di Jacida Sun

La scelta dell'abrasivo diamantato da parte del tagliatore determina la quantità di materiale grezzo che sopravvive e la qualità della superficie finale. La ricerca condotta da laboratori gemmologici e di ingegneria ottica spiega il perché, trasformando diverse abitudini di officina in regole misurabili.

Introduzione

Nel 2015, la miniera Argyle di Rio Tinto nell'Australia Occidentale ha recuperato un diamante grezzo viola da 9.17 carati. Il maestro lucidatore di Argyle, Richard How Kim Kam, lo ha trasformato in un ovale da 2.83 carati, classificato dal GIA come Fancy Deep Greyish Bluish Violet. La pietra lucidata ha mantenuto il 30.9% del peso del grezzo e, secondo le stime del settore, il tempo di lavorazione è stato superiore alle 80 ore.

Ognuna di quelle ore rappresentava una decisione su dove rimuovere materiale e dove lasciarlo. Il diamante è il caso estremo, perché solo il diamante può abraderlo. La stessa questione si pone per le gemme colorate più dure: su rubino, zaffiro o crisoberillo, l'abrasivo determina quanta rugosità sopravvive, quanto piatta rimane una sfaccettatura e quanto fine può essere la superficie finale.

Questo articolo esamina la questione utilizzando dati pubblicati anziché conoscenze acquisite sul campo. La sua tesi centrale è che la proprietà più importante di un abrasivo diamantato non è la dimensione media delle particelle, bensì la dimensione delle particelle più grandi.

La durezza non è un numero

La scala di Mohs classifica i minerali in base alla loro durezza, ma non indica di quanto siano più duri di un materiale rispetto a un altro. I test di indentazione, invece, lo fanno: con un penetratore Knoop, Winchell ha misurato un valore di circa 2,000 sulla scala di Mohs e di circa 8,000 sul diamante. Il singolo gradino intermedio sulla scala di Mohs nasconde una differenza di circa quattro volte, motivo per cui il diamante è l'abrasivo più adatto per il corindone.

La durezza è solo una parte del problema. Al tornio, la sfaldatura, la struttura dei grani e l'orientamento dei cristalli sono spesso fattori più importanti.

Il corindone dimostra che anche una pietra senza sfaldatura presenta direzioni di avanzamento rapido e lento. In uno studio di lucidatura chimico-meccanica su quattro piani di zaffiro, Cao e colleghi hanno misurato 5.93 nm/min sul piano C (il piano basale) e 2.47 nm/min sul piano R: una differenza di 2.4 volte in condizioni identiche. Uno studio precedente condotto presso la Rutgers University aveva anch'esso riscontrato la rimozione più rapida sul piano C dello zaffiro.

Entrambi gli studi hanno utilizzato processi industriali su wafer con sospensioni di silice o allumina, non diamante su una mola per sfaccettatura, quindi la loro classificazione dei piani non dovrebbe essere applicata direttamente in laboratorio. La lezione generale, tuttavia, rimane valida: lo stesso abrasivo può tagliare una sfaccettatura più del doppio più velocemente di quella adiacente.

Cosa specifica effettivamente un grado di micron

Gli abrasivi diamantati sono classificati secondo due sistemi. Le grane più grossolane vengono calibrate con setacci secondo le norme ANSI B74.16 e ISO 6106, e la granulometria più fine, 325/400 mesh, corrisponde a circa 44-37 µm. Al di sotto di tale granulometria, i setacci smettono di funzionare. Le polveri più fini, di dimensioni "microniche", sono classificate secondo la norma ANSI B74.20, con metodi diversi dalla setacciatura.

La granulometria in micron indica quindi una distribuzione, non una dimensione. La norma ANSI B74.20 la definisce con diversi limiti. Per una polvere da 2–4 ​​µm, questi sono:

• D5 almeno 2.0 µm (il 95% delle particelle sono più grossolane)
• D50 di 3.0 ± 0.3 µm (mediana)
• D95 al massimo 4.0 µm (il 95% delle particelle è più fine)
• D99.9 al massimo 9.0 µm (il limite superiore per le particelle più grandi)

L'ultima riga merita attenzione. Una polvere venduta come "3 micron" può, entro i limiti dello standard, contenere particelle di dimensioni tre volte superiori. La sezione successiva spiega perché queste particelle rare siano più importanti della mediana.

Figura 1. Requisiti percentili per l'esempio di polvere da 2–4 ​​µm nella norma ANSI B74.20. Immagine per gentile concessione di Jacida Sun.

I valori di "granulometria" superiori a circa 400 non corrispondono alle dimensioni dei setacci. Ad esempio, la tabella di un fornitore equipara "3000" a 4-8 µm e "8000" a 2-4 µm. Poiché tali etichette sono convenzioni e non standard, l'intervallo di micron è il valore da confrontare tra i diversi prodotti.

Perché la particella più grande è la più importante

Ogni granello che taglia un materiale fragile lo incrina anche. Sotto i graffi visibili si cela uno strato di microfratture noto come danno sottosuperficiale, e gli ingegneri ottici considerano essenziale la sua rimozione durante la lucidatura.

Hanno anche misurato la profondità del danno. Esaminando molti vetri e processi di molatura, Lambropoulos ha proposto che la profondità del danno, in micrometri, sia compresa tra 0.3d^0.68 e 2d^0.85, dove d è la dimensione dell'abrasivo in micrometri. Applicato alle dimensioni comuni per la lavorazione delle pietre:

Questi limiti sono stati ricavati per il vetro ottico, non per il corindone, quindi indicano la scala piuttosto che prevedere il comportamento di una gemma. Tuttavia, chiariscono un punto fondamentale: il limite superiore è maggiore della particella stessa.

I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory si sono quindi chiesti quali grani causassero le crepe più profonde. Misurando i danni nella silice fusa macinata, Suratwala e colleghi hanno scoperto che solo una piccola frazione di grani sopporta un carico sufficiente a fratturare la superficie, e che questi sono i grani più grandi. I grani che causano effettivamente la frattura avevano una dimensione circa dieci volte superiore alla dimensione media delle particelle. In un test correlato, una sospensione di 9 µm contaminata con solo lo 0.1% in peso di particelle da 15 µm si è fratturata più profondamente della sospensione pulita di 9 µm, e persino più profondamente di una sospensione composta interamente da particelle da 15 µm.

I grani grossi rimuovono anche il materiale più velocemente: nella lappatura fragile, la velocità di asportazione aumenta linearmente con la dimensione dell'abrasivo. Velocità e danneggiamento sono due facce della stessa medaglia.

Per il lapidario, l'implicazione è diretta. Pochi granelli grossolani, trasportati da un tampone, un dito o un disco non ben pulito, possono compromettere un'intera fase di lavorazione di precisione. Controllare la parte finale della distribuzione granulometrica, attraverso una buona polvere e una pratica pulita, è più importante che radere il valore mediano.

Monocristallino o policristallino?

Il diamante micronizzato viene venduto in due strutture principali: particelle monocristalline, ciascuna costituita da un singolo cristallo, e particelle policristalline formate da molti cristalliti più piccoli. I confronti diretti con il corindone sono rari, ma è disponibile al pubblico un test controllato.

In una prova di lappatura riportata nel brevetto statunitense n. 8,182,562, wafer di zaffiro da 2 pollici con orientamento C-plane sono stati lappati su una piastra composita rame/resina con diamante da 4-8 µm a 10 carati per 500 ml di sospensione. I risultati:

Il diamante policristallino ha rimosso circa un terzo di materiale in più, lasciando una superficie leggermente più liscia. Questi dati vanno interpretati con cautela. Provengono da un singolo test, non sono stati sottoposti a revisione paritaria e lo scopo del brevetto era quello di promuovere un terzo diamante modificato che superasse entrambi. È meglio considerarli come un motivo per provare la polvere policristallina nella fase di pre-lucidatura, non come una classifica definitiva.

Polveri, paste e pellicole per lappatura

Lo stesso diamante può raggiungere la pietra in tre forme. Ognuna di esse affronta il problema delle particelle anomale in modo diverso.

La pellicola per lappatura commerciale è costituita da particelle abrasive di granulometria precisa rivestite su una pellicola di poliestere spessa 3 mil (circa 76 µm). In uno studio sulle lappature a base di pellicola pubblicato in Annali CIRPEvans e colleghi hanno dimostrato che la pellicola abrasiva leviga o lucida il pezzo senza alterare la geometria della piastra sottostante e che può operare in modalità a due corpi, sia fragile che duttile. Per il taglio delle gemme, ne conseguono due conseguenze. La planarità di una sfaccettatura è determinata dalla piastra, non dall'uniformità della carica abrasiva. Inoltre, poiché i grani sono legati tra loro anziché liberi, non possono spostarsi sulla superficie di lavoro come farebbero i grani liberi.

La pellicola ha dei limiti. Si usura e deve essere sostituita, e su una lastra piana si adatta a sfaccettature e tavoli piatti piuttosto che a cupole cabochon curve. Per i lettori che desiderano uno sguardo più ravvicinato alla costruzione, questo Panoramica della pellicola per lappatura diamantata Spiega come il diamante selezionato viene fissato in un legante di resina su un supporto in PET e come la pellicola diamantata si confronta con le pellicole abrasive convenzionali.

Una sequenza costruita sulle prove

I risultati sopra riportati si riducono a una regola di pianificazione: ogni fase deve rimuovere almeno il danno lasciato dalla fase precedente. Prendendo come riferimento prudenziale i limiti superiori della tabella dei danni, una sequenza per il corindone sfaccettato potrebbe essere la seguente. Illustra la logica; non si tratta di una procedura collaudata e le profondità derivate dal vetro sono un'ipotesi per il corindone.

1. Taglio a 15 µm. Fermare ciascuna sfaccettatura leggermente prima del suo incontro finale, perché il danno sottostante potrebbe raggiungere circa 20 µm.
2. Pre-lucidatura a 6 µm. Rimuovere più di 20 µm prima di cambiare grado. Questa fase lascia uno spessore residuo di circa 9 µm.
3. Lucidare a 3 µm, quindi rifinire a 1 µm o più fine. Ogni passaggio rimuove lo strato lasciato da quello precedente: circa 9 µm, poi circa 5 µm.

Perché non passare direttamente da 15 µm a 1 µm? Nella lappatura fragile, la velocità di asportazione del materiale è direttamente proporzionale alla granulometria dell'abrasivo. A parità di altre condizioni, una grana da 1 µm rimuoverebbe lo strato danneggiato di 20 µm circa quindici volte più lentamente di quanto una grana da 15 µm rimuova il materiale. Le grane intermedie non sono un lusso; rappresentano la via più rapida per ottenere una superficie impeccabile.

Le pietre fenomenali impongono un vincolo prima ancora che qualsiasi abrasivo le tocchi. Nel corindone stellato, le tre serie di inclusioni aghiformi che formano la stella giacciono su piani paralleli alla superficie basale, ovvero perpendicolari all'asse c. Per centrare la stella, l'operatore posiziona quindi l'apice della cupola sull'asse c. Nessun successivo passaggio di lucidatura può correggere un errore commesso in questa fase.

Le pietre trattate cambiano le regole

Una gemma riempita è composta da due materiali lucidati contemporaneamente, e il materiale di riempimento raramente si comporta come il materiale ospite.

Nei rubini riempiti con vetro al piombo, i ricercatori del GIA hanno scoperto che il vetro è significativamente più morbido del corindone, quindi le differenze nella qualità della lucidatura possono rivelare fratture riempite. Il vetro ha iniziato a trasudare dalle fratture a 700 °C, con un punto di fusione compreso tra 600 e 700 °C, e una soluzione di decapaggio caustica lo ha corroso. La limatura e la lucidatura durante le prove di incastonatura non hanno causato danni al materiale di riempimento, sebbene siano state testate solo poche pietre.

Gli smeraldi con riempimento sono più delicati. In uno studio del GIA su 33 smeraldi con riempimento, la pulizia a ultrasuoni o l'immersione in solventi hanno modificato l'aspetto di circa 29 di essi. L'olio di cedro e l'Opticon non indurito hanno subito cambiamenti evidenti nel bagno a ultrasuoni, mentre i riempitivi induriti in superficie e quelli duri si sono dimostrati i più resistenti.

Questo crea un vero e proprio conflitto in laboratorio. La pulizia accurata che protegge una fase di lavorazione fine da particelle indesiderate è proprio ciò che può opacizzare o rovinare un riempitivo. Per le pietre trattate, una delicata pulizia manuale tra una fase e l'altra rappresenta il compromesso più sicuro.

Conclusione

Il diamante Argyle Violet ha perso più di due terzi del suo peso prima di diventare una gemma da 2.83 carati. Nel caso di pietre dure e colorate, il margine tra una buona resa e una scarsa non è determinato tanto dal diamante in sé, quanto dalla precisione con cui viene classificato e dalla fluidità con cui ogni fase del processo si sussegue alla successiva.

Le prove indicano tre abitudini. Leggete la distribuzione dei micron, e soprattutto il suo limite superiore, piuttosto che l'etichetta della grana. Pianificate ogni fase in modo da eliminare i danni della fase precedente. Considerate un singolo grano grossolano isolato come la causa più probabile di una lucidatura rovinata, ricordando che le pietre trattate potrebbero non tollerare la pulizia che la previene.

Circa l'autore:

Jacida Sun Jacida è un'ingegnere commerciale presso Grish con cinque anni di esperienza nel settore della lucidatura di precisione. Grazie alla sua conoscenza dei materiali di lucidatura Grish, fornisce supporto tecnico sui prodotti, in particolare sulla selezione degli abrasivi, sulle prestazioni dei materiali e sui requisiti di applicazione. Il suo lavoro include l'assistenza ai clienti internazionali nell'individuazione di materiali adatti e soluzioni di lucidatura personalizzate per una vasta gamma di applicazioni di finitura di precisione.