الماس یکی از سختترین مواد شناخته شده در جهان است. این ماده کریستالی دارای ساختار کربنی منحصر به فردی است که به آن سختی فوقالعادهای میبخشد. این ویژگیهای منحصر به فرد الماس، آن را به یکی از مهمترین و مفیدترین مواد در صنعت و علم تبدیل کرده است.
تاریخچه و کشف الماس
الماسها از زمانهای باستان شناخته شدهاند و همیشه به دلیل زیبایی و دوام بینظیر خود مورد توجه بودهاند. اولین الماسها در هند باستان کشف شدند، جایی که از آنها به عنوان جواهرات و همچنین در مراسم مذهبی استفاده میشد. با گذشت زمان، منابع الماس در دیگر مناطق جهان نیز کشف شد، از جمله در آفریقا و آمریکای جنوبی.
خواص فیزیکی و شیمیایی الماس
الماس یک آلوتروپ کربن است که در آن اتمهای کربن به صورت چهار وجهی به یکدیگر متصل شدهاند. این ساختار چهار وجهی باعث میشود که الماس به سختترین ماده طبیعی تبدیل شود. علاوه بر سختی، الماس دارای خواص دیگری نیز هست:
1. سختی بالا: به دلیل ساختار بلوری چهار وجهی، الماس سختترین ماده طبیعی است و میتواند تقریباً هر ماده دیگری را برش دهد. این ویژگی در صنعت بسیار مورد استفاده قرار میگیرد، به ویژه در تولید ابزارهای برش و حفاری.
2. رسانایی حرارتی بالا: الماس یکی از بهترین رساناهای حرارتی است. این ویژگی باعث میشود که الماس به عنوان مادهای ایدئال برای استفاده در دستگاههای الکترونیکی و همچنین در ابزارهای برش و حفاری که نیاز به تحمل دماهای بالا دارند، مطرح شود.
3. شفافیت نوری: الماسها به دلیل شفافیت بالا و بازتاب نور، در جواهرسازی بسیار محبوب هستند. این خاصیت نوری باعث میشود که الماسها به زیبایی بدرخشند و نور را به زیبایی تجزیه کنند.
4. پایداری شیمیایی: الماسها در برابر بسیاری از مواد شیمیایی مقاوم هستند و به سختی با دیگر مواد واکنش نشان میدهند. این پایداری شیمیایی، الماسها را به موادی مناسب برای استفاده در شرایط سخت و محیطهای خورنده تبدیل میکند.
کاربردهای صنعتی الماس
الماس در مقایسه با ابزارهایی که با سایندههای معمولی مانند کوراندوم و کاربید سیلیکون ساخته شدهاند، مزایای بسیاری دارد. ابزارهای الماسی به دلیل سختی و مقاومت بالا، عمر طولانیتری دارند و میتوانند مواد سختتری را برش دهند. این ابزارها در صنایع مختلفی از جمله معدن، برش سنگ و فلزات، و ساخت تجهیزات دقیق مورد استفاده قرار میگیرند.
1. صنعت معدن: در صنعت معدن، از متههای الماسی برای حفاری استفاده میشود. این متهها قادر به نفوذ در سنگهای بسیار سخت هستند و به دلیل دوام بالای خود، هزینههای تعمیر و نگهداری را کاهش میدهند.
2. برش سنگ و فلزات: الماس به عنوان مادهای ایدئال برای برش سنگهای قیمتی و فلزات سخت استفاده میشود. ابزارهای برش الماسی میتوانند با دقت بالا و بدون آسیب رساندن به ماده اصلی، عملیات برش را انجام دهند.
3. صنعت الکترونیک: به دلیل رسانایی حرارتی بالا، الماسها در تولید تراشههای الکترونیکی و قطعات نیمههادی مورد استفاده قرار میگیرند. این قطعات میتوانند دمای بالا را تحمل کنند و در نتیجه عملکرد بهتری دارند.
4. صنایع پزشکی: الماسها در تجهیزات پزشکی نیز کاربرد دارند، به ویژه در تولید تیغههای جراحی بسیار دقیق و مقاوم. این تیغهها میتوانند برشهای بسیار دقیق و تمیزی را ایجاد کنند که در جراحیهای حساس بسیار مفید است.
با وجود اینکه الماسهای طبیعی از معادن استخراج میشوند، تکنیکهای پیشرفتهای برای تولید الماسهای مصنوعی نیز وجود دارد. این الماسها دارای خواص مشابهی با الماسهای طبیعی هستند و در بسیاری از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند.
1. روش HPHT (فشار و دمای بالا): در این روش، الماسها تحت فشار و دمای بسیار بالا تولید میشوند. این روش شبیه به فرایند طبیعی تشکیل الماس در زمین است و الماسهای تولید شده به این روش دارای کیفیت بالا و خواص مشابه با الماسهای طبیعی هستند.
2. روش CVD (رسوبگذاری بخار شیمیایی): در این روش، الماسها از گازهای کربنی مانند متان تولید میشوند. این گازها تحت شرایط خاصی تجزیه شده و اتمهای کربن به صورت لایهلایه بر روی سطحی رسوب میکنند و الماس تشکیل میشود. این روش به ویژه برای تولید الماسهای بزرگ و با کیفیت بالا مناسب است.
الماس با داشتن ویژگیهای منحصر به فرد مانند سختی بالا، رسانایی حرارتی عالی، شفافیت نوری و پایداری شیمیایی، به عنوان یکی از ارزشمندترین و کارآمدترین مواد در صنایع مختلف شناخته شده است. کاربردهای گسترده الماس در صنعت معدن، برش سنگ و فلزات، صنعت الکترونیک و پزشکی نشاندهنده اهمیت و کارایی بینظیر این ماده است. با استفاده از تکنیکهای پیشرفته تولید و سنتز الماس، امروزه میتوان به نیازهای روزافزون صنایع مختلف پاسخ داد و از ویژگیهای منحصر به فرد این ماده بهرهمند شد.
پلینی در تاریخ طبیعی نوشت: "وقتی یک آداماس بهطور کامل شکسته می شود، به قطعات کوچکی تبدیل می شود که به ندرت قابل مشاهده هستند. این قطعات مورد توجه حکاکان جواهرات هستند و توسط آنها در وسایلی آهنی وارد می شوند زیرا بدون مشکل در سخت ترین مواد حفره هایی ایجاد می کنند." [۱]
الماس یکی از سخت ترین مواد طبیعی در کره ی زمین است. بسیار سخت تر از کوراندوم و کاربید سیلیکون. الماس همچنین دارای استحکام بالا، مقاومت در برابر سایش خوب و ضریب اصطکاک کم است. پس زمانی که به عنوان یک ساینده مورد استفاده قرار می گیرد، بهطور واضح مزایای زیادی نسبت به سایر ساینده های معمولی دارد.
الماس می تواند برای ساخت ابزارهای سنگ زنی مورد استفاده قرار گیرد که دارای مزایای زیر است:
هزاران نوع از ابزار های الماس وجود دارد. آنها را می توان با توجه به روش های تولید و کاربرد آنها تقسیم بندی کرد.
ابزارهای الماس را می توان با توجه به روش های تولید آن ها به صورت زیر تقسیم بندی کرد:
اگر تقسیم بندی با توجه کاربرد انجام شود، ابزارهای الماس تراش، ابزارهای برش الماس (مانند مته های پیچشی با روکش الماس)، ابزارهای مته زنی الماس، ابزارهای اره الماس (به عنوان مثال، تیغه های اره الماس )، قالب های طراحی الماس و کاربرد های دیگر وجود دارد.
ابزار های الماس برای پردازش مواد زیر مناسب است:
با توجه به اینکه الماسها میتوانند با Fe, Co, Ni, Cr, V در دماهای بالایی که در فرایندهای سنگ زنی ایجاد می شود، واکنش دهند، ابزارهای الماس غالبا برای پردازش فولادها از جمله فولادهای معمولی و فولادهای آلیاژی گوناگون مناسب نیستند، در حالی که ابزار فوق سخت دیگر، ابزار نیترید بور (CBN) برای پردازش فولادها مناسب است. ابزارهای تولید شده با ساینده های عادی (مانند کوراندوم و کاربید سیلیکون) نیز می توانند این کار را انجام دهند.
ابزار های الماس در زمینه های زیر مورد استفاده قرار می گیرد:
علاوه بر مواردی که در بالا لسیت شده است، ابزارهای الماس در زمینه های دیگری نیز مورد استفاده قرار می گیرند، به عنوان مثال، در پزشکی، دانشمند ونزوئلایی هامبرتو فرناندز موران، چاقوی الماس را برای استفاده در جراحی های ظریف در سال 1955 اختراع کرد.
جدا از استفاده به عنوان ساینده به دلیل سختی بالا، الماس به خاطر سایر ویژگی هایی بسیار خوبی که دارد دیگر مانند رسانایی حرارتی بالا، ضریب اصطکاک کم، پایداری شیمیایی بالا، مقاومت بالا و عملکرد نوری بالا برای ساخت محصولات دیگر نیز مورد استفاده قرار می گیرد. پوشش روی یاتاقان ها و سی دی ها، عمل به عنوان لنز و ترمیستور، ساخت سوئیچ ها و سنسورهای با ولتاژ بالا و ... از جمله این کاربرد ها هستند.
کمدهای الماس شامل ابزارهای تک یا چند نقطه ای هستند که به یک ساقه فولادی لحیم شده و برای درست کردن و پانسمان چرخ های سنگ زنی استفاده می شود. این ابزارها انواع گوناگونی دارند، مانند آغشته به سنگ ریزه، نوع تیغه ای، نوع تاج و نوع دیسکی. نکات مثبت ابزارهای چند نقطه ای نسبت به ابزارهای تک نقطه ای شامل موارد زیر می شوند:
الماس پلی کریستالی (PCD) در یک پرس که دما و فشار بالایی دارد (HT-HP) به وجود می آید، یا به عنوان یک ویفر الماس بر روی یک پشتی از کاربید، یا تشکیل یک "رگه" از الماس داخل یک ویفر یا میله کاربید.
بیشتر ویفرها تا حد آینه ای جلا داده می شوند، سپس با ابزار ماشینکاری تخلیه الکتریکی (EDM) به قطعات کوچکتر و کارآمد بریده می شوند و سپس بر روی تیغه اره، ریمر، مته یا سایر ابزار ها لحیم می شوند. اغلب آنها با EDM ماشینکاری می شوند و یا زمان بیشتری آسیاب می شوند تا رگه الماس در امتداد لبه برش پیدا شود. این ابزارها غالبا برای ماشینکاری مواد غیر فلزی و غیر آهنی مورد استفاده قرار می گیرند.
عملیات سنگ زنی به دلایل گوناگونی با EDM ترکیب می شود. به عنوان نمونه، براساس گفته مدرن ماشین شاپ،[نیازمند منبع]</link> این ترکیب این امکان را فراهم می کند تا نرخ حذف مواد بالاتری داشته باشد و در نتیجه از نظر مالی مقرون به صرفه تر است. همچنین، فرایند EDM کمی بر روی پرداخت سطح تأثیر می گذارد. سنگ زنی در ناحیه آسیب دیده برای ایجاد پرداخت سطح ریزتر مورد استفاده قرار می گیرد. موسسه ماشینکاری الکتریکی پکن[نیازمند منبع]</link> شکلدهی و هندسه سطح ظریفتری را به ترکیب این دو فرایند در یک فرایند نسبت میدهد.
خود این فرایند با ترکیب دو بخش از هر فرایند جداگانه در یک چرخ سنگ زنی انجام می شود. چرخ گرافیت الماسی کار سنگ زنی را انجام می دهد، در حالی که حلقه گرافیتی دور چرخ به عنوان قسمت EDM کار می کند. با این حال، با توجه به اینکه الماس یک ماده نارسانا است، پیوند در قطعه کار PCD باید به اندازه لازم باشد تا رسانایی مورد نیاز برای عملکرد فرایند EDG را تامین کند.
ابزارهای الماس پلی کریستالی به شکل وسیعی در صنایع خودروسازی و هوافضا مورد استفاده قرار می گیرند. آنها برای ماشینکاری با سرعت بالا (9000 فوت سطح در دقیقه یا بالاتر) در آلیاژهای سخت و ساینده آلومینیوم و فرایندهای با سایش بالا مانند مته زنی فیبر کربن و سرامیک ایده آل هستند. لبه های برش الماس باعث می شود پیش از نیاز به تعویض، برای مدت طولانی ماندگاری داشته باشند. فرایندهای با حجم بالا، تحملهای سخت و فرایندهای بسیار ساینده برای ابزارکاری الماس ایدئال هستند.
در اواخر دهه 1970، جنرال الکتریک فناوری الماس پلی کریستالی فشرده شده (PDCs) را به عنوان جانشینی برای الماس های طبیعی در مته ها توسعه داد.[۱] PDC ها طی زمان های طولانی در محیط های آزمایشگاهی برای برش سطوح سنگ های کریستالی استفاده شده اند و در حال حاضر این ظرفیت ها در محیط های خشن در سرتاسر جهان پیاده سازی شده است.
در اوت 2000، وزارت انرژی ایالات متحده مدعی شد که حدودا یک سوم کل فیلم های مته کاری شده در سراسر جهان با بیت های PDC مته کاری می شوند، با ادعای ذخیره نزدیک به 100000 دلار در هر بیت PDC در مقایسه با بیت های هسته غلتکی.
خمیرهای الماس برای پرداخت موادی که نیاز به سطح آینه ای دارند مورد استفاده قرار می گیرد. آنها اغلب در نمونه های متالورژی، قالب های کاربید، مهر و موم کاربید، صنعت شیشه عینک، و برای پرداخت سطح الماس مورد استفاده قرار می گیرند. خمیر الماس معمولا در کاربرد های صنعتی برای پرداخت و تیز کردن تیغه های فلزی و سایر سطوح فلزی مورد استفاده قرار می گیرد. خمیر فقط برای صیقل دادن تیغه فلزی نیست، بلکه لبه برش را هم تیز می کند.
پودر الماس که از طریق آبکاری الکتریکی ته نشین می شود برای ساخت فایلها (از جمله سوهان ناخن) و در کاربردهای کوچک آسیاب استفاده میشود.
در تراشکاری الماس تک نقطه ای (SPDT) یک الماس جامد و بی نقص به عنوان لبه برش مورد استفاده قرار می گیرد. الماس تک کریستالی می تواند طبیعی یا ساختگی باشد و با سنگ زنی و پرداخت مکانیکی در ابعاد مطلوب تیز می شود. لبه برش بیشتر ابزارهای الماسی تا ده ها نانومتر تیز است که آنها را برای برش مواد غیر آهنی با دقت بسیار بالا، بسیار کارآمد می کند. SPDT یک عملیات ماشینکاری با دقت بالا است که برای ایجاد اپتیک های غیر کروی و غیر عادی نهایی مورد استفاده قرار می گیرد بدون اینکه به پرداخت سطح بیشتر پس از اتمام نیاز باشد. دقیقترین ماشین ابزار دنیا، LODTM، که در گذشته در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور استفاده میشد، دارای دقت پروفیل 28 نانومتر بود، در حالی که بیشتر ماشینها به دنبال ناهمواری به اندازه آن انحراف هستند.[۲]
SPDT برای اپتیک، برای سطوح صاف که در آنها نیاز به پرداخت سطح و همچنین دقت ابعادی بسیار بالا وجود دارد، و زمانی که لپگذاری غیراقتصادی یا غیرعملی باشد، استفاده میشود.
برای اره های قطع کننده که با گاز کار می کنند و سرعت بالایی دارند، اره های پشتی، آسیاب های دستی، اره های پل، اره های رومیزی، اره های کاشی و انواع دیگر اره ها.
غالبا در آسیاب های دستی برای سنگ زنی بتن یا سنگ مورد استفاده قرار می گیرند.
لوله فولادی توخالی با بخش های الماسی برای ایجاد سوراخ در دیوارهای بتنی در صنعت ساخت و ساز، کاشی های چینی یا میزهای گرانیتی در صنایع داخلی، یا همچنین برای استخراج هسته نمونه در صنعت معدن مورد استفاده قرار می گیرند.
مورد استفاده در ماشین ابزار هایی که سرامیک و آلومینیوم را با سرعت بالا ماشینکاری می کنند.
در مراکز تراشکاری برای اپتیک و سطوح دقیق مورد استفاده قرار می گیرد.
پدهایی با کریستال های از جنس الماس برای صیقل دادن مرمر و دیگر سنگ های ظریف.
سیم با کریستال های الماس برای برش.
برخی از خصوصیات برش با سیم الماس عبارتند از:
بدون ضربه، بدون بخار و ساکت
سطح برش صاف عمق برش نامحدود برش افقی، عمودی و با زاویه دهانه های دایره ای تا قطر 2500 میلی متر تاسیسات برش غوطه ور که اجازه می دهد تا دهانه های کور تشکیل شوند کنترل از راه دور برای افزایش ایمنی
برای بریدن سنگ، بتن و آجر با اره برقی ویژه.