KR20010006439A - 다이아몬드의 소결방법 및 다이아몬드 성장물 - Google Patents

다이아몬드의 소결방법 및 다이아몬드 성장물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 임의로 다른 상을 함유하는 매트릭스중에 다이아몬드 결정 집괴를 포함하는 결합된 응집성 물질을 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 다이아몬드 결정의 공급원을 제공하는 단계, 다이아몬드 결정에 의해 정의되는 다수의 성장 중심을 제공하는 단계, 공급원 및 성장 중심을 용매/촉매와 접촉시켜 반응 집괴를 생성하는 단계, 상기 반응 집괴를 고온/고압 장치의 반응 대역중에 결정 성장에 적합한 승온 및 승압의 조건으로 처리하여 결합된 응집성 물질을 생성하는 단계 및 반응 대역으로부터 상기 물질을 제거하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 공급원 결정과 성장 중심사이의 입경 차이의 선택에 의해 일부이상 용매/촉매중의 탄소의 필요한 과포화를 제공하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 결합된 응집성 물질의 매트릭스중에 다이아몬드 결정 집괴는 고농도의 쌍정 다이아몬드를 갖는다.

Description

다이아몬드의 소결방법 및 다이아몬드 성장물{SINTERING PROCESS FOR DIAMOND AND DIAMOND GROWTH}
톱절편, 연마휠 및 다결정질 다이아몬드(PCD) 제품과 같은 다이아몬드 매트릭스 복합재 또는 공구 물질 또는 공구 성분의 제조는 널리 알려져 있다. 그들의 제조에 사용되는 다양한 방법이 있다. 톱절편, 펠렛, 진주 등에 있어서, 다이아몬드 분말은 매트릭스 물질과 혼합되고, 혼합물은 실질적으로 대기압에서 소결되어 성분을 생성한다. 한편으로, 용융 매트릭스 물질은 또한 거의 대기압에서 다이아몬드 분말층으로 침투되어 구성성분을 생성한다. PCD 제품에 있어서, 다이아몬드 분말은 용매-촉매의 존재하에서 고온 및 고압의 조건하에서 소결되고, 생성된 부품은 후속적으로 성형되어 최종 구성성분을 생성한다.
필수적으로, 각각의 방법 및 생성물은 다이아몬드 분말로 출발하여 구성성분을 제작한다. 이들 방법중의 몇가지는 거의 대기압에서 수행되고, 이들에 의해 생성된 구성성분은 비교적 저온에서 소결 또는 침투되는 매트릭스에 한정됨으로써 다이아몬드의 흑연화가 방지되거나 최소화된다.
PCD 제품의 제조에 있어서, 용매-촉매는 보통 결합된 탄화텅스텐 지지체의 제조에 사용되는 매트릭스로 한정되거나, 또는 보다 열적으로 안정한 제품의 경우에, 침투물은 목적하는 상, 예컨대 규소 형성 탄화규소를 형성하기 위해 다이아몬드와 반응하는 요소 또는 화합물로 한정된다.
발명의 요약
본 발명에 따라서, 임의로 다른 상을 함유하는 매트릭스중에 다이아몬드 결정 집괴(集塊)를 포함하는 결합된 응집성 물질의 제조방법은 다이아몬드 결정의 공급원을 제공하는 단계, 다이아몬드 결정에 의해 정의된 다수의 성장 중심을 제공하는 단계(공급원 결정의 양은 일반적으로 성장 중심의 양보다 많다), 사용시 용매/촉매 및 다른 상과 공급원 및 성장 중심을 접촉시켜 반응 집괴를 생성하는 단계, 고온/고압 장치의 반응 대역에서 결정 성장에 적합한 승온 및 승압의 조건으로 반응 집괴를 가하여 상기 물질을 제조하는 단계 및 반응 대역으로부터 상기 물질을 제거하는 단계를 포함하고, 공급원 결정과 성장 중심사이의 입경 차이를 선택함으로써 일부이상에서, 바람직하게는 우세적으로 용매/촉매중에 탄소의 필요한 과포화를 얻는다.
본 발명의 방법에 의해 제조된 결합된 응집성 물질은 다이아몬드 결정 집괴를 함유하는 것으로 밝혀졌고, 이때 40% 이상, 전형적으로 80% 이상 및 일반적으로 거의 전체 집괴는 합성 쌍정 다이아몬드로 이루어진다. 쌍정 다이아몬드는 접촉 쌍정, 다중 및 단일 쌍정을 포함하는 쌍정, 다합성 쌍정 및 스타 쌍정, 즉 다중쌍정을 포함하고, 여기서 쌍정 평면의 적어도 일부는 평행을 이루지 않는다. 다양한 형태의 쌍정 다이아몬드가 또한 알려져 있다. 이들 형태는 블록 또는 입방체 형태, 판 형태 및 칼럼 형태를 포함한다. 판 및 칼럼 형태의 다이아몬드에 있어서, 결정은 높은 외형비, 즉 가장 긴 치수 대 가장 짧은 치수의 높은 비를 갖는다. 이 형태의 결합된 응집성 물질은 신규한 것으로 인식되고 본 발명의 다른 양태를 형성한다.
본 발명의 결합된 응집성 물질은 예컨대 공구 성분, 블랭크 또는 삽입물, 베어링면, 추가의 처리를 위한 기재, 연마물질, 열 침체물(heat sink), 생물의학 물질, 촉매본체 등으로서 사용될 수 있다. 그의 용도중에 이들 물질은 다이아몬드 및 매트릭스의 성질 또는 다이아몬드 및 매트릭스의 성질의 조합을 모두 사용한다.
상기 물질은 상이한 성질의 대역을 가질 수 있다. 예컨대, 상기 대역은 결정 농도 또는 크기, 매트릭스, 다른 상의 성질 또는 그들의 조합에서 변할 수 있다. 상이한 대역은 예컨대, 물질의 한면으로부터 대향면으로 불규칙하거나 순서대로 분포되는 층 또는 영역으로 연장할 수 있거나 상기 물질의 중심부로부터 외면층으로 연장할 수 있다.
본 발명은 특히 다이아몬드 함량이 80부피% 미만인 물질에 적용성을 갖는다.
상기 물질은 결합되는 기재에 당해 물질이 제공되도록 제조할 수 있다. 기재의 성질은 상기 물질의 성질을 보충하기 위해 선택될 수 있다.
본 발명은 예컨대, 공구 성분 또는 삽입물로서 유용한 다이아몬드 결정 함유 물질에 관한 것이다.
도 1 내지 도 10은 본 발명의 방법에 의해 제조된 다이아몬드 결정 함유 물질중에 존재하는 쌍정 다이아몬드 결정의 실례를 도시한 것이다.
본 발명은 공급원 결정 집괴, 성장 중심 및 매트릭스 물질을 예비성형하고 성장 중심을 성장시키고 매트릭스를 동일한 작동으로 형성함으로써 공구 성분 또는 물질을 제조할 수 있다. 본 발명은 예컨대, 최종 용도를 위한 근사 망상 형태 및 치수로 공구 성분 또는 물질을 제조할 수 있다. 매트릭스의 성질은 공구 성분 또는 물질이 지속되는 제공 조건을 결정한다. 과포화-시간 프로파일에 따라 다이아몬드의 성장 속도 및 크기가 결정되고, 예비성형된 집괴중의 결정 공급원 성장 중심 및 매트릭스의 상대량에 따라 공구 성분 또는 물질중의 결정 농도가 결정된다.
결정 및 매트릭스의 예비성형 또는 제조는 임의의 통상적인 방법(예, 고온 압축, 순간 결합제의 존재 또는 부재하에 냉간 압착 또는 슬립 캐스팅)으로 실행할 수 있다. 예비성형 또는 제조를 위한 선택된 조건은 바람직하게 다이아몬드가 거의 흑연화되지 않도록 하는 것이다.
본 발명의 방법에서, 결정의 성장은 공급원 결정과 성장 중심사이의 입경의 차이에 의해 생성되는 과포화에 의해 일부이상에서 얻어진다. 공급원 결정 및 성장 중심은 입경 범위의 대향 말단에서 입자에 의해 제공될 수 있다. 따라서, 이 경우에 성장 중심은 입경 범위의 높은 말단에서 결정에 의해 제공될 수 있지만, 공급원 결정은 입경 범위의 낮은 말단에서 결정에 의해 제공될 것이다. 상기 범위의 낮은 말단에서 결정의 양, 즉 결정의 수는 일반적으로 상기 범위의 높은 말단에서보다 더 클 것이다.
공급원 결정은 성장 중심보다 작게된다. 공급원 결정의 크기는 따라서 성장 중심의 크기에 의존한다. 공급원 결정이 20μ 미만 및 일반적으로 15μ 미만의 크기를 갖는다면 특히 양호한 다이아몬드 성장 및 특히 효과적인 결합된 응집성 물질이 생성될 수 있는 것으로 밝혀졌다.
성장 중심은 또한 공급원 결정으로부터 분리 및 구별되는 시드 결정에 의해 제공될 수 있다. 이러한 시드 결정은 일반적으로 공급원 결정보다 실질적으로 클 것이다. 본 발명의 이런 형태의 실례는 공급원 결정 입자로서 10μ 미만의 크기의 입자 및 성장 중심으로서 거의 10μ 이상(예, 40μ 이상)의 크기를 갖는 시드 결정을 사용한다. 시드 결정의 양은 일반적으로 공급원 결정의 양보다 더 클것이다.
적합한 용매/촉매의 실례는 철, 코발트, 니켈, 망간 및 이들 금속중의 어느 하나를 함유하는 합금과 같은 전이 금속, 스테인레스 스틸 초합금(예, 코발트, 니켈 및 철계), 니켈/인, 니켈/크롬/인 및 니켈/팔라듐과 같은 경납 및 코발트 함유 동을 포함하는 동이다. 다이아몬드에 대한 다른 적합한 용매/촉매는 전이금속(예, 구리, 구리/알루미늄 및 인)을 함유하지 않는 합금, 요소 및 화합물, 및 알칼리, 알칼리 토금속 수산화물, 탄화물 및 황화물과 같은 비금속 물질 또는 그의 혼합물이다.
공급원 입자는 통상적인 고압/고온 방법에 의해 제조된 다결정질 다이아몬드를 포함하는 합성 다이아몬드일 수 있다. 공급원 입자는 또한 천연 다이아몬드(카보나도를 포함), 충격파 다이아몬드 또는 CVD 다이아몬드, 즉 화학적 증착에 의해 제조된 다이아몬드일 수 있다. 물론 성장 중심 다이아몬드는 공급원 다이아몬드보다 항상 큰 크기인 것을 제외하고는 유사한 형태일 수 있다.
시드 결정은 양호하게 발전된 자른 면을 가질 수 있고, 쌍정면(예, 입방체, 8면체 및 입방-8면체)이 전혀 없거나, 이들은 쌍정면을 함유할 수 있거나, 이들은 불규칙, 원형 또는 회전 타원체일 수 있다. 시드 결정은 예컨대 용매/촉매로 피복되거나 도금될 수 있다.
상기 방법에 사용되는 승온 및 승압의 조건은 당해 분야에 알려져 있다. 합성 조건은 다이아몬드가 열역학적으로 안정한 상태인 조건일 수 있다. 이들 조건은 당해 분야에 널리 알려져 있다. 일반적으로, 승온은 1200 내지 1500℃일 것이고, 승압은 50 내지 70킬로바아(5 내지 7GPa)일 것이다. 이들 승온 및 승압 조건은 결정 성장이 발생하기에 충분한 기간동안 유지될 것이다. 시간은 일반적으로 15분이상일 것이고, 1시간 또는 그 이상일 수 있다.
다이아몬드가 열역학적 안정성 영역을 벗어나는 조건하에서 다이아몬드 성장을 생성하는 것이 또한 가능하다. 오스트발트 규칙이 오스트발트-볼머 규칙보다 성장 방법이 우세하면 다이아몬드의 열역학적 안정성의 영역외부의 온도 및 압력 조건이 사용될 수 있다(문헌[Bohr, R Haubner and B Lux Diamond and Related Materials volume 4, pages 714-719, 1995] 참조)- "오스트발트 규칙에 따르면, 에너지가 몇가지 에너지 준위를 갖는 시스템으로부터 철회되면 시스템은 안정한 지면 상태로 바로 도달하지 못할 것이지만 점착적으로 모든 중간 준위를 통과할 것이다. 게다가, 오스트발트-볼머 규칙에 따르면, 덜 치밀한 상이 먼저 형성된다(핵을 이룬다). 2가지 규칙이 서로 모순되게 나타나는 경우에, 오스트발트-볼머 규칙은 오스트왈드 규칙보다 우세성을 갖는다". 열역학적 안정성의 영역외부에서 다이아몬드 결정이 성장하는 경우에, 오스트발트-볼머 규칙은 예컨대 압력의 적용에 의해 억압될 수 있고, 따라서 미리 존재하는 다이아몬드 입자상의 다이아몬드의 성장은 제공된 흑연 결정이 거의 존재하지 않는 것을 허용한다. 등온 및 등압 조건이 본 발명의 실행에 필수적인 것은 아니지만 이러한 조건은 상기 방법이 보다 용이하게 조절될 수 있는 것으로서 바람직하다.
공급원 결정 및 성장 중심 결정은 적합한 용매/촉매와 접촉하여 반응 집괴를 생성한다. 일반적으로, 결정은 미립자 형태중에 용매/촉매와 혼합될 것이다. 용매/촉매중에 탄소의 과포화를 생성하기 위해 공급원 결정이 충분해야 한다. 용매/촉매중에 공급원 결정 용액은 고체 또는 액체 상태일 수 있다. 반응 집괴중에 공급원 및 성장 중심 다이아몬드의 함량은 일반적으로 10부피% 이상 및 일반적으로 80부피% 미만일 것이다. 공급원 및 성장 중심 다이아몬드의 전형적인 함량은 30부피%이다.
반응 집괴는 통상적인 고온/고압 장치의 반응 대역중에 위치할 수 있고, 내용물은 온도 및 압력의 목적하는 승온 조건으로 처리된다. 공급원 물질은 촉매/용매중에 조질 성장 중심 결정에 대해 우선적으로 용해한다. 탄소 용질은 성장 중심으로 이동하고 침전되거나 상부에서 성장한다. 생성되는 결정은 또한 형태에 영향을 미치는 용매/촉매의 화학 조성물 및 온도 및 압력 조건과 분리되어, 활용되는 상태-시간 외곽선상에 의존하는 형태를 가질 것이다.
본 발명의 다이아몬드 결정 함유 물질의 매트릭스는 다른 상 또는 제 3 상을 함유할 수 있다. 다른 상은 생성물의 제조의 조건하에서 열역학적으로 안정하여야 하고 이들 조건하에서 용매/촉매중에서 불용성 또는 거의 불용성일 수 있다. 다른 상 물질이 용매/촉매중에서 가용성 또는 거의 가용성일때 적은 용해도의 피복 또는 도금에 의해 보호될 수 있다.
다른 상 및 그의 성질은 생성되는 제품의 형태에 의존할 것이다. 다른 상은 입자, 섬유, 위스커(whisker), 판 등의 형태를 가질 수 있다. 적합한 제 3 상 물질의 실례는 탄화물, 산화물, 황화물, 질화물, 규화물, 붕소화물, 요소 물질 또는 그의 혼합물 또는 결합된 탄화물과 같은 결합된 물질이다. 적합한 제 3 상 물질의 특정 실례는 탄화텅스텐, 결합된 탄화텅스텐 입자, 탄화티탄, 산화알루미늄, 질화티탄, 질화규소, 탄화규소, 질화알루미늄, 질화붕소 입방체 등이다.
다른 상은 또한 흑연, 6각형 질화붕소 또는 몰리브데늄 디설파이드와 같은 윤활제를 함유할 수 있다. 상기 물질중에 이러한 윤활제의 포함으로 외부 윤활제의 사용을 막을 수 있다.
미립자 형태일때 다른 상은 상기 물질의 결정과 동일하거나 다른 입경을 가질 수 있다.
다른 상은 한가지 이상의 성분을 함유할 수 있고, 예컨대 탄화물 및 질화물을 함유할 수 있거나, 다수의 상이한 상을 포함할 수 있다.
다른 상은 일반적으로 용매/촉매 및 다이아몬드 공급원 및 성장 중심 물질과 혼합하여 반응 집괴를 생성할 것이다. 이어서 반응 집괴는 전술한 바와 같이 승온 및 승압 조건으로 처리한다.
다른 상은 또한 다이아몬드 성장동안에 반응 집괴중에 그 위치에서 이루어질 수 있다.
매트릭스의 미세구조는 고온/고압 단계로부터 냉각 단계의 조절, 연속적인 열 처리 또는 반응 집괴중에 입자 정제 물질의 포함과 같은 다수의 방법으로 조작될 수 있다.
전술한 바와 같이, 결합된 밀착한 물질에 존재하는 다이아몬드 결정은 높은 비율의 합성 쌍정 다이아몬드를 함유한다. 상기 물질중에 존재하는 쌍정 다이아몬드 결정의 실례는 도 1 내지 도 10에 도시된다. 도 1 내지 도 7은 주사 전자 현미경이고, 도 8 내지 10은 30 내지 150배율의 광학 현미경이다.
도 2, 3, 4 및 6은 상이한 각으로부터 스타 쌍정 다이아몬드 결정의 사진이다. 스타 쌍정은 비평행{111} 쌍정 평면을 포함하는 환식 쌍정 형태이다. {111} 쌍정 평면의 몇가지는 도 2, 3 및 6에서 확인된다.
도 5는 {111} 평면을 따르는 접촉-쌍정 입방체 결정을 도시한다. 현미경의 상부에서 모서리는 입방체이고, 상기 지점에서 마주치는 세개의 테두리는 상호 수직이다. {111} 쌍정 평면이 확인된다.
도 7은 세개의 성장 쌍정 결정 응집체를 도시한다. 2개의 결정(하나는 거의 수직이고, 가장 큰 것은 거의 수평이다)은 일련의 평행한 조성물 평면을 포함하는 다합성 쌍정을 나타낸다. 관찰자쪽으로 향한 결정은 스타 쌍정을 나타낸다. 말단상에서 볼때 결정은 5개의 측면 스타로 나타난다.
도 8 및 9는 다른 각에서 합성 쌍정 판의 사진이다. 높은 외형비가 주목된다.
도 10은 신장 스타 쌍정 다이아몬드 결정의 사진이다. 또한, 높은 외형비가 주목된다.
본 발명은 하기의 실시예에 의해 예시될 것이다.
실시예 1
반응 캡슐을 사용하여 철-코발트 매트릭스중에 분산된 다이아몬드 결정을 포함하는 물질을 제조하였다. (a) 최대 8μ의 크기 및 1μ 미만의 50집괴%와 다이아몬드 분말 50g 및 (b) 코발트 철(65Co.35Fe) 촉매/용매 285g으로 혼합물을 제조하였다. 조질 합성 물질을 분쇄함으로써 다이아몬드를 제조하였다. 혼합물을 고온 프레스에 의해 약 25%의 다공도를 함유하는 실린더로 성형하였다. 실린더를 반응 캡슐중에 넣고 약 55킬로바아 및 약 1380℃의 조건으로 상승시켰다. 캡슐로부터 제거된 부품은 성형시 원통형이었고, 다공도의 감소와 비례하여 치수가 감소하였다. 게다가, 다이아몬드 물질은 70US 메쉬(210μ) 이상의 크기로 성장하였고, 거의 모든 합성 쌍정 다이아몬드였다. 결합되고 밀접한 물질은 내마모성 및 절삭 용도에 사용하기에 적합한 강도 및 내부식성을 가졌다.
실시예 2
반응 캡슐을 사용하여 철-코발트 매트릭스중에 분산된 탄화텅스텐 입자 및 다이아몬드 결정을 포함하는 물질을 제조하였다. (a) 약 75μ의 크기의 다이아몬드 시드 0.01g, (b) 0.5μ 미만의 크기의 다이아몬드 분말 42g, (c) 40 내지 60US 메쉬(250 내지 420μ) 크기의 공융 탄화텅스텐 입자 118g 및 (d) 코발트 철(65Co.35Fe) 매트릭스 분말 240g으로 혼합물을 제조하였다. 조질 합성 물질을 분쇄시켜 다이아몬드를 제조하였다. 혼합물을 15분동안 750℃에서 고온 프레스에 의해 실린더로 성형시켰다. 약 25%의 다공도를 함유하는 실린더를 반응 캡슐에 넣고 약 55킬로바아 및 1380℃의 조건으로 상승시켰다. 캡슐로부터 제거한 후에, 부품은 성형시 원통형이었고, 다공도의 감소와 비례하여 치수가 감소하였다. 파쇄에서, 상기 부품은 다이아몬드 공급원 물질이 70US 메쉬(210μ)이상의 크기로 성장하였고, 거의 모든 합성 쌍정 다이아몬드인 것을 나타내었다. 탄화텅스텐 입자를 그의 원래 크기로 보존하였다. 더우기, 다이아몬드 결정 및 탄화텅스텐 입자를 매트릭스중에 널리 분산시켰다. 결합되고 밀착된 물질은 내마모성 및 절삭 용도에 사용하기에 적합한 강도 및 내부식성을 가졌다.
실시예 1 및 2에 의해 제조된 유사한 쌍정 다이아몬드-결정 함유 물질은 본 발명의 방법 및 상이한 매트릭스를 사용하여 제조하였다. 이들 실시예(3 내지 18) 및 사용된 조건은 하기 표에 나타낸다.
실시예 매트릭스 압력(kbar) 온도(℃) 시간(분) 공급 크기(μ) 시드 크기(μ) 결과 크기(㎛)
3 100%Co 53.0 1400 660 0-0.5 없음 150-600
4 100%Ni 54.8 1410 660 0-0.5 없음 200-1000
5 65Co.35Fe 55.0 1380 1320 0-0.5 75 70-600
6 65Co.35Fe 53.0 1370 1020 0-0.5 65-75 150-300
7 70Fe.30Ni 55.0 1430 600 6-12 없음 10-20
8 70Fe.30Ni 54.2 1250 60 0-0.5 없음 50-150
9 52Mn.48Ni 54.2 1410 660 0-0.5 49-65 80-200
10 56Cu.30Co.14Sn 54.2 1410 40 0-0.5 49-65 200-700
11 60Co.32Cu.8Sn 54.2 1410 660 0-0.5 49-65 200-700
12 40Cu.26Mn.24Ni.10Sn 54.2 1410 40 0-0.5 49-65 150-350
13 68Cu.17Sn.15Co 54.2 1410 660 0-0.5 49-65 60미만
14 100%Cu 54.2 1420 660 0-0.5 없음 30미만
15 89Ni.11P 54.2 1250 660 0-0.5 없음 50-250
16 77Ni.13Cr.10P 54.2 1410 660 0-0.5 없음 100-750
17 80Cu.20Sn 55.0 1460 660 0-0.5 없음 30미만
18 60Cu.40Sn 55.0 1460 660 0-0.5 없음 30미만
상이한 공급원 크기 및 다이아몬드 형태를 사용하는 것을 제외하고 본 발명의 방법에 의해 제조된 쌍정 다이아몬드-결정 함유 물질의 실례는 실시예 19 내지 26에 기술되어 있다. 이들 실시예 및 실시예 27 내지 54에 있어서, 철 니켈 또는 코발트 철 촉매/용매를 사용하였다.
실시예 공급원 크기(μ) 공급원 형태 압력(kbar) 온도(℃) 시간(분) 결과 크기(㎛)
19 0-0.5 합성 54.2 1220 60 50-150
20 0.5-1.0 합성 54.2 1220 60 30미만
21 1.0-2.0 합성 54.5 1330 600 20-60
22 3-6 합성 54.5 1330 600 10-20
23 6-12 합성 55.0 1430 600 10-20
24 8-16 합성 56.0 1460 600 200-400
25 0.04 충격파 54.5 1380 660 80미만
26 0-0.5 천연 54.5 1380 660 200-400
상기 나타낸 바와 같이, 다이아몬드-결정 함유 물질의 매트릭스는 다르거나 또는 제 3 상 물질을 함유할 수 있다. 다양한 형태중에 다양한 제 3 상 물질은 본 발명의 쌍정 다이아몬드-결정 함유 물질을 제조하는 데 사용될 수 있다. 이들 실시예, 즉 실시예 27 내지 29에 사용된 조건 및 물질은 하기 기술한다.
실시예 27 28 29
다이아몬드 공급원 형태 천연 합성 합성
공급원 크기(㎛) 0.5-1.0 1.0-2.0 1.0-2.0
시드 형태 없음 합성 다이아몬드 합성 다이아몬드
시드 크기(㎛) 67-75 65-75
압력(kbar) 54.2 55.2 55.2
온도(℃) 1390 1370 1370
시간(분) 180 600 600
제 3 상 WC-Co(7.37%) SiC SiC
제 3 상의 형태 원형 판형 위스커
결과 안정한 탄화텅스텐-코발트 다이아몬드 결정 쌍정 크기 20 내지 40㎛ 안정한 탄화규소 판형 다이아몬드 결정 쌍정 크기 10 내지 20㎛ 안정한 탄화규소 위스커 다이아몬드 결정 쌍정 크기 15 내지 60㎛
특히 유용한 제 3 상 물질은 탄화물인 것으로 밝혀졌다. 다양한 탄화물은 쌍정 다이아몬드 결정 함유 물질을 제조하는데 사용되고 사용된 조건은 하기(실시예 30 내지 35)에 기술된다. 각각의 이들 실시예에서 탄화물은 생성된 물질중에서 안정하게 유지된다.
실시예 30 31 32 33 34 35
공급원형태 합성 다이아몬드 합성 다이아몬드 합성 다이아몬드 천연 다이아몬드 합성 다이아몬드 합성 다이아몬드
공급원크기(㎛) 0-0.5 0.5-1.0 0-0.5 0-0.5 1.0-2.0 1.0-2.0
시드 형태 합성 다이아몬드 없음 없음 없음 합성 다이아몬드 합성 다이아몬드
시드 크기(㎛) 65-75 65-75 65-75
압력(kbar) 53.0 54.2 54.2 54.2 55.2 55.2
온도(℃) 1370 1390 1390 1390 1370 1370
시간(분) 660 180 180 180 600 600
제 3 상 공융 WC/W2C WC-Co WC WC Cr3C2 SiC
제 3 상의 크기(㎛) 250-420 210-297 38-88 38-88 45미만 105-125
결과 크기(㎛) 200-400 15미만 20미만 30-60 30-60 10-20
다른 유용한 제 3 상 물질은 질화물 및 산화물이다. 이러한 제 3 상 물질의 용도 및 사용된 조건의 실시예는 실시예 36 내지 41에 기술되어 있다. 이들 각각의 실시예에서, 물질중의 다이아몬드는 쌍정이고 질화물 또는 산화물은 안정하게 유지된다.
실시예 36 37 38 39
다이아몬드 공급원 형태 합성 합성 합성 합성
공급원 크기(㎛) 1.0-2.0 0.5-1.0 1.0-2.0 1.0-2.0
시드 형태 합성 다이아몬드 없음 합성 다이아몬드 합성 다이아몬드
시드 크기(㎛) 65-75 67-75 67-75
압력(kbar) 55.2 55.2 55.2 55.2
온도(℃) 1370 1420 1370 1370
시간(분) 600 600 600 600
제 3 상 Si3N2 입방체 BN A1N TiN
물질중에 제 3 상의 크기(㎛) 10미만 88-105 125미만 45미만
결과-크기(㎛) 150미만 10-20 10-20 10-30
실시예 40 41
다이아몬드 공급원 형태 합성 합성
공급원 크기(㎛) 1.0-2.0 0.5-1.0
시드 형태 합성 다이아몬드 없음
시드 크기(㎛) 65-75
압력(kbar) 55.2 55.2
온도(℃) 1370 1420
시간(분) 600 600
제 3 상 Al2O3 라임 안정화된 이산화지르콘
물질중에 제 3 상의 크기(㎛) 약 100 45미만
결과-크기(㎛) 10-30 10-20
실시예 42 내지 46은 제 3 상으로서 탄화물 및 질화물 및 다이아몬드 및 제 3 상의 다양한 크기를 사용하여 쌍정 다이아몬드 결정 함유 물질의 제조방법을 예시한다. 제 3 상 물질은 생성된 물질중에서 안정하게 유지된다.
실시예 42 43 44 45 46
다이아몬드 공급원 형태 합성 합성 천연 천연 합성
공급원 크기(㎛) 0.5-1.0 0-0.5 0-0.5 0-0.5 1.0-2.0
시드 형태 없음 없음 없음 없음 합성 다이아몬드
시드 크기(㎛) 65-75
압력(kbar) 54.2 54.2 54.2 54.2 55.2
온도(℃) 1390 1390 1390 1390 1370
시간(분) 180 180 180 180 600
제 3 상 7.37%의 코발트와 탄화텅스텐 탄화텅스텐 7.37%의 코발트와 탄화텅스텐 탄화텅스텐 질화규소
물질중에 제 3 상의 크기(㎛) 210-297 38-88 210-297 38-88 10미만
결과-크기(㎛) 20 미만 20 미만 30-60 30-60 150미만
본 발명의 쌍정 다이아몬드 결정 함유 물질중에 제 3 상 및 다이아몬드의 상이한 농도를 사용하는 실례를 실시예 47 내지 54에 나타낸다. 제 3 상은 이들 각각의 실시예의 물질중에 안정하게 유지된다.
실시예 47 48 49 50
다이아몬드 공급원 형태 합성 합성 합성 합성
공급원 크기(㎛) 0-0.5 0-0.5 8-16 1.5-3.0
시드 형태 없음 없음 없음 없음
시드 크기(㎛)
압력(kbar) 53.0 55.0 56.0 54.2
온도(℃) 1370 1450 1460 1390
시간(분) 660 600 600 180
물질중에 다이아몬드의 부피% 35 11 53 78
제 3 상 없음 없음 없음 없음
물질중에 제 3 상의 부피%
결과-크기(㎛) 200-1000 200-600 150-300 200-800
실시예 51 52 53 54
다이아몬드 공급원 형태 합성 천연 합성 합성
공급원 크기(㎛) 0-0.5 0-0.5 0.5-1.0 1.0-2.0
시드 형태 합성 다이아몬드 없음 없음 합성 다이아몬드
시드 크기(㎛) 65-75 65-75
압력(kbar) 53.0 54.2 54.2 54.2
온도(℃) 1370 1390 1390 1370
시간(분) 660 180 180 600
물질중에 다이아몬드의 부피% 8 15 31 16
제 3 상 공융 탄화텅스텐 혼합물 탄화텅스텐 7.37% 코발트와 탄화텅스텐 탄화규소
물질중에 제 3 상의 부피% 30 30 10 26
결과-크기(㎛) 200미만 30-60 15미만 10-20
실시예 55
다른 실시예에서, 반응 캡슐을 사용하여 소량의 크롬을 함유하는 니켈/인의 매트릭스중에 분산된 쌍정 다이아몬드 결정 및 탄화크롬 섬유를 포함하는 물질을 제조하였다. 탄화크롬 섬유를 매트릭스중의 크롬 금속 및 다이아몬드로부터 용액중의 탄소의 화학 반응에 의해 그 위치에서 형성하였다. (a) 니켈/크롬/인 합금 분말 70부피% 및 (b) 0.25μ 미만의 크기 범위의 다이아몬드 분말 30부피%로 혼합물을 제조하였다. 고온 프레스에 의해 약 20%의 다공도를 함유하는 실린더로 혼합물을 성형하였다. 실린더를 반응 캡슐중에 넣고 약 54.2kbar 및 약 1420℃의 조건으로 상승시켰고, 약 11시간동안 상기 조건을 유지시켰다. 캡슐로부터 회수된 부품을 성형시 원통형으로 유지시켰고, 다공도의 감소와 비례하여 그의 치수가 감소하였다. 회수된 물질의 시험에 따라 약 6각형 단면적 및 약 500μ미만의 길이 및 약 30μ의 횡길이의 탄화크롬의 섬유는 성장 다이아몬드중에서 분산되는 것으로 나타났다. 이들 다이아몬드는 쌍정이었고 약 100 내지 750μ의 크기 범위였다.

Claims (30)

  1. 다이아몬드 결정의 공급원을 제공하는 단계,
    다이아몬드 결정에 의해 정의되는 다수의 성장 중심을 제공하는 단계,
    공급원 및 성장 중심을 용매/촉매와 접촉시켜 반응 집괴(集塊)를 생성하는 단계,
    상기 반응 집괴를 고온/고압 장치의 반응 대역중에 결정 성장에 적합한 승온 및 승압의 조건으로 처리하여 결합된 응집성 물질을 생성하는 단계 및
    반응 대역으로부터 상기 물질을 제거하는 단계를 포함하고,
    공급원 결정과 성장 중심사이의 입경 차이의 선택에 의해 일부이상에서 용매/촉매중의 탄소의 필요한 과포화가 수득되는, 매트릭스중에 다이아몬드 결정 집괴를 포함하는 결합된 응집성 물질의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    용매/촉매중에 탄소의 필요한 과포화가 공급원 결정과 성장 중심사이의 입경 차이의 선택에 의해 우세적으로 수득되는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    공급원 결정 및 성장 중심이 입경 범위의 대향 말단에서 입자에 의해 제공되는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    성장 중심이 시드 결정에 의해 제공되는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    공급원 결정의 양이 성장 중심의 양보다 큰 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    반응 집괴가 미립자 형태로 용매/촉매와 공급원 및 성장 중심 다이아몬드를 혼합함으로써 생성되는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    반응 집괴중의 공급원 및 성장 중심 다이아몬드의 함량이 10부피% 이상인 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    반응 집괴중의 공급원 및 성장 중심 다이아몬드의 함량이 80부피% 미만인 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
    반응 집괴가 다른 상을 함유하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    다른 상이 입자, 섬유, 위스커(whisker), 판형 등의 형태인 방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    다른 상이 탄화물, 산화물, 질화물, 규화물, 붕소화물 또는 이들의 혼합물인 방법.
  12. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    다른 상이 결합된 탄화물인 방법.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,
    다른 상을 다이아몬드 공급원 물질 및 성장 중심 물질 및 용매/촉매와 혼합하여 반응 집괴를 생성하는 방법.
  14. 제 9 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,
    다른 상이 다이아몬드 성장동안에 반응 집괴중에서 동일 반응계로 생성되는 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서,
    결합된 응집성 물질중에 다이아몬드 결정 집괴가 합성 쌍정 다이아몬드를 40% 이상 함유하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    합성 쌍정 다이아몬드가 접촉 쌍정, 쌍정, 다합성 쌍정 및 스타 쌍정을 포함하는 방법.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    합성 쌍정 다이아몬드가 블록(block) 또는 입방체 형태, 판 형태 또는 칼럼 형태인 다이아몬드를 포함하는 방법.
  18. 제 15 항 내지 제 17 항중 어느 한 항에 있어서,
    쌍정 다이아몬드가 실질적으로 도 1 내지 도 10중의 어느 하나의 사진에 도시된 형태를 포함하는 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항중 어느 한 항에 있어서,
    승온 및 승압 조건이 다이아몬드가 열역학적으로 안정한 조건인 방법.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항중 어느 한 항에 있어서,
    승온이 1200 내지 1500℃이고, 승압이 50 내지 70킬로바아(5 내지 7GPa)인 방법.
  21. 다이아몬드 집괴가 40% 이상의 합성 쌍정 다이아몬드를 함유하는 것을 특징으로 하는, 용매/촉매를 함유하는 매트릭스중에 다이아몬드 결정 집괴를 포함하는 결합된 응집성 물질.
  22. 제 21 항에 있어서,
    거의 전체 다이아몬드 집괴가 합성 쌍정 다이아몬드로 이루어진 물질.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    다이아몬드 함량이 80% 미만인 물질.
  24. 제 21 항 내지 제 23 항중 어느 한 항에 있어서,
    매트릭스가 다른 상을 함유하는 물질.
  25. 제 24 항에 있어서,
    다른 상이 입자, 섬유, 위스커, 판 등의 형태인 물질.
  26. 제 24 항 또는 제 25 항에 있어서,
    다른 상이 탄화물, 산화물, 질화물, 규화물, 붕소화물 또는 이들의 혼합물인 물질.
  27. 제 24 항 또는 제 25 항에 있어서,
    다른 상이 결합된 탄화물인 물질.
  28. 제 21 항 내지 제 27 항중 어느 한 항에 있어서,
    합성 쌍정 다이아몬드가 접촉 쌍정, 쌍정, 다합성 쌍정 및 스타 쌍정을 포함하는 물질.
  29. 제 21 항 내지 제 28 항중 어느 한 항에 있어서,
    합성 쌍정 다이아몬드가 블록 또는 입방체 형태, 판 형태 또는 칼럼 형태인 다이아몬드를 포함하는 물질.
  30. 제 21 항 내지 제 29 항중 어느 한 항에 있어서,
    쌍정 다이아몬드가 실질적으로 도 1 내지 도 10중의 어느 하나의 사진에 도시된 형태를 포함하는 물질.
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