JP6863092B2 - Polycrystalline diamond and its manufacturing method, scribing tool, scribing wheel, dresser, rotary tool, water jet orifice, 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、ウォータージェット用オリフィス、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 scribing tools, scribing wheels, dressers, rotary tools, water jet orifices, wire drawing dies, cutting tools, electrodes 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(以下、「NPD」と記す場合がある)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 (hereinafter sometimes referred to as “NPD”) 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)では、ホウ素化合物を不純物として含み、大気中で加熱することにより表面に酸化ホウ素の保護膜を形成させ、耐酸化性を高めたダイヤモンド多結晶体が提案されている。特開2013−028500号公報(特許文献2)では、周期律表の第3族元素が原子置換型でダイヤモンド結晶粒中に含まれることにより、ホウ素化合物を含まずにp型の導電性を具備させたナノ多結晶ダイヤモンドが提案されている。
For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-106925 (Patent Document 1), a diamond polycrystal containing a boron compound as an impurity and having a protective film of boron oxide formed on the surface by heating in the air to improve oxidation resistance. The body is proposed. In JP2013-028500 (Patent Document 2), since the
しかしながら、特許文献1に開示のダイヤモンド多結晶体は、ホウ素化合物がダイヤモンドの結晶格子に含まれていないので硬度が低下し、かつホウ素化合物とダイヤモンドとの熱膨張率が異なるために高温でクラックが発生する傾向があり、これらの点で改善の余地があった。特許文献2に開示のナノ多結晶ダイヤモンドは、酸素を含むセラミックス、樹脂などの被削材を加工する場合に酸化されてしまうため、耐酸化性において改善の余地があった。
However, the diamond polycrystalline body disclosed in
さらに、従来のナノ多結晶ダイヤモンドは、絶縁性の被削材を加工する場合に被削材との間にトライボプラズマが発生し、NPDおよび被削材がともに損耗してしまう傾向があった。さらに酸化ホウ素の保護膜は水溶性であるので、水溶液系の切削液を用いる場合に保護効果を発揮させることができなかった。したがって、硬度の低下およびクラックの発生を抑制しつつ、トライボプラズの発生を抑制することができ、非水溶性の保護膜を形成したナノ多結晶ダイヤモンドが求められている。 Further, in the conventional nano-polycrystalline diamond, triboplasma is generated between the work material and the work material when the insulating work material is processed, and both the NPD and the work material tend to be worn out. Further, since the protective film of boron oxide is water-soluble, the protective effect could not be exhibited when an aqueous solution-based cutting fluid was used. Therefore, there is a demand for nano-polycrystalline diamond that can suppress the occurrence of triboplasm while suppressing the decrease in hardness and the occurrence of cracks, and has a water-insoluble protective film formed.
本発明は、上記実情に鑑み提案され、トライボプラズマの発生を抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成した多結晶ダイヤモンドおよびその製造方法、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、ウォータージェット用オリフィス、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。 The present invention has been proposed in view of the above circumstances, and a polycrystalline diamond having a water-insoluble protective film formed while suppressing the generation of triboplasma, a method for producing the same, a scribing tool formed using the polycrystalline diamond, and a scribing. It is an object of the present invention to provide a wheel, a dresser, a rotary tool, an orifice for a water jet, a wire drawing die, a cutting tool and an electrode, and a processing method using the above-mentioned polycrystalline diamond.
本発明の一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、窒素と、窒素化合物と、ケイ素とを含むとともに、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、かつ全体の90原子%以上が孤立置換型として存在し、上記窒素、上記窒素化合物および上記ケイ素は、上記結晶粒中に孤立置換型または侵入型として存在し、上記窒素化合物は、窒化ホウ素および窒化ケイ素の両方またはいずれか一方であり、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 one 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 composed of boron and boron. It contains nitrogen, a nitrogen compound, and silicon, and the balance is carbon and trace impurities. Boron is dispersed in the crystal grains at the atomic level, and 90 atomic% or more of the whole exists as an isolated substitution type. However, the nitrogen, the nitrogen compound and the silicon are present in the crystal grains as isolated substitution type or invasion type, and the nitrogen compound is both boron nitride and silicon nitride, or one of the crystal grains. Has a particle size of 500 nm or less, and the surface of the polycrystalline diamond is coated with a protective film.
本発明の一態様にかかる多結晶ダイヤモンドの製造方法は、炭素と、ホウ素と、窒素と、窒素化合物と、ケイ素とを含む黒鉛をポリイミドの熱分解により準備する第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、上記ホウ素は、上記黒鉛の結晶粒中に原子レベルで分散し、かつ全体の90原子%以上が孤立置換型として存在し、上記窒素化合物は、窒化ホウ素および窒化ケイ素の両方またはいずれか一方である。 The method for producing a polycrystalline diamond according to one aspect of the present invention includes a first step of preparing graphite containing carbon, boron, nitrogen, a nitrogen compound, and silicon by thermal decomposition of polyimide, and the above graphite is not used. The second step of filling the container in an active gas atmosphere and the third step of converting the graphite into diamond by pressure heat treatment in the container include the above-mentioned boron at the atomic level in the crystal grains of the above-mentioned graphite. 90 atomic% or more of the whole is present as an isolated substitution type, and the nitrogen compound is either boron nitride and / or silicon nitride.
上記によれば、トライボプラズマを抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成した多結晶ダイヤモンドおよびその製造方法を提供することができる。 According to the above, it is possible to provide a polycrystalline diamond having a water-insoluble protective film formed while suppressing triboplasma and a method for producing the same.
[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]本発明の一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、窒素と、窒素化合物と、ケイ素とを含むとともに、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、かつ全体の90原子%以上が孤立置換型として存在し、上記窒素、上記窒素化合物および上記ケイ素は、上記結晶粒中に孤立置換型または侵入型として存在し、上記窒素化合物は、窒化ホウ素および窒化ケイ素の両方またはいずれか一方であり、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。このような構成により多結晶ダイヤモンドは、トライボプラズマを抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成することができる。 [1] The polycrystalline diamond according to one 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 composed of a plurality of crystal grains. It contains boron, nitrogen, a nitrogen compound, and silicon, 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 whole is isolated and substituted. Existing as a type, the nitrogen, the nitrogen compound and the silicon are present in the crystallites as an isolated substitution type or an interpenetrating type, and the nitrogen compound is either boron nitride and / or silicon nitride. The crystal grains have a particle size of 500 nm or less, and the surface of the polycrystalline diamond is coated with a protective film. With such a configuration, polycrystalline diamond can form a water-insoluble protective film while suppressing triboplasma.
[2]上記ホウ素は、全体の99原子%以上が孤立置換型として上記結晶粒中に含まれることが好ましい。これにより、トライボプラズマをより抑制することができる。 [2] It is preferable that 99 atomic% or more of the total boron is contained in the crystal grains as an isolated substitution type. Thereby, the triboplasma can be further suppressed.
[3]上記ホウ素は、その原子濃度が1×1014cm-3以上1×1022cm-3以下であることが好ましい。これにより、トライボプラズマをさらに抑制することができる。 [3] The atomic concentration of the above boron is preferably 1 × 10 14 cm -3 or more and 1 × 10 22 cm -3 or less. Thereby, the triboplasma can be further suppressed.
[4]上記窒素および上記窒素化合物中の窒素は、その両者の合計濃度が上記多結晶ダイヤモンド中の原子濃度として1×1018cm-3以上1×1020cm-3以下であることが好ましい。これにより、非水溶性の保護膜を形成することができる。 [4] The total concentration of both the nitrogen and the nitrogen in the nitrogen compound is preferably 1 × 10 18 cm -3 or more and 1 × 10 20 cm -3 or less as the atomic concentration in the polycrystalline diamond. .. Thereby, a water-insoluble protective film can be formed.
[5]上記ケイ素は、その原子濃度が1×1018cm-3以上2×1020cm-3以下であることが好ましい。これにより、非水溶性の保護膜をさらに形成することができる。 [5] The atomic concentration of the silicon is preferably 1 × 10 18 cm -3 or more and 2 × 10 20 cm -3 or less. Thereby, a water-insoluble protective film can be further formed.
[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が、1300cm-1±30cm-1を中心として半値幅が60cm-1以下となるピークの面積の1%未満であることが好ましい。これにより、天然の単結晶ダイヤモンドを超える等方的な硬さを維持することができる。 [6] the polycrystalline diamond 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% of the peak area of 60 cm -1 or less. This makes it possible to maintain an isotropic hardness that exceeds that of natural single crystal diamond.
[7]上記多結晶ダイヤモンドは、動摩擦係数が0.2以下であることが好ましい。これにより、セラミックス、樹脂などの絶縁性の被削材を加工する場合に好適となる。 [7] The polycrystalline diamond preferably has a coefficient of dynamic friction of 0.2 or less. This makes it suitable for processing insulating work materials such as ceramics and resins.
[8]上記多結晶ダイヤモンドは、動摩擦係数が0.1以下であることが好ましい。これにより、セラミックス、樹脂などの絶縁性の被削材を加工する場合により好適となる。 [8] The polycrystalline diamond preferably has a coefficient of dynamic friction of 0.1 or less. This makes it more suitable for processing insulating work materials such as ceramics and resins.
[9]上記保護膜は、酸化ケイ素、窒化ケイ素および窒化ホウ素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。これらの保護膜は、非水溶性の保護膜であることから、工具などに用いた場合に水溶液系の切削液に対して保護効果を発揮させることができる。 [9] The protective film preferably contains at least one selected from the group consisting of silicon oxide, silicon nitride and boron nitride. Since these protective films are water-insoluble protective films, they can exert a protective effect against an aqueous solution-based cutting fluid when used in a tool or the like.
[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好ましい。これらの保護膜も、非水溶性の保護膜であることから、工具などに用いた場合に水溶液系の切削液に対して保護効果を発揮させることができる。 [10] The protective film preferably contains precipitates precipitated from the crystal grains. Since these protective films are also water-insoluble protective films, they can exert a protective effect against an aqueous solution-based cutting fluid when used in a tool or the like.
[11]上記保護膜は、その平均膜厚が1nm以上1000nm以下であることが好ましい。これにより、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 is preferably 1 nm or more and 1000 nm or less. As a result, the coefficient of friction can be satisfactorily reduced.
[12]本発明の一態様にかかる多結晶ダイヤモンドの製造方法は、炭素と、ホウ素と、窒素と、窒素化合物と、ケイ素とを含む黒鉛をポリイミドの熱分解により準備する第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、上記ホウ素は、上記黒鉛の結晶粒中に原子レベルで分散し、かつ全体の90原子%以上が孤立置換型として存在し、上記窒素化合物は、窒化ホウ素および窒化ケイ素の両方またはいずれか一方である。このような構成により、トライボプラズマを抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成した多結晶ダイヤモンドを製造することができる。 [12] The method for producing a polycrystalline diamond according to one aspect of the present invention includes a first step of preparing graphite containing carbon, boron, nitrogen, a nitrogen compound, and silicon by thermal decomposition of polyimide, and the above. A second step of filling a container with graphite in an inert gas atmosphere and a third step of converting the graphite into diamond by pressure heat treatment in the container are included, and the boron is contained in the crystal grains of the graphite. It is dispersed at the atomic level, and 90 atomic% or more of the whole exists as an isolated substitution type, and the nitrogen compound is either boron nitride and / or silicon nitride. With such a configuration, it is possible to produce polycrystalline diamond having a water-insoluble protective film formed while suppressing triboplasma.
[13]上記第1工程は、上記ポリイミドを準備する工程を含むことが好ましい。これにより、トライボプラズマを抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成した多結晶ダイヤモンドを効率的に製造することができる。 [13] The first step preferably includes a step of preparing the polyimide. This makes it possible to efficiently produce polycrystalline diamond having a water-insoluble protective film formed while suppressing triboplasma.
[14]上記第1工程は、上記ポリイミドを準備する工程の後、上記ポリイミドを成形し、かつ800〜2500℃で熱分解することにより上記黒鉛を準備する工程であることが好ましい。これにより、ポリイミドの熱分解によってトライボプラズマを抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成した多結晶ダイヤモンドをさらに効率的に製造することができる。 [14] The first step is preferably a step of preparing the graphite by molding the polyimide and thermally decomposing it at 800 to 2500 ° C. after the step of preparing the polyimide. This makes it possible to more efficiently produce polycrystalline diamond having a water-insoluble protective film formed while suppressing triboplasma by thermal decomposition of polyimide.
[15]上記ポリイミドを準備する工程は、テトラカルボン酸二無水物と、ジアミンと、プロペニルボロン酸、ジメチルアミンボランおよびトリスジメチルアミノボランからなる群より選ばれる1種と、トリス(ジメチルアミノ)シランとを有機溶媒中で混合して混合物を得る工程と、上記混合物を70〜90℃で反応させて反応物を得る工程と、上記反応物を200℃以上で加熱し、かつ上記反応物に対してイミド化および脱水を行なうことにより、上記ポリイミドを得る工程とを含むことが好ましい。これにより、多結晶ダイヤモンドの製造に適したポリイミドを生成することができるため、トライボプラズマを抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成した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 step of preparing the above-mentioned polyimide, tetracarboxylic acid dianhydride, diamine, one selected from the group consisting of propenylboronic acid, dimethylamine borane and trisdimethylaminoborane, and tris (dimethylamino) silane. To obtain a mixture by mixing the above in an organic solvent, to react the mixture at 70 to 90 ° C. to obtain a reactant, and to heat the reactant at 200 ° C. or higher and to the reaction product. It is preferable to include the step of obtaining the polyimide by performing imidization and dehydration. As a result, a polyimide suitable for producing polycrystalline diamond can be produced, so that polycrystalline diamond having a water-insoluble protective film formed can be produced more efficiently while suppressing triboplasma.
[16]上記混合物は、さらにボラントリイルトリスイミノトリス[トリス(ジメチルアミノ)シラン]を含むことが好ましい。これにより、多結晶ダイヤモンドの製造にさらに適したポリイミドを生成することができるため、トライボプラズマを抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成した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 mixture preferably further contains boranetriyltris iminotris [tris (dimethylamino) silane]. As a result, it is possible to produce a polyimide more suitable for producing polycrystalline diamond, so that it is possible to more efficiently produce polycrystalline diamond having a water-insoluble protective film formed while suppressing triboplasma. ..
[17]上記ポリイミドを準備する工程は、上記混合物を得た後、上記反応物を得る前に、グラフェンを添加する工程を含むことが好ましい。これにより、トライボプラズマを抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成した多結晶ダイヤモンドをさらに効率的に製造することができる。 [17] The step of preparing the polyimide preferably includes a step of adding graphene after obtaining the mixture and before obtaining the reaction product. This makes it possible to more efficiently produce polycrystalline diamond having a water-insoluble protective film formed while suppressing triboplasma.
[18]上記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、上記第2工程の前に行なう第4工程をさらに含み、上記第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、上記A工程は、上記黒鉛を粉砕体に粉砕する工程であり、上記B工程は、上記粉砕体を成形体に成形する工程であり、上記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とが好ましい。これにより、B4Cなどの不純物の混入を極力避けることが可能となる。 [18] The method for producing a polycrystalline diamond further includes a fourth step performed after the first step and before the second step, and the fourth step includes steps A, B and C. The steps are repeated a plurality of times in this order, the step A is a step of crushing the graphite into a crushed body, the step B is a step of molding the crushed body into a molded body, and the step C is described. Is a step of preparing the graphite again by thermally decomposing the molded product at 1500 to 1800 ° C. This makes it possible to avoid contamination of impurities such as B 4 C as much as possible.
[19]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好ましい。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。 [19] In the third step, it is preferable to directly heat-treat the graphite in a pressure heat treatment 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.
[20]上記加圧熱処理は、6GPa以上かつ1200℃以上の条件で行なわれることが好ましい。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。 [20] The pressure heat treatment is preferably 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.
[21]上記加圧熱処理は、8GPa以上30GPa以下かつ1500℃以上2300℃以下の条件で行なわれることが好ましい。これにより、上記効果を備える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。 [21] The pressure heat treatment is preferably 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 more efficiently produce polycrystalline diamond having the above effects.
[22]本発明の一態様は、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であることが好ましい。これにより、トライボプラズマを抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成した多結晶ダイヤモンドを用いてスクライブツールを提供することができる。 [22] One aspect of the present invention is preferably a scribe tool formed using the above-mentioned polycrystalline diamond. This makes it possible to provide a scribe tool using polycrystalline diamond on which a water-insoluble protective film is formed while suppressing triboplasma.
[23]本発明の一態様は、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ホイールであることが好ましい。これにより、トライボプラズマを抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成した多結晶ダイヤモンドを用いてスクライブツールを提供することができる。 [23] One aspect of the present invention is preferably a scribe wheel formed by using the above-mentioned polycrystalline diamond. This makes it possible to provide a scribe tool using polycrystalline diamond on which a water-insoluble protective film is formed while suppressing triboplasma.
[24]本発明の一態様は、上記多結晶ダイヤモンドを用いて形成されたドレッサーであることが好ましい。これにより、トライボプラズマを抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成した多結晶ダイヤモンドを用いてドレッサーを提供することができる。 [24] One aspect of the present invention is preferably a dresser formed using the above-mentioned polycrystalline diamond. This makes it possible to provide a dresser using polycrystalline diamond on which a water-insoluble protective film is formed while suppressing triboplasma.
[25]本発明の一態様は、上記多結晶ダイヤモンドを用いて形成された回転工具であることが好ましい。これにより、トライボプラズマを抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成した多結晶ダイヤモンドを用いて回転工具を提供することができる。 [25] One aspect of the present invention is preferably a rotary tool formed by using the above-mentioned polycrystalline diamond. This makes it possible to provide a rotary tool using polycrystalline diamond on which a water-insoluble protective film is formed while suppressing triboplasma.
[26]本発明の一態様は、上記多結晶ダイヤモンドを用いて形成されたウォータージェット用オリフィスであることが好ましい。これにより、トライボプラズマを抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成した多結晶ダイヤモンドを用いてウォータージェット用オリフィスを提供することができる。 [26] One aspect of the present invention is preferably an orifice for a water jet formed by using the above-mentioned polycrystalline diamond. This makes it possible to provide an orifice for a water jet using polycrystalline diamond on which a water-insoluble protective film is formed while suppressing triboplasma.
[27]本発明の一態様は、上記多結晶ダイヤモンドを用いて形成された伸線ダイスであることが好ましい。これにより、トライボプラズマを抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成した多結晶ダイヤモンドを用いて伸線ダイスを提供することができる。 [27] One aspect of the present invention is preferably a wire drawing die formed by using the above-mentioned polycrystalline diamond. This makes it possible to provide a wire drawing die using polycrystalline diamond on which a water-insoluble protective film is formed while suppressing triboplasma.
[28]本発明の一態様は、上記多結晶ダイヤモンドを用いて形成された切削工具であることが好ましい。これにより、トライボプラズマを抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成した多結晶ダイヤモンドを用いて切削工具を提供することができる。 [28] One aspect of the present invention is preferably a cutting tool formed by using the above-mentioned polycrystalline diamond. This makes it possible to provide a cutting tool using polycrystalline diamond on which a water-insoluble protective film is formed while suppressing triboplasma.
[29]本発明の一態様は、上記多結晶ダイヤモンドを用いて形成された電極であることが好ましい。これにより、トライボプラズマを抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成した多結晶ダイヤモンドを用いて電極を提供することができる。 [29] One aspect of the present invention is preferably an electrode formed by using the above-mentioned polycrystalline diamond. This makes it possible to provide an electrode using polycrystalline diamond on which a water-insoluble protective film is formed while suppressing triboplasma.
[30]本発明の一態様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加工方法であることが好ましい。これにより、トライボプラズマを抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成した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。 [30] The processing method according to one aspect of the present invention is preferably a processing method for processing an object using the above-mentioned polycrystalline diamond. Thereby, the object can be processed by using the polycrystalline diamond on which the water-insoluble protective film is formed while suppressing the triboplasma.
[31]上記対象物は、絶縁体であることが好ましい。これにより、多結晶ダイヤモンドが備えるトライボプラズマを抑制する効果を好適に発揮させることができる。 [31] The object is preferably an insulator. As a result, the effect of suppressing the triboplasma contained in polycrystalline diamond can be suitably exhibited.
[32]上記絶縁体は、100kΩ・cm以上の抵抗率を有することが好ましい。これにより、多結晶ダイヤモンドが備えるトライボプラズマを抑制する効果をより好適に発揮させることができる。 [32] The insulator preferably has a resistivity of 100 kΩ · cm or more. Thereby, the effect of suppressing the triboplasma contained in the polycrystalline diamond can be more preferably exhibited.
[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。
[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.
さらに、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。たとえば「SiN」と記載されている場合、SiNを構成する原子数の比は、たとえばSiNのSi:N=1:1に限られず、従来公知のあらゆる原子比が含まれる。このことは、「SiN」以外の化合物の記載についても同様である。本実施形態において、ホウ素(B)、ケイ素(Si)などの半金属元素と、窒素(N)、炭素(C)などの非金属元素とは、必ずしも化学量論的な組成を構成している必要がない。 Furthermore, 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. For example, when "SiN" is described, the ratio of the number of atoms constituting SiN is not limited to, for example, Si: N = 1: 1 of SiN, and includes all conventionally known atomic ratios. This also applies to the description of compounds other than "SiN". In the present embodiment, the metalloid elements such as boron (B) and silicon (Si) and the non-metal elements such as nitrogen (N) and carbon (C) necessarily constitute a stoichiometric composition. No need.
≪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、窒素と、窒素化合物と、ケイ素とを含むとともに、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、かつ全体の90原子%以上が孤立置換型として存在する。窒素、窒素化合物およびケイ素は、結晶粒中に孤立置換型または侵入型として存在する。窒素化合物は、窒化ホウ素および窒化ケイ素の両方またはいずれか一方である。多結晶ダイヤモンドは、その粒径が500nm以下である。さらに、その表面が保護膜で被覆されていることが好ましい。
≪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. Further, polycrystalline diamond contains boron, nitrogen, a nitrogen compound, silicon, and the balance is carbon and trace impurities. Boron is dispersed in crystal grains at the atomic level, and 90 atomic% or more of the total is present as an isolated substitution type. Nitrogen, nitrogen compounds and silicon are present in the crystal grains as isolated substitution type or invasion type. The nitrogen compound is either boron nitride and / or silicon nitride. The polycrystalline diamond has a particle size of 500 nm or less. Further, it is preferable that the surface thereof is covered 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、窒素と、窒素化合物と、ケイ素とを含むことから、その表面が非水溶性の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, nitrogen, a nitrogen compound, and silicon in the crystal grains, its surface is coated with a water-insoluble protective 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 friction coefficient.
多結晶ダイヤモンドは、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最大粒径(多結晶を構成する結晶のうち最大のもの)は、500nm以下である。多結晶ダイヤモンドの最大粒径は、200nm以下であることが好ましい。一方で多結晶ダイヤモンドの最小粒径は、1nm以上であればよい。 From the viewpoint of having isotropic hardness and abrasion resistance in all directions, the maximum particle size of polycrystalline diamond (the largest of the crystals constituting polycrystalline diamond) is 500 nm or less. .. The maximum particle size of polycrystalline diamond is preferably 200 nm or less. On the other hand, the minimum particle size of polycrystalline diamond may be 1 nm or more.
多結晶ダイヤモンドの粒径は、500nm以下であることにより、等方的な硬さを持つ効果が得られる。さらに1nm以上であることにより、ダイヤモンド特有の機械的強度を有する効果が得られる。多結晶ダイヤモンドの粒径は、20nm以上200nm以下であることがより好ましい。加えて、それぞれの粒子の長径aと短径bとのアスペクト比はa/b<4であることがさらに好ましい。 When the particle size of polycrystalline diamond is 500 nm or less, the effect of having isotropic hardness can be obtained. Further, when it is 1 nm or more, the effect of having the mechanical strength peculiar to diamond can be obtained. The particle size of polycrystalline diamond is more preferably 20 nm or more and 200 nm or less. In addition, the aspect ratio of the major axis a and the minor axis b of each particle is more preferably a / b <4.
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、(111)ピークの半値幅から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)から求める。ここで、Dはダイヤモンドの結晶粒径、Bは回折線幅、λはX線の波長、θはブラッグ各、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 from the half width of the (111) peak by the 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 is obtained from the Scherrer equation (D = Kλ / Bcosθ) after peak fitting. Here, D is the crystal grain size of diamond, B is the diffraction line width, λ is the wavelength of X-rays, θ is each Bragg, and K is a correction coefficient (0.9) determined from the correlation with the SEM image.
<結晶粒中の元素>
多結晶ダイヤモンドは、ホウ素と、窒素と、窒素化合物と、ケイ素とを含むとともに、残部が炭素および微量不純物である。ホウ素は、多結晶ダイヤモンドの結晶粒中に原子レベルで分散し、かつ全体の90原子%以上が孤立置換型として存在する。窒素、窒素化合物およびケイ素は、多結晶ダイヤモンドの結晶粒中に孤立置換型または侵入型として存在する。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、窒素、窒素化合物およびケイ素の少なくともいずれかとの反応、およびこれらの元素と大気中の酸素との反応などが進むことにより保護膜が形成され、多結晶ダイヤモンドの表面がその保護膜で被覆される。この保護膜により多結晶ダイヤモンドの耐酸化性が高まり、さらに保護膜が摩擦係数を低減させるため、摺動特性および耐摩耗性が高まる。本実施形態において保護膜は、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 crystal grains>
Polycrystalline diamond contains boron, nitrogen, nitrogen compounds, and silicon, with the balance being carbon and trace impurities. Boron is dispersed at the atomic level in the crystal grains of polycrystalline diamond, and 90 atomic% or more of the total is present as an isolated substitution type. Nitrogen, nitrogen compounds and silicon are present in the crystal grains of polycrystalline diamond as isolated substitutions or invasions. From these facts, the protective film proceeds by the reaction from the inside of the polycrystalline diamond with at least one of boron, nitrogen, nitrogen compound and silicon exposed on the surface, and the reaction between these elements and oxygen in the atmosphere. Is formed and the surface of the polycrystalline diamond is coated with its protective film. This protective film enhances the oxidation resistance of polycrystalline diamond, and the protective film reduces the coefficient of friction, thus enhancing sliding properties and wear resistance. In the present embodiment, the protective film may contain a precipitate formed by depositing on the surface of the polycrystalline diamond from the inside.
多結晶ダイヤモンドは、ホウ素が原子レベルで分散し、かつ全体の90原子%以上が孤立置換型として存在することから、表面が摩耗などしたときに露出したホウ素が酸化されることにより、その表面のみに保護膜が形成され、内部、すなわち各結晶粒中のダイヤモンド構造は維持される。ホウ素は、多結晶ダイヤモンドの結晶粒中でクラスター状に凝集することがなく、多結晶ダイヤモンドの結晶粒界に凝集することもないため、温度変化および衝撃による亀裂の起点となるような不純物偏析がない。さらに、多結晶ダイヤモンドは、導電性があることに加え、その表面の保護膜によって表面エネルギーが下げられ、内部に電子をひきつけやすいことから、トライボプラズマの抑制に寄与する。 In polycrystalline diamond, boron is dispersed at the atomic level, and 90 atomic% or more of the whole exists as an isolated substitution type. Therefore, when the surface is worn, the exposed boron is oxidized and only the surface thereof is oxidized. A protective film is formed on the inside, that is, the diamond structure in each crystal grain is maintained. Boron does not aggregate in clusters in the crystal grains of polycrystalline diamond and does not aggregate at the grain boundaries of polycrystalline diamond, so impurity segregation that becomes the starting point of cracks due to temperature changes and impact occurs. Absent. Further, in addition to having conductivity, the surface energy of polycrystalline diamond is lowered by the protective film on the surface thereof, and electrons are easily attracted to the inside, which contributes to the suppression of triboplasma.
ここで本明細書において、「原子レベルで分散する」とは、多結晶ダイヤモンドの結晶粒を構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(温度依存性の電気抵抗)を持って、ダイヤモンドの結晶構造を変えずに分散すること、またはそのような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を形成しておらず、かつダイヤモンド以外の異種化合物を形成していない状態となる。「孤立置換型」とは、ホウ素、窒素、窒素化合物、ケイ素などの異種元素または化合物が、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と置き換わっている存在形態をいう。「侵入型」とは、窒素、窒素化合物、ケイ素などの異種元素または化合物が、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。 Here, in the present specification, "dispersed at the atomic level" means that different elements such as boron each have a finite activation energy (temperature-dependent electrical resistance) in the carbon constituting the crystal grains of polycrystalline diamond. Having and dispersing without changing the crystal structure of diamond, or such a level of dispersion. That is, in such a dispersed state, a dissimilar element that is isolated and precipitated is not formed, and a dissimilar compound other than diamond is not formed. "Isolated substitution type" refers to a form in which a dissimilar element or compound such as boron, nitrogen, nitrogen compound, or silicon is isolated and replaced with carbon located at a lattice point of a polycrystalline diamond or a crystal lattice of graphite. .. The "penetrating type" refers to a form in which a dissimilar element or compound such as nitrogen, a nitrogen compound, or silicon invades a gap between carbons located at a lattice point of a crystal lattice of polycrystalline diamond.
本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドにおけるホウ素、窒素、窒素化合物およびケイ素の分散状態および存在形態は、TEM(透過型電子顕微鏡)またはHRTEM(高分解能透過型電子顕微鏡)により観察することができる。ホウ素が「原子レベルで分散する」および「孤立置換型」であることは、TOF−SIMS(飛行時間型−二次イオン質量分析)により確認することができる。窒素、窒素化合物およびケイ素が「孤立置換型」または「侵入型」で存在していることも、TOF−SIMSにより評価することができる。多結晶ダイヤモンドの結晶粒中に含まれる窒素化合物の種別もTEMにより観察することができる。 The dispersed state and present form of boron, nitrogen, nitrogen compound and silicon in the polycrystalline diamond according to the present embodiment can be observed by TEM (transmission electron microscope) or HRTEM (high resolution transmission electron microscope). It can be confirmed by TOF-SIMS (Time of Flight-Secondary Ion Mass Spectrometry) that boron is "dispersed at the atomic level" and "isolatedly substituted". The presence of nitrogen, nitrogen compounds and silicon in the "isolated" or "invasive" form can also be assessed by TOF-SIMS. The type of nitrogen compound contained in the crystal grains of polycrystalline diamond can also be observed by TEM.
上記分散状態および存在形態の確認に用いるTEMは、上述した多結晶ダイヤモンドの粒径を測定するための観察用研磨面に対し、20000〜100000倍の倍率で観察用研磨面の任意の10か所(10視野)を観察することにより確認することができる。 The TEM used for confirming the dispersed state and the existence form is any 10 places on the polishing surface for observation at a magnification of 20000 to 100,000 times that of the polishing surface for observation for measuring the particle size of the polycrystalline diamond described above. It can be confirmed by observing (10 fields).
ホウ素は、多結晶ダイヤモンドの結晶粒中に全体の90原子%以上が孤立置換型として存在し、好ましくは全体の95原子%以上が孤立置換型として存在する。より好ましくは、ホウ素は多結晶ダイヤモンドの結晶粒中に、全体の99原子%以上が孤立置換型として存在し、最も好ましくは全体の100原子%が孤立置換型として存在する。多結晶ダイヤモンド結晶粒中のホウ素全体に対する孤立置換型のホウ素の割合は、電気伝導度特性およびC−V測定により測定することができる。ホウ素は、多結晶ダイヤモンド結晶粒中に全体の90原子%以上が孤立置換型で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。このため、多結晶ダイヤモンドは耐摩耗性を活かす用途(たとえば、ダイス用、スクライビングツール用など)において十分に有用である。多結晶ダイヤモンド結晶粒中のホウ素の全体に対する孤立置換型のホウ素の割合が90原子%未満となると、凝集したホウ素がダイヤモンド構造を持たずに破壊の起点となって、割れおよび亀裂が生じる傾向がある。 As for boron, 90 atomic% or more of the whole is present as an isolated substitution type in the crystal grains of polycrystalline diamond, and preferably 95 atomic% or more of the whole is present as an isolated substitution type. More preferably, 99 atomic% or more of boron is present as an isolated substitution type in the crystal grains of polycrystalline diamond, and most preferably 100 atomic% of the whole is present as an isolated substitution type. The ratio of isolated-substituted boron to the total boron in polycrystalline diamond grains can be measured by electrical conductivity characteristics and CV measurement. Boron is more 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 the total is present in the polycrystalline diamond crystal grains in an isolated substitution type. Has high hardness. For this reason, polycrystalline diamond is sufficiently useful in applications where wear resistance is utilized (for example, for dies, scribing tools, etc.). When the ratio of isolated-substituted boron to the total boron in polycrystalline diamond grains is less than 90 atomic%, the agglomerated boron does not have a diamond structure and becomes a starting point of fracture, which tends to cause cracks and cracks. is there.
(ホウ素の原子濃度)
ホウ素は、多結晶ダイヤモンドの表面に好適な保護膜を形成する観点および粒径を500nm以下とする観点から、その原子濃度が1×1014cm-3以上1×1022cm-3以下であることが好ましく、1×1014cm-3以上1×1021cm-3以下であることがより好ましい。より好ましいホウ素の原子濃度であるとき、保護膜の不良率が激減し、好ましいホウ素の原子濃度であるときよりも、歩留まりが30%以上から90%以上に向上する。ホウ素の原子濃度は、トライボプラズマを抑制する導電性を付与する観点からも、1×1014cm-3以上1×1022cm-3以下であることが好ましい。
(Atomic concentration of boron)
Boron has an atomic concentration of 1 × 10 14 cm -3 or more and 1 × 10 22 cm -3 or less from the viewpoint of forming a suitable protective film on the surface of polycrystalline diamond and having a particle size of 500 nm or less. It is preferably 1 × 10 14 cm -3 or more, and more preferably 1 × 10 21 cm -3 or less. When the atomic concentration of boron is more preferable, 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 atomic concentration of boron which is preferable. The atomic concentration of boron is preferably 1 × 10 14 cm -3 or more and 1 × 10 22 cm -3 or less from the viewpoint of imparting conductivity that suppresses triboplasma.
多結晶ダイヤモンドは、ホウ素の原子濃度が1×1019cm-3未満ではp型半導体としての電気特性を示し、1×1019cm-3以上では金属的な導電体の電気特性を示す。したがって、ホウ素の原子濃度は1×1018cm-3以上1×1020cm-3以下であることがさらに好ましい。 Polycrystalline diamond is the atomic concentration of boron is less than 1 × 10 19 cm -3 shows the electrical characteristics of the p-type semiconductor, showing the electrical characteristics of the metallic conductors in 1 × 10 19 cm -3 or more. Therefore, the atomic concentration of boron is more preferably 1 × 10 18 cm -3 or more and 1 × 10 20 cm -3 or less.
ホウ素の原子濃度が1×1014cm-3以上であることにより、トライボプラズマを抑制する効果が得られ、1×1022cm-3以下であることにより、結晶粒の脱落が抑えられる効果が得られる。 When the atomic concentration of boron is 1 × 10 14 cm -3 or more, the effect of suppressing triboplasma is obtained, and when it is 1 × 10 22 cm -3 or less, the effect of suppressing the shedding of crystal grains is obtained. can get.
(窒素の原子濃度)
窒素は、結晶粒中に窒素を安定して含み、表面に非水溶性の保護膜を好適に形成する観点、ならびに硬度の低下および粒径の増大を抑制できる観点から、窒素および窒素化合物中の窒素の合計濃度が、多結晶ダイヤモンド中の原子濃度として1×1018cm-3以上1×1020cm-3以下であることが好ましく、1×1018cm-3以上1×1019cm-3以下であることがより好ましい。
(Atomic concentration of nitrogen)
Nitrogen is contained in nitrogen and nitrogen compounds from the viewpoint that nitrogen is stably contained in the crystal grains and a water-insoluble protective film is preferably formed on the surface, and the decrease in hardness and the increase in particle size can be suppressed. the total concentration of nitrogen, 1 × 10 18 preferably cm -3 to 1 × is 10 20 cm -3 or less as atomic concentration in the polycrystalline diamond, 1 × 10 18 cm -3 to 1 × 10 19 cm - More preferably, it is 3 or less.
窒素の合計の原子濃度が1×1018cm-3以上であることにより、表面にBNおよびSiNの保護膜を形成することができる効果が得られ、1×1022cm-3以下であることにより、凝集せずに硬度を維持することができる効果が得られる。 When the total atomic concentration of nitrogen is 1 × 10 18 cm -3 or more, the effect of forming a protective film of BN and SiN on the surface is obtained, and it is 1 × 10 22 cm -3 or less. Therefore, the effect that the hardness can be maintained without agglomeration can be obtained.
多結晶ダイヤモンドに含まれる窒素化合物は、窒化ホウ素および窒化ケイ素の両方またはいずれか一方である。これらの化合物は、上述のとおり多結晶ダイヤモンドの結晶粒中に孤立置換型または侵入型として存在する。窒化ホウ素および窒化ケイ素は、多結晶ダイヤモンドの表面に析出することにより、非水溶性の保護膜を形成することができる。 The nitrogen compound contained in polycrystalline diamond is either boron nitride and / or silicon nitride. As described above, these compounds are present in the crystal grains of polycrystalline diamond as isolated substitution type or invasion type. Boron nitride and silicon nitride can form a water-insoluble protective film by precipitating on the surface of polycrystalline diamond.
(ケイ素の原子濃度)
ケイ素は、結晶粒中にケイ素を安定して含み、表面に非水溶性の保護膜を好適に形成する観点、ならびに硬度の低下および粒径の増大を抑制できる観点から、その原子濃度が1×1018cm-3以上2×1020cm-3以下であることが好ましく、1×1018cm-3以上1×1019cm-3以下であることがより好ましい。
(Atomic concentration of silicon)
Silicon has an atomic concentration of 1 × from the viewpoint of stably containing silicon in the crystal grains and preferably forming a water-insoluble protective film on the surface, and from the viewpoint of suppressing a decrease in hardness and an increase in particle size. It is preferably 10 18 cm -3 or more and 2 × 10 20 cm -3 or less, and more preferably 1 × 10 18 cm -3 or more and 1 × 10 19 cm -3 or less.
ケイ素の原子濃度が1×1018cm-3以上であることにより、SiNの保護膜を形成することができる効果が得られ、2×1020cm-3以下であることにより、凝集せずに硬度を維持することができる効果が得られる。 When the atomic concentration of silicon is 1 × 10 18 cm -3 or more, the effect of forming a protective film of SiN can be obtained, and when it is 2 × 10 20 cm -3 or less, it does not aggregate. The effect of maintaining hardness can be obtained.
(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1×1018cm-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1×1022cm-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、遷移金属元素に分類される金属元素および、これ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 18 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 1 x 10 22 cm -3 or less. Therefore, trace impurities may or may not be contained in polycrystalline diamond. Examples of trace impurities include metal elements classified as transition metal elements and compounds containing them.
ホウ素、窒素およびケイ素の原子濃度は、多結晶ダイヤモンドの内部においては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、保護膜およびその近傍の多結晶ダイヤモンドであって表面から100nmの深さまで)についてはTOF−SIMSにより上述した条件でそれぞれ測定することができる。炭素、ホウ素、窒素およびケイ素以外の元素で形成される微量不純物の濃度は、ICP−MS(誘導結合プラズマ質量分析法)によっても測定することができる。 The atomic concentrations of boron, nitrogen and silicon are determined by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) inside the polycrystalline diamond on the surface of the polycrystalline diamond and its vicinity (for example, the protective film and the polycrystalline diamond in the vicinity thereof). (From the surface to a depth of 100 nm) can be measured by TOF-SIMS under the above-mentioned conditions. The concentration of trace impurities formed by elements other than carbon, boron, nitrogen and silicon can also be measured by ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry).
SIMSは、たとえば以下の条件で分析することにより、多結晶ダイヤモンドの内部におけるホウ素、窒素およびケイ素の原子濃度および微量不純物の原子濃度を測定することができる。
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 can measure the atomic concentrations of boron, nitrogen and silicon and the atomic concentrations of trace impurities inside polycrystalline diamond, for example, by analyzing under the following conditions.
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は、本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドの内部の添加元素分布の一例を示すグラフである。この添加元素分布は、SIMSを用いて測定されている。図1に示す多結晶ダイヤモンドは、液中で最終的に黒鉛となる原料に対して熱分解を施すことにより、最大粒径が1μm以下であって、ホウ素、窒素およびケイ素化合物を炭素中に分子レベルで分散させた黒鉛を形成し、これを16GPaかつ2100℃の条件で加圧熱処理することにより直接ダイヤモンドに変換したものである。図1から、本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドは、その表面から内部にわたってホウ素、窒素およびケイ素が均一の濃度で含まれていることが理解される。 FIG. 1 is a graph showing an example of the distribution of additive elements inside the polycrystalline diamond according to the present embodiment. This additive element distribution is measured using SIMS. The polycrystalline diamond shown in FIG. 1 has a maximum particle size of 1 μm or less and molecules of boron, nitrogen, and a silicon compound in carbon by subjecting a raw material that finally becomes graphite in a liquid to thermal decomposition. Graphite dispersed at the level is formed and directly converted into diamond by heat treatment under pressure at 16 GPa and 2100 ° C. From FIG. 1, it is understood that the polycrystalline diamond according to the present embodiment contains boron, nitrogen and silicon in uniform concentrations from the surface to the inside.
<ラマンスペクトル測定における多結晶ダイヤモンドの特定>
本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドは、ラマンスペクトル測定において、1575cm-1±30cm-1を中心として半値幅が20cm-1以下となるピークの面積が、1300-1±30cm-1を中心として半値幅が60cm-1以下となるピークの面積の1%未満であることが好ましい。この面積比率は、0.1%未満であることがより好ましく、最も好ましくは0%である。これにより、グラファイト炭素がほぼ完全に、具体的には99.9原子%以上がダイヤモンド炭素に変換されていることが分かる。上記面積比率が1%以上となると、多結晶ダイヤモンドの硬度は低下する傾向にある。ラマンスペクトル測定において、1575cm-1±30cm-1を中心とする半値幅が20cm-1以下となるピークは、アモルファス炭素、グラファイト炭素またはsp2炭素に由来するものである。1300cm-1±30cm-1を中心として半値幅が60cm-1以下となるピークは、ダイヤモンド炭素由来のピークである。
<Identification of polycrystalline diamond in Raman spectrum measurement>
Polycrystalline diamond according to 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 half around the 1300 -1 ± 30 cm -1 It is preferably less than 1% of the peak area where the price range is 60 cm -1 or less. This area ratio is more preferably less than 0.1%, most preferably 0%. From this, it can be seen that graphite carbon is almost completely converted to diamond carbon, specifically, 99.9 atomic% or more. When the area ratio is 1% or more, the hardness of polycrystalline diamond tends to decrease. In Raman spectrum measurement, the peak having a half width of 20 cm -1 or less centered on 1575 cm -1 ± 30 cm -1 is derived from amorphous carbon, graphite carbon or sp2 carbon. The peak with a half-value width of 60 cm -1 or less centered on 1300 cm -1 ± 30 cm -1 is a peak derived from diamond carbon.
<動摩擦係数>
本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドは、動摩擦係数が0.2以下であることが好ましく、0.1以下であることがより好ましく、0.05以下であることがさらに好ましく、0.02以下であることが最も好ましい。これにより多結晶ダイヤモンドは、高い摺動特性を有し、かつ高い耐摩耗性を有することができる。多結晶ダイヤモンドの動摩擦係数が0.2を超えると、多結晶ダイヤモンドが所望の摺動特性および耐摩耗性を備えない傾向にある。
<Dynamic friction coefficient>
The polycrystalline diamond according to the present embodiment preferably has a dynamic friction coefficient of 0.2 or less, more preferably 0.1 or less, further preferably 0.05 or less, and 0.02 or less. Most preferably. As a result, polycrystalline diamond can have high sliding characteristics and high wear resistance. When the modulus of dynamic friction of the polycrystalline diamond exceeds 0.2, the polycrystalline diamond tends not to have the desired sliding characteristics and wear resistance.
多結晶ダイヤモンドの動摩擦係数は、その表面において以下の条件において行なうピン・オン・ディスク摺動試験によって測定することができる。
ボール材質: SUS
荷重: 10N
回転数: 400rpm
摺動半径: 1.25mm
試験時間: 100分
温度: 室温
雰囲気: 大気、Arまたは鉱物油。
The coefficient of kinetic friction of polycrystalline diamond can be measured by a pin-on-disc sliding test performed on the surface 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, Ar or mineral oil.
多結晶ダイヤモンドの動摩擦係数が0.2以下である場合、たとえば乾燥雰囲気下(たとえば25℃で相対湿度40%以下)において、無添加の多結晶ダイヤモンドの動摩擦係数の0.25倍以下に低下する。本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドの動摩擦係数は、無添加の多結晶ダイヤモンドの動摩擦係数の0.2倍以下であることが好ましい。ここで本明細書において「無添加の多結晶ダイヤモンド」とは、結晶粒中にホウ素、窒素およびケイ素がいずれも孤立置換型で存在していない多結晶ダイヤモンドであって、これらの添加元素が粒界に析出した場合であっても、その原子濃度が1×1018cm-3を超えないものをいう。 When the modulus of kinematic friction of polycrystalline diamond is 0.2 or less, it decreases to 0.25 times or less of the coefficient of kinematic friction of additive-free polycrystalline diamond, for example, in a dry atmosphere (for example, at 25 ° C. and relative humidity of 40% or less). .. The modulus of kinematic friction of the polycrystalline diamond according to the present embodiment is preferably 0.2 times or less of the coefficient of kinematic friction of the additive-free polycrystalline diamond. Here, the term "additive-free polycrystalline diamond" as used herein is a polycrystalline diamond in which neither boron, nitrogen nor silicon is present in the crystal grains in an isolated substitution type, and these additive elements are grains. Even if it is deposited at the boundary, its atomic concentration does not exceed 1 × 10 18 cm -3.
<保護膜>
本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドにおいて、保護膜は、酸化ケイ素、窒化ケイ素および窒化ホウ素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。酸化ケイ素は、摩耗などにより結晶粒中からその表面に露出したケイ素が、大気中の酸素と反応することにより生成し、露出した表面において保護膜を形成するものと考えられる。窒化ケイ素は、摩耗などにより結晶粒中からその表面に露出した窒素が、同様に結晶粒中から表面に露出したケイ素と反応することにより生成し、露出した表面において保護膜を形成するものと考えられる。さらに、窒素化合物として結晶粒中に存在していた窒化ケイ素が、摩耗などによりその表面に析出して保護膜を形成する場合も考えられる。窒化ホウ素も、摩耗などにより結晶粒中からその表面に露出した窒素が、同様に結晶粒中から表面に露出したホウ素と反応することにより生成し、露出した表面において保護膜を形成するものと考えられる。さらに、窒素化合物として結晶粒中に存在していた窒化ホウ素が、摩耗などによりその表面に析出して保護膜を形成する場合も考えられる。いずれの保護膜も潤滑作用を有し動摩擦係数が小さいため、多結晶ダイヤモンドの摺動特性および耐摩耗性を向上させることができる。特に、酸化ケイ素、窒化ケイ素および窒化ホウ素は、いずれも非水溶性であるため水溶性の切削液を用いる場合にも保護効果を発揮させることができる。
<Protective film>
In the polycrystalline diamond according to the present embodiment, the protective film preferably contains at least one selected from the group consisting of silicon oxide, silicon nitride and boron nitride. It is considered that silicon oxide is generated by reacting silicon exposed from the crystal grains on the surface of the crystal grains due to abrasion or the like with oxygen in the atmosphere to form a protective film on the exposed surface. It is considered that silicon nitride is generated by the nitrogen exposed from the crystal grains to the surface due to wear or the like reacting with the silicon exposed from the crystal grains to the surface to form a protective film on the exposed surface. Be done. Further, it is also conceivable that silicon nitride, which was present in the crystal grains as a nitrogen compound, precipitates on the surface thereof due to wear or the like to form a protective film. Boron nitride is also considered to be generated by the nitrogen exposed from the crystal grains to the surface due to wear or the like reacting with the boron exposed from the crystal grains to the surface to form a protective film on the exposed surface. Be done. Further, it is also conceivable that boron nitride, which was present in the crystal grains as a nitrogen compound, precipitates on the surface thereof due to abrasion or the like to form a protective film. Since both protective films have a lubricating action and a small dynamic friction coefficient, the sliding characteristics and wear resistance of polycrystalline diamond can be improved. In particular, since silicon oxide, silicon nitride, and boron nitride are all water-insoluble, they can exert a protective effect even when a water-soluble cutting fluid is used.
保護膜は、結晶粒中から析出した析出物を含むことができる。析出物には、酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素などの化合物が含まれる。酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素などの化合物は、多結晶ダイヤモンドの結晶粒中に侵入型として含まれ、摩耗などによりその表面に露出した表面に露出し、析出物となるものと考えられる。これらの析出物も潤滑作用を有するため、動摩擦係数の低減に寄与する。さらに、多結晶ダイヤモンドの表面近傍などで生成された酸化ケイ素(SiOx、たとえばx=2)、窒化ケイ素、窒化ホウ素などが析出物となる場合がある。酸化ホウ素(BxOy、たとえばx=2、Y=3)も析出物となる場合がある。 The protective film can contain precipitates precipitated from the crystal grains. The precipitate contains compounds such as silicon oxide, silicon nitride, and boron nitride. It is considered that compounds such as silicon oxide, silicon nitride, and boron nitride are contained in the crystal grains of polycrystalline diamond as an intrusive type, and are exposed to the surface exposed to the surface due to wear or the like to form precipitates. Since these precipitates also have a lubricating action, they contribute to the reduction of the coefficient of dynamic friction. Further, silicon oxide (SiO x , for example, x = 2), silicon nitride, boron nitride, etc. generated near the surface of polycrystalline diamond may become precipitates. Boron oxide (B x O y , eg x = 2, Y = 3) may also be a precipitate.
保護膜は、最大粒径を持つ粒子が機械的ダメージによって脱粒したとしても、その脱粒により形成された空間を充填する体積を有するという観点から、その平均膜厚が1nm以上1000nm以下であることが好ましい。保護膜の平均膜厚は、20nm以上500nm以下であることがより好ましい。保護膜の平均膜厚が1nm以上であることにより、微小な表面粗さを平坦化し、かつ個体潤滑剤効果が発現するため、摺動特性が向上する。1000nm以下であることにより、下地のダイヤモンドによる切削対象物の機械的切削が有利に働く効果が得られる。 Even if the particles having the maximum particle size are shed by mechanical damage, the protective film has an average film thickness of 1 nm or more and 1000 nm or less from the viewpoint of having a volume that fills the space formed by the shedding. preferable. The average film thickness of the protective film is more preferably 20 nm or more and 500 nm or less. When the average film thickness of the protective film is 1 nm or more, the minute surface roughness is flattened and the solid lubricant effect is exhibited, so that the sliding characteristics are improved. When it is 1000 nm or less, the effect that the mechanical cutting of the object to be cut by the underlying diamond works advantageously can be obtained.
多結晶ダイヤモンドの表面に保護膜が形成されているかどうかの確認は、AES(オージェ電子分光法)を用いることにより行なうことができる。たとえば、多結晶ダイヤモンド(ホウ素濃度3.5×1020cm-3、窒素濃度5×1018cm-3、ケイ素濃度1×1018cm-3)に対し、AESによる化学分析により、その表面から深さ0.5nm程度までの表層において酸素の有無を調べることにより、室温における保護膜の有無を確認することができる。
Whether or not a protective film is formed on the surface of polycrystalline diamond can be confirmed by using AES (Auger electron spectroscopy). For example, polycrystalline diamond (boron concentration 3.5 × 10 20 cm -3 , nitrogen concentration 5 × 10 18 cm -3 ,
さらに多結晶ダイヤモンドの表面の保護膜の平均膜厚は、ナノ表面計測機器(商品名:「Dektak XT」、Brucker社製)、またはTEMにより測定することができる。たとえば、上記した多結晶ダイヤモンドの粒径を測定するための観察用研磨面に対し、TEMを用いて20000倍の倍率により、観察用研磨面の任意の5か所(5視野)を観察することにより測定する。ただし、上記5か所は、各視野に多結晶ダイヤモンドの表面となる部分が含まれるものとする。各視野に現れた観察用研磨面の保護膜部分の厚みを視野毎に求め、その平均値を保護膜の平均膜厚とすることができる。 Further, the average film thickness of the protective film on the surface of polycrystalline diamond can be measured by a nanosurface measuring device (trade name: "Dektk XT", manufactured by Bruker) or TEM. For example, with respect to the above-mentioned polished surface for observation for measuring the particle size of polycrystalline diamond, any 5 places (5 fields) of the polished surface for observation can be observed at a magnification of 20000 times using TEM. Measured by. However, in the above five locations, it is assumed that each visual field includes a portion that becomes the surface of the polycrystalline diamond. The thickness of the protective film portion of the polished surface for observation appearing in each visual field can be obtained for each visual field, and the average value thereof can be used as the average film thickness of the protective film.
本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドの物性(硬度、耐摩耗性および抵抗率)の評価の方法については、以下のとおりである。 The method for evaluating the physical properties (hardness, wear resistance and resistivity) of polycrystalline diamond according to this embodiment is as follows.
(硬度の評価)
多結晶ダイヤモンドは、ヌープ硬度をJIS Z 2251:2009に準拠して測定することにより硬度を評価することができる。たとえば、荷重を4.9Nとしてヌープ硬度を測定する。本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドは、結晶粒中に存在するホウ素、窒素、ケイ素などが塑性変形の起点となり、無添加の多結晶ダイヤモンドよりも硬度を幾分か低下させることが考えられる。しかしながら、後述する表1に示すように、本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンド(たとえば、B−NPD−III、ホウ素濃度2×1019cm-3、窒素濃度1×1019cm-3、ケイ素濃度1×1018cm-3)のヌープ硬度は、合成単結晶ダイヤモンド(Ib型SCD)よりも硬度が同等もしくは高くなる。
(Evaluation of hardness)
The hardness of polycrystalline diamond can be evaluated by measuring the Knoop hardness in accordance with JIS Z 2251: 2009. For example, the Knoop hardness is measured with a load of 4.9 N. In the polycrystalline diamond according to the present embodiment, boron, nitrogen, silicon and the like present in the crystal grains serve as the starting point of plastic deformation, and it is considered that the hardness is somewhat lower than that of the polycrystalline diamond without additives. However, as shown in Table 1 described later, the polycrystalline diamond according to this embodiment (for example, B-NPD-III,
(耐摩耗性の評価)
さらに、多結晶ダイヤモンドの耐摩耗性の評価は、以下の方法により行なうことができる。すなわち多結晶ダイヤモンドを、1mm×1mm×2mmの円柱形状の加工体に加工し、この加工体に対して番号#800(番号(#)はふるいの目の細かさを意味し、数字が大きくなるほどふるいを通る粒子は細かくなる)のメタルボンドダイヤモンドホイールを用いて摩耗試験(荷重が2.5kgf/mm2、摺動速度が200mm/min)を行なう。このとき多結晶ダイヤモンドは、摩耗レートが0.01±0.002μm/minであると評価される。
(Evaluation of wear resistance)
Further, the wear resistance of polycrystalline diamond can be evaluated by the following method. That is, polycrystalline diamond is processed into a cylindrical processed body of 1 mm × 1 mm × 2 mm, and the number # 800 (the number (#) means the fineness of the sieve mesh, and the larger the number, the larger the number). A wear test (load 2.5 kgf / mm 2 , sliding speed 200 mm / min) is performed using a metal-bonded diamond wheel that passes through the sieve to make the particles finer. At this time, the polycrystalline diamond is evaluated to have a wear rate of 0.01 ± 0.002 μm / min.
上記摩耗試験においては、機械的摩耗と熱化学的摩耗とが相乗的に進行するため、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それぞれ評価することが望ましい。 In the above wear test, mechanical wear and thermochemical wear proceed synergistically, so it is desirable to evaluate the mechanical wear characteristics and thermochemical wear characteristics, respectively, as shown below.
多結晶ダイヤモンドの機械的摩耗特性の評価としては、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。たとえば多結晶ダイヤモンドを用い、先端の試験面が直径0.3mmの円錐台形状となる試験片を作製する。次に、この試験片をマシニングセンターにより0.3MPaの一定荷重でAl2O3焼結体(純度:99.9質量%)に押し付け、5m/minの低速度で、10kmの距離を摺動させることにより、先端径の広がりから摩耗量を算出し、多結晶ダイヤモンドの機械的摩耗特性を評価する。本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドの摩耗量は、無添加の多結晶ダイヤモンドに比べて、20倍程度であり、耐摩耗性が大幅に向上する。多結晶ダイヤモンドの摩耗により、表面に形成される保護膜も次々と更新され、その都度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。 As an evaluation of the mechanical wear characteristics of polycrystalline diamond, a low-speed long-time sliding test is performed on aluminum oxide (Al 2 O 3) in which mechanical wear progresses. For example, using polycrystalline diamond, a test piece having a truncated cone shape with a tip test surface having a diameter of 0.3 mm is prepared. Next, this test piece is pressed against an Al 2 O 3 sintered body (purity: 99.9% by mass) with a constant load of 0.3 MPa by a machining center, and slid at a low speed of 5 m / min for a distance of 10 km. Therefore, the amount of wear is calculated from the spread of the tip diameter, and the mechanical wear characteristics of the polycrystalline diamond are evaluated. The amount of wear of the polycrystalline diamond according to the present embodiment is about 20 times that of the polycrystalline diamond without additives, and the wear resistance is significantly improved. It is considered that the protective film formed on the surface is updated one after another due to the wear of the polycrystalline diamond, the sliding characteristics are greatly improved by the lubrication effect each time, and the mechanical wear is remarkably suppressed.
多結晶ダイヤモンドの熱化学的摩耗特性の評価としては、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。たとえば多結晶ダイヤモンドを用い、先端の試験面が直径0.3mmの円錐台形状となる試験片を作製する。次に、この試験片を固定してその試験面に、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0.1MPaで押し付ける。これにより試験片を摺動させ、摩耗が進展する速度(摩耗速度)を測定することにより、多結晶ダイヤモンドの熱化学的摩耗特性を評価する。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。多結晶ダイヤモンドの摩耗により、表面に形成される保護膜も次々と更新され、その都度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。 As an evaluation of the thermochemical wear characteristics of polycrystalline diamond, a sliding test is performed on silicon dioxide (SiO 2) in which thermochemical wear progresses. For example, using polycrystalline diamond, a test piece having a truncated cone shape with a tip test surface having a diameter of 0.3 mm is prepared. Next, this test piece is fixed and pressed against the test surface at 0.1 MPa while rotating at 6000 rpm (sliding speed 260 to 340 m / min) using synthetic quartz (SiO 2) having a diameter of 20 mm as a polishing machine. As a result, the test piece is slid and the rate at which wear progresses (wear rate) is measured to evaluate the thermochemical wear characteristics of polycrystalline diamond. Polycrystalline diamond has a lower wear rate and improved wear resistance as compared with additive-free polycrystalline diamond. It is considered that the protective film formed on the surface is updated one after another due to the wear of the polycrystalline diamond, the sliding characteristics are greatly improved by the lubrication effect each time, and the mechanical wear is remarkably suppressed.
多結晶ダイヤモンドの導電性の評価は、以下の方法で抵抗率を測定することにより行なうことができる。すなわち多結晶ダイヤモンドの表面を鏡面加工し、この加工体に対して電極を用いて4端子法により抵抗率を測定する。この電極は、Ti/Pt/Auの積層膜をAr中320℃でアニールして形成する。本実施形態では、上記加工体を5個準備し、これらの加工体の抵抗率から平均値を算出し、この平均値を多結晶ダイヤモンドの抵抗率とすることが好ましい。 The conductivity of polycrystalline diamond can be evaluated by measuring the resistivity by the following method. That is, the surface of polycrystalline diamond is mirror-processed, and the resistivity of this processed body is measured by the four-terminal method using electrodes. This electrode is formed by annealing a Ti / Pt / Au laminated film in Ar at 320 ° C. In the present embodiment, it is preferable to prepare five of the above-mentioned processed bodies, calculate an average value from the resistivity of these processed bodies, and use this average value as the resistivity of polycrystalline diamond.
以上から、本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドは、その表面に非水溶性の保護膜が形成され、この保護膜によって耐酸化性、耐摩耗性および摺動特性を向上させることができる。さらに導電性を有するため、無添加の多結晶ダイヤモンド、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、超硬合金、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り、かつセラミックス、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を発揮することができる。特に、保護膜を構成する酸化ケイ素、窒化ケイ素および窒化ホウ素は、いずれも非水溶性であるため、水溶性の切削液を用いる場合にも保護効果を発揮させることができる。 From the above, the polycrystalline diamond according to the present embodiment has a water-insoluble protective film formed on its surface, and the protective film can improve oxidation resistance, wear resistance and sliding characteristics. Furthermore, since it has conductivity, abnormal wear due to triboplasma found in additive-free polycrystalline diamond, single crystal diamond, etc. is also suppressed. Therefore, it is suitable for processing difficult-to-cut materials such as cemented carbide and aluminum alloy, and can exhibit high performance for processing insulating objects such as ceramics, plastics, glass, and quartz. .. In particular, since silicon oxide, silicon nitride, and boron nitride that constitute the protective film are all water-insoluble, the protective effect can be exhibited even when a water-soluble cutting fluid is used.
≪多結晶ダイヤモンドの製造方法≫
本実施形態にかかる多結晶ダイヤモンドの製造方法は、図3に示すように、炭素と、ホウ素と、窒素と、窒素化合物と、ケイ素とを含む黒鉛をポリイミドの熱分解により準備する第1工程S10と、上記黒鉛を不活性ガス雰囲気下で容器内に入れる第2工程S20と、容器内で上記黒鉛を加圧熱処理によりダイヤモンドに変換する第3工程S30とを含む。ホウ素は、黒鉛の結晶粒中に原子レベルで分散し、かつ全体の90原子%以上が孤立置換型として存在する。窒素化合物は、窒化ホウ素および窒化ケイ素の両方またはいずれか一方である。上記構成により、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。
≪Manufacturing method of polycrystalline diamond≫
In the method for producing polycrystalline diamond according to the present embodiment, as shown in FIG. 3, the first step S10 prepares graphite containing carbon, boron, nitrogen, a nitrogen compound, and silicon by thermal decomposition of polyimide. A second step S20 in which the graphite is placed in a container under an inert gas atmosphere, and a third step S30 in which the graphite is converted into diamond by pressure heat treatment in the container are included. Boron is dispersed in graphite crystal grains at the atomic level, and 90 atomic% or more of the total is present as an isolated substitution type. The nitrogen compound is either boron nitride and / or silicon nitride. With the above configuration, polycrystalline diamond having high oxidation resistance, sliding characteristics and wear resistance, and a low coefficient of friction can be produced.
<第1工程>
第1工程S10は、ポリイミドを準備する工程を含むことが好ましい。ポリイミドを準備する工程は、従来公知のあらゆる方法を用いることができる。たとえば、以下の複数の方法を挙げることができる。
<First step>
The first step S10 preferably includes a step of preparing the polyimide. Any conventionally known method can be used for the step of preparing the polyimide. For example, the following multiple methods can be mentioned.
(ポリイミドを準備する工程)
第一の方法は、テトラカルボン酸二無水物と、ジアミンと、プロペニルボロン酸、ジメチルアミンボランおよびトリスジメチルアミノボランからなる群より選ばれる1種と、トリス(ジメチルアミノ)シランとを有機溶媒中で混合して混合物を得る工程と、この混合物を70〜90℃で反応させて反応物を得る工程と、この反応物を200℃以上で加熱し、かつ反応物に対して触媒を用いたイミド化および脱水を行なうことにより、ポリイミドを得る工程とを含むポリイミドを準備する方法である。
(Process to prepare polyimide)
In the first method, tetracarboxylic acid dianhydride, diamine, one selected from the group consisting of propenylboronic acid, dimethylamine borane and trisdimethylaminoborane, and tris (dimethylamino) silane are contained in an organic solvent. A step of obtaining a mixture by mixing with the above, a step of reacting the mixture at 70 to 90 ° C. to obtain a reactant, and an imide in which the reactant is heated at 200 ° C. or higher and a catalyst is used for the reactant. It is a method of preparing a polyimide including a step of obtaining a polyimide by performing conversion and dehydration.
第二の方法は、上記混合物に、さらにボラントリイルトリスイミノトリス[トリス(ジメチルアミノ)シラン]が含まれるポリイミドを準備する方法である。 The second method is a method of preparing a polyimide containing boranetriyltris iminotris [tris (dimethylamino) silane] in the above mixture.
第三の方法は、上記混合物を得た後、上記反応物を得る前に、グラフェンを添加する工程を含むポリイミドを準備する方法である。 The third method is a method of preparing a polyimide including a step of adding graphene after obtaining the mixture and before obtaining the reaction product.
上記反応物に対するイミド化の際の触媒として、アミン系化合物(たとえば、トリエチルアミン)を用いることが好ましい。さらに、イミド化によって発生した水を速やかに除去するための脱水剤としてカルボン酸無水物を併用することがより好ましい。混合物を得るための有機溶媒としては、メタノール、エタノール、トリクロルエタンなどを用いることができる。上記第一〜第三の方法のいずれを用いても、トライボプラズマを抑制しつつ、非水溶性の保護膜を形成した多結晶ダイヤモンドを効率的に製造するのに適した黒鉛をポリイミドの熱分解によって準備することができる。 It is preferable to use an amine compound (for example, triethylamine) as a catalyst for imidization of the above reactants. Further, it is more preferable to use a carboxylic acid anhydride in combination as a dehydrating agent for rapidly removing water generated by imidization. As the organic solvent for obtaining the mixture, methanol, ethanol, trichloroethane and the like can be used. Regardless of the first to third methods described above, graphite suitable for efficiently producing polycrystalline diamond having a water-insoluble protective film formed while suppressing triboplasma is pyrolyzed from polyimide. Can be prepared by.
ここで、ポリイミドを準備する工程において混合されるボラントリイルトリスイミノトリス[トリス(ジメチルアミノ)シラン]は、構成元素としてホウ素、窒素およびケイ素を含んでいる。ポリイミドを準備する工程において混合されるプロペニルボロン酸は、構成元素としてホウ素を含んでいる。ポリイミドを準備する工程において混合されるジメチルアミンボランおよびトリスジメチルアミノボランは、構成元素としてホウ素とともに窒素を含んでいる。ポリイミドを準備する工程において混合されるトリス(ジメチルアミノ)シランは、構成元素として窒素およびケイ素を含んでいる。 Here, the boron triyltris iminotris [tris (dimethylamino) silane] mixed in the step of preparing the polyimide contains boron, nitrogen and silicon as constituent elements. The propenylboronic acid mixed in the step of preparing the polyimide contains boron as a constituent element. Dimethylamineborane and trisdimethylaminoborane, which are mixed in the step of preparing polyimide, contain nitrogen as a constituent element together with boron. The tris (dimethylamino) silane mixed in the step of preparing the polyimide contains nitrogen and silicon as constituent elements.
第1工程は、上記ポリイミドを準備する工程の後、ポリイミドを成形し、かつ800〜2500℃で熱分解するにより黒鉛を準備することが好ましい。これにより、ホウ素、窒素、窒素化合物およびケイ素が結晶粒中に分子レベルで分散し、最大粒径が1μm以下の黒鉛をポリイミドの熱分解により形成することができる。 In the first step, after the step of preparing the polyimide, it is preferable to prepare the graphite by molding the polyimide and thermally decomposing it at 800 to 2500 ° C. As a result, boron, nitrogen, a nitrogen compound and silicon are dispersed in the crystal grains at the molecular level, and graphite having a maximum particle size of 1 μm or less can be formed by thermal decomposition of polyimide.
さらに第1工程は、ホウ素、窒素、窒素化合物およびケイ素が結晶粒中に均一に分子レベルで分散し、最大粒径が1μm以下の黒鉛を安定的に形成する観点から、真空雰囲気下(10kPa未満)で行なうことが好ましい。 Further, in the first step, boron, nitrogen, a nitrogen compound and silicon are uniformly dispersed in the crystal grains at the molecular level, and graphite having a maximum particle size of 1 μm or less is stably formed in a vacuum atmosphere (less than 10 kPa). ) Is preferable.
以下、第1工程の具体例を1つ説明する。市販のステンレス(SUS316)製の耐熱容器に、テトラカルボン酸二無水物と、ジアミンと、プロペニルボロン酸と、トリス(ジメチルアミノ)シランとを有機溶媒(たとえば、メタノール、エタノール、アセトン)中で混合して混合物を得る。この混合物を70〜90℃で反応させることにより、構成元素としてホウ素、窒素、ケイ素を含むポリアミド酸を反応物として得る。このポリアミド酸を200℃以上で加熱し、かつ上記ポリアミド酸に対してアミン系化合物およびカルボン酸無水物の存在下でイミド化および脱水を行なうことにより、上記有機溶媒中の沈殿物として、構成元素としてホウ素、窒素、ケイ素を含むポリイミドを得る(ポリイミドを準備する工程)。次いで、このポリイミドを成形し、800〜2500℃で熱分解することにより、ホウ素、窒素、窒素化合物およびケイ素が結晶粒中に分子レベルで分散し、最大粒径が1μm以下の黒鉛を準備することができる。黒鉛は、上記多結晶ダイヤモンドの効率的な形成の観点から、少なくとも一部に結晶化部分を含む多結晶であることが好ましい。 Hereinafter, one specific example of the first step will be described. In a commercially available heat-resistant container made of stainless steel (SUS316), tetracarboxylic dianhydride, diamine, propenylboronic acid, and tris (dimethylamino) silane are mixed in an organic solvent (for example, methanol, ethanol, acetone). To obtain the mixture. By reacting this mixture at 70 to 90 ° C., a polyamic acid containing boron, nitrogen and silicon as constituent elements is obtained as a reactant. By heating this polyamic acid at 200 ° C. or higher and imidizing and dehydrating the polyamic acid in the presence of an amine compound and a carboxylic acid anhydride, a constituent element can be obtained as a precipitate in the organic solvent. To obtain a polyimide containing boron, nitrogen, and silicon (step of preparing the polyimide). Next, by molding this polyimide and thermally decomposing it at 800 to 2500 ° C., boron, nitrogen, a nitrogen compound and silicon are dispersed in the crystal grains at the molecular level, and graphite having a maximum particle size of 1 μm or less is prepared. Can be done. From the viewpoint of efficient formation of the polycrystalline diamond, graphite is preferably polycrystalline, which contains at least a partially crystallized portion.
<第4工程>
ここで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工程の前に行なう第4工程をさらに含むことが好ましい。この第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、黒鉛を粉砕体に粉砕する工程であり、B工程は、粉砕体を成形体に成形する工程であり、C工程は、成形体を1500〜1800℃で熱分解することにより、黒鉛を再度準備する工程である。多結晶ダイヤモンドの製造方法は、上記第4工程を含むことにより、B4Cなどの不純物が混入することを有効に回避することができる。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(たとえば、商品名:「X’pert」、PANalytical社製を用い、特性X線:Cu−Kα、管電圧:30kV、管電流:20mA、X線回折法:θ−2θ法で測定)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>
Here, it is preferable that the method for producing polycrystalline diamond further includes a fourth step performed after the first step and before the second step described later. 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. Step A is a step of crushing 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. to obtain graphite. Is the process of preparing again. By including the fourth step, the method for producing polycrystalline diamond can effectively prevent impurities such as B 4 C from being mixed. Whether or not B 4 C is mixed in graphite is determined by, for example, using an X-ray diffractometer (for example, trade name: "X'pert", manufactured by PANalytical), characteristic X-ray: Cu-Kα, tube voltage: 30 kV, It can be confirmed by the presence or absence of a peak derived from B 4 C using tube current: 20 mA, X-ray diffraction method: measured by the θ-2 θ method).
さらに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を真空環境下(10kPa未満)に載置し、この黒鉛に対して窒素およびケイ素の両方またはいずれか一方を単独で、もしくは窒素およびケイ素を複合形態で導入することができる。 Further, 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 include steps. That is, the graphite prepared in the first step or the fourth step is placed in a vacuum environment (less than 10 kPa), and nitrogen and / or silicon alone or nitrogen and silicon are added to the graphite. It can be introduced in a composite form.
黒鉛におけるホウ素、窒素およびケイ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、窒素およびケイ素の濃度、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, nitrogen and silicon in graphite can be confirmed by the same method as the method for confirming the dispersed state and existing form of these elements in the above-mentioned polycrystalline diamond. The "dispersion at the atomic level", "isolated displacement type" or "penetration type", the concentration of boron, nitrogen and silicon, and the concentration of trace impurities are also determined by the same method as the confirmation method for polycrystalline diamond. Each can be confirmed.
黒鉛に含まれる微量不純物(たとえば、遷移金属)の濃度は、SIMSおよびICP−MSの検出限界以下(1015cm-3未満)であることが好ましい。さらに、黒鉛の粒径は、粒径が1〜500nmと小さく、かつホウ素、窒素およびケイ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。 The concentration of trace impurities (eg, transition metals) contained in graphite is preferably below the detection limit of SIMS and ICP-MS (less than 10 15 cm -3). Further, the particle size of graphite is preferably 10 μm or less, preferably 1 μm or less, from the viewpoint of forming a polycrystalline diamond having a small particle size of 1 to 500 nm and a uniform distribution of boron, nitrogen and silicon. Is more preferable.
さらに上記黒鉛は、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0.2%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0.4%未満となる。B4Cの濃度は、上述の面積比率が0.2%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。 Further, the graphite has a BC 5 concentration among the trace impurities in the range where the diffraction angle 2θ in the X-ray diffraction measurement is in the range of 0 ° to 90 ° with respect to the total area of all the diffraction peaks derived from diamond. The total area of all diffraction peaks derived from 5 is less than 0.2%. 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 0.4%. The concentration of B 4 C is preferably such that the above-mentioned area ratio is less than 0.2%, 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.
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 graphite, from the viewpoint of increasing the yield by reducing the volume change when converting the polycrystalline diamond from graphite in a third step described below, 0.8 g / cm 3 or more preferably, 1.4 g / cm 3 More preferably 2.0 g / cm 3 or less.
<第2工程>
第2工程は、上記黒鉛を不活性ガス雰囲気下で容器へ充填する工程である。黒鉛を不活性ガス雰囲気下で所定の容器(たとえば、高圧プレス用セル)に充填することにより、黒鉛および製造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、微量不純物の混入を抑制できるガスであればよく、たとえばArガス、Krガス、Heガスなどを例示することができる。
<Second step>
The second step is a step of filling the container with the graphite in an inert gas atmosphere. By filling a predetermined container (for example, a cell for high-pressure pressing) with graphite in an inert gas atmosphere, it is possible to prevent trace impurities from being mixed into graphite and the polycrystalline diamond produced. Here, the inert gas may be any gas that can suppress the mixing of trace impurities, and examples thereof include Ar gas, Kr gas, and He gas.
<第3工程>
第3工程は、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。特に第3工程は、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、加圧装置内で上記黒鉛に直接加圧熱処理を行なうことが好ましい。これにより、黒鉛を多結晶ダイヤモンドへ直接変換させること、すなわち焼結助剤および触媒などを添加することなく変換させることができる。加圧熱処理とは、加圧下で行なわれる熱処理をいう。
<Third step>
The third step is a step of converting the graphite into diamond by pressure heat treatment in the container. In particular, in the third step, it is preferable to directly heat-treat the graphite in a pressurizing apparatus from the viewpoint of suppressing the mixing of trace impurities into the polycrystalline diamond. Thereby, graphite can be directly converted into polycrystalline diamond, that is, without adding a sintering aid, a catalyst or the like. Pressurized heat treatment refers to heat treatment performed under pressure.
第3工程における加圧熱処理は、6GPa以上かつ1200℃以上の条件で行なわれることが好ましい。加圧熱処理は、8GPa以上30GPa以下かつ1500℃以上2300℃以下の条件で行なわれることがさらに好ましい。これにより、結晶粒中にホウ素が原子レベルで分散しかつ全体の90原子%以上が孤立置換型として存在し、窒素、窒素化合物およびケイ素が孤立置換型または侵入型として存在する多結晶ダイヤモンドを好適に製造することができる。加圧熱処理は、圧力には上限がないが、温度が2500℃である条件が上限となる。加圧熱処理は、6GPa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可能となる。さらに、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可能となる。2500℃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可能となる。 The pressure heat treatment in the third step is preferably performed under the conditions of 6 GPa or more and 1200 ° C. or more. It is more preferable that the pressure heat treatment is performed under the conditions of 8 GPa or more and 30 GPa or less and 1500 ° C. or more and 2300 ° C. or less. As a result, polycrystalline diamond in which boron is dispersed in the crystal grains at the atomic level, 90 atomic% or more of the whole is present as an isolated substitution type, and nitrogen, a nitrogen compound and silicon are present as an isolated substitution type or an interstitial type is preferable. Can be manufactured in. The pressure heat treatment has no upper limit on the pressure, but the upper limit is a condition where the temperature is 2500 ° C. When the pressure heat treatment is 6 GPa or more, graphite can be directly converted into polycrystalline diamond. Further, when the temperature is 1200 ° C. or higher, graphite can be directly converted into polycrystalline diamond. When the temperature is 2500 ° C. or lower, 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、動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15×15t(t:thickness)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 dynamic friction. Polycrystalline diamond is produced in any shape and thickness having a diameter of about 15 × 15 t (t: sickness). 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. ..
<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、上記多結晶ダイヤモンドを用いて作製することができる。
<Scribe tool>
The scribe tool according to this embodiment can be produced by using the above-mentioned polycrystalline diamond.
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る限り、従来公知の方法により作製することができる。 The scribe tool according to this embodiment can be produced by a conventionally known method as long as the above-mentioned polycrystalline diamond is used.
<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、上記多結晶ダイヤモンドを用いて作製することができる。
<Scribe wheel>
The scribe wheel according to this embodiment can be manufactured by using the above-mentioned polycrystalline diamond.
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る限り、従来公知の方法により作製することができる。 The scribe wheel according to this embodiment can be manufactured by a conventionally known method as long as the above-mentioned polycrystalline diamond is used.
<ドレッサー>
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製することができる。
<Dresser>
The dresser according to this embodiment can be produced by using the above-mentioned polycrystalline diamond.
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る限り、従来公知の方法により作製することができる。 The dresser according to the present embodiment can be produced by a conventionally known method as long as the above-mentioned polycrystalline diamond is used.
<回転工具>
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製することができる。
<Rotating tool>
The rotary tool according to this embodiment can be manufactured by using the above-mentioned polycrystalline diamond.
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る限り、従来公知の方法により作製することができる。 The rotary tool according to this embodiment can be manufactured by a conventionally known method as long as the above-mentioned polycrystalline diamond is used.
<ウォータージェット用オリフィス>
本実施形態にかかるウォータージェット用オリフィスは、上記多結晶ダイヤモンドを用いて作製することができる。
<Orifice for water jet>
The water jet orifice according to the present embodiment can be manufactured by using the above-mentioned polycrystalline diamond.
本実施形態にかかるウォータージェット用オリフィスは、上記多結晶ダイヤモンドを用いる限り、従来公知の方法により作製することができる。 The orifice for a water jet according to the present embodiment can be produced by a conventionally known method as long as the above-mentioned polycrystalline diamond is used.
<伸線ダイス>
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製することができる。
<Drawing die>
The wire drawing die according to the present embodiment can be produced by using the above-mentioned polycrystalline diamond.
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る限り、従来公知の方法により作製することができる。 The wire drawing die according to the present embodiment can be produced by a conventionally known method as long as the above-mentioned polycrystalline diamond is used.
<切削工具>
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製することができる。
<Cutting tool>
The cutting tool according to this embodiment can be manufactured by using the above-mentioned polycrystalline diamond.
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る限り、従来公知の方法により作製することができる。 The cutting tool according to this embodiment can be manufactured by a conventionally known method as long as the above-mentioned polycrystalline diamond is used.
<電極>
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製することができる。
<Electrode>
The electrode according to this embodiment can be manufactured by using the above-mentioned polycrystalline diamond.
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る限り、従来公知の方法により作製することができる。 The electrode according to this embodiment can be produced by a conventionally known method as long as the above-mentioned polycrystalline diamond is used.
<加工方法>
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方法である。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。
<Processing method>
The processing method according to the present embodiment is a method of processing an object 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.
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。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が導電性を有するため、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 the processing method according to the present embodiment, since the polycrystalline diamond has conductivity, even if the object is an insulator, the object is efficiently and at low cost without causing abnormal wear due to triboplasma or the like. Can be processed.
上記絶縁体は100kΩ・cm以上の抵抗率を有することが好ましい。絶縁体の抵抗率の上限は無限大(∞)である。本実施形態では、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。 The insulator preferably has a resistivity of 100 kΩ · cm or more. The upper limit of the resistivity of an insulator is infinity (∞). In the present embodiment, 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.
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
<実施例1:多結晶ダイヤモンドの製造>
(4種の多結晶ダイヤモンドの製造)
実施例1では、後述する実施例2〜4で用いる4種の多結晶ダイヤモンド(B−NPD−I、B−NPD−II、B−NPD−III、B−NPD−IV)を製造した。これらの多結晶ダイヤモンドは、いずれも実施例に相当する。
<Example 1: Production of polycrystalline diamond>
(Manufacturing of 4 types of polycrystalline diamond)
In Example 1, four types of polycrystalline diamonds (B-NPD-I, B-NPD-II, B-NPD-III, B-NPD-IV) used in Examples 2 to 4 described later were produced. All of these polycrystalline diamonds correspond to the examples.
(第1工程)
第1工程では、ホウ素、窒素、窒素化合物およびケイ素を含む黒鉛をポリイミドの熱分解により準備した。
(First step)
In the first step, graphite containing boron, nitrogen, a nitrogen compound and silicon was prepared by thermal decomposition of polyimide.
まず、市販のステンレス耐熱容器(容量:500mL)中を脱気し、10kPa未満の真空雰囲気下で、100質量部のテトラカルボン酸二無水物と、100質量部のジアミンと、0.4質量部のプロペニルボロン酸と、0.01質量部のトリス(ジメチルアミノ)シランとを有機溶媒(メタノール)中で混合して混合物を得た。この混合物100質量部に対して、1質量部のグラフェンを加え、70〜90℃で反応させて反応物としてのポリアミド酸を得た。 First, a commercially available stainless steel heat-resistant container (capacity: 500 mL) is degassed, and under a vacuum atmosphere of less than 10 kPa, 100 parts by mass of tetracarboxylic dianhydride, 100 parts by mass of diamine, and 0.4 parts by mass are used. Propenylboronic acid and 0.01 parts by mass of tris (dimethylamino) silane were mixed in an organic solvent (methanol) to obtain a mixture. To 100 parts by mass of this mixture, 1 part by mass of graphene was added and reacted at 70 to 90 ° C. to obtain polyamic acid as a reaction product.
次に、このポリアミド酸に対して210℃に加熱し、かつ上記ポリアミド酸に対してアミン系化合物(メチルアミン)およびカルボン酸無水物の存在下でイミド化および脱水を行なうことにより、ホウ素、窒素、ケイ素を含むポリイミドを得た(ポリイミドを準備する工程)。生成された沈殿物を上記容器から回収し、成形後に、10kPa未満の真空雰囲気下において、650℃でポリイミドの熱分解を行なうことにより、ホウ素、窒素、窒素化合物およびケイ素が結晶粒中に分子レベルで分散し、最大粒径が1μm以下の黒鉛を得た。 Next, the polyamic acid is heated to 210 ° C., and the polyamic acid is imidized and dehydrated in the presence of an amine compound (methylamine) and a carboxylic acid anhydride to obtain boron and nitrogen. , A polyimide containing silicon was obtained (step of preparing the polyimide). The generated precipitate is recovered from the above container, and after molding, the polyimide is thermally decomposed at 650 ° C. in a vacuum atmosphere of less than 10 kPa, so that boron, nitrogen, nitrogen compound and silicon are molecular level in the crystal grains. To obtain graphite having a maximum particle size of 1 μm or less.
(第2工程)
第2工程では、黒鉛を容器内へ収納した。
すなわち、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:φ10×10tの円柱形状)内に封入した。
(Second step)
In the second step, graphite was stored in the container.
That is, the graphite was processed into a tablet shape and then sealed in a container (high pressure press cell: cylindrical shape of φ10 × 10t).
(第3工程)
第3工程では、黒鉛を多結晶ダイヤモンドへ直接変換した。
具体的には、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4種の多結晶ダイヤモンドについては、X線および電子線回折装置により、ダイヤモンド単相を基本組成として結合相を含まず、かつB4Cなどからなる異相が無いことを確認した。さらに4種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原子%以上が孤立置換型として存在すること、ならびにその原子濃度をTEM、SIMSおよびTOF−SIMSを用いて確認した。窒素、窒素化合物およびケイ素が孤立置換型または侵入型として存在すること、ならびに窒素の原子濃度およびケイ素の原子濃度をTOF−SIMSで確認した。多結晶ダイヤモンドの結晶粒中に含まれる窒素化合物の種別を、TEMを用いて確認した。
(Third step)
In the third step, graphite was directly converted to polycrystalline diamond.
Specifically, the graphite was directly converted into polycrystalline diamond by placing the container containing the graphite in a pressure heating device and performing a pressure heat treatment under the conditions of 16 GPa and 2100 ° C. With respect to the obtained four types of polycrystalline diamond, it was confirmed by an X-ray and electron beam diffractometer that the basic composition was a diamond single phase, no bound phase was contained, and there was no heterogeneous phase composed of B 4 C and the like. Furthermore, for four types of polycrystalline diamond, it was confirmed that boron was dispersed at the atomic level and 90 atomic% or more of the total was present as an isolated substitution type, and its atomic concentration was confirmed by using TEM, SIMS and TOF-SIMS. The presence of nitrogen, nitrogen compounds and silicon as isolated substitutions or interstitial types, and the atomic concentration of nitrogen and the atomic concentration of silicon were confirmed by TOF-SIMS. The type of nitrogen compound contained in the crystal grains of polycrystalline diamond was confirmed using TEM.
具体的には、TEMによるホウ素の原子レベルでの分散状態および多結晶ダイヤモンドの結晶粒中に含まれる窒素化合物の種別は、従来公知の方法により確認した。 Specifically, the dispersed state of boron at the atomic level by TEM and the type of nitrogen compound contained in the crystal grains of polycrystalline diamond were confirmed by a conventionally known method.
SIMSを用いて以下の条件により、多結晶ダイヤモンドの内部におけるホウ素、窒素およびケイ素の原子濃度および微量不純物の原子濃度を測定した。
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)。
Using SIMS, the atomic concentrations of boron, nitrogen and silicon and the atomic concentrations of trace impurities inside the polycrystalline diamond were measured under the following conditions.
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).
TOF−SIMSを用いて以下の条件により、各元素が「原子レベルで分散する」こと、および各元素が「孤立置換型」または「侵入型」であることなどを分析した。
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。
Using TOF-SIMS, it was analyzed that each element was "dispersed at the atomic level" and that each element was "isolated substitution type" or "penetrating type" under the following conditions.
Measuring device: Tof-SIMS mass spectrometer (flying time secondary ion mass spectrometer)
Primary ion source: Bismuth (Bi)
Primary acceleration voltage: 25 kV.
その他、抵抗率およびヌープ硬度(但し、N=10)を上述した方法により測定し、かつ大気中での酸化開始温度を従来公知の方法により測定した。さらに、多結晶ダイヤモンドの結晶粒径は、X線回折装置(XRD)による(111)ピークの半値幅から、いずれも500nm以下であることを確認した。上記の4種の多結晶ダイヤモンドにおいてSIMSによって微量不純物の種別と濃度とを測定すると、遷移金属元素およびB4Cは認められなかった。これらの測定結果を表1に示す。 In addition, the resistivity and Knoop hardness (however, N = 10) were measured by the above-mentioned method, and the oxidation start temperature in the atmosphere was measured by a conventionally known method. Further, it was confirmed that the crystal grain size of the polycrystalline diamond was 500 nm or less from the half width of the (111) peak by the X-ray diffractometer (XRD). When the types and concentrations of trace impurities were measured by SIMS in the above four types of polycrystalline diamond, no transition metal element and B 4 C were observed. The results of these measurements are shown in Table 1.
(NPDおよび1b型SCD、PCDの製造)
比較例として、ホウ素が非孤立置換型(侵入型)で2×1019cm-3添加された絶縁体の多結晶ダイヤモンド(NPD)、Ib型単結晶ダイヤモンド(Ib型SCD)およびダイヤモンド粒子を、コバルトを含むバインダーで結合し焼結して形成した粒径が3〜5μmである焼結ダイヤモンド(PCD)を作製した。さらに比較例として、本実施例の上述した第1工程を行なったときに最大粒径10μm超となった黒鉛から、多結晶ダイヤモンド(C−NPD−I、II)を作製した。C−NPD−I、IIは、最大粒径が500nmを超えていた。これらの比較例に対し、ホウ素などの濃度、窒素化合物の種別、ヌープ硬度、抵抗率などを、4種の多結晶ダイヤモンドと同じ方法により測定した。これらの測定結果も表1に示す。
(Manufacturing of NPD and 1b type SCD, PCD)
As a comparative example, a polycrystalline diamond (NPD), an Ib-type single crystal diamond (Ib-type SCD), and diamond particles of an insulator in which boron is added in a non-isolated substitution type (penetration type) by 2 × 10 19 cm -3. Sintered diamond (PCD) having a particle size of 3 to 5 μm formed by bonding with a binder containing cobalt and sintering was produced. Further, as a comparative example, polycrystalline diamond (C-NPD-I, II) was prepared from graphite having a maximum particle size of more than 10 μm when the above-mentioned first step of this example was performed. The maximum particle size of C-NPD-I and II exceeded 500 nm. For these comparative examples, the concentration of boron and the like, the type of nitrogen compound, Knoop hardness, resistivity and the like were measured by the same method as for four types of polycrystalline diamond. The results of these measurements are also shown in Table 1.
<実施例2:耐摩耗性評価(熱化学的摩耗特性)>
実施例2では上記4種の多結晶ダイヤモンド、1b型SCDおよびNPDを用いてそれぞれ公知の製造方法により切削工具を作製し、被削材をビッカーズ硬さ(Hv)が9GPaの石英ガラスを被削材として切削し、耐摩耗性評価を行なった。作製した切削工具の形状は、汎用スローアウェーチップに分類される形状であり、いずれもコーナーR0.8mm、逃げ角7°、すくい角0°のRバイトとした。
<Example 2: Abrasion resistance evaluation (thermochemical wear characteristics)>
In Example 2, using the above four types of polycrystalline diamond, 1b type SCD and NPD, a cutting tool is produced by a known manufacturing method, and a work material is a quartz glass having a Vickers hardness (Hv) of 9 GPa. It was cut as a material and its wear resistance was evaluated. The shape of the produced cutting tool is a shape classified as a general-purpose throw-away tip, and all of them have an R bite having a corner R of 0.8 mm, a clearance angle of 7 °, and a rake angle of 0 °.
耐摩耗性評価では、超精密旋盤に上述した切削工具をそれぞれセットし、切削速度(Vc)=100〜200m/min(低速条件:100m/min、高速条件:200m/min)とし、送り(f)=0.001mm/rot、切込み(ap)=0.005(低速条件)、0.001mm(高速条件)で被削材を5000m切削したときの逃げ面摩耗幅Vb(単位はmm)を測定した。その結果を、表2に示す。 In the wear resistance evaluation, the above-mentioned cutting tools are set on the ultra-precision lathe, the cutting speed (Vc) is 100 to 200 m / min (low speed condition: 100 m / min, high speed condition: 200 m / min), and the feed (f) is set. ) = 0.001 mm / rot, notch (ap) = 0.005 (low speed condition), 0.001 mm (high speed condition), measure the flank wear width Vb (unit: mm) when the work material is cut 5000 m. did. The results are shown in Table 2.
表2より、低速条件では1b型SCDを用いた切削工具の摩耗量が大きく、4種の多結晶ダイヤモンドおよび比較例のNPDを用いた切削工具の摩耗量がいずれも同程度であった。高速条件では、1b型SCDおよびNPDを用いた切削工具で摩耗量が大きかったのに対し、4種の多結晶ダイヤモンドを用いた切削工具おいてはB−NPD−IIで摩耗量が大きかったが、その他はいずれも摩耗量が極めて少なかった。これらは、4種の多結晶ダイヤモンドの表面に形成された保護膜により、石英に対して潤滑性が発揮され、ダイヤモンドと石英との間の反応摩耗が抑制されたことによる効果であるものと推測された。 From Table 2, under low speed conditions, the amount of wear of the cutting tool using the 1b type SCD was large, and the amount of wear of the cutting tool using the four types of polycrystalline diamond and the NPD of the comparative example was about the same. Under high-speed conditions, the amount of wear was large with the cutting tool using 1b type SCD and NPD, while the amount of wear was large with B-NPD-II with the cutting tool using four types of polycrystalline diamond. In all cases, the amount of wear was extremely small. It is presumed that these are the effects of the protective film formed on the surface of the four types of polycrystalline diamond, which exerts lubricity against quartz and suppresses the reaction wear between diamond and quartz. Was done.
<実施例3:耐摩耗性評価(機械的摩耗特性)>
実施例3では4種の多結晶ダイヤモンドのうちB−NPD−I、B−NPD−IIIを用い、比較例としてNPDおよびPCDを用いてそれぞれ公知の製造方法により切削工具を作製し、被削材をビッカーズ硬さ(Hv)が16GPaの高純度アルミナ焼結体(純度:99.9質量%)を被削材として切削し、耐摩耗性評価を行なった。作製した切削工具の形状は、汎用スローアウェーチップに分類される形状であり、いずれもコーナーR0.4mm、逃げ角0°とした。
<Example 3: Evaluation of wear resistance (mechanical wear characteristics)>
In Example 3, B-NPD-I and B-NPD-III were used among the four types of polycrystalline diamond, and NPD and PCD were used as comparative examples to prepare a cutting tool by a known manufacturing method, respectively, and a work material was used. Was cut using a high-purity alumina sintered body (purity: 99.9% by mass) having a Vickers hardness (Hv) of 16 GPa as a work material, and wear resistance was evaluated. The shape of the produced cutting tool is a shape classified as a general-purpose throw-away tip, and all have a corner R of 0.4 mm and a clearance angle of 0 °.
耐摩耗性評価では、超精密旋盤に上述した切削工具をそれぞれセットし、以下の条件において切削距離(m)に対する最大摩耗量(VBmax(単位はμm)を測定した。その結果を、図2に示す。
被削材: KYOCERA A479 φ50mm焼結体、旋削
切削条件: 切削速度(Vc):300m/min、送り(f):0.01mm、切込み(ap):0.01mm、乾式/湿式:湿式。
In the wear resistance evaluation, the above-mentioned cutting tools were set on the ultra-precision lathe, and the maximum wear amount (VBmax (unit: μm)) with respect to the cutting distance (m) was measured under the following conditions. The results are shown in FIG. Shown.
Work Material: KYOCERA A479 φ50mm Sintered Body, Turning Cutting Conditions: Cutting Speed (Vc): 300m / min, Feed (f): 0.01mm, Cutting (ap): 0.01mm, Dry / Wet: Wet.
図2に示すように、PCDを用いた切削工具では切削距離が600m程度で100μmを超える最大摩耗量となった。その一方で、NPDを用いた切削工具では切削距離が5000mを超えても最大摩耗量が100μmを超えることはなかった。さらにB−NPD−Iを用いた切削工具は、NPDに比べ1.5倍の高い耐摩耗性を示し、B−NPD−IIIを用いた切削工具は、NPDに比べ2〜2.5倍の高い耐摩耗性を示した。 As shown in FIG. 2, with a cutting tool using a PCD, the cutting distance was about 600 m and the maximum wear amount exceeded 100 μm. On the other hand, with the cutting tool using NPD, the maximum wear amount did not exceed 100 μm even if the cutting distance exceeded 5000 m. Furthermore, the cutting tool using B-NPD-I shows 1.5 times higher wear resistance than NPD, and the cutting tool using B-NPD-III is 2 to 2.5 times higher than NPD. It showed high wear resistance.
<実施例4:絶縁体の切削による寿命評価>
実施例4では上記4種の多結晶ダイヤモンド、1b型SCDおよびNPDを用いてそれぞれ公知の製造方法により切削工具を作製し、被削材をポリカーボネート(抵抗率:∞kΩ・cm)として切削し、刃先の寿命評価を行なった。作製した切削工具の形状は、いずれもコーナーR0.8mm、逃げ角7°、すくい角7°のRバイトとした。
<Example 4: Life evaluation by cutting an insulator>
In Example 4, a cutting tool was prepared using the above four types of polycrystalline diamond, 1b type SCD and NPD by a known manufacturing method, and the work material was cut as polycarbonate (resistivity: ∞ kΩ · cm). The life of the cutting edge was evaluated. The shape of the produced cutting tool was an R bite with a corner R of 0.8 mm, a clearance angle of 7 °, and a rake angle of 7 °.
実施例4の刃先の寿命評価では、超精密旋盤に上述した切削工具をそれぞれセットし、以下の条件において4.5km切削をし、その後仕上げ切削した後、刃先の損傷度を評価し、その損傷度に基づいて寿命をそれぞれの切削工具で算出した。具体的には、1b型SCDを用いた切削工具の寿命を1としたときの他の切削工具の寿命を相対的に評価した。その結果を、表3に示す。 In the life evaluation of the cutting edge in Example 4, the above-mentioned cutting tools are set on the ultra-precision lathe, cutting is performed for 4.5 km under the following conditions, and after finish cutting, the degree of damage to the cutting edge is evaluated and the damage is evaluated. The life was calculated for each cutting tool based on the degree. Specifically, the lifespan of other cutting tools was relatively evaluated when the lifespan of the cutting tool using the 1b type SCD was 1. The results are shown in Table 3.
被削材: ポリカーボネート(タキロンPCP1609A)
切削条件:
(1)4.5km切削: 切削速度(V):100〜400m/min、送り(f):0.04mm/rot、切込み(ap):0.2mm
(2)仕上げ切削: 切削速度(V):75m/min、送り(f):0.002mm/rot、切込み(ap):0.002mm、乾式/湿式:乾式。
Work Material: Polycarbonate (Takiron PCP1609A)
Cutting conditions:
(1) 4.5km cutting: Cutting speed (V): 100 to 400m / min, Feed (f): 0.04mm / rot, Cutting (ap): 0.2mm
(2) Finish cutting: Cutting speed (V): 75 m / min, feed (f): 0.002 mm / rot, depth of cut (ap): 0.002 mm, dry / wet: dry.
表3より、1b型SCDを用いた切削工具の寿命を1としたとき、NPDを用いた切削工具の寿命は1であったが、4種の多結晶ダイヤモンドを用いた切削工具では2.8以上となり、いずれも良好な寿命を示した。4種の多結晶ダイヤモンドの表面に形成された保護膜、および4種の多結晶ダイヤモンドの導電性により、ポリカーボネートのような絶縁性の被削材に対してトライボプラズマによる損耗が抑制されたことによる効果、および潤滑性が発揮されて摩耗が抑制されたことによる効果であるものと推測された。 From Table 3, when the life of the cutting tool using the 1b type SCD is 1, the life of the cutting tool using the NPD is 1, but the life of the cutting tool using four types of polycrystalline diamond is 2.8. All of them showed a good life. The protective film formed on the surface of the four types of polycrystalline diamond and the conductivity of the four types of polycrystalline diamond suppress the wear caused by triboplasma on an insulating work material such as polycarbonate. It was presumed that the effect and the effect were due to the lubricity being exhibited and the wear being suppressed.
<実施例5:各種ツールにおける評価>
(多結晶ダイヤモンドの作製)
実施例1と同じ方法により、後述する各種ツールにおける評価で用いる多結晶ダイヤモンド(B−NPD−V〜IX)を製造し、かつ従来公知の方法によりホウ素が非孤立置換型(侵入型)で添加された多結晶ダイヤモンド(NPD−I〜III)を製造した。ダイヤモンド単相を基本組成とすること、ホウ素が原子レベルで分散しかつ全体の90原子%以上が孤立置換型として存在すること、窒素、窒素化合物およびケイ素が孤立置換型または侵入型として存在すること、ならびに窒素化合物の種別を確認する方法も実施例1と同じとした。さらに、炭素、ホウ素、窒素およびケイ素、ならびに微量不純物の原子濃度を、SIMSにより実施例1と同じ条件で測定した。上記の多結晶ダイヤモンド(B−NPD−V〜IX)においてSIMSによって微量不純物を検出するとB4Cおよび遷移金属元素のいずれも認められなかった。
<Example 5: Evaluation in various tools>
(Making polycrystalline diamond)
Polycrystalline diamond (B-NPD-V to IX) used for evaluation in various tools described later is produced by the same method as in Example 1, and boron is added in a non-isolated substitution type (penetration type) by a conventionally known method. The polycrystalline diamonds (NPD-I-III) were produced. The basic composition is a single phase of diamond, boron is dispersed at the atomic level and 90 atomic% or more of the whole exists as an isolated substitution type, and nitrogen, a nitrogen compound and silicon exist as an isolated substitution type or an interstitial type. , And the method for confirming the type of nitrogen compound was the same as in Example 1. Furthermore, the atomic concentrations of carbon, boron, nitrogen and silicon, and trace impurities were measured by SIMS under the same conditions as in Example 1. Any of the above polycrystalline in diamond (B-NPD-V~IX) detects the trace impurities by SIMS B 4 C and a transition metal element was observed.
これらの測定結果を表4に示す。さらに、これらの多結晶ダイヤモンドの結晶粒径は、X線回折装置(XRD)による(111)ピークの半値幅から、いずれも30〜60nmであることを確認した。 The results of these measurements are shown in Table 4. Furthermore, it was confirmed that the crystal grain size of these polycrystalline diamonds was 30 to 60 nm from the half width of the (111) peak by the X-ray diffractometer (XRD).
(スクライブツールの作製と評価)
NPD−IIおよびB−NPD−VI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それぞれ作製した。これらの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摩耗量を、電子顕微鏡により観察した。その結果、B−NPD−VIを用いたスクライブツールの摩耗量は、NPD−IIと比べて0.1倍と極めて少なかった。NPD−IIおよびB−NPD−VIを用いてそれぞれ作製したスクライブホイールについても同様の効果が確認された。
(Creation and evaluation of scribe tool)
Using NPD-II and B-NPD-VI, scribe tools with 4-point tips (quadrilateral plane) were prepared, respectively. Using these scribing tools, 200 scribing grooves having a length of 50 mm were formed on the sapphire substrate at a load of 20 gf. Then, the amount of wear on the tip of the scribe tool was observed with an electron microscope. As a result, the amount of wear of the scribe tool using B-NPD-VI was extremely small, 0.1 times that of NPD-II. Similar effects were confirmed for the scribe wheels produced using NPD-II and B-NPD-VI, respectively.
(ドレッサーの作製と評価)
NPD−IIおよびB−NPD−VIを用いて、先端がシングルポイント(円錐状)のドレッサーを作製した。これらのドレッサーを、WA(ホワイトアルミナ)砥石を用い、砥石の周速が30m/secであり、切り込み量が0.05mmであり、湿式である条件で摩耗させた。その後、そのドレッサーの摩耗量を、高さゲージ計により測定した。その結果、B−NPD−VIを用いたドレッサーの摩耗量は、NPD−IIを用いたものに比べて0.1倍と極めて少なかった。
(Making and evaluation of dresser)
Using NPD-II and B-NPD-VI, a single point (conical) dresser was made. These dressers were worn using a WA (white alumina) grindstone under the conditions that the peripheral speed of the grindstone was 30 m / sec, the depth of cut was 0.05 mm, and the dresser was wet. Then, the amount of wear of the dresser was measured with a height gauge meter. As a result, the amount of wear of the dresser using B-NPD-VI was extremely small, 0.1 times, as compared with that using NPD-II.
(微小回転工具(ミニチュアドリル)の作製と評価)
NPD−IIおよびB−NPD−VIを用いて、直径φ1mm、刃長3mmのミニチュアドリルを作製した。これらのミニチュアドリルを用いて、回転数4000rpm、送り2μm/回の条件で、厚さ1.0mmの超硬合金(WC−Co)製板材(組成:12質量%のCo、残部のWC)に穴をあけた。これらのミニチュアドリルが摩耗または破損するまでにあけることができた穴の数(穴あけ回数)を評価した。その結果、B−NPD−VIを用いたミニチュアドリルの穴あけ回数は、NPD−IIを用いたものに比べて10倍多かった。
(Manufacturing and evaluation of micro rotary tools (miniature drills))
Using NPD-II and B-NPD-VI, a miniature drill having a diameter of φ1 mm and a blade length of 3 mm was produced. Using these miniature drills, a cemented carbide (WC-Co) plate with a thickness of 1.0 mm (composition: 12% by mass of Co, the balance of WC) can be used under the conditions of a rotation speed of 4000 rpm and a feed of 2 μm / time. I made a hole. The number of holes (number of drills) that could be drilled before these miniature drills were worn or damaged was evaluated. As a result, the number of drilling of the miniature drill using B-NPD-VI was 10 times higher than that using NPD-II.
<実施例6:切削工具Iの評価>
実施例6では、実施例1と同じ方法を用いることにより、かさ密度が2.0g/cm3、ICP−MSによる上述した条件での測定でホウ素濃度が1×1021cm-3となった黒鉛を準備した。この黒鉛に対して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。X線回折パターンから、B4Cの析出などは見られなかった。SIMSによる実施例1と同じ条件での測定から、ケイ素濃度は1×1018cm-3、窒素濃度は2.5×1018cm-3であった。ホウ素濃度は1×1021cm-3であった。
<Example 6: Evaluation of cutting tool I>
In Example 6, by using the same method as in Example 1, the bulk density was 2.0 g / cm 3 , and the boron concentration was 1 × 10 21 cm -3 as measured by ICP-MS under the above-mentioned conditions. Graphite was prepared. The graphite was directly converted into polycrystalline diamond by heat-treating the graphite 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. From the X-ray diffraction pattern, no precipitation of B 4 C was observed. From the measurement under the same conditions as in Example 1 by SIMS, the silicon concentration was 1 × 10 18 cm -3 and the nitrogen concentration was 2.5 × 10 18 cm -3 . The boron concentration was 1 × 10 21 cm -3 .
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不活性雰囲気下で接合し、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I(試験工具1)、逃げ面をさらに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I(試験工具2)をそれぞれ作製した。比較例として、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て従来公知の方法により切削工具(比較工具A)を作製し、試験工具1と同じ放電加工により、試験工具1と同じ形状のRバイトを付与した。さらに、無添加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(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)をそれぞれ作製し、これらの逃げ面を試験工具2と同じ研磨により加工して試験工具2と同じ形状のRバイトを付与した。放電加工による刃先の稜線精度は、比較工具Aが、2〜5μm程度であったのに対して、試験工具1が0.5μm以下と良好であった。研磨による刃先の稜線精度についても試験工具2が0.1μmと良好であった。試験工具1は、比較工具Aと同等の加工時間であった。
Using this polycrystalline diamond, a cutting tool body was produced by a conventionally known method. An active brazing material is joined to the cutting tool body in an inert atmosphere, the surface of the polycrystalline diamond is polished, and then the flank surface is cut by electric discharge machining to have a corner R of 0.4 mm, a flank angle of 11 °, and a rake angle of 0. Cutting tool I (test tool 1) with an R bite of °, and cutting tool I (test tool 1) with an R bite with a corner R of 0.4 mm, a clearance angle of 11 °, and a rake angle of 0 ° by further polishing the flank surface. Tools 2) were prepared respectively. As a comparative example, a cutting tool (comparative tool A) is manufactured by a conventionally known method using a conventional sintered diamond containing a cobalt (Co) binder, and the same electric discharge machining as the
次に、試験工具1〜2、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切削評価試験を行なった。
Next, each of the
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(形状:直径φ100×500mmU字形状4溝付)
加工方法: 円筒外周断続旋盤加工(湿式)
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。
Tool shape: Corner R 0.4 mm, clearance angle 11 °,
Work Material: Material-Aluminum Alloy A390 (Shape: Diameter φ100 x 500 mm U-shaped with 4 grooves)
Machining method: Cylindrical outer circumference intermittent lathe machining (wet)
Cutting fluid: Water-soluble emulsion Cutting conditions: Cutting speed (Vc) = 800 m / min, Cutting (ap) = 0.2 mm, Feed speed (f) = 0.1 mm / rotation Cutting distance: 10 km.
上記の断続切削評価試験を行った後に、それぞれの工具刃先を観察し、損耗状態を確認した。その結果、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。さらに、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った。
After performing the above intermittent cutting evaluation test, each tool cutting edge was observed to confirm the state of wear. As a result, the comparative tool A had a large flank wear amount of 45 μm and the shape of the cutting edge was impaired, whereas the
<実施例7:切削工具IIの評価>
実施例7では、実施例1と同じ方法を用いることにより、かさ密度が2.0g/cm3、SIMSによる実施例1と同じ条件での測定でホウ素濃度が1×1019cm-3となった黒鉛を準備した。この黒鉛に対して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。X線回折パターンから、B4Cの析出などは見られなかった。SIMSによる実施例1と同じ条件での測定から、ケイ素濃度は1×1018cm-3、窒素濃度は2.5×1018cm-3であった。ホウ素濃度は1×1019cm-3であった。
<Example 7: Evaluation of cutting tool II>
In Example 7, by using the same method as in Example 1, the bulk density was 2.0 g / cm 3 , and the boron concentration was 1 × 10 19 cm -3 as measured under the same conditions as in Example 1 by SIMS. Graphite was prepared. The graphite was directly converted into polycrystalline diamond by heat-treating the graphite 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. From the X-ray diffraction pattern, no precipitation of B 4 C was observed. From the measurement under the same conditions as in Example 1 by SIMS, the silicon concentration was 1 × 10 18 cm -3 and the nitrogen concentration was 2.5 × 10 18 cm -3 . The boron concentration was 1 × 10 19 cm -3 .
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不活性雰囲気下で接合し、多結晶ダイヤモンドの面を研磨した後、逃げ面をさらに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II(試験工具3)を作製した。比較例として、実施例6で用いたものと同じ比較工具A〜Cを準備した。試験工具3の刃先の稜線精度は、0.1μm以下と良好であった。
Using this polycrystalline diamond, a cutting tool body was produced by a conventionally known method. An active brazing material is joined to the cutting tool body in an inert atmosphere, the surface of the polycrystalline diamond is polished, and then the flank surface is further polished to have a corner R of 0.4 mm, a flank angle of 11 °, and a rake angle of 0 °. A cutting tool II (test tool 3) to which the R bite of the above was applied was produced. As a comparative example, the same comparative tools A to C as those used in Example 6 were prepared. The ridgeline accuracy of the cutting edge of the
実施例7においても、試験工具3に対して実施例6と同じ条件の断続切削評価試験を行なった。その結果、試験工具3の摩耗量は0.1μmであり、比較工具A〜Cの摩耗量と比較して非常に良好であった。
In Example 7, the
<実施例8:切削工具IIIの評価>
実施例8では、実施例1と同じ方法を用いることにより、かさ密度が1.9g/cm3、SIMSによる実施例1と同じ条件での測定でホウ素濃度が1×1021cm-3となった黒鉛を準備した。この黒鉛に対して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。ヌープ硬度は120GPaであった。多結晶ダイヤモンドから3mm×1mm角の試験片を切り出し、抵抗率を上述した方法により測定したところ、1mΩ・cmであった。SIMSによる実施例1と同じ条件での測定から、ケイ素濃度は1×1018cm-3、窒素濃度は2.5×1018cm-3であった。ホウ素濃度は1×1021cm-3であった。
<Example 8: Evaluation of cutting tool III>
In Example 8, by using the same method as in Example 1, the bulk density was 1.9 g / cm 3 , and the boron concentration was 1 × 10 21 cm -3 as measured under the same conditions as in Example 1 by SIMS. Graphite was prepared. The graphite was directly converted into polycrystalline diamond by heat-treating the graphite 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 was 120 GPa. A 3 mm × 1 mm square test piece was cut out from the polycrystalline diamond, and the resistivity was measured by the above-mentioned method and found to be 1 mΩ · cm. From the measurement under the same conditions as in Example 1 by SIMS, the silicon concentration was 1 × 10 18 cm -3 and the nitrogen concentration was 2.5 × 10 18 cm -3 . The boron concentration was 1 × 10 21 cm -3 .
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不活性雰囲気下で接合し、多結晶ダイヤモンドの面を研磨した後、放電加工で逃げ面を切断加工することにより、ねじれ形状の切れ刃2枚を持つ直径φ0.5mmのボールエンドミル(試験工具4)を作製した。比較例として、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、試験工具4と同じ形状を有するボールエンドミル(比較工具A−2)を試験工具4と同じ放電加工で逃げ面を切断加工することにより作製した。さらに無添加の多結晶ダイヤモンドを用い、試験工具4と同じ形状を有するボールエンドミル(比較工具B−2)をレーザー加工により逃げ面を切断加工することにより作製し、局所的に研磨加工により刃先品位を表面粗さRa30nmに仕上げた。 Using this polycrystalline diamond, a cutting tool body was produced by a conventionally known method. An active brazing material is joined to this cutting tool body in an inert atmosphere, the surface of polycrystalline diamond is polished, and then the flank surface is cut by electric discharge machining to have a diameter of φ0 with two twist-shaped cutting edges. A 5.5 mm ball end mill (test tool 4) was manufactured. As a comparative example, using a conventional sintered diamond containing a cobalt (Co) binder, a ball end mill (comparative tool A-2) having the same shape as the test tool 4 is machined by the same electric discharge machining as the test tool 4 to cut the flank. It was produced by Furthermore, using additive-free polycrystalline diamond, a ball end mill (comparative tool B-2) having the same shape as the test tool 4 was manufactured by cutting the flank surface by laser machining, and the cutting edge quality was locally polished. Was finished to a surface roughness Ra of 30 nm.
実施例8では、試験工具4、比較工具A−2、比較工具B−2のそれぞれについて、以下の条件により切削評価試験を行なった。 In Example 8, a cutting evaluation test was performed on each of the test tool 4, the comparison tool A-2, and the comparison tool B-2 under the following conditions.
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質量%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。
Tool shape: Diameter φ0.5mm, 2-flute, ball end mill Work material: Material-STAVAX cemented carbide (WC-12 mass% 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−2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。水溶液系の切削液でも同様な効果が得られた。 When the above cutting evaluation test was performed, the tool life of the test tool 4 was 5 times the tool life of the comparison tool A-2 and 1.5 times the tool life of the comparison tool B-2, which were very good. there were. Similar effects were obtained with an aqueous solution-based cutting fluid.
<実施例9:ウォータージェット用オリフィスIの評価>
実施例9では、実施例1と同じ方法を用いることにより、かさ密度が2.0g/cm3、ICP−MSによる上述した条件での測定でホウ素濃度が1×1019cm-3となった黒鉛を準備した。この黒鉛に対して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最大粒径は100nmであった。X線回折パターンから、B4Cの析出などは見られなかった。SIMSによる実施例1と同じ条件での測定から、ケイ素濃度は1×1018cm-3、窒素濃度は2.5×1018cm-3であった。ホウ素濃度は1×1019cm-3であった。
<Example 9: Evaluation of orifice I for water jet>
In Example 9, by using the same method as in Example 1, the bulk density was 2.0 g / cm 3 , and the boron concentration was 1 × 10 19 cm -3 as measured by ICP-MS under the above-mentioned conditions. Graphite was prepared. The graphite was directly converted into polycrystalline diamond by heat-treating the graphite under pressure at 15 GPa and 2200 ° C. using an isotropic high-pressure generator. The maximum particle size of the obtained polycrystalline diamond was 100 nm. From the X-ray diffraction pattern, no precipitation of B 4 C was observed. From the measurement under the same conditions as in Example 1 by SIMS, the silicon concentration was 1 × 10 18 cm -3 and the nitrogen concentration was 2.5 × 10 18 cm -3 . The boron concentration was 1 × 10 19 cm -3 .
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直径φ300μmのオリフィス孔を有するウォータージェット用オリフィスIを作製した。比較例として、従来公知の方法により作製した1b型SCDを用い、ウォータージェット用オリフィスIと同じオリフィス孔を有する1b型SCDウォータージェット用オリフィスを作製した。さらに従来公知の方法により作製した無添加の多結晶ダイヤモンドを用い、ウォータージェット用オリフィスIと同じオリフィス孔を有する無添加の多結晶ダイヤモンドウォータージェット用オリフィスを作製した。 Using this polycrystalline diamond, an orifice I for a water jet having an orifice hole having a diameter of φ300 μm was produced by a conventionally known method. As a comparative example, a 1b type SCD prepared by a conventionally known method was used to prepare a 1b type SCD water jet orifice having the same orifice hole as the water jet orifice I. Further, using additive-free polycrystalline diamond prepared by a conventionally known method, an additive-free polycrystalline diamond water jet orifice having the same orifice hole as the water jet orifice I was prepared.
これらのウォータージェット用オリフィスを用い、従来公知の条件でオリフィス孔が直径φ350μmに拡がるまでの切断時間を測定することにより、その切断性を評価した。その結果、実施例9のウォータージェット用オリフィスIは、1b型SCDウォータージェット用オリフィスの5倍の切断時間を有していた。さらに無添加の多結晶ダイヤモンドウォータージェット用オリフィスの2倍の切断時間を有していた。 Using these water jet orifices, the cutability was evaluated by measuring the cutting time until the orifice hole expanded to a diameter of φ350 μm under conventionally known conditions. As a result, the water jet orifice I of Example 9 had a cutting time five times as long as that of the 1b type SCD water jet orifice. In addition, it had twice the cutting time of the additive-free polycrystalline diamond water jet orifice.
<実施例10:ウォータージェット用オリフィスIIの評価>
実施例10では、実施例1と同じ方法を用いることにより、かさ密度が2.0g/cm3、ICP−MSによる上述した条件での測定でホウ素濃度が1×1019cm-3となった黒鉛を準備した。この黒鉛に対して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最大粒径は200nmであった。X線回折パターンから、B4Cの析出などは見られなかった。SIMSによる実施例1と同じ条件での測定から、ケイ素濃度は1×1018cm-3、窒素濃度は2.5×1018cm-3であった。ホウ素濃度は1×1019cm-3であった。
<Example 10: Evaluation of orifice II for water jet>
In Example 10, by using the same method as in Example 1, the bulk density was 2.0 g / cm 3 , and the boron concentration was 1 × 10 19 cm -3 as measured by ICP-MS under the above-mentioned conditions. Graphite was prepared. The graphite was directly converted into polycrystalline diamond by heat-treating the graphite under pressure at 15 GPa and 2200 ° C. using an isotropic high-pressure generator. The maximum particle size of the obtained polycrystalline diamond was 200 nm. From the X-ray diffraction pattern, no precipitation of B 4 C was observed. From the measurement under the same conditions as in Example 1 by SIMS, the silicon concentration was 1 × 10 18 cm -3 and the nitrogen concentration was 2.5 × 10 18 cm -3 . The boron concentration was 1 × 10 19 cm -3 .
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短辺が150μm、長辺が300μmの矩形ウォータージェット用オリフィスを作製した。比較例として、従来公知の方法により作製したPCDを用い、ウォータージェット用オリフィスIIと同じ形状のPCDウォータージェット用オリフィスを作製した。さらに従来公知の方法により作製した無添加の多結晶ダイヤモンドを用い、ウォータージェット用オリフィスIIと同じ形状の無添加の多結晶ダイヤモンドオリフィスを作製した。 Using this polycrystalline diamond, a rectangular water jet orifice having a short side of 150 μm and a long side of 300 μm was produced by a conventionally known method. As a comparative example, a PCD water jet orifice having the same shape as the water jet orifice II was prepared using a PCD prepared by a conventionally known method. Further, using additive-free polycrystalline diamond prepared by a conventionally known method, an additive-free polycrystalline diamond orifice having the same shape as the water jet orifice II was prepared.
これらのウォータージェット用オリフィスを用い、従来公知の条件で長辺が400μmに拡がるまでの切断時間を測定することにより、その切断性を評価した。その結果、実施例10のウォータージェット用オリフィスIIは、PCDウォータージェット用オリフィスの40倍の切断時間を有していた。無添加の多結晶ダイヤモンドウォータージェット用オリフィスの2倍の切断時間を有していた。
Using these water jet orifices, the cutability was evaluated by measuring the cutting time until the long side expanded to 400 μm under conventionally known conditions. As a result, the water jet orifice II of Example 10 had a
<実施例11:B−NPD−IIIとC−NPD−Iとの性能比較>
本実施例では、表1に示すB−NPD−IIIとC−NPD−Iとを性能比較した。その結果、B−NPD−IIIのヌープ硬度は110GPaであったのに対し、C−NPD−Iは75GPaであった。さらに、B−NPD−IIIは、大気中で900℃付近まで安定であったのに対し、C−NPD−Iは700℃程度で酸化し、割れた。
<Example 11: Performance comparison between B-NPD-III and C-NPD-I>
In this example, the performance of B-NPD-III and C-NPD-I shown in Table 1 was compared. As a result, the Knoop hardness of B-NPD-III was 110 GPa, whereas that of C-NPD-I was 75 GPa. Further, B-NPD-III was stable up to around 900 ° C. in the atmosphere, whereas C-NPD-I was oxidized and cracked at around 700 ° C.
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, it is planned from the beginning that the configurations of the above-described embodiments and examples are appropriately combined.
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 step, S20 2nd step, S30 3rd step.
Claims (28)
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、窒素と、窒素化合物と、ケイ素とを含むとともに、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、かつ全体の90原子%以上が孤立置換型として存在し、
前記窒素、前記窒素化合物および前記ケイ素は、前記結晶粒中に孤立置換型または侵入型として存在し、
前記窒素化合物は、窒化ホウ素および窒化ケイ素の両方またはいずれか一方であり、
前記結晶粒は、その粒径が500nm以下であり、
前記多結晶ダイヤモンドは、その表面が保護膜で被覆され、
前記保護膜は、酸化ケイ素、窒化ケイ素および窒化ホウ素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、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, nitrogen, a nitrogen compound, and silicon, 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 total is present as an isolated substitution type.
The nitrogen, the nitrogen compound and the silicon are present in the crystal grains as isolated substitution type or invasion type.
The nitrogen compound is either boron nitride and / or silicon nitride.
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 at least one selected from the group consisting of silicon oxide, silicon nitride and boron nitride.
前記析出物は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素および酸化ホウ素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の多結晶ダイヤモンド。 The protective layer, see containing the precipitate deposited from in the crystal grains,
The polycrystalline diamond according to any one of claims 1 to 5 , wherein the precipitate contains at least one selected from the group consisting of silicon oxide, silicon nitride, boron nitride and boron oxide.
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、
前記ホウ素は、前記黒鉛の結晶粒中に原子レベルで分散し、かつ全体の90原子%以上が孤立置換型として存在し、
前記窒素化合物は、窒化ホウ素および窒化ケイ素の両方またはいずれか一方である、多結晶ダイヤモンドの製造方法。 The first step of preparing graphite containing carbon, boron, nitrogen, a nitrogen compound, and silicon by thermal decomposition of polyimide, 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 is dispersed in the crystal grains of the graphite at the atomic level, and 90 atomic% or more of the total is present as an isolated substitution type.
A method for producing polycrystalline diamond, wherein the nitrogen compound is boron nitride and / or silicon nitride.
前記混合物を70〜90℃で反応させて反応物を得る工程と、
前記反応物を200℃以上で加熱し、かつ前記反応物に対してイミド化および脱水を行なうことにより、前記ポリイミドを得る工程とを含む、請求項9または請求項10に記載の多結晶ダイヤモンドの製造方法。 In the step of preparing the polyimide, tetracarboxylic acid dianhydride, diamine, one selected from the group consisting of propenylboronic acid, dimethylamine borane and trisdimethylaminoborane, and tris (dimethylamino) silane are organic. The process of mixing in a solvent to obtain a mixture and
A step of reacting the mixture at 70 to 90 ° C. to obtain a reaction product,
The polycrystalline diamond according to claim 9 , which comprises a step of obtaining the polyimide by heating the reaction product at 200 ° C. or higher and imidizing and dehydrating the reaction product. Production method.
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8から請求項12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。 The method for producing polycrystalline diamond further comprises a fourth step after the first step and before the second step.
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 8 to 12 , wherein the step C is a step of preparing the graphite again by thermally decomposing the molded product at 1500 to 1800 ° C. Method.
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、窒素と、窒素化合物と、ケイ素とを含むとともに、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、
前記窒素、前記窒素化合物および前記ケイ素は、前記結晶粒中に孤立置換型または侵入型として存在し、
前記窒素化合物は、窒化ホウ素および窒化ケイ素の両方またはいずれか一方であり、
前記結晶粒は、その粒径が500nm以下であり、
前記多結晶ダイヤモンドは、その表面が保護膜で被覆され、
前記ホウ素は、その原子濃度が1×1014cm-3以上1×1022cm-3以下であり、
前記窒素および前記窒素化合物中の窒素は、前記多結晶ダイヤモンド中の原子濃度の和が1×1018cm-3以上1×1020cm-3以下であり、
前記ケイ素は、その原子濃度が1×1018cm-3以上2×1020cm-3以下であり、
前記保護膜は、酸化ケイ素、窒化ケイ素および窒化ホウ素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含み、かつ前記結晶粒中から析出した析出物を含み、前記析出物は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素および酸化ホウ素からなる群より選ばれる少なくとも1種を含み、
前記保護膜は、その平均膜厚が1nm以上1000nm以下である、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, nitrogen, a nitrogen compound, and silicon, 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 nitrogen, the nitrogen compound and the silicon are present in the crystal grains as isolated substitution type or invasion type.
The nitrogen compound is either boron nitride and / or silicon nitride.
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 boron has an atomic concentration of 1 × 10 14 cm -3 or more and 1 × 10 22 cm -3 or less.
The sum of the atomic concentrations of the nitrogen and the nitrogen in the nitrogen compound in the polycrystalline diamond is 1 × 10 18 cm -3 or more and 1 × 10 20 cm -3 or less.
The silicon has an atomic concentration of 1 × 10 18 cm -3 or more and 2 × 10 20 cm -3 or less .
Before Symbol protective film, silicon oxide comprises at least one member selected from the group consisting of silicon nitride and boron nitride, and wherein the precipitate deposited from in the crystal grains, said precipitates, silicon oxide, silicon nitride, Containing at least one selected from the group consisting of boron nitride and boron oxide,
The protective film is a polycrystalline diamond having an average film thickness of 1 nm or more and 1000 nm or less.
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