Алмазные порошки

Примерно 75-80 % всех технических алмазов расходуется на изготовление алмазных порошков, потребность промышленности в которых очень велика.

На приготовление порошков идут наиболее дешевые сорта природных и синтетических алмазов. Стадийное дробление алмазов с отсевом-классификацией раздробленной части во избежание переизмельчения кристаллов алмазов и с целью получения более равномерного гранулометрического состава является основой технологии получения алмазного порошка. Алмазный порошок с одинаковым размером частиц обладает лучшими абразивными свойствами.

После дробления алмазный порошок очищается от примесей, которые обычно представлены минеральными и органическими веществами. Термическая обработка до 500 °С и последующая промывка в растворах минеральных кислот позволяют удалить металлические примеси и органические остатки. Если в алмазном порошке содержатся кварц и окись алюминия (например, корунд), термическую обработку проводят с добавлением едкого натра, который образует растворимые в воде соединения с минеральными примесями. Затем порошок алмаза промывается горячей дистиллированной водой и сушится. Такая обработка позволяет получить алмазный порошок с содержанием примесей не более 1 масс %.

После дробления и очистки алмазный порошок подвергается рассеву на узкие классы, причем каждый класс предназначен для определенного технического использования, т. е. имеет свое целевое назначение. Главной трудностью получения изометричного класса крупности алмазного порошка является неоднородная форма полученных частиц алмаза, которые могут быть продолговатыми, пластинчатыми, овальными, остроугольными, поликристаллическими и др. Рассев столь многообразных по форме частиц алмазов представляет весьма трудную техническую задачу. Однако, чем однороднее по размеру будет алмазный порошок, тем больше кристалликов алмазов будут участвовать в работе, а следовательно, процесс абразивной обработки будет более производительным. Рассев алмазных порошков осуществляется на стандартных ситах.

Для повышения эффективности рассева алмазного порошка применяется встряхиватель со сложными вращательными и колебательными движениями, например, система "Ротап", которая широко используется и при ситовых анализах измельченных полезных ископаемых. Однако в ряде случаев коэффициент полезного действия подобного механического рассева недостаточно высок, так как частицы алмазов неправильной формы не могут быть точно расклассифицированы на ситах с отверстиями строго квадратной формы. Иногда применяют мокрый рассев порошка.

Кроме механического рассева алмазного порошка на ситах применяют стаканчиковые центрифуги, суперцентрифуги и различные классифицирующие устройства, где используются масса кристаллов алмаза и сила сопротивления среды их падению. Вследствие того, что алмазный порошок представлен частицами алмазов с плотностью 3,47-3,55 г/см³, скорость равномерного падения частиц будет определяться только их размером. Сопротивление среды при этом вычисляется на основании известной формулы Стокса. Часто вместо скорости вычисляют время падения частиц определенной крупности. Например, шлифовальные абразивные порошки из корунда называются "минутниками". Чем тоньше порошок абразива, тем больше его номер, так как номер абразивного порошка обозначает число минут осаждения порошка в воде. Тонкие частицы порошка, которые не успели осесть за этот промежуток времени (в минутах), определяют граничную крупность частиц абразива.

Для получения алмазных порошков узкого класса крупности преимущественно для мелких кристаллов алмаза существует метод отстаивания.

Применяемые методы классификации алмазных порошков имеют недостатки, которые обусловлены сложной формой частиц алмазов при равном занимаемом объеме и некоторыми колебаниями массы кристаллов алмазов. В результате возникает известная нечеткость разделения частиц по крупности, что вынуждает изыскивать новые конструкции разделительных устройств. Распространение получают воздушные классификаторы, где в качестве разделительной среды используются воздушные потоки. В последние годы для классификации алмазных порошков по крупности стали применять концентрационные столы.

Рассеву подвергаются порошки как природных, так и синтетических алмазов. Для стандартизации алмазных порошков по крупности в СССР приняты стандарты зернистости для природных алмазов, а для оценки зернистости порошков из синтетических алмазов - специальные технические условия. Алмазные порошки из природных и синтетических алмазов подразделяются на две группы: шлифпорошки и микропорошки. Они выпускаются нескольких марок. При написании марок используются следующие обозначения: АС - алмаз синтетический, В - высокопрочный, Р - прочный, О - обычный, А - алмаз природный и т. д. Так, марка АСВ обозначает порошок из алмаза синтетического, высокопрочный.

В табл. 10 и 11 приведены характеристики зернистости и некоторые марки алмазных порошков из природных и синтетических алмазов. Классы крупности алмазных порошков весьма узки, что еще раз показывает, какое большое значение для эффективной работы порошков и качественной обработки изделий имеет однородность алмазных зерен по форме и размерам.

Таблица 10. Характеристика зернистости шлифпорошков

Таблица 11. Характеристика зернистости микропорошков

(Знаком + обозначены порошки, выпускаемые промышленностью.)

Алмазные порошки никогда не применяют в сухом виде, так как это могло бы вызвать огромную потерю алмазов вследствие их большой "прыгучести" (высокий модуль упругости). Кристаллики алмаза, прошедшие кислотную и щелочную обработку, при удалении поверхностных примесей имеют гидрофобную поверхность, хорошо смачиваемую неполярными органическими жидкостями (керосин, бензин и др.), а также жирными кислотами. Обычно порошки из алмазов при шлифовании и полировке смешивают со смесью неполярных предельных углеводородов с жирными кислотами (олеиновая, лауриновая, эландиновая и др.), которые хорошо смачивают большую часть обрабатываемых поверхностей и удовлетворительно удерживают алмазные зерна.

Обычно более крупнозернистые алмазные порошки используются для предварительной грубой обработки изделий, когда необходимо удалить большие массы материала, а затем доводка производится более мелкозернистым порошком, но все же наиболее употребительны порошки со средними размерами зерен (6-10 мкм).

Абразивная способность микропорошка алмаза определяется от-ношением массы сошлифованного слоя шлифовального круга к массе израсходованного алмазного порошка. Абразивные способности алмазных порошков выше, чем всех известных в природе абразивных материалов, а удельный расход в согни раз ниже удельного расхода других абразивов (табл. 12).

Таблица 12. Абразивные свойства алмаза и других материалов

Для снижения износа трущихся поверхностей производится шаржирование их алмазными порошками.

К гранулометрическому составу алмазных порошков предъявляются очень жесткие требования. В одном и том же порошке разница между наибольшим и наименьшим размерами зерен не должна превышать 10 мкм. Гранулометрический состав порошков особенно важен при шлифовании. Наличие больших по размерам зерен ведет к ухудшению качества обрабатываемой поверхности, а присутствие мелких зерен в крупных классах значительно снижает производительность при обработке. Размерность основной фракции зерен порошка, как правило, охватывает два соседних класса.

Размерность алмазных порошков обычно определяется под оптическим микроскопом, а для частиц менее 1 мкм - под электронным микроскопом. В последнее время для определения размеров частиц и их подсчета применяется фотоэлектронный прибор "Кассело", позволяющий производить эту работу быстрее, чем на других приборах.

Размером зерна в алмазных порошках считается половина суммы длины и ширины проекции алмазного зерна на предметное стекло микроскопа. В соответствии с этим размеры зерен определяются но двум наибольшим по величине взаимно перпендикулярным осям, которые могут быть условно проведены на площади проекции зерна (с учетом выступов). Размер большой оси принимается за длину, меньшей - за ширину зерна.

Алмазные порошки незаменимы при обработке сверхминиатюрных деталей, таких, как часовые камни из рубина, подшипники из топаза, берилла и сапфира, твердость которых приближается к твердости корунда. Только применение алмазных порошков обеспечивает высокую чистоту обрабатываемых микроповерхностей, от чего зависит точность работы микродеталей в аппаратах и приборах. Поэтому создание алмазной промышленности, рост производства и потребления порошков из природных и особенно синтетических алмазов оказали очень большое влияние на дальнейшее развитие часовой промышленности, точного приборостроения, электроники и др.