(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド結晶を官能化する方法であって、
ダイヤモンド結晶を水素化する工程と、
前記水素化されたダイヤモンド結晶を塩素化する工程と、
前記塩素化されたダイヤモンド結晶を金属前駆体に露出して、ダイヤモンド結晶の表面上に金属含有層を蒸着させる工程と
を含み、当該蒸着させる工程は
金属含有粉末上に不活性ガスを通過させる工程と、
前記金属含有粉末から金属含有前駆体を含む気相を生じさせる工程と、
前記塩素化されたダイヤモンド結晶との反応により、前記ダイヤモンド結晶の表面上に前記金属含有層を蒸着させる工程と
を含むものである
方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法であって、この方法は、さらに、前記露出後にダイヤモンド結晶を不動態化する工程を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法であって、前記水素化工程は、約４００℃〜約１２００℃の範囲の温度の水素雰囲気中でダイヤモンド結晶を加熱する工程を含むものである、請求項１記載の方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法であって、前記塩素化工程は、前記水素化されたダイヤモンド結晶を塩素ガス雰囲気中で約１５０℃〜約５００℃の範囲の温度に加熱する工程を含むものである、請求項１記載の方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法であって、前記金属含有粉末は、チタニウム、クロム、モリブデン、タングステン、ジルコニウム、及びそれらの混合物から成る群から選択されるものである。
【請求項６】
研磨材製品を形成する方法であって、
請求項１〜５いずれかに記載の方法によってダイヤモンド結晶を官能化する工程と、
前記官能化されたダイヤモンド結晶を工具上に結合させて研磨材製品を形成する工程と
を含んでなる、研磨材製品を形成する方法。
【請求項７】
表面が官能化されたダイヤモンド結晶であって、
ダイヤモンド結晶と、
前記ダイヤモンド結晶の表面上の表面部位と、
前記ダイヤモンド結晶の表面上に配置された金属の単層と
を含み、前記表面部位は、前記ダイヤモンド結晶表面を水素化し塩素化することにより形成されたものであって、金属の単層およびダイヤモンド結晶表面との結合を形成できる基を含むものである、
表面が官能化されたダイヤモンド結晶。
【請求項８】
工具上に配置された表面が官能化されたダイヤモンド結晶と、マトリックスとを含む研磨材製品であって、前記表面が官能化されたダイヤモンド結晶は、
ダイヤモンド結晶と、
前記ダイヤモンド結晶の表面上の表面部位と、
前記ダイヤモンド結晶上に配置された金属の単層と
を含み、前記表面部位は、前記ダイヤモンド結晶表面を水素化し塩素化することにより形成されたものであって、前記金属の単層との結合を形成できる基を含むものである、
研磨材製品。
【請求項９】
ダイヤモンド結晶を官能化する方法であって、
ダイヤモンド結晶を水素化する工程と、
前記水素化されたダイヤモンド結晶をホウ化し、ＢＣｌｘ基（ｘ＝１〜２）を形成させる工程と、
金属含有粉末上に不活性ガスを通過させることにより、前記ホウ化されたダイヤモンド結晶を金属前駆体に露出する工程と、
前記金属含有粉末から金属含有前駆体分子を含む気相を生じさせる工程と、
前記金属含有前駆体分子を、前記ホウ化されたダイヤモンド結晶と反応させることにより、前記ダイヤモンド結晶の表面上に金属含有前駆体分子を蒸着させる工程と
を含んでなる、ダイヤモンド結晶を官能化する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は、表面が官能化されたダイヤモンドおよびダイヤモンド結晶に係る。この表面が官能化されたダイヤモンドおよびダイヤモンド結晶はコーティングおよびマトリックス物質との結合強度が改善されている。特に、本発明は、研磨材製品における結合保持力が高い、表面が官能化されたダイヤモンドおよびダイヤモンド結晶に係る。
【０００２】
硬い材料の機械加工や研削加工に用いられる鋸の刃、研削砥石、ドリルビットおよびその他類似の研磨材製品（以下、「研磨材製品」という）はダイヤモンドやダイヤモンド結晶（以下、「ダイヤモンド結晶」という）を含んでいることが多い。ダイヤモンド結晶はマトリックス中に入れられ、研削砥石や鋸の刃のセグメントのような工具または装置に結合して研磨材製品を形成する。ダイヤモンド結晶は天然のダイヤモンドまたは製造された（合成の）ダイヤモンドからなる。製造されたダイヤモンドは、限定されることはないが高圧高温（ＨＰＨＴ）プロセスや化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスによって製造されたダイヤモンドのような任意の合成ダイヤモンドからなる。マトリックスとダイヤモンド結晶の結合は研磨材結合といわれる。この研磨材結合は機械的または化学的プロセスによって形成され、金属結合、ガラス結合または樹脂結合からなりうる。
【０００３】
研磨材製品中に使われるダイヤモンド結晶には、研磨材結合強度を高めるための金属のコーティング層を含むものがある。これらコーティングはチタン、ニッケル、銅およびクロムの薄膜のような金属薄膜からなりうる。金属コーティングは、限定することはないが蒸着や真空スパッタリングのような適当なプロセスによりダイヤモンド結晶表面上に析出する。この金属コーティングはダイヤモンド結晶の表面と結合を形成する。
【０００４】
研磨材製品は使用中に破損することが多い。この破損は、ダイヤモンド結晶とマトリックスとの分離または金属コーティングのダイヤモンド結晶からの剥脱によって生じうる。ダイヤモンド結晶とマトリックス金属との間の結合強度およびダイヤモンド結晶と金属コーティングとの間の結合強度を改善すると、研磨材製品工具が改良され、研磨材製品の寿命と価値が増大し、優れた性能の研磨材製品が得られる。
【０００５】
【発明の要約】
本発明は、ダイヤモンド結晶とマトリックス材との間およびダイヤモンド結晶と金属コーティングとの間の結合強度を改善する方法に関する。この方法では、ダイヤモンド結晶を官能化して、金属コーティングとの強い結合およびガラスマトリックスや金属マトリックスのようなマトリックスとの強い結合の双方を強化するダイヤモンド結晶表面部位を生成せしめる。この官能化は、ダイヤモンド結晶を水素化し、その水素化されたダイヤモンド結晶を塩素化し、そしてその塩素化されたダイヤモンド結晶を金属前駆体に露出することからなる。この露出工程により、極めて薄い金属含有層がダイヤモンド結晶の表面上に析出する。この官能化法によって形成されるダイヤモンド結晶は表面部位において極めて薄い金属層との結合が強く、分離を防止する。またこの極めて薄い金属層はマトリックス物質と強い結合を形成する。そこで、この官能化されたダイヤモンド結晶は研磨材製品中に用いることができる。
【０００６】
本発明の上記およびその他の局面、利点ならびに顕著な特徴は、添付の図面（図中類似の部分は類似の参照符号で示す）と共に本発明の具体例を開示する以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【０００７】
【発明の記述】
本発明において、ダイヤモンドおよびダイヤモンド結晶（以下、「ダイヤモンド結晶」という）は、天然に存在するダイヤモンドおよび製造されたダイヤモンド（「合成ダイヤモンド」）からなる。製造されたダイヤモンド結晶は、高圧高温（ＨＰＨＴ）プロセスや化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスによって製造されたダイヤモンドからなる。以下の説明において、「ダイヤモンド結晶」という場合、天然のダイヤモンドと製造されたダイヤモンドの両方が包含され、この用語はいかなる意味でも本発明を限定するものではない。ある種の研磨材製品では、ダイヤモンド結晶がそれに結合した金属コーティングの層をもっている。この結合強度を高めることができれば、研磨材製品の破損が少なくなる。
【０００８】
本発明の具体例においては、ダイヤモンド結晶表面を官能化して、金属の層とダイヤモンド結晶表面との間およびダイヤモンド結晶とマトリックスとの間の双方の結合強度を（官能化されてない表面と比較して）高くする。本発明の具体例において官能化プロセスでは、水素化と塩素化によりダイヤモンド結晶表面を調製し、そのダイヤモンド結晶を金属含有前駆体に露出し、そしてそのダイヤモンド結晶を不動態化する。水素化工程と塩素化工程により、露出工程中に析出する金属の層とダイヤモンド表面との間に強い結合を形成することができる部位が生成する。これらの強い結合により、研磨材製品が改善され、研磨材製品の寿命と価値が増大し、性能の優れた研磨材製品が得られる。
【０００９】
ダイヤモンド結晶表面を官能化するプロセスの一例を図面のフローチャートを参照して説明する。工程Ｓ１では、少なくとも１つの官能化されてないダイヤモンド結晶を、固定されたダイヤモンド結晶ベッド中に配置する。官能化されてないダイヤモンド結晶は、通常、ダイヤモンド結晶の回収に用いた酸との反応の結果生じた酸素化された表面を含んでいる。典型的な場合、ダイヤモンド結晶のベッドはダイヤモンド結晶のみからなることができる。また、ダイヤモンド結晶は、限定されることはないが石英ビーズのような不活性粒子を混ぜることができる。この石英ビーズは、隣接するダイヤモンド結晶上の平坦な面が官能化工程中に互いに結合する（業界では「焼き付き」ともいう）のを防ぐ。
【００１０】
工程Ｓ２で、ダイヤモンド結晶のベッドを高温（たとえば約１２００℃までの温度）雰囲気中に配置する。本発明で具体化されるダイヤモンド結晶の調製は、適切な高温雰囲気エンクロージャ、たとえば限定されることはないが炉や高温壁石英管反応器の１つで行う。ここでは炉に関してプロセスを説明するが、炉は本発明の範囲内の高温雰囲気エンクロージャの単なる例示であり、いかなる意味でも本発明を限定するものではない。
【００１１】
本発明で具体化されるダイヤモンド結晶の官能化では、水素化工程と塩素化工程によりダイヤモンド表面を調製する。水素化工程Ｓ３は、高温の水素雰囲気中でダイヤモンド結晶を加熱して水素化されたダイヤモンド結晶を生成することからなる。この高温は約４００℃〜約１２００℃の範囲である。たとえば、水素雰囲気の温度は約９００℃である。正確な水素化温度はダイヤモンド結晶の熱安定性に依存する。
【００１２】
水素化工程Ｓ３は、また、ダイヤモンド結晶に水素プラズマを作用させても実施できる。別の水素化工程Ｓ３では、水素原子源で生成した水素原子にダイヤモンド結晶を露出する。適切な水素原子源は高温のフィラメントであるが、これに限られるわけではない。
【００１３】
次に、水素化されたダイヤモンド結晶を工程Ｓ４で塩素化する。この塩素化工程Ｓ４は、水素化されたダイヤモンド結晶を塩素ガス（Ｃｌ2）雰囲気中で加熱して塩素化されたダイヤモンド結晶を生成することからなる。塩素ガス雰囲気は、純粋な塩素ガス、および少なくとも１種の不活性ガスと共に塩素を含むガスのいずれかからなる。塩素化工程Ｓ４は約１５０℃〜約５００℃の範囲の温度で行う。こうして塩素化されたダイヤモンド結晶は、ダイヤモンド結晶と金属含有層との間の強い結合の形成を可能にする表面部位をもっている。ダイヤモンド結晶表面は、通常、Ｃ−Ｏ−Ｃ、＞Ｃ＝Ｏ、−ＯＨ、−Ｈおよび−ＣＨx（ここで、ｘは約１から約３の範囲であり、＞は２つの結合を示す）を包含する部位をふくんでいる。
【００１４】
また、塩素化工程Ｓ４は、光化学的塩素化または塩素含有前駆体を用いる塩素化によっても実施できる。これらの塩素前駆体としては、ニトロクロリド（ＮＯＣｌ）、四塩化炭素（ＣＣｌ4）、一塩化ヨウ素（ＩＣｌ）および塩化臭素（ＢｒＣｌ）があるが、これらに限定されることはない。塩素化工程Ｓ４の別の例は、ダイヤモンド結晶のベッドをプラズマ塩素化プロセスに付すことである。また、この塩素化工程Ｓ４は、水素化されたダイヤモンドを約０℃〜約５００℃の範囲の温度で四塩化ホウ素（ＢＣｌ3）に露出するホウ化工程で置き換えることができる。この工程では、−ＢＣｌx基（ただし、ｘは表面で約１〜約２の範囲である）およびＨＣｌガスが生成する。この−ＢＣｌx基は、次いで金属化し不動態化することができる。また、この−ＢＣｌx基は、単に不動態化することもできる。この金属化し不動態化する工程と単に不動態化する工程の各々で、ホウ素−金属−酸化物（−ＢＭＯx）基またはホウ素酸化物（−ＢＯx）が生成する。ここで、ｘはダイヤモンド結晶の表面において約０．５から約１．５の範囲である。このホウ素により、高温安定性が高まり、また金属の層とマトリックスおよびダイヤモンド結晶表面との間の結合強度が改良されるものと考えられる。
【００１５】
次に、塩素化されたダイヤモンド結晶を工程Ｓ５において塩素含有雰囲気中で冷却する。工程Ｓ６では、塩素化されたダイヤモンド結晶のベッドから塩素含有雰囲気を除去する。塩素は、塩素ガスを排気することによって、たとえば減圧にして塩素ガスを排気することによって、または塩素ガスをパージすることによって、ダイヤモンド結晶のベッドから除去できる。パージは、炉およびダイヤモンドのベッドにたとえば限定されることはないがアルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）ガスのような不活性ガスを通すことでできる。
【００１６】
次に、塩素化されたダイヤモンド結晶を工程Ｓ７で金属含有前駆体に露出する。この金属含有前駆体露出工程Ｓ７においては、水素化された極めて薄い金属含有層、たとえばほぼ１原子の厚みの金属の層がダイヤモンド結晶表面上に析出する。この水素化された極めて薄い金属含有層は調製されたダイヤモンド結晶表面上の部位と強い結合を形成する。工程Ｓ７は、約−２００℃〜約５００℃の範囲の温度で実施し、実施しうる最低の温度、たとえば室温（約２５℃）で行う。
【００１７】
この極めて薄い金属含有層はチタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）またはケイ素（Ｓｉ）からなり得、これは以下で説明するように不動態化工程Ｓ８の後にＴｉＣxＮy（ここで、ｘは約１、ｙは約１である）、アルミニウム酸化物（ＡｌＯx）およびケイ素酸化物（ＳｉＯx）（ここで、ｘはＡｌＯxおよびＳｉＯxの各々に対して約１から約４の範囲である）を含む極めて薄い層を形成する。また、ＡｌＯx、ＳｉＯxおよびＴｉＣxＮyを含む極めて薄い金属層は、（以下で述べる）不動態化工程でダイヤモンド結晶を水蒸気に露出する場合水素を含むことがある。
【００１８】
極めて薄いＴｉＣxＮy含有層が望まれる場合、金属含有前駆体露出工程Ｓ７では極めて薄いチタン含有層をダイヤモンド結晶の表面上に析出させる。この極めて薄いチタン含有層は、限定されることはないがヘリウム（Ｈｅ）およびアルゴン（Ａｒ）ガスのような不活性キャリヤーガスを水素化チタン（ＴｉＨ2）粉末上に通すことによって析出させることができる。ＴｉＨ2粉末上に不活性ガスを通す際には、ほぼ室温から約４００℃の範囲の温度で実施する。このような温度では、ＴｉＨ2が蒸発して分子になることができる。このＴｉＨ2蒸気は不活性ガスを通す際に同伴されて不活性ガス混合物を形成するようになることができる。次に、この不活性ガス混合物を塩素化されたダイヤモンド結晶のベッドに通す。ＴｉＨ2と塩素化されたダイヤモンド結晶表面との反応によって極めて薄いＴｉＨx（ここで、ｘは約１〜約４の範囲である）層が形成される。このＴｉＨ2と塩素化されたダイヤモンド結晶表面との反応は次式の通りである。
【００１９】
【化１】
0004673939.tif 000002
【００２０】
このＴｉＨ2と塩素化されたダイヤモンド結晶表面との反応により、塩化水素（ＨＣｌ）蒸気と水素化されたＴｉＨxの極めて薄い層が生成し、後者はダイヤモンド結晶に対して高まった結合強度を示す。このＨＣｌ蒸気はキャリヤーガスによって除去される。
【００２１】
また、極めて薄い金属含有層は、極めて薄いアルミニウム含有層と極めて薄いケイ素含有層のいずれかを含むこともできる。（不動態化工程Ｓ８の後に）極めて薄いＡｌＯx層が望まれる場合、金属含有前駆体露出工程Ｓ７で極めて薄いアルミニウム含有層をダイヤモンド結晶表面上に析出させる。この極めて薄いアルミニウム含有層は、トリメチルアミンアラン（（ＣＨ3）3Ｎ：ＡｌＨ3）ガスをダイヤモンド結晶上に通すことによって析出させることができる。また、（不動態化工程Ｓ８の後に）極めて薄いＳｉＯx層が望まれる場合、金属含有前駆体露出工程Ｓ７で極めて薄いケイ素含有層を析出させる。この極めて薄いケイ素含有層は、シラン（ＳｉＨ4）ガスをダイヤモンド結晶上に通すことによって析出させることができる。これらのそれぞれの場合、トリメチルアミンアラン（（ＣＨ3）3Ｎ：ＡｌＨ3）ガスおよびＳｉＨ4ガスは塩素化されたダイヤモンド表面と反応して、それぞれＡｌＨx基およびＳｉＨx基（ここで、ｘは約１〜約４の範囲である）、ならびにＨＣｌガスおよび（ＣＨ3）Ｎガスを形成する。ＨＣｌガスおよび（ＣＨ3）Ｎガスはキャリヤーガスによって除去される。トリメチルアミンアラン（（ＣＨ3）3Ｎ：ＡｌＨ3）およびＳｉＨ4と塩素化されたダイヤモンド結晶との反応の化学は上記式と同様である。
【００２２】
金属含有前駆体露出工程Ｓ７はダイヤモンド結晶表面格子に損傷を与えることはない。損傷を受けてない表面は被覆されたダイヤモンド結晶と研磨材製品との付着力を高める。ｒｆ（高周波）スパッタリングを始めとする公知のダイヤモンド結晶表面コーティング処理はダイヤモンド結晶表面格子に損傷を与え、したがって望ましくない。
【００２３】
また、金属含有前駆体露出工程Ｓ７は、限定するわけではないがクロム、モリブデン、タングステンまたはジルコニウムを含有する前駆体およびこれらの混合物のような炭化物形成体を用いても実施することができる。キャリヤーガスをこれらの金属前駆体上に通す。炭化物形成体前駆体上にガスを通すのはすでに述べたようなＴｉＨ2上にガスを通すのと同様に行われる。炭化物形成体は、ダイヤモンド結晶表面上に金属の水素化された極めて薄い炭化物形成体含有層を生成する。この極めて薄い炭化物形成体含有層は、限定されることはないが極めて薄いクロム含有、モリブデン含有、タングステン含有またはジルコニウム含有層を含む。
【００２４】
本発明の具体例であるダイヤモンド結晶表面官能化プロセスの最終工程は、一般に、工程Ｓ８で、水素化された金属層を施されたダイヤモンド結晶を不動態化することである。不動態化工程Ｓ８はダイヤモンド結晶を空気に対して安定にする。水素化された金属層は周囲の空気雰囲気中で安定ではないので、一般に不動態化工程Ｓ８を実施する。工程Ｓ８において、限定されることはないが空気、乾燥酸素（Ｏ2）および水蒸気の少なくとも１種を含むガスを、被覆されたダイヤモンド結晶ベッドに通すことによって、被覆されたダイヤモンド結晶を不動態化する。不動態化工程Ｓ８で、水素化された金属層を施されたダイヤモンド結晶が不動態化ガスと反応して、ダイヤモンド結晶上に安定で極めて薄い金属含有層が生成する。極めて薄い金属含有層は、水素化された金属層と不動態化ガスの組成に応じてＴｉＣxＮy、ＡｌＯxおよびＳｉＯxを含む。この不動態化工程は、ＡｌＨxまたはＳｉＨxで被覆されたダイヤモンド結晶は周囲の空気雰囲気中で特に不安定であるので、そのような結晶に対して特に有用である。
【００２５】
不動態化工程Ｓ８では、被覆されたダイヤモンド上に水蒸気（Ｈ2Ｏ）を含有するガスを流すとよい。不動態化工程Ｓ８で水蒸気に露出すると、水素（Ｈ）を含む極めて薄い層が生成する。たとえば、金属層がＡｌＯxを含む場合、この金属層を水蒸気の存在下で不動態化するとＡｌＯxＨzを含む極めて薄い層が生成する。ここで、ｘは約０から約１．５の範囲の値であり、ｚはほぼ０からほぼｘの値までの範囲の値である。金属層がＳｉＯxを含む場合、この金属層を水蒸気の存在下で不動態化するとＳｉＯxＨzを含む極めて薄い層が生成する。ここで、ｘは約０から約１の範囲の値であり、ｚはほぼ０からほぼｘの値までの範囲の値である。さらに、金属層がＴｉＣxＮyを含む場合、この金属層を水蒸気の存在下で不動態化するとＴｉＣxＮyＨzを含む極めて薄い層が生成する。ここで、ｘは約０から約１の範囲の値であり、ｙは約０から約１の範囲の値であり、ｚはほぼ０からほぼ（ｘ＋２ｙ）の範囲の値である。
【００２６】
また、不動態化工程Ｓ８は窒化工程または炭化工程のいずれかであってもよい。これらの別の不動態化工程は、窒素含有ガスおよび炭素含有ガスの少なくとも１種、たとえば窒素、アンモニア（ＮＨ3）、尿素、アセチレン、エチレンおよびこれらの組み合わせを、水素化された金属層を施されたダイヤモンド結晶上に流すことからなる。このガスは、約２５℃〜約４００℃の範囲の温度でダイヤモンド結晶ベッドに流す。
【００２７】
さらに別の不動態化工程Ｓ８はホウ化工程からなる。このホウ化工程では、水素化された金属層を施されたダイヤモンド結晶表面を三塩化ホウ素（ＢＣｌ3）ならびに空気、Ｏ2および水蒸気の少なくとも１種に露出する。これらの工程により、水素化された金属層を施されたダイヤモンド結晶表面が空気中で安定になる。
【００２８】
さまざまな態様について記載してきたが、当業者には要素のさまざまな組み合わせ、変更または改良が可能であり、それらも本発明の範囲内であることが本明細書から分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】ダイヤモンド結晶表面官能化法のフローチャートである。
【図１】
0004673939.tif 000003