Введение

Алмаз

Алмаз! Это название известно каждому. С ним ассоциируются представления о несравненном блеске и непревзойденной твердости. Со вторым свойством связано и название минерала, которое происходит или от арабского слова алмас ("твердейший"), или от греческого адамас ("непреодолимый", "несокрушимый").

Алмазы издавна использовались в качестве самых изысканных украшений и имели большое валютное значение. Прозрачные бесцветные или красиво окрашенные кристаллы алмаза, пригодные для огранки (кристаллы ювелирных сортов), являются драгоценными камнями 1 класса, так же как сапфир, рубин, изумруд, александрит, хризоберилл, благородная шпинель, эвклаз. Ювелиры разделяют алмазы почти на 1000 сортов в зависимости от прозрачности, тона, густоты и равномерности окраски, наличия трещин, минеральных включений и некоторых других признаков.

С конца XIX в. алмазы начинают применяться на производстве. В настоящее время экономический потенциал наиболее развитых государств в значительной мере связывается с использованием ими алмазов. Достаточно напомнить, что, по оценкам западных экономистов, промышленный потенциал США в случае отказа от импорта алмазов упадет в 2-3 раза. Применение алмазного инструмента существенно повышает чистоту обработки деталей, а производительность труда возрастает при этом в среднем на 50%. Каждый карат (Величину алмазов принято измерять в каратах. 1 метрический карат составляет 200 мг) алмазов, использованных в инструментах, приносит экономию 3-6, а на отдельных операциях и до 200 руб.

В промышленности используются преимущественно алмазы, не пригодные для огранки: непрозрачные, с многочисленными включениями, трещиноватые кристаллы, мелкозернистые сростки, алмазная крошка и т. п. Единой классификации технических алмазов не существует, поскольку каждая отрасль промышленности предъявляет свои требования к их сортировке.

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 выше, чем у лучших сплавов, применяемых для изготовления резцов. Алмаз применяется при бурении горных пород и механической обработке самых разнообразных материалов, для протягивания (волочения) тонкой проволоки, в качестве абразива и т. п.

Бурение скважин в толщах горных пород, слагающих земную кору, в широких масштабах применяется при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых, а также при эксплуатации нефтяных и газовых залежей. Не обойтись без бурения и при выполнении всевозможных взрывных и инженерно-геологических работ, предшествующих возведению крупных зданий, заводских корпусов, плотин и многих других объектов.

В техническом отношении наиболее совершенным является вращательное алмазное бурение, которое осуществляется высверливанием скважин в толще горных пород с помощью буровых коронок, армированных алмазами (рис. 1). Коронка привинчивается к концу металлической трубы, которая соединена с колонной труб и приводится в быстрое вращение двигателем бурового станка. Закрепленные на коронке алмазы высверливают в толще горных пород цилиндрическое отверстие, а остающийся в центре столбик (керн) породы извлекается при периодических подъемах бурового снаряда на земную поверхность. Удаление каменной пыли, и охлаждение коронки осуществляются потоком воды, закачиваемой через трубы и поднимающейся обратно на поверхность по кольцевому зазору между трубами и стенкой скважины. Коронки, армированные алмазами, повышают скорость бурения скважин в наиболее твердых породах в 8-15 раз по сравнению с бурением, основанным на применении твердосплавных или дробовых коронок.

Рис. 1. Армированные алмазами буровые коронки, долото (в центре) и расширители, используемые для бурения скважин в наиболее крепких горных породах

Наилучшими алмазами для бурения считаются тонкозернистые плотные карбонадо, поскольку они обладают повышенной твердостью и наименее подвержены раскалыванию. На втором месте стоят шаровидные балласы и небольшие монокристаллы алмаза округлой формы. На изготовление буровых коронок ежегодно расходуется около 0,6 т камней, что составляет примерно 10% общего количества добываемых в мире (без СССР) технических алмазов.

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

Совершенно незаменимы алмазы при вытачивании опорных рубиновых камней, используемых в часовых и многих других точных механизмах, а также при правке (восстановлении рабочей поверхности) шлифовальных корундовых и карборундовых кругов.

Практически все современные отрасли промышленности, в первую очередь электротехническая, радиоэлектронная и приборостроительная, в огромных количествах используют тонкую проволоку, изготавливаемую из различных металлов. При этом предъявляются строгие требования к круговой форме и неизменности диаметра поперечного сечения проволоки при высокой чистоте поверхности. Такая проволока 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 (от 0,5 до 0,001 мм) отверстиями.

Широкое применение в промышленности находят и алмазные порошки. Их получают путем дробления низкосортных природных алмазов, а также изготавливают на специальных предприятиях по производству 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 хрупких материалах. Такие сверла (алмазные "жала") позволяют высверливать, например, в стекле отверстия диаметром 2 мм и длиной до 850 мм! Алмазные порошки находят применение на гранильных фабриках, где все самоцветы, и в том числе алмазы, подвергаются огранке и шлифовке, благодаря чему невзрачные до этого камни становятся таинственно светящимися или ослепительно сверкающими драгоценностями, к неповторимой красоте которых никто не остается равнодушным.

С 50-х годов внимание ученых и конструкторов начинают привлекать другие физические свойства алмаза. Известно, что, попадая в кристалл, быстрые заряженные частицы выбивают электроны из его атомов, т. е. ионизируют вещество. В алмазе под действием заряженной частицы 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.

Химическая инертность, высокая чувствительность к быстрым частицам при комнатной температуре, близость по электронной плотности к тканям человеческого тела выдвигают алмаз в число наиболее ценных материалов для счетчиков, которые могут использоваться в медицине, в том числе и для внутриполостных исследований. Кристаллы алмаза, применимые в качестве счетчиков, крайне редки, поэтому цена их значительно выше, чем равных по величине ювелирных камней. Некоторые кристаллы алмаза являются полупроводниками р-типа в широком диапазоне температур и давлений.

Использование алмазов в полупроводниковых и некоторых оптических приборах, а также в счетчиках ядерного излучения весьма перспективно, поскольку такие приборы способны работать в самых различных условиях, включая области низких и высоких температур, сильные электромагнитные и гравитационные поля, агрессивные среды и т. п. Следовательно, основанные на алмазах приборы могут оказаться незаменимыми при космических исследованиях, а также при изучении глубинного строения нашей планеты. Подробнее о применении алмаза в промышленности и научных исследованиях можно прочитать в популярной книге Г. И. Мишкевича [6].

Среднегодовая добыча алмазов в капиталистических странах за 1966-1971 гг. измерялась 32-33 млн. карат, из которых примерно 8 млн. карат составляли ювелирные камни. Кроме того, ежегодно производится более 30 млн. карат синтетических алмазов, обычно мелких размеров и интенсивной (до черной) окраски, относящихся к абразивным и низшим техническим сортам.

На мировом рынке за последние годы отмечается рост спроса на алмазы, особенно на камни ювелирных сортов. В 1972-1973 гг. цены на алмазное сырье повышались 5 раз и возросли в сумме на 46%. Английский алмазный синдикат, контролирующий 80-85% легальной мировой торговли алмазами, в 1972 г. продал алмазов на 849 млн. дол., около 90% стоимости которых приходится на ювелирные камни. В 1973 г. сырых алмазов было продано на еще большую сумму.

Мировое потребление технических алмазов в 1971 г. составляло 50-60 млн. карат (из них половина синтетических); к 1975 г. оно превысило 100 млн. карат в год. Основным потребителем среди капиталистических стран являются США, где накоплены стратегические запасы технических алмазов в количестве более 65 млн. карат.

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