Verfahren zur Herstellung künstlicher Diamanten
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung künstlicher Diamanten.
Es ist bekannt, künstliche Diamanten dadurch zu erhalten, dass man Graphit mit einem Metallkatalysator aus der Gruppe Eisen, Cobalt, Nickel, Rhodium, Ruthenium, Palladium, Osmium, Iridium, Chrom, Tantal und Magnesium zusammenbringt, dieses Gemisch von Graphit und Metallkatalysator in der Diamanten bildenden Zone einem Druck von mindestens etwa 75 000 Atmosphären und einer Temperatur von etwa 1200 bis etwa 2000 0C unterwirft und den derart gebildeten Diamanten isoliert.
Bei der Synthese von Diamanten aus Graphit ist es wünschenswert, Methoden zu verwenden, welche weniger hohe Drucke als 75 000 Atmosphären benötigen, so dass der Verschleiss der zur Synthese verwendeten Vorrichtung herabgesetzt wird.
Dies lässt sich nach einer bekannten Methode erreichen, indem man Graphit mit einer vorgebildeten Katalysatorlegierung eines Metalles der Gruppe Eisen, Cobalt, Nickel, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium, Platin, Chrom, Tantal und Mangan zusammenbringt, dieses Gemisch von Graphit und Katalysator einem Druck von mindestens etwa 50 000 Atmosphären und einer Temperatur von mindestens 1200 OC unterwirft und den gebildeten Diamanten isoliert.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, mit welchem Graphit bei einem Druck von weniger als etwa 75 000 Atmosphären ohne die Verwendung der vorgebildeten Katalysatorlegierung in Diamanten umgewandelt werden kann.
Es wurde nun gefunden, dass, wenn Graphit in Diamanten umgewandelt wird, indem man Graphit und Eisen, Nickel oder Cobalt einer erhöhten Temperatur und einem erhöhten Druck unterwirft, die zur Bildung der Diamanten erforderliche Temperatur und Druck um so niedriger sind, je kleiner die Berührungsoberfläche von Graphit, Nickel oder Cobalt ist, und dass auf Grund dieser Feststellung Diamanten bei niedrigerer Temperatur und geringerem Druck erhalten werden können, wenn die Umwandlung des Graphits zu Diamanten unter Verwendung von Eisen, Nickel oder Cobalt oder deren Legierungen mit Nicht-Metallen in Form von Partikeln erfolgt, und die Berührung des Graphits mit Eisen-, Nickel- oder Cobaltpartikeln durch feine Pulver von Titan-, Vanadium-, Molybdän-, Tantal-, Wolfram-, Chrom- oder Mangancarbid verhindert wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung künstlicher Diamanten, bei welchem Graphit und ein Metallkatalysator einer erhöhten Temperatur und erhöhtem Druck unterworfen wird, ist daher dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung des Graphits zu Diamant erfolgt, indem Graphit, Metallpartikel aus Eisen, Nickel oder Cobalt oder deren Legierungen mit Nicht-Metallen sowie ein feines Pulver aus Carbiden der Metalle Titan, Vanadium, Molybdän, Tantal, Niob, Wolfram, Chrom oder Mangan einem Druck von 57 500 bis 75 000 Atmosphären und einer Temperatur von 1200 bis 1600 OC unterworfen wird, wobei die Berührung des Graphits mit den Metallteilen durch das feine Metallcarbidpulver verhindert wird.
Die vorliegende Erfindung ist im folgenden näher beschrieben unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in welchem
Fig. 1 ein Diagramm darstellt, welches das Verhältnis zwischen der Korngrösse der Nickelpartikel und dem zur Bildung von Diamanten erforderlichen Druck sowie das Verhältnis zwischen der Korngrösse der Nickelpartikel und dem zur Bildung von Diamanten erforderlichen Druck bei Verwendung von feinem Carbidpulver zeigt;
Fig. 2 eine graphische Darstellung ist, welche das Verhältnis zwischen der Temperatur und dem Druck zeigt, welche bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet werden;
Fig. 3 ein vergrösserter Aufriss einer Reaktionskammer in der zur Durchführung des Verfahrens verwendbaren Vorrichtung zeigt.
In Fig. 1 der Zeichnungen zeigt die Linie A das Verhältnis zwischen der Änderung der Korngrösse der Nik kelpartikel und der Änderung des zur Erzeugung von Diamanten erforderlichen Druckes, und die Linie B zeigt das Verhältnis zwischen der änderung der Korngrösse der Nickelpartikel und der Veränderung des zur Erzeugung von Diamanten unter Verwendung von feinem Chromcarbidpulver erforderlichen Druckes. Wie klar aus Fig. 1 hervorgeht, wird der zur Erzeugung von Diamanten erforderliche Druck mit zunehmender Korngrösse der Nickelpartikel geringer, und der zur Erzeugung von Diamanten unter Verwendung von feinem Chromcarbidpulver erforderliche Druck ist geringer als der ohne Verwendung des feinen Chromcarbidpulvers erforderliche Druck.
Diese Tatsache bleibt unverändert, wenn Eisen oder Cobalt anstelle von Nickel verwendet wird.
In Fig. 2 stellt die Linie AB das thermodynamische Druck-Temperatur-Gleichgewicht zwischen Diamanten und Graphit dar, der Abschnitt zwischen der Linie AB und CD ist die Coexistenzzone von Diamant und Graphit, und der Abschnitt im Dreieck LMN zeigt die Druck- und Temperaturbereiche, welche zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet werden. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass Diamanten unter einem Druck von weniger als 75 000 Atmosphären nach dem erfindungsgemässen Verfahren erzeugt werden können.
In Fig. 3 stellen 1 und 2 einen aus Wolframcarbid Cobalt-Legierung mit 5 0/0 Cobaltgehalt hergestellten Kolben dar, welcher in einem Winkel von 27O von der Vertikalen konisch verläuft, und dessen Fläche einen Durchmesser von 15 mm aufweist. 3 ist ein Ring aus Wolframcarbid-Cobalt-Legierung mit 6 O/o Cobaltgehalt, welcher unter Druck aufgebracht ist und einen inneren Durchmesser von 22 mm aufweist. 4 ist ein Zylinder, welcher aus stark gebranntem Magnesiumoxyd hergestellt ist, welcher eine Porosität von etwa 10 O/o und einen inneren Durchmesser von 15 mm aufweist. 5 und 6 sind Ringe aus geglühtem Stahl, 7 und 8 sind eine Isolierplatte aus Pyrophyllit. 9 und 10 sind ein Leiter aus Eisen oder Nickel. 11 ist ein Reaktionsgemisch zum Einfüllen.
12 ist ein Isolierzylinder aus Pyrophyllit. 13 und 14 sind eine Graphitplatte, welche beide Enden des Isolierzylinders 12 bedecken. 15 und 16 sind Dichtungen für die Isolation. Ein Druck wird mittels der Kolben 1 und 2 auf das Reaktionsgemisch 11 ausgeübt. Die Erwärmung erfolgt durch Durchleiten eines elektrischen Stromes durch 1, 5, 9, 13, 11, 14, 10, 6 und 2 nacheinander.
Die Korngrösse der verwendeten Eisen-, Nickel oder Cobaltpartikel ist vorzugsweise grösser als 0,177 mm, üblicherweise grösser als 0,297 mm, insbesondere etwa 0,84 mm, doch eignen sich auch Metallpartikel grösserer Korngrösse als der oben angeführten, wenn eine grössere Reaktionskammer verwendet wird.
Die Grösse der Pulver von Titan-, Vanadium-, Molybdän-, Tantal-, Niob-, Wolfram-, Chrom- und Mangancarbid, welche gemäss der Erfindung verwendet werden können, ist vorzugsweise kleiner als 0,149 mm, üblicherweise kleiner als 0,074 mm, insbesondere etwa 0,044 mm.
Die Grösse der im erfindungsgemässen Verfahren verwendeten Graphite ist vorzugsweise zwischen der Grösse der Metallpartikel und derjenigen der Carbidpulver und üblicherweise zwischen etwa 0,42 und etwa 0,149 mm.
Um die Berührung der Metallpartikel mit dem Graphit mittels der feinen Carbidpulver gemäss der Erfindung zu verhindern, können die Metallpartikel zuerst mit den feinen Carbidpulvern vermischt und anschliessend mit dem Graphit vermengt werden, oder die Metallpartikel, die feinen Carbidpulver und das Graphit können zusammen gemischt werden. Durch dieses Vermischen kann die Berührung der Metallpartikel und des Graphits verhindert werden, weil die feinen Carbidpulver sowohl die Oberflächen der Metallpartikel wie des Graphits bedecken.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird der Druck zwischen etwa 57 500 bis etwa 75 000 Atmosphären und die Temperatur zwischen etwa 1200 bis etwa 1600 0C gehalten. Die Theorie, aus welchem Grund die Umwandlung von Graphit zu Diamanten unter den oben angeführten Druck- und Temperaturverhältnissen praktisch durchgeführt werden kann, ist noch ungeklärt, doch können die Diamanten tatsächlich erhalten werden, wie in den nachfolgenden Beispielen beschrieben.
Der Grund, weshalb in dem erfindungsgemässen Verfahren die besonderen Metallcarbidpulver verwendet werden, besteht darin, dass die Absorption von Metallpartikeln durch den Kohlenstoff eingeschränkt und die Bildung der Diamanten durch die Coexistenz dieser Carbidpulver beschleunigt werden kann, wobei diese Carbidpulver während der Bildung der Diamanten nicht zersetzt werden.
Der Wert des Druckes, welcher erfindungsgemäss angewandt wird, wird durch bekannte indirekte Mittel gemessen, wobei die Tatsache, dass gewisse Metalle bei besonderen Drucken deutliche Änderungen ihres elektrischen Widerstandes aufweisen, zur Hilfe genommen wird, wie z. B. im US-Patent Nr. 2 947 610 beschrieben.
Beim erfindungsgemässen Verfahren ist die Umwandlungsgeschwindigkeit von Graphit zu Diamanten im allgemeinen am grössten bei der Verwendung von Eisenpartikeln, mittelgross bei der Verwendung von Nickelpartikeln und am langsamsten bei der Verwendung von Cobaltpartikeln. Wenn Nickel- oder Cobaltpartikel verwendet werden, so sind die erhaltenen Diamantkristalle üblicherweise nicht so gut und von schlechterer Farbe. Diese Diamanten eignen sich zur Verwendung in der Harzbindung. Wenn anderseits Eisenpartikel verwendet werden, so sind die erhaltenen Kristalle gut und nur sehr schwach gefärbt. Diese Diamanten eignen sich zur Verwendung in der Metallbindung.
Im erfindungsgemässen Verfahren werden auch Legierungspartikel von Eisen, Nickel oder Cobalt und Nicht-Metallen, z. B. Kohlenstoff, Silicium oder Phosphor, anstelle von Eisen-, Nickel- oder Cobaltpartikeln verwendet.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens bringt man zuerst die innerste Zone des Reaktionsgemisches auf die zur Umwandlung erforderlichen Temperatur- und Druckbedingungen und lässt diese Bedingungen sodann allmählich gegen die äusseren Enden der inneren Zone fortschreiten, indem man die Temperatur der inneren Zone des Reaktionsgemisches allmählich um etwa 300 bis 500 OC erhöht. Hierbei findet die Umwandlung zuerst in der innersten Zone des Reaktionsgemisches statt und allmählich in den äusseren Teilen der inneren Zone, so dass allmählich Diamanten erhalten werden ohne das Auftreten von umgekehrter Konversion von Diamanten zu Graphit. Die Diamanten können daher in hoher Ausbeute bei Verwendung von niedrigerem Druck erhalten werden.
Diese Tatsache wird der Gegenwart einer Diamant/ Graphit-Coexistenz-Region ausserhalb der stabilen Diamantregion zugeschrieben, welche durch die Linie AB und CD umgeben ist, wie in Fig. 2 dargestellt, und dem Umstand, dass die Umwandlung von Graphit zu Diamant wie auch die Umwandlung von Diamant zu Graphit nicht in der Diamant-Graphit-Coexistenz-Region erfolgen kann.
Beispiel 1
500 mg Nickelpartikel von 0,84 bis 0,59 mm, 100 mg Chromcarbidpulver von weniger als 0,044 mm und 300 mg Graphit von 0,149 mm wurden vermischt.
Dieses Gemisch wurde in den Zylinder 12 eingefüllt und der Zylinder mit den Graphitplatten 13 und 14 verschlossen. Dieser Zylinder wurde, wie in Fig. 3 gezeigt, in die Apparatur verbracht. Wenn das Gemisch auf die folgenden Temperaturen unter den folgenden Drucken erhitzt wurde, war die Ausbeute an Diamanten die folgende:
Druck Temperatur Ausbeute (Atm.) ( C) (mg) 72500 1500 250
70 000 1450 150
67 500 1400 50
Wenn in diesem Beispiel der Druck auf 70 000 Atmosphären gehalten wurde und die Reaktionstemperatur allmählich von 1400 auf 1700 OC im Laufe von 20 Minuten erhöht wurde, wurde eine Ausbeute an Diamanten von 250 mg erhalten.
Wenn in diesem Beispiel das Chromcarbidpulver nicht verwendet wurde, so wurden keine Diamanten gebildet.
Beispiel 2
Das Vorgehen nach Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch 500 mg Eisenpartikel von 0,84 bis 0,59 mm, 100 mg Mangancarbidpulver von weniger als 0,044 mm und 300 mg Graphit von 0,149 mm verwendet. Die erhaltenen Resultate sind die folgenden:
Druck Temperatur Ausbeute (Atm.) ("c) (mg)
70 000 1450 200 65000 1350 150
60 000 1250 50
Wenn in diesem Beispiel der Druck auf 65 000 Atmosphären gehalten wurde und die Reaktionstemperatur allmählich von 1250 auf 1600 OC im Lauf von 20 Minuten erhöht wurde, betrug die Ausbeute an Diamanten 200 mg.
Wenn in diesem Beispiel kein Mangancarbidpulver verwendet wird, so werden keine Diamanten erhalten.
Beispiel 3
Das Vorgehen nach Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch 500 mg Cobaltpartikel von 0,84 bis 0,59 mm, 55 mg Wolframcarbidpulver von weniger als 0,044 mm und 300 mg Graphit von 0,420 bis 0,297 mm verwendet. Die erhaltenen Resultate sind die folgenden:
Druck Temperatur Ausbeute (Atm.) ( C) (mg)
73 500 1500 200
70 000 1450 150 67500 1400 100
Wenn in diesem Beispiel Wolframcarbidpulver weggelassen wurde, so entstanden keine Diamanten.
Beispiel 4
Das Vorgehen nach Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch 500 mg Nickelpartikel von 0,84 bis 0,59 mm, 60 mg Vanadiumcarbidpulver von weniger als 0,044 mm und 300 mg Graphit von 0,420 bis 0,297 mm verwendet. Die erhaltenen Resultate sind die folgenden:
Druck Temperatur Ausbeute (Atm.) ( C) (mg) 72500 1450 150
70 000 1400 50
Beispiel 5
Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch 540 mg Nickelpartikel von 0,84 bis 0,59 mm, 60 mg Titancarbidpulver von weniger als 0,044 mm und 300 mg Graphit von 0,420 bis 0,297 mm verwendet.
Die erhaltenen Resultate sind die folgenden:
Druck Temperatur Ausbeute (Atm.) ( C) (mg) 72500 1450 150
70 000 1400 50
Beispiel 6
Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch 540 mg Cobaltpartikel von 0,84 bis 0,59 mm, 60 mg Niobcarbid von weniger als 0,044 mm und 300 mg Graphit von 0,420 bis 0,297 mm verwendet. Die erhaltenen Resultate sind die folgenden:
Druck Temperatur Ausbeute (Atm.) ( C) (mg) 72500 1500 100
70 000 1450 50
Wenn in diesem Beispiel Tantalcarbidpulver verwendet wurde, so erhielt man ähnliche Resultate.
Beispiel 7
Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch 540 mg Nickelpartikel von 0,84 bis 0,59 mm, 60 mg Molybdäncarbidpulver, kleiner als 0,044 mm, und 300 mg Graphit von 0,420 bis 0,297 mm verwendet. Die erhaltenen Resultate sind die folgenden:
Druck Temperatur Ausbeute (Atm.) ( C) (mg) 72500 1450 150
70 000 1400 50
Beispiel 8
Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch 500 mg Eisenpartikel mit einem Gehalt von 2 O/o Kohlenstoff und 3 O/o Silicium, 50 mg Chromcarbidpulver und 50 mg Mangancarbidpulver, beide kleiner als 0,044 mm, sowie 300 mg Graphit von 0,420 bis 0,297 mm verwendet.
Die erhaltenen Resultate sind die folgenden:
Druck Temperatur Ausbeute (Atm.) ( C) (mg)
70 000 1450 150 65000 1350 100
Vergleichsversuch 1
Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch 100 mg Nickelpartikel von 0,84 bis 0,59 mm, 100 mg Chromcarbidpartikel von 20 bis 30 mesh und 300 mg Graphit von 100 mesh verwendet. Die erhaltenen Resultate sind die folgenden:
Druck Temperatur Ausbeute (Atm.) ( C) (mg)
75 000 1550 keine Diamantbildung 72500 1500 keine Diamantbildung
Vergleichsversuch 2
Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch 500 mg Nickelpulver von 0,044 mm, 100 mg Chromcarbidpartikel von 0,84 bis 0,59 mm und 300 mg Graphit von 0,149 mm verwendet.
Die erhaltenen Resultate sind die folgenden:
Druck Temperatur Ausbeute (Atm.) (Oc) (mg)
75 000 1550 keine Diamantbildung
Vergleichsversuch 3
Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch 500 mg Nickelpulver von 0,074 mm, 100 mg Chromcarbidpulver kleiner als 0,044 mm und 300 mg Graphit von 0,149 mm verwendet. Die erhaltenen Resultate sind die folgenden:
Druck Temperatur Ausbeute (Atm.) (Oc) (mg)
75 000 1500 keine Diamantbildung
Process for the production of artificial diamonds
The present invention relates to a method for producing artificial diamonds.
It is known that artificial diamonds can be obtained by combining graphite with a metal catalyst from the group consisting of iron, cobalt, nickel, rhodium, ruthenium, palladium, osmium, iridium, chromium, tantalum and magnesium, this mixture of graphite and metal catalyst in the The diamond-forming zone is subjected to a pressure of at least about 75,000 atmospheres and a temperature of about 1200 to about 2000 ° C. and the diamond thus formed is isolated.
In the synthesis of diamonds from graphite, it is desirable to use methods which require pressures less than 75,000 atmospheres, so that the wear and tear of the apparatus used for the synthesis is reduced.
This can be achieved according to a known method by combining graphite with a pre-formed catalyst alloy of a metal from the group iron, cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum, chromium, tantalum and manganese, this mixture of graphite and Subjecting the catalyst to a pressure of at least about 50,000 atmospheres and a temperature of at least 1200 ° C. and isolating the diamond formed.
One object of the present invention is a method by which graphite can be converted to diamonds at a pressure less than about 75,000 atmospheres without the use of the preformed catalyst alloy.
It has now been found that when graphite is converted into diamonds by subjecting graphite and iron, nickel or cobalt to an elevated temperature and pressure, the smaller the contact surface, the lower the temperature and pressure required to form the diamonds of graphite, nickel or cobalt, and that on the basis of this finding, diamonds can be obtained at a lower temperature and pressure if the conversion of the graphite to diamonds using iron, nickel or cobalt or their alloys with non-metals in the form of Particles takes place, and the contact of the graphite with iron, nickel or cobalt particles is prevented by fine powders of titanium, vanadium, molybdenum, tantalum, tungsten, chromium or manganese carbide.
The inventive method for producing artificial diamonds, in which graphite and a metal catalyst is subjected to an elevated temperature and pressure, is therefore characterized in that the graphite is converted to diamond by adding graphite, metal particles of iron, nickel or cobalt or their alloys with non-metals and a fine powder of carbides of the metals titanium, vanadium, molybdenum, tantalum, niobium, tungsten, chromium or manganese to a pressure of 57,500 to 75,000 atmospheres and a temperature of 1200 to 1600 OC, with the contact the graphite with the metal parts is prevented by the fine metal carbide powder.
The present invention is described in more detail below with reference to the drawings, in which
Fig. 1 is a graph showing the relationship between the grain size of the nickel particles and the pressure required to form diamonds, and the relationship between the grain size of the nickel particles and the pressure required to form diamonds when using fine carbide powder;
Fig. 2 is a graph showing the relationship between temperature and pressure used in carrying out the method of the invention;
3 shows an enlarged elevation of a reaction chamber in the device which can be used to carry out the method.
In Fig. 1 of the drawings, line A shows the relationship between the change in grain size of the nickel particles and the change in the pressure required to produce diamonds, and line B shows the relationship between the change in grain size of the nickel particles and the change in the Generation of diamonds using fine chromium carbide powder required pressure. As is clear from Fig. 1, as the grain size of the nickel particles increases, the pressure required to produce diamonds becomes lower, and the pressure required to produce diamonds using chromium carbide fine powder is lower than that required without using chromium carbide fine powder.
This fact remains unchanged when iron or cobalt is used in place of nickel.
In Fig. 2, the line AB represents the thermodynamic pressure-temperature equilibrium between diamond and graphite, the section between the line AB and CD is the coexistence zone of diamond and graphite, and the section in the triangle LMN shows the pressure and temperature ranges, which are used to carry out the method according to the invention. It can be seen from FIG. 2 that diamonds can be produced under a pressure of less than 75,000 atmospheres by the method according to the invention.
In Fig. 3, 1 and 2 represent a piston made of tungsten carbide cobalt alloy with 50/0 cobalt content, which is conical at an angle of 270 from the vertical, and the surface of which has a diameter of 15 mm. 3 is a ring made of tungsten carbide-cobalt alloy with 6 O / o cobalt content, which is applied under pressure and has an inner diameter of 22 mm. 4 is a cylinder made from heavily burned magnesium oxide, which has a porosity of about 10% and an inner diameter of 15 mm. 5 and 6 are annealed steel rings, 7 and 8 are a pyrophyllite insulating plate. 9 and 10 are a conductor made of iron or nickel. 11 is a reaction mixture for charging.
12 is an insulating cylinder made of pyrophyllite. 13 and 14 are a graphite plate covering both ends of the insulating cylinder 12. 15 and 16 are gaskets for insulation. Pressure is applied to the reaction mixture 11 by means of pistons 1 and 2. The heating is done by passing an electric current through 1, 5, 9, 13, 11, 14, 10, 6 and 2 one after the other.
The grain size of the iron, nickel or cobalt particles used is preferably greater than 0.177 mm, usually greater than 0.297 mm, in particular about 0.84 mm, but metal particles with a larger grain size than those listed above are also suitable if a larger reaction chamber is used.
The size of the powders of titanium, vanadium, molybdenum, tantalum, niobium, tungsten, chromium and manganese carbide which can be used according to the invention is preferably less than 0.149 mm, usually less than 0.074 mm, in particular about 0.044 mm.
The size of the graphites used in the process according to the invention is preferably between the size of the metal particles and that of the carbide powder and usually between about 0.42 and about 0.149 mm.
To prevent the metal particles from coming into contact with the graphite by means of the fine carbide powder according to the invention, the metal particles can first be mixed with the fine carbide powders and then mixed with the graphite, or the metal particles, the fine carbide powder and the graphite can be mixed together. By this mixing, the contact of the metal particles and the graphite can be prevented because the fine carbide powders cover both the surfaces of the metal particles and the graphite.
According to the process of the invention, the pressure is maintained between about 57,500 to about 75,000 atmospheres and the temperature is kept between about 1200 to about 1600.degree. The theory as to why the conversion of graphite to diamonds can be carried out in practice under the above-mentioned pressure and temperature conditions is still unexplained, but the diamonds can actually be obtained as described in the following examples.
The reason why the special metal carbide powders are used in the method according to the invention is that the absorption of metal particles by the carbon can be restricted and the formation of diamonds can be accelerated by the coexistence of these carbide powders, whereby this carbide powder does not decompose during the formation of the diamonds will.
The value of the pressure which is applied according to the invention is measured by known indirect means, the fact that certain metals exhibit marked changes in their electrical resistance at particular pressures, such as e.g. As described in U.S. Patent No. 2,947,610.
In the process according to the invention, the rate of conversion from graphite to diamond is generally greatest when using iron particles, medium when using nickel particles and the slowest when using cobalt particles. When nickel or cobalt particles are used, the diamond crystals obtained are usually not as good and of poor color. These diamonds are suitable for use in resin bonding. If, on the other hand, iron particles are used, the crystals obtained are good and only very weakly colored. These diamonds are suitable for use in metal bonding.
In the process according to the invention, alloy particles of iron, nickel or cobalt and non-metals, e.g. B. carbon, silicon or phosphorus, used instead of iron, nickel or cobalt particles.
In one embodiment of the process according to the invention, the innermost zone of the reaction mixture is first brought to the temperature and pressure conditions required for conversion and these conditions are then allowed to progress gradually towards the outer ends of the inner zone by gradually increasing the temperature of the inner zone of the reaction mixture by about Increased 300 to 500 OC. Here, the conversion takes place first in the innermost zone of the reaction mixture and gradually in the outer parts of the inner zone, so that diamonds are gradually obtained without the occurrence of reverse conversion of diamonds to graphite. The diamonds can therefore be obtained in high yield using lower pressure.
This fact is attributed to the presence of a diamond / graphite coexistence region outside the stable diamond region surrounded by the line AB and CD as shown in FIG. 2 and the fact that the conversion of graphite to diamond as well as the Conversion of diamond to graphite cannot take place in the diamond-graphite coexistence region.
example 1
500 mg of nickel particles of 0.84 to 0.59 mm, 100 mg of chromium carbide powder of less than 0.044 mm and 300 mg of graphite of 0.149 mm were mixed.
This mixture was filled into the cylinder 12 and the cylinder was closed with the graphite plates 13 and 14. This cylinder was placed in the apparatus as shown in FIG. When the mixture was heated to the following temperatures under the following pressures, the yield of diamonds was as follows:
Pressure Temperature Yield (Atm.) (C) (mg) 72 500 1500 250
70 000 1450 150
67 500 1400 50
In this example, when the pressure was maintained at 70,000 atmospheres and the reaction temperature was gradually increased from 1,400 to 1,700 OC over 20 minutes, a diamond yield of 250 mg was obtained.
In this example, when the chromium carbide powder was not used, no diamonds were formed.
Example 2
The procedure according to Example 1 was repeated, but using 500 mg iron particles from 0.84 to 0.59 mm, 100 mg manganese carbide powder from less than 0.044 mm and 300 mg graphite from 0.149 mm. The results obtained are the following:
Pressure Temperature Yield (Atm.) ("C) (mg)
70 000 1450 200 65000 1350 150
60,000 1250 50
In this example, when the pressure was maintained at 65,000 atmospheres and the reaction temperature was gradually increased from 1,250 to 1,600 ° C. over 20 minutes, the yield of diamonds was 200 mg.
If no manganese carbide powder is used in this example, no diamonds are obtained.
Example 3
The procedure according to Example 1 was repeated, but using 500 mg cobalt particles from 0.84 to 0.59 mm, 55 mg tungsten carbide powder from less than 0.044 mm and 300 mg graphite from 0.420 to 0.297 mm. The results obtained are the following:
Pressure Temperature Yield (Atm.) (C) (mg)
73 500 1500 200
70,000 1450 150 67500 1400 100
In this example, if tungsten carbide powder was omitted, no diamonds were produced.
Example 4
The procedure according to Example 1 was repeated, but using 500 mg nickel particles from 0.84 to 0.59 mm, 60 mg vanadium carbide powder from less than 0.044 mm and 300 mg graphite from 0.420 to 0.297 mm. The results obtained are the following:
Pressure Temperature Yield (Atm.) (C) (mg) 72 500 1450 150
70 000 1400 50
Example 5
The process according to Example 1 was repeated, but using 540 mg of nickel particles from 0.84 to 0.59 mm, 60 mg of titanium carbide powder from less than 0.044 mm and 300 mg of graphite from 0.420 to 0.297 mm.
The results obtained are the following:
Pressure Temperature Yield (Atm.) (C) (mg) 72 500 1450 150
70 000 1400 50
Example 6
The process according to Example 1 was repeated, but using 540 mg of cobalt particles from 0.84 to 0.59 mm, 60 mg of niobium carbide from less than 0.044 mm and 300 mg of graphite from 0.420 to 0.297 mm. The results obtained are the following:
Pressure Temperature Yield (Atm.) (C) (mg) 72 500 1500 100
70 000 1450 50
When tantalum carbide powder was used in this example, similar results were obtained.
Example 7
The process according to Example 1 was repeated, but using 540 mg of nickel particles from 0.84 to 0.59 mm, 60 mg of molybdenum carbide powder, smaller than 0.044 mm, and 300 mg of graphite from 0.420 to 0.297 mm. The results obtained are the following:
Pressure Temperature Yield (Atm.) (C) (mg) 72 500 1450 150
70 000 1400 50
Example 8
The process according to Example 1 was repeated, but 500 mg iron particles with a content of 2 O / o carbon and 3 O / o silicon, 50 mg chromium carbide powder and 50 mg manganese carbide powder, both smaller than 0.044 mm, and 300 mg graphite from 0.420 to 0.297 mm used.
The results obtained are the following:
Pressure Temperature Yield (Atm.) (C) (mg)
70,000 1450 150 65,000 1350 100
Comparative experiment 1
The procedure of Example 1 was repeated, but using 100 mg of nickel particles from 0.84 to 0.59 mm, 100 mg of chromium carbide particles from 20 to 30 mesh and 300 mg of graphite of 100 mesh. The results obtained are the following:
Pressure Temperature Yield (Atm.) (C) (mg)
75 000 1550 no diamond formation 72500 1500 no diamond formation
Comparative experiment 2
The process according to Example 1 was repeated, but using 500 mg nickel powder of 0.044 mm, 100 mg of chromium carbide particles of 0.84 to 0.59 mm and 300 mg of graphite of 0.149 mm.
The results obtained are the following:
Pressure Temperature Yield (Atm.) (Oc) (mg)
75 000 1550 no diamond formation
Comparative experiment 3
The process according to Example 1 was repeated, but using 500 mg nickel powder of 0.074 mm, 100 mg of chromium carbide powder smaller than 0.044 mm and 300 mg of graphite of 0.149 mm. The results obtained are the following:
Pressure Temperature Yield (Atm.) (Oc) (mg)
75 000 1500 no diamond formation