(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンドを処理してそのダイヤモンド結晶の耐酸化性と機械的強度を改良する方法であって、
（ａ）ダイヤモンド結晶、ホウ素源、及びアルミナ、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、及びその混合物から成る群から選択される不活性粒子の混合物を形成する工程であって、前記不活性粒子は１μｍ〜１００メッシュの粒子サイズを有しており、前記ホウ素源は１〜１０重量％の量で混合物中に含まれており、前記不活性粒子は熱及びホウ素源を均等に分配するのに十分な量で存在しているものである、前記形成する工程と、
（ｂ）この混合物を、前記ダイヤモンド結晶の表面中にホウ素を拡散させてそのホウ素が拡散したダイヤモンド結晶の耐酸化性と機械的強度を改良するために２〜４時間８００〜１２００℃の温度に加熱する工程と
を含んでなる、前記方法。
【請求項２】
前記ダイヤモンド結晶の大きさが９００μｍ以下である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記不活性粒子が１μｍ〜８０メッシュの粒度を有するアルミナ粒子である、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記ホウ素源がホウ素粉末からなる、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記ホウ素粉末の大きさが５μｍ〜８０メッシュである、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記ダイヤモンド結晶の大きさが９００μ以下であり、前記ホウ素源が５μｍ〜８０メッシュの大きさのホウ素粉末からなり、前記混合物を２〜４時間加熱する、請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広い意味でダイヤモンド粒子に係り、特に、ダイヤモンド結晶の上層中にホウ素（Ｂ）を熱拡散させることにより圧縮破壊強度を増大し耐酸化性を改良することに係る。
【０００２】
【従来の技術】
その硬度と熱特性は、ダイヤモンドが各種工業部品に有用であるとされる特性の２つである。最初は天然ダイヤモンドが各種研磨用途に用いられた。ダイヤモンドが炭素の相の熱力学的に安定な形態である条件下で触媒／焼結助剤を用いて高圧／高温（ＨＰ／ＨＴ）技術によりダイヤモンドを合成することができるようになって、別の各種製品が市場に受け入れられた。ＨＰ／ＨＴ条件は通常ダイヤモンドが熱力学的に安定であるような条件と考えられる。一般に、約１５００〜２７００℃の温度と約５〜２０ＧＰａの圧力が包含される。円筒状又は環状の形態のＷＣ担体に担持されていることが多い多結晶ダイヤモンド成形体はダイヤモンドの生産ラインをさらに拡大した。しかし、高圧・高温の要件は、例えば製品形態(product configuration)の制限となっていた。より最近の収穫として、業界で「化学蒸着」又は「ＣＶＤ」といわれるダイヤモンドの低圧成長がある。このダイヤモンド成長技術によって別の製品形態が可能になった。
【０００３】
ダイヤモンドが天然であれ合成であれ、そして合成ダイヤモンドの成長方法が何であっても、ダイヤモンドは高温で不安定になる。業界で充分認識されているように、６００〜７００℃を超える温度でダイヤモンドを加工するには不活性雰囲気が必要であるし、そうでなければダイヤモンドが酸化する。したがって、ダイヤモンドの耐酸化性を増大させることができれば業界で歓迎されるであろう。例えば、さまざまな工具や工作物へのダイヤモンドの加工を増やせるであろう。
【０００４】
ダイヤモンドの別の価値ある特性は圧縮破壊強度である。圧縮破壊強度は、ダイヤモンド結晶の機械的強度の尺度であり、結晶を破壊するのに必要とされる静的な力である。圧縮破壊強度はダイヤモンド粗粒の定量可能な機械的性質である。通常、１００個の粗粒を試験し、その粗粒を破壊するのに記録された平均の力をその特定の粗粒製品の圧縮破壊強度として用いる。従来、８７０°Ｋの溶融硝酸カリウム中で１時間ダイヤモンド粗粒をエッチングすると表面の粗さと欠陥が除かれるためダイヤモンド粗粒の強度が増大することが報告されている（１９９２年フィールド(J.E. Field)編「天然と合成のダイヤモンドの性質(The Properties of Natural and Synthetic Diamond)」第４８９〜４９０頁参照）。
【０００５】
【発明の概要】
ダイヤモンドを処理してそのダイヤモンド結晶の耐酸化性と機械的強度を改良する方法では、ダイヤモンド結晶、ホウ素源及び不活性粒子の混合物を形成し、この混合物を、ダイヤモンド結晶の表面中にホウ素を拡散させてそのホウ素が拡散したダイヤモンド結晶の耐酸化性と機械的強度を改良するのに適した時間約８００〜１２００℃の温度に加熱する。得られるダイヤモンド結晶は、その表面に熱拡散したホウ素により改良された耐酸化性と改良された機械的強度をもっている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の本質と目的を充分に理解するためには、添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照されたい。図面については後述の実施例で詳細に説明する。
【０００７】
本発明は、ダイヤモンドが天然であっても製造されたものであっても広くダイヤモンドに応用可能である。製造されたダイヤモンドには、ＣＶＤで製造したダイヤモンド、ＨＰ／ＨＴで製造したダイヤモンド、又はその他の技術で製造したダイヤモンドがある。
【０００８】
ホウ素はダイヤモンド構造中の炭素原子と置換することができるたった２種類の元素のうちの１種である（もう一つは窒素）。ダイヤモンドの上層（又は表面）でホウ素置換すると、そのホウ素をドープしたダイヤモンドは改良された機械的強度と耐酸化性を示すことができる。作用の正確なメカニズムはまだ明らかになっていないが、改良された機械的性質は可能な２つのメカニズムに基づくものと思われる。ホウ素原子はダイヤモンド格子の最外層中及びダイヤモンド結晶の表面亀裂中に拡散することが知られている。ダイヤモンド結晶の最外層にホウ素原子が存在するとダイヤモンド格子の膨張を引き起こし、ダイヤモンド結晶の表面上に圧縮接線応力を生じ得る。ダイヤモンド表面上のこの圧縮応力状態はダイヤモンドを引張破損及び破壊に対してより抵抗性にすることができ、したがってダイヤモンドを強靱化し強化する（アントニー(Anthony)著「ダイヤモンド及び関連材料(Diamond and Related Materials)」第４巻（１９９５年）第１３４６〜１３５２頁参照）。加えて、ホウ素原子は、ダイヤモンド結晶の表面上の超顕微鏡的な亀裂その他の欠陥の中にも拡散し得る。亀裂先端に充填するホウ素はその先端の有効半径を増大させ得、その結果その亀裂先端に集中した応力レベルが低下し得、その伝播が遅れるか又は停止し得る。さらにホウ素原子は亀裂内部で炭素原子と結合を形成し得る。そのような結合の形成が起こると、その「平滑化(blunting)」効果は亀裂空間を単に充填するホウ素原子よりも効果的であると期待される。作用のメカニズムには関係なく、データは、ダイヤモンド粗粒のホウ素処理で、そのように処理された粗粒の耐酸化性と機械的強度が実際に改良されることを充分に立証している。
【０００９】
データが立証しているように、本発明のホウ素が拡散したダイヤモンド結晶は改良された機械的強度を示すばかりでなく、改良された耐酸化性も示す。すなわち、ホウ素が拡散したダイヤモンド結晶は、ホウ素の存在によって、ダイヤモンドの酸化を伴うことなくより高い温度の変動(excursion)に耐えることができる。これはより高い温度で工具の製造ができることを意味しており、工具製造業者には有利である。また、これは、最終的な工具が、従来はこの分野で経験する予想される温度のためダイヤモンドが排除されていた仕事にも使用することができるということも意味している。このような利点はいかなる特定の工具にも限定されない。すなわち、ホウ素が拡散したダイヤモンドは成形体、伸線ダイス、樹脂結合工具、金属結合工具、のこ刃などで利点を有する。
【００１０】
この方法の最初の段階はホウ素とアルミナ粒子の均一な混合物の形成から始める。アルミナ混合物は、熱とホウ素組成を均一に分布させる目的でダイヤモンド粒子間の中間物質として機能する。アルミナ粉末の粒度は約１μｍ〜−１００メッシュとすることができる。アルミナの代わりになり得る他の不活性粒子は酸化マグネシウム、酸化ケイ素など、及びこれらの混合物である。
【００１１】
好ましいホウ素源は、粒度が約５μｍ〜−８０メッシュのホウ素粉末である。ここでも、下限は、特に工業的規模の操作では、取扱要件によってさらに指令される。約１〜約１０重量％のホウ素を混合物中に含ませるべきである。
【００１２】
最後の形成段階はホウ素−アルミナ混合物中にダイヤモンド粒子を添加することである。ダイヤモンド粒子は約９００μｍ以下の大きさとすることができる。ダイヤモンドの微粒でも本ホウ素拡散工程の利益が得られるので、ダイヤモンドの粒度に実際上の下限はない。
【００１３】
このホウ素拡散工程を実施するには、混合物を不活性雰囲気を確立することができるオーブン又は処理容器(treated)内に入れる。アルゴンが、この処理容器内に不活性雰囲気を確立するのに便利な不活性ガスとして選択されるが、例えばヘリウム、ネオン及びキセノンのような別の各種不活性ガスを使用することもできよう。
【００１４】
処理工程の最初の段階は不活性雰囲気を確立することである。その後、処理容器を約８００〜１２００℃の温度に加熱する。このような高温を約２〜約４時間維持する。その後、最初に温度を下げてから不活性雰囲気を空気と入れ替える。明らかに、ダイヤモンドは、ダイヤモンドの望ましくない熱劣化を最小にするために不活性雰囲気が存在するまでは高温に曝してはならない。
【００１５】
得られたホウ素が拡散したダイヤモンド製品は、ダイヤモンドの上層（又は表面）のみにホウ素が存在している。しかし、その存在は、処理されたダイヤモンドの耐酸化性を改良すると共にその機械的強度を改良するのに充分である。
【００１６】
好ましい実施形態に関して本発明を説明して来たが、当業者には理解できるように、本発明の範囲を逸脱することなくさまざまな変更をなすことができ、その要素を等価物で置き換えることができる。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、個々の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために多くの修正を施すことができる。したがって、本発明は、本発明を実施する最良の態様と考えられる開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に入るあらゆる実施形態を包含するものである。本出願では、特に断らない限り、単位はすべてメートル法であり、量とパーセントはすべて重量による。また、本明細書で言及した文献はすべて引用により本明細書に含まれているものとする。
【００１７】
【実施例】
熱重量分析（ＴＧＡ）は、静的「空気」雰囲気中における高温条件下での試料重量の連続測定である。試料重量の減少は、揮発性の反応生成物が試料から放出されたことを示している。ダイヤモンドの場合、高温で酸素が反応してＣＯ、ＣＯ2、及びこれらの混合物を形成する。１９７９年米国ニューヨーク州ニューヨークのアカデミック・プレス(Academic Press)刊、フィールド(J.E. Field)編「ダイヤモンドの特性(The Properties of Diamond)」。本発明で報告するＴＧＡ曲線はデュポン・インストルメンツ(DuPont Instruments)の９５１熱重量分析計(Thermogravimetric Analyzer)で得た。試料はすべて白金試料ホルダーに載せた。温度は１０℃／分の速度で上昇させた。
【００１８】
実施例１
ダイヤモンド結晶（５ｇ、４５／５０メッシュ、平均粒度３４０μｍ）、Ａｌ2Ｏ3（１０ｇ）及びＢ粉末（０．５ｇ）を熱処理機内の蓋付磁器製るつぼに入れた。この処理機内にアルゴン雰囲気を確立した。処理機内の温度を２時間約９１０℃に上げた。処理機温度を室温に下げ、アルゴン雰囲気を空気と入れ替えた。処理されたダイヤモンド結晶を処理機から取り出し以下のように試験した。
【００１９】
最初の試験は圧縮破壊強度（ＣＦＳ）試験であった。各試料につき、１０００個の結晶を一つずつテスターに通し、各結晶を破壊するのに必要であった静的な力を記録した。試験した試料の圧縮破壊強度は記録した力の平均である。Ｂで処理したダイヤモンド結晶と未処理のダイヤモンド結晶の３重の試料を試験したところ次の結果が記録された。
【００２０】
【表１】
0004308894.tif 000002
【００２１】
これらの試験結果の統計的解析（ｔ−テスト、２つの試料で等しくない分散を仮定）で信頼性を確認した。Ｐ（Ｔ≦ｔ）片側検定(one-tail)０．００３９、Ｐ（Ｔ≦ｔ）両側検定(two-tail)０．００７８。すなわち、これらの結果は、Ｂをドープしたダイヤモンド結晶がホウ素処理のために改良された圧縮破壊強度をもっていることを示している。
【００２２】
実施例２
別のダイヤモンド結晶の試料（実施例１に記載のものと同じ起源）を、異なる量のホウ素を用いて実施例１に記載したように処理した。ＴＧＡでは、未処理の試料と０重量％のＢで処理した試料が、１重量％と５重量％のＢで処理した試料より低い温度で重量損失を示した。これは図１を見ると明らかである。線１０、１２、１４は１重量％のＢを有する試料１つと、５重量％のＢを有する２つの試料に対するＴＧＡの結果を示す。重要なことに、これら３つのＢ拡散試料の間にはほとんど結果に差がない。線１６と１８で表される未処理の試料と０重量％のＢで処理した試料でもほとんど差はなかった。主な相違点は、ホウ素で処理したダイヤモンド試料とホウ素で処理してないダイヤモンド試料との間の差である。新規なホウ素で処理したダイヤモンド試料の改良された耐酸化性が示されている。
【００２３】
実施例３
１重量％及び５重量％のＢが拡散したダイヤモンド試料の別の試料を、処理してないダイヤモンド、０重量％のＢで処理したダイヤモンド、ＴｉでコートしそのＴｉコーティングをストリッピングしたダイヤモンド、及びＴｉＢでコートしそのＴｉＢコーティングをストリッピングしたダイヤモンドと比較した。ここでも、空気中でＴＧＡ分析を実施した。しかし、この実施例では、温度の単位変化当たりの重量の変化（ｍｇ）をＴＧＡ温度に対してプロットした。結果を図２に示す。曲線２０は処理してない試料、曲線２２は０重量％のＢで処理した試料、曲線２４はＴｉでコートした試料、曲線２６はＴｉでコートしそのＴｉコーティングをストリッピングした試料、曲線２８はＴｉＢでコートしそのＴｉＢコーティングをストリッピングした試料、曲線３０は１％のＢで処理した試料、曲線３２と３４は５％のＢで処理した試料である。
【００２４】
ここでも、これらのＴＧＡ試験結果は、処理してないダイヤモンド、Ｂゼロで処理したダイヤモンド、及び２つの異なるＴｉでコートしたダイヤモンド試料に対してＢが拡散した試料が示す高い耐酸化性を示している。単位温度変化当たりの重量損失の割合は比較試料より本発明のＢが拡散した試料の方がずっと少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】ホウ素が拡散したダイヤモンド試料と処理してないダイヤモンド試料の熱重量分析結果をプロットしたグラフである。
【図２】ホウ素が拡散した別のダイヤモンド試料と幾つかの比較試料の熱重量分析結果をプロットしたグラフである。
【図１】
0004308894.tif 000003
【図２】
0004308894.tif 000004