Kubikzirkonia

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Hintergrund

Ein Edelstein oder Edelstein kann als Juwel oder Halbedelstein definiert werden, der für den persönlichen Schmuck geschliffen und poliert wurde. Es gibt drei Arten von Edelsteinen, die in den Vereinigten Staaten und anderen produzierenden Ländern hergestellt werden; natürlich, synthetisch und simulativ. Die natürlichen Edelsteine ​​werden aus kristallinen Mineralien wie Beryll, Korund und Quarz geschliffen. (Diamant ist ein Kristall aus reinem Kohlenstoff.) Organische Materialien wie Bernstein, Koralle, Fossilien, Elfenbein, Perlmutt, natürliche und gezüchtete Süßwasserperlen sowie natürliche Salzwasserperlen gelten ebenfalls als natürliche Edelsteine.

Im Labor gezüchtete synthetische Edelsteine ​​haben im Wesentlichen das gleiche Aussehen, die gleichen optischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften wie das natürliche Material, das sie darstellen. In den Vereinigten Staaten hergestellte synthetische Edelsteine ​​umfassen Alexandrit, Koralle, Diamant, Smaragd, Granat, Quarz, Rubin, Saphir, Spinell und Türkis. Es gibt auch synthetische Steine, die kein natürliches Gegenstück haben.

Simulanzien sind im Labor gezüchtete Edelsteinmaterialien, die ein ähnliches Aussehen wie ein natürliches Edelsteinmaterial aufweisen, jedoch andere optische, physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen. Cubic Zirkonia (CZ), ein Ersatz für Diamanten, fällt in diese Kategorie und wurde 1976 erstmals zur Herstellung von Schmucksteinen verwendet. Auf der Härteskala für Steine ​​hat der echte Diamant eine 10 im Vergleich zu einer Härte von 8,5-9 für CZ. CZ hat einen Brechungsindex (die Fähigkeit, einen Lichtstrahl in die Farben Rot, Orange, Grün, Gelb, Violett und Blau zu brechen) von 2,15-2,18, verglichen mit 2,42 für echten Diamanten.

Vorläufer von Zirkonoxid als Diamantimitationen waren Strontiumtitanat (eingeführt 1955) und Yttrium-Aluminium-Granat. Für bestimmte Schmuckarten war Strontiumtitanat jedoch zu weich. Cubic Zirkonia wurde immer beliebter, da sein Aussehen dem Diamanten als geschliffene Edelsteine ​​​​sehr ähnlich ist.

Zu den in den USA hergestellten Edelsteinsimulantien gehören Korallen, Zirkonia, Lapislazuli, Malachit und Türkis. Darüber hinaus würden bestimmte Farben von synthetischem Saphir und Spinell, die zur Darstellung anderer Edelsteine ​​​​verwendet werden, als Simulanzien eingestuft. Farbige und farblose Sorten von CZ sind die wichtigsten hergestellten Simulanzarten und seit über 30 Jahren auf dem Markt. Wie echter Diamant ist CZ sowohl in höheren als auch in niedrigeren Qualitäten erhältlich, die von mehreren zehn Dollar pro Karat bis zu 100 Dollar pro Karat für die höheren Qualitäten reichen.

In den letzten zehn Jahren sind die Verwendung und die Verbraucherakzeptanz von synthetischen und simulierten Edelsteinen gestiegen. Ein Großteil dieses Wachstums ist das direkte Ergebnis der Anerkennung dieser Edelsteine ​​​​für ihre eigenen Vorzüge, nicht nur als kostengünstiger Ersatz für natürliche Edelsteine. Die jährliche Produktion von synthetischen und simulierten Edelsteinen in den USA wird derzeit auf etwa 20 Millionen US-Dollar geschätzt, wobei die Produktion natürlicher Edelsteine ​​etwa zweieinhalb Mal so hoch ist.

Rohstoffe

Cubic Zirkonia wird aus einer Mischung von hochreinen Zirkonoxidpulvern hergestellt, die mit Magnesium und Calcium stabilisiert sind. Die Menge jeder Zutat wird sorgfältig kontrolliert, wobei manchmal bestimmte Zusätze verwendet werden, um ein ähnliches Aussehen wie echte Diamanten zu erzielen.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Hersteller von synthetischen und simulativen Edelsteinen verwenden viele verschiedene Herstellungsverfahren, die jedoch in einen von drei Prozesstypen eingeteilt werden können:Schmelzwachstum, Lösungswachstum oder Hochtemperatur-Hochdruckwachstum. Lösungstechniken zur Herstellung synthetischer Edelsteine ​​umfassen Flussmethoden für Smaragd, Rubin, Saphir, Spinell und Alexandrit. Die andere Lösungsmethode ist die hydrothermale Methode, die häufig für den Anbau von Beryll (Smaragd, Aquamarin und Morganit) und Quarz verwendet wird. Dieses Verfahren verwendet einen großen Druckbehälter, der als Autoklav bezeichnet wird.

Andere Techniken beinhalten Reaktionen im festen oder flüssigen Zustand und Phasenumwandlungen für Jade und Lapislazuli; Dampfphasenabscheidung für Rubin und Saphir; Keramik für Türkis, Lapislazuli und Koralle; und andere für Opal- oder Glas- und Kunststoffsimulanzien oder -imitationen. Die Schmelzverfahren von Vemeuil, Czochralski und Schädel sind die am häufigsten verwendeten Schmelztechniken für Edelsteinmaterialien.

Der französische Chemiker Edmond Fremy stellte 1877 die ersten kommerziellen synthetischen Edelsteine ​​durch ein Schmelzwachstumsverfahren her. Dies waren kleine Rubinkristalle und wurden durch Zusammenschmelzen einer Mischung, die Aluminiumoxid enthielt, in einem Tontiegel gezüchtet, wobei der Vorgang etwa acht Tage dauerte. Diese wurden als rekonstruierte Rubine bezeichnet. Im Jahr 1885 erschienen größere synthetische Rubine mit einem Flammenschmelzverfahren und Aluminiumoxidpulver. Später wurden Saphir, Spinell, Rutil und Strontiumtitanat mit dieser Technik gezüchtet, die auch als Vemeuil-Methode bekannt ist.

Die Czochralski-Pull-Growth-Methode, die um 1917 von einem gleichnamigen Wissenschaftler entwickelt wurde, wird für Rubin, Saphir, Spinell, Yttrium-Aluminium-Gamet (YAG), Gadolinium-Gallium-Granat (GGG) und Alexandrit verwendet. Beim Czochralski-Verfahren werden pulverförmige Zutaten in einem Platin-, Iridium-, Graphit- oder Keramiktiegel geschmolzen. Ein Impfkristall wird an einem Ende eines rotierenden Stabes befestigt, der Stab wird in den Tiegel abgesenkt, bis der Keim die Schmelze gerade berührt, und dann wird der Stab langsam herausgezogen. Der Kristall wächst, während der Keim Materialien aus der Schmelze zieht, und das Material kühlt ab und verfestigt sich. Aufgrund der Oberflächenspannung der Schmelze bleibt der wachsende Kristall jedoch in Kontakt mit dem geschmolzenen Material und wächst weiter, bis die Schmelze erschöpft ist.

Typischerweise wird die Saat mit einer Geschwindigkeit von 0,0394-3,94 Zoll (1-100 mm) pro Stunde aus der Schmelze gezogen. Mit dieser Methode gezüchtete Kristalle können sehr groß sein, einen Durchmesser von mehr als 1,97 Zoll (50 mm) und eine Länge von 3,281 Fuß (1 m) haben und von sehr hoher Reinheit sein. Jedes Jahr züchten Produzenten, die diese Methode verwenden, Millionen von Karat an Kristallen. Das Skull-Melt-Verfahren wird für Cubic Zirkonia verwendet und wird im Folgenden näher beschrieben.

Bestimmte Edelsteine ​​werfen einzigartige Probleme auf, wenn Versuche unternommen werden, sie zu züchten. Die Probleme entstehen, weil bestimmte Materialien entweder so reaktiv sind, dass sie selbst in nicht reaktiven Platin- und Iridiumtiegeln nicht geschmolzen werden können, oder sie schmelzen bei höheren Temperaturen, als die Tiegelmaterialien aushalten können. Daher muss ein anderes Schmelzsystem verwendet werden, das als Schädelschmelzsystem bezeichnet wird. Cubic Zirkonia muss wegen seines hohen Schmelzpunktes mit dieser Methode gezüchtet werden.

Schmelzen

• 1 Der "Schädel" ist ein hohlwandiger Kupferbecher. Durch die hohlen Wände wird Wasser zirkuliert, um die Innenwand des Schädels zu kühlen. Der Becher wird mit pulverförmigen Zutaten gefüllt und durch Radiofrequenzinduktion erhitzt, bis die Pulver schmelzen. Da Wasser die Schädelwände kühlt, schmelzen die pulverförmigen Materialien neben den Wänden nicht und das geschmolzene Material ist in einer Hülle aus ungeschmolzenem Material enthalten. Daher ist die reaktive oder Hochtemperaturschmelze in sich selbst enthalten.
• 2 Wenn die Wärmequelle entfernt und das System abkühlen gelassen wird, bilden sich Kristalle durch Keimbildung und wachsen, bis die gesamte Schmelze erstarrt. Kristalle, die mit diesem System gezüchtet wurden, variieren in der Größe, abhängig von der Anzahl der Keimbildungen. Beim Wachsen von Cubic Zirkonia ergibt ein einzelner Schädel etwa 2,205 lb (1 kg) Material pro Zyklus.

Schneiden

Der Schliff in jeden Stein, egal ob Naturstein oder Imitation, hängt vom Können des Steinschleifers ab. Der Schleifer muss einen Edelsteinkristall sorgfältig bewerten, um zu bestimmen, wie viel des Kristalls weggeschnitten werden sollte, um einen oder mehrere Steine ​​mit guter Klarheit zu erhalten. Der Schleifer muss auch bestimmen, welche Steinformen den Kristall maximal nutzen. Der Schleifer muss den Kristall so gut wie möglich nutzen, da Diamant zu wertvoll ist, um verschwendet zu werden.

Beim Schliff eines Diamanten spielt die Proportion eine wichtige Rolle. Ein idealer Stein wird nach mathematischen Vorgaben geschnitten, damit eine maximale Lichtmenge durch den Stein reflektiert werden kann. Diese Schnittart wird als Brilliant-Schliff bezeichnet. Abweichungen von diesen eingestellten Proportionen können die Brillanz des Steins mindern. Bei der Arbeit mit Diamanten kann es für einen Fräser kostspieliger sein, von diesen Winkeln abzuweichen, um einen Fehler oder Einschluss zu entfernen und dennoch das maximale Karatgewicht beizubehalten. Da gefälschte Diamantkristalle kostengünstiger und nahezu makellos klar sind, können größere Steine ​​in die richtigen Proportionen geschliffen werden.

• 3 Beim Schneiden sind mehrere Schritte erforderlich. Zuerst wird der Stein markiert, um Spaltungsebenen anzuzeigen, und dann gespalten, um dem Stein eine anfängliche Form zu geben. Da sich kubisches Zirkonoxid leicht in Richtungen parallel zur oktaedrischen Kristallfläche spaltet, kann es mit Diamantpulver imprägnierten Spezialwerkzeugen gespalten werden. Eine Alternative zum Spalten ist das Sägen, bei dem Fehlstellen (bei Steinimitaten sind es weniger) mit einer kleinen, diamantgetränkten Phosphor-Bronze-Scheibe am Rand entfernt werden. Heute werden mit Hilfe von programmierbaren Präzisionsmaschinen Steine ​​auf ein vorgegebenes Maß geschnitten (Kalibrierung genannt), sodass jeder Stein in der gleichen Größe, Form und Tiefe hergestellt werden kann.
• 4 Der nächste Schritt, Bruting oder Aufrunden genannt, besteht darin, die Ecken der gespaltenen Kanten abzurunden. Dies wird mit einer Maschine erreicht, die mit einem Diamantwerkzeug ausgestattet ist, das als scharf bezeichnet wird.
• 5 Nach dem Bruten oder Aufrunden wird der Stein mit einem Schneidrad aus Gusseisen facettiert. Dem Polieren folgt ein zweiter Facettierungsvorgang.
• 6 Der letzte Schritt ist eine gründliche Reinigung durch Einkochen in Säure, um alle Spuren von Öl, Schmutz und Diamantpulver zu entfernen. Nachdem die Steine ​​unter dem Mikroskop inspiziert wurden, werden sie in eine Schaumstoffverpackung verpackt.

Qualitätskontrolle

Die Qualität eines echten oder nachgemachten Steins wird durch die vier Cs bestimmt:Karat, Farbe, Reinheit und Schliff. Es ist die Kombination der Grade in allen vieren, die die endgültige Qualität und damit den Wert eines echten und eines nachgemachten Diamanten bestimmen. Das Karatgewicht 0,0175 oz (0,5 g) eines echten Diamanten ist das Gewicht des Steins in Karat. Synthetische Steine ​​haben immer ein höheres Karatgewicht als echte Diamanten, da das Material, aus dem sie bestehen, dichter ist.

Die Farbe eines Diamanten kann seinen Wert beeinflussen. Das völlige Fehlen von Farbe stellt das obere Ende der Skala dar, und blasse, ungleichmäßig getönte Steine ​​​​schließen das untere Ende ein. Diamanten mit einem ungewöhnlich hohen Farbgrad werden als Fancy bezeichnet und nach Gleichmäßigkeit, Seltenheit und Farbton bewertet. Sowohl echte als auch kubische Zirkonia-Diamanten sind in verschiedenen Farben erhältlich, die von blassem Gelb bis hin zu brillantem Rot reichen.

Die Klarheit ist die Klarheit oder Transparenz eines Steins. Bei echten Diamanten wird die Reinheit von der Natur bestimmt, winzige Mineralspuren und kleine Kristalle von Unvollkommenheiten, die einen Stein trüben können. Je klarer der Stein, desto wertvoller ist er. Die Reinheit eines gefälschten Diamanten kann im Labor kontrolliert werden. Schlechte Schmelzen können jedoch Steine ​​mit kleinen Einschlüssen produzieren. Variationen in den Metalloxidmischungen können die Farbe des Steins verändern. Eine ungleichmäßige Färbung ist bei einem gefälschten Diamanten ebenso unerwünscht wie bei einem echten Diamanten.

Von den vier Cs ist der Schliff am wichtigsten, um die Brillanz eines Diamanten zu bestimmen. Im Jahr 1919 bestimmte Marcel Tolkowsky, ein in dritter Generation in Antwerpen geborener Diamantschleifer und Student des Maschinenbaus, die richtigen Proportionen, in denen ein Diamant geschliffen werden sollte, um maximales Feuer und Brillanz zu erzielen. Dieses Ideal, bekannt als Brilliant Cut, ist ein objektiv messbarer Maßstab. Jeder Diamant im Brillantschliff hat 58 Facetten, die in präzise mathematisch bestimmten Winkeln geschliffen sind, um maximale Lichtstrahlen zu reflektieren und zu brechen. Dies garantiert, dass ein Diamant in seinen bestmöglichen Proportionen für optimale Schönheit geschliffen wurde, anstatt nur das maximale Karatgewicht beizubehalten. Tatsächlich werden Diamantanteil und Oberflächengüten in Bezug auf den Grad der Abweichung von diesem Standard definiert. Bei der Skull-Melt-Methode zum Züchten von Zirkonoxid wird ein hohlwandiger Kupferbecher mit pulverförmigen Zutaten gefüllt und erhitzt durch Radiofrequenzinduktion, bis die Pulver schmelzen. Zirkulierendes Wasser innerhalb der Hohlwände kühlt die Innenwand des Schädels. Da Wasser die Schädelwände kühlt, schmelzen die pulverförmigen Materialien neben den Wänden nicht und das geschmolzene Material ist in einer Hülle aus ungeschmolzenem Material enthalten. Daher ist die reaktive oder Hochtemperaturschmelze in sich selbst enthalten. Wenn die Wärmequelle entfernt und das System abkühlen gelassen wird, bilden sich Kristalle durch Keimbildung und wachsen, bis die gesamte Schmelze erstarrt. Ein einzelner Schädel ergibt pro Zyklus etwa 2,205 lb (1 kg) Cubic Zirkonia. Diese Norm gilt auch für Diamantimitate aus Zirkonia.

Obwohl der 58-Facetten-Brillantschliff als Standard-Qualitätsmaß in der Zerspanungsbranche bekannt ist, gibt es in besonderen Fällen Abweichungen. Zu viel Lichtbrechung in einem kleinen Bereich verringert die Klarheit, daher können sehr kleine Steine ​​​​mit weniger Facetten geschliffen werden. Größere Steine ​​können aus dem gegenteiligen Grund mit mehr Facetten geschliffen werden. Die Größe des Steins kann die Breite der Facetten so vergrößern, dass die Brillanz verloren geht. Es ist nicht ungewöhnlich, auf diese Weise Diamanten ab einem Karat zu finden. Mit der Einführung neuer Schliffe wie Radiant, Princess und Billion ist die Nachfrage nach facettenreichen Steinen gestiegen.

Es gibt eine Vielzahl von Formen, die geschnitten werden können. Die runde bietet maximale Brillanz, Streuung, Feuer und ist die beliebteste aller echten und nachgeahmten Diamantformen. Das Oval hat eine längliche Form, eine leicht verlängerte Form. Facetten um den oberen Teil des Steins sind der Facettenanordnung auf dem runden Stein sehr ähnlich. Aus diesem Grund strahlt ein gut geschliffener ovaler Diamant ein funkelndes Aussehen, das Licht aus allen Richtungen einfängt und reflektiert. Die Zeit (acht bis 10 Stunden für ein Karat), die zum Schneiden eines Ovals benötigt wird, ist ungefähr doppelt so lange wie beim Schneiden eines runden Steins, da die Urformung mehr Zeit in Anspruch nimmt.

Andere Testmethoden werden verwendet, um optische und physikalische Eigenschaften zu messen. Ein binokulares Mikroskop wird verwendet, um nach Defekten wie Einschlüssen zu suchen. Der Brechungsindex wird mit einem Refraktometer gemessen. Das spezifische Gewicht eines Steins wird bestimmt, indem man sieht, ob er in einer Flüssigkeit mit einem bekannten spezifischen Gewicht sinkt, aufschwimmt oder stationär bleibt.

Die Zukunft

Branchenexperten zufolge wird der Markt für Zirkonia-Schmuck voraussichtlich eine stabile Position beibehalten, da der Massenmarkt weiterhin seinen Kunden anbietet und die Preise weiter sinken. Cubic Zirkonia wird auch als Ersatz für echten Diamanten in Ohrsteckern, dem Diamantsolitär und dem Tennisarmband immer rentabler. Mit anderen Worten, es wird nicht mehr nur als billige Nachahmung betrachtet, insbesondere mit Verbesserungen in Helligkeit und Reflexion. Dem Markt wird damit insgesamt eine Wachstumsrate von etwa 10 % prognostiziert. Obwohl vor kurzem ein neues Diamantsimulans namens synthetisches Moissanit (ein kristallisiertes Siliziumkarbid) eingeführt wurde, wird es aufgrund des höheren Preises und der schwierigeren Verarbeitung dieses Materials mit kubischem Zirkoniumdioxid konkurrieren.