JP6015129B2

JP6015129B2 - 多結晶ダイヤモンド砥粒およびその製造方法、スラリー、ならびに固定砥粒式ワイヤ

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Publication number: JP6015129B2
Application number: JP2012118608A
Authority: JP
Inventors: 和寛池田; 角谷　均; 均角谷
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2032-05-24
Also published as: JP2013245128A

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。

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。

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。

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。

特開平１０−２０２５３８号公報特許第３０１３２３５号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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（ＳｃａｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ））や透過型電子顕微鏡（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の実施の形態に係る多結晶ダイヤモンド砥粒の製造フローを示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（ＳｅｃｏｎｄａｒｙＩｏｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）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（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）分析やＳＩＭＳ分析における検出限界以下程度である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、ＳｃｉｏｎＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ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」，ＰａｒａｍｅｔｒｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ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。

次に、本発明の実施例について説明する。

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（ＳｃａｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ））により確認した。

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。

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。

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（ＳｃａｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ））により確認した。

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。

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。

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（ＳｃａｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ））により確認した。

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。

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（ＳｃａｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ））により確認した。

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。

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。

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（ＳｃａｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ））により確認した。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims

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％以下であり、
前記リンは、前記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おり、
前記リンを除く不純物濃度が０．０１質量％以下である、多結晶ダイヤモンド砥粒。
請求項１に記載の多結晶ダイヤモンド砥粒を用いた、スラリー。
請求項１に記載の多結晶ダイヤモンド砥粒を固定した、固定砥粒式ワイヤ。
リンが添加された炭素材料を準備する工程と、
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、
前記リンが添加された炭素材料は、気相合成法により形成された黒鉛であって、
前記黒鉛は、
前記リンが、前記黒鉛中に置換型の孤立原子として分散しており、
前記リンを除く不純物濃度が０．０１質量％以下である、多結晶ダイヤモンド砥粒の製造方法。
前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４に記載の多結晶ダイヤモンド砥粒の製造方法。