Милашев В.А. Алмаз:
Легенды и действительность. Изд. стереотип.

Оглавление

Введение

Алмаз! Это слово известно каждому. С ним ассоциируются представления о несравненном блеске и непревзойденной твердости. Со вторым свойством связано и название минерала, которое происходит или от арабского слова алмас (твердейший), или от греческого адамас (непреодолимый, несокрушимый).

Алмазы издавна использовались в качестве самых изысканных украшений; имели они и большое валютное значение. Прозрачные бесцветные или красиво окрашенные кристаллы алмаза, пригодные для огранки (кристаллы ювелирных сортов), являются драгоценными камнями 1-го класса, так же как сапфир, рубин, изумруд, александрит, хризоберилл, благородная шпинель, эвклаз. Ювелиры разделяют алмазы почти на 1000 сортов в зависимости от прозрачности, тона, густоты и равномерности окраски, наличия трещин, минеральных включений и некоторых других признаков.

С конца XIX в. алмазы начинают применять на производстве. В настоящее время экономический потенциал наиболее развитых государств в значительной мере связывается с использованием ими алмазов. Достаточно напомнить, что по оценкам западных экономистов промышленный потенциал США в случае отказа от импорта алмазов упадет в 2–3 раза. Применение алмазного инструмента существенно повышает чистоту обработки деталей, а производительность труда возрастает при этом в среднем на 50%. Каждый карат алмазов, использованных в инструментах, приносит экономию 3–6 руб., а на отдельных операциях и до 200 руб.

В промышленности используются преимущественно алмазы, непригодные для огранки: непрозрачные, с многочисленными включениями, трещиноватые кристаллы, мелкозернистые сростки, алмазная крошка и т.п. Единой классификации технических алмазов не существует, поскольку каждая отрасль промышленности предъявляет свои требования к их сортировке.

Какие же свойства алмаза определяют его широкое использование в самых различных областях народного хозяйства? В первую очередь, конечно, исключительная твердость, которая, если судить по скорости истирания, в 150 раз выше, чем у корунда, и в десятки раз выше, чем у лучших сплавов, применяемых для изготовления резцов. Алмаз применяется при бурении горных пород и механической обработке самых разнообразных материалов, для протягивания (волочения) тонкой проволоки, в качестве абразива и т.п.

Бурение скважин в толщах горных пород, слагающих земную кору, в широких масштабах применяется при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых, а также при эксплуатации нефтяных и газовых залежей. Не обойтись без бурения и при выполнении всевозможных взрывных и инженерно-геологических работ, предшествующих возведению крупных зданий, заводских корпусов, плотин и многих других объектов.

В техническом отношении наиболее совершенным является вращательное алмазное бурение, которое осуществляется высверливанием скважин в толще горных пород с помощью буровых коронок, армированных алмазами. Коронка привинчивается к концу металлической трубы, которая соединена с колонной труб и приводится в быстрое вращение двигателем бурового станка.

Закрепленные на коронке алмазы высверливают в толще горных пород цилиндрическое отверстие, а остающийся в центре столбик (керн) породы извлекается при периодических подъемах бурового снаряда на земную поверхность. Удаление каменной пыли и охлаждение коронки осуществляются потоком воды, закачиваемой через трубы и поднимающейся обратно на поверхность по кольцевому зазору между трубами и стенкой скважины. Коронки, армированные алмазами, повышают скорость бурения скважин в наиболее твердых породах в 8–10 раз по сравнению с бурением, основанным на применении твердосплавных или дробовых коронок.

Наилучшими алмазами для бурения считаются тонкозернистые плотные карбонадо, поскольку они обладают повышенной твердостью и наименее подвержены раскалыванию. На втором месте стоят шаровидные балласы и небольшие монокристаллы алмаза округлой формы. На изготовление буровых коронок ежегодно расходуется примерно 10% общего количества добываемых в мире технических алмазов.

Более половины добычи технических алмазов идет на изготовление специального инструмента для обрабатывающей промышленности. Применение алмазных резцов и сверл на обработке цветных и черных металлов, твердых и сверхтвердых сплавов, стекла, каучука, пластмасс и других синтетических веществ дает огромный экономический эффект по сравнению с использованием твердосплавного инструмента. Чрезвычайно важно, что при этом не только в десятки раз повышается производительность труда (при токарной обработке пластмасс даже в сотни раз!), но одновременно значительно улучшается качество продукции. Обработанные алмазным резцом поверхности не требуют шлифовки, на них практически отсутствуют микротрещины, благодаря чему многократно увеличивается срок службы получаемых деталей.

Совершенно незаменимы алмазы при вытачивании опорных рубиновых камней, используемых в часовых и многих других точных механизмах, а также при правке (восстановлении рабочей поверхности) шлифовальных корундовых и карборундовых кругов.

Практически все современные отрасли промышленности, в первую очередь электротехническая, радиоэлектронная и приборостроительная, в огромных количествах используют тонкую проволоку, изготавливаемую из различных металлов. При этом предъявляются строгие требования к круговой форме и неизменности диаметра поперечного сечения проволоки при высокой чистоте поверхности. Такая проволока из твердых металлов и сплавов (вольфрама, хромоникелевой стали и др.) может быть изготовлена лишь с помощью алмазных фильер. Фильеры представляют собой пластинчатые алмазы с просверленными в них тончайшими (от 0,5 до 0,001 мм) отверстиями.

Широкое применение в промышленности находят и алмазные порошки. Их получают путем дробления низкосортных природных алмазов, а также изготавливают на специальных предприятиях по производству синтетических алмазов. Алмазные порошки используются в дисковых алмазных пилах, мелкоалмазных буровых коронках, специальных напильниках и в качестве абразива. Только с применением алмазных порошков удалось создать уникальные сверла, которые обеспечивают получение глубоких тонких отверстий в твердых и хрупких материалах. Такие сверла (алмазные "жала") позволяют высверливать, например, в стекле отверстия диаметром 2 мм и длиной до 850 мм!

Алмазные порошки находят применение на гранильных фабриках, где все самоцветы, и в том числе алмазы, подвергаются огранке и шлифовке, благодаря чему невзрачные до того камни становятся таинственно светящимися или ослепительно сверкающими драгоценностями, к непревзойденной красоте которых никто не остается равнодушным.

Практическое применение нашла также способность алмаза увеличивать параметры своей кристаллической решетки в результате облучения нейтронами и затем плавно восстанавливать их при нагревании минерала до температуры, превышающей температуру облучения. Это позволило впервые в мировой практике разработать в Институте атомной энергии им.И.В.Курчатова (СССР) методику измерения температуры в ядерных реакторах. Кроме того, миниатюрные измерители температур на основе предварительно облученного алмаза обеспечивают с высокой точностью определение температуры в труднодоступных узлах, в движущихся и вращающихся деталях, работающих в экстремальных температурных условиях: в дисках и лопатках турбин и компрессоров, поршнях, подшипниках и т.п.

С 50-х годов внимание ученых и конструкторов начинают привлекать другие физические свойства алмаза. Известно, что, попадая в кристалл, быстрые заряженные частицы выбивают электроны из его атомов, т.е. ионизируют вещество. В алмазе под действием заряженной частицы происходит световая вспышка и возникает импульс тока. Эти свойства позволяют использовать алмазы в качестве детекторов ядерного излучения. Свечение алмазов и возникновение импульсов электрического тока при облучении позволяет применять их в счетчиках быстрых частиц. Алмаз в качестве такого счетчика обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с газовыми и другими кристаллическими приборами.

Химическая инертность, высокая чувствительность к быстрым частицам при комнатной температуре, близость по электронной плотности к тканям человеческого тела выдвигают алмаз в число наиболее ценных материалов для счетчиков, которые могут использоваться в медицине, в том числе и для внутриполостных исследований. Кристаллы алмаза, применимые в качестве счетчиков, крайне редки, поэтому цена их значительно выше, чем равных по величине ювелирных камней. Некоторые кристаллы алмаза являются полупроводниками р-типа в широком диапазоне температур и давлений.

Использование алмазов в полупроводниковых и некоторых оптических приборах, а также в счетчиках ядерного излучения весьма перспективно, поскольку такие приборы способны работать в самых различных условиях, включая области низких и высоких температур, сильные электромагнитные и гравитационные поля, агрессивные среды и т.п. Следовательно, основанные на алмазах приборы могут оказаться незаменимыми при космических исследованиях, а также при изучении глубинного строения нашей планеты. Подробнее о применении алмаза в промышленности и научных исследованиях можно прочитать в популярной книге Г.И.Мишкевича [10].

Ежегодная добыча алмазов в промышленно развитых капиталистических и в развивающихся странах в 1966–1981 гг. составляла 32–37 млн карат, в 1983 г. поднялась до 46 млн карат, к 1984 г. до 51 млн карат, к 1997 г. – уже 113,8 млн карат, а к 2005 г. достигла 147,4 млн карат. Кроме того, каждый год производится большое количество синтетических алмазов, обычно мелких размеров и интенсивной (до черной) окраски, относящихся к абразивным и низким техническим сортам. За период 1965–1975 гг. производство синтетических алмазов возросло с 9 до 45 млн карат, в 1980 г. составило 110 млн карат, а в 1997 г. достигло 440 млн карат. Главными производителями синтетических алмазов в капиталистическом мире являются США, Япония, Германия, Италия, Швеция, Ирландия, а основными потребителями – США (более 200 млн карат в год), страны Западной Европы и Япония.

На мировом рынке в последние годы цены на мелкие технические природные камни имеют тенденцию к некоторому снижению из-за конкуренции со стороны синтетических алмазов. В то же время спрос на высококачественные природные алмазы, особенно на камни ювелирных сортов, неуклонно растет. В 1972–1973 гг. цены на различные сорта алмазного сырья повышали 5 раз и выросли в сумме на 46%. В период 1974–1978 гг. цены на ювелирные алмазы возросли в 4,9 раза (!), причем в 1977 г. – на 40%, а весной 1978 г. – на 80%. Всего за 26 лет, начиная с 1970 г. цены на сырые алмазы возросли в целом в 7,85 раза!

Английский алмазный синдикат, контролировавший 80–85% легальной мировой торговли алмазами, в 1969 г. продал алмазов на 692 млн дол., причем около 90% их стоимости приходилось на ювелирные камни. В 1972 г. сырых алмазов было продано на 840 млн дол., в 1974 г. – на 1250 млн дол., в 1976 г. – почти на 2 млрд дол., в 2000 г. – на.

7,5 млрд дол., а в 2005 г. – уже почти на 8,9 млрд дол. В 1984 г. в капиталистическом мире продано 9,2 млн карат бриллиантов при средних оптовых ценах 580–790 дол. за карат, а ювелирных изделий с бриллиантами – на сумму 22 млрд дол. В 1997 г. ювелирных изделий с бриллиантами продано на 50 млрд дол.

Мировое потребление технических алмазов в 1974 г. составило 65 млн карат (из них синтетические), к 1984 г. достигло 150 млн карат, из которых 80–85% синтетические. Ожидается, что к 2007 г. использование технических алмазов будет около 600 млн карат в год, большую часть которых составят синтетические камни.

Об авторе

Доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник ФГУП ВНИИОкеангеология, признанный специалист в области геологии месторождений алмазов.

В.А.Милашев является автором более 150 статей и 20 монографий, часть которых переиздана на английском, французском и немецком языках. Наиболее известны из них: "Петрохимия кимберлитов Якутии и факторы их алмазоносности" (Л., 1965); "Физико-химические условия образования кимберлитов" (Л., 1972); "Кимберлитовые провинции" (Л., 1974); "Структуры кимберлитовых полей" (Л., 1979); "Трубки взрыва" (Л., 1984); "Кимберлиты и глубинная геология" (Л., 1990); "Среда и процессы образования природных алмазов" (СПб., 1994); "Энергетические аспекты образования кимберлитов" (СПб., 2004).