Навигация
Свойства природных алмазов и их обработка
103283
знака
0
таблиц
0
изображений
1.3. Свойства природных алмазов и их обработка.
Свойства природных алмазов привлекали человечество на протяжении тысячелетий. Некоторые из свойств алмазов настолько уникальны, что и сейчас они ценятся во всём мире. Наиболее ценится прозрачный алмаз. Красота ограненного алмаза (бриллианта) несравнима ни с чем. Наравне с ювелирными качествами большую ценность имеют и технические характеристики алмазов.
Свойства алмазов многогранны, как и сам алмаз. Кратко рассмотрим основные физические и оптические свойства алмаза. Это самый твердый из естественных драгоценных камней; шлифуется лишь алмазным порошком; в чистом виде бесцветный, водяно-прозрачный, с сильной игрой цветов [31].
Твёрдость является основным свойством алмазов, она замечена ещё в древние времена. Уникальность данного минерала отражена в самом названии: «адамас» по-гречески означает «несокрушимый», «непреодолимый».
Эта кристаллическая форма углерода отличается высочайшей (10) твёрдостью, и никакой другой минерал не может оставить на нём царапину [23], абсолютная твердость в 1000 раз превышает твердость кварца и в 150 раз – твердость корунда [40, 70]. Это свойство алмазов широко используется в промышленности и в быту. Изготовление оборудования, основанное на этом свойстве, увеличивает срок работы инструмента во много раз [41].
Важное практическое значение имеет очень низкий коэффициент трения алмаза по металлу на воздухе – всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких пленок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие пленки не образуется, коэффициент трения возрастает и достигает 0,5-0,55. Низкий коэффициент трения обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание, которая превышает износостойкость корунда в 90 раз, а других абразивных материалов – в сотни и тысячи раз. В результате при шлифовании изделий из твердых сплавов алмазного порошка расходуется в 600-3000 раз меньше, чем любого другого абразива [31, 74].
Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению со всеми известными в природе материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия.
Плотность. 3,5–3,52. Излом. Раковистый.
Химический состав. Бесцветные разности алмаза представляют собой чистый углерод. Но есть окрашенные и непрозрачные алмазы, они содержат примеси двуокиси кремния (SiO2), окиси магния (MgO), окиси кальция (СаО), закиси железа (FeO), окиси железа (Fe2O3), окиси алюминия (А12О3), окиси титана (ТiO2); в виде включений встречаются графит и другие минералы [47].
Цвет. Алмазы бывают бесцветными, водянопрозрачными или желтоватыми, а также могут иметь буроватую, зеленоватую окраску [55]. Реже встречаются голубые, серые, синие, розовые алмазы. Бывают даже чёрные алмазы (Приложение 2). Почему окрашивается алмаз, до конца не ясно. Вероятно, в этом «виноваты» изменения, несовершенства кристаллической структуры некоторых кристаллов [25]. Они могут быть связаны с внедрением в кристаллическую структуру «чуждых» атомов, например азота или никеля, а могут вызываться «поломками» кристаллической решётки под действием радиации [23, 36].
Блеск. Алмазный.
Прозрачность. Прозрачный, мутный.
Сингония. Кубическая.
Форма кристаллов. Алмазы образуют кристаллы кубической сингонии: октаэдры, кубы, додекаэдры (тетраэдры), ромбододекаэдры. Встречаются двойники срастания; кристаллы иногда характеризуются фигурами травления, штриховкой, искривлением граней, наблюдаются неправильные, искажённые кристаллы [20, 23, 70]. Кристаллы часто с округлыми гранями [25]. Размеры кристаллов алмазов варьируются от долей миллиметра до десятков сантиметров. Самый крупный известный алмаз «Куллинан» был найден в Южной Африке в 1905 г., его масса составляля 3106 карат (Приложение 3, 4).
Кристаллическая структура. Гранецентрированная решётка куба; каждый атом окружен четырьмя другими, расположенными по тетраэдру.
Спайность. Совершенная по октаэдру (111), хрупкий.
Термические свойства. Температура плавления алмаза составляет 3700-4000ºС. На воздухе алмаз сгорает при 850-1000ºС, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720-800ºС, полностью превращаясь, в конечном счёте, в углекислый газ [42] . При нагреве до 2000-3000ºС без доступа воздуха алмаз переходит в графит [70].
Этот уникальный минерал обладает исключительно высокой теплопроводностью: теплопроводность некоторых алмазов при комнатной температуре выше теплопроводности меди в 4 раза; средние её значения при 180 (Вт/мК), что обусловливает быстрый отвод тепла, возникающего в процессе обработки деталей инструментом, изготовленным из него. Кроме того, для алмаза характерен низкий температурный коэффициент линейного расширения (ниже, чем у твердых сплавов и стали). Это свойство алмаза учитывается при вставке его в оправу из разных металлов и других материалов.
Оптические свойства. Средний показатель преломления бесцветных кристаллов алмаза в желтом цвете равен примерно 2,417, а для различных цветов спектра он варьирует от 2,402 (для красного) до 2,465 (для фиолетового). Показатель преломления в пределах одного кристалла может быть различен; среднее значение его для природных алмазов 2,4165, для синтетических алмазов 2,4199 (для кристалла октаэдрической формы). Эти алмазы, как правило, голубого цвета. Они очень высоко ценятся и исключительно редки [15, 45].
У алмаза «игра» – самое эффектное свойство: он дробит белый свет на ярчайшие спектрально-чистые искры, вспархивающие и веером рассыпающиеся вокруг гранёной сердцевины. Это свойство алмаза связано с тем, что показатель его преломления резко различается для лучей видимого света с разной длиной волны. Он разлагает белый луч подобно оптической призме на расходящиеся веером лучики всех цветов спектра [30, 34].
Способность кристаллов разлагать белый цвет на отдельные составляющие называется дисперсией. Для алмаза дисперсия равна 0,044-0,063. Как показатели преломления, так и дисперсия алмаза намного превышают аналогичные свойства всех других природных прозрачных веществ, что и обусловливает в сочетании с твердостью непревзойденные качества алмазов как драгоценных камней. Высокое преломление в совокупности с чрезвычайно сильной дисперсией вызывает характерный блеск отполированного алмаза, названный алмазным [28, 33, 34].
Одним из важнейших свойств алмазов является люминесценция. Под действием видимого света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают люминесцировать – светиться различными цветами. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике для извлечения алмазов из природы: на обогатительных фабриках с помощью рентгеновских лучей алмазы отделяют от вмещающей породы [23].
Магнитные свойства. Алмаз относится к немагнитным минералам, но некоторые их разновидности имеют слабые парамагнитные свойства, которые в основном связаны с присутствием примеси азота. Иногда магнитные свойства придают алмазам и механические включения в них магнитных минералов – магнетита и ильменита. Это необходимо учитывать при извлечении алмазов из породы, так как при магнитной сепарации алмазы будут попадать в магнитную фракцию и могут быть пропущены.
Электрические свойства. Алмаз относится к изоляторам: его удельное электрическое сопротивление очень велико. Некоторые кристаллы, однако, имеют низкое удельное сопротивление и обладают свойствами полупроводников. Удельное электрическое сопротивление алмазов (полупроводниковые) составляет 1 - 10 Ом/см, других алмазы – до 1010 Ом/см.
Прочие свойства. Алмаз – минерал весьма устойчивый. Он не поддается воздействию самых сильных кислот и их смесей (соляной, серной, азотной, плавиковой, «царской водки»), даже доведённых до температуры кипения. Не реагирует он и со щелочами [24, 41].
Однако алмаз легко окисляется и сгорает в смеси соды с расплавленной натриевой или калиевой селитрой. В порошке он сгорает на платиновой проволочке с образованием двуокиси углерода (СО2).
Расплавленные карбонаты щелочей при 1000-1200ºС также окисляют алмаз. При нагревании до 800ºС в присутствии железа или сплавов на его основе алмаз растворяется, поэтому алмазные резцы не применяются при обработке стали и чугуна [30].
Алмаз с чистой поверхностью гидрофобен, т.е. не смачивается водой. Из-за этого свойства он может проникать сквозь влажные слои гравийно-песчаных отложений и концентрироваться вместе с минералами значительно большей плотности – гранатами, ильменитами [45]. Последние называют минералами-спутниками алмаза и обычно используются при геологической разведке алмазных месторождений [1, 12].
Иногда для извлечения алмазов из раздробленной алмазоносной породы используется необычный способ. В то же время алмазы способны прилипать к некоторым видам жиров, на чём основаны некоторые способы
Поскольку алмазы являются самыми твёрдыми минералами на Земле (сходные минералы отсутствуют), их обработка весьма сложна и требует большого времени. Особенно это касается огранки ювелирных алмазов.
В природе алмазы имеют формы куба, четырех-, восьми- и десятигранников [15]. Часто природные кристаллы удлинены, вытянуты или уплощены, поэтому для придания им «товарного» вида в ювелирных изделиях алмазы подвергают огранке. Ограненный алмаз становится бриллиантом. Существует несколько типов огранки алмазов, и нет единого мнения, какой из них лучше [14, 28]. В 1919 г. российский математик Марсель Толковский скрупулезно рассчитал оптимальные пропорции бриллиантовой огранки, при которой свет, входящий в камень через корону, полностью отражается от 57 граней ложа по закону полного внутреннего отражения и выходит обратно. Так создается яркий блеск и «игра» света [5, 8].
Всемирно известны крупные индийские алмазы – «Регент», «Орлов», «Шах», «Великий Могол» и др. (Приложение 3, 4). Знаменитый алмаз «Кохинур» (в переводе – «Гора света»; сейчас то, что осталось от камня в результате многочисленных огранок, украшает корону британского монарха). Самый крупный алмаз – «Куллинан» – был найден в Трансваале в 1905 г. и весил 3106 карат [41, 57]. Карат – мера веса, использующаяся для алмазов, она равна 0,2 г [32]. Масса каждого добываемого алмаза обычно составляет 0,1-1 карат, крупные кристаллы (свыше 100 карат) встречаются редко [5, 28].
При обработке алмаза различаются следующие операции: раскалывание или распиловка, обдирка, шлифовка и полировка [56].
Плоскости спайности у алмаза ориентированы исключительно по октаэдру, что позволяло раскалывать крупные алмазы по спайности вручную. Прежде мастера делали это с помощью ножа, слегка постукивая по нему. Хотя техника раскалывания была хорошо освоена, все же это часто приводило к раздроблению камня: не всегда удавалось распознать внутренние напряжения и скрытые трещинки в кристалле. Поэтому на рубеже ХХ в. от раскалывания алмазов перешли к их распиловке.
Крупнейший из когда-либо найденных ювелирных алмазов, «Куллинан», был величиной с кулак. В 1908 г. его раскололи в фирме «Асшер» (Амстердам) сначала на три куска, а затем еще на много частей, так что в конце концов после огранки из него получилось 9 больших и 96 мелких бриллиантов [56, 71].
Особое преимущество распиловки алмазов перед раскалыванием состоит в том, что она позволяет более экономно использовать исходный кристалл с точки зрения выхода ограночного материала.
Например, октаэдры пилят по средней плоскости или чуть выше нее, благодаря чему получается заготовка, удобная для бриллиантовой огранки. Поверхность отпила представляет собой будущую площадку бриллианта. Вследствие этого сокращаются потери массы при обработке камня.
Диск алмазной пилы (его диаметр 5-7 см) изготовляется из меди, бронзы или других сплавов и армируется алмазным микропорошком, он имеет толщину всего около 0,05 мм и вращается со скоростью не менее 5000 об/мин. Алмаз при этом удерживается в зажимном приспособлении, напоминающем тиски. Процесс распиловки длится долго: каратник (алмаз массой в 1 кар, т.е. диаметром 6-7 мм) пилят от 5 до 8 часов [56, 67].
В ходе следующей операции, которая носит название обточки, алмаз приобретает в общих чертах форму бриллианта.
При обточке один алмаз закрепляется на небольшом станке типа токарного, а другой – в ручной державке. Они слегка прижимаются друг к другу с таким расчетом, чтобы их взаимное трение приводило к скруглению ребер кристаллов в соответствии с двойной конической формой бриллианта. Алмазы, которые не подлежат огранке в бриллианты, обтачивают на диске, шаржированном алмазным порошком.
Шлифовать и пилить алмаз можно только алмазом же и только благодаря тому, что твердость алмаза на разных гранях кристалла и в различных направлениях неодинакова. Понадобилось провести весьма детальные исследования этих различий в твердости, чтобы использовать их при шлифовке и огранке алмаза. В соответствии со статистическим понятием вероятности алмазный порошок всегда должен содержать особо острые частицы, что позволяет пришлифовывать менее твердые грани кристалла алмаза. Минералы равной твердости не царапают и не шлифуют друг друга [24].
Техника шлифовки и огранки алмаза требует очень большого опыта. На быстро (со скоростью 2000-3000 об/мин) вращающемся стальном диске, шаржированном алмазной пастой (смесью алмазного порошка с маслом или олифой), алмаз, закрепленный в зажиме (который носит старинное голландское название «доп»), приобретает фасетную огранку.
Прежде нанесение всех фасет и установка каждого угла контролировались лишь на глаз, под лупой, без применения каких-либо измерительных приборов. Размер самых мелких из отшлифованных таким образом алмазов с полной бриллиантовой огранкой, имеющей 56 фасет и площадку, 2,5 мм (15 штук на карат). Потери массы при шлифовке и огранке составляют 50-60%.
При обработке «Куллинана» они достигли 65% [57]. На том же диске, только на другой дорожке, ещё покрытой рыхлой алмазной пылью, выполняется конечная операция – полировка бриллианта. Только после этого бриллиант начинает «играть» и может быть использован при изготовлении ювелирных изделий [64, 65].
Похожие работы
... покупателем необработанных камней у производителей тот же орган является и продавцом для всех оптовых потребителей, а так же безраздельно контролирует экспорт алмазного сырья через Внешторгбанк и АК «Алмазы России - Саха». Законодательное ограничения конкуренции не способствует снижению затрат на добычу и обработку алмазов внутри страны. Сейчас идут жаркие дебаты по поводу вхождения в рыночные ...
... - Мирный, Удачное, Айхал. На Дальнем Востоке разведаны редко встречающиеся в России месторождения слюды-флогопита на территории Верхнего Алдана в Томмоте. 2. Добыча благородных металлов и алмазов 2.1 Из истории освоения Освоение Россией Дальнего Востока началось в 50-х гг. XIX в., примерно в то же время, что и районов Дальнего Запада США (1845 г.). В России первый алмаз был найден в 1829 г. ...
... относятся тигельный, элементный и электроугольный графит. Заключение Исследовав две полиморфные модификации углерода: алмаз и графит, я пришла к тому, что несмотря на одинаковый химический состав, полиморфы имеют разное строение кристаллической решетки, а следовательно и разные свойства и происхождение. Алмаз — бесцветное, прозрачное кристаллическое вещество с исключительной твердостью – ...
... найдут иное научно-технологическое применение, оставив цены на бриллианты на должном уровне. Кроме того, себестоимость добычи природных камней и производства алмазов в прессах не слишком сильно отличается, а количество пригодных для огранки искусственных камней пока и близко несопоставимо с количеством алмазов, добываемых из недр. 2.6 Химическая обработка В ювелирной промышленности широко ...
0 комментариев