JPH046103A - ダイヤモンドの合成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ダイヤモンドの合成方法に関する。

さらに詳しく言うと、本発明は、たとえば、研磨剤、切
削工具、耐摩耗性工具等の超硬工具、電気・電子材料な
どの各種のダイヤモンド利用材料としで、あるいはＣＶ
Ｄ法等の気相合成法によるダイヤモンド類の合成の際の
核剤などとしで、広範囲の分野に利用することかてきる
ダイヤモンドもしくは基材付きダイヤモンドを、金属炭
化物または半金属炭化物から温和な条件て安価に製造す
る方法に関する。

［従来の技術と発明か解決しようとする課題］ダイヤモ
ンドは、現存する物質の中て最も硬く、かつ熱伝導性、
電気絶縁性等にも優れた材料であることから、工業上極
めて有用な材料てあり、たとえば、研磨剤、切削工具、
耐摩耗性工具等の超硬工具、電気・電子材料などの広範
囲の分野に利用されている。

このような各種のタイヤセント材料には、天然産のダイ
ヤモンドも利用されるか、天然産のものは高価である上
、基材との′ｆ、着性を保持し難いなとの種々の欠点か
あることから、近年、タイヤセント被覆部材をはじめと
する各種の工業用ダイヤモンド材料には、合成ダイヤモ
ンドもしくはダイヤモンド膜の利用か一般化しつつあり
、そのため種々の合成方法の開発研究か盛んになされて
きている。

こうしたダイヤモンドあるいは基材付きタイヤセント（
タイヤセント類膜）の合成方法としては、従来、高温・
高圧を用いる方法、炭素源カスを利用するＣＶＤ法等の
気相合成法などが知られている。

しかしなから、こうした高温・高圧法および気相合成法
はいずれも、コスト高となったり、得られるダイヤモン
ドもしくはタイヤモント類膜の特性か必ずしも満足てな
いなどの問題かあり、利用上の大きな制限かある。

ところで、ダイヤモンドの合成には、種々の原料か利用
されるか、金属炭化物を原料として用いる方法も知られ
ている。

たとえば、特開昭４８−２９２号公報や特開昭４９−５
５５８８号公報には、金属炭化物を原料とするダイヤモ
ンドの合成方法か開示されている。

しかしなから、これらの方法は、高温（１，３００°Ｃ
以上）高圧（５５，０００気圧以上）下ての合成法であ
るので、装置自体か大型になる上に１回当たりの生産量
か少なく、したかって生産性か著しく悪くなり、しかも
コスト高になるなどの問題点かある。

一方、金属炭化物等の炭化物の酸化に関する文献は数多
くあるか、比較的低い温度ての酸化についての報告は、
Ｃ１ａｒｋらの文献［Ｊ、Ｎ、Ｃ１ａｒｋ　ｅｔａ　１
．、Ｒｅｖ、Ｃｈｅｍ、Ｍｉｎｅｒ、、Ｖｏｌ、２４．
Ｎｏ、６．ｐｐ、５５４〜６６６（１９８７）コのみで
ある。

しかし、この文献に記載されている方法ては、炭化物の
酸化を常圧空気（酸素分圧的２０．２ｋＰａ　）により
行っているので、ダイヤモンドの生成は認められていな
い。

本発明は、前記の事情に鑑みてなされたものである。

本発明の目的は、金属や半金属の炭化物から、比較的低
い温度てかつ減圧下という温和な条件で、安価にダイヤ
モンドもしくは基材付きダイヤモンドを得ることかでき
る実用上著しく有用なダイヤモンドの合成方法を提供す
ることにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らは、金属炭化物や半金属炭化物は、種類が豊
富で、取り扱いやすく、それ自体を粉末や単結晶あるい
は成形体、焼結体、薄膜等として種々の形状に加工しや
すく、しかも超硬工具あるいはその母材（基材）等とし
て一般にひろく利用されていることから、これを原料に
用いで、温和な条件てダイヤモンドもしくは基材付きダ
イヤモンドか合成てきるならば工業的に極めて重要な技
術になりつることに注目し、金属炭化物および半金属炭
化物からのダイヤモンドの合成方法、中ても特にそれら
の炭化物の酸化によるダイヤモンドの合成条件について
鋭意研究を重ねた。

その結果、本発明者らは、驚くべきことに、金属炭化物
や半金属炭化物を、空気よりも低い酸素分圧てあっで、
しかも特定の比較的低い温度において酸化することによ
りダイヤモンドもしくは基材付きダイヤモンドを容易に
合成することかてきることを見出し、その知見に基づい
て本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、金属炭化物または半金属炭化物を
、酸素分圧０．５〜１５ｋＰａの雰囲気中て３００〜１
，０００゜ｃで、酸化することを特徴とするダイヤモン
ドの合成方法に係る。

本発明の方法においで、ダイヤモンドもしくは基材付き
ダイヤモンドの原料として使用する前記金属炭化物また
は半金属炭化物としては、各種のものか使用可能である
か、通常は、周期表■ａ族の金属元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈ
ｆ）、Ｖａ族の金属元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）、Ｖｌａ族
の金属元素（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ）　、■ａ族の金属元素（
Ｍｎ等）または■族の金属元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等）
、Ｂ、ＳｉまたはＡｎ等の炭化物を挙げることかてきる
。

これらの炭化物の具体例としては、たとえば、ＴｉＣ等
のＴｉ系炭化物、ＺｒＣ等のＺｒ系炭化物、ＮｂＣ等ｆ
７）Ｎｂ系炭化物、ｖ、Ｃ３，ｖ５ｃ等のＶ系炭化物、
ＴａＣ等のＴａ系炭化物Ｃｒ　ｚ　Ｃ２、Ｃｒ７Ｃｓ　
、　Ｃｒ、、Ｃ６等のＣｒ系炭化物、ＭｏＣ，ＭｏＣ２
等のＭｏ系炭化物、ＷＣ，ＷＣ２等のＷ系炭化物、Ｍｎ
：ＩＣ，Ｍｎ７Ｃａｌ　、Ｍｎｔ３Ｃｇ　、Ｍｎ７Ｃ２
、Ｍｎｓ　Ｃ２等のＭｎ系炭化物、Ｆｅ：＋Ｃ等のＦｅ
系炭化物、ＣＯ２Ｃ，ＣｏＣｔ等のＣｏ系炭化物、Ｎｉ
３Ｃ等のＮｉ系炭化物、Ａ１４Ｃｓ、Ａ文、Ｃ６等のＡ
ｎ系炭化物、ＳｉＣ等のＳｉ系炭化物、ＢＣＢ、Ｃ，８
６Ｃ等のＢ系炭化物などを挙げることかてきる。　これ
らの中ても、特にＺｒＣ等が好ましい。

なお、これらの炭化物は、一種の金属元素からなるもの
てあってもよく、二種以上の金属元素からなるものであ
ってもよい。また、これらの炭化物は、単純化合物、複
合化合物あるいは過剰炭素および／または過剰金属を含
有する不定比化合物もしくは組成物、それら一種または
二種以上からなる固溶体等の組成物または混合物であっ
てよい。さらに、これらは、本発明の目的に支障のない
範囲で、前記金属元素や半金属元素および炭素以外の他
の元素成分を含有しているものてあってもよい。すなわ
ち、これらの炭化物は、一般に炭化物類等と称される広
義の意味ての炭化物と解釈してもよい。たとえば、炭化
物と言いなからも、炭化物てありかつ窒化物や酸化物で
あるものなど、炭化物系の複合化合物や組成物等の炭化
物類てあってもよい。

本発明の方法においては、タイヤセントもしくは基材付
きタイヤセントの原料としで、前記各種の炭化物（上記
の広義の意味て炭化物、以下同様）を、一種単独で使用
してもよく、あるいは二種以上を併用してもよい。

また、使用に供する前記原料炭化物は、単結晶、多結晶
状、非晶質状あるいはこれらの混合状態等のいずれの形
態でも使用することかてき、その形状としても特に限定
されるものてはなく、たとえば、粉末状、繊維状、布状
、機械的成形体固溶体、焼結体等の熱的成形体などの各
種の形状の成形体、あるいはフィルム状、シート状、薄
膜状等の任意の形状あるいは形態ものとして使用するこ
とかてきる。

なお、これらは、所望に応しで、適当な母材（基材）上
に設けて使用してもよい。たとえば、超硬工具等の母材
や電子・電気材料の基板上に薄膜状もしくは層状に、あ
るいはブロック状に形成させて使用することもてきる。

本発明の方法においては、前記所定の形状の炭化物を、
酸素分圧か０．５〜１５ｋＰａ　　（キロパスカル）の
範囲、好ましくはＩ〜Ｉ（ｌｋＰａの範囲にある雰囲気
中においで、２００〜１，０００°Ｃの範囲、好ましく
は２００〜３００℃の範囲の温度て酸化することによっ
で、所望のタイヤセントもしくは基材付きタイヤセント
を合成する。

ここで、酸素分圧か、０．５　ｋＰａ未満てあったり、
あるいは反応温度か３００°Ｃ未満であるとタイヤセン
トの形成速度か不十分となったり、タイヤセントか形成
されないことかあり、本発明の目的を十分に達成するこ
とかてきない。一方、酸素分圧か、１５ｋＰａを超える
高い酸素分圧、あるいは反応温度か１．０００℃を超え
る高い温度ては、タイヤセントか形成されなかったり、
形成されたとしてもその生成量は著しく不満足となり、
いずれにしても本発明の目的を達成することかできない
。

前記酸化に用いる酸素ガスは、純酸素を使用してもよく
、あるいは一種または二種以上の反応に支障のないガス
と酸素との混合ガスを使用してもよい。

この反応に支障のないガスとしては、たとえば、アルゴ
ン、ヘリウム、ネオン、キセノン、クリプトン、ラドン
、窒素ガス等の不活性ガスを挙げることかできる。これ
らの中ても、特にアルゴン、ヘリウム等の周期表０族元
素の不活性ガスか好ましい。

もちろん、酸素分圧か前記の範囲に調整されるならば前
記混合ガスとして空気を使用してもよい。

本発明の方法においては、前記酸化は、酸素分圧か前記
の範囲に設定されているならば、加圧下、常圧、減圧下
のいずれても行うことかてきるか、通常は、減圧で行う
のか好ましい。

前記酸化を行う反応時間は、使用する原料炭化物の種類
や反応温度、酸素分圧等の他の条件によって異なるのて
一律に定めることかてきないか、一般には、　１〜１０
０時間、好ましくは１０〜５０時間程度の範囲から選ば
れる。

本発明の方法においで、前記酸化を行うに際して使用す
る反応方式については特に限定されるものてはない。た
とえば、供給醇化ガスについて流通式、循環式、回分式
等、あるいはこれらの組み合わせによる方式など各種の
反応方式を利用することができる。

前記原料炭化物については、通常は回分法か適用される
か、所望に応しで、連続反応方式等の他の反応方式を適
用してもよい。

反応装置としても、特に限定されるものてはなく、各種
のものか使用可能であるか、通常はまたとえば真空排気
可能な反応容器からなるものなどか好適に利用される。

本発明のタイヤセント（もしくは基材付きタイヤセント
）の合成方法に好適に使用される具体的な方法の一例を
示すと、次のとおりである。

すなわち、前記炭化物またはこれを含有する原料を、真
空排気か可能な反応容器に設置し、系内を十分に排気し
たのち、前記所定の酸素分圧を有する酸素とアルゴン等
の不活性ガスとの混合ガスを導入する。次いで、この反
応容器を、あらかしめ前記所定の温度範囲から選んだ適
当な温度に設定された加熱炉中に導入し、適当な時間、
前記酸化を実施する。

このようにすると、原料として用いた炭化物中の金属ま
たは半金属は、その一部あるいは全部か酸化物などに変
化し、少なくともその表面上にタイヤセントか膜状に生
成する。たとえは、原料としてＺｒＣを用いた場合、こ
の酸化によってＺｒＣのほとんどはＺｒＯ２となり、少
なくともそのＺｒＯ２の外表面にタイヤセント（通常、
Ｈｅｘａｇｏｎａｌ　ｄｉａｍｏｎｄ　）か膜状に生成
する。

以上のようにして本発明の方法て得られたタイヤセント
あるいはこれを含有する生成物は、その原料として用い
る炭化物の形態に応しで、たとえば、研磨剤、切削工具
、耐摩耗性工具等の超硬工具、電気・電子材料などの各
種のタイヤセント利用材料としで、あるいはＣＶＤ法等
の気相合成法によるタイヤセント類の合成の際の核剤な
ととしで、広範囲の分野に利用することかてきる。

より具体的に言えば、たとえば、原料炭化物を粉末状等
として用いた場合にはそのまま研磨剤としても用いるこ
とかてきるし、あるいは原料炭化物を切削工具等の超硬
工具にふされしい形態として用いた場合には、超硬工具
あるいはそれに用いるタイヤセント被覆部材等として好
適に利用することかできる。

また、本発明の方法て合成したタイヤセントあるいは基
材上のタイヤセントを核剤として用い、その面上にさら
に、たとえば、ＣＶＤ法等法相気相合成法ってダイヤモ
ンドもしくはタイヤセント類を成長させることもてきる
。

［実施例Ｊ 次に、本発明を実施例によってさらに詳細に説明するか
１本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内て種々の変形か可能である。

（実施例１） 真空排気可能な反応容器（シリカチューブ）に、粉末状
のＺｒＣ（平均粒径３１ｇｍ）を５゜ｍｇ入れ、系内を
十分に排気した後、酸素とアルゴンとの混合ガス（全圧
３９．５　ｋＰａ；酸素分圧２．６ｋＰａ　）を導入し
、この反に容器なあらがしめ５３０℃に設定した抵抗加
熱炉に装入し、２００分間がけて酸化を行った。得られ
た生成物を電子線回折により分析したところ、第１図に
示す回折写真を得た。

なお、第１図においで、符合１．２，４および５は、そ
れぞれ、ＺｒＯ２（１１１）、Ｚｒ０２（２００）　、
　Ｚ　ｒ　Ｏ２（２２０）およびＺｒ０２（３１１）を
示し、符合３および６は、いずれもヘキサゴナル（Ｈｅ
ｘａｇｏｎａ　Ｉ）構造のダイヤモンド（Ｈｅｘ　Ｄ）
を示す。

このようにヘキサゴナル構造のダイヤモンドか得られる
ことが分かった。

（実施例２） 酸素分圧を１．３　ｋＰａ　　（全圧はそのまま３９．
５ｋＰａ　）とし５反応時間を１２００分間とした以外
は、実施例１と同様にして実施した。得られた生成物を
電子線回折法で分析した結果、ヘキサゴナルタイヤモン
トの生成か確認された。

（比較例１） 酸素分圧を（１１，５５ｋＰａ　（全圧はそのまま３９
，５ｋＰａ　）とした外は前記実施例２と同様に実施し
た。得られた生成物を電子線回折法て分析した結果、ヘ
キサゴナルタイヤセントか確認されなかった。

（実施例３） 酸素分圧を７．９　ｋＰａ　　（全圧はそのまま３９．
５ｋＰａ　）とした外は前記実施例２と同様に実施した
。

得られた生成物を電子線回折法で分析した結果、ヘキサ
ゴナルタイヤセントか確認された。

（比較例２） 酸素分圧を１５．８　ｋＰａ　（全圧はそのまま３９．
５ｋＰａ　）とした外は前記実施例２と同様に実施した
。得られた生成物を電子線回折法て分析した結果、ヘキ
サゴナルダイヤモンドか確認されなかった。

（実施例４．比較例３） 抵抗加熱炉の設定温度を３００℃とした外は前記実施例
１と同様に実施した。

得られた生成物を電子線回折法て分析し・た結果、ヘキ
サゴナルタイヤモントか確認された。

また、抵抗加熱炉の設定温度を１０００°Ｃとした外は
前記実施例１と同様に実施した。この場合においても得
られた生成物を電子線回折法て分析した結果、ヘキサゴ
ナルタイヤモントか確認された。

一方、抵抗加熱炉の設定温度を２００°Ｃにした外は前
記実施例１と同様に実施したところヘキサゴナルタイヤ
モントの生成か確認されなかった。また、抵抗加熱炉の
設定温度を１１００°Ｃにした外は前記実施例１と同様
に実施したところ、同様にヘキサゴナルタイヤモントの
生成か確認されなかった。

［発明の効果］ 本発明によると、金属もしくは半金属の炭化物から、比
較的低い温度てかつ減圧下という温和な条件で、タイヤ
セントもしくは基材付きタイヤセントを得ることかでき
る実用上著しく有用なタイヤセントの合成力〃：を提供
することかてきる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、それぞれ、本発明の方法の例である前記実施
例１および２て得られた生成物の電子線回折写真図を示
す。 図中の符合は、 １　：　Ｚｒ０ｚ　　（１１１）、 ２　：　ＺｒＯ２（Ｚｏｏ）、 ３　ヘキサゴナル　タイヤセント ４　：　ＺｒＯ２（２２０） ５：ＺｒＯ２（３１１）、 ６、ヘキサゴナル　タイヤセント を示す。 特許出願人　　出光興産株式会社 手続補正書 ８．補正の内容 平成２年 ８月２４日 明細書の第１ ７項２行〜第４行に記載

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属炭化物または半金属炭化物を、酸素分圧０．
   ５〜１５ｋＰａの雰囲気中で、３００〜１，０００゜ｃ
   で、酸化することを特徴とするダイヤモンドの合成方法
   。