TW202012065A - 附貫通孔之工具、鑽石零件及鑽石素材 - Google Patents

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植田暁彥
小林豊
西林良樹
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日商住友電氣工業股份有限公司
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Abstract

本發明係一種附貫通孔之工具，其係具備基材、及保持於上述基材之鑽石零件者，上述鑽石零件於將沿貫通孔之中心線之長度設為L1、將以上述中心線為法線之剖面之外緣所包圍之區域之等面積圓之直徑之最大值設為M1之情形時，上述L1與上述M1之比即L1/M1為0.8以上。

Description

附貫通孔之工具、鑽石零件及鑽石素材
本發明係關於一種附貫通孔之工具、鑽石零件及鑽石素材。本申請主張基於2018年6月27日申請之日本專利申請即日本特願2018-121764號之優先權。該日本專利申請中所記載之全部記載內容藉由參照而引用於本說明書。
鑽石由於具有極高之硬度，故用於模具(dies)、水噴射噴嘴、絲線導引器等耐磨工具。
於日本專利特開平5-169131號公報(專利文獻1)中，揭示有一種包含具有貫通而形成之孔且安裝於支持體之多晶CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沈積)鑽石層之拉絲模。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開平5-169131號公報
[發明所欲解決之問題]
近年，隨著伸線素材之高強度化，高能率加工之要求變得嚴格。於將先前之模具應用於高強度線材之高能率加工之情形時，有模具易於產生磨耗、工具壽命變短之傾向。
對此，本目的在於提供一種即便於高強度線材之高能率加工中亦可具有較長之工具壽命之附貫通孔之工具、與、可用於該附貫通孔之工具之鑽石零件及鑽石素材。
本發明之一態樣之附貫通孔之工具， 其係具備基材、及保持於上述基材之鑽石零件者， 上述鑽石零件於將沿貫通孔之中心線之長度設為L1、將以上述中心線為法線之剖面之外緣所包圍之區域之等面積圓之直徑之最大值設為M1之情形時，上述L1與上述M1之比即L1/M1為0.8以上。
本發明之一態樣之鑽石零件， 其係具備貫通孔者， 上述鑽石零件於將沿貫通孔之中心線之長度設為L1、將以上述中心線為法線之剖面之外緣所包圍之區域之等面積圓之直徑之最大值設為M1之情形時，上述L1與上述M1之比即L1/M1為0.8以上。
本發明之一態樣之鑽石素材， 其係用於附貫通孔之工具者， 上述鑽石素材於將形成有貫通孔之情形時之沿上述貫通孔之中心線之長度設為L2、將以上述中心線為法線之剖面之等面積圓之直徑之最大值設為M2之情形時，上述L2與上述M2之比即L2/M2為0.8以上。
本發明之一態樣之鑽石素材， 其係用於附貫通孔之工具者， 上述鑽石素材包含單晶鑽石， 上述鑽石素材具有由(111)面、(100)面、或、(110)面構成之第1面， 上述鑽石素材於將沿上述第1面之法線之長度設為L2、將與上述第1面平行之剖面之等面積圓之直徑之最大值設為M2之情形時，上述L2與上述M2之比即L2/M2為0.8以上。 [發明之效果]
根據上述態樣，附貫通孔之工具即便於高強度線材之高能率加工中，亦可具有較長之工具壽命。
[本發明之實施形態之說明] 首先列出本發明之實施態樣進行說明。
(1)本發明之一實施形態之附貫通孔之工具， 其係具備基材、及保持於上述基材之鑽石零件者， 上述鑽石零件於將沿貫通孔之中心線之長度設為L1、將以上述中心線為法線之剖面之外緣所包圍之區域之等面積圓之直徑之最大值設為M1之情形時，上述L1與上述M1之比即L1/M1為0.8以上。
該附貫通孔之工具即便於高強度線材之高能率加工中，亦可具有較長之工具壽命。
(2)上述L1較佳為0.5 mm以上且50 mm以下，上述M1較佳為0.5 mm以上且56 mm以下。藉此，鑽石零件可具有優異之耐磨耗性。
(3)上述貫通孔之直徑之最小值較佳為0.001 mm以上且15 mm以下。該附貫通孔之工具由於可與範圍廣泛之孔徑對應，故作為工具之方便性較高。
(4)上述鑽石零件之上述貫通孔之入口側之面與上述貫通孔之出口側之面P2所成之角度α較佳為0°以上且1°以下。該鑽石零件於附貫通孔之工具之製作時，配置於基材之凹部時不易傾倒。由此，附貫通孔之工具之製作變得容易。
(5)上述鑽石零件較佳為由合成單晶鑽石構成。單晶鑽石易於加工成所需之形狀。由此，可高效地製作附貫通孔之工具。
(6)上述合成單晶鑽石較佳為按0.01 ppb以上且3000 ppm以下之濃度包含氮原子。藉此，附貫通孔之工具之耐磨耗性變得良好。進而，該合成單晶鑽石於附貫通孔之工具之製作時不易破裂。
(7)上述合成單晶鑽石較佳為按0.5 ppb以上且10000 ppm以下之濃度包含硼原子。藉此，附貫通孔之工具之耐磨耗性變得良好。進而，該合成單晶鑽石於附貫通孔之工具之製作時不易破裂。
(8)上述合成單晶鑽石較佳為按0.0001 ppb以上且10000 ppm以下之濃度包含矽原子。藉此，附貫通孔之工具之耐磨耗性變得良好。進而，該合成單晶鑽石於附貫通孔之工具之製作時不易破裂。
(9)上述合成單晶鑽石較佳為合計按0.5 ppb以上且10000 ppm以下之濃度包含除氮原子、硼原子及矽原子以外之雜質原子。藉此，附貫通孔之工具之耐磨耗性變得良好。進而，該合成單晶鑽石於附貫通孔之工具之製作時不易破裂。
(10)上述合成單晶鑽石於照射圓偏振光之情形時產生之相位差較佳為0.1 nm以上且200 nm以下。藉此，於附貫通孔之工具之使用時，可抑制鑽石零件產生缺口。
(11)上述鑽石零件之上述貫通孔之入口側之面較佳為包含(111)面、(100)面、或、(110)面。藉此，可根據被貫通材之要求而控制使用附貫通孔之工具時產生之鑽石零件之偏磨耗、及、鑽石零件之耐磨耗性。
(12)上述鑽石零件較佳為由多晶鑽石構成。藉此，於附貫通孔之工具之使用時，可抑制鑽石零件之缺口之產生及龜裂之進展、與、鑽石零件之偏磨耗。
(13)上述附貫通孔之工具較佳為模具、水噴射噴嘴、或絲線導引器。該等附貫通孔之工具可具有優異之工具壽命。
(14)本發明之一實施形態之鑽石零件， 其係具備貫通孔者， 上述鑽石零件於將沿上述貫通孔之中心線之長度設為L1、將以上述中心線為法線之剖面之外緣所包圍之區域之等面積圓之直徑之最大值設為M1之情形時，上述L1與上述M1之比即L1/M1為0.8以上。
具備該鑽石零件之附貫通孔之工具可具有優異之工具壽命。
(15)本發明之一實施形態之鑽石素材， 其係用於附貫通孔之工具者， 上述鑽石素材於將形成有貫通孔之情形時之沿上述貫通孔之中心線之長度設為L2、將以上述中心線為法線之剖面之等面積圓之直徑之最大值設為M2之情形時，上述L2與上述M2之比即L2/M2為0.8以上。
使用該鑽石素材製作之附貫通孔之工具可具有優異之工具壽命。
(16)本發明之一實施形態之鑽石素材， 其係用於附貫通孔之工具者， 上述鑽石素材包含單晶鑽石， 上述鑽石素材具有由(111)面、(100)面、或、(110)面構成之第1面， 上述鑽石素材於將沿上述第1面之法線之長度設為L2、將與上述第1面平行之剖面之等面積圓之直徑之最大值設為M2之情形時，上述L2與上述M2之比即L2/M2為0.8以上。
使用該鑽石素材製作之附貫通孔之工具可具有優異之工具壽命。 [本發明之實施形態之詳細內容] 以下參照圖式對本發明之一實施形態之附貫通孔之工具之具體例進行說明。本發明並未限定於該等例示，而是藉由申請專利範圍所表示，且意欲包含與申請專利範圍均等之含義、及範圍內之全部變更。
於圖式中，同一參照符號表示同一部分或同等部分。長度、寬度、厚度、深度等尺寸關係可為了圖式之明瞭化及簡化而適當變更，並非表示實際之尺寸關係。
＜實施形態1：附貫通孔之工具＞ 使用圖1～圖6對本發明之一實施形態之附貫通孔之工具進行說明。圖1係表示本發明之一態樣之附貫通孔之工具之俯視圖。圖2係表示圖1所示之附貫通孔之工具之X1-X1線上之剖面圖。圖3係表示圖2所示之附貫通孔之工具之X2-X2線上之剖面圖。圖4係表示圖3所示之鑽石零件之剖面之等面積圓之圖。圖6係表示先前之附貫通孔之工具之剖面圖。
如圖1所示，本實施形態之附貫通孔之工具3具備基材2、及保持於上述基材2之鑽石零件1。
(基材) 基材2係保持鑽石零件1者。作為基材2之素材，可使用燒結合金、不鏽鋼等。
基材2之形狀並未限定於圖1所示之形狀，可根據附貫通孔之工具之用途而適當變更。
雖未表示於圖1～圖3中，但燒結合金或釺料可作為接合材存在於基材2與鑽石零件1之間。
(鑽石零件) 如圖2所示，鑽石零件1包含入口1A及出口1B，穿過貫通孔之被貫通材自入口1A側插入且自出口1B側排出。鑽石零件1包含貫通孔之直徑d為最小值之第1區域1b、及、與第1區域1b相連且配置於貫通孔之入口1A側之第2區域1a。
鑽石零件1及基材2上設置有自入口1A連至出口1B之貫通孔5，貫通孔5藉由壁面21所界定。壁面21之傾斜度相對於作為中心軸之中心線C1慢慢變化。於圖2所示之剖面中，中心線C1為直線，貫通孔5相對於中心線C1具有對稱之形狀。
鑽石零件1於將沿貫通孔之中心線C1之長度(圖2中藉由L所表示之長度)設為L1、將以中心線C1為法線之剖面之外緣所包圍之區域之等面積圓之直徑之最大值設為M1之情形時，L1與M1之比即L1/M1(以下亦記為比(L1/M1))為0.8以上。於本說明書中，以鑽石零件1之中心線C1為法線之剖面之外緣所包圍之區域係藉由剖面之鑽石零件1之外緣O(參照圖3及圖4)所包圍之區域S1(參照圖4)，意味著不具有貫通孔者。因此，如圖4所示，區域S1之面積係外緣O所包圍之區域之全部面積，亦包含相當於貫通孔之面積。區域S1之等面積圓之直徑意味著區域S1之等面積圓E之直徑M(參照圖5)。直徑M之最大值為M1。
藉由使鑽石零件1具有上述之構成，使得本實施形態之附貫通孔之工具即便於高強度線材之高能率加工中，亦可具有較長之工具壽命。關於其理由，本發明人等推測如下述。
作為附貫通孔之工具之工具壽命變短之原因之一，可列舉隨著附貫通孔之工具之使用而產生之鑽石零件之磨耗。認為由於藉由鑽石零件與通過貫通孔之被貫通材之摩擦而產生之摩擦熱助長了鑽石石墨化從而磨耗之反應磨耗、及、藉由鑽石零件與被貫通材之摩擦而產生之機械磨耗。認為於本實施形態之附貫通孔之工具中，由於反應磨耗及機械磨耗之兩者受到抑制，故工具壽命變長。其理由推測如下述(i)及(ii)。
(i)反應磨耗之抑制 於先前之附貫通孔之工具13中，鑽石零件11之主面為正方形之板狀。如圖6所示，於先前例中，沿貫通孔之中心線C1之長度(圖6中藉由L所表示之長度)L1遠短於與中心線C1垂直之方向(圖6之水平方向)上之長度L3，L1與L3之比(L1/L3)例如為0.6以上且0.75以下。
另一方面，於本實施形態之鑽石零件1中，沿貫通孔之中心線C1之長度(圖2中藉由L所表示之長度)L1與M1之比(L1/M1)為0.8以上，長度L1之比例較先前例變大。
因此，於先前例及本實施形態中，於與鑽石零件之中心線C1垂直之方向(圖2及圖6之水平方向)上之長度相同、且、貫通孔之形狀相同之情形時，本實施形態之鑽石零件之體積較先前例之鑽石零件之體積變大。
由於鑽石其熱導率較高，故若鑽石零件之體積較大，則於鑽石零件與被貫通材之間產生之摩擦熱易於擴散。由此，於本實施形態之鑽石零件中，藉由摩擦熱而鑽石石墨化從而磨耗之反應磨耗受到抑制。藉此，推測本實施形態之附貫通孔之工具之工具壽命變長。
(ii)機械磨耗之抑制 作為抑制鑽石零件與被貫通材之間產生之機械磨耗之方法之一，可列舉使貫通孔之形狀最佳化之方法。於先前之鑽石零件11中，由於沿中心線C1之長度L1較短，故貫通孔5之形狀之設計之自由度受到限定。由此，於鑽石零件11上實際難以形成最佳之形狀之貫通孔。
另一方面，於實施形態之鑽石零件1中，於與鑽石零件之中心線C1垂直之方向(圖2及圖6之水平方向)上之長度與先前例相同之情形時，沿中心線C1之方向之長度L1較先前例變長。由此，於本實施形態中，貫通孔之形狀之設計之自由度變高，於鑽石零件上可形成用於抑制機械磨耗之最佳之形狀之貫通孔。藉此，推測本實施形態之附貫通孔之工具之工具壽命變長。
上述L1與M1之比(L1/M1)較佳為0.9以上，更佳為1.0以上，進而較佳為1.3以上。比(L1/M1)之上限值並未特別限定，例如，較佳為設為1.4以下。即，比(L1/M1)較佳為0.8以上且1.4以下，較佳為0.9以上且1.4以下，較佳為1.0以上且1.4以下，較佳為1.3以上且1.4以下。
鑽石零件1之入口1A側之面P1、及、出口1B側之面P2之形狀並未特別限定，可設為具有大致同一面積之正方形。即，鑽石零件1整體上可具有角柱形狀。於本說明書中，2個正方形之面積具有大致同一面積意味著2個正方形之面積之差以較小之面積為基準於5%以內之情形。
於鑽石零件1整體上具有角柱形狀之情形時，沿貫通孔之中心線之長度L1與、面P1及面P2之一邊之長度D之比(L1/D)較佳為0.8以上。藉此，藉由與比(L1/M1)之值為0.8以上之情形相同之機制，鑽石零件1之耐磨耗性提高。
比(L1/D)較佳為1.0以上，較佳為1.1以上。比(L1/D)之上限值並未特別限定，例如，較佳為設為1.5以下。即，比(L1/D)較佳為0.8以上且1.5以下，較佳為1.0以上且1.5以下，較佳為1.1以上且1.5以下。於面P1之一邊之長度與、面P2之一邊之長度不同之情形時，D係表示較長之一邊之長度者。
於鑽石零件1中，沿貫通孔之中心線C1之長度L1為0.5 mm以上且50 mm以下，以中心線C1為法線之剖面之外緣所包圍之區域S1之等面積圓之直徑之最大值M1較佳為0.5 mm以上且60 mm以下。
藉此，鑽石零件1由於具有非常大之體積，故可具有優異之散熱性。由此，可抑制鑽石零件之反應磨耗。進而，鑽石零件1之沿中心線C1之長度非常長，因此，貫通孔之設計之自由度變大。由此，於鑽石零件1上可應用用於抑制機械磨耗之最佳之貫通孔之形狀，可抑制鑽石零件1之機械磨耗。
L1更佳為0.5 mm以上且50 mm以下，進而較佳為0.5 mm以上且25 mm以下。M1更佳為0.5 mm以上且56 mm以下，進而較佳為0.5 mm以上且31 mm以下。
貫通孔5之直徑之最小值(圖2中藉由d所表示之長度)較佳為0.001 mm以上且15 mm以下。該附貫通孔之工具由於可與範圍廣泛之孔徑對應，故作為工具之方便性較高。直徑之最小值d更佳為0.005 mm以上且10 mm以下，進而較佳為0.01 mm以上且5 mm以下。
鑽石零件1之貫通孔5之入口1A側之面P1、與貫通孔5之出口1B側之面P2所成之角度α較佳為0°以上且1°以下。該鑽石零件於附貫通孔之工具之製作時，配置於基材之凹部時不易傾倒。由此，可高效地製作附貫通孔之工具。上述角度α更佳為0°以上且0.75°以下，進而較佳為0°以上且0.5°以下。
於本說明書中，面P1與面P2所成之角度α(未圖示)之概念係指假定分別放大面P1及面P2而得假想面P1'及假想面P2'時假想面P1'與假想面P2'所成之角度。
鑽石零件1之素材並未特別限定，使用單晶鑽石、多晶鑽石及燒結鑽石之任一均可。
作為單晶鑽石，可列舉天然鑽石及合成單晶鑽石。合成單晶鑽石易於加工成所需之形狀，可高效地製作附貫通孔之工具，因此，適宜作為本實施形態之鑽石零件之材料。合成單晶鑽石之製造方法並未特別限定。例如，可使用藉由高壓合成法或氣相合成法而製作之合成單晶鑽石。
合成單晶鑽石較佳為按0.01 ppb以上且3000 ppm以下之濃度包含氮原子。藉此，附貫通孔之工具之耐磨耗性變得良好。進而，該合成單晶鑽石於附貫通孔之工具之製作時不易破裂。合成單晶鑽石中之氮原子之濃度更佳為0.1 ppm以上且500 ppm以下，進而較佳為1 ppm以上且200 ppm以下。
合成單晶鑽石較佳為按0.5 ppb以上且10000 ppm以下之濃度包含硼原子。藉此，附貫通孔之工具之耐磨耗性變得良好。進而，該合成單晶鑽石於附貫通孔之工具之製作時不易破裂。合成單晶鑽石中之硼原子之濃度更佳為0.5 ppb以上且1 ppm以下，進而較佳為0.5 ppb以上且0.5 ppm以下。
合成單晶鑽石較佳為按0.0001 ppb以上且10000 ppm以下之濃度包含矽原子。藉此，附貫通孔之工具之耐磨耗性變得良好。進而，該合成單晶鑽石於附貫通孔之工具之製作時不易破裂。合成單晶鑽石中之矽原子之濃度更佳為0.003 ppm以上且100 ppm以下，更佳為0.01 ppm以上且50 ppm以下，進而較佳為0.1 ppm以上且25 ppm以下。
合成單晶鑽石較佳為合計按0.5 ppb以上且10000 ppm以下之濃度包含除氮原子、硼原子及矽原子以外之雜質原子。此處作為雜質原子，可列舉氫、鋁、鈦、鉻、銅、鎢、銥等。藉此，附貫通孔之工具之耐磨耗性變得良好。進而，該合成單晶鑽石於附貫通孔之工具之製作時不易破裂。合成單晶鑽石中之雜質原子之合計之濃度更佳為0.5 ppb以上且5000 ppm以下，進而較佳為0.1 ppm以上且3000 ppm以下。
合成單晶鑽石中之氮原子、硼原子、矽原子、及、其他雜質原子之濃度藉由二次離子質量分析(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)法測定。作為測定裝置，使用CAMECA公司製「IMS 7f」(製品名)。於SIMS法中，使用Cs+ 作為一次離子，設為加速電壓15 kV、檢測區域35 μmΦ，求出以自試樣最表面距離0.5 μm之深度濺鍍之部位之濃度。濃度定量係藉由與另外準備之標準試樣(藉由離子注入而製作之雜質濃度已知之單晶鑽石)之比較而進行。雜質濃度之值若較小，則存在藉由設備之精度、測定值偏離真實值之情形。為了獲得更準確之值，於相互至少距離100 μm之位置之5個點，以直至0.5 μm之深度測定，算出5個點之值之平均值，將該平均值設為各原子之濃度。
合成單晶鑽石於照射圓偏振光之情形時產生之相位差較佳為0.1 nm以上且200 nm以下。合成單晶鑽石中之相位差表示合成單晶鑽石中存在缺陷。若相位差之範圍於該範圍內，則缺陷之量控制於適當之範圍內，因此，於附貫通孔之工具之使用時，可抑制鑽石零件產生由缺陷產生之缺口。該相位差更佳為10 nm以上且200 nm以下，進而較佳為30 nm以上且300 nm以下。相位差按照下述之(a-1)～(a-3)之順序測定。
(a-1)測定試樣之準備 將鑽石零件加工成厚度為700 μm之板形狀。於鑽石零件之厚度較大之情形時，例如可使用研磨或蝕刻等進行加工。於無法將鑽石零件加工成700 μm厚之情形時，可不進行上述加工而進行以下記載之相位差之測定，將其測定值以與板厚成正比之方式換算成厚度為700 μm之情形。
(a-2)圓偏振光之照射 自上述(a-1)中所準備之測定試樣之一主面側相對於該主面大致垂直地照射圓偏振光。
(a-3)雙折射率之測定 於照射有圓偏振光之主面，設定10個點之測定區域(1 mm×1 mm)，於該10個點內測定相位差。相位差之測定係使用股份有限公司Photonic Lattice公司製「WPA-micro」(商品名)、或、「WPA-100」(商品名)。
算出10個點之測定區域之測定值之平均值，將該平均值作為合成單晶鑽石之相位差。
於鑽石零件1由合成單晶鑽石構成之情形時，鑽石零件1之貫通孔5之入口側之面P1較佳為包含(111)面、(100)面、或、(110)面。藉此，可根據被貫通材之要求而控制附貫通孔之工具之使用時產生之鑽石零件之偏磨耗、及、鑽石零件之耐磨耗性。
於面P1為(111)面之情形時，鑽石零件之偏磨耗不易產生，因此，可抑制隨著附貫通孔之工具之使用而產生之貫通孔之形狀之變化。由此，被貫通材可具有均一之剖面形狀。
於面P1為(100)面之情形時，由於易於研磨，因此，貫通孔之形成加工較容易，於製造成本之方面較有利。
於面P1為(110)面之情形時，藉由附貫通孔之工具加工後之被貫通材(例如伸線絲線等)之表面粗糙度變得良好。
鑽石零件較佳為由多晶鑽石構成。多晶鑽石具有優異之硬度，並且，無硬度之方向性或解理性。由此，若將多晶鑽石用於鑽石零件，則於附貫通孔之工具之使用時，可抑制鑽石零件之缺口之產生、龜裂之進展、及鑽石零件之偏磨耗。
多晶鑽石之製造方法並未特別限定。例如，可使用不添加燒結助劑或觸媒而將石墨型層狀結構之碳物質於超高溫高壓下燒結而得之多晶鑽石。
＜實施形態2：模具＞ 本發明之一實施形態之附貫通孔之工具可應用於模具。該模具由於可抑制藉由鑽石構件與伸線材之間之摩擦而產生之反應磨耗、及、機械磨耗，故可具有優異之工具壽命。
＜實施形態3：水噴射噴嘴＞ 本發明之一實施形態之附貫通孔之工具可應用於水噴射噴嘴。該水噴射噴嘴由於可抑制藉由鑽石構件與水之間之摩擦而產生之反應磨耗、及、機械磨耗，故可具有優異之工具壽命。
＜實施形態4：絲線導引器＞ 本發明之一實施形態之附貫通孔之工具可應用於絲線導引器。該絲線導引器由於可抑制鑽石構件與絲線之間之摩擦而產生之反應磨耗、及、機械磨耗，故可具有優異之工具壽命。
＜實施形態5：鑽石零件＞ 使用圖7及圖8對本實施之一實施形態之鑽石零件進行說明。圖7係本發明之一態樣之鑽石零件之俯視圖。圖8係圖7所示之鑽石零件之X3-X3線上之剖面圖。
如圖7及圖8所示，本實施形態之鑽石零件1係具備貫通孔5者，鑽石零件1於將沿貫通孔5之中心線C1之長度(圖8中藉由L所表示之長度)設為L1、將以中心線C1為法線之剖面之外緣所包圍之區域S1之等面積圓之直徑之最大值設為M1之情形時，L1與M1之比(L1/M1)為0.8以上。於圖7及圖8中，鑽石素材之形狀為四角錐台，然而，若比(L1/M1)為0.8以上，則鑽石素材之形狀並未限定於四角錐台。例如，可採用四角柱、圓柱、圓錐台等。
具備該鑽石零件之附貫通孔之工具可具有優異之工具壽命。其理由如實施形態1中所說明。
鑽石零件1之詳細之說明如實施形態1所示，因此，不重複其說明。
＜實施形態6：鑽石素材(1)＞ 使用圖9及圖10對本發明之一實施形態之鑽石素材進行說明。圖9係本發明之一態樣之鑽石素材之俯視圖。圖10係圖9所示之鑽石素材之X4-X4線上之剖面圖。
如圖9及圖10所示，鑽石素材4係用於附貫通孔之工具之鑽石素材，於將形成有貫通孔之情形時之沿貫通孔之中心線之長度(圖10中藉由L所表示之長度)設為L2、將以中心線C1為法線之剖面之等面積圓之直徑之最大值設為M2之情形時，L2與M2之比即L2/M2(以下亦記為比(L2/M2))為0.8以上。於圖9及圖10中，鑽石素材之形狀為四角錐台，然而，若比(L2/M2)為0.8以上，則鑽石素材之形狀並未限定於四角錐台。例如，可採用四角柱、圓柱、圓錐台等。
於該鑽石素材4上形成貫通孔而製作之鑽石構件可具有實施形態5所示之鑽石構件之構成。因此，具備使用該鑽石素材製作之鑽石構件之附貫通孔之工具可具有優異之工具壽命。
＜實施形態7：鑽石素材(2)＞ 如圖9及圖10所示，鑽石素材4係用於附貫通孔之工具之合成單晶鑽石素材，上述合成單晶鑽石素材具有包含(111)面、(100)面、或、(110)面之第1面，鑽石素材於將沿第1面之法線之長度(圖10中藉由L所表示之長度)設為L2、將與第1面平行之剖面之等面積圓之直徑之最大值設為M2之情形時，L2與M2之比(L2/M2)為0.8以上。於該鑽石素材4上形成與第1面之法線平行之貫通孔而製作之鑽石構件可具有實施形態5所示之鑽石構件之構成。因此，具備使用該鑽石素材製作之鑽石構件之附貫通孔之工具可具有優異之工具壽命。
＜實施形態8：附貫通孔之工具之製造方法(1)＞ 對本發明之一實施形態之附貫通孔之工具之製造方法之一例進行說明。於本實施形態中，對鑽石構件由合成單晶鑽石構成之情形進行說明。本實施形態之附貫通孔之工具之製造方法包含製作合成單晶鑽石之步驟(以下亦記為「合成單晶鑽石製作步驟」)、製作鑽石素材之步驟(以下亦記為「鑽石素材製作步驟」)、及、製作附貫通孔之工具之步驟(以下亦記為「附貫通孔之工具製作步驟」)。
(合成單晶鑽石製作步驟) 使用例如高壓合成法或化學氣相合成法(CVD：chemical vapor deposition)製作合成單晶鑽石。由於易於控制合成單晶鑽石中之氮原子、硼原子、矽原子、及其他雜質之濃度、與、缺陷之量，故使用CVD法較佳。
於CVD法中，在配置於CVD生長爐之基板座上之晶種基板上生長單晶鑽石。生長方法可使用熱燈絲法、燃燒火焰法、電弧噴射法等公知之一般方法。
合成單晶鑽石中之氮原子、硼原子、矽原子、及、其他雜質之濃度可藉由原料氣體比率、合成爐內部構成零件、合成溫度等進行調整。
合成單晶鑽石中之缺陷之量可藉由晶種基板之表面粗糙度、合成前表面處理等進行調整。
(鑽石素材製作步驟) 對形成於晶種基板上之單晶鑽石進行雷射切割，切成所需之形狀，藉此，製作鑽石素材。此時，藉由調整單晶鑽石上之雷射照射之間隔(距離)，可將切成之鑽石素材之厚度設為所需之厚度。該厚度相當於實施形態6中所說明之鑽石素材之形成有貫通孔之情形時之沿貫通孔之中心線之長度L2、實施形態7中所說明之鑽石素材之沿第1面之法線之長度L2、或、第1面(圖10中之上表面)P21或與第2面大致平行之第2面P22之一邊之長度。該等長度於之後之步驟中得以維持。由此，鑽石素材之長度L2與鑽石零件之沿貫通孔之中心線之長度L1相同，鑽石素材之第1面P21及第2面P22之一邊之長度係與鑽石零件之面P1及P2之一邊之長度相同之值。
於本實施形態中，於雷射切割時使用如圖11、及、圖12所示之有狹縫之切割輔助夾具51。
先前，於對合成單晶鑽石進行雷射切割時，於將合成單晶鑽石之一端藉由切割夾具50保持使其浮於空中之狀態下進行切割。於先前之方法中，為了防止雷射光之反射，不使用自下方支持合成單晶鑽石之切割輔助夾具51。由此，若欲切成較厚之合成單晶鑽石，則於切割中途未藉由切割夾具50保持之端部側(所切成之側)會因其本身之重量彎折，容易產生毛邊。
若鑽石素材上產生毛邊，則於之後之步驟中，於將鑽石素材設置於基材之凹部時鑽石素材會傾倒，因此，藉由研磨去除毛邊。由此，於先前之切割方法中，發生由研磨步驟之增加所導致之成本之增加、及、生產力之降低。
另一方面，於本實施形態中，藉由切割夾具50保持合成單晶鑽石之一端，並將有狹縫之切割輔助夾具51設置於合成單晶鑽石之下方，一面自下方支持合成單晶鑽石，一面進行雷射切割。雷射光係以通過狹縫之方式照射，因此，不會發生雷射光之反射。合成單晶鑽石藉由切割輔助夾具51所支持，因此，即便切成較厚之合成單晶鑽石，於切割中途合成單晶鑽石亦不發生彎折。由此，所得之鑽石素材之毛邊之產生受到抑制。
雷射切割之條件例如可設為雷射波長532 mn、重複頻率6 kHz以上且10 kHz以下、輸出3 W以上且20 W以下。
(附貫通孔之工具製作步驟) 將所得之鑽石素材與燒結合金粉末等接合材一齊配置於基材之凹部。對其實施加熱處理，燒結結合材料，將鑽石素材與基材接合，獲得接合體。
於所得之接合體上藉由雷射照射形成貫通孔，可製造具備鑽石零件之附貫通孔之工具。
＜實施形態9：附貫通孔之工具之製造方法(2)＞ 對本發明之一實施形態之附貫通孔之工具之製造方法之一例進行說明。於本實施形態中，對鑽石構件由多晶鑽石構成之情形進行說明。本實施形態之附貫通孔之工具之製造方法包含製作多晶鑽石之步驟(以下亦記為「多晶鑽石製作步驟」)、製作鑽石素材之步驟(以下亦記為「鑽石素材製作步驟」)、及、製作附貫通孔之工具之步驟(以下亦記為「附貫通孔之工具製作步驟」)。
(多晶鑽石製作步驟) 不添加燒結助劑或觸媒而將例如石墨型層狀結構之碳物質於超高溫高壓下燒結，從而製作多晶鑽石。
繼而，藉由與實施形態8相同之方法進行鑽石素材製作步驟、及、附貫通孔之工具製作步驟，藉此，可製造具備鑽石零件之附貫通孔之工具。 [實施例]
藉由實施例對本實施形態進一步具體地進行說明。然而，本實施形態並未藉由該等實施例限定。
於本實施例中，製作鑽石零件由合成單晶鑽石構成之附貫通孔之工具(模具)，並對其進行評價。具體之製造方法及評價方法如下述。
＜合成單晶鑽石之製作＞ 藉由CVD法製作合成單晶鑽石。首先，準備主面為5 mm×5 mm之正方形狀且厚度為0.5 mm之單晶鑽石晶種基板。藉由研磨使其平坦化，其後，作為控制合成單晶鑽石內之缺陷之預處理，使用氧氣(O2 )及氟化氫(CF4 )氣體乾式蝕刻至0.01 μm～0.5 μm之深度區域。於該基板上按1 mm之厚度形成包含單晶鑽石之磊晶生長層。使用氫氣(H2 )、甲烷(CH4 )氣體及氮氣(N2 )之混合氣體作為原料氣體。將CH4 氣體相對於H2 氣體之體積比率(CH4 氣體/H2 氣體)設為5～20體積%，將N2 氣體相對於CH4 氣體之體積比率(N2 氣體/CH4 氣體)設為0.01～5體積%。又，壓力設定為9.3～14.7 kPa，基板溫度設定為850～1200℃。雜質濃度可藉由原料氣體比率、合成爐內部構成零件、合成溫度等控制，缺陷量可藉由單晶鑽石晶種基板之表面之平坦度或研磨損壞層之有無而控制。
＜合成單晶鑽石之測定＞ 對於所得之合成單晶鑽石測定氮原子濃度、硼原子濃度、矽原子濃度、其他雜質原子之整體之濃度、及、相位差。各者之測定方法如實施形態1所示。將結果表示於表1。
＜鑽石素材之製作＞ 於使用圖11及圖12所示之切割夾具及有狹縫之輔助夾具支持之狀態下，對上述所製作之單晶鑽石進行雷射切割，藉此，製作底面及上表面為正方形之四角柱形狀之鑽石素材。
對各試樣之鑽石素材之厚度(高度)L2、及、鑽石素材之底面及上表面之一邊之長度D2進行測定。「L2」及「D2」之值於之後之步驟中得以維持。由此，鑽石素材之「L2」及「D2」之值與使用該鑽石素材製作之附貫通孔之工具中之鑽石零件之沿貫通孔之中心線C1之長度「L1」及鑽石零件之底面及上表面之一邊之長度「D」之值相同。因此，將鑽石素材中所測定之「L2」及「D2」之值表示於表1之鑽石零件之「L1」及「D」項。
基於上述「D」之值，算出底面及上表面之等面積圓之直徑M。由於各試樣之鑽石素材之形狀為四角柱，故「M」之值相當於等面積圓之直徑之最大值M1。因此，將所算出之「M」之值表示於表1之鑽石零件之「M1」項。
於全部試樣中，鑽石素材之底面與上表面所成之角度α為0.5°以下。於試樣1～試樣6及試樣8～試樣11中，底面及上表面為(110)面。於試樣7中，底面及上表面為(111)面。
＜附貫通孔之工具之製作＞ 將所得之鑽石素材以鑽石素材之底面與凹部之底面大致平行之方式配置於基材(素材：燒結合金)之凹部。此時，以鑽石素材不傾斜之方式，於凹部之底面與鑽石素材之間塗佈噴霧膠作為接著劑。其後，於凹部之間隙封入包含燒結合金粉末之接合材。對其實施加熱處理，燒結結合材料，將鑽石素材與基材接合，獲得接合體。
藉由雷射照射，於所得之接合體上形成自鑽石素材之上表面連至底面之貫通孔，製造附貫通孔之工具。藉此，鑽石素材之上表面成為貫通孔之入口側之面P1，底面成為貫通孔之出口側之面P2。關於貫通孔，將直徑之最小值d設為0.080 mm，將沿第1區域之中心線之長度設為16 μm，將界定第2區域之鑽石零件之壁面與中心線所成之角度θ設為12°。
＜伸線加工試驗＞ 使用所得之附貫通孔之工具進行線材(線徑
Figure 02_image001
：86.63 μm、素材：SUS304)之伸線加工試驗。於伸線時使用合成油系潤滑劑。伸線速度為500 m/分，減縮率為14%。
於上述之條件下伸線15 km，於伸線後之附貫通孔之工具中，測定直徑之最小值，將最小值之每單位時間之增加量(μm/分)設為磨耗速度。該磨耗速度越小，耐磨耗性越優異。將結果表示於表1。
[表1]
Figure 108122596-A0304-0001
＜評價＞ 試樣1之比(L1/M1)之值為0.665，為比較例。試樣2～11其比(L1/M1)之值為0.8以上，為實施例。試樣2～11(實施例)與試樣1(比較例)相比，可確認於高強度線材之高能率加工中呈現優異之耐磨耗性。
已如上所述對本發明之實施形態及實施例進行了說明，然而，起初亦預先規定可適當組合上述之各實施形態及實施例之構成、或進行各種變化。
應瞭解，本次所揭示之實施形態及實施例全部內容均為例示，而並非用於限制。本發明之範圍並非藉由上述之實施形態及實施例表示，而是藉由申請專利範圍所表示，且意欲包含與申請專利範圍均等之含義、及範圍內之全部變更。
1:鑽石零件 1a:第2區域 1b:第1區域 1A:入口 1B:出口 2:基材 3:附貫通孔之工具 4:鑽石素材 5:貫通孔 11:鑽石零件 12:基材 13:附貫通孔之工具 21:壁面 50:切割夾具 51:切割輔助夾具 C1:中心線 d:直徑 E:等面積圓 L:沿中心線C1之長度 L3:與中心線垂直之方向之長度 M:直徑 O:外緣 P1:入口側之面 P2:出口側之面 P21:第1面 P22:第2面 S1:區域 X1:線 X2:線 X3:線 X4:線 θ:角度
圖1係本發明之一態樣之附貫通孔之工具之俯視圖。 圖2係圖1所示之附貫通孔之工具之X1-X1線上之剖面圖。 圖3係圖2所示之附貫通孔之工具之X2-X2線上之剖面圖。 圖4係表示圖3所示之鑽石零件之外形所包圍之區域S1之圖。 圖5係表示圖4所示之區域S1之等面積圓之圖。 圖6係先前之附貫通孔之工具之剖面圖。 圖7係本發明之一態樣之鑽石零件之俯視圖。 圖8係圖7所示之鑽石零件之X3-X3線上之剖面圖。 圖9係本發明之一態樣之鑽石素材之俯視圖。 圖10係圖9所示之鑽石素材之X4-X4線上之剖面圖。 圖11係用於鑽石素材之雷射切割之切割夾具及切割輔助夾具之模式圖。 圖12係圖11所示之切割夾具及切割輔助夾具之俯視圖。
1:鑽石零件
1a:第2區域
1b:第1區域
1A:入口
1B:出口
2:基材
3:附貫通孔之工具
5:貫通孔
21:壁面
C1:中心線
d:直徑
L:沿中心線C1之長度
P1:入口側之面
P2:出口側之面
X2:線
θ:角度

Claims (16)

  1. 一種附貫通孔之工具，其係具備基材、及保持於上述基材之鑽石零件者， 上述鑽石零件於將沿貫通孔之中心線之長度設為L1、將以上述中心線為法線之剖面之外緣所包圍之區域之等面積圓之直徑之最大值設為M1之情形時，上述L1與上述M1之比即L1/M1為0.8以上。
  2. 如請求項1之附貫通孔之工具，其中上述L1為0.5 mm以上且50 mm以下， 上述M1為0.5 mm以上且56 mm以下。
  3. 如請求項1或2之附貫通孔之工具，其中上述貫通孔其直徑之最小值為0.001 mm以上且15 mm以下。
  4. 如請求項1或2之附貫通孔之工具，其中上述鑽石零件其上述貫通孔之入口側之面與上述貫通孔之出口側之面所成之角度α為0°以上且1°以下。
  5. 如請求項1或2之附貫通孔之工具，其中上述鑽石零件由合成單晶鑽石構成。
  6. 如請求項5之附貫通孔之工具，其中上述合成單晶鑽石按0.01 ppb以上且3000 ppm以下之濃度包含氮原子。
  7. 如請求項5之附貫通孔之工具，其中上述合成單晶鑽石按0.5 ppb以上且10000 ppm以下之濃度包含硼原子。
  8. 如請求項5之附貫通孔之工具，其中上述合成單晶鑽石按0.0001 ppb以上且10000 ppm以下之濃度包含矽原子。
  9. 如請求項5之附貫通孔之工具，其中上述合成單晶鑽石合計按0.5 ppb以上且10000 ppm以下之濃度包含除氮原子、硼原子及矽原子以外之雜質原子。
  10. 如請求項5之附貫通孔之工具，其中上述合成單晶鑽石於照射圓偏振光之情形時產生之相位差為0.1 nm以上且200 nm以下。
  11. 如請求項5之附貫通孔之工具，其中上述鑽石零件之上述貫通孔之入口側之面包含(111)面、(100)面、或(110)面。
  12. 如請求項1或2之附貫通孔之工具，其中上述鑽石零件由多晶鑽石構成。
  13. 如請求項1或2之附貫通孔之工具，其中上述附貫通孔之工具係模具、水噴射噴嘴、或絲線導引器。
  14. 一種鑽石零件，其係具備貫通孔者， 上述鑽石零件於將沿上述貫通孔之中心線之長度設為L1、將以上述中心線為法線之剖面之外緣所包圍之區域之等面積圓之直徑之最大值設為M1之情形時，上述L1與上述M1之比即L1/M1為0.8以上。
  15. 一種鑽石素材，其係用於附貫通孔之工具者， 上述鑽石素材於將形成有貫通孔之情形時之沿上述貫通孔之中心線之長度設為L2、將以上述中心線為法線之剖面之等面積圓之直徑之最大值設為M2之情形時，上述L2與上述M2之比即L2/M2為0.8以上。
  16. 一種鑽石素材，其係用於附貫通孔之工具者， 上述鑽石素材包含單晶鑽石， 上述鑽石素材具有由(111)面、(100)面、或(110)面構成之第1面， 上述鑽石素材於將沿上述第1面之法線之長度設為L2、將與上述第1面平行之剖面之等面積圓之直徑之最大值設為M2之情形時，上述L2與上述M2之比即L2/M2為0.8以上。
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