Diamante naturale

Figura 11.3. Forme, morfologie e rivestimenti tipici della grana del diamante.-

Pietre di diamante gemellate chiamate maacles si verificano regolarmente in natura. Questi sono in genere di forma triangolare. La zona gemellata lungo il centro del triangolo è la superficie più resistente all’usura conosciuta. Maacles sono utilizzati per affilare scalpelli così come per i rinforzi nelle applicazioni più esigenti del rotolo della forma.

I grani abrasivi diamantati naturali derivano da cristalli considerati inadatti per gioielli, con difetti, inclusioni e difetti. Prima dell’uso, il diamante viene schiacciato e filtrato attraverso una serie di reti a maglie. I frammenti ottenuti hanno forme casuali, taglienti taglienti e alta resistenza o bassa friabilità. Sono legati in metallo o legami elettrolitici. Il caratteristico colore giallo è dovuto agli atomi di azoto dispersi nel reticolo. La forma a blocchi del diamante monocristallino sintetico contrasta con la forma altamente irregolare della grana naturale del diamante generata dalla frantumazione.

Diamanti naturali sono stati estratti in India da 800 AC. Chimicamente, il diamante è una forma allotropica di carbonio in un sistema cubico, con impurità di SiO2, MgO, FeO, Fe2O3, Al2O3, TiO2, grafite, ecc. In aria, il diamante inizia a ossidarsi a 800°C-900 ° C (1.500°C−1.700°F) e grafitizza a 1.000°C− 1.100°C (1.900°C–2.000°F). Il diamante è resistente agli acidi e alle basi, ma si dissolve in nitro di soda fuso. Il diamante ha un’alta conducibilità termica (2.092 W m−1°K−1) e una bassa conduttività elettrica.

La forma dei cristalli può essere ottaedrica, dodecaedrica o esaedrica. Diamante ha molto buona scissione parallela alla direzione delle facce ottaedro.

I diamanti possono essere utilizzati come diamanti grezzi, diamanti tagliati e lucidati e diamanti per utensili da trapano. I diamanti grezzi sono usati per gli strumenti di medicazione, i diamanti tagliati e lucidati sono usati per levigare gli strumenti.

Diamond occupa un posto unico nel settore degli abrasivi. Essendo il materiale più duro conosciuto non è solo la scelta naturale per macinare i materiali più duri e più difficili, ma è anche l’unico materiale che può effettivamente vero e vestire mole abrasive. Il diamante è l’unico abrasivo della ruota che è ancora ottenuto da fonti naturali. Il diamante sintetico domina la fabbricazione della ruota ma il diamante naturale è preferito per gli strumenti di medicazione e i rotoli di forma. I materiali del diamante inoltre sono usati come superfici di usura per i fermi di estremità e le lame del lavoro-resto sulle smerigliatrici centerless. In questi tipi di applicazioni, il diamante può dare 20-50 volte la vita del carburo.

Il diamante è creato dall’applicazione di temperature e pressioni estremamente elevate alla grafite. Tali condizioni si verificano naturalmente a profondità di 250 km (120 miglia) nel mantello superiore della superficie terrestre o in impatti di meteoriti pesanti. Il diamante viene estratto da tubi di Kimberlite che sono il residuo di piccole fessure vulcaniche in genere da 2 a 45 metri (da 5 a 150 piedi) di diametro in cui il magma si è gonfiato in passato. I principali paesi produttori includono il Sudafrica, l’Africa occidentale (Angola, Tanzania, Zaire, Sierra Leone), il Sud America (Brasile, Venezuela), l’India, la Russia (Monti Urali) l’Australia occidentale e, di recente, il Canada. Ogni area e anche ogni singolo tubo produrrà diamanti con caratteristiche distinte. I costi di produzione sono elevati, in media 6 milioni di kg (13 milioni di libbre) di minerale devono essere lavorati per produrre ½ kg (1 lb) di diamanti. Gran parte di questo costo è supportato dalla domanda per il commercio di gioielli. Dalla seconda guerra mondiale, la produzione di diamante di grado industriale è stata di gran lunga superata dalla domanda. Questo ha stimolato lo sviluppo di programmi di diamante sintetico iniziato alla fine del 1940 e 1950.

La forma stabile di carbonio a temperatura ambiente e pressione è grafite che consiste di atomi di carbonio in una struttura stratificata. All’interno dello strato, gli atomi sono posizionati in una disposizione esagonale con forte legame covalente sp3. Tuttavia, il legame tra gli strati di grafite è debole. Il diamante è metastabile a temperatura ambiente e pressione e ha una disposizione cubica di atomi con puro legame sp3covalente. C’è anche un materiale intermedio chiamato wurtzite o diamante esagonale in cui la struttura esagonale dello strato di grafite è stata distorta sopra e sotto i piani dello strato, ma non abbastanza per la struttura cubica completa. Il materiale è tuttavia quasi duro come la forma cubica.

I principali piani cristallografici del diamante sono il cubo (100), il dodecaedro (011) e l’ottaedro (111). I tassi relativi di crescita su questi piani sono governati dalle condizioni di temperatura e pressione, insieme all’ambiente chimico sia durante la crescita che, nel caso del diamante naturale, durante l’eventuale dissoluzione durante il suo viaggio verso la superficie terrestre. Questo, a sua volta, governa la forma e la morfologia della pietra.

La conversione diretta della grafite in diamante richiede temperature di 2.200°C (4.000°F) e pressioni superiori a 10,35 GPa (1,5 × 106 psi). La creazione di queste condizioni è stato il primo ostacolo alla produzione di diamanti artificiali. General Electric lo raggiunse attraverso l’invenzione di una guarnizione ad alta pressione/temperatura chiamata “cintura” e annunciò la prima sintesi di diamante nel 1955. Un po ‘ con loro dispiacere, è stato poi annunciato che una società svedese, ASEA aveva segretamente fatto diamanti 2 anni prima utilizzando una più complicata pressa a 6 incudini. La società svedese, ASEA, non aveva annunciato il fatto perché stavano cercando di fare gemme e non considerava le piccole pietre marroni che producevano il culmine del loro programma. De Beers ha annunciato la loro capacità di sintetizzare diamanti poco dopo GE nel 1958.

La chiave per la produzione è stata la scoperta che un solvente metallico come nichel o cobalto potrebbe ridurre le temperature e le pressioni richieste a livelli più gestibili. La grafite ha una maggiore solubilità in nichel rispetto al diamante, pertanto, la grafite si dissolve prima nel nichel e poi il diamante precipita. A temperature più elevate, il tasso di precipitazione è più veloce e il numero di siti di nucleazione è maggiore. I primi diamanti venivano coltivati velocemente a temperature elevate e avevano forme deboli e angolari con una struttura a mosaico. Questo materiale è stato rilasciato da General Electric con il nome commerciale RVG® per mole vetrificate in resina. La maggior parte dei primi brevetti sulla sintesi del diamante sono ormai scaduti e la concorrenza delle economie emergenti hanno spinto verso il basso il prezzo a partire da 8 880 per kg ($400/lb.) anche se la qualità e la coerenza da alcune fonti è discutibile.

Controllando le condizioni di crescita, in particolare il tempo e la densità di nucleazione, è possibile coltivare pietre di qualità molto più elevata con forme cristalline ben definite: cubico a bassa temperatura, cubo-ottaedrico a temperature intermedie e ottaedrico alle temperature più alte.

La forma caratteristica delle pietre naturali di buona qualità è ottaedrica, ma la forma di pietra più dura è cubo-ottaedrica. A differenza della natura, questo può essere coltivato in modo coerente manipolando il processo di sintesi. Ciò ha portato a una gamma di gradi di diamante sintetico, caratterizzati dalla serie MBG® di GE e dalla serie PremaDia® di de Beers, che sono gli abrasivi di scelta per le seghe utilizzate nell’industria della pietra e delle costruzioni, e le ruote per la rettifica del vetro.

La qualità e il prezzo dell’abrasivo sono regolati dalla consistenza della forma e, anche, dal livello di solvente intrappolato nelle pietre. Poiché la maggior parte dell’abrasivo blockiest viene utilizzato nei legami metallici lavorati a temperature elevate, l’espansione termica differenziale delle inclusioni metalliche nel diamante può portare a una ridotta resistenza o addirittura a fratture. Altre applicazioni richiedono legami di resina fenolica o poliammidica più deboli elaborati a temperature molto più basse e utilizzano diamanti più angolari e meno termicamente stabili. I produttori di graniglia caratterizzano quindi la loro gamma completa di gradi di diamante per tenacità a temperatura ambiente (TI), tenacità termica dopo il riscaldamento, ad esempio, a 1.000°C (1.800°F) (TTI) e forma (blocchi, taglienti o mosaico). Nella gamma media, i gradi taglienti includono materiali naturali e sintetici schiacciati.

I rivestimenti diamantati sono comuni. Una gamma comprende strati spessi o rivestimenti di nichel elettrolitico, Ni-P elettronless e rame o argento fino al 60% in peso. I rivestimenti fungono da dissipatori di calore, ma aumentano anche la forza di adesione e impediscono la fuoriuscita di frammenti abrasivi. Il nichel elettrolitico, ad esempio, produce una superficie appuntita che fornisce un’ancora eccellente per i legami fenolici durante la macinazione a umido. I legami di rame e argento sono utilizzati maggiormente per la macinazione a secco, in particolare con i legami poliammidici, dove la maggiore conduttività termica supera la minore resistenza del rivestimento.

Il rivestimento può anche essere applicato a livello di micron sia come agente bagnante che come strato passivo per ridurre la reattività del diamante con il particolare legame. Titanio è rivestito su diamanti utilizzati in nichel, cobalto, o legami a base di ferro per limitare grafitizzazione del diamante mentre bagnare la superficie del diamante. Il cromo è rivestito su diamanti utilizzati nei legami a base di bronzo per migliorare il legame chimico e la reattività dei costituenti del diamante e del legame.

Per i legami elettrolitici, i diamanti sono acid acid per rimuovere eventuali noduli superficiali di solvente metallico che distorcerebbero il potenziale elettrico di placcatura sulla superficie della ruota portando a una nichelatura irregolare o addirittura alla formazione di noduli. L’incisione crea anche una superficie leggermente più ruvida per aiutare l’incollaggio meccanico.

Dal 1960 sono stati sviluppati diversi altri metodi di coltivazione del diamante. Nel 1970 DuPont lanciò un materiale policristallino prodotto dall’improvviso calore e pressione di una scossa esplosiva (vedi Fig. 11.4). Il materiale era di natura wurtzitica e produceva principalmente particelle di dimensioni micron più adatte alla lappatura e alla lucidatura che alla molatura.

Figura 11.4. DuPont Mypolex ® diamante policristallino prodotto da shock esplosivo.