Diamanten und CBN für das Schärfen von Messern

Natürliche Diamanten

Ein Diamant ist ein Mineral, der einzige Edelstein, der aus einem einzigen Element besteht. Außerdem ist der Diamant eine der allotropen Modifikationen von Kohlenstoff und das härteste aller Stoffe. Die Dichte des Diamanten beträgt 3,48–3,56 g/cm³, und die Mikrohärte liegt bei 8600–10000 kgf/mm².

Diamant besteht zu 96–99 % aus Kohlenstoff. Außerdem enthält seine Zusammensetzung (innerhalb von 0,2–0,3 %) auch andere Elemente: Bor, Silizium, Stickstoff, Sauerstoff, Aluminium, Mangan, Kupfer sowie Verunreinigungen von Eisen, Nickel, Titan, Zink und anderen Elementen. Es gibt Einschlüsse von Graphit, Olivin, Pyrop usw. Diamant kristallisiert im kubischen (isometrischen) Kristallsymmetrie-System und tritt als Oktaeder oder Kristalle ähnlicher Form auf. Üblicherweise haben Diamanten eine durchsichtige und gelbliche Farbe, es gibt aber auch blaue, grüne, kirschrote, leuchtend gelbe und rosa-violette Steine. Diamanten können völlig durchsichtig oder trüb sein.

Diamanten von bester Qualität werden in Südafrika und Russland in Kimberliten gewonnen – vulkanischen Gesteinen, die hauptsächlich aus Olivin und Serpentin bestehen. Kimberlite treten in Form von röhrenförmigen Körpern („Explosionsröhren“) auf. Außerdem werden Diamanten aus Fluss- und küstennahen Kieselplätzen gewonnen, wo sie infolge der Zerstörung diamantführender Kimberlit-Vulkanbrekzien abgelagert wurden.

In Diamanten herrscht großer innerer Druck, da ihre Entstehung unter enormen Druckverhältnissen in der Tiefe des Erdmantels stattfand und sie vermutlich vor etwa 3 Milliarden Jahren an die Oberfläche gelangten. Nach der Form der Kristalle können Diamanten planar, gebogen, verformt, langgestreckt, gestuft, polyzentrisch usw. sein.

Aus mehreren Gründen besitzt der Diamant einzigartige Eigenschaften. Bei mittleren Temperaturen ist er chemisch träge, bei hohen Temperaturen wird er chemisch aktiv. Beim Erhitzen löst sich der Diamant in geschmolzenem Natrium- und Kaliumnitrat sowie Soda. In geschmolzenen Alkalicarbonaten bei 1000–1200 Grad verwandelt sich der Diamant in Kohlenmonoxid. Bestimmte Metalle wie Eisen und Nickel lösen den Diamanten bei Temperaturen über 800 Grad teilweise auf.

In der Natur kommen Diamanten als einzelne Kristalle, deren Bruchstücke oder als polykristalline Aggregate vor. Es gibt Schmuck- und technische Diamanten. Zu den Schmuckdiamanten zählen solche mit korrekter Kristallform, durchsichtig, ohne Risse, Einschlüsse und Flecken. Alle anderen Kristalle sowie polykristalline Sorten gehören zu den technischen Diamanten. Technische Diamanten werden vorbearbeitet, um sie nach Form und Größe zu sortieren sowie Diamanten mit höherer Festigkeit herauszufiltern. Dabei werden Diamanten zerkleinert, geschliffen, wärmebehandelt und metallisiert.

Die Härte des Diamanten beträgt 10 auf der Mohs-Skala, die höchste aller Minerale. Die Mikrohärte des Diamanten liegt bei 93157–98648 Millipascal (mPa), während Korund 20200 mPa, Topas 1399 mPa und Quarz 981 mPa erreicht. Allerdings weist der Diamant eine Härteanisotropie auf, das heißt, auf verschiedenen Flächen und in verschiedenen Richtungen variiert die Härte leicht. Dies hängt mit der Struktur des Minerals zusammen.

Bezüglich der Schleifeigenschaften ist zu beachten, dass die mittlere Verschleißfestigkeit des Diamanten um ein Vielfaches höher ist als die von Borcarbid und Siliciumcarbid. Wenn man die Abrasivität des Diamanten mit 1 ansetzt, beträgt die abrasive Leistung von Borcarbid 0,5–0,6 und von Siliciumcarbid 0,2–0,3. Der Elastizitätsmodul (in mPa) des Diamanten liegt bei 88254 (Borcarbid etwa 294180, Siliciumcarbid 357919, Hartstahllegierung bis zu 588360). Der Diamant kann sich bei Einwirkung auf das zu bearbeitende Material verformen. Daher sind bei der Bearbeitung verschiedener Werkstoffe mit Diamant der spezifische Druck und die Temperatur um ein Vielfaches niedriger als bei anderen Schleifmitteln. Die Biegefestigkeit des Diamanten ist gering – 206–490 mPa, was drei- bis viermal weniger als bei einer Hartstahllegierung ist, die Druckfestigkeit der Diamanten liegt im Mittel bei 1961 mPa, was der Hälfte der mittleren Druckfestigkeit einer Hartstahllegierung entspricht. Das Kompressionsverhältnis und der Kompressionsmodul des Diamanten sind viermal geringer als die von Eisen.

Diamant ist ein nahezu perfektes Schleifmittel, das jeden Stahl effektiv bearbeiten, schnell arbeiten und den Arbeitsplatz kaum verschmutzen kann. Er nutzt sich langsam ab und wird nur langsam stumpf. Dabei ist zu beachten, dass rohe Diamanten auf galvanischer Bindung preislich auch mit anderen Schleifmitteln konkurrieren können.

Synthetische Diamanten

Neben natürlichen Diamanten (Bezeichnung A) werden heute auch synthetische Diamanten (Bezeichnung AC) aktiv verwendet. Synthetische und natürliche Diamanten besitzen dieselben Eigenschaften: dieselbe Kristallstruktur, Dichte, Härte usw. Sie unterscheiden sich nur in der Form der Körner, Oberflächenbeschaffenheit, Festigkeit und Sprödigkeit.

Heutzutage gibt es drei Hauptverfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten: HPHT-Diamanten, CVD-Diamanten und PCD-Diamanten. HPHT-Verfahren – die Anwendung von hohem Druck und hoher Temperatur – erfordert den Einsatz von Mehrtonnenpressen, die einen Druck von bis zu 5 GPa bei 1500 °C erzeugen können. Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist ein Verfahren, bei dem ein Plasma aus Kohlenstoffatomen über einem Substrat erzeugt wird, aus dem die Atome allmählich auf der Oberfläche kondensieren und einen Diamanten bilden. Diese Technologie ermöglicht die Herstellung von Diamanten in verschiedenen geometrischen Größen. Außerdem gibt es Verfahren zur Herstellung halbkristalliner Diamanten (PCD). Bei PCD-Werkzeugen werden Diamantsegmente durch Hochtemperaturlöten auf einem Hartmetallträger verbunden. PCD-Elemente werden durch Sintern von Mikropulvern synthetischer Diamanten hergestellt, um die Körner bei hohen Temperaturen und Drücken zu verbinden. Dieses Material wird unter Verwendung von Hartmetall-Sinterung hergestellt, und wenn Kobalt zugesetzt wird, findet ein Sintern statt. Dabei dringt das Metall aus dem Hartmetallträger zwischen die Diamantkörner und sorgt für deren Haftung.

Die Arten synthetischer Diamanten sind sehr vielfältig. Synthetische Diamanten ASO, ASR, ASV, ASK und ASS (rus. АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС) werden in Größen von 0,04 bis 0,63 mm hergestellt, Mikropulver ASM und ASN (rus. АСМ, АСН) in Größen von 1 bis 60 Mikrometern.* Die Körner des ASO-Diamanten haben die geringste Festigkeit, ASS die höchste. Je nach Korngröße besitzen ASS-Diamanten eine Festigkeit, die 1,3–2-mal höher ist als die von natürlichen Diamanten. Die Gebrauchseigenschaften synthetischer Diamantschleifmittel hängen von der Form der Körner, der Beschaffenheit ihrer Oberfläche und der mechanischen Festigkeit ab. Die am stärksten ausgeprägte Oberfläche haben die ASO-Diamantkörner, die glatteste die ASS.

CBN

CBN ist ein superhartes Material auf Basis der kubischen β-Modifikation von Bornitrid oder kubischem Bornitrid. Weitere Bezeichnungen: Borazon, Kubonit, Qingsongit, Kiborit. In Härte und anderen Eigenschaften ist es dem Diamanten nahe und hat eine Härte von 10 auf der Mohs-Skala. Die chemische Formel lautet BN. Kubisches Bornitrid wurde erstmals 1957 von Robert Ventham (Robert H. Wentorf Jr.) für die Firma General Electric hergestellt. 1969 wurde die Marke „Borazon“ eingetragen. In der UdSSR wurde kubisches Bornitrid 1960 am Institut für Hochdruckphysik synthetisiert und „Elbor“ (Leningrader Borazon) genannt.

Kubisches Bornitrid ist ein synthetisches superhartes Material, das dem Diamanten in der Härte nahekommt, aber eine höhere Hitzebeständigkeit besitzt. Es ist eine chemische Verbindung aus zwei Elementen – Bor (43,6 %) und Stickstoff (56,4 %). Es besitzt ein Kristallgitter mit fast derselben Struktur und denselben Parametern wie der Diamant. Die Farbe kann von weiß (farblos) bis schwarz variieren. Synthetisierte Kristalle werden in verschiedene Klassen eingeteilt. Die Synthese kann im Lithium-Bor-Stickstoff-System oder im Magnesium-Bor-Stickstoff-System erfolgen.

CBN ist fast so hart wie Diamant. Nach diesem Maßstab ist seine Härte 3–4-mal höher als die von herkömmlichen Schleifmitteln, und der Verschleiß der CBN-Körner beim Schleifen ist deutlich geringer, wodurch ihre Schärfe lange erhalten bleibt. Eine weitere wichtige Eigenschaft von CBN ist seine Temperaturbeständigkeit. Die Oxidation der Kornoberfläche beginnt bei 1000–1200 °C, im Gegensatz zu 600–700 °C beim Diamanten. Diese Schleiftemperaturen sind nur kurzzeitig und treten nur unter sehr harten Schleifbedingungen auf. Daher nutzt sich das CBN-Korn durch thermische Belastungen kaum ab. CBN besitzt außerdem eine hohe chemische Beständigkeit. Es reagiert nicht mit Säuren und Laugen und ist gegenüber fast allen chemischen Elementen, die in Stählen und Legierungen enthalten sind, inert. Der Hauptvorteil ist die Trägheit von CBN gegenüber Eisen, während Diamant sich gut in Eisen löst, was die intensive Abnutzung von Diamantscheiben beim Schleifen von Stählen erklärt. CBN-Schleifmittel können sehr hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten und hohe Temperaturen aushalten. Wie Diamanten werden CBN-Werkzeuge am besten bei Stählen mit einer Härte von über 55 HRC eingesetzt. Der Verschleiß von CBN bei weicheren Stählen ist schneller, da der weiche Stahl die Schleifkörner herauszieht und zu deren schnellem Verschleiß führt.

CBN als Schleifmittel hat beim Messerschärfen eine Reihe von Vorteilen. Es bewahrt die Schärfe der Körner lange (hohe Verschleißfestigkeit), hält hohen thermischen Belastungen stand, benötigt kein Wasser oder Öl und wird nur langsam stumpf. Die Herstellungstechnologie erlaubt die Synthese von Bornitrid in beliebiger Größe, sodass CBN-Rohlinge sowohl für das Grobschärfen als auch für das Feinschärfen von Messern geeignet sind.