JP2013527042A - ダイヤモンド工具 - Google Patents
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Abstract
Description
理想的な工具材料は、硬くて靱性のあるものである。摩滅用途において用いられる材料のこれらの2つの特性は、しばしば、2つの直交軸で示される。非常に簡単に言えば、摩耗は、単位操作当たりに取り去られる材料の量の測定値である。靱性は、クラックの伝播に対する材料の耐性の尺度である。
より硬く、より靱性があり、より強く、またより耐摩耗性のある材料を提供することが、常に求められている。また、結局は費用効率が高くなり、また性能が向上することになる、より速く、より正確で、よりクリーンな生産方法を提供することも、常に求められている。これらの要求のいくつかに、少なくとも部分的に対処することが、本発明の特定の実施形態の目的である。
ダイヤモンドの硬度特性は、摩耗の点で、それを究極の材料にする。しかし、工具の作業温度で、応力下に、可塑的に変形するダイヤモンドの限られた能力のために、スチールのような、ずっと強靭な材料に比べて、クラックの伝播は、より速い。
ダイヤモンドの耐久性を向上させようとするこれまでの試みは、ダイヤモンド材料の生成方法を適合させること、又は、材料の生成後に、ダイヤモンド材料を処理すること、のいずれかを含んでいた。例えば、WO 01/79583は、衝撃強度及び破壊靱性を向上させて、ダイヤモンドを用いる工具の耐久性を向上させる方法を教示している。その方法は、ダイヤモンドを用いる工具の表面にイオンを注入することを含む。イオン注入は、ある材料のイオンが別の固体に注入され、そのために、その個体の物理的特性を変えることができる、材料工学の方法である。典型的な環境下に、イオンは、10ナノメートルから1マイクロメートルの深さに注入される。WO 01/79583は、0.02μm〜0.2μmの範囲の深さまで、ダイヤモンド表面に入り込むイオン注入を教示している。好ましいイオンには、クロム、ニッケル、ルテニウム、タンタル、チタン及びイットリウムが含まれる。
US 4012300は、研磨粒子、特にダイヤモンド及び立方晶窒化ホウ素粒子の破砕性(friability)を、粒子を照射することによって変える方法を開示する。陽子、中性子及びガンマ線が提案され、中性子が好ましいことが提案されている。
WO 2005/088283は、ダイヤモンド材料の靱性及び/又は耐摩耗性を向上させることに関連しないが、粒子におけるダイヤモンドの存在を検出するために照射を用いることを確かに開示している。この方法は、高エネルギー光子で粒子を照射して、光子/炭素核反応を誘発することを含む。WO 99/48107もまた、炭素核反応を誘発する方法に関する。WO 99/48107では、いくらかの炭素原子の、ホウ素への核変換を引き起こして、電子デバイス用途のための電気的に活性なサイトを形成するために、高エネルギー放射(16MeV〜32MeV)が用いられる。高エネルギー照射は、好ましくは光子、特にガンマ線を用いて実現されるが、電子のような他の照射線源を用いることによってもまた実現され得ることが教示されている。
ダイヤモンド材料を選択するステップ;
ダイヤモンド材料の靱性及び/又は耐摩耗性を向上させるために、ダイヤモンド材料を電子で照射するステップ;及び
ダイヤモンド材料を、1つ又は複数のダイヤモンド工具部材に加工するステップ
を含み、
照射するステップが、ダイヤモンド材料に、複数の孤立空孔点欠陥(isolated vacancy point defect)をもたせるように、照射のエネルギー及び線量を制御することを含み、孤立空孔点欠陥が、空孔1×1014〜1×1022個/cm-3の範囲の濃度を有する、
方法が提供される。
理論によって拘束されないが、本発明の実施形態による電子照射は、ダイヤモンド材料の靱性及び/又は耐摩耗性を、中性子、陽子、及びより重いイオンについて上で記載されたものとは異なるメカニズムを通じて、向上させると思われる。電子照射は、空孔点欠陥、より詳細には、孤立空孔点欠陥をダイヤモンド格子構造に導入すること、及び、これらの空孔が、ダイヤモンド格子におけるクラック止めとして働き得ることによって、靱性及び/又は耐摩耗性を向上させているようである。
このような欠陥の濃度は、例えば、1×1015e-/cm2以上で;1×1016e-/cm2〜1×1019e-/cm2の範囲;1×1017e-/cm2〜1×1019e-/cm2の範囲;又は、2×1017e-/cm2〜1×1019e-/cm2の範囲の線量率を有する電子照射を用いて、形成できる。照射は、30keV以上で;0.1MeV〜12MeVの範囲;0.5MeV〜10MeVの範囲;又は、1MeV〜8MeVの範囲のエネルギーを有し得る。特定の実施形態によれば、照射は、好ましくは、ダイヤモンド材料の色の変化に繋がるエネルギー及び線量率を超えている。照射が、ダイヤモンド材料の非晶質化に繋がり得るエネルギー及び線量率より下に保たれることもまた、利点がある。非晶質化は、ダイヤモンド材料の機械的特性に有害な影響を及ぼす。一般に、照射状態が長くなるほど、より多くの空孔欠陥が導入されるであろう。しかし、空孔の組入れ率は、出発材料の特質に応じて変わり得る。
他方、ダイヤモンド材料が工具に組み入れられた後、ダイヤモンド材料を照射することは、存在するダイヤモンド工具を処理して、それらの靱性及び/又は耐摩耗性を向上させ得るという利点を有する。さらに、照射は、靱性及び/又は耐摩耗性を向上させることが望まれる、工具内のダイヤモンド材料の、特定の部分に向けることができる。こうすれば、使用に際して、向上した靱性及び/又は耐摩耗性を有することが必要とされないことがある、ダイヤモンド材料の他の部分を照射する必要がない。
工具の靱性及び/又は耐摩耗性を向上させることに加えて、ダイヤモンドの靱性及び/又は耐摩耗性の向上により、ダイヤモンド材料は様々な方法で加工できる。例えば、靱性の増加により、ダイヤモンド材料は、加工の間、又は使用中の、エッジでのクラック又は欠けを生じることのない、より正確な切削のための、より鋭いエッジに加工できる。
ダイヤモンド材料は、また、材料の2つ以上の面で、電子放射に曝され得る。例えば、ダイヤモンドの板は、電子放射への一様な暴露を実現するために、2つの主面で、暴露され得る。同様に、複数の小粒子は、粒子が転がり、それらの全表面に渡って、妥当な程度に一様に、電子放射に暴露されるように、照射の間、振り動かされ得る。照射の間の試料の回転、又は回転とそれに続く照射の繰返しは、ダイヤモンド材料の体積の全体に渡る照射を実現する助けとなり得る、及び/又は、比較的一様な点欠陥の分布を実現する助けとなり得る。
本発明の特定の実施形態によれば、ダイヤモンド材料は、Ia型、Ib型、IIa型、又はIIb型のいずれかであり得る。良好な結果は、Ib型のダイヤモンドで得られている。特に良好な結果は、Ib型単結晶ダイヤモンドを照射することによって達成されている。
好ましくは、電子照射は、ダイヤモンド工具部材の使用寿命を、未処理ダイヤモンド工具部材の寿命の10%以上、好ましくは20%以上、より好ましくは50%以上だけ、延ばす。
本発明のより良い理解のために、また、本発明が如何に実施され得るかを示すために、本発明の実施形態が、これから、添付図を参照しながら例としてのみ説明される。
図2は、本発明の別の実施形態による方法の実施に含まれる基本的ステップを例示する。ダイヤモンド材料20が、例えば、レーザー又は機械的カッターを用い、切断されて、1つ又は複数のダイヤモンド工具部材22を形成する。次いで、1つ又は複数のダイヤモンド工具部材22は、照射されて、照射されたダイヤモンド工具部材24を生成する。次に、1つ又は複数の照射されたダイヤモンド工具部材24は、担体26に蝋付けされて、ダイヤモンド工具を形成する。
図3は、本発明の別の実施形態による方法の実施に含まれる基本的ステップを例示する。ダイヤモンド材料30は、例えば、レーザー又は機械的カッターを用い、切断されて、1つ又は複数のダイヤモンド工具部材32を形成する。次いで、1つ又は複数のダイヤモンド工具部材32は、担体34に蝋付けされて、ダイヤモンド工具を形成する。次に、1つ又は複数のダイヤモンド工具部材34は、照射されて、照射されたダイヤモンド工具部材36を形成する。
電子照射は、通常、0.1MeV〜12MeVのエネルギー範囲の線源を用いて、実施される。好ましいエネルギーは、窒素がドーピングされたダイヤモンドに、一様に近い空孔濃度を導入すると同時に、カスケード損傷(例えば、空孔連鎖)の生成を最低限にするエネルギーである。ここで報告される結果では、4.5MeVが、これらの2つの要素の間の良好な妥協をもたらすことが見出された。
空孔濃度は、分光学的に測定できる。例えば、孤立空孔の濃度を測定するためには、スペクトルが、試料を冷却するために液体窒素を用い、77Kで得られるが、その理由は、この温度で、中性及び負荷電孤立空孔にそれぞれ帰属できる、741nm及び394nmの鋭いピークが見られるためである。本明細書において孤立空孔の濃度を計算するために用いられる係数は、下の表1に詳細が記載されている、G. Davies, Physica B 273-274 (1999) 15-23に公表されたものである。表1において、「A」は、77Kで測定した、遷移のゼロフォノン線における積分吸収(meV cm-1)であり、吸収係数はcm-1の単位で、光子エネルギーは、meVの単位である。濃度は、cm-3の単位である。
CVD及びHPHT法によって製造された合成ダイヤモンドの間の明白な相違を得るために用いられ得るさらなる方法は、光ルミネセンス分光法(PL)である。HPHT合成材料の場合には、合成プロセスにおいて用いられる触媒金属(通常、遷移金属、例えば、ニッケル、コバルト、又は鉄など)からの原子を含む欠陥が、しばしば存在し、PLによる、このような欠陥の検出は、その材料が、HPHT法によって合成されたことを明瞭に示す。
工具におけるダイヤモンド材料は、{110}、{111}、及び{100}の結晶面にそれぞれ対応する、2ポイント(2−point)、3ポイント及び4ポイント結晶を含めて、かなりの数の可能な結晶方位で配置され得る。特に良好な結果は、伸線工具において、3ポイントIb型HPHTダイヤモンドで、また切削工具において、2ポイントIb型HPHTダイヤモンドで得られている。任意選択で、ダイヤモンド工具部材の作業面は、ダイヤモンド材料の単一の分域によって形作られる。
照射されたダイヤモンド材料は、切削用途及び伸線用途で試験した。切削試験は、照射されたダイヤモンドが、天然石より性能が優れており、合成又は天然ダイヤモンドのいずれかの他の如何なる2ポイント又は4ポイント石より、ずっと良好であることを示した。伸線試験もまた、照射された材料の性能の向上を示した。照射されたダイヤモンド材料は、使用に際して、標準的な合成ダイヤモンドより、ずっとゆっくり劣化した。さらに、使用時に、合成又は天然ダイヤモンド材料では形成されることがある線条痕及び引っ掻き傷が、照射された材料では、認められなかった。
別の構成において、無色又は無色に近い単結晶CVDダイヤモンド板を、電子で照射して、青色の材料を形成させた。この材料は、例えば、切削刃を形作るために用いることができる。切削刃は、例えば、レーザーを用いて、原板から切り出すことができる。任意選択で、この青色の材料は、オレンジ色/薄い茶色の材料を生成させるために、約700℃でアニーリングされてもよい。
Claims (29)
- ダイヤモンド材料を選択するステップ;
前記ダイヤモンド材料の靱性及び/又は耐摩耗性を向上させるために、前記ダイヤモンド材料を電子で照射するステップ;及び
前記ダイヤモンド材料を、1つ又は複数のダイヤモンド工具部材に加工するステップ
を含み、
前記照射するステップが、照射のエネルギー及び線量を制御して、前記ダイヤモンド材料に、複数の孤立空孔点欠陥を与えることを含み、前記孤立空孔点欠陥が、空孔1×1014〜1×1022個/cm-3の範囲の濃度を有する、
方法。 - 前記照射するステップが、加工するステップの前、その間、又はその後で実施される、請求項1に記載の方法。
- 前記選択するステップが、天然ダイヤモンド材料、合成ダイヤモンド材料、高圧高温(HPHT)ダイヤモンド材料、化学蒸着(CVD)ダイヤモンド材料、単結晶ダイヤモンド材料、多結晶ダイヤモンド材料、ダイヤモンド様カーボン材料、ダイヤモンド、Ib型ダイヤモンド材料、及びコンポジットダイヤモンド材料の1つ又は複数を選択することを含む、請求項1から2までのいずれかに記載の方法。
- 前記照射するステップが、前記ダイヤモンド材料を、1μm以上;10μm以上;100μm以上;500μm以上;1mm以上の深さまで、又は、前記ダイヤモンド材料の全厚さに渡って、照射することを含む、請求項1から3までのいずれかに記載の方法。
- 前記照射するステップが、500℃以下;400℃以下;300℃以下;200℃以下;100℃以下;又は、50℃以下の温度で実施される、請求項1から4までのいずれかに記載の方法。
- 前記照射するステップの間、前記ダイヤモンド材料を冷却すること
をさらに含む、請求項1から5までのいずれかに記載の方法。 - 前記照射するステップが、30keV以上;0.1MeV〜12MeVの範囲;0.5MeV〜10MeVの範囲;又は、1MeV〜8MeVの範囲のエネルギーを有する照射を含む、請求項1から6までのいずれかに記載の方法。
- 前記照射するステップが、1×1015e-/cm2以上;1×1016e-/cm2〜1×1019e-/cm2の範囲;1×1017e-/cm2〜1×1019e-/cm2の範囲;又は、2×1017e-/cm2〜1×1019e-/cm2の範囲の線量率を有する電子照射を含む、請求項1から7までのいずれかに記載の方法。
- 前記孤立空孔点欠陥が、空孔1×1015〜1×1021個/cm-3;空孔5×1015〜1×1020個/cm-3;空孔1×1016〜5×1019個/cm-3;空孔5×1016〜1×1019個/cm-3の範囲の濃度を有する、請求項1から8までのいずれかに記載の方法。
- 前記照射するステップが、前記ダイヤモンド材料の非晶質化に繋がるエネルギー及び線量率より下での照射を含む、請求項1から9までのいずれかに記載の方法。
- 前記照射するステップが、前記ダイヤモンド材料の色の変化に繋がるエネルギー及び線量率より上で、前記ダイヤモンド材料を照射することを含む、請求項1から10までのいずれかに記載の方法。
- 前記ダイヤモンド材料をアニーリングするステップ
をさらに含む、請求項1から11までのいずれかに記載の方法。 - 前記アニーリングするステップが、照射するステップの前、その間、又はその後で実施される、請求項12に記載の方法。
- 前記アニーリングするステップが、1600℃以上;1800℃以上、2200℃以上;又は、2400℃以上の温度で実施される、請求項12又は13に記載の方法。
- 前記ダイヤモンド材料が、実質的なアニーリングステップを経ない、請求項1から11までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記照射するステップが、
電子で照射の間、前記ダイヤモンド材料を回転させること;又は
前記ダイヤモンド材料を電子で照射し、前記ダイヤモンド材料を回転させ、次いで、前記ダイヤモンド材料を電子で照射すること
の1つを含む、請求項1から15までのいずれかに記載の方法。 - 前記加工するステップが、前記ダイヤモンド材料を成形して作業面を形成することを含む、請求項1から16までのいずれかに記載の方法。
- 前記加工するステップが、耐摩耗部品、ドレッサー、伸線ダイス、ゲージストーン、及びカッターの1つを形成することを含む、請求項1から17までのいずれかに記載の方法。
- 1つ又は複数のダイヤモンド工具部材を、1つ又は複数の工具に組み入れるステップ
をさらに含む、請求項1から18までのいずれかに記載の方法。 - 前記照射するステップが、組み入れるステップの前、その間、又はその後で実施される、請求項19に記載の方法。
- ダイヤモンド材料の靱性及び/又は耐摩耗性を向上させるために、電子により照射されたダイヤモンド材料を含み、前記ダイヤモンド材料が、空孔1×1014〜1×1022個/cm-3の範囲の濃度を有する孤立空孔点欠陥を含む、工具部材。
- 前記空孔点欠陥が、空孔1×1015〜1×1021個/cm-3;空孔5×1015〜1×1020個/cm-3;空孔1×1016〜5×1019個/cm-3;又は、空孔5×1016〜1×1019個/cm-3の範囲の濃度を有する、請求項21に記載の工具部材。
- 前記ダイヤモンド材料が、青色、オレンジ色、茶色、緑色、赤色、又は紫色である、請求項21又は22に記載の工具部材。
- ように、前記ダイヤモンド材料が、使用に際して、色が変わるようになっており、前記色の変化が、前記工具部材を取り替える必要があること、及び/又は、過度の加熱があることを示す、請求項21から23までのいずれか1項に記載の工具部材。
- 前記工具部材が、耐摩耗部品、ドレッサー、伸線ダイス、ゲージストーン、及びカッターの1つである、請求項21から24までのいずれか1項に記載の工具部材。
- 請求項1から20までのいずれか1項に記載の方法を用い、製造される工具部材。
- 請求項21から26までのいずれか1項に記載の1つ又は複数の工具部材を含む工具。
- 照射のエネルギー及び線量を制御して、ダイヤモンド材料に複数の孤立空孔点欠陥を与えることを含み、前記孤立空孔点欠陥が、空孔1×1014〜1×1022個/cm-3の範囲の濃度を有する、工具用途向けのダイヤモンド材料の靱性及び/又は耐摩耗性を向上させるための電子照射の使用。
- ダイヤモンド材料が、空孔1×1014〜1×1022個/cm-3の範囲の濃度を有する孤立空孔点欠陥を含む、工具用途における電子照射されたダイヤモンド材料の使用。
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