JPH06238154A - ダイヤモンドの合成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明は、切削砥粒、研削砥粒、ダイヤモ
ンド燒結体等を初めとする広い分野で好適に用いること
ができる、結晶の形態が良好で不純物の含有量が少な
く、粒径の大きなダイヤモンド粒子を効率的に得ること
ができるダイヤモンドの合成方法を提供することにあ
る。 【構成】 前記目的を達成するための前記請求項１に記
載の発明は、コバルト、ニッケル及びクロムから選択さ
れる第１の金属と鉄及びマンガンから選択される第２の
金属とを有し、炭素質物質の接触面付近に前記第２の金
属を高い割合で含有すると共に前記接触面から遠ざかる
ほど前記第２の金属の含有割合が連続的に低くなる傾斜
組成を有する溶媒金属における前記接触面に炭素質物質
を接触させた後、これをダイヤモンド安定領域の圧力及
び温度条件下で反応させることにより、前記炭素質物質
をダイヤモンドに変換させることを特徴とするダイヤモ
ンドの合成方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ダイヤモンドの合成
方法に関し、更に詳しく言うと、切削砥粒、研削砥粒、
ダイヤモンド燒結体等を初めとする広い分野で好適に用
いることができる、結晶の形態が良好で不純物の含有量
が少なく、粒径の大きなダイヤモンド粒子を効率的に得
ることができるダイヤモンドの合成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】現在、ダ
イヤモンドは、その優れた特性を生かすべく種々の分野
においてその利用ないし応用が試みられている。例え
ば、その優れた硬度を生かして切削砥粒等として利用さ
れることもその一つである。切削砥粒等として用いられ
る粒状のダイヤモンドには、一般に、その粒径が大きい
こと、結晶中に不純物の含有量が少ないこと、結晶の形
状が良好であること等が要求される。

【０００３】従来においては、かかる要求を満たすダイ
ヤモンドを得る方法として、例えば、特公昭５５−２３
２０１号公報、特公昭４７−２９１１２号公報にそれぞ
れ記載された方法がある。

【０００４】これらは、ダイヤモンドの安定領域下で、
ダイヤモンドを形成させるための初期核の密度を抑えた
少ない核上に、ダイヤモンドを徐々に形成させる高圧合
成法である。この場合、初期核の密度を抑えるために、
原料たる非ダイヤモンド炭素に、例えば、銅、銀、金、
鉛、亜鉛等の非溶媒金属や、溶媒金属を接触させ、又は
被覆させていた。

【０００５】しかしながら、これらの方法には以下の問
題がある。即ち、非ダイヤモンド炭素に非溶媒金属を接
触させ又は被覆させた場合には、核生成密度が極端に小
さくなってしまうので、粒径の大きなダイヤモンドの収
率が大幅に低下する。また、非溶媒金属が不純物として
ダイヤモンド結晶中に取り込まれることがあり、砥粒と
しての強度が低下してしまう。非ダイヤモンド炭素に溶
媒金属を接触させ又は被覆させた場合、結晶成長のため
にダイヤモンドの過飽和度が大きくなるような溶媒金属
を、前記溶媒金属に接して配置しなければならないの
で、ダイヤモンド結晶の成長における過程で急激にその
成長速度が上昇してしまい、結晶中に欠陥が発生した
り、不純物が取り込まれたりするという問題がある。ダ
イヤモンドの結晶中における欠陥や不純物の存在は、砥
粒の強度を低下させてしまう。

【０００６】この発明は、前記問題を解決すると共に、
切削砥粒、研削砥粒、ダイヤモンド燒結体等を初めとす
る広い分野で好適に用いることのできる、結晶の形態が
良好で不純物の含有量が少なく、粒径の大きなダイヤモ
ンド粒子を効率的に得ることができるダイヤモンドの合
成方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、この発明者らが鋭意検討した結果、炭素質物質を特
定の溶媒金属に接触させると共にこれを特定の条件下で
反応させると、前記炭素質物質を、高収率でかつ経済的
にダイヤモンド粒子に変換させることができることを見
出した。併せて、前記ダイヤモンドは、粒径が大きく、
不純物の含有量が少なく、形状が良好であるので、切削
砥粒等に好適であることを見出し、この発明に到達し
た。

【０００８】即ち、前記課題を解決するための請求項１
に記載の発明は、コバルト、ニッケル及びクロムから選
択される第１の金属と、鉄及びマンガンから選択される
第２の金属とを有し、炭素質物質の接触面付近に前記第
２の金属を高い割合で含有すると共に前記接触面から遠
ざかるほど前記第２の金属の含有割合が連続的に低くな
る傾斜組成を有する溶媒金属における前記接触面に炭素
質物質を接触させた後、これをダイヤモンド安定領域の
圧力及び温度条件下で反応させることにより、前記炭素
質物質をダイヤモンドに変換させることを特徴とするダ
イヤモンドの合成方法である。

【０００９】以下に、この発明について詳細に説明す
る。

【００１０】（溶媒金属）この発明における溶媒金属と
しては、コバルト、ニッケル及びクロムから選択される
第１の金属と、鉄及びマンガンから選択される第２の金
属とを有し、かつ、炭素質物質との接触面付近に前記第
２の金属を高い割合で含有すると共に前記接触面から遠
ざかるほど前記第２の金属の含有割合が低くなる傾斜組
成を有する混合物又は合金を用いることができる。

【００１１】前記溶媒金属としては、例えば、コバルト
−鉄、ニッケル−鉄、ニッケル−マンガン、ニッケル−
コバルト−鉄、ニッケル−クロム−鉄、ニッケル−クロ
ム−マンガン、ニッケル−マンガン−鉄等の組合せから
なる混合物又は合金を挙げることができる。

【００１２】前記炭素質物質との接触面付近における前
記第２の金属の含有割合としては、３５〜１００重量％
であり、好ましくは５０〜８５重量％であり、特に好ま
しくは６０〜８５重量％である。前記含有割合が３５重
量％よりも少ないと、ダイヤモンド発生のための核の密
度を抑えることができないことがある。

【００１３】前記溶媒金属における前記第２の金属の含
有割合が最少となる炭素質物質から最も遠ざかった部位
での含有割合としては、０〜８５重量％であり、好まし
くは５〜１５重量％である。前記含有割合が、８５重量
％よりも大きいと、ダイヤモンドの結晶成長速度が小さ
くなる。

【００１４】この発明の溶媒金属は、前記炭素質物質と
の接触面から遠ざかるほど前記第２の金属の含有割合が
連続的に低くなる傾斜組成を有する。

【００１５】前記炭素質物質との接触面から遠ざかるほ
ど前記第２の金属の含有割合が連続的に低くなる傾斜組
成を有していないと、即ち、前記傾斜組成が連続的に変
化せず、不連続で段階的に変化するものであると、その
不連続界面において、ダイヤモンドの結晶成長速度が急
激に上昇するので、結晶中に欠陥や不純物の混入等が発
生することがある。かかるダイヤモンドは、その強度が
低くなるので砥粒等に用いるには好ましくない。

【００１６】この発明における溶媒金属は、例えば図１
に示される傾斜組成を有する。なお、この図１は傾斜組
成の概念を示すための概念的グラフである。

【００１７】なお、この発明においては、前記傾斜組成
における傾斜の割合、即ち第２の金属の含有割合の変化
の度合い（率）は、溶媒金属中のダイヤモンドの過飽和
度を低い状態に保ち、ダイヤモンド結晶の成長速度が小
さくなるように適宜選択するようにする。

【００１８】前記成長速度が大きくなると、ダイヤモン
ド結晶中に不純物が混入することがあり、一方、小さす
ぎると経済的でない。

【００１９】前記溶媒金属を製造する方法としては、電
解法、非電解メッキ法、蒸着法、熱分解、プラズマによ
る溶射法等の公知の方法を用いることができる。

【００２０】溶媒金属の形状としては、特に制限はない
が、通常は板状のものが用いられる。板状の溶媒金属の
場合、その厚みとしては、特に制限はないが、通常０．
１〜５ｍｍであり、好ましくは０．１〜２ｍｍである。

【００２１】なお、板状の溶媒金属と後述の炭素質物質
とを用い、これを交互に積層して合成反応を行なう場合
には、板状の前記溶媒金属の２枚の板を、それぞれ炭素
質物質との接触面を外側にして一体化したものを用いる
ことができる。即ち、両接触面における前記第２の金属
の含有量が最も多く、中心に向かうに従ってその含有割
合が連続的に少なくなり、両接触面に平行な位置にある
中心面付近における前記第２の金属の含有量が最少とな
るような溶媒金属である。

【００２２】この溶媒金属を用いた場合、ダイヤモンド
を効率よく、しかも経済的に得ることができる。

【００２３】（炭素質物質）この発明における炭素質物
質としては、ダイヤモンドに変換することができる物質
であれば特に制限はなく、それ自体公知の物質を用いる
ことができる。例えば、グラファイト、無定形炭素等の
炭素からなる物質、あるいは石炭、コークス、木炭、コ
ールタールピッチ等の種々の炭素含有物質を挙げること
ができる。

【００２４】これらの中で好ましいのは、グラファイ
ト、無定形炭素である。

【００２５】炭素質物質の形状としては、溶媒金属に容
易に接触させることができれば特に制限はないが、通常
は板状のものが用いられる。板状の炭素質物質の場合、
その厚みとしては、特に制限はないが、通常０．１〜５
ｍｍであり、好ましくは０．１〜２ｍｍである。

【００２６】（合成条件）この発明においては、前記溶
媒金属における炭素質物質との接触面に、前記炭素質物
質を接触させた後、ダイヤモンド安定領域の圧力及び温
度条件下でダイヤモンドの合成反応を行なう。

【００２７】前記ダイヤモンド安定領域の圧力及び温度
条件とは、炭素質物質が安定的にダイヤモンドに変換す
ることができる圧力及び温度をいい、通常、圧力が５
０，０００〜７０，０００Ｋｇ／ｃｍ² であり、温度が
１３００〜２０００℃である。なお、好ましい圧力、温
度等の条件は、使用する金属の炭素溶解度を考慮して決
定することができる。

【００２８】前記合成反応を行なう装置としては、特に
制限はなく、公知の超高圧力装置を用いることができ
る。

【００２９】前記超高圧力装置としては、例えば、ベル
ト型高圧装置、六方押し型立方体高圧装置、四方押し型
四面体高圧装置、ドリッカーマー型高圧装置、ガードル
型高圧装置、ピストンシリンダー型高圧装置等を用いる
ことができる。

【００３０】これらの超高圧装置内に、溶媒金属と炭素
質物質とを収容するには、特に制限はなく、これらを直
接収容してもよいし、あるいは、これらを予め適宜の試
料容器に収容した後、前記超高圧装置内に収容してもよ
い。

【００３１】前記試料容器としては、特に制限はない
が、例えば、内部に炭素質物質の板と溶媒金属の板とを
交互に積層して収容する空間を有すると共に、その回り
にパイロフィライト、カトリナイト等の圧力媒体、金属
電極等を有する容器を挙げることができる。

【００３２】前記合成反応の時間としては、通常１〜６
０分であり、好ましくは１〜２０分である。

【００３３】なお、前記ダイヤモンド安定領域の圧力・
温度条件下では、前記溶媒金属は溶解して液体状態とな
り、ダイヤモンド合成反応を触媒する。前記溶媒金属
は、液体状態になっても、その傾斜組成を維持したまま
存在する。

【００３４】この発明においては、ダイヤモンドの結晶
の成長方向としては、図２に示すように、溶媒金属にお
ける炭素質物質との接触面から炭素質物質の層の内部の
方向である。ダイヤモンドは、前記方向に向かってその
結晶が成長する。

【００３５】この発明においては、前記結晶成長の方向
における内部に向かうほど、前記第２の金属の割合が連
続的に減り、逆に前記第１の金属の割合が連続的に増え
るので、ダイヤモンド結晶の成長速度が連続的かつ徐々
に大きくすることができる。

【００３６】以上によると、粒径が大きく、不純物の含
有量が少なく、結晶の形の良好なダイヤモンドを高収率
で、しかも経済的に合成することができる。

【００３７】

【作用】この発明においては、溶媒金属における炭素質
物質との接触面に炭素質物質を接触させた後、これをダ
イヤモンド安定領域の圧力及び温度条件下で合成反応を
行なう。すると、先ず炭素質物質がその高圧・高熱の作
用により溶媒金属の層中に溶解する。

【００３８】次に、ダイヤモンド安定領域であるＰ−Ｔ
領域において、溶解して過飽和となったダイヤモンド
が、溶媒金属における炭素質物質との接触面付近に核と
して析出する。このとき、前記接触面には前記第２の金
属が多く含有されているので、核の生成密度は小さい。

【００３９】核が生成すると、その核を中心としてダイ
ヤモンド結晶の合成が起こり、ダイヤモンドの結晶が成
長し、種結晶が生成する。このとき、前記接触面付近に
おいては、前記第２の金属が多く存在するので、結晶成
長速度は小さい。結晶速度が小さいと、ダイヤモンドに
おける自形面がよく発達するので、種結晶は自形面の発
達した良好な形状を有する。

【００４０】引き続きダイヤモンドの結晶の成長が起こ
ると、溶媒金属における前記第２の金属の割合が徐々に
減り、逆に前記第１の金属の割合が徐々に増えてくるの
で、結晶成長速度は徐々に大きくなる。このとき、結晶
成長速度が急激に大きくなることはないので、ダイヤモ
ンドの結晶の成長の過程で、不純物が混入したり、結晶
中に欠陥が発生することはない。以上により、ダイヤモ
ンド粒子が生成する。このダイヤモンドは、粒径が大き
く、不純物の含有量が少なく、結晶の形状が良好であ
る。

【００４１】この発明においては、密度少なく生じた初
期核の一つ一つからダイヤモンド粒子が生成するので、
収率が高く経済的である。

【００４２】

【実施例】以下、この発明の実施例につき具体的に説明
する。なお、この発明は以下の実施例に何ら限定される
ものではない。

【００４３】（実施例１）図３に示したような、合成試
料を収容する空間を内部に有すると共にその回りに水を
充填した部分と金属電極を有するカプセルの内部に、幅
が１０ｍｍで厚みが２ｍｍであり、その両端が炭素質物
質との接触面である溶媒金属の板と、幅が１０ｍｍで厚
みが１ｍｍであるグラファイト板とを交互に積層して収
容した。

【００４４】前記溶媒金属としては、炭素質物質との接
触面において、ニッケルを３０重量％、鉄を７０重量％
の割合で含有し、炭素質物質との接触面から最も離れた
位置において、ニッケルを５０重量％、鉄を５０重量％
の割合で含有すると共に、傾斜組成を有するニッケル−
鉄溶媒金属を用いた。この溶媒金属は、粒径がそれぞれ
１０μｍである鉄粉末とニッケル粉末とを、プラズマ溶
射により各粉末の供給量を調節しつつ調製したものであ
る。この溶媒金属に図４に示すような傾斜組成を有する
溶射金属を用いた。

【００４５】前記グラファイトと溶媒金属との積層体を
収容するカプセルを超高圧・高温装置内に入れて、圧力
が５５，０００Ｋｇ／ｃｍ² で温度が１４５０℃の条件
下にて３０分間合成反応を行なった。

【００４６】結果としては、粒径が４２５〜５５０μｍ
であるダイヤモンド粒子を得られた。このダイヤモンド
における結晶の構造は、６〜８面体であり、砥粒に好適
なものであった。ダイヤモンド結晶における不純物の混
入量は、従来における傾斜組成を有しない溶媒金属を用
いた場合に比べて、３０〜４０重量％も減少させること
ができた。

【００４７】（比較例１）溶媒金属として、ニッケルを
４０重量％及び鉄を６０重量％含有し、傾斜組成を有し
ない溶媒金属を用い、合成温度を１５００℃に代えた外
は、実施例１と同様にしてダイヤモンドの合成を行なっ
た。

【００４８】結果としては、得られたダイヤモンドは、
その粒径が２１０〜４００μｍである小粒のダイヤモン
ド結晶しか得ることができなかった。しかも、これらの
ダイヤモンドの結晶は、自形面が明瞭に現われていない
粒子が多かった。

【００４９】（実施例２）図３に示したような、合成試
料を収容する空間を内部に有すると共にその回りに水を
充填した部分と金属電極を有するカプセルの内部に、幅
が１０ｍｍで厚みが２ｍｍであり、その両端が炭素質物
質との接触面である溶媒金属の板と、幅が１０ｍｍで厚
みが１ｍｍであるグラファイト板とを交互に積層して収
容した。

【００５０】前記溶媒金属としては、炭素質物質との接
触面において、コバルトを１５重量％、鉄を８５重量％
の割合で含有し、炭素質物質との接触面から最も離れた
位置において、コバルトを５０重量％、鉄を５０重量％
の割合で含有すると共に、傾斜組成を有するコバルト−
鉄溶媒金属を用いた。この溶媒金属は、粒径がそれぞれ
１０μｍ、２０μｍである鉄粉末とニッケル粉末とを、
プラズマ溶射により各粉末の供給量を調節しつつ調製し
たものである。

【００５１】前記グラファイトと溶媒金属との積層体を
収容するカプセルを超高圧・高温装置内に入れて、圧力
が５５，０００Ｋｇ／ｃｍ² で温度が１５００℃の条件
下にて３０分間合成反応を行なった。

【００５２】結果としては、粒径が４２０〜５５０μｍ
であるダイヤモンド粒子を得られた。このダイヤモンド
における結晶の構造は、６〜８面体であり、砥粒に好適
なものであった。ダイヤモンド結晶における不純物の混
入量は、従来における傾斜組成を有しない溶媒金属を用
いた場合に比べて、３５〜４０重量％も減少させること
ができた。 （比較例２）実施例２における溶媒金属の代わりに、コ
バルトを１５重量％及び鉄を８５重量％含有し、傾斜組
成を有しない厚み０．１ｍｍの溶媒金属の板に、コバル
トを４５重量％及び鉄を５５重量％含有し、傾斜組成を
有しない厚み１ｍｍの溶媒金属を積層した溶媒金属を用
いた外は、実施例２と同様にしてダイヤモンドの合成を
行なった。

【００５３】結果としては、得られたダイヤモンドは、
その粒径が２５０〜４２５μｍである小粒のダイヤモン
ド結晶しか得ることができなかった。しかも、これらの
ダイヤモンドの結晶は、自形面が明瞭に現われていない
粒子が多かった。

【００５４】

【発明の効果】この発明によると、切削砥粒、研削砥
粒、ダイヤモンド燒結体等を初めとする広い分野で好適
に用いることができる、結晶の形態が良好で不純物の含
有量が少なく、粒径の大きなダイヤモンド粒子を高収率
でしかも経済的に得ることができるダイヤモンドの合成
方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、傾斜組成を有する溶媒金属における組
成の一例を示す図である。

【図２】図２は、ダイヤモンド結晶の成長を示す概略説
明図である。

【図３】図３は、カプセルの一例を示す概略説明図であ
る。

【図４】図４は、溶媒金属におけるコバルト、ニッケル
及びクロムから選択される第１の金属と、鉄及びマンガ
ンから選択される第２の金属とを有する溶媒金属の傾斜
組成の概略説明図である。

【符合の説明】

１ グラファイトの板 ２ 溶媒金属の板 ３ ダイヤモンド ４ グラファイトヒーター ５ 圧力媒体 ６ 金属電極 ７ 銅リング

【手続補正書】

【提出日】平成５年２月２３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コバルト、ニッケル及びクロムから選択
   される第１の金属と、鉄及びマンガンから選択される第
   ２の金属とを有し、炭素質物質との接触面付近に前記第
   ２の金属を高い割合で含有すると共に前記接触面から遠
   ざかるほど前記第２の金属の含有割合が連続的に低くな
   る傾斜組成を有する溶媒金属における前記接触面に炭素
   質物質を接触させた後、これをダイヤモンド安定領域の
   圧力及び温度条件下で反応させることを特徴とするダイ
   ヤモンドの合成方法。