СПОСОБ ОБРАБОТКИ ОКРАШЕННЫХ АЛМАЗОВ И БРИЛЛИАНТОВ ДЛЯ ОБЕСЦВЕЧИВАНИЯ И СНЯТИЯ НАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 2006 года по МПК C30B33/02 C30B33/04 C30B29/04 B01J3/06 C01B31/06 

Изобретение относится к области обработки алмазов и бриллиантов высокими давлениями при высокой температуре и может быть использовано на предприятиях, обрабатывающих алмазы, для обесцвечивания и ослабления напряжений в кристаллах.

Известно, что одной из главных примесей в алмазах является азот, причем эта примесь может находиться как в дисперсной парамагнитной форме, так и в агрегатной форме. Алмазы, содержащие азот, преимущественно в дисперсной парамагнитной форме, относятся по общепринятой классификации к типу 1в, а алмазы, содержащие азот преимущественно в виде агрегатов, относятся к типу 1а. Кристаллы типа 1в обычно окрашены в оттенки коричневого, желто-зеленого цвета, а кристаллы типа 1а бесцветны и обладают более высокой твердостью по сравнению с кристаллами типа 1в.

Очевидно, что под влиянием отжига алмазов при давлении 85 Кбар и при температуре 1850-1960°С за счет диффузионных процессов происходит переход примесного азота из дисперсного состояния в агрегированное, т.е. переход алмазов типа 1в в алмазы типа 1а.

Известен способ обработки алмазов, включающий воздействие на алмазы температур 1500-2200°С и высоких давлений в области его термодинамической стабильности. Отжиг проводят в течение времени, достаточного для превращения не менее 20% дисперсного азота в алмазах в агрегированное состояние (Патент Франции №2359071, МПК С 01 В 31/06, опубл. 1978 г.).

Недостатком данного способа является малая скорость протекания процесса превращения одной формы содержания азота в алмазе в другую, что обусловлено достижением равновесного для данной температуры распределения азота по различным формам его нахождения в алмазе. При этом существенные изменения относительных концентраций азота в дисперсной и агрегированной формах достигаются при длительности отжига кристаллов, измеряемой несколькими часами, кроме того 50% перехода дисперсного азота в агрегированную форму еще недостаточно для обесцвечивания кристаллов, т.к. процесс обесцвечивания интенсивно развивается, начиная с 70% снижения концентрации дисперсного азота. Другим недостатком способа является появление значительных напряжений, обуславливающих практическую невозможность качественной механической обработки алмазов.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ улучшения цвета алмаза, включающий в себя следующие операции: создание реакционной массы путем обеспечения наличия природного алмаза в передающей давление среде, которая полностью окружает алмаз, и воздействие на реакционную массу высокой температуры и давления в течение подходящего периода времени, отличающийся тем, что алмаз является коричневым алмазом, его цвет изменяют с коричневого на бесцветный, и реакционную массу подвергают воздействию температуры в интервале от 2200 до 2600°С при давлении от 7,6 до 9 ГПа. Алмаз имеет концентрацию азота менее 2 млн^-1, проявляет цвет от коричневого до розовато-коричневого и имеет спектр поглощения в ультрафиолетовой/видимой области, который показывает монотонно увеличивающееся поглощение или монотонно увеличивающееся поглощение с широкими полосами с центрами на длинах волн приблизительно 390 и 550 нм.

Температура в ходе обработки находится в интервале от 2500 до 2550°С. Период, в течение которого алмаз подвергают воздействию условий операции не превышает 5 ч. Причем реакционную массу в ходе обработки подвергают на первой стадии воздействию давления от 6,9 до 8,5 ГПа. Период термообработки на первой стадии составляет от 10 мин до 10 ч. Температура термообработки на второй стадии составляет от 2500 до 2550°С. Передающая давление среда представляет собой однородную среду, которая полностью окружает алмаз или каждый из алмазов и которую прикладывают по всей поверхности алмаза или каждого из алмазов. Передающая давление среда имеет малое сопротивление сдвигу и растворима в воде (Международная заявка (WO) №2001/72406, МПК В 01 J 3/06, опубл. 04.10.2001 г.).

Недостатком способа-прототипа является длительность процесса обработки образцов кристаллов от 5 до 10 часов и более, а также более высокая температура обработки вследствие чего могут создаваться дополнительные зоны напряжения в кристалле.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является сокращение времени обработки алмазов и бриллиантов с полным их обесцвечиванием и снижением напряжений, при сохранении их положительных параметров, имевшихся до обработки.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе обработки окрашенных алмазов или бриллиантов для их обесцвечивания и снятия дополнительных напряжений путем физического воздействия в замкнутом реакционном объеме на образцы алмазов или бриллиантов высоким давлением и температурой в течение времени, достаточным для улучшения их качества, согласно изобретения давление, оказываемое на образец, составляет от 6 до 9 ГПа в области термодинамической стабильности, а температура в процессе физического воздействия составляет в пределах 1700-2300°С, физическое воздействие на образцы проводят в среде графитового порошка, которым заполнен реакционный объем, температурный нагрев осуществляют прямым воздействием переменного электрического тока на образцы алмаза или бриллианта через графитовый порошок с удельной электрической мощностью от 0,18 кВт/см³ и более, причем мощность тока плавно увеличивают от нуля до рабочего значения, с последующим снижением и увеличением мощности тока не менее 2 раз с временной выдержкой при каждом изменении электрической мощности, а выход из процесса отжига образцов осуществляют плавным уменьшением мощности тока до нуля.

Причем в процессе физического воздействия на образец алмаза или бриллианта снижение мощности тока осуществляют на 11-13%, а повышение - на 15-17% с выдержкой времени при каждом изменении электрической мощности от 8 и более минут. Нагрев образца переменным электрическим током и его охлаждение осуществляют со скоростью не более 0,05 кВт в минуту на см³ реакционного объема камеры. Время обработки предлагаемым способом от 60 минут до 180 минут в зависимости от цветности и наличия дефекта кристалла.

Описание заявляемого способа обработки алмаза или бриллианта

Исходные дефектные кристаллы, например алмазы, содержащие азот, преимущественно в дисперсной форме, помещают в реакционный объем камеры высокого давления. Кристаллы окружают химически инертной по отношению к алмазу в условиях отжига средой, хорошо передающей давление, хорошо проводящей электрический ток, например порошком гексагонального графита.

Обработку ведут воздействием на образец высоких давлений в области их термодинамической стабильности, т.е. давление в камере повышают до значения, обеспечивающего ведение процесса в области термодинамической устойчивости алмаза, после чего подают соответствующую мощность переменного электрического тока и осуществляют отжиг в указанном режиме.

При нагреве переменным электрическим током со скоростью не более 0,05 кВт в минуту на см³ реакционного объема камеры с образцом, достижения удельной мощности тока до 0,18-0,47 кВт на см³ образца вместе с токопроводящим наполнителем реакционного объема диэлектрического контейнера Т повышалась до 1700-2300°С, при непосредственном воздействии переменного тока на объект обработки. Затем температуру и мощность тока снижают на 11-13% с выдержкой от 8 до 20 мин и повышают на 15-17% с выдержкой от 8 до 20 мин. Из процесса отжига выходят, снижая мощность тока со скоростью 0,05 кВт в минуту на см³ реакционного объема камеры с образцом, до нулевой мощности тока.

Отличие предложенного способа от известных аналогов заключается в том, что нагрев проводят при непосредственном воздействии переменного тока на объект обработки до 1700-2300°С, мощность тока снижают на 11-13%, затем повышают на 15-17% с выдержкой при каждой температуре от 8 до 20 мин. Дополнительно снижение и повышение мощности тока повторяют 2-3 раз со скоростью 0,05 кВт в минуту на см³ реакционного объема камеры с образцом. Окончательное снижение мощности тока до нулевого значения производят со скоростью, не превышающей 0,05 кВт в минуту на см³ реакционного объема камеры с образцом.

При этом, на первой стадии отжига при температуре 1700-2300°С происходит частичная ассоциация атомов азота, сопровождающаяся обесцвечиванием алмазов, ускоряемая непосредственным действием электрического тока в разогретом до проводящего состояния кристалле, интенсивность ассоциации резко увеличивается из-за действия переменного тока, резко катализируя процесс возбуждения атомов дисперсного азота, наиболее устойчивых к образованию агрегатов с углеродом, так называемых N₃. Далее, скорость ассоциации снижается во времени из-за падения активности диффузии при приближении относительной концентрации дисперсных и агрегированных атомов азота к равновесному значению при энергии воздействия. При отсутствии прямого прохождения переменного электрического тока через кристалл, при косвенном нагреве, образцы желтых и зеленых оттенков, содержащие устойчивую примесь азота (N₃), обесцвечиваются не существенно. При температурах, меньших 1700°С, не происходит заметного обесцвечивания алмазов. При температуре 2200°С начальная интенсивность процесса ассоциации атомов азота имеет наибольшее значение, а при более высоких температурах она снижается.

Снижение мощности тока на 11-13% необходимо для обеспечения частичного выхода из возбужденного состояния при сохранении уже достигнутой ассоциации азота и активации процесса дальнейшей диффузии на третьей стадии отжига при температуре, превышающей начальную. Границы этого температурно-мощностного интервала определены экспериментально: 11% - это минимальный температурно-мощностной режим, который необходим для вывода системы из состояния равновесия, а при температурно-мощностном режиме выше 13% от начального, начинается обратный процесс - диссоциация атомов азота.

Границы интервала температур третьей стадии отжига (на 15-17% выше второй стадии вывода системы из равновесного состояния) определяются теми же условиями, что и на первой стадии.

Интервал выдержки температуры первой и третьей стадий отжига обусловлен тем, что при меньших 8 мин выдержках не проявляется изменение окраски кристаллов, а при больших 30 мин выдержках интенсивность обесцвечивания резко замедляется. Длительность выдержки времени для температуры второй стадии отжига определяется необходимостью достаточно сильного вывода системы кристалл-примесь из равновесия, изменяясь в зависимости от значения начальной температуры отжига также в интервале от 8 до 20 мин.

Таким образом, данный способ предусматривает проведение отжига в три стадии, причем изменение относительных концентраций дисперсного и агрегированного азота происходит только на первой и третьей стадиях. Но потеря времени на вторую стадию эффективно компенсируется за счет увеличения средней скорости процесса агрегирования азота в кристалле алмаза. Параметры скорости увеличения и понижения мощности тока в реакционном объеме камеры не более 0,05 кВт в мин на см³ реакционного объема камеры, обеспечивают снятие напряжений и не допущения паразитной закалки кристалла после воздействия. Эти пределы скорости изменения мощности тока и температуры установлены экспериментально.

Предлагаемый режим отжига позволяет уменьшить концентрацию дисперсных и, соответственно, увеличить концентрацию агрегированных атомов примесного азота в алмазах на 80-90%, что сопровождается практически полным обесцвечиванием кристаллов и снятием напряжений. Для кристаллов, содержащих дисперсный азот типа N₃ в количествах порядка 5-10¹⁸ см^-3 и более, необходимо повторение цикла отжига 2-3 раза, начиная со снижения температуры на 11-13% и последующего повышения относительно начального значения на 2-5%, с указанными выдержками при каждой температуре, что обеспечивает получение абсолютно бесцветных кристаллов алмаза или бриллианта из первоначально коричневых, желтых, зеленых и их оттенков. В данном случае авторами устойчиво достигнута агрегация примесного азота до 99% от исходного. Необходимо отметить, что в процессе подъема температуры в герметичной камере возникает также некоторое увеличение давления в реакционном объеме на 20-50% от начального. Поскольку при этом очевидно, выхода из зоны термодинамической стабильности алмаза не происходит, обрабатываемым кристаллам не угрожает графитизация и другие повреждения. В случае обработки бриллиантов полировка поверхности граней не нарушается.

Ниже приведены экспериментальные примеры 1-3 обработки образцов заявляемым способом

ПРИМЕР 1.

В реакционный объем камеры высокого давления, заполненной графитовым порошком, поместили бриллиант весом 2,0 ct с ювелирной характеристикой качества - 3, цвет - 7. Количество дисперсного азота, также, составило 5-10¹⁸ см^-3. Создали начальное давление 60 Кбар. Нагрев осуществлялся прямым воздействием переменного электрического тока на реакционный объем с образцом в течение 10 минут до рабочей температуры 2200°С. Затем мощность нагрева уменьшили на 12%, далее увеличили на 16%. После выдержки времени при каждом мощностном режиме 10 мин, при скорости изменения мощности нагрева на 0,05 кВт в минуту на см³ реакционного объема камеры с образцом, убрали мощность тока до нуля с этой же скоростью. После механического размельчения спека извлекли кристалл обесцвеченным. Характеристики составили: качество - 2, цвет - 4. Изучение граней в 10-х кратный микроскоп не выявило дефектов полировки, как и образования трещин. Ассоциация азота составила 90%. Время обработки - 2,5 часа.

ПРИМЕР 2.

Начальные условия, как в примере 1. В реакционный объем поместили три природных алмаза - два желтого и один коричневого цвета с трещиной в области одной вершины, проходящей до половины кристалла, весом 1,8; 1,9; 2,1 ct соответственно, октаэдрического габитуса. Обработку производили по алгоритму примера 1, кроме стадии снижения мощности до нуля. Затем обработку продолжали снижением мощности нагрева на 12% и увеличением мощности на 5% от начального значения, повторили это воздействие три раза с выдержкой при каждом режиме 15 минут. При скорости изменения мощности нагрева на 0,05 кВт в минуту на см³ реакционного объема камеры с образцом, убрали мощность тока до нуля. После механического размельчения спека извлекли кристаллы полностью обесцвеченными. Характеристики составили: качество граней и поверхности ребер без изменений, трещина в третьем кристалле осталась прежних размеров. Цвет у всех образцов одинаково отсутствует полностью. Изучение граней в 30-кратный микроскоп не выявило дефектов полировки, как и увеличения размеров микротрещин. Ассоциация азота составила 97-98% во всех трех кристаллах. Время обработки - 1,5 часа.

ПРИМЕР 3.

Начальные условия, как в примере 1. В реакционный объем поместили бриллиант 3,0 ct с характеристикой качества - 2, цвета - 7. Обработку производили по алгоритму примера 2. После механического размельчения спека, извлекли кристалл полностью обесцвеченным. Характеристика составила: качество - 2, Цвет - 1. Изучение граней в 30-кратный микроскоп не выявило дефектов полировки, как и увеличения размеров микротрещин. Ассоциация азота составила 99%. Время обработки 1 час.

Таким образом, предлагаемый способ сокращает время обработки алмаза или бриллианта в от 2-х до 10 раз при одновременном снижении в них напряжения.

Изобретение может быть использовано для обесцвечивания алмазов или бриллиантов. Способ осуществляют путем физического воздействия в замкнутом реакционном объеме на образцы алмазов или бриллиантов высоким давлением и температурой в течение времени, достаточного для улучшения их качества. Давление, оказываемое на образцы, составляет от 6 до 9 ГПа в области термодинамической стабильности, температура в процессе физического воздействия находится в пределах 1700-2300°С. Физическое воздействие на образцы проводят в среде графитового порошка, которым заполнен реакционный объем, температурный нагрев осуществляют прямым воздействием переменного электрического тока на образцы алмаза или бриллианта через графитовый порошок с удельной электрической мощностью от 0,18 кВт/см³ и более, причем мощность тока плавно увеличивают от нуля до рабочего значения с последующим снижением и увеличением мощности тока не менее 2 раз с временной выдержкой при каждом изменении электрической мощности, а выход из процесса отжига образцов осуществляют плавным уменьшением мощности тока до нуля. В процессе физического воздействия на образец алмаза или бриллианта снижение мощности тока осуществляют на 11-13%, а повышение - на 15-17% с выдержкой времени при каждом изменении электрической мощности от 8 и более минут. Нагрев образца переменным электрическим током и его охлаждение осуществляют со скоростью не более 0,05 кВт в минуту на см³ реакционного объема камеры. Технический результат изобретения заключается в сокращении времени обработки при полном обесцвечивании, снижении напряжений и сохранении положительных параметров, имевшихся до обработки, в алмазах и бриллиантах. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ обработки окрашенных алмазов или бриллиантов для их обесцвечивания и снятия дополнительных напряжений путем физического воздействия в замкнутом реакционном объеме на образцы алмазов или бриллиантов высоким давлением и температурой в течение времени, достаточного для улучшения их качества, отличающийся тем, что давление, оказываемое на образцы, составляет от 6 до 9 ГПа в области термодинамической стабильности, а температура в процессе физического воздействия составляет в пределах 1700-2300°С, физическое воздействие на образцы проводят в среде графитового порошка, которым заполнен реакционный объем, температурный нагрев осуществляют прямым воздействием переменного электрического тока на образцы алмаза или бриллианта через графитовый порошок с удельной электрической мощностью от 0,18 кВт/см³ и более, причем мощность тока плавно увеличивают от нуля до рабочего значения с последующим снижением и увеличением мощности тока не менее 2-х раз с временной выдержкой при каждом изменении электрической мощности, а выход из процесса отжига образцов осуществляют плавным уменьшением мощности тока до нуля.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе физического воздействия на образец алмаза или бриллианта снижение мощности тока осуществляют на 11-13%, а повышение - на 15-17% с выдержкой времени при каждом изменении электрической мощности от 8 и более минут.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев образца переменным электрическим током и его охлаждение осуществляют со скоростью не более 0,05 кВт в минуту на см³ реакционного объема камеры.