作者：Jacida Sun

切割师选择的金刚石磨料决定了原石的保留率和最终表面质量。宝石实验室和光学工程领域的研究解释了其中的原因，并将一些车间惯例转化为可衡量的规则。

介绍

2015年，力拓集团位于西澳大利亚的阿盖尔矿开采出一颗9.17克拉的紫罗兰色原石。阿盖尔矿的首席抛光师理查德·霍·金·卡姆（Richard How Kim Kam）将其打磨成一颗2.83克拉的椭圆形钻石，经美国宝石学院（GIA）鉴定为“艳彩深灰蓝紫罗兰色”。抛光后的钻石保留了原石30.9%的重量，据业内人士透露，切割耗时超过80小时。

每一小时的加工过程都关乎决定哪些材料需要去除，哪些材料需要保留。钻石的情况尤为极端，因为只有钻石才能磨蚀它。同样的问题也适用于最坚硬的彩色宝石：无论是红宝石、蓝宝石还是金绿宝石，研磨剂的选择决定了原石的保留量、刻面的平整度以及最终表面的精细程度。

本文运用已发表的数据而非行业经验来探讨这个问题。其核心论点是，金刚石磨料最重要的特性并非其平均粒径，而是其最大粒径。

硬度并非一个单一的数字。

莫氏硬度等级是根据不同矿物之间的划痕强度来对它们进行排序的，它并不表示不同矿物之间的硬度差异。压痕测试可以做到这一点：温切尔使用努氏压头测量刚玉的莫氏硬度约为2,000，而金刚石的莫氏硬度约为8,000。两者之间仅相差一个莫氏硬度等级，但实际上硬度却相差约四倍，这就是为什么金刚石是刚玉的理想磨料。

硬度只是问题的一部分。在轮毂加工过程中，解理、晶粒结构和晶体取向往往更为重要。

刚玉表明，即使是无解理的宝石，其切削速度也存在快慢之分。曹及其同事对蓝宝石的四个晶面进行了化学机械抛光研究，结果显示，C面（基面）的切削速度为5.93 nm/min，R面的切削速度为2.47 nm/min，在相同条件下相差2.4倍。罗格斯大学此前的一项研究也发现，蓝宝石C面的切削速度最快。

这两项研究均采用工业晶圆加工工艺，使用二氧化硅或氧化铝浆料，而非在刻面研磨盘上使用金刚石，因此它们对晶面的排序不能直接应用于实际操作。但总体结论仍然适用：同一种磨料可以以两倍以上的速度切割不同的晶面。

微米级究竟指的是什么？

金刚石磨料的粒度分级分为两类。粗粒磨料采用筛分法，依据 ANSI B74.16 和 ISO 6106 标准进行分级，最细的筛号为 325/400 目，对应的粒径约为 44–37​​ µm。低于此粒径，筛分法将无法有效控制。更细的“微米级”粉末则采用筛分以外的方法，依据 ANSI B74.20 标准进行分级。

因此，微米级指的是粒度分布，而非具体尺寸。ANSI B74.20 标准对其定义了若干范围。对于 2–4 µm 的粉末，其范围如下：

• D5 至少 2.0 µm（95% 的颗粒更粗）
• D50 为 3.0 ± 0.3 µm（中位数）
• D95 最大粒径为 4.0 微米（95% 的颗粒更细）
• D99.9 最大粒径为 9.0 µm（最大颗粒的上限）

最后一行值得注意。标称“3微米”的粉末，在标准范围内，可能包含尺寸是其三倍的颗粒。下一节将解释为什么这些罕见颗粒比中位数颗粒更重要。

宝石研磨“粒度”数值高于400左右并非筛孔尺寸。例如，某供应商的图表将“3000”等同于4-8微米，将“8000”等同于2-4微米。由于此类标签是约定俗成的而非标准，因此微米范围才是比较不同产品时应考虑的指标。

为什么最大的粒子最重要

任何切割脆性材料的磨粒都会造成材料裂纹。在可见的划痕下方，隐藏着一层被称为亚表面损伤的微裂纹，光学工程师认为在抛光过程中去除这层微裂纹至关重要。

他们还测量了损伤深度。Lambropoulos 通过研究多种玻璃和研磨工艺，提出损伤深度（以微米为单位）介于 0.3d^0.68 和 2d^0.85 之间，其中 d 为磨料粒径（以微米为单位）。应用于常见的宝石加工尺寸：

这些界限是针对光学玻璃而非刚玉推导出来的，因此它们指示的是尺度，而非预测宝石的行为。但它们仍然清楚地表明了一点：上限大于粒子本身。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员随后探究哪些颗粒会导致最深的裂纹。苏拉特瓦拉及其同事通过测量熔融石英粉末的损伤情况发现，只有一小部分颗粒承受了足够的载荷才能使表面断裂，而且这些颗粒往往较大。能够有效导致断裂的颗粒尺寸约为平均粒径的十倍。在一项相关测试中，仅掺杂了0.1 wt% 15 µm颗粒的9 µm浆料的裂纹深度比纯净的9 µm浆料更深，甚至比完全由15 µm颗粒组成的浆料的裂纹深度还要深。

粗磨粒也能更快地去除材料：在脆性研磨中，去除率与磨粒尺寸呈线性关系。速度和损伤是同一种磨粒的两面性。

对于宝石匠来说，这意味着什么？几粒散落的粗颗粒，无论是沾在研磨棒、手指上，还是沾在未清洁干净的研磨盘上，都可能毁掉整个精细加工阶段的努力。因此，通过优质的研磨粉和干净的操作来控制粒度分布的尾部，比仅仅去除中值颗粒更为重要。

单晶还是多晶？

微米级金刚石主要以两种结构出售：单晶颗粒（每个颗粒都是一个单晶）和多晶颗粒（由许多更小的微晶构成）。关于微米级金刚石与刚玉的直接比较研究很少，但有一项对照测试结果已公开。

美国专利 8,182,562 中报告的研磨试验中，将 2 英寸 C 面蓝宝石晶片研磨在复合铜/树脂板上，研磨介质为 4–8 µm 的金刚石，每 500 ml 研磨液中金刚石的重量为 10 克拉。结果如下：

多晶金刚石去除的材料量大约多出三分之一，并且表面略微光滑。这些数据需要仔细解读。它们来自一项单次测试，未经同行评审，而且该专利的目的是推广一种性能优于前两者的改良金刚石。因此，最好将其视为在抛光前阶段尝试使用多晶粉末的理由，而不是最终的排名。

粉末、糊状物和研磨膜

同一颗钻石可以以三种形式到达宝石。每种形式处理流浪粒子问题的方式都不同。

商用研磨膜由涂覆在厚度为 3 mil（约 76 µm）的聚酯薄膜上的精确分级磨料颗粒组成。一项发表于[此处应插入参考文献]的关于薄膜研磨的研究指出…… CIRP年鉴埃文斯及其同事的研究表明，这种磨料膜可以在不改变下方基板几何形状的情况下对工件进行研磨或抛光，并且可以以脆性或延性两种双体模式运行。这对宝石切割具有两项重要意义。首先，刻面的平整度取决于基板，而不是研磨盘的均匀程度。其次，由于磨粒是粘结在一起的，而不是松散的，因此它们不会像松散的磨粒那样在工作表面上移动。

薄膜有其局限性。它会磨损，需要更换；而且在平板上，它更适合平面和台面，而不是弧形凸面。对于想要更深入了解其结构的读者，请参阅以下内容： 金刚石研磨膜概述 解释了分级金刚石是如何固定在PET背衬上的树脂粘合剂中的，以及金刚石薄膜与传统磨料薄膜的比较。

一个基于证据的序列

上述研究结果可归纳为一条规划规则：每个阶段必须至少消除前一阶段造成的损伤。以损伤表中的上限值作为保守参考，刻面刚玉的加工流程可如下所示。此流程仅用于说明逻辑，并非经过验证的方案，且玻璃衍生的深度值仅是对刚玉加工的假设。

1. 切割厚度为 15 微米。 每个面都略微提前于最终接触点停止，因为下方的损伤可能达到约 20 微米。
2. 预抛光至 6 微米。 换级前，请去除超过 20 微米的部分。此阶段自身会残留约 9 微米。
3. 先抛光至 3 微米，然后精抛光至 1 微米或更细。 每一步都会清除前一步留下的薄层：大约 9 微米，然后大约 5 微米。

为什么不直接从 15 微米跳到 1 微米呢？在脆性研磨中，去除率与磨料粒径呈线性关系。在其他条件相同的情况下，1 微米的磨料清除 20 微米损伤层的速度大约是 15 微米磨料去除材料速度的十五分之一。中间粒度的磨料并非奢侈品，而是获得完美表面的最快途径。

卓越的宝石在研磨剂接触之前就已具备一定的约束条件。以星形刚玉为例，构成星形的三组针状包裹体位于平行于基面的平面上，即垂直于c轴。因此，为了使星形居中，切割师必须将穹顶的顶点对准c轴。任何后续的抛光工序都无法修正此处造成的误差。

经过处理的石头改变了规则

填充宝石是由两种材料同时打磨而成，填充物很少会像其母材那样表现良好。

GIA的研究人员发现，在铅玻璃填充的红宝石中，填充的玻璃比刚玉软得多，因此抛光质量的差异可以揭示填充裂缝的痕迹。这种玻璃的熔点在600至700摄氏度之间，在700摄氏度时开始从裂缝中渗出，并且会被腐蚀性酸洗液腐蚀。镶嵌测试中的锉磨和抛光并未对填充物造成损坏，尽管测试的宝石数量有限。

填充祖母绿较为娇嫩。美国宝石学院（GIA）对33颗填充祖母绿进行的研究表明，超声波清洗或溶剂浸泡会改变其中约29颗的外观。雪松油和未硬化的Opticon填充物在超声波清洗中变化明显，而表面硬化和硬质填充物则最为耐用。

这在工作台上造成了真正的矛盾。彻底清洁以保护精细的台面免受杂物污染，但恰恰是清洁过程中可能会剥落或弄脏填料。对于经过处理的石料，在不同等级之间进行轻柔的手工清洁是更安全的折衷方案。

结语

这颗阿盖尔紫钻在最终成为一颗2.83克拉的宝石的过程中，损失了超过三分之二的重量。对于硬质彩色宝石而言，成品率的高低与其说取决于钻石本身的品质，不如说取决于分级的精确度以及每个阶段与下一个阶段之间的衔接是否顺畅。

证据表明，有三个习惯至关重要。与其关注粒度标签，不如仔细阅读微米分布，尤其是其上限值。规划好每个步骤，以消除前一步骤造成的损伤。将单个散落的粗颗粒视为抛光失败的最可能原因，同时也要记住，经过处理的石材可能无法承受防止其受损的清洁方法。

关于作者：

贾西达·孙 Jacida是Grish公司的销售工程师，拥有五年精密抛光行业经验。凭借对Grish抛光材料的深入了解，她为客户提供与产品相关的技术支持，包括磨料选择、材料性能和应用要求。她的工作包括帮助国际客户为各种精密精加工应用选择合适的材料和定制的抛光解决方案。