JP2013028500A - Polycrystalline diamond and method for producing the same, scribe tool, scribe wheel, dresser, rotating tool, orifice for waterjet, wire drawing die and cutting tool - Google Patents

Polycrystalline diamond and method for producing the same, scribe tool, scribe wheel, dresser, rotating tool, orifice for waterjet, wire drawing die and cutting tool Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: polycrystalline nanodiamond to which an acceptor element is added; a production method thereof; and various tools using the polycrystalline diamond.SOLUTION: This polycrystalline nanodiamond 1 is composed of carbon, a group III element 3 added to the carbon so as to disperse in the carbon in an atomic level, and inevitable impurities. The crystal grain diameter of the polycrystalline diamond 1 is 500 nm or less. The polycrystalline diamond 1 is produced by preparing graphite to which a group III element is added so as to disperse in carbon in the atomic level, and applying heat treatment to the graphite with a high pressure press machine. The polycrystalline nanodiamond 1 is useful for tools such as scribe tools, scribe wheels, dressers, rotating tools, orifices for waterjet, wire drawing dice and cutting tools.

Description

本発明は、多結晶ダイヤモンドおよびその製造方法、スクライブツール、スクライブホイール、ドレッサー、回転工具、ウォータージェット用オリフィス、伸線ダイス、ならびに切削工具に関し、特に、ナノサイズの結晶粒を有し、III族元素が均一に添加された多結晶ダイヤモンド(以下、「III族元素添加ナノ多結晶ダイヤモンド」と称する)およびその製造方法ならびに該多結晶ダイヤモンドを用いた各種工具に関する。   The present invention relates to polycrystalline diamond and a production method thereof, a scribe tool, a scribe wheel, a dresser, a rotary tool, a water jet orifice, a wire drawing die, and a cutting tool. The present invention relates to polycrystalline diamond in which elements are uniformly added (hereinafter referred to as “group III element-added nanopolycrystalline diamond”), a method for producing the same, and various tools using the polycrystalline diamond.

近年、ナノ多結晶ダイヤモンドが、天然の単結晶ダイヤモンドを超える硬さを有し、工具として優れた性質を備えるということが明らかになってきた。該ナノ多結晶ダイヤモンドは本来絶縁体であるが、ダイヤモンドに対してアクセプターとなる元素を添加することで、ダイヤモンドに導電性を付与することができる。例えば、E.A. Ekimov et al,Nature,Vol.428(2004),542〜545(非特許文献1)に、硼素を添加したダイヤモンドの合成方法が記載されている。   In recent years, it has become clear that nano-polycrystalline diamond has a hardness exceeding that of natural single-crystal diamond and has excellent properties as a tool. The nano-polycrystalline diamond is originally an insulator, but conductivity can be imparted to the diamond by adding an element that serves as an acceptor to the diamond. For example, E.I. A. Ekimov et al, Nature, Vol. 428 (2004), 542 to 545 (Non-patent Document 1) describes a method for synthesizing diamond to which boron is added.

E.A. Ekimov et al,Nature,Vol.428(2004),542〜545E. A. Ekimov et al, Nature, Vol. 428 (2004), 542-545

上記非特許文献1に記載の方法では、黒鉛(グラファイト)とBCとを反応させて硼素を黒鉛に固溶させている。しかし、この方法では、硼素を黒鉛中に原子レベルで分散させることは困難である。そのため、硼素が固溶した黒鉛をダイヤモンドに直接変換した場合、ドーパントクラスター等が生じてしまう。また、硼素を黒鉛に固溶する際に、硼素の水素化物、酸化物等が生じる。これらの触媒作用により、変換後のダイヤモンドの結晶粒径が局所的に異常に大きくなることもある。この結果、結晶粒径の揃った硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドを作製するのが困難となる。 In the method described in Non-Patent Document 1, boron is dissolved in graphite by reacting graphite (graphite) and B 4 C. However, with this method, it is difficult to disperse boron in graphite at an atomic level. For this reason, when graphite in which boron is dissolved is directly converted to diamond, dopant clusters and the like are generated. Further, when boron is dissolved in graphite, boron hydride, oxide, and the like are generated. Due to these catalytic actions, the crystal grain size of the diamond after conversion may become abnormally large locally. As a result, it becomes difficult to produce boron-doped nanopolycrystalline diamond having a uniform crystal grain size.

そこで、次に考えられる方法としては、黒鉛粉末と、硼素のようなアクセプター元素の粉末とをできるだけ細かく粉砕し、厳しく選別したうえで、混合あるいはさらに加熱反応処理を施したものを原料とする方法が挙げられる。   Therefore, the next conceivable method is to use graphite powder and an acceptor element powder such as boron as finely as possible and pulverize them carefully and then mix or further heat-react the raw materials. Is mentioned.

しかしながら、この方法でも、アクセプター原子が単独で黒鉛粉末と混り合うことは難しく、アクセプター原子の多くは、少なくとも2つ以上の原子が隣接したクラスター状になる。そのため、ダイヤモンド中でアクセプター元素の濃度分布が生じ易くなる。その結果、ダイヤモンドの結晶粒が部分的に急成長し易くなり、均一なナノサイズの結晶粒をもつナノ多結晶ダイヤモンドを得ることは困難であった。   However, even with this method, it is difficult for the acceptor atoms to be mixed with the graphite powder alone, and many of the acceptor atoms are in the form of clusters in which at least two or more atoms are adjacent. Therefore, the acceptor element concentration distribution is likely to occur in diamond. As a result, diamond crystal grains are likely to grow partly rapidly, and it has been difficult to obtain nano-polycrystalline diamond having uniform nano-sized crystal grains.

本発明は、上記のような課題に鑑みなされたものであり、ダイヤモンドにアクセプター元素が従来にないレベルで均一に添加されたナノ多結晶ダイヤモンドおよびその製造方法、当該多結晶ダイヤモンドを用いたスクライブツール、スクライブホイール、ドレッサー、回転工具、ウォータージェット用オリフィス、伸線ダイス、ならびに切削工具を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the problems as described above, and nano-polycrystalline diamond in which an acceptor element is uniformly added to diamond at an unprecedented level, a manufacturing method thereof, and a scribe tool using the polycrystalline diamond. An object of the present invention is to provide a scribe wheel, a dresser, a rotating tool, a water jet orifice, a wire drawing die, and a cutting tool.

本発明に係る多結晶ダイヤモンドは、炭素と、該炭素中に原子レベルで分散するように添加されたIII族元素と、不可避不純物とで構成される。該多結晶ダイヤモンドの結晶粒径(結晶粒の最大長さ)は500nm以下程度である。   The polycrystalline diamond according to the present invention is composed of carbon, a group III element added so as to be dispersed in the carbon at an atomic level, and unavoidable impurities. The crystal grain size (maximum length of crystal grains) of the polycrystalline diamond is about 500 nm or less.

上記III族元素は、好ましくは、置換型の孤立原子として炭素中に分散する。III族元素の濃度は、例えば1×1014/cm以上1×1022/cm以下程度である。上記多結晶ダイヤモンドは、1500℃以上の温度で、III族元素を含むガスと炭化水素ガスとの混合ガスを熱分解して得られた黒鉛を焼結することで作製可能である。 The group III element is preferably dispersed in carbon as a substitutional isolated atom. The concentration of the group III element is, for example, about 1 × 10 14 / cm 3 or more and about 1 × 10 22 / cm 3 or less. The polycrystalline diamond can be produced by sintering graphite obtained by pyrolyzing a mixed gas of a gas containing a group III element and a hydrocarbon gas at a temperature of 1500 ° C. or higher.

本発明に係る多結晶ダイヤモンドの製造方法は、III族元素が炭素中に原子レベルで分散するように添加された黒鉛を準備する工程と、高圧プレス装置内で該黒鉛に熱処理を施してこの黒鉛をダイヤモンドに変換する工程とを備える。   The method for producing polycrystalline diamond according to the present invention includes a step of preparing graphite in which a group III element is dispersed in carbon at an atomic level, and a heat treatment of the graphite in a high-pressure press apparatus. Converting to diamond.

上記黒鉛をダイヤモンドに変換する工程では、焼結助剤や触媒を添加することなく、高圧プレス装置内で黒鉛に熱処理を施すことが好ましい。上記黒鉛を準備する工程は、真空チャンバ内にIII族元素を含むガスと炭化水素ガスとの混合ガスを導入し、1500℃以上の温度で混合ガスを熱分解して基材上に黒鉛を形成する工程を含むものであってもよい。上記黒鉛をダイヤモンドに変換する工程では、基材上に形成された黒鉛に8GPa以上の高圧下で1500℃以上の熱処理を施してもよい。上記混合ガスを、基材の表面に向けて流すようにすることが好ましい。炭化水素ガスとしては、例えばメタンガスを使用可能である。   In the step of converting the graphite into diamond, it is preferable to heat-treat the graphite in a high-pressure press without adding a sintering aid or a catalyst. The step of preparing the graphite is to introduce a mixed gas of a group III element-containing gas and a hydrocarbon gas into a vacuum chamber, and thermally decompose the mixed gas at a temperature of 1500 ° C. or higher to form graphite on the substrate. The process to perform may be included. In the step of converting the graphite into diamond, the graphite formed on the substrate may be subjected to heat treatment at 1500 ° C. or higher under a high pressure of 8 GPa or higher. The mixed gas is preferably flowed toward the surface of the substrate. For example, methane gas can be used as the hydrocarbon gas.

上記多結晶ダイヤモンドは、様々な工具に使用することができる。具体的には、上記多結晶ダイヤモンドを、スクライブツール、スクライブホイール、ドレッサー、回転工具、ウォータージェット用オリフィス、伸線ダイス、切削工具に使用可能である。   The polycrystalline diamond can be used for various tools. Specifically, the polycrystalline diamond can be used for a scribe tool, a scribe wheel, a dresser, a rotating tool, a water jet orifice, a wire drawing die, and a cutting tool.

本発明に係る多結晶ダイヤモンドでは、炭素中に原子レベルで分散するようにIII族元素を添加しているので、従来にないレベルの均一さでIII族元素をダイヤモンド中に添加することができ、ナノ多結晶ダイヤモンドにp型導電性を付与することができる。   In the polycrystalline diamond according to the present invention, since the group III element is added so as to be dispersed at an atomic level in the carbon, the group III element can be added to the diamond with an unprecedented level of uniformity. It is possible to impart p-type conductivity to nano-polycrystalline diamond.

本発明に係る多結晶ダイヤモンドの製造方法では、真空チャンバ内で、III族元素が炭素中に原子レベルで分散するように添加された黒鉛に熱処理を施して多結晶ダイヤモンドに変換しているので、従来にないレベルでIII族元素が均一に添加されたナノ多結晶ダイヤモンドを作製することができ、またナノ多結晶ダイヤモンドにp型導電性を付与することができる。   In the method for producing polycrystalline diamond according to the present invention, in the vacuum chamber, the group III element is converted to polycrystalline diamond by performing heat treatment on the graphite added so as to be dispersed at an atomic level in carbon. Nanopolycrystalline diamond in which a group III element is uniformly added at an unprecedented level can be produced, and p-type conductivity can be imparted to the nanopolycrystalline diamond.

本発明に係る多結晶ダイヤモンドは、優れた耐酸化性をも有するので、スクライブツール、スクライブホイール、ドレッサー、回転工具、ウォータージェット用オリフィス、伸線ダイス、切削工具のような工具に有用である。   Since the polycrystalline diamond according to the present invention has excellent oxidation resistance, it is useful for tools such as a scribe tool, a scribe wheel, a dresser, a rotating tool, a water jet orifice, a wire drawing die, and a cutting tool.

本発明の1つの実施の形態における多結晶ダイヤモンドを基材上に作製した状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state which produced the polycrystalline diamond in one embodiment of this invention on the base material. 本発明の1つの実施の形態における硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンド中の不純物分布の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the impurity distribution in the boron addition nano polycrystalline diamond in one embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態について図1〜図2を用いて説明する。
本実施の形態におけるIII族元素添加ナノ多結晶ダイヤモンドは、該多結晶ダイヤモンド本体を構成する炭素中に原子レベルで分散するように添加されたIII族元素を備える。また、本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、バインダーを使わない、ナノサイズの結晶粒径を持つ多結晶ダイヤモンドである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
The group III element-added nanopolycrystalline diamond in the present embodiment includes a group III element added so as to be dispersed at the atomic level in carbon constituting the polycrystalline diamond body. The nano-polycrystalline diamond of the present embodiment is a polycrystalline diamond having a nano-sized crystal grain size that does not use a binder.

III族元素は、炭素に対して電子が一個少ない結合を取り得る元素であり、ダイヤモンドにおいてアクセプターとなる元素である。III族元素としては、たとえば、硼素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム等を挙げることができる。これらの元素から選ばれる一つ以上の元素を使用可能であるが、同様の機能を有する他の元素を使用してもよい。III族元素の中では、硼素が好適であるが、硼素と他の元素と組合せた混合元素を使用することも可能である。   A group III element is an element that can form a bond with one electron less than carbon, and is an element that serves as an acceptor in diamond. Examples of the group III element include boron, aluminum, gallium, indium, and thallium. One or more elements selected from these elements can be used, but other elements having the same function may be used. Among group III elements, boron is preferred, but it is also possible to use mixed elements in combination with boron and other elements.

図1に示すように、本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンド1は、基材2上に形成され、原子レベルで均一に分散したIII族元素3を含む。なお、「原子レベルで分散する」とは、本願明細書では、たとえば、真空雰囲気中で、炭素と、III族元素とを、気相状態で混合させて固化して固体炭素を作製した場合に、該固体炭素中にIII族元素が分散するレベルの分散状態をいう。   As shown in FIG. 1, a nanopolycrystalline diamond 1 of the present embodiment includes a group III element 3 formed on a substrate 2 and uniformly dispersed at an atomic level. In the present specification, “dispersing at the atomic level” means, for example, when solid carbon is produced by mixing and solidifying carbon and a group III element in a gas phase in a vacuum atmosphere. , A state of dispersion where the group III element is dispersed in the solid carbon.

該ナノ多結晶ダイヤモンド1は、基材上に形成された黒鉛(グラファイト)に高温高圧下で熱処理を施すことで作製可能である。黒鉛は、一体の固体であり、結晶化部分を含む。図1の例では、ナノ多結晶ダイヤモンド1は、平板状の形状を有しているが、任意の形状、厚みとすることが考えられる。基材上に形成された黒鉛に熱処理を施してナノ多結晶ダイヤモンド1を作製した場合には、ナノ多結晶ダイヤモンド1と黒鉛は、基本的に同形状を有することとなる。   The nano-polycrystalline diamond 1 can be produced by subjecting graphite (graphite) formed on a base material to heat treatment under high temperature and high pressure. Graphite is an integral solid and includes a crystallized portion. In the example of FIG. 1, the nanopolycrystalline diamond 1 has a flat plate shape, but it can be considered to have an arbitrary shape and thickness. When the nano-polycrystalline diamond 1 is produced by heat-treating the graphite formed on the base material, the nano-polycrystalline diamond 1 and the graphite basically have the same shape.

上記III族元素は、黒鉛の形成段階で黒鉛中に添加することができる。具体的には、III族元素を含むガスと炭化水素ガスとの混合ガスを1500℃以上の温度で熱分解して基材上に黒鉛を形成し、同時に黒鉛中にIII族元素を添加することができる。   The group III element can be added to the graphite at the stage of forming the graphite. Specifically, a mixed gas of a gas containing a group III element and a hydrocarbon gas is pyrolyzed at a temperature of 1500 ° C. or higher to form graphite on the substrate, and at the same time, a group III element is added to the graphite. Can do.

上記III族元素を含むガスとしては、たとえばIII族元素の水素化物からなる第1のガス、トリメチル硼素、トリエチル硼素、トリメチルボレートから選ばれる一つ以上のガスからなる有機金属系の第2のガス、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、ジメチルアルミニウムハイドライド、トリイソブチルアルミニウムから選ばれる一つ以上のガスからなる有機金属系の第3のガス、トリメチルガリウム、トリエチルガリウムから選ばれる一つ以上のガスからなる有機金属系の第4のガス、トリメチルインジウム、トリエチルインジウムから選ばれる一つ以上のガスからなる有機金属系の第5のガス、トリメチルタリウム、トリエチルタリウムから選ばれる一つ以上のガスからなる有機金属系の第6のガスのいずれかを使用可能である。上記ガスの2つ以上を適宜混合することも考えられる。   Examples of the gas containing the group III element include a first gas composed of a hydride of a group III element, and an organometallic second gas composed of one or more gases selected from trimethyl boron, triethyl boron, and trimethyl borate. An organometallic third gas composed of one or more gases selected from trimethylaluminum, triethylaluminum, dimethylaluminum hydride and triisobutylaluminum, an organometallic composed of one or more gases selected from trimethylgallium and triethylgallium A fourth gas of the system, an organometallic fifth gas composed of one or more gases selected from trimethylindium and triethylindium, an organometallic system composed of one or more gases selected from trimethylthallium and triethylthallium Use any of the 6th gas It is a function. It is also conceivable to appropriately mix two or more of the above gases.

上記のように、気相の状態で黒鉛形成用の原料ガス中にIII族元素を混合して黒鉛中にIII族元素を添加することで、黒鉛中に原子レベルで均一にIII族元素を添加することができる。また、炭化水素ガスに対するIII族元素を含むガスの添加量を適切に調整することで、所望の量のIII族元素を黒鉛に添加することができる。   As described above, by adding a group III element to the graphite forming raw material gas in the gas phase and adding the group III element to the graphite, the group III element is uniformly added to the graphite at the atomic level. can do. Further, by appropriately adjusting the addition amount of the gas containing the group III element to the hydrocarbon gas, a desired amount of the group III element can be added to the graphite.

上記混合ガスの熱分解は真空チャンバ内で行うことができ、この際に真空チャンバ内の真空度を比較的高く設定することで、黒鉛中への不純物混入を抑制することができる。しかし、実際には、黒鉛中には、意図しない不可避不純物が混入してしまう。この不可避不純物としては、窒素、水素、酸素、シリコン、遷移金属等であって、添加することを意図した上記III族元素以外の元素を挙げることができる。   The thermal decomposition of the mixed gas can be performed in a vacuum chamber. At this time, by setting the degree of vacuum in the vacuum chamber to be relatively high, mixing of impurities into the graphite can be suppressed. In practice, however, unintended inevitable impurities are mixed in the graphite. Examples of the inevitable impurities include nitrogen, hydrogen, oxygen, silicon, transition metals, and the like, and elements other than the above group III elements that are intended to be added.

本実施の形態のIII族元素添加ナノ多結晶ダイヤモンドを作製するために使用する黒鉛では、各不可避不純物の量が0.01質量%以下程度である。つまり、黒鉛中の不可避不純物濃度が、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)分析での検出限界以下程度である。また、遷移金属については、黒鉛中の濃度が、ICP(Inductively Coupled Plasma)分析やSIMS分析における検出限界以下程度である。   In the graphite used for producing the group III element-added nanopolycrystalline diamond of the present embodiment, the amount of each inevitable impurity is about 0.01% by mass or less. That is, the inevitable impurity concentration in the graphite is about the detection limit or less in SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) analysis. Moreover, about the transition metal, the density | concentration in graphite is below the detection limit in ICP (Inductively Coupled Plasma) analysis or SIMS analysis.

このように、黒鉛中の不純物量をSIMS分析やICP分析での検出限界レベルにまで低下させることで、該黒鉛を用いてダイヤモンドを作製した場合に、添加することを意図したIII族元素以外の不純物量が極めて少ない多結晶ダイヤモンドを作製することができる。なお、SIMS分析やICP分析での検出限界より若干多い不純物を含む黒鉛を用いた場合でも、従来と比較すると格段に優れた特性の多結晶ダイヤモンドが得られる。
図2に、本実施の形態におけるナノ多結晶ダイヤモンド中の硼素および不純物分布の一例を示す。なお、図2に示される硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドは、上述のIII族元素である硼素を含有した黒鉛を、10−2Paの真空雰囲気中で、2000℃で熱処理して得られたものである。また、硼素濃度や不純物濃度はSIMS分析にて測定した。
図2に示されるように、ダイヤモンド中の硼素濃度および各不純物の濃度の深さ方向のばらつきが小さくなっているのがわかる。また、本実施の形態におけるナノ多結晶ダイヤモンド中の不純物量が極めて低い値となっていることがわかる。
下記の表1に、硼素源としてのBCと、従来の手法で作製した黒鉛とを混合し、10−2Paの真空雰囲気中で、2000℃で熱処理することで、黒鉛に硼素を固溶して得られた硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドと、本実施の形態の硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドについて、BCの混入率を比較した結果を示す。
In this way, by reducing the amount of impurities in graphite to the detection limit level in SIMS analysis and ICP analysis, when producing diamond using the graphite, other than the group III element intended to be added Polycrystalline diamond having an extremely small amount of impurities can be produced. Even when graphite containing impurities slightly larger than the detection limit in SIMS analysis or ICP analysis is used, polycrystalline diamond having characteristics that are remarkably superior to conventional ones can be obtained.
FIG. 2 shows an example of boron and impurity distribution in nano-polycrystalline diamond in the present embodiment. The boron-added nanopolycrystalline diamond shown in FIG. 2 was obtained by heat-treating graphite containing boron, which is a group III element, at 2000 ° C. in a vacuum atmosphere of 10 −2 Pa. is there. Boron concentration and impurity concentration were measured by SIMS analysis.
As shown in FIG. 2, it can be seen that the variation in the depth direction of the boron concentration and the concentration of each impurity in the diamond is small. It can also be seen that the amount of impurities in the nanopolycrystalline diamond in the present embodiment has a very low value.
In Table 1 below, B 4 C as a boron source and graphite prepared by a conventional method are mixed and heat-treated at 2000 ° C. in a vacuum atmosphere of 10 −2 Pa to fix boron to the graphite. The result of comparing the mixing ratio of B 4 C between the boron-doped nanopolycrystalline diamond obtained by melting and the boron-doped nanopolycrystalline diamond of the present embodiment is shown.

表1に示すように、黒鉛に硼素を固溶して得られた硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドでは、添加する硼素濃度が増大するにつれてBCの混入率が高くなるのに対し、本実施の形態の硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドでは、添加する硼素濃度が増大しても、BCの混入率は0.01質量%未満と極めて低くなっているのがわかる。 As shown in Table 1, in the boron-added nanopolycrystalline diamond obtained by dissolving boron in graphite, the B 4 C mixing rate increases as the concentration of boron added increases. It can be seen that in the form of boron-doped nanopolycrystalline diamond, even when the boron concentration to be added increases, the B 4 C mixing rate is extremely low, less than 0.01% by mass.

本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、上記のようにIII族元素を原子レベルで均一に含む一方で、不純物量は極めて少ない。このナノ多結晶ダイヤモンドでは、炭素中でIII族元素の原子が、クラスター状に凝集することがなく、ダイヤモンド全体にわたってほぼ均一に分散した状態となる。理想的には、III族元素の原子は、上記炭素中で、互いに孤立した状態で存在する。III族元素の原子は、炭素原子と置換した状態で炭素(ダイヤモンド本体)中に存在し、炭素中に単純に混入された状態ではなく、III族元素の原子と炭素原子とが化学的に結合したような状態となる。   The nano-polycrystalline diamond of the present embodiment contains the group III element uniformly at the atomic level as described above, but has a very small amount of impurities. In this nano-polycrystalline diamond, atoms of group III elements do not aggregate in a cluster shape in carbon, and are in a state of being almost uniformly dispersed throughout the diamond. Ideally, the atoms of the group III element are present in isolation from each other in the carbon. Group III element atoms are present in carbon (diamond body) in a state of substitution with carbon atoms, and are not simply mixed in carbon, but group III element atoms and carbon atoms are chemically bonded. It becomes the state that did.

上記のように、本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドが炭素中に原子レベルで分散するIII族元素を備えるので、従来にないレベルで、III族元素が均一に添加されたナノ多結晶ダイヤモンドが得られる。また、ナノ多結晶ダイヤモンド中にIII族元素を原子レベルで均一に分散させることができるので、ダイヤモンド全体にわたって所望のp型導電性を付与することができる。   As described above, since the nanopolycrystalline diamond of the present embodiment includes a group III element dispersed at an atomic level in carbon, the nanopolycrystalline diamond in which the group III element is uniformly added at an unprecedented level is provided. can get. Further, since the group III element can be uniformly dispersed at the atomic level in the nanopolycrystalline diamond, desired p-type conductivity can be imparted over the entire diamond.

III族元素を添加した本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドでは、III族元素が原子レベルでダイヤモンド中に分散しているので、上述のように凝集した状態でダイヤモンド中に混入したIII族元素がほとんど存在しない。また、添加されたIII族元素はダイヤモンドの結晶粒界に凝集することもなく、ダイヤモンド中に不純物も極めて少ないので、ダイヤモンド結晶の異常成長をも効果的に抑制することができる。その結果、10〜500nmといったナノサイズの結晶粒径(結晶粒の最大長さ)を有し、かつp型導電性を有するナノ多結晶ダイヤモンドが得られる。   In the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment to which the group III element is added, the group III element is dispersed in the diamond at the atomic level, so that the group III element mixed in the diamond in an aggregated state as described above Almost does not exist. Further, the added group III element does not aggregate at the crystal grain boundary of diamond, and the impurities in the diamond are extremely small, so that abnormal growth of the diamond crystal can be effectively suppressed. As a result, nano-polycrystalline diamond having a nano-sized crystal grain size (maximum crystal grain length) of 10 to 500 nm and p-type conductivity is obtained.

さらに、本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドでは、ダイヤモンド中でのIII族元素の濃度分布も生じ難くなる。このことからも、ダイヤモンドの結晶粒の局所的な異常成長を効果的に抑制することができる。その結果、従来例と比較すると、ダイヤモンドの結晶粒の大きさをも揃えることができる。   Furthermore, in the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment, the concentration distribution of group III elements in the diamond is less likely to occur. Also from this, local abnormal growth of diamond crystal grains can be effectively suppressed. As a result, compared with the conventional example, the size of diamond crystal grains can be made uniform.

ダイヤモンド中のIII族元素の濃度は、任意に設定可能である。ダイヤモンド中のIII族元素の濃度を高くすることも低くすることも可能である。いずれの場合も、ダイヤモンド中にIII族元素を均一に分散させることができるので、ダイヤモンド中でIII族元素の濃度分布が生じるのを効果的に抑制することができる。それにより、ダイヤモンドの局所的な導電性のばらつきの発生をも効果的に抑制することができる。   The concentration of the group III element in diamond can be arbitrarily set. It is possible to increase or decrease the concentration of the group III element in diamond. In any case, since the group III element can be uniformly dispersed in the diamond, it is possible to effectively suppress the concentration distribution of the group III element in the diamond. Thereby, it is possible to effectively suppress the occurrence of variation in local conductivity of diamond.

なお、III族元素の添加濃度は、ダイヤモンドにp型導電性を付与するためには、1014〜1022/cm程度の範囲が好ましい。ダイヤモンドに金属的な良好な導電性を付与するためには、III族元素の添加濃度は、1019/cm程度以上であることが好ましく、ダイヤモンドに半導体性を付与するには、III族元素の添加濃度は、1014〜1019/cm未満程度が好ましい。 The concentration of the Group III element is preferably in the range of about 10 14 to 10 22 / cm 3 in order to impart p-type conductivity to diamond. In order to impart good metallic conductivity to diamond, the group III element addition concentration is preferably about 10 19 / cm 3 or more, and in order to impart semiconductivity to diamond, a group III element The addition concentration of is preferably less than about 10 14 to 10 19 / cm 3 .

上記のようにIII族元素を添加することで、ノンドープナノ多結晶ダイヤモンドに比べて硬度が低下することが懸念されたが、硬度は同等であった。つまり、本実施の形態のIII族元素添加ナノ多結晶ダイヤモンドは、ノンドープナノ多結晶ダイヤモンドと同等の硬度を有し、かつp型導電性を備えることとなる。   Although there was a concern that the addition of a group III element as described above would result in a decrease in hardness compared to non-doped nanopolycrystalline diamond, the hardness was equivalent. That is, the group III element-added nanopolycrystalline diamond of the present embodiment has the same hardness as the non-doped nanopolycrystalline diamond and has p-type conductivity.

本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドを用いて、例えば切削工具を作製したところ、導電性を持ちながらもノンドープナノ多結晶ダイヤモンドと同等以上の切削性能、寿命(耐摩耗特性)を持つことが分かった。さらに、絶縁材料を切削した場合も、ナノ多結晶ダイヤモンドが導電性を有することから、静電気による削りかすの付着が抑制されるという利点もあった。なお、本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドの用途については、後に詳述する。   When, for example, a cutting tool is manufactured using the nano-polycrystalline diamond of this embodiment, it has been found that it has cutting performance and life (wear resistance) equivalent to or higher than that of non-doped nano-polycrystalline diamond while having conductivity. It was. Further, when the insulating material is cut, the nano-polycrystalline diamond has conductivity, so that there is an advantage that adhesion of shavings due to static electricity is suppressed. The use of the nanopolycrystalline diamond of the present embodiment will be described in detail later.

次に、本実施の形態のIII族元素添加ナノ多結晶ダイヤモンドの製造方法について説明する。   Next, a method for producing the group III element-added nanopolycrystalline diamond of the present embodiment will be described.

まず、真空チャンバ内で、1500℃以上3000℃以下程度の温度に基材を加熱する。加熱方法としては周知の手法を採用することができる。たとえば、基材を直接あるいは間接的に1500℃以上の温度に加熱可能なヒータを真空チャンバに設置することが考えられる。   First, the substrate is heated to a temperature of about 1500 ° C. or higher and 3000 ° C. or lower in a vacuum chamber. A well-known method can be adopted as the heating method. For example, it is conceivable to install a heater in the vacuum chamber that can directly or indirectly heat the substrate to a temperature of 1500 ° C. or higher.

基材としては、1500℃〜3000℃程度の温度に耐え得る材料であれば、いかなる金属、無機セラミック材料、炭素材料でも使用可能である。しかし、原材料となる黒鉛に不純物を混入させないという観点から、基材を炭素で作製することが好ましい。より好ましくは、基材を、不純物の極めて少ないダイヤモンドや黒鉛で構成することが考えられる。この場合、少なくとも上記基材の表面を、ダイヤモンドや黒鉛で構成すればよい。   As the substrate, any metal, inorganic ceramic material, and carbon material can be used as long as the material can withstand a temperature of about 1500 ° C. to 3000 ° C. However, the base material is preferably made of carbon from the viewpoint of preventing impurities from being mixed into the raw material graphite. More preferably, it is conceivable that the base material is composed of diamond or graphite with very few impurities. In this case, at least the surface of the substrate may be composed of diamond or graphite.

次に、真空チャンバ内に、炭化水素ガスと、III族元素を含むガスとを導入する。このとき、真空チャンバ内の真空度は20〜100Torr程度にしておく。それにより、炭化水素ガスとIII族元素を含むガスとを真空チャンバ内で混合することができる。この混合ガスを1500℃以上の温度で熱分解することにより、基材上に、III族元素を原子レベルで取り込んだ黒鉛を形成することができる。なお、混合ガスの導入後に基材を加熱し、該基材上にIII族元素を含む黒鉛を形成するようにしてもよい。   Next, a hydrocarbon gas and a gas containing a group III element are introduced into the vacuum chamber. At this time, the degree of vacuum in the vacuum chamber is set to about 20 to 100 Torr. Thereby, hydrocarbon gas and the gas containing a group III element can be mixed within a vacuum chamber. By pyrolyzing the mixed gas at a temperature of 1500 ° C. or higher, graphite in which a group III element is taken in at an atomic level can be formed on the substrate. Note that the base material may be heated after introducing the mixed gas to form graphite containing a group III element on the base material.

上記炭化水素ガスとしては、たとえばメタンガスを使用可能である。III族元素を含むガスとしては、上述の各種ガスを使用することができる。炭化水素ガスとIII族元素を含むガスとの混合ガスは、例えば10−7%〜100%までの比率で真空チャンバ内に導入することができる。 For example, methane gas can be used as the hydrocarbon gas. As the gas containing a group III element, the various gases described above can be used. A mixed gas of a hydrocarbon gas and a gas containing a group III element can be introduced into the vacuum chamber at a ratio of 10 −7 % to 100%, for example.

黒鉛の形成時には、炭化水素ガスと、III族元素を含むガスとを、基材の表面に向けて流すようにすることが好ましい。それにより、基材近傍で効率的に各ガスを混合することができ、III族元素を含有する黒鉛を効率的に基材上に生成することができる。炭化水素ガスやIII族元素含有ガスは、基材の真上から基材に向けて供給してもよく、斜め方向あるいは水平方向から基材に向けて供給するようにしてもよい。真空チャンバ内に、炭化水素ガスやIII族元素含有ガスを基材に導く案内部材を設置することも考えられる。   During the formation of graphite, it is preferable that a hydrocarbon gas and a gas containing a group III element flow toward the surface of the substrate. Thereby, each gas can be mixed efficiently in the vicinity of the substrate, and graphite containing a group III element can be efficiently generated on the substrate. The hydrocarbon gas and the group III element-containing gas may be supplied from directly above the base material toward the base material, or may be supplied from the oblique direction or the horizontal direction toward the base material. It is also conceivable to install a guide member that guides hydrocarbon gas or group III element-containing gas to the base material in the vacuum chamber.

上記のようにして製造され、III族元素が炭素中に原子レベルで分散するように添加された黒鉛を、高圧プレス装置等を用いて、高温高圧下で焼結することで、従来にないレベルでIII族元素が均一に添加されたIII族元素添加ナノ多結晶ダイヤモンドを作製することができる。   Sintering the graphite produced as described above and added with the group III element dispersed in carbon at an atomic level at a high temperature and high pressure using a high-pressure press or the like, a level unprecedented Thus, a group III element-added nanopolycrystalline diamond in which a group III element is uniformly added can be produced.

なお、黒鉛をダイヤモンドに変換する工程では、焼結助剤や触媒を添加することなく、高圧下で黒鉛に熱処理を施すことが好ましい。また、黒鉛をダイヤモンドに変換する工程では、基材上に形成された黒鉛に8GPa以上、1500℃以上の高温高圧下で熱処理を施してもよい。   In the step of converting graphite to diamond, it is preferable to heat treat graphite under high pressure without adding a sintering aid or catalyst. In the step of converting graphite into diamond, the graphite formed on the substrate may be subjected to heat treatment at a high temperature and high pressure of 8 GPa or more and 1500 ° C. or more.

本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドの作製に使用可能な上記黒鉛は、例えば一部に結晶化部分を含む結晶状あるいは多結晶である。また、黒鉛の密度は、好ましくは、0.8g/cmより大きい。それにより、黒鉛を焼結した際の体積変化を小さくすることができる。また、黒鉛を焼結した際の体積変化を小さくして歩留まりを向上させるという観点から、実験的には、黒鉛の密度を1.4g/cm以上2.0g/cm以下程度とすることが更に好ましい。 The graphite that can be used for producing the nano-polycrystalline diamond according to the present embodiment is, for example, crystalline or polycrystalline that partially includes a crystallization portion. Also, the density of graphite is preferably greater than 0.8 g / cm 3 . Thereby, the volume change at the time of sintering graphite can be made small. Also, from the viewpoint of improving the yield by reducing the volume change when graphite is sintered, the density of graphite should be about 1.4 g / cm 3 or more and 2.0 g / cm 3 or less experimentally. Is more preferable.

黒鉛の密度を上記の範囲とするのは、黒鉛の密度が1.4g/cmよりも低い場合には、高温高圧プロセス時の体積変化が大きすぎて、温度制御がきかなくなることがあると考えられるからである。また、黒鉛の密度が2.0g/cmより大きいと、ダイヤモンドに割れの発生する確率が2倍以上になってしまうことがあるからである。 The reason why the density of the graphite is within the above range is that when the density of the graphite is lower than 1.4 g / cm 3 , the volume change during the high-temperature and high-pressure process is too large, and the temperature control may not be possible. It is possible. Moreover, if the density of graphite is larger than 2.0 g / cm 3 , the probability that diamond will crack may be doubled or more.

次に、本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドの適用例について説明する。
硼素のようなアクセプターが添加されたp型ダイヤモンドでは、4価の炭素の一部を3価の原子が占めることになる。この場合、共有結合電子が、系として、1個不足した状態になるが、外部から電子を得て、ダイヤモンド構造を保つことができる。
Next, application examples of the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment will be described.
In p-type diamond to which an acceptor such as boron is added, a trivalent atom occupies a part of tetravalent carbon. In this case, the number of covalently bonded electrons becomes insufficient in the system, but the diamond structure can be maintained by obtaining electrons from the outside.

他方、n型ダイヤモンドの場合には、ドナーが活性化して電子を放出すると、その電子は、導伝帯すなわち、反結合性の軌道のバンド化によって作られるエネルギー状態を占めることとなる。そのため、ダイヤモンド結合が弱くなる傾向にあると考えられる。   On the other hand, in the case of n-type diamond, when the donor is activated and emits electrons, the electrons occupy the conduction state, that is, the energy state created by banding of antibonding orbitals. For this reason, it is considered that the diamond bond tends to be weakened.

それに対し、アクセプターの場合には、電子を1個受け取った分だけ、非結合の共有結合を完全に満たすため、ダイヤモンドの結合性が高くなると考えられる。すなわち、アクセプターをダイヤモンドに添加することで、ダイヤモンドの耐熱特性や耐摩耗性の向上が期待できる。   On the other hand, in the case of an acceptor, it is considered that the bondability of diamond increases because the non-bonded covalent bond is completely satisfied by the amount of one electron received. That is, by adding an acceptor to diamond, it can be expected to improve the heat resistance and wear resistance of diamond.

例えば本実施の形態の硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドでは、ダイヤモンド中に硼素を原子レベルで分散させることができるので、異種元素である硼素を多量にダイヤモンドに添加しても、ダイヤモンドの機械的特性は全く損なわれない。そのため、本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、ノンドープでバインダー(結合材)レスのナノ多結晶ダイヤモンドと同等の高いヌープ硬度を有する。このようなナノ多結晶ダイヤモンドは、様々な機械加工に使用される工具に有用である。   For example, in the boron-doped nanopolycrystalline diamond of the present embodiment, boron can be dispersed in the diamond at the atomic level. Therefore, even if a large amount of boron, which is a different element, is added to the diamond, the mechanical properties of the diamond are It is not damaged at all. Therefore, the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment has a high Knoop hardness equivalent to that of the non-doped binder-less nano-polycrystalline diamond. Such nano-polycrystalline diamond is useful for tools used in various machining processes.

本願発明者等が、本実施の形態の手法で作製され、それぞれ硼素を0.1質量%、0.3質量%、0.6質量%含む硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドを用いて切削工具を作製し、実際にアルミニウム材の切削を行ったところ、30km切削時でも、逃げ面の磨耗量は3μm以下と小さかった。それに対し、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドを用いて切削工具を作製し、同様の試験を行ったところ、逃げ面の磨耗量は、上記の硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドの場合の2倍以上となった。   The inventors of the present invention manufactured a cutting tool using boron-doped nanopolycrystalline diamond prepared by the method of the present embodiment and containing 0.1% by mass, 0.3% by mass, and 0.6% by mass of boron, respectively. However, when the aluminum material was actually cut, the amount of wear on the flank surface was as small as 3 μm or less even when cutting 30 km. On the other hand, when a cutting tool was prepared using non-doped nanopolycrystalline diamond and the same test was performed, the amount of wear on the flank face was more than twice that of the above boron-doped nanopolycrystalline diamond. .

また、本実施の形態の硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドと、従来の手法で硼素を添加した多結晶ダイヤモンドと、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドと、単結晶ダイヤモンドとを準備し、♯1500の砥石を用い、250rpmで30分、2.5kgの荷重を加えて研磨したところ、本実施の形態の硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドの磨耗量が0.01〜0.02μm/分と極めて小さいことを確認できた。なお、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドを含む他のダイヤモンドの磨耗量は、本実施の形態の硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドの磨耗量の5倍以上もあった。   Also, boron-doped nanopolycrystalline diamond of the present embodiment, polycrystalline diamond doped with boron by a conventional method, non-doped nanopolycrystalline diamond, and single-crystal diamond are prepared, and a # 1500 grindstone is used. When polishing was performed by applying a load of 2.5 kg for 30 minutes at 250 rpm, it was confirmed that the wear amount of the boron-added nanopolycrystalline diamond of this embodiment was as extremely small as 0.01 to 0.02 μm / min. . The amount of wear of other diamonds including non-doped nanopolycrystalline diamond was more than five times the amount of wear of the boron-doped nanopolycrystalline diamond of the present embodiment.

以上のことから、本実施の形態の硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドを用いて工具を作製することで、優れた耐磨耗性が得られることを確認できた。   From the above, it was confirmed that excellent wear resistance was obtained by producing a tool using the boron-added nanopolycrystalline diamond of the present embodiment.

本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、導電性を有するので、放電加工にも適用することができる。より詳しくは、本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、凹状曲面などの複雑な三次元形状を作製するための工具に適用可能である。   Since the nanopolycrystalline diamond of the present embodiment has conductivity, it can also be applied to electric discharge machining. More specifically, the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment can be applied to a tool for producing a complicated three-dimensional shape such as a concave curved surface.

例えば多結晶ダイヤモンド中へ硼素を添加する場合、放電加工への適用が可能な良導体とするためには、ダイヤモンドへの硼素の添加濃度は、1020〜1022/cm程度の範囲内であることが好ましい。ここで、硼素の添加濃度を1022/cmよりも高めると、ダイヤモンド中での硼素の均質分散が困難となり、多結晶ダイヤモンドの機械的特性を損なうことが懸念される。よって、上記のようにダイヤモンドへの硼素の添加濃度は1022/cm以下であることが好ましい。 For example, when boron is added to polycrystalline diamond, the concentration of boron added to diamond is in the range of about 10 20 to 10 22 / cm 3 in order to obtain a good conductor that can be applied to electric discharge machining. It is preferable. Here, when the boron addition concentration is higher than 10 22 / cm 3 , it is difficult to uniformly disperse boron in diamond, and there is a concern that the mechanical properties of polycrystalline diamond may be impaired. Therefore, as described above, the concentration of boron added to diamond is preferably 10 22 / cm 3 or less.

本願発明者等は、本実施の形態の手法でナノ多結晶ダイヤモンドに硼素を添加することで、異種元素が添加されていないノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドよりも、有酸素雰囲気中での耐熱性(耐酸化性)を向上させることができることをも見出した。   By adding boron to nanopolycrystalline diamond by the method of the present embodiment, the inventors of the present application have higher heat resistance in an aerobic atmosphere than non-doped nanopolycrystalline diamond to which a different element is not added ( It has also been found that the (oxidation resistance) can be improved.

本願発明者等が、本実施の形態の手法で、それぞれ硼素を0.1質量%、0.3質量%、0.6質量%含む硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドを作製し、比較例としてノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドを準備し、500℃〜900℃の温度で1時間の熱処理を施した後の各ダイヤモンドの残存量を測定したところ、本実施の形態の硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドの残存量は、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドの残存量の4倍以上もあった。つまり、本実施の形態の硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドが、有酸素雰囲気中で優れた耐熱性(耐酸化性)を有することを確認することができた。   The inventors of the present application prepared boron-doped nanopolycrystalline diamond containing 0.1% by mass, 0.3% by mass, and 0.6% by mass of boron, respectively, by the method of the present embodiment. Nano-polycrystalline diamond was prepared and the residual amount of each diamond after heat treatment at 500 ° C. to 900 ° C. for 1 hour was measured. The residual amount of boron-added nano-polycrystalline diamond of this embodiment was There were more than four times the remaining amount of non-doped nanopolycrystalline diamond. That is, it was confirmed that the boron-doped nanopolycrystalline diamond of the present embodiment has excellent heat resistance (oxidation resistance) in an aerobic atmosphere.

多結晶ダイヤモンドを切削工具に使用した場合、切削中に切削液やミストにより工具刃先を冷却しても、切削点での被削材との摺動により、工具刃先の温度は1000℃近くにまで達する。そのため、多結晶ダイヤモンドを切削工具に使用する場合には、耐酸化性に優れることも要求される。   When polycrystalline diamond is used for a cutting tool, even if the tool edge is cooled by cutting fluid or mist during cutting, the temperature of the tool edge will be close to 1000 ° C due to sliding with the work material at the cutting point. Reach. Therefore, when using polycrystalline diamond for a cutting tool, it is also required to have excellent oxidation resistance.

本実施の形態に係る硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドの場合、有酸素雰囲気中で高温に晒されると、該ナノ多結晶ダイヤモンドの表面に硼素の酸化物被膜が形成される。このため、本実施の形態に係る硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドは、通常の多結晶ダイヤモンドよりも優れた耐酸化性を有することとなる。したがって、本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、切削工具にも有用であり、該ナノ多結晶ダイヤモンドを使用することにより、複雑形状の加工も行える。また、工具寿命をも長くすることができ、高い形状精度を維持した加工が可能な切削工具を提供することができる。   In the case of the boron-doped nanopolycrystalline diamond according to the present embodiment, a boron oxide film is formed on the surface of the nanopolycrystalline diamond when exposed to a high temperature in an aerobic atmosphere. For this reason, the boron-added nanopolycrystalline diamond according to the present embodiment has better oxidation resistance than ordinary polycrystalline diamond. Therefore, the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment is also useful for a cutting tool, and complex shapes can be processed by using the nano-polycrystalline diamond. In addition, it is possible to provide a cutting tool capable of extending the tool life and capable of processing while maintaining high shape accuracy.

さらに、上記の硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドでは、ダイヤモンド中に硼素が原子レベルで分散しているため、有酸素雰囲気下で高温に晒されるダイヤモンドの表面全体にわたってほぼ均一に硼素の酸化被膜を形成することができる。このため、耐酸化性が極めて高くなり、上述の効果が顕著となる。   Further, in the above boron-added nanopolycrystalline diamond, boron is dispersed at an atomic level in the diamond, so that a boron oxide film is formed almost uniformly over the entire surface of diamond exposed to high temperature in an aerobic atmosphere. be able to. For this reason, oxidation resistance becomes very high and the above-mentioned effect becomes remarkable.

絶縁性のナノ多結晶ダイヤモンドを工具に使用する場合には、ダイヤモンドの加工方法に制限がある。より詳しくは、工具として使用可能なレベルに刃先を精密に仕上げる方法として、ほぼ機械研磨に頼るしかない。そのため、絶縁性のナノ多結晶ダイヤモンドは、平面的な形状の工具にしか適用できない。具体的には、単結晶ダイヤモンドでも製造されている平面のみで構成される矩形バイトやV字形状のバイト、平面と1つの曲面で構成されるRバイト等に工具形状が限定される。回転工具としても、平面的なRバイト円弧の一部を切り取った刃先形状のボールエンドミルや、四角錐の四コーナーを切れ刃としたドリルなど、平面構成された単純形状に限定される。   When insulating nano-polycrystalline diamond is used for a tool, there are limitations on the diamond processing method. More specifically, as a method of precisely finishing the cutting edge to a level usable as a tool, there is no choice but to rely on mechanical polishing. Therefore, the insulating nano-polycrystalline diamond can be applied only to a planar tool. Specifically, the tool shape is limited to a rectangular cutting tool composed of only a flat surface, which is made of single crystal diamond, a V-shaped cutting tool, an R cutting tool composed of a flat surface and one curved surface, or the like. The rotary tool is also limited to a simple shape having a planar configuration, such as a ball-end mill having a cutting edge shape obtained by cutting off a part of a flat R bit arc, or a drill having four corners of a quadrangular pyramid as cutting edges.

それに対し、本実施の形態の導電性ナノ多結晶ダイヤモンドの場合、耐酸化性に優れているので、様々な刃先の研磨方法を採用することができる。そのため、絶縁性のナノ多結晶ダイヤモンドの場合よりも複雑な形状の切削工具や回転工具に適用することが可能となる。   In contrast, the conductive nanopolycrystalline diamond of the present embodiment is excellent in oxidation resistance, and therefore various blade edge polishing methods can be employed. Therefore, it can be applied to a cutting tool or a rotary tool having a more complicated shape than that of insulating nano-polycrystalline diamond.

他方、光学素子の大面積化により、金型の大型化が進んでおり、大面積金型の連続切削が可能な耐摩耗性の高い工具に対する要望も高まっている。本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、耐摩耗性にも極めて優れているので、このような工具にも適用可能である。   On the other hand, due to the increase in the area of the optical element, the size of the mold is increasing, and the demand for a tool with high wear resistance capable of continuous cutting of the large area mold is also increasing. The nano-polycrystalline diamond of the present embodiment is extremely excellent in wear resistance and can be applied to such a tool.

また、従来、ウオータージェット用オリフィスの材質として単結晶ダイヤモンドが用いられている。しかし、単結晶ダイヤモンドでは、その結晶方位に依存して摩耗量が異なる(偏摩耗)ので、使用時間の経過にともない目的の切断幅が得られなくなるという問題がある。   Conventionally, single crystal diamond has been used as the material for the water jet orifice. However, with single crystal diamond, the amount of wear varies depending on the crystal orientation (uneven wear), so that there is a problem that the desired cutting width cannot be obtained with the passage of time of use.

例えば単結晶ダイヤモンドの(111)面と(100)面とでは、摩耗量は大幅に異なるが、単結晶ダイヤモンド製のオリフィスは、そのオリフィス孔内面の周方向に様々な結晶方位の面を有している。そのため、使用開始当初はオリフィス孔内面が円筒形状であっても、オリフィスの使用に伴い短時間で摩耗しやすい面の摩耗が進行し、円筒形状が崩れ、オリフィス孔の内面形状が円筒形状から6角形などの多角形に拡がってしまう。その結果、上述のように目的の切断幅が得られなくなるという問題が生じる。   For example, although the amount of wear differs greatly between the (111) plane and the (100) plane of single crystal diamond, the orifice made of single crystal diamond has surfaces with various crystal orientations in the circumferential direction of the inner surface of the orifice hole. ing. Therefore, even if the orifice hole inner surface has a cylindrical shape at the beginning of use, the wear of the surface that easily wears in a short time with use of the orifice progresses, the cylindrical shape collapses, and the inner surface shape of the orifice hole changes from the cylindrical shape to 6 It expands to a polygon such as a square. As a result, there arises a problem that the desired cutting width cannot be obtained as described above.

上記の偏摩耗の対策として、焼結ダイヤモンドを用いることが考えられる。焼結ダイヤモンドは、ダイヤモンド粒子をコバルト等の金属バインダーを用いて焼結して作製され、ダイヤモンド粒子間には金属バインダーが存在している。しかし、金属バインダー部分がダイヤモンド粒子よりも軟らかいため、やはり短時間で摩耗が進行する。バインダーが減少すればダイヤモンド粒子の脱落も起こり、オリフィス孔が拡がり、長期間安定した切断幅が得られないという問題がある。特に、切断効率の向上を目的としたウォータージェットの場合、水に硬質粒子(アルミナ等)を添加した溶液を高圧で噴射するため、ダイヤモンド粒子よりも軟らかい金属バインダー部分は短時間で摩耗が進行し、長期間安定した切断幅が得られないという問題がある。   It is conceivable to use sintered diamond as a countermeasure against the above-mentioned uneven wear. Sintered diamond is produced by sintering diamond particles using a metal binder such as cobalt, and a metal binder exists between the diamond particles. However, since the metal binder portion is softer than the diamond particles, the wear proceeds in a short time. If the binder decreases, diamond particles also drop off, and the orifice hole expands, resulting in a problem that a stable cutting width cannot be obtained for a long time. In particular, in the case of a water jet for the purpose of improving cutting efficiency, since a solution in which hard particles (alumina, etc.) are added to water is injected at a high pressure, wear of the metal binder part softer than diamond particles proceeds in a short time. There is a problem that a stable cutting width cannot be obtained for a long time.

また、金属バインダーを含まない多結晶ダイヤモンドとして、CVD(化学気相蒸着)法で金属製オリフィス孔の内面にダイヤモンド薄膜をコーティングする方法がある。しかし、薄膜であることや、ダイヤモンド粒子間の結合力が小さい等の理由で、摩耗が進行し易く、寿命が短いという問題がある。   In addition, there is a method in which a diamond thin film is coated on the inner surface of a metal orifice hole by CVD (chemical vapor deposition) as polycrystalline diamond containing no metal binder. However, there is a problem that wear tends to progress and the life is short because of the thin film and the low bonding force between diamond particles.

それに対し、本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、多結晶であり、耐摩耗性にも極めて優れているため、上述のような偏摩耗を効果的に抑制することができる。また、本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、バインダーを含まないので、バインダー部分での磨耗の進行をも回避することができる。したがって、本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、ウォータージェット用オリフィスにも有用である。   On the other hand, the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment is polycrystalline and extremely excellent in wear resistance, so that the uneven wear as described above can be effectively suppressed. Moreover, since the nano-polycrystalline diamond of this Embodiment does not contain a binder, the progress of wear at the binder portion can also be avoided. Therefore, the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment is also useful for water jet orifices.

上記以外のダイヤモンド素材の適用例として、伸線ダイスの材質として単結晶ダイヤモンドを用いる例を挙げることができる。   As an application example of the diamond material other than the above, an example in which single crystal diamond is used as the material of the wire drawing die can be given.

しかし、単結晶ダイヤモンドには、上述のような偏摩耗の問題が生じることから、単結晶ダイヤモンドを使用した伸線ダイスでは、使用時間の経過にともない目的の線径及び真円度が得られなくなるという問題がある。   However, since the above-mentioned problem of uneven wear occurs in single crystal diamond, the wire diameter die using single crystal diamond cannot obtain the desired wire diameter and roundness with the lapse of use time. There is a problem.

単結晶ダイヤモンド製の伸線ダイスの場合も、ウォータージェット用オリフィスの場合と同様に、ダイス孔内面は周方向に様々な結晶方位の面を有する。そのため、使用開始当初はダイス孔内面の形状が円形であっても、摩耗しやすい面の摩耗が短時間で進行し、ダイス孔内面の形状は、円形から、6角形などの多角形の形状に拡がってしまう。その結果、目的の線径及び真円度が得られなくなるという問題がある。   Also in the case of a single crystal diamond wire drawing die, the inner surface of the die hole has surfaces of various crystal orientations in the circumferential direction, as in the case of the orifice for water jet. Therefore, even when the shape of the inner surface of the die hole is circular at the beginning of use, wear of the surface that is easily worn proceeds in a short time, and the shape of the inner surface of the die hole is changed from a circular shape to a polygonal shape such as a hexagon. It will spread. As a result, there is a problem that the target wire diameter and roundness cannot be obtained.

上記の偏摩耗の対策として、焼結ダイヤモンドを用いることも考えられるが、ウォータージェット用オリフィスの場合と同様に、ダイス孔が拡がり長期間安定した線径及び真円度が得られないという問題がある。   As a countermeasure against the above-mentioned uneven wear, it is conceivable to use sintered diamond. However, as in the case of the orifice for water jet, there is a problem that the die hole expands and a stable wire diameter and roundness cannot be obtained for a long time. is there.

そこで、酸を使ってバインダーを除去して使用することが考えられるが、ダイヤモンド粒子同士の結合力が低いためダイヤモンド粒が脱落し、やはり目的の線径及び真円度が得られなくなるという問題がある。   Therefore, it can be considered that the binder is removed using an acid, but the diamond particles fall off due to the low bonding force between the diamond particles, and the desired wire diameter and roundness cannot be obtained. is there.

バインダーを含まない多結晶ダイヤモンドである、CVD法による多結晶ダイヤモンドを使用することも考えられるが、やはりダイヤモンド粒子間の結合力が小さいので摩耗が進行し易く、寿命が短いという問題がある。同様に、高純度グラファイトを出発物質として、8GPa以上、2200℃以上の超高圧高温下における間接加熱による直接変換焼結により得られた、バインダーを含まない多結晶ダイヤモンドを用いることも考えられるが、この場合には、耐酸化性が悪いため、摩耗が進行し易く、寿命が短いという問題がある。   Although it is conceivable to use a polycrystalline diamond obtained by CVD, which is a polycrystalline diamond not containing a binder, there is a problem that wear is likely to proceed because the bonding force between diamond particles is small, and the life is short. Similarly, it is also possible to use polycrystalline diamond containing no binder, obtained by direct conversion sintering by indirect heating at an ultrahigh pressure and high temperature of 8 GPa or more and 2200 ° C. or more using high-purity graphite as a starting material. In this case, since the oxidation resistance is poor, there is a problem that wear tends to proceed and the life is short.

さらに、孔形状が円形以外の四角形等の多角形の伸線ダイスを製作する場合、単結晶ダイヤモンドはレーザーで加工されるため、高精度な加工は困難であった。金属バインダーを含むダイヤモンドは導電性があり放電加工が可能であるが、ダイヤモンドの粒径が大きいために、同様に高精度な加工は困難であった。   Furthermore, when manufacturing a polygonal drawing die having a hole shape other than a circle, such as a quadrangle, single crystal diamond is processed with a laser, so that high-precision processing is difficult. Diamond containing a metal binder is electrically conductive and can be subjected to electric discharge machining. However, since diamond has a large particle size, high-precision machining is similarly difficult.

それに対し、本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、偏摩耗を効果的に抑制することができ、バインダーを含まないのでバインダー部分での磨耗の進行をも回避することができる。また、本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、ダイヤモンド粒子同士の大き結合力を備え、導電性をも有し、かつ耐酸化性にも優れているので、伸線ダイスにも有用である。   On the other hand, the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment can effectively suppress uneven wear, and since the binder is not included, it is possible to avoid the progress of wear at the binder portion. In addition, the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment has a large bonding force between diamond particles, has conductivity, and is excellent in oxidation resistance, and thus is useful for a wire drawing die.

同様に、本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、スクライブツール、スクライブホイール、ドレッサー等の工具にも有用である。   Similarly, the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment is useful for tools such as a scribe tool, a scribe wheel, and a dresser.

次に、本発明の実施例について説明する。   Next, examples of the present invention will be described.

真空チャンバー内でメタンガスとトリメチル硼素を1:1で混合し、1900℃に加熱したダイヤモンド基材上に上記混合ガスを吹き付けた。このとき、真空チャンバー内の真空度は20〜30Torrとした。すると、基板上に硼素を含有する黒鉛が堆積した。この黒鉛のかさ密度は2.0g/cmであった。ICP元素分析によると、黒鉛中の硼素濃度は0.06質量%であった。 Methane gas and trimethyl boron were mixed at a ratio of 1: 1 in a vacuum chamber, and the mixed gas was sprayed onto a diamond substrate heated to 1900 ° C. At this time, the degree of vacuum in the vacuum chamber was set to 20 to 30 Torr. Then, boron-containing graphite was deposited on the substrate. The bulk density of this graphite was 2.0 g / cm 3 . According to ICP elemental analysis, the boron concentration in the graphite was 0.06% by mass.

上記黒鉛を、合成温度2200℃、15GPaでダイヤモンドに変換し、硼素が添加されたナノ多結晶ダイヤモンドを得た。該多結晶ダイヤモンドの結晶粒径(結晶粒の最大長さ)は、各々10〜100nmの大きさであった。X線パターンから、BCの析出は見られなかった。このナノ多結晶ダイヤモンドのヌープ硬度は120GPaであった。該ナノ多結晶ダイヤモンドから3mm×1mmの大きさの基板を切り出して該基板の電気抵抗を測定したところ、100Ωであった。 The graphite was converted to diamond at a synthesis temperature of 2200 ° C. and 15 GPa to obtain nano-polycrystalline diamond to which boron was added. The polycrystalline diamond had a crystal grain size (maximum crystal grain length) of 10 to 100 nm. From the X-ray pattern, no precipitation of B 4 C was observed. This nanopolycrystalline diamond had a Knoop hardness of 120 GPa. A substrate having a size of 3 mm × 1 mm was cut out from the nano-polycrystalline diamond, and the electric resistance of the substrate was measured.

真空チャンバー内でメタンガスとホウ酸トリメチルを1:1で混合し、1900℃に加熱したダイヤモンド基材上に上記混合ガスを吹き付けた。このとき、真空チャンバー内の真空度は20〜30Torrとした。すると、基板上に硼素を含有する黒鉛が堆積した。この黒鉛のかさ密度は2.0g/cmであった。ICP元素分析によると、黒鉛中の硼素濃度は0.5質量%であった。 Methane gas and trimethyl borate were mixed 1: 1 in a vacuum chamber, and the mixed gas was sprayed onto a diamond substrate heated to 1900 ° C. At this time, the degree of vacuum in the vacuum chamber was set to 20 to 30 Torr. Then, boron-containing graphite was deposited on the substrate. The bulk density of this graphite was 2.0 g / cm 3 . According to ICP elemental analysis, the boron concentration in the graphite was 0.5% by mass.

上記黒鉛を、合成温度2200℃、15GPaでダイヤモンドに変換し、硼素が添加されたナノ多結晶ダイヤモンドを得た。該多結晶ダイヤモンドの結晶粒径は、各々10〜100nmの大きさであった。X線パターンから、BCの析出は見られなかった。このナノ多結晶ダイヤモンドのヌープ硬度は120GPaであった。該ナノ多結晶ダイヤモンドから3mm×1mmの大きさの基板を切り出して該基板の電気抵抗を測定したところ、10Ωであった。 The graphite was converted to diamond at a synthesis temperature of 2200 ° C. and 15 GPa to obtain nano-polycrystalline diamond to which boron was added. Each polycrystalline diamond had a crystal grain size of 10 to 100 nm. From the X-ray pattern, no precipitation of B 4 C was observed. This nanopolycrystalline diamond had a Knoop hardness of 120 GPa. A substrate having a size of 3 mm × 1 mm was cut out from the nano-polycrystalline diamond, and the electric resistance of the substrate was measured.

真空チャンバー内でメタンガスとホウ酸トリメチルを1:1で混合し、1900℃に加熱したダイヤモンド基材上に上記混合ガスを吹き付けた。このとき、真空チャンバー内の真空度は20〜30Torrとした。すると、基板上に硼素を含有する黒鉛が堆積した。この黒鉛のかさ密度は2.0g/cmであった。ICP元素分析によると、黒鉛中の硼素濃度は0.5質量%であった。 Methane gas and trimethyl borate were mixed 1: 1 in a vacuum chamber, and the mixed gas was sprayed onto a diamond substrate heated to 1900 ° C. At this time, the degree of vacuum in the vacuum chamber was set to 20 to 30 Torr. Then, boron-containing graphite was deposited on the substrate. The bulk density of this graphite was 2.0 g / cm 3 . According to ICP elemental analysis, the boron concentration in the graphite was 0.5% by mass.

上記黒鉛を、合成温度2200℃、8GPaでダイヤモンドに変換し、硼素が添加されたナノ多結晶ダイヤモンドを得た。該多結晶ダイヤモンドの結晶粒径は、各々10〜100nmの大きさであった。X線パターンから、BCの析出は見られなかった。このナノ多結晶ダイヤモンドのヌープ硬度は120GPaであった。該ナノ多結晶ダイヤモンドから3mm×1mmの大きさの基板を切り出して該基板の電気抵抗を測定したところ、10Ωであった。 The graphite was converted to diamond at a synthesis temperature of 2200 ° C. and 8 GPa to obtain nano-polycrystalline diamond to which boron was added. Each polycrystalline diamond had a crystal grain size of 10 to 100 nm. From the X-ray pattern, no precipitation of B 4 C was observed. This nanopolycrystalline diamond had a Knoop hardness of 120 GPa. A substrate having a size of 3 mm × 1 mm was cut out from the nano-polycrystalline diamond, and the electric resistance of the substrate was measured.

真空チャンバー内でメタンガスとホウ酸トリメチルを1:1で混合し、1900℃に加熱したダイヤモンド基材上に上記混合ガスを吹き付けた。このとき、真空チャンバー内の真空度は20〜30Torrとした。すると、基板上に硼素を含有する黒鉛が堆積した。この黒鉛のかさ密度は2.0g/cmであった。ICP元素分析によると、黒鉛中の硼素濃度は0.5質量%であった。 Methane gas and trimethyl borate were mixed 1: 1 in a vacuum chamber, and the mixed gas was sprayed onto a diamond substrate heated to 1900 ° C. At this time, the degree of vacuum in the vacuum chamber was set to 20 to 30 Torr. Then, boron-containing graphite was deposited on the substrate. The bulk density of this graphite was 2.0 g / cm 3 . According to ICP elemental analysis, the boron concentration in the graphite was 0.5% by mass.

上記黒鉛を、合成温度1800℃、15GPaでダイヤモンドに変換し、硼素が添加されたナノ多結晶ダイヤモンドを得た。該多結晶ダイヤモンドの結晶粒径は、各々10〜100nmの大きさであった。X線パターンから、BCの析出は見られなかった。このナノ多結晶ダイヤモンドのヌープ硬度は120GPaであった。該ナノ多結晶ダイヤモンドから3mm×1mmの大きさの基板を切り出して該基板の電気抵抗を測定したところ、10Ωであった。 The graphite was converted to diamond at a synthesis temperature of 1800 ° C. and 15 GPa to obtain nano-polycrystalline diamond to which boron was added. Each polycrystalline diamond had a crystal grain size of 10 to 100 nm. From the X-ray pattern, no precipitation of B 4 C was observed. This nanopolycrystalline diamond had a Knoop hardness of 120 GPa. A substrate having a size of 3 mm × 1 mm was cut out from the nano-polycrystalline diamond, and the electric resistance of the substrate was measured.

<比較例1>
粒径2μm以下の純黒鉛とBCとを混合し、該混合物を2000℃で焼成して炭素中に硼素を固溶させた。黒鉛中の硼素濃度は0.5質量%であった。この黒鉛を、合成温度2200℃、15GPaで直接多結晶ダイヤモンドに変換した。ところが、該多結晶ダイヤモンドの結晶粒径は、各々1μm〜100μmの大きさであり、結晶粒サイズのばらつきは大きかった。この多結晶ダイヤモンドのヌープ硬度は75GPaであった。また、該多結晶ダイヤモンドから3mm×1mmの大きさの基板を切り出して該基板の電気抵抗を測定したところ、10Ωであった。
<Comparative Example 1>
Pure graphite having a particle diameter of 2 μm or less and B 4 C were mixed, and the mixture was fired at 2000 ° C. to dissolve boron in carbon. The boron concentration in the graphite was 0.5% by mass. This graphite was directly converted to polycrystalline diamond at a synthesis temperature of 2200 ° C. and 15 GPa. However, the crystal grain size of the polycrystalline diamond was 1 μm to 100 μm, respectively, and the variation in crystal grain size was large. The polycrystalline diamond had a Knoop hardness of 75 GPa. Further, a substrate having a size of 3 mm × 1 mm was cut out from the polycrystalline diamond, and the electric resistance of the substrate was measured.

<比較例2>
粒径2μm以下の純黒鉛を、硼素を含む溶液に12時間浸漬した後に取り出し、該黒鉛に2000℃で加熱処理を施した。熱処理後の黒鉛中の硼素濃度は0.003質量%であった。液をアルカリ性にしても、酸性にしても、有機溶媒にしても、硼素が黒鉛中に取り込まれることはほとんど無かった。
<Comparative example 2>
Pure graphite having a particle size of 2 μm or less was immersed in a solution containing boron for 12 hours and then taken out, and the graphite was subjected to heat treatment at 2000 ° C. The boron concentration in the graphite after the heat treatment was 0.003% by mass. Regardless of whether the solution was alkaline, acidic, or organic, boron was rarely incorporated into the graphite.

<比較例3>
かさ密度0.8g/cmの黒鉛を用いた場合、体積変化が大きいため、合成途中に異常が生じて装置を停止せざるを得ない状況が発生する頻度が2倍以上であった。
<Comparative Example 3>
When graphite having a bulk density of 0.8 g / cm 3 was used, the volume change was large, so that the frequency of occurrence of a situation in which an abnormality occurred during the synthesis and the apparatus had to be stopped was twice or more.

<比較例4>
ドーピングをしていない、高純度のグラファイトを原料に8GPaの高圧、2000℃の高温下で保持したところ、グラファイトはダイヤモンドに変換しなかった。
<Comparative example 4>
When high-purity graphite without doping was used as a raw material and kept at a high pressure of 8 GPa and a high temperature of 2000 ° C., the graphite was not converted to diamond.

上記実施例のナノ多結晶ダイヤモンド、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドを用いて、先端が4ポイント(4角形の平面状)のスクライブツールをそれぞれ製作した。作製されたそれぞれのスクライブツールを用いて、サファイヤ基板に負荷20gで長さ50mmのスクライブ溝を200本形成した。その後、それぞれのスクライブツールの先端部分の多結晶ダイヤモンドの摩耗量を電子顕微鏡により観察したところ、単結晶ダイヤモンド製のスクライプツールに比べて、上記実施例のナノ多結晶ダイヤモンドの摩耗量が0.2倍以下に少なくなつた。   Using the nano-polycrystalline diamond and the non-doped nano-polycrystalline diamond of the above example, scribe tools with 4 points at the tip (tetragonal planar shape) were produced. Using each of the fabricated scribe tools, 200 scribe grooves having a length of 50 mm were formed on a sapphire substrate with a load of 20 g. Thereafter, when the amount of wear of the polycrystalline diamond at the tip portion of each scribe tool was observed with an electron microscope, the amount of wear of the nano-polycrystalline diamond of the above example was 0. 0 compared to the scribing tool made of single crystal diamond. Less than doubled.

一方、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドは、本実施例の硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドに比較して耐熱酸化特性に劣るため、高温になるスクライブツール先端の摩耗量が本実施例の3倍となった。このように、上記実施例のナノ多結晶ダイヤモンドをスクライブツールに使用することで、ナノ多結晶ダイヤモンドがほとんど摩耗せず、したがって工具形状の変化が小さく、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドに比して顕著な寿命を呈することを確認できた。   On the other hand, non-doped nanopolycrystalline diamond is inferior in heat-resistant oxidation characteristics as compared to boron-doped nanopolycrystalline diamond of this example, so the amount of wear at the tip of the scribe tool at a high temperature is three times that of this example. . Thus, by using the nano-polycrystalline diamond of the above example for the scribe tool, the nano-polycrystalline diamond is hardly worn, and therefore the change in the tool shape is small, which is remarkable as compared with the non-doped nano-polycrystalline diamond. It was confirmed that it had a long life.

上記実施例のナノ多結晶ダイヤモンド、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドを用いて、先端がシングルポイント(円錐状)のドレッサーを製作した。作製されたそれぞれのドレッサーを、WA(ホフイトアルミナ)砥石を用いて、湿式で、低石周速が30m/sec、切り込み量が0.05mmの条件で、磨耗させた。その後、ドレッサーの磨耗量を、高さゲージ計により測定したところ、単結晶ダイヤモンド製のドレッサーに比べて、上記実施例のナノ多結晶ダイヤモンドの摩耗量が0.3倍以下に少なくなった。   A dresser having a single point (conical shape) at the tip was manufactured using the nano-polycrystalline diamond of the above example and non-doped nano-polycrystalline diamond. Each of the produced dressers was abraded using a WA (hoofed alumina) grindstone under the conditions of a low stone peripheral speed of 30 m / sec and a cutting depth of 0.05 mm. Then, when the wear amount of the dresser was measured with a height gauge meter, the wear amount of the nano-polycrystalline diamond of the above example was reduced to 0.3 times or less compared to the dresser made of single crystal diamond.

一方、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドは、本実施例の硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドに比較して耐熱酸化特性に劣るため、高温になるドレッサー先端の摩耗量が本実施例の4倍となった。このように、上記実施例のナノ多結晶ダイヤモンドをドレッサーに使用することで、ナノ多結晶ダイヤモンドがほとんど摩耗せず、したがって工具形状の変化が小さく、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドに比して顕著な寿命を呈することを確認できた。   On the other hand, non-doped nanopolycrystalline diamond is inferior in heat-resistant oxidation characteristics as compared with boron-doped nanopolycrystalline diamond of this example, and therefore, the wear amount at the tip of the dresser at a high temperature is four times that of this example. Thus, by using the nano-polycrystalline diamond of the above-mentioned example as a dresser, the nano-polycrystalline diamond is hardly worn, and therefore the change in the tool shape is small, which is remarkable as compared with the non-doped nano-polycrystalline diamond. It was confirmed that it had a lifetime.

上記実施例のナノ多結晶ダイヤモンド、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドを用いて、直径φlmm、刃長3mmのドリル(回転工具)を作製した。作製されたそれぞれのドリルを用いて、回転数4000回転数/分、送り2μm/回転の条件で、厚さ1.0mmの超硬合金(WC―Co)製の板に孔をあけた。ドリルが磨耗または破損するまでにあけることができた孔の数は、単結晶ダイヤモンド製のドリルに比べて、5倍以上多くなった。   A drill (rotary tool) having a diameter of 1 mm and a blade length of 3 mm was produced using the nanopolycrystalline diamond of the above example and non-doped nanopolycrystalline diamond. Using each of the produced drills, a hole was made in a cemented carbide (WC-Co) plate having a thickness of 1.0 mm under the conditions of a rotation speed of 4000 rotations / minute and a feed of 2 μm / revolution. The number of holes that could be drilled before the drill was worn or broken was more than five times greater than that of single crystal diamond drills.

一方、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドは、本実施例の硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドに比較して耐熱酸化特性に劣るため、高温になるドリル先端の摩耗量が本実施例の4倍となった。このように、上記実施例のナノ多結晶ダイヤモンドをドリルに使用することで、ナノ多結晶ダイヤモンドがほとんど摩耗せず、したがって工具形状の変化が小さく、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドに比して顕著な寿命を呈することを確認できた。   On the other hand, non-doped nano-polycrystalline diamond is inferior in heat-resistant oxidation characteristics as compared with boron-doped nano-polycrystalline diamond of this example, so that the wear amount of the drill tip at a high temperature is four times that of this example. Thus, by using the nano-polycrystalline diamond of the above example for the drill, the nano-polycrystalline diamond is hardly worn, and therefore the change in the tool shape is small, which is remarkable as compared with the non-doped nano-polycrystalline diamond. It was confirmed that it had a lifetime.

伸線ダイスに用いるナノ多結晶ダイヤモンドとして、添加元素が硼素で、その濃度が1×1018/cm、結晶粒径が100nmの硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドを用いた。このナノ多結晶ダイヤモンドを用いて、孔径がφ30μmの伸線ダイスを作製した。 As the nano-polycrystalline diamond used for the wire drawing die, boron-added nano-polycrystalline diamond having an additive element of boron, a concentration of 1 × 10 18 / cm 3 , and a crystal grain size of 100 nm was used. Using this nano-polycrystalline diamond, a wire drawing die having a pore diameter of φ30 μm was produced.

上記伸線ダイスを用いてダイス寿命を評価した。具体的には、孔径φ30μmのダイスがφ32μmに拡がるまでの線引時間を測定したところ、線引時間は、単結晶ダイヤモンドを用いた場合の5倍、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドを用いた場合の2倍であることが分かった。   The die life was evaluated using the wire drawing die. Specifically, when drawing time until a die having a hole diameter of φ30 μm was expanded to φ32 μm was measured, the drawing time was 5 times that when single crystal diamond was used, and when non-doped nanopolycrystalline diamond was used. It turns out that it is 2 times.

一方、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドは、本実施例の硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドに比較して耐熱酸化特性に劣るため、高温になる線引摩擦面の摩耗量が本実施例の5倍となった。   On the other hand, non-doped nano-polycrystalline diamond is inferior in heat-resistant oxidation characteristics as compared to boron-doped nano-polycrystalline diamond of this example, so that the amount of wear on the drawing friction surface at high temperature is five times that of this example. It was.

このように、上記実施例のナノ多結晶ダイヤモンドを伸線ダイスに使用することで、ナノ多結晶ダイヤモンドがほとんど摩耗せず、したがって工具形状の変化が小さく、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドに比して顕著な寿命を呈することを確認できた。   Thus, by using the nano-polycrystalline diamond of the above example for the wire drawing die, the nano-polycrystalline diamond is hardly worn, and therefore the change in the tool shape is small, compared with the non-doped nano-polycrystalline diamond. It was confirmed that the product had a remarkable lifetime.

アブレッシブウォータージェット用オリフィスに用いるナノ多結晶ダイヤモンドとして、添加元素が硼素で、その濃度が1×1019/cm、結晶粒径が200nmの硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドを用いた。このナノ多結晶ダイヤモンドを用いて、短辺150μm、長辺300μmの長方形である多角形ウオータージェット用オリフィスを作製した。 As the nano-polycrystalline diamond used for the orifice for the abrasive water jet, boron-doped nano-polycrystalline diamond having an additive element of boron, a concentration of 1 × 10 19 / cm 3 and a crystal grain size of 200 nm was used. Using this nano-polycrystalline diamond, a polygonal water jet orifice having a rectangular shape with a short side of 150 μm and a long side of 300 μm was produced.

上記ウォータージェット用オリフィスを用いて切断性を評価した。具体的には、ウォータージェット用オリフィスの長辺が400μmに拡がるまでの切断時間を測定したところ、切断時間は、金属バインダーであるCoを含み、ダイヤモンド粒径が5μmの多結晶ダイヤモンドと比べると20倍であることが分かった。   The cutting ability was evaluated using the orifice for water jet. Specifically, when the cutting time until the long side of the water jet orifice was expanded to 400 μm was measured, the cutting time was 20 in comparison with polycrystalline diamond containing Co as a metal binder and a diamond particle diameter of 5 μm. It turned out to be double.

一方、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドは、本実施例の硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドに比較して耐熱酸化特性に劣るため、高温になるアブレッシブ粒子(硬質粒子)と接触する孔のダイヤ表面の摩耗量が本実施例の3.5倍となった。このように、上記実施例のナノ多結晶ダイヤモンドをノズルに使用することで、ナノ多結晶ダイヤモンドがほとんど摩耗せず、したがって工具形状の変化が小さく、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドに比して顕著な寿命を呈することを確認できた。   On the other hand, non-doped nano-polycrystalline diamond is inferior in heat-resistant oxidation characteristics compared to boron-doped nano-polycrystalline diamond of this example, so the wear amount of the diamond surface of the holes that come into contact with high-temperature abrasive particles (hard particles) However, it was 3.5 times that of the present example. Thus, by using the nano-polycrystalline diamond of the above example for the nozzle, the nano-polycrystalline diamond is hardly worn, and therefore the change in the tool shape is small, which is remarkable as compared with the non-doped nano-polycrystalline diamond. It was confirmed that it had a lifetime.

実施例2と同様の手法で、基板上に黒鉛を堆積させた。ICP元素分析によると、ホウ素濃度は0.5質量%であった。これは、1×1021/cmの硼素濃度に相当する。この黒鉛を利用し、実施例2と同様の手法で、黒鉛から直接ナノ多結晶ダイヤモンドを得た。このナノ多結晶ダイヤモンドから3mm×1mmのサイズの基板を切り出し、電気抵抗を測定したところ、電気抵抗値は10Ωであった。 In the same manner as in Example 2, graphite was deposited on the substrate. According to ICP elemental analysis, the boron concentration was 0.5 mass%. This corresponds to a boron concentration of 1 × 10 21 / cm 3 . Using this graphite, nanopolycrystalline diamond was obtained directly from graphite in the same manner as in Example 2. A substrate having a size of 3 mm × 1 mm was cut out from the nanopolycrystalline diamond and measured for electric resistance. As a result, the electric resistance value was 10Ω.

上記の導電性ナノ多結晶ダイヤモンドを、切削工具本体に、活性ロウ材を用いて、不活性雰囲気中で接合した。多結晶ダイヤモンドの面を研磨した後、放電加工により逃げ面を切断加工して、Rバイトを作製した。比較のために、従来のCoバインダーを含む焼結ダイヤモンドを用いた工具(比較例A)を同様に放電加工により作製した。   The conductive nano-polycrystalline diamond was joined to the cutting tool body using an active brazing material in an inert atmosphere. After polishing the surface of the polycrystalline diamond, the flank face was cut by electric discharge machining to produce an R bite. For comparison, a tool (Comparative Example A) using a sintered diamond containing a conventional Co binder was similarly produced by electric discharge machining.

放電加工による刃先の稜線精度は、焼結ダイヤモンドで作製した比較例Aでは、含まれるダイヤ砥粒の粒径に依存して2〜5μm以下であったのに対し、硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンド(本発明例1)では、0.5μm以下と良好であった。また加工時間も比較例Aと同等であった。   The edge line accuracy of the cutting edge by electric discharge machining was 2 to 5 μm or less depending on the particle diameter of the diamond abrasive grains contained in Comparative Example A made of sintered diamond, whereas boron-doped nanopolycrystalline diamond ( In Invention Example 1), it was as good as 0.5 μm or less. The processing time was also the same as in Comparative Example A.

さらに、逃げ面を研磨により加工した硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンド工具(本発明例2)と、ノンドープナノ多結晶ダイヤモンド工具(比較例B)と、単結晶ダイヤモンド工具(比較例C)とを作製し、切削評価を行った。本発明例2と比較例Bについては、共に刃先稜線精度が0.1μm以下と精緻な刃先精度が得られた。   Further, a boron-added nano-polycrystalline diamond tool (Invention Example 2), a non-doped nano-polycrystalline diamond tool (Comparative Example B), and a single-crystal diamond tool (Comparative Example C) were prepared. Cutting evaluation was performed. As for Inventive Example 2 and Comparative Example B, a precise cutting edge accuracy of 0.1 μm or less was obtained.

なお、評価試験内容は次のとおりである。
・工具形状:コーナーR0.4mm、逃げ角11°、すくい角0°
・被削材:材質−アルミニウム合金 A390
形状−φ110×500mm U字形状4溝付
・加工方法:円筒外周断続旋削 湿式
・切削液:水溶性エマルジョン
・切削条件:切削速度Vc=800m/min、切込みap=0.2mm、送り速度f=0.1mm/rev、切削距離10km
上記の条件にて切削評価を行った後に、工具刃先を観察し、損耗状態を確認したところ、比較例Aは、逃げ面摩耗量が約45μmと大きく刃先形状が損なわれていたのに対し、本発明例1の場合、5μmの逃げ面摩耗量と良好であった。
The contents of the evaluation test are as follows.
・ Tool shape: Corner R0.4mm, clearance angle 11 °, rake angle 0 °
Work material: Material-Aluminum alloy A390
Shape-φ110 × 500mm U-shaped with 4 grooves ・ Processing method: Cylindrical peripheral intermittent turning Wet ・ Cutting fluid: Water-soluble emulsion ・ Cutting condition: Cutting speed Vc = 800m / min, Cutting ap = 0.2mm, Feeding speed f = 0.1 mm / rev, cutting distance 10 km
After performing the cutting evaluation under the above conditions, the tool edge was observed and the wear state was confirmed. In Comparative Example A, the flank wear amount was about 45 μm and the edge shape was greatly impaired. In the case of Inventive Example 1, the flank wear amount was 5 μm and good.

一方、研磨仕上げの本発明例2は、摩耗量約2μmであり、比較例Bの摩耗量3.5μm、比較例Cの摩耗量3.5μmと比較して非常に良好であり、従来のノンドープのナノ多結晶ダイヤと同等以上の耐摩耗特性を示し、工具寿命に優れることが分かった。   On the other hand, Example 2 of the polished finish has a wear amount of about 2 μm, which is very good compared to the wear amount of Comparative Example B of 3.5 μm and that of Comparative Example C of 3.5 μm. It was found that the wear resistance was equivalent to or better than that of the nano-polycrystalline diamond and the tool life was excellent.

また、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドを用いた場合と、硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドを用いた場合とで、その特性を比較すると、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドは、600℃以上の高温で、大気中の酸素によって燃焼してしまい、徐々に質量が減少した。そして、950℃では切削工具の変形が著しく、ナノ多結晶ダイヤモンドの8割が焼損してしまった。   In addition, when the characteristics of non-doped nano-polycrystalline diamond are compared with the case of using boron-doped nano-polycrystalline diamond, non-doped nano-polycrystalline diamond is high in the atmosphere at a high temperature of 600 ° C. or higher. It burned by the oxygen and gradually decreased in mass. At 950 ° C., the cutting tool was significantly deformed, and 80% of the nanopolycrystalline diamond was burned out.

それに対し、上記実施例のナノ多結晶ダイヤモンドでは、600℃〜800℃の間でもほぼ質量の減少は無く、950℃以上の温度でも、質量の損失はわずかに5〜8%であった。   On the other hand, in the nano-polycrystalline diamond of the above example, there was almost no decrease in mass even between 600 ° C. and 800 ° C., and the mass loss was only 5 to 8% even at a temperature of 950 ° C. or higher.

このように、上記実施例のナノ多結晶ダイヤモンドを切削工具に使用した場合も、ナノ多結晶ダイヤモンドは、優れた耐磨耗性を有し、かつ高温下でも焼損せず、したがって工具形状の変化が小さく、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドに比して顕著な耐酸化性を呈することを確認できた。   Thus, even when the nano-polycrystalline diamond of the above example is used for a cutting tool, the nano-polycrystalline diamond has excellent wear resistance and does not burn out even at high temperatures, and therefore changes in the tool shape. It was confirmed that the oxidation resistance was smaller than that of non-doped nanopolycrystalline diamond.

ナノ多結晶ダイヤモンドの原料の合成には、まず、真空チャンバー内でメタンガスとトリメチルホウ素を4:1で混合し、1900℃に加熱したダイヤモンド基板上に吹きつけて基板上に黒鉛を堆積させた。このとき、チャンバ内の真空度は20〜30Torrであった。得られた黒鉛のかさ密度は2.0g/cmであった。SIMS元素分析によりボロン濃度は約50ppmであった。これは、1×1019/cmの硼素濃度に相当する。 To synthesize nanopolycrystalline diamond raw material, first, methane gas and trimethylboron were mixed at a ratio of 4: 1 in a vacuum chamber and sprayed onto a diamond substrate heated to 1900 ° C. to deposit graphite on the substrate. At this time, the degree of vacuum in the chamber was 20 to 30 Torr. The bulk density of the obtained graphite was 2.0 g / cm 3 . The boron concentration was about 50 ppm by SIMS elemental analysis. This corresponds to a boron concentration of 1 × 10 19 / cm 3 .

上記の黒鉛を利用し、合成温度2200℃、15GPaで、黒鉛から直接ナノ多結晶ダイヤモンドを得た。該ナノ多結晶ダイヤモンドの結晶粒径は、各々10〜100nmの大きさであった。X線パターンから、BCの析出などは見られなかった。この多結晶ダイヤモンドのヌープ硬度は125GPaであった。このナノ多結晶ダイヤモンドから3mm×1mmのサイズの基板を切り出し、電気抵抗を測定したところ、電気抵抗値は500Ωであった。 Using the above graphite, nanopolycrystalline diamond was obtained directly from graphite at a synthesis temperature of 2200 ° C. and 15 GPa. The crystal grain size of the nano-polycrystalline diamond was 10 to 100 nm, respectively. From the X-ray pattern, no precipitation of B 4 C or the like was observed. The Knoop hardness of this polycrystalline diamond was 125 GPa. A substrate having a size of 3 mm × 1 mm was cut out from the nanopolycrystalline diamond and measured for electric resistance. As a result, the electric resistance value was 500Ω.

上記の導電性ナノ多結晶ダイヤモンドを、切削工具本体に、活性ロウ材を用いて、不活性雰囲気中で接合し、多結晶ダイヤモンドの面を研磨した。さらに、逃げ面を研磨により加工した硼素添加多結晶ダイヤモンド工具(本発明例3)及び、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンド工具(比較例D)、単結晶ダイヤモンド工具(比較例E)を作成し、切削評価を行った。本発明例3と比較工具Dは、共に刃先の稜線精度が0.1μm以下と精緻な刃先精度が得られた。   The conductive nano-polycrystalline diamond was bonded to the cutting tool body in an inert atmosphere using an active brazing material, and the surface of the polycrystalline diamond was polished. Further, a boron-doped polycrystalline diamond tool (Invention Example 3), a non-doped nano-polycrystalline diamond tool (Comparative Example D), and a single crystal diamond tool (Comparative Example E) were prepared by cutting the flank face by polishing. Evaluation was performed. The inventive example 3 and the comparative tool D both have a precise cutting edge accuracy of 0.1 μm or less.

なお、評価試験内容は次のとおりである。
・工具形状:コーナーR0.4mm、逃げ角11°、すくい角0°
・被削材:材質−アルミニウム合金 A390
形状−φ110×500mm U字形状4溝付
・加工方法:円筒外周断続旋削 湿式
・切削液:水溶性エマルジョン
・切削条件:切削速度Vc=800m/min、切込みap=0.2mm、送り速度f=0.1mm/rev、切削距離10km
本発明例3では、摩耗量が約1.0μmであり、比較例Dの摩耗量3.5μm、比較例Eの摩耗量3.5μmと比較して非常に良好であり、本発明例3は、従来のノンドープのナノ多結晶ダイヤと同等以上の耐摩耗特性を示し、工具寿命に優れることが分かった。
The contents of the evaluation test are as follows.
・ Tool shape: Corner R0.4mm, clearance angle 11 °, rake angle 0 °
Work material: Material-Aluminum alloy A390
Shape-φ110 × 500mm U-shaped with 4 grooves ・ Processing method: Cylindrical peripheral intermittent turning Wet ・ Cutting fluid: Water-soluble emulsion ・ Cutting condition: Cutting speed Vc = 800m / min, Cutting ap = 0.2mm, Feeding speed f = 0.1 mm / rev, cutting distance 10 km
In Invention Example 3, the wear amount is about 1.0 μm, which is very good as compared with the wear amount of Comparative Example D of 3.5 μm and the wear amount of Comparative Example E of 3.5 μm. As a result, it was found that it exhibits wear resistance equal to or better than that of conventional non-doped nano-polycrystalline diamond and has an excellent tool life.

切削中の工具刃先の切削点は極めて高温になる。ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドに比べて耐酸化性に優れる硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドは、切削中の摩擦熱による熱劣化や高温下での反応摩耗の影響が極めて低いため、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドや単結晶ダイヤモンドに比べて高い性能が得られる。   The cutting point of the tool edge during cutting becomes extremely hot. Boron-doped nanopolycrystalline diamond, which has superior oxidation resistance compared to non-doped nanopolycrystalline diamond, is extremely less affected by thermal degradation due to frictional heat during cutting and reactive wear at high temperatures. High performance can be obtained compared to single crystal diamond.

このように、上記実施例のナノ多結晶ダイヤモンドを切削工具に使用した場合も、ナノ多結晶ダイヤモンドは、優れた耐磨耗性を有ししたがって工具形状の変化が小さく、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドに比して顕著な性能を呈することを確認できた。   As described above, even when the nano-polycrystalline diamond of the above-described example is used for a cutting tool, the nano-polycrystalline diamond has excellent wear resistance, and therefore the change in the tool shape is small, and the non-doped nano-polycrystalline diamond. It was confirmed that remarkable performance was exhibited compared to.

実施例2と同様の手法で、基板上に黒鉛を堆積させた。ICP元素分析によると、ホウ素濃度は0.5質量%であった。これは、1×1021/cmの硼素濃度に相当する。この黒鉛を利用し、実施例2と同様の手法で、黒鉛から直接ナノ多結晶ダイヤモンドを得た。このナノ多結晶ダイヤモンドから3mm×1mmのサイズの基板を切り出し、電気抵抗を測定したところ、電気抵抗値は10Ωであった。 In the same manner as in Example 2, graphite was deposited on the substrate. According to ICP elemental analysis, the boron concentration was 0.5 mass%. This corresponds to a boron concentration of 1 × 10 21 / cm 3 . Using this graphite, nanopolycrystalline diamond was obtained directly from graphite in the same manner as in Example 2. A substrate having a size of 3 mm × 1 mm was cut out from the nanopolycrystalline diamond and measured for electric resistance. As a result, the electric resistance value was 10Ω.

上記の導電性ナノ多結晶ダイヤモンドを、工具本体に、活性ロウ材を用いて、不活性雰囲気中で接合した。多結晶ダイヤモンドの面を研磨した後、放電加工により逃げ面を切断加工し、ねじれ形状の切れ刃2枚を持つφ0.5mmのボールエンドミル(本発明品4)を作製した。比較のために、従来のCoバインダーを含む焼結ダイヤモンドを用いた工具(比較例F)を同様に放電加工により作製した。   The conductive nano-polycrystalline diamond was bonded to the tool body in an inert atmosphere using an active brazing material. After polishing the surface of the polycrystalline diamond, the flank face was cut by electric discharge machining to produce a φ0.5 mm ball end mill (product 4 of the present invention) having two twisted cutting edges. For comparison, a tool (Comparative Example F) using sintered diamond containing a conventional Co binder was similarly produced by electric discharge machining.

放電加工による刃先の稜線精度は、焼結ダイヤモンドで作製した比較例Fでは、含まれるダイヤ砥粒の粒径に依存して、2〜5μm程度であったのに対し、硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンド(本発明品4)では0.5μm以下と良好であった。さらに、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドを用いて、レーザ加工により同形状のエンドミルを作製し、逃げ面を局所的に研磨加工し、刃先品位を仕上げた(比較例G)。   The edge line accuracy of the edge by electric discharge machining was about 2 to 5 μm in Comparative Example F made of sintered diamond, depending on the grain size of the diamond abrasive grains contained, whereas boron-doped nanopolycrystalline diamond In (Invention product 4), it was as good as 0.5 μm or less. Furthermore, using an undoped nano-polycrystalline diamond, an end mill having the same shape was manufactured by laser processing, and the flank face was locally polished to finish the cutting edge quality (Comparative Example G).

なお、評価試験内容は次のとおりである。
・工具形状: φ0.5mm 2枚刃 ボールエンドミル
・被削材:材質−STAVAX
・切削液:白灯油
・切削条件:工具回転速度20000rpm、切込みap=0.005mm/ピッチ、送り速度f=100mm/min
上記の条件にて切削評価を行ったところ、本発明品4の工具寿命は、比較例Fの5倍以上、比較例Gの1.5倍以上であり、非常に良好であった。
切削中の工具刃先の切削点は極めて高温になる。ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドに比べて耐酸化性に優れるホウ素添加ナノ多結晶ダイヤモンドは、切削中の摩擦熱による熱劣化や反応摩耗の影響が極めて低い為、高硬度金型材の切削においてもノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドや単結晶ダイヤモンドに比べて高い性能が得られる。
The contents of the evaluation test are as follows.
・ Tool shape: φ0.5mm, 2-flute ball end mill ・ Work material: Material-STAVAX
Cutting fluid: white kerosene Cutting conditions: tool rotation speed 20000 rpm, cutting ap = 0.005 mm / pitch, feed speed f = 100 mm / min
When cutting evaluation was performed under the above conditions, the tool life of the product 4 of the present invention was 5 times or more that of Comparative Example F and 1.5 times or more that of Comparative Example G, which was very good.
The cutting point of the tool edge during cutting becomes extremely hot. Boron-doped nanopolycrystalline diamond, which has superior oxidation resistance compared to non-doped nanopolycrystalline diamond, is extremely less affected by thermal degradation and reactive wear due to frictional heat during cutting. High performance can be obtained compared to nano-polycrystalline diamond and single-crystal diamond.

このように、上記実施例のナノ多結晶ダイヤモンドを回転工具に使用した場合も、ナノ多結晶ダイヤモンドは、優れた耐磨耗性を有ししたがって工具形状の変化が小さく、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドに比して顕著な性能を呈することを確認できた。   As described above, even when the nano-polycrystalline diamond of the above-described embodiment is used for a rotary tool, the nano-polycrystalline diamond has excellent wear resistance, and therefore the change in the tool shape is small, and the non-doped nano-polycrystalline diamond. It was confirmed that remarkable performance was exhibited compared to.

実施例2と同様の手法で、基板上に黒鉛を堆積させた。ICP元素分析によると、ホウ素濃度は0.5質量%であった。これは、1×1021/cmの硼素濃度に相当する。この黒鉛を利用し、実施例2と同様の手法で、黒鉛から直接ナノ多結晶ダイヤモンドを得た。このナノ多結晶ダイヤモンドから3mm×1mmのサイズの基板を切り出し、電気抵抗を測定したところ、電気抵抗値は10Ωであった。得られた多結晶体より放電加工により、直径3mm、厚さ0.8mm、刃先開角度120°のスクライブホイールを製作して、ガラス基板をスクライブ評価した。その結果、本実施例のタイヤモンド多結晶体は250km程度の長距離をスクライブできた。 In the same manner as in Example 2, graphite was deposited on the substrate. According to ICP elemental analysis, the boron concentration was 0.5 mass%. This corresponds to a boron concentration of 1 × 10 21 / cm 3 . Using this graphite, nanopolycrystalline diamond was obtained directly from graphite in the same manner as in Example 2. A substrate having a size of 3 mm × 1 mm was cut out from the nanopolycrystalline diamond and measured for electric resistance. As a result, the electric resistance value was 10Ω. A scribing wheel having a diameter of 3 mm, a thickness of 0.8 mm, and a blade edge opening angle of 120 ° was produced from the obtained polycrystal by electric discharge machining, and the glass substrate was subjected to scribing evaluation. As a result, the tiremond polycrystal of this example could scribe a long distance of about 250 km.

比較のために、ノンドープの多結晶ダイヤモンドと、単結晶ダイヤモンドにより同形状のスクライブホイールを作成し、同様にガラス基板をスクライブ評価したところ、ノンドープの多結晶ダイヤモンドでは、本実施例のダイヤモンド多結晶体とほぼ同等の240kmをスクライブできたが、単結晶ダイヤモンドでは1/3の距離しかスクライブできなかった。   For comparison, a scribe wheel having the same shape was made from non-doped polycrystalline diamond and single-crystal diamond, and the glass substrate was similarly subjected to scribing evaluation. It was possible to scribe 240 km, which was almost the same as that of single crystal diamond, but could only scribe a distance of 1/3 with single crystal diamond.

一方、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドは、本実施例の硼素添加ナノ多結晶ダイヤモンドに比較して耐熱酸化特性に劣るため、高温になるスクライブホイール外周の摩耗量が本実施例の1.5倍となった。このように、上記実施例のナノ多結晶ダイヤモンドをスクライブホイールに使用することで、ナノ多結晶ダイヤモンドがほとんど摩耗せず、したがって工具形状の変化が小さく、ノンドープのナノ多結晶ダイヤモンドに比して顕著な寿命を呈することを確認できた。   On the other hand, non-doped nanopolycrystalline diamond is inferior in heat-resistant oxidation characteristics compared to boron-doped nanopolycrystalline diamond of this example, so the amount of wear on the outer periphery of the scribe wheel that becomes high is 1.5 times that of this example. became. Thus, by using the nano-polycrystalline diamond of the above example for the scribe wheel, the nano-polycrystalline diamond is hardly worn, and therefore the change in the tool shape is small, which is remarkable as compared with the non-doped nano-polycrystalline diamond. It was confirmed that it had a long life.

さらに、本実施例のナノ多結晶ダイヤモンドを様々な工具に適用することで、優れた工具寿命、耐磨耗性、耐酸化性等を発揮することも確認できた。   Furthermore, it was confirmed that excellent tool life, wear resistance, oxidation resistance and the like were exhibited by applying the nano-polycrystalline diamond of this example to various tools.

しかし、上記以外の範囲の条件であっても、特許請求の範囲に記載の範囲であれば、優れた特性を有するナノ多結晶ダイヤモンドを作製できるものと考えられる。
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の実施の形態および実施例を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態および実施例に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。
However, even under conditions other than those described above, it is considered that nanopolycrystalline diamond having excellent characteristics can be produced within the scope described in the claims.
Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, various modifications can be made to the above-described embodiments and examples. Further, the scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

1 ナノ多結晶ダイヤモンド、2 基材、3 III族元素。   1 nano-polycrystalline diamond, 2 substrate, 3 group III element.

Claims (17)

炭素と、
前記炭素中に原子レベルで分散するように添加されたIII族元素と、
不可避不純物とで構成され、
結晶粒径が500nm以下である、多結晶ダイヤモンド。
Carbon,
A group III element added to be dispersed in the carbon at an atomic level;
Composed of inevitable impurities,
Polycrystalline diamond having a crystal grain size of 500 nm or less.
前記III族元素は、置換型の孤立原子として前記炭素中に分散する、請求項1に記載の多結晶ダイヤモンド。   The polycrystalline diamond according to claim 1, wherein the group III element is dispersed in the carbon as substitutional isolated atoms. 前記III族元素の濃度は、1×1014/cm以上1×1022/cm以下である、請求項1または請求項2に記載の多結晶ダイヤモンド。 3. The polycrystalline diamond according to claim 1, wherein a concentration of the group III element is 1 × 10 14 / cm 3 or more and 1 × 10 22 / cm 3 or less. 前記多結晶ダイヤモンドは、1500℃以上の温度で、前記III族元素を含むガスと炭化水素ガスとの混合ガスを熱分解して得られた黒鉛を焼結することで作製される、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンド。   The polycrystalline diamond is produced by sintering graphite obtained by pyrolyzing a mixed gas of a gas containing a group III element and a hydrocarbon gas at a temperature of 1500 ° C. or higher. The polycrystalline diamond according to claim 3. III族元素が炭素中に原子レベルで分散するように添加された黒鉛を準備する工程と、
高圧プレス装置内で前記黒鉛に熱処理を施して前記黒鉛をダイヤモンドに変換する工程と、
を備えた、多結晶ダイヤモンドの製造方法。
Preparing a graphite in which a group III element is added so as to be dispersed at an atomic level in carbon;
Performing a heat treatment on the graphite in a high-pressure press to convert the graphite to diamond;
A method for producing polycrystalline diamond, comprising:
前記黒鉛をダイヤモンドに変換する工程では、焼結助剤や触媒を添加することなく、前記高圧プレス装置内で前記黒鉛に熱処理を施す、請求項5に記載の多結晶ダイヤモンドの製造方法。   6. The method for producing polycrystalline diamond according to claim 5, wherein in the step of converting the graphite into diamond, the graphite is heat-treated in the high-pressure press without adding a sintering aid or a catalyst. 前記黒鉛を準備する工程は、前記真空チャンバ内に前記III族元素を含むガスと炭化水素ガスとの混合ガスを導入し、1500℃以上の温度で前記混合ガスを熱分解して基材上に黒鉛を形成する工程を含む、請求項5または請求項6に記載の多結晶ダイヤモンドの製造方法。   In the step of preparing the graphite, a mixed gas of a gas containing a group III element and a hydrocarbon gas is introduced into the vacuum chamber, and the mixed gas is pyrolyzed at a temperature of 1500 ° C. or higher to form a substrate. The method for producing polycrystalline diamond according to claim 5, comprising a step of forming graphite. 前記黒鉛をダイヤモンドに変換する工程では、前記基材上に形成された前記黒鉛に8GPa以上の高圧下で1500℃以上の熱処理を施す、請求項7に記載の多結晶ダイヤモンドの製造方法。   The method for producing polycrystalline diamond according to claim 7, wherein in the step of converting the graphite into diamond, the graphite formed on the substrate is subjected to heat treatment at 1500 ° C or higher under a high pressure of 8 GPa or higher. 前記混合ガスを、前記基材の表面に向けて流すようにした、請求項7に記載の多結晶ダイヤモンドの製造方法。   The method for producing polycrystalline diamond according to claim 7, wherein the mixed gas is caused to flow toward the surface of the base material. 前記炭化水素ガスは、メタンガスである、請求項5から請求項9のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドの製造方法。   The method for producing polycrystalline diamond according to any one of claims 5 to 9, wherein the hydrocarbon gas is methane gas. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドを用いたスクライブツール。   A scribe tool using the polycrystalline diamond according to any one of claims 1 to 4. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドを用いたスクライブホイール。   A scribing wheel using the polycrystalline diamond according to any one of claims 1 to 4. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドを用いたドレッサー。   A dresser using the polycrystalline diamond according to any one of claims 1 to 4. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドを用いた回転工具。   A rotary tool using the polycrystalline diamond according to any one of claims 1 to 4. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドを用いたウォータージェット用オリフィス。   An orifice for water jet using the polycrystalline diamond according to any one of claims 1 to 4. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドを用いた伸線ダイス。   A wire drawing die using the polycrystalline diamond according to any one of claims 1 to 4. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドを用いた切削工具。   The cutting tool using the polycrystalline diamond of any one of Claims 1-4.
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