JPH03103397A - 高強度ダイヤモンド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は切削工具や掘削工具に適用できる高強度気相合
成ダイヤモンドに関するものである。

〔従来の技術〕

ダイヤモンドの微粉末と金属バインダーを超高圧下で焼
結して作製する焼結ダイヤモンドが非鉄金属の切削工具
，ドリルビット，線引ダイス等に使用されている。また
近年低圧下の気相中より合或された気相合成ダイヤモン
ドを切削工具や掘削工具に適用することが検討されてい
るが、未だ十分な性能が得られていなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般に用いられている焼結ダイヤモンドには耐熱性が劣
るという欠点があった。これはダイヤモンド粒子と金属
バインダーとの界面においてダイヤモンドの黒鉛化が生
じること、および両者の間の熱膨張率の差に起因する熱
応力によるものと考えらる。この欠点を改善するために
焼結体を酸処理して金属パインダーを除去することが提
案されているが、除去された金属の部分が空隙となるた
めに耐熱性は向上するが強度が低下してしまうという欠
点があった。また結合材としてＳｉ及び／またはＳｉＣ
を含有する耐熱性の焼結ダイヤモンドも開発されている
が、ダイヤモンド粒子同士の結合が弱く、耐摩耗性に劣
ると言う問題がある。一方気相合成ダイヤモンドは実質
的にダイヤモンドのみからなり、結合材を全く含有しな
いため、耐熱性は良好である。しかし、ダイヤモンド粒
子同士の結合が、超高圧で焼結した焼結ダイヤモンドの
ようにネッキングにより粒界で原子の相互拡散が生じな
いために弱く、強度が低いという欠点があった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは焼結ダイヤの欠点である耐熱性を改善し、
かつ気相合或ダイヤの機械的強度を向上させるために鋭
意検討を重ねた結果、本発明に至ったのである。即ち、
気相合或法で合戒されるダイヤモンドにおいて周期律表
第ＩＶａ族，ｖａ族，ＶＩａ族、ＶＩＩａ族、ＶＩＩＩ
族の金属元素および周期律表第ｍｂ族．■ｂ族，Ｖｂ族
の金属元素並びに半金属元素の中から選ばれる少なくと
も一つ以上の元素を含有し、かつその含有量が原子％で
ｏ．　ｏｏｉ％以上２．０％以下とすることによって、
耐熱性に優れかつ機械的強度にも優れたダイヤモンドが
得られることを新規に知見したのである。

またそれに加えて、Ｌａ，　Ｃｅ，　Ｔｈ，　Ｒｅの中
から選ばれる少なくとも一つ以上の元素を含有し、かつ
その含有量が原子％で０．　００１％以上０．２％以下
とすることにより、前述の性能がさらに向上することを
見い出したのである。

〔作　用〕

気相合戒ダイヤモンドの機械的強度の劣る原因の一つは
、焼結ダイヤと異なり、ダイヤモンド粒子同士がネッキ
ングにより結晶粒界で原子の相互拡散を生じないために
、結晶粒界での結合が弱いためと考えられる。また気相
合成法でダイヤモンドのバルクを作製しようとすると、
特別な処置をしない限り結晶粒は粗大化し、組織も柱状
晶となるが、これも気相合成ダイヤモンドの強度を低下
させる原因と思われる。ところが本発明の高強度ダイヤ
モンドでは含有される金属元素または半金属元素が結晶
粒界に存在し粒界の強度を高め、また結晶粒内にも存在
してマトリックスの強度を高めるため高強度が実現され
るものと思われる。またバルクを作製した際、本発明の
高強度ダイヤモンドは金属元素、半金属元素を含まない
場合と比較して結晶粒の粗大化が抑制され、緻密な組織
が得られることも高強度化に寄与しているものと考えら
れる。本発明の高強度ダイヤモンドでは約１００μｍの
厚さまでダイヤモンドを或長させた時の戊長上面から観
察されるダイヤモンドの結晶粒径は１５μｍ以下に抑制
される。特許請求の範囲に規定した添加元素の含有量の
下限値よりも少ない場合にはこの抑制効果が明確に認め
られない。

さらに本発明のダイヤモンドに添加する元素の内、炭素
と結合しやすいもの（例えば７ｉ，　Ｔａ，　Ｍｏ，Ｗ
等）を用いた場合には、ダイヤモンドが気相中から析出
する際に、同時に析出する無定形炭素や黒鉛と結合して
炭化物を形或することが考えられ、無定形炭素や黒鉛の
析出を阻止する効果があると予想される。このことも高
強度化に寄与するものと思われる。

本発明においてダイヤモンドに含有させる元素並びに含
有量を限定したのは以下の理由による。

周期律表第１ａ族およびＩＩａ族の金属元素に関しては
ダイヤモンド中への添加が難しく、含有量の制御も困難
なためである。ｍａ族の金属元素に関してはＬａ，　Ｃ
ｅ，　Ｔｈ，　Ｒｅ以外の元素では明瞭な効果が認めら
れなかったからである。

また周期律表第ＩＶａ族，Ｖａ族，ＶＩａ族、ＶＩＩａ
族、ＶＩＩＩ族の金属元素および周期律表第ｍｂ族、Ｉ
Ｖｂ族，ｖｂ族の金属元素並びに半金属元素の中から選
ばれる少なくとも一つ以上の元素を含有し、かつその含
有量が原子％で０．００１％以上２．０％以下としたの
は、ｏ．　ｏｏｉ％よりも少ないとダイヤモンドを高強
度化する改善の効果が不十分であり、逆に２．０％より
も多いとかえって強度の低下を招くからである。これら
の元素の中でもＴｉ，　　Ｖ，　Ｎｂ，Ｔａ，　Ｃｒ，
　Ｍｏ，　Ｗ　，　Ｎｉ．　　Ｂ　，　Ａｇ．　Ｓｉ，
　Ｎ並びにＰがより好ましい効果を発揮する。

一方上述の元素に加えてＬａ，　Ｃｅ，　Ｔｈ，　Ｒｅ
を微量添加することによりさらに高強度化が図られるが
、その添加量を原子％で０．００１％以上０．２％以下
としたのは、０．　００１％よりも少ないと高強度化の
効果が不十分であり、０．２％を超えると逆に強度が低
下するからである。

本発明の高強度ダイヤモンドの製造方法は一般に使用さ
れるダイヤモンドの気相合成法を用いることができる。

金属並びに半金属元素の添加方法としては ■添加元素の化合物（塩化物．フッ化物．有機金属化合
物等）をガスソースとして反応容器に導入する。

■添加する元素単体または化合物の固体を反応容器内部
で原料ガスの励起ゾーンに入れるか、近づけるかして、
加熱により蒸発させたり、あるいはプラズマでスパッタ
することにより行う。

■熱電子放射材に添加する元素を使用するか、熱電子放
射材に予め添加する元素を含有させておき、熱電子放射
材を高温加熱することにより行う。

等が一例と考えられるが、本発明のダイヤモンドを製造
できればこれらに限定されなくても構わない。

〔実施例〕

実施例１ 高温加熱した熱電子放射材を原料ガスの分解，活性化に
使用する熱フィラメン｝ＣＶＤ法並びに特開昭６４−５
２６９９号公報にて開示した熱電子放射材を陰極に、基
材もしくは基材支持台を正極に接続してＤＣプラズマ形
戊し、高温加熱した熱電子放射材による熱活性化とプラ
ズマ活性化を併用する方法を用いた。熱電子放射材は直
径０．２５ｍｌＢ．長さ１２０　ａｒｍのものを５ｌＱ
ＩＩ＋間隔で１５本張り、基材との間隔は５ｍｍに設定
した。基材並びに基材支持台にはＭＯを使用し、その下
にさらに冷却支持台を設け、冷却能を調整して基材表面
温度を９８０℃に制御した。基材表面は予め３０００番
のダイヤパウダーで傷付け処理を行ってから合成を実施
した。

第１表に示した作製条件を用い、合或時間を調節して膜
厚が約１００μになるようにダイヤモンドを合成した。

イオンマイクロアナライザーを用いて作製したダイヤモ
ンドの不純物を分析した結果を第１表に併記した。また
合成したダイヤモンドの戊長上面の結晶粒径は試料八が
２５μ，Ｂが２０μであったのに対し、他の試料はいず
れも１５μ以下であった。

この試料を熱王水中に浸漬し、Ｍｏ基材を溶解除去して
高強度ダイヤモンドを採取した。この高強度ダイヤモン
ドを切削工具として使用した場合の性能を評価するため
に、超硬合金の合金にろう付けし、切削チップを作製し
た。比較材として、結合材にＣｏを１０容量％含有する
平均粒径１ｏμｍの超高圧焼結ダイヤモンドを用いて、
同様に切削チップを作製した。被削材として１０ｍｍ幅
を有する溝が９０度ごとの角度をなして４本、軸方向に
沿って外周面に入れられたＡβ−１２％Ｓｉ合金（ＡＣ
８Ａ−Ｔ６）を使用し、第２表に示す条件で切削試験を
実施した。６０分間切削後の結果を第３表に取りまとめ
て示した。

第 ３ 表 本発明の高強度ダイヤモンドを使用した試料Ｃ．Ｄ，Ｅ
．ＦおよびＧは良好な切削特性を示し、比較材として用
いた焼結ダイヤモンドよりも優れた性能を示した。これ
に対して本発明の範囲をはずれる試料Ａ，ＢおよびＨは
短時間で欠損を生じ、本発明品並びに焼結ダイヤと比較
して強度が低いものと判断される。

実施例２ ダイヤモンドの気相合成に一般に使用されるマイクロ波
プラズマＣＶＤ法を用いて第４表に示す条件でＳｉ基材
にダイヤモンドを合成した。ダイヤモンド中に本発明の
金属元素または半金属元素を含有させる方法としては、
基材の近傍にこれらの元素の酸化物あるいは塩化物の固
体粉末を置きプラズマ中にさらして高温加熱し、蒸発あ
るいはスパッタリングにより合或ダイヤ中に添加する方
法を採用した。この際粉末のサイズや量並びに置き場所
を変えてダイヤモンド中に添加する量を調節した。透明
石英円盤の上に３１厚さのＭＯ円盤を置き基材支持台と
した。反応容器内の圧力は１００Ｔｏｒｒとし、マイク
ロ波出力を調節して基材表面温度を１０００℃に制御し
た。基材表面は予め５０００番のダイヤパウダーで傷付
け処理を行ってから合成を実施した。合成時間を調節し
て各々の条件で膜厚が約１２０μのダイヤモンドを合成
した。イオンマイクロアナライザーを用いて作製したダ
イヤモンドの不純物を分析した結果を第４表に併記した
。また合或したダイヤモンドの戊長上面の結晶粒径は試
料■が３０μであったのに対し、他の試料はいずれも１
５μ以下であった。

第 ４ 表 ＊：ｖｏ１％はＨ２に対する容量％ この試料をフッ酸と硝酸の混合液に浸漬し、Ｓｉ基材を
溶解除去して高強度ダイヤモンドを採取した。この高強
度ダイヤモンドを切削工具として使用した場合の性能を
評価するために、超硬合金の合金にろう付けし、切削チ
ップを作製した。比較材として、結合材にＣｏを１０容
量％含有する平均粒ｉ１０μｍの超高圧焼結ダイヤモン
ドを用いて、同様に切削チップを作製した。被削材とし
て幅１００ｍｍ，長さ４００　ｍｍのＭ−１７％Ｓｉ合
金（　Ａ　３９０−Ｔ　６　）を使用しＪ第５表に示し
た条件で７ライス切削試験を実施した。２０Ｐａｓｓ切
削後の結果を第６表に取りまとめて示した。

第　　６ 表 本発明の高強度ダイヤモンドを使用した試料Ｊ．Ｋ．Ｍ
およびＮは良好な切削特性を示し、比較材として用いた
焼結ダイヤモンドよりも優れた性能を示した。これに対
して本発明のＷ？Ｌ囲をはずれる試料Ｉ，Ｌ，Ｏおよび
Ｐは短時間で欠損を生じ、本発明品並びに焼結ダイヤと
比較して強度が低いものと判断された。

実施例３ ダイヤモンドの気相合成に一般に使用されるマイクロ波
プラズマＣＶＤ法を用いて第７表に示す条件でＭｏ基材
にダイヤモンドを合成した。ダイヤモンド中に本発明の
金属元素あるいは半金属元素を添加させる方法としては
、添加元素の化合物をガスの形態で原料ガス中に混合し
、合成するダイヤモンドに含有させる方法を採用した。

表中のＶＯｌ％は原料ガス中のＣ　Ｈ　４に対する容量
％を意味し、ＷＦ．及びＮＨ．につぃては予め所定の濃
度に八ｒで希釈したボンベを作製しておき添加した。

Ｔ＋Ｃｊ！ｎはＨ２をキャリャーガスに用いて所定濃度
に添加した。Ａ（ｌ　ｃｌ　ｓはＭチップを入れたジェ
ネレイターにＨ　ｃ（ｌとＨ２を通して発生させ、Ｈ　
Ｃ１の流量を調節して所定濃度にｔＡ節した。石英円盤
の上に３ｍｌＴｌ厚さのＭｏ円盤を置き基材支持台とし
た。

反応容器内の圧力は８０Ｔｏｒｒとし、マイクロ波出力
を調節して基材表面温度を９５０℃に制御した。基材表
面は予め３０００番のダイヤモンドパウダーで傷付け処
理を行ってから合成を実施した。合或時間を調節して各
々の条件で膜厚が約ｌＯＯμのダイヤモンドを合成した
。イオンマイクロアナライザーを用いて作製したダイヤ
モンドの不純物を分析した結果を第８表に併記した。な
おＮの分析に関してはＳＩＭＳ法を用いた。

第８表 ＊：ｖｏ１％はＣＨ．に対する容量％ この試料を熱王水中に浸漬し、旧基材を溶解除去して高
強度ダイヤモンドを採取した。この高強度ダイヤモンド
を切削工具として使用した場合の性能を評価するために
、超硬合金の合金にろう付けし、切削チップを作製した
。比較材として、結合材にＣＯをＩＯ容量％含有する平
均粒径１０μｍの超高圧焼結ダイヤモンドを用いて、同
様に切削チップを作製した。被削材として幅１００ｍｍ
，長さ４００　ｍｍのＡＤＣ１２を使用し、第９表に示
した条件でフライス切削試験を実施した。３０ｐａｓｓ
切削後の結果を第１０表に取りまとめて示した。

〔発明の効果〕

以上説明した様に本発明による気相合或ダイヤモンドは
従来の気相合成ダイヤモンドと比較して高強度であり、
かつダイヤモンドの微粉末と金属バインダーを超高圧下
で焼結して作製する焼結ダイヤモンドよりも耐摩耗性に
優れるので、耐摩工具，切削工具，掘削工具等の分野に
利用すると効果的である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）気相合成法で合成されるダイヤモンドにおいて、
   該ダイヤモンドが周期律表第IVａ族、Ｖａ族、VIａ族、
   VIIａ族、VIII族の金属元素および周期律表第IIIｂ族、
   IVｂ族、Ｖｂ族の金属元素並びに半金属元素の中から選
   ばれる少なくとも一つ以上の元素を含有し、かつその含
   有量が原子％で０．００１％以上２．０％以下であるこ
   とを特徴とする高強度ダイヤモンド。
2. （２）Ｌａ、Ｃｅ、Ｔｈ、Ｒｅの中から選ばれる少なく
   とも一つ以上の元素を含有し、かつその含有量が原子％
   で０．００１以上０．２％であることを特徴とする高強
   度ダイヤモンド。