JPS62500012A - ダイヤモンドコンパクトおよびその製造方法 - 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】 ダイヤモンドコンパクトおよびその製造方法本発明は、岩石、セラミックおよび カーバイドのような硬い材料の切断、旋削および穴あけ加工等に有効に使用し得 るよう十分に高品位の耐摩耗性、硬度および機械的強度を備えたダイヤモンドコ ンパクトの改良された製造方法に関する。

多くの異なった品種のダイヤモンドコンパクトおよびダイヤモンドコンポジット か文献に記載されており、これらの性質は非常に幅が広い。一般的に言えば、ダ イヤモンドコンパクトは十分な耐摩耗性、硬度、および低い又は無視てきるポロ ンティー（多孔性）を有し、５０体積％超のダイヤモンド結晶がらなり、その大 部分でダイヤモンド−ダイヤモンド接触を生じる多結晶体を意味するものと解さ れている。

ある種類のダイヤモンドコンパクトでは、通常８０体積％超のダイヤモンド結晶 を含んでおり、該ダイヤモンドはダイヤモンド−ダイヤモンド結合によってその 接触部で結合している。これはダイヤモンド結晶構造が隣接したダイヤモンド結 晶間で本質的に連続しており、隣接した結晶間での結合の強度は単一のダイヤモ ンド結晶内のカーボン−カーボン結合の強度に匹敵することを意味する。

５０体積％超のダイヤモンドおよび５０体積％未満の非ダイヤモンド結合材料を 複合した第２の種類のダイヤモンドコンパクトが存在し、ここで該ダイヤモンド 自体は、その相互接触部にて弱く結合するにすぎないが、コンパクトの結合力は 主にダイヤモンドと非ダイヤモンド結合材料間の結合によりもたらされる。コン パクトを非ダイヤモンド結合を選択的に溶解する溶媒に溶解した場合、これら二 種間の相異が容易に明らかとなる。もし真のダイヤモンド−ダイヤモンド結合が 存在するならば、該ダイヤモンド結晶は強い結合を保持する。しかしながら、も しこの種の結合が存在しなければ、個々のダイヤモンドはコンパクト溶解後に例 えば鋼製の針又は解剖用メスを用いて容易に分離し得る。

文献に提案されているダイヤモンドコンパクトにより示される品質は、その組成 、構造、結合の種類、および成形時の圧力、温度および時間により極めて広い範 囲に変化するということは当業者に認められる所であろう。多くのコンパクト、 特に４０　ｋｂａｒｓの圧力未満で製造されたコンパクトは高い硬度および耐摩 耗性を示しつるが、靭性および圧縮強度に欠ける。これらは研摩や一般的な側層 の目的には有用であるが、高硬度と高・靭性および圧縮強度との組合せが要求さ れる、例えば硬い岩石、硬いセラミックおよびカーバイドの穴あけ、研削および 機械加工等の用途には実際に使用できない。この種のダイヤモンドコンパクトは 、少なくとも１０　ｋｂａｒｓ、好ましくは’ｌ　Ｑ　ｋ　ｂａｒｓより大きい 圧縮強度を有するべきである。

ドリルの刃、切断工具、線引きダイス、ノズルおよび関連用途に用いるに適した ダイヤモンドコンパクトは、各種の技術によって製造できる。かかる技術（米国 特許第３７４５６２３；　３６０９８１８号）の１つは、多結晶ダイヤモンドの 素材を適当な金属触媒又は金属カーバイド、４　貫（５ｕｂｓｔｒａｔｅ　）と 共に配置し、そして全体をダイヤモンドの熱力学的安定域（たとえば６　Ｑ　ｋ ｂａｒｓ。

１５００℃）の高圧、高温にさらす。Ｈ，カッラマン（Ｈ。

Ｋａｔ、ｚｍａｎ　）　およびＷ、リビー（Ｗ　、　Ｒ，１ｂｂｙ　）　（サイ エン方法は、少比率の適当な金属触媒と大比率のダイヤモンド結晶を混合し、つ いて該混合体全体を各ダイヤモンド−触媒共晶温度の融点以上の温度においてダ イヤモンドの熱力学的安定域内の高圧、高温にさらす。該方法は隣接結晶間にお いて広範なダイヤモンド−ダイヤモンド結合を含む機械的に強く硬いコンパクト を製造することが可能である。しかしながら、該方法はある種の不利な点を有す る。これらは、非常に高い圧力および温度を生み出すため高度に特殊で且つ高価 な装置を必要とする。さらに結合したダイヤモンドコンパクトのサイズおよび／ または厚さは比較的小さい。結局、該コンパクトは介在物としてかなりの量の結 合金属（たとえばコバルト、ニッケル）を含む。コンパクトが、硬い岩石又は硬 いセラミックの穴あけ加工の間に生じ得るような高温（たとえば〉８００℃）に さらされた場合、該金属介在物は、強度および硬度の減少を伴うダイヤモンドの グラファイトへの退化変態に対して触媒作用を行なう。

比較的低圧力で多結晶ダイヤモンドの大きいコンパクトを製造する他の方法は、 米国特許第４１２４４０１号、第４１６７３９９号および欧州特許出願第５６９ ４５号に記載されているが、これらのコンパクトは硬い岩石の穴あけ、旋削およ び機械加工等に適していない。これらの方法では、適当な条件のダイヤモンド結 晶（代表的には直径５〜５００μ）素材をダイス内で適度の圧力（たとえば７　 ｋｂａｒｓ　）、雰囲気温度で予備成形し、所望の形状で強度の小さな多孔質体 を形成する。これら多孔質体はついてシリコン又はシリコン基合金素材の近傍に 置かれる。該素材全体を圧力負荷なしで又は適度の圧力（＜７．５　ｋｂａｒｓ 　）下でシリコン又はシリコン合金を溶融するのにモ分な温度（ｆことえば１４ ５０〜１５００℃）に加熱する。該シリコン又はシリコン合金は溶融してダイヤ モンド多孔質体に浸潤し、幾分かのダイヤモンド又は添加されたカーボンと反応 し、主としてシリコンカーバイドからなる結合を形成する。この結合は各ダイヤ モンド結晶を包囲し、それらを結合して、ち密で且つ硬いコンパクトを形成する 。これらの方法はグラファイトの熱力学的安定域にて実施され、したがってダイ ヤモンドからグラファイトへの変態を最小限におさえるように、溶融シリコンと の反応時の温度一時間条件を慎重に制御しなければならない。軽圧縮したダイヤ モンドは、はとんど完全に浸漬され、比較的体積の大きい結合材料、代表的には すき間を充填するのに必要なシリコンカーバイドおよびシリコンの混合体により 包囲されるので、該コンパクトの機械的性質は主としてシリコンカーバイドおよ びシリコン結合材料の強度によって決定される。このような低圧力で形成した結 合は、前記第１の方法で形成されたダイヤモンド−ダイヤモンド結合よりずいぶ ん弱いため、該製造品はダイヤモンド安定域で成形されたコンパクトよりそれに 相応して弱い。

ダイヤモンドコンパクトを製造するこれら二種類の方法の折衷案が英国特許第１ ３８２０８０号に記載されている。この方法はグラファイトの熱力学的安定域で 圧力１０〜５　Ｑ　ｋｂａｒｓ　にて操作される。この方法は、ダイヤモンドの 安定域でコンパクトを製造するのに使用される装置より作動容積が大きく、より 単純な装置を利用できる。この方法によればダイヤモンド粉末素材は、ニッケル 、コバルト、鉄およびマンガン、および該金属トクロム、ジルコニウムおよびチ タン銅の合金のような比較的低融点の金属結合剤の素材近傍に配置される。該集 合体は高圧−高温装置内に置かれ、１０〜５　Ｑ　ｋｂａｒｓ又はそれ以上の圧 力下、結合剤を十分に溶融させる温度にさらされる。液状金属は、速やかに金属 結合を形成するダイヤモンド結晶間のすき間に注入される。また使用される金属 および金属合金は液状となるとダイヤモンドのグラファイトへの変態を促進する ので、グラファイトの形成を最小限におさえるため該反応時間は非常に短かくし なければならず、典型的には１１５０〜１５００℃の温度で３０秒〜１．５分程 度である。

英国特許第１３８２０８０号の方法では、高圧を用いることで２つの主な機能を 果している。第１に、これは溶融金属又は合金によるダイヤモンド多孔質素材へ の注入速度を増大させる。なぜならば、該コンパクト製品が急速に製造されるた め、ダイヤモンドのグラファイト化が最小限におさえられるからである。第２に 、これはダイヤモンド結晶素材を予備圧縮し、多数のダイヤモンド−ダイヤモン ド点および末端接触を生み出す。この方法は、得られたコンパクトの圧縮強度お よび剛性を改良する。金属結合剤は、すき間を充し、ダイヤモンドを結合し、こ れによりコンパクトの引張強度を提供する。しかしながら、前記方法で使用した 金属結合剤は９００〜１３２０℃の温度で溶融しはじめ、９００℃よりかなり下 の温度で比較的軟らかくなるので、この方法によって作製されたコンパクトは高 温にさらされるような状況、たとえば硬い岩石の穴あけ加工および硬いセラミッ クの機械加工等においては有利に使用することはてきない。さらに、この方法に よってコンパクトを製造するに要する時間が短かいため、結合剤およびダイヤモ ンド間の化学平衡を達成することが困難である。したがって、もし該コンパクト が前記のように高温にさらされる状況で使用される場合、ダイヤモンド間の結合 の安定性および強度は悪影響を受ける。

結局、高温でのダイヤモンドからグラファイトへの退化変態において提案された 金属結合剤の触媒作用は、その固相中の結合剤の幾分かにおいても生じ得、高温 での該コンパクトの使用がさらに制限される。

かかる困難を幾分か取除（方法が、米国特許第３９１３２８０号に開示されてい る。この方法は、グラファイト安定域での圧力一温度条件の使用法を提案し、か つ多くの割合のダイヤモンド結晶およびダイヤモンド結晶間のダイヤモンド−ダ イヤモンド結合を促進する焼結補助剤と規定される少割合の材料の混合物からな るコンパクトの製造を行なう。米国特許第３９１３２８０号にて使用が提案され た焼結補助剤は、カーバイド、ポライド、ナイトライド、オキサイドおよびシリ ケイト等の高耐火物質並びに該物質を作製する元素の選択からなり、前記物質は 結合したダイヤモンド粒子間のボイドを占める。これらの焼結補助剤は前記の英 国特許第１３８２０８０号で使用される焼結補助剤に比較すると、熱的安定性に 関して有利な傾向にある。しかしながら高圧縮強度（たとえば１０ｋｂａｒｓ　 ）を有する実用的に有用なダイヤモンドコンパクトを製造するため、開示された 本方法の典型的な実施例においては、５５　ｋｂａｒｓの圧力を用いた一例を除 き全て少なくさも５５　ｋｂａｒｓの高圧力をダイヤモンド安定域に近接した２ ０００℃近傍の温度と共に用いる。これらの条件においては、商業用のダイヤモ ンド合成に使用される装置と同様の特殊且つ高価な高圧装置の使用が必要である 。さらに提案された方法において実施されるように、ダイヤモンドの製造に使用 される反応時間は非常に短かく、典型的には１分未満である。短かい反応時間ゆ えに、焼結補助剤およびダイヤモンド間の化学平衡が達成されない可能性があり 、高温での機械的強度に結果的に損失を生じる。コンパクトの機械的性質の低下 を伴うダイヤモンドからの退化変態によるグラファイトの過度の形成を避けるに は、米国特許第３９１３２８０号で利用する条件下において短かい反応時間が必 須である。

関連する方法が、米国特許第４２３１１９５号および第４１５１６８６号に開示 されている。この方法はシリコンカーバイドによって実質的に結合されたダイヤ モンドコンパクトを製造する。該コンパクトは、シリコンおよびシリコン合金か らなる結合剤に隣接して多量のダイヤモンド結晶を配置し、前記素材全体を高圧 にさらし、ついで液状のシリコンおよびシリコン合金がダイヤモンド素材に浸潤 するように結合剤を溶融させ、これによりダイヤモンドを結合させて機械的に強 （耐摩耗性を有する物体を形成することにより製造される。

本発明の実施に好ましい圧力一温度条件は、ダイヤモンド−グラファイト平衡線 に近接し、ダイヤモンド或いはグラファイトの安定域にある。この方法の実施例 では、１１６０〜１４７５℃の温度で５５　ｋｂａｒｓの圧力を使用した。圧力 の好ましい範囲は４５〜５５　ｋｂａｒｓであった。かかる条件を達成するため 、商業用のダイヤモンド合成に使用される装置と同様の特殊で且つ高価な装置を 使用することが必要である。

本発明の目的は比較的単純な装置が使用し得る圧力範囲１こおいて操作すること により全ての前記ダイヤモンドコンパクトを製造する方法の不利益を緩和し、し かもなお少なくともｌ　Ｑ　ｋｂａｒｓの圧縮強度と共に、相当の硬度および耐 摩耗性を有する熱安定性のあるダイヤモンドコンパクトを成形できることである 。

次の特徴は本発明に関する： 粉末のダイヤモンドおよび結合剤の混合体を、圧力、温度および時間のある組合 せにさらす：（１）約Ｉ　Ｑ　ｋｂａｒｓ超約４　Ｑ　ｋｂａｒｓまで、好まし くは１５〜３　Ｑ　ｋｂａｒｓの圧力および１１００〜１６００℃の温度範囲に おいてグラファイト安定域におく； （２）これによりコンパクトが高い圧力および温度にさらされる時間間隔にわた り、ダイヤモンド結晶のかなりの部分に、好ましくは大部分に塑性変形を生じさ せることを可能とする。最小時間の限界は約３分、好ましくは５分以上である。

（３）これにより結合剤およびダイヤモンド間において実質上又は完全な化学平 衡が可能となる；（４）これは各ダイヤモンド結晶間において熱力学的に安定な 結合材料を生み出し、最終コンポジットの最低融点は約１６００℃を越える； （５）これはダイヤモンドからグラファイトへの退化変態を抑制する結合剤を使 用する。ダイヤモンドからグラファイトへの退化変態の「抑制」は、本発明方法 により成形した最終コンパクトのグラファイト体積含量が約２％、より少なく好 ましくは１％より少ないことを意味している。

本発明によりダイヤモンドコンパクトを製造する方法が提供され、該方法は： １）４０〜５体積％の結合剤に対して６０〜９５体積％のダイヤモンドの比率で 、ダイヤモンド結晶素材を結合剤と共に均質に混合し、該結合材は、（−）炭素 と反応し約１６００℃を越える融点を有する安定カーバイドを形成し、それによ ってダイヤモンドからの退化変態により生じる遊離グラファイトを抑制する元素 および該元素を包含する金属合金、および（ｂ）安定カーバイドを形成せず、固 体状態でダイヤモンドと熱接触すると約１６００℃を越える最低融点を有するダ イヤモンドとの結合を生じ、かつダイヤモンドからグラファイトへの退化変態を 抑制する金属および該金属を包む合金の群から選択した１以上の元素からなり； １１）該混合体をＩ　Ｑ　ｋｂａｒｓ超４　Ｑ　ｋｂａｒｓまでの平均限定圧力 Ｆ、１１００〜１６００℃の温度領域にさらし、前記平均限定圧力および温度の 組合せはグラファイト安定域内に存在し蓚 １１１）該混合体に対して少なくとも約３分の間、ダイヤモンド結晶の塑性変形 を生せしめ、これによりダイヤモンド結晶間の接触を該表面全体に生じさせ、か つ結合剤およびダイヤモンド間に少なくとも実質的に化学平衡を生じさせ、これ により約１６００℃の最低融点および雰囲気温度で約Ｉ　Ｑ　ｋｂａｒｓの圧縮 強度を有する熱的に安定なダイヤモンドコンパクトを製造するに充分な温度およ び圧力条件に保持する。

さらに本発明によれば、前項記載の方法により成形されたダイヤモンドコンパク トが提供される。

なおさらには本発明により、６０〜９５体積％の塑性変形されたダイヤモンド結 晶からなるダイヤモンドコンパクトが提供され、該コンパクトはダイヤモンド結 晶間の接触が該表面全体に生じる高剛性わく組み構造を形成し、前記表面はグラ ファイト安定域内の圧力および温度下でコンパクトを成形する間にダイヤモンド 結晶の塑性変形を生じ、前記ダイヤモンドわく組み構造は主として侵入型の耐火 性カーバイド相又はカーボンの存在下でカーバイドを形成しない金属からなる金 属相により実質上十分に結合し、前記相は１６００℃より高い融点を有し、前記 コンパクトは約２体積％未満のグラファイトからなり、ｌ　Ｑ　ｋｂａｒｓ超の 圧縮強度を有する。

４０　ｋｂａｒｓ未満の圧力で本発明を実施する主な利点は、４５　ｋｂａｒｓ を越える圧力でダイヤモンド安定域内又は近傍の温度、圧力条件を達成するよう 使用される装置よりも作業容量の大きい比較的単純な装置が使用できることにあ る。前記の場合は、米国特許第２９４１２４８号に記載されるように、該圧力容 器およびピストンはタングステンカーバイドから構成され、作業容量の大きさを 厳格に規定する複雑な幾何学的形態（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）を有する装置を使用す る必要がある。一方、良品質のコンパクトを製造するために必要な圧力が４０ｋ ｂａｒｓ未満であれば、使用される装置は、ストレートシリンダー内で該圧力媒 体を軸方向に圧縮するストレートピストンのように非常に単純な幾何学的形態を 有する。

この単純なピストン−シリンダ形態を有する装置はシリング？　７　（Ｂｒｉｄ ｇｍａｎ　）　（［高圧力の物理学Ｊ　１９５２年発行、Ｇ、へ／ｌ／　ｋ　サ ７　ス・ｌ）　ｉ　テラｔ’　（Ｇ、Ｂｅ１ｌ　ａｎｄ　５ｏｎｓＬｔｄ、）、 ロンドン）、およびボイド（Ｂｏｙｄ）、イングランド（Ｅｎｇｌａｎｄ　）　 （Ｊ　−ジオフィス（Ｊ、　Ｇｅｏｐｈｙｓ、）　Ｒｅｓ。

６５、７４１．１９６０　）に記述されている。この種の装置は、作業容積を大 きくするため容易に拡大できる。さらに該圧力容器はすべて鋼で構成でき、タン グステンカーバイドよりずいぶん安価である。かかる要因から、十分な圧縮強度 を有するコンパクトが、ピストン−シリンダー装置を用い４３　ｋｂａｒｓ未満 において、ダイヤ合成に従来利用された４　５　ｋｂａｒｓ超で操作を行なう装 置でコンパクトを製造する場合のコストの１０倍弱（１コンパクトあたり）のコ ストで製造できる。本発明の主な利益は、ピストン−シリング−高圧装置を使用 して機械的に強く硬いコンパクトを製造する能力にある。

大部分のダイヤモンド結晶が脂性変形を受ける圧力一温度一時間の条件下でコン パクトを成形する重要な利益は、該変形によりダイヤモンド−ダイヤモンドが点 および末端よりむしろ面に沿った二次元で接触することが可能になることである 。中には結合剤の薄膜が非常に隣接した結晶間に形成される場合もある。該構造 は得られたコンパクトに、より大きい圧縮強度および剛性を提供する。さらに有 利な点として塑性変形したダイヤモンドは未変形ダイヤモンドより硬いことが挙 げられる。

本発明において利用される温度（こおいて最高の強度および硬度を有するコンパ クトを製造するため、結合剤はダイヤモンドと実質的に又は完全な化学平衡を達 成することが望ましい。さもなければ該コンパクトは高温において早期に軟化す ると考えられる。同様に、該コンパクトが穴明は加工のような高い接触温度を生 じ得る実用目的に使用される場合に結合部の早期軟化を防ぐため、ダイヤモンド −結合コンポジットの最小融点は約１６００℃より高くあるべきである。

この明細書で推薦された圧力は一般に、高圧装置内の圧力媒体において作り出さ れる平均規定圧力にあたり、前記圧力は順番にダイヤモンド結晶の集合体および 混合した結合材料の外表面に及ぶ。事実、ダイヤモンド集合体内部の個々のダイ ヤモンド結晶上での実際の圧力は、前に定義されたような平均規定圧力から相当 にはずれ得る。ダイヤモンド結晶が点および末端で接触している所では、かかる 接触部の局部的圧力は平均規定圧力よりもかなり高い。かかる局部的な高圧力は 、平均規定圧力範囲内でダイヤモンドに塑性変形を生じさせる場合に重要な役割 を果たす。ダイヤモンド結晶が互いに接触していないその他の局部位置では、こ の位置での局部圧力は平均規定圧力より低い。

本発明方法において、結合剤は高圧および高温にさらされる前にダイヤモンド結 晶の集合体と均質に混合する。結合剤（Ｂｌおよびダイヤモンド結晶（Ｄｌの体 積％の相対的比率は、Ｄ６ｏＢ４ｏ−Ｄ９５Ｂ５の組成間で変化し、好ましくは Ｄ７ｏＢ３ｏ−Ｄ９５Ｂ５の組成間で変化する。さらに好ましくは体積％比率は Ｄ８０Ｂ２ｏ−Ｄ９０Ｂ１ｏ　の間で変化する。

最良の特性を有するコンパクトを作成するため、発明者らは高圧および高温にさ らす前に結合剤およびダイヤモンド結晶を互いに全体に均一分散させることを見 出した。混合は、スペックインダストリー、メツトチエン、ニューシャーシー、 米国（５ｐｅｘ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ　。

Ｍｅｔｕｃｈｅｎ　、　Ｎｅｗ　Ｊ　ｅｒｓｅｙ　、　Ｕ　、　Ｓ　、Ａ　）に より製造された「スヘックスミル（５ｐｅｘ　Ｍｉｌｌ　）　Ｊのような市販の 振動ボールミル内で都合よ〈実施することができる。良好な混合を確実にするた め、結合剤の粒子サイズを好ましくは５０ミクロンより小さく、さらに好ましく は１０ミクロンより小さくする。

一方、結合剤の粒子サイズは好ましくは０．１ミクロンより小さくすべきではな い。非常に細かい粒子サイズの金属粉は、しばしば該表面に酸化膜を有するか、 コンパクトの特性に有害な影響を与え得る他の形態の不純物を生ずる。このよう にして、下記のように１〜５ミクロンのサイズのレニウム粉末を用いてレニウム およびダイヤモンドの優れたコンパクトが作製される。

しかしながら粒子サイズが０．１ミクロン未満に減少した場合、あるいは同様の 条件が使用されると、得られたコンパクトは比較的軟かくて弱い。

結合剤およびダイヤモンド結晶の良好な混合体を得るその他の方法としては、ダ イヤモンド結晶表面に結合剤の均一被覆を十分に供給することであり、たとえば 蒸着又は他の被覆技術により実施される。ダイヤモンドの体積に対する結合剤被 覆の体積の比率は、ダイヤモンドおよび結合剤の粉末混合に関する前記の限定内 にとどまる。

ダイヤモンド粉末の粒子サイズは好ましくは１〜１０００ミクロンの範囲、さら には好ましくは５〜２０００ミクロンの範囲である。なおさらに好ましくは、該 ダイヤモンドはバッキングの効果を最大限とするために選択されたサイズ分布を 有するサイズ範囲、たとえば５〜２００ミクロンにあり、それによって結合材料 の体積を最小限とする。１ミクロンより小さいダイヤモンドも使用可能であるが 、経験上グラファイト化か起こりやすいことがわかった。本発明を実施するにお いてダイヤモンドおよび結合剤の表面を清浄にし、後者の場合酸化表面皮膜を除 くことを確実にすることは好都合である。これは製造前にダイヤモンドおよび結 合剤を別々に水素雰囲気下で６００〜８００℃の温度に加熱することにより容易 に達成できる。

二つの主要グループからなる結合剤を使用する：（ａｌシリコン、チタン、タン グステン、モリブデン、ニオブ、タンタル、ジルコン、ハフニウム、クロム、バ ナジウム、スカンジウムおよびボロンのごとく、カーボンと反応し約１６００℃ 、代表的なものは２０００℃を越える安定カーバイドを形成する元素又は該元素 を含有する金属合金であり、タングステンおよびレニウムのようなカーバイドを 形成しない他の元素と、シリコンを除く前記群から選ばれた元素とからなる合金 を包含する。

ｆｂｌ安定カーバイドを形成しないが高圧下固相状態でダイヤモンドと共に加熱 するとダイヤモンド表面で強結合し、接触面においてダイヤモンドからグラファ イトへの退化変態を抑制し、該結合が約１６００℃より高い融点を有する金属又 は合金である（たとえばレニウム、イリジウム、オスミウム、ロジウム、ルテニ ウムおよびプラチナで、これらの元素および他の元素との金属合金を含む）。本 発明は、レニウムおよび該合金が異常に効果的な結合剤を提供するものとして確 認した。

カーボンに対して親和力を有するため、グループｔａ＋の元素はダイヤモンドと 共に広範囲に又は完全に反応し、ダイヤモンド結晶間に強い結合を提供する境界 面に侵入型のカーバイド相を形成する。さらにダイヤモンドの退化変態により形 成されたいかなるグラファイトも形成されるとすぐにその大部分又はすべてが安 定カーバイド相（たとえばＳ　ｉｃ　、　Ｔｉｃ　、　Ｗｃ　）に変化する。

このようにして、遊離グラファイトの量は最小限となる。このことは、該コンパ クトを十分１こ長時間、十分高圧、高温をこさらずことを可能にし、ダイヤモン ドの塑性変形を十分にしてコンパクトの強度に有害となる過度の遊離グラファイ トを形成せずにダイヤモンドと結合部間の化学平衡を達成することを可能にする 。

グループｆａ＋の元素中、結合剤としてシリコン、タングステン、チタン、モリ ブデン、バナジウムおよびクロム粉末を用いて、高い硬度および機械的強度を有 する好結果のコンパクトが作製された。かかる元素は特定の条件下で過度のカー ボン（ダイヤモンド）と反応し、ダイヤモンドを結合するカーバイドであるＳｉ ｃ　。

Ｗｃ　、　Ｔｉ　ｃ　、　Ｍｏｃ　、　ＶｃおよびＣｒ３Ｃ２を形成する。タン タル、ニオブ、ジルコン、ハフニウムおよびボロンモ又本発明に記載した条件下 でカーボンと容易に反応し耐火性カーバイドを形成し、該カーバイドは高い硬度 および機械的強度を有し、かつ申し分のない粒子サイズ範囲を用いた本発明によ り好結果のコンパクトが製造されると考えられる。

グループ（ｂ）の金属はダイヤモンドと反応してカーバイドを形成しないが、ダ イヤモンドと該金属の境界でダイヤモンドがグラファイトに変態するのを抑制し 、したがってコンパクトを十分に長時間、十分に高圧、高温にさらすことを可能 にし、ダイヤモンドに所望の型性変形を与え、過度のグラファイトを形成させる ことなしにダイヤモンド−金属結合を可能にする。レニウムは、本発明が実施さ れる好ましい条件下で多くのカーボン原子（％）を該固相の結晶格子内に受け入 れることが見出されたことでこのクラスでは注目に値する。

これがレニウムおよびダイヤモンド間の結合強度を増大させ、グラファイト化抑 制剤としてのレニウムの効能を高めると考えられる。本発明の実施において、イ リジウム、オスミウム、ルテニウム、ロジウム、プラチナそして多分オスミウム もかなりの量のカーボンを固溶体中に受け入れ（Ｘ線背面反射線の変位により明 白となる）ることか見出され、レニウムと類似の挙動をすると考えられる。

グループ（ａ）および＋ｂｌに示された元素が本発明に従ってダイヤモンドと共 に反応を起こしカーバイド又は金属結合を形成するさ、結果として生じる結合の 最低融点は非常に高く、約１６００℃を越え、大部分が２０００℃を越える。か かる結合材料を使用するダイヤモンドコンパクトは高温にさらされる古、英国特 許第１３８２０８０号で実施例として記載された金属結合のコンパクトより機械 的な軟化および退化的なグラファイト化に対する抵抗性が大きい。

つきに本発明方法を特定の実施例および以下の添付図面を咀に参照として実例を 挙けて述べる。

第１図は、温度（Ｔ）−圧力（Ｐ）状態図であり、ダイヤモンドに塑性変形およ び脆性破壊が認められる領域内（こおけるグラファイト−ダイヤモンド平衡境界 （固相線）および境界（破壊曲線）を示している（　ＲｏＤｅＶｒｉｅｓ　：　 Ｍａｔ、　Ｒｅｓ、　Ｂｕｌｌ、　１０　＋１１９３．１９７５）。破壊曲線に 沿った圧力は、高圧装置の圧力伝達媒体における平均限定圧力に相当し、かかる 圧力は特殊なダイヤモンド結晶集合体の表面に加えられる。斜線領域は、本発明 方法が好まし〈実施されるＰ、Ｔ条件の範囲を示す。

第２図は、実施例１１こ従って製造したコンパクトの研摩面を光学顕微鏡により 撮影した写真である。灰色で示されたダイヤモンドは、白色又はまだらのシリコ ンカーバイドによって侵入型の結合がなされる。該写真はダイヤモンドが十分に 塑性変形をうけ数多くの面−面接触を呈していることを示す。

第３図は、実施例７に従って製造したコンパクトの研摩面を光学顕微鏡により撮 影した写真である。ダイヤモンド結晶は中間灰色でレニウムは薄灰色で示されて いる。暗色部は研削および研摩媒体による表面不純物を示す。ダイヤモンドは塑 性変形により生じた数多くの百−面接触を示している。

本発明の実施において、ダイヤモンドおよび結合剤粉末の混合体ζＪ適当な容器 に配置され、目的のために設計した装置、たとえばピストン−シリンダー高圧装 置内で高圧、高温（こさらされる。本発明に用いられる圧力一温度条件はｌ、　 Ｑ　ｋｂａｒｓ超、好ましくは１５　ｋｂａｒｓ超、かつ１１００℃超であり、 第１図に示されるようにダイヤモンドに塑性変形が生じる平均ＰＳＴ範囲を示す 破壊線の右側である。該温度は１６００℃未満であり、又結合部の最小融点以下 である。最大圧力は４０　ｋｂａｒｓである。したがって用いた好ましい圧力ニ 温度条件は第１図の斜線領域内である。

本発明の実施において用いられる反応時間は、必然的に面一面接触を伴う所望の ダイヤモンドの塑性変形程度、ダイヤモンドおよび結合部間の実質上の又は完全 な化学平衡、および最小の遊離カーバイド形成を得るだめの必要条件によって決 定される。該時間は温度および結合剤の性質によって変化する。本発明に用いた 反応時間は３〜６０分の範囲が好ましく、５〜３０分の時間が最も一般的に用い られる。

圧縮成形の間、結合剤は完全に固相状態として又は、少なくとも部分的に固相状 態として残留する。たとえばレニウムを結合剤として用いると、結晶体として全 体に残留するが、塑性的に流動しくダイヤモンドの圧縮成形に順応する）、相当 址のカーボンを固溶体中に受け入れるため最終結合剤はレニウム−カーボン合金 となる。タングステンを使用すると、タングステンはダイヤモンドと反応し、最 終結合剤としてタングステンカーバイドを形成するため前記反応は全く固体状態 で生じる。一方、シリコンを使用すると、最良の物性を達成するべく使用される 圧力にて、該温度はシリコンの融点を越えねばならないことが判明した。シリコ ンはダイヤモンドと反応して結合を提供する結晶体シリコンカーバイドを形成す る。該反応はすべてのシリコン又はほとんどすべてのシリコンが、ダイヤモンド ト反応してシリコンカーバイドを形成するまで継続することが必要であり、それ によって２０００’Ｃ未満の温度では経験的に溶解しない熱的に安定な結合をも たらす。

コンパクトを所望の反応条件下にさらした後、圧力および温度は下げ、該コンパ クトを装置から取出す。

該コンパクトを以下の実施例１〜５および７〜１５のいずれの１つに従って作製 した場合も、該コンパクトは１０〜５　Ｑ　ｋｂａｒｓの圧縮強度範囲を有する 十分にち密で、機械的に強く極端に硬い物体であることがわかった。光学顕微鏡 および電子顕微鏡使用による調査によって、該コンパクトが広範な塑性変形を示 すち密なダイヤモンドの高剛性わく組み、および塑性変形によりダイヤモンド間 に生じた数多くの面一面接触からなることがわかった。塑性変形の証拠は研摩面 の干渉顕微鏡使用により示される広範な１１１すべり面によって表わされる。ま た塑性変形の発生は、ダイヤモンド原料に比較した偏光中におけるダイヤモンド 結晶の増大した光学的異方性、および第２．３図に示されるごとき研摩面上に示 される組織上の特徴によって示される。ダイヤモンド結晶の塑性変形の現実の程 度は容易に測定できない。しかしながら、ダイヤモンド結晶における実質上の割 合の、好ましくは大部分の割合の塑性変形は、ｌ　Ｑ　ｋｂａｒｓを越える圧縮 強度を有するダイヤモンドコンパクトの製造に関する本発明方法の必須の特徴と 考えられる。ダイヤモンドわく組みのすき間は、コンパクトに該引張強さの多く を提供する結合媒体によって充填される。結合剤が金属カーバイド（シリコンカ ーバイドおよびボロツカ−バイトを含む）の場合、コンパクトの引張強さは主（ こカーバイド相およびダイヤモンド間の結合により提供される。該結合が適当な 溶剤によつ゛Ｃ溶解された場合は、残留したダイヤモンドわく組みはま−ったく 弱く、容易に崩壊し、最小のダイヤモンド−ダイヤモンド結合を示す。前記グル ーニブｔｂ＋からの金属を結合剤として使用すると、Ｘ線背面反射線の変位によ り明白なように、金属結合ｌこおいてかなりのｈｌのカーボン固溶体が生じる。

このカーボンおよび金属間の活性相互作用は金属およびダイヤモンド間の結合強 度に寄与し、この種類のコンパクトの引張強さの大部分を提供すると信じられて いる。

圧力は本発明の実施において重要な変数であり、結合剤の性質にはかかわりない 。前に規定した条件の好ましい組合せ内で、温度、時間および結合剤を一定に保 つと、コンパクトの機械的強度は、平均規定圧力がＷｉｔ内で５ｋｂａｒｓから ｌ　Ｑ　ｋｂａ、ｒｓまで増加するにつれてかなり増大する。シリコンが結合剤 の場合は、５倍までの強度の改良のほとんどは圧力がｌ　Ｑ　ｋｈａｒｓから１ 、５　ｋｂａｒｓまて増加するに−）れて生じ、コンパクトにおいて約２Ｑ　ｋ ｂａｒｓを越える圧縮強度が得られるのは操作圧力かｌ　Ｑ　ｋｂａｒｓを越え てはじめて生ずる。このようにし、て規定圧力を１５　ｋｂａｒｓから２０〜３ ０　ｋｂａｒｓまで増加させるにつれて、該機械的特性にしばしばかなりの改良 がみられるが、圧力が３０　ｋｂａｒｓから４゜ｋ　ｂａｒｓに増加するにつれ て機械的性質における改良は殆どない。かかる要因を考慮して、結合剤きしてシ リコンを使用する場合、コンパクトを製造するのＩこ使用される最高圧力は１５ 〜３　Ｑ　ｋｂａｒｓの間とする。シリコン以外の結合剤（たとえばｌノニウム 又はタングステン）を使用すると、高圧での強度の改良のほとんどは、あるもの は１５〜２Ｑ　ｋｂａｒｓの間であり、さらには２０〜３　Ｑ　ｋｂａｒｓの間 で生じる。シリコン以外の結合剤が使用されると、コンパクトを製造するのに使 用される最大圧力は２０〜３５　ｋｂａｒｓの間である。

光学顕微鏡および電子顕微鏡による調査によれば、上記圧力範囲にわたる強度の 急激な改良は、特に１０〜２　Ｑ　ｋｂａｒｓの間の規定圧力で生じる塑性変形 の増大および各ダイヤモンド間の面一面接触の増大と関連があることが示されて いる。他の変数が一定に保たれる場合、圧力は圧縮成形中のグラファイト化の程 度を減少させることがわかっている。

一定の圧力、たとえば３　Ｑ　ｋｂａｒｓ　において、本発明の実施に使用され る温度は、結合剤およびコンパクトを高圧、高温にさらす時間により変化する。

結合剤がグループ（ｂｌの金属であり、反応時間が５〜３０分である場合、１Ｏ ＯＯ℃で作製されるコンパクトの機械的特性は一般的に悪い。改良は主に約１１ ００’Ｃで生じ、最良特性は一般に１２００〜１４００℃の間で達成されるが、 優秀な機械的性質は１４００〜１６００℃の間で製造することができる。温度が １４００℃より以上に増大すると、好都合に塑性変形はさらに容易に生じるが、 反対に有害なグラファイト量が増大し得る。

結合剤がグループ（ｂｌの元素からなり、反応時間が５〜３０分の場合、結合剤 のすべて又はほとんどをダイヤモンドと反応させカーバイド結合相を形成するの に十分なように反応温度を高（すべきである。たとえばシリコンの場合、１５〜 ３　Ｑ　ｋｂａｒｓの圧力下では、反応速度は１２００℃以下で比較的遅く、か かる温度で形成されるコンポジットは機械的強度が低い。１３００℃ではシリコ ンカーバイドが容易に形成され優れた機械的性質を有するコンパクトを提供する が一般に未反応シリコンが幾らか残留する。

１４００〜１５００℃の間ではほとんど又はすべてのシリコンが反応しシリコン カーバイドを形成し、少量（たとえば２多未満）のグラファイトのみが形成され る。

温度が１５００℃より以上に増大する１こつれて、グラファイト形成量が増大す る（時間に依存する）。それにもかかわらず良好な機械的性質を有するコンパク トは１６００℃までの温度で製造可能である。グループ（ａ＋の他のカーバイド −形成結合元素の挙動は、該反応が結合剤の固相において起こることを除いてシ リコンの挙動に類似している。最高の機械的性質を有するコンパクトの製造に要 求される温度は、結合剤の性質および該結合剤がグループ（ａ）又は（ｂｌかど うかによってかなり変化するが、最高の機械的性質を有するコンパクトの製造の 好ましい温度範囲は一般に１２００〜１５００℃の間である。

コンパクトを好ましい圧力、温度にさらす時間は、ダイヤモンドに広範な塑性変 形を生じさせて、結果的に面一面接触を生じさせグラファイト形成量を最小とす るとともにグループ（ａ）の結合剤の化学反応を十分完全に行ないカーバイド相 を形成するよう選択される。

２分未満の操業時間では不十分てあり、常（こ低品質のサンプルかかろうじて製 造されるにすぎない。２分の操業時間では、時たま良好な試料が製造されるが、 たいていの場合、該結合剤かグループ（−１またはグループ（１））のいずれか ら選択された場合も品質は悪い。操業時間が約３分を越えると、適度の比率で機 械的に強いコンパクトか製造され、５分操業ではさらに改良されたものが得られ る。しかしながら、この期間は前記のグループ（ａ）の元素からなる結合剤を完 全に反応させカーバイド相を形成するには必ずしも十分ではない。本発明の実施 における最高操業時間は５分超３０分未満の範囲である。３０分を超える操業時 間も使用されるが、コンパクト品質の環境改良においては比較的少ない。

操て時間が高温、たとえば１４５０〜】６００℃で１時間を越える古、グラファ イトの形成が促進される。しかしなから、他の方法との組合せにかかる場合、特 に１５００℃未満ては、１時間を越える操業時間でも問題なしに使用できる。

コンパクトの機械的性質は場合によっては装置内で圧力および温度を適用する順 序を変化させることによって改良できる。前記のごとく圧力、温度および時間の 最適組合せが選択された場合、最も単純な操作手順は第一に、ダイヤモンド−結 合剤の混合体を選択された値、３　Ｑ　ｋｂａｒｓ　まで圧力増加し、それから 所望値、たとえは１３００℃まで温度増加させ、必要時間、たとえば２０分保持 し、その後温度を低下させ、ついで圧力を雰囲気条件までゆっくりと減少させる 。他の変数を用いた場合もこの操作方法は〜般に良好な機械的性質を有するコン パクトを製造する。

しかしながら、ある環境のもとでは、すなわち第一に１１００℃又はそれ以上の 所望のレベルに温度上昇し、その後所望値まで圧力を増加させることにより改良 特性を有するコンパクトを得ることができる。該方法はスタート時点で全圧力を 加える方法に比べると引きおこされるダイヤモンドの破壊の程度が少ない。ダイ ヤモンドがすでに加熱している時に圧力を適用することにより、有利な結果を伴 い塑性変形は最大量となり得る。さらにこの温度を適用した後に圧力を適用する 本方法はダイヤモンドの退化変態によって生じるグラファイトの量を減少させる ことが見出された。本明細書を読むこと１こ３よって適用する圧力および温度の 順序に関して数多くの変形例が使用可能であるということが当業者らにとって明 白となるであろう。これらは時には、高圧力装置およびその圧力媒体の操作の実 施を最過化するために必要である。

好ましい条件によって製造したダイヤモンドコンパクトは多くの望ましい特性を 示す。該硬度および耐摩耗性はタングステンカーバイドより高（、−内談圧縮強 度はタングステンカーバイドと同等かそれ以上である。６０　ｋｂａｒｓ程度の 圧縮強度が測定された。該コンパクトは異方性に富む天然のダイヤモンドと異な り該マクロの物理的性質は本質的に等方性である。さらに該コンパクトは前記の ダイヤモンドコンパクト製造サらに高温まで強度および硬度を保持する。

適当な工具に組込み、ドリル上で操作すると、本発明の好ましいコンパクトは十 分ち密なアルミナ、タングステンカーバイド、ボロンカーバイドおよび花こう岩 、石英岩等の硬い岩石を容易に貫通する。同様に旋盤上で操作すると、好ましい コンパクトはアルミナ、タングステンカーバイド、ボロンカーバイドおよび花こ う岩、石英岩等の硬い岩石からなるサンプルを容易に旋削する。かかる好ましい コンパクトはドリル刃、切断工具、線引きダイスおよびノズル等の多目的に使用 して良い。十分な圧縮強度を有する好ましいコンパクトの製造に必要な圧力は、 十分な圧縮強度を有する前記のダイヤモンドコンパクトの形成に必要で、且つダ イヤモンド安定範囲内又は近傍にて形成される圧力より低いので、前記コンパク トを製造するのに必要な装置は、より単純であり、ダイヤモンド安定域内又は近 傍で操作する装置で可能なよりも多（の作業容量を達成できるからである。した がって本発明を用いて、ダイヤモンド安定域内又は近傍で操作する装置によって 製造できるダイヤモンドコンパクトより大きく且つ安価なものを製造できる。本 発明は当業者らには明白である利益を多く有する。次に本発明によるダイヤモン ドコンパクト製造の実施例を記載する。

実施例１ サイズ範囲１０〜８０ミクロンのダイヤモンド結晶９０重量％を、結合剤さして １０ミクロンのシリコン粉末１０重量％と混合した。ダイヤモンドはサイズ範囲 ４０〜８０ミクロンのものを８０重量％、サイズ範囲１０〜２０ミクロンのもの を２０重量％含有する。

スペックスミル中で該混合体を２０分激しく撹拌することによりダイヤモンドお よびソリコンを完全に相互拡散した。該混合体はその後、内径６．２肩履、内部 高さＢ　ｍｍの窒化ボロン製のカプセルに充填した。該カプセルは窒化ボロン装 ディスクにより閉じられた。該カプセルをその後、Ｆ、ボイド（Ｆ、　Ｂｏｙｄ 、　）およびＪ、イングランド（Ｊ、　Ｅｎｇｌａｎｃｌ）　（Ｊ、　Ｇｃｏｐ ｈｙｓ、　］（ｅｓ、　６５，７４１　。

１９６０　）により記載の形式の高圧−高温装置のピストン−シリンダー内に置 いた。圧力容器の内径は１．２７αであった。ヒーターはモリブテン製のチュー ブからなり、該ヒーターは圧力媒体のタルクによって包囲されたホウケイ酸塩ガ ラス製のシース中に挿入された。

温度は圧力セル内にサンプルにきわめて接近して挿入されたＰ　Ｌ　−Ｉ’　Ｌ 　９０　Ｒｈ　１０　系熱電対により測定された。

２ｋｂの圧力か第一に圧力セル内の成分を固めるために加えられた。ダイヤモン ド−シリコン混合体の温度はその後、５分間かけて１２００℃まで増加させた。

該温度はシリコンを溶解させるか、又はダイヤモンド結晶分かグラファイト化さ せるの１こ十分であった。装置内での圧力はその後、５分間かけて３　Ｑ　ｋｂ 　まで増加させた。温度はその後、１分以上で１４５０℃まで増加させ、３０分 一定に保った。これでソリコンは溶解し、ダイ・ヤモンドと反応してソリコンカ ーバイドを形成し、又ダイヤモンド結晶の塑性変形も伴う。

操作完了後、温度を２分間かけて８５０℃まで低下させる一方全圧力を保持しま た。該温度ではガラスライナーはまた軟らかく、ヒーターおよびサンプルカプセ ルの周囲に静水圧に近い圧力環境を提供する。圧力を１時間かけて雰囲気状態に 減少した後、２分間かけて温度を雰囲気状態に下げた。サンプルカプセルはその 後、装置から取り除いた。

粉末混合体は、直径４．７ｇ、高さ５．８　ｆｌの完全な、割れのないシリンダ ーの形（こ再生されたダイヤモンドコンパクトに成形されることがわかった。密 度は３，３４１７Ｋ　であり、質量は０．３４．９ｍＳであった。該コンパクト は良好な強度および硬度を有していた。コンパクトを破壊すると、該破面がダイ ヤモンド結晶を通して拡がっていることがわかり、シリコンカーバイド結合の強 さを示している。Ｘ線照射分析により、該コンパクトはダイヤモンドおよび０． ５％未満のグラファイトを含むシリコンカーバイドからなることが示された。

Ｘ線分析により残留シリコンは認められなかったので、ダイヤモンドおよびシリ コンからシリコンカーバイドを形成する反応は基質的に完全であった。該破片お よび研摩面を電子顕微鏡および光学顕微鏡により調査することによって、ダイヤ モンドの広範な塑性変形および広範な面−面接触の証拠が示された（第２図参照 ）。

等方性を有するダイヤモンド原料に対して、該ダイヤモンドは小領域で光学的異 方性であることが見出され、これによってさらに変形の証拠が示された。サンプ ルは約８０体積％のダイヤモンドおよび約１４体積％のシリコンカーバイドから なっていた。

該コンパクトからなるサンプルを適当な工具に組込み、ドリル上にて操作すると 、タングステンカーバイド、ボロンカーバイドおよび十分にち密なアルミナ製の サンプルに容易に穴を明けることが見出された。同様に、工具に組込んだサンプ ルを旋盤上にて操作すると、タングステンカーバイド、アルミナおよびボロンカ ーバイド製のシリンダーを容易に旋削した。

前記と同一の方法によって製造された完全なダイヤモンドコンパクトに対して、 さらにテストを行なった。

代表的なコンパクトの圧縮強度は約５　Ｑ　ｋｂａｒｓであることがわかった。

花こう岩、石英岩およびち密な焼結アルミナ製シリンダーの旋削における完全な コンパクトの性能を、前記コンパクトと同一サイズを有するケンナメタル（Ｋｅ ｎｎａｍｅｔａｌ）　Ｋ５８タフ　クスｆ　７　カーバイド製のシリンダーの研 削性能と比較した。タングステンカーバイド裂の先の丸い刃および非研削のダイ ヤモンドコンパクトを切断工具として用いた結果、ダイヤモンドコンパクトの性 能がタングステンカーバイドより優れていることが見出された。直径３２ｍの花 こう岩および石英岩のシリンダーを旋盤にて６０　Ｏｒｐｍで回転させ、工具は ０．１　ｍ深さの研削に設定した。タングステンカーバイド工具をシリンダーの 旋削に使用すると該工具の摩耗速度はカット数と共に増大し、極限のカット数を 越えると（花こう岩カットで３０、石英岩カットで２０）、工具は鈍くなり更に るドックを取り出せなかった。これに対し、ダイヤモンドコンパクトの摩耗速度 は、もとの表面下にあるより良質の研削砥石が露出するため、初期においてはカ ット数の増大と共に減少した。ダイヤモンドコンパクトはその後、鈍化の徴候も なく２０〜１００カツトの間で一定速度で花こう岩および石英岩から素材を取り 出し続けた。

１００カツトの後も、工具の摩耗は少なく無視用き、工具は該方法で非常に多く のカット数まで継続使用できた。タングステンカーバイド工具はアランダム製の シリンター力ら素材を取り出せないか、ダイヤモンドコンパクトによっては、石 英台で示されたと同様の素材ｊ１７出し速度で容易に旋削された。

実施例２ 本実施例で使用した圧力容器は直径１．５９０であり、圧力媒体であるタルクの 代わりに塩化ナトリウムが用いられた。ダイヤモンドーンリコン混合体ヲ入れる ため直径８．５　ｍ、内部高さ９朋の窒化ボロン製カプセルが使用された。その 他、使用されるすべての方法および材料は実施例１と同様である。

ダイヤモンドコンパクトは、直径７．１３ｍ、高さ７．０朋の完全な、破損のな いシリンダー状にて再生された。

密度は３．２９　ｐ　／１ｙｓ３てあり、質量は１．１０，１１１ｍであった。

該コンパクトの柑組成および物性は本質的に実施例１と同一である。

実施例３ ダイヤモンドおよびシリコン粉末の混合における調製方法、比率、圧力容器およ び圧力セルは実施例１と同一であった。サンプルへの圧力を３　ｋｂ　に増加し 、温度は５分にわたり１２００℃に増加させた。圧力はその後５分間３３ｋｌ） に増大した。温度をその後１４００℃１こ増加させ５分間保持する。温度および 圧力は、その後実施例１のように減少させた。

ダイヤモンドコンパクトは、無視可能な程度のポロシイティを示し３．２８，９ ／α３なる密度を有する全体にち密で完全なシリンダー状（こて再生した。Ｘ線 照射による調査によって、該サンプルが１〜２％の未反応シリコンおよび１％未 満のグラファイトを有することが示された。サンプルはかなりの強度および硬度 を有していた。適当な工具に組み込むと、ダイヤモンドコンパクトはタングステ ンカーバイド、十分にち密なアランダムおよびボロンカーバイド製のサンプルを 容易に孔明は加工し旋−削した。すべてのシリコンを反応させシリコンカーバイ ドを形成させる場合、反応時間は５分以上が望ましいということを本実施例は示 している。

実施例４ 本実施例は、２０　ｋｂ　の最高圧力で１４５０℃、３０分間保持することを除 いて、実施例１に記載した条件および方法にしたがって実施した。得られたコン バクと同一であった。本実施例は、２０　ｋｂａｒｓの圧力下で高圧縮強度、硬 度を有するコンパクトが製造できることを示している。

実施例５ 本実施例は１５ｋｌ）の最高圧力で１４５０℃、３０分間保持することを除いて 、実施例１の条件および方法を用いて実施された。得られたコンパクトの性質は 大体実施例１て製造されたコンパクトと同様である。

実施例６ 本実施例は１Ｑｋｂの最高圧力で１４５０℃、３０分間保持することを除いて実 施例１の条件および方法に用いて実施された。得られたコンパクトの圧縮強度は 実施例５のコンパクトよりかなり小さかった。

実施例７ 実施例１に記載と同一の方法を用いて、サイズ範囲１０〜２０ミクロンのダイヤ モンド４０１］ｉｋｔ％ヲ、１０ミクロンのレニウム粉末６０重量％と均質に混 合した。

レニウム粉末の表面は予め、アルゴンおよび４％水素の混合気体中、７００℃で １時間ば（露することにより清浄化した。ダイヤモンドおよびレニウム粉末の混 合体は、内径６朋、内部冒さ７朋の窒化ボロン製カプセルに充填した。、該カプ セルはその後、実施例１に使用した高圧−高温装置内に置いた。

２．５ｋｂ　の圧力をまず加え、その後カプセルの温度を８５０℃まで増加させ た。圧力を５分間かけて３０ｋｂ　に上げた後温度を１２００℃に増加させ４分 間保持した。温度をその後１３００℃に増加させ２０分間保持した。操作完了後 、圧力および温度は実施例１に記載のごとく減少させた。

本サンプルは、直径５．２ｍ、長さ４．７　ｒｍの完全なシリンダー状として再 生された。Ｘ線照射分析により、該コンパクトはダイヤモンド、レニウムおよび ０．５％未満のグラファイトからなることが示された。レニウムのＸ線格子面間 隔は純金属に比べてかなり拡大しており、これは固溶体中にいくらかのカーボン 原子％が存在していることを意味する。電子顕微鏡および光学顕微鏡による破片 および研摩面の調査によって広範なダイヤモンドの塑性変形および面一面接触（ 第３図参照）の証拠が示された。本サンプルは約２０体積％のレニウムを含んで いた。研摩面（第３図）は、コンパクト内部のレニウム分布がかなり不規則であ ることを示しでいた。機械的方法（こより、レニウムおよびダイヤモンドのよう な異な−）た゛１菅度を有する粉末の均一な混合を得るのは困難である。本実施 例は、レニウムがより均一に分散されると、より小比率のレニウムの使用で今ま てどおり機械的（こ強く耐摩耗性を有するコンパクトを得ることが’Ｔ　ｆｔｔ であることを示す１、本実施例のレニウム−結合コンパクトは実施例１に記載さ れたコンパクト（こ匹敵する機械的強度と耐摩耗特性を示した。適当な］［具（ こ組込まれると、ここに記載された条件下で作製されたコンパクトは、タングス テンカーバイド、アルミナ、ボロンカーバイド、花こう岩および石英台からなる サンプルを容易に穴明は加工し、旋削した。

実施例８ サイズ範囲４０〜８０ミクロンのもの７５重量％、サイズ範囲１０〜２０ミクロ ンのもの２０重量％およびサイズ約５ミクロンのもの５重量％からなるダイヤモ ンド結晶の混合体を調製した。このダイヤモンド混合体の４０重量％を更に１０ ミクロンのレニウム粉末６０重量％と混合した。本実施例において他の手段は実 施例７に記載の通り実施した。本実施例の結果化じたコンパクトの性質は少なく とも実施例７で製造されたコンパクトと同様であった。

サイズ範囲１０〜２０ミクロンのダイヤモンド結晶３５重量％吉ｌＯミクロンの イリジウム粉末６５重量％を実施例］に記載した方法で混合した。実験方法は、 最高操作温度１３００℃、３９　ｋｌ）λｒｓの条件を４０分間保持することを 除いて実施例１で使用した条件と同様であった。

得られたダイヤモンド−イリジウムコンパクトは０．５％未満のグラファイトを 包含していた。イリジウムの格子面間隔の小斐位によって、イリジウムの固溶体 中にカーボンが幾らか存在することが示された。該研摩面によりダイヤモンドの 塑性変形が生じ、結晶間の面一面接触が広範に発生していることが示された。

ダイヤモンド−イリジウムコンパクトの強度および耐摩耗性は前実施例に記載さ れたものと同様であった。

実施例１０ サイズ範囲１０〜２０ミクロンのダイヤモンド結晶５３重量％およびアルゴン− ４％水素中７００℃で予備還元した１０ミクロンのルテニウム粉末４７重置慢を 混合した。実験方法は、高圧、高温で２０分間保持することを除いて実施例９の 方法と同一であった。

得られたダイヤモンドールテニウムコンパクトハ０．３％未満のグラファイトを 含み、ルテニウムの固溶体中（こは少量のカーボンが存在していた。該コンパク トの圧縮強度および耐摩耗特性は実施例９で製造されたコンパクトより幾分劣っ ていた。にもかかわらず、コンパクトはタングステンカーバイド、アルミニウム およびボロンカーバイド製のサンプルを容易に旋削した。

実施例１１ 実施例１て使用したダイヤモンド結晶４４％ヲ１０ミクロンのタングステン粉末 ５６％と実施例１に記載の方法により混合した。実験方法は、最高温度１４００ ℃で２０分間保持し、規定圧力を３　Ｑ　ｋｂ　とすることを除いて実施例１に 使用した方法と同様であった。

得られたコンパクトは０．５％未満のグラファイトを含有していた。大部分のタ ングステンはダイヤモンドと反応してカーバイド結合を形成する；しかしながら 数％の未反応金属タングステンが、タングステンカーバイド中の不純物として存 在した。ダイヤモンド結晶は広範な塑性変形および面一面接触を示した。

該コンパクトは、実施例１〜５．７〜９に記載したコンパクトに匹敵する圧縮強 度および耐摩耗性を有していた。該実施例（こおいて記載されたコンパクトによ り示されたように、コンパクトはタングステンカーバイド、ボロンカーバイドお よびアランダム製のサンプルを旋削する同様の能力を示した。

該研摩面により、タングステンカーバイドがダイヤモンドマトリックス全体に均 一に分布していないことが明らかとなった。高圧処理前にタングステンおよびダ イヤモンドがより均一に混合された場合は、小比率のタングステンを用いること により本実施例で得られる機械的強度および耐摩耗性と同等かそれ以上を有する コンパクトの製造が可能となることは明白であった。

実施例１２ 実施例１で使用したダイヤモンド結晶６４重址悌を１０ミクロンのモリブデン粉 末３６重ｆｔ％と混合した。

実験方法は実施例１１と同様の方法が使用された。得られたコンパクトはモリブ デンカーバイドによって結合したダイヤモンドからなっていた。残留の金属モリ ブデンは示されなかった。該コンパクトは０．５％未満のグラファイトを含有し ていた。得られたコンパクトの硬度および耐摩耗性は実施例１１にほとんど匹敵 するものであった。にもかかわらず、コンパクトはタングステンカーバイド、ア ランダムおよびボロンカーバイド製のサンプルを旋削する能力を有していた。

実施例１３ 実施例１に明記したサイズ範囲のダイヤモンド７５市量％と２５ミクロンのチタ ン粉末２７重量％を混合した。実験方法は実施例１１で用いられた方法と同一で あった。

得られたコンパクトは１％未満のグラファイトを含有していた。チタン全域がダ イヤモンドと反応してチタンカーバイド結合を形成した。得られたコンパクトは 多くの点で実施例１１に類似していた。該コンパクトは非常に硬く、タングステ ンカーバイド、ボロンカーバイドおよびアランダム製のサンプルを旋削し孔あけ 加工した。しかしながら、該圧縮強度は実施例１１．１２のコンパクトより幾分 劣っていた。これはＸ線照射分析により示されるチタン酸化不純物の存在にかか ると考えられた。

実施例１に明記されたサイズ範囲のダイヤモンド７１％および５ミクロンのクロ ム粉末２１重量％を混合した。実験方法は実施例７て用いられた方法と同様であ った。

得られたコンパクトは２％未満のグラファイトを含有していた。クロム全量が反 応してクロムカーバイド（Ｃｒ３Ｃ２）結合を形成した。結果的に生じたコンパ クトは実施例１０に記載した硬度および強度と同様であった。

実施例１に明記されたサイズ範囲のダイヤモンド７０％および１０ミクロンのバ ナジウム粉末３０重量％を混合した。実験方法は、３　Ｑ　ｋｂ　の圧力下、最 高温度１４００℃で２０分間保持することを除いて実施例７で用いた方法と同様 であった。

得られたコンパクトは約１％未満のグラファイトを含有していた。バナジウム全 波が反応してバナジウムカーバイド（Ｖｃ）結合を形成した。得られたコンパク トは実施例１０に記載された硬度および強度と同様であった。

はとんどの実施例で、ダイヤモンド結晶は機械的に結合剤とよく混合し、得られ たコンパクトは約８０〜８５体積饅のダイヤモンドおよび１５〜２０体積悌の結 合剤からなっていた。得られたコンパクトの研摩面のミクロ観察により、多くの 場合、結合剤の分布が不均一であることか示された。結合剤を５体積％程度しか 含有しない局部的領域は押圧すると高い機械的強度を示し、明らかに強い結合を していた。これらの結果より、結合剤のさらに均一な分布を得るために改良され た混合方法か用いられるならば、良好な機械的性質を有し、かつ結合剤を５体積 ％程度含有するコンパクトの製造か可能となると思われる。前記結果に基つけば 高圧力一温度処理の前に、結合剤をほぼ均一に個々のダイヤモンド粒子表面に直 接に被覆しつる従来技術により、結合剤を５体積％含有する良好な品質のコンパ クトか製造されると考えられる。該技術には蒸着、電４および化学還元等が包含 される。

本実施例のコンパクト中に形成されるグラファイトＭは、Ｘ線照射写真から視覚 的に決定されるように大部分１％未満であり、しばしば０．５％未満であること は注目に値する。しかしながら、混合した結合剤を含有しない同一のダイヤモン ド結晶集合体を同一の実験条件に適用すると、機械的に弱い該製品中には２％以 上のグラファイトが見出された。これは、グラファイト形成に対する結合剤の抑 制効果を表わしている。

第１図 国際調査報告 、＋、、、＋、、、６．．．　、、、、、、、、、。、Ｎ、、　ＰＣＴ／Ａｌｌ 　８５／（１０２０１ＡＮＮＥＸＴｏ丁ＨＥＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＩＩＡＬＳＥ ＡＲＣＨＲＥＰＯＲＴＯＮ、、、Ｃａｎ仁１ｎｕｅｄ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ｉ）４０〜５体積％の結合剤に対して６０〜９５体積％のダイヤモンドの比率 で、ダイヤモンド結晶素材を精合剤と共に均質に混合し、該結合材は、（ａ）炭 素と反応し約１６００℃を越える融点を有する安定カーバイドを形成し、それに よつてダイヤモンドからの退化変態により生じる遊離グラフアイトを抑制する元 素および該元素を含有する金属合金、および（ｂ）安定カーバイドを形成せず、 固体状態でダイヤモンドと熱接触すると約１６００℃を越える最低融点を有する ダイヤモンドとの結合を生じ、かつダイヤモンドからグラフアイトヘの退化変態 を抑制する金属および該金属を包む合金の群から選択した１以上の元素からなり ；ｉｉ）該混合体を１０ｋｂａｒｓ超４０ｋｂａｒｓまでの平均限定圧力下、１ １００〜１６００℃の温度領域にさらし、前記平均限定圧力および温度の組合せ はグラフアイト安定域内に存在し； ｉｉｉ）該混合体に対して少なくとも約３分の間、ダイヤモンド結晶の塑性変形 を生ぜしめ、これによりダイヤモンド結晶間の接触を該表面全体に住じさせ、か つ結合剤およびダイヤモンド間に少なくとも実質的に化学平衡を生じさせ、これ により約１６００℃の最低融点および雰囲気温度で約１０ｋｂａｒｓの圧縮強度 を有する熱的に安定なダイヤモンドコンパクトを製造するに充分な温度および圧 力条件に保持することからなるダイヤモンドコンパクトの製造方法。 ２．該圧力を、内部がシリンダー形状であるピストンーシリンダー内の均質の混 合体に加える前記第１項の方法。 ３．該均質の混合が、結合剤を被覆又はフイルムの形状でダイヤモンド結晶の表 面に適用することにより実施される前記第１項の方法。 ４．該コンパクトが、温度および圧力の適用の間、液相の存在なしに全て固相反 応によつて製造される前記第１項の方法。 ５．該グループ（ａ）の結合剤元素が、チタン、タングステン、モリブデン、ニ オブ、タンタル、ジルコン、ハフニウム、クロム、バナジウムおよびボロンから なる前記第４項の方法。 ６．該グループ（ｂ）の結合剤金属が、レニウム、ロジウム、ルテニウム、イリ ジウム、オスミウムおよびプラチナからなる前記第４項の方法。 ７．該元素グループ（ａ）の結合剤がシリコンであり、該温度および圧力条件が シリコンを溶解し、ダイヤモンド結晶と反応して実質上シリコンカーバイドから なる結合を形成する前記第７項の方法。 ８．最高圧力を適用する前に、均質の混合体に１１００〜１６００℃の範囲の温 度を適用する前記第１項の方法。 ９．該圧力および温度条件が、少なくとも５分の間保持される前記第１項の方法 。 １０．少なくとも実質量のダイヤモンド結晶が１〜１０００ミクロンのサイズ範 囲内である前記第１項の方法。 １１．前記少なくとも実質量のダイヤモンドのサイズが、前記範囲内に分布する 前記第１０項の方法。 １２．適用される圧力が１５〜３０ｋｂａｒｓの範囲内である前記第１項の方法 。 １３．適用される温度が１２００〜１５００℃の範囲内である前記第１項の方法 。 １４．該ダイヤモンド結晶の６０〜９５体積％が塑性変形を受け、ダイヤモンド 結晶間の接触が該表面全体に生じる高剛性わく組み構造を形成し、前記表面では グラフアイト安定域内の圧力および温度でコンパクトを形成する間にダイヤモン ド結晶の塑性変形を生じ、前記ダイヤモンドのわく組み構造は主として侵入型の 耐火性カーバイド相又はカーボンの存在下でカーバイドを形成しない金属からな る金属相により実質上十分に結合し、前記相は１６００℃より高い融点を有し、 前記コンパクトは約２体積％未満のグラフアイトからなり、１０ｋｂａｒｓ超の 圧縮強度を有するダイヤモンドコンパクト。