寶石加工過程中如何給晶體定向
A. 寶石的加工流程
寶石的款式設計完成後,就要按照設計方案進行加工,寶石的款式不同,加工工藝流程也不同,現分述如下:
一、凸面型寶石加工流程
採用凸面型琢型的寶石一般選用半透明-不透明的寶石原料,主要突出表現寶石的顏色、光澤和特殊光學效應(如貓眼效應、星光效應等),能充分彌補寶石在火彩、透明度和瑕疵方面的不足。凸面型寶石的材料廣泛,一般沒有什麼特定的要求,常用的寶石種類有:翡翠、紅寶石、藍寶石、歐泊、金綠寶石、石榴子石、瑪瑙等。其加工流程為:
出坯→圈形→上桿→預形→細磨→拋光→後期處理
(一)出坯
出坯包括畫線和下料兩道工序:
1.畫線
畫線對於顆粒小的貴重寶石原料是不必要的,因為此類寶石原石一般直接在修整鋸上稍稍去除邊角余料,就可進入下道工序(圈形)。
對大塊原料經切割成的片料,為了料盡其用和准確方便,要進行畫線。畫線是用畫筆在片料上畫出凸面型寶石的腰形。畫線所用的畫筆為帶有尖端的黃銅棒或鋁棒,長度為10~15cm,也可使用彩色鉛筆。
為了准確按一定的規格畫出腰形,通常要使用模版(圖11-4-1所示)。模版多用塑料、有機玻璃片或不銹鋼製成。模版上有許多根據生產要求而設計的不同圖形、不同尺寸的孔,畫線時,將模版上選定的形狀孔對在寶石原料上,用畫筆畫出腰形的輪廓,畫得越細越好。
圖11-4-1 模板
2.下料
下料的方法就是鋸割,即用修邊鋸沿所畫的輪廓線鋸割,要留出大約2~4mm的餘量,以免因寶石性脆,切割時產生的裂紋延伸到輪廓線內,造成不必要的損失。
切割時用修邊鋸,其操作步驟如下:(1)清洗載石台,打開冷卻水,冷卻鋸片,以免原料與鋸片在摩擦中溫度過高。
(2)手持原料,用力均衡地推入鋸片,要控制好進料的壓力,一般以片料順暢進刀而不產生火花或火花極少為好。一般開始進料時速度放慢,待原料進入一段後,要沿直線加快速度,但不能突然用力,快要切透時,放慢速度以免崩口。
(3)重復上述步驟,切除畫線以外的多餘量。如圖11-4-2所示。
(二)圈形
圈形就是用砂輪圈出毛坯的腰形。圈形一般用直徑>250mm的砂輪,磨料用80#~100#的碳化硅,具體步驟如下:
(1)打開冷卻水和輪磨機。
(2)毛坯底面朝上,用手捏穩,用力均勻地把毛坯邊緣和稜角磨去,所圈形狀要平滑、自然、呈弧線,與所畫輪廓線等距,留出大約0.5~1mm的餘量,所圈腰面要與底面垂直(見圖11-4-3)。
(3)圈形完成後,為防止底面邊緣因尖利而崩口,可在底面邊緣磨出一個小斜面,使之與底面的夾角為40°~45°,此時,小斜面的一邊可與輪廓線重合但不要磨去輪廓線。
圖11-4-2 下料時毛坯的形狀
圖11-4-10 圓鑽型亭部的研磨步驟
a—第一步磨出亭部8個面;b—第二步磨出16個下腰面
8.亭部的拋光
亭部拋光與冠部拋光一樣,先拋8個亭部主面,再拋光16個腰小面。
9.後期處理
亭部拋光完畢後,若怕寶石亭部的底尖破損,可在底尖磨出一個小平面,並對該小面和腰部進行拋光。然後,將寶石和粘桿在酒精燈下加熱,待膠融化後拆膠,把帶有膠的寶石和粘桿分別放入酒精中,清洗寶石,最後用清水洗凈即可。
B. 晶體定向方法
晶體定向就是在晶體中以晶體中心為原點建立一個坐標系,這個坐標系一般由三根晶軸 X 軸、Y 軸、Z 軸(也可用 a 軸、b 軸、c 軸表示)組成,X 軸在前後方向,正端朝前;Y 軸在左右方向,正端朝右;Z 軸在上下方向,正端朝上。三根晶軸正端之間的夾角分別表示為α(Y∧Z)、β(Z∧X)、γ(X∧Y)。對於三、六方晶系的晶體,通常要用四軸定向法,即要選出四根晶軸,稱 H 坐標系,分別為 X、Y、U、Z 軸(當然也可以用三軸定向法,稱 R 坐標系,即菱面體定向,見第七章,但此方法較少用)。晶軸的空間分布見圖4-1。
那麼,究竟選擇晶體中哪些方向上的直線作為晶軸呢?選擇的原則有兩點:① 與晶體的對稱特點相符合(即一般都以對稱要素作晶軸);② 在遵循上述原則的基礎上盡量使晶軸夾角=90°。
各晶系對稱特點不同,具體選擇晶軸的方法也不同,具體選擇原則見表4-1。
請注意,這里在晶體宏觀形態中按對稱特點選出的晶軸,實際上與晶體內部結構中空間格子的3個不共面的行列方向一致(在以後的第七章中我們將看到,在晶體內部結構中選擇3個不共面的行列來畫出空間格子的選擇原則與在晶體宏觀形態上選擇晶軸的原則是一致的)。X、Y、Z 三根晶軸方向上的行列上的結點間距分別表示為 a0、b0、c0,稱為軸長;三根晶軸正端之間的夾角α、β、γ稱為軸角,軸長和軸角統稱晶胞參數(unit cell parameter)。在第一章我們就已知,a0、b0、c0 以及α、β、γ決定空間格子中平行六面體的大小和形狀。
圖4-1 各晶系晶體定向及晶面符號舉例
但是,在晶體宏觀形態上是定不出軸長的,只能根據對稱特點定出a0∶b0∶c0(或表示為a∶b∶c),這一比例稱為軸率。軸率與軸角統稱晶體常數(crystal constants),晶體常數特點是可以在晶體宏觀形態上體現出來的,例如:
等軸晶系晶體對稱程度高,晶軸 X、Y、Z 為彼此對稱的行列,它們通過對稱要素的作用可以相互重合,因此它們的軸長是相同的,即 a=b=c,軸率 a∶b∶c=1∶1∶1 〔圖4-1(a)〕。
表4-1 各晶系選擇晶軸的具體方法及晶體常數特點
中級晶族(四方、三方和六方晶系)晶體中只有一個高次軸,以高次軸為Z 軸,通過高次軸的作用可使 X 軸與Y 軸重合(在三方與六方晶系中可使 X軸、Y 軸、U 軸重合),因此軸長 a=b,但與 c 不等,軸率 a∶c 因晶體的種別而異 〔圖4-1(b)、(c)〕。
低級晶族(斜方、單斜和三斜晶系)晶體對稱程度低,X、Y、Z 軸不能通過對稱要素的作用而重合,所以 a≠b≠c,晶體的種類不同,軸率 a∶b∶c數據不同 〔圖4-1(d)、(e)、(f)〕。
雖然每個晶系具有自己特殊的晶體常數特點,但也會出現一些特殊情況,例如有些四方晶系的晶體恰巧a=c;有些單斜晶系的晶體恰巧β=90°,例如毒砂(見礦物學部分的第十九章)。因此,不能只根據晶體常數來確定晶體的對稱性及所屬晶系,確定晶系一定要根據晶體對稱型中的對稱要素。
C. 怎麼對晶體進行定向切割!如從(100)切成(111)相
先用刀,再用火,再用槍,再用再用///
D. 晶體定向的概念
晶體定向就是在晶體中建立一個坐標系統。具體來說,就是要選定坐標軸(晶軸)和確定各晶軸上單位長度(軸長)及其比值(軸率)。
(一)晶軸
如圖4-2所示,晶軸系交於晶體中心的三條直線,它們分別為a軸(或稱x軸)前端為「+」,後端為「-」;b軸(或稱y軸)右端為「+」,左端為「-」和c軸(或稱z軸)上端為「+」,下端為「-」;對於三方和六方晶系要增加一個d軸(或稱u軸),前端為「-」,後端為「+」(圖4-3)。
晶軸的選擇:晶體中晶軸的選擇應與空間格子類型的特徵相吻合。三個晶軸的方向應當平行晶胞中三條棱的方向。
由於對稱軸、對稱面法線及晶棱的方向與空間格子的行列方向相平行。因此,晶軸的選擇,首先應選對稱軸作為晶軸,在無對稱軸及對稱軸數量不足時,可選對稱面法線作為晶軸,若兩者均缺乏時,則可選擇平行主要晶棱的方向線作為晶軸。選出的晶軸應盡可能互相垂直或近於垂直。
圖4-2三晶軸的名稱安置及軸角
圖4-3四晶軸的名稱安置及軸角
(二)軸角
兩根晶軸正端間的夾角稱為軸角。
各晶軸之間有一定的夾角關系,這些軸角都有相應的名稱和代號。
三晶軸中:b軸∧c軸=α角、a軸∧c軸=β角、a軸∧b軸=γ角(圖4-2)。
四晶軸中:b軸∧c軸=α角、a軸∧c軸=β角,a軸∧b軸=b軸∧d軸=d軸∧a軸=γ角(圖4-3)。
等軸、四方和斜方晶系晶軸為直角坐標,α=β=γ=90°;在三方和六方晶系中,α=β=90°,γ=120°;單斜晶系中,α=γ=90°,β>90°;三斜晶系中三晶軸彼此斜交,α≠β≠γ≠90°。
(三)軸長與軸率
晶軸系格子構造中的行列,該行列上的結點間距稱為軸長(也稱軸單位)。a,b,c軸上的軸長分別以a0,b0,c0表示。由於結點間距極小(以nm或計),需藉助X射線分析才能測定,根據晶體的外形不能測定出軸長,但是在晶體的外形上可以確定晶面和晶棱的方向,只要知道軸單位的比值便可以了。
將軸單位a0,b0及c0進行連比,記作a∶b∶c,稱為軸率。軸率在具體使用時是將b值定為1來進行計算的。
如石膏a0=5.68Å,b0=15.18Å,c0=6.29Å,a∶b∶c=5.68∶15.18∶6.29,當b=1時,軸率a∶1∶c=0.3742∶1∶0.4140。再如石英a0=b0=4.904Å,c0=5.397Å,因a0=b0,a∶c=4.904∶5.397,軸率a∶c=1∶1.1005。
(四)晶體常數
軸率a∶b∶c和軸角α,β,γ合稱晶體常數,它是表徵晶體坐標系統的一組基本參數。它與內部結構研究中表徵晶胞的晶胞參數(軸長a0,b0,c0,軸角α,β,γ)一致。如果軸長a0,b0,c0和軸角α,β,γ已知,就可以知道晶胞的形狀和大小;如果軸率a∶b∶c和軸角已知,雖然不知晶胞的大小但可以知道晶胞的形狀(圖4-4)。
圖4-4晶體常數與晶胞形狀的關系
E. 寶石的加工工藝
在加工工藝中,鑽石和其他寶石的琢磨與拋光為兩門相互獨立的工藝,常稱為鑽石車工和寶石車工。寶石的車工款式見圖11-1-12。
1.鑽石車工工藝
鑽石硬度最高,只能用金剛石粉琢磨。根據粗糙晶體上所見的「紋理」,即八面體的棱來確定鑽石的方向。琢磨鑽石是用旋轉的磨盤研磨這些「紋理」。
圖11-1-12 寶石的車工款式
(1)設計(或劃線):根據鑽石原石晶體形態,晶體包體、裂隙等的分布狀態,設計出所需琢型款式,並用防水墨筆劃出所分割鑽石的部位。並定出頂刻面所處的位置。
(2)分割
a.劈開(劈鑽)
鑽石晶體可平行八面體晶面劈開,這道工序用來修飾原石晶體,去掉不理想部分以獲得較好的形態。這是一項技術要求較高的工序,這項工作不僅可使鑽石晶體能很快分開,而且還沒有重量的損失。
b.鋸開
如果鑽石不具備劈開的條件時,通常便用鋸開方法來分斷。方法是在八面體中心上面一點將晶體鋸成兩個錐狀小塊。鋸子是一個薄的磷青銅圓片,其邊緣粘滿了金剛石粉。鋸子的鋸盤轉速約5000轉/min(即分鍾)、刀片邊厚約1/500in(即英寸,lin=25.4)。這項工序切割中鑽石重量的損失較大。
(3)打圓(粗磨)
把劈開或鋸開的鑽石牢牢地粘在支架上,進行手工或機械研磨,支架的轉速約100轉/min。
(4)磨面
這是最後一道工序,刻面的琢磨和拋光在同一工序中完成。先磨頂刻面,再磨主刻面,要對稱地磨,磨一個面,拋光一個面。也可從亭部開始。鑽石的琢磨程序見圖11-1-13。圖中所示從頂刻面到主刻面都要對稱進行。
圖11-1-13 鑽石刻面的琢磨程序
2.其他寶石的琢磨
設計:確定琢磨款式,定出頂刻面位置,並用防水墨筆劃好。
(1)切削:用邊緣蘸滿金剛石粉的金屬輪進行切削。金屬輪是鐵的或磷青銅的圓鋸。如果較貴重的寶石,則利用切割鑽石的圓鋸切割。
(2)打磨:首先將寶石琢磨成所需要的坯形,再用銅或青銅磨盤和金剛石粉或碳化硅粉進行打磨。所採用的研磨材料取決於被琢磨的寶石硬度,然後用更細磨料琢磨出刻面。凸面型寶石則要放在半圓形溝槽的細砂輪上磨出所要求的形狀。
(3)拋光:對打磨產生的刻面或凸面進行拋光,拋光在銅磨盤和木磨盤的拋光機上進行。拋光材料為很細、很軟的磨料,如氧化鋁粉。藍寶石和紅寶石則用很細的金剛石粉在銅盤上拋光。凸面型寶石在布輪拋光機上進行拋光。
F. 寶石人工合成(晶體生長)中的籽晶制備
唐元汾
作者簡介:唐元汾,中寶協人工寶石專業委員會第二、三屆委員,原中國科學院上海硅酸鹽研究所晶體研究室高級工程師。
一、引言
人們對寶石人工合成(晶體生長)有一種神奇的感覺,其實晶體的培育生長和自然界種莊稼很類似。要想獲得優良的晶體,首先要選出良好的種子(籽晶),有了良好的種子,才能培育生長出我們希望得到的方向、尺寸、形狀的優質晶體材料,最後再進一步加工出各式各樣的寶石和首飾產品。
在這一過程中,籽晶的作用非常重要。好的籽晶至少要滿足以下兩個條件:
1)具有合適的晶體生長取向:生長取向通常是指生長軸與晶體光軸的夾角。由於大部分晶體具有各向異性,不同晶向的生長習性也不同,不同的晶體生長取向下,質量、生長速率、單晶率、完整性等都不同。故要根據生產需要,選擇最有利的晶體生長取向和生長面。
2)內在質量良好:籽晶應該單晶性好,沒有巒晶、多晶、氣泡、包裹物、散射顆粒等缺陷,以避免這些缺陷「遺傳」到晶體中,具體可用激光來檢驗。
為了能選出我們希望的、質量合格的籽晶,需要用到激光,X光晶體定向儀,光學偏光顯微鏡和切、磨、拋等項技術和設備。
本文就寶石人工合成培育晶體生長中所需要的方向,各種幾何尺寸形狀的好籽晶作一些介紹。
二、焰熔法生長寶石用籽晶的制備
焰熔法是最常見的寶石生長方法,廣泛用於剛玉類無色藍寶石和彩色寶石、彩色鋁鎂尖晶石寶石、金紅石、鈦酸鍶等合成寶石產品。焰熔法具有無需坩堝、溫度高、生長速度快和效率高等優點,同時該方法由於縱向、橫向的環境溫度梯度大、生長速度快,產品梨晶中缺陷很多。如果籽晶中有缺陷,這些缺陷會頑強地延伸到梨晶中,使晶體炸裂,成品率低,質量欠佳。因此焰熔法中籽晶選用合適與否對晶體生產影響很大。我們曾選用(1120)面的優質紅寶石籽晶在原上海玻璃儀器一廠寶石車間試驗,結果成品率由原87.59%提高到90.99%,這說明了選擇優質籽晶的重要性。
下面簡要介紹焰熔法生長寶石晶體時制備籽晶的方法。
1)初次生長寶石無籽晶可用,此時可利用焰熔法無籽晶直接培育法生長出晶體,再利用該晶體制備籽晶。具體方法式是先在底座上(蠟燭台)生長幾個晶芽,選擇其中長得最快和發育晶形最好的晶芽,把它擴大培育生長成大的梨狀晶體。如圖1所示。
圖1 無籽晶生長底座圖
2)在得到如圖2所示的梨狀晶體後,根據梨晶根部的晶面削麵(001)面和梨晶頂部有平行於[001]方向的顯露線,在頂部沿平行顯露線中心,用0.3mm的金剛石鋸片,切鋸1~3mm的深槽,此時梨晶就會沿梨晶頂部中心自動對裂成兩個如圖4所示的大瓣半梨晶。
圖2 梨狀晶體
圖3 裂成兩半的半梨晶
3)在獲得如圖3所示的兩大瓣半梨晶之後,首先把兩大瓣梨晶的兩大面加工拋光,如圖4所示的那樣,選擇晶體內部散射顆粒、滑移、雙晶孿晶少的晶胚料來切取優質籽晶。
圖4 實物
圖5 長方或正方直角准確方塊
4)定向程序是將經檢驗過的優質梨晶瓣加工成如圖5所示的長方或正方直角准確的方塊,為定向做好第一步准備工作。
X射線晶體定向程序是先根據晶體的X射線粉末衍射譜線圖,查得所需方向hkl的參數θ。例如要定α-Al2O3晶體的[006]方向,查表1可知其對應的θ角為20°50′。把X光晶體定向儀上的刻度盤轉到2θ也即41°40 ′的位置上。將要測定的α-Al2O3晶體方塊(即圖5)的端面貼在X光晶體定向儀的測定吸附口上,轉動轉輪,當轉輪刻度轉到20℃左右,X光晶體定向儀上的顯示指針會出現左右搖擺,這就表示接近[006]方向了。X光晶體定向操作是一個修磨操作工藝:在X光晶體定向儀指針向左偏的時候,要把α-Al2O3晶體方塊的端面右面在研磨機的金剛石磨盤上進行研磨。反之則修磨左端面。這樣經過反復修磨到這個端面能使顯示指針鎖定在20°50 ′的位置上。然後依此端面為基準面,用直角器測量,把如圖5所示的一個大面和一個側面修磨加工成直角形方塊,直角精確度要在1℃內。用該大面和側面分別作為對刀面和基準面,用外圓多刀或內圓單刀切割機進行籽晶切割,達到如圖6所示的籽晶。
圖6 切出的籽晶
表1 α-Al2O3晶體衍射譜線參數
表2 YAG晶體衍射譜線參數
三、提拉法生長寶石用籽晶的制備
用提拉法可生長剛玉類無色藍寶石和彩色寶石,YAG及YAG仿祖母綠等寶石晶體。如果沒有晶體可用來切割籽晶時,可先用與坩堝材料同質的金屬棒,作模擬籽晶,引晶提拉出晶體來,再根據晶體方向面在晶體坯料上顯露的特徵,根據表1與表2的X射線粉末衍射譜線參數可查出相應α-Al2O3和YAG晶體在所需方向的參數θ,採用上文介紹的焰熔法寶石生長用籽晶制備工藝,即能定向切割出用於提拉法生長剛玉類白寶石和彩色寶石等所需的優質籽晶,如圖7和圖8。
圖7 提拉法生長的白寶石及其籽晶
四、焰熔法合成尖晶石的籽晶制備
查表3合成尖晶石(MgAl2O4)的X射線粉末衍射譜線圖得到其所需方向的參數θ,同樣採用上文介紹的焰熔法寶石生長用籽晶制備工藝,即能定向切割出用於焰熔法生長尖晶石所需的優質籽晶,如圖9。
圖8 YAG晶體及其籽晶
圖9 合成尖晶石晶體及其籽晶
表3 鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)晶體衍射譜線參數
五、結論
1)寶石人工合成(晶體生長)的成品率,晶體產品質量與晶體培育生長所用的籽晶方向及質量密切相關。
2)用X光晶體定向儀及氦氖激光,光學檢測等方法來選擇優質籽晶切實可行。
參考文獻
李德宇,劉建成,唐元汾.1983.寶石單晶生長取向與脆性關系的研究.硅酸鹽學報,No.01,11.
劉來保,趙久.2001.應用X射線定向儀的晶體快速定向法.北京:化學工業出版社.
G. 具有星光效應的紅寶石如何定向加工
只有星光效應的紅寶石如何定向加工?這個要。請專業的師傅。說不好誰也不會教你。
H. LBO 晶體如何定向
你要問的是對LBO晶體未加工過的毛胚定向嗎?說來太長,只說一種從c軸籽晶長出的,也許簡單一些,要嗎?
I. 寶石加工中如何利用寶石具有方向性的物理性質
看樣子你很內行。寶石的多色性使之從不同方向看呈現不同顏色,寶石加工就是要把專最好的顏色放在檯面屬上。比如紅寶石,橫截面上顏色最深,平行柱狀的最淺,如果寶石顏色太深的話,不應該以橫截面做檯面,平行柱狀的方向最好。
J. 金剛石人工目測晶體定向的方法
樓主啊,目測需要操作者超強的工作經驗,雖然簡單易行,但准確性差,而且對經過加工失去天然單晶體特徵的就無法目測了