von Jacida Sun

Die Wahl des Diamantschleifmittels durch den Schleifer entscheidet darüber, wie viel Rohmaterial erhalten bleibt und wie gut die endgültige Oberfläche sein kann. Forschungsergebnisse aus Edelsteinlaboren und der optischen Technik erklären die Zusammenhänge und wandeln einige Werkstattpraktiken in messbare Regeln um.

Einführung

Im Jahr 2015 förderte Rio Tinto in der Argyle-Mine in Westaustralien einen 9.17 Karat schweren violetten Rohdiamanten. Der Argyle-Meisterschleifer Richard How Kim Kam schliff daraus einen 2.83 Karat schweren ovalen Diamanten, der vom GIA als „Fancy Deep Greyish Bluish Violet“ eingestuft wurde. Der geschliffene Stein behielt 30.9 % des Rohgewichts, und laut Branchenberichten dauerte das Schleifen über 80 Stunden.

Jede dieser Stunden erforderte die Entscheidung, wo Material abgetragen und wo es belassen werden sollte. Diamant ist der Extremfall, denn nur Diamant kann ihn abschleifen. Dieselbe Frage bestimmt die härtesten Farbedelsteine: Bei Rubin, Saphir oder Chrysoberyll entscheidet das Schleifmittel darüber, wie viel Rohmaterial erhalten bleibt, wie plan eine Facette geschliffen wird und wie fein die endgültige Oberfläche sein kann.

Dieser Artikel untersucht diese Frage anhand veröffentlichter Daten anstatt anhand von Erfahrungswerten aus der Praxis. Seine zentrale These lautet, dass die wichtigste Eigenschaft eines Diamantschleifmittels nicht seine durchschnittliche Partikelgröße, sondern seine größten Partikel sind.

Härte ist keine einzelne Zahl.

Die Mohs-Skala ordnet Mineralien danach, wie stark sie sich beim Einritzen aneinander reiben lassen. Sie gibt jedoch keine Auskunft über den Härteunterschied zwischen den Mineralien. Eindruckversuche hingegen schon: Mit einem Knoop-Eindringkörper maß Winchell für Korund einen Wert von etwa 2,000 und für Diamant einen Wert von etwa 8,000. Der geringe Unterschied zwischen den beiden Mineralien auf der Mohs-Skala verschleiert einen etwa vierfachen Härteunterschied, weshalb Diamant das gängige Schleifmittel für Korund ist.

Härte ist jedoch nur ein Teil des Problems. An der Schleifscheibe spielen Spaltbarkeit, Kornstruktur und Kristallrichtung oft eine größere Rolle.

Korund zeigt, dass selbst ein Stein ohne Spaltbarkeit schnelle und langsame Abtragsrichtungen aufweist. In einer chemisch-mechanischen Polierstudie an vier Saphir-Ebenen maßen Cao und Kollegen 5.93 nm/min auf der C-Ebene (der Basalebene) und 2.47 nm/min auf der R-Ebene: ein 2.4-facher Unterschied unter identischen Bedingungen. Eine frühere Studie der Rutgers University ergab ebenfalls den schnellsten Materialabtrag auf Saphir der C-Ebene.

Beide Studien verwendeten industrielle Wafer-Prozesse mit Siliciumdioxid- oder Aluminiumoxid-Suspensionen, nicht Diamant auf einer Facettierscheibe. Daher lassen sich die Ergebnisse der Flächenbewertung nicht ohne Weiteres auf die Laborpraxis übertragen. Die allgemeine Erkenntnis bleibt jedoch bestehen: Dasselbe Schleifmittel kann eine Facette mehr als doppelt so schnell bearbeiten wie ihre Nachbarfacette.

Was eine Mikron-Sorte tatsächlich angibt

Diamantschleifmittel werden in zwei Korngrößenklassen eingeteilt. Grobe Körner werden gemäß ANSI B74.16 und ISO 6106 gesiebt, wobei die feinste Siebgröße (325/400 Mesh) einer Korngröße von etwa 44–37 ​​µm entspricht. Darunter ist die Siebung nicht mehr möglich. Feinere Pulver im Mikrometerbereich werden gemäß ANSI B74.20 mit anderen Methoden als dem Sieben klassifiziert.

Eine Mikron-Qualität ist daher eine Verteilung, keine Korngröße. ANSI B74.20 definiert sie mit mehreren Grenzwerten. Für ein 2–4 µm Pulver lauten diese:

• D5 mindestens 2.0 µm (95 % der Partikel sind gröber)
• D50 von 3.0 ± 0.3 µm (Median)
• D95 maximal 4.0 µm (95 % der Partikel sind feiner)
• D99.9 bei höchstens 9.0 µm (die obere Grenze für die größten Partikel)

Die letzte Zeile verdient besondere Beachtung. Ein als „3 Mikron“ verkauftes Pulver kann innerhalb der Norm Partikel enthalten, die dreimal so groß sind. Im nächsten Abschnitt wird erläutert, warum diese seltenen Partikel wichtiger sind als der Median.

Die Körnung von Schleifmitteln ab etwa 400 entspricht nicht der Siebgröße. In der Tabelle eines Anbieters wird beispielsweise „3000“ mit 4–8 µm und „8000“ mit 2–4 µm gleichgesetzt. Da es sich bei solchen Bezeichnungen eher um Konventionen als um Normen handelt, ist der Mikronbereich der Vergleichswert zwischen Produkten.

Warum das größte Teilchen am wichtigsten ist

Jedes Schleifkorn, das ein sprödes Material durchdringt, verursacht auch Risse. Unter den sichtbaren Kratzern befindet sich eine Schicht aus Mikrorissen, die als Oberflächenbeschädigung bezeichnet wird, und deren Entfernung beim Polieren ist für Optikingenieure unerlässlich.

Sie haben auch die Tiefe der Beschädigung gemessen. Lambropoulos untersuchte zahlreiche Gläser und Schleifprozesse und kam zu dem Schluss, dass die Beschädigungstiefe in Mikrometern zwischen 0.3d^0.68 und 2d^0.85 liegt, wobei d die Korngröße des Schleifmittels in Mikrometern ist. Angewendet auf gängige Schleifmittelgrößen:

Diese Grenzwerte wurden für optisches Glas und nicht für Korund abgeleitet, daher geben sie eher eine Größenordnung an, als dass sie das Verhalten eines Edelsteins vorhersagen. Sie verdeutlichen aber dennoch eines: Die obere Grenze ist größer als das Partikel selbst.

Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory untersuchten daraufhin, welche Körner die tiefsten Risse verursachen. Suratwala und Kollegen maßen Schäden an gemahlenem Quarzglas und stellten fest, dass nur ein kleiner Teil der Körner genügend Last trägt, um die Oberfläche zu brechen – und dass es sich dabei um die größeren Körner handelt. Die Körner, die tatsächlich einen Bruch verursachen, waren etwa zehnmal so groß wie die mittlere Partikelgröße. In einem verwandten Test riss eine 9 µm-Suspension, die mit nur 0.1 Gew.-% 15 µm-Partikeln verunreinigt war, tiefer als die reine 9 µm-Suspension und sogar tiefer als eine Suspension, die ausschließlich aus 15 µm-Partikeln bestand.

Grobe Körner tragen Material auch schneller ab: Beim spröden Läppen steigt die Abtragsrate linear mit der Korngröße des Schleifmittels. Geschwindigkeit und Schädigung sind zwei Seiten derselben Medaille.

Für den Edelsteinschleifer hat dies unmittelbare Konsequenzen. Wenige einzelne grobe Körner, die sich an einem Schleifpapier, einem Finger oder einem schlecht gereinigten Schleifblatt festsetzen, können die gesamte Feinbearbeitung zunichtemachen. Die Kontrolle des Randbereichs der Korngrößenverteilung durch gutes Pulver und saubere Arbeitsweise ist wichtiger als das Abschaben des mittleren Kornbereichs.

Monokristallin oder polykristallin?

Mikron-Diamant wird in zwei Hauptstrukturen angeboten: monokristalline Partikel, die jeweils aus einem einzigen Kristall bestehen, und polykristalline Partikel, die aus vielen kleineren Kristalliten aufgebaut sind. Direkte Vergleiche mit Korund sind selten, jedoch ist ein kontrollierter Test öffentlich zugänglich.

In einem im US-Patent 8,182,562 beschriebenen Läppversuch wurden 2-Zoll-C-Ebenen-Saphirwafer auf einer Kupfer/Harz-Verbundplatte mit 4–8 µm Diamant (10 Karat pro 500 ml Slurry) geläppt. Die Ergebnisse:

Polykristalliner Diamant entfernte etwa ein Drittel mehr Material und hinterließ eine etwas glattere Oberfläche. Diese Zahlen sind jedoch mit Vorsicht zu interpretieren. Sie stammen aus einem einzigen Test, wurden nicht von Fachkollegen begutachtet, und das Patent zielte darauf ab, einen dritten, modifizierten Diamanten zu bewerben, der beide übertreffen sollte. Sie sollten daher eher als Anhaltspunkt für die Erprobung von polykristallinem Pulver im Vorpolierverfahren denn als endgültige Rangliste verstanden werden.

Pulver, Pasten und Läppfilme

Derselbe Diamant kann den Stein in drei Formen erreichen. Jede Form geht unterschiedlich mit dem Problem der ungeordneten Partikel um.

Kommerzielle Läppfolie besteht aus präzise abgestuften Schleifpartikeln, die auf eine 3 mil (ca. 76 µm) dicke Polyesterfolie aufgebracht sind. In einer Studie über folienbasierte Läppfolien, die in [Referenz einfügen] veröffentlicht wurde, … CIRP-AnnalenEvans und Kollegen zeigten, dass der Schleiffilm das Werkstück läppt oder poliert, ohne die Geometrie der darunterliegenden Scheibe zu verändern, und dass er sowohl im spröden als auch im duktilen Zweikörpermodus arbeiten kann. Daraus ergeben sich zwei Konsequenzen für das Edelsteinschleifen: Die Planheit einer Facette wird durch die Scheibe bestimmt, nicht durch die Gleichmäßigkeit der Beladung des Läppkörpers. Und da die Körner gebunden und nicht lose sind, können sie sich nicht wie lose Körner über die Arbeitsfläche verteilen.

Film hat seine Grenzen. Er nutzt sich ab und muss ersetzt werden, und auf einer flachen Platte eignet er sich eher für flache Facetten und Tische als für gewölbte Cabochon-Kuppeln. Für Leser, die einen genaueren Blick auf die Konstruktion werfen möchten, siehe hier Übersicht über Diamantläppfilm erklärt, wie abgestufte Diamanten in einem Harzbindemittel auf einem PET-Träger gehalten werden und wie sich Diamantfolie mit herkömmlichen Schleiffolien vergleichen lässt.

Eine auf Beweisen aufgebaute Sequenz

Die obigen Ergebnisse lassen sich auf eine Planungsregel reduzieren: Jeder Bearbeitungsschritt muss mindestens den Schaden des vorhergehenden Schrittes beseitigen. Unter Berücksichtigung der Obergrenzen aus der Schadenstabelle als konservative Richtlinie könnte eine Bearbeitungssequenz für facettierten Korund wie folgt aussehen. Sie veranschaulicht die Logik; es handelt sich nicht um ein erprobtes Verfahren, und die aus Glas abgeleiteten Tiefenwerte sind eine Annahme für Korund.

1. Schnittstärke: 15 µm. Die einzelnen Facetten sollten etwas vor ihren endgültigen Schnittpunkten gestoppt werden, da die darunter liegenden Schäden bis zu etwa 20 µm betragen können.
2. Vorpolieren bei 6 µm. Entfernen Sie mehr als 20 µm, bevor Sie die Körnung wechseln. In diesem Schritt verbleiben bis zu etwa 9 µm Restmaterial.
3. Zuerst bei 3 µm polieren, dann mit 1 µm oder feiner abschließen. Bei jedem Schritt wird die vom vorherigen Schritt hinterlassene Schicht entfernt: etwa 9 µm, dann etwa 5 µm.

Warum nicht direkt von 15 µm auf 1 µm wechseln? Beim Läppen spröder Werkstoffe skaliert die Abtragsrate linear mit der Korngröße des Schleifmittels. Unter sonst gleichen Bedingungen würde ein 1-µm-Schleifmittel die 20 µm dicke Schadschicht etwa fünfzehnmal langsamer abtragen als ein 15-µm-Schleifmittel Material. Zwischenkorngrößen sind kein Luxus, sondern der schnellste Weg zu einer makellosen Oberfläche.

Phänomenale Steine ​​stellen eine Einschränkung dar, bevor überhaupt Schleifmittel mit ihnen in Berührung kommen. Im Sternkorund liegen die drei Reihen nadelförmiger Einschlüsse, die den Stern bilden, in Ebenen parallel zur Basalfläche, also senkrecht zur c-Achse. Um den Stern zu zentrieren, positioniert der Schleifer daher die Spitze der Kuppel auf der c-Achse. Ein hier gemachter Fehler kann durch keinen späteren Polierschritt korrigiert werden.

Behandelte Steine ​​verändern die Regeln

Ein gefüllter Edelstein besteht aus zwei gleichzeitig polierten Materialien, und das Füllmaterial verhält sich selten wie sein Wirtsmaterial.

Bei mit Bleiglas gefüllten Rubinen stellten GIA-Forscher fest, dass das Glas deutlich weicher als Korund ist. Daher können Unterschiede in der Polierqualität gefüllte Risse sichtbar machen. Das Glas begann bei 700 °C aus den Rissen auszutreten, wobei der Schmelzpunkt zwischen 600 und 700 °C liegt. Ätzende Beizlösung ätzte es an. Feilen und Polieren während der Fassversuche beschädigten die Füllung nicht, allerdings wurden nur wenige Steine ​​getestet.

Gefüllte Smaragde sind empfindlicher. Eine GIA-Studie an 33 gefüllten Smaragden ergab, dass Ultraschallreinigung oder Einweichen in Lösungsmitteln das Aussehen von etwa 29 Smaragden veränderte. Zedernholzöl und ungehärtetes Opticon veränderten sich im Ultraschallbad deutlich, während oberflächengehärtete und harte Füllstoffe sich als am widerstandsfähigsten erwiesen.

Dies führt zu einem echten Konflikt beim Schleifen. Die gründliche Reinigung, die eine feine Schleifstufe vor Fremdpartikeln schützt, kann genau das tun, was eine Füllerschicht abtragen oder trüben kann. Bei behandelten Steinen ist eine schonende manuelle Reinigung zwischen den Schleifgängen der sicherere Kompromiss.

Fazit

Der Argyle Violet verlor auf dem Weg zu einem 2.83 Karat schweren Edelstein mehr als zwei Drittel seines Gewichts. Bei harten Farbedelsteinen hängt der Unterschied zwischen einer guten und einer schlechten Ausbeute weniger vom Diamanten selbst ab als von der Präzision seiner Graduierung und der reibungslosen Übergabe der einzelnen Bearbeitungsschritte.

Die Ergebnisse deuten auf drei Vorgehensweisen hin. Beachten Sie die Mikronverteilung, insbesondere deren Obergrenze, anstatt sich auf die Körnung zu verlassen. Planen Sie jeden Arbeitsschritt so, dass die Schäden des vorherigen beseitigt werden. Gehen Sie davon aus, dass ein einzelnes grobes Schleifkorn die wahrscheinlichste Ursache für eine beschädigte Politur ist, und bedenken Sie dabei, dass behandelte Steine ​​die Reinigung, die dies verhindert, möglicherweise nicht vertragen.

Über den Autor:

Jacida Sun Jacida ist Vertriebsingenieurin bei Grish und verfügt über fünf Jahre Erfahrung in der Präzisionspolierbranche. Dank ihrer Kenntnisse der Poliermaterialien von Grish bietet sie produktbezogene technische Unterstützung bei der Auswahl von Schleifmitteln, der Materialleistung und den Anwendungsanforderungen. Zu ihren Aufgaben gehört es, internationale Kunden bei der Identifizierung geeigneter Materialien und maßgeschneiderter Polierlösungen für verschiedene Präzisionsbearbeitungsanwendungen zu unterstützen.