Світлана Кернична. Адамант – матеріал для богів і людей

01

Адамант – матеріал для богів і людей

Першу згадку про адамант знаходимо у творі давньогрецького поета Гесіода. Саме з міфічного металу адаманту були виготовлені обладунки богів: серп Кроноса, шолом Геракла, кайдани Прометея та плуг Еета.

Шанувальникам фентезі та космічних трилерів теж добре відома надміцна речовина, яку в різних творах називають адамантій, адамантин, адамантіум, адаманті. У відомому циклі коміксів „Люди Ікс” видавництва „Marvel Comics” йдеться про легендарний „адамант”, практично незламний штучний сплав: адамантовий клинок унікальної міцності прорізав практично будь-який матеріал.

„Адамант” – застаріла назва алмазу (дав.-гр. αδαμας – „незламний”). У науковій літературі українською мовою алмаз під назвою „адамант” уперше описав у лекціях „Про камені та геми” Феофан Прокопович (Києво-Могилянська академія, 1705–1709 роки). Те, що алмаз – найтвердіший мінерал на Землі, відомо з найдавніших часів. Адамант – так досі кажуть про людей з твердим і рішучим характером.

А чи є штучний аналог алмазу за твердістю? Чи вдалося ученим створити фантастичний адамант?

Що таке твердість і як її вимірюють

Твердість – це властивість матеріалу опиратися проникненню в нього іншого твердого тіла. Найвідоміший метод визначення твердості базується на шкалі Мооса.

Kolosok_7_20170

Німецький мінералог Фрідріх Моос у 1811 році запропонував набір 10-ти еталонних мінералів для визначення відносної твердості мінералів (найм’якший у шкалі – тальк, найтвердіший – алмаз). Мінерал, твердість якого досліджують, дряпають еталонним мінералом (або навпаки).

Твердість металів та сплавів, як правило, визначають іншим методом: у досліджуваний матеріал втискають кульку, конус або пірамідку. Поверхневі шари дослідного зразка зазнають пластичної деформації, і після зняття навантаження на ньому залишається відбиток, за площею та глибиною якого визначають твердість.

Як і чим різати?

Зрозуміло, що сплав, з якого виготовлений різець, повинен мати більшу твердість, ніж матеріал, який ріжуть. Але цього, виявляється, замало. Він має бути ще й дуже міцним і мати велику зносо­стійкість, щоб поверхня не руйнувалася від тривалих механічних навантажень, які виникають під час різання.

Унаслідок тертя поверхні нагріваються до високих температур – понад 800 °С. Тож матеріал різця має характеризуватися і високою теплостійкістю, щоб витримувати значні температури і не плавитися.

Під час різання виникає дуже щільний контакт між поверхнями матеріалів. За високих температур унаслідок дифузії компоненти одного матеріалу можуть проникати в інший і руйнувати його структуру. Тому ще однією важливою і потрібною вимогою до такого сплаву є його інертність по відношенню до тих матеріалів, які ріжуть, тобто здатність структури сплаву протистояти проникненню інших компонентів.

Чудо-сплави – композитні матеріали

Тверді, міцні, зносостійкі, теплостійкі, інертні… І все це – водночас. Чи існують такі диво-матеріали? Авжеж, існують і використовуються в техніці. Це – так звані тверді сплави або композитні матеріали.

Композит – це матеріал, який отримують поєднанням двох або більше компонентів, кожен з яких має певні задані властивості. А разом ці компоненти забезпечують матеріалу такі властивості, яких не має жодний з компонентів окремо. Тверді сплави – це металокерамічні композити, які отримують поєднанням керамічного та металічного компонентів.

У сплавах для виготовлення різців керамічний компонент найчастіше є карбідом1 Вольфраму, Титану або Танталу, а металічний – Кобальт або Нікель. Результатом такого поєднання є дуже твердий та міцний матеріал з високою зносостійкістю у діапазоні температур до (1100–1200) °С.

Роль компонентів

Карбіди1 – дуже тверді та тугоплавкі речовини. Ці властивості – їхній внесок у майбутній сплав. Але водночас карбіди крихкі: вони легко руйнуються. Щоб зменшити крихкість сплаву, потрібен компаньйон – пластичний матеріал. Тому у сплав додають метал, адже метали дуже пластичні. Під дією зовнішніх навантажень вони можуть змінювати свою форму, зазнаючи пластичних деформацій. Але що більша пластичність матеріалу, то менша його твердість. Тому компоненти підбирають так, щоб досягнути найкращих властивостей сплаву.

1Карбіди – бінарні сполуки Карбону з металами, Бором та Силіцієм (наприклад, Кальцій карбід).

Як їх виготовляють?

Тверді сплави виготовляють, спікаючи суміші порошків, тобто методом порошкової металургії. Дрібний порошок (або дрібні зерна) карбіду Вольфраму або іншого тугоплавкого карбіду змішують у відповідних пропорціях з дрібним порошком в’яжучого металу (Кобальту або Нікелю). Суміш засипають у форми і пресують вироби. Це дуже важливий і точний етап роботи, оскільки після спікання механічна обробка виробів уже недопустима.

Спікання відбувається за температури, близької до температури плавлення в’яжучого металу. Наприклад, якщо такий метал кобальт, температура плавлення якого 1495 °С, то температура спікання становить (1400–1500) °С.

Пірамідальний алмаз, вбудований у робочу поверхню твердоміра Віккерса

Пірамідальний алмаз, вбудований у робочу поверхню твердоміра Віккерса

Структура сплаву

Структура сплаву, отриманого методом порошкової металургії, визначається двома компонентами: хаотично розташованими дрібними зернами карбіду та тонкими прошарками в’яжучого металу. Грані, ребра, вершини зерен карбіду розміром від 0,1 до 10 мікрометрів упираються одне в одне, забезпечуючи високу твердість такої структури. Дрібні зернинки заповнюють порожнини між великими зернами, створюючи дуже щільну структуру матеріалу.

Спікання відбувається за температури, що не досягає температури плавлення металічного компонента, тому метал не переходить у рідкий стан. Процес плавлення лише починається. Дрібні частинки металічного порошку сплавляються між собою, але не утворюють суцільної металічної структури. Це зменшує здатність металу до пластичної деформації і збільшує його твердість. В’язка металічна маса, обтікаючи зерна карбіду, заповнює проміжки між ними, утворюючи тонкі металічні прошарки, які зв’язують компоненти сплаву в суцільний матеріал.

Зерна карбіду, частково занурюючись у метал, також порушують його структуру, зменшують пластичність і підвищують твердість.

Важливими є і розміри металічних прошарків. Що вони тонші, то менше метал піддається пластичній деформації. Саме така структура сплаву зумовлює властивості, яких не мають компоненти композитів.

Навіщо вони потрібні?

Основне застосування таких сплавів – виготовлення інструментів для обробки металів, сплавів та інших твердих матеріалів. З них виготовляють свердла та бурові інструменти, зокрема для буріння надтвердих гірських порід; дуже тверді та міцні деталі для обладнання, що використовується в металообробці.

Отже, там, де потрібна дуже висока твердість, приходять на допомогу саме ці сплави – справжні адаманти сучасності.

Група китайських вчених в 2009 році (мабуть для привернення уваги) зробила хибну заяву про те, що згідно з їхніми теоретичними дослідженнями за відсутності домішок лонсдейліт був би на 58% твердіший, ніж алмаз.
Лонсдейліт (гексагональний алмаз) – одна з алотропних модифікацій вуглецю. Структури решіток лонсдейліту і алмазу схожі, але елементарна решітка лонсдейліта містить чотири атоми, а алмаза – вісім.
Алмаз – найтвердіший мінерал на Землі.
Раніше вчені вважали, що найміцніший біоматеріал – павутина. Її міцність така ж, як у сталі – 1,3ГПа. Але зуби молюсків Patella vulgata витримують від 4 до 6,5 ГПа! За такого тиску вуглець у земній корі перетворюється на алмази.
Зуби молюсків „морськіи блюдечка”, за допомогою яких вони, зчищають водорості зі скель, складаються із найміцнішого матеріалу біологічного походження. Він міцніший, ніж більшість штучних матеріалів. Нічого дивного: щоб добути їжу, молюскам доводиться гризти камінь!
Зуби „морського блюдечка” – це природний композитний матеріал, у якому найтонші нитки залізовмісного мінералу гетиту занурені в міцний і пружний білковий матрикс. Секрет їхньої міцності в тонесеньких мінеральних волокнах. Вони не мають дірок, тріщин та інших дефектів, які послаблюють структуру.

Завантажити статтю

This entry was posted in 2017, 7, Журнал, Наука і техніка, Світлана Кернина, Статті, Турнір юних хіміків. Bookmark the permalink.