JPH02265637A - ダイヤモンドの合成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はダイヤモンド種結晶を用いて高温高圧下でダイ
ヤモンドを合成する方法に関し、殊に研削や切断の為に
用いられる工具用砥粒や切削工具用刃先等の材料として
有用な０．８ｍｍ以上の大粒ダイヤモンド単結晶を合成
する方法に関するものである。

［従来の技術］ ダイヤモンドは高硬度であることを利用して古くから切
削工具用途を中心に広く利用されている。ダイヤモンド
の合成法としては、最近、気体状炭化水素を炭素原料と
して低圧条件下で行なう気相合成法が開発されているが
、この方法で合成されるダイヤモンドは粒径の小さいも
のしか得られず、ダイヤモンドを大粒の単結晶として合
成したいときには、従来の高温・高圧法を採用すべぎで
あると考えられている。

大粒のダイヤモンド単結晶を目標とする合成方法は種々
知られているが、その代表例としてはバーバード・エム
・ストロング（）１．Ｍ、Ｓｔｒｏｎｇ）がＪ、Ｐｈｙ
ｓ、Ｃｈｅｍ、７５．（１９７１）１８３３に発表した
いわゆる温度差法を挙げることができる。

この方法は、ある方法で得られたダイヤモンドを原料と
しこれを更に大粒化する技術に関するものであって、何
等かの方法によって製造された合成ダイヤモンドを炭素
源として高温側に配置すると共に低温側には金属触媒を
前記炭素源に接触する様に配置し、更に金属触媒の最も
低温となる部分にダイヤモンド種結晶を配置しておき、
最高温部と最低温部の温度差を約５０℃に保ち、この温
度差によって炭素源が金属触媒中を拡散しつつ前記種結
晶上にダイヤモンドとして晶出し大粒ダイヤモンド単結
晶として成長させるものである。しかしながら、この方
法では大粒ダイヤモンド単結晶を得るのに長時間を要す
るという欠点があり、例えば１ｍｍの大きさまで成長さ
せるのに２〜５時間もの長時間が必要であった。

一方比較的短時間にダイヤモンド（但し後述の如く小粒
径ダイヤモンド）を合成する方法としては薄膜合成法と
して知られており、上記結晶成長技術よりも古く、例え
ば特公昭３７−４４０７号に開示された技術がある。こ
の方法は上記結晶成長技術と同じくバーバード・エム・
ストロングによるものであり、周期律表第■族（鉄族、
白金族）に属する元素若しくはクロム、タンタル、マン
ガン等の元素或はこれらの元素を含む合金を触媒とし、
該触媒と炭素物質（黒鉛）とを共存させた状態にして両
者の共晶温度以上の温度で且つダイヤモンド−黒鉛平衡
線以上の圧力（ダイヤモンドの熱力学的に安定な条件）
下に保持して合成するものである。この様な構成を採用
することによって、３０分以下という短時間で高強度の
ダイヤモンドを合成することに成功しているが、当該方
法は元々ダイヤモンド粉末を得る目的で行なわれるもの
であり、０．５ｍｍ以上の大粒ダイヤモンド単結晶を得
ることはほとんど不可能である。そこでこの方法を応用
して大粒のダイヤモンドを比較的早く合成する試みとし
、例えば特公昭５５−１１６０５号や特開昭５９−２０
３７１７号等に示す技術が提案されている。これらの技
術はダイヤモンド種結晶を用い、この種結晶上にダイヤ
モンドを成長させることによって、大粒のダイヤモンド
単結晶を合成しようとするものである。またダイヤモン
ド種結晶を用いる合成方法ではその圧力はダイヤモンド
が自発核を形成し得る最低の圧力を超えない圧力（特開
昭５９−２０３７１７号）や、黒鉛−ダイヤモンド平衡
線付近（２キロ゛バ一ル以内）の圧力（特公昭５５−１
１６０５号）等に設定されるのが一般的である。これは
自発核生成し得る最低の圧力以上の圧力では、ダイヤモ
ンド単結晶以上の部分で核生成が頻繁に起こり、大粒の
ダイヤモンド単結晶が得られないと考えられていた為で
ある。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら本発明者らの研究によると、上記いずれの
方法によっても希望する大粒結晶を短時間で得ることは
できなかった。即ち本発明者の実験によると、前者の方
法では０．１ｍｍのダイヤモンド種粒子を用いて、およ
び後者の方法では０．３ｍｍのダイヤモンド種結晶を用
いて、いずれも保持時間３０分間で合成したところ、い
ずれの方法によっても０．８ｍ＋ｏ以上の大粒ダイヤモ
ンド単結晶を得ることはできなかった。

また上記特公昭５５−１１６０５号に開示された技術で
は、ダイヤモンド種結晶を炭素物質（黒鉛）中に埋入配
置するものであるため、高強度のものが得られないとい
う欠点もあった。これはダイヤモンド種結晶とダイヤモ
ンド種結晶から成長したダイヤモンドの境界は触媒をと
り込んだり、欠陥が発生したりしやすく、割れの起点に
なりやすい。したがりてダイヤモンド種結晶を包み込ん
だ形で成長したダイヤモンドは強度的に劣るという理由
によるものと思われる。尚ダイヤモンド種結晶を用いて
合成する方法としては例えば特開昭６１−６８３９５号
に開示された技術も提案されているが、この技術におい
ても溶媒金属板または非ダイヤモンド炭素板のいずれか
に多数の凹孔を形成し、この凹孔にダイヤモンド種結晶
を挿入して合成するものであり、上記技術と同様強度的
に劣フたダイヤモンド粒子しか得られない。

本発明は上述した技術的課題を解決する為になされたも
のであって、その第１の目的は、高温・・高圧での保持
時間が３０分以内と比較的短時間であるにも拘らず大粒
ダイヤモンド単結晶が得られる様なダイヤモンドの合成
方法を提供することにある。また本発明の第２の目的は
、ダイヤモンド種結晶を用いる合成方法によっても、高
強度のダイヤモンド単結晶を得ようとするものである。

［課題を解決する為の手段］ 上記第１の目的を達成し得た本発明方法とは、金属触媒
、炭素物質およびダイヤモンド種結晶を用いて高温高圧
下でダイヤモンドを合成する方法において、金属触媒と
炭素物質の共融温度以上およびダイヤモンドの自発核生
成最低圧力以上で、且つ当該圧力より２キロバールを超
えない圧力下で、前記ダイヤモンド種結晶を成長させる
点に要旨を有するものである。またダイヤモンド種結晶
は０．２ｍｍ以上のものを用いるのが最適であり、この
様な種結晶を用れば０．８ｍｍ以上の大粒ダイヤモンド
単結晶が得られる。更にダイヤモンド種結晶を、その一
面だけを残して圧力媒体中に埋め込み、上記一面に触媒
金属を接触させた状態でダイヤモンドを合成する様な構
成を付加しつつ上記方法を実施すれば、高強度の大粒ダ
イヤモンド単結晶が得られ、極めて効果的であり、これ
によって上記第２の目的が達成される。

［作用］ 本発明は上述の如く構成されるが、要は高温・高圧下で
ダイヤモンド種結晶上にダイヤモンド単結晶を成長させ
る方法を基本とし、温度および圧力を限定すれば従来法
よりも短時間で大粒のダイヤモンド単結晶が成長するこ
とを見出したことに基づくものである。

第１図は炭素の状態図を示し、図中ラインＡは黒鉛ダイ
ヤモンド平衡線、ラインＢは金属触媒−酸素共融温度線
、ラインＣは炭素質物質からダイヤモンドが自発核を形
成し得る最低の圧力を示す線である。

上記ラインＣは、炭素物質と金属触媒の間にダイヤモン
ド種結晶を配置した場合に、一定圧の下で一定温度に数
分間保持してダイヤモンド種結晶の成長と該種結晶以外
の部分でのダイヤモンド生成を確認するという方法で、
そのときの圧力を様々に設定して種結晶のみが成長する
最高の圧力として求めることがで仕る。即ちラインＣは
、各温度において種結晶以外の部分でダイヤモンドが生
成する最低の圧力に相当する。

ダイヤモンドの成長速度は一般社圧力が高いほど大きく
なることが知られているが、本発明者らによると、ライ
ンＡよりも高くラインＣよりも低い圧力条件下では確か
にダイヤモンド種結晶の成長は認められるものの、成長
速度が小さく目的とする大粒のダイヤモンド単結晶を短
時間で得ることは難しいとの事実が実験により確認され
た。またこのことが、上述した２つの方法によりても大
粒のダイヤモンド単結晶を短時間で得ることのできない
原因と考えられた。

ここで本発明者らが上記知見に基づき更に鋭意研究を重
ねたところ、上記ラインＣ以上の圧力であフても何の不
都合を生じることなく、大粒のダイヤモンド単結晶が短
時間で得られる領域があることを見出した。即ち木発明
者らが実験によって確認したところによると、ラインＢ
よりも高い温度領域であり、且つラインＣの圧力から２
キロバ一ル以内の圧力に設定すれば、ダイヤモンド種結
晶に対してダイヤモンドが成長し、大粒ダイヤモンド単
結晶が短時間で得られることが分かった。尚ラインＣか
ら２キロバールの圧力の位置は、第１図のラインＤとし
て示すが、このラインＤを超える圧力では自発核が頻繁
に発生し、独自に発生する成長ダイヤモンドの割合が多
くなってダイヤモンド種結晶からのダイヤモンド成長が
阻害される。

一方、これまでのダイヤモンド合成方法では、ダイヤモ
ンド種結晶を炭素物質または金属触媒に埋め込んだ形態
で合成されるものであり、この様な状態で合成されたダ
イヤモンドでは十分な強度が得られない点も既に指摘し
た通りである。こうした不都合を解消するという観点か
ら検討したところ、ダイヤモンド種結晶の一面だけを残
して耐圧力媒体に該結晶を埋め込み上記一面に触媒金属
を接触させた状態でダイヤモンドを合成する様な構成を
付加して本発明を実施すれば、強度的にも優れたダイヤ
モンド単結晶が得られることが分かった。即ち、該構成
を採用すれば、圧力媒体に覆われた面には炭素物質が供
給されず、残った一面のみからダイヤモンドが成長する
ので、成長したダイヤモンドは単結晶を包み込んだ形態
ではなく、ダイヤモンド種結晶と成長したダイヤモンド
は容易に分離でき、成長ダイヤモンド自体は粒状をして
おり、強度的に優れたものとなる。これに対し、従来の
方法ではダイヤモンド種結晶を金属触媒や炭素物質等に
埋め込んだ状態で合成するのでダイヤモンドは種結晶を
包み込んだ形で成長し、この様な形態のダイヤモンドは
上述の理由から強度が低下する。

この様な構成を採用する際に用いる圧力媒体に用いる素
材としては、ダイヤモンド合成雰囲気に対して不溶性で
あるとともに金属触媒とも反応しないことが必要であり
、例えば食塩、ＢＮ、タルク等が挙げられる。

尚本発明で用いる金属触媒としては炭素物質からダイヤ
モンドを合成し得るものであればよく特に限定しないが
、例えば白金、タンタル、鉄、コバルト、ニッケル、ロ
ジウム、ルテニウム、パラジウム、オスミウム、クロム
、マンガン等が挙げられ、特に鉄族金属およびそれらの
合金が好ましい。また原料となる炭素物質としては、黒
鉛、非晶質炭素、熱分解黒鉛等が挙げられる。

以下本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下
記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・
後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明
の技術的範囲に含まれるものである。

［実施例］ 実施例１ 直径ＩＱｍ＋ｓ、厚さ３ａ＋ｍの黒鉛板と、厚さ０．４
ｍｍのコバルト板を積層し、これらの境界部分に約０．
３ｍｍのダイヤモンド単結晶を４個配置し、これらをベ
ルト型超高圧発生装置内に設置した後、ＮａＣ１を圧力
媒体として油圧によって様々な圧力に設定し、約１４０
０℃で３０分間加熱してダイヤモンドを合成し、得られ
たダイヤモンドの性状について調査した。その結果を第
１表に示す。

尚第１表中にキロバールで表示した圧力値は、室温でＢ
ｉ、Ｔ１．Ｂａを圧力定点として求めた検量線から計算
したものであり、１４００℃での圧力は圧力媒体として
用いたＮ　ａ　Ｃ１１の高温での増圧効果によってこれ
らの値より数キロバール高くなる。これを前記第１図と
対応させると、実験Ｎｏ、１〜３（実施例）の圧力はラ
インＣとラインＤの間の圧力領域の内に該当し、実験Ｎ
ｏ、５゜６の圧力はライ２０以上の圧力の領域内に、実
験Ｎｏ、　６．　７の圧力はラインＡとラインＣの間の
圧第　　１ 表 第１表から次の様に考察できる。本発明方法（実験ＮＯ
，１〜３）では、１〜１．５ｍｍの大粒ダイヤモンド単
結晶が短時間で得られている。これに対し、第１図のラ
インＤを超える圧力による実験Ｎｏ、４．５では、自発
核生成に基づくダイヤモンドの変換率が高く、ダイヤモ
ンド種結晶の成長が阻害されていた。また、第１図のラ
インＣ未満の圧力による実験Ｎｏ、６．　フでは、自発
核生成したダイヤモンドは認められなかったが、ダイヤ
モンド種結晶の成長速度は小さく、目的とする０、８＋
ａｍ以上のダイヤモンドは得られなかった。

実施例２ 約０．５ｍｍのダイヤモンド種結晶を、一面だけ残して
圧力媒体に埋設し、この容器上に直径１０ｍｍ、厚さ０
．２■皇のコバルト板を前記一面に接触する様に配置し
、更に上記コバルト板に厚さ２．５ｍ＋ｅの黒鉛板を積
層し、約５５キロバール。

１４００℃で３０分間加熱してダイヤモンドを合成し、
得られたダイヤモンドの性状について調査した。

得られたダイヤモンドは、ダイヤモンド種結晶の一面だ
けから成長したものであり、ダイヤモンド種結晶を包み
込んでいない形態であるので、酸処理によって種結晶か
ら分離できた。また大きさは１　ｍｍ程度であり、且つ
形の整ったものであった。

次に、圧力媒体を用いないで、黒鉛板とコバルト板の間
にダイヤモンド種結晶を配置する以外は上記と同様にし
てダイヤモンドを合成した。このとき得られたダイヤモ
ンドは生成ダイヤモンドが種結晶を９０％以上包み込ん
だものであった。

上記２つの方法によって得られたダイヤモンドの強度を
プレス法によって評価したところ、第２表に示す結果が
得られた。

第 表 ［発明の効果］ 以上述べた如く本発明によれば、大粒で且つ高強度のダ
イヤモンド単結晶が比較的短時間で合成できた。またダ
イヤモンド種結晶を用いる方法によっても、高強度のダ
イヤモンド単結晶が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、炭素の状態図を示すグラフである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属触媒、炭素物質およびダイヤモンド種結晶を
   用いて高温高圧下でダイヤモンドを合成する方法におい
   て、金属触媒と炭素物質の共融温度以上およびダイヤモ
   ンドの自発核生成最低圧力以上で、且つ当該圧力より２
   キロバールを超えない圧力下で、前記ダイヤモンド種結
   晶を成長させることを特徴とするダイヤモンドの合成方
   法。
2. （２）ダイヤモンド種結晶が０．２ｍｍ以上である請求
   項（１）に記載の合成方法。
3. （３）ダイヤモンド種結晶を、その一面だけを残して圧
   力媒体に埋め込み上記一面に触媒金属を接触させた状態
   でダイヤモンドを合成する請求項（１）または（２）に
   記載の合成方法。