Natürlicher Diamant

11.3.1 Natürlicher Diamant

Zwillingsdiamantsteine, sogenannte Maacles, kommen auch regelmäßig in der Natur vor. Diese sind typischerweise dreieckig. Die Zwillingszone in der Mitte des Dreiecks ist die verschleißfesteste bekannte Oberfläche. Maas wird zum Schärfen von Meißeln sowie für Verstärkungen in den anspruchsvollsten Formwalzenanwendungen verwendet.

Natürliche Diamantschleifkörner stammen von Kristallen, die für Schmuck ungeeignet sind und Fehler, Einschlüsse und Defekte aufweisen. Vor dem Gebrauch wird der Diamant zerkleinert und durch eine Reihe von Maschennetzen gefiltert. Die erhaltenen Fragmente haben zufällige Formen, scharfe Schneidkanten und eine hohe Festigkeit oder geringe Brüchigkeit. Sie werden in Metall- oder galvanische Bindungen gebunden. Die charakteristische gelbe Farbe ist auf im Gitter dispergierte Stickstoffatome zurückzuführen. Die blockartige Form von synthetischem monokristallinem Diamant steht im Gegensatz zu der stark unregelmäßigen Form von natürlichem Diamantkorn, das durch Zerkleinern erzeugt wird.

Natürliche Diamanten wurden in Indien ab 800 v. Chr. Chemisch gesehen ist Diamant eine allotrope Form von Kohlenstoff in einem kubischen System mit Verunreinigungen von SiO2, MgO, FeO, Fe2O3, Al2O3, TiO2, Graphit usw. In der Luft beginnt Diamant bei 800 ° C–900 ° C (1.500 ° C−1.700 ° F) zu oxidieren und graphitiert bei 1.000 ° C− 1.100 ° C (1.900 ° C–2.000 ° F). Diamant ist beständig gegen Säuren und Basen, löst sich jedoch in geschmolzenem Natronsalpeter. Diamant hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit (2.092 W m−1 ° K−1) und eine geringe elektrische Leitfähigkeit.

Die Form der Kristalle kann oktaedrisch, dodekaedrisch oder hexaedrisch sein. Diamant hat eine sehr gute Spaltung parallel zur Richtung der Oktaederflächen.

Diamanten können als Rohdiamanten, geschliffene und polierte Diamanten und Diamanten für Bohrwerkzeuge verwendet werden. Rohdiamanten werden zum Abrichten von Werkzeugen verwendet, geschliffene und polierte Diamanten werden zum Honen von Werkzeugen verwendet.

Diamant nimmt in der Schleifmittelindustrie einen einzigartigen Platz ein. Als härtestes bekanntes Material ist es nicht nur die natürliche Wahl zum Schleifen der härtesten und schwierigsten Materialien, sondern auch das einzige Material, das Schleifscheiben effektiv schleifen und abrichten kann. Diamant ist das einzige Schleifmittel, das noch aus natürlichen Quellen gewonnen wird. Synthetischer Diamant dominiert die Radherstellung, aber natürlicher Diamant wird für Abrichtwerkzeuge und Formwalzen bevorzugt. Diamantwerkstoffe werden auch als Verschleißflächen für Endanschläge und Werkstückauflageblätter auf spitzenlosen Schleifmaschinen verwendet. In diesen Arten von Anwendungen kann Diamant 20-50 mal das Leben des Karbids geben.

Diamant entsteht durch die Anwendung von extrem hohen Temperaturen und Druck auf Graphit. Solche Bedingungen treten natürlich in Tiefen von 250 km (120 Meilen) im oberen Mantel der Erdoberfläche oder bei schweren Meteoriteneinschlägen auf. Diamant wird aus Kimberlitrohren abgebaut, die der Überrest kleiner vulkanischer Risse sind, die typischerweise einen Durchmesser von 2 bis 45 Metern (5 bis 150 Fuß) haben und in denen in der Vergangenheit Magma aufgequollen ist. Zu den wichtigsten Produktionsländern gehören Südafrika, Westafrika (Angola, Tansania, Zaire, Sierra Leone), Südamerika (Brasilien, Venezuela), Indien, Russland (Ural), Westaustralien und kürzlich Kanada. Jeder Bereich und sogar jedes einzelne Rohr wird Diamanten mit unterschiedlichen Eigenschaften produzieren. Die Produktionskosten sind hoch, im Durchschnitt müssen 6 Millionen kg (13 Millionen Pfund) Erz verarbeitet werden, um ½ kg (1 Pfund) Diamanten herzustellen. Ein Großteil dieser Kosten wird durch die Nachfrage nach dem Schmuckhandel getragen. Seit dem Zweiten Weltkrieg wurde die Produktion von Industriediamanten von der Nachfrage weit übertroffen. Dies spornte die Entwicklung synthetischer Diamantprogramme an, die in den späten 1940er und 1950er Jahren eingeleitet wurden.

Die stabile Form von Kohlenstoff bei Raumtemperatur und Druck ist Graphit, der aus Kohlenstoffatomen in einer Schichtstruktur besteht. Innerhalb der Schicht sind Atome in einer hexagonalen Anordnung mit starker sp3-kovalenter Bindung angeordnet. Die Bindung zwischen den Graphitschichten ist jedoch schwach. Diamant ist bei Raumtemperatur und Druck metastabil und hat eine kubische Anordnung von Atomen mit reiner sp3kovalenter Bindung. Es gibt auch ein Zwischenmaterial namens Wurtzit oder hexagonaler Diamant, bei dem die hexagonale Schichtstruktur von Graphit oberhalb und unterhalb der Schichtebenen verzerrt wurde, jedoch nicht ganz zur vollen kubischen Struktur. Das Material ist dennoch fast so hart wie die kubische Form.

Die wichtigsten kristallographischen Ebenen von Diamant sind kubisch (100), Dodekaeder (011) und Oktaeder (111). Die relativen Wachstumsraten auf diesen Ebenen werden durch die Temperatur- und Druckbedingungen sowie die chemische Umgebung sowohl während des Wachstums als auch im Fall von natürlichem Diamant während einer möglichen Auflösung während seiner Reise zur Erdoberfläche bestimmt. Dies wiederum regelt die Steinform und Morphologie.Die direkte Umwandlung von Graphit in Diamant erfordert Temperaturen von 2.200 ° C (4.000 ° F) und Drücke von mehr als 10,35 GPa (1,5 × 106 psi). Die Schaffung dieser Bedingungen war die erste Hürde für die Herstellung von künstlichen Diamanten. General Electric erreichte dies durch die Erfindung einer Hochdruck- / Temperaturdichtung namens „Gürtel“ und kündigte 1955 die erste Synthese von Diamant an. Etwas zu ihrem Leidwesen wurde dann bekannt, dass eine schwedische Firma, ASEA, 2 Jahre zuvor heimlich Diamanten mit einer komplizierteren 6-Amboss-Presse hergestellt hatte. Die schwedische Firma ASEA hatte dies nicht angekündigt, weil sie Edelsteine herstellen wollte und die kleinen braunen Steine, die sie produzierten, nicht als Höhepunkt ihres Programms betrachtete. De Beers kündigte ihre Fähigkeit an, Diamanten kurz nach GE im Jahr 1958 zu synthetisieren.Der Schlüssel zur Herstellung war die Entdeckung, dass ein Metalllösungsmittel wie Nickel oder Kobalt die erforderlichen Temperaturen und Drücke auf ein überschaubareres Niveau senken konnte. Graphit hat eine höhere Löslichkeit in Nickel als Diamant, daher löst sich Graphit zuerst im Nickel und dann fällt Diamant aus. Bei höheren Temperaturen ist die Niederschlagsrate schneller und die Anzahl der Keimbildungsstellen größer. Die frühesten Diamanten wuchsen schnell bei hohen Temperaturen und hatten schwache, eckige Formen mit einer Mosaikstruktur. Dieses Material wurde von General Electric unter dem Handelsnamen RVG® für harzverglaste Schleifscheiben veröffentlicht. Die meisten frühen Patente auf die Diamantsynthese sind inzwischen abgelaufen, und die Konkurrenz aus Schwellenländern hat den Preis auf nur noch 880 USD pro kg (400 USD / Pfund) gesenkt.) obwohl Qualität und Konsistenz aus einigen Quellen fraglich ist.

Durch die Kontrolle der Wachstumsbedingungen, insbesondere der Zeit und der Keimbildungsdichte, ist es möglich, Steine von viel höherer Qualität mit genau definierten Kristallformen zu züchten: kubisch bei niedrigen Temperaturen, kubisch-oktaedrisch bei mittleren Temperaturen und oktaedrisch bei höchsten Temperaturen.

Die charakteristische Form von Natursteinen guter Qualität ist oktaedrisch, aber die härteste Steinform ist kubisch-oktaedrisch. Anders als in der Natur kann dies durch Manipulation des Syntheseprozesses konsequent angebaut werden. Dies hat zu einer Reihe von synthetischen Diamantsorten geführt, die durch die MBG®-Serie von GE und die PremaDia®-Serie von de Beers gekennzeichnet sind, die die Schleifmittel der Wahl für Sägen in der Stein- und Bauindustrie sowie für Scheiben zum Schleifen von Glas sind.

Qualität und Preis des Schleifmittels werden durch die Konsistenz der Form und auch durch den Gehalt an eingeschlossenem Lösungsmittel in den Steinen bestimmt. Da der größte Teil des blockigsten Schleifmittels in Metallbindungen verwendet wird, die bei hohen Temperaturen verarbeitet werden, kann die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Metalleinschlüssen im Diamanten zu einer verringerten Festigkeit oder sogar zu einem Bruch führen. Andere Anwendungen erfordern schwächere Phenol- oder Polyamidharzbindungen, die bei viel niedrigeren Temperaturen verarbeitet werden, und verwenden eckigere, weniger thermisch stabile Diamanten. Grit Hersteller charakterisieren daher ihre gesamte Palette von Diamantsorten durch Raumtemperatur Zähigkeit (TI), thermische Zähigkeit nach dem Erhitzen auf beispielsweise 1.000 ° C (1.800 ° F) (TTI) und Form (blockig, scharf oder Mosaik). Im mittleren Bereich umfassen scharfe Sorten sowohl zerkleinerte natürliche als auch synthetische Materialien.

Diamantbeschichtungen sind üblich. Ein Bereich umfasst dicke Schichten oder Ummantelungen aus galvanisiertem Nickel, elektronenlosem Ni-P und Kupfer oder Silber mit bis zu 60 Gew.-%. Die Beschichtungen wirken als Kühlkörper, erhöhen gleichzeitig die Haftfestigkeit und verhindern, dass abrasive Bruchstücke austreten. Galvanisiertes Nickel erzeugt beispielsweise eine stachelige Oberfläche, die beim Nassschleifen einen hervorragenden Anker für phenolische Bindungen darstellt. Kupfer- und Silberbindungen werden mehr für das Trockenschleifen verwendet, insbesondere bei Polyamidbindungen, bei denen die höhere Wärmeleitfähigkeit die geringere Festigkeit der Beschichtung überwiegt.

Die Beschichtung kann auch auf Mikrometerebene entweder als Netzmittel oder als Passivschicht aufgebracht werden, um die Diamantreaktivität mit der jeweiligen Bindung zu verringern. Titan wird auf Diamanten beschichtet, die in Nickel-, Kobalt- oder eisenbasierten Bindungen verwendet werden, um die Graphitisierung des Diamanten zu begrenzen, während die Diamantoberfläche benetzt wird. Chrom wird auf Diamanten beschichtet, die in Bronze-basierten Bindungen verwendet werden, um die chemische Bindung und Reaktivität der Diamant- und Bindungsbestandteile zu verbessern.

Bei galvanischen Bindungen werden die Diamanten säuregeätzt, um alle Oberflächenknoten von Metalllösungsmittel zu entfernen, die das elektrische Potential der Beschichtung auf der Radoberfläche verzerren würden, was zu einer ungleichmäßigen Vernickelung oder sogar Knötchenbildung führen würde. Das Ätzen erzeugt auch eine etwas rauere Oberfläche, um die mechanische Bindung zu unterstützen.