In vielen Bereichen des Handwerks ist es immer notwendig, Material durch Schneiden oder Schleifen zu bearbeiten. In vielen Fällen setzen Profis auf (gehärteten) Stahl und Korund, doch in wirklich „schwierigen“ Fällen und wenn es um höchste Stabilität geht, kommt immer häufiger ein Material zum Einsatz: Diamant.
In den folgenden Zeilen verraten wir alles, was es aus technischer Sicht über dieses Material zu wissen gibt – und auch, wo die Grenzen des härtesten Naturmaterials der Erde liegen.
Etwas Wissenschaft für den Anfang
Was ist ein Diamant? Wenn Sie bei der Beantwortung dieser Frage einen faszinierend hellen, transparenten und feuerfesten Edelstein vor Ihrem inneren Auge haben, liegen Sie sicher nicht falsch, aber Sie denken bereits zu weit und nur in eine Richtung.
Schließlich sind Diamanten das, was entsteht, wenn man konventionell aussieht.setzt Kohlenstoff Hitze und Druck aus, da sie natürlicherweise nur wenige hundert Kilometer unter der Erdoberfläche vorkommen. Dort, unter der Last von Billionen Tonnen Abfall, herrschen die Voraussetzungen dafür, dass Diamanten aus Kohlenstoff in der Erdkruste oder aus natürlichen Quellen entstehen können.
So kann ein Diamant über Millionen von Jahren beispielsweise aus einer Torfschicht über Braun- und Steinkohle „wachsen“. Dann braucht es nur noch Tektonik oder Vulkanismus, der es aus diesen riesigen Tiefen zurück in die für uns zugänglichen Bereiche trägt – weshalb die meisten Standorte in Zonen (alten) Vulkanismus oder sehr aktiver Tektonik liegen.
Es ist anzumerken, dass der Diamantenabbau selbst aus handwerklicher Sicht ein technisches Vergnügen ist. Denn es ist ein extrem hoher technischer Aufwand – ein Aufwand, dessen Lehren Auswirkungen auf andere Bereiche haben.
Allerdings ist der Abbau natürlich entstandener Diamanten, insbesondere für industrielle Anwendungen, heute ein Bereich, der von Jahr zu Jahr an Bedeutung verliert – und das aus mehreren Gründen:
- Der Bergbau ist technisch äußerst komplex und hinsichtlich der Umweltbelastung höchst umstritten. Zumal die Aufgabe immer schwieriger wird, da leicht zugängliche Lagerstätten bereits ausgebeutet sind. Einige Diamantenminen gehören bereits zu den tiefsten Tagebauen der Welt.
- In etwas mehr als hundert Jahren industriellem Diamantenabbau sind die Vorkommen bereits stark erschöpft – der aktuelle Bedarf an nützlichen Diamanten kann beispielsweise kaum in einem Vierteljahr gedeckt werden.
- Viele Entdeckungs- und Bergbaustandorte weisen äußerst fragwürdige Umwelt- und Arbeitsbedingungen auf.
- Aufgrund ihres enormen Wertes sind natürliche Diamanten mitverantwortlich für viele Konflikte, insbesondere in Afrika. Der Experte spricht über illegal geschürfte Blutdiamanten, die die Armeen von Warlords finanzieren.
DeshalbHerstellung künstlicher Diamanten. Das Prinzip ist bereits seit Mitte der 1950er-Jahre bekannt, doch die dafür erforderlichen Drücke und Temperaturen sind erst seit Kurzem wirtschaftlich beherrschbar. Bisher waren synthetische Diamanten aus Kostengründen nur für wenige Spezialanwendungen geeignet.
Was dort beispielsweise durch die Verdichtung von Graphit unter hydraulischem Druck von 60.000 bar bei einer Temperatur von über 1.500 °C oder sogar in kontrollierten Explosionen entsteht, ist heute, wenn überhaupt, nur noch mikroskopisch im Aussehen und in den Hardware-Eigenschaften von natürlichen Diamanten zu unterscheiden. Zudem ist die Kratzhärte vergleichbar. Er beträgt 10 für natürliche Diamanten und etwa 9,5 für synthetische Diamanten. Auch für den gewerblichen Bereich ist dies ein großes Plus.
Schmuckdiamanten sind keine Werkzeugdiamanten
Ob natürlich oder künstlich, was unterscheidet einen Diamanten für einen Verlobungsring von einem, der beispielsweise in einer Bohrmaschine verwendet wird? Chemisch nichts. Tatsächlich kommt es hier nur auf die visuelle Qualität an. Als Schmuckdiamant eignet sich nur, was frei von Einschlüssen und Trübungen ist oder zumindest durch Polierarbeiten hergestellt werden kann. Daher kann der Gewichtsunterschied zwischen einem Rohdiamanten und einem geschliffenen Diamanten recht groß sein und mehrere zehn Prozent betragen – obwohl es auch einige Schmuckdiamanten gibt, bei denen Verunreinigungen wünschenswert sind, weil sie für eine besondere Farbe sorgen.
Die übrigen für die Schmuckwelt ungeeigneten Naturdiamanten sind es, die Handel und Industrie brauchen: Edelsteine, die einfach optisch nicht perfekt sind – entsprechend ist dieser Faktor auch der wichtigste preisbestimmende Indikator. Ein kleiner transparenter Diamant von gerade einmal 0,18 Karat (knapp 1 Gramm) kostet 1.000 Euro. Andererseits kostet ein ebenso schweres Diamantwerkzeug nur einen Bruchteil davon. Und wenn man sich künstliche Diamanten oder Diamantstaub anschaut, sind die Preise sogar noch niedriger.
Übrigens:Brillanten sind keine besonders reinen Diamanten, sondern nur solche, die in einem besonderen Facettenmuster, dem Brillant, geschliffen wurden.
(Video) METAL-CUT DIAMANTTRENNSCHEIBE
Warum Diamanten so gut für Werkzeuge sind
Nun wurde aufgeklärt, wie Edelsteine entstehen, die im Rohzustand überraschend normal erscheinen. Aber was macht sie für Handwerk und Industrie auf der ganzen Welt so wichtig?
Es liegt vor allem an der extremen Härte. Zumindest außerhalb von Laboren gibt es keinen Stoff, der so hart ist wie ein Diamant – und schon gar nicht in naher Zukunft, der bei diesem Härtegrad so wirtschaftlich abgebaut und produziert werden kann. Dadurch ergeben sich viele attraktive Immobilien:
- Aufgrund seiner außergewöhnlichen Härte von 10.060 auf der Vickers-Skala (Korund: 2.060) kann Diamant jedes bekannte Material anätzen, sich jedoch nur selbst zerkratzen. Daher ist es für die Bearbeitung anderer harter Materialien sehr gefragt. Hauptsächlich Beton, Naturstein, aber auch GFK und Hartmetall.
- Die Härte sorgt zudem dafür, dass Diamantwerkzeuge eine hohe Stabilität aufweisen. Abhängig davon, ob es sich um monokristalline Diamanten handelt (siehe nächstes Kapitel), kommt es auch zu einem hohen Grad an Selbstschärfung durch das Lösen von Lötungen mit neuen Schneiden. Dies führt dazu, dass die Austauschintervalle von Diamantwerkzeugen für die jeweiligen Einsatzbedingungen im Vergleich zu anderen Materialien extrem lang sein können – was wiederum Diamantwerkzeuge trotz ihres höheren Anschaffungspreises in vielen Anwendungen äußerst wirtschaftlich macht.
- Da feinstes Diamantpulver zu Werkzeugen verarbeitet werden kann und hierfür auch hochwertige Lote und Sinterverbindungen verwendet werden, können Geräte hergestellt werden, die eine sehr hohe Präzision bei der damit ausgeführten Arbeit ermöglichen, was ebenfalls sehr wichtig ist durch die Standzeit des Werkzeugs wenig reduziert.
- Neben seiner enormen Härte verfügt Diamant auch über die mit Abstand höchste Wärmeleitfähigkeit aller Materialien im Bereich von 1 bis 2,5 kW/(m×K). Dadurch wird sichergestellt, dass sich diese Reibungswärme auch bei sehr harten Materialien nicht so stark aufbaut, dass die Gefahr besteht, dass der Kohlenstoff exotherm reagiert, also zu brennen beginnt.
Ganz gleich, ob Sie Betonbauer, gelernter Tiefbohrer oder Fliesenleger sind: Für jeden Einsatz, bei dem es darum geht, harte Materialien zu durchdringen, finden Sie im Diamantwerkzeug das richtige Werkzeug. Deshalb gibt es auchviele verschiedene Veranstaltungender damit ausgestatteten Werkzeuge.
Es gab nur ein Material, für das Diamant lange Zeit nicht verwendet werden konnte. Und das, wenn auch deutlich schwieriger: Werkstoffe aus Eisenmetallen. Denn hier?Es kommt zur Diffusionvom Kohlenstoff des Diamanten zur Struktur des Eisens und damit zu einer nicht tolerierbaren Verschlechterung der Qualität. Mittlerweile gibt es jedoch spezielle Schweißtechniken, die das Problem beseitigen und somit auch eine wirtschaftliche Verarbeitung von Eisenmetallen ermöglichen.
Mono- und polykristalline Diamantwerkzeuge
Diamanten gehören zum sechseckigen Kristallsystem. Und neben der Tatsache, dass für Werkzeuge geeignete Naturdiamanten immer seltener werden, spricht noch eine weitere Tatsache für synthetische Diamanten: Sie können in zwei verschiedenen Kristallisationsarten hergestellt werden:
- Einkristalldiamant(MKD) bestehen wie natürliche Diamanten aus einem einzelnen Kristall oder Korn. Die herstellbare Größe ist begrenzt. Wenn die Rendite erschöpft ist, löst sich der Diamant aus der Bindung, was manchmal bedeutet, dass es zu diesem Zeitpunkt keinen neuen Höhepunkt gibt.
- Empolykristalline Diamanten(PCD) hingegen sind die Atome und Moleküle unregelmäßig angeordnet. Dies geschieht durch die Schaffung atomarer Bindungen zwischen mehreren Einzelkristalldiamanten. Ein großer Diamant besteht also nicht aus kleineren, unregelmäßig ausgerichteten Kristallen, die unter Druck ungleichmäßig platzen, wodurch ständig neue Schneidkanten entstehen. Allerdings ist diese künstliche Atombindung nicht so haltbar wie ihr natürliches Gegenstück und nutzt sich daher schneller ab.
Folglich werden beide Eigenschaften für den Werkzeugbereich sehr stark genutzt. Polykristalline Diamanten werden dort eingesetzt, wo eine größere Schleiffläche erforderlich ist. zum Beispiel mit Sägezähnen aus Faserzement oder Schleiftellern.
Im Gegensatz dazu werden monokristalline Diamanten für Anwendungen verwendet, bei denen die Lebensdauer am wichtigsten ist und eine kleine Kristallgröße entweder erwünscht oder kein Nachteil ist – vor allem für Schleif- oder Schleifarbeiten.
Herstellung von Diamantwerkzeugen
Eines haben alle Diamantwerkzeuge gemeinsam: Sie sind eine Mischung aus Diamant und metallischen Werkstoffen. Und wie folgt:
- Der Stützwerkzeugkörper besteht normalerweise aus legiertem Stahl.
- Die Verklebungen, also Hartlötungen, Sinterelemente oder galvanische Verbindungen, die als Schicht für die Diamantkörner dienen. Bei PKD-Werkzeugen wird die Diamantschicht mit dem Hartmetall verschweißt. Dies dient dazu, die im Betrieb auftretenden Belastungen besser aufzunehmen.
Hier muss man zunächst mit der Vorstellung aufräumen, dass zu diesem Zweck große Diamanten verwendet werden. Dies wäre insbesondere aus Kostengründen nicht ratsam und wird nur dort eingesetzt, wo noch natürliche Diamanten verwendet werden – die wie erwähnt immer weniger werden.
Stattdessen werden meist feinste Diamantpartikel (viel feiner als Sandkörner) miteinander und einem geeigneten Metallpulver zu einer Matrix verbunden. Typischerweise werden sehr präzise Techniken eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Materialeigenschaften von Metallen erhalten bleiben.
Auf diese Weise entsteht ein hochfestes Werkzeug, bei dem die daran und untereinander befestigten Diamantpartikel für eine sehr hohe Stabilität fixiert sind. In der Praxis bedeutet dies auch, dass diese Werkzeuge mit der Zeit ähnlich verschleißen wie beispielsweise eine herkömmliche Korund-Schleifscheibe – nur viel langsamer und mit einer viel feineren Schärfe.