JP6863076B2 - Polycrystalline diamond and its manufacturing method, scribing tool, scribing wheel, dresser, rotary tool, wire drawing die, cutting tool, electrode and processing method using polycrystalline diamond - Google Patents
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Description
本発明は、多結晶ダイヤモンドおよびその製造方法に関する。本発明にかかる多結晶ダイヤモンドは、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、電極などに好適に用いられる。さらに本発明は、多結晶ダイヤモンドを用いた加工方法に関する。 The present invention relates to polycrystalline diamond and a method for producing the same. The polycrystalline diamond according to the present invention is suitably used for a scribing tool, a scribing wheel, a dresser, a rotary tool, a wire drawing die, a cutting tool, an electrode and the like. Furthermore, the present invention relates to a processing method using polycrystalline diamond.
近年、ナノ多結晶ダイヤモンドが、天然の単結晶ダイヤモンドを超える等方的な硬さを有することが明らかになってきた。このような素材にホウ素化合物を添加することにより導電性を付与したナノ多結晶ダイヤモンドが開発されている。さらに、ホウ素を原子置換型でダイヤモンド結晶粒中に含ませることにより、ダイヤモンド構造に基づいた半導体特性を示すナノ多結晶ダイヤモンドが開発されている。 In recent years, it has become clear that nano-polycrystalline diamond has an isotropic hardness that exceeds that of natural single crystal diamond. Nanopolycrystalline diamonds having been imparted with conductivity by adding a boron compound to such a material have been developed. Further, by incorporating boron in diamond crystal grains in an atomic substitution type, nanopolycrystalline diamond exhibiting semiconductor characteristics based on a diamond structure has been developed.
たとえば、特開2012−106925号公報(特許文献1)は、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100nm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10ppm以上1000ppm以下含む高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体を開示する。 For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-106925 (Patent Document 1) is a polycrystal composed substantially only of diamond, in which the maximum particle size of diamond is 100 nm or less, the average particle size is 50 nm or less, and the inside of the diamond particles. Discloses a high-hardness conductive diamond polycrystal containing 10 ppm or more and 1000 ppm or less of boron.
また、特開2013−28500号公報(特許文献2)は、炭素と、炭素中に原子レベルで分散するように添加されたIII族元素と、不可避不純物とで構成され、結晶粒径が500nm以下である多結晶ダイヤモンドを開示する。 Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-28500 (Patent Document 2) is composed of carbon, a Group III element added so as to be dispersed in carbon at the atomic level, and unavoidable impurities, and has a crystal grain size of 500 nm or less. The polycrystalline diamond is disclosed.
特開2012−106925号公報(特許文献1)に開示の高硬度導電性ダイヤモンド多結晶体は、ホウ素がホウ素化合物としてダイヤモンドの結晶中に含まれることから、ダイヤモンドの表面にホウ素酸化物が形成され、耐酸化性が高くなる。しかしながら、かかるホウ素化合物が、ダイヤモンド構造ではなくダイヤモンドのような高い硬度を有さず、またダイヤモンドと異なる熱膨張率を有するため、耐摩耗性の低下および高温におけるクラックの発生などの問題点がある。 In the high-hardness conductive diamond polycrystal disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-106925 (Patent Document 1), boron oxide is formed on the surface of diamond because boron is contained in the diamond crystal as a boron compound. , Higher oxidation resistance. However, since such a boron compound does not have a high hardness like diamond instead of a diamond structure and has a coefficient of thermal expansion different from that of diamond, there are problems such as deterioration of wear resistance and generation of cracks at high temperature. ..
特開2013−28500号公報(特許文献2)に開示の多結晶ダイヤモンドは、ホウ素が原子レベルで分散されホウ素化合物が含まれないことから、クラックの発生などが抑制されるが、ダイヤモンドの表面を保護する酸化物が形成されず、耐酸化性が高くないため、耐摩耗性の低下などの問題点がある。 In the polycrystalline diamond disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-28500 (Patent Document 2), since boron is dispersed at the atomic level and does not contain a boron compound, the occurrence of cracks and the like is suppressed, but the surface of the diamond is covered. Since a protective oxide is not formed and the oxidation resistance is not high, there is a problem such as a decrease in wear resistance.
そこで、表面を保護するための保護膜を形成することができ、上記問題点を解決して、耐摩耗性の高い多結晶ダイヤモンドおよびその製造方法、上記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、スクライブホイール、ドレッサー、回転工具、伸線ダイス、切削工具および電極、ならびに上記多結晶ダイヤモンドを用いた加工方法を提供することを目的とする。 Therefore, a protective film for protecting the surface can be formed, the above-mentioned problems are solved, and a polycrystalline diamond having high wear resistance, a method for producing the same, and a scribing tool formed by using the above-mentioned polycrystalline diamond. , A scribing wheel, a dresser, a rotary tool, a wire drawing die, a cutting tool and an electrode, and a processing method using the above-mentioned polycrystalline diamond.
本発明のある態様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する多結晶ダイヤモンドであって、上記多結晶ダイヤモンドは、複数の結晶粒により構成され上記多結晶ダイヤモンドは、ホウ素と、ホウ素化合物と、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、上記ホウ素は、上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、上記ホウ素化合物、上記水素および上記酸素は、上記結晶粒中に孤立置換型または侵入型として存在し、上記ホウ素化合物は、酸素を含有するホウ素化合物を含み、上記結晶粒は、その粒径が500nm以下であり、上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。 The polycrystalline diamond according to an aspect of the present invention is a polycrystalline diamond having a diamond single phase as a basic composition, the polycrystalline diamond is composed of a plurality of crystal grains, and the polycrystalline diamond is boron and boron. It contains a compound, hydrogen, and oxygen, the balance is carbon and trace impurities, and the above-mentioned boron is dispersed in the above-mentioned crystal grains at the atomic level, and 90 atomic% or more of the above is present as an isolated substitution type. The above-mentioned boron compound, the above-mentioned hydrogen and the above-mentioned oxygen are present in the above-mentioned crystal grains as an isolated substitution type or the above-mentioned penetrating type, the above-mentioned boron compound contains an oxygen-containing boron compound, and the above-mentioned crystal grains have a particle size of 500 nm. The surface of the polycrystalline diamond is coated with a protective film.
本発明の別の態様にかかる多結晶ダイヤモンドの製造方法は、炭素と、上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、ホウ素化合物と、水素と、酸素と、を含む黒鉛を準備する第1工程と、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工程と、を含み、上記ホウ素化合物は、酸素を含有するホウ素化合物を含む。 A method for producing a polycrystalline diamond according to another aspect of the present invention comprises carbon, boron dispersed in the crystal grains of the carbon at the atomic level, and 90 atomic% or more of the carbon present as an isolated substitution type, and a boron compound. The first step of preparing graphite containing hydrogen and oxygen, the second step of filling the container with the graphite in an inert gas atmosphere, and the diamond in the container by pressure heat treatment. The above-mentioned boron compound includes an oxygen-containing boron compound.
上記によれば、表面を保護するための保護膜を形成することができ、耐摩耗性の高い多結晶ダイヤモンドおよびその製造方法、上記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、スクライブホイール、ドレッサー、回転工具、伸線ダイス、切削工具および電極、ならびに上記多結晶ダイヤモンドを用いた加工方法を提供することができる。 According to the above, a protective film for protecting the surface can be formed, and a polycrystalline diamond having high wear resistance and a method for producing the same, a scribing tool, a scribing wheel, and a dresser formed by using the above-mentioned polycrystalline diamond. , Rotating tools, wire drawing dies, cutting tools and electrodes, and machining methods using the above polycrystalline diamond.
[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
[Explanation of Embodiments of the Present Invention]
First, embodiments of the present invention will be listed and described.
[1]本発明のある実施態様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する多結晶ダイヤモンドであって、上記多結晶ダイヤモンドは、複数の結晶粒により構成され、上記多結晶ダイヤモンドは、ホウ素と、ホウ素化合物と、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、上記ホウ素は、上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、上記ホウ素化合物、上記水素および上記酸素は、上記結晶粒中に孤立置換型または侵入型(ホウ素化合物の場合は、クラスターとして部分的に格子を置換するクラスター置換型またはクラスターとして侵入するクラスター侵入型を含む。)として存在し、上記ホウ素化合物は、酸素を含有するホウ素化合物を含み、上記結晶粒は、その粒径が500nm以下であり、上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。本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドは、その内部の高硬度のダイヤモンド構造が維持されるとともに、表面を保護するための保護膜として酸化膜を形成することができ、耐摩耗性が高くなる。 [1] The polycrystalline diamond according to an embodiment of the present invention is a polycrystalline diamond having a diamond single phase as a basic composition, the polycrystalline diamond is composed of a plurality of crystal grains, and the polycrystalline diamond is composed of a plurality of crystal grains. , Boron, boron compound, hydrogen, oxygen, and the balance is carbon and trace impurities. The boron is dispersed in the crystal grains at the atomic level, and 90 atomic% or more of the boron is isolated and substituted. It exists as a type, and the above boron compound, the above hydrogen and the above oxygen enter into the crystal grains as an isolated substitution type or an invasion type (in the case of a boron compound, a cluster substitution type or a cluster that partially replaces a lattice as a cluster). The boron compound contains an oxygen-containing boron compound, the crystal grains have a particle size of 500 nm or less, and the surface of the polycrystalline diamond is protected. It is covered with a film. The polycrystalline diamond according to the present embodiment maintains a high-hardness diamond structure inside thereof, and can form an oxide film as a protective film for protecting the surface, resulting in high wear resistance.
[2]上記ホウ素は、その99原子%以上が孤立置換型として上記結晶粒中に存在し得る。かかる多結晶ダイヤモンドは、多結晶ダイヤモンドの内部の高硬度のダイヤモンド構造がより維持されやすい。 [2] 99 atomic% or more of the above-mentioned boron may be present in the above-mentioned crystal grains as an isolated substitution type. Such polycrystalline diamond is more likely to maintain the high hardness diamond structure inside the polycrystalline diamond.
[3]上記ホウ素および上記ホウ素化合物中のホウ素は、それらの合計の原子濃度を1×1014cm-3以上1×1022cm-3以下とすることができる。かかる多結晶ダイヤモンドは、その表面に好適な保護膜を形成できる。 [3] The total atomic concentration of boron in the boron and the boron compound can be 1 × 10 14 cm -3 or more and 1 × 10 22 cm -3 or less. Such polycrystalline diamond can form a suitable protective film on its surface.
[4]上記水素は、その原子濃度を1×1017cm-3以上1×1020cm-3以下とすることができる。かかる多結晶ダイヤモンドは、結晶中に酸素を安定して含むことができるとともに、硬度の低下を抑制できる。 [4] The atomic concentration of the hydrogen can be 1 × 10 17 cm -3 or more and 1 × 10 20 cm -3 or less. Such polycrystalline diamond can stably contain oxygen in the crystal and can suppress a decrease in hardness.
[5]本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドにおいて、上記酸素は、その原子濃度を1×1017cm-3以上1×1020cm-3以下とすることができる。かかる多結晶ダイヤモンドは、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、硬度の低下を抑制できる。 [5] In the polycrystalline diamond according to the present embodiment, the atomic concentration of the oxygen can be 1 × 10 17 cm -3 or more and 1 × 10 20 cm -3 or less. In such polycrystalline diamond, the formation of a protective film which is an oxide film on the surface is promoted, the oxidation resistance is improved, the friction coefficient is lowered, and the decrease in hardness can be suppressed.
[6]上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を、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%未満とすることができる。かかる多結晶ダイヤモンドは、天然のダイヤモンドを超える等方的な硬さを維持できる。 [6] the polycrystalline diamond in the Raman spectrum measurement, half-width of the peak area half width is 20 cm -1 or less about the 1575 cm -1 ± 30 cm -1, around the 1300 cm -1 ± 30 cm -1 Can be less than 1% of the peak area where is 60 cm -1 or less. Such polycrystalline diamond can maintain an isotropic hardness that exceeds that of natural diamond.
[7]上記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)の動摩擦係数を0.06以下とすることができる。かかる多結晶ダイヤモンドは、摺動特性および耐摩耗性が高い。 [7] The surface of the polycrystalline diamond (the surface coated with the protective film) can have a coefficient of dynamic friction of 0.06 or less. Such polycrystalline diamond has high sliding characteristics and wear resistance.
[8]上記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)の動摩擦係数を0.05以下とすることができる。かかる多結晶ダイヤモンドは、摺動特性および耐摩耗性が高い。 [8] The surface of the polycrystalline diamond (the surface coated with the protective film) can have a coefficient of dynamic friction of 0.05 or less. Such polycrystalline diamond has high sliding characteristics and wear resistance.
[9]上記保護膜は、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、を含むことができる。BOxクラスターは表面に露出したB(ホウ素)およびホウ素化合物中のB(ホウ素)の反応により形成さ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の反応により形成されるものと考えられ、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。 [9] The protective film can contain BO x clusters and at least one of O and OH that are oxygen-terminated carbons. BO x clusters are considered to be formed by the reaction of B (boron) exposed on the surface and B (boron) in the boron compound, and O and OH, which are the oxygen terminations of carbon, are formed by the reaction of carbon exposed on the surface. It is considered that they are formed, and all of them have high slidability and a small coefficient of friction, so that wear resistance is high.
[10]上記保護膜は、上記結晶粒中から析出した析出物を含むことができる。かかる多結晶ダイヤモンドは、保護膜が、摺動性が高く摩擦係数が小さい析出物を含むことにより、耐摩耗性が高くなる。 [10] The protective film can contain precipitates precipitated from the crystal grains. Such polycrystalline diamond has high wear resistance because the protective film contains precipitates having high slidability and a low coefficient of friction.
[11]上記保護膜は、その平均膜厚を1nm以上1000mm以下とすることができる。かかる多結晶ダイヤモンドは、摩擦係数を良好に低減させることができる。 [11] The average film thickness of the protective film can be 1 nm or more and 1000 mm or less. Such polycrystalline diamond can satisfactorily reduce the coefficient of friction.
[12]すなわち、本実施形態の多結晶ダイヤモンドは、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、上記多結晶ダイヤモンドは、複数の結晶粒により構成され、上記多結晶ダイヤモンドは、ホウ素と、ホウ素化合物と、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、上記ホウ素は、上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、上記ホウ素化合物、上記水素および上記酸素は、上記結晶粒中に孤立置換型または侵入型として存在し、上記ホウ素化合物は、酸素を含有するホウ素化合物を含み、上記結晶粒は、その粒径が500nm以下であり、上記多結晶ダイヤモンドは、その表面が保護膜で被覆され、上記ホウ素および上記ホウ素化合物中のホウ素は、それらの合計の原子濃度が1×1014cm-3以上1×1022cm-3以下であり、上記水素は、その原子濃度が1×1017cm-3以上1×1020cm-3以下であり、上記酸素は、その原子濃度が1×1017cm-3以上1×1020cm-3以下であり、上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、上記多結晶ダイヤモンドは、その表面の動摩擦係数が0.05以下であり、上記保護膜は、BOxクラスターと、上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、上記保護膜は、上記結晶粒中から析出した析出物を含む。かかる多結晶ダイヤモンドは、その内部の高硬度のダイヤモンド構造が維持されるとともに、表面を保護するための保護膜として酸化膜を形成することにより、耐酸化性が高くなり、動摩擦係数が低減し、摺動特性が高くなり、耐摩耗性が高くなる。 [12] That is, the polycrystalline diamond of the present embodiment is a polycrystalline diamond having a diamond single phase as a basic composition, the polycrystalline diamond is composed of a plurality of crystal grains, and the polycrystalline diamond is boron. , Boron compound, hydrogen, oxygen, and the balance is carbon and trace impurities. The boron is dispersed in the crystallites at the atomic level, and 99 atomic% or more of the boron is isolated and substituted. The above-mentioned boron compound, the above-mentioned hydrogen and the above-mentioned oxygen exist as an isolated substitution type or the above-mentioned invading type in the above-mentioned crystal grains, the above-mentioned boron compound contains a boron compound containing oxygen, and the above-mentioned crystal grains are the grains thereof. The surface of the polycrystalline diamond having a diameter of 500 nm or less is coated with a protective film, and the total atomic concentration of the boron and the boron in the boron compound is 1 × 10 14 cm -3 or more 1 ×. and the 10 22 cm -3 or less, the hydrogen, the atom concentration is 1 × 10 20 cm -3 or less than 1 × 10 17 cm -3, the oxygen, the atomic concentration of 1 × 10 17 cm - 3 or more 1 × 10 20 cm -3 or less, the polycrystalline diamond in the Raman spectrum measurement, the area of the peak half width is 20 cm -1 or less around the 1575cm -1 ± 30cm -1, 1300cm - It is less than 1% of the peak area where the half-price width is 60 cm -1 or less centered on 1 ± 30 cm -1 , the polycrystalline diamond has a dynamic friction coefficient of 0.05 or less on its surface, and the protective film has a dynamic friction coefficient of 0.05 or less. , BO x clusters and at least one of O and OH that are oxygen-terminated of the carbon, and the protective film contains precipitates precipitated from the crystal grains. Such a polycrystalline diamond maintains a high-hardness diamond structure inside thereof and forms an oxide film as a protective film for protecting the surface, thereby increasing the oxidation resistance and reducing the coefficient of kinetic friction. The sliding characteristics are high and the abrasion resistance is high.
[13]本発明の別の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、上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、ホウ素化合物と、水素と、酸素と、を含む黒鉛を準備する第1工程と、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工程と、を含み、上記ホウ素化合物は、酸素を含有するホウ素化合物を含む。本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドの製造方法は、内部の高硬度のダイヤモンド構造を維持するともに、表面を保護するための保護膜を形成することができるため、耐摩耗性が高い多結晶ダイヤモンドを製造することができる。 [13] The method for producing polycrystalline diamond according to another embodiment of the present invention is carbon and boron dispersed in the crystal grains of the carbon at the atomic level and 90 atomic% or more of the carbon is present as an isolated substitution type. The first step of preparing graphite containing a boron compound, hydrogen, and oxygen, the second step of filling the container with the graphite in an inert gas atmosphere, and adding the graphite in the container. The boron compound includes an oxygen-containing boron compound, which comprises a third step of converting to diamond by pressure heat treatment. The method for producing polycrystalline diamond according to the present embodiment can maintain a high-hardness diamond structure inside and form a protective film for protecting the surface, so that a polycrystalline diamond having high wear resistance can be obtained. Can be manufactured.
[14]上記第1工程は、グラファイト、グラフェン、酸化グラフェン、および炭素の六員環を含む有機化合物の少なくともいずれかと、ホウ素、水素および酸素を含む液状の第1有機化合物と、水素および酸素を含む液状の第2有機化合物と、を混合することにより混合物を得る第1αサブ工程を含むことができる。これにより、内部の高硬度のダイヤモンド構造を維持するともに、表面を保護するための保護膜を形成することができるため、耐摩耗性が高い多結晶ダイヤモンドをより効率的に製造することができる。 [14] In the first step, at least one of an organic compound containing graphite, graphene, graphene oxide, and a six-membered ring of carbon, a liquid first organic compound containing boron, hydrogen, and oxygen, and hydrogen and oxygen are used. A first α sub-step of obtaining a mixture by mixing with the containing liquid second organic compound can be included. As a result, it is possible to maintain the internal high-hardness diamond structure and form a protective film for protecting the surface, so that polycrystalline diamond having high wear resistance can be produced more efficiently.
[15]上記第1工程は、ホウ素、水素および酸素を含む液状の第1有機化合物およびホウ素を含む液状の第3有機化合物の少なくともいずれかと、水素および酸素を含む液状の第2有機化合物と、を混合することにより混合物を得る第1βサブ工程を含むことができる。これにより、内部の高硬度のダイヤモンド構造を維持するともに、表面を保護するための保護膜を形成することができるため、耐摩耗性が高い多結晶ダイヤモンドをより効率的に製造することができる。 [15] In the first step, at least one of a liquid first organic compound containing boron, hydrogen and oxygen and a liquid third organic compound containing boron, and a liquid second organic compound containing hydrogen and oxygen are used. Can include a first β sub-step to obtain a mixture by mixing. As a result, it is possible to maintain the internal high-hardness diamond structure and form a protective film for protecting the surface, so that polycrystalline diamond having high wear resistance can be produced more efficiently.
[16]上記第1有機化合物は、ホウ酸トリメチルおよびホウ酸トリエチルの少なくともいずれかとすることができる。これにより、内部の高硬度のダイヤモンド構造を維持するともに、表面を保護するための保護膜を形成することができるため、耐摩耗性が高い多結晶ダイヤモンドをより効率的に製造することができる。 [16] The first organic compound can be at least one of trimethyl borate and triethyl borate. As a result, it is possible to maintain the internal high-hardness diamond structure and form a protective film for protecting the surface, so that polycrystalline diamond having high wear resistance can be produced more efficiently.
[17]上記第2有機化合物はアルコール類とすることができる。これにより、内部の高硬度のダイヤモンド構造を維持するともに、表面を保護するための保護膜を形成することができるため、耐摩耗性が高い多結晶ダイヤモンドをより効率的に製造することができる。 [17] The second organic compound can be alcohols. As a result, it is possible to maintain the internal high-hardness diamond structure and form a protective film for protecting the surface, so that polycrystalline diamond having high wear resistance can be produced more efficiently.
[18]上記第1工程は、上記混合物を、1500℃以上1800℃以下で熱分解することにより上記黒鉛を形成する第2サブ工程をさらに含むことができる。これにより、内部の高硬度のダイヤモンド構造を維持するともに、表面を保護するための保護膜を形成することができるため、耐摩耗性が高い多結晶ダイヤモンドをより効率的に製造することができる。 [18] The first step can further include a second sub-step of forming the graphite by thermally decomposing the mixture at 1500 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower. As a result, it is possible to maintain the internal high-hardness diamond structure and form a protective film for protecting the surface, so that polycrystalline diamond having high wear resistance can be produced more efficiently.
[19]上記多結晶ダイヤモンドの製造方法は、第1工程の後であって、第2工程の前に、第4工程をさらに含み、第4工程は、A工程とB工程とC工程とをこの順に複数回繰り返す工程であり、A工程は、上記黒鉛を粉砕体に粉砕する工程であり、B工程は、上記粉砕体を成形体に成形する工程であり、C工程は、上記成形体を1500〜1800℃で熱分解することにより、上記黒鉛を再度準備する工程とすることができる。これにより、B4Cなどの微量不純物の混入を極力避けることが可能となる。 [19] The method for producing a polycrystalline diamond further includes a fourth step after the first step and before the second step, and the fourth step includes steps A, B and C. A step of repeating the steps a plurality of times in this order, a step A is a step of crushing the graphite into a crushed body, a step B is a step of molding the crushed body into a molded body, and a step C is a step of molding the molded body into a molded body. By thermally decomposing at 1500 to 1800 ° C., the above graphite can be prepared again. This makes it possible to avoid mixing of trace impurities such as B 4 C as much as possible.
[20]上記第3工程は、加圧熱装置内で、上記黒鉛に直接加圧熱処理を行なうことができる。これにより、コバルトなどからなる結合相(バインダー)などを含むことなく、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を製造することができる。 [20] In the third step, the graphite can be directly subjected to pressure heat treatment in the pressure heating device. As a result, polycrystalline diamond having a diamond single phase as a basic composition can be produced without containing a bonded phase (binder) made of cobalt or the like.
[21]上記加圧熱処理は、6GPa以上かつ1200℃以上の条件で行なうことができる。これにより、上記効果を備える多結晶ダイヤモンドを効率的に製造することができる。 [21] The pressure heat treatment can be performed under the conditions of 6 GPa or more and 1200 ° C. or more. This makes it possible to efficiently produce polycrystalline diamond having the above effects.
[22]上記加圧熱処理は、8GPa以上30GPa以下かつ1500℃以上2300℃以下の条件で行なうことができる。これにより、上記効果を備える多結晶ダイヤモンドを効率的に製造することができる。 [22] The pressure heat treatment can be performed under the conditions of 8 GPa or more and 30 GPa or less and 1500 ° C. or more and 2300 ° C. or less. This makes it possible to efficiently produce polycrystalline diamond having the above effects.
[23]本発明のさらに別の実施形態にかかるスクライブツールは、上記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スクライブツールは、上記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。 [23] The scribe tool according to still another embodiment of the present invention can be formed by using the above-mentioned polycrystalline diamond. Since the scribe tool according to this embodiment is formed by using the above-mentioned polycrystalline diamond, it has high wear resistance.
[24]本発明のさらに別の実施形態にかかるスクライブホイールは、上記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スクライブホイールは、上記多結晶ダイヤモンドを用いて作成されたものであるため、耐摩耗性が高い。 [24] The scribe wheel according to still another embodiment of the present invention can be formed by using the above-mentioned polycrystalline diamond. Since the scribe wheel according to this embodiment is made by using the above-mentioned polycrystalline diamond, it has high wear resistance.
[25]本発明のさらに別の実施形態にかかるドレッサーは、上記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ドレッサーは、上記多結晶ダイヤモンドを用いて作成されたものであるため、耐摩耗性が高い。 [25] The dresser according to still another embodiment of the present invention can be formed by using the above-mentioned polycrystalline diamond. Since the dresser according to the present embodiment is made by using the above-mentioned polycrystalline diamond, it has high wear resistance.
[26]本発明のさらに別の実施形態にかかる回転工具は、上記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回転工具は、上記多結晶ダイヤモンドを用いて作成されたものであるため、耐摩耗性が高い。 [26] The rotary tool according to still another embodiment of the present invention can be formed by using the above-mentioned polycrystalline diamond. Since the rotary tool according to this embodiment is made by using the above-mentioned polycrystalline diamond, it has high wear resistance.
[27]本発明のさらに別の実施形態にかかる伸線ダイスは、上記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伸線ダイスは、上記多結晶ダイヤモンドを用いて作成されたものであるため、耐摩耗性が高い。 [27] The wire drawing die according to still another embodiment of the present invention can be formed by using the above-mentioned polycrystalline diamond. Since the wire drawing die according to the present embodiment is made by using the above-mentioned polycrystalline diamond, it has high wear resistance.
[28]本発明のさらに別の実施形態にかかる切削工具は、上記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切削工具は、上記多結晶ダイヤモンドを用いて作成されたものであるため、耐摩耗性が高い。 [28] The cutting tool according to still another embodiment of the present invention can be formed by using the above-mentioned polycrystalline diamond. Since the cutting tool according to this embodiment is made by using the above-mentioned polycrystalline diamond, it has high wear resistance.
[29]本発明のさらに別の実施形態にかかる電極は、上記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、上記多結晶ダイヤモンドを用いて作成されたものであるため、耐摩耗性が高い。 [29] The electrode according to still another embodiment of the present invention can be formed by using the above-mentioned polycrystalline diamond. Since the electrode according to this embodiment is made by using the above-mentioned polycrystalline diamond, it has high wear resistance.
[30]本発明のさらに別の実施形態にかかる加工方法は、上記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、上記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。 [30] In the processing method according to still another embodiment of the present invention, the object can be processed using the above-mentioned polycrystalline diamond. Since the processing method according to the present embodiment processes the object using the above-mentioned polycrystalline diamond, the object can be processed efficiently and at low cost.
[31]上記対象物は、絶縁体とすることができる。対象物が絶縁体であっても、トライボプラズマなどによる異常な損耗を発生させることなく、効率よく低コストで対象物を加工できる。 [31] The object can be an insulator. Even if the object is an insulator, the object can be processed efficiently and at low cost without causing abnormal wear due to triboplasma or the like.
[32]上記絶縁体は、100kΩ・cm以上の抵抗率を有することができる。対象物が100kΩ・cm以上の抵抗率を有する絶縁体であっても、トライボプラズマによるエッチングを発生させることなく、効率よく低コストで対象物を加工できる。 [32] The insulator can have a resistivity of 100 kΩ · cm or more. Even if the object is an insulator having a resistivity of 100 kΩ · cm or more, the object can be processed efficiently and at low cost without causing etching by triboplasma.
[本発明の実施形態の詳細]
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。
[Details of Embodiments of the present invention]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail. Here, in the present specification, the notation in the form of "A to B" means the upper and lower limits of the range (that is, A or more and B or less), and there is no description of the unit in A, and the unit is described only in B. In the case, the unit of A and the unit of B are the same. Further, when a compound or the like is represented by a chemical formula in the present specification, it shall include all conventionally known atomic ratios when the atomic ratio is not particularly limited, and is not necessarily limited to those in the stoichiometric range.
≪実施形態1:多結晶ダイヤモンド≫
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、ホウ素化合物と、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する。ホウ素化合物、水素および酸素は、結晶粒中に孤立置換型または侵入型(ホウ素化合物の場合は、クラスターとして部分的に格子を置換するクラスター置換型またはクラスターとして侵入するクラスター侵入型を含む。)で含まれる。ホウ素化合物は、酸素を含有するホウ素化合物(以下、酸素含有ホウ素化合物ともいう)を含む。結晶粒は、その粒径が500nm以下である。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。
<< Embodiment 1: Polycrystalline diamond >>
The polycrystalline diamond according to the present embodiment has a diamond single phase as a basic composition and is composed of a plurality of crystal grains. In addition, polycrystalline diamond contains boron, boron compounds, hydrogen and oxygen, with the balance being carbon and trace impurities. Boron is dispersed in crystal grains at the atomic level, and 90 atomic% or more of it exists as an isolated substitution type. Boron compounds, hydrogen and oxygen are either isolated-substituted or invasive in the crystal grains (in the case of boron compounds, they include cluster-substituted or cluster-invading clusters that partially replace the lattice as clusters). included. The boron compound includes an oxygen-containing boron compound (hereinafter, also referred to as an oxygen-containing boron compound). The grain size of the crystal grains is 500 nm or less. The surface of polycrystalline diamond is coated with a protective film.
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することから、焼結助剤および触媒の両方またはいずれか一方により形成される結合相(バインダー)を含むことがなく、高温条件下においても熱膨張率の差異による脱粒が発生しない。さらに、多結晶ダイヤモンドは、複数の結晶粒により構成される多結晶であり、その粒径が500nm以下であることから、単結晶のような方向性および劈開性がなく、全方位に対して等方的な硬度および耐摩耗性を有する。多結晶ダイヤモンドは、結晶粒中にホウ素と、ホウ素化合物と、水素と、酸素とを含むことから、その表面が酸化膜である保護膜で被覆される。これにより耐酸化性が高くなり、かつ動摩擦係数の低減により摺動特性および耐摩耗性が高くなる。 Since the polycrystalline diamond according to the present embodiment has a diamond single phase as a basic composition, it does not contain a bonding phase (binder) formed by a sintering aid and / or a catalyst, and is under high temperature conditions. Even underneath, bleaching does not occur due to the difference in thermal expansion rate. Furthermore, polycrystalline diamond is a polycrystalline diamond composed of a plurality of crystal grains, and since its particle size is 500 nm or less, it does not have the directional and cleavage properties of a single crystal, and is anisotropic to all directions. Has anisotropic hardness and abrasion resistance. Since polycrystalline diamond contains boron, a boron compound, hydrogen, and oxygen in the crystal grains, its surface is coated with a protective film which is an oxide film. As a result, the oxidation resistance becomes high, and the sliding characteristics and the wear resistance become high due to the reduction of the coefficient of kinetic friction.
本実施形態の多結晶ダイヤモンドにおいて、全方位に対して等方的な硬度および耐摩耗性を有する観点から、多結晶ダイヤモンドの結晶粒の最大の粒径は、500nm以下であり、200nm以下が好ましく、100nm以下がより好ましい。また、多結晶ダイヤモンドの粒界すべりによる高度の低下を抑制する観点から、多結晶ダイヤモンドの結晶粒の最小の粒径は、1nm以上が好ましく、20nm以上がより好ましい。 In the polycrystalline diamond of the present embodiment, the maximum grain size of the crystal grains of the polycrystalline diamond is 500 nm or less, preferably 200 nm or less, from the viewpoint of having isotropic hardness and abrasion resistance in all directions. , 100 nm or less is more preferable. Further, from the viewpoint of suppressing a decrease in altitude due to grain boundary slip of the polycrystalline diamond, the minimum particle size of the crystal grains of the polycrystalline diamond is preferably 1 nm or more, more preferably 20 nm or more.
多結晶ダイヤモンドの粒径は、SEM、TEMといった電子顕微鏡法により測定することができる。多結晶ダイヤモンドを任意の面を研磨することにより、粒径を測定するための観察用研磨面を準備し、たとえばSEMを用いて20000倍の倍率により、上記観察用研磨面の任意の1か所(1視野)を観察する。1視野には多結晶ダイヤモンドの結晶粒が120〜200000個程度現れるので、このうち10個の粒径を求め、そのすべてが500nm以下であることを確認する。これを試料のサイズ全体にわたる視野すべてについて行なうことにより、多結晶ダイヤモンドの粒径が500nm以下であることを確認することができる。 The particle size of polycrystalline diamond can be measured by electron microscopy such as SEM and TEM. By polishing any surface of polycrystalline diamond, an observation polishing surface for measuring the particle size is prepared, and at any one place of the above observation polishing surface at a magnification of 20000 times using, for example, SEM. Observe (1 field). Since about 120 to 200,000 crystal grains of polycrystalline diamond appear in one field of view, the particle size of 10 of them is obtained, and it is confirmed that all of them are 500 nm or less. By doing this for the entire field of view over the entire size of the sample, it can be confirmed that the grain size of the polycrystalline diamond is 500 nm or less.
多結晶ダイヤモンドの粒径は、以下の条件に基づくX線回折法(XRD法)により測定することもできる。
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。
The particle size of polycrystalline diamond can also be measured by an X-ray diffraction method (XRD method) based on the following conditions.
Measuring device: Product name (product number) "X'pert", PANalytical X-ray light source: Cu-Kα ray (wavelength 1.54185 Å)
Scanning axis: 2θ
Scanning range: 20 ° to 120 °
Voltage: 40kV
Current: 30mA
Scan speed: 1 ° / min
The full width at half maximum was obtained from the Scherrer equation (D = Kλ / Bcosθ) after peak fitting. Here, D is the particle size of the diamond crystal grain, B is the diffraction line width, λ is the wavelength of the X-ray, θ is the Bragg angle, and K is the correction coefficient (0.9) determined from the correlation with the SEM image.
<多結晶ダイヤモンド中の元素>
本実施形態の多結晶ダイヤモンドにおいては、ホウ素が原子レベルで分散しかつ全体の90原子%以上が孤立置換型で存在するとともに、ホウ素化合物、水素および酸素が孤立置換型または侵入型で存在する。ここで、ホウ素化合物の場合は、クラスターとして部分的に格子を置換するクラスター置換型またはクラスターとして侵入するクラスター侵入型で存在する場合を含む。これらのことから、多結晶ダイヤモンドの内部からその表面に露出したホウ素、ホウ素化合物、水素および酸素の少なくともいずれかとの反応、あるいはこれらの元素および化合物の少なくともいずれかと大気中の酸素との反応など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。かかる保護膜により、多結晶ダイヤモンドの耐酸化性が高くなるとともに、摩擦係数が低減するため、摺動特性および耐摩耗性が高くなる。本実施形態の多結晶ダイヤモンドにおいて、保護膜は、多結晶ダイヤモンドの内部からその表面に析出することにより形成される析出物を含んでいてもよい。
<Elements in polycrystalline diamond>
In the polycrystalline diamond of the present embodiment, boron is dispersed at the atomic level and 90 atomic% or more of the whole is present in the isolated substitution type, and the boron compound, hydrogen and oxygen are present in the isolated substitution type or the penetrating type. Here, in the case of a boron compound, it includes a case where it exists as a cluster substitution type in which the lattice is partially replaced as a cluster or a cluster invasion type invading as a cluster. From these facts, by reaction with at least one of boron, boron compound, hydrogen and oxygen exposed from the inside of polycrystalline diamond on its surface, or reaction with at least one of these elements and compounds with oxygen in the atmosphere, etc. An oxide film is formed, and the oxide film covers the surface of polycrystalline diamond as a protective film. With such a protective film, the oxidation resistance of polycrystalline diamond is increased, and the coefficient of friction is reduced, so that the sliding characteristics and wear resistance are enhanced. In the polycrystalline diamond of the present embodiment, the protective film may contain a precipitate formed by depositing on the surface of the polycrystalline diamond from the inside.
すなわち、本実施形態の多結晶ダイヤモンドにおいては、表面が摩耗および/または破損によって損傷したときに表面のみに酸化膜である保護膜が形成され、内部はダイヤモンド構造が維持されて硬度が維持される。また、ホウ素が原子レベルで分散しかつ全体の90原子%以上が孤立置換型で含まれ、内部にクラスター状に凝集することがなく、また、ダイヤモンドの結晶の粒界に凝集することもないため、温度変化および/または衝撃による亀裂の起点となるような不純物偏析がない。また、ホウ素が原子レベルで分散しかつ全体の90原子%以上が孤立置換型で含まれることから、多結晶ダイヤモンドの全体にわたって所望の露出表面に局在化した酸化膜である保護膜が形成され、電荷としては正孔過剰な状態であるため、表面のみにさらに酸素をひきつけやすい。 That is, in the polycrystalline diamond of the present embodiment, when the surface is damaged by abrasion and / or breakage, a protective film which is an oxide film is formed only on the surface, and the diamond structure is maintained inside and the hardness is maintained. .. In addition, boron is dispersed at the atomic level and 90 atomic% or more of the whole is contained in an isolated substitution type, so that it does not aggregate in a cluster shape inside and does not aggregate at the grain boundaries of diamond crystals. , There is no impurity segregation that causes cracks due to temperature changes and / or impact. Further, since boron is dispersed at the atomic level and 90 atomic% or more of the whole is contained in an isolated substitution type, a protective film which is an oxide film localized on a desired exposed surface is formed over the entire polycrystalline diamond. Since the charge is in a state of excess holes, it is easier to attract oxygen only to the surface.
本実施形態の多結晶ダイヤモンドにおいて、「原子レベルで分散する」とは、炭素とホウ素とを気相状態で混合させて多結晶ダイヤモンドを作成する場合に、多結晶ダイヤモンドの結晶を形成する炭素中にホウ素などの異種元素がそれぞれ有限の活性化エネルギーを持って、ダイヤモンド結晶構造を変えずに、分散するレベルの分散状態をいう。すなわち、かかる分散状態は、孤立して析出する異種元素およびダイヤモンド以外の異種化合物を形成していない状態をいう。また、「孤立置換型」とは、ホウ素、ホウ素化合物、水素および酸素などの異種元素が、孤立して、多結晶ダイヤモンドまたは黒鉛の結晶格子の格子点に位置する炭素に置き換わっている存在形態をいう。また、「侵入型」とは、ホウ素化合物、水素および酸素などの異種元素が、多結晶ダイヤモンドの結晶格子の格子点に位置する炭素間の隙間に侵入している存在形態をいう。なお、ホウ素化合物の場合は、クラスターとして部分的に格子を置換するクラスター置換型またはクラスターとして侵入するクラスター侵入型の存在形態を含む。 In the polycrystalline diamond of the present embodiment, "dispersed at the atomic level" means in the carbon forming the crystal of the polycrystalline diamond when carbon and boron are mixed in a vapor phase state to prepare the polycrystalline diamond. It refers to a dispersed state at a level at which different elements such as boron each have a finite activation energy and are dispersed without changing the diamond crystal structure. That is, such a dispersed state means a state in which a dissimilar element and a dissimilar compound other than diamond that are isolated and precipitated are not formed. The "isolated substitution type" refers to a form in which dissimilar elements such as boron, boron compounds, hydrogen and oxygen are isolated and replaced with carbon located at the lattice point of the crystal lattice of polycrystalline diamond or graphite. Say. Further, the "penetrating type" refers to a form in which dissimilar elements such as boron compounds, hydrogen and oxygen invade the gaps between carbons located at the lattice points of the crystal lattice of polycrystalline diamond. In the case of a boron compound, it includes a cluster substitution type in which the lattice is partially replaced as a cluster or a cluster invasion type invading as a cluster.
本実施形態の多結晶ダイヤモンドにおけるホウ素、ホウ素化合物、水素および酸素の分散状態および存在形態は、TEM(透過型電子顕微鏡)により観察する。また、ホウ素と「原子レベルで分散する」および「孤立置換型」であることは、電気抵抗の温度依存性、活性化エネルギーの検出またはTOF−SIMS(飛行時間型−二次イオン質量分析)により確認する。「孤立置換型」または「侵入型」で存在していることも、TOF−SIMSにより評価する。ホウ素およびホウ素化合物中のホウ素、水素および酸素の原子濃度は、多結晶ダイヤモンドの内部についてはSIMS(二次イオン質量分析法)により、多結晶ダイヤモンドの表面およびその近傍(たとえば、保護膜としての酸化膜およびその近傍の多結晶ダイヤモンド、表面から100nmの深さまで)についてはTOF−SIMSにより測定する。ここで、ホウ素とホウ素化合物との識別は、TOF−SIMSにおけるクラスターの種類によって識別できる。したがって、原子のみを測定するSIMSとクラスターを測定するTOF−SIMSを併用することにより、ホウ素およびホウ素化合物のそれぞれにおけるホウ素の原子濃度を測定できる。また、上記の分散状態および存在状態は、XRD(X線回折)、ラマン分光などによっても評価できる。また、本実施形態の多結晶ダイヤモンドにおける炭素、ホウ素化合物、ホウ素、水素および酸素以外の微量不純物の原子濃度は、SIMSまたはICP−MS(誘導結合プラズマ−質量分析法)により測定する。 The dispersed state and existing form of boron, boron compound, hydrogen and oxygen in the polycrystalline diamond of the present embodiment are observed by a TEM (transmission electron microscope). In addition, being "dispersed at the atomic level" and "isolated substitution type" with boron can be determined by temperature dependence of electrical resistance, detection of activation energy, or TOF-SIMS (time-of-flight type-secondary ion mass spectrometry). Confirm. The presence of "isolated substitution type" or "invasion type" is also evaluated by TOF-SIMS. Atomic concentrations of boron, hydrogen and oxygen in boron and boron compounds are determined by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) inside the polycrystalline diamond on and near the surface of the polycrystalline diamond (eg, oxidation as a protective film). Polycrystalline diamond in and around the membrane, up to a depth of 100 nm from the surface) is measured by TOF-SIMS. Here, the distinction between boron and the boron compound can be made by the type of cluster in TOF-SIMS. Therefore, by using SIMS that measures only atoms and TOF-SIMS that measures clusters in combination, the atomic concentration of boron in each of boron and a boron compound can be measured. The dispersed state and the existing state can also be evaluated by XRD (X-ray diffraction), Raman spectroscopy, and the like. Further, the atomic concentration of trace impurities other than carbon, boron compound, boron, hydrogen and oxygen in the polycrystalline diamond of the present embodiment is measured by SIMS or ICP-MS (inductively coupled plasma-mass spectrometry).
本実施形態の多結晶ダイヤモンドにおいて、多結晶ダイヤモンドの内部の高硬度のダイヤモンド構造が維持されやすい観点から、ホウ素は、全体の90原子%以上が孤立置換型であり、好ましくは全体の95原子%以上が孤立置換型であり、より好ましくは全体の99原子%以上が孤立置換型である。ホウ素の全体に対する孤立置換型ホウ素の割合は、TOF−SIMSにより測定する。ホウ素は、多結晶ダイヤモンド結晶粒中にその90原子%以上が孤立置換型として存在することにより、ヌープ硬度が50GPa程度である立方晶型窒化ホウ素、および90GPa程度のIb型ダイヤモンド単結晶よりも高い硬度を有する。 In the polycrystalline diamond of the present embodiment, from the viewpoint that the high-hardness diamond structure inside the polycrystalline diamond can be easily maintained, 90 atomic% or more of boron is an isolated substitution type, preferably 95 atomic% of the total. The above is the isolated substitution type, and more preferably 99 atomic% or more of the whole is the isolated substitution type. The ratio of isolated substituted boron to the total boron is measured by TOF-SIMS. Boron is higher than cubic boron nitride, which has a Knoop hardness of about 50 GPa, and Ib-type diamond single crystal, which has a Knoop hardness of about 90 GPa, because 90 atomic% or more of it is present as an isolated substitution type in polycrystalline diamond grains. Has hardness.
本実施形態の多結晶ダイヤモンドにおいて、ホウ素化合物は、酸素を含有するホウ素化合物を含む。かかる酸素含有ホウ素化合物も、多結晶ダイヤモンドの内部からその表面に露出すると、ホウ素、水素および酸素の少なくともいずれかとの反応、あるいはこれらの元素と同様に大気中の酸素との反応などにより酸化膜を形成して、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、摩擦係数が低減するため、摺動特性および耐摩耗性が高くなる。ここで、酸素含有ホウ素化合物は、特に制限はないが、代表的なものとして、酸化ホウ素およびホウ酸が挙げられる。酸化ホウ素は、ホウ素と酸素との原子数の比に制限はなく、B2O3、BO3などを含む。また、ホウ酸も、ホウ素と水素と酸素との原子数の比に制限はなく、H3BO3(オルトホウ酸)、HBO2(メタホウ酸)などを含む。 In the polycrystalline diamond of the present embodiment, the boron compound contains an oxygen-containing boron compound. When such an oxygen-containing boron compound is exposed from the inside of polycrystalline diamond to its surface, an oxide film is formed by reaction with at least one of boron, hydrogen and oxygen, or reaction with oxygen in the atmosphere like these elements. Once formed, the oxide film coats the surface of polycrystalline diamond as a protective film. Therefore, the oxidation resistance of the polycrystalline diamond is increased, and the friction coefficient is reduced, so that the sliding characteristics and the wear resistance are improved. Here, the oxygen-containing boron compound is not particularly limited, but typical examples thereof include boron oxide and boric acid. Boron oxide has no limitation on the ratio of the number of atoms of boron and oxygen, and includes B 2 O 3 , BO 3, and the like. Further, boric acid also includes H 3 BO 3 (orthoboric acid), HBO 2 (metaboric acid), etc., with no limitation on the ratio of the number of atoms of boron, hydrogen, and oxygen.
(ホウ素の原子濃度)
本実施形態の多結晶ダイヤモンドにおいて、その表面に好適な保護膜として酸化膜を形成する観点から、ホウ素(原子レベルで分散しているホウ素、以下同じ。)およびホウ素化合物中のホウ素の合計の原子濃度は、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。ホウ素の原子濃度の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。ここで、多結晶ダイヤモンドの表面により好適な保護膜として酸化膜を形成する観点から、ホウ素の原子濃度とホウ素化合物中のホウ素の原子濃度との比は、100:1から100:10までの範囲が好ましい。
(Atomic concentration of boron)
In the polycrystalline diamond of the present embodiment, from the viewpoint of forming an oxide film as a suitable protective film on the surface thereof, boron (boron dispersed at the atomic level, the same applies hereinafter) and the total atom of boron in the boron compound concentration, 1 × 10 14 cm -3 or more 1 × 10 22 cm -3 or less are preferred, 1 × 10 14 cm -3 or higher than 1 × 10 21 cm -3 is preferable. In the more preferable range of the atomic concentration of boron, the defective rate of the protective film is drastically reduced and the yield is improved from 30% or more to 90% or more as compared with the preferable range. Here, from the viewpoint of forming an oxide film as a more suitable protective film on the surface of polycrystalline diamond, the ratio of the atomic concentration of boron to the atomic concentration of boron in the boron compound is in the range of 100: 1 to 100:10. Is preferable.
また、多結晶ダイヤモンドは、上記のホウ素およびホウ素化合物中のホウ素の合計の原子濃度範囲のうちで、1×1019cm-3未満の範囲ではp型半導体としての電気特性を示し、1×1019cm-3以上の範囲では金属的な導電体としての電気特性を示す。 In addition, polycrystalline diamond exhibits electrical characteristics as a p-type semiconductor in the range of less than 1 × 10 19 cm -3 within the total atomic concentration range of boron and boron in the boron compound, and is 1 × 10. In the range of 19 cm -3 or more, it exhibits electrical characteristics as a metallic conductor.
(水素の原子濃度)
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。しかしながら、たとえ硬度が低下しても、ヌープ硬度が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。
(Atomic concentration of hydrogen)
In polycrystalline diamond of the present embodiment, the oxygen may comprise stably in the crystal, from the viewpoint of suppressing reduction and increase of the crystal grain size of the hardness, the atomic concentration of hydrogen, 1 × 10 17 cm - 3 or more and 1 × 10 20 cm -3 or less are preferable, and 1 × 10 17 cm -3 or more and 1 × 10 19 cm -3 or less are more preferable. However, even if the hardness is lowered, it has a hardness higher than that of cubic boron nitride having a Knoop hardness of about 50 GPa and an industrial Ib type diamond single crystal having a Knoop hardness of about 90 GPa. It is sufficiently useful for drawing dies, sliding parts, etc.). When there is no hydrogen in the crystal, oxygen reacts with carbon in the polycrystalline diamond to become a carbon oxide (CO x ) -based gas, which is easily released at a high temperature and it is difficult to add oxygen into the crystal of the polycrystalline diamond.
(酸素の原子濃度)
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。
(Atomic concentration of oxygen)
In the polycrystalline diamond of the present embodiment, from the viewpoint that the formation of a protective film which is an oxide film on the surface is promoted, the oxidation resistance is improved, the friction coefficient is lowered, and the decrease in hardness and the increase in crystal grain size can be suppressed. atomic concentration of oxygen, 1 × 10 17 cm -3 to 1 × preferably 10 20 cm -3 or less, 1 × 10 17 cm -3 or more 1 × 10 19 cm -3 or less is more preferable.
(微量不純物の濃度)
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、微量に含まれる可能性がある化合物の総称をいう。微量不純物として含まれる各化合物の含有量(原子濃度)は、それぞれ0cm-3以上1×1016cm-3以下であり、各化合物の総和(すなわち微量不純物の含有量(原子濃度))は0cm-3以上1×1017cm-3以下である。したがって、微量不純物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。微量不純物としては、B4Cなどを含む。これら以外の微量不純物には遷移金属元素に分類される金属元素を含む化合物などが挙げられる。
(Concentration of trace impurities)
The trace impurities contained in polycrystalline diamond are a general term for compounds that may be contained in trace amounts in the production of polycrystalline diamond. The content (atomic concentration) of each compound contained as trace impurities is 0 cm -3 or more and 1 × 10 16 cm -3 or less, respectively, and the total of each compound (that is, the content of trace impurities (atomic concentration)) is 0 cm. -3 or more and 1 x 10 17 cm -3 or less. Therefore, trace impurities may or may not be contained in polycrystalline diamond. Trace impurities include B 4 C and the like. Examples of trace impurities other than these include compounds containing metal elements classified as transition metal elements.
(SIMS測定)
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、後述の液相法により形成されたホウ素、ホウ素化合物、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)。
(SIMS measurement)
FIG. 1 is a graph showing an example of the results of SIMS of the polycrystalline diamond of the present embodiment. The polycrystalline diamond shown in FIG. 1 is obtained by directly converting graphite containing boron, a boron compound, hydrogen and oxygen formed by the liquid phase method described later into diamond at 16 GPa and 2100 ° C. The SIMS measurement conditions are as follows.
Measuring device: Product name (product number): "IMS-7f", AMETEK primary ion species: Cesium (Cs +)
Primary acceleration voltage: 15kV
Detection area: 30 (μmφ)
Measurement accuracy: ± 40% (2σ).
図1を参照して、本実施形態の多結晶ダイヤモンドには、その表面から内部に亘って、ホウ素、水素、および酸素が均一の濃度(原子濃度)で含まれている。 With reference to FIG. 1, the polycrystalline diamond of the present embodiment contains boron, hydrogen, and oxygen in uniform concentrations (atomic concentrations) from the surface to the inside.
(TOF−SIMS測定)
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。
(TOF-SIMS measurement)
FIG. 2 is a graph showing an example of the results of TOF-SIMS on the surface of the polycrystalline diamond of the present embodiment. The polycrystalline diamond shown in FIG. 2 is the polycrystalline diamond used for SIMS shown in FIG. The measurement conditions for TOF-SIMS are as follows.
Measuring device: TOF-SIMS mass spectrometer (flying time secondary ion mass spectrometer)
Primary ion source: Bismuth (Bi)
Primary acceleration voltage: 25 kV.
図2を参照して、多結晶ダイヤモンドの表面を被覆している保護膜としての酸化膜に含まれる含有酸素種として、BO2、O、O2の3種類の化学種が検出されている。ここで、ホウ素が酸化膜中でBO2として検出されていることから、多結晶ダイヤモンドの内部の結晶中では、ホウ素は原子レベルで分散して大部分が孤立置換型で含まれていると考えられる。 With reference to FIG. 2, three types of chemical species , BO 2 , O, and O 2 , have been detected as oxygen-containing species contained in the oxide film as a protective film covering the surface of polycrystalline diamond. Here, since boron is detected as BO 2 in the oxide film, it is considered that boron is dispersed at the atomic level and is mostly contained in the isolated substitution type in the crystals inside the polycrystalline diamond. Be done.
図1および図2から、ホウ素化合物に関して、酸素の含有量の0.1倍程度の酸素含有ホウ素化合物、ホウ素の含有量の0.01倍程度のB4Cが存在すると見込まれる。 From FIGS. 1 and 2, it is expected that there are an oxygen-containing boron compound having an oxygen content of about 0.1 times and a B 4 C having an oxygen content of about 0.01 times the boron content.
(ラマンスペクトル)
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、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%未満が好ましく、0.2%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。
(Raman spectrum)
Polycrystalline diamond of the present embodiment, in the Raman spectrum measurement, the area of the peak half width is 20 cm -1 or less about the 1575 cm -1 ± 30 cm -1 is a half-value width around the 1300 cm -1 ± 30 cm -1 Is preferably less than 1%, more preferably less than 0.2% of the peak area of 60 cm -1 or less. The area of such a peak half width around the 1575 cm -1 ± 30 cm -1 derived from a polycrystalline diamond amorphous carbon or graphite carbon (SP2 carbon atoms) is 20 cm -1 or less, from the diamond carbon (SP3 carbon) Since less than 1% of the peak area where the half-price width is 60 cm -1 or less centered on 1300 cm -1 ± 30 cm -1 , graphite carbon is almost completely (specifically, 99 atomic% or more) diamond carbon. Since it has been converted to, it has high hardness.
(動摩擦係数)
本実施形態の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、大気中における動摩擦係数が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。
(Dynamic friction coefficient)
The polycrystalline diamond of the present embodiment has a surface dynamic friction coefficient of preferably 0.06 or less, more preferably 0.05 or less, further preferably 0.04 or less, particularly preferably 0.03 or less, and 0.02. The following are the most preferable. Since such polycrystalline diamond has a low coefficient of dynamic friction in the atmosphere of 0.06 or less, it has high sliding characteristics and high wear resistance.
(保護膜)
本実施形態の多結晶ダイヤモンドにおいて、その表面を保護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。
(Protective film)
In the polycrystalline diamond of the present embodiment, the oxide film formed as a protective film for protecting the surface thereof preferably contains BO x clusters and at least one of O and OH which are oxygen terminations of carbon. BO x clusters are thought to be obtained by the reaction of surface-exposed B (boron) with oxygen in the atmosphere and oxygen in the crystal (oxygen in the crystal in a vacuum or an inert gas). It is considered that O and OH, which are oxygen terminations, were obtained by reacting the carbon exposed on the surface with oxygen in the atmosphere and oxygen in the crystal (oxygen in the crystal in a vacuum or an inert gas). Since all of them have high slidability and a small friction coefficient, wear resistance is high.
図2を参照して、本実施形態の多結晶ダイヤモンドの表面のTOF−SIMSの結果の一例から、保護膜である酸化膜に含まれる酸素種として、BO2、O、O2の3種類の化学種が存在していることが分かる。BO2は、BOxクラスターに由来するものであり、BOxクラスターはBO2、B2O4、B3O6などの形態で存在しているものと考えられる。OおよびO2は、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に由来するものと考えられる。 With reference to FIG. 2, from an example of the TOF-SIMS results of the surface of the polycrystalline diamond of the present embodiment, there are three types of oxygen species contained in the oxide film which is the protective film, BO 2 , O, and O 2. It can be seen that a chemical species exists. BO 2 is derived from BO x cluster, and it is considered that BO x cluster exists in the form of BO 2 , B 2 O 4 , B 3 O 6, and the like. O and O 2 are considered to be derived from at least one of O and OH, which are the oxygen terminations of carbon.
本実施形態の多結晶ダイヤモンドにおいて、保護膜は、結晶粒中から析出した析出物をさらに含むことが好ましい。かかる多結晶ダイヤモンドは、保護膜が、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に加えて、さらに摺動性が高く摩擦係数が小さい結晶粒中からの析出物を含むことにより、耐摩耗性が高くなる。析出物は、特に限定されないが、B2O3などのホウ素酸化物が主成分である。B2O3は、多結晶ダイヤモンドの表面から外れたB(ホウ素)およびBO2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形成されるものと考えられる。かかる析出物も、デブリ(具体的には、研磨くずからなる堆積物)として残留および蓄積し、潤滑作用を有するため、摩擦係数の低減に寄与する。 In the polycrystalline diamond of the present embodiment, the protective film preferably further contains precipitates precipitated from the crystal grains. In such polycrystalline diamond, the protective film has BO x clusters and at least one of O and OH, which are oxygen terminations of carbon, and precipitates from crystal grains having higher slidability and a lower coefficient of friction. By including it, the abrasion resistance becomes high. The precipitate is not particularly limited, but is mainly composed of a boron oxide such as B 2 O 3. B 2 O 3 means that B (boron) and BO 2 off the surface of polycrystalline diamond react with oxygen in the atmosphere and oxygen in the crystal (oxygen in the crystal in a vacuum or an inert gas). It is thought that it is formed by. Such precipitates also remain and accumulate as debris (specifically, deposits composed of polishing scraps) and have a lubricating action, which contributes to the reduction of the friction coefficient.
本実施形態の多結晶ダイヤモンドにおいて、多結晶ダイヤモンドの機械的損傷によりその表面が欠損しても、保護膜のその欠損以外の部分によりその欠損の部分を充填することにより滑らかな表面を維持する観点から、保護膜の平均膜厚は、1nm以上1000nm以下が好ましく、10nm以上500nm以下がより好ましい。ここで、保護膜の平均膜厚は、触針式表面形状測定装置(たとえば、ブルカー社のDektak(登録商標)触針式プロファイリングシステム)、TEMにより測定する。 In the polycrystalline diamond of the present embodiment, even if the surface of the polycrystalline diamond is damaged due to mechanical damage, a smooth surface is maintained by filling the defective portion with a portion of the protective film other than the defective portion. Therefore, the average thickness of the protective film is preferably 1 nm or more and 1000 nm or less, and more preferably 10 nm or more and 500 nm or less. Here, the average film thickness of the protective film is measured by a stylus type surface shape measuring device (for example, a Dektak (registered trademark) stylus profiling system manufactured by Bruker Co., Ltd.) and a TEM.
すなわち、本実施形態の多結晶ダイヤモンドは、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る。さらに、上記多結晶ダイヤモンドは、複数の結晶粒により構成され、上記多結晶ダイヤモンドは、ホウ素と、ホウ素化合物と、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。上記ホウ素は、上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する。上記ホウ素化合物、上記水素および上記酸素は、上記結晶粒中に孤立置換型または侵入型として存在する。上記ホウ素化合物は、酸素含有ホウ素化合物を含む。上記結晶粒は、その粒径が500nm以下である。上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。上記ホウ素および上記ホウ素化合物中のホウ素は、それらの合計の原子濃度が1×1014cm-3以上1×1022cm-3以下であり、上記水素は、その原子濃度が1×1017cm-3以上1×1020cm-3以下であり、上記酸素は、その原子濃度が1×1017cm-3以上1×1020cm-3以下であり、上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、上記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0.05以下であり、上記保護膜は、BOxクラスターと、上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、上記保護膜は、上記結晶粒中から析出した析出物を含むことが好ましい。かかる多結晶ダイヤモンドは、その内部の高硬度のダイヤモンド構造が維持されるとともに、表面を保護するための保護膜として酸化膜を形成することにより、耐酸化性が高くなり、摩擦係数が低減し、摺動特性が高くなり、耐摩耗性が高くなる。
That is, the polycrystalline diamond of the present embodiment is a polycrystalline diamond having a diamond single phase as a basic composition. Further, the polycrystalline diamond is composed of a plurality of crystal grains, and the polycrystalline diamond contains boron, a boron compound, hydrogen, and oxygen, and the balance is carbon and trace impurities. The boron is dispersed in the crystal grains at the atomic level, and 99 atomic% or more of the boron exists as an isolated substitution type. The boron compound, hydrogen and oxygen are present in the crystal grains as isolated substitution type or invasion type. The boron compound includes an oxygen-containing boron compound. The grain size of the crystal grains is 500 nm or less. The surface of the polycrystalline diamond is coated with a protective film. The total atomic concentration of the above-mentioned boron and the above-mentioned boron compound is 1 × 10 14 cm -3 or more and 1 × 10 22 cm -3 or less, and the above-mentioned hydrogen has an atomic concentration of 1 × 10 17 cm. -3 or more and 1 × 10 20 cm -3 or less, the atomic concentration of the oxygen is 1 × 10 17 cm -3 or more and 1 × 10 20 cm -3 or less, and the polycrystalline diamond is Raman spectrum measurement. in the area of the peak half width is 20 cm -1 or less about the 1575 cm -1 ± 30 cm -1 is the area of the peak half width is 60cm -1 or less around the 1300cm -1 ±
本実施形態の多結晶ダイヤモンドの物性の確認および評価について、具体例を挙げて、以下に詳細に説明する。 The confirmation and evaluation of the physical properties of the polycrystalline diamond of the present embodiment will be described in detail below with specific examples.
(保護膜形成の確認)
本実施形態の多結晶ダイヤモンド(ホウ素原子濃度(ホウ素およびホウ素化合物中のホウ素の合計の原子濃度をいう、以下同じ。)6.8×1020cm-3、水素原子濃度6.0×1018cm-3、酸素原子濃度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。
(Confirmation of protective film formation)
Polycrystalline diamond of the present embodiment (boron atomic concentration (referring to the total atomic concentration of boron and boron in a boron compound, the same shall apply hereinafter) 6.8 × 10 20 cm -3 , hydrogen atomic concentration 6.0 × 10 18 Oxygen is detected in the surface layer from the surface to a depth of about 0.5 nm by chemical analysis by AES (Auger electron spectroscopy) on the surface of cm -3 , oxygen atom concentration 3.0 × 10 18 cm -3). From this, it can be seen that an oxide film as a protective film is formed on the surface even at room temperature (for example, 25 ° C.).
図3は、本実施形態の多結晶ダイヤモンドの大気中での加熱の際の質量変化の一例を示すグラフである。図3を参照して、ホウ素、ホウ素化合物、水素および酸素を含む多結晶ダイヤモンドおよびホウ素およびホウ素化合物のみを含む多結晶ダイヤモンドは、800℃程度まで質量が微増する。これは、高温下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ることを示唆する。また、ホウ素を含まない多結晶ダイヤモンドは800℃程度から急激に質量が低減し、ホウ素およびホウ素化合物のみを含む多結晶ダイヤモンドは800℃程度から徐々に質量が低減しているのに対し、ホウ素、ホウ素化合物、水素および酸素を含む多結晶ダイヤモンドは、1000℃程度まで質量の減少が見られない。すなわち、ホウ素、ホウ素化合物、水素および酸素を含む多結晶ダイヤモンドにおいては、安定な酸化膜が形成され、これが保護膜となって、多結晶ダイヤモンドの耐酸化性が向上したものと考えられる。 FIG. 3 is a graph showing an example of a mass change of the polycrystalline diamond of the present embodiment when heated in the atmosphere. With reference to FIG. 3, the polycrystalline diamond containing boron, a boron compound, hydrogen and oxygen and the polycrystalline diamond containing only boron and a boron compound slightly increase in mass up to about 800 ° C. This suggests that the formation of a protective film, which is an oxide film, is promoted on the surface at high temperatures. Further, the mass of polycrystalline diamond containing no boron sharply decreases from about 800 ° C., and the mass of polycrystalline diamond containing only boron and a boron compound gradually decreases from about 800 ° C., whereas the mass of boron, The weight of polycrystalline diamond containing boron compound, hydrogen and oxygen does not decrease up to about 1000 ° C. That is, it is considered that a stable oxide film is formed in the polycrystalline diamond containing boron, a boron compound, hydrogen and oxygen, and this serves as a protective film to improve the oxidation resistance of the polycrystalline diamond.
(動摩擦係数の評価)
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動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(25℃で相対湿度30%)。
(Evaluation of dynamic friction coefficient)
FIG. 4 is a graph showing an example of the results of dynamic friction coefficient measurement by the pin-on-disc sliding test of the polycrystalline diamond of the present embodiment. The pin-on-disc sliding test is performed under the following conditions.
Ball material: SUS
Load: 10N
Rotation speed: 400 rpm
Sliding radius: 1.25 mm
Test time: 100 minutes Temperature: Room temperature Atmosphere: Atmosphere (25 ° C and 30% relative humidity).
図4を参照して、乾燥雰囲気(たとえば25℃で相対湿度30%以下)下で、無添加の多結晶ダイヤモンドの動摩擦係数に対して、ホウ素およびホウ素化合物を含む多結晶ダイヤモンドの動摩擦係数は0.25倍以下にまで低下し、ホウ素、ホウ素化合物、水素および酸素を含む多結晶ダイヤモンドの動摩擦係数は0.20倍以下にまでに低下する。なお、本実施形態の多結晶ダイヤモンドの表面に形成される保護膜としての酸化膜は、水溶性であるため、使用環境は乾燥雰囲気中が好ましく、大気中であれば25℃における相対湿度が30%の水分量以下が好ましく、25℃における相対湿度が20%の水分量以下がより好ましく、大気中以外の雰囲気(たとえばAr(アルゴン)雰囲気または鉱物油雰囲気)中であれば、水分含有量25%以下が好ましく、水分含有量20%以下がより好ましい。 With reference to FIG. 4, in a dry atmosphere (for example, at 25 ° C. and a relative humidity of 30% or less), the kinematic friction coefficient of polycrystalline diamond containing boron and a boron compound is 0 with respect to the kinematic friction coefficient of polycrystalline diamond without additives. It decreases to .25 times or less, and the kinematic friction coefficient of polycrystalline diamond containing boron, boron compounds, hydrogen and oxygen decreases to 0.20 times or less. Since the oxide film as a protective film formed on the surface of the polycrystalline diamond of the present embodiment is water-soluble, the usage environment is preferably a dry atmosphere, and the relative humidity at 25 ° C. is 30 in the air. The water content is preferably 25% or less, the relative humidity at 25 ° C. is more preferably 20% or less, and the water content is 25 in an atmosphere other than the atmosphere (for example, Ar (argon) atmosphere or mineral oil atmosphere). % Or less is preferable, and a water content of 20% or less is more preferable.
(硬度の評価)
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、測定における荷重は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、ホウ素およびホウ素化合物を含む多結晶ダイヤモンドのヌープ硬度は、ホウ素原子濃度の増大とともに幾分か低下し、ホウ素、ホウ素化合物、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、ホウ素原子濃度、水素原子濃度および酸素原子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、ホウ素化合物、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、ホウ素の合計の原子濃度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、孤立置換型の窒素原子濃度が1.7×1019cm-3)のヌープ硬度と同等以上である。
(Evaluation of hardness)
FIG. 5 is a graph showing an example of the result of Knoop hardness measurement of the polycrystalline diamond of the present embodiment. The Knoop hardness measurement is based on JIS Z2251: 2009, and the load in the measurement is 4.9N. With reference to FIG. 5, the noup hardness of the polycrystalline diamond containing boron and the boron compound decreased somewhat with increasing the boron atom concentration with respect to the noup hardness of the additive-free polycrystalline diamond, and the boron, the boron compound. The noup hardness of polycrystalline diamond containing hydrogen and oxygen decreases somewhat further with increasing boron atom concentration, hydrogen atom concentration and oxygen atom concentration. It is considered that boron, boron compounds, hydrogen and oxygen contained in polycrystalline diamond serve as the starting points of plastic deformation and reduce the hardness to some extent. However, the Knoop hardness of polycrystalline diamond with a total atomic concentration of boron 4.0 × 10 20 cm -3 , hydrogen atomic concentration 1.0 × 10 19 cm -3 and oxygen atomic concentration 1.0 × 10 19 cm -3. Is equal to or higher than the Knoop hardness of ordinary synthetic single crystal diamond (Ib type single crystal diamond, isolated substitution type nitrogen atom concentration 1.7 × 10 19 cm -3).
(耐摩耗性の評価)
多結晶ダイヤモンドを、直径φ1mm×高さ2mmの円柱形状に加工して、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、ホウ素およびホウ素化合物(ホウ素の合計の原子濃度が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。
(Evaluation of wear resistance)
Polycrystalline diamond is processed into a cylindrical shape with a diameter of φ1 mm and a height of 2 mm, and a wear test of polycrystalline diamond (load is 2.5 kgf /) using a metal bond diamond wheel (manufactured by Allied Material Co., Ltd.) of
上記のメタルボンドダイヤモンドホイールを用いた摩耗試験においては、機械的摩耗と熱化学的摩耗が相乗的に進行している。そこで、以下に示すように、機械摩耗特性および熱化学的摩耗特性について評価する。 In the wear test using the metal-bonded diamond wheel described above, mechanical wear and thermochemical wear proceed synergistically. Therefore, as shown below, the mechanical wear characteristics and the thermochemical wear characteristics are evaluated.
多結晶ダイヤモンドの機械的摩耗特性を評価するために、主として機械的摩耗が進行する酸化アルミニウム(Al2O3)に対する低速度長時間摺動試験を行なう。ホウ素およびホウ素化合物(ホウ素の合計の原子濃度が0cm-3〜4.0×1020cm-3)、水素(原子濃度が0cm-3〜4.0×1019cm-3)および酸素(原子濃度が0cm-3〜4.0×1020cm-3)を含む多結晶ダイヤモンドを用いて作成した先端の試験面が直径0.3mmの円錐台形状の試験片をマシニングセンターに用いて、これに0.3MPaの一定荷重でAl2O3焼結体(純度が99.9質量%)に押し付けて、5m/minの低速度で、10kmの距離を摺動させて、先端径の広がりから摩耗量を算出する。ホウ素、水素、および酸素を含む多結晶ダイヤモンドの摩耗量は、無添加の多結晶体ダイヤモンドに比べて、0.05倍程度であり、耐摩耗性が大幅に向上する。ホウ素、水素、および酸素を含む多結晶ダイヤモンドの摩耗により更新される表面に形成される酸化膜である保護膜の潤滑効果により摺動特性が大きく向上し、機械的摩耗が著しく抑制されるものと考えられる。 In order to evaluate the mechanical wear characteristics of polycrystalline diamond, a low-speed long-time sliding test is mainly performed on aluminum oxide (Al 2 O 3) in which mechanical wear progresses. Boron and boron compounds (total atomic concentration of boron is 0 cm -3 to 4.0 x 10 20 cm -3 ), hydrogen (atomic concentration is 0 cm -3 to 4.0 x 10 19 cm -3 ) and oxygen (atom) A conical test piece with a tip test surface of 0.3 mm diameter prepared using a polycrystalline diamond containing 0 cm -3 to 4.0 x 10 20 cm -3 ) with a concentration of 0 cm -3 to 4.0 x 10 20 cm -3) was used for the machining center. It is pressed against an Al 2 O 3 sintered body (purity 99.9% by mass) with a constant load of 0.3 MPa and slid at a low speed of 5 m / min for a distance of 10 km to wear from the widening of the tip diameter. Calculate the amount. The amount of wear of polycrystalline diamond containing boron, hydrogen, and oxygen is about 0.05 times that of polycrystalline diamond without additives, and the wear resistance is significantly improved. The lubricating effect of the protective film, which is an oxide film formed on the surface that is renewed by the wear of polycrystalline diamond containing boron, hydrogen, and oxygen, greatly improves the sliding characteristics and significantly suppresses mechanical wear. Conceivable.
多結晶ダイヤモンドの熱化学的摩耗特性を評価するために、主として熱化学的摩耗が進行する二酸化ケイ素(SiO2)に対する摺動試験を行なう。ホウ素およびホウ素化合物(ホウ素の合計の原子濃度が0cm-3〜4.0×1020cm-3)、水素(原子濃度が0cm-3〜4.0×1019cm-3)および酸素(原子濃度が0cm-3〜4.0×1020cm-3)を含む多結晶ダイヤモンドを用いて作成した先端の試験面が直径0.3mmの円錐台形状の試験片を固定して、直径20mmの合成石英(SiO2)を研磨盤として、6000rpm(摺動速度260〜340m/min)で回転させながら、固定した試験片の試験面に0.1MPaで押し付けて摺動させる。 In order to evaluate the thermochemical wear characteristics of polycrystalline diamond, a sliding test is mainly performed on silicon dioxide (SiO 2) in which thermochemical wear progresses. Boron and boron compounds (total atomic concentration of boron is 0 cm -3 to 4.0 x 10 20 cm -3 ), hydrogen (atomic concentration is 0 cm -3 to 4.0 x 10 19 cm -3 ) and oxygen (atom) A conical test piece with a tip test surface of 0.3 mm diameter prepared using a polycrystalline diamond containing 0 cm -3 to 4.0 × 10 20 cm -3 ) with a concentration of 0 cm -3 to 4.0 × 10 20 cm -3) was fixed to a test piece having a diameter of 20 mm. Using synthetic quartz (SiO 2 ) as a polishing machine, while rotating at 6000 rpm (sliding speed 260 to 340 m / min), it is pressed against the test surface of the fixed test piece at 0.1 MPa and slid.
図6は、本多結晶体ダイヤモンドの二酸化ケイ素に対する摩耗速度測定の結果の一例を示すグラフである。図6に示すように、ホウ素、ホウ素化合物、水素、および酸素を含む多結晶ダイヤモンドは、無添加の多結晶ダイヤモンドに比べて、摩耗速度が低くなり、耐摩耗性が向上する。特にホウ素原子濃度が2×1019cm-3〜2×1020cm-3の多結晶ダイヤモンドにおいては、摩耗速度が著しく低くなり、耐摩耗性が大幅に向上する。多結晶ダイヤモンドの二酸化ケイ素に対する損傷は、化学反応による摩耗により発生するが、ホウ素、ホウ素化合物、水素、および酸素を含む多結晶ダイヤモンドの摩耗により更新される表面に形成される酸化膜である保護膜の潤滑効果により摺動特性が大きく向上し、熱化学的摩耗が著しく抑制されるものと考えられる。 FIG. 6 is a graph showing an example of the results of measurement of the wear rate of this polycrystalline diamond with respect to silicon dioxide. As shown in FIG. 6, polycrystalline diamond containing boron, a boron compound, hydrogen, and oxygen has a lower wear rate and improved wear resistance than polycrystalline diamond without additives. In particular, in polycrystalline diamond having a boron atom concentration of 2 × 10 19 cm -3 to 2 × 10 20 cm -3 , the wear rate is remarkably low and the wear resistance is greatly improved. Damage to silicon dioxide of polycrystalline diamond is caused by abrasion due to a chemical reaction, but is a protective film that is an oxide film formed on the surface that is renewed by abrasion of polycrystalline diamond containing boron, boron compounds, hydrogen, and oxygen. It is considered that the sliding characteristics are greatly improved by the lubricating effect of the above, and thermochemical wear is remarkably suppressed.
ホウ素、ホウ素化合物、水素、および酸素を含む多結晶ダイヤモンドにおける機械的摩耗の抑制および摩擦による発熱抑制による熱化学的摩耗の抑制は,超硬合金やアルミニウム合金をはじめとする難削材の加工に好適であることを示している。 Suppression of mechanical wear and thermochemical wear by suppressing heat generation due to friction in polycrystalline diamond containing boron, boron compounds, hydrogen, and oxygen is suitable for processing difficult-to-cut materials such as cemented carbide and aluminum alloys. It shows that it is suitable.
上記のように、本実施形態の多結晶ダイヤモンドは、結晶中に、原子レベルで分散しかつ全体の90原子%以上が孤立置換型で含まれるホウ素と、孤立置換型または侵入型で含まれるホウ素化合物、水素および酸素と、により表面に酸化物が形成され、かかる酸化膜である保護膜の耐酸化性および潤滑性により、耐酸化性、耐摩耗性および摺動特性が向上する。 As described above, in the polycrystalline diamond of the present embodiment, boron dispersed in the crystal at the atomic level and 90 atomic% or more of the whole is contained in the isolated substitution type and boron contained in the isolated substitution type or the penetrating type. Oxides are formed on the surface by compounds, hydrogen and oxygen, and the oxidation resistance and lubricity of the protective film, which is such an oxide film, improves oxidation resistance, abrasion resistance and sliding properties.
また、本実施形態の多結晶ダイヤモンドは、含まれるホウ素により導電性を有するため、無添加の多結晶ダイヤモンド、通常の単結晶ダイヤモンドなどで見られるトライボプラズマによる異常な損耗も抑制される。したがって、本実施形態多結晶ダイヤモンドは,セラミックス、プラスチック、ガラス,石英などの絶縁性の対象物の加工に対して高い性能が期待できる。 Further, since the polycrystalline diamond of the present embodiment has conductivity due to the contained boron, abnormal wear due to triboplasma, which is observed in additive-free polycrystalline diamond, ordinary single crystal diamond, and the like, can be suppressed. Therefore, the polycrystalline diamond of the present embodiment can be expected to have high performance for processing insulating objects such as ceramics, plastics, glass, and quartz.
≪実施形態2:多結晶ダイヤモンドの製造方法≫
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、上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、ホウ素化合物と、水素と、酸素と、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工程と、を含み、上記ホウ素化合物は、酸素含有ホウ素化合物を含む。本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドの製造方法は、内部の高硬度のダイヤモンド構造を維持するともに、表面を保護するための保護膜として酸化膜を形成することができるため、耐摩耗性が高い多結晶ダイヤモンドを製造することができる。
<< Embodiment 2: Method for producing polycrystalline diamond >>
With reference to FIG. 7, in the method for producing polycrystalline diamond according to the present embodiment, carbon and boron dispersed in the crystal grains of the carbon at the atomic level and 90 atomic% or more thereof exists as an isolated substitution type. The first step S10 for preparing graphite containing a boron compound, hydrogen, and oxygen, the second step for filling the container with the graphite in an inert gas atmosphere, and the graphite in the container. The boron compound includes an oxygen-containing boron compound, which comprises a third step of converting to diamond by pressure heat treatment. The method for producing polycrystalline diamond according to the present embodiment has high abrasion resistance because it can maintain a high-hardness diamond structure inside and form an oxide film as a protective film for protecting the surface. Crystalline diamond can be produced.
<第1工程>
第1工程S10は、炭素と、上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、ホウ素化合物と、水素と、酸素と、を含む黒鉛を効率よく製造する観点から、第1サブ工程と第2サブ工程とを含むことが好ましい。また、第1工程S10は、上記黒鉛に水素および酸素を含まれる観点から、第3サブ工程をさらに含むこともできる。ここで、第1サブ工程においては、互いに方法の異なる2種類の第1サブ工程のいずれかを選択できる。
<First step>
The first step S10 contains carbon, boron dispersed in the crystal grains of the carbon at the atomic level, and 90 atomic% or more of the carbon exists as an isolated substitution type, a boron compound, hydrogen, and oxygen. From the viewpoint of efficiently producing graphite, it is preferable to include a first sub-step and a second sub-step. Further, the first step S10 may further include a third sub-step from the viewpoint that the graphite contains hydrogen and oxygen. Here, in the first sub-step, one of two types of first sub-steps having different methods can be selected.
(第1サブ工程)
第1サブ工程として選択される第1の方法である第1αサブ工程は、グラファイト、グラフェン、酸化グラフェン、および炭素の六員環を含む有機化合物の少なくともいずれかと、ホウ素、水素および酸素を含む液状の第1有機化合物と、水素および酸素を含む液状の第2有機化合物と、を混合することにより混合物を得るサブ工程である。第1αサブ工程は、上記黒鉛の収率が高い点で有利である。
(1st sub process)
The first α sub-step, which is the first method selected as the first sub-step, is a liquid containing at least one of an organic compound containing graphite, graphene, graphene oxide, and a six-membered ring of carbon, and boron, hydrogen, and oxygen. This is a sub-step of obtaining a mixture by mixing the first organic compound of No. 1 and a liquid second organic compound containing hydrogen and oxygen. The first α sub-step is advantageous in that the yield of the graphite is high.
第1サブ工程として選択される第2の方法である第1βサブ工程は、ホウ素、水素および酸素を含む液状の第1有機化合物およびホウ素を含む液状の第3有機化合物の少なくともいずれかと、水素および酸素を含む液状の第2有機化合物と、を混合することにより混合物を得るサブ工程である。第1βサブ工程は、混合物が均一分散性に優れる点で有利である。 The first β sub-step, which is the second method selected as the first sub-step, comprises at least one of a liquid first organic compound containing boron, hydrogen and oxygen and a liquid third organic compound containing boron, hydrogen and This is a sub-step of obtaining a mixture by mixing with a liquid second organic compound containing oxygen. The first β sub-step is advantageous in that the mixture is excellent in uniform dispersibility.
グラファイト、グラフェン、酸化グラフェン、および炭素の六員環を含む有機化合物の少なくともいずれかは、上記黒鉛の収率を高める。ここで、炭素の六員環とは、ベンゼンなどの芳香族環、ヘキサンなどの脂肪族環などを含む。 At least one of graphite, graphene, graphene oxide, and an organic compound containing a six-membered ring of carbon increases the yield of graphite. Here, the six-membered ring of carbon includes an aromatic ring such as benzene and an aliphatic ring such as hexane.
上記第1有機化合物は、ホウ酸トリメチルおよびホウ酸トリエチルの少なくともいずれかが好ましい。ホウ酸トリメチル(融点−29℃、沸点69℃)およびホウ酸トリエチル(融点−85℃、沸点117℃)は、室温(たとえば25℃)を含む広い温度範囲において液状であるため取り扱いやすく、また、一分子におけるホウ素、水素および酸素の含有率が高いため効率的にホウ素、水素および酸素を添加できる。 The first organic compound is preferably at least one of trimethyl borate and triethyl borate. Trimethyl borate (melting point -29 ° C., boiling point 69 ° C.) and triethyl borate (melting point -85 ° C., boiling point 117 ° C.) are easy to handle because they are liquid in a wide temperature range including room temperature (for example, 25 ° C.). Since the content of boron, hydrogen and oxygen in one molecule is high, boron, hydrogen and oxygen can be added efficiently.
上記第2有機化合物は、アルコール類が好ましい。アルコール類は、室温(たとえば25℃)を含む広い温度範囲において液状であるため取り扱いやすく、また、溶媒としても好適であり、また、一分子における水素および酸素の含有率が高いため効率的にホウ素、水素および酸素を添加できる。かかる観点から、アルコール類として、メタノール(融点−97.78℃、沸点64.65℃)、エタノール(融点−114.5℃、沸点78.37℃)、1−プロパノール(融点−126.5℃、沸点97.15℃)、2−プロパノール(融点−89.5℃、沸点82.4℃)などが好ましい。 Alcohols are preferable as the second organic compound. Alcohols are easy to handle because they are liquid in a wide temperature range including room temperature (for example, 25 ° C.), are also suitable as a solvent, and are efficiently boron because of the high content of hydrogen and oxygen in one molecule. , Hydrogen and oxygen can be added. From this point of view, alcohols include methanol (melting point -97.78 ° C., boiling point 64.65 ° C.), ethanol (melting point -114.5 ° C., boiling point 78.37 ° C.), 1-propanol (melting point -126.5 ° C.). , Boiling point 97.15 ° C.), 2-propanol (melting point −89.5 ° C., boiling point 82.4 ° C.) and the like are preferable.
上記第3有機化合物は、トリエチルボランを代表とするトリアルキルボランなどが好ましい。これらは、室温(たとえば25℃)を含む広い温度範囲において液状であるため取り扱いやすく、また、一分子におけるホウ素の含有率が高いため効率的にホウ素を添加できる。 The third organic compound is preferably trialkylborane typified by triethylborane. Since these are liquid in a wide temperature range including room temperature (for example, 25 ° C.), they are easy to handle, and since the content of boron in one molecule is high, boron can be added efficiently.
(第2サブ工程)
第2サブ工程は、上記混合物を、1500℃以上1800℃以下で熱分解することにより上記黒鉛を形成するサブ工程である。かかるサブ工程により、上記混合物から効率的に上記黒鉛が得られる。上記黒鉛の形成を促進するとともに上記黒鉛からの水素および酸素の抜けを抑制する観点から、上記混合物の熱分解の条件は、不活性ガス雰囲気下が好ましく、0.1気圧以上2気圧以下が好ましく、1500℃以上1800℃以下が好ましい。ここで、不活性ガスとは、上記黒鉛の形成および上記黒鉛から多結晶ダイヤモンドへ変換する際に、上記の有機化合物および上記黒鉛と反応しないガスをいい、たとえば、Ar(アルゴン)ガス、He(ヘリウム)ガス、Xe(キセノン)ガスなどが好適である。
(Second sub-process)
The second sub-step is a sub-step of forming the graphite by thermally decomposing the mixture at 1500 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower. By such a sub-step, the graphite can be efficiently obtained from the mixture. From the viewpoint of promoting the formation of the graphite and suppressing the escape of hydrogen and oxygen from the graphite, the conditions for thermal decomposition of the mixture are preferably in an inert gas atmosphere, preferably 0.1 atm or more and 2 atm or less. It is preferably 1500 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower. Here, the inert gas refers to a gas that does not react with the organic compound and the graphite when forming the graphite and converting the graphite into polycrystalline diamond, for example, Ar (argon) gas, He ( Helium gas, Xe (xenone) gas and the like are suitable.
<第4工程>
本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドの製造方法は、上記第1工程の後であって、後述する第2工程の前に、第4工程をさらに含むことが好ましい。第4工程は、A工程とB工程とC工程とをこの順に複数回繰り返す工程である。A工程は、上記黒鉛を粉砕体に粉砕する工程であり、B工程は、上記粉砕体を成形体に成形する工程であり、C工程は、上記成形体を1500〜1800℃で熱分解することにより、上記黒鉛を再度準備する工程である。これにより、B4Cなどの微量不純物の混入を極力避けることが可能となる。上記黒鉛にB4Cが混入しているか否かは、たとえばX線回折装置を用いたB4C由来のピークの有無により確認することができる。
<4th process>
The method for producing polycrystalline diamond according to the present embodiment preferably further includes a fourth step after the first step and before the second step described later. The fourth step is a step in which the A step, the B step, and the C step are repeated a plurality of times in this order. Step A is a step of crushing the graphite into a crushed body, step B is a step of molding the crushed body into a molded body, and step C is a step of thermally decomposing the molded body at 1500 to 1800 ° C. This is a step of preparing the above graphite again. This makes it possible to avoid mixing of trace impurities such as B 4 C as much as possible. Whether or not B 4 C is mixed in the graphite can be confirmed by, for example, the presence or absence of a peak derived from B 4 C using an X-ray diffractometer.
本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドの製造方法は、上記第1工程の後および上記第4工程の後の両方またはいずれか一方であって、後述する第2工程の前に、次のような工程を含むことができる。すなわち、第1工程または上記第4工程で準備した黒鉛に、真空条件で、水素および酸素の少なくともいずれかを含ませる工程である。かかる工程により、上記黒鉛に水素および酸素の少なくともいずれかを所望量さらに添加できる。真空条件下とは、特に制限はないが、微量不純物の混入を低減する観点から、10Pa以下が好ましく、1Pa以下がより好ましい。雰囲気温度は、炭素の酸化を抑制する観点から、600℃以下が好ましく、300℃以下がより好ましい。真空条件下で上記黒鉛に水素と酸素とを含ませる方法は、上記の真空条件下で上記黒鉛に水素および酸素の少なくともいずれかを単独形態または複合形態で多結晶ダイヤモンドに導入できる方法であれば特に制限はない。 The method for producing polycrystalline diamond according to the present embodiment is either after the first step and / or after the fourth step, and is as follows before the second step described later. Can be included. That is, it is a step of impregnating the graphite prepared in the first step or the fourth step with at least one of hydrogen and oxygen under vacuum conditions. By such a step, at least one of hydrogen and oxygen can be further added to the graphite in a desired amount. The vacuum conditions are not particularly limited, but are preferably 10 Pa or less, and more preferably 1 Pa or less, from the viewpoint of reducing the mixing of trace impurities. The ambient temperature is preferably 600 ° C. or lower, more preferably 300 ° C. or lower, from the viewpoint of suppressing carbon oxidation. The method of incorporating hydrogen and oxygen into the graphite under vacuum conditions is a method capable of introducing at least one of hydrogen and oxygen into the graphite under the vacuum conditions in a single form or a composite form into polycrystalline diamond. There are no particular restrictions.
上記黒鉛におけるホウ素、ホウ素化合物、水素および酸素の分散状態ならびに存在形態は、上記多結晶ダイヤモンドにおけるこれらの元素の分散状態および存在形態の確認方法と同じ方法によりそれぞれ確認することができる。「原子レベルで分散する」こと、「孤立置換型」または「侵入型」であること、ホウ素およびホウ素化合物中のホウ素、水素および酸素の原子濃度、ならびに微量不純物の濃度についても、上記多結晶ダイヤモンドにおける確認方法と同じ方法によりそれぞれ確認することができる。 The dispersed state and existing form of boron, boron compound, hydrogen and oxygen in the graphite can be confirmed by the same method as the method for confirming the dispersed state and existing form of these elements in the polycrystalline diamond. Regarding "dispersion at the atomic level", "isolated substitution type" or "penetration type", atomic concentrations of boron, hydrogen and oxygen in boron and boron compounds, and concentrations of trace impurities, the above-mentioned polycrystalline diamond Each can be confirmed by the same method as the confirmation method in.
上記黒鉛の微量不純物のうち遷移金属の原子濃度は、SIMSおよびICP−MSの検出限界以下(1×1015cm-3未満)であることが好ましい。さらに、上記黒鉛の粒径は、粒径が1〜500nmと小さく、かつホウ素、ホウ素化合物、水素および酸素の分布が均一な多結晶ダイヤモンドを形成する観点から、10μm以下であることが好ましく、1μm以下であることがより好ましい。 Among the trace impurities of graphite, the atomic concentration of the transition metal is preferably not less than the detection limit of SIMS and ICP-MS (less than 1 × 10 15 cm -3). Further, the particle size of the graphite is preferably 10 μm or less, preferably 1 μm, from the viewpoint of forming a polycrystalline diamond having a small particle size of 1 to 500 nm and a uniform distribution of boron, boron compound, hydrogen and oxygen. It is more preferable that it is as follows.
上記黒鉛は、その微量不純物のうちBC5の濃度が、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、上記BC5由来のすべての回折ピークの総面積が1%未満となる。BC5の濃度は、上述の面積比率が0.1%未満であることが好ましく、最も好ましくは0%である。またB4Cの濃度は、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、上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、上記B4C由来のすべての回折ピークの総面積が1%未満となる。B4Cの濃度は、上述の面積比率が0.1%未満であることが好ましく、最も好ましくは0%である。BC5およびB4Cの濃度測定は、上述したX線回折装置を用いて上述した条件により測定することができる。 In the graphite, the concentration of BC 5 among the trace impurities is in the range where the diffraction angle 2θ in the X-ray diffraction measurement is in the range of 0 ° to 90 °, and the BC 5 is obtained with respect to the total area of all the diffraction peaks derived from diamond. The total area of all diffraction peaks of origin is less than 1%. The concentration of BC 5 is preferably such that the above-mentioned area ratio is less than 0.1%, and most preferably 0%. Further, the concentration of B 4 C is such that all the diffractions derived from B 4 C are compared with the total area of all the diffraction peaks derived from diamond in the range where the diffraction angle 2θ in the X-ray diffraction measurement is in the range of 0 ° to 90 °. The total area of the peak is less than 1%. The concentration of B 4 C is preferably such that the above-mentioned area ratio is less than 0.1%, and most preferably 0%. The BC 5 and B 4 C concentrations can be measured using the above-mentioned X-ray diffractometer under the above-mentioned conditions.
上記黒鉛の密度は、後述する第3工程において黒鉛から多結晶ダイヤモンドに変換する際の体積変化を小さくして歩留まりを高くする観点から、0.8g/cm3以上が好ましく、1.4g/cm3以上2.0g/cm3以下がより好ましい。 The density of the graphite is preferably 0.8 g / cm 3 or more, preferably 1.4 g / cm, from the viewpoint of reducing the volume change when converting graphite to polycrystalline diamond in the third step described later and increasing the yield. 3 to 2.0 g / cm 3 or less is more preferable.
<第2工程>
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(高圧プレス用セル)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、Kr(クリプトン)ガス、He(ヘリウム)ガスなどが挙げられる。
<Second step>
The second step S20 is a step of putting the graphite into the container under an inert gas atmosphere. By putting the graphite in a predetermined container (high-pressure press cell) under an inert gas atmosphere, it is possible to prevent trace impurities from being mixed into the graphite and the polycrystalline diamond formed. Here, the inert gas is not particularly limited as long as it is a gas capable of suppressing the mixing of trace impurities into the graphite and the polycrystalline diamond formed, and is Ar (argon) gas, Kr (krypton) gas, He (helium). ) Gas and the like.
<第3工程>
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。
<Third step>
The third step S30 is a step of converting the graphite into diamond by pressure heat treatment in the container. In the third step S30, when the graphite is converted into the polycrystalline diamond, the graphite is directly converted by directly heat-treating the graphite from the viewpoint of suppressing the mixing of trace impurities into the formed polycrystalline diamond. That is, it is preferable to perform conversion without adding a sintering aid and / or a catalyst or the like.
第3工程S30における加圧熱処理は、多結晶ダイヤモンドの結晶中に、ホウ素が原子レベルで分散しかつ全体の90原子%以上が孤立置換型で含まれ、ホウ素化合物、水素および酸素が孤立置換型または侵入型で含まれる多結晶ダイヤモンドを好適に製造する観点から、6GPa以上かつ1200℃以上の条件が好ましく、8GPa以上30GPa以下かつ1500℃以上2300℃以下の条件がより好ましい。加圧熱処理は、好ましくは6GPa以上、より好ましくは8GPaであることにより、黒鉛を多結晶ダイヤモンドに直接変換することができる。加圧熱処理は、好ましくは30GPa以下であることにより、各元素を揮発させないで、黒鉛を多結晶ダイヤモンドに直接変換することができる。また、好ましくは1200℃以上であることにより、黒鉛を多結晶ダイヤモンドに直接変換することができる。好ましくは2300℃以下であることにより、各元素を揮発させないで、黒鉛を多結晶ダイヤモンドに直接変換することができる。 In the pressure heat treatment in the third step S30, boron is dispersed at the atomic level and 90 atomic% or more of the whole is contained in the crystal of polycrystalline diamond in the isolated substitution type, and the boron compound, hydrogen and oxygen are isolated substitution type. Alternatively, from the viewpoint of preferably producing the polycrystalline diamond contained in the penetration type, the conditions of 6 GPa or more and 1200 ° C. or higher are preferable, and the conditions of 8 GPa or more and 30 GPa or less and 1500 ° C. or higher and 2300 ° C. or lower are more preferable. The pressure heat treatment is preferably 6 GPa or more, more preferably 8 GPa, so that graphite can be directly converted into polycrystalline diamond. The pressure heat treatment is preferably 30 GPa or less, so that graphite can be directly converted into polycrystalline diamond without volatilizing each element. Further, preferably, the temperature is 1200 ° C. or higher, so that graphite can be directly converted into polycrystalline diamond. Preferably, the temperature is 2300 ° C. or lower, so that graphite can be directly converted into polycrystalline diamond without volatilizing each element.
以上より、本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドの製造方法は、耐酸化性、摺動特性および耐摩耗性が高く、摩擦係数が低い多結晶ダイヤモンドを製造することができる。多結晶ダイヤモンドは、直径φ15mm×厚さ15mm程度の任意の形状および厚みで製造される。多結晶ダイヤモンドは、たとえば黒鉛の体積密度が1.8g/cm3程度である場合、加圧熱処理によって該黒鉛の70〜80%の体積に収縮するが、形状は黒鉛と同じまたはほぼ同じとなる。 From the above, the method for producing polycrystalline diamond according to the present embodiment can produce polycrystalline diamond having high oxidation resistance, sliding characteristics and wear resistance, and a low coefficient of friction. The polycrystalline diamond is manufactured in an arbitrary shape and thickness having a diameter of φ15 mm and a thickness of about 15 mm. For example, when the volume density of graphite is about 1.8 g / cm 3 , the polycrystalline diamond shrinks to 70 to 80% of the volume of the graphite by pressure heat treatment, but the shape becomes the same as or almost the same as that of graphite. ..
≪実施形態3:スクライブツール≫
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作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。
<< Embodiment 3: Scribe tool >>
The scribe tool according to the present embodiment can be created using the polycrystalline diamond of the first embodiment. Since the scribe tool of the present embodiment is formed by using the polycrystalline diamond of the first embodiment, it has high wear resistance.
≪実施形態4:スクライブホイール≫
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作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。
<< Embodiment 4: Scribe wheel >>
The scribe wheel according to the present embodiment can be produced by using the polycrystalline diamond of the first embodiment. Since the scribe wheel of the present embodiment is formed by using the polycrystalline diamond of the first embodiment, it has high wear resistance.
≪実施形態5:ドレッサー≫
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作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。
<< Embodiment 5: Dresser >>
The dresser according to the present embodiment can be made using the polycrystalline diamond of the first embodiment. Since the dresser of the present embodiment is formed by using the polycrystalline diamond of the first embodiment, it has high wear resistance.
≪実施形態6:回転工具≫
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作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。
<< Embodiment 6: Rotating tool >>
The rotary tool according to the present embodiment can be created by using the polycrystalline diamond of the first embodiment. Since the rotary tool of the present embodiment is formed by using the polycrystalline diamond of the first embodiment, it has high wear resistance.
≪実施形態7:伸線ダイス≫
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作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。
<< Embodiment 7: Wire drawing die >>
The wire drawing die according to the present embodiment can be produced by using the polycrystalline diamond of the first embodiment. Since the wire drawing die of the present embodiment is formed by using the polycrystalline diamond of the first embodiment, it has high wear resistance.
≪実施形態8:切削工具≫
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作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。
<< Embodiment 8: Cutting tool >>
The cutting tool according to the present embodiment can be created by using the polycrystalline diamond of the first embodiment. Since the cutting tool of the present embodiment is formed by using the polycrystalline diamond of the first embodiment, it has high wear resistance.
≪実施形態9:電極≫
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作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。
<< Embodiment 9: Electrode >>
The electrode according to the present embodiment can be produced by using the polycrystalline diamond of the first embodiment. Since the electrode according to the present embodiment is formed by using the polycrystalline diamond of the first embodiment, it has high wear resistance.
≪実施形態10:加工方法≫
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。
<< Embodiment 10: Processing method >>
In the processing method according to the present embodiment, the object can be processed using the polycrystalline diamond of the first embodiment. In the processing method according to the present embodiment, the object is processed using the polycrystalline diamond of the first embodiment, so that the object can be processed efficiently and at low cost.
本実施形態にかかる加工方法において、対象物は絶縁体が好ましい。かかる加工方法は、導電性を有する実施形態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、対象物が絶縁体であっても、トライボプラズマなどによる異常な損耗を発生させることなく、効率よく低コストで対象物を加工できる。 In the processing method according to the present embodiment, the object is preferably an insulator. In such a processing method, since the object is processed using the polycrystalline diamond of the first embodiment having conductivity, even if the object is an insulator, it is efficient without causing abnormal wear due to triboplasma or the like. The object can be processed well at low cost.
本実施形態にかかる加工方法において、対象物たる絶縁体は100kΩ・cm以上の抵抗率を有することが好ましい。かかる加工方法は、導電性を有する実施形態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、対象物が100kΩ・cm以上の抵抗率を有する絶縁体であっても、トライボプラズマによるエッチングを発生させることなく、効率よく低コストで対象物を加工できる。 In the processing method according to the present embodiment, the insulator as an object preferably has a resistivity of 100 kΩ · cm or more. In such a processing method, since the object is processed using the polycrystalline diamond of the first embodiment having conductivity, even if the object is an insulator having a resistivity of 100 kΩ · cm or more, etching by triboplasma is performed. The object can be processed efficiently and at low cost without generating it.
(実施例I:多結晶ダイヤモンドの製造)
1.黒鉛の準備
実施例1〜5においては、以下の第1工程により、ホウ素、ホウ素化合物(具体的には、酸化ホウ素およびホウ酸)、水素および酸素を含む黒鉛を準備した。まず、市販のフラスコ(容量:100mL)中を脱気し、アルゴン雰囲気中に置換した後、液状の第1有機化合物としてホウ酸トリメチルおよび液状の第2有機化合物としてメタノールをそれぞれ1:0.1、1:0.05、1:0.01、1:0.005および1:0.001の体積比率で混合することにより、第1混合物を得た。第1混合物に、4N以上の高純度黒鉛(純度:99.995質量%)または酸化グラフェンを加えて、60℃に保持して、24時間撹拌することにより、第2混合物を得た。次に、第2混合物を上記フラスコから回収し、真空脱気し、アルゴン雰囲気下で、いずれも1800℃かつ13kPaの条件で熱分解することにより、実施例1〜5の最大粒径が1μm以下の上記黒鉛を得た。
(Example I: Production of polycrystalline diamond)
1. 1. Preparation of Graphite In Examples 1 to 5, graphite containing boron, boron compounds (specifically, boron oxide and boric acid), hydrogen and oxygen was prepared by the following first step. First, a commercially available flask (volume: 100 mL) is degassed and replaced in an argon atmosphere, and then trimethyl borate as a liquid first organic compound and methanol as a liquid second organic compound are each 1: 0.1. , 1: 0.05, 1: 0.01, 1: 0.005 and 1: 0.001 to give the first mixture. High-purity graphite (purity: 99.995% by mass) or graphene oxide of 4N or more was added to the first mixture, and the mixture was kept at 60 ° C. and stirred for 24 hours to obtain a second mixture. Next, the second mixture was recovered from the flask, degassed in vacuum, and thermally decomposed under the conditions of 1800 ° C. and 13 kPa in an argon atmosphere, whereby the maximum particle size of Examples 1 to 5 was 1 μm or less. The above graphite was obtained.
比較例1〜3においては、以下の工程により、ホウ素を含むが水素および酸素を実質的に含まない黒鉛を準備した。まず、ハロゲン化処理した最大粒径が500nm以下の4N以上の高純度黒鉛(純度:99.995質量%)および最大粒径が100nm以下のB4Cを、それぞれ1:0.1、1:0.05および1:0.01の体積比率で混合し、成形、焼結(焼結条件はいずれも1800℃かつ1kPa)および粉砕を20回繰り返すことにより、最大粒径が1μm以下の上記黒鉛を得た。
In Comparative Examples 1 to 3, graphite containing boron but substantially free of hydrogen and oxygen was prepared by the following steps. First, high-purity graphite (purity: 99.995% by mass) having a maximum particle size of 500 nm or less and 4N or more and B 4 C having a maximum particle size of 100 nm or less are subjected to halogenation treatment at 1: 0.1 and 1: respectively. The graphite having a maximum particle size of 1 μm or less is obtained by mixing at a volume ratio of 0.05 and 1: 0.01, and repeating molding, sintering (sintering conditions are 1800 ° C. and 1 kPa) and
2.黒鉛の容器内への収納
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:直径φ10mm×高さ10mmの円柱形状)内にArガスで封入した。
2. Storage of Graphite in a Container After processing the above graphite into a tablet shape, it was sealed in a container (high-pressure press cell: cylindrical shape with a diameter of φ10 mm and a height of 10 mm) with Ar gas.
3.黒鉛から多結晶ダイヤモンドへの変換
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含まれることを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、ホウ素化合物、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、NEXAFS(吸収端近傍X線吸収微細構造)およびTOF−SIMSで確認した。さらに、実施例1〜5の多結晶ダイヤモンドの表面に保護膜として酸化膜が形成されていることを、TOF−SIMS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、それらのホウ素原子濃度、水素原子濃度および酸素原子濃度をSIMSにより測定し、それらの酸素含有ホウ素化合物(酸化ホウ素およびホウ酸)、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、酸素の原子濃度の検出限界は1×1016cm-3未満であり、水素の原子濃度の検出限界は1×1017cm-3未満であった。
3. 3. Conversion of Graphite to Polycrystalline Diamond The graphite was directly converted to polycrystalline diamond by placing the container containing the graphite in a pressurized heat device and performing a pressure heat treatment under the conditions of 16 GPa and 2100 ° C. Regarding the obtained polycrystalline diamonds of Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 5, it was determined that boron was dispersed at the atomic level and 90% or more of the total was contained in an isolated substitution type. And confirmed by TOF-SIMS. Further, regarding the obtained polycrystalline diamonds of Examples 1 to 5, TEM, NEXAFS (X-ray absorption fine structure near the absorption edge) and TEM, NEXAFS (X-ray absorption fine structure near the absorption edge) and Confirmed by TOF-SIMS. Further, it was confirmed by TOF-SIMS that an oxide film was formed as a protective film on the surface of the polycrystalline diamonds of Examples 1 to 5. Further, for the polycrystalline diamonds of Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 5, their boron atom concentration, hydrogen atom concentration and oxygen atom concentration were measured by SIMS, and their oxygen-containing boron compounds (boron oxide and boric acid) were measured. ), The concentrations of BC 5 and B 4 C were measured by X-ray diffraction measurement, and the results are summarized in Table 1. In Table 1, the detection limit of the atomic concentration of oxygen was less than 1 × 10 16 cm -3 , and the detection limit of the atomic concentration of hydrogen was less than 1 × 10 17 cm -3.
TEMによるホウ素の原子レベルでの分散状態の確認は、公知の条件で実施した。
SIMSによる添加元素の孤立置換型または侵入型の確認条件、ならびに濃度の測定条件は以下のとおりであった。
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)。
Confirmation of the dispersion state of boron at the atomic level by TEM was carried out under known conditions.
The conditions for confirming the isolated substitution type or the invasion type of the added element by SIMS, and the measurement conditions for the concentration were as follows.
Measuring device: CAMECA IMS-7f
Primary ion species: Cs +
Primary acceleration voltage: 15.0 kV
Detection area: 30 (μmφ)
Measurement accuracy: ± 40% (2σ).
TOF−SIMSによる添加元素の孤立置換型または侵入型の確認条件、ならびに濃度の測定条件は以下のとおりであった。
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。
The conditions for confirming the isolated substitution type or the invasion type of the added element by TOF-SIMS and the measurement conditions for the concentration were as follows.
Measuring device: TOF-SIMS mass spectrometer (flying time secondary ion mass spectrometer)
Primary ion source: Bismuth (Bi)
Primary acceleration voltage: 25 kV.
BC5およびB4Cの濃度の測定のためのX線回折測定条件は以下のとおりであった。
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。
The X-ray diffraction measurement conditions for measuring the concentrations of BC 5 and B 4 C were as follows.
Characteristic X-ray: Cu-Kα wire tube voltage: 30 kV
Tube current: 20mA
X-ray diffraction method: θ-2θ method X-ray irradiation method: Irradiate X-rays using a pinhole collimator.
(実施例II:スクライブツールの作成と評価)
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。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作成したスクライブツールの表面に保護膜として酸化膜が形成されていることを、TOF−SIMSで確認した。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上記スクライブツールを含む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。
(Example II: Creation and evaluation of scribe tool)
Using the polycrystalline diamond of Comparative Example 2 of Example I, a scribe tool having a tip of 4 points (square plane shape) was prepared. Using the created scribe tool, 200 scribe grooves having a length of 50 mm were formed on the sapphire substrate with a load of 20 gf. After that, the amount of wear of the polycrystalline diamond at the tip of the scribing tool was 0.2 times less than that of the Ib-type single crystal diamond scribing tool when observed with an electron microscope. Further, when a scribe tool was prepared in the same manner as above using the polycrystalline diamond of Example 2 of Example I and the same experiment was performed, the amount of wear thereof was higher than that of the scribe tool made of Ib type single crystal diamond. It was 0.02 times, which was extremely small, 0.1 times that of the polycrystalline diamond scribing tool of Comparative Example 2. Further, it was confirmed by TOF-SIMS that an oxide film was formed as a protective film on the surface of the scribe tool prepared by using the polycrystalline diamond of Example 2 of Example I. The same effect was confirmed for the scribe wheel including the scribe tool prepared by using the polycrystalline diamonds of Comparative Example 2 and Example 2 of Example I, respectively.
(実施例III:ドレッサーの作成と評価)
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。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作成したドレッサーの表面に保護膜として酸化膜が形成されていることを、TOF−SIMSで確認した。
(Example III: Creation and evaluation of dresser)
Using the polycrystalline diamond of Comparative Example 2 of Example I, a dresser having a single point (conical shape) at the tip was prepared. The prepared dresser was worn using a WA (Hofite Alumina) grindstone in a wet manner under the conditions that the peripheral speed of the grindstone was as low as 30 m / sec and the depth of cut was 0.05 mm. After that, the amount of wear of the dresser was measured by a height gauge meter and found to be 0.3 times less than that of the dresser made of Ib type single crystal diamond. Further, when a dresser was prepared in the same manner as above using the polycrystalline diamond of Example 2 of Example I and the same experiment was performed, the amount of wear thereof was 0 as compared with the dresser made of Ib type single crystal diamond. It was 0.03 times, 0.1 times less than that of the polycrystalline diamond dresser of Comparative Example 2. Further, it was confirmed by TOF-SIMS that an oxide film was formed as a protective film on the surface of the dresser prepared by using the polycrystalline diamond of Example 2 of Example I.
(実施例IV:回転工具の作成と評価)
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φ1mm、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)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。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作成した回転工具であるドリルの表面に保護膜として酸化膜が形成されていることを、TOF−SIMSで確認した。
(Example IV: Creation and evaluation of rotary tool)
Using the polycrystalline diamond of Comparative Example 2 of Example I, a drill having a diameter of φ1 mm and a blade length of 3 mm was prepared. Using the prepared drill, a hole was made in a cemented carbide (WC-Co) plate having a thickness of 1.0 mm under the conditions of a rotation speed of 4000 rpm and a feed of 2 μm / rotation. The number of holes that could be drilled before the drill was worn or damaged was five times as large as that of an Ib-type single crystal diamond drill. Further, when a drill was prepared in the same manner as above using the polycrystalline diamond of Example 2 of Example I and the same experiment was performed, the holes that could be drilled before the drill was worn or damaged were found. The number was extremely large, 50 times that of the Ib type single crystal diamond drill and 10 times that of the polycrystalline diamond dresser of Comparative Example 2. Further, it was confirmed by TOF-SIMS that an oxide film was formed as a protective film on the surface of the drill, which is a rotary tool prepared by using the polycrystalline diamond of Example 2 of Example I.
(実施例V:切削工具Iの作成と評価)
実施例Iの実施例1〜5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。
(Example V: Creation and evaluation of cutting tool I)
By using the same method as in Examples 1 to 5 of Example I, the bulk density was 2.0 g / cm 3 , the atomic concentration of boric acid measured by ICP-MS was 1 × 10 21 cm -3 , and SIMS. A graphite having an atomic concentration of oxygen measured by 1 × 10 18 cm -3 and an atomic concentration of hydrogen of 2.5 × 10 18 cm -3 was prepared. This graphite was directly converted to polycrystalline diamond by heat treatment under pressure at 15 GPa and 2200 ° C. using an isotropic high pressure generator. The particle size of the obtained polycrystalline diamond was 10 nm to 100 nm, respectively.
この多結晶ダイヤモンドを用いて従来公知の方法により切削工具本体を作製した。この切削工具本体に活性ロウ材を用いて、不活性雰囲気で接合し、多結晶ダイヤモンドの面を研磨した後、放電加工により逃げ面を切断加工して、コーナーR0.4mm、逃げ角11°、すくい角0°のRバイトを付与した切削工具(試験工具1)を作成した。比較のために、従来のコバルト(Co)バインダーを含む焼結ダイヤモンドを用いた工具(比較工具A)を同様に放電加工により作成した。放電加工による刃先の稜線精度は、焼結ダイヤモンドを用いた比較工具Aは、含まれるダイヤ砥粒の粒径に依存して、2μm〜5μm程度であったのに対して、本多結晶ダイヤモンドを用いた工具(試験工具1)では0.5μm以下と良好であった。また加工時間も比較工具Aと同等であった。 Using this polycrystalline diamond, a cutting tool body was produced by a conventionally known method. This cutting tool body is joined in an inert atmosphere using an active brazing material, the surface of polycrystalline diamond is polished, and then the flank surface is cut by electric discharge machining to have a corner R of 0.4 mm and a flank angle of 11 °. A cutting tool (test tool 1) provided with an R bite having a rake angle of 0 ° was created. For comparison, a conventional tool using sintered diamond containing a cobalt (Co) binder (comparative tool A) was similarly prepared by electric discharge machining. The ridgeline accuracy of the cutting edge due to electric discharge machining was about 2 μm to 5 μm in the comparison tool A using sintered diamond, depending on the particle size of the diamond abrasive grains contained in it, whereas the polycrystalline diamond was used. The tool used (test tool 1) was as good as 0.5 μm or less. The machining time was also the same as that of the comparison tool A.
さらに、逃げ面を研磨により加工してコーナーR0.4mm、逃げ角11°、すくい角0°のRバイトを付与した切削工具(試験工具2)、無添加多結晶ダイヤモンドを用いた切削工具(比較工具B)およびIb型単結晶ダイヤモンドを用いた切削工具(比較工具C)を作成し、以下の段落に示す試験内容の切削評価を行った。試験工具2、比較工具Bともに刃先稜線精度は0.1μm以下と精緻な刃先精度が得られた。
Furthermore, a cutting tool (test tool 2) in which the flank surface is processed by polishing to provide an R bite with a corner R of 0.4 mm, a flank angle of 11 °, and a rake angle of 0 °, and a cutting tool using additive-free polycrystalline diamond (comparison). A cutting tool (comparative tool C) using tool B) and Ib type single crystal diamond was prepared, and the cutting evaluation of the test contents shown in the following paragraph was performed. For both the
次に、試験工具1〜2および比較工具A〜Cのそれぞれについて、以下の条件により旋削による断続的な切削評価試験を行なった。
・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。
Next, each of the
-Tool shape: Corner R 0.4 mm, clearance angle 11 °,
-Work material: Material-Aluminum alloy A390
-Cutting fluid: Water-soluble emulsion-Cutting conditions: Cutting speed Vc = 800 m / min, cutting ap = 0.2 mm, feed rate f = 0.1 mm / rotation-Cutting distance: 10 km.
上記の切削評価試験を行った後に、工具刃先を観察し、損耗状態を確認したところ、比較工具Aは逃げ面摩耗量が45μmと大きく刃先形状が損なわれていたのに対し、試験工具1は逃げ面摩耗量が2μmと良好であった。一方、研磨仕上げの試験工具2は摩耗量が0.5μmであり、比較工具Bの摩耗量3.5μm、比較工具Cの摩耗量3.5μmと比較して非常に良好であり、従来の無添加多結晶ダイヤと同等以上の耐摩耗特性を示し、工具寿命に優れることが分かった。さらに、本実施例の多結晶ダイヤモンドを用いて作成した切削工具である試験工具1および試験工具2の表面に保護膜として酸化膜が形成されていることを、TOF−SIMSで確認した。
After performing the above cutting evaluation test, the tool cutting edge was observed and the wear state was confirmed. As a result, the comparative tool A had a large flank wear amount of 45 μm, and the cutting edge shape was impaired. The amount of flank wear was as good as 2 μm. On the other hand, the polished
(実施例VI:切削工具IIの作成と評価)
実施例Iの実施例1〜5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1×1019cm-3で、SIMSにより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。
(Example VI: Creation and evaluation of cutting tool II)
By using the same method as in Examples 1 to 5 of Example I, the bulk density was 2.0 g / cm 3 , the atomic concentration of boric acid measured by ICP-MS was 1 × 10 19 cm -3 , and SIMS. A graphite having an atomic concentration of oxygen measured by 1 × 10 18 cm -3 and an atomic concentration of hydrogen of 2.5 × 10 18 cm -3 was prepared. This graphite was directly converted to polycrystalline diamond by heat treatment under pressure at 15 GPa and 2200 ° C. using an isotropic high pressure generator. The particle size of polycrystalline diamond was 10 nm to 100 nm, respectively.
この多結晶ダイヤモンドを、切削工具本体に活性ロウ材を用いて、不活性雰囲気で接合し、多結晶ダイヤモンドの面を研磨した。さらに逃げ面を研磨により加工した本多結晶ダイヤモンドを用いた工具(試験工具3)、無添加多結晶ダイヤモンドを用いた工具(比較工具B)およびIb型単結晶ダイヤモンドを用いた工具(比較工具C)を作成し、実施例Vと同じ内容の切削評価試験を行なった。 This polycrystalline diamond was joined to the cutting tool body using an active brazing material in an inert atmosphere, and the surface of the polycrystalline diamond was polished. Further, a tool using a polycrystalline diamond whose flank surface is polished (test tool 3), a tool using an additive-free polycrystalline diamond (comparative tool B), and a tool using an Ib type single crystal diamond (comparative tool C). ) Was created, and a cutting evaluation test having the same contents as in Example V was performed.
上記の切削評価試験を行なった後に、工具刃先を観察し、損耗状態を確認したところ、試験工具3の摩耗量0.1μmは、比較工具Bの摩耗量3.5μmおよび比較工具Cの摩耗量3.5μmと比較して非常に少なく良好であり、従来の無添加多結晶ダイヤと同等以上の耐摩耗特性を示し、工具寿命に優れることが分かった。さらに、本実施例の多結晶ダイヤモンドを用いて作成した切削工具である試験工具3の表面に保護膜として酸化膜が形成されていることを、TOF−SIMSで確認した。
After performing the above cutting evaluation test, the tool cutting edge was observed and the wear state was confirmed. As a result, the wear amount of the
(実施例VII:切削工具IIIの作成と評価)
実施例Iの実施例1〜5と同じ方法を用いることにより、かさ密度が1.9g/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。
(Example VII: Creation and evaluation of cutting tool III)
By using the same method as in Examples 1 to 5 of Example I, the bulk density was 1.9 g / cm 3 , the atomic concentration of boric acid measured by ICP-MS was 1 × 10 21 cm -3 , and SIMS. A graphite having an atomic concentration of oxygen measured by 1 × 10 18 cm -3 and an atomic concentration of hydrogen of 2.5 × 10 18 cm -3 was prepared. This graphite was directly converted into polycrystalline diamond by heat treatment under pressure at 15 GPa and 2200 ° C. using an isotropic high pressure generator. The particle size of the obtained polycrystalline diamond was 10 nm to 100 nm, respectively. The Knoop hardness of this polycrystalline diamond was 120 GPa. A 3 mm × 1 mm square test piece was cut out from this polycrystalline diamond, and the electrical resistance was measured and found to be 10 Ω.
この導電性の多結晶ダイヤモンドを、切削工具本体に活性ロウ材を用いて、不活性雰囲気で接合し、多結晶ダイヤモンドの面を研磨した後、放電加工により逃げ面を切断加工して、ねじれ形状の切れ刃2枚をもつ直径φ0.5mmのボールエンドミル(試験工具4)を作成した。比較のために、従来のコバルト(Co)バインダーを含む焼結ダイヤモンドを用いた工具(比較工具A−2)を同様に放電加工により作成した。放電加工による刃先の稜線精度は、焼結ダイヤモンドを用いた比較工具A−2は、含まれるダイヤモンド砥粒の粒径に依存して、2μm〜5μm程度であったのに対して、本多結晶ダイヤモンドを用いた工具(試験工具4)では0.03μm以下と良好であった。さらに、無添加の多結晶ダイヤモンドを用いて、レーザ加工により同形状のエンドミル形状を作成し、逃げ面を局所的に研磨加工により刃先品位を仕上げた工具(比較工具B−2)を作成した。 This conductive polycrystalline diamond is joined to the cutting tool body using an active brazing material in an inert atmosphere, the surface of the polycrystalline diamond is polished, and then the flank surface is cut by electric discharge machining to form a twisted shape. A ball end mill (test tool 4) having a diameter of 0.5 mm and having two cutting tools was prepared. For comparison, a conventional tool using sintered diamond containing a cobalt (Co) binder (comparative tool A-2) was similarly prepared by electric discharge machining. The ridgeline accuracy of the cutting edge due to electric discharge machining was about 2 μm to 5 μm depending on the particle size of the diamond abrasive grains contained in the comparative tool A-2 using sintered diamond, whereas the polycrystal The tool using diamond (test tool 4) was as good as 0.03 μm or less. Further, using additive-free polycrystalline diamond, an end mill shape having the same shape was created by laser machining, and a tool (comparative tool B-2) in which the flank surface was locally polished to finish the cutting edge quality was created.
次に、試験工具4、比較工具A−2、および比較工具B−2について、以下のの条件による断続的な切削評価試験を行なった。
・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(WC−12%Co)
・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。
Next, the
-Tool shape: Diameter φ0.5 mm, 2-flute, ball end mill-Work material: Material-STAVAX cemented carbide (WC-12% Co)
-Cutting fluid: White kerosene-Cutting conditions: Tool rotation speed 420000 rpm, depth of cut ap = 0.003 mm
Feed rate f = 120 mm / min.
上記の内容の切削評価試験を行なったところ、試験工具4の工具寿命は、比較工具A−Sの工具寿命の5倍、比較工具B−2の工具寿命の1.5倍であり、非常に良好であった。さらに、本実施例の多結晶ダイヤモンドを用いて作成した切削工具である試験工具4の表面に保護膜として酸化膜が形成されていることを、TOF−SIMSで確認した。
When the cutting evaluation test with the above contents was performed, the tool life of the
(実施例VIII:伸線ダイスの作成と評価)
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、口径φ0.5mmの伸線ダイスを作成した。伸線速度1km/minで伸線したときに口径φ0.48mmまで摩耗するまでの時間を寿命とした。実施例Iの実施例2の多結晶ダイヤモンドを用いて作成した伸線ダイスの寿命は、実施例Iの比較例2の多結晶ダイヤモンドを用いて作成した伸線ダイスの寿命の10倍であった。
(Example VIII: Preparation and evaluation of wire drawing die)
Using the polycrystalline diamonds of Comparative Example 2 and Example 2 of Example I, respectively, a wire drawing die having a diameter of φ0.5 mm was prepared. The life was defined as the time until the wire was worn to a diameter of φ0.48 mm when the wire was drawn at a wire drawing speed of 1 km / min. The life of the wire drawing die prepared by using the polycrystalline diamond of Example 2 of Example I was 10 times the life of the wire drawing die prepared by using the polycrystalline diamond of Comparative Example 2 of Example I. ..
(実施例IX:電極用基板の作成と評価)
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、長さ9mm×幅5mm×厚さ1.0mmの電極用基板を作成した。実施例Iの実施例2の多結晶ダイヤモンドを用いて作成した電極用基板は、抵抗率が10mΩ・cmと低く良好な導電性を示し、0.1MのKOH溶液中において電位窓は3Vの範囲であり化学電極として高性能であることが分かった。実施例Iの比較例1の多結晶ダイヤモンドを用いて作成した電極用基板は、抵抗率が10MΩ・cmと高く電極として使用できないことが分かった。
(Example IX: Preparation and evaluation of electrode substrate)
Using the polycrystalline diamonds of Comparative Example 2 and Example 2 of Example I, respectively, an electrode substrate having a length of 9 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 1.0 mm was prepared. The electrode substrate prepared using the polycrystalline diamond of Example 2 of Example I has a low resistivity of 10 mΩ · cm and shows good conductivity, and the potential window is in the range of 3 V in a 0.1 M KOH solution. It was found that it has high performance as a chemical electrode. It was found that the electrode substrate prepared using the polycrystalline diamond of Comparative Example 1 of Example I had a high resistivity of 10 MΩ · cm and could not be used as an electrode.
今回開示された実施の形態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実施の形態ではなく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。 The embodiments disclosed this time should be considered to be exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the scope of claims rather than the above-described embodiment, and is intended to include the meaning equivalent to the scope of claims and all modifications within the scope.
S10 第1工程
S20 第2工程
S30 第3工程
S10 1st process S20 2nd process S30 3rd process
Claims (29)
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、ホウ素化合物と、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、
前記ホウ素化合物、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、
前記ホウ素化合物は、酸素を含有するホウ素化合物を含み、
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、BO x 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、多結晶ダイヤモンド。 It is a polycrystalline diamond whose basic composition is a single-phase diamond.
The polycrystalline diamond is composed of a plurality of crystal grains.
The polycrystalline diamond contains boron, a boron compound, hydrogen, oxygen, and the balance is carbon and trace impurities.
The boron is dispersed in the crystal grains at the atomic level, and 90 atomic% or more of the boron is present as an isolated substitution type.
The boron compound, the hydrogen and the oxygen are present in the crystal grains as isolated substitution type or invasion type.
The boron compound contains an oxygen-containing boron compound.
The crystal grains have a particle size of 500 nm or less and have a particle size of 500 nm or less.
The surface of the polycrystalline diamond is coated with a protective film .
The protective film is a polycrystalline diamond containing BO x clusters and at least one of O and OH that is the oxygen termination of the carbon.
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、ホウ素化合物と、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、
前記ホウ素化合物、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、
前記ホウ素化合物は、酸素を含有するホウ素化合物を含み、
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、
前記ホウ素および前記ホウ素化合物中のホウ素は、それらの合計の原子濃度が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、その表面の動摩擦係数が0.05以下であり、
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、
前記保護膜は、前記結晶粒中から析出した析出物を含む、多結晶ダイヤモンド。 It is a polycrystalline diamond whose basic composition is a single-phase diamond.
The polycrystalline diamond is composed of a plurality of crystal grains.
The polycrystalline diamond contains boron, a boron compound, hydrogen, oxygen, and the balance is carbon and trace impurities.
The boron is dispersed in the crystal grains at the atomic level, and 99 atomic% or more of the boron is present as an isolated substitution type.
The boron compound, the hydrogen and the oxygen are present in the crystal grains as isolated substitution type or invasion type.
The boron compound contains an oxygen-containing boron compound.
The crystal grains have a particle size of 500 nm or less and have a particle size of 500 nm or less.
The surface of the polycrystalline diamond is coated with a protective film.
The total atomic concentration of boron in the boron and the boron compound is 1 × 10 14 cm -3 or more and 1 × 10 22 cm -3 or less.
The hydrogen has an atomic concentration of 1 × 10 17 cm -3 or more and 1 × 10 20 cm -3 or less.
The oxygen has an atomic concentration of 1 × 10 17 cm -3 or more and 1 × 10 20 cm -3 or less .
Before SL polycrystalline diamond, the dynamic friction coefficient of the surface is 0.05 or less,
The protective film contains a BO x cluster and at least one of O and OH that is the oxygen termination of the carbon.
The protective film is a polycrystalline diamond containing precipitates precipitated from the crystal grains.
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、を含み、
前記ホウ素化合物は、酸素を含有するホウ素化合物を含む、多結晶ダイヤモンドの製造方法。 First, a graphite containing carbon, boron dispersed in the crystal grains of the carbon at the atomic level and 90 atomic% or more of the carbon is present as an isolated substitution type, a boron compound, hydrogen, and oxygen is prepared. Process and
The second step of filling the container with the graphite in an inert gas atmosphere, and
In the container, the third step of converting the graphite into diamond by pressure heat treatment is included.
The boron compound is a method for producing polycrystalline diamond, which comprises a boron compound containing oxygen.
前記第4工程は、A工程とB工程とC工程とをこの順に複数回繰り返す工程であり、
前記A工程は、前記黒鉛を粉砕体に粉砕する工程であり、
前記B工程は、前記粉砕体を成形体に成形する工程であり、
前記C工程は、前記成形体を1500〜1800℃で熱分解することにより、前記黒鉛を再度準備する工程である、請求項10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。 After the first step and before the second step, the fourth step is further included.
The fourth step is a step of repeating the A step, the B step, and the C step a plurality of times in this order.
The step A is a step of pulverizing the graphite into a pulverized body.
The B step is a step of molding the pulverized body into a molded body.
The production of polycrystalline diamond according to any one of claims 10 to 15 , wherein the step C is a step of preparing the graphite again by thermally decomposing the molded product at 1500 to 1800 ° C. Method.
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