DE1176623B - Process for the production of diamond crystals - Google Patents

Process for the production of diamond crystals

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DE1176623B
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Royal Oak Mich. Harold Paul Bovenkerk (V. .St. A.)
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Internat. Kl.: COIbBoarding school Kl .: COIb

-31/06 .--31/06 .-

Deutsche KI.: 12 i-31/06 German KI .: 12 i- 31/06

Nummer: 1176 623 Number: 1176 623

Aktenzeichen: G 31015 IVa/12 iFile number: G 31015 IVa / 12 i

Anmeldetag: 26. November 1960Filing date: November 26, 1960

Auslegetag: 27. August 1964Opening day: August 27, 1964

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Diamantkristallen, bei dem nichtdiamantförmiger Kohlenstoff zusammen mit einem Metall oder einer Legierung im Zustandsdiagramm von Kohlenstoff oberhalb der Graphit-Diamant-Gleichgewichtslinie liegenden Drücken und Temperaturen unterworfen wird.The invention relates to a method for producing diamond crystals, in which non-diamond-shaped Carbon together with a metal or an alloy in the state diagram of Carbon pressures and temperatures above the graphite-diamond equilibrium line is subjected.

Bekanntlich muß man bei der Herstellung von Diamanten kohlenstoffhaltiges Material in Gegenwart eines Metalls, beispielsweise Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium, Platin oder Tantal, Druck- und Temperaturbedingungen aussetzen, die im diamantstabilen Gebiet des Zustandsdiagramms von Kohlenstoff liegen. Es können auch Metallegierungen verwendet werden, die den Vorteil haben, daß zur Gewinnung von Diamanten etwas niedrigere Drücke erforderlich sind. Man weiß heute, daß es für die verwendbaren Metalle und Legierungen im Zustandsdiagramm von Kohlenstoff einen Diamantbildungsbereich gibt, der von der Graphit-Diamant-Gleichgewichtslinie und der diese Linie schneidenden Schmelzpunktkurve des Metall- bzw. Legierung-Kohlenstoff- Eutektikums begrenzt ist. Innerhalb des für jedes Metall oder jede Legierung festliegenden Diamantbildungsbereiches gibt es einen sogenannten kubischen Bereich, in dem im wesentlichen vorwiegend kubische Diamantkristalle gebildet werden. Der kubische Bereich umfaßt im wesentlichen den niedrigsten Temperaturbereich des für jedes Metall oder jede Legierung im Zustanddiagramm von Kohlenstoff festgelegten Diamantbildungsbereichs. Normalerweise sind kubische Diamantkristalle unerwünscht, da sie keine besondere hohe Festkeit besitzen.It is well known that in the manufacture of diamonds, carbonaceous material must be present of a metal, for example chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, ruthenium, rhodium, palladium, Exposing osmium, iridium, platinum or tantalum to pressure and temperature conditions that are stable in the diamond Area of the state diagram of carbon. Metal alloys can also be used which have the advantage that slightly lower pressures are required for the extraction of diamonds are. Today we know that there is a state diagram for the metals and alloys that can be used of carbon gives a diamond formation area that is from the graphite-diamond equilibrium line and the melting point curve of the metal or alloy-carbon- Eutectic is limited. Within that fixed for each metal or alloy Diamond formation area, there is a so-called cubic area in which substantially predominantly cubic diamond crystals are formed. The cubic range is essentially the lowest Temperature range of for each metal or alloy in the state diagram of carbon specified diamond formation area. Usually, cubic diamond crystals are undesirable, because they do not have a particularly high strength.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem das Wachstum der Diamantkristalle so gesteuert wird, daß größere, einwandfreie Diamanten entstehen.The invention is now based on the object of creating a method in which the growth the diamond crystals are controlled in such a way that larger, flawless diamonds are produced.

Es hat sich herausgestellt, daß es zur Herstellung größerer Diamantkristalle nicht ausreicht, wenn man innerhalb des für jedes Metall und jede Legierung festgelegten Diamantbildungsbereiches liegende Druck- und Temperaturbedingungen anwendet. Man muß vielmehr darüber hinaus eine sehr genaue Temperaturregelung vornehmen, um Diamanten nicht nur besserer Qualität, sondern auch größerer Abmessung herzustellen. Man hat herausgefunden, daß eine Änderung der Bedingungen im Reaktionsgefäß, die im Vergleich zum Druck- und Temperaturbereich, in dem günstige Ergebnisse erzielt werden, klein ist, einen viel größeren Einfluß auf die Diamantreaktion hat, als (bisher angenommen wurde.It has been found that it is not sufficient to produce larger diamond crystals if one is within the diamond formation range specified for each metal and alloy Applies pressure and temperature conditions. Rather, one must also have a very precise temperature control make to diamonds not only of better quality but also of larger dimension to manufacture. It has been found that a change in the conditions in the reaction vessel, which in the Is small compared to the pressure and temperature range in which favorable results are achieved, has a much greater influence on the diamond reaction than was previously assumed.

Verfahren zur Herstellung von Diamantkristallen.Process for the production of diamond crystals.

Anmelder:Applicant:

Genera] Electric Company, Schnenectady, N. Y.Genera] Electric Company, Schnenectady, N.Y.

(V. St. A.)(V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. M. Licht,Dipl.-Ing. M. light,

München 2. Sendlinger Str. 55,Munich 2. Sendlinger Str. 55,

und Dr. R. Schmidt, Oppenau (Renchtal),and Dr. R. Schmidt, Oppenau (Renchtal),

PatentanwältePatent attorneys

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Harold Paul Bovenkerk, Royal Oak, Mich.Harold Paul Bovenkerk, Royal Oak, Mich.

(V. St. A.)(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

V. St. v. Amerika vom 27. November 1959V. St. v. America November 27, 1959

(855 787)(855 787)

Diese Änderungen der Bedingungen beziehen sich nicht nur auf die Temperatur, sondern auch auf den Druck. Beide ändern sich während der Reaktion, da sich die inneren Bedingungen ändern. Nach dem Erreichen der gewünschten Temperaturen und während dieser dehnen sich manche Teile der Vorrichtung aus, während wiederum andere unter entsprechender Verringerung oder Erhöhung ihres Volumens schmelzen. Beispielsweise wird das Volumen von Pyrophillit wegen einer Phasenänderung kleiner, und das Volumen eines Metalls wird beim Schmelzen größer. Auch wird durch den Druck das Reaktionsgefäß und der Inhalt des Reaktionsgefäßes zusammengedrückt, da die Poren gefüllt werden und die verwendeten Teile eine bestimmte Kompressibilität haben. Diese Druckänderungen ergeben wiederum Änderungen in den Wirkungen der verwendeten Temperatur, da ja die Reaktion immer von einer Wechselbeziehung der Drücke und Temperaturen abhängt. Wird weiterhin die Reaktionsmasse durch elektrische Widerstandsheizung unmittelbar beheizt, indem durch die im Reaktionsgefäß befindliche Reaktionsmasse elektrischer Strom hindurchgeschickt wird, so treten folgende Erscheinungen auf:These changes in conditions relate not only to temperature, but also to the Pressure. Both change during the reaction as internal conditions change. After reaching the desired temperatures and during this some parts of the device expand while others melt with a corresponding decrease or increase in their volume. For example, the volume of pyrophillite becomes smaller due to a phase change, and so does the volume of a metal becomes larger as it melts. The pressure also causes the reaction vessel and the contents of the reaction vessel are compressed as the pores are filled and the used Parts have a certain compressibility. These changes in pressure, in turn, result in changes in the effects of the temperature used, since yes the reaction always depends on a correlation of the Depends on pressures and temperatures. Will continue the reaction mass by electrical resistance heating directly heated by electrical through the reaction mass in the reaction vessel If current is sent through, the following phenomena occur:

Werden der Druck und die Temperatur erhöht und der durch eine entsprechende Katalysatorkurve bestimmte Diamantbildungsbereich erreicht, dann erfolgt die Umwandlung von nichtdiamantförmigemIf the pressure and the temperature are increased and this is determined by a corresponding catalyst curve When the diamond formation region is reached, the conversion of non-diamond-shaped takes place

409 658/389409 658/389

Kohlenstoff zu Diamant. Der spezifische elektrische Widerstand der Füllung ändert sich dadurch jedoch sehr stark, wenn mehr und mehr elektrisch leitender Kohlenstoff in elektrisch nichtleitenden Diamant übergeht. Die Endtemperatur oder die Widerstandsheizung hängt also unter anderem vom Kohlenstoffvolumen, von der Gestalt und Menge der gebildeten Diamanten, von der Wachstumsgeschwindigkeit und von der Lage der im Reaktionsgefäß gebildeten Kristalle, von durch die Temperatur bedingten Widerstandsänderungen und anderen Variablen ab.Carbon to diamond. However, this changes the specific electrical resistance of the filling very strong when more and more electrically conductive carbon in electrically non-conductive diamond transforms. The final temperature or resistance heating depends, among other things, on the carbon volume, on the shape and amount of diamonds formed, on the rate of growth and on the position of the crystals formed in the reaction vessel, on changes in resistance caused by the temperature and other variables.

Wie sich herausgestellt hat, ist eine genaue Temperaturregelung genauso wichtig, wie die Druckregelung, und die Qualität und Größe der Diamanten können tatsächlich durch Regelung der Temperatur beeinflußt werden.As it turns out, accurate temperature control is just as important as pressure control, and the quality and size of diamonds can actually be influenced by controlling the temperature will.

Beim Verfahren nach der Erfindung zum Erzeugen von Diamantkristallen, bei dem nichtdiamantförmiger Kohlenstoff zusammen mit einem Metall oder einer Legierung im Zustandsdiagramm von Kohlenstoff oberhalb der Graphit-Diamant-Gleichgewichtslinie liegenden Drücken und Temperaturen unterworfen wird, um aus dem nichtdiamantförmigen Kohlenstoff Diamanten zu bilden, geht man daher so vor, daß der Druck auf einen mindestens 3000 Atmosphären über dem zur Diamantbildung erforderlichen Mindestdruck und die Temperatur auf einen Wert erhöht wird, der in einem, von der Gleichgewichtslinie ausgehend, 50° C in das diamantstabile Gebiet hineinragenden Bereich, jedoch mindestens 30° C über der zur Diamantbildung erforderlichen Mindesttemperatur liegt, die Temperatur auf diesem Wert längere Zeit konstant gehalten wird, anschließend die Temperatur und der Druck verringert und die gebildeten Diamantkristalle entfernt werden.In the method according to the invention for producing diamond crystals, in the non-diamond-shaped Carbon together with a metal or an alloy in the phase diagram of carbon subjected to pressures and temperatures above the graphite-diamond equilibrium line is to form diamonds from the non-diamond-shaped carbon, one proceeds so that the pressure to at least 3000 atmospheres above the minimum pressure required for diamond formation and the temperature is increased to a value which, starting from the equilibrium line, 50 ° C protruding into the diamond-stable area, but at least 30 ° C above the the minimum temperature required for diamond formation, the temperature at this value is longer Time is kept constant, then the temperature and pressure are reduced and the formed Diamond crystals are removed.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist ein indirekt geheiztes Reaktionsgefäß erforderlich, das besonders gut zur Durchführung einer genauen Temperaturregelung innerhalb der Füllung und während der Reaktionszeit geeignet ist. Ein derartiges Reaktionsgefäß mit indirekter Heizung ist in der deutschen Patentschrift 1136 312 näher beschrieben. To carry out the method according to the invention, an indirectly heated reaction vessel is required, this is particularly good for carrying out precise temperature control within the filling and is suitable during the reaction time. Such a reaction vessel with indirect heating is in the German patent specification 1136 312 described in more detail.

Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen näher beschrieben, in denen zeigtThe invention is described in more detail with reference to drawings, in which shows

F i g. 1 eine Schar von Kurven, von denen jede für einen bestimmten Katalysator den Diamantbildungsbereich und die Gleichgewichtslinien angibt,F i g. 1 is a family of curves, each of which shows the diamond formation region for a particular catalyst and indicates the equilibrium lines,

F i g. 2 als Beispiel die Kurve des Diamantbildungsbereiches und die bevorzugte diamantbildende Fläche innerhalb dieses Bereiches für einen Nickel-Chrom-Katalysator undF i g. 2 shows the curve of the diamond-forming area and the preferred diamond-forming area as an example within this range for a nickel-chromium catalyst and

F i g. 3 eine schematische Darstellung desselben Bereiches und derselben Fläche für vier weitere Katalysatorsysteme. F i g. 3 shows a schematic representation of the same area and the same area for four further catalyst systems.

Jede der in F i g. 1 dargestellten Kurven gibt für einen bestimmten Katalysator den zur Diamantbildung erforderlichen Druck- und Temperaturbereich an. Die Kurven F, N, R, P und T in F i g. 1 beziehen sich auf Eisen, Nickel, Rhodium, Palladium und Platin. Andere Katalysatoren und Kombinationen ergeben ähnliche Kurven. Es wurde bereits früher angegeben, welche Art von Katalysatoren im allgemeinen bei der Diamantreaktion verwendet werden. Gleichgewichtskurven für andere Katalysatorkombinationen sind auch in der deutschen Auslegeschrift 1147 927 angegeben. Alle diese Bereiche wurden nicht mit absoluter oder hoher Genauigkeit bestimmt, sondern sie wurden vielmehr mit Hilfe von zahlreichen Versuchen und Hunderten von einzelnen Experimenten gefunden, die es gestatten, den Bereich anzugeben, in dem Diamanien mit einem bestimmten Katalysator entweder gebildet oder nicht gebildet werden.Each of the in Fig. 1 shows the pressure and temperature range required for diamond formation for a specific catalyst. Curves F, N, R, P, and T in FIG. 1 refer to iron, nickel, rhodium, palladium and platinum. Other catalysts and combinations give similar curves. It has been indicated earlier what type of catalysts are generally used in the diamond reaction. Equilibrium curves for other catalyst combinations are also given in German Auslegeschrift 1147 927. All of these ranges have not been determined with absolute or high accuracy, but rather have been found through numerous trials and hundreds of individual experiments which allow one to specify the range in which diamonds are either formed or not formed with a particular catalyst.

Es wird darauf hingewiesen, daß die rechtsliegenden Äste der Kurven eine theoretische Trennlinie der Diamantphase und der nichtdiamantförmigen PhasenIt should be noted that the right-hand branches of the curves are a theoretical dividing line of the Diamond phase and the non-diamond-shaped phases

ίο des Kohlenstoffes oder eine Graphjt-Diamant-Gleichgewichtslinie darstellen. Die Lage dieser Linie wurde mit Hilfe der in der deutschen Auslegeschrift 1 147926 beschriebenen Druck- und Temperaturmeßverfahren bestimmt. Die Temperaturmessungen wurden beispielsweise mit handelsüblichen Platin-Platin-Rhodium (10 Gewichtsprozent Rhodium, bezogen auf das Gesamtgewicht von Platin und Rhodium), Chromel-Alumel, Rhodium-Platin und anderen Thermoelementen durchgeführt. Die Verbindungsstelle wurde im allgemeinen in die Mitte des Reaktionsgefäßes gelegt, und die Zuführungsdrähte wurden auf gegenüberliegenden Seiten durch sorgfältig in das Reaktionsgefäß eingearbeitete Bohrungen und dann durch Bohrungen in der Dichtung zum Meßgerät geführt.ίο of carbon or a graphjt-diamond equilibrium line represent. The location of this line was determined with the help of the German Auslegeschrift 1 147926 described pressure and temperature measurement method determined. The temperature measurements were for example with commercially available platinum-platinum-rhodium (10 percent by weight of rhodium, based on the Total weight of platinum and rhodium), chromel-alumel, rhodium-platinum and other thermocouples carried out. The junction was generally placed in the center of the reaction vessel, and the lead wires were carefully inserted into the reaction vessel on opposite sides incorporated holes and then passed through holes in the seal to the measuring device.

Es hat sich herausgestellt, daß die auf diese und andere Thermoelemente wirkenden hohen Drücke keinen großen Einfluß auf die Meßwerte haben.It has been found that the high pressures acting on these and other thermocouples do not have a great influence on the measured values.

Man weiß heute, daß bei der Bildung von Diamanten der Katalysator etwas schmelzen oder eine feste Lösung bilden muß, bevor die Umwandlung zu Diamant stattfindet. Der unterste Teil der Kurven wird daher im allgemeinen durch den Schmelzpunkt festgelegt, den der entsprechende Katalysator in Gegenwart von Kohlenstoff bei dem gegebenen Druck hat. Der linke Teil der Kurven verläuft im allgemeinen gerade und weicht nicht zu sehr von einer senkrechten Linie ab, da die daraufliegenden Punkte durch die Schmelztemperatur bestimmt sind, welche der Katalysator in Gegenwart von Kohlenstoff bei den gegebenen Drücken hat und die ungefähr eine lineare Funktion ist.Today we know that in the formation of diamonds, the catalyst melts somewhat or is a solid one Solution must form before the conversion to diamond takes place. The lowest part of the curves is therefore generally determined by the melting point that the corresponding catalyst in Presence of carbon at the given pressure. The left part of the curves is general straight and does not deviate too much from a vertical line, because the points on it are determined by the melting temperature, which the catalyst in the presence of carbon at has the given pressures and which is roughly a linear function.

Die Diamantbildung tritt also beispielsweise bei irgendeinem Punkt innerhalb irgendeiner Kurve von F i g. 1 ein, der im allgemeinen in der Nähe des unteren Endes der Kurve liegt, wobei durch eine kleine Änderung der Temperatur und des Druckes die Reaktionsbedingungen vom Diamantbildungsbereich in den Graphitbereich übergehen können und dadurch je nach der Änderung entweder keine Diamanten mehr gebildet werden oder bereits gebildete Diamanten teilweise zu Graphit umgewandelt werden.For example, diamond formation occurs at any point within any curve F i g. 1, which is generally near the bottom of the curve, being through a small Change the temperature and pressure in the reaction conditions from the diamond formation area the graphite area can pass over and thereby either no diamonds, depending on the change more are formed or already formed diamonds are partially converted to graphite.

In F i g. 2 ist als Beispiel ein an sich bekannter Diamantbildungsbereich für einen aus einer Legierung von 80 Gewichtsprozent Nickel und 20 Gewichtsprozent Chrom bestehenden Katalysator dargestellt. Erhöht man die Temperatur und den Druck auf einen Wert, der innerhalb der von den Kurven A und O und C und D gebildeten Fläche liegt, und hält man die Temperatur innerhalb bestimmter Grenzen von einigen Sekunden bis zu einer Stunde lang oder langer aufrecht, so entstehen kubische Diamantkristalle, die im allgemeinen eine schlechte Qualität haben und schwarz sind. Dieser Bereich wird in der Beschreibung als kubischer Bereich bezeichnet. Sowohl die obere Grenze der Fortsetzung der Linie DEC als auch der Linie OA ist unbekannt. Es sind also in F i g. 2 keine geschlossenen Kurvenzüge vorhanden, jedoch ist wohl der Ausdruck »Fläche innerhalbIn Fig. 2 shows, as an example, a diamond formation region known per se for a catalyst consisting of an alloy of 80 percent by weight nickel and 20 percent by weight chromium. If the temperature and the pressure are increased to a value which lies within the area formed by the curves A and O and C and D , and if the temperature is maintained within certain limits from a few seconds to an hour or more, so arise cubic diamond crystals which are generally of poor quality and are black. This area is referred to as the cubic area in the description. Both the upper bounds of the continuation of the line DEC and the line OA are unknown. There are therefore in FIG. 2 there are no closed curves, but the expression »surface within

einer bestimmten Kurve« in diesem Zusammenhang verständlich.a certain curve «understandable in this context.

Wird die Temperatur weiter auf einen innerhalb der Kurve FEC liegenden Wert erhöht, dann erfolgt, wie sich bei vielen von wenigen Sekunden bis zu einer Stunde oder langer dauernden Versuchen herausgestellt hat, das Diamantwachstum sehr schnell, und auch die Diamantausbeute ist sehr groß, jedoch sind die einzelnen Kristalle im allgemeinen klein und von schlechter Qualität, obwohl die Qualität etwas verbessert werden kann, wenn man sich in dieser Fläche weiter nach rechts bewegt.If the temperature is increased further to a value lying within the curve FEC , then, as has been found in many experiments lasting from a few seconds to an hour or more, the diamond growth takes place very quickly, and the diamond yield is also very high, however, are the individual crystals are generally small and of poor quality, although the quality can be improved somewhat by moving further to the right in this area.

Es hat sich nun überraschenderweise herausgestellt, daß entlang der Linie DB sich ein Bereich befindet, in dem bei genauer Temperatur- und Zeitregelung außerordentlich große Kristalle von ausgezeichneter Qualität gebildet werden, in dem aber die Diamantbildung beträchtlich langsamer erfolgt. Für den angeführten Katalysator liegt dieser Bereich, der in F i g. 2 durch die schriffierte Fläche dargestellt ist, entlang der Linie DB gerade innerhalb des Diamantbildungsbereiches. Man ist daher bestrebt, die Druck- und Temperaturbedingungen oberhalb des kubischen Bereiches in der Nähe der Linie DB innerhalb der von den Kurven DEEF und DB liegenden Fläche zu halten. Die ischraffierte Fläche hat eine Breite von ungefähr 50° C.It has now been found, surprisingly, that there is a region along the line DB in which, with precise temperature and time control, extremely large crystals of excellent quality are formed, but in which diamond formation takes place considerably more slowly. This range, which is shown in FIG. 2 is represented by the grooved area, along the line DB just inside the diamond formation area. It is therefore endeavored to keep the pressure and temperature conditions above the cubic range in the vicinity of the line DB within the area lying by the curves DEEF and DB. The hatched area is approximately 50 ° C wide.

Die oberhalb des kubischen Bereiches und gerade innerhalb der Kurve DB liegenden Fläche ist also gut bestimmt. Jedoch ist es in der Praxis außerordentlich schwierig, die Temperatur innerhalb dieser Fläche zu halten, da bei dem bisher üblichen Verfahren und bei der bisher üblichen Vorrichtung sich die Temperatur in der beschriebenen Weise ändert und die Fläche so beschränkt ist, daß eine kleine Temperaturänderung Bedingungen zu Folge haben kann, die vollkommen außerhalb dieser Fläche entweder rechts oder links von der Kurve DB liegen, ohne daß es absolut sicher ist, wo jetzt die Temperatur liegt.The area above the cubic area and just inside the curve DB is therefore well determined. However, in practice, it is extremely difficult to keep the temperature within this area, since in the conventional method and apparatus, the temperature changes in the manner described and the area is limited so that a small temperature change becomes conditions Can have consequence that lie completely outside of this area either to the right or left of the curve DB , without it being absolutely certain where the temperature is now.

In der F i g. 3 ist diese entsprechende Fläche für andere Katalysatorsysteme dargestellt. Diese Darstellung ist nur schematisch, und daher sind die einzelnen Druck- und Temperaturwerte für die entsprechenden Katalysatoren nicht so genau. Sie dient zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung.In FIG. 3 shows this corresponding area for other catalyst systems. This representation is only schematic, and therefore the individual pressure and temperature values are for the corresponding Catalysts are not so accurate. It serves to explain the present invention.

Die Linie GH ist die Diamant-Graphit-Gleichgewichtslinie, die von den Schmelzkurven des eutektischen Graphit-Katalysator-Gemisches geschnitten wird. In der Zeichnung sind vier Katalysatorsysteme angeführt, für welche die folgenden Temperatur- und Druckmindestwerte gelten. Es ist ersichtlich, daß die Werte bei niedrigeren Temperaturen genauer sind.The line GH is the diamond-graphite equilibrium line which is intersected by the melting curves of the eutectic graphite-catalyst mixture. The drawing shows four catalyst systems for which the following minimum temperature and pressure values apply. It can be seen that the values are more accurate at lower temperatures.

Katalysatorcatalyst Temperatur
0C
temperature
0 C
Druck
at
pressure
at
Legierung aus
30% Ni-70% Fe
Ni
Alloy from
30% Ni-70% Fe
Ni
1240 ± 10
1420 ± 10
1975 ± 30
1700 ± 30
1240 ± 10
1420 ± 10
1975 ± 30
1700 ± 30
62 000
71000
98 000
85 000
62,000
71000
98,000
85,000
Pt Pt Rh Rh

Die von der Schmelzpunktkurve und der Diamant-Graphit-Gleichgewichtslinie umschlossene Fläche bildet den Bereich, in dem Diamanten gebildet werden können. Die unmittelbar oberhalb des durch den Schnittpunkt der Katalysatorschmelzpunktkurve mit der Gleichgewichtslinie festgelegten Temperatur- und Druckmindestwertes liegende Zone ist der kubische Bereich. Entlang der Schmelzpunktkurve und innerhalb 10 bis 20c C der Mindesttemperatur verläuft die Zone der schlechtesten Qualität.The area enclosed by the melting point curve and the diamond-graphite equilibrium line forms the area in which diamonds can be formed. The zone immediately above the minimum temperature and pressure value established by the intersection of the catalyst melting point curve and the equilibrium line is the cubic area. The zone of poorest quality runs along the melting point curve and within 10 to 20 ° C of the minimum temperature.

Die Zone nach der Erfindung, bei der große Kristalle von guter Qualität gebildet werden, erstreckt sich über ungefähr 50° C innerhalb der Gleichgewichtslinie und beginnt für das entsprechende Katalysatorsystem bei einem Druck, der ungefähr 3000 Atm. über dem Mindestdruck liegt, und bei einer Temperatur, die ungefähr 30° C über der Mindesttemperatur liegt. Diese Fläche ist schraffiert gezeichnet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß nur der untere Teil dieser Fläche schraffiert ist. Für jeden Katalysator erstreckt sich diese Fläche zwischen der Linie IK und der Gleichgewichtslinie GH seitlich nach oben. Zur besseren Darstellung wurden diese Flächen nicht vollständig schraffiert, da die bevorzugte Fläche für einen Katalysator sich mit denselben Flächen von höher schmelzendem Katalysator überdecken würde.The zone according to the invention, in which large crystals of good quality are formed, extends over approximately 50 ° C. within the equilibrium line and, for the corresponding catalyst system, begins at a pressure of approximately 3000 atm. above the minimum pressure, and at a temperature approximately 30 ° C above the minimum temperature. This area is shown hatched. It should be noted, however, that only the lower part of this area is hatched. For each catalytic converter, this area extends laterally upwards between the line IK and the equilibrium line GH. For the sake of clarity, these areas have not been completely hatched, since the preferred area for a catalyst would overlap with the same areas of higher melting catalyst.

Es werden nun Verfahren zur Erreichung der erfindungsgemäßen Druck-Temperatur-Fläche angegeben. Aus F i g. 2 kann man ersehen, daß die Temperatur der Vorrichtung zunächst bei Atmosphärendruck auf einen Wert in der schraffierten Fläche und anschließend der Druck so erhöht werden kann, daß der Druck-Temperatur-Punkt innerhalb des unteren Teiles der schraffierten Fläche liegt. Dieses Verfahren ist nicht besonders günstig, da sich die Erhöhung der Temperatur vor der Erhöhung des Druckes auf die Arbeitsweise der Vorrichtung auswirkt. Der Druckanstieg erfolgt nicht entlang einer senkrechten Linie, sondern der Druck und auch die Temperatur schwanken stark.Methods are now given for achieving the pressure-temperature area according to the invention. From Fig. 2 it can be seen that the temperature of the device is initially at atmospheric pressure to a value in the hatched area and then the pressure can be increased so that the pressure-temperature point lies within the lower part of the hatched area. This method is not particularly beneficial, as the increase in temperature occurs before the increase in pressure affects the operation of the device. The pressure increase does not take place along a vertical line Line, but the pressure and also the temperature fluctuate greatly.

Je nach der Größe des Reaktionsgefäßes, der Temperatureinstellzeit und der gesamten Betriebszeit werden mit den folgenden Verfahren bessere ErgebnisseDepending on the size of the reaction vessel, the temperature setting time and total uptime will get better results with the following procedures

4» erzielt. Wird ein kleines Reaktionsgefäß verwendet, so ist die Zeit-Temperatur-Konstante sehr klein, d. h., bei Zuführung von elektrischer Energie steigt die Temperatur außerordentlich schnell auf einen hohen Wert an und ändert sich dannnurmehrallmählich.Bei einem kleinen Reaktionsgefäß wird zunächst der Druck auf beispielsweise den in F i g. 2 angegebenen Wert P1 erhöht. Anschließend wird elektrische Energie zugeführt und die Temperatur auf einen Wert T1 erhöht. Eine Druck- und Temperaturerhöhung in dieser Größenordnung hat einen Temperaturanstieg zur Folge, der sich nicht besonders auf den Wert des Druckes Pl auswirkt. Die Temperatur sollte jedoch auf dem Schwellwert T1 aus den folgenden Gründen gehalten werden. Versucht man nämlich, die Temperatur T 2 unmittelbar zu erreichen, so ist, selbst wenn die Temperaturanstiegszeit außerordentlich klein ist, die Wahrscheinlichkeit sehr groß, daß die Temperatur über diesen Punkt hinaus erhöht wird und schließden Wert Γ 3 erreicht, der außerhalb des Diamantbildungsbereiches liegt. Ein zwischen dem Diamantbildungsbereich und dem außerhalb davon liegenden Bereich hin- und herschwankender Temperaturverlauf hat einen beträchtlichen Einfluß auf die Reaktion. Da sich außerdem nach einem sehr schnellen Temperaturanstieg die Temperatur nur mehr allmählich ändert, kann die Zeit für eine Änderung der Temperatur vom Wert Π auf den Wert Γ 2 so lang sein, daß im Reaktionsgefäß dabei im Temperatur-4 »scored. If a small reaction vessel is used, the time-temperature constant is very small, that is, when electrical energy is supplied, the temperature rises extremely quickly to a high value and then changes gradually in Fig. 2 specified value P 1 increased. Electrical energy is then supplied and the temperature is increased to a value T 1. An increase in pressure and temperature in this order of magnitude results in an increase in temperature which does not particularly affect the value of the pressure P1 . However, the temperature should be kept at the threshold T 1 for the following reasons. If one tries to reach the temperature T 2 immediately, even if the temperature rise time is extremely small, the probability is very high that the temperature will be increased beyond this point and finally reach the value Γ 3, which is outside the diamond formation range. A temperature profile that fluctuates back and forth between the diamond formation area and the area outside it has a considerable influence on the reaction. In addition, since the temperature only changes gradually after a very rapid rise in temperature, the time for a change in temperature from the value Π to the value Γ 2 can be so long that the temperature in the reaction vessel

bereich zwischen der Temperatur T1 und der schraffierten Fläche Diamanten gebildet werden, d. h., die Diamantenbildung setzt in einem Bereich schlechter Qualität ein, was sich auf die Qualität der anschließend im schraffierten Bereich geltenden Diamanten auswirkt.Area between the temperature T 1 and the hatched area diamonds are formed, that is, the diamond formation begins in an area of poor quality, which affects the quality of the then applicable diamonds in the hatched area.

Wird daher die Temperatur zunächst nur auf den Wert Tl gebracht, so können sich die Temperatur und der Druck im Reaktionsgefäß vor der Diamantenbildung in dem außerhalb des Diamantbildungsbereichs liegenden Bereichs einspielen. Anschließend ist dann nur eine geringe Temperaturerhöhung erforderlich, um zu dem innerhalb der schraffierten Fläche liegenden Wert Tl zu gelangen. Nachdem die Temperatur T1 erreicht worden ist und sich eingespielt hat, wird dem Reaktionsgefäß mehr Energie zugeführt, wodurch innerhalb weniger Sekunden die im schraffierten Bereich liegende Temperatur TI erreicht wird, so daß sich wegen des schnellen Temperaturanstieges zwischen der Temperatur Tl und der Temperatur Tl eventuell nur wenige Diamantenkristalle vor dem Erreichen der schraffierten Fläche bilden können. Die Temperatur kann dann zur Erzielung von größeren Diamantkristallen innerhalb von der schraffierten Fläche während eines von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden reichenden Zeitraumes geregelt werden.If, therefore, the temperature is initially only brought to the value T1 , then the temperature and the pressure in the reaction vessel before the diamond formation can settle in the area outside the diamond formation area. Then only a slight increase in temperature is then required in order to arrive at the value T1 lying within the hatched area. After the temperature T 1 has been reached and has recorded itself, the reaction vessel is supplied more energy, whereby the lying within the shaded area temperature TI is reached within a few seconds, so that possibly because of the rapid increase in temperature between the temperature Tl and the temperature Tl only a few diamond crystals can form before reaching the hatched area. The temperature can then be regulated within the hatched area for a period of time ranging from a few minutes to several hours in order to achieve larger diamond crystals.

Bei den nun im allgemeinen verwendeten größeren Reaktionsgefäßen erfolgt wegen des größeren Volumens der zeitliche Temperaturanstieg viel langsamer (beispielsweise innerhalb einer Zeit von bis zu 15 Minuten). Das Anhalten der Temperatur bei einem Wert von Tl und das anschließende Erhöhen nach der vorliegenden Erfindung ist daher schwieriger. Bei größeren Reaktionsgefäßen verwendet man daher folgendes Verfahren. Man erhöht den Druck auf den Wert Pl. Anschließend wird so viel elektrische Energie zugeführt, daß die Temperatur so schnell wie möglich ansteigt, wobei die Temperaturen Tl und Γ 2 so schnell wie möglich durchlaufen werden und schließlich beispielsweise die Temperatur T 3 erreicht wird. Dabei entstehen im Bereich zwischen Tl und Tl aus Graphit Diamanten, die jedoch ohne Rücksicht auf ihre Größe und Qualität durch Erhöhung der Temperatur auf den Wert T 3 wieder in Graphit verwandelt werden, so daß im Punkt T3 weder Diamanten gebildet werden noch Diamanten im Reaktionsgefäß vorhanden sind. Anschließend wird die Temperatur auf den Wert Tl erniedrigt und so nahe wie möglich bei der Linie OB gehalten, da ja nur hier größere Diamantenkristalle gebildet werden.In the larger reaction vessels that are now generally used, the rise in temperature over time takes place much more slowly (for example within a time of up to 15 minutes) because of the larger volume. Holding the temperature at a value of Tl and then increasing it according to the present invention is therefore more difficult. The following procedure is therefore used for larger reaction vessels. The pressure is increased to the value Pl. Subsequently, sufficient electrical energy is supplied that the temperature rises as quickly as possible, the temperatures Tl and Γ 2 being passed through as quickly as possible and finally the temperature T 3, for example, is reached. This results in graphite diamonds in the area between Tl and Tl , which, however, regardless of their size and quality, are converted back into graphite by increasing the temperature to the value T 3, so that at point T 3 neither diamonds are formed nor diamonds in the reaction vessel available. The temperature is then lowered to the value Tl and kept as close as possible to the line OB , since larger diamond crystals are only formed here.

Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung können die Ergebnisse beträchtlich verbessert werden. Mit den bekannten Verfahren können Diamantkristalle von einer Größe von unter 0,5 mm hergestellt werden. Mit dem Verfahren nach der Erfindung können Diamantkristalle hergestellt werden, die um den Faktor 4 größer sind. Die Erfindung wird nun an Hand von Beispielen näher erläutert.According to the method according to the invention, the results can be improved considerably. With The known processes can produce diamond crystals with a size of less than 0.5 mm. With the method according to the invention, diamond crystals can be produced by the factor 4 are larger. The invention will now be explained in more detail by means of examples.

Beispiel 1example 1

Ein indirekt beheiztes Reaktionsgefäß, das in der deutschen Patentschrift 1136 312 näher beschrieben ist und einen Durchmesser von ungefähr 19 mm und eine Länge von ungefähr 25 mm hatte, wurde mit einem Katalysator aus 80 Gewichtsprozent Nickel und 20 Gewichtsprozent Chrom und mit spektroskopisch reinem Graphit gefüllt. Die Schwellwerttemperatur betrug 1250° C, der maximale Druck 72 000 Atmosphären und die maximale Temperatur 1320° C. Zur Erreichung einer Temperatur von 1250 bis 1320° C war eine Zeit von 1 bis 3 Sekunden erforderlich. Die gesamte Reaktionszeit betrug ungefähr 2 Stunden. Das aus der Presse entfernte Reaktionsgefäß enthielt drei Diamantkristalle mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,5 bis 2 mm.An indirectly heated reaction vessel, which is described in more detail in German Patent 1136 312 and was approximately 19 mm in diameter and approximately 25 mm in length, was used with a catalyst made of 80 percent by weight nickel and 20 percent by weight chromium and with spectroscopy pure graphite filled. The threshold temperature was 1250 ° C, the maximum pressure 72 000 atmospheres and the maximum temperature 1320 ° C. To achieve a temperature of 1250 up to 1320 ° C a time of 1 to 3 seconds was required. The total response time was approximately 2 hours. The reaction vessel removed from the press contained three diamond crystals with one average diameter of 0.5 to 2 mm.

Beispiel 2Example 2

Das im Beispiel 1 angeführte Reaktionsgefäß wurde auch hier verwendet, und es wurde auch dasselbe Verfahren durchgeführt. Als Katalysator wurde ein Nickel-Eisen-Katalysator aus 35 Gewichtsprozent Nickel und 65 Gewichtsprozent Eisen verwendet. Der Höchstdruck betrug 66 000 Atmosphären, die Schwellwerttemperatur ungefähr 1150° C, die Höchsttemperatur ungefähr 1250° C und die Reaktionszeit 3 Stunden. Nach Entfernung des Reaktionsgefäßes aus der Presse stellte sich heraus, daß es mehrere Diamantkristalle mit einer durchschnittlichen Größe von etwas weniger als 2 mm enthielt.The reaction vessel shown in Example 1 was also used here, and it also became the same Procedure carried out. A nickel-iron catalyst of 35 percent by weight was used as the catalyst Nickel and 65 weight percent iron used. The maximum pressure was 66,000 atmospheres, the Threshold temperature around 1150 ° C, the maximum temperature about 1250 ° C and the reaction time 3 hours. After removing the reaction vessel From the press it turned out that there were several diamond crystals with an average size of a little less than 2 mm.

2„ Beispiel 3 2 "Example 3

Verfahren, Reaktionsgefäß und Katalysator nach Beispiel 2 wurden verwendet. Die Temperatur wurde sehr schnell erhöht, damit der Diamantbildungsbereich sehr schnell durchlaufen wurde. Man ließ die Temperatur ungefähr bei 1400° C zur Ruhe kommen. Anschließend wurde die Temperatur auf ungefähr 1250° C verringert und IV2 Stunden aufrechterhalten. Das Reaktionsgefäß wurde entfernt und enthielt mehrere Diamantkristalle mit einer Größe von ungefähr 1,5 mm in der längeren Richtung.The procedure, reaction vessel and catalyst of Example 2 were used. The temperature was increased very quickly so that the diamond formation area was passed through very quickly. They left the Temperature come to rest at around 1400 ° C. Subsequently, the temperature was raised to approximately Decreased 1250 ° C and maintained IV2 hours. The reaction vessel was removed and contained several diamond crystals with a size of about 1.5 mm in the longer direction.

Die Röntgenstrahlenbeugungsbilder der nach der Erfindung hergestellten Diamanten stimmten mit denjenigen von richtigen Diamanten überein. Die hergestellten Diamanten ritzten Saphir, überstanden Säurereinigungsversuche und verbrannten in Sauerstoff, wobei nur unwesentliche Überreste zurückblieben. In der vorliegenden Erfindung wurde Graphit nur als Beispiel eines kohlenstoffhaltigen Materials angeführt. Es kann natürlich irgendein kohlenstoffhaltiges Material verwendet werden, das beim Erhitzen verkohlt und Graphit bildet, bevor die Diamantbildungsreaktion stattfindet. Aus einem Ausgangsmaterial wie Kohlenstoff, Holz, Pech, Diamantglanz usw. wurden Diamanten hergestellt.The X-ray diffraction patterns of the diamonds made according to the invention agreed with those of correct diamonds match. The diamonds produced scratched sapphire and withstood acid cleaning attempts and burned in oxygen, leaving only negligible remains. In In the present invention, graphite has been cited only as an example of a carbonaceous material. Any carbonaceous material which char when heated can of course be used and forms graphite before the diamond formation reaction takes place. From a raw material like Carbon, wood, pitch, diamond luster, etc., diamonds were made.

Claims (3)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zur Herstellung von Diamantkristallen, bei dem nichtdiamantförmiger Kohlen- stoff zusammen mit einem Metall oder einer Legierung im Zustandsdiagramm von Kohlenstoff oberhalb der Graphit-Diamant-Gleichgewichtslinie liegenden Drücken und Temperaturen unterworfen wird, um aus dem nichtdiamantförmigen Kohlenstoff Diamanten zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck auf einen mindestens 3000 Atmosphären über den zur Diamantbildung erforderlichen Mindestdruck und die Temperatur auf einen Wert erhöht wird, der in einem, von der Gleichgewichtslinie ausgehend, 50° C in das diamantstabile Gebiet hineinragenden Bereich, jedoch mindestens 30° C über der zur Diamantbüdung erforderlichen Mindest-1. Process for the production of diamond crystals, in which non-diamond-shaped carbon substance together with a metal or an alloy in the phase diagram of carbon subjected to pressures and temperatures above the graphite-diamond equilibrium line is to form diamonds from the non-diamond-shaped carbon, thereby characterized in that the pressure is increased to at least 3000 atmospheres above the for Diamond formation required minimum pressure and the temperature is increased to a value that in a 50 ° C projecting from the equilibrium line into the diamond-stable area Range, but at least 30 ° C above the minimum required for diamond formation temperatur liegt, die Temperatur auf diesem Wert längere Zeit konstant gehalten wird, anschließend die Temperatur und der Druck verringert und die gebildeten Diamantkristalle entfernt werden.temperature, the temperature is kept constant at this value for a longer period of time, then the temperature and pressure are reduced and the diamond crystals formed are removed. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff und das Metall oder die Legierung bei einer nicht im Diamantbildungsbereich des gegebenen Metalls oder der gegebenen Legierung liegenden Temperaturen einem Druck unterworfen werden, der dem im Diamantbildungsbereich erforderlichen Druck entspricht, und anschließend unter Aufrechterhaltung dieses Druckes die Temperatur auf einen Wert erhöht wird, der in der Nähe, aber außerhalb des Diamantbildungsbereiches des gegebenen Metalls oder der gegebenen Legierung liegt, diese Schwellwerttemperatur zur Stabilisierung aufrechterhalten und schließlich die Temperatur auf den ausgewählten Wert erhöht wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the carbon and the metal or the alloy for one not in the diamond formation range of the given metal or metal given alloy lying temperatures are subjected to a pressure which is the im Diamond formation area corresponds to the required pressure, and then maintained of this pressure the temperature is raised to a value which is close to but outside the diamond formation area of the given metal or alloy, maintain this threshold temperature for stabilization and finally the temperature is increased to the selected value. 1010 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff und das Metall oder die Legierung zunächst einem Druck unterworfen werden, der dem im Diamantbildungsbereich des gegebenen Metalls oder der gegebenen Legierung erforderlichen Druck entspricht, anschließend die Temperatur auf der Temperaturkurve vom nichtdiamantbildenden Bereich über den diamantbildenden Bereich auf einen im Graphitbereich liegenden Wert erhöht wird, die Druck- und Temperaturbedingungen zur Stabilisierung in diesem Graphitbereich aufrechterhalten werden und schließlich die Temperatur so lange verringert wird, bis der ausgewählte Wert erreicht wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the carbon and the metal or the alloy is first subjected to a pressure equal to that in the diamond formation area corresponds to the pressure required for the given metal or alloy, then the temperature on the temperature curve from the non-diamond-forming area above the diamond-forming area is increased to a value lying in the graphite area, the Maintain pressure and temperature conditions for stabilization in this graphite area and finally the temperature is reduced until the selected value is reached will. In Betracht gezogene Druckschriften:
Nature Nr. 4471 vom 9. 7. 1955, S. 51 bis 55; Nr. 4693 vom 10.10.1959, S. 1094 bis 1098.
Considered publications:
Nature No. 4471 of July 9, 1955, pp. 51 to 55; No. 4693 of 10.10.1959, pp. 1094 to 1098.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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