JP2006502955A - ホウ素をドープしたブルー・ダイヤモンド及びその製造 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】 ダイヤモンド結晶の耐酸化性を改善するため、ホウ素をドープしたダイヤモンドを合成する方法であって、グラファイトと触媒／溶媒金属と任意のダイヤモンド種結晶とホウ素源との十分に高密度な核（混合物）を形成する工程を含む。この混合物は、ダイヤモンドを形成する高圧／高温（ＨＰ／ＨＴ）状態でダイヤモンドを形成するのに十分な時間曝される。このように形成されたダイヤモンド製品は回収され、ダイヤモンド構造中には置換されたホウ素を含むものである。前記十分に高密度な核は、空気／窒素（Ｎ）を実質上含有しないものである。１実施形態において、前記ホウ素は非晶質Ｂである。

Description

本発明は、全体にダイヤモンド粒子に関し、具体的にはそれらの圧縮破壊強度の向上及びダイヤモンド結晶の中にホウ素（Ｂ）を置換することによりそれらの耐酸化性を向上させることに関するものである。

ダイヤモンド結晶の硬さと熱的性質とは当に、様々な工業部品においてダイヤモンドを有用なもにしている２つの特性である。初期には、天然ダイヤモンドは研磨材用途に使用された。ダイヤモンドが炭素相で熱力学的に安定形である条件下で、溶媒／触媒助剤を使用して高圧／高温（ＨＰ／ＨＴ）技術によりダイヤモンドを合成する能力とともに、市場で好まれるような様々な製品がさらに製作されようになった。一般に、溶媒／触媒助剤を使用した合成方法におけるＨＰ／ＨＴ状態は、約１３００℃〜２０００℃の範囲の温度と約５〜１０ＧＰａの範囲の圧力とを含む。多結晶ダイヤモンド成形体（多くの場合、円柱形又は環状形のＷＣ支持体で支持される）は、ダイヤモンドに関する製品種目を広げた。ただし、高圧及び高温の要求は、例えば製品コンフィギュレーションに制限をもたらしてきた。近年の技術しては、"化学気相成長法"又は"ＣＶＤ"と呼ばれるダイヤモンドの低圧成長法がある。このダイヤモンド成長技術により更なる製品コンフィギュレーションが可能である。

ダイヤモンドが天然或いは合成に関わらず、また合成ダイヤモンドの成長方法に関わらす、ダイヤモンドは高温で不安定であるという欠点がある。当技術分野でよく知られているものとして、６００℃〜７００℃の温度でダイヤモンドを処理するには、不活性雰囲気が要求される。さもなければ、ダイヤモンドは酸化してしまう。従って、ダイヤモンドの耐酸化性を向上させる能力は、当技術分野では歓迎されている。例えば、ダイヤモンド工具の寿命は、工具利用期間におけるダイヤモンドの酸化への抵抗性により延長され、また、様々な工具へのダイヤモンドの加工及び高温における加工中の製品への加工が可能となり得る。

ダイヤモンドの別の価値ある性質は、その圧縮破壊強度である。圧縮破壊強度は、工具使用期間中のダイヤモンドの機械的強度を評価し、さらに様々な工具及び高温での加工中の製品へのダイヤモンド加工の機械的強度を判定するものである。

ダイヤモンドの別の価値のある性質は、その圧縮破壊強度である。圧縮破壊強度は、ダイヤモンド結晶の機械的強度を判定し、結晶を破壊（又は粉砕）するのに要求される静的な力のことである。圧縮破壊強度とは、ダイヤモンド粒の定量化できる機械的性質である。典型的には、数百の粒が試験され、記録されたその粗粒を破壊する平均の力が、特定の粒製品の圧縮破壊強度として使用される。これまで、８７０°Ｋの融解硝酸カリウム中で１時間ダイヤモンド粒をエッチングすると、表面粗さ及び欠陥が除去された結果、ダイヤモンド粒の強度が向上することが報告された（Ｊ．Ｅ．Ｆｉｅｌdにより１９９２年に編集されたＴｈｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｎａｔｕｒａｌ ａｎｄ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｄｉａｍｏｎｄ、ｐｐ．４８９〜４９０を参照）。

ホウ素がダイヤモンド格子の中に組み込まれたものは、その色によって表れる。ホウ素が添加されたダイヤモンドの色は青色である。当技術分野で開示された（欧州特許第ＥＰ ０ ８９２ ０９２ Ａ１号；及び米国特許番号第２９９２９００号、第３１４１８５５号、第３，１４８，１６１号、第３２６８４５７号、第３３０３０５３号、第３３１０５０１号、第４，０４２，６７３号、第４０８２１８５号、第４，３０１，１３４号、第４，０８２，１８５号、第６０３０５９５号、日本特許第ＪＰ ０５２００２７１号、及び国際特許第ＷＯ８３０４０１６号を参照）ホウ素をドープした"ブルー"ダイヤモンドが合成され、それは変更された光学及び電気的性質を有している。ホウ素をドープしたダイヤモンドは、改善された耐酸化性を有していると考えられている（Ｗｉｌｋｓ，ＪｏｈｎらのＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｄｉａｍｏｎｄ、ＩＳＢＮ０−７５０６−１０６７−０、１９９１、ページ３６４を参照）。国際特許第ＷＯ８３０４０１６号、米国特許番号第３１４１８５５号及び第３２６８４７５号では、拡散過程を介してホウ素をダイヤモンド結晶の表面層にドープする方法を教示している。

米国特許番号第４０４２６７３号、第４０８２１８５号、第４３０１１３４号、第６０３０５９５号、及び日本特許第ＪＰ０５２００２７１号では、温度勾配法を介したホウ素をドープしたダイヤモンドの合成を教示している。ただし、そのようなホウ素をドープしたダイヤモンドを製造するための温度勾配法は、宝石としての品質を有するダイヤモンド用には良いかもしれないが、切断及び研磨用のダイヤモンドを製造する方法としては経済的ではない。

米国特許番号第２９９２９００号、第３１４８１６１号、第３３０３０５３号、及び第３３１０５０１号では、階層反応セル方法（ｌａｙｅｒｅｄ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｃｅｌｌ ｍｅｔｈｏｄ）によるホウ素をドープしたダイヤモンドを開示し、特に米国特許番号第３３１０５０１号では、ホウ素の一様でない分布が望ましいことが明示されている。階層セルには、交互に不連続の触媒金属及び炭素、又は例えば反応生成量を均質化する円板、ロッド、円柱、若しくはホイルなどのグラファイト成分を使用する。ダイヤモンド結晶核は、反応生成量に含まれるかもしれないし、含まれないかもしれない。ホウ素のドーピングは、触媒の表面、又は炭素若しくはグラファイト成分の表面にホウ素化合物を添加することにより達成される。この設計は高容量の製造には適しているが、階層構造からの全体的な化学作用の不均一性は、ダイヤモンド結晶の三次元成長を支持、均一化しない。高品質ダイヤモンド結晶の生産量は高くない。

ダイヤモンドの質の向上は、触媒、炭素、及びダイヤモンド結晶核の緊密な混合によることが明らかにされている（Ｃｈｉｅｎ−Ｍｉｎ Ｊ Ｓｕｎｇによる，Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｃｅｌｌ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｈｉｇｈ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｄｉａｍｏｎｄ，Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ−Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ−２００１，ｖｏｌ ３３，ｐ４８９〜５０１を参照）。

研磨、切断、及び他の同様の用途における工業的用途に対して経済的な方法で、ホウ素をドープした高品質結晶のダイヤモンドを製造することの必要性が、当技術分野において未だに存在している。出願人はホウ素をドープしたダイヤモンド結晶を成長させる粉末セセル方法を開発した。これは、粉末セル装置を使用してホウ素をドープした高品質ダイヤモンド結晶を製造した初めてのものである。

研磨、切断、及び機械加工用途のためのホウ素をドープしたダイヤモンドを製造する方法は、グラファイト、触媒／溶媒焼結助剤、ホウ素源、及び任意でダイヤモンド種結晶の均一混合物を形成し、窒素及び酸素（Ｎ及びＯ）を実質的に有していない十分に高密度の核を製造する、工程と、十分に長い時間、前記高密度の核を高圧／高温（ＨＰ／ＨＴ）状態に曝し、ダイヤモンド結晶構造全体に亘って置換されたホウ素を有するダイヤモンドを形成する、工程とを有する。

１実施形態では、非晶質ホウ素が本発明のホウ素をドープしたブルーダイヤモンドを形成するのに用いられる。

ホウ素は、ダイヤモンド構造において炭素原子と置換することができる唯一２つの元素のうちの１つ（もう１つは窒素）である。ダイヤモンド構造でのホウ素の置換により、ホウ素をドープしたダイヤモンドの機械的強度及び耐酸化性を改善できる。

本発明では、粉末セル装置を用いてホウ素をドープしたダイヤモンドを製造する。前記粉末セル方法において、例えばグラファイト／触媒／結晶核などの反応剤が粉末として混合され、固い核に固められる。前記粉末セル方法は、本分野の従来技術の他の方法と異なり、例えば、階層セル方法では、前記反応剤は階層セルで個別の成分であり（金属触媒の円板、グラファイトの円板など）、温度勾配セルでは、前記反応剤は個別の成分であり、加熱勾配が要求される。

データが明示するように、本発明のホウ素をドープしたダイヤモンド結晶は、耐酸化性の向上を示している。つまり、前記ホウ素をドープしたダイヤモンド結晶は、通常の工業用ダイヤモンドより高い温度を許容できる。つまりこれは、工具製造において高温で工具製作を加工でき、それは工具製造者にとって有利であることを意味している。さらに、これはつまり、当技術分野で直面すると予想される温度のため、ダイヤモンドを用いることが今まで排除されてきた作業においても、この最終的な工具を使用できることを意味している。このような利点は、いずれかの特定の工具に限定されるべきものではない。つまり、ホウ素拡散ダイヤモンドは、伸線ダイス（ｗｉｒｅ ｄｒａｗｉｎｇ ｄｉｅ）、樹脂結合ツール（ｒｅｓｉｎ ｂｏｎｄ ｔｏｏｌ）、金属結合ツール（ｍｅｔａｌ ｂｏｎｄ ｔｏｏｌ）、のこ刃、成形体、及び同種のものに利点がある。

プロセスの第１の工程は、触媒金属、ホウ素、及びグラファイトの均一な混合物を形成することから始める。当技術分野で周知のように、ダイヤモンド種結晶が使用できる。ホウ素の量は、現在の好ましい約０．１５重量％の総核組成の約０．１〜約０．５重量％の範囲である。ホウ素源はとりわけ、好ましくは、０．２５重量％中に約０．１重量％〜約0．５重量％の範囲のＢ_４Ｃと、約０．１〜約０．５重量％のＢ含有量を提供する範囲のＦｅ−Ｂ合金とを含み、好ましくは、約０．１５重量％中に約０．１〜約０．１５重量％の範囲の金属ホウ素及び非晶質Ｂ粉末とを含む。現在の好ましいＢ源は、サイズで約５μｍ〜−８０メッシュの粒径を有する非晶質Ｂである。この場合、下限は、処理上の配慮により、特に工業規模操作においてより左右される。

Ｎ、Ｏ、若しくはその他の空気に起因する混入物質（前記核に存在している）を排除するために、前記混合物は名目上十分に高密度に圧縮される。（この目的のために）十分に高密度であるということは、圧縮された核は実質的にあらゆる閉じ込められたガス、特に一定量のＮとしての空気を有さないことを意味する。Ｎの存在により、Ｂのダイヤモンド構造への組み込みを阻害し、その結果Ｂは不純物を含有して存在することになり、結果的にダイヤモンド結晶の色が黒くなる。この斬新なホウ素をドープしたブルーダイヤモンドは、黒い色ダイヤモンドより不純物含有物としてのＢの含有量が少ない。

１実施形態において、気体の混入物質はその他の周知の方法で除去することができ、その方法にはスカベンジング"ゲッター"成分、減圧排気、及びダイヤモンド結晶の成長に影響を及ぼさないその他ガスによる置換がある。ここで使われている用語"スカベンジャー"又は"スカベンジング・ゲッター"は、例えば閉じ込められたＮ、Ｏ、又はその他の混入物質などの望まない物質を除去又は不活性にするために、混合物に添加される物質のことを言及している。１実施形態において、"スカベンジング・ゲッター"（例えばスカベンジャー金属）は、混合物に存在するあらゆる酸素の少なくとも一部分を取り除く（スカベンジ）機能を有する。酸素のスカベンジングは酸化プロセスにより発生し、酸素スカベンジャー金属は、高密度核の融解の間存在する酸素の少なくとも幾つかと反応する。この反応により、酸素スカベンジャー金属は酸化物へ変換される。一例として、アルミニウム（Ａｌ）は、酸素（Ｏ_２）と反応して酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を形成することによって、酸素スカベンジャー金属として機能することができる。

次に、前記核は、従来型のＨＰ／ＨＴ処理に十分な温度で、従来型の高圧／高温（ＨＰ／ＨＴ）装置内で十分な時間曝される。これはベルトタイプ又は金型タイプであってもよく、例えば米国特許番号第２，９４１，２４１号、第２，９４１，２４８号、第２，９４７，６１７号、第３，６０９，８１８号、第３，７６７，３７１号、第４，２８９，５０３号、第４，４０９，１９３号、第４，６７３，４１４号、第４，８１０，４７９号、及び第４，９５４，１３９号、及びフランス特許番号第２，５９７，０８７号で開示されている。１実施例において、温度は約１３００℃〜約２０００℃の範囲であり、それに対応する圧力は約５〜約１０ＧＰａである。別の実施形態では、時間は約３０秒から長くて３時間までである。さらに別の実施形態では、約５分から２時間までである。

次に、ホウ素をドープしたダイヤモンド製品は、最初に温度を下げ次に圧力を下げてから前記装置から従来の方法で回収する。従来の仕上げ操作（例えば研磨、酸洗いなど）を用い、前記製品を回収して、様々な切断、研磨、及びその他の工業用途で使用することができる。

本発明を好ましい実施形態を参照して説明してきたが、当業者は、様々な変更が可能であり、等価物が本発明の技術範囲を逸脱しない範囲でその要素の代わりをすることができることを理解するであろう。さらに、多くの修正が、本発明の本質的から逸脱しない範囲で特定の状況又は物質を本発明の教示に適合するようにすることができる。本発明を実行するために考慮された最良の実施形態として説明された特定の実施形態に限定されるものではないが、本発明は添付の特許請求の範囲の範囲内にある全ての実施形態を含むものである。本出願において、他に特に明示的に示されていない限り、全ての単位はメートル法であり、全ての量及びパーセンテージは重量によるものである。また、ここに言及されている全ての引用は、この参照により本明細書に組み込まれるものである。

熱重量分析（ＴＧＡ）とは、静的"空気"雰囲気で上昇した温度の状態下でのサンプル重量の連続測定である。サンプル重量の減少は、前記サンプルから徐々に変化する揮発性反応生成物質を示す。ダイヤモンドに関して、酸素は高温度で反応し、ＣＯ、ＣＯ_２、及びそれらの混合物を形成する（Ｊ．Ｅ．Ｆｉｅｌｄ（編集者），Ｔｈｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｄｉａｍｏｎｄ，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９７９））。本発明のホウ素をドープしたダイヤモンドは、熱重量分析（ＴＧＡ）測定により、ドープされていないダイヤモンドの３分の１（１／３）未満の重量損失（損耗）を有することで特徴付けられるドープされていない（処理されていない）同様のダイヤモンドと比較すると、耐酸化性が大幅に改善されることを示した。

本発明の１実施形態において、本発明の前記ホウ素をドープしたダイヤモンド結晶は、大気中の８５０℃で毎秒０．２５％未満の重量損失（損耗）率を有することで特徴付けられる。別の実施形態では、大気中で７００℃若しくはそれ以上で重量損失（損耗）が始まることで特徴付けられる。

実施例
実施例で記録されたＴＧＡ曲線は、ＤｕＰｏｎｔ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓの９５１熱重量分析器で、全てのサンプルを白金試料ホルダーに置いて作成した。温度を１０℃／分の率で増加した。

０．１５重量％非晶質Ｂを有するグラファイトと触媒／溶媒金属（焼結助剤）とから生成された核を十分な高密度に圧縮した。次に、前記核を従来のＨＰ／ＨＴ処理に曝した。４７の硬度指数（タフネスインデックス：ＴＩ）を有する回収した画分（フラクション）１４０／１７０メッシュを選択して、同一のメッシュサイズで４６のＴＩを有するドープされていない参照ダイヤモンドとともにテストした。

硬度指数（"ＴＩ"）は、金属ボールとともにカプセル内に２カラットの材料を配置し、所定の時間それを激しく攪拌し、そして一定サイズの一定の開始量に対して一定サイズの生成された残留物質の重量を測ることにより求められる。使用される前記金属ボールのサイズ及び攪拌時間は、ダイヤモンド砥粒のサイズにより変化する。一例として、１３９μｍメッシュスクリーンを通過し、１０７μｍメッシュスクリーン（対応サイズ１２０／１４０）に残留した一定量の物質を直径７．９４ｍｍの金属ボールとともに２ｍｌカプセル中に配置し振動試験装置にセットし、一定時間の間（３０．０±０．３秒）フライス削りに曝し、その後に９０μｍメッシュスクリーンで篩いに掛ける。前記９０μｍメッシュスクリーンに残留する結晶量は、開始時の結晶を基にして重量パーセントで表される。

以下のようなテスト条件で熱重量分析を行なった。
・静的空気（スタティックエアー）
・５０℃／分の率で８５０℃にサンプルを加熱する
・次に８５０℃で１時間サンプルを保持する
・前記サンプルの重量を観察し、８５０℃で最初の８分間の重量変化率を記録した。存在する空気は、結果としてダイヤモンドの酸化になる。

以下のような結果を記録した。
・参照ダイヤモンドの重量変化率： −０．８３％／分
・Ｂ（ホウ素）をドープしたダイヤモンドの重量変化率： −０．２１％／分

図１は、比較サンプルに関するＴＧＡテスト結果を図式化している。ライン１０はサンプルの加熱温度を示し、一方、ライン１２はサンプルの量（重量％）を示している。図２は、本発明のＢ（ホウ素）をドープしたサンプルに関するＴＧＡ結果を図式化している。ライン１４はサンプルの加熱温度を示し、一方、ライン１６はサンプルの量（重量％）を示す。これらのＴＧＡテスト結果により、本発明の粉末セル方法により生成されたホウ素をドープしたダイヤモンドの耐酸化性が向上していることが明らかになった。本発明のＢ（ホウ素）が拡散したサンプルに関する重量変化率は、比較サンプルのそれの僅か約４分の１であった。

図１は、ドープされていないダイヤモンドサンプルの熱重量分析結果のグラフである。 図２は、ホウ素をドープしたダイヤモンドサンプルの熱重量分析結果のグラフである。 図面は実施例で詳細に説明してある。

Claims (21)

1. 耐酸化性が改善された、ホウ素をドープしたダイヤモンドを合成する方法であって、
   （ａ）非ダイヤモンド炭素粉末と、触媒若しくは溶媒金属粉末のうち少なくとも１つと、高密度の核を形成するホウ素源との混合物を圧縮する工程と、
   （ｂ）高圧／高温（ＨＰ／ＨＴ）状態で十分に長い時間、前記高密度の核をダイヤモンドに曝し、ダイヤモンド構造中に置換されたホウ素を有するタイヤモンドを形成する、前記高密度の核をダイヤモンドに曝す工程と、
   （ｃ）前記のホウ素ダイヤモンド生産物を回収する工程と
   を有する方法。
2. 請求項１の工程において、非ダイヤモンド炭素粉末と、触媒若しくは溶媒金属粉末のうち少なくとも１つと、ホウ素源との前記混合物は、十分な圧力で圧縮され、閉じ込められたガスが実質的にない高密度の核を形成するものである。
3. 請求項１の工程において、前記混合物はさらに、前記高密度の核内に閉じ込められたガスを実質的に取り除くためのスカベンジング・ゲッター成分の少なくとも１つを有するものである。
4. 請求項１の方法において、前記混合物はさらに、ダイヤモンド種結晶を有するものである。
5. 請求項１の方法において、前記核中のホウ素の量は、核の総重量の約０．１〜約０．５重量％の範囲であるものである。
6. 請求項１の方法において、前記ホウ素は、Ｂ_４Ｃ、ＦｅＢ合金、金属ホウ素、及び非晶質Ｂ（ホウ素）粉末から選択されるものである。
7. 請求項１の方法において、前記ホウ素は、約５μｍ〜約４５／５０メッシュ（ｍｅｓｈ）の範囲のサイズを有する非晶質ホウ素粉末である。
8. 請求項１の方法において、前記ＨＰ／ＨＴ状態は、約１３００℃〜約２０００℃の範囲の温度で、約５〜約１０Ｇｐａの対応する圧力範囲を有するものである。
9. 請求項１の工程により生成されたホウ素をドープしたダイヤモンド。
10. 請求項９のホウ素をドープしたダイヤモンドを有する製品。
11. 請求項１０の製品は、成形体、伸線ダイス（ｗｉｒｅ ｄｒａｗｉｎｇ ｄｉｅ）、樹脂結合ツール（ｒｅｓｉｎ ｂｏｎｄ ｔｏｏｌ）、金属結合ツール（ｍｅｔａｌ ｂｏｎｄ ｔｏｏｌ）、又はのこ刃の形状のものである。
12. ホウ素をドープしたダイヤモンドであって、このドーパントホウ素濃度は前記ダイヤモンド結晶内に均一に拡散され、さらに前記ダイヤモンド結晶は、粉末セル装置において、十分な高圧／高温（ＨＰ／ＨＴ）状態で、前記ドーパントホウ素が前記ダイヤモンド結晶構造中に置換されるのに十分な時間をかけて生成されるものである。
13. 請求項１２のホウ素をドープしたダイヤモンド結晶において、前記ドーパントホウ素は約０．１〜約０．５重量％の量で存在するものである。
14. 請求項１２のホウ素をドープしたダイヤモンド結晶において、前記ドーパントホウ素は、Ｂ_４Ｃ、ＦｅＢ合金、金属ホウ素、及び非晶質Ｂ（ホウ素）粉末から選択されるものである。
15. 請求項１２のホウ素をドープしたダイヤモンド結晶において、前記ドーパントホウ素は約５μｍ〜４５／５０メッシュの範囲のサイズを有する非晶質ホウ素粉末である。
16. 請求項１２のホウ素をドープしたダイヤモンドを有する製品。
17. 請求項１６の製品は、成形体、伸線ダイス、樹脂結合ツール、金属接合ツール、又はのこ刃の形状のものである。
18. 前記ホウ素ドーパントのない同様のダイヤモンドにおける損耗の３分の１未満の損耗を有することを特徴とするホウ素をドープしたダイヤモンド。
19. 請求項１８のホウ素をドープしたダイヤモンドにおいて、このホウ素をドープしたダイヤモンドは、さらに、
    前記ダイヤモンドの内部に均一に拡散されたホウ素ドーパントを有することを特徴とし、前記ホウ素ドーパントがＢ_４Ｃ、ＦｅＢ合金、金属ホウ素、及び非晶質Ｂ粉末から選択されるものである。
20. 大気中８５０℃の温度で、毎秒０．２５％未満の損耗率を有することを特徴とするホウ素をドープしたダイヤモンド結晶。
21. 請求項２０のホウ素をドープしたダイヤモンドにおいて、このホウ素をドープしたダイヤモンドは、さらに、
    大気中で７００℃若しくはそれ以上の温度で損耗が始まることを特徴とするものである。

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