Использование алмазов в технических целях

На современном этапе развития техники многие отрасли промышленности не могут обойтись без применения алмазов. Без алмазного инструмента невозможно изготовление деталей из сверхтвердого материала со сложной конфигурацией. Установлено, что при заточке твердосплавного инструмента алмазами его стойкость увеличивается в два раза. Экономия средств от применения алмазов в отдельных отраслях промышленности исчисляется многими сотнями тысяч рублей.
Большой экономический эффект получается и от применения алмазного инструмента при сверлении, точении, шлифовании, протяжке проволоки, резке и т. д. Обработанные алмазом детали отличаются исключительно высоким качеством, кроме того, алмазным инструментом можно изготовить детали из сверхтвердых материалов, которые отличаются долговечностью.
Алмазные инструменты широко применяются в машиностроительной, авиационной, автомобильной, станкостроительной, радио- и электротехнической промышленности.
Инженер Леон Девис в 1955 г. писал, что «для такой современной технически развитой страны, как США, значение технических алмазов не может быть переоценено. В США ежегодно потребляется 12 миллионов каратов алмазов стоимостью 50 млн. долларов. Подсчитано, что если бы эта страна была отрезана от источников снабжения алмазами, ее промышленный потенциал за очень короткий срок упал бы наполовину.
Российская промышленность в свое время испытывала острый недостаток в технических алмазах. Уральские месторождения не могли обеспечить достаточным количеством сырья, а иностранные государства накладывали всевозможные запреты на продажу Советскому Союзу алмазов. Поэтому у нас широко использовались различные заменители из твердых сплавов, которые удорожали продукцию и не давали нужного эффекта обработки.
Открытие уникальных месторождений алмазов в Якутии и организация производства искусственных алмазов создали условия для широкого внедрения их в промышленность. Теперь наша промышленность обеспечена алмазным сырьем в достаточном количестве и имеется возможность полностью перейти от твердосплавного к алмазному инструменту.
В связи с широким внедрением алмаза в промышленность в нашей стране организовано всестороннее изучение его физико-химических свойств. Разрабатываются пути и методы его технического применения.
С помощью алмазов производится: обработка инструментов и деталей машин из металлокерамических твердых сплавов; бурение геологоразведочных и эксплуатационных скважин в твердых и абразивных породах; обработка изделий из высокотвердых и жаропрочных материалов — керамики, синтетического корунда, кварца, стекла, полупроводниковых материалов — германия и кремния и облицовочно-строительных материалов (гранита, мрамора и т. д.); правка шлифовальных кругов;
точение деталей машин из мягких и цветных металлов и сплавов, пластмасс и т. д.; волочение тонкой проволоки из золота, платины, серебра, меди, вольфрама, молибдена и др.; контроль твердости, точности, чистоты поверхностей деталей машин и инструмента. Для каждой области применения требуются кристаллы определенного качества, размера и веса.

Применение алмаза в технической промышленности


На современном этапе развития техники многие отрасли промышленности не могут обойтись без применения алмазов. Без алмазного инструмента невозможно изготовление деталей из сверхтвердого материала со сложной конфигурацией. Установлено, что при заточке твердосплавного инструмента алмазами его стойкость увеличивается в два раза. Экономия средств от применения алмазов в отдельных отраслях промышленности исчисляется многими сотнями тысяч рублей.
Большой экономический эффект получается и от применения алмазного инструмента при сверлении, точении, шлифовании, протяжке проволоки, резке и т. д. Обработанные алмазом детали отличаются исключительно высоким качеством, кроме того, алмазным инструментом можно изготовить детали из сверхтвердых материалов, которые отличаются долговечностью.
Алмазные инструменты широко применяются в машиностроительной, авиационной, автомобильной, станкостроительной, радио- и электротехнической промышленности.
Инженер Леон Девис в 1955 г. писал, что «для такой современной технически развитой страны, как США, значение технических алмазов не может быть переоценено. В США ежегодно потребляется 12 миллионов каратов алмазов стоимостью 50 млн. долларов. Подсчитано, что если бы эта страна была отрезана от источников снабжения алмазами, ее промышленный потенциал за очень короткий срок упал бы наполовину.
Наша отечественная промышленность испытывала острый недостаток в технических алмазах. Уральские месторождения не могли обеспечить достаточным количеством сырья, а иностранные государства накладывали всевозможные запреты на продажу Советскому Союзу алмазов. Поэтому у нас широко использовались различные заменители из твердых сплавов, которые удорожали продукцию и не давали нужного эффекта обработки.
Открытие уникальных месторождений алмазов в Якутии и организация производства искусственных алмазов создали условия для широкого внедрения их в промышленность. Теперь наша промышленность обеспечена алмазным сырьем в достаточном количестве и имеется возможность полностью перейти от твердосплавного к алмазному инструменту.
В связи с широким внедрением алмаза в промышленность в нашей стране организовано всестороннее изучение его физико-химических свойств. Разрабатываются пути и методы его технического применения.
С помощью алмазов производится: обработка инструментов и деталей машин из металлокерамических твердых сплавов;
бурение геологоразведочных и эксплуатационных скважин в твердых и абразивных породах;
обработка изделий из высокотвердых и жаропрочных материалов — керамики, синтетического корунда, кварца, стекла, полупроводниковых материалов — германия и кремния и облицовочно-строительных материалов (гранита, мрамора и т. д.); правка шлифовальных кругов;
точение деталей машин из мягких и цветных металлов и сплавов, пластмасс и т. д.;
волочение тонкой проволоки из золота, платины, серебра, меди, вольфрама, молибдена и др.;
контроль твердости, точности, чистоты поверхностей деталей машин и инструмента.
Для каждой области применения требуются кристаллы определенного качества, размера и веса.
 
Алмазные круги для шлифования и доводка изделий из твердых сплавов, минералов, стекла
Алмазные диски для резки минералов, стекла, твердых сплавов Мелкоалмазные буровые коронки
Алмазно-металлические карандаши Алмазы в оправах для правки кругов
Алмазные иглы для правки резьбошлифовальных кругов Алмазные волоки Алмазные резцы Алмазные наконечники для определения твердости Алмазные наконечники к профилометрам для определения чистоты поверхности Алмазные сверла Алмазные подшипники Алмазные стеклорезы Алмазные порошки для шлифования, доводки и полирования часовых и технических камней, шлифования и полирования алмазных и твердосплавных волок, шлифования и доводки (огранки) алмазных инструментов и бриллиантов и др.
 

 
Алмазная обработка твердых сплавов

 
Одной из основных областей применения алмазных инструментов является обработка твердых сплавов: заточка и доводка твердосплавных режущих инструментов, алмазное шлифование твердосплавных деталей штампов, измерительного инструмента и других деталей машин и приборов. На эти цели расходуется большое количество алмазов. К концу семилетки свыше 60% технических алмазов будет использовано на шлифование твердых сплавов и других высокотвердых материалов.
На Горьковском автомобильном заводе, например, стойкость инструмента, доведенного алмазом, повысилась в 2—2,5 раза; затраты времени при доводке режущих инструментов алмазными кругами уменьшились в 5—7 раз по сравнению с доводкой пастой карбида борта и т. д. (Алмазные инструменты, 1962).
При заточке твердосплавного инструмента алмазными кругами исключается возможность нарушения поверхности и режущих инструментов, улучшается микрогеометрия поверхностей и предупреждается образование трещин на пластинках твердых сплавов в процессе заточки.
Твердосплавный инструмент, заточенный и доведенный алмазными кругами, изнашивается примерно в два раза медленнее, чем заточенный абразивами.
Подсчитано, что если вдвое повысить стойкость твердого сплава, то скорость резания увеличивается на 15%, что, в свою очередь, обеспечивает рост производительности оборудования на 7%.
Общая экономия от применения алмазов в твердосплавной промышленности с учетом всех факторов по подсчетам определяется суммой около 60 млн. руб. в год. Кроме того, достигается большая экономия за счет повышения культуры производства, снижения брака и применения алмазного инструмента на таких работах, где твердосплавный инструмент применен быть не может.
Особенно большой экономический эффект получается от применения синтетических алмазов при заточке и доводке твердосплавного инструмента.
Обработка твердосплавных инструментов производится алмазными кругами. На их изготовление предполагается расходовать свыше 60% всех технических алмазов.
Алмазный круг состоит из дюралюминиевого, стального или пластмассового корпуса с алмазоносным кольцом, В состав этого кольца входит алмаз и связка (металлическая или органическая). Связка служит для закрепления алмазов на корпусе и образования рабочей поверхности круга. Правильный выбор материала для связи имеет большое значение для работы алмаза. Она определяет наиболее эффективное использование (расходование) алмазов в инструменте. В 1958 г. при посещении одного завода алмазного инструмента в Антверпене на вопрос о составе связки хозяин фирмы ответил: «Вот это самый главный секрет фирмы». В нашей стране для органической связки используется смола пульвербакелит, а наполнителем служит древесная мука, минералы и металлический порошок. Наполнитель необходим для того, чтобы создать для алмаза жесткую и прочную опору в связке. Металлическая связка служит для создания более прочного крепления для алмаза. В настоящее время применяются металлические связки на вольфрамо-кобальтовой, железо-никелевой и медно-оловянной основе. Между алмазоносным кольцом и корпусом кругов на металлической связке имеется промежуточный слой, необходимый для крепления связки с корпусом и отвода тепла, образуемого при работе круга. Кольцо к корпусу крепится методом запрессовки.
Круги на органической связке применяются для доводки режущего инструмента с твердым сплавом, для шлифования твердосплавных деталей, приспособлений и машин, некоторых видов керамики, стекла, а также высокопрочных и хрупких материалов. Алмазными кругами на металлической основе проводятся чистовое шлифование и заточка инструмента из твердых сплавов. Следовательно, сначала инструмент обрабатывается алмазными кругами на металлической основе, а затем доводится кругами на органической основе.
При алмазной заточке и доводке твердосплавного режущего инструмента стойкость его повышается в два раза, значительно улучшается чистота поверхности, а трудоемкость заточки снижается. Затраты времени на доводку инструмента уменьшаются в 4—5 раз по сравнению с доводкой пастой карбида бора.
Расход алмаза на обработку изделия значительно ниже расхода других шлифующих материалов. Например, при заточке резцов с пластинами из твердого сплава на съем 1 г твердого сплава расходуется от 2 до 18 г карбида кремния, а алмаза в среднем до 5 мг, т. е. в 400—3600 раз меньше. На доводку одного резца расходуется 100 мг карбида бора, а алмаза лишь 0,5—0,7 мг, т. е. в 150—200 раз меньше. Это объясняется также и тем, что, кроме значительной разности по твердости, содержание алмаза в кольце по объему не превышает 25% и в среднем равно 12%, в то время как у кругов из карбида кремния содержание абразивных зерен равно 60—70% важной особенностью алмазных кругов на органических связках является их способность к самозатачиванию, что способствует успешному использованию в процессах автоматизации и механизации изготовления инструмента и других деталей.
При эксплуатации кругов имеет значение алмазная концентрация круга, которая определяется содержанием алмаза в 1 мм3 алмазоносного кольца. За 100%-ную концентрацию принято содержание в 1 мм3 0,878 мг алмаза, или 0,00439 карата. Алмазные круги изготовляются 25, 50 и 100%-ной концентрации.
 

Алмазные пилы


Природный камень издавна являлся наиболее ценным материалом в строительстве монументальных зданий и сооружений. Большинство исторических памятников, дошедших до нас, сделано из природного камня. Эти сооружения и сейчас поражают наше воображение первозданной прочностью и красотой. Природный камень широко применяется в строительстве зданий. Достаточно упомянуть такие уникальные сооружения, как метро в Москве, Ленинграде, Киеве, Московский университет на Ленинских горах, Дворец Съездов в Кремле и др., где в качестве облицовочного материала широко применен природный камень (гранит, диабаз, песчаник, сланец, мрамор, известняк, яшма), керамика, огнеупоры, стеклопластика и др. Изготовление из них различных деталей, облицовочных плит и т. д. требует высокоустойчивых инструментов, которыми можно было бы быстро и экономично резать эти материалы.
Наиболее высокоэффективным для этой цели является алмазный инструмент: алмазные пилы и алмазные отрезные круги.
Алмазные пилы изготовляются двух видов: продольные и дисковые. Продольные пилы с рабочей длиной от 2,6 до 4,5 м применяются для распиловки больших каменных плит со скоростью от 250 до 500 мм/час в зависимости от твердости камня. Дисковые алмазные пилы применяются для резки твердых каменных пород, а также стекла и керамики. Размер пил различный: от нескольких сантиметров до 2 м и более.
Пилы изготовляются по количеству в них алмазов следующих трех типов:
  1. пилы с небольшой концентрацией алмазов — используются для распиловки мрамора, стекла, фарфора, керамики, натурального кварца и других; 
  2. пилы со средней концентрацией алмазов — применяются для распиловки гранита, бетона, сплавленного кварца, полутвердых шлифовальных материалов, изделий из огнеупорных глин и т. д.;
  3. пилы с высокой концентрацией алмазов — используются для распиловки особо твердых материалов.
Режущая часть пилы имеет не сплошное покрытие поверхности алмазным материалом, а состоит из отдельных изолированных один от другого сегментов длиной около 5 см каждый. На 1 м пилы закрепляется 10 режущих сегментов. Такая пила распиливает окремненный песчаник примерно с такой же скоростью, как ручная пила из стали обычное дерево.
Для резания природного камня также применяются преимущественно сегментные (прерывистые) отрезные круги. 
Алмазный отрезной круг (алмазная пила) состоит из тонкого стального диска и режущей части. По конструкции режущей части различают два вида отрезных кругов: со сплошной режущей кромкой и прерывистой. Для резания природного камня преимущественно применяются сегментные (прерывистые) отрезные круги.
Режущая часть круга изготовляется методом порошковой металлургии и прикрепляется к стальному диску с помощью пайки, сварки или механическим способом. В качестве связки применяются металлические порошки. Для режущего слоя используются алмазные порошки различной зернистости.
Резка неметаллических материалов алмазными пилами имеет ряд преимуществ перед другими способами резки. При резке высокотвердых материалов, стекла, кварца, искусственных материалов на основе кремния и других, благодаря высокой стойкости алмазных отрезных кругов, сокращается время на отрезку и достигается высокое качество поверхности реза. При резке полупроводниковых материалов (германия и кремния) достигается высокая размерная точность отрезаемых элементов и сокращаются потери ценного материала в шламе за счет уменьшения ширины реза. При резке природного камня алмазными пилами скорость резки и производительность процесса увеличиваются по сравнению с абразивными кругами в 3—4 раза.
Производительность резания по данным НИИАлмаза следующая:
Проведенные в НИИАлмазе расчеты показывают, что если весь камень, добытый в 1963 г. в нашей стране (без стенового), резать алмазными пилами, то годовая экономия составит 40 млн. руб., или 40 руб. на 1 карат использованного алмаза. Расход электроэнергии при резании камня снижается в 20 раз. Стойкость инструмента при резании камня средней твердости составляет от 6 до 18 месяцев при работе в три смены, тогда как стойкость пил из карбида кремния всего лишь 2—4 часа.
Алмазный инструмент обеспечивает резание больших блоков камня на плиты и заготовки точных размеров. Мощность карьеров по добыче камня и заводов увеличивается при использовании алмазных пил в 10 раз и во столько же раз снижается стоимость изделий из камня.
Внедрение алмазного инструмента в строительную индустрию значительно повысит технический уровень, резко увеличит производительность и улучшит условия труда, снизит стоимость строительства.
 

Обработка поверхностей отверстий


Алмазный инструмент применяется также для обработки поверхностей отверстий различного диаметра и длины. Этот процесс называется хонингованием. Основными инструментами для этого служат алмазные бруски (хоны) и притиры.
Принцип хонингования заключается в совмещении возвратно-поступательного движения хонинговальной головки и вращательного движения обрабатываемой детали. В результате этого внутренняя поверхность детали окончательно отделывается и исправляются все погрешности геометрической формы отверстий.
Хонинговальный инструмент изготовляется следующим образом.
Из связки и алмазных зерен делаются бруски, которые напаиваются на стальные державки. Затем эти бруски собираются в хонинговальную головку, шлифуются и притираются.
Применение алмазного хонинговального инструмента дает большой экономический эффект. Стойкость алмазных брусков в 100—120 раз выше абразивных. Например, при обработке отверстий деталей диаметром 27 мм алмазный брусок работает 117—200 ч, а абразивный только 1,0—2 ч. При обработке отверстий деталей диаметром 9,5 мм алмазный брусок работает 50—80 ч, а абразивный 20—40 мин. Точность геометрической формы отверстий и чистота поверхности деталей при алмазном хонинговании достигается очень большая.
Высокая режущая способность, стойкость, а следовательно, и высокая производительность алмазных брусков позволяют автоматизировать процесс хонингования.
Для получения поверхности высокого класса чистоты за хонингованием следует притирка. Для этой операции применяются алмазные притиры, которые изготовляются таким же образом, что и хонинговальные бруски. Притиры бывают плоские, круглые и трех-гранные.
Применение алмазных притиров значительно облегчает труд рабочего и повышает производительность труда.


Алмазное бурение

История алмазного бурения

 
Начало развития алмазного бурения относится к глубокой древности. По свидетельству английского ученого В. М. Флиндерса Петри, египтяне использовали для обработки наиболее твердых пород бронзовые инструменты с наконечниками, армированными алмазами.
В Европе первый алмазный бур был предложен швейцарским часовщиком Георгом Лешо в 1862 г. Он представлял собой трубу, торцовая часть которой была армирована черными алмазами. Труба присоединялась к металлической пустотелой штанге, приводимой во вращательное движение. Очистка забоя от выбуренной породы и охлаждение коронки осуществлялось водой, которая подавалась к забою через пустотелую штангу.
Разработку конструкции станка для алмазного бурения продолжил сын Георга Лешо — Рудольф Лешо, который совместно с механиком Пиге построил станок для алмазного бурения. Этот станок бурил в известняке со скоростью около 2 м/ч. В дальнейшее совершенствование ручных буровых станков для алмазного бурения большой вклад внес французский инженер Перре, который сконструировал первую алмазную буровую машину и демонстрировал ее на Всемирной выставке в Париже в 1867 г.
Первые буровые станки для алмазного бурения с механическим приводом (от паровой машины) были применены в 1864 г. при проходке тоннеля между Францией и Италией. Станок для алмазного бурения предложил в 1867 г. М. Буллок. Он приводился в действие от паровой машины и вращал алмазную коронку со скоростью около 250 сб/мин. В 1870 г. появились буровые станки с паровой машиной мощностью 5—7 л. с., которая вращала алмазную коронку со скоростью около 300 об/мин. В 1872 г. англичанин Бьюмонт сконструировал станок для алмазного бурения и в 1875 г. пробурил с помощью этого станка скважину глубиной 697,5 м.
В 1878 г. в США Альберт Холл сконструировал станок для алмазного бурения («Сулливан»), нашедший в дальнейшем широкое практическое применение. Несколько позже, в 1884—1885 гг., в Швеции инженер Крелиус разработал буровой станок для алмазного бурения, отличающийся большой простотой, удобством обслуживания и небольшим весом. Станки типа «Крелиус» получили широкое распространение и послужили 
основой для разработки ряда буровых машин аналогичного назначения в Германии и Австралии.
В 1889 г. русский инженер С. Войслав разработал конструкцию ручного бурового станка для алмазного бурения, который отличался простотой и имел ряд преимуществ перед заграничными станками.
С первого момента своего появления станки для алмазного бурения нашли широкое применение для разведки месторождений различных полезных ископаемых. Первая алмазнобуровая скважина глубиной 230 м была пройдена в 1880 г. в Поттсвиле (Пенсильвания, США) при разведке угольного месторождения. В дальнейшем глубины скважин алмазного бурения возросли и в конце XIX века достигли 2000 м. На руднике «Хелен» в Канаде алмазами была пробурена скважина рекордной глубины —1770 м. В США наиболее глубокая скважина, пройденная алмазным инструментом, имеет глубину 1820 м.
Наиболее глубокие скважины алмазного бурения при разведке твердых полезных ископаемых были пробурены в Южной Африке. Одна из них на месторождении золота Витватерсранд имеет глубину 4200 м. В США при разведке жидких и газообразных полезных ископаемых применялось алмазное бурение на глубину до 800 м.
 

Алмазное бурение в России


В России алмазное бурение в небольших размерах нашло применение при разведке полезных ископаемых в конце XIX века. На Урале в 1890—1898 гг. проводилось алмазное бурение на Луньевском угольном месторождении: в 1893—1894 гг. на Высокогорском руднике было пройдено ручным алмазным бурением шесть скважин, помимо того, алмазное бурение велось на Пышменско-Ключевском и Богословском рудниках. В Донбассе примерно в эти же годы производилось алмазное бурение в Макеевке и на Благовещенском антрацитовом руднике. В конце XIX и в самом начале XX века алмазное бурение применялось при проходке двух скважин на Курской магнитной аномалии, а также при разведке полиметаллических медных месторождений в Казахстане, на Алтае, Урале и в Восточной Сибири.
В 1923—1925 гг. алмазное бурение широко использовалось в районе Курской магнитной аномалии, а также на Урале, Украине, Алтае, Сибири, на Кавказе и в Казахстане. Перед Великой Отечественной войной в связи с недостатком алмазов бурение алмазным инструментом применялось только на подземных работах в горнорудной промышленности. Колонковое бурение в крепких породах производилось победитом и чугунной дробью.
С открытием богатых алмазных месторождений создалась возможность более широкого внедрения алмазного бурения в практику геологоразведочных и горных работ.
Алмазное бурение — наиболее эффективный и экономичный способ бурения горных пород. Расчеты геологов и экономистов показывают, что при запланированных объемах бурения применение алмазного инструмента по сравнению с дробью дает большую экономию средств.
Об эффективности алмазного инструмента, например, при глубоком и сверхглубоком бурении на нефть и газ дает представление.
Существует следующий алмазный буровой инструмент: керновые коронки для бурения скважин с отбором керна, керновые коронки для бурения нефтяных скважин, алмазные долота для бурения скважин сплошным забоем, алмазные долота для бурения нефтяных глубоких скважин и алмазные расширители для восстановления требуемого диаметра скважины.
В Советском Союзе выпускаются однослойные, многослойные и импрегнированные коронки. В однослойных коронках используются крупные алмазы 20—60 зерен на карат, в многослойных — мелкие 60—200 зерен на карат. Однослойные коронки применяются для бурения малоабразивных пород VII—X категорий крепости. Из отработанной коронки алмазы можно извлечь и использовать для бурения абразивных пород XI—XII категорий крепости. В этих коронках кристаллы расположены в алмазоносном кольце несколькими слоями, алмазы каждого слоя почти полностью срабатываются. Импрегнированные коронки применяются для бурения крепких абразивных пород.
Алмазная коронка по своему устройству представляет собой полый стальной цилиндр, на одном конце которого имеется алмазоносное кольцо, в котором с помощью различных связок закреплены в определенном порядке кристаллы алмаза.
Долгое время для бурового инструмента в разных странах применялись крупные алмазы весом 1—2 карата типа «баллас» и «карбонадо». Но с развитием алмазного бурения повысился спрос на технические алмазы, в связи с чем цены на них значительно выросли. За 15 лет, например, с 1940 по 1955 г. на мировом рынке технические алмазы подорожали в 24 раза. Потребители алмазов для буровых коронок стали искать выхода из создавшегося положения. Широкое развитие получили мелкоалмазные коронки, для которых используются мелкие алмазы весом от 0,016 до 0,0025 карата.
 
На переход к мелким алмазам кроме цен оказало влияние и то, что крупных алмазов в мире добывается меньше, чем мелких.
Алмазное бурение широко стало применяться у нас в стране после организации промышленной добычи алмазов в Якутии. На Выставке достижений народного хозяйства в Москве экспонируются алмазные долота, изготовленные из якутских алмазов. Эти долота очень эффективны и экономичны. Долотом АДУ-2 при бурении крепких известняков и алевролитов пройдено 181,2 м, что в 38 раз превышает бурение обычными долотами. Установлено, что одно алмазное долото заменяет 19 обычных. Испытания алмазных колонковых долот показали, что проходка на одно такое долото в 20—35 раз выше, чем на обычное, при одинаковых скоростях бурения, а стоимость 1 м бурения на 25—40% ниже.
 

Алмазная правка шлифовальных кругов


Абразивная обработка деталей машин и инструмента широко применяется в промышленности, и от ее дальнейшего развития зависят точность и качество выпускаемых механизмов, машин и приборов. 
Значение процесса правки шлифовальных кругов определяется его влиянием на технику и экономику абразивной обработки.
Практика шлифовальных работ и научные исследования показывают, что важнейшие параметры процесса шлифования (производительность, точность и качество обрабатываемых изделий, стойкость круга) неразрывно связаны и зависят от процесса правки, методов и режима правки, конструкции правящего инструмента и его износостойкости.
Алмазная правка шлифовальных кругов относится к числу важнейших областей применения алмазов в машиностроении. Операция эта необходима для восстановления точности формы и режущей способности шлифовальных кругов.
Алмазная правка шлифовальных кругов обладает существенными преимуществами по сравнению с другими способами правки. Благодаря весьма малой поверхности контакта алмаза со шлифовальным кругом достигаются максимальные усилия при работе, которые в сочетании с высокой износоустойчивостью алмаза создают условия для получения высокой точности геометрической формы круга, а отсюда и высокой точности и чистоты поверхности у шлифуемых изделий.
Высокая износостойкость алмазного правящего инструмента создает возможность автоматизации процесса правки.
Алмазные инструменты для этой операции применяются в виде алмазно-металлических карандашей, алмазов естественной формы, закрепленных в оправах, ограненных алмазных инструментов (резцы, иглы) и алмазных роликов. Наиболее широкое применение, имеют алмазно-металлические карандаши и алмазные зерна в оправах. Остальные виды алмазного инструмента применяются для правки и профилирования шлифовальных кругов в основном при специальных видах шлифования.
Алмазно-металлические карандаши представляют собой металлические цилиндры, в которых запрессованы вставки с расположенными в определенном порядке кристаллами алмаза. Преимущество этого вида инструмента состоит в том, что он выпускается по стандарту и не требует перестановки алмазов до полного их износа. Для алмазно-металлических карандашей используются дешевые и невысокие по качеству алмазы.
Алмаз в оправах представляет собой кристалл, прочно закрепленный в металлической оправе не менее чем на 3/4 своей длины. Он изготовляется из более качественных алмазов и поэтому имеет большую износостойкость.
Кроме этих двух видов инструмента, применяемых для правки шлифовальных кругов, имеются еще ограненные алмазные инструменты, используемые для правки кругов сложного профиля, которые изготовляются в виде резцов с различным профилем алмаза.
Новыми перспективными инструментами для автоматической правки являются алмазные ролики. Ролик состоит из алмазных частиц, скрепленных связкой из порошкообразного металла. Правка таким инструментом производится методом шлифования (врезанием) или с продольной подачей.
По сравнению с обычными методами правка абразивных кругов алмазными роликами методом шлифования имеет следующие преимущества:
  • а) резко сокращается время на правку и профилирование (придание правильного профиля) абразивных кругов, так как правка осуществляется методом врезания по всему профилю круга и может производиться без прекращения процесса шлифования;
  • б) размерная износостойкость в 50—100 раз превышает износостойкость обычных алмазных инструментов, в связи с чем упрощается автоматизация процессов правки;
  • в) для алмазных кругов можно применять алмазное сырье мелких размеров, являющееся наименее дефицитным и наиболее дешевым.
Правка кругов алмазными роликами методом шлифования создает благоприятные условия для решения вопросов комплексной автоматизации процессов шлифования.
Широкое применение алмазной правки позволит на 25—50% повысить коэффициент полезного использования шлифовальных кругов, что при широких масштабах применения абразивного инструмента имеет важное народно-хозяйственное значение.
 

Алмазное точение


Для современного машиностроения характерны широкая автоматизация процессов обработки деталей и приборов, использование новых высокопрочных, износостойких и температуростойких сплавов и материалов с минимально возможными припусками для механической обработки, обеспечение высококачественной обработки поверхности деталей, позволяющих создавать сложные и весьма точные, с хорошими эксплуатационными свойствами машины, механизмы и приборы.
Осуществление этих задач возможно лишь при условии создания такого режущего инструмента, который бы обладал высокой размерной стойкостью в работе и обеспечивал в течение длительного времени получение весьма высокой точности обрабатываемых поверхностей изделий без подналадок или смены инструмента.
Этим требованиям удовлетворяет алмазный режущий инструмент.
Применением алмазных резцов достигаются исключительно высокая точность обработки и чистота поверхности детали.
После обработки детали алмазным резцом не требуется проводить шлифование и полирование. Новым, очень перспективным путем эффективного расширения области алмазной обработки является освоение процесса выглаживания металлических поверхностей.
Основными инструментами для точения являются алмазные резцы, которые представляют собой металлические стержни с напаянными или механически закрепленными ограненными кристаллами алмаза. По форме кристаллы должны быть октаэдрами, ромбододекаэдрами или переходными видами. Кристалл должен иметь плотную структуру без дефектов. 
Обработка цилиндрических поверхностей ведется на токарных станках, а плоских поверхностей — на строгальных. Алмазный инструмент устанавливается в резцедержателе станка и имеет те же движения, что и обычный резец. Процесс протекает без снятия стружки при давлении вдоль оси инструмента порядка 15 кг. Этим инструментом можно обрабатывать наружные и внутренние поверхности изделий из различных марок стали, меди, алюминия, латуни и других металлов. 
Кроме того, алмаз широко применяется при обработке таких твердых и склонных к хрупкому разрушению материалов, как керамика, синтетический корунд, карбид бора, кварц, стекло, полупроводниковые материалы — германий, кремний и т. д. Изделия из этих материалов наиболее эффективно обрабатывать алмазным инструментом, а во многих случаях их вообще невозможно обрабатывать без алмаза.
Для резцов используются кристаллы алмазов весом 0,2—0,6 карата и более.
Алмазные резцы применяются для расточки и обточки деталей из различных
цветных металлов и пластмасс в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности.
При обработке бронзовых и латунных деталей стойкость алмазных резцов в 100 раз выше стойкости твердосплавных, а при обработке деталей из пластмасс стойкость алмазных резцов выше стойкости твердосплавных в 150—200 раз.
Проведенные на отечественных заводах испытания показали, что на расточном станке алмазным резцом можно обработать без подналадок 9000 шатунов. Стойкость резца равнялась 45 сменам работы, или свыше 300 ч, что соответствует 1000 км пройденного пути вместо 10 км при работе твердосплавными резцами.
Применение алмазных резцов в промышленности дает большую технико-экономическую эффективность.
 

Алмазное волочение


Процесс волочения — это способ обработки металлов давлением, состоящий в протягивании катаных, реже кованых изделий круглого или фасонного профиля через отверстие, сечение которого меньше сечения исходного изделия. В результате волочения поперечные размеры изделия уменьшаются, а длина увеличивается. Этот процесс особенно широко применяется для изготовления тонкой проволоки из цветных металлов. Рассматриваемый способ обработки металла был известен еще 3—3,5 тыс. лет до нашей эры. В те далекие времена волочение применялось для изготовления золотой и серебряной проволоки для украшений. Такая проволока называлась канителью. Отсюда в наш обиход прочно вошло выражение «тянуть канитель», т. е. медленно, однообразно делать какое-либо дело.
Такое выражение объяснилось технологией изготовления проволоки в древние времена. Тогда все оборудование состояло из волочильной доски, закрепленной между двумя столбами, и клещей, которые привязывались к поясу рабочего, сидящего в качающейся люльке. Рабочий подтягивался к волоке, захватывал пропущенный через нее конец проволоки клещами, упирался согнутыми ногами в столбы и, распрямляя их, протягивал проволоку. Он качался до тех пор, пока не вытягивал проволоку нужного диаметра и размера.
Для того чтобы вытягивать проволоку нужного диаметра, волоки должны быть изготовлены из очень прочного материала, трудно поддающегося деформации. Волоки делали из твердых сплавов, которые не могли долго выдерживать напряжение и быстро выходили из строя.
С внедрением алмазов в технику для волочения тонкой проволоки стали применяться алмазные волоки (фильеры). Через такие фильеры стало возможным протягивать проволоку точного диаметра — от 0,001 до 2 мм.
Применение алмазных волок обеспечивает высокое качество поверхности и точность диаметра протягиваемой проволоки, так как алмаз трудно поддается истиранию. При алмазном волочении можно получить тонкую проволоку диаметром 9—10 микрон. Стойкость алмазных волок выше стойкости твердосплавных в 100—300 раз в зависимости от диаметра волоки. При волочении медной проволоки стойкость алмазных волок, выраженная в километрах протянутой проволоки, составляет 25—30 тыс. км, тогда как стойкость твердо-сплавных лишь 100 км. Через одну алмазную фильеру можно протянуть проволоку такой длины, которой можно опоясать земной шар по экватору несколько раз.
Алмазная волока представляет собой ограненный по трем плоскостям кристалл алмаза, закрепленный в металлической оправе, с просверленным в центре и отшлифованным каналом.
Вес алмаза для волок выбирается в зависимости от диаметра их отверстий. ГОСТ 6271—60 устанавливает вес кристаллов для волок.
Волочение проволоки на отечественных заводах осуществляется на машинах однократного и многократного волочения. В первых — проволока протягивается через одну фильеру, а во вторых — через несколько последовательно расположенных волок. Наибольшее распространение имеют машины многократного волочения, отличающиеся высокой производительностью.
 

Алмазные наконечники


Современный уровень машиностроения характерен применением большого разнообразия высокопрочных и износостойких материалов. Важным их качеством является твердость. Поэтому в промышленности, связанной с обработкой металлов и минералов, наиболее широко применяются испытания на твердость.
Для определения твердости металлов и минералов применяется несколько методов. По методам Бринелля и Роквелла испытание проводится путем вдавливания стального шарика в испытываемый материал; по методу Виккерса для этой цели используют кристалл алмаза в форме пирамиды; по методу Мооса твердость определяют путем царапания минерала, металлов и минералов определяется их сопротивление деформации при вдавливании шарика или пирамидки. При этом происходит определенная деформация не только в испытываемом материале, но и в том, которым испытывают. Алмаз не подвергается деформации и поэтому он отвечает требованиям, предъявляемым при конструкции приборов для определения твердости минералов и металлов.

 
При испытании на твердость

 
Для измерения твердости металлов и сплавов используются алмазные наконечники. Наконечник представляет собой закрепленный в стальной оправе при помощи серебрёной пайки алмазный конус с углом 120°, вершина которого переходит в полусферу радиусом 0,2 мм. Вес применяемых алмазов составляет 0,18—0,6 карата.
Стойкость алмазных контактных наконечников выше стойкости твердосплавных примерно в 50 раз, а стальных — в 1000 раз.
Приборы с алмазными контактными наконечниками почти не требуют переналадок.
 

Алмазные стеклорезы

 
Использование алмаза для резки стекла — наиболее древний способ практического применения этого минерала. Самым распространенным инструментом для этой цели является алмазный стеклорез, который состоит из ограненного в форме правильной четырехгранной пирамиды кристалла алмаза, закрепленного в металлическом держателе, и латунного молоточка с деревянной ручкой. Для изготовления стеклорезов применяются алмазы весом 0,02—0,20 карата плотного строения без дефектов.
В зависимости от толщины стекла используются различные стеклорезы. Например, для резки стекла толщиной до 5 мм применяются стеклорезы, где вес кристалла составляет от 0,02 до 0,12 карата, а толщиной до 10 мм — от 0,12 до 0,20 карата.
Производительность алмазного стеклореза очень высокая. Алмазом весом 0,1 карата, например, можно нарезать 100 000 погонных м стекла. Твердосплавные стеклорезы такой производительности не дают.
 

 Зубоврачебный инструмент

 
Помимо перечисленных методов технического применения алмаз используется и в медицине главным образом, при лечении зубов.
Зубная эмаль по твердости близка к кварцу. Поэтому для ее обработки необходимы очень твердые материалы. Применяемые инструменты с карбидом кремния обладают недостаточной твердостью; кроме того, они вызывают боль. Применение алмазного инструмента устраняет эти недостатки.
Создается возможность значительного увеличения числа оборотов бормашин для обработки зуба при малой силе давления на него. Болевые ощущения при использовании алмазного инструмента сводятся до минимума.
Мы коротко рассказали о важнейших областях применения алмазов в технике. Однако этим не исчерпываются все области его использования. Алмаз применяется и для многих других целей, и эта сфера его использования увеличивается с каждым годом.
Применение алмаза в технике позволяет резко повысить производительность труда и снизить себестоимость продукции, облегчить процессы автоматизации производства, получить детали исключительной точности и чистоты отделки, а также сэкономить огромные средства.
Наконец-то человек нашел для алмаза настоящее место в жизни, заставил его работать на себя. И для нас сейчас алмаз в рабочей спецовке гораздо ценнее, чем алмаз в сверкающей короне.
Mineralmarket