11.3.1 Natuurlijke Diamant
Natuurlijke Diamant groeit voornamelijk in een octaëdrische vorm die meerdere scherpe punten biedt die optimaal zijn voor diamantgereedschappen met één punt. Het komt ook voor in een lange steenvorm, gecreëerd door het gedeeltelijk oplossen van de octaëdrische vorm, gebruikt in verbandgereedschappen zoals het Fliesen® – mes ontwikkeld door Ernst Winter & Son. Lange stenen vormen worden ook geproduceerd door het breken en kogelfrezen van diamantfragmenten. Breken en frezen introduceert gebreken die sterk verminderen sterkte en levensduur. (Zie Fig. 11.3.)
figuur 11.3. Typische diamantgrit vormen, morfologieën, en coatings.-
Twinned diamantstenen genaamd maacles komen ook regelmatig voor in de natuur. Deze zijn typisch driehoekig van vorm. De tweelingzone in het midden van de driehoek is het meest slijtvaste oppervlak dat bekend is. Maacles worden gebruikt voor het slijpen van beitels en voor versterkingen in de meest veeleisende vormroltoepassingen.
natuurlijke diamant slijpkorrels zijn afkomstig van kristallen die ongeschikt worden geacht voor sieraden, met gebreken, insluitsels en defecten. Voor gebruik wordt de diamant geplet en gefilterd door een reeks netten. De verkregen fragmenten hebben willekeurige vormen, scherpe snijkanten en hoge sterkte of lage brosheid. Ze zijn gebonden in metaal of gegalvaniseerde bindingen. De karakteristieke gele kleur is te wijten aan stikstofatomen verspreid in het rooster. De blokachtige vorm van synthetische monokristallijne diamant contrasteert met de zeer onregelmatige vorm van natuurlijk diamantgruis dat wordt gegenereerd door het breken.
natuurlijke diamanten werden gewonnen in India vanaf 800 v. Chr. Chemisch is diamant een allotrope vorm van koolstof in een kubisch systeem, met onzuiverheden van SiO2, MgO, FeO, Fe2O3, Al2O3, TiO2, grafiet, enz. In lucht, begint de diamant bij 800°C–900°C (1.500°C−1.700°F) te oxideren en grafitiseert bij 1.000°C− 1.100°C (1.900°C–2.000°F). Diamant is bestand tegen zuren en basen, maar lost op in gesmolten soda nitre. Diamant heeft een hoge thermische geleidbaarheid (2.092 W m-1 ° K-1) en een lage elektrische geleidbaarheid.
de vorm van de kristallen kan octaëdraal, dodecaëdraal of hexaëdraal zijn. Diamant heeft een zeer goed decolleté parallel aan de richting van de octaëdervlakken.
diamanten mogen worden gebruikt als ruwe diamant, geslepen en gepolijste diamant, en diamanten voor boorgereedschap. Ruwe diamanten worden gebruikt voor dressing gereedschappen, geslepen en gepolijste diamanten worden gebruikt voor het slijpen van gereedschappen.
Diamant heeft een unieke plaats in de slijpmiddelenindustrie. Als het hardste bekende materiaal is het niet alleen de natuurlijke keuze voor het slijpen van de moeilijkste en moeilijkste materialen, maar het is ook het enige materiaal dat effectief kan ware en jurk schurende wielen. Diamant is het enige wielschuurmiddel dat nog steeds uit natuurlijke bronnen wordt verkregen. Synthetische diamant domineert wiel fabricage, maar natuurlijke diamant heeft de voorkeur voor dressing gereedschappen en vorm rollen. Diamantmaterialen worden ook gebruikt als slijtageoppervlakken voor eindstops en werksteunbladen op centerless slijpmachines. In dit soort toepassingen kan diamant 20-50 keer de levensduur van carbide geven.
Diamant ontstaat door het toepassen van extreem hoge temperaturen en druk op grafiet. Dergelijke omstandigheden komen van nature voor op dieptes van 250 km (120 mijl) in de bovenste mantel van het aardoppervlak of bij zware meteorietinslagen. Diamant wordt gewonnen uit kimberliet pijpen die het overblijfsel zijn van kleine vulkanische scheuren typisch 2 tot 45 meter (5 tot 150 voet) in diameter waar magma is welled in het verleden. Belangrijke producerende landen zijn Zuid-Afrika, West-Afrika (Angola, Tanzania, Zaïre, Sierra Leone), Zuid-Amerika (Brazilië, Venezuela), India, Rusland (Oeralgebergte) West-Australië, en onlangs, Canada. Elk gebied en zelfs elke individuele pijp produceert diamanten met verschillende kenmerken. De productiekosten zijn hoog, gemiddeld 6 miljoen kg (13 miljoen lbs) erts moet worden verwerkt om ½ kg (1 lb) diamanten te produceren. Een groot deel van deze kosten wordt ondersteund door de vraag naar de sieraden handel. Sinds de Tweede Wereldoorlog is de productie van industriële kwaliteit diamant ver overtroffen door de vraag. Dit stimuleerde de ontwikkeling van synthetische diamantprogramma ‘ s die in de late jaren 1940 en 1950 werden gestart.
de stabiele vorm van koolstof bij kamertemperatuur en druk is grafiet dat bestaat uit koolstofatomen in een gelaagde structuur. Binnen de laag worden atomen in een hexagonale opstelling geplaatst met sterke SP3 covalente binding. De binding tussen de grafietlagen is echter zwak. Diamant is metastbaar bij kamertemperatuur en druk en heeft een kubieke opstelling van atomen met zuivere sp3covalente binding. Er is ook een tussenmateriaal genaamd wurtzit of zeshoekige diamant waar de zeshoekige laagstructuur van grafiet is vervormd boven en onder de laagvlakken, maar niet helemaal tot de volledige kubieke structuur. Het materiaal is echter bijna net zo hard als de kubieke vorm.
de belangrijkste kristallografische vlakken van diamant zijn de kubieke (100), dodecaëder (011) en octaëder (111). De relatieve groeisnelheden op deze vlakken worden bepaald door de temperatuur-en drukomstandigheden, samen met de chemische omgeving zowel tijdens de groei als, in het geval van natuurlijke diamant, tijdens de mogelijke ontbinding tijdens zijn reis naar het aardoppervlak. Dit, op zijn beurt, regelt de steenvorm en morfologie.
de directe omzetting van grafiet in diamant vereist temperaturen van 2.200°C en drukken van meer dan 10,35 GPa (1,5 × 106 psi). Het creëren van deze voorwaarden was de eerste hindernis voor het produceren van door de mens gemaakte diamanten. General Electric bereikte het door de uitvinding van een hoge druk/temperatuur pakking genaamd de “riem” en kondigde de eerste synthese van diamant in 1955. Enigszins tot hun verdriet werd toen aangekondigd dat een Zweeds bedrijf, ASEA in het geheim diamanten had gemaakt 2 jaar eerder met behulp van een meer gecompliceerde 6-aambeeld pers. Het Zweedse bedrijf ASEA had dit niet aangekondigd omdat ze edelstenen wilden maken en de kleine bruine stenen die ze produceerden niet als hoogtepunt van hun programma beschouwden. De Beers kondigde kort na GE in 1958 aan dat ze diamanten konden synthetiseren.
de sleutel tot de fabricage was de ontdekking dat een metaaloplosmiddel zoals nikkel of kobalt de vereiste temperaturen en druk kon verlagen om beter hanteerbaar te zijn. Grafiet heeft een hogere Oplosbaarheid in nikkel dan diamant, daarom Lost grafiet eerst op in het nikkel en vervolgens stort diamant uit. Bij hogere temperaturen is de neerslag sneller en is het aantal nucleatieplaatsen groter. De vroegste diamanten werden snel gekweekt bij hoge temperaturen en hadden zwakke, hoekige vormen met een mozaïekstructuur. Dit materiaal werd uitgebracht door General Electric onder de handelsnaam RVG® voor verglaasde hars slijpschijven. De meeste van de eerste patenten op diamantsynthese zijn nu verlopen en de concurrentie van opkomende economieën heeft de prijs verlaagd tot$880 per kg ($400/lb.) hoewel kwaliteit en consistentie uit sommige bronnen twijfelachtig is.
door het beheersen van de groeiomstandigheden, met name de tijd en de nucleatiedichtheid, is het mogelijk om stenen van veel hogere kwaliteit te kweken met goed gedefinieerde kristalvormen: kubieke bij lage temperatuur, cubo-octahedral bij gemiddelde temperaturen, en octahedral bij de hoogste temperaturen.
de karakteristieke vorm van natuursteen van goede kwaliteit is octaëdraal, maar de hardste vorm is cubo-octaëdraal. Anders dan in de natuur, kan dit consequent worden gekweekt door manipulatie van het syntheseproces. Dit heeft geleid tot een reeks synthetische diamantsoorten, gekenmerkt door de MBG® – serie van GE en de PremaDia® – serie van De Beers, die de schuurmiddelen zijn bij uitstek voor zagen gebruikt in de steen-en bouwindustrie, en wielen voor het slijpen van glas.
kwaliteit en prijs van het schuurmiddel worden bepaald door de consistentie van de vorm en ook door het gehalte aan ingesloten oplosmiddel in de stenen. Aangezien het grootste deel van het blokiekste schuurmiddel wordt gebruikt in metaalbindingen die bij hoge temperaturen worden verwerkt, kan de differentiële thermische uitzetting van metalen insluitsels in de diamant leiden tot verminderde sterkte of zelfs breuk. Andere toepassingen vereisen zwakkere fenol-of polyamideharsbindingen die bij veel lagere temperaturen worden verwerkt en gebruiken hoekiger, minder thermisch stabiele diamanten. Korrelfabrikanten kenmerken daarom hun volledige assortiment diamantsoorten door de taaiheid bij kamertemperatuur (ti), de thermische taaiheid na verwarming bij bijvoorbeeld 1.000°C (1800°F) (TTI) en de vorm (blokachtig, scherp of mozaïek). In de mid-range, scherpe kwaliteiten omvatten gemalen natuurlijke en synthetische materialen.
Diamantcoatings komen vaak voor. Een bereik omvat dikke lagen of bekledingen van gegalvaniseerd nikkel, elektronloze Ni-P en koper of zilver met een gewicht tot 60%. De coatings werken als koellichamen, terwijl ze ook de hechtsterkte verhogen en voorkomen dat schurende fragmenten ontsnappen. Gegalvaniseerd nikkel produceert bijvoorbeeld een stekelig oppervlak dat een uitstekend Anker biedt voor fenolische bindingen bij nat slijpen. Koper – en zilververbindingen worden meer gebruikt voor droogslijpen, vooral bij polyamide-verbindingen, waarbij de hogere thermische geleidbaarheid opweegt tegen de lagere sterkte van de coating.
Coating kan ook op micronniveau worden aangebracht als bevochtigingsmiddel of als passieve laag om de reactiviteit van diamant met de specifieke binding te verminderen. Titanium is gecoat op diamanten die worden gebruikt in nikkel -, kobalt-of ijzergebaseerde bindingen om de grafitisatie van de diamant te beperken terwijl het diamantoppervlak wordt bevochtigd. Chroom is gecoat op diamanten die worden gebruikt in bindingen op basis van brons om de chemische binding en reactiviteit van de diamant-en bindingen te verbeteren.
voor gegalvaniseerde bindingen worden de diamanten met zuur geëtst om oppervlakteknobbels van metaaloplosmiddel te verwijderen die het elektrisch potentiaal van de plating op het wieloppervlak zouden vervormen, wat leidt tot ongelijke vernikkeling of zelfs knobbelvorming. ETS zorgt ook voor een iets ruwer oppervlak om mechanische hechting te bevorderen.
sinds 1960 zijn verschillende andere methoden voor het kweken van diamant ontwikkeld. In 1970 lanceerde DuPont een polykristallijn materiaal geproduceerd door de plotselinge hitte en druk van een explosieve schok (zie Fig. 11.4). Het materiaal was wurtitisch van aard en produceerde voornamelijk micron-grootte deeltjes meer geschikt voor lappen en polijsten dan voor slijpen.
figuur 11.4. Dupont mypolex ® polykristallijne diamant geproduceerd door een explosieve schok.