Алмазный инструмент в Германии и в мире: история, классификация, сферы применения

Производство алмазных инструментов имеет в Германии богатые традиции и занимает весьма существенную нишу в структуре немецкого промышленного производства.

И хотя в наше время немецкие производители испытывают существенное давление со стороны конкурентов из различных стран, тем не менее, даже сегодня в Германии насчитывается около 1000 компаний, заслуживших в этой отрасли добрую славу своей качественной продукцией, известной во всём мире. Причем, наряду с известными брендами, поставляющими широкий спектр продукции, в Германии существует целый ряд небольших, но весьма инновационных производителей, создающих уникальные решения для специальных и особых случаев применения, например, компании, специализирующиеся на алмазных инструментах для высокоточной обработки огнеупоров, используемых для футеровки промышленных печей.

Но что же такое алмазный инструмент?

В своей книге «Естественная история» Плиний писал: «Когда алмаз удаётся разбить, он распадается на настолько мелкие осколки, что их почти не видно. Они очень востребованы граверами, работающими с драгоценными камнями, которые вставляют их в железные инструменты, поскольку алмазные осколки без труда оставляют глубокие следы даже в самых твердых материалах"

Преимущества алмаза

Алмаз - это один из самых твердых природных материалов на земле; намного тверже корунда и карбида кремния. Кроме того, алмаз также обладает высокой прочностью, хорошей износостойкостью и низким коэффициентом трения. Таким образом, при использовании в качестве абразива он имеет много очевидных преимуществ перед многими другими распространенными абразивами.

Преимущества алмазного инструмента

Алмаз можно использовать для изготовления шлифовальных инструментов, которые имеют следующие преимущества:

• Высокая эффективность шлифования при приложении минимальных усилий, поскольку обрабатываемые материалы в процессе алмазной обработки выделяют меньше тепла. Вследствие этого уменьшается вероятность термический деформаций и трещин на поверхности заготовки, а также снижается износ оборудования и потребление энергии.
• Высокая износостойкость: в процессе работы размеры алмазных шлифовальных инструментов меняются крайне несущественно. Это их качество обеспечивает как хорошее качество шлифования, так и значительную точность обработки.
• Длительный срок службы значительно повышает эффективность работы, улучшает условия труда мастеров и снижает трудоемкость производственного процесса.
• Низкая совокупная себестоимость: с учётом качества и количества обработанных заготовок, стоимость обработки каждой детали оказывается весьма невысокой.
  
  

Категории алмазных инструментов

Существуют сотни видов алмазных инструментов. Их можно разделить на категории по способам изготовления и по характеру использованию.

Классификация алмазных инструментов по способу их изготовления

1. Алмазные инструменты на металлической основе. Здесь в качестве связующего материала инструмента выступает спеченный металлический порошок, содержащий алмазную крошку. Функциональными частями инструмента обычно являются алмазные сегменты. К инструментам такого рода можно отнести, например, алмазные пилы, алмазные шлифовальные чашки, алмазные коронки и т.д. Для алмазных инструментов с металлической связкой именно вид связки является одним из основных факторов при выборе инструмента для резки или шлифования определенного материала в зависимости от его твердости и абразивности. Используемая связка определяет скорость, с которой металлический порошок вырабатывается, обнажая новые кристаллы алмаза на поверхности и, тем самым, сохраняя абразивную режущую поверхность. Различная прочность связки достигается за счет подбора соответствующей смеси сплавов металлических порошков, а также интенсивности тепла и давления для воздействия на рабочий сегмент. В качестве эталонного материала исторически использовался кобальт благодаря высокой удерживающей способности, простоте обработки горячим прессованием и регулируемой скорости износа с помощью порошка бронзы или карбида вольфрама. Однако из-за высокой и нестабильной цены на этот материал, а также из соображений защиты окружающей среды позже были разработаны альтернативные системы на основе сплавов или железно-медных смесей с металлическими и неметаллическими добавками.
2. Алмазные инструменты на полимерной основе. В этом случае связующий материал инструментов в основном представляет собой полимерный порошок. Примером такого инструмента являются алмазные полировальные диски на полимерной связке, используемые в строительной отрасли.
3. Алмазные инструменты с покрытием. Эти инструменты изготавливаются путем закрепления алмазов на основании инструмента с помощью метода гальваники или метода CVD (химического осаждения из паровой фазы). Обычно они имеют неплохую точность обработки.
4. Алмазные инструменты на керамической связке. Связующий материал таких инструментов обычно представляет собой стекло и керамический порошок. Этот инструмент, как правило, отличается хорошей химической стабильностью, незначительной упругой деформацией, хотя и имеет весьма высокую хрупкость.
5. Алмазные инструменты с поликристаллическими алмазами (PCD). Обычно такие инструменты получают путем спекания множества микрокристаллов алмаза при высокой температуре и высоком давлении. PCD имеет хорошую вязкость разрушения и хорошую термическую стабильность и используется при изготовлении геологических буровых долот.
6. Алмазные инструменты на основе поликристаллического алмазного композита. Они изготавливаются путем объединения нескольких слоев поликристаллических алмазов (PCD) с прокладкой из цементированного карбида при высокой температуре и высоком давлении. В результате, инструмент получает комбинацию таких преимуществ как высокая износостойкость алмаза при хорошей вязкости карбида.
7. Алмазные инструменты высокотемпературной спайки. Такие инструменты изготавливается путем припайки слоя алмазов к инструменту с помощью припоя при температуре выше 900° C. При этом используется вакуумная или атмосферозащищённая пайка. Эти инструменты имеют целый ряд преимуществ: припой может очень прочно удерживать алмазы, открытая высота одного слоя алмазов может составлять 70–80% от их размера, а сами алмазы могут быть системно упорядочены на инструменте.

Категории по характеру использования

Исходя из характера применения, алмазные инструменты можно подразделить на шлифовальные, режущие, буровые инструменты, а также алмазные пилы, алмазные штампы для волочения и т.д.

Обрабатываемые материалы

Алмазные инструменты подходят для обработки следующих материалов:

• Карбидные сплавы
• Твердые или абразивные неметаллические материалы, например, камень, бетон, асфальт, стекло, керамика, драгоценный камень и полупроводниковые материалы.
• Цветные металлы, такие как алюминий, медь и их сплавы, а также некоторые мягкие, но прочные материалы, такие как резина и смола.

Важно! Поскольку алмазы могут реагировать с Fe, Co, Ni, Cr, V при высоких температурах, возникающих в процессах шлифования, обычно алмазные инструменты не подходят для обработки сталей, включая обычные и различные вязкие легированные стали. Впрочем, инструмент на основе нитрида бора (CBN) подходят и для обработки сталей. С этой задачей могут справиться и инструменты, изготовленные из обычных абразивов (например, корунда и карбида кремния).

Области применения алмазных инструментов

Алмазные инструменты используются в следующих областях:

1. Геологическая или проектная разведка. Здесь часто используются различные алмазные буровые коронки.
2. Обработка камня. В этой отрасли алмазные дисковые пилы, алмазные многопильные станки, алмазные ленточные пилы используются для пиления мрамора, гранита и других каменных блоков. Алмазные канатные пилы находят применение в каменоломнях для работы с каменными блоками. Фасонные алмазные инструменты применяются для обработки камня определенной формы, а алмазные полировальные диски на полимерной связке незаменимы для полировки камня.
3. Строительство. Алмазные пилы среднего или малого размера, алмазные коронки и некоторые алмазные шлифовальные или полировальные инструменты часто используются при ремонте дорог, реконструкции зданий и обработке строительных материалов.
4. Деревообработка. В этом случае чаще всего речь идёт о прочном композитном ламинате, при обработке которого используются полотна циркулярной пилы из PCD, профилирующие фрезы, спиральные сверла и другие алмазные инструменты.
5. Изготовление автомобильных запчастей. Здесь находят широкое применение режущие инструменты из PCD и PCBN, обладающие высокой эффективностью и малым отклонениям при обработке деталей.
6. Информационные технологии. Высокоточные супертонкие алмазные отрезные круги незаменимы для резки кремниевых пластинок. Алмазные шлифовальные круги на полимерной связке используются для обработки керамики в оптоволоконной промышленности.
7. Инженерная керамика. Техническая керамика широко используется во многих отраслях промышленности. Она отличается высокой ударной вязкостью, высокой твердостью и жаропрочностью. Для её обработки созданы специальные высокопрочные и долговечные алмазные шлифовальные круги.
8. Твердосплавные инструменты. Алмазные инструменты используются для достижения высокой точности и эффективности обработки в этой сфере.

Помимо использования в качестве абразива из-за своей высокой твердости, алмаз также используется для производства других изделий благодаря множеству других полезных качеств, таких как высокая теплопроводность, низкий коэффициент трения, высокая химическая стабильность, высокое удельное сопротивление и высокие оптические характеристики. К таким областям применения относятся покрытия подшипников и компакт-дисков, действующие как линзы и термисторы, изготовление высоковольтных переключателей и датчиков.