بقلم جاسيدا صن

يُحدد اختيار قاطع الأحجار الكريمة لمادة الماس الكاشطة مقدار الخشونة المتبقية وجودة السطح النهائي. تُفسر الأبحاث من مختبرات الأحجار الكريمة والهندسة البصرية السبب، وتحوّل العديد من عادات ورش العمل إلى قواعد قابلة للقياس.

المقدمة

في عام ٢٠١٥، استخرج منجم أرجيل التابع لشركة ريو تينتو في غرب أستراليا ماسة خام بنفسجية اللون تزن ٩٫١٧ قيراطًا. قام كبير صاقلي الماس في أرجيل، ريتشارد هاو كيم كام، بتحويلها إلى ماسة بيضاوية الشكل تزن ٢٫٨٣ قيراطًا، صنّفها معهد الأحجار الكريمة الأمريكي (GIA) بلون "بنفسجي مزرق رمادي داكن فاخر". احتفظت الماسة المصقولة بنسبة ٣٠٫٩٪ من وزن الماسة الخام، وتشير التقارير التجارية إلى أن وقت الصقل تجاوز ٨٠ ساعة.

كانت كل ساعة من تلك الساعات بمثابة قرار بشأن مكان إزالة المادة ومكان تركها. يُعدّ الماس حالةً استثنائية، لأنه لا يمكن صقله إلا بالماس. وينطبق السؤال نفسه على أقسى الأحجار الكريمة الملونة: ففي الياقوت الأحمر أو الأزرق أو الكريزوبيريل، تحدد المادة الكاشطة مقدار الخشونة المتبقية، ومدى استواء السطح المصقول، ومدى نعومة السطح النهائي.

تتناول هذه المقالة هذا السؤال بالاستعانة ببيانات منشورة بدلاً من الاعتماد على المعلومات المتداولة في ورش العمل. وتتمحور حجتها الرئيسية حول أن أهم خاصية لمادة الكشط الماسية ليست متوسط ​​حجم جزيئاتها، بل أكبر جزيئاتها.

الصلابة ليست رقمًا واحدًا

يُصنّف مقياس موس المعادن حسب قدرة كل معدن على خدش الآخر، دون تحديد مدى صلابته. بينما تُحدّد اختبارات الانضغاط ذلك: فباستخدام أداة كنوب للانضغاط، قاس وينشل صلابة الكوروندوم بحوالي 2,000 وصلابة الماس بحوالي 8,000. ويُخفي فرق درجة موس بينهما فجوةً تُقارب أربعة أضعاف، ولذلك يُعدّ الماس المادة الكاشطة العملية للكوروندوم.

الصلابة ليست سوى جزء من المشكلة. عند استخدام عجلة التشكيل، غالباً ما يكون الانفصام وبنية الحبيبات واتجاه البلورات أكثر أهمية.

يُظهر الكوروندوم أن حتى الحجر غير المنفصل له اتجاهات سريعة وبطيئة. في دراسة للتلميع الكيميائي الميكانيكي لأربعة مستويات من الياقوت، قاس كاو وزملاؤه سرعة إزالة بلغت 5.93 نانومتر/دقيقة على المستوى C (المستوى القاعدي) و2.47 نانومتر/دقيقة على المستوى R: أي بفارق 2.4 ضعف في ظل ظروف متطابقة. كما وجدت دراسة سابقة في جامعة روتجرز أن الإزالة كانت أسرع على الياقوت ذي المستوى C.

استخدمت كلتا الدراستين عمليات تصنيع رقائق السيليكون الصناعية باستخدام معلقات السيليكا أو الألومينا، وليس الماس على قرص صقل، لذا لا ينبغي تطبيق تصنيفهما للأسطح مباشرةً على التجارب المعملية. ومع ذلك، يبقى الدرس العام قائماً: يمكن للمادة الكاشطة نفسها أن تقطع سطحاً واحداً بسرعة تزيد عن ضعف سرعة قطع السطح المجاور له.

ما الذي تحدده درجة الميكرون فعلياً

تُصنّف المواد الكاشطة الماسية إلى فئتين. تُصنّف الحبيبات الخشنة باستخدام المناخل وفقًا لمعياري ANSI B74.16 وISO 6106، وتُعادل أنعم درجة منخل، 325/400 مش، حوالي 44-37 ميكرومتر. أما ما دون ذلك، فلا تعمل المناخل. تُصنّف المساحيق الدقيقة جدًا (الميكرون) وفقًا لمعيار ANSI B74.20، باستخدام طرق أخرى غير الغربلة.

لذا، فإنّ درجة الميكرون هي توزيع، وليست حجماً. ويحددها معيار ANSI B74.20 بعدة حدود. بالنسبة لمسحوق يتراوح حجمه بين 2 و4 ميكرومتر، تكون هذه الحدود كالتالي:

• D5 على الأقل 2.0 ميكرومتر (95% من الجسيمات أكبر من ذلك)
• D50 بقيمة 3.0 ± 0.3 ميكرومتر (الوسيط)
• D95 بحد أقصى 4.0 ميكرومتر (95% من الجسيمات أدق من ذلك)
• D99.9 بحد أقصى 9.0 ميكرومتر (الحد الأعلى لأكبر الجسيمات)

يستحق السطر الأخير الانتباه. قد يحتوي مسحوق يُباع تحت مسمى "3 ميكرون"، وفقًا للمعايير، على جزيئات أكبر بثلاث مرات من هذا الحجم. يشرح القسم التالي سبب أهمية هذه الجزيئات النادرة أكثر من الجزيئات المتوسطة.

لا تُشير أرقام "الحبيبات" في صناعة الأحجار الكريمة التي تزيد عن 400 تقريبًا إلى أحجام المناخل. فعلى سبيل المثال، يُساوي جدول أحد الموردين بين "3000" و4-8 ميكرومتر، وبين "8000" و2-4 ميكرومتر. ولأن هذه التصنيفات اصطلاحية وليست معايير، فإن نطاق الميكرون هو الرقم الذي يُقارن به بين المنتجات.

لماذا يُعدّ الجسيم الأكبر هو الأكثر أهمية؟

كل حبة تقطع مادة هشة تتسبب في تشققها. تحت الخدوش المرئية توجد طبقة من الشقوق الدقيقة تُعرف باسم التلف تحت السطحي، ويعتبر مهندسو البصريات إزالتها أثناء التلميع أمرًا ضروريًا.

كما قاموا بقياس عمق التلف. بعد مراجعة العديد من أنواع الزجاج وعمليات الصقل، اقترح لامبروبولوس أن عمق التلف، بالميكرومتر، يتراوح بين 0.3d^0.68 و2d^0.85، حيث d هو حجم المادة الكاشطة بالميكرومتر. ينطبق هذا على أحجام الأحجار الكريمة الشائعة.

تم اشتقاق هذه الحدود للزجاج البصري، وليس للكوراندوم، لذا فهي تشير إلى الحجم بدلاً من التنبؤ بسلوك الأحجار الكريمة. ومع ذلك، فهي تؤكد نقطة واحدة بوضوح: الحد الأعلى أكبر من الجسيم نفسه.

ثم تساءل باحثون في مختبر لورانس ليفرمور الوطني عن أي الحبيبات تُسبب أعمق الشقوق. ومن خلال قياس الضرر في السيليكا المنصهرة المطحونة، وجد سوراتوالا وزملاؤه أن نسبة ضئيلة فقط من الحبيبات تحمل حملاً كافياً لكسر السطح، وأن هذه الحبيبات هي الأكبر حجماً. وكانت الحبيبات التي تُسبب الكسر فعلياً أكبر بعشر مرات تقريباً من متوسط ​​حجم الجسيمات. وفي اختبار ذي صلة، تشققت مادة معلقة بحجم 9 ميكرومتر ملوثة بنسبة 0.1% فقط من وزنها بجسيمات حجمها 15 ميكرومتر بشكل أعمق من المادة المعلقة النظيفة بحجم 9 ميكرومتر، بل وأعمق حتى من مادة معلقة مصنوعة بالكامل من جسيمات حجمها 15 ميكرومتر.

تزيل الحبيبات الخشنة المواد بشكل أسرع: ففي عملية الصقل الهش، يزداد معدل الإزالة خطيًا مع حجم المادة الكاشطة. السرعة والضرر وجهان لعملة واحدة.

بالنسبة لصانع الأحجار الكريمة، فإنّ الأمر واضحٌ تماماً. فبضع حبيبات خشنة متناثرة، عالقة في أداة الصقل أو على الإصبع أو على ليفة غير نظيفة، كفيلة بإفساد مرحلة الصقل الدقيقة بأكملها. لذا، فإنّ التحكم في حجم الحبيبات، من خلال استخدام مسحوق جيد وممارسة نظيفة، أهم بكثير من صقل الحبيبات المتوسطة.

أحادي البلورة أم متعدد البلورات؟

يُباع الماس الميكروني في بنيتين رئيسيتين: جزيئات أحادية البلورة، كل منها عبارة عن بلورة واحدة، وجزيئات متعددة البلورات تتكون من العديد من البلورات الصغيرة. المقارنات المباشرة مع الكوروندوم نادرة، ولكن هناك اختبار واحد مُحكم متاح للعموم.

في تجربة صقل وردت في براءة الاختراع الأمريكية رقم 8,182,562، تم صقل رقائق الياقوت الأزرق من المستوى C بقطر بوصتين على لوحة مركبة من النحاس/الراتنج باستخدام ماس بحجم 4-8 ميكرومتر، بمعدل 10 قراريط لكل 500 مل من المعلق. النتائج:

أزال الماس متعدد البلورات حوالي ثلث كمية المادة الإضافية، تاركًا سطحًا أكثر نعومةً بعض الشيء. هذه الأرقام تحتاج إلى دراسة متأنية. فهي مستقاة من اختبار واحد، ولم تخضع لمراجعة الأقران، وكان هدف براءة الاختراع هو الترويج لنوع ثالث من الماس المُعدَّل الذي تفوق على النوعين السابقين. من الأفضل اعتبار هذه الأرقام سببًا لتجربة مسحوق الماس متعدد البلورات في مرحلة ما قبل التلميع، وليس تصنيفًا نهائيًا.

المساحيق والمعاجين وأغشية التغليف

يمكن أن يصل الماس نفسه إلى الحجر بثلاثة أشكال. كل شكل منها يتعامل مع مشكلة الجسيمات الشاذة بشكل مختلف.

يتكون غشاء التلميع التجاري من جزيئات كاشطة متدرجة بدقة، مغلفة بغشاء بوليستر بسمك 3 مل (حوالي 76 ميكرومتر). في دراسة نُشرت حول أغشية التلميع في حوليات CIRPأظهر إيفانز وزملاؤه أن طبقة الكشط تُصقل أو تُلمّع سطح العمل دون تغيير هندسة الصفيحة التي تحتها، وأنها قادرة على العمل في وضعية الجسمين الهشة أو المرنة. ويترتب على ذلك نتيجتان في قطع الأحجار الكريمة: أولاً، تُحدد الصفيحة استواء السطح، وليس مدى انتظام شحن طبقة الكشط. ثانياً، ولأن الحبيبات مترابطة وليست سائبة، فإنها لا تستطيع التحرك بحرية على سطح العمل كما تفعل الحبيبات السائبة.

للفيلم حدود. فهو يتلف ويحتاج إلى استبدال، وعلى سطح مستوٍ يناسب الأسطح المسطحة والطاولات أكثر من القباب المنحنية المصقولة. وللقراء الراغبين في إلقاء نظرة فاحصة على التركيب، هذا نظرة عامة على فيلم تلميع الماس يشرح كيف يتم تثبيت الماس المصنف في مادة رابطة راتنجية على دعامة من مادة البولي إيثيلين تيريفثالات، وكيف تتم مقارنة طبقة الماس مع طبقات الكشط التقليدية.

سلسلة مبنية على الأدلة

تُختزل النتائج المذكورة أعلاه إلى قاعدة تخطيطية واحدة: يجب على كل مرحلة إزالة الضرر الذي خلفته المرحلة السابقة على الأقل. وباعتبار الحدود العليا من جدول الأضرار دليلاً متحفظاً، يمكن أن يكون تسلسل معالجة الكوروندوم ذي الأوجه كما يلي. يوضح هذا التسلسل المنطق، ولكنه ليس وصفة مُختبرة، كما أن الأعماق المُستمدة من الزجاج هي افتراض للكوروندوم.

1. تم القطع عند 15 ميكرومتر. أوقف كل جانب قبل أن يصل إلى نقاط التقائه النهائية بقليل، لأن الضرر الموجود أسفله قد يصل إلى حوالي 20 ميكرومتر.
2. التلميع المسبق عند 6 ميكرومتر. قم بإزالة أكثر من 20 ميكرومتر قبل تغيير درجة النقاء. تترك هذه المرحلة ما يصل إلى 9 ميكرومتر تقريبًا.
3. قم بالتلميع عند 3 ميكرومتر، ثم أنهِ العملية عند 1 ميكرومتر أو أدق. كل خطوة تزيل الطبقة التي خلفتها الخطوة السابقة: حوالي 9 ميكرومتر، ثم حوالي 5 ميكرومتر.

لماذا لا ننتقل مباشرةً من 15 ميكرومتر إلى 1 ميكرومتر؟ في عملية الصقل الهش، يتناسب معدل الإزالة طرديًا مع حجم المادة الكاشطة. وبافتراض ثبات جميع العوامل الأخرى، فإن استخدام حبيبات كاشطة بحجم 1 ميكرومتر سيزيل طبقة التلف التي يبلغ سمكها 20 ميكرومترًا أبطأ بنحو خمسة عشر مرة من إزالة حبيبات كاشطة بحجم 15 ميكرومترًا للمادة. إن استخدام حبيبات متوسطة الحجم ليس ترفًا، بل هو أسرع طريق للحصول على سطح خالٍ من العيوب.

تُضيف الأحجار الاستثنائية قيدًا قبل أن تلامسها أي مادة كاشطة. في الكوراندوم النجمي، تقع السلاسل الثلاث من الشوائب الإبرية التي تُشكّل النجمة في مستويات موازية للسطح القاعدي، أي عمودية على المحور c. ولتوسيط النجمة، يضع القاطع قمة القبة على المحور c. ولا يُمكن لأي مرحلة تلميع لاحقة تصحيح خطأ يحدث هنا.

الأحجار المعالجة تغير القواعد

الأحجار الكريمة المحشوة عبارة عن مادتين مصقولتين في آن واحد، ونادراً ما تتصرف المادة المالئة مثل المادة الأصلية.

وجد باحثو معهد الأحجار الكريمة الأمريكي (GIA) أن الزجاج في الياقوت المحشو بالرصاص أكثر ليونة بكثير من الكوراندوم، لذا فإن الاختلافات في جودة الصقل قد تكشف عن الشقوق المملوءة. بدأ الزجاج بالتسرب من الشقوق عند درجة حرارة 700 درجة مئوية، علماً بأن درجة انصهاره تتراوح بين 600 و700 درجة مئوية، كما أدى محلول التخليل الكاوي إلى تآكله. لم يتسبب البرد والتلميع أثناء اختبارات التثبيت في أي ضرر للحشو، على الرغم من أن عدد الأحجار المختبرة كان قليلاً.

الزمرد المحشو أكثر حساسية. في دراسة أجرتها مؤسسة GIA على 33 حجر زمرد محشو، أدى التنظيف بالموجات فوق الصوتية أو النقع في المذيبات إلى تغيير مظهر حوالي 29 حجرًا. وقد تغير زيت خشب الأرز ومادة أوبتيكون غير المتصلبة بشكل واضح في حمام الموجات فوق الصوتية، بينما أثبتت الأحجار المقواة سطحيًا والحشوات الصلبة أنها الأكثر متانة.

يُسبب هذا الأمر تعارضًا حقيقيًا في ورشة العمل. فالتنظيف الدقيق الذي يحمي الطبقة الرقيقة من الجزيئات العالقة هو تحديدًا ما قد يُزيل الحشو أو يُشوّهه. أما بالنسبة للأحجار المعالجة، فإن التنظيف اليدوي اللطيف بين مراحل المعالجة هو الحل الأمثل والأكثر أمانًا.

خاتمة

فقدت ماسة أرجيل البنفسجية أكثر من ثلثي وزنها لتصبح جوهرة بوزن 2.83 قيراط. في الأحجار الكريمة الصلبة الملونة، لا يتحدد الفرق بين المردود الجيد والمردود الضعيف بالماسة نفسها بقدر ما يتحدد بدقة تصنيفها وسلاسة الانتقال من مرحلة إلى أخرى.

تشير الأدلة إلى ثلاث عادات. اقرأ توزيع الميكرون، وخاصة حده الأعلى، بدلاً من قراءة ملصق درجة الخشونة. خطط لكل مرحلة لإزالة الضرر الناتج عن المرحلة السابقة. تعامل مع حبة خشنة واحدة كسبب محتمل لتلف التلميع، مع الأخذ في الاعتبار أن الأحجار المعالجة قد لا تتحمل التنظيف الذي يمنع ذلك.

نبذة عن الكاتبة:

جاسيدا صن جاسيدا مهندسة مبيعات في شركة جريش، ولديها خمس سنوات من الخبرة في مجال التلميع الدقيق. وبفضل معرفتها الواسعة بمواد التلميع التي تقدمها جريش، توفر جاسيدا الدعم الفني المتعلق بالمنتجات، لا سيما فيما يخص اختيار المواد الكاشطة، وأداء المواد، ومتطلبات التطبيق. ويشمل عملها مساعدة العملاء الدوليين في تحديد المواد المناسبة وحلول التلميع المصممة خصيصًا لتلبية احتياجاتهم في مجموعة واسعة من تطبيقات التشطيب الدقيق.