(57)【要約】【課題】  単結晶ダイヤモンドを有するダイヤモンド製品を製造する場合に、ダイヤモンドの形状が複雑であっても、表面欠陥の少ないダイヤモンド製品の製造方法を提案する。【解決手段】  ダイヤモンド研磨するにあたり、ダイヤモンドを機械研磨し、その後、大気中で加熱されて酸化銅が形成された銅板を前記ダイヤモンドに静的に接触させ、所定時間その状態を保持してダイヤモンドを摩耗させることにより、ダイヤモンド表面のマイクロクラックを除去して高品位なダイヤモンド製品を製造する。銅板の表面粗さは、機械研磨されたダイヤモンドの表面粗さ以下とするのが好ましい。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶ダイヤモンドを有するダイヤモンド製品の製造方法であって、
前記ダイヤモンドを機械研磨する工程と、
大気中で加熱されて酸化銅が形成された銅板を前記ダイヤモンドに静的に接触させ、所定時間その状態を保持してダイヤモンドを摩耗させる工程、
とを有することを特徴とするダイヤモンド製品の製造方法。
【請求項２】
前記銅板の表面粗さは、機械研磨されたダイヤモンドの表面粗さ以下であることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド製品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状精度が高く、表面欠陥の少ないダイヤモンド製品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンド製品の一つであるダイヤモンド工具で、ダイヤモンドに切刃を形成する場合、ダイヤモンド砥石を使ったり、スカイフ盤とダイヤモンドとの間に遊離砥粒を供給して研磨を行うなどの方法により加工を行う。
【０００３】
しかし、ダイヤモンド砥石を使う方法では、加工時に大きな力が作用するため、ＣＶＤダイヤモンドなどでは基板からダイヤモンドが剥離する問題が生じやすく、チッピングや欠けも生じやすいため、高精度な加工を行うのが容易ではない。また、遊離砥粒を供給して行う方法では、高精度に加工できるが、加工能率が低いという問題がある。
【０００４】
これを解決する方法として、ダイヤモンドの熱化学的な損耗を利用し金属とダイヤモンドとを連続的に接触させて相対運動させながら研磨を行う方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照）
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−７３１９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
単結晶ダイヤモンドの加工においても、上記と同様にダイヤモンド砥石やスカイフ盤による加工が行われているが、この方法はダイヤモンド表面にマイクロクラックを生じさせてしまう。マイクロクラックの発生は、工具切刃の強度を低下させるため、チッピングが発生しやすくなり、その結果工具の寿命を短くするという問題がある。また、上記特許文献１に記載の金属とダイヤモンドとを相対運動させる方法では、創成されるダイヤモンド製品の形状が相対運動によって制限を受ける、ダイヤモンドの保持に特別な工夫が必要となる、さらには振動が生じやすいなどの理由から、形状精度の高いダイヤモンド製品の多量生産が困難であるという問題が生じている。
このようなことから、本発明は形状が複雑で、表面欠陥の少ないダイヤモンド製品の製造方法を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のダイヤモンド製品の製造方法の特徴は、単結晶ダイヤモンドを有するダイヤモンド製品の製造方法であって、
前記ダイヤモンドを機械研磨する工程と、
前記ダイヤモンドに大気中で加熱されて酸化銅が形成された銅板を静的に接触させ、所定時間その状態を保持してダイヤモンドを摩耗させる工程、とを有することである。
【０００８】
また、前記銅板の表面粗さは、機械研磨されたダイヤモンドの表面粗さ以下であることが望ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のダイヤモンド製品の製造方法によれば、単結晶ダイヤモンドの研磨を行うにあたり、複雑な形状であっても研磨が容易であり、一度に多数のダイヤモンド製品の研磨も可能であるので、極めて生産能率が高い。また、機械研磨により発生したマイクロクラックを除去することができるので、信頼性の高いダイヤモンド製品の製造が可能になる。特に、工具などのダイヤモンド製品では、マイクロクラックが大幅に除去されるので、耐チッピングに優れた、寿命の長い工具が製造される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明におけるダイヤモンドの研磨は、機械研磨の後工程で実施し、マイクロクラックの除去を行って、ダイヤモンド製品の信頼性を高めることを目的に、多数のダイヤモンドを同時に熱化学的に研磨する。これにより、製品１個当たりの熱化学研磨時間を短くできる。また、熱化学研磨を行う際には、ダイヤモンドと銅板との間に相対運動を与えずに、銅とダイヤモンドとの熱化学的作用のみによりダイヤモンドを摩耗させるので、所要の形状精度も容易に達成される。
【００１１】
本発明において行う熱化学研磨は、以下の原理に基づくものである。図１は銅および炭素の酸化反応における酸素１ｍｏｌ当たりの標準自由エネルギーの変化ΔＧ°を温度の関数として表したエリンガム図である。図の温度範囲において、すべてのエリンガム線のΔＧ°は負であるので、銅では、
２Ｃｕ＋Ｏ２＝２ＣｕＯ  または  ４Ｃｕ＋Ｏ２＝２ＣｕＯ２
炭素では、
２Ｃ＋Ｏ２＝２ＣＯ  または  Ｃ＋Ｏ２＝ＣＯ２
の酸化反応が起こる。また、炭素の酸化物のΔＧ°は銅の酸化物のΔＧ°より小さいので、炭素の酸化物は銅の酸化物に比べて安定である。それゆえ、酸化されていない炭素が銅の酸化物と接触すると、それから酸素を奪って炭素が酸化し、相手を還元することになる。すなわち、銅とダイヤモンドの界面付近に酸素があれば、銅が酸化し、それをダイヤモンドが還元するという酸化還元反応の原理に基づいて、ダイヤモンド工具を研磨するものである。
【００１２】
ここで、上記の原理による熱化学研磨性能を明らかにするために、３２３〜５２３Ｋの範囲の温度で加熱した銅板にダイヤモンド試料を１Ｎの荷重で押し付けた状態で、一定時間そのまま保持して熱化学研磨を行った。このとき、研磨量は先端半径５μｍのダイヤモンド球圧子を取り付けた微小圧縮試験機でダイヤモンド試料に予めリングクラックを発生させておき、研磨前後のリングクラックの深さの差から求めた。また、熱化学研磨によってダイヤモンド表面のマイクロクラックが除去されたことを確認するために、上記の試験機を用いてダイヤモンド試料のＨｅｒｔｚ強度を調べた。
【００１３】
図２に研磨量と加熱時間の関係を示す。この図より、ダイヤモンドを加熱した酸化銅と接触させるだけで数１０ｎｍ程度研磨できることがわかる。図３に研磨速度（単位時間当たりの研磨量）と加熱温度の関係を示す。両者の間にはアレニウスの関係が成立し、その直線関係の勾配から、銅との熱化学作用に基づくダイヤモンドの摩耗の活性化エネルギーは２１８ｋＪ／ｍｏｌと算出される。５２３Ｋにおける炭素の酸化反応の自由エネルギー変化と銅の酸化反応の自由エネルギー変化の差より、酸化銅のダイヤモンドによる還元反応の自由エネルギー変化は１３３ｋＪ／ｍｏｌと得られる。この自由エネルギー変化とダイヤモンドの摩耗の活性化エネルギーがオーダー的に合うので、ダイヤモンドの摩耗は上記の熱化学的作用によるものであると考えられる。
【００１４】
図４はダイヤモンド試料を銅粉末と接触させて加熱した場合、およびダイヤモンド試料と加熱した銅板を接触させて熱化学研磨を行った場合のダイヤモンドのＨｅｒｔｚ強度の変化を示している。ダイヤモンドを銅粉末中で加熱した場合、加熱時間が長くなると、ダイヤモンド表面に先在するマイクロクラックが進展し、ダイヤモンドの微小破壊強度は低下する。これに対して、ダイヤモンドを加熱した銅板と接触させた場合、加熱時間が短い期間では、ダイヤモンドの微小破壊強度はクラックの進展によりいったん減少する。しかし、ある加熱時間以上では、ダイヤモンド表面に先在していたマイクロクラックが、ダイヤモンド表面の摩耗とともに除去されるため、微小破壊強度は増加する。
【００１５】
以上のようなことから、ある一定時間以上の熱化学研磨を行うことでダイヤモンドの表面に存在するマイクロクラックを除去することが可能であると言える。ただし、熱化学研磨の研磨速度は低いため、機械研磨との組合せにより、効率的な研磨を行う必要がある。
【実施例】
【００１６】
以上の原理に基づき加工されたダイヤモンド製品の性能を確認するため、ダイヤモンド切削工具を製作して、超精密切削加工を行った。図５に熱化学研磨を行う際の概要を示す。本発明の製造方法によるダイヤモンド工具として、ダイヤモンド砥石およびスカイフ盤により機械研磨を行ったダイヤモンド工具のすくい面（１００）面を、温度５２３Ｋに加熱した銅板に１Ｎの荷重Ｆで押し付け、この状態で６時間熱化学研磨を行った。また、比較のため、上記の熱化学研磨を行っていない点を除き上記と同じダイヤモンド工具（以下、比較例と記す）を用いて超精密切削加工を行い、両者の耐損耗性と寿命を比較した。
【００１７】
以上のようにして製作したダイヤモンド工具を用いて、無酸素銅ディスクを切削速度１５．６ｍ／ｓ、切込み６．７μｍ、送り３μｍ／ｒｅｖの条件で乾式により正面切削を行った。
【００１８】
ダイヤモンド工具の寿命の判定は、本出願人が提案した特開２００５−１２５４８０号に記載の方法により行った。すなわち、以下の方法による。切削過程で切削抵抗とＡＥを測定し、それぞれパワースペクトル解析と振幅分布解析を行う。そして、切削抵抗については、周波数ｆに対してべき乗則分布するスペクトル密度Ｓ（ｆ）∝１／ｆβのスペクトル指数βを、ＡＥについては、振幅ａに対してべき乗則分布するＡＥ事象率Ｎ∝ａ−ｍのスケーリング指数ｍを評価して、スペクトル指数β＞１かつスケーリング指数ｍ＜２なる基準を用いて、工具の寿命を判定した。
【００１９】
図６にスペクトル指数βの切削距離に対する変化を示す。すくい面のクレータ摩耗と境界摩耗の進行につれて、スペクトル指数βは次第に大きくなり、やがて１を越すことがわかる。これは切削抵抗の変動がランダムから自己相似的に遷移したことを表し、工具寿命が近いことを示唆している。また、図７はスケーリング指数ｍの切削距離に対する変化を表している。この図において、スケーリング指数ｍが２より小さくなるときが見られる。これはチッピングが発生したことを示唆している。また、同図において、本発明のダイヤモンド工具の方が比較例のダイヤモンド工具に比較して、チッピングの発生が少ないことが認められる。このことから、熱化学研磨によって切れ刃近傍のマイクロクラックが除去され、耐チッピング性が向上していることがわかる。また、前述の工具寿命基準に従い工具寿命を比較すると、本発明の熱化学研磨法で仕上げられたダイヤモンド工具の寿命距離は４８５ｋｍであり、比較例の機械研磨法で仕上げられたダイヤモンド工具の寿命距離は３４５ｋｍであるので、寿命距離が約４０％延びている。したがって、機械研磨後に熱化学研磨を行うことにより、チッピングの発生が抑制され、工具の寿命を大幅に延ばせることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】銅および炭素の酸化反応における標準自由エネルギーの変化量を示す図。
【図２】研磨量と加熱時間の関係を示す図。
【図３】研磨速度と加熱温度の関係を示す図。
【図４】ダイヤモンドのＨｅｒｔｚ強度と加熱時間の関係を示す図。
【図５】熱化学研磨装置の概要を示す図。
【図６】スペクトル指数βの切削距離に対する変化を示す図。
【図７】スケーリング指数ｍの切削距離に対する変化を示す図。
【符号の説明】
【００２１】
１    ダイヤモンド工具
２    銅板
３    ヒータ
【図１】
2007230807.tif 000002
【図２】
2007230807.tif 000003
【図３】
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【図４】
2007230807.tif 000005
【図５】
2007230807.tif 000006
【図６】
2007230807.tif 000007
【図７】
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