oleh Jacida Sun

Pilihan bahan abrasif berlian oleh seorang pemotong menentukan seberapa banyak bahan kasar yang tersisa dan seberapa baik permukaan akhir yang dapat dihasilkan. Penelitian dari laboratorium permata dan teknik optik menjelaskan alasannya, dan mengubah beberapa kebiasaan di bengkel menjadi aturan yang terukur.

Pengantar

Pada tahun 2015, tambang Argyle milik Rio Tinto di Australia Barat menemukan bongkahan batu permata ungu seberat 9.17 karat. Pemoles ahli Argyle, Richard How Kim Kam, mengubahnya menjadi batu oval seberat 2.83 karat yang diberi peringkat Fancy Deep Greyish Bluish Violet oleh GIA. Batu yang telah dipoles mempertahankan 30.9% dari berat bongkahan batu tersebut, dan laporan perdagangan menyebutkan waktu pemotongannya lebih dari 80 jam.

Setiap jam tersebut merupakan keputusan tentang di mana material harus dihilangkan dan di mana harus dibiarkan. Berlian adalah kasus ekstrem, karena hanya berlian yang dapat mengikisnya. Pertanyaan yang sama berlaku untuk permata berwarna terkeras: pada rubi, safir, atau krisoberil, bahan abrasif menentukan seberapa banyak bahan kasar yang tersisa, seberapa rata permukaan yang dihasilkan, dan seberapa halus permukaan akhirnya.

Artikel ini mengkaji pertanyaan tersebut dengan data yang telah dipublikasikan, bukan berdasarkan pengalaman di bengkel. Argumen utamanya adalah bahwa sifat terpenting dari bahan abrasif intan bukanlah ukuran partikel rata-ratanya, melainkan partikel terbesarnya.

Kekerasan bukanlah satu angka.

Skala Mohs mengklasifikasikan mineral berdasarkan seberapa keras suatu mineral menggores mineral lainnya. Skala ini tidak menunjukkan seberapa keras suatu mineral dibandingkan mineral lainnya. Uji indentasi dapat menjelaskannya: dengan alat indentasi Knoop, Winchell mengukur korundum sekitar 2,000 dan intan sekitar 8,000. Perbedaan satu tingkat Mohs di antara keduanya menyembunyikan perbedaan sekitar empat kali lipat, itulah sebabnya intan merupakan bahan abrasif yang praktis untuk korundum.

Kekerasan hanyalah sebagian dari masalah. Di mesin gerinda, belahan, struktur butir, dan arah kristal seringkali lebih penting.

Korundum menunjukkan bahwa bahkan batu tanpa belahan pun memiliki arah pengikisan yang cepat dan lambat. Dalam sebuah studi pemolesan mekanik kimia pada empat bidang safir, Cao dan rekan-rekannya mengukur 5.93 nm/menit pada bidang C (bidang dasar) dan 2.47 nm/menit pada bidang R: perbedaan 2.4 kali lipat dalam kondisi yang identik. Sebuah studi sebelumnya di Universitas Rutgers juga menemukan bahwa pengikisan paling cepat terjadi pada safir bidang C.

Kedua studi tersebut menggunakan proses wafer industri dengan bubur silika atau alumina, bukan intan pada lap pemotong, sehingga peringkat bidang yang mereka buat tidak dapat langsung diterapkan di meja kerja. Namun, pelajaran umumnya tetap berlaku: bahan abrasif yang sama dapat memotong satu bidang lebih dari dua kali lebih cepat daripada bidang sebelahnya.

Apa sebenarnya yang dimaksud dengan ukuran mikron?

Bahan abrasif intan diklasifikasikan dalam dua tingkatan. Butiran kasar diayak menggunakan saringan sesuai standar ANSI B74.16 dan ISO 6106, dan ukuran saringan terkecil, 325/400 mesh, setara dengan sekitar 44–37 ​​µm. Di bawah ukuran tersebut, saringan tidak lagi efektif. Bubuk "mikron" yang lebih halus diklasifikasikan sesuai standar ANSI B74.20, dengan metode selain pengayakan.

Oleh karena itu, ukuran mikron adalah distribusi, bukan ukuran. ANSI B74.20 mendefinisikannya dengan beberapa batasan. Untuk bubuk berukuran 2–4 µm, batasannya adalah:

• D5 minimal 2.0 µm (95% partikel lebih kasar)
• D50 sebesar 3.0 ± 0.3 µm (nilai median)
• D95 paling besar 4.0 µm (95% partikel lebih halus)
• D99.9 paling besar 9.0 µm (batas atas untuk partikel terbesar)

Baris terakhir patut diperhatikan. Bubuk yang dijual sebagai "3 mikron" dapat, dalam standar yang berlaku, mengandung partikel tiga kali lebih besar dari ukuran tersebut. Bagian selanjutnya menjelaskan mengapa partikel langka tersebut lebih penting daripada ukuran rata-rata.

Gambar 1. Persyaratan persentil untuk contoh bubuk 2–4 µm dalam ANSI B74.20. Gambar milik Jacida Sun.

Angka "kekasaran" lapidari di atas sekitar 400 bukanlah ukuran saringan. Misalnya, bagan dari salah satu pemasok menyamakan "3000" dengan 4–8 µm dan "8000" dengan 2–4 µm. Karena label tersebut merupakan konvensi dan bukan standar, rentang mikron adalah angka yang digunakan untuk membandingkan antar produk.

Mengapa partikel terbesar paling penting?

Setiap butiran yang memotong material rapuh juga akan membuatnya retak. Di bawah goresan yang terlihat terdapat lapisan retakan mikro yang dikenal sebagai kerusakan bawah permukaan, dan para insinyur optik menganggap penghilangan lapisan ini selama pemolesan sebagai hal yang penting.

Mereka juga telah mengukur seberapa dalam kerusakannya. Dengan meninjau banyak kaca dan proses penggilingan, Lambropoulos mengusulkan bahwa kedalaman kerusakan, dalam mikrometer, berada antara 0.3d^0.68 dan 2d^0.85, di mana d adalah ukuran abrasif dalam mikrometer. Diterapkan pada ukuran lapidari umum:

Batasan-batasan ini diturunkan untuk kaca optik, bukan korundum, jadi batasan ini menunjukkan skala dan bukan memprediksi perilaku batu permata. Namun, batasan ini tetap menegaskan satu hal dengan jelas: batas atas lebih besar daripada partikel itu sendiri.

Para peneliti di Lawrence Livermore National Laboratory kemudian bertanya butiran mana yang menyebabkan retakan terdalam. Dengan mengukur kerusakan pada silika leburan yang digiling, Suratwala dan rekan-rekannya menemukan bahwa hanya sebagian kecil butiran yang membawa beban yang cukup untuk memecahkan permukaan, dan butiran-butiran tersebut adalah yang berukuran lebih besar. Butiran yang secara efektif menyebabkan retakan berukuran sekitar sepuluh kali ukuran partikel rata-rata. Dalam uji terkait, bubur 9 µm yang terkontaminasi hanya dengan 0.1% berat partikel 15 µm retak lebih dalam daripada bubur 9 µm yang bersih, dan bahkan lebih dalam daripada bubur yang seluruhnya terbuat dari partikel 15 µm.

Butiran kasar juga menghilangkan material lebih cepat: dalam proses pengamplasan yang rapuh, laju penghilangan material meningkat secara linier dengan ukuran abrasif. Kecepatan dan kerusakan adalah dua sisi dari butiran yang sama.

Bagi pengrajin batu permata, implikasinya sangat jelas. Beberapa butir kasar yang terbawa oleh alat pengasah, jari, atau lap yang tidak dibersihkan dengan baik, dapat merusak seluruh tahap pengolahan halus. Mengontrol bagian ujung distribusi ukuran, melalui bubuk yang baik dan praktik yang bersih, lebih penting daripada memangkas bagian tengahnya.

Monokristalin atau polikristalin?

Berlian mikron dijual dalam dua struktur utama: partikel monokristalin, yang masing-masing merupakan kristal tunggal, dan partikel polikristalin yang dibangun dari banyak kristalit yang lebih kecil. Perbandingan langsung dengan korundum masih langka, tetapi satu uji terkontrol telah dipublikasikan.

Dalam uji pengasahan yang dilaporkan dalam Paten AS 8,182,562, wafer safir bidang C 2 inci diasah pada pelat komposit tembaga/resin dengan intan 4–8 µm pada 10 karat per 500 ml bubur. Hasilnya:

Berlian polikristalin menghilangkan sekitar sepertiga lebih banyak material dan menghasilkan permukaan yang sedikit lebih halus. Angka-angka ini perlu dibaca dengan cermat. Angka-angka ini berasal dari satu pengujian, tidak ditinjau oleh rekan sejawat, dan tujuan paten tersebut adalah untuk mempromosikan berlian ketiga yang dimodifikasi yang mengungguli keduanya. Angka-angka ini sebaiknya dibaca sebagai alasan untuk mencoba bubuk polikristalin pada tahap pra-pemolesan, bukan sebagai peringkat yang sudah pasti.

Bubuk, pasta, dan film pengasah

Berlian yang sama dapat mencapai batu tersebut dalam tiga bentuk. Masing-masing menangani masalah partikel pengganggu dengan cara yang berbeda.

Film pengasah komersial terdiri dari partikel abrasif dengan gradasi presisi yang dilapisi pada film poliester setebal 3 mil (sekitar 76 µm). Dalam sebuah studi tentang pengasah berbasis film yang diterbitkan di Catatan CIRPEvans dan rekan-rekannya menunjukkan bahwa lapisan abrasif mengikis atau memoles benda kerja tanpa mengubah geometri pelat di bawahnya, dan bahwa lapisan tersebut dapat beroperasi dalam mode dua benda yang rapuh atau ulet. Dua konsekuensi berikut muncul untuk pemotongan permata. Kerataan faset ditentukan oleh pelat, bukan oleh seberapa merata lapisan abrasif tersebut diisi. Dan karena butiran-butiran tersebut terikat dan bukan terpisah, butiran-butiran tersebut tidak dapat bergerak bebas di permukaan kerja seperti halnya butiran-butiran yang terpisah.

Film memiliki keterbatasan. Film akan aus dan harus diganti, dan pada pelat datar, film lebih cocok untuk permukaan datar dan meja daripada kubah cabochon yang melengkung. Bagi pembaca yang ingin melihat lebih dekat konstruksinya, ini Gambaran umum film pengasah berlian Menjelaskan bagaimana berlian bertingkat ditahan dalam pengikat resin pada alas PET, dan bagaimana film berlian dibandingkan dengan film abrasif konvensional.

Rangkaian peristiwa yang dibangun berdasarkan bukti.

Temuan di atas dapat diringkas menjadi satu aturan perencanaan: setiap tahap harus menghilangkan setidaknya kerusakan yang ditinggalkan oleh tahap sebelumnya. Dengan mengambil batas atas dari tabel kerusakan sebagai panduan konservatif, urutan untuk korundum segi dapat berjalan sebagai berikut. Ini menggambarkan logikanya; ini bukan resep yang telah diuji, dan kedalaman yang diperoleh dari kaca adalah asumsi untuk korundum.

1. Dipotong pada ukuran 15 µm. Hentikan setiap sisi sedikit sebelum mencapai titik pertemuan terakhirnya, karena kerusakan di bawahnya dapat mencapai sekitar 20 µm.
2. Lakukan pemolesan awal pada 6 µm. Buang lebih dari 20 µm sebelum mengubah gradasi. Tahap ini menyisakan hingga sekitar 9 µm dari ukuran aslinya.
3. Poles pada ukuran 3 µm, lalu selesaikan pada ukuran 1 µm atau lebih halus. Setiap langkah membersihkan lapisan yang ditinggalkan oleh langkah sebelumnya: sekitar 9 µm, lalu sekitar 5 µm.

Mengapa tidak langsung melompat dari 15 µm ke 1 µm? Dalam proses pengamplasan permukaan yang rapuh, laju pengangkatan material berbanding lurus dengan ukuran abrasif. Dengan asumsi semua faktor lain sama, abrasif berukuran 1 µm akan membersihkan lapisan kerusakan 20 µm sekitar lima belas kali lebih lambat daripada abrasif berukuran 15 µm dalam menghilangkan material. Ukuran abrasif menengah bukanlah kemewahan; itu adalah cara tercepat untuk mendapatkan permukaan yang sempurna.

Batu-batu fenomenal menambahkan batasan sebelum bahan abrasif menyentuhnya. Pada korundum bintang, tiga rangkaian inklusi jarum yang membentuk bintang terletak pada bidang yang sejajar dengan permukaan dasar, yaitu, tegak lurus terhadap sumbu c. Untuk memusatkan bintang, pemotong menempatkan puncak kubah pada sumbu c. Tidak ada tahap pemolesan selanjutnya yang dapat memperbaiki kesalahan yang dibuat di sini.

Batu yang diolah mengubah aturan mainnya.

Batu permata yang diisi adalah gabungan dua material yang dipoles sekaligus, dan bahan pengisi jarang berperilaku seperti bahan induknya.

Pada batu rubi yang diisi kaca timbal, para peneliti GIA menemukan bahwa kaca tersebut jauh lebih lunak daripada korundum, sehingga perbedaan kualitas pemolesan dapat mengungkapkan retakan yang diisi. Kaca mulai keluar dari retakan pada suhu 700 °C, dengan titik leleh antara 600 dan 700 °C, dan larutan pengawet kaustik mengikisnya. Pengikiran dan pemolesan selama pengujian pemasangan tidak menyebabkan kerusakan pada bahan pengisi, meskipun hanya beberapa batu yang diuji.

Emerald yang diisi lebih rapuh. Dalam sebuah studi GIA terhadap 33 emerald yang diisi, pembersihan ultrasonik atau perendaman dalam pelarut mengubah penampilan sekitar 29 emerald. Minyak kayu cedar dan Opticon yang tidak dikeraskan berubah secara signifikan dalam bak ultrasonik, sementara emerald yang dikeraskan permukaannya dan yang diisi dengan bahan keras terbukti paling tahan lama.

Hal ini menciptakan konflik nyata di meja kerja. Pembersihan menyeluruh yang melindungi permukaan halus dari partikel-partikel yang tidak diinginkan justru dapat mengikis atau mengaburkan lapisan pengisi. Untuk batu yang telah diolah, pembersihan manual yang lembut di antara setiap tingkatan adalah kompromi yang lebih aman.

Kesimpulan

Berlian Argyle Violet kehilangan lebih dari dua pertiga beratnya dalam proses menjadi permata seberat 2.83 karat. Pada batu permata berwarna keras, perbedaan antara hasil yang baik dan yang buruk lebih ditentukan oleh seberapa tepat berlian tersebut dinilai dan seberapa lancar setiap tahap beralih ke tahap berikutnya, daripada oleh kualitas berlian itu sendiri.

Bukti menunjukkan tiga kebiasaan. Perhatikan distribusi mikron, dan terutama batas atasnya, daripada label kekasaran. Rencanakan setiap tahap untuk menghilangkan kerusakan dari tahap sebelumnya. Anggap satu butiran kasar yang menyimpang sebagai penyebab paling mungkin dari polesan yang rusak, sambil mengingat bahwa batu yang telah diolah mungkin tidak tahan terhadap pembersihan yang mencegahnya.

Tentang Penulis:

Jacida Sun Jacida adalah Sales Engineer di Grish dengan pengalaman lima tahun di industri pemolesan presisi. Dengan memanfaatkan pengetahuannya tentang material pemoles Grish, Jacida memberikan dukungan teknis terkait produk mengenai pemilihan abrasif, kinerja material, dan persyaratan aplikasi. Pekerjaan ini mencakup membantu pelanggan internasional mengidentifikasi material yang sesuai dan solusi pemolesan yang disesuaikan untuk berbagai aplikasi penyelesaian presisi.