WO2002008122A1

WO2002008122A1 - Poudre fine de diamant monocristalline a faible distribution en taille des particules et son procede de fabrication

Info

Publication number: WO2002008122A1
Application number: PCT/JP2001/006337
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Yamanaka; Ryuji Ohshima; Ryouichi Sato; Nobuyuki Saito; Hiroshi Ishizuka
Original assignee: The Ishizuka Research Institute, Ltd.
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2002-01-31
Also published as: KR20030038673A; CN1447775A; AU2001272778A1; EA200300182A1; CA2416522A1; BR0112596A; IL154038A0

Description

明細書粒度幅の狭い単結晶質：ド微粉及びその製造法

技術分野

本発明は、粒度幅の狭い単結晶質ダイヤモンド微粉、特に高硬度材料や、薄膜型磁気へッド等のように硬さの異なる複数の物質からなる複合材の超精密研磨加工等に適合させた、単結晶質ダイヤモンド微粉研磨材に関する, 胃&景技術

精密加工技術の高度化に伴って、研磨材として用いられるダイヤモンド粉末の粒度は次第に細かな方へ移行してきており、粒度が l m以下、即ちサブミクロン級のダイヤモンド微粉の使用も増加してきている。これと共に、かかる微粉の品質、特に粒度分布に対する要求も年々厳しくなる傾向があるダイヤモンド微粉の製造方法としては、静的超高圧力を用いて合成した単結晶質のダイヤモンドを原料として用い、これを粉砕したのち分級工程に供して、粒度の揃った製品にする方法が一般的である。この方法で製造されるダイヤモンド微粉は、粉碎工程及び分級工程上の制約から、粒度表示において 0〜0. 1〃m、マイクロトラック U P A測定値における D50値として 0. 12〃 m付近が、市販品の最小サイズとなっている。

一方、爆薬を用いた衝撃加圧によって、グラフアイトまたは爆薬成分をダィャモンドに転換する、衝撃乃至動的加圧方法も工業的に確立されている。原料としてグラフアイトを用いて合成されたダイヤモンドはデュポンタイプ ·ダイヤモンドと呼ばれ、一方、爆薬自体を炭素源に用いて合成したダイャモンドはクラス夕一ダイヤモンド、またはウルトラファイン ·ダイヤモンドなどと呼ばれており、いずれも精密加工分野における研磨材として広く用いられている。

これらの衝撃加圧によって合成されたダイヤモンドは、一般に数 nm〜数十 nmの粒径の一次粒子が凝集ないし結合して、見掛け粒径が数百 nm〜数/ の多結晶質の二次粒子を形成していることが知られている。上記デュポンタイプ ·ダイヤモンドの二次粒子サイズは、単結晶質の粉砕粉と同じく、粒度表示において 0〜0. 1 m、マイクロトラック U P A測定による D50値において 0. 12 / mあたりが、入手可能な市販の最小サイズとなつている。

また爆薬からの転化によって得られる上記クラスターダイヤモンドは、見掛けサイズ数 mの凝集粒子として市販されているが、強力な酸化処理を施すことによって、 5〜10nmと言われる一次粒子に解砕することが可能である。以上のような状況において、現在使用可能な研磨用のダイヤモンド微粉は、公称 0〜0. 1〃m、マイクロトラヅク U P A測定による D50値で 0.12 / mを下限としており、 0.01〃m ( 10nm)のオーダ一から 0.12 / m ( 120nm)までの範囲の研磨材、特に単結晶質の微粉は市場で得ることができず、より多様化する超微細加工の要求に応えられなかった。

そのうえ 0.25 m以下のダイヤモンド微粉は、 0〜0.25や、 0〜1/8等の表示に示されるように、アンダーサイズを全て含めて捕集し製品化されている従って粒度幅が比較的広く、小粒径側に、研磨工程に寄与しないだけでなく、時には悪影響を及ぼすことさえある微粉を含有している。さらには微細なフラクシヨンのために、 D50値が実質より小さく表示される傾向にある。

一方、光学部品、電子部品、精密機械部品などの性能や機能に対する要求が近年ますます高度化し、これに伴って、使用される材料も金属材料、セラミックス、ガラス、プラスチックと非常に多岐にわたる。このような部品の製造工程においては、硬度の異なる複数の材料で構成された複合材料を研磨する必要性が増している。薄膜型磁気へヅド（素材）は本発明のダイヤモンド微粉が研磨加工の対象とする被削材の一つであるが、これもアルチック (A1₂0₃- TiC )等の基材、アルミナ（A1₂0₃ )等から成る保護/絶縁のためのセラミック質膜、及びパーマロイ（Fe- Ni )やセンダスト（Fe- Al- Si )等の磁性金属膜から成る複合材料である。

これらの磁気へッドの A B S (Air Bearing Surface：空気浮上面）の研磨加工を行う場合、研磨材としては従来、衝撃圧力下で合成されるいわゆる多結晶ダイヤモンドが多用されている。このタイプの研磨材を用いて薄膜型磁気へッドを研磨する場合、へッド構成材料間の硬度差により、相対的に軟質材料である金属膜が選択的に加工され、段差や面粗れの発生が避けられない。そのため、金属膜から成る磁極部がセラミック質の A B Sから後退するポ一ルチヅプリセヅシヨン（Pole Tip Recession： P T R )が生じて記録媒体との磁気間隔が増大し、結局実質的なへヅド浮上量が増すことになるという問題があった。

薄膜型磁気へッド構成材料間の硬度差による段差を小さくするための解決策の一つとして、研磨材として使用するダイヤモンドの粒径を小さくすることが考えられる。しかし従来の研磨材（多結晶型）には、充分な研磨能力を持つ有効粒子成分のほかに、充分な研磨能力を持たない有効粒子より細かな粒子成分が、かなりの割合で含有されている。これらの微細な粒子成分は、アルチック /アルミナ等で構成される相対的に硬質のセラミヅク部分に対しては有効な研研磨材として機能しないが、パ一マロイやセンダスト等の相対的に軟質の金属材に対しては研磨作用を示す。

従来のダイヤモンド研磨材において、粒子径の小さな研磨材を使用すると、 P T Rが減少する傾向は認められる反面、軟質材料である金属膜の選択研磨は、大きな粒子径のものを用いる場合よりむしろ顕著になる。この現象は次のように解釈される。即ち、薄膜型磁気へッドの研磨加工は、研磨材を分散させたスラリ一を滴下した定盤（研磨板）上で実施されている。この際、より大きな有効粒子は定盤面に埋め込まれて固定された状態で研磨作用に寄与するのに対し、より小さな微細粒子はへッドと定盤面の間で転動することから、軟質材料が選択的に研磨されると考えられる。

また、従来の単結晶質ダイヤモンド研磨材を用いて薄膜型磁気へッドの A B Sの研磨加工を行う場合、上記金属膜にダイヤモンド粒子が突き刺さるという問題があった。金属膜に粒子が突き刺さった状態の磁気へッドをハ一ドディスクドライブに実装すると、駆動されてへッドがディスク上に浮上している間に、突き刺さり粒子が脱落し、ディスク面に触れてクラヅシュの原因となり得る。従ってこのような突き刺さりは可能な限り抑制すべき重要な問題である。上記突き刺さり粒子の個数は、従来の研磨材を使用する場合、研磨材の^: H粒子径が小さくなるにつれて増加する傾向が見られ、前述した低 P T R値の達成との両立は困難であった。

従って、ハードディスクの記録密度向上のために、低 P T R加工を可能とし、同時に金属膜への突き刺さりを生じない研磨材の開発が望まれていた。以上のような状況において、本発明の第一の目的は、上記のように有害なアンダーサイズ微粉を殆ど含まず、各種高硬度材料の精密研磨加工に適する精密分級された単結晶質ダイヤモンド微粉を提供することにある。

また別の目的は、硬度の異なる物質で構成される複合材、特に薄膜型磁気へッドの研磨加工において、相対的に軟質の構成材料である金属膜の選択的研磨の抑制及びダイヤモンド粒子の突き刺さりの回避により、低 P T R及び高品質の研磨金属表面を達成可能な単結晶質ダイヤモンド粒子研磨材を提供することにある。

本発明者等は、ダイヤモンド粒子研磨材を調製する際に、従来のダイヤモンド粒子研磨材に比較的大きな割合で含有されている微細粒子成分を大幅に減少させることにより、薄膜型磁気へヅド材の加工において、上記 P T R を減少させ、突き刺さり粒子の発生を大幅に抑制することができるとの知見を得、本発明を達成するに至った。発明の開示

上掲せる課題において、一般被削材の超精密研磨加工に適するダイヤモンド研磨材は、本発明によれば、静的超高圧下にて合成された単結晶質ダイヤモンドの微粉碎によって得られる、単結晶質サブミクロン級ダイヤモンドを、マイクロトラック U P A粒度測定器による測定値において、 D50値粒径が 120nm以下、特に lOOnm以下であり、かつ D50値粒度に対する D10値粒度および D90値粒度の比がそれぞれ 50%以上および 200 %以下となるように仕上げることによって達成される。

次に薄膜型研磨へッド等、異硬度物質で構成される被削材の超精密研磨加ェに適するダイヤモンド研磨材は、本発明によれば、単結晶質ダイヤモンド粒子の集合体で構成されるダイヤモンド粒子研磨材であって、マイクロトラック U P A測定器による測定値において、上記集合体の平均粒子径 d _D50の 70 % ( 0. 7 x d _D5fl )以下の粒子径を示す微小粒子の割合が、測定された粒子全体の 15 %以下であることを特徴とする、 D 50平均粒子径 d _D5()が 120nm以下のダイヤモンド粒子研磨材となるように仕上げることによって達成される。上記ダイヤモンド微粉は、典型的には、静的超高圧下にて合成された単結晶質ダイヤモンド粉を微粉砕工程および精密分級工程に供することによつて得られ、微粉砕工程および精密分級工程の反復により D50値平均粒度 120nm 以下、特に好ましくは lOOnm以下の整粒された微粒子の集合体とする。図面の簡単な説明

図 1は本発明実施例で得られた単結晶質ダイヤモンド微粉の、粒度測定結果を示すグラフである。

図 2は本発明実施例で得られた別の単結晶質ダイヤモンド微粉の、粒度測定結果を示すグラフである。 .

図 1および図 2において、棒グラフは各粒度範囲のフラクションの頻度を、曲線は累積量を表す。発明を実施するための最良の形態

上記微粉砕工程は、ボールミル等、鋼球を用いた衝撃破砕ないしは磨砕、アトリシヨンに基づいて実施できる。また、上記精密分級工程は流速を調整して水簸に基づいて実施できる。この場合、水簸分級工程において、上昇水流速度をストークスの法則から計算される粒子の沈降速度の 2乃至 4倍の速度にすることによって、アンダーサイズ微粉の分離を促進し、効率的な分級を行うことができる。

なお必須ではないが、本発明のダイヤモンド微粉は、特に比較的低硬度の被削材に適合させるために、整粒の途中でダイヤモンド粒子を 800〜： L400°C の特定温度範囲にて加熱処理に供することも有用である。即ちこの処理によつて、ダイヤモンド粒子自体が強度値低下等の熱影響構造を呈すると共に、表面の一部が黒鉛等非ダイヤモンド炭素に転ずることにより、研磨工程において被削材との接触時の衝撃が軽減される結果、深い研磨傷の発生や、ダイャモンド粒子の被削材表面への食い込みが抑制され、一方で、ダイヤモンド粒子の表面が被覆されることにより相対的に切れ刃の突き出し高さが減少する結果、加工面に深い研磨傷の発生が抑制される。非ダイヤモンド炭素はダイヤモンド粒子全体に対する割合が質量比において 0. 5 %以上であれば効果が顕著になる。実施例 1

公称粒度 2-6 zmのトーメイダイヤ製 I R M級単結晶質. ド粉末を、微粉砕及び精密分級に供した。

粉砕には、内径及び長さが共に 250顧の鋼製のボ一ルミルポットを用い、この中へ 6mmの鋼球 20kgと共に、原料のダイヤモンド粉末 300gを入れ、回転数 80rpmで 120時間粉砕を行った。ポットから取り出した粉砕粉末は、 10 H C 1- 1 H N 0₃混合溶液を用いて、鉄粉を溶解除去し、十分に水洗した。

水簸装置として、直円筒部の長さがそれぞれ 20cm、断面積は第 1段目として 2500cm 第 2段目として 5000cm²の分級管を直列に結合した構成を用いた。この装置内へ上記の微粉砕ダイヤモンド粉末を lkg仕込み、 25cc/時の流量で 120リツトルのイオン交換水を供給して水簸操作を行った。第 2段目から流出した懸濁液は貯槽へ集め、塩酸を加えて pH2に保った。

分離後の各段における粒度のマイクロトラック U P Aによる測定値は下表のとおりであった。第 1段、第 2段及び流出捕集分について、比 D90/D50 の値はそれぞれ 156 %、 132%、 177%、また D10/D50の値は 60%、 75 %、及び 58%となっており、粒度幅の狭いダイヤモンド微粉が得られている。

D10 D50 D90 D90/D50 第 1段 59 99 154 156% 第 2段 56 75 99 132 流出液 31 53 94 177 上記実施例において第 1段及び流出液から回収したダイヤモンド微粉の、マイクロトラック U P Aによる粒度測定結果を、図 1および図 2に示す。棒グラフは各粒度範囲のフラクションの頻度を、曲線は累積量を表す。実施例 2

水簸による分級操作によって製造された、トーメイダイヤ製精密加工向けミクロンサイズダイヤモンド砥粒 MD100 (商品名）を原料として用いた。この砥粒のマイクロトラック U P Aによる粒度分布は、 D 50値 d _D5flが 103.9nmであり、 d _D5。の 70%値に対応する 27チャンネル（72.3nm)での累積％が 19.75、即ち粒子径 70nm以下の粒子の含有率は約 20%であった。

この原料 l kgを実施例 1と同じ構成の分級装置に投入し、毎分 0.5ccの流量でイオン交換水を供給して水簸作業を行った。

再水簸分級後の粒子径は、マイクロトラック U P A測定値において、 D 50 値 d _D5。が： I07.4nmであって、再水簸分級前と平均粒径と実質的に同じであつたが、 d の 70%値（75.2M)に対応する 27チャンネル（72.3nm)での累積％は 11.07であった。即ち粒子径 70nm以下の粒子の含有量は約 11 %に低下していた。

再水簸分級前の原料と、再水簸分級によって得られたダイヤモンド粒子のそれぞれについて、窒素ガス中で加熱処理を行った。処理は、磁器製ボートに処理原料のダイヤモンド粒子を入れ、窒素ガスで雰囲気置換を行った後、 1200°Cに 3時間保持して行った。

上記において再度水簸分級し、加熱処理を施した本発明のダイヤモンド粒子と、比較用として、再度の水簸分級を施さず加熱処理した従来のダイヤモンドとを用いて、それぞれ油溶性スラリーを作製し、薄膜型磁気ヘッドの A B Sのラップ研磨を行った。

両スラリーの研磨性能を P T R値及び金属膜への突き刺さり現象で評価した。即ちアルチック（A1₂0₃- TiC )、アルミナ（A1₂0₃)及びパ一マロイ（Fe- Ni )、センダスト（Fe-Al- Si )で構成し、磁気へッドを模した複合材料試験片における段差を測定し、また角の金属膜を走査型電子顕微鏡で観察して、突き刺さったダイヤモンド砥粒の個数を計数した。

P T R値は、本発明品においては 2. 355 Aが得られたが、これは従来品にぉける4.464 の52.2%でぁる。

一方、突き刺さり粒子の個数は、従来品における 15個に対し、本発明のダィャモンド粒子研磨材の場合は 3個であった。産業上の利用可能性

本発明のダイヤモンド微粉は、静圧法で合成されたダイヤモンドの特徴である単結晶質を保持しながら、 120皿以下の粒度域において狭い粒度範囲を呈することから、一般硬質材、並びに薄膜型磁気ヘッドの低 PTR加工のような異硬度複合材の超精密研磨、その他各種の精密用途に適する。

Claims

請求の範囲

1. 静的超高圧下にて合成された単結晶質ダイヤモンドの粉砕によって得られる、単結晶質サブミクロン級ダイヤモンド微粉であって、マイクロトラック U P A粒度測定器による測定値において、 D50値粒径が 120 以下であり、かつ D50値粒度に対する D10値粒度および D90値粒度の比がそれぞれ 50%以上および 200%以下である、粒度幅の狭い単結晶質ダイヤモンド微粉。

2. 上記 D50値粒径が ΙΟΟηιη以下である、請求項 1に記載のダイヤモンド微粉。

3. 単結晶質ダイヤモンド粒子の集合体で構成されるダイヤモンド粒子研磨材であって、マイクロトラック U P A測定器による測定値において、上記集合体の D 50平均粒子径 d _D5。の 70 % ( 0. 7 x d _D5Q )以下の粒子径を示す微小粒子の割合が、測定された粒子全体の 15 %以下であることを特徴とする、平均粒子径 d _D5flが 120nm以下のダイヤモンド粒子研磨材。

4. 上記ダイヤモンド粒子の表面が、加熱処理による熱影響構造を有し、かつ上記ダイヤモンド粒子集合体全体に対する質量比において 0.5 %以上の非ダイヤモンド炭素で被覆されている、請求項 3に記載のダイヤモンド粒子研磨材。

5. 上記熱影響構造を有するダイヤモンド粒子が、 800〜； 1400°Cの範囲の加熱処理温度における加熱処理を経た粒子である、請求項 4に記載のダイヤモンド粒子研磨材。

6. 静的超高圧下にて合成された単結晶質ダイヤモンド粒子を微粉砕工程および精密分級工程に供することにより、 D50値平均粒度 120nm以下の整粒された微粒子の集合体とすることを特徴とする、単結晶質ダイャモンド微粉の製造法。

7. 上記 D50値平均粒度が lOOnm以下である、請求項 6に記載のダイヤモン微粉の製造法。

8. 上記微粉砕工程が、鋼球を用いた衝撃破砕ないしは磨砕に基づくものである、請求項 6に記載のダイヤモンド微粉の製造法。

9. 上記精密分級工程が水簸に基づくものである、請求項 6に記載のダイヤモンド微粉の製造法。

10. 上記水簸に基づく分級工程において、上昇水流速度をスト一クスの法則から計算される粒子の沈降速度の 2乃至 4倍とする、請求項 6に記載のダド微粉の製造法。