долл. США за штуку единичные экземпляры алмазных микролезвий. За короткий срок с нашей помощью в экспериментально-техническом производстве МНИИМГ был открыт цех по производству алмазных микролезвий. В советское время, при бесплатном медицинском обслуживании в институт С. Н. Федорова была многолетняя очередь на операцию. Благодаря нашей технологии, без очереди прооперирова-лись в МНИИМГ МЗ РСФСР около 300 якутян.

Впервые в истории якутской науки была продана лицензия на технологию заточки микролезвий английской фирме «Евроленс». В результате страна получила несколько сотен тысяч долларов США. В СССР, а затем и в РФ с применением нашей технологии выпущены тысячи лезвий различных форм и размеров для микрохирургичес-кихопераций.

Термохимический способ нанесения несмываемых линий разметки на кристаллы перед их распиливанием внедрен усилиями начальника Смоленского СКТБ «Кристалл» А. М. Бочарова (ныне зам. генерального директора СГУП «Кристалл», профессора). Линия с углублением позволяет распиливать кристалл без выполнения

Шамаев Павел Павлович, заведующий Центром алмазных технологий, к.г-м.н. (справа) и Григорьева Анна Саввична, главный специалист Центра алмазных технологий ИГАБМ СО РАН.

операции запила, т.е. без изготовления насечки на месте начала распиливания кристалла.

В последнее время термохимические методы применяются при изготовлении бриллиантов из некондиционного алмазного сырья, например, из алмазов разновидности «ВоагЬ>. Эти алмазы механическим способом практически не распиливаются, поскольку в поликристаллическом спеке обязательно найдется кристалл, ориентированный к месту распиливания «твердым» направлением. Нами разработана технология инкрустации темных (черных) бриллиантов драгоценными металлами. Инкрустация и гравировка бриллиантов по заказу клиента повышает их цену и конкурентоспособность. Из-за трудоемкости шлифования алмазов «ВоагЬ> можно выполнять их предварительную подшлифовку термохимическим способом. Отсюда возникает целесообразность проведения дальнейших конструк-торско-технологических работ для разработки технологии скоростного шлифования алмазов термохимическим методом.

Списоклитературы 1. Вечерин П. П., Журавлев В. В., Квасков В. Б. и др. Природные алмазы России. - М.: Полярон, 1999.-303 с. 2. Григорьев А. П., П. П. Железом режущий

Лифшиц С. X., Шамаев алмаз // Наука и жизнь. -1981. - № 3. - С. 85-87.

3. Ковальский В. В., Шамаев П. П. Если бы алмазы могли говорить // Наука в СССР. -1987. - № 2.-С. 80-86.

5. А. С. № 1056531. Инструмент для обработки алмаза. Григорьев А. П., Лифшиц С. X., Шамаев П.П.1983.

6. А. С. № 1365557. Способ обработки алмаза. Григорьев А. П., Ковальский В. В., Ботвин В. В., Шамаев П. П., Бочаров А. М., Самойленко Э. А., ИонцевВ. В. 1987.

4. А. С. № 1385403. Установка для обработки алмаза. Григорьев А. П., Тарасов В. В., Шамаев П. П., Рузанков Б. И., Зайко А. М., Шигин В. К. 1987.

7. Патент РФ № 2125934 Способ обработки алмаза. Лифшиц С. X., Шамаев П. П., Григорьев А. П., Ботвин В. В., Григорьева А. С., Сентисов С. Р. 1999.