Wie macht man Edelstein-Optimierung? Unlock 5 Methoden und Ausrüstung Guide

Edelsteinbehandlungen wie Erhitzen und Färben verbessern Farben und Klarheit. Erfahren Sie, wie diese Methoden bei Rubinen, Saphiren und anderen Edelsteinen funktionieren. Unverzichtbar für Juweliere, Designer und Einzelhändler, um ihre Edelsteine für ein atemberaubendes Finish zu verbessern.

Wie macht man Edelstein-Optimierung? Unlock 5 Methoden und Ausrüstung Guide

Edelstein Optimierte Methoden und Hauptausrüstung verwendet

Es gibt viele Optimierungsmethoden für Edelsteine, und mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technik werden diese Methoden ständig verbessert und aktualisiert. Zu den traditionellsten Optimierungsmethoden gehören die Wärmebehandlung, das Färben und Einfärben, das Eintauchen in farbloses Öl und die Oberflächenbeschichtung. In der Antike erkannte man beispielsweise schon früh, dass die Farbe von Achat durch Erhitzen verstärkt werden kann, und durch Einlegen von Achat in verschiedene Farbstoffe konnte er in verschiedene Farben eingefärbt werden. Obwohl diese Methoden bekannt waren, wurden sie damals oft nur zufällig entdeckt. Erst als die Menschen allmählich die physikalischen Eigenschaften und farbverursachenden Mechanismen von Edelsteinkristallen (wie Diamanten, Rubinen, Saphiren, Topas, Beryll, Quarz usw.) und organischen Edelsteinen (wie Perlen, Bernstein usw.) beherrschten, konnten sie die traditionellen Bereiche durchbrechen und neue Methoden zur Optimierung der Behandlung entwickeln.

Zu den wichtigsten Optimierungsverfahren für Edelsteine gehören derzeit: physikalisch-chemische Behandlung, Wärmebehandlung, Bestrahlung, Hochtemperatur- und Hochdruckbehandlung sowie Laserbehandlung. Die am weitesten verbreitete Methode zur Optimierung von Edelsteinen ist die Wärmebehandlung, mit der die Farbe von Edelsteinen wie Rubinen, Saphiren, Jadeit und Chalcedon, die durch Spuren von Verunreinigungen gefärbt sind, verbessert wird. Die Bestrahlungsmethode verbessert hauptsächlich die Farbe von Edelsteinen mit Farbzentren, wobei durch die Bestrahlung Defekte in der strukturellen Zusammensetzung des Edelsteins verursacht werden, wodurch sich Farbzentren bilden und die Farbe des Edelsteins verändert wird. Die physikalisch-chemische Behandlung ist eine traditionellere Optimierungsmethode, wie z. B. das Färben, bei der üblicherweise verschiedene Farbstoffe zum Färben von Edelsteinen verwendet werden. Die erforderliche Ausrüstung ist einfach und der Vorgang bequem, aber die verbesserten Edelsteine sind instabil und neigen zum Verblassen. Die Hochtemperatur- und Hochdruckbehandlung ist derzeit eine Methode zur Behandlung von Diamanten, bei der ihre Farbe durch hohe Temperaturen und hohen Druck verändert wird. Die Laserbehandlung wird in erster Linie zur lokalen Behandlung von Diamanten eingesetzt, um deren Farbe und Klarheit zu verbessern.

Abschnitt I Chemische Behandlungsmethode für Edelsteine

Zu den physikalischen und chemischen Behandlungsmethoden für Edelsteine gehören gängige Verfahren wie Färben und Färben, Bleichen, Öltauchen, Injektionsfüllung, Kleben, Beschichten, Unterlegen, Schichten und Verkrusten, die eine lange Geschichte haben. Das Färben ist eine traditionelle Methode zur Verbesserung der Farbe von Edelsteinen, die bis in die Antike zurückreicht. Historische Aufzeichnungen zeigen, dass gefärbter roter Achat in ägyptischen Gräbern um 1300 v. Chr. gefunden wurde. Aufgrund der Einfachheit der traditionellen Verbesserungsmethoden können sie auf die meisten strukturell losen kryptokristallinen oder einkristallinen Edelsteine mit vielen Rissen angewendet werden. Da viele gefärbte Edelsteine auf dem Markt natürliche Edelsteine imitieren, müssen wir Edelsteine, die durch Färben und andere Färbemethoden behandelt wurden, identifizieren. Je nach Art der Behandlungsmethoden werden sie in chemische und physikalische Behandlungsmethoden eingeteilt.

Bei der chemischen Behandlung wird eine bestimmte Menge chemischer Reagenzien zugesetzt, die chemisch mit den Bestandteilen des Edelsteins reagieren, so dass die farbgebenden Elemente in den chemischen Reagenzien in das Innere des Edelsteins gelangen oder in die Risse des Edelsteins eindringen und die Farbe des Edelsteins verändern. Bei der chemischen Behandlung müssen neben den Bestandteilen des Edelsteins auch andere Stoffe zugesetzt werden. Diese Optimierungsmethode ist eine Form der Verarbeitung und muss beim Verkauf des Edelsteins angegeben werden. Zu den üblichen chemischen Behandlungsmethoden gehören Färben, Färben, Bleichen und Injektionsfüllungen.

1. Färben und Färben

Die Verfahren und Grundsätze des Färbens und Färbens unterscheiden sich nur in den verwendeten Farbstoffen: Beim Färben werden organische Farbstoffe verwendet, beim Färben anorganische Pigmente. Das Prinzip des Färbens und des Färbens ist dasselbe: Es geht darum, Farbstoffe in den Edelstein einzubringen, um die Farbe des Edelsteins zu verbessern oder zu verändern. Organische Farbstoffe sind leuchtender, haben aber eine geringere Stabilität und verblassen mit der Zeit. Die chemischen Reagenzien, die beim Färben verwendet werden, ähneln in ihrer Farbe den natürlichen Edelsteinen und haben eine gute Stabilität, so dass sie weniger anfällig für das Verblassen sind. Derzeit werden die meisten Edelsteine mit anorganischen Pigmenten gefärbt.

(1) Anforderungen an Materialien, Farbstoffe und Lösungsmittel

Die Methoden zum Färben und Färben sind in der Verarbeitung ähnlich und erfordern nur eine minimale Ausrüstung; es genügt, den Edelstein einige Zeit in einem Behälter einzuweichen. Wenn die Farbe in den Edelstein eindringen soll, ist während des Prozesses eine Erhitzung erforderlich, wobei die Erhitzungstemperatur im Allgemeinen niedrig ist. Färben und Färben werden vor allem bei hellen Edelsteinen mit einer lockeren Struktur angewandt. Die Wirkung des Färbens und Färbens hängt unter anderem vom Edelsteinmaterial, den ausgewählten Farbstoffen und Pigmenten sowie den Lösungsmitteln für die Färbung ab, wobei die folgenden spezifischen Anforderungen gelten.

① Anforderungen an Edelsteinmaterialien

Zunächst müssen sie gegen Säuren, Basen und Hitze beständig sein. Die zu behandelnden Edelsteinmaterialien müssen vor dem Färben mit Säuren oder Laugen gereinigt werden, und während des Prozesses ist Erhitzung erforderlich, manchmal muss eine gewisse Zeit lang gekocht werden.

Zweitens müssen die zu behandelnden Materialien auch eine gewisse Porosität aufweisen, damit der Farbstoff in das Edelsteinmaterial eindringen kann. Materialien wie Jadeit, Nephrit, Chalcedon, Achat und Marmor sind relativ leicht zu färben.

Bei nicht porösen Edelsteinen müssen künstliche Poren oder Risse erzeugt werden, damit der Farbstoff in den Kristall eindringen kann. Bei der Quarzexplosionsmethode beispielsweise muss der Quarz zunächst erhitzt und abgeschreckt werden, um extrem kleine Risse zu erzeugen, und anschließend gefärbt werden, wodurch roter oder grüner Quarz entstehen kann (Abbildung 4-1).

② Anforderungen an Farbstoffe (einschließlich Farbstoffe und Pigmente)

Wählen Sie zunächst den geeigneten Farbstoff oder das Pigment entsprechend den Eigenschaften des Edelsteins. Beim Färben von Edelsteinen sollte die Farbe des Farbstoffs der natürlichen Farbe des Edelsteins nahe kommen. Mit organischen Farbstoffen gefärbte Edelsteine haben viele Farben und sind sehr leuchtend, aber sie wirken "unecht" und haben eine schlechte Stabilität, so dass sie leicht verblassen; die Farbe von anorganischen Pigmenten ist oft näher an der natürlichen Farbe von Edelsteinen, hat eine bessere Stabilität und verblasst nicht so leicht, so dass die Menschen im Allgemeinen anorganische Pigmente wählen. Versuchen Sie bei der Auswahl der Farbstoffe, solche zu wählen, die nicht verblassen. Organische Farbstoffe, insbesondere Aminfarbstoffe, neigen zum Verblassen und sollten mit Vorsicht verwendet werden.

Zweitens sind Farbstoffe zu wählen, die mit bestimmten Elementen im Edelstein chemisch reagieren oder von den Poren des Edelsteinmaterials adsorbiert werden können. Zu den üblichen Farbstoffen gehören Chromsalze, Eisensalze, Mangansalze, Kobaltsalze, Kupfersalze usw.

③ Anforderungen an farbgebende Lösungsmittel

Es gibt zwei Arten des Färbens mit Farbstoffen (Färbemitteln): das Ölfärben und das Wasserfärben. Beim Ölfärben werden verschiedene Öle verwendet, um den Farbstoff aufzulösen, während beim Wasserfärben Wasser oder polare Moleküle wie Ethanol als Lösungsmittel verwendet werden, um das Pigment aufzulösen. Beim Färben ist es wichtig, je nach Art des Farbstoffs (Pigments) und der Adsorptionsfähigkeit des Edelsteinmaterials das geeignete Lösungsmittel zu wählen.

Die Verwendung von unpolarem molekularem Öl als Lösungsmittel wird als Ölfärbung bezeichnet. Gefärbte Öle (d. h. Öle, die organische Farbstoffe auflösen) werden üblicherweise zum Tränken von Rubinen und Smaragden verwendet, so dass das gefärbte Öl in die Risse der Edelsteine eindringen kann.
Die Wasserfärbung wird meist für anorganische Pigmente verwendet, wobei die Pigmente in Wasser oder Alkohol aufgelöst werden, eine gesättigte Lösung entsteht und die vorbehandelten Edelsteine dann eingeweicht werden. Die Einweichzeit ist in der Regel länger als bei der Ölfärbung, und manchmal werden chemische Mittel, die mit dem Farbstoff reagieren, für die Weiterverarbeitung verwendet, um die gewünschte Farbe zu erzielen. Beim Färben von Achat zum Beispiel werden verschiedene chemische Reagenzien ausgewählt, um eine chemische Reaktion auszulösen, und der daraus resultierende Niederschlag dringt in die Risse im Edelstein ein und stabilisiert die Farbe nach dem Färben.

(2) Faktoren, die die Färbewirkung von Edelsteinen beeinflussen

Neben dem Edelsteinmaterial und dem Farbstoff müssen auch andere Faktoren berücksichtigt werden, wie z. B. die Säurebehandlung des Edelsteins vor dem Färben, die Erhitzungstemperatur während des Färbens und die Dauer des Färbevorgangs.

① Behandlung durch saures Waschen

Vor dem Färben von Edelsteinmaterialien ist eine saure Wäsche erforderlich, um die gelben, braunen und anderen gemischten Farben von der Oberfläche des Edelsteins zu entfernen und die Oberfläche sauber zu halten. Nach dem sauren Waschen sollte eine bestimmte alkalische Lösung gewählt werden, um den Edelstein zu neutralisieren. Wird eine chemische Reaktionsmethode zum Färben gewählt, müssen die Bedingungen für die Ausfällung berücksichtigt werden, da die Reaktion sonst nicht ablaufen kann. Nach dem Waschen mit Säure sollte der Edelstein vor der weiteren Bearbeitung im Ofen oder an der Luft getrocknet werden.

② Heiztemperatur und Färbebehandlungszeit

Während des Färbevorgangs wird im Allgemeinen erhitzt, um das Eindringen des Farbstoffs in die Risse des Edelsteins zu fördern. Die Erhitzungstemperatur und die Dauer der Färbebehandlung wirken sich ebenfalls auf die endgültige Farbe des Edelsteins aus. Eine höhere Erhitzungstemperatur führt zu einer schnelleren Reaktionsgeschwindigkeit und erfordert eine kürzere Färbezeit; umgekehrt erfordert eine niedrigere Erhitzungstemperatur eine längere Zeit, um eine bessere Färbewirkung zu erzielen.

Das Färbe- und Färbebehandlungsverfahren ist einfach, leicht zu bedienen und weit verbreitet. Es kann auf einkristalline Edelsteine mit Rissen und polykristalline oder kryptokristalline Edelsteinmaterialien mit lockeren Strukturen angewendet werden. Zu den häufig gefärbten und gefärbten Edelsteinen gehören Rubine, Smaragde, Achate, Chalzedon, Nephrit, Xiuyan-Jade, Jadeit, Perlen, Elfenbein, Opale, Korallen, Quarzit, Türkis und andere.

(3) Identifikationsmerkmale gefärbter Edelsteine

Gefärbte Edelsteine haben leuchtende Farben, und bei Vergrößerung ist die Farbe entlang der Risse oder zwischen den Partikeln zu sehen, wobei hellere Farben in dichten Strukturen und dunklere Farben in lockeren Strukturen zu finden sind. Bei gefärbten Rubinen (Abbildung 4-2) beispielsweise ist die Farbe unter der Lupe in den Rissen des Rubins konzentriert, und die Farbgrenzen sind deutlich zu erkennen.

2. Bleichen

Das Bleichen wird in der Regel bei Jade oder organischen Edelsteinen mit vielen Farbvariationen auf der Oberfläche, wie Jadeit, Perlen und Korallen, eingesetzt. Zu den Bleichmitteln gehören in der Regel Chlorgas, Hypochloritsalze, Wasserstoffperoxid und Sulfite. Auch Sonneneinstrahlung kann zum Ausbleichen bestimmter Edelsteine führen, was ein Bleicheffekt des Sonnenlichts sein kann. Wasserstoffperoxid und Hypochlorit-Salze sind häufig verwendete Bleichmittel bei der Edelsteinoptimierung. Wasserstoffperoxid und Sonnenlicht werden häufig zum Bleichen von Natur- oder Zuchtperlen verwendet, wodurch besonders dunkle oder grünliche Perlen aufgehellt werden können, so dass sie den hochwertigen Naturperlen näher kommen. Wasserstoffperoxid und Hypochloritsalze werden häufig zum Bleichen von Jade verwendet, z. B. von Jadeit (Abbildung 4-3), wodurch nach dem Bleichen die Gelb- und Brauntöne auf der Oberfläche entfernt werden und das Grün des Jadeit besser zur Geltung kommt.

Die Struktur der Jade ist nach dem Bleichen beschädigt, und sie muss in der Regel injiziert und gefüllt werden, um ihre Struktur dicht und stabil zu machen. Organische Edelsteine wie Perlen und Korallen können nach dem Bleichen ohne Füllbehandlung verkauft werden, und ihre Farben sind ebenfalls sehr stabil. Die Bleichbehandlung gilt als Optimierung und muss beim Verkauf von Edelsteinen nicht angegeben werden; sie können direkt mit dem Namen des natürlichen Edelsteins bezeichnet werden. Zum Bleichen verwendete Edelsteine sind Jadeit, Nephrit, Xiuyan-Jade, Quarzit, Perle, Koralle, Chalzedon, Kieselholz und Tigerauge.

Nach der Bleichbehandlung zeigen die Edelsteine unter Vergrößerung eine orangenschalen- oder rinnenartige Struktur mit feinen Mikrorissen, die auf der polierten Oberfläche sichtbar sind, eine lockere innere Struktur und eine saubere, helle Farbe ohne Verunreinigungen. Nach dem Bleichen wird häufig eine Füllbehandlung durchgeführt, um die Struktur des Edelsteins zu stabilisieren.

3. Injektionsfüllung

Die Injektionsfüllung bezieht sich auf eine Behandlungsmethode, bei der mit bestimmten technischen Mitteln flüssige Substanzen in die Risse von Edelsteinen injiziert werden. Sie eignet sich vor allem für Edelsteinmaterialien, die strukturell locker sind oder viele Risse aufweisen. Dabei werden die Risse und Poren der Edelsteine mit Materialien wie farblosem Öl, farbigem Öl, Harz, Wachs oder Kunststoff gefüllt, wodurch ihre Struktur verfestigt, die Stabilität der Edelsteine verbessert oder die Farbe der Edelsteine verändert wird. Bei der Injektionsfüllung wird zwischen farblosem und gefärbtem Öl unterschieden, wobei die folgenden Hauptzwecke verfolgt werden.

(1) Risse abdecken

Natürliche Edelsteine enthalten bei ihrer Herstellung oft viele Risse. Das Vorhandensein zahlreicher Risse beeinträchtigt sowohl das Aussehen als auch die Stabilität der Edelsteine. Die Risse können durch Einspritzen von farblosem Öl und anderen Materialien in die Risse, Poren oder intergranularen Spalten des Edelsteinmaterials verdeckt werden, wodurch sie weniger auffallen und ihre Verwendbarkeit und ihr wirtschaftlicher Wert erhöht werden. Natürliche Smaragde und Rubine beispielsweise enthalten oft viele Risse, und durch Einspritzen von farblosem oder farbigem Öl kann ihr farbliches Erscheinungsbild verbessert werden.

(2) Verbesserung der Stabilität von Edelsteinen

Bei strukturell losen Edelsteinen werden die Poren injiziert und gefüllt, um sie fester zu machen und ihre Härte und Stabilität zu erhöhen, z. B. bei Türkisen und Smaragden.

(3) Verbessern Sie die Farbe Helligkeit und wirtschaftlichen Wert der Edelsteine

Bei Edelsteinen mit helleren Farben wird durch das Einspritzen von gefärbtem Öl, gefärbtem Wachs und anderen Materialien nicht nur ihre Struktur verstärkt, sondern auch die Farbe der Edelsteine vertieft.

Angenommen, ein farbiges Material wird in die Poren des Türkises injiziert. In diesem Fall kann es seine Härte erhöhen und die Lichtstreuung verringern, was seine Farbe vertieft und seine Härte erheblich verbessert.

Zu den Edelsteinen, die mit der Injektionsfüllmethode veredelt werden können, gehören Rubine, Saphire, Smaragde, Türkise, Lapislazuli, Opal, Beryll, Quarz und Jade.

Nach der Injektionsfüllung zeigt der Edelstein unter Vergrößerung eine geringere Transparenz und einen geringeren Glanz an der Füllstelle. Ein mit farblosem Öl gefüllter Smaragd (Abbildung 4-4) zeigt zum Beispiel, dass Transparenz und Glanz an der Füllstelle deutlich geringer sind als bei natürlichen Smaragden. Wird gefärbtes Öl zum Füllen verwendet, verdichtet sich die Farbe an den Rissen. An der Füllstelle sind Blasen sichtbar, und bei der Infrarotspektroskopie zeigen sich charakteristische Infrarotabsorptionsspektren des Füllmaterials, deren Brechungsindex und Dichte niedriger sind als bei natürlichen Edelsteinen.

Abschnitt II Physikalische Behandlungsmethoden für Edelsteine

Physikalische Behandlungsmethoden für Edelsteine sind ebenfalls weit verbreitet und beziehen sich auf die Modifizierung von Edelsteinen mit anderen Materialien durch Kleben, Spleißen und andere Techniken, um einen Gesamteindruck zu erzeugen. Zu den gängigen physikalischen Behandlungsmethoden gehören Oberflächenbeschichtungen, Beschichtungen, Verkrustungen, Schichtung, Unterfütterung und Spleißen.

1. Oberflächenbeschichtung

Das Aufbringen einer farbigen Folie (auch "Folienbehandlung" genannt) auf die Oberfläche oder den Boden des Edelsteins oder die Verwendung von Farbe als Beschichtung auf allen oder einem Teil der Facetten des Edelsteins verändert seine Farbe und damit sein Aussehen. Die einfachste Beschichtung besteht darin, die Oberfläche eines Diamanten mit blauer Tinte zu beschriften, was das Aussehen des Diamanten aufgrund der Farbe der Tinte verbessern kann. Das Auftragen einer blauen Schicht auf der Unterseite eines hellgelben Diamanten kann dessen Farbwert verbessern. Diese Behandlungsmethode wird häufig bei Diamanten, Topas, Kristallen, Korallen und Perlen angewandt.

Die derzeit gängige Beschichtungsmethode besteht darin, eine farbige Beschichtung auf farblosen oder hellen Topas oder Kristall aufzutragen, was zu verschiedenen Farbschattierungen führen kann. In den meisten Fällen ist die zusätzliche Farbe nur auf der Oberfläche des Edelsteins vorhanden. Edelsteine mit dieser Beschichtung sind leicht zu erkennen, da die beschichtete Oberfläche oft eine andere Farbe als die Unterseite aufweist und aufgrund der geringeren Härte der Oberflächenbeschichtung oft viele Kratzer sichtbar sind.

2. Oberflächenbeschichtung

Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technik, Oberfläche Beschichtung hat sich allmählich zu einem Verfahren entwickelt, bei dem eine Farbschicht auf die Oberfläche farbloser oder heller Edelsteine aufgetragen wird, um das farbliche Aussehen der Edelsteine zu verändern. Diese Behandlungsmethode wird häufig bei Diamanten, Topas, Kristallen usw. angewandt. Bei der Diamantbeschichtung handelt es sich häufig um eine Diamantfolie, d. h. eine sehr dünne Schicht aus synthetischem Diamant auf dem Diamanten, die aufgrund ihres starken Glanzes und ihrer hohen Härte dem Diamanten sehr ähnlich sieht. Helle Topase oder Kristalle werden häufig mit einer Metalloxidschicht überzogen (Abbildung 4-5), die auf der Oberfläche ein regenbogenartiges Aussehen hat. Unter Vergrößerung sind jedoch Kratzer zu erkennen, und mit der Zeit kann die Oberfläche teilweise abblättern.

3. Überwucherung

Overgrowth bezieht sich auf eine Edelsteinschicht, die auf der Oberfläche eines synthetischen oder natürlichen Edelsteins mit Hilfe synthetischer Methoden gewachsen ist. Dieser überwachsene Edelstein kann unterschiedlich dick sein. Es ist nicht einfach, sie von Edelsteinen zu unterscheiden, die in wässrigen Lösungen gezüchtet wurden. So kann zum Beispiel eine Schicht aus synthetischem Smaragd auf einem Stück Smaragd oder Beryll wachsen und Merkmale sowohl von natürlichen als auch von synthetischen Smaragden aufweisen. Bei der Identifizierung von Overgrowth-Edelsteinen sollte man den Verbindungsbereich, die Farbunterschiede und die Einschlussmerkmale zwischen den oberen und unteren Edelsteinschichten beachten.

4. Zwischenschicht und Substrat

Die InterDie Schicht und das Substrat werden mit verschiedenen Methoden zu einem ganzen Edelstein zusammengefügt, wodurch das Aussehen, die Farbe und das Aussehen natürlicher Edelsteine verbessert werden. Das Substrat wird hauptsächlich verwendet, um die Farbe von helleren Edelsteinen zu verbessern, z. B. von Diamanten mit einem gelblichen Farbton; durch Hinzufügen einer Schicht blauen Substrats an der Unterseite kann der Farbgrad des Diamanten verbessert werden. Die Schicht wird in der Regel in dreischichtigen Verbundsteinen verwendet; die obere Schicht ist beispielsweise ein natürlicher hellgrüner Smaragd, die untere Schicht ist ein farbloser oder hellgrüner Beryll, mit einer grünen Schicht in der Mitte, die die Farbe des Smaragds verstärkt.

5. Zusammengesetzt

Als Komposit bezeichnet man die Kombination mehrerer Edelsteine oder Materialien auf unterschiedliche Weise. Zu den gängigen Kompositsteinen gehören zweischichtige und dreischichtige Kompositsteine. Kompositsteine sind eine weit verbreitete Methode zur physikalischen Veredelung und werden häufig verwendet. Durch die Kompositbehandlung können Farbe und Aussehen von Edelsteinen verbessert werden. Zu den üblichen Komposit-Edelsteinen gehören Smaragde, Rubine, Granate, Opale, Diamanten usw. (Abbildung 4-6). Die Identifizierung von Komposit-Edelsteinen erfolgt hauptsächlich durch eine vergrößerte Inspektion, wobei auf die Kompositnähte in den Edelsteinen, die Farb- und Glanzunterschiede zwischen verschiedenen Schichten und die Blasen zwischen den Kompositnähten geachtet wird.

Abschnitt III Wärmebehandlungsverfahren

Die Wärmebehandlung ist eine der am häufigsten angewandten Methoden zur Optimierung von Edelsteinen. Die Edelsteine werden in Geräte eingelegt, die die Erhitzung steuern können, wobei verschiedene Erhitzungstemperaturen und Oxidations-Reduktions-Atmosphären für die Wärmebehandlung ausgewählt werden, um die Farbe, Transparenz und Klarheit der Edelsteine zu verbessern. Die Wärmebehandlung kann den ästhetischen und wirtschaftlichen Wert von Edelsteinen erhöhen und die potenzielle Schönheit in ihnen zum Vorschein bringen, was sie zu einer einfach zu handhabenden und weithin akzeptierten Methode zur Edelsteinoptimierung macht, die als Optimierung bezeichnet wird. In der Edelsteinnomenklatur kann sie direkt mit dem Namen des natürlichen Edelsteins bezeichnet werden.

1. Ausrüstung für die Wärmebehandlung

Für die Wärmebehandlung von Edelsteinen werden zunächst bestimmte Geräte benötigt, um die Edelsteine zu erhitzen. Je nach ihrer Rolle bei der Wärmebehandlung lassen sich die Wärmebehandlungsgeräte in zwei Hauptteile unterteilen: Hauptgeräte und Hilfsgeräte.

1.1 Primäre Ausrüstungen

Die wichtigste Ausrüstung für die Wärmebehandlung sind Heizgeräte, die zwei Kategorien umfassen: Wärmebehandlungsöfen und Heizgeräte. Zu den in Laboratorien häufig verwendeten Wärmebehandlungsöfen gehören gewöhnliche Wärmebehandlungsöfen (Widerstandsöfen, Salzöfen, Brennstofföfen), Öfen mit kontrollierter Atmosphäre und Vakuumwärmebehandlungsöfen. Zu den Heizgeräten gehören Laser- und Elektronenstrahlheizgeräte.

Zu den Hilfsausrüstungen gehören Geräte mit kontrollierter Atmosphäre (Gasgeneratoren, Ammoniakzersetzungsgeräte, Vakuumsysteme usw.), Stromversorgungsgeräte (Verteilerschränke, Gebläse usw.), Messgeräte (Temperaturmessgeräte, Druckmessgeräte, Durchflussmesser, automatische Steuergeräte usw.) sowie Tiegel und Reinigungskühlgeräte usw.

(1) Gewöhnlicher Wärmebehandlungsofen

Gewöhnliche Wärmebehandlungsöfen sind hauptsächlich Widerstandsöfen, Salzschmelzöfen, Brennstofföfen usw., die üblicherweise in der Wärmebehandlung eingesetzt werden.

① Widerstandsofen

Ein Widerstandsofen besteht aus Heizelementen (Drähte, Siliziumkarbid, Molybdänsilizid, Kobaltoxid usw.). Die in den Labors am häufigsten verwendeten Typen sind Kastenöfen und Rohröfen.

Kasten-Widerstandsofen: Der Kasten-Widerstandsofen hat eine kastenförmige Kammer (Abbildung 4-7), die je nach Arbeitstemperatur in Hoch-, Mittel- und Niedertemperatur eingeteilt wird. Die in unserem Land hergestellten Kasten-Widerstandsöfen sind standardisiert, außer für Niedertemperaturanwendungen, bei denen stattdessen verschiedene Kästen mit konstanter Temperatur verwendet werden.

Der Hochtemperatur-Widerstandskastenofen wird hauptsächlich für die Farbverbesserung von Edelsteinen mit hohem Schmelzpunkt wie Korund, Rubin, Saphir und Zirkon verwendet, wobei die allgemeine Heiztemperatur über 1000℃ liegt.

Ein Mitteltemperatur-Kastenofen wird häufig für die Wärmebehandlung von Edelsteinen wie Saphir, Topas, Kristall und Tansanit verwendet, die eine Farbveränderung bei mittlerer bis niedriger Temperatur benötigen, wobei die Wärmebehandlungstemperatur in der Regel zwischen 650 °C und 1000 °C liegt.

Der Niedertemperatur-Wärmebehandlungsofen wird hauptsächlich für organische Edelsteine und Edelsteine, die Wasser in ihrer Struktur enthalten, wie Perlen, Korallen, Opale usw. verwendet.

Der Kastenwiderstandsofen ist einfach aufgebaut, leicht zu bedienen und kostengünstig, was ihn zu einem unverzichtbaren Gerät in Labors macht. Die Vorteile des Kasten-Widerstandsofens sind die hohe Heiztemperatur, der große Innenraum und die Möglichkeit, mehrere Proben gleichzeitig aufzunehmen. Diese Art von Wärmebehandlungsofen hat jedoch auch Nachteile wie einen geringen thermischen Wirkungsgrad, eine langsame Erwärmung und eine ungleichmäßige Ofentemperatur, die während des Betriebs verbessert werden müssen. Beispielsweise kann die ungleichmäßige Ofentemperatur durch Messung des thermischen Feldes und Platzierung der Proben an bestimmten Temperaturpunkten vorbestimmt werden, um die ungleichmäßige Temperatur zu überwinden.

Rohrwiderstandsofen: Der Rohrwiderstandsofen verwendet im Allgemeinen Widerstandsdraht, der um Hochtemperatur-Feuerfestmaterialien (in der Regel 99%-Aluminiumoxidrohre) geschichtet ist, und kann die Temperatur in Segmenten steuern. Er kann auch Siliziumkarbidstäbe als Heizelemente verwenden, die kreisförmig um das Aluminiumoxidrohr angeordnet sind. Der Rohrwiderstandsofen kann die Atmosphäre steuern, indem er das Heizelement mit einem Gehäuse von der Ofenatmosphäre isoliert, so dass je nach Bedarf verschiedene Atmosphären (z. B. oxidierende oder reduzierende Atmosphären) eingeführt werden können, wobei die Abgase durch Abluftöffnungen an der Ofenabdeckung abgeleitet werden (Abbildung 4-8).

Die Vorteile des Widerstandsrohrofens liegen in der schnellen Aufheizgeschwindigkeit, der segmentierten Temperaturregelung und der präzisen Temperaturregelung; seine Nachteile sind, dass er nur eine kleinere Probenmenge verarbeiten kann und nicht leicht zu entnehmen ist.

② Salzschmelzofen:

Der Salzschmelzofen ist ein Wärmebehandlungsgerät, das geschmolzenes Salz als Heizmedium verwendet und sich durch seinen einfachen Aufbau und seine schnelle, gleichmäßige Heizgeschwindigkeit auszeichnet. Die Schmelztemperatur des Salzes im Salzschmelzofen liegt je nach Zusammensetzung der Salzlösung zwischen 150 und 1300 °C, was im Allgemeinen einen Heiztemperaturbereich ermöglicht, der für die Wärmebehandlung von Edelsteinen bei niedrigen und mittleren Temperaturen geeignet ist. Nachteilig sind der hohe Stromverbrauch, die schwierige Reinigung der Proben nach der Behandlung und bestimmte korrosive und kontaminierende Wirkungen auf Edelsteine. Zu den gebräuchlichen Arten von Salzschmelzöfen gehören Elektroschmelzöfen und Elektroheizöfen.

Elektroden-Salzschmelzofen: Dieser Elektroofen führt Elektroden in die Ofenkammer ein und leitet Niederspannungs-Hochstrom, wodurch eine starke elektromagnetische Zirkulation erzeugt wird, wenn der Strom durch das geschmolzene Salz fließt, was die Verwirbelung des geschmolzenen Salzes zur Erwärmung der Probe fördert. Die Elektrodensalzschmelzöfen in unserem Land sind meist groß für die industrielle Produktion und ungeeignet für Labors. In Labors können kleine Öfen mit serienmäßig hergestellten Salzschmelztransformatoren konstruiert werden.
Elektrisch beheizter Salzschmelzofen: Dieser Ofen besteht aus einem Tiegel mit geschmolzenem Salz und einem Ofenkörper, der den Tiegel beheizt. Die Wärmequelle ist häufig elektrische Energie, es werden aber auch andere Brennstoffe verwendet. Er wird üblicherweise für die thermische Behandlung von Edelsteinen verwendet, die aufgrund chemischer Komponenten eine Eigenfärbung aufweisen. Er zeichnet sich dadurch aus, dass es keine Einschränkungen hinsichtlich der Wärmequelle gibt und keine Transformatoren erforderlich sind, aber die Lebensdauer des Tiegels ist gering und die Temperaturverteilung im Ofen ist ungleichmäßig. In unserem Land werden viele Modelle dieser Art von Öfen hergestellt, aber nur einige sind für Labors zur Edelsteinoptimierung geeignet.

③ Brennstofföfen:

Je nach Art des verwendeten Brennstoffs werden sie in Öfen für feste Brennstoffe, Öfen für gasförmige Brennstoffe und Öfen für flüssige Brennstoffe unterteilt. Je nach Form der Heizkammer können sie auch in Kammeröfen, Tischöfen, Brunnenöfen usw. unterteilt werden. Der gängigste Festbrennstoffofen ist der bodenbefeuerte Kammerofen mit Kohle als Hauptbrennstoff. Die Vorteile sind der einfache Aufbau und die niedrigen Kosten; die Nachteile sind die schlechte Temperaturgleichmäßigkeit und die schwierige Temperaturregelung.

Gasbrennstofföfen verwenden brennbare Gase (z. B. Kohlegas, Erdgas, Flüssiggas usw.) als Brennstoff. Da sich brennbare Gase leicht mit Luft vermischen und vollständig verbrennen, ist die Ofentemperatur gleichmäßiger als bei Öfen mit festem Brennstoff, so dass sie sich für die routinemäßige Bearbeitung von Edelsteinen im Labor eignen. Die Genauigkeit der Temperaturmessung im Inneren des Ofens könnte jedoch verbessert werden.

Flüssigbrennstofföfen verwenden Diesel oder Schweröl als Brennstoff und sind ähnlich aufgebaut wie Gasöfen. Der einzige Unterschied besteht in der Struktur der Verbrennungsvorrichtung.

(2) Ofen mit kontrollierter Atmosphäre

In den Ofen mit kontrollierter Atmosphäre wird Sauerstoff oder reduzierendes Gas eingeleitet, um die Farbe und das Aussehen der Edelsteine durch Steuerung der Oxidations- oder Reduktionsatmosphäre zu verbessern. Der Ofen mit kontrollierter Atmosphäre besteht in der Regel aus zwei Teilen: dem Arbeitsofen mit kontrollierter Atmosphäre und dem Gerät zur Erzeugung kontrollierter Atmosphäre.

① Arbeitsofen mit kontrollierter Atmosphäre:

Diese Art von Ofen ist im Allgemeinen eine verbesserte Version eines Widerstandsofens, und sowohl Kasten- als auch Rohrofen können als Öfen mit kontrollierter Atmosphäre verwendet werden. Ein Ofen mit kontrollierter Atmosphäre kann durch Hinzufügen eines Aufsatzes mit kontrollierbarer Atmosphäre gebildet werden, der den Eintritt von Gas in die Ofenkammer eines Widerstandsofens und deren Abdichtung ermöglicht. Er wird in der Regel zur Steuerung der Wärmebehandlungsatmosphäre verwendet, z. B. Oxidation, Reduktion oder neutral. Zu den eingeführten oxidierenden Gasen gehören im Allgemeinen Sauerstoff, Luft usw.; zu den reduzierenden Gasen gehören im Allgemeinen H₂CO, N₂, CH₄usw., und einige dieser Gase sind brennbar, so dass beim Betrieb besondere Vorsicht geboten ist. Um Explosionen zu vermeiden, ist es am besten, den Ofenraum mit N₂(oder CO₂Die eingeleitete Gasmenge beträgt in der Regel das 4- bis 5-fache des Volumens der Ofenkammer. Außerdem hat das eingeleitete Gas manchmal einen hohen CO-Gehalt, der leicht zu Vergiftungen führen kann. Daher ist es wichtig, für eine gute Belüftung zu sorgen und die Dichtheit des Ofenkörpers und der Rohrleitungen regelmäßig zu überprüfen. Das austretende Abgas sollte angezündet oder ins Freie geleitet werden.

② Gerät zur Erzeugung kontrollierter Atmosphäre

Gerät zur Erzeugung von reduzierter Atmosphäre (auch als endothermischer Atmosphärengenerator bezeichnet): In diesem Gerät werden Rohgase (Erdgas, Flüssiggas, Kohlegas usw.) mit Luft in einem bestimmten Verhältnis gemischt. Unter Einwirkung einer externen Wärmequelle und eines Katalysators wird es durch unvollständige Verbrennung und eine Reihe von Reaktionen erzeugt. Das erzeugte Gas ist eine gute reduzierende Atmosphäre, die streng kontrolliert und stabil ist, aber die Anlagenstruktur ist komplex und die Kosten sind relativ hoch.
Generator für die Ammoniakzersetzung: Bei der Wärmebehandlung müssen je nach den Ursachen für die Farbbildung der Edelsteine verschiedene Atmosphären eingesetzt werden, z. B. eine oxidierende Atmosphäre, eine reduzierende Atmosphäre usw. Die üblicherweise verwendete reduzierende Atmosphäre wird durch einen Ammoniak-Zersetzungsgenerator erzeugt.

Eine reduzierende Atmosphäre wird mit Hilfe eines Geräts erzeugt, das Ammoniakgas in Stickstoff und Wasserstoff zersetzt (siehe Abbildung 4-9). Flüssiges Ammoniak aus der Ammoniakflasche fließt in den Verdampfer 1, wo es erhitzt und verdampft wird, und gelangt dann in den Reaktionstank 2, wo es unter hoher Temperatur und der Einwirkung eines Katalysators zersetzt wird. Das abgekühlte Ammoniakzersetzungsgas wird in der Reinigungsvorrichtung 3 gereinigt, wo Restsauerstoff und Wasserdampf entfernt werden, und kann dann zur Verwendung in den Wärmebehandlungsofen geleitet werden. Das Gas nach der Zersetzung H₂:N₂ ist 3:1, was eine reduzierende Atmosphäre darstellt.

(3) Vakuum-Wärmebehandlungsofen

Die Vakuumwärmebehandlung ist ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem der Erhitzungs- oder Abkühlungsprozess der Probe im Vakuum (Unterdruck) stattfindet. Der für diese Behandlung verwendete Ofen wird als Vakuumwärmebehandlungsofen bezeichnet.

Die Vakuum-Wärmebehandlung wird für besondere Wärmebehandlungsbedingungen eingesetzt, z. B. für die Verarbeitung von schwarzem kubischem Zirkoniumdioxid, und die Temperatur in einem Vakuumofen ist ebenfalls relativ hoch. Aufgrund der Bedenken hinsichtlich der Oxidation von nicht heizenden Elementen können Hochtemperaturmetalle wie Aluminium, Wolfram, Tantal und Graphitprodukte als Heizelemente verwendet werden. Bei der Optimierung von Edelsteinen sind sie jedoch weniger verbreitet als bei Öfen mit kontrollierter Atmosphäre.

(4) Laser- und Elektronenstrahl-Wärmebehandlungsgerät

Laser- und Elektronenstrahl-Wärmebehandlungsverfahren haben sich in den letzten Jahren weiterentwickelt. Sie zeichnen sich durch eine schnelle Erhitzung, hohe Temperaturen und Oxidationsfreiheit aus und eignen sich daher besonders für die örtlich begrenzte Wärmebehandlung. Aufgrund der ungleichmäßigen Erwärmung, der schnellen Abkühlung und der hohen Investitionskosten werden sie jedoch bei der Wärmebehandlung von Edelsteinen seltener eingesetzt und häufig zur Behandlung dunkler Einschlüsse in Diamanten verwendet.

Ein Elektronenstrahl ist ein Elektronenstrahl mit hoher Energiedichte, der von einem beheizten Kathodenfaden ausgeht, durch eine "Anode" beschleunigt und durch eine magnetische Linse fokussiert wird. Wenn dieser Elektronenstrahl auf die Oberfläche einer Probe trifft, wandelt er die Energie der Elektronen sofort in Wärmeenergie um, wodurch die Probe erhitzt und sogar Metalle geschmolzen werden. Das Gerät, das den Elektronenstrahl erzeugt, wird Elektronenstrahlkanone genannt. Dieses Gerät wird im Allgemeinen zur lokalen Verbesserung der thermischen Behandlung von Edelsteinen eingesetzt.

1.2 Hilfsmittel und Geräte für die Wärmebehandlung

(1) Thermoelement

Thermoelemente sind die am weitesten verbreiteten Temperaturmessfühler bei der Temperaturmessung. Sie haben eine einfache Struktur, sind leicht zu handhaben, besitzen eine hohe Genauigkeit und Stabilität und haben einen großen Temperaturmessbereich und spielen eine wichtige Rolle bei der Temperaturmessung.

① Das Messprinzip eines Thermoelementes:

Dabei werden zwei Metalldrähte (A und B) mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung miteinander verbunden, um eine geschlossene Schleife zu bilden, die ein Thermoelement darstellt. Wenn die Temperaturen an den beiden Verbindungsstellen dieser Drähte unterschiedlich sind, wird in dem Stromkreis eine elektromotorische Kraft, das so genannte thermoelektrische Potenzial, erzeugt.

Die Größe der thermoelektrischen Spannung eines Thermoelements hängt von den Materialeigenschaften der Leiter und den Temperaturen an den beiden Verbindungsstellen ab. Bei festem Leitermaterial ist die Thermospannung umso größer, je größer der Temperaturunterschied zwischen den beiden Verbindungsstellen ist. Die Temperatur kann durch Messung der Größe der thermoelektrischen Spannung gemessen werden.

② Der Aufbau und die Arten von Thermoelementen:

Ein Thermoelement besteht aus zwei verschiedenen leitenden Drähten, A und B, die Thermoelektroden genannt werden. Das verschweißte Ende wird als Arbeitsende bezeichnet, auch heißes Ende genannt, und befindet sich im Messmedium; das andere Ende wird als Referenzende bezeichnet, auch freies oder kaltes Ende genannt, und ist mit dem Messgerät verbunden.

Wenn die Temperaturen am heißen und kalten Ende unterschiedlich sind, kann das vom Thermoelement erzeugte thermoelektrische Potenzial vom Gerät entsprechend der Temperaturskala angezeigt oder aufgezeichnet werden. Eine schematische Darstellung des Thermoelementes ist in Abbildung 4-10 zu sehen.

Die beiden Thermodrähte sind mit Isolierschläuchen ummantelt, um Kurzschlüsse zu verhindern, und durch Keramik- oder hitzebeständige Stahlrohre geschützt, um Korrosion durch Schadstoffe zu vermeiden. Der Aufbau des Thermoelementes ist in Abbildung 4-11 dargestellt.

③ Thermoelement-Ausgleichsleitung:

Das vom Thermoelement erzeugte thermoelektrische Potenzial kann die Temperatur am heißen Ende nur dann direkt widerspiegeln, wenn das kalte Ende auf 0℃ gehalten wird.

Bei der praktischen Verwendung von Thermoelementen kommt es jedoch aufgrund der vom Thermoelement selbst geleiteten Wärme und des Einflusses der Umgebungstemperatur häufig zu Schwankungen der Temperatur am kalten Ende, was zu ungenauen Temperaturmesswerten des Messgeräts führt.

Zur Überwindung dieses Effekts werden häufig Ausgleichsdrähte verwendet, um das kalte Ende des Thermoelements an eine Stelle mit einer konstanteren Temperatur zu verlegen, so dass Ausgleichsmaßnahmen getroffen werden können.

Kompensationsdrähte sind ein Paar Metalldrähte mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung. Sie haben die gleichen thermoelektrischen Eigenschaften wie das Thermoelement, an das sie angeschlossen sind, im Bereich von 0-100℃, sind aber viel billiger. Der Anschluss der Ausgleichsdrähte ist in Abbildung 4-12 dargestellt.

Kompensationsdrähte sind zweiadrig, ein- oder mehrdrähtig, und ihre inneren Isolierschichten sind durch unterschiedliche Farben gekennzeichnet, um die positive und negative Polarität anzuzeigen. Bei der Verwendung sollte beachtet werden, dass verschiedene Thermoelemente entsprechende Ausgleichsdrähte für den Anschluss verwenden sollten; die Temperatur an den Anschlussenden des Ausgleichsdrahtes und des Thermoelementes sollte unter 100℃ gehalten werden; das neue kalte Ende, das durch den Ausgleichsdraht verlängert wird, sollte immer noch mit Methoden wie konstanter Temperatur oder Berechnung kompensiert werden; der positive Anschluss des Ausgleichsdrahtes sollte mit dem positiven Anschluss des Thermoelementes und der negative Anschluss mit dem negativen Anschluss verbunden werden, um falsche Anschlüsse zu vermeiden.

(2) Strahlungsthermometer und optische Thermometer

① Strahlungsthermometer:

Das Strahlungsthermometer besteht aus einem Strahlungstemperatursensor und einem Anzeigeinstrument. Bei der Verwendung muss das Bild des Messobjekts, das durch das Okular gesehen wird, die Thermosäule vollständig abdecken [Abbildung 4-13 (a)], um sicherzustellen, dass die Thermosäule die vom Messobjekt abgestrahlte Wärmeenergie ausreichend empfängt. Wenn das Bild des Messobjekts zu klein oder verzerrt ist, ist der Messwert niedriger als der tatsächliche Wert.

② Optisches Pyrometer:

Ein optisches Pyrometer ist ein tragbares Instrument zur Temperaturmessung. Der am häufigsten verwendete Typ ist das optische Pyrometer mit Glühextinktion. Es arbeitet nach dem Prinzip, dass zwischen der Helligkeit des leuchtenden Objekts und seiner Temperatur ein entsprechender Zusammenhang besteht, wobei zur Messung der Temperatur ein Helligkeitsvergleich herangezogen wird.

Richten Sie das Pyrometer auf das Messobjekt und bewegen Sie das Okular hin und her. Vergleichen Sie die Helligkeit des Glühfadens, bis die Helligkeit des Glühfadens mit der Helligkeit des gemessenen Objekts übereinstimmt, d. h. das Bild des Glühfadens im Bild des gemessenen Objekts verschwindet [Abbildung 4-14 (b)], dann kann die Temperatur des gemessenen Objekts ermittelt werden, wobei die Temperatur durch die unmittelbare Gradzahl angezeigt wird.

(3) Schmelztiegel

Tiegel sind häufig verwendete Behälter bei der Wärmebehandlung von Edelsteinen. Da wärmebehandelte Edelsteine häufig bei höheren Temperaturen fertiggestellt werden und in direkten Kontakt mit dem Tiegel kommen, ist die Wahl des Tiegels ein entscheidender Faktor für den Erfolg der Wärmebehandlung. Bei der Wärmebehandlung muss die Auswahl des Tiegels die folgenden Bedingungen erfüllen:

① Das Tiegelmaterial muss bei Arbeitstemperaturen eine ausreichende Festigkeit aufweisen und darf bei hohen Temperaturen über einen längeren Zeitraum keine Risse bekommen.

② Unter Arbeitsatmosphäre muss das Tiegelmaterial gegenüber Edelsteinen recht stabil sein. Es sollte nicht chemisch mit ihnen reagieren, und es muss besonders auf die Reinheit des Tiegelmaterials geachtet werden, damit keine schädlichen Verunreinigungen in die Edelsteinkristalle gelangen.

③ Das Tiegelmaterial sollte eine geringe Porosität und eine hohe Dichte aufweisen, um einen bestimmten Druck aufrechtzuerhalten, nachdem der Tiegel versiegelt wurde.

④ Da Tiegel bei der thermischen Bearbeitung von Edelsteinen häufig als Behälter verwendet werden, sollte das Tiegelmaterial leicht zu verarbeiten und kostengünstig sein.

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2. Prinzipien der thermischen Behandlung zur Verbesserung von Edelsteinen

Die Erhitzung natürlicher Edelsteine bei bestimmten Temperaturen kann ihre Farbe, Transparenz und ihr Aussehen verbessern. Der Grund dafür ist vor allem, dass sich durch die Wärmebehandlung die Struktur und die Zusammensetzung der Edelsteine verändern, wodurch sich ihre Erscheinungsmerkmale verbessern und ihr ästhetischer und wirtschaftlicher Wert steigt. Um die Veränderungen in den Erscheinungsmerkmalen von Edelsteinen zu verstehen, ist es daher notwendig, die Prinzipien zu analysieren, nach denen die Wärmebehandlung Edelsteine verbessert.

Beim Erhitzen wird das Potenzial von Edelsteinen ausgeschöpft und ihre Schönheit maximiert. Behandelte Edelsteine weisen im Vergleich zu natürlichen Edelsteinen keine Unterschiede in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften auf. Das Prinzip besteht darin, dass durch die Erhitzung der Gehalt und die Wertigkeit der im Edelstein enthaltenen farbgebenden Ionen verändert wird oder strukturelle Defekte entstehen, die zu einer Veränderung der physikalischen Eigenschaften des Edelsteins, wie Farbe und Transparenz, führen.

Die meisten Edelsteine, die Verunreinigungen durch Spurenelemente enthalten, verändern nach der Wärmebehandlung ihre Farbe oder Transparenz. Die üblicherweise für die Wärmebehandlung verwendeten Geräte sind einfach und leicht zu bedienen und eignen sich für die meisten allochromatischen Edelsteine, wie Rubine, Saphire, Smaragde, Turmaline, Zirkone, Jade und Achat. Diese Methode gilt für Edelsteine, deren Farbe durch Übergangselementbestandteile oder Übergangselementverunreinigungen verursacht wird, und sie eignet sich auch für Edelsteine, deren Farbänderungen durch Ladungsübertragung verursacht werden. Auch organische Edelsteine können durch eine Wärmebehandlung in ihrer Farbe und Transparenz verändert werden; Bernstein beispielsweise kann nach einer Wärmebehandlung klar und transparent werden, indem innere Blasen entfernt werden.

Je nach den physikalischen und chemischen Eigenschaften der Edelsteine und ihren Färbungsmechanismen lassen sich die Grundsätze für die übliche Behandlung von Edelsteinen wie folgt zusammenfassen:

(1) Veränderung des Gehalts oder der Wertigkeit von Chromophor-Ionen in Edelsteinen durch Wärmebehandlung

Spuren von Verunreinigungsionen färben einige Edelsteine, und durch Wärmebehandlung werden die niederwertigen Kationen in den Edelsteinen zu hochwertigen Kationen oxidiert, wodurch sich die Farbe der Edelsteine ändert. Roter Achat zum Beispiel wird hauptsächlich durch Fe³⁺. Durch Wärmebehandlung, Fe ²⁺im Achat kann zu Fe oxidiert werden³⁺Dadurch werden der Gehalt und das Verhältnis von dreiwertigen Eisenionen erhöht, was den roten Farbton des Achats verstärkt. Auch bei der Wärmebehandlung von Rubinen und rotem Jadeit wird die Farbe der Edelsteine durch dieses Prinzip verstärkt. Bei grün gefärbten Aquamarinen kann der Grünton ebenfalls durch Wärmebehandlung entfernt werden, wodurch der Blauton des Aquamarins verstärkt wird. Abbildung 4-15 zeigt, dass Aquamarin (a) nach der Wärmebehandlung einen deutlich vertieften Blauton und einen abgeschwächten Grünton aufweist.

(2) Veränderung der Zusammensetzung von organischen Edelsteinen durch Wärmebehandlung

Bei organischen Edelsteinen wie Perlen, Elfenbein, Korallen und Bernstein kann die Wärmebehandlung die organische Substanz in ihnen oxidieren. Wenn die Temperatur zu hoch ist, kann es zu einer Schwarzfärbung kommen, was zu einer "Karbonisierung" der organischen Substanz führt. Diese Art der Wärmebehandlung kann die "antike Jade" in der Edelsteinindustrie imitieren, die gemeinhin als "Alterungsbehandlung" bekannt ist und häufig für Bernstein, Korallen und andere verwendet wird.

(3) Wärmebehandlung erzeugt Farbzentren

Die Farbe einiger Edelsteine ist hauptsächlich auf Farbzentren zurückzuführen. Edelsteine können Farbzentren erzeugen, die ein bestimmtes Licht absorbieren und durch Wärmebehandlung Farbe erzeugen. Die Wärmebehandlung erfolgt in der Regel nach der Bestrahlung des Edelsteins, um instabile Farbzentren zu entfernen und stabile Zentren zu erhalten. So werden beispielsweise bei Topas durch Wärmebehandlung instabile braune Farbzentren entfernt, während stabile blaue Farbzentren erhalten bleiben. Das Ziel, die Farbe des Edelsteins zu verbessern, kann erreicht werden, indem man die Erhitzungstemperatur und die Dauer der Wärmebehandlung beherrscht. Amethyste, die sich gelb oder grün färben, und Rauchquarze, die gelb-grün oder farblos werden, sind ebenfalls Ergebnisse der Wärmebehandlung zur Veränderung der Farbzentren.

(4) Die Wärmebehandlung verursacht Farbveränderungen bei wasserhaltigen Edelsteinen aufgrund von Austrocknungseffekten.

Einige Edelsteine enthalten adsorbiertes Wasser und Strukturwasser. Einige Edelsteine können bei der Wärmebehandlung ihre Farbe verbessern, ohne das Strukturwasser zu beschädigen. Berylle beispielsweise enthalten Strukturwasser, und orange-gelbe Berylle, die Eisen und Mangan enthalten, können durch Wärmebehandlung in schöne rosa Berylle verwandelt werden. Opal enthält Strukturwasser, und wenn Opal auf etwa 300℃ erhitzt wird, verschwindet der Farbveränderungseffekt aufgrund von Wasserverlust. Tigerauge verliert durch Wärmebehandlung strukturelles Wasser, was zu tiefbraunen oder rötlich-braunen Farben führt.

(5) Wärmebehandlung führt zu Veränderungen in der Kristallstruktur

Durch die Wärmebehandlung kann die innere Struktur der Kristalle umgestaltet werden, was ihre Kristallinität verbessert und somit die Farbe der Kristalle beeinflusst. Zu den gebräuchlichen Zirkonarten gehören Zirkon des niedrigen Typs, Zirkon des mittleren Typs und Zirkon des hohen Typs. Durch Wärmebehandlung kann Zirkon niedrigen Typs in Zirkon mittleren Typs umgewandelt werden, und Zirkon mittleren Typs kann in Zirkon hohen Typs umgewandelt werden, usw. Gleichzeitig ändert sich auch die Farbe der Kristalle; unter verschiedenen Atmosphären können sie sich in unterschiedliche Farben verwandeln. Zum Beispiel kann die Wärmebehandlung unter reduzierten Bedingungen den bräunlich-roten Zirkon verbessern und ihn in farblosen Zirkon verwandeln.

(6) Wärmebehandlung verbessert seidenartige Einschlüsse und Sternenlichteffekt in Edelsteinen

Gewöhnliche Edelsteine, wie z. B. Saphire, enthalten Titanionen in Form von Rutil (TiO₂), der einen weißen Seiden- oder Sterneffekt erzeugt. Die Bildung von Rutil wird durch die geologischen Bedingungen gesteuert, unter denen der Edelstein entstanden ist. Bei einigen natürlichen Saphiren ist die Verteilung der Sternlinien ungleichmäßig, und der Sterneffekt ist gering. Durch Wärmebehandlung kann Rutil in Saphiren geschmolzen und neu angeordnet werden, wodurch der Sternenlichteffekt natürlicher Edelsteine verbessert wird. Der Sternlichteffekt in synthetischen Edelsteinen wird ebenfalls nach diesem Prinzip erzeugt.

3. Bedingungen für die Wärmebehandlung

Während des Wärmebehandlungsprozesses müssen verschiedene Faktoren wie die Heizgeschwindigkeit, die unter Versuchsbedingungen erreichte Höchsttemperatur, die Haltezeit, die Abkühlgeschwindigkeit sowie die Atmosphäre und der Druck im Heizofen berücksichtigt werden. Diese Bedingungen müssen umfassend berücksichtigt werden.

(1) Die Geschwindigkeit der Erwärmung auf eine höhere Temperatur

Aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit der meisten Edelsteine kann die Erwärmungsgeschwindigkeit während der Wärmebehandlung etwas langsam sein, um Risse zu vermeiden, die durch einen großen Temperaturunterschied zwischen der Innen- und Außenseite des Edelsteins verursacht werden. Wenn die Erhitzungsgeschwindigkeit als Kurve aufgetragen wird, stellt sie die Erhitzungskurve des behandelten Edelsteins dar, die gleichmäßig sein muss, was bedeutet, dass der größte Teil der Erhitzung langsam erfolgen sollte, um Risse im Edelstein zu vermeiden.

(2) Die höchste bei der Wärmebehandlung erreichte Temperatur

Die höchste Temperatur, die bei der Wärmebehandlung erreicht wird, ist die maximale Temperatur, die die Farbe oder Transparenz des Edelsteins verbessern kann, und sie ist auch die optimale Temperatur für die Veränderung der Farbe oder Transparenz des behandelten Edelsteins. Dies ist die wichtigste Bedingung, die immer wieder erforscht werden muss.

(3) Haltezeit

Die Zeit, in der der Edelstein auf der höchsten Temperatur gehalten wird, wird gemeinhin als Haltezeit bezeichnet, mit einer Temperaturkurve, die eine gerade, konstante Temperaturkurve ist. Um sicherzustellen, dass der gesamte Edelstein stabil und gleichmäßig ist, muss er oft eine Zeit lang gehalten werden, um gleichmäßige innere Veränderungen zu ermöglichen. Die optimale Haltezeit muss durch ausgiebiges Experimentieren ermittelt werden.

(4) Abkühlungskurve

Die Abkühlungsgeschwindigkeit von der höchsten Temperatur und der Temperaturgradient, der während der Abkühlung beibehalten wird, wird als Abkühlungskurve bezeichnet. In den meisten Fällen erfolgt die Abkühlung relativ langsam, um zu verhindern, dass der Edelstein Risse bekommt. Manchmal gibt es jedoch besondere Anforderungen an eine schnelle Abkühlung, wie z. B. die Beseitigung nadelartiger Einschlüsse in Korund; bei Quarzit und Serpentinjade kann manchmal eine schnelle Abkühlung erforderlich sein, um vor dem Färben Rissmuster zu erzeugen.

(5) Atmosphäre im Feuerraum

Die Atmosphäre im Ofen bezieht sich auf die Kontrolle der Oxidations-Reduktionsbedingungen während des Wärmebehandlungsprozesses und das Rösten mit nützlichen Komponenten. Einige Experimente erfordern die Zugabe von chemischen Stoffen zum Rösten oder Erhitzen von Proben, die in bestimmte flüssige Reagenzien eingetaucht sind. Um beispielsweise den violetten Farbton von Rubinen zu beseitigen, ist es notwendig, Fe²⁺ im Rubin zu Fe³⁺ unter einer oxidierenden Atmosphäre, wodurch die Auswirkung des violetten Farbtons auf den Rubin verringert wird; beim Rotbrennen von Achat wird zum Beispiel Fe²⁺im Achat zu Fe³⁺ unter einer oxidierenden Atmosphäre, wodurch die rote Farbe des Achats verstärkt wird.

(6) Druck im Feuerraum

Einige Versuche zur Wärmebehandlung von Edelsteinen erfordern die Kontrolle eines bestimmten Drucks. Bei der Wärmebehandlung von Diamanten wird zum Beispiel häufig hoher Druck verwendet, während die Wärmebehandlung von gewöhnlichen Edelsteinen wie Rubinen, Aquamarinen und Achaten unter normalen Druckbedingungen erfolgt. Während des Versuchs muss geprüft werden, ob normaler, reduzierter oder erhöhter Druck verwendet werden soll, da die für jede Edelsteinart erforderlichen Druckbedingungen unterschiedlich sind.

Bei der Wärmebehandlung von Edelsteinen werden diese sechs Faktoren durch wiederholte Erkundung in Experimenten ermittelt. Die Versuchsbedingungen sind für jede Art von Edelstein unterschiedlich. Unter den Bedingungen für die Wärmebehandlung von Edelsteinen ist es am wichtigsten, die Aufheizrate, die Abkühlrate, die erreichte Höchsttemperatur und die Haltezeit zu bestimmen (Abbildung 4-16). Sowohl die Erwärmung als auch die Abkühlung während des Wärmebehandlungsprozesses müssen langsam erfolgen, da sonst Risse entstehen können, die die Qualität des Edelsteins mindern. Die optimale Kombination dieser Faktoren kann oft in einem bestimmten Verfahren erreicht werden.

Bei den veredelten Edelsteinen handelt es sich um natürliche Materialien unterschiedlichen Ursprungs, die unterschiedliche Verunreinigungen enthalten oder einen unterschiedlichen Werdegang durchlaufen haben. Das historische Umfeld und die geologischen Bedingungen sind recht komplex, und selbst Edelsteine, die gleich aussehen, können sehr unterschiedliche Wärmebehandlungsverfahren durchlaufen haben. Außerdem werden die meisten Wärmebehandlungsverfahren streng vertraulich behandelt, und es gibt keine vorgefertigten Versuchsbedingungen; man muss auf eigene Faust forschen.

So erscheinen zum Beispiel Saphire, die die gleiche bräunlich-gelbe Farbe haben, wenn sie den gleichen Wärmebehandlungsbedingungen unterzogen werden; die Saphire aus Hainan werden blau, während die aus Shandong orange-gelb werden. Es müssen Versuche unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt werden, um durch Wärmebehandlung eine bestimmte Farbe zu erzielen. Bei allen Proben muss darauf geachtet werden, dass das Material nicht beschädigt wird.

Um zu verhindern, dass Edelsteine während der Wärmebehandlung Risse bekommen, muss man nicht nur die Bedingungen für den Temperaturanstieg und -abfall streng kontrollieren, sondern auch die Ausbreitung von Rissen verhindern. Die spezifische Methode besteht darin, alle Bereiche mit Rissen vor der Wärmebehandlung zu entfernen und nach dem Erhitzen neu zu polieren; rohe Steine können für kleine Partikel aus makellosem Edelsteinmaterial erhitzt werden.

4. Thermische Effekte bei der Wärmebehandlung

Es gibt verschiedene thermische Wirkungen bei der Wärmebehandlung. Bei den gebräuchlichen Edelsteinen sind die wichtigsten thermischen Wirkungen auf Edelsteinmaterialien jedoch die neun Arten, die der amerikanische Gelehrte Nassau zusammengefasst hat (siehe Tabelle 4-1).

Tabelle 4-1 Mechanismus und Beispiele für thermische Effekte

Wirkung	Mechanismus	Beispiel
Verdunkelung	Langsam oxidieren und in der Luft schwarz werden	"Alternder" Bernstein und Elfenbein
Farbwechsel	Zerstörung der Farbe Herz	Blauer oder brauner Topas wird farblos; rosa Topas wird gelb; Amethyst wird gelb oder grün; Rauchquarz wird gelb-grün oder farblos
Farbwechsel	Veränderungen aufgrund von Hydratation oder Kondensation	Rosafarbener Chalcedon wird orange, rot oder braun; das erhitzte Tigerauge wird tiefbraun bis rötlich-braun
Homogener polyedrischer Körper	Durch Strahlung verursachte strukturelle Veränderungen	Zirkon vom "niedrigen Typ" wird zu Zirkon vom "hohen Typ"
Farbwechsel	Veränderung der Atmosphäre, bezogen auf die Sauerstoffkonzentration	Grüner Aquamarin wird blau; Amethyst wird zu dunkelgelbem Topas; farblose, gelbe und grüne Saphire werden blau; braune oder violette Rubine werden rot.
Strukturelle Änderungen.	Temperaturänderungen, Kristallausfällung oder Schmelzen.	Die Erzeugung oder Beseitigung von Seiden- oder Sternenglanzeffekten in Korund.
Farbiges Overlay	Diffusion von Verunreinigungen	Blaue und sternförmige Diffusion auf der Oberfläche von Saphiren
Fraktur	Plötzlicher Temperaturwechsel, Bruch der inneren Struktur	"Halo" um Einschlüsse in Saphiren, "explodierender" Quarz
Regeneration und Entschlackung	Rheologie unter Hitze und Druck	Regenerierung und Reinigung von Bernstein; Regenerierung von Schildkrötenpanzer

In Tabelle 4-1 sind diejenigen thermischen Effekte nicht aufgeführt, die vollständig reversibel oder metastabil sind. Wird Rubin beispielsweise auf einen rotglühenden Zustand erhitzt, färbt er sich grün und nimmt beim Abkühlen auf Raumtemperatur wieder seine ursprüngliche Farbe an; Rauchquarz wird beim Erhitzen blaugrün und kehrt beim Abkühlen auf Raumtemperatur zu gelb zurück.

Der in Tabelle 4-1 beschriebene Nachdunkelungseffekt wird manchmal zum "Altern" von Bernstein und Elfenbein verwendet. Dieser Effekt entspricht dem Prozess der langsamen Verkohlung. Untersuchungen haben gezeigt, dass Bernstein auch dann dunkel wird, wenn er in einem dunklen Raum gelagert wird, was darauf hindeutet, dass die organischen Materialien leicht oxidiert werden. Daher kann man davon ausgehen, dass sich der Oxidationsprozess beim langsamen Erhitzen beschleunigt.

Tabelle 4-1 zeigt, dass die durch Erhitzung verursachte Beschädigung des Farbzentrums zum Verblassen oder Verschwinden der Edelsteinfarben führen kann. So können beispielsweise brauner Topas, gelber Saphir und roter Turmalin nach einer Wärmebehandlung farblos werden; einige Amethyste, Citrine und Rauchquarze können ebenfalls farblos werden.

Die Zerstörung von Farbzentren kann manchmal zu Farbveränderungen führen. So kann bestrahlter Brauntopas nach einer Wärmebehandlung blau werden; Amethyst kann bei kontrollierten Wärmebehandlungstemperaturen zu Citrin werden; bestimmte Brauntopase können nach einer Wärmebehandlung rosa werden. Diese Farbveränderungen können durch eine Strahlenbehandlung wieder in ihre ursprüngliche Farbe zurückgeführt werden.

Die durch Hydratation oder Kondensation hervorgerufenen Farbveränderungen, wie in Tabelle 4-1 dargestellt, sind im Allgemeinen auf Verunreinigungen wie Eisen zurückzuführen. Beim Erhitzen von Limonit kann tief orangefarbener, brauner oder roter Hämatit entstehen.

Bei einigen eisenhaltigen Quarzmaterialien, die von grau bis gelb und braun reichen, wie Achat, Chalcedon und Tigerauge, führt das Erhitzen zu tiefbraunen bis rötlichbraunen Farben, die auf diesem Prinzip beruhen.

Bei den homogenen polykristallinen Körpern in Tabelle 4-1 handelt es sich um Veränderungen der Edelsteinstruktur, die durch die Umwandlung homogener polykristalliner Körper unter Wärmebehandlungsbedingungen verursacht werden. So kann beispielsweise Graphit unter hoher Temperatur und hohem Druck in Diamant umgewandelt werden; Zirkon vom "niedrigen Typ" kann sich bei hohen Temperaturen in Zirkon vom "hohen Typ" umwandeln, usw.

Die Farbveränderungen der Edelsteine in Tabelle 4-1, die durch Veränderungen der oxidierenden oder reduzierenden Atmosphäre in der Umgebung verursacht werden, hängen hauptsächlich mit der Sauerstoffkonzentration in der Umgebung zusammen. Zum Beispiel wird grüner Aquamarin unter reduzierenden Bedingungen blau; Amethyst wird unter oxidierenden Bedingungen zu dunklem Citrin; farblose, gelbe und grüne Saphire werden unter oxidierenden Bedingungen blau; braune oder violette Rubine werden rot usw.

Die in Tabelle 4-1 aufgeführten Strukturveränderungen führen zu physikalischen optischen Effekten in Edelsteinen. So schmelzen beispielsweise die Rutileinschlüsse in Starlight-Saphiren bei der Wärmebehandlung, wodurch der Starlight-Effekt verschwindet. Beim Abkühlen fallen die Rutilkristalle aus, und der Starlight-Effekt wird wiederhergestellt.

Die Farbverstärkung in Tabelle 4-1 ist auf den Zusatz von Farbstoffionen zurückzuführen, die die Farbe der Edelsteine vertiefen. Bei Diffusionssaphiren beispielsweise vertieft der Zusatz von Farbstoffionen wie Eisen und Titan die Farbe von hellen Saphiren.

Bei den in Tabelle 4-1 aufgeführten Brüchen handelt es sich um Veränderungen der inneren Struktur von Edelsteinen unter Wärmebehandlungsbedingungen, wie z. B. Spannungslinien, die um Einschlüsse in Saphiren entstehen, und die Rissmuster, die in künstlich wärmebehandeltem Quarzit unter Abschreckbedingungen auftreten.

Bei der Regeneration und Reinigung in Tabelle 4-1 handelt es sich um interne Veränderungen, die durch Gas-Flüssigkeits-Wechselwirkungen unter Hitze und Druck verursacht werden. So platzen beispielsweise Blasen im Bernstein unter den Bedingungen der Wärmebehandlung und erhöhen die Transparenz; Schildkrötenpanzer können sich unter hydrothermalen Bedingungen regenerieren, usw.

5. Redox und Gasdiffusion

Bei der Wärmebehandlung von Edelsteinen sind die Redoxbedingungen sehr wichtig und ein Schlüsselfaktor für den Erfolg der Wärmebehandlung von Edelsteinen. Die Kontrolle der oxidierenden oder reduzierenden Atmosphäre während der Wärmebehandlung kann die Farbe des Edelsteins verändern. Die oxidierende oder reduzierende Atmosphäre während der Wärmebehandlung hängt von der Temperatur des Edelsteins und der Sauerstoffkonzentration im Behälter bei dieser Temperatur ab.

(1) Redox

① Standard-Sauerstoffpartialdruck (Po₂) : Wenn sauerstoffhaltige Edelsteine an der Luft erhitzt werden, stabilisiert sich der Edelstein bei der gleichen Konzentration wie der Sauerstoff in der Atmosphäre. Diese Konzentration ist der Standardsauerstoffpartialdruck des Edelsteins bei dieser Temperatur.

② In einer oxidierenden Atmosphäre ist der Sauerstoffpartialdruck im Ofen größer als der Standard-Sauerstoffpartialdruck für diesen Edelstein bei gleicher Temperatur Po₂.

③ In einer reduzierenden Atmosphäre ist der Partialdruck des Sauerstoffs im Ofen kleiner als 002.

Für eine stark oxidierende Atmosphäre wird neben Luft auch reiner Sauerstoff verwendet; manchmal wird die Sauerstoffdichte durch Druckluft erhöht. Chemisch inerte Gase (wie Stickstoff) werden im Allgemeinen als neutral angesehen und bilden eine neutrale Atmosphäre. Wenn es die Atmosphäre verdünnen und den Sauerstoffgehalt reduzieren kann, kann es auch als reduzierendes Gas betrachtet werden, obwohl seine reduzierende Fähigkeit sehr schwach ist.

Auch die Atmosphäre kann durch die Verbrennung von Brennstoffen verbessert werden. Durch die Verwendung von Erdgas, Propan, Benzin usw. und die Steuerung der eingeblasenen Luft- oder Sauerstoffmenge kann eine Reduzierung des Kohlenstoffs erreicht werden, aber das ist nicht leicht zu kontrollieren.

Eine andere Art von Tropfschutzatmosphäre besteht darin, organische Flüssigkeiten direkt in den Ofen zu träufeln, um mit Sauerstoff zu reagieren und die Atmosphäre zu kontrollieren.

(2) Gasdiffusion

Die Redoxreaktion wird durch die Diffusion von Gasen erreicht. Damit sie auf die gesamte Probe einwirken kann, muss der Sauerstoff auf einem bestimmten Weg in das Innere der Edelsteinprobe diffundieren, in der Regel über eine Strecke von mehr als 1 cm. Die Diffusionstemperatur muss über 1000℃ liegen, und die Zeit muss mehrere Stunden betragen.

Aufgrund der Eigenschaften der Edelsteinstruktur des Oxids muss der Sauerstoff nicht die gesamte Strecke zurücklegen, um die gewünschte Wirkung zu erzielen, so dass diese Diffusion schnell erfolgen kann. Ein Beispiel hierfür ist der in Abbildung 4-17 dargestellte Diffusionsprozess von Sauerstoff aus der Atmosphäre in die Sauerstofflücken von Korund-Aluminiumoxid.

6. die Klassifizierung der Wärmebehandlungsmethoden

Je nach Art und Methode der Wärmebehandlung gibt es drei gängige Wärmebehandlungsverfahren:

(1) Gewöhnliche Wärmebehandlungsmethode

Bei der gewöhnlichen Wärmebehandlung wird der Edelstein direkt erhitzt, wodurch sich der Gehalt und der Wertigkeitszustand der farbgebenden Ionen ändert. Manchmal können auch die inneren Strukturdefekte des Kristalls verändert werden, wodurch sich die physikalischen Eigenschaften des Edelsteins, wie Farbe und Transparenz, ändern.

So verwandeln sich zum Beispiel die milchig weißen, bräunlichen und hellgelben Geuda-Steine aus Sri Lanka in Saphire, Aquamarine verwandeln sich von grün in aquamarinblau, Tansanite werden nach einer Wärmebehandlung blau usw.

(2) Chemisches Reagenz-Röstverfahren

Bei der Röstmethode mit chemischen Reagenzien, die auch als Diffusionsmethode bezeichnet wird, wird die Kristallstruktur der Edelsteinoberfläche durch chemische Reagenzien zerstört, wodurch sich die chemische Zusammensetzung der Oberflächenschicht wie vorgesehen verändert. Die farbgebenden Ionen im Edelstein können auch durch die Oberflächenschicht hindurch austauschen (nach außen oder innen diffundieren), wodurch sich der Wertigkeitszustand oder der Gehalt ändert.

Die auf dem internationalen Markt beliebten Diffusionssaphire, Diffusionstopase und Diffusionsturmaline werden mit dieser Methode gewonnen. Edelsteine, die mit dieser Methode veredelt werden, können dunkle Edelsteine aufhellen, hellgraue Edelsteine in blaue Edelsteine verwandeln und so weiter.

(3) Schmelzflusselektrolyseverfahren

Nachdem Sie das geschmolzene Salz gemischt haben, geben Sie es in einen Graphittiegel und fahren mit dem Elektrolyseprozess fort. Als Anode wird ein Platindraht (Pt) verwendet. Umwickeln Sie die Edelsteinprobe mit dem Platindraht als Anode, so dass der Edelstein zur Anode wird und der Graphittiegel als Kathode dient.

Nachdem der Elektrolyt im Ofen geschmolzen ist, legen Sie die Anode und den Edelstein zusammen in die Elektrolysezelle zur Elektrolyse, wie in Abbildung 4-18 dargestellt. Die Spannung des Kontrolltanks wird auf 3,0 V eingestellt, und die Elektrolysezeit beträgt 40-45 Minuten. Anschließend werden die Anode und die Probe entfernt. Der Elektrolyseprozess verändert den Valenzzustand und den Gehalt der farbgebenden Ionen im Edelstein, wodurch sich die Farbe und die Transparenz des Edelsteins verändern. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass das geschmolzene Salz bei falscher Auswahl den Edelstein übermäßig angreifen kann.

7. Gängige Wärmebehandlungsmethoden zur Verbesserung der Edelsteinbedingungen

Es gibt viele Arten von Edelsteinen, die sich für eine Verbesserung durch Wärmebehandlung eignen, und die erforderlichen Wärmebehandlungstemperaturen variieren für verschiedene Edelsteine. Saphire erfordern beispielsweise eine hohe Wärmebehandlungstemperatur, im Allgemeinen über 1300 °C; Rubine erfordern eine relativ niedrige Wärmebehandlungstemperatur, etwa 1000 °C; andere Edelsteine wie Aquamarin, Kristall und Chalcedon erfordern Temperaturen um 700 °C. Die kontrollierten Temperaturen können grob in vier Segmente unterteilt werden: niedrige Hitze 200-400°C; mittlere Hitze 400-700℃; hohe Hitze 800 ~1300℃; und starke Hitze über 1300℃. Die Wärmebehandlungsbedingungen für gängige Edelsteine sind in Tabelle 4-2 aufgeführt.

Tabelle 4-2 Bedingungen für die Wärmebehandlung gängiger Edelsteine

Edelstein	Zweck der Wärmebehandlung	Endgültige Farbe	Temperatur	Verwendung
Rubinrot	Mischfarben (braun, violett) entfernen, um fadenförmige Substanzen auszuschließen oder zu reduzieren und die Transparenz zu erhöhen.	Rot	Rund 1000℃	Häufig
Blauer Saphir	Vertieft die Farbe von eisen- und titanhaltigem Korund, hellt das tiefe Blau von Korund auf	Blau	Starke Hitze	Häufig
Gelber Saphir	Erhitzen von geeignetem hellem oder farblosem eisenhaltigem Korund	Tiefgelb	Hohes Fieber	Häufig
Verschiedene Farben von Saphiren	Erhitzen von geeignetem Korund zur Beseitigung von "faserigen" oder "sternförmigen" Einschlüssen	Erhöhung	Starke hohe Hitze	Häufig
Diffuses Sternenlicht Rubin, Saphir	Verunreinigungen werden durch Erhitzen an die Oberfläche des Edelsteins diffundiert ( TiO₂ ), die das Sternenlicht präsentieren	Rubin, Saphir Sternenlicht	Zuerst starke Hitze, dann hohe Hitze für eine lange Zeit	Nicht häufig verwendet
Diffusion von Rubin und Saphir	Die farbgebenden Ionen diffundieren durch die Erhitzung an die Oberfläche des Edelsteins und verleihen ihm Farbe.	Verschiedenfarbiger Korund	Starke Hitze	Üblicherweise verwendet für blau
Aquamarin (farblos oder grün)	Gelbtöne in Grün ausschließen	Meeresblau	Niedriges Fieber	Gebräuchlich
Orange-gelber Beryll	Gelbtöne von Grün ausschließen	Lebendiges Rot	Geringe Hitze	Nicht häufig verwendet
Tiefblauer oder grüner Turmalin	Farbe hellt auf	Blau oder grün	Mittlere Hitze	Gebräuchlich
Dunkelroter Turmalin	Schwarztöne entfernen	Rosa	Geringe Hitze	Gebräuchlich
Smoky Grüner Turmalin	Braunton entfernen	Hellgrün	Niedrige Hitze	Gebräuchlich
Rauchquarz	Farbe hellt auf	Weiß oder gelb	Geringe Hitze	Gebräuchlich
Einige Amethyste	Heizung braun	Orange-gelb oder grün	Geringe Hitze	Gebräuchlich
Grüner oder brauner Zirkon	Braune Behandlung	Farblos oder blau	Hohes Fieber	Gebräuchlich
Achat, Chalcedon, etc.	Eisenionensorten	Rot	Mittel-hohes Fieber	Gebräuchlich
Iris-Quarz	Beheiztes Abschrecken von Quarzkristallen	Kann in verschiedenen Farben eingefärbt werden	Mittlere Hitze	Weniger verwenden
Tansanit	Durch Erhitzen verwandelt sich der transparente Zoisit in blaue	Violett Blau	Mittlere Hitze	Weit verbreitet

Abschnitt IV Radioaktive Bestrahlungsmethoden

Bestrahlung ist der Prozess, bei dem sich mikroskopisch kleine Teilchen von einer Strahlungsquelle in alle Richtungen durch den Raum ausbreiten, was zu Veränderungen der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Materialien führen kann. In diesem Abschnitt werden vor allem die für die radioaktive Bestrahlung erforderliche Ausrüstung, die Vorsichtsmaßnahmen und der Prozess der Bildung und Beseitigung von Edelsteinfarbzentren nach der Bestrahlung vorgestellt.

1. Arten von Bestrahlungsstrahlen und Strahlungsquellen

A Strahlungsquelle ist ein Material oder Gerät, das ionisierende Strahlung erzeugen kann. Zu den gebräuchlichen Arten von Strahlungsquellen gehören die folgenden:

(1) Von radioaktiven Elementen emittierte Strahlen

Radioaktive Elemente emittieren durch Zerfall β- und γ-Strahlen, von denen sieben hauptsächlich für die Bestrahlungsbehandlung von Edelsteinen verwendet werden. Zum Beispiel, das radioaktive Isotop ⁶⁰Co kann als γ-Strahlenquelle dienen und emittiert zwei Arten von Strahlen bei 1,17MeV und 1,33MeV mit einer Halbwertszeit von 5,3 Jahren, die üblicherweise als Strahlungsquelle für die Bestrahlung von Edelsteinen verwendet werden; außerdem wird das Isotop ¹³⁷Ce und abgebrannte Brennelemente können auch als γ-Strahlungsquellen verwendet werden.

Wenn radioaktive Elemente zerfallen, können sie zwei energienahe γ-Strahlen aussenden. γ-Strahlen haben eine starke Durchschlagskraft und können die Farbe von Edelsteinen verändern; aufgrund ihrer langen Halbwertszeit können sie lange Zeit für Bestrahlungsbehandlungen verwendet werden.

(2) Von Elektronenbeschleunigern erzeugte Strahlen

Eine Elektronenbeschleuniger ist ein elektrisches Gerät, das geladene Teilchen durch elektromagnetische Felder auf hohe Energie beschleunigt. Elektronenbeschleuniger erzielen hauptsächlich sehr hohe Energie durch elektromagnetische Felder, und verschiedene Arten von Elektronenbeschleunigern können Elektronenstrahlen von einigen Megaelektronenvolt bis zu 300 MeV erzeugen, darunter statische Elektronenbeschleuniger, Röntgenröhren, Mikrowellenelektronenbeschleuniger usw.

(3) Von Kernreaktoren erzeugte Strahlen

A Atomreaktor ist ein Gerät oder Material, das ionisierende Strahlung durch Kernumwandlung erzeugt. Die in Kernreaktoren erzeugten Neutronen werden im Allgemeinen zur Bestrahlung von Edelsteinen verwendet, und die übliche Reaktion ist die Wechselwirkung von α-Teilchen mit Beryllium ( ⁹Be + ⁴Er -> ¹²C + n) ). Daher kann das Mischen natürlicher α-Teilchen-Strahlungsquellen mit Berylliumpulver eine Neutronenquelle mit einer Energieverteilung von 0-13MeV ergeben, wobei die häufigste Neutronenenergie etwa 4MeV beträgt. Bei der Behandlung von Edelsteinen durch Bestrahlung ist es daher am besten, den Spaltprozess eines Kernreaktors als Neutronenquelle zu verwenden.

2. Gemeinsame Ausrüstung für die Bestrahlung von Edelsteinen

Zu den gebräuchlichen Bestrahlungsgeräten gehören Reaktoren, Elektronenbeschleuniger und Kobaltbestrahlungsgeräte. Für die verschiedenen Arten von Edelsteinen werden unterschiedliche Bestrahlungsgeräte verwendet.

(1) Reaktor

Der am häufigsten verwendete Typ ist ein Forschungsreaktor, der die Radioaktivität der Reaktorbestandteile zur Bestrahlung von Edelsteinen nutzen kann. Es gibt vier gängige Typen von Forschungsreaktoren: Schwerer Wasserforschungsreaktor (HWRR), Schwimmbadreaktor (SPR), Mini-Neutronenquellenreaktor und Schneller Neutronenreaktor. Der Mini-Neutronenquellenreaktor wird im Allgemeinen nicht für die Bestrahlung von Edelsteinen verwendet.

Die Edelsteinproben werden zur Bestrahlung in den Reaktor gelegt, wobei sich die Bestrahlungszeit und -dosis nach der gewünschten Farbverbesserung richtet. Zu den üblicherweise verwendeten Reaktoren gehören die folgenden Typen:

① Schwerwasser-Forschungsreaktor (HWRR)

Der Schwerwasser-Forschungsreaktor ist ein Gerät zur Durchführung von Isotopenbestrahlung, Brennstoff- und Materialtests, Neutronendotierung von einkristallinem Silizium, Neutronenaktivierungsanalyse im Reaktor, Bestrahlung zur Modifizierung elektronischer Geräte und verschiedene physikalische Forschungen. Die Bestrahlung von Edelsteinen ist nur ein Anwendungsbereich, den sie entwickelt hat. Verschiedene Schwerwasserreaktoren haben unterschiedliche Parameter.

② Schwimmbad-Reaktor (SPR)

Schwimmbadreaktoren sind weit verbreitet und bieten Vorteile wie einen hohen Flux, eine flexible Anordnung und niedrige Unterwasser-Bestrahlungstemperaturen. Neben der wissenschaftlichen Forschung können sie auch Bestrahlungstechnologien für die Landwirtschaft, Medizin, Luftfahrt, Elektronik usw., für die Bestrahlung von Edelsteinen und Süßwasserperlen, elektronischen Geräten usw. bereitstellen.

③ Schneller Neutronenreaktor

Schnelle Neutronenreaktoren sind eine relativ fortschrittliche Art von Kernreaktoren. Die Ausnutzungsrate des Kernbrennstoffs ist sehr hoch und erreicht 60%-70%, während die Ausnutzungsrate des Uranbrennstoffs in unseren Druckwasserreaktor-Kernkraftwerken nur 1%-2% beträgt; schnelle Neutronenreaktoren verwenden industrielles Plutonium-239, das von Druckwasserreaktoren als Ausgangsladung produziert wird, und wandeln nicht spaltbares Uran-238 in spaltbaren Plutoniumbrennstoff um, auch bekannt als Neutronenbrutreaktoren.

(2) Elektronenbeschleuniger

Elektronenbeschleuniger haben in der Physik ein breites Anwendungsspektrum. Der elektrostatische Beschleuniger wird häufig zur Bestrahlung von Edelsteinen verwendet.

① Hochspannungsmultiplikator

Hochspannungsvervielfacher werden hauptsächlich für die Messung nuklearer Daten, für Kernreaktionen mit Neutronen und geladenen Teilchen, für die Neutronenaktivierungsanalyse und für die Elektronenstrahlbestrahlung verschiedener Materialien verwendet, z. B. für die Modifizierung von Drähten und Kabeln und die Konservierung von Lebensmitteln und Früchten.

Zu den beschleunigten Teilchen gehören Protonen, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff usw. Injektion unter 5keV, N⁺kann die Materialeigenschaften verändern.

② Elektronen-Linearbeschleuniger

Der Elektronen-Linearbeschleuniger wird zur Untersuchung von transienten Bestrahlungseffekten, Bestrahlungsmodifikation von Halbleitermaterialien (einschließlich Edelsteinen), Lebensmittelkonservierung usw. eingesetzt. Die Vorteile sind die hohe Energie (10 ~ 14MeV) und die hohe Durchdringungsrate.

③ Elektrostatischer Beschleuniger

Zu den Teilchen, die beschleunigt werden können, gehören Protonen, Deuteronen, Helium, Elektronen, Sauerstoff und Stickstoff. Der Energiebereich ist einstellbar und wird hauptsächlich für die Messung nuklearer Daten, Experimente mit Neutronen und geladenen Teilchen, die Bestrahlung mit Elektronenstrahlen, die Ionenimplantation usw. verwendet und eignet sich nur für die Bestrahlung von oberflächenmodifizierten Edelsteinen wie Perlen.

④ Zyklotron

Das Zyklotron ist ein Beschleuniger mit fester Energie, der hauptsächlich für Experimente mit Kernreaktionen geladener Teilchen, für die Aktivierungsanalyse geladener Teilchen und für die Prüfung von Materialeigenschaften verwendet wird, mit seltenen Anwendungen in der Edelsteinforschung.

(3) Bestrahlungsgerät mit Kobaltquelle

Das Bestrahlungsgerät mit Kobaltquelle ist ein Gerät, das die vom radioaktiven Isotop emittierte Strahlung nutzt ⁶⁰Co und den sieben Strahlen, um die Auswirkungen von Strahlung auf Materialien (Mineralien, Kristalle, organische Materialien und lebende Organismen usw.) zu untersuchen und diese Materialien zu bestrahlen.

Diese Bestrahlungsquelle hat einen geringen Energieverbrauch, minimale Verschmutzung und keine radioaktiven Rückstände. Sie wurde schon früh bei der Bestrahlung von Edelsteinen eingesetzt und ist besonders für die Bestrahlung von Rauchquarz geeignet.

3. Bestrahlungstechnologie

Bei der Bestrahlung von Edelsteinen werden die Edelsteine in einen Probenkasten in der Mitte des Reaktors gelegt. Ein Motor muss den Probenkasten kontinuierlich drehen, und es müssen Wasserein- und -auslassvorrichtungen vorhanden sein, um die Proben zu kühlen, wobei die Wassertemperatur 50℃ nicht überschreiten darf. Die Bestrahlungsausrüstung und das Verfahren sind in Abbildung 4-19 dargestellt.

Um gleichmäßig gefärbte Edelsteine mit angemessenen Farbtönen zu erhalten, müssen bei der Bestrahlung von Edelsteinen die folgenden vier technischen Schlüsselfragen beachtet werden:

(1) Um eine einheitliche Produktfarbe zu gewährleisten, muss eine gleichmäßige Bestrahlung erfolgen, und die Edelsteine sollten während der Bestrahlung mit konstanter Geschwindigkeit gedreht oder wiederholt umgedreht werden.

(2) Um zu verhindern, dass die Proben aufgrund einer zu hohen Temperatur während der Bestrahlung Risse bekommen oder überhitzt werden, sollten geeignete Kühlmaßnahmen ergriffen werden. Dazu kann die Zugabe von zirkulierendem Kühlwasser gehören oder das regelmäßige Aussetzen der Proben an die Luft zur Kühlung.

(3) Die Farbtiefe muss mit einer ausreichenden Strahlendosis kontrolliert werden. Eine wiederholte Bestrahlung ist erforderlich, wenn eine tiefere Farbe des Edelsteins gewünscht wird. Bevor die Bestrahlungsdosis gesättigt ist, ist die Farbtiefe des Edelsteins proportional zur Bestrahlungsdosis; je länger die Bestrahlungszeit, desto tiefer die Farbe des Edelsteins.

(4) Die durch Bestrahlung verbesserte Farbe ist manchmal instabil und neigt zum Verblassen, wenn sie Licht und Wärme ausgesetzt wird. Durch eine Erhitzung bei niedrigen Temperaturen können instabile Farbzentren entfernt werden, während die stabilen erhalten bleiben. Allerdings kommt es nach dem Erhitzen bei niedrigen Temperaturen häufig zu Farbveränderungen. So kann sich beispielsweise Topas von braun zu blau und Kristall von braun zu gelb verändern. Wenn die Erhitzungstemperatur schlecht kontrolliert wird, kann die Farbe vollständig verblassen und zu der Farbe vor der Bestrahlung zurückkehren.

4. Bildung und Beseitigung von Farbzentren während der Bestrahlung

Die Bestrahlung kann dazu führen, dass farblose Kristalle vakante Farbzentren bilden, was zu rauchigen oder violetten Farben führt. Die Farbe und Tiefe, die sich im Kristall nach der Bestrahlung bildet, hängt von der Art und dem Gehalt der im Kristall enthaltenen Verunreinigungen ab. Enthält der farblose Kristall Al³⁺ Verunreinigungen, wird es nach der Bestrahlung rauchig bis schwarz; enthält es Fe³⁺ Verunreinigungen, färbt es sich violett.

Die Tiefe der Farbe nach der Bestrahlung hängt mit dem Gehalt an Unreinheiten im Edelstein zusammen. Ein höherer Gehalt an Verunreinigungen führt zu einer tieferen Farbe, während ein geringerer Gehalt an Verunreinigungen zu einer helleren Farbe führt.

(1) Der Prozess der Bildung und Eliminierung von Farbzentren

Nach der Bestrahlung bilden sich in den Edelsteinen Farbzentren, die eine Farbänderung bewirken. Beim Rauchquarz beispielsweise ist der Prozess der Bildung und Eliminierung von Farbzentren in den Energieniveaudiagrammen von Abbildung 4-20 (a) bis Abbildung 4-20 (d) zu sehen. Bei der Bildung eines Farbzentrums werden die Elektronen vom Zustand A zum Zustand D und dann zum Zustand B angeregt, was viel Energie erfordert. Bei der Beseitigung des Farbzentrums oder beim Ausbleichen bewegen sich die Elektronen vom Zustand B zum Zustand C und dann zum Zustand A, was ebenfalls viel Energie erfordert. Diese Farbzentren, die viel Energie für die Bildung und Beseitigung benötigen, sind stabile Farbzentren im sichtbaren Licht.

Es gibt auch eine andere Situation, wie in Abbildung 4-20 (e) gezeigt. Das System bildet ein Farbzentrum, indem es vom Zustand / zum Zustand D und dann zum Zustand B erregt wird, was viel Energie erfordert; die Bewegung vom Zustand B zum Zustand C zurück zum Zustand A erfordert jedoch sehr wenig Energie. Abbildung 4-20 (f) zeigt, dass die Bildung eines Farbzentrums von Zustand A nach Zustand D und Zustand B nur sehr wenig Energie erfordert, und die Bewegung von Zustand B nach Zustand C zurück nach A erfordert ebenfalls nur sehr wenig Energie.

Diese Energie liegt im Bereich des sichtbaren Lichts. Das System kann die Energiebarriere C überwinden und verblassen, wenn sichtbares Licht einfällt. Die Eigenschaften der Absorption von Licht und des Übergangs in die angeregten Zustände E und F bleiben unverändert, aber alle diese Farben können bei sichtbarem Licht verblassen. Daher werden die Farbzentren in den Abbildungen 4-12 (e) und (f) als instabile Farbzentren bezeichnet.

(2) Stabilität der Farbzentren

Im Allgemeinen kann die Farbe von Edelsteinen nach einer Bestrahlungsbehandlung durch Erhitzen wieder in ihre ursprüngliche Farbe zurückgeführt werden. Edelsteine mit stabilen Farbzentren erfordern höhere Wärmebehandlungstemperaturen, während solche mit instabilen Farbzentren niedrigere Wärmebehandlungstemperaturen erfordern. Rauchquarz beispielsweise benötigt im Allgemeinen eine Wärmebehandlungstemperatur von 140-280℃, um die rauchige Farbe zu beseitigen (Abbildung 4-21), während Amethyst eine höhere Wärmebehandlungstemperatur benötigt, im Allgemeinen über 400℃ (Abbildung 4-22). Daher ist bestrahlter Amethyst stabiler als Rauchquarz.

Die Farbzentren von Edelsteinen sind nicht fixiert; die Temperatur, bei der die Proben nach der Bestrahlung verblassen, variiert bei verschiedenen Strahlungsquellen. Auch die Stabilität des Farbzentrums desselben Materials, das durch verschiedene Ursachen entstanden ist, ist unterschiedlich. So ist beispielsweise der gelbe Farbkern von Saphir, der durch künstliche Bestrahlung entsteht, sehr instabil und verblasst im sichtbaren Licht schnell. Der gelbe Farbkern von natürlich vorkommendem Saphir hingegen ist im sichtbaren Licht stabil und verblasst nicht so leicht.

Die künstliche Bestrahlung hat eine hohe Dosis und eine kurze Dauer, während die Bestrahlung in der Natur eine niedrige Dosis und eine lange Dauer hat, was zu einer unterschiedlichen Höhe der Energiebarrieren C führt.

5. Durch Bestrahlung verursachte Farbveränderungen bei Edelsteinen

Die Bestrahlung hat unterschiedliche Auswirkungen auf Edelsteine und führt zu verschiedenen Veränderungen bei den verschiedenen Arten von Edelsteinen. Wenn die bestrahlten Partikel in einen Edelstein eindringen, treten sie mit den Atomen oder Ionen im Edelstein in Wechselwirkung und verändern seine Struktur oder Ionenladung, wodurch sich seine Farbe ändert. Zu den durch Strahlung verursachten Veränderungen bei Edelsteinen gehören die folgenden Aspekte.

(1) Sie bewirkt, dass der Edelstein natürliche, bereits entdeckte Farbzentren bildet.

Durch Bestrahlung können die in natürlichen Edelsteinen bereits vorhandenen Farbzentren erzeugt werden, die jedoch in der Natur aufgrund der Seltenheit natürlicher Edelsteine nicht häufig vorkommen. Natürlicher Blautopas zum Beispiel ist selten. Im Gegensatz dazu ist die Farbe von Blautopas, die durch Bestrahlung erzeugt wird, stabil gegenüber Licht, Hitze und anderen Faktoren, wobei der Entstehungsmechanismus dem des natürlichen Blautopas ähnelt. Daher hat bestrahlter Blautopas einen kommerziellen Wert, und derzeit gibt es keine wirksame Identifizierungsmethode, um zwischen natürlichem Blautopas und bestrahltem Blautopas zu unterscheiden, abgesehen von einer kleinen Menge radioaktiver Rückstände; er hat den gleichen Gebrauchswert wie natürlicher Blautopas.

(2) Stärkung der bestehenden Farbzentren

Eine Bestrahlung kann die in natürlichen Edelsteinen gebildeten Farbzentren verstärken, wodurch die Farben der Edelsteine lebendiger werden. Beispielsweise kann natürlicher Quarz nach einer Bestrahlung grüne und violette Farben annehmen. Durch Steuerung der Dosierung und Dauer der Bestrahlung kann die gewünschte Farbe erzielt werden, die bei Raumtemperatur stabil bleibt und Gebrauch und Verschleiß nicht beeinträchtigt.

(3) Wiederherstellung von Farbzentren, die aufgrund von Erhitzung und Lichteinwirkung verblasst sind

Bestrahlung und Wärmebehandlung sind reversible Reaktionen; im Allgemeinen können die durch Bestrahlung entstandenen Farben durch Wärmebehandlung in die Farben vor der Bestrahlung zurückgeführt werden. In ähnlicher Weise kann eine weitere Bestrahlung ebenfalls die gewünschten Farben ergeben.

(4) Verbessern und Entfernen von Farben, die nicht zum Farbkern gehören

Wenn Edelsteine einer Bestrahlungsbehandlung unterzogen werden, kann die Farbe der bestrahlten Edelsteine im Allgemeinen durch die Steuerung der Bestrahlungsbedingungen wie Dosis und Zeit verändert werden. Die Stabilität der Farbe nach der Bestrahlung ist ein wichtiger Faktor, der sich auf den Wert des Edelsteins auswirkt, und es werden Anstrengungen unternommen, um einen stabilen Farbkern zu erreichen und gleichzeitig instabile Farbkerne im Edelstein zu eliminieren.

(5) Bildung von natürlichen Farbkernen, die bisher noch nicht entdeckt worden sind

In dem Maße, wie sich das Verständnis für die Ursachen der Edelsteinfarben vertieft, nehmen die Arten von Edelsteinen, die einer Bestrahlungsbehandlung unterzogen werden können, ständig zu, und die Farbvariationen von Edelsteinen werden immer vielfältiger. Es wird angenommen, dass durch die Bestrahlung Farbkerne erzeugt werden können, die natürliche Edelsteine nicht besitzen, wodurch neue Sorten entstehen und neue Mechanismen der Edelsteinfarbe gebildet werden.

Derzeit werden viele Arten von Edelsteinen für die Bestrahlungsbehandlung verwendet, wobei Diamanten, Saphire, Topase, Berylle, Zirkone, Kristalle, Turmaline und Perlen relativ häufig vorkommen. Die Farbveränderungen dieser Edelsteine nach der Bestrahlung sind in Tabelle 4-3 dargestellt.

Tabelle 4-3 Gängige Arten von bestrahlten Edelsteinen und Farbänderungen

Arten von Edelsteinen	Farbveränderungen vor und nach der Bestrahlung
Diamant	Farblos, Hellgelb, Grün, Blau oder Schwarz, Braun, Rosa, Rot
Sapphire	Farblos-Gelb (unbeständig)
Beryl	Farblos-Gelb, Rosa, Goldgelb, Blaugrün, etc.
Aquamarin	Blau - Grün, Hellblau - Dunkelblau
Topas	Farblos - Braun (unbeständig), Blau; Gelb - Rosa, Orangerot
Turmalin	Farblos, hellgelb, braun, rosa, rot, grün, blau, etc.
Zirkon	Farblos bis braun, hellrot
Kristall	farblos bis gelb, gelb-grün, grün, rauchig, violett
Marmor	Weiß, gelb, blau, lila
Perle	Farblos bis grau, braun, blau oder schwarz

6. Die Auswirkungen der Bestrahlungsbehandlung auf Edelsteine

Bei der Bestrahlung von Edelsteinen ist es wichtig, die Auswirkungen von Bestrahlungsdosis und -zeit auf die Edelsteine zu berücksichtigen. Für verschiedene Arten von Edelsteinen sollten unterschiedliche Bestrahlungsquellen verwendet werden, und die Bestrahlungszeit hängt von der gewünschten Farbe ab. Während des Bestrahlungsprozesses sollten folgende Punkte beachtet werden:

(1) Eine zu hohe Bestrahlungsenergie und eine zu lange Bestrahlungszeit können die Bildung von Farbzentren in den Edelsteinkristallen beeinträchtigen. Sie können manchmal zu einer Anhäufung von Leerstellen führen, wodurch der Edelstein grau oder schwarz erscheint.

(2) Die Wirkung der Bestrahlung geht von der Oberfläche ins Innere, wobei sich die Farbe des Edelsteins von außen her allmählich vertieft. Wenn die Bestrahlungsenergie zu hoch ist, können die Ionen auf der Edelsteinoberfläche so viel Energie absorbieren, dass sie sich von der Oberfläche lösen, was zu Oberflächenschäden führt.

(3) Wenn die Bestrahlungsenergie zu hoch ist, kann es schnell zu lokal hohen Temperaturen im Edelstein kommen, was zu Oberflächenabplatzungen führt.

(4) Die radioaktiven Rückstände, die nach der Bestrahlung von Edelsteinen entstehen, hängen von der Art der Bestrahlungsstrahlen, der Bestrahlungsdosis und der Halbwertszeit der radioaktiven Isotope ab. Radioaktive Rückstände müssen den nationalen Normen entsprechen, bevor sie in Verkehr gebracht werden dürfen.

Nach der Bestrahlung hängt die Restradioaktivität auf der Oberfläche des Edelsteins von der Art der Strahlenbelastung, der Bestrahlungsstärke, der Art und dem Gehalt der Verunreinigungen in der Probe und der Halbwertszeit der radioaktiven Elemente ab. Bestrahlte Edelsteine müssen einige Zeit gelagert werden, und ihre Restradioaktivität muss unter den nationalen Normen liegen, bevor sie vermarktet werden dürfen. Nach den von der Internationalen Strahlenschutzkommission aufgestellten "Strahlenschutznormen" ist der Freigabewert für die spezifische Aktivität natürlicher radioaktiver Stoffe in allen Ländern gleich. Die spezifische Aktivität natürlicher radioaktiver Stoffe muss weniger als 350 Bq/g pro Gramm betragen; die Freigrenzen für künstliche radioaktive Stoffe sind unterschiedlich, wobei der Grenzwert im Vereinigten Königreich unter 100 Bq/g liegt, während Japan, Frankreich und Italien ihre Freigrenzen für künstliche radioaktive Stoffe auf weniger als 74 Bq/g festlegen. Die Vereinigten Staaten haben mit 15 Bq den niedrigsten Grenzwert festgelegt.

Abschnitt V Hochtemperatur- und Hochdruckbehandlungsverfahren

Die Behandlung zur Farboptimierung von Diamanten umfasst hauptsächlich die Bestrahlung und die Hochtemperatur-Hochdruckbehandlung. Seit 1930 werden kommerzielle Behandlungsmethoden mit hochenergetischer Strahlung zur Verbesserung der Farbe von Diamanten in Edelsteinqualität eingesetzt. Da die Reststrahlung bestrahlter Diamanten für den menschlichen Körper potenziell schädlich ist, was die Akzeptanz bestrahlter Edelsteine bei den Verbrauchern einschränkt, haben Gemmologen daran gearbeitet, eine unschädliche und praktikable Methode zur Farbbehandlung von Diamanten zu finden. Die Hochtemperatur-Hochdruck-Methode wurde zunächst für synthetische Diamanten angewandt. Später entdeckte man, dass die Simulation der Wachstumsbedingungen und der Umgebung von Diamanten deren Farbe verbessern kann.

1. Geschichte der Hochtemperatur-Hochdruck-Farbveränderung

In der Natur sind die meisten Diamanten braune Diamanten des Typs Ia, und natürlich vorkommende hochwertige farblose und farbige Diamanten sind selten. Die Seltenheit der Diamanten, ihre Farbe und ihr Glanz haben die Nachfrage nach hochwertigen Diamanten verstärkt. Die Veränderung der Farbe von Diamanten war schon immer ein Forschungsthema für Edelsteinforscher.

Seit den 1960er Jahren haben Länder wie die Vereinigten Staaten, Japan und Russland nacheinander Forschungen über die Farbveränderung von Diamanten bei hohen Temperaturen und unter hohem Druck durchgeführt. General Electric war der erste, der eine mögliche Vorhersage der Farbveränderung von Diamanten vorschlug. In der Folge setzten Nikitin et al. (1969) Hochtemperatur- und Hochdruckbehandlungsmethoden ein, um hellgelbe Diamanten vom Typ Ia in gelbe und gelbgrüne Diamanten zu verwandeln.

General Electric und De Beers haben eine Reihe von Verfahren zur Veränderung der Farbe natürlicher brauner Diamanten veröffentlicht. Die meisten dieser braunen Diamanten gehören jedoch zum Typ IIa, und bei den verwendeten Instrumenten handelt es sich um zweiseitige Pressen, was dazu führt, dass die behandelten Diamanten meist nahezu farblos sind und einen leichten Grauton aufweisen. Ende des 20. Jahrhunderts gelang es der Firma Nova, braune Diamanten des Typs Ia mit Hilfe einer prismatischen Presse in gelb-grüne, grün-gelbe, blau-grüne und rosa-farbene Diamanten zu verwandeln. Im 21. Jahrhundert haben einige Wissenschaftler und Unternehmen Hochtemperatur- und Hochdruckbehandlungsmethoden angewandt, um die Farbe von Diamanten zu verbessern oder zu verändern, die durch chemische Abscheidung aus der Gasphase hergestellt wurden, und sie hauptsächlich in gelbe und hellbraune Farbtöne verwandelt. Edelsteinunternehmen in Ländern wie Russland und Schweden haben ebenfalls erfolgreich Hochtemperatur- und Hochdruckverfahren zur Verbesserung der Farbe von Diamanten eingesetzt.

Die Technologie der Hochtemperatur- und Hochdruck-Farbmodifikation von Diamanten wurde in unserem Land erst relativ spät entwickelt, und die einschlägigen Forschungen begannen erst Ende des 20. Unser Land hat erfolgreich experimentelle Forschung zur Hochtemperatur- und Hochdruck-Farbmodifikation von Diamanten durchgeführt. Die üblicherweise im Inland verwendete Ausrüstung ist eine sechsseitige Presse, und die Druckbedingungen sind immer noch niedriger als die fortgeschrittenen experimentellen Bedingungen im Ausland; solange die Bedingungen jedoch richtig kontrolliert werden, ist es immer noch möglich, braune Diamanten in farblose Diamanten umzuwandeln.

2. Haupttypen, die durch hohe Temperaturen und hohen Druck verbessert werden

Die Hochtemperatur- und Hochdruck-Farbveränderungsmethode ähnelt den Bedingungen für synthetische Diamanten; der Druck der Proben muss in der Regel 6 GPa erreichen, die Temperatur liegt bei etwa 2100 °C, und die Dauer ist sehr kurz und beträgt nicht mehr als 30 Minuten.

Auf dem Markt gibt es zwei gängige Arten von Diamanten, die einer Farbbehandlung unterzogen werden: braune Diamanten des Typs IIa mit geringem Stickstoffgehalt, die nach der Behandlung in weiße Diamanten umgewandelt werden, wobei die Farbe aufgehellt wird, und die sogar in die Farbgrade E, F, G usw. umgewandelt werden können. Diese werden in der Regel mit der Aufschrift "GE-POL" auf dem Diamantenring mittels Laser markiert und werden allgemein als GE-POL-Diamanten oder GE-behandelte Diamanten bezeichnet; der andere Typ sind Nova-Diamanten, die braune oder unreine gelblich-weiße Diamanten des Typs Ia mit Stickstoffgehalt in farbige Diamanten umwandeln. Die behandelten Diamanten weisen eine ausgeprägte Grünkomponente oder ein leuchtendes Gelb auf, das meist in das grünlich-gelbe bis gelb-grüne Spektrum fällt, wobei einige wenige gelb oder bräunlich-gelb sind und oft oktaedrische Wachstumsmuster in braun bis gelb beibehalten. Die Bedingungen und Hauptmerkmale dieser beiden Arten von hochtemperatur- und hochdruckbehandelten Diamanten sind in Abschnitt III (2) der Behandlungsmethoden zur Optimierung von Diamanten auf der Website https://sobling.jewelry/unveiling-single-crystal-gemstones-like-sapphire-beryl-and-diamond/ zu finden.

Seit 2010 haben einige große Schmuckunternehmen damit begonnen, experimentelle Forschungen zur Farbveränderung von Saphir-Edelsteinen durch Hochtemperatur- und Hochdruckverfahren durchzuführen. Der für Saphir-Edelsteine erforderliche Druck ist im Vergleich zu Diamanten relativ niedrig, in der Regel um die 100 MPa, wodurch die Farbe von blauen Saphiren lebendiger werden kann. Ein deutsches Unternehmen war das erste, das einen niedrigen Druck von 2,5 MPa zur Behandlung von Saphir-Edelsteinen verwendete. Berylle können durch Erhitzen bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck lebhaftere Farben erhalten.

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Heman

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Wie macht man Edelstein-Optimierung? Unlock 5 Methoden und Ausrüstung Guide

Wie macht man Edelstein-Optimierung? Unlock 5 Methoden und Ausrüstung Guide

Edelstein Optimierte Methoden und Hauptausrüstung verwendet

Inhaltsübersicht

Abschnitt I Chemische Behandlungsmethode für Edelsteine

1. Färben und Färben

(1) Anforderungen an Materialien, Farbstoffe und Lösungsmittel

① Anforderungen an Edelsteinmaterialien

② Anforderungen an Farbstoffe (einschließlich Farbstoffe und Pigmente)

③ Anforderungen an farbgebende Lösungsmittel

(2) Faktoren, die die Färbewirkung von Edelsteinen beeinflussen

① Behandlung durch saures Waschen

② Heiztemperatur und Färbebehandlungszeit

(3) Identifikationsmerkmale gefärbter Edelsteine

2. Bleichen

3. Injektionsfüllung

(1) Risse abdecken

(2) Verbesserung der Stabilität von Edelsteinen

(3) Verbessern Sie die Farbe Helligkeit und wirtschaftlichen Wert der Edelsteine

Abschnitt II Physikalische Behandlungsmethoden für Edelsteine

1. Oberflächenbeschichtung

2. Oberflächenbeschichtung

3. Überwucherung

4. Zwischenschicht und Substrat

5. Zusammengesetzt

Abschnitt III Wärmebehandlungsverfahren

1. Ausrüstung für die Wärmebehandlung

1.1 Primäre Ausrüstungen

(1) Gewöhnlicher Wärmebehandlungsofen

① Widerstandsofen

② Salzschmelzofen:

③ Brennstofföfen:

(2) Ofen mit kontrollierter Atmosphäre

① Arbeitsofen mit kontrollierter Atmosphäre:

② Gerät zur Erzeugung kontrollierter Atmosphäre

(3) Vakuum-Wärmebehandlungsofen

(4) Laser- und Elektronenstrahl-Wärmebehandlungsgerät

1.2 Hilfsmittel und Geräte für die Wärmebehandlung

(1) Thermoelement

① Das Messprinzip eines Thermoelementes:

② Der Aufbau und die Arten von Thermoelementen:

Abbildung 4-11 Aufbau des Thermoelementes

③ Thermoelement-Ausgleichsleitung:

(2) Strahlungsthermometer und optische Thermometer

① Strahlungsthermometer:

② Optisches Pyrometer:

Abbildung 4-14 Ausrichtungsbedingungen des optischen Pyrometers (Wu Ruihua, 1994)

(3) Schmelztiegel

2. Prinzipien der thermischen Behandlung zur Verbesserung von Edelsteinen

(1) Veränderung des Gehalts oder der Wertigkeit von Chromophor-Ionen in Edelsteinen durch Wärmebehandlung

(2) Veränderung der Zusammensetzung von organischen Edelsteinen durch Wärmebehandlung

(3) Wärmebehandlung erzeugt Farbzentren

(4) Die Wärmebehandlung verursacht Farbveränderungen bei wasserhaltigen Edelsteinen aufgrund von Austrocknungseffekten.

(5) Wärmebehandlung führt zu Veränderungen in der Kristallstruktur

(6) Wärmebehandlung verbessert seidenartige Einschlüsse und Sternenlichteffekt in Edelsteinen

3. Bedingungen für die Wärmebehandlung

(1) Die Geschwindigkeit der Erwärmung auf eine höhere Temperatur

(2) Die höchste bei der Wärmebehandlung erreichte Temperatur

(3) Haltezeit

(4) Abkühlungskurve

(5) Atmosphäre im Feuerraum

(6) Druck im Feuerraum

4. Thermische Effekte bei der Wärmebehandlung

Tabelle 4-1 Mechanismus und Beispiele für thermische Effekte

5. Redox und Gasdiffusion

(1) Redox

(2) Gasdiffusion

6. die Klassifizierung der Wärmebehandlungsmethoden

(1) Gewöhnliche Wärmebehandlungsmethode

(2) Chemisches Reagenz-Röstverfahren

(3) Schmelzflusselektrolyseverfahren

Abbildung 4-18 Schematische Darstellung des Experiments zur Schmelzflusselektrolyse

7. Gängige Wärmebehandlungsmethoden zur Verbesserung der Edelsteinbedingungen

Tabelle 4-2 Bedingungen für die Wärmebehandlung gängiger Edelsteine

Abschnitt IV Radioaktive Bestrahlungsmethoden

1. Arten von Bestrahlungsstrahlen und Strahlungsquellen

(1) Von radioaktiven Elementen emittierte Strahlen