Коньшин А. С. , сильченко О. Б. , теплова Т. Б.

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕОРИИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В МЕЗООБЪЕМАХ

ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ОБРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОГРАНКИ АЛМАЗОВ В БРИЛЛИАНТЫ.

 

Учебное пособие

 

Москва 2004

 

УКД 671.152

 

Коньшин А.С., Сильченко О.Б., Теплова Т.Б.

 

Методологические основы использования теории пластической деформации в мезообъемах для автоматизации обработки твердых высокопрочных материалов и огранки алмазов в бриллианты.

 

Учебное пособие. –М. МГГУ, 2004, с 64

 

Учебное пособие предназначено для самостоятельного изучения работы студентами и специалистами в области обработки твердых высокопрочных материалов (в том числе алмазов)

 

Рецензенты:

 

ГАВРИШЕВ С.Е. – докт.техн. наук, профессор Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова

 

 

КРИКОРОВ В.С. – докт.техн.наук, профессор.

 

Одобрено Советом МГГУ в качестве учебного пособия по дисциплине «Теория абразивно-алмазной обработки высокотвердых материалов»

 

©Московский государственный горный университет

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ:

Введение............................. 4

Глава 1. Актуальность комплексной автоматизации обработки твердых высокопрочных материалов и огранки алмазов в бриллианты в гранильном производстве...................... 6

1.1. Физико-химические свойства алмаза............... 6

1.2. Классификация видов бриллиантов и технических изделий из алмазов.. 23

1.3. Требования к точности и чистоте изделий из алмазов. .......... 28

Вопросы к главе 1......................... 30

 

Глава 2. Задачи нового метода обработки твердых высокопрочных материалов.в механическом поле на ультрозвуковых частотах..... 31

2.1. Актуальность решения задачи снижения вероятности возникновения дефектов в поверхностном и подповерхностном слоях обрабатываемого материала при автоматизации процесса шлифования. ....... 31

2.2. Пути автоматизации процесса микрошлифования твердых высокопрочных материалов. ........................ 38

Вопросы к главе 2......................... 45

Глава 3. Упругая обрабатывающая система и её составные элементы... 46

3.1. Задачи нового метода обработки хрупких материалов. .......... 46

3.2. Упругая обрабатывающая система. ..................... 51

3.3. Реализация упругой обрабатывающей системы

в станочном модуле АН15ф4 с ЧПУ. ................... 54

Вопросы к главе 3......................... 61

Заключение............................ 62

Список литературы........................ 64

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Современные требования полупроводниковой промышленности, микро- наноэлектроники, медицины и гранильной отрасли к стабильному качеству обработанных алмазов и твердых высокопрочных материалов диктует необходимость автоматизации процессов обработки, которые можно обеспечить только на основе применения диагностирования параметров этого процесса.

В первой книге учебного пособия «Теория абразивно-алмазной обработки высокотвердых материалов» изложена теория пластической деформации в мезообъемах, которая является основой для бездефектного размерно-регулируемого шлифования анизотропных твердоструктурных и хрупких материалов, в том числе и натуральных алмазов, кристаллографически ориентированных по плоскости (111) (т.е. в «твердом» направлении) с получением нанометрового рельефа на обработанной поверхности.

Модель физической мезомеханики пластического деформирования в мезообъемах при микрошлифовании твердоструктурных хрупких материалов с технологической диагностикой впервые позволяет дифференцированно учитывать либо только динамическую составляющую упругой деформации обрабатывающей системы и обеспечить при этом нанометровый рельеф на обработанной поверхности (R_z < 1 нм), либо только статическую составляющую упругой деформации, что дает возможность обрабатывать сложно-профильные изделия с высокой размерной (с отклонениями не более 1 мкм) и геометрической (с отклонениями не более 0,3 мкм) точностью, либо одновременно и одно и другое.

Это делает возможным решить проблему автоматизации процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и процессов планаризации многослойных полупроводниковых структур, что позволяет отказаться от сложной технологии химико-механической полировки в агрессивных средах и существенно повысить выход годной продукции.

Дальнейшее совершенствование технологии позволит улучшить технико-экономические показатели оборудования за счет расширения технологических возможностей и концентрации операций путем создания отдельных модификаций в семействе многокоординатных суперпрецизионных станочных модулей с интеллектуальной системой ЧПУ, с эксплуатационными показателями соответствующими характеру производства предприятий различных форм собственности (от индивидуального и мелкосерийного до крупносерийного).

В конечном итоге работы в области технологии бездефектного размерно-регулируемого микрошлифования твердоструктурных и хрупких материалов приведут к расширению приоритета России на область гибкого автоматизированного машинного производства высокотехнологичных и наукоемких изделий микро- и наноэлектроники, медицины и ювелирных вставок из минерального и алмазного сырья на основе компьютерных технологий и семейства прецизионных станочных модулей с интеллектуальными системами ЧПУ.

 

 

ГЛАВА I

 

АКТУАЛЬНОСТЬ КОМПЛЕКСНОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ ОРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОГРАНКИ АЛМАЗОВ В БРИЛЛИАНТЫ В ГРАНИЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ.

 

1.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛМАЗА.

1. Общие сведения об алмазах. Алмазообразование.

История алмаза насчитывает насколько тысячелетий. Разные народы давали ему различные названия. В древней Греции для алмаза нашли выразительное название: adamas (адамас) – непреклонный, твердый. В арабском это слово зазвучало как almas (алмас), и в таком виде оно перешло в русский язык.

Дискуссии ученых о генезисе алмаза, начатые с конца XIX в., продолжаются до настоящего времени.

Существуют две крайние точки зрения на происхождение природных алмазов. Согласно одной из них зарождение и рост кристаллов этого минерала происходили в пределах верхней мантии. По мнению других исследователей, алмаз образуется непосредственно в кимберлитовых трубках.

Большинство ученых в настоящее время поддерживает тезис: «алмаз — минерал верхней мантии, кристаллизующийся в области своей термодинамической стабильности», т. е. образование его происходит при высоких температурах и давлениях. Последние определяются величиной литостатической нагрузки, а следовательно, глубинностью.

Развиваются гипотезы и о кристаллизации алмаза не только в области его термодинамической стабильности, но и вне ее, т.е. рост алмаза происходит в метастабильной области (в частности, кристаллизация из газовой фазы, дорастание алмаза на ранее образованных затравках и др.).

Каждая из моделей имеет свои положительные стороны и те или иные недостатки.

 

2. Структура кристаллов алмаза.

Кристаллографическая решетка алмаза состоит из атомов углерода, соединенных C–C единичными связями. Энергия разрыва связи – 5,3·10^-19 Дж на связь. Расстояние между связанными атомами углерода – 1,54 Å. Каждый атом занимает 5,4Å; на 1 см² плоскости приходится 2·10¹⁵ атомов. Элементарная ячейка кристаллической структуры алмаза представляет собой куб.

Пространственная решетка алмаза изображается в виде гранецентрированной кубической решетки Браве (рис.1) с четырьмя дополнительными атомами, закономерно расположенными внутри ее. Каждый атом углерода имеет четырех соседей, находящихся на расстоянии 1,542Å(±2%). Атомы углерода в структуре алмаза образуют четыре ковалентные связи, направленные под углом 109°28' относительно друг друга. Это обуславливает высокую энергию решетки и соответственно физические свойства.

Рис. 1

Наиболее часто кристаллы алмаза встречаются, как уже указывалось, в форме куба, октаэдров, и ромбододекаэдров. Кроме простых кристаллографических форм наблюдаются комбинации октаэдра, куба и додекаэдра. Среди кривогранных кристаллов более всего распространены округлые многогранники, приближающиеся по форме к ромбододекаэдру. Реже встречаются округлые кристаллы, близкие к октаэдрам, – октаэдроиды и близкие к кубам – гексаэдроиды. Кривогранные формы также могут образовывать различные комбинации.

 

Рис.2

Кристаллы алмаза нередко представлены двойниками, которые состоят или из двух сросшихся отдельных кристаллов (рис.2) – двойника срастания, или из проросших друг в друга кристаллов – двойники прорастания. Кроме того, алмазы могут давать сложные двойниковые срастания в виде тонких пластинок, в совокупности образующих как бы один кристалл, который слагается из двойниковых пластинок. Ювелиры отмечают, что прочность таких кристаллов значительно выше.

Алмазы могут содержать до 0,1 – 1% (по массе) примесей. Включения могут быть газообразные (углерод), жидкие (вода), твердые (графит, магнетит, рутил, окислы железа и меди) и другие.

Основные химические элементы примесей в алмазе – азот, кислород, водород, железо, титан, марганец, кремний, алюминий, реже встречаются и некоторые другие. Азот является одной из характерных примесей, оказывающий существенное влияние на ряд свойств алмаза, в частности на его люминесценцию и цвет. Наличие азота обуславливает желтый цвет. При замещении углерода одиночными атомами азота получается соломенно-желтая окраска алмаза, а при наличии трех атомов азота и вакансии обуславливает появление бесцветного кристалла со слегка видимым оттенком желтизны (серия «Кейп»).

 

3. Электрические свойства алмаза.

В зависимости от примесей алмаз имеет различные электрические свойства. Как правило, алмаз является диэлектриком. Лишь некоторые алмазы – полупроводники. Полупроводниковые алмазы особенно ценны. Они применяются в приборах работающих при высоких температурах.

Электрическое сопротивление алмазных полупроводников зависит от температуры, причем даже незначительные ее колебания (около 0,002 ⁰С) мгновенно регистрируются. Это открывает широкие возможности применения алмазов в вакуумных приборах и приборах, работающих с инертной средой, где необходимы точные измерения температуры.

Удельное сопротивление алмаза лежит в пределах 10¹⁴-10¹⁶ Ом/см, у полупроводниковых – 25 – 10⁸ Ом/см.

При трении о сукно алмаз электризуется положительным зарядом. Некоторые его разновидности обладают пиро- и пьезоэлектрическими свойствами.

Пироэлектрический эффект – создание поверхностных электрических зарядов при изменении температуры в некоторых кристаллах.

Пьезоэлектрический эффект – создание поверхностных электрических зарядов в некоторых кристаллах при деформации – сжатии, растяжении, срезе.

При облучении ультрафиолетовыми лучами алмаз становиться проводником электричества (фотопроводимость). Диэлектрическая проницаемость алмаза составляет 16 – 16,5.

Применение алмаза вывело на новый уровень не только горнодобывающую, горно-обрабатывающую промышленности, металлургию и машиностроение, но и точное приборостроение, радиоэлектронику, оптико-механическую промышленность.

Алмаз, в какой то мере праотец современных полупроводников. Именно природному алмазу свойственны наивысшая теплопроводность, дрейфовая скорость электронов в электрическом поле и электрическая прочность. Поэтому он служит своеобразным полигоном для создания диодов и транзисторов на основе синтетических алмазов. Природный алмаз применяют в датчиках, теплоотводах и других устройствах. Алмазная подложка полупроводниковых схем, обеспечивая их прекрасную изоляцию, отводит теплоту в несколько раз быстрее, чем, например, медь, тем самым, повышая эффективность работы особо ответственных узлов электронных схем.

Возможность с помощью алмазов считать ядерные частицы в весьма сложных условиях агрессивных сред и высоких механических нагрузок уже используется и будет использоваться все больше в специальных счетчиках. Весьма перспективен алмаз как полупроводниковый материал.

Алмаз является хорошим проводником тепла. Уже упоминалось, что некоторые алмазы обладают полупроводниковыми свойствами и относятся к полупроводникам ρ-типа.

Предполагается, что полупроводниковые свойства алмазов обусловлены наличием в них примесей бора.

Весьма важным и интересным свойством алмазов является также возникновение световых вспышек и импульса электрического тока при попадании в кристалл быстрых заряженных частиц. Световые вспышки (сцинтилляции) в алмазах настолько интенсивны, что любой источник ядерного излучения с энергией выше лишь несколько тысяч электрон-вольт надежно регистрируется при использовании обычных фотоэлектрических умножителей.

Интенсивность сцинтилляции мало зависит от энергии электронов. Она почти постоянна при температуре ниже –50 ⁰С, но с повышением температуры убывает и исчезает полностью при 100 ⁰С. Исследованиями в интервале – 125…+230 ⁰С показали, что счетная способность и фотопроводимость алмаза увеличиваются с понижением температуры. Достоинствами алмазных счетчиков являются прочность, долговечность даже в весьма агрессивных средах, а также в окружении сильных магнитных и гравитационных полей.

 

 

4. Тепловые свойства алмаза.

Гомеополярные (ковалентные) связи, при помощи которых соединяются атомы углерода в алмазе, очень прочные. Для таких кристаллов характерны большая твердость и высокая температура плавления. Так, температура плавления алмаза 3700 - 4000 ºС. Алмаз на воздухе сгорает при температуре 850 –1000 ⁰С, а в струе чистого кислорода горит при 720 – 800ºС слабо-голубым пламенем, постепенно уменьшаясь, и в конце концов исчезает, превращаясь в углекислый газ СО₂. При нагревании до 2000-3000ºС без доступа кислорода алмаз переходит в графит.

Алмаз обладает также высокой теплопроводностью. При различных температурах теплопроводность алмазов меняется.

Алмазы типа II в определенном интервале температур проводят тепло в 5 раз лучше, чем Сu. И. С. Рожков и др. (1964) исследовали зависимость теплопроводности от симметрии кристалла. Ими была установлена анизотропия теплопроводности: они отметили, что изотермические поверхности в кристаллах алмаза имеют форму эллипсоида вращения или, возможно, трехосного эллипсоида. По их данным, удельная теплоемкость вдоль оси L₃ изменяется от 0,523 до 0,554 кал/см·сек·град (среднее 0,547); вдоль оси L₄—от 1,07 до 2,04 кал/см·сек·град.

Дефектные кристаллы алмаза иногда раскалываются при нагревании. Однако совершенные кристаллы можно нагревать до температуры 1800—1850°С и мгновенно охлаждать; при этом они не разрушаются, а наоборот, по данным некоторых исследователей, упрочняются в связи с частичным снятием напряжений.

Теплопроводность обусловливает быстрый отвод тепла, возникающего в процессе обработки деталей алмазным инструментом и огранке алмазов в бриллиант. Температурный коэффициент (коэффициент линейного расширения) алмаза обычно составляет от 0,9·10^-6 до 1,45·10^-6 1/К, при температуре 78 ⁰С он равен 1,2·10^-6 1/К, а при температуре 780 ⁰С - 4,5·10^-6 1/К. Таким образом, тепловое расширение алмаза ниже теплового расширения твердых сплавов, в частности стали, некоторые марки которой характеризуются минимальным коэффициентом линейного расширения. Это свойство алмаза учитывают при вставке его в оправу из разных металлов и других материалов, что часто встречается на практике и в ювелирном деле, и при изготовлении алмазных инструментов.

 

5. Оптические свойства алмаза.

Средний показатель преломления бесцветных кристаллов в желтом свете 2,4175. С увеличением примесей показатель преломления повышается до максимальной величины 2,417.

Способность кристаллов разлагать белый свет на отдельные цветовые лучи называется дисперсией. Дисперсия алмаза равна 0,063. Показатели преломления алмаза для различных лучей не одинаковы:

Красный	2,402
Желтый	2,417
Зеленый	2,427
Фиолетовый	2,465

Как показатели преломления, так и дисперсия алмаза намного превышают такие же свойства других прозрачных тел.

Блеск отполированного алмаза настолько характерен, что он получил название «алмазного». Он обусловлен сочетанием высокого преломления с чрезвычайно сильной дисперсией. Луч света, попадая в кристалл алмаза, претерпевает у противоположной поверхности кристалла полное внутреннее отражение, а при обратном выходе разлагается на составляющие спектр лучи и дает ту красивую радужную игру цветов, блеск, который характерен только для алмаза. Этим и объясняется «игра» бриллианта.

Угол полного внутреннего отражения для алмаза при показателе преломления 2.42 (показатель преломления воды и воздуха соответственно 1.33 и 1).

Алмаз в противоположность стеклу прозрачен для рентгеновских лучей. Он флюоресцирует под действием ультрафиолетовых и рентгеновских лучей. Некоторые алмазы флюоресцируют в ультрафиолетовых лучах (365 нм) синим или желто-зеленым светом, а многие светятся в темноте после пребывания на солнце (фосфоресценция), принимая молочный оттенок. Ряд кристаллов алмаза испускает свет при их нагревании, вызывая явление термолюминесценции. Под действием радона алмаз приобретает зеленый оттенок, который не пропадает даже при нагревании его до красного каления.

 

6. Люминесценция алмаза.

Одним из весьма важных в практическом отношении свойств алмаза является люминесценция. Под действием видимого света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских частиц, а так же при облучении ядерными частицами, образующимися при распаде радиоактивных изотопов, алмазы начинают люминесцировать, то есть светиться различными цветами.

Установлено, что под действием катодных и рентгеновских лучей светятся все разновидности алмазов, ультрафиолетовых только некоторые.

Цвет люминесценции алмаза различен и зависит от способа возбуждения. Так, при возбуждении ультрафиолетовыми лучами одни кристаллы светятся голубым, другие желтым или зеленым цветом. Встречаются также свечения красных, оранжевых и белесых тонов. Алмазы люминесцируют по-разному в ультрафиолетовых лучах (например, голубым и зеленым светом), могут светиться одинаково (голубым) под действием рентгеновских лучей. Цвет рентгенолюминесценции природных алмазов поразительно однообразен – это, как правило, белесо-голубое свечение. Отмечены лишь отдельные, редкие случаи зеленой и сине-фиолетовой рентгенолюминесценции.

В результате исследований был установлен, как уже указывалось выше, весьма важный в практическом отношении факт, что при достаточном возбуждении под действием рентгеновских лучей способностью к свечению обладают все алмазы, интенсивность их свечения изменяется от 1 до 100 условных единиц. Было показано, что спектр рентгенолюминесценции значительно шире, чем спектр голубой фотолюминесценции, и лежит в области 360-700 нм. Отмечено так же, что между отдельными участками в спектре рентгенолюминесценции для разных кристаллов имеются различия. Наиболее интенсивна для большинства кристаллов сине-голубая полоса. Во всех спектрах присутствует также желто-оранжевая полоса.

Не люминесцирующие алмазы, прозрачные до 225 нм, являются химически наиболее чистыми, и их кристаллическая решетка имеет минимальное количество дефектов. Такие алмазы объединены в первую группу предложенной Г.О. Гомоном классификации. Во вторую включены кристаллы с границей прозрачности 285-290 нм. Алмазы остальных групп (всего 10 групп) отличаются содержанием примесей, степенью совершенства кристаллической решетки и др.

Интенсивность свечения алмазов из разных групп при переходе от фотовозбуждения к рентгеновскому возбуждению изменяется по-разному, и зависимость интенсивности рентгенолюминесценции от интенсивности возбуждающего излучение у алмазов разных групп также разная.

 

7. Магнитные свойства алмаза.

Алмаз относится к немагнитным минералам. Однако исследование алмазов из отдельных месторождений Якутии показало, что некоторые их разновидности обладают слабыми парамагнитными свойствами, которые в основном связаны с примесью в алмазе азота. Встречаются кристаллы алмазов с включениями магнетита и ильменита, что также придает им магнитные свойства. Также кристаллы алмазов при магнитной сепарации попадают в магнитную фракцию.

 

8. Плотность, модуль упругости, предел прочности алмаза.

Плотность алмаза по измерениям чистых кристаллов правильной формы почти неизменна и составляет 3,50 г/см³ с колебаниями в пределах 0,01-0,02 г/см³. Эта величина поддерживается и теоретическими расчетами, проведенными исходя из объема и массы атомов углерода, входящих в кристаллическую решетку алмаза.

Практически плотность природных алмазов колеблется от 3,1 до 3,6 г/см³ в зависимости от строения алмаза, а так же от количества и качества включений. Плотность якутских алмазов составляет 3,49-3,54 г/см³.

Колебания плотности характерны не только для агрегатов, но и для отдельных, хорошо ограненных кристаллов высокой прозрачности. Многими исследователями, в частности Пирссоном, неоднократно отмечалась связь плотности (в г/см³) с окраской кристаллов:

Бесцветный	3,500
Зеленый	3,523
Голубой	3,525
Розовый	3,531
Оранжевый	3,550

В последние годы плотность алмазов стали измерять с очень высокой точностью. Результаты показывают, что у совершенных кристаллов алмаза колебания плотности намного меньше, чем считалось раньше.

Микротвердость алмаза 100,6 ГПа. Модуль упругости 720 – 930 Па. Предел прочности: при сжатии 2000Па, при растяжении 300 Мпа.

 

9. Окраска алмаза.

Обычно природные алмазы бесцветны, но нередко встречаются кристаллы самых разнообразных цветов и оттенков. Так, сравнительно часто наблюдаются алмазы с легким желтоватым оттенком, (они ценятся, однако, дешевле совершенно бесцветных кристаллов). Привлекательны на вид алмазы канареечно-желтого цвета. Зеленоватые алмазы также встречаются довольно часто: они характерны, в частности, для некоторых месторождений Урала. Бурые алмазы тоже не редкость, особенно в месторождениях Южной Африки. Розовые кристаллы встречаются реже, а рубиново–красные, розово – лиловые и синие – очень редки. Последние обычно имеют стальной оттенок.

Алмазы сапфирово – синего цвета представляют собой исключительное явление и ценятся очень высоко. Известны камни сиреневой или черно – фиолетовой (аметистовой) окраски. Интенсивность окраски таких алмазов колеблется от чуть заметной до густо – фиолетовой, последняя наблюдается весьма редко. Благодаря большим примесям аморфного углерода алмазы могут приобретать совершенно черную окраску. Во многих месторождениях изредка находят кристаллы алмазов с отдельными пятнами зеленого, сине – зеленого и табачно-бурого цвета различной интенсивности.

В США, Великобритании и ряде других стран в лабораторных условиях производят искусственное окрашивание природных алмазов. Установлено, что если бомбардировать алмаз электронами с энергией 1МэВ и потом с определенной скоростью охлаждать, то он приобретет синеватый цвет. Если эта энергия достигает 1,5МэВ, окраска алмаза становится сине–зеленой.

При нагреве алмаза до температуры 300 ⁰С происходит уменьшение яркости окраски, при нагреве до 600 ⁰С цвет изменяется полностью, становится зеленым и медленно переходит в желтый. Явление это до определенного этапа обратимо.

Вопрос о природе окраски алмазов, как и многих других минералов, долгое время оставался спорным и окончательно не решен до сих пор. С одной стороны, известно, что алмазы содержат различные химические примеси, которые являются хромофорами (Fe, Ti и др.) и могут обусловить различную окраску природных кристаллов. С другой стороны, под действием облучения приникающей радиации (электроны, протоны, нейтроны и др.) и последующей термической обработки бесцветные алмазы можно окрасить в желтый, голубой, и другие цвета.

В последнее время в области изучения окраски достигнут существенный прогресс. В частности, доказано, что при нагреве кристалла алмаза образовавшиеся в результате облучения дефекты (вакансии и межузельные атомы), приобретая достаточную энергию, начинают более свободно перемещаться, пока движению не будут препятствовать какие-то другие дефекты или аномалии в кристаллической решетке. В результате образуются комплексы различного строения (центры окраски) и кристалл приобретает тот или иной цвет. Кроме того, более или менее выяснена природа зеленой окраски алмазов (вакансии в решетке) и коричневой (дислокации, возникающие в процессе пластической деформации). Другие типы окраски пока мене ясны.

 

10. Химический состав алмаза.

Примеси азота. Как выяснено, главной примесью в алмазах является азот, который оказывает большое влияние на физические свойства и текстуру кристаллов алмаза. В частности, именно присутствием азота обусловлено различие свойств алмазов типов I (азотные) и II (безазотные), с азотом чаще всего связана и люминесценция алмазов.

Азот встречается во всех разновидностях кристаллов и поликристаллических образований алмаза. Непосредственных количественных определений азота в поликристаллических образованьях алмаза не делалось, но спектры, обусловленные примесью азота, наблюдались во всех их разновидностях.

Давно было установлено, что алмазы типа I имеют зональное строение по октаэдру. В последнее время выявлено, что отдельных зонах этих кристаллов находятся неодинаковые количества примеси азота, образующего разные дефектные центры в структуре алмаза.

Другие важные примеси. В алмазах в качестве примесей установлено 25 элементов: H, B, N, O, Na, Mg, Al, P, Ca, Sc, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Sr, Ba, Zr, La, Lu, Pt, Au, Ag и Pb.

По результатам исследования элементов-примесей в алмазах можно сделать вывод, что почти постоянно в них присутствуют Si, Al, Ca, Mg и Mn. Часто обнаруживаются Na, Ba, Cu, Fe, B, Cr и Ti. Железо и титан находятся почти постоянно в кристаллах с оболочками (причем, как правило, вместе), тогда как в кристаллах обычной разновидности Fe фиксируется не часто, а Ti исключительно редко. Основные элементы: Sr, Co, Zr, P, Sc, La, Lu, Pt, Ag, Au и Pb находятся в алмазах от случая к случаю. Содержание их в разных кристаллах незначительное.

 

11. Химические свойства алмазов.

Алмазы стойки по отношению ко всем кислотам; последние не оказывают никакого действия на их кристаллы даже при высоких температурах. С другой стороны, в расплавах щелочей, различных кислородных солей и металлов они сравнительно легко травятся.

 

12. Классификация алмазов.

В настоящее время приняты две основные классификации алмазов: генетическая и морфологическая. Согласно генетической классификации Ю. Л. Орлова выделяют Х основных групп алмазов.

I. Плоскогранные октаэдры с гладкими или ступенчато – пластинчатыми гранями. Это обычно прозрачные, бесцветные или золотисто-желтые кристаллы. Большинство алмазов этой разновидности принадлежит к алмазам типа I (азотные). Данная разновидность преобладающая.

II. Прозрачные янтарно-желтые, реже зеленые кубы, кривогранные кубоиды и деформированные додекаэдры с реликтами граней куба (100).

III. Прозрачные и полупрозрачные бесцветные, серые, иногда почти черные кубы. Характерны параллельные и неправильные сростки и шпинелевые двойники прорастания. Кристаллы обычно зонального строения.

IV. Кристаллы в оболочке — «coated diamonds». Внешняя зона обычно мутная с большим числом микроскопических включений, внутренняя — представлена бесцветными прозрачными или слабо-желтоватыми кристаллами. Форма этих алмазов зависит от толщины наружной оболочки; так, кубические кристаллы имеют наиболее толстую оболочку. Наружная оболочка сравнительно легко отделяется от внутреннего «ядра».,

V. Мозаично-блоковые темные, иногда совершенно черные алмазы. Характерно наличие включений графита во внешней зоне. Они часто имеют радиально-лучистое строение с центральной бесцветной прозрачной областью, представленной плоскогранными октаэдрами, реже сростками двух-трех кристаллов.

VI. Шаровидные, каплевидные, реже неправильной формы алмазы радиально-лучистого строения, бесцветные, сероватые, иногда совершенно черные — балласы.

VII. Сростки полупрозрачных, обычно желтоватых октаэдрических кристаллов с различными дефектами (трещины, включения графита и т.д.). Отдельные кристаллы в сростках достигают 4—5 мм.

VIII. Агрегаты многочисленных, обычно хорошо ограненных октаэдрических кристаллов, часто со.ступенчато-пластинчатым строением граней. Форма агрегатов овальная или шаровидная. Эти агрегаты известны под названием борт. Внутри они часто имеют темное ядро — агрегат неправильных зерен алмаза с обильными включениями графита.

IX. Яснозернистые агрегаты алмаза, имеющие вид кусков неправильной формы. Зерна не имеют четких кристаллографических очертаний, непрозрачные, темно-серые и черные. По строению они аналогичны типу VIII (борт).

X. Скрытокристаллические или мелкозернистые образования, известные под названием карбонадо. Сложены мелкими (0,5—50 мкм) зернами октаэдрического и кубического габитуса. Содержат многочисленные включения аморфного углерода, графита, кварца, халцедона, монацита, рутила, флоренсита, ксенотима и других минералов, выщелачивание которых обусловливает пористую структуру карбонадо. Цвет карбонадо зеленовато-серый, коричневый, темно-фиолетовый, иногда почти черный. Величина карбонадо изменяется от мельчайших зерен до гигантов массой в тысячи каратов. Известны карбонадо массой 3148 и 3167 кар. Форма карбонадо обычно желвакообразная, реже угловатая. Карбонадо, как правило, крупнее обычных алмазов и встречены лишь в россыпях; коренной источник неизвестен.

З. В. Бартошинский, М. А. Гневушев и другие выделяют обычно три основных типа алмазов: октаэдры, ромбододекаэдры и переходные формы от октаэдра к ромбододекаэдру. Для более четкого деления используют форму и строение граней. Всего различают 10 групп.

I. Плоскогранные октаэдры обычно бесцветные или слабоокрашенные в желтоватые, зеленоватые или розоватые тона. Грани плоские и ровные, ребра острые или слегка притупленные. Включения редки и нехарактерны.

П. Кристаллы октаэдрического и переходного, реже ромбо-додекаэдрического габитуса со ступенчатым строением граней, обусловленным наложением слоев из тригональных пластинок. Нередки сростки нескольких кристаллов. Эти алмазы в подавляющем большинстве бесцветны, изредка окрашены в зеленоватые, желтоватые и розоватые тона.

III. Кристаллы с полицентрическим развитием граней, октаэдрического, переходного, реже додекаэдрического габитуса. Грани осложнены прямолинейными слоями, которые образованы тригональными пластинками; каждый последующий слой сдвинут относительно предыдущего. Алмазы этой разновидности бесцветны и редко содержат включения.

IV. Кристаллы, сложенные тонкими дитригональными слоями ром-бододекаэдрического и переходного габитусов, имеющие выпуклые грани; поверхность граней скульптирована сноповидной штриховкой, имеющей форму сферических треугольников вокруг выходов тройных осей. Торцовые участки пластинок закруглены. Цвет кристаллов слегка желтоватый или зеленоватый, много бесцветных камней.

V. Кристаллы с занозистой штриховкой, тонкослоистые ромбо-додекаэдрического габитуса; слои кулисообразно сменяют друг друга.

VI. Кристаллы с округло-ступенчатыми гранями, ромбододекаэдрические и переходной формы, характеризующиеся ступенчатым строением поверхности.

VII. Кристаллы с блоковой скульптурой. Ромбододекаэдры, поверхность которых осложнена выпуклостями, сопряженными по искривленным линиям. Прозрачные, бесплотные, реже зеленоватые или желтоватые.

VIII. Округлые кристаллы. Ромбододекаэдры с выпуклыми гранями, матовой и коррелированной поверхностью. Швы граней, как правило, искривлены. Характерно обилие включений, сероватая и буроватая окраска.

IX. Кристаллы кубического габитуса.

X. Карбонадо.

 

13. Обработка алмазов в бриллиант.

Цель производственного исследования кристаллов алмаза – изучить их морфологические особенности, сопоставить стоимость сырья, выход годного, цену бриллиантов, которые могут из него получиться, и на основании анализа определить технологическую направленность его обработки.

Обработка включает в себя следующие операции:

Разметка – одна из основных операций, определяющих эффективность использования сырья. Выполняется рабочим субъективно. Стоимость бриллиантов зависит от массы, наличия дефектов, нацвета и формы огранки. Увеличить массу бриллианта можно путем рационального раскроя кристалла, путем изменения соотношения геометрических параметров за счет формы огранки.

Раскалывание – применяется для улучшения формы и качества кристаллов путем деления кристалла на части. Используется при обработки, когда нецелесообразно использовать операцию распиловки.

Подшлифовка является операцией предварительной огранки. Назначение операции подшлифовка – придание алмазам формы, приемлемой для обработки на последующих операциях технологического процесса, а также выведение дефектов с поверхностной зоны обрабатываемых граней.

Обдирка алмазов является одной из самых ответственных операций в технологическом цикле изготовления бриллиантов. От ее проведения зависит коэффициент использования алмазного сырья, качество готовых бриллиантов. Главная задача обточки состоит в том, чтобы получить заготовку определенной формы с максимальными размерами по рундисту в обточенном состоянии, при этом высота пояска заготовки должна быть достаточной для размещения верхней части бриллианта и его рундиста. Такая заготовка обеспечивает возможность получения при огранке бриллианта оптимальной массы.

Огранка. В традиционном процессе огранки обрабатываемый алмаз проходит две стадии обработки. На первой стадии заготовке придается геометрическая форма бриллианта, при этом снимается основная масса алмаза; на второй стадии обработки производится полирование отшлифованных граней для придания им зеркальной поверхности снятием рисок, оставшихся после первой стадии обработки.

 

14. Оценка бриллиантов.

Оценка – последняя операция на пути превращения бриллианта как творения природы и рук человека в товар. На этой операции определяют цену бриллианта, которая устанавливается в зависимости от его массы, цвета, дефектности, формы и типа огранки.

Масса. Одним из факторов, в значительной степени влияющих на цену бриллианта, является его масса. Во всех странах в качестве единицы измерения массы принят карат. Один карат равен 200 мг. Для обозначения массы бриллианта применяют сотые и даже тысячные доли карата.