เพชร (Diamond)

diamond

A beautiful sparkling diamond on a light reflective surface. 3d image. Isolated white background.

 

หลายๆท่านทราบดีว่าเพชรเป็นวัสดุที่แข็งที่สุดในโลก และมีราคาสูงมาก ส่วนใหญ่จะเอามาทำเป็นเครื่องประดับสาเหตุความแข็งของเพชรนั้นมาจากการจับตัวของอะตอมของธาตุคาร์บอนในระดับโครงสร้าง และเป็นโครงสร้างที่แข็งแกร่งที่สุดในโลก เพชรธรรมชาตินั้นเกิดจากธาตุคาร์บอนซึ่งทับถมใต้พื้นผิวโลกลึกลงไปประมาณ 140-190 กิโลเมตร อยู่ภายใต้อุณหภูมิสูงและแรงกดดันสูงเป็นระยะเวลาที่ยาวนานเป็นพันล้านปี แล้วก่อเกิดเป็นแร่เพชรขึ้น

เพชรธรรมชาตินั้นจะมีหลากหลายสีสัน ซึ่งเกิดจากธาตุตัวอื่นเข้าไปแทรกระหว่างกระบวนการกำเนิดเพชร เช่น สีเหลืองเกิดจากธาตุไนโตรเจน สีฟ้าเกิดจากธาตุโบรอน เป็นต้น เพชรที่สีใสคือเพชรบริสุทธิ์ซึ่งมีมูลค่าสูงมาก ในอดีตการจะเอาเพชรมาใช้ในกระบวนการผลิตหรือขั้นตอนอุตสาหกรรม เช่น หัวเจาะที่ใช้ในเหมือง อุตสาหกรรมน้ำมันดิบ หรือใช้กับเครื่องกลึงเพื่อขึ้นรูปอลูมิเนียม นั้นเป็นการเอาเศษเพชรธรรมชาติที่เหลือจากไปทำเครื่องประดับขาย หรือเพชรที่ไม่ได้คุณภาพ (น้ำไม่ดี) คัดเอามาใช้ในอุตสาหกรรม

diamond structure

ผมว่าคงยังหลายๆท่านอาจเข้าใจผิด ว่าถ้าเครื่องมือตัดเป็นเพชรซึ่งแข็งที่สุดในโลกแล้ว ก็สามารถเอาเพชรไปกลึงวัสดุอะไรก็ได้ ใช่ครับที่เพชรเป็นวัสดุที่แข็งที่สุดในโลก แต่อย่างที่อธิบายไปข้างต้นว่า เพชรเกิดจากธาตุคาร์บอน จับตัวกันในรูปทรงที่แข็งแรง ถ้าคาร์บอนจับตัวในอีกรูปแบบก็จะกลายเป็นแกรไฟต์ (ไส้ดินสอ) ซึ่งทั้งสองอย่างที่เกิดจากคาร์บอน 100% นั้นจะไม่สามารถทนความร้อนได้ ถ้าเราเอาไปกลึงวัสดุที่มีเหล็กเป็นส่วนประกอบ อุณหภูมิที่เกิดในระหว่างกระบวนการกลึงอาจเกิน 700-1000 องศา ก็จะทำให้เพชรไหม้กลายเป็นเถ้าถ่านได้ ใครไม่เชื่อลองเอาเพชรโยนเข้ากองไฟดูได้นะครับ (แต่ผมคงไม่ลองละครับ ไม่เชื่ออย่าลบหลู่นะครับ 555) ลองดูภาพข้างล่างครับ เป็นเพชรที่เกิดไหม้ไฟ โดยเป็นการทดลองมูลค่าสูงที่ทาง  www.popsci.com ได้ทำหารทดลองขึ้น

burn diamond

อย่างที่เราทราบกันนะครับว่า เมื่อความต้องการในการใช้เพชรมีมากขึ้นแต่ติดที่มีราคาแพงและจำนวนจำกัด ก็เลยเกิดความคิดบรรเจิดจากนักวิทยาศาสตร์ ในการจำลองกระบวนการก่อกำเนิดเพชรมาเป็นเครื่องมือที่สังเคราะห์เพชรขึ้นภายใต้แรงดันสูง และอุณหภูมิ 1400องศา และเนื่องจากแรงดันที่สูงมาก อุปกรณ์ที่จะมารองรับแรงดันจึงต้องมีลักษณะใหญ่และแข็งแรงเพื่อรองรับแรงดันได้สูงและปลอดภัย ลองดูคลิปสั้นๆที่สาวสวยมาอธิบายการสังเคราะห์เพชรด้วยกระบวนการ HTHP (High Pressure High Temperature) กันครับ

จากนั้นก็มีการพัฒนาอุปกรณืให้มีขนาดเล็กลง ใช้ทรงกลมมาช่วยเรื่องการรับแรงดันได้ทั่วถึง และมีขนาดเล็กลง ผมก็พยายามค้นหาข้อมูล เพื่อให้ได้เข้าใจมายิ่งขึ้น ก็มาเจอ VDO นี้ใน U Tube ซึ่งผมว่าเข้าใจหลักการเลยครับ

โลกของเรานั้นจะมีการแตกขั้วความคิดออกไปอีกแนวทางหนึ่งเสมอ เรื่องของกระบวนการสังเคราะห์เพชร ก็มีอีกแนวหนึ่งที่เรียกว่า กระบวนการ CVD (Chemical Vapor Deposition) ซึ่งเป็นการสังเคราะห์เพชรโดยการผสมแก๊สกลุ่มไฮโดรคาร์บอนต่างๆ ที่อุณหภูมิประมาณ 800 องศา โดยไม่จำเป็นต้องใช้แรงดันที่สูง (ประมาณ 27 KPa) กระบวนการนี้ได้รับความสนใจในการวิจัยต่อยอด เพราะใช้พื้นที่ในการสังเคราะห์น้อย เนื่องจากไม่ต้องทำงานภายใต้แรงดันที่สูงมาก หลายๆแลปที่พัฒนาเรื่องการสังเคาระห์เพชรให้ความสำคัยกับกระบวนการนี้ แต่อย่างไรก็ตามปัจจุบัน HTHP ยังคงเป็นตัวหลักในการสังเคราะห์เพชร ที่สำคัญเนื่องการลงทุนที่ไม่สูงมาก ทำให้โรงงานแห่งโลกกำลังพัฒนาส่วนนี้อยู่ ในอนาคตเพชรที่เราใช้อาจจะเริ่มมีของเลียนแบบมากขึ้นก็ได้ เพราะเพชรจากกระบวนการ CVD  ยังไม่ค่อยได้รับความนิยมในกระบวนการผลิตขึ้นรูปอลูมิเนียมนัก

cvd machine

ขอย้อนกลับมาเรื่องของเพชรธรรมชาติ อย่างที่ทราบกันดีว่ามีอยู่อย่างจำกัด และตั้งแต่ยุคล่าอาณานิคม เหมืองเพชรใหญ่ๆก็ได้ถูกมหาอำนาจในเวลานั้นยึดสัมปทานไปเรียบร้อยแล้ว ยกเว้นก็แต่ประเทศที่เข้าไปยึดเขาไม่ได้ เช่น รัสเซีย จีน แต่เหมืองในแอพริกาใต้นั้นได้ถูกสัมปทานโดย De Beers เจ้าแห่งเครื่องประดับเพชร และต่อยอดโดยเอาเศษเพชรที่เหลือจากกระบวนการทำเครื่องประดับ หรือเพชรที่ด้อยคุณภาพ มาขายเพื่อใช้ในอุตสาหกรรม De Beers ตั้งบริษัท E6 ขึ้นมาเพื่อเน้นขายเพชรสำหรับอุตสาหรกรรม จากนั้นก็นำเงินทุนที่ได้กำไรมหาศาลจากการขายเพชร มาพัฒนาและสังเคาระห์เพชรขึ้นมา เรียกได้ว่าเกือบจะผูกขาดอุตสาหกรรมเพชรทั่วโลกไปแล้ว

E6

ต่อไปเรามาดูกันเรื่องเพชรที่ใช้ในอุตสาหกรรมขึ้นรูปวัสดุกันนั้น เราแบ่งออกเป็น

PCD (Polycrystalline Diamond)
PCD นั้นเกิดจากการเอาผงเพชรมาทำให้เกิดปฏิกิริยาบนแผ่นคาร์ไบต์ ซึ่งโคบอลในคาร์ไบต์นั้นจะออกไปจับประสานระหว่างอนุภาคเล็กๆของผลึกเพชร ภายใต้อุณหภูมิและแรงดันที่เหมาะสม เกิดเป็นฟิลม์สีดำๆเคลือบอยู่บนแผ่นคาร์ไบต์

เราเรียกแผ่นนี้ว่า PCD ง่ายๆก็คือผลึกผงเพชรเล็กๆที่เกาะติดกันด้วยโคบอล บนแผ่นคาร์ไบต์ ที่มีคุณสมบัติที่นำความร้อนและนำไฟฟ้าได้ดี และสามารถนำไปผลิตเครื่องมือตัดต่างๆ สำหรับตัดวัสดุ non ferrous ตามที่ได้อธิบายไปข้างต้นแล้วว่า เพชรนั้นแข็งแต่สามารถไหม้ได้ ดังนั้นวัสดุเพชรจึงเหมาะกับวัสดุที่ตัดแล้วไม่เกิดความร้อนสูง เช่น อลูมิเนียม ทองแดง ทองเหลือง พลาสติก ไฟเบอร์กลาส หรือ CFRP

PCD Reamer_9932

SCD (Single Crystalline Diamond)
ตามคำจำกัดความเลยครับ คือเพชรเป็นเม็ดๆ ในอดีตอาจจะใช้เศษเพชรธรรมชาติ มาทำแต่เนื่องด้วยราคาที่สูง และหมดไปจากโลกได้ เพชรสังเคราะห์ก็เกิดมาทดแทน ส่วนใหญ่จะมาจากกระบวนการ HTHP ในอนาคตอาจจะมีจากกระบวน CVD มากขึ้น เมื่อมีการพัฒนากระบวนการผลิตได้เสถียรมากขึ้น

SDC หน้าตาจะเป็นเหมือนเพชรเป็นเม็ดๆ คล้ายๆแก้ว มีสีใสๆหรือสีเหลืองๆ(เนื่องจากไนโตรเจน) โดยไม่ได้เจียระไรเป็นเหลี่ยมมุมมากมายเหมือนเครื่องประดับ การเจียระไนเพชรนั้น ถ้าได้ศึกษาในระดับสูงขึ้นไป เพชรจะมีผิวหน้าที่สามารถเจียรได้ง่าย กับเจียรได้ยาก ดังนั้นในอดีตเครื่องมือตัดเพชรที่เป็นธรรมชาตินั้นจะขึ้นกับช่างที่เจียระไน ว่าเลือกเหลี่ยมมุมได้ถูกต้องไหม ทำให้อายุการใช้งานไม่เสถียรมากบ้างน้อยบ้าง ส่วนเพชรที่ได้จากากรสังเคาระห์หรือเราเรียกกันว่า Monodia นั้นเหลี่ยมมุมจะถูกกำหนดมาแล้วจากโรงงาน การเลือกมุมจึงไม่เป็นปัญหา และทำให้อายุการใช้งานเสถียรขึ้น จะคนเราก็มีความรู้สึกว่าเพชรแท้น่าจะดีกว่า ซึ่งคงมีความแตกต่างน้อยๆลงเรื่อยๆกับความสามารถในการสังเคาระห์เพชรได้ดียิ่งๆขึ้น

Dog Bone
เครื่องมือตัดเพชรนั้น เริ่มเป็นที่นิยมในกระบวนการขึ้นรูปอลูมิเนียม ไม่ว่าจะเป็นอุตสาหรกรรมฮาร์ดดิสส์ อุตสาหกรรมยานยนต์ที่ชิ้นส่วนหลายๆชิ้นเริ่มเปลี่ยมมาเป็นอลูมิเนียม หรือกระบอกเลนส์ซูมกล้องถ่ายรูปรุ่นโปรทั้งหลาย นอกจากนี้ก็ยังใช้ในกระบวนการตัดวัสดุไฟเบอร์กลาส หรือปัจจุบันก็มีวัสดุ CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) ที่ใช้ในอุตสารกรรมการบิน ซึ่งเริ่มมีการนำมาประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ เพื่อลดน้ำหนักตัวรถลง เพื่อประหยัดพลังงานสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า และวัสดุต่างๆในอนาคตก็เริ่มจะไม่ได้พึ่งพาเหล็กแล้ว (หลายๆวัสดุที่เป็นของหายาก จะค่อยๆถูกเปลี่ยนเป็นวัสดุที่มนุษย์สร้างขึ้นเอง เช่น พลาสติก CFRP หรือการนำวัสดุเก่ามาหล่อหลอมใหม่ และเป็นวัสดุที่มีน้ำหนักเบาลง) ดังนั้นเครื่องมือตัดแบบเพชรนั้นยังมีอนาคตอีกไกลครับ

เครื่องมือตัดแบบเพชรนั้น จะได้รับความนิยมมากขึ้นในกระบวนการขึ้นรูปชิ้นส่วนที่เป็นอลูมิเนียม นั่นก็มาจากคุณสมบัติหลักๆของเพชรที่ไม่เกิดการหลอมลบคม (Built Up Edge) สูง โดยเฉพาะกับอลูมิเนียมซึ่งสามารถหลอมเหลวและเกาะคมตัดจนบิ่นได้ง่าย ในอดีตเราจะใช้คาร์ไบต์หรือ HSS ในการขึ้นรูปอลูมิเนียม แต่เมื่อ PCD  เข้ามาเปิดตัวและได้รับการยอมรับมากขึ้น แม้นว่าราคาเริ่มต้นจะสูงกว่าคาร์ไบต์ แต่อายุการใช้งานของเครื่องมือตัดแบบเพชรนั้น สูงกว่าคาร์ไบต์แบบเทียบหมัดต่อหมัดก็ไม่น้อยไปกว่า 5  เท่า ชิ้นงานที่ผ่านการตัดด้วยเพชรนั้น ถ้าเทียบกับคาร์ไบต์ ก็เหมือนผิวสากๆฝ้าๆจากคาร์ไบต์ เทียบกับผิวงานเป็นกระจกกรณีที่ใช้ SGD  ดังนั้นถ้าเราเข้าใจวัสดุเพชรที่ใช้ในเครื่องมือตัดดีๆ ก็สามารถช่วยลดต้นทุนให้มีชัยเหนือคู่แข่งไปได้อย่างแน่นอน ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับสภาพเครื่องจักรและสิ่งแวดล้อมในการทำงานด้วยนะครับ เพราะเครื่องมือตัดแบบเพชรนั้นต้องการเครื่องจักรที่มีรอบสูง และถ้าเป็นไปได้ก็ต้องเป็นแบบ CNC  นอกจากนั้นเพชรแข็งแต่เปราะจึงมีโอกาสแตกหักง่ายการใช้งานจึงต้องระมัดระวังมากกว่าปกติครับ

รูปภาพและ VDO ที่ปรากฏในบทความนั้นได้เอามาจากเว็ปต่างๆข้างล่างนี้ครับ
http://www.e6.com
http://www.youtube.com
http://www.thaigoodview.com
http://www.dreamatico.com
http://www.diamondlab.org
http://www.jewellerytechnology.com

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.