Por Jacida Sun

A escolha do abrasivo diamantado pelo lapidador determina a quantidade de material bruto que se aproveita e a qualidade da superfície final. Pesquisas de laboratórios gemológicos e de engenharia óptica explicam o porquê e transformam diversos hábitos de oficina em regras mensuráveis.

Introdução

Em 2015, a mina Argyle da Rio Tinto, na Austrália Ocidental, recuperou uma pedra bruta violeta de 9.17 quilates. O mestre lapidador da Argyle, Richard How Kim Kam, transformou-a em um oval de 2.83 quilates, classificado pelo GIA como Fancy Deep Greyish Bluish Violet (Violeta Azulado Acinzentado Profundo). A pedra lapidada manteve 30.9% do peso da pedra bruta, e relatos do mercado indicam que o processo de lapidação levou mais de 80 horas.

Cada uma dessas horas era uma decisão sobre onde remover material e onde deixá-lo. O diamante é o caso extremo, porque somente o diamante pode desgastá-lo. A mesma questão rege as gemas coloridas mais duras: no rubi, na safira ou no crisoberilo, o abrasivo decide quanto material bruto sobrevive, quão plana uma faceta permanece e quão fina pode ser a superfície final.

Este artigo examina essa questão com dados publicados, em vez de conhecimento informal de oficina. Seu argumento central é que a propriedade mais importante de um abrasivo diamantado não é o tamanho médio de suas partículas, mas sim o tamanho de suas maiores partículas.

A dureza não é um número só.

A escala de Mohs classifica os minerais de acordo com a facilidade com que riscam cada um. Ela não indica a dureza de um mineral em relação a outro. Os testes de indentação, sim: com um indentador Knoop, Winchell mediu o coríndon em cerca de 2,000 e o diamante em cerca de 8,000. A diferença de um único degrau na escala de Mohs entre eles esconde uma discrepância de aproximadamente quatro vezes, razão pela qual o diamante é o abrasivo mais adequado para o coríndon.

A dureza é apenas parte do problema. Na usinagem, a clivagem, a estrutura granular e a direção cristalina costumam ser mais importantes.

O coríndon demonstra que mesmo uma pedra sem clivagem apresenta direções de polimento rápido e lento. Em um estudo de polimento químico-mecânico de quatro planos de safira, Cao e seus colegas mediram 5.93 nm/min no plano C (o plano basal) e 2.47 nm/min no plano R: uma diferença de 2.4 vezes sob condições idênticas. Um estudo anterior na Universidade Rutgers também constatou que a remoção de material é mais rápida no plano C da safira.

Ambos os estudos utilizaram processos industriais de corte de wafers com suspensões de sílica ou alumina, e não diamante em uma roda de lapidação, portanto, a classificação dos planos obtida por eles não deve ser diretamente aplicada em bancada. A lição geral, porém, permanece: o mesmo abrasivo pode cortar uma faceta mais de duas vezes mais rápido que a faceta vizinha.

O que a classificação em mícrons realmente especifica?

Os abrasivos diamantados são classificados em dois regimes. Os grãos grossos são separados por peneiramento, de acordo com as normas ANSI B74.16 e ISO 6106, sendo que a peneira mais fina, de malha 325/400, corresponde a partículas de aproximadamente 44–37 ​​µm. Abaixo desse tamanho, as peneiras deixam de funcionar. Os pós mais finos, na faixa de “microns”, são classificados de acordo com a norma ANSI B74.20, por métodos que não envolvem peneiramento.

A granulometria em mícrons é, portanto, uma distribuição, não um tamanho. A norma ANSI B74.20 define-a com vários limites. Para um pó de 2–4 µm, esses limites são:

• D5 com pelo menos 2.0 µm (95% das partículas são mais grossas)
• D50 de 3.0 ± 0.3 µm (mediana)
• D95 no máximo 4.0 µm (95% das partículas são mais finas)
• D99.9 no máximo 9.0 µm (o limite superior para as partículas maiores)

A última frase merece atenção. Um pó vendido como "3 mícrons" pode, dentro do padrão, conter partículas três vezes maiores. A próxima seção explica por que essas partículas raras são mais importantes do que as partículas de tamanho médio.

Figura 1. Requisitos percentuais para o exemplo de pó de 2–4 µm na norma ANSI B74.20. Imagem cedida por Jacida Sun.

Números de "granulometria" para lapidação acima de aproximadamente 400 não correspondem ao tamanho das peneiras. A tabela de um fornecedor, por exemplo, equipara "3000" a 4–8 µm e "8000" a 2–4 ​​µm. Como essas classificações são convenções e não padrões, a faixa de micrômetros é o valor que deve ser comparado entre os produtos.

Por que a partícula maior é a que mais importa

Cada grão que corta um material quebradiço também o trinca. Abaixo dos riscos visíveis, existe uma camada de microfissuras conhecida como dano subsuperficial, e os engenheiros ópticos consideram essencial a sua remoção durante o polimento.

Eles também mediram a profundidade do dano. Analisando diversos tipos de vidro e processos de lapidação, Lambropoulos propôs que a profundidade do dano, em micrômetros, situa-se entre 0.3d^0.68 e 2d^0.85, onde d é o tamanho do abrasivo em micrômetros. Aplicado a tamanhos comuns de lapidação:

Esses limites foram derivados para vidro óptico, não para coríndon, portanto indicam escala em vez de prever o comportamento de uma gema. Ainda assim, deixam uma coisa bem clara: o limite superior é maior que a própria partícula.

Em seguida, pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore investigaram quais grãos causavam as rachaduras mais profundas. Medindo os danos em sílica fundida moída, Suratwala e seus colegas descobriram que apenas uma pequena fração dos grãos suporta carga suficiente para fraturar a superfície, e que esses são os maiores. Os grãos que efetivamente causam fraturas tinham cerca de dez vezes o tamanho médio das partículas. Em um teste relacionado, uma suspensão de 9 µm contaminada com apenas 0.1% em peso de partículas de 15 µm apresentou rachaduras mais profundas do que a suspensão limpa de 9 µm, e até mesmo mais profundas do que uma suspensão composta inteiramente de partículas de 15 µm.

Grãos grossos também removem material mais rapidamente: no polimento de materiais frágeis, a taxa de remoção aumenta linearmente com o tamanho do abrasivo. Velocidade e dano são duas faces da mesma moeda.

Para o lapidário, a implicação é direta. Alguns grãos grossos perdidos, transportados por um dop, um dedo ou um disco mal limpo, podem arruinar toda uma etapa de polimento fino. Controlar a cauda da distribuição granulométrica, através de um bom pó e práticas de limpeza, é mais importante do que raspar a porção mediana.

Monocristalino ou policristalino?

O diamante micronizado é vendido em duas estruturas principais: partículas monocristalinas, cada uma um único cristal, e partículas policristalinas formadas por muitos cristalitos menores. Comparações diretas com o coríndon são escassas, mas um teste controlado é público.

Em um teste de lapidação relatado na patente americana 8,182,562, wafers de safira de plano C de 2 polegadas foram lapidados em uma placa composta de cobre/resina com diamante de 4–8 µm a 10 quilates por 500 ml de pasta abrasiva. Os resultados foram:

O diamante policristalino removeu cerca de um terço a mais de material e deixou uma superfície ligeiramente mais lisa. Esses números precisam ser interpretados com atenção. Eles provêm de um único teste, não foram revisados ​​por pares e o objetivo da patente era promover um terceiro diamante modificado que superasse os dois anteriores. É melhor interpretá-los como uma justificativa para testar o pó policristalino na etapa de pré-polimento, e não como uma classificação definitiva.

Pós, pastas e película de lapidação

O mesmo diamante pode atingir a pedra em três formas diferentes. Cada uma delas lida com o problema da partícula anômala de maneira distinta.

O filme de lapidação comercial consiste em partículas abrasivas com granulometria precisa, revestidas em um filme de poliéster com 3 milésimos de polegada (cerca de 76 µm) de espessura. Em um estudo sobre lapidação com base em filme, publicado em Anais do CIRPEvans e seus colegas demonstraram que a película abrasiva lapida ou lustra a peça sem alterar a geometria da placa subjacente, e que pode operar tanto no modo frágil quanto no modo dúctil de dois corpos. Duas consequências decorrem disso para o corte de gemas. A planicidade de uma faceta é determinada pela placa, e não pela distribuição uniforme da carga da lixa. Além disso, como os grãos estão aglomerados em vez de soltos, eles não podem se deslocar pela superfície de trabalho da mesma forma que os grãos soltos.

A película tem limitações. Ela se desgasta e precisa ser substituída, e em uma placa plana, ela se adapta melhor a facetas e mesas planas do que a cúpulas curvas de cabochão. Para os leitores que desejam uma análise mais detalhada da construção, este [link para o artigo/recurso]. Visão geral do filme de lapidação de diamante Explica como o diamante graduado é fixado em um aglutinante de resina sobre um suporte de PET e como a película de diamante se compara às películas abrasivas convencionais.

Uma sequência construída com base em evidências.

As conclusões acima se resumem a uma regra de planejamento: cada etapa deve remover, no mínimo, o dano deixado pela etapa anterior. Considerando os limites superiores da tabela de danos como um guia conservador, uma sequência para coríndon facetado poderia ser a seguinte. Isso ilustra a lógica; não se trata de uma receita testada, e as profundidades derivadas do vidro são uma suposição para o coríndon.

1. Corte em 15 µm. Pare cada faceta ligeiramente antes de seus pontos de contato finais, pois os danos abaixo podem chegar a cerca de 20 µm.
2. Pré-polimento a 6 µm. Remova mais do que esses 20 µm antes de mudar de grau. Esta etapa deixa até cerca de 9 µm de material residual.
3. Polir com 3 µm e, em seguida, finalizar com 1 µm ou mais fino. Cada etapa remove a camada deixada pela anterior: cerca de 9 µm, depois cerca de 5 µm.

Por que não pular diretamente de 15 µm para 1 µm? Em lapidação de materiais frágeis, a taxa de remoção de material aumenta linearmente com o tamanho do abrasivo. Mantendo-se todas as outras condições iguais, uma granulometria de 1 µm removeria a camada danificada de 20 µm cerca de quinze vezes mais lentamente do que uma granulometria de 15 µm remove material. Granulometrias intermediárias não são um luxo; são o caminho mais rápido para uma superfície impecável.

Pedras fenomenais impõem uma restrição antes mesmo de qualquer abrasivo entrar em contato com elas. No coríndon estrela, as três séries de inclusões aciculares que criam a estrela encontram-se em planos paralelos à face basal, ou seja, perpendiculares ao eixo c. Para centralizar a estrela, o lapidador posiciona, portanto, o ápice da cúpula sobre o eixo c. Nenhuma etapa posterior de polimento poderá corrigir um erro cometido aqui.

Pedras tratadas mudam as regras.

Uma gema preenchida é composta por dois materiais polidos simultaneamente, e o material de preenchimento raramente se comporta como a gema original.

Em rubis preenchidos com vidro de chumbo, pesquisadores do GIA descobriram que o vidro é significativamente mais macio que o coríndon, de modo que diferenças na qualidade do polimento podem revelar fraturas preenchidas. O vidro começou a expelir das fraturas a 700 °C, com um ponto de fusão entre 600 e 700 °C, e a solução cáustica de decapagem o corroeu. O lixamento e o polimento durante os testes de cravação não causaram danos ao material de preenchimento, embora apenas algumas pedras tenham sido testadas.

Esmeraldas preenchidas são mais delicadas. Em um estudo do GIA com 33 esmeraldas preenchidas, a limpeza ultrassônica ou a imersão em solventes alterou a aparência de cerca de 29 delas. O óleo de cedro e o Opticon não endurecido sofreram alterações visíveis no banho ultrassônico, enquanto os preenchimentos endurecidos na superfície e os preenchimentos duros se mostraram os mais duráveis.

Isso cria um verdadeiro conflito na bancada. A limpeza minuciosa que protege uma camada fina de partículas indesejadas é exatamente o que pode remover ou turvar o material de enchimento. Para pedras tratadas, uma limpeza manual suave entre as etapas de polimento é o compromisso mais seguro.

Conclusão

O diamante Argyle Violet perdeu mais de dois terços do seu peso no processo de lapidação até se tornar uma gema de 2.83 quilates. Em pedras coloridas duras, a diferença entre um bom e um mau resultado é menos determinada pelo diamante em si do que pela precisão da sua classificação e pela transição perfeita entre as etapas de lapidação.

As evidências apontam para três hábitos. Leia a distribuição micrométrica, especialmente seu limite superior, em vez da classificação da granulometria. Planeje cada etapa para remover os danos da anterior. Considere um único grão grosso como a causa mais provável de um polimento arruinado, lembrando que pedras tratadas podem não tolerar a limpeza que o previne.

Sobre o autor:

Jacida Sun Jacida é Engenheira de Vendas na Grish, com cinco anos de experiência na indústria de polimento de precisão. Com base em seu conhecimento dos materiais de polimento da Grish, ela oferece suporte técnico relacionado aos produtos, incluindo seleção de abrasivos, desempenho de materiais e requisitos de aplicação. Esse trabalho inclui auxiliar clientes internacionais na identificação de materiais adequados e soluções de polimento personalizadas para uma ampla gama de aplicações de acabamento de precisão.