宝石加工过程中如何给晶体定向

A. 宝石的加工流程

宝石的款式设计完成后，就要按照设计方案进行加工，宝石的款式不同，加工工艺流程也不同，现分述如下：

一、凸面型宝石加工流程

采用凸面型琢型的宝石一般选用半透明-不透明的宝石原料，主要突出表现宝石的颜色、光泽和特殊光学效应(如猫眼效应、星光效应等)，能充分弥补宝石在火彩、透明度和瑕疵方面的不足。凸面型宝石的材料广泛，一般没有什么特定的要求，常用的宝石种类有：翡翠、红宝石、蓝宝石、欧泊、金绿宝石、石榴子石、玛瑙等。其加工流程为：

出坯→圈形→上杆→预形→细磨→抛光→后期处理

(一)出坯

出坯包括画线和下料两道工序：

1.画线

画线对于颗粒小的贵重宝石原料是不必要的，因为此类宝石原石一般直接在修整锯上稍稍去除边角余料，就可进入下道工序(圈形)。

对大块原料经切割成的片料，为了料尽其用和准确方便，要进行画线。画线是用画笔在片料上画出凸面型宝石的腰形。画线所用的画笔为带有尖端的黄铜棒或铝棒，长度为10～15cm，也可使用彩色铅笔。

为了准确按一定的规格画出腰形，通常要使用模版(图11-4-1所示)。模版多用塑料、有机玻璃片或不锈钢制成。模版上有许多根据生产要求而设计的不同图形、不同尺寸的孔，画线时，将模版上选定的形状孔对在宝石原料上，用画笔画出腰形的轮廓，画得越细越好。

图11-4-1 模板

2.下料

下料的方法就是锯割，即用修边锯沿所画的轮廓线锯割，要留出大约2～4mm的余量，以免因宝石性脆，切割时产生的裂纹延伸到轮廓线内，造成不必要的损失。

切割时用修边锯，其操作步骤如下：(1)清洗载石台，打开冷却水，冷却锯片，以免原料与锯片在摩擦中温度过高。

(2)手持原料，用力均衡地推入锯片，要控制好进料的压力，一般以片料顺畅进刀而不产生火花或火花极少为好。一般开始进料时速度放慢，待原料进入一段后，要沿直线加快速度，但不能突然用力，快要切透时，放慢速度以免崩口。

(3)重复上述步骤，切除画线以外的多余量。如图11-4-2所示。

(二)圈形

圈形就是用砂轮圈出毛坯的腰形。圈形一般用直径＞250mm的砂轮，磨料用80^＃～100^＃的碳化硅，具体步骤如下：

(1)打开冷却水和轮磨机。

(2)毛坯底面朝上，用手捏稳，用力均匀地把毛坯边缘和棱角磨去，所圈形状要平滑、自然、呈弧线，与所画轮廓线等距，留出大约0.5～1mm的余量，所圈腰面要与底面垂直(见图11-4-3)。

(3)圈形完成后，为防止底面边缘因尖利而崩口，可在底面边缘磨出一个小斜面，使之与底面的夹角为40°～45°，此时，小斜面的一边可与轮廓线重合但不要磨去轮廓线。

图11-4-2 下料时毛坯的形状

图11-4-10 圆钻型亭部的研磨步骤

a—第一步磨出亭部8个面；b—第二步磨出16个下腰面

8.亭部的抛光

亭部抛光与冠部抛光一样，先抛8个亭部主面，再抛光16个腰小面。

9.后期处理

亭部抛光完毕后，若怕宝石亭部的底尖破损，可在底尖磨出一个小平面，并对该小面和腰部进行抛光。然后，将宝石和粘杆在酒精灯下加热，待胶融化后拆胶，把带有胶的宝石和粘杆分别放入酒精中，清洗宝石，最后用清水洗净即可。

B. 晶体定向方法

晶体定向就是在晶体中以晶体中心为原点建立一个坐标系，这个坐标系一般由三根晶轴 X 轴、Y 轴、Z 轴（也可用 a 轴、b 轴、c 轴表示）组成，X 轴在前后方向，正端朝前；Y 轴在左右方向，正端朝右；Z 轴在上下方向，正端朝上。三根晶轴正端之间的夹角分别表示为α（Y∧Z）、β（Z∧X）、γ（X∧Y）。对于三、六方晶系的晶体，通常要用四轴定向法，即要选出四根晶轴，称 H 坐标系，分别为 X、Y、U、Z 轴（当然也可以用三轴定向法，称 R 坐标系，即菱面体定向，见第七章，但此方法较少用）。晶轴的空间分布见图4-1。

那么，究竟选择晶体中哪些方向上的直线作为晶轴呢?选择的原则有两点：① 与晶体的对称特点相符合（即一般都以对称要素作晶轴）；② 在遵循上述原则的基础上尽量使晶轴夹角=90°。

各晶系对称特点不同，具体选择晶轴的方法也不同，具体选择原则见表4-1。

请注意，这里在晶体宏观形态中按对称特点选出的晶轴，实际上与晶体内部结构中空间格子的3个不共面的行列方向一致（在以后的第七章中我们将看到，在晶体内部结构中选择3个不共面的行列来画出空间格子的选择原则与在晶体宏观形态上选择晶轴的原则是一致的）。X、Y、Z 三根晶轴方向上的行列上的结点间距分别表示为 a₀、b₀、c₀，称为轴长；三根晶轴正端之间的夹角α、β、γ称为轴角，轴长和轴角统称晶胞参数（unit cell parameter）。在第一章我们就已知，a₀、b₀、c₀ 以及α、β、γ决定空间格子中平行六面体的大小和形状。

图4-1 各晶系晶体定向及晶面符号举例

但是，在晶体宏观形态上是定不出轴长的，只能根据对称特点定出a₀∶b₀∶c₀（或表示为a∶b∶c），这一比例称为轴率。轴率与轴角统称晶体常数（crystal constants），晶体常数特点是可以在晶体宏观形态上体现出来的，例如：

等轴晶系晶体对称程度高，晶轴 X、Y、Z 为彼此对称的行列，它们通过对称要素的作用可以相互重合，因此它们的轴长是相同的，即 a=b=c，轴率 a∶b∶c=1∶1∶1 〔图4-1（a）〕。

表4-1 各晶系选择晶轴的具体方法及晶体常数特点

中级晶族（四方、三方和六方晶系）晶体中只有一个高次轴，以高次轴为Z 轴，通过高次轴的作用可使 X 轴与Y 轴重合（在三方与六方晶系中可使 X轴、Y 轴、U 轴重合），因此轴长 a=b，但与 c 不等，轴率 a∶c 因晶体的种别而异 〔图4-1（b）、（c）〕。

低级晶族（斜方、单斜和三斜晶系）晶体对称程度低，X、Y、Z 轴不能通过对称要素的作用而重合，所以 a≠b≠c，晶体的种类不同，轴率 a∶b∶c数据不同 〔图4-1（d）、（e）、（f）〕。

虽然每个晶系具有自己特殊的晶体常数特点，但也会出现一些特殊情况，例如有些四方晶系的晶体恰巧a=c；有些单斜晶系的晶体恰巧β=90°，例如毒砂（见矿物学部分的第十九章）。因此，不能只根据晶体常数来确定晶体的对称性及所属晶系，确定晶系一定要根据晶体对称型中的对称要素。

C. 怎么对晶体进行定向切割！如从（100）切成（111）相

先用刀,再用火,再用枪,再用再用///

D. 晶体定向的概念

晶体定向就是在晶体中建立一个坐标系统。具体来说，就是要选定坐标轴(晶轴)和确定各晶轴上单位长度(轴长)及其比值(轴率)。

(一)晶轴

如图4-2所示，晶轴系交于晶体中心的三条直线，它们分别为a轴(或称x轴)前端为“+”，后端为“－”;b轴(或称y轴)右端为“+”，左端为“－”和c轴(或称z轴)上端为“+”，下端为“－”;对于三方和六方晶系要增加一个d轴(或称u轴)，前端为“－”，后端为“+”(图4-3)。

晶轴的选择:晶体中晶轴的选择应与空间格子类型的特征相吻合。三个晶轴的方向应当平行晶胞中三条棱的方向。

由于对称轴、对称面法线及晶棱的方向与空间格子的行列方向相平行。因此，晶轴的选择，首先应选对称轴作为晶轴，在无对称轴及对称轴数量不足时，可选对称面法线作为晶轴，若两者均缺乏时，则可选择平行主要晶棱的方向线作为晶轴。选出的晶轴应尽可能互相垂直或近于垂直。

图4-2三晶轴的名称安置及轴角

图4-3四晶轴的名称安置及轴角

(二)轴角

两根晶轴正端间的夹角称为轴角。

各晶轴之间有一定的夹角关系，这些轴角都有相应的名称和代号。

三晶轴中:b轴∧c轴=α角、a轴∧c轴=β角、a轴∧b轴=γ角(图4-2)。

四晶轴中:b轴∧c轴=α角、a轴∧c轴=β角，a轴∧b轴=b轴∧d轴=d轴∧a轴=γ角(图4-3)。

等轴、四方和斜方晶系晶轴为直角坐标，α=β=γ=90°;在三方和六方晶系中，α=β=90°，γ=120°;单斜晶系中，α=γ=90°，β＞90°;三斜晶系中三晶轴彼此斜交，α≠β≠γ≠90°。

(三)轴长与轴率

晶轴系格子构造中的行列，该行列上的结点间距称为轴长(也称轴单位)。a，b，c轴上的轴长分别以a₀，b₀，c₀表示。由于结点间距极小(以nm或计)，需借助X射线分析才能测定，根据晶体的外形不能测定出轴长，但是在晶体的外形上可以确定晶面和晶棱的方向，只要知道轴单位的比值便可以了。

将轴单位a₀，b₀及c₀进行连比，记作a∶b∶c，称为轴率。轴率在具体使用时是将b值定为1来进行计算的。

如石膏a₀=5.68Å，b₀=15.18Å，c₀=6.29Å，a∶b∶c=5.68∶15.18∶6.29，当b=1时，轴率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，轴率a∶c=1∶1.1005。

(四)晶体常数

轴率a∶b∶c和轴角α，β，γ合称晶体常数，它是表征晶体坐标系统的一组基本参数。它与内部结构研究中表征晶胞的晶胞参数(轴长a₀，b₀，c₀，轴角α，β，γ)一致。如果轴长a₀，b₀，c₀和轴角α，β，γ已知，就可以知道晶胞的形状和大小;如果轴率a∶b∶c和轴角已知，虽然不知晶胞的大小但可以知道晶胞的形状(图4-4)。

图4-4晶体常数与晶胞形状的关系

E. 宝石的加工工艺

在加工工艺中，钻石和其他宝石的琢磨与抛光为两门相互独立的工艺，常称为钻石车工和宝石车工。宝石的车工款式见图11-1-12。

1.钻石车工工艺

钻石硬度最高，只能用金刚石粉琢磨。根据粗糙晶体上所见的“纹理”，即八面体的棱来确定钻石的方向。琢磨钻石是用旋转的磨盘研磨这些“纹理”。

图11-1-12 宝石的车工款式

（1）设计（或划线）：根据钻石原石晶体形态，晶体包体、裂隙等的分布状态，设计出所需琢型款式，并用防水墨笔划出所分割钻石的部位。并定出顶刻面所处的位置。

（2）分割

a.劈开（劈钻）

钻石晶体可平行八面体晶面劈开，这道工序用来修饰原石晶体，去掉不理想部分以获得较好的形态。这是一项技术要求较高的工序，这项工作不仅可使钻石晶体能很快分开，而且还没有重量的损失。

b.锯开

如果钻石不具备劈开的条件时，通常便用锯开方法来分断。方法是在八面体中心上面一点将晶体锯成两个锥状小块。锯子是一个薄的磷青铜圆片，其边缘粘满了金刚石粉。锯子的锯盘转速约5000转/min（即分钟）、刀片边厚约1/500in（即英寸，lin=25.4）。这项工序切割中钻石重量的损失较大。

（3）打圆（粗磨）

把劈开或锯开的钻石牢牢地粘在支架上，进行手工或机械研磨，支架的转速约100转/min。

（4）磨面

这是最后一道工序，刻面的琢磨和抛光在同一工序中完成。先磨顶刻面，再磨主刻面，要对称地磨，磨一个面，抛光一个面。也可从亭部开始。钻石的琢磨程序见图11-1-13。图中所示从顶刻面到主刻面都要对称进行。

图11-1-13 钻石刻面的琢磨程序

2.其他宝石的琢磨

设计：确定琢磨款式，定出顶刻面位置，并用防水墨笔划好。

（1）切削：用边缘蘸满金刚石粉的金属轮进行切削。金属轮是铁的或磷青铜的圆锯。如果较贵重的宝石，则利用切割钻石的圆锯切割。

（2）打磨：首先将宝石琢磨成所需要的坯形，再用铜或青铜磨盘和金刚石粉或碳化硅粉进行打磨。所采用的研磨材料取决于被琢磨的宝石硬度，然后用更细磨料琢磨出刻面。凸面型宝石则要放在半圆形沟槽的细砂轮上磨出所要求的形状。

（3）抛光：对打磨产生的刻面或凸面进行抛光，抛光在铜磨盘和木磨盘的抛光机上进行。抛光材料为很细、很软的磨料，如氧化铝粉。蓝宝石和红宝石则用很细的金刚石粉在铜盘上抛光。凸面型宝石在布轮抛光机上进行抛光。

F. 宝石人工合成（晶体生长）中的籽晶制备

唐元汾

作者简介：唐元汾，中宝协人工宝石专业委员会第二、三届委员，原中国科学院上海硅酸盐研究所晶体研究室高级工程师。

一、引言

人们对宝石人工合成（晶体生长）有一种神奇的感觉，其实晶体的培育生长和自然界种庄稼很类似。要想获得优良的晶体，首先要选出良好的种子（籽晶），有了良好的种子，才能培育生长出我们希望得到的方向、尺寸、形状的优质晶体材料，最后再进一步加工出各式各样的宝石和首饰产品。

在这一过程中，籽晶的作用非常重要。好的籽晶至少要满足以下两个条件：

1）具有合适的晶体生长取向：生长取向通常是指生长轴与晶体光轴的夹角。由于大部分晶体具有各向异性，不同晶向的生长习性也不同，不同的晶体生长取向下，质量、生长速率、单晶率、完整性等都不同。故要根据生产需要，选择最有利的晶体生长取向和生长面。

2）内在质量良好：籽晶应该单晶性好，没有峦晶、多晶、气泡、包裹物、散射颗粒等缺陷，以避免这些缺陷“遗传”到晶体中，具体可用激光来检验。

为了能选出我们希望的、质量合格的籽晶，需要用到激光，X光晶体定向仪，光学偏光显微镜和切、磨、抛等项技术和设备。

本文就宝石人工合成培育晶体生长中所需要的方向，各种几何尺寸形状的好籽晶作一些介绍。

二、焰熔法生长宝石用籽晶的制备

焰熔法是最常见的宝石生长方法，广泛用于刚玉类无色蓝宝石和彩色宝石、彩色铝镁尖晶石宝石、金红石、钛酸锶等合成宝石产品。焰熔法具有无需坩埚、温度高、生长速度快和效率高等优点，同时该方法由于纵向、横向的环境温度梯度大、生长速度快，产品梨晶中缺陷很多。如果籽晶中有缺陷，这些缺陷会顽强地延伸到梨晶中，使晶体炸裂，成品率低，质量欠佳。因此焰熔法中籽晶选用合适与否对晶体生产影响很大。我们曾选用（1120）面的优质红宝石籽晶在原上海玻璃仪器一厂宝石车间试验，结果成品率由原87.59%提高到90.99%，这说明了选择优质籽晶的重要性。

下面简要介绍焰熔法生长宝石晶体时制备籽晶的方法。

1）初次生长宝石无籽晶可用，此时可利用焰熔法无籽晶直接培育法生长出晶体，再利用该晶体制备籽晶。具体方法式是先在底座上（蜡烛台）生长几个晶芽，选择其中长得最快和发育晶形最好的晶芽，把它扩大培育生长成大的梨状晶体。如图1所示。

图1 无籽晶生长底座图

2）在得到如图2所示的梨状晶体后，根据梨晶根部的晶面削面（001）面和梨晶顶部有平行于[001]方向的显露线，在顶部沿平行显露线中心，用0.3mm的金刚石锯片，切锯1～3mm的深槽，此时梨晶就会沿梨晶顶部中心自动对裂成两个如图4所示的大瓣半梨晶。

图2 梨状晶体

图3 裂成两半的半梨晶

3）在获得如图3所示的两大瓣半梨晶之后，首先把两大瓣梨晶的两大面加工抛光，如图4所示的那样，选择晶体内部散射颗粒、滑移、双晶孪晶少的晶胚料来切取优质籽晶。

图4 实物

图5 长方或正方直角准确方块

4）定向程序是将经检验过的优质梨晶瓣加工成如图5所示的长方或正方直角准确的方块，为定向做好第一步准备工作。

X射线晶体定向程序是先根据晶体的X射线粉末衍射谱线图，查得所需方向hkl的参数θ。例如要定α－Al₂O₃晶体的[006]方向，查表1可知其对应的θ角为20°50′。把X光晶体定向仪上的刻度盘转到2θ也即41°40 ′的位置上。将要测定的α－Al₂O₃晶体方块（即图5）的端面贴在X光晶体定向仪的测定吸附口上，转动转轮，当转轮刻度转到20℃左右，X光晶体定向仪上的显示指针会出现左右摇摆，这就表示接近[006]方向了。X光晶体定向操作是一个修磨操作工艺：在X光晶体定向仪指针向左偏的时候，要把α－Al₂O₃晶体方块的端面右面在研磨机的金刚石磨盘上进行研磨。反之则修磨左端面。这样经过反复修磨到这个端面能使显示指针锁定在20°50 ′的位置上。然后依此端面为基准面，用直角器测量，把如图5所示的一个大面和一个侧面修磨加工成直角形方块，直角精确度要在1℃内。用该大面和侧面分别作为对刀面和基准面，用外圆多刀或内圆单刀切割机进行籽晶切割，达到如图6所示的籽晶。

图6 切出的籽晶

表1 α－Al₂O₃晶体衍射谱线参数

表2 YAG晶体衍射谱线参数

三、提拉法生长宝石用籽晶的制备

用提拉法可生长刚玉类无色蓝宝石和彩色宝石，YAG及YAG仿祖母绿等宝石晶体。如果没有晶体可用来切割籽晶时，可先用与坩埚材料同质的金属棒，作模拟籽晶，引晶提拉出晶体来，再根据晶体方向面在晶体坯料上显露的特征，根据表1与表2的X射线粉末衍射谱线参数可查出相应α－Al₂O₃和YAG晶体在所需方向的参数θ，采用上文介绍的焰熔法宝石生长用籽晶制备工艺，即能定向切割出用于提拉法生长刚玉类白宝石和彩色宝石等所需的优质籽晶，如图7和图8。

图7 提拉法生长的白宝石及其籽晶

四、焰熔法合成尖晶石的籽晶制备

查表3合成尖晶石（MgAl₂O₄）的X射线粉末衍射谱线图得到其所需方向的参数θ，同样采用上文介绍的焰熔法宝石生长用籽晶制备工艺，即能定向切割出用于焰熔法生长尖晶石所需的优质籽晶，如图9。

图8 YAG晶体及其籽晶

图9 合成尖晶石晶体及其籽晶

表3 镁铝尖晶石（MgAl₂O₄）晶体衍射谱线参数

五、结论

1）宝石人工合成（晶体生长）的成品率，晶体产品质量与晶体培育生长所用的籽晶方向及质量密切相关。

2）用X光晶体定向仪及氦氖激光，光学检测等方法来选择优质籽晶切实可行。

参考文献

李德宇，刘建成，唐元汾.1983.宝石单晶生长取向与脆性关系的研究.硅酸盐学报，No.01,11.

刘来保，赵久.2001.应用X射线定向仪的晶体快速定向法.北京：化学工业出版社.

G. 具有星光效应的红宝石如何定向加工

只有星光效应的红宝石如何定向加工？这个要。请专业的师傅。说不好谁也不会教你。

H. LBO 晶体如何定向

你要问的是对LBO晶体未加工过的毛胚定向吗？说来太长，只说一种从c轴籽晶长出的，也许简单一些，要吗？

I. 宝石加工中如何利用宝石具有方向性的物理性质

看样子你很内行。宝石的多色性使之从不同方向看呈现不同颜色，宝石加工就是要把专最好的颜色放在台面属上。比如红宝石，横截面上颜色最深，平行柱状的最浅，如果宝石颜色太深的话，不应该以横截面做台面，平行柱状的方向最好。

J. 金刚石人工目测晶体定向的方法

楼主啊，目测需要操作者超强的工作经验，虽然简单易行，但准确性差，而且对经过加工失去天然单晶体特征的就无法目测了