DE2519116A1 - METHOD OF SOLIDIZING DIAMONDS - Google Patents
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2519116 Licht, Schmidt, Hansmann & Herrmann Patentanwälte2519116 Licht, Schmidt, Hansmann & Herrmann patent attorneys
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' Patentanwälte Licht. Hansmann, Herrmann · 8 München 2 Theresienstr. 33 ' Oppenau: Df. Reinhold Schmidt'Patent attorneys light. Hansmann, Herrmann · 8 Munich 2 Theresienstr. 33 'Oppenau: Df. Reinhold Schmidt
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Verfahren zum Verfestigen von DiamantenMethod of solidifying diamonds
Polierte Bereiche von Framesit, ein in der Natur vorkommender Diamant des Bort—Typs, zeigen bestimmte Oberflächenstreifen. Über die Natur dieser Oberflächenstreifen wird in einer Abhandlung "Evidence for Plastic Deformation in the Natural Polycrystalline Diamond, Framesite" von R.C. DeVries (Mat.Res.Bull, Vol. 8, Seiten 733-742, 1973, berichtet. In dieser Abhandlung wird ausgeführt, dass die durch diese Streifen dargestellten engen Zonen verfestigt und härter als irgendeine Orientierung in der Diamantmatrix sind sowie auf das Vorhandensein von orientierten Defornnationsbändern (Gleitbändern) innerhalb der Körner hinzuweisen scheinen. Es wird in dieser Ab-Polished areas of framesite, a naturally occurring diamond of the border type, show certain surface stripes. About the The nature of these surface stripes is discussed in a treatise "Evidence for Plastic Deformation in the Natural Polycrystalline Diamond, Framesite "by R.C. DeVries (Mat.Res.Bull, Vol. 8, pages 733-742, 1973, reported. In this treatise, it is stated that the narrow areas represented by these strips become solidified and harder than any orientation in the diamond matrix as well as on that The presence of oriented deformation bands (sliding bands) appear to indicate within the grains. In this ab-
BO 98 51/0715 -2-BO 98 51/0715 -2-
Telefon (089) 281202 Telegramm; Lipatli München Bayer. Vereinsbank München, Kto.-Nr 882495 Postscheck München Nr 163397-802Telephone (089) 281202 Telegram; Lipatli Munich Bayer. Vereinsbank Munich, account number 882495 Postscheck Munich number 163397-802
handlung gefolgert, dass das Mikrogefüge von Framesit darauf zurückzuführen ist, dass die Diamantkörner des Framesits unter Sprödbruch hemmenden Bedingungen elastisch verformt worden sind.action concluded that the microstructure of framesit was due to it is that the diamond grains of the framesite have been elastically deformed under conditions that inhibit brittle fracture.
Die Herstellung von Diamantformlingen ist beispielsweise in der US-PS 3 141 746 und der US-PS 3 136 615 erläutert. Dabei wird ein Bindemittel zusammen mit vorgebildeten Diamantkristallen gleichzeitig hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt und dadurch eine Vereinigung der Diamanten erreicht. Die Herstellung von Diamantformlingen steht nun im Gegensatz zu der nachstehend erläuterten Erfindung.The production of diamond moldings is explained, for example, in US Pat. No. 3,141,746 and US Pat. No. 3,136,615. It will a binder together with pre-formed diamond crystals are exposed to high pressures and temperatures at the same time and thereby achieved a union of diamonds. The production of diamond moldings is now in contrast to that explained below Invention.
Wie die ausgedehnte Entwicklung von Deformationsbändern in den Kristalloberflächen beweist, lassen sich Diamantkristalle erfindungsgemäss dadurch verfestigen, indem man ein Volumen lediglich mit Diamantkristallen (d.h. ohne Verwendung eines Bindemittels) oder lediglich mit Diamantkristallen füllt, die in einem aus Diamant oder kubischem Bornitrid bestehenden Pulver eingebettet sind, und dann das gefüllte Volumen gleichzeitig in einem definierten Bereich des Zustandsdiagramms von Kohlenstoff liegenden hohen Druck- und Temperaturbedingungen aussetzt. Die beim Verfahren nach der Erfindung eingesetzten Druck- und Temperaturbedingungen reichen nicht aus, um Kristall-Kristall-Bindung von Diamant (oder von eventuell eingesetztem pulverförmigem kubischem Bornitrid) in irgendeinem bedeutenden Umfang zu Wege zu bringen. Nach Verringerung der Temperatur und des Druckes können daher die verfestigten Diamanten ohne weiteres abgetrennt werden und in Diamantwerkzeugen, beispielsweise Sägen, oder in Werkzeugen mit einer einzigen Spitze eingesetzt werden.As evidenced by the extensive development of deformation bands in the crystal surfaces, diamond crystals can be made according to the invention solidify by simply filling a volume with diamond crystals (i.e. without using a binder) or only filled with diamond crystals embedded in a powder consisting of diamond or cubic boron nitride, and then the filled volume at the same time in a defined area of the state diagram of carbon lying high pressure and exposing to temperature conditions. The pressure and temperature conditions used in the process of the invention are sufficient does not stop the crystal-crystal bond of diamond (or any powdery cubic boron nitride that may be used) in to any significant extent. After reducing the temperature and the pressure, the solidified Diamonds are easily separated and in diamond tools, such as saws, or in tools with a single point can be used.
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Die beim Verfahren nach der Erfindung angewandten Druck- und Temperaturbedingungen reichen beispielsweise von ungefähr 10 kb bei ungefähr 1200 C bis ungefähr 60 kb bei ungefähr 900 C. Beim Verfestigen eines grösseren Diamantkristalls wird Sprödbruch dadurch verhindert, indem man den Diamantkristall, wie bereits oben angegeben, in Pulver einbettet. Wie noch weiter ausgeführt werden wird, umfasst der Bereich der plastischen Deformation, in dem die Verfestigung von Diamanten durchgeführt werden kann, innerhalb sowie auch ausserhalb des diamantstabilen Bereiches liegende Druck-Temperatur-Bedingungen. Bevorzugt wird der unterhalb eines Druckes von 55 kb und unterhalb einerThe pressure and temperature conditions used in the process of the invention range, for example, from about 10 kb at about 1200 C to about 60 kb at about 900 C. When solidifying a larger diamond crystals, brittle fracture is prevented by converting the diamond crystal into powder, as already stated above embeds. As will be further explained, the area of plastic deformation comprises the solidification of diamonds can be carried out, within as well as outside the diamond-stable area lying pressure-temperature conditions. Preferred becomes the one below a pressure of 55 kb and below one
ο
Temperatur von 1500 C liegende Teil des Bereiches der plastischen Deformation.ο
Temperature of 1500 C lying part of the area of plastic deformation.
Die nachfolgend angeführten Grössenangaben für die Diamantkristalle beziehen sich auf die grösste lineare Kristallabmessung.The sizes given below for the diamond crystals relate to the largest linear crystal dimension.
Die Erfindung wird nun näher anhand von Zeichnungen erläutert, in denen zeigen:The invention will now be explained in more detail with reference to drawings, in which show:
Fig. 1 das Phasendiagramm von Kohlenstoff, in dem der Bereich der plastischen Deformation angegeben ist, innerhalb dem das Verfahren nach der Erfindung durchgeführt werden kann, undFig. 1 shows the phase diagram of carbon in which the area the plastic deformation is indicated, within which the method according to the invention can be carried out can, and
Fig. 2 eine Nomarski-Interferenzkontrastmikroaufnahme, die über eine Oberfläche eines Diamanten vorstehende verfestigte Zonen oder Lamellen zeigt, wobei es sich bei der Oberfläche um angenähert eine (135)-Ebene handelt.Figure 2 is a Nomarski interference contrast photomicrograph showing shows solidified zones or lamellae protruding over a surface of a diamond, being at the surface is approximately a (135) plane.
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Das Verfahren nach der Erfindung wird vorzugsweise in einer Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und Temperaturen der in der US-PS 2 941 248 beschriebenen Art ausgeführt. Da diese sogenannte "Gürtelapparatur" aus der vorgenannten Patentschrift und vielen anderen Veröffentlichungen bestens bekannt ist, erübrigt sich eine zeichnerische Darstellung.The method according to the invention is preferably carried out in an apparatus designed for generating high pressures and temperatures of the type described in US Pat. No. 2,941,248. This one so-called "belt apparatus" is well known from the aforementioned patent specification and many other publications, is unnecessary a graphic representation.
Die Gürtelapparatur weist im wesentlichen zwei aus Wolframkarbidhartmetall bestehende Stempel auf, die auf einander gegenüberliegenden Seiten eines aus dem gleichen Material bestehenden Matrizengürtels angeordnet sind. In dem von den Stempeln und der Gürtelmatrize unnschlossenen Raum befindet sich das Reaktionsgefäss und die das Reaktionsgefäss umschliessenden Dichtungs-Isolations-Anordnungen. Im Reaktionsgefäss werden hohe Drücke erzeugt, wenn die gleichachsig angeordneten Stempel innerhalb der Matrize relativ aufeinander zu bewegt werden und dadurch Druckkräfte ausüben. Zum Aufheizen des Reaktionsgefässes während demUnterdrucksetzen sind geeignete Einrichtungen vorgesehen.The belt apparatus comprises essentially two of tungsten carbide hard metal existing punches on opposite sides of a die belt made of the same material are arranged. The reaction vessel and are located in the space not enclosed by the stamps and the belt die the seal-insulation arrangements surrounding the reaction vessel. High pressures are generated in the reaction vessel when the coaxially arranged punches are relatively within the die are moved towards each other and thereby exert pressure forces. For heating the reaction vessel during pressurization suitable facilities are provided.
Verschiedene Formen von Reaktionsgefäss en sind in der Patentliteratur erläutert, beispielsweise in der US-PS 3 423 177. Die Reaktionsgefässe oder Zellen bestehen gewöhnlich aus mehreren ineinanderpassenden Zylindern und Endstopfen, wobei sich das Reaktionssystem im innersten Zylinder befindet. Bei indirekt beheizten Reaktionsgefässen besteht einer der Zylinder aus Graphit, der durch Hindurchleiten von elektrischem Strom aufgeheizt wird und dadurch wiederum die Reaktionsmasse aufheizt.Various shapes of reaction vessels are in the patent literature explained, for example in US Pat. No. 3,423,177. The reaction vessels or cells usually consist of several nested cylinders and end plugs, with the reaction system in the innermost cylinder. With indirectly heated One of the cylinders consists of a reaction vessel made of graphite, which is heated by passing an electric current through it and thereby in turn heats up the reaction mass.
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Betriebsverfahren zur gleichzeitigen Erzeugung hoher Drücke und hoher Temperaturen in derartigen Apparaturen sind dem Fachmann bekannt. Es gibt natürlich auch noch verschiedene andere Apparaturen, mit denen die beim Verfahren nach der Erfindung erforderlichen Drücke und Temperaturen erzeugt werden können.Operating methods for the simultaneous generation of high pressures and high temperatures in such apparatus are known to those skilled in the art known. There are, of course, various other apparatuses that can be used to perform those required in the process of the invention Pressures and temperatures can be generated.
Diamant ist ein sprödes Material und spaltet sich leicht unter der Einwirkung von Scherspannungen entlang (111 )-Ebenen. Zur Herstellung von verfestigtem Diamant muss daher jeder Diamantkristall während der Druckanwendung derart eingeschlossen sein, dass Sprödbruch weitgehend verhindert wird. Die Druckübertragung auf den Diamantkristall braucht selbst nicht hydrostatisch zu sein, jedoch muss der zusammengepresste Kristall ausreichend gut oder abgestützt werden und die Verteilung auf den Kristall einwirkenden Kräfte muss gleichmässig genug sein, um die Entstehung grosser, in irgendeiner Richtung wirkender Scherkräfte, denen kein Widerstand entgegengesetzt wird, zu verhindern.Diamond is a brittle material and easily splits under the Action of shear stresses along (111) planes. For the production of solidified diamond, every diamond crystal must therefore be enclosed during the application of pressure in such a way that Brittle fracture is largely prevented. The pressure transfer to the diamond crystal does not need to be hydrostatic itself, however, the compressed crystal must be sufficiently well or supported and the distribution must act on the crystal Forces must be uniform enough to create large shear forces that act in any direction and that have no resistance is opposed to prevent.
Die optimale Grosse von für die Verfestigung vorgesehenen Diamanten reicht von ungefähr 5 Mikrometer bis ungefähr 5 mm. Ein zu grosser Diamantkristall kann springen, falls er bei der Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung nicht richtig eingeschlossen ist und/oder der Einwirkung einer ungleichmässigen Druckverteilung ausgesetzt ist. Falls der Diamantkristall zu klein ist, kann er vollständig zerbrechen oder seine Lage der Druckeinwirkung ohne Verformung anpassen. Nach dem Verfahren der Erfindung können sowohl in der Natur vorkommende Diamanten (Typ I und Typ II) als auch synthetische Diamanten (Typ II) verfestigt werden.The optimal size of diamonds intended for solidification ranges from about 5 micrometers to about 5 mm. A diamond crystal that is too large can crack if it is executed of the method according to the invention is not properly included and / or the action of an uneven Is exposed to pressure distribution. If the diamond crystal is too small it can break completely or adjust its position to the action of pressure without deformation. According to the method of the invention Both naturally occurring diamonds (Type I and Type II) and synthetic diamonds (Type II) can be solidified will.
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Beim Verfestigen von Diamant können Verluste aufgrund von Sprödbruch verhindert und damit maximale Ausbeute erzielt werden, wenn man folgendes beachtet:When solidifying diamond, there can be losses due to brittle fracture prevented and thus maximum yield can be achieved if one observes the following:
a) Die gesamte Füllung des Reaktionsgefässes sollte aus Diamanten im Grössenbereich von ungefähr 5 Mikrometer bis ungefähr 250 Mikrometer bestehen, wobei jeder Kristall für die erforderliche Abstützung benachbarter Kristalle sorgt und die Verwendung von abgestuften Korngrössen am oberen Ende dieses Bereiches in einer gegebenen Füllung vorteilhaft, jedoch nicht kritisch ist,a) The entire filling of the reaction vessel should be made of diamonds ranging in size from about 5 microns to about 250 microns, with each crystal provides the necessary support for neighboring crystals and the use of graded grain sizes at the upper end of this range is advantageous but not critical in a given filling,
b) Diamantkristalle im Grössenbereich von ungefähr 250 Mikrometer bis ungefähr 5 mm sollten in Diamantpulver oder aus kubischem Bornitrid bestehendem Pulver eingebettet werden, wobei dieses aus grösseren Kristallen und Pulver bestehende Gemenge die gesamte Füllung des Reaktionsvolumens ausmacht, und b) Diamond crystals in the size range from about 250 microns to about 5 mm should be in diamond powder or powder consisting of cubic boron nitride can be embedded, this being made up of larger crystals and powder existing mixture makes up the entire filling of the reaction volume, and
c) Diamanten in einem Grössenbereich (von ungefähr 250 bis ungefähr 500 Mikrometer) können entweder gemäss a) oder gemäss b) verfestigt werden.c) Diamonds in a size range (from approx. 250 to approx. 500 micrometers) can be produced either according to a) or solidified according to b).
Bei der Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung unter Verwendung einer Gürtelapparatur wird mit dem für die Füllung vorgesehenen Material eine zylindrische Hülse aus Pyrophyllit, Salz, hexagonalem Bornitrid oder einem ähnlichen Material gefüllt und mit Endstopfen (vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die zylindrische Hülse) abgeschlossen. Die Hülse wird dann vom Rest des ReaktionsgefässesIn carrying out the method of the invention using Using a belt apparatus, the material provided for the filling is used to create a cylindrical sleeve made of pyrophyllite, salt, hexagonal Boron nitride or a similar material filled with end plugs (preferably made of the same material as the cylindrical sleeve) closed. The sleeve is then removed from the rest of the reaction vessel
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umschlossen (beispielsweise von einem Graphitheizrohr, das wiederum von einem Zylinder aus Pyrophyllit oder Salz umschlossen ist).enclosed (for example by a graphite heating tube, which in turn is enclosed by a cylinder made of pyrophyllite or salt).
Als Einbettungsmaterial wurden verschiedene pulverförmige Hartstoffe (Borkarbid, Siliciumkarbid, Aluminiumoxyd, Pyrophyllit, Wolframkarbid, Diamant und kubisches Bornitrid) ausprobiert. Lediglich Diamant und kubisches Bornitrid sind jedoch als Einbettungsmaterial für die Deformation von Diamant nach dem Verfahren der Erfindung geeignet. Die Teilchengrösse des Einbettungs— materials sollte im Bereich von 1/10 bis 1/100 der längsten linearen Abmessung des eingebetteten Diamanten liegen.Various powdery hard materials were used as the embedding material (Boron carbide, silicon carbide, aluminum oxide, pyrophyllite, Tungsten carbide, diamond and cubic boron nitride). However, only diamond and cubic boron nitride are used as embedding materials suitable for deformation of diamond according to the method of the invention. The particle size of the embed- materials should be in the range from 1/10 to 1/100 of the longest linear Dimension of the embedded diamond lying.
Nachdem das Reaktionsgefäss zusammengebaut und in der Hochdruckapparatur innerhalb der Dichtungs-Isolations-Anordnungen eingebaut worden ist, werden Druck und Temperatur gleichzeitig oder getrennt auf einen Pegel in dem in Fig. 1 festgelegten Bereich der plastischen Deformation erhöht (5-10 kb/minj 50-200°C/min) und für die Dauer von mindestens einer Minute, beispielsweise für eine im Bereich von ungefähr 1 bis ungefähr 30 Minuten liegende Zeitspanne, beibehalten. Die Heizstromzufuhr zum Heizrohr wird abgeschaltet und die Probe kühlt dann schnell (in weniger als einerAfter the reaction vessel is assembled and in the high pressure apparatus Has been installed inside the seal-isolation arrangement, pressure and temperature are simultaneous or separately increased to a level in the range of plastic deformation specified in Fig. 1 (5-10 kb / minj 50-200 ° C / min) and for a period of at least one minute, for example for a period ranging from about 1 to about 30 minutes Time span, maintained. The heating current supply to the heating tube is switched off and the sample then cools quickly (in less than one
Minute) auf unter 50 C ab. Der Druck wird dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 10 kb/min auf eine Atmosphäre verringert, falls ein Druck von 10 kb oder darüber angewendet wurde. Falls ein Druck von unter 10 kb angewendet wurde, erfolgt die Druckfreigabe auf Atmosphärendruck fast augenblicklich.Minute) to below 50 C. The pressure is then at a speed decreased from about 10 kb / min to one atmosphere if a pressure of 10 kb or more was applied. If a Pressure below 10 kb is applied, pressure is released to atmospheric pressure almost instantaneously.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, erstreckt sich der Bereich der plastischen Deformation sowohl in den diamantstabilen als auch graphitstabilen Bereich des Zustandsdiagramms von KohlenstoffAs can be seen from Fig. 1, the area extends plastic deformation both in the diamond-stable and graphite-stable area of the phase diagram of carbon
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(d.h. über und unter die Diamant-Graphit-Gleichgewichtslinie). Falls mit Druck-Temperatur-Bedingungen gearbeitet wird, die unterhalb dem diamantstabilen Bereich, jedoch im Bereich der plastischen Deformation liegen, tritt gleichzeitig mit der Deformation etwas Graphitisierung des verfestigten Diamants auf. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass bei einer Verfahrensdauer von 5 Minuten die Graphitisierung vernachlässig bar ist. Bei einer Verfahrensdauer von 15 Minuten und bei Verwendung einer die Reaktionsgefässfüllung umschliessenden Hülse aus Pyrophyllit wurde häufig eine dünne Oberflächenschicht aus Graphit beobachtet, die wahrscheinlich auf Verunreinigungen zurückzuführen ist, die aus dem Pyrophyllit in die Diamantfüllung eintreten.(i.e. above and below the diamond-graphite equilibrium line). If pressure-temperature conditions are used which are below the diamond-stable range, but in the range of the plastic Deformation occurs, some graphitization of the solidified diamond occurs simultaneously with the deformation. It has, however found that the graphitization is negligible with a process duration of 5 minutes. With a duration of proceedings of 15 minutes and when using one the reaction vessel filling surrounding the pyrophyllite sleeve, a thin surface layer of graphite was often observed, which is likely to appear Is due to impurities that enter the diamond filling from the pyrophyllite.
Es ist nicht ungewöhnlich, wenn während der Verfestigung in geringem Umfange Diamantkristalle zu Bruch gehen, jedoch ist Diamant-Diamant-Bindung zu vermeiden.It is not uncommon when solidifying in low levels A large number of diamond crystals break, however diamond-diamond bonds should be avoided.
Zunächst wurden Diamantkristalle vor der Deformation an mindestens einer Oberfläche poliert, um das ursprüngliche Mikrogefüge festzustellen. Zum Vergleich wurden die Diamantkristalle nach Durchführung der Deformation wieder an der gleichen Oberfläche poliert. Später wurde festgestellt, dass das Vorhandensein von neuen Deformationszonen klar durch mikroskopische Beobachtung ohne vorheriges oder nachfolgendes Polieren festgestellt werden kann. Ursprünglich klare Kristalle werden bei der Deformation trüb und weniger transparent. Diese Änderung ist gewöhnlich mit 20-50-facher Vergrösserung festzustellen.First, diamond crystals were at least before deformation polished to determine the original microstructure. For comparison, the diamond crystals were used after performing the deformation is polished again on the same surface. Later it was found that the presence of new deformation zones can be clearly ascertained by microscopic observation without prior or subsequent polishing. Originally clear crystals become cloudy and less transparent as they deform. This change is usually 20-50 times Determine enlargement.
Damit die verfestigten Diamanten unbeschädigt aus dem Einbettungsmaterial gewonnen werden können, sollte die Anordnung des Dia- So that the solidified diamonds can be recovered undamaged from the embedding material, the arrangement of the diamond
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manten inn Einbettungsmaterial in bezug auf die Wirkrichtung der Druckkräfte beachtet werden. Ordnet man einen Oktaeder im Reaktionsgefäss derart an, dass eine Gruppe von (111 )-Ebenen senkrecht zur Richtung der Druckkraft zu liegen kommt, wird dieser beim Verfestigen beinahe immer schichtweise aufgespalten, weil der Oktaederkristall durch das Einbettungsmaterial so stark festgehalten wird, dass er durch Spaltung entlang der (111)-Ebene auseinandergerissen wird, wenn sich die Preßstempel bei der Druckfreigabe auseinanderbewegen· Falls andererseits einejJOOj-Achse des Oktaeders parallel zur Achse der Stempel (Richtung der Druckkraft) angeordnet wird, sind die meisten Kristalle nach der Druckfreisetzung unbeschädigt, da das einen Kristall umschliessende Einbettungspulver einen Zug vom Kristall weg entlang den Spitzenpyramiden auf beiden Seiten der Gürtellinie des Oktaeders ausübt. In ähnlicher Weise sollten kubisch geformte Kristalle mit der "~111, -Achse parallel zur Achse der Druckstempel angeordnet werden, selbst wenn dabei eine (111)-Spaltfläche senkrecht zur Achse der Druckstempel zu liegen kommt. Falls die I 100 -Achse des kubisch geformten Kristalls parallel zur Achse der Druckstempel angeordnet wird, besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass der Kristall in Schichten aufgespalten wird. Betrachtet man bei der Anordnung eines Kristalls im Reaktionsgefäss diese geometrischen Kriterien, erhält man eine optimale Ausbeute an vollständig unversehrten verfestigten Diamantkristallen aus dem Einbettungsmaterial.manten inn embedding material with regard to the effective direction of the pressure forces. If you order an octahedron in the Reaction vessel in such a way that a group of (111) planes comes to lie perpendicular to the direction of the compressive force this almost always split up in layers when solidifying, because the octahedron crystal is so strong due to the embedding material it is stated that it is by cleavage along the (111) plane is torn apart when the rams move apart when the pressure is released · If on the other hand a jJOOj-axis of the octahedron is arranged parallel to the axis of the punch (direction of the compressive force), most crystals are after the release of pressure undamaged, since the embedding powder surrounding a crystal moves away from the crystal the top pyramids on either side of the octahedron's waistline. Similarly, should be cubic shaped Crystals with the "~ 111, axis parallel to the axis of the pressure stamp even if a (111) cleavage surface is perpendicular comes to rest on the axis of the pressure stamp. If the I 100 axis of the cubic shaped crystal is parallel to the axis When the plunger is placed, there is a higher likelihood that the crystal will split into layers. If one considers these geometric criteria when arranging a crystal in the reaction vessel, one obtains an optimal one Yield of completely undamaged solidified diamond crystals from the embedding material.
Nach der Verfestigung, wenn der Druck und die Temperatur auf Umgebungswerte verringert worden sind, wird das Reaktionsgefäss aus der Apparatur entfernt und der verfestigte Diamant ausAfter solidification, when the pressure and temperature are reduced to ambient values, the reaction vessel becomes removed from the apparatus and the solidified diamond off
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der Füllung entnommen (d.h. die Diamantkristalle werden voneinander oder vom Einbettungspulver getrennt). Bei Betrachtung unter dem Mikroskop erscheinen Anzeichen von Deformation in Form gerader Linien, die etwas über die Oberfläche des betreffenden Diamanten vorstehen und in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise in vier unterschiedliche Richtungen verlaufen. Jede dieser Gleitlinien kennzeichnet an der Oberfläche des Diamanten eine Deformationszone oder Deformationslamelle. Gewöhnlich weist der deformierte Bereich eine flache Tiefe (ungefähr 100 Mikrometer) auf, jedoch findet man gewöhnlich auch Lamellen, die sich beinahe durch einen Kristall von einer Grosse bis zu 1 mm erstrecken. In Fig. 2 weisen die Bezugszahlen 11, 12, 13 und 14 auf Lamellen hin, die von der Oberfläche eines verfestigten Diamantkristalls in vier Richtungen (entsprechend vier unterschiedlichen Kristallrichtungen) vorstehen.removed from the filling (i.e. the diamond crystals are separated from each other or separated from the embedding powder). When viewed under a microscope, signs of deformation appear in shape straight lines which protrude slightly above the surface of the diamond in question and in the manner shown in FIG. 2 in four different directions run. Each of these sliding lines marks a deformation zone or deformation lamella on the surface of the diamond. Usually the deformed one has The area is shallow (about 100 microns), but it is common to find lamellas that cut almost through one Crystal can extend from a size up to 1 mm. In Fig. 2 show the reference numerals 11, 12, 13 and 14 indicate slats, which are of the Surface of a solidified diamond crystal protrude in four directions (corresponding to four different crystal directions).
Die mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung in Diamantkristalle eingeführten Deformationslamellen scheinen in jeglicher Hinsicht identisch mit den früher bei Framesit beobachteten Deformationslamellen. Bei Betrachtung zwischen gekreuzten Polarisatoren sowie aufgrund der Tatsache, dass die Lamellen in geschmolzenem Salz angeätzt werden, wurde festgestellt, dass die Lamellen Bereichen hoher Beanspruchung zugeordnet sind.With the help of the method according to the invention into diamond crystals The deformation lamellae introduced seem identical in every respect to the deformation lamellae previously observed at Framesit. When looking between crossed polarizers as well due to the fact that the lamellae are etched in molten salt, it was found that the lamellae areas are assigned to high stress.
Es wurde gefunden, dass Deformationslamellen oder Gleitlinien eine höhere Verschleissfestigkeit aufweisen als selbst die (111)-Ebene des Wirtsdiamanten (wobei die(111 )-Ebene die verschleissfesteie Fläche des Diamanten ist.) Aus diesem Grund stehen diese Zonen nach dem Polieren über die Diamantoberfläche vor.It has been found that deformation lamellae or sliding lines have a higher wear resistance than even the (111) plane of the host diamond (where the (111) plane is the wear-resistant Area of the diamond.) For this reason, these zones protrude beyond the diamond surface after polishing.
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Ein Naturdiamant vom Typ I mit einer Länge von ungefähr 1 mm wurde in einem Reaktionsgefäss in künstlich hergestelltem Diamantpulver mit einer Teilchengrösse von 90-106 Maschen/cm eingebettet. Das Reaktionsgefäss wurde einem Enddruck von 60 kb und einer Endtemperatur von 800 C (im diamantstabilen Bereich) ausgesetzt. Zu diesem Zweck wurden Druck und Temperatur gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 3 kb/min und 50 C/min erhöht. Nachdem das Reaktionsgefäss 5 Minuten lang auf der Spitzentemperatur und dem Spitzendruck gehalten worden war, wurde die Temperatur und der Druck auf Raumtemperatur und Atmosphärendruck verringert und der Kristall aus dem Einbettungspulver entfernt. Der Diamantkristall zeigte keine Anzeichen plastischer Deformation.A type I natural diamond with a length of approximately 1 mm was placed in a reaction vessel in man-made diamond powder embedded with a particle size of 90-106 mesh / cm. The reaction vessel was a final pressure of 60 kb and a final temperature of 800 C (in the diamond-stable area). For this purpose pressure and temperature were used increased simultaneously at a rate of about 3 kb / min and 50 C / min. After the reaction vessel 5 minutes was maintained at the peak temperature and pressure for a long time, the temperature and pressure became room temperature and atmospheric pressure and the crystal is removed from the embedding powder. The diamond crystal showed no signs plastic deformation.
Beispiel 1 wurde mit einem anderen Diamantkristall nnit einer Länge von ungefähr 1 mm wiederholt, wobei jedoch in Verbindung mit dem Spitzendruck von 60 kb eine Spitzentemperatur vonExample 1 was repeated with another diamond crystal approximately 1 mm in length, but in conjunction with FIG with the peak pressure of 60 kb a peak temperature of
ο
1000 C angewendet wurde. Diese Druck-Temperatur-Bedingungen liegen im diamantstabilen Bereich. Nach Entfernung des Diamantkristalls
aus der polykristallinen Diamantpulvermatrix waren Anzeichen von plastischer Deformation leicht zu erkennen. Der Diamantkristall
wies Gleitlinien auf und war auch nicht mehr klar.ο
1000 C was applied. These pressure-temperature conditions are in the diamond-stable range. After removing the diamond crystal from the polycrystalline diamond powder matrix, signs of plastic deformation were easily seen. The diamond crystal showed slip lines and was also no longer clear.
Ein Naturdiamant vom Typ I mit einer Grosse von ungefähr 1 mm wurde in einem Reaktionsgefäss in Diamantpulver mit einer Teil-A type I natural diamond with a size of approximately 1 mm was in a reaction vessel in diamond powder with a partial
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chengrösse von 90-106 Maschen/cm eingebettet. Der Druck wurde in ungefähr 7 Minuten auf 20 kb erhöht und gleichzeitig wurde in der gleichen Zeit die Temperatur auf 1100 C erhöht. Das Reaktionsgefass wurde auf diesem Spitzendruck und dieser Spitzentempera tür 5 Minuten lang gehalten. Diese Druck-Temperatur-Bedingungen liegen im diamantstabilen Bereich. Nach Abschaltung der Stromzufuhr zum Heizkörper im Reaktionsgefass wurde der auf dem Reaktionsgefass lastende Druck freigegeben und der Diamant entfernt. Im entfernten Diamantkristall wurden Gleitlinien beobachtet.size of 90-106 meshes / cm embedded. The pressure was increased to 20 kb in about 7 minutes and at the same time in at the same time the temperature increased to 1100 C. The reaction vessel was held at this peak pressure and temperature for 5 minutes. These pressure-temperature conditions are in the diamond-stable area. After switching off the power supply to the heating element in the reaction vessel, the The pressure on the reaction vessel is released and the diamond is removed. Slip lines were observed in the removed diamond crystal.
Ein Naturdiamant vom Typ I mit einer Grosse von ungefähr 1 mm wurde in einem Reaktionsgefass in Diamantpulver mit einer Korngrösse von 90-106 Maschen/cm eingebettet. In ungefähr 7 Minuten wurde gleichzeitig der Druck auf 20 kb und auch die Temperatur auf 900 C erhöht. Das Reaktionsgefass wurde auf diesem Spitzendruck und dieser Spitzentemperatur 5 Minuten lang gehalten. Am Diamantkristall konnten keine Gleitlinien beobachtet werden, d.h. der Diamantkristall wurde nicht verformt. Bei der kurzen Versuchsdauer konnte keine Graphitisierung beobachtet werden, obwohl die angewandten Druck- und Temperaturbedingungen im graphitstabilen Bereich lagen. A type I natural diamond with a size of approximately 1 mm was in a reaction vessel in diamond powder with a grain size of 90-106 meshes / cm embedded. In about 7 minutes the pressure went up to 20 kb and so did the temperature increased to 900 C. The reaction vessel was held at this peak pressure and temperature for 5 minutes. At the Diamond crystal could not be observed slip lines, i.e. the diamond crystal was not deformed. With the short duration of the experiment no graphitization could be observed, although the pressure and temperature conditions used were in the graphite-stable range.
Ein Naturdiamant vom Typ II mit einer Grosse von ungefähr 1 mm wurde in künstlich hergestelltem Diamantpulver mit einer Korngrösse von 90-106 Maschen/cm eingebettet. Druck und Temperatur wurden gleichzeitig auf 50 kb und 1200 C mit einer GeschwindigkeitA type II natural diamond with a size of approximately 1 mm was embedded in artificially produced diamond powder with a grain size of 90-106 meshes / cm. Pressure and temperature were simultaneously on 50 kb and 1200 C at one speed
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von ungefähr 3 kb/min bzw. ungefähr 100 C/min erhöht. Diese maximalen Druck- und Temperatur bedingungen wurden 8 Minuten lang beibehalten und dann auf normale Umgebungsbedingungen verringert. Der Diamantkristall wies Gleitlinien im stark konzentrierten Umfang auf und wurde daher plastisch deformiert.increased by about 3 kb / min and about 100 C / min, respectively. This maximum Pressure and temperature conditions were for 8 minutes maintained and then reduced to normal ambient conditions. The diamond crystal showed slip lines in a strongly concentrated extent and was therefore plastically deformed.
Bei den in der nachfolgenden Tabelle 1 angeführten Beispielen wurden insgesamt ungefähr 7,9 g sauberer, gleichgerichteter synthetischer Diamantkristalle mit einer Korngrösse von 9,8-11,8 Maschen/cm verwendet, wobei die angegebenen Druck- und Temperaturbedingungen im Bereich der plastischen Deformation gleichzeitig für die angegebene Zeitdauer angewendet wurden. Diese ungefähr gleiche Grosse aufweisenden Diamantkristalle wurden in 16 Versuchen verarbeitet, wobei bei jedem Versuch ein ungefähr 0,5 g Diamantkristalle enthaltendes Reaktionsgefäss für eine Gürtelapparatur verwendet wurde. Bei jedem Versuch konnten nach Entfernung des Reaktionsgefässes aus der Apparatur ohne Schwierigkeiten verfestigte Diamanten in Form diskreter Kristalle zur späteren Weiterverwendung gewonnen werden. Es wurde keine Graphitisierung beobachtet. Von den verfestigten Diamanten blieben insgesamt 73 % (5,8 g) auf einem Sieb mit 15,7 Maschen/cm zurück, während die restlichen 27 % aufgrund der während der Deformation aufgetretenen Brüche eine feinere Korngrösse aufwiesen.In the examples given in Table 1 below, a total of approximately 7.9 g of clean, unidirectional synthetic diamond crystals with a grain size of 9.8-11.8 mesh / cm were used, the specified pressure and temperature conditions in the area of plastic deformation at the same time have been applied for the specified period of time. These diamond crystals, which have approximately the same size, were processed in 16 tests, with each test using a reaction vessel containing approximately 0.5 g of diamond crystals for a belt apparatus. In each experiment, after removing the reaction vessel from the apparatus, solidified diamonds in the form of discrete crystals could be obtained for further use without difficulty. No graphitization was observed. A total of 73 % (5.8 g) of the solidified diamonds remained on a screen with 15.7 mesh / cm, while the remaining 27% had a finer grain size due to the fractures that occurred during the deformation.
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Versuch Nr. P(kb) T(0C) Zeit (min)Experiment no. P (kb) T ( 0 C) time (min)
40 120040 1200
45 130045 1300
51 140051 1400
57,5 140057.5 1400
Zwischen dem physikalischen Aussehen eines verfestigten Diamanten und seinem Aussehen vor der Einführung von Deformationsbändern bestehen bemerkenswerte Unterschiede. Diese Unterschiede im Aussehen sind unabhängig davon, ob die Grosse des ursprünglich klaren Kristalls durch Bruch verringert worden ist oder nicht. Zur Feststellung der Unterschiede kann bei kleineren Kristallen eine Betrachtung mit verhältnismässig kleiner Vergrösserung erforderlich sein. In der Natur vorkommende Diamantkristalle, die zwar eine Färbung aufweisen können, jedoch gewöhnlich transparent sind, bekamen bei der Behandlung nach dem Verfahren der Erfindung ein trübes oder mattes Aussehen und verloren dadurch an Transparenz. Das matte Aussehen resultiert von diffuser Lichtstreuung an den bei der Deformation des Kristalls gebildeten vielen neuen Flächen (d.h. den in Fig. 2 dargestellten Gleitlinien). Künstlich hergestellte Diamanten weisen gewöhnlich eine (gelbe, grüne, grüngelbe, blaue,There are notable differences between the physical appearance of a solidified diamond and its appearance prior to the introduction of deformation bands. These differences in appearance are independent of whether the size of the originally clear crystal has been reduced by breakage or not. In order to determine the differences in the case of smaller crystals, it may be necessary to observe with a relatively small magnification. Naturally occurring diamond crystals, which may have a color but are usually transparent, took on a cloudy or matt appearance when treated according to the process of the invention and thus lost their transparency. The matt appearance results from diffuse light scattering on the many new surfaces formed during the deformation of the crystal (ie the slip lines shown in FIG. 2). Man-made diamonds usually have a (yellow, green, green-yellow, blue,
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blaugrüne etc.) Färbung auf, haben aufgrund der Berührung mit dem Lösungsmittelkatalysator bei der Herstellung angeätzte Oberflächen und enthalten im allgemeinen Verunreinigungen in unterschiedlichen Mengen. Die nicht angeätzten oder von Verunreinigungen besetzten Bereiche von künstlich hergestellten Diamanten sind gewöhnlich transparent. Nach Verfestigung weisen jedoch auch die künstlich hergestellten Diamanten eine geringere Transparenz und ein frostiges Aussehen auf, das auf die aus den oben angegebenen Gründen auftretende diffuse Lichtstreuung zurückzuführen ist.blue-green etc.) due to contact with the Solvent catalyst in the production etched surfaces and generally contain various impurities Amounts. The unetched or contaminated areas of man-made diamonds are common transparent. After solidification, however, the artificially produced diamonds are also less transparent and frosty Appearance, which is due to the diffuse light scattering occurring for the reasons given above.
Wenn Diamantkristalle von ungefähr der gleichen Grosse der Verformung unterworfen werden, bleiben gewöhnlich einige Flächen jedes verfestigten Kristalls ganz oder teilweise unverändert, je nach dem Ausmaß, in dem die Kristalle gegeneinandergepresst worden sind. Zur Herstellung von Werkzeugen, bei denen wesentliche Anteile der verfestigten kristallinen Fläche zur spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstückes herangezogen werden, ist es jedoch nicht erforderlich, dass jede Fläche plastisch deformiert worden ist.When diamond crystals of approximately the same size of deformation are subjected, usually some faces of each solidified crystal remain wholly or partially unchanged, depending according to the extent to which the crystals have been pressed against one another. For the production of tools where essential Portions of the solidified crystalline surface are used for machining a workpiece, however, it is not required that every surface has been plastically deformed.
Nachdem die verfestigten Diamanten in Form diskreter Kristalle aus dem Reaktionsgefäss entnommen worden sind, können sie nach Grossen klassiert und eingeteilt und industriell in der gleichen Weise wie bisherige Diamanten zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken verwendet werden (beispielsweise in Schleifkörpern, Sägen, Feilen, Werkzeugspitzen usw. ).After the solidified diamonds have been removed from the reaction vessel in the form of discrete crystals, they can be moved to Large sized and classified and industrially in the same way as previous diamonds for machining used by workpieces (e.g. in grinding tools, saws, files, tool tips, etc.).
Vorzugsweise arbeitet man bei der Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung in dem Teil des in Fig. 1 festgelegten Bereiches der plastischen Deformation, der durch die Linie 10, Linie 11 (beiWhen carrying out the method according to the invention, one preferably works in the part of the range defined in FIG plastic deformation caused by line 10, line 11 (at
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55 kb) und Linie 12 (bei 1500 C) begrenzt wird. Falls ein Einbettungsmaterial zur Anwendung gelangt, verwendet man vorzugsweise verhältnismässig grobes Diamantpulver (106-157 Maschen/cm) als Einbettung smittel .55 kb) and line 12 (at 1500 C) is limited. If an embedding material is used, it is preferably used proportionally Coarse diamond powder (106-157 meshes / cm) as an embedding medium.
Optimale Druck- und Temperaturbedingungen liegen im diamantstabilen Bereich des bevorzugten Teils des Bereiches plastischer Deformation, d.h. in dem durch die Linie 10, die Linie 11 und die Diamant-Graphit-Gleichgewichtslinie umschlossenen Teilbereich.Optimal pressure and temperature conditions are in the diamond-stable Area of the preferred part of the plastic deformation area, i.e. in that by the line 10, the line 11 and the Diamond-graphite equilibrium line enclosed sub-area.
Für das Verfahren nach der Erfindung sind am besten saubere, gleichgerichtete (d.h. blockartige) Diamantkristalle geeignet. In den Kristallen vorhandene Verunreinigungen und/oder an den Flächen der Kristalle vorhandene Anätzungen scheinen keinen Einfluss auf die plastische Verformung zu haben.Clean, unidirectional (i.e., block-like) diamond crystals are most suitable for the method of the invention. In Impurities present on the crystals and / or etchings present on the surfaces of the crystals do not appear to have any influence to have the plastic deformation.
Eine gleichzeitige Erhöhung des Druckes und der Temperatur auf den Betriebswert (Spitzenwert) ist zu bevorzugen, jedoch nicht unbedingt erforderlich. Auch sind möglichst kurze effektive Verformungszeiten zu bevorzugen.A simultaneous increase in pressure and temperature to the operating value (peak value) is preferable, but not essential necessary. The shortest possible effective deformation times are also to be preferred.
Bei Verwendung von Diamantkristallen mit einer Korngrösse im Bereich von 100-200 Maschen/cm zur Füllung des Reaktionsgefässes (nicht als Einbettungsmaterial), sollte die Packungsdichte dieser Kristalle durch Verwendung von Kristallen abgestufter Korngrösse optimiert werden.When using diamond crystals with a grain size in the range of 100-200 mesh / cm to fill the reaction vessel (not as embedding material), the packing density of these crystals should be achieved by using crystals of graded grain size be optimized.
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Claims (9)
maximal 1500 C angewendet wird.ο
a maximum of 1500 C is used.
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