par Jacida Sun

Le choix de l'abrasif diamanté par le tailleur détermine la quantité d'ébauche conservée et la qualité de la surface finale. Les recherches menées en gemmologie et en ingénierie optique expliquent ce phénomène et transforment plusieurs pratiques d'atelier en règles mesurables.

Introduction

En 2015, la mine Argyle de Rio Tinto, en Australie-Occidentale, a extrait un diamant brut violet de 9.17 carats. Le maître polisseur d'Argyle, Richard How Kim Kam, l'a transformé en un ovale de 2.83 carats, classé « Fancy Deep Greyish Bluish Violet » par le GIA. La pierre polie conservait 30.9 % du poids du diamant brut, et selon les experts du secteur, le travail de taille a duré plus de 80 heures.

Chaque heure de travail impliquait de décider où enlever de la matière et où la conserver. Le diamant représente un cas extrême, car seul le diamant peut l'abraser. La même question se pose pour les gemmes de couleur les plus dures : sur le rubis, le saphir ou le chrysobéryl, l'abrasif détermine la quantité de matière brute restante, la planéité des facettes et la finesse de la surface finale.

Cet article examine cette question à l'aide de données publiées plutôt que de simples connaissances pratiques. Son argument principal est que la propriété la plus importante d'un abrasif diamanté n'est pas la taille moyenne de ses particules, mais celle de ses plus grosses particules.

La dureté n'est pas une simple valeur numérique.

L'échelle de Mohs classe les minéraux selon leur pouvoir de rayure. Elle n'indique pas leur dureté relative. Les tests d'indentation, en revanche, le permettent : à l'aide d'un pénétrateur Knoop, Winchell a mesuré une dureté d'environ 2 000 pour le corindon et d'environ 8 000 pour le diamant. L'écart d'une seule unité sur l'échelle de Mohs masque une différence d'environ quatre fois, ce qui explique pourquoi le diamant est l'abrasif idéal pour le corindon.

La dureté n'est qu'une partie du problème. Au niveau de la meule, le clivage, la structure granulaire et l'orientation cristalline ont souvent une importance accrue.

Le corindon montre que même une pierre sans clivage présente des directions d'abrasion rapide et lente. Dans une étude de polissage chimico-mécanique de quatre plans de saphir, Cao et ses collègues ont mesuré une vitesse d'abrasion de 5.93 nm/min sur le plan C (le plan basal) et de 2.47 nm/min sur le plan R : une différence de 2.4 fois dans des conditions identiques. Une étude antérieure menée à l'université Rutgers avait également constaté que l'abrasion était la plus rapide sur le plan C du saphir.

Les deux études ont utilisé des procédés industriels de fabrication de plaquettes avec des suspensions de silice ou d'alumine, et non du diamant sur un disque de polissage. Par conséquent, leur classement des plans ne peut être transposé directement à l'atelier. La leçon générale reste néanmoins valable : un même abrasif peut usiner une facette plus de deux fois plus vite que sa voisine.

Ce que spécifie réellement un grade micron

Les abrasifs diamantés sont classés selon deux régimes granulométriques. Les grains grossiers sont tamisés conformément aux normes ANSI B74.16 et ISO 6106 ; le tamis le plus fin, 325/400 mesh, correspond à environ 44–37 ​​µm. En dessous de cette taille, le tamisage devient inefficace. Les poudres plus fines, de l’ordre du micron, sont classées selon la norme ANSI B74.20, par des méthodes autres que le tamisage.

La granulométrie micrométrique correspond donc à une distribution, et non à une taille. La norme ANSI B74.20 la définit par plusieurs limites. Pour une poudre de 2 à 4 µm, ces limites sont les suivantes :

• D5 au moins 2.0 µm (95 % des particules sont plus grossières)
• D50 de 3.0 ± 0.3 µm (la médiane)
• D95 au maximum 4.0 µm (95 % des particules sont plus fines)
• D99.9 au maximum 9.0 µm (la limite supérieure pour les particules les plus grandes)

La dernière phrase mérite notre attention. Une poudre vendue comme ayant une granulométrie de « 3 microns » peut, en réalité, contenir des particules trois fois plus grosses. La section suivante explique pourquoi ces particules rares sont plus importantes que la moyenne.

Figure 1. Exigences de percentile pour l'exemple de poudre de 2 à 4 µm dans ANSI B74.20. Image courtoisie de Jacida Sun.

Les indices de « grain » lapidaire supérieurs à 400 environ ne correspondent pas à la taille des tamis. Par exemple, le tableau d'un fournisseur associe « 3000 » à 4–8 µm et « 8000 » à 2–4 µm. Ces indications étant des conventions et non des normes, c'est la plage de granulométrie en microns qu'il convient de comparer les produits.

Pourquoi la plus grosse particule est la plus importante

Chaque grain de verre qui entaille un matériau fragile le fissure également. Sous les rayures visibles se cache une couche de microfissures, appelée dommages sous-jacents, dont l'élimination lors du polissage est considérée comme essentielle par les ingénieurs en optique.

Ils ont également mesuré sa profondeur. Après avoir examiné de nombreux verres et procédés de meulage, Lambropoulos a proposé que la profondeur d'endommagement, en micromètres, se situe entre 0.3d^0.68 et 2d^0.85, où d représente la taille de l'abrasif en micromètres. Appliquée aux tailles courantes en lapidairerie :

Ces limites ont été établies pour le verre optique, et non pour le corindon ; elles indiquent donc une échelle plutôt que de prédire le comportement d’une pierre précieuse. Elles mettent néanmoins clairement en évidence un point : la limite supérieure est plus grande que la particule elle-même.

Des chercheurs du Laboratoire national Lawrence Livermore se sont alors intéressés à la nature des grains responsables des fissures les plus profondes. En mesurant les dommages causés à de la silice fondue broyée, Suratwala et ses collègues ont constaté que seule une petite fraction des grains, et notamment les plus gros, supporte une charge suffisante pour fracturer la surface. La taille des grains provoquant la fracture était environ dix fois supérieure à la taille moyenne des particules. Lors d'un test similaire, une suspension de 9 µm contaminée par seulement 0.1 % en poids de particules de 15 µm s'est fissurée plus profondément que la suspension pure de 9 µm, et même plus profondément qu'une suspension composée exclusivement de particules de 15 µm.

Les grains grossiers enlèvent également de la matière plus rapidement : lors du rodage fragile, le taux d’enlèvement augmente linéairement avec la taille de l’abrasif. Vitesse et endommagement sont les deux faces d’une même médaille.

Pour le lapidaire, la conséquence est directe : quelques grains grossiers égarés, accrochés à une spatule, un doigt ou un rodage mal nettoyé, peuvent anéantir tout un travail de précision. Maîtriser les grains les plus gros, grâce à une poudre de qualité et une pratique rigoureuse, est plus important que de raboter la moyenne.

Monocristallin ou polycristallin ?

Le diamant micronisé est commercialisé sous deux formes principales : des particules monocristallines, constituées d’un seul cristal, et des particules polycristallines composées de nombreux cristallites plus petits. Les comparaisons directes avec le corindon sont rares, mais un test contrôlé est accessible au public.

Dans un essai de rodage décrit dans le brevet américain n° 8 182 562, des plaquettes de saphir de 2 pouces de plan C ont été rodées sur une plaque composite cuivre/résine avec du diamant de 4 à 8 µm à raison de 10 carats pour 500 ml de suspension. Résultats :

Le diamant polycristallin a enlevé environ un tiers de matière en plus et a laissé une surface légèrement plus lisse. Ces chiffres doivent être interprétés avec prudence. Ils proviennent d'un seul test, n'ont pas fait l'objet d'une évaluation par les pairs, et le but du brevet était de promouvoir un troisième diamant modifié, plus performant que les deux précédents. Il est préférable de les considérer comme une incitation à tester la poudre polycristalline avant le polissage, et non comme un classement définitif.

Poudres, pâtes et films de rodage

Un même diamant peut atteindre la pierre sous trois formes différentes. Chacune gère différemment le problème des particules errantes.

Les films de rodage commerciaux sont constitués de particules abrasives à granulométrie précise, déposées sur un film polyester de 3 mils (environ 76 µm) d'épaisseur. Dans une étude sur les films de rodage publiée dans Annales du CIRPEvans et ses collègues ont démontré que le film abrasif polit la pièce sans altérer la géométrie de la plaque sous-jacente et qu'il peut fonctionner en mode de rupture fragile ou ductile. Deux conséquences en découlent pour la taille des gemmes : la planéité d'une facette est déterminée par la plaque, et non par l'uniformité de la charge du film abrasif ; de plus, comme les grains sont liés et non libres, ils ne peuvent pas se déplacer sur la surface de travail comme le feraient des grains libres.

Le film a ses limites. Il s'use et doit être remplacé, et sur une plaque plane, il convient mieux aux facettes et tables plates qu'aux dômes cabochons incurvés. Pour les lecteurs qui souhaitent examiner de plus près la construction, ce aperçu du film de rodage diamanté explique comment le diamant calibré est maintenu dans un liant résine sur un support PET, et comment le film diamanté se compare aux films abrasifs conventionnels.

Une séquence construite sur des preuves

Les résultats ci-dessus se résument à une règle de planification : chaque étape doit au moins éliminer les dommages causés par l’étape précédente. En prenant comme référence les limites supérieures du tableau des dommages, une séquence pour le corindon facetté pourrait se dérouler comme suit. Cet exemple illustre la logique ; il ne s’agit pas d’une méthode éprouvée, et les profondeurs calculées pour le verre sont une hypothèse pour le corindon.

1. Coupé à 15 µm. Arrêtez chaque facette légèrement avant ses points de jonction finaux, car les dommages en dessous peuvent atteindre environ 20 µm.
2. Pré-polissage à 6 µm. Éliminez plus de 20 µm avant de changer de granulométrie. Cette étape conserve jusqu'à environ 9 µm de matière propre.
3. Polir à 3 µm, puis finir à 1 µm ou plus fin. Chaque étape élimine la couche laissée par la précédente : environ 9 µm, puis environ 5 µm.

Pourquoi ne pas passer directement de 15 µm à 1 µm ? Lors du rodage fragile, la vitesse d'enlèvement de matière est proportionnelle à la taille de l'abrasif. Toutes choses égales par ailleurs, un grain de 1 µm éliminerait la couche endommagée de 20 µm environ quinze fois plus lentement qu'un grain de 15 µm n'enlève de la matière. Les grains intermédiaires ne sont pas un luxe ; ils constituent le moyen le plus rapide d'obtenir une surface impeccable.

Les pierres exceptionnelles imposent une contrainte avant même tout contact avec un abrasif. Dans le corindon étoilé, les trois séries d'inclusions aciculaires qui forment l'étoile se situent dans des plans parallèles à la face basale, c'est-à-dire perpendiculaires à l'axe c. Pour centrer l'étoile, le tailleur place donc le sommet du dôme sur l'axe c. Aucune étape de polissage ultérieure ne peut corriger une erreur commise à ce stade.

Les pierres traitées changent la donne

Une pierre précieuse remplie est composée de deux matériaux polis simultanément, et le matériau de remplissage se comporte rarement comme le matériau hôte.

Dans les rubis remplis de verre au plomb, les chercheurs du GIA ont constaté que ce verre était nettement plus tendre que le corindon ; ainsi, les différences de qualité de polissage peuvent révéler les fractures remplies. Le verre a commencé à suinter des fractures à 700 °C, son point de fusion se situant entre 600 et 700 °C, et une solution de décapage caustique l’a attaqué. Le limage et le polissage lors des tests de sertissage n’ont causé aucun dommage au remplissage, bien que seuls quelques rubis aient été testés.

L'émeraude remplie est plus fragile. Selon une étude du GIA portant sur 33 émeraudes remplies, le nettoyage aux ultrasons ou le trempage dans des solvants ont modifié l'apparence d'environ 29 d'entre elles. L'huile de bois de cèdre et l'Opticon non durci ont subi des modifications notables dans le bain à ultrasons, tandis que les remplissages durcis en surface et les remplissages durs se sont avérés les plus résistants.

Cela crée un véritable conflit à l'établi. Le nettoyage minutieux qui protège une pierre de qualité des particules indésirables est précisément ce qui peut altérer ou ternir un mastic. Pour les pierres traitées, un nettoyage manuel délicat entre les différentes granulométries constitue le compromis le plus sûr.

Conclusion

Le diamant Argyle Violet a perdu plus des deux tiers de son poids avant d'atteindre 2.83 carats. Pour les pierres de couleur dures, la qualité des diamants dépend moins de leur taille elle-même que de la précision de leur classification et de la fluidité du processus de taille.

Les preuves mettent en évidence trois habitudes à adopter. Lisez la distribution granulométrique en microns, et surtout sa limite supérieure, plutôt que l'étiquette du grain. Planifiez chaque étape de manière à corriger les dommages de la précédente. Considérez la présence d'un seul grain grossier comme la cause la plus probable d'un polissage raté, tout en gardant à l'esprit que les pierres traitées peuvent ne pas supporter le nettoyage qui empêche ce type de grain.

About the Author:

Jacida Sun Jacida est ingénieure commerciale chez Grish et possède cinq ans d'expérience dans le secteur du polissage de précision. Forte de sa connaissance des matériaux de polissage Grish, elle apporte un soutien technique produit concernant le choix des abrasifs, les performances des matériaux et les exigences d'application. Elle accompagne notamment les clients internationaux dans l'identification des matériaux adaptés et des solutions de polissage sur mesure pour diverses applications de finition de précision.