JP2013245128A - Polycrystalline diamond abrasive grain and method for producing the same, slurry, and fixed abrasive grain type wire - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、多結晶ダイヤモンドを用いた砥粒およびその製造方法、スラリー、並びに固定砥粒式ワイヤに関し、特に、ナノサイズの結晶粒を持つ多結晶ダイヤモンド砥粒およびその製造方法、スラリー、並びに固定砥粒式ワイヤに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to abrasive grains using polycrystalline diamond, a manufacturing method thereof, slurry, and a fixed abrasive wire, and more particularly, polycrystalline diamond abrasive grains having nano-sized crystal grains, a manufacturing method thereof, slurry, and fixing. The present invention relates to an abrasive wire.
ダイヤモンドは、周知の通り、既存の物質で最高の硬度を有する。そのため、天然ダイヤモンドや人工の単結晶ダイヤモンドを粉砕して得られたダイヤモンド粒子は、金属やセラミックス等多くの材料を研削、研磨するための砥石やカッターの原料である砥粒として利用されている。 As is well known, diamond has the highest hardness among existing materials. For this reason, diamond particles obtained by pulverizing natural diamond or artificial single crystal diamond are used as abrasive grains which are raw materials for grinding stones and cutters for grinding and polishing many materials such as metals and ceramics.
また、クロム鋼（ＳＣｒ）、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）、ニッケルクロム鋼（ＳＮＣ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の鉄を含有している鉄系材料の加工においても、例えば、加工効率の向上の要請から、ダイヤモンド砥粒の利用が試みられてきた。 Also, in the processing of iron-based materials containing iron such as chromium steel (SCr), chromium molybdenum steel (SCM), nickel chromium steel (SNC), stainless steel (SUS), for example, improvement in processing efficiency At the request, the use of diamond abrasive grains has been attempted.
鉄系材料の加工にダイヤモンド砥粒を用いる技術としては、例えば特開平１０−２０２５３８号公報に、ダイヤモンド砥粒の接着空隙率を１０〜５０％としたダイヤモンドカッターが開示されている。また、特許第３０１３２３５号公報には、ダイヤモンド砥粒をロウ材により基板に接続したダイヤモンド切削刃が開示されている。 As a technique for using diamond abrasive grains for processing iron-based materials, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-202538 discloses a diamond cutter in which the adhesion porosity of diamond abrasive grains is 10 to 50%. Japanese Patent No. 3013235 discloses a diamond cutting blade in which diamond abrasive grains are connected to a substrate by a brazing material.
しかしながら、ダイヤモンドと鉄（Ｆｅ）とは高温下で強い反応性を有する。このため、ダイヤモンドによって鉄系材料を加工すると、ダイヤモンドが熱によって反応し摩耗し易くなる。具体的には、例えば、８００℃程度でセメンタイト（Ｆｅ3Ｃ）が形成され、研磨中の摩擦面で該セメンタイトの剥離等が起こる。それにより、ダイヤモンドが脆弱化し、摩耗が激しくなる。 However, diamond and iron (Fe) have strong reactivity at high temperatures. For this reason, when an iron-based material is processed with diamond, the diamond reacts with heat and is easily worn. Specifically, for example, cementite (Fe 3 C) is formed at about 800 ° C., and peeling of the cementite occurs on the friction surface during polishing. As a result, the diamond becomes brittle and wear becomes severe.
これに対し、上述の２つの特許文献は、いずれも、ダイヤモンド砥粒や該ダイヤモンド砥粒を固着した基板の放熱性向上に着目している。つまり、鉄系材料を被加工物としたときのダイヤモンドと鉄との温度上昇を抑制し、その反応を抑制している。 On the other hand, both of the above-mentioned two patent documents pay attention to improving the heat dissipation of the diamond abrasive grains and the substrate to which the diamond abrasive grains are fixed. That is, the temperature rise of diamond and iron when an iron-based material is used as a workpiece is suppressed, and the reaction is suppressed.
一方で、上述の２つの特許文献では、ダイヤモンドと鉄との反応性の低下には着目しておらず、高温下での強い反応性はそのままである。 On the other hand, in the above-mentioned two patent documents, attention is not paid to a decrease in the reactivity between diamond and iron, and the strong reactivity at high temperatures remains the same.
よって、特許文献１、２に記載の技術を含む、従来の技術では、鉄に対する反応性を低下可能なダイヤモンドは得られていない。 Therefore, in the conventional techniques including the techniques described in Patent Documents 1 and 2, diamond capable of reducing the reactivity to iron has not been obtained.
本発明は、上記のような課題に鑑みなされたものであり、鉄に対する反応性を低下させることが可能となるダイヤモンド砥粒およびその製造方法、該ダイヤモンド砥粒を備えたスラリー、並びに固定砥粒式ワイヤを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and diamond abrasive grains capable of reducing the reactivity to iron, a method for producing the same, a slurry provided with the diamond abrasive grains, and fixed abrasive grains An object is to provide a formula wire.
本発明に係る多結晶ダイヤモンド砥粒は、結合剤を含まず、結晶粒径が１μｍ未満の多結晶ダイヤモンドからなり、平均二次粒子径が１μｍ以上２００μｍ以下であり、リンの含有量が０．００１質量％以上３質量％以下である。ここで、「多結晶ダイヤモンドの結晶粒径」とは、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ））や透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＴＥＭ））等の顕微鏡で直接観察して測定した、多結晶ダイヤモンドを構成する個々の単結晶粒子、すなわち一次粒子の外径（最も長い部分）をいう。また、「多結晶ダイヤモンド砥粒の二次粒子径」とは、ＳＥＭやＴＥＭ等の顕微鏡で直接観察し、測定した多結晶タイヤモンド砥粒を構成する個々の多結晶粒、すわなち二次粒子の外径（最も長い部分）をいう。 The polycrystalline diamond abrasive grain according to the present invention is made of polycrystalline diamond containing no binder and having a crystal grain size of less than 1 μm, an average secondary particle diameter of 1 μm to 200 μm, and a phosphorus content of 0.2. It is 001 mass% or more and 3 mass% or less. Here, the “crystal grain size of the polycrystalline diamond” was measured by directly observing with a microscope such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). , The individual single crystal particles constituting the polycrystalline diamond, that is, the outer diameter (longest part) of the primary particles. In addition, “secondary particle diameter of polycrystalline diamond abrasive grains” means the individual polycrystalline grains constituting the polycrystalline tiremond abrasive grains that are directly observed with a microscope such as SEM or TEM, that is, secondary grains. The outer diameter of the particle (the longest part).
上記リンは、多結晶ダイヤモンド砥粒中に、置換型の孤立原子として分散しているのが好ましい。上記多結晶ダイヤモンド中のリンを除く不可避不純物濃度は、０．０１質量％以下であるのが好ましい。上記多結晶ダイヤモンド砥粒は、スラリーや固定砥粒式ワイヤに用いることができる。不可避不純物とは、酸素、窒素、水素を指す。ここで、上記リンが、「置換型の孤立原子として分散している」とは、リン原子が、ダイヤモンド中に単純に混入された状態ではなく、ダイヤモンド中の炭素原子と置換した状態で存在し、該リン原子と炭素原子とが化学的に結合した状態であることをいう。 The phosphorus is preferably dispersed as substitutional isolated atoms in the polycrystalline diamond abrasive grains. The concentration of inevitable impurities excluding phosphorus in the polycrystalline diamond is preferably 0.01% by mass or less. The polycrystalline diamond abrasive can be used for slurry and fixed abrasive wire. Inevitable impurities refer to oxygen, nitrogen, and hydrogen. Here, the above-mentioned phosphorus is “dispersed as substitution-type isolated atoms” means that the phosphorus atoms are not simply mixed in the diamond but are substituted with carbon atoms in the diamond. Means that the phosphorus atom and the carbon atom are chemically bonded.
本発明に係る多結晶ダイヤモンド砥粒の製造方法は、リンが０．００１質量％以上３質量％以下添加された炭素材料を、１２ＧＰａ以上の圧力、１５００℃以上の温度で結合剤を用いずに焼結してダイヤモンドに直接的に変換し、１μｍ未満の結晶粒径を有する多結晶ダイヤモンドを得る工程と、多結晶ダイヤモンドを、平均二次粒子径が１μｍ以上２００μｍ以下となるよう加工する工程とを備える。 In the method for producing polycrystalline diamond abrasive grains according to the present invention, a carbon material added with 0.001 mass% or more and 3 mass% or less of phosphorus is used without using a binder at a pressure of 12 GPa or more and a temperature of 1500 ° C. or more. Sintering to directly convert to diamond to obtain polycrystalline diamond having a crystal grain size of less than 1 μm, and processing the polycrystalline diamond to have an average secondary particle diameter of 1 μm to 200 μm; Is provided.
上記多結晶ダイヤモンドを加工する工程において、金属、セラミック、またはそれらの複合体を多結晶ダイヤモンドに衝突させることで、上記多結晶ダイヤモンドを粉砕してもよい。上記炭素材料は、気相合成法によって準備されるのが好ましい。 In the step of processing the polycrystalline diamond, the polycrystalline diamond may be pulverized by colliding a metal, ceramic, or a composite thereof with the polycrystalline diamond. The carbon material is preferably prepared by a gas phase synthesis method.
本発明に係る多結晶ダイヤモンド砥粒は、結合剤を含まず結晶粒径が１μｍ未満の多結晶ダイヤモンドからなり、リンの含有量が、０．００１質量％以上３質量％以下であるため、鉄に対する反応性を低下させることが可能となる。 The polycrystalline diamond abrasive according to the present invention is made of polycrystalline diamond containing no binder and having a crystal grain size of less than 1 μm, and the phosphorus content is 0.001 mass% or more and 3 mass% or less. It becomes possible to reduce the reactivity with respect to.
本発明に係る多結晶ダイヤモンド砥粒の製造方法では、リンが添加された炭素材料を、１２ＧＰａ以上の圧力、１５００℃以上の温度で結合剤を用いずに焼結して１μｍ以下の結晶粒径を有する多結晶ダイヤモンドに直接的に変換し、該多結晶ダイヤモンドを加工することで、上記のようなダイヤモンド砥粒を作製することができる。従って、鉄に対する反応性が低い多結晶ダイヤモンド砥粒を作製することができる。 In the method for producing polycrystalline diamond abrasive grains according to the present invention, a carbon material to which phosphorus is added is sintered without using a binder at a pressure of 12 GPa or more and a temperature of 1500 ° C. or more, and a crystal grain size of 1 μm or less. The diamond abrasive grains as described above can be produced by directly converting to polycrystalline diamond having the above and processing the polycrystalline diamond. Therefore, polycrystalline diamond abrasive grains having low reactivity with iron can be produced.
以下、本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る多結晶ダイヤモンド砥粒は、結晶粒径（最大長さ）が１μｍ未満の多結晶ダイヤモンド（以下、「ナノ多結晶ダイヤモンド」と称する）からなる。該ナノ多結晶ダイヤモンド砥粒の平均二次粒子径が１μｍ以上２００μｍ程度である。該ナノ多結晶ダイヤモンド砥粒は、０．００１質量％以上３質量％以下のリンを含有している。 Embodiments of the present invention will be described below. The polycrystalline diamond abrasive according to the present embodiment is made of polycrystalline diamond (hereinafter referred to as “nanopolycrystalline diamond”) having a crystal grain size (maximum length) of less than 1 μm. The nano-polycrystalline diamond abrasive grains have an average secondary particle diameter of about 1 μm to about 200 μm. The nano-polycrystalline diamond abrasive contains 0.001% by mass or more and 3% by mass or less of phosphorus.
上記ナノ多結晶ダイヤモンドは、結合剤、焼結助剤、触媒等を実質的に含まない。このナノ多結晶ダイヤモンドは、不純物量も極めて少なく、粒径が１μｍ未満である結晶粒同士が互いに強固に直接結合したものであり、緻密で空隙の極めて少ない結晶組織を有している。これにより、このナノ多結晶ダイヤモンドは、高温下においても、従来の多結晶ダイヤモンドやダイヤモンド焼結体と比べて優れた硬度特性を有することができる。 The nano-polycrystalline diamond is substantially free of binders, sintering aids, catalysts and the like. The nano-polycrystalline diamond has a very small amount of impurities, crystal grains having a grain size of less than 1 μm, and is directly bonded to each other, and has a dense crystal structure with very few voids. As a result, the nano-polycrystalline diamond can have excellent hardness characteristics as compared with conventional polycrystalline diamond and diamond sintered bodies even at high temperatures.
なお、ナノ多結晶ダイヤモンドの結晶粒径は１μｍ未満であれば、各結晶粒間である程度のバラツキを含んでもよい。しかし、ナノ多結晶ダイヤモンドの結晶粒間の結合力の観点から、結晶粒径のばらつきは小さい方が好ましい。 In addition, as long as the crystal grain diameter of nano-polycrystalline diamond is less than 1 μm, there may be some variation between the crystal grains. However, from the viewpoint of the bonding strength between the crystal grains of nano-polycrystalline diamond, it is preferable that the variation in crystal grain size is small.
上記リンは、ナノ多結晶ダイヤモンドにおいて、原子レベルで均一に分散することが好ましい。ここで、「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、リンとを、気相状態で混合させて固化して炭素材料を作製した場合に、該固体炭素中にリンが分散するレベルの分散状態をいう。これにより、従来にないレベルで、リン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。つまり、凝集した状態でダイヤモンド中に混入したリンがほとんど存在せず、また、添加されたリンはダイヤモンドの結晶粒界に凝集することもないため、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。 The phosphorus is preferably dispersed uniformly at the atomic level in nano-polycrystalline diamond. Here, “dispersing at the atomic level” means, in the present specification, for example, when carbon and phosphorus are mixed in a gas phase state in a vacuum atmosphere and solidified to produce a carbon material. The state of dispersion in which phosphorus is dispersed in the solid carbon. Thereby, nano-polycrystalline diamond to which phosphorus is uniformly added at an unprecedented level can be obtained. In other words, there is almost no phosphorus mixed in the diamond in an agglomerated state, and the added phosphorus does not aggregate at the crystal grain boundaries of the diamond, thus effectively suppressing abnormal growth of the diamond crystal. be able to.
さらに、上記ナノ多結晶ダイヤモンドでは、ダイヤモンド中でのリン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、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。 Further, in the nano-polycrystalline diamond, the phosphorus concentration distribution in the diamond is difficult to occur. Also from this, local abnormal growth of diamond crystal grains can be effectively suppressed, and the size of diamond crystal grains can be made uniform as compared with the conventional example.
本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、リンを原子レベルで分散するように含有しているため、ダイヤモンド全体にわたって鉄に対する反応性を低下させることができる。つまり、局所的な鉄に対する反応性のばらつきの発生を効果的に抑制することができる。さらに、リンを原子レベルで分散するように含有しているため、ダイヤモンド全体にわたって所望の導電性を付与することもできる。つまり、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。 Since the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment contains phosphorus so as to be dispersed at an atomic level, the reactivity with respect to iron can be reduced throughout the diamond. That is, it is possible to effectively suppress the occurrence of local variations in reactivity to iron. Furthermore, since phosphorus is contained so as to be dispersed at an atomic level, desired conductivity can be imparted over the entire diamond. That is, the occurrence of local conductivity variation can be effectively suppressed.
上記ナノ多結晶ダイヤモンドにおいて、好ましくは、リンは置換型の孤立原子として分散している。つまり、４価の炭素の一部を５価のリンが占めている。この結果、共有結合電子が、系として、１個多い状態になる。これにより、鉄と炭素との反応性を低下させることができると考えられる。 In the nanopolycrystalline diamond, phosphorus is preferably dispersed as substitutional isolated atoms. That is, pentavalent phosphorus occupies a part of tetravalent carbon. As a result, the number of covalently bonded electrons is one more in the system. Thereby, it is thought that the reactivity of iron and carbon can be reduced.
上記ナノ多結晶ダイヤモンド中のリンの濃度は、０．００１質量％以上３質量％以下であることが好ましい。これにより、ナノ多結晶ダイヤモンドの鉄に対する反応性を低下させることができる。さらに、ナノ多結晶ダイヤモンドに導電性を付与することもできる。一方、３質量％以上に添加濃度を高めると、リンを置換型孤立原子として分散するようにダイヤモンド中に固溶させることが難しく、機械的特性を劣化させるおそれがある。 The concentration of phosphorus in the nanopolycrystalline diamond is preferably 0.001% by mass or more and 3% by mass or less. Thereby, the reactivity with respect to iron of nano polycrystalline diamond can be reduced. Furthermore, conductivity can be imparted to the nano-polycrystalline diamond. On the other hand, when the additive concentration is increased to 3% by mass or more, it is difficult to dissolve phosphorus in diamond so as to disperse phosphorus as substitutional isolated atoms, which may deteriorate the mechanical properties.
本発明者らは、本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドが、ノンドープナノ多結晶ダイヤモンドと同等の硬度を有することを確認した。 The present inventors have confirmed that the nanopolycrystalline diamond of the present embodiment has the same hardness as the non-doped nanopolycrystalline diamond.
上記ナノ多結晶ダイヤモンドが有する優れた特性を維持しながら、ナノ多結晶ダイヤモンドを所望の二次粒子に加工することで、鉄に対する反応性が低い多結晶ダイヤモンド砥粒を得ることが出来る。これにより、従来のダイヤモンド砥粒では、実質的に不可能であった、鉄系材料の加工が可能となる。さらに、該多結晶ダイヤモンド砥粒は、劈開性を実質的に有さず、高温下においても高硬度であり、かつ耐摩耗性も優れている。多結晶ダイヤモンド砥粒は、鉄に対する反応性が低く、高温下での硬度特性が優れているため、例えば鉄系材料の加工においても、研削熱による硬度低下を防ぐことができ、研削速度を速めることもできる。また、該多結晶ダイヤモンド砥粒は、従来のダイヤモンド砥粒より長寿命ともなり、鉄系材料の加工においても長寿命化できる。さらに該多結晶ダイヤモンド砥粒は、全体にわたって均一な導電性も有している。このとき、多結晶ダイヤモンド砥粒の平均二次粒子径は、ミクロンオーダーとする。具体的には、１μｍ以上２００μｍ以下とするのが好ましい。平均二次粒子径を１μｍ以上としたのは、１μｍより小さい場合、ナノ多結晶ダイヤモンドはそれぞれ単独の単結晶のような性質を示し、多結晶体としてのメリットである等方性を生かすことができないためである。平均粒径を２００μｍ以下としたのは、平均二次粒子径が２００μｍより大きい場合、多結晶ダイヤモンド砥粒の強度が低下すると同時に、砥粒としては、研磨面の粗さが大きすぎてしまうためである。なお、上記多結晶ダイヤモンド砥粒は、平均二次粒子径が１μｍ以上２００μｍ以下の範囲である限りにおいて、二次粒子径が１μｍ未満や２００μｍ以上の多結晶ダイヤモンド砥粒を含んでいてもよい。 By processing the nano-polycrystalline diamond into desired secondary particles while maintaining the excellent characteristics of the nano-polycrystalline diamond, polycrystalline diamond abrasive grains having low reactivity with iron can be obtained. As a result, it is possible to process an iron-based material, which is substantially impossible with conventional diamond abrasive grains. Furthermore, the polycrystalline diamond abrasive grains have substantially no cleaving property, high hardness even at high temperatures, and excellent wear resistance. Polycrystalline diamond abrasives have low reactivity to iron and excellent hardness characteristics at high temperatures. For example, even in the processing of iron-based materials, hardness reduction due to grinding heat can be prevented, and the grinding speed is increased. You can also. In addition, the polycrystalline diamond abrasive grains have a longer life than conventional diamond abrasive grains, and can be extended in the processing of iron-based materials. Furthermore, the polycrystalline diamond abrasive has uniform conductivity throughout. At this time, the average secondary particle diameter of the polycrystalline diamond abrasive grains is set to the micron order. Specifically, it is preferably 1 μm or more and 200 μm or less. The average secondary particle size is set to 1 μm or more. When the average secondary particle size is smaller than 1 μm, nano-polycrystalline diamond exhibits properties like a single crystal, and can take advantage of the isotropic property of a polycrystalline body. This is because it cannot be done. The reason why the average particle size is set to 200 μm or less is that when the average secondary particle size is larger than 200 μm, the strength of the polycrystalline diamond abrasive grains is reduced, and at the same time, the roughness of the polished surface is too large for the abrasive grains. It is. The polycrystalline diamond abrasive grains may contain polycrystalline diamond abrasive grains having a secondary particle diameter of less than 1 μm or 200 μm or more as long as the average secondary particle diameter is in the range of 1 μm to 200 μm.
本実施の形態に係る多結晶ダイヤモンド砥粒は、添加することを意図したリン以外の、窒素、水素、酸素、ホウ素、シリコン、結晶粒の成長を促進するような遷移金属等の不純物濃度（以下「不純物濃度」と称する）が０．０１質量％以下であるのが好ましい。つまり、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、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。 The polycrystalline diamond abrasive grains according to the present embodiment are nitrogen, hydrogen, oxygen, boron, silicon other than phosphorus intended to be added, and impurity concentrations such as transition metals that promote the growth of crystal grains (hereinafter referred to as “phosphorus diamond abrasive grains”). The “impurity concentration” is preferably 0.01% by mass or less. That is, the impurity concentration is about the detection limit or less in SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) analysis. Moreover, about a transition metal, it is below the detection limit in ICP (Inductively Coupled Plasma) analysis or SIMS analysis.
黒鉛のような固体炭素材料を用いて多結晶ダイヤモンド砥粒を作製する場合には、該黒鉛の不純物濃度は、０．０１質量％以下とするのが好ましい。 When producing polycrystalline diamond abrasive grains using a solid carbon material such as graphite, the impurity concentration of the graphite is preferably 0.01% by mass or less.
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リン以外の不純物量が極めて少ないナノ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ナノ多結晶ダイヤモンドが得られる。 In this way, by reducing the amount of impurities in graphite to the detection limit level in SIMS analysis or ICP analysis, the amount of impurities other than phosphorus intended to be added when diamond is produced using the graphite. Nano-polycrystalline diamond with very little can be produced. Note that even when graphite containing impurities slightly higher than the detection limit in SIMS analysis or ICP analysis is used, nanopolycrystalline diamond having significantly superior characteristics can be obtained as compared with conventional ones.
上記ナノ多結晶ダイヤモンドは、リンを原子レベルで均一に分散するよう含む一方で、不純物量は極めて少ないため、リンは、炭素中で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、リンは、炭素中で互いに孤立した状態で存在する。リンは、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、リン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 contains phosphorus so as to be uniformly dispersed at the atomic level, but the amount of impurities is extremely small, so that phosphorus does not aggregate in a cluster form in carbon and is distributed almost uniformly throughout the diamond. It will be in the state. Ideally, phosphorus exists in carbon in a state isolated from each other. Phosphorus exists in carbon (diamond body) in a state of substitution with carbon atoms, and is not simply mixed in carbon but in a state in which phosphorus and carbon atoms are chemically bonded.
上記高純度のナノ多結晶ダイヤモンドでは、全体にわたって不純物濃度が極めて低くなる。また、該ナノ多結晶ダイヤモンドには、従来のような不純物の偏析も見られず、いずれの部分の不純物濃度も極めて低く、結晶粒界における不純物の濃度も、０．０１質量％以下程度である。このように結晶粒界における不純物濃度が極めて低いことから、結晶粒界での結晶粒の滑りを抑制することができ、結晶粒同士の結合を強化することができる。それにより、多結晶ダイヤモンドのヌープ硬度を高くすることができる。また、結晶粒の異常成長をも効果的に抑制することができ、結晶粒径のバラツキも低減することができる。 The high-purity nanopolycrystalline diamond has an extremely low impurity concentration throughout. Further, the nano-polycrystalline diamond does not show segregation of impurities as in the prior art, the impurity concentration in any part is extremely low, and the impurity concentration at the crystal grain boundary is about 0.01% by mass or less. . As described above, since the impurity concentration at the crystal grain boundary is extremely low, slip of the crystal grain at the crystal grain boundary can be suppressed, and the bond between the crystal grains can be strengthened. Thereby, the Knoop hardness of the polycrystalline diamond can be increased. In addition, abnormal growth of crystal grains can be effectively suppressed, and variations in crystal grain size can be reduced.
上記のように、高純度で、かつリンを原子レベルで分散するように含有した上記ナノ多結晶ダイヤモンドの優れた特性を維持しながら、ナノ多結晶ダイヤモンドを所望の平均二次粒子径に加工することで、鉄に対する反応性が低い、高硬度の多結晶ダイヤモンド砥粒を得ることができる。 As described above, the nano-polycrystalline diamond is processed into a desired average secondary particle size while maintaining the excellent characteristics of the nano-polycrystalline diamond containing high purity and phosphorous dispersed at the atomic level. As a result, it is possible to obtain polycrystalline diamond abrasive grains having high hardness and low reactivity to iron.
これにより、本実施の形態に係る多結晶ダイヤモンド砥粒は、従来のダイヤモンド砥粒では困難であった鉄系材料に対して特に有用となる。この多結晶ダイヤモンド砥粒は、鉄系材料の加工に際し、例えば工具の構造の変更や、ロウ材を加工面に塗布する等の加工条件の変更を必要としない。また、加工時の発熱を許容できるため、熱的な理由で研削速度を制限する必要もない。さらに、多結晶ダイヤモンド砥粒は高硬度であるため、研削速度を速めることができる。また、鉄系材料を加工する場合でも、従来のダイヤモンド砥粒より長寿命化することができる。 Thereby, the polycrystalline diamond abrasive grains according to the present embodiment are particularly useful for iron-based materials that have been difficult with conventional diamond abrasive grains. This polycrystalline diamond abrasive does not require changes in the processing conditions such as changing the structure of the tool or applying a brazing material to the processing surface when processing the iron-based material. In addition, since heat generation during processing can be allowed, it is not necessary to limit the grinding speed for thermal reasons. Furthermore, since the polycrystalline diamond abrasive grains have high hardness, the grinding speed can be increased. Moreover, even when processing an iron-type material, it can be made longer than the conventional diamond abrasive grain.
本実施の形態に係る多結晶ダイヤモンド砥粒は、ダイヤモンド全体にわたって導電性を有するため、当該砥粒自身を放電加工により微細に成形することもできる。また、当該砥粒を電着により固着させて製造する、電着ワイヤにも適用することもできる。ワイヤへの砥粒の電着は、例えば、めっき液中に砥粒を混合し、ピアノ線をめっき液に含浸（浸漬）した状態で複合めっきしてもよい。本実施の形態に係る多結晶ダイヤモンド砥粒は、スラリーにも適用できる。例えば、当該砥粒を溶かしたスラリーを塗布した砥石は、研削作用と放電作用とを併せ持った放電複合研削法に用いることもできる。 Since the polycrystalline diamond abrasive grain according to the present embodiment has conductivity throughout the entire diamond, the abrasive grain itself can be finely formed by electric discharge machining. Further, the present invention can also be applied to an electrodeposited wire manufactured by fixing the abrasive grains by electrodeposition. For electrodeposition of the abrasive grains on the wire, for example, the composite plating may be performed in a state where the abrasive grains are mixed in the plating solution and the piano wire is impregnated (immersed) in the plating solution. The polycrystalline diamond abrasive according to the present embodiment can also be applied to a slurry. For example, a grindstone coated with a slurry in which the abrasive grains are dissolved can be used in a discharge composite grinding method having both a grinding action and a discharging action.
次に、本実施の形態に係る多結晶ダイヤモンド砥粒の製造方法について説明する。本実施の形態に係る多結晶ダイヤモンド砥粒は、リンを含有した炭素材料を、高温高圧下（例えば、１２ＧＰａ以上の圧力、１５００℃以上の温度）で結合剤を用いずに焼結してダイヤモンドに直接的に変換し、１μｍ未満の結晶粒径を有するナノ多結晶ダイヤモンドを得た後、該ナノ多結晶ダイヤモンドを加工することで作製できる。 Next, a method for producing polycrystalline diamond abrasive grains according to the present embodiment will be described. The polycrystalline diamond abrasive grains according to the present embodiment are obtained by sintering a carbon material containing phosphorus without using a binder under high temperature and high pressure (for example, a pressure of 12 GPa or more and a temperature of 1500 ° C. or more). This can be directly converted into a nano-polycrystalline diamond having a crystal grain size of less than 1 μm and then processed by processing the nano-polycrystalline diamond.
上記炭素材料は、例えば、基材上に気相合成等により形成された黒鉛とすることができる。黒鉛は、一体の固体であり、結晶化部分を含むものであってもよい。該黒鉛へのリンの添加方法としては、リンを炭素中に原子レベルで分散するように添加することができる、任意の方法を採用可能である。また、黒鉛の形成後にリンを黒鉛中に添加してもよいし、黒鉛の形成段階でリンを黒鉛中に添加してもよい。例えば、気相合成法により形成した黒鉛と、赤リンとを混合し、２５００℃程度で熱処理してもよい。あるいは、赤リンの代わりに、黄リンやリン化合物を用いてもよい。また、気相合成法を採用して黒鉛の形成段階で黒鉛中に添加することもできる。具体的には、リン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、同時に黒鉛中にリンを添加することができる。 The carbon material can be, for example, graphite formed on a substrate by vapor phase synthesis or the like. Graphite is an integral solid and may include a crystallized portion. As a method for adding phosphorus to the graphite, any method that can add phosphorus so as to be dispersed at an atomic level in carbon can be adopted. Further, phosphorus may be added to the graphite after the formation of graphite, or phosphorus may be added to the graphite at the stage of forming the graphite. For example, graphite formed by a gas phase synthesis method and red phosphorus may be mixed and heat-treated at about 2500 ° C. Alternatively, yellow phosphorus or a phosphorus compound may be used instead of red phosphorus. Further, it can be added to graphite at the formation stage of graphite by employing a vapor phase synthesis method. Specifically, a mixed gas of a gas containing phosphorus and a hydrocarbon gas is thermally decomposed at a temperature of 1500 ° C. or higher to form graphite on the substrate, and at the same time, phosphorus can be added to the graphite.
気相合成法を採用した場合、上記リンを含むガスとして、例えば、リンの水素化物からなる第１のガス、トリメチルリン、トリエチルリン、トリメチルホスフィン、トリフェニルホスフィン、ターシャリブチルホスフィン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。 When the gas phase synthesis method is employed, the phosphorus-containing gas is selected from, for example, a first gas composed of a hydride of phosphorus, trimethyl phosphorus, triethyl phosphorus, trimethyl phosphine, triphenyl phosphine, and tertiary butyl phosphine. Any of the organometallic second gases comprising two or more gases can be used. 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リンを混合して黒鉛中にリンを添加することで、理想的には、リンは黒鉛中に置換型の孤立原子として分散するように存在すると考えられる。 As described above, by mixing phosphorus in the raw material gas for graphite formation in the gas phase and adding phosphorus to the graphite, phosphorus is ideally dispersed as substitutional isolated atoms in the graphite. It seems to exist.
また、炭化水素ガスに対するリンを含むガスの添加量を適切に調整することで、所望の量のリンを黒鉛に添加することができる。 In addition, a desired amount of phosphorus can be added to the graphite by appropriately adjusting the amount of the gas containing phosphorus with respect to the hydrocarbon gas.
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。例えば、真空チャンバ内の真空度は、２０〜１００Ｔｏｒｒ程度とすればよい。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、ホウ素、シリコン、遷移金属等であって、添加することを意図したリン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. For example, the degree of vacuum in the vacuum chamber may be about 20 to 100 Torr. In practice, however, unintended inevitable impurities are mixed in the graphite. Examples of the inevitable impurities include nitrogen, hydrogen, oxygen, boron, silicon, transition metals, and the like, and elements other than phosphorus intended to be added.
このとき、炭化水素ガスおよびリンを含むガスの純度を高めることで、不純物量の極めて少ない黒鉛を基材上に作製するのが好ましい。例えば、真空チャンバ内に導入した９９．９９％以上の純度の炭化水素ガス及びリンを含むガスを１５００℃以上３０００℃以下程度の温度で熱分解して基材上に形成した黒鉛は、不純物濃度を０．０１質量％以下とすることができる。 At this time, it is preferable to produce graphite with a very small amount of impurities on the substrate by increasing the purity of the gas containing hydrocarbon gas and phosphorus. For example, graphite formed on a substrate by pyrolyzing a hydrocarbon gas having a purity of 99.99% or more introduced into a vacuum chamber and a gas containing phosphorus at a temperature of about 1500 ° C. to 3000 ° C. has an impurity concentration Can be made 0.01 mass% or less.
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。リン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。炭化水素ガスとリン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. The various gases described above can be used as the gas containing phosphorus. The mixed gas of hydrocarbon gas and phosphorus-containing gas 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、リンを含むガスとを、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、リン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。炭化水素ガスやリン含有ガスは、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、炭化水素ガスやリン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。 When forming the graphite, it is preferable that a hydrocarbon gas and a gas containing phosphorus flow toward the surface of the substrate. Thereby, each gas can be mixed efficiently near the base material, and graphite containing phosphorus can be efficiently generated on the base material. The hydrocarbon gas or phosphorus-containing gas may be supplied from directly above the base material toward the base material, or may be supplied toward the base material from an oblique direction or a horizontal direction. It is also conceivable to install a guide member for guiding hydrocarbon gas or phosphorus-containing gas to the base material in the vacuum chamber.
上記のように、黒鉛を基材上に作製する際には、真空チャンバ内に設置した基材を１５００℃以上の温度に加熱する。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。 As mentioned above, when producing graphite on a base material, the base material installed in the vacuum chamber is heated to a temperature of 1500 ° C. or higher. 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.
黒鉛作製用の基材としては、１５００℃から３０００℃程度の温度に耐え得る材料であればいかなる固相材料であってもよい。具体的には、金属、無機セラミック材料、炭素材料を基材として使用可能である。黒鉛中への不純物混入を抑制するという観点からは、上記基材を炭素で構成することが好ましい。固相の炭素材料としてはダイヤモンドや黒鉛を挙げることができる。黒鉛を基材として使用する場合、上述の手法で作製した不純物量の極めて少ない黒鉛を基材として使用することが考えられる。 As a base material for producing graphite, any solid phase material may be used as long as it can withstand a temperature of about 1500 ° C. to 3000 ° C. Specifically, a metal, an inorganic ceramic material, or a carbon material can be used as a base material. From the viewpoint of suppressing impurities from being mixed into graphite, it is preferable that the substrate is made of carbon. Examples of the solid-state carbon material include diamond and graphite. When using graphite as a base material, it is conceivable to use graphite with an extremely small amount of impurities prepared by the above-mentioned method as a base material.
なお、基材の材料としてダイヤモンドや黒鉛のような炭素材料を使用する場合、基材の少なくとも表面を炭素材料で構成すればよい。たとえば、基材の表面のみを炭素材料で構成し、基材の残りの部分を炭素材料以外の材料で構成してもよく、基材全体を炭素材料で構成してもよい。 When a carbon material such as diamond or graphite is used as the material for the base material, at least the surface of the base material may be composed of the carbon material. For example, only the surface of the substrate may be composed of a carbon material, the remaining portion of the substrate may be composed of a material other than the carbon material, and the entire substrate may be composed of a carbon material.
炭素材料としての黒鉛の結晶粒径は、本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドの合成がマルテンサイト変態ではないため、特に制限はない。 The crystal grain size of graphite as the carbon material is not particularly limited because the synthesis of the nanopolycrystalline diamond of the present embodiment is not a martensitic transformation.
次に、基材上に作製した上記リンを含有する黒鉛を、温度１５００℃以上、圧力１２ＧＰａ以上の条件下で焼結し、ダイヤモンドに直接的に変換する。これにより、結合剤、焼結助剤、触媒等を実質的に含まず、かつ従来にないレベルでリン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。該ナノ多結晶ダイヤモンドは、結晶粒同士が互いに直接結合し、緻密で空隙の極めて少ない結晶組織を有するため、高温下においても優れた硬度特性を有するものとなる。 Next, the graphite containing phosphorus prepared on the substrate is sintered under conditions of a temperature of 1500 ° C. or more and a pressure of 12 GPa or more, and is directly converted to diamond. As a result, a nano-polycrystalline diamond substantially free of binders, sintering aids, catalysts and the like and having phosphorus added uniformly at an unprecedented level can be obtained. The nano-polycrystalline diamond has crystal characteristics that are excellent in hardness even at high temperatures because the crystal grains are directly bonded to each other and have a dense crystal structure with very few voids.
また、上記変換後のナノ多結晶ダイヤモンドに含有されたリンは、理想的には置換型の孤立原子として分散して存在するため、ナノ多結晶ダイヤモンドの機械的特性は、リンの添加によっても全く損なわれず、耐熱特性や耐摩耗性の向上が期待できる。その結果、本実施の形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、結合剤、焼結助剤、触媒等を実質的に含まないノンドープナノ多結晶ダイヤモンドと同等の高いヌープ硬度を有し、かつ導電性も有することになる。 In addition, since the phosphorus contained in the nanocrystalline diamond after the conversion is ideally dispersed as substitutional isolated atoms, the mechanical properties of the nanopolycrystalline diamond are not affected by the addition of phosphorus. It can be expected to improve heat resistance and wear resistance without being damaged. As a result, the nanopolycrystalline diamond of the present embodiment has a high Knoop hardness equivalent to that of the non-doped nanopolycrystalline diamond substantially free of binder, sintering aid, catalyst, etc., and also has conductivity. It will be.
また、変換後のナノ多結晶ダイヤモンドに含まれる不純物濃度は、理論的には上記黒鉛中の不純物濃度と同程度となるため、ナノ多結晶ダイヤモンドの不純物濃度も０．０１質量％以下とすることができる。このため、ナノ多結晶ダイヤモンドの硬度特性をも向上することができる。 In addition, since the impurity concentration in the converted nanopolycrystalline diamond is theoretically the same as the impurity concentration in the graphite, the impurity concentration of the nanopolycrystalline diamond should also be 0.01% by mass or less. Can do. For this reason, the hardness characteristic of nano polycrystalline diamond can also be improved.
ナノ多結晶ダイヤモンドの合成には、一軸性の圧力を加えてもよく、等方的な圧力を加えてもよい。しかし、等方的な圧力によって、結晶粒径や、結晶の異方性の程度を揃えるという観点から、静水圧下での合成が好ましい。これにより、結晶粒径や結晶の異方性の程度が揃ったナノ多結晶ダイヤモンドを作製することができ、結晶粒間の結合をより強くすることができる。 In synthesizing nanopolycrystalline diamond, uniaxial pressure may be applied or isotropic pressure may be applied. However, synthesis under hydrostatic pressure is preferred from the viewpoint of aligning the crystal grain size and the degree of crystal anisotropy with isotropic pressure. As a result, nano-polycrystalline diamond having a uniform crystal grain size and crystal anisotropy can be produced, and the bond between crystal grains can be further strengthened.
次に、先の工程で合成した上記ナノ多結晶ダイヤモンドを、加工して砥粒とする。このとき、リンを含有するナノ多結晶ダイヤモンドが有する優れた特性を維持可能な加工であれば、任意の加工を採用できる。例えば、金属、セラミックまたはそれらの複合体をナノ多結晶ダイヤモンドに衝突させて、粉砕してもよい。衝突に際し、金属、セラミックまたはそれらの複合体を高速な往復運動させてもよい。衝突に用いる金属としては、例えばステンレス（ＳＵＳ）を使用できる。また、衝突に用いる金属、セラミックまたはそれらの複合体の形状としては、任意の形状を採用でき、例えば球状でもよい。このとき、ナノ多結晶ダイヤモンド砥粒が所望の平均二次粒子径を有するように、衝突の条件を選択することができる。例えば、衝突回数を減らすことで、平均二次粒子径の大きい多結晶ダイヤモンド砥粒を得ることができる。 Next, the nano-polycrystalline diamond synthesized in the previous step is processed into abrasive grains. At this time, any processing can be adopted as long as the processing can maintain the excellent characteristics of the nanopolycrystalline diamond containing phosphorus. For example, a metal, a ceramic, or a composite thereof may be collided with nano-polycrystalline diamond and pulverized. In the event of a collision, metal, ceramic, or a composite thereof may be reciprocated at high speed. For example, stainless steel (SUS) can be used as the metal used for the collision. In addition, as the shape of the metal, ceramic, or composite thereof used for the collision, any shape can be adopted, for example, a spherical shape may be used. At this time, the collision condition can be selected so that the nano-polycrystalline diamond abrasive grains have a desired average secondary particle diameter. For example, polycrystalline diamond abrasive grains having a large average secondary particle diameter can be obtained by reducing the number of collisions.
上記多結晶ダイヤモンド砥粒には、リンが、原子レベルで均一に分散している。理想的には、置換型の孤立原子として分散している。そのため、異種元素であるリンが添加されていても、ダイヤモンドの機械的特性は全く損なわれない。 Phosphorus is uniformly dispersed at the atomic level in the polycrystalline diamond abrasive. Ideally, they are dispersed as substitutional isolated atoms. Therefore, even if phosphorus which is a different element is added, the mechanical properties of diamond are not impaired at all.
なお、上記多結晶ダイヤモンド砥粒は、平均二次粒子径が１μｍ以上２００μｍ以下の範囲である限りにおいて、二次粒子径が１μｍ未満や２００μｍ以上の多結晶ダイヤモンド砥粒を含んでいてもよい。また、本実施の形態に係る多結晶ダイヤモンド砥粒の製造方法は、ふるい等により、砥粒に用いるナノ多結晶ダイヤモンドの二次粒子径を選択する工程を備えてもよい。これにより、多結晶ダイヤモンド砥粒の二次粒子径を所望の範囲内に揃えることができるため、多結晶ダイヤモンド砥粒による加工品質を向上できる。 The polycrystalline diamond abrasive grains may contain polycrystalline diamond abrasive grains having a secondary particle diameter of less than 1 μm or 200 μm or more as long as the average secondary particle diameter is in the range of 1 μm to 200 μm. Moreover, the method for producing polycrystalline diamond abrasive grains according to the present embodiment may include a step of selecting the secondary particle diameter of nano-polycrystalline diamond used for the abrasive grains by sieving or the like. Thereby, since the secondary particle diameter of a polycrystalline diamond abrasive grain can be arrange | positioned in the desired range, the processing quality by a polycrystalline diamond abrasive grain can be improved.
以上のように、本実施の形態に係る多結晶ダイヤモンド砥粒の製造方法によれば、上記のような優れた特性を有するナノ多結晶タイヤモンドを加工することで、リンが原子レベルで分散した多結晶ダイヤモンド砥粒を作製できるため、鉄に対する反応性が低く、鉄系材料の加工ができる多結晶ダイヤモンド砥粒を得ることができる。 As described above, according to the method for producing polycrystalline diamond abrasive grains according to the present embodiment, phosphorus is dispersed at the atomic level by processing the nanopolycrystalline tiremond having the excellent characteristics as described above. Since polycrystalline diamond abrasive grains can be produced, polycrystalline diamond abrasive grains having low reactivity with iron and capable of processing iron-based materials can be obtained.
なお、本発明における多結晶ダイヤモンド砥粒の平均二次粒子径は、ＴＥＭ等の顕微鏡像に基づいて、多結晶ダイヤモンド砥粒を構成する個々の多結晶粒（二次粒子）の粒径分布から、Ｄ５０粒子径として算出する。具体的には、倍率１０〜５０万倍で観察したＴＥＭ（例えば、日立製作所製「Ｈ−９０００」）の像から、画像解析プログラム（例えば、Ｓｃｉｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製「ＳｃｉｏｎＩｍａｇｅ」）を用いて個々の粒子を抽出し、抽出した粒子を２値化処理して個々の粒子の面積（Ｓ）を算出する。該個々の粒子の面積（Ｓ）と同じ面積を有する円の直径（２√（Ｓ／π））として個々の粒子径（Ｄ）を算出し、粒子径の頻度分布を得る。該粒子径の頻度分布を、データ解析プログラム（ＯｒｉｇｉｎＬａｂ社製「Ｏｒｉｇｉｎ」，Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製「Ｍａｔｈｃｈａｄ」等）によって処理し、累積５０％での粒子径（Ｄ５０粒子径）を算出し、これを平均二次粒子径とする。 In addition, the average secondary particle diameter of the polycrystalline diamond abrasive grains in the present invention is based on the particle size distribution of the individual polycrystalline grains (secondary particles) constituting the polycrystalline diamond abrasive grains based on a microscope image such as TEM. , D50 particle diameter is calculated. Specifically, from an image of a TEM (for example, “H-9000” manufactured by Hitachi, Ltd.) observed at a magnification of 100 to 500,000 times, each image is analyzed using an image analysis program (for example, “ScionImage” manufactured by Scion Corporation). The particles are extracted, and the extracted particles are binarized to calculate the area (S) of each particle. The individual particle diameter (D) is calculated as the diameter (2√ (S / π)) of a circle having the same area as the area (S) of each individual particle to obtain a frequency distribution of the particle diameter. The particle size frequency distribution is processed by a data analysis program (“Origin” manufactured by OriginLab, “Mathchad” manufactured by Parametric Technology, etc.), and a particle size at 50% cumulative (D50 particle size) is calculated. The average secondary particle size is used.
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.
気相合成法により形成した、リンを３質量％含有し、水素、酸素、窒素、ホウ素といった不可避不純物の濃度が０．０１質量％以下である黒鉛を温度２２００℃、圧力１６ＧＰａの条件下で、直接多結晶ダイヤモンドに変換した。この多結晶ダイヤモンドの結晶粒径は各々１０〜１００ｎｍ程度の大きさであり、各結晶粒同士が直接結合していることを走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ））により確認した。 Graphite formed by a vapor phase synthesis method containing 3% by mass of phosphorus and having a concentration of inevitable impurities such as hydrogen, oxygen, nitrogen and boron of 0.01% by mass or less under the conditions of a temperature of 2200 ° C. and a pressure of 16 GPa, Directly converted to polycrystalline diamond. The polycrystalline diamond has a crystal grain size of about 10 to 100 nm, and it was confirmed by a scanning electron microscope (SEM) that the crystal grains were directly bonded to each other.
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に、ＳＵＳ球を、１秒間に２０回、合計１８０００回衝突させて取り出し、平均二次粒子径が１μｍ〜２００μｍのナノ多結晶ダイヤモンドの粒子を得た。該ナノ多結晶ダイヤモンドを１０μｍのふるいに掛けて選別した、平均二次粒子径５μｍの多結晶ダイヤモンド砥粒をワイヤに固着し、固定砥粒ワイヤを作製した。 This nanopolycrystalline diamond had a Knoop hardness of 120 GPa. SUS spheres were made to collide with the nanopolycrystalline diamond 20 times per second for a total of 18000 times to obtain nanopolycrystalline diamond particles having an average secondary particle diameter of 1 μm to 200 μm. The nano-polycrystalline diamond was screened through a 10 μm sieve, and polycrystalline diamond abrasive grains having an average secondary particle diameter of 5 μm were fixed to the wire to produce a fixed abrasive wire.
上記固定砥粒ワイヤで、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４をカットしたところ、従来のダイヤモンド砥粒を用いた場合と比較して、切削速度は２倍になり、砥粒の寿命は２倍以上延びることが確認できた。 When stainless steel SUS304 was cut with the above-mentioned fixed abrasive wire, it was confirmed that the cutting speed was doubled and the life of the abrasive was more than doubled compared to the case of using conventional diamond abrasive grains. It was.
気相合成法により形成した、リンを３質量％含有し、水素、酸素、窒素といった不可避不純物の濃度がＳＩＭＳ分析で０．０１質量％以下である黒鉛を温度２１００℃、圧力１６ＧＰａの条件下で、直接多結晶ダイヤモンドに変更した。この多結晶ダイヤモンドの結晶粒径は各々１０〜１００ｎｍ程度の大きさであり、各結晶粒同士が直接結合していることを走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ））により確認した。 Graphite formed by a vapor phase synthesis method containing 3% by mass of phosphorus and having a concentration of inevitable impurities such as hydrogen, oxygen and nitrogen of 0.01% by mass or less by SIMS analysis under conditions of a temperature of 2100 ° C. and a pressure of 16 GPa Directly changed to polycrystalline diamond. The polycrystalline diamond has a crystal grain size of about 10 to 100 nm, and it was confirmed by a scanning electron microscope (SEM) that the crystal grains were directly bonded to each other.
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に、ＳＵＳ球を、１秒間に２０回、合計１８０００回衝突させて取り出し、平均二次粒子径が１μｍ〜２００μｍのナノ多結晶ダイヤモンドの粒子を得た。これを１０μｍのふるいに掛けて選別した、平均二次粒子径５μｍの多結晶ダイヤモンド砥粒を水に溶かしてスラリーとし、該スラリーを塗布した砥石を作製した。 This nanopolycrystalline diamond had a Knoop hardness of 120 GPa. SUS spheres were made to collide with the nanopolycrystalline diamond 20 times per second for a total of 18000 times to obtain nanopolycrystalline diamond particles having an average secondary particle diameter of 1 μm to 200 μm. This was screened through a 10 μm sieve, and polycrystalline diamond abrasive grains having an average secondary particle diameter of 5 μm were dissolved in water to form a slurry, and a grindstone coated with the slurry was produced.
上記砥石で、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４をラッピングしたところ、従来のダイヤモンド砥粒を用いた場合と比較して、ラッピングレートは２倍になり、砥粒の寿命は２倍以上延びることが確認できた。ラッピング条件は、加重３００ｇ／ｃｍ2、回転数６０ｒｐｍ、スラリー噴射時間１０秒、スラリー噴射間隔５０秒とした。 When stainless steel SUS304 was lapped with the above grindstone, it was confirmed that the lapping rate was doubled and the life of the abrasive grains was doubled or longer as compared with the case of using conventional diamond abrasive grains. The lapping conditions were a load of 300 g / cm 2 , a rotation speed of 60 rpm, a slurry injection time of 10 seconds, and a slurry injection interval of 50 seconds.
気相合成法により形成した、リンを０．００１質量％含有した黒鉛を温度２２００℃、圧力１６ＧＰａの条件下で、直接多結晶ダイヤモンドに変更した。この多結晶ダイヤモンドの結晶粒径は各々１０〜１００ｎｍ程度の大きさであり、各結晶粒同士が直接結合していることを走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ））により確認した。 Graphite containing 0.001% by mass of phosphorus formed by a vapor phase synthesis method was directly changed to polycrystalline diamond under the conditions of a temperature of 2200 ° C. and a pressure of 16 GPa. The polycrystalline diamond has a crystal grain size of about 10 to 100 nm, and it was confirmed by a scanning electron microscope (SEM) that the crystal grains were directly bonded to each other.
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に、ＳＵＳ球を、１秒間に２０回、合計１８０００回衝突させて取り出し、平均二次粒子径が１μｍ〜２００μｍのナノ多結晶ダイヤモンドの粒子を得た。該ナノ多結晶ダイヤモンドを１０μｍのふるいに掛けて選別した、平均二次粒子径５μｍのナノ多結晶ダイヤモンド砥粒をワイヤに固着し、固定砥粒ワイヤを作製した。 This nanopolycrystalline diamond had a Knoop hardness of 120 GPa. SUS spheres were made to collide with the nanopolycrystalline diamond 20 times per second for a total of 18000 times to obtain nanopolycrystalline diamond particles having an average secondary particle diameter of 1 μm to 200 μm. Nanocrystalline diamond abrasive grains having an average secondary particle diameter of 5 μm, which were selected by passing the nanopolycrystalline diamond through a 10 μm sieve, were fixed to the wire to produce a fixed abrasive wire.
上記固定砥粒ワイヤで、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４をカットしたところ、従来のダイヤモンド砥粒を用いた場合と比較して、切削速度は２倍になり、砥粒の寿命は２倍以上延びることが確認できた。 When stainless steel SUS304 was cut with the above-mentioned fixed abrasive wire, it was confirmed that the cutting speed was doubled and the life of the abrasive was more than doubled compared to the case of using conventional diamond abrasive grains. It was.
気相合成法により形成した、リンを０．００１質量％含有し、水素、酸素、窒素といった不可避不純物の濃度がＳＩＭＳ分析で０．０１質量％以下である黒鉛を温度２１００℃、圧力１６ＧＰａの条件下で、直接多結晶ダイヤモンドに変更した。この多結晶ダイヤモンドの結晶粒径は各々１０〜１００ｎｍ程度の大きさであり、各結晶粒同士が直接結合していることを走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ））により確認した。 Graphite formed by a vapor phase synthesis method containing 0.001% by mass of phosphorus and having a concentration of inevitable impurities such as hydrogen, oxygen, and nitrogen of 0.01% by mass or less by SIMS analysis is a temperature of 2100 ° C. and a pressure of 16 GPa. Below, it was changed directly to polycrystalline diamond. The polycrystalline diamond has a crystal grain size of about 10 to 100 nm, and it was confirmed by a scanning electron microscope (SEM) that the crystal grains were directly bonded to each other.
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に、ＳＵＳ球を、１秒間に２０回、合計１８０００回衝突させて取り出し、平均二次粒子径が１μｍ〜２００μｍのナノ多結晶ダイヤモンドの粒子を得た。これを１０μｍのふるいに掛けて選別した、平均二次粒子径５μｍのナノ多結晶ダイヤモンド砥粒を水に溶かしてスラリーとし、該スラリーを塗布した砥石を作製した。 This nanopolycrystalline diamond had a Knoop hardness of 120 GPa. SUS spheres were made to collide with the nanopolycrystalline diamond 20 times per second for a total of 18000 times to obtain nanopolycrystalline diamond particles having an average secondary particle diameter of 1 μm to 200 μm. This was screened through a 10 μm sieve, and nanopolycrystalline diamond abrasive grains having an average secondary particle diameter of 5 μm were dissolved in water to form a slurry, and a grindstone coated with the slurry was produced.
上記砥石で、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４を実施例１と同条件でラッピングしたところ、従来のダイヤモンド砥粒を用いた場合と比較して、ラッピングレートは２倍になり、砥粒の寿命は２倍以上延びることが確認できた。 When the stainless steel SUS304 was lapped with the above-mentioned grindstone under the same conditions as in Example 1, the lapping rate was doubled and the life of the abrasive grains was extended more than twice as compared with the case of using conventional diamond abrasive grains. I was able to confirm.
気相合成法により形成した、リンを３質量％含有し、水素、酸素、窒素といった不可避不純物の濃度がＳＩＭＳ分析で０．０１質量％以下である黒鉛を温度２２００℃、圧力１６ＧＰａの条件下で、直接多結晶ダイヤモンドに変更した。この多結晶ダイヤモンドの結晶粒径は各々１０〜１００ｎｍ程度の大きさであり、各結晶粒同士が直接結合していることを走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ））により確認した。 Graphite formed by a gas phase synthesis method containing 3% by mass of phosphorus and having a concentration of inevitable impurities such as hydrogen, oxygen and nitrogen of 0.01% by mass or less by SIMS analysis under conditions of a temperature of 2200 ° C. and a pressure of 16 GPa Directly changed to polycrystalline diamond. The polycrystalline diamond has a crystal grain size of about 10 to 100 nm, and it was confirmed by a scanning electron microscope (SEM) that the crystal grains were directly bonded to each other.
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に、ＳＵＳ球を、１秒間に２０回、合計１８０００回衝突させて取り出し、平均二次粒子径が１μｍ〜２００μｍのナノ多結晶ダイヤモンドの粒子を得た。該ナノ多結晶ダイヤモンドを１０μｍのふるいに掛け選別した、平均二次粒子径１００μｍ以下のナノ多結晶ダイヤモンド砥粒をワイヤに固着し、固定砥粒ワイヤを作製した。 This nanopolycrystalline diamond had a Knoop hardness of 120 GPa. SUS spheres were made to collide with the nanopolycrystalline diamond 20 times per second for a total of 18000 times to obtain nanopolycrystalline diamond particles having an average secondary particle diameter of 1 μm to 200 μm. Nanocrystalline diamond abrasive grains having an average secondary particle diameter of 100 μm or less, which were selected by screening the nanopolycrystalline diamond through a 10 μm sieve, were fixed to the wire to produce a fixed abrasive wire.
上記固定砥粒ワイヤで、立方晶ホウ化窒素をカットしたところ、従来のダイヤモンド砥粒を用いた場合と比較して、切削速度は２倍になり、砥粒の寿命は５倍以上延びることが確認できた。 When cubic nitrogen boride is cut with the above-mentioned fixed abrasive wire, the cutting speed is doubled and the life of the abrasive grain is extended more than 5 times compared to the case of using conventional diamond abrasive grains. It could be confirmed.
なお、上記の実施例において比較対象とした従来のダイヤモンド砥粒は、単結晶ダイヤモンド砥粒である。これをスラリーとして実施例１と同じラッピング条件で立方晶窒化ホウ素を研磨したときのラッピングレートは１μｍ／ｈであった。また、従来のダイヤモンド砥粒を固着させてワイヤーソーとし、立方晶窒化ホウ素を切削したときの切削速度は１４０μｍ／ｍｉｎであった。 In addition, the conventional diamond abrasive grain made into the comparison object in said Example is a single crystal diamond abrasive grain. When the cubic boron nitride was polished under the same lapping conditions as in Example 1 as a slurry, the lapping rate was 1 μm / h. In addition, when a conventional diamond abrasive grain was fixed to form a wire saw and cubic boron nitride was cut, the cutting speed was 140 μm / min.
以上の実施例では、結晶粒径が１０〜１００ｎｍ程度の高硬度のナノ多結晶ダイヤモンドを粉砕して得られた、平均二次粒子径１〜２００μｍの多結晶ダイヤモンド砥粒が、鉄系材料の加工においても、従来のダイヤモンド砥粒と比較して、２倍以上の切削速度を実現し、かつ２倍以上も長寿命であることが確認できた。しかし、実施例以外の条件であっても、特許請求の範囲に記載の範囲であれば、同等の特性を有する多結晶ダイヤモンド砥粒を作製できるものと考えられる。例えば、不純物濃度が０．０１質量％以下である高純度のナノ多結晶ダイヤモンドを粉砕して得られる多結晶ダイヤモンド砥粒の場合は、上記実施例よりもさらに加工の高速度化と砥粒の長寿命化とが可能であると考えられる。 In the above examples, polycrystalline diamond abrasive grains having an average secondary particle diameter of 1 to 200 μm, obtained by pulverizing high-hardness nanopolycrystalline diamond having a crystal grain diameter of about 10 to 100 nm, are made of an iron-based material. Also in processing, it was confirmed that the cutting speed was doubled or more, and the lifetime was twice as long as that of conventional diamond abrasive grains. However, even under conditions other than the Examples, it is considered that polycrystalline diamond abrasive grains having equivalent characteristics can be produced as long as they are within the scope of the claims. For example, in the case of polycrystalline diamond abrasive grains obtained by pulverizing high-purity nanopolycrystalline diamond having an impurity concentration of 0.01% by mass or less, the processing speed can be increased further than in the above examples. It is considered possible to extend the service life.
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。 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.
Claims (7)
結晶粒径が１μｍ未満の多結晶ダイヤモンドからなる多結晶ダイヤモンド砥粒であって、
平均二次粒子径が１μｍ以上２００μｍ以下であり、
リンの含有量が０．００１質量％以上３質量％以下である、多結晶ダイヤモンド砥粒。 Does not contain binder,
A polycrystalline diamond abrasive comprising a polycrystalline diamond having a crystal grain size of less than 1 μm,
The average secondary particle size is 1 μm or more and 200 μm or less,
Polycrystalline diamond abrasive grains having a phosphorus content of 0.001 mass% to 3 mass%.
前記リンが添加された炭素材料を、１２ＧＰａ以上の圧力、１５００℃以上の温度で結合剤を用いずに焼結してダイヤモンドに直接的に変換し、１μｍ未満の結晶粒径を有する多結晶ダイヤモンドを得る工程と、
前記多結晶ダイヤモンドを、平均二次粒子径が１μｍ以上２００μｍ以下となるよう加工する工程とを備える、多結晶ダイヤモンド砥粒の製造方法。 Preparing a carbon material to which phosphorus is added;
Polycrystalline diamond having a crystal grain size of less than 1 μm obtained by sintering the carbon material to which phosphorus is added at a pressure of 12 GPa or higher and a temperature of 1500 ° C. or higher without using a binder and directly converting it into diamond. Obtaining
And a step of processing the polycrystalline diamond so that the average secondary particle diameter is 1 μm or more and 200 μm or less.
金属、セラミック、またはそれらの複合体を前記多結晶ダイヤモンドに衝突させることで、前記多結晶ダイヤモンドを粉砕する、請求項６に記載の多結晶ダイヤモンド砥粒の製造方法。 In the step of processing the polycrystalline diamond,
The method for producing polycrystalline diamond abrasive grains according to claim 6, wherein the polycrystalline diamond is pulverized by colliding a metal, ceramic, or a composite thereof with the polycrystalline diamond.
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