Свойства на естествените диаманти и тяхната обработка
Свойства на естествените диаманти и тяхната обработка.
Свойствата на естествените диаманти привличат човечеството от хиляди години. Някои от свойствата на диамантите са толкова уникални, че дори и сега са ценени по целия свят. Най-ценният прозрачен диамант. Красотата на фасетирания диамант (брилянт) е несравнима с нищо друго. Наред с качествата на скъпоценните камъни, техническите характеристики на диамантите също са от голяма стойност.
Свойствата на диамантите са многостранни, като самия диамант. Нека разгледаме накратко основните физични и оптични свойства на диаманта. Това е най-твърдият естествен скъпоценен камък; полиран само с диамантен прах; в чист вид е безцветен, водопрозрачен, със силна игра на цветовете [31].
Твърдостта е основното свойство на диамантите, забелязано е от древни времена. Уникалността на този минерал е отразена в самото име: "адамас" на гръцки означава "неразрушим", "неустоим".
Тази кристална форма на въглерод се отличава с най-високата (10) твърдост и никой друг минерал не може да остави драскотина върху нея [23], абсолютната твърдост е 1000 пъти по-висока от твърдостта на кварца и 150 пъти твърдостта на корунда [40, 70]. Това свойство на диамантите се използва широко в индустрията и в ежедневието. Производството на оборудване, базирано на това свойство, увеличава многократно експлоатационния живот на инструмента [41].
От голямо практическо значение е много ниският коефициент на триене на диаманта срещу метал във въздуха - само 0,1, което е свързано с образуването на тънки филми от адсорбиран газ върху кристалната повърхност, които играят ролята на своеобразна смазка. Когато не се образуват такива филми, коефициентът на триене се увеличава и достига 0,5-0,55. Ниският коефициент на триене води до изключителна устойчивост на абразия на диаманта, която надвишава тази на корунда с 90пъти, а други абразивни материали - стотици и хиляди пъти. В резултат на това при шлайфане на продукти от твърди сплави диамантеният прах се изразходва 600–3000 пъти по-малко от всеки друг абразив [31, 74].
Диамантът също така се характеризира с най-високия (в сравнение с всички естествени материали) модул на еластичност и най-нисък коефициент на компресия.
Плътност. 3,5-3,52. почивка. конхоидална.
Химичен състав. Безцветните разновидности на диаманта са чист въглерод. Но има цветни и непрозрачни диаманти, те съдържат примеси от силициев диоксид (SiO2), магнезиев оксид (MgO), калциев оксид (CaO), железен оксид (FeO), железен оксид (Fe2O3), алуминиев оксид (A12O3), титанов оксид (TiO2); графит и други минерали се срещат като включвания [47].
Цвят. Диамантите са безцветни, прозрачни за вода или жълтеникави, а също така могат да имат кафеникав, зеленикав цвят [55]. По-рядко се срещат сини, сиви, сини, розови диаманти. Има дори черни диаманти (Приложение 2). Защо диамантът е оцветен не е напълно ясно. Вероятно промените, несъвършенствата в кристалната структура на някои кристали са „виновни“ за това [25]. Те могат да бъдат свързани с въвеждането на "чужди" атоми в кристалната структура, като азот или никел, или могат да бъдат причинени от "счупвания" на кристалната решетка под действието на радиация [23, 36].
Прозрачност. Прозрачно, облачно.
Формата на кристалите. Диамантите образуват кубични кристали: октаедри, кубове, додекаедри (тетраедри), ромбододекаедри. Има близнаци на натрупване; кристалите понякога се характеризират с ецващи фигури, засенчване, изкривяване на лицата; наблюдават се неправилни, изкривени кристали [20, 23, 70]. Кристалите често имат заоблени лица [25]. Размерите на диамантените кристали варират от фракциимилиметри до десетки сантиметри. Най-големият известен диамант Cullinan е открит в Южна Африка през 1905 г., масата му е 3106 карата (Приложение 3, 4).
Кристална структура. Гранецентрирана кубична решетка; всеки атом е заобиколен от четири други, подредени в тетраедър.
Деколте. Перфектен в октаедър (111), крехък.
топлинни свойства. Точката на топене на диаманта е 3700-4000ºC. Във въздуха диамантът гори при 850-1000ºC, а в струя чист кислород той гори със слаб син пламък при 720-800ºC, като в крайна сметка напълно се превръща във въглероден диоксид [42] . При нагряване до 2000–3000°C без въздух диамантът се превръща в графит [70].
Този уникален минерал има изключително висока топлопроводимост: топлопроводимостта на някои диаманти при стайна температура е 4 пъти по-висока от тази на медта; неговите средни стойности при 180 (W / mK), което определя бързото отстраняване на топлината, което възниква по време на обработката на части с инструмент, изработен от него. В допълнение, диамантът се характеризира с нисък температурен коефициент на линейно разширение (по-нисък от този на твърдите сплави и стоманата). Това свойство на диаманта се взема предвид, когато той се поставя в рамка, изработена от различни метали и други материали.
Оптични свойства. Средният индекс на пречупване на безцветни диамантени кристали в жълто е приблизително 2.417, а за различните цветове на спектъра варира от 2.402 (за червено) до 2.465 (за виолетово). Индексът на пречупване в рамките на един кристал може да бъде различен; средната му стойност за естествени диаманти е 2.4165, за синтетични диаманти 2.4199 (за октаедричен кристал). Тези диаманти обикновено са сини на цвят. Те са високо ценени и изключително редки [15, 45].
Диамантът има "игра" -най-зрелищното свойство: разделя бялата светлина на най-ярките спектрално чисти искри, трептящи и разпръскващи се около фасетираното ядро. Това свойство на диаманта се дължи на факта, че индексът му на пречупване рязко се различава за лъчите на видимата светлина с различна дължина на вълната. Той разлага белия лъч, подобно на оптична призма, на ветрилообразни лъчи от всички цветове на спектъра [30, 34].
Способността на кристалите да разлагат белия цвят на отделни компоненти се нарича дисперсия. За диаманта дисперсията е 0,044-0,063. Както коефициентът на пречупване, така и дисперсията на диаманта далеч надхвърлят тези на всички други естествени прозрачни вещества, което в комбинация с твърдостта прави диамантите ненадминати като скъпоценни камъни. Високото пречупване, съчетано с изключително силна дисперсия, причинява характерния блясък на полиран диамант, наречен диамант [28, 33, 34].
Едно от най-важните свойства на диамантите е луминесценцията. Под действието на видимата светлина и особено на катодните, ултравиолетовите и рентгеновите лъчи, диамантите започват да луминесцират - светят в различни цветове. Рентгеновата луминесценция се използва широко в практиката за извличане на диаманти от природата: диамантите се отделят от скалата домакин с помощта на рентгенови лъчи в преработвателни предприятия [23].
Магнитни свойства. Диамантът принадлежи към немагнитните минерали, но някои от техните разновидности имат слаби парамагнитни свойства, които се свързват главно с наличието на азотни примеси. Понякога магнитните свойства се придават на диамантите чрез механични включвания в тях на магнитни минерали - магнетит и илменит. Това трябва да се вземе предвид при извличането на диаманти от скалата, тъй като по време на магнитното разделяне диамантите ще попаднат в магнитната фракция и могат да бъдат пропуснати.
електрически свойства. Диамантът принадлежи към изолаторите: неговото електрическо съпротивление е много високо. Някои кристали обаче имат ниско съпротивление и имат полупроводникови свойства. Електрическото съпротивление на диаманти (полупроводници) е 1 - 10 Ohm/cm, други диаманти - до 1010 Ohm/cm.
Други имоти. Диамантът е много стабилен минерал. Не се влияе от най-силните киселини и техните смеси (солна, сярна, азотна, флуороводородна, "царска вода"), дори доведени до точка на кипене. Не реагира и с алкали [24, 41].
Диамантът обаче лесно се окислява и изгаря в смес от сода с разтопен натриев или калиев нитрат. На прах той изгаря върху платинена тел, за да образува въглероден диоксид (CO2).
Разтопените алкални карбонати при 1000-1200ºC също окисляват диаманта. При нагряване до 800 ° C в присъствието на желязо или сплави на негова основа, диамантът се разтваря, така че диамантените фрези не се използват при обработката на стомана и чугун [30].
Диамантът с чиста повърхност е хидрофобен, т.е. не се намокря от вода. Благодарение на това свойство той може да проникне през влажни слоеве от чакълесто-пясъчни отлагания и да се концентрира заедно с минерали с много по-висока плътност - гранати, илменити [45]. Последните се наричат диамантени придружаващи минерали и обикновено се използват при геоложкото проучване на диамантени находища [1, 12].
Понякога се използва необичаен метод за извличане на диаманти от натрошени диамантени скали. В същото време диамантите са в състояние да се придържат към определени видове мазнини, на които се основават някои методи.
Тъй като диамантите са най-твърдите минерали на Земята (няма подобни минерали), обработката им е много трудна и отнема много време. Особено товасе отнася до шлифоването на скъпоценни диаманти.
В природата диамантите имат форма на куб, четири-, осем- и декаедри [15]. Често естествените кристали са удължени, удължени или сплескани, така че диамантите се шлифоват, за да им се придаде вид на „стока“ в бижутата. Един шлифован диамант става диамант. Има няколко вида диамантено рязане и няма консенсус кой е по-добър [14, 28]. През 1919 г. българският математик Марсел Толковски щателно изчислява оптималните пропорции на брилянтна шлифовка, при която светлината, влизаща в камъка през короната, се отразява напълно от 57-те фасети на леглото според закона за пълното вътрешно отражение и излиза обратно. Това създава ярък блясък и "игра" на светлина [5, 8].
Големите индийски диаманти са световноизвестни - "Регент", "Орлов", "Шах", "Великият Могол" и др. (Приложение 3, 4). Известният диамант Kohinoor (в превод „Планината на светлината“; сега това, което остава от камъка в резултат на многобройни разфасовки, украсява короната на британския монарх). Най-големият диамант - "Кулинан" - е намерен в Трансваал през 1905 г. и тежи 3106 карата [41, 57]. Каратът е мярка за тегло, използвана за диаманти, равна на 0,2 g [32]. Масата на всеки добит диамант обикновено е 0,1-1 карата, големи кристали (над 100 карата) са редки [5, 28].
При обработката на диаманта се разграничават следните операции: разцепване или рязане, обелване, шлайфане и полиране [56].
Равнините на разцепване на диаманта са ориентирани изключително по дължината на октаедъра, което направи възможно ръчното разделяне на големи диаманти по протежение на разцепването. Преди това майсторите правеха това с нож, леко почуквайки върху него. Въпреки че техниката на разцепване беше добре усвоена, тя често водеше до раздробяване на камъка: не винаги беше възможно да се разпознаят вътрешни напрежения и скрити пукнатини.в кристал. Следователно в началото на ХХ век. от цепене на диаманти те преминаха към рязане.
Най-големият скъпоценен диамант, намиран някога, Кулинан, беше с размерите на юмрук. През 1908 г. той е разделен в компанията Asscher (Амстердам) първо на три парчета, а след това на много повече парчета, така че накрая, след шлифоване, се получават 9 големи и 96 малки диаманта [56, 71].
Особено предимство на рязане на диаманти преди разцепване е, че позволява по-икономично използване на оригиналния кристал по отношение на добив на материал за рязане.
Например, октаедрите се изрязват по средната равнина или малко над нея, което води до детайл, който е удобен за брилянтно рязане. Отрязаната повърхност представлява бъдещата платформа на диаманта. В резултат на това загубата на тегло при обработката на камъка намалява.
Диамантен трион (диаметърът му е 5-7 cm) е изработен от мед, бронз или други сплави и е подсилен с диамантен микропрах, има дебелина само около 0,05 mm и се върти със скорост най-малко 5000 rpm. Диамантът се държи в приспособление, подобно на менгеме. Процесът на рязане отнема много време: един карат (диамант с тегло 1 карат, т.е. 6-7 mm в диаметър) се реже от 5 до 8 часа [56, 67].
При следващата операция, която се нарича струговане, диамантът придобива общата форма на диамант.
При струговане единият диамант се фиксира на малка машина като струг, а другият в ръчен държач. Те са леко притиснати един към друг по такъв начин, че взаимното им триене води до заобляне на ръбовете на кристалите в съответствие с двойната конична форма на диаманта. Диамантите, които не могат да бъдат изрязани на брилянти, се шлифоват върху диск, оформен с диамантен прах.
Шлайфане и рязанеДиамантът е възможен само с диамант и то само защото твърдостта на диаманта върху различните страни на кристала и в различни посоки не е еднаква. Беше необходимо много подробно проучване на тези разлики в твърдостта, за да се използват при шлайфане и рязане на диаманти. В съответствие със статистическата концепция за вероятност, диамантеният прах трябва винаги да съдържа особено остри частици, което прави възможно шлайфането на по-малко твърди диамантени кристални повърхности. Минералите с еднаква твърдост не се надраскат и не се смилат един друг [24].
Техниката на полиране и рязане на диамант изисква много опит. На бързо (със скорост 2000-3000 об / мин) въртящ се стоманен диск, карикатурен с диамантена паста (смес от диамантен прах с масло или изсушаващо масло), диамантът, фиксиран в скоба (която носи старото холандско име "dop"), придобива фасетиран разрез.
Преди прилагането на всички фасети и настройката на всеки ъгъл се контролираше само с око, под лупа, без използването на каквито и да е измервателни уреди. Размерът на най-малкия от така полираните диаманти с пълна брилянтна шлифовка, имащ 56 фасети и платформа, е 2,5 мм (15 броя на карат). Загубата на тегло при смилане и фасетиране е 50-60%.
При обработката на Cullinan те достигат 65% [57]. На същия диск, само че на друга писта, все още покрита с рохкав диамантен прах, се извършва последната операция - полиране на диаманта. Едва след това диамантът започва да "свири" и може да се използва в производството на бижута [64, 65].