DE69613741T2

DE69613741T2 - Überzogene Teilchen zur Herstellung von Diamanten und Verfahren zur Herstellung von Diamantschleifkörpern zum Sägen

Info

Publication number: DE69613741T2
Application number: DE69613741T
Authority: DE
Inventors: Junji Degawa; Akifumi Fujioka; Yasushi Goda; Kazuwo Tsuji
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1995-04-13
Filing date: 1996-04-12
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2016-04-13
Also published as: KR0170805B1; EP0737510A2; JPH08337498A; EP0737510A3; US5980982A; DE69613741D1; EP0737510B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG:

1. Gebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synthetisierung von Diamant-Einkristallteilchen von 20 bis 60 U.S. mesh (nachfolgend bedeutet mesh U.S. Mesh). Die Diamantteilchen werden als Schleifmittel zum Sägen verwendet, insbesondere zum Schneiden von Stein, Beton und Asphalt.

2. Beschreibung des Standes der Technik:

Da Stein, Beton und Asphalt harte und brüchige Materialien sind, müssen die Diamantteilchen, die als Sägeschleifmittel zum Schneiden der obigen Materialien verwendet werden, bruchfest und nicht brüchig sein. Es besteht eine starke gegenseitige Beziehung zwischen der Schneidgüte (Werkzeuglebensdauer) und der Teilchenfestigkeit. Es ist allgemein bekannt, dass die Teilchenfestigkeit von der Perfektion und der Symmetrie der Diamantteilchenform abhängt.
Wenn ein fehlender Bereich (29) (abgebrochener oder nichtgewachsener Bereich) an der Oberfläche eines Diamantteilchens (28), wie in Fig. 11A gezeigt, vorhanden ist, nimmt die Festigkeit des Teilchens in Abhängigkeit von dem Ausmass des fehlenden Bereichs ab. Fig. 11B zeigt ein langes und schmales Diamantteilchen (30) und ein scharfkantiges Diamantteilchen (30). Solche Diamantteilchen haben aufgrund fehlender Symmetrie eine geringe Festigkeit. Ein hochfestes Diamantteilchen erfordert, dass es keine oder minimale fehlende Bereiche und eine gute Symmetrie aufweist. Der fehlende Bereich oder die schlechte Symmetrie eines gewachsenen Diamants wird hervorgerufen durch die Umgebung des wachsenden Diamants. Wenn wachsende Diamanten einen unzureichenden Abstand aufweisen, berühren sich die wachsenden Diamanten gegenseitig oder werden durch die Zuführung der Rohmaterialien und durch die Umgebung in unnatürlicher Weise beschränkt, auch wenn kein Kontakt besteht. Aus diesen Gründen weisen viele synthetisierte Diamantteilchen einen fehlenden Bereich und eine schlechte Symmetrie auf. Daher ist es erforderlich, dass der Abstand zwischen aufwachsenden Diamanten ausreichend ist, damit hochfester Diamant synthetisiert wird.
Der ausreichende Abstand ist jedoch gegensätzlich zu den ökonomischen Bedürfnissen, wonach so viele Diamantteilchen wie möglich in einem Synthesegefäss von beschränktem Raum aufgezogen werden sollen. Unter industriellen Erwägungen ist es erforderlich, Diamanten so dicht wie möglich aufzuziehen und den geringsten nötigen Abstand zwischen den gewachsenen Teilchen aufrecht zu erhalten.
Es gibt generell zwei Verfahren zur Synthese von Diamantteilchen.
Nach dem ersten Verfahren, wie in Fig. 12A gezeigt, wird ein Presskörper ("Presskörper" ist definiert als in einer Druckplatte oder Form kontaktiertes Pulver oder Teilchen) aus einer Mischung, die Rohmaterial aus Nicht-Diamant- Kohlenwasserstoffpulver, üblicherweise Graphit und nachfolgend als "Rohkohlenstoff" bezeichnet) und Lösungsmittel-Metallpulver (üblicherweise eine Kombination aus Fe, Co, Ni, Cr und Mn (nachfolgend als "Lösungsmittelmetall" bezeichnet) für die Diamantsynthese enthält; in einer für Diamant thermodynamische stabile Region und oberhalb des Schmelzpunkts von Metallgraphit (üblicherweise 5 bis 6 GPa und 1.300 bis 1.600ºC) gehalten wird. Dieses Verfahren wird nachfolgend als "Pulververfahren" bezeichnet.
Nach dem zweiten Verfahren, wie in Fig. 12B gezeigt, wird ein Mehrschichtsystem aus Rohkohlenstoffplatten (7) und Lösungsmittelmetallplatten (6) in einer für Diamant thermodynamisch stabilen Region oberhalb des Schmelzpunkts von Metallgraphit wie im Pulververfahren gehalten (dieses Verfahren wird nachfolgend als "Mehrschichtverfahren" bezeichnet).
Vergleicht man diese beiden Verfahren, so wird angenommen, dass das Pulververfahren gegenüber dem Mehrschichtverfahren hinsichtlich der Ausbeute überlegen ist, da der dreidimensionale Raum des Synthesegefässes effektiv ausgenutzt wird, und das Mehrschichtverfahren ist gegenüber dem Pulververfahren hinsichtlich der Festigkeit der Diamantteilchen überlegen, da die Wechselwirkung zwischen den synthetisierten Diamantteilchen auf eine Ebene beschränkt ist.
Zur effektiven Herstellung von Diamant mit beabsichtigter Teilchengrösse werden in diesen beiden Verfahren feine Einkristall-Diamantteilchen als Impfkristalle in der Mischung oder in der Lösungsmittelmetallplatte dispergiert. In diesem Fall werden Diamantteilchen um die Impfkristalle synthetisiert. Da jedoch leicht dispergierende Impfkristalle zur gleichförmigen Dispergierung in der Mischung oder in der Lösungsmittelmetallplatte unentbehrlich sind, sind die synthetisierten Diamantteilchen auch notwendig für eine dichte und grobe Anordnung.
Ein Diamantteilchen wird in dem grob angeordneten Bereich grösser synthetisiert als es der beabsichtigten Teilchengrösse entspricht, und viele Diamantteilchen haben aufgrund der Wechselwirkung in dem dicht angeordneten Bereich einen fehlenden Bereich oder eine schlechte Symmetrie.
Das Mehrschichtverfahren wird so beschrieben und praktisch angewandt, dass die Impfkristalle (1) regelmässig in der Lösungsmittelmetallplatte (6), wie in Fig. 13 gezeigt, angeordnet sind, wodurch das Problem gelöst wird (beispielsweise Tokko-shou 63-57099, entspricht US-PS 4 547 257 und Tokkai-hei 5-23574, entspricht US-PS 5 194 070). Dieses Verfahren resultiert in einer höheren Festigkeit und einem höheren Ausbeuteanteil der beabsichtigten Diamantteilchengrösse als vorhergehende Techniken. Die Impfkristalle sind ideal in einer Fläche angeordnet, jedoch ist die Ausbeute unzureichend, da ungenutzter Raum in vertikaler Richtung vorhanden ist. Die Impfkristalle sind nur durch die flüssige Phase des Lösungsmittelmetalls unter den Diamantsynthesebedingungen getrennt, weshalb die Anordnung gelegentlich in groben und dichten Bereichen von Diamanten aufgrund der Bewegung der Impfkristalle resultiert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:

Es ist daher ein erfindungsgemässes Ziel, ein Verfahren zur Synthese von Diamant bereitzustellen, das die folgenden Schritte umfasst:
(a) Beschichtung feiner Diamantteilchen mit mindestens einer Schicht, die ein Nicht-Diamant- Kohlenstoffmaterial, ein Lösungsmittel-Metallpulver und gegebenenfalls ein organisches Bindermaterial in einer oder mehreren der mindestens einen Schicht(en) umfasst, so dass die resultierenden beschichteten Teilchen eine Grösse aufweisen, die grösser ist als die beabsichtigte Grösse des herzustellenden synthetischen Diamants,
(b) Kompaktierung der beschichteten Teilchen in einer solchen Weise, dass sie zumindest in teilweisem Kontakt miteinander stehen, gegebenenfalls zusammen mit einem Pulver, das zusätzliches Kohlenstoffrohmaterial und/oder Lösungsmittel-Metallpulver umfasst,
(c) falls in Schritt (a) ein organisches Bindermaterial aufgeschichtet wird, Entfernen desselben vor oder nach dem Kompaktierungsschritt (b) durch Wärmebehandlung, und
(d) Anordnung des kompaktierten Materials in einem Synthesekessel und Erwärmen desselben auf eine Temperatur oberhalb des Lösungsmittelmetall-Graphitschmelzpunkts bei einem Druck, bei dem Diamant thermodynamisch stabil ist. Alternativ wird erfindungsgemäss ein Verfahren zur Synthese von Diamant bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst:
(a) Beschichtung feiner Diamantteilchen mit mindestens einer Schicht, umfassend ein Lösungsmittel- Metallpulver und gegebenenfalls ein organisches Bindermaterial in einer oder mehreren der mindestens einen Schicht(en), so dass die resultierenden beschichteten Teilchen eine Grösse aufweisen, die grösser ist als die beabsichtigte Grösse des herzustellenden synthetischen Diamants,
(b) Kompaktierung der beschichteten Teilchen zusammen mit einem Pulver, das zusätzliches Kohlenstoffrohmaterial umfasst, in einer solchen Weise, dass die beschichteten Teilchen zumindest teilweise miteinander in Kontakt sind, gegebenenfalls zusammen mit einem Pulver, das zusätzliches Lösungsmittel-Metallpulver umfasst, und
die Schritte (c) und (d) wie oben.
Es ist bevorzugt, ein Acryl-Copolymer als organisches Bindermaterial zu verwenden.
Es ist ferner bevorzugt, die feinen Diamantteilchen nach einem Sprühverfahren zu beschichten, insbesondere mit einer Wurster-Typ Fliessbett- oder einer horizontalen Drehscheibenanordnung.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN:

Fig. 1A zeigt einen schematischen Querschnitt eines in den Beispielen verwendeten beschichteten Diamantteilchens;
Fig. 1B zeigt einen schematischen Querschnitt eines in den Beispielen verwendeten Presskörpers;
Fig. 2A und B zeigen schematische Querschnitte von anderen erfindungsgemässen Ausführungsformen wie in den Fig. 1A und B;
Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer anderen Ausführungsform eines zur Synthese von Diamant verwendeten Presskörpers;
Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform des Presskörpers aus Fig. 3;
Fig. 5A zeigt einen schematischen Querschnitt eines Presskörpers, worin beschichtete Teilchen in einer Monoschicht kompaktiert sind;
Fig. 5B zeigt einen schematischen Querschnitt des Monoschicht-Presskörpers, der mit anderen Füllstoffen in einem Synthesegefäss gestapelt ist;
Fig. 6A zeigt schematisch ein Verfahren zur Beschichtung mit einem Sprühpulver in einem Fliessbett;
Fig. 6B zeigt schematisch ein Verfahren zur Beschichtung mit einem Sprühpulver auf einer horizontalen Drehscheibe;
Fig. 7A zeigt schematisch ein Fliessbett vom Wurster-Typ mit einem inneren Zylinder;
Fig. 7B zeigt schematisch ein Fliessbett vom Wurster-Typ mit einem breiteren Bereich im oberen Teil;
Fig. 5A zeigt schematisch eine nass-kalt-isostatische Presse;
Fig. 8B zeigt schematisch eine trocken-kalt-isostatische Presse;
Fig. 9A zeigt schematisch ein Beispiel für ein Stützgehäuse;
Fig. 9B zeigt ein anderes Beispiel;
Fig. 10A zeigt schematisch einen einachsigen Typ;
Fig. 10B zeigt schematisch einen mehrachsigen Typ einer Ultrahochdruckvorrichtung zur Diamantsynthese;
Fig. 11A zeigt schematisch Diamantteilchen mit einem fehlenden Bereich;
Fig. 11B zeigt schematisch Diamantteilchen mit schlechter Symmetrie;
Fig. 12A und B zeigen Anordnungen aus dem Stand der Technik für das Pulververfahren und das Mehrschichtverfahren in Synthesegefässen;
Fig. 13 zeigt eine andere Anordnung aus dem Stand der Technik in Synthesekesseln, nämlich regelmässig angeordnete Impfkristalle in Multischichten;
Fig. 14 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Stahlkapsel zur Messung der Schlagfestigkeit.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG:

Die hiesigen Erfinder haben die Lösung der obigen Probleme in Betracht gezogen und haben sich auf ein Verfahren konzentriert, in dem kompaktiertes Rohmaterial verwendet wird, das hergestellt ist aus einzelnen feinen Impfkristallen (feine Diamant-Einkristalle), die mit ausreichenden Mengen an Rohkohlenstoffpulver und Lösungsmittel-Metallpulver beschichtet sind. Ausreichende Mengen bedeutet, dass die beschichteten Impfkristalle gross genug sind, so dass die aufgezogenen Diamantteilchen sich gegenseitig nicht berühren. Daher ist es ein fundamentales Erfordernis, dass die beschichteten Impfkristalle grösser sind als die beabsichtigten synthetisierten Diamantteilchen.
Folgende weitere Untersuchungen sind für die praktische Anwendung erforderlich:

(1) Poren in den beschichteten Impfkristallen:

Wenn die beschichteten Impfkristalle kompaktiert werden, brechen die Poren in den beschichteten Kristallen zusammen und der Abstand zwischen den Impfkristallen wird verringert.

(2) Offene Räume zwischen den Impfkristallen in einer Form oder einem Druckstempel:

Wenn die beschichteten Impfkristalle in einer Form oder einem Druckstempel kompaktiert werden, nehmen die offenen Räume zwischen den Impfkristallen ab.

(3) Ungleichförmige Kompaktierung:

Der Abstand zwischen den Impfkristallen nimmt in einigen Kompaktierungsverfahren nur in einer bestimmten Richtung ab.

(4) Verbleibende Poren in einem Presskörper:

Da die Poren unter den Diamantsynthesebedingungen einbrechen, nimmt der Abstand zwischen den Impfkristallen ab.

(5) Das Volumen des Rohkohlenstoffs nimmt ab, wenn der Rohkohlenstoff in Diamant umgewandelt wird.

Daher ist die Grösse der beschichteten Impfkristalle deutlich grösser als die beabsichtigten synthetisierten Diamantteilchen.
Nach zahlreichen Experimenten bezüglich praktischer Herstellungsverfahren für beschichtete Impfkristalle haben die hiesigen Erfinder das vorliegende Verfahren zur Beschichtung der Impfkristalle mit Rohkohlenstoffpulver und Lösungsmittel-Metallpulver erfunden.

Erfindungsgemäss

(1) können der Abstand zwischen den Impfkristallen durch die Dicke der Beschichtungsschicht (Grösse der beschichteten Impfkristalle), das Porenverhältnis in der aufgeschichteten Schicht und die Auswahl der Kompaktierungsverfahren gesteuert werden,
(2) nimmt die Ausbeute an Diamant zu, da der Presskörper aus beschichteten Impfkristallen das Synthesegefäss dreidimensional und wirksam ausnutzen kann, und
(3) bewegen sich die einzelnen Impfkristalle nicht, da jeder Impfkristall unter den Diamantsynthesebedingungen durch festes Kohlenstoff-Rohmaterial isoliert ist.
Daher führt die vorliegende Erfindung zu einer deutlichen Verbesserung der Ausbeute und der Festigkeit der Diamanten im Vergleich zum Stand der Technik. Die grundlegendste Ausbildung der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung des Presskörpers (15) gemäss Fig. 1B aus feinen Impfkristallen (1), die mit einer Mischung aus Rohkohlenstoffpulver und Lösungsmittel-Metallpulver beschichtet sind, wie in Fig. 1A gezeigt. Die gleichen Ergebnisse können erhalten werden bei Verwendung des Presskörpers (15) gemäss Fig. 2B aus feinen Impfkristallen (1), die mit einer Lösungsmittel-Metallschicht (3), einer Mischungsschicht (2) und einer Kohlenstoffschicht (4), wie in Fig. 2A gezeigt, beschichtet sind. Es ist notwendig, dass die Beschichtungsschichten Rohkohlenstoff und Lösungsmittelmetall einschliessen. Ausschliesslich Rohkohlenstoff für die innerste Schicht ist nicht bevorzugt, da die Impfkristalle beim Übergang von Kohlenstoff zu Diamant durch das Lösungsmittelmetall gross werden. Die zweite und die äusseren Schichten können wahlweise ausgewählt werden. Beispielsweise können auch mehrschichtig beschichtete Impfkristalle, wie beispielsweise Impfkristall / Lösungsmittelmetall / Rohkohlenstoff / Lösungsmittelmetall / Rohkohlenstoff oder Impfkristall / Lösungsmittelmetall / Mischung aus Rohkohlenstoff und Lösungsmittelmetall / Rohkohlenstoff verwendet werden. Ferner kann jede Schicht hinsichtlich der Mischungsverhältnisse von Rohkohlenstoff und Lösungsmittelmetall bezüglich unterschiedlicher Arten an Lösungsmittelmetallen verändert werden.
Ferner ist die kompaktierte Mischung aus diesen beschichteten Kristallen, Rohkohlenstoffpulver und/oder Lösungsmittel-Metallpulver industriell erhältlich. Es ist möglich, die Menge an Beschichtungsmaterial soweit zu verringern wie die Mischungsmenge aus Rohmaterial, Kohlenstoffpulver und/oder Lösungsmittel-Metallpulver. Es ist in diesem Verfahren jedoch notwendig, wie in Fig. 3 gezeigt, dass zwischen den beschichteten Teilen in Abhängigkeit vom Zustand des zugegebenen Pulvers (5) Kontaktbereiche und Nicht-Kontaktbereiche vorhanden sind. Die Abstände zwischen den Impfkristallen sind in Abhängigkeit vom zugegebenen Pulver veränderlich. Wenn zuviel Pulver zugegeben ist (wenn die Beschichtungsmenge zu klein ist), ist die Verbesserung gegenüber dem Pulververfahren gering. Zur Erzielung des erfindungsgemässen Vorteils muss daher das echte Volumen der beschichteten Teilchen (die Menge an Impfkristallen, Rohkohlenstoff und Lösungsmittelmetall, ausschliesslich der Poren und des organischen Binders) mindestens 20 Vol.% betragen. Wenn das gemischte Pulver in diesem Verfahren Rohkohlenstoff einschliesst, ist es nicht erforderlich, Rohkohlenstoff in die beschichteten Teilchen einzuschliessen.
Die Dicke und die Zusammensetzung der Beschichtungsschicht und die Menge und Zusammensetzung des gemischten Pulvers werden selbstverständlich unter Berücksichtigung der beabsichtigten Diamantteilchengrösse, dem Abstand zwischen den Impfkristallen, der Menge an Rohkohlenstoff und Lösungsmittelmetall, des Kompaktierungsverfahrens und der Verformung des Presskörpers unter Diamantsynthesebedingungen in allen obigen Verfahren bestimmt. Impfkristalle, Rohkohlenstoff und Lösungsmittelmetall, wie sie erfindungsgemäss verwendet werden, sind die gleichen, wie sie im Stand der Technik verwendet werden. Die Impfkristalle haben üblicherweise einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 200 um, da grosse Impfkristalle dazu neigen, Einschlüsse (Verunreinigungen) zu enthalten: die Impfkristalle sind vorzugsweise sehr fein, da sie sich leicht handhaben lassen. Wenn die Impfkristalle zu klein sind, sind sie schwer zu handhaben. Andererseits sollten die Impfkristalle Einkristalle sein. Als Rohkohlenstoff kann ein beliebiger üblicher Graphit verwendet werden. Als Lösungsmittelmetall kann eine Kombination aus Fe, Co, Ni, Cr und Mn (jedes Material, Legierung oder Mischung) verwendet werden, wie sie im Stand der Technik verwendet wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren, das nachfolgend detailliert erläutert wird, betrifft die Behandlung von beschichteten Teilchen und von Presskörpern, in denen die beschichteten Teilchen verwendet werden.
Zunächst wird das Verfahren zur Herstellung beschichteter Teilchen erläutert. Zur Erzielung des erfindungsgemässen Vorteils kann im wesentlichen ein beliebiges Verfahren angewandt werden, vorausgesetzt, dass jeder Impfkristall gleichförmig beschichtet wird. Als erfindungsgemäss verwendbar werden Verfahren, wie beispielsweise das Plattierungsverfahren, das chemische Gasphasenabscheidungsverfahren, die Beschichtung nach dem Pulversprühverfahren, das mechanische Legierungsverfahren usw., angesehen.
Im Hinblick auf die chemischen Reaktionsverfahren, wie beispielsweise das Plattierungsverfahren und das chemische Gasphasenabscheidungsverfahren, bestehen jedoch Nachteile, da die Rohmaterialien kostspielig sind und die Erzielung von dicken Beschichtungen und von Mischbeschichtungen mit Rohkohlenstoff schwierig ist. Daher sind die Pulverbeschichtungsverfahren, wie beispielsweise das Beschichten mittels dem Pulversprühverfahren und das mechanische Legierungsverfahren, vorteilhaft, da hier keine Nachteile wie beim chemischen Reaktionsverfahren bestehen. Bei der Beschichtung nach dem Pulververfahren können organische Bindemittel verwendet werden, da organische Bindemittelmaterialien leicht durch eine Wärmebehandlung nach der Beschichtung entfernt werden können. Ferner ist es mitunter vorteilhaft, dass absichtlich eine überschüssige Menge an organischem Bindemittel zur Einstellung des Verhältnisses des Abstands zwischen den Impfkristallen in dem Presskörper zuzugeben wird, wie später beschrieben.
Gemäss den zahlreichen Experimenten, die die hiesigen Erfinder durchgeführt haben, hat sich die Beschichtung mit dem Pulversprühverfahren als das simpelste, einfachste und kosteneffizienteste Verfahren herausgestellt. Dieses Verfahren wird weitverbreitet im Bereich der Herstellung von Pharmazeutika und Lebensmitteln verwendet. Das Verfahren wird durchgeführt mittels Aufsprühen einer Mischung aus Lösungsmittelmetallpulver, Rohkohlenstoffpulver, organischem Binder und organischem Lösungsmittel aus der Spraydüse (10) auf die feinen Einkristall-Diamanten (1) oder die halbbeschichteten Einkristall-Diamanten (nachfolgend als "Kernteilchen" bezeichnet), wie in Fig. 6 gezeigt, worin die Kernteilchen fluidisiert sind, oder wie in Fig. 6B gezeigt, worin die Kernteilchen gerührt werden. In den Figuren kennzeichnet (9) den äusseren Zylinder der Beschichtungsausrüstung, (11) ist eine poröse Platte, (12) ist eine horizontal rotierende Scheibe, (13) ist eine Pulverzuführleitung, (a) ist der Fluss der Aufschlämmung, die aufzuschichtendes Pulver / organischen Binder / organisches Lösungsmittel enthält, (b) ist der Fluss an organischem Binder / organischem Lösungsmittel, (c) ist der Fluss des aufzuschichtenden Pulvers, (d) ist der Fluss des Gases zum Trocknen des beschichteten Pulvers, und (e) zeigt die Rotationsrichtung der horizontal rotierenden Scheibe.
Es gibt zahlreiche Sprühverfahren, beispielsweise
(1) Aufsprühen der Aufschlämmung aus den drei Komponenten,
(2) jeweiliges Aufsprühen des Beschichtungspulvers und des organischen Bindemittels, gelöst in organischem Lösungsmittel,
(3) Aufsprühen in der Reihenfolge organisches Lösungsmittel → organisches Bindemittel → aufzuschichtendes Pulver.
Diese Verfahren sind anwendbar. Üblicherweise wird die gleichförmigste Mischung und damit höchste Effizienz dadurch erreicht, dass die drei Komponenten vor dem Aufsprühen miteinander vermischt werden. In diesem Fall ist es in der praktischen Anwendung bevorzugt, dass die Aufschlämmung der Mischung mittels eines Zusatzgases aus der gleichen Düse wie die Mischung aufgesprüht wird. Acryl-Copolymer ist hinsichtlich der hohen Binderfestigkeit, der Leichtigkeit der Entfernung durch Wärmebehandlung und die rückstandsfreie Entfernung bevorzugt. Andere organische Bindemittel sind auch anwendbar, vorausgesetzt, dass sie entfernbar sind. Zu den organischen Bindemitteln können Materialien zugegeben werden, wie beispielsweise Weichmacher, Kompressionsgleitmittel und Materialien zur Erhöhung des Porenanteils in den beschichteten Teilchen, obwohl diese keinen Beitrag zur Bindungsfestigkeit liefern, vorausgesetzt, dass diese Materialien entfernbar sind. Diese organischen Materialien sind erfindungsgemäss ebenfalls unter dem Begriff organische Bindemittelmaterialien zu verstehen. Das organische Lösungsmittel muss Lösungsfähigkeit für die organischen Bindemittelmaterialien, Trocknungsfähigkeit und Sicherheit aufweisen. Niedere Alkohole, wie beispielsweise Ethylalkohol und Isopropanol (2-Propanol), sind bevorzugt, wenn Acryl-Copolymer als organisches Bindemittelmaterial verwendet wird. Inertgase, wie Stickstoff und Argon, sind als Trocknungsgas bevorzugt, jedoch ist auch Luft möglich. Die Feuchtigkeit in der Luft muss jedoch ausgeschlossen werden, da das Lösungsmittelmetall gelegentlich durch die Feuchtigkeit oxidiert wird.
Bei dem Pulversprühbeschichtungsverfahren bleibt nicht das gesamte zugeführte Pulver an den Kernteilchen haften. Der anhaftende Anteil des zugeführten Pulvers hängt gelegentlich von der Art und der Teilchengrösse des Pulvers ab. Beispielsweise wurde eine zugeführte Mischung von 80 : 20 (Gewichtsverhältnis) aus Ni/Graphit zu einer Zusammensetzung von 75 : 25 (Gewichtsverhältnis) in der Beschichtungsschicht. Es ist notwendig, das Anhaftungsverhältnis und die Zusammensetzung der aufgeschichteten Schicht vor den Experimenten zu untersuchen. Der Teilchendurchmesser des Pulvers ist vorzugsweise kleiner als 1/10 des Kernteilchendurchmessers. Üblicherweise wird die Anhaftung des Pulvers an den Kernteilchen um so besser, je kleiner der Durchmesser und je geringer das Gewicht des Pulvers ist.
Das am meisten bevorzugte Verfahren ist die Verwendung eines Wurster-Typ-Fliessbetts bei der Beschichtung nach dem Pulversprühverfahren. In anderen Verfahren haften Impfkristalle aneinander an. Das heisst, beschichtete Teilchen enthalten zufällig mehr als einen Impfkristall, und solche Teilchen müssen entfernt werden. Andererseits werden solche Teilchen selten gefunden, wenn ein Wurster- Typ-Fliessbett verwendet wird. Da das Wurster-Typ- Fliessbett einen Innenzylinder (14), wie in Fig. 7A gezeigt, oder einen breiteren Bereich im oberen Teil, wie in Fig. 7B gezeigt, aufweist, nimmt die Geschwindigkeit des Teilchens im oberen Teil ab, und es fällt entlang des äusseren Zylinders (9) herunter. Da die Teilchen in einer Richtung ausfliessen und gleichmässig zirkulieren, tritt kaum eine Kohäsion auf. In der Figur ist (a) der Fluss der Aufschlämmung, die aufzuschichtendes Pulver / organisches Bindermaterial / organisches Lösungsmittel enthält, (d) ist der Fluss des Trocknungsgases und (f) ist der Fluss der Kernteilchen.
Als nächstes werden die Herstellungsverfahren für die Presskörper erläutert.
Vor einer detaillierten Darstellung ist zu erwähnen, dass die organischen Bindemittelmaterialien notwendigerweise vor oder nach der Kompaktierung durch eine Wärmebehandlung entfernt werden müssen. Insbesondere wenn das organische Bindermaterial im Überschuss eingeschlossen ist, sollte das meiste davon vor der Kompaktierung entfernt werden. Wenn es nach der Kompaktierung entfernt wird, nimmt die Füllmenge im Diamantsynthesegefäss ab, da Poren im Presskörper zurückbleiben. Die Temperatur zur Entfernung hängt von der Art des organischen Bindermaterials ab und beträgt etwa 300 bis 600ºC. Selbstverständlich sollte die Wärmebehandlung zur Vermeidung von Oxidationen in einer reduzierenden oder inerten Atmosphäre durchgeführt werden.
Da eine geringe Menge an organischem Gleitmittel zu einer hohen Dichte des Presskörpers bei der Kompaktierung beiträgt, ist es ratsam, dass das organische Bindermaterial eine Menge an organischem Lösungsmittel einschliesst, dessen Entfernungstemperatur höher ist als diejenige des organischen Bindermaterials. In diesem Fall wird das meiste organische Material bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur entfernt, dann erfolgt die Kompaktierung und dann wird die geringe rückständige Menge (organisches Gleitmittel) bei einer vergleichsweise hohen Temperatur entfernt. Bei Verwendung einer Mischung aus Acryl-Copolymer, dessen Entfernungstemperatur etwa 400ºC beträgt, und einer geringen Menge eines organischen Gleitmittels, dessen Entfernungstemperatur etwa 500 bis 600ºC beträgt, nimmt die Dichte des Presskörpers nach den Prozessen der Wärmebehandlung bei 400ºC und Kompaktierung und nachfolgender Wärmebehandlung bei 600ºC zu. Zur Erhöhung der Festigkeit des Presskörpers kann die Behandlung bei einer höheren Temperatur als 600ºC in Betracht gezogen werden. Eine reduzierende Atmosphäre ist ratsam, da das Lösungsmittelmetall reduziert ist.
Bei der Kompaktierungsformgebung ist es bedeutsam, dass der Abstand zwischen den synthetisierten Diamantteilchen am Ende der Synthese in allen Richtungen so gleichförmig wie möglich ist.
Wenn die Abstände in verschiedenen Richtungen voneinander unterschiedlich sind, sollte der kürzeste Abstand ein geeigneter Abstand sein, bei dem keine gegenseitigen Störungen auftreten. Daher nimmt die Anzahl der eingeführten Impfkristalle ab, was auch zu einer Reduzierung der Diamantausbeute führt. Da dieses Phänomen von der Ultrahochdruckvorrichtung abhängt, werden die Eigenschaften jeder Vorrichtung nachfolgend jeweils erläutert.
Die erste ist eine einachsige Ultrahochdruckvorrichtung, wie in Fig. 10A gezeigt, wie sie weitverbreitet in der Industrie verwendet wird. Das Synthesegefäss dieser Vorrichtung ist üblicherweise eine kreisförmige Säule, so dass der Presskörper im wesentlichen zu einer kreisförmigen Säule geformt wird. Unter Berücksichtigung der stärksten Kompaktierungsformgebung in Richtung der Achse der kreisförmigen Säule unter Verwendung eines Metallstempels ist der Abstand zwischen den Impfkristallen in radialer Richtung der gleiche wie der Abstand der beschichteten Teilchen, nimmt jedoch in axialer Richtung proportional zur komprimierten Länge ab. Ferner treten die folgenden Phänomene in den Ultrahochdruckvorrichtungen auf.
(1) Da sich der Syntheseraum sich in radialer Richtung ausbreitet und im Vergleich zur Ausbreitung in axialer Richtung geringer wird, nimmt der Abstand zwischen den Impfkristallen in radialer Richtung zu, und nimmt ferner in der axialen Richtung ab.
(2) Unter den Ultrahochdruckbedingungen sind keine Poren mehr vorhanden. Das Volumen eine Presskörpers nimmt entsprechend den verbleibenden Poren in dem Presskörper ab; die Abnahme bewirkt eine Verkürzung des Abstandes zwischen den Impfkristallen in axialer Richtung.
(3) Das Volumen des Rohkohlenstoffs nimmt entsprechend der Umwandlung von Nicht-Diamantkohlenstoff zu Diamant ab; die Abnahme bewirkt ebenfalls eine Verkürzung des Abstands zwischen den Impfkristallen in axialer Richtung.
Es wird daher bei der Anordnung des Presskörpers gefunden, dass der Abstand zwischen den Impfkristallen in radialer Richtung relativ kürzer ist als in axialer Richtung, wie in Fig. 4 gezeigt. Die hiesigen Erfinder konnten erfolgreich eine trocken-kalt-isostatische Druckvorrichtung oder ein Verfahren des pseudo-trockenkalt-isostatischen Pressens mit einer nass-kaltisostatischen Druckvorrichtung anwenden. Der Presskörper wird wie in Fig. 8A gezeigt bei der normalen Anwendung einer nass-kalt-isostatischen Druckvorrichtung, die weitverbreitet als Vorrichtung für die kalt-isostatische Druckausübung verwendet wird, aus allen Richtungen gleichförmig kompaktiert. Andererseits wird der Presskörper mit einer trocken-kalt-isostatischen Druckvorrichtung, wie in Fig. 8B gezeigt, nur in radialer Richtung zusammengepresst. Wenn die nass-kalt-isostatische Druckvorrichtung mit einem Stützgehäuse mit Seitenlöchern, die die Druckausübung in axialer Richtung durch seitliche Poren steuern, wie in Fig. 9A gezeigt, verwendet wird, hat die Vorrichtung die gleichen Eigenschaften wie die trocken-kalt-isostatische Druckvorrichtung (dies wird als "pseudo-trocken-kalt-isostatisches Pressen" bezeichnet).
Das Kompaktierungsverhältnis in radialer und axialer Richtung, d. h. das Abstandsverhältnis der Impfkristalle, kann durch den Porenanteil in den beschichteten Teilchen und das Befüllungsverhältnis in der Kompaktierungsform gesteuert werden. Der Kompaktierungsanteil hat einen besonders wichtigen Einfluss auf das Kompaktierungsverhältnis und kann durch die Menge des zuvor genannten organischen Bindermaterials gesteuert werden. Das Volumen an organischem Bindermaterial wird als Poren in den beschichteten Teilchen angesehen, wenn die beschichteten Teilchen vor der Kompaktierung entwachst werden. Dies wird durchgeführt durch Erhöhung der Menge an organischem Bindermaterial, das zur Kompaktierung in radialer Richtung vorgesehen ist. In vielen Fällen kann ein geeignetes Abstandsverhältnis der Impfkristalle erhalten werden durch Steuerung der Grösse und des Porenanteils der beschichteten Teilchen, und unter Anwendung des trocken- oder pseudo-trocken-kaltisostatischen Pressens.
Gelegentlich ist es erforderlich, in axialer Richtung eine geringfügige Kompaktierung durchzuführen. In diesem Fall können die folgenden Verfahren angewandt werden.
(1) Verwendung einer trocken-kalt-isostatischen Druckvorrichtung, die zur Kompaktierung und Steuerung in axialer Richtung in der Lage ist.
(2) Verwendung einer pseudo-trocken-kaltisostatischen Druckvorrichtung mit einem Stützgehäuse, worin der Presskörper in axialer Richtung etwas kompaktiert wird, wie in Fig. 9B gezeigt.
(3) Vor oder nach der Kompaktierung der beschichteten Teilchen und Anwendung des trocken-kaltisostatischen Pressens werden die beschichteten Teilchen in axialer Richtung unter Verwendung eines Metallstempels oder einer nass-kalt-isostatischen Druckvorrichtung kompaktiert.
In dem anderen Fall der Verwendung einer Mehrachsen- Ultrahochdruckvorrichtung, wie in Fig. 10B gezeigt, ist es bevorzugt, dass der Abstand zwischen den Impfkristallen in dem Presskörper gleichförmig ist, da der Presskörper nahezu gleichförmig in allen Richtungen verkleinert wird. Ein solcher Presskörper kann leicht unter Verwendung einer nass-kalt-isostatischen Druckvorrichtung erhalten werden.
In den Fig. 8, 9 und 10 kennzeichnet (16) die zu kompaktierenden Teilchen, (17) kennzeichnet die Gummiform, (18) kennzeichnet das flüssige Druckmedium, (19) kennzeichnet das Stahlgefäss, (20) kennzeichnet einen Metalldeckel, (21) kennzeichnet ein Stützgehäuse, (22) kennzeichnet das Diamantsynthesegefäss, (23) kennzeichnet einen Stempel aus zementiertem Carbid, (24) kennzeichnet den aus zementiertem Carbid hergestellten Amboss, (25) kennzeichnet das keramische Druckmedium, (26) kennzeichnet elektrisch leitende Teile und (27) kennzeichnet eine Graphit-Heizvorrichtung. (g) bezeichnet die Kompaktierungsrichtung in einer kalt-isostatischen Druckvorrichtung und (h) kennzeichnet die Kompaktierungsrichtung in einer Ultrahochdruckvorrichtung.
Unter Verwendung von nur dem Presskörper (15), der nach den obigen Verfahren erhalten wird, können hochfeste Diamantteilchen in wirksamer Weise und nach einem beliebigen bekannten Verfahren oder dem neuen Verfahren synthetisiert werden.
Das Mehrschichtverfahren ist anwendbar zur Synthetisierung von Diamantteilchen unter Verwendung dieser beschichteten Teilchen. Anders ausgedrückt nutzt das Verfahren Einzelschicht-Presskörper aus beschichteten Teilchen mit Rohkohlenstoffplatten und Lösungsmittelmetallplatten, wie in Fig. 5A gezeigt. Das Stapeln von nur Einzelschicht- Presskörpern ist im Vergleich mit der Verwendung eines kreisförmigen Säulenpresskörpers mit keinem Vorteil verbunden. Der Einzelschicht-Presskörper wird vorzugsweise mit Rohkohlenstoff und/oder Lösungsmittelmetallschichten, wie in Fig. 5B gezeigt, kombiniert. In dem Fall wird der Abstand zwischen den Impfkristallen in der Dickenrichtung durch die Platte aus Rohkohlenstoff (7) und/oder Lösungsmittelmetall (6) aufrecht erhalten und gesteuert. Daher sollte die Menge an aufgeschichtetem Rohkohlenstoff und Lösungsmittelmetall so gehalten werden, dass der Abstand zwischen den Impfkristallen in der Einzelschicht ausreichend ist. Vorzugsweise ist es am einfachsten, einen Einzelschicht-Presskörper mit einem Metallstempel herzustellen. Bei der Kompaktierung der beschichteten Teilchen wird das folgende Verfahren zur Handhabung des Einzelschicht-Presskörpers vorgeschlagen. Die Platte aus Rohkohlenstoff oder Lösungsmittelmetäll wird mit organischem Haftmittel beschichtet, und die beschichteten Teilchen werden auf der Platte angeordnet und angehaftet und dann wird die Kombination so wie sie ist, kompaktiert. Es bedarf keiner Erwähnung, dass das organische Haftmittel und das organische Bindermaterial vor der Synthetisierung von Diamant durch Wärmebehandlung entfernt werden sollte.
Im Vergleich zum herkömmlichen Mehrschichtverfahren, insbesondere bei in einer Schicht geordnet angeordneten Impfkristallen, ist die vorliegende Erfindung dahingehend vorteilhaft, dass die Impfkristalle auch unter den Diamantsynthesebedingungen nicht beweglich sind, da jeder Impfkristall von festem Rohkohlenstoff umgeben ist. Die hergestellten Diamantteilchen haben eine bemerkenswerte Festigkeit im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren. Da die Ausbeute die gleiche ist wie im herkömmlichen Mehrschichtverfahren, wird vorgeschlagen, dass der obige erfindungsgemässe Presskörper in dem Mehrschichtverfahren verwendet wird. Ein solches Verfahren hat daher eine hohe industrielle Anwendbarkeit, da die Beschichtungsmenge verringert werden kann, eine geringe Menge an beschichteten Diamantteilchen verwendet wird und keine isostatische Druckvorrichtung erforderlich ist.
Wie oben erläutert, weist Diamant, der unter Verwendung des erfindungsgemässen, beschichteten Teilchens hergestellt wird, geringe fehlende Bereiche, eine gute Symmetrie und hohe Festigkeit auf. Daher sind die Diamanten nicht nur für abrasive Sägen, sondern auch für Diamantschleifscheiben und Abrichtwerkzeuge geeignet.
Das Verfahren zur Herstellung des beschichteten Teilchens ist industriell bevorzugt, da die Zusammensetzung, die Teilchengrösse und der Porenanteil des beschichteten Anteils durch ausgewählte feine Diamantteilchen und das aufzuschichtende Pulver gesteuert werden.
Es ist möglich, Diamant zu synthetisieren, indem lediglich die beschichteten Teilchen oder eine Mischung aus beschichteten Teilchen und anderen Rohmaterialien in das Diamantsynthesegefäss in einer Ultrahochdruckvorrichtung gegeben werden. Wenn die beschichteten Teilchen oder die Mischung aus beschichteten Teilchen und anderen Rohmaterialien jedoch zuvor kompaktiert und dann zu Diamant umgesetzt werden, sind die Diamantausbeute und die Qualität deutlich verbessert.

BEISPIEL 1

Diamant-Einkristallteilchen mit einer Grösse von 325/400 mesh wurden mit einer Aufschlämmung, die aus Rohkohlenstoff, Lösungsmittelmetall, organischem Bindermaterial und organischem Lösungsmittel bestand, unter Verwendung der in Fig. 7A gezeigten Vorrichtung sprühbeschichtet. Der Rohkohlenstoff war Graphitpulver, das Lösungsmittelmetall hatte die Zusammensetzung Fe/Ni = 58 : 42 (Gewichtsverhältnis), die organischen Bindermaterialien waren Acryl-Copolymer und Polyethylenglykol, und das organische Lösungsmittel war Isopropanol. Das Mischungsverhältnis Graphit / Fe-Ni- Legierung / Acryl-Copolymer / Polyethylenglykol / Isopropanol betrug 25 : 75 : 7,5 : 7,5 : 125 (Gewichtsverhältnis). Als Trocknungsgas wurde auf 80ºC erwärmte Luft verwendet. Unter Messung des Durchmessers der beschichteten Teilchen, die intermittierend aus der Vorrichtung entnommen wurden, wurde die Beschichtung unterbrochen, als die beschichteten Teilchen einen Durchmesser von etwa 800 um aufwiesen. Die aufgebrachte Schicht hatte eine Zusammensetzung von Graphit / Fe-Ni-Legierung = 28 : 72 (Gewichtsverhältnis). Durch Sieben wurden beschichtete Teilchen mit einem Durchmesser von 750 bis 810 um erhalten, und das organische Bindermaterial wurde in einem Wasserstoffstrom bei 450ºC für 60 Minuten entfernt. Die Teilchen wurden zu einer kreisförmigen Säule unter einem Druck von 3.000 kgf/cm² (294 MPa) unter Anwendung des in Fig. 9A gezeigten Falls in der in Fig. 8 gezeigten Vorrichtung kompaktiert. Der kreisförmige Säulenpresskörper wurde geschnitten und mit einem Metallstempel unter einem Druck von 6.000 kgf/cm² (5.88 MPa) in axialer Richtung zusammengepresst und dann in einem Wasserstoffstrom für 60 Minuten auf 1.000ºC erhitzt. Die Fülldichte des Presskörpers betrug 85% der theoretischen Dichte. Der Presskörper wurde zu einer kreisförmigen Säule von 25 mm Durchmesser und 20 mm Höhe verarbeitet und dann wurde die kreisförmige Säule in eine uniaxiale Ultrahochdruckvorrichtung, wie in Fig. 10A gezeigt, eingeführt. Der Presskörper wurde Bedingungen von 5,3 GPa und 1.350ºC für 30 Minuten ausgesetzt und es wurden Diamantteilchen erhalten. Die Ausbeute an Diamantteilchen betrug 7,6 g und 5,2 g dieser 7,2 g waren Teilchen einer Grösse von 40/50 mesh. 4,4 g dieser 5,2 g wiesen keine fehlenden Bereiche, eine gute Symmetrie und eine hohe Festigkeit auf. Das Verfahren zur Messung der Festigkeit und die Vergleichsbeispiele werden nach den Beispielen zusammengefasst.

BEISPIEL 2

Diamant-Einkristallteilchen mit einer Grösse von 230/270 mesh wurden mit Rohkohlenstoff % Lösungsmittelmetall unter Verwendung der in Fig. 6B gezeigten Vorrichtung beschichtet. Die Teilchen wurden durch trockenes Gas zu einem gewissen Mass gerührt, da die horizontal rotierende Scheibe (12) eine poröse Platte war. Die Mischung aus Rohkohlenstoffpulver / Lösungsmittel-Metallpulver und organischem Lösungsmittel, in dem organisches Bindermaterial aufgelöst war, wurden alternierend aus den Düsen (10) und (13) aufgesprüht. Der Rohkohlenstoff war Graphitpulver und die Lösungsmittelmetalle waren eine Mischung aus Fe-Pulver und Co-Pulver. Die Zusammensetzung der Mischung Graphit / Fe / Co betrug 40 : 30 : 30 (Gewichtsverhältnis). Die organischen Bindermaterialien waren Acryl-Copolymer und Ethylcellulose, und das organische Lösungsmittel war Ethanol. Die Menge an Acryl- Copolymer und Ethylcellulose in dem Ethanol betrug 10 Gew.-% bzw. 2 Gew.-%. Als Trocknungsgas wurde Stickstoff bei 50ºC verwendet.
Unter Messung des Durchmessers der beschichteten Teilchen, die intermittierend aus der Vorrichtung entnommen wurden, wurde die Beschichtung beendet, als die Grösse der beschichteten Teilchen etwa 1.000 um betrug. Beschichtete Teilchen mit einem Durchmesser von 960 bis 1.060 um wurden zur Entfernung des organischen Bindermaterials wie in Beispiel 1 beschrieben erhitzt, und dann wurden die beschichteten Teilchen unter einem Druck von 4.000 kgf/cm² (392 MPa) unter Anwendung des in Fig. 9A gezeigten Verfahrens zu einem kreisförmigen Säulenpresskörper kompaktiert. Dieser Presskörper wurde erhitzt und wie in Beispiel 1 bearbeitet. Die Fülldichte des Presskörpers betrug 87% der theoretischen Dichte.
Der Presskörper wurde mit der gleichen Vorrichtung und unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 für 45 Minuten behandelt. Die Diamantausbeute betrug 6,4 g und 4,2 g dieser 6,4 g wiesen eine Grösse von 30/40 mesh auf. 3,2 g der Teilchen waren hochfester Diamant.

BEISPIEL 3

Diamant-Einkristallteilchen mit der Grösse 325/400 mesh, wurden mit der gleichen Vorrichtung und dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 beschrieben beschichtet. Die Zusammensetzung der Aufschlämmung war jedoch Graphit / Fe-Ni-Legierung / Acryl-Copolymer / Polyethylenglykol / Isopropanol = 5 : 95 : 5 : 5 : 75 (Gewichtsverhältnis). Nachdem die beschichteten Teilchen einen Durchmesser von 600 um erreichten, wurden Teilchen mit einem Durchmesser von 540 bis 600 um ausgewählt. Diese Teilchen wurden für 30 Minuten in einem Wasserstoffstrom bei 400ºC erhitzt, wodurch das organische Bindermaterial entfernt wurde, und wurden dann mit Graphitpulver vermischt. Das Mischungsverhältnis beschichtete Teilchen / Graphitpulver betrug 70 : 30 (Gewichtsverhältnis) = 39 : 61 (Volumenverhältnis). In der gleichen Weise wie in Beispiel 2 beschrieben wurde ein Presskörper erhalten, und die Fülldichte des Presskörpers nach der Wärmebehandlung und Bearbeitung betrug 89% der theoretischen Dichte. In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 beschrieben wurde Diamant synthetisiert und die Ausbeute an Diamant betrug 7,8 g, und 4,8 g dieser 7,8 g wiesen eine Grösse von 40/50 mesh auf. 3,4 g der Teilchen waren hochfester Diamant.

BEISPIEL 4

Diamant-Einkristallteilchen mit einer Grösse von 140/170 mesh wurden durch elektrodenlose Plattierung mit Co plattiert und auf einen Durchmesser von etwa 150 um aufgezogen, Die beschichteten Teilchen wurden ferner mit ausschliesslich Kohlenstoffpulver in der gleichen Weise beschichtet, wie in Beispiel 2 beschrieben, so dass die Beschichtungszusammensetzung Co / Graphit = 75 : 25 (Gewichtsverhältnis) betrug. Nach Kompaktierung der beschichteten Teilchen zu einem kreisförmigen Säulenpresskörper unter einem Druck von 3.000 kgf/cm² (294 MPa) unter Anwendung des in Fig. 9A gezeigten Falls in der Apparatur gemäss Fig. 8A wurde der Presskörper für 30 Minuten in einem Wasserstoffstrom auf 1.050ºC erhitzt. Die Fülldichte des Presskörpers betrug 82% der theoretischen Dichte. Der Presskörper wurde zu einer kreisförmigen Säule mit der gleichen Grösse wie in Beispiel 1 verarbeitet und den in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen für einen Zeitraum von 15 Minuten ausgesetzt. Die Ausbeute an Diamant betrug 7,3 g, und 5,4 g dieser 7,3 g wiesen eine Grösse von 60/60 mesh auf und 4,8 g dieser 5,4 g waren hochfeste Teilchen.

BEISPIEL 5

Beschichtete Teilchen wurden wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt. Die Beschichtung wurde bei einem Durchmesser von etwas unterhalb 500 um unterbrochen. Teilchen mit einem Durchmesser von 425 bis 500 um wurden ausgewählt und in einem Wasserstoffstrom für 60 Minuten auf 450ºC erhitzt, wodurch das organische Bindermaterial entfernt wurde.
Die Teilchen wurden in dichtester Packung als Monoschicht in einem einachsigen Presskörperstempel angeordnet und zu einer Platte von 22 mm Durchmesser und 135 um Dicke unter einem Druck von 2.000 kgf/cm² (196 MPä) kompaktiert. Eine 58 Gew.-% Fe / 42 Gew.-% Ni-Legierungsplatte mit 22 mm Durchmesser und 100 um Dicke und eine Graphitplatte von 22 mm Durchmesser und 400 um Dicke wurden hergestellt. Diese Platten wurden in der Reihenfolge Fe-Ni- Legierungsplatte / Presskörperplatte / Fe-Ni-Legierungsplatte / Graphitplatte, wie in Fig. 5B gezeigt, miteinander kombiniert. Dann wurden die gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 eingestellt, wodurch Diamant hergestellt wurde, wobei die Multischichtplattenanordnung zusammengesetzt war aus 20 Presskörperplatten, einer Anzahl von 40 Fe-Ni-Legierungsplatten und einer Anzahl von 21 Graphitplatten. Die Ausbeute an Diamant betrug 3,6 g, und 2,4 g dieser 3,6 g wiesen eine Grösse von 40/50 mesh auf, und 2,0 g der 2,4 g waren hochfeste Teilchen.

BEISPIEL 6

Diamant-Einkristallteilchen mit einer Grösse von 325/400 mesh wurden mit der gleichen Vorrichtung und in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 beschrieben beschichtet. Die Zusammensetzung der Aufschlämmung war jedoch Graphit / Fe-Ni-Legierung / Wachs / Ethanol = 30 : 70 : 3 : 100 (Gewichtsverhältnis). Nachdem der Durchmesser der beschichteten Teilchen 2 mm erreichte, wurden Teilchen mit einem Durchmesser von 1,7 bis 2,4 mm ausgewählt und für 60 Minuten in einem Wasserstoffstrom auf 550ºC erhitzt, wodurch das organische Bindermaterial entfernt wurde. Die Teilchen wurden dann zu einem kreisförmigen Säulenpresskörper unter einem Druck von 3.000 kgf/cm² (294 MPa) kompaktiert, wobei der in Fig. 9A gezeigte Fall in der in Fig. 8 gezeigten Vorrichtung angewandt wurde. Der Presskörper wurde für 60 Minuten in Wasserstoff auf 1.100ºC erhitzt und wie in Beispiel 1 weiterbehandelt. Die Fülldichte des Presskörpers betrug 86% der theoretischen Dichte. Der Presskörper wurde den in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen ausgesetzt, jedoch war die Haltezeit zur Synthetisierung von Diamant 60 Minuten. Die Diamantausbeute betrug 6,0 g, und 3,4 g dieser 6,0 g wiesen eine Grösse von 20/25 mesh auf, und 1,9 g dieser 3,4 g waren hochfeste Teilchen.

BEISPIEL 7

Diamant-Einkristallteilchen mit einem Durchmesser von 20 bis 30 um wurden mit der gleichen Vorrichtung und in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 beschrieben beschichtet. Die Zusammensetzung der Aufschlämmung war jedoch Fe / Ni / Acryl-Copolymer / Isopropanol = 70 : 30 : 3 : 70 (Gewichtsverhältnis) und die Temperatur der trockenen Luft betrug 70ºC. Nach Beschichtung der Teilchen bis zu einem Durchmesser von 50 um wurden Teilchen mit 44 bis 63 um Durchmesser ausgewählt. Diese Teilchen wurden mit der gleichen Vorrichtung und in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 beschrieben weiter beschichtet. Die Zusammensetzung der Aufschlämmung war Graphit / Fe-Ni- Legierung / Acryl-Copolymer / Maleinsäureanhydridester / Isopropanol = 25 : 75 : 5 : 6,5 : 95 (Gewichtsverhältnis).
Nachdem der Durchmesser der beschichteten Teilchen 800 um erreicht hatte, wurden die Teilchen mit einem Durchmesser von 710 bis 840 um ausgewählt und in einem gemischten Gas von 10 Vol.% Wasserstoff und 90 Vol.% Stickstoff für 30 Minuten auf 600ºC erhitzt, wodurch das organische Bindermaterial entfernt wurde. Diese Teilchen wurden zu einem kreisförmigen Säulenpresskörper unter einem Druck von 2.500 kgf/cm² (245 MPa) in der gleichen Weise wie in Beispiel 6 geformt. Der Presskörper wurde unter einem reduzierten Druck von 100 Torr Wasserstoff für 60 Minuten auf 1.100ºC erhitzt und dann wie in Beispiel 1 beschrieben weiterverarbeitet. Die Fülldichte des Presskörpers betrug 83% der theoretischen Dichte. Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurden Diamantteilchen synthetisiert. Die Diamantausbeute betrug 7,2 g, wovon 4,9 g eine Grösse von 40/50 mesh aufweisen, und 3,9 g der 4,9 g waren hochfeste Diamantteilchen. Die Einschlüsse um die Impfkristalle waren jedoch im Vergleich zu Beispiel 1 deutlich verringert.

BEISPIEL 8

Diamant-Einkristallteilchen, die mit 50 Gew.-% Cu plattiert waren und einen Durchmesser von 22 bis 36 um aufwiesen, wurden in der gleichen Vorrichtung und in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 beschrieben beschichtet. Die Zusammensetzung der Aufschlämmung war jedoch Fe / Ni / Acryl-Copolymer / Maleinsäureanhydridester / Isopropanol = 70 : 30 : 1 : 2,5 : 70 (Gewichtsverhältnis), und die Temperatur der Trocknungsluft betrug 70ºC.
Nachdem der Durchmesser der beschichteten Teilchen einen Durchmesser von 50 um erreicht hatte, wurden die Teilchen mit einem Durchmesser von 44 bis 63 um ausgewählt. Diese Teilchen wurden mit der gleichen Vorrichtung und in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 beschrieben weiter beschichtet. Die Zusammensetzung der Aufschlämmung war Fe-Ni-Legierung / Acryl-Copolymer / Maleinsäureanhydridester / Isopropanol = 100 : 1 : 2,5 : 70 (Gewichtsverhältnis).
Nachdem die beschichteten Teilchen einen Durchmesser von 200 um erreicht hatten, wurden die Teilchen mit einem Durchmesser von 180 bis 210 um ausgewählt. Diese Teilchen wurden weiter mit der gleichen Vorrichtung und in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 beschrieben beschichtet. Die Zusammensetzung der Aufschlämmung war Graphit / Fe-Ni- Legierung / Acryl-Copolymer / Maleinsäureanhydridester / Isopropanol = 25 : 75 : 2 : 5 : 95 (Gewichtsverhältnis).
Nachdem die Teilchen beschichtet wurden, bis der Durchmesser 800 um erreicht hatte. Wurden die Teilchen mit einem Durchmesser von 180 bis 210 um ausgewählt. Die nachfolgenden Schritte, wie Entfernung des organischen Bindermaterials, Kompaktierung, Wärmebehandlung, weitere Behandlung und Diamantsynthese, wurden wie in Beispiel 6 beschrieben durchgeführt. Die Ausbeute an Diamantteilchen betrug 7,5 g, und 5,1 g von 7,9 g wiesen eine Grösse von 40/50 mesh auf, und 4,4 g aus diesen 5,1 g waren hochfeste Teilchen. Die Einschlüsse um die Impfkristalle waren deutlich verringert, und schienen über Beispiel 7 hinaus verringert.

BEISPIEL 9

Diamant-Einkristallteilchen, die mit 56 Gew.-% Ni plattiert waren und einen Durchmesser von 30 bis 40 um aufwiesen, wurden mit der gleichen Vorrichtung und in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 beschrieben beschichtet. Jedoch wurden (1) die Aufschlämmung aus Lösungsmittelmetall / organischem Bindermaterial in Richtung der Tangentiallinie des äusseren Zylinders der Beschichtungsausrüstung eingesprüht, und (2) war die Zusammensetzung der Aufschlämmung Fe / Ni / Acryl-Copolymer / Isopropanol = 70 : 30 : 3 : 70 (Gewichtsverhältnis) und die Temperatur der Trocknungsluft betrug 60ºC.
Nachdem die Teilchen beschichtet worden waren, bis der Durchmesser 50 um erreichte, wurden die Teilchen mit einem Durchmesser von 44 bis 63 um ausgewählt. Diese Teilchen wurden mit der gleichen Vorrichtung und in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 beschrieben weiter beschichtet. Die Zusammensetzung der Zusammensetzung war Fe / Ni / Graphit / Acryl-Copolymer / Isopropanol = 49 : 21 : 30 : 3 : 70 (Gewichtsverhältnis).
Nachdem die Teilchen beschichtet worden waren, bis der Durchmesser 800 um erreichte, wurden die Teilchen mit einem Durchmesser von 710 bis 840 um ausgewählt. Die nachfolgenden Schritte, wie Entfernung des organischen Bindermaterials, Kompaktierung, Wärmebehandlung, weitere Behandlung und Diamantsynthese, wurden wie in Beispiel 6 beschrieben durchgeführt. Die Ausbeute an Diamantteilchen betrug 7,5 g, wovon 4,9 g eine Grösse von 40/50 mesh aufwiesen, und 4,1 g dieser 4,9 g waren hochfeste Diamantteilchen. Die Einschlüsse um die Impfkristalle schienen gleichermassen ausgeprägt wie in Beispiel 8.
In jedem Beispiel ist angegeben, dass die Ausbeute an Diamantteilchen A Gramm betrug, B Gramm von diesen A Gramm-Teilchen wiesen eine Grösse von C auf, und D Gramm von den B Gramm waren hochfeste Diamantteilchen. Die Abschätzung basierte auf dem Topfmühlenverfahren, das weitverbreitet im Bereich der Diamantwerkzeuge verwendet wird.
Dieses Verfahren wird nachfolgend auf Basis der Annahme erläutert, dass Gegenstand Diamantteilchen mit einer Grösse von 40/50 mesh sind, und ungefähr die gleiche Grösse an Diamantteilchen hergestellt wird. Die Menge von A Gramm hergestellter Diamantteilchen wird gesiebt und B Gramm der Grösse 40/50 mesh wird erhalten. Die Beispiele 1, 3, 5, 7, 8 und 9 entsprechend dieser Annahme. Die nachfolgende Menge an Diamantteilchen aus den B Gramm jedes Beispiels werden in die Stahlkapsel (31) zur Messung der Schlagfestigkeit, wie in Fig. 14 gezeigt, eingefüllt und mit einer Stahlkugel (32) unter den folgenden Bedingungen geschüttelt.
Innenvolumen der Kapsel etwa 2,5 cm³
Durchmesser der Stahlkugel: 5/16 inch
Anzahl an Stahlkugeln: 1
Umdrehungen der Stahlkapsel: 2.400 U/min
Schwingamplitude: etwa 8 mm
Schüttelzeit: etwa 50 Sekunden
Diamantmenge: 2 ct (0,4 g)
Die geschüttelten Diamantteilchen wurden aus der Kapsel entfernt und mit einem Schätzsieb von 302 um gesiebt. Die Gew.-% der Menge unter dem Schätzsieb ist der zerkleinerte Anteil und dieser Prozentanteil wird als Brechbarkeit bezeichnet. Andererseits werden die Gew.-% der Menge über dem Schätzsieb als Festigkeit oder Härte bezeichnet. Die Festigkeit jedes der obigen Beispiele ist in Tabelle 1 angegeben und ist höher als das auf dem Markt befindliche Vergleichsbeispiel. "Nach der Wärmebehandlung" bedeutet, dass der Wert bei Raumtemperatur nach der Wärmebehandlung von 1.100ºC · 30 Minuten im Vakuum gemessen wird. TABELLE 1

Claims

1. Verfahren zur Synthetisierung von Diamant, das die folgenden Schritte umfasst:

(a) Beschichtung feiner Diamantteilchen mit mindestens einer Schicht, die ein Nicht-Diamant- Kohlenstoffmaterial, ein Lösungsmittel-Metallpulver und gegebenenfalls ein organisches Bindermaterial in einer oder mehreren der mindestens einen Schicht(en) umfasst, so dass die resultierenden beschichteten Teilchen eine Grösse aufweisen, die grösser ist als die beabsichtigte Grösse des herzustellenden synthetischen Diamants,

(b) Kompaktierung der beschichteten Teilchen in einer solchen Weise, dass sie zumindest in teilweisem Kontakt miteinander stehen, gegebenenfalls zusammen mit einem Pulver, das zusätzliches Kohlenstoffrohmaterial und/oder Lösungsmittel- Metallpulver umfasst,

(c) falls in Schritt (a) ein organisches Bindermaterial aufgeschichtet wird, Entfernen desselben vor oder nach dem Kompaktierungsschritt (b) durch Wärmebehandlung, und

(d) Anordnung des kompaktierten Materials in einem Synthesekessel und Erwärmen desselben auf eine Temperatur oberhalb des Lösungsmittelmetall- Graphitschmelzpunkts bei einem Druck, bei dem Diamant thermodynamisch stabil ist.

2. Verfahren zur Synthese von Diamant, das die folgenden Schritte umfasst:

(a) Beschichtung feiner Diamantteilchen mit mindestens einer Schicht, umfassend ein Lösungsmittel-Metallpulver und gegebenenfalls ein organisches Bindermaterial in einer oder mehreren der mindestens einen Schicht(en), so dass die resultierenden beschichteten Teilchen eine Grösse aufweisen, die grösser ist als die beabsichtigte Grösse des herzustellenden synthetischen Diamants,

(b) Kompaktierung der beschichteten Teilchen zusammen mit einem Pulver, das zusätzliches Kohlenstoffrohmaterial umfasst, in einer solchen Weise, dass die beschichteten Teilchen zumindest teilweise miteinander in Kontakt sind, gegebenenfalls zusammen mit einem Pulver, das zusätzliches Lösungsmittel-Metallpulver umfasst, und die Schritte (c) und (d) wie in Anspruch 1.

3. Verfahren gemäss mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, worin das organische Bindermaterial ein Acryl- Copolymer enthält.

4. Verfahren gemäss mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, worin Schritt (a) nach einem Sprühverfahren durchgeführt wird.

5. Verfahren gemäss mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, worin Schritt (a) unter Verwendung eines Wurster- Typ-Fliessbetts oder einer horizontalen Drehscheibenausrüstung durchgeführt wird.

6. Verfahren gemäss mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Entfernung des organischen Bindermaterials in Schritt (c) durch Erwärmen auf eine Temperatur von 300 bis 600ºC durchgeführt wird.

7. Verfahren gemäss Anspruch 6, worin das Erwärmen in einer reduzierenden oder einer inerten Atmosphäre durchgeführt wird.

8. Verfahren gemäss mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Kompaktierung in Schritt (b) unter Verwendung einer kalt-isostatischen Presse durchgeführt wird.

9. Verfahren gemäss Anspruch 8, worin das Pressen durch pseudo-trockene kalt-isostatische Pressung unter Verwendung einer nass-kalt-isostatischen Presse oder einer trocken-kalt-isostatischen Presse durchgeführt wird.