(57)【要約】【課題】  ダイヤモンド工具に用いるのに適したダイヤモンドをその赤外吸収を利用して、容易にかつ非破壊で選別する方法を提案する。【解決手段】  選別すべきダイヤモンドに赤外光を照射し、ＦＴ−ＩＲ分析法により、窒素不純物の赤外吸収帯（波数１３５０〜１３８０ｃｍ−１、波数１２８２ｃｍ−１、波数１１７５ｃｍ−１）の吸光度、ならびにダイヤモンド結晶の赤外吸収帯（波数２２００ｃｍ−１）の吸光度を測定した後、前記ダイヤモンド結晶構造の吸光度に対する前記窒素不純物の吸光度の比が１以上のものを、耐チッピング性の高いダイヤモンドとして選別し、吸光度の比が１未満のものを、耐摩耗性の大きいダイヤモンドとして選別する。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具用ダイヤモンドをその赤外吸収より選別する方法であって、
選別すべきダイヤモンドに赤外光を照射し、ＦＴ−ＩＲ分析法により、窒素不純物の赤外吸収帯（波数１３５０〜１３８０ｃｍ−１、波数１２８２ｃｍ−１、波数１１７５ｃｍ−１）における吸光度、ならびにダイヤモンド結晶の赤外吸収帯（波数２２００ｃｍ−１）における吸光度を測定した後、前記ダイヤモンド結晶構造の吸光度に対する前記窒素不純物の吸光度の比が１以上のものを、耐チッピング性の高いダイヤモンドとして選別することを特徴とする工具用ダイヤモンドの選別方法。
【請求項２】
工具用ダイヤモンドをその赤外吸収より選別する方法であって、
選別すべきダイヤモンドに赤外光を照射し、ＦＴ−ＩＲ分析法により、窒素不純物の赤外吸収帯（波数１３５０〜１３８０ｃｍ−１、波数１２８２ｃｍ−１、波数１１７５ｃｍ−１）における吸光度、ならびにダイヤモンド結晶の赤外吸収帯（波数２２００ｃｍ−１）における吸光度を測定した後、前記ダイヤモンド結晶の吸光度に対する前記窒素不純物の吸光度の比が１未満のものを、耐摩耗性の大きいダイヤモンドとして選別することを特徴とする工具用ダイヤモンドの選別方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンド工具に用いるのに適したダイヤモンド原石をその赤外吸収より選別する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは原理的到達限界の精度をつくりだす工具素材として、現存する素材の中で最も優れたものである。ダイヤモンド工具は微小な切削を行うことが可能であるので、ナノオーダーの表面粗さが要求される超精密加工に利用されている。しかし、強靱なダイヤモンド工具といえども、長時間の切削を行うと漸進的な摩耗、チッピングや欠損などの脆性損傷から免れず、切れ味が悪くなって寿命となる。工具素材の一つとして天然単結晶ダイヤモンドがあるが、天然単結晶ダイヤモンドは一つとして同じ成長履歴をもつものはないため、工具の耐損耗性はばらつき、工具性能が不安定になるという問題がある。この問題を解決するためには、工具に適した原石の選定が不可欠である。
【０００３】
工具用ダイヤモンドを非破壊で強度試験を行う方法として、例えば特許文献１に記載の方法がある。この方法は、波長７．３μｍの赤外光によって、前記赤外光に対する吸収係数未知のダイヤモンドに照射し、前記赤外光照射による前記ダイヤモンド表面特定位置の温度を測定し、これに対し、前記波長に対する赤外吸収係数既知のダイヤモンドに、前記同様赤外光を照射して得た同様表面特定位置における既知温度とを対比して、前記赤外光吸収係数未知のダイヤモンドの吸収係数を求め、既知の波長７．８μｍの赤外光に対する吸収係数の異なるダイヤモンドの吸収係数と破壊強度との、赤外光吸収係数が小さい程破壊強度は大きく、吸収係数が大きい程破壊強度が小さくなる関係により、前記求めた吸収係数より破壊強度を求めるものである。この文献において、ダイヤモンドの破壊強度を測定する方法として、Ｈｅｒｔｚ強度試験法があげられており、先端半径５μｍのダイヤモンド圧子を試料平面に押し付けて破壊強度を求める方法が記載されている。（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開昭６０−１８７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１は、赤外光を照射したダイヤモンド表面の温度から赤外吸収係数を推定し、前記赤外吸収係数より破壊強度を評価することにより、微小破壊強度の大きなダイヤモンドを選別するものであって、ダイヤモンド工具の耐損耗性あるいは工具寿命そのものを評価して、工具に適したダイヤモンド原石を選別するものでない。したがって、工具の損耗試験よりダイヤモンドの耐損耗性を評価し、耐損耗性とダイヤモンドの赤外吸収特性から知られる窒素不純物の混入状態との相関関係に基づいて、工具に適したダイヤモンドを選別する方法を考案する必要がある。
【０００５】
切削工具に使われるダイヤモンドのほとんどはＩａ型であり、最大３０００ｐｐｍの窒素が炭素原子と置換した状態で含まれている。ダイヤモンド工具の損耗や寿命に関する従来の研究では、この窒素がダイヤモンドの微小破壊強度、工具損耗あるいは寿命などに影響を及ぼすと指摘するものの、工具に適したダイヤモンドを選別するための指針を明確にしていない。以上の点を踏まえて、本発明はダイヤモンド工具の損耗試験とダイヤモンドの赤外吸収スペクトル特性の結果から、ダイヤモンドの赤外吸収特性が工具の耐損耗性に及ぼす影響を明確にした上で、工具に最も適したダイヤモンドを選別する方法を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の工具用ダイヤモンドを選別する方法の第１の特徴は、工具用ダイヤモンドをその赤外吸収によって選別する方法であって、
選別すべきダイヤモンドに赤外光を照射し、ＦＴ−ＩＲ分析法により、ダイヤモンドに含まれる窒素の赤外光の吸収帯（波数１３５０〜１３８０ｃｍ−１、波数１２８２ｃｍ−１、波数１１７５ｃｍ−１）における吸光度、およびダイヤモンド結晶の赤外光の吸収帯（波数２２００ｃｍ−１）における吸光度を測定した後、前記ダイヤモンド結晶の吸光度に対する窒素の吸光度の比が１以上のものを耐チッピング性の高いダイヤモンドとして選別することである。
【０００７】
第２の特徴は、工具用ダイヤモンドをその赤外吸収によって選別する方法であって、
選別すべきダイヤモンドに赤外光を照射し、ＦＴ−ＩＲ分析法により、ダイヤモンドに含まれる窒素の赤外光の吸収帯（波数１３５０〜１３８０ｃｍ−１、波数１２８２ｃｍ−１、波数１１７５ｃｍ−１）における吸光度、およびダイヤモンド結晶の赤外光の吸収帯（波数２２００ｃｍ−１）における吸光度を測定した後、前記ダイヤモンド結晶の吸光度に対する窒素の吸光度の比が１未満のものを摩耗しにくいダイヤモンドとして選別することである。
【０００８】
ダイヤモンド工具が寿命になった時の切れ刃の損傷状態は、図１に示すようにダイヤモンドにより非常に異なる。とりわけチッピングの起こりやすさには顕著な違いがある。このチッピングの発生は本出願人が特願２００４−５６９４５において提案した方法により切削過程でオンライン検出することができる。その検出方法は、切削過程で工具より放出されるアコースティック・エミッション（ＡＥ）を測定して、その事象率Ｎと振幅ａの間に成り立つべき乗則のスケーリング指数ｍの値により、破壊に起因するＡＥを特定するものであって、スケーリング指数が２以下になるとき、切れ刃にチッピングが発生したと判断するものである。ここで、べき乗則は以下の数式で表される。
【０００９】
【数１】
2007147486.tif 000002
【００１０】
切削過程でチッピングの発生をオンライン検出した結果を図２に示す。図２において、チッピングが多く発生するダイヤモンド工具は寿命も短く、図中に示す切削条件の下で使用する場合には適さない。したがって、切削条件を考慮の上、耐チッピング性に優れたダイヤモンドを厳選して工具に用いることが重要である。
【００１１】
例えば、無酸素銅をダイヤモンド工具で超精密切削加工した場合、工具すくい面に銅の酸化とダイヤモンドによる還元を原因とするクレータ摩耗が生じる。ここでは、工具の定常摩耗域におけるクレータ摩耗を切削距離に対して両対数紙上にプロットし、両者を図３に示すように直線近似して、その傾きを摩耗速度指数と定義して、この摩耗速度指数をダイヤモンド工具の耐摩耗性を評価する指標として用いることにする。図３より、摩耗速度指数がダイヤモンド工具によって異なるのは明らかであり、ダイヤモンドの耐摩耗性の違いを判断する簡便な方法の確立が求められる。
【００１２】
上記のダイヤモンド工具の耐チッピング性と耐摩耗性は、ダイヤモンドに含まれる窒素に原因する結晶構造の欠陥に依存する。これはつぎのように窒素の赤外吸収から調べることができる。ダイヤモンドに赤外光を照射すると、図４に示すように窒素の混入状態に応じて特有の赤外吸収スペクトルが現れる。ダイヤモンドの中に小板状欠陥と呼ばれる窒素が凝集して（１００）面上に１０ｎｍから数μｍの大きさで偏析する場合、波数１３５０〜１３８０ｃｍ−１の赤外吸収スペクトルが現れる。また、窒素原子２個がペアで炭素原子と置換する場合、波数１２８２ｃｍ−１の赤外吸収スペクトルが現れる。さらに、窒素原子４個が空孔を形成する場合、波数１１７５ｃｍ−１の赤外吸収スペクトルが現れる。これら３種類のスペクトルの吸光度をダイヤモンド固有の代表的な波数２２００ｃｍ−１の赤外吸収スペクトルの吸光度で除した吸光度比を求め、各吸収帯の吸光度比とダイヤモンド工具の耐チッピング性や耐摩耗性との関係を解明した。
【００１３】
工具寿命までに発生したチッピングの数を計数し、寿命距離で除した量をチッピング発生頻度と定める。そして、ダイヤモンド中の窒素の各赤外吸収帯における吸光度比と前記チッピング発生頻度の関係を図５に示す。切削厚さが小さく材料除去速度の小さい切削条件では、チッピングの発生頻度は窒素不純物の赤外吸収の多少にかかわらず低い。ところが、切削厚さが大きく材料除去速度の大きい切削条件では、チッピングの発生頻度は窒素不純物の赤外吸収の大きさに依存して違っている。特に、波数１３５０〜１３８０ｃｍ−１の赤外吸収の大きいダイヤモンドはチッピングの発生頻度が低く、耐チッピング性に優れる。これは工具の研磨仕上げ時に導入されたダイヤモンド表面の微小クラックの進展が小板状欠陥に妨げられて、チッピングの発生を抑制するためである。したがって、耐チッピング性に優れるダイヤモンドは波数１３５０〜１３８０ｃｍ−１、波数１２８２ｃｍ−１および波数１１７５ｃｍ−１の赤外光の吸光度比が１以上のものであると言える。
【００１４】
図６に摩耗速度指数と吸光度比の関係を示す。図６はダイヤモンドに存在する窒素の赤外吸収帯の吸光度比が大きいほど、摩耗が早く進行することを示しており、窒素の混入によって生じた格子欠陥が摩耗を促進させている。それゆえ、波数１３５０〜１３８０ｃｍ−１、波数１２８２ｃｍ−１および波数１１７５ｃｍ−１の赤外光の吸光度比が１未満のダイヤモンドが耐摩耗性に優れるものと判断される。
【００１５】
以上のダイヤモンドの赤外吸収特性とそれらのダイヤモンドを用いた工具による損耗試験の結果から、波数１３５０〜１３８０ｃｍ−１、波数１２８２ｃｍ−１および波数１１７５ｃｍ−１の赤外光の吸光度比が１以上であれば、耐チッピング性の高いダイヤモンドと判定することができる。また、波数１３５０〜１３８０ｃｍ−１、波数１２８２ｃｍ−１および波数１１７５ｃｍ−１の赤外光の吸光度比が１未満であれば、耐摩耗性の大きいダイヤモンドと判定することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の工具用ダイヤモンドの選別方法によれば、ダイヤモンド内の窒素の赤外吸収を測定し、その結果をもってダイヤモンドの耐損耗性を評価することができるので、多くの時間の要する工具の損耗試験を実施することなく、また、切削条件により主たる損耗形態が異なる場合にも、損耗が少なく寿命の長いダイヤモンドを容易に選別することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明のダイヤモンドの選別方法について手順を追って説明する。まず、選別しようとするダイヤモンドをフーリエ変換赤外分光光度計にセットし、ダイヤモンドに赤外光を照射し、ＦＴ−ＩＲ分析法により吸収スペクトル特性を測定する。この測定では、窒素混入に起因する３種類の独立した欠陥センターの吸収帯（波数１３５０〜１３８０ｃｍ−１、波数１２８２ｃｍ−１、波数１１７５ｃｍ−１）の吸光度とダイヤモンド結晶の吸収帯（波数２２００ｃｍ−１）の吸光度を測定する。次に、この測定されたダイヤモンド結晶の吸光度に対する窒素不純物の吸光度の比を求め、吸光度比が１以上のものを耐チッピング性の高いダイヤモンドと識別する。また、吸光度比が１未満のものを耐摩耗性に優れるダイヤモンドと識別する。以上の方法により、工具用ダイヤモンドの選別を行う。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ダイヤモンドの違いによる寿命時の切れ刃の損耗状態を示す写真である。
【図２】切削過程でＡＥによるオンライン検出を行った結果を示すグラフである。
【図３】切削距離に対するクレータ深さの増加を対数紙上に表したグラフである。
【図４】ダイヤモンドに赤外光を照射した場合の赤外吸収スペクトルを示すグラフである。
【図５】各赤外吸収帯における吸光度比とチッピング発生頻度の関係を示すグラフである。
【図６】各赤外吸収帯における吸光度比とチッピング発生頻度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１９】
１    ダイヤモンド
【図２】
2007147486.tif 000003
【図３】
2007147486.tif 000004
【図４】
2007147486.tif 000005
【図５】
2007147486.tif 000006
【図６】
2007147486.tif 000007
【図１】
2007147486.tif 000008