多晶金刚石及其制法、划线工具、划线轮、修整器、旋转工具、水射流喷嘴、拉丝模具、切削工具、电极及使用多晶金刚石的加工方法技术

本发明专利技术提供一种以金刚石单相作为基本组成的多晶金刚石，该多晶金刚石由多个晶粒构成，并且包含氮和硅中的至少任一者、硼、以及碳和微量杂质的余量；所述硼以原子水平分散在晶粒中，并且全部的硼的90原子％以上以孤立置换型存在；所述氮和硅以孤立置换型或间隙型存在于晶粒中；晶粒的粒度为500nm以下；并且多晶金刚石的表面被保护膜覆盖。

Polycrystalline diamond and its fabrication, marking tools, marking wheels, dressers, rotating tools, water jet nozzles, wire drawing dies, cutting tools, electrodes and processing methods using polycrystalline diamond

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多晶金刚石及其制法、划线工具、划线轮、修整器、旋转工具、水射流喷嘴、拉丝模具、切削工具、电极及使用多晶金刚石的加工方法
本专利技术涉及多晶金刚石及其制造方法。本申请要求2016年11月30日提交的日本专利申请号2016-232364的优先权。该日本申请披露的所有内容全部以引用方式并入本文中。根据本专利技术的多晶金刚石适用于划线工具、划线轮、修整器、旋转工具、水射流喷嘴、拉丝模具、切削工具、电极等。本专利技术还涉及一种使用多晶金刚石的加工方法。
技术介绍
近年来已经清楚，纳米多晶金刚石(下文中，可被称为NPD)比天然单晶金刚石具有更高的各向同性硬度。已开发出通过在这种材料中添加硼化合物来赋予导电性的纳米多晶金刚石。此外，通过将硼作为置换原子引入金刚石晶粒中，已开发出表现出基于金刚石结构的半导体特性的纳米多晶金刚石。例如，日本专利特开No.2012-106925(专利文献1)提出了一种金刚石多晶体，其中硼化合物作为杂质包含在内，并且金刚石多晶体在空气中被加热从而在金刚石多晶体的表面上形成氧化硼保护膜以提高抗氧化性。日本专利特开No.2013-028500(专利文献2)提出了通过将元素周期表中的第III族元素作为置换原子引入金刚石晶粒中而具有p型导电性的不含硼化合物的纳米多晶金刚石。引用列表专利文献专利文献1：日本专利特开No.2012-106925专利文献2：日本专利特开No.2013-028500
技术实现思路
根据本专利技术一个方面的多晶金刚石为一种以金刚石单相作为基本组成的多晶金刚石，其中所述多晶金刚石包括多个晶粒；所述多晶金刚石包含氮和硅中的至少任一者、硼、以及包括碳和微量杂质的剩余物；所述硼以原子水平分散在晶粒中，并且90原子％以上的所有硼以孤立置换型存在；所述氮和硅以孤立置换型或间隙型存在于晶粒中；每个晶粒的粒度为500nm以下；并且所述多晶金刚石的表面被保护膜覆盖。根据本专利技术另一个方面的多晶金刚石制造方法包括：第一步骤，其中准备包含氮和硅中的至少任一者、碳、以及硼的石墨；第二步骤，其中将所述石墨填充到惰性气体气氛下的容器中；以及第三步骤，其中通过在所述容器中进行加压热处理，将石墨转化成金刚石，其中硼以原子水平分散在石墨的晶粒中，并且90原子％以上的硼以孤立置换型存在。附图说明图1为示出根据本实施方案的多晶金刚石内部的添加元素的分布的实例的图。图2为示出根据本实施方案的制造多晶金刚石的方法中的步骤的流程图。图3为示出当使用高纯度氧化铝(纯度：99.9质量％)作为加工材料时，多晶金刚石制切削工具的磨损量相对于切削距离的变化的曲线图。图4为示出在B-NPD-VI的多晶金刚石的拉曼光谱测定中，在拉曼位移为1554±20cm-1且半宽在10cm-1以内处以及拉曼位移为2330±20cm-1且半宽在6cm-1以内处出现石墨烯纳米带的峰的谱图。具体实施方式[本公开要解决的问题]然而，专利文献1中公开的金刚石多晶体在以下方面具有改进的空间：硼化合物不是包含在金刚石晶格中，因此硬度劣化，并且硼化合物的热膨胀系数与金刚石不同，因此，在高温下趋于出现裂纹。专利文献2中公开的纳米多晶金刚石在抗氧化性方面具有改进的空间，因为当对诸如含氧陶瓷或树脂之类的被加工材料进行加工时，纳米多晶金刚石会被氧化。此外，在对绝缘被加工材料进行加工的情况中，在常规纳米多晶金刚石与被加工材料之间产生摩擦等离子体，使得NPD和被加工材料两者都趋于受到损耗。此外，由于氧化硼保护膜是水溶性的，因此使用水性切削液不能发挥保护膜的保护效果。因此，需要这样的纳米多晶金刚石：该纳米多晶金刚石能够在抑制硬度劣化和裂纹发生的同时，抑制摩擦等离子体的产生，并且该纳米多晶金刚石上形成有水不溶性保护膜。鉴于上述情况提出了本专利技术，并且本专利技术的目的是提供在抑制摩擦等离子体的产生的同时，其上形成有水不溶性保护膜的多晶金刚石，以及制造该多晶金刚石的方法；使用该多晶金刚石形成的划线工具、划线轮、修整器、旋转工具、水射流喷嘴、拉丝模具、切削工具和电极；以及使用该多晶金刚石的加工方法。[本公开的有益效果]根据以上所述，可以提供在抑制摩擦等离子体的同时，其上形成有水不溶性保护膜的多晶金刚石以及制造该多晶金刚石的方法。[实施方案的说明]首先将列出本专利技术的实施方式并对其进行说明。[1]根据本专利技术一个方面的多晶金刚石为一种以金刚石单相作为基本组成的多晶金刚石，其中所述多晶金刚石包括多个晶粒；所述多晶金刚石包含氮和硅中的至少任一者、硼、以及包括碳和微量杂质的剩余物；所述硼以原子水平分散在晶粒中，并且90原子％以上的所有所述硼以孤立置换型存在；所述氮和硅以孤立置换型或间隙型存在于晶粒中；每个晶粒的粒度为500nm以下；并且所述多晶金刚石的表面被保护膜覆盖。利用此类结构，该多晶金刚石可以在抑制摩擦等离子体的同时，在其上形成水不溶性保护膜。[2]99原子％以上的所有硼优选以孤立置换型存在于晶粒中。因此，可以进一步抑制摩擦等离子体。[3]硼的原子浓度优选为1×1014cm-3以上1×1022cm-3以下。因此，可以进一步抑制摩擦等离子体。[4]氮的原子浓度优选为1×1018cm-3以上1×1020cm-3以下。因此，可以形成水不溶性保护膜。[5]硅的原子浓度优选为1×1018cm-3以上2×1020cm-3以下。因此，可以进一步形成水不溶性保护膜。[6]在所述多晶金刚石的拉曼光谱测定中，1575cm-1±30cm-1附近且半宽大于10cm-1但在20cm-1以下的峰的面积优选小于1300cm-1±30cm-1附近且半宽为60cm-1以下的峰的面积的1％。因此，多晶金刚石可以保持超过天然单晶金刚石的各向同性硬度。[7]所述多晶金刚石的动摩擦系数优选为0.2以下。因此，该多晶金刚石适用于加工诸如陶瓷和树脂之类的绝缘被加工材料的情况。[8]所述多晶金刚石的动摩擦系数优选为0.1以下。因此，该多晶金刚石进一步适用于加工诸如陶瓷和树脂之类的绝缘被加工材料的情况。[9]保护膜优选至少包含氧化硅或氮化硼。因此，可以形成水不溶性保护膜。[10]保护膜优选包含从晶粒中析出的析出物。因此，可以进一步形成水不溶性保护膜。[11]保护膜的平均膜厚度优选为1nm以上1000nm以下。因此，可以使动摩擦系数适当地降低。[12]所述多晶金刚石优选包含石墨烯纳米带。因此，其表面上可以形成源自石墨烯纳米带的保护膜。[13]在拉曼光谱测定中，所述多晶金刚石优选具有拉曼位移为1554cm-1±20cm-1且半宽为10cm-1以下的峰。因此，其表面上可以形成源自石墨烯纳米带的保护膜。[14]在拉曼光谱测定中，所述多晶金刚石优选具有拉曼位移为2330cm-1±20cm-1且半宽为6cm-1以下的峰。因此，其表面上可以形成源自石墨烯纳米带的保护膜。[15]根据本专利技术的一个方面的制造多晶金刚石的方法包括：第一步骤，其中准备包含氮和硅中的至少任一者、碳、以及硼的石墨；第二步骤，其中将所述石墨填充到惰性气体气氛下的容器中；以及第三步骤，其中通过在所述容器中进行加压热处理，从而将所述石墨转化成金刚石，其中所述硼以原子水平分散在所述石墨的晶粒中，并且90原子％以上的所述硼以孤立置换型存在。利用此类结构，可以制造在抑制摩擦等离子体的同时，其上形成有水不溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以金刚石单相作为基本组成的多晶金刚石，其中所述多晶金刚石包括多个晶粒，所述多晶金刚石包含氮和硅中的至少任一者、硼、以及包括碳和微量杂质的剩余物，所述硼以原子水平分散在所述晶粒中，并且90原子％以上的所有所述硼以孤立置换型存在，所述氮和所述硅以孤立置换型或间隙型存在于所述晶粒中，每个所述晶粒的粒度为500nm以下，并且所述多晶金刚石的表面被保护膜覆盖。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.30 JP 2016-2323641.一种以金刚石单相作为基本组成的多晶金刚石，其中所述多晶金刚石包括多个晶粒，所述多晶金刚石包含氮和硅中的至少任一者、硼、以及包括碳和微量杂质的剩余物，所述硼以原子水平分散在所述晶粒中，并且90原子％以上的所有所述硼以孤立置换型存在，所述氮和所述硅以孤立置换型或间隙型存在于所述晶粒中，每个所述晶粒的粒度为500nm以下，并且所述多晶金刚石的表面被保护膜覆盖。2.根据权利要求1所述的多晶金刚石，其中99原子％以上的所有所述硼以孤立置换型存在于所述晶粒中。3.根据权利要求1或2所述的多晶金刚石，其中所述硼的原子浓度为1×1014cm-3以上1×1022cm-3以下。4.根据权利要求1至3中任意一项所述的多晶金刚石，其中所述氮的原子浓度为1×1018cm-3以上1×1020cm-3以下。5.根据权利要求1至4中任意一项所述的多晶金刚石，其中所述硅的原子浓度为1×1018cm-3以上2×1020cm-3以下。6.根据权利要求1至5中任意一项所述的多晶金刚石，其中在所述多晶金刚石的拉曼光谱测定中，1575cm-1±30cm-1附近且半宽大于10cm-1但在20cm-1以下的峰的面积小于1300cm-1±30cm-1附近且半宽为60cm-1以下的峰的面积的1％。7.根据权利要求1至6中任意一项所述的多晶金刚石，其中所述多晶金刚石的动摩擦系数为0.2以下。8.根据权利要求1至6中任意一项所述的多晶金刚石，其中所述多晶金刚石的动摩擦系数为0.1以下。9.根据权利要求1至8中任意一项所述的多晶金刚石，其中所述保护膜至少包含氧化硅或氮化硼。10.根据权利要求9所述的多晶金刚石，其中所述保护膜包含从所述晶粒中析出的析出物。11.根据权利要求1至10中任意一项所述的多晶金刚石，其中所述保护膜的平均膜厚为1nm以上1000nm以下。12.根据权利要求1至11中任意一项所述的多晶金刚石，其中所述多晶金刚石包含石墨烯纳米带。13.根据权利要求1至12中任意一项所述的多晶金刚石，其中在所述拉曼光谱测定中，所述多晶金刚石具有拉曼位移为1554cm-1±20cm-1且半宽为10cm-1以下的峰。14.根据权利要求1至13中任意一项所述的多晶金刚石，其中在所述拉曼光谱测定中，所述多晶金刚石具有拉曼位移为2330cm-1±20cm-1且半宽为6cm-1以下的峰。15.一种制造多晶金刚石的方法，该方法包括：第一步骤，其中准备包含氮和硅中的至少任一者、碳、以及硼的石墨；第二步骤，其中将所述石墨填充到惰性气体气氛下的容器中；以及第三步骤，其中通过在所述容器中进行加压热处理，从而将所述石墨转化成金刚石，其中所述硼以原子水平分散在所述石墨的晶粒中，并且90原子％以上的所述硼以孤立置换型存在。16.根据权利要求15所述的制造多晶金刚石的方法，其中所述第一步骤包括通过气相法在基材上形成包含所述碳和所述硼的石墨母材的子步骤。17.根据权利要求16所述的制造多晶金刚石的方法，其中所述子步骤进一步包括通过所述气相法将所述氮和所述硅中的至少任一者包含入所述石墨母材中的半子步骤。18.根据权利要求16所述的制造多晶金刚石的方法，其中所述子步骤进一步包括在真空条件下将所述氮和所述硅中的至少任一者包含入所述石墨母材中的半子步骤。19.根据权利要求15所述的制造多晶金刚石的方法，其中所述第一步骤包括通过气相法将所述氮和所述硅中的至少任一者、所述碳以及所述硼在气相中同时混合，...

【专利技术属性】
技术研发人员：池田和宽，有元桂子，山本佳津子，角谷均，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP