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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich Verfahren zur Verstärkung
der Farbe von Edelsteinen und auf neuartige, farbige Edelsteine,
die durch erfindungsgemäße Verfahren
hergestellt werden.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Vielzahl von Materialien, die
die physikalischen und ästhetischen
Eigenschaften haben, wie sie zur Nutzung als Edelsteine wünschenswert sind,
sind weit verbreitet. Jedoch haben viele dieser Materialien nicht
immer eine ästhetisch
ansprechende Erscheinungsform. Eine Vielzahl von Verfahren wurden
nach dem Stand der Technik angewandt, um die physikalischen und/oder ästhetischen
Eigenschaften von Mineralien zu verbessern, beispielsweise Bestrahlen
mit Elektronenstrahlen, Cobalt-60-Bestrahlung, Neutronenbeschuss,
Aussetzen an große Hitze,
und ähnliches.
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Jedes der oben beschriebenen Verfahren nach
dem Stand der Technik leidet unter merklichen Nachteilen hinsichtlich
der Kosten, Sicherheit, Effizienz, und ähnlichem. Zum Beispiel beschreiben
Carr et al. im U.S. Pat. No. 3,950,596 Verfahren zum Färben von
Korundstein-Kristallen,
indem diese auf Temperaturen von 1600°C oder höher erhitzt werden, während sie
gleichzeitig in Berührung
stehen mit einem Pulver, das vorwiegend aus Aluminium besteht, dem
Metalloxide als Färbemittel
beigefügt
sind. Jedoch benötigt
das Carr-Verfahren sogar bei solch hohen Temperaturen (bei dem die
Brennzeit kostspielig ist) zwischen 20 und 200 Stunden. Falls die
Temperatur sogar auf 1350°C
reduziert würde
(merklich über
den in der vorliegenden Erfindung angewandten Temperaturen), ist
nach allgemein gültigen
chemischen Grundsätzen
vorhersagbar, dass die Reaktion Jahre benötigen würde, um zu funktionieren. Ferner können Metalle
wie Cobalt, die bei solch hohen Temperaturen schmelzen, nicht als
Färbemittel
verwendet werden.
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Andere Verfahren werden zum Färben von Aluminium
als Nichtedelstein angewandt. Zum Beispiel beschreibt Schnable im
U.S. Pat. No. 4,732,867 Verfahren zur Ionenimplantation, wie Cobalt,
um Identifikations-Merkmale in Aluminium-Chips einzusetzen. Wie
jedoch von Schnable erkannt, ist das Verfahren nicht besonders geeignet,
dauerhaft haltende Farbe herzustellen. Außerdem sind die durch Ionenimplantation
gewonnenen Farben trotz des benötigten,
komplizierten und in der Anwendung teuren Maschinenparks nicht besonders
leuchtend.
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Daher wäre es wünschenswert, in der Lage zu
sein, Materialien, die als Edelsteine brauchbar sind, ohne weiteres
verstärkte
und/oder veränderte Farben
zu verleihen, indem bereits bekannte Verfahren angewandt werden,
die nicht die Nachteile des Standes der Technik aufweisen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ERFINDUNG
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung wurden
Verfahren zur Verstärkung
der Farbe von Mineralien, die als Edelsteine nützlich sind, entwickelt, indem
sie auf moderate Temperaturen erhitzt werden, während sie gleichzeitig in Berührung stehen
mit pulverisiertem Cobalt oder Cobaltoxid (oder deren Zwischenstoffen),
und dies ohne Beifügung
von Aluminium. Legt man die gemäß den Verfahren
nach dem Stand der Technik benötigte
Zeitdauer zugrunde, die bei weit höheren Temperaturen (wie oben
bei Carr) erfolgen, und unter Berücksichtigung allgemein gültiger chemischer
Grundsätze
würde man
nicht erwarten, dass die beabsichtigten erfindungsgemäßen Verfahren
während
der durchschnittlichen Lebensdauer eines Menschen und bei moderaten
Temperaturen funktionieren. Wie hier jedoch dargelegt, sind die
erfindungsgemäßen Verfahren
nützlich
zur Verstärkung
der Farbe von Mineralien, während
unerwartet erheblich niedrigere Temperaturen angewandt werden, und
innerhalb erheblich kürzerer
Zeitdauer als gemäß dem bisherigen
Stand der Technik vorgesehen ist. Die erfindungsgemäßen Verfahren
sind auf verhältnismäßig preiswerte
Weise ausführbar,
vermeiden die Anwendung gefährlicher
Materialen und benötigen
keine Spezialausrüstung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung, werden
Verfahren zur Verstärkung
der Farbe von Edelsteinen zur Verfügung gestellt, die umfassen:
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Aussetzen einer Zusammenstellung
eines Edelsteins und zumindest eines aluminiumfreien Behandlungsmittels,
wobei das Behandlungsmittel aus einer pulverisierten (d. h., fein
zerteilten) Form von Cobaltmetall oder Cobaltoxid (oder deren Zwischenstoffen)
besteht, unter Bedingungen, die geeignet sind, die Farbe dieses
Edelsteins zu verstärken,
ohne eine merkliche Beschädigung
der Oberfläche
dieses Edelsteins zu verursachen.
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Eine breite Vielfalt von Mineralien
kann entsprechend der vorliegenden Erfindung behandelt werden. Beispiele
von geeigneten Mineralien, die zur Verwendung hierfür in Erwägung gezogen
werden (die dadurch als Edelsteine nützlich werden) schließen Topas,
Chrysoberyll, Saphir, Quarz, Granat ein. Hier bezieht sich "Edelstein" auf transparente (nicht-opake),
einzelne Kristall-Mineralien, die sowohl als Edelsteine, als auch
für optische
Zwecke verwendbar sind.
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Eine breite Vielfalt von Metallen
kann in Verbindung mit Cobaltmetall oder Cobaltoxid (oder deren
Zwischenstoffen) als der Hauptbestandteil des im erfindungsgemäßen Verfahren
verwendeten Behandlungsmittels angewandt werden. Beispiele von geeigneten
Metallen schließen Übergangsmetalle ein,
sowie auch andere Metalle, die die Farbe verändern können, die ihnen vom Behandlungsmittel und/oder
dem zu behandelnden Mineral verliehen wurde.
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Eine breite Vielfalt von Metalloxiden
kann auch in Verbindung mit dem Cobaltmetall oder Cobaltoxid (oder
deren Zwischenstoffen) als Hauptbestandteil des Behandlungsmittels
angewandt werden, das im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird,
wahlweise in weiteren Verbindungen mit einer Mehrzahl der Metalle,
die oben angegeben wurden. Beispiele von geeigneten Metalloxiden
schließen Übergangs-Metalloxide
ein, sowie auch andere Metalloxide, die die Farbe verändern können, die
ihnen vom Behandlungsmittel und/oder dem zu behandelnden Mineral
verliehen wurde.
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Metalle und Metalloxide, die in den
erfindungsgemäßen Verfahren
zur Verwendung vorgesehen sind, werden vorzugsweise in einer pulverisierten
(d. h. fein zerteilten) Form angewandt, um die Berührung zwischen
dem Edelstein und dem Behandlungsmittel zu maximieren. Wie ohne
weiteres von denjenigen, die in der Technik bewandert sind, vorausgesetzt
wird, ist eine Palette von Partikel-Größen als pulverisiertes oder
fein zerteiltes Behandlungsmittel geeignet. Partikel, die durch
die Maschen eines Standardsiebes der Maschengröße bis ungefähr 38 μm (400 Mesh-Sieb)
hindurchgehen, werden innerhalb der vorliegenden Erfindung in Erwägung gezogen.
Die bevorzugten Partikel sind von einer Größe, die durch ein Standardsieb
von bis zu ungefähr
75 μm (200
Mesh-Sieb) hindurchgehen.
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Der hier verwendete Begriff "verstärken" und alle seine Varianten
beziehen sich auf die Verbesserung oder Änderung der Farbe von Mineralien,
die mit den erfindungsgemäßen Verfahren
behandelt werden, wodurch das Mineral als Edelstein wertvoller wird.
Verstärkte
Farben, die durch das erfindungsgemäße Verfahren verliehen werden,
können
auf der Grundlage von folgenden Variablen verändert werden, wie der speziell
zu behandelnde Edelstein, die speziell angewandten Behandlungsmittel,
die Bedingungen, denen die Edelsteine ausgesetzt werden, und ähnliches.
Beispielsweise kann Topas so verändert
werden, dass er eine hellblaue bis dunkelblaue Farbe erhält, oder
eine hellgrüne
bis dunkelgrüne Farbe,
oder eine helle blaugrüne
bis dunkle blaugrüne
Farbe, oder eine helle grünblaue
bis dunkle grünblaue
Farbe, je nach angewandten Behandlungsmittel(n) und Behandlungsbedingungen. Ähnlich kann Chrysoberyll
verändert
werden, damit er eine hellgrüne
bis tiefe blaugrüne
Farbe erhält;
Saphir kann verändert
werden, so dass er eine hellblaue bis dunkelblaue Farbe erhält (falls
durchsichtige Steine zur Behandlung verwendet werden) oder es können grüne, gelbgrüne oder
blaugrüne
Steine hergestellt werden, falls die unbehandelten Steine gelb sind;
Quarz kann verändert
werde, so dass er hellrosafarben bis dunkelrosafarben wird; Granat
kann verändert werden, so
dass er eine grüne
bis blaugrüne
Farbe erhält;
und ähnliches.
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Bei der Anwendung der vorliegenden
Erfindung ist eine breite Palette von Behandlungsbedingungen möglich. Typische,
für die
Verstärkung
der Farbe eines Edelsteines geeignete Bedingungen, die dabei keine
merkliche Beschädigung
der Oberfläche verursachen,
bestehen daraus, dass der Edelstein zusammen mit zumindest einer
pulverisierten (d. h. fein zerteilten) Form von Cobaltmetall oder
Cobaltoxid (oder deren Zwischenstoffen) einer Temperatur im Bereich
von ungefähr
825°C bis
ungefähr
1050°C für eine Dauer
von etwa 3 bis ungefähr
200 Stunden ausgesetzt wird. Typischerweise wird diese Zusammenführung unter
Umgebungsdruck durchgeführt.
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Allgemein bewirken längere Behandlungszeiten
und/oder höhere
Behandlungstemperaturen eine höhere
Intensität
der Farbe, die dem behandelten Mineral verliehen wird, und beeinflusst
auch den Grad der durch die Behandlung erreichten Farbsättigung.
Wie ohne weiteres von Fachleuten erkannt wird, sind auch höhere Behandlungstemperaturen möglich (d.
h. > 1050° C). Solche
Temperaturen können
jedoch eine merkliche Beschädigung
der Oberfläche
des behandelten Minerals verursachen, während sie auch eine höhere Farbsättigung
bewirken. Der entstandene behandelte Edelstein könnte zur Beseitigung der Oberflächenbeschädigung auch
poliert werden, wobei ein farbverstärkter Edelstein mit einer befriedigenden
Oberflächenqualität entsteht.
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Wie ohne weiteres von Fachleuten
geschätzt,
wird jedes Verfahren, das eine merkliche Oberflächenbeschädigung der Mineralien verursacht und
damit vor der Nutzung des Minerals als Edelstein zusätzliche
Behandlungen erfordert, den tatsächlichen
Wert der so behandelten Mineralien schon dadurch vermindern. Die
erfindungsgemäßen Verfahren
haben den Vorteil, dass keine merkliche Oberflächenbeschädigung der so behandelten Mineralien entsteht.
Fachleute werden davon ausgehen, dass ein schwacher Oberflächenmakel
vorkommen könnte,
jedoch kann dieser durch minimale zusätzliche Behandlung korrigiert
werden, wie durch Reinigen und/oder Polieren. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
benötigen
Mineralien, die mit den erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wurden,
kein weiteres Polieren, damit sie sich als Edelsteine eignen.
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Wie ohne weiteres von Fachleuten
anerkannt, werden die speziellen Temperaturbereiche und Behandlungszeiten
nicht nur gemäß der Stärke und/oder
des Grades der gewünschten
Farbsättigung
variieren, sondern zusätzlich
muss auch die Eigenschaft des betreffenden Minerals, solchen Behandlungen
ohne merkliche Schäden
standzuhalten, berücksichtigt werden.
Folglich würde
zum Beispiel Quarz natürlich
nicht den gleichen harten Bedingungen wie Topas ausgesetzt werden.
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Unter einem bestimmten Gesichtspunkt
der Erfindung kann der zu behandelnde Edelstein wahlweise einer
Vielzahl von Vorbehandlungsmitteln (z. B. Sauerstoff, Reduktionsmitteln
und ähnlichen)
ausgesetzt werden, bevor er den oben beschriebenen Bedingungen,
die geeignet sind, die Farbe eines Edelsteines zu verstärken, ausgesetzt
wird.
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Alternativ oder in Verbindung mit
der oben beschriebenen Edelstein-Vorbehandlung kann der Edelstein
wahlweise mit einer Vielzahl von ergänzenden Behandlungsmitteln
(z. B. Sauerstoff, Reduktionsmitteln und ähnlichen) zusammengebracht
werden, während
er den oben beschriebenen Bedingungen ausgesetzt wird, die geeignet
sind, die Farbe eines Edelsteines zu verstärken. Wie unter Fachleuten selbstverständlich,
wird die Art des verwendeten Behandlungsmittels vom zu behandelnden
Mineral und dem gewünschten
Endergebnis abhängen.
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Eine mögliche, zusätzliche Behandlung zur Anwendung
hierin besteht daraus, den behandelten Edelstein auf eine Temperatur
im Bereich von ungefähr
825°C bis
ungefähr
1050°C während einer
zusätzlichen
Zeitdauer im Bereich von ungefähr
3 bis ungefähr
200 Stunden weiter zu erhitzen, ohne ihn einem Behandlungsmittel
(d. h. pulverisiertes Cobaltmetall oder Cobaltoxid (oder deren Vorgängerstoffen))
auszusetzen. Natürlich
wird diese mögliche
zusätzliche
Hitzebehandlung unter Umgebungsdruck durchgeführt. Überraschend und unerwartet
bewirkt solche zusätzliche
Hitzebehandlung weitere Farbverstärkung, obwohl der Edelstein
nicht mehr dem Behandlungsmittel ausgesetzt ist.
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Wenn Edelsteine auch ohne besondere
Vorbehandlung dem erfindungsgemäßen Behandlungsverfahren
unterzogen werden können,
wird hier vorgeschlagen, dass Edelsteine, die in der Anwendung der
Erfindung benutzt werden, gereinigt werden, bevor sie diesen Bedingungen,
die geeignet sind, ihre Farbe zu verstärken, ausgesetzt werden. Geeignete Reinigungsverfahren
sind unter Fachleuten wohl bekannt und umfassen das Waschen in Wasser,
wässriger
Säure,
organischen Mitteln und ähnlichen.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung behandelte
Edelsteine können
sofort verwendet werden, oder sie können weiterer Behandlung und/oder Waschungen
ausgesetzt werden. Es wird hier bevorzugt, dass der behandelte Edelstein
gereinigt wird, nachdem er den genannten Bedingungen ausgesetzt worden
ist, die geeignet sind, die Farbe eines Edelsteines zu verstärken. Solch
eine Reinigung kann auf vielfältige
Weise ausgeführt
werden, z. B. durch Waschen der behandelten Edelsteine mit wässrigen
Mitteln oder organischen Lösungsmitteln
(z. B. Aceton), durch Abreiben der Edelsteine mit einem weichen Tuch
(z. B. einem Poliertuch), und ähnlichem.
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Bei der Anwendung des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung werden farbverstärkte Edelsteine gewonnen, deren äußere Oberflächenschicht
mit einem Farbverstärkungsmittel
durchdrungen ist. Die in Erwägung
gezogenen Farbverstärkungsmittel
enthalten die hier oben beschriebenen Behandlungsmittel.
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Bei der Anwendung des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung werden farbverstärkte Edelsteine gewonnen, wobei
zumindest die Oberfläche
des besagten Edelsteins ein Farbverstärkungsmittel chemisch gebunden
hat. Die in Erwägung
gezogenen Farbverstärkungsmittel
enthalten die hier oben beschriebenen Behandlungsmittel.
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Die Erfindung wird nun noch genauer
unter Hinweis auf die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele beschrieben.
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Beispiel 1
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Optionaler Reinigungsvorgang
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Es wird hier bevorzugt, dass Edelsteine,
die entsprechend der vorliegenden Erfindung behandelt werden, folgendermaßen gereinigt
werden. Zunächst werden
die Steine zumindest ungefähr
12 Stunden in schwach kochendem, destillierten Wasser, das eine kleine
Menge Reinigungsmittel enthält,
behandelt. Nach dem Abkühlen
werden die Steine dann mit destilliertem Wasser gewaschen, bis alle
Spuren des Reinigungsmittels entfernt sind.
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Die Steine werden dann während ungefähr zwei
Stunden oder länger
bei Raumtemperatur (oder darüber)
in einer 1 : 1-Verdünnung
von Wasser und konzentrierter Salpetersäure eingeweicht. Die Steine werden
dann sorgfältig
mit destilliertem Wasser nachgespült. Die Steine werden dann
mit Aceton nachgespült
und dann wieder mit destilliertem Wasser nachgespült und getrocknet.
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Beispiel 2
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Allgemeines Behandlungsprotokoll
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Um die Farbverstärkung gemäß der Erfindung zu erzielen,
werden Edelsteine in ein geeignetes Behältnis gelegt, das den vorgesehenen
Temperaturen und gewählten
Behandlungsmitteln standhalten kann (z. B. eine flache Porzellanplatte,
ein Schmelztiegel und ähnliches)
und sodann vollkommen mit dem/den gewählten Behandlungsmittel(n) umgeben.
Das Behältnis
wird dann in einen Brennofen gestellt, der genau die Temperaturen
im Bereich von ungefähr
825 bis ungefähr
1800°C erreichen
und halten kann. Der Brennofen wird dann auf die gewünschte Temperatur
erhitzt und während
der gewünschten
Zeitdauer auf dieser Temperatur gehalten. Sobald die gewünschten
Zeit- und Temperaturerfordernisse erfüllt sind, wird der Brennofen
abgekühlt,
und das Behältnis,
das die Edelsteine enthält, wird
herausgenommen.
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Nachdem die behandelten Edelsteine
abgekühlt
sind, werden sie vom Behandlungsmittel getrennt. In vielen Fällen brauchen
die behandelten Steine nur mit einem weichen Tuch oder Gewebe abgewischt
zu werden. Manchmal (z. B. wenn die Steine besonders harten Behandlungsbedingungen
ausgesetzt werden oder verhältnismäßig weiche
Steine behandelt werden) kann es wünschenswert sein, den Stein
einem Salpetersäurebad
auszusetzen, um die Oberfläche
des Steines zu reinigen. Wenn solch eine Behandlung angebracht ist,
können
Lösungen
mit konzentrierter Salpetersäure
oder deren verschiedene Verdünnungen
verwendet werden.
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Beispiel 3
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Behandlung von Topas
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Topas kann mit pulverisiertem Cobaltmetall oder
Cobaltoxid (oder deren Vorgängerstoffen)
behandelt werden, um eine Vielzahl von verstärkten Farben zu erzielen. Zum
Beispiel ergibt die Behandlung bei 825°C während ungefähr 24 Stunden sehr hellblaue
Steine. Die Behandlung bei höherer
Temperatur (z. B. 1046°C)
während
ungefähr
24 Stunden ergibt Steine in viel dunklerem Blau oder Blaugrün. Folglich
ist ersichtlich, dass die endgültige
Farbe des behandelten Steins durch genaue Auswahl der Behandlungsbedingungen
gesteuert werden kann.
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Wenn Topas einmal mit pulverisiertem
Cobaltmetall oder Cobaltoxid (oder deren Vorgängerstufen) wie oben beschrieben
behandelt worden ist, um einen grünblauen oder blaugrünen Stein
zu gewinnen, kann die dem Stein verliehene Farbe weiter verändert werden,
indem die Steine im Brennofen weiter wie oben beschrieben erhitzt
werden, jedoch ohne Zusatz von Behandlungsmitteln. Auf diese Weise kann
die Farbe des Steins hin zu Blau verändert werden.
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Beispiel 4
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Behandlung von Chrysoberyll
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Chrysoberyll wird der gleichen Behandlung ausgesetzt
wie in Beispiel 3 beschrieben. Da die am meisten verbreitete Farbe
für Chrysoberyll
hellgelb ist, tendiert die Farbe des behandelten Steins, abhängig von
der Dauer und Temperatur der Behandlung. Falls ein farbloser Chrysoberyll
der Behandlung ausgesetzt wird, ist die verstärkte Farbe, die ihm durch die Behandlung
mit pulverisiertem Cobaltmetall oder Cobaltoxid (oder deren Vorgängerstufen) verliehen
wird, blau.
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Beispiel 5
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Behandlung von Saphir
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Saphir wird der gleichen Behandlung
ausgesetzt wie in Beispiel 3 beschrieben. Sorgfalt sollte angewandt
werden bei der Wahl der Temperatur, auf die die Steine erhitzt werden,
da Saphire leicht Oberflächenbeschädigungen
davontragen, wenn sie extremen Temperaturen ausgesetzt werden. Falls
Oberflächenbeschädigung vorkommt,
können
die Steine überpoliert
werden, wodurch ein intensiv farbiges Endprodukt entsteht.
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Die Farbe des behandelten Steins
kann erheblich variieren. Zum Beispiel entsteht aus einem farblosen
Saphir ein hellblauer bis dunkelblauer behandelter Stein, abhängig von
der ursprünglichen Farbe
des Saphirs. Aus einem gelben Saphir wird ein grüner, gelbgrüner bis blaugrüner Stein,
abhängig von
der Dauer und Temperatur, denen er ausgesetzt wurde. Wenn bei der
Behandlung ein farbloser Chrysoberyll verwendet wird, ist die verstärkte Farbe,
die ihm durch die Behandlung mit pulverisiertem Cobaltmetall oder
Cobaltoxid (oder deren Vorgängerstufen) verliehen
wird, blau.
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Beispiel 6
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Behandlung von Quarz
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Quarz wird der gleichen Behandlung
ausgesetzt wie in Beispiel 3 beschrieben. Sorgfalt sollte angewandt
werden bei der Wahl der Temperatur, auf die die Steine erhitzt werden,
da Saphire leicht Oberflächenbeschädigungen
davontragen, wenn sie extremen Temperaturen ausgesetzt werden. Falls
Oberflächenbeschädigung vorkommt,
können
die Steine überpoliert
werden, wodurch ein glattes farbiges Endprodukt entsteht.
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Die Farbe des behandelten Steins
kann erheblich variieren, wobei mit Anwendung der Erfindung typischerweise
Steine hergestellt werden, die hell- bis dunkelrosa sind.
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Beispiel 7
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Behandlung von Granat
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Granat wird der gleichen Behandlung
ausgesetzt wie in Beispiel 3 beschrieben. Die Farbe des behandelten
Steins kann stark variieren, wobei mit Anwendung der Erfindung typischerweise
Steine hergestellt werden, die grün bis blaugrün sind,
wenn hellgelber, grobkörniger
Granat verwendet wird.