Малоотходные методы производства экологичных изделий из природных алмазов

Обработка алмазов на сегодняшний день ведётся для получения: вставок в ювелирные украшения (чаще всего - бриллиантов), медицинского инструмента,    подложек для микроэлектроники и полупроводниковых приборов. Для производства режущего инструмента берут алмазную крошку, получаемую из отходов ювелирной промышленности, или крошку, полученную из синтетических алмазов. Также на изготовление промышленного инструмента расходуется категория алмазного сырья, которое принято называть неликвидным. Неликвидное сырьё, или технические кристаллы алмаза - это дефектное сырьё с низкими качественными характеристиками. Огранка бриллиантов из кристаллов такой категории сырья затруднена и нерентабельна, и доля таких кристаллов составляет около 80% от общей массы добытого в мире алмазного сырья.

В то же время, в начале первого десятилетия XXI века начал развиваться рынок эксклюзивных ювелирных изделий с применением в качестве вставок необработанных кристаллов алмаза оригинальной природной формы. Компании, которые на данный момент занимаются производством ювелирных изделий со вставками из необработанных алмазов, используют кристаллы правильной формы (октаэдр, куб), не все из которых отличаются привлекательностью необработанной поверхности. Обработка поверхности с повторением природной формы затруднена всвязи с тем, что методы обработки, используемые на сегодняшний день, традиционно предполагают съём поверхностного слоя материала и не позволяют получать криволинейные поверхности. Применение кристаллов алмаза в дизайне ювелирных украшений весьма актуально и активно используется известнейшими дизайнерами ювелирных украшений. При этом редкие кристаллы алмаза обладают гладкой поверхностью, через которую видна внутренняя структура алмаза. В основном кристаллы покрыты дефектным поверхностным слоем, так называемой «рубашкой», которая образовалась в процессе роста либо природного травления алмаза. Вполне очевидно, что отсутствие этого слоя или сведение его к минимуму процессом обработки, могло бы придать природному кристаллу алмаза ещё большую привлекательность, неповторимость и очарование. В связи с этим возникает потребность в технологии позволяющей обрабатывать алмаз по всему объему независимо от его анизотропии твердости, при этом максимально сохраняя его природную форму.

Большинство современных методов обработки алмаза позволяют с легкостью получать плоские поверхности и их комбинации с соблюдением требуемой точности, однако получение криволинейных поверхностей затруднено. Существуют методы обработки, которые позволяют получать криволинейные поверхности (например, лазерная обработка), но поверхности, получаемые с помощью таких методов, не соответствуют требуемым параметрам точности и качеству полировки.

Наиболее распространённые методы обработки алмаза, использующие механическое, химическое или тепловое воздействие или их комбинации, включают: механическую обработку, химико-механическую обработку, термохимическую обработку, обработку высоким энергетическим лучом (луч лазера/плазмы/иона), и электрическую механическую обработку разгрузки (EDM). [4] Механический, химико-механический, термохимический и метод динамического полирования трением -контактные методы, которые обычно используются для обработки плоских поверхностей. Данные методы позволяют получить поверхности заданной чистоты и точности, но необходимый результат достигается в несколько этапов. Плазменный метод, ионного пучка, лазерный и метод электроэрозионной обработки являются бесконтактными, и они могут быть легко использованы для объемных поверхностей, но получение требуемых параметров точности и чистоты поверхности существенно затруднено.

При обработке алмазов в бриллианты процент потерь зависит от массы исходного кристалла, наличия и расположения в нём дефектов. Общие потери массы кристалла при огранке в бриллианты составляют от 50 до 70%. В процессе обточки образуются отходы, содержащие алмазы в виде сколов и алмазной пыли. В состав отходов входят алмазная крошка различной величины, алмазная пыль, эпоксидная смола, металлическая стружка, стекло и другие примеси органического и неорганического происхождения. При огранке самого крупного в мире алмаза «Куллинан» массой 3106,75 карат были изготовлены бриллианты общей массой 1063,65 карат.

На первом этапе огранки - распиливании - теряется около 4-7% от исходной массы кристалла. На втором этапе - обточке - от 12 до 20%. Третий этап огранки - обдирка, на данном этапе потери от исходной массы составляют 25-30%. На последующих этапах при шлифовании и полировании кристалла потери составляют от 9 до 13%. Такие потери обусловлены, во-певых, конфигурацией получаемых бриллиантов, а во-вторых - механизмом съёма материала при традиционном методе обработки. Съём материала при механической обработке происходит за счет микросколов. Отходы от производства бриллиантов подразделяют на: ПО - 1 (брак) - заготовки на каждой технологической операции, изготовление бриллиантов из которых невозможно из-за отсутствия минимально допустимых действующими техническими условиями параметров или наличия соответствующих дефектов обработки; ПО - 2 (отходы) - не годные для дальнейшей обработки части алмаза массой от 0,02 кар и более, образовавшиеся в процессе раскалывания (скалывания) драгоценного камня; ПО - 3 (сколы) - не годные для дальнейшей обработки части алмаза массой до 0,02 кар, образовавшиеся в процессе раскалывания (скалывания) драгоценного камня; ПО - 4 (отходы) - части кристаллов после распиливания, раскалывания, предварительной огранки изготовление бриллиантов из которых экономически нецелесообразно, а также параметры которых, вследствие выведения дефектов, меньше установленных техническими требованиями; ПО - 5 (отходы) - алмазные заготовки после обдирки, частичной и полной огранки изготовление бриллиантов из которых экономически нецелесообразно из-за наличия многочисленных дефектов, а также заготовки после обдирки, частичной и полной огранки у которых, вследствие выведения дефектов, значение параметров меньше установленных.[1]

Рекуперация алмазосодержащих отходов основана на том, что алмаз по своим свойствам является типичным металлоидом, химически инертен и только при повышенных температурах приобретает незначительную химическую активность. Все виды кислот даже при нагревании не оказывают на алмаз никакого действия. Рекуперацию выполняют в такой последовательности: 1. Приготовление рабочего раствора. Рабочий раствор готовят из расчета 250 мл дистиллированной воды, 600 мл азотной кислоты (плотность 1,4), 150 мл соляной кислоты (плотность 1,19) на 1000 мл раствора; 2. Травление отходов рабочим раствором; 3. Кипячение промытого осадка в азотной кислоте (1:1) и отмывка водов от продуктов реакции; 4. Кипячение алмазных сколов в концентрированной серной кислоте; 5. Просушка сколов и обработка их тяжелой жидкостью (бромоформом) при комнатной температуре. 6. Просушка чистых сколов и анализ их на содержание примесей. Содержание посторонних примесей в них не должно превышать 15%. Обычно после обработки по вышеизложенному методу содержание примесей в алмазном концентрате находится в пределах 2-3% Полученный алмазный концентрат передается на соответствующие предприятия для использования при изготовлении алмазных порошков, паст и других промышленных целей. Отходы, собранные после обточки, содержат 9—10% алмазного концентрата. [1]

Волновой метод обработки позволяет воздействовать на кристалл алмаза таким образом, что при формировании полированной поверхности, природная форма кристалла сохраняется на уровне блоков. Кроме того, объемная обработка с применением определенного алгоритма волнового воздействия на напряженные и дефектные кристаллы, характеризуется проявлением оптических эффектов, значительно повышающих декоративные свойства камня. Возможность формирования криволинейных поверхностей обуславливает меньшие, по сравнению с традиционным методом, потери при обработке (10-20% от исходной массы кристалла). Процент потерь зависит в первую очередь от исходной массы кристалла, величины обрабатываемой поверхности и конфигурации конечного изделия.

Основа волнового метода обработки заключается в механическом возбуждении кристаллической структуры алмаза и создании в его объёме системы волновых когерентных акустических колебаний. В связи с этим можно предположить, что при определенных условиях управляемого когерентного волнового воздействия на кристалл материал из его поверхностного слоя будет удаляться преимущественно в форме нанокластеров.

Размер этих кластеров находится приблизительно в диапазоне 3 ÷ 350 нм, в зависимости от условий волнового возбуждения при обработке поверхности алмаза. Изменение поверхностной энергии при удалении кластеров не превышает 10-14 Дж, т.е. имеет место энергетический выигрыш в этом процессе, что является косвенным подтверждением реализации механизма удаления материала в виде нанокластеров. В процессе такого кластерного удаления материала, по-видимому, должен формироваться своеобразный рельеф обрабатываемой поверхности. Контроль параметров морфологии поверхности подложек (шероховатость Ra, среднеквадратическая шероховатость Rq, размах высот Rmax, гистограмма высот) проводился на атомно-силовом микроскопе (АСМ) марки Р – 47 Solver фирмы NT MDT (Россия) и рассчитывался по стандарту, заложенном в программном обеспечении микроскопа. Сформированный волновым методом микрорельеф поверхности, приведен на рисунках (рис. 1 – рис. 3), где показано изменение морфологии поверхности при уменьшении величины ее шероховатости (Ra) в воздействия.

зависимости от времени волнового

Рис.1. Изображение поверхности подложки,    обработанной    с применением способа волнового возбуждения. Время воздействия 10 мин.

R a = 4,4nm, R max = 53,3nm.

Рис.2. Изображение поверхности подложки. Время воздействия 15 мин. R a = 1,5nm, R max = 21,8nm.

Рис.3. Изображение поверхности подложки. Время воздействия 20 мин.

R a = 0,9nm, R max = 28,1nm.

Рис. 4. Изображение поверхности подложки алмаза, обработанной по стандартной технологии с применением свободного мелкодисперсного абразива R a = 18,2nm, R max = 214,8nm.

Для сравнения на рис. 4 приведено изображение рельефа поверхности подложки, обработанной стандартным способом [1] (шероховатость ~ 18,3 nm). С целью получения минимальной шероховатости поверхности в этом случае был применен мелкодисперсный свободный алмазный абразив.

Анизотропия механических свойств алмаза, по наблюдениям в ходе исследования, не влияет на реализацию эффекта кластерного удаления материала и позволяет эффективно обрабатывать поверхности любой кристаллографической ориентации. Подобный подход позволил реализовать возможность формирования параболических, сферических, цилиндрических, конусообразных поверхностей на кристаллах алмаза. [5]

Технологические особенности режимов воздействия, позволяют вести обработку с формированием криволинейных поверхностей по всему объему, что существенно затруднено при использовании традиционного абразивного метода обработки алмаза. Потери массы кристалла при волновом методе обработки сводятся к минимуму, и направлены на максимальное сохранение массы кристалла. В ходе данного исследования, был проведен сравнительный анализ традиционной технологии огранки алмазов в бриллианты с волновой технологией обработки.

К примеру, рассмотрим кристалл алмаза массой 1,32 карат (характеристика Sh,3g,4Br, 5gr, ярко коричневый). Цена сырья с такими характеристиками составляет в среднем 104 USD$ за карат, и стоимость кристалла составит 137 USD$. Из такого кристалла при отсутствии крупных дефектов можно получить два бриллианта весом 0,37 и 0,16 карат, стоимость которых составит соответственно 229 и 66 USD$, т.е. суммарная стоимость полученных бриллиантов составит 295 USD$. Затраты на обработку кристалла (при серийном производстве) составят 96 USD$ (включая зарплату), то есть прибыль от огранки данного кристалла составляет 62USD$.

Расчеты, в результате которых были получены приведенные выше значения, проводились с учетом мировых цен на алмазы и бриллианты и соответствуют серийному типу производства (данный тип производства чаще всего реализуется при огранке алмазов в бриллианты).

Теперь рассмотрим обработку того же кристалла с применением волновой технологии. В результате обработки c сохранением природной формы можно получить кристалл, вес которого составит не менее 1 карата. Ориентировочная стоимость такого изделия составит 900 USD$. Затраты на обработку (с учетом зарплаты) составят около 110 USD$. При стоимости сырья (исходный кристалл весом 1,32 карат) 137 USD$, прибыль от реализации одного кристалла составит 653 USD$ .

В данных расчётах не рассматривался аспект проявления в кристаллах алмаза радужной цветовой гаммы, которая может возникать после применения комбинированного режима волновой обработки. Подобный эффект может привести к ещё большей стоимости конечного изделия, коммерческая оценка которого затруднена из-за отсутствия надлежащих мировых прейскурантов.

В связи с этим предлагается обрабатывать нетрадиционные категории алмазного сырья с применением новой концепции дизайна (сохраняя оригинальную природную форму) и волнового метода. Разрабатывать эксклюзивные ювелирные изделия нового типа с индивидуальным дизайном и применением этих кристаллов. Такие изделия на сегодняшний день являются весьма актуальными (к примеру, в компании Diamond in the rough кольцо из белого золота со вставкой из необработанного алмаза весом 2,3 карат поступило в продажу по цене 5800 USD$, при стоимости металла примерно 90 USD$). Затраты на создание ювелирного изделия из драгоценного металла, в котором данный кристалл будет закреплён в качестве вставки, составляют в среднем от 80 до 200 USD$ – в зависимости от цены и количества используемых материалов. Суммарные затраты на производство ювелирного украшения составят около 500 USD$ (с учетом зарплаты дизайнера и ювелира, и всех затрат на обработку кристалла).

Таким образом, производство ювелирных изделий из неликвидного алмазного сырья с использованием волновой технологии не только открывает перспективы создания уникальных для российского и мирового рынка ювелирных изделий нового типа, но и является малоотходным, и, как одно из следствий - экономически выгодным.

Исходя из классификации алмазного сырья GIA, алмазы разделяют на три категории:

• 1)    Gem – алмазы для изготовления бриллиантов хороших качественных характеристик;

• 2)    NearGem – алмазы для изготовления бриллиантов низких качественных характеристик;

• 3)    Industrial – алмазы пригодные только для технических целей.

В табл. 1 приведено сравнение наиболее распространённых методов обработки алмаза и волнового метода при обработке кристаллов качества Gem, Near Gem и Industrial.

Таблица 1.

Сравнение потерь при обработке алмаза традиционным, лазерным и волновым методом

	Механическая обработка (огранка)	Волновой метод (изделия нового типа)	Лазерная обработка (распиливание)
Потери      при обработке кристалла категории GEM	45-60%	10-20%	3-7%
Потери      при обработке кристалла категории  NEAR GEM	50-70%	10-20%	3-10%
Потери      при обработке кристалла категории INDUSTRIAL	Не обрабатывается	10-20%	Не обрабатывается

Другие малоотходные методы обработки алмаза применяются в большей степени для изготовления промышленных изделий. Лазерная обработка применяется для получения изделий точной формы. Потери при лазерной обработке минимальны, но полученная поверхность требует дополнительной обработке и предполагает потери в ходе дальнейшей обработки.

Химико-механический и термохимический методы обработки применяются как дополнительные методы для получения необходимого качества поверхности, данные методы не применяются самостоятельно для формообразования. Электро-механическая обработка - способ быстрый и эффективный, но полученной шероховатости недостаточно для промышленных требований. Подходит для обдирки, которая должна сочетаться с другими методами полировки. Также предполагает высокий (по сравнению с другими методами) процент потерь.