ジャシダ・サン著

研磨職人が選ぶダイヤモンド研磨材の種類によって、どれだけの原石が残るか、そして最終的な表面の仕上がりがどれほど良くなるかが決まります。宝石研究所や光学工学の研究によってその理由が解明され、作業場での様々な習慣が測定可能なルールへと変換されます。

イントロダクション

2015年、リオ・ティント社の西オーストラリア州アーガイル鉱山で、9.17カラットのバイオレット原石が採掘された。アーガイル鉱山の熟練研磨職人、リチャード・ハウ・キム・カム氏が、それを2.83カラットのオーバルカットに仕上げ、GIA（米国宝石学会）はファンシー・ディープ・グレイッシュ・ブルーイッシュ・バイオレットと評価した。研磨後の石は原石の重量の30.9%を保持しており、業界関係者の報告によると、研磨にかかった時間は80時間以上だったという。

それらの時間はすべて、どこから材料を取り除き、どこを残すかという判断に費やされた。ダイヤモンドは極端な例で、ダイヤモンドだけがそれを研磨できる。同じ問題は、最も硬い色の宝石にも当てはまる。ルビー、サファイア、クリソベリルでは、研磨剤によって、どれだけの原石が残るか、ファセットがどれだけ平坦になるか、そして最終的な表面がどれだけ滑らかになるかが決まる。

本稿では、現場での言い伝えではなく、公表されたデータに基づいてこの問題を検証する。その中心的な主張は、ダイヤモンド研磨材の最も重要な特性は、平均粒子径ではなく、最大粒子径であるというものである。

硬度は単一の数値ではない

モース硬度スケールは、どの鉱物をどれだけ簡単に傷つけられるかによって鉱物の硬度をランク付けするものであり、ある鉱物が他の鉱物よりどれだけ硬いかを示すものではありません。圧痕試験ではそれが可能です。ウィンチェルはヌープ圧子を用いて、コランダムの硬度を約2,000、ダイヤモンドの硬度を約8,000と測定しました。両者のモース硬度の差はわずか1段階ですが、実際には約4倍もの差があり、これがダイヤモンドがコランダムの研磨剤として実用的に用いられる理由です。

硬度も問題の一部に過ぎません。ホイール加工においては、劈開性、結晶粒構造、結晶方向の方がより重要になる場合が多いのです。

コランダムは、劈開のない石でも速い方向と遅い方向があることを示している。曹氏らは、サファイアの4つの面を化学機械研磨した研究で、C面（基底面）では5.93 nm/分、R面では2.47 nm/分という、同一条件下で2.4倍の差があることを確認した。ラトガース大学で行われた以前の研究でも、C面サファイアの除去速度が最も速いことが分かっている。

どちらの研究も、ファセット研磨盤上のダイヤモンドではなく、シリカまたはアルミナのスラリーを用いた工業用ウェハ加工プロセスを使用しているため、平面のランキングをそのまま作業台に当てはめることはできません。しかし、一般的な教訓は変わりません。同じ研磨材でも、隣接するファセットの2倍以上の速さで、あるファセットを研磨できる可能性があるということです。

ミクロン等級が実際に規定するもの

ダイヤモンド研磨材は2つの区分に分けられます。粗粒はANSI B74.16およびISO 6106に基づいてふるいを用いて粒度分けされ、最も細かいふるいの粒度である325/400メッシュは約44～37µmに相当します。これより小さい粒度ではふるいは機能しなくなります。より細かい「ミクロン」粉末は、ふるい分け以外の方法でANSI B74.20に基づいて粒度分けされます。

したがって、ミクロングレードはサイズではなく分布を表します。ANSI B74.20では、いくつかの制限値で定義されています。2～4 µmの粉末の場合、その制限値は以下のとおりです。

• D5は少なくとも2.0µm（粒子の95%はこれより粗い）
• D50は3.0 ± 0.3 µm（中央値）
• D95は最大4.0µm（粒子の95%はそれより小さい）
• D99.9は最大9.0µm（最大粒子径の上限）

最後の行は注目に値する。「3ミクロン」と表示されて販売されている粉末でも、規格内では、その3倍の大きさの粒子が含まれている可能性がある。次のセクションでは、なぜそうしたまれな粒子が、中央値よりも重要なのかを説明する。

図1. ANSI B74.20における2～4µm粉末の例に対するパーセンタイル要件。 の画像提供 ジャシダ・サン.

宝石研磨における粒度（グリット）の数値で、約400を超えるものはふるいのサイズではありません。例えば、あるサプライヤーのチャートでは、「3000」は4～8μm、「8000」は2～4μmに相当します。このような表示は規格ではなく慣例的なものであるため、製品間の比較にはミクロン単位の粒度範囲を用いるのが適切です。

なぜ最大の粒子が最も重要なのか

脆い材料を削るすべての研磨粒子は、同時に材料にひび割れを生じさせる。目に見える傷の下には、表面下損傷と呼ばれる微細なひび割れの層が存在し、光学技術者は研磨時にこの層を除去することを不可欠と考えている。

彼らは損傷の深さも測定しました。多くのガラスと研磨プロセスを検討した結果、ランブロプロスは、損傷の深さ（マイクロメートル単位）は0.3d^0.68から2d^0.85の間にあると提唱しました。ここでdは研磨材のサイズ（マイクロメートル単位）です。一般的な宝石研磨サイズに適用すると次のようになります。

これらの境界値は光学ガラスを基準に導き出されたものであり、コランダムを基準としたものではないため、宝石の挙動を予測するものではなく、スケールを示すものです。しかし、これらの境界値は、上限値が粒子自体よりも大きいという点を明確に示しています。

ローレンス・リバモア国立研究所の研究者たちは、どの粒子が最も深い亀裂を引き起こすのかを調べた。スラトワラ氏らは、粉砕した溶融シリカの損傷を測定したところ、表面を破壊するのに十分な荷重を担う粒子はごく一部であり、それらは比較的大きな粒子であることがわかった。実際に破壊を引き起こす粒子は、平均粒子サイズの約10倍であった。関連する試験では、15 µmの粒子がわずか0.1重量％混入した9 µmのスラリーは、純粋な9 µmのスラリーよりも深く、15 µmの粒子のみで構成されたスラリーよりも深く亀裂が入った。

粗い粒子ほど材料の除去速度が速い。脆性研磨では、除去速度は研磨材の粒径に比例して増加する。速度と損傷は、同じ粒子の二つの側面と言える。

宝石研磨職人にとって、その意味するところは明白だ。ドップや指、あるいは十分に清掃されていない研磨盤に付着したわずかな粗粒が、せっかくの仕上げ工程を台無しにしてしまう可能性がある。良質な粉末と清潔な作業によって粒度分布の末端をコントロールすることこそ、中央値を削り取るよりも重要なのだ。

単結晶か多結晶か？

ミクロンサイズのダイヤモンドは、主に2種類の構造で販売されている。1つは単結晶粒子で、それぞれが単一の結晶で構成されている。もう1つは、多数の小さな結晶から構成される多結晶粒子である。コランダムとの直接的な比較は少ないが、1つの管理された試験結果が公開されている。

米国特許第8,182,562号に記載されているラッピング試験では、2インチのC面サファイアウェハを、銅/樹脂複合板上で、500mlあたり10カラットの4～8μmのダイヤモンドスラリーを用いてラッピングした。結果は以下のとおりである。

多結晶ダイヤモンドは、約3分の1多く材料を除去し、わずかに滑らかな表面を残しました。これらの数値は注意深く解釈する必要があります。これらは単一の試験結果であり、査読を受けておらず、特許の目的は、両者を凌駕する改良型ダイヤモンドを宣伝することでした。これらは、確定的な順位付けとしてではなく、研磨前の段階で多結晶粉末を試してみる理由として捉えるのが最善です。

粉末、ペースト、ラッピングフィルム

同じダイヤモンドでも、3つの形態で石に到達する可能性がある。それぞれの形態は、異物粒子問題への対処方法が異なっている。

市販のラッピングフィルムは、厚さ3ミル（約76µm）のポリエステルフィルムに精密に粒度調整された研磨粒子をコーティングしたものです。フィルムベースのラップに関する研究では、 CIRP年報エバンスらは、研磨フィルムが、その下のプレートの形状を変えることなくワークを研磨または研削し、脆性または延性の2体モードのいずれでも動作できることを示した。宝石カットには2つの結果が伴う。ファセットの平坦度は、研磨剤の均一性ではなく、プレートによって決まる。また、粒子は緩い粒子ではなく結合しているため、緩い粒子のように作業面を移動することはない。

フィルムには限界があります。摩耗して交換が必要であり、平らなプレートでは、湾曲したカボションドームよりも平らな面やテーブルに適しています。構造をより詳しく見たい読者のために、 ダイヤモンドラッピングフィルムの概要 本書では、粒度調整されたダイヤモンドがPET基材上の樹脂バインダーにどのように保持されているか、また、ダイヤモンドフィルムが従来の研磨フィルムとどのように異なるかを説明します。

証拠に基づいて構築された一連の

上記の調査結果をまとめると、計画ルールは一つに集約されます。すなわち、各工程では、前の工程で生じた損傷を少なくとも除去しなければならないということです。損傷表の上限値を保守的な目安として用いると、多面体コランダムの加工手順は次のようになります。これは論理的な説明であり、実際に検証された手順ではありません。また、ガラスから得られた深さは、コランダムの場合の仮定値です。

1. 15 µmの厚さで切断した。 各面は最終的な接合点よりわずかに手前で停止させてください。なぜなら、その下の損傷が約20μmに達する可能性があるからです。
2. 6μmで前研磨を行う。 グレードを変更する前に、20 µm以上の粒子を除去してください。この段階では、約9 µmの粒子が残ります。
3. 3μmで研磨した後、1μm以下の細かい粒子で仕上げ研磨を行う。 各工程では、前の工程で残った層が除去されます。約9µm、そして約5µmです。

なぜ15µmからいきなり1µmに切り替えないのでしょうか？脆性研磨では、除去速度は研磨材のサイズに比例します。他の条件がすべて同じであれば、1µmの研磨材では、15µmの研磨材で除去するよりも約15倍遅く、20µmの損傷層を除去します。中間グレードは贅沢品ではなく、完璧な表面を実現するための最短ルートなのです。

驚異的な石は、研磨剤が触れる前に、それ自体に制約条件が存在します。スターコランダムの場合、星形を形成する3列の針状内包物は、底面に平行な平面、つまりc軸に垂直な平面上に位置しています。そのため、星形を中央に配置するには、研磨者はドームの頂点をc軸上に合わせなければなりません。この段階で生じた誤差は、後の研磨工程で修正することはできません。

加工された石がルールを変える

充填石は、2種類の素材を同時に研磨したものであり、充填材は元の素材とは異なる性質を示すことがほとんどである。

鉛ガラスを充填したルビーについて、GIAの研究者たちは、ガラスがコランダムよりもかなり柔らかいことを発見した。そのため、研磨の質の違いによって充填された亀裂が明らかになることがある。ガラスは700℃で亀裂から滲み出し始め、融点は600～700℃で、苛性酸洗液で腐食した。セッティングテスト中のやすり掛けや研磨では充填材に損傷はなかったが、テストされた石はごく少数だった。

充填材入りのエメラルドはより繊細です。GIAが行った33個の充填材入りエメラルドの調査では、超音波洗浄または溶剤への浸漬によって約29個の外観が変化しました。シダーウッドオイルと未硬化のオプティコンは超音波洗浄槽で明らかに変化しましたが、表面硬化処理された硬質充填材は最も耐久性があることが分かりました。

これは作業台で深刻な問題を引き起こします。微細な石材を異物から守るための徹底的な洗浄は、まさに充填材を剥離させたり曇らせたりする原因となるからです。処理済みの石材の場合、グレード間の穏やかな手作業による洗浄がより安全な妥協策となります。

結論

アーガイル・バイオレットは、2.83カラットの宝石になるまでに、重量の3分の2以上を失いました。硬い色の石の場合、良質なダイヤモンドとそうでないダイヤモンドの差は、ダイヤモンド自体よりも、グレーディングの精度と、各工程が次の工程にどれだけスムーズに移行できるかによって決まります。

証拠は3つの習慣を示しています。粒度表示ではなく、ミクロン分布、特にその上限値を確認してください。各工程は、前の工程で生じた損傷を取り除くように計画してください。研磨が台無しになる最も可能性の高い原因は、たった1つの粗い粒子が混入していることだと考えてください。ただし、処理済みの石は、それを防ぐ洗浄方法に耐えられない場合があることを覚えておいてください。

著者について：

ジャシダ・サン ジャシダはグリッシュ社のセールスエンジニアで、精密研磨業界で5年の経験を有しています。グリッシュ社の研磨材に関する知識を活かし、研磨材の選定、材料の性能、用途要件など、製品関連の技術サポートを提供しています。この業務には、海外のお客様が様々な精密仕上げ用途に適した材料や、カスタマイズされた研磨ソリューションを見つけるお手伝いも含まれます。