По своему химическому составу алмаз является одной из разновидностей углерода с удельным весом 3,5—3,6. Алмаз измеряется в каратах (1 карат = 0,205 г). От графита он отличается пространственным расположением атомов углерода в кристалле. Атомы углерода, образующие структуру алмаза, расположены в узлах элементарной ячейки со стороной, равной 3,56 А. Она содержит 18 атомов углерода, из которых восемь атомов расположены в вершинах куба, шесть—в центре граней куба и четыре—в центре четырех из восьми квадратов, образованных делением кубической ячейки тремя взаимно перпендикулярными плоскостями. В связи с этим каждый атом углерода прочно связан с четырьмя окружающими его атомами, чем и объясняются повышенные физико-механические свойства алмаза.
Алмаз является самым твердым материалом. По абсолютной твердости алмаз в 4-5 раз тверже металлокерамических сплавов. Однако он хрупок и при сильном ударе может раскалываться по плоскости спайки. Кроме того, алмаз обладает хорошей теплопроводностью, не подвержен действию кислот и щелочей при обычной температуре. При высоких температурах алмаз постепенно превращается в графит. В кислородной среде он сгорает при температуре 900° С, в результате чего образуется двуокись углерода. В нейтральной среде он устойчив при нагревании до 1000° С. Таким образом, температура красностойкости алмаза не превышает 850° С. Но обладая большой твердостью, очень низким коэффициентом трения и высокими режущими свойствами, алмазные инструменты допускают обработку резанием на весьма высоких скоростях резания.
Для изготовления различных режущих инструментов и алмазных кругов применяются в основном кристаллы алмаза с величиной зерна от 1 мкм до 2,5 мм и весом до 0,2 карата. Из практики известно, что алмазный резец весом в 19 карат до полного использования перетачивался 105 раз, прослужив 16 лет.
В связи с большим спросом на алмазное сырье мировая добыча технических алмазов превышает добычу ювелирных. К техническим алмазам относятся: кристаллы, алмазный песок, борты, балласы, карбонады и другие виды алмазов самой различной формы и цвета, которые непригодны для ювелирных целей. Около 60—70% всех технических алмазов применяются для изготовления алмазных кругов и мелкозернистых порошков, 20—25% в виде отдельных кристаллов и алмазных карандашей для правки шлифовальных кругов из электрокорунда и карбида кремния, 10—12% для изготовления фильеров и мерительных наконечников, 1—2% для оснащения различных режущих инструментов и 8—10% для оснащения буровых коронок, применяемых для бурения особо твердых пород и т. д. Гипотеза происхождения естественных алмазов подтверждается методом получения искусственных алмазов из графита синтетическим путем. Полученные искусственные алмазы представляют собой кристаллы размером до 5 мм. Они используются в основном как сырье для алмазных кругов и шлпфпорошков. Синтез алмазов из графита осуществляется при высоком давлении до 100 Н/м2 и температуре до 4000° С. Процесс происходит в специальной твердосплавной камере с помощью конических твердосплавных пуансонов. Камеры и пуансоны упрочнены с помощью охватывающих колец из искусственного материала пирофилита, температура плавления которого при высоком давлении возрастает примерно вдвое (с 1315 до 2650°). Для нагрева с одновременным увеличением давления через камеру пропускается ток низкого напряжения. Температуру и давление можно значительно уменьшить, если в качестве катализаторов употребить жидкие металлы (Cr, Mo, Fe, Со, Та, Ni и др.).
Алмазами оснащаются режущие инструменты, инструменты для измерения твердости и микрогеометрии поверхности, правящие инструменты, буровые инструменты и др. Особенно широкое применение имеют алмазы как сырье для изготовления алмазных паст, шлифовальных кругов и хонинговальных брусков и других чистовых инструментов, а также для оснащения лезвийных режущих инструментов, используемых при обработке таких материалов, как германий, кремний и т. д.
В зависимости от конструкции алмазного инструмента используются алмазы в виде отдельных ограненных или неограненных кристаллов (естественной формы) и порошка различной зернистости.
Для изготовления рабочей части инструмента в настоящее время широко используются другие химические соединения, обладающие также весьма высокой твердостью. Одним из таких соединений является борозон, или эльбор (кубический нитрид бора КНБ), состоящий из —40% бора и —50% азота.
Рассмотрим особенности наиболее широко применяемых алмазных и поролоновых режущих инструментов.
Круги являются незаменимым инструментом для шлифования, заточки и до водки твердосплавных инструментов, а также шлифования и доводки детален из различных минералов. Применение алмазных кругов повышает производительность заточки твердосплавного инструмента до 2 раз по сравнению с заточкой обычными абразивными кругами, а доводки в 3—4 раза по сравнению с доводкой карбидом бора. Кроме того, на шлифуемом инструменте получаются острые без завалов и зазубрин режущие лезвия, улучшается чистота поверхности зубьев инструмента на два класса чистоты. Алмазные круги, зерна которых имеют весьма малые радиусы округления вершин и высокую микротвердость, отличаются повышенной режущей способностью. Благодаря этому уменьшаются силы резания, снижается температура нагрева шлифуемых поверхностей, что не дает следов прижогов и поверхностных трещин. В связи с этим использование алмазных кругов при заточке и доводке инструмента позволяет расширить применение непрочных, но более износостойких сплавов марок.
К алмазным кругам, используемым при заточке инструментов, предъявляются следующие требования: равномерность распределения алмазных зерен, качественность зерна и связки, минимальное торцовое и радиальное биение крута, отсутствие на кругах трещин, раковин и других дефектов.
Алмазные крути, как и обычные абразивные, различаются по форме и по основным характеристикам: зернистости, связке, твердости и т. д. Круги из синтетических алмазов маркируют аналогично маркировке абразивных кругов с нанесением на его поверхность условных обозначений.
Корпус круга изготовляется из различных металлов или пластмасс. На торцовые или периферийные поверхности корпуса наносится алмазоносный слой толщиной 1,5—3 мм, состоящий из алмазных зерен, связки и наполнителя в виде мелких зерен твердых минералов. Закрепление алмазных зерен в связке производится в основном методом порошковой металлургии. Для каждого круга сначала приготовляется шихта из связки и электрокорунда или другого наполнителя.
Экономичность и эффективность работы алмазными кругами определяется концентрацией алмазов, т. е. количеством миллиграммов алмазного зерна в одном кубическом миллиметре алмазоносного слоя круга. Круги бывают 25, 50 и 100 % - ной концентрации.
Наиболее эффективными для шлифовальных, заточных и доводочных операций являются круги 50 и 100%-ном нормальной и 150 и 200%-ной повышенной концентраций, а для хонингования — бруски с ориентированными (под воздействием магнитного поля и ультразвука) металлизированными алмазными зернами.
В алмазных кругах используются различные связки: металлическая (сплошная и пористая), бакелитовая и керамическая. Наиболее широкое применение при заточке и доводке твердосплавного инструмента ввиду нормального самозатачивания имеют круги с бакелитовыми связками. Круги на металлических связках применяются для ручной заточки инструментов, а круги на керамической связке — для шлифовки труднообрабатываемых сплавов и сталей.
Износ алмазных кругов и их производительность при обработке твердых сплавов во многом зависят от припуска и от режимов их работы. С увеличением скорости алмазного круга от 25 до 50 м/с уменьшается его износ и повышается стойкость в 2—3 раза. При этом относительная поперечная подача не должна превышать 0,01 мм/дв. ход, а продольная до 1,3 м/мин при заточке и до 0,2 м/мин при доводке. Для сокращения расхода алмазных кругов рекомендуется применять алмазную заточку в качестве чистовой операции после заточки твердосплавного инструмента кругами из карбида кремния. При этом чистота поверхности инструмента после предварительной заточки не должна быть ниже 7 класса чистоты, а припуск на заточку и доводку алмазным кругом — не более 0,1 мм. Доводку рекомендуется производить на ленточке зуба ширинок не более 2,5 мм. Таким образом, задняя поверхность такого инструмента, как резец, делается с тремя различными задними углами. Эффективность заточки и доводки твердого сплава значительно повышается за счет охлаждения зоны резания.
Борозоповые круги, подобно алмазным, изготовляются различной формы и размерами диаметром от 3 до 500 мм с концентрацией 100% па бакелитовой и других связках. Большие преимущества имеют борозоповые круги при обработке закаленных конструкционных и жаропрочных сталей и сплавов, а также при шлифовании и заточке режущих инструментов, изготовленных из легированных сталей. На поверхности инструмента не образуются прпжоги. Режимы резьбошлифования указанных сталей составляют: окружная скорость круга ик=35—45 м/с и скорость вращения детали Vд=0,3—0,8 м/мин. Обработка может производиться с применением в качестве СОЖ эмульсии, сульфофрезола или индустриального масла.
При заточке быстрорежущих инструментов борозоновыми кругами с глубиной резания t= 0,05 мм, продольной подачей Snp=l,5—2,0 м/мин и скоростью вращения vK=20—30 м/с обеспечивается получение 7 класса чистоты поверхности.
Хорошо зарекомендовали себя борозоповые круги при суперфинише роликовых дорожек подшипников и при чистовой шлифовке чугунных и стальных направляющих станин крупногабаритных станков. При этом происходит улучшение плоскостности поверхности направляющих с 10— 15 до 5—8 мкм на 1 метр длины. Износ кругов уменьшается примерно на 50%, а производительность процесса шлифования увеличивается на 25—30%.
