توسط جاسیدا سان

انتخاب نوع ساینده الماس توسط یک برشکار، میزان دوام سنگ‌های راف و کیفیت سطح نهایی را تعیین می‌کند. تحقیقات آزمایشگاه‌های گوهرشناسی و مهندسی اپتیک دلیل این امر را توضیح می‌دهد و چندین عادت کارگاهی را به قوانین قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند.

معرفی

در سال ۲۰۱۵، معدن آرگایل ریو تینتو در غرب استرالیا، یک سنگ خام بنفش ۹.۱۷ قیراطی را کشف کرد. ریچارد هاو کیم کام، استاد صیقل‌کاری آرگایل، آن را به یک سنگ بیضی ۲.۸۳ قیراطی تبدیل کرد که GIA آن را به رنگ بنفش مایل به خاکستری تیره فانتزی درجه‌بندی کرد. سنگ صیقل داده شده ۳۰.۹٪ از وزن سنگ خام را حفظ کرد و گزارش‌های تجاری، زمان برش را بیش از ۸۰ ساعت اعلام کرده‌اند.

هر یک از آن ساعت‌ها تصمیمی بود در مورد اینکه ماده را از کجا جدا کنیم و کجا بگذاریم. الماس مورد افراطی است، زیرا فقط الماس می‌تواند آن را بسوزاند. همین سوال در مورد سخت‌ترین جواهرات رنگی نیز صدق می‌کند: روی یاقوت سرخ، یاقوت کبود یا کریزوبریل، ماده ساینده تصمیم می‌گیرد که چقدر از سطح ناهموار باقی بماند، یک سطح چقدر صاف بماند و سطح نهایی چقدر ظریف باشد.

این مقاله به جای دانش کارگاهی، این سوال را با داده‌های منتشر شده بررسی می‌کند. استدلال اصلی آن این است که مهم‌ترین ویژگی یک ساینده الماس، اندازه متوسط ​​ذرات آن نیست، بلکه بزرگترین ذرات آن است.

سختی یک عدد نیست

مقیاس موهس کانی‌ها را بر اساس اینکه کدام یک را خراش می‌دهند، رتبه‌بندی می‌کند. این مقیاس نمی‌گوید که یک کانی چقدر سخت‌تر از دیگری است. آزمایش‌های فرورفتگی این کار را انجام می‌دهند: وینچل با استفاده از یک فرورونده نوپ، سختی کوراندوم را حدود ۲۰۰۰ و سختی الماس را حدود ۸۰۰۰ اندازه‌گیری کرد. یک پله موهس بین آنها، شکافی تقریباً چهار برابری را پنهان می‌کند، به همین دلیل است که الماس ساینده کاربردی برای کوراندوم است.

سختی نیز تنها بخشی از مشکل است. در چرخ، رخ، ساختار دانه و جهت کریستال اغلب اهمیت بیشتری دارند.

کوراندوم نشان می‌دهد که حتی سنگی بدون کلیواژ، جهت‌های سریع و کندی دارد. در یک مطالعه‌ی صیقل‌دهی شیمیایی-مکانیکی روی چهار صفحه‌ی یاقوت کبود، کائو و همکارانش سرعت ۵.۹۳ نانومتر بر دقیقه را روی صفحه‌ی C (صفحه‌ی پایه) و ۲.۴۷ نانومتر بر دقیقه را روی صفحه‌ی R اندازه‌گیری کردند: تفاوتی ۲.۴ برابری در شرایط یکسان. یک مطالعه‌ی قبلی در دانشگاه راتگرز نیز نشان داد که سرعت حذف روی یاقوت کبود صفحه‌ی C سریع‌تر است.

هر دو مطالعه از فرآیندهای ویفر صنعتی با دوغاب سیلیس یا آلومینا استفاده کردند، نه الماس روی یک سطح تراش خورده، بنابراین رتبه‌بندی صفحات آنها نباید مستقیماً به میز کار منتقل شود. درس کلی به این موارد نیز منتقل می‌شود: همان ساینده می‌تواند یک سطح را بیش از دو برابر سریع‌تر از سطح مجاور آن برش دهد.

آنچه که یک درجه میکرونی واقعاً مشخص می‌کند

ساینده‌های الماسی در دو حالت درجه‌بندی می‌شوند. دانه‌های درشت با الک‌هایی تحت استانداردهای ANSI B74.16 و ISO 6106 اندازه‌گیری می‌شوند و بهترین درجه الک، مش 325/400، مربوط به حدود 44 تا 37 میکرومتر است. در زیر آن، الک‌ها کار نمی‌کنند. پودرهای ریزتر "میکرون" تحت استانداردهای ANSI B74.20 و با روش‌هایی غیر از الک کردن درجه‌بندی می‌شوند.

بنابراین، درجه میکرون یک توزیع است، نه یک اندازه. استاندارد ANSI B74.20 آن را با چندین محدودیت تعریف می‌کند. برای پودر ۲ تا ۴ میکرومتر، این محدودیت‌ها عبارتند از:

• D5 حداقل ۲.۰ میکرومتر (۹۵٪ ذرات درشت‌تر هستند)
• D50 از 3.0 ± 0.3 میکرومتر (میانگین)
• D95 حداکثر ۴.۰ میکرومتر (۹۵٪ ذرات ریزتر هستند)
• D99.9 حداکثر 9.0 میکرومتر (حد بالایی برای بزرگترین ذرات)

سطر آخر شایسته توجه است. پودری که با عنوان «۳ میکرون» فروخته می‌شود، در محدوده استاندارد، می‌تواند حاوی ذراتی سه برابر این اندازه باشد. بخش بعدی توضیح می‌دهد که چرا این ذرات نادر از اندازه متوسط ​​اهمیت بیشتری دارند.

اعداد «دانه» سنگ‌تراشی بالای حدود ۴۰۰، اندازه الک نیستند. برای مثال، نمودار یکی از تأمین‌کنندگان، «۳۰۰۰» را با ۴ تا ۸ میکرومتر و «۸۰۰۰» را با ۲ تا ۴ میکرومتر معادل می‌داند. از آنجا که چنین برچسب‌هایی قراردادی هستند و نه استاندارد، محدوده میکرون، رقمی است که باید بین محصولات مقایسه شود.

چرا بزرگترین ذره بیشترین اهمیت را دارد

هر دانه‌ای که یک ماده شکننده را برش می‌دهد، آن را نیز می‌ترکاند. زیر خراش‌های قابل مشاهده، لایه‌ای از ریزترک‌ها قرار دارد که به عنوان آسیب زیرسطحی شناخته می‌شوند و مهندسان اپتیک، حذف آن را در طول پولیش ضروری می‌دانند.

آنها همچنین میزان عمق آن را اندازه‌گیری کرده‌اند. لامبروپولوس با بررسی بسیاری از شیشه‌ها و فرآیندهای سنگ‌زنی، پیشنهاد کرد که عمق آسیب، بر حسب میکرومتر، بین 0.3d^0.68 و 2d^0.85 قرار دارد، که در آن d اندازه ساینده بر حسب میکرومتر است. با اعمال آن به اندازه‌های رایج گوهرتراشی:

این حدود برای شیشه نوری، نه کوراندوم، استخراج شده‌اند، بنابراین به جای پیش‌بینی رفتار یک سنگ قیمتی، مقیاس را نشان می‌دهند. آن‌ها همچنان یک نکته را به روشنی بیان می‌کنند: حد بالایی بزرگتر از خود ذره است.

محققان آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور سپس این سوال را مطرح کردند که کدام دانه‌ها باعث عمیق‌ترین ترک‌ها می‌شوند. سوراتوالا و همکارانش با اندازه‌گیری آسیب در سیلیس ذوب‌شده آسیاب‌شده دریافتند که تنها بخش کوچکی از دانه‌ها بار کافی برای شکستن سطح را حمل می‌کنند و این دانه‌ها بزرگتر هستند. دانه‌هایی که به طور مؤثر باعث شکستگی می‌شوند، حدود ده برابر اندازه متوسط ​​ذرات بودند. در یک آزمایش مرتبط، یک دوغاب ۹ میکرومتری آلوده به تنها ۰.۱ درصد وزنی ذرات ۱۵ میکرومتری، عمیق‌تر از دوغاب ۹ میکرومتری تمیز و حتی عمیق‌تر از دوغابی که کاملاً از ذرات ۱۵ میکرومتری ساخته شده بود، ترک خورد.

دانه‌های درشت همچنین مواد را سریع‌تر جدا می‌کنند: در ساییدگی ترد، سرعت جدایش به صورت خطی با اندازه ساینده افزایش می‌یابد. سرعت و آسیب دو روی یک دانه هستند.

برای گوهرتراشی، این موضوع مستقیماً مطرح است. چند دانه درشت سرگردان، که با یک داپ، انگشت یا یک لبه‌ی تمیز نشده حمل می‌شوند، می‌توانند یک مرحله‌ی ظریف کامل را خراب کنند. کنترل دنباله توزیع اندازه، از طریق پودر خوب و تمرین تمیز، مهم‌تر از تراشیدن میانه است.

مونوکریستال یا پلی کریستال؟

الماس میکرونی در دو ساختار اصلی فروخته می‌شود: ذرات تک‌بلوری، که هر کدام یک بلور واحد هستند، و ذرات چندبلوری که از بلورهای کوچک‌تر زیادی ساخته شده‌اند. مقایسه‌های مستقیم روی کوراندوم کمیاب است، اما یک آزمایش کنترل‌شده عمومی است.

در یک آزمایش لپینگ که در پتنت ایالات متحده شماره ۸,۱۸۲,۵۶۲ گزارش شده است، ویفرهای یاقوت کبود ۲ اینچی با صفحه C روی یک صفحه کامپوزیت مس/رزین با الماس ۴ تا ۸ میکرومتری با وزن ۱۰ قیراط در هر ۵۰۰ میلی‌لیتر دوغاب لپینگ شدند. نتایج:

الماس پلی‌کریستال حدود یک سوم مواد بیشتری را حذف کرد و سطحی کمی صاف‌تر به جا گذاشت. این ارقام نیاز به مطالعه دقیق دارند. آنها از یک آزمایش واحد به دست آمده‌اند، مورد بررسی دقیق قرار نگرفته‌اند و هدف از ثبت اختراع، معرفی یک الماس اصلاح‌شده سوم بود که هر دو را شکست دهد. بهتر است این ارقام به عنوان دلیلی برای آزمایش پودر پلی‌کریستال در مرحله قبل از پولیش در نظر گرفته شوند، نه به عنوان یک رتبه‌بندی قطعی.

پودرها، خمیرها و فیلم لپینگ

یک الماس می‌تواند به سه شکل به سنگ برسد. هر کدام از این شکل‌ها به طور متفاوتی با مشکل ذرات سرگردان برخورد می‌کنند.

فیلم لپینگ تجاری شامل ذرات ساینده با درجه‌بندی دقیق است که روی یک فیلم پلی‌استر با ضخامت ۳ میلی‌لیتر (حدود ۷۶ میکرومتر) پوشانده شده است. در مطالعه‌ای که در مورد لپینگ‌های مبتنی بر فیلم منتشر شده است، سالنامه‌های CIRPایوانز و همکارانش نشان دادند که لایه ساینده، بدون تغییر هندسه صفحه زیرین، روی قطعه کار ساییده یا صیقل می‌دهد و می‌تواند در حالت دو جسمی شکننده یا شکل‌پذیر عمل کند. دو نتیجه برای برش جواهر به دنبال دارد. صافی یک سطح توسط صفحه تعیین می‌شود، نه با میزان یکنواختی ساییدگی. و از آنجا که دانه‌ها به هم چسبیده‌اند و نه سست، نمی‌توانند مانند دانه‌های سست، روی سطح کار حرکت کنند.

فیلم محدودیت‌هایی دارد. ساییده می‌شود و باید تعویض شود، و روی یک صفحه تخت، برای سطوح صاف و میزها مناسب‌تر از گنبدهای کابوشن منحنی است. برای خوانندگانی که می‌خواهند نگاه دقیق‌تری به ساختار آن داشته باشند، این نمای کلی فیلم لپینگ الماس توضیح می‌دهد که چگونه الماس درجه‌بندی‌شده در یک چسب رزینی روی یک لایه پشتی PET نگه داشته می‌شود، و چگونه فیلم الماس با فیلم‌های ساینده معمولی مقایسه می‌شود.

دنباله ای که بر اساس شواهد ساخته شده است

یافته‌های فوق به یک قانون برنامه‌ریزی خلاصه می‌شوند: هر مرحله باید حداقل آسیب باقی مانده از مرحله قبل از خود را از بین ببرد. با در نظر گرفتن مرزهای بالایی از جدول آسیب به عنوان یک راهنمای محافظه‌کارانه، یک توالی برای کوراندوم چندوجهی می‌تواند به شرح زیر باشد. این منطق را نشان می‌دهد؛ این یک دستورالعمل آزمایش شده نیست و عمق‌های مشتق شده از شیشه یک فرض برای کوراندوم هستند.

1. با ضخامت ۱۵ میکرومتر برش دهید. هر وجه را کمی قبل از رسیدن به آخرین نقطه برش متوقف کنید، زیرا آسیب زیر آن ممکن است به حدود 20 میکرومتر برسد.
2. با ضخامت ۶ میکرومتر پیش‌پالیش بزنید. قبل از تغییر درجه، بیش از 20 میکرومتر را حذف کنید. در این مرحله تا حدود 9 میکرومتر باقی می‌ماند.
3. با ضخامت ۳ میکرومتر پولیش کنید، سپس با ضخامت ۱ میکرومتر یا کمتر پرداخت را تمام کنید. هر مرحله، لایه‌ای که از مرحله قبل باقی مانده را پاک می‌کند: حدود ۹ میکرومتر، سپس حدود ۵ میکرومتر.

چرا از ۱۵ میکرومتر مستقیماً به ۱ میکرومتر جهش نکنیم؟ در صیقل‌کاری ترد، سرعت حذف به صورت خطی با اندازه ساینده افزایش می‌یابد. در شرایط برابر، یک درجه ۱ میکرومتری، لایه آسیب‌دیده ۲۰ میکرومتری را حدود پانزده برابر کندتر از یک درجه ۱۵ میکرومتری که مواد را حذف می‌کند، پاک می‌کند. درجه‌های میانی یک کالای لوکس نیستند؛ آنها سریع‌ترین مسیر برای رسیدن به یک سطح بی‌عیب و نقص هستند.

سنگ‌های پدیده‌ای قبل از اینکه هرگونه ساینده‌ای آنها را لمس کند، یک محدودیت ایجاد می‌کنند. در کوراندوم ستاره‌ای، سه سری از ادخال‌های سوزنی که ستاره را ایجاد می‌کنند، در صفحاتی موازی با سطح پایه، یعنی عمود بر محور c قرار دارند. بنابراین، برای قرار دادن ستاره در مرکز، تراش‌دهنده، رأس گنبد را روی محور c قرار می‌دهد. هیچ مرحله پولیش بعدی نمی‌تواند خطایی را که در اینجا ایجاد شده است، اصلاح کند.

سنگ‌های فرآوری‌شده قوانین را تغییر می‌دهند

یک سنگ قیمتی پر شده از دو ماده تشکیل شده است که همزمان صیقل داده شده‌اند و ماده پرکننده به ندرت مانند میزبان خود رفتار می‌کند.

محققان GIA در یاقوت سرخ پر شده با شیشه سربی، دریافتند که شیشه به طور قابل توجهی نرم‌تر از کوراندوم است، بنابراین تفاوت در کیفیت صیقل می‌تواند شکستگی‌های پر شده را آشکار کند. شیشه در دمای ۷۰۰ درجه سانتیگراد، با نقطه ذوب بین ۶۰۰ تا ۷۰۰ درجه سانتیگراد، شروع به عرق کردن از شکستگی‌ها کرد و محلول اسیدشویی سوزآور آن را حکاکی کرد. سوهان زدن و صیقل دادن در طول آزمایش‌های گیرش، هیچ آسیبی به پرکننده وارد نکرد، اگرچه فقط تعداد کمی از سنگ‌ها آزمایش شدند.

زمرد پر شده ظریف‌تر است. در یک مطالعه GIA روی ۳۳ زمرد پر شده، تمیز کردن با اولتراسونیک یا خیساندن در حلال‌ها ظاهر حدود ۲۹ زمرد را تغییر داد. روغن چوب سدر و اپتیکون سخت نشده به وضوح در حمام اولتراسونیک تغییر کردند، در حالی که پرکننده‌های سخت شده سطحی و سخت، بادوام‌ترین بودند.

این موضوع باعث ایجاد یک درگیری واقعی در محل کار می‌شود. تمیز کردن کامل که از یک سطح ظریف در برابر ذرات سرکش محافظت می‌کند، دقیقاً همان چیزی است که می‌تواند یک پرکننده را از بین ببرد یا کدر کند. برای سنگ‌های فرآوری شده، تمیز کردن دستی ملایم بین درجات مختلف، راهکار ایمن‌تری است.

نتیجه

بنفشه آرگایل در مسیر تبدیل شدن به یک جواهر ۲.۸۳ قیراطی، بیش از دو سوم وزن خود را از دست داد. در سنگ‌های سخت رنگی، مرز بین یک الماس مرغوب و یک الماس بی‌کیفیت، کمتر توسط خود الماس تعیین می‌شود، بلکه بیشتر به دقت درجه‌بندی آن و تمیزی هر مرحله به مرحله بعدی بستگی دارد.

شواهد به سه عادت اشاره دارد. به جای برچسب دانه‌بندی، توزیع میکرون و به ویژه حد بالای آن را بخوانید. هر مرحله را طوری برنامه‌ریزی کنید که آسیب مرحله قبل را از بین ببرد. یک دانه درشت سرگردان را به عنوان محتمل‌ترین علت خراب شدن جلا در نظر بگیرید، ضمن اینکه به یاد داشته باشید که سنگ‌های پرداخت شده ممکن است تمیزکاری که مانع آن می‌شود را تحمل نکنند.

درباره نویسنده:

جاسیدا سان جاسیدا، مهندس فروش در گریش با پنج سال سابقه در صنعت پرداخت دقیق است. با تکیه بر دانش خود در مورد مواد پرداخت گریش، پشتیبانی فنی مرتبط با محصول را در زمینه انتخاب ساینده، عملکرد مواد و الزامات کاربرد ارائه می‌دهد. این کار شامل کمک به مشتریان بین‌المللی در شناسایی مواد مناسب و راه‌حل‌های پرداخت متناسب برای طیف وسیعی از کاربردهای پرداخت دقیق است.