11.3.1 Luonnontimantti
Luonnontimantti kasvaa pääasiassa oktaedrimuodossa, joka tarjoaa useita teräviä kohtia optimaalisesti yksipistetimanttityökaluille. Sitä esiintyy myös oktaedrimuodon osittaisesta hajoamisesta syntyneessä pitkässä kivimuodossa, jota käytetään sidostyökaluissa, kuten Ernst Winterin & Son kehittämässä Fliesen® – terässä. Pitkiä kivimuotoja valmistetaan myös murskaamalla ja pallojyrsimällä timanttisirpaleita. Murskaus ja jyrsintä tuovat mukanaan vikoja, jotka vähentävät merkittävästi lujuutta ja käyttöikää. (KS.Kuva. 11.3.)
kuva 11.3. Tyypillisiä timantti soran muotoja, morfologioita ja pinnoitteita.-
maakkeleiksi kutsuttuja Timanttikiviä esiintyy luonnossa säännöllisesti. Nämä ovat tyypillisesti kolmion muotoisia. Kolmion keskellä oleva ystävyysvyöhyke on kulutuskestävin tunnettu pinta. Maakkeleita käytetään talttojen teroittamiseen sekä vahvikkeina vaativimmissa muotorullasovelluksissa.
Luonnontimanttiset hiontajyvät ovat peräisin koruihin sopimattomina pidetyistä kiteistä, joissa on puutteita, sulkeumia ja vikoja. Ennen käyttöä timantti murskataan ja suodatetaan sarjan verkkoja läpi. Saaduilla fragmenteilla on satunnaisia muotoja, teräviä teriä ja suuri lujuus tai heikko hauraus. Ne ovat sitoutuneet metalli-tai galvanoituihin sidoksiin. Tunnusomainen keltainen väri johtuu hilaan hajaantuneista typpiatomeista. Synteettisen yksikiteisen timantin lohkeava muoto on ristiriidassa murskaamalla syntyvän luonnollisen timanttisoraan erittäin epäsäännöllisen muodon kanssa.
Luonnontimantteja louhittiin Intiassa 800 eaa. Kemiallisesti timantti on hiilen allotrooppinen muoto kuutiollisessa järjestelmässä, jonka epäpuhtaudet ovat SiO2, MgO, FeO, Fe2O3, Al2O3, TiO2, grafiitti jne. Ilmassa timantti alkaa hapettua 800°c–900°C (1 500°C−1 700°F) ja grafitoituu 1 000°C− 1 100°C (1 900°C–2 000°F). Timantti kestää happoja ja emäksiä, mutta liukenee fuusioituneeseen soodanitreen. Timantilla on korkea lämmönjohtavuus (2 092 W m−1°K−1) ja alhainen sähkönjohtavuus.
kiteiden muoto voi olla oktaedrinen, dodekaedrinen tai heksaedrinen. Diamondilla on erittäin hyvä pilkkominen oktaedrin tahkojen suuntaisesti.
timantteja voidaan käyttää raakatimantteina, hiottuina ja kiillotettuina timantteina sekä poratyökaluissa käytettävinä timantteina. Raakatimantteja käytetään työkalujen muokkaamiseen, hiottuja ja kiillotettuja timantteja käytetään työkalujen hiomiseen.
timantilla on ainutlaatuinen asema hioma-aineteollisuudessa. Koska vaikein tunnettu materiaali se ei ole vain luonnollinen valinta hionta vaikein ja vaikein materiaaleja, mutta se on myös ainoa materiaali, joka voi tehokkaasti totta ja pukeutua hankaavia pyöriä. Timantti on ainoa pyörän hioma, joka saadaan edelleen luonnollisista lähteistä. Synteettinen timantti hallitsee pyöränvalmistusta, mutta luonnontimanttia suositaan pukeutumistyökaluissa ja muotorullissa. Timanttimateriaaleja käytetään myös päätypysäköintien kulutuspintoina ja keskittämättömien hiomakoneiden työvälineinä. Tämäntyyppisissä sovelluksissa timantti voi antaa 20-50 kertaa karbidin eliniän.
timantti syntyy erittäin korkeiden lämpötilojen ja paineen vaikutuksesta grafiittiin. Tällaisia olosuhteita esiintyy luontaisesti 250 kilometrin syvyydessä maanpinnan yläpuolisessa vaipassa tai voimakkaissa meteoriittien törmäyksissä. Timanttia louhitaan Kimberliittiputkista, jotka ovat jäänteitä pienistä vulkaanisista halkeamista, joiden halkaisija on tyypillisesti 2-45 metriä (5-150 jalkaa) ja joihin magma on aiemmin uponnut. Tärkeimpiä tuottajamaita ovat Etelä-Afrikka, Länsi-Afrikka (Angola, Tansania, Zaire, Sierra Leone), Etelä-Amerikka (Brasilia, Venezuela), Intia, Venäjä (Uralvuoristo) Länsi-Australia ja äskettäin Kanada. Jokainen alue ja jopa jokainen yksittäinen putki tuottaa timantteja, joilla on erilliset ominaisuudet. Tuotantokustannukset ovat korkeat, keskimäärin 6 miljoonaa kg (13 miljoonaa lbs) malmia on jalostettava tuottamaan ½ kg (1 lb) timantteja. Suurta osaa kustannuksista tukee korukaupan kysyntä. Toisesta maailmansodasta lähtien teollisuustimanttien tuotanto on ollut selvästi kysyntää suurempaa. Tämä vauhditti 1940-ja 1950-lukujen vaihteessa aloitettua synteettisten timanttiohjelmien kehitystä.
hiilen stabiili muoto huoneenlämmössä ja paineessa on grafiitti, joka koostuu hiiliatomeista kerroksellisessa rakenteessa. Kerroksen sisällä atomit on sijoitettu heksagonaaliseen järjestykseen, jossa on vahva sp3-kovalenttinen sidos. Grafiittikerrosten välinen sidos on kuitenkin heikko. Timantti on huoneenlämpötilassa ja paineessa metastabiili ja siinä on kuutiollinen atomien järjestely puhtaalla sp3covalentilla sidoksella. On olemassa myös wurtsiitti-tai kuusikulmainen timantti-niminen välimateriaali, jossa grafiitin kuusikulmainen kerrosrakenne on vääristynyt kerrostasojen ylä-ja alapuolella, mutta ei aivan täyteen kuutiorakenteeseen. Materiaali on kuitenkin lähes yhtä kovaa kuin kuutiomuoto.
timantin tärkeimmät kristallografiset tasot ovat kuutiollinen (100), dodekaedri (011) ja oktaedri (111). Näiden tasojen suhteellista kasvunopeutta säätelevät lämpötila-ja paineolosuhteet sekä kemiallinen ympäristö sekä kasvun aikana että luonnontimantin tapauksessa mahdollisen liukenemisen aikana sen kulkiessa maan pinnalle. Tämä puolestaan hallitsee kiven muotoa ja morfologiaa.
grafiitin suora muuntaminen timantiksi vaatii 2 200°C: n (4 000°F) lämpötilan ja yli 10,35 GPa: n (1,5 × 106 psi) paineen. Näiden olosuhteiden luominen oli ensimmäinen este ihmistekoisten timanttien tuottamiselle. General Electric saavutti sen keksimällä korkean paineen / lämpötilan tiivisteen, jota kutsutaan ”vyöksi”, ja julkisti ensimmäisen timanttisynteesin vuonna 1955. Heidän harmikseen ilmoitettiin, että ruotsalainen ASEA oli valmistanut timantteja salaa 2 vuotta aiemmin monimutkaisemmalla 6-alasin-painokoneella. Ruotsalainen ASEA ei ollut ilmoittanut asiasta, koska se pyrki tekemään helmiä, eikä pitänyt tuottamiaan pieniä ruskeita kiviä ohjelmansa huipentumana. De Beers ilmoitti kyvystään syntetisoida timantteja pian GE: n jälkeen vuonna 1958.
valmistuksen avain oli havainto, että metalliliuottimella, kuten nikkelillä tai koboltilla, voitiin alentaa vaaditut lämpötilat ja paineet hallittavammille tasoille. Grafiitilla on suurempi liukoisuus nikkeliin kuin timantilla, joten grafiitti liukenee ensin nikkeliin ja sitten timantti saostuu ulos. Korkeammissa lämpötiloissa saostumisnopeus on nopeampi ja nukleaatiopaikkoja on enemmän. Varhaisimmat timantit kasvatettiin nopeasti korkeissa lämpötiloissa ja niissä oli heikkoja, kulmikkaita muotoja, joissa oli mosaiikkirakenne. General Electric julkaisi tämän materiaalin kauppanimellä RVG® lasitetuille Hartsihiomakoneille. Suurin osa timanttisynteesin varhaisista patenteista on nyt umpeutunut ja kehittyvien talouksien kilpailu on ajanut hinnan alas jopa 880 dollariin kilolta (400 dollaria litralta).) vaikka laatu ja johdonmukaisuus joissakin lähteissä on kyseenalaista.
säätelemällä kasvuolosuhteita, erityisesti aikaa ja nukleaatiotiheyttä, on mahdollista kasvattaa paljon laadukkaampia kiviä, joilla on hyvin määritellyt kidemuodot: kuutiollinen alhaisessa lämpötilassa, kuutiooktaedrinen keskilämpötilassa ja oktaedrinen korkeimmissa lämpötiloissa.
hyvälaatuisten luonnonkivien tunnusomainen muoto on oktaedri, mutta kovin kivimuoto on Kubo-oktaedrinen. Toisin kuin luonnossa, tätä voidaan kasvattaa johdonmukaisesti manipuloimalla synteesiprosessia. Tämä on johtanut useisiin synteettisiin timanttilaatuihin, joita luonnehtivat GE: n MBG® – sarja ja de Beersin PremaDia® – sarja, jotka ovat valinta kivi-ja rakennusteollisuudessa käytettävien sahojen hioma-aineiksi sekä lasin hiomiseen tarkoitetut Pyörät.
hioma-aineen laatua ja hintaa säätelee muodon johdonmukaisuus ja myös kivien sisältämän liuottimen määrä. Koska suurinta osaa lohkeavimmasta hioma-aineesta käytetään metallisidoksissa, joita käsitellään korkeissa lämpötiloissa, timantin metallisulkeumien differentiaalinen lämpölaajeneminen voi johtaa lujuuden heikkenemiseen tai jopa murtumiseen. Muut sovellukset vaativat heikompia fenoli – tai polyamidihartsisidoksia, joita käsitellään paljon alhaisemmissa lämpötiloissa ja joissa käytetään kulmikkaampia, vähemmän termisesti stabiileja timantteja. Gritin valmistajat luonnehtivat siis koko timanttilaatuvalikoimaansa huoneenlämpöisen sitkeyden (TI), lämpölujuuden kuumennuksen jälkeen esimerkiksi 1 000°C: ssa (1 800°F) (TTI) ja muodon (lohkeava, terävä tai mosaiikki) perusteella. Keskialueella teräviä laatuja ovat murskatut luonnon sekä synteettiset materiaalit.
Timanttipinnoitteet ovat yleisiä. Yksi valikoima sisältää paksuja kerroksia tai vuorauksia sähkösinkittyä nikkeliä, elektronitonta Ni-P: tä ja kuparia tai hopeaa jopa 60% painoasteella. Pinnoitteet toimivat jäähdytyslevyinä, samalla kun ne lisäävät sidoksen lujuutta ja estävät hankaavia sirpaleita karkaamasta. Esimerkiksi galvanoitu nikkeli tuottaa piikkimäisen pinnan, joka tarjoaa erinomaisen ankkurin fenolisille sidoksille märkänä hiottaessa. Kupari-ja hopeasidoksia käytetään enemmän kuivaan hiontaan, erityisesti polyamidisidoksilla, joissa korkeampi lämmönjohtavuus on suurempi kuin pinnoitteen alempi lujuus.
pinnoitetta voidaan käyttää myös mikronitasolla joko kostutusaineena tai passiivisena kerroksena vähentämään timanttien reaktiivisuutta tietyn sidoksen kanssa. Titaani päällystetään timanteilla, joita käytetään nikkeli -, koboltti-tai rautapohjaisissa sidoksissa rajoittamaan timantin grafitoitumista samalla kun se kostuttaa timantin pintaa. Kromi päällystetään timanteilla, joita käytetään pronssipohjaisissa sidoksissa parantamaan timantti-ja sidososien kemiallista sidosta ja reaktiivisuutta.
galvanoiduissa sidoksissa timantit on syövytetty hapolla metalliliuottimen pintakyhmyjen poistamiseksi, jotka vääristäisivät pinnoituksen sähköistä potentiaalia pyörän pinnalla ja johtaisivat epätasaiseen nikkelipinnoitukseen tai jopa kyhmyjen muodostumiseen. Etsaus luo myös hieman karkeamman pinnan mekaanisen liimauksen tueksi.
vuodesta 1960 lähtien on kehitetty useita muitakin timantin kasvatusmenetelmiä. Vuonna 1970 DuPont toi markkinoille monikiteisen materiaalin, joka syntyi räjähdysherkän iskun äkillisestä kuumuudesta ja paineesta (KS. 11.4). Materiaali oli luonteeltaan wurtsiittista ja tuotti pääasiassa mikronikokoisia hiukkasia, jotka sopivat paremmin latkimiseen ja kiillottamiseen kuin hiontaan.
kuva 11.4. DuPont mypolex® monikiteinen timantti, joka on valmistettu räjähtävällä iskulla.