מאת ג'סידה סאן

בחירת חומר הליטוש של היהלום על ידי חותך היא שתקבע כמה גלם ישרוד וכמה טוב יהיה המשטח הסופי. מחקרים ממעבדות אבני חן והנדסה אופטית מסבירים מדוע, והופכים מספר הרגלי סדנה לכללים מדידים.

מבוא

בשנת 2015, מכרה ארגייל של ריו טינטו במערב אוסטרליה הפיג אבן גולמית סגולה במשקל 9.17 קרט. ריצ'רד האו, קים קאם, מלטש את האבן לאובלס במשקל 2.83 קרט, שדירג את ה-GIA כסגול כחלחל אפור עמוק מפואר (Fancy Deep Greyish Blueish Violet). האבן המלוטשת שמרה על 30.9% ממשקל הגולמי, ודיווחים מסחריים מעריכים את זמן החיתוך ביותר מ-80 שעות.

כל אחת מאותן שעות הייתה החלטה היכן להסיר חומר והיכן להשאיר אותו. יהלום הוא המקרה הקיצוני, כי רק יהלום יכול לשפשף אותו. אותה שאלה שולטת באבני חן בצבעים הקשים ביותר: באובן, ספיר או כריסובריל, החומר השוחק קובע כמה חומר גלם שורד, כמה שטוח נשאר הפן, וכמה עדין יכול להיות פני השטח הסופיים.

מאמר זה בוחן שאלה זו באמצעות נתונים שפורסמו ולא באמצעות ידע סדנא. טענתו המרכזית היא שהתכונה החשובה ביותר של חומר שיוף יהלום אינה גודל החלקיקים הממוצע שלו, אלא החלקיקים הגדולים ביותר שלו.

קשיות אינה מספר אחד

סולם מוס מדרג מינרלים לפי אילו מינרלים מגרדים. הוא לא מציין כמה קשה אחד מהם מאחר. בדיקות שקע אכן קשות: בעזרת שקע קנופ, וינצ'ל מדד קורונדום בכ-2,000 ויהלום בכ-8,000. מרווח מוס היחיד ביניהם מסתיר פער של פי ארבעה בערך, ולכן יהלום הוא חומר השוחק המעשי לקורונדום.

קשיות היא גם רק חלק מהבעיה. בגלגל, המחשוף, מבנה הגרעינים וכיוון הגביש לרוב חשובים יותר.

קורונדום מראה שגם לאבן ללא ביקוע יש כיוונים מהירים ואיטיים. במחקר ליטוש כימי-מכני של ארבעה מישורי ספיר, קאו ועמיתיו מדדו 5.93 ננומטר/דקה במישור C (המישור הבסיסי) ו-2.47 ננומטר/דקה במישור R: הבדל פי 2.4 בתנאים זהים. מחקר קודם באוניברסיטת ראטגרס מצא גם את ההסרה המהירה ביותר בספיר במישור C.

שני המחקרים השתמשו בתהליכים תעשייתיים של ופלים עם תרחיפים של סיליקה או אלומינה, ולא ביהלום על גבי חיתוך פאסאטי, כך שאין להעביר את דירוג המישורים ישירות לשולחן העבודה. הלקח הכללי אכן עובר הלאה: אותו חומר שיוף יכול לחתוך פאסאטיה אחת מהר יותר מפי שניים מהפאסאטיה השכנה.

מה באמת מפרט דירוג מיקרון

חומרי שיוף יהלום מדורגים בשני משגרי גודל. גרגירים גסים מדורגים באמצעות נפות לפי ANSI B74.16 ו-ISO 6106, ודרגת הנפה העדינה ביותר, רשת 325/400, מתאימה לכ-44-37 מיקרון. מתחת לכך, הנפות מפסיקות לפעול. אבקות "מיקרון" עדינות יותר מדורגות לפי ANSI B74.20, בשיטות שאינן ניפוי.

לכן, דרגת מיקרון היא התפלגות, לא גודל. ANSI B74.20 מגדיר אותה עם מספר מגבלות. עבור אבקה בגודל 2-4 מיקרומטר הן:

• D5 לפחות 2.0 מיקרומטר (95% מהחלקיקים גסים יותר)
• D50 של 3.0 ± 0.3 מיקרומטר (החציון)
• D95 לכל היותר 4.0 מיקרומטר (95% מהחלקיקים עדינים יותר)
• D99.9 לכל היותר 9.0 מיקרומטר (הגבול העליון עבור החלקיקים הגדולים ביותר)

השורה האחרונה ראויה לתשומת לב. אבקה הנמכרת כ"3 מיקרון" יכולה, במסגרת התקן, להכיל חלקיקים בגודל פי שלושה מכך. הסעיף הבא מסביר מדוע חלקיקים נדירים אלה חשובים יותר מהחציון.

מספרי "גריט" לפידריים מעל כ-400 אינם גדלי מסננות. טבלת ספק אחת, למשל, משווה "3000" ל-4-8 מיקרון ו-"8000" ל-2-4 מיקרון. מכיוון שתוויות כאלה הן מוסכמות ולא סטנדרטים, טווח המיקרונים הוא המספר להשוואה בין מוצרים.

למה החלקיק הגדול ביותר חשוב ביותר

כל גרגר שחותך חומר שביר גם גורם לו לסדק. מתחת לשריטות הנראות לעין שוכנת שכבה של סדקים זעירים המכונים נזק תת-קרקעי, ומהנדסי אופטיקה מתייחסים להסרתם במהלך הליטוש כחיוני.

הם גם מדדו את עומק הנזק. לאחר סקירת תהליכי זכוכית והשחזה רבים, למברופולוס הציע שעומק הנזק, במיקרומטרים, נע בין 0.3d^0.68 ל-2d^0.85, כאשר d הוא גודל הליטוש במיקרומטרים. בהחיל על גדלי לפידריים נפוצים:

גבולות אלה נגזרו עבור זכוכית אופטית, לא עבור קורונדום, ולכן הם מצביעים על קנה מידה ולא חוזים את התנהגותה של אבן חן. הם עדיין מדגישים נקודה אחת בבירור: הגבול העליון גדול יותר מהחלקיק עצמו.

חוקרים במעבדה הלאומית לורנס ליברמור שאלו לאחר מכן אילו גרגירים גורמים לסדקים העמוקים ביותר. במדידת נזק בסיליקה מותכת טחונה, סוראטוואלה ועמיתיו מצאו שרק חלק קטן מהגרגירים נושא עומס מספיק כדי לשבור את פני השטח, וכי אלו הם הגדולים יותר. הגרגירים שגורמים למעשה לשבר היו בערך פי עשרה מגודל החלקיקים הממוצע. בניסוי קשור, תרחיף של 9 מיקרומטר שזוהם ב-0.1% משקלי בלבד של חלקיקים של 15 מיקרומטר נסדק עמוק יותר מהתרחיף הנקי של 9 מיקרומטר, ואף עמוק יותר מתרחיף העשוי כולו מחלקיקים של 15 מיקרומטר.

גרגירים גסים גם מסירים חומר מהר יותר: בליטוש שביר, קצב ההסרה עולה באופן ליניארי עם גודל השוחק. מהירות ונזק הן שתי פנים של אותו גרגיר.

עבור הלפידר, המשמעות היא ישירה. כמה גרגירים גסים תועים, הנישאים על גבי אבק, אצבע או חפיפה שלא נוקתה כראוי, יכולים לפרק שלב עדין שלם. שליטה בזנב התפלגות הגודל, באמצעות אבקה טובה ותרגול נקי, חשובה יותר מגילוח החציון.

מונוקריסטלי או פוליקריסטלי?

יהלומי מיקרון נמכרים בשני מבנים עיקריים: חלקיקים חד-קריסטליים, כל אחד גביש בודד, וחלקיקים רב-קריסטליים הבנויים מגביליטים קטנים רבים. השוואות ישירות על קורונדום הן נדירות, אך בדיקה מבוקרת אחת זמינה לציבור.

בניסוי ליקוק שדווח בפטנט אמריקאי 8,182,562, פרוסות ספיר במישור C בגודל 2 אינץ' לוקחו על לוח נחושת/שרף מרוכב עם יהלום של 4-8 מיקרומטר במשקל של 10 קראט לכל 500 מ"ל של תרחיף. התוצאות:

יהלום פוליקריסטלי הסיר כשליש יותר חומר והותיר משטח חלק מעט יותר. נתונים אלה דורשים קריאה מדוקדקת. הם מגיעים מבדיקה אחת, הם לא עברו ביקורת עמיתים, ומטרת הפטנט הייתה לקדם יהלום שלישי, שעבר שינוי, שינצח את שניהם. עדיף לקרוא אותם כסיבה לניסיון אבקה פוליקריסטלית בשלב טרום הליטוש, ולא כדירוג קבוע.

אבקות, משחות וסרט ליקוק

אותו יהלום יכול להגיע לאבן בשלוש צורות. כל אחת מהן מטפלת בבעיית החלקיקים הנוכלים בצורה שונה.

סרט חיפוי מסחרי מורכב מחלקיקי שוחקים מדורגים במדויק המצופים על סרט פוליאסטר בעובי של כ-76 מיקרומטר. במחקר של חיפויים מבוססי סרט שפורסם ב... תולדות CIRPאוונס ועמיתיו הראו ששכבת השחיקה מלטשת את החומר מבלי לשנות את הגיאומטריה של הפלטה שמתחתיה, ושהיא יכולה לפעול במצב דו-גופי שביר או גמיש. שתי השלכות נובעות מחיתוך אבני חן. שטוחות הפאות נקבעת על ידי הפלטה, לא על ידי מידת הטעינה השווה של הליטוש. ומכיוון שהגרגירים קשורים ולא רופפים, הם אינם יכולים לנדוד על פני משטח העבודה כפי שגרגירים רופפים יכולים.

לסרט יש מגבלות. הוא נשחק וחייב להיות מוחלף, ועל צלחת שטוחה הוא מתאים לפאות שטוחות ושולחנות ולא לכיפות קבושון מעוקלות. לקוראים שרוצים מבט מקרוב על הבנייה, זה... סקירה כללית של סרט ליקוק יהלום מסביר כיצד יהלום מדורג מוחזק בקלסר שרף על גבי גב PET, וכיצד סרט יהלום משתווה לסרטי שוחקים קונבנציונליים.

רצף הבנוי על ראיות

הממצאים לעיל מצטמצמים לכלל תכנון אחד: כל שלב חייב להסיר לפחות את הנזק שנגרם מהשלב שלפניו. אם ניקח את הגבולות העליונים מטבלת הנזקים כמדריך שמרני, רצף עבור קורונדום פאותי יכול להתנהל כדלקמן. זה ממחיש את ההיגיון; זה לא מתכון בדוק, והעומקים הנגזרים מזכוכית הם הנחה עבור קורונדום.

1. חותכים ב-15 מיקרומטר. עצרו כל פאה מעט לפני המפגשים הסופיים שלה, מכיוון שהנזק שמתחתיו עשוי להגיע לכ-20 מיקרומטר.
2. ליטוש מקדים ב-6 מיקרומטר. יש להסיר יותר מ-20 מיקרומטר לפני שינוי דרגת הניקוז. שלב זה משאיר עד כ-9 מיקרומטר משלו.
3. ליטוש בעובי של 3 מיקרון, ולאחר מכן סיים בעובי של 1 מיקרון או עדין יותר. כל שלב מנקה את השכבה שהותירה את השלב הקודם: כ-9 מיקרומטר, ואז כ-5 מיקרומטר.

למה לא לקפוץ מ-15 מיקרומטר ישירות ל-1 מיקרומטר? בליפת חומר שביר, קצב ההסרה משתנה באופן ליניארי עם גודל החומר השוחק. בהינתן כל שאר תנאי, חומר ניקוי בעובי 1 מיקרומטר יסיר את שכבת הנזק של 20 מיקרומטר פי חמישה עשר לאט יותר מאשר חומר ניקוי בעובי 15 מיקרומטר. חומרי ניקוי בינוניים אינם מותרות; הם הדרך המהירה ביותר למשטח ללא רבב.

אבנים פנומנליות מוסיפות אילוץ לפני שכל חומר שוחק נוגע בהן. בקורונדום כוכבים, שלוש סדרות של תכלילים מחטיים היוצרים את הכוכב נמצאות במישורים מקבילים לפאה הבסיסית, כלומר, בניצב לציר c. כדי למרכז את הכוכב, החותך ממקם את קודקוד הכיפה על ציר c. שום שלב ליטוש מאוחר יותר לא יכול לתקן טעות שנעשתה כאן.

אבנים מטופלות משנות את הכללים

אבן חן ממולאת היא שני חומרים המלוטשים בו זמנית, והחומר המילוי לעיתים רחוקות מתנהג כמו האבן המארחת שלה.

חוקרי GIA מצאו כי באודם מלא בזכוכית עופרת הזכוכית רכה משמעותית מקורונדום, כך שהבדלים באיכות הליטוש יכולים לחשוף סדקים מלאים. הזכוכית החלה להזיע מתוך הסדקים בטמפרטורה של 700 מעלות צלזיוס, עם נקודת התכה בין 600 ל-700 מעלות צלזיוס, ותמיסת כבישה קאוסטית חרטה אותה. שיוף וליטוש במהלך בדיקות ההקשחה לא גרמו נזק לחומר המילוי, אם כי נבדקו רק מספר קטן של אבנים.

אזמרגד ממולא הוא עדין יותר. במחקר של GIA שנערך על 33 אזמרגדים ממולאים, ניקוי אולטרסאונד או השרייה בממסים שינו את המראה של כ-29. שמן ארז ואופטיקון לא מוקשה השתנו באופן ברור באמבט האולטרסאונד, בעוד שחומרי מילוי קשים ומוצקים על פני השטח הוכיחו את עצמם כעמידים ביותר.

זה יוצר קונפליקט אמיתי על שולחן העבודה. ניקוי יסודי שמגן על במה דקה מחלקיקים זרים הוא בדיוק מה שיכול לקלף או לעמעם חומר מילוי. עבור אבנים שטופלו, ניקוי ידני עדין בין דרגות הוא הפשרה הבטוחה יותר.

סיכום

היהלום הסגול ארגייל איבד יותר משני שלישים ממשקלו בדרכו להפוך לאבן חן במשקל 2.83 קראט. באבנים בצבע קשה, הפער בין תפוקה טובה לתפוקה ירודה נקבע פחות על ידי היהלום עצמו ויותר על ידי מידת הדיוק שלו וכמה נקייה כל שלב עובר לשלב הבא.

הראיות מצביעות על שלושה הרגלים. קראו את התפלגות המיקרונים, ובמיוחד את הגבול העליון שלה, ולא את תווית הגרגירים. תכננו כל שלב כדי להסיר את הנזק של השלב הקודם. התייחסו לגרגר גס בודד תועה כסיבה הסבירה ביותר לליטוש פגום, תוך זכור שאבנים שטופלו עשויות לא לעמוד בניקוי המונע זאת.

אודות המחבר:

ג'סידה סאן הוא מהנדס מכירות ב-Grish עם חמש שנות ניסיון בתעשיית הליטוש המדויק. ג'סידה, בהסתמך על ידע בחומרי הליטוש של גריש, מספק תמיכה טכנית הקשורה למוצר בנוגע לבחירת חומרי שיוף, ביצועי חומרים ודרישות יישום. עבודה זו כוללת סיוע ללקוחות בינלאומיים בזיהוי חומרים מתאימים ופתרונות ליטוש מותאמים אישית למגוון יישומי גימור מדויקים.