алмазный инструмент, синтетический монокристаллический алмаз, способ синтеза монокристаллического алмаза и алмазное ювелирное изделие

Формула изобретения

1. Алмазный инструмент, изготовленный с использованием монокристаллического алмаза, искусственно синтезированного под высоким давлением методом температурного градиента, отличающийся тем, что упомянутый алмаз имеет кристалл, содержащий азот в количестве не более 3 ч./млн, и при этом инструмент имеет лезвие, конец которого имеет ориентацию в плоскости, являющейся плоскостью (110), причем твердость по Кнупу в плоскости (100) в направлении <110> является более высокой, чем в направлении <100>.

2. Алмазный инструмент по п.1, в котором упомянутый кристалл содержит упомянутый азот в количестве не более 0,1 ч./млн.

3. Алмазный инструмент по п.1, являющийся одним из сверхвысокоточного режущего инструмента, микротомного ножа, алмазного ножа, алмазного резца, инструмента для нанесения линий и инструмента для заточки.

4. Алмазный инструмент по п.1, в котором для прикрепления упомянутого алмаза к основному корпусу инструмента использован титаносодержащий активированный припой (22).

5. Алмазный инструмент, изготовленный с использованием монокристаллического алмаза, искусственно синтезированного под высоким давлением методом температурного градиента, отличающийся тем, что упомянутый алмаз имеет кристалл, содержащий азот в количестве не более 3 ч./млн, и при этом инструмент имеет лезвие, конец которого имеет ориентацию в плоскости, являющейся плоскостью (110), а упомянутый кристалл также содержит никель, причем твердость по Кнупу в плоскости (100) в направлении <110> является более высокой, чем в направлении <100>.

6. Алмазный инструмент по п.5, в котором упомянутый никель содержится в количестве по меньшей мере 0,01 ч./млн и не более 10 ч./млн.

7. Алмазный инструмент по п.5, в котором для прикрепления упомянутого алмаза к основному корпусу инструмента использован титаносодержащий активированный припой (22).

8. Алмазный инструмент, изготовленный с использованием монокристаллического алмаза, искусственно синтезированного под высоким давлением методом температурного градиента, отличающийся тем, что упомянутый алмаз имеет кристалл, содержащий азот в количестве не более 3 ч./млн, и при этом инструмент имеет лезвие, конец которого имеет ориентацию в плоскости, являющейся плоскостью (110), а упомянутый кристалл также содержит бор и никель, причем твердость по Кнупу в плоскости (100) в направлении <110> является более высокой, чем в направлении <100>.

9. Алмазный инструмент по п.8, в котором упомянутый бор содержится в количестве по меньшей мере 0,01 ч./млн и не более 300 ч./млн.

10. Алмазный инструмент по п.8, в котором упомянутый никель содержится в количестве по меньшей мере 0,01 ч./млн и не более 10 ч./млн.

11. Алмазный инструмент по п.8, в котором для прикрепления упомянутого алмаза к основному корпусу инструмента использован титаносодержащий активированный припой (22).

12. Алмазное ювелирное изделие, изготовленное с использованием монокристаллического алмаза, искусственно синтезированного под сверхвысоким давлением методом температурного градиента, отличающееся тем, что упомянутый алмаз имеет кристалл, содержащий азот в количестве не более 3 ч./млн и никель в качестве замещающего атома, причем твердость по Кнупу упомянутого алмаза в плоскости (100) в направлении <110> является более высокой, чем в направлении <100>.

13. Алмазное ювелирное изделие по п.12, в котором упомянутый никель содержится в количестве по меньшей мере 0,01 ч./млн и не более 10 ч./млн.

14. Алмазное ювелирное изделие по п.12, содержащее азот в количестве по меньшей мере 0,01 ч./млн и не более 3 ч./млн.

15. Алмазное ювелирное изделие по п.12, также содержащее бор в качестве замещающего атома.

16. Алмазное ювелирное изделие по п.15, в котором упомянутый бор содержится в количестве по меньшей мере 0,01 ч./млн и не более 300 ч./млн.

17. Способ синтеза монокристаллического алмаза под сверхвысоким давлением при высокой температуре методом температурного градиента, отличающийся применением растворителя, состоящего из по меньшей мере одного из железа и кобальта, по меньшей мере 36 мас.% никеля, по меньшей мере 1 мас.% и не более 2 мас.% титана и по меньшей мере 3 мас.% и не более 5,5 мас.% графита.

18. Способ по п.17, в котором используют кристалл-затравку, причем затравочная грань кристалла-затравки (13) является плоскостью (100) кристалла алмаза.

19. Способ по п.17, в котором упомянутый монокристаллический алмаз синтезируют при 1380±25°С.

20. Способ по п.17, в котором упомянутый монокристаллический алмаз синтезируют по скоростью по меньшей мере 3,9 мг/ч и не более 4,7 мг/ч.

21. Способ синтеза монокристаллического алмаза под сверхвысоким давлением при высокой температуре методом температурного градиента, отличающийся применением растворителя, состоящего из по меньшей мере одного из железа и кобальта, по меньшей мере 36 мас.% никеля, по меньшей мере 1 мас.% и не более 2 мас.% титана, по меньшей мере 0,1 мас.% и не более 0,2 мас.% бора и по меньшей мере 3 мас.% и не более 5,5 мас.% графита.

22. Способ по п.21, в котором используют кристалл-затравку, причем затравочная грань кристалла-затравки (13) является плоскостью (100) кристалла алмаза.

23. Способ по п.21, в котором упомянутый монокристаллический алмаз синтезируют при 1350±ЗО°С.

24. Способ по п.21, в котором упомянутый монокристаллический алмаз синтезируют со скоростью по меньшей мере 3,1 мг/ч и не более 3,8 мг/ч.

Приоритет по пунктам:

10.10.2003 по пп.1-4;

28.09.2004 по пп.5-24.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

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.

Уровень техники

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.

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).

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).

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).

Патентный документ 1: выложенный патент Японии №60-12747

Патентный документ 2: выложенный патент Японии №5-137999

Патентный документ 3: выложенный патент Японии №5-138000

Патентный документ 4: выложенный патент Японии №5-329356

Патентный документ 5: выложенный патент Японии №6-182182

Патентный документ 6: выложенный патент Японии №6-182184

Патентный документ 7: выложенный патент Японии №3-131407

Патентный документ 8: выложенный патент Японии №3-228504

Патентный документ 9: выложенный патент Японии №7-116494

Патентный документ 10: выложенный патент Японии №5-200271

Непатентный документ 1: Sumiya et al., Diamond and Related Materials, 5, 1359 (1996).

Раскрытие изобретения

Проблемы, решаемые изобретением

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Кроме того, полупроводниковая проводимость и электрическая проводимость являются свойствами, которые не присущи алмазу, причем эти свойства, достигаемые в настоящее время, все еще недостаточны.

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.

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.

Соответственно одной из задач настоящего изобретения является создание алмазного инструмента, превосходящего обычные алмазные инструменты по остроте, устойчивости к абразивному износу и стабильности качества.

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.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание алмазного ювелирного изделия с использованием великолепно окрашенного и недорогого синтетического монокристаллического алмаза.

Средства решения проблем

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.

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.

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.

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).

Таблица 1
№ образца	Концентрация азота (ч/млн)	Твердость по Кнупу (кг/мм 2)
		(100) <100>	(100) <110>
IIa-01	0	11779	*
IIa-02	0	12898	*
IIa-03	0,04	10554	*
IIa-04	0,04	11396	*
IIa-05	0,04	11950	*
IIa-06	0,05	9867	*
IIa-07	0,36	10027	*
IIa-08	0,5	10401	*
IIa-09	1,7	8474	*
IIa-10	2,6	9428	*
Ib-01	60	8607	8475
Ib-02	88	9669	7401
Ib-03	235	9479	8075
* Не измеряема из-за отсутствия формируемого отпечатка

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Настоящее изобретение, которое применяют к синтетическому монокристаллическому алмазу, используемому для инструмента, может в значительной степени проявлять такой эффект, как повышенная твердость.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Настоящее изобретение, при применении его к синтетическому монокристаллическому алмазу, используемому в качестве инструмента, может обнаружить превосходную устойчивость к абразивному износу или значительный подобный эффект.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Предложенное алмазное ювелирное изделие изготовлено из вышеописанного синтетического монокристаллического алмаза.

Результаты изобретения

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.

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.

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.

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.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена твердость по Кнупу синтетического алмаза в плоскости (100) вдоль направления <100>.

На фиг.2 представлена твердость по Кнупу разных типов алмаза в плоскости (100) для каждой ориентации в этой плоскости.

Фиг.3 представляет общий вид установки для синтеза синтетического монокристаллического алмаза согласно третьему примеру настоящего изобретения.

Фиг.4А представляет собой вид сбоку лезвия инструмента, использующего синтетический монокристаллический алмаз согласно третьему примеру настоящего изобретения.

Фиг.4В представляет собой вид сверху лезвия инструмента, показанного на фиг.4A.

Фиг.5 представляет собой вид в перспективе инструмента для заточки, использующего синтетический монокристаллический алмаз согласно третьему примеру настоящего изобретения.

Фиг.6 представляет общий вид установки для синтеза синтетического монокристаллического алмаза согласно четвертому примеру настоящего изобретения.

Фиг.7A представляет собой вид сбоку лезвия инструмента, использующего синтетический монокристаллический алмаз согласно четвертому примеру настоящего изобретения.

Фиг.7B представляет собой вид сверху лезвия инструмента, показанного на фиг.7A.

Описание ссылочных позиций

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.

Наилучшие варианты осуществления изобретения

В дальнейшем настоящее изобретение будет описано с помощью примеров.

Пример 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.

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.

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°.

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.

Пример 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.

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.

Сравнительный пример 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.

Сравнительный пример 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.

Пример 3

Настоящее изобретению будет описано далее в примере 3.

Синтез

Сначала будет описано синтезирование алмаза.

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.

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.

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.

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.

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.

Изготовление лезвия инструмента

Синтетический алмаз в данном примере использовали для изготовления лезвия инструмента согласно описанному далее.

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.

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).

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.

Резец показан на фиг.4A и 4B. На этих фигурах ссылочная позиция 21 обозначает лезвие из синтетического монокристаллического алмаза; R обозначает радиус режущей кромки; обозначает угол уклона, который составляет 20°; и обозначает угол кромки (угол заострения), который составляет 30°. Ссылочная позиция 22 обозначает слой титаносодержащего припоя. Ссылочная позиция 23 обозначает концевую часть хвостовика.

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.

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.

Изготовление инструмента для заточки

Синтетический монокристаллический алмаз согласно данному примеру использовали для изготовления инструмента для заточки согласно описанному далее.

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.

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.

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.

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.

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.

Таблица 2
	Ориентация в плоскости	Направление стачивания	Степень абразивного износа (10-3 мм3)
Обычный продукт	(211)	<110>	13,5
Настоящее изобретение	(211)	<110>	9,8

Применение для ювелирных изделий

В конце будет описан синтетический монокристаллический алмаз согласно данному примеру, используемый для ювелирных изделий.

Алмаз массой 1,55 карата, синтезированный с помощью вышеописанной установки вышеописанным способом, обрабатывали скайфом таким образом, чтобы он приобрел закругленную бриллиантовую огранку.

Полученный для ювелирного изделия алмаз массой 0,45 карата совсем не содержал сколов и трещин и представлял собой зеленоватый бриллиант.

Пример 4

Настоящее изобретение будет описано далее в четвертом примере.

Синтез

Сначала в данном примере алмаз синтезировали так, как описано далее.

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.

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.

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.

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.

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.

Изготовление лезвия инструмента

Синтетический алмаз в данном примере использовали для изготовления лезвия инструмента согласно описанному далее.

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.

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).

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.

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; обозначает угол уклона, который составляет 20°; и обозначает угол кромки (угол заострения), который составляет 30°. Ссылочная позиция 22 обозначает слой титаносодержащего припоя. Ссылочная позиция 23 обозначает концевую часть хвостовика.

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.

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.

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.

Применение для ювелирных изделий

В конце будет описан синтетический монокристаллический алмаз, используемый согласно данному примеру для ювелирных изделий.

Синтетический монокристаллический алмаз массой 1,2 карата, синтезированный с помощью вышеописанной установки вышеописанным способом, обрабатывали скайфом таким образом, чтобы он приобрел закругленную бриллиантовую огранку.

Полученный для ювелирного изделия алмаз массой 0,36 карата совсем не содержал сколов и трещин и представлял собой зеленоватый бриллиант.

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.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение эффективно применимо к алмазным инструментам, синтетическим монокристаллическим алмазам, способам синтеза монокристаллических алмазов и алмазным ювелирным изделиям.