JPH0260632B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は多結晶質ダイヤモンド（圧縮体）およ
び単結晶ダイヤモンドの両分野における技術を併
用した製品に関するものである。本明細書中に開
示される製品および製造技術は様々な工業用途お
よび研究用途を有している。

ここで言う圧縮体とは、研摩材（たとえばダイ
ヤモンドや立方晶系窒化ホウ素）の粒子を一体に
結合した強靭で高強度の凝集塊から成る多結晶質
物体を指す。ダイヤモンド圧縮体に関する代表的
な米国特許しては、第3136615号（炭化ホウ素結
合剤）、第3141746号、第3239321号（黒鉛不含有
ダイヤモンド圧縮体）、第3744982号（ホウ素合金
化ダイヤモンド圧縮体製造方法）、第3816085号お
よび第3913280号が挙げられる。また、複合圧縮
体とは焼結炭化タングステンのごとき支持材料に
結合された圧縮体を指す（米国特許第3745623号
明細書を参照のこと）。立方晶系窒化ホウ素
（CBN）に関する代表的な米国特許としては、第
3233988号、第3743489号（アルミニウム合金触
媒）、第3767371号（複合体）および第3852078号
（多結晶質CBNとたとえばダイヤモンドのごとき
他の硬質材料とから成る一様な圧縮体）が挙げら
れる。圧縮体は切削工具、目立て工具および摩耗
部品用の素材として使用することができる。

1978年10月24日に提出された米国特許出願第
954289号明細書中には、ケイ素および炭化ケイ素
で結合されたダイヤモンド、CBNまたはそれら
の混合物から成る圧縮体（ケイ素および炭化ケイ
素結合圧縮体）が記載されている。これは、部分
真空下で炭素被覆研摩材（たとえばダイヤモン
ド）と炭質材料との混合物に液状ケイ素を浸透さ
せることによつて製造される。このような操作は
黒鉛製の型を使用しながら1400℃を越える温度下
で実施することができる。

米国特許第3831428、4129052および4144739号
明細書中には、ダイヤモンドまたはCBNから成
る線引きダイスが開示されている。米国特許第
3850053号明細書中にはまた、圧縮体を用いた切
削工具が開示されている。ダイヤモンドの単結晶
から成る線引きダイスは劈開によつて破損するの
が普通である。すなわち、単結晶ダイヤモンド工
具は大きく割れて破損するのが最も普通である。
しかるに、単結晶ダイヤモンド工具は多結晶質ダ
イヤモンド工具よりも高度に磨くことができ、従
つて工作物の仕上りを一層良好にする。

CBNおよびダイヤモンドの合成のため、そし
てまた研究目的のため、各種の高温高圧装置が設
計されている。高圧装置の到達圧力性能は、材料
の強度、幾何学的形状、応力分布、および利用可
能な応力支持体に依存する。たとえば単純なピス
トン−シリンダ装置の場合、ピストンが焼結炭化
タングステン製であれば、到達圧力は約50キロバ
ールに限定される。たとえばブリツジマン
（Bridgman）アンビルに見られるごとくテーパ
付きのピストンの場合、幾何学的効果によつて強
度が増加し、従つて同じ材料を使用しながら100
キロバール以上の圧力を達成することができる。
更にまた、たとえばドリツカマー（Drickamer）
装置またはケンドール（Kendall）装置に見られ
るごとくにブリツジマンアンビルを支持しかつ
（あるいは）圧力段階支持した場合には、300キロ
バールの圧力を達成することもできる。

下記の参考文献は高圧装置を一層詳細に説明す
るものである。

アイ・エル・スペイン（I.L.Spain）、ハイ・プ
レツシヤ・テクノロジー（High Pressure
Technology）、第１巻第11章（マーセル・デツカ
ー社、ニユーヨーク、1977年）。

米国特許第3191231号（ポンチ上の耐火性先
端）。米国特許第3079505号（天然ダイヤモンド製
アンビル）。

エル・エフ・ヤコヴレフ・ヴエレシチヤーギン
（L.F.Yakovlev Vereshchagin）等、「ｐ〜1Mb
の圧力下における誘電体−金属転移」、高圧に関
する第４回国際会議（京都、1974年）議事録（日
本物理化学会発行、京都、1975年）。

ブロツクおよびピエマリーニ（Block ＆
Piemarini）、フイジツクス・トウデイ（Physics
Today）、1976年97号。

エフ・ピー・バンデイ（F.P.Bundy）、「超高圧
および高温下における研究」、ザ・フイジツク
ス・テイーチヤー（The Physics Teacher）、
461〜470頁（1977年11月）。

米国特許第2941248号。

エフ・ピー・バンデイ、レビユウ・オブ・サイ
エンテイフイツク・インストルメンツ（Review
of Scientific Instruments）、第46巻第10号、
1318頁以下（1975年10月）。

なお、本明細書中において使用される「アンビ
ル」という用語はここで論議される各種の高圧装
置の類似した圧力発生部材（ポンチ、アンビル、
ピストンなど）を包括するものである。

バンデイは、焼結炭化物を焼結多結晶質ダイヤ
モンドで置換することによつて300キロバールを
越える圧力を達成し、そのようにしてドリツカマ
ー装置において500または600キロバールに到達し
た。ソ連の研究者達（ヴエレシチヤーギン等）
は、単純なブリツジマンアンビル装置において多
結晶質ダイヤモンドを使用しながら1000キロバー
ル以上の圧力に到達したと主張している。

スペインの参考文献中には、２個の高品質ダイ
ヤモンド単結晶間で試料を圧迫するヴアン・ヴア
ルケンブラグ（Van Valkenburg）装置が言及さ
れている。また、ブロツク等の改良装置では1000
キロバールまでの圧力が達成されたと言われてい
る。

アメリカ合衆国ニユーヨーク州レンセレルビル
市において1976年６月２〜４日に開催された高圧
現象に関する会議では、超高圧の研究におけるダ
イヤモンド製アンビルセル（たとえばヴアン・ヴ
アルケンブルク装置）の重要性が論議された。か
かる装置が光学的に透明である結果、反応域すな
わちセルのレーザ加熱並びに正確な光学的観察よ
び分光的研究が可能なのである。

しかしながら、従来の装置はいずれも制約を有
している。

１ 大きいダイヤモンド結晶は稀有かつ高価であ
り、品質にばらつきがあり、一般に残留応力を
有し、しかも弱い劈開面を持つている。

２ バンデイの装置では、比較的薄いダイヤモン
ド層が使用されているに過ぎないため、焼結炭
化物製の支持層が最も弱い要素を成している。

３ バンデイ、ケンドールおよびソ連研究者達の
装置では、いかなる手段を用いても光学的通路
を得ることはできない。

なお、ダイヤモンド製光学部品を用いたレーザ
装置は米国特許第3895313号明細書中に記載され
ている。

さて本発明を要約して述べれば、ダイヤモン
ド、CBN、並びにケイ素および炭化ケイ素で結
合されたダイヤモンド、CBNまたはダイヤモン
ドとCBNとの混合物から成る群より選ばれた多
結晶質母体中に埋め込まれた少なくとも１mmの最
大寸法を有する１個以上の単結晶ダイヤモンドか
ら成つていて、かかる単結晶ダイヤモンドが全体
の10〜90（容量）％を占めることを特徴とする圧
縮体が提供される。

上記の圧縮体は多結晶質ダイヤモンドおよび単
結晶ダイヤモンドの性質を兼備するもので、それ
によつて両者の最良の性質が利用される。なお、
単結晶ダイヤモンドの代わりに天然パラスの断片
を使用することもできる。

本発明の圧縮体の製造に役立つ高温高圧装置の
好適な実例としては、米国特許第2941248号明細
書中に記載のごときベルト装置が挙げられる。こ
れは、焼結炭化タングステンから成る１対の向か
い合つたポンチおよび同じ材料から成る中間ベル
トまたはダイ部材を含んでいる。かかるダイ部材
は開口を有していて、その中には装填アセンブリ
を収容するように形成された反応容器が配置され
ている。各ポンチとダイ部材との間にはまた、１
対の断熱性かつ非導電性葉蝋石部材および中間の
金属ガスケツトから成るガスケツトアセンブリが
配置されている。

上記の反応容器は、好適な一形態に従えば、中
空の塩製シリンダを含んでいる。かかるシリンダ
は、(1)高温高圧操作中に（たとえば相転移や圧縮
の結果として）より強固な状態に転化せず、しか
も(2)高温および高圧の印加に際して（たとえば葉
蝋石や多孔質アルミナにおいて見られるような）
体積の不連続性を実質的に起こさないものであれ
ば、その他の材料（たとえばタルク）から成つて
いてもよい。なお、米国特許第3030662号明細書
（第１欄59行目〜第２欄２行目）中に示されたそ
の他の基準を満たす材料もシリンダ作成のために
有用である。

シリンダの内部に隣接しながら、黒鉛製の抵抗
加熱管が同心的に配置されている。かかる黒鉛製
加熱管の内部にはまた、同筒形の塩製ライナが同
心的に配置されている。更に、かかるライナの上
端および下端には塩製プラグが装着されている。

シリンダの各端には導電性の金属円板が配置さ
れていて、それにより黒鉛製加熱管への電気的接
続が達成される。各々の円板に隣接して末端キヤ
ツプアセンブリが配置されているが、その各々は
導電リングによつて包囲された葉蝋石のプラグま
たは円板から成つている。

この種の装置において高温および高圧を同時に
印加するための操作技術は高圧技術者にとつて公
知である。すなわち、塩製ライナおよび塩製プラ
グによつて規定された空間の内部には装填アセン
ブリがはまり込む。かかる装填アセンブリは、ジ
ルコニウム、チタン、タンタル、タングステンお
よびモリブデンから成る群より選ばれた遮蔽金属
製の円筒形スリーブを含んでいる。かかる遮蔽金
属スリーブの内部には、遮蔽金属円板および遮蔽
金属カツプの中に封入されたサブアセンブリが存
在している。かかるカツプおよび円板によつて規
定された空間の内部には研摩材粒子（ダイヤモン
ド、CBNまたはそれらの混合物）の塊りが配置
される。この塊りはまた、黒鉛および（または）
金属触媒を含有していてもよい。研摩材粒子の塊
りの中央には単結晶ダイヤモンドが埋め込まれ
る。線引きダイスが所望される場合、研摩材粒子
の塊りは常温圧縮された焼結可能な炭化物粉末
（炭化物粉末と適切な金属結合剤との混合物）か
ら成る環状体の内部に配置される。所望ならば、
かかる環状体は予備焼結れた金属結合炭化物また
は完成焼結された金属結合炭化物から成つていて
もよい。

装填アセンブリの内容積の残りは、塩製シリン
ダと同じ材料（たとえば塩化ナトリウム）で作ら
れた円板および六方晶系窒化ホウ素で作られた円
板によつて占められる。これらは遮蔽金属円板お
よびカツプによつて規定されたサブアセンブリ中
に望ましくない物質が侵入するのを抑制するため
に役立つ。

かかる高温高圧装置の操作条件は下記の通りで
ある。すなわち、ダイヤモンド母体の場合なら
ば、0.1〜500ミクロンの最大寸法を有するダイヤ
モンド粒子、ダイヤモンド安定域内にある少なく
とも50キロバールの圧力および少なくとも1300℃
の温度、並びに３〜60分の反応時間が使用され
る。また、CBN母体の場合ならば、0.1〜20ミク
ロンの最大寸法を有するCBN粒子、CBN安定域
内にある少なくとも45キロバールの圧力および少
なくとも1300℃の温度、並びに２〜60分の反応時
間が使用される。

上記のごとき装填アセンブリが反応容器内に配
置され、そしてその反応容器がベルト装置内に配
置される。先ず圧力を、次いで温度を上昇させた
後、焼結が起こるのに十分な時間にわたつて所望
の条件が維持される。次に、短時間にわたつて試
料が加圧下で放冷される。最後に、圧力を大気圧
まで低下させてから圧縮体が回収される。

遮蔽金属スリーブは手で取除くことができる。
遮蔽金属カツプまたは円板に由来する付着金属
は、研削またはラツプ仕上げによつて取除くこと
ができる。ゆがみや表面の不整もまた同様にして
取除くことができる。

合成ダイヤモンドの多結晶質母体中に天然ダイ
ヤモンドの大きな単結晶を埋め込んだものから成
る２個の線引きダイス素材用圧縮体が（約65キロ
バールの圧力および1400〜1500℃の温度を使用し
ながら）上記の手順に従つて製造された。その一
方を第１図に示す。この圧縮体の両面には研削お
よびラツプ仕上げが施されている。

かかる線引きダイス素材の断面図を第３図に示
す。単結晶ダイヤモンド１２は多結晶質ダイヤモ
ンド母体１４中に包埋されており、また多結晶質
ダイヤモンド母体１４はコバルト結合炭化タング
ステン製環状体１６の内部で焼結されてそれに接
合されている。線引きダイス素材の心部を貫通し
て二重テーパ付きの穴１８を設けるにはレーザを
使用すればよい。その後、ダイヤモンド粉末を含
浸させた線材を穴の中で往復させることによつて
穴の仕上げが行われる。

単結晶ダイヤモンドは、第３図に見られるごと
くダイスの厚さ全体にわたつて存在する必要はな
い。線材の所要直径の決定に役立つ側圧支持区域
（ダイスの穴の最小直径部分）に存在しさせえす
れば、それより小さくても差支えない。なお、か
かる側圧支持区域はダイスの穴のほぼ中央部分を
占める。入口区域、（線材を変形させる）減径区
域および出口区域（逆テーパ部分）は多結晶質母
体材料から成つていてもよいのである。

本発明に従つて製造された圧縮体の一部におい
ては、微小な割れの発生が認められた。更に研究
を重ねたところ、このような割れは最初に試料を
約65キロバールまで常温圧縮する際に発生するこ
とがわかつた。かかる損害の原因は、圧縮体の合
成に際して結晶表面に不均等な応力が加わること
にある。かかる応力はダイヤモンド粒子同士の不
規則な接触に由来するもので、その結果としてダ
イヤモンド表面間の接触点における応力の増強が
起こるのである。また、圧力容器の内部における
不均一な圧力分布がかかる損害の一因となること
もある。

かかる損害を抑制するには、高温−高圧焼結条
件への暴露に先立ち、相対的に圧縮不可能なダイ
ヤモンド結晶を相対的に圧縮可能な母体材料中に
隔離すればよい。このような母体材料とは、ダイ
ヤモンド結晶の形状に応じ変形して、ダイヤモン
ド結晶に加わる応力を均等に分配するのに役立つ
圧縮可能な形態の炭素であり得る。このような目
的を達成するには幾つかの方法がある。

１ ダイヤモンド結晶を黒鉛または無定形炭素粉
末と混合する。

２ ダイヤモンド結晶をダイヤモンドと黒鉛また
は無定形炭素粉末との混合物と混合する。（炭
化タングステン、Si₃N₄，SiCなどのごとき充
填材を炭素粉末に添加することもできる。） ３ 黒鉛ブロツク中に各ダイヤモンド結晶用の隔
離室を形成する。

４ １、２および３の方法を併用する。

かかるダイヤモンドと炭素母体材料との混合物
は、ダイヤモンド合成条件を達成し得る適当な高
圧装置内に配置される。その結果、黒鉛または無
定形炭素は焼結に際してダイヤモンドに転化さ
れ、従つて圧縮体全域にわたりダイヤモンド−ダ
イヤモンド結合が導入されることになる。通例、
非ダイヤモンド炭素からダイヤモンドへの転化を
促進するために触媒が使用される。適当な触媒と
しては、鉄、ニツケル、コバルト、それらの金属
同士の合金、およびそれらの金属と他の元素との
合金が挙げられる。

観察結果によれば、割れたダイヤモンド結晶の
破片はある種の残留金属によつて再び復元される
ことがわかる。従つて、割れが極めて有害という
わけではない。

線引きダイス用圧縮体の場合にはまた、磨き作
業中に割れが発生することも見出された。これを
防止するには、型から回収した後の圧縮体を鋼製
のリング中に圧入し、それから透明性を得るため
の磨き作業を行えばよい。

本発明の圧縮体はまた、対向アンビル型の高圧
装置（たとえばドリツカマー装置やヴアン・ヴア
ルケンブルグ装置）においても有用である。これ
らの圧縮体をアンビルまたはピストンの先端部材
して使用すれば、以前のような設計上の制約は次
のようにして解決される。

１ 大きなダイヤモンド結晶の代わりに焼結され
た多結晶質ダイヤモンドを使用すればよい。

２ 良好な半径方向支持を受けた厚いダイヤモン
ド層が得られる。

３ 所望に応じ、装置の反応域を通る光路を設け
ることができる。

ダイヤモンド素材の加工に当つては、線引きダ
イス素材の場合と同じく、所望の形状に研削した
後、焼結炭化物製の外部リング中に（プレス嵌め
によつて）圧入すればよい。こうして得られた構
造物は、ブリツジマンアンビルの断面図である第
４図に示されるごとく、直列に配置することもで
きる。かかるアンビルは炭化タングステン製のリ
ング２９中に圧入された２個の圧縮体２０および
２８から成つている。上部の圧縮体２０はピスト
ンとして正しく機能するようにテーパを有するも
ので、これは多結晶質ダイヤモンド母体２３中に
埋め込まれた単結晶ダイヤモンド２２から成つて
いる。また、その全体が炭化タングステン製環状
体２４に対して焼結されている。（上部の圧縮体
２０を支持する）平坦な下部の圧縮体２８はダイ
ヤモンド母体３２中に埋め込まれた単結晶ダイヤ
モンド３０から成つていて、その全体が炭化タン
グステン製環状体３４に対して焼結されている。

大きなダイヤモンド結晶を磨けば、それを通る
光路を得ることもでる。このようにして製造した
場合、得られる複合構造物はヴアン・ヴアンケン
ブルグ装置やバンデイ装置のものよりも強固とな
るはずである。なぜなら、ダイヤモンドの単結晶
は応力支持または予備圧縮応力を受けており、し
かもダイヤモンド層は以前に使用されたものより
も厚いからである。

光路が不要である場合には、第４図に見られる
ごとく単結晶が圧縮体の厚さ全体にわたつて存在
する必要はない。小さくて安価な単結晶ダイヤモ
ンドを多結晶質母体で包囲して使用することも可
能である。

本発明はまた、高圧装置および線引きダイス以
外にも、下記のごとき用途を有する。

１ 多結晶質研摩材部部中に大きな単結晶ダイヤ
モンドを埋め込むことによつて切削工業用のイ
ンサートを製造することができる。かかる単結
晶ダイヤモンドの使用によれば、耐衝撃性の向
上したより強固な工具が実現されるという利点
と並んで、切削時により精密な仕上げをもたら
す清浄な切れ刃が得られることになる。第５図
には割出しの可能な正方形の切削工具用インサ
ートが示されている。このインサートは多結晶
質母体４６中に埋め込まれた４個の単結晶ダイ
ヤモンド４１〜４４を有するもので、多結晶質
母体４６はまた炭化タングステン製の支持体４
８に焼結されている。

２ 米国特許第3895313号明細書中に記載のごと
き光学窓として使用することができる。

アンビルおよび線引きダイス素材用としては、
ただ１個の単結晶ダイヤモンドを有する圧縮体が
最良である。透明であると同時に２個以上の単結
晶ダイヤモンドを有する圧縮体はレーザ窓用とし
て適している。

ダイヤモンド安定域とは、ダイヤモンドが熱力
学的に安定となるような圧力−温度条件の範囲を
指す。圧力−温度状態図上で見ると、一般にそれ
はダイヤモンドおよび黒鉛間の平衡線より上方の
高圧側に位置する。

立方晶系窒化ホウ素安定域とは、立方晶系窒化
ホウ素が熱力学的に安定となるような圧力−温度
条件の範囲を指す。圧力−温度状態図上で見る
と、一般にそれは立方晶系窒化ホウ素および六方
晶系窒化ホウ素間の平衡線より上方の高圧側に位
置する。

本発明を線引きに利用した場合、タングステ
ン、銅被覆鋼、銅、ニツケルのような材料の線引
きに有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は単結晶ダイヤモンドの透明性を明示す
る本発明の一実施例の顕微鏡写真（倍率約17.5
×）、第２図は右側の単結晶と左側の多結晶質母
体との結合状態を示す顕微鏡写真（倍率800×）、
第３図は線引きダイスの断面図、第４図はブリツ
ジマン・アンビル装置のピストンの断面図、そし
て第５図は切削工具用インサートの斜視図であ
る。 図中、１２は単結晶ダイヤモンド、１４は多結
晶質ダイヤモンド母体、１６は炭化タングステン
環状体、１８は二重テーパ付きの穴、２０および
２８は圧縮、２２および３０は単結晶ダイヤモン
ド、２３および３２は多結晶質ダイヤモンド母
体、２４および３４は炭化タングステン環状体、
２９は炭化タングステンリング、４１〜４４は単
結晶ダイヤモンド、４６は多結晶質母体、そして
４８は炭化タングステン支持体を表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 多結晶質母体中に埋め込まれた少なくとも１
   mmの最大寸法を有する１個以上の単結晶ダイヤモ
   ンドから成つていて、前記単結晶ダイヤモンドが
   全体の10〜90（容量）％を占めている圧縮体であ
   つて、前記多結晶質母体が (i) ダイヤモンド、 (ii) 立方晶系窒化ホウ素、 (iii) ダイヤモンドと立方晶系窒化ホウ素の混合
   物、又は (iv) ケイ素および炭化ケイ素で結合された、ダイ
   ヤモンドおよび／又は立方晶系窒化ホウ素から
   なる圧縮体。 ２ 前記多結晶質母体がダイヤモンドである特許
   請求の範囲第１項記載の圧縮体。 ３ 前記多結晶質母体中にただ１個の単結晶ダイ
   ヤモンドが埋め込まれた特許請求の範囲第１〜２
   項のいずれかに記載の圧縮体。 ４ 高圧装置のアンビルに設けられている特許請
   求の範囲第１項記載の圧縮体。 ５ 前記高圧装置の高反応領域を光路が通過する
   ように設けられている特許請求の範囲第４項記載
   の圧縮体。 ６ ダイヤモンド、立方晶系窒化ホウ素およびそ
   れらの混合物から成る群より選ばれた焼結多結晶
   質材料で作られた内部多結晶質体、その内部多結
   晶質体の中央部を貫通して設けられた二重テーパ
   付きの穴、並びに前記内部多結晶質体に対して直
   接に接合し金属結合炭化物で作られた外部環状体
   を有する線引きダイスにおいて、単結晶ダイヤモ
   ンドが前記内部多結晶質体中に埋め込まれかつ前
   記二重テーパ付きの穴の少なくとも中央部分に位
   置するように設けられている特許請求の範囲第１
   項記載の圧縮体。 ７ 焼結金属炭化物合金塊から成る支持体に接合
   された多結晶質研摩部材がダイヤモンド、立方晶
   系窒化ホウ素およびそれらの混合物から成る群よ
   り選ばれた研摩材で作られた工具用インサートに
   おいて、１個以上の単結晶ダイヤモンドが前記多
   結晶質研摩部材中に埋め込まれかつ前記インサー
   トの切れ刃部分に位置するように設けられている
   特許請求の範囲第１項記載の圧縮体。 ８ 前記多結晶研摩部材にダイヤモンドが含まれ
   ている場合には、前記単結晶ダイヤモンドと前記
   多結晶質研摩部材との間にダイヤモンド結晶同士
   の結合が存在する特許請求の範囲第７項記載の圧
   縮体。