JP6232817B2 - ナノ多結晶ダイヤモンドおよびこれを備える工具 - Google Patents
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本発明は、炭素と、炭素により構成される結晶構造内にドープされた異種元素と、を含み、異種元素は、13族元素からなる群より選択される1種である第1元素と、15族元素からなる群より選択される1種である第2元素とからなり、第1元素および第2元素の各原子濃度は、1×1014/cm3以上1×1022/cm3以下であり、電気抵抗率が10Ω・cm以上である、ナノ多結晶ダイヤモンドである。本発明のナノ多結晶ダイヤモンドは、高い硬度と鉄系材料に対する高い耐摩耗性とを有することができる。
以下、本発明に係るナノ多結晶ダイヤモンドおよびこれを備える工具についてさらに詳細に説明する。
本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、炭素と、炭素により構成される結晶構造内にドープされた異種元素と、を含み、異種元素は、13族元素からなる群より選択される1種である第1元素と、15族元素からなる群より選択される1種である第2元素とからなり、第1元素および第2元素の各原子濃度は、1×1014/cm3以上1×1022/cm3以下であり、電気抵抗率が10Ω・cm以上である。
本実施形態の工具は、上述のナノ多結晶ダイヤモンドを備える工具である。工具としては、上記と同様に、切削工具、研削工具、耐摩工具などを挙げることができ、これらの具体的な例示も上記と同様である。
本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、たとえば、以下のようにして製造することができる。下記製造方法に関し、図1および図2を用いながら各工程について説明する。
本工程は、黒鉛を準備する工程であり、これにより、図1に示すように、炭素と、炭素により構成される結晶構造内にドープされた、第1元素および第2元素からなる異種元素とを含む黒鉛1を基材2上に作製する。作製された黒鉛1は後述する変換工程によってナノ多結晶ダイヤモンドへと変換され、黒鉛1における単結晶の粒径および黒鉛1における異種元素の原子濃度はナノ多結晶ダイヤモンドに関係する。したがって、黒鉛1は、黒鉛を構成する単結晶の粒径が10μm以下、より好ましくは500nm以下であり、黒鉛における異種元素の原子濃度が1×1014/cm3以上1×1022/cm3以下、より好ましくは1018/cm3以上1021/cm3以下となるように作製される。このような黒鉛1は、たとえば、以下の化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法を用いることにより基材2上に形成することができる。
まず、真空チャンバ内に、その主面上に黒鉛を気相成長させるための基材2を配置する。基材2の材料としては、1500℃〜3000℃程度の温度に耐え得る材料であれば、いかなる金属、無機セラミック材料、炭素材料を用いてもよい。ただし、ナノ多結晶ダイヤモンドの原材料となる黒鉛に混入する不純物を低減するという観点から、少なくとも基材の主面は炭素材料であることが好ましく、不純物の極めて少ないダイヤモンドまたは黒鉛であることがより好ましい。
本工程は、準備工程で形成された黒鉛を焼結させてナノ多結晶ダイヤモンドに直接変換させる工程であり、これにより、図2に示すように、ナノ多結晶ダイヤモンド3を、基材2上に作製する。
アルキメデス法を用いて黒鉛の密度を測定した。
電子顕微鏡を用いて得たSEM像における各単結晶の粒径を実測した。
ICP−MS分析装置を用いて、各元素の含有率を測定した。
X線回折装置により、X線回折スペクトルを得た。
マイクロヌープ硬度計により、測定荷重を4.9Nとしてヌープ硬度を測定した。
抵抗率測定器により、温度20℃での電気抵抗率(体積抵抗率)を測定した。
(準備工程)
まず、真空チャンバ内に、単結晶のダイヤモンドからなる基材を配置した。次に、真空チャンバ内の基材を1900℃で加熱し、そして、真空チャンバ内の真空度を110Torrとして、真空チャンバ内にメタンガスを120sccm、フッ化ホウ素ガスを30sccm、アンモニアガスを30sccmで供給しこれを1時間継続した。これにより、基材の主面上に約100μmの厚みを有する、ホウ素および窒素がドープされた黒鉛が形成された。
次に、形成された基材上の黒鉛を、2200℃、15GPaの高温高圧環境下に曝すことにより、黒鉛をダイヤモンドに直接変換し、窒素およびホウ素がドープされたナノ多結晶ダイヤモンドを製造した。
2 基材
3 ナノ多結晶ダイヤモンド
Claims (4)
- 炭素と、前記炭素により構成される結晶構造内にドープされた異種元素と、を含み、
前記異種元素は、ホウ素と窒素とからなり、
前記ホウ素および前記窒素の各原子濃度は、1×1014/cm3以上1×1022/cm3以下であり、
電気抵抗率が10Ω・cm以上であり、
クラスター化した異種元素を含まない、ナノ多結晶ダイヤモンドであって、
前記ナノ多結晶ダイヤモンドを構成する単結晶の粒径は500nm以下である、ナノ多結晶ダイヤモンド。 - 前記炭素により構成される結晶構造に由来するピーク強度に対する、他の結晶構造に由来するピーク強度の比が0.0001以下であるX線回折パターンを示す、請求項1に記載のナノ多結晶ダイヤモンド。
- 鉄系材料を加工するための工具に用いられる、請求項1又は請求項2に記載のナノ多結晶ダイヤモンド。
- 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のナノ多結晶ダイヤモンドを備える工具。
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