常用工艺材料

第二节　常用工艺材料

一、磨　料

磨料指可用于磨削、研磨或抛光的材料。它是一些具有棱角和一定硬度和韧性的粉状或粒状的物质，可以直接用于研磨工件（宝石），也可以制成磨具使用。可以说，磨料是宝石加工设备的“牙齿”。

（一）磨料的基本性能

用作磨料的物质大多是一些天然或人造的矿物材料，一般具有下列基本特性：

（1）硬度较高，一般不能低于被加工材料的硬度。

（2）有适当的抗破碎性能，即韧性较好，在研磨压力下不易发生变形和被磨损。

（3）有适当的自锐性，即当随研磨压力而产生破碎时，破碎后的各部分仍然保持贝壳状断口和尖锐的多棱角状。

（4）高温下能保持固有的硬度和强度，在研磨过程中的发热作用不会使其尖棱角变软或熔化。

（5）化学性质稳定，不与被加工的材料产生化学反应。

（6）粒度和形状均匀，每号磨料的粒度都限制在一定范围内。

磨料的上述基本特性也是衡量各种矿物材料能否作为磨料利用的基本工艺要求。

（二）磨料的粒度分级

磨料的粒度是表示磨料颗粒大小的标志，一般用粒度号“#”、“W”和粒径尺寸（μm）来表示。世界各国对磨料粒度的分级标准不太一致，我国的标准是将磨料粒度从0.5μm～2mm划分为两类29个级别。见表4.2.1。

磨粒：12^#、14^#、16^#、20^#、24^#、30^#、36^#、46^#、60^#、70^#、80^#、100^#、120^#、150^#、180^#、240^#、280^#

磨粉：W₄₀、W₂₈、W₂₀、W₁₄、W₁₀、W₇、W₅、W_3.5、W_2.5、W_1.5、W₁、W_0.5

即，磨粒的粒度用我国筛号（#）表示，划分为17个级别，粒度号越大，粒度越细；微粉的粒度以微米值（W粒径）表示，划分为12个等级，其下标的粒径值（μm）越小，粒度越细。

表4-1　磨料的粒度号及粒度尺寸对应表 （单位：μm）

（三）磨料的种类

如前所述，磨料即硬质物质的粉末，所以磨料的种类很多，即凡是高硬度物质的粉末均可用作磨料，有天然的，也有人造的。宝石加工业中常用的仅如下几种：

1.碳化硅（SiC）

它是人工合成磨料中最早出现的一个品种，于1891年合成成功，称为“人造金刚砂”，迄今已有百余年历史。

碳化硅是在电炉中熔炼无烟煤和石英砂而产生的，将它们的混合物加热至1920～2200℃，在高温还原条件下发生化学反应，即形成碳化硅晶体，形成的温度不同，生成的碳化 硅颜色也不一样，故有黑碳和绿碳之分。黑碳是在炉内低温 区（如炉的边缘）或温度升得不那么高时形成的，而绿碳是在高温区或温度升得足够高时形成的。碳化硅的摩氏硬度稍高于9，具有导电、耐高温、不受酸腐蚀等特点，常以松散的粉末使用或用来制作各种规格的砂轮、砂条、砂布等，可以用来琢磨除金刚石以外的所有宝石，更细者还可用于抛光。由于其用途广泛，价格低廉，很快在宝石加工行业中得到普遍使用。

2.碳化硼（B₄C）

其也是一种电炉产品，是由氧化硼和沥青的混合物在 2800℃的高温、还原条件下发生反应而成。在碳化物人造磨料中，它的硬度最高，仅次于金刚石，用它作磨料琢磨黄玉 （摩氏硬度为8），就像用金刚石琢磨刚玉（摩氏硬度为9）一 样容易，碳化硼呈灰黑色，韧性比碳化硅好，但因价格比碳化硅高得多而很少被采用。

3.天然及人造金刚石粉

用天然金刚石粉作磨料已有很长的历史，它是自然界中最硬的矿物，不论琢磨何种宝石都可以用它作磨料。质好的金刚石十分珍贵，常用作首饰且价格十分高昂，而其中的工业级金刚石，如不透明或瑕疵发育的金刚石通常经碾压成粉末用作磨料。天然金刚石发育有八面体方向的完全解理，磨料容易沿解理方向破裂，但有一种黑色隐晶质金刚石具有较大的韧性和硬度，适合于制作磨料。金刚石粉广泛地用于制作各种钻粉磨具，微粉则用于中高档宝石的抛光。

二、磨　具

磨具是宝石加工中最重要的切割、磨削和抛光的工具。根据在加工中的作用不同，磨具可分为切割磨具、磨削磨具和抛光磨具三大类；根据磨具与磨料的附着关系，又有游离磨料磨具和固着磨料磨具之分。

1.固着磨料磨具

是指磨料被某种结合剂结合起来并做成一定形状的磨具，或磨料被附着于某基体上而成的磨具。这种磨具常见的有金刚石粉锯片、砂轮（碳化硅砂轮和金刚石砂轮）、砂带（碳化硅）、砂盘等。

2.游离磨料磨具

是指磨料不是黏附于磨具基体上，而是在磨具工作面上处于游离分散状态，此种磨具一般仅起支撑磨料进行磨削的作用，而不把持磨料。这种磨具常见的有磨盘和抛光盘。

3.在选购和使用磨具时应注意

（1）砂轮的选择

宝石加工既要考虑加工效率，又要考虑经济、实用等因素。砂轮的结合剂类型、硬度不同，用途稍有差异，实际工作中常选用陶瓷结合剂和树脂结合剂的中硬砂轮。

砂轮在出厂时，其上一般标有磨料代号、硬度代号、磨料粒度、内外孔径及厚度，购买时应根据机型和用途加以选择。

（2）砂轮的转速

在使用砂轮时，为了提高加工效率，常常要求砂轮有较高的转速。但转速太高，会因强大的离心力的作用以及震动等因素，很可能使砂轮破碎而飞出，造成设备损坏并危及操作人员的安全。因此，砂轮应带有防护罩。除应安装平稳外，还要控制其转速，较小的砂轮转速可高一些，较大的砂轮转速应低一些。一般地说，陶瓷结合剂的砂轮最大线速度应小于35m/s，树脂结合剂的砂轮最大线速度应小于40m/s。

另外，砂轮不能在水中浸泡时间过长。砂轮是由磨料和结合剂组成的，其中有许多气孔，如果浸泡时间太长，水将进入气孔及间隙中，使结合剂的结合力变小，结构变疏松，使用时容易破裂。

（3）砂轮的修整

新购入的砂轮常有“失圆”现象，如果直接使用，边缘跳动十分严重，并会引起机器的剧烈震动；砂轮使用一段时间后，由于不均匀磨削也会使砂轮出现变形。这些情况会给加工带来很多困难，有必要对其进行修整。

修整砂轮需要专用的金刚石工具金刚石刃修整器，它是在金属杆上一端嵌以金刚石晶体制成的。修整方法如图4-13所示。将修整器呈水平位置放在支架上，支架的高度应使金刚石刃所处的位置在砂轮中心水平线与修整点法线之间呈10°～15°的角度，如果位置过高，会使修整器产生震动，起不到良好的修整效果。修整过程中应始终保持水冷，以防过热而损坏金刚石。开始时用力要轻，慢慢削掉突出部分，并使修整器左右移动，直至整个面平整为止。

图4-13　砂轮的修整
①防溅罩；②金刚石刃修整器；③稳定支架；④砂轮

如果没有金刚石刃修整器，使用废砂轮碎块亦可，但需用时间较长。这时切勿急于求成，用力必须轻而均匀，用力过大，可能导致砂轮破裂。

4.金刚石磨具

金刚石磨具是指用金刚石粉末制作的磨具，又称钻粉磨具。

金刚石磨具是近年来发展起来的磨具，也是目前宝石加工行业使用得最普遍的一种，其类型、规格已成系列，概括有砂轮、磨盘及各种特殊用途的异形磨具。

（1）金刚石砂轮

亦称钻粉砂轮，是用电镀或其他方法将钻石粉固着在金属基轮的外缘而制成的一种磨具。同碳化硅砂轮相比，钻粉砂轮具有切磨效率高，磨损小，强度高，加工精度高等优点，但其价格远比碳化硅砂轮昂贵，所以目前尚未得到普遍使用。

钻粉砂轮其直径一般在25mm～200mm之间。钻粉粒度在70^#～320^#之间，可根据实际用途加以选择。不论形状如何，钻粉砂轮的结构都是由钻石粉、过渡层和基体三部分组成的。基体一般为钢轮或其他金属。最外层的工作层由钻石粉和金属（如镍）结合剂组成，一般是用电镀的方法将钻石粉牢固地固着在基体表面。在基体与工作层之间有一过渡层，成分与固着钻石粉的金属结合剂相同，过渡层很薄，是在电镀钻石粉之前镀于基体上的，主要作用是提高工作层与基体结合的牢固度。

尽管钻粉砂轮的使用尚不普遍，但其独特的性能是碳化硅砂轮不可比拟的。随着人们对加工精度和效率的要求提高，钻粉砂轮必然会成为宝石加工业所必需的磨具。

（2）金刚石磨盘

亦称为钻粉磨盘（见图4-14），是目前小面型宝石加工中使用得最普遍的一种磨具。在这种磨具未出现之前，小面型宝石的切磨是在铸铁盘上掷以松散的磨料来完成的，这种切磨方法不仅工作环境差，劳动强度大，而且效率相对也是比较低的，钻粉磨盘克服了这些不足，在宝石加工业中迅速得以普及，它不仅切磨效率高，而且平面度好，切磨出的小面外观规整，是切磨小面型宝石的理想工具。

图4-14　钻粉磨盘

钻粉磨盘的直径主要有150mm和200mm两种，钻粉粒度从120^#～1200^#均有生产，广泛运用于小面型宝石的造型、粗磨、细磨和精磨等各工序中，随着宝石加工业的实践深入，近年来生产的钻粉磨盘的质量越来越好。

（3）异形磨具

它是根据宝石加工的特殊需要而生产的外形特殊的磨具。异形磨具的种类很多，许多加工厂家根据工作需要自行设计，其制作方法有多种。电镀法比较常见，制作工艺、磨具结构与钻粉砂轮、磨盘大致相同，在此不另赘述。

三、辅　料

在宝石加工中，除需各种磨料和磨具外，还需各种辅助材料，包括冷却液、黏结材料和清洗材料等。

1.冷却液

在宝石加工过程中，往往产生大量的热量，使宝石和磨具温度升高，故要使用冷却液降温。除冷却外，冷却液还有清洗和润滑的作用。宝石加工中常用的冷却液有水、油和皂化液等。

2.黏结材料

主要用来将宝石粘在操作棒上以便于宝石加工。黏结材料必须具备的条件是：具有良好的黏结性；适当的软化点，有良好的热稳定性；良好的化学稳定性；无毒、无杂质。宝石加工中常见的黏结材料有：石蜡、虫胶、松香、黑火漆、火漆胶、绿条胶、红胶、502胶和木漆等。

3.清洗材料

主要用于清洗粘结剂和宝石表面油污、灰尘等。常用的宝石清洗材料有：水、碱性溶液、酸性溶液和有机溶液等。

四、抛光剂

拋光剂是拋光过程中的主要辅料，将抛光剂与某些液体（如水、机油等）以一定的比例相混合，使之附着在抛光工具上与工件发生摩擦，如果操作方法得当，即可使工件抛光而显示出耀眼的光泽。

（一）抛光剂的种类和特征

抛光过程包含精细的研磨作业，从这一意义上讲，拋光剂就是一种极精细的磨料，因此，所有极精细的磨料均可作为抛光剂使用。目前使用得较广泛的除钻石粉外，主要是一些金属氧化物，如氧化铝、氧化铬、氧化铈等，一种理论认为之所以金属氧化物能够用作抛光剂，是因为它们大多具有较高的熔点和硬度，这种说法似乎有一定的道理，但并不全面，抛光剂的熔点和硬度对抛光效果有一定的关系，但必定还有许多其他未知因素对拋光效果起着重要作用。

下面介绍几种常见的抛光剂。

1.钻石粉，也称为金刚石粉

化学成分为碳（C），纯净者为白色，一般为灰白色。将天然的工业级金刚石压碎成粉末，经过严格的筛分，即可制作出不同型号的钻石粉，极细腻者用于抛光。由于钻石粉具有很髙的硬度，因此，无论何种宝石均可用它作拋光剂，且抛光效果好，效率亦髙，但由于其价格昂贵，一般只用来抛光摩氏硬度在7以上的宝石，如红、蓝宝石、黄玉、电气石等。

钻石粉一般用机油调成糊状使用，近年来，也有将钻石粉与其他分散剂调配成糊状而制成的钻粉研磨膏出售，它在拋光中取得较好的效果，提高了钻石粉的利用率，也避免了调制钻粉糊的麻烦。

2.氧化铝，亦称铝氧粉、红宝石粉或蓝宝石粉

化学分子式为Al₂O₃，因制备方法不同，纯度略有差异，其中多为人工合成刚玉经压碎而成。压碎的粉末经精密的筛分，颗粒大小非常均匀，红宝石粉为粉红色，其他多为无色。氧化铝不溶于水，广泛地用于除钻石外的各种宝石的抛光，尤其是与皮革或木制抛光工具配合抛光硬度较低的宝石，具有极好的抛光效果。

3.氧化铈

化学分子式为Ce₂O₃，颜色为粉红带微黄色，易溶于浓硫酸或浓硝酸，不溶于稀酸或水，可用于抛光中硬度的脆性宝石，如水晶、橄榄石等，尤其是用来抛光除虎晶石以外的石英类宝石，可以取得令人满意的效果。

4.氧化铬，俗称绿粉

化学分子式为Cr₂O₃，深绿色，不溶于水，易污染工具、手指、衣物等，且不易洗净。其颗粒通常粗细不匀，抛光时易留下擦痕。多用于凸面型宝石、圆珠宝石等易剥蚀性宝石的抛光，尤其适用于与皮革配合抛光翡翠。由于它易污染，不适合于抛光那些有裂纹、孔穴和疏松多孔的宝石。

5.氧化铁，俗称铁丹

化学分子式为Fe₂O₃，深棕红色，性质稳定，不溶于水，但溶于盐酸。粉末粒度在0.25～0.75μm之间，很细腻。氧化铁可用于多种宝石的抛光，但由于它易污染且抛光效果与其他性质相似但污染小的抛光剂相比并无优势，故很少使用。

6.硅藻土

化学分子式为SiO₂·nH₂O，与石英相同。可用含硅藻结核的岩石压碎而成，经适当的分选后，品质极均匀、细腻，颜色为灰白色或微带黄色，微溶于温度较高的强碱溶液，易溶于氢氟酸或氢氧化铵的热水溶液，广泛用于玛 瑙或其他中低硬度宝石的抛光，特别是它与锡或铝合金拋光工具相配合抛光蓝宝石效果很好，但效率不如钻石粉那样高。

（二）抛光剂的选择

一般来说，抛光剂的硬度应比被抛光的宝石的硬度大，这样，宝石表面的磨削速度快，抛光效率高。例如，用钻石粉和硅藻土抛光蓝宝石都可以取得令人满意的效果，但钻石粉的拋光效率要高得多。

有些拋光剂容易发生污染，不能用它们抛光多孔隙的宝石，如虎睛石、绿松石等，否则会影响宝石的外观。

另外，抛光剂与抛光工具的配合对抛光效果影响很大。对某一宝石来说，采用何种抛光剂才能获得最好的抛光效果，需要我们在实践中不断探索和总结。

（三）拋光剂的存放

抛光剂是一种颗粒极均匀且极细腻的微粒，存放时应特别注意：

（1）不同种类的抛光剂应分别存放。抛光剂有很多种，性质、用途各不相同，粒度粗细也有差异，所以，每种抛光剂应单独存放，并在容器外标明品名、粒度等，以免混淆。

（2）盛装抛光剂的容器要密封，以防尘埃进入，并严格地与磨料隔离。拋光剂多数十分昂贵，尤其是钻石粉，如果稍不留意，将磨料或硬质碎屑混合其中，将会严重影响抛光效果以致使抛光剂报废，由此带来的经济损失将是惨重的。

（3）有些抛光剂为重金属物质，属剧毒物品，存放时应特别注意安全，尤其不能与食品放在一起。

五、抛光工具

拋光工艺是使拋光剂附着在某些抛光工具上使之与宝石发生摩擦而实现的，普通的抛光工具分为两类：一类用于拋光具弧面、球面及其他异形表面的工件，这些工件的拋光均是用软质材料制作的抛光盘或抛光轮，行业中称之为软盘；另一类是用于抛光具有规则几何平面的工件如小面型宝石，因为小面型宝石的抛光面应近似于一个理想平面，才能具有漂亮的外观，抛光这类宝石的抛光工具需用抗压力较强的材料，如金属、塑料、木头等制作的抛光盘。行业中将金属制作的抛光盘称为硬盘，而将木头、塑料、沥青等材料制作的抛光盘称为中硬盘。对于一些随形工件及球形工件的抛光，为了适应工业化生产，通常采用各种机械抛光，可大大提高加工效率，有关这些机械的原理及性能，将在相关章节中介绍，这里仅介绍几类常用的抛光工具。

（一）软质抛光工具

通常，宝石加工行业将毛毡、皮革、毛呢等材枓制作的软质抛光盘称为软盘。软盘抛光对提高抛光效率是十分有用的。我们知道，抛光面越大，越接近于理想平面，抛光就越困难，对一略带圆弧的抛光面来说，这一工作将会变得简单得多。

宝石加工行业中用于制作软质拋光工具的材料主要有如下几种：

1.毛　毡

拋光工具使用得最多的为上等羊毛压制而成的实心毛毡（见图4-15），可用来制作抛光轮及抛光盘，市场上出售的毛毡一般较软，可以将其压实后使用。用于制作拋光轮时，厚度也应稍大一些，以2.5～5cm为宜。制作抛光盘时，为防止厚度太大而引起盘面跳动，使用的毛毡应尽可能薄一些，一般以0.5cm厚为宜，用耐水胶或沥青将其粘在木质或铁质基盘上，经修整后便可使用，抛光时转速不宜太快，因盘面比较坚硬不利于拋光剂的附着，转速太快时，抛光剂易因离心力被甩落，而起不到抛光作用。一般以600～800r/min为宜，较大的抛光盘转速应更慢一些。在使用过程中，羊毛会很快地脱落，如果仅使用一个部位，在盘面上很快会出现一圈凹槽，所以，使用时应不停地变换宝石在拋光盘上的位置。

图4-15　毛毡抛光盘

2.皮　革

用实心皮轮拋光玉器，在我国已有多年历史，广大玉雕工作者在这方面积累了丰富的经验。大体来说，任何皮革均可用于抛光，但以未经人工处理的牛皮、山羊皮最好。

皮革可用于任何宝石的拋光，尤其适用于具剥蚀性的材料，如翡翠、青金岩、蛇纹石、虎睛石等。

使用皮革拋光也很经济，以单层皮革制成的抛光工具，一般要使用数月之久。但用它抛光也不是十全十美的，皮革抛光速度较慢，抛光时又以接近于干拋效果最好，而近干抛时易发热，这对耐热宝石（如翡翠）的抛光是十分理想的，而对非耐热宝石（如绿松石、孔雀石）来说就成了一个缺点。所以，使用皮革抛光盘抛光时，应根据不同的宝石调整其转速。但牛皮对抛光剂的附着力不是很强，故其转速最大不应超过1400r/min。

3.毛　呢

毛呢也是宝石加工中经常用到的制作软质抛光工具的材料，在许多经营衣料的商店里均可以购买到，其中以编织得厚而密的毛呢为最好。制作的拋光盘用于抛光摩氏硬度在7以下的宝石效果很好且效率也高。毛呢拋光盘最大的缺点是使用寿命短，如果被抛光的宝石有尖锐的棱角，很容易将其划破。

毛呢拋光工具在使用时，可先涂以抛光剂与水的稀释混合液，开动电机，将宝石放在上面与其发生摩擦。毛呢对抛光剂及水分的附着性较好，抛光工件不致因发热而引起不良效果。如感到摩擦力逐渐增大，表明抛光面在逐渐变干，应及时补充水分。

软质抛光工具可以根据需要制作成不同形状，但常见的只有抛光轮和抛光盘。

抛光轮的制作比较简单，将以上材料的圆片中心固定于一轴上，经过简单的修整使之与轴同心便可以使用了。如果单片材料太薄，可以将多片叠加在一起使用。

抛光盘一般由面层和基盘构成，面层由毛毡、皮革、毛呢等材料制作，基盘可由金属、木头或其他材料构成。两者的连接方式很多，可以用胶合剂（如树脂胶、沥青等）胶接，也可以用铁钉钉住，还可以用钢圈绷于基盘上。

抛光盘的用途不同，表面状态也有所不同，一般有图4-16所示几种表面形状。

图4-16　抛光盘形状

（二）硬质拋光工具

硬质拋光工具是指用金属、合金材料、陶瓷制作的抛光工具，宝石加工行业中主要是指硬质拋光盘即硬盘。

硬盘是小面型宝石拋光中必不可少的工具。它具有导热性好、弹性差、韧性好、易修理、使用寿命长等优点，它抛光出的表面近乎理想平面，用于小面型宝石的抛光时，各组小面形状规整，外观漂亮，使小面对光线的反射能力明显增强，是其理想的抛光工具。

制作硬盘的材料很多，有金属材料如紫铜（见图4-17），而更多的是采用合金材料，以锡铅合金盘最为常见，还有铝合金盘和锌合金盘等。锡铅合金盘中，各种金属的配比不同，其硬度也不同，一般来说，硬度越低，抛光速度越快。但抛光效果的好坏还要看与抛光剂的配合情况。

图4-17　铜抛光盘

（三）中硬质抛光工具

中硬质抛光工具的特点介于软、硬质抛光工具之间，它兼收两者的优点，既可用于抛光小面型宝石，也可用于抛光弧面或其他任意形状的表面，且抛光效率高、效果好，其作用在宝石加工行业中得到广泛认可，所以，近年来被大量地使用。

用来制作中硬质抛光工具的材料包括沥青、木头、塑料等，可以根据用途不同做成各种形状，做成平面形者经修整后可用于小面型宝石的抛光，做成同心环状凹面形者可用于凸面型宝石的抛光，还可以根据特殊的用途而随意制作。