(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
純度が９９．８％以上で王水に対して不溶分となり酸化スズを含む不純物成分が各々５０ｐｐｍ以下である金属粉末に低圧相物質を混合し、その混合物を加圧成形後、得られた成形体に衝撃圧縮処理を施して衝撃圧力を作用させ、生成物を王水中に入れて前記不純物成分を溶解除去し、高圧相物質を製造することを特徴とする高圧相物質の製造方法。
【請求項２】
前記低圧相物質が六方晶窒化ホウ素粉末であり、金属粉が銅粉末であって、得られる高圧相物質が高圧相窒化ホウ素であることを特徴とする請求項1に記載の高圧相窒化ホウ素の製造方法。
【請求項３】
前記低圧相物質が炭素材料であり、金属粉が銅粉末であって、得られる高圧相物質がダイヤモンドであることを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、衝撃圧縮処理による衝撃圧力を利用して低圧相物質から高圧相物質、例えば高圧相窒化ホウ素やダイヤモンドを得るための高圧相物質の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、火薬類の爆発又は高速の飛翔体の衝撃等により発生する衝撃波に伴う衝撃圧力を利用して、低圧相物質から高圧相物質を得る方法に関して多数報告がなされている。例えば、高圧相物質として高圧相窒化ホウ素又はダイヤモンドを合成する方法が知られている（特公昭４７−３４５９７号、特公昭５２−４５１１号公報）。このような合成方法においては、得られる高圧相物質の凍結が重要となる。低圧相物質は衝撃波の通過により高温高圧の状態となって高圧相物質へと転移するが、その持続時間は数μ秒から数１０μ秒と極めて短時間であり、その後圧力は大気圧まで急激に降下する。
【０００３】
一方、衝撃圧力により発生した熱は圧力が除去された後も残留し、このため合成された高圧相窒化ホウ素又はダイヤモンドは逆転移を起こし、低圧相物質から高圧相物質への転換率を低下させることとなる。従って、圧力が解放された後、合成された高圧相物質が安定に存在しうる温度域までできるだけ急速に冷却することが必要となる。
【０００４】
このため、冷却媒体として熱容量が大きく熱伝導率の高い金属粉末をマトリックスとして、低圧相物質の粉末を均一に分散させた試料を衝撃圧縮処理する方法が行われてきた。金属粉末の種類としては金、白金、銀、銅、鉄、ニッケル、タングステンなどが用いられる。ここで、この金属マトリックスは冷却媒体として作用すると同時に圧力媒体としても作用する。低圧相窒化ホウ素又はグラファイトなどの炭素源のみを衝撃処理した場合、衝撃インピーダンスが低いために圧力が上がりにくく、仮に圧力が上がったとしても衝撃圧力下の温度は極めて高くなり、従って残留温度も高くなるため低圧相物質から高圧相物質への転換率を大きく低下させる。
【０００５】
低圧相物質の粉末原料を衝撃インピーダンスの高い金属粉末と混合することにより、混合物質の衝撃インピーダンスを高くすることができ、高圧力の発生が容易になると同時に、金属マトリックスの冷却媒体としての作用により、残留温度を抑制することができる。こうした金属マトリックスの物理的特性を利用した衝撃加圧合成による製造方法に関しては広く研究が行われている。例えば、高圧相窒化ホウ素又はダイヤモンドなどの高圧相物質の粉体はＢＮ切削工具、精密研磨などの分野で使用されてきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記方法により製造した場合、出発原料である低圧相物質の粉体原料や金属マトリックス原料に不純物が含まれる場合には、得られる高圧相粉体の内外にも不純物を多く含み、衝撃加圧後の精製工程によっても不純物を除去するには困難があった。特に、近年では半導体製品関連部品、精密機器部品の精密研磨などの加工工程における不純物混入が製品の性能に悪影響を及ぼす可能性があることから、不純物の極力少ない研磨材料が求められてきている。
【０００７】
本発明は、上記のような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、不純物の少ない高圧相物質、例えば高圧相窒化ホウ素、ダイヤモンド等を容易に得ることができる高圧相物質の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく工程に用いる材質の不純物に着目し鋭意研究を重ねた結果、特にマトリックスとして使用する金属粉末原料に関して純度が高いものを用いた場合に最も効果があり、不純物の少ない高圧相窒化ホウ素及び低圧相窒化ホウ素の混合物又はダイヤモンドが得られることを見出し、本発明を完成した。
【０００９】
すなわち、第１の発明の高圧相物質の製造方法は、純度が９９８％以上で王水に対して不溶分となり酸化スズを含む不純物成分が各々５０ｐｐｍ以下である金属粉末に低圧相物質を混合し、その混合物を加圧成形後、得られた成形体に衝撃圧縮処理を施して衝撃圧力を作用させ、生成物を王水中に入れて前記不純物成分を溶解除去し、高圧相物質を製造することを特徴とするものである。
【００１０】
第２の発明の高圧相物質の製造方法は、第１の発明において、前記低圧相物質が六方晶窒化ホウ素粉末であり、金属粉が銅粉末であって、得られる高圧相物質が高圧相窒化ホウ素であることを特徴とするものである。
【００１１】
第３の発明の高圧相物質の製造方法は、第１の発明において、前記低圧相物質が炭素材料であり、金属粉が銅粉末であって、得られる高圧相物質がダイヤモンドであることを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
目的とする高圧相物質は、純度が９９８％以上で王水に対して不溶分となり酸化スズを含む不純物成分が各々５０ｐｐｍ以下である金属粉末に低圧相物質を混合し、その混合物を加圧成形後、得られた成形体に衝撃圧縮処理を施して衝撃圧力（動的高圧力）を作用させ、生成物を王水中に入れて前記不純物成分を溶解除去することにより得られる。
【００１３】
衝撃圧縮処理の前の条件としては、出発原料の選択、銅粉等の金属の純度、出発原料の混合比率、加圧成形体の密度、その加圧成形体中での空孔率などが重要である。
【００１４】
出発原料の低圧相物質として、炭素材料を使用する場合、その粒径は小さい方が転換率は向上する傾向があるため、１００μｍ以下でできるだけ細かくすることが望ましい。炭素材料の種類としては、燐状、燐片状、土状黒鉛などの天然黒鉛（グラファイト）、コークスの他、カーボンブラック、人造黒鉛、ガラス状炭素、その他有機物を炭化して得られる炭素、及び炭素前駆体等を使用することができる。しかし、天然黒鉛、コークスなどは不純物を多く含有している場合もあり、材料の選定が重要である。また、含有する不純物の種類によっては酸処理、アルカリ処理、加熱などにより、予め処理して使用することができる。
【００１５】
低圧相物質として、低圧相窒化ホウ素を使用する場合、市販の六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）を原料として用いることが低コストであり好ましい。また、菱面体窒化ホウ素（ｒＢＮ）なども原料として用いることができる。
【００１６】
次に、金属粉末は原料中のマトリックスとなるもので、純度が９９８％以上で酸としての王水不溶分となる酸化スズなどの不純物成分が各々５０ｐｐｍ以下であることが必要である。純度が９９８％未満で酸不溶分となる酸化スズなどの不純物成分が各々５０ｐｐｍを越える場合には、目的とする不純物の少ない高圧相物質を得ることができなくなる。
【００１７】
金属粉末としては、アトマイズ粉（噴霧して得られた粉末）、電解粉、粉砕粉などが知られているが、一般的には充填性の面から球状である方が望ましい。しかしながら、低圧相物質の粉末を金属粉末のマトリックス中で保持させる目的で電解粉等球状でないものと組み合わせて用いることもできる。その粒径は０．１〜数１００μｍのものが好ましい。金属粉末の種類としては、金、白金、銀、銅、鉄、ニッケル、タングステンなどを用いることができるが、銅、鉄などが化学的精製処理等の取扱いが容易で、低コストであるために好ましい。
【００１８】
金属粉末の混合割合は任意であるが、好ましくは７０〜９８重量％、さらに好ましくは８０〜９８重量％である。従って、低圧相物質の混合割合は好ましくは２〜３０重量％、さらに好ましくは２〜２０重量％である。金属粉末が７０重量％より少ないと、試料の過度の温度上昇、試料管の破損などにより試料回収が困難になる。また、金属粉末の混合割合は、９９.９９重量％であっても原理的には高圧相物質の変換が可能であるが、金属粉末の割合を増すと得られる高圧相物質も減少し、効率が低下するので、金属粉末の割合は９８重量％程度までが望ましい。
【００１９】
また、金属粉末に対する低圧相物質の混合はできるだけ均一であることが、衝撃圧縮処理を施して衝撃圧力を低圧相物質に均一に作用させ、目的とする高圧相物質を収率良く得るために望ましい。
【００２０】
金属粉末と低圧相物質の混合物は油圧プレス、金型などを用いて加圧成形され、所定形状の成形体とされる。得られた成形体の空孔率は、５〜５０％であることが望ましい。空孔率が５％未満の場合高圧プレス装置などの特殊な装置を使用しなければならず、５０％を越える場合成形助剤を用いても成形が困難になる。
【００２１】
この空孔率は、衝撃圧縮時の温度上昇を制御するのに重要であり、空孔率が大きいと高い温度上昇となり、溶融したりして試料容器が破損する原因になる。衝撃圧縮時の温度上昇は、圧力が高くなると大きくなるので、空孔率の値は、衝撃圧力の上昇につれて小さくする必要がある。従って、空孔率に合わせて爆薬の種類の選定と組み合わせが重要となる。
【００２２】
次に、この成形体を金属製容器（爆薬容器）内に配設する。金属製容器の材質としては、鉄、銅、真鍮、ステンレス鋼、クロム鋼等が用いられ、その形状はボックス型、円管状等が挙げられる。このようにして金属製容器に配設された成形体に対し、各種の衝撃圧縮処理装置、例えば特公昭４７−３４５９７号公報に記述されている衝撃圧縮処理装置を用いて、爆薬の爆発により生ずる高温、高圧を伴う衝撃圧力（衝撃波）により衝撃圧縮処理を施す。
【００２３】
図１は、高圧相物質を製造するための衝撃圧縮処理装置の概念を例示した断面図である。この衝撃圧縮処理装置について説明する。円筒状をなす金属製の爆薬容器１の底部には、爆薬容器１よりも肉厚の底板２が接合されている。爆薬容器１の上端部には、板状に形成されたブースター爆薬３が配設され、その中心部上面には雷管４が立設状態で埋め込まれている。
【００２４】
前記底板２の内面中心部には円筒駆動管５が立設され、その内部には円筒試料管６が上下両端の固定リング７を介して同心円状に配設されている。従って、円筒駆動管６と円筒試料管７の間には空間部８が形成されている。円筒試料管６内の底部には下プラグ９が配置され、その上には低圧相物質の粉体よりなる試料１０が装填され、その上端部が上プラグ１１で密閉されている。
【００２５】
さらに、円筒駆動管５と円筒試料管６の上端部には円錐キャップ１２が載置されている。この円錐キャップ１２は円筒試料管６の中心方向に加わる衝撃圧力を緩衝する役目を果たす。爆薬容器１内には円筒駆動管５及び円錐キャップ１２を覆うように爆薬１３が充填されている。爆薬１３としては、各種のものが使用できるが、例えばダイナマイト、ＡＮＦＯ、含水爆薬、ＨＭＸ、ＰＢＸ等が挙げられる。
【００２６】
そして、上部の雷管４を起爆するとブースター爆薬３を介して爆薬１３が爆轟する。その際、円筒駆動管５、さらには円筒試料管６の中心方向（直径方向）に向かって衝撃圧縮する力、つまり衝撃圧力が作用する。加えて、衝撃圧力が上部から下部に伝播することにより円筒試料管６内の試料１０が高い圧力で圧縮される。
【００２７】
この場合に必要な衝撃圧力としては、１０ＧＰａ以上であるが、高い収率を得るためには１５ＧＰａ以上であることが望ましい。しかし、衝撃圧力があまり高すぎると原料が分解したり、溶融が始まったりして、試料回収が困難になる。
【００２８】
また、爆薬１３の爆発による衝撃波は高速の飛翔体を介して原料の入った容器に加えることができる他、直接原料の入った容器に加えることもできる。即ち、図１に示す円筒駆動管５がなく、円筒試料管６が直接爆薬１３と接触した状態で爆薬１３を爆発させ、爆薬１３の爆発による衝撃波を直接原料の入った円筒試料管６に加えることもできる。
【００２９】
次に、このようにして衝撃圧縮処理を施された試料１０を回収し、適当な酸などを用いて金属分を溶解除去することにより、目的とする衝撃加圧後の試料１０を精製回収することができる。例えば、鉄粉を用いた場合には塩酸により鉄分を溶解分離したり、また銅粉であれば硝酸又は王水などにより銅分を溶解分離して試料１０を精製して回収することができる。
【００３０】
上記の実施形態により発揮される効果を以下にまとめて説明する。
・  実施形態で説明した高圧相物質の製造方法によれば、原料の金属粉末として、純度が９９．８％以上で王水に対して不溶分となり酸化スズを含む不純物成分が各々５０ｐｐｍ以下であるものが使用される。つまり、出発原料の１つである金属マトリックス原料中の不純物が抑制されている。このため、低圧相物質を衝撃圧力により高圧相物質へ転移させたとき、金属マトリックスに基づく不純物を低減させることができる。従って、Ｘ線回折分析による不純物のピークが見られなくなる程度に不純物の少ない高圧相物質を容易に得ることができる。
【００３１】
・  具体的には、低圧相物質として六方晶窒化ホウ素粉末を用い、金属粉として銅粉末を用いることにより、高圧相物質として不純物の少ない高圧相窒化ホウ素を容易に得ることができる。
【００３２】
また、低圧相物質としてグラファイト又は炭素材料を用い、金属粉として銅粉末を用いることにより、高圧相物質として不純物の少ないダイヤモンドを容易に得ることができる。
【００３３】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を挙げて前記実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
低圧相物質である窒化硼素２０重量％に平均粒径１００μｍ、純度９９．８％の銅粉末（酸不溶分となる不純物成分が各々５０ｐｐｍ以下）を８０重量％加え、さらにエタノールを２重量％加えてボールミルにて混合して原料物質を得た。この原料物質を前記図１に示す円筒試料管６（外径３０mm、内径２６mm、長さ３５０mm）内に金型を用いて加圧装填し、成形した。このときの円筒試料管６内の装填密度は６．０ｇ／ｃｍ3、空孔率は２０％となるようにした。円筒試料管６の両端には軟鋼製の下プラグ９及び上プラグ１１を圧入した。
【００３４】
下プラグ９には図示しない脱気用の銅パイプが設けられている。そして、この脱気用の銅パイプを利用し、４００℃、０．１Ｐａで２時間保持して脱気処理を行った。脱気処理後の円筒試料管６を、上下の固定リング７を介して円筒駆動管５内に収容するとともに、その上に円錐キャップ１２を載置した。その状態で円筒試料管６を爆薬容器１（外径７６mm、内径６８mm、長さ４００mm）の中心にセットし、円筒駆動管５と爆薬容器１との間に爆薬１３（爆速５４００ｍ／ｓｅｃ）を装填した。
【００３５】
次に、雷管４として６号電気雷管を用い、その雷管４を起爆させ、ブースター爆薬３からさらに爆薬１３をその長手方向に１５〜３０ＧＰａの衝撃圧力で爆轟させた。衝撃加圧処理の後、円筒試料管６を回収した。そして、円筒試料管６から内容物を取り出し、王水（硝酸：塩酸＝１：３）中に入れ、銅などを溶解除去した。そこから得られた粉体を水洗後、乾燥した。Ｘ線回折分析によると、生成物はウルツ鉱型窒素化硼素であり、不純物のピークは見られなかった。
【００３６】
（実施例２）
天然黒鉛１０重量％に平均粒径１００μｍ、純度９９．８％の銅粉末（酸不溶分となる不純物成分が各々５０ｐｐｍ以下）を９０重量％加え、さらにエタノールを２重量％加えてボールミルにて混合して原料物質を得た。これを円筒試料管６（外径２７mm、内径１９mm、長さ２４０mm）内に金型を用いて加圧装填し、成形した。このときの円筒試料管６内の装填密度は６．５ｇ／ｃｍ3、空孔率は２０％となるようにした。円筒試料管６の両端には軟鋼製の下プラグ９及び上プラグ１１を圧入した。下プラグ９には脱気用の銅パイプが設けられている。
【００３７】
この円筒試料管６の外側に円筒駆動管５（外径４３mm、内径３６mm、長さ２４０mm）を一対の固定リング７を介在させて固定し、その上に円錐キャップ１２を載置した。これを４００℃、０．１Ｐａで２時間保持して脱気処理を行った。それを爆薬容器１（外径１１４mm、内径１０５mm、長さ２８０mm）の中心にセットし、円筒駆動管５と爆薬容器１との間に爆薬１３（爆速６８００ｍ／sec）を装填した。
【００３８】
次に、雷管４として６号電気雷管を用い、その雷管４を起爆させ、ブースター爆薬３からさらに爆薬１３をその長手方向に１５〜３０ＧＰａの衝撃圧力で爆轟させた。衝撃加圧処理の後、円筒試料管６を回収した。そして、円筒試料管６から内容物を取り出し、王水中に入れ、銅などを溶解除去した。そこから得られた粉体を水洗後、乾燥した。さらに、この乾燥粉体に酸化鉛を混合し、４００℃で１５時間熱処理し、未転換炭素分を選択的に酸化後、硝酸により鉛を溶融除去させた後、加水洗浄した。
【００３９】
図２に示すように、Ｘ線回折分析によると、生成物はダイヤモンドであり、不純物のピークは見られなかった。
（比較例１）
低圧相窒化硼素２０重量％に平均粒径１００μｍ、純度９９．５％の銅粉末〔不純物としてスズ（Ｓｎ）を１００ｐｐｍ以上含む〕を８０重量％加え、さらにエタノールを２重量％加えてボールミルにて混合して原料物質を得た。次に、原料物質を円筒試料管６（外径３０mm、内径２６mm、長さ３５０mm）に金型を用いて加圧装填し、成形した。このときの円筒試料管６内の装填密度は６．０ｇ／ｃｍ3、空孔率は２０％となるようにした。
【００４０】
円筒試料管６の両端には軟鋼製の下プラグ９及び上プラグ１１を圧入した。下プラグ９には脱気用の銅パイプが設けられている。そして、４００℃、０．１Ｐａで２時間保持して脱気処理を行った。処理後の円筒試料管６を爆薬容器１（外径７６mm、内径６８mm、長さ４００mm）の中心にセットし、円筒駆動管５と爆薬容器１との間に爆薬１３（爆速５４００ｍ／ｓｅｃ）を装填した。
【００４１】
次に、雷管４として６号電気雷管を用い、その雷管４を起爆させ、ブースター爆薬３からさらに爆薬１３をその長手方向に１５〜３０ＧＰａの衝撃圧力で爆轟させた。衝撃加圧処理の後、円筒試料管６を回収した。円筒試料管６から内容物を取り出して王水中に入れ、銅などを溶解除去した。そこから得られた粉体を水洗後、乾燥した。Ｘ線回折分析によると、生成物はウルツ鉱型窒素化硼素の他に酸化スズのピークが検出された。
【００４２】
（比較例２）
天然黒鉛１０重量％に平均粒径１００μｍ、純度９９．５％の銅粉末〔不純物としてスズ（Ｓｎ）を１００ｐｐｍ以上含む〕を９０重量％加え、さらにエタノールを２重量％加え、ボールミルにて混合して原料物質を得た。これを円筒試料管６（外径２７mm、内径１９mm、長さ２４０mm）に金型を用いて加圧装填し、成形した。このときの円筒試料管６内の装填密度は６．５ｇ／ｃｍ3、空孔率は２０％なるようにした。円筒試料管６の両端には軟鋼製の下プラグ９及び上プラグ１１を圧入した。下プラグ９には脱気用の銅パイプが設けられている。
【００４３】
次に、この円筒試料管６の外側に円筒駆動管５（外径４３mm、内径３６mm、長さ２４０mm）を固定リング７を介在させて固定した。次に、これを４００℃、０．１Ｐａで２時間保持して脱気処理を行った。処理後の円筒試料管６を爆薬容器１（外径１１４mm、内径１０５mm、長さ２８０mm）の中心にセットし、円筒駆動管５と爆薬容器１との間に爆薬１３（爆速６８００ｍ／sec）を装填した。
【００４４】
次に、雷管４として６号電気雷管を用い、その雷管４を起爆させ、ブースター爆薬３からさらに爆薬１３をその長手方向に１５〜３０ＧＰａの衝撃圧力で爆轟させた。衝撃加圧処理の後、円筒試料管６を回収した。そして、円筒試料管６から内容物を取り出し、王水中に入れ、銅などを溶解除去した。そこから得られた粉体を水洗後、乾燥した。さらにこの乾燥粉体に酸化鉛を混合し、４００℃で１５時間加熱処理し、未転換炭素分を選択的に酸化後、硝酸により鉛を溶融除去し、次いで加水洗浄した。
【００４５】
図２に示すように、Ｘ線回折分析によると、生成物はダイヤモンドの他に酸化スズのピークが検出された。
なお、前記実施形態を次のように変更して具体化することもできる。
【００４６】
・  衝撃圧縮処理の方法として、爆薬の爆発によって駆動された高速の飛翔体の衝突により生じる高温、高圧を伴う衝撃波を利用する方法を採用してもよい。
・  図１において、雷管４を爆薬容器１の周壁に１箇所又は複数箇所設け、爆薬１３を爆轟させてもよい。
【００４７】
・  爆薬容器１、円筒駆動管５、円筒試料管６などを全て球状に形成し、成形体（試料）を全周から均一に加圧するように構成してもよい。
さらに、実施形態より把握される技術的思想について以下に記載する。
【００４８】
・  前記成形体の空孔率は５〜５０％である請求項1に記載の高圧相物質の製造方法。この製造方法によれば、特殊な装置を使用したり、成形助剤を使用したりすることなく、容易に成形体を得ることができる。
【００４９】
・  前記金属粉末の混合割合は７０〜９８重量％である請求項1に記載の高圧相物質の製造方法。この製造方法によれば、高圧相物質の回収が容易で、高圧相物質の製造効率が向上させることができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明によれば次のような効果を奏する。
第１の発明の高圧相物質の製造方法によれば、不純物の少ない高圧相物質、例えば高圧相窒化ホウ素、ダイヤモンド等を容易に得ることができる。
【００５１】
第２の発明の高圧相物質の製造方法によれば、低圧相物質として六方晶窒化ホウ素粉末を用い、金属粉として銅粉末を用いることにより、高圧相物質として不純物の少ない高圧相窒化ホウ素を容易に得ることができる。
【００５２】
第３の発明の高圧相物質の製造方法によれば、低圧相物質としてグラファイト又は炭素材料を用い、金属粉として銅粉末を用いることにより、高圧相物質として不純物の少ないダイヤモンドを容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  爆薬による衝撃圧縮処理装置を示す縦断面図。
【図２】  実施例２及び比較例２の高圧相物質のＸ線回折図。
【符号の説明】
１…衝撃圧縮処理を施すための爆薬容器、３…衝撃圧縮処理を施すための爆薬、４…衝撃圧縮処理を施すための雷管、１０…金属粉末と低圧相物質との混合物よりなる試料、１３…爆薬。
【図１】
0004677665.tif 000002
【図２】
0004677665.tif 000003