Хрупкий, но незаменимый: ученые нашли способ сверлить кварц без трещин и сколов

Если вы считаете кварц просто красивым камушком для украшений, вы сильно его недооцениваете. Этот скромный минерал стал технологической основой современной цивилизации. Пока вы читаете эти строки, крошечный кварцевый резонатор в вашем смартфоне работает как сверхточный метроном, вибрируя с частотой 32 768 Гц и синхронизируя работу всех микросхем. Тот же принцип стабильных колебаний обеспечивает точность кардиостимуляторов, в космической отрасли из кварцевого стекла создают иллюминаторы, способные выдерживать экстремальные перепады температур. Даже производство компьютерных чипов невозможно без кварцевых компонентов — они помогают выращивать идеальные кремниевые кристаллы для процессоров. Можно без преувеличения сказать: стоит этому минералу исчезнуть — и наша технологическая цивилизация застынет. Остановятся точные часы, прервется связь, а передовые отрасли промышленности окажутся на грани коллапса. Этот невзрачный материал — подлинный фундамент цифровой эпохи от бытовых гаджетов до квантовых компьютеров и систем искусственного интеллекта.

Но за каждым таким компонентом скрывается уникальная технологическая задача. Твердость, термостойкость и пьезоэлектричество (способность превращать давление в ток), определяющие ценность минерала, одновременно делают его одним из самых сложных и дорогих в обработке материалов. Кварц так тверд и хрупок, что при малейшей ошибке в обработке не режется, а раскалывается, точно стекло. Представьте, что нужно просверлить стеклянную бутылку. Одна неточность — и вместо аккуратного отверстия останутся осколки.

Обычные лезвия здесь бессильны. Для обработки кварца требуется инструмент с превосходящей твердостью. Оптимальным решением становятся алмазные резцы: при разнице в три балла по шкале Мооса (семь против десяти) они не режут, а аккуратно скалывают микрочастицы материала. Так получается аккуратное отверстие без сколов.

Но даже не все алмазные сверла одинаково хорошо справляются с таким «капризным» материалом: неправильно подобранное не режет, а «рвет» его, приводя к сколам и быстрому износу инструмента. Обычные спиральные сверла здесь не подходят: их конструкция создает ударные нагрузки, и кварц неизбежно покрывается микротрещинами.

Для обработки таких хрупких материалов в промышленности используют алмазные сверла трубчатой (кольцевой) формы — это отраслевой стандарт. Но успех обработки напрямую зависит от того, как алмазные зерна закреплены в металлической основе. Если связка слишком жесткая, сверло будет не резать, а раскалывать минерал; если слишком мягкая — алмазы быстро выкрошатся. Именно от способа закрепления зависит, насколько прочно зерна держатся, как быстро инструмент самозатачивается и как он взаимодействует с хрупкими кристаллами. Важен баланс: равномерность распределения зерен, способность отводить тепло и оптимальный размер режущих частиц. От этого зависит, сможет ли инструмент аккуратно шлифовать или будет вызывать сколы и трещины.

Чтобы предприятия могли выбрать самый эффективный инструмент и экономить время и деньги, ученые Пермского Политеха впервые исследовали, как разные технологии создания алмазного инструмента влияют на процесс обработки кварца. Для этого создали три стандартных по форме сверла, у которых различался способ закрепления алмазных зерен. Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение», № 3, 2025 год.

В эксперименте каждое сверло проверяли в одинаковых, специально подобранных жестких условиях. Сверлили на одном станке с постоянной скоростью 2500 оборотов в минуту. Критерием окончания теста был полный износ алмазного слоя — момент, когда металлический торец инструмента начинал «гореть» от трения. Этот так называемый «разрушающий метод» позволил определить предельные возможности каждого инструмента и зафиксировать ключевые параметры: глубину и диаметр отверстия, шероховатость поверхности, время работы до отказа и величину зоны оплавления на торце.

Худший результат показало сверло, созданное по современной технологии вакуумного спекания. Этот передовой метод предполагает, что алмазные частицы и металлическая основа сплавляются в единое целое в вакуумной печи при температуре 1200°C. Такой инструмент получается чрезвычайно прочным и износостойким, но именно эта монолитность становится его слабым местом при работе с хрупкими материалами. При контакте сверло не амортизировало ударные нагрузки, вызывало микротрещины и сколы. Инструмент вышел из строя всего за 120 секунд, показал минимальную глубину сверления 12 миллиметра при значительном отклонении диаметра до 7,6 миллиметра и образовал зоны горения 0,1 миллиметра.

Изготовленное методом горячего прессования сверло продемонстрировало иной тип проблем. Этот метод предполагает смешивание алмазного порошка с металлическим сплавом с последующим прессованием при температурах 800-900°C и давлениях до 100 мегапаскалей. Получившийся материал обладает высокой твердостью, но его основной недостаток проявляется при обработке кварца: после стачивания верхнего слоя алмазов новый режущий слой не обнажается, что приводит к быстрой потере эффективности. Инструмент начинал «гладить» минерал и терял эффективность. Сверло проработало 140 секунд, достигло глубины 14 миллиметров при шероховатости 2,994 микрометра.

— Наибольшую работоспособность при сверлении отверстий в кварцевых изделиях показало экспериментальное сверло, изготовленное гальваническим методом, — объясняет Михаил Песин, доктор технических наук, декан механико-технологического факультета.

Его делают так: металлическую основу опускают в специальный раствор и с помощью электричества наращивают на ней тонкий слой никеля, в этот слой как бы «вмораживают» алмазные крупинки. Секрет успеха этого метода в его мягкости. Слой никеля работает как амортизатор: когда сверло встречается с хрупким минералом, оно не раскалывает его, а аккуратно царапает алмазным зерном. По мере стачивания верхних алмазов из-под слоя никеля появляются новые острые грани — инструмент как бы самозатачивается. Однако такая мягкость имеет и обратную сторону: никелевый слой сравнительно быстро истирается, что ограничивает общий срок службы инструмента. Этот инструмент проработал 200 секунд, просверлил самое глубокое отверстие (20 миллиметров) с минимальным отклонением диаметра (7,1 миллиметра) и зоной горения всего 0,01 миллиметра.

Это одна из первых в мире работ, где создано готовое решение для сверления хрупкого кварца — материала, критически важного для высокотехнологичных отраслей. Исследование проводилось в тесном сотрудничестве с промышленными предприятиями, которые непосредственно сталкиваются с проблемой обработки этого капризного материала. Ученые не просто тестировали существующие инструменты, а целенаправленно разработали и экспериментально сравнили несколько типов алмазных сверл, специально адаптированных для кварца. Результаты уже сейчас позволяют производителям сократить время обработки на 40%, снизить процент брака и заменить дорогие импортные аналоги эффективной отечественной разработкой.