CH289320A - A method of manufacturing a single crystal body of synthetic corundum. - Google Patents

A method of manufacturing a single crystal body of synthetic corundum.

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CH289320A
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    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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    • C30B11/08—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the melt every component of the crystal composition being added during the crystallisation
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Description

  

  <B>Procédé de fabrication d'un corps</B>     monocristallin   <B>de corindon synthétique.</B>    La présente invention est relative à un  procédé de fabrication d'un corps     monocris-          tallin    de corindon synthétique.  



  Lorsqu'on provoque la croissance d'un  monocristal de corindon synthétique conte  nant un composé du titane, sous forme d'un  corps généralement cylindrique, par le pro  cédé Verneuil bien connu, à partir de     pôudre     d'alumine à laquelle on a mélangé une petite  quantité de poudre d'oxyde de titane (avec  ou sans de petites quantités de matière colo  rante telle que de l'oxyde de chrome ou de  l'oxyde de fer) et que l'on maintient des con  ditions     thermiques    stables,     l'oxyde    de titane       sc    concentre dans une zone voisine du pour  ,.onr du cristal, tandis que la partie centrale       a'en    contient sensiblement pas.

   Cela est gê  nant, en particulier lorsqu'on provoque la       croissance    du saphir bleu, car la couleur  bleue, qui est due, au moins en partie, à  l'oxyde de titane, se concentre près de la sur  face du cristal, tandis que le centre reste     sen-          siblenient    incolore. Toutefois, dans le rubis,  la couleur rouge se répand dans tout. le cristal.  



  On a observé récemment. que, lorsqu'on  provoque la croissance d'un saphir ou d'un       rubis    synthétique sous la. forme précitée, dans  des conditions thermiques stables, à     partir     d'une poudre contenant une petite quantité       d'oxyde    de titane comme élément additionnel  essentiel, par exemple 0,1 à     0,31/o    d'oxyde de  titane et qu'on le traite     thermiquement    à une  température comprise entre 1100 et 1500 , un    composé du titane, probablement de l'oxyde  de titane, précipite de la solution solide sous  la forme d'un louche, soyeux, et le cristal pré  sente de l'astérie.

   On taille des cabochons de  rubis et de saphirs à étoile, synthétiques, dans  des corps de ces cristaux     astériés,    à la façon  habituelle, c'est-à-dire de façon que la tan  gente au dôme convexe de la pierre, à son som  met, soit. normale à l'axe cristallographique c  (qui est ainsi parallèle à l'axe géométrique  de la pierre), que le dôme contienne la zone  périphérique     astériée    et que la base sensible  ment plate de la pierre soit normale à l'axe c.  La pierre résultante présente une étoile     à,    six       rayons,    bien définie, lorsqu'on la regarde à  la lumière réfléchie.  



  Du fait de la forme géométrique du corps  et de la concentration de l'oxyde de titane  dans une zone périphérique, on a l'habitude  de tailler des cabochons dans des corps pré  sentant une orientation d'axe c de     90 ,    de ma  nière à obtenir des étoiles complètes sensible  ment symétriques. Dans un cabochon de ce  genre, des surfaces du dôme découpées dans  la zone périphérique contenant de l'oxyde de  titane présentent de     l'astérie,    mais des surfaces  des côtés opposés, voisines de la. base du cabo  chon, sont souvent taillées dans     l'intérieur    du  corps, en dessous de la zone périphérique con  tenant l'oxyde de titane et, par suite, elles  peuvent ne pas présenter d'astérie.

   En consé  quence, les rayons de l'étoile qui descendent  vers ces côtés opposés sont légèrement plus      courts que les autres     rayons    qui     vont    tout     du     long     jusqu'à    la base. En outre, dans un saphir  bleu, à. étoile, synthétique, les deux     surfaees,     opposées     ci-dessus    mentionnées ne comportent  sensiblement. pas de couleur bleue, de sorte  que, lorsqu'on examine un tel saphir, il peut  présenter une large bande bleue     astériée     s'étendant en travers du dessus du cabochon  et que les deux extrémités opposées du cabo  chon peuvent. ne comporter sensiblement ni  couleur, ni astérie.  



  En outre, la. couleur des saphirs bleus  synthétiques à étoile n'a. pas, jusqu'ici, été la  plus intéressante au point de     vue    esthétique,  étant donné qu'elle est gris bleu foncé au  lieu d'être d'un beau bleu brillant, moyenne  ment. foncé. D'après le système     Muinsell    de  notation des couleurs, la qualité de la couleur  n'a été que d'environ 4, alors qu'une qualité  de couleur comprise entre 8 et 10 est dési  rable pour les mêmes teinte et valeur de cou  leur.  



  La présente invention permet d'éviter les  inconvénients ci-dessus. Le procédé selon l'in  vention pour la fabrication d'un corps     mono-          cristallin    de corindon synthétique par fusion       d'Lin    mélange pulvérulent d'alumine et d'un  composé du titane, et accumulation progres  sive du mélange fondu sur un support où il  cristallise, est caractérisé par le fait que     1'o11     fait varier les conditions thermiques régnant  pendant l'accumulation et la cristallisation de  la masse fondue de manière à provoquer la  croissance du corps     monocristallin    en couches  successives minces,     convexes,    sous forme de  deux séries de couches alternantes,

   différant       d'une    série à. l'autre par la répartition du  composé de titane.  



  On maintient     avantageusement    des condi  tions thermiques variables en augmentant et  diminuant: alternativement le taux de la cha  leur fournie au     cristal    en croissance, par  exemple en augmentant. et diminuant alter  nativement l'intensité de chauffage de la  flamme à intervalles fréquents, mais il est  bien entendu que les spécialistes pourront  trouver d'autres     moyens        pour    maintenir des  fluctuations des conditions thermiques.    L'invention comprend également le corps       nionocristallin    de corindon     synthétique,    obtenu  par le procédé selon l'invention.  



  Comme on le sait, les corps de saphir et  de rubis synthétiques venus de croissance sont  d'ordinaire fendus verticalement pour suppri  mer les tensions internes avant de continuer  à. les     travailler.    On peut éviter cela en sou  mettant le corps au recuit, à une     température     comprise entre 1900 et     2000 .     



  Le procédé selon l'invention permet     aussi     d'obtenir     des    corps     monoeristallins    de corin  don synthétique présentant. de l'astérie de  façon apparente (mais non réelle), de manière  homogène dans toute leur niasse;

   il suffit de  traiter     thermiquement,    à. une température     eom-          prise    entre 1100 et 1500 , les     corps        préalable-          Ment    réchauffés ou non, dont la croissance a  été réalisée dans les conditions ci-dessus.     Un     composé de titane, probablement du     bioxyde     de titane, sous la forme de petits     cristaux        (le     rutile, précipite alors de la. solution solide  dans toute l'épaisseur des couches mince  alternantes, mais seulement.

   au voisinage du  pourtour des couches minces intermédiaire,  du fait, de la nouvelle répartition de l'oxyde  de titane.  



  Lorsqu'on taille une pierre en forme (le  cabochon à la faon habituelle, à partir du  produit     astérié        ci-dessus    décrit, de manière  telle que le dôme convexe du cabochon soit  disposé symétriquement par rapport à un axe       géométrique    et que l'axe c du cristal soit  parallèle à l'axe géométrique, on constate que  les six rayons de l'étoile     descendent    également  sur les côtés de la pierre     jusqu'à    sa base. En  outre, dans un saphir bleu, on obtient la  couleur bleu brillant. la     plus        intéressante,    ayant  qualité de couleur comprise entre 8 et 10  du système     Munsell.     



  Ces pierres à étoile     présentent.    parfois Lui  aspect. à bandes lorsque le cabochon est taillé  dans un corps dont l'axe c a une orientation  bien supérieure à 0 , du fait (tue le dôme  coupe nettement les différentes couches, cer  taines des couches     alternantes    n'étant pas       astériées    sur une partie de leur largeur.

   En  conséquence, pour obtenir une homogénéité           apparente    dans l'aspect d'un cabochon de  rubis ou de saphir bleu, il est. bon de provo  quer la croissance du corps du cristal de     corin-           < lon    synthétique selon un axe c orienté à envi  ron 0  par rapport à l'axe longitudinal de  croissance du corps (une tolérance d'envi  ron 5  étant     admissible    pour la commodité de  la fabrication) 'et de tailler le cabochon dans  la totalité du corps avec un dôme convexe  ayant environ la même courbure que les cou  ches du corps.

   Toutefois, il est, possible de  tailler commercialement de     facon        satisfaisante     des cabochons à étoile à partir de corps et de       demi-corps    de rubis ou de saphirs bleus, pré  sentant des orientations bien supérieures à 0 ,  par exemple de 90 .  



  On va décrire maintenant l'invention en  se référant au dessin annexé, dans lequel:  La     fig.    1 est une coupe verticale schéma  tique, avec parties en élévation, d'un appareil  utilisable pour exécuter le procédé selon l'in  vention.  



  La     fig.    2 est une vue latérale en élévation  d'un corps de corindon synthétique.  



  La     fig.    3 est une coupe longitudinale à  grande échelle de la partie du corps comprise  entre les plans     a--a    .et     b-b    de la     fig.    2.  



  La     fig.    4 est une vue schématique, ana  logue à celle de la     fig.    3, montrant comment.  une pierre peut être taillée en forme de cabo  chon à partir du corps présentant un axe c  orienté à 0 .  



  La.     fig.    5 est une vue schématique, analogue  à celle de la     fig.    3, montrant comment on  peut tailler une pierre en forme de cabochon  à partir d'un corps dont. l'axe c est orienté  à 90 .  



  La     fig.    6 est une vue en perspective, en  regardant par-dessous, du dôme d'une pierre  en corindon     astérié,    taillée en forme de cabo  chon.  



  La     fig.    7 est une vue latérale en élévation  de la pierre représentée sur la     fig.    6.  



  On place     dans    un tamis 11, en forme de  panier, contenu dans une trémie 13, de la  poudre d'alumine à laquelle on a mélangé de       0,1    à     0,3%        d'oxyde        de        titane        en        poids        comme     ingrédient additionnel essentiel (avec le colo-         rant.    nécessaire pour un cristal particulier,  par exemple une petite quantité d'oxyde de  chrome pour le rubis ou d'oxyde ferrique pour  le saphir bleu).

   On fait passer périodique  ment de la poudre à travers le tamis en frap  pant par intermittence sur un tas 15 qui fait  saillie dans le haut du tamis, à l'extérieur de  la trémie, au moyen d'un marteau pivotant  1.7 actionné par une came tournante 19. La  poudre est entraînée par un courant d'oxy  gène gazeux amené à la trémie 13 par une  conduite 21 raccordée à deux conduites d'ali  mentation 22 et 24, après quoi le courant  d'oxygène chargé de poudre descend dans un  tuyau central 23 faisant partie d'un brûleur  vertical 25.  



  Un gaz combustible, par exemple clé  l'hydrogène, arrive par une conduite 27 dans  une enveloppe 29 entourant le tuyau 23 d'ar  rivée de l'oxygène, et ce gaz descend jusqu'à  la sortie du tuyau d'oxygène où l'hydrogène  et l'oxygène se mélangent. Le mélange d'oxy  gène et d'hydrogène chargé de poudre quitte  la tuyère et brûle en donnant une flamme  dirigée vers le bas et assurant un     chauffage     intense dans une enveloppe 31 entourant  l'extrémité supérieure d'un     support    vertical  33 portant un cristal de corindon 35 sur lequel  se fera la     croissance.    Ce cristal 35 est monté  de façon que son axe c fasse, avec l'axe sui  vant lequel se fera la croissance du corps, le  même angle que celui qu'on désire avoir dans  le corps,

   par exemple     901,    ou     011.     



  La poudre tombe     dans    la flamme et s'accu  mule à l'état fondu     sur    le cristal 35 dont le  dessus a. été fondu dans la flamme. A mesure  que la matière fondue s'accumule, on provo  que une cristallisation     progressive    donnant un  seul cristal 37 ayant la même orientation     cris-          tallographique    que le cristal de base 35, en  abaissant graduellement le support 33 pour  l'écarter verticalement de la flamme et ré  duire progressivement la température de la  matière fondue jusqu'à son point de solidi  fication.

   On peut     utiliser    n'importe quel mé  canisme de descente approprié, par exemple  une vis 39 portant un écrou mobile 41 sur  lequel le support est fixé,      On règle la forme et la dimension du cris  tal en donnant. à la flamme une dimension et  une température appropriées et en maintenant  un taux d'alimentation convenable de la pou  dre et une vitesse appropriée de descente du  cristal, comme cela est. bien connu dans la  partie.

   On poursuit la croissance du cristal  de façon à former un corps ou boule 43,  représenté sur la     fig.    2, de section transver  sale circulaire, présentant une extrémité infé  rieure on pied 45 de faible diamètre qui va  en s'élargissant en montant jusqu'à un corps  principal 47 de diamètre relativement grand,  en augmentant le débit, du gaz et le taux  d'écoulement. de la poudre.  



  Pendant que le corps principal 47 de la  boule augmente, on maintient autour du cris  tal des     conditions    thermiques variables en aug  mentant et diminuant alternativement, à  intervalles fréquents, le taux d'alimentation  en oxygène de la. flamme d'oxygène et d'hydro  gène, par exemple en le faisant varier entre 28  et 85 litres à l'heure. Ceci peut se faire de  façon avantageuse en ouvrant et fermant un  robinet de commande 48 de la conduite 24  d'alimentation en oxygène, tout en maintenant  une arrivée constante de gaz par l'autre con  duite 22 d'alimentation en     oxygène    et par la  conduite 27 d'alimentation en hydrogène.

   Le  cristal augmente alors suivant. une série de  minces couches transversales, réparties longi  tudinalement et convexes vers le haut et dans  lesquelles les couches déposées pendant. les pé  riodes de faible arrivée d'oxygène comportent  de l'oxyde de titane sur toute leur largeur,  tandis que les couches     intermédiaires    déposées  pendant. les périodes de forte arrivée     d'oxy-          glène    ne contiennent, de l'oxyde de titane que  dans les zones périphériques annulaires. lie,;  couches ont environ 0,1 mm     d'épaisseur    lors  qu'un corps croît à. raison de 13 mm à l'heure  et que l'on fait varier l'arrivée d'oxygène  toutes les 30 secondes.  



       Dans    un exemple, on a fait. croître un  corps- de saphir bleu de 60 carats, avec un  axe c orienté à. 0 , à partir     d'une    poudre     con-          tenant        99,5%        d'alumine        mélangée        avec        0,20-0          d'oxyde        de        titane        et        0,3%        d'oxyde        ferrique        en       poids, en utilisant.

   de     l'hydrogène    à raison  < le  3000 litres à l'heure et de l'oxygène à. raison  de 1047 et 1090 litres à     l'Heure,    en     alternant     pendant des périodes d'environ 30     secondeN.     



       Dans    un autre exemple, on a,     provoqué    la  croissance     d'im    corps de rubis de 25 mm de  diamètre avec un axe e orienté à     90 ,    à. partir  d'une poudre contenant     98,91;

  o    d'alumine     mé-          langée        à.        0,1%        d'oxyde        de        titane        et    1     %        d'oxyde     de chrome en poids, avec     mie        variation   <B>do</B>  63 litres à.     l'heure    dans l'arrivée     d'oxygène,     toutes les 30 secondes environ.  



  Après avoir achevé la. croissance du corps  43 par le procédé ci-dessus décrit, on le<I>ré-</I>  chauffe, ou on le fend verticalement de façon  bien connue. L'ensemble du     corps    réchauffé,  ou les moitiés du corps fendu, subissent un  traitement thermique servant à donner l'asté  rie, afin de précipiter un composé du titane,  probablement de l'oxyde de titane. sous forme  de rutile, à partir de la. solution solide dans  le cristal de corindon.

   On chauffe à cet effet  le cristal pendant plus de deux heures 'a une       température    comprise entre 1100 et. 1500 , jus  qu'à ce qu'il se forme un louche par précipi  tation, le temps de chauffage variant en rai  son inverse de la.     température.    Lorsqu'on fend  le corps     astérié    verticalement et qu'on l'exa  mine avec un fort grossissement, on y cons  tate des couches alternantes 49     (fig.    3)

   conte  nant sur toute leur largeur     titi    précipité lou  che et soyeux de composé     chi    titane et des  couches intermédiaires 51 contenant un pré  cipité de composé du titane qui n'est visible  que dans des zones annulaires minces au voi  sinage de leur périphérie et qui ne contien  nent sensiblement pas de ce précipité visible  au voisinage du centre du corps.     Dans        tin     corps de saphir bleu, la couleur bleue     s'étend     également sur toute la. largeur des couches  alternantes 49, mais elle est, limitée aux zones  périphériques des couches intermédiaires 51.       Toutefois,    un corps de rubis est complètement  rouge sur toute la largeur (le toutes les cou  ches.  



  On peut tailler alors un cabochon qui pré  sente une étoile à six rayons bien centrés, à  partir du corps de corindon     astérié.    De préfé-           renee,    afin d'obtenir une pierre ayant l'aspect.  et la couleur les plus uniformes et homogènes,  on part d'un corps dont l'axe     cristallographi-          que    c est orienté à 0 , c'est-à-dire dont l'axe c       (c--c,        fig.    4) est parallèle à l'axe longitudinal       (le    croissance vertical de ce corps. Comme on  1     e    voit sur la     fig.    4, on peut alors en effet.

    tailler un cabochon 53 dans un corps 43, de       faeon    que son dôme convexe 55 ait. sensible  ment la même courbure que les couches  courbes 49 et 51 du corps. Dans un cabochon  de ce genre, il y a de façon apparente une       répartition    continue de la couleur et l'on n'a  pas l'aspect. nuisible de bandes comme il peut  parfois s'en présenter     clans    un cabochon qui  a été taillé dans un corps dont l'axe c a une  orientation supérieure à 0  (ce qui oblige à  faire la taille de façon que le dôme 55 coupe       les,        différentes    couches suivant un grand  angle).

   En outre, lorsqu'on taille un saphir  bleu à     partir    d'un .corps à 0", la partie la  plus mince du cabochon,     ail    voisinage de son       bord,    provient. de la partie du corps ayant  la couleur bleue la plus foncée, du fait de  l'existence de la couleur dans les zones péri  phériques voisines des couches 49 et 51, ce qui  donne une couleur uniforme     sur    tout. le dôme  du cabochon.  



  Au point de vue commercial, on peut  également tailler des cabochons en saphir et  en rubis synthétiques donnant satisfaction, à.  partir du corps 43'     (fig.    5) à 90 , de façon  (lue la courbure des couches minces 49' et 51'  soit approximativement tangente à l'axe géomé  trique du cabochon 53' et que la base sensible  ment plate 56' du cabochon coupe les diffé  rentes couches 49' et 51' suivant un grand  angle d'environ 90 . Cette façon de faire est  particulièrement avantageuse pour tailler un       cabochon    ayant un diamètre supérieur à celui  du corps.  



  Les     fig.    6 et 7 montrent l'aspect de pierres  taillées à partir de corps fabriqués conformé  ment. à l'invention, dans lesquelles les six  rayons de l'étoile 57 descendent. tout le long  des côtés du cabochon 53 jusqu'à la base 56  et ont la même intensité, ce qui ajoute     beau-          eoup    à l'aspect agréable de la pierre.

      Il est évident que l'on peut maintenir des  conditions thermiques variables autour du  cristal en croissance autrement qu'en -modi  fiant l'arrivée d'oxygène, par exemple en mo  difiant l'arrivée d'hydrogène, en modifiant à  la fois l'arrivée d'oxygène et d'hydrogène, en  modifiant la vitesse d'arrivée de la poudre  ou en changeant régulièrement la position  dans le four du cristal en croissance, par  exemple en faisant descendre et monter alter  nativement le cristal.



  <B> Process for manufacturing a single crystal body </B> of synthetic corundum. </B> The present invention relates to a process for manufacturing a monocrystalline body of synthetic corundum.



  When one causes the growth of a single crystal of synthetic corundum containing a titanium compound, in the form of a generally cylindrical body, by the well-known Verneuil process, from alumina powder to which one has mixed a small amount of titanium oxide powder (with or without small amounts of coloring material such as chromium oxide or iron oxide) and that stable thermal conditions are maintained, the titanium oxide sc concentrates in an area close to the pros, .onr of the crystal, while the central part contains substantially none.

   This is troublesome, especially when causing the growth of blue sapphire, because the blue color, which is due, at least in part, to titanium oxide, is concentrated near the surface of the crystal, while the center remains appreciably colorless. However, in ruby, the color red pervades everything. crystal.



  We observed recently. that when a synthetic sapphire or ruby is caused to grow under the. aforementioned form, under stable thermal conditions, from a powder containing a small amount of titanium oxide as an essential additional element, for example 0.1 to 0.31 / o of titanium oxide and that it is heat treated at a temperature between 1100 and 1500, a titanium compound, probably titanium oxide, precipitates from the solid solution in the form of a ladle, silky, and the crystal presents from the asteria.

   Cabochons of rubies and star sapphires, synthetic, are cut in the bodies of these asterized crystals, in the usual way, that is to say so that the tan gente at the convex dome of the stone, at its height. met, so be it. normal to the crystallographic axis c (which is thus parallel to the geometric axis of the stone), that the dome contains the asterized peripheral zone and that the substantially flat base of the stone is normal to the axis c. The resulting stone exhibits a well-defined six-rayed star when viewed in reflected light.



  Due to the geometrical shape of the body and the concentration of titanium oxide in a peripheral zone, it is customary to cut cabochons in bodies having a c axis orientation of 90, in the same way. obtain complete stars which are substantially symmetrical. In such a cabochon, surfaces of the dome cut in the peripheral area containing titanium oxide have asteria, but surfaces on opposite sides, adjacent to the. base of the cabo chon, are often cut into the interior of the body, below the peripheral zone containing the titanium oxide and, therefore, they may not present an asteria.

   As a result, the rays of the star that descend to these opposite sides are slightly shorter than the other rays that go all the way to the base. In addition, in a blue sapphire, at. star, synthetic, the two opposite surfaees mentioned above do not feature significantly. not blue in color, so when looking at such a sapphire it may show a large blue asterisk band extending across the top of the cabochon and both opposite ends of the cabo chon can. not contain significantly any color or asterisk.



  In addition, the. color of synthetic blue star sapphires did. not, so far, been the most attractive from an aesthetic point of view, given that it is dark blue gray instead of a beautiful, medium brilliant blue. dark. According to the Muinsell system of color grading, the color quality was only about 4, while a color quality between 8 and 10 is desirable for the same tint and color value. .



  The present invention makes it possible to avoid the above drawbacks. The process according to the invention for the manufacture of a monocrystalline body of synthetic corundum by melting Lin powder mixture of alumina and a titanium compound, and progressive accumulation of the molten mixture on a support where it crystallizes, is characterized in that o11 varies the thermal conditions prevailing during the accumulation and crystallization of the melt so as to cause the growth of the single crystal body in successive thin, convex layers, in the form of two series of alternating layers,

   differing from series to series. the other by the distribution of the titanium compound.



  Variable thermal conditions are advantageously maintained by increasing and decreasing: alternately the rate of heat supplied to the growing crystal, for example by increasing. and alternatively decreasing the heating intensity of the flame at frequent intervals, but it is understood that specialists will be able to find other means to maintain fluctuations in thermal conditions. The invention also comprises the synthetic corundum nionocrystalline body obtained by the process according to the invention.



  As is known, the bodies of sapphire and synthetic ruby that have grown up are usually split vertically to relieve internal stresses before continuing to. work them. This can be avoided by subjecting the body to annealing at a temperature between 1900 and 2000.



  The process according to the invention also makes it possible to obtain monoeristalline bodies of synthetic corin presenting. of the asteria in an apparent (but not real) way, in a homogeneous way in all their mass;

   it suffices to heat treat, to. a temperature between 1100 and 1500, the bodies preheated or not, the growth of which was carried out under the above conditions. A titanium compound, probably titanium dioxide, in the form of small crystals (rutile then precipitates from solid solution throughout the thickness of the alternating thin layers, but only.

   in the vicinity of the periphery of the thin intermediate layers, due to the new distribution of the titanium oxide.



  When cutting a shaped stone (the cabochon in the usual way, from the asterisk product described above, such that the convex dome of the cabochon is arranged symmetrically with respect to a geometric axis and the c axis of the crystal is parallel to the geometric axis, we see that the six rays of the star also descend on the sides of the stone to its base.In addition, in a blue sapphire, we obtain the color brilliant blue. more interesting, having color quality between 8 and 10 of the Munsell system.



  These star stones present. sometimes Him aspect. with bands when the cabochon is cut from a body whose axis has an orientation much greater than 0, due to the fact (kills the dome clearly cuts the different layers, some of the alternating layers not being asteried over part of their width .

   As a result, to achieve apparent homogeneity in the appearance of a ruby or blue sapphire cabochon it is. good to induce the growth of the body of the synthetic corin- lon crystal along a c axis oriented at about 0 with respect to the longitudinal axis of growth of the body (a tolerance of about 5 being admissible for the convenience of manufacturing) 'and cut the cabochon in the entire body with a convex dome having approximately the same curvature as the layers of the body.

   However, it is possible to commercially cut star cabochons satisfactorily from bodies and half-bodies of rubies or blue sapphires, having orientations much greater than 0, for example 90.



  The invention will now be described with reference to the accompanying drawing, in which: FIG. 1 is a diagrammatic vertical section, with parts in elevation, of an apparatus usable for carrying out the method according to the invention.



  Fig. 2 is a side elevational view of a body of synthetic corundum.



  Fig. 3 is a longitudinal section on a large scale of the part of the body lying between the planes a - a. And b-b of FIG. 2.



  Fig. 4 is a schematic view, analogous to that of FIG. 3, showing how. a stone can be cut in the shape of a cabo chon from the body having a c axis oriented at 0.



  Fig. 5 is a schematic view, similar to that of FIG. 3, showing how a cabochon-shaped stone can be cut from a body of which. the c axis is oriented at 90.



  Fig. 6 is a perspective view, looking from below, of the dome of an asteroid corundum stone, cut in the shape of a cabo chon.



  Fig. 7 is a side elevational view of the stone shown in FIG. 6.



  Alumina powder to which 0.1 to 0.3% titanium oxide has been mixed by weight as an additional essential ingredient is placed in a sieve 11, in the form of a basket, contained in a hopper 13 ( with the dye needed for a particular crystal, for example a small amount of chromium oxide for ruby or ferric oxide for blue sapphire).

   Powder is periodically passed through the sieve by knocking intermittently over a pile which protrudes into the top of the sieve, outside the hopper, by means of a pivoting hammer 1.7 actuated by a cam. rotating 19. The powder is entrained by a stream of oxygen gas supplied to the hopper 13 by a pipe 21 connected to two supply pipes 22 and 24, after which the stream of oxygen charged with powder descends in a pipe central 23 forming part of a vertical burner 25.



  A combustible gas, for example hydrogen, arrives through a pipe 27 in a casing 29 surrounding the oxygen inlet pipe 23, and this gas goes down to the outlet of the oxygen pipe where the hydrogen and oxygen mix. The mixture of oxygen and hydrogen charged with powder leaves the nozzle and burns giving a flame directed downwards and ensuring intense heating in an envelope 31 surrounding the upper end of a vertical support 33 carrying a crystal of corundum 35 on which the growth will take place. This crystal 35 is mounted so that its axis c makes, with the following axis which will grow the body, the same angle as that which one wishes to have in the body,

   for example 901, or 011.



  The powder falls into the flame and collects in the molten state on the crystal 35 whose top a. been melted into flame. As the molten material accumulates, a gradual crystallization is caused to give a single crystal 37 having the same crystallographic orientation as the base crystal 35, gradually lowering the support 33 to separate it vertically from the flame and gradually reduce the temperature of the molten material to its point of solidification.

   Any suitable descent mechanism can be used, for example a screw 39 carrying a movable nut 41 on which the support is fixed. The shape and size of the cris tal can be adjusted by giving. flame an appropriate size and temperature and maintaining a proper powder feed rate and crystal descent rate as is. well known in the game.

   The growth of the crystal is continued so as to form a body or ball 43, shown in FIG. 2, of circular cross-section, having a lower end one foot 45 of small diameter which widens upwards to a main body 47 of relatively large diameter, increasing the flow rate, gas and the rate of 'flow. powder.



  As the main body 47 of the ball expands, varying thermal conditions are maintained around the cris tal by alternately increasing and decreasing, at frequent intervals, the rate of oxygen supply to the. flame of oxygen and hydrogen, for example by varying it between 28 and 85 liters per hour. This can be done advantageously by opening and closing a control valve 48 of the oxygen supply line 24, while maintaining a constant flow of gas through the other oxygen supply line 22 and through the line. 27 hydrogen supply.

   The crystal then increases next. a series of thin transverse layers, distributed longi tudinally and convex upwards and in which the deposited layers hang. periods of low oxygen supply have titanium oxide over their entire width, while the intermediate layers deposited during. periods of strong oxygen influx only contain titanium oxide in the peripheral annular zones. lie ,; Layers are about 0.1mm thick when a body grows out. at a rate of 13 mm per hour and that the oxygen supply is varied every 30 seconds.



       In one example, we did. grow a 60-karat blue sapphire body, with a c-axis facing out. 0, from a powder containing 99.5% alumina mixed with 0.20-0 titanium oxide and 0.3% ferric oxide by weight, using.

   hydrogen at a rate <3000 liters per hour and oxygen at. rate of 1047 and 1090 liters per hour, alternating for periods of approximately 30 seconds.



       In another example, a 25 mm diameter ruby body was grown with an e axis oriented at 90 to. from a powder containing 98.91;

  o alumina mixed with. 0.1% titanium oxide and 1% chromium oxide by weight, with a variation of <B> do </B> 63 liters to. the hour in the arrival of oxygen, every 30 seconds.



  After completing the. growth of the body 43 by the method described above, it is <I> reheated, or it is split vertically in a well known manner. The whole heated body, or the halves of the split body, undergo a heat treatment serving to give the asteria, in order to precipitate a titanium compound, probably titanium oxide. in the form of rutile, from the. solid solution in corundum crystal.

   The crystal is heated for this purpose for more than two hours at a temperature between 1100 and. 1500, until a ladle formed by precipitation, the heating time varying due to its inverse of. temperature. When the asteroid body is split vertically and examined with high magnification, alternating layers are found 49 (fig. 3).

   containing over their entire width a slender and silky precipitate of chi-titanium compound and intermediate layers 51 containing a precipitate of titanium compound which is visible only in thin annular zones around their periphery and which does not contain substantially no of this visible precipitate near the center of the body. In a blue sapphire body, the blue color also extends throughout. width of the alternating layers 49, but it is, limited to the peripheral areas of the intermediate layers 51. However, a ruby body is completely red over the entire width (all layers.



  We can then cut a cabochon which presents a star with six well centered rays, from the corundum body with asterisks. Preferably, in order to obtain a stone having the appearance. and the most uniform and homogeneous color, we start with a body whose crystallographic axis c is oriented at 0, that is to say whose axis c (c - c, fig. 4) is parallel to the longitudinal axis (the vertical growth of this body. As seen in Fig. 4, then indeed.

    cut a cabochon 53 in a body 43, so that its convex dome 55 has. substantially the same curvature as the curved layers 49 and 51 of the body. In a cabochon of this kind, there is apparently a continuous distribution of color and one does not have the appearance. harmful bands as it can sometimes appear in a cabochon which has been cut from a body whose axis has an orientation greater than 0 (which obliges to make the size so that the dome 55 cuts the different layers at a wide angle).

   Furthermore, when cutting a blue sapphire from a 0 "body, the thinnest part of the cabochon, near its edge, comes from the part of the body with the darkest blue color, due to the existence of the color in the peripheral areas neighboring the layers 49 and 51, which gives a uniform color over the entire dome of the cabochon.



  From a commercial point of view, one can also cut cabochons out of sapphire and synthetic ruby giving satisfaction to. from body 43 '(fig. 5) to 90, so (read the curvature of thin layers 49' and 51 'is approximately tangent to the geometric axis of cap 53' and that the substantially flat base 56 'of cabochon cuts the different layers 49 'and 51' at a large angle of about 90. This way of doing things is particularly advantageous for cutting a cabochon having a diameter greater than that of the body.



  Figs. 6 and 7 show the appearance of stones cut from bodies manufactured accordingly. to the invention, in which the six rays of the star 57 descend. all along the sides of cabochon 53 to base 56 and have the same intensity, which adds a great deal to the pleasing appearance of the stone.

      It is obvious that one can maintain variable thermal conditions around the growing crystal other than by modifying the arrival of oxygen, for example by modifying the arrival of hydrogen, by modifying at the same time the arrival of oxygen and hydrogen, by modifying the speed of arrival of the powder or by regularly changing the position in the furnace of the growing crystal, for example by alternately lowering and ascending the crystal.

 

Claims (1)

REVENDICATIONS I. Procédé de fabrication d'un corps mono- cristallin de corindon synthétique par fusion d'un mélange pulvérulent d'alumine et d'un composé du titane, et accumulation progres sive du mélange fondu sur un support où il cristallise, caractérisé par le fait. que l'on fait varier les conditions thermiques régnant pen dant. l'accumulation et la cristallisation de la finasse fondue clé manière à provoquer la croissance du corps monocristallin en couches successives minces, convexes, sous forme de deux séries de couches alternantes, différant d'une série à l'autre par la répartition du composé de titane. II. CLAIMS I. A method of manufacturing a monocrystalline body of synthetic corundum by melting a pulverulent mixture of alumina and a titanium compound, and progressive accumulation of the molten mixture on a support where it crystallizes, characterized by the fact. that the thermal conditions prevailing during the period are varied. the accumulation and crystallization of the molten finasse key so as to cause the growth of the monocrystalline body in successive thin, convex layers, in the form of two series of alternating layers, differing from one series to another in the distribution of the compound of titanium. II. Corps monocristallin de corindon syn thétique obtenu par le procédé selon la reven dication I. SOUS-REVENDICATIONS 1. Procédé suivant la revendication I, ca ractérisé par le fait que l'on provoque la croissance du corps monocristallin, de façon que l'axe c soit parallèle à l'axe longitudinal de croissance. 2. Procédé suivant la revendication I, ca ractérisé par le fait que l'on provoque la croissance du corps monocristallin de façon que l'axe c soit perpendiculaire à l'axe longi tudinal de croissance. 3. Procédé suivant la. revendication I, ca ractérisé par le fait que le composé du titane est l'oxyde de titane. 4. A single crystal body of synthetic corundum obtained by the process according to claim I. SUB-CLAIMS 1. A process according to claim I, characterized in that the single crystal body is caused to grow so that the c axis either parallel to the longitudinal axis of growth. 2. Method according to claim I, ca ractérisé in that the growth of the single crystal body is caused so that the c axis is perpendicular to the longitudinal axis of growth. 3. Process according to. claim I, characterized by the fact that the titanium compound is titanium oxide. 4. Procédé suivant la revendication I et la sous-revendication 3, caractérisé par le fait que cet oxyde de titane représente de 0,1 à 0,3 % en poids du mélange. 5. Procédé suivant la revendication I, ca ractérisé par le fait que l'on fait. varier les conditions thermiques en augmentant et rédui sant alternativement la quantité de chaleur fournie. 6. Process according to Claim I and sub-Claim 3, characterized in that this titanium oxide represents from 0.1 to 0.3% by weight of the mixture. 5. The method of claim I, ca acterized in that one does. vary the thermal conditions by alternately increasing and reducing the amount of heat supplied. 6. Procédé suivant la revendication I et. la sous-revendication 5, dans lequel on utilise une flamme produite par un combustible ga zeux et de l'oxygène, caractérisé par le fait que l'on augmente et réduit alternativement la quantité d'oxygène arrivant à la flamme. 7. Procédé suivant la revendication I et les sous-revendications 5 et 6, caractérisé par le fait que la quantité d'oxygène augmente et diminue alternativement d'une valeur com prise entre 28 et 85 litres à l'heure. 8. Procédé suivant. la revendication I et les sous-revendications 5 et 6, caractérisé par le fait que la. quantité d'oxygène arrivant à la flamme augmente et diminue alternative ment toutes les 30 secondes. 9. A method according to claim I and. Sub-claim 5, in which a flame produced by a gaseous fuel and oxygen is used, characterized in that the quantity of oxygen arriving at the flame is alternately increased and reduced. 7. Process according to claim I and sub-claims 5 and 6, characterized in that the quantity of oxygen increases and decreases alternately by a value comprised between 28 and 85 liters per hour. 8. Next process. Claim I and sub-claims 5 and 6, characterized in that the. quantity of oxygen arriving at the flame increases and decreases alternately every 30 seconds. 9. Procédé selon la revendication I, carac térisé par le fait que l'on recuit le mono cristal à une température comprise entre<B>1900</B> et 2000 . . 10. Procédé selon la revendication Ï, carac térisé par le fait qu'en vue d'obtenir un corps en monocristal de corindon astérié, on chauffe le monocristal à une température comprise entre 1100 et 1500 pendant plus de deui heures jusqu'à ce qu'il se forme un louche par précipitation. 1.1. Process according to Claim I, characterized in that the single crystal is annealed at a temperature between <B> 1900 </B> and 2000. . 10. The method of claim Ï, charac terized in that in order to obtain a single crystal body of asterized corundum, the single crystal is heated to a temperature between 1100 and 1500 for more than two hours until qu 'it forms a ladle by precipitation. 1.1. Corps monoeristallin selon la revendi cation II, caractérisé par le fait que, dans une série de couches le composé du titane est réparti uniformément dans toute la cou che, tandis que, dans la série de couches alter nantes, ce composé est au voisinage de la. péri phérie et qu'il n'y en a sensiblement pas an voisinage du centre. 12. Corps monocristallin selon la revendi cation II, caractérisé par le tait que les cou ches sont réparties symétriquement autour de L'axe longitudinal de croissance. 13. Monoeristalline body according to claim II, characterized in that, in a series of layers, the titanium compound is distributed uniformly throughout the layer, while, in the series of alternating layers, this compound is in the vicinity of the layer. . periphery and that there is noticeably none in the vicinity of the center. 12. Monocrystalline body according to revendi cation II, characterized in that the layers are distributed symmetrically around the longitudinal axis of growth. 13. Corps monoeristallin selon la revendi cation II, caractérisé par le fait que son axe c est sensiblement. parallèle à, l'axe longitudinal de croissance. 14. Corps monocristallin selon la revendi cation II, caractérisé par le fait qu'il mani feste clé l'astérie. Monoeristalline body according to claim II, characterized in that its axis c is substantially. parallel to, the longitudinal axis of growth. 14. Monocrystalline body according to revendi cation II, characterized in that it manifests key asteria.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE1646583B1 (en) * 1966-06-13 1971-04-08 Harbison Walker Refractories CERAMICALLY BONDED FIREPROOF MOLDED BODY OF HIGH TONER CONTENT
CH654971GA3 (en) * 1984-03-09 1986-03-27 Method for producing decorative pieces and decorative piece obtained by implementing this method

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