Научно-исследовательский институт ВНИИАЛМАЗ является ведущим институтом в России по вопросам исследований, разработки, производства и применения природных, синтетических алмазов и инструментов из них.

На вопросы корреспондента Rough&Polished отвечает заведующая лабораторией синтеза алмазов и композиционных материалов, доктор технических наук, профессор А. В. Ножкина.

Алла Викторовна, расскажите о становлении российской промышленности алмазного инструмента и роли ВНИИАЛМАЗа в ней.

В 1947 году в СССР было образовано Всесоюзное бюро технической помощи по рациональному использованию алмазного инструмента и внедрению алмазозаменителей «ОРГАЛМАЗ». Его основной задачей был контроль над распределением и использованием алмазов и алмазных инструментов, закупаемых за рубежом, и созданием алмазозаменителей. Немногочисленный коллектив бюро к моменту открытия якутских месторождений сумел заложить основы технического использования алмазов в промышленности: были установлены научно обоснованные нормы расхода алмазных инструментов при их эксплуатации, созданы конструкции первых алмазных инструментов для правки, разработаны рекомендации по применению алмазных инструментов и алмазозаменителей.

После открытия месторождений алмазов в Якутии, страна получила надежный источник природного алмазного сырья, и бюро в 1966 году было преобразовано во Всесоюзный научно-исследовательский, конструкторско-технологический институт природных алмазов и инструмента (ВНИИАЛМАЗ). К этому времени в СССР при активном сотрудничестве ВНИИАЛМАЗа и одного из ведущих разработчиков промышленной технологии получения синтетических алмазов ИСМ АН УССР был освоен синтез алмаза и создана целая подотрасль производства синтетических алмазов и алмазного инструмента, состоящая из 9 специализированных предприятий, выпускавших свыше 5000 наименований алмазного инструмента. Создание новой алмазно-инструментальной промышленности позволило избавиться от иностранной технологической зависимости и начать использовать более дешевый, но не менее качественный, а по некоторым позициями более совершенный и уникальный отечественный инструмент. Ярчайшими примерами замены дорогостоящего импортного инструмента на экономичные отечественные аналоги являются переоснащение крупнейших отечественных машиностроительных предприятий «ВАЗ», «КАМАЗ» и «БУРМАШ».

Каким образом обеспечивалось качество алмазного инструмента?

Производство качественного серийного алмазного инструмента не было бы возможно без создания нормативно-технической документации по оценке качества природного алмазного сырья для технических целей, обеспечивающей стабильность его физико-механических свойств. ГОХРАНом при участии института были разработаны Технические условия «Сырье алмазное» (ТУ 47-2-73, 47-12-83 и др.), учитывающие специальные требования к алмазным кристаллам, предъявляемые разработчиками различных видов инструмента, таких как резцы, волоки, правящие, буровые, камнеобрабатывающие и другие виды инструментов. Технические требования к алмазным порошкам были изложены в разработанном ИСМ АН УССР и ВНИИАЛМАЗом ГОСТ 9206-80 «Порошки алмазные».

Указанные ТУ «Сырье алмазное» были положены в основу сортировки природных алмазов, предназначенных для изготовления инструментов, а также создания многочисленных ТУ и ГОСТов на все виды алмазных инструментов. Таким образом, была создана Государственная система обеспечения промышленности природными алмазами, что позволило организовать в стране промышленное производство алмазных инструментов гарантированного качества, конкурентоспособных на внутреннем и внешнем рынках.

Несмотря на крупные успехи в синтезе алмазного сырья в СССР, инструментальная промышленность зависела от использования природных алмазов?

До распада СССР в стране синтез высокопрочных и тем более термостойких алмазных порошков был небольшим, а после перестройки весьма ограниченным. Поэтому в инструментах, для которых требовались высокопрочные алмазы, использовали природное сырье. Синтез крупных монокристаллов и высокопрочных порошков не был актуальным, поскольку инструмент из монокристаллов алмаза изготавливался из природных алмазов, качество которых было гарантировано ТУ «Сырье алмазное».

Образование в результате перестройки в нашей стране АК АЛРОСА, передача ей функций добычи и сортировки природных алмазов, переход компании на сортировку алмазов по классификатору К-47-01-92 (ГОСТ Р 51519.1-99), в основу которого положены требования производителей бриллиантов, а также отмена восьмидесятипроцентной скидки на алмазы для технических целей разрушили сложившуюся систему обеспечения промышленных предприятий природными алмазами. Инструментальная промышленность России оказалась необеспеченной отечественными природными и синтетическими алмазами требуемого качества, номенклатуры и цены.

Сегодня,  кроме ВНИИАЛМАЗа, какие предприятия в России производят алмазный инструмент?

Из почти десятка заводов алмазной подотрасли на территории Российской Федерации осталось четыре предприятия, производящие алмазный инструмент. Самый крупный завод по объемам производимого инструмента из природных алмазов находится в Кабардино-Балкарии. Также образовалось множество небольших фирм, изготавливающих несложный алмазный инструмент ‑ отрезные и шлифовальные круги небольших диаметров, сверла, карандаши и т. п. Но такие фирмы не могут предложить продукцию в достаточном количестве и достойного качества, особенно для машиностроения.

Каким образом сегодня производители инструмента обеспечивают себя алмазным сырьем?

Отсутствие необходимой номенклатуры природных алмазов для изготовления алмазных инструментов вынуждает производителей инструментов или покупать природные алмазы за рубежом, или заменять их новыми марками импортных синтетических алмазов, способствуя таким образом развитию конкурентных производств за пределами нашей страны, как это происходит, например, с алмазным сырьем для гребенок. Невозможность приобретения такого сырья в АК АЛРОСА привела к появлению алмазных гребенок отечественного производства из синтетических алмазов, марки CVD D, закупаемых у «Де Бирс». Хотя впервые синтез алмазов из газовой фазы (CVD-алмазы) был разработан в нашей стране в Институте физической химии АН СССР.

Нельзя не учитывать также мощного развития производства синтетических алмазов в Китае, выпуск которых в настоящее время приближается к двум миллиардам каратов в год (для сравнения - Советский Союз выпускал порядка 250 миллионов каратов в год).

Каково качество поставляемых порошков из синтетических алмазов?

И «Де Бирс», и, что уже не удивительно, Китай предлагают высокопрочные алмазные порошки. Нам это известно, потому что ВНИИАЛМАЗ проводит систематические исследования качества порошков из синтетических алмазов как импортируемых в Россию, так и представляемых производителями синтетики на различных специализированных выставках. Таким образом институт создает базу данных по этой продукции, базу аналогов для наших порошков из синтетических и природных алмазов. Качество отечественных порошков жестко регламентируется ГОСТ 920680 и вновь созданным ВНИИАЛМАЗом и АК АЛРОСА ГОСТ Р 52370-2005 «Порошки из природных алмазов», в котором впервые качество порошков из природных алмазов оценивается по показателю прочности, как это принято для синтетики.

Хочу отметить, что результаты наших исследований показывают, что на нашем рынке в последние годы появились импортные высокопрочные порошки из синтетических алмазов, близкие по качеству нашим порошкам АС125, АС160. Но среди импортируемых порошков из синтетических алмазов, встречаются высокопрочные порошки, которые мы уже не можем оценить по отечественному ГОСТ 9206-80, поскольку в нем не изложены требования к более высокопрочным алмазам. Поэтому мы оцениваем новую импортную синтетику по российскому ГОСТу Р 52370-2005 на природные порошки, в котором есть марки с показателем прочности 200, 250, 300. Сегодня мы можем констатировать, что у «Де Бирс» и китайских производителей есть марки синтетических алмазных порошков с показателем прочности 200 и даже 250.

Каковы объемы производства и объемы поставок в Россию высококачественных порошков из синтетических алмазов?

К сожалению, официальных цифр по объемам поставок нигде нет. Можно провести опосредованную оценку по одной из заявок на сертификацию порошков синтетических алмазов, которой занимался институт. В заявке был указан объем более сотни тысяч каратов.

Та же ситуация с объемами производства. И здесь нюанс состоит в том, что в процессе синтеза получают порошки различной зернистости и свойств. Их затем сортируют по размеру и качеству для получения порошков различных марок, отвечающих требованиям ГОСТ. Поэтому информация по объемам производства высококачественных алмазов известна разве что технологам.

Какие технологии синтеза алмазов используются в Китае?

В Китае освоена технология НРНТ в разных ее вариантах. У них есть свои аппараты высокого давления (АВД), отличающиеся по конструкции от АВД, применяемых в нашей стране и за рубежом. В этих аппаратах китайские производители получают алмазные порошки и не просто высокопрочные, но и термостойкие. Мы это знаем, поскольку проверяем не только прочность в соответствие с ГОСТ, но и исследуем термостойкость. Этот параметр не регламентирован ГОСТом, но имеет решающее значением при выборе марки порошков, используемых в высокотемпературных связках.

В настоящее время и «Де Бирс», и китайские производители поставляют на рынок высокопрочные и термостойкие алмазные порошки. Эти порошки при нагреве в инертной к углероду среде до температур 900-1100ºС по термостойкости не уступают природным. Но это только при указанных температурах. Если вы нагреете их до более высоких температур, а, как известно, при различных процессах обработки температуры в зоне контакта инструмента и детали могут достигать температуры плавления обрабатываемого материала, то в этих условиях порошки из природных алмазов, а тем более порошки, состоящие из недробленых монокристаллов (выпускаемые в настоящее время АК «АЛРОСА» по ГОСТ Р 52370-2005), выигрывают по термостойкости по сравнению с синтетическими со значительным преимуществом.

Насколько открыто заявляют китайские производители о своих возможностях?

На последних крупных специализированных выставках, прошедших в Москве, Китай представил самые разнообразные образцы синтетических алмазов. И два миллиарда каратов в год - это информация китайских производителей. Причем, в разговоре с представителем одной из фирм, демонстрировавших высокопрочные алмазы, на мой вопрос: где вы производите и каковы объемы производства, он сказал, что под Пекином функционирует завод, где установлена тысяча прессов.

Я думаю, эта информация достоверна, в силу того факта, что Китай имеет огромные запасы вольфрама и фактически контролирует рынок вольфрама, а это основной материал для изготовления твердосплавной оснастки, без которой нельзя достичь требуемых параметров синтеза. Китай имеет неоспоримое преимущество в управлении себестоимостью изготовления алмазов. Ведь основная доля затрат в себестоимости синтетических алмазов приходится на расход твердого вольфрамсодержащего сплава, из которого изготавливаются аппараты высокого давления. Поэтому китайцы продают свои алмазы дешевле, чем «Де Бирс». И если раньше к китайским порошкам относились, если не плохо, то снисходительно из-за невысокого качества, то сегодня к ним надо относиться очень серьезно. Технологическое совершенствование и как следствие значительное повышение качества порошков в Китае налицо.

В Китае способны синтезировать кристаллы ювелирного качества?

Лет пять назад, когда мы ездили в Китай, и я делала там доклад по проблеме синтеза алмазов, то часть доклада, посвященная синтезу крупных монокристаллов, не вызвала интереса. И в программу сотрудничества записывали работы по алмазным порошкам и пластинам из нитрида бора. Но в настоящее время китайские производители этой тематикой очень активно интересуются. И если они с такой же завидной активностью и энергией возьмутся за монокристаллы, как за алмазные порошки, то в недалеком будущем это могут быть миллионы каратов. Правда, для этого потребуются новые аппараты высокого давления, потому что те, на которых работают в Китае, имеют малый реакционный объем, недостаточный для роста крупных кристаллов.

Под крупными кристаллами понимаются от карата и выше?

Да. Китайские производители интересуются изготовлением крупных кристаллов. А судя по проявляемому интересу, синтез алмазов ювелирного качества они освоят обязательно. Тогда во весь рост встанет проблема идентификации алмазного сырья и особенно бриллиантов. Следует отметить, что основная масса крупных синтетических алмазов представлена окрашенными кристаллами, однако в настоящее время существует технология производства крупных бесцветных алмазов. Просто кристалл растет медленнее. Но никаких проблем в массовом производстве таких кристаллов практически нет. Дальнейшее развитие синтеза алмазов ювелирного качества это легирование бесцветных алмазов. Сегодня уже освоено легирование бором, в результате чего на свет появляются замечательные голубые алмазы. И под натиском китайской синтетики может кардинально измениться ситуация в алмазно-бриллиантовом комплексе (АБК).

Есть и еще одна реальная угроза для АБК это CVD-технология, позволяющая изготавливать крупные монокристаллы алмазов великолепного качества, не содержащие металлических примесей и включений. Эта технология не так металлоемка по сравнению с НРНТ, не требует создания высоких давлений. Ее распространение будет сложно контролировать.

У института есть наработки по идентификации синтетических алмазов?

ВНИИАЛМАЗ обладает большим объемом экспериментальных данных по идентификации как необработанных природных и синтетических алмазов, так и алмазов, подвергнутых различным видам обработки (НРНТ, радиационной и др). Разрабатываются комплексная диагностика бриллиантов с применением таких методов исследования как ИК-, УФ- и РАМАН-спектроскопия, рентгеновский анализ, ЭПР, фотолюминесценция. По этой проблеме институт работает с Гохраном РФ, Пробирной палатой РФ и ее сертификационным центром, Смоленским сертификационным центром. Первый в России ГОСТ Р «Бриллианты. Классификация. Технические требования.», разработанный ВНИИАЛМАЗом и Смоленским сертификационным центром, содержит нашу методику идентификации алмаз - имитация.

Какие, на Ваш взгляд, меры необходимо предпринять, чтобы усилить позиции России на рынке технических алмазов и алмазного инструмента?

Для решения проблемы обеспечения природными алмазами отечественных производителей инструментов мы считаем целесообразным объединить усилия ОАО "Научно-исследовательский институт природных, синтетических алмазов и инструмента", ВНИИАЛМАЗ и АК АЛРОСА. Мы подписали протокол о намерениях, но предстоит большая и нелегкая работа. Потребуется проведение комплекса мероприятий. Во-первых, необходимо создать нормативно-техническую базу для обеспечения инструментальной промышленности природными алмазами гарантированного качества, номенклатуры и цены. Во-вторых, необходимо разработать систему государственной поддержки производителей алмазного инструмента. В-третьих, организовать промышленную сортировку природных алмазов для технических целей, учитывающую требования к алмазному сырью, используемому для изготовления конкретных алмазных инструментов. Самое главное - в России крайне необходимо организовать производство синтетических алмазов нового поколения, инструментов и изделий из них. В первую очередь это относится к освоению производства крупных монокристаллических алмазов и СТМ на основе алмазов и нитрида бора. Следует отметить, что технология выращивания крупных монокристаллов алмаза в нашей стране впервые была разработана в КТИ монокристаллов Сибирского отделении РАН на аппаратах типа БАРС. Очень перспективный для промышленного производства метод выращивания крупных монокристаллов алмаза на аппаратах типа "тороид", впервые разработанный в ИСМ АН УССР, в нашей стране применил, активно развивает и совершенствует научно-исследовательский институт ТИСНУМ. Институт имеет технологию получения монокристаллов алмаза весом до 7 каратов, не имеющих природных аналогов (особо чистых, легированных полупроводниковых). Перспективны для производства и новые конкурентоспособные СТМ на основе алмазов и нитрида бора, созданные во ВНИИАЛМАЗе, в Московском технологическом университете МИСИС. Производство поли- и монокристаллических алмазов осаждением из газовой фазы (CVD-алмазов), разработкой и исследованием которых активно занимаются в ИОФ РАН и Институте электрохимии и физической химии РАН, в ТИСНУМе, а также наноалмазов, первенство в создании которых принадлежит также нашей стране, должно стать еще одним приоритетным направлением в создании новой отрасли производства синтетических алмазов в России.

Денис Фролов, Rough&Polished, Москва