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Verfahren zur Herstellung von strahl- oder sternbildenden (asterisierenden)
Korundkristallen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von zur Strahl-
oder Sternbildung befähigten (asterisierenden) Kristallen aus Korund, wie Rubin
und Saphir verschiedener Farben, aus nicht asterisierenden Einzelkristallen oder
auch zur Verbesserung von Korundkristallen mit schlechter Strahl- oder Sternbildung.
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Es ist bereits bekannt, daß in als Edelstein verwendbaren Rubin- oder
Saphireinzelkristallen, die in Tonerde gelöst Titanoxyd enthalten, die Strahl-oder
Sternbildung künstlich entwickelt werden kann (USA.-Patentschrift 2 488 5o7).
Zu diesem Zweck wird ein derartiger Kristall auf eine Temperatur zwischen i ioo
und 1500° erhitzt und so lange auf einer solchen Temperatur gehalten, bis sich eine
Titanverbindung (wahrscheinlich Titandioxyd) längs den kristallographischen Hauptebenen
des Kristalls niederschlägt.
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Gemäß der Erfindung kann ein einzelner Korundkristall durch nachfolgende
Erhitzung zur Strahl-oder Sternbildung (Asterisation) befähigt werden, indem der
Kristall einer Vorerhitzung auf eine Temperatur zwischen 1700 und 195o° unterworfen
und hierbei mit dessen Oberfläche eine Titanverbindung in Kontakt gehalten wird,
wodurch gewisse Mengen der Titanverbindung zur Diffusion in den Kristall veranlaßt
werden. Der so behandelte Kristall entwickelt dann, wenn er in bekannter
Weise
auf eine Temperatur zwischen iioo und i5oo° erhitzt wird, durch Fällung winzig kleiner
Rutilkristalle (Ti 02) aus fester Lösung eine Strahl-oder Sternbildung.
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Das vorliegende Verfahren kann bei jeder Form von Korundkristallen,
wie rohen, natürlichen Kristallen oder ganzen oder halben Schmelztropfen synthetischen
Korunds, angewendet werden; aber es ist hinsichtlich des Materials und der Kosten
am wirtschaftlichsten, und es werden die besten Produkte erhalten, indem rundlich
gewölbte Edelsteine (Cabochons) behandelt werden, die aus größeren Kristallen natürlichen
oder synthetischen Korunds ausgeschnitten oder ausgeschliffen worden sind. Um einen
symmetrischen, sechsstrahligen Stern zu erhalten, müssen die zu bearbeitenden Edelsteine
in geeigneter Weise mit einer konvexen Scheitelfläche versehen werden, und die kristallographische
C-Achse muß durch die Scheitelfläche parallel zur geometrischen Achse verlaufen.
Ein Edelstein vom Typ des Katzenauges, der nur einen einzigen den Scheitel halbierenden
Strahl erzeugt, kann hergestellt werden, indem der Edelstein in der Weise zerschnitten
oder geschliffen wird, daß die C-Achse im rechten Winkel zur geometrischen Achse
des Edelsteins (Cabochon) verläuft. Derartige rundlich gewölbte Edelsteine können
aus halben oder ausgehärteten ganzen Schmelztropfen mit beliebiger kristallographischer
Orientierung der C-Achse zwischen o und 9o° oder aus natürlichen Korundkristallen
geschnitten werden.
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Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin,
daß ein Fabrikant, der Nachfrage sowohl nach klaren als auch strahligen oder sternbildenden,
synthetischen Korundedelsteinen hat, nun nur einen einzigen Posten an Schmelztropfen
einer gewünschten Farbe herzustellen braucht und dann das Verfahren der vorliegenden
Erfindung anwenden kann, um einen Teil des Postens strahl- oder sternbildend zu
machen. Bisher war es dagegen erforderlich, zwei Partien Schmelztropfen herzustellen,
von denen die eine genügend Titandioxyd für die Strahl- oder Sternbildung enthielt
und infolgedessen etwas schwieriger und kostspieliger 'herzustellen war als die
andere.
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Das Titandioxyd kann allein in Kontakt mit einem Korundkristall gebracht
werden, oder es kann auch mit einem hochschmelzenden Stoff, wie Tonerde, gemischt
werden, um das Fließvermögen des verhältnismäßig niedrigschmelzenden Titandioxyds
zu verringern, wodurch höhere Behandlungstemperaturen angewendet werden können,
als sie sonst anwendbar sind. Mischungen, die zwischen io und 9o Gewichtsprozent
Titandioxyd enthielten und der Rest aus Tonerde bestand, haben sich als gut brauchbar
erwiesen, aber Tonerde ist auch in kleineren Mengen bis zu io % von Vorteil.
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Ein zweckmäßiges Verfahren, um eine Titanverbindung mit der Oberfläche
eines Korundkristalls während des Erhitzens in Kontakt zu halten, besteht darin,
daß ein oder mehrere Kristalle in ein trockenes titandioxydhaltiges Pulver, das
in einem Schmelztiegel enthalten ist, eingebettet werden. So kann beispielsweise
ein Gemisch aus 35 Teilen Titandioxydpulver und 65 Teilen Tonerdepulver q. Stunden
bei 130o° calciniert werden. Dieses calcinierte Gemisch wird dann zerkleinert, worauf
die fein zerkleinerten Körnchen, deren Durchmesser etwa 5 bis 25,u betragen soll,
in den Schmelztiegel gegeben und in diese die zu behandelnden Korundkristalle eingebettet
werden.
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Das Titandioxyd kann mit dem Kristall auch in Kontakt gebracht werden,
indem entweder aus fein zerkleinertem Titandioxyd allein oder in Mischung mit Tonerde
zunächst eine dicke, cremeartige, wäßrige Aufschlämmung hergestellt und dann ein
Überzug aus dieser Aufschlämmung auf die Oberfläche des strahlend oder sternbildend
zu machenden Kristalls aufgesprüht wird. Das Wasser wird verdampft, und es hinterbleibt
ein trockener Überzug auf derKristalloberfläche. Darauf wird derKristall in einem
Ofen erhitzt, damit Titandioxyd in den Kristall diffundiert, worauf die Wärmebehandlung
bei niedrigerer Temperatur angeschlossen wird, um, durch Fällung winzig kleiner
Rutilkristalle aus fester Lösung die Strahlwirkung oder Sternbildung (Asterismus)
zu entwickeln. Ein weiterer geeigneter Weg, eine Titanverbindung in Kontakt mit
der Kristalloberfläche zu halten, besteht darin, daß der Kristall in den Ofen eingesetzt
und dann geschmolzenes Tifandioxyd auf den erhitzten Kristall zur Einwirkung gebracht
wird, um eine Diffusion des Titandioxyds in den Kristall zu bewirken; hierauf folgt
dann die Wärmebehandlung zur Hervorrufung der Strahl- oder Sternbildung.
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Obgleich die Diffusion des Titandioxyds in die Oberfläche des Korundkristalls
bei jeder Temperatur im Bereich von 170o bis 195o° erfolgt, so wird das beste Zusammenspiel
des größten Eindringens des Titandioxyds in der kürzesten Zeit ohne übermäßiges
Schmelzen des Tonerde-Titandioxyd-Gemisches und Krustenbildung auf dem Kristall
jedoch bei einer Temperatur von etwa 180o° erhalten.
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Versuche haben ergeben, daß die Diffusionsgeschwindigkeit des Titandioxyds
in den Kristall im umgekehrten Verhältnis zur Temperatur steht, so daß die Behandlungszeit
bei niedrigeren Temperaturen länger sein muß als bei höheren Temperaturen. Im allgemeinen
wird nach einer Behandlungszeit von i Stunde oder darüber bei irgendeiner Temperatur
im Bereich von 170o bis 195o° ein gewisser Asterismus im Kristall erzeugt, obgleich
die asterisierende Schicht bei den tieferen Temperaturen und den kürzeren Behandlungszeiten
sehr dünn sein mag. Damit beste Resultate erhalten werden, empfiehlt es sich, die
Behandlung auf etwa 8 bis 24 Stunden auszudehnen, um eine genügend dicke, asterisierend
wirkende Schicht in der Größenordnung von o,io bis o,25 mm zu entwickeln, die so
dick ist, daß nach der Fertigstellung und dem Polieren der Oberfläche des Kristalls
die gewünschte Strahl- oder Sternbildung auch gewährleistet ist.
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Da blaue Saphire, wenn sie auf Temperaturen von i7oo bis 195o° erhitzt
werden, dazu neigen, in
der Farbe zu verblassen, ist es zweckmäßig,
das Verblassen auf ein Minimum zu reduzieren, indem in dem Ofen eine reduzierende
Gasatmosphäre aufrechterhalten wird, indem der'Ofen unmittelbar mit einer Sauerstoff-Propan-Flamme
erhitzt wird, die gegenüber dem durch den Sauerstoff verbrannten Propan einen Überschuß
an Propan enthält.
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Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher veranschaulicht.
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Beispiele i. Aus reinem Tonerdepulv er wurde nach dem bekannten Verneuil-Verfahren
ein kleiner Schmelztropfen (Birne) aus klarem, weißem, synthetischem Saphir erschmolzen.
Dann wurde Titandioxydpulver in den Pulvertrichter und auf den fertigen Schmelztropfen
innerhalb 6 Stunden als geschmolzenes Titandioxyd gegeben, wobei der Schmelzofen
für den Schmelztropfen durch eine Sauerstoff-Wasserstoff-Flamme auf einer Temperatur
von etwa igoo° gehalten wurde. Der Schmelztropfen wurde dann entfernt und in einem
anderen Ofen 72 Stunden auf eine Temperatur von i3oo° erhitzt. Auf dem unteren Teil
der Oberfläche des Schmelztropfens wurde ein kräftiger Asterismus festgestellt.
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2. Es wurde eine Anzahl von Versuchen durchgeführt, bei denen eine
wäßrige Aufschlämmung, die Titandioxy d enthielt, auf die konvexen Scheitelflächen
von synthetischen Edelsteinen (Cabochons) aus weißen Saphiren und Rubinen, die ein
Gewicht von i bis 3o Karat hatten und aus titandioxydfreien Schmelztropfen ausgeschnitten
waren, aufgesprüht wurde. Die Edelsteine wurden dann in einen mit Gas beheizten
Ofen eingesetzt und erhitzt, und zwar einige auf Temperaturen von i8oo° und andere
auf 182,5, 185o und 1875°. Bei jeder Temperatur wurden Edelsteine behandelt, die
mit drei verschiedenen Aufschlämmungen besprüht und die aus Pulvern hergestellt
worden waren, die 100, 38 und io Gewichtsprozent Titandioxyd enthielten, während
der Rest aus Tonerde bestand. Darauf wurden alle Edelsteine zur Erzeugung einer
Strahl- oder Sternbildung einer weiteren Wärmebehandlung unterworfen, indem die
Ofentemperatur auf 13oo-- erniedrigt wurde und die Edelsteine 72 bis 96 Stunden
auf dieser Temperatur gehalten wurden. Die Edelsteine wurden dann aus dem Ofen entfernt
und poliert.
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Es wurden die folgenden Resultate erhalten: A. Alle Edelsteine, die
i Stundebei 1875 ° behandelt worden waren, hatten eine- dünne, zur Strahl- oder
Sternbildung befähigte Schicht in ihren Scheitelflächen. Ein großer Teil des Titandioxyds,
das geschmolzen war, war nach dem Fuße gelaufen und diffundierte von dort nach oben
in den Edelstein. Die erhaltenen Sterne waren daher stark diffus, da das Licht durch
das ausgefällte Rutil vom Fuße nach dem Scheitel des Edelsteins reflektiert wird.
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B. Bei allen Edelsteinen, die 2:I Stunden bei 185o° behandelt worden
waren, wurden Sterne erzielt. Bei dieser Behandlung wurde eine dünne strahlenbildende
Schicht auf den Scheitelflächen der Edelsteine erhalten. Auch hier schmolz ein Teil
des Titandioxyds, sammelte sich am Fuße der Edelsteine und diffundierte nach oben,
wodurch ein Endprodukt erhalten wurde, das einen sehr diffusen Stern besitzt.
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C. Alle Edelsteine, die 2:I Stunden bei i825° behandelt worden waren.
waren strahlenbildend und lieferten Sterne. Ein Teil des Titandioxyds war geschmolzen
und lief nach dem Fuße des Steins wie in den Beispielen 2, A, und 2, B.
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D. Nach 2.4 Stunden bei etwa i8oo° waren die Edelsteine über die ganze
Scheitelfläche auf eine Tiefe von etwa o,13 mm asterisierend. Nur das 1ooo/oige
Titandioxydpulver schmolz von den Scheitelflächen der Edelsteine merklich ab.
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E. Nach 12 Stunden bei iSoo° wurden Sterne erhalten, obgleich die
Eindringtiefe des Asterismus nicht so groß war wie im Beispiel 2, D.
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Werden die mit den drei verschiedenen Aufschlämmgemischen erhaltenen
Resultate verglichen, so zeigt sich, daß der Überzug, der 100 % Titandioxyd enthält,
bei allen Temperaturen schmolz und von den Scheitelflächen der Edelsteine stark
ablief. Die Überzüge, die 38 und io o/o Titandioxyd und als Rest Tonerde enthielten,
blieben auf den Edelsteinen .während der Ofenbehandlung bei i8oo°, was die beste
Bedingung zu sein scheint; bei 1825' erfolgt bereits ein teilweises Schmelzen. Die
Mischung mit 38 % Titandioxyd ergab eine etwas gleichmäßigere Eindringung über die
Oberfläche des Edelsteins als die anderen Mischungen, und sie wird daher bevorzugt.
Die besten Resultate können daher erwartet werden, wenn- die Überzugsmischung 3o
bis ,4o Gewichtsprozent Titan dioxyd und als Rest Tonerde enthält.
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3. Ein synthetischer blauer Sternsaphir-Cabochon, der eine dürftige,
asymmetrische Sternbildung und eine schlecht verteilte Trübung besaß, wurde in körniges
Titandioxyd, das in einem Schmelztiegel aus Tonerde eingefüllt war, eingebettet.
Der Edelstein wurde in dem Tiegel 12 Stunden auf 1950' erhitzt, darauf poliert und
schließlich nochmals auf. 1300° erhitzt, um die Sternbildung zu entwickeln. Es wurde
ein symmetrischer Stern und eine gut verteilte, milchigtrübe Oberfläche erhalten.
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d. Edelsteine (Cabochons) aus blaßgraugrünem, nicht strahlendem natürlichem
Saphir, synthetischem Rubin und granatfarbigem, grünem, blauem, gelbem, braunem
und alexandritartigem (eine eigene Farbe bei Tageslicht, eine andere Farbe bei künstlichem
Licht), synthetischem Saphir wurden in ein zerkleinertes calciniertes Gemisch aus
35 Teilen Titandioxyd und 65 Teilen Tonerde in Schmelztiegeln, wie vorstehend beschrieben,
eingebettet. Nachdem die Tiegel und deren Inhalt 2.4 bis 30 Stunden auf i8oo°
erhitzt worden waren, würden die Edelsteine aus dem Gemisch entfernt und dann asterisierend
gemacht, indem sie auf 1300° erhitzt wurden. Die Scheitelflächen der Edelsteine
wurden dann poliert, und sie zeigten alle gut ausgebildete, sechsstrahlige Sterne.
Diese Edelsteine zeichneten sich dadurch aus, daß sie einen Niederschlag aus Rutil
enthalten, der praktisch
gleichmäßig über eine zusammenhängende,
dünne Schicht sowohl auf der Scheitelfläche als auch auf der Grundfläche verteilt
ist, während der mittlere Teil der Masse des Edelsteins innerhalb der Schicht praktisch
frei von gefälltem Rutil ist.