Алмазные инструменты были хорошо известны и в Древней Индии. Индийские мастера по огранке самоцветов прикрепляли кристаллы алмаза к рукояткам ножей и использовали их как инструмент для обработки нефрита и других камней. Такие же инструменты были распространены во многих странах и во все времена. Гай Плиний Старший в своем труде «Естественная история ископаемых тел» писал: «Вырезыватели на камнях стараются приобрести тонкие пластинки алмаза и оправлять их в железо. Посредством их легко продалбливается твердейшее вещество». Алмазом вырезаны арабские надписи на каменных плитах надгробия Тамерлана в мавзолее Гур-Эмир в Самарканде.
В X веке знаменитый ученый средневековья, уроженец Хорезма Абу аль-Бируни указывал в своей книге «О драгоценных минералах»: «Жители Ирака и Хорасана не различают сортов алмазов и их цвета, и все они для них одинаковы, так как они их применяют только для сверления… Алмаз обертывают в кусок свинца и осторожно бьют по нему, пока сила ударов не одолеет его и он, ослабев, перестанет сопротивляться им… Когда алмаз разбивают на мелкие куски или же растирают их, то следует приставить человека, который отгонял бы от него мух, потому что они могут унести крупинки алмаза, втягивая их в свой хоботок, и улетают с ними». Полученный таким способом алмазный порошок смешивался с маслом и наносился на край вращающегося медного диска (этот метод без принципиальных изменений дошел до наших дней).
Конечно, сейчас алмазный порошок используется далеко не на одну лишь обработку других драгоценных камней. Без применения алмазов в той или иной части технологической цепочки промышленного производства просто невозможно представить себе современную обрабатывающую и машиностроительную индустрию. Использование 1 карата алмазов в промышленности дает экономический эффект от 5 до 50 руб., а при обработке особо твердых и хрупких материалов — и до 200 руб. Поэтому неудивительно, что из всех добываемых в мире алмазов почти 80 % так и не попадают в «высший свет» в качестве бриллиантов, а становятся «рабочими», приобретая разнообразные прикладные специальности.
«Рабочими» становятся прежде всего более низкосортные алмазы — кристаллы с неровной окраской, с трещинами и другими дефектами, а также различные осколки, двойники, сростки, которые невозможно огранить в бриллиант, однако для некоторых операций применяются и ювелирные алмазы.
Судьба алмазов, которым предстоит стать «рабочими», неодинакова. Наиболее мелкие кристаллы со значительными дефектами пригодны лишь для измельчения в порошок — это так называемые абразивные алмазы. Другие алмазы применяются в инструментах без какой-либо обработки в своем натуральном виде. Наконец, некоторые кристаллы используются в промышленности после специальной обработки и приобретения соответствующей геометрической формы.
Рассмотрим вкратце, где и как трудятся алмазы всех перечисленных выше типов.
Итак, «рабочие» самой низкой квалификации — абразивные алмазы. Их используют, как это следует из самого названия, на изготовление абразивных материалов. Однако, несмотря на такую, казалось бы, «низкую» квалификацию, роль этих незаметных тружеников переоценить невозможно. Ведь шлифованию подвергаются сотни тысяч самых разнообразных изделий. Объем шлифовальных работ огромен, и поэтому на изготовление абразивов расходуется около 80 % всех технических алмазов.
Поиск наилучших абразивов ведется с незапамятных времен. Сначала в этом качестве использовался природный песчаник, затем появились искусственные абразивы. Индийские гранильщики драгоценных камней смешивали толченый корунд с шеллаком (природным лаком) и формовали из этой смеси круги, которые после обжига превращались в искусственные шлифовальные круги. В конце XIX века англичанин Баркли получил шлифовальный круг путем обжига смеси корундового порошка с огнеупорной глиной, а его соотечественник Батмен предложил использовать в качестве цемента, скрепляющего корундовые зерна (или зерна другого абразива), вулканизированную резину. В настоящее время для связывания зерен абразива применяются еще и керамика, металлы, полимерные материалы.
Широкое использование в современной промышленности твердых и сверхтвердых сплавов потребовало новых, более эффективных абразивных веществ. И здесь алмаз совершил подлинную революцию. Действительно, чтобы сошлифовать, например, 1 г сверхтвердого сплава, необходимо затратить около 50 г. такого абразива, как карбид кремния. Алмаза же на эту цель уйдет в сотни тысяч раз меньше. Высокая твердость и износостойкость алмаза наряду с повышенной теплопроводностью (способствующей быстрому отводу избыточного тепла, образующегося при шлифовании) обеспечивают эффективную обработку деталей из самых твердых материалов при высокой (практически недостижимой другими способами) чистоте обработки поверхности изделий.
Главный вид абразивного инструмента — шлифовальный круг. Он изготовляется из алмазного порошка, сцементированного в монолит каким-либо связующим веществом. Связующее вещество, как более мягкое, постепенно истирается, и тем самым постоянно обнажаются все новые и новые зерна алмаза. Шлифовальный круг как бы сам себя затачивает и работает до полного износа.
Изготовить хороший алмазный шлифовальный круг не такое уж простое дело. В зависимости от предназначения абразива подбирается оптимальный размер его зерен. Более крупнозернистые алмазные порошки используются для предварительной, грубой обработки изделий, когда удаляется большое количество материала, а доводка производится более мелкозернистым порошком. Наиболее распространены порошки со средними размерами зерен (6-10 мкм). Но самое главное, что определяет качество абразива и эффективность его работы, — это одинаковый размер частиц порошка в абразиве одного сорта. А добиться этого непросто: ведь на изготовление одного шлифовального круга идут тысячи маленьких алмазных кусочков.
Помимо шлифовальных кругов, алмазный порошок является основой разнообразных шлифовальных шкурок и лент.
При дроблении алмазов не только получаются порошки требуемой крупности, но и образуется много переизмельченного материала, состоящего из мельчайших крупинок алмаза размером 10 мкм и меньше. Из этих тончайших фракций и алмазной пыли изготовляются алмазные пасты и суспензии. Они используются главным образом на доводочных операциях при необходимости получения зеркально-гладкой поверхности.
Для резания твердых пород, сплавов и других материалов промышленностью выпускаются различные алмазные диски и пилы, где рабочим веществом служат алмазные порошки разной зернистости. Наконец, широкое распространение получили алмазные порошки для изготовления алмазных сверл — трубок, конусов, стержней, рабочая поверхность которых покрыта слоем алмазного абразива. Сверло для обработки часовых камней представляет собой тончайшую стальную иглу, смазанную смесью алмазного микропорошка и оливкового масла. Сверло совершает 15–20 тыс. оборотов в минуту и может просверлить отверстие диаметром 0,01 мм. А с помощью алмазного сверла диаметром 3,2 м (на изготовление которого пошло 125 карат алмазов) в железобетонной стене за два часа было высверлено отверстие указанного диаметра.
Итак, шлифование, резка, сверление … Если бы мы просто попробовали перечислить операции, где незаменимы алмазные порошки и пасты, то один этот перечень составил бы объемистую брошюру. Поэтому ограничимся лишь некоторыми примерами.
Естественно, что с помощью алмазных абразивов проводятся шлифование и зеркальная полировка всех видов изделий. Кроме того, алмазный абразивный инструмент широко используется в металлообрабатывающей промышленности для правки шлифовальных кругов, с применением которых получают точно и чисто обработанные поверхности. Как мы уже упоминали, шлифовальный круг — это множество острых твердых кристалликов абразива, тысячи микрорезцов, сцементированных воедино. В ходе работы эти микрорезцы притупляются и нуждаются в периодической перезаточке — правке. Правка осуществляется специальным алмазным инструментом — алмазометаллическим карандашом (прессованная вставка из алмазного порошка и порошка твердого сплава), алмазным роликом и иглой. Одним алмазометаллическим карандашом можно выправить несколько тысяч шлифовальных кругов.
