Jak se zrodil diamantový řezný kotouč

Odkud myslíte, že pocházejí diamanty ve vašem kotouči? Z Ruska, Brazílie, Jihoafrické republiky nebo jiné země?

Ve výše uvedených zemích jsou největší naleziště přírodního diamantu, v diamantových kotoučích je syntetický diamant a mezi nimi je značný rozdíl.

Přírodní diamant

Jeho název pochází z řeckého slova "adamas" - nezničitelný.

Jednotkou hmotnosti je karát, což je přesně 200 miligramů. Největší přírodní diamanty váží 3 000 karátů (0,6 kg).

Těžba přírodních diamantů je historicky spojena s otrockou prací - proto se přírodním diamantům někdy říkalo krvavé diamanty. Mnoho slavných diamantů pochází z Jihoafrické republiky. Například diamant "Star of Africa", nalezený v dole Cullinan, je nyní součástí britských korunovačních klenotů.

Obr. 1. Diamantový důl Cullinan, kde byl nalezen slavný diamant, zdroj: khplant.co.za

Základem většiny moderních způsobů použití diamantu je jeho extrémní tvrdost a vysoký rozptyl světla. U diamantových kotoučů nás nejvíce zajímá jejich tvrdost. Dosahuje nejvyššího, desátého stupně Mohsovy stupnice tvrdosti. Již tři tisíce let před naším letopočtem se přírodní diamant používal k vrtání hornin. Nejstarší dochované záznamy o použití diamantového prášku jako brusiva pocházejí ze 6. století n. l. a v roce 1495 bylo podle nákresu Leonarda da Vinciho vyrobeno zařízení na vrtání skla. V roce 1939 britská vojenská norma předepisovala diamantové soustružení. Stále se však jedná o přírodní diamant, přestože Lavoisier v roce 1776 dokázal, že diamant je ve skutečnosti uhlík, jehož plochá atomová mřížka byla přeměněna na krychlovou (obrázek 1).

Obr. 2. Kubická diamantová mřížka a plochá uhlíková mřížka

Od té doby se vědci pokoušeli vyrobit syntetický diamant, což se podařilo až v roce 1953 švédským vědcům.

A co dnes?

Zejména díky moderním technologiím je cena syntetického diamantu jen nepatrným zlomkem ceny přírodního diamantu a syntetický diamant se používá především v průmyslu - ve stavebnictví, strojírenství a dalších odvětvích jako nenahraditelné řezné, brusné a vrtací nástroje, prášky a pasty.

Syntetický diamant

Podstatou jeho výroby je přeměna uhlíku za vysoké teploty a tlaku. Syntetické diamanty používané pro řezání a broušení diamantových kotoučů pro úhlové brusky jsou ve srovnání s přírodními diamanty malé - od 0,25 do 0,75 mm, což je zhruba velikost makového zrnka.

Kromě tvrdosti mají ještě jednu důležitou vlastnost - jsou teplotně stabilní až do 1100-1200 °C. Nevýhodou je značná křehkost a z toho vyplývající nízká odolnost proti nárazu.

K výrobě syntetických diamantů se používá několik metod. Nejpoužívanější metoda je založena na kombinaci vysokého tlaku a teploty a relativně nízkých nákladů. Proces zahrnuje velké lisy, které mohou vážit stovky tun, aby se dosáhlo tlaku 5 GPa při teplotě 1500 °C.

Obr. 3. Princip výroby syntetických diamantů (Anvil = 5 GPa, Dies = 1500 °C)

Pojďme si tato čísla trochu přiblížit.

Nejprve teplota. Kuchyňský sporák dosahuje teploty kolem 250 °C, láva ze sopečného vývěru má teplotu 600 až 1000 °C a železo se taví při 1538 °C. 1500 °C je velmi, velmi vysoká teplota.

A tlak 5 GPa?

Na dně Mariánského příkopu, nejhlubšího místa na zemském povrchu, je tlak asi 110 MPa - i to je 45krát méně než 5 GPa potřebných k výrobě syntetického diamantu.

K výrobě syntetického diamantu je tedy zapotřebí tlak 5 GPa. Spočítejme, jak vysoký vodní sloupec mořské vody je pro takový tlak zapotřebí.

Výsledek: K vytvoření tlaku 5 GPa je zapotřebí sloupce mořské vody o výšce 489 km. To je více než letecká vzdálenost z Bratislavy do Mnichova (410 km).

A to vše jen proto, aby bylo možné vyrábět miniaturní diamantová zrna a používat je k usnadnění práce například v diamantových řezných a brusných nástrojích v úhlových bruskách a dalších zařízeních.

Diamantové řezné nástroje

Diamant je díky své tvrdosti ideálním materiálem pro řezné a obráběcí nástroje. Diamant jako nejtvrdší známý materiál lze použít k leštění, broušení nebo opotřebení jakéhokoli jiného materiálu, včetně jiných diamantů.

Obvyklá forma diamantu v řezných nástrojích jsou zrna rozptýlená v kovové (obvykle kobaltové) matrici, slinutá na nástroji.

Obr. 4. Detail zvětšeného povrchu diamantového segmentu, na kterém je vidět opotřebovaný kov kolem diamantu

Mezi běžné průmyslové aplikace této schopnosti patří diamantové vrtáky, diamantové řezné kotouče a diamantové brusné kotouče pro úhlové brusky, stolní pily, řezačky spár a další zařízení. Použití diamantového prášku jako brusiva je významné. Ačkoli se pro tyto účely používá i přírodní diamant, přednost se dává syntetickému diamantu, a to především kvůli lepší reprodukovatelnosti jeho mechanických vlastností a samozřejmě kvůli jeho ceně.

Diamant není vhodný pro vysokorychlostní obrábění železných slitin, protože uhlík je při vysokých teplotách vznikajících při vysokorychlostním obrábění rozpustný v železe. To vede k výraznému opotřebení diamantových nástrojů ve srovnání s alternativními nástroji a je také důvodem, proč se životnost diamantových kotoučů při řezání železobetonu výrazně snižuje ve srovnání s řezáním čistého betonu...

O životnosti a principu práce diamantových kotoučů používaných především pro úhlové brusky si však povíme více v dalším pokračování...

Zdroje:
https://www.technikaatrh.cz/obrabeni/diamant-jako-rezny-material
https://sk.wikipedia.org/wiki/Diamant
https://www.novau.sk/diamantove-velmoci-odkial-pochadza-vacsina-diamantov/
https://sk.wikipedia.org/wiki/Karát_(jednotka_hmotnosti)
https://en.wikipedia.org/wiki/Synthetic_diamond
https://www.technikaatrh.cz/obrabeni/diamant-jako-rezny-material

Ing. Herman Nagypál

Vystudoval jsem vojenskou školu, obor letecká elektrotechnika. S nářadím a nástroji jsem se naučil pracovat už v dětství s tátou na stavbě rodinného domu. Každý náš nový produkt testuji i osobně - vlastníma rukama ve své dobře vybavené dílně. Ve volném čase se rád proháním na motorce po rumunských horských průsmycích. Kromě toho studuji trendy v oboru a rád si vyzkouším i konkurenční produkty. Nad některými se pousměju, nad některými se divím (že se někdo dal nachytat a koupil to) a některé jsou fakt dobré. Skoro jako naše 😊.