Diament jako materiał narzędziowy występuje w kilku odmianach, różniących się budową, właściwościami i zakresem zastosowań. Poniżej przedstawiono uporządkowany przegląd najważniejszych typów wykorzystywanych w przemyśle.
1. ND – naturalny diament monokrystaliczny
Naturalny diament monokrystaliczny (ND) to najtwardszy minerał występujący w przyrodzie (10/10 w skali Mohsa), zbudowany z czystego węgla o regularnym układzie krystalograficznym.
Kluczowe właściwości fizyczne
- Układ krystalograficzny: regularny
- Twardość w skali Mohsa: 10
- Twardość w skali Vickersa: ok. 10 000 kg/mm²
- Łupliwość: wyraźna według ścian ośmiościanu
- Moduł Younga: 1000–1100 GPa
- Przewodność cieplna: 900–2000 W/(m·K)
- Wysoka odporność na udar cieplny
- Niski współczynnik tarcia: 0,1–0,3
- Odporność chemiczna (z wyjątkiem stopionego węglanu sodu)
- Trudnotopliwy
- Łatwy w utylizacji (po spaleniu powstaje CO₂)
Klasyfikacja diamentów naturalnych
Typ Ia (ok. 98% wydobycia)
Zawiera ok. 1% azotu, silnie absorbuje UV, przewodnictwo cieplne ok. 900 W/(m·K), rezystywność >10¹⁶ Ω·cm.
Typ Ib (ok. 1%)
Do 0,2% azotu rozproszonego w objętości. Właściwości podobne do Ia. Do tej grupy należą prawie wszystkie diamenty syntetyczne.
Typ IIa
Prawie bez azotu, bardzo rzadki. Przewodnictwo cieplne do 2600 W/(m·K), rezystywność >10¹⁶ Ω·cm.
Typ IIb
Z domieszką boru, barwa błękitna, półprzewodnik (rezystywność 10–1000 Ω·cm).
Zastosowanie w przemyśle
- Końcówki narzędzi skrawających (miedź, aluminium, TC, ceramika, optyka)
- Części robocze ciągadeł do drutu
- Nasypy tarcz ściernych
- Końcówki obciągaczy
- Wgłębniki Rockwella
- Mikroproszki diamentowe
- Składniki past ściernych
- Obróbka optyki i ceramiki
2. SMCD i CVD – diament syntetyczny monokrystaliczny
Naturalny diament, mimo doskonałych właściwości, ma istotne wady: wysoki koszt pozyskania oraz zmienność strukturalną i jakościową. To doprowadziło do opracowania technologii produkcji diamentu syntetycznego o powtarzalnych parametrach.
Metody produkcji
HPHT (High Pressure High Temperature)
Synteza w warunkach wysokiego ciśnienia (min. 50 kbar) i temperatury ok. 1400°C, w obecności katalizatorów (Fe, Co, Ti). Metoda naśladuje naturalne warunki powstawania diamentu.
CVD (Chemical Vapor Deposition)
Osadzanie warstw diamentowych z fazy gazowej na podłożu krystalicznym w temperaturze 700–1200°C przy ciśnieniu atmosferycznym.
Właściwości
- Doskonała przewodność cieplna (do 4× większa niż miedź)
- Brak metalicznych wtrąceń w strefie roboczej
- Stabilność termiczna do 1000°C (środowisko nieutleniające)
- Jednorodność strukturalna
- Wysoka trwałość narzędzi
Zastosowanie
- Narzędzia skrawające do metali kolorowych
- Ciągadła do drutu
- Nasypy ścierne
- Wgłębniki pomiarowe
- Obróbka optyki i ceramiki
- Komponenty optyczne, radiatory, czujniki
3. PCD – diament polikrystaliczny spiekany
PCD (Polycrystalline Diamond) to materiał powstały ze spiekanego proszku diamentowego pod wysokim ciśnieniem i temperaturą, najczęściej z dodatkiem kobaltu jako spoiwa.
Pierwsze komercyjne wkładki PCD wprowadzono w latach 70. XX wieku (COMPAX).
Właściwości fizyczne
- Twardość Knoop: 6000–8000 kg/mm²
- Wytrzymałość na ściskanie: ok. 734 kg/mm²
- Wytrzymałość na obciążenia poprzeczne: ok. 180 kg/mm²
- Moduł Younga: 8,8 × 10⁴ kg/mm²
- Przewodnictwo cieplne: 0,3–0,5 W/cmK
Kluczowe cechy PCD
- Ekstremalna odporność na ścieranie (do 100× większa trwałość niż węglik spiekany)
- Struktura polikrystaliczna – brak kierunków „twardych” i „miękkich”
- Wysoka przewodność cieplna
- Niski współczynnik tarcia
- Odporność na wysoką temperaturę
- Kruchość przy uderzeniach
Podział PCD
Według odporności temperaturowej:
- Termostabilne (do 1200°C)
- Nietermostabilne (do 650°C)
Według spoiwa:
- Bez spoiwa (termostabilne)
- Z kobaltem
- Z krzemem
Według budowy:
- Sam PCD
- Na podłożu z węglika
Według przewodnictwa:
- Przewodzące (obróbka EDM)
- Nieprzewodzące
Według wielkości ziarna:
- N – nano (40–100 nm)
- U – ultrafine (0–2 µm)
- F – fine (3–10 µm)
- M – medium (11–29 µm)
- C – coarse (30 µm i więcej)
Zastosowania PCD
- Narzędzia dla przemysłu kablowego i drutowego (ciągadła, przepusty, końcówki patryc)
- Frezy, wiertła, płytki skrawające
- Wgłębniki Vickersa i Rockwella
- Narzędzia do obróbki aluminium, magnezu, CFRP/GFRP
- Narzędzia górnicze
- Obróbka materiałów drewnopochodnych i betonu
- Wydobycie ropy i gazu
Podsumowanie
Materiały diamentowe – naturalne, syntetyczne monokrystaliczne oraz polikrystaliczne – stanowią obecnie kluczową grupę materiałów narzędziowych w przemyśle. Dzięki ekstremalnej twardości, wysokiej odporności na ścieranie oraz doskonałej przewodności cieplnej znajdują zastosowanie w najbardziej wymagających procesach produkcyjnych, od mikroobróbki po przemysł ciężki i wydobywczy.