关于低品质蓝宝石高温扩散法工艺改善的相关探究

秦宏宇

（长春工程学院，吉林 长春130021）

世界上很多国家和地区有具有丰富的蓝宝石矿产资源。如果依然采用传统的改色技术改善低品质蓝宝石，就会出现大量的废料被长期搁置，造成了极大的人财物浪费。随着矿产资源的不断减少，就需要采用先进的工艺技术地低品质蓝宝石工艺进行改善。对低品质蓝宝石原料进行鉴别，其为裂隙发育，颗粒度比较大，呈灰暗颜色，往往是批量生产加工，价格低廉，虽然产量很高，但是利润很低。 经过抛光后蓝宝石原料在光泽上有所改善，而且色调统一，可以被用于雕刻镶嵌饰品以及大型工艺品装饰等等。但是由于采用这种技术缺乏必要的理论支撑，而且工艺比较粗糙，严重阻碍了蓝宝石工艺的进一步发展。为了开阔蓝宝石市场的前景，获得客观的经济效益，本论文利用高温扩散方法，对低品质蓝宝石进行工艺改善后成为黑色蓝宝石的改善机理进行探讨。

1 低品质蓝宝石样品选择

低品质蓝宝石样品一般透明度较差，颜色灰暗。 要使低品质蓝宝石达到宝石级水准，即纯正的颜色和高透明度，就要进行工艺处理以改善蓝宝石品质。 随着蓝宝石矿产开发频繁，宝石级蓝宝石产量相对减少。 改善并利用低品质蓝宝石成为了宝石学的重点研究课题。

本次试验所选择的原料为灰黑色蓝宝石样品，切开后内部呈现出不透明的灰蓝色。用肉眼观察，可见部分晶形分别为桶状和柱状，少量呈块状、片状，粒径普遍为1～2 厘米，也有可以达到5 厘米粒径的颗粒。 低品质蓝宝石产量很高，价格低廉，采用传统工艺改善后，成品为黑色。

2 低品质蓝宝石样品的预处理

在蓝宝石品质改善试验中，预处理是重要的环节。 本次试验所采用的预处理技术包括水洗、酸洗、试剂处理三个步骤。

2.1 样品水洗

低品质蓝宝石原石样品表面会有大量的泥沙附着在上面，可以采用水洗的方法清楚。等到样品完全干燥之后，将样品的信息记录下来，进行编号。

2.2 样品酸洗

将低品质蓝宝石样品浸泡在浓度10%的盐酸中， 经过48 小时的酸洗后，可以将样品表面以及微裂缝中所存留的杂质清除。 经过盐酸浸泡后的样品，会产生一些气泡，这就说明有金属附着在样品的表面。初步判断，很有可能是铁元素。

2.3 样品试剂处理

本次样品试剂处理所采用的原理，是将致色离子由样品的外部逐渐扩散到内部。 对样品进行特定药剂处理，从样品表面所形成的细小凹坑，可以见样品具有微腐蚀性，但是并不会因此而影响样品的处理，相反，粗造化的表面更容易使高温下的液相助熔剂浸润其中，使扩散反应能够顺利进行。经过高温改色后的低品质蓝宝石还要进行切割和抛光处理，试剂腐蚀的表面被处理掉，因此样品试剂的腐蚀性并不会对蓝宝石成品的品质产生影响。经过了预处理后低品质蓝宝石样品干燥后，就可以进行高温试验了。

3 改色试验

对低品质蓝宝石进行改色试验是采用扩散原理将蓝宝石的颜色改善，所采用的技术处理方法是将致色离子注入到晶体内部，所选择的着色剂为Fe2O3、C0203和Ti02， 经过改善后的样品在会呈现出黑色。为了能够将不同工艺条件下的改善效果反映出来， 采用对比试验，将样品分为4 组。热处理温度分为两组，即A 组1500℃，B 组1900℃。一律采用刚玉坩埚进行热处理试验。

低品质蓝宝石热处理对比试验结果如下：

样品A-1， 处于1500℃温度下， 开放气氛下， 加入Fe2O3、Ti02、AI2O3、Na2CO3、硼砂高温助剂，所获得的实验结果：表面呈均匀的黑色，光泽透明，切开后，裂缝有黑色呈现，边缘处虽然有黑色扩散层，但是很薄。

样品A-2，处于1500℃温度下，强氧化气氛下，加入Fe2O3、Ti02、AI2O3、Nn3O4高温助剂，所获得的实验结果：表面呈均匀的黑色，但是有明显的破裂。 表面还有大量的黑色颗粒粉剂黏着，但是没有呈现出光泽。

样品B-1， 处于1900℃温度下， 开放气氛下， 加入Fe2O3、Ti02、AI2O3、Na2CO3、硼砂高温助剂，所获得的实验结果：表面呈均匀的黑色，具有较强的光泽，切开后，内部基本变黑，边缘处虽然有黑色扩散层，但不明显，颜色主要集中于裂缝中。

样品B-2，处于1900℃温度下，还原气氛下，加入Fe2O3、Ti02、AI2O3高温助剂，所获得的实验结果：表面的裂缝处呈现出黑色，表面颜色略微加深，但是光泽度和透明度都没有出现明显的变化。

样品预处理均为酸洗；预处理时间为24 小时。

4 结果讨论

根据对比试验所获得的结果，对参数设置分别讨论。

4.1 温度

相同的气氛在不同的温度下，添加相同的辅助试剂，经过热处理后，几乎没有呈现明显的差异，但是黑色的光泽明显增强。

4.2 气氛

在1500℃下采用强氧化气氛，虽然表面呈现出黑色，但是仍然有大量的黑色颗粒在表面附着。 在1900℃环境条件下， 采用了还原气氛，在裂缝处呈现出明显的黑色，而采用开放式处理则效果更好一些。

4.3 辅助剂

添加辅助剂会使热处理效果更好一些，不仅降低了熔点，而且还会有部分液相产生，使着色离子向晶体内部扩散，减少腐蚀性。从实验结果来看，硼砂的着色效果会更好一些，而且经过长时间高温处理，效果更佳。

5 生产工艺流程

热处理工艺可以采用可控温硅钼棒电炉或者油炉，经过实验结果表明，选用不同的炉体进行实验都可以获得成功，但是要根据实际生产情况进行选择。电炉的温度低，容积小，处理时间长，但是受热均匀、测定，调节方便；油炉温度高，容积大，处理效果好，但是受热不均匀，并存在一定的样品污染，需要二次热处理。

低品质蓝宝石本身就存在着裂理，为了防止破碎，就要采用退火法使内应力消除。 将样品连坩埚同时放入到900℃的马弗炉中，进行大约6 小时的退火处理，然后自然冷却，出成率明显增加。

实验成功后，就可以批量生产，工艺流程：对低品质蓝宝石原料进行选择、酸洗之后，采用热处理技术进行着色处理，然后退火到室温状态。 打磨的过程包括切割、粗磨之后，进行细磨抛光处理，随后成品。

6 结语

综上所述，经过高温扩散法工艺改善后的低品质蓝宝石呈现出黑蓝色，光泽效果良好。这就可以获得很大的启示，即蓝宝石呈现黑色的原因在于其中铁元素含量增多。 在高温的作用下，致色离子扩散到晶体内部，使蓝宝石的改变了颜色，而颜色扩散的程度与所添加的助溶剂液相的流动性有关。只有当致色离子顺着裂理侵入到蓝宝石的内部时，在高温的作用下才会产生内容扩散，随着反应面积的增大，速率的增加，宝石的整体颜色获得了改善。

［1］张培强，马宇.山东蓝宝石的主要致色因素[J].地质找矿论丛，2006，21（06）.

［2］张蓓莉，等.系统宝石学[M].2 版.北京：地质出版社，2006.

［3］高运明，曾智，潘金华.氧化铁在硼砂熔盐中溶解度研究[J].武汉科技大学学报:自然科学版，2006，29（06）.