JP5254011B2 - ダイヤモンド種結晶を被覆する方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ダイヤモンド種結晶をクラディング又は被覆(コーティング)するステップを含む、ダイヤモンドの製造方法に関するものである。とりわけ、この方法は、比較的融点の低い合金を使用してダイヤモンド種結晶をクラッディング(被覆)するステップを含む、ダイヤモンドの製造方法に係るものである。
高圧高温(HPHT)条件下でのダイヤモンド合成のための反応体積体として、炭素源(通常には黒鉛)、並びに適切な金属及びそれらの合金を基本的に含む成形体の使用が、当技術分野で周知である。金属は、通常は、鉄、ニッケル、クロム、マンガン、コバルト、及び/又はこれらの合金から選択される。それらは、UHPT条件下で溶媒/触媒の両機能を有しており、炭素源を溶解し、ダイヤモンドの成長を促進する働きをすると考えられる。通常は、ダイヤモンド成長の種とするために、小さなダイヤモンド粒子が、そのような反応体積体成形体(RVC)内に置かれる。そのようなRVCを使用する必須条件は、選択された雰囲気及び/又は比較的低圧の環境下で高温(通常は>500℃、より典型的には>約900℃、かつ<約1200℃)で成形体を加熱することであり、それにより、ダイヤモンド合成プロセスの前に成形体内の酸素及び窒素含有量を減少させる。
特許文献1(EP0737510B1)(スミトモ)によって教示されるように、被覆されたダイヤモンド種結晶粒子を含む顆粒を使用してRVCを製造することには幾つかの利点が存在する。その被覆体には、少なくとも1種の溶媒金属粉末と、ダイヤモンド成長のための炭素源(特に黒鉛源)と、場合によっては有機結合剤材料とを含む。そのような顆粒は、RVCを作製するために圧密されることができ、それにより、RVC内で、微細なダイヤモンド種結晶は、規則的に配置され、又は少なくとも互いにある最小距離だけ離隔される。当技術分野でよく知られており、特許文献1で論じられるように、ダイヤモンドを合成するためにそのような成形体を使用することは、種結晶ダイヤモンドが成形体全体にわたってランダムに分散される場合よりも多量の高品質ダイヤモンドを生産することができる。
特許文献1に開示される発明の実施例の1つは、種結晶ダイヤモンドが、めっき又は化学蒸着(CVD)法を使用して金属に被覆又はクラッディングされ、その後、被覆された種結晶が、様々な組合せでの金属、黒鉛、及び結合剤材料の混合体により被覆されるものである。流動床法を使用して更に被覆する前に、めっき又はCVD法を使用して金属により種結晶ダイヤモンドを被覆又はクラッディングする。その利点の1つは、得られる種結晶ダイヤモンド/金属複合物粒子を種結晶ダイヤモンド自体よりもかなり大きくかつ重くすることができ、それにより、後続の流動床被覆又は他の被覆法を容易にすることである。これは特に、種結晶ダイヤモンドが、できるだけ小さい、通常は直径約0.2mm未満である必要のある場合に当てはまる。直径約2mmよりも小さい高品質ダイヤモンドの商業的な製造の場合と同様に、成長したダイヤモンド結晶内の金属異物の取込みを最小限にするために、できるだけ小さい種結晶を使用することが望ましい。
また、特許文献2(US20050136667)は、種結晶と周囲の炭素源との間の直接的な接触を防止するために、Co、Fe、及びNiなどの溶媒/触媒金属の厚い層により種結晶をクラッディングすることを論じている。特許文献2では、Ni又はNi合金の被覆が好ましいことが主張されている。
特許文献3(JP59164607)(昭和電工)は、非常に低い濃度の酸素及び窒素を有する金属被覆によりダイヤモンド種結晶を被覆することにより、金属異物の減少した非常に純粋なダイヤモンド粒子を形成できる可能性があることを主張している。
種結晶ダイヤモンドの分散がランダムではなくて制御されているRVCを実現するための代替方法が、従来技術に開示されている。具体的には、特許文献4(EP0528195B1)(スミトモ)及び特許文献5(US4547257)(ショウワ・デンコウ)が、種結晶ダイヤモンドが比較的秩序立てられた非ランダムな様式で互いに配列している成形体を作製するために、様々な種類のディスク状の層の表面に2次元配列で種結晶ダイヤモンドを配置し、次いで、ディスクを積層して配列し、得られた積層体を圧密することに関する方法を開示している。この方法を行う利点は、合成プロセスから生じる高品質ダイヤモンドの生産量の増大に関して上記に論じられたものと同様である。
上記に開示されたものなどのように任意の方法による合成反応体積体への種結晶の配置の前に、十分に厚い金属の層により種結晶ダイヤモンドを被覆又はクラッディングすることの1つの大きな欠点は、主として金属の層によって種結晶ダイヤモンドが取り囲まれるのではなく金属と黒鉛との混合物によって取り囲まれる従来の手法と比較すると、金属層が、種結晶上でのダイヤモンドの初期段階成長を乱すことが有害なことである。初期成長状態のこの乱れは、所要の合成プロセス制御条件、及び/又は得られる成長したダイヤモンド生成物の特性を変化させる可能性がある。制御条件が、種結晶の周りの被覆又はクラッディングを補償するように変えられない場合、得られる成長したダイヤモンドの品質は、劣ったものになりやすい。
欧州特許第0737510号明細書 米国特許出願公開第20050136667号明細書 特開昭59−164607号公報 欧州特許第0528195号明細書 米国特許第4547257号明細書
本明細書で前述したように、従来技術の方法が初期成長状態の乱れによって阻害されないことが必要とされる。
本発明の第1の観点によれば、ダイヤモンドの製造方法であって、
被覆されたダイヤモンド種結晶を作製するために、ダイヤモンド種結晶上に溶媒金属又は溶媒金属合金の第1被覆体を形成するステップと、
被覆されたダイヤモンド種結晶を、溶媒金属及び/又は炭素源を含む触媒系に近接して位置させるステップと、
被覆されたダイヤモンド種結晶及び触媒系を高温にするステップと
を含み、
第1被覆体の融点が、触媒系の融点よりも少なくとも20℃低い、ダイヤモンドの製造方法が提供される。
それにより、本発明は、様々な種類のディスク上に2次元配列で種結晶ダイヤモンドを配置するために使用されるなどの、後続の流動床被覆又は他の粒子操作方法が比較的容易であるという被覆による利点を保ちながら、合成プロセス制御条件および成長したダイヤモンドの特性に対する、種結晶ダイヤモンド上に溶媒金属を被覆することの悪影響を低減させるための方法に関する。本発明による方法は、ダイヤモンドを製造するための周知の方法、例えば高圧高温(HPHT)に関連して使用できる。
溶媒金属は、ニッケル、コバルト、クロム、鉄又はマンガン、又はこれらの組合せを含む。第1被覆体は、前述した溶媒金属とリン、ホウ素、及び/又は硫黄との合金を含むことができる。また、酸素及び窒素などの他の化学物質も、不純物として存在することができ、又は意図的に取り込まれることもできる。
好ましくは、比較的低い融点(大気圧で、炭素の存在時に約1000℃未満)を有する溶媒金属基合金が、ダイヤモンド種結晶を被覆するために使用される。
ダイヤモンド粒子に第1被覆体を被着するための当技術分野で知られている幾つかの方法の任意のものを使用することができる(例えば、無電解法、電解法、又は流動床法)。
第1被覆体の合金は、好ましくは、過剰に炭素が存在する時の合金の融点(液相線温度)が、過剰に炭素の存在する時の触媒系の融点よりも少なくとも約20℃低い、より好ましくは少なくとも約30℃低い、より好ましくは少なくとも約40℃低い、より好ましくは少なくとも約50℃低い、より好ましくは少なくとも約60℃低い、より好ましくは少なくとも約70℃低い、より好ましくは少なくとも約80℃低い、より好ましくは少なくとも約90℃低い、最も好ましくは約100℃以上低いように選択されるべきである。
好ましくは、第1被覆体の合金の第2の成分(すなわち、Ni又はCoではないもの。NiおよびCoのどちらも、ダイヤモンド安定条件下でダイヤモンドの成長を助長する)は、その成分のダイヤモンド成長に対する影響を最小にするために、できるだけ少なくすべきである。
好ましくは、第1被覆体の厚さは、当技術分野で望ましいとされ記載されているように、種結晶の取扱い、造粒、配置、又は他の操作を可能にするのに十分であるべきであるが、この目的に必要とされるよりも厚くされるべきではない。
最も好ましい第1被覆系はNiPである。好ましくは、P含有量は、NiP合金の少なくとも6重量パーセント(wt%)、より好ましくは、少なくとも7wt%であって14wt%以下、好ましくは13wt%以下(すなわち6〜14wt%の範囲)であるべきである。最も好ましくは、P含有量は、NiP合金の7〜13wt%の範囲にあるべきである。
CoP系を使用すると、P含有量は、好ましくは9〜13wt%の範囲にあるべきである。
NiB系を使用すると、B含有量は、好ましくは8〜16wt%又は3〜5wt%の範囲にあるべきであり、最も好ましくは10〜16wt%の範囲にあるべきである。
NiS系を使用すると、S含有量は、好ましくは15wt%を超えるべきであり、最も好ましくは19〜40wt%の範囲にあるべきである。
理論に縛られることなく、選択された第1被覆体の溶媒合金の融点よりも高い温度で本発明によるRVCを焼成すると、合金は溶融し、周囲の材料内に拡散し、それにより、原材料黒鉛から種結晶ダイヤモンドを離隔する合金金属の量を減少させると考えられる。これは、種結晶ダイヤモンド上のかなりの金属被覆体又はクラッディングの存在を補償するために合成プロセス制御条件を変更する必要がなく、初期ダイヤモンド成長状態、従って成長したダイヤモンドの特性に対する被覆の悪影響を低減させる効果を有する。
本発明の第2の観点によれば、1100℃未満、より好ましくは約1000℃未満の融点を有する溶媒金属及び/又は金属基合金を含む被覆を含むダイヤモンド種結晶が提供される。
本発明の第3の観点によれば、複数のダイヤモンド種結晶を含む成形体であって、少なくとも1つの種結晶が、溶媒金属及び/又は溶媒金属基合金を含む第1被覆体を含み、成形体が、溶媒金属及び/又は炭素源を含む触媒系を更に含み、第1被覆体の融点が、触媒系の融点よりも少なくとも20℃低い成形体が提供される。
本明細書で前述した変数及び好ましい選択肢が、必要な変更を加えて、本発明の第2及び第3の観点に適用される。
約1〜100ミクロンのサイズのダイヤモンド種結晶粒子が、電解又は無電解めっき、或いは他の方法によって、比較的低い融点を有する金属溶媒基合金により被覆される。溶媒金属は、ニッケル、コバルト、クロム、鉄又はマンガン、又はこれらの組合せを含む。被覆体は、これらとリン、ホウ素、又は硫黄との合金を含む。また、酸素及び窒素など他の化学物質も、不純物として存在することができ、又は意図的に取り込まれることができる。好ましくは、合金被覆体は、炭素の存在する時、大気圧で、約1100℃未満、より好ましくは約1000℃未満の融点を有する。融点を低くするにするため、又は何らかの他の事前選択された最適な条件を実現するために、状態図を使用して、合金成分の最適な比率を得ることができる。
1つの手法では、選択された合金でそのようにして被覆された種結晶ダイヤモンドは、その後、特許文献4によって教示されるように更なる被覆を受け、任意の様々な可能な構成で黒鉛及び触媒金属粉末により被覆される。
別の手法では、合金被覆された種結晶ダイヤモンドは、何らかの配置方法によって、触媒金属、黒鉛、又はこれらの組合せを備えるディスク上に2次元配置に位置決めされる(特許文献5参照)。
選択された被覆合金の融点よりも高いが、周囲の触媒系の融点よりも低い温度でRVCを焼成すると、合金は溶融し、周囲の材料内に拡散し、それにより、原材料黒鉛から種結晶ダイヤモンドを離隔する合金金属の量が減少する。これは、種結晶ダイヤモンド上のかなりの金属被覆体又はクラッディングの存在を補償するために合成プロセス制御条件を変更するが必要なく、初期ダイヤモンド成長状態、従って成長したダイヤモンドの特性に対する被覆の悪影響を低減させる効果を有する。
1〜100μm直径のダイヤモンド種結晶粒子が、約40〜150μm超の直径の更なる顆粒調製に好適な最終サイズまで、低融点金属合金によりクラッディングされることができる。好ましくは、約20〜30μmのダイヤモンド種結晶が、約100μmの最終直径までクラッディングされることができる。用語「直径」は、粒子の凝集直径を表し、理解されるように、これは必ずしも球形ではない。
低融点合金は、Ni、CoとP、B、Sとの合金を含む。これらは、当技術分野でよく知られている無電解めっきプロセスを使用して、ダイヤモンド種結晶粒子上に好適にクラッディング又は被覆できる。Ni/P合金が、好ましい低融点合金系である。Ni合金の融点は、870℃の温度にある共晶点での11wt%までP含有量を増加させることによって、(純粋なNiに関する)1455℃から基本的に線形的に減少させることができることが分かっている。3成分Ni/P/炭素共晶は、860℃という更に低い温度である。有用な共晶組成及び温度を表1に示す。
Figure 0005254011
次に、本発明について、以下の非限定的な例を図1〜図5を参照して説明する。図は、当該の焼成段階の最後での、部分的に埋め込まれたダイヤモンド粒子の顕微鏡写真を示す。
「実施例1」
ニッケル−リンが、無電解クラッディング法を使用して平均直径20μのダイヤモンド粒子にクラッディングされた。この方法を使用してNiPクラッディング又は被覆体のP含有量を制御する方法は、当技術分野では周知である。実際には、ダイヤモンドのサイズは、直径が約5〜35μmの範囲であった。種結晶として意図された約50gのこのダイヤモンドが、約60gのNiCl塩、60gのNaHPO、および25gのCHCOONaの緩衝剤を含む約3リットルの溶液中に懸濁された。めっき条件は、この系で可能な最低融点の合金を有するために、共晶量に近いクラッディングのNi/P組成、すなわち11wt%Pを形成するように選択された。めっきが主として単粒子上で生じること、及び粒子凝集が最小限にされることを保証するように注意が払われた。溶液は、活性試薬中で希釈されたので、定期的に交換された。132時間の長いめっき時間の後、ほぼ球状のNi/Pクラッド粒子が、95μの平均直径で得られた。Niクラッディングのリン含有量は、重量測定法を使用して全金属質量の10.3wt%と測定された。その重量測定法は、ピロリン酸マグネシウム(Mg)析出物が重量測定される。この方法は、金属リン合金分析の分野で周知である。
上述したように調製されたNi/Pクラッドのダイヤモンド種結晶は、次いで、ダイヤモンド合成の目的に適した黒鉛、Ni、及びFeにより被覆されて、上記で概説した種結晶配列技術で使用するのに適した球状顆粒を形成した。球状顆粒は、押圧されて、当技術分野で公知のダイヤモンド合成プロセスで使用するための有孔素地になり、それにより、黒鉛、Ni、及びFeのマトリックスのクラッド種結晶の離間した3次元配列が得られた。これらの素地は、ダイヤモンド合成プロセスの前に真空中で1000℃で処理される。この温度は、(約1120℃〜1170℃の範囲の)触媒系の融点よりも実質的に低く、しかし(約860℃〜900℃の範囲の)Ni/Pクラッディングの融点よりも高くなるように選択された。熱処理後、それぞれの種結晶の周りの金属クラッディングが溶融され、黒鉛、Ni、Feマトリックスの本体内に拡散されたことが観察された。マトリックス内のダイヤモンド種結晶の離間した3次元配列は、擾乱されなかった。ダイヤモンド合成後、非常に良質の光学的に透明なダイヤモンドが生成され、成長したダイヤモンド結晶の中央ブレミッシュ(斑点)が最小限に抑えられたことが観察された。これは、元のダイヤモンド種結晶粒子上に純粋なNiのクラッディングが採用された場合よりも優れていることが判明した。
熱処理条件下でのNiPクラッディングの溶融及び拡散を実証するために、上記説明による幾つかのクラッド種結晶が、黒鉛粉末と、Fe及びNi粉末の70:30の比率の混合体とを含む幾つかのディスクに部分的に埋め込まれた。黒鉛と金属との比率は、質量比で約35:65であった。ディスクは、実質的に同一であった。ディスクを構成する粉末は、メチルセルロース結合剤によって保持された。ディスク組成及び多孔率は、焼成(脱バインダ(debindering)及び/又は精製)段階中の反応体積又は顆粒内のクラッド種結晶の周りの環境のものと実質的に同様であった。クラッド種結晶を担持するディスクは、約4.5分間、炭素の存在時に、実質的に大気圧で、クラッディング合金の融点よりも低い温度から高い温度までの範囲にわたる様々な温度で、水素/窒素気体中で焼成を行なった。各場合におけるピーク温度は、800℃、850℃、900℃、1000℃、及び1130℃であった。
図1〜図5は、NiPクラッディングが約900℃で溶融し始め、約1000℃で完全に溶融したことを明確に示す。これは、図1及び図2におけるクラッディングの実質的に丸まった鈍い外観に比べて、図3〜図5における輝く反射性の外観を有するファセット・ダイヤモンド表面の外観から明らかである。更に、Fe及びNi粉末は、明らかに、使用された温度で溶融されていない。このことは重要である。最も重要なことには、溶融されたNiPクラッディングは、周囲の有孔ディスク環境に拡散したと思われる(必要なときに、熱処理中に結合剤が実質的に除去されて、ディスク多孔率を増加させることに留意されたい)。
「実施例2」
当技術分野で公知の以下の典型的な条件の下で、還元剤として水酸化ホウ素ナトリウムを使用し、pH4〜5で、無電解法を使用して、最大4%のBを有するNiB被覆を種結晶粒子に被着させることができる。
塩化ニッケル:30g/l
水酸化ナトリウム:40g/l
エチレンジアミン:52g/l
水酸化ホウ素ナトリウム:1.2g/l
温度:80〜90℃
無電解ニッケル/ホウ素めっきは、非常に高価であり、めっき浴は、特に水酸化ホウ素ナトリウムが使用されると安定する傾向がある。
「実施例3」
無電解コバルト/リンめっきは、アルカリめっき浴内でのみ行うことができる。典型的なめっき浴は、以下のものである。
塩化コバルト:30g/l
次亜リン酸ナトリウム:20g/l
クエン酸ナトリウム:35〜100g/l
塩化アンモニウム:50g/l
pH:9(最適)
温度:>85℃
pHが高くなるとそれだけ、めっき速度が速くなる傾向がある。最適なpHでは、40〜50g/lの次亜リン酸塩濃度で、最高めっき速度が得られる。良質のクラッディングを形成するのに最適なクエン酸ナトリウム及び塩化アンモニウム濃度は、それぞれ100g/l及び50g/lである。塩化コバルト濃度が30g/lよりも高くなっても、ごくわずかしか全体的な効果しかを有さない。
無電解コバルトめっきは、従来の無電解ニッケルめっきよりもかなり高価である。
800℃での熱処理後の部分的に埋め込まれたダイヤモンド粒子の顕微鏡写真を示す図。 850℃での熱処理後の部分的に埋め込まれたダイヤモンド粒子の顕微鏡写真を示す図。 900℃での熱処理後の部分的に埋め込まれたダイヤモンド粒子の顕微鏡写真を示す図。 1000℃での熱処理後の部分的に埋め込まれたダイヤモンド粒子の顕微鏡写真を示す図。 1130℃での熱処理後の部分的に埋め込まれたダイヤモンド粒子の顕微鏡写真を示す図。

Claims (13)

  1. ダイヤモンドの製造方法において、
    被覆されたダイヤモンド種結晶を作製するために、ダイヤモンド種結晶上に、ニッケル、コバルト、クロム、鉄又はマンガン、又はこれらの元素の組み合わせと、リン、ホウ素、及び/又は硫黄との合金を含む第1被覆体を形成する段階と、
    前記被覆されたダイヤモンド種結晶を、溶媒金属及び炭素源を含む触媒系に近接して位置させる段階と、
    前記被覆されたダイヤモンド種結晶及び前記触媒系を、ダイヤモンドの成長を起こさせるのに充分な高圧かつ高温状態にする段階と
    を含み、
    前記第1被覆体の融点が、前記触媒系の融点よりも少なくとも20℃低い、ダイヤモンドの製造方法。
  2. 前記第1被覆体が、酸素及び窒素を含むが、それらには限定されない他の化学物質を含有する請求項1に記載されたダイヤモンドの製造方法。
  3. ダイヤモンド粒子に前記第1被覆体を被着するために、無電解法、電解法、又は流動床法を使用する請求項1又は請求項2に記載されたダイヤモンドの製造方法。
  4. 前記合金は、炭素の存在する場合の前記合金の融点が前記触媒系の融点よりも少なくとも約100℃低いように選択される請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載されたダイヤモンドの製造方法。
  5. 第1被覆体が、NiP合金を含む請求項1から請求項までのいずれか1項に記載されたダイヤモンドの製造方法。
  6. P含有量が、NiP合金の6〜14wt%の範囲である請求項に記載されたダイヤモンドの製造方法。
  7. 前記被覆体が、CoP合金を含む請求項1から請求項までのいずれか1項に記載されたダイヤモンドの製造方法。
  8. P含有量が、前記合金の9〜13wt%の範囲である請求項に記載されたダイヤモンドの製造方法。
  9. 前記被覆体が、NiB合金を含む請求項1から請求項までのいずれか1項に記載されたダイヤモンドの製造方法。
  10. B含有量が、前記合金の8〜16wt%の範囲である請求項に記載されたダイヤモンドの製造方法。
  11. 前記被覆体が、NiS合金を含む請求項1から請求項までのいずれか1項に記載されたダイヤモンドの製造方法。
  12. S含有量が、前記合金の19〜40wt%の範囲である請求項11に記載されたダイヤモンドの製造方法。
  13. 複数のダイヤモンド種結晶を含む成形体において、少なくとも1つの種結晶が、ニッケル、コバルト、クロム、鉄又はマンガン、又はこれらの元素の組み合わせと、リン、ホウ素、及び/又は硫黄との合金を含む第1被覆体を含み、前記成形体が、溶媒金属及び炭素源を含む触媒系を更に含み、前記第1被覆体の融点が、前記触媒系の融点よりも少なくとも20℃低い、成形体。
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