JPS6357099B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は、高温、高圧下でダイヤモンドを合成
する際、種子となるダイヤモンド粒子を用いて結
晶を成長させる方法に関する。 従来の技術 一般に静水圧法でダイヤモンドを合成する場
合、発生する核の数を制御し、相平衡線のごく近
傍にある温度と圧力の下に結晶を成長させること
が包有物の少ない、形の良い結晶を得るポイント
である。したがつて、種子となるダイヤモンド粒
子を用いることは、結晶成長の中心となる核の数
を制御する上において有効な手段である。 上記静水圧法によりダイヤモンドを合成する場
合の結晶の成長方法には、温度差成長法と薄膜成
長法とがある。前者は、種子とグラフアイトのよ
うな非ダイヤモンド炭素（以下「原料炭素」とい
う）を温度勾配を有する溶媒金属を間にして存在
させ、低温側の種子を成長させる方法である。ま
た、後者は、種子となるダイヤモンド粒子の周囲
に付着した溶媒金属の薄い膜を介して原料炭素を
溶解させ炭素とダイヤモンドの溶解度差によつて
ダイヤモンド結晶を成長させる方法である。薄膜
成長法では、種子を予めおかずに合成中に核発生
を行なわせることもできるが、種子を用いれば核
の数の制御が容易となる。しかし、如何に核の数
を制御し得たとしても炭素濃度の過飽和度の高い
領域でダイヤモンド結晶を成長させた場合は、良
い結晶は得られず、結晶の形も悪くなりさらに溶
媒金属、炭素、気泡など不純物の包有も多くな
る。過飽和度を下げるには、ダイヤモンド安定領
域側の相平衡線のごく近傍にある温度、圧力条件
に保持する必要がある。しかし、工業的な超高圧
合成装置において、反応部の温度と圧力を定常的
に測定し、目的とする値にコントロールすること
は極めて困難である。 また、溶媒金属と原料炭素とダイヤモンド種子
とを混合し、混合物を円柱状に成型し、高圧装置
に装填して、その中で結晶を成長させる方法が知
られている。この方法は、種子を混合物中に均一
に分散させるのが困難であり、結晶成長にバラツ
キを生じ易い。 また、溶媒金属粉末および原料炭素粉末のいず
れか一方または両方にダイヤモンド種子を配合
し、それぞれの粉末を薄板状に成形し、得られた
溶媒金属薄板と原料炭素薄板とを交互に多数積層
して、所定の温度、圧力条件下に結晶を成長させ
る方法が知られている。この方法も、結晶成長に
バラツキを生じ易く、粒度分布巾の小さいダイヤ
モンド結晶を得るのは困難である。 非ダイヤモンド炭素のロツドまたはデイスク中
に多数の孔を穿設し、この孔中にダイヤモンド種
子を入れ、このロツドまたはデイスクに触媒金属
を隣接配置したものを所定の温度・圧力条件下に
おいて結晶を成長させる方法が提案されている
（米国特許第3423177号）。この方法は、結晶成長
にバラツキを生じ易く、粒度を制御することが困
難で、且つダイヤモンド結晶生成量が少いという
問題点がある。しかも、結晶成長過程における成
長率が比較的小さく、圧壊強度その他の機械的強
度に劣る。 発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、上記のような従来の技術の問
題点を解決し、粒度の分布幅が小さく、且つ、結
晶成長率が大きく、熱衝撃強度、圧壊強度その他
の機械的特性に優るダイヤモンド結晶を高い生産
性を以つて製造できる方法を提供するにある。 問題点を解決するための手段 本発明に係るダイヤモンド結晶の成長法は、溶
媒金属板および非ダイヤモンド炭素板の少くとも
一方の板の面上に多数のダイヤモンド種子を配置
し、該ダイヤモンド種子配置面が界面側に位置す
るように溶媒金属板と非ダイヤモンド炭素板とを
重ね合せた重合板またはそのような重合板を複数
積層した積層物、あるいは、溶媒金属と非ダイヤ
モンド炭素との混合物の板の面上に多数のダイヤ
モンド種子を配置した板またはそのような板を複
数積層した積層物をダイヤモンド安定領域の圧
力・温度条件下においてダイヤモンド結晶を成長
せしめる方法であつて、ダイヤモンド種子として
粒径50μm以下のダイヤモンド粒子を実質的に等
間隔に且つ結晶成長後の隣接結晶粒子間の間隔が
50〜300μmとなるように規則的に配置し、さらに
種子粒径の５倍以上の径を有するダイヤモンド結
晶粒子が得られるまで成長せしめることを特徴と
する。 溶媒金属板および非ダイヤモンド炭素板の少く
とも一方の板の面上またはそのような溶媒金属と
非ダイヤモンド炭素との混合物の板の面上にダイ
ヤモンド種子を実質的に等間隔に且つ結晶成長後
の隣接結晶粒子間の間隔が所定範囲となるように
規則的に配置する。 種子となるダイヤモンド粒子を規則的に配置す
るには種々の方法を採ることができる。最も好ま
しい方法は、板の面上に多数の凹孔を穿設し、各
凹孔にダイヤモンド粒子を１個宛入れる方法であ
る。溶媒金属板、非ダイヤモンド炭素板または溶
媒金属と非ダイヤモンドとの混合物の板に凹孔を
穿つには微小径ドリル等を用いる機械的方法によ
ることができ、また、溶媒金属板の場合には機械
的方法の他に、フオトエツチングを含むエツチン
グ法、放電加工による方法、レーザ加工による方
法などが適用できる。 各凹孔にダイヤモンド種子を入れるには、穿孔
板上に種子をばらまき適当な振動を与えればよ
い。この場合、ダイヤモンド種子は導電性物質で
被覆、特に、金属でメツキされていることが好ま
しい。金属でメツキすることにより種子形状が丸
味を帯び、また帯電防止性が付与されるため凹孔
に入れ易くなる。メツキする金属は溶媒金属と同
一金属であることが望ましい。 また、ダイヤモンド種子を金属等で被覆してお
くと、高圧の結晶成長条件下にダイヤモンド種子
が原料炭素と直接接触するのを断つ利点がある。
この場合の金属は溶媒金属と同一でなくともよ
い。溶媒金属板に穿たれた凹孔に、被覆層をもた
ない裸の種子を入れる場合には、通常種子を入れ
た後、凹孔の開孔部を金属板等で遮閉することが
望ましい。 上記凹孔に代えて、貫通孔を穿設してもよい
が、貫通孔でないほうが種子の取扱い上有利であ
る。 上記のように凹孔を穿設する方法に代えて、板
に種子を直接圧入することもできる。また、表面
に微量の接着性物質をスポツト状に塗布し、その
部分に裸または金属被覆された種子を接着させる
こともできる。また適当な開孔部を持つ網を使用
したり、電子部品自動配置装置を用いて規則的配
置を行なうことができる。 第１図は、溶媒金属板に種子を入れるべき多数
の凹孔２を穿設せる状態を示している。第２図
は、多数の凹孔２を実質的に等間隔に且つ結晶成
長後の隣接結晶粒子間の間隔が50〜300μmとなる
ように規則的に穿設した状態を示している。凹孔
の配置パターンは、第２図のような碁盤目状に限
定されるものではなく、各凹孔が実質的に等間隔
に保持される限り他のパターンを採ることができ
る。 凹孔２にダイヤモンド種子３を埋設せる溶媒金
属板１は、ダイヤモンド種子配置面が対向（界
面）側に位置するように溶媒金属板１と非ダイヤ
モンド炭素板４を重ね合わせた重合物をそのま
ま、または、第３図に示すように、そのような重
合物を複数積層した積層物としてダイヤモンド結
晶安定領域の圧力・温度条件下においてダイヤモ
ンド結晶を成長せしめる。 ダイヤモンド種子は溶媒金属板ではなく、非ダ
イヤモンド炭素板の面上もしくは溶媒金属板と非
ダイヤモンド炭素板の両方の板の面上に配置する
ことができる。また、溶媒金属粉末と非ダイヤモ
ンド粉末との混合物をホツトプレス等を用いて圧
縮成型して作成せる板の面上に配置することもで
きる。 本発明においては、第１に、ダイヤモンド種子
を実質的に等間隔に且つ結晶成長後の隣接結晶粒
子間の間隔が50〜300μmとなるように規則的に配
置することが肝要である。結晶粒子間の間隔が
50μm未満であると、結晶成長過程において種子
相互間の干渉のため粒子同志がくつつき合つた
り、成長を阻害されたりして、粒度分布の小さい
良質な成長結晶ができ難くなる。間隔が300μmを
超えると局部的な過飽和度のアンバランスを生
じ、結晶成長にバラツキを生じるため、粒度分布
が大きくなる。また、生産性が低下する。 本発明の第２の主特徴は、ダイヤモンド種子と
して粒径50μm以下の粒子を用いて少くとも５倍
（粒径において）成長せしめることである。この
ように小粒径の粒子を用いて高倍率の結晶成長を
行うことによつて高品質、特に熱衝撃強度、圧壊
強度その他の機械的強度に優る結晶を得ることが
できる。このように機械的強度に優る結晶が得ら
れるのは次の理由に基づくと考えられる。すなわ
ち、本来種子を用いて成長させた粒子は種子を用
いない単結晶に比べて弱いが、成長率が大きいと
種子と成長面との界面の割合が小さいためその影
響が相対的に小さくなるためである。種子の粒径
が50μmより大であると高倍率成長が困難となる。
一般には、粒径10〜50μmのものが用いられる。
また、成長倍率は格別限定されないが、粒径にお
いて、一般に５〜10倍、特に好ましくは約７倍で
ある。 溶媒金属としては、鉄、コバルト、ニツケル等
の周期律表族の金属やクロム、タンタル等通常
ダイヤモンド合成において溶媒金属として使用さ
れているものが用いられる。 溶媒金属への炭素の溶解性の制御、あるいはダ
イヤモンド種子と炭素との接触の抑制、さらには
酸素や窒素がダイヤモンドに混入するのを防ぐ固
定化剤として他の金属または化合物を溶媒金属重
量に基づき、50重量％以下程度の範囲で添加する
ことができる。かかる金属および化合物としては
Mg、Ca、Ti、Zr、Ｖ、Nb、Zn、Ｙ、Mo、Ｗ、
Cu、Au、Ag、Si、Ｂ、Al、Ge、In、Sn、Pb及
びカーバイド、ボライド等を挙げることができ
る。 原料炭素（非ダイヤモンド炭素）としては黒鉛
等ダイヤモンド合成に常用されるものを用いるこ
とができる。 ダイヤモンド安定領域の圧力・温度条件下にお
いてダイヤモンド結晶の成長を行う。一般に、温
度1300〜1900℃、圧力45〜70kbの範囲が採られ
る。結晶成長時間は約10〜60分である。 上記のような反応系において、その反応によつ
て生成が期待し得るダイヤモンドの総成長量に対
し、種子１個当りの平均成長希望量と種子の数の
積が一致するように種子の数を決めてやれば、狙
つた粒度のダイヤモンドを分布幅狭く得ることが
できる。上記期待し得る総成長量を系統的に知る
には、最終荷重を種々変えたダイヤモンド合成を
行い、成長量を求めておけばよい。ダイヤモンド
の量を多く取るためには、合成装置の許される範
囲内で最終荷重を高くすればよいが、但し、種子
密度が高くなり過ぎると成長した粒子が干渉し合
うようになる。なお、粒度分布幅を狭くする方法
として、反応部の温度分布、圧力分布を考慮し
て、水平方向および上下方向の種子配列の間隔、
種子の大きさ等を適宜変えることが有効である。 本発明はどの様な原料炭素物質、溶媒物質等の
反応物質においても有効であるが、特に結晶成長
速度の遅い反応系において効果的である。 発明の効果 種子となるダイヤモンド粒子を上記要件を満足
するように規則正しく配置することにより、種子
ごとに生ずる結晶成長の条件のバラツキは小さく
なり、また反応空間内の温度、圧力のミクロなバ
ラツキも減少し、近接し過ぎた種子の成長に伴な
う種子相互間の干渉もなくなり、非常に粒度分布
巾のせまいダイヤモンド結晶粒子を得ることがで
きる。また、粒径の小さい種子を用いて高倍率の
成長を行うことによつて機械的強度、特に熱衝撃
強度に優れた高品質のダイヤモンド結晶を得るこ
とができる。 実施例 以下、実施例について本発明を具体的に説明す
る。 〔実施例 １〕 内径28.6mm、高さ38mmのろう石製容器内に反応
物質として直径28.6mm、厚さ0.25mmのFe70−Ni30
の合金板と、同じ直径の厚さ1.6mmの黒鉛板とを
交互に多数積層配置して反応物質とした。上記合
金板は、予め、フオトエツチング法によつて合金
板に中心間隔0.6mmとなるように碁盤目の交点に
0.1mmφ×0.1mm深さの孔を設け、各孔に粒度35〜
40μmのダイヤモンド粒子を１ケ宛配置しておい
た。上記積層体の上下両端を黒鉛板で保温し、さ
らに鉄製のキヤツプで蓋をし、ベルト型超高圧合
成装置に装着して加圧するとともに、反応部に通
電し直接加熱した。反応条件は次のように設定し
た。すなわち、圧力を50kbとし、次に1450℃に
昇温し、次いで20分を要して57kbまで昇圧した。 この結果、約５ｇのダイヤモンドが得られた
が、そのうち40％が300〜425μmの粒度に集中し
ていた。良結晶のものの生成率は、同量の種子と
黒鉛粉末と上記合金粉末の混合物から得た成型体
を使用した従来法に比して２倍に向上した。 〔実施例 ２〕 実施例１の反応において使用した合金板上に予
め微量の即乾性接着剤（商品名アラルダイト）を
中心間隔0.6mmとなるように碁盤目の交点にスポ
ツト状につけ、これに粒度30〜40μmのダイヤモ
ンド粒子に30μm厚さのNiコートしたものを接着
した他は、実施例１と全く同じ操作によつてダイ
ヤモンドを合成した。その結果実施例１とほぼ同
じ結果が得られた。但し、接着剤量が多い場合に
は、結晶の透明性が失なわれた。 〔実施例 ３〕 実施例１の反応系において黒鉛板の方に孔をう
がち種子を配置した他は、実施例１と同じ操作に
よつてダイヤモンド結晶を成長させた。その結
果、結晶の大きさが若干小さくなつた他は実施例
１とほぼ同様な結果が得られた。 〔実施例 ４〕 実施例１において、粒度として、300〜425μm
を狙い、収量が、この系で想定される8grにマツ
チするように種子の数を決めた。この種子を全て
配置するために、合金板、黒鉛板の厚みをそれぞ
れ0.25mm、1.0mmとし、種子を入れる孔の間隔も
0.5mmに縮めた。この系に実施例１と同様の操作
を行なつたところ、収量7.6gr、300〜425μm収率
約50％であつた。良晶率は、同量の種子と黒鉛粉
末と上記合金粉末の混合物から得た成型体を使用
した従来法と比較して２倍強であつた。 〔比較例 １〕 実施例１と同様な方法によりダイヤモンド結晶
を生長させた。但し、孔間隔（中心間隔）0.6mm、
孔径0.3mmφ、種子粒度150〜200μmとした。その
他の条件は実施例１と同一に設定した。収量6gr、
300〜425μm収率４％であつた。 〔砥粒強度試験〕 上記各例で得られた結晶粒子の砥粒強度を次の
ように測定した。すなわち、成長後の単粒圧壊強
度をそのままおよび1000℃窒素雰囲気中で１時間
焼成後に測定した。結果を表−１に示す（データ
は50粒の平均値）。

〔石材切断試験〕

ダイヤモンド結晶粒子とコバルト粉末との混合
物（20：80重量比）をホツトプレスを用いて焼結
して薄いシートを作成した。このシートを裁断し
たものを鉄系金属円板350mmφの外周面上に貼付
して切削用ブレードを作成した。このブレードを
用いて下記条件下に石材切断試験を行つた。 方式：湿式、被切断石材：白みかげ石、 ブレード周速：1600ｍ／分、 ブレード送り：３ｍ／分 切込長：７mm／バス。 石材切断面１m²当りのブレードの摩耗量（直径
減小量mm）を測定した結果および切削中の安定性
（電力負荷の変動）を観察した結果を表−２に示
す。

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図は、ダイヤモンド種子を配置するための
凹孔を穿設せる溶媒金属板の断面図であり、第２
図は、第１図に示す溶媒金属板の平面図であり、
第３図は、第１図および第２図に示す溶媒金属板
に多数のダイヤモンド種子を配置したものと原料
炭素板とを多数交互に積層した状態を示す断面図
である。 １……溶媒金属板、２……凹孔、３……ダイヤ
モンド種子、４……非ダイヤモンド炭素板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶媒金属板および非ダイヤモンド炭素板の少
   くとも一方の板の面上に多数のダイヤモンド種子
   を配置し、該ダイヤモンド種子配置面が界面側に
   位置するように溶媒金属板と非ダイヤモンド炭素
   板とを重ね合せた重合板またはそのような重合板
   を複数積層した積層物、あるいは、溶媒金属と非
   ダイヤモンド炭素との混合物の板の面上に多数の
   ダイヤモンド種子を配置した板またはそのような
   板を複数積層した積層物をダイヤモンド安定領域
   の圧力・温度条件下においてダイヤモンド結晶を
   成長せしめる方法であつて、ダイヤモンド種子と
   して粒径50μm以下のダイヤモンド粒子を実質的
   に等間隔に且つ結晶成長後の隣接結晶粒子間の間
   隔が50〜300μmとなるように規則的に配置し、さ
   らに種子粒径の５倍以上の径を有するダイヤモン
   ド結晶粒子が得られるまで成長せしめることを特
   徴とするダイヤモンド結晶の成長法。 ２ 溶媒金属板および非ダイヤモンド炭素板の少
   くとも一方の板の面上に多数の凹孔を、実質的に
   等間隔に且つ結晶成長後の隣接結晶粒子間の間隔
   が50〜300μmとなるように規則的に穿設し、各凹
   孔にダイヤモンド種子を１個宛入れる特許請求の
   範囲第１項記載のダイヤモンド結晶の成長法。 ３ 溶媒金属板の面上に多数の凹孔を穿設する特
   許請求の範囲第２項記載のダイヤモンド結晶の成
   長法。 ４ ダイヤモンド種子に金属メツキを施したうえ
   各凹孔に入れる特許請求の範囲第２項または第３
   項記載のダイヤモンド結晶の成長法。