DE1667362A1

DE1667362A1 - Verfahren zum Herstellen von synthetischen Diamanten

Info

Publication number: DE1667362A1
Application number: DE19671667362
Authority: DE
Inventors: Cedric Lindstroem
Original assignee: SCANDIAMANT AB
Current assignee: SCANDIAMANT AB
Priority date: 1966-02-11
Filing date: 1967-02-04
Publication date: 1972-04-20
Also published as: BE693619A; GB1174940A; US3652220A

Description

dipping. HELMUT M ISSUING *-· --. ν, 3.2-1967

d.pl-.ng. RICHARDSCHLEE

TELEFON:

Allmänna Svenska Elektriska Aktieboiaget, V ä s te r a s /Schweden

Verfahren zum Herateilen von synthetischen Diamanten

Es ist bekannt, synthetische Diamanten aus einer Mischung von Partikeln eines nicht diamantförmigen kohlenstoffhaltigen Materials und von Partikeln eines Lösungsmittels für Kohlenstoff, z.B. Eisen oder Nickel, oder einer Legierung mit einem von diesen Metallen bei Temperaturen und Drücken innerhalb des diamantstabiien Bereiches herzustellen, wobei die Temperatur gleichzeitig so hoch gewählt wird, daß das Lösungsmittel für das kohlenstoffhaltige Material in geschmolzener Form vorliegt. Es ist auch bekannt, anstelle von Partikeln des Lösungsmittels aus diesem gebildete Körper, z.B. in der Form von Scheiben usw. zu verwenden, also Körper mit einer im Verhältnis zur Reaktionskammer wesentlichen Erstreckung, d.h. im Verhältnis zu der Kammer, in der die Mischung unter hohem Druck gesetzt und gleichzeitig erwärmt wird.

Die Erfindung bezweckt eine Ausgestaltung des bekannten Verfahrens, die es ermöglicht, besonders große und wohlkristallisierte Diamanten herzustellen. Die Erfindung geht dabei von einem Verfahren aus, bei dem in einer Reaktionskammer ein nicht diamantförmiges

209817/1053

ORIGINAL INSPECTED

kohlenstoffhaltiges Material und ein den Kohlenstoff lösendes und diesen in Diamanten umwandelndes Mittel Temperaturen und Drücken in dem diamantstabilen Bereich ausgesetzt und dabei die aus dem genannten Material und dem genannten Mittel bestehende Reaktionsmasse mit einem elektrischen Strom mindestens auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der das Lösungsmittel flüssig ist, und bei dem das Lösungsmittel wenigstens einen Körper mit einer im Verhältnis zur Reaktionskammer wesentlichen Erstreckung bildet und dieser in der Hauptsache winkelrecht zur Richtung des Heizstromes durch die Reaktionsmasse angeordnet ist. Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß an dem aus dem Lösungsmittel gebildeten Körper mehrere vorspringende Teile mit abnehmendem Querschnitt, z.B. in der Form von Spitzen oder Rippen ausgebildet und diese dem kohlenstoffhaltigen Material zugekehrt sind, und daß die Reaktionsmasse so erwärmt wird, daß der Temperaturgradient in Richtung vom kohlenstorfhaltigen Material zum Lösungsmittel negativ wird.

Der diamantstabile Bereich ist das Gebiet oberhalb der Gleichgewichtslinie für Graphit-Diamant in dem von Berman & Simon in der »Zeitschrift für Elektrochemie» 59 (1955) S. 133 publizierten Zustandsdiagramm für Kohlenstoff.

Wie angegeben, ist die Temperatur bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mindestens so hoch, daß ein Schmelzen des Lösungsmittels in Gegenwart des kohlenstoffhaltigen Materials erreicht wird. Zweckmäßig wird nicht eine Temperatur überschritten,

209817/1053 -5-

die mit bO bis 250° C den eutektischen Schmelzpunkt einer Mischung von Kohlenstoff und des verwendeten Lösungsmittels übersteigt. Aus apparattechnischen Gründen sollen Temperaturen über 2200° C vermieden werden.

Der erforderliche Mindestdruck wird in jedem einzelnen Fall anhand der verwendeten Temperatur aus dem Zustandsdiagramm des Kohlenstoffes erhalten. Um nicht unnötig die Durchführung des Verfahrens zu erschweren, ist es zweckmäßig, normalerweise einen Druck zu verwenden, der 120.000 Atm unterschreitet.

Das kohlenstoffhaltige Material kann außer Graphit, das bevorzugt wird, aus amorphem Kohlenstoff, Holzkohle, Anthrazit oder anderen in der Natur vorkommenden Kohlensorten bestehen, ebenso aus kohlenstoffhaltigen Stoffen, z.B. Anthrazen und Naphtalen, die bei den in Präge stehenden Reaktionsbedingungen unter Freigabe von Kohlenstoff zerlegt werden.

Das Lösungsmittel kann aus Eisen, Nickel, Kobalt, Platinmetallen oder anderen Metallen mit der Fähigkeit, Kohlenstoff zu lösen und kohlenstoffhaltiges Material in Diamanten umzuwandeln, bestehen sowie aus Legierungen, die solche Metalle enthalten, z.B. Legierungen, die aus Nickel und Eisen, aus Nickel, Chrom und Eisen, aus Nickel und Chrom, aus Nickel, Kobalt, Chrom und Eisen, z.B. rostfreiem Stahl, und aus Nickel und Kupfer bestehen. Auch Verbindungen der genannten Metalle können verwendet werden, wie

209817/1053

Karbide, z.B. EisenkerMd. Alle diese Metalle, Legierungen und Metallverbindungen mit der Fähigkeit, Kohlenstoff aufzulösen und kohlenstoffhaltiges Material in Diamanten umzuwandeln, sind an und für sich bekannt' und bilden nicht einen Teil der vorliegenden Erfindung.

Die Zeit, während der das kohlenstoffhaltige Material und das lösungsmittel Drücken und Temperaturen innerhalb des diamantstabilen Bereichs ausgesetzt werden, ist zweckmäßigerweise ca 1 bis 15 Minuten. Doch auch längere Zeiten von einer oder mehreren Stunden können verwendet werden.

Eine denkbare Erklärung des guten durch die Erfindung erhaltenen Resultats könnte sein, daß die schmaler werdenden oder herausragenden Teile des aus dem lösungsmittel gebildeten Körpers, die in Kontakt mit dem wärmeren Kohlenstoff sind, vor den übrigen Teilen des Lösungsmittelkörpers schmelzen unter Bildung einer verhältnismäßig begrenzten Anzahl von Diamantkristallen, die dann als Keime für das fortgesetzte Kristallwachstum wirken. Dieses würde dann unter fortgesetztem Schmelzen des Lösungsmittels und fortgesetzter Auflösung des Kohlenstoffes geschehen.

Die herausragenden Teile des Körpers können durch mechanische Bearbeitung erhalten werden, z.B. durch Fräsen, Prägen oder Ziehen, letzteres, wenn der Körper aus einem Draht geformt ist, z.B. aus einer Spirale besteht. Anstelle mehrerer herausragender Teile kann ein langgestreckter herausragender Teil benutzt werden, z.B. ein zusammenhängender spiraienförmiger Kamm.

209817/1053 ~^b~

Der Körper kann u.a. die Form einer Scheibe mit mehreren separaten herausragenden Teilen, z.B. in der Form von mehreren konzentrischen Kämmen haben, oder mit herausragenden Teilen in der Porm einer zusammenhängenden langgestreckten Einheit, z.B. eines spiralenförmig verlaufenden Kammes. Er kann auch als eine Schicht von dicht aneinander angeordneten Kugeln ausgebildet sein oder als eine flache Spirale, die dicht gewickelt sein kann.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht der aus dem Lösungsmittel gebildete Körper aus mehreren Teilen mit Zwischenräumen angeordneten Teilen, wobei die Zwischenräume mit dem nicht diamantförmigen kohlenstoffhaltigen Material gefüllt sind, das auch den Körper selbst umgibt. Die Teile des Körpers können dabei eine zusammenhängende Einheit und ihre schmaler werdenden oder herausragenden Teile einen dem kohlenstoffhaltigen Material zugekehrten, langgestreckten schmaler werdenden oder herausragenden Teil des ganzen Körpers selbst.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung mit Zwischenräumen zwischen den Teilen des Körpers können die Teile des Körpers schmaler werdende oder herausragende Teile haben, die dem kohlenstoffhaltigen Material zugekehrt sind, das um den Körper selbst angeordnet ist, sowie schmaler werdende und herausragende Teile, die dem kohlenstoffhaltigen Material zugekehrt sind, das in den Zwischenräumen zwischen den Teilen angeordnet ist.

-6-

209817/1053

Besonders vorteilhafte Ausführungsformen des aus dem Lösungsmittel gebildeten Körpers, wenn dieser mit Zwischenräumen zwischen seinen Teilen ausgebildet ist, sind z.B. eine aus Draht mit Abstand gewickelte Spirale mehrere konzentrische Einge oder eine Schicht von Kugeln, die in Abstand voneinander angeordnet sind.

Die Erfindung ist im folgenden anhand nshrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Zeichnung zeigt schematisch eine Reaktionskammer, in der das kohlenstoffhaltige Material und der aus dem Lösungsmittel hergestellter Körper erwärmt und dem erforderlichen Druck ausgesetzt werden, wobei nach Fig. 1 der Körper aus einer Scheibe, nach Fig. 2 aus einer dichtgewickelten Spirale, nach Fig. 3 aus einer Schicht dicht nebeneinander angeordneter Kugeln, nach Fig. 4 aus einer mit Abstand gewickelten Spirale und nach Fig. 5 aus mehreren konzentrischen Hingen besteht. Die Fig. 1a, 2a, 4a und 5a zeigen jeweils Teile des Körpers in größerem Maßstabe.

Die in Fig. 1 bis 5 gezeigte Reaktionskammer 10 ist zylindrisch und besteht aus einem isolierenden Rohr 11, z.B. aus Talkum, aus zwei kreisrunden Metallscheiben 12 und 13· Die Erwärmung der Reaktionskammer geschieht auf elektrischem Wege, indem ein Btrom in vertikaler Richtung durch die Kammer geleitet wird. Der Druck kann z.B. mit einem vertikal beweglichen Stempel erzeugt werden, wobei das isolierende Rohr 11 von einem druckaufnehmenden Mantel umgeben ist und ein Gegenhalt für die Stirnfläche der Reaktionskammer vorgesehen ist, die nicht der Einwirkung des Stempels ausgesetzt ist.

209817/1053

Einige Beispiele der Diamantherstellung nach der Erfindung in der zuvor beschriebenen Reaktionskammer sind folgende:

Beispiel 1:

Gemäß I¹Xg. 1 besteht der aus dem Lösungsmittel gebildete Körper aus einer Scheibe 14 aus einer Chrom-Nickellegierung, die 20 Gewichtsprozent Chrom und 80 Gewichtsprozent Nickel enthält. Die Scheibe ist zwischen zwei vorkomprimierten Graphitzylindern 15 und 16 angeordnet. Die Scheibe hat auf jeder Seite herausragende Teile in der Form zusammenhängender, spiralenförmig oder konzentrisch verlaufender Rippen 17 (Fig· 1a) mit einer Höhe h von ca 1mm und einer Breite an der Basis von ca 1,5 mm. Die herausragenden Teile können auch aus einzelnen Spitzen bestehen, die in Abstand voneinander angeordnet sind. Die Reaktionsmasse wird in zuvor angegebener Weise mit elektrischem Strom auf eine Temperatur von ca 1480° C erwärmt und einem Druck von ca 65.000 Atm. 3 Minuten lang ausgesetzt.

Beispiel 2:

Eine dicht gewickelte Spirale 18 aus Eisendraht, in der sieh also aneinanderliegende Windungen, z.B. 19 und 20 (Fig. 2a) einander berühren, wird gemäß fig. 2 zwischen zwei vorkomprimierten Zylindern 21 und 22 aus Graphit angeordnet. Der Eisendraht ist flach längs der Anlagefläche zwischen aneinanderliegenden Windungen und hat abgerundete Kanten 23, welche die schmaler werdenden oder herausragenden Teile bilden. Die Reaktionsmasse wird in der vorhin angegebenen Weise mit elektrischem Strom auf eine Temperatur von ca 1510 C erwärmt und einem Druck von ca 75.000 Atm 4 Minuten lang ausgesetzt.

209817/1053

-8-

Beispiel

Gemäß Pig. 5 "besteht der Körper aus einer Schicht von dichtgepackten Kugeln 24 aua Eisen. Aneinanderliegende Kugeln haben also Kontakt miteinander. Die Kugeln können einen Durchmesser von ungefähr 0,!? mm haben. Auf beiden Seiten der Schicht aus Eisenkugeln sind zwei vorkomprimierte Graphitzylinder 25 und 26 angeordnet. Die Kugeln haben aufgrund ihrer eigenen geometrischen Form - von einer beliebigen Ebene durch das Zentrum der Kugel aus gerechnet schmaler werdende Teile in radialer Richtung winkelrecht zu der genannten Ebene. Die Reaktionsmasse wird in der vorhin angegebenen Weise mit elektrischem Strom auf eine Temperatur von ca 1450° 0 erwärmt und einem Druck von ca 60.000 Atm y Minuten lang ausgesetzt, wobei sich große und wohl kristallisierte Diamanten bilden.

Beispiel 4:

Zwei mit Abstand gewickelte Planspiralen 28 und 29» in welchen also Zwischenräume 28a (Fig. 4a) bzw. 29a zwischen aneinanderliegenden Windungen 28b und 28c bzw. 29b und 29c vorliegen, werden gemäß Fig. 4 in bei ungefähr 3000 kp/cm vorkomprimiertem Graphit angeordnet. Die Lösungsmittelkörper bestehen hier aus den beiden Planspiralen 28 und 29, die winkelrecht zur Druckrichtung und Stromrichtung angeordnet sind. Jeder Körper, z.B. 28, hat Teile, die aus seinen Windungen bestehen, von denen zwei mit 28b und 28c bezeichnet sind, zwischen denen somit Zwischenräume vorhanden sind, die mit Graphit ausgefüllt sind.

209817/1053

Die Spiralen können aus Nickeldraht oder Kobaltdraht mit einem Durchmesser von ca 1 mm bestehen, und die Zwischenräume 28a bzw. 29a können eine Breite von ca 1 mm haben. Bei der Planspirale nach Pig. 4 hat der Metalldraht - von einer beliebigen axialen Ebene im Draht aus gerechnet - aufgrund seiner eigenen geometrischen Porm schmaler werdende Teile in radialer Richtung winkelrecht zur genannten Ebene. Der Teil des Graphits, der die Körper als solche umgibt, ist mit 30 bezeichnet und der Teil des Graphits, der in den Zwischenräumen zwischen den Windungen angeordnet ist, mit 30a. Die Reaktionsmasse wird in der vorhin angegebenen Weise mit elektrischem Strom auf eine Temperatur von ca 1550° C erwärmt und einem Druck von ca 65-000 Atm 3 bis 4 Minuten lang ausgesetzt, wobei sich große und wohl kristallisierte Diamanten bilden.

Beispiel 5?

Gemäß Pig. 5 besteht der aus dem Lösungsmittel gebildete Körper aus mehreren konzentrischen Ringen 32, 33, 34 und 35, die mit einem Abstand 36 angeordnet sind. Der Körper hat also Teile, die aus den genannten Ringen 32, 33> 34 und 35 bestehen. Die Ringe können z.B. aus einer Chrom-Nickellegierung bestehen, die 20 Gewichtsprozent Chrom und 80 Gewichtsprozent Nickel enthält. Jeder Ring hat einen quadratischen Querschnitt mit der Seitenlänge des Quadrats von 1,5 mm. Der Abstand zwischen nahe gelegenen Teilen von zwei aneinanderliegenden Ringen kann 2 mm betragen. Jeder Ring hat aufgrund seiner geometrischen Porm schmaler werdende Teile, die in axial gerichteten Kanten 37 und 38 und radial gerichteten Kanten 39 und 40 enden. Die Kanten sind dem kohlenstoff-

209817/1053 -10-

haltigen Material zugewendet, wobei dasjenige, das den Körper als solches umgibt, mit 41 und dasjenige, das in den Zwischenräumen zwischen den Ringen angeordnet ist, mit 42 bezeichnet ist. Die Reaktionsmasse wird in vorhin angegebener Weise mit elektrischem Strom auf eine Temperatur von ca 1480 C erwärmt und einem Druck von ca 65*000 Atm 2 Minuten lang ausgesetzt. Wenn Ringe mit quadratischem Querschnitt verwendet werden, können sie z.B. auch so ausgebildet sein, daß sie innere und äußere Mantelflächen haben, die parallel mit der Symmetrieachse der Ringe sind, und Endflächen, die winkelrecht zu der Symmetrieachse sind. Natürlich können Ringe mit z.B. kreisförmigem Querschnitt anstelle der Ringe mit quadratischem Querschnitt benutzt werden.

Anstatt aus einer undicht gewickelten Spirale oder aus konzentrischen Rii^n nach S¹Xg. 4 und 5 kann der Körper auch einer Schicht von Kugeln bestehen, in welcher angrenzende Kugeln durch dazwischenliegenden Graphit voneinander getrennt sind.

-11-

209817/1053

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von synthetischen Diamanten, bei dem in einer Keaktionskammer ein nicht diamantförmiges kohlenstoffhaltiges Material und ein den Kohlenstoff lösendes und diesen in Diamanten umwandelndes Mittel Temperaturen und Drücken in dem diamantstabilen Bereich ausgesetzt und dabei die aus dem genannten Material und dem genannten Mittel bestehende Reaktionsmasse mit einem-elektrischen Strom mindestens auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der das Lösungsmittel flüssig ist, und bei dem das Lösungsmittel wenigstens einen Körper mit einer im Verhältnis zur Reaktionskammer wesentlichen Erstreckung bildet und dieser in der Hauptsache winkelrecht zur Richtung des Heizstromes durch die Reaktionsmasse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an dem aus dem Lösungsmittel gebildeten Körper mehrere vorspringende Teile mit abnehmendem Querschnitt, z.B. in der "Form von Spitzen oder Rippen ausgebildet und diese dem kohlenstoffhaltigen Material zugekehrt sind, und daß die Reaktionsmasse so erwärmt wird, daß der Temperaturgradient in Richtung vom kohlenstoffhaltigen Material zum Lösungsmittel negativ wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schmaler werdenden oder herausragenden Teile eine zusammenhängende langgestreckte Einheit bilden, z.B. in der Form eines zusammenhängenden Kammes.

-12-

209817/1053

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem-Lösungsmittel gebildete Körper die Form einer Scheibe mit mehreren getrennt herausragenden Teilen, z.B. in der Form von mehreren konzentrischen Kämmen, hat.

4· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper als Scheibe mit herausragenden Teilen in der Form einer zusammenhängenden langgestreckten Einheit, z.B. eines spiralenförmig verlaufenden Kammes, ausgebildet wird.

t>. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper als eine Schicht von dicht aneinander angeordneten Kugeln ausgebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper als eine flache Spirale ausgebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper als eine dichtgewickelte Spirale ausgebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper mit mehreren Teilen ausgebildet wird, die mit Zwischenräumen angeordnet sind, die mit dem nicht diamantförmigen kohlenstoffhaltigen Material gefüllt werden, das auch um den Körper als solchen angeordnet wird.

-15-209817/1063

9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile des Körpers eine zusammenhängende Einheit bilden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9> dadurch gekennzeichnet, daß die Teile des Körpers mit schmaler werdenden oder herausrägenden Teilen versehen sind, die dem kohlenstoffhaltigen Material zugekehrt sind, das um den Körper als solchen angeordnet ist, und mit schmaler werdenden oder herausragenden Teilen, die dem kohlenstoffhaltigen Material zugekehrt sind, das in den Zwischenräumen zwischen den Teilen angeordnet ist.

11. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 8, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus einer mit Abstand gewickelten Spirale besteht.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus mehreren konzentrischen Eingen besteht.

13· Verfahren nach einem der Ansprüche 8, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper als eine Schicht von Kugeln ausgebildet ist, die mit Abstand voneinander angeordnet sind.

2098 17/1053