JPH08151297A

JPH08151297A - ダイヤモンドの製造方法

Info

Publication number: JPH08151297A
Application number: JP11848595A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Tanabe; 敬一朗田辺; Naoharu Fujimori; 直治藤森
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1994-10-05
Filing date: 1995-05-17
Publication date: 1996-06-11

Abstract

(57)【要約】【目的】従来よりも耐摩耗性に優れた気相合成ダイヤ
モンドを製造する。【構成】水素および炭素源である有機化合物を主成分
とする原料ガスから、多結晶ダイヤモンドを気相合成す
る方法において、原料ガスにおける水素に対する炭素源
の濃度を経時的にかつ周期的に変化させることにより、
表面からＸ線を入射して得られる（１１１）結晶面のロ
ッキングカーブのＦＷＨＭ値が２°〜２０°の範囲の多
結晶ダイヤモンドを気相合成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ダイヤモンドの製造方
法に関し、特に、耐摩耗性、耐熱性および耐欠損性に優
れた工具用ダイヤモンドを製造するための方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは硬度および熱伝導率が高
いため、工具用材料、特に難削材の切削加工用工具材料
として有用である。

【０００３】工具材料として使用されるダイヤモンド
は、単結晶のものと多結晶のものに分類される。単結晶
ダイヤモンドは、その物理的特性において優れた材料で
あるが、非常に高価である上に、工具材料として所望す
る形状に加工することは容易でなく、しかも劈開すると
いう欠点を有している。

【０００４】一方、工具材料としての多結晶ダイヤモン
ドは、２種類に大別することができる。その１つは、微
細なダイヤモンド粉末をＣｏなどの鉄族金属とダイヤモ
ンドが安定な超高圧、高温下で焼結することにより得ら
れる焼結ダイヤモンドである。このような焼結技術は、
たとえば、特公昭５２−１２１２６号に記載されてい
る。市販されている焼結ダイヤモンドのうち、特に粒径
が数１０μｍ以下の粒径のものは、上記の単結晶ダイヤ
モンドに見られるような劈開現象が生じることなく、優
れた耐摩耗性を有することが知られている。しかしなが
ら、焼結ダイヤモンドは、数％〜数１０％の結合材を含
有するため、焼結体を構成するダイヤモンド粒子が切削
時に脱落して、ダイヤモンドの刃先が欠けることがあっ
た。この脱落現象は、工具刃先のくさび角が小さくなる
ほど顕著になるので、焼結ダイヤモンド製の鋭利な切刃
を長持ちさせることは困難であった。さらに、焼結ダイ
ヤモンドは結合材を含むため、単結晶よりも耐熱性に劣
り、切削時の摩耗が進行しやすかった。

【０００５】これに対し、もう１つの工具用多結晶ダイ
ヤモンドである気相合成ダイヤモンドは、緻密でしかも
ダイヤモンドのみからなるため、焼結ダイヤモンドに比
べて耐熱性および耐摩耗性により優れ、しかも欠損が生
じにくいものである。このような気相合成ダイヤモンド
は一般に、メタン等の炭化水素と水素を主成分とする原
料ガスを低圧下で分解・励起させる化学蒸着（ＣＶＤ）
によって作製されている。

【０００６】気相合成ダイヤモンドを用いた切削工具と
して、たとえば、工具基体上に直接ダイヤモンドを被覆
したダイヤモンドコーティング工具が開発されている。
しかし、ダイヤモンドコーティング工具の場合、工具基
体とダイヤモンド薄膜の密着性が重要であり、たとえ
ば、超硬合金上にダイヤモンド薄膜を形成した工具で
は、切削加工中にダイヤモンド薄膜が剥離するという傾
向があった。また、特開平１−１５３２２８号および特
開平１−２１０２０１号は、超硬合金からなる工具基体
に、気相合成ダイヤモンドをコーティングした基材ごと
直接ろう付けし、切削工具として供する技術を開示して
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】気相合成ダイヤモンド
において、気相合成直後のダイヤモンド表面は粗く、こ
れを切刃のすくい面にしたいならば研磨仕上げを行なう
必要があった。そこで、仕上げ加工を容易にするため、
基材上に気相合成されるダイヤモンドは、（１００）面
および／または（１１０）面が基板面に平行に配向する
よう形成されることが多かった。したがって、多くの場
合、工具用ダイヤモンドの表面、たとえば気相合成ダイ
ヤモンドからなる切刃のすくい面は（１００）面または
（１１０）面により構成されていた。しかし、このよう
な（１００）面および（１１０）面は、上述したような
研磨仕上げの点からは好ましいが、工具材料の耐摩耗性
の点からは最適といえるものではなかった。

【０００８】本発明の目的は、従来よりも耐摩耗性の優
れた気相合成ダイヤモンド、特に工具用気相合成ダイヤ
モンドを製造することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に従うダイヤモン
ドの製造方法は、水素および炭素源である有機化合物を
主成分とする原料ガスから、多結晶ダイヤモンドを気相
合成する方法であって、原料ガスにおいて水素に対する
炭素源の濃度を経時的にかつ周期的に変化させる原料ガ
ス供給工程を備え、それにより、表面からＸ線を入射し
て得られる（１１１）結晶面のロッキングカーブのＦＷ
ＨＭ値（Full Width at Half Maximum Intensity）が２
°〜２０°の範囲の多結晶ダイヤモンドを気相合成する
ことを特徴とする。

【００１０】本発明では、原料ガスとして、水素の原子
数に対する炭素の原子数の割合（Ｃ／Ｈ）が０％より大
きくかつ１％以下である第１の原料ガス、および割合
（Ｃ／Ｈ）が１％より大きく８％以下である第２の原料
ガスを用いることができる。そして原料ガス供給工程に
おいて、第１の原料ガスの供給と第２の原料ガスの供給
とを交互に繰返すことができる。第１の原料ガスの供給
時間は、第２の原料ガスの供給時間よりも長いことが好
ましい。

【００１１】また本発明において、第１の原料ガスの供
給時間をａ分間、第２の原料ガスの供給時間をｂ分間と
したとき、ａとｂの関係は、次の式で規定することがで
きる。

【００１２】０．００１≦ｂ／（ａ＋ｂ）≦０．５本発明は、ダイヤモンドの（１１１）結晶面を強く配向
させたダイヤモンドを合成する方法である。本発明にお
いて、表面におけるＸ線解析による（１１１）結晶面の
強度を１００としたとき、（２２０）結晶面、（３１
１）結晶面、（４００）結晶面および（３３１）結晶面
の強度が、各々１〜８０である多結晶ダイヤモンドを気
相合成することができる。

【００１３】本発明では、炭素源である有機化合物とし
て炭化水素、アルコール、エステル等の種々のものを用
いることができるが、特に炭素源としてメタンをより好
ましく用いることができる。

【００１４】以下に述べるように、本発明は、工具用ダ
イヤモンド、たとえば切削工具用ダイヤモンドを製造す
るため特に適している。

【００１５】

【発明の作用効果】より硬く、摩耗しにくい気相合成ダ
イヤモンドを得るため、（１１１）結晶面を配向させる
ことが望ましい。工具用ダイヤモンドを提供する場合、
その作用面、たとえば切削工具用ダイヤモンドの場合そ
のすくい面を構成する主要なダイヤモンド結晶面が（１
１１）面であることが望ましい。一方、（１１１）面が
均一に平行に配向するようになると、ダイヤモンドは単
結晶に近い特性を有するようになり、劈開しやすくな
る。そこで、（１１１）面を強く配向させながら、劈開
しにくい多結晶ダイヤモンドを製造することが望まれ
る。本発明は、この要望に応えるものである。

【００１６】以下、切削工具用ダイヤモンドを例に挙げ
ながら、本発明についてより詳しく説明する。

【００１７】たとえば、本発明に従って得られる切削工
具用ダイヤモンドにおいて、刃先のすくい面を構成する
主要なダイヤモンド結晶面は（１１１）面である一方、
すくい面は多結晶ダイヤモンドで形成される。すくい面
は、〈１１１〉結晶軸が配向する多数の結晶粒から構成
される。このようなすくい面の状態は、たとえば、図１
のように模式的に示すことができる。図において矢印
は、〈１１１〉軸の方向を示しており、（１１１）面は
この方向に対して垂直である。すくい面３５において、
（１１１）面は均一な方向に配向しているのではなく、
その配向はある範囲内でばらつきを有する。このばらつ
き、（以下（１１１）面のゆらぎという）が重要であ
る。もし、すくい面において（１１１）面のゆらぎがな
ければ、すくい面は（１１１）単結晶に近い特性を有す
ることになる。（１１１）単結晶で構成されるすくい面
は劈開しやすく好ましくない。（１１１）面のゆらぎ
が、劈開による欠損を防止する意味で重要である。

【００１８】すくい面における（１１１）面のゆらぎ
は、すくい面にＸ線を入射して得られる（１１１）面の
ロッキングカーブのＦＷＨＭ値で規定することができ
る。ＦＷＨＭ値が０に近くなれば、すくい面の単結晶性
が強くなり、刃先は劈開しやすくなる。一方、ＦＷＨＭ
値が大きくなりすぎると、すくい面には十分（１１１）
面が配向しておらず、耐摩耗性の優れた刃先を得ること
はできない。適当な範囲のゆらぎ、すなわち適当な範囲
のＦＷＨＭ値が、すくい面に優れた耐摩耗性を付与す
る。本発明に従って作製される工具材料において、表
面、たとえば切削工具材料の場合、刃先部材のすくい面
にＸ線を入射して得られる（１１１）面のロッキングカ
ーブのＦＷＨＭ値は、２°〜２０°である。ＦＷＨＭ値
が０°〜２°のとき、すくい面を構成する結晶粒は大き
くなり、単結晶性が強くなり、工具材料、すなわち刃先
部材は劈開しやすくなる。ＦＷＨＭ値が２０°を超える
とき、すくい面において（１１１）面の十分な配向は得
られず、優れた耐摩耗性を得ることは困難になってく
る。

【００１９】（１１１）面について２°〜２０°の範囲
のＦＷＨＭ値を有するダイヤモンド多結晶は、水素に対
する炭素の濃度を経時的にかつ周期的に変えることによ
って形成することができる。典型的には、炭素濃度が低
い原料ガスの供給と、炭素濃度が高い原料ガスの供給と
を、ダイヤモンドの気相合成において、交互にかつ周期
的に繰返す。具体的には、水素の原子数に対する炭素の
原子数の割合（Ｃ／Ｈ）が０％より大きく１％以下の原
料ガス（Ａ）を炭素濃度が低い原料ガスとして用い、か
つ割合（Ｃ／Ｈ）が１％より大きく８％以下の原料ガス
（Ｂ）を炭素濃度が高い原料ガスとして用いる。原料ガ
スの供給において、原料ガスＡの供給期間（Ｐａ）と、
原料ガスＢの供給期間（Ｐｂ）とが交互に繰返される。
ＰａはＰｂよりも長く、Ｐｂは、Ｐａの合間にパルス状
に間欠的に繰返されることが好ましい。Ｐａをａ分間、
Ｐｂをｂ分間とすると、ａとｂの関係は、たとえば次式
で規定することができる。

【００２０】０．０１≦ｂ／（ａ＋ｂ）≦０．５（０
＜ａ，０＜ｂ）このような原料ガスの供給において、たとえば、Ｐａは
０．５〜３０分間、Ｐｂは０．５〜５分間とすることが
できる。

【００２１】このように炭素濃度を変化させなければ、
（１１１）面の配向について適当な範囲のゆらぎを与え
ることは困難である。たとえば、ヨーロッパ特許出願０
３１９９２６号およびヨーロッパ特許出願０４４９５７
１号には、炭素濃度が一定の原料ガスを用いる気相合成
の条件が多数記載されているが、これらの条件で、適当
な範囲のゆらぎを与えつつ（１１１）面が配向したダイ
ヤモンドを蒸着させることは困難である。２°〜２０°
のＦＷＨＭ値の範囲において（１１１）面が配向するダ
イヤモンドを形成するには、炭素濃度が低い原料をコン
スタントに供給するだけでは不十分である。炭素濃度の
高い原料を間欠的に供給することによって、結晶の核を
多く発生させることができ、結晶軸の配向に適当なゆら
ぎをもたらすことができる。

【００２２】なお、本発明において作製される工具用ダ
イヤモンドの表面、たとえば刃先部材におけるすくい面
から少なくとも２０μｍの深さまで（１１１）面は主要
面として配向していることが望ましい。たとえば、すく
い面におけるＸ線解析による（１１１）面の強度を１０
０としたとき、（２２０）面、（３１１）面、（４０
０）面および（３３１）面の強度は、各々約８０以下、
たとえば１〜８０が好ましく、より好ましくは各々約１
０以下、たとえば１〜１０である。工具用ダイヤモンド
の表面、たとえば切削工具用ダイヤモンドのすくい面の
表面粗さに関しては、Ｒ_maxが０．５μｍ以下であるこ
とが好ましい。また、（２２０）面のロッキングカーブ
のＦＷＨＭ値は、２０°以上であることが好ましい。

【００２３】本発明において、気相合成によるダイヤモ
ンドの形成には、種々の気相法が適用できる。たとえ
ば、熱電子放射やプラズマ放電を利用して原料ガスを分
解・励起させるＣＶＤ法や、燃焼炎を用いたＣＶＤ法が
有効である。原料ガスとしては、たとえば、メタン、エ
タン、プロパンなどの炭化水素、メタノール、エタノー
ルなどのアルコールまたはエステルなどの有機炭素化合
物と、水素とを主成分として混合したガスを用いること
ができる。なお、これら以外に、アルゴンなどの不活性
ガスや、酸素、一酸化炭素、水などが、ダイヤモンドの
合成反応やその特性を阻害しない範囲で原料中に含有さ
れていてもよい。

【００２４】本発明において、（１１１）面は、上述し
たＣＶＤにおいて、上述したように水素に対するカーボ
ン濃度を経時的かつ周期的に変化させることによりある
範囲のゆらぎを持って形成することができる。気相合成
のための基材には、たとえば、ＳｉおよびＭｏ等が好ま
しく用いられる。このような基材は、機械加工または化
学的処理による溶解、分離等によって、ダイヤモンドか
ら分離、除去することができる。ダイヤモンドが形成さ
れるべき基材の表面は、面粗さＲ_maxが１μｍ以下、好
ましくは０．２μｍ以下となるよう鏡面仕上げされてい
ることが好ましい。鏡面仕上げされた基材面上には、Ｃ
ＶＤ等により、たとえば約２０〜３，０００μｍの厚さ
でダイヤモンドを堆積することができる。本発明におい
て、基材を分離または除去した後、残ったダイヤモンド
を、工具用ダイヤモンドとしてそのまま供してもよい
し、たとえば切断等によって適当な大きさまで加工して
工具用ダイヤモンドとして供してもよい。

【００２５】基材を分離または除去して得られるダイヤ
モンド材は、必要な工具を得るため、工具基体にろう付
けすることができる。ろう付けに当たり、基材と接触し
ていたダイヤモンド面側、すなわち結晶成長開始面側
を、たとえば切削工具の切刃のすくい面側とすることが
できる。したがって、この面側と対向する面側、すなわ
ち結晶成長の終了面側を通常ろう付け面とすることがで
きる。このろう付けされるべき面には、周期律表のＩＶ
ａ、ＩＶｂ、Ｖａ、Ｖｂ、ＶＩａ、ＶＩｂ、ＶＩＩａま
たはＶＩＩｂ族に含まれる金属ならびにこれらの化合物
のいずれかからなるメタライズ層を、ろう付けに先立っ
て形成することができる。ろう付けは、このメタライズ
層を介してより効果的に行なうことができる。

【００２６】また、本発明に従うダイヤモンドの合成方
法を用いながら、次に述べるようにして切削工具を作製
することもできる。１つの方法では、まず、ダイヤモン
ドを堆積させるべき鏡面仕上げされた面を有する基材を
準備する。次いで、この基材面に、本発明に従ってダイ
ヤモンドを堆積させる。ダイヤモンドが堆積されている
基材を分離または除去して刃先部材としてのダイヤモン
ド材を得る。次に、ダイヤモンド材で基材に接触してい
た面側をすくい面としてダイヤモンド材を工具基体にろ
う付けする。

【００２７】この方法では、まず、鏡面仕上げされた基
材面上に気相合成により本発明に従ってダイヤモンドを
堆積させる。したがって、ダイヤモンド合成後、基材を
分離または除去して得られたダイヤモンド材において、
基材と接触していた面は鏡面となっている。この面は、
研磨仕上げを行なう必要がないか、必要があっても簡単
な研磨仕上げで十分である。さらに、得られたダイヤモ
ンド材において基材と接触していた面は、適当なゆらぎ
を有する（１１１）面で占められている。したがって、
基材と接触していた面がすくい面となるようダイヤモン
ド材を工具基体にろう付けすれば、容易に従来よりも耐
摩耗性に優れた工具を得ることができる。

【００２８】一方、気相合成によるダイヤモンド材にお
いて、基材と接触していた面でなく別の面をすくい面と
した場合、次のような問題が生じる。別の面、たとえば
気相合成における成長終了面もほとんど（１１１）面で
占められる。しかしながら、この成長終了面は粗く、す
くい面にしようとするならば研磨仕上げを行なう必要が
あり、このような研磨は（１１１）面の高い硬度のため
困難である。しかも、成長終了面におけるダイヤモンド
結晶の粒径は比較的大きく、これをすくい面にすると
（１１１）面の高い硬度のため工具使用に際して欠損が
生じやすい。これに対し、基材と接触していた面をすく
い面とすれば、その面は平坦であり、しかも微細な粒径
の組織を有しているため、欠損は生じず、耐摩耗性にも
優れている。この面は研磨仕上げを行なう必要がない
か、必要であっても簡単な加工で十分である。

【００２９】もう１つの方法では、まずダイヤモンドを
堆積させるべき面を有する基材を準備する。次に、基材
面に本発明に従ってダイヤモンドを堆積させる。その
後、本発明に従って得られるダイヤモンドの上に、（１
１１）面より硬度の低い結晶面が配向するよう別のダイ
ヤモンド層を堆積させた後、刃先部材としてのダイヤモ
ンド材を得る。次いで、この別のダイヤモンド層側を刃
先のすくい面側としてダイヤモンド材を工具基体にろう
付けする。その後、この別のダイヤモンド層を鏡面研磨
加工により除去していき、（１１１）面を露出させる。

【００３０】この方法では、約２０〜３０００μｍの厚
みで形成された（１１１）面のダイヤモンド上に硬度の
低いダイヤモンドを堆積させる。（１１１）面より硬度
の低い結晶面は、上述したようなＣＶＤにおいて、たと
えば水素ガスに対してカーボンの濃度を一定に上昇させ
たガスから形成することができる。このような硬度の低
い結晶面は、たとえば（２２０）面が好ましい。（１１
１）面より硬度の低いダイヤモンド層の厚みは、たとえ
ば５０μｍが好ましく、１０μｍがより好ましい。この
方法において、刃先部材としてのダイヤモンド材は、基
材を分離または除去することによってダイヤモンド単独
で準備されてもよいし、基材上にダイヤモンドを堆積さ
せたまま準備されてもよい。得られたダイヤモンド材
は、そのまま次の工程に供されてもよいし、たとえば切
断等によって適当な大きさに加工されてもよい。刃先部
材としてのダイヤモンド材は、硬度の低いダイヤモンド
層側をすくい面側として工具基体にろう付けされる。し
たがって、基材を分離して得られるダイヤモンド材をろ
う付けする場合、基材と接触していたダイヤモンド面
側、すなわち結晶成長開始面側がろう付けされる。ろう
付けされるべき面には、上述したようなメタライズ層が
ろう付けに先立って形成されてもよい。ろう付けはメタ
ライズ層を介して効果的に行なうことができる。次に、
ろう付けされたダイヤモンド材について、研磨により硬
度の低いダイヤモンドを除去する。そして先に形成され
ていた（１１１）面のダイヤモンドを露出させる。この
工程において、鏡面研磨加工により（１１１）面を露出
させて得られるすくい面の面粗さは、たとえばＲ
_max０．２μｍ以下とすることが望ましい。また、鏡面
加工後得られるすくい面およびその付近（たとえばすく
い面から２０μｍの深さまで）における（１１１）面以
外の結晶面の混入はできる限り抑えることが好ましく、
たとえば、Ｘ線解析による（１１１）面の強度を１００
とした場合、（２２０）面、（３１１）面、（４００）
面および（３３１）面の強度は各々８０以下、たとえば
１〜８０が好ましく、より好ましくは各々１０以下、た
とえば１〜１０である。この方法によれば、より平坦な
すくい面を得るため、容易に鏡面研磨加工を施すことが
できる。

【００３１】以下、実施例として、切削工具用ダイヤモ
ンドを調製し、それを用いて切削工具を得る例を示す
が、本発明は切削工具用ダイヤモンドの製造方法に何ら
限定されるものではなく、その他のダイヤモンド材料の
調製においても適用できるものである。

【００３２】

【実施例】

例１Ｒ_max０．２μｍ以下となるよう鏡面仕上げしたＳｉ基
材を準備した。熱電子放射材に直径０．５ｍｍ、長さ１
００ｍｍの直線状タングステンフィラメントを用いた公
知の熱フィラメントＣＶＤにおいて、次の条件でＳｉ鏡
面上に厚さ約５００μｍの多結晶ダイヤモンドを堆積さ
せた。

【００３３】原料ガスとして水素とメタンの混合ガスを
用いた。原料ガスの全流量は１０００ｃｃ／ｍｉｎであ
った。図２に示すようなガス供給プロセスを採用した。
水素に対するメタンのモル比ＣＨ₄ ／Ｈ₂ が０．５％の
低メタン濃度ガスと、ＣＨ₄／Ｈ₂ が３％の高メタン濃
度ガスとが交互に、プログラムに従って原料供給装置よ
り自動的に供給された。具体的には、次のＡ−Ｂ−Ｃ−
Ｄ−Ｅ−Ｆの１６分間を１サイクルとして、このサイク
ルが繰返された。

【００３４】Ａ：ＣＨ₄ ／Ｈ₂ ０％（Ｈ₂ のみ）、１分間Ｂ：ＣＨ₄ ／Ｈ₂ ０→０．５％、１分間Ｃ：ＣＨ₄ ／Ｈ₂ ０．５％、１０分間Ｄ：ＣＨ₄ ／Ｈ₂ ０．５％→３％、１分間Ｅ：ＣＨ₄ ／Ｈ₂ ３％、２分間Ｆ：ＣＨ₄ ／Ｈ₂ ３％→０％、１分間さらに次の条件が用いられた。

【００３５】ガス圧力：８０Ｔｒｒフィラメント温度：２１００℃ フィラメント−基板間距離：５ｍｍ基板温度：９２０℃ 次に、Ｓｉ基材上の多結晶ダイヤモンドを工具の刃先に
必要な大きさおよび形状にレーザで切断した後、弗硝酸
でＳｉ基材を溶解除去して多結晶ダイヤモンドの刃先部
材を得た。得られた部材において結晶成長の終了面に厚
さ１μｍでＴｉ、厚さ２μｍでＮｉを順次積層した後、
このメタライズ層が形成された面を接合面として、超硬
合金（ＳＰＧ４２２）の台金に銀ろうを用いて刃先部材
を真空ろう付けした。刃先のすくい面のＲ_maxは０．２
μｍであった。ろう付けによって得られた工具につい
て、その主要部を図３に示す。超硬合金からなる台金１
の所定の領域に、ろう付け層３およびメタライズ層４を
介してダイヤモンドの刃先部材２が固定されている。刃
先部材２におけるすくい面５は、（１１１）面で優先的
に構成される。また、刃先部材２の端面には、逃げ面７
が形成されている。

【００３６】刃先部材のすくい面にＸ線を入射して、θ
−２θスキャンにより、ダイヤモンドの各面指数につい
て強度を測定した。結果を表１に示す。表では、（１１
１）面の強度を１００としたときの各面の強度を示して
いる。

【００３７】

【表１】

【００３８】次に、（１１１）面のすくい面におけるゆ
らぎを定量的に測定するため、通常のＸ線解折計を用い
て（１１１）面および（２２０）面に関するロッキング
カーブを得た。（１１１）面に関するロッキングカーブ
のＦＷＨＭ値は５°であった。（２２０）面についての
ロッキングカーブのＦＷＨＭ値は６０°であった。

【００３９】例２〜８例２では、次の１９分間を１サイクルとして、このサイ
クルを繰返し、厚さ約４５０μｍのダイヤモンドをＳｉ
基板上に堆積させた。このサイクル以外は、例１と同様
の条件を用いた。

【００４０】ＣＨ₄ ／Ｈ₂ 時間Ａ：０％、１分間Ｂ：０→０．２％、１分間Ｃ：０．２％、１０分間Ｄ：０．２→１％、１分間Ｅ：１％、２分間Ｆ：１→５％、１分間Ｇ：５％、２分間Ｈ：５→０％、１分間例３では、次の３４分間を１サイクルとしてこのサイク
ルを繰返した。また、期間Ｅの間、ＣＨ₄ に対するＯ₂
のモル比（Ｏ₂ ／ＣＨ₄ ）３０％でＯ₂ が添加された。
このサイクル以外は、例１と同様の条件でダイヤモンド
を堆積した。

【００４１】ＣＨ₄ ／Ｈ₂ （％）時間Ａ：０１分間Ｂ：０→０．６１分間Ｃ：０．６１０分間Ｄ：０．６→３１分間Ｅ：３２０分間Ｆ：３→０１分間例４では、次の１６分間を１サイクルとしてこのサイク
ルを繰返し、厚さ約５００μｍのダイヤモンドを堆積し
た。他の条件は例１と同様であった。

【００４２】ＣＨ₄ ／Ｈ₂ （％）時間Ａ：０１分間Ｂ：０→０．２１分間Ｃ：０．２１０分間Ｄ：０．２→１．５１分間Ｅ：１．５２分間Ｆ：１．５→０１分間例５では、次の１６分間のサイクルを繰返し、約５００
μｍの厚みのダイヤモンドを気相蒸着した。他の条件は
例１と同様であった。

【００４３】ＣＨ₄ ／Ｈ₂ （％）時間Ａ：０１分間Ｂ：０→０．８１分間Ｃ：０．８１０分間Ｄ：０．８→３１分間Ｅ：３２分間Ｆ：３→０１分間比較例６では、ＣＨ₄ ／Ｈ₂ が０．１％と一定であった
以外は、例１と同様にしてダイヤモンドを堆積した。

【００４４】比較例７では、ＣＨ₄ ／Ｈ₂ が２％と一定
であった以外は、例１と同様にしてダイヤモンドを堆積
した。

【００４５】比較例８では、ＣＨ₄ ／Ｈ₂ が４％と一定
であった以外は、例１と同様にしてダイヤモンドを堆積
した。

【００４６】これらの例において、ＣＨ₄ ／Ｈ₂ （％）
比の値である０．１、０．２、０．５、０．６、０．
８、１、１．５、２、３、４および５は、それぞれ、
０．０５、０．１０、０．２５、０．３、０．３９、
０．４９、０．７３、０．９６、１．４、１．９および
２．３のＣ／Ｈ比（原子百分率、ａｔｍ．％）に相当す
る。

【００４７】得られたダイヤモンドを用いて例１と同様
に切削工具を作製した。得られたそれぞれのダイヤモン
ドについて、すくい面に関する結晶面の相対強度ならび
に（１１１）面および（２２０）面に関するロッキング
カーブのＦＷＨＭ値をまとめて表２に示す。また、例１
〜８で得られた各々のサンプルをフライス用カッターに
取付け、エンジンブロックにおける１２％Ｓｉ含有Ａｌ
合金製のシリンダヘッドについてフライス加工を行なっ
た。フライス条件は次のとおりである。

【００４８】周速：Ｖ＝１１９０ｍ／ｍｉｎ切込み：ｄ＝０．５ｍｍ送り：ｆ＝０．１２ｍｍ／刃環境：ｗｅｔフライス加工の結果も表２に示す。

【００４９】

【表２】

【００５０】また、例３および比較例７の（１１１）面
に関するロッキングカーブを図４および図５に示す。

【００５１】例９Ｒ_max０．２μｍ以下となるよう鏡面仕上げしたＳｉ基
材を用い、例１と同様の合成条件下において、Ｓｉ鏡面
上に厚さ２５０μｍの多結晶ダイヤモンドを形成させ
た。

【００５２】引続いて、以下の条件による熱フィラメン
トＣＶＤを行ない、形成させたダイヤモンド上にさらに
ダイヤモンドを堆積させた。

【００５３】原料ガス（流量）：Ｃ₂ Ｈ₂ ／Ｈ₂ ＝３
％、総流量１０００ｃｃ／ｍｉｎガス圧力：８０Ｔｏｒｒフィラメント温度：２１５０℃ フィラメント−基板間距離：７ｍｍ基板温度：９６０℃ 後に形成させたダイヤモンド層では、（２２０）面に対
する（１１１）面の強度比Ｉ（１１１）／Ｉ（２２０）
は０．０８であり、基材面にほぼ平行に（２２０）面が
強く配向していることが明らかになった。また、後で形
成させたダイヤモンドの厚みは２０μｍであった。Ｓｉ
基材上のダイヤモンドを工具に必要な大きさおよび形状
にレーザで切断した後、弗硝酸でシリコン基材を溶解除
去してダイヤモンドの刃先部材を得た。得られたダイヤ
モンドの刃先部材において、基材に接触していた面に厚
さ１μｍでＴｉ、厚さ２μｍでＮｉを順次積層した後、
このメタライズ層が形成された面を接合面として、超硬
合金（ＳＰＧ４２２）の台金に銀ろうを用いて刃先部材
を真空ろう付けした。ろう付け直後の工具についてその
主要部を図６（ａ）に示す。超硬合金からなる台金１１
の所定の領域に、ろう付け層１３およびメタライズ層１
４を介しダイヤモンドの刃先部材１２が固定されてい
る。刃先部材１２において、接合面６から２５０μｍの
厚みの部分Ｄ₁は、（１１１）面が配向している一方、
その上に堆積された厚み２０μｍの領域Ｄ₂ は（２２
０）面が配向している。次に、図６（ａ）のＤ₂ で示す
ダイヤモンド層２２の領域をラップ処理により除去して
いった。この鏡面研磨加工によって先に形成されたダイ
ヤモンドの（１１１）面を露出させるとともに面粗さＲ
_max０．１μｍの鏡面を得ることができた。このように
して得られたダイヤモンド切削工具の主要部を図６
（ｂ）に示す。刃先部材１２のすくい面１５は、平坦に
されているとともに、その大部分が（１１１）面で構成
されている。

【００５４】比較例１０例１に用いたと同様の装置を用いて熱フィラメントＣＶ
Ｄ法により以下の条件でＳｉ鏡面上に厚さ２００μｍの
多結晶ダイヤモンドを形成させた。

【００５５】原料ガス（流量）：ＣＨ₄ ／Ｈ₂ ＝３％、
総流量１０００ｃｃ／ｍｉｎガス圧力：８０Ｔｏｒｒフィラメント温度：２１５０℃ フィラメント−基板間距離：６ｍｍ基板温度：９２０℃ 次に、Ｓｉ基材上の多結晶ダイヤモンドを工具に必要な
大きさおよび形状にレーザで切断した後、弗硝酸でＳｉ
基材を溶解除去してダイヤモンドの刃先部材を得た。得
られたダイヤモンドの刃先部材についてＸ線解析を行な
ったところ、ピーク強度比Ｉ（１１１）／Ｉ（２２０）
が０．１であり、（２２０）面が強く配向していること
がわかった。また、（２２０）面のロッキングカーブに
よるＦＷＨＭ値は１０°であった。このようにして得ら
れた刃先部材を例１と同様にして超硬合金の台金にろう
付けした。

【００５６】例９および比較例１０において作製したダ
イヤモンド切削工具の性能を評価するため、次に示す切
削条件で切削試験（旋削）実施した。

【００５７】被削材：Ａ３９０合金（Ａ−１７％Ｓｉ）切削速度：８００ｍ／ｍｉｎ送り：０．１２ｍｍ／ｒｅｖ切込み：０．５ｍｍ約３０分間の連続切削試験の結果、各サンプルの最大逃
げ面摩耗幅（Ｖ_Bmax：μｍ）は、例９のサンプルにおい
て４８μｍであり、良好な特性が示された。一方、比較
例１０では、１分間の連続切削試験を行なったところで
１００μｍ以上の大きな欠損が生じた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従って作製される工具用ダイヤモンド
において、（１１１）面のゆらぎを示す模式図である。

【図２】本発明において用いられる原料ガス供給プロセ
スの１具体例において、原料ガス組成の経時的変化を示
す図である。

【図３】例１において作製されたダイヤモンド切削工具
の概略を示す断面図である。

【図４】本発明に従う例３において作製されたダイヤモ
ンド材料の（１１１）面についてロッキングカーブを示
す図である。

【図５】比較例７において作製されたダイヤモンド材料
の（１１１）面についてロッキングカーブを示す図であ
る。

【図６】例９においてダイヤモンド切削工具を製造する
ための工程を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１台金２、１２刃先３、１３ろう付け層４、１４メタライズ層５、１５すくい面６接合面７逃げ面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素および炭素源である有機化合物を主
成分とする原料ガスから、多結晶ダイヤモンドを気相合
成する方法であって、前記原料ガスにおいて、前記水素に対する前記炭素源の
濃度を経時的にかつ周期的に変化させる原料ガス供給工
程を備え、それにより、表面からＸ線を入射して得られる（１１
１）結晶面のロッキングカーブのＦＷＨＭ値が２°〜２
０°の範囲の多結晶ダイヤモンドを気相合成することを
特徴とする、ダイヤモンドの製造方法。
【請求項２】前記原料ガスとして、水素の原子数に対
する炭素の原子数の割合（Ｃ／Ｈ）が０％より大きくか
つ１％以下である第１の原料ガス、および前記割合（Ｃ
／Ｈ）が１％より大きく８％以下である第２の原料ガス
を用い、前記原料ガス供給工程において、前記第１の原料ガスの
供給と前記第２の原料ガスの供給とが交互に繰返される
ことを特徴とする、請求項１に記載のダイヤモンドの製
造方法。
【請求項３】前記第１の原料ガスの供給時間をａ分
間、前記第２の原料ガスの供給時間をｂ分間としたと
き、ａとｂの関係は、次の式で規定されることを特徴と
する、請求項２に記載のダイヤモンドの製造方法。０．０１≦ｂ／（ａ＋ｂ）≦０．５
【請求項４】表面におけるＸ線解析による前記（１１
１）結晶面の強度を１００としたとき、（２２０）結晶
面、（３１１）結晶面、（４００）結晶面および（３３
１）結晶面の強度は、各々１〜８０の範囲内である多結
晶ダイヤモンドを気相合成することを特徴とする、請求
項１〜３のいずれか１項に記載のダイヤモンドの製造方
法。
【請求項５】前記炭素源である有機化合物がメタンで
あることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に
記載のダイヤモンドの製造方法。
【請求項６】前記ダイヤモンドが、切削工具用ダイヤ
モンドであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれ
か１項に記載のダイヤモンドの製造方法。