DE102007005118A1 - Synthetic crystal and process for its preparation - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen eines synthetischen Kristalls, insbesondere eines synthetischen Saphirs oder Rubins, vor, wobei bei dem Verfahren eine Grundsubstanz, die Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB> umfasst, mit mindestens einem oxidischen Zusatz gemischt wird.The present invention provides a method for producing a synthetic crystal, in particular a synthetic sapphire or ruby, wherein the method comprises a matrix substance comprising Al <SUB> 2 </ SUB> O <SUB> 3 </ SUB> at least one oxide additive is mixed.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen synthetischen Kristall und ein Verfahren zu dessen Herstellung, insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen von synthetischem Saphir oder Rubin.The The present invention relates to a synthetic crystal and a method for its production, in particular relates The invention relates to a method for producing synthetic Sapphire or ruby.
Im Stand der Technik wird synthetischer bzw. künstlicher Saphir beispielsweise nach einem Verneuil-Verfahren aus Aluminiumoxid (Al2O3) hergestellt.in the The state of the art becomes synthetic sapphire, for example made by a Verneuil process of alumina (Al2O3).
Ein derartiger künstlicher Saphir, der nur aus Al2O3 besteht, weist parallel und senkrecht zu seiner c-Achse unterschiedliche Härtegrade auf. Die c-Achse ist dabei eine der räumlichen Koordinatenachsen des Kristallgitters, das sich aus jeweils einer a-, b- und c-Achse zusammensetzt.One such artificial Sapphire, which consists only of Al2O3, points parallel and perpendicular different degrees of hardness to its c-axis. The c-axis is doing one of the spatial Coordinate axes of the crystal lattice, each consisting of one a, b and c axes.
Die Härtegrade der im Stand der Technik bekannten synthetischen Saphire weisen dabei Knoop 2200 parallel zur c-Achse und Knoop 1800 senkrecht zur c-Achse auf. Die Bezeichnung Knoop bezieht sich auf eine Härteprüfung (DIN EN ISO 4545) zum Festellen des Härtegrades von Werkstoffen. Zum Feststellen des Härtegrades eines Werkstoffs wird eine rhombische Diamantspitze verwendet, die in das Material gepresst wird. Je nachdem wie tief die Spitze in das Material eindringt, ergeben sich unterschiedliche Härtegrade.The hardness have the known in the art synthetic sapphires while Knoop 2200 parallel to the c-axis and Knoop 1800 perpendicular to the c-axis. The name Knoop refers to a hardness test (DIN EN ISO 4545) for determining the degree of hardness of materials. To determine the degree of hardness of a material a rhombic diamond tip is used, which is pressed into the material becomes. Depending on how deep the tip penetrates into the material, Different degrees of hardness result.
Bei späteren Schleif- bzw. Poliervorgängen des künstlichen Saphirs oder Rubins kommt es aufgrund der unterschiedlichen Härtegrade in der senkrechten und parallelen Richtung der c-Achse des Kristalls zu einem ungleichförmigen Materialabtrag auf der Oberfläche des Kristalls. Dadurch ergibt sich beispielsweise eine ungleichförmige Rundheit von Kugeln, die aus künstlichem Saphir bestehen.at later Grinding or polishing processes of the artificial Sapphires or rubies are due to the different degrees of hardness in the vertical and parallel direction of the c-axis of the crystal to a non-uniform material removal on the surface of the crystal. This results, for example, a non-uniform roundness of balls made of artificial Sapphire exist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, welches erlaubt, synthetischen Saphir herzustellen, dessen Härtegrade sowohl parallel als auch senkrecht zur c-Achse des Kristalls von vergleichbarer Größe sind, wodurch sich bei einer späteren Bearbeitung des künstlichen Kristalls ein gleichmäßiger Materialabtrag und damit eine gleichmäßige Rundheit von aus synthetischem Saphir herstellten Kugeln ergibt.task It is therefore an object of the present invention to provide a method which allows to produce synthetic sapphire whose degrees of hardness both parallel and perpendicular to the c-axis of the crystal of are comparable size, resulting in a later Processing of the artificial Kristalls a uniform material removal and thus a uniform roundness of synthetic sapphire produced balls.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.These The object is achieved by the method according to the invention 1 solved.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines synthetischen kugelförmigen Kristalls, insbesondere eines synthetischen Saphirs bevorzugt, wobei bei dem Verfahren eine Grundsubstanz, die Al2O3 umfasst, mit mindestens einem oxidischen Zusatz, insbesondere einem oxidischen Zusatz geringerer Härte, gemischt wird. Auf diese Weise wird eine bessere Rundheit der Kugel erreicht.According to a first aspect of the present invention, a method is preferred for producing a synthetic spherical crystal, in particular a synthetic sapphire, wherein in the method a base substance which comprises Al 2 O 3 , with at least one oxide additive, in particular an oxide additive of lower hardness, is mixed. In this way, a better roundness of the ball is achieved.
Unter einem synthetischen Kristall versteht man einen Kristall, der auf künstliche Art und Weise unter gewissen Bedingungen (Temperatur, Druck) hergestellt wird. Beispiele für künstliche Kristalle sind künstlicher Saphir (Al2O3) oder künstlicher Rubin (Al2O3 + CrO2).Under A synthetic crystal is a crystal that is based on artificial Way under certain conditions (temperature, pressure) produced becomes. examples for artificial Crystals are artificial sapphire (Al2O3) or artificial Ruby (Al2O3 + CrO2).
Entsprechende Verfahren mit welchen ein derartiger künstlicher Kristall, insbesondere eine Kugel, hergestellt werden kann, sind beispielsweise das Verneuil-Verfahren, das Czochralski-Verfahren, Nacken-Kyropoulos-Verfahren, Tammann-Stöber-Verfahren, Bridgman-Stockberger-Verfahren, Zonenschmelz-Verfahren, Pedestal-Verfahren, Kalttiegel-Verfahren, Hydrothermalverfahren, HPHT-Verfahren, CVD-Verfahren, MOCVD-Verfahren, Plasma-Verfahren, Photonen-Plasmatron-Verfahren und die Molekularstrahlepitaxie.Appropriate Method with which such an artificial crystal, in particular a sphere can be made, for example, the Verneuil method, the Czochralski process, neck Kyropoulos process, Tammann-Stöber process, Bridgman-Stockberger method, zone melting method, pedestal method, Cold crucible method, Hydrothermal process, HPHT process, CVD process, MOCVD process, plasma process, Photon plasmatron method and molecular beam epitaxy.
Unter einem synthetischen Saphir versteht man einen natürlichen oder synthetischen bzw. künstlichen Kristall, welcher die chemische Zusammensetzung Al2O3 aufweist und eine Reinheit von 99,99% hat. Die Kristallstruktur von synthetischem Saphir, der auch als farbloser Korund bezeichnet wird, ist hexagonal. Der Härtegrad parallel zu seiner c-Achse, einer der drei Koordinatenachsen (a, b, c) des Kristalls, beträgt Knoop 2200, senkrecht zu der c-Achse beträgt der Härtegrad Knoop 1800. Der Kristall ist farblos.Under A synthetic sapphire is a natural one or synthetic or artificial crystal, which has the chemical composition Al2O3 and a purity of 99.99% has. The crystal structure of synthetic sapphire, the Also called colorless corundum is hexagonal. The degree of hardness parallel to its c-axis, one of the three coordinate axes (a, b, c) of the crystal Knoop 2200, perpendicular to the c-axis is the hardness Knoop 1800. The crystal is colorless.
Unter einer Mischung versteht man, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwei oder mehrere Substanzen miteinander vermengt werden. Die eigentliche Mischung der Grundsubstanz und dem oxidischen Zusatz erfolgt im geschmolzenen Zustand bei der Kristallzucht, bevorzugt bei einem Verneuil-Verfahren.Under a mixture is understood to mean that in the process according to the invention two or more substances are mixed together. The real one Mixture of the basic substance and the oxide additive takes place in molten state in the crystal growing, preferably in a Verneuil method.
Unter einer Grundsubstanz versteht man eine erste Substanz, welche bevorzugt prozentmäßig den Hauptanteil an der Mischung aufweist. Der Anteil der Grundsubstanz liegt bevorzugt zwischen 99% und 99,999% Under A basic substance is understood to be a first substance which is preferred percentage of the majority on the mixture. The proportion of the matrix substance is preferred between 99% and 99.999%
Unter Al2O3 versteht man eine Sauerstoffverbindung des Elements Aluminium, wobei Al2O3 auch als Tonerde und in mineralischer Form auch als Korund bezeichnet wird.Under Al 2 O 3 is understood to mean an oxygen compound of the element aluminum, Al2O3 is also present as clay and in mineral form as well Corundum is called.
Unter einem oxidischen Zusatz versteht man chemische Verbindungen, welche Sauerstoff aufweisen. Bevorzugt versteht man bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unter einem oxidischen Zusatz Metall-Oxide aus der Gruppe Nickeloxid (NiO), Eisenoxid (Fe2O3), Titanoxid (TiO3), Vanadiumoxid (V2O5) oder Kobaltoxid (CoO). Der oxidische Zusatz wird dabei bevorzugt in einem Mengenverhältnis von 0,001% bis 1,00% zu der Grundsubstanz, die mindestens Al2O3 umfasst, beigefügt. Dieser Zusatz weist eine geringere Härte als Al2O3 auf.Under An oxide additive is understood as meaning chemical compounds which Have oxygen. Preferably, the process according to the invention is understood under an oxide additive metal oxides from the group nickel oxide (NiO), iron oxide (Fe2O3), titanium oxide (TiO3), vanadium oxide (V2O5) or cobalt oxide (CoO). The oxide additive is preferred in a quantitative ratio from 0.001% to 1.00% to the ground substance containing at least Al2O3 includes, attached. This additive has a lower hardness than Al2O3.
Unter dem Begriff „gemischt" versteht man, dass die Grundsubstanz, also Al2O3, und der oxidische Zusatz, also mindestens eine der Verbindungen aus der Gruppe Nickeloxid, Eisenoxid, Titanoxid, Vanadiumoxid oder Kobaltoxid derart miteinander vermengt werden, dass sich der oxidische Zusatz gleichförmig in der Grundsubstanz verteilt hat, so dass bei dem späteren bevorzugten Verfahren zur Herstellung eines künstlichen Kristalls, bevorzugt einem Verneuil-Verfahren, der entstehende synthetische Kristall einheitliche Materialeigenschaften aufweist.Under The term "mixed" means that the basic substance, so Al2O3, and the oxide additive, so at least one of the compounds from the group of nickel oxide, iron oxide, titanium oxide, Vanadium oxide or cobalt oxide are mixed together in such a way that the oxide additive uniformly distributed in the ground substance so that at the later preferred method for producing an artificial crystal, preferred a Verneuil process, the resulting synthetic crystal has uniform material properties.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Grundsubstanz weiter zusätzlich Chromoxid CrO2 umfasst. Durch das Zufügen von CrO2 zu Al2O3 kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt synthetischer Rubin hergestellt werden. Der synthetische Rubin weist dabei eine hellrosa bis dunkelrosa Farbe auf. Chromoxid weist eine noch größere Härte als Al2O3 auf, womit sich auch in dem Fall des synthetischen Saphirs vergleichbare Unterschiede in den Härtegraden parallel und senkrecht zur c-Achse des Kristalls ergeben.According to one Another aspect of the present invention, it is preferred that the basic substance further in addition Chromium oxide comprises CrO2. By adding CrO2 to Al2O3 can with the method according to the invention preferably synthetic ruby can be produced. The synthetic one Ruby shows a light pink to dark pink color. chromium has an even greater hardness than Al2O3 on, bringing even in the case of synthetic sapphire comparable differences in the degrees of hardness parallel and vertical to the c-axis of the crystal.
Die Verbindung Al2O3 oder Al2O3 + CrO2 kann dabei als Grundsubstanz bzw. Basis angesehen werden, zu welcher später bevorzugt mindestens ein oxidischer Zusatz hinzugefügt wird. Al2O3 und CrO2 liegen dabei derart vor, dass die beiden Verbindungen bevorzugt in Pulverform miteinander vermischt werden können.The Compound Al2O3 or Al2O3 + CrO2 can be used as the basic substance or base, to which later preferably at least one added oxide additive becomes. Al2O3 and CrO2 are present in such a way that the two compounds preferably in powder form can be mixed together.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass der oxidische Zusatz ein Metall-Oxid ist, das aus der Gruppe stammt, die Nickeloxid (Ni), Eisenoxid (Fe2O3), Titanoxid (TiO2), Vanadiumoxid (V2O5), Kobaltoxid (CoO) oder eine Kombination davon umfasst.According to another aspect of the present invention, it is preferable that the oxide additive is a metal oxide derived from the group consisting of nickel oxide (Ni), iron oxide (Fe 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), vanadium oxide (V 2 O 5 ), cobalt oxide (CoO) or a combination thereof.
Durch die Zugabe von Metalloxiden, die eine geringere Härte als Aluminiumoxid Al2O3 und Chromoxid CrO2 aufweisen, ergibt sich der Vorteil, dass der Unterschied in den Härtegraden parallel (Knoop 2200) und senkrecht (Knoop 1800) zur c-Achse der Kristallstruktur verringert werden kann. Beträgt der Unterschied in den Härtegraden parallel und senkrecht zur c-Achse der Kristallstruktur eine Differenz von 400 Knoop auf, so kann nach einem Hinzufügen von oxidischem Zusatz eine Differenz von ungefähr 350 bis 399 Knoop, abhängig vom prozentuellen Anteil des oxidischen Zusatzes, erreicht werden.By the addition of metal oxides that have a lower hardness than Aluminum oxide Al2O3 and chromium oxide CrO2, the result Advantage that the difference in the degrees of hardness parallel (Knoop 2200) and perpendicular (Knoop 1800) to the c-axis of the crystal structure can be. is the difference in the degrees of hardness parallel and perpendicular to the c-axis The crystal structure has a difference of 400 Knoop, so can after an addition of oxide additive a difference of about 350 to 399 Knoop, depending on the percentage Proportion of the oxide additive can be achieved.
Durch die Verringerung der Differenz in den Härtegraden parallel und senkrecht zur c-Achse des künstlichen Kristalls ist ein gleichförmiger Materialabtrag von dem Kristall bei einem Schleifen bzw. Polieren möglich. Bei den Schleif- bzw. Poliervorgängen wird mit entsprechenden Schleifmitteln bzw. Poliermitteln aus synthetischem Diamant, welcher den größten vorkommenden Härtegrad aufweist geschliffen bzw. poliert. Da der Kristall sowohl parallel als auch senkrecht zur c-Achse gleiche Härtegrade aufweist, der Härtegrad auf der Oberfläche einer beispielsweise zu schleifenden bzw. zu polierenden Kugel einheitlich ist, kommt es zu einem gleichförmigen Materialabtrag auf der Kugeloberfläche. Somit kann bei den Schleif- und Poliervorgängen eine Kugel mit einheitlicher Rundheit hergestellt werden.By the reduction of the difference in the degrees of hardness parallel and perpendicular to the c-axis of the artificial Crystal is a uniform Material removal of the crystal in a grinding or polishing possible. at the grinding or polishing processes is made with appropriate abrasives or polishing agents of synthetic Diamond, which is the largest occurring temper has ground or polished. Because the crystal is both parallel as well as perpendicular to the c-axis equal degrees of hardness, the degree of hardness on the surface a ball, for example, to be ground or polished uniformly is, it comes to a uniform Material removal on the sphere surface. Thus, with the grinding and polishing processes a sphere with uniform roundness are produced.
Bei
einem künstlichen
Saphir oder Rubin in Reinform jedoch, der also aus Al2O3 oder Al2O3
+ CrO2 besteht, findet daher an Stellen, wo der Kristall eine geringere
Härte als
an anderen Stellen aufweist, siehe
Ein Metall-Oxid ist dabei eine chemische Verbindung, die sich aus einem metallischen Element, wie Nickel (Ni), Eisen (Fe), Titan (Ti), Vanadium (V) oder Kobalt (Co) und Sauerstoff zusammensetzt.One Metal oxide is a chemical compound that is made up of one metallic element, such as nickel (Ni), iron (Fe), titanium (Ti), vanadium (V) or cobalt (Co) and oxygen.
Unter Nickeloxid, NiO, versteht man die Sauerstoffverbindung mit Nickel. Durch das Hinzufügen von Nickeloxid zu Al2O3 weist der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellte synthetische Kristall eine hellgelbe Farbe auf. Weiter weist durch das Hinzufügen von Nickeloxid zu Al2O3 + CrO2 der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellte synthetische Kristall eine gelborange, topasfarbige oder orange Farbe auf, wobei sich die unterschiedliche Farbabstufung durch die Menge an zugefügtem Nickeloxid ergibt. Je mehr Nickeloxid hinzugefügt wird, desto mehr tendiert die Farbe des Kristalls in Richtung gelborange.Under Nickel oxide, NiO, is the oxygen compound with nickel. By adding of nickel oxide to Al2O3, the one with the inventive method Synthetic crystal made a pale yellow color. Further indicates by adding from nickel oxide to Al 2 O 3 + CrO 2 of the process according to the invention Synthetic crystal made a yellow orange, topaz or orange color, with different color gradation by the amount of added Nickel oxide results. The more nickel oxide added, the more it tends to be the color of the crystal towards yellow-orange.
Unter Eisenoxid, Fe2O3, versteht man das stabile Eisen(III)-Oxid, das beim Kontakt von metallischem Eisen und Sauerstoff entsteht. Rost besteht beispielsweise aus Fe2O3. Durch das Hinzufügen von Fe2O3 zu Al2O3 weist der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellte synthetische Kristall eine blaue Farbe auf. Weiter weist durch das Hinzufügen von Fe2O3 zu Al2O3 + CrO2 der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellte synthetische Kristall eine graugrüne oder violette Farbe auf, wobei sich die unterschiedliche Farbabstufung durch die Menge an zugefügtem Fe2O3 ergibt. Je mehr Eisenoxid zu der Mischung hinzugefügt wird, desto mehr tendiert die Farbe des Kristalls in Richtung violett.Under Iron oxide, Fe2O3, is the stable iron (III) oxide that forms on contact produced by metallic iron and oxygen. Rust exists, for example from Fe2O3. By adding from Fe 2 O 3 to Al 2 O 3, that with the inventive method Synthetic crystal made a blue color. Further points by adding from Fe 2 O 3 to Al 2 O 3 + CrO 2 produced by the process according to the invention synthetic crystal to a gray-green or violet color, wherein the different color gradation by the amount of of added Fe2O3 yields. The more iron oxide added to the mixture, the better more the color of the crystal tends towards violet.
Unter Titanoxid versteht man die Stoffgruppe der Titan-Sauerstoff-Verbindungen. TiO2, auch als Titan(IV)-Oxid bezeichnet, weist eine weiße Farbe auf. Durch das Hinzufügen von TiO2 zu Al2O3 weist der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellte synthetische Kristall eine blaue Farbe auf. Weiter weist durch das Hinzufügen von TiO2 zu Al2O3 + CrO2 der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellte synthetische Kristall eine graugrüne oder violette Farbe auf, wobei sich die unterschiedliche Farbabstufung durch die Menge an zugefügtem Titanoxid ergibt. Je mehr TiO2 zu der Mischung Al2O3 + CrO2 hinzugefügt wird, desto mehr tendiert die Farbe des Kristalls in Richtung violett.Under Titanium oxide is understood to mean the substance group of titanium-oxygen compounds. TiO2, too referred to as titanium (IV) oxide, has a white color. By adding TiO 2 to Al 2 O 3 has the synthetic produced by the process according to the invention Crystal a blue color. Continue by adding TiO 2 to Al 2 O 3 + CrO 2 of the synthetic crystal produced by the process according to the invention a gray-green or violet color, with different color gradation by the amount of added Titanium oxide results. The more TiO2 is added to the mixture Al2O3 + CrO2, the more the color of the crystal tends to violet.
Vanadiumoxid V2O5 wird auch als Vanadiumpentoxid bezeichnet, da das Vanadium mit fünf Sauerstoffatomen gebunden ist. Durch das Hinzufügen von V2O5 zu Al2O3 + CrO2 weist der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellte synthetische Kristall eine graugrüne Farbe auf.vanadium oxide V2O5 is also referred to as vanadium pentoxide because the vanadium with five Oxygen atoms is bound. By adding V2O5 to Al2O3 + CrO2 has the with the inventive method Synthetic crystal made a gray-green color.
Unter Kobaltoxid CoO, Kobalt(II)-Oxid ist olivgrün bis rötlich braun gefärbt. Die Kristalle weisen eine Struktur wie Kochsalz auf. Durch das Hinzufügen von Kobaltoxid zu Al2O3 weist der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellte synthetische Kristall eine dunkelgrüne Farbe auf. Weiter weist durch das Hinzufügen von Nickeloxid zu Al2O3 + CrO2 der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellte synthetische Kristall eine hellgrüne Farbe auf.Under Cobalt oxide CoO, cobalt (II) oxide is dyed olive green to reddish brown. The Crystals have a structure like common salt. By adding Cobalt oxide to Al2O3 has the method according to the invention Synthetic crystal made a dark green color. Further points by adding Nickel oxide to Al2O3 + CrO2 of the inventive method Synthetic crystal made a bright green color.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der oxidische Zusatz als pulverförmiges Material zu der Grundsubstanz hinzugefügt, die ebenfalls in pulverförmiger Form vorliegt.at the method according to the invention becomes the oxide additive as a powdery material to the ground substance added which also in powdered Form is present.
Durch das Hinzufügen mindestens eines oxidischen Zusatzes, wie er vorhergehend beschrieben wurde, lassen sich die Härtegrade parallel und senkrecht zur c-Achse des später während des erfindungsgemäßen Verfahrens wachsenden Kristalls gezielt steuern, so dass diese nicht mehr derart stark voneinander abweichen, wie es beispielsweise im Falle des reinen synthetischen Saphirs (Al2O3) oder Rubins (Al2O3 + CrO2) der Fall ist. Ebenso lässt sich durch das Hinzufügen, wie vorhergehend beschrieben wurde, die Farbgebung des synthetischen Kristalls bestimmen. Je nachdem welcher oxidischer Zusatz gewählt wird, kann ein Farbspektrum von Hellgelb, über Blau, violett bis Dunkelgrün erzielt werden.By The addition at least one oxide additive, as previously described was, the degrees of hardness can be parallel and perpendicular to the c-axis of the later during the process of the invention control growing crystals so that they are no longer so vary greatly, as in the case of the pure synthetic sapphire (Al2O3) or ruby (Al2O3 + CrO2) Case is. Likewise leaves by adding, As previously described, the coloring of the synthetic Determine the crystal. Depending on which oxide additive is selected, For example, a color spectrum can be from light yellow to blue, purple to dark green become.
Ebenso ist es bevorzugt, dass mehrere oxidische Zusätze, also mehrere Metalloxide miteinander gemischt werden und ein Gesamtmischungsverhältnis von 0,001% bis 1% im Vergleich zur Grundsubstanz aufweisen. Somit können die chemischen Eigenschaften der einzelnen Metalloxide hinsichtlich des später resultierenden Härtegrads des synthetischen Kristalls miteinander kombiniert und optimiert werden.As well it is preferred that a plurality of oxidic additives, that is several metal oxides mixed together and a total mixing ratio of 0.001% to 1% compared to the ground substance. Thus, the concerning the chemical properties of the individual metal oxides later resulting degree of hardness of the synthetic crystal combined and optimized become.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass 0,001% bis 1,00% des oxidischen Zusatzes der Grundsubstanz zugefügt werden. Durch den entsprechenden prozentuellen Anteil, also von bevorzugt 0,001% bis 1,00% lassen sich sowohl entsprechende Materialeigenschaften (Härtegrad parallel und senkrecht zur c-Achse des Kristalls) als auch Farbeigenschaften erzielen.According to one Another aspect of the present invention, it is preferred that 0.001% to 1.00% of the oxidic additive is added to the ground substance. By the corresponding percentage share, so preferred 0.001% to 1.00% can be both appropriate material properties (Hardness parallel and perpendicular to the c-axis of the crystal) as well as color properties achieve.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Verfahren weiter ein Verneuil-Verfahren umfasst. Das Verneuil-Verfahren ist ein Verfahren zum Herstellen künstlicher Kristalle. Es wird auch als Flammenschmelzverfahren bezeichnet und wurde zwischen 1890 und 1892 entwickelt. Das Grundprinzip bei der Herstellung eines künstlichen Kristalls nach dem Verneuil-Prinzip ist, dass man einen Ammonium-Aluminium-Alaun mit oder ohne mindestens einen oxidischen Zusatz mittels eines Knallgasgebläses zum Schmelzen bringt. Der Ammonium-Aluminium-Alaun und der oxidische Zusatz befinden sich in einem Behälter, der einen Durchlass zu einer Brenndüse aufweist, die mit Wasserstoff befeuert wird. Eine nach unten gerichtete Flamme erhitzt eine Kuppe eines wachsenden Kristalls und die stetige Zufuhr von Ammonium-Aluminium-Alaun und oxidischem Zusatz aus der Brenndüse erzeugt auf dem synthetischen Kristall einen dünnen Schmelzfilm, an dessen Unterseite die Kristallisation erfolgt. Bei einer Temperatur von mehr als 2000°C wächst der Kristall Tropfen um Tropfen wie ein Stalagmit.According to another aspect of the present invention, it is preferred that the erfindungsge method further comprises a Verneuil method. The Verneuil process is a process for producing artificial crystals. It is also referred to as flame fusion and was developed between 1890 and 1892. The basic principle in the production of an artificial crystal according to the Verneuil principle is that one brings an ammonium aluminum alum with or without at least one oxidic additive by means of a blast gas blower to melt. The ammonium aluminum alum and the oxide additive are contained in a container having a passage to a fuel nozzle, which is fired with hydrogen. A downward flame heats a crest of a growing crystal and the steady supply of ammonium aluminum alum and oxide additive from the firing nozzle creates a thin melt film on the synthetic crystal, on the underside of which crystallization occurs. At a temperature of more than 2000 ° C, the crystal grows drop by drop like a stalagmite.
In Abwandlung dazu wird bei dem Pereuil-Verfahren der vorliegenden Erfindung statt des Ammonium-Aluminium-Alauns die Grundsubstanz, also Al2O3 oder Al2O3 + CrO2 eingesetzt. Die weiteren Verfahrens-Schritte erfolgen wie beim klassischen Verneuil-Verfahren.In Modification to this is in the Pereuil method of the present Invention instead of the ammonium aluminum alum the basic substance, So Al2O3 or Al2O3 + CrO2 used. The further process steps take place as in the classic Verneuil process.
Durch das Verfahren lässt sich eine Art „Kristallbirne" erzeugen, die, nachdem sie ausgekühlt ist, in Würfel geschnitten wird. Diese Würfel werden in entsprechenden Arbeitsschritten zu Kugeln geschliffen, die Al2O3 und mindestens einen oxidischen Zusatz, also künstlichen Saphir mit 0,001% bis 1% Zusatz von mindestens einem oxidischen Zusatz aufweisen. Wird hingegen bei dem Verfahren noch zusätzlich CrO2 zu Al2O3 hinzugegeben, so entsteht ein künstlicher Rubin mit 0,001% bis 1% Zusatz von mindestens einem oxidischen Zusatz.By the procedure leaves create a kind of "crystal pear", which, after she cooled down is in cubes is cut. These dice are ground in appropriate steps to balls, the Al2O3 and at least one oxide additive, ie artificial Sapphire with 0.001% to 1% addition of at least one oxidic Have additional. On the other hand, CrO2 is additionally added to the process added to Al2O3, the result is an artificial ruby with 0.001% to 1% addition of at least one oxide additive.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass der synthetische Kristall, insbesondere synthetischer Saphir oder synthetischer Rubin, welcher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, eine Differenz im Härtegrad parallel zu der c-Achse und dem Härtegrad rechtwinkelig zu einer c-Achse des synthetischen Saphirs von weniger als Knoop 400 aufweist.According to one Another aspect of the present invention, it is preferred that the synthetic crystal, in particular synthetic sapphire or synthetic ruby, which by the method according to the invention is produced, a difference in hardness parallel to the c-axis and the degree of hardness perpendicular to a c-axis of the synthetic sapphire of less as Knoop 400 has.
Die
Bezeichnung Knoop bezieht sich auf eine Härteprüfung (DIN EN ISO 4545) zum
Festellen des Härtegrades
von Werkstoffen. Zum Feststellen des Härtegrades eines Werkstoffs
wird eine rhombische Diamantspitze verwendet, die in das Material
gepresst wird. Je nachdem wie tief die Spitze in das Material eindringt,
ergeben sich unterschiedliche Härtegrade.
Durch die Zugabe von mindestens einem oxidischen Zusatz, der im
Bereich von 0,001% bis 1% liegt, ergibt sich eine Verringerung im
Härtegrad
des synthetischen Kristalls. So weist der Härtegrad parallel zur c-Achse
des Kristalls weniger als 2200 Knoop und senkrecht zur c-Achse weniger
als 1800 Knoop auf. Darüber
hinaus weichen die Härtegrade
parallel und senkrecht zur c-Achse nicht mehr derart stark voneinander
ab, wie es im reinen synthetischen Saphir der Fall ist. Dadurch
ergibt sich der Vorteil, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
bevorzugt Kugeln hergestellt werden können, die eine einheitliche
Rundheit aufweisen (siehe
Darüber hinaus ist es bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass der synthetische Kristall eine maximale Abweichung von einer idealen Kugelform von weniger als 130 nm, bevorzugt von weniger als 100 nm, insbesondere von 5 bis 15 nm, bevorzugt von 3 bis 10 nm, besonders bevorzugt von 1 bis 2 nm aufweist. Unter einer maximalen Abweichung von einer idealen Kugelform versteht man den Abstand zwischen der Idealform einer Kugel und der tatsächlichen Oberflächengeometrie des synthetischen Kristalls. Die maximale Abweichung von einer idealen Kugelform bzw. der maximale Formfehler ist damit definiert als die Differenz aus dem größten Abstand der tatsächlichen Oberflächengeometrie zum Mittelpunkt und dem kleinsten Abstand zur tatsächlichen Oberflächengeometrie zum Mittelpunkt. Es handelt sich damit um die Differenz des vom Mittelpunkt des tatsächlichen synthetischen Kristalls gemessenen maximalen und minimalen Abstands, der bei der idealen Kugelform immer konstant der Radius ist. Weist der synthetische Kristall eine Erhöhung oder Vertiefung im Vergleich zur Idealform einer Kugel auf, so ergibt sich ein entsprechender Abstand, welcher zwischen 5 bis 15 nm, bevorzugt zwischen 3 bis 10 nm, besonders bevorzugt zwischen 1 bis 2 nm von der Idealform der Kugel abweicht bzw. eine maximale Abweichung von weniger als 130 nm aufweist. Durch die maximale Abweichung in den vorhergenannten Bereichen ergibt sich der Vorteil, dass der erfindungsgemäße synthetische Kristall eine Oberflächengeometrie aufweist, die nahezu einer idealen Kugel entspricht.Furthermore In the present invention it is preferred that the synthetic Crystal a maximum deviation from an ideal spherical shape of less than 130 nm, preferably less than 100 nm, in particular from 5 to 15 nm, preferably from 3 to 10 nm, more preferably from 1 to 2 nm. Below a maximum deviation of one Ideal spherical shape is the distance between the ideal shape a ball and the actual one surface geometry of the synthetic crystal. The maximum deviation from an ideal Ball shape or the maximum shape error is thus defined as the Difference from the largest distance the actual surface geometry to the center and the smallest distance to the actual surface geometry to the center. It is the difference of the Center of the actual synthetic crystal measured maximum and minimum distance, which in the ideal sphere is always constant the radius. has the synthetic crystal is an increase or depression in comparison to the ideal shape of a ball, so there is a corresponding Distance, which is between 5 to 15 nm, preferably between 3 to 10 nm, more preferably between 1 to 2 nm from the ideal form the ball deviates or a maximum deviation of less than 130 nm. Due to the maximum deviation in the aforementioned Areas results in the advantage that the inventive synthetic crystal a surface geometry which corresponds to almost an ideal sphere.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.preferred embodiments The invention will be described below with reference to the accompanying drawings explained in more detail.
In
Weiter
ist die Idealform (
Ein
derartiges Messprofil (
Unebenheiten
bzw. Ungleichförmigkeiten
der Oberfläche
werden dadurch ausgedrückt,
dass es zu mehr oder weniger starken Abweichungen nach außen oder
nach innen in Bezug auf die Idealform (
Die
in der
In
dem Profil ist erkennbar, dass bei ca. 45° und 225° das Messprofil (
Umgekehrt
verhält
es sich bei ca. 135° und
315°, wo
die geringsten Abweichungen des Messprofils (
Diese Abweichungen kommen dadurch zustande, dass es in Bereichen, wo die Kugel einen geringeren Härtegrad aufweist, also bei 135° und 315°, ein stärkerer Materialabtrag stattfindet. Dies lässt sich dadurch erklären, dass der Härtegrad des eingesetzten Schleif- bzw. Poliermittels, wesentlich größer als der Härtegrad der Kugel in diesem Bereich ist.These Deviations are caused by the fact that it is in areas where the Ball a lower degree of hardness has, ie at 135 ° and 315 °, a stronger Material removal takes place. This can be explained by the fact that the degree of hardness the grinding or polishing agent used, much greater than the degree of hardness of Ball is in this area.
Hingegen kommt es in Bereichen, wo die Kugel einen größeren Härtegrad aufweist, also um die Knoop 2200, bei 45° und 225°, zu einem schwächeren Materialabtrag. Dies lässt sich dadurch erklären, dass der Härtegrad des eingesetzten Schleif- bzw. Poliermittels, kleiner oder gleich dem Härtegrad der Kugel in diesem Bereich ist. Durch den unterschiedlichen Materialabtrag in unterschiedlichen Bereichen der Kugel bekommt die Kugel somit nach einer bestimmten Anzahl von Schleif- bzw. Polierzyklen eine ovale Form, wobei die Abweichungen im nm-Bereich liegen und mit dem freien Auge nicht feststellbar sind. Für Präzisionskugeln, die Abweichungen von lediglich einigen Nanometern zulassen, sind Kugeln mit derartigen Materialeigenschaften somit nicht einsetzbar.On the other hand It comes in areas where the ball has a higher degree of hardness, ie to the Knoop 2200, at 45 ° and 225 °, too a weaker one Material removal. This leaves explain themselves by that the degree of hardness of the grinding or polishing agent used, less than or equal to the degree of hardness the ball is in this area. Due to the different material removal in different areas of the ball gets the ball thus after a certain number of grinding or polishing cycles one oval shape, with the deviations in the nm range and with the naked eye are not detectable. For precision balls, the deviations of only a few nanometers are balls with such Material properties can not be used.
In
Wie
in
Die
in der
Im
Gegensatz zu dem in
Weiter
erkennt man, dass in den Bereichen von ca. 135° und 315°, wo auch in
Die
Verringerung der Abweichungen von der Idealform (
Somit
kommt es zu einem gleichmäßigen Abschleifen
bzw. Polieren der Kugel, da die Oberfläche der Kugel einen nahezu
einheitlichen Härtegrad
aufweist, wie aus
Das Schleif- bzw. Poliermittel weist eine vergleichbare Härte wie die Kugel aus künstlichem Kristall auf. Somit kommt es im Laufe einer bestimmten Anzahl von Schleif- bzw. Polierzyklen, einem gleichmäßigen Abschliff bzw. Abtrag an Material des künstlichen Kristalls und somit zu einer nahezu einheitlichen Rundheit der Kugel.The Grinding or polishing agent has a hardness comparable to the ball of artificial Crystal on. Thus it comes in the course of a certain number of Grinding or polishing cycles, a uniform grinding or removal material of the artificial Crystal and thus to a nearly uniform roundness of the ball.
Die abschließend dargestellte Tabelle 1 zeigt, welche Farben durch Zugabe von Metalloxiden zu der Grundsubstanz (Al2O3 oder Al2O3 + CrO2) erhalten werden. Die so erhaltenen Kristalle weisen eine geringere Abweichung des Härtegrades parallel und senkrecht zur c-Achse auf, so dass hierdurch rundere Kugeln mit geringerer Abweichung als bei einem Al2O3 erhalten werden.The finally Table 1 shows which colors by addition of metal oxides to the ground substance (Al 2 O 3 or Al 2 O 3 + CrO 2). The crystals thus obtained have a smaller deviation of degree of hardness parallel and perpendicular to the c-axis, making it rounder Balls are obtained with less deviation than in an Al2O3.
Auf diese Weise ist es möglich, Kugeln, insbesondere für Tastelemente, mit einer höheren Genauigkeit zu fertigen, als dies bisher der Fall war. Die so aus geschnittenen Würfeln hergestellten Präzisionskugeln weisen geringere Abweichungen auf, als dies bei den bisherigen Materialien der Fall war. Tabelle 1 In this way, it is possible to produce balls, in particular for scanning elements, with a higher accuracy than was previously the case. The precision balls produced in this way from cut cubes have smaller deviations than was the case with the previous materials. Table 1
- 11
- Idealform der Kugelideal form the ball
- 22
- Messprofil der Kugelmeasuring profile the ball
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"Hochpräzise Kugeln", Saphirwerk Industrieprodukte AG, Internet-Adresse: http://www.saphirwerk. com/deutsch/produkte/Kugeln/Depliant_SaphirWBalls_ 29_06_06.pdf(recherchiert am 27.08.2007) * |
Also Published As
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WO2008092587A2 (en) | 2008-08-07 |
WO2008092587A3 (en) | 2008-10-02 |
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