WO2005065809A1 - 高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体およびその製造方法 - Google Patents

高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体およびその製造方法 Download PDF

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Hitoshi Sumiya
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Sumitomo Electric Industries, Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a diamond and a method for producing the same, and in particular, has high hardness used for tools such as cutting tools, dressers, dies, and drill bits, and has high strength, heat resistance, and acid resistance. And a method for producing the same. Background art
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4 74766
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 4114966
  • Non-Patent Document 1 F.P.Bundy J. Chem. Phys., 38 (1963) 631-643
  • Non-Patent Document 2 M. Wakatsuki et.al. Japan. J. Appl. Phys., 11 (1972) 578
  • Non-Patent Document 3 S. Naka et.al.Nature 259 (1976) 38
  • the sintering aid used is contained in the polycrystal, which acts as a catalyst for promoting the graphitization of diamond. Poor heat resistance. In other words, even in an inert gas atmosphere, the diamond Is a graphite dagger. Also, due to the difference in thermal expansion between the sintering aid and diamond, fine cracks are likely to occur in the polycrystal. In addition, since metal such as Co exists as a continuous layer between diamond particles, mechanical properties such as hardness and strength of the polycrystalline body are reduced.
  • a diamond sintered body using SiC as a bonded body has excellent heat resistance. The strength is low because there is no bonding between diamond grains.
  • a diamond sintered body using a carbonate as a sintering aid has sufficient mechanical properties due to the presence of a carbonate substance at the force grain boundary, which has excellent heat resistance compared to a sintered body using a Co binder. I can't say.
  • a diamond production method involves converting non-diamond carbon such as graphite (graphite), glassy carbon, and amorphous carbon into diamond directly under ultra-high pressure and high temperature without a catalyst or a solvent.
  • non-diamond carbon such as graphite (graphite), glassy carbon, and amorphous carbon
  • a polycrystalline single-phase diamond can be obtained.
  • Non-patent document 1] [Non-patent document 2], and [Non-patent document 3] show that, using graphite as a starting material, a diamond polycrystal is obtained by direct conversion under ultra-high pressure and high temperature of 14 18 GPa and 3000 K or more. Is obtained.
  • the present invention has been made to solve the above problems of the conventional technology, and has a sufficient strength that can be applied as a tool such as an IJ cutting tool, a dresser, a die, or a drill bit. It is an object of the present invention to provide a highly-hard and conductive polycrystalline diamond having high hardness, heat resistance, and resistance to oxidation, and capable of low-cost electric discharge machining. Means for solving the problem
  • the present inventors have proposed a method of directly converting non-diamond carbon into diamond under ultra-high pressure and high temperature, and using graphite containing non-diamond carbon as an inert gas.
  • ultrafine or amorphous boron-containing carbon material with a size of several tens of nanometers or less by mechanical grinding and uniform mixing in Under the bonding conditions, it was evident that particles having a particle size of several tens of nm or less were firmly bonded and a dense polycrystalline diamond with conductivity was obtained.
  • amorphous carbon containing boron as a solid solution, graphite carbon, or diamond powder was used as a starting material, non-diamond phases such as B
  • the polycrystalline diamond was much higher in hardness, higher in strength, more excellent in heat resistance and oxidation resistance than conventional polycrystalline materials, and at the same time, could be subjected to electric discharge machining.
  • the high-hardness conductive polycrystalline diamond according to the present invention starts from an amorphous or fine graphite carbonaceous material under ultra-high pressure and high temperature without adding a sintering aid or a catalyst.
  • the concentration of boron in the diamond particles is less than 10 ppm, sufficient conductivity cannot be obtained, and the discharge power becomes difficult. If the concentration exceeds 100 ppm, a non-diamond phase such as BC precipitates in the diamond sintered body, and the mechanical properties of the sintered body are reduced.
  • Another high-hardness conductive polycrystalline diamond according to the present invention is an ultra-high-conductivity polycrystalline diamond containing amorphous carbon containing boron as a solid solution, graphite carbon, and diamond powder as starting materials.
  • a polycrystalline material which is directly converted to diamond or sintered directly under high pressure and high temperature without addition of a sintering agent or catalyst, and which has substantially only diamond power.
  • the maximum particle size is less than lOOOOnm, the average particle size is less than 5000nm, and the diamond particles contain boron in a range of lOOOppm to lOOOOOppm.
  • the concentration of boron in the diamond particles is less than 100 ppm, the pressure and temperature conditions required for conversion sintering are as high as 7.5 GPa and 2000 ° C or higher, and improvement in oxidation resistance is expected. Can not. On the other hand, if the content exceeds 100 ppm, non-diamond phases such as BC precipitate in the diamond sintered body, and the mechanical properties of the sintered body deteriorate.
  • the specific resistance is preferably 10 ⁇ cm or less. This is because when the non-resistance becomes 10 ⁇ cm or less, the discharge power can be efficiently obtained.
  • the diamond constituting the sintered body has a maximum particle size of 50 nm or less and an average particle size of 30 nm or less. By making the diamond particle diameter smaller than these values, the strength of the sintered body can be increased.
  • the hardness is preferably 80 GPa or more, more preferably 11 OGPa or more.
  • graphite containing boron is mechanically pulverized in an inert gas by a planetary ball mill or the like to remove amorphous or fine boron.
  • a carbon material containing graphite is produced directly at a temperature of 1500 ° C or higher and under pressure conditions where the diamond is thermodynamically stable, without the addition of sintering aids or catalysts. It is characterized by being converted and sintered at the same time.
  • the maximum particle size of the graphite carbon material containing crystalline or fine boron can be preferably 10 Onm or less, more preferably 50 nm or less.
  • the half width of the (002) diffraction line of the X-ray diffraction pattern of a graphite carbon material containing amorphous or fine boron can be preferably 50 nm or less, more preferably 10 nm or less. It is also possible to use a graphite-type carbon material containing amorphous or fine boron in which the diffraction line is not observed.
  • the high-hardness conductive polycrystalline diamond according to the present invention is composed of a polycrystalline substance which is substantially capable of producing only diamond and has a maximum diamond particle size of 100 nm or less, an average particle size of 5000 nm or less, and contains diamond within the diamond particles. It is preferable that the content of boron is not less than lOOOppm and not more than lOOOOOppm in terms of hardness and strength of the polycrystal.
  • the specific resistance of the diamond is 1 ⁇ cm or less, because the discharge can be performed more easily.
  • the diamond has a maximum particle diameter of lOOOnm or less and an average particle diameter of 500 nm or less.
  • the hardness is preferably 80 GPa or more, and more preferably 11 OGPa or more in terms of hardness, strength and the like.
  • amorphous carbon is preferably used as the carbon material containing boron in the above-described production method.
  • graphite carbon is preferably used as the carbon material containing boron in the above production method.
  • the carbon material containing boron is diamond-like carbon, and a method of sintering without adding a sintering aid or a catalyst is also preferable.
  • a graphite powder to which boron is added is used, and this is pulverized and mixed by a pulverizer such as a planetary ball mill in an inert gas atmosphere such as an argon gas or a nitrogen gas for several hours. Then, it is pulverized to a maximum particle size of 100 nm or less, preferably 50 nm or less.
  • the average particle size of the pulverized fine boron-containing graphite is calculated to be less than 50 nm, preferably less than lOnm, from the half-width of the (002) diffraction line in the X-ray diffraction pattern.
  • the X-ray diffraction pattern is so fine or amorphous that no (002) diffraction line is observed. For example, if there is a coarse graphite particle exceeding lOOnm, the diamond after direct conversion will also coarsen and the structure will be non-uniform (mechanical strength will decrease due to many stress concentration sites). Not preferred.
  • the amorphous or fine boron-containing graphite obtained through the above-mentioned pulverizing step is filled into a metal capsule such as Mo or Ta in a high-purity inert gas atmosphere. Since the ultrafine boron-containing graphite after milling is very active, if it is exposed to the air, it will easily adsorb gas and moisture, hindering the conversion to diamond and sintering, so the filling work is also difficult. It should always be performed in a high-purity inert gas.
  • the diamond is kept at a temperature of 1500 ° C or more and a pressure that is thermodynamically stable for a predetermined time, whereby the amorphous or fine boron-containing graphite is treated. Is directly converted to diamond and sintered at the same time. At this time, the added boron is taken into the lattice sites of the diamond crystal particles, and becomes a P-type semiconductor, thereby generating conductivity. As a result, a conductive diamond polycrystal having an extremely dense and homogeneous structure in which fine and uniform diamond particles are firmly bonded is obtained.
  • this polycrystalline body It has a very fine and homogeneous structure with a maximum particle size of 100 nm or less, or an average particle size of 50 nm or less, more preferably a maximum particle size of 50 nm or less, and an average particle size of 30 nm or less. For this reason, this polycrystal has a hardness of 80 GPa or more, and in some cases, 11 OGPa or more, which is higher than that of a diamond single crystal.
  • the polycrystalline diamond of the present invention can be manufactured and processed at a low cost, which is extremely useful as a tool such as a cutting tool, a dresser, a die, and a drill bit, etc. .
  • amorphous carbon or graphite powder or molded body, or diamond powder or molded body in which boron is dissolved in a solid solution of 100 ppm or more is used as a starting material.
  • amorphous carbon or graphite powder or molded body in which boron is dissolved in a solid solution of lOOOOppm or more for example, a mixture of coke and boron carbide is subjected to a temperature of 1,000 or more Can be made by processing.
  • gas power containing methane and boron can be obtained by a gas phase method (CVD method).
  • Amorphous carbon or graphite containing lOOOOppm or more of boron is filled with a diamond powder or a compact in a metal capsule such as Mo or Ta.
  • the diamond is held at a temperature of 1500 ° C or more and a pressure at which the diamond is thermodynamically stable for a predetermined time.
  • amorphous carbon and graphite are sintered simultaneously with direct conversion to diamond.
  • diamond powder is directly sintered by a solid-phase reaction. At this time, since boron dissolved in the starting material is taken into the lattice sites of diamond, the boron becomes a P-type semiconductor and conductivity is generated.
  • the particle size of this polycrystal is at most 100,000 nm or less, or the average particle size is 5000 ⁇ . m, more preferably a maximum particle size of 100 nm or less, and an average particle size of 500 nm or less, having a fine and homogeneous structure. Furthermore, the particles are very strongly bonded by the catalytic reaction of boron. For this reason, this polycrystal has a hardness of 80 GPa or more, and in some cases, 11 OGPa or more, which is higher than that of a diamond single crystal. In addition, since it does not contain a metal catalyst or a sintering aid, no graphitization or generation of fine cracks is observed even at 1400 ° C. in a vacuum, for example.
  • the polycrystalline diamond of the present invention can be manufactured and processed at low cost, which is extremely useful as a tool such as cutting knots, dressers, dies, and drill bits, etc. .
  • Amorphous boron powder is added to graphite with a particle size of 10-60 ⁇ m and a purity of 99.95% or more so that the amount of boron with respect to carbon is 0.1-0.001 at%.
  • the ball was placed in a silicon nitride pot together with the silicon balls, and mechanically pulverized in a highly purified argon gas at 500 rpm using a planetary ball mill.
  • Various samples were prepared by changing the grinding time to 120 hours. After grinding, samples were collected in a glove box filled with high-purity argon gas.
  • the particle size of the pulverized sample is examined by SEM or TEM observation, and the average particle size (crystallite size) is calculated from the half-width of the (002) diffraction line of the X-ray diffraction pattern according to Scherrer's formula. I asked.
  • Each of the samples was filled in a Mo capsule in the glove box, sealed, and treated with a belt-type ultrahigh-pressure generator under various pressure and temperature conditions for 30 minutes.
  • the product phase of the obtained sample was identified by X-ray diffraction, and the particle size of the constituent particles was examined by TEM observation.
  • the surface of the strongly sintered sample was polished to a mirror surface, and the hardness on the polished surface was measured with a micro-noop hardness tester.
  • Table 1 shows the results of the experiment. From these results, if the starting material is fine boron-containing graphite, which has been pulverized to a maximum particle size of less than 100 nm or an average particle size of 50 nm or less, it is converted to diamond under relatively mild high-pressure and high-temperature conditions, and is obtained.
  • the hardness of the polycrystalline body is much higher than that of the conventional sintered body of Co binder (60-80GPa). It is high and is equal to or greater than that of diamond single crystal (85-1 lOGPa).
  • the polycrystalline body containing boron in an amount of lOppm or more showed conductivity, the electric conductivity was 10 ⁇ cm or less, and the discharge power was at a level capable of discharging.
  • amorphous carbons containing boron as a solid solution, graphite, and CVD synthetic diamond powder were used as starting materials. These are filled in a Mo capsule, sealed, and this is Using a generator, treatment was carried out for 30 minutes under various pressure and temperature conditions. The product phase of the obtained sample was identified by X-ray diffraction, and the particle size of the constituent particles was examined by TEM observation. The surface was polished to a mirror surface, and the hardness on the polished surface was measured with a Micro Knoop hardness meter. Table 2 shows the results of the experiment. The obtained sample was a polycrystal composed of diamond.
  • the polycrystal of the present invention has excellent mechanical properties and thermal stability, and Since the electric power has the conductivity that can be obtained, it can be produced at low cost, and is useful for tools such as cutting knots, dressers, dies, and industrial applications such as drill bits.

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Abstract

課題　従来、切削工具などに用いられてきたダイヤモンド焼結体は、焼結助剤として鉄系金属元素を含むため、耐熱性に問題があった。また、鉄系金属を含まないダイヤモンド焼結体では、機械的強度が不足して、工具材料としては使用できず、導電性もないため、放電加工ができず、加工が困難であった。 解決手段　非晶質もしくは微細なグラファイト型炭素材料のみを出発原料とし、ホウ素を添加して超高圧高温状態でダイヤモンドへの変換と焼結を同時に行い、耐熱性および機械的強度に優れ、さらに放電加工可能な導電性を有するダイヤモンド多結晶体を得る。

Description

明 細 書
高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体およびその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、ダイヤモンドおよびその製造方法に関するもので、特に、切削バイトや、 ドレッサー、ダイスなどの工具や、掘削ビットなどに用いられる高硬度 '高強度で、耐 熱性 ·耐酸ィ匕性に優れるダイヤモンド多結晶体とその製造方法に関するものである。 背景技術
[0002] 特許文献 1：特開平 4 74766号公報
特許文献 2：特開平 4 114966号公報
非特許文献 1 : F. P. Bundy J. Chem. Phys. , 38 (1963) 631—643 非特許文献 2 : M. Wakatsuki et. al. Japan. J. Appl. Phys. , 11 (1972) 578
-590
非特許文献 3 : S. Naka et. al. Nature 259 (1976) 38
[0003] 従来の切削バイトや、ドレッサー、ダイスなどの工具や、掘削ビットなどに使われるダ ィャモンド多結晶体には、焼結助剤あるいは結合剤として Co、 Ni、 Feなどの鉄族金 属ゃ、 SiCなどのセラミックスが用いられている。また、焼結助剤として炭酸塩を用い たものも知られている（[特許文献 1]、 [特許文献 2])。これらは、ダイヤモンドの粉末 を焼結助剤や結合剤とともにダイヤモンドが熱力学的に安定な高圧高温条件下 (通 常、圧力 5— 8GPa、温度 1300— 2200°C)で焼結することにより得られる。一方、天 然に産出するダイヤモンド多結晶体 (カーボナードゃバラス)も知られ、一部掘削ビッ トとして使用されているが、材質のノ ツキが大きぐまた産出量も少ないため、工業 的にはあまり使用されて ヽな ヽ。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] Coなどの鉄系金属触媒を焼結助剤としたダイヤモンド多結晶体には、用いた焼結 助剤が多結晶中に含まれ、これがダイヤモンドの黒鉛化を促す触媒として作用する ため耐熱性に劣る。すなわち、不活性ガス雰囲気中でも 700°C程度でダイヤモンド が黒鉛ィ匕してしまう。また、この焼結助剤とダイヤモンドの熱膨張差のため、多結晶体 内に微細なクラックが入りやすい。さらにダイヤモンドの粒子間に Coなどの金属が連 続層として存在するため、多結晶体の硬度や強度などの機械的特性が低下する。耐 熱性を上げるために上記の粒界の金属を除去したものも知られており、これにより耐 熱温度は約 1200°Cと向上するが、多結晶体が多孔質となるため強度がさらに大幅 に低下する。 SiCを結合体としたダイヤモンド焼結体は耐熱性には優れる力 ダイヤ モンド粒同士には結合がないため、強度は低い。また、焼結助剤として炭酸塩を用い たダイヤモンド焼結体は、 Co結合剤による焼結体に比べると耐熱性に優れる力 粒 界に炭酸塩物質が存在するため、機械的特性は十分とはいえない。
[0005] 一方、ダイヤモンド製造方法として、黒鉛 (グラフアイト）やグラッシ一カーボン、ァモ ルファスカーボンなどの非ダイヤモンド炭素を超高圧高温下で、触媒や溶媒なしに直 接的にダイヤモンドに変換させることが可能である。非ダイヤモンド相からダイヤモン ド相へ直接変換すると同時に焼結させることでダイヤモンド単相の多結晶体が得られ る。たとえば、 [非特許文献 1]や、 [非特許文献 2] [非特許文献 3]には、グラフアイト を出発物質として 14 18GPa、 3000K以上の超高圧高温下の直接変換によりダイ ャモンド多結晶体が得られることが開示されている。
[0006] しカゝし、 ヽずれの方法でも、 14GPa、 3000Kを超える超々高圧高温条件が必要で 、製造コストが極めて高くなる。また、ダイヤモンド粒子径が不均一であるため、硬度 や強度などの機械的特性が不十分である。それに加えて、この方法で得られるダイ ャモンド多結晶体は絶縁体 (抵抗率 1013 Ω cm)以上であるため、放電カ卩ェによる機 械加ェが不可能で、加工コストが膨大になる問題があった。また、ダイヤモンドは空 気中およそ 700°C以上で酸ィ匕してしまうため、工具として用いた場合、特に刃先が高 温となる過酷な条件で使用すると、酸化による摩耗や劣化により使用できなくなるとい う問題もある。
[0007] 本発明は、以上の従来の技術の問題点を解決するためになされたものであり、切 肖 IJバイトや、ドレッサー、ダイスなどの工具や、掘削ビットとして適用できる、十分な強 度、硬度、耐熱性、耐酸ィ匕性を有し、かつ、低コストの放電加工が可能な、高硬度で 導電性のあるダイヤモンド多結晶体を提供することを目的とする。 課題を解決するための手段
[0008] 本発明者らは、上記のような問題を解決するため、超高圧高温下で非ダイヤモンド 炭素をダイヤモンドに直接変換させる方法において、非ダイヤモンド炭素に、ホウ素 を含むグラフアイトを不活性ガス中で、機械的に粉砕、均一混合して、数十 nm以下 の超微細もしくは非晶質状としたホウ素含有炭素物質を用いたところ、従来の焼結条 件よりも圧力、温度が低い焼結条件においても、粒径数十 nm以下の粒子が強固に 結合し、かつ、導電性のある緻密なダイヤモンド多結晶体が得られることがわ力つた。 また、ホウ素を固溶体として含む非晶質炭素やグラフアイト型炭素、ダイヤモンド粉末 を出発物質とすると、 B Cなどの非ダイヤモンド相が析出することなぐまた、固溶した
4
ホウ素による触媒反応のため、従来の焼結条件よりも圧力、温度が低い焼結条件に おいて、ダイヤモンド粒子が強固に結合し、かつ、導電性のある緻密なダイヤモンド 多結晶体が得られることがわ力つた。
そして、このダイヤモンド多結晶体は従来の多結晶体に比べはるかに高硬度で高強 度で耐熱性および耐酸化性にも優れ、同時に放電加工が可能であることを見 、だし た。
[0009] すなわち、本発明による高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体は、非晶質もしくは微 細なグラフアイト型炭素物質を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の 添加なしに直接的にダイヤモンドに変換焼結された、実質的にダイヤモンドのみから なる多結晶体であって、ダイヤモンドの最大粒径が lOOnm以下、平均粒径が 50nm 以下で、ダイヤモンド粒子内にホウ素を lOppm以上 lOOOppm以下含むことを特徴 とする。ダイヤモンド粒子の粒径を上記範囲に制御することにより、硬度、強度の低下 を防ぐことができる。また、ダイヤモンド粒子内のホウ素の濃度は、 lOppmより少ない と、充分な導電性が得られず放電力卩ェが困難になる。また、 lOOOppmを超えると、ダ ィャモンド焼結体中に B Cなどの非ダイヤモンド相が析出し、焼結体の機械的性質
4
が低下する。上記の構成により、硬度、強度、耐熱性、優れ、同時に放電加工が可能 なダイヤモンド焼結体を提供することができる。
また、本発明による別の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体は、ホウ素を固溶体と して含む非晶質炭素やグラフアイト型炭素、ダイヤモンド粉末を出発物質として、超 高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加なしに、直接的にダイヤモンドに変換焼結、も しくは直接焼結された、実質的にダイヤモンドのみ力もなる多結晶体であって、ダイ ャモンドの最大粒径が lOOOOnm以下、平均粒径が 5000nm以下で、ダイヤモンド 粒子内にホウ素を lOOOppm以上 lOOOOOppm以下含むことを特徴とする。ダイヤモ ンド粒子の粒径を上記範囲に制御することにより、硬度、強度の低下を防ぐことがで きる。また、ダイヤモンド粒子内のホウ素の濃度は、 lOOOppmより少ないと、変換焼 結のために必要な圧力温度条件が 7. 5GPa、 2000°C以上と高くなり、また、耐酸ィ匕 性の向上が期待できない。また、 lOOOOOppmを超えると、ダイヤモンド焼結体中に B Cなどの非ダイヤモンド相が析出し、焼結体の機械的性質が低下する。上記の構
4
成により、硬度、強度、耐熱性、耐酸化性に優れ、同時に放電加工が可能なダイヤ モンド焼結体を提供することができる。
[0010] 本発明による高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体では、比抵抗を、 10 Ω cm以下と することが好ましい。非抵抗が 10 Ω cm以下になると放電力卩ェが効率的に行えるから である。
[0011] 本発明による高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体では、該焼結体を構成するダイ ャモンドの最大粒径が 50nm以下で、平均粒径が 30nm以下であることが好まし 、。 ダイヤモンドの粒径をこれらの数値以下にすることで焼結体の強度を高めることがで さるカゝらである。
[0012] また、本発明による高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体では、その硬度が 80GPa 以上であることが好ましぐ同硬度が l lOGPa以上であることがさらに好ましい。
[0013] 本発明による高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体の製造方法においては、ホウ素 を含むグラフアイトを不活性ガス中で、遊星ボールミル等で機械的に粉砕して非晶質 もしくは微細なホウ素を含むグラフアイト型炭素物質を作製し、これを、温度 1500°C 以上で、ダイヤモンドが熱力学的に安定である圧力条件下で、焼結助剤や触媒の添 加なしに直接的にダイヤモンドに変換させると同時に焼結させることを特徴とする。こ の方法を用いることにより硬度、強度、耐熱性、耐酸化性を兼ね備え、放電加工が可 能なダイヤモンド焼結体を製造することができる。
[0014] 本発明による高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体の製造方法においては、前記非 晶質もしくは微細なホウ素を含むグラフアイト型炭素物質の最大粒径が好ましくは 10 Onm以下さらに好ましくは 50nm以下とすることができる。
[0015] 同じぐ本発明による高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体の製造方法においては、 非晶質もしくは微細なホウ素を含むグラフアイト型炭素物質の X線回折図形の（002) 回折線の半値幅より求められる結晶子サイズを好ましくは 50nm以下、さらに好ましく は 10nm以下とすることができる。また、同回折線が認められない非晶質もしくは微細 なホウ素を含むグラフアイト型炭素物質を使用することも可能である。
[0016] 本発明による高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体では、実質的にダイヤモンドのみ 力もなる多結晶体により構成され、ダイヤモンドの最大粒径が lOOOOnm以下、平均 粒径 5000nm以下で、ダイヤモンド粒子内にホウ素を lOOOppm以上 lOOOOOppm 以下とするのが多結晶体の硬度、強度の点で好ま U、。
[0017] またダイヤモンドの比抵抗が 1 Ω cm以下であると放電カ卩ェをより容易に行えるので 好ましい。
[0018] 上記のダイヤモンド多結晶体において、そのダイヤモンドの最大粒径 lOOOnm以 下で、平均粒径が 500nm以下であるとより好ましい。
[0019] また上記の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体では硬度が 80GPa以上であること が好ましぐ更には l lOGPa以上であることが硬度、強度等の点から好ましい。
[0020] 本発明による高硬度導電性ダイヤモンド焼結体の製造方法においては、ホウ素を 1
Oppm以上 200000ppm以下含む炭素物質をダイヤモンドが熱力学的に安定である 圧力条件下で、焼結助剤や触媒の添加なしに直接的にダイヤモンドに変換させると 同時に焼結させることを特徴としている。この方法を用いることにより高硬度で高強度 の緻密なダイヤモンド多結晶体を得ることができる。
[0021] 上記の製造方法でホウ素を含む炭素物質として、非晶質炭素を用いるのが一実施 形態として好ましい。
[0022] 上記の製造方法でホウ素を含む炭素物質として、グラフアイト型炭素を用いるのが 他の実施形態として好まし ヽ。
[0023] 上記の製造方法でホウ素を含む炭素物質として、グラフアイト型炭素と炭化ホウ素 力もなるものを用いるのが更なる実施形態として好ましい。 [0024] 上記の製造方法でホウ素を含む炭素物質として、ダイヤモンド状炭素であり、焼結 助剤や触媒の添加なしに焼結させる方法も好ましい。
発明の効果
[0025] 上記の構成により、機械的特性や熱的安定性、耐酸化性に優れ、かつ、放電加工 が可能なレベルの導電性を有するダイヤモンド多結晶体を製造することができる。 発明を実施するための最良の形態
[0026] 出発物質として、たとえば、ホウ素を添加したグラフアイト粉末を用い、これを、遊星 ボールミルなどの粉砕機で、アルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中に て、数時間粉砕混合処理して、最大粒径が lOOnm以下、好ましくは 50nm以下に微 粉砕する。この粉砕した微細なホウ素含有グラフアイトの平均粒径は、 X線回折図形 の（002)回折線の半値幅より計算により求めると 50nm以下、このましくは lOnm以 下である。さらには、 X線回折図形に（002)回折線が認められないほど微細もしくは 非晶質な状態のものであればより好まし 、。たとえば lOOnmを超えるような粗大なグ ラフアイト粒子があると、直接変換後のダイヤモンドも粗粒ィ匕し、組織が不均一となる（ 応力集中サイトが多くなつて機械的強度が低下する)ため、好ましくない。
[0027] 以上のような粉砕工程を経て得られた非晶質もしくは微細なホウ素含有グラフアイト を、高純度な不活性ガス雰囲気中で、 Moや Taなどの金属カプセルに充填する。粉 砕後の超微細ホウ素含有グラフアイトは非常に活性であるため、これを大気中にさら すと容易にガスや水分が吸着し、ダイヤモンドへの変換、焼結を阻害するので、充填 作業も常に高純度な不活性ガス中で行うべきである。次に、超高圧高温発生装置を 用いて、温度 1500°C以上で、かつダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力で所定時 間保持することで、前記の非晶質もしくは微細なホウ素含有グラフアイトはダイヤモン ドに直接変換され、同時に焼結される。このとき、添加したホウ素は、ダイヤモンド結 晶粒子の格子サイトに取り込まれ、 P型半導体となって導電性が生じる。その結果、 微細で粒径の揃ったダイヤモンド粒子が強固に結合した極めて緻密で均質な組織 の導電性ダイヤモンド多結晶体が得られる。
[0028] ダイヤモンド多結晶体中のホウ素の含有量が lOppm以上で、電気抵抗がおよそ 1 Ο Ω cm以下となり、放電加工が可能な導電性を示す。また、この多結晶体を構成す る粒径は最大 lOOnm以下、あるいは平均粒径が 50nm以下、より好ましくは最大粒 径 50nm以下で、平均粒径 30nm以下と、非常に微細かつ均質な組織を有する。こ のため、この多結晶体は、硬度が 80GPa以上、場合によっては l lOGPa以上と、ダ ィャモンド単結晶を超える硬さを持つ。また、金属触媒や焼結助剤を含まないため、 たとえば真空中 1400°Cでも、グラフアイトイ匕や微細クラックの発生が見られない。また 、ホウ素を不純物として含むため、大気中で加熱すると表面に酸化ホウ素の保護膜 が形成され、耐酸化性が向上する。さら〖こ、導電性があるため、放電加工による研磨 、切断加工が可能であり、砥石を用いた機械加工に比べ、製品作製コストを大きく削 減することができる。したがって、本発明のダイヤモンド多結晶体は、特性的に切削 バイトや、ドレッサー、ダイスなどの工具や、掘削ビットなどとして非常に有用であるば 力りでなぐ低コストで製造、加工が可能である。
[0029] また、出発物質として、ホウ素を lOOOppm以上固溶させた非晶質炭素やグラフアイ トの粉末や成形体、あるいはダイヤモンドの粉末や成形体を用いる。ここで、ホウ素が lOOOppm以上固溶した非晶質炭素やグラフアイトの粉末や成形体は、例えばコーク スと炭化ホウ素の混合物を、常圧下非酸ィ匕雰囲気中で千数百 °C以上の処理により作 製できる。また、ホウ素が lOOOppm以上固溶したダイヤモンドの粉末や成形体は、メ タンとホウ素を含むガス力も気相法 (CVD法）により得られる。
[0030] このようなホウ素を lOOOppm以上含む非晶質炭素やグラフアイトある 、はダイヤモ ンドの粉末や成形体を、 Moや Taなどの金属カプセルに充填する。次に、超高圧高 温発生装置を用いて、温度 1500°C以上で、かつダイヤモンドが熱力学的に安定な 圧力で所定時間保持する。これにより非晶質炭素やグラフアイトはダイヤモンドに直 接変換と同時に焼結される。また、ダイヤモンド粉末は固相反応により直接焼結する 。このとき、出発物質に固溶していたホウ素は、ダイヤモンドの格子サイトに取り込ま れるため、 P型半導体となって導電性が生じる。その結果、粒径の揃ったダイヤモンド 粒子が強固に結合した極めて緻密で均質な組織の導電性ダイヤモンド多結晶体が 得られる。このときのダイヤモンド多結晶体中のホウ素の含有量が lOOOppm以上で 、電気抵抗がおよそ 1 Ω cm以下となり、放電加工が可能な導電性を示す。
[0031] この多結晶体を構成する粒径は最大 lOOOOnm以下、あるいは平均粒径が 5000η m以下、より好ましくは最大粒径 lOOOnm以下で、平均粒径 500nm以下と、微細か つ均質な組織を有する。さらに、各粒子はホウ素による触媒反応で、極めて強固に結 合する。このため、この多結晶体は、硬度が 80GPa以上、場合によっては l lOGPa 以上と、ダイヤモンド単結晶を超える硬さを持つ。また、金属触媒や焼結助剤を含ま ないため、たとえば真空中 1400°Cでも、グラフアイトイ匕や微細クラックの発生が見ら れない。また、ホウ素を不純物として含むため、大気中で加熱すると表面に酸化ホウ 素の保護膜が形成され、耐酸化性が大幅に向上する。さらに、導電性があるため、放 電加工による研磨、切断加工が可能であり、砥石を用いた機械加工に比べ、製品作 製コストを大きく削減することができる。したがって、本発明のダイヤモンド多結晶体 は、特性的に切削ノイトや、ドレッサー、ダイスなどの工具や、掘削ビットなどとして非 常に有用であるば力りでなぐ低コストで製造、加工が可能である。
実施例
粒径 10— 60 μ m、純度 99. 95%以上のグラフアイトに、非晶質ホウ素粉末を炭素 に対するホウ素量が 0. 1-0. 001at%となるように添加し、直径 5mmの窒化ケィ素 製ボールとともに窒化ケィ素製ポットに入れ、遊星ボールミル装置を用いて、高純度 に精製されたアルゴンガス中、回転数 500rpmで機械的粉砕を行った。粉砕時間を 1一 20時間と変えて、種々の試料作製を試みた。粉砕後は、高純度アルゴンガスで 満たされたグローブボックス内で試料を回収した。粉砕処理後の試料を、 SEMまた は TEM観察により粒径を調べ、また、 X線回折図形のグラフアイトの（002)回折線の 半値幅から Scherrerの式より平均粒径 (結晶子サイズ)を求めた。それぞれの、試料 を前記グローブボックス中で Moカプセルに充填、密封し、これをベルト型超高圧発 生装置を用いて、種々の圧力、温度条件で 30分処理した。得られた試料の生成相 を X線回折により同定し、 TEM観察により構成粒子の粒径を調べた。また、強固に焼 結している試料については、表面を鏡面に研磨し、その研磨面での硬さをマイクロヌ ープ硬度計で測定した。実験の結果を表 1に示す。この結果から、最大粒径 lOOnm 以下、もしくは平均粒径 50nm以下に粉砕した微粒のホウ素含有グラフアイトを出発 物質とすると、比較的マイルドな高圧高温条件で、ダイヤモンドに変換焼結し、得ら れた多結晶体の硬度は、従来の Coバインダーの焼結体（60— 80GPa)よりはるかに 高く、ダイヤモンド単結晶（85— 1 lOGPa)と同等もしくはそれ以上であることがわか る。また、ホウ素添加量が lOppm以上の多結晶体は導電性を示し、電気伝導度は、 10 Ω cm以下で、放電力卩ェが可能なレベルであった。
[表 1]
Figure imgf000011_0001
ホウ素を固溶体として含む各種非晶質炭素、グラフアイト、 CVD合成ダイヤモンド 粉末を出発物質とした。これらを Moカプセルに充填、密封し、これをベルト型超高圧 発生装置を用いて、種々の圧力、温度条件で 30分処理した。得られた試料の生成 相を X線回折により同定し、 TEM観察により構成粒子の粒径を調べた。また、表面を 鏡面に研磨し、その研磨面での硬さをマイクロヌープ硬度計で測定した。実験の結 果を表 2に示す。得られた試料はダイヤモンドからなる多結晶体であった。比較的マ ィルドな高圧高温条件で、ダイヤモンドに変換焼結し、得られた多結晶体の硬度は、 従来の Coバインダーの焼結体（60— 80GPa)よりはるかに高ぐダイヤモンド単結晶 (85— l lOGPa)と同等もしくはそれ以上であることがわかる。また、何れも導電性を 有し、示し、電気伝導度は、 l Q cm以下で、放電力卩ェが可能なレベルであった。また 、それぞれ大気中で酸化特性を評価すると、ホウ素を含まないダイヤモンド多結晶体 に対し何れも 10倍以上の耐酸ィ匕性を示した。
[表 2]
ィ発ャ粒モン o ο
ホ量
00
ア
ィ οャ CVDモン
Figure imgf000013_0001
産業上の利用可能性
以上、本発明の多結晶体は、機械的特性や、熱的安定性に非常に優れ、かつ、放 電力卩ェが可能な導電性を有するため低コストでカ卩ェでき、切削ノイトや、ドレッサー、 ダイスなどの工具や、掘削ビットなどの工業用途に有用である。

Claims

請求の範囲
[I] 実質的にダイヤモンドのみ力もなる多結晶体であって、ダイヤモンドの最大粒径が lOOnm以下、平均粒径が 50nm以下で、ダイヤモンド粒子内にホウ素を lOppm以 上 lOOOppm以下含むことを特徴とする、高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体。
[2] 前記ダイヤモンドの比抵抗力、 10 Ω cm以下である請求項 1に記載の高硬度導電 性ダイヤモンド多結晶体。
[3] 前記ダイヤモンドの最大粒径が 50nm以下で、平均粒径が 30nm以下である請求 項 1または請求項 2のいずれかに記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体。
[4] 硬度が 80GPa以上である請求項 1または請求項 2の 、ずれかに記載の高硬度導 電性ダイヤモンド多結晶体。
[5] 硬度が 1 lOGPa以上である請求項 4に記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体
[6] ホウ素を含むグラフアイトを不活性ガス中で、遊星ボールミル等で機械的に粉砕し て非晶質もしくは微細なホウ素を含むグラフアイト型炭素物質を作製し、これを、温度
1500°C以上で、ダイヤモンドが熱力学的に安定である圧力条件下で、焼結助剤や 触媒の添加なしに直接的にダイヤモンドに変換させると同時に焼結させることを特徴 とする高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
[7] 前記非晶質もしくは微細なホウ素を含むグラフアイト型炭素物質の最大粒径が 100 nm以下である請求項 6に記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
[8] 前記非晶質もしくは微細なホウ素を含むグラフアイト型炭素物質の最大粒径が 50η m以下である請求項 6に記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
[9] 前記非晶質もしくは微細なホウ素を含むグラフアイト型炭素物質の X線回折図形の
(002)回折線の半値幅より求められる結晶子サイズが 50nm以下である請求項 6に 記載の高硬度ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
[10] 前記非晶質もしくは微細なホウ素を含むグラフアイト型炭素物質の X線回折図形の
(002)回折線の半値幅より求められる結晶子サイズが 10nm以下である請求項 6に 記載の高硬度ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
[II] 前記非晶質もしくは微細なホウ素を含むグラフアイト型炭素物質の X線回折図形に (002)回折線が認められな!/、請求項 6に記載の高硬度ダイヤモンド多結晶体の製造 方法。
[12] 実質的にダイヤモンドのみ力もなる多結晶体であって、ダイヤモンドの最大粒径が lOOOOnm以下、平均粒径が 5000nm以下で、ダイヤモンド粒子内にホウ素を 1000 ppm以上 lOOOOOppm以下含むことを特徴とする、高硬度導電性ダイヤモンド多結 晶体。
[13] 前記ダイヤモンドの比抵抗力、 1 Ω cm以下である請求項 12に記載の高硬度導電 性ダイヤモンド多結晶体。
[14] 前記ダイヤモンドの最大粒径が lOOOnm以下で、平均粒径が 500nm以下である 請求項 12または請求項 13のいずれかに記載の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶 体。
[15] 硬度が 80GPa以上である請求項 12または請求項 13のいずれかに記載の高硬度 導電性ダイヤモンド多結晶体。
[16] 硬度が l lOGPa以上である請求項 15に記載の高しゆう硬度導電性ダイヤモンド多 結晶体。
[17] ホウ素を lOppm以上 lOOOOOppm以下含む炭素物質を、ダイヤモンドが熱力学的 に安定である圧力条件下で、焼結助剤や触媒の添加なしに直接的にダイヤモンドに 変換させると同時に焼結させることを特徴とする高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体 の製造方法。
[18] 前記ホウ素を含む炭素物質が、非晶質炭素であることを特徴とする請求項 12に記 載の高硬度ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
[19] 前記ホウ素を含む炭素物質が、グラフアイト型炭素であることを特徴とする請求項 1
2に記載の高硬度ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
[20] 前記ホウ素を含む炭素物質が、グラフアイト型炭素と炭化ホウ素力 なることを特徴 とする請求項 12に記載の高硬度ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
[21] 前記ホウ素を含む炭素物質が、ダイヤモンド状炭素であり、焼結助剤や触媒の添 加なしに焼結させることを特徴とする高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体の製造方 法。
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