(57)【要約】【課題】測定値のばらつきを抑えることができる、ダイヤモンド圧子を提供する。【解決手段】ダイヤモンド圧子１は、試験材料に当接する先端部材１０を備え、その先端部材１０が合成単結晶ダイヤモンドからなる。先端部材１０を保持する保持部材２０をさらに備え、先端部材の底部には平面１３が形成されており、底部は保持部材２０内で先端部材１０のうち最も深い部分に位置する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験材料に当接する先端部材を備え、その先端部材が合成単結晶ダイヤモンドからなる、ダイヤモンド圧子。
【請求項２】
前記先端部材を保持する保持部材をさらに備え、前記先端部材の底部には平面が形成されており、前記底部は前記保持部材内で前記先端部材のうち最も深い部分に位置する、請求項１に記載のダイヤモンド圧子。
【請求項３】
前記底部に形成された前記平面と平行な前記先端部材の断面積は、前記平面から遠ざかるにつれて小さくなるように形成された、請求項２に記載のダイヤモンド圧子。
【請求項４】
前記保持部材は焼結合金からなり、その硬さはＨＲＢ７５以上９０以下である、請求項２または３に記載のダイヤモンド圧子。
【請求項５】
前記先端部材において合成単結晶ダイヤモンドの（１００）面の法線とダイヤモンド圧子の押し込み方向とのなす角度は５°以下である、請求項１から４のいずれか１項に記載のダイヤモンド圧子。
【請求項６】
ビッカース硬さ試験機、ロックウエル硬さ試験機または微小硬さ試験機のいずれか一つに用いられる、請求項１から５のいずれか１項に記載のダイヤモンド圧子。
【請求項７】
円錐台状または角錐台状の合成単結晶ダイヤモンドからなる先端部材を準備する工程と、
前記合成単結晶ダイヤモンドの（１００）面の法線とダイヤモンド圧子の押し込み方向とのなす角度が５°以下になるように前記先端部材を保持部材に埋設する工程とを備えた、ダイヤモンド圧子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンド圧子およびその製造方法に関し、より特定的には、各種の硬さ試験機に用いられるダイヤモンド圧子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
硬さ試験機に用いられるダイヤモンド圧子としては、ロックウエル硬さ試験機用圧子、ビッカース硬さ試験機用圧子およびヌープ硬さ試験機用圧子が知られている。
【０００３】
ロックウエル硬さは、ダイヤモンド圧子が試験材料に侵入した深さによって識別する。ダイヤモンド圧子を基準荷重によって試験材料に侵入させ、その侵入位置を起点として基準荷重より重い試験荷重を加え、その後、基準荷重に戻す。試験材料は弾性回復し、圧痕の永久侵入深さが硬さの識別値として硬さ試験機に表示される。基準荷重を最初に加えることにより、試験材料の凹凸などがある程度は無視できるので、簡易な硬さ試験機としてよく用いられている。
【０００４】
ロックウエル硬さ試験に用いられるダイヤモンド圧子の形状は、先端部の角度が１２０°、半径Ｒが０．２ｍｍとなっている。ＪＩＳ  Ｂ  ７７２３  ではダイヤモンド圧子の基準が定められている。その主な基準は以下の通りである。
【０００５】
（１）先端より中心軸方向に０．３ｍｍの範囲が研磨されていて、傷があってはならない。また、円錐部と先端球面部の接線が滑らかに接続していなくてはならない。
【０００６】
（２）円錐部の角度は１２０°±  ０．３５°とし、円錐部の母線の真直度は０．４０ｍｍ当たり０．００１ｍｍとする。
【０００７】
ところが、ダイヤモンドの特性上、円錐形状、球面形状の高精度のダイヤモンド圧子を製造する際には結晶による大きな研磨抵抗、硬さの差が原因で、完全な円錐形状、球面形状のダイヤモンド圧子を製造することは極めて困難である。
【０００８】
ビッカース硬さは、ダイヤモンド圧子に荷重を加え、試験材料に出来たくぼみの表面積によって識別する。ダイヤモンド圧子としては、対面角１３６°の正四角錐形状のダイヤモンド圧子を用いる。
【０００９】
ＪＩＳ  Ｂ  ７７２５  ではダイヤモンド圧子は以下の基準が定められている。その主な基準は以下の通りである。
【００１０】
（１）圧子の試料に接するダイヤモンド部分は、よく研磨された面であって、割れ、傷がなく、稜線が鋭利でなければならない。
【００１１】
（２）対面角１３６°±  ０．５°  の正四角錐ダイヤモンドとする。
（３）圧子の四角錐の中心部はホルダーの座面に対して９０°±  ０．５°とする。
【００１２】
ヌープ圧子は、対面角１３０°と１７０°３０′の斜方形ピラミッドの先端形状を持ち、圧痕の長さがビッカースに比較して、７．１１対１であり、深さは約１／２である。従って、ヌープ硬さの方が試験材料の表面状態をより鋭敏に表す特徴を有する。
【００１３】
従来のこの種のダイヤモンド圧子としては、超硬合金敷き板を埋設したロックウエル硬さ試験機用圧子が知られている。ダイヤモンド圧子を長期間に渡って使用すると、焼結体とダイヤモンドとの微小なゆるみが生じ、測定値に影響を与えるおそれがある。この問題点を解決するために、ダイヤモンドの後端部に超硬合金敷板を接触させた状態で焼結合金に埋設し、ダイヤモンドが受ける荷重を超硬合金敷板全面で受けるようにした発明である（特許文献１）。
【００１４】
別の従来のこの種のダイヤモンド圧子としては、導電性を付与したロックウエル圧子が知られている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平８−２１９９６７号公報
【特許文献２】特開平２−２１２７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、従来の天然ダイヤモンドを用いたダイヤモンド圧子では、硬度試験において、測定値である硬さの値がばらつく問題が発生することがあった。
【００１７】
そこで、この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、測定値のばらつきを抑制できるダイヤモンド圧子およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この発明に従ったダイヤモンド圧子は、試験材料に当接する先端部材を備え、その先端部材が合成単結晶ダイヤモンドからなる。
【００１９】
このように構成されたダイヤモンド圧子では、先端部材に合成単結晶ダイヤモンドを用いているため、品質が安定し、測定値のばらつきを抑えることができる。
【００２０】
好ましくは、先端部材を保持する保持部材をさらに備え、先端部材の底部には平面が形成されており、底部は保持部材内で先端部材のうち最も深い部分に位置する。
【００２１】
好ましくは、底部に形成された平面と平行な先端部材の断面積は、平面から遠ざかるにつれて小さくなるように形成される。
【００２２】
好ましくは、保持部材は焼結合金からなり、その硬さはＨＲＢ７５以上９０以下である。
【００２３】
好ましくは、先端部材において合成単結晶ダイヤモンドの（１００）面の法線とダイヤモンド圧子の押し込み方向とのなす角度は５°以下である。
【００２４】
好ましくは、ビッカース硬さ試験機、ロックウエル硬さ試験機または微小硬さ試験機のいずれか一つに用いられる。
【００２５】
この発明に従ったダイヤモンド圧子の製造方法は、円錐台状または角錐台状の合成単結晶ダイヤモンドからなる先端部材を準備する工程と、合成単結晶ダイヤモンドの（１００）面の法線とダイヤモンド圧子の押し込み方向とのなす角度が５°以下になるように先端部材を保持部材に埋設する工程とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の実施の形態に従ったダイヤモンド圧子の正面図である。
【図２】図１中の矢印ＩＩで示す方向から見たダイヤモンド圧子の平面図である。
【図３】図１中の矢印ＩＩＩで示す方向から見たダイヤモンド圧子の底面図である。
【図４】図１で示すダイヤモンド圧子の斜視図である。
【図５】図１中のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。
【００２８】
図１は、この発明の実施の形態に従ったダイヤモンド圧子の正面図である。図２は、図１中の矢印ＩＩで示す方向から見たダイヤモンド圧子の平面図である。図３は、図１中の矢印ＩＩＩで示す方向から見たダイヤモンド圧子の底面図である。図４は、図１で示すダイヤモンド圧子の斜視図である。図５は、図１中のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【００２９】
図１から図５を参照して、ダイヤモンド圧子１は、試験材料に当接する先端部材１０を備え、その先端部材１０が合成単結晶ダイヤモンドからなる。
【００３０】
先端部材１０を保持する保持部材２０をさらに備え、先端部材の底部には平面１３が形成されており、底部は保持部材２０内で先端部材１０のうち最も深い部分に位置する。底部に形成された平面１３と平行な先端部材１０の断面積は、平面１３から遠ざかるにつれて小さくなるように形成される。保持部材２０は焼結合金からなり、その硬さはＨＲＢ（ロックウエル硬度Ｂスケール）７５以上９０以下である。
【００３１】
先端部材１０において合成単結晶ダイヤモンドの（１００）面の法線とダイヤモンド圧子の押し込み方向（矢印２で示す方向）とのなす角度は５°以下である。ダイヤモンド圧子１は、ビッカース硬さ試験機、ロックウエル硬さ試験機または微小硬さ試験機のいずれか一つに用いられる。先端部材１０の角度θは、硬さ試験に応じて、さまざまに設定される。
【００３２】
ダイヤモンド圧子１の製造方法は、円錐台状または角錐台状の合成単結晶ダイヤモンドからなる先端部材１０を準備する工程と、合成単結晶ダイヤモンドの（１００）面の法線とダイヤモンド圧子の押し込み方向とのなす角度が５°以下になるように先端部材１０を保持部材２０に埋設する工程とを備える。
【００３３】
先端部材１０と、保持部材２０との間の境界線１２は、平面図においては直線形状であるが、その他の図では曲線形状とされる。先端面１１は球面とされている。
【００３４】
保持部材２０は、ステンレス鋼からなる台金３０により支持されている。台金３０はシャンク３１を有し、シャンク３１が硬さ試験機に保持される。
【００３５】
ダイヤモンド圧子１では、品質が安定し、内部欠陥の含まれない良質な、人工的に合成された合成単結晶ダイヤモンドからなる先端部材１０を用いる。これにより、各種の硬さ試験機に用いても硬さの測定値のバラツキが少なく、安定した性能を長期間に渡って発揮するダイヤモンド圧子１を得ることができる。
【００３６】
合成単結晶ダイヤモンドの底部には平面１３が形成されているので、ダイヤモンド圧子を試験材料に押し込むときの荷重を底面全体で受け、荷重を分散することができるので、ダイヤモンドが保持部材の弾性変形により、保持部材の中で微小にズレるのを防止できる。その結果、硬さの測定値にバラツキがなく、安定した測定値を得ることができる。
【００３７】
ダイヤモンド圧子１では、底部に形成された平面１３と平行な断面の面積は、底部に形成された平面１３から遠ざかるにつれて小さくなるように形成された合成単結晶ダイヤモンドを用いているので、保持部材２０により強固に保持されるだけでなく、保持部材２０から抜け落ちることを防止する。従って、合成単結晶ダイヤモンドは、円錐台状、四角錐台状、三角錐台状などの形態であることが好ましい。
【００３８】
図５で示す平面１３の幅Ｗ１は、平面１３の上側の面の幅Ｗ２よりも大きい。そのため、先端部材１０の幅は、平面１３から離れるにつれて小さくなるように構成されている。
【００３９】
ダイヤモンド圧子１では、保持部材２０は、焼結合金でロックウエル硬さはＨＲＢ７５〜ＨＲＢ９０であることが好ましい。より好ましくはＨＲＢ８０〜ＨＲＢ９０である。
【００４０】
ダイヤモンド圧子１では、合成単結晶ダイヤモンドの（１００）面は、ダイヤモンド圧子の押し込み方向にほぼ垂直（（１００）面の法線と押し込み方向とのなす角度が５°以下）に保持部材２０に埋設されているので、結晶の異方性による研磨の困難さがなく、ダイヤモンド圧子の先端面１１を高精度な球面に研磨加工できる。
【００４１】
ダイヤモンド圧子１は、ビッカース硬さ試験機、ロックウエル硬さ試験機または微小硬さ試験機に適用することができる。いうまでもなく、ダイヤモンド圧子を用いる他の硬さ試験機にも適用することができる。
【００４２】
（実施例１）
以下のような本発明の実施例１のダイヤモンド圧子を製作して、本発明の効果を実験により確認した。
【００４３】
上下面が（１００）面からなる板状の合成単結晶ダイヤモンド（厚み１．５ｍｍ）をレーザー切断機を用いて、円錐台状に切り出しを行った。円錐台の形状は上面が直径１．５ｍｍ、下面が直径１．６ｍｍ、高さが１．５ｍｍである。この円錐台状の合成単結晶ダイヤモンドを金属粉末の円柱状の圧粉体の中にプレスで加圧し、上面が加圧方向と垂直となるように押し込みを行った。次にホットプレスにより、圧粉体の焼結を行い、焼結を完了した焼結対を台金にロウ接により固着した。次に、機械加工、ラップ加工などを行い、先端部の角度θが１２０°、半径Ｒが０．２ｍｍのロックウエル硬さ試験機用のダイヤモンド圧子を製作した。
【００４４】
完成したこの実施例１のダイヤモンド圧子をロックウエル硬さ試験機に取り付けて硬さ測定を行い、本発明の効果を確認した。その結果、硬さの測定値にバラツキが無く、安定した性能を長期間に渡って発揮した。
【００４５】
（実施例２）
以下のような本発明の実施例２のダイヤモンド圧子を製作して、本発明の効果を実験により確認した。
【００４６】
上下面が（１００）面からなる板状の合成単結晶ダイヤモンド（厚み１．８ｍｍ）をレーザー切断機を用いて、四角錐台状に切り出しを行った。四角錐台の形状は上面が正方形で２．５ｍｍＸ２．５ｍｍ、下面が正方形で２．６ｍｍＸ２．６ｍｍ、高さが１．８ｍｍである。この四角錐台状の合成単結晶ダイヤモンドを金属粉末の円柱状の圧粉体の中にプレスで加圧し、上面が加圧方向と垂直となるように押し込みを行った。次にホットプレスにより、圧粉体の焼結を行い、焼結を完了した焼結対を台金にロウ接により固着した。次に、機械加工、ラップ加工などを行い、先端部の角度θが１２０°、半径Ｒが０．２ｍｍのロックウエル硬さ試験機用のダイヤモンド圧子を製作した。
【００４７】
完成したこの実施例２のダイヤモンド圧子をロックウエル硬さ試験機に取り付けて硬さ測定を行い、本発明の効果を確認した。その結果、実施例１と同様に硬さの測定値にバラツキが無く、安定した性能を長期間に渡って発揮した。
【００４８】
（実施例３）
以下のような本発明の実施例３のダイヤモンド圧子を製作して、本発明の効果を実験により確認した。
【００４９】
上下面が（１００）面からなる板状の合成単結晶ダイヤモンド（厚み１．５ｍｍ）をレーザー切断機を用いて、三角錐台状に切り出しを行った。三角錐台の形状は上面が正三角形でその一辺は２．７ｍｍ、底面が正三角形でその一辺は２．８ｍｍ、高さが２．８ｍｍである。この三角錐台状の合成単結晶ダイヤモンドを金属粉末の円柱状の圧粉体の中にプレスで加圧し、上面が加圧方向と垂直となるように押し込みを行った。次にホットプレスにより、圧粉体の焼結を行い、焼結を完了した焼結対を台金にロウ接により固着した。次に、機械加工、ラップ加工などを行い、先端部の角度θが１２０°、半径Ｒが０．２ｍｍのロックウエル硬さ試験機用のダイヤモンド圧子を製作した。
【００５０】
完成したこの実施例３のダイヤモンド圧子をロックウエル硬さ試験機に取り付けて硬さ測定を行い、本発明の効果を確認した。その結果、実施例１、２とと同様に硬さの測定値にバラツキが無く、安定した性能を長期間に渡って発揮した。
【００５１】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、ビッカース硬さ試験機、ロックウエル硬さ試験機または微小硬さ試験機のダイヤモンド圧子として用いることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１  ダイヤモンド圧子、１０  先端部材、１１  先端面、１２  境界線、１３  平面、２０  保持部材、３０  台金、３１  シャンク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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