DE1792454B2 - Verfahren zum herstellen eines polykristallinen diamantkoerpers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Diamantkorpers, bei dem Diamantknstalle bei einem Druck von über 50 Kilobar und einer Temperatur von über 1300° C zu einem Diamantkorper verpreßt werden.

In der Natur findet man polykristallin Diamantkorper in Form von Carbonados, die aus in einer Matrix eingebetteten Diamantkristallen bestehen, wobei die Matrix normalerweise aus in der Erdkruste des Fundortes vorkommenden Stoffen besteht Da Carbonados selten vorkommen und keine gleichmaßigen Festigkeitseigenschdftcu aufweisen, können sie nur in beschranktem Umfang zur spanabhebenden Matenalbearbeitung eingesetzt werden

Es sind auch bereits Verfahren zur kunstlichen Herstellung von polykristallinen Diamantkorpern bekannt, jedoch haben kunstlich hergestellte polyknstalhne Diamantkorper bisher wegen mangelnder Festigkeit keine allzu große Bedeutung bei der spanabhebenden Materialbearbeitung erlangt.

So ist aus der FR-PS 1445 573 bereits ein Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Diamantkorpers bekannt, bei dem Diamantpulver, das gegebenenfalls auch noch weitere Hartstoffe in Form von Karbiden, Bonden, Nitriden oder Oxyden enthalt, der Einwirkung einer durch Explosion erzeugten Stoßwelle ausgesetzt wird. Der einwirkende Explosionsdruck von 600 bis 2000 Kilobar bewirkt eine schlagartige Verdichtung der Diamantkristalle zu einem Diamantkorper. Durch die bei der Verdichtung freigesetzte Warme können im Diamantkorper örtlich hohe Temperaturspitzen auftreten, die eine unerwünschte Ruckbildung von Diamant zu Graphit zur Folge haben können. Durch die den Diamantkorper durchlaufende Stoßwellenfront werden die einzelnen Kristalle kurzzeitig so stark beansprucht, daß sie gespalten werden. Ein nach dem Explosionsverfahren hergestellter polyknstalliner Diamantkorper weist hauptsächlich hexagonale Kristallstruktur auf und kann wegen seiner verhältnismäßig geringen Scherfestigkeit in der Technik nicht als Ersatz fur die in der Natur vorkommenden Carbonados oder mehrkaratigen Diamanteinknstalle eingesetzt werden.

Es sind auch bereits polykristallin Diamantkorper bekannt, bei denen die Diamantkristalle durch einen Matrixwerkstoff verbunden oder lediglich unter Anwendung von sehr hohen Drucken und Temperaturen miteinander verpreßt sind Auch diese polykristallinen Diamantkorper haben bisher hauptsächlich wegen mangelnder Festigkeit keine größere technische Bedeutung erlangt

Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Diamantkorpers zu schaffen, mit dem großstuckige polyknstalline Diamantkorper mit einer der Scherfestigkeit von Diamanteinkristallen entsprechenden Scherfestigkeit hergestellt werden können

Gelost wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das erfindungsgemaß dadurch gekennzeichnet ist, daß als Diarrtantkristalle mit Bor dotierte Diamantkristalle eingesetzt werden.
Der Erfindung hegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß sich durch Verprassen von mit Bor dotierten Diamantknstallen unter den Stabihtatsbedingungen der Diamanten polykristalhne Diamantkorper herstellen lassen, die eine der Scherfestigkeit von Diamanteinkistallen entsprechende Scherfestigkeit auf-

!5 weisen und die somit vorteilhaft überall dort zur spanabhebenden Materialbearbeitung eingesetzt werden können, wo bisher nur größere und daher kostspielige Naturdiamanten verwendet werden konnten.

Mit Bor dotierte Diamantknstalle sind an sich bereits aus der US-PS 3 148161 bekannt, waren jedoch bisher von der Fachwelt lediglich im Hinblick auf ihre Halbleitereigenschaften von Interesse.

Die beim Verfahren nach der Erfindung zum Einsatz gelangenden, mit Bor dotierten Diamantknstalle können beispielsweise gemäß der US-PS 3141855 hergestellt werden, indem kohlenstoffhaltiges Material wie Graphit einem Druck von über 40 Kilobar und einer Temperatur von über 1200° C in Gegenwart von Bor oder einer Borverbindung und eines Metallkatalysators ausgesetzt werden. Andererseits kann gemäß US-PS 3 141855 Bor auch in einen Diamantknstall eindiffundiert werden, indem der Kristall einem Druck von über 8500 Atmosphären und einer Temperatur über 1300° C in Gegenwart von Bor oder einer Borverbindung ausgesetzt wird. Mit Bor dotierter Diamant kann auch direkt in Abwesenheit eines Katalysators bei verhältnismäßig hohen Drucken von 130 Kilobar und darüber hergestellt werden. Die Erfindung erstreckt sich nicht auf die Art und Weise wie mit Bor dotierte Diamantkristalle hergestellt werden Es ist lediglich erforderlich, daß mit Bor dotierter Diamant verwendet wird, vorzugsweise Diamantknstalle mit einem Borgehalt von 0,01 bis 0,5 Gewichtsprozent. Diamantknstalle mit einem Borgehalt innerhalb des vorgenannten Bereiches ergeben Diamantkorper mit der höchsten Festigkeit

Mit Bor dotierte Diamanten werden vorzugsweise in einer Vorrichtung verpreßt und verbunden, wie sie zur Herstellung synthetischer Diamantkristalle Ver-Wendung findet. Die erfindungsgemaß hergestellten Diamantkorper weisen einheitlich gunstige Eigenschaften sowohl untereinander als auch im Hinblick auf ihren eigenen Aufbau auf Darüber hinaus besitzen sie eine Scherfestigkeit von 35 bis 91 kg/mm².

Diese Scherfestigkeitswerte sind gleich oder großer als die fur natürliche Diamantknstalle hoher Qualltat oder Carbonados guter Qualität gemessenen Werte. Die Preßlinge weisen eine Dichte von über 3,2 g/cm³ auf, d.h., die Dichte betragt über 90% der theoretisehen Dichte von einkristalhnem Diamant.

Die Erfindung wird nun naher an Hand der Zeichnung erläutert, die einen Schnitt durch ein Reaktionsgefaß fur eine Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drucken und hohen Temperaturen zeigt, die zur Herstellung der polykristallinen Diamantkorper nach der Erfindung verwendet werden kann.

Die Sinterung und Verpressung der mit Bor dotierten Diamantknstalle wird vorzugsweise bei einem

Druck von 65 Kilobar oder darüber und bei einer Temperatur von 1500 bis 1800° C innerhalb einer Zeitspanne von 10 bis 30 Minuten durchgeführt. Eine geeignete Vorrichtung zur Durchfuhrung der Sinterung ist in der US-PS 2941248 beschrieben Ein fur diese Vorrichtung geeignetes Reaktionsgef aß ist in der Zeichnung dargestellt Das in der Zeichnung dargestellte Reaktionsgefaß 1 wird indirekt beheizt und besteht aus einem äußeren Zylinder 2 aus Pyrophyllit, innerhalb dem konzentrisch ein Graphitrohr 3 angeordnet ist, das zum indirekten Aufheizen des zu verpressenden Materials in einen Stromkreis eingeschaltet werden kann. Innerhalb des Graphitrohres 3 ist ein aus Aluminiumoxid bestehender Zylinder 4 angeordnet, der innen mit einer aus Graphit bestehenden Auskleidung 5 versehen ist. Der von der inneren Auskleidung umschlossene Raum zur Aufnahme des zu verpressenden Materials ist stirnseitig durch Graphitscheiben 6 bzw. 6' und Aluminiumoxidscheiben 7 bzw. 7' abgeschlossen, von denen die Graphitscheiben 6 und 6' in die innere Graphitauskleidung 5 und die Aluminiumoxidscheiben 7 und T in den Aluminiumoxidzyhnder 4 eingepaßt sind. Bei einem typischen Herstellungsverfahren werden die mit Bor dotierten Diamantkristalle von Hand in die von der Graphitauskleidung 5 und den Graphitscheiben 6 und 6' begrenzte Reaktionskammer gepackt und bei Drucken von 65 bis 70 Kilobar bei einer Temperatur von 1800° C gesintert. Auf Grund der Anwendung des hohen Druckes werden die Diamantteilchen zerbrochen, so daß sich frische saubere Flachen ergeben, die sich leichter verbinden.

Bei Versuchen hat sich herausgestellt, daß fur den Sintervorgang ein inerter Behalter oder vorzugsweise ein Behalter geeignet ist, in dem wahrend der Sinterung eine reduzierende Atmosphäre herrscht Aus diesem Grunde wurde ein mit Graphit ausgekleidetes Reaktionsgefaß gewählt. Falls die Graphitauskleidung S nicht vorhanden ist und die zu verpressenden Diamantteilchen in Berührung mit dem Aluminium- ^o oxidzyhnder gelangen können, erhalt man einen Preßling mit geringerer Festigkeit. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das Aluminiumoxid eine Sauerstoffquelle darstellt, die den Diamant verseucht und dadurch eine gute Diamant-Diamant-Bindung verhindert. Graphit ist hingegen ein guter Getter fur Sauerstoff und bewirkt wahrend des Sintervorganges im Reaktionsgefaß eine reduzierende Atmosphäre. Eine reduzierende Atmosphäre kann auch in anderer Weise erreicht werden, beispielsweise durch Verwendung von Titan als Getter oder eines Metalls mit ahnlichen Eigenschaften. Es hat sich als wichtig herausgestellt, den Diamanten vor Verseuchung wahrend des Sintervorganges zu schützen. Der Aluminiumzylinder und die Graphitauskleidung schützen den Diamant einzeln und zusammen vor von dem aufgeheizten Pyrophylhtzylinder stammenden Verseuchungsprodukten. An Stelle von oder zusätzlich zu den vorgenannten Werkstoffen können auch andere Abschirmungen verwendet werden, beispielsweise Kapseln aus hochschmelzenden Metallen wie Tantal, Wolfram, Molybdän, Titan oder Zirkonium.

Die bei der erfindungsgemaßen Herstellung der Diamantkorper zu verwendenden Drucke basieren auf einem Eichverfahren, bei dem die Änderung des elektrischen Widerstandes verschiedener Metalle bei Zimmertemperatur in Abhängigkeit vom Druck ausgenutzt wird. Bei diesem Eichverfahren handelt es sich um das in der US-PS 2 941248 beschriebene und gemäß der Abhandlung »Calibration Techniques in Ultra-High Pressure Apparatus«, von F P. Bundy, im Journal of Engineering for Industry, Mai 1961, Transactions of the ASME, Serie B, korngierte Verfahren.

Die zur Herstellung der Diamantkorper verwendeten Diamantteilchen sollten vorzugsweise eine Große von unter 100 Mikron und insbesondere vorzugsweise eine Große von unter 20 Mikron besitzen. Die Große der verwendeten Diamantteilchen hangt naturlich vom beabsichtigten Anwendungszweck des polykristallinen Diamantkorpers ab Die Verwendung von Diamantteilchen mit einer innerhalb eines Bereiches liegenden Große ist wünschenswert, um in bekannter Weise eine hohe Packungsdichte des Ausgangsmatenals zu erreichen. In vielen Fallen kann es erforderlich sein, das Diamantpulver vor dem Verpressen chemisch zu reinigen. Eine solche chemische Reinigung kann in bekannter Weise durchgeführt werden, beispielsweise unter Verwendung von Salzsaure, Königswasser oder irgendeiner anderen Saurebehandlung.

Gegebenenfalls können die Diamantteilchen in Verbindung mit einer geringen Menge eines Zusatzstoffes entweder in Form einer Matrix oder eines auf die Diamantteilchen aufgebrachten Überzuges verpreßt werden. Als Matrixmaterial können u.a. Bor, Tantal, Molybdän und Titan in elementarer Form oder in Form ihrer Carbide oder Boride verwendet werden. Beispielsweise kann Borcarbid (B₄C) in einer Menge von 0,2 bis 0,8 Gewichtsprozent, Bor in einer Menge von 0,1 bis 0,6 Gewichtsprozent, oder Titanbond (TiB₂) in einer Menge bis zu 1 Gewichtsprozent des polykristallinen Diamantkorpers verwendet werden. Als Überzugsmatenal fur die Diamantteilchen eignet sich beispielsweise Molybdän, Titan, Nickel oder Legierungen dieser Elemente. Der Gehalt der Diamantkorper an einem von Diamant verschiedenen Material sollte nicht mehr als 2 % des Gesamtgewichtes betragen. Diamantkorper mit mehr als 2% Fremdmaterial besitzen nicht die geforderte Festigkeit

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch

   Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Diamantkorpers, bei dem Diamantknstalle bei einem Druck von über 50 Kilobar und einer Temperatur von über 1300° C zu einem Diamantkorper verpreßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Diamantkristalle mit Bor dotierte Diamantknstalle eingesetzt werden