11.3.1 Diamant naturel
Le diamant naturel se développe principalement sous une forme octaédrique qui fournit plusieurs points pointus optimaux pour les outils diamantés à point unique. Il se présente également sous une forme de pierre longue, créée par la dissolution partielle de la forme octaédrique, utilisée dans les outils de dressage tels que la lame Fliesen® développée par Ernst Winter & Fils. De longues formes de pierre sont également produites par broyage et broyage à billes de fragments de diamant. Le concassage et le fraisage présentent des défauts qui réduisent considérablement la résistance et la durée de vie. (Voir Fig. 11.3.)
Figure 11.3. Formes, morphologies et revêtements typiques du grain de diamant.–
Des pierres de diamant jumelées appelées maacles sont également présentes régulièrement dans la nature. Ceux-ci sont généralement de forme triangulaire. La zone jumelée au centre du triangle est la surface la plus résistante à l’usure connue. Les maacles sont utilisés pour l’affûtage des burins ainsi que pour les renforts dans les applications de rouleaux de forme les plus exigeantes.
Les grains abrasifs de diamant naturel dérivent de cristaux considérés comme impropres à la bijouterie, présentant des défauts, des inclusions et des défauts. Avant utilisation, le diamant est broyé et filtré à travers une série de filets maillés. Les fragments obtenus ont des formes aléatoires, des arêtes de coupe tranchantes et une résistance élevée ou une faible friabilité. Ils sont liés dans des liaisons métalliques ou électrolytiques. La couleur jaune caractéristique est due aux atomes d’azote dispersés dans le réseau. La forme en blocs du diamant monocristallin synthétique contraste avec la forme très irrégulière du grain de diamant naturel généré par le broyage.
Les diamants naturels ont été extraits en Inde à partir de 800 avant JC. Chimiquement, le diamant est une forme allotropique de carbone dans un système cubique, avec des impuretés de SiO2, MgO, FeO, Fe2O3, Al2O3, TiO2, graphite, etc. Dans l’air, le diamant commence à s’oxyder à 800 ° C – 900 ° C (1 500 ° C − 1 700 ° F) et se graphite à 1 000 ° C − 1 100 ° C (1 900 ° C – 2 000 ° F). Le diamant est résistant aux acides et aux bases, mais se dissout dans le nitre de soude fondu. Le diamant a une conductivité thermique élevée (2 092 W m−1 ° K−1) et une faible conductivité électrique.
La forme des cristaux peut être octaédrique, dodécaédrique ou hexaédrique. Le diamant présente un très bon clivage parallèle à la direction des faces octaédriques.
Les diamants peuvent être utilisés comme diamants bruts, diamants taillés et polis et diamants pour outils de forage. Les diamants bruts sont utilisés pour habiller les outils, les diamants taillés et polis sont utilisés pour aiguiser les outils.
Le diamant occupe une place unique dans l’industrie des abrasifs. Étant le matériau le plus dur connu, ce n’est pas seulement le choix naturel pour broyer les matériaux les plus durs et les plus difficiles, mais c’est également le seul matériau capable de réaliser et d’habiller efficacement les meules abrasives. Le diamant est le seul abrasif de roue encore obtenu à partir de sources naturelles. Le diamant synthétique domine la fabrication des roues, mais le diamant naturel est préféré pour les outils de dressage et les rouleaux de formage. Les matériaux diamantés sont également utilisés comme surfaces d’usure pour les butées d’extrémité et les lames de repos sur les meuleuses sans centre. Dans ces types d’applications, le diamant peut donner 20 à 50 fois la durée de vie du carbure.
Le diamant est créé par l’application de températures et de pressions extrêmement élevées au graphite. De telles conditions se produisent naturellement à des profondeurs de 250 km (120 miles) dans le manteau supérieur de la surface de la terre ou lors d’impacts de météorites lourds. Le diamant est extrait de tuyaux de kimberlite qui sont le vestige de petites fissures volcaniques généralement de 2 à 45 mètres (5 à 150 pieds) de diamètre où le magma s’est accumulé dans le passé. Les principaux pays producteurs sont l’Afrique du Sud, l’Afrique de l’Ouest (Angola, Tanzanie, Zaïre, Sierra Leone), l’Amérique du Sud (Brésil, Venezuela), l’Inde, la Russie (Montagnes de l’Oural) l’Australie occidentale et, récemment, le Canada. Chaque zone et même chaque tuyau individuel produira des diamants aux caractéristiques distinctes. Les coûts de production sont élevés, en moyenne 6 millions de kg (13 millions de lb) de minerai doivent être traités pour produire ½ kg (1 lb) de diamants. Une grande partie de ce coût est soutenue par la demande pour le commerce de bijoux. Depuis la Seconde Guerre mondiale, la production de diamants de qualité industrielle a été largement dépassée par la demande. Cela a stimulé le développement de programmes de diamants synthétiques lancés à la fin des années 1940 et 1950.
La forme stable du carbone à température et pression ambiantes est le graphite constitué d’atomes de carbone dans une structure en couches. À l’intérieur de la couche, les atomes sont positionnés dans un agencement hexagonal avec une forte liaison covalente sp3. Cependant, la liaison entre les couches de graphite est faible. Le diamant est métastable à température et pression ambiantes et présente un arrangement cubique d’atomes avec une liaison sp3covalente pure. Il existe également un matériau intermédiaire appelé wurtzite ou diamant hexagonal où la structure de la couche hexagonale du graphite a été déformée au-dessus et au-dessous des plans de la couche, mais pas tout à fait à la structure cubique complète. Le matériau est néanmoins presque aussi dur que la forme cubique.
Les principaux plans cristallographiques du diamant sont le cubique (100), le dodécaèdre (011) et l’octaèdre (111). Les taux relatifs de croissance sur ces plans sont régis par les conditions de température et de pression, ainsi que par l’environnement chimique à la fois pendant la croissance et, dans le cas du diamant naturel, lors d’une éventuelle dissolution lors de son voyage à la surface de la terre. Ceci, à son tour, régit la forme et la morphologie de la pierre.
La conversion directe du graphite en diamant nécessite des températures de 2 200 ° C (4 000 ° F) et des pressions supérieures à 10,35 GPa (1,5 × 106 psi). La création de ces conditions a été le premier obstacle à la production de diamants fabriqués par l’homme. General Electric y est parvenu grâce à l’invention d’un joint haute pression / température appelé « ceinture” et a annoncé la première synthèse de diamant en 1955. Un peu à leur grand dam, il a ensuite été annoncé qu’une société suédoise, ASEA, avait secrètement fabriqué des diamants 2 ans auparavant en utilisant une presse à 6 enclumes plus compliquée. La société suédoise, ASEA, n’avait pas annoncé le fait car elle cherchait à fabriquer des pierres précieuses et ne considérait pas les petites pierres brunes qu’elle produisait comme l’aboutissement de son programme. De Beers a annoncé leur capacité à synthétiser des diamants peu de temps après GE en 1958.
La clé de la fabrication a été la découverte qu’un solvant métallique tel que le nickel ou le cobalt pouvait réduire les températures et les pressions requises à des niveaux plus gérables. Le graphite a une solubilité plus élevée dans le nickel que le diamant, par conséquent, le graphite se dissout d’abord dans le nickel, puis le diamant précipite. À des températures plus élevées, le taux de précipitation est plus rapide et le nombre de sites de nucléation est plus important. Les premiers diamants ont été cultivés rapidement à des températures élevées et avaient des formes angulaires faibles avec une structure en mosaïque. Ce matériau a été commercialisé par General Electric sous le nom commercial RVG® pour meules vitrifiées en résine. La plupart des premiers brevets sur la synthèse du diamant ont maintenant expiré et la concurrence des économies émergentes a fait baisser le prix à aussi bas que 880 per le kg (400/ / lb.) bien que la qualité et la cohérence de certaines sources soient discutables.
En contrôlant les conditions de croissance, en particulier le temps et la densité de nucléation, il est possible de faire pousser des pierres de beaucoup plus haute qualité avec des formes cristallines bien définies: cubique à basse température, cubo-octaédrique à des températures intermédiaires et octaédrique aux températures les plus élevées.
La forme caractéristique des pierres naturelles de bonne qualité est octaédrique, mais la forme de pierre la plus dure est cubo-octaédrique. Contrairement à la nature, cela peut être cultivé de manière cohérente par manipulation du processus de synthèse. Cela a conduit à une gamme de nuances de diamants synthétiques, caractérisées par la série MBG® de GE et la série PremaDia® de de Beers, qui sont les abrasifs de choix pour les scies utilisées dans l’industrie de la pierre et de la construction, et les roues pour le meulage du verre.
La qualité et le prix de l’abrasif sont régis par la consistance de la forme et, également, par le niveau de solvant piégé dans les pierres. Étant donné que la plupart des abrasifs les plus durs sont utilisés dans les liaisons métalliques traitées à haute température, la dilatation thermique différentielle des inclusions métalliques dans le diamant peut entraîner une résistance réduite ou même une rupture. D’autres applications nécessitent des liaisons de résine phénolique ou polyamide plus faibles traitées à des températures beaucoup plus basses et utilisent des diamants plus angulaires et moins stables thermiquement. Les fabricants de grains caractérisent donc toute leur gamme de nuances de diamant par leur ténacité à la température ambiante (TI), leur ténacité thermique après chauffage, par exemple, à 1 000 ° C (1 800 ° F) (TTI) et leur forme (bloc, tranchant ou mosaïque). Dans la gamme moyenne, les grades pointus incluent des matériaux naturels et synthétiques broyés.
Les revêtements diamantés sont courants. Une gamme comprend des couches épaisses ou des revêtements de nickel électrolytique, de Ni-P sans électronique et de cuivre ou d’argent jusqu’à 60% en poids. Les revêtements agissent comme des dissipateurs de chaleur, tout en augmentant la force de liaison et en empêchant les fragments abrasifs de s’échapper. Le nickel électrolytique, par exemple, produit une surface hérissée qui fournit un excellent ancrage pour les liaisons phénoliques lors du broyage humide. Les liaisons cuivre et argent sont davantage utilisées pour le broyage à sec, en particulier avec les liaisons polyamide, où la conductivité thermique plus élevée l’emporte sur la résistance inférieure du revêtement.
Le revêtement peut également être appliqué au niveau du micron soit comme agent mouillant, soit comme couche passive pour réduire la réactivité du diamant avec la liaison particulière. Le titane est recouvert de diamants utilisés dans les liaisons à base de nickel, de cobalt ou de fer pour limiter la graphitisation du diamant tout en mouillant la surface du diamant. Le chrome est enduit sur les diamants utilisés dans les liaisons à base de bronze pour améliorer la liaison chimique et la réactivité des composants du diamant et de la liaison.
Pour les liaisons électrolytiques, les diamants sont gravés à l’acide pour éliminer tout nodule de surface de solvant métallique qui déformerait le potentiel électrique de placage sur la surface de la roue, ce qui entraînerait un nickelage inégal ou même la formation de nodules. La gravure crée également une surface légèrement plus rugueuse pour faciliter le collage mécanique.
Depuis 1960, plusieurs autres méthodes de culture du diamant ont été développées. En 1970, DuPont a lancé un matériau polycristallin produit par la chaleur et la pression soudaines d’un choc explosif (voir fig. 11.4). Le matériau était de nature wurtzitique et produisait principalement des particules de la taille d’un micron plus adaptées au rodage et au polissage qu’au meulage.
Figure 11.4. Diamant polycristallin DuPont Mypolex® produit par choc explosif.