11.3.1 Natural Diamond
Natural diamond vokser overvejende i en oktaedrisk form, der giver flere skarpe punkter, der er optimale til enkeltpunkts diamantværktøjer. Det forekommer også i en lang stenform, skabt af den delvise opløsning af den oktaedriske form, der bruges i påklædningsværktøjer som f.eks Fliesen prisblad udviklet af Ernst vinter & Søn. Lange stenformer fremstilles også ved knusning og kuglefræsning af diamantfragmenter. Knusning og fræsning introducerer fejl, der reducerer styrke og levetid betydeligt. (Se Fig. 11.3.)
figur 11.3. Typiske diamantkornsformer, morfologier og belægninger.-
Tvillede diamantsten kaldet maacles forekommer også regelmæssigt i naturen. Disse er typisk trekantede i form. Venskabsområdet ned i midten af trekanten er den mest slidstærke overflade, der er kendt. Maacles bruges til slibning af mejsler såvel som til forstærkninger i de mest krævende formrulleapplikationer.
naturlige diamantslibekorn stammer fra krystaller, der anses for uegnede til smykker, har fejl, indeslutninger og defekter. Før brug knuses diamanten og filtreres gennem en række maskenet. De opnåede fragmenter har tilfældige former, skarpe skærekanter og høj styrke eller lav sprødhed. De er bundet til metal eller galvaniserede bindinger. Den karakteristiske gule farve skyldes nitrogenatomer spredt i gitteret. Den blokerede form af syntetisk monokrystallinsk diamant står i kontrast til den meget uregelmæssige form af naturlig diamantkorn genereret ved knusning.
naturlige diamanter blev udvundet i Indien fra 800 f.kr. Kemisk er diamant en allotropisk form for kulstof i et kubisk system med urenheder af SiO2, MgO, FeO, Fe2O3, Al2O3, TiO2, grafit osv. I luften, diamant begynder oxiderende ved 800°C 900°C (Til 1.500°C−1,700°F) og graphitizes på 1.000°C− 1,100°C (1,900°C–2,000°F). Diamant er resistent over for syrer og baser, men opløses i smeltet soda nitre. Diamant har en høj varmeledningsevne (2.092 vægt m−1 liter K−1) og en lav elektrisk ledningsevne.
formen af krystallerne kan være oktaedrisk, dodecahedral eller sekskantet. Diamant har meget god spaltning parallelt med retningen af oktaedronfladerne.
diamanter kan bruges som uslebne diamanter, slebne og polerede diamanter og diamanter til boreværktøjer. Uslebne diamanter bruges til dressing værktøjer, skåret og poleret diamanter bruges til honing værktøjer.
Diamond har en unik plads i slibemiddelindustrien. At være det hårdest kendte materiale er det ikke kun det naturlige valg til slibning af de hårdeste og sværeste materialer, men det er også det eneste materiale, der effektivt kan sande og klæde slibeskiver. Diamant er det eneste slibemiddel, der stadig fås fra naturlige kilder. Syntetisk Diamant dominerer hjulfremstilling, men naturlig diamant foretrækkes til påklædningsværktøjer og formruller. Diamantmaterialer bruges også som slidflader til endestop og arbejdsstøtteblade på centerløse slibemaskiner. I disse typer applikationer kan diamant give 20-50 gange karbidets levetid.
diamant er skabt ved anvendelse af ekstremt høje temperaturer og tryk på grafit. Sådanne forhold forekommer naturligt i dybder på 250 km (120 miles) i jordens overflade eller i tunge meteoritpåvirkninger. Diamant udvindes fra kimberlit rør, der er resterne af små vulkanske sprækker typisk 2 til 45 meter (5 til 150 fod) i diameter, hvor magma har svulmet op i fortiden. De største producerende lande omfatter Sydafrika, Vestafrika (Angola, Sierra Leone), Sydamerika (Brasilien, Indien, Rusland (Uralbjergene) Vestaustralien og for nylig Canada. Hvert område og endda hvert enkelt rør vil producere diamanter med forskellige egenskaber. Produktionsomkostningerne er høje, i gennemsnit skal 6 millioner kg (13 millioner lbs) malm forarbejdes for at producere Pund kg (1 lb) diamanter. Meget af denne pris understøttes af efterspørgslen efter smykkehandel. Siden Anden Verdenskrig er produktionen af diamant af industriel kvalitet langt overskredet af efterspørgslen. Dette ansporede udviklingen af syntetiske diamantprogrammer, der blev indledt i slutningen af 1940 ‘erne og 1950’ erne.
den stabile form for kulstof ved stuetemperatur og tryk er grafit, der består af carbonatomer i en lagdelt struktur. Inden i laget er atomer placeret i et sekskantet arrangement med stærk sp3 kovalent binding. Imidlertid er binding mellem lagene af grafit svag. Diamant er metastabil ved stuetemperatur og tryk og har et kubisk arrangement af atomer med ren sp3covalent binding. Der er også et mellemmateriale kaldet uurtsit eller sekskantet diamant, hvor den sekskantede lagstruktur af grafit er blevet forvrænget over og under lagplanerne, men ikke helt til den fulde kubiske struktur. Materialet er ikke desto mindre næsten lige så hårdt som den kubiske form.
de vigtigste krystallografiske planer af diamant er kubik (100), dodecahedron (011) og oktaeder (111). De relative vækstrater på disse planer styres af temperatur-og trykforholdene sammen med det kemiske miljø både under vækst og i tilfælde af naturlig diamant under mulig opløsning under dens rejse til jordens overflade. Dette styrer igen stenformen og morfologien.
den direkte omdannelse af grafit til diamant kræver temperaturer på 2.200 liter C (4.000 liter F) og tryk højere end 10,35 GPa (1,5 liter 106 psi). At skabe disse forhold var den første hindring for at producere menneskeskabte diamanter. General Electric opnåede det gennem opfindelsen af en højtryks – /temperaturpakning kaldet “bæltet” og annoncerede den første syntese af diamant i 1955. Noget til deres beklagelse blev det derefter meddelt, at et svensk firma, ASEA, i hemmelighed havde lavet diamanter 2 år tidligere ved hjælp af en mere kompliceret 6-amboltpresse. Det svenske selskab, ASEA, havde ikke meddelt det faktum, fordi de søgte at fremstille ædelstene og ikke overvejede de små brune sten, de producerede kulminationen på deres program. De Beers annoncerede deres evne til at syntetisere diamanter kort efter GE i 1958.nøglen til fremstilling var opdagelsen af, at et metalopløsningsmiddel som nikkel eller kobolt kunne reducere de temperaturer og tryk, der kræves til mere håndterbare niveauer. Grafit har en højere opløselighed i nikkel end diamant, derfor opløses grafit først i nikkel, og derefter udfældes diamant. Ved højere temperaturer er nedbørshastigheden hurtigere, og antallet af nukleationssteder er større. De tidligste diamanter blev dyrket hurtigt ved høje temperaturer og havde svage, kantede former med en mosaikstruktur. Dette materiale blev frigivet af General Electric under handelsnavnet RVG Kurt for harpiks forglasede slibeskiver. De fleste af de tidlige patenter på diamantsyntese er nu udløbet, og konkurrence fra nye økonomier har drevet prisen ned til så lavt som $880 pr.) selvom kvalitet og konsistens fra nogle kilder er tvivlsom.
Ved at kontrollere vækstbetingelser, især tid og nukleationstæthed, er det muligt at dyrke sten af meget højere kvalitet med veldefinerede krystalformer: kubisk ved lav temperatur, cubo-oktaedrisk ved mellemtemperaturer og oktaedrisk ved de højeste temperaturer.
den karakteristiske form af natursten af god kvalitet er oktaedrisk, men den hårdeste stenform er cubo-oktaedrisk. I modsætning til i naturen kan dette dyrkes konsekvent ved manipulation af synteseprocessen. Dette har ført til en række syntetiske diamantkvaliteter, der er kendetegnet ved MBG-serien fra GE og PremaDia-serien fra De Beers, som er de valgte slibemidler til sav, der bruges i sten-og byggebranchen, og hjul til slibning af glas.
slibemiddelets kvalitet og pris styres af formens konsistens og også af niveauet af indesluttet opløsningsmiddel i stenene. Da det meste af det blokeste slibemiddel anvendes i metalbindinger behandlet ved høje temperaturer, kan den differentielle termiske udvidelse af metalindeslutninger i Diamanten føre til reduceret styrke eller endda brud. Andre applikationer kræver svagere phenol-eller polyamidharpiksbindinger behandlet ved meget lavere temperaturer og bruger mere kantede, mindre termisk stabile diamanter. Kornproducenter karakteriserer derfor deres fulde sortiment af diamantkvaliteter efter sejhed ved stuetemperatur (TI), termisk sejhed efter opvarmning ved for eksempel 1.000 liter C (1.800 liter F) (TTI) og form (blokeret, skarp eller mosaik). I mellemklassen omfatter skarpe kvaliteter knuste naturlige såvel som syntetiske materialer.
Diamantbelægninger er almindelige. Et sortiment omfatter tykke lag eller beklædninger af galvaniseret nikkel, elektronløs Ni-P og kobber eller sølv på op til 60% vægt. Belægningerne fungerer som kølelegemer, samtidig med at de øger bindingsstyrken og forhindrer slibende fragmenter i at undslippe. Galvaniseret nikkel producerer for eksempel en spiky overflade, der giver et fremragende anker til phenolbindinger, når de slibes vådt. Kobber – og sølvbindinger bruges mere til tørslibning, især med polyamidbindinger, hvor den højere varmeledningsevne opvejer belægningens lavere styrke.
belægning kan også påføres på mikron niveau enten som et befugtningsmiddel eller som et passivt lag for at reducere diamantreaktivitet med den særlige binding. Titanium er belagt på diamanter, der anvendes i nikkel, kobolt, eller jernbaserede bindinger for at begrænse grafitisering af diamanten, mens befugtning af diamantoverfladen. Chrom er belagt på diamanter, der anvendes i bronsbaserede bindinger for at forbedre kemisk binding og reaktivitet af diamant-og bindingsbestanddelene.
for galvaniserede bindinger er diamanterne syreætset for at fjerne eventuelle overfladeknuder af metalopløsningsmiddel, der ville fordreje det elektriske potentiale på hjuloverfladen, hvilket fører til ujævn nikkelbelægning eller endda knudedannelse. Ætsning skaber også en lidt grovere overflade for at hjælpe mekanisk binding.
siden 1960 er der udviklet flere andre metoder til dyrkning af diamant. I 1970 lancerede DuPont et polykrystallinsk materiale produceret af den pludselige varme og tryk fra et eksplosivt stød (se Fig. 11.4). Materialet var af natur og producerede hovedsageligt mikronstørrelsespartikler, der var mere egnede til lapping og polering end til slibning.
figur 11.4. DuPont mypoleks model polykrystallinsk diamant produceret af eksplosivt chok.