WO2012141171A1 - 切削工具およびその製造方法 - Google Patents

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WO2012141171A1
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cutting tool
flank
rake face
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cutting
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夏生 辰巳
山本　佳津子
角谷　均
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住友電気工業株式会社
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    • Y10T407/26—Cutters, for shaping comprising cutting edge bonded to tool shank
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    • Y10T407/00—Cutters, for shaping
    • Y10T407/27—Cutters, for shaping comprising tool of specific chemical composition

Definitions

  • the present invention relates to a cutting tool used for cutting iron-based materials, liquid crystal light guide plate dies, Fresnel lens dies, or the like, or directly cutting hard and brittle materials such as quartz and optical components. .
  • sintered diamond is used as a countermeasure against the above-mentioned cleavage cracks and uneven wear.
  • Sintered diamond is obtained by sintering diamond particles using a metal binder such as cobalt, and the metal binder exists between the diamond particles.
  • the metal binder part is softer than the diamond particles, it wears out in a short time.
  • the diameter of diamond particles is usually 0.5 to 25 ⁇ m, which is larger than the radius of curvature of the cutting edge of 0.1 ⁇ m or less, which is required for ultra-precision machining. As a result, uneven wear similar to that of single crystals occurs, resulting in large fine patterns. It cannot be processed into an area.
  • polycrystalline diamond obtained by a CVD method as polycrystalline diamond that does not contain a metal binder.
  • this polycrystalline diamond usually has a particle size of 1 ⁇ m or more and a short wear life due to a small interparticle bonding force.
  • Finer nanocrystalline diamond (UNCD) with finer particles can be synthesized by pulsed vacuum arc plasma deposition (Non-Patent Document 1), but it contains a lot of hydrogenated amorphous carbon. Therefore, the wear resistance is low.
  • a cubic boron nitride (cBN) tool having a hardness next to diamond is known as a tool having a material other than diamond at the cutting edge.
  • cBN tools There are several types of cBN tools. For rough machining at low cost, a tool obtained by sintering cBN with a binder can be found in Patent Document 3, for example. However, since precise processing cannot be performed in the presence of a binder, an example using a cBN sintered body without a binder can be found in Patent Document 4 or Non-Patent Document 2. However, since these particles have a large particle size of cBN of 50 to 500 nm, it has been difficult to use them for ultra-precision machining at the optical component level.
  • the inventors made a prototype of a groove or V-bite by polishing using the same fine cBN, but since the hardness increased from that of a normal cBN material, fine chipping occurred during polishing, and sufficient precision as a precision tool was obtained. I could't.
  • Patent Document 8 describes a method for producing a diamond tool, a cubic boron nitride tool, and the like by entering a focused ion beam (FIB) from a flank and exiting from a rake face.
  • FIB focused ion beam
  • the present inventors are a conventional polycrystalline diamond that does not contain single crystal diamond or metal binder, or a polycrystalline body that is substantially composed only of high-pressure phase boron nitride, the radius of curvature of the cutting edge tip of the cutting tool and R1, the average particle size of the sintered particles of the high-pressure phase hard particles of the cutting tool and D 50, when the maximum particle diameter is Dmax, the radius of curvature R1, the average particle diameter D 50 It was also found that a cutting tool for ultraprecision machining can obtain stable machining for a long period of time by using a polycrystal having a maximum grain size Dmax satisfying the following relationship. D 50 ⁇ 1.2 ⁇ R1 Dmax ⁇ 2.0 ⁇ R1
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the radius of curvature R, the average particle diameter D 50 , and the maximum particle diameter Dmax.
  • the inventors of the present invention have a cutting tool whose cutting edge is a surface formed by a focused ion beam, and the flank from the flank A near the rake face and the rake face adjacent to the flank A.
  • the flank A is processed with a focused ion beam directed from the flank side toward the rake face.
  • the present invention is a cutting tool for ultraprecision machining as described below.
  • a non-diamond carbon material and / or boron nitride as a starting material which is selected from the group consisting of boron, carbon, and nitrogen directly without adding a sintering aid or a catalyst under ultra high pressure and high temperature.
  • the average particle diameter of the sintered particles constituting the polycrystal is 1.2 ⁇ R2 or less, and the maximum particle diameter is The cutting tool according to (1), wherein the cutting tool is 2 ⁇ R2 or less.
  • the average particle size of the sintered particles constituting the polycrystalline body is 1.2 ⁇ R3 or less, and the maximum particle size is 2 The cutting tool according to (1) or (2), wherein the cutting tool is not more than R3.
  • the curvature radius R1 of the cutting edge tip of the cutting tool is 50 nm or less, the average particle size of the sintered particles constituting the polycrystal is 60 nm or less, and the maximum particle size is 100 nm or less.
  • the radius of curvature R2 of the angle between the rake face and the flank face of the cutting tool is 50 nm or less, the average particle size of the sintered particles constituting the polycrystal is 60 nm or less, and the maximum particle size is 100 nm or less.
  • the radius of curvature R3 between the two flank faces of the cutting tool is 50 nm or less
  • the average particle size of the sintered particles constituting the polycrystal is 60 nm or less
  • the maximum particle size is 100 nm or less.
  • the cutting edge of the cutting tool is a surface formed by a focused ion beam, the flank A on the side near the rake face, and the flank on the side far from the rake face adjacent to the rake face A
  • the average grain size of the polycrystalline body with respect to the curvature radius R1 of the tip of the cutting tool, the curvature radius R2 of the corner sandwiched between the rake face and the flank, and the curvature radius R3 of the corner sandwiched between the two flank faces The cutting tool according to any one of (1) to (10) above, wherein the diameter is 0.01 ⁇ R1 or more, 0.01 ⁇ R2 or more, and 0.01 ⁇ R3 or more.
  • the polycrystalline body is made of a non-diamond carbon material as a starting material, and converted and sintered directly to diamond at a very high pressure and high temperature without adding a sintering aid or a catalyst.
  • the cutting tool according to any one of (1) to (11) above, wherein the cutting tool is polycrystalline diamond.
  • the polycrystal is substantially converted and sintered to high-pressure phase boron nitride using low-pressure phase boron nitride as a starting material at high pressure and high temperature without adding a sintering aid or a catalyst.
  • a non-diamond carbon material and / or boron nitride as a starting material is selected from the group consisting of boron, carbon, and nitrogen directly without adding a sintering aid or catalyst under ultrahigh pressure and high temperature
  • a manufacturing method of a cutting tool using a polycrystalline body that has been converted and sintered to high-pressure phase hard particles composed of more than one kind of elements Cutting the polycrystalline body into chips with a laser; Bonding the polycrystalline chip to the shank; Polishing the polycrystalline chip to create a rake face and a flank face;
  • a method for manufacturing a cutting tool comprising a step of processing a rake face and a flank face with a focused ion beam.
  • (16) 1 selected from the group consisting of boron, carbon, and nitrogen, directly starting from a non-diamond carbon material and / or boron nitride, without adding a sintering aid or catalyst under ultrahigh pressure and temperature
  • a manufacturing method of a cutting tool using a polycrystalline body that has been converted and sintered to high-pressure phase hard particles composed of more than one kind of elements Cutting the polycrystalline body into chips with a laser; Bonding the polycrystalline chip to the shank; Polishing the polycrystalline chip to create a rake face and a flank face; Forming a mask on the polycrystalline chip; A process of creating a rake face and a flank face by dry etching;
  • a method for manufacturing a cutting tool comprising a step of machining a rake face and a flank face with a focused ion beam.
  • the cutting tool for ultra-precision machining of the present invention conventional single-crystal diamond, ultra-precise tool using a cBN sintered body, cutting using a diamond sintered body containing a metal binder and vapor-phase synthetic diamond are used. Compared to tools, stable machining can be obtained with high accuracy over a long period of time.
  • FIG. 1 It is a figure which shows a mode that a tool is processed with a focused ion beam so that a beam may face from the rake face (Y) side to the flank face (X) side. It is a figure which shows a mode that a tool is processed with a focused ion beam so that a beam may face from a flank (X) side to a rake face (Y) side. It is a figure which shows the V bite which is one aspect
  • (A) is the top view which looked at the cutting tool from the scoop surface side
  • (b) is the side view which looked at the tool from the right side
  • (c) is the front view which looked at the tool from the front end surface.
  • the radius of curvature R and the average particle diameter D 50 and is a diagram showing a relationship between the maximum particle diameter Dmax. It is a figure which shows the measurement site
  • the cutting tool according to the present invention is made of a non-diamond carbon material and / or boron nitride as a starting material, and consists of boron, carbon, and nitrogen directly under a high pressure and high temperature without adding a sintering aid or a catalyst.
  • a polycrystalline body that has been converted and sintered into high-pressure hard particles composed of one or more elements selected from the group is used as a cutting edge.
  • the average particle size of the sintered particles constituting the polycrystalline body is 1.2 ⁇ R1 or less, and the maximum particle size is 2 ⁇ R1 or less.
  • the high-pressure phase hard particles composed of one or more elements selected from the group consisting of boron, carbon, and nitrogen described herein are diamond, cubic boron nitride, and / or wurtzite boron nitride, or diamond structure. It is BC 2 N that it has.
  • the polycrystalline body is converted directly to diamond using a non-diamond type carbon material as a starting material and without the addition of a sintering aid or a catalyst under ultrahigh pressure and high temperature.
  • Sintered polycrystalline diamond consisting essentially of diamond, or the polycrystalline body starts with low-pressure phase boron nitride and does not contain any sintering aid or catalyst under ultra-high pressure and high temperature
  • the polycrystalline boron nitride is substantially composed only of the high-pressure phase boron nitride, which is directly converted and sintered into the high-pressure phase boron nitride.
  • the high-pressure phase boron nitride is preferably cubic boron nitride and / or wurtzite boron nitride.
  • High-pressure phase hard particles composed of one or more elements selected from the group consisting of boron, carbon, and nitrogen directly under the ultra-high pressure and high temperature without addition of a sintering aid or a catalyst, such as BC 2 N having a structure
  • a cutting tool provided with a polycrystalline body that has been converted and sintered into a cutting edge can be produced in the same manner, and the same effect can be obtained.
  • the material for the cutting tool of the present invention which is substantially a diamond single-phase (purity 99% or more) diamond polycrystal that does not contain a metal binder such as cobalt, is made of raw material graphite (graphite), glassy carbon, amorphous carbon.
  • the non-diamond type carbon such as can be obtained by converting it directly into diamond without any catalyst or solvent under high pressure and high temperature (temperature 1800 to 2600 ° C., pressure 12 to 25 GPa) and simultaneously sintering it.
  • the diamond tool made of polycrystalline diamond thus obtained does not experience uneven wear as seen in a diamond tool using a single crystal.
  • Non-Patent Document 3 SEI Technical Review 165 (2004) 68
  • Patent Document 9 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-22888
  • Patent Document 10 Japanese Patent No. 4275896
  • the non-patent document 3 has abnormally grown grains of about 10 times the average grain size. It is found that the wear of the large particle portion is extremely advanced because of the existence of the coarse diamond converted from the added coarse raw material. In this case, there is a problem that the intended processing cannot be obtained, for example, a scratch is formed on the work material. In particular, if there are particles that greatly exceed the radius of curvature of the target cutting edge, the shape of the cutting edge changes during long-term cutting, and the performance cannot withstand ultraprecision machining.
  • the average particle diameter D 50 and the maximum particle size Dmax of sintered particles can be solved by controlling in accordance with the curvature radius R1 of the cutting edge. That is, it is to use a polycrystalline diamond that satisfies D 50 ⁇ 1.2 ⁇ R1 and Dmax ⁇ 2 ⁇ R1 with respect to the curvature radius R1 of the cutting edge of the cutting tool. In addition, it is preferable to use a polycrystal having D 50 ⁇ 1.2 ⁇ R2 and Dmax ⁇ 2 ⁇ R2 with respect to the radius of curvature R2 of the angle between the rake face and the flank face of the cutting tool.
  • a polycrystalline body having D 50 ⁇ 1.2 ⁇ R3 and Dmax ⁇ 2 ⁇ R3 with respect to the radius of curvature R3 between the two flank faces of the cutting tool.
  • the radius of curvature of the cutting edge of the cutting tool, the angle between the rake face and the flank face, and the angle between the two flank faces are all 50 nm or less, and D 50 ⁇ 60 nm and Dmax ⁇ 100 nm. Desirable for precision machining.
  • FIG. 11 shows which part of the tool each of R1, R2 and R3 in the present invention. As shown in FIG.
  • R3 The radius of curvature of the corner sandwiched between the first flank B (1XB) between the flank A (1XA) and the second flank (2X). Further, when the flank is divided into the first flank and the second flank, the radius of curvature of the corner sandwiched between the first flank close to the rake face is R3.
  • R2 is the radius of curvature of the corner sandwiched between the rake face (Y) and the flank face (X) (first flank face A (1XA in FIG. 11)).
  • R1 refers to the radius of curvature of the cutting edge at the tip of the tool.
  • polycrystalline diamond is characterized by stronger bonding between particles than in diamond particles. If the cutting edge part of the tool is a single diamond particle, the chipping will occur due to the occurrence of cleavage in the particle. A high tool can be obtained.
  • the average particle diameter of the polycrystalline diamond is D 50 ⁇ 0.01 ⁇ R1 and D 50 ⁇ 0.01 ⁇ R2 and D 50 ⁇ 0.01 ⁇ R3 with respect to the curvature radii R1, R2 and R3 of the cutting edge. It is desirable. If the particle size is smaller than this, it is difficult to synthesize polycrystalline diamond that maintains sp3 bonds, and since it actually contains sp2 bonds, it is understood that the wear resistance and fracture resistance are reduced. It was.
  • the inventors of the present invention produced a cutting tool for ultra-precise machining that has not been conventionally performed by the following processing.
  • the previous roughened surface is used as the second flank (2X), and the first flank (1X) is formed by finish polishing. I was processing.
  • high-precision machining is performed from the rake face (Y) to the flank face (X) side (see FIG. 2). ).
  • the radius of curvature R2 between the rake face (Y) and the flank face (X) and the radius of curvature R1 of the tip of the cutting edge are slightly rounded. Therefore, finally, the focused ion beam is processed with high accuracy from the escape side (X) to the rake face (Y) (FIG. 3).
  • the first FIB-processed surface is the flank B (1XB)
  • the last FIB-processed surface is the flank A (1XA).
  • the distance (L) between the boundary between the flank A (1XA) and the rake face (Y) and the boundary with the flank B (1XB) is 3 ⁇ m or less.
  • the corner R3 sandwiched between the two flank surfaces is rounded, and a highly accurate tool cannot be obtained.
  • the polycrystalline diamond used in the cutting tool of the present invention may have conductivity.
  • the rough machining of the flank described above can be used not only for conventional polishing but also for less expensive electric discharge machining.
  • ultra-precision machining it has been difficult to determine contact between the tool and the work material, but by providing conductivity, accurate contact can be determined by an electrical sensor.
  • boron, phosphorus, hydrogen, or the like can be doped.
  • a conductive film such as metal may be coated on the surface.
  • the present inventors have found that when polishing is performed by machining a rake face or a flank face, fine cracks and the like are generated in the polycrystalline diamond due to the polishing, thereby reducing the strength of the tool. For this reason, after roughing the rake face and flank surface by polishing, a tool with good fracture resistance can be made by adding a process to make the rake face and flank face by dry etching such as reactive ion etching. all right. When dry etching is not performed, it is desirable to increase the amount of processing with a focused ion beam and to cut polycrystalline diamond from the polished surface by at least 5 ⁇ m or more.
  • the material for the cutting tool of the present invention which is substantially a single phase of boron nitride (purity 99% or more) and does not contain a metal binder such as cobalt, is a low-pressure phase boron nitride (hexagonal).
  • Crystal boron nitride can be obtained by converting it directly into high-pressure phase boron nitride without any catalyst or solvent under high pressure and high temperature (temperature: 1100-2600 ° C., pressure: 12-25 GPa) and simultaneously sintering it. I can do it.
  • the high-pressure phase boron nitride described here refers to cubic boron nitride (cBN) and compressed hexagonal boron nitride (wurtzite boron nitride, wBN).
  • the boron nitride tool comprising the high-pressure phase boron nitride polycrystal obtained in this way has a small particle size and does not cause chipping or uneven wear.
  • Non-Patent Document 4 Machine and Tools March 2010, page 80
  • the average particle diameter D 50 and the maximum particle size Dmax of sintered particles can be solved by controlling in accordance with the curvature radius R1 of the cutting edge. That is, it is to use a polycrystal having D 50 ⁇ 1.2 ⁇ R1 and Dmax ⁇ 2 ⁇ R1 with respect to the curvature radius R1 of the tip of the cutting tool. In addition, it is preferable to use a polycrystal having D 50 ⁇ 1.2 ⁇ R 2 or less and D max ⁇ 2 ⁇ R 2 or less with respect to the radius of curvature R2 of the angle between the rake face and the flank face of the cutting tool.
  • the cutting tool tip, the angle between the rake face and the flank face, and the radius of curvature of the angle between the two flank faces are all 50 nm or less, and d ⁇ 60 nm and D ⁇ 100 nm. Desirable for processing.
  • R1, R2, and R3 in the cutting tool provided with boron nitride in the cutting edge of the present invention are the same as those described in the cutting tool provided with diamond in the cutting edge, as shown in FIG.
  • the high-pressure phase boron nitride polycrystal of the present invention is characterized in that the bonds within and between the boron nitride particles are equally strong. If the cutting edge portion of the tool is a single boron nitride particle, defects will occur due to the occurrence of cleaving in the particle. Since the defect stops at the particle interface, a tool with high fracture resistance can be obtained.
  • the average particle diameter D 50 of the boron nitride sintered particles constituting the high-pressure phase boron nitride polycrystal is D 50 ⁇ 0.01 ⁇ R1 and D 50 ⁇ 0.01 ⁇ with respect to the radii of curvature R1, R2, and R3.
  • R2 and D 50 ⁇ 0.01 ⁇ R3 are desirable. Synthesis of a high-pressure phase boron nitride polycrystal having a particle size smaller than this and maintaining sp3 bonds is practically difficult, and since it actually contains sp2 bonds, wear resistance and fracture resistance are reduced. I knew it would come.
  • the cutting tool of the present invention can be manufactured by the above-described processing method described with reference to FIGS.
  • the boron nitride polycrystal used in the tool of the present invention may have conductivity. Thereby, contact with a tool and a work material can be correctly determined with an electric sensor.
  • a conductive material such as metal can be thinly deposited on the surface.
  • the boron nitride cutting tool of the present invention is substantially converted and sintered to high-pressure phase boron nitride directly under high pressure and high temperature without adding a sintering aid or catalyst, starting from low-pressure phase boron nitride. It can be obtained by processing polycrystalline boron nitride consisting only of high-pressure phase boron nitride. Examples of the processing method include the following two processing methods.
  • ⁇ Processing method A> A method of sequentially performing the following steps: (1) a step of cutting polycrystalline boron nitride into a chip shape with a laser; (2) a step of bonding the boron nitride tip to a shank; and (3) a rake face by polishing the boron nitride tip.
  • Step of creating flank (4) Step of machining the boundary between rake face and flank with focused ion beam ⁇ Machining method B> A method of sequentially performing the following steps: (1) A step of cutting boron nitride into a chip with a laser (2) A step of bonding the boron nitride tip to a shank (3) A rake face and a flank face are made by polishing the boron nitride chip. Step (4) Step of forming a mask on the boron nitride chip (5) Step of creating a rake face or flank by dry etching (6) Step of processing a boundary portion between the rake face and the flank with a focused ion beam
  • the BC 2 N polycrystal having substantially no BC 2 N single phase (purity 99% or more) that does not contain a metal binder such as cobalt, which is the material of the cutting tool of the present invention, is a low-pressure phase BC 2 N ( Non-diamond type BC 2 N such as graphite-like BC 2 N) under high pressure and high temperature (temperature 1800-2600 ° C, pressure 12-25 GPa), directly without high-pressure catalyst and solvent, BC 2 N (diamond structure) And can be obtained by sintering at the same time.
  • the BC 2 N tool composed of polycrystalline BC 2 N obtained in this way does not experience uneven wear as seen in a BC 2 N tool using a single crystal.
  • graphite-like BC 2 N may be synthesized by nitriding boric acid and carbonizing sucrose in carbonized molten urea, or by mixing BCl 3 gas and acetonitrile at a molar ratio of 1: 1.
  • a graphite-like BC 2 N film may be deposited on carbon introduced into a reaction tube and heated by high-frequency induction heating.
  • the cutting tool of the present invention can be obtained by controlling the average particle diameter D 50 and the maximum particle diameter D max of the sintered particles according to the curvature radius R1 of the cutting edge. That is, a polycrystalline body having D 50 ⁇ 1.2 ⁇ R1 and Dmax ⁇ 2 ⁇ R1 with respect to the curvature radius R1 of the cutting edge tip of the cutting tool is used. In addition, it is preferable to use a polycrystal having D 50 ⁇ 1.2 ⁇ R 2 or less and D max ⁇ 2 ⁇ R 2 or less with respect to the radius of curvature R2 of the angle between the rake face and the flank face of the cutting tool.
  • the cutting edge of the cutting tool, the angle between the rake face and the flank face, and the curvature radius of the angle between the two flank faces are all 50 nm or less, and d ⁇ 60 nm and D ⁇ 100 nm for ultra-precision machining. Desirable above.
  • R1, R2, and R3 in the cutting tool provided with BC 2 N polycrystal on the cutting edge of the present invention are the same as those described in the cutting tool provided with diamond at the cutting edge, and are shown in FIG. Street.
  • a cutting tool for ultra-precise machining that has never existed before is produced by processing the diamond in the same manner as the cutting tool equipped with the cutting edge. it can. That is, the cutting tool of the present invention can be manufactured by the above-described processing method described with reference to FIGS.
  • the BC 2 N polycrystal used in the tool of the present invention may have conductivity. Thereby, contact with a tool and a work material can be correctly determined with an electric sensor.
  • a conductive material such as metal can be thinly deposited on the surface.
  • a graphite fired body was used as the raw material non-diamond carbon. Further, the low-pressure phase (hexagonal) boron nitride particles and the high-pressure phase boron nitride polycrystal of the raw material In the present invention, the graphite particles in the raw material graphite fired body, the diamond sintered particles in the diamond polycrystal, the low-pressure phase (hexagonal) The average particle size (D 50 ) and the maximum particle size (Dmax) of the boron nitride particles and the boron nitride sintered particles in the high-pressure phase boron nitride polycrystal are photographed with a scanning electron microscope at a magnification of 100,000 to 500,000 times.
  • the sample surface is finish-polished or CP-processed, and the particle size distribution of crystal grains constituting the sintered body is measured based on a photographed image obtained by photographing the sample with a scanning electron microscope.
  • image analysis software for example, ScionImage, manufactured by Scion Corporation
  • the extracted particles are binarized to calculate the area (S) of each particle.
  • the data analysis software The particle size distribution obtained above (e.g., OriginLab Corp. Origin, Parametric Technology Corporation Mathchad etc.) treated by calculating D 50 particle size, the maximum particle diameter Dmax.
  • JSM-7600F manufactured by JEOL was used as a scanning electron microscope.
  • Example 1 Graphite having a particle size of 0.1 to 10 ⁇ m and a purity of 99.9% or more was put in a Mo capsule and treated with a belt type high pressure generator at 10 GPa at 2100 ° C. for 30 minutes to form polycrystalline diamond. The particle size of this sample was observed with an electron microscope. Table 1 shows the average particle diameter and the maximum particle diameter.
  • a flank A (1XA) was formed on both sides of the V byte with an ion current of 500 pA or less.
  • Edge radius of curvature R1, radius of curvature R2 between the rake face (Y) and flank (1XA), boundary between rake face (Y) of flank A (1XA) and flank B (1XB) Table 1 shows the distance L to the boundary.
  • the tool was installed in an ultra-precision nano-machining machine, and grooving was performed on the work material mainly composed of WC-Co-Ni.
  • the feed rate was 10 mm / min, the depth of cut was 300 ⁇ m, and the cutting length was 1000 mm.
  • the cutting results are summarized in Table 1.
  • Example 2 A V-bite was produced in the same manner as in Example 1 except that nanopolycrystalline diamond having a smaller particle diameter than that in Example 1 was used.
  • Example 3 A V bite was produced in the same manner as in Example 1 except that conductive nanopolycrystalline diamond doped with boron was used.
  • Table 1 shows an example using single crystal diamond, an example using polycrystalline diamond having different particle diameters, and an example using different tool processing methods.
  • Example 4 Graphite having a particle size of 0.1 to 10 ⁇ m and a purity of 99.9% or more was put in a Mo capsule and treated with a belt type high pressure generator at 10 GPa at 2100 ° C. for 30 minutes to form polycrystalline diamond. The particle size of this sample was observed with an electron microscope. The average particle size was 30 nm and the maximum particle size was 90 nm. This was roughly processed by laser cutting and polishing to form a chip shape, and the shank was brazed. Next, the rake face (Y) and the second flank face (2X) of the grooving tool as shown in FIG. 9 were formed by rough polishing.
  • a tool was placed on the stage so that the beam was directed from the rake face (Y) side to the flank face (X) side, and introduced into the focused ion beam apparatus.
  • a relief surface B (1XB) was formed on the side surfaces L and R of the grooving tool at an ion current of 1000 pA or less, and finally a flank B (1XB) of the tip surface T of the grooving tool was formed.
  • Table 2 shows the curvature radius R3R of the corner sandwiched between the two clearance surfaces of the side surface R and the tip surface T, and the curvature radius R3L of the corner sandwiched between the two clearance surfaces of the side surface L and the tip surface T.
  • flank A (1XA) is formed on the side surfaces L and R of the grooving tool at an ion current of 500 pA or less, and finally the flank A (1XA) of the tip surface T of the grooving tool is formed. Completed the part-time job.
  • Edge radius of curvature R1R made by side surface R and tip surface T, edge radius of curvature R1L made by side surface L and tip surface T, radius of curvature R2R sandwiched between rake face and side surface R, side surface L, clearance surface of tip surface T , R2L, R2T, and distances LR, LL, LT from the rake face at the end of the flank A are shown in Table 2.
  • the tool was installed in an ultra-precision nano-machining machine, and grooving was performed on the work material mainly composed of WC-Co-Ni.
  • the feed rate was 10 mm / min
  • the depth of cut was 200 ⁇ m
  • the cutting length was 1000 mm.
  • Example 5 A hexagonal boron nitride having a particle size of 0.1 to 10 ⁇ m and a purity of 99.9% or more is placed in a Mo capsule and treated with a belt type high pressure generator at 13 GPa and 1650 ° C. for 30 minutes. Crystals were formed. The crystal structure was determined by X-ray diffraction, and the particle size of the sample was observed with an electron microscope. Table 3 shows the average particle size and the maximum particle size.
  • a flank A (1XA) was formed on both sides of the V byte with an ion current of 500 pA or less.
  • Edge radius of curvature R1, radius of curvature R2 between the rake face (Y) and flank (1XA), boundary between rake face (Y) of flank A (1XA) and flank B (1XB) Table 3 shows the distance L to the boundary of
  • the tool was installed in an ultra-precision nano-machining machine, and grooving was performed on stainless steel (SUS304).
  • the feed rate was 2 m / min
  • the cutting depth was 5 ⁇ m
  • the cutting length was 300 mm.
  • the cutting results are summarized in Table 3.
  • Example 6 A V-bite was produced in the same manner as in Example 5 except that the high-pressure phase boron nitride contained not only cubic crystals but also some wurtzite types and small particle diameters.
  • Example 7 A V bite was produced in the same manner as in Example 5 except that the particle size was different from that in Example 5.
  • Table 3 shows an example using single crystal diamond, an example using polycrystalline diamond, an example using high-pressure phase boron nitride having different particle diameters, and an example using different tool processing methods.
  • Example 8 A hexagonal boron nitride having a particle size of 0.1 to 10 ⁇ m and a purity of 99.9% or more is placed in a Mo capsule and treated with a belt-type high pressure generator at 12 GPa and 1650 ° C. for 30 minutes. Formed. The particle size of this sample was observed with an electron microscope. The average particle size was 30 nm and the maximum particle size was 90 nm. This was roughly processed by laser cutting and polishing to form a chip shape, and the shank was brazed. Next, the rake face (Y) and the second flank face (2X) of the grooving tool as shown in FIG. 9 were formed by rough polishing.
  • a tool was placed on the stage so that the beam was directed from the rake face (Y) side to the flank face (X) side, and introduced into the focused ion beam apparatus.
  • a flank B (1XB) was formed on the side surfaces L and R of the grooving tool at an ion current of 1000 pA or less, and finally a flank B (1XB) of the tip surface T of the grooving tool was formed.
  • Table 4 shows the radius of curvature R3R of the corner sandwiched between the two flank surfaces of the side surface R and the tip surface T, and the radius of curvature R3L of the corner sandwiched between the two flank surfaces of the side surface L and the tip surface T.
  • the tool was taken out, and the tool was placed on the stage so that the beam was directed from the escape side (1XB) to the rake face (Y) side as shown in FIG. 6 and introduced into the focused ion beam apparatus.
  • the flank A (1XA) is formed on the side surfaces L and R of the grooving tool at an ion current of 500 pA or less, and finally the flank A (1XA) of the tip surface T of the grooving tool is formed. Completed the part-time job.
  • Edge radius of curvature R1R made by side surface R and tip surface T, edge radius of curvature R1L made by side surface L and tip surface T, radius of curvature R2R sandwiched between rake face and side surface R, side surface L, clearance surface of tip surface T , R2L, R2T, and distances LR, LL, LT from the rake face at the end of the flank A are shown in Table 4.
  • the tool was installed in an ultra-precision nano-machining machine, and grooving was performed on stainless steel (SUS304).
  • the feed rate was 2 m / min
  • the cutting depth was 5 ⁇ m
  • the cutting length was 300 mm.
  • Example 9 BCl 3 gas and acetonitrile were introduced into the reaction tube at a molar ratio of 1: 1, and a graphite-like BC 2 N film was deposited on carbon heated to 1800 ° C. by high frequency induction heating. Next, this is pulverized to a particle size of 0.1 to 10 ⁇ m and placed in a Mo capsule and treated with a belt type high pressure generator at 25 GPa and 2200 ° C. for 30 minutes to form diamond-like polycrystalline BC 2 N. did. The particle size of this sample was observed with an electron microscope. Table 5 shows the average particle diameter and the maximum particle diameter.
  • a flank A (1XA) was formed on both sides of the V byte with an ion current of 500 pA or less.
  • Edge radius of curvature R1, radius of curvature R2 between the rake face (Y) and flank (1XA), boundary between rake face (Y) of flank A (1XA) and flank B (1XB) Table 5 shows the distance L to the boundary of
  • the tool was installed in an ultra-precision nano-machining machine, and grooving was performed on the work material mainly composed of WC-Co-Ni.
  • the feed rate was 10 mm / min, the depth of cut was 300 ⁇ m, and the cutting length was 1000 mm.
  • the cutting results are summarized in Table 5.
  • Example 10 A V bite was produced in the same manner as in Example 9 except that nanopolycrystalline BC 2 N having a smaller particle size than that in Example 9 was used.
  • Example 11 A V-byte was prepared in the same manner as in Example 1 except that boron-doped conductive nanopolycrystalline BC 2 N was used.
  • the cutting tool of the present invention has excellent chipping resistance and wear resistance, and has a sharp cutting edge shape that does not suffer from processing damage such as micro cracks and distortions due to polishing processing. It can be performed at a distance, and can be suitably applied to ultra-precise machining with hard materials that have been difficult to machine.

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Abstract

　本発明は高精度の切削加工を実現する切削工具を提供する。本発明の切削工具は、非ダイヤモンド型炭素物質および／または窒化ホウ素を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加無しに直接的に、ホウ素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる１種類以上の元素からなる高圧相硬質粒子に変換焼結された多結晶体を切刃とした切削工具であって、前記切削工具の刃先先端の曲率半径Ｒ１に対して、前記多結晶体を構成する焼結粒子の平均粒径が１．２×Ｒ１以下、最大粒径が２×Ｒ１以下であることを特徴とする。

Description

切削工具およびその製造方法
　本発明は、鉄系材料や液晶導光板の金型やフレネルレンズ用金型等の切削加工、あるいは石英等の硬脆材料や光学部品を直接切削加工する際に用いられる切削工具に関するものである。
　従来、回折格子などの光学素子の金型を加工するための超精密工具には天然あるいは人工の単結晶ダイヤモンドが用いられている（特許文献１，２）。しかしながら、単結晶ダイヤモンド製のものはその材質として（１１１）面で劈開する特性があるため、使用中の応力でその工具が欠けたり割れたりする問題がある。また、結晶方位に依存して磨耗量が異なることから（偏磨耗）、使用時間の経過に伴い特定の面のみが短時間で磨耗し、長時間の加工ができないといった問題がある。これは例えば（１１１）面と（１００）面ではその磨耗量が大幅に異なるためである。
　一方、上記の劈開割れや偏磨耗対策として、焼結ダイヤモンドを用いることも想定される。焼結ダイヤモンドはダイヤモンド粒子をコバルト等の金属結合材を用いて焼結しており、ダイヤモンド粒子間にはその金属結合材が存在している。しかし、金属結合材部分はダイヤモンド粒子よりも柔らかいため短時間で磨耗する。またダイヤモンド粒子の直径は通常０．５～２５μｍであり、超精密加工で要求される０．１μｍ以下の刃先曲率半径より大きいため、結局単結晶と同様の偏磨耗が起こり、微細なパターンを大面積に加工することができない。
　また、金属結合材を含まない多結晶ダイヤモンドとして、ＣＶＤ法によって得られた多結晶ダイヤモンドがある。しかしながら、この多結晶ダイヤモンドも通常粒径が１μｍ以上あると共に、粒子間結合力が小さいため磨耗寿命が短いといった問題点がある。
　より粒子の細かい超ナノ微結晶ダイヤモンド（ＵＮＣＤ）がパルス真空アークプラズマ蒸着法などで合成できるが（非特許文献１）、これには水素化アモルファスカーボンも多数含まれており、通常のダイヤモンドと比べて耐摩耗性は低いものとなっている。
　また、ダイヤモンド以外の材料を刃先に有する工具として、ダイヤモンドに次ぐ硬さを持つ立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）工具が知られている。
　ｃＢＮ工具にはいくつか種類があるが、安価に粗い加工を行う場合はバインダーでｃＢＮを焼結した工具が、例えば特許文献３などに見られる。ただしバインダーがある場合は精密な加工ができないため、バインダーのないｃＢＮ焼結体を用いる例が特許文献４、あるいは非特許文献２に見られる。しかし、これらもｃＢＮの粒子径が５０～５００ｎｍと大きいため、光学部品レベルの超精密加工に用いるのは困難であった。
　近年焼結技術の進展により、特許文献５に見られるように粒径が５０ｎｍを下回るｃＢＮ焼結体が得られるようになり、これらを工具として用いる試みがされている。ここでは曲率半径５００μｍのＲバイト工具を研磨で作製し、ステンレス鋼を切削した例が示されている。しかしあくまでμｍオーダーの工具の試作であり、光学素子を作製するｎｍレベルの超微細ダイヤモンドグルーブなどは試作されていなかった。
　本発明者らが同様の微粒ｃＢＮを用いてグルーブやＶバイトを研磨によって試作したが、通常のｃＢＮ素材より硬度が増したため研磨中に微細な欠けが発生し、精密工具として充分な精度が得られなかった。
　上記のようなダイヤモンドやｃＢＮを用いた切削工具は研磨により加工され形成されていたが、超精密切削工具の精度を高めるため、集束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆocused Ｉon Ｂeam）でダイヤモンド工具を加工した例が特許文献６、特許文献７に示されている。しかし本発明者らが検討した結果、例えばＶバイトに特許文献６に記載された方法を適用した場合、すくい面側からのみイオンビームを入射して加工するため、すくい面と逃げ面で挟まれた角がだれて曲率半径が大きくなってしまい、超精密加工には適用できなかった。また、特許文献７には刃の前方又は背後のどちらか一方のみの加工が記載されており、同様に例えばＶバイトに適用した場合、前者は特許文献６に記載の方法の場合と同様にすくい面と逃げ面で挟まれた角の曲率半径が大きくなり、後者は２つの逃げ面で囲まれた角の曲率半径が大きくなってしまい、どちらも超精密加工には不充分であった。
　また、特許文献８には集束イオンビーム（ＦＩＢ）を逃げ面から入射してすくい面から出射することによりダイヤモンド工具や立方晶窒化ホウ素工具などを作製する方法が記載されている。しかし本発明者らが検討した結果、この方法では特に２つの逃げ面で囲まれた角の曲率半径が大きくなってしまい、切削加工で磨耗が進行するとすぐに角が丸くなり、長距離の超精密加工には不充分であることが分かった。
特開２００４－１４８４７１号公報 特開２００８－２２９８１０号公報 特許第４１１０３３８号公報 特許第４１０６５７４号公報 特開２００９－２１４２１３号公報 特開２００７－０３００９５号公報 特許第３５５３４８２号公報 特開２００９－０８３０５２号公報
月刊トライボロジー　Ｎo.２７２（２０１０年）ｐ．６４－６５ 高圧力の科学と技術１３（２００３）１６
　鉄系材料だけでなく、石英等の硬脆材料や金型等を光学部品レベルの高精度で加工するには、現状のダイヤモンドでは難しく、窒化ホウ素からなる高精度の工具が求められている。また、工具の刃先先端が鋭いだけでなく、すくい面と逃げ面で挟まれた角（かど）および２つの逃げ面で囲まれた角（かど）も鋭い工具を効率よく作製することが望まれている。
　本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、高精度の切削加工を実現する工具を提供するものである。
　本発明者らは、超精密加工用の切削工具において、従来の単結晶ダイヤモンドや金属結合材を含まないダイヤモンド多結晶体、または実質的に高圧相窒化ホウ素のみからなる多結晶体であって、切削工具の刃先先端の曲率半径をＲ１とし、切削工具の高圧相硬質粒子の焼結粒子の平均粒径をＤ５０とし、最大粒径をＤmaxとしたとき、曲率半径Ｒ１、平均粒径Ｄ５０、及び最大粒径Ｄmaxが次の関係を満たす多結晶体を用いることにより、超精密加工用の切削工具が長期間安定した加工を得られることを見出した。
　　　　　　　　　Ｄ５０ ≦１．２×Ｒ１
　　　　　　　　　Ｄmax ≦２．０×Ｒ１
　図１０は曲率半径Ｒと平均粒径Ｄ５０、及び最大粒径Ｄmaxの関係を示す図である。
　また、本発明者らは、切削工具の刃先が集束イオンビームにより形成された面であり、逃げ面をすくい面に近い側の逃げ面Ａと、該逃げ面Ａに隣接する、すくい面からから遠い側の逃げ面Ｂに分割し、逃げ面Ｂをすくい面側から逃げ側に向けた集束イオンビームで加工した後、逃げ面Ａを逃げ側からすくい面側に向けた集束イオンビームで加工することによって本発明を完成した。
　すなわち、本発明は以下に記載する通りの超精密加工用の切削工具である。
（１）非ダイヤモンド型炭素物質および／または窒化ホウ素を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加無しに直接的に、ホウ素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる１種類以上の元素からなる高圧相硬質粒子に変換焼結された多結晶体を切刃とした切削工具であって、
　前記切削工具の刃先先端の曲率半径Ｒ１に対して、前記多結晶体を構成する焼結粒子の平均粒径が１．２×Ｒ１以下、最大粒径が２×Ｒ１以下であることを特徴とする切削工具。
（２）前記切削工具のすくい面と逃げ面で挟まれる角の曲率半径Ｒ２に対して、前記多結晶体を構成する焼結粒子の平均粒径が１．２×Ｒ２以下、最大粒径が２×Ｒ２以下であることを特徴とする上記（１）に記載の切削工具。
（３）前記切削工具の２つの逃げ面で挟まれる角の曲率半径Ｒ３に対して、前記多結晶体を構成する焼結粒子の平均粒径が１．２×Ｒ３以下、最大粒径が２×Ｒ３以下であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の切削工具。
（４）前記切削工具の刃先先端の曲率半径Ｒ１が５０ｎｍ以下で、前記多結晶体を構成する焼結粒子の平均粒径が６０ｎｍ以下、最大粒径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする上記（１）～（３）のいずれかに記載の切削工具。
（５）前記切削工具のすくい面と逃げ面で挟まれる角の曲率半径Ｒ２が５０ｎｍ以下で、前記多結晶体を構成する焼結粒子の平均粒径が６０ｎｍ以下、最大粒径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする上記（２）～（４）のいずれかに記載の切削工具。
（６）前記切削工具の２つの逃げ面で挟まれる角の曲率半径Ｒ３が５０ｎｍ以下で、前記多結晶体を構成する焼結粒子の平均粒径が６０ｎｍ以下、最大粒径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする上記（３）～（５）のいずれかに記載の切削工具。
（７）前記切削工具の刃先が集束イオンビームにより形成された面であり、逃げ面がすくい面に近い側の逃げ面Ａと、該逃げ面Ａに隣接する、すくい面から遠い側の逃げ面Ｂとからなることを特徴とする上記（１）～（６）のいずれかに記載の切削工具。
（８）前記逃げ面Ａのすくい面との境界と、逃げ面Ｂとの境界との間の距離が３μｍ以下であることを特徴とする上記（７）に記載の切削工具。
（９）前記逃げ面Ｂをすくい面側から逃げ側に向けた集束イオンビームで加工した後、前記逃げ面Ａを逃げ側からすくい面側に向けた集束イオンビームで加工して得られたことを特徴とする上記（７）又は（８）に記載の切削工具。
（１０）前記多結晶体が導電性を持つことを特徴とする上記（１）～（９）のいずれかに記載の切削工具。
（１１）前記切削工具の先端の曲率半径Ｒ１、すくい面と逃げ面で挟まれる角の曲率半径Ｒ２、２つの逃げ面で挟まれる角の曲率半径Ｒ３に対して、前記多結晶体の平均粒径が０．０１×Ｒ１以上かつ０．０１×Ｒ２以上かつ０．０１×Ｒ３以上であることを特徴とする上記（１）～（１０）のいずれかに記載の切削工具。
（１２）前記多結晶体が、非ダイヤモンド型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無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ダイヤモンドであることを特徴とする上記（１）～（１１）のいずれかに記載の切削工具。
（１３）前記多結晶体が、低圧相窒化ホウ素を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加無しに直接的に高圧相窒化ホウ素に変換焼結された、実質的に高圧相窒化ホウ素のみからなる多結晶窒化ホウ素であり、前記高圧相窒化ホウ素が立方晶窒化ホウ素および／またはウルツ鉱型窒化ホウ素であることを特徴とする上記（１）～（１１）のいずれかに記載の切削工具。
（１４）前記切削工具がＶバイト、フライカット、マイクログルーブのいずれかであることを特徴とする上記（１）～（１３）のいずれかに記載のダイヤモンド切削工具。
（１５）非ダイヤモンド型炭素物質および／または窒化ホウ素を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加無しに直接的に、ホウ素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる１種類以上の元素からなる高圧相硬質粒子に変換焼結された多結晶体を切刃とした切削工具の製造方法であって、
　前記多結晶体をレーザーでチップ状にカットする工程と、
　前記多結晶体チップをシャンクに接合する工程と、
　前記多結晶体チップを研磨することにより、すくい面と逃げ面を作る工程と、
　すくい面と逃げ面を集束イオンビームにより加工する工程とを含むことを特徴とする切削工具の製造方法。
（１６）非ダイヤモンド型炭素物質および／または窒化ホウ素を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加無しに直接的に、ホウ素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる１種類以上の元素からなる高圧相硬質粒子に変換焼結された多結晶体を切刃とした切削工具の製造方法であって、
　前記多結晶体をレーザーでチップ状にカットする工程と、
　前記多結晶体チップをシャンクに接合する工程と、
　前記多結晶体チップを研磨することにより、すくい面と逃げ面を作る工程と、
　前記多結晶体チップにマスクを形成する工程と、
　ドライエッチングによりすくい面と逃げ面を作る工程と、
　すくい面と逃げ面を集束イオンビームにより加工する工程とを含むことを特徴とする切削工具の製造方法。
　本発明の超精密加工用の切削工具によれば、従来の単結晶ダイヤモンド、ｃＢＮ焼結体を用いた超精密工具や、金属結合材を含むダイヤモンド焼結体および気相合成ダイヤモンドを用いた切削工具に比べて長期間高精度で安定した加工を得ることが出来る。
すくい面（Ｙ）および逃げ面（Ｘ）を有する工具を示す図である。 図１に示される工具に対してすくい面（Ｙ）側から逃げ面（Ｘ）側に集束イオンビームを向けて高精度加工を行って得られた工具の形状を示す図である。 図２に示される工具に対して逃げ面（Ｘ）側からすくい面（Ｙ）側に集束イオンビームを向けて高精度加工を行って得られた工具の形状を示す図である。 図１に示される工具に対して、最初に形成された逃げ面（第２逃げ面（２Ｘ））に仕上研磨加工によって第１逃げ面（１Ｘ）を形成して得られた工具の形状を示す図である。 すくい面（Ｙ）側から逃げ面（Ｘ）側にビームが向くようにして集束イオンビームで工具を加工する様子を示す図である。 逃げ面（Ｘ）側からすくい面（Ｙ）側にビームが向くようにして集束イオンビームで工具を加工する様子を示す図である。 本発明の切削工具の一態様であるＶバイトを示す図である。 本発明の切削工具の一態様である先鋭Ｖバイトを示す図である。 実施例４及び実施例８で得た切削工具の形状を示す図である。（ａ）は切削工具をすくい面側から見た上面図であり、（ｂ）は工具を右側面からみた側面図であり、（ｃ）は工具を先端面から見た正面図である。 曲率半径Ｒと平均粒径Ｄ５０、及び最大粒径Ｄmaxの関係を示す図である。 工具におけるＲ１、Ｒ２及びＲ３の測定部位を示す図である。
　本発明に係る切削工具は、非ダイヤモンド型炭素物質および／または窒化ホウ素を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加なしに直接的に、ホウ素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる１種類以上の元素からなる高圧相硬質粒子に変換焼結された多結晶体を切れ刃とするものである。そして、前記切削工具の刃先先端の曲率半径Ｒ１に対して、前記多結晶体を構成する焼結粒子の平均粒径が１．２×Ｒ１以下、最大粒径が２×Ｒ１以下であることを特徴とする。ここで述べる、ホウ素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる１種類以上の元素からなる高圧相硬質粒子とは、ダイヤモンド、もしくは立方晶窒化ホウ素および／またはウルツ鉱型窒化ホウ素、もしくはダイヤモンド構造を持つＢＣ２Ｎのことである。
　本発明の超精密加工用の切削工具においては、前記多結晶体は、非ダイヤモンド型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無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ダイヤモンドであるか、あるいは、前記多結晶体が、低圧相窒化ホウ素を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加無しに直接的に高圧相窒化ホウ素に変換焼結された、実質的に高圧相窒化ホウ素のみからなる多結晶窒化ホウ素であることが好ましい。また、前記高圧相窒化ホウ素は、立方晶窒化ホウ素および／またはウルツ鉱型窒化ホウ素であることが好ましい。
　以下においては、ダイヤモンドを切刃に備えた切削工具、及び、窒化ホウ素を切刃に備えた切削工具を中心に本発明を詳述するが、本発明はこれらに限定される物ではなく、ダイヤモンド構造を持つＢＣ２Ｎ等、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加なしに直接的に、ホウ素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる１種類以上の元素からなる高圧相硬質粒子に変換焼結された多結晶体を切刃に備えた切削工具も同様にして製造することができ、また同様の効果を得ることができる。
　まず、本発明にかかる切削工具のうち、ダイヤモンド工具を構成するダイヤモンド多結晶体について以下に詳述する。
　本発明の切削工具の材料である、コバルト等の金属結合材を含まない実質的にダイヤモンド単相（純度９９％以上）のダイヤモンド多結晶体は、原料の黒鉛（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型炭素を超高圧高温下（温度１８００～２６００℃、圧力１２～２５ＧＰa）で、触媒や溶媒なしに直接的にダイヤモンドに変換させ、同時に焼結させることによって得ることが出来る。このようにして得られた多結晶ダイヤモンドからなるダイヤモンド工具には単結晶を用いたダイヤモンド工具に見られるような偏磨耗は起こらない。
　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における間接加熱による直接変換焼結により、緻密で高純度な多結晶ダイヤモンドを得る方法は例えば下記の文献に開示されている。
　非特許文献３：ＳＥＩテクニカルレビュー１６５（２００４）６８
　特許文献 ９ ：特開２００７－２２８８８号公報
　特許文献１０：特許４２７５８９６号公報
　上記の各文献に記載の方法で得られるダイヤモンドを用いてダイヤモンド工具を製作してその加工性を調べると、非特許文献３に記載のものは平均粒径の約１０倍程度の異常成長粒があるためか、また特許文献６に記載のものは添加した粗い原料から変換した粗粒ダイヤモンドを含むためか、まずその大きな粒子部分で磨耗が極端に進行することが分かった。この場合、被削材にスジ傷が入るなど目的の加工が得られないと言う問題点があった。また特に目的の刃先の曲率半径を大きく超える粒子があると、長期間切削している間に刃先形状が変化し、超精密加工には耐えられない性能であった。
　そこで、多結晶ダイヤモンドを構成するダイヤモンド焼結粒子の粒径分布を刃先の曲率半径に応じて制御することが必要であることがわかった。粒径分布を制御したダイヤモンド工具を作製すると、極端に磨耗する粒子は無くなり、長期間安定した目的の加工を得ることが出来た。
　上記の問題は、ダイヤモンド工具の材料として、焼結粒子の平均粒径Ｄ５０と最大粒径Ｄmaxを刃先の曲率半径Ｒ１に応じて制御すれば解決できることが分かった。
　すなわち、切削工具の刃先先端の曲率半径Ｒ１に対して、Ｄ５０≦１．２×Ｒ１、かつ、Ｄmax≦２×Ｒ１としたダイヤモンドの多結晶体を用いることである。
　また、切削工具のすくい面と逃げ面で挟まれる角の曲率半径Ｒ２に対して、Ｄ５０≦１．２×Ｒ２、かつＤmax≦２×Ｒ２とした多結晶体を用いることが好ましい。
　また、切削工具の２つの逃げ面で挟まれる角の曲率半径Ｒ３に対して、Ｄ５０≦１．２×Ｒ３かつＤmax≦２×Ｒ３とした多結晶体を用いることが好ましい。
　好ましくは、切削工具の刃先先端、すくい面と逃げ面で挟まれる角、および２つの逃げ面で挟まれる角の曲率半径は全て５０ｎｍ以下で、Ｄ５０≦６０ｎｍ、Ｄmax≦１００ｎｍであることが超精密加工をする上で望ましい。
　なお、本発明におけるＲ１、Ｒ２及びＲ３が工具のどの部分についてのものかについては図１１に示した。図１１に示すようにＲ３は、逃げ面が、第１逃げ面Ａ（１ＸＡ）、第１逃げ面Ｂ（１ＸＢ）、第２逃げ面（２Ｘ）と３段に分かれている場合には、第１逃げ面Ａ（１ＸＡ）と第２逃げ面（２Ｘ）の間の第１逃げ面Ｂ（１ＸＢ）同士に挟まれた角の曲率半径をいう。また、逃げ面が第１逃げ面、第２逃げ面と２段に分かれている場合には、すくい面に近い側の第１逃げ面同士に挟まれた角の曲率半径をＲ３とする。Ｒ２はすくい面（Ｙ）と、逃げ面（Ｘ）（図１１中では第１逃げ面Ａ（１ＸＡ））とに挟まれた角の曲率半径をいう。Ｒ１は工具の先端の刃先の曲率半径をいう。
　本発明の切削工具において、多結晶ダイヤモンドはダイヤモンド粒子内よりも粒子間の結合の方が強いという特徴がある。工具の刃先部分が単一のダイヤモンド粒子であれば、粒子内で劈開の発生等により欠損が生じるが、上記の粒径の範囲であれば粒子間ネットワークが必ず刃先に含まれるため、耐欠損性の高い工具を得ることができる。
　また多結晶ダイヤモンドの平均粒径は、刃先の曲率半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に対し、Ｄ５０≧０．０１×Ｒ１かつＤ５０≧０．０１×Ｒ２かつＤ５０≧０．０１×Ｒ３であることが望ましい。これ未満の粒径ではｓｐ３結合を維持した多結晶ダイヤモンドの合成は実用上困難であり、実際にはｓｐ２結合を含んでしまうため、耐磨耗性および耐欠損性が低下してくることが分かった。
　次に上記の微細な粒径の多結晶ダイヤモンドを超精密に加工する場合、従来の単結晶工具を加工するように研磨しても、微細な欠けが発生し、直線刃を出しにくいという問題があった。また、直線刃ができたとしても、研磨によってミクロな亀裂や歪みなどの加工ダメージが多結晶ダイヤモンドの組織内に導入されるため、工具寿命が短くなる問題もあった。そこで研磨で粗加工を行った後は、集束イオンビームで加工することで鋭利な刃先がダメージなしに形成されると期待される。しかし既に述べた通り、従来の方法ではすくい面と逃げ面で挟まれる角、あるいはおよび２つの逃げ面で挟まれる角など、どこかの稜線が鋭利にならなかった。
　本発明者らは次の加工により従来にない超精密加工用の切削工具を作製した。
　まず、すくい面（Ｙ）および逃げ面（Ｘ）を粗加工する（図１）。次の高精度の刃先を作製するための工程では、従来の方法では図４に示すように先の粗加工面を第２逃げ面（２Ｘ）とし、仕上研磨によって第１逃げ面（１Ｘ）を加工していた。それに対し、本発明ではまず２つの逃げ面で挟まれる角Ｒ３を鋭利にするために、集束イオンビームをすくい面（Ｙ）から逃げ面（Ｘ）側に向けて高精度加工を行う（図２）。この加工によりすくい面（Ｙ）と逃げ面（Ｘ）に挟まれた角の曲率半径Ｒ２および刃先先端の曲率半径Ｒ１はやや丸みを帯びた形状になる。そこで最後に集束イオンビームを逃げ側（Ｘ）からすくい面（Ｙ）に向けて高精度加工を行う（図３）。ここで先のＦＩＢ加工した面は逃げ面Ｂ（１ＸＢ）、最後のＦＩＢ加工した面は逃げ面Ａ（１ＸＡ）となる。以上の加工により、曲率半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３全てが従来の加工法で得られなかった高精度の工具を得ることができる。なお、ここで述べるＲ３は特に２つの逃げ面Ｂ（１ＸＢ）で挟まれる角を意味する。
　好ましくは、上記逃げ面Ａ（１ＸＡ）のすくい面（Ｙ）との境界と、逃げ面Ｂ（１ＸＢ）との境界との間の距離（Ｌ）は３μｍ以下であることが望ましい。３μｍを超える距離となる場合、２つの逃げ面で挟まれる角Ｒ３などに丸みが生じ、高精度の工具を得ることができない。
　本発明の切削工具で用いる多結晶ダイヤモンドは導電性を有していても良い。これにより、先に述べた逃げ面の粗加工などを従来の研磨だけでなく、より安価な放電加工も用いることができる。また超精密加工では工具と被削材との接触の判定が困難であったが、導電性を持たせることにより電気的なセンサーにより正確な接触を判定することができる。上記の導電性を持たせるには、ホウ素、リン、水素等をドーピングすることができる。また、金属等の導電膜を表面にコーティングしても良い。
　また本発明者らはすくい面や逃げ面の加工で研磨を行った場合、研磨によって微細な亀裂等が多結晶ダイヤモンド中に発生し、工具の強度を低下させることを見出した。このため、すくい面や逃げ面の粗加工を研磨で行った後、反応性イオンエッチング等のドライエッチングによりすくい面や逃げ面を作る工程を入れることで、耐欠損性の良い工具が作れることがわかった。ドライエッチングを行わない場合は、集束イオンビームでの加工量を多くし、少なくとも５μｍ以上多結晶ダイヤモンドを研磨面から削ることが望ましい。
　これらの製造方法をまとめると、
　非ダイヤモンド型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無しに直接的にダイヤモンドに変換焼結する工程と
　ダイヤモンドをレーザーでチップ状にカットする工程と、
　ダイヤモンドチップをシャンクに接合する工程と、
　ダイヤモンドチップを研磨することにより、すくい面と逃げ面を作る工程と、
　ダイヤモンドチップにマスクを形成する工程と、
　ドライエッチングによりすくい面や逃げ面を作る工程と、
　すくい面と逃げ面の境界部を集束イオンビームにより加工する工程により、本発明の多結晶ダイヤモンド切削工具を得ることができる。
　これらの超精密工具はＶバイト、フライカット、マイクログルーブのいずれの種類に対しても適用可能である。
　続いて、本発明に係る切削工具のうち、窒化ホウ素工具を構成する窒化ホウ素多結晶体について以下に詳述する。
　本発明の切削工具の材料である、コバルト等の金属結合材を含まない実質的に窒化ホウ素単相（純度９９％以上）の高圧相窒化ホウ素多結晶体は、原料の低圧相窒化ホウ素（六方晶窒化ホウ素、ｈＢＮ）を超高圧高温下（温度１１００～２６００℃、圧力１２～２５ＧＰａ）で、触媒や溶媒なしに直接的に高圧相窒化ホウ素に変換させ、同時に焼結させることによって得ることが出来る。ここで述べる高圧相窒化ホウ素とは、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）および圧縮型六方晶窒化ホウ素（ウルツ鉱型窒化ホウ素、ｗＢＮ）のことである。このようにして得られた高圧相窒化ホウ素多結晶体からなる窒化ホウ素工具は粒径が小さく、欠損や偏磨耗が起こらない。
　低圧相窒化ホウ素を出発物質として、９ＧＰａ以上、１７００℃以上１９００℃以下の超高圧高温下における間接加熱による直接変換焼結により、緻密で高純度な立方晶窒化ホウ素を得る方法は上記特許文献６や下記非特許文献４に開示されている。
　　非特許文献４：機械と工具２０１０年３月号８０ページ
　上記の各文献に記載の方法で得られる立方晶窒化ホウ素を用いて窒化ホウ素工具を製作してその加工性を調べると、特許文献６に記載のものは非特許文献４の図１で見られるように２００ｎｍを超える異常成長粒があるためか、まずその大きな粒子部分で磨耗が極端に進行することが分かった。この場合、被削材にスジ傷が入るなど目的の加工が得られないと言う問題点があった。また特に目的の刃先の曲率半径を大きく超える粒子があると、長期間切削している間に刃先形状が変化し、超精密加工には耐えられない性能であった。
　そこで、多結晶窒化ホウ素を構成する窒化ホウ素焼結粒子の粒径分布を刃先の曲率半径に応じて制御することが必要であることがわかった。粒径分布を制御した高圧相窒化ホウ素工具を作製すると、極端に磨耗する粒子は無くなり、長期間安定した目的の加工を得ることが出来た。
　上記の問題は、高圧相窒化ホウ素工具の材料として、焼結粒子の平均粒径Ｄ５０と最大粒径Ｄmaxを刃先の曲率半径Ｒ１に応じて制御すれば解決できることが分かった。
　すなわち、切削工具の刃先先端の曲率半径Ｒ１に対して、Ｄ５０≦１．２×Ｒ１、かつＤmax≦２×Ｒ１とした多結晶体を用いることである。
　また、切削工具のすくい面と逃げ面で挟まれる角の曲率半径Ｒ２に対して、Ｄ５０≦１．２×Ｒ２以下かつＤmax≦２×Ｒ２以下とした多結晶体を用いることが好ましい。
　また、切削工具の２つの逃げ面で挟まれる角の曲率半径Ｒ３に対して、Ｄ５０≦１．２×Ｒ３かつＤmax≦２×Ｒ３とした多結晶体を用いることが好ましい。
　好ましくは、切削工具の刃先先端、すくい面と逃げ面で挟まれる角、および２つの逃げ面で挟まれる角の曲率半径は全て５０ｎｍ以下で、ｄ≦６０ｎｍ、Ｄ≦１００ｎｍであることが超精密加工をする上で望ましい。
　なお、本発明の、窒化ホウ素を切刃に備えた切削工具におけるＲ１、Ｒ２及びＲ３は、ダイヤモンドを切刃に備えた切削工具において説明したものと同じであり、図１１に示す通りである。
　本発明の高圧相窒化ホウ素多結晶体は窒化ホウ素粒子内と粒子間の結合が同程度に強いという特徴がある。工具の刃先部分が単一の窒化ホウ素粒子であれば、粒子内で劈開の発生等により欠損が生じるが、上記の粒径の範囲であれば粒子間ネットワークが必ず刃先に含まれ、劈開しても粒子界面で欠損が停止するため、耐欠損性の高い工具を得ることができる。
　また高圧相窒化ホウ素多結晶体を構成する窒化ホウ素焼結粒子の平均粒径Ｄ５０は、曲率半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に対し、Ｄ５０≧０．０１×Ｒ１かつＤ５０≧０．０１×Ｒ２かつＤ５０≧０．０１×Ｒ３が望ましい。これ以下の粒径でｓｐ３結合を維持した高圧相窒化ホウ素多結晶体の合成は実用上困難であり、実際にはｓｐ２結合を含んでしまうため、耐磨耗性および耐欠損性が低下してくることが分かった。
　次に上記の微細な粒径の高圧相窒化ホウ素多結晶体を超精密に加工する場合、従来の窒化ホウ素工具を加工するように研磨しても、微細な欠けが発生し、直線刃を出しにくいという問題があった。また、直線刃ができたとしても、研磨によってミクロな亀裂や歪みなどの加工ダメージが高圧相窒化ホウ素多結晶体の組織内に導入されるため、工具寿命が短くなる問題もあった。そこで研磨で粗加工を行った後は、集束イオンビームで加工することで先鋭な刃先がダメージなしに形成されると期待される。しかし既に述べた通り、従来の方法ではすくい面と逃げ面で挟まれる角、あるいはおよび２つの逃げ面で挟まれる角など、どこかの稜線が鋭利にならなかった。
　このため、本発明者らは種々の検討を重ねた結果、窒化ホウ素を切刃に備えた切削工具においても、前述のダイヤモンドを切刃に備えた切削工具の場合と同様に加工することにより、従来にない超精密加工用の切削工具を作製できることを見出した。すなわち、図１～図３を用いて説明した前記の加工方法により、本発明の切削工具を作製することができる。
　本発明の工具で用いる窒化ホウ素多結晶体は導電性を有していても良い。これにより、電気的なセンサーで工具と被削材との接触を正確に判定することができる。上記の導電性を持たせるには、表面に金属などの導電性材料を薄く蒸着することができる。
　これらの超精密工具はＶバイト、フライカット、マイクログルーブのいずれの種類に対しても適用可能である。
　本発明の窒化ホウ素切削工具は、低圧相窒化ホウ素を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加無しに直接的に高圧相窒化ホウ素に変換焼結された、実質的に高圧相窒化ホウ素のみからなる多結晶窒化ホウ素を加工することによって得ることができる。
　加工方法としては例えば次の二つの加工方法を挙げることができる。
＜加工方法Ａ＞
　以下の各工程を順に行う方法
（１）多結晶窒化ホウ素をレーザーでチップ状にカットする工程
（２）窒化ホウ素チップをシャンクに接合する工程
（３）窒化ホウ素チップを研磨することによりすくい面と逃げ面とを作る工程
（４）すくい面と逃げ面の境界部を集束イオンビームにより加工する工程
＜加工方法Ｂ＞
　以下の各工程を順に行う方法
（１）窒化ホウ素をレーザーでチップ状にカットする工程
（２）窒化ホウ素チップをシャンクに接合する工程
（３）窒化ホウ素チップを研磨によりすくい面と逃げ面を作る工程
（４）窒化ホウ素チップにマスクを形成する工程
（５）ドライエッチングによりすくい面や逃げ面を作る工程
（６）すくい面と逃げ面の境界部を集束イオンビームにより加工する工程
　続いて、本発明にかかる切削工具のうち、ＢＣ２Ｎ工具を構成するＢＣ２Ｎ多結晶体について以下に詳述する。
　本発明の切削工具の材料である、コバルト等の金属結合材を含まない実質的にＢＣ２Ｎ単相（純度９９％以上）のＢＣ２Ｎ多結晶体は、原料の低圧相ＢＣ２Ｎ（グラファイト状ＢＣ２Ｎ）などの非ダイヤモンド型ＢＣ２Ｎを超高圧高温下（温度１８００～２６００℃、圧力１２～２５ＧＰa）で、触媒や溶媒なしに直接的に高圧相ＢＣ２Ｎ（ダイヤモンド構造）に変換させ、同時に焼結させることによって得ることが出来る。このようにして得られた多結晶ＢＣ２ＮからなるＢＣ２Ｎ工具には単結晶を用いたＢＣ２Ｎ工具に見られるような偏磨耗は起こらない。
　なお、グラファイト状ＢＣ２Ｎはこの他に、ホウ酸の窒化と、サッカロースの炭化を溶融尿素中で炭化させるなどして合成しても良いし、ＢＣｌ３ガスとアセトニトリルをモル比１：１で反応管に導入して、高周波誘導加熱により昇温したカーボン上にグラファイト状ＢＣ２Ｎ膜を蒸着しても良い。
　上記のようなＢＣ２Ｎ工具の材料として、焼結粒子の平均粒径Ｄ５０と最大粒径Ｄmaxを刃先の曲率半径Ｒ１に応じて制御することにより本発明の切削工具とすることができる。すなわち、切削工具の刃先先端の曲率半径Ｒ１に対して、Ｄ５０≦１．２×Ｒ１、かつＤmax≦２×Ｒ１とした多結晶体を用いる。
　また、切削工具のすくい面と逃げ面で挟まれる角の曲率半径Ｒ２に対して、Ｄ５０≦１．２×Ｒ２以下かつＤmax≦２×Ｒ２以下とした多結晶体を用いることが好ましい。
　また、切削工具の２つの逃げ面で挟まれる角の曲率半径Ｒ３に対して、Ｄ５０≦１．２×Ｒ３かつＤmax≦２×Ｒ３とした多結晶体を用いることが好ましい。
　切削工具の刃先先端、すくい面と逃げ面で挟まれる角、および２つの逃げ面で挟まれる角の曲率半径は全て５０ｎｍ以下で、ｄ≦６０ｎｍ、Ｄ≦１００ｎｍであることが超精密加工をする上で望ましい。
　なお、本発明の、ＢＣ２Ｎ多結晶体を切刃に備えた切削工具におけるＲ１、Ｒ２及びＲ３は、ダイヤモンドを切刃に備えた切削工具において説明したものと同じであり、図１１に示す通りである。
　ＢＣ２Ｎ多結晶体を切刃に備えた切削工具においても、前述のダイヤモンドを切刃に備えた切削工具の場合と同様に加工することにより、従来にない超精密加工用の切削工具を作製できる。すなわち、図１～図３を用いて説明した前記の加工方法により、本発明の切削工具を作製することができる。
　また、本発明の工具で用いるＢＣ２Ｎ多結晶体は導電性を有していても良い。これにより、電気的なセンサーで工具と被削材との接触を正確に判定することができる。上記の導電性を持たせるには、表面に金属などの導電性材料を薄く蒸着することができる。
　これらの超精密工具はＶバイト、フライカット、マイクログルーブのいずれの種類に対しても適用可能である。
　次に本発明の実施例及び比較例を挙げることによってより詳細に説明するが、これらの実施例は例示的なものであり、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。
　まず、測定・評価方法について説明する。
＜平均粒径＞
　本発明の実施例では原料の非ダイヤモンド型炭素として黒鉛焼成体を用いた。また、原料の低圧相（六方晶）窒化ホウ素粒子及び高圧相窒化ホウ素多結晶体
　本発明においては原料の黒鉛焼成体中のグラファイト粒子、ダイヤモンド多結晶体中のダイヤモンド焼結粒子、低圧相（六方晶）窒化ホウ素粒子、及び高圧相窒化ホウ素多結晶体中の窒化ホウ素焼結粒子の平均粒径（Ｄ５０）及び最大粒径（Ｄmax）は走査型電子顕微鏡により倍率１０～５０万倍で写真撮影像を元にして画像解析を実施することで得た。
　以下にその詳細方法を示す。
　まず、試料表面を仕上げ研磨もしくはＣＰ加工し、該試料を走査型電子顕微鏡で撮影した撮影像を元に焼結体を構成する結晶粒の粒径分布を測定する。具体的には、画像解析ソフト（例えば、Ｓcion Ｃorporation社製、ＳcionImage）を用いて、個々の粒子を抽出し、抽出した粒子を２値化処理して各粒子の面積（Ｓ）を算出する。そして、各粒子の粒径（Ｄ）を、同じ面積を有する円の直径（Ｄ＝２√（Ｓ／π））として算出する。
　次に、上記で得られた粒径分布をデータ解析ソフト（例えば、ＯriginLab社製Ｏrigin、Ｐarametric Ｔechnology社製Ｍathchad等）によって処理し、Ｄ５０粒径、最大粒径Ｄmaxを算出する。
　以下に記載する実施例、比較例では走査型電子顕微鏡として日本電子製ＪＳＭ－７６００Ｆを用いた。
［実施例１］
　粒径０．１～１０μｍ、純度９９．９％以上のグラファイトをＭo製カプセルに入れ、ベルト型高圧発生装置を用いて、１０ＧＰa、２１００℃で３０分間処理し、多結晶ダイヤモンドを形成した。この試料の粒径を電子顕微鏡により観察した。平均粒径と最大粒径は表１のようになった。
　これにレーザーカットおよび研磨によって粗加工してチップ形状を作り、シャンクにロウ付けを行った。次に粗研磨によってＶバイトのすくい面および逃げ面を形成した。
　次に図５のようにすくい面（Ｙ）側から逃げ面（Ｘ）側にビームが向くように工具をステージに設置し、集束イオンビーム装置に導入した。これにＶバイトの両側に対してイオン電流１０００ｐＡ以下で逃げ面Ｂ（１ＸＢ）を形成した。工具を傾けて２つの逃げ面に挟まれた角を観察した。曲率半径Ｒ３を表１に記載した。
　次に工具を取り出して、図６のように逃げ面（Ｘ）側からすくい面（Ｙ）側にビームが向くように工具をステージに設置し、集束イオンビーム装置に導入した。これにＶバイトの両側に対してイオン電流５００ｐＡ以下で逃げ面Ａ（１ＸＡ）を形成した。刃先曲率半径Ｒ１、すくい面（Ｙ）と逃げ面（１ＸＡ）に挟まれた角の曲率半径Ｒ２、逃げ面Ａ（１ＸＡ）のすくい面（Ｙ）との境界と、逃げ面Ｂ（１ＸＢ）との境界との間の距離Ｌを表１に示す。
　以上の加工により、図７に示すような先端９０度のＶバイトが完成した。同様の方法で図８に示すような先端４０度やそれ以下の先鋭Ｖバイトも加工することができる。
　次に工具を超精密ナノ加工機に設置し、ＷＣ-Ｃo-Ｎiを主体とした被削材に溝入れ加工を行った。送り速度１０ｍｍ／ｍｉｎ、切込み量を３００μｍ、切削長１０００ｍｍとした。切削結果を表１にまとめる。
［実施例２］
　実施例１より粒径の小さいナノ多結晶ダイヤモンドを使用した以外は、実施例１と同様にしてＶバイトを作製した。
［実施例３］
　ホウ素ドープした導電性ナノ多結晶ダイヤモンドを使用した以外は、実施例１と同様にしてＶバイトを作製した。
［比較例１～７］
　比較例として、単結晶ダイヤモンドを用いた例、粒径の異なる多結晶ダイヤモンドを用いた例、工具加工法が異なる例を表１に記載した。
　表１に示すように、比較例ではどれも加工中の欠損あるいは耐磨耗性不足による溝形状の不良が発生した。特に比較例７では集束イオンビームを使わずに加工したが、加工中の欠損が多発し、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３全て先鋭な工具の作製は不可能だった。Ｒ１についてのみ先鋭な加工に成功したが、集束イオンビームを使って加工した工具に比べて早い段階で工具の破損が発生した。また、すくい面と逃げ面で挟まれる稜線にも研磨のダメージによる欠損が多発し、加工の初期から面粗さの大きな溝となった。一方、本発明の超精密加工用の切削工具では欠損することなく全長で曲率半径１００ｎｍ以下の溝を加工することが出来た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
［実施例４］
　粒径０．１～１０μｍ、純度９９．９％以上のグラファイトをＭo製カプセルに入れ、ベルト型高圧発生装置を用いて、１０ＧＰa、２１００℃で３０分間処理し、多結晶ダイヤモンドを形成した。この試料の粒径を電子顕微鏡により観察した。平均粒径は３０ｎｍと最大粒径９０ｎｍとなった。
　これにレーザーカットおよび研磨によって粗加工してチップ形状を作り、シャンクにロウ付けを行った。次に粗研磨によって図９に示すような溝入れバイトのすくい面（Ｙ）および第２逃げ面（２Ｘ）を形成した。
　次に図５のようにすくい面（Ｙ）側から逃げ面（Ｘ）側にビームが向くように工具をステージに設置し、集束イオンビーム装置に導入した。これに溝入れバイトの側面Ｌ，Ｒに対してイオン電流１０００ｐＡ以下で逃げ面Ｂ（１ＸＢ）を形成し、最後に溝入れバイトブの先端面Ｔの逃げ面Ｂ（１ＸＢ）を形成した。側面Ｒと先端面Ｔの２つの逃げ面に挟まれた角の曲率半径Ｒ３Ｒ、側面Ｌと先端面Ｔの２つの逃げ面に挟まれた角の曲率半径Ｒ３Ｌは表２のようになった。
　次に工具を取り出して、図６のように逃げ面（Ｘ）側からすくい面（Ｙ）側にビームが向くように工具をステージに設置し、集束イオンビーム装置に導入した。これに溝入れバイトの側面Ｌ，Ｒに対してイオン電流５００ｐＡ以下で逃げ面Ａ（１ＸＡ）を形成し、最後に溝入れバイトの先端面Ｔの逃げ面Ａ（１ＸＡ）を形成し、溝入れバイトを完成させた。側面Ｒと先端面Ｔで作る刃先曲率半径Ｒ１Ｒ、側面Ｌと先端面Ｔで作る刃先曲率半径Ｒ１Ｌ、すくい面と側面Ｒ，側面Ｌ，先端面Ｔの逃げ面に挟まれた角の曲率半径Ｒ２Ｒ、Ｒ２Ｌ、Ｒ２Ｔ、逃げ面Ａの端のすくい面からの距離ＬＲ、ＬＬ、ＬＴは表２に示す。
　次に工具を超精密ナノ加工機に設置し、ＷＣ-Ｃo-Ｎiを主体とした被削材に溝入れ加工を行った。送り速度１０ｍｍ／ｍｉｎ、切込み量を２００μｍ、切削長１０００ｍｍとした。本発明の超精密加工用の切削工具では欠損することなく全長で曲率半径１００ｎｍ以下の溝を加工することが出来た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
［実施例５］
　粒径０．１～１０μｍ、純度９９．９％以上の六方晶窒化ホウ素をＭo製カプセルに入れ、ベルト型高圧発生装置を用いて、１３ＧＰa、１６５０℃で３０分間処理し、高圧相窒化ホウ素多結晶体を形成した。結晶構造はＸ線回折により判定し、試料の粒径は電子顕微鏡により観察した。平均粒径と最大粒径は表３のようになった。
　これにレーザーカットおよび研磨によって粗加工してチップ形状を作り、シャンクにロウ付けを行った。次に粗研磨によってＶバイトのすくい面および逃げ面を形成した。
　次に図５のようにすくい面（Ｙ）側から逃げ面（Ｘ）側にビームが向くように工具をステージに設置し、集束イオンビーム装置に導入した。これにＶバイトの両側に対してイオン電流１０００ｐＡ以下で逃げ面Ｂ（１ＸＢ）を形成した。工具を傾けて２つの逃げ面に挟まれた角を観察した。曲率半径Ｒ３を表３に記載した。
　次に工具を取り出して、図６のように逃げ面（Ｘ）側からすくい面（Ｙ）側にビームが向くように工具をステージに設置し、集束イオンビーム装置に導入した。これにＶバイトの両側に対してイオン電流５００ｐＡ以下で逃げ面Ａ（１ＸＡ）を形成した。刃先曲率半径Ｒ１、すくい面（Ｙ）と逃げ面（１ＸＡ）に挟まれた角の曲率半径Ｒ２、逃げ面Ａ（１ＸＡ）のすくい面（Ｙ）との境界と、逃げ面Ｂ（１ＸＢ）との境界との間の距離Ｌを表３に示す。
　以上の加工により、図７に示すような先端９０度のＶバイトが完成した。同様の方法で図８に示すような先端４０度やそれ以下の先鋭Ｖバイトも加工することができる。
　次に工具を超精密ナノ加工機に設置し、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）に溝入れ加工を行った。送り速度２ｍ／ｍｉｎ、切込み量を５μｍ、切削長３００ｍｍとした。切削結果を表３にまとめる。
［実施例６］
　高圧相窒化ホウ素に立方晶だけでなく、一部ウルツ鉱型が含まれ、粒径が細かい点以外は実施例５と同様にしてＶバイトを作製した。
［実施例７］
　実施例５と粒径が異なる以外は、実施例５と同様にしてＶバイトを作製した。
［比較例９～１４］
　比較例として、単結晶ダイヤモンドを用いた例、多結晶ダイヤモンドを用いた例、粒径の異なる高圧相窒化ホウ素を用いた例、工具加工法が異なる例を表３に記載した。
　比較例ではどれも加工中の欠損あるいは耐磨耗性不足による溝形状の不良が発生した。特に比較例１４では集束イオンビームを使わずに加工したが、加工中の欠損が多発し、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３全て先鋭な工具の作製は不可能だった。Ｒ１についてのみ先鋭な加工に成功したが、集束イオンビームを使って加工した工具に比べて早い段階で工具の破損が発生した。また、すくい面と逃げ面で挟まれる稜線にも研磨のダメージによる欠損が多発し、加工の初期から面粗さの大きな溝となった。一方、本発明の超精密加工用の切削工具では欠損することなく全長で曲率半径１００ｎｍ以下の溝を加工することが出来た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
［実施例８］
　粒径０．１～１０μｍ、純度９９．９％以上の六方晶窒化ホウ素をＭo製カプセルに入れ、ベルト型高圧発生装置を用いて、１２ＧＰa、１６５０℃で３０分間処理し、高圧相窒化ホウ素を形成した。この試料の粒径を電子顕微鏡により観察した。平均粒径は３０ｎｍと最大粒径９０ｎｍとなった。
　これにレーザーカットおよび研磨によって粗加工してチップ形状を作り、シャンクにロウ付けを行った。次に粗研磨によって図９に示すような溝入れバイトのすくい面（Ｙ）および第２逃げ面（２Ｘ）を形成した。
　次に図５のようにすくい面（Ｙ）側から逃げ面（Ｘ）側にビームが向くように工具をステージに設置し、集束イオンビーム装置に導入した。これに溝入れバイトの側面Ｌ，Ｒに対してイオン電流１０００ｐＡ以下で逃げ面Ｂ（１ＸＢ）を形成し、最後に溝入れバイトの先端面Ｔの逃げ面Ｂ（１ＸＢ）を形成した。側面Ｒと先端面Ｔの２つの逃げ面に挟まれた角の曲率半径Ｒ３Ｒ、側面Ｌと先端面Ｔの２つの逃げ面に挟まれた角の曲率半径Ｒ３Ｌは表４のようになった。
　次に工具を取り出して、図６のように逃げ側（１ＸＢ）からすくい面（Ｙ）側にビームが向くように工具をステージに設置し、集束イオンビーム装置に導入した。これに溝入れバイトの側面Ｌ，Ｒに対してイオン電流５００ｐＡ以下で逃げ面Ａ（１ＸＡ）を形成し、最後に溝入れバイトの先端面Ｔの逃げ面Ａ（１ＸＡ）を形成し、溝入れバイトを完成させた。側面Ｒと先端面Ｔで作る刃先曲率半径Ｒ１Ｒ、側面Ｌと先端面Ｔで作る刃先曲率半径Ｒ１Ｌ、すくい面と側面Ｒ，側面Ｌ，先端面Ｔの逃げ面に挟まれた角の曲率半径Ｒ２Ｒ、Ｒ２Ｌ、Ｒ２Ｔ、逃げ面Ａの端のすくい面からの距離ＬＲ、ＬＬ、ＬＴは表４に示す。
　次に工具を超精密ナノ加工機に設置し、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）に溝入れ加工を行った。送り速度２ｍ／ｍｉｎ、切込み量を５μｍ、切削長３００ｍｍとした。本発明の超精密加工用の切削工具では欠損することなく全長で曲率半径１００ｎｍ以下の溝を加工することが出来た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
［実施例９］
　ＢＣｌ３ガスとアセトニトリルをモル比１：１で反応管に導入して、高周波誘導加熱により１８００℃に昇温したカーボン上にグラファイト状ＢＣ２Ｎ膜を蒸着した。次にこれを粉砕して粒径０．１～１０μｍにしてＭo製カプセルに入れ、ベルト型高圧発生装置を用いて、２５ＧＰa、２２００℃で３０分間処理し、ダイヤモンド状多結晶ＢＣ２Ｎを形成した。この試料の粒径を電子顕微鏡により観察した。平均粒径と最大粒径は表５のようになった。
　これにレーザーカットおよび研磨によって粗加工してチップ形状を作り、シャンクにロウ付けを行った。次に粗研磨によってＶバイトのすくい面および逃げ面を形成した。
　次に図５のようにすくい面（Ｙ）側から逃げ面（Ｘ）側にビームが向くように工具をステージに設置し、集束イオンビーム装置に導入した。これにＶバイトの両側に対してイオン電流１０００ｐＡ以下で逃げ面Ｂ（１ＸＢ）を形成した。工具を傾けて２つの逃げ面に挟まれた角を観察した。曲率半径Ｒ３を表５に記載した。
　次に工具を取り出して、図６のように逃げ側（Ｘ）からすくい面（Ｙ）側にビームが向くように工具をステージに設置し、集束イオンビーム装置に導入した。これにＶバイトの両側に対してイオン電流５００ｐＡ以下で逃げ面Ａ（１ＸＡ）を形成した。刃先曲率半径Ｒ１、すくい面（Ｙ）と逃げ面（１ＸＡ）に挟まれた角の曲率半径Ｒ２、逃げ面Ａ（１ＸＡ）のすくい面（Ｙ）との境界と、逃げ面Ｂ（１ＸＢ）との境界との間の距離Ｌを表５に示す。
　以上の加工により、図７に示すような先端９０度のＶバイトが完成した。同様の方法で図８に示すような先端４０度やそれ以下の先鋭Ｖバイトも加工することができる。
　次に工具を超精密ナノ加工機に設置し、ＷＣ-Ｃo-Ｎiを主体とした被削材に溝入れ加工を行った。送り速度１０ｍｍ／ｍｉｎ、切込み量を３００μｍ、切削長１０００ｍｍとした。切削結果を表５にまとめる。
［実施例１０］
　実施例９より粒径の小さいナノ多結晶ＢＣ２Ｎを使用した以外は、実施例９と同様にしてＶバイトを作製した。
［実施例１１］
　ホウ素ドープした導電性ナノ多結晶ＢＣ２Ｎを使用した以外は、実施例１と同様にしてＶバイトを作製した。
［比較例１５～２１］
　比較例として、単結晶ダイヤモンドを用いた例、粒径の異なる多結晶ＢＣ２Ｎを用いた例、工具加工法が異なる例を表５に記載した。
　表５に示すように、比較例ではどれも加工中の欠損あるいは耐磨耗性不足による溝形状の不良が発生した。特に比較例２１では集束イオンビームを使わずに加工したが、加工中の欠損が多発し、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３全て先鋭な工具の作製は不可能だった。Ｒ１についてのみ先鋭な加工に成功したが、集束イオンビームを使って加工した工具に比べて早い段階で工具の破損が発生した。また、すくい面と逃げ面で挟まれる稜線にも研磨のダメージによる欠損が多発し、加工の初期から面粗さの大きな溝となった。一方、本発明の超精密加工用の切削工具では欠損することなく全長で曲率半径１００ｎｍ以下の溝を加工することが出来た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　本発明の切削工具は、優れた耐欠損性と耐磨耗性を持ち、研磨加工などによるミクロな亀裂や歪みなどの加工ダメージが無い鋭い刃先形状を持つため、従来よりも精密な加工を長距離で行うことが出来、さらに従来加工が困難だった硬質材料での超精密加工に好適に適用できる。
　　Ｘ　逃げ面
　　Ｙ　すくい面
　　１Ｘ　第１逃げ面
　　２Ｘ　第２逃げ面
　　１ＸＡ　第１逃げ面Ａ
　　１ＸＢ　第１逃げ面Ｂ
　　Ｆ　集束イオンビームの向き
　　Ｒ　曲率半径
　　Ｒ１　刃先の曲率半径
　　Ｒ２　すくい面と逃げ面に挟まれた角の曲率半径
　　Ｒ３　２つの逃げ面に挟まれた角の曲率半径
　　Ｄ５０　平均粒径
　　Ｄmax　最大粒径
　　Ｌ　第１逃げ面Ａの幅

Claims (16)

  1. 　非ダイヤモンド型炭素物質および／または窒化ホウ素を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加無しに直接的に、ホウ素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる１種類以上の元素からなる高圧相硬質粒子に変換焼結された多結晶体を切刃とした切削工具であって、
    　前記切削工具の刃先先端の曲率半径Ｒ１に対して、前記多結晶体を構成する焼結粒子の平均粒径が１．２×Ｒ１以下、最大粒径が２×Ｒ１以下であることを特徴とする切削工具。
  2. 　前記切削工具のすくい面と逃げ面で挟まれる角の曲率半径Ｒ２に対して、前記多結晶体を構成する焼結粒子の平均粒径が１．２×Ｒ２以下、最大粒径が２×Ｒ２以下であることを特徴とする請求項１に記載の切削工具。
  3. 　前記切削工具の２つの逃げ面で挟まれる角の曲率半径Ｒ３に対して、前記多結晶体を構成する焼結粒子の平均粒径が１．２×Ｒ３以下、最大粒径が２×Ｒ３以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の切削工具。
  4. 　前記切削工具の刃先先端の曲率半径Ｒ１が５０ｎｍ以下で、前記多結晶体を構成する焼結粒子の平均粒径が６０ｎｍ以下、最大粒径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の切削工具。
  5. 　前記切削工具のすくい面と逃げ面で挟まれる角の曲率半径Ｒ２が５０ｎｍ以下で、前記多結晶体を構成する焼結粒子の平均粒径が６０ｎｍ以下、最大粒径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２～４のいずれかに記載の切削工具。
  6. 　前記切削工具の２つの逃げ面で挟まれる角の曲率半径Ｒ３が５０ｎｍ以下で、前記多結晶体を構成する焼結粒子の平均粒径が６０ｎｍ以下、最大粒径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３～５のいずれかに記載の切削工具。
  7. 　前記切削工具の刃先が集束イオンビームにより形成された面であり、逃げ面がすくい面に近い側の逃げ面Ａと、該逃げ面Ａに隣接する、すくい面から遠い側の逃げ面Ｂとからなることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の切削工具。
  8. 　前記逃げ面Ａのすくい面との境界と、逃げ面Ｂとの境界との間の距離が３μｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の切削工具。
  9. 　前記逃げ面Ｂをすくい面側から逃げ側に向けた集束イオンビームで加工した後、前記逃げ面Ａを逃げ側からすくい面側に向けた集束イオンビームで加工して得られたことを特徴とする請求項７又は８に記載の切削工具。
  10. 　前記多結晶体が導電性を持つことを特徴とする請求項１～９のいずれかに記載の切削工具。
  11. 　前記切削工具の先端の曲率半径Ｒ１、すくい面と逃げ面で挟まれる角の曲率半径Ｒ２、２つの逃げ面で挟まれる角の曲率半径Ｒ３に対して、前記多結晶体の平均粒径が０．０１×Ｒ１以上かつ０．０１×Ｒ２以上かつ０．０１×Ｒ３以上であることを特徴とする請求項１～１０のいずれかに記載の切削工具。
  12. 　前記多結晶体が、非ダイヤモンド型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無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ダイヤモンドであることを特徴とする請求項１～１１のいずれかに記載の切削工具。
  13. 　前記多結晶体が、低圧相窒化ホウ素を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加無しに直接的に高圧相窒化ホウ素に変換焼結された、実質的に高圧相窒化ホウ素のみからなる多結晶窒化ホウ素であり、前記高圧相窒化ホウ素が立方晶窒化ホウ素および／またはウルツ鉱型窒化ホウ素であることを特徴とする請求項１～１１のいずれかに記載の切削工具。
  14. 　前記切削工具がＶバイト、フライカット、マイクログルーブのいずれかであることを特徴とする請求項１～１３のいずれかに記載のダイヤモンド切削工具。
  15. 　非ダイヤモンド型炭素物質および／または窒化ホウ素を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加無しに直接的に、ホウ素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる１種類以上の元素からなる高圧相硬質粒子に変換焼結された多結晶体を切刃とした切削工具の製造方法であって、
    　前記多結晶体をレーザーでチップ状にカットする工程と、
    　前記多結晶体チップをシャンクに接合する工程と、
    　前記多結晶体チップを研磨することにより、すくい面と逃げ面を作る工程と、
    　すくい面と逃げ面を集束イオンビームにより加工する工程とを含むことを特徴とする切削工具の製造方法。
  16. 　非ダイヤモンド型炭素物質および／または窒化ホウ素を出発物質として、超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加無しに直接的に、ホウ素、炭素、および窒素からなる群より選ばれる１種類以上の元素からなる高圧相硬質粒子に変換焼結された多結晶体を切刃とした切削工具の製造方法であって、
    　前記多結晶体をレーザーでチップ状にカットする工程と、
    　前記多結晶体チップをシャンクに接合する工程と、
    　前記多結晶体チップを研磨することにより、すくい面と逃げ面を作る工程と、
    　前記多結晶体チップにマスクを形成する工程と、
    　ドライエッチングによりすくい面と逃げ面を作る工程と、
    　すくい面と逃げ面を集束イオンビームにより加工する工程とを含むことを特徴とする切削工具の製造方法。
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