Джасида Сан

Выбор алмазного абразива огранщиком определяет, сколько необработанного материала останется и насколько качественной будет конечная поверхность. Исследования, проведенные в геммологических лабораториях и отделах оптической инженерии, объясняют, почему это так, и превращают ряд производственных привычек в измеримые правила.

Введение

В 2015 году на руднике Argyle компании Rio Tinto в Западной Австралии был добыт необработанный фиолетовый камень весом 9.17 карата. Мастер-полировщик Argyle Ричард Хоу Ким Кам превратил его в овальный камень весом 2.83 карата, получивший от GIA оценку Fancy Deep Greyish Bluish Violet (фантазийный глубокий серовато-голубовато-фиолетовый). Полированный камень сохранил 30.9% веса необработанного камня, а по данным торговых отчетов, время огранки составило более 80 часов.

Каждый из этих часов был посвящен принятию решения о том, где удалить материал, а где оставить его. Алмаз — это крайний случай, поскольку только алмаз способен его истирать. Тот же вопрос касается самых твердых цветных драгоценных камней: на рубине, сапфире или хризобериле абразив определяет, сколько необработанного материала останется, насколько плоской останется грань и насколько гладкой может быть конечная поверхность.

В этой статье данный вопрос рассматривается на основе опубликованных данных, а не профессиональных практик. Основной тезис заключается в том, что наиболее важным свойством алмазного абразива является не средний размер частиц, а размер самых крупных частиц.

Твердость — это не одно число.

Шкала Мооса ранжирует минералы по степени твердости, по которой один минерал царапает другой. Она не указывает, насколько один тверже другого. Тесты на вдавливание это показывают: с помощью индентора Кнупа Винчелл измерил твердость корунда примерно в 2,000, а алмаза — около 8,000. Разница в одну ступеньку по шкале Мооса скрывает примерно четырехкратную разницу, поэтому алмаз является наиболее практичным абразивом для корунда.

Твердость — это лишь часть проблемы. На гончарном круге более важными зачастую являются расщепление, структура зерен и направление кристаллов.

Исследование корунда показывает, что даже камень без спайности имеет быстрое и медленное направления полировки. В химико-механическом исследовании полировки четырех плоскостей сапфира Цао и его коллеги измерили скорость полировки 5.93 нм/мин на плоскости C (базисной плоскости) и 2.47 нм/мин на плоскости R: разница в 2.4 раза при одинаковых условиях. Более раннее исследование в Университете Рутгерса также показало, что удаление материала происходит быстрее всего на сапфире с плоскостью C.

В обоих исследованиях использовались промышленные процессы обработки пластин с применением суспензий диоксида кремния или оксида алюминия, а не алмаза на ограночном шлифовальном станке, поэтому их ранжирование плоскостей не следует напрямую переносить на лабораторный стенд. Общий вывод остается тем же: один и тот же абразив может обрабатывать одну грань более чем в два раза быстрее, чем соседнюю.

Что именно определяет микронный класс

Алмазные абразивы классифицируются по двум режимам. Крупные зерна сортируются с помощью сит в соответствии со стандартами ANSI B74.16 и ISO 6106, а самая мелкая фракция, 325/400 меш, соответствует примерно 44–37 ​​мкм. При меньшей фракции сита перестают работать. Более мелкие порошки «микронного» размера сортируются в соответствии со стандартом ANSI B74.20, методами, отличными от просеивания.

Таким образом, микронный размер — это распределение, а не величина. Стандарт ANSI B74.20 определяет его несколькими пределами. Для порошка с размером частиц 2–4 мкм они следующие:

• Размер частиц D5 не менее 2.0 мкм (95% частиц крупнее).
• Значение D50 составляет 3.0 ± 0.3 мкм (медиана).
• D95 не более 4.0 мкм (95% частиц имеют более мелкую фракцию)
• D99.9, максимум 9.0 мкм (верхний предел для самых крупных частиц)

Последняя строка заслуживает внимания. Порошок, продаваемый как «3 микрона», в рамках стандарта может содержать частицы в три раза большего размера. В следующем разделе объясняется, почему эти редкие частицы имеют большее значение, чем средние.

В ювелирном деле значения зернистости выше 400 не соответствуют размерам сита. Например, в таблице одного из поставщиков значение «3000» соответствует 4–8 мкм, а «8000» — 2–4 мкм. Поскольку такие обозначения являются условностями, а не стандартами, для сравнения между продуктами следует использовать диапазон микрон.

Почему самая крупная частица имеет наибольшее значение

Каждое зерно, которое разрезает хрупкий материал, также вызывает его растрескивание. Под видимыми царапинами скрывается слой микротрещин, известный как подповерхностные повреждения, и инженеры-оптики считают удаление этих повреждений в процессе полировки крайне важным.

Они также измерили глубину повреждения. Проанализировав множество видов стекла и процессов шлифовки, Ламбропулос предположил, что глубина повреждения в микрометрах находится в диапазоне от 0.3d^0.68 до 2d^0.85, где d — размер абразивного материала в микрометрах. Применительно к распространенным размерам абразивных частиц:

Эти границы были получены для оптического стекла, а не для корунда, поэтому они скорее указывают на масштаб, чем предсказывают поведение драгоценного камня. Тем не менее, они ясно показывают один момент: верхняя граница больше, чем сама частица.

Затем исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора задались вопросом, какие зерна вызывают самые глубокие трещины. Измеряя повреждения в измельченном плавленом кварце, Суратвала и его коллеги обнаружили, что лишь небольшая часть зерен несет достаточную нагрузку для разрушения поверхности, и что это более крупные зерна. Зерна, которые фактически вызывают разрушение, были примерно в десять раз больше среднего размера частиц. В аналогичном эксперименте суспензия с частицами размером 9 мкм, загрязненная всего 0.1 мас.% частиц размером 15 мкм, растрескалась глубже, чем чистая суспензия с частицами размером 9 мкм, и даже глубже, чем суспензия, состоящая исключительно из частиц размером 15 мкм.

Крупные зерна также быстрее удаляют материал: при хрупкой притирке скорость удаления материала линейно возрастает с размером абразива. Скорость и повреждение — две стороны одного и того же зерна.

Для огранщика это очевидно. Несколько случайных крупных зерен, попавших на точильный диск, палец или плохо очищенный полировальный круг, могут свести на нет весь процесс тонкой обработки. Контроль хвостовой части распределения размеров частиц с помощью качественного пороха и соблюдения чистоты работы имеет большее значение, чем обработка средней части.

Монокристаллический или поликристаллический?

Микрокристаллический алмаз продается в двух основных формах: монокристаллические частицы, каждая из которых представляет собой отдельный кристалл, и поликристаллические частицы, состоящие из множества более мелких кристаллитов. Прямые сравнения с корундом немногочисленны, но один контролируемый эксперимент был проведен публично.

В ходе эксперимента по притирке, описанного в патенте США № 8 182 562, 2-дюймовые сапфировые пластины с плоскостью С подвергались притирке на композитной медно-смоляной пластине с использованием алмаза размером 4–8 мкм из расчета 10 карат на 500 мл суспензии. Результаты:

Поликристаллический алмаз удалил примерно на треть больше материала и оставил немного более гладкую поверхность. Эти цифры требуют внимательного прочтения. Они получены в результате одного теста, не прошли экспертную оценку, а целью патента было продвижение третьего, модифицированного алмаза, который превзошел оба предыдущих. Лучше всего рассматривать их как причину для тестирования поликристаллического порошка на этапе предварительной полировки, а не как окончательно установленный рейтинг.

Порошки, пасты и притирочная пленка

Один и тот же алмаз может достичь камня в трех формах. Каждая из них по-разному решает проблему блуждающих частиц.

Коммерческая притирочная пленка состоит из абразивных частиц с точно заданным размером частиц, нанесенных на полиэфирную пленку толщиной 3 мил (около 76 мкм). В исследовании пленочных притирочных материалов, опубликованном в [ссылка на исследование], Анналы CIRPЭванс и его коллеги показали, что абразивная пленка полирует или шлифует заготовку, не изменяя геометрию пластины под ней, и что она может работать как в хрупком, так и в пластичном двухкомпонентном режиме. Из этого вытекают два следствия для огранки драгоценных камней. Плоскость грани определяется пластиной, а не тем, насколько равномерно была нанесена абразивная масса. И поскольку зерна связаны между собой, а не находятся в рыхлом состоянии, они не могут перемещаться по рабочей поверхности, как это могут делать рыхлые зерна.

Пленка имеет свои ограничения. Она изнашивается и требует замены, а на плоской пластине она больше подходит для плоских граней и столов, чем для изогнутых куполов кабошонов. Для читателей, желающих поближе познакомиться с конструкцией, вот Обзор алмазной шлифовальной пленки В статье объясняется, как алмазные частицы различной фракции удерживаются в смоляном связующем на ПЭТ-подложке, и как алмазная пленка соотносится с обычными абразивными пленками.

Последовательность, построенная на доказательствах

Приведенные выше результаты сводятся к одному правилу планирования: на каждом этапе необходимо устранить как минимум повреждения, оставшиеся после предыдущего этапа. Принимая верхние границы из таблицы повреждений в качестве консервативного ориентира, последовательность обработки ограненного корунда может выглядеть следующим образом. Это иллюстрирует логику; это не проверенный рецепт, а глубина, полученная на основе данных о стекле, является предположением для корунда.

1. Нарезка при толщине 15 мкм. Остановите каждую грань немного раньше, чем она соприкоснется с конечными точками, поскольку повреждения под ней могут достигать примерно 20 мкм.
2. Предварительная полировка при 6 мкм. Перед изменением степени очистки удалите более 20 мкм. На этом этапе остается до 9 мкм собственного материала.
3. Полировка до 3 мкм, затем окончательная обработка до 1 мкм или мельче. На каждом этапе удаляется слой, оставшийся после предыдущего: примерно 9 мкм, затем примерно 5 мкм.

Почему бы не перейти сразу с 15 мкм на 1 мкм? При хрупкой притирке скорость удаления материала линейно зависит от размера абразива. При прочих равных условиях абразив с размером частиц 1 мкм удалит поврежденный слой толщиной 20 мкм примерно в пятнадцать раз медленнее, чем абразив с размером частиц 15 мкм удаляет материал. Промежуточные фракции — это не роскошь, а самый быстрый способ получить безупречную поверхность.

Феноменальные камни создают дополнительное давление еще до того, как к ним прикоснется абразив. В звездообразном корунде три ряда игольчатых включений, образующих звезду, лежат в плоскостях, параллельных базальной грани, то есть перпендикулярных оси c. Поэтому, чтобы центрировать звезду, резец располагает вершину купола на оси c. Никакая последующая стадия полировки не может исправить ошибку, допущенную здесь.

Обработанные камни меняют правила игры.

В заполненном драгоценном камне одновременно полируются два материала, и наполнитель редко ведет себя так же, как и основной камень.

Исследователи GIA обнаружили, что рубин, наполненный свинцовым стеклом, значительно мягче корунда, поэтому различия в качестве полировки могут выявлять заполненные трещины. Стекло начинало «потеть» из трещин при температуре 700 °C, температура плавления которого составляла от 600 до 700 °C, а щелочной травильный раствор протравлял его. Обработка напильником и полировка во время испытаний на закрепку не повредили наполнитель, хотя было протестировано лишь несколько камней.

Изумруды с наполнителем более хрупкие. В исследовании GIA, проведенном на 33 изумрудах с наполнителем, ультразвуковая очистка или замачивание в растворителях изменили внешний вид примерно 29 из них. Кедровое масло и незатвердевший Opticon заметно изменили свой внешний вид в ультразвуковой ванне, в то время как поверхностно затвердевшие и твердые наполнители оказались наиболее долговечными.

Это создает реальный конфликт на рабочем месте. Тщательная очистка, защищающая мелкозернистый слой от посторонних частиц, как раз и может привести к удалению или помутнению наполнителя. Для обработанных камней более безопасным компромиссом является бережная ручная очистка между сортировками.

Заключение

Алмаз Argyle Violet потерял более двух третей своего веса, прежде чем стать драгоценным камнем весом 2.83 карата. В случае твердых цветных камней разница между хорошим и плохим результатом определяется не столько самим алмазом, сколько точностью его классификации и тем, насколько плавно происходит переход от одной стадии обработки к другой.

Имеющиеся данные указывают на три основных фактора. Обращайте внимание на распределение частиц в микронах, и особенно на его верхний предел, а не на зернистость. Планируйте каждый этап таким образом, чтобы устранить повреждения, возникшие на предыдущем. Рассматривайте единичное крупное зерно как наиболее вероятную причину испорченной полировки, помня при этом, что обработанные камни могут не выдержать чистки, предотвращающей это.

Об авторе:

Джасида Сан Джасида — инженер по продажам в компании Grish с пятилетним опытом работы в отрасли прецизионной полировки. Опираясь на знания о полировальных материалах Grish, Джасида оказывает техническую поддержку по вопросам выбора абразивов, характеристик материалов и требований к применению. Эта работа включает в себя помощь международным клиентам в определении подходящих материалов и разработке индивидуальных решений для полировки в различных областях прецизионной обработки.