Ako sa zrodil diamantový rezný kotúč

Čo myslíte, odkiaľ sú diamanty práve vo vašom kotúči? Z Ruska, Brazílie, Juhoafrickej republiky, alebo z inej krajiny?

V uvedených krajinách sú najväčšie náleziská prírodného diamantu, v diamantových kotúčoch je syntetický diamant a medzi nimi je značný rozdiel.

Prírodný diamant

Jeho názov pochádza z gréckeho slova „adamas“ – nezničiteľný.

Jednotka hmotnosti je karát, čo je presne 200 miligramov. Najväčšie prírodné diamanty dosahujú hmotnosť 3000 karátov (0,6kg).

Ťažba prírodných diamantov je historicky spojená s otrockou prácou – aj preto sa niekedy prírodné diamanty nazývali krvavými. Mnohé slávne diamanty pochádzajú práve z Juhoafrickej republiky. Napríklad diamant „Hviezda Afriky“, nájdený v bani Cullinan, je dnes súčasťou britských korunovačných klenotov.

Obr. 1. Diamantová baňa Cullinan, v ktorej našli slávny diamant, zdroj: khplant.co.za

Základom väčšiny moderných použití diamantu sú mimoriadna tvrdosť a vysoká disperzia svetla. Z pohľadu diamantových kotúčov nás najviac zaujíma jeho tvrdosť. Dosahuje najvyšší, desiaty stupeň v Mohsovej stupnici tvrdosti. Už tritisíc rokov pred naším letopočtom sa prírodný diamant používal na vŕtanie hornín. Najstaršie zachované záznamy o použití diamantového prášku ako brusiva sú zo 6. storočia nášho letopočtu a v roku 1495 bolo vyrobené zariadenie na vŕtanie skla podľa nákresu Leonarda da Vinciho. V roku 1939 predpisuje Britská vojenská norma sústruženie diamantom. Stále sa však jedná o prírodný diamant, a to napriek dôkazu Lavoisiera z roku 1776, že diamant je vlastne uhlík, ktorý má premenenú plochú atómovú mriežku na kubickú (obr. 1).

Obr. 2. Kubická mriežka diamantu a plochá mriežka uhlíka

Odvtedy sa vedci pokúšali vyrobiť syntetický diamant, čo sa podarilo až v roku 1953 švédskym vedcom.

A dnes ?

Najmä vďaka moderným technológiám predstavuje cena syntetického diamantu iba nepatrný zlomok ceny prírodného diamantu a syntetický diamant sa používa najmä v priemysle – v stavebníctve, strojárstve a v iných odvetviach ako nenahraditeľné rezné, brúsne a vŕtacie nástroje, prášky a pasty.

Syntetický diamant

Podstatou jeho výroby je premena uhlíka pri vysokej teplote a tlaku. Syntetické diamanty používané pre rezné a brúsne diamantové kotúče do uhlových brúsok majú nepatrnú veľkosť oproti prírodným diamantom – od 0,25 do 0,75mm – zhruba ako zrnká maku.

Okrem tvrdosti majú ešte jednu dôležitú vlastnosť – do 1100 – 1200°C sú teplotne stále. Negatívom je značná krehkosť a z toho vyplývajúca malá odolnosť voči nárazom.

Na výrobu syntetických diamantov sa používa niekoľko metód. Najpoužívanejšia metóda je založená na kombinácii vysokého tlaku a teploty a relatívne nízkych nákladov. Tento proces zahŕňa veľké lisy, ktoré môžu vážiť stovky ton, aby sa dosiahol tlak 5 GPa pri teplote 1500°C.

Obr. 3. Princíp výroby syntetického diamantu (Anvil = 5 GPa, Dies = 1500°C)

Poďme si tieto čísla trochu priblížiť.

Najprv teplota. Kuchynský sporák dosahuje teplotu okolo 250°C, láva z vytekajúcej sopky má teplotu v rozmedzí od 600 do 1000°C a pri teplote 1538°C sa taví železo. 1500°C je veľmi, veľmi vysoká teplota.

A tlak 5 GPa?

Na dne Mariánskej priekopy, najhlbšieho miesta zemského povrchu, je tlak cca 110 Mpa – ešte aj to je 45 x nižší tlak ako 5 GPa nutných pre výrobu syntetického diamantu.

Takže na výrobu syntetického diamantu je nutné vyvinúť tlak 5 GPa. Vypočítajme, aký vysoký vodný stĺpec morskej vody je nutný na takýto tlak.

Výsledok : Na vyvinutie tlaku 5 GPa je nutný stĺpec morskej vody vysoký 489 km. To je viac ako vzdušná vzdialenosť z Bratislavy do Mníchova (410km).

A toto všetko len preto, aby boli vyrobené miniatúrne diamantové zrnká, a my sme ich mohli používať na uľahčenie práce napríklad v rezných a brúsnych diamantových nástrojoch v uhlových brúskach a iných zariadeniach.

Diamantové rezné nástroje

Vďaka už spomínanej tvrdosti je diamant ideálnym materiálom pre rezné a obrábacie nástroje. Ako najtvrdší známy materiál sa diamant môže použiť na leštenie, rezanie alebo opotrebovanie akéhokoľvek iného materiálu vrátane iných diamantov.

Obvyklou formou diamantu v rezných nástrojoch sú zrná rozptýlené v kovovej (zvyčajne kobaltovej) matrici, spekanej na nástroji.

Obr. 4. Detailný záber zväčšeného povrchu diamantového segmentu, na ktorom je vidieť opotrebovaný kov v okolí diamantu

Medzi bežné priemyselné aplikácie tejto schopnosti patria diamantové vrtáky, diamantové rezné kotúče a diamantové kotúče na brúsenie pre uhlové brúsky, stolné píly, rezače spár a iné zariadenia. Významné je použitie diamantového prášku ako abrazíva. Hoci sa na tieto účely používa aj prírodný diamant, syntetický diamant je vhodnejší, najmä kvôli lepšej reprodukovateľnosti jeho mechanických vlastností a samozrejme – aj kvôli cene.

Diamant nie je vhodný na obrábanie železných zliatin pri vysokých rýchlostiach, pretože uhlík je rozpustný v železe pri vysokých teplotách, ktoré vznikajú pri vysokorýchlostnom obrábaní. To vedie k výraznému opotrebovaniu diamantových nástrojov v porovnaní s alternatívnymi a je aj dôvodom, prečo značne klesá životnosť diamantových kotúčov pri rezaní železobetónu, oproti rezaniu čistého betónu…

O životnosti a princípe práce diamantových kotúčov používaných najmä pre uhlové brúsky si však viac povieme v ďalšom pokračovaní…

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

Vyštudoval som vojenskú školu, odbor letecká elektrotechnika. S náradím a nástrojmi som sa naučil pracovať už v detstve s otcom na stavbe rodinného domu. Každý náš nový produkt testujem aj osobne - vlastnými rukami vo svojej dobre vybavenej dielni. Vo voľnom čase sa rád preháňam na motorke po rumunských horských priesmykoch. Okrem toho študujem trendy v odbore a rád si vyskúšam aj konkurenčné produkty. Nad niektorými sa pousmejem, nad niektorými sa čudujem (že sa niekto dal nachytať a kúpil to) a niektoré sú fakt dobré. Skoro ako naše 😊.