JP6798283B2 - 多結晶ダイヤモンドおよびその製造方法、スクライブツール、スクライブホイール、ドレッサー、回転工具、伸線ダイス、切削工具、電極ならびに多結晶ダイヤモンドを用いた加工方法 - Google Patents
多結晶ダイヤモンドおよびその製造方法、スクライブツール、スクライブホイール、ドレッサー、回転工具、伸線ダイス、切削工具、電極ならびに多結晶ダイヤモンドを用いた加工方法 Download PDFInfo
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Description
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
以下、本発明の実施形態についてさらに詳細に説明する。ここで、本明細書において「A〜B」という形式の表記は、範囲の上限下限(すなわちA以上B以下)を意味し、Aにおいて単位の記載がなく、Bにおいてのみ単位が記載されている場合、Aの単位とBの単位とは同じである。また、本明細書において化合物などを化学式で表す場合、原子比を特に限定しないときは従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるべきではない。また、本明細書において、各元素および各化合物の濃度は、種々の単位で表示する。たとえば、ホウ素、水素および酸素の濃度は、原子濃度としてcm-3の単位で表示する。BC5およびB4Cの濃度は、X線回折測定の所定範囲の回折角におけるダイヤモンド由来のすべての回折ピークの総面積に対するBC5およびB4Cのそれぞれに由来するすべての回折ピークの総面積の百分率として%の単位で表示する。
本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドは、ダイヤモンド単相を基本組成とし、複数の結晶粒により構成される。さらに、多結晶ダイヤモンドは、ホウ素と、水素と、酸素とを含み、残部が炭素および微量不純物である。ホウ素は結晶粒中に原子レベルで分散しかつその90原子%以上が孤立置換型として存在し、水素および酸素は結晶粒中に孤立置換型または侵入型として存在する。微量不純物は、BC5と、B4Cとを含む。BC5は、X線回折測定における回折角2θが0°から90°までの範囲において、ダイヤモンド由来のすべての回折ピークの総面積に対し、BC5由来のすべての回折ピークの総面積が1%未満である。B4Cは、X線回折測定における回折角2θが0°から90°までの範囲において、ダイヤモンド由来のすべての回折ピークの総面積に対し、B4C由来のすべての回折ピークの総面積が0.5%未満である。結晶粒は、その粒径が500nm以下である。
測定装置: 商品名(品番)「X’pert」、PANalytical社製
X線光源: Cu−Kα線(波長は1.54185Å)
走査軸: 2θ
走査範囲: 20°〜120°
電圧: 40kV
電流: 30mA
スキャンスピード: 1°/min
半値幅は、ピークフィッティングの上、Scherrer式(D=Kλ/Bcosθ)から求めた。ここで、Dはダイヤモンドの結晶粒の粒径、Bは回折線幅、λはX線の波長、θはブラッグ角、KはSEM像との相関から定まる補正係数(0.9)を用いる。
本実施形態の多結晶ダイヤモンドにおいては、結晶粒中に、ホウ素が原子レベルで分散しかつその90原子%以上が孤立置換型として存在するとともに、水素および酸素が孤立置換型または侵入型として存在することから、表面に露出したホウ素、水素および酸素により酸化膜が形成されて、その酸化膜が保護膜として多結晶ダイヤモンドの表面を被覆する。このため、多結晶ダイヤモンドの耐酸化性が高くなるとともに、摩擦係数を低減するため、摺動特性および耐摩耗性が高くなる。
測定装置: TOF−SIMS質量分析計(飛行時間二次イオン質量分析計)
一次イオン源: ビスマス(Bi)
一次加速電圧: 25kV。
測定装置: 商品名(品番):「IMS−7f」、AMETEK社製
一次イオン種: セシウム(Cs+)
一次加速電圧: 15kV
検出領域: 30(μmφ)
測定精度: ±40%(2σ)。
本実施形態の多結晶ダイヤモンドにおいて、その表面に好適な酸化膜である保護膜を形成する観点から、ホウ素の原子濃度は、1×1014cm-3以上1×1022cm-3以下が好ましく、1×1014cm-3以上1×1021cm-3以下がより好ましい。より好ましい範囲は、好ましい範囲に比べて、保護膜の不良率が激減し、歩留が30%以上から90%以上に向上する。
本実施形態の多結晶ダイヤモンドにおいて、結晶中に酸素を安定して含むことができるとともに、硬度の低下および結晶粒径の増大を抑制できる観点から、水素の濃度は、1×1017cm-3以上1×1020cm-3以下が好ましく、1×1017cm-3以上1×1019cm-3以下がより好ましい。しかしながら、たとえ硬度が低下しても、モース硬度が50GPa程度の立方晶型窒化ホウ素、90GPa程度の工業用Ib型ダイヤモンド単結晶よりも高い硬度を有するため、耐摩耗性特性を活かす用途(たとえば、線引きダイス用、摺動部品用など)では十分に有用である。結晶中に水素がない場合は、酸素は多結晶ダイヤモンド中の炭素と反応して酸化炭素(COx)系ガスとなり高温で抜けやすく多結晶ダイヤモンドの結晶内への酸素の添加が困難である。
本実施形態の多結晶ダイヤモンドにおいて、表面における酸化膜である保護膜の形成が促進され耐酸化性が向上し摩擦係数が低下するとともに、硬度の低下および結晶粒径の増大を抑制できる観点から、酸素の原子濃度は、1×1017cm-3以上1×1020cm-3以下が好ましく、1×1017cm-3以上1×1019cm-3以下がより好ましい。
多結晶ダイヤモンドに含まれる微量不純物とは、多結晶ダイヤモンドの製造上、その混入を避けることができない元素あるいは化合物、および微量に含まれる可能性がある元素あるいは化合物の総称をいう。多結晶ダイヤモンドは、微量不純物としてBC5とB4Cとを含む。BC5およびB4C以外の微量不純物としては、遷移金属に分類される金属元素などが含まれる。この金属元素などの各元素の含有量(原子濃度)は、それぞれ0cm-3以上1×1018cm-3以下であり、各元素の総和(すなわちBC5およびB4C以外の微量不純物の含有量(原子濃度))は0cm-3以上1×1022cm-3以下である。したがって、これらの金属元素は多結晶ダイヤモンドに含まれていてもよく、含まれていなくてもよい。
特性X線: Cu−Kα線
管電圧: 30kV
管電流: 20mA
X線回折法: θ−2θ法
X線照射方法: ピンホールコリメーターを使用してX線を照射。
図1は、本実施形態の多結晶ダイヤモンドのSIMSの結果の一例を示すグラフである。図1に示す多結晶ダイヤモンドは、粉末焼結法により形成されたホウ素、水素および酸素を含む黒鉛を16GPaかつ2100℃の条件で直接ダイヤモンドに変換したものである。また、SIMSの測定条件は、以下のとおりである。
測定装置: 商品名(品番):「IMS−7f」、AMETEK社製
一次イオン種: セシウム(Cs+)
一次加速電圧: 15kV
検出領域: 30(μmφ)
測定精度: ±40%(2σ)。
図2は、本実施形態の多結晶ダイヤモンドの表面のTOF−SIMSの結果の一例を示すグラフである。図2に示す多結晶ダイヤモンドは、図1に示すSIMSに用いた多結晶ダイヤモンドである。また、TOF−SIMSの測定条件は以下のとおりである。
測定装置: TOF−SIMS質量分析計(飛行時間二次イオン質量分析計)
一次イオン源: ビスマス(Bi)
一次加速電圧: 25kV。
本実施形態の多結晶ダイヤモンドは、ラマンスペクトル測定において、1575cm-1±30cm-1を中心として半値幅が20cm-1以下となるピークの面積が、1300-1±30cm-1を中心として半値幅が60cm-1以下となるピークの面積の1%未満が好ましく、0.1%未満がより好ましい。かかる多結晶ダイヤモンドは、アモルファス炭素またはグラファイト炭素(SP2炭素)に由来する1575cm-1±30cm-1を中心として半値幅が20cm-1以下となるピークの面積が、ダイヤモンド炭素(SP3炭素)に由来する1300-1±30cm-1を中心として半値幅が60cm-1以下となるピークの面積の1%未満であることから、グラファイト炭素はほぼ完全に(具体的には99原子%以上が)ダイヤモンド炭素に変換されているため、高い硬度を有する。
本実施形態の多結晶ダイヤモンドは、その表面(保護膜で被覆されている表面)の動摩擦係数が、0.06以下が好ましく、0.05以下がより好ましく、0.04以下がさらに好ましく、0.03以下が特に好ましく、0.02以下が最も好ましい。かかる多結晶ダイヤモンドは、動摩擦係数が0.06以下と低いことから、摺動特性が高く、耐摩耗性が高い。
本実施形態の多結晶ダイヤモンドにおいて、その表面を被覆する保護膜として形成される酸化膜は、BOxクラスターと、炭素の酸素終端となるOおよびOHの少なくともいずれかと、を含むことが好ましい。BOxクラスターは表面に露出したB(ホウ素)が大気中の酸素および結晶中の酸素(真空中または不活性ガス中では結晶中の酸素)と反応することにより得られるものと考えられ、炭素の酸素終端となるOおよびOHは表面に露出した炭素が大気中の酸素および結晶粒中の酸素(真空中または不活性ガス中では結晶粒中の酸素)と反応することにより得られたものと考えられ、いずれも摺動性が高く摩擦係数が小さいため、耐摩耗性が高くなる。
本実施形態の多結晶ダイヤモンド(ホウ素原子濃度6.8×1020cm-3、水素濃度6.0×1018cm-3、酸素濃度3.0×1018cm-3の表面のAES(オージェ電子分光法)による化学分析により、表面から深さ0.5nm程度までの表層に酸素が検出されることから、室温(たとえば25℃)においても表面に保護膜としての酸化膜が形成されていることが分かる。
図4は、本実施形態の多結晶ダイヤモンドのピン・オン・ディスク摺動試験による摩擦係数測定の結果の一例を示すグラフである。ピン・オン・ディスク摺動試験は、以下の条件により行なう。
ボール材質: SUS
荷重: 10N
回転数: 400rpm
摺動半径: 1.25mm
試験時間: 100分
温度: 室温
雰囲気: 大気、Arまたは鉱物油。
図5は、本実施形態の多結晶ダイヤモンドのヌープ硬度測定の結果の一例を示すグラフである。ヌープ硬度測定は、JIS Z2251:2009に準拠して、測定における荷重を4.9Nとする。図5を参照して、無添加の多結晶ダイヤモンドのヌープ硬度に対して、ホウ素を含む多結晶ダイヤモンドのヌープ硬度は、ホウ素濃度の増大とともに幾分か低下し、ホウ素、水素および酸素を含む多結晶ダイヤモンドのヌープ硬度は、ホウ素濃度、水素濃度および酸素濃度の増大とともにさらに幾分か低下する。多結晶ダイヤモンドに含まれるホウ素、水素および酸素が塑性変形の起点となり、硬度を幾分か低下させているものと考えられる。しかしながら、ホウ素原子濃度4.0×1020cm-3、水素原子濃度1.0×1019cm-3および酸素原子濃度1.0×1019cm-3の多結晶ダイヤモンドのヌープ硬度は、通常の合成単結晶ダイヤモンド(Ib型単結晶ダイヤモンド、孤立置換型の窒素濃度が1.7×1019cm-3のヌープ硬度と同等以上である。
多結晶ダイヤモンドを、直径1mm×厚さ2mmの円板形状に加工して、番号#800のメタルボンドダイヤモンドホイール(アライドマテリアル社製)を用いた、多結晶ダイヤモンドの摩耗試験(荷重が2.5kgf/mm2、摺動速度が200mm/min)によると、ホウ素(原子濃度が2.5×1019cm-3〜4.0×1020cm-3)、水素(原子濃度が2.2×1018cm-3〜3.5×1019cm-3および酸素(原子濃度が2.2×1018cm-3〜2.2×1019cm-3)を含む多結晶ダイヤモンドは、その摩耗速度が2.5〜3mm3/hであることから、摩耗速度が10mm3/hである無添加の多結晶ダイヤモンドに比べて、耐摩耗性が3〜4倍に向上する。
図7を参照して、本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドの製造方法は、炭素と、炭素の結晶粒中に原子レベルで分散しかつその90原子%以上が孤立置換型として存在するホウ素と、水素と、酸素と、微量不純物としてBC5およびB4Cと、を含む黒鉛を準備する第1工程S10と、上記黒鉛を不活性ガス雰囲気下で容器へ充填する第2工程S20と、上記容器内で上記黒鉛を加圧熱処理によりダイヤモンドに変換する第3工程S30と、を含む。本実施形態にかかる結晶ダイヤモンドの製造方法により、耐酸化性が高く、摩擦係数が低く、摺動特性および耐摩耗性が高い実施形態1の多結晶ダイヤモンドが得られる。
図7および図8を参照して、第1工程S10は、A工程SAと、B工程SBと、C工程SCとを含むことが好ましい。第1工程S10は、B工程SBの後であってC工程SCの前に行なうD工程SDをさらに含むことがより好ましい。
第1工程は、A工程SAから始まる。まず、A工程のステップSA1として、上記黒鉛を作成するための原料粒子を準備する。次に、A工程のステップSA2として、ステップSA1において準備した原料粒子を混合する。上記第1の混合パターンの場合は、ステップSA1において、原料粒子として、最大粒径が1μm以下の炭素含有第1粒子と、最大粒径が100nm以下の炭化ホウ素粒子と、最大粒径が100nm以下のホウ酸粒子とを準備し、ステップSA2において、これら原料を混合する。上記第2の混合パターンの場合は、ステップSA1において、原料粒子として、最大粒径が1μm以下の炭素含有第1粒子と、最大粒径が100nm以下の炭化ホウ素粒子と、最大粒径が1μm以下の炭素含有第2粒子と、不活性ガス雰囲気下で最大粒径が1μm以下の炭素含有第2粒子をホウ酸トリメチル中で撹拌して水分を導入することにより上記ホウ酸トリメチルをホウ酸化したものとを準備し、ステップSA2において、これら原料を混合する。ステップSA2では、上記原料粒子を均一に混合することができる限り、従来公知の混合方法を用いることができる。
第1工程では、上述したA工程SAに続いてB工程SBを行なう。B工程のステップSB1として、A工程SAから得られた第1成形体を焼結装置に載置して2200〜2500℃かつ0.4〜1MPaの条件で焼結し第1焼結体を得る。B工程のステップSB1は、2000〜2500℃かつ0.4〜1MPaの条件で焼結する限り、従来公知の焼結方法を用いることができる。
第1工程では、B工程SBの後にD工程SDを行なうことが好ましい。D工程のステップSD1として、最大粒径が50μm以下であることが確認された粉体を、油圧プレスを用いて、所望の形状(たとえば、円柱状、球状、立方体状、または直方体状)に成形し第2成形体を得る(D1工程)。
第1工程では最後に、C工程SCを行なう。まず、C工程のステップSC1として、D工程のステップSD4においてB4Cの析出がないことが確認された粉体を、ジェットミルまたは振動ミルを用いて最大粒径が1μm未満となるまで粉砕する。次に、C工程のステップSC2として、最大粒径が1μm未満の粉体を、油圧プレスを用いて所望の形状(たとえば、円柱状、球状、立方体状、または直方体状)に成形し第3成形体を得る。次に、C工程のステップSC3として、上記第3成形体を焼結装置に載置して2000〜2500℃かつ0.1〜1MPaの条件で焼結することにより、上記の黒鉛を得る。このようにして得た黒鉛は、上記多結晶ダイヤモンドの効率的な形成の観点から、少なくとも一部に結晶化部分を含む多結晶であることが好ましい。
本実施形態の多結晶ダイヤモンドの製造方法の第2工程S20は、上記黒鉛を不活性ガス雰囲気下で容器内に入れる工程である。上記黒鉛を不活性ガス雰囲気下で所定の容器に入れることにより、上記黒鉛および形成される多結晶ダイヤモンドに微量不純物が混入することを抑制することができる。ここで、不活性ガスは、上記黒鉛および形成される多結晶ダイヤモンドへの微量不純物の混入を抑制できるガスであれば特に制限はなく、Ar(アルゴン)ガス、He(ヘリウム)ガス、Ne(ネオン)ガス、Kr(クリプトン)ガスなどが挙げられる。
本実施形態の多結晶ダイヤモンドの製造方法の第3工程S30は、容器内で上記黒鉛を加圧熱処理によりダイヤモンドに変換する工程である。第3工程S30において、上記黒鉛を上記多結晶ダイヤモンドに変換する際は、形成される多結晶ダイヤモンドへの微量不純物の混入を抑制する観点から、上記黒鉛に直接熱処理を行なうことにより、直接変換(すなわち、焼結助剤および/または触媒などを添加することなく変換)することが好ましい。
本実施形態にかかるスクライブツールは、実施形態1の多結晶ダイヤモンドを用いて形成することができる。本実施形態のスクライブツールは、実施形態1の多結晶ダイヤモンドを用いて形成されたものであるため、耐摩耗性が高い。
本実施形態にかかるスクライブホイールは、実施形態1の多結晶ダイヤモンドを用いて形成することができる。本実施形態のスクライブホイールは、実施形態1の多結晶ダイヤモンドを用いて形成されたものであるため、耐摩耗性が高い。
本実施形態にかかるドレッサーは、実施形態1の多結晶ダイヤモンドを用いて形成することができる。本実施形態のドレッサーは、実施形態1の多結晶ダイヤモンドを用いて形成されたものであるため、耐摩耗性が高い。
本実施形態にかかる回転工具は、実施形態1の多結晶ダイヤモンドを用いて形成することができる。本実施形態の回転工具は、実施形態1の多結晶ダイヤモンドを用いて形成されたものであるため、耐摩耗性が高い。
本実施形態にかかる伸線ダイスは、実施形態1の多結晶ダイヤモンドを用いて形成することができる。本実施形態の伸線ダイスは、実施形態1の多結晶ダイヤモンドを用いて形成されたものであるため、耐摩耗性が高い。
本実施形態にかかる切削工具は、実施形態1の多結晶ダイヤモンドを用いて形成することができる。本実施形態の切削工具は、実施形態1の多結晶ダイヤモンドを用いて形成されたものであるため、耐摩耗性が高い。
本実施形態にかかる電極は、実施形態1の多結晶ダイヤモンドを用いて形成することができる。本実施形態にかかる電極は、実施形態1の多結晶ダイヤモンドを用いて形成されたものであるため、耐摩耗性が高い。
本実施形態にかかる加工方法は、実施形態1の多結晶ダイヤモンドを用いて対象物を加工することができる。本実施形態にかかる加工方法は、実施形態1の多結晶ダイヤモンドを用いて対象物を加工するため、効率よく低コストで対象物を加工できる。
1.ホウ素、水素、および酸素を含む黒鉛の準備
まず、実施例1〜3では、炭素含有第1粒子として最大粒径が500nm以下の熱分解黒鉛、高純度グラフェン(純度:99.999%以上)および酸化グラフェンと、炭化ホウ素粒子として最大粒径が100nm以下のB4C粒子と、最大粒子が100nm以下のホウ酸粒子と、を所定の割合で混合した。実施例4および5では、炭素含有第1粒子として最大粒径が500μmの熱分解黒鉛、高純度グラフェン(純度:99.999%以上)および酸化グラフェンと、炭化ホウ素粒子として最大粒径が100nm以下のB4C粒子と、炭素含有第2粒子としての最大粒径が500nm以下のグラフェンをホウ酸トリメチル中で撹拌し、次に水分を導入してホウ酸トリメチルをホウ酸化したものと、を所定の割合で混合した。比較例1〜3では、ハロゲン処理した最大粒径が500nm以下の黒鉛と最大粒径が100nm以下のB4C粒子と、を所定の割合で混合した。これらの混合原料粒子を、2200℃かつ0.4MPaの条件で焼成し、メッシュが0.5μmのふるいを通過した粒径が0.5μm未満の焼成粒子を、第1成形体としてのペレット(直径10mm×高さ10mmの円筒形状)に成形した(A工程)。さらに、ペレットを2200℃かつ0.4MPaの条件で焼結し、第1焼結体を得た後、第1焼結体を最大粒径が1μm以下の粉体に粉砕した(B工程)。続いて、この粉体を成形し、2200℃かつ0.4MPaの条件で焼結し、第2焼結体を得た後、該第2焼結体を最大粒径が1μm以下の粉体に粉砕することを10回繰り返した(D工程)。その後、D工程の最後に粉砕された粉体を最大粒径が1μm未満となるまでさらに粉砕し、これを成形し、2200℃かつ0.4MPaの条件で焼結し、直径10mm×高さ10mmの円柱状の上記黒鉛を得た(C工程)。
上記黒鉛を、タブレット形状に加工した後、容器(高圧プレス用セル:容量が直径10.2mm×高さ10.2mmの円柱形状)内に封入した。
上記黒鉛を封入した容器を加圧熱装置内に入れて、16GPaおよび2100℃の条件で加圧熱処理することにより、上記黒鉛を多結晶ダイヤモンドに直接変換した。得られた比較例1〜3および実施例1〜5の多結晶ダイヤモンドについて、ホウ素が原子レベルで分散しかつ全体の90%以上が孤立置換型で存在することをTEM、電気抵抗の温度依存性およびTOF−SIMSで確認した。また、得られた実施例1〜5の多結晶ダイヤモンドについて、水素および酸素が孤立置換型または侵入型で含まれていることをTEM、SIMS、電気抵抗の温度依存性およびXAFS(X線吸収微細構造解析)で確認した。また、比較例1〜3および実施例1〜5の多結晶ダイヤモンドついて、それらのホウ素濃度、水素濃度および酸素濃度をSIMSにより測定し、それらのBC5およびB4Cの濃度をX線回折測定により測定し、それらの結果を表1にまとめた。表1において、酸素の検出限界以下は酸素の原子濃度が1×1016cm-3未満であった。また、水素の検出限界以下は水素の原子濃度が0.5×1016cm-3未満であった。
測定装置: CAMECA IMS−7f
一次イオン種: Cs+
一次加速電圧: 15.0kV
検出領域: 30(μmφ)
測定精度: ±40%(2σ)。
測定装置: TOF−SIMS質量分析計(飛行時間二次イオン質量分析計)
一次イオン源: ビスマス(Bi)
一次加速電圧: 25kV。
特性X線: Cu−Kα線
管電圧: 30kV
管電流: 20mA
X線回折法: θ−2θ法
X線照射方法: ピンホールコリメーターを使用してX線を照射。
実施例Iの比較例2の多結晶ダイヤモンドを用いて、先端が4ポイント(四角形平面状)のスクライブツールを作成した。作成されたスクライブツールを用いて、サファイア基板に負荷20gfで長さ50mmのスクライブ溝を200本形成した。その後、そのスクライブツールの先端部分の多結晶ダイヤモンの摩耗量は、電子顕微鏡により観察したところ、Ib型単結晶ダイヤモンド製スクライブツールに比べて0.2倍と少なかった。さらに、実施例Iの実施例2の多結晶ダイヤモンドを用いて上記と同様にしてスクライブツールを作成し、同様の実験を行ったところ、その摩耗量は、Ib型単結晶ダイヤモンド製スクライブツールに比べて0.02倍、比較例2の多結晶ダイヤモンド製スクライブツールに比べて0.1倍と極めて少なかった。なお、実施例Iの比較例2および実施例2の多結晶ダイヤモンドをそれぞれ用いて作成したスクライブホイールについても同様の効果が確認された。
実施例Iの比較例2の多結晶ダイヤモンドを用いて、先端がシングルポイント(円錐状)のドレッサーを作成した。作成されたドレッサーを、WA(ホフイトアルミナ)砥石を用いて、湿式で、砥石の周速が30m/secの低速で、切り込み量が0.05mmの条件で、磨耗した。その後、そのドレッサーの磨耗量は、高さゲージ計により測定したところ、Ib型単結晶ダイヤモンド製ドレッサーに比べて、0.3倍と少なくなった。さらに、実施例Iの実施例2の多結晶ダイヤモンドを用いて上記と同様にしてドレッサーを作成し、同様の実験を行ったところ、その摩耗量は、Ib型単結晶ダイヤモンド製ドレッサーに比べて0.03倍、比較例2の多結晶ダイヤモンド製ドレッサーに比べて0.1倍と極めて少なかった。
実施例Iの比較例2の多結晶ダイヤモンドを用いて、直径1mm、刃長3mmのドリルを作成した。作成されたドリルを用いて、回転数4000rpm、送り2μm/回転の条件で、厚さ1.0mmの超硬合金(WC−Co)(組成:12質量%のCo、残部のWC)製板に孔をあけた。そのドリルが磨耗または破損するまでにあけることができた孔の数は、Ib型単結晶ダイヤモンド製ドリルに比べて5倍と多かった。さらに、実施例Iの実施例2の多結晶ダイヤモンドを用いて上記と同様にしてドリルを作成し、同様の実験を行ったところ、そのドリルが磨耗または破損するまでにあけることができた孔の数は、Ib型単結晶ダイヤモンド製ドリルに比べて50倍、比較例2の多結晶ダイヤモンド製ドレッサーに比べて10倍と極めて多かった。
実施例Iの実施例1と同じ方法を用いることにより、かさ密度が2.0g/cm3、ICP−MSにより測定されたホウ酸の原子濃度が1×1021cm-3で、SIMSにより実施例Iと同じ条件で測定された酸素の原子濃度が1×1018cm-3で水素の原子濃度が2.5×1018cm-3の黒鉛を準備した。この黒鉛を、等方的高圧発生装置を用いて、15GPaおよび2200℃の条件で加圧熱処理することにより、多結晶ダイヤモンドに直接変換した。得られた多結晶ダイヤモンドの粒径は各々10nm〜100nmであった。
・工具形状:コーナーR0.4mm、逃げ角11°、すくい角0°
・被削材:材質−アルミニウム合金 A390
・切削液:水溶性エマルジョン
・切削条件:切削速度Vc=800m/min、切込みap=0.2mm、送り速度f=0.1mm/回転
・切削距離:10km。
実施例Iの実施例1と同じ方法を用いることにより、かさ密度が2.0g/cm3、ICP−MSにより上述と同じ条件で測定されたホウ酸の原子濃度が1×1019cm-3で、SIMSにより実施例Iと同じ条件で測定された酸素の原子濃度が1×1018cm-3で水素の原子濃度が2.5×1018cm-3の黒鉛を準備した。この黒鉛を、等方的高圧発生装置を用いて、15GPaおよび2200℃の条件で加圧熱処理することにより、多結晶ダイヤモンドに直接変換した。多結晶ダイヤモンドの粒径は、各々10nm〜100nmであった。
実施例Iの実施例1と同じ方法を用いることにより、かさ密度が2.0g/cm3、ICP−MSにより上述と同じ条件で測定されたホウ酸の原子濃度が1×1021cm-3で、SIMSにより実施例Iと同じ条件で測定された酸素の原子濃度が1×1018cm-3で水素の原子濃度が2.5×1018cm-3の黒鉛を準備した。この黒鉛を、等方的高圧発生装置を用い、15GPaおよび2200℃の条件で加圧熱処理することにより、多結晶ダイヤモンドに直接変換した。得られた多結晶ダイヤモンドの粒径は各々10nm〜100nmであった。この多結晶ダイヤモンドのヌープ硬度は120GPaであった。本多結晶ダイヤモンドから3mm×1mm角の試験片を切り出し、電気抵抗を測定したところ、10Ωであった。
・工具形状:直径φ0.5mm、2枚刃、ボールエンドミル
・被削材:材質−STAVAX超硬合金(組成:12質量%のCo、残部のWC)
・切削液:白灯油
・切削条件:工具回転速度420000rpm、切込みap=0.003mm、送り速度f=120mm/min。
S20 第2工程
S30 第3工程
SA A工程
SA1〜SA6 A工程のステップ
SB B工程
SB1〜SB4 B工程のステップ
SC C工程
SC1〜SC3 C工程のステップ
SD D工程
SD1〜SD4 D工程のステップ
Claims (29)
- ダイヤモンド単相を基本組成とする多結晶ダイヤモンドであって、
前記多結晶ダイヤモンドは、複数の結晶粒により構成され、
前記多結晶ダイヤモンドは、ホウ素と、水素と、酸素とを含み、残部が炭素および微量不純物であり、
前記ホウ素は、前記結晶粒中に原子レベルで分散し、かつその90原子%以上が孤立置換型として存在し、
前記水素および前記酸素は、前記結晶粒中に孤立置換型または侵入型として存在し、
前記微量不純物は、BC5と、B4Cとを含み、
前記BC5は、X線回折測定における回折角2θが0°から90°までの範囲において、ダイヤモンド由来のすべての回折ピークの総面積に対し、前記BC5由来のすべての回折ピークの総面積が1%未満であり、
前記B4Cは、X線回折測定における回折角2θが0°から90°までの範囲において、前記ダイヤモンド由来のすべての回折ピークの総面積に対し、前記B4C由来のすべての回折ピークの総面積が0.5%未満であり、
前記結晶粒は、その粒径が500nm以下であり、
前記ホウ素は、その原子濃度が1×10 14 cm -3 以上1×10 22 cm -3 以下であり、
前記水素は、その原子濃度が1×10 17 cm -3 以上1×10 20 cm -3 以下であり、
前記酸素は、その原子濃度が1×10 17 cm -3 以上1×10 20 cm -3 以下である、多結晶ダイヤモンド。 - 前記多結晶ダイヤモンドは、その表面が保護膜で被覆されている、請求項1に記載の多結晶ダイヤモンド。
- 前記保護膜は、BOxクラスターと、前記炭素の酸素終端となるOおよびOHの少なくともいずれかと、を含む、請求項2に記載の多結晶ダイヤモンド。
- 前記保護膜は、前記結晶粒中から析出した析出物を含む、請求項2または請求項3に記載の多結晶ダイヤモンド。
- 前記保護膜は、その平均膜厚が1nm以上1000nm以下である、請求項2から請求項4のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンド。
- 前記ホウ素は、その99原子%以上が孤立置換型として前記結晶粒中に含まれる、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンド。
- 前記多結晶ダイヤモンドは、ラマンスペクトル測定において、1575cm-1±30cm-1を中心として半値幅が20cm-1以下となるピークの面積が、1300cm -1±30cm-1を中心として半値幅が60cm-1以下となるピークの面積の1%未満である、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンド。
- 前記多結晶ダイヤモンドは、その表面の動摩擦係数が0.06以下である、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンド。
- 前記多結晶ダイヤモンドは、その表面の動摩擦係数が0.05以下である、請求項1から請求項7いずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンド。
- ダイヤモンド単相を基本組成とする多結晶ダイヤモンドであって、
前記多結晶ダイヤモンドは、複数の結晶粒により構成され、
前記多結晶ダイヤモンドは、ホウ素と、水素と、酸素とを含み、残部が炭素および微量不純物であり、
前記ホウ素は、前記結晶粒中に、原子レベルで分散し、かつその99原子%以上が孤立置換型として存在し、
前記水素および前記酸素は、前記結晶粒中に孤立置換型または侵入型として存在し、
前記微量不純物は、BC5と、B4Cとを含み、
前記BC5は、X線回折測定における回折角2θが0°から90°までの範囲において、ダイヤモンド由来のすべての回折ピークの総面積に対し、前記BC5由来のすべての回折ピークの総面積が1%未満であり、
前記B4Cは、X線回折測定における回折角2θが0°から90°までの範囲において、ダイヤモンド由来のすべての回折ピークの総面積に対し、前記B4C由来のすべての回折ピークの総面積が0.5%未満であり、
前記結晶粒は、その粒径が500nm以下であり、
前記多結晶ダイヤモンドは、その表面が保護膜で被覆され、
前記保護膜は、BOxクラスターと、前記炭素の酸素終端となるOおよびOHの少なく
ともいずれかと、を含み、かつ前記結晶粒中から析出した析出物を含み、
前記保護膜は、その平均膜厚が1nm以上1000nm以下であり、
前記ホウ素は、その原子濃度が1×1014cm-3以上1×1022cm-3以下であり、
前記水素は、その原子濃度が1×1017cm-3以上1×1020cm-3以下であり、
前記酸素は、その原子濃度が1×1017cm-3以上1×1020cm-3以下であり、
前記多結晶ダイヤモンドは、ラマンスペクトル測定において、1575cm-1±30cm-1を中心として半値幅が20cm-1以下となるピークの面積が、1300cm-1±30cm-1を中心として半値幅が60cm-1以下となるピークの面積の1%未満であり、
前記多結晶ダイヤモンドは、前記表面の動摩擦係数が0.05以下である、多結晶ダイヤモンド。 - 請求項1に記載の多結晶ダイヤモンドの製造方法であって、
炭素と、前記炭素の結晶粒中に原子レベルで分散し、かつその90原子%以上が孤立置換型として存在するホウ素と、水素と、酸素と、微量不純物としてBC5およびB4Cと、を含む黒鉛を準備する第1工程と、
前記黒鉛を不活性ガス雰囲気下で容器へ充填する第2工程と、
前記容器内で、前記黒鉛を加圧熱処理によりダイヤモンドに変換する第3工程と、を含む多結晶ダイヤモンドの製造方法。 - 前記第1工程は、A工程と、B工程と、C工程とを含み、
前記A工程は、最大粒径が1μm以下の炭素含有第1粒子と、最大粒径が100nm以下の炭化ホウ素粒子と、最大粒径が100nm以下のホウ酸粒子と、を混合し、あるいは、
前記炭素含有第1粒子と、前記炭化ホウ素粒子と、不活性ガス雰囲気下で最大粒径が1μm以下の炭素含有第2粒子をホウ酸トリアルキル中で撹拌して水分を導入することにより前記ホウ酸トリアルキルをホウ酸化したものと、を混合し、
第1成形体に成形する工程であり、
前記B工程は、前記第1成形体を2000℃以上2500℃以下で焼結し、第1焼結体を得た後、前記第1焼結体を最大粒径が50μm以下の粉体に粉砕する工程であり、
前記C工程は、前記粉体を最大粒径が1μm未満になるまで粉砕し、成形し、2000℃以上2500℃以下で焼結することにより、前記黒鉛を準備する工程であり、
前記炭素含有第1粒子および前記炭素含有第2粒子は、前記炭化ホウ素粒子を含まず、化学組成が同じまたは異なる炭素含有粒子である請求項11に記載の多結晶ダイヤモンドの製造方法。 - 前記第1工程は、前記B工程の後であって、前記C工程の前に行なうD工程をさらに含み、
前記D工程は、D1工程とD2工程とD3工程とをこの順に複数回繰り返す工程であり、
前記D1工程は、前記粉体を第2成形体に成形する工程であり、
前記D2工程は、前記第2成形体を2000℃以上2500℃以下で焼結し第2焼結体を得る工程であり、
前記D3工程は、前記第2焼結体を最大粒径が50μm以下の前記粉体に再度粉砕する工程である、請求項12に記載の多結晶ダイヤモンドの製造方法。 - 前記D工程は、前記D1工程と前記D2工程と前記D3工程とをこの順に5回以上繰り返す工程である、請求項13に記載の多結晶ダイヤモンドの製造方法。
- 前記D工程は、前記D1工程と前記D2工程と前記D3工程とをこの順に10回以上繰り返す工程である、請求項13に記載の多結晶ダイヤモンドの製造方法。
- 前記炭素含有第1粒子は、熱分解黒鉛、グラフェンおよびグラフェン酸化物からなる群より選ばれる少なくとも1種を含み、
前記炭素含有第2粒子は、熱分解黒鉛、グラフェンおよびグラフェン酸化物からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、請求項12から請求項15のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドの製造方法。 - 前記第3工程は、加圧熱装置内で、前記黒鉛に直接加圧熱処理を行なう、請求項11から請求項16のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドの製造方法。
- 前記加圧熱処理は、6GPa以上かつ1200℃以上の条件で行なわれる、請求項11から請求項17のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドの製造方法。
- 前記加圧熱処理は、8GPa以上30GPa以下かつ1500℃以上2300℃以下の条件で行なわれる、請求項11から請求項18のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドの製造方法。
- 請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドを用いて形成されたスクライブツール。
- 請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドを用いて形成されたスクライブホイール。
- 請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドを用いて形成されたドレッサー。
- 請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドを用いて形成された回転工具。
- 請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドを用いて形成された伸線ダイス。
- 請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドを用いて形成された切削工具。
- 請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドを用いて形成された電極。
- 請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンドを用いて対象物を加工する、加工方法。
- 前記対象物は、絶縁体である、請求項27に記載の加工方法。
- 前記絶縁体は、100kΩ・cm以上の抵抗率を有する、請求項28に記載の加工方法。
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