(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静的超高圧下にて合成された単結晶質ダイヤモンド粒子を粉砕メディアを用いた衝撃破砕ないしは磨砕に基づく超微粉砕工程および水簸に基づく精密分級工程に供し、この際、上昇水流速度をストークスの法則から計算される粒子の沈降速度の２乃至４倍の水上昇速度を用いて水簸を行い、平均粒径100nm以下の整粒された微細粒子の集合体を得ることを特徴とする、単結晶質ダイヤモンド微粉の製造法。
【請求項２】
上記分級工程において円形の断面をもつ分級装置を使用し、この際断面積に対する垂直部の長さの比を４以下とする、請求項１に記載の単結晶質ダイヤモンド微粉の製造法。
【請求項３】
上記超微粉砕工程において粉砕メディアとして鋼球を用いる、請求項１に記載の単結晶質ダイヤモンド微粉の製造法。
【請求項４】
静的超高圧下にて合成された単結晶質ダイヤモンドの超微粉砕及び精密分級によって得られる、単結晶質サブミクロン級ダイヤモンドであって、マイクロトラックＵＰＡ粒度測定器による測定値において、Ｄ50値粒径が100nm以下であり、かつＤ50値粒度に対するＤ10値粒度およびＤ90値粒度の比がそれぞれ50％以上および200％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の方法で作製された単結晶質ダイヤモンド微粉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は単結晶質ダイヤモンド微粉、特に硬質材料の超精密研磨加工等に適したダイヤモンド微粉、およびその製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密加工技術の高度化に伴って、研磨材として用いられるダイヤモンド粉末の粒度は次第に細かな方へ移行してきており、粒度が1μｍ以下、即ちサブミクロン級のダイヤモンド微粉の使用も増加してきている。これと共に、かかる微粉の品質、特に粒度分布に対する要求も年々厳しくなる傾向がある。
【０００３】
ダイヤモンド微粉の製造方法としては、静的超高圧力を用いて合成した単結晶質のダイヤモンドを原料として用い、これを粉砕した後分級工程に供して、粒度の揃った製品にする方法が一般的である。この方法で製造されるダイヤモンド微粉は、粉砕工程及び分級工程上の制約から、粒度表示において0〜0.1μｍ、マイクロトラックＵＰＡ による測定値で、D50値として0.12μｍ付近が、市販品の最小サイズとなっている。
【０００４】
一方爆薬を用いた衝撃加圧によって、グラファイトまたは爆薬成分をダイヤモンドに転換する、衝撃乃至動的加圧方法も工業的に確立されている。原料としてグラファイトを用いて合成されたダイヤモンドはデュポンタイプダイヤモンドと呼ばれ、一方、爆薬自体を炭素源に用いて合成したダイヤモンドはクラスターダイヤ、またはウルトラファインダイヤなどと呼ばれており、いずれも精密加工分野における研磨材として広く用いられている。
【０００５】
これらの衝撃加圧によって合成されたダイヤモンドは、一般に数nm〜数十nmの粒径の一次粒子が凝集ないし結合して、見掛け粒径が数百nm〜数μｍの多結晶質の二次粒子を形成していることが知られている。
【０００６】
上記デュポンタイプダイヤモンドは、合成された反応生成物を粉砕し、薬品処理によって不純物を除去した後、分級工程を経て製品化されている。しかしこのタイプのダイヤモンドは、合成反応時の高温によって部分的に溶融し結合した箇所もあるので、一次粒子への解砕は困難であると言われている。この結果、市販品の二次粒子サイズは、単結晶質の粉砕粉と同じく、粒度表示において0〜0.1μｍ、マイクロトラックＵＰＡ測定によるD50値において0.12μｍあたりが、入手可能な市販の最小サイズとなっている。またこの多結晶質ダイヤモンドは、凝集粒子間に非ダイヤモンド炭素を取り込んでいるため、通常は黒色を呈している。
【０００７】
一方クラスターダイヤなどと呼ばれている、爆薬からの転化によって得られたダイヤモンドは、見掛けサイズ数μｍの凝集粒子として市販されているが、強力な酸化処理を施すことによって、5〜10nmと言われている一次粒子に解砕することが可能である。このダイヤモンドの一次粒子で構成されたスラリーは、ダイヤモンドＣＶＤ工程のためのシーディング液として用いられている(牧田寛:ニューダイヤモンドVol.12、No.3、p.8)。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような状況において、現在使用可能な研磨用のダイヤモンド微粉は、公称0〜0.1μｍ、マイクロトラックＵＰＡ測定によるD50値で0.12μｍを下限としており、0.01μｍ(10nm)のオーダーから0.12μｍ(120nm)までの範囲の研磨材、特に単結晶質の微粉は市場で得ることができず、より多様化する超微細加工の要求に応えられなかった。
【０００９】
そのうえ0.25μｍ以下のダイヤモンド微粉は、0〜0.25や、0〜1/8等の表示に示されるように、アンダーサイズを全て含めて捕集し製品化されている。従って粒度幅が比較的広く、小粒径側に、研磨工程に寄与しないだけでなく、時には悪影響を及ぼすことさえある微粉を含有している。さらには微細なフラクションのために、D50値が実質より小さく表示される傾向にある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のように有害なアンダーサイズ微粉を殆ど含まず、各種の用途に対応可能な、特に精密研磨加工に適する精密分級された単結晶質ダイヤモンド微粉を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上掲せる課題は、本発明によれば、静的超高圧下にて合成された単結晶質ダイヤモンドの粉砕によって得られる、単結晶質サブミクロン級ダイヤモンドを、マイクロトラックＵＰＡ粒度測定器 による測定値において、D50値粒径が100nm以下であり、かつD50値粒度に対するD10値粒度および D90値粒度の比がそれぞれ50％以上および200％以下となるように仕上げることによって達成される。
【００１２】
上記ダイヤモンド微粉は、典型的には、上記単結晶質ダイヤモンド粒子を超微粉砕工程および精密分級工程に供することによって作製される。
【００１３】
【発明の実施形態】
本発明においては、超高圧プレスを用いて静的高圧下で合成された、単結晶質ダイヤモンドを出発材料として用いる。これは先ず、機械的な粉砕手段を用いて超微粉砕し、次いで条件の調整された水簸工程、或いは遠心分離機を用いた精密分級工程に供することによって、平均粒径100nm以下の微粉を狭い粒度幅で得ることができる。
【００１４】
上記単結晶質ダイヤモンドをサブミクロンの粒度まで超微粉砕するには、粉砕メディアを用いた機械的な衝撃破砕ないしは磨砕方法が利用可能である。
【００１５】
粉砕メディアとして鋼球を用いれば、混入不純物の鉄粉は、以後の酸溶解処理で容易に除くことができる。また各種サイズの鋼球が入手可能であり、粉砕の段階に応じて段階的に鋼球のサイズを変えることも容易である。
【００１６】
粗粒のダイヤモンドを粉砕メディアに用いることも可能である。この場合、粉砕作業における質量効果は低下するものの、不純物の混入を回避することができる。
【００１７】
粉砕装置としては、市販の各種タイプの装置が使用可能である。例としてボールミル、振動ミル、遊星ミルを挙げることができる。
【００１８】
鋼球を用いた粉砕工程に供された粉末は、塩酸-硝酸混液中で煮沸して、混入した鉄粉を除去した後、十分に水洗して精密分級の原料とする。
【００１９】
本発明において、超微粉砕されたダイヤモンドは、上記のように精密分級工程に供される。
【００２０】
水簸による精密分級工程には、線速度1mm/h以下の、緩やかな上昇水流が用いられる。水簸により分級可能な最小サイズは、本発明者の知見によると、分級装置内の上昇速度0.05〜0.1mm/h(20℃) において、平均粒径約70nmであった。
【００２１】
水簸操作は周知のように、媒体中における粒子の沈降速度に対抗する速度の上昇水流を用い、分級装置内において、沈降、滞留、溢流するそれぞれの粒子を区分して捕集する方法で実施される。媒体中における粒子の沈降速度はストークスの法則に従って決定される。例えばダイヤモンド粒子の場合、20℃の水中における沈降速度として、粒子径1μmのものについて4.9mm/h、0.1μmのものについては0.049mm/hの値が得られる。
【００２２】
ところで本発明者らは、上昇水速度として上記ストークスの法則から得られる理論速度の2〜4倍の値を用いることにより、最高の効率にて各粒度区分のダイヤモンド粒子が捕集されることを知見した。この場合、例えば、平均粒径0.1μmのダイヤモンドを浮遊状態で滞留させる上昇水速度は0.1〜0.2mm/h(水温20℃)となる。
【００２３】
本発明が対象とする100nm以下のダイヤモンド微粉において、捕集に用いられる上昇水速度は、理論速度の2乃至4倍の値を用いるとしても水温20℃において0.1mm／h以下であり、装置の生産性は極めて低い。したがって分級装置の断面積は、生産性の向上の観点から、可能な限り大きくとることが望ましい。
【００２４】
一方、水簸分級装置の壁面付近では、摩擦のために水流の上昇速度が減少して、分級精度が低下することが避けられない。このような壁面の影響は、分級装置において、断面積に対する垂直部の長さの比を小さくすることにより、相対的に減少できる。例えば断面が円の場合には、直径／垂直部長さ≧4とすることにより、実質上無視できる。
【００２５】
水簸工程においては、断面積を段階的に増した複数個の水簸装置を直列に結合することによって、段ごとに異なった粒度の微粉を捕集することができる。この方法を用いることにより、1パスの操作において、最小粒径(D50値) 70nmまでの複数の粒度の微粉を、粒度別に捕集することが可能である。
【００２６】
異なる粒度のダイヤモンドを粒度別に一連の工程で得る別の方法として、複数台の遠心分離機を直列に結合し、回転数即ち加速度を段階的に変えた構成を用いることも可能である。このようなカスケード型の分離方式を用いることによって、好ましくないアンダーサイズのフラクションを実質的に含まない、粒度幅の狭い研磨用ダイヤモンド微粉を得ることができる。
【００２７】
例えば遠心分離機を3台直列に接続してそれぞれの回転数を約700Ｇ、4000Ｇ、18000Ｇとした構成において、各遠心分離機から、マイクロトラックＵＰＡ測定によるD50値がそれぞれ202、96、71nmのダイヤモンド粒子が回収されている。
【００２８】
上記の分級方法において、最終段の水簸装置または遠心分離機でも捕集できないダイヤモンドは、懸濁液中に酸を添加してpH 2以下の酸性溶液とし、凝集沈降させて捕集するのが実用的である。
【００２９】
微粉ダイヤモンドの粒度表示方法としては、規格化された測定方式が存在しないことから、本発明における粒度表示は前記した通り、レーザー回折法に基づくマイクロトラックUPA による測定値を用いた。
【００３０】
本発明における平均粒径としては、粒度分布測定データの累積カーブにおけるD50値を用いた。粒度分けされた粉体においても、ある程度の粒度の幅を持つことが避けられないことから、粒度分布幅を表す指標として、累積カーブにおけるD10値ならびにD90値を併せて用いた。
【００３１】
本発明方法によって精密分級されたダイヤモンド微粉は、粒度分布幅が狭いことが特徴として挙げられる。この際、本発明で得られるダイヤモンド微粉において、D10値およびD90値は、それぞれ、D50値の50％以上および200％以下の範囲内にある。即ちD50値が100nmの場合、D10値が50nm以上で、同時にD90値が200nm以下の値である。
【００３２】
【実施例】
公称粒度2-6μmのトーメイダイヤ製ＩＲＭ級単結晶質ダイヤモンド粉末を、超微粉砕及び精密分級に供した。
【００３３】
粉砕には、内径及び長さが共に250mmの鋼製のボールミルポットを用い、この中へ6mmの鋼球20kgと共に、原料のダイヤモンド粉末300gを入れ、回転数80rpmで120時間粉砕を行った。ポットから取り出した粉砕粉末は、10 ＨＣl- 1 ＨＮＯ3混合溶液を用いて、鉄粉を溶解除去し、十分に水洗した。
【００３４】
水簸装置として、直円筒部の長さがそれぞれ20cm、断面積は第1段目として2500cm2、第2段目として5000cm2の分級管を直列に結合した構成を用いた。この装置内へ上記の超微粉砕ダイヤモンド粉末を1kg仕込み、25ml/hの流量で120リットルのイオン交換水を供給して水簸操作を行った。第2段目から流出した懸濁液は貯槽へ集め、塩酸を加えてpH2に保った。
【００３５】
分離後の各段における粒度のマイクロトラックＵＰＡによる測定値は下表のとおりであった。第１段、第2段及び流出捕集分について、比D90/D50の値はそれぞれ156％、132％、177％、またD10/D50の値は60％、75％、及び58％となっており、粒度幅の狭いダイヤモンド微粉が得られている。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
上記実施例において第１段及び流出液から回収したダイヤモンド微粉の、マイクロトラックＵＰＡによる粒度測定結果を、図1および図2に示す。棒グラフは各粒度範囲のフラクションの頻度を、曲線は累積量を表す。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のダイヤモンド微粉は、静圧法で合成されたダイヤモンドの特徴である単結晶質を保持しながら、100nm以下の粒度域において狭い粒度範囲を呈することから、精密研磨その他各種の精密用途に適する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明実施例で得られた単結晶質ダイヤモンド微粉の、粒度測定結果を示すグラフ。
【図２】  本発明実施例で得られた別の単結晶質ダイヤモンド微粉の、粒度測定結果を示すグラフ。
【図１】
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【図２】
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