JPH0341425B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は立方晶系窒化ホウ素およびダイヤモン
ド圧縮体を製造するための高温高圧法に関するも
ので、更に詳しく言えば、小形圧縮体の製造効率
を高めかつ改善された特性を持つ新しい種類の圧
縮体を与えるような上記高温高圧法の改良法に関
する。

圧縮体とは、多結晶質の研摩剤粒子（たとえば
ダイヤモンドや立方晶系窒化ホウ素）を結合する
ことにより一体を成して形成された強靭な凝着性
の高強度塊状体を指す。また複合圧縮体とは、焼
結金属炭化物（たとえばコバルト結合炭化タング
ステン）のごとき基本材料に接合された圧縮体を
指す。かかる金属結合炭化物は一般に炭化タング
ステン、炭化チタン、炭化タンタルおよびそれら
の混合物から成る群より選ばれる。この場合、金
属結合剤は約６〜25（重量）％を占めかつコバル
ト、ニツケル、鉄およびそれらの混合物から成る
群より選ばれるのが普通である。

圧縮体や複合圧縮体は切削工具、ドリルビツ
ト、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。また、円柱状に形成された
圧縮体は線引きダイス製造用として使用されてき
た（米国特許第3831423、4129052および4144739
号明細書を参照のこと）。

圧縮体の製造方法の一例として、(A)高温高圧装
置の反応セル内に配置された保護用遮蔽金属包囲
体の内部に(1)研摩剤結晶〔すなわちダイヤモンド
または立方晶系窒化ホウ素（以後はCBNと略称
する）〕の塊状物および(2)かかる研摩剤結晶塊状
物に接触した触媒金属塊を入れ、そして(B)結晶粒
同士の結晶間結合をもたらすのに十分な温度、圧
力および時間条件に反応セルの内容物を暴露する
諸工程から成る方法が挙げられる。

たとえば、触媒金属塊はダイヤモンドまたは
CBNの結晶化のための公知触媒の１種から成る
円板であり得る。高温高圧条件下では、圧縮の最
前線が稠密なダイヤモンドまたはCBN塊状物中
を前進し、その際に（液状の）触媒金属がダイヤ
モンドまたはCBN結晶粒の再結晶もしくは結晶
間結合のための触媒あるいは溶媒として役立つこ
とになる。このように触媒がダイヤモンドまたは
CBN塊状物中に浸透して行くため、かかる方法
は浸透（sweep through）法としても知られてい
る。

研摩剤結晶塊状物および触媒の相対的な形状は
様々に変化し得る。たとえば、研摩剤結晶塊状物
が円柱状を成す一方、触媒は研摩剤結晶の円柱を
包囲する環状体であつてよい。

また、焼結金属炭化物や炭化物成形粉末を触媒
源とすることもできるのであつて、この場合には
その中の結合剤がダイヤモンドまたはCBNの再
結晶もしくは結晶成長のための触媒あるいは溶媒
として役立つことになる。

CBNの場合、触媒は一般にコバルト、ニツケ
ル、および鉄またはアルミニウム合金の中から選
ばれる。研摩剤結晶塊状物に隣接した別個の触媒
金属塊に加えて、あるいはそれに代えて、かかる
触媒を研摩剤結晶と混合することもできる。

また、ダイヤモンドやCBNのごとき研摩剤結
晶の代りに、黒鉛、六方晶系窒化ホウ素またはウ
ルツ鉱型窒化ホウ素のごとき炭素または窒化ホウ
素源を原料として選択使用することもできる。こ
れらは高温高圧法に際してダイヤモンドまたは
CBNにそれぞれ転化される。かかる転化のため
の方法は、たとえば、（ダイヤモンドに関しては）
米国特許第3407445および3850053号明細書並びに
（CBNに関しては）英国特許第1317716号、米国
特許第3212852および4188194号、かつまた1979年
６月11日付の米国特許出願第47656号明細書のご
とき特許文献中に記載されている。なお、これら
の特許文献はいずれも引用によつて本明細書中に
併合されるものとする。

次に、ダイヤモンドまたはCBN安定域内の高
温および高圧が研摩剤結晶同士を結合させるのに
十分な時間にわたつて加えられる。こうして得ら
れた圧縮体はダイヤモンド間またはCBNの結合
すなわち隣接した結晶粒同士の結晶間結合を特徴
とするものである。つまり、高影高圧条件下にお
ける再結晶の結果として、隣接した結晶粒間にお
いて結晶格子の一部が共有された状態にある。な
お、ダイヤモンド圧縮体の製造方法は米国特許第
3141746、3745623、3609818および850591号明細
書中に詳述されており、またCBN圧縮体の製造
方法は米国特許第3233988、3743489、3767371お
よび4188194号明細書中に詳述されている。なお、
これらの特許文献も引用によつて本明細書中に併
合されるものとする。

米国特許第4244380号明細書中には熱安定性圧
縮体の製造方法が記載されている。この特許は、
実質的に全ての金属相（触媒相）を除去すること
により、全域にわたつて分散した連続気孔の網状
組織を含む自己結合研摩剤粒子から本質的に成る
圧縮体を得ようとするものである。かかる圧縮体
は実質的な熱劣化を生じることなく約1200〜1300
℃の温度への暴露に耐え得るのであつて、これは
約700〜800℃の温度で熱劣化を生じるたとえば米
国特許第3745623号の圧縮体に比べて有利なもの
である。金属相の除去は、酸処理、液体亜鉛抽
出、電解除去などの操作によつて行われる。以
後、この種の圧縮体は熱安定性圧縮体と呼ぶこと
にする。

熱安定性圧縮体の現行の製造方法は、各々の製
品を所望の形状（たとえば三角形や弓形）に成形
するための後処理工程（たとえばレーザー切断、
研削またはラツプ仕上）を必要とする。これは時
間、労力および材料を消費するものである。公知
物質のうちでダイヤモンドは最も硬く、また
CBNは二番目に硬いから、それらの多結晶質塊
状体を成形することは極めて困難である。レーザ
切断、ダイヤモンド砥石車でのダイシング、また
はその他の方法のいずれによるにしても、かかる
成形工程は各々の最終製品について労働集約的な
取扱いを要求する。これは完成品の製造に要する
費用、業務および時間を増大させる。大きな多結
晶質塊状体を破砕または粉砕するという方法は実
行不可能である。なぜなら、形状を制御すること
ができない上、所望の粒度を持つたものはほんの
一部分しか得られないからである。それ故、製品
の所望形状を維持しながら各々の製品についての
個別取扱いの必要性を排除することが課題とな
る。

米国特許第3949062号明細書中には、所定形状
のダイヤモンド圧縮体を製造する方法の一例が記
載されている。かかる方法は、所定形状の黒鉛単
一体を触媒で包囲し、次いで電流パルスを用いた
高温高圧操作によつてそれを多結晶質ダイヤモン
ドに転移させることから成る。

また、米国特許第3785093号明細書中には、ダ
イヤモンドとサーメツトとの混合物を（ダイヤモ
ンド安定域ではなく）黒鉛安定域内の条件に暴露
することによる上記の混合物の焼結体の製造方法
が提唱されている。この場合、上記の混合物は黒
鉛製シエルの内部に収容されかつ後者はまた低融
点金属（たとえば亜鉛）製のシエルの内部に収容
された状態で暴露が行われる。

ダイヤモンド安定域とは、ダイヤモンドが熱力
学的に安定であるような温度−圧力条件の範囲を
指す。温度−圧力状態図上で見ると、それはダイ
ヤモンドと黒鉛との平衡線より上方の高圧側であ
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であるような温度−圧
力条件の範囲を指す。温度−圧力状態図上で見る
と、それは立方晶系窒化ホウ素と六方晶系窒化ホ
ウ素との平衡線より上方の高圧側である。

通常の（すなわち熱安定性でない）ダイヤモン
ドまたはCBN圧縮体の場合には、製造時の仕上
工程ではなく使用時に関係する別の問題も存在す
る。触媒浸透法によつて製造されたようなダイヤ
モンドおよびCBN圧縮体は、極めて強いと同時
に極めて脆い材料である。ひとたび亀裂が始まる
と、それはダイヤモンドまたはCBN塊状体中に
広がることがある。こうして生じるチツプは極め
て大きいことがあり、そのためにかかる材料の有
用性が制限されることもある。これが特に問題と
なるのは、複合圧縮体のダイヤモンド層が大きく
破損すると残りの刃物にも損害が及ぶことのある
鑿井機や鑿岩機のビツトの場合である。それ故、
鑿井機のビツトにおいて使用される圧縮体刃物の
ダイヤモンド層のような強固に結合された多結晶
質の脆い材料中に亀裂が広がることによつて起こ
る大規模な破損を低減させる技術が必要である。

米国特許第4255165号明細書中には、少なくと
も２個の焼結金属炭化物塊状体と少なくとも２個
の多結晶質ダイヤモンドまたはCBN塊状体とを
交互に配置して接合することから成る複合圧縮体
の改良が記載されている。このような改良は、亀
裂の広がりに対する抵抗性を高めることにより、
大規模な破損が起こらないように複合圧縮体を内
部から補強するものであると言われている。

また、米国特許第4063909および4108614号並び
に南アフリカ特許出願第77／5521号明細書中に
は、各種の複合圧縮体の製造に際してダイヤモン
ド粒子と金属炭化物との間に遷移金属層をはさむ
ことが開示されている。

更に英国特許第1568202号明細書中には、隣接
したダイヤモンド層間の結合が金属または合金層
を介して行われるような積層圧縮体が開示されて
いる。

さて本発明に従えば、高温高圧焼結操作に先立
ち、変形可能な材料（たとえば金属または合金）
から成る少なくとも１個の仕切ストリツプを研摩
剤結晶塊状物の内部に埋込むことによつて上述の
難点を大幅に改善することができる。かかる仕切
ストリツプは研摩剤結晶塊状物または層の最小寸
法方向に沿つてそれを貫通するもので、研摩剤結
晶塊状物を分割または細分するように配置すれば
よい。圧縮体の製造にしばしば使用される円柱状
の高温高圧装置においては、かかる仕切ストリツ
プは長手方向に沿つて、すなわちそれの中心軸と
平行に配置される。

上記の仕切ストリツプは、研摩剤結晶塊状物の
圧縮に対して橋かけ作用による低抗を生じないよ
うに変形可能性または可撓性を有する必要があ
る。研摩剤結晶塊状物は高温高圧操作による圧縮
に際してその体積の一部（約30％）を失うが、か
かる体積減少に対する順応が達成されなければな
らないのである。仕切ストリツプはまた、細分さ
れた研摩剤結晶塊状物の個々の部分同士を隔離状
態に保つのに十分な程度に強靭であることも必要
である。

仕切ストリツプは任意適宜の形状を有し得るの
であつて、その実例としては平板ストリツプ、金
網、エキスパンデツドメタル、管、および金属平
板から作られた（たとえば三角形や星形の）閉鎖
形状物が挙げられる。かかる閉鎖形状物によれ
ば、研摩剤結晶塊状物の内部に独立した容積が規
定される。仕切ストリツプは、焼結時の浸透機構
を妨害せずかつ後処理工程によつて容易に除去し
得るものであれば、いかなる触媒活性または不活
性の可撓性材料から成つていてもよい。

上記の仕切ストリツプは、通常の圧縮体製造法
において通例使用される遮蔽金属カツプ内に設置
される。次いで、かかるカツプにはダイヤモンド
またはCBNが充填され、かつ複合圧縮体の場合
にはその上に焼結金属炭化物塊状体または炭化物
成形粉末が配置される。

本発明の特異性は下記のような諸発見に基づく
ものである。

１ 閉鎖形状を規定する仕切ストリツプ（たとえ
ば円形、三角形、長方形、正方形または星形の
管）を使用した場合、高温高圧操作に際してダ
イヤモンドまたはCBNは溶融金属により包囲
されるにもかかわらず、閉鎖形状の内部に形成
される圧縮体は圧縮後にも円形、三角形、長方
形、正方形または星形に維持される。

２ ダイヤモンドまたはCBN塊状物の内部に設
置される変形可能な仕切ストリツプ材料として
は、入手の容易な第１遷移群中の第族金属を
使用することができる。反応区域が高圧条件に
加圧され、次いで浸透温度に加熱された場合、
ダイヤモンドまたはCBN中の細孔容積は溶融
した触媒金属によつて満たされる一方、仕切ス
トリツプは本来の位置にとどまる。勿論、仕切
ストリツプ材料との間で拡散や合金化も起こる
が、研摩剤結晶の稠密化および圧縮によつて既
に体積は最小となつているから、研摩剤結晶塊
状物の個々の部分は隔離状態に維持される。

３ 反応区域内に存在する材料の融点は、触媒に
支援された焼結が起こる際の制御因子となるよ
うに思われる。仕切ストリツプ材料が触媒また
は溶媒でない場合、高温高圧装置の反応区域内
の条件下におけるそれの融点は触媒の融点より
少なくとも僅かに（たとえば20℃だけ）高いこ
とが必要である。これは、触媒の浸透が起こる
前に仕切ストリツプが融解して可動状態となる
のを防止するためである。さもないと、触媒よ
りも先に仕切ストリツプがダイヤモンドまたは
CBN中に浸透するため、触媒がそれによつて
阻止されてしまうのである。触媒兼溶媒用の材
料を仕切ストリツプとして使用する場合、これ
は重大な問題ではない。なお、ある材料の融点
が大気圧下では触媒の融点より低いとしても、
著しく高い圧力下およびダイヤモンドまたは黒
鉛の存在下では事情が異なる場合もあることを
認識すべきである。たとえば、ニツケルの融点
はコバルトの融点より低いのが普通であるが、
高温高圧条件下かつダイヤモンドの存在下で
は、ニツケルは約1394℃で共晶を生成して融解
するのに対し、対応するコバルトとダイヤモン
ドとの共晶は約1317℃で生成するのである。こ
れに関ては、エツチ・エム・ストロングおよび
アール・イー・タフト（H.M.Strong＆R.E.
Tuft）の論文「56キロバールにおけるコバル
ト−炭素系」（ゼネラル・エレクトリツク社技
術情報シリーズ、1974年７月）並びにエツチ・
エム・ストロングおよびアール・イー・ハンネ
マン（H.M.Strong＆R.E.Hanneman）の論文
「ダイヤモンドおよび黒鉛の結晶化」〔ザ・ジヤ
ーナル・オブ・ケミカル・フイジツクス、第46
巻3668〜3676頁（1967年５月）〕を参照された
い。

４ 仕切ストリツプ材料は、ダイヤモンドまたは
CBN結晶の圧縮および圧力の伝達が一層効率
的に達成されるようにするため、可撓性または
変形可能性を有していなければならない。予備
成形された剛性の焼結炭化物を仕切ストリツプ
として使用すると、効率的な焼結は困難であ
る。なぜなら、相対的に圧縮性の小さい炭化物
の隔壁が研摩剤結晶に対する圧力の伝達を妨げ
るからである。

このような改良法によれば、仕上工程をほとん
どもしくは全く必要とすることなしに所望形状の
ダイヤモンドまたはCBN圧縮体を製造すること
ができる。高温高圧装置から圧縮体を取出した
後、遮蔽金属スリーブおよび遮蔽金属カツプまた
は円板に由来する付着金属が通常の方法（たとえ
ば剥離、研削またはラツプ仕上）によつて除去さ
れる。この時点において圧縮体は、高温高圧装置
の反応区域内に設置された仕切ストリツプと基本
的に同じ形状の１個以上の材料片を埋込んだ多結
晶質ダイヤモンドままたはCBNから成つている。
熱安定性の圧縮体が所望される場合には、高温高
圧装置から回収された圧縮体が更に米国特許第
4224380号の方法によつて処理される。そのため
には、たとえば、先ず硝酸とフツ化水素酸との熱
混合物に接触させ、次いで塩酸と硝酸との熱混合
物に接触させればよい（米国特許第4224380号明
細書の実施例３を参照のこと）。このような大量
酸処理を圧縮体に施すと、埋込まれた仕切ストリ
ツプは除去され、従つて圧縮体は仕切ストリツプ
によつて規定された各種形状（たとえば円形、三
角形、半円形など）の小形圧縮体に分離される。
これらの小形圧縮体は、所定の形状を有するばか
りでなく、大量酸処理の結果として熱安定性を有
している。

仕切ストリツプはまた、たとえばグリツトブラ
ストによつて機械的に除去することも可能であ
る。しかしながら、簡単である点並びに多結晶質
塊状体中に浸透した触媒（たとえばコバルト）を
除去して熱安定性の圧縮体を得るために使用され
る技術と同じである点から考えると酸処理が好適
である。このように本発明は、熱安定性の圧縮体
を製造するための効率的かつ実用的な方法を提供
する。成形作業や切断作業は全く不要である。必
要とされるのは大量酸処理による金属除去工程の
みである。個別取扱いは実質的に排除される。か
かる改良法によれば、１個の高温高圧反応セル内
に多数の研摩剤結晶塊状物を配置し、そして高温
高圧操作の際には１つの群として処理することが
可能となる。一般的に言つてこれは、従来の方法
（たとえばレーザ加工や放電加工）に比べると、
所望形状の圧縮体を得るための安価かつ簡便な方
法である。実際、この方法は「圧縮成形法」とも
呼ばれている。

大量酸処理を実施しない場合には、（焼結塊状
体中の非作用領域内に位置する）仕切ストリツプ
は埋込まれた状態で存続し、そして多結晶質ダイ
ヤモンドまたはCBN中における亀裂の広がりを
制限するチツプ抑止体として役立つ。この場合、
仕切ストリツプの配置状態は許容し得る最大のチ
ツプ寸法に依存する。なお、圧縮体素材の成形は
通常通りに行えばよい。

以下、好適な実施態様に関連して本発明を一層
詳しく説明しよう。

先ず最初に、焼結ダイヤモンド塊状体の内部に
仕切ストリツプを設置することが可能かどうかを
試験するため、複合圧縮体工具素材製造セル内の
ダイヤモンド粉末中にモリブデン、ニツケル−銅
合金モネル〔モネルはインターナシヨナル・ニツ
ケル社（International Nickel Co.）の登録商標
である〕およびステンレス鋼製の金網を埋込んで
コバルト浸透法を実施した。その結果、仕切スト
リツプ法の可能性が確認された。モリブデンおよ
びニツケル銅合金モネルは満足すべき結果を示し
たが、ステンレス鋼は層剥離やチツピングの問題
を生じた。後者の結果は、ステンレス鋼が保護遮
蔽金属カツプと反応しかつ塩を導入してダイヤモ
ンドを汚染したためであつた。

また、タンタルおよびチタン製の管（外径
0.200インチ＝5.08mm）を長さ3.81mmに切断し、通
常のジルコニウム製遮蔽金属カツプ内に配置し、
ダイヤモンド粉末（最大寸法約６〜8μ）を充填
し、コバルト触媒円板で覆い、それから高温高圧
反応セル内に装填した。様々な形状の管を用いて
この方法を実施したところ、円形、三角形および
星形の圧縮体が得られた。

上記の実験の後、1.6mmの内径を持つたニツケ
ル、鉄およびジルコニウム製の管を切断し、次い
で典型的な高温高圧反応セル内にダイヤモンドと
共に装填して圧縮した。その結果によれば、ニツ
ケルの管はコバルトを用いた触媒浸透法に対し極
めてよく適合するように思われる。また、ジルコ
ニウムも満足すべきものであるがより高価であ
る。

鉄およびニツケルを仕切ストリツプとする実験
において得られた浸出済みの試料について極限圧
縮強さを試験したところ、ニツケルに関する値は
8.30×10⁵psi〔5.72×10⁶kPa（キロパスカル）〕、ま
た鉄に関する値は7.40×10⁵psi（5.10×10⁶kPa）で
あつた。これらの値はいずれも10回の試験の平均
値であつて、最大値は10⁶psi（6.89×10⁶kPa）で
あつた。

このように、コバルト浸透法と共に使用する際
に好適な材料は鉄およびニツケルであつて、中で
もニツケルが最も好適である。使用可能な材料と
しては、周期表中の第ｂ、ｂ、ｂ、ｂ、
ｂおよび族の金属並びにそれらの合金が挙げ
られる。遮蔽金属カツプから隔離しさえすれば、
ステンレス鋼も使用可能である。コバルト自体ま
たは低融点の触媒溶媒用材料（たとえば鉄−ニツ
ケル合金アンバー）を仕切ストリツプとして使用
することもできるが、好ましいことではない。

閉鎖形状の仕切ストリツプの場合には、（たと
えば連続引抜きによつて製造された）側面の平滑
な管を使用すると、管壁が薄くなり、従つてセル
１個当りの製品数を多くすることができる。

本発明の別の実施態様に従えば、閉鎖形状を規
定する複数の仕切ストリツプが１つの束として結
合される。かかる管束からは複数の断片を分離す
ることができるわけで、これは蜂の巣に似てい
る。このような蜂の巣状の管束は、一定のセル容
積内に最大数の仕切ストリツプ従つて最大数の独
立した小形圧縮体を配置するための効率的な手段
を成す。

上記のごとき管束は、個々の閉鎖形状物同士を
拡散接合することによつて形成することができ
る。拡散接合法とは、互いに接触した２個以上の
金属部材を十分に高い温度まで温度循環させるこ
とによつてそれらの金属部材同士を接合する方法
である。その場合の温度は金属を固体拡散によつ
て結合するのに十分なものであるが、部材の形状
を変形させるほどに高いものではない。かかる部
材はそれの融点にまで加熱されることはなく、ま
た体積変化や形状変化を促進するほど長い時間に
わたつて上記温度に保持されることもない。この
結果、複数の初期部材から構成された一体構造物
が得られる。かかる構造物を所望の厚さに切断す
れば、仕切ストリツプとして使用することができ
る。このようにすれば、高温高圧反応セルへの装
填の際に数多くの小さな仕切ストリツプを個別に
取扱う必要がなくなる。

たとえば、真空中において1200℃で10分間の加
熱を行うことにより、複数のニツケル管（融点
1453℃）を結合して単一の構造物とすることがで
きる。詳しく言えば、（真空炉内の中空黒鉛棒の
内部に挿入された）一定数の清浄なニツケル管が
真空中で1200℃に加熱される。次いで、（水銀柱
約28インチのゲージ圧に達するまで）炉内にメタ
ルを導入し、そして約５分間だけ滞留させること
により、管上に炭素被膜が設置される。高真空お
よび1200℃の条件を回復させた後、再びメタンが
導入される。その後、炉を放冷してから管束を取
出せばよい。

かかる管束から断片を分離するには、線放電加
工（EDM）芳を使用するのが簡便である。管上
の炭素被膜は、線放電加工に際して肉厚の非常に
小さい管がゆがむのを防止するために役立つ。２
ミル（50μ）より実質的に大きい肉厚を持つた管
の場合には、ゆがみ防止のための炭素被膜は不要
である。

本発明の圧縮体を製造するための高温高圧装置
の好適な一例は、米国特許第2941248号明細書中
に記載のごときベルト装置である。なお、この特
許明細書は引用によつて本明細書中に併合される
ものとする。かかるベルト装置は、互いに向かい
合つた１対の焼結炭化タングステン製パンチおよ
びそれらの中間に位置する同じ材料製のベルトま
たはダイ部材を含んでいる。ダイ部材は開口を有
していて、その内部には装填アセンブリを収容し
得るような形状の反応容器が配置されている。各
パンチとダイ部材との間には、断熱性かつ非導電
性の１対のパイロフイライト製部材および中間に
位置する金属ガスケツトから成るガスケツトアセ
ンブリが存在している。

好適な一例について述べれば、反応容器は中空
の塩製シリンダを含んでいる。かかるシリンダは
また、(1)高温高圧操作中に相転移および（また
は）圧縮によつて強度および剛性のより大きい状
態に転化せず、しかも(2)たとえばパイロフイライ
トや多孔質アルミナの場合のように高温および高
圧の作用下で体積の不連続化が起こることが実質
的にないものであれば、その他の材料（たとえば
タルク）から成つていてもよい。また、米国特許
第3030662号明細書の第１段59行目から第２段２
行目までに記載されたその他の基準を満たす材料
もシリンダ製造用として役に立つ。なお、この特
許明細書も引用によつて本明細書中に併合される
ものとする。

上記シリンダの内部に隣接して、黒鉛製の抵抗
加熱管が同心的に配置されている。黒鉛製加熱管
の内部には円筒形の塩製ライナが同心的に配置さ
れている。更に、ライナの上端および下端には塩
製プラグがはめ込まれている。

上記シリンダの両端には、黒鉛製加熱管に対す
る電気的接続を達成するために導電性の金属円板
が使用されている。各々の円板には末端キヤツプ
アセンブリが隣接しているが、これは導電性リン
グによつて包囲されたパイロフイライト製プラグ
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
作用させるための操作技術は、超高圧技術界の当
業者にとつて公知である。第１図を参照しながら
説明すれば、装填アセンブリ（または反応セル）
１０が塩製ライナおよび塩製プラグによつて規定
された空間内にはめ込まれる。かかるアセンブリ
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１１および末端キヤツ
プ１２を含んでいる。遮蔽金属スリーブの内部に
は、遮蔽金属円板１６および遮蔽金属カツプ１４
によつてそれぞれ構成された１個以上のサブアセ
ンブリが配置されている。

上記のカツプおよび円板によつて規定された空
間の内部には研摩剤結晶（ダイヤモンド、CBN
またはそれらの混合物）の塊状物１８が配置され
ている。かかる塊状物はまた、黒鉛および（また
は）金属触媒を含有することもある。研摩剤結晶
塊状物の上部かつ遮蔽金属円板の直下には触媒兼
溶媒（たとえばコバルト）の円板２２が示されて
いる。

反応区域内に存在するサブアセンブリの数は重
要でなく、様々に変わり得る。第１図中では、５
個のサブアセンブリが示されていて、それらは脱
水雲母のごとき不活性材料製の隔離円板２４によ
つて互いに隔離されている。

複合圧縮体が所望されるならば、金属によつて
結合された炭化物（たとえば炭化チタン、炭化タ
ングステンまたは炭化タンタル）の塊状体または
適当な金属結合剤を含む炭化物粉末がサブアセン
ブリの内部に配置される。第１図の場合、これは
研摩剤結晶塊状物１８の上方または下方に円板ま
たは層として配置すればよい。複合圧縮体の製造
は公知であつて、一層詳しい説明は米国特許第
3745623号明細書中に見出される。

本発明の仕切ストリツプはサブアセンブリ中に
部材２０として示されている。第１〜３図に示さ
れた特定の実施例の場合、仕切ストリツプは三角
形の部材を拡散接合して前記のごとき蜂の巣状の
パターンにしたものである。第２図は、反応セル
の組立てに際して遮蔽金属カツプ内に蜂の巣状の
仕切ストリツプをいかに設置するかを明確に示し
ている。

第３図は、研摩剤結晶の個々の三角形塊状物１
８がいかに隔離されるかを示している。管束状の
仕切ストリツプの外側に位置する研摩剤結晶は間
隙ダイヤモンドまたはCBN２６と呼ぶことにす
る。

第４図は、自明のごとく、三角形の部材ではな
く４本の円形管２１を用いた仕切ストリツプの変
形実施例を示している。

更に別の変形実施例として、所定のサプアセブ
リ内に形成される圧縮体の数を実効的に２倍にす
ることも可能である。そのためには、サブアセン
ブリの途中に超耐熱性金属円板（たとえばジルコ
ニウム）を設置すればよい。たとえば第１図中の
サブアセンブリの場合、かかるジルコニウム円板
はそのサブアセンブリを上半分と下半分とに分割
する水平部材として設置される。勿論、仕切スト
リツプもまた２つに分断されることになる。この
ような技術が有効であるのは、触媒兼溶媒円板が
ジルコニウム円板の両側に１個ずつ配置されてい
る場合、すなわちコバルト円板２２が第１図に示
されるような位置に常に存在する場合である。

装填アセンブリの内部に不使用容積が存在する
ならば、遮蔽金属円板およびカツプによつて規定
されるサブアセンブリ内に望ましくない物質が侵
入するのを防止するため、塩製シリンダと同じ材
料（たとえば塩化ナトリウム）から成る円板また
は六方晶系窒化ホウ素から成る円板によつて埋め
ればよい。

高温高圧法において使用される典型的な条件
は、(1)ダイヤモンドについては(a)ダイヤモンド安
定域に含まれる少なくとも1300℃の温度および少
なくとも50キロバールの圧力並びに(b)３〜120分
の反応時間であり、また(2)立方晶系窒化ホウ素に
ついては(a)立方晶系窒化ホウ素安定域に含まれる
少なくとも1300℃の温度および少なくとも42キロ
バールの圧力並びに(b)約２〜120分の反応時間で
ある。

上記のごとき装填アセンブリは、ベルト装置の
内部に配置された反応容器の内部に装入される。
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保
たれる。なお、動作圧力に達した後に初めて装置
の温度を動作温度にまで高めることが重要であ
る。動作圧力に達しないうちに温度が触媒の融点
を越えると、浸透が早期に開始してしまう。その
後、短時間にわたつて装置を加圧下で放冷し、圧
力を大気圧まで低下させ、それから圧縮体を回収
すればよい。

本発明の背景に関連して述べた通り、ダイヤモ
ンドまたはCBNの代りに黒鉛、六方晶系窒化ホ
ウ素（HBN）またはウルツ鉱型窒化ホウ素
（WBN）のごとき他の炭素源あるいは窒化ホウ
素源を原料として圧縮体を製造することもでき
る。前述のごとき特許明細書中に記載の方法に従
つて処理すれば、これらの原料は圧縮体に転化す
る。その際の典型的な動作条件を挙げれば、黒鉛
についてはニツケルまたはコバルト触媒の存在下
において50〜62キロバールの圧力、1200〜1600℃
の温度、および30秒ないし40分の時間であり、
HBNについては50〜150キロバールの圧力、
1800〜3000℃の温度、および１〜30分の時間であ
り、またWBNについては米国特許第3876751号
明細書中に見出されるような条件（たとえば50〜
300キロバールの圧力、1900〜2500℃の温度、お
よび１〜７分の時間）である。なお、この特許明
細書は引用によつて本明細書中に併合されるもの
とする。

仕切ストリツプを用いる本発明の改良法は、こ
れらの原料を使用する場合にも適用可能である。
その場合には、粉末もしくはペレツト状の黒鉛ま
たは六方晶系窒化ホウ素を使用することができ
る。また、仕切ストリツプおよび遮蔽金属カツプ
によつて規定される空間にはまり込むような形状
に黒鉛またはHBN製の棒を機械加工することも
できる。これらの原料を用いた高温高圧操作の際
には、ダイヤモンドまたはCBNの場合よりも大
きい体積変化が起こるはずである。なぜなら、相
変化および物理的稠密化による密度の増加が起こ
るからである。とは言つても、これは仕切ストリ
ツプの可撓性が重要であることを強調する以外の
意味は持つていない。

前述の通り、高温電圧操作によつて得られた圧
縮体から付着しているセル材料を除去して回収さ
れた圧縮体は、サブアセンブリ中に設置された時
と基本的に同じ形状の仕切ストリツプを埋込んだ
研摩剤結晶粒の多結晶質塊状体から成つている。
従つて、第１〜３図の装填アセンブリについて言
えば、この時点における圧縮体は第３図から部材
１１および１４を取去つたのものに似ているわけ
で、多結晶質材料と仕切ストリツプとは一体とな
つて塊状体を成している。熱安定性の圧縮体を得
るためには、かかる圧縮体を先ず硝酸とフツ化水
素酸との熱混合物に接触させ、次いで塩酸と硝酸
との熱混合物に接触させればよい。米国特許第
4224380号明細書中の記載に従つて十分に長い時
間にわたり実施すれば、上記の操作によつて圧縮
体に浸透した触媒兼溶媒用の材料および仕切スト
リツプの実質的に全部が除去されることになる。
その結果、１個のサブアセンブリについては24個
の小さな三角形の熱安定性圧縮体が得られ、また
１回の高温高圧操作については120個のかかる圧
縮体が得られるわけである。

第５図は、互いに直交する平行線パターンを成
す複数の仕切ストリツプ２８が研摩剤結晶層中に
配置されたような複合圧縮体を示している。鑿岩
機のビツトのような用途の場合、かかる圧縮体刃
物から剥がれ落ちるチツプの大きさは、埋込まれ
たチツプ抑止体（仕切ストリツプ）の配置状態に
よつて規定される形状（たとえば小さな正方形）
に制限されることになる。たとえば、かかるチツ
プはダイヤモンド層の大きな部分でなく単一の小
部分３０に制限されるわけである。

かかるチツプ抑止体用の金属としては、比較的
安価であり、容易に入手でき、かつ超耐熱性金属
のように強固な炭化物を生成しない点から考える
と鉄、ニツケルおよびコバルトが好適である。超
耐熱性金属の場合、亀裂は広がり易く、かつ多結
晶質塊状体の隣接する小部分にまで伸びていくこ
とがある。

所望ならば、圧縮体の表面または端面に露出し
た仕切ストリツプをグリツトブラストまたは選択
的エツチングによつて除去し、それにより工具素
材上に複数の独立した多結晶質のダイヤモンドま
たはCBN区域を形成することもできる。

更に別の実施例としては、複合圧縮体の製造に
際して焼結金属炭化物基体３２中にまでチツプ抑
止体または仕切ストリツプを延長することができ
る。このようにすれば、基体中への亀裂の広がり
は効果的に低減する。しかしながら、この技術は
ダイヤモンドまたはCBN層中のチツプ抑止体ほ
ど効果的でないかも知れない。なぜなら、ニツケ
ル、コバルトおよび鉄のような金属は恐らく金属
炭化物基体中に拡散して行くはずであり、また超
耐熱性金属の場合には恐らく脆い炭化物の生成に
よつてチツプ抑止能が低下するはずだからであ
る。

上記の説明を考察すれば、当業者には本発明の
その他の実施例が思い浮かぶはずである。すなわ
ち、本発明の範囲および精神から逸脱することな
く上記の実施例に対して様々なな省略、変形およ
び変更を加え得るのであり、従つて本発明の範囲
はもつぱら前記特許請求の範囲によつて定義され
るものと解釈すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の改良によつて改変された高温
高圧反応セルの断面立面図、第２図は第１図のセ
ル内に含まれる遮蔽金属カツプの１個を示す斜視
図、第３図は第１図中の線３−３に沿つた反応セ
ルの断面平面図、第４図は仕切ストリツプが三角
形の管ではなく円形の管から成る場合を示す第３
図と同様の断面平面図、そして第５図は本発明の
一部であるチツプ抑止体を示す複合圧縮体の斜視
図である。 図中、１０は装填アセンブリまたは反応セル、
１１は円筒形スリーブ、１２は末端キヤツプ、１
４は遮蔽金属カツプ、１６は遮蔽金属円板、１８
は研摩剤結晶塊状物、２０は仕切ストリツプ、２
２は触媒兼溶媒円板、２４は隔離円板、２８は仕
切ストリツプまたはチツプ抑止体、３０は研摩剤
結晶層の小部分、そして３２は焼結金属炭化物基
体を表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (A)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剤結
   晶の塊状物とそれに接触して配置された前記研摩
   剤結晶の再結晶のための触媒兼溶媒源とを適当な
   温度、圧力および時間条件に暴露することによつ
   て圧縮体を形成し、次いで(B)前記圧縮体を回収す
   る両工程から成る圧縮体の製造方法において、工
   程(A)の温度および圧力条件に曝露する前に、前記
   研摩剤結晶塊状物の最小寸法方向に沿つてそれを
   貫通する少なくとも２個の仕切ストリツプを前記
   研摩剤結晶塊状物の内部に埋込む工程が追加包含
   され、かつ前記仕切ストリツプは工程(A)に際して
   前記研摩剤結晶塊状物の分割された部分同士を隔
   離状態に保つのに役立つと共に前記記研摩剤結晶
   塊状物の圧縮に対して抵抗を生じない程度の可撓
   性を有することを特徴とする方法。 ２ 工程(A)において前記触媒兼溶媒として結合剤
   含有金属炭化物の塊状物を使用することにより、
   前記圧縮体が複合体となることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 仕切ストリツプ材料が工程(A)で使用する研摩
   剤結晶のための触媒兼溶媒以外である特許請求の
   範囲第１又は２項記載の方法。 ４ 前記仕切ストリツプ材料が、工程(A)の高温高
   圧プロセスの条件下における前記触媒兼溶媒の融
   点より少なくとも僅かに高い融点を有する特許請
   求の範囲第３項記載の方法。 ５ 前記研摩剤結晶塊状物および前記触媒兼溶媒
   源が保護用遮蔽金属包囲体の内部に配置され、か
   つ前記包囲体が高温高圧装置の反応区域内に配置
   される特許請求の範囲第１又は２項記載の方法。 ６ 前記反応区域が円柱状を成し、かつ前記仕切
   ストリツプが前記反応区域の中心軸と平行に配置
   される特許請求の範囲第３項記載の方法。 ７ 工程(B)において回収された前記圧縮体から前
   記仕切ストリツプの露出部分を除去することによ
   つて前記圧縮体の表面上に複数の独立した多結晶
   質研摩剤結晶区域を形成する工程が追加包含され
   る特許請求の範囲第１又は２項記載の方法。 ８ 前記金属炭化物が炭化タンタル、炭化チタン
   および炭化タングステンから成る群より選ばれる
   特許請求の範囲第２項記載の方法。 ９ 前記仕切ストリツプが前記金属炭化物中にま
   で伸びている特許請求の範囲第２項記載の方法。 １０ 前記仕切ストリツプが前記研摩剤結晶に対
   する触媒兼溶媒でなく、かつ工程(A)の前記条件下
   における前記仕切ストリツプの融点が工程(A)の前
   記触媒兼溶媒の融点より少なくとも僅かに高い特
   許請求の範囲第１又は２項記載の方法。 １１ 前記仕切ストリツプが第ｂ、ｂ、
   ｂ、ｂ、ｂおよび族の金属並びにそれらの
   合金から成る群より選ばれた材料から作られる特
   許請求の範囲第１又は２項記載の方法。 １２ 前記仕切ストリツプがモリブデン、ニツケ
   ル−銅合金、ステレンス鋼、タンタル、チタン、
   鉄、ニツケルおよびジルコニウムから成る群より
   選ばれた材料から作られる特許請求の範囲第１又
   は２項記載の方法。 １３ 前記仕切ストリツプがニツケル、鉄および
   それらの合金から成る群より作られる特許請求の
   範囲第１又は２項記載の方法。 １４ 前記仕切ストリツプ材料が銅およびその合
   金から成る群から選ばれる特許請求の範囲第１又
   は２項記載の方法。 １５ 前記仕切ストリツプが閉鎖形状を規定する
   特許請求の範囲第１又は２項記載の方法。 １６ 前記仕切ストリツプが複数の形状を束とし
   て結合したものを規定する特許請求の範囲第１又
   は２項記載の方法。 １７ (a)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多結晶
   質の研摩剤結晶粒と(b)触媒兼溶媒とによつて構成
   された多結晶質塊状体から成り、かつランダムに
   配置された前記研摩剤結晶粒は結晶間結合によつ
   て前記多結晶質塊状体中の隣接する結晶粒と直接
   に結合しているような圧縮体において、前記多結
   晶質塊状体の最小寸法方向に沿つてそれを貫通す
   る少なくとも２個の仕切ストリツプが前記多結晶
   質塊状体の内部に埋込まれていることを特徴とす
   る圧縮体。 １８ 前記仕切ストリツプが鉄、ニツケルおよび
   コバルトから成る群より選ばれた材料から作られ
   る特許請求の範囲第１７項記載の圧縮体。 １９ 前記圧縮体から前記仕切ストリツプの露出
   部分を除去することによつて前記圧縮体の表面上
   に複数の独立した多結晶質研摩剤区域が形成され
   ている特許請求の範囲第１８項記載の圧縮体。 ２０ 前記多結晶質塊状物が隣接する焼結金属炭
   化物合金塊状体に接合されて複合圧縮体を成す特
   許請求の範囲第１７項記載の圧縮体。 ２１ 前記仕切ストリツプが前記焼結金属炭化物
   合金塊状体中にまで伸びている特許請求の範囲第
   ２０項記載の圧縮体。 ２２ (A)ダイヤモンドまたは立方晶系窒化ホウ素
   の結晶化のための触媒の存在下で黒鉛、六方晶系
   窒化ホウ素およびウルツ鉱型窒化ホウ素から成る
   群より選ばれた原料を適当な温度、圧力および時
   間条件に暴露することによつて原料が黒鉛の場合
   のダイヤモンドおよび原料が六方晶系またはウル
   ツ鉱型窒化ホウ素の場合の立方晶系窒化ホウ素か
   ら成る群より選ばれた材料から作られた多結晶質
   塊状物を持つた圧縮体を形成し、次いで(B)前記圧
   縮体を回収する諸工程から成る圧縮体の製造方法
   において、前記原料を工程(A)の温度および圧力条
   件に暴露する前に、少なくとも１個の仕切ストリ
   ツプを前記原料の内部に埋込むことによつて細分
   された多結晶質塊状物を有する圧縮体を形成する
   工程が追加包含され、かつ前記仕切ストリツプは
   工程(A)を通して前記原料の分割された部分同士を
   隔離状態に保つのに役立つと共に工程(A)に際して
   前記原料の圧縮に対して抵抗を生じない程度の可
   撓性を有することを特徴とする方法。 ２３ 仕切ストリツプ材料が工程(A)で使用する研
   摩剤結晶のための触媒兼溶媒以外である特許請求
   の範囲第２２項記載の方法。 ２４ 前記仕切ストリツプ材料が、工程(A)の高温
   高圧プロセスの条件下における前記触媒兼溶媒の
   融点より少なくとも僅かに高い融点を有する特許
   請求の範囲第２３項記載の方法。 ２５ 前記仕切ストリツプ材料が第ｂ、ｂ、
   ｂ、ｂ、ｂおよび族の金属並びにそれら
   の合金から成る群より選ばれる特許請求の範囲第
   ２２項記載の方法。 ２６ 前記仕切ストリツプの材料がモリブデン、
   ニツケル−銅合金、ステンレス鋼、タンタル、チ
   タン、鉄、ニツケルおよびジルコニウムから成る
   群より選ばれる特許請求の範囲第２２項記載の方
   法。 ２７ 前記仕切ストリツプ材料がニツケル、鉄お
   よびそれらの合金から成る群より選ばれる特許請
   求の範囲第２２項記載の方法。 ２８ 前記仕切ストリツプ材料が銅およびその合
   金から成る群より選ばれる特許請求の範囲第２２
   項記載の方法。 ２９ 前記仕切ストリツプが少なくとも１つの閉
   鎖形状を規定する特許請求の範囲第２２項記載の
   方法。