JP6232817B2 - Nano-polycrystalline diamond and tool comprising the same - Google Patents
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Description
本発明は、ナノ多結晶ダイヤモンドおよびこれを備える工具に関し、特に、異種元素がドープされたナノ多結晶ダイヤモンドおよびこれを備える工具に関する。 The present invention relates to a nanopolycrystalline diamond and a tool including the same, and more particularly, to a nanopolycrystalline diamond doped with a different element and a tool including the same.
これまで、絶縁性であるダイヤモンドに、炭素以外の元素(以下、「異種元素」ともいう。)を添加することによって、ダイヤモンドに導電性などの種々の特性を付与する技術の開発が進められてきている。さらに、近年、ナノサイズの単結晶により構成されるナノ多結晶ダイヤモンドが、単結晶ダイヤモンドを超える硬さを有することが明らかとなった。このため、現在、ナノ多結晶ダイヤモンドに、異種元素を添加する技術が開発されつつある。 Up to now, the development of technology for imparting various characteristics such as conductivity to diamond by adding elements other than carbon (hereinafter also referred to as “foreign elements”) to diamond that is insulating has been advanced. ing. Furthermore, in recent years, it has been clarified that nano-polycrystalline diamond composed of nano-sized single crystals has a hardness exceeding that of single-crystal diamond. Therefore, a technique for adding a different element to nano-polycrystalline diamond is currently being developed.
たとえば、特開2013−28500号公報(特許文献1)には、13族元素を含むナノ多結晶ダイヤモンドを製造する技術が記載されている。このナノ多結晶ダイヤモンドは、単結晶ダイヤモンドを超える硬さを有するとともに、導電性を有することができるため、様々な機械加工に利用される工具に有用である。 For example, Japanese Patent Laying-Open No. 2013-28500 (Patent Document 1) describes a technique for producing nano-polycrystalline diamond containing a group 13 element. Since this nano-polycrystalline diamond has a hardness exceeding that of single-crystal diamond and can be electrically conductive, it is useful for tools used in various machining processes.
しかしながら、ダイヤモンドは鉄系材料の加工に不向きであることが知られている。ダイヤモンドからなる工具を鉄系材料の切削に使用した場合、鉄系材料と接触する部分が摩耗してしまい、工具としての寿命が低下し、結果的に、鉄系材料を安定的に加工することができないという問題がある。 However, it is known that diamond is not suitable for processing ferrous materials. When a tool made of diamond is used for cutting ferrous materials, the parts that come into contact with the ferrous materials will be worn out, reducing the tool's life, resulting in stable processing of ferrous materials. There is a problem that can not be.
本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、高い硬度と鉄系材料に対する高い耐摩耗性とを有するナノ多結晶ダイヤモンドおよびこれを備える工具を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide nano-polycrystalline diamond having high hardness and high wear resistance against iron-based materials, and a tool including the same. There is to do.
本発明は、炭素と、炭素により構成される結晶構造内にドープされた異種元素と、を含み、異種元素は、13族元素からなる群より選択される1種である第1元素と、15族元素からなる群より選択される1種である第2元素とからなり、第1元素および第2元素の各原子濃度は、1×1014/cm3以上1×1022/cm3以下であり、電気抵抗率が10Ω・cm以上である、ナノ多結晶ダイヤモンドである。 The present invention includes carbon and a heterogeneous element doped in a crystal structure composed of carbon, and the heterogeneous element is a first element selected from the group consisting of group 13 elements, and 15 And a second element which is one kind selected from the group consisting of group elements, and each atom concentration of the first element and the second element is 1 × 10 14 / cm 3 or more and 1 × 10 22 / cm 3 or less. It is a nanopolycrystalline diamond having an electrical resistivity of 10 Ω · cm or more.
また、本発明は、上記ナノ多結晶ダイヤモンドを備える工具である。 Moreover, this invention is a tool provided with the said nano polycrystalline diamond.
本発明によれば、高い硬度と鉄系材料に対する高い耐摩耗性とを有するナノ多結晶ダイヤモンドおよびこれを備える工具を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the nano polycrystalline diamond which has high hardness and the high abrasion resistance with respect to an iron-type material, and a tool provided with this can be provided.
[本願発明の実施形態の説明]
本発明は、炭素と、炭素により構成される結晶構造内にドープされた異種元素と、を含み、異種元素は、13族元素からなる群より選択される1種である第1元素と、15族元素からなる群より選択される1種である第2元素とからなり、第1元素および第2元素の各原子濃度は、1×1014/cm3以上1×1022/cm3以下であり、電気抵抗率が10Ω・cm以上である、ナノ多結晶ダイヤモンドである。本発明のナノ多結晶ダイヤモンドは、高い硬度と鉄系材料に対する高い耐摩耗性とを有することができる。
[Description of Embodiment of Present Invention]
The present invention includes carbon and a heterogeneous element doped in a crystal structure composed of carbon, and the heterogeneous element is a first element selected from the group consisting of group 13 elements, and 15 And a second element which is one kind selected from the group consisting of group elements, and each atom concentration of the first element and the second element is 1 × 10 14 / cm 3 or more and 1 × 10 22 / cm 3 or less. It is a nanopolycrystalline diamond having an electrical resistivity of 10 Ω · cm or more. The nano-polycrystalline diamond of the present invention can have high hardness and high wear resistance against iron-based materials.
また、上記ナノ多結晶ダイヤモンドは、炭素により構成される結晶構造に由来するピーク強度に対する、他の結晶構造に由来するピーク強度の比が0.0001以下であるX線回折パターンを示すことが好ましい。これにより、ナノ多結晶ダイヤモンドは、さらに高い硬度と鉄系材料に対するさらに高い耐摩耗性とを有することができる。 The nano-polycrystalline diamond preferably exhibits an X-ray diffraction pattern in which the ratio of the peak intensity derived from another crystal structure to the peak intensity derived from the crystal structure composed of carbon is 0.0001 or less. . Thereby, nano-polycrystalline diamond can have higher hardness and higher wear resistance against iron-based materials.
また、上記ナノ多結晶ダイヤモンドにおいて、ナノ多結晶ダイヤモンドを構成する単結晶の粒径は500nm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はさらに高い硬度を有することができる。 In the nano-polycrystalline diamond, the single crystal constituting the nano-polycrystalline diamond preferably has a particle size of 500 nm or less. Thereby, nano-polycrystalline diamond can have higher hardness.
また、上記ナノ多結晶ダイヤモンドにおいて、第1元素はホウ素であり、第2元素は窒素であることが好ましい。この場合、特に高い硬度と鉄系材料に対する特に高い耐摩耗性を有することができる。 In the nanopolycrystalline diamond, it is preferable that the first element is boron and the second element is nitrogen. In this case, it can have particularly high hardness and particularly high wear resistance against ferrous materials.
また、上記ナノ多結晶ダイヤモンドは、鉄系材料を加工するための工具に用いられることが好ましい。この場合、ナノ多結晶ダイヤモンドの特性を十分に生かすことができる。 The nano-polycrystalline diamond is preferably used for a tool for processing an iron-based material. In this case, the characteristics of nano-polycrystalline diamond can be fully utilized.
また、本発明は、上記ナノ多結晶ダイヤモンドを備える工具である。本発明の工具によれば、高い硬度と鉄系材料に対する高い耐摩耗性とを有する工具を提供することができる。 Moreover, this invention is a tool provided with the said nano polycrystalline diamond. According to the tool of the present invention, it is possible to provide a tool having high hardness and high wear resistance against ferrous materials.
[本願発明の実施形態の詳細]
以下、本発明に係るナノ多結晶ダイヤモンドおよびこれを備える工具についてさらに詳細に説明する。
[Details of the embodiment of the present invention]
Hereinafter, the nano-polycrystalline diamond according to the present invention and a tool including the same will be described in more detail.
<ナノ多結晶ダイヤモンド>
本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、炭素と、炭素により構成される結晶構造内にドープされた異種元素と、を含み、異種元素は、13族元素からなる群より選択される1種である第1元素と、15族元素からなる群より選択される1種である第2元素とからなり、第1元素および第2元素の各原子濃度は、1×1014/cm3以上1×1022/cm3以下であり、電気抵抗率が10Ω・cm以上である。
<Nanopolycrystalline diamond>
The nano-polycrystalline diamond of the present embodiment includes carbon and a different element doped in the crystal structure composed of carbon, and the different element is one selected from the group consisting of group 13 elements. It consists of a first element and a second element which is one kind selected from the group consisting of group 15 elements, and each atom concentration of the first element and the second element is 1 × 10 14 / cm 3 or more and 1 × 10 22 / cm 3 or less, and electrical resistivity is 10 Ω · cm or more.
本明細書において、「ナノ多結晶ダイヤモンド」とは、多結晶ダイヤモンドを構成する単結晶ダイヤモンドの粒径、すなわち多結晶ダイヤモンドを構成する結晶単位の粒径がナノサイズである多結晶ダイヤモンドをいう。ナノサイズの単結晶ダイヤモンドとは、すなわち、1μm未満の粒径を有する単結晶ダイヤモンドの粒子である。なお、単結晶ダイヤモンドの「粒径」とは、粒子の最も長い径(長径)を意味し、本明細書において、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)を用いて測定された値を「粒径」として記載する。 In the present specification, “nanopolycrystalline diamond” refers to polycrystalline diamond in which the grain size of single-crystal diamond constituting polycrystalline diamond, that is, the grain size of crystal units constituting polycrystalline diamond is nano-sized. The nano-sized single crystal diamond is a single crystal diamond particle having a particle size of less than 1 μm. The “particle diameter” of the single crystal diamond means the longest diameter (major diameter) of the particle. In this specification, the value measured using a scanning electron microscope (SEM) is “ It is described as “particle size”.
また、本明細書において、「結晶構造内にドープされた異種元素」とは、異種元素が、炭素同士が共有結合することによって構成されるダイヤモンドの結晶構造において、一部の炭素と置換された状態、換言すれば、結晶構造を構成する炭素と共有結合した状態で存在しており、原子レベルで結晶構造内に分散されている状態をいう。このような状態の異種元素は、結晶構造内でクラスター化した異種元素とは異なる。 In addition, in this specification, “a heterogeneous element doped in a crystal structure” means that a heterogeneous element is substituted with a part of carbon in a diamond crystal structure formed by covalently bonding carbons to each other. The state, in other words, the state that exists in a state of being covalently bonded to carbon constituting the crystal structure and is dispersed in the crystal structure at the atomic level. The different elements in such a state are different from the different elements clustered in the crystal structure.
すなわち、「結晶構造内でクラスター化した異種元素」とは、異種元素である複数の原子が凝集した形態で結晶構造内に存在する。したがって、たとえば、ダイヤモンドの結晶構造内でクラスター化した異種元素を含む場合、異種元素が結晶構造内に不均一に存在することになり、ナノ多結晶ダイヤモンドの均質性を低下させるとともに、結晶構造に大きな歪みをもたらし、結果的にナノ多結晶ダイヤモンドの硬度を低下させてしまう。 That is, the “heterogeneous elements clustered in the crystal structure” exists in the crystal structure in a form in which a plurality of atoms that are different elements are aggregated. Therefore, for example, when a heterogeneous element clustered in the crystal structure of diamond is included, the heterogeneous element exists non-uniformly in the crystal structure, reducing the homogeneity of nano-polycrystalline diamond and improving the crystal structure. This results in large strains and consequently reduces the hardness of the nanopolycrystalline diamond.
これに対し、「結晶構造内にドープされた異種元素」は上述のように原子レベルで結晶構造内に分散されているため、「結晶構造内にドープされた異種元素」を含むナノ多結晶ダイヤモンドは、「結晶構造内でクラスター化した異種元素」を含むナノ多結晶ダイヤモンドと比して均質性の低下が抑制される。 On the other hand, since the “heterogeneous element doped in the crystal structure” is dispersed in the crystal structure at the atomic level as described above, the nano-polycrystalline diamond containing “the heterogeneous element doped in the crystal structure” Is suppressed in homogeneity as compared with nano-polycrystalline diamond containing “heterogeneous elements clustered in the crystal structure”.
ナノ多結晶ダイヤモンドにおいて、異種元素が含まれるかどうかおよびその含有率は、誘導結合プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)分析によって測定することができる。また、ナノ多結晶ダイヤモンドに異種元素が含まれる場合に、異種元素が原子レベルで結晶構造内に分散されているかどうかは、たとえば、(1)ナノ多結晶ダイヤモンド中に異種元素の結晶相が存在するかどうかを観察することによって、(2)ナノ多結晶ダイヤモンドにおける異種元素の原子濃度分布を測定することによって、また、上記(1)および(2)を適宜組み合わせることによって確認することができる。 In nano-polycrystalline diamond, whether or not a different element is contained and the content thereof can be measured by inductively coupled plasma (ICP) analysis. In addition, when nano-polycrystalline diamond contains different elements, whether or not the different elements are dispersed in the crystal structure at the atomic level is, for example, (1) the presence of a crystalline phase of the different elements in nano-polycrystalline diamond By observing whether or not to do so, it can be confirmed by (2) measuring the atomic concentration distribution of different elements in nano-polycrystalline diamond, and appropriately combining (1) and (2) above.
上記(1)に関し、原子レベルで結晶構造内に分散されている異種元素は、ダイヤモンドと異なる結晶相を構成しないため、異種元素の結晶相、すなわち、第1元素の結晶相、第2元素の結晶相、および第1元素と第2元素とからなる化合物の結晶相は観察されない。これに対し、クラスター化して存在する異種元素は、ダイヤモンドと異なる結晶相を構成するため、異種元素由来の上記結晶相が観察される。このような結晶相の有無は、たとえば、X線回折によって観察することができ、また、結晶相の大きさによっては、目視によっても観察することができる。 Regarding (1) above, since the different elements dispersed in the crystal structure at the atomic level do not form a crystal phase different from diamond, the crystal phases of the different elements, that is, the crystal phase of the first element and the second element. The crystal phase and the crystal phase of the compound composed of the first element and the second element are not observed. On the other hand, since the different elements present in a cluster form a crystal phase different from diamond, the crystal phase derived from the different elements is observed. The presence or absence of such a crystal phase can be observed by, for example, X-ray diffraction, and can also be visually observed depending on the size of the crystal phase.
上記(2)に関し、異種元素が原子レベルで結晶構造内に分散されている場合、クラスター化した状態で存在している場合と比して、異種元素の原子濃度分布は均一となる。このような原子濃度分布は、たとえば、二次イオン質量分析(SIMS:Secondary Ion Mass Spectroscopy)によって測定することができる。結晶構造中の任意の2点において測定される異種元素の原子濃度差が所定の値以下である場合に、異種元素の原子濃度分布が均一であるとみなすことができ、異種元素は、原子レベルで結晶構造内に分散されている状態であり、クラスター化している状態ではないとみなすことができる。 Regarding (2) above, when the different elements are dispersed in the crystal structure at the atomic level, the atomic concentration distribution of the different elements is uniform as compared to the case where the different elements exist in a clustered state. Such an atomic concentration distribution can be measured by, for example, secondary ion mass spectrometry (SIMS). When the difference in atomic concentration of different elements measured at two arbitrary points in the crystal structure is less than or equal to a predetermined value, the atomic concentration distribution of the different elements can be considered to be uniform. It can be considered that it is in a state dispersed in the crystal structure and not in a clustered state.
本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは高い硬度を有する。本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドが高い硬度を有する理由は明確ではないが、種々の検討結果より、本発明者らは以下のように推察する。 The nanopolycrystalline diamond of this embodiment has a high hardness. The reason why the nano-polycrystalline diamond of this embodiment has high hardness is not clear, but the present inventors infer from the results of various studies as follows.
すなわち、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、ドープされた異種元素を含み、これはクラスター化した状態の異種元素とは異なる。上述のように、クラスター化した状態の異種元素はナノ多結晶ダイヤモンドの均質性を低下させるとともに、結晶構造に大きな歪みをもたらし、結果的にナノ多結晶ダイヤモンドの硬度を低下させてしまう。これに対し、ドープされた異種元素は、クラスター化した状態の異種元素と比して結晶構造内に均一に存在することができるため、ナノ多結晶ダイヤモンドの均質性の低下を抑制することができ、結果的にナノ多結晶ダイヤモンドの高い硬度を維持することができる。 That is, the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment includes a doped different element, which is different from a clustered different element. As described above, the heterogeneous elements in a clustered state reduce the homogeneity of the nanopolycrystalline diamond and cause a large distortion in the crystal structure, resulting in a decrease in the hardness of the nanopolycrystalline diamond. In contrast, a doped heterogeneous element can exist uniformly in the crystal structure compared to a heterogeneous element in a clustered state, so that a decrease in homogeneity of nano-polycrystalline diamond can be suppressed. As a result, the high hardness of the nano-polycrystalline diamond can be maintained.
また、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドにおいて、異種元素である第1元素と第2元素とは、それぞれ、ナノ多結晶ダイヤモンドにおいて1×1022/cm3以下の原子濃度で存在する。異種元素の原子濃度が高くなりすぎると、ナノ多結晶ダイヤモンドの硬度が低下する恐れがあるが、異種元素がこのような濃度で存在することにより、ナノ多結晶ダイヤモンドの高い硬度を維持することができる。なお、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドにおいては、異種元素は含有率によらず均一に分散されているので、ナノ多結晶ダイヤモンドにおいて局所的な特性のばらつきが生じることを抑制することができる。 Further, in the nanopolycrystalline diamond of the present embodiment, the first element and the second element, which are different elements, each exist in an atomic concentration of 1 × 10 22 / cm 3 or less in the nanopolycrystalline diamond. If the atomic concentration of the different element becomes too high, the hardness of the nanopolycrystalline diamond may decrease. However, the presence of the different element at such a concentration may maintain the high hardness of the nanopolycrystalline diamond. it can. In the nanopolycrystalline diamond of the present embodiment, the different elements are uniformly dispersed regardless of the content rate, so that it is possible to suppress local variations in characteristics in the nanopolycrystalline diamond.
また、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドにおいて、その電気抵抗率が10Ω・cm以上であることから、第1元素の原子濃度および第2元素の原子濃度は、それぞれ近い値であることが理解される。炭素のアクセプターとなり得る第1元素と、炭素のドナーとなり得る第2元素の各原子濃度が近い値であることにより、ナノ多結晶ダイヤモンドの均質性が維持され、結果的にナノ多結晶ダイヤモンドの高い硬度を維持することができる。なお、本明細書において、電気抵抗率とはJIS C2141に準じて測定される値とする。 Further, in the nanopolycrystalline diamond of the present embodiment, the electrical resistivity is 10 Ω · cm or more, so that it is understood that the atomic concentration of the first element and the atomic concentration of the second element are close to each other. The Since the atomic concentrations of the first element that can be an acceptor of carbon and the second element that can be a donor of carbon are close to each other, the homogeneity of the nanopolycrystalline diamond is maintained. Hardness can be maintained. In this specification, the electrical resistivity is a value measured according to JIS C2141.
また、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、高い硬度に加え、さらに鉄系材料に対する高い耐摩耗性を有する。本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドが鉄系材料に対する高い耐摩耗性を有する理由は明確ではないが、種々の検討結果より、少なくとも、第1元素のみ、または第2元素のみではなく、第1元素と第2元素とがそれぞれ1×1014/cm3以上の原子濃度でドープされており、かつ電気抵抗率が10Ω・cm以上である、換言すれば第1元素と第2元素の原子濃度が近似していることが重要であると推察される。 In addition to the high hardness, the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment has a high wear resistance against iron-based materials. The reason why the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment has high wear resistance with respect to the iron-based material is not clear, but based on various examination results, at least the first element or not only the second element but also the first element. And the second element are doped at an atomic concentration of 1 × 10 14 / cm 3 or more and the electrical resistivity is 10 Ω · cm or more, in other words, the atomic concentrations of the first element and the second element are It is inferred that the approximation is important.
本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドにおいて、第1元素および第2元素の各原子濃度は、1016/cm3以上1021/cm3以下であることが好ましい。この場合、ナノ多結晶ダイヤモンドは高い硬度と鉄系材料に対する高い耐摩耗性とをさらに効果的に両立することができる。 In the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment, the atomic concentrations of the first element and the second element are preferably 10 16 / cm 3 or more and 10 21 / cm 3 or less. In this case, nano-polycrystalline diamond can more effectively achieve both high hardness and high wear resistance against iron-based materials.
また、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、炭素により構成される結晶構造に由来するピーク強度に対する、他の結晶構造に由来するピーク強度の比が0.0001以下であるX線回折パターンを示すことが好ましい。この場合、ナノ多結晶ダイヤモンド中にダイヤモンド以外の他の結晶相、たとえば、第1元素の結晶相、第2元素の結晶相、第1元素と第2元素との化合物の結晶相の混在する割合が十分に低減されるため、より高い硬度と鉄系材料に対するより高い耐摩耗性とを有することができる。また、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、好ましくはクラスター化した異種元素を含まない。 In addition, the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment exhibits an X-ray diffraction pattern in which the ratio of the peak intensity derived from another crystal structure to the peak intensity derived from the crystal structure composed of carbon is 0.0001 or less. It is preferable. In this case, the ratio of the crystal phase other than diamond, for example, the crystal phase of the first element, the crystal phase of the second element, and the crystal phase of the compound of the first element and the second element in the nano-polycrystalline diamond. Is sufficiently reduced, it can have higher hardness and higher wear resistance against ferrous materials. In addition, the nano-polycrystalline diamond of this embodiment preferably does not contain clustered heterogeneous elements.
また、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドを構成する単結晶の粒径は、10nm以上500nm以下であることが好ましい。この場合、高い硬度を維持しつつ、ナノ多結晶ダイヤモンドを構成する単結晶の粒径のばらつきをより小さくすることができるため、より均質なナノ多結晶ダイヤモンドを提供することができる。 Moreover, it is preferable that the particle diameter of the single crystal which comprises the nano polycrystal diamond of this embodiment is 10 nm or more and 500 nm or less. In this case, since the variation in the grain size of the single crystal constituting the nanopolycrystalline diamond can be reduced while maintaining high hardness, a more uniform nanopolycrystalline diamond can be provided.
また、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドにおいて、第1元素はホウ素であり、第2元素は窒素であることが好ましく、この場合、さらに高い硬度と、鉄系材料に対するさらに高い耐摩耗性を有することができる。その理由は明確ではないが、本発明者らは種々の検討結果より、ナノ多結晶ダイヤモンド中にドープされたホウ素と窒素とが互いに共有結合しており、この構成によっていわゆる窒化ホウ素としての特性をも発揮できるためと推察している。 In the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment, the first element is preferably boron and the second element is preferably nitrogen. In this case, it has higher hardness and higher wear resistance against iron-based materials. be able to. The reason for this is not clear, but the present inventors have found that boron and nitrogen doped in nano-polycrystalline diamond are covalently bonded to each other based on various investigation results. I guess that it can also demonstrate.
また、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、後述するナノ多結晶ダイヤモンドの製造方法により製造することができ、この製造方法によれば、単結晶の粒子間に結合剤を介在させることなく、粒子同士を強固に結合させることができる。このようなナノ多結晶ダイヤモンドは、結合剤により粒子同士を結合させた場合と比して、高い硬度を有することができる。したがって、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、結合剤を含有しないことが好ましい。 In addition, the nanopolycrystalline diamond of the present embodiment can be produced by a nanopolycrystalline diamond production method described later, and according to this production method, particles can be formed without interposing a binder between single crystal particles. They can be firmly bonded to each other. Such nano-polycrystalline diamond can have a high hardness as compared with the case where particles are bonded together by a binder. Therefore, it is preferable that the nano-polycrystalline diamond of this embodiment does not contain a binder.
また、後述する製造方法によれば、不可避不純物の混入量が十分に低いナノ多結晶ダイヤモンドを製造することができる。具体的には、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドにおいて、不可避不純物である各元素の各々の含有率を0.01質量%以下とすることができる。不可避不純物である各元素の各々の含有率が0.01質量%以下であることにより、単結晶粒界でのすべりを抑制することができ、単結晶粒同士の結合をより強固にすることができるため、ナノ多結晶ダイヤモンドの硬度をさらに高めることができる。したがって、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドにおいて、不可避不純物である各元素の各々の含有率は、0.01質量%以下であることが好ましい。なお、不可避不純物とは、Cおよび意図した異種元素以外の元素を意味し、水素(H)、酸素(O)、シリコン(Si)、遷移金属などを挙げることができる。 Moreover, according to the manufacturing method mentioned later, the nano polycrystalline diamond in which the amount of inevitable impurities is sufficiently low can be manufactured. Specifically, in the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment, the content of each element that is an inevitable impurity can be set to 0.01% by mass or less. When the content of each element that is an unavoidable impurity is 0.01% by mass or less, slip at the single crystal grain boundary can be suppressed, and the bond between the single crystal grains can be further strengthened. Therefore, the hardness of nano-polycrystalline diamond can be further increased. Therefore, in the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment, the content of each element that is an inevitable impurity is preferably 0.01% by mass or less. The inevitable impurities mean elements other than C and the intended heterogeneous elements, and examples thereof include hydrogen (H), oxygen (O), silicon (Si), and transition metals.
また、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、高い硬度と鉄系材料に対する高い耐摩耗性とを有するため、鉄系材料を加工するための工具に用いることができる。なお、鉄系材料とは、鉄を含む材料を意味し、純鉄の他、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、クロム(Cr)、ステンレスなどを挙げることができる。 Moreover, since the nanopolycrystalline diamond of this embodiment has high hardness and high abrasion resistance with respect to an iron-type material, it can be used for the tool for processing an iron-type material. The iron-based material means a material containing iron, and examples thereof include nickel (Ni), manganese (Mn), cobalt (Co), chromium (Cr), and stainless steel in addition to pure iron.
工具としては、切削工具、研削工具、耐摩工具などを挙げることができる。切削工具としては、たとえば、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどを挙げることができる。 Examples of tools include cutting tools, grinding tools, and anti-wear tools. Cutting tools include, for example, drills, end mills, cutting edge exchangeable cutting tips for drills, cutting edge exchangeable cutting tips for end mills, cutting edge exchangeable cutting tips for milling, cutting edge exchangeable cutting tips for turning, metal saws, cutting tools , Reamers, taps, etc.
<工具>
本実施形態の工具は、上述のナノ多結晶ダイヤモンドを備える工具である。工具としては、上記と同様に、切削工具、研削工具、耐摩工具などを挙げることができ、これらの具体的な例示も上記と同様である。
<Tool>
The tool of this embodiment is a tool provided with the nano-polycrystalline diamond described above. Examples of the tool include a cutting tool, a grinding tool, an anti-wear tool, and the like as described above, and specific examples thereof are the same as described above.
本実施形態の工具によれば、上述のナノ多結晶ダイヤモンドを備えるため、鉄系材料の加工に用いた場合に、長寿命を発揮することができ、これにより、安定的に鉄系材料を加工することができる。なお、本発明者らは、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドを旋盤用のチップとして加工し、これを用いて純鉄の切削を行ったところ、異種元素がドープされていないナノ多結晶ダイヤモンドと比して、3倍以上の耐摩耗性を示すことを確認している。 According to the tool of the present embodiment, since the nano-polycrystalline diamond described above is provided, a long life can be exhibited when used for processing an iron-based material, thereby stably processing an iron-based material. can do. The inventors of the present invention processed the nano-polycrystalline diamond of this embodiment as a lathe tip, and cut pure iron using this to obtain a nano-polycrystalline diamond not doped with a different element. In comparison, it has been confirmed that the wear resistance is three times or more.
<ナノ多結晶ダイヤモンドおよびこれを備える工具の製造方法>
本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、たとえば、以下のようにして製造することができる。下記製造方法に関し、図1および図2を用いながら各工程について説明する。
<Nanopolycrystalline diamond and method for producing a tool including the same>
The nano-polycrystalline diamond of this embodiment can be manufactured as follows, for example. With respect to the following manufacturing method, each step will be described with reference to FIGS.
(準備工程)
本工程は、黒鉛を準備する工程であり、これにより、図1に示すように、炭素と、炭素により構成される結晶構造内にドープされた、第1元素および第2元素からなる異種元素とを含む黒鉛1を基材2上に作製する。作製された黒鉛1は後述する変換工程によってナノ多結晶ダイヤモンドへと変換され、黒鉛1における単結晶の粒径および黒鉛1における異種元素の原子濃度はナノ多結晶ダイヤモンドに関係する。したがって、黒鉛1は、黒鉛を構成する単結晶の粒径が10μm以下、より好ましくは500nm以下であり、黒鉛における異種元素の原子濃度が1×1014/cm3以上1×1022/cm3以下、より好ましくは1018/cm3以上1021/cm3以下となるように作製される。このような黒鉛1は、たとえば、以下の化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法を用いることにより基材2上に形成することができる。
(Preparation process)
This step is a step of preparing graphite, whereby, as shown in FIG. 1, carbon and a heterogeneous element composed of a first element and a second element doped in a crystal structure composed of carbon. The graphite 1 containing is produced on the substrate 2. The produced graphite 1 is converted into nano-polycrystalline diamond by a conversion step described later, and the single crystal grain size in graphite 1 and the atomic concentration of different elements in graphite 1 are related to nano-polycrystalline diamond. Accordingly, the graphite 1 has a single crystal grain size of 10 μm or less, more preferably 500 nm or less, and the atomic concentration of different elements in the graphite is 1 × 10 14 / cm 3 or more and 1 × 10 22 / cm 3. Hereinafter, it is more preferably formed so as to be 10 18 / cm 3 or more and 10 21 / cm 3 or less. Such graphite 1 can be formed on the base material 2 by using, for example, the following chemical vapor deposition (CVD) method.
(CVD法)
まず、真空チャンバ内に、その主面上に黒鉛を気相成長させるための基材2を配置する。基材2の材料としては、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、炭素材料を用いてもよい。ただし、ナノ多結晶ダイヤモンドの原材料となる黒鉛に混入する不純物を低減するという観点から、少なくとも基材の主面は炭素材料であることが好ましく、不純物の極めて少ないダイヤモンドまたは黒鉛であることがより好ましい。
(CVD method)
First, the base material 2 for vapor-phase-growing graphite on the main surface is arrange | positioned in a vacuum chamber. As a material of the base material 2, any metal, inorganic ceramic material, and carbon material may be used as long as they can withstand a temperature of about 1500 ° C. to 3000 ° C. However, from the viewpoint of reducing impurities mixed in the graphite that is the raw material of the nanopolycrystalline diamond, it is preferable that at least the main surface of the base material is a carbon material, and it is more preferable that the material is diamond or graphite with very few impurities. .
次に、真空チャンバ内に配置された基材2を1500℃以上3000℃以下程度の温度で加熱する。加熱方法としては公知の方法を採用することができ、たとえば、基材2を直接あるいは間接的に加熱可能なヒータを真空チャンバに設置する方法が挙げられる。 Next, the base material 2 disposed in the vacuum chamber is heated at a temperature of about 1500 ° C. to 3000 ° C. As a heating method, a known method can be adopted. For example, a method of installing a heater capable of directly or indirectly heating the base material 2 in a vacuum chamber can be mentioned.
次に、真空チャンバ内に、炭化水素ガスと、異種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(圧力)を大気圧以下にする。これにより、炭化水素ガスと異種元素を含むガスとを、真空チャンバ内で均一に混合させることができる。 Next, a hydrocarbon gas and a gas containing a different element are introduced into the vacuum chamber. At this time, the degree of vacuum (pressure) in the vacuum chamber is set to atmospheric pressure or lower. Thereby, hydrocarbon gas and the gas containing a different element can be mixed uniformly in a vacuum chamber.
炭化水素ガスとしては、エタン、ブタン、メタンなどを用いることができ、分子量が小さいために熱分解された際に、エチレンなどの副生成物が生じにくいという観点から、メタンを用いることが好ましい。また、異種元素を含むガスとしては、異種元素の水素化物からなるガス、異種元素を含む炭化水素ガス、異種元素を含むハロゲン化物ガスを用いることが好ましい。異種元素の水素化物からなるガスを用いた場合、当該ガスを高温中で容易に分解することができるため、効率的に異種元素を基材上に供給することができる。また、異種元素を含む炭化水素ガスを用いた場合、既に炭素と結合した状態の異種元素を基材上に供給することができるため、より効率的に異種元素を黒鉛中にドープさせることができる。また、異種元素を含むハロゲン化物ガスを用いた場合、ハロゲンの作用によって意図しない金属不純物を除去しながら黒鉛を合成させることができるため、黒鉛中の金属不純物の濃度をより効果的に低下させることができる。たとえば、第1元素としてホウ素(B)を、第2元素として窒素(N)をドープさせる場合には、フッ化ホウ素(HF)ガス、アンモニア(NH3)ガスを用いることができる。 As the hydrocarbon gas, ethane, butane, methane, or the like can be used, and methane is preferably used from the viewpoint that by-products such as ethylene are hardly generated when pyrolyzed because of its low molecular weight. As the gas containing a different element, it is preferable to use a gas composed of a hydride of a different element, a hydrocarbon gas containing a different element, or a halide gas containing a different element. When a gas composed of a hydride of a different element is used, the gas can be easily decomposed at a high temperature, so that the different element can be efficiently supplied onto the substrate. Further, when a hydrocarbon gas containing a different element is used, the different element already bonded to carbon can be supplied onto the substrate, so that the different element can be more efficiently doped into the graphite. . In addition, when a halide gas containing a different element is used, graphite can be synthesized while removing unintended metal impurities by the action of halogen, so that the concentration of metal impurities in graphite can be reduced more effectively. Can do. For example, when boron (B) is doped as the first element and nitrogen (N) is doped as the second element, boron fluoride (HF) gas or ammonia (NH 3 ) gas can be used.
そして、混合されたガスを1500℃以上の温度で熱分解することにより、基材の主面上に、炭素と、炭素により構成される結晶構造内にドープされた第1元素および第2元素からなる異種元素とを含む黒鉛、換言すれば、13族元素および15族元素が原子レベルで結晶構造内に分散して存在する黒鉛1が形成される。 Then, by thermally decomposing the mixed gas at a temperature of 1500 ° C. or higher, carbon is formed on the main surface of the base material from the first element and the second element doped in the crystal structure composed of carbon. In other words, the graphite 1 containing the different elements, that is, the graphite 1 in which the group 13 element and the group 15 element are dispersed in the crystal structure at the atomic level is formed.
上記CVD法において、黒鉛1に含まれる単結晶の粒径を10μm以下にするために、合成条件における温度および圧力をそれぞれ1600℃以上および13Torr以上とする。単結晶の粒径を10μm以下にすることにより、直接変換により製造されるナノ多結晶ダイヤモンドにおける単結晶の粒径を1μm未満に抑えることができる。また、黒鉛1に含まれる単結晶の粒径を20nm以上500nm以下に調製することにより、ナノ多結晶ダイヤモンドを構成する単結晶の粒径を10nm以上500nm以下にすることができる。なお、黒鉛1の構成は、単結晶を一部に含み、他の部分がアモルファス、不定形炭素、カーボンナノチューブ、フラーレンなどの状態である構成でもよく、単結晶から構成される多結晶であってもよい。より粒径が均一なナノ多結晶ダイヤモンドを得るためには、各黒鉛相が単一相によって形成される構成の黒鉛1を形成することが好ましい。 In the above CVD method, in order to make the grain size of the single crystal contained in the graphite 1 10 μm or less, the temperature and pressure in the synthesis conditions are set to 1600 ° C. or more and 13 Torr or more respectively. By setting the particle size of the single crystal to 10 μm or less, the particle size of the single crystal in the nanopolycrystalline diamond produced by direct conversion can be suppressed to less than 1 μm. Further, by adjusting the particle size of the single crystal contained in the graphite 1 to 20 nm or more and 500 nm or less, the particle size of the single crystal constituting the nanopolycrystalline diamond can be set to 10 nm or more and 500 nm or less. The structure of graphite 1 may be a structure in which a single crystal is included in a part and the other part is in a state of amorphous, amorphous carbon, carbon nanotube, fullerene, or the like. Also good. In order to obtain nano-polycrystalline diamond having a more uniform particle diameter, it is preferable to form graphite 1 having a structure in which each graphite phase is formed by a single phase.
また、上記CVD法において、黒鉛1における異種元素の各原子濃度を1×1014/cm3以上1×1022/cm3以下にするために、炭化水素ガスと異種元素を含む各ガスとの混合割合を調製する。具体的には、炭化水素ガスに対する第1元素を含むガスおよび第2元素を含むガスの各混合割合を大きくすることにより、黒鉛1における第1元素の原子濃度および第1元素の原子濃度を大きくすることができる。また、異種元素を含む各ガスの種類を変えることによっても、異種元素の各原子濃度を調製することができる。黒鉛1における異種元素の各原子濃度を1×1014/cm3以上1×1022/cm3以下にすることにより、ナノ多結晶ダイヤモンドにおける異種元素の各原子濃度を1×1014/cm3以上1×1022/cm3以下にすることができる。 Further, in the above CVD method, in order to make each atomic concentration of the different element in the graphite 1 1 × 10 14 / cm 3 or more and 1 × 10 22 / cm 3 or less, the hydrocarbon gas and each gas containing the different element are used. Prepare mixing ratio. Specifically, by increasing the mixing ratio of the gas containing the first element and the gas containing the second element to the hydrocarbon gas, the atomic concentration of the first element and the atomic concentration of the first element in the graphite 1 are increased. can do. Also, the atomic concentration of the different element can be adjusted by changing the type of each gas containing the different element. By setting each atomic concentration of different elements in graphite 1 to 1 × 10 14 / cm 3 or more and 1 × 10 22 / cm 3 or less, each atomic concentration of different elements in nano-polycrystalline diamond is 1 × 10 14 / cm 3. It can be set to 1 × 10 22 / cm 3 or less.
本工程において、上記CVD法を用いることにより、基材2上に、炭素と、炭素により構成される結晶構造内にドープされた異種元素(第1元素および第2元素)とを含む黒鉛1であって、該黒鉛1に含まれる単結晶の粒径が10μm以下であり、異種元素の原子濃度が1×1014/cm3以上1×1022/cm3以下である黒鉛1が形成される。換言すれば、13族元素および15族元素がそれぞれ1×1014/cm3以上1×1022/cm3以下の原子濃度で結晶構造内に原子レベルで分散して存在し、かつ単結晶の粒径が10μm以下である黒鉛1が、基材2上に気相成長される。 In this step, by using the above CVD method, graphite 1 containing carbon and different elements (first element and second element) doped in the crystal structure composed of carbon is formed on the base material 2. Thus, the graphite 1 is formed in which the grain size of the single crystal contained in the graphite 1 is 10 μm or less and the atomic concentration of the different elements is 1 × 10 14 / cm 3 or more and 1 × 10 22 / cm 3 or less. . In other words, the group 13 element and the group 15 element are dispersed at the atomic level in the crystal structure at an atomic concentration of 1 × 10 14 / cm 3 or more and 1 × 10 22 / cm 3 or less, respectively, Graphite 1 having a particle size of 10 μm or less is vapor grown on the substrate 2.
また、本工程で準備される黒鉛に関し、厚み方向および面内方向のいずれにおいても、異種元素のそれぞれが均一にドープされていること、すなわち、黒鉛中における異種元素の各原子濃度分布が均一であることが好ましい。黒鉛中に均一に異種元素がドープされていることにより、後述する変換工程によって製造されるナノ多結晶ダイヤモンドにおける異種元素の分布を均一にすることができる。 In addition, regarding the graphite prepared in this step, each of the different elements is uniformly doped in both the thickness direction and the in-plane direction, that is, the atomic concentration distribution of the different elements in the graphite is uniform. Preferably there is. Since the heterogeneous element is uniformly doped in the graphite, the distribution of the heterogeneous element in the nano-polycrystalline diamond produced by the conversion process described later can be made uniform.
異種元素の各原子濃度分布を均一にするためには、炭化水素ガスと、異種元素を含む各ガスとを同時に真空チャンバ内に導入することが好ましい。これにより、各ガスを容易に均一に混合することができ、第1元素および第2元素が均一にドープされた黒鉛を効率的に基材上に形成することができる。また、各ガスは、基材の主面の真上方向から基材の主面に向けて供給してもよく、基材の主面に対して斜め方向あるいは水平方向から基材に向けて供給してもよい。より効率的に、かつより均一に異種元素をドープするという観点からは、基材の主面の真上方向から基材の主面に向けて供給することが好ましい。また、さらに効率的に、かつさらに均一に異種元素をドープすべく、真空チャンバ内に、炭化水素ガスおよび異種元素を含むガスを基材の主面上に導く案内部材を設けてもよい。 In order to make the atomic concentration distribution of the different elements uniform, it is preferable to introduce the hydrocarbon gas and the gas containing the different elements into the vacuum chamber at the same time. Thereby, each gas can be easily and uniformly mixed, and the graphite in which the first element and the second element are uniformly doped can be efficiently formed on the substrate. Each gas may be supplied from the direction directly above the main surface of the base material toward the main surface of the base material, and supplied from the oblique direction or the horizontal direction to the base material toward the base material. May be. From the viewpoint of more efficiently and more uniformly doping a different element, it is preferable to supply from the direction directly above the main surface of the base material toward the main surface of the base material. In addition, in order to more efficiently and more uniformly dope a different element, a guide member that guides a hydrocarbon gas and a gas containing the different element onto the main surface of the substrate may be provided in the vacuum chamber.
また、本工程で準備される黒鉛に関し、その密度は、好ましくは0.8g/cm3以上2.2g/cm3以下であり、より好ましくは1.4g/cm3以上2.1g/cm3以下である。黒鉛の密度が0.8g/cm3以上の場合、後述する変換工程において、黒鉛がナノ多結晶ダイヤモンドに直接変換されるときの体積の変化を十分に小さくすることができるため、製造されるナノ多結晶ダイヤモンドに割れが発生する確率を抑制することができ、また、装置内の環境の変化を抑制することができ、結果的に、製造歩留まりを向上させることができる。また、黒鉛の密度が2.2g/cm3以下の場合、80%以上という高い歩留まりでナノ多結晶ダイヤモンドを合成することができる。 Further, regarding the graphite prepared in this step, the density is preferably 0.8 g / cm 3 or more and 2.2 g / cm 3 or less, more preferably 1.4 g / cm 3 or more and 2.1 g / cm 3. It is as follows. When the density of graphite is 0.8 g / cm 3 or more, the change in volume when graphite is directly converted into nano-polycrystalline diamond can be sufficiently reduced in the conversion step described later. The probability that cracks occur in polycrystalline diamond can be suppressed, and changes in the environment in the apparatus can be suppressed. As a result, the manufacturing yield can be improved. Further, when the density of graphite is 2.2 g / cm 3 or less, nano-polycrystalline diamond can be synthesized with a high yield of 80% or more.
黒鉛の密度は、たとえば、黒鉛を基材の主面上に成長させる際の温度(℃)、各ガスの導入速度(sccm)によって調製することができる。具体的には、温度を高くすることにより、また、炭化水素の導入速度を速めることにより、黒鉛の密度を大きくすることができる。 The density of the graphite can be adjusted by, for example, the temperature (° C.) when the graphite is grown on the main surface of the substrate and the introduction rate (sccm) of each gas. Specifically, the density of graphite can be increased by increasing the temperature and increasing the introduction rate of hydrocarbons.
また、本工程で準備される黒鉛に関し、不可避不純物の含有量が低いことが好ましく、具体的には、不可避不純物である各元素の各々の含有率が0.01質量%以下であることが好ましい。これは、黒鉛における不可避不純物の含有量が、製造されるナノ多結晶ダイヤモンドに引き継がれるためである。また、不可避不純物の濃度を低く抑えることにより、不可避不純物の存在に起因する粒成長を抑制することができるため、黒鉛中により均一な大きさの単結晶を含有させることができる。なお、SIMS分析、ICP(Inductively Coupled Plasma)分析など、黒鉛中の不可避不純物の含有量を測定可能な分析に用いられる分析装置は、一般的に、検出限界が0.01質量%であるため、含有率が0.01質量%以下の元素は、上記分析装置において検出されないことになる。 Further, regarding the graphite prepared in this step, the content of inevitable impurities is preferably low, and specifically, the content of each element that is an inevitable impurity is preferably 0.01% by mass or less. . This is because the content of inevitable impurities in the graphite is inherited by the produced nanopolycrystalline diamond. Further, by suppressing the concentration of inevitable impurities to a low level, grain growth caused by the presence of inevitable impurities can be suppressed, so that a single crystal having a more uniform size can be contained in graphite. In addition, since an analysis apparatus used for analysis capable of measuring the content of inevitable impurities in graphite, such as SIMS analysis and ICP (Inductively Coupled Plasma) analysis, generally has a detection limit of 0.01% by mass, Elements with a content of 0.01% by mass or less will not be detected by the analyzer.
黒鉛への不可避不純物の混入は、ガスを熱分解する際の真空チャンバ内の真空度を比較的高く設定することによって抑制することができる。具体的には、本発明者らは、真空チャンバ内の圧力を20Torr以上200Torr以下、より好ましくは20Torr以上120Torr以下に維持することにより、不可避不純物である各元素の各々の含有率を0.01質量%以下に制御できることを知見している。 Mixing of inevitable impurities into the graphite can be suppressed by setting the degree of vacuum in the vacuum chamber when the gas is pyrolyzed relatively high. Specifically, the inventors maintain the pressure in the vacuum chamber at 20 Torr or more and 200 Torr or less, more preferably 20 Torr or more and 120 Torr or less, thereby reducing the content of each element that is an inevitable impurity to 0.01 It has been found that it can be controlled to mass% or less.
なお、上記CVD法では、基材を加熱した後に、真空チャンバ内に混合ガスを導入する方法について説明したが、混合ガスを導入した後に、基材を加熱する方法を用いてもよく、同時に行ってもよい。 In the above CVD method, the method of introducing the mixed gas into the vacuum chamber after heating the base material has been described. However, the method of heating the base material after introducing the mixed gas may be used, and simultaneously performed. May be.
(変換工程)
本工程は、準備工程で形成された黒鉛を焼結させてナノ多結晶ダイヤモンドに直接変換させる工程であり、これにより、図2に示すように、ナノ多結晶ダイヤモンド3を、基材2上に作製する。
(Conversion process)
This step is a step in which the graphite formed in the preparation step is sintered and directly converted into nano-polycrystalline diamond, whereby the nano-
具体的には、まず、図1に示す基材2上の黒鉛1を、高温高圧装置に配置する。高温高圧装置とは、装置内部に黒鉛を配置することができ、かつ、該内部を上記のような条件下に制御可能な装置であればよく、たとえば、CVD法に用いる真空チャンバを用いることができる。 Specifically, first, the graphite 1 on the substrate 2 shown in FIG. 1 is placed in a high-temperature high-pressure apparatus. The high-temperature and high-pressure apparatus may be any apparatus that can place graphite inside the apparatus and can control the inside of the apparatus under the above-described conditions. For example, a vacuum chamber used for CVD is used. it can.
そして、この黒鉛1を、1700℃〜2500℃、および15Torr〜25Torrという高温高圧件下に曝す。これにより、黒鉛1は瞬間的に焼結され、図2に示すように、ナノ多結晶ダイヤモンド3へと変換される。この場合、ナノ多結晶ダイヤモンド3の形状は、わずかな体積変化を除き、黒鉛1の形状を引き継ぐことになる。なお、黒鉛1から基材2を取り除いた後に、黒鉛1のみを高温高圧条件下に曝してもよく、この場合にも、製造されるナノ多結晶ダイヤモンドは、基本的に黒鉛1の形状を引き継ぐことになる。
Then, the graphite 1 is exposed to high temperature and high pressure conditions of 1700 ° C. to 2500 ° C. and 15 Torr to 25 Torr. As a result, the graphite 1 is instantaneously sintered and converted into nano-
本工程において、焼結助剤、触媒、結合剤などの添加剤を用いないことが好ましい。本工程によれば、添加剤を用いなくても、単結晶が強固に結合したナノ多結晶ダイヤモンドを製造することができ、添加剤を用いないことにより添加剤を用いた場合と比してより高い硬度のナノ多結晶ダイヤモンドを製造することができる。 In this step, it is preferable not to use additives such as sintering aids, catalysts, and binders. According to this step, it is possible to produce nano-polycrystalline diamond in which single crystals are firmly bonded without using an additive, and by using no additive, compared to the case where the additive is used. High hardness nano-polycrystalline diamond can be produced.
以上詳述した製造方法によれば、上述の特徴を有するナノ多結晶ダイヤモンド、すなわち、炭素と、炭素により構成される結晶構造内にドープされた異種元素と、を含み、異種元素は、13族元素からなる群より選択される1種である第1元素と、15族元素からなる群より選択される1種である第2元素とからなり、第1元素および第2元素の各原子濃度は、1×1014/cm3以上1×1022/cm3以下であり、電気抵抗率が10Ω・cm以上であるナノ多結晶ダイヤモンドを製造することができる。 According to the manufacturing method described in detail above, the nano-polycrystalline diamond having the above-described characteristics, that is, carbon and the heterogeneous element doped in the crystal structure composed of carbon, It consists of a first element that is one kind selected from the group consisting of elements and a second element that is one kind selected from the group consisting of Group 15 elements, and each atomic concentration of the first element and the second element is Nano-polycrystalline diamond having a resistivity of 1 × 10 14 / cm 3 or more and 1 × 10 22 / cm 3 or less and an electrical resistivity of 10 Ω · cm or more can be produced.
また、上記製造方法によれば、異種元素は黒鉛中に均一に分散するため、黒鉛からダイヤモンドに直接変換する際に、ダイヤモンドの結晶粒が局所的に異常成長するのを効果的に抑制することができる。これにより、ナノ多結晶ダイヤモンドを構成する単結晶の粒径をより均一にすることができ、結果的に、上記特徴を均一に有する、均質なナノ多結晶ダイヤモンドを製造することができる。 In addition, according to the above manufacturing method, since different elements are uniformly dispersed in the graphite, when the graphite is directly converted to diamond, it effectively suppresses local abnormal growth of diamond crystal grains. Can do. Thereby, the particle diameter of the single crystal constituting the nano-polycrystalline diamond can be made more uniform, and as a result, a homogeneous nano-polycrystalline diamond having the above-described characteristics can be produced.
また、製造されたナノ多結晶ダイヤモンドを所望の形状に加工することによって、このナノ多結晶ダイヤモンドを備える工具を作製することができる。 Moreover, the tool provided with this nano polycrystal diamond can be produced by processing the manufactured nano polycrystal diamond into a desired shape.
実施例1において、以下に詳述するように、CVD法で黒鉛を作成し、得られた黒鉛に関して、以下の方法により単結晶の粒径の測定、密度の測定、および異種元素の含有率の測定を行った。その後、当該黒鉛を直接変換してナノ多結晶ダイヤモンドを作成し、得られたナノ多結晶ダイヤモンドに関して、以下の方法により単結晶の粒径の測定、X線回折スペクトルの測定、ヌープ硬度の測定、電気抵抗率の測定を行った。 In Example 1, as described in detail below, graphite was prepared by the CVD method, and with respect to the obtained graphite, the measurement of the single crystal grain size, the density measurement, and the content of different elements were measured by the following method. Measurements were made. Thereafter, the graphite is directly converted to produce nano-polycrystalline diamond, and the obtained nano-polycrystalline diamond is measured for the single crystal particle size, X-ray diffraction spectrum, Knoop hardness by the following method, The electrical resistivity was measured.
<密度の測定>
アルキメデス法を用いて黒鉛の密度を測定した。
<Measurement of density>
The density of graphite was measured using the Archimedes method.
<単結晶の粒径の測定>
電子顕微鏡を用いて得たSEM像における各単結晶の粒径を実測した。
<Measurement of grain size of single crystal>
The particle size of each single crystal in the SEM image obtained using an electron microscope was measured.
<異種元素の含有率の測定>
ICP−MS分析装置を用いて、各元素の含有率を測定した。
<Measurement of content of different elements>
The content of each element was measured using an ICP-MS analyzer.
<X線回折測定>
X線回折装置により、X線回折スペクトルを得た。
<X-ray diffraction measurement>
An X-ray diffraction spectrum was obtained using an X-ray diffractometer.
<ヌープ硬度の測定>
マイクロヌープ硬度計により、測定荷重を4.9Nとしてヌープ硬度を測定した。
<Measurement of Knoop hardness>
Knoop hardness was measured with a micro Knoop hardness meter at a measurement load of 4.9N.
<電気抵抗率の測定>
抵抗率測定器により、温度20℃での電気抵抗率(体積抵抗率)を測定した。
<Measurement of electrical resistivity>
The electrical resistivity (volume resistivity) at a temperature of 20 ° C. was measured with a resistivity meter.
<実施例1>
(準備工程)
まず、真空チャンバ内に、単結晶のダイヤモンドからなる基材を配置した。次に、真空チャンバ内の基材を1900℃で加熱し、そして、真空チャンバ内の真空度を110Torrとして、真空チャンバ内にメタンガスを120sccm、フッ化ホウ素ガスを30sccm、アンモニアガスを30sccmで供給しこれを1時間継続した。これにより、基材の主面上に約100μmの厚みを有する、ホウ素および窒素がドープされた黒鉛が形成された。
<Example 1>
(Preparation process)
First, a substrate made of single crystal diamond was placed in a vacuum chamber. Next, the substrate in the vacuum chamber is heated at 1900 ° C., and the degree of vacuum in the vacuum chamber is 110 Torr, and methane gas is supplied to the vacuum chamber at 120 sccm, boron fluoride gas is supplied at 30 sccm, and ammonia gas is supplied at 30 sccm. This was continued for 1 hour. As a result, graphite doped with boron and nitrogen having a thickness of about 100 μm was formed on the main surface of the substrate.
形成された黒鉛は、密度が2.1g/cm3であり、単結晶の粒径が各々100nm〜10μmであり、窒素およびホウ素の原子濃度はそれぞれ1021/cm3(0.6質量%)であった。 The formed graphite has a density of 2.1 g / cm 3 , single crystal grain sizes of 100 nm to 10 μm, and nitrogen and boron atomic concentrations of 10 21 / cm 3 (0.6 mass%), respectively. Met.
(変換工程)
次に、形成された基材上の黒鉛を、2200℃、15GPaの高温高圧環境下に曝すことにより、黒鉛をダイヤモンドに直接変換し、窒素およびホウ素がドープされたナノ多結晶ダイヤモンドを製造した。
(Conversion process)
Next, the graphite on the formed substrate was exposed to a high temperature and high pressure environment of 2200 ° C. and 15 GPa to directly convert the graphite to diamond, thereby producing nano-polycrystalline diamond doped with nitrogen and boron.
形成されたナノ多結晶ダイヤモンドは、単結晶の粒径が各々10〜100nmであり、X線回折スペクトルにおいてダイヤモンドの単結晶以外の結晶相は観察されず、ヌープ硬度が65GPaであり、25℃での電気抵抗率が1kΩ・cmであった。 The formed nano-polycrystalline diamond has a single crystal particle size of 10 to 100 nm, a crystal phase other than the single crystal of diamond is not observed in the X-ray diffraction spectrum, the Knoop hardness is 65 GPa, and at 25 ° C. The electrical resistivity was 1 kΩ · cm.
さらに、このナノ多結晶ダイヤモンドをバイト形状に加工し、これを用いて純鉄を切削したところ、非ドープのナノ多結晶ダイヤモンドに比して3倍以上の工具寿命であり、もって、高い耐摩耗性を有することが確認された。なお、このときの工具寿命とは、工具が摩耗して、被切削物である純鉄を切削できなくなるまでの使用時間である。 Furthermore, when this nano-polycrystalline diamond is machined into a bite shape and pure iron is cut using it, the tool life is more than three times that of non-doped nano-polycrystalline diamond, resulting in high wear resistance. It was confirmed to have sex. In addition, the tool life at this time is a use time until a tool wears out and it becomes impossible to cut the pure iron which is a to-be-cut object.
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 黒鉛
2 基材
3 ナノ多結晶ダイヤモンド
1 Graphite 2
Claims (4)
前記異種元素は、ホウ素と窒素とからなり、
前記ホウ素および前記窒素の各原子濃度は、1×1014/cm3以上1×1022/cm3以下であり、
電気抵抗率が10Ω・cm以上であり、
クラスター化した異種元素を含まない、ナノ多結晶ダイヤモンドであって、
前記ナノ多結晶ダイヤモンドを構成する単結晶の粒径は500nm以下である、ナノ多結晶ダイヤモンド。 Carbon and a heterogeneous element doped in the crystal structure composed of the carbon,
The heterogeneous element is composed of boron and nitrogen,
The atomic concentrations of boron and nitrogen are 1 × 10 14 / cm 3 or more and 1 × 10 22 / cm 3 or less,
Ri Der electrical resistivity of 10Ω · cm or more,
Nano-polycrystalline diamond that does not contain clustered heterogeneous elements ,
The nano-polycrystalline diamond, wherein the single crystal constituting the nano-polycrystalline diamond has a particle size of 500 nm or less.
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