SE429127B - Forfarande for framstellning av diamantkristaller - Google Patents

Description

81 ÜQGSÉP-'I 10 15 20 25 30 35 tionskärnor, vilka inom området för diamants termodynamiska stabilitet kan initiera ett med diamantbildningsförloppet kon- kurrerande omkristallisationsförlopp för metastabil grafit, vilket förhindrar bildande av tämligen stora diamantkristallfrak- tioner (med en kornstorlek överstigande 0,4 mm), varför det sta- bila utbytet av dessa fraktioner begränsas till 13 - 15%.

Ett förfarande för odling av diamantkristaller är dessutom känt, vid vilket systemet, till skillnad från det ovan beskriv- na odlingsförfarandet, försättes med aktiva ämnen, exempelvis nitrider av sådana metaller som titan, zirkonium, hafnium, vanadin samt bor, kisel (jämför èxempelvis den japanska patent- skriften 47-4605).

Tillsättandet av nämnda aktiva substans bidrar till att i viss mån öka utbytet av stora diamantkristallfraktioner, vilken ök- ning emellertid är begränsad till endast nâgra få procent av den totala vikten av syntetiserade kristaller. Vid genomföran- de av ovannämnda utföringsform av förfarandet utgör det sta- bila utbytet av stora diamantkristallfraktioner (med en korn- storlek av minst 0,4 mm) högst 20%, vilket dock inte är till- räckligt för industriell tillverkning av diamantkristaller.

Det huvudsakliga syftet med föreliggande uppfinning är att för- bättra förfarandet för odling av diamantkristaller, så att man vid odlingen kan såväl undertrycka bildandet av kristallisations- kärnor för metastabil grafitfas, som begränsa antalet kristal- lisationskärnor för diamantfas, vilket resulterar i en ökning av det stabila utbytet av stora fraktioner (med en kornstorlek av minst 0,4 mm) av tekniskt användbara kristaller.

Detta syfte uppnås enligt föreliggande uppfinning medelst ett förfarande för framställning av diamantkristaller av grafit vid höga temperaturer och tryck inom diamants termodynamiska stabilitetsområde i närvaro av s.k. katalysator-lösningsmedel av metaller och aktiva föreningar bestående av substanser som aktivt påverkar tillväxten av diamanter, varvid man enligt upp- finningen, som aktiva föreningar använder cyanamid och/eller , _.____....._...._..___.._....____....__..-_l. _ 10 15 20 25 30 35 40 8102684-1 metallsubstituerade cyanamider, varvid metallerna tillhör grupperna I, II eller VIII i det periodiska systemet av grund- ämnen.

Det är att föredraga att man vid genomförande av förfarandet enligt uppfinningen för odling av diamantkristaller, såsom kolhaltigt ämne och katalysatorer-lösningsmedel av metall använder grafit, respektive mangan och nickel, i ett inbördes blandningsförhållande av 6:4 och att man tillsätter aktiva föreningar i en mängd av 0,5 - 1,5 viktprocent och får dia- mantkristaller att växa vid ett tryck av 4,3 - 4,5 MPa och en temperatur av 1250 - 1350OC.

För att minska syntestiden för'diamantkristaller kan man som kolhaltigt ämne delvis använda aktiva ämnen.

För att minska mängden inneslutningar i de kristaller, som skall framställas, är det lämpligt, att kristallerna får växa i närvaro av 0,05 - 5 viktprocent lättsmälta metaller, som tillhör gruppen III eller IV i det periodiska systemet.

För att öka hållfastheten hos de diamantkristaller, som fram- ställes, är det önskvärt, att diamanttillväxten sker i närva- ro av 0,5 - 2,5 viktprocent oxider av svårsmälta metaller som tillhör gruppen II eller IV i det periodiska systemet.

Fördelen med det enligt föreliggande uppfinning föreslagna förfarandet för diamantodling är att förfarandet bidrager tillatt öka det stabila utbytet av stora fraktioner av hög kvalitet av tekniskt användbara kristaller (med en kornstor- lek av minst 0,4 mm) till 45%.

Förfarandet enligt uppfinningen för odling av diamantkristal- ler genomföres på följande sätt.

Man placerar i en behållare, vari en värmeanordning exempel- vid av grafit är anordnad, en reaktionsblandning, som består av som katalysatorer-lösningsmedel tjänande metaller i va- rierande inbördes blandningsförhållanden, vilka metaller kan utgöras av nickel, järn, kobolt, mangan, koppar samt vissa 8102684-*1 10 15 20 25 30 35 andra. Reaktionsblandningen blandas med en tillsats av en aktiv förening som utgöres av cyanamid och/eller dess substi- tuerade föreningar av metaller, vilka tillhör grupperna I, II eller VIII i det periodiska systemet, i bestämda koncentra- tioner.

De substituerade cyanamidföreningarna av metaller kan utgöras av exempelvis koppar-, kalcium-, magnesium-, kobolt-, nickel- eller järncyanamider.

I behållaren införes dessutom kolhaltiga föreningar, vilka kan fylla reaktionsrummet i behållaren, såväl homogent som skikt- vis, växelvis med reaktíonsblandningen av metaller, varvid man som kolhaltiga föreningar använder grafit av varierande slag eller grafit, som delvis anrikats med aktiva föreningar val- da bland de som angivits ovan. I det senare fallet kan man öka tillväxthastigheten för diamantkristaller men kristall- »kvaliteten blir härvid något lägre. Behållaren placeras där- efter i en högtryckskammare, varvid uppvärmningen sker genom att elektrisk ström får strömma genom värmeanordningen. Om hänsyn tages till smältpunkten för den använda blandningen av som katalysator-lösningsmedel fungerande metaller, utsättes behållaren för inverkan av temperaturer och tryck, som ligger inom diamants termodynamiska stabilitetsområde. De valda processparametrarna (temperaturen och trycket) hålles konstan- ta under en tid av från några minuter till några timmar be- roende på de krav, som ställes på storleken av och mängden kristaller. Sedan odlingsparametrarna (temperaturen och tryc- ket) minskats till normal rumstemperatur respektive normalt rumstryck (atmosfärstryck) isoleras de framställda diamanter- na från den sintrade produkten.

Förfarandet enligt uppfinningen kan genomföras mest effektivt om man som kolhaltig förening och katalysatorer-lösningsmedel av metaller använder grafit, respektive mangan och nickel, som användes i ett inbördes blandningsförhållande av 6:H, och om man tillsätter 0,05 - 1,5 víktprocent aktiva föreningar och låter diamantkristaller växa vid ett tryck av H,3 - Iz,5 MPa och en temperatur av mellan 1250 och 155o°c. 10 15 20 25 50 35 ÄO 8102684-1 \."l De framställda krístallernas kvalitet kan förbättras genom minskning av kristallernas tillväxthastighet och följakt- ligen av den mängd inneslutningar, som kristallerna kommer att uppvisa, samt genom införande av 0,05 - 5 viktprocent av lättsmälta, till gruppen III eller IV i det periodiska systemet hörande metaller exempelvis In, Pb, Ge, Sn i behål- laren och 0,5 - 2,5 viktprocent oxider av svårsmälta metaller, som tillhör gruppen II eller IV i det periodiska systemet av grundämnen, exempelvis MgO, Ti02.

Uppfinningen belyses närmare nedan i följande utföringsexem- pel på förfarandet.

Exempel 1 Man använde en metallblandning bestående av Mn och Ni i ett inbördes blandníngsförhâllande av 6:U, varvid kolkällan ut- gjordes av grafit. Som aktiv förening tillsattes 0,05 vikt- procent cyanamid. Odlíngen genomfördes vid en temperatur av 125o°c och ett tryck av 11,35 MPa. ' Man erhöll sintrade produkter, i vilka utbytet av tekniskt användbara diamantkorn med en storlek överstigande O,H mm ut- gjorde 30 ' 35%. I Exempel 2 Man använde en reaktíonsmetallblandning bestående av Mn och Ni i ett inbördes blandningsförhållande av 6:ü, medan som kolkälla användes en blandning av grafit och kalciumcyanamid i ett inbördes förhållande av Uzí. Syntesen genomfördes vid en temperatur av 1300oC och ett tryck av Ä,U5 MPa. I ”Man erhöll sintrade produkter, i vilka utbytet av tekniskt användbara diamantkorn med en storlek av minst O,H mm var 32 - 55%. " 332% 5 Man använde en matallblandning bestående av Mn, Ni och Cu i 810268Å-1 10 15 20 25 30 35 ett inbördes blandningsförhâllande av 2:1:1, varvid kol- källan utgjordes av grafit. Till systemet sattes 0,7 vikt- procent kalciumcyanamid och 3 viktprocent indium. Diamant- syntesen genomfördes vid en temperatur av 13H0°C och ett tryck av u,5 MPa.

Man erhöll sintrade material, i vilka utbytet av tekniskt. användbara diamantkorn med en storlek överstigande 0,5 mm var 30 - 35%, medan halten inneslutningar i kristallerna är med 30% lägre än den i de enligt exempel 1 och 2 framställ- da diamantkristallerna. ' Exempel Ä Man använde en metallblandning bestående av Mn, Ni och Co i ett inbördes blandnhgsfiniållande av 6:U:1, varvid kolkållan utgjordes av grafit. Systemet försattes med 1,ü viktprocent cyanamid och 1,5 viktprocent magnesiumoxid. Syntesen genom- _fördee vid en temperatur ev 15oo°c och ett tryck av 4,5 MPa.

Man erhöll sintrade produkter, i vilka utbytet av tekniskt användbara diamantkorn med en storlek överstigande 0,4 mm utgjorde 31 - 3ü%, varvid kristallernas hållfasthet var 15% högre än för de enligt exempel 1 och 2 framställda diamant- kristallerna.

Exempel Se Man använde en blandning av Mn och Ni i ett inbördes vikt- förhållande av 6:4, varvid kolkällan utgjordes av grafit.

Såsom aktiv förening tillsattes 0,8 viktprocent kalciumcyan- amid. Syntesen genomfördes vid en temperatur av 1300°C och ett tryck av Ä,4 MPa. ' _Man erhöll sintrade produkter, i vilka utbytet av tekniskt användbara diamantkorn med en storlek av minst 0,H mm utgjor- de H2 - H5%. 10 15 20 25 30 55 81026814-1 Exempel 6 Man använde en blandning av Mn, Ni och Fe i ett inbördes blandningsförhållande av 6:U:1, varvid kolkällan utgjordes av grafit. Såsom aktiv förening_tillsattes 1,5 viktprocent koboltcyanamid samt 0,06 viktprocent tenn. Syntesen genom- fördes vid en temperatur av 135000 och ett tryck av H,5 MPa.

Man erhöll sintrade produkter, vars utbyte av tekniskt an- vändbara diamantkorn med en storlek av minst 0,H mm var 22 - 25%.

Exempel 7 Man använde en blandning av Mn och Ni i ett inbördes bland- ningsförhållande av 6:Ä, medan kolkällan utgjordes av grafít.

Systemet försattes med 0,06 viktprocent kalciumcyanamid och 0,5 viktprocent mægæsiumoxid (MgO). Syntesen genomfördes vid en temperatur av 1250°C och ett tryck av U,3 MPa.

Man erhöll sintrade produkter, vars utbyte av tekniskt an- vändbara diamantkorn med en storlek av minst 0,H mm var 30 - 35%. Kristallernas hållfasthet var 10% högre än för de enligt exempel 1 och 2 framställda diamantkristallerna.

Exempel 8 Man använde en blandning av Mn, Ni och Co i ett inbördes blandningsförhållande av 6:4:1, medan kolkällan utgjordes av grafit. Till systemet sattes 0,05 viktprocent kalciumcyanamid och 2,3 viktprocent magnesiumoxid. Syntesen genomfördes vid en temperatur av 130000 och ett tryck av 4,3 MPa.

Man erhöll sintrade produkter, vilkas utbyte av tekniskt an- vändbara diamantkorn med en storlek av minst 0,4 mm utgjorde 32 - 35%, medan kristallernas hållfasthet var 15% högre än för de enligt exempel 1 och 2 framställda diamantkristallerna. s1o2as4~1 10 15 Exempel 9 Man utgick från en blandning av Mn och Ni i ett inbördes för- hållande av 6:B, medan som kolkälla användes grafit. Till systemet sattes 0,5 viktprocent av en blandning av cyanamid och Mflniumcyanamid i ett inbördes blandningsförhållande av 1:1 samt.5 viktprocent indium. Syntesen genomfördes vid en temperatur av 1250°C och ett tryck av 4,U MPa.

Man erhöll sintrade produkter, vilkas utbyte av tekniskt an- vändbara diamantkorn med en storlek av minst 0,ü mm var 50 - 35%.

Förfarandet enligt uppfinningen för diamantodling kan med fördel användas vid tillverkning av diamanter avsedda att användas inom verktygsindustrin och vid halvledaranordningar. . _-- .-....-....-.- -,--.----~wflv-v-w«f=l=-f~.--e ~.-u~_--a=mr~------w - -----f..-_.--<-~- -f-.e-ng-.ß-Å- _

Claims (4)

15 20 25 81-026814-1 9 Patentkrav

1. Förfarande för framställning av diamantkristaller av grafit vid höga temperaturer och tryck inom diamants termodynamiska stabilitetsområde i närvaro av s.k. katalysatorer-lösnings- medel av metaller och aktiva föreningar bestående~av sub- stanser som aktivt påverkar tillväxten av diamanter, k ä n - Kn e t e c k n a t av att man som aktiva föreningar an- vänder cyanamid och/eller metallsubstituerade cyanamider, varvid metallerna tillhör grupperna I, II eller VIII i det periodiska systemet av grundämnen.

2. Förfarande enligt krav 1, vid vilket man som katalysatorer- -lösningsmedel av metall använder mangan och nickel i ett blandningsförhållande av 6:4, k ä n n e t e c k n a t av att man tillsätter 0,05 - 1,5 viktprocent aktiva föreningar och bringar diamanter att växa vid ett tryck av 4,3 - 4,5 MPa och en temperatur av 1250 - 1350°C.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att man låter diamanter växa i närvaro av 0,05 - 5 vikt- procent lättsmälta metaller, som tillhör grupp III eller IV i det periodiska systemet av grundämnen.

4. Förfarande enligt krav 1, k'ä n n e t e c k n a t av att man låter diamanter växa i närvaro av 0,5 - 2,5 viktprocent oxider av svârsmälta metaller, som tillhör grupp II eller IV i det periodiska systemet. 810268ë-1 Sammandrag Förfarandet enligt uppfinningen för odling av diamantkristal- ler av kolhaltiga ämnen genomföres vid höga temperaturer och tryck inom diamants termodynamiska stabilitetsområde i när- varo av som katalysatorer och lösningsmedel tjänande metal- ler samt aktiva föreningar. Som aktiva föreningar användes cyanamid och/eller dess substituerade föreningar av metaller, som tillhör grupperna I, II eller VIII i det periodiska syste- met av grundämnen. Det enligt föreliggande uppfinning föreslagna förfarandet kan användas för framställning av diamanter som lämpar sig för användning inom verktygsindustrin och vid halvledaranordningar.