Zirkonia

Achtergrond

Een edelsteen of edelsteen kan worden gedefinieerd als een juweel of halfedelsteen die is gesneden en gepolijst voor persoonlijke versiering. Edelstenen geproduceerd in de Verenigde Staten en andere producerende landen zijn van drie soorten; natuurlijk, synthetisch en simulant. De natuurlijke edelstenen zijn gesneden uit mineralen van kristallijne vorm zoals beryl, korund en kwarts. (Diamant is een kristal van pure koolstof.) Organische materialen zoals barnsteen, koraal, fossiel, ivoor, parelmoer, natuurlijke en gekweekte zoetwaterparels en natuurlijke zoutwaterparels worden ook als natuurlijke edelstenen beschouwd.

In het laboratorium gekweekte synthetische edelstenen hebben in wezen hetzelfde uiterlijk, dezelfde optische, fysieke en chemische eigenschappen als het natuurlijke materiaal dat ze vertegenwoordigen. Synthetische edelstenen geproduceerd in de Verenigde Staten omvatten alexandriet, koraal, diamant, smaragd, granaat, kwarts, robijn, saffier, spinel en turkoois. Er zijn ook synthetische stenen die geen natuurlijke tegenhanger hebben.

Simulanten zijn in het laboratorium gekweekte edelsteenmaterialen die eruitzien als een natuurlijk edelsteenmateriaal, maar verschillende optische, fysische en chemische eigenschappen hebben. Cubic zirconia (CZ), een vervanging voor diamant, valt in deze categorie en werd voor het eerst gebruikt voor de productie van juwelenstenen in 1976. Op de hardheidsschaal voor stenen is de echte diamant een 10 vergeleken met een hardheid variërend van 8.5-9 voor CZ. CZ heeft een brekingsindex (het vermogen om een ​​lichtstraal te breken in de kleuren rood, oranje, groen, geel, violet en blauw) van 2,15-2,18, vergeleken met 2,42 voor echte diamant.

Voorlopers van zirconia als diamantimitaties waren strontiumtitanaat (geïntroduceerd in 1955) en yttrium-aluminium-granaat. Strontiumtitanaat was echter te zacht voor bepaalde soorten sieraden. Cubic zirkonia werd populairder omdat het uiterlijk heel dicht bij diamant ligt als geslepen edelstenen.

De simulanten van edelstenen die in de Verenigde Staten worden geproduceerd, zijn koraal, zirkonia, lapis lazuli, malachiet en turkoois. Bovendien zouden bepaalde kleuren van synthetische saffier en spinel, die worden gebruikt om andere edelstenen weer te geven, worden geclassificeerd als simulanten. Gekleurde en kleurloze varianten van CZ zijn de belangrijkste soorten simulanten die worden geproduceerd en zijn al meer dan 30 jaar op de markt. Net als bij echte diamant is CZ verkrijgbaar in zowel hogere als lagere kwaliteiten, variërend van enkele tientallen dollars per karaat tot $ 100 per karaat voor de hogere kwaliteiten.

In het afgelopen decennium is het gebruik en de acceptatie door de consument van synthetische en simulant-edelstenen toegenomen. Veel van deze groei is het directe resultaat van de erkenning van deze edelstenen voor hun eigen verdiensten, niet alleen als goedkope vervangers voor natuurlijke edelstenen. De jaarlijkse productie van Amerikaanse synthetische en simulant-edelstenen wordt momenteel geschat op ongeveer $ 20 miljoen, met de productie van natuurlijke edelstenen op ongeveer twee en een half keer dat.

Grondstoffen

Cubic zirconia is gemaakt van een mengsel van zeer zuivere zirkoniumoxidepoeders gestabiliseerd met magnesium en calcium. De hoeveelheid van elk ingrediënt wordt zorgvuldig gecontroleerd, waarbij soms bepaalde additieven worden gebruikt om een ​​vergelijkbaar uiterlijk te krijgen als echte diamanten.

Het fabricageproces

Producenten van synthetische en simulant-edelstenen gebruiken veel verschillende productiemethoden, maar ze kunnen worden gegroepeerd in een van de drie soorten processen:smeltgroei, oplossingsgroei of groei onder extreem hoge temperatuur en onder hoge druk. Oplossingstechnieken voor het maken van synthetische edelstenen omvatten fluxmethoden voor smaragd, robijn, saffier, spinel en alexandriet. De andere oplossingsmethode is de hydrothermische methode, die vaak wordt gebruikt voor het kweken van beryl (smaragd, aquamarijn en morganiet) en kwarts. Deze methode maakt gebruik van een groot drukvat dat een autoclaaf wordt genoemd.

Andere technieken omvatten reacties in vaste of vloeibare toestand en fasetransformaties voor jade en lapis lazuli; dampfaseafzetting voor robijn en saffier; keramiek voor turkoois, lapis lazuli en koraal; en andere voor opaal, of glas en kunststoffen simulanten of imitaties. De smeltprocessen van Vemeuil, Czochralski en schedel zijn de smelttechnieken die het meest worden gebruikt voor edelsteenmaterialen.

De Franse chemicus Edmond Fremy produceerde de eerste commerciële synthetische edelstenen in 1877 door middel van een smeltgroeimethode. Dit waren kleine robijnrode kristallen en werden gekweekt door een mengsel met aluminiumoxide samen te smelten in een kleikroes, het proces duurde ongeveer acht dagen. Deze werden gereconstrueerde robijnen genoemd. In 1885 verschenen grotere synthetische robijnen met behulp van een vlamfusieproces en aluminiumoxidepoeder. Later werden saffier, spinel, rutiel en strontiumtitanaat gekweekt met deze techniek, ook bekend als de Vemeuil-methode.

De Czochralski-methode voor getrokken groei, die rond 1917 werd ontwikkeld door een wetenschapper met dezelfde naam, wordt gebruikt voor robijn, saffier, spinel, yttrium-aluminium-gamet (YAG), gadolinium-gallium-granaat (GGG) en alexandriet. Bij de Czochralski-methode worden ingrediënten in poedervorm gesmolten in een smeltkroes van platina, iridium, grafiet of keramiek. Een kiemkristal wordt aan het ene uiteinde van een roterende staaf bevestigd, de staaf wordt in de smeltkroes neergelaten totdat het zaad de smelt net raakt, en dan wordt de staaf langzaam teruggetrokken. Het kristal groeit terwijl het zaad materialen uit de smelt trekt, en het materiaal koelt af en stolt. Maar vanwege de oppervlaktespanning van de smelt blijft het groeiende kristal in contact met het gesmolten materiaal en blijft het groeien totdat de smelt op is.

Typisch wordt het zaad uit de smelt getrokken met een snelheid van 0,0394-3,94 inch (1-100 mm) per uur. Kristallen die met deze methode zijn gekweekt, kunnen erg groot zijn, meer dan 1,97 inch (50 mm) in diameter en 3,281 ft (1 m) lang, en van zeer hoge zuiverheid. Elk jaar verbouwen producenten die deze methode gebruiken miljoenen karaat kristallen. De schedelsmeltmethode wordt gebruikt voor zirconia en zal hieronder in meer detail worden beschreven.

Bepaalde edelstenen vormen unieke problemen wanneer pogingen worden ondernomen om ze te laten groeien. De problemen ontstaan ​​omdat bepaalde materialen ofwel zo reactief zijn dat ze zelfs in niet-reactieve platina- en iridiumkroezen niet kunnen worden gesmolten, ofwel smelten bij hogere temperaturen dan de materialen van de kroes kunnen weerstaan. Daarom moet een ander smeltsysteem worden gebruikt, het schedelsmeltsysteem. Cubic zirconia, vanwege het hoge smeltpunt, moet met deze methode worden gekweekt.

Smelten

• 1 De "schedel" is een holwandige koperen beker. Door de holle wanden wordt water gecirculeerd om de binnenwand van de schedel te koelen. De beker wordt gevuld met ingrediënten in poedervorm en verwarmd door radiofrequentie-inductie totdat de poeders smelten. Omdat water de wanden van de schedel afkoelt, smelten de poedervormige materialen naast de wanden niet, en het gesmolten materiaal zit in een omhulsel van niet-gesmolten materiaal. Daarom is de reactieve smelt of smelt bij hoge temperatuur in zichzelf opgenomen.
• 2 Wanneer de warmtebron wordt verwijderd en het systeem wordt afgekoeld, vormen zich kristallen door kiemvorming en groeien totdat de gehele smelt stolt. Kristallen die met dit systeem worden gekweekt, variëren in grootte, afhankelijk van het aantal nucleaties. Bij het kweken van zirkonia levert een enkele schedel ongeveer 2,205 lb (1 kg) materiaal per cyclus op.

Snijden

De snede in elke steen, natuurlijk of imitatie, hangt af van de vaardigheid van de steenhouwer. De snijder moet een edelsteenkristal zorgvuldig evalueren om te bepalen hoeveel van het kristal moet worden weggesneden om een ​​steen of stenen met een goede helderheid te produceren. De snijder moet ook bepalen welke steenvormen maximaal gebruik zullen maken van het kristal. De slijper moet zoveel mogelijk gebruik maken van het kristal, want diamant is te waardevol om te verspillen.

Proportie speelt een belangrijke rol bij het slijpen van een diamant. Een ideale steen wordt volgens wiskundige specificaties gezaagd om een ​​maximale hoeveelheid licht door de steen te laten weerkaatsen. Dit type slijpvorm staat bekend als de Briljante slijpvorm. Afwijkingen van deze vaste verhoudingen kunnen de schittering van de steen verminderen. Bij het werken met diamanten kan het voor een slijper voordeliger zijn om vanuit deze hoeken te variëren om een ​​fout of insluiting te verwijderen, maar toch het maximale karaatgewicht te behouden. Omdat valse diamantkristallen gematigder zijn in prijs en bijna onberispelijk van helderheid, kunnen grotere stenen in de juiste verhoudingen worden gesneden.

• 3 Er zijn verschillende stappen bij het snijden. Eerst wordt de steen gemarkeerd om splijtvlakken aan te geven en vervolgens gespleten om de eerste vorm aan de steen te geven. Omdat kubieke zirkoniumoxide gemakkelijk splijt in richtingen evenwijdig aan het octaëdrische kristalvlak, kan het worden gekliefd met speciaal gereedschap dat geïmpregneerd is met diamantpoeder. Een alternatief voor klieven is zagen, dat wordt gebruikt om onvolkomenheden te verwijderen (imitatiestenen zullen er niet zoveel hebben) met behulp van een kleine schijf fosforbrons geïmpregneerd met diamant op de rand. Precisie-programmeerbare machines worden nu gebruikt om stenen tot een vooraf bepaalde maat te snijden (kalibratie genoemd), zodat elke steen in dezelfde maat, vorm en diepte kan worden geproduceerd.
• 4 De volgende stap, bruting of afronding genoemd, bestaat uit het afronden van de hoeken van de gekloofde randen. Dit wordt bereikt met behulp van een machine die is uitgerust met een diamantgereedschap dat een scherp wordt genoemd.
• 5 Na het ruwen of afronden wordt de steen gefacetteerd met een snijwiel van gietijzer. Polijsten volgt een secundaire facetbewerking.
• 6 De laatste stap is een grondige reiniging door in zuur te koken om alle sporen van olie, vuil en diamantpoeder te verwijderen. Nadat stenen onder een microscoop zijn geïnspecteerd, worden ze verpakt in een schuimverpakking.

Kwaliteitscontrole

De kwaliteit van een echte of imitatiesteen wordt bepaald door de vier C's:karaat, kleur, helderheid en slijpvorm. Het is de combinatie van de kwaliteiten in alle vier die de uiteindelijke kwaliteit en dus de waarde van zowel een echte als een imitatiediamant bepalen. Het karaatgewicht 0,0175 oz (0,5 g) van een echte diamant is het gewicht van de steen in karaatgewicht. Synthetische stenen zijn altijd zwaarder in karaat dan echte diamanten, omdat het materiaal waarvan ze zijn gemaakt dichter is.

De kleur van een diamant kan zijn waarde beïnvloeden. Volledige afwezigheid van kleur vertegenwoordigt de bovenkant van de schaal, en bleke, ongelijk getinte stenen vormen de onderkant. Diamanten met een ongewoon hoge mate van kleur staan ​​bekend als fantasieën en worden beoordeeld op de gelijkmatigheid, zeldzaamheid en toon van de kleur. Zowel echte als zirconia-diamanten zijn verkrijgbaar in verschillende kleuren, variërend van lichtgeel tot briljant rood.

De helderheid is de helderheid of transparantie van een steen. Bij echte diamanten wordt de helderheid bepaald door de natuur, minuscule minerale sporen en kleine kristallen van onvolkomenheden die een steen kunnen vertroebelen. Hoe helderder de steen, hoe waardevoller hij is. De helderheid van een nagemaakte diamant kan in het laboratorium worden gecontroleerd. Slechte smeltingen kunnen echter stenen produceren met kleine insluitsels. Variaties in de metaaloxidemengsels kunnen de kleur van de steen veranderen. Ongelijkmatige kleuring is net zo ongewenst in een nagemaakte diamant als in een echte diamant.

Van de vier C's is de slijpvorm de belangrijkste bij het bepalen van de schittering van een diamant. In 1919 bepaalde Marcel Tolkowsky, een derde generatie in Antwerpen geboren diamantslijper en student werktuigbouwkunde, de juiste verhoudingen waarin een diamant moet worden geslepen om maximaal vuur en schittering te verkrijgen. Dit ideaal, ook wel Brilliant Cut genoemd, is een objectief meetbare standaard. Elke briljant geslepen diamant heeft 58 facetten, geslepen onder nauwkeurige wiskundig bepaalde hoeken om maximale lichtstralen te reflecteren en te breken. Dit garandeert dat een diamant in de best mogelijke proporties is geslepen voor optimale schoonheid in plaats van simpelweg om het maximale karaatgewicht te behouden. In feite worden diamantaandeel en afwerkingsgraden gedefinieerd in termen van de mate van afwijking van deze norm. Bij de schedelsmeltmethode om zirkonia te laten groeien, wordt een holwandige koperen beker gevuld met ingrediënten in poedervorm en verwarmd door radiofrequentie-inductie totdat de poeders smelten. Het circulerende water binnen de holle wanden koelt de binnenwand van de schedel. Omdat water de wanden van de schedel afkoelt, smelten de poedervormige materialen naast de wanden niet, en het gesmolten materiaal zit in een omhulsel van niet-gesmolten materiaal. Daarom is de reactieve smelt of smelt bij hoge temperatuur in zichzelf opgenomen. Wanneer de warmtebron wordt verwijderd en het systeem wordt afgekoeld, vormen zich kristallen door kiemvorming en groeien totdat de gehele smelt stolt. Een enkele schedel levert ongeveer 2,205 lb (1 kg) zirkonia per cyclus. Deze norm wordt ook toegepast op imitatiediamanten gemaakt van zirconia.

Hoewel de 58 facet briljant geslepen staat bekend staat als de standaard maatstaf voor kwaliteit in de slijpindustrie, zijn er speciale gevallen waarin afwijkingen noodzakelijk zijn. Te veel lichtbreking in een klein gebied vermindert de helderheid, daarom kunnen extreem kleine stenen met minder facetten worden geslepen. Grotere stenen kunnen om de tegenovergestelde reden met meer facetten worden geslepen. De grootte van de steen kan de breedte van de facetten zo vergroten dat de glans verloren gaat. Het is niet ongebruikelijk om op deze manier diamanten van één karaat en hoger te vinden. Met de introductie van nieuwe slijpvormen zoals de radiant, de prinses en de biljoen, is de vraag naar veelzijdige stenen toegenomen.

Er zijn verschillende vormen die gesneden kunnen worden. De ronde levert maximale schittering, verspreiding, vuur en is de meest populaire van alle echte en imitatie diamantvormen. Het ovaal heeft een langwerpige vorm, een iets langwerpige vorm. Facetten rond het bovenste gedeelte van de steen lijken erg op de facetrangschikking op de ronde steen. Om deze reden geeft een goed geslepen ovale diamant een sprankelende uitstraling, die licht uit alle richtingen opvangt en weerkaatst. De tijd (acht tot 10 uur voor één karaat) die nodig is om een ​​ovaal te snijden, is ongeveer twee keer de tijd die nodig is voor het snijden van een ronde steen, omdat het meer tijd kost om de primaire vorm te geven.

Andere testmethoden worden gebruikt om optische en fysieke eigenschappen te meten. Een binoculaire microscoop wordt gebruikt om defecten zoals insluitsels op te sporen. De brekingsindex wordt gemeten met een refractometer. Het soortelijk gewicht van een steen wordt bepaald door te kijken of het zal zinken, opdrijven of stil blijven staan ​​in een vloeistof met een bekend soortelijk gewicht.

De Toekomst

Volgens experts uit de sector wordt verwacht dat de markt voor sieraden met zirkonia's een stabiele positie zal behouden, aangezien retailers op de massamarkt het aan hun klanten blijven aanbieden en de prijs blijft dalen. Cubic zirkonia wordt ook steeds winstgevender als vervanging voor echte diamant in oorknopjes, de diamanten solitaire en de tennisarmband. Met andere woorden, het wordt niet langer beschouwd als slechts een goedkope imitatie, vooral met verbeteringen in helderheid en reflectie. Voor de markt wordt dus een algemene groei van ongeveer 10% voorspeld. Hoewel onlangs een nieuwe diamantsimulant is geïntroduceerd, synthetische moissanite (een gekristalliseerd siliciumcarbide), zal de hogere prijs en het moeilijkere proces van dit materiaal de concurrentie met kubieke zirkonia beperken.