DE2101868C3

DE2101868C3 - Verfahren zur Diamantsynthese

Info

Publication number: DE2101868C3
Application number: DE2101868A
Authority: DE
Inventors: M Y Katsai; A I Prikhna; A A Shulzhenko
Priority date: 1970-01-19
Filing date: 1971-01-15
Publication date: 1978-12-14
Also published as: CH542150A; AT347905B; DE2101868B2; SE373553B; IE34867B1; IE34867L; US3743703A; FR2077200A1; CA942642A; GB1311641A; ATA972070A; DE2101868A1; FR2077200B1

Description

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Bekannt ist ein Verfahren zur Diamantsynthese, bei dem man eine hohe, mindestens etwa 1150° C betragende Temperatur und einen Druck von mindestens etwa 40 kbar (GB-PS 10 69 801) auf eine aus Graphit, Metall oder Legierung als Katalysator bestehende Reaktionsmischung einwirken läßt

Das genannte Verfahren erfordert es, eine besondere, aus hochschmelzendem Metall bestehende Schutzhülle für eine Reaktionsmasse zu verwenden und ist durch eine lange Synthesezeit (mindestens 40 Minuten) gekennzeichnet

Ein anderes Verfahren sieht die Verwendung von Katalysatoren aus wenigstens zwei Metallen vor, welche aus zwei, einerseits Titan, Zirkonium, Hafnium und andererseits Kupfer, Silber, Gold, enthaltenden Gruppen gewählt werden.

Dieses Verfahren bietet eine ungenügende Leistungsfähigkeit, weil sich nur einige winzige Diamantkristalle in 20 Minuten gewinnen lassen.

Aus diesem Grunde gewinnt man heute Mikropulver und Feinkörner von Schleifpulvern aus synthetischen Diamanten, indem man größere Kristalle oder Verwachsungen zerkleinert. Dabei besteht das fertige Diamantpulver hauptsächlich aus Kristallbruchstücken.

In der AE-PS 2 54 137 wird ein Verfahren zur "5 Synthese von Diamanten beschrieben, wonach ein Kohlenstoffmaterial, gründlich mit dem Katalysator gemischt, der aus der Gruppe Eisen, Koblat, Nickel u. dgl. oder aus Verbindungen dieser Metalle ausgewählt worden ist, einem Druck von mindestens 75 000 bei Temperaturen von 1200-2000°C ausgesetzt wird. Weder in der Beschreibung, noch im Patentanspruch wird die Anwendung eines Metalls oder einer Legierung als Lösungsmittel erwähnt, die im ganzen Volumen Graphitkristalle enthält.

Schließlich muß noch auf die DE-AS 12 64 424 hingewiesen werden, wo eine Legierung aus Eisen, Nickel und Kobalt sowie Kohlenstoffsilizium und Phsophor angewendet werden. Im Unterschied zu dieser Druckschrift wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein Metall oder eine Legierung verwendet, die als Lösungsmittel dient und die nur Kohlenstoff enthält, und zwar in Form von Graphitkristallen ohne Zusätze von Silizium und Phosphor. Erfindungswesentlich ist auch, daß nicht Metallcarbida vorliegen, sondern Graphit in ^h5 Form von Graphitkristallen im gesamten Volumen des Lösungsmittels verteilt sind.

Zu diesem erfindungsgemäß zwangsläufig einzusetzenden Ausgangsprodukt gelangt man durch Abkühlung einer an Kohlenstoff gesättigten Schmelze des Metalls oder der Legierung mit einer Anfangs-Abkühlungsgeschwindigkeit von mindestens 50° C pro Minute. Die erfindungsgemäß geltend gemachten VorteJJe werden nur mit einem derartig hergestellten Material erhalten.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, die genannten Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren zu entwickeln, welches ermöglicht, eine bedeutende Menge an kleinen, gut geschliffenen Diamantmonokristallen in einer relativ kurzen Zeit zu gewinnen.

Um das genannte Ziel zu erreichen, wurde die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Diamantsynthese unter Anwendung einer solchen Ausgangsreaktionsmasse zu entwickeln, welche es ermöglicht, kleine Diamantkristalle ohne anschließende mechanische Zerkleinerung zu gewinnen.

Gegenstand der Erfindung ist also ein Verfahren zur Herstellung von Diamant durch Einwirkenlassen einer mindestens ungefähr 115O⁰C betragenden Temperatur und eines mindestens etwa 40 kbar betragenden Druckes auf eine Mischung aus Graphit und Metall oder einer Legierung als Lösungsmittel, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man als Lösungsmittel ein Metall oder eine Legierung verwendet die in ihrem ganzen Volumen Einschlüsse von Graphitkristallen enthält, und die durch Abkühlung von einer an Kohlenstoff gesättigten Schmelze des entsprechenden Metalls oder der Legierung bei einer Anfangs-Abkühlungsgeschwindigkeit von mindestens 50°C pro Minute erhalten worden ist.

Das wesentliche dieses erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu dem bekannten Verfahren ist die Verwendung eines Dreikomponentensystems des Reaktionsgemisches, wobei als Hauptquelle für Kohlenstoff ein Pulver technischen Graphites dient, das in die Reaktionskammer eingebracht wird, Graphitkristallite, die im Metallkatalysator verstreut sind und der Metallkatalysator selbst. Die Anwendung eines Katalysators, der in seinem ganzen Volumen Graphitkristalleinschlüsse aufweist, gewährleistet den Erhalt einer großen Menge an kleinen schön begrenzten Diamantkristallen, was man nach keinem der bekannten Verfahren erhalten kann. Dies stellt den technischen Fortschritt der Erfindung dar.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Diamanten sind einzelne, gut abgegrenzte Monokristalle kubischer Modifikation in einer Größe von 10 bis 100 Mikron. Die erfindungsgemäß hergestellten Diamanten besitzen eine größere Abrasivität beim Schleifen mit freiem Pulver im Vergleich zu Diamantpulver mit der gleichen Korngröße, die jedoch durch Zerkleinern größerer Kristalle oder Kristallverwaschungen von synthetischen oder natürlichen Diamanten erhalten worden sind.

Außerdem kann man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kleine Monokristalle der angegebenen Größe in einer Menge erhalten, die das erfindungsgemäße Verfahren technisch einsetzbar gestalten.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und beiliegender Zeichnung näher erläutert, in der der Aufbau des zur Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendeten Lösungsmittels (das weiße Feld ist die Metallegierung 1, schwarze Bereiche bedeuten Graphit 2) bei lOOfacher Vergrößerunggezeigt ist.

Eines der Verfahren zur Herstellung des Katalysators

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bzw. Lösungsmittels besteht erfindungsgemäß darin, daß man eine Mischung von Metallen oder Legierungen mit pulverförmigem spektralreinem Graphit in Graphittiegeln auf 1600° erhitzt, bei dieser Temperatur während 3 Stunden hält und die Schmelze mit einer Geschwindigkeit von nicht weniger als 50⁰C pro Minute abkühlt Es stehen auch andere Verfahren zur Herstellung von Lösungsmitteln zur Verfügung, nach welchen sich kleine Graphitkristalle aus der Schmelze abscheiden lassen. Das genannte Medium kann entweder in Form von Monolytblöcken oder in Pulverform anwendbar sein.

Als Ausgangsreaktionsgut kommt eine homogene Pulvermischung von spektralreinem Graphit und dem genannten Medium in Frage. Das Graphitlösungsmittel-Verhältnis bestimmt die Durchführung der vorliegenden Erfindung nicht

Das Verfahren kann insbesondere unter Verwendung von nur im Lösungsmittel während dessen Herstellung auskristallisiertem Graphit durchgeführt werden. Die bevorzugten Graphitlösungsmittel-Verhältnisse sind in den nächstehenden Beispielen (1 :4 bis 5) angeführt

Man bringt die Ausgangsreaktionsmasse in eine beliebige Hochdruck- und Hochtemperaturvorrichtung ein, welche es ermöglicht, zur Durchführung der Diamantsynthese erforderliche Drücke und Temperaturen zu entwickeln.

Es kann insbesondere eine Vorrichtung mit einer zylindrischen Reaktionskammer verwendet werden, an deren Grundfläche Stahl — oder Hartmetallteile to anliegen, während die Seitenfläche aus einem Werkstoff, gekennzeichnet durch Wärme — und Elektroisoliereigenschaften, so z. B. aus Pyrophyllit besteht.

Die Erhitzung der Reaktionsmasse unter Druck läßt sich nach einem der bekannten Verfahren, insbesondere unter Verwendung eines speziellen vom Strom durchflossenen Graphiterhitzers durchführen.

Das gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren gewonnene Diamantpulver besitzt eine höhere Schleiffähigkeit beim Schleifen mit losem Pulver in bezug auf die durch Zerkleinerung gröberer Kristalle oder Verwachsungen von synthetischem oder natürlichem Diamanten hergestellten Diamantpulver mit gleicher Korngröße.

Die praktische Durchführung der vorliegenden Erfindung wird an Hand folgender Beispiele erläutert.

Beispiel 1

Die homogene Pulvermischung aus 1 Gewichtsteil Graphit und 4 Gewichtsteilen Lösungsmittel, bestehend aus Nickel, Mangan und 5,7% Kohlenstoff, wurde der Einwirkung eines Druckes bis 55 kbar und einer Temperatur bis 1450⁰C unterworfen und unter diesen Bedingungen 3 Minuten lang gehalten. Es wurden 2160 Versuche unter diesen Bedingungen vorgenommen. Die gewonnenen Diamanten enthielten mehr als 60% gut facettierte Kristalle von 100 bis ΙΟμίτι Größe.

Beispiel 2

Die homogene Pulvermischung aus 1 Gewichtsteil Graphit und 5 Gewichtsteilen Lösungsmittel, bestehend aus Nickel und 2,5% Kohlenstoff, wurde der Einwirkung eines Druckes von 57 kbar und einer Temperatur von 1470⁰C unterworfen und unter diesen Bedingungen 5 Minuten lang gehalten. Es wurden insgesamt 50 Versuche vorgenommen. Die gewonnenen Diamanten enthielten 15% regelmäßige Kristalle von 100 bis ΙΟμπι Größe.

Beispiel 3

Die homogene Pulvermischung aus 1 Gewichtsteil Graphit und 4 Gewichtsteilen Lösungsmittel, bestehend aus Nickel, Mangan und 5,8% Kohlenstoff, wurde der Einwirkung eines Druckes bis 55 kbar und einer Temperatur bis 1460⁰C unterworfen, und unter diesen Bedingungen 5 Minuten lang gehalten. Es wurden 2247 Versuche unter diesen Bedingungen vorgenommen. Die gewonnenen Diamanten enthielten 70% kleine regelmäßige Kristalle von 100 bis ΙΟμπι Größe.

Beispiel 4

Nach dem Verfahren der Beispiele 1 bis 3 wurde eine Pulvermischung aus 1 Gewichtsteil Graphit und 4 Gewichtsteilen Lösungsmittel, bestehend aus einer Legierung von Nickel, Eisen und 3% Kohlenstoff der Einwirkung eines Druckes von 60 kbar und einer Temperatur von 1600⁰C während 10 Minuten unterworfen. Es wurden 55 Versuche durchgeführt, wobei 20% Kristalle regelmäßiger Struktur erhalten wurden.

Beispiel 5

Nach dem Verfahren der Beispiele 1 bis 3 wurde eine Pulvermischung aus 1 Gewichtsteil Graphit und 4 Gewichtsteilen Lösungsmittel, bestehend aus einer Legierung aus Nickel, Chrom und 2% Kohlenstoff der Einwirkung eines Druckes von 58 kbar und einer Temperatur von 1500⁰C während 7 Minuten unterworfen. Es wurden 59 Versuche durchgeführt, wobei 15% Kristalle regelmäßiger Struktur erhalten wurden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

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Patentanspruch:

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Verfahren zur Herstellung von Diamant durch Einwirkenlassen einer mindestens ungefähr 1150° C betragenden Temperatur und eines mindestens etwa 40 kbar betragenden Druckes auf eine Mischung aus Graphit und Metall oder einer Legierung als Lösungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß man als Lösungsmitte! ein Metall oder eine Legierung verwendet, die in ihrem ganzen Volumen to Einschlüsse von Graphitkristallen enthält, und die durch Abkühlung von einer an Kohlenstoff gesättigten Schmelze des entsprechenden Metalls oder der Legierung bei einer Anfangs-Abkühlungsgeschwindigkeit von mindestens 50° C pro Minute erhalten '5 worden ist.