Diamante natural

11.3.1 Diamante natural

Las piedras de diamante gemelas llamadas maacles también ocurren regularmente en la naturaleza. Estos son típicamente de forma triangular. La zona hermanada en el centro del triángulo es la superficie más resistente al desgaste conocida. Los maacles se utilizan para afilar cinceles, así como para refuerzos en las aplicaciones de rodillos de forma más exigentes.

Los granos abrasivos de diamante natural se derivan de cristales considerados inadecuados para la joyería, que tienen defectos, inclusiones y defectos. Antes de su uso, el diamante se tritura y se filtra a través de una serie de redes de malla. Los fragmentos obtenidos tienen formas aleatorias, filos afilados y alta resistencia o baja friabilidad. Están unidos en enlaces metálicos o galvanizados. El color amarillo característico se debe a los átomos de nitrógeno dispersos en la red. La forma en bloque del diamante monocristalino sintético contrasta con la forma altamente irregular de la arena de diamante natural generada por la trituración.

Los diamantes naturales se extrajeron en la India desde el año 800 a.C. Químicamente, el diamante es una forma alotrópica de carbono en un sistema cúbico, con impurezas de SiO2, MgO, FeO, Fe2O3, Al2O3, TiO2, grafito, etc. En el aire, el diamante comienza a oxidarse a 800 ° C-900°C (1,500°C−1,700°F) y grafita a 1,000°C− 1,100°C (1,900°C–2,000°F). El diamante es resistente a los ácidos y las bases, pero se disuelve en nitro de soda fundida. El diamante tiene una alta conductividad térmica (2,092 W m-1 ° K-1) y una baja conductividad eléctrica.

La forma de los cristales puede ser octaédrica, dodecaédrica o hexaédrica. El diamante tiene muy buena hendidura paralela a la dirección de las caras del octaedro.

Los diamantes se pueden utilizar como diamantes en bruto, diamantes tallados y pulidos, y diamantes para herramientas de perforación. Los diamantes en bruto se utilizan para herramientas de acabado, los diamantes cortados y pulidos se utilizan para herramientas de bruñido.

El diamante ocupa un lugar único en la industria de los abrasivos. Al ser el material más duro conocido, no solo es la opción natural para moler los materiales más duros y difíciles, sino que también es el único material que puede aplicar ruedas abrasivas de manera efectiva y dress. El diamante es el único abrasivo de rueda que todavía se obtiene de fuentes naturales. El diamante sintético domina la fabricación de ruedas, pero el diamante natural es el preferido para herramientas de acabado y rollos de forma. Los materiales de diamante también se utilizan como superficies de desgaste para topes finales y cuchillas de descanso de trabajo en amoladoras sin centro. En este tipo de aplicaciones, el diamante puede dar 20-50 veces la vida útil del carburo.

El diamante se crea mediante la aplicación de temperaturas y presiones extremadamente altas al grafito. Tales condiciones ocurren naturalmente a profundidades de 250 km (120 millas) en el manto superior de la superficie de la tierra o en impactos de meteoritos pesados. El diamante se extrae de tuberías de Kimberlita que son el remanente de pequeñas fisuras volcánicas típicamente de 2 a 45 metros (5 a 150 pies) de diámetro donde el magma ha brotado en el pasado. Los principales países productores incluyen Sudáfrica, África Occidental (Angola, Tanzania, Zaire, Sierra Leona), América del Sur (Brasil, Venezuela), India, Rusia (Montes Urales), Australia Occidental y, recientemente, Canadá. Cada área e incluso cada tubería individual producirá diamantes con características distintas. Los costos de producción son altos, en promedio se deben procesar 6 millones de kg (13 millones de libras) de mineral para producir ½ kg (1 libra) de diamantes. Gran parte de este costo está respaldado por la demanda del comercio de joyas. Desde la Segunda Guerra Mundial, la producción de diamantes de grado industrial ha sido muy superior a la demanda. Esto estimuló el desarrollo de programas de diamantes sintéticos iniciados a finales de los años 1940 y 1950.

La forma estable de carbono a temperatura y presión ambiente es el grafito que consiste en átomos de carbono en una estructura en capas. Dentro de la capa, los átomos se colocan en una disposición hexagonal con una fuerte unión covalente sp3. Sin embargo, la unión entre las capas de grafito es débil. El diamante es metaestable a temperatura y presión ambiente y tiene una disposición cúbica de átomos con unión puras sp3covalente. También hay un material intermedio llamado wurtzita o diamante hexagonal donde la estructura de capa hexagonal de grafito se ha distorsionado por encima y por debajo de los planos de capa, pero no hasta la estructura cúbica completa. Sin embargo, el material es casi tan duro como la forma cúbica.

Los principales planos cristalográficos del diamante son el cúbico (100), el dodecaedro (011) y el octaedro (111). Las tasas relativas de crecimiento en estos planos se rigen por las condiciones de temperatura y presión, junto con el entorno químico tanto durante el crecimiento como, en el caso del diamante natural, durante la posible disolución durante su viaje a la superficie de la tierra. Esto, a su vez, rige la forma y la morfología de la piedra.

La conversión directa de grafito a diamante requiere temperaturas de 2,200°C (4,000 ° F) y presiones superiores a 10.35 GPa (1.5 × 106 psi). La creación de estas condiciones fue el primer obstáculo para la producción de diamantes artificiales. General Electric lo logró a través de la invención de una junta de alta presión/temperatura llamada «cinturón» y anunció la primera síntesis de diamante en 1955. Para su disgusto, se anunció que una compañía sueca, ASEA, había hecho diamantes en secreto 2 años antes utilizando una prensa de 6 yunques más complicada. La compañía sueca ASEA no había anunciado el hecho porque estaban buscando hacer gemas y no consideraban las pequeñas piedras marrones que producían la culminación de su programa. De Beers anunció su capacidad para sintetizar diamantes poco después de GE en 1958.

La clave para la fabricación fue el descubrimiento de que un solvente metálico como el níquel o el cobalto podía reducir las temperaturas y presiones requeridas a niveles más manejables. El grafito tiene una mayor solubilidad en níquel que el diamante, por lo tanto, el grafito primero se disuelve en el níquel y luego el diamante se precipita. A temperaturas más altas, la tasa de precipitación es más rápida y el número de sitios de nucleación es mayor. Los primeros diamantes se cultivaban rápidamente a altas temperaturas y tenían formas angulares débiles con una estructura de mosaico. Este material fue lanzado por General Electric bajo el nombre comercial RVG® para muelas Abrasivas Vitrificadas de resina. La mayoría de las primeras patentes sobre la síntesis de diamantes ya han expirado y la competencia de las economías emergentes ha reducido el precio a tan solo 880 dólares por kg (400 dólares/libra).) aunque la calidad y consistencia de algunas fuentes es cuestionable.

Al controlar las condiciones de crecimiento, especialmente el tiempo y la densidad de nucleación, es posible cultivar piedras de mucha más calidad con formas de cristal bien definidas: cúbico a baja temperatura, cubo-octaédrico a temperaturas intermedias y octaédrico a las temperaturas más altas.

La forma característica de las piedras naturales de buena calidad es octaédrica, pero la forma de piedra más resistente es cubo-octaédrica. A diferencia de la naturaleza, esto se puede cultivar consistentemente mediante la manipulación del proceso de síntesis. Esto ha dado lugar a una gama de grados de diamante sintético, tipificados por la serie MBG® de GE y la serie PremaDia® de de Beers, que son los abrasivos de elección para sierras utilizadas en la industria de la piedra y la construcción, y ruedas para moler vidrio.

La calidad y el precio del abrasivo se rigen por la consistencia de la forma y, también, por el nivel de disolvente atrapado en las piedras. Dado que la mayor parte del abrasivo más bloqueado se utiliza en uniones metálicas procesadas a altas temperaturas, la expansión térmica diferencial de las inclusiones metálicas en el diamante puede conducir a una resistencia reducida o incluso a una fractura. Otras aplicaciones requieren uniones de resina fenólica o poliamida más débiles procesadas a temperaturas mucho más bajas y utilizan diamantes más angulares y menos estables térmicamente. Por lo tanto, los fabricantes de granos caracterizan su gama completa de grados de diamante por la dureza a temperatura ambiente (TI), la resistencia térmica después del calentamiento, por ejemplo, a 1,000°C (1,800°F) (TTI) y la forma (en bloques, afilados o mosaicos). En el rango medio, las calidades afiladas incluyen materiales naturales y sintéticos triturados.

Los recubrimientos de diamante son comunes. Una gama incluye capas gruesas o revestimientos de níquel galvanizado, Ni-P sin electrones y cobre o plata con hasta un 60% de peso. Los recubrimientos actúan como disipadores de calor, al tiempo que aumentan la resistencia a la adherencia y evitan que se escapen fragmentos abrasivos. El níquel galvanizado, por ejemplo, produce una superficie puntiaguda que proporciona un excelente anclaje para enlaces fenólicos cuando se muele en húmedo. Los enlaces de cobre y plata se utilizan más para la molienda en seco, especialmente con enlaces de poliamida, donde la mayor conductividad térmica supera la menor resistencia del revestimiento.

El recubrimiento también se puede aplicar a nivel de micrones como agente humectante o como capa pasiva para reducir la reactividad del diamante con el enlace particular. El titanio está recubierto en diamantes que se usan en enlaces a base de níquel, cobalto o hierro para limitar la grafitización del diamante mientras moja la superficie del diamante. El cromo está recubierto en diamantes utilizados en enlaces a base de bronce para mejorar la unión química y la reactividad de los constituyentes de diamante y enlace.

Para enlaces electrochapados, los diamantes están grabados al ácido para eliminar cualquier nódulo superficial de solvente metálico que distorsione el potencial eléctrico de chapado en la superficie de la rueda, lo que lleva a un niquelado desigual o incluso a la formación de nódulos. El grabado también crea una superficie ligeramente más rugosa para ayudar a la unión mecánica.