VIVOS VOCO: Б.Ф. Данилов, "Алмазы и люди" - Глава 8. Заглянем в будущее

При современном развитии науки и техники точно предсказать будущее какой-либо отрасли весьма затруднительно. Зачастую то, что сегодня представляется немыслимым, неосуществимым, становится возможным за тот короткий промежуток времени, в который печатается книга.

И все же попробуем заглянуть хотя бы в недалекое будущее алмаза, алмаза природного и синтетического, а также других сверхтвердых материалов, создаваемых па основе синтеза алмазов.

Сначала о природных алмазах. Роль их в мировой технике будет уменьшаться. Уже сейчас 90 процентов всего алмазного инструмента в мире, как мы уже говорили, делается из синтетических алмазов, и только 10 процентов изготовляется из природных алмазов. Запасы алмазов в недрах земли не бесконечны, их надо беречь.

До сих пор основная добыча алмазов производилась из кимберлитовых трубок и россыпей. Но вот в начале 80-х годов были сделаны попытки добывать алмазы не из земли, а со дна океана. Пионером нового метода стал американский промышленник Сэм Коллинз из Техаса. Недалеко от побережья Западной Африки он провел несколько опытов и добыл первые алмазы со дна Атлантического океана.

К месту работ пришел специальный землесос. Он остановился в нескольких километрах от берега, где глубина составляла 150 метров, и стал па два якоря. С борта землесоса спустили толстый прорезиненный шланг. Когда он достал дна, через него начали накачивать воздух. Мощная струя воздуха взбаламутила донный грунт на большом пространстве. Затем к дну были опущены шланги нескольких мощных насосов, которые стали поднимать пульпу на палубу землесоса. Здесь пульпа процеживалась сквозь специальные мелкие сита. На ситах оставались алмазы. За полгода эксперимента на землесос было принято 40 тысяч карат алмазов. Есть все основания полагать, что описанный метод окажется более прогрессивным и экономичным, чем метод добычи алмазов из недр земли.

Однако в технике будущего основную роль станут играть синтетические алмазы и новые сверхтвердые материалы. Здесь можно разграничить два направления: новые методы получения синтетических алмазов и сверхтвердых материалов и новые объекты их применения и использования. Создание новых сверхтвердых материалов типа алмаза может быть достигнуто путем дальнейшего увеличения статических давлений и температур.

Эксперименты уже привели к созданию искусственных алмазов с новыми свойствами. Можно сказать о балласе, созданном совместными усилиями ученых кафедры физики и химии высоких" давлений МГУ и Института физики высоких давлений Академии наук СССР. Следующим этапом было получение алмаза типа карбонадо, работа над которым велась под руководством академика Л.Ф. Верещагина и доктора физико-математических паук Е.Н. Яковлева. В ходе этой работы родились и поликристаллы кубического нитрида бора. В промышленности названные алмазы известны под марками АСБ (балласы), АСПК (карбонадо) и ПТНБ (нитрид бора).

Другим способом получения новых сверхтвердых материалов является так называемый импульсный способ мгновенного создания чрезвычайно высоких давлений и температур, которые получаются при использовании энергии взрыва.

Изучение тысячелетней истории алмазов позволило советским ученым заглянуть в недалекое будущее. Вырисовывается еще одна возможность получать искусственные алмазы экономичным способом. Как образовались алмазы на земле? По поводу этого существует несколько гипотез. В настоящее время получила общее признание гипотеза заведующего лабораторией Института геофизики и аналитической химии Академии наук СССР Э.И. Галимова. Изучая кимберлитовые трубки, в которых добывают алмазы, ученый пришел к выводу, что само формирование этих трубок происходит во время извержения вулканов, при быстром прорыве расплавленной магмы на поверхность.

Галимов выдвинул предположение, что из-за изменяющегося сечения трещин, через которые магма стремится вверх, в ней возникают большие колебания внутреннего давления. В местах сужения трещины давление падает, происходит образование газовых пузырьков. В широкой части трещины восстанавливается прежнее давление, и пузырьки в магме резко сжимаются. При огромной температуре и высоком давлении пузырьки газа, содержащего углерод (например, метан), превращаются в алмазы. Вулканы гаснут и остывают. Через тысячелетия в кимберлитовых трубках находят алмазы.

Гипотеза советского ученого расширила возможности создания перспективных технологий получения искусственных алмазов. В настоящее время испытывается метод практического получения искусственных алмазов из метана, для чего в лаборатории создаются условия, приближенные к гипотетичным природным. В ближайший период будет осуществлен процесс наращивания затравочных кристаллов алмаза до нужной величины. Маленький кристаллик алмаза помещается в газовую среду, в которой растворены углерод и другие элементы. С помощью высоких давлений и температур добиваются осаждения на затравочном алмазике частиц элементов, идентичных ему по структуре. В недалеком будущем предполагается получить искусственный алмаз без высокого давления, используя глубокий вакуум. Этим методом достигается быстрая и более дешевая кристаллизация алмаза.

У всех этих разработок две цели: получить новые материалы тверже и прочнее алмаза и сделать эти материалы еще более дешевыми, доступными каждому предприятию. Однако лозунг: изготовлять алмазы все более твердыми и прочными, выпускать их все больше, делать их все дешевле - не самоцель. Главное - это создавать из алмазов все более совершенные и качественные инструменты, которые способны поднять промышленность на еще более высокую ступень развития и тем способствовать быстрейшему построению материально-технической базы коммунизма. Не случайно в марте 1980 года ЦК КПСС и Совет Министров СССР приняли постановление "О значительном повышении технического уровня металлообрабатывающего, литейного и деревообрабатывающего оборудования и инструмента". Этот важный документ уделяет большое внимание алмазным инструментам. Только самые совершенные алмазные инструменты могут стать конкурентоспособными в мировых машиностроении и металообработке. Мы, инструментальщики, считаем, что постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР прямо смотрит в будущее.

Мне как станочнику будущее режущего инструмента представляется так: у токарей будут в достаточном количестве резцы новых типов из дешевой металлокерамики и минералокерамики, которые намного эффективнее резцов из известной керамики ЦМ-332. Новые режущие пластинки марки ВОК-Ю и им подобные уже продемонстрировали значительные преимущества перед керамическими режущими пластинками ЦМ-332. Те токари, которые пользовались резцами марки ВОК-10, знают, что ими можно отлично точить закаленную легированную сталь с твердостью 64 единицы по Роквеллу. Более того, в ближайшем будущем черными пластинками ВОК-10 можно будет точить детали из крепкозакаленной стали любой некруглой формы, с перерывами в круге, то есть, как мы говорим, работать "на удар".

Но для заточки таких резцов понадобятся и новые алмазные круги из алмазов особой прочности и твердости, круги с самой высокой концентрацией алмазов. Такими кругами мы также будем располагать в достаточном количестве. Пока же эти инструменты из алмазов и сверхтвердых материалов есть в основном в лабораториях институтов и на некоторых опытных производствах. Надо быстрее сделать их достоянием всей нашей рабочей гвардии.

Я уже говорил о том, какие возможности открывали перед нами - инструментальщиками в области мерительного инструмента синтетические алмазы. Осуществлен выпуск чрезвычайно износостойких круглых калибров и других мерителей. Возникают и другие идеи. Как-то Н.В. Кравчук, бывший директором завода, где я работал, сказал: "А почему бы вам, Борис Федорович, не попробовать изготовить концевые меры длины из минералокерамики? Это могло бы дать большую экономию вольфрама и других дорогих материалов, из которых делают эти меры".

Действительно, имея под рукой алмазные пасты с зерном менее 1 микрона, довольно легко можно довести плитки до тринадцатого-четырнадцатого классов чистоты, то есть таких, какие требуются для названного Кравчуком мерительного инструмента. А износостойкостью минералокерамические концевые меры, может быть, превысили бы твердосплавные плитки, не говоря уж об обычных стальных плитках из легированных сталей. И я представил себе стандартный набор плиток из 84 штук, сделанный из минералокерамики. Стальные плитки, как я уже говорил, очень быстро выходят из строя из-за малейшей царапины на их доведенной поверхности. А такие почти невидимые царапины при слеплении блока возникают очень просто - плитки имеют твердость 62 единицы. А вот как нанести царапину на минералокерамическую плитку, твердость которой 91 единица? Захочешь сделать, так и то не сделаешь. Такие плитки служили бы значительно дольше, а стоили дешевле.

Перед твердосплавными плитками (концевыми мерами) преимущество минералокерамических плиток тоже явное. Надо сказать, что когда я описывал твердосплавные плитки завода "Калибр", то, указав их преимущества перед стальными, не раскрыл других их тайн. Дело в том, что твердосплавными делаются только мелкие плитки - от 1 миллиметра до 5 миллиметров, то есть две трети набора. Треть набора размером от 6 миллиметров до 100 миллиметров и более делается из стали. Причиной тому несколько экономических и чисто производственных моментов. Твердый сплав очень тяжел (удельный вес 15). Значит, блок из плиток большого размера из-за своего веса не сможет держаться в приборе (чувствительном микрометре, пассаметре и т.п.).

Чтобы твердосплавный блок большого размера не выпал из ножек прибора из-за тяжести, пришлось бы увеличить давящее усилие ножек прибора. А этого делать нельзя, так как усилие для всех мерительных приборов выбрано оптимальное - 250 граммов. Увеличение усилия вызывало бы при замере изделий появление царапин, что повело бы к порче проверяемых готовых деталей. Поэтому плитки размером 50 миллиметров или 100 миллиметров делаются по-прежнему стальными. К каждой такой плитке можно прилепить твердосплавную размером, скажем, 1,5 миллиметра. Она не слишком увеличит вес общего блока размером, например, 51,5 миллиметра.

Мы рассмотрели блок с чисто производственной точки зрения. А с точки зрения экономики? Ведь на одну плитку размером 70 миллиметров или 100 миллиметров, если ее сделать из твердого сплава, потребуется чуть ли не килограмм дорогого и дефицитного сплава. Если сделать весь набор из твердого сплава, то он будет чрезвычайно дорогим, да и поднять его будет нелегко. А если изготовить набор концевых мер из минералокерамики, удельный вес которой 2,6, то он получится необычайно легким и в то же время очень прочным благодаря высокой твердости, да еще будет красивого темно-красного цвета. Еще одно преимущество таких плиток в том, что они не подвержены коррозии - этому бичу стальных и твердосплавных плиток и поэтому не требуют специальных условий для хранения и эксплуатации.

Конечно, минералокерамические плитки - дело будущего, хотя, может быть, не столь далекого. И это будущее ждет новаторов, исследователей. Я знаю своих друзей - новаторов производства, своих учеников. Уверен, что скоро кто-нибудь из них замахнется на такое непростое дело. И поможет ему в осуществлении, казалось бы, немыслимой затеи алмазная паста, не так давно созданная в Институте сверхтвердых материалов.

До сих пор мы вели речь о машиностроении. А что в ближайшем будущем даст разработка синтеза алмазов и сверхтвердых материалов, например, буровому делу? Я уже говорил, что в нашей стране бурят самые глубокие скважины. Пройдено уже более 12 километров в глубь твердых пород. Предполагается достичь глубины 15 километров. Может ли бур из существующих ныне алмазов и сверхтвердых материалов пробурить 15 километров? По-видимому, может. Но пробурить после этого еще километр-два, по-моему, нельзя.

Почему? Да потому, что при увеличении глубины скважины слишком быстро возрастает температура. На глубине 10 километров, как уже говорилось, она составила 200 градусов, в то время как на глубине 5 километров равнялась только 50 градусам. Ученые рассчитали, что на глубине 15 километров температура будет около 600 градусов. При такой температуре все существующие сейчас виды алмазов и сверхтвердых материалов начинают терять режущие свойства. А при температуре 950 градусов алмазы сгорают. Нужен новый материал, который был бы не только твердым, но и теплостойким и не разъедался бы никакими кислотами. Нет сомнения, что такой материал появится, и, может быть, не в таком уж далеком будущем. Постоянный поиск ученых приводит подчас к неожиданным открытиям.

Вот, например, недавно группой ученых во главе с доктором физико-математических наук Вячеславом Васильевич Осико найден способ получения фианитов - крупных монокристаллов на основе циркония. За эту работу ученым была присуждена Ленинская премия 1980 года. Фианиты сразу же стали использовать в ювелирном деле. На прилавках и в витринах ювелирных магазинов появились кольца, серьги, броши с "бриллиантами" из фианитов, которые сверкали всеми цветами радуги и были настолько красивы, что от них было трудно отвести взгляд. Вставленные в дорогую оправу, они представляли собой замечательное украшение, а стоили раз в 10 меньше, чем настоящие бриллианты. Только опытный ювелир может отличить фианиты от алмазов. Фианиты успешно используются и в технике машиностроения как необычайно тугоплавкий материал, а также в других отраслях промышленности.

Выступая по Центральному телевидению 2 мая 1980 года, В.В. Осико показывал кристаллы величиной с кулак, прочные и прозрачные, которые уже тогда использовались как тигли для самых тугоплавких металлов. Эти тигли переносят температуру в несколько тысяч градусов и не разъедаются никакими кислотами. Молодой доктор наук мало говорил о себе и очень горячо охарактеризовал участие в открытии фианитов каждого из своих товарищей. С благодарностью он отметил большую помощь, оказанную министром электронной промышленности СССР А.И. Шокиным в организации и проведении экспериментальных работ, предшествующих открытию. Позволю себе немного пофантазировать: возможно, что так же неожиданно, как родились фианиты, появится и синтетический алмаз с необычайной теплостойкостью.

Заглянем не в далекое будущее, а в будущее, которое уже стоит на пороге. Всесоюзный научно-исследовательский институт тугоплавких металлов и твердых сплавов уже создал новый тип алмаза - СВ. Вмонтированные в коронку геологического бура алмазы показали необычайную стойкость при бурении самых твердых пород. В ближайшие годы размеры кристаллов будут увеличены. Кристаллы можно будет отлично использовать, скажем, как токарные резцы необыкновенной стойкости.

Интересно, что американская фирма "Дженерал электрик", считающаяся первооткрывателем синтеза алмазов, ведет исследовательские работы в том же направлении. Директор ВНИИАлмаз В.Ф. Романов, выступая в 1980 году на научной конференции, посвященной двадцатилетию синтеза алмазов в СССР, говорил, что "Дженерал электрик" уже добилась получения больших кристаллов алмазов типа нашего композита. Из нового сверхтвердого материала, называемого компакс, фирме удалось спечь квадратные пластины размером 20 миллиметров.

Романов сказал, что в плане работ ВНИИ тугоплавких металлов твердых сплавов и ВНИИАлмаза на одиннадцатую пятилетку предусмотрены создание и промышленный выпуск крупных кристаллов алмазов типа СВ размером до 30 миллиметров, причем такой формы, какая требуется производству. Представляю себе это так: в одиннадцатой пятилетке у токарей наряду с твердосплавными неперетачиваемыми режущими пластинками будут такой же формы пластинки из искусственных алмазов, с готовым отверстием посередине для крепления их на державку.

На этой так называемой Верещагинской конференции, которая проходила в новом здании Института физики высоких давлений под Москвой, меня попросили сделать доклад о применении алмазов в современных токарных работах. Во время перерыва мы осматривали институт. Здесь были история и современность: и первая установка для синтеза алмазов из графита, на которой Леонид Федорович Верещагин в 1960 году впервые в нашей стране получил искусственные алмазы, и современный пресс для синтеза новых сверхтвердых материалов, изготовленный специально для института на Новокраматорском машиностроительном заводе, и многое другое.

Верещагинская установка занимала не более полутора квадратных метров. Однако на ней стабильно держалось давление 82 тысячи атмосфер. Новый сверхмощный пресс усилием 50 тысяч тонн занимает помещение высотой с восьмиэтажный дом, а еще на пять этажей уходит под землю.

На конференции было определено будущее нашей алмазной науки и промышленности, а также будущее сверхтвердых материалов. Не забыты были и новые твердые сплавы. На смену сплавам ВК (вольфрамо-кобальтовым) идут твердые сплавы ТНМ и им подобные, которые я уже использовал для производства мерительного инструмента. Новые твердые сплавы обладают целым рядом преимуществ перед прежними, но плохо поддаются обработке алмазными кругами и пастами. На конференции было заявлено, что в ближайшие годы наша инструментальная промышленность получит новые алмазные порошки, пасты и шлифовальные круги, предназначенные специально для шлифовки и доводки инструментов из безвольфрамовых твердых сплавов.

Я видел так называемые диски памяти, проточенные опытными образцами новых алмазных резцов. Поражает чистота их поверхности. Существует четырнадцать классов чистоты для любых изделий. Высший, четырнадцатый класс чистоты имеют только концевые меры длины (плитки Иогансона). Такая чистота достигается чрезвычайно хитрой и точной механической, а потом ручной доводкой. На дисках памяти, которые я видел, чистота была пятнадцатого и шестнадцатого классов, то есть выше государственных нормативов (вспомним, что поверхность самого лучшего зеркала имеет только девятый класс чистоты!). Высота штрихов после проточки составляет от 500 до 150 ангстрем (ангстрем - десятитысячная доля микрона). В недалеком будущем чистота изделий пятнадцатого и шестнадцатого классов будет введена в ГОСТ. Что очень важно, достигается такая чистота не искуснейшей ручной доводкой, а проточкой на самоходе на станке.

В конце 1981 года на Выставке достижений народного хозяйства СССР проходил показ достижений стран социалистического содружества в области машиностроения. Меня пригласили на открытие выставки и на пресс-конференцию. Экспонатов было представлено настолько много, что они заняли площадь более 6 тысяч квадратных метров. Кроме СССР в выставке участвовали Венгрия, Румыния, Чехословакия, ГДР, Польша, Куба и Финляндия. Среди многих изобретений экспонировались и алмазные инструменты.

На стендах с советскими инструментами меня заинтересовали новые алмазные резцы, разработанные ВНИИАлмазом и Московским производственным объединением по выпуску алмазного инструмента. Резцы предназначены для проточки контактных линз, используемых для коррекции зрения. Маленькие линзы, сделанные из специальной прочной пластмассы, прилипают к зрачку глаза человека и возвращают ему утраченное зрение. Чистота, прозрачность и точность профиля такой линзы должны быть идеальными. Но для этого линзу надо проточить так, чтобы чистота обработанной поверхности была не ниже R_a = 0,32. Это означает, что высота шероховатости проточенной поверхности линзы должна составлять 32 ангстрема. И такую сказочную проточку на линзе делает новый алмазный резец, созданный московскими учеными, инженерами и рабочими.

Алмазные резцы для обработки контактных линз

После проточки алмазным резцом контактная линза становится прозрачной, но она еще не готова. Нужно сделать радиус и сферу линзы точно в соответствии с дефектом глаза, подогнать их. Для этого во ВНИИАлмазе разработано и изготовлено 260 разновидностей притиров. Каким бы ни был дефект зрения, всегда можно найти притир, который легко доведет линзу до нужных параметров. Притиры, шаржированные алмазной пастой АС7-5, обеспечивают высокую чистоту и требуемую кривизну поверхности линзы для всех возможных случаев.

В конце 1981 года новые методы получения необычайно стойкого алмазного инструмента сложнейшей конфигурации предложили ученые Института геологии Якутского филиала Сибирского отделения Академии наук СССР. Как иногда бывает с выдающимися изобретениями, эти методы были получены случайно.

Изучая взаимодействие алмаза с железом, сотрудники экспериментальной лаборатории помещали в термическую печь алмаз средних размеров так, чтобы одна из его граней (плоскостей) была горизонтальна. На плоскость клали железную пластинку, а затем в водородной среде доводили температуру до 1000 градусов. Железная пластинка медленно и плавно погружалась в алмаз, как будто он таял.

Объясняется это просто: алмаз, как известно, состоит из углерода. В тех местах, где он соприкасался с железной пластинкой, между его атомами (при температуре 1000 градусов) рвались связи. Атомы углерода, которые значительно меньше атомов железа, легко проникали сквозь кристаллическую решетку железа и выходили на поверхность пластинки. Здесь углерод вступал в реакцию с водородом. Получался метан, который и улетучивался.

Якутские ученые пошли в своих опытах дальше: они положили на плоскость алмаза железную пластинку, в середине которой было вырезано отверстие в форме небольшой шестерни. В печи с водородной средой поддерживалась температура 1200 градусов. Через сутки пластинка погрузилась в алмаз на 1 миллиметр, а из ее отверстия выступила отлично выполненная алмазная шестерня. Такую деталь из алмаза нельзя получить ни одним из известных прежде методов. А ведь на алмаз можно положить железную пластинку с отверстием в форме, скажем, микрофрезы для часовой или приборной промышленности или резца самой сложной конфигурации. Тем же путем без особых хлопот можно сделать в алмазной фильере не только круглое, но и квадратное или трехгранное отверстие и т.п. Появилась возможность делать очень нужные, необычайно износостойкие, сложнейшие алмазные инструменты. Дальнейшая разработка метода в недалеком будущем даст возможность нашим инструментальщикам получить новые, необычайно производительные и долговечные инструменты и значительно расширит возможности инструментальной промышленности.

Меня как инструментальщика, занятого созданием и изготовлением новых мерительных инструментов, заинтриговал метод упрочнения всевозможных калибров и различных других мерителей, необходимых в машиностроении. Сотрудник ВНИИАлмаза кандидат технических наук Владимир Васильевич Журавлев, заведующий лабораторией, занимающейся проблемами изготовления алмазных инструментов, предлагает особым способом напылять на поверхность, скажем, резьбового или гладкого калибра мелкую алмазную пыль.

Напыление крупных алмазных крошек на напильники мне знакомо. Я уже давно пользуюсь алмазными натфилями разных профилей, кстати, любезно подаренными мне В.В. Журавлевым. Они отлично "берут" твердый сплав и минералокерамику. Но... алмазные калибры?! Эта идея для меня была новой. Такого я еще не встречал и не слышал.

Оказывается возможным, правда, пока в лабораторных условиях, покрывать рабочую часть резьбового или гладкого калибра тонким слоем мельчайшей алмазной пыли. Калибр становится твердым и износостойким, как сам алмаз, и в то же время, имея стальную основу, нехрупким. Такой меритель практически, действительно, вечен и может один заменить тысячу ставших сейчас дефицитными стальных калибров, конечно, если этим мерителем не будут заколачивать гвозди или использовать его как плашку. Разумеется, предстоит большая работа, предстоят эксперименты, возможны и удачи, и огорчения. Это будущее, но весьма недалекое.

Осуществление этой идеи начисто перечеркивает мои разработки и изобретения в области твердосплавных, безвольфрамовых и минералокерамических износостойких калибров. Но я могу сказать, не кривя душой, что с готовностью предложил Владимиру Васильевичу Журавлеву содействие в осуществлении его замыслов, сулящих огромные выгоды нашему машиностроению.

Четыреста лет лучшие умы человечества бились над загадкой получения синтетических алмазов. Со дня изготовления первого рукотворного алмаза прошло около тридцати лет. За этот короткий отрезок времени наука и техника в этой области не шагнула, а прыгнула так далеко, как никто не смел и мечтать. Синтетические алмазы продолжают совершенствоваться. Алмаз верой и правдой служит людям.