С приходом в производство алмазных пил неузнаваемо изменились условия труда в карьерах по добыче строительного и облицовочного камня. На камнерезных фабриках с помощью дисковых алмазных пил распиливают самоцветы и поделочные камни. Алмазные пилы используются для резки бетона в строительстве, при прокладке бетонных автострад и взлетно-посадочных полос на аэродромах. Так, в Техасском аэропорту для лучшего сцепления самолетных колес с железобетонным покрытием алмазными пилами было нарезано 20 тыс. канавок длиной 4 км и глубиной 3 см каждая. На это ушло полторы тысячи дисковых алмазных пил.
Применение алмазного резания дает значительный экономический эффект. Например, стоимость распиловки 1 м2 такого труднообрабатываемого материала, как стеклопластик, составляет при использовании инструментов из быстрорежущей стали 40 руб., твердосплавного инструмента — 6 руб., а алмазной пилы — всего 1 руб.
Алмазные сверла широко используются в строительстве. При возведении современных зданий в железобетонных блоках приходится сверлить множество монтажных и коммуникационных отверстий. При использовании сверл из твердых сплавов на одно отверстие уходит около одного часа, а алмазные сверла ускоряют процесс в 4 раза. Кроме того, алмазные сверла позволяют получать отверстия диаметром до 1,5 мм.
Значительный эффект дало использование алмазного инструмента в железнодорожном деле в связи с заменой деревянных шпал железобетонными. У последних после формования концы необходимо обрезать. При резке корундовым кругом одного такого круга едва хватало на обработку пяти шпал, а алмазный отрезной круг обрезает 900 шпал, причем расход алмазов не превышает 1 карата.
Наконец, следует особо подчеркнуть, что алмазные порошки незаменимы при обработке сверхминиатюрных и твердых деталей. Наверное, все обращали внимание на надписи на циферблате наручных часов: 7, 11, 15, 18, 23 камня. В данном случае камни — это трудноистираемые и точно изготовленные опоры, на которых вращаются часовые оси. Они изготовляются из рубина, корунда, сапфира, а в особо точных хронометрах и из алмаза. Чем больше в часах таких камней, тем выше их качество. В некоторых приборах в особо ответственных узлах применяются подшипники из топаза, берилла и сапфира, твердость которых приближается к твердости корунда. Качественно обработать такие детали можно только с помощью алмазных порошков.
Понятно поэтому, какое исключительно важное значение имеют алмазы для развития часовой промышленности, точного приборостроения, электроники.
Теперь рассмотрим, где же используются монокристаллы алмаза на буровых работах. Ведь бурение горных пород — процесс сложный и трудоемкий, да и весьма дорогостоящий. Поэтому повышение эффективности бурения (а оно во многом зависит от производительности бурового инструмента) дает экономический выигрыш в сотни миллионов рублей. Особую важность это представляет для нашей страны, где объем бурения, особенно при поисках, разведке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, исчисляется многими и многими миллионами метров.
Первым в Европе (да, пожалуй, и в мире) алмазы для бурения твердых горных пород предложил использовать швейцарский часовщик Г. Лешо в 1862 г. Его сын Рудольф Лешо вместе с механиком Пиге усовершенствовал способ отца, изобрел специальный буровой станок и разработал методы крепления алмазов в буровом инструменте. Этот буровой станок был с большим успехом применен при проходке одного из железнодорожных тоннелей в Швейцарских Альпах, а потом и при бурении шпуров на мраморном карьере Вермон в Швейцарии. В России энтузиастом и пионером алмазного бурения скважин явился профессор Горного института в Петербурге С. Г. Войслав, создавший в конце XIX века лучший по тем временам в мире буровой станок.
В наши дни на изготовление бурового алмазного инструмента расходуется около 12 % всех технических алмазов. Это прежде всего буровые коронки — стальные корпуса цилиндрической формы для навинчивания на бурильную трубу. На корпусе закреплена матрица — носитель алмазов.
Для буровых коронок используются алмазы массой 0,01—0,2 карата, непригодные для огранки в бриллианты. Коронки из мелких алмазов имеют большое число режущих граней, поэтому чем тверже горная порода, тем большим числом алмазов должна быть армирована коронка. Так, для бурения сравнительно мягких пород применяют буровые коронки, в которых на 1 карат приходится 5—15 зерен алмаза, для пород средней крепости — 24–40, для крепких — 40-200 и для очень крепких пород — до 400 алмазных зерен на карат. Для бурения нефтяных скважин используются так называемые алмазные долота, причем на каждое долото в зависимости от его типа расходуется от 8 до 26 карат алмазов.
Как мы уже отмечали, главное преимущество бурового алмазного инструмента — заметное повышение скорости бурения, особенно в твердых породах. Кроме того, значительно снижается изнашиваемость оборудования, а скважины приобретают строго цилиндрическую форму, т. е. имеют постоянный диаметр. Все это существенно (в 4 и более раз) снижает стоимость буровых работ.
Другая необъятная область применения монокристаллов алмаза — использование его как режущего инструмента. Режущие свойства инструментальных материалов определяются такими качествами, как твердость, величина модуля упругости, коэффициент трения и теплопроводность. Все эти свойства счастливо объединились в алмазе, который представляет собой непревзойденный резец.
Обычно замена твердосплавных резцов на алмазные производит ошеломляющий эффект на людей, плохо представляющих возможности алмаза. Как вспоминал один из пионеров внедрения алмазов в промышленность Австралии, ему пришлось сначала столкнуться с весьма скептическим отношением к алмазному инструменту, не в последнюю очередь из-за его сравнительно высокой стоимости. Привычное казалось более надежным. Приходилось изыскивать различные способы рекламы. И здесь неожиданную помощь оказала… популярная в Австралии игра в шары.
Дело в том, что шары для этой игры вытачивали из бакелита с помощью резцов с режущей кромкой из карбида вольфрама. А бакелит обладает такой большой абразивностью, что одного резца хватает лишь на грубую обточку шара, для окончательной же обработки требуется либо сменить резец, либо перезаточить его.
Владельцу компании по производству шаров было предложено испытать алмазный резец. Это был австралийский алмаз с одной режущей кромкой, закрепленный в державке. Хозяин фирмы отнесся к предложению с изрядной долей скепсиса, но как же он был потрясен, когда на его глазах алмазный резец до затупления обточил 900 бакелитовых шаров! Немедленно поступил заказ на алмазный инструмент, который вскоре был усовершенствован: на алмазе теперь имелись несколько режущих кромок, и при затуплении одной из них алмаз просто «переводился» в другую позицию. К хорошему привыкают быстро, и через короткий промежуток времени хозяин фирмы уже выражал недовольство, если резец обрабатывал меньше 3500 шаров.
Приведенные выше цифры — 1 шар и 900 шаров — не случайны. Как показала многолетняя практика, производительность алмазных резцов при обработке пластмасс в 900 раз выше производительности резцов, изготовленных из твердых сплавов.
Стойкость резцов принято измерять длиной пути, который они могут пройти по обрабатываемой детали до затупления. Для резца из быстрорежущей стали этот путь составляет 6–8 км, из твердых сплавов — 20–30 км, а алмазный резец может пройти до 3000 км! Кроме того, алмазный резец позволяет заметно повысить скорость резания, а также обеспечивает высокую точность и чистоту обработки деталей, их одинаковость (стандартизацию), — а это ведь и есть основной закон современного массового производства.
Фактически тем же алмазным резцом являются всем известные стеклорезы, на изготовление которых идут бездефектные кристаллы алмазов массой 0,02—0,2 карата. А алмазный резец, заточенный в виде тончайшей иглы, позволяет изготавливать высококачественные дифракционные решетки, используемые в приборах для спектрального анализа. Дифракционная решетка — это стеклянная пластинка, на которую нанесена сверхтончайшая штриховая сетка необычной густоты и плотности (до 3000 штрихов на 1 мм). Сделать такое можно только с помощью алмаза.
