bởi Jacida Sun

Việc lựa chọn chất mài mòn kim cương của người thợ cắt quyết định lượng vật liệu thô còn sót lại và chất lượng bề mặt cuối cùng. Nghiên cứu từ các phòng thí nghiệm đá quý và kỹ thuật quang học giải thích lý do tại sao, và biến một số thói quen trong xưởng thành các quy tắc có thể đo lường được.

Giới thiệu

Năm 2015, mỏ Argyle của Rio Tinto ở Tây Úc đã khai thác được một viên kim cương thô màu tím nặng 9.17 carat. Nghệ nhân chế tác kim cương bậc thầy Richard How Kim Kam của Argyle đã biến nó thành một viên kim cương hình bầu dục nặng 2.83 carat, được GIA đánh giá là Fancy Deep Greyish Bluish Violet (Màu tím xám xanh đậm). Viên kim cương sau khi chế tác giữ lại 30.9% trọng lượng của viên thô, và các báo cáo thương mại cho biết thời gian cắt gọt lên tới hơn 80 giờ.

Mỗi giờ trong quá trình gia công đều là một quyết định về việc loại bỏ vật liệu ở đâu và giữ lại ở đâu. Kim cương là trường hợp đặc biệt nhất, bởi vì chỉ có kim cương mới có thể mài mòn nó. Câu hỏi tương tự cũng chi phối các loại đá quý màu cứng nhất: đối với hồng ngọc, ngọc bích hoặc chrysoberyl, chất mài mòn quyết định lượng vật liệu thô còn lại, độ phẳng của mặt cắt và độ mịn của bề mặt cuối cùng.

Bài viết này xem xét câu hỏi đó bằng dữ liệu đã được công bố chứ không phải bằng kinh nghiệm hội thảo. Luận điểm chính của bài viết là đặc tính quan trọng nhất của chất mài mòn kim cương không phải là kích thước hạt trung bình mà là kích thước hạt lớn nhất.

Độ cứng không phải là một con số duy nhất.

Thang Mohs xếp hạng các khoáng vật dựa trên khả năng làm xước của chúng. Nó không cho biết khoáng vật nào cứng hơn khoáng vật nào bao nhiêu. Các thử nghiệm độ cứng bằng cách ấn lõm mới cho biết điều đó: với đầu ấn Knoop, Winchell đã đo được corundum ở mức khoảng 2,000 và kim cương ở mức khoảng 8,000. Bước Mohs duy nhất nằm giữa chúng che giấu một khoảng cách gấp khoảng bốn lần, đó là lý do tại sao kim cương là chất mài mòn thích hợp cho corundum.

Độ cứng chỉ là một phần của vấn đề. Tại bàn mài, sự phân tách, cấu trúc hạt và hướng tinh thể thường quan trọng hơn.

Corundum cho thấy ngay cả một viên đá không có mặt phân tách cũng có hướng mài nhanh và chậm. Trong một nghiên cứu đánh bóng cơ học hóa học trên bốn mặt phẳng sapphire, Cao và các đồng nghiệp đã đo được tốc độ 5.93 nm/phút trên mặt phẳng C (mặt phẳng đáy) và 2.47 nm/phút trên mặt phẳng R: chênh lệch gấp 2.4 lần trong điều kiện giống hệt nhau. Một nghiên cứu trước đó tại Đại học Rutgers cũng cho thấy tốc độ mài nhanh nhất trên mặt phẳng C của sapphire.

Cả hai nghiên cứu đều sử dụng quy trình sản xuất tấm bán dẫn công nghiệp với dung dịch silica hoặc alumina, chứ không phải kim cương trên bàn mài, vì vậy thứ tự xếp hạng các mặt phẳng của chúng không nên được áp dụng trực tiếp vào bàn làm việc. Tuy nhiên, bài học chung vẫn đúng: cùng một chất mài mòn có thể cắt một mặt phẳng nhanh hơn gấp đôi so với mặt phẳng liền kề.

Độ phân giải micron thực sự quy định điều gì?

Vật liệu mài mòn kim cương được phân loại theo hai cấp độ. Các hạt thô được phân loại bằng sàng theo tiêu chuẩn ANSI B74.16 và ISO 6106, và cấp độ sàng mịn nhất, 325/400 mesh, tương ứng với kích thước khoảng 44–37 ​​µm. Dưới mức đó, sàng không còn tác dụng. Bột mịn hơn ("micron") được phân loại theo tiêu chuẩn ANSI B74.20, bằng các phương pháp khác ngoài sàng.

Do đó, cấp độ micron là một sự phân bố kích thước, chứ không phải là kích thước hạt. Tiêu chuẩn ANSI B74.20 định nghĩa nó với một số giới hạn. Đối với bột có kích thước 2–4 µm, các giới hạn đó là:

• D5 có kích thước hạt tối thiểu 2.0 µm (95% số hạt có kích thước lớn hơn)
• D50 là 3.0 ± 0.3 µm (giá trị trung vị)
• D95 tối đa 4.0 µm (95% các hạt nhỏ hơn)
• D99.9 tối đa 9.0 µm (giới hạn trên đối với các hạt lớn nhất)

Dòng cuối cùng đáng được chú ý. Một loại bột được bán với nhãn “3 micron” có thể, trong phạm vi tiêu chuẩn, chứa các hạt có kích thước lớn gấp ba lần con số đó. Phần tiếp theo sẽ giải thích tại sao những hạt hiếm đó lại quan trọng hơn kích thước trung bình.

Các chỉ số "độ nhám" trong chế tác đá quý trên khoảng 400 không phải là kích thước sàng. Ví dụ, biểu đồ của một nhà cung cấp quy định "3000" tương đương với 4–8 µm và "8000" tương đương với 2–4 µm. Vì các nhãn này chỉ là quy ước chứ không phải tiêu chuẩn, nên phạm vi micron mới là con số cần so sánh giữa các sản phẩm.

Tại sao hạt lớn nhất lại quan trọng nhất

Mỗi hạt mài cắt vào vật liệu giòn cũng đồng thời làm nứt vật liệu đó. Bên dưới những vết xước có thể nhìn thấy là một lớp vết nứt siêu nhỏ được gọi là hư hỏng dưới bề mặt, và các kỹ sư quang học coi việc loại bỏ lớp này trong quá trình đánh bóng là điều thiết yếu.

Họ cũng đã đo độ sâu của vết hư hại. Sau khi xem xét nhiều loại kính và quy trình mài, Lambropoulos đề xuất rằng độ sâu của vết hư hại, tính bằng micromet, nằm trong khoảng từ 0.3d^0.68 đến 2d^0.85, trong đó d là kích thước hạt mài tính bằng micromet. Áp dụng cho các kích thước mài đá thông dụng:

Các giới hạn này được thiết lập cho thủy tinh quang học, chứ không phải corundum, vì vậy chúng chỉ ra quy mô chứ không dự đoán hành vi của đá quý. Tuy nhiên, chúng vẫn chỉ rõ một điểm: giới hạn trên lớn hơn chính kích thước hạt.

Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore sau đó đã đặt câu hỏi rằng loại hạt nào gây ra các vết nứt sâu nhất. Bằng cách đo lường sự hư hại trong silica nung chảy nghiền nhỏ, Suratwala và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng chỉ một phần nhỏ các hạt chịu đủ tải trọng để làm nứt bề mặt, và đó là những hạt lớn hơn. Các hạt gây ra vết nứt hiệu quả có kích thước lớn gấp khoảng mười lần kích thước hạt trung bình. Trong một thử nghiệm liên quan, một hỗn hợp bùn 9 µm bị nhiễm bẩn chỉ với 0.1% trọng lượng các hạt 15 µm đã bị nứt sâu hơn so với hỗn hợp bùn 9 µm sạch, và thậm chí sâu hơn cả hỗn hợp bùn được tạo thành hoàn toàn từ các hạt 15 µm.

Các hạt mài thô cũng loại bỏ vật liệu nhanh hơn: trong quá trình mài giòn, tốc độ loại bỏ tăng tuyến tính với kích thước hạt mài. Tốc độ và sự phá hủy là hai mặt của cùng một loại hạt mài.

Đối với người thợ mài đá quý, điều này có ý nghĩa rất rõ ràng. Chỉ một vài hạt thô sót lại, bám trên dụng cụ mài, ngón tay hoặc bề mặt mài chưa được làm sạch kỹ, cũng có thể phá hỏng toàn bộ công đoạn mài tinh. Việc kiểm soát phần đuôi của phân bố kích thước hạt, thông qua việc sử dụng bột mài tốt và thao tác sạch sẽ, quan trọng hơn việc mài phần giữa.

Đơn tinh thể hay đa tinh thể?

Kim cương micron được bán dưới hai cấu trúc chính: các hạt đơn tinh thể, mỗi hạt là một tinh thể duy nhất, và các hạt đa tinh thể được tạo thành từ nhiều tinh thể nhỏ hơn. Các so sánh trực tiếp với corundum rất hiếm, nhưng một thử nghiệm có kiểm soát đã được công bố.

Trong một thử nghiệm mài phẳng được báo cáo trong bằng sáng chế Hoa Kỳ số 8,182,562, các tấm wafer sapphire mặt phẳng C 2 inch được mài phẳng trên một tấm composite đồng/nhựa với kim cương 4–8 µm ở nồng độ 10 carat trên 500 ml dung dịch mài. Kết quả:

Kim cương đa tinh thể loại bỏ lượng vật liệu nhiều hơn khoảng một phần ba và để lại bề mặt mịn hơn một chút. Những số liệu này cần được xem xét cẩn thận. Chúng đến từ một thử nghiệm duy nhất, chưa được đánh giá bởi các chuyên gia và mục đích của bằng sáng chế là để quảng bá một loại kim cương thứ ba, được cải tiến, vượt trội hơn cả hai loại kia. Tốt nhất nên xem chúng như một lý do để thử nghiệm bột đa tinh thể ở giai đoạn tiền đánh bóng, chứ không phải là một thứ hạng cố định.

Bột, chất dán và màng phủ

Cùng một viên kim cương có thể tiếp cận viên đá theo ba hình thức khác nhau. Mỗi hình thức xử lý vấn đề hạt lạc hướng theo cách riêng.

Màng mài thương mại bao gồm các hạt mài mòn được phân loại chính xác, phủ trên một lớp màng polyester dày 3 mil (khoảng 76 µm). Trong một nghiên cứu về màng mài được công bố trong Biên niên sử CIRPEvans và các đồng nghiệp đã chứng minh rằng lớp màng mài mòn có thể mài hoặc đánh bóng vật liệu mà không làm thay đổi hình dạng của tấm đế bên dưới, và nó có thể hoạt động ở cả chế độ hai vật thể giòn hoặc dẻo. Điều này dẫn đến hai hệ quả đối với việc cắt đá quý. Độ phẳng của một mặt cắt được quyết định bởi tấm đế, chứ không phải bởi độ đều của vật liệu mài. Và bởi vì các hạt mài được liên kết với nhau chứ không phải là các hạt rời rạc, chúng không thể di chuyển trên bề mặt làm việc như các hạt rời rạc.

Màng phim có những hạn chế. Nó bị mòn và cần được thay thế, và trên một tấm phẳng, nó phù hợp với các mặt phẳng và bề mặt nhẵn hơn là các vòm cong của đá cabochon. Đối với những độc giả muốn xem xét kỹ hơn về cấu tạo, tài liệu này... Tổng quan về màng mài kim cương Bài viết giải thích cách các hạt kim cương được phân loại được giữ trong chất kết dính nhựa trên lớp nền PET, và so sánh màng kim cương với các loại màng mài mòn thông thường.

Một chuỗi được xây dựng dựa trên bằng chứng

Những phát hiện trên quy về một nguyên tắc lập kế hoạch: mỗi giai đoạn phải loại bỏ ít nhất lượng hư hại do giai đoạn trước đó gây ra. Lấy giới hạn trên từ bảng hư hại làm hướng dẫn thận trọng, trình tự xử lý corundum có thể như sau. Điều này minh họa logic; đây không phải là công thức đã được kiểm chứng, và độ sâu thu được từ thủy tinh chỉ là giả định đối với corundum.

1. Cắt ở kích thước 15 µm. Dừng mỗi mối nối hơi ngắn trước điểm giao nhau cuối cùng, vì vết hư hại bên dưới có thể lên đến khoảng 20 µm.
2. Đánh bóng sơ bộ ở độ mịn 6 µm. Loại bỏ nhiều hơn 20 µm trước khi thay đổi cấp độ. Giai đoạn này để lại khoảng 9 µm dư thừa.
3. Đánh bóng ở độ mịn 3 µm, sau đó hoàn thiện ở độ mịn 1 µm hoặc mịn hơn. Mỗi bước sẽ loại bỏ lớp vật liệu do bước trước để lại: khoảng 9 µm, sau đó khoảng 5 µm.

Tại sao không chuyển thẳng từ 15 µm lên 1 µm? Trong quá trình mài giòn, tốc độ loại bỏ vật liệu tỷ lệ thuận tuyến tính với kích thước hạt mài. Nếu các yếu tố khác đều như nhau, hạt mài 1 µm sẽ loại bỏ lớp hư hại 20 µm chậm hơn khoảng mười lăm lần so với hạt mài 15 µm. Các loại hạt mài trung gian không phải là sự xa xỉ; chúng là con đường nhanh nhất để có được bề mặt hoàn hảo.

Những viên đá đặc biệt này tạo ra một ràng buộc trước khi bất kỳ chất mài mòn nào chạm vào chúng. Trong corundum hình sao, ba dãy các tạp chất hình kim tạo nên ngôi sao nằm trên các mặt phẳng song song với mặt đáy, tức là vuông góc với trục c. Để định tâm ngôi sao, máy cắt do đó đặt đỉnh của vòm lên trục c. Không có giai đoạn đánh bóng nào sau đó có thể sửa chữa sai sót mắc phải ở đây.

Đá được xử lý sẽ thay đổi luật chơi.

Đá quý nhân tạo là sự kết hợp của hai chất liệu được đánh bóng cùng một lúc, và chất nhân tạo hiếm khi có đặc tính giống với chất liệu chủ.

Trong hồng ngọc được gia cố bằng thủy tinh chì, các nhà nghiên cứu của GIA phát hiện ra rằng thủy tinh mềm hơn đáng kể so với corundum, vì vậy sự khác biệt về chất lượng đánh bóng có thể làm lộ ra các vết nứt đã được lấp đầy. Thủy tinh bắt đầu chảy ra từ các vết nứt ở nhiệt độ 700 °C, với điểm nóng chảy từ 600 đến 700 °C, và dung dịch tẩy rửa ăn mòn nó. Việc mài và đánh bóng trong các thử nghiệm gắn đá không gây hư hại cho chất độn, mặc dù chỉ có một vài viên đá được thử nghiệm.

Ngọc lục bảo được trám đầy dễ bị hư hại hơn. Trong một nghiên cứu của GIA về 33 viên ngọc lục bảo được trám đầy, việc làm sạch bằng sóng siêu âm hoặc ngâm trong dung môi đã làm thay đổi vẻ ngoài của khoảng 29 viên. Dầu gỗ tuyết tùng và Opticon chưa được tôi cứng đã thay đổi rõ rệt trong bể siêu âm, trong khi chất trám cứng và được tôi cứng bề mặt lại chứng tỏ độ bền cao nhất.

Điều này tạo ra một mâu thuẫn thực sự tại bàn làm việc. Việc làm sạch kỹ lưỡng để bảo vệ bề mặt đá mịn khỏi các hạt bụi bẩn lại chính là điều có thể làm bong tróc hoặc làm mờ lớp trám. Đối với đá đã qua xử lý, việc làm sạch nhẹ nhàng bằng tay giữa các cấp độ đá khác nhau là giải pháp an toàn hơn.

Kết luận

Viên kim cương Argyle Violet đã mất hơn hai phần ba trọng lượng trong quá trình trở thành viên đá quý 2.83 carat. Đối với những viên đá màu cứng, sự khác biệt giữa một viên kim cương chất lượng tốt và kém không chỉ phụ thuộc vào bản thân viên kim cương mà còn phụ thuộc vào độ chính xác của quá trình phân loại và sự chuyển tiếp mượt mà giữa các giai đoạn.

Bằng chứng chỉ ra ba thói quen. Hãy đọc phân bố kích thước micron, đặc biệt là giới hạn trên của nó, thay vì chỉ nhìn vào nhãn độ nhám. Lên kế hoạch cho từng giai đoạn để loại bỏ những hư hại do giai đoạn trước gây ra. Coi một hạt mài thô lạc lõng là nguyên nhân có khả năng nhất làm hỏng lớp đánh bóng, đồng thời nhớ rằng những viên đá đã được xử lý có thể không chịu được quá trình làm sạch ngăn cản việc đó xảy ra.

Thông tin về các Tác giả:

Jacida Sun Jacida là Kỹ sư Bán hàng tại Grish với năm năm kinh nghiệm trong ngành đánh bóng chính xác. Dựa trên kiến ​​thức về vật liệu đánh bóng của Grish, Jacida cung cấp hỗ trợ kỹ thuật liên quan đến sản phẩm về lựa chọn chất mài mòn, hiệu suất vật liệu và yêu cầu ứng dụng. Công việc này bao gồm hỗ trợ khách hàng quốc tế xác định vật liệu phù hợp và các giải pháp đánh bóng tùy chỉnh cho nhiều ứng dụng hoàn thiện chính xác.