合成ルビー

---

背景

ダイヤモンド、ルビー、サファイア、エメラルドは貴重な宝石として知られています。ダイヤモンドの次に、ルビーは最も硬い宝石です。また、酸やその他の有害物質にも耐性があります。大きな宝石品質のルビーは非常にまれであるため、上質なルビーの価値は、同様の品質のダイヤモンドの4倍になる可能性があります。

ルビーとサファイアはどちらも、酸化アルミニウムの結晶形であるコランダムで構成されています。それらは少量の色を生成するミネラルだけが異なります。クロムはルビーに特徴的な赤い色を与え、濃度が高いほど暗い色合いになります。クロムを含まない酸化アルミニウム結晶はサファイアと呼ばれます。青、黄、緑、ピンク、紫、無色など、さまざまな色合いがあります。

天然ルビーは、世界中のいくつかの場所、特にミャンマー（旧ビルマ）、タイ、スリランカ、アフガニスタン、タンガニーカ、ノースカロライナで見られます。美しく着色された透明なクリスタルはジュエリーの用途に高く評価されており、半透明または不透明な石は時計のベースなどの装飾品に使用されています。

それらの装飾的な機能に加えて、ルビーは幅広い実用的な目的を果たします。例えば、その硬度のために、それらは繊維機械のための長持ちする糸ガイドを作ります。ルビーは鋼よりもさらに硬いため、時計、コンパス、電気メーターなどのデバイスの金属シャフト用の優れたベアリング材料です。ルビーは、可視光スペクトルを介した短い紫外線波長から長い赤外線波長までの範囲で、優れた波動透過特性を備えています。これにより、レーザーやメーザー（目に見えない範囲のマイクロ波や電波で動作するレーザーのようなデバイス）での使用に最適です。

これらの産業用途の多くは、特定のサイズと形状の非常に高品質の結晶を必要とするため、合成ルビーが製造されています。少量の不純物を除いて、合成宝石は、天然の宝石と同じ化学的、物理的、および光学的特性を持っています。一部は宝石として使用されていますが、現代の合成ルビー生産の約75％は工業目的で使用されています。

歴史

天然ルビーは8000年以上にわたって採掘されてきました。多くの文化では、宝石はその美しさだけでなく、超自然的な力でも高く評価されてきました。ルビーの赤い色は、石の中に閉じ込められた火から来たと一般に信じられていました。古代ヒンズー教徒はルビーが水を沸騰させることができると信じていました、そして初期のギリシャ人は結晶がワックスを溶かすことができると考えました。他の文化（ビルマやネイティブアメリカンなど）では、ルビーは血のような色のために着用者を保護すると考えられていました。

ルビーは非常に貴重であったため、人工的に作られた最初の宝石でした。文書化されたルビーの試みは、1837年に合成ルビーを製造したフランスの化学者Marc A. Gaudinの実験にまでさかのぼります。ただし、冷却すると不透明になるため、宝石としては価値がありませんでした。 30年間の実験の後、彼はあきらめ、最後のルビー実験の公開されたメモで敗北を認めました。

1885年頃、宝石として販売されていたルビーの中には人工のものが発見されたものもあります（その異常な低価格により、購入者は慎重に検査する必要がありました）。これらのいわゆるジュネーブルビーの製造方法は、1970年頃まで謎のままでした。このとき、生き残ったサンプルの分析により、粉末状の酸化アルミニウムと少量の酸化クロムを一連のトーチで溶かし、溶融物は固化します。

実際、ジュネーブのルビーは、現在「火炎融合」法として知られている方法の初期の発達段階から来た可能性があります。 1877年、フランスの化学者エドモンドフレミーと学生助手は、磁器の大桶で酸化鉛に溶解した酸化アルミニウムの溶液44.1〜66.15ポンド（20〜30 kg）を20日間加熱した方法を説明しました。溶媒が蒸発し、溶液、容器、および炉のガスの間で化学反応が起こると、多数の非常に小さなルビーの結晶が盆地の壁に形成されました。ルビーは非常に小さく、製造コストが非常に高いため、クリスタルをジュエリーに実際に使用することはできませんでした。

その後、Frdmyのもう1人の学生であるAuguste Verneuilは、やや異なるプロセスを開発し、最終的に成功しました。彼は1891年ま​​でに火炎融合によってルビーを製造していましたが、1902年まで彼の技術の説明を発表しませんでした。彼の助手は1900年にパリ万国博覧会で合成ルビーを展示しました。彼のプロセスは、12〜15カラット（2.5〜3 g）の結晶を成長させるのにわずか2時間しかかかりませんでした。石はほぼ球形で、直径は最大0.25インチ（6 mm）でした。ヴェルヌイユが1913年に57歳で亡くなるまでに、彼が発明したプロセスは、年間1,000万カラット（2,000 kg、つまり4,400ポンド）のルビーを製造するために使用されていました。

1918年、J。Czochralskiは、ルビーを合成するための別の方法を開発しました。クリスタルプルとして知られるこの技術は、高速で安価で、完璧な石を製造するのに効果的です。実際、宝石としてカットすると、石は非常に透明なので、ガラスの模造品のように見えます。その結果、この技術は現在、主に工業用ルビーの製造に使用されています。

第二次世界大戦中、フランスとスイスの伝統的な供給源からルビーを入手することは不可能でした。これらの石は、軍用および民間用の楽器のベアリングとして使用するために非常に重要であったため、製造技術の向上に努めました。 Union CarbineCorporationのLindeDivisionによって開発されたそのような改善の1つは、Verneuilの火炎融合プロセスを変更して、長さ30インチ（750 mm）までのルビー結晶の細い棒を成長させました。このようなロッドは、ディスクに簡単にスライスして大量のベアリングを製造できます。

1958年にベル電話会社によって開発されたプロセスは、火炎融合によって生成されたシード上にルビーを成長させるために高温と高圧を採用しました。この技術の改良は、水熱法として知られるようになりました。水熱プロセスを開発して使用したサンフランシスコの宝石メーカーであるキャロルチャタムも、ルビー製造のフラックスプロセスの最初の商業的に成功したアプリケーションを開発しました。この技術は、1959年に最初に使用され、基本的に炉内でローリングマグマを生成し、ほぼ1年の期間で非常に自然に見える宝石を成長させます。

合成方法

現在、ルビーの製造にはいくつかの方法が使用されています。それぞれに利点と制限があります。最も一般的な方法は、主に2つのタイプに分類できます。粉末材料を溶融状態に加熱して操作して結晶形に固化させる溶融物からの製造と、必要な酸化アルミニウムとクロムを使用する「溶液」からの製造です。別の材料に溶解し、結晶形に沈殿するように操作されます。 Verneuilの火炎融合とCzochralskiの結晶引っ張りは、最も一般的に使用される溶融技術ですが、フラックス成長と水熱成長は、溶液プロセスの最も一般的なバージョンです。

一般的に最も安価な火炎融合ルビーは、一般的にベアリングやクラスリングのような比較的ありふれたジュエリーに使用されます。レーザーの使用には、1カラットあたり5ドル以上で販売されているプルルビーが好まれます。 1カラットあたり50ドル以上のフラックスルビーは、より高級なジュエリーに使用されます。あまり一般的ではない水熱プロセスは、ひずみのない結晶または棒状以外の大きな結晶を必要とする産業用途に使用されます。

合成ルビーの作成にはいくつかのプロセスが使用されます。 Verneuilの火炎融合とCzochralskiの結晶引っ張りは、最も一般的に使用される溶融技術ですが、フラックス成長と水熱成長は、溶液プロセスの最も一般的なバージョンです。

原材料

栄養素（ルビーの結晶になる材料）は、主に非常に純粋な酸化アルミニウム（Al ₂ ）で構成されています。 O ₃ ）;酸化クロムの約5〜8％（Cr ₂ O ₃ ）エッセンシャルレッドカラーを生成するために追加する必要があります。アステリアジェム（スタールビー）を製造している場合は、少量（0.1〜0.5％）の酸化チタン（TiO ₂ ）も使用されます。

使用する方法によっては、追加の化学薬品が必要になる場合があります。火炎融合プロセスは、酸素-水素トーチを使用して2つの基本的なコンポーネントの粉末状の形態を溶かしますが、チョクラルスキープロセスは何らかの形態の電気加熱メカニズムを使用します。フラックス法では、酸化リチウム（LiO）、酸化モリブデン（MoO）、フッ化鉛（PbF ₂ ）などの化合物を使用します。 ）栄養素の溶媒として。水熱プロセスでは、炭酸ナトリウム（Na ₂ ）の水溶液（水ベース）を溶媒として使用します。 CO ₃ ）。銀やプラチナなどの耐食性金属は、チョクラルスキー、フラックス、および熱水プロセスの液化成分を含む容器の裏打ちに使用されます。

製造
プロセス

結晶成長

合成ルビーの製造には、通常、次の4つの方法のいずれかが使用されます。

• 1（火炎融合）アルミニウムと酸化クロムの微粉末を、Verneuil装置の上部にあるホッパーに入れます。装置の上のハンマーがホッパーを繰り返し叩きます。ストロークごとに、ホッパーの床を形成する細かいメッシュから少量の粉末が落下します。この放出された粉末は酸素の流れに落ち、それをノズルに運び、そこで水素の流れと混合して点火します。この炎の強烈な熱（約3,600°Fまたは2,000°C）は栄養素を溶かし、それは炎の下のセラミック台座に落ちます。最初、ハンマーは毎分80ビートの速度で叩きます。結晶に適したベースが形成された後、速度は毎分約20ビートに減少します。

  ベースが目的の直径（約0.8インチまたは20 mm）に構築され、高品質の結晶の形成が進行した後、結晶の上部を炎に接触させたままにする速度でペデスタルを下げます。約5時間半後、結晶は約2.75インチ（70 mm）の長さに達します。ガスの流れが止まり、炎が消えます。現在約150カラットの重さの結晶は、密閉された炉で冷却されます。

• 2（チョクラルスキー法）栄養素は、電気ヒーターに囲まれたるつぼで融点をはるかに超えて加熱されます。小さなルビーの結晶がロッドに取り付けられています。目的の結晶は、このいわゆる種結晶上で成長します。シードは、溶融物（つまり、溶融栄養素）にかろうじて浸されるまでるつぼに降ろされます。溶融物と種結晶の全周との間の一定の接触温度を維持するために、ロッドは絶えず回転します。栄養素がシードに付着して結晶化すると（シードが比較的低温のロッドに付着することで支援されるプロセス）、ロッドがゆっくりと上昇し、成長中の結晶が溶融物から引き出されます。すべての栄養素が使用されるまで、成長する先端は溶融物と接触し続けます。成長速度は非常に速く、1時間あたり最大4インチ（100 mm）の速度になる可能性があります。直径が2インチ（50 mm）を超え、長さが40インチ（1 m）以上の非常に大きな結晶を引っ張ることができます。
• 3（フラックスの成長）フラックスは、溶融すると、はるかに高い融点を持つ別の材料を溶解する材料です。酸化アルミニウムを溶かすには3,600°F（2,000°C）を超える温度が必要ですが、材料は1,470°F（800°C）という低い温度で特定のフラックスに溶解します。より高品質の結晶を生成するため、2,200°F（1,200°C）を超えるプロセス温度が一般的に使用されます。フラックスに溶解している間、ルビー分子は自由に移動し、成長する結晶に付着することができます。種結晶を溶液に浸すメーカーもあれば、分子をランダムに組み合わせて計画外の数の結晶を形成するメーカーもあります。温度は3〜12ヶ月間維持されます。その後、一部のメーカーは、まだ溶融しているフラックスを注ぎ出し、ルビーの結晶を露出させます。他のメーカーは、材料をゆっくりと冷却し（1時間あたり4°Fまたは2°C）、固化したフラックスを切断するか、酸に溶解してルビーの結晶を抽出します。
• 4（水熱プロセス）粉末または結晶性の栄養素を耐圧チューブの一端に配置します。種結晶は、チューブのもう一方の端の近くのワイヤーフレームに取り付けられています。適切な水ベースの溶液がチューブに入れられ、密閉されます。チューブは炉室に垂直に置かれ、チューブの栄養素を含む端は発熱体の上に置かれます。炉の床が加熱されると、チューブの下端は上端よりも高温になります（770°Fまたは410°Cと比較して、約835°Fまたは445°C）。溶解した栄養素は種子に向かって移動し、比較的冷たい表面で結晶化します。チューブ内の圧力は、溶媒が挿入されたときにチューブに残っていた空きスペースの量に応じて、83,000〜380,000 kPa（12,000〜55,000 lb per sq in）の範囲になります。

  水熱プロセスに使用されるチューブは、高さ対直径の比率が8〜16の範囲で、任意の適切なサイズで作成できます。 合成宝石および関連結晶の製造で説明されている例では、 5つの種結晶を12インチ（300 mm）の長さのチューブに入れました。各結晶は、30日間の処理期間中、1日あたり0.006インチ（0.15 mm）の速度で成長しました。

表面仕上げ

宝石として使用する場合でも、工業用デバイスとして使用する場合でも、ルビーは、目的の形状にカットまたはファセット加工した後、滑らかで光沢のある仕上げを施す必要があります。以下の方法が使用できます。

• 5（研磨）表面は、ダイヤモンド粉末などの研磨剤のますます細かい粒子でこすられます。この伝統的な技術は、微細な引っかき傷とくぼみだけを残します。
• 6（光沢）最初の研磨後、石の表面をガス炎で急速に加熱して、小さな突起を溶かすことができます。次に、表面を冷却し、溶融材料の薄層を滑らかな表面として固化します。ルビーロッドをこのように処理すると、ロッドの引張強度（引張力に対する抵抗）がほぼ2倍になります。

合成と
自然の比較

工業用の棒として育てられたルビーは、その形状から合成物として容易に認識できます。宝石としてカットされた人工石は、それほど簡単には識別できません。しかし、顕微鏡検査では、天然石と合成石を区別できる介在物（異物）、気泡、縞模様（成長帯）の特徴的なパターンを明らかにすることができ、天然石がどこから来たのか、または合成石がどのように形成されたのかを明らかにすることさえできます作られた。