DE2953636C2

DE2953636C2 - Verfahren zur Bearbeitung von Diamant

Info

Publication number: DE2953636C2
Application number: DE2953636T
Authority: DE
Inventors: Pavel Pavlovi&ccaron; Jakutsk &Scaron;amaev; Anatolij Petrovi&ccaron; Grigorev; Sara Chaimovna Lif&scaron;ic
Original assignee: INST GEOL YAKUTSKOGO FILIALA S
Current assignee: INST GEOL YAKUTSKOGO FILIALA S
Priority date: 1979-04-13
Filing date: 1979-04-13
Publication date: 1985-03-21
Also published as: GB2061904B; WO1980002247A1; GB2061904A; JPS56500371A; JPH0139966B2; DE2953636T1

Description

2. Verfahren nach Anspruch I, wobei die Schablone aus Eisen, Nickel, Platin oder deren Legierungen besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in Wasserstoff, Wasserdampf. Kohlendioxid, Luft, Sauerstoff oder deren Gemischen erhitzt wird.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Bearbeitung von Diamant, die bei der Herstellung von Einkristall-Diumantwerkzeugen sowie in der Schmuckwarenindustrie ihre Anwendung finden.

Es sind Verfahren zur mechanischen Bearbeitung von Diamant mit einem Diamantpulver, das auf ein schnell umlaufendes oder vibrierendes Metallwerkzeug (Schneiden, Schleifen. Bohren) aufgetragen wird, sowie auch die Bearbeitung mit einem Laserstrahl und einem Elektronen- oder lonenbündel (Schneiden und, vorwiegend. Bohren) bekannt. Es ist ein Verfahren zur Herstellung von Bohrungen in Diamantkristaüen mittels eines Sauerstoffstrahls bei einer hohen Temperatur bekannt (s. P. N. Kisselewa »Industrielle Diamanten«, herausgegeben im Jahre 1964, Verlag »Nedra« Moskau; S. 24 — 25; »Synthetische Diamanten in der Industrie«, herausgegeben im Jahre 1974, Verlag »Naukowa Dumka« Kiew; J. Bonrua »Zersägen von Diamanten«, Seiten 60-65).

Es ist auch ein Verfahren zur Bearbeitung von Diamant durch Berührung des Diamanten mit einer Schablone bei einer Temperatur von 600⁰C in Sauerstoffatmosphäre bekannt. Die Bearbeiliing erfolgt durch Ausbrennen im Sauerstoff von durch die Berührung mit der heißeren Schablone erhitzten Diamantabschnitien.

Bei allen Ausführungsformen werden mittels eines glühenden Drahtes oder eines glühenden Blockes mit ebener oder beliebig geformter Oberfläche an den Berührungsstellen Abtragungen hervorgerufen, die innerhalb von Sekunden oder Minuten eine Verformung des Diamanten, unabhängig von der kristallographischen Orientierung, bewirken. Der Draht oder der Block muß hierbei auf eine Temperatur von 1000°C erhitzt werden. Der Diamant selbst wird auf eine Temperatur von 600⁰C erhitzt. An den Berührungsstellen ergeben sich dabei Temperaturen von etwa 800⁰C, und in diesem Bereich liegt die geeignete Verbrennungstemperatur.

Bei dem bekannten Verfahren befinden sich der Diamant und der Wärmeträger in einer Atmosphäre von Sauerstoff oder von mit Sauerstoff angereicherter Luft.

Die Wärmeträger bestehen aus Platin, keramischen Massen oder aus- solchen Stoffen, z. B. Metallen, die eine Erhitzung auf die notwendige Temperatur in Sauerstoff aushalten (DE-PS 10 13 540).

Nach dem bekannten Verfahren soll der Diamant und die Schablone auf verschiedene Temperaturen erhitzt und relativ zueinander bewegt werden, was das Verfahren verkompliziert Nach dem bekannten Verfahren ist neben den am meisten erhitzten der Auflösung durch

ίο Sauerstoff unterliegenden Diamantabschnitten die Auflösung von weniger erhitzten angrenzenden Diamantabschnitten unvermeidlich, was zu einer Herabsetzung der Diamantbearbeitungsgenauigkeit führt

Der vorliegenden Erfindung wurde die Aufgabe zugründe gelegt, bei der Durchführung der Diamantbearbeitung solche Bedingungen für die Berührung mit dem Kontakt des Diamanten und einer Schablone zu wählen, die es gestatten, die Bearbeitungsgenauigkeit zu erhöhen und die Herstellungstechnologie zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird wie aus den vorstehenden Ansprüchen ersichtlich, gelöst

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, die Diamantbearbeitung bedeutend zu vereinfachen und im Diamanten Bohrungen, Kanäle unü Nuten von einem Formprofil herzustellen, sowie es auch ermöglicht, aus Diamanten Erzeugnisse mit einem Formprofil, wie Mikrofräser, anzufertigen. Die vorliegende Erfindung gestattet es außerdem, am Diamanten ein Reliefbild herzustellen und die Diamantoberfläche zu mattieren. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß die Schablone während der Diamantbearbeitung praktisch nicht verschleißt und es möglich ist, mit. einer Schablone mehrere Diamanten zu bearbeiten.

In Abhängigkeit von der Endform des Erzeugnisses können verschiedene Ausführungsformen des Verfahrens zur Diamantbearbeitung eingesetzt werden.

Zur Herstellung eines Diamanten mit einer ebenen Oberfläche oder zur Herstellung eines Reliefbildes an dem Diamanten wird der Diamant mit einer massiven

AO (im Vergleich zu der Größe des Diamanten) Schablone in Berührung gebracht. Die Berührung wird in einer Inertgasatmosphäre oder im Vakuum durchgeführt. Dabei verwendet man eine Schablone, die aus einem Metall oder einer Legierung gefertigt ist, die die maximale Kohlenstoffmenge aufzulösen vermag, z. B. aus Eisen oder auf seiner Basis hergestellten Legierungen. Die Temperatur für die Durchführung des Prozesses wird nahe der Schmelztemperatur des Eutektikums des Metalls oder der Legierung mit Kohlensfoff gewählt Wenn die Schablone aus Eisen gefertigt worden ist, findet die Berührung mit dem Diamanten und der Schablone bei einer Temperatur von 1100⁰C statt, da die Schmelztemperatur des Eisen-Kohlenstoff-Eutektikums 1147°C beträgt.

Zur Herstellung eines matten Bildes am Diamanten oder zu einer einfachen Mattierung der Diamantoberfläche wird zweckmäßigerweise eine Schablone verwendet, die eine dünne Metall- oder Legierungsschicht darstellt, die auf die Diamantoberfläche in Form einer Paste oder durch Vakuumaufstäuben aufgetragen ist. Die Berührung des Diamanten mit der Schablone wird zweckmäßigerweise bei Temperaturen zwischen 600 und 1100⁰C durchgeführt. Dabei ist der genannte Prozeß in einer Gasatmosphäre durchzuführen, wobei das Gas mit dem Diamanten bei der Kontaktierungstemperatur nicht reagiert, jedoch bei derselben Temperatur mit dem im Metall oder in der Legierung aufgelösten Kohlenstoff reagiert. Es ist unzweckmäßig, die Beruh-

rung des Diamanten mit der Schablone bei einer Temperatur unter 60°C durchzuführen, weil dabei keine für die Auflösung des Diamantkohlenstoffes erforderliche Adhäsion zwischen der Schablone und dem Diamanten erreicht werden kann; bei einer Temperatur, die 1100°C übersteigt, kann die Diamantoberfläche zu tief geätzt werden. Im vorliegenden Fall wird zweckmäßigerweise eine Schablone aus Platin, Nickel, Eisen, Chrom verwendet. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Platin, weil es in einer oxydierenden Atmosphäre mit einer Oxydschicht nicht überzogen wird und es anfängt, bei einer niedrigeren Temperatur als die anderen Metalle (z. B. bei einer Temperatur von 600°C) den Diamantkohlenstoff aufzulösen. Wenn die Kontaktierungstemperatur 600⁰C beträgt, wird zweckmäßigerweise Sauerstoff oder Luft als Medium verwendet. Bei einer höheren Temperatur muß man, um ein direktes Ätzen des Diamantes mit Gas zu vermeiden, den Sauerstoffdruck vermindern oder Gase verwenden, die mit dem Diamanten langsam reagieren. (Nach der abnehmenden Geschwindigkeit des Reagierens mit dem Diamanten werden Gase in eine Reihe — O₂ — Luft — CO₂-H₂O-H₂ aufgestellt.)

Zur Entfernung von stärkeren (im Vergleich zu der Diamantgröße) Diamantschichten bei der Herstellung von Formprofilmeißeln, Mikrofräseni oder Bohrungen im Diamanten wird zweckmäßigerweise die Berührung des Diamanten und einer Schablone bei Temperaturen zwischen 1100 und 1800° in einer Gasatmosphäre durchgeführt, wobei das Gas mit dem Diamanten bei der Kontaktierurjsiemperatur nicht reagiert, jedoch mit dem im Werkstoff der Schablone aufgelösten Diamantkohlenstoff reagiert. Bei einer Temperatur, die unter 1100°C liegt, ist die Durchführung der Berührung unzweckmäßig, weil der Prozeß der Diamantbearbeitung sehr lange dauert; bei Temperaturen über 1800⁰C beginnt ein Graphitisieren des Diamanten. Bei Temperaturen zwischen 1100 und 1800⁰C wird zweckmäßigerweise eine Schablone verwendet, die aus Fe, Co, Ni oder deren Legierungen, sowie auch aus Legierungen der genannten Metalle mit Mn und Cr hergestellt worden ist. Bei einer Temperatur über 1300⁰C kann man lediglich Schablonen aus Pt oder aus einer Legierung auf dessen Basis verwenden. Bei Temperaturen zwischen 1100 und 1600⁰C wird die Berührung mit dem Kontakt zweckmäßigerweise in Wasserstoffatmosphäre durchgeführt, wobei dem Sauerstoff zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit des Prozesses eine bestimmte Wasserdampfmenge zugesetzt wird.

Nach der Beendigung des Bearbeitungsvorganges werden die Diamanten in allen Fällen von den diesen anhaftenden Metallen oder Legierungen der Schablone und von dem Graphitbelag gereinigt, der an den bearbeiteten Oberflächen vorhanden ist. Die Reinigung erfolgt, indem die Diamanten in einem siedenden Gemisch aus konzentrierter Salzsäure und konzentrierter Salpetersäure, die in einem Volumenverhältnis von 3 :1 genommen werden, und anschließend in einer siedenden konzentrierten Schwefelsäure, die bei Raumtemperatur mit K₂Cr₂O7 gesättigt worden ist, gehalten werden.

Zu einem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden folgende Ausführungsbeispiele derselben angeführt

Beispiel 1

Als Schablone verwendet man Plättchen aus Eisen mit einer Stärke von 2 mm, auf welchem eine Ziffer mit einer Tiefe von etwa 0,1 mm eingraviert worden ist. Auf die Ziffer wird von oben ein Diamant gelegt Die Berührung des Diamanten mit der Schablone wird innerhalb einer Stunde bei einer Temperatur von 1100⁰C in einem Vakuum von 10~² Torr durchgeführt Nach der Berührung des Diamanten und der Schablone bildet sich an der Diamantfläche ein Spiegelreliefbild der Ziffer mit einer Höhe des Reliefs, die der Gravierungstiefe entspricht

Beispiel 2

Der Prozeß wird wie im Beispiel 1, jedoch mit dem Unterschied durchgeführt daß die Berührung mit der Schablone im Argonmedium stattfindet.

Beispiel 3

Auf die durch eine mechanische Bearbeitung hergestellte Diamantfläche (100) wird mittels der Alkohollösüiig einer Mischung, die aus gleichen Gewichtsteiien von Kolophonium und H₂PtCIo besteht das Bild einer Ziffer aufgetragen. Der Diamant mit der auf diesen nach dem genannten Verfahren aufgetragenen Mischung wird an der Luft auf eine Temperatur von 6C0° C erhitzt. Bevor die Mischung die Temperatur von 600⁰C erreicht hat, zersetzt sie sich, iiidem sie auf der Diamantoberfläche eine Schablone hinterläßt, die aus einer Schicht von feindispersem Platin besteht Nach der Berührung des Diamanten mit der Schablone an der Luft bei einer Temperatur von 600⁰C innerhalb von 5 Stunden entstand am Diamanten ein mattes Bild der Ziffer.

Beispiel 4

Auf die Diamantfläche (111) wird nach demselben Verfahren wie im Beispiel 3 eine Schablone in Form einer Ziffer aufgetragen, wobei die Se:i?.blone aus einer Schicht von feindispersem Platin besteht. Nach der Berührung des Diamanten mit der Schablone innerhalb einer Stunde in einer Gasatmosphäre, welche sich zu 95 Vol.-% aus CO₂ und zu 5 Vol.-% aus H₂ zusammensetzt, entstand am Diamanten ein Bild der Ziffer, das bedeutend deutlicher ist als im Beispiel 3.

Beispiel 5

Auf einen Diamantkristall mit einem Gewicht von 10 mg wird eine Schablone in Form eines Drahtes mit einem Durchmesser von 0,15 mm aus einer Legierung gelegt, die aus 86 Gew.-% Ni und 14 Gew.-% Fe besteht. Die beiden Drahtenden werden in einem Nickelbügel befestigt, die unter der Einwirkung des Eigengewichtes niedergehen kann. Der Diamant und der genannte Bügel mit dem Draht werden in einer Korundröhre mit einem Innendurchmesser von 10 mm untergebracht.

Die Röhre wird in einem Elektroofen erhitzt, während durch die Röhre ein Strom von Trockenwasserstoff beim Atmosphärendruck mit einer Geschwindigkeit von 0,5 l/Stunde geleitet wird. Nach dem Kontakt des Diamanten und der Schablone innerhalb von 13,5 Stunden bei einer Temperatur von 1250⁰C wurde im Diamanten eine Nut mit einer Tiefe von 0,64 mm eingeschnitten. Die durchschnittliche Schneidgeschwindigkeit betrug dabei 0,05 mm/Stunde.

5

Beispiele mit Abmessungen von 1 χ 1 χ 0,05 mm ausgeführt ist

Die Berührung des Diamanten mit der Schablone

Auf einen flachen Diarnanlzwilling, der die Form ei- wird im Strom von Trockenwasserstoff bei einer Temnes dreieckigen Plättchens mit einer Stärke von peratur von 1600⁰C innerhalb von 30 Minuten durchge-0,85 mm hat, wurde eine Schablone gelegt, die in Form 5 führt. Durch die Berührung wurde im Diamanten ein eines gleichseitigen Dreieckes mit einer Seitenlänge von Hohlraum von einem quadratischen Querschnitt mit ei-1,5 mm und einer Stärke von 0,1 mm ausgebildet ist. Die ner Tiefe von 0,05 mm gebildet, d. h. die Geschwindig-Schablone besteht aus derselben Legierung, wie im Bei- keit der Diamantbearbeitung betrug 0,1 mm/Stunde, spiel 5. Die Berührung des Diamanten mit der Schablo- Das Verfahren zur Diamantbearbeitung kann bei der ne wird innerhalb von 45 Stunden bei einer Temperatur io Herstellung von Einkristall-Diamantwerkzeugen sowie von 1200° C im Strom von Trockenwasserstoff durchge- in der Schmuckwarenindustrie ihre Anwendung finden, führt. Durch die Berührung mit der Schablone wurde im Diamanten eine Durchgangsbohrung von einer dreiekkigen Form mit glatten Wänden mit gleichen Abmessungen, wie die der Schablone, gebildet. Die Bearbei- is tungsgeschwindigkeit bermg 0,02 mm/Stunde.

Beispiel 7

Auf einen flachen Diamantzwilling, der die Form eines dreieckigen Piäcichens hat, wurde eine Schablone gelegt, die in Form eines regelmäßigen Se-. hsflächners mit einer Stärke von 0.1 mm ausgeführt ist und eine Bohrung aufweist, die ihrer Form nach einem Zahnrad mit 14 Zähnen entspricht, dessen Außendurchmesser 2,7 mm beträgt. Die Schablone besteht aus derselben Legierung wie im Beispiel 5. Nach einer Haltezeit von 29 Stunden im Strom von Trockenwasserstoff bei einer Temperatur von 1200" C hat sich die Schablone in den Diamanten um 0,4 mm vertieft, indem sie im Diamantkörper ein Zahnrad eingeschnitten hat, das seiner Form nach der in der Schablone vorhandenen Bohrung entspricht. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit betrug 0,014 mm/Stunde.

35 Beispiel 8

Auf einen Diamantkristall wird eine Schablone gelegt, die in Form eines quadratischen Plättchens aus Nickel mit Abmetjungen von IxIx 0,05 mm ausgebildet ist.

Die Berührung des Diamanten mit der Schablone wird in einem Wasserstoffstrom mit einem Taupunkt von +25⁰C (Wasserdampfdruck beträgt 24 Torr) bei einer Temperatur von 1230⁰C innerhalb von 50 Minuten durchgeführt. Di«! Schablone hat sich in den Diamantkris'.al! um 0,27 mm vertieft, d. h. die Geschwindigkeit der Diamantbearbeitung betrug 03 mm/Stunde.

Beispiel 9

50

Auf einen Diamantkristall wird eine Schablone gelegt, die in Farm eines quadratischen Plättchens mit Abmessungen von IxIx 0,05 mm ausgebildet und aus einer Legierung hergestellt ist, die aus 90 Gew.-% Ni und 10 Gew.-°/o Cr besteht. Die Berührung des Diamanten mit der Schablone wird in einem Wasserstoffstrom mit einem Taupunkt von + 10°C (Wasserdampfdruck beträgt 9 Torr) bei einer Tem peratur von 1250° C innerhalb von 3 Stunden durchgeführt. Durch die Berührung mit der Schablone wurde im Diamanten ein Hohlraum von einem quadratischen Querschnitt mit einer Tiefe von 0,9 mm gebildet, d. h. die Geschwindigkeit der Diamantbearbeitung betrug 03 mm/Stunde.

B e i s ρ i e I 10

Auf einen Diamantlc/rstall wird eine Schablone gelegt, die in Form eines Quadratischen Plättchens aus Platin

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bearbeitung von Diamant, bei dem

(a) der Diamant mit einer Schablone aus Metall oder aus einer Legierung kontaktiert und

(b) der kontaktierte Diamant auf eine Temperatur im Bereich von 600 bis 1800⁰C erhitzt wird, bei der Diamant-Kohlenstoff in die Schablone gelöst wird,

(c) im Vakuum, in Inertgas oder in einem Gas, das bei dieser Temperatur mit dem in die Schablone gelösten Diamant-Kohlenstoff reagiert, mit dem nicht-kontaktierten Diamant nicht reagiert.