CH297399A - Gefärbter Rutil-Einkristall-Schmelzkörper und Verfahren zu dessen Herstellung. - Google Patents

Gefärbter Rutil-Einkristall-Schmelzkörper und Verfahren zu dessen Herstellung.

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CH297399A
CH297399A CH297399DA CH297399A CH 297399 A CH297399 A CH 297399A CH 297399D A CH297399D A CH 297399DA CH 297399 A CH297399 A CH 297399A
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Inc Titan Company
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Titan Co Inc
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16Oxides
    • C30B29/22Complex oxides
    • C30B29/26Complex oxides with formula BMe2O4, wherein B is Mg, Ni, Co, Al, Zn, or Cd and Me is Fe, Ga, Sc, Cr, Co, or Al

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Description


  Gefärbter Rutil-Einkristall-Schmelzkörper und Verfahren zu dessen Herstellung.    Die Erfindung bezieht sieh auf gefärbte  Rutil-Einkristall-Schmelzkörper, insbesondere  auf sogenannte  Boules , sowie auf ein Ver  fahren zu deren Herstellung.  



  Rutil ist eine der drei bekannten Kristall  formen des Titandioxyds. Wenn er praktisch  rein ist, besitzt ein Einkristall aus     Rutil    die  Eigenschaften eines Edelsteins von sehr heller  Strohfarbe mit einem Reflexions- und Refrak  tionsvermögen sowie einer Brillanz, die grösser  sind als beim Diamanten. Gemäss der vor  liegenden Erfindung kann man nun     Rutil-          Einkristalle    in verschiedenen Farben herstel  len.  



  Die vorliegende Erfindung bezieht sich  auf einen Rutil-Einkristall-Schmelzkörper, der  dadurch gekennzeichnet ist, dass er aus     Titan-          dioxy    d und einem färbenden Metalloxyd be  steht.  



  Solche färbenden Metalloxyde sind vor  zugsweise Oxyde der Elemente der vierten  Periode des periodischen Systems mit der  Ordnungszahl von 23 bis 28, d. h. Vanadin,  CBrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel.  



  Diese gefärbten Schmelzkörper werden er  findungsgemäss hergestellt, indem man eine  innige Mischung von feinverteiltem Titandioxyd  und einem färbenden Metalloxyd herstellt und  diese Mischung in einer Flamme, die einen  Überschuss an oxydierenden Gasen enthält,  zu einem Einkristallkörper schmelzt. Der so    erhaltene Schmelzkörper wird dann vorteil  haft in oxydierender Atmosphäre nachbehan  delt.  



  In der vorliegenden Beschreibung wird  das Wort  Boule  in seiner geläufigen Be  deutung verwendet, die eine charakteristische  Form eines künstlich hergestellten massiven  Einkristalls mit abgerundetem Ende (Menis  kus), einem mehr oder weniger     stabförmigen     Körper und einem zulaufenden Ende um  schreibt, die im Gesamten im Profil     vorzLigs-          weise    ein     mand'el-    oder rübenförmiges Aus  sehen haben kann.  



  Ein allgemeines Verfahren zur Herstel  lung von     Rut.il-Einkristall-Schmelzkörpern    ist  im schweizerischen Patent Nr. 288157 beschrie  ben.  



  Gemäss einer bevorzugten Ausführungs  form der Erfindung benutzt man als Aus  gangsmaterial ein praktisch reines     TiO2,    das  sehr fein zerteilt und ziemlich gleichmässig  ist und ein lockeres Gefüge mit rasch schmelz  baren Teilchen aufweist. Befriedigend ist ein       Ti02    mit einer äussersten Teilchengrösse von  0,1     Mikron.    Im allgemeinen ist ein Material  mit einer durchschnittlichen Teilchengrösse  über 5     Mikron    zu vermeiden, da solche  Teilchen unter den Bedingungen des Ver  fahrens der Erfindung nicht befriedigend  schmelzen.  



  Man kann das färbende Metalloxyd, z. B.       Vanadin-,    Chrom-, Mangan-, Eisen-, Kobalt-      oder Nickeloxyd, mit dem     Ti02-Ausgangs-          material    in geeigneter Weise vermischen, z. B.  durch einfaches Zusammenmischen im     trok-          kenen    Zustand. Eine gleichmässigere Mischung  kann man erzielen, wenn man Salze dieser  Elemente, z. B. die Sulfate als Pulver,     Auf-          schlämmung    oder Lösung Ammonium-Titan  sulfat, zusetzt, bevor dasselbe calciniert wird.

      Die Menge des dem TiO2-Ausgangsmaterial  zuzusetzenden färbenden Metalloxyds ist klein  und wird für die Erreichung gefälliger Far  ben in den meisten Fällen 0,1% o, als Metall  berechnet, nicht übersteigen. Die Menge  variiert bei den verschiedenen Elementen, und  der Bereich für jedes Element wird nach  stehend beschrieben.  



  Für das sukzessive Schmelzen der Mischun  gen aus TiO2 und einem Oxyd des Vanadins,  Chroms, Mangans, Eisens, Nickels oder Ko  balts soll man eine Flamme verwenden, die  einen Überschuss an oxydierendem Gas, vor  zugsweise Sauerstoff, enthält.  



  Das Schmelzen erfolgt vorzugsweise ge  mäss dem schweizerischen Patent Nr. 288157  beschriebenen Verfahren, bei welchem die Teil  chen der Ausgangsmischung von einem Sauer  stoffstrom in ein Rohr geführt werden, das  das Zentrum eines Brenners mit drei konzen  trischen Rohren darstellt. In diesem Brenner  wird der Flamme durch das zwischenliegende  Rohr Wasserstoff zugeführt, während man  durch das äussere Rohr die über die für die  Verbrennung hinaus notwendige Sauerstoff  menge zuführen kann. Das Volumenverhältnis  von Wasserstoff zu Sauerstoff ist vorzugs  weise etwa 1 :1 und sollte nicht weniger sein  als 8,5 Volumteile Sauerstoff auf 9,5     Volum-          teile    Wasserstoff.

      Der Sauerstoffüberschuss ist erforderlich,  weil das Titandioxyd bei den hohen Tempera  turen Sauerstoff abgibt und in niedrigere  Suboxyde des Titans z. B. Ti203 umgewandelt  wird. Dieser Skierstoffverlust erfolgt mit be  trächtlicher Geschwindigkeit in der beim  Schmelzen verwendeten     Sauerstoff-Wasser-          stoff-Flamme    und wird noch grösser, wenn die    Flamme neutral oder reduzierend ist. Es ent  stehen dann so viele Suboxyde des Titans, dass  Mischungen aus kleinen Kristallen der ver  schiedenen     Titanoxy    de entstehen statt eine  E     inkristallboule.       Selbst wenn man mit     Sauerstoffüberschuss     arbeitet, hat die Boule in der Regel eine blau  schwarze Farbe, die einen Sauerstoffmangel  anzeigt.

   Man muss deshalb zur Erzeugung  einer genügend Sauerstoff enthaltenden Boule  die blauschwarze Boule     zurückoxydieren.     Diese Oxydation ist in der schweizerischen  Patentschrift Nr. 288157 eingehend erläutert  und besteht kurz darin, das sauerstoffarme  Material bei höheren Temperaturen in oxydie  render Atmosphäre zu behandeln, um den  Sauerstoffgehalt des     Rutil-Einkristalls    zu er  höhen. Man geht dabei zweckmässig so vor, dass  man den     Schmelzkörper    in einer oxydierenden  Atmosphäre auf 650 bis l000  C so lange er  hitzt, bis die blaue Farbe verschwindet. Ein  kristalle aus     Rutil    sind praktisch wasserklar  bis leicht strohfarbig.

   Bei schwachem Sauer  stoffmangel entsteht eine blaue Färbung, die  mit. zunehmendem     Sauerstoffmangel    dunkler  wird, bis sie     blausehwarz    ist.  



  Es empfiehlt sich, den     sehwarzblauen    Ein  kristall vollkommen zu oxydieren, wenn man  die charakteristischen Färbungen durch die  Zusatzstoffe zur Geltung bringen will. Wenn  man nur teilweise oxydiert, wird die wahre  Farbe durch die blaue Eigenfarbe des sauer  stoffarmen Kristalls maskiert, wodurch Far  ben mit     bläuliehem    oder     grünliehem    Ton ent  stehen. Die dem     Ti02        zugesetzten    Elemente  bilden Boules mit verschiedenen Farben. Die  Farbtiefe und der Farbton wechselt. mit der  zugesetzten Menge. Wenn diese Elemente in  nur sehr kleinen Mengen zugegen sind, ist  die Farbe gelb, und zwar von hellgelb bis  braungelb. In etwas grösseren Mengen erhält  man eine Bernsteinfarbe.

   In noch grösseren  Mengen geht die Farbe in Dunkelrot oder  nahezu Schwarz über.  



  Zur besseren Erläuterung der Erfindung  wird auf Tabelle I verwiesen, welche die      Menge des färbenden Stoffes zeigt, welcher  dem Ti02-Ausgangsmaterial zugegeben wer  den kann, um eine Einkristallboule ohne Risse  und von klarem Aussehen zu erhalten. Es    werden auch die prozentualen Mengen der  zugesetzten färbenden Stoffe angegeben, um  zu zeigen, wie der Farbton sich mit den wech  selnden Mengen ändert.

    
EMI0003.0001     
  
    Tabelle <SEP> I:
<tb>  Zugesetztes <SEP> Bevorzugte
<tb>  Element <SEP> obere <SEP> Grenze <SEP> % <SEP> (Als <SEP> netall <SEP> gerechnet)
<tb>  0,007-0,014% <SEP> o <SEP> V <SEP> rötlich-braungelb
<tb>  Vanadin <SEP> 0,1 <SEP> 0,014-0,028% <SEP> o <SEP> V <SEP> bräunlichrot
<tb>  0,028-0,056%4V <SEP> fast <SEP> schwarz
<tb>  bis <SEP> zu <SEP> 0,0017% <SEP> Cr <SEP> bräunliehgelb
<tb>  Chrom <SEP> 0,1 <SEP> 0,0017-0,003% <SEP> Cr <SEP> hellbraun
<tb>  0,003 <SEP> -0,006% <SEP> Cr <SEP> tief <SEP> rötlichbraun
<tb>  > <SEP> 0,006% <SEP> o <SEP> Cr <SEP> fast <SEP> schwarz
<tb>  bis <SEP> zu <SEP> 0,003 <SEP> % <SEP> Mn <SEP> gelblich
<tb>  Mangan <SEP> 0,15 <SEP> 0,003-0,008% <SEP> Mn <SEP> rötlich-bernstein
<tb>  0,008-0,15 <SEP> % <SEP> Mn <SEP> dunkelrot
<tb>  0,007-0,035 <SEP> % <SEP> Fe <SEP> hellgelb
<tb>  Eisen <SEP> 0,1 <SEP> 0,035-0,

  07% <SEP> Fe <SEP> hellgelb <SEP> mit <SEP> starker <SEP> Kon  zentration <SEP> von <SEP> Rot <SEP> im <SEP> Ober  teil <SEP> der <SEP> Boule.
<tb>  bis <SEP> zu <SEP> 0,05 <SEP> % <SEP> Co <SEP> gelb
<tb>  Kobalt <SEP> 0,13 <SEP> 0,05-0,1% <SEP> o <SEP> Co <SEP> Bernstein
<tb>  0,1 <SEP> - <SEP> 0,13 <SEP> % <SEP> Co <SEP> rötlich-bernstein
<tb>  bis <SEP> zu <SEP> 0,05% <SEP> o <SEP> Ni <SEP> gelb
<tb>  Nickel <SEP> 1,0 <SEP> 0,05-0,1% <SEP> Ni <SEP> bernstein
<tb>  0,1 <SEP> -1,0% <SEP> Ni <SEP> Stiefrot       Die Bezeichnung  bevorzugte obere Grenze   in der zweiten Kolonne der Tabelle gibt die  Mengen an, welche ansprechende Farben und  Boules mit überlegener Qualität liefert. Diese  Grenze soll höhere Zusätze nicht ausschliessen,  da auch solche noch gute Qualitäten ergeben  können.

   Es wurde gefunden, dass wenn man       dem        Ti02-Ausgangsmaterial    grössere Mengen  der farbbildenden Stoffe zusetzt, die entstan  denen Boules eine Aussenhaut oder Schicht  aufweisen, deren Analyse zeigt, dass sie den  grössten Teil der über die bevorzugte Menge  hinausgehenden Menge in konzentrierterer    Form enthält. Offenbar wandert der grösste Teil  des     Überschusses    in die Aussenflächen und tritt  in die Haut ein. Wenn man einen noch grö  sseren Überschuss zugibt, als in die Haut ab  wandern kann, wird die Boule Brüche und       ,Blasen    aus opakem Material aufweisen     und     für den     Edelsteinhandel    nicht befriedigend  sein.  



  Die Tabelle     II    zeigt die Wirkung von Zu  sätzen, die über die bevorzugte obere Grenze  der Tabelle I hinausgehen. Zur Illustration  sind die Zahlen für Zusätze von Kobalt und       Eisen        zum     angeführt.

      
EMI0004.0001     
  
    Tabelle <SEP> II:
<tb>  Zusatzstoff <SEP> Menge <SEP> des <SEP> Zustand <SEP> der <SEP> Boule <SEP> Farbe <SEP> der <SEP> Boule
<tb>  Zusatzes <SEP> %
<tb>  0,13 <SEP> ausgezeichnet <SEP> rötlieh-bernstein
<tb>  Kobalt <SEP> 2,0 <SEP> g <SEP> gut <SEP> + <SEP> Aussenhaut <SEP> sehr <SEP> dunkelrot
<tb>  3,0 <SEP> gut <SEP> + <SEP> Aussenhaut <SEP>   <SEP>  
<tb>  1,0 <SEP> keine <SEP> Boule, <SEP>   <SEP>  
<tb>  starke <SEP> Risse
<tb>  0,1 <SEP> ausgezeichnet <SEP> gelb
<tb>  Eisen <SEP> 0,35 <SEP> gut <SEP> + <SEP> Aussenhaut <SEP> sehr <SEP> dunkelrot
<tb>  0,7 <SEP> gut <SEP> + <SEP> Aussenhaut <SEP>   <SEP>  
<tb>  1,4 <SEP> keine <SEP> Boule, <SEP>   <SEP>  
<tb>  starke <SEP> Risse       Wie aus Tabelle II ersichtlich, können die  Boules grosse Mengen färbender Stoffe ent  halten,

   doch ist in den meisten Fällen (wenn  man den Stoff im Überschuss über die in Ta  belle I angeführte bevorzugte obere Grenze  zugibt) die Farbe so tief, dass die Boule eine  im wesentlichen schwarze Farbe aufweist.  In den meisten Fällen haben Boules, welche  mit solchen Mengen an Zusätzen hergestellt  wurden, die in den mittleren Bereich der in  Tabelle I angegebenen Grenzwert, fallen, die  ansprechendsten Farbtöne, d. h. Bernstein  farbe mit rötliehem bis gelblichem Ton.  



  Offensichtlich wird, wenn das färbende  Mittel über die in Tabelle I angegebene obere  bevorzugte Grenze zugesetzt wird, der     Über-          sehuss    aus dem Innern der Boule hinauswan  dern und sich in der Aussenhaut anreichern,  so dass in der Boule selbst eine Konzentration  verbleibt, welche annähernd der     angeführten     bevorzugten obern Grenze entspricht.  



  Aus der Beschreibung ergibt sieh, dass man  nach dem Verfahren der Erfindung anspre  chend gefärbte Rutilboules herstellen kann.  Die färbenden Stoffe bilden Produkte, deren  Farbe von Gelb über Bernstein zu Rot und  Braunrot bis Schwarz gehen kann. Die genaue  Farbtiefe und der Charakter der Färbung  lässt sieh, wie beschrieben, leicht kontrollieren,  indem man die geeignete Menge des färben  den Stoffes verwendet. Die gefärbten Boules  können zu Edelsteinen geschliffen werden,  welche die erforderlichen Eigenschaften, ins-    besondere die des anspreehenden Aussehens,  was für den Edelsteinhandel wesentlich ist,  erfüllen.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH I: Gefärbter Rutil-Einkristall-Sehmelzkörper, dadurch gekennzeichnet, dass er aus Titan dioxyd und einem färbenden Metalloxyd be steht. UNTERANSPRÜCHE: 1. Schmelzkörper nach Patentansprueh I, dadurch gekennzeichnet, dass das färbende Metalloxyd ein Vanadinoxyd in einer Menge bis ztt 0,1% Vanadin ist. 2. Sehmelzkörper nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das färbende Metalloxyd ein Chromoxyd in einer Menge bis zu 0,1% Chrom ist. 3. Schmelzkörper nach Patentansprueh I, dadurch gekennzeichnet, dass das färbende Metalloxyd ein Manganoxyd in einer Menge bis zu 0,15% o Mangan ist. 4.
    Sehmelzkörper nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeiehnet, dass das färbende Metalloxyd ein Eisenoxyd in einer Menge bis zu 0,1% Eisen ist. 5. Schmelzkörper nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das färbende Metalloxyd ein Kobaltoxyd in einer Menge bis zu 0,131/o Kobalt ist.
    6. Sebmelzkörper nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das färbende .#1etalloxyd ein Nickeloxyd in einer Menge bis zu 1,00/0 Nickel ist. 7. Schmelzkörper nach Patentanspruch I, <B>o</B> gekiiinzeiclinet durch eine Aussenhaut, die ein färbendes Metalloxyd enthält.
    PATENTANSPRUCH II: Verfahren zur Herstellung eines gefärbten Rutil-Einkristall-Schmelzkörpers nach Patent- aiisprtieh I, dadurch gekennzeichnet, dass man eine innige Mischung von feinverteiltem Titan dioxyd und einem färbenden Metalloxy d her stellt und diese Mischung in einer Flamme, die einen Überschuss an oxydierenden Gasen enthält, zu einem Einkristallkörper schmelzt. UNTERANSPRÜCHE: B. Verfahren nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass das färbende Me talloxyd ein Vanadinoxyd in einer Menge bis ztu 0,1% o Vanadin ist. 9. Verfahren nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass das färbende Me talloxyd ein Chromoxyd in einer Menge bis zu 0,1% Chrom ist. 10.
    Verfahren nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass das färbende Me talloxyd ein Manganoxyd in einer Menge bis zu 0,15% Mangan ist. 11. Verfahren nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass das färbende Me talloxyd ein Eisenoxyd in einer Menge bis zu 0,1% Eisen ist. 12. Verfahren nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass das färbende Me talloxyd ein Kobaltoxyd in einer Menge bis zu 0,13% Kobalt ist. 13. Verfahren nach Patentanspruch II, da durch gekennzeichnet, dass das färbende Me talloxyd ein Nickeloxyd in einer Menge bis zu 1,0 % Nickel ist. 14.
    Verfahren nach Patentanspruch II, da- dur eh gekennzeichnet, da.ss man den Schmelz körper in einer oxydierenden Atmosphäre auf 650 bis 1000 C so lange erhitzt, bis die blaue Farbe verschwindet.
CH297399D 1949-12-21 1950-12-20 Gefärbter Rutil-Einkristall-Schmelzkörper und Verfahren zu dessen Herstellung. CH297399A (de)

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