JP2009067610A

JP2009067610A - 高硬度ダイヤモンド多結晶体およびその製造方法

Info

Publication number: JP2009067610A
Application number: JP2007234993A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Sumiya; 均角谷; Katsuko Harano; 佳津子原野
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2009-04-02

Abstract

【課題】本発明は、切削バイトや、ドレッサー、ダイスなどの工具や、掘削ビットとして十分な強度、硬度、耐熱性を有する緻密で均質なダイヤモンド単相の多結晶体を提供することを目的とする。
【解決手段】非ダイヤモンド状炭素物質を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加なしに直接的にダイヤモンドに変換焼結された、実質的にダイヤモンドのみからなる多結晶体であって、赤外域３３００−３４００ｃｍ^−１付近の水による吸収が、ダイヤモンドのフォノンによる吸収の最大値の１０％以下である高硬度ダイヤモンド多結晶体。
【選択図】なし

Description

本発明は、ダイヤモンドおよびその製造方法に関するもので、特に、切削バイトや、ドレッサー、ダイスなどの工具や、掘削ビットなどに用いられる高硬度高強度で熱的特性に優れるダイヤモンド多結晶体とその製造方法に関するものである。

従来の切削バイトや、ドレッサー、ダイスなどの工具や、掘削ビットなどに使われるダイヤモンド多結晶体には、焼結助剤あるいは結合剤としてＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅなどの鉄族金属や、ＳｉＣなどのセラミックスが用いられている。また、焼結助剤として炭酸塩を用いたものも知られている（特許文献１及び２）。これらは、ダイヤモンドの粉末を焼結助剤や結合剤とともにダイヤモンドが熱力学的に安定な高圧高温条件下（通常、圧力５〜８ＧＰａ、温度１３００〜２２００℃）で焼結することにより得られる。一方、天然に産出するダイヤモンド多結晶体（カーボナードやバラス）も知られ、一部掘削ビットとして使用されているが、材質のバラツキが大きく、また産出量も少ないため、工業的にはあまり使用されていない。

Ｃｏなどの鉄系金属触媒を焼結助剤としたダイヤモンド多結晶体には、用いた焼結助剤が多結晶中に含まれ、これがダイヤモンドの黒鉛化を促す触媒として作用するため耐熱性に劣る。すなわち、不活性ガス雰囲気中でも７００度程度でダイヤモンドが黒鉛化してしまう。また、この焼結助剤とダイヤモンドの熱膨張差のため、多結晶体内に微細なクラックが入りやすい。さらにダイヤモンドの粒子間にＣｏなどの金属が連続層として存在するため、多結晶体の硬度や強度などの機械的特性が低下する。耐熱性を上げるために上記の粒界の金属を除去したものも知られており、これにより耐熱温度は約１２００℃と向上するが、多結晶体が多孔質となるため強度がさらに大幅に低下する。ＳｉＣを結合体としたダイヤモンド焼結体は耐熱性には優れるが、ダイヤモンド粒同士は結合がないため、強度は低い。また、焼結助剤として炭酸塩を用いたダイヤモンド焼結体は、Ｃｏ結合剤による焼結体に比べると耐熱性に優れるが、粒界に炭酸塩物質が存在するため、機械的特性は十分とはいえない。

一方、黒鉛（グラファイト）やグラッシーカーボン、アモルファスカーボンなどの非ダイヤモンド炭素を超高圧高温下で、触媒や溶媒なしに直接的にダイヤモンドに変換させることが可能である。非ダイヤモンド相からダイヤモンド相へ直接変換すると同時に焼結させることでダイヤモンド単相の多結晶体が得られる。たとえば、非特許文献１〜３には、グラファイトを出発物質として１４−１８ＧＰａ、３０００Ｋ以上の超高圧高温下の直接変換によりダイヤモンド多結晶体が得られることが開示されている。しかし、いずれもグラファイトなどの導電性のある非ダイヤモンド炭素に直接電流を流すことで加熱する直接通電加熱法によっているため、未変換グラファイトが残留することは避けられない。また、ダイヤモンド粒子径が不均一であり、また、部分的に焼結が不十分とりやすい。このため、硬度や強度などの機械的特性が不十分で、しかも欠片状の多結晶体しか得られなかった。また、１４ＧＰａ、３０００Ｋを越える超々高圧高温条件が必要で、製造コストが極めて高く、生産性にも乏しい。このため、切削工具やビットなどに適用できず、実用化にはいたっていない。また、非特許文献４及び５には、高純度グラファイトを出発物質として、１２ＧＰａ以上、２２００℃以上の超高圧高温下で間接加熱による直接変換焼結により緻密で高純度なダイヤモンド多結晶体を得る方法が開示されている。この方法で得られるダイヤモンドは非常に高い硬度を有するが、耐摩耗性や耐欠損性、耐熱性など実用特性が不十分で安定しないという問題があった。

特開平４−０７４７６６号公報特開平４−１１４９６６号公報 J. Chem. Phys., 38 (1963) 631-643 [F.P.Bundy] Japan. J. Appl. Phys., 11 (1972) 578-590 [M.Wakatsuki, K.Ichinose, T.Aoki] Nature 259 (1976) 38 [S.Naka, K.Horii, Y.Takeda, T.Hanawa] New Diamond and Frontier Carbon Technology, 14 (2004) 313 [T. Irifune, H. Sumiya] SEIテクニカルレビュー 165 (2004) 68 [角谷、入舩]

本発明は、以上の従来の技術の問題点を解決するためになされたものであり、切削バイトや、ドレッサー、ダイスなどの工具や、掘削ビットとして十分な強度、硬度、耐熱性を有する緻密で均質なダイヤモンド単相の多結晶体を提供することを目的とする。

グラファイトを出発物質として１２ＧＰａ以上、２２００℃以上の処理で得られるダイヤモンド多結晶体を詳しく調査したところ、多結晶体中に水に起因する赤外吸収（３３００−３４００ｃｍ^−１）が見られることがわかり、また、この水による赤外吸収が強い結晶体は、耐摩耗性や耐欠損性などの機械特性や耐熱性があまり高くなく、バイトやダイスなどの切削工具や耐摩耗工具としての実用性能がよくないことがわかった。

そこで、本発明者らは、上記のような問題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、非ダイヤモンド状炭素物質を出発物質として、ＴａまたはＮｂまたはＨｆの高融点金属製のカプセルに入れて完全に密封し、温度１６００−２８００℃以下の温度条件で、ダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力下で、ダイヤモンドに直接変換させ同時に焼結させることが有効であることを見出した。すなわち、本発明は以下の構成を採用することを特徴とする。

（１）本発明に係る高硬度ダイヤモンド多結晶体は、非ダイヤモンド状炭素物質を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加なしに直接的にダイヤモンドに変換焼結された、実質的にダイヤモンドのみからなる多結晶体であって、赤外域３３００−３４００ｃｍ^−１付近の水による吸収が、ダイヤモンドのフォノンによる吸収の最大値の１０％以下であることを特徴とする。

（２）本発明に係る上記（１）に記載の高硬度ダイヤモンド多結晶体の製造方法は、非ダイヤモンド状炭素物質を、密閉した高融点金属カプセルの中で、温度１６００℃以上かつ２８００℃以下、圧力１２ＧＰａ以上で、焼結助剤や触媒の添加なしに直接的にダイヤモンドに変換させると同時に焼結させることを特徴とする。
（３）前記（２）に記載の高硬度ダイヤモンド多結晶体の製造方法において、前記高融点金属がＴａ，Ｎｂ，Ｈｆから選ばれる少なくとも１種の金属又はその合金であることを特徴とする。
（４）前記（２）又は（３）に記載の高硬度ダイヤモンド多結晶体の製造方法において、前記非ダイヤモンド状炭素物質を、高融点金属カプセル内に、真空中で密閉することを特徴とする。

これにより、試料室の構成部材からの水分の混入が抑えられ、得られるダイヤモンド多結晶体の赤外吸収スペクトルで、３３００−３４００ｃｍ^−１の吸収が、ダイヤモンドのフォノンによる吸収の最大値の１０％以下となり、高純度で微細なダイヤモンド粒子が均質に焼結した組織を持つダイヤモンド単相の多結晶体が得られる。そして、こうして得られる高純度ダイヤモンド多結晶体は、特に高温下での硬度や靭性などの機械的特性に優れ、高温下でのチッピングや微細クラックの発生が起こりにくい。このため、このダイヤモンド多結晶体は、高温下で高い機械特性の要求される精密バイトや、線引き用ダイス等の切削工具や耐摩工具素材として非常に有用である。

以上、本発明によれば、水素不純物や酸素不純物の少ない高純度で耐熱性に優れるダイヤモンド多結晶体が得られる。このダイヤモンド多結晶体は、精密バイトや、極細線の線引き用ダイスなどの工具素材として極めて有効な材料である。

本発明に係る高硬度ダイヤモンド多結晶体は、非ダイヤモンド状炭素物質を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加なしに直接的にダイヤモンドに変換焼結された、実質的にダイヤモンドのみからなる多結晶体であって、赤外域３３００−３４００ｃｍ^−１付近の水による吸収が、ダイヤモンドのフォノンによる吸収の最大値の１０％以下であることを特徴とする。ダイヤモンドフォノンによる赤外線吸収は、ダイヤモンド格子の振動に起因するため、不純物や欠陥の有無にかかわらず常に一定量発生する。このため、水による赤外線吸収がダイヤモンドのフォノンによる吸収の最大値の１０％以下である高硬度ダイヤモンド多結晶体は、不純物としての水分の混入が少なく、バイトやダイスなどの切削工具や耐摩耗工具として好ましく利用することが可能となる。
ダイヤモンドのフォノンによる赤外線吸収は１８００ｃｍ^−１〜２５００ｃｍ^−１付近に複数のピークが現れるが、本発明において基準とするピークはその吸収量が最大のものである。なお、超高圧高温とは、１２ＧＰａ以上、１６００〜２８００℃の圧力・温度条件を意味する。

本発明に係る高純度ダイヤモンド多結晶体の製造方法は、非ダイヤモンド状炭素物質を、密閉した高融点金属カプセルの中で、温度１６００℃以上かつ２８００℃以下、圧力１２ＧＰａ以上で、焼結助剤や触媒の添加なしに直接的にダイヤモンドに変換させると同時に焼結させることを特徴とする。非ダイヤモンド状炭素物質に１６００℃〜２８００℃の温度で、１２ＧＰａ以上の圧力をかけることにより、非ダイヤモンド状炭素物質をダイヤモンドへ変換すると同時に焼結させることが可能となる。
温度が１６００℃未満であると、ダイヤモンドへの変換が不充分となり、２８００℃を超えると、ダイヤモンド粒子が粗大化して焼結体の強度が低下するため好ましくない。より好ましくは、２２００℃〜２５００℃である。また、圧力が１２ＧＰａ未満であると、ダイヤモンドへの変換が不充分となるため好ましくない。
例えば、ベルト型やマルチアンビル型の超高圧高温発生装置を用いて、圧力１２ＧＰａ以上、温度１６００−２８００℃の条件でダイヤモンドに変換焼結させることができる。

出発物質である非ダイヤモンド状炭素物質としては、高純度なグラファイトを用いることができる。アモルファスカーボン（超微粉砕したグラファイトも含む）やグラッシーカーボン、ファラーレンなどの各種非グラファイト型炭素物質も用いることができるが、ＨやＯを不純物としてほとんど含まないものが好ましい。ただし、出発物質には特に鉄族の金属不純物が含まれていないものを用いる必要がある。鉄族の金属は、ダイヤモンド変換の触媒として作用し、粒成長を促進するので、微細なダイヤモンド多結晶体は得られないからである。

上記のような非ダイヤモンド物質である炭素材料を、高融点金属製カプセルに入れ、完全に密封して、ダイヤモンドへの変換焼結を行うことにより、不純物としての水分の混入が極めて少ない高純度ダイヤモンド多結晶体を作製することが可能となる。
高融点金属製カプセルを構成する金属は、融点が２２００℃以上であることが好ましい。また、超高圧発生時に割れることの少ない、延性の高い金属が好ましい。特に、Ｔａ、Ｎｂ及びＨｆから選ばれるいずれか１種以上の金属またはその合金により形成されていることが好ましい。これにより、超高圧発生用の試料室構成部材からの水分子の混入をより少なくすることができる。また、出発物質としての非ダイヤモンド状炭素物質を高融点金属製のカプセルに入れる際には、真空中で完全に密封することが好ましい。このとき、真空中で２００℃以上の温度に加熱しながら、ロウ付け、あるいは電子ビームやレーザー溶接で密封するとより好ましい。これにより、出発物質に吸着している水分を除去でき、空気からの水分子の混入を防止できる。

出発物質である非ダイヤモンド状炭素物質として、高純度グラファイトを用い、それぞれ表１に示す圧力・温度条件でダイヤモンドへの変換・焼結を行った。高融点金属製カプセルとして、Ｔａ製のものを用い、（真空中で２００℃以上に加熱しながら、ロウ付けにより）密封した。ダイヤモンド変換・焼結のための加熱・加圧は、（マルチアンビル型の超高圧高温発生装置）を用いて行った。
また比較例として、同様に高純度グラファイトを出発物質としてＲｅシートによりダイヤモンド変換・焼結を行った。

こうして得られた、ダイヤモンド多結晶体の赤外吸収スペクトルの３３００−３４００ｃｍ^−１における吸収の、ダイヤモンドのフォノンによる吸収の最大値に対する割合を測定した結果の例を表１に示す。

このように、高融点金属がIVａ族元素のＴａまたはＮｂまたはＨｆの高融点金属製のカプセルに入れて完全に密封することで、赤外吸収スペクトルの３３００−３４００ｃｍ^−１における吸収が、ダイヤモンドのフォノンによる吸収の最大値に対する割合が１０％以下の高純度なダイヤモンド多結晶体が得られる。このようにして得られたダイヤモンド多結晶体は、高温下での機械特性や耐熱性に影響を与える水分子が少ないため、従来のダイヤモンド多結晶体よりはるかに優れた高温硬度、高温強度、耐熱性を有し、精密バイトや、線引き用ダイス等の切削工具や耐摩工具素材として非常に有用となる。

Claims

非ダイヤモンド状炭素物質を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加なしに直接的にダイヤモンドに変換焼結された、実質的にダイヤモンドのみからなる多結晶体であって、赤外域３３００−３４００ｃｍ^−１付近の水による吸収が、ダイヤモンドのフォノンによる吸収の最大値の１０％以下であることを特徴とする高硬度ダイヤモンド多結晶体。
非ダイヤモンド状炭素物質を、密閉した高融点金属カプセルの中で、温度１６００℃以上かつ２８００℃以下、圧力１２ＧＰａ以上で、焼結助剤や触媒の添加なしに直接的にダイヤモンドに変換させると同時に焼結させることを特徴とする請求項１に記載の高硬度ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
前記高融点金属がＴａ，Ｎｂ，Ｈｆから選ばれる少なくとも１種の金属又はその合金であることを特徴とする請求項２に記載の高硬度ダイヤモンド多結晶体の製造方法。
前記非ダイヤモンド状炭素物質を、高融点金属カプセル内に、真空中で密閉することを特徴とする請求項２または３に記載の高硬度ダイヤモンド多結晶体の製造方法。