RU2334550C2 - Diamond tool, synthetic monocrystallic diamond, method of monocrystallic diamond synthesis, and diamond jewelry - Google Patents
Diamond tool, synthetic monocrystallic diamond, method of monocrystallic diamond synthesis, and diamond jewelry Download PDFInfo
- Publication number
- RU2334550C2 RU2334550C2 RU2006115608/15A RU2006115608A RU2334550C2 RU 2334550 C2 RU2334550 C2 RU 2334550C2 RU 2006115608/15 A RU2006115608/15 A RU 2006115608/15A RU 2006115608 A RU2006115608 A RU 2006115608A RU 2334550 C2 RU2334550 C2 RU 2334550C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diamond
- crystal
- tool
- ppm
- plane
- Prior art date
Links
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 322
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 301
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title claims description 16
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 title claims description 16
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 202
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 137
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical group [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 105
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 70
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 30
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 51
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 48
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 27
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 26
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 23
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 claims description 18
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 12
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 8
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 8
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 abstract description 21
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 37
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 24
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 description 18
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 16
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 13
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 12
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 11
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 8
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 7
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004854 X-ray topography Methods 0.000 description 4
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 4
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 4
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 3
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 229910017061 Fe Co Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000006061 abrasive grain Substances 0.000 description 2
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 2
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 and in addition Chemical compound 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000006184 cosolvent Substances 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 description 1
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- 239000002932 luster Substances 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 150000002829 nitrogen Chemical class 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N selanylidenegallium;selenium Chemical compound [Se].[Se]=[Ga].[Se]=[Ga] VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 150000003608 titanium Chemical class 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение, в общем, относится к алмазным инструментам, синтетическим монокристаллическим алмазам, способам синтеза монокристаллических алмазов и алмазным ювелирным изделиям, а в частности к алмазным инструментам, обладающим превосходными рабочими характеристиками, таким как изготовленные с использованием алмаза режущие инструменты, ножи и т.п., имеющие острую режущую кромку, превосходные по устойчивости к абразивному износу, разрушению и т.п. и стабильные по качеству, алмазные фильеры, алмазные инструменты для заточки, алмазные резцы и т.п., превосходные по устойчивости к абразивному износу, к синтетическим монокристаллическим алмазам, имеющим кристалл, содержащий никель в результате атомарного замещения, и к способами синтеза таких монокристаллических алмазов, к синтетическим монокристаллическим алмазам, имеющим кристалл, содержащий бор и никель в результате атомарного замещения, и к способами синтеза таких монокристаллических алмазов, а также к алмазным ювелирным изделиям, обладающим яркой окраской.The present invention relates generally to diamond tools, synthetic single crystal diamonds, methods for synthesizing single crystal diamonds and diamond jewelry, and in particular to diamond tools having excellent performance, such as diamond cutters, knives, and the like. having a sharp cutting edge, excellent in resistance to abrasion, destruction, etc. and stable in quality, diamond dies, diamond tools for sharpening, diamond tools and the like, excellent in resistance to abrasion, to synthetic single-crystal diamonds having a crystal containing nickel as a result of atomic substitution, and to methods for synthesizing such single-crystal diamonds , to synthetic single-crystal diamonds having a crystal containing boron and nickel as a result of atomic substitution, and to methods for synthesizing such single-crystal diamonds, as well as to diamond jewelry m, having a bright color.
Уровень техникиState of the art
Обычные инструменты на основе монокристаллических алмазов ранее изготавливали с использованием природных алмазов, соответствующим образом отобранных из необработанных сырьевых алмазов. Кроме того, некоторые обычные инструменты на основе монокристаллических алмазов изготавливали с использованием искусственных, синтетических монокристаллических алмазов (типа Ib), содержащих в качестве примеси азот.Conventional single-crystal diamond-based tools were previously made using natural diamonds appropriately selected from rough diamonds. In addition, some conventional single-crystal diamond-based tools were made using artificial, synthetic single-crystal diamonds (type Ib) containing nitrogen as an impurity.
Алмаз широко используют для различных целей в промышленности, для изготовления ювелирных изделий и тому подобного, поскольку алмаз обладает чрезвычайно высокой твердостью и достаточно значительной теплопроводностью и имеет высокий показатель преломления и поэтому имеет яркий блеск («игра света»). Однако природный алмаз весьма дорог. Соответственно промышленно изготовленные алмазы широко используют, главным образом, в различных отраслях промышленности. Такие промышленно изготовленные алмазы обычно синтезируют методом температурного градиента или подобным ему методом выращивания кристаллов под сверхвысоким давлением при высокой температуре (как описано в патентных документах 1-6).Diamond is widely used for various purposes in industry, for the manufacture of jewelry and the like, since diamond has extremely high hardness and sufficiently significant thermal conductivity and has a high refractive index and therefore has a bright luster ("play of light"). However, natural diamond is quite expensive. Accordingly, industrially made diamonds are widely used mainly in various industries. Such industrially made diamonds are usually synthesized by a temperature gradient method or a similar method of growing crystals under ultra-high pressure at high temperature (as described in patent documents 1-6).
Кроме того, согласно недавним промышленным усовершенствованиям были также созданы синтетические монокристаллы алмаза, гомогенные и т.п. и прекрасные по устойчивости к абразивному износу и соответственно превосходящие по механическим и физическим свойствам природный алмаз (как описано в патентных документах 7-9).In addition, according to recent industrial improvements, synthetic diamond single crystals, homogeneous, etc. have also been created. and excellent in resistance to abrasion and correspondingly superior in mechanical and physical properties to natural diamond (as described in patent documents 7-9).
Кроме того, был также создан синтетический монокристаллический алмаз, который является полупроводящим или электрически проводящим или аналогичным образом имеет свойство, которое не присуще алмазу (как описано в патентном документе 10).In addition, a synthetic single crystal diamond has also been created, which is semi-conductive or electrically conductive or similarly has a property that is not inherent in diamond (as described in patent document 10).
Патентный документ 1: выложенный патент Японии №60-12747Patent Document 1: Japanese Patent Laid-Open No. 60-12747
Патентный документ 2: выложенный патент Японии №5-137999Patent Document 2: Japanese Patent Laid-Open No. 5-137999
Патентный документ 3: выложенный патент Японии №5-138000Patent Document 3: Japanese Patent Laid-Open No. 5-138000
Патентный документ 4: выложенный патент Японии №5-329356Patent Document 4: Japanese Patent Laid-Open No. 5-329356
Патентный документ 5: выложенный патент Японии №6-182182Patent Document 5: Japanese Patent Laid-Open No. 6-182182
Патентный документ 6: выложенный патент Японии №6-182184Patent Document 6: Japanese Patent Laid-Open No. 6-182184
Патентный документ 7: выложенный патент Японии №3-131407Patent Document 7: Japanese Patent Laid-Open No. 3-131407
Патентный документ 8: выложенный патент Японии №3-228504Patent Document 8: Japanese Patent Laid-Open No. 3-228504
Патентный документ 9: выложенный патент Японии №7-116494Patent Document 9: Japanese Patent Laid-Open No. 7-116494
Патентный документ 10: выложенный патент Японии №5-200271Patent Document 10: Japanese Patent Laid-Open No. 5-200271
Непатентный документ 1: Sumiya et al., Diamond and Related Materials, 5, 1359 (1996).Non-Patent Document 1: Sumiya et al., Diamond and Related Materials, 5, 1359 (1996).
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Проблемы, решаемые изобретениемProblems Solved by the Invention
Поскольку природный алмаз содержит большое количество азота в качестве примеси и, кроме того, отражает сложную историю своего роста в недрах Земли, его кристаллы имеют большое число напряжений и кристаллических дефектов, и при этом также имеются большие различия между ними. По существу невозможно постоянно получать из природного алмаза высококачественный кристалл, не содержащий примесей, кристаллических дефектов и тому подобного. Такого рода кристаллические дефекты природного алмаза, примеси и тому подобное служат местом, в котором оказывается возможным инициирование его разрушения. Как таковые, обычные инструменты, изготовленные с использованием природного алмаза, являются ненадежными по качеству и значительно варьируются по своим рабочим характеристикам, сроку службы и т.п.Since natural diamond contains a large amount of nitrogen as an impurity and, in addition, reflects the complex history of its growth in the bowels of the Earth, its crystals have a large number of stresses and crystalline defects, and there are also large differences between them. In essence, it is impossible to constantly obtain from natural diamond a high-quality crystal that does not contain impurities, crystalline defects, and the like. Such crystalline defects of natural diamond, impurities and the like serve as a place in which it is possible to initiate its destruction. As such, conventional tools made using natural diamond are unreliable in quality and vary considerably in their performance, service life, etc.
Напротив, монокристаллы синтетического алмаза, выращенные под высоким давлением при высокой температуре, позволяющей алмазу находиться в термодинамически устойчивом состоянии, превосходят природный алмаз по кристалличности и к тому же более стабильны по качеству по сравнению с природным алмазом. Тем не менее, типичный синтетический алмаз содержит от несколько десятков до нескольких сотен частей на миллион (ч/млн) азота в виде изолированных примесей замещения (то есть типа Ib), оказывающих влияние на ряд характеристик. В частности, в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра примесь азота вызывает значительное поглощение. Кроме того, примесь азота в кристалле не распределена равномерно. Как таковой, внутри кристалл находится в более или менее напряженном состоянии.On the contrary, synthetic diamond single crystals grown under high pressure at a high temperature, allowing the diamond to be in a thermodynamically stable state, surpass natural diamond in crystallinity and, moreover, are more stable in quality compared to natural diamond. However, a typical synthetic diamond contains from several tens to several hundred parts per million (ppm) of nitrogen in the form of isolated substitutional impurities (i.e. type Ib) that affect a number of characteristics. In particular, in the ultraviolet and infrared regions of the spectrum, an admixture of nitrogen causes significant absorption. In addition, the admixture of nitrogen in the crystal is not evenly distributed. As such, inside the crystal is in a more or less stressed state.
Кроме того, среди искусственных синтетических алмазов, те из них, которые относятся к типу Ib и содержат примесь азота в качестве изолированных примесей замещения, используют для изготовления режущих инструментов, ножей и тому подобного. И хотя искусственный синтетический алмаз превосходит по стабильности качества природный алмаз, до сих пор он все еще был недостаточным по остроте и устойчивости к абразивному износу, которые определяют характеристики инструментов.In addition, among artificial synthetic diamonds, those that are of type Ib and contain an admixture of nitrogen as isolated substitutional impurities, are used for the manufacture of cutting tools, knives and the like. And although artificial synthetic diamond is superior in quality stability to natural diamond, so far it has still been insufficient in terms of sharpness and abrasion resistance, which determine the characteristics of tools.
Когда для синтеза алмаза применяют метод температурного градиента без использования металлического растворителя, содержащего добавленный в него специальный газопоглотитель азота, азот, содержащийся в растворителе, может быть захвачен в кристалл, что приводит к желтой окраске алмаза, что также описано в патентных документах 2-6.When the temperature gradient method is used for diamond synthesis without using a metal solvent containing a special nitrogen getter added to it, the nitrogen contained in the solvent can be captured in the crystal, which leads to a yellow color of the diamond, which is also described in patent documents 2-6.
Этот азот является атомарной замещающей примесью, и, помимо этого, атом азота обладает большим размером, чем атом углерода. Это вызывает частичные искажения кубической кристаллической структуры алмаза. В результате у алмаза понижаются твердость и теплопроводность.This nitrogen is an atomic substitutional impurity, and, in addition, the nitrogen atom has a larger size than the carbon atom. This causes partial distortion of the cubic crystal structure of diamond. As a result, diamond lowers hardness and thermal conductivity.
В частности, когда алмаз используют для промышленных целей в качестве режущей кромки инструмента, такие ухудшенные свойства, как описано выше, не только непосредственно ухудшают устойчивость изделия к шлифовке (полировке), абразивному износу и тому подобному, но также вызывают проблемы в процессе производства изделия и, следовательно, косвенно ухудшают характеристики изделия.In particular, when diamond is used for industrial purposes as a cutting edge of a tool, such deteriorated properties as described above not only directly impair the product's resistance to grinding (polishing), abrasive wear and the like, but also cause problems in the manufacturing process of the product and therefore, indirectly impair product performance.
Точнее сказать, для формирования из него режущей кромки алмаз стачивают. Это обуславливает трение и, следовательно, выделение теплоты, причем чем меньше теплопроводность алмаза, тем медленнее отводится эта теплота, и поэтому режущая кромка лезвия чрезмерно нагревается и окисляется. Это приводит к появлению на режущей кромке в ее активной части ступеньки приблизительно 0,04 мм, обычно называемой сектором. В результате уменьшается острота активной части лезвия в качестве инструмента, и при этом поверхность изделия после стачивания отполирована с плохой точностью.More precisely, the diamond is ground off to form a cutting edge from it. This causes friction and, consequently, the release of heat, and the lower the thermal conductivity of the diamond, the slower this heat is removed, and therefore the cutting edge of the blade is excessively heated and oxidized. This leads to the appearance on the cutting edge in its active part of the step of approximately 0.04 mm, usually called the sector. As a result, the sharpness of the active part of the blade as a tool decreases, and the surface of the product after grinding is polished with poor accuracy.
Кроме того, для обеспечения синтетических алмазов, имеющих улучшенные механические свойства, полупроводниковую проводимость и электропроводимость, которая не присуща алмазу, в кристалл алмаза также вводят бор (В), что было также описано в патентных документах 9 и 10. Однако для осуществления этого в качестве источника углерода требуется специальный тип алмазного порошка, и современного уровня развития техники для этого все еще оказывается недостаточно.In addition, to ensure synthetic diamonds having improved mechanical properties, semiconductor conductivity and electrical conductivity that is not inherent in diamond, boron (B) is also introduced into the diamond crystal, which was also described in
Кроме того, алмаз, обладающий желтой окраской, в частности темно-желтой окраской, вместо того, чтобы быть прозрачным или обладать такой окраской, как синяя и красная, имеет меньшую стоимость в качестве ювелирного изделия. Кроме того, его также трудно использовать в качестве оптических компонентов, лазерного окна и т.п.In addition, a diamond having a yellow color, in particular a dark yellow color, instead of being transparent or having a color such as blue and red, has a lower cost as a jewelry. In addition, it is also difficult to use as optical components, a laser window, and the like.
Чтобы воспрепятствовать вхождению азота в кристалл алмаза, был разработан ряд способов с добавлением алюминия (Al), титана (Ti), циркония (Zr) или подобного газопоглотителя азота в металлический растворитель при производстве алмаза. Указанные способы могут обеспечить получение алмаза с пониженным содержанием азота и к тому же бесцветного и прозрачного. Однако для того чтобы предотвратить захват кристаллом алмаза карбидов, образуемых газопоглотителем азота в растворителе, данный кристалл необходимо выращивать с пониженной скоростью. Это также уже осуществлено с помощью множества способов, которые описаны в патентных документах 2-6. В настоящее время кристалл выращивают со скоростью от 2 мг/ч до 2,5 мг/ч максимум. Это влияет на увеличение себестоимости его производства.To prevent the entry of nitrogen into the diamond crystal, a number of methods have been developed with the addition of aluminum (Al), titanium (Ti), zirconium (Zr), or a similar nitrogen getter in a metal solvent in the production of diamond. These methods can provide diamond with a reduced nitrogen content and, moreover, colorless and transparent. However, in order to prevent the capture by the diamond crystal of carbides formed by the getter of nitrogen in the solvent, this crystal must be grown at a reduced rate. This has also been accomplished using a variety of methods, which are described in patent documents 2-6. Currently, the crystal is grown at a rate of from 2 mg / h to 2.5 mg / h maximum. This affects the increase in the cost of its production.
Кроме того, полупроводниковая проводимость и электрическая проводимость являются свойствами, которые не присущи алмазу, причем эти свойства, достигаемые в настоящее время, все еще недостаточны.In addition, semiconductor conductivity and electrical conductivity are properties that are not inherent in diamond, and these properties, currently achieved, are still insufficient.
Таким образом, все еще существует потребность в синтетическом монокристаллическом алмазе, имеющем небольшое содержание примеси или азота и производимом недорогим образом в промышленных целях, в частности для использования в качестве инструмента. Кроме того, также существует потребность в синтетическом монокристаллическом алмазе с улучшенной устойчивостью к абразивному износу или подобными механическими и физическими свойствами. Подобным образом, также существует потребность в синтетическом монокристаллическом алмазе с полупроводниковой проводимостью, соответствующим уровнем электрической проводимости. Кроме того, также существует потребность в синтетическом монокристаллическом алмазе, обладающем красивым цветом и производимом недорогим образом для ювелирных изделий. Дополнительно, также существует потребность в инструментах, ювелирных изделиях и т.п., полученных из такого синтетического монокристаллического алмаза.Thus, there is still a need for a synthetic single crystal diamond having a low content of impurity or nitrogen and produced inexpensively for industrial purposes, in particular for use as a tool. In addition, there is also a need for synthetic single crystal diamond with improved abrasion resistance or similar mechanical and physical properties. Similarly, there is also a need for synthetic single crystal diamond with a semiconductor conductivity corresponding to the level of electrical conductivity. In addition, there is also a need for a synthetic single crystal diamond, which has a beautiful color and is produced inexpensively for jewelry. Additionally, there is also a need for tools, jewelry, and the like obtained from such a synthetic single crystal diamond.
Кроме перечисленного выше, существует также потребность в способе, разработанном с целью облегчить припаивание алмаза к хвостовику или подобной ему основной части (корпусу) инструмента при использовании алмаза в качестве лезвия инструмента.In addition to the above, there is also a need for a method designed to facilitate soldering of diamond to the shank or similar main part (body) of the tool when using diamond as a tool blade.
Соответственно одной из задач настоящего изобретения является создание алмазного инструмента, превосходящего обычные алмазные инструменты по остроте, устойчивости к абразивному износу и стабильности качества.Accordingly, one of the objectives of the present invention is to provide a diamond tool superior to conventional diamond tools in terms of sharpness, abrasion resistance and quality stability.
Другая задача настоящего изобретения заключается в получении синтетического монокристаллического алмаза, который может иметь уменьшенное содержание примеси или азота и недорогим образом использоваться для промышленных целей и будет превосходным по устойчивости к абразивному износу и подобным механическим и физическим свойствам, может обладать красивой окраской и может быть легко припаян к корпусу инструмента, а также в создании способа производства такого синтетического монокристаллического алмаза.Another objective of the present invention is to obtain a synthetic single-crystal diamond, which can have a reduced content of impurities or nitrogen and is inexpensively used for industrial purposes and will be excellent in resistance to abrasion and similar mechanical and physical properties, can have a beautiful color and can be easily soldered to the tool body, as well as in creating a method for the production of such a synthetic single-crystal diamond.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание алмазного ювелирного изделия с использованием великолепно окрашенного и недорогого синтетического монокристаллического алмаза.Another objective of the present invention is the creation of diamond jewelry using beautifully colored and inexpensive synthetic monocrystalline diamond.
Средства решения проблемProblem Solving Tools
Предложенный алмазный инструмент изготавливают с использованием монокристаллического алмаза, искусственно синтезированного под высоким давлением методом температурного градиента и имеющего кристалл, содержащий примесь в количестве по большей мере 3 ч/млн, предпочтительно по большей мере 0,1 ч/млн.The proposed diamond tool is made using single-crystal diamond, artificially synthesized under high pressure by the temperature gradient method and having a crystal containing an impurity in an amount of at least 3 ppm, preferably at least 0.1 ppm.
Искусственный, синтетический алмаз может иметь примесь азота, удаляемую при синтезе алмаза под высоким давлением путем добавления к растворителю компонента, служащего в качестве газопоглотителя (геттера) азота. Это, однако, оказывает неблагоприятное воздействие на алмаз из-за появления включений, приводящих в результате к ухудшению качества кристалла. Авторы настоящего изобретения предложили способ, который может обеспечить получение кристалла хорошего качества несмотря на то, что добавляют газопоглотитель азота (непатентный документ 1). Таким образом, высокочистый кристалл синтетического алмаза (типа IIa), имеющий примесь азота, контролируемую на уровне по большей мере 3 ч/млн, может не содержать кристаллических дефектов, напряжений и тому подобного, обусловленных этой примесью. Это будет приводить к повышенным твердости и прочности и другим подобным улучшенным механическим свойствам, а также к уменьшенному разбросу по качеству. В дополнение к этому, за исключением того, что имеется вызванное примесью азота слабое поглощение в ультрафиолетовой области при 270 нм, отсутствует какое-либо иное поглощение, вызванное примесью. При содержании азота по большей мере 0,1 ч/млн не наблюдается также никакого поглощения и на 270 нм. Таким образом, может быть получен прозрачный кристалл в области спектра от ультрафиолетовой до инфракрасной.An artificial, synthetic diamond can have an admixture of nitrogen removed during the synthesis of diamond under high pressure by adding to the solvent a component that serves as a getter (getter) of nitrogen. However, this has an adverse effect on the diamond due to the appearance of inclusions, resulting in a deterioration in the quality of the crystal. The inventors of the present invention have proposed a method that can provide a crystal of good quality despite the addition of a nitrogen getter (Non-Patent Document 1). Thus, a high-purity synthetic diamond crystal (type IIa) having a nitrogen impurity controlled at a level of at least 3 ppm may not contain crystalline defects, stresses and the like caused by this impurity. This will lead to increased hardness and strength and other similar improved mechanical properties, as well as to a reduced variation in quality. In addition to this, except that there is a weak absorption due to nitrogen impurity in the ultraviolet region at 270 nm, there is no other absorption caused by the impurity. With a nitrogen content of at most 0.1 ppm, no absorption is also observed at 270 nm. Thus, a clear crystal can be obtained in the spectral region from ultraviolet to infrared.
Авторы настоящего изобретения изучили механические свойства высокочистого синтетического алмаза более детально и установили, что имеет место особенность, которая не наблюдается ни в природном алмазе, ни в обычных синтетических алмазах.The authors of the present invention studied the mechanical properties of high-purity synthetic diamond in more detail and found that there is a feature that is not observed either in natural diamonds or in ordinary synthetic diamonds.
В таблице 1 приведены результаты измерения твердости по Кнупу синтетических кристаллов алмаза с различными содержаниями азота в плоскости (100) в направлениях <100> и <110>. Как показано на фиг.1, в плоскости (100) в направлении <100> твердость по Кнупу улучшается по мере того, как уменьшается содержание азота. Синтетический кристалл алмаза с содержанием азота по большей мере 1 ч/млн обеспечивает высокую твердость, составляющую по меньшей мере 10000 кг/мм2. Синтетический кристалл алмаза с содержанием азота по большей мере 3 ч/млн, по данным измерений в плоскости (100) в направлении <110>, не дает обычного отпечатка Кнупа, что фактически свидетельствует о его чрезвычайной твердости. На фиг.2 приведены результаты измерения твердости по Кнупу на плоскости (100) для каждой ориентации в этой плоскости синтетического кристалла алмаза IIa с содержанием азота 0,1 ч/млн, кристалла алмаза Ib с содержанием азота 60-240 ч/млн и природного кристалла алмаза Ia (содержащего приблизительно 1000 ч/млн агрегированного азота в качестве примеси).Table 1 shows the results of measuring Knoop hardness of synthetic diamond crystals with various nitrogen contents in the (100) plane in the <100> and <110> directions. As shown in FIG. 1, in the (100) plane in the <100> direction, Knoop hardness improves as the nitrogen content decreases. A synthetic diamond crystal with a nitrogen content of at least 1 ppm provides a high hardness of at least 10,000 kg / mm 2 . A synthetic diamond crystal with a nitrogen content of at least 3 ppm, according to measurements in the (100) plane in the <110> direction, does not give the usual Knoop print, which actually indicates its extreme hardness. Figure 2 shows the results of measuring Knoop hardness on the (100) plane for each orientation in this plane of a synthetic diamond crystal IIa with a nitrogen content of 0.1 ppm, a diamond crystal Ib with a nitrogen content of 60-240 ppm and a natural crystal diamond Ia (containing approximately 1000 ppm of aggregated nitrogen as an impurity).
В то время как природный алмаз и типичный синтетический алмаз на грани (100) обладали большей твердостью в направлении <100>, чем в направлении <110>, алмаз с содержанием примеси по большей мере 3 ч/млн обнаруживает противоположную тенденцию. В частности, в направлении <110> оказывается невозможным создать отпечаток с помощью индентора Кнупа, тем самым показывая, что алмаз является чрезвычайно твердым. Это, вероятно, связано с тем, что синтетический кристалл алмаза IIa имеет существенно меньшее количество примеси и дефектов, которые дают возможность инициироваться деформации, когда индентор вдавливают в кристалл. Следует отметить, что в случае содержаний примеси, превышающих 3 ч/млн, указанная тенденция не наблюдалась, а вместо этого была установлена тенденция, подобная тенденции для природного кристалла алмаза и синтетического кристалла алмаза Ib.While natural diamonds and typical synthetic diamonds on the (100) face showed greater hardness in the <100> direction than in the <110> direction, diamonds with an impurity content of at most 3 ppm show the opposite trend. In particular, in the <110> direction, it is not possible to create a print with a Knoop indenter, thereby showing that the diamond is extremely hard. This is probably due to the fact that the synthetic diamond crystal IIa has a significantly smaller amount of impurities and defects, which make it possible to initiate deformations when the indenter is pressed into the crystal. It should be noted that in the case of impurity contents exceeding 3 ppm, this trend was not observed, but instead a trend was established that was similar to the trend for a natural diamond crystal and a synthetic diamond crystal Ib.
Предложенный алмазный инструмент может быть выполнен в виде высокоточного режущего инструмента. Вышеописанный алмаз с низким содержанием азота, обладающий высокой твердостью, может обеспечить в значительной степени устойчивый к абразивному износу сверхточный режущий инструмент.The proposed diamond tool can be made in the form of a high-precision cutting tool. The low hardness diamond described above having high hardness can provide a highly abrasion resistant ultra-precise cutting tool.
Кроме того, предложенный алмазный инструмент может быть выполнен в виде микротомного ножа, хирургического ножа или подобного алмазного ножа. Вышеописанный алмаз с низким содержанием азота, имеющий высокую твердость и пониженное количество дефектов, может обеспечить превосходный острый алмазный нож.In addition, the proposed diamond tool can be made in the form of a microtome knife, a surgical knife, or a similar diamond knife. The low nitrogen diamond described above having high hardness and reduced defects can provide an excellent sharp diamond knife.
Подобным же образом, предложенный алмазный инструмент может быть выполнен в виде инструментов для нанесения линий, алмазных резцов (алмазных игл) или тому подобного. Вышеописанный алмаз с низким содержанием азота, имеющий высокую твердость и пониженное количество дефектов, может обеспечить инструмент для нанесения линий, превосходный по устойчивости к абразивному износу и обладающий ограниченным количеством дефектов.Similarly, the proposed diamond tool can be made in the form of tools for drawing lines, diamond tools (diamond needles) or the like. The low nitrogen diamond described above, having high hardness and reduced defects, can provide a line tool that is excellent in abrasion resistance and has a limited number of defects.
Кроме того, предложенный алмазный инструмент может быть выполнен в виде инструмента для заточки (правильного инструмента). Вышеописанный алмаз с низким содержанием азота, имеющий высокую твердость и пониженное количество дефектов, может обеспечить острый инструмент для заточки с превосходной устойчивостью к абразивному износу.In addition, the proposed diamond tool can be made in the form of a tool for sharpening (the correct tool). The low nitrogen diamond described above, having high hardness and reduced defects, can provide a sharp sharpening tool with excellent abrasion resistance.
На основе вышеупомянутых экспериментальных данных, синтетический алмаз с содержанием примеси по большей мере 3 ч/млн, предпочтительно по большей мере 0,1 ч/млн, и с пониженным количеством дефектов использовали для изготовления инструмента. Содержание примеси может быть уменьшено путем использования источника высокочистого углерода и растворителя на основе Fe-Co и добавления к этому растворителю газопоглотителя азота, такого как Ti. Кроме того, линейные дефекты или дислокации могут быть удалены при использовании в качестве затравки кристалла, вырезанного из кристалла алмаза с низкой плотностью дефектов.Based on the above experimental data, a synthetic diamond with an impurity content of at least 3 ppm, preferably at most 0.1 ppm, and with a reduced number of defects was used to make the tool. The impurity content can be reduced by using a source of high purity carbon and a Fe-Co based solvent and adding a nitrogen getter such as Ti to this solvent. In addition, linear defects or dislocations can be removed by using a crystal cut from a diamond crystal with a low density of defects as a seed.
Предложенный синтетический монокристаллический алмаз согласно одному из аспектов изобретения синтезирован под сверхвысоким давлением при высокой температуре методом температурного градиента, и при этом он отличается тем, что он имеет кристалл, содержащий никель, введенный посредством атомарного замещения.The proposed synthetic single crystal diamond according to one aspect of the invention is synthesized under ultrahigh pressure at high temperature by the temperature gradient method, and it is characterized in that it has a crystal containing nickel introduced by atomic substitution.
В настоящем изобретении используется растворитель, имеющий большое содержание никеля. Соответственно это приводит к бледно-зеленой окраске синтетического монокристаллического алмаза. В дополнение к этому, поскольку синтетический монокристаллический алмаз содержит в себе уменьшенное количество замещающих атомов азота, он может иметь сниженные напряжения в кристалле, что способствует увеличению твердости и устойчивости к абразивному износу.The present invention uses a solvent having a high nickel content. Accordingly, this leads to a pale green color of the synthetic single-crystal diamond. In addition, since synthetic single-crystal diamond contains a reduced number of substituting nitrogen atoms, it can have reduced stresses in the crystal, which contributes to an increase in hardness and resistance to abrasion.
Уменьшение количества азота позволяет алмазу быть устойчивым к деградации, связанной с окислением, вызванным чрезмерным нагреванием алмаза при его обработке в лезвие инструмента или т.п. Таким образом, может быть обеспечена повышенная острота лезвия.A decrease in the amount of nitrogen allows the diamond to be resistant to degradation due to oxidation caused by excessive heating of the diamond when it is processed into a tool blade or the like. Thus, an increased sharpness of the blade can be provided.
Предпочтительно никель содержится в количестве от 0,01 ч/млн до 10 ч/млн. Содержание никеля по большей мере 10 ч/млн не оказывает неблагоприятного воздействия на синтетический монокристаллический алмаз по отношению к твердости, устойчивости к абразивному износу и остроте и, кроме того, позволяет алмазу демонстрировать красивую бледно-зеленую окраску. Содержание никеля, превышающее 10 ч/млн, вызывает чрезмерное напряжение, и при этом функция и эффект согласно настоящему изобретению почти не проявляются, и, кроме того, алмаз становится темным по цвету. Содержание никеля менее 0,01 ч/млн является предпочтительным для синтетического монокристаллического алмаза по отношению к прочности и другим подобным механическим и физическим характеристикам. Однако производство такого алмаза является дорогостоящим и требующим больших затрат времени. Это связано с тем, что использование никельсодержащего растворителя позволяет выращивать кристалл со значительно большей скоростью. Кроме того, для достижения бледно-зеленой окраски в алмазе предпочтительным образом содержится по меньшей мере 1 ч/млн никеля.Preferably, nickel is contained in an amount of from 0.01 ppm to 10 ppm. A nickel content of at most 10 ppm does not adversely affect synthetic single crystal diamond with respect to hardness, resistance to abrasion and sharpness and, in addition, allows the diamond to exhibit a beautiful pale green color. Nickel contents in excess of 10 ppm cause excessive stress, and the function and effect of the present invention hardly appear, and, in addition, the diamond becomes dark in color. A nickel content of less than 0.01 ppm is preferred for synthetic single crystal diamond with respect to strength and other similar mechanical and physical characteristics. However, the production of such a diamond is expensive and time consuming. This is due to the fact that the use of a nickel-containing solvent allows the crystal to grow at a much higher rate. In addition, in order to achieve a pale green color, the diamond preferably contains at least 1 ppm of nickel.
Азот предпочтительно содержится в количестве от 0,01 ч/млн до 3 ч/млн. Указанный диапазон позволяет достаточно эффективно повышать твердость, устойчивость к абразивному износу и тому подобное и, кроме того, обеспечивает пониженную себестоимость продукции.Nitrogen is preferably contained in an amount of from 0.01 ppm to 3 ppm. The specified range allows you to effectively increase the hardness, resistance to abrasion and the like, and, in addition, provides a reduced cost of production.
Настоящее изобретение, которое применяют к синтетическому монокристаллическому алмазу, используемому для инструмента, может в значительной степени проявлять такой эффект, как повышенная твердость.The present invention, which is applied to a synthetic single crystal diamond used for a tool, can exhibit to a large extent such an effect as increased hardness.
Если предложенный синтетический монокристаллический алмаз используют в качестве лезвия инструмента, а для припаивания этого алмаза к хвостовику (или основному корпусу инструмента) используют припой, то предпочтительно используют титаносодержащий активированный твердый припой, так как он позволяет припаивать алмаз при относительно низкой температуре.If the proposed synthetic single-crystal diamond is used as a tool blade, and solder is used to solder this diamond to the shank (or the main body of the tool), then it is preferable to use titanium-containing activated solid solder, since it allows soldering the diamond at a relatively low temperature.
Предложенный синтетический монокристаллический алмаз, содержащий никель и имеющий чрезвычайно низкое содержание азота, демонстрирует не темно-желтую окраску, а бледно-зеленую окраску. В связи с этим предпочтительно использовать такой предложенный алмаз в качестве ювелирного изделия.The proposed synthetic monocrystalline diamond containing nickel and having an extremely low nitrogen content does not show a dark yellow color, but a pale green color. In this regard, it is preferable to use such a proposed diamond as jewelry.
Когда предложенный синтетический монокристаллический алмаз используют для инструмента, этот инструмент может быть весьма твердым и устойчивым к абразивному износу инструментом, и таким образом эффективно обеспечивается продолжительный срок службы и т.п. Такой инструмент может представлять собой режущий инструмент, инструмент для заточки и тому подобное. Кроме того, когда предложенный синтетический монокристаллический алмаз используют в ювелирном изделии, бледно-зеленая окраска значительно увеличивает стоимость бриллиантового ювелирного изделия.When the proposed synthetic single crystal diamond is used for a tool, this tool can be a very hard and abrasion resistant tool, and thus a long service life and the like are effectively ensured. Such a tool may be a cutting tool, a sharpening tool and the like. In addition, when the proposed synthetic single crystal diamond is used in jewelry, a pale green color significantly increases the cost of diamond jewelry.
В предложенном способе синтеза монокристаллического алмаза его синтезируют под сверхвысоким давлением при высокой температуре методом температурного градиента, и при этом способ отличается применением растворителя, содержащего по меньшей мере один из железа и кобальта, по меньшей мере 36 мас.% никеля, 1-2 мас.% титана и 3-5,5 мас.% графита.In the proposed method for the synthesis of single-crystal diamond, it is synthesized under ultrahigh pressure at high temperature by the temperature gradient method, and the method is characterized by the use of a solvent containing at least one of iron and cobalt, at least 36 wt.% Nickel, 1-2 wt. % titanium and 3-5.5 wt.% graphite.
В настоящем изобретении растворитель содержит приблизительно 1-2 мас.%, предпочтительно приблизительно 1,5 мас.%, титана, который реагирует с азотом, содержащимся в качестве примеси, и таким образом предотвращает неблагоприятное вхождение азота в кристалл алмаза. Кроме того, несмотря на то, что не добавляют медь или подобный ей элемент, который предотвращает появление включений, титан не будет внедряться в кристалл алмаза в виде включения. Это предположительно связано с тем, что растворитель содержит приблизительно 36 мас.%, предпочтительно приблизительно 40 мас.%, никеля, который занимает в Периодической таблице положение практически рядом с медью. Никель входит в кристалл алмаза в качестве замещающей атомарной примеси в количестве по большей мере 10 ч/млн.In the present invention, the solvent contains about 1-2 wt.%, Preferably about 1.5 wt.%, Titanium, which reacts with nitrogen contained as an impurity, and thus prevents the adverse entry of nitrogen into the diamond crystal. In addition, despite the fact that copper or a similar element is not added, which prevents the occurrence of inclusions, titanium will not penetrate into the diamond crystal as an inclusion. This is presumably due to the fact that the solvent contains approximately 36% by weight, preferably approximately 40% by weight, of nickel, which is in the Periodic Table practically adjacent to copper. Nickel is included in the diamond crystal as a substitute atomic impurity in an amount of at least 10 ppm.
Затравочной гранью кристалла-затравки предпочтительно является плоскость (100), поскольку это позволяет осуществлять предпочтительный рост кристалла. Кроме того, синтетический монокристаллический алмаз синтезируют предпочтительно при температуре 1380±25°C, поскольку такая температура может способствовать введению никеля в кристалл алмаза соответствующим образом в качестве замещающей атомарной примеси.The seed face of the seed crystal is preferably the (100) plane, as this allows for preferred crystal growth. In addition, synthetic monocrystalline diamond is preferably synthesized at a temperature of 1380 ± 25 ° C, since such a temperature can facilitate the introduction of nickel into the diamond crystal accordingly as a substitute atomic impurity.
Синтетический монокристаллический алмаз синтезируют предпочтительно со скоростью 3,9-4,7 мг/ч (час), поскольку такая скорость может содействовать увеличению эффективности с точки зрения затрат и также способствовать введению никеля в кристалл алмаза соответствующим образом в качестве замещающей атомарной примеси.Synthetic monocrystalline diamond is preferably synthesized at a rate of 3.9-4.7 mg / h (h), since such a rate can contribute to cost-effectiveness and also facilitate the introduction of nickel into the diamond crystal accordingly as a substitute atomic impurity.
Предложенный в другом аспекте изобретения синтетический монокристаллический алмаз синтезирован под сверхвысоким давлением при высокой температуре методом температурного градиента и имеет кристалл, содержащий бор и никель, введенные посредством атомарного замещения.A synthetic monocrystalline diamond proposed in another aspect of the invention is synthesized under ultrahigh pressure at high temperature by a temperature gradient method and has a crystal containing boron and nickel introduced by atomic substitution.
Настоящее изобретение обеспечивает возможность использования растворителя, содержащего повышенное количество никеля, и, кроме того, в него добавляется титан или подобный ему газопоглотитель азота и бор. Это позволяет синтетическому монокристаллическому алмазу содержать пониженное количество замещающих атомов азота, а вместо них содержать замещающие атомы бора и никеля.The present invention makes it possible to use a solvent containing an increased amount of nickel, and in addition, titanium or a similar nitrogen getter and boron are added to it. This allows a synthetic single-crystal diamond to contain a reduced amount of substituting nitrogen atoms, and instead contain boron and nickel substituent atoms.
Главным образом может быть получен синтетический монокристаллический алмаз, который имеет уменьшенные напряжения в кристалле из-за сниженного содержания азота и имеет значительную твердость и значительную устойчивость к абразивному износу из-за содержащегося в нем бора. Сниженное содержание азота позволяет алмазу быть устойчивым к деградации, связанной с окислением, вызванным в результате чрезмерного нагревания алмаза при его обработке в лезвие инструмента или т.п. Таким образом, может быть обеспечена повышенная острота лезвия. К тому же синтетический монокристаллический алмаз, содержащий бор, будет также электрически проводящим. Кроме того, синтетический монокристаллический алмаз, который содержит бор и никель, обладает бледной сине-зеленой окраской.Mainly synthetic single-crystal diamond can be obtained, which has reduced stresses in the crystal due to the reduced nitrogen content and has significant hardness and considerable resistance to abrasion due to the boron contained therein. The reduced nitrogen content allows the diamond to be resistant to degradation due to oxidation caused by excessive heating of the diamond when it is processed into a tool blade or the like. Thus, an increased sharpness of the blade can be provided. In addition, synthetic single crystal diamond containing boron will also be electrically conductive. In addition, synthetic single crystal diamond, which contains boron and nickel, has a pale blue-green color.
Предпочтительно бор содержится в количестве 1-300 ч/млн. Содержание бора 300 ч/млн или менее позволяет захватывать металл из растворителя в кристалл алмаза в виде примеси в ограниченном количестве, что вносит вклад в превосходную устойчивость к абразивному износу. Содержание бора, превышающее 300 ч/млн, делает кристалл хрупким, а также темным по цвету и, таким образом, неподходящим для практического применения. Содержание бора в одну ч/млн или более, в частности свыше 5 ч/млн, дает возможность алмазу обладать соответствующей бледной сине-зеленой окраской, а также иметь соответствующий уровень электрической проводимости.Preferably, boron is contained in an amount of 1-300 ppm. A boron content of 300 ppm or less allows the metal to be captured from the solvent into the diamond crystal as an impurity in a limited amount, which contributes to excellent abrasion resistance. A boron content in excess of 300 ppm makes the crystal brittle as well as dark in color and thus unsuitable for practical use. A boron content of one ppm or more, in particular more than 5 ppm, allows the diamond to have a corresponding pale blue-green color, and also have an appropriate level of electrical conductivity.
Никель предпочтительно содержится в количестве 0,01-10 ч/млн. Никель, содержащийся в количестве 10 ч/млн или менее, дает возможность алмазу обладать бледной сине-зеленой окраской и, вместе с действием титана или подобного ему газопоглотителя азота, служит относительному уменьшению количества азота, входящего в кристалл алмаза в результате атомарного замещения, и, таким образом, обеспечивает монокристаллический алмаз, приемлемый по твердости, устойчивости к абразивному износу и остроте. Никель, содержащийся в количестве, превышающем 10 ч/млн, является причиной сильных напряжений и, кроме того, придает алмазу темную окраску. Никель, содержащийся в количестве менее чем 0,01 ч/млн, увеличивает время и стоимость производства алмаза. Кроме того, никель предпочтительно содержится в количестве по меньшей мере 1 ч/млн, поскольку он может совместно действовать с одновременно присутствующем бором на придание бледной сине-зеленой окраски.Nickel is preferably contained in an amount of 0.01-10 ppm. Nickel, contained in an amount of 10 ppm or less, allows the diamond to have a pale blue-green color and, together with the action of titanium or a similar nitrogen getter, serves to relatively reduce the amount of nitrogen entering the diamond crystal as a result of atomic substitution, and, thus, provides a single-crystal diamond, acceptable in hardness, resistance to abrasion and sharpness. Nickel, contained in an amount exceeding 10 ppm, is the cause of high stresses and, in addition, gives the diamond a dark color. Nickel, contained in an amount of less than 0.01 ppm, increases the time and cost of diamond production. In addition, nickel is preferably contained in an amount of at least 1 ppm, since it can act together with the simultaneously present boron to give a pale blue-green color.
Предпочтительно азот содержится в количестве 3 ч/млн или менее. Такое его количество позволяет кристаллу алмаза иметь уменьшенные напряжения, обеспечивая приемлемую твердость, устойчивость к абразивному износу и остроту.Preferably, nitrogen is contained in an amount of 3 ppm or less. Such an amount allows the diamond crystal to have reduced stresses, providing acceptable hardness, resistance to abrasion and sharpness.
Настоящее изобретение, при применении его к синтетическому монокристаллическому алмазу, используемому в качестве инструмента, может обнаружить превосходную устойчивость к абразивному износу или значительный подобный эффект.The present invention, when applied to a synthetic single crystal diamond used as a tool, can detect superior abrasion resistance or a significant similar effect.
Если предложенный синтетический монокристаллический алмаз используют в качестве лезвия инструмента и для припаивания алмаза к хвостовику (или основной части инструмента) используют припой, то предпочтительно используют титаносодержащий активированный припой, поскольку он позволяет припаивать алмаз при относительно низкой температуре.If the proposed synthetic single-crystal diamond is used as a tool blade and a solder is used to solder the diamond to the shank (or the main part of the tool), it is preferable to use a titanium-containing activated solder because it allows the diamond to be brazed at a relatively low temperature.
Поскольку из состава предложенного синтетического монокристаллического алмаза по существу исключен азот, и при этом он содержит бор и никель, такой алмаз обладает бледной сине-зеленой окраской. Предпочтительно такой алмаз используют в качестве ювелирного изделия.Since nitrogen is essentially excluded from the composition of the proposed synthetic single-crystal diamond, while it contains boron and nickel, such a diamond has a pale blue-green color. Preferably, such a diamond is used as jewelry.
Когда предложенный синтетический монокристаллический алмаз используют для инструмента, этот инструмент может быть весьма твердым и устойчивым к абразивному износу инструментом, и, таким образом, эффективно обеспечивается увеличение срока службы и т.п. Такой инструмент может представлять собой режущий инструмент, инструмент для заточки и подобное. Кроме того, когда предложенный синтетический монокристаллический алмаз используют в ювелирном изделии, бледно-зеленая окраска значительно увеличивает стоимость бриллиантового ювелирного изделия.When the proposed synthetic single crystal diamond is used for a tool, this tool can be a very hard and abrasion resistant tool, and thus, an increase in service life and the like is effectively provided. Such a tool may be a cutting tool, a sharpening tool and the like. In addition, when the proposed synthetic single crystal diamond is used in jewelry, a pale green color significantly increases the cost of diamond jewelry.
В предложенном в другом аспекте изобретения способе синтеза монокристаллического алмаза его синтезируют под сверхвысоким давлением при высокой температуре методом температурного градиента, и при этом способ отличается применением растворителя, содержащего по меньшей мере один из железа и кобальта, по меньшей мере 36 мас.% никеля, 1-2 мас.% титана, 0,1-0,2 мас.% бора и 3-5,5 мас.% графита.In a method for the synthesis of single-crystal diamond proposed in another aspect of the invention, it is synthesized under ultrahigh pressure at high temperature using the temperature gradient method, and the method is characterized by the use of a solvent containing at least one of iron and cobalt, at least 36 wt.% Nickel, 1 -2 wt.% Titanium, 0.1-0.2 wt.% Boron and 3-5.5 wt.% Graphite.
В настоящем изобретении растворитель содержит приблизительно 1-2 мас.%, предпочтительно приблизительно 1,5 (±10) мас.%, газопоглотителя азота (в качестве примера - титана), который реагирует с азотом, содержащимся в качестве примеси, и таким образом предотвращает неблагоприятное вхождение азота в кристалл алмаза. Кроме того, несмотря на то, что не добавляют медь или подобный ей элемент, который предотвращает включения, титан или подобный ему газопоглотитель азота не будет входить в кристалл алмаза в качестве включения. Это предположительно связано с тем, что растворитель содержит приблизительно 36 мас.%, предпочтительно приблизительно 40 мас.%, никеля, который занимает в Периодической таблице положение практически рядом с медью. Никель входит в кристалл алмаза в качестве замещающей атомарной примеси в количестве по большей мере 10 ч/млн. Кроме того, бор, который содержится в растворителе в количестве приблизительно 0,1-0,2 мас.%, предпочтительно приблизительно 0,15 мас.%, также входит в кристалл алмаза в качестве замещающей атомарной примеси в количестве по большей мере 300 ч/млн.In the present invention, the solvent contains about 1-2 wt.%, Preferably about 1.5 (± 10) wt.%, A nitrogen getter (titanium as an example), which reacts with nitrogen contained as an impurity, and thus prevents adverse entry of nitrogen into the diamond crystal. In addition, although copper or a similar element that prevents inclusions is not added, titanium or a similar nitrogen getter will not enter the diamond crystal as an inclusion. This is presumably due to the fact that the solvent contains approximately 36% by weight, preferably approximately 40% by weight, of nickel, which occupies a position practically adjacent to copper in the Periodic Table. Nickel is included in the diamond crystal as a substitute atomic impurity in an amount of at least 10 ppm. In addition, boron, which is contained in the solvent in an amount of about 0.1-0.2 wt.%, Preferably about 0.15 wt.%, Is also included in the diamond crystal as a substitute atomic impurity in an amount of at least 300 h / million
Кроме того, затравочной гранью кристалла-затравки предпочтительно является плоскость (100) кристалла алмаза, поскольку это позволяет бору быть равномерно распределенным, а кристаллу алмаза быть выращенным предпочтительным образом.In addition, the seed face of the seed crystal is preferably the plane (100) of the diamond crystal, since this allows the boron to be evenly distributed and the diamond crystal to be grown in a preferred manner.
Кроме того, синтетический монокристаллический алмаз синтезируют предпочтительно при температуре 1350±30°C, поскольку такая температура позволяет замещающей атомарной примеси, т.е. никелю и бору, входить в кристалл алмаза соответствующим образом.In addition, synthetic monocrystalline diamond is preferably synthesized at a temperature of 1350 ± 30 ° C, since this temperature allows a substitute atomic impurity, i.e. nickel and boron, enter the diamond crystal accordingly.
Кроме того, синтетический монокристаллический алмаз синтезируют предпочтительно со скоростью 3,1-3,8 мг/ч (час), поскольку такая скорость может внести вклад в увеличение эффективности с точки зрения затрат, а также позволяет замещающей атомарной примеси, т.е. никелю и бору, входить в кристалл алмаза соответствующим образом.In addition, synthetic single-crystal diamond is preferably synthesized at a rate of 3.1-3.8 mg / h (hour), since such a rate can contribute to an increase in efficiency from a cost point of view, and also allows a substitute atomic impurity, i.e. nickel and boron, enter the diamond crystal accordingly.
Предложенное алмазное ювелирное изделие изготовлено из вышеописанного синтетического монокристаллического алмаза.The proposed diamond jewelry is made of the above synthetic single crystal diamond.
Результаты изобретенияThe results of the invention
Когда монокристаллический алмаз используют для изготовления инструмента, использующийся синтетический алмаз, имеющий небольшое содержание азота в качестве примеси, позволяет этому инструменту являться алмазным инструментом, имеющим высокую твердость и пониженное количество дефектов, и, таким образом, более превосходить обычные алмазные инструменты по остроте, устойчивости к абразивному износу и стабильности качества.When a single-crystal diamond is used for the manufacture of a tool, a synthetic diamond having a small nitrogen content as an impurity allows this tool to be a diamond tool having high hardness and a reduced number of defects, and thus more surpass conventional diamond tools in terms of sharpness and resistance to abrasive wear and quality stability.
Предложенный синтетический монокристаллический алмаз может характеризоваться наличием в нем ограниченного количества замещающих атомов азота. Это может внести вклад в уменьшение напряжений в кристалле и увеличить твердость и устойчивость к абразивному износу, позволяя изготовить предпочтительный инструмент.The proposed synthetic single crystal diamond can be characterized by the presence in it of a limited number of substituting nitrogen atoms. This can contribute to the reduction of stresses in the crystal and increase the hardness and resistance to abrasion, allowing you to make the preferred tool.
Кроме того, растворитель, содержащий никель, позволяет синтезировать алмаз с увеличенной скоростью роста и, таким образом, получать алмаз с уменьшенными затратами. Кроме того, поскольку предложенный синтетический монокристаллический алмаз может обладать бледно-зеленой окраской, это придает ему существенно более высокую стоимость в ювелирном изделии.In addition, the solvent containing Nickel, allows you to synthesize diamond with an increased growth rate and, thus, to obtain a diamond with reduced costs. In addition, since the proposed synthetic single crystal diamond may have a pale green color, this gives it a significantly higher cost in jewelry.
Кроме того, предложенный синтетический монокристаллический алмаз имеет низкое содержание азота, содержащегося в кристалле в качестве замещающей атомарной примеси, и содержит соответствующее количество бора. Как таковой, предложенный алмаз может иметь превосходную устойчивость к абразивному износу. Кроме того, предложенный алмаз может также обеспечить синтетический монокристаллический алмаз, превосходный, например, по устойчивости к абразивному износу и, таким образом, пригодный для применения в качестве лезвия инструмента. Кроме того, предложенный алмаз может обеспечить в достаточной мере электропроводящий синтетический монокристаллический алмаз. Кроме того, предложенный синтетический монокристаллический алмаз может содержать в кристалле никель и бор в качестве замещающей атомарной примеси и, таким образом, обладать бледной сине-зеленой окраской, имеющей высокую ценность в качестве ювелирного изделия. Кроме того, вышеописанный синтетический монокристаллический алмаз может быть получен недорогим образом.In addition, the proposed synthetic single crystal diamond has a low content of nitrogen contained in the crystal as a substitute atomic impurity, and contains an appropriate amount of boron. As such, the proposed diamond may have excellent abrasion resistance. In addition, the proposed diamond can also provide a synthetic single crystal diamond, excellent, for example, in terms of resistance to abrasive wear and, thus, suitable for use as a tool blade. In addition, the proposed diamond can provide a sufficiently electrically conductive synthetic single crystal diamond. In addition, the proposed synthetic single-crystal diamond may contain nickel and boron in the crystal as a substitute atomic impurity and, thus, have a pale blue-green color, which is of high value as a jewelry. In addition, the above-described synthetic single crystal diamond can be obtained in an inexpensive manner.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На фиг.1 представлена твердость по Кнупу синтетического алмаза в плоскости (100) вдоль направления <100>.Figure 1 shows the Knoop hardness of synthetic diamond in the (100) plane along the <100> direction.
На фиг.2 представлена твердость по Кнупу разных типов алмаза в плоскости (100) для каждой ориентации в этой плоскости.Figure 2 presents Knoop hardness of different types of diamond in the (100) plane for each orientation in this plane.
Фиг.3 представляет общий вид установки для синтеза синтетического монокристаллического алмаза согласно третьему примеру настоящего изобретения.Figure 3 is a General view of the installation for the synthesis of synthetic single crystal diamond according to the third example of the present invention.
Фиг.4А представляет собой вид сбоку лезвия инструмента, использующего синтетический монокристаллический алмаз согласно третьему примеру настоящего изобретения.Fig. 4A is a side view of a blade of a tool using a synthetic single crystal diamond according to a third example of the present invention.
Фиг.4В представляет собой вид сверху лезвия инструмента, показанного на фиг.4A.Fig. 4B is a plan view of the blade of the tool shown in Fig. 4A.
Фиг.5 представляет собой вид в перспективе инструмента для заточки, использующего синтетический монокристаллический алмаз согласно третьему примеру настоящего изобретения.5 is a perspective view of a sharpening tool using a synthetic single crystal diamond according to a third example of the present invention.
Фиг.6 представляет общий вид установки для синтеза синтетического монокристаллического алмаза согласно четвертому примеру настоящего изобретения.Fig.6 is a General view of the installation for the synthesis of synthetic single crystal diamond according to the fourth example of the present invention.
Фиг.7A представляет собой вид сбоку лезвия инструмента, использующего синтетический монокристаллический алмаз согласно четвертому примеру настоящего изобретения.Fig. 7A is a side view of a blade of a tool using a synthetic single crystal diamond according to a fourth example of the present invention.
Фиг.7B представляет собой вид сверху лезвия инструмента, показанного на фиг.7A.Fig. 7B is a plan view of the blade of the tool shown in Fig. 7A.
Описание ссылочных позицийDescription of Reference Positions
11 - источник углерода; 12 - металлический растворитель; 13 - кристалл-затравка; 14 - изоляционный материал; 15 - графитовый нагреватель; 16 - рабочая среда под давлением; 21 - лезвие из синтетического монокристаллического алмаза; 22 - слой припоя; 23 - концевая часть хвостовика; 31 - инструмент для заточки из синтетического монокристаллического алмаза; 32 - спеченная деталь.11 - carbon source; 12 - metal solvent; 13 - seed crystal; 14 - insulating material; 15 - graphite heater; 16 - working medium under pressure; 21 - a blade of synthetic single crystal diamond; 22 - a layer of solder; 23 - end part of the shank; 31 - a tool for sharpening from synthetic single crystal diamond; 32 - sintered part.
Наилучшие варианты осуществления изобретенияBEST MODES FOR CARRYING OUT THE INVENTION
В дальнейшем настоящее изобретение будет описано с помощью примеров.Hereinafter, the present invention will be described using examples.
Пример 1Example 1
Для синтеза кристалла алмаза использовали метод температурного градиента при высоком давлении. Более конкретно, в качестве материала источника углерода использовали высокочистый графит, а в качестве растворителя использовали растворитель из Fe-Co с добавлением к нему 1,5 мас.% Ti в качестве газопоглотителя азота. В качестве кристалла-затравки использовали кристалл с низкой плотностью дефектов, причем в качестве затравочной грани служила плоскость (001), и при этом прикладывали давление 5,5 ГПа при температуре 1350°C в течение 70 часов для синтеза монокристалла алмаза IIa высокой чистоты, массой приблизительно 0,8 карата.For the synthesis of a diamond crystal, the temperature gradient method at high pressure was used. More specifically, high-purity graphite was used as the carbon source material, and a Fe-Co solvent was used as the solvent with 1.5 wt.% Ti added thereto as a nitrogen getter. A crystal with a low defect density was used as a seed crystal, with the (001) plane serving as a seed face, and a pressure of 5.5 GPa was applied at a temperature of 1350 ° C for 70 hours to synthesize a high-purity diamond IIa single crystal, mass approximately 0.8 carats.
Полученный кристалл алмаза был бесцветным (ахроматическим) и прозрачным, и при этом по существу не наблюдалось поглощение в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра азотом или подобной примесью, и кристалл представлял собой кристалл IIa высокой чистоты с содержанием примеси 0,1 ч/млн или менее. Кроме того, как установлено с использованием поляризационного микроскопа, кристалл алмаза по существу не имел внутренних напряжений, и, как установлено методом рентгеновской топографии, кристалл алмаза по существу не имел кристаллических дефектов.The resulting diamond crystal was colorless (achromatic) and transparent, and there was essentially no absorption in the ultraviolet, visible, and infrared spectral regions with nitrogen or a similar impurity, and the crystal was a high purity crystal IIa with an impurity content of 0.1 ppm or less. In addition, as established using a polarizing microscope, the diamond crystal essentially had no internal stresses, and, as established by x-ray topography, the diamond crystal essentially had no crystal defects.
Кристалл алмаза, полученный согласно описанному выше, использовали для изготовления режущего инструмента следующим образом: кристалл алмаза обрабатывали так, чтобы он имел длину 3 мм, ширину 1 мм и толщину 1 мм и припаивали к хвостовику режущего инструмента предпочтительно с использованием титаносодержащего, активированного припоя, поскольку он позволяет осуществить припаивание кристалла алмаза при относительно низкой температуре и тем самым обеспечивает возможность того, чтобы поверхность монокристаллического алмаза была менее термически поврежденной. Кроме того, материал алмаза припаивают к хвостовику слоем припоя, предпочтительно имеющим толщину 100 мкм или более. Это позволяет полученному режущему инструменту иметь в концевой части пониженное остаточное напряжение, вызванное припаиванием кристалла к хвостовику. Кроме того, чтобы обеспечить поверхность для припаивания материала монокристаллического алмаза, в качестве верхней и нижней граней выбирали плоскость (100). В дальнейшем изготавливали режущий инструмент, имеющий алмазное лезвие с режущей кромкой, имеющей радиус R в 10 мкм и угол 45°.The diamond crystal obtained as described above was used for the manufacture of the cutting tool as follows: the diamond crystal was processed so that it had a length of 3 mm, a width of 1 mm and a thickness of 1 mm and was soldered to the shank of the cutting tool, preferably using titanium-containing, activated solder, since it allows soldering a diamond crystal at a relatively low temperature and thereby ensures that the surface of a single-crystal diamond is less than a thermal damaged. In addition, the diamond material is soldered to the shank with a layer of solder, preferably having a thickness of 100 μm or more. This allows the resulting cutting tool to have a reduced residual stress in the end portion caused by soldering the crystal to the shank. In addition, in order to provide a surface for soldering a single-crystal diamond material, the (100) plane was chosen as the upper and lower faces. Subsequently, a cutting tool was made having a diamond blade with a cutting edge having a radius R of 10 μm and an angle of 45 °.
Если при этом ориентация плоскости режущей кромки соответствует плоскости (110), то это способствует шлифовке материала и, таким образом, позволяет инструменту иметь режущую кромку с повышенной прочностью и остротой. Кроме того, при изготовлении режущего инструмента использовали скайф, имеющий свободные абразивные зерна алмаза на чугунной литой детали, вращающийся с высокой скоростью. Полученный таким образом режущий инструмент имел лезвие с режущей кромкой, которое согласно наблюдениям вообще не содержало небольших трещин с размером в несколько микрон или меньше. Этот режущий инструмент (резец) устанавливали на прецизионном токарном станке, вращающем заготовку со скоростью 800 оборотов в минуту (об/мин), при этом инструмент продвигали со скоростью 0,3 мкм/об для обеспечения среза 1 мкм в металлической Ni-ой части, покрывающей поверхность пресс-формы для литья под давлением. Следов, образующихся по мере подачи инструмента, не наблюдалось, и в результате получали зеркально-полированную поверхность с высокой точностью.If the orientation of the plane of the cutting edge corresponds to the plane (110), this contributes to the grinding of the material and, thus, allows the tool to have a cutting edge with increased strength and sharpness. In addition, in the manufacture of the cutting tool, a skyf was used, having free abrasive diamond grains on a cast iron part, rotating at high speed. The cutting tool thus obtained had a blade with a cutting edge, which, according to observations, did not contain small cracks with a size of several microns or less. This cutting tool (cutter) was mounted on a precision lathe rotating the workpiece at a speed of 800 revolutions per minute (rpm), while the tool was advanced at a speed of 0.3 μm / rev to provide a cut of 1 μm in the metal Ni part, covering the surface of the mold for injection molding. No traces formed as the tool was fed were observed, and as a result, a mirror-polished surface was obtained with high accuracy.
Пример 2Example 2
За исключением того, что газопоглотитель азота или Ti добавляли в количестве 1,5 мас.%, для синтеза монокристалла алмаза IIa высокой чистоты массой приблизительно 0,8 карата использовали способ, подобный описанному в примере 1. Полученный кристалл алмаза был слегка желтым и в той или иной степени поглощался в ультрафиолетовой и видимой областях спектра вследствие изолированной замещающей примеси азота, содержащейся в количестве приблизительно 2,8 ч/млн. При наблюдении в поляризационном микроскопе было подтверждено, что кристалл алмаза по существу не имел внутренних напряжений, а при исследовании методом рентгеновской топографии было подтверждено, что он по существу не имел кристаллических дефектов.With the exception that the getter of nitrogen or Ti was added in an amount of 1.5 wt.%, A method similar to that described in Example 1 was used to synthesize a high purity diamond IIa single crystal weighing approximately 0.8 carats. The obtained diamond crystal was slightly yellow in that to some extent, it was absorbed in the ultraviolet and visible regions of the spectrum due to an isolated nitrogen substitute impurity contained in an amount of approximately 2.8 ppm When observed in a polarizing microscope, it was confirmed that the diamond crystal essentially had no internal stresses, and when examined by x-ray topography, it was confirmed that it essentially had no crystal defects.
Полученный таким образом кристалл алмаза использовали для изготовления режущего инструмента способом, подобным описанному в примере 1. Режущий инструмент имел лезвие с режущей кромкой, которая согласно наблюдениям совсем не содержала небольших трещин размером в несколько микрон или менее. Этот режущий инструмент (резец) устанавливали на прецизионном токарном станке и выбирали условия, подобные описанным в примере 1, для срезания металлической Ni-ой части, покрывающей поверхность пресс-формы для литья под давлением. Следов, образующихся при подаче инструмента, не наблюдалось, и в результате получали зеркально-полированную поверхность с высокой точностью.The diamond crystal thus obtained was used to make a cutting tool in a manner similar to that described in Example 1. The cutting tool had a blade with a cutting edge that, according to observations, did not contain small cracks of a few microns or less in size. This cutting tool (cutter) was mounted on a precision lathe and conditions similar to those described in Example 1 were selected to cut the metal Ni-th part covering the surface of the injection mold. No traces formed during the supply of the tool were observed, and as a result, a mirror-polished surface was obtained with high accuracy.
Сравнительный пример 1Comparative Example 1
За исключением того, что не использовался газопоглотитель азота, для синтеза алмаза применяли способ, подобный описанному в примере 1. Полученный алмаз представлял собой кристалл Ib массой один карат, содержащий азот в качестве примеси и обладающий желтой окраской. Согласно оценке, проведенной с помощью инфракрасного спектра поглощения, азот присутствовал в количестве приблизительно 60 ч/млн. Этот синтетический кристалл алмаза Ib использовали для изготовления сверхвысокоточного режущего инструмента способом, подобным описанному в примере 1. Полученный режущий инструмент было хуже, чем инструмент согласно примеру 1, в отношении остроты и устойчивости к абразивному износу.Except that a nitrogen getter was not used, a method similar to that described in Example 1 was used for diamond synthesis. The obtained diamond was a one carat Ib crystal containing nitrogen as an impurity and having a yellow color. According to estimates made using the infrared absorption spectrum, nitrogen was present in an amount of approximately 60 ppm. This synthetic diamond crystal Ib was used to produce an ultra-high precision cutting tool in a manner similar to that described in Example 1. The resulting cutting tool was worse than the tool according to Example 1 in terms of sharpness and abrasion resistance.
Сравнительный пример 2Reference Example 2
Природный алмаз Ia использовали для изготовления режущего инструмента способом, подобным описанному в примере 1. Вероятно в связи с тем, что режущий инструмент имел лезвие с дефектом, оно не было острым и также давало значительный абразивный износ при резки обрабатываемой заготовки.Natural diamond Ia was used to manufacture the cutting tool in a manner similar to that described in Example 1. Probably due to the fact that the cutting tool had a defective blade, it was not sharp and also caused significant abrasion when cutting the workpiece.
Пример 3Example 3
Настоящее изобретению будет описано далее в примере 3.The present invention will be described further in Example 3.
СинтезSynthesis
Сначала будет описано синтезирование алмаза.First, the synthesis of diamond will be described.
На фиг.3 показана установка для синтеза алмаза в данном примере. На фиг.3 ссылочные позиции 11, 12, 13, 14, 15 и 16 обозначают соответственно источник углерода, металлический растворитель, кристалл-затравку, изоляционный материал, графитовый нагреватель и рабочую среду под давлением.Figure 3 shows the installation for the synthesis of diamond in this example. In FIG. 3,
Источником 11 углерода являлся графит. Металлический растворитель 12 содержал 42 мас.% никеля в качестве основного компонента и 1,5 мас.% титана в качестве газопоглотителя азота.The
Остальное составляли 53 мас.% железа, 5 мас.% кобальта и 4,5 мас.% графита, причем все вышеперечисленное находилось в виде высокочистых порошков, имеющих размер зерен 50-100 микрон. Следует отметить, что железо и кобальт смешивали в отношении, допускающем широкое варьирование. Кроме того, в случае кристалла-затравки плоскость (100) абразивных зерен синтетического алмаза служила в качестве затравочной грани.The rest was 53 wt.% Iron, 5 wt.% Cobalt and 4.5 wt.% Graphite, and all of the above were in the form of high-purity powders having a grain size of 50-100 microns. It should be noted that iron and cobalt were mixed in a ratio that allowed wide variation. In addition, in the case of a seed crystal, the (100) plane of the abrasive grains of synthetic diamond served as a seed face.
Для синтеза 10 кусочков монокристаллического алмаза массой 1,5 карата применяли давление 5,5 ГПа при 1380°C и использовали источник углерода и кристалл-затравку, имеющие разность (градиент) температур в 30°C, в течение 70 часов. Следует напомнить, что один карат соответствует 200 мг. Полученный монокристаллический алмаз имел большую плоскость (100). Было проведено измерение поглощения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра, и было подтверждено, что он содержал 3 ч/млн или менее азота и 10 ч/млн или менее никеля. Следует отметить, что поскольку алмаз имел бледно-зеленую окраску, то содержание никеля было оценено на уровне по меньшей мере 1 ч/млн, что соответствует концентрации, при которой алмаз принимает бледно-зеленую окраску. Установлено, что алмаз содержал по меньшей мере 1,5-2 ч/млн никеля.To synthesize 10 pieces of single-crystal diamond weighing 1.5 carats, a pressure of 5.5 GPa was applied at 1380 ° C and a carbon source and a seed crystal having a temperature difference (gradient) of 30 ° C were used for 70 hours. It should be recalled that one carat corresponds to 200 mg. The obtained single-crystal diamond had a large plane (100). Measurements were made of the absorption in the ultraviolet, visible and infrared regions of the spectrum, and it was confirmed that it contained 3 ppm or less nitrogen and 10 ppm or less nickel. It should be noted that since the diamond had a pale green color, the nickel content was estimated to be at least 1 ppm, which corresponds to the concentration at which the diamond takes on a pale green color. It was found that the diamond contained at least 1.5-2 ppm of nickel.
Кроме того, как установлено с использованием поляризационного микроскопа, алмаз по существу не имел внутренних напряжений. Кроме того, как установлено методом рентгеновской топографии, алмаз по существу не имел кристаллических дефектов.In addition, as established using a polarizing microscope, the diamond essentially had no internal stresses. In addition, as established by x-ray topography, the diamond essentially had no crystalline defects.
Изготовление лезвия инструментаTool blade making
Синтетический алмаз в данном примере использовали для изготовления лезвия инструмента согласно описанному далее.The synthetic diamond in this example was used to make a tool blade as described below.
Вышеописанный синтетический алмаз обрабатывали для получения материала из синтетического монокристаллического алмаза, имеющего длину 5 мм, ширину 1 мм и толщину 1 мм и предназначенного для лезвия. Этот материал припаивали к хвостовику с помощью титаносодержащего активированного припоя, поскольку он позволяет осуществить припаивание материала при относительно низкой температуре и поэтому позволяет монокристаллическому алмазу иметь менее термически поврежденную поверхность.The above synthetic diamond was processed to obtain a material from synthetic single crystal diamond having a length of 5 mm, a width of 1 mm and a thickness of 1 mm and intended for a blade. This material was soldered to the shank using titanium-containing activated solder, since it allows the material to be soldered at a relatively low temperature and therefore allows a single crystal diamond to have a less thermally damaged surface.
Кроме того, для предохранения режущего инструмента от наличия в концевой части остающихся там термических напряжений припой наносили слоем, предпочтительно имеющим толщину 100 мкм или более. Кроме того, чтобы обеспечить поверхность для припаивания этого материала к хвостовику, в качестве верхней и нижней поверхностей задавали плоскость (100).In addition, in order to protect the cutting tool from the presence of thermal stresses remaining therein, the solder was applied with a layer preferably having a thickness of 100 μm or more. In addition, in order to provide a surface for soldering this material to the shank, a plane (100) was specified as the upper and lower surfaces.
Затем использовали быстро вращающее шлифовальное устройство для формирования лезвия режущего инструмента (резца), имеющего режущую кромку с радиусом R в 100 мкм, углом заострения 30° и углом уклона 20°. Было подтверждено, что режущая кромка не имела трещин размером 1 мкм или более и, таким образом, была острой.Then, a rapidly rotating grinding device was used to form the blade of the cutting tool (cutter) having a cutting edge with a radius R of 100 μm, a taper angle of 30 °, and a tilt angle of 20 °. It was confirmed that the cutting edge did not have cracks of 1 μm or more in size, and thus was sharp.
Резец показан на фиг.4A и 4B. На этих фигурах ссылочная позиция 21 обозначает лезвие из синтетического монокристаллического алмаза; R обозначает радиус режущей кромки; α обозначает угол уклона, который составляет 20°; и β обозначает угол кромки (угол заострения), который составляет 30°. Ссылочная позиция 22 обозначает слой титаносодержащего припоя. Ссылочная позиция 23 обозначает концевую часть хвостовика.The cutter is shown in figa and 4B. In these figures,
Этот резец прикрепляли к высокопрецизионному токарному станку. Разрезаемая деталь имела диаметр 5 мм, и ее вращали со скоростью 3000 об/мин, при этом инструмент подавали со скоростью 0,3 мкм/об, чтобы выполнить срез 0,1 мкм в никелевом покрытии, покрывающем поверхность металлической пресс-формы для литья под давлением, для получения зеркально-полированной поверхности с высокой точностью.This cutter was attached to a high precision lathe. The part to be cut had a diameter of 5 mm and it was rotated at a speed of 3000 rpm, while the tool was fed at a speed of 0.3 μm / r to cut 0.1 μm in a nickel coating covering the surface of a metal mold for casting pressure, to obtain a mirror-polished surface with high accuracy.
Когда для изготовления инструмента использовали обычный синтетический монокристаллический алмаз и такие инструменты использовали в режиме резания, то эти инструменты выдерживали 58 обработок, тогда как в случае использования настоящего изобретения для изготовления инструмента и использования таких инструментов в таком же самом режиме резания инструменты выдерживали 93 обработки. В результате было подтверждено, что в данном примере получили синтетический монокристаллический алмаз, подходящий в качестве материала для лезвия инструмента.When an ordinary synthetic single-crystal diamond was used to make the tool and such tools were used in the cutting mode, these tools withstood 58 treatments, while in the case of using the present invention for the manufacture of the tool and using such tools in the same cutting mode, the tools withstood 93 treatments. As a result, it was confirmed that in this example a synthetic single crystal diamond was obtained, suitable as a material for a tool blade.
Изготовление инструмента для заточкиSharpening Tool Making
Синтетический монокристаллический алмаз согласно данному примеру использовали для изготовления инструмента для заточки согласно описанному далее.The synthetic single crystal diamond according to this example was used to make a sharpening tool as described below.
Необработанный алмаз, синтезированный с помощью вышеописанной установки описанным выше способом, раскалывали вдоль плоскости (111) так, чтобы его толщина составляла 0,8 мм, и разрезали лазером так, чтобы получить материал в форме пластинки, имеющей длину 3 мм, ширину 0,8 мм и толщину 0,8 мм. Три таких пластинки помещали в спекаемый порошок, содержавший никель в качестве основного компонента, и спекали.The rough diamond synthesized using the above-described apparatus as described above was split along the (111) plane so that its thickness was 0.8 mm and laser cut so as to obtain plate-shaped material having a length of 3 mm and a width of 0.8 mm and a thickness of 0.8 mm. Three such plates were placed in a sintered powder containing nickel as the main component, and sintered.
Следует отметить, что пластинку получали имеющей удлиненную часть поверхности, соответствующую плоскости (111) раскола и плоскости (110) разрезания лазером, и затачивающую поверхность, соответствующую плоскости (211). Соответственно торцевая поверхность испытываемого образца, образованного из этой пластинки, будет представлять собой затачивающую поверхность и соответственно будет параллельна направлению <110> шлифовки.It should be noted that the plate was obtained having an elongated part of the surface corresponding to the split plane (111) and the laser cutting plane (110), and a sharpening surface corresponding to the plane (211). Accordingly, the end surface of the test specimen formed from this plate will be a sharpening surface and accordingly will be parallel to the grinding direction <110>.
Этот инструмент для заточки показан на фиг.5. На этой фигуре ссылочная позиция 31 обозначает материал из синтетического монокристаллического алмаза в виде пластинки, а ссылочная позиция 32 обозначает полученную спеканием часть вокруг него.This sharpening tool is shown in FIG. In this figure,
Инструмент для заточки совершал возвратно-поступательное движение, используя точильный камень SN80N8V51S (выпускаемый Noritake, 405×50×127 мм), имеющий круговую скорость 1500 об/мин, для выполнения среза величиной в 0,1 мм при каждом проходе, при этом его подавали на 0,5 мм/реверс в условиях способа с применением жидкости (смазочно-охлаждающая жидкость для шлифования: Noritake cool NK88) в течение 20 минут в направлении, параллельном оси вращения точильного камня, для заточки обрабатываемого изделия, при этом измеряли степень абразивного износа.The sharpening tool reciprocated using the SN80N8V51S whetstone (manufactured by Noritake, 405 × 50 × 127 mm), having a circular speed of 1500 rpm, to perform a 0.1 mm cut at each pass, while it was fed 0.5 mm / reverse under the conditions of the method using a fluid (cutting lubricant for grinding: Noritake cool NK88) for 20 minutes in the direction parallel to the axis of rotation of the grindstone to sharpen the workpiece, while the degree of abrasive wear was measured.
Кроме того, в тех же самых условиях также измеряли степень абразивного износа инструмента для заточки с использованием обычного синтетического монокристаллического алмаза. Результаты, показанные в таблице 2, свидетельствуют о том, что в данном примере был получен синтетический монокристаллический алмаз, обеспечивающий существенно меньшую степень абразивного износа по сравнению с обычным синтетическим монокристаллическим алмазом, и, таким образом, он является подходящим в качестве материала для инструмента для заточки.In addition, under the same conditions, the degree of abrasive wear of the sharpening tool was also measured using conventional synthetic single crystal diamond. The results shown in table 2 indicate that in this example a synthetic single-crystal diamond was obtained, providing a significantly lower degree of abrasive wear compared to conventional synthetic single-crystal diamond, and, thus, it is suitable as a material for a sharpening tool .
Применение для ювелирных изделийJewelry Application
В конце будет описан синтетический монокристаллический алмаз согласно данному примеру, используемый для ювелирных изделий.In the end, a synthetic single crystal diamond according to this example used for jewelry will be described.
Алмаз массой 1,55 карата, синтезированный с помощью вышеописанной установки вышеописанным способом, обрабатывали скайфом таким образом, чтобы он приобрел закругленную бриллиантовую огранку.A 1.55-carat diamond synthesized using the above-described apparatus in the above-described manner was treated with skyfa so that it acquired a rounded diamond cut.
Полученный для ювелирного изделия алмаз массой 0,45 карата совсем не содержал сколов и трещин и представлял собой зеленоватый бриллиант.The 0.45-carat diamond obtained for jewelry did not contain any chips and cracks and was a greenish diamond.
Пример 4Example 4
Настоящее изобретение будет описано далее в четвертом примере.The present invention will be described further in the fourth example.
СинтезSynthesis
Сначала в данном примере алмаз синтезировали так, как описано далее.First, in this example, the diamond was synthesized as described below.
На фиг.6 показана установка для синтеза алмаза, использованная в данном примере. На этой фигуре ссылочные позиции 11, 12, 13, 14, 15 и 16 обозначают соответственно источник углерода, металлический растворитель, кристалл-затравку, изоляционный материал, графитовый нагреватель и рабочую среду под давлением.Figure 6 shows the installation for the synthesis of diamond used in this example. In this figure,
Источником 11 углерода являлся графит. Металлический растворитель 12 содержал 42 мас.% никеля и 0,15 мас.% бора в качестве основных компонентов и 1,5 мас.% титана в качестве газопоглотителя азота. Остальное составляли 46,85 мас.% железа, 5 мас.% кобальта и 4,5 мас.% графита, причем все вышеперечисленное находилось в виде высокочистых порошков, имеющих размер зерен 50-100 микрон. Следует обратить внимание на то, что железо и кобальт смешивали в отношении, допускающем широкое варьирование. Кроме того, в случае кристалла-затравки плоскость (100) абразивных зерен синтетического алмаза служила в качестве затравочной грани.The
Для синтеза 10 кусочков монокристаллического алмаза массой 1,2 карата применяли давление 5,5 ГПа при 1350°C и использовали источник углерода и кристалл-затравку, имеющие разность температур в 30°C, в течение 70 часов.To synthesize 10 pieces of single-crystal diamond weighing 1.2 carats, a pressure of 5.5 GPa was applied at 1350 ° C and a carbon source and a seed crystal having a temperature difference of 30 ° C were used for 70 hours.
Полученный монокристаллический алмаз имел большую плоскость (100). Было проведено измерение поглощения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра, и было подтверждено, что он содержал 3 ч/млн или менее азота, 50 ч/млн бора и 10 ч/млн или менее никеля. Алмаз согласно оценкам имел содержание никеля в по меньшей мере 1 ч/млн, поскольку кристалл алмаза имел бледную сине-зеленую окраску, смесь синего цвета, который был приписан бору, и зеленого цвета, который был приписан никелю.The obtained single-crystal diamond had a large plane (100). Absorbance was measured in the ultraviolet, visible and infrared regions of the spectrum, and it was confirmed that it contained 3 ppm or less of nitrogen, 50 ppm of boron and 10 ppm or less of nickel. The diamond was estimated to have a nickel content of at least 1 ppm because the diamond crystal was a pale blue-green, a mixture of blue that was attributed to boron and green that was attributed to nickel.
Кроме того, как установлено с использованием поляризационного микроскопа, алмаз по существу не имел внутренних напряжений. Кроме того, как установлено методом рентгеновской топографии, алмаз по существу не имел кристаллических дефектов. Кроме того, монокристаллический алмаз также был измерен в отношении электрического сопротивления. Кристалл имел удельное сопротивление 10-100 Ом·см, показывающее, что он имел достаточную электропроводность.In addition, as established using a polarizing microscope, the diamond essentially had no internal stresses. In addition, as established by x-ray topography, the diamond essentially had no crystalline defects. In addition, single crystal diamond has also been measured with respect to electrical resistance. The crystal had a resistivity of 10-100 Ohm · cm, indicating that it had sufficient electrical conductivity.
Изготовление лезвия инструментаTool blade making
Синтетический алмаз в данном примере использовали для изготовления лезвия инструмента согласно описанному далее.The synthetic diamond in this example was used to make a tool blade as described below.
Вышеописанный синтетический монокристаллический алмаз обрабатывали для получения материала из синтетического монокристаллического алмаза, имеющего длину 5 мм, ширину 1 мм и толщину 1 мм и предназначенного для лезвия (режущей пластины) алмазной концевой фрезы. Этот материал припаивали к хвостовику с помощью активированного титаносодержащего припоя, поскольку он позволяет осуществить припаивание материала при относительно низкой температуре и поэтому дает возможность монокристаллическому алмазу иметь менее термически поврежденную поверхность.The above-described synthetic single-crystal diamond was processed to obtain a material from synthetic single-crystal diamond having a length of 5 mm, a width of 1 mm and a thickness of 1 mm and intended for a blade (cutting insert) of a diamond end mill. This material was soldered to the shank using activated titanium-containing solder, since it allows the material to be soldered at a relatively low temperature and therefore allows single-crystal diamond to have a less thermally damaged surface.
Кроме того, для предохранения режущего инструмента от наличия в концевой части остающихся там термических напряжений припой наносили слоем, предпочтительно имеющим толщину 100 мкм или более. Кроме того, чтобы обеспечить поверхность для припаивания этого материала к хвостовику, в качестве верхней и нижней поверхностей задавали плоскость (100).In addition, in order to protect the cutting tool from the presence of thermal stresses remaining therein, the solder was applied with a layer preferably having a thickness of 100 μm or more. In addition, in order to provide a surface for soldering this material to the shank, a plane (100) was specified as the upper and lower surfaces.
Затем использовали быстро вращающее шлифовальное устройство для формирования лезвия режущего инструмента, имеющего режущую кромку с радиусом R в 100 мкм, углом заострения 30° и углом уклона 20°. Было подтверждено, что режущая кромка не имела трещин размером 1 мкм или более и, таким образом, являлась острой.Then, a rapidly rotating grinding device was used to form a cutting tool blade having a cutting edge with a radius R of 100 μm, a taper angle of 30 °, and a tilt angle of 20 °. It was confirmed that the cutting edge did not have cracks of 1 μm or more in size and thus was sharp.
Это лезвие показано на фиг.7A и 7B. На этих фигурах ссылочная позиция 21 обозначает лезвие из синтетического монокристаллического алмаза; R обозначает радиус режущей кромки; α обозначает угол уклона, который составляет 20°; и β обозначает угол кромки (угол заострения), который составляет 30°. Ссылочная позиция 22 обозначает слой титаносодержащего припоя. Ссылочная позиция 23 обозначает концевую часть хвостовика.This blade is shown in FIGS. 7A and 7B. In these figures,
Этот режущий инструмент прикрепляли к высокопрецизионному токарному станку. Вырезаемая заготовка имела диаметр 5 мм, и ее вращали со скоростью 3000 об/мин, при этом инструмент подавали со скоростью 0,3 мкм/об, чтобы выполнить срез 0,1 мкм в никелевом покрытии, покрывающем поверхность металлической пресс-формы для литья под давлением, с получением зеркально-полированной поверхности с высокой точностью.This cutting tool was attached to a high precision lathe. The workpiece to be cut had a diameter of 5 mm and it was rotated at a speed of 3000 rpm, while the tool was fed at a speed of 0.3 μm / r to cut 0.1 μm in a nickel coating covering the surface of a metal mold for casting pressure, to obtain a mirror-polished surface with high accuracy.
Когда для изготовления инструмента использовали обычный синтетический монокристаллический алмаз и такие инструменты использовали в режиме резания, то инструменты выдерживали 58 обработок, тогда как в случае использования настоящего изобретения для изготовления инструмента и использования таких инструментов в таком же самом режиме резания инструменты выдерживали 85 обработок. В результате было подтверждено, что в данном примере получили синтетический монокристаллический алмаз, подходящий для применения в качестве материала для лезвия инструмента.When a conventional synthetic single-crystal diamond was used to make the tool and such tools were used in the cutting mode, the tools withstood 58 treatments, while in the case of using the present invention for the manufacture of the tool and using such tools in the same cutting mode, the tools withstood 85 treatments. As a result, it was confirmed that in this example a synthetic single crystal diamond was obtained, suitable for use as a material for a tool blade.
Согласно данному примеру получен синтетический монокристалл алмаза, имеющий достаточную электропроводность. В связи с этим, если кристалл прикреплен к оборудованию, способному автоматически заменять инструмент, то в этом инструменте может быть измерено электрическое сопротивление для определения того, входит ли он в контакт с разрезаемым объектом или т.п. За счет этого может быть упрощено управление инструментом, а также управление качеством производства.According to this example, a synthetic diamond single crystal having sufficient electrical conductivity is obtained. In this regard, if the crystal is attached to equipment capable of automatically replacing the tool, then the electric resistance can be measured in this tool to determine whether it comes in contact with the object being cut or the like. Due to this, tool management as well as production quality management can be simplified.
Применение для ювелирных изделийJewelry Application
В конце будет описан синтетический монокристаллический алмаз, используемый согласно данному примеру для ювелирных изделий.In the end, a synthetic single-crystal diamond used according to this example for jewelry will be described.
Синтетический монокристаллический алмаз массой 1,2 карата, синтезированный с помощью вышеописанной установки вышеописанным способом, обрабатывали скайфом таким образом, чтобы он приобрел закругленную бриллиантовую огранку.Synthetic single-crystal diamond weighing 1.2 carats, synthesized using the above setup in the manner described above, was treated with skif so that it acquired a rounded diamond cut.
Полученный для ювелирного изделия алмаз массой 0,36 карата совсем не содержал сколов и трещин и представлял собой зеленоватый бриллиант.The 0.36 carat diamond obtained for jewelry did not contain chips and cracks at all and was a greenish diamond.
Каждый описанный выше вариант осуществления настоящего изобретения может быть соответствующим образом объединен с любым другим. Кроме того, хотя настоящее изобретение было описано и проиллюстрировано здесь подробно, следует ясно понимать, что это сделано только в качестве иллюстрации и примера и не должно рассматриваться как ограничение сущности и объема настоящего изобретения, ограниченных только терминами прилагаемой формулы изобретения.Each embodiment of the present invention described above may be appropriately combined with any other. In addition, although the present invention has been described and illustrated here in detail, it should be clearly understood that this is done only as an illustration and example and should not be construed as limiting the nature and scope of the present invention, limited only by the terms of the attached claims.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Настоящее изобретение эффективно применимо к алмазным инструментам, синтетическим монокристаллическим алмазам, способам синтеза монокристаллических алмазов и алмазным ювелирным изделиям.The present invention is effectively applicable to diamond tools, synthetic single crystal diamonds, methods for synthesizing single crystal diamonds and diamond jewelry.
Claims (26)
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003-351497 | 2003-10-10 | ||
JP2003351497 | 2003-10-10 | ||
JP2004282579 | 2004-09-28 | ||
JP2004-282579 | 2004-09-28 | ||
JP2004-282692 | 2004-09-28 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006115608A RU2006115608A (en) | 2006-09-10 |
RU2334550C2 true RU2334550C2 (en) | 2008-09-27 |
Family
ID=37112753
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006115608/15A RU2334550C2 (en) | 2003-10-10 | 2004-10-08 | Diamond tool, synthetic monocrystallic diamond, method of monocrystallic diamond synthesis, and diamond jewelry |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2334550C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20200316691A1 (en) * | 2018-08-06 | 2020-10-08 | Sumitomo Electric Hardmetal Corp. | Turning tool |
RU205007U1 (en) * | 2021-04-26 | 2021-06-22 | Общество с ограниченной ответственностью "АЕЛ ЭКСПЕРТ" | Tool for sharpening root rollers |
-
2004
- 2004-10-08 RU RU2006115608/15A patent/RU2334550C2/en active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20200316691A1 (en) * | 2018-08-06 | 2020-10-08 | Sumitomo Electric Hardmetal Corp. | Turning tool |
US11938547B2 (en) * | 2018-08-06 | 2024-03-26 | Sumitomo Electric Hardmetal Corp. | Turning tool |
RU205007U1 (en) * | 2021-04-26 | 2021-06-22 | Общество с ограниченной ответственностью "АЕЛ ЭКСПЕРТ" | Tool for sharpening root rollers |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006115608A (en) | 2006-09-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5522606B2 (en) | diamond | |
EP1671726B1 (en) | Diamond tool | |
CA2675959C (en) | Cutting tool | |
US9039832B2 (en) | High pressure high temperature (HPHT) method for the production of single crystal diamonds | |
TW200848204A (en) | Sapphire substrates and methods of making same | |
EP1599621B1 (en) | Wear component comprising single crystal cvd diamond | |
EP2595940A1 (en) | Polycrystalline aluminum nitride material and method of production thereof | |
US10562776B2 (en) | Diamond single crystal, tool, and method for producing diamond single crystal | |
KR20170030485A (en) | Single crystal diamond, method for producing single crystal diamond, and tool using single crystal diamond | |
CN113454046B (en) | Cubic boron nitride polycrystal and method for producing same | |
TWI704105B (en) | Diamond polycrystal and tool including same | |
TWI690488B (en) | Diamond polycrystal and tool including same | |
RU2334550C2 (en) | Diamond tool, synthetic monocrystallic diamond, method of monocrystallic diamond synthesis, and diamond jewelry | |
ZA200603580B (en) | Diamond tool, synthetic single crystal diamond and method of synthesizing single crystal diamond, and diamond jewelry | |
Smith et al. | Sapphire fabrication for precision optics | |
JPH11300194A (en) | Diamond anvil for ultra high pressure generation | |
CN117396430A (en) | Diamond polycrystal and tool provided with same | |
TW202432917A (en) | Synthetic single crystal diamond | |
Balint et al. | Characterization of Dacia synthetic diamond for sawing applications | |
CN117412922A (en) | Diamond polycrystal and tool provided with same | |
Casey et al. | Some Experiments to Compare Diamond and Diamond-Compact Turning Tools |