JP2005054025A - 表面改質微細ダイヤモンド研磨材 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤモンド固有の機械的強度を保持し、かつ粒子表面がダイヤモンドからの転化で生成した非ダイヤモンド炭素で被覆されている、平均粒径5μｍ以下の微細単結晶ダイヤモンド粒子研磨材を得る。
【解決手段】静的超高圧合成により生成された、平均粒径(Ｄ50値)5μｍ以下のダイヤモンド粒子を、鉄族金属又は鉄族金属酸化物と密に接触させ、非酸化性雰囲気中で1000℃未満の処理温度に加熱保持することによりダイヤモンド粒子の表面を一部非ダイヤモンド炭素に転化する。
【選択図】 なし

Description

本発明は表面改質微細ダイヤモンド研磨材、特にスラリー状研磨材としてガラス製ハードディスク基板や磁気ヘッド等の精密研磨等、電子材料の精密研磨加工に適した微細ダイヤモンド研磨材に関する。

近年、光学部品、電子部品や精密機械部品などに対して、益々高性能化、高機能化が要求されてきており、使用される材料も金属系材料、セラミックス、ガラス、プラスチックと多岐にわたり、加工仕上げ面の粗さ表示はナノメータからオングストローム領域に移行しつつある。

この様な部品の精密研磨加工には、グラファイトを原料とし爆薬を用いた衝撃加圧によって合成される多結晶ダイヤモンドが広く使用されているが、これと並んで、プレス等の静的加圧により合成された単結晶質ダイヤモンドの粉砕によって得られる、微細単結晶ダイヤモンドも、同様に使用されている。

単結晶質微細ダイヤモンドは、精密粉砕技術と精密分級・捕集技術との連携した進歩に依って、100nm以下の粒度まで、狭い粒度範囲で入手可能である。単結晶質ダイヤモンドは最近、角ばった粒子の突き出し高さの減少や潤滑性増加を目的として、表面の一部をグラファイト乃至非ダイヤモンド炭素化する手法が開発され、利用されている。

この場合、不純物を含まないダイヤモンドは熱に対して比較的安定であり、1400℃くらいに加熱しないと非ダイヤモンドへの転化は生じない。特別な例として、表面を親水化処理した微細ダイヤモンドは、表面に酸素原子や親水基を有するので、この作用により1000℃以上への加熱によって、主としてグラファイトからなる非ダイヤモンドへの転化が進行する。この際、結晶に細かいクラックが入って破砕性が増すので、両方の構造変化を積極的に利用した微細ダイヤモンドが開発されている。
特許3411239号公報

しかし親水基を有するダイヤモンドを1000℃以上の温度に、グラファイトが検出される程度に加熱するとダイヤモンド粒子本体の機械的強度は低下し、この低下は、100nm以下のような細かい粒径において顕著になる。

一方、スラリーとして使用されるダイヤモンドは精密加工技術の一般化により200nmから100nmへ、さらに80nmというように、益々細かい粒径へ移行しつつある。これに伴い、より強度の大きな、これらの粒径の微細ダイヤモンド粒子が求められていた。

さらに一方では、スラリーで効率的に研磨作業を行うためには、ダイヤモンド粒子が突き刺さるなどにより定盤上に固着されることが必要であるが、従来の微細なダイヤモンド粒子は強度が小さく、突き刺さることができず、定盤上を転がるので、作業効率は低く、また充分に研磨作業に寄与せずに排出されるダイヤモンド粒子の割合が大きかった。

従って本発明の主な目的の一つは、粒子表面に本体のダイヤモンドから転化した非ダイヤモンド層を有しながら、しかもダイヤモンド固有の機械的強度を保持するスラリー用の高強度微細ダイヤモンド研磨材を提供することである。

本発明によれば、静的超高圧法により調製されたダイヤモンドの粉砕によって得られる、平均粒径(Ｄ50値)が5μｍ以下の微細単結晶粒子の非凝集集合体であって、該ダイヤモンド粒子が固有の機械的強度を保持し、かつ粒子表面が、粒子を構成するダイヤモンドからの転化によって生成した非ダイヤモンド炭素で被覆されている、表面改質微細ダイヤモンド研磨材が提供される。

このような微細ダイヤモンド研磨材は、本発明によれば、静的超高圧合成により生成された、平均粒径(Ｄ50値)5μｍ以下のダイヤモンド粒子を、鉄族金属又は鉄族金属酸化物と密に接触させ、非酸化性雰囲気中で1000℃未満の処理温度に加熱保持することによって得ることができる。この方法は本発明の別の側面を構成する。

上記金属酸化物は、金属表面に析出させた金属塩を非酸化性雰囲気中で加熱することによっても得ることができる。従って、本発明のさらなる側面は、平均粒径(Ｄ50値)5μｍ以下のダイヤモンド粒子を、鉄族金属又は鉄族金属の塩酸、硝酸又は硫酸塩から選ばれる処理剤の水溶液中に浸漬して表面に該塩を析出させ、さらに非酸化性雰囲気中で1000℃未満の処理温度に加熱保持することである。

本発明の微細ダイヤモンド研磨材は、ダイヤモンド粒子の表面に、本体ダイヤモンドから転化した非ダイヤモンド炭素、特にグラフェン構造の層を有する。この層は
(1) スラリーとして使用される時に研磨盤(定盤)との間に介在することによって研磨盤へのなじみ(固着性)を増すので、ダイヤモンド粒子が効果的に働き、研磨速度の向上及び無駄な消費が減少する。
(2) 粒子表面の非ダイヤモンド炭素薄膜はグラフェン構造のを有するので、潤滑効果も得られる。
(3) 特に800℃以下で加熱処理したダイヤモンド粒子は、粒径100nm以下の粒子に至るまで処理前のダイヤモンド固有の機械的強度を保持しており、特に超精密加工において、大きな研磨速度が達成できる。
(4) 上記の場合においても、非ダイヤモンド炭素被覆によって刃先の突き出し高さが減少し、細やかな仕上げ面が得られる。

本発明に用いるミクロン乃至サブミクロンダイヤモンドの強度を測定する方法はまだ開発されていない。加熱によって合成ダイヤモンドの強度が低下する原因は、主として合成反応の際にダイヤモンド粒子内に取り込まれた鉄族金属の作用によって黒鉛化が促進され、この際の体積増加に起因するクラックの発生によるものと推定されている。そこで便宜上、メッシュサイズのダイヤモンドにおける熱影響現象から、微細なダイヤモンドの挙動を推定する方法が用いられている。

本発明者は、鉄族金属不純物の含有量がそれぞれ2000ppmおよび500ppmである２種類の、平均粒径150μｍのダイヤモンドを窒素雰囲気中で加熱して、700℃までは強度低下が認められなかったが、800℃での加熱においては、前者の場合破砕強度は室温強度の94%、後者は99%という結果を得た。

ダイヤモンドの粉砕微粉の製造工程においては、粉砕工程に続いて金属成分を除去する酸洗い工程が付随することから、微粉ダイヤモンド中に含まれる不純物金属はメッシュサイズのダイヤモンドに比して桁違いに小さく、平均粒径100nmのダイヤモンドにおいては100ppm以下である。従って粉砕工程を経た微粉ダイヤモンドは、少なくとも800℃までは強度低下を生じないとみなすことができる。また処理温度の選定により、ダイヤモンドの強度を制御することも可能である。

本発明者はまた、非ダイヤモンドへの転化は、500℃付近から生起することを知見した。この点から、本発明における加熱処理温度としては、500℃〜800℃が適当である。

ダイヤモンドの非ダイヤモンドへの転化は、処理前全質量に対する比率において0.5％以上になると、表面が灰色に変化することによって検知できるが、このような低比率ではＸ線回折での検出限界外である。転化率は加熱処理温度及び保持時間によって制御できる。転化率が低い範囲では、非ダイヤモンド炭素はグラフェンを主体とする構造を採ることが知られている。転化率が大きくなるとグラファイトとして検出される。

本発明においては超精密加工用の研磨材提供を目的とすることから平均粒径が5μｍ以下のダイヤモンド粒子を用いる。特に上記平均粒径が１μｍ以下のダイヤモンド粒子においては低温(1000℃未満)加熱処理による効果、即ちクラックが無く機械的強度が保持される利点が著しい。

本発明においてダイヤモンドと共に加熱する鉄族金属は、鉄、コバルト及びニッケルから選ばれる単体金属の１種又は組合せ、或いはこれらの単体金属を含有する合金、典型的にはインバー、コバール等から選ぶことができる。これらの金属又は金属酸化物は微細な粉末としてダイヤモンド粉末と密に混合して、加熱処理に供する。

処理剤として塩化鉄又は硝酸鉄を用いる場合、ダイヤモンド粒子の表面に析出した鉄塩にアンモニア水を噴射するなどしてこれを中和、水酸化物に変えることも有用である。この操作によって昇華性の塩化鉄が、より安定な低級酸化物に変わるので、表面非ダイヤモンド化を行うことができる。

処理剤は必ずしも試薬級のＦeＣl₂、Ｆe(ＮＯ₃)₂水溶液である必要はない。本発明においては、ダイヤモンド調製の過程で発生する、反応回収物から金属成分の除去やその他の各段階で使用されＦe²⁺やＣo²⁺イオンを含有するに至った処理廃液も、有効に利用可能である。

トーメイダイヤ製Ｄ50値平均粒径150nｍのダイヤモンド粉末を濃度10％の塩化鉄水溶液中に浸漬した。これを取り出して軽く乾燥した後、アンモニア水の噴射によって酸を中和し、さらに空気中200℃で乾燥した。ダイヤモンド粒子の表面には析出物が付着していたが、これは、ＸＲＤにより水酸化鉄と同定された。
上記ダイヤモンド粉末を水素雰囲気中で400℃に加熱して析出物を金属鉄に還元し、次いで窒素雰囲気中600℃にて12時間の加熱処理に供した。処理から回収したダイヤモンド粉末は灰色を呈しており、硝酸−硫酸混液を用いた湿式酸化処理によって、粒子表面の非ダイヤモンド炭素を定量し、1.5％と見積もられた。

トーメイダイヤ製平均粒径100nmのダイヤモンドを濃度5%の硝酸ニッケル水溶液中に浸漬し、空気中200℃で乾燥し、ダイヤモンド粉末表面にニッケル化合物を付着させた。この粉末をアルゴン雰囲気で750℃に12時間保持した。加熱処理を施した粉末は固く凝集した黒灰色の塊であった。硝酸−硫酸混液を用いた湿式酸化処理によって、粒子表面に生じた非ダイヤモンド炭素の量は3％と見積もられた。

本発明は表面改質微細ダイヤモンド研磨材、特にスラリー状研磨材としてガラス製ハードディスク基板や磁気ヘッド等の精密研磨等、電子材料の精密研磨加工に適する。

Claims (13)

1. 静的超高圧法により調製されたダイヤモンドの粉砕によって得られる、平均粒径(Ｄ50値)が5μｍ以下の微細単結晶粒子の非凝集集合体であって、該ダイヤモンド粒子が固有の機械的強度を保持し、かつ粒子表面が、粒子を構成するダイヤモンドからの転化によって生成した非ダイヤモンド炭素で被覆されている、表面改質微細ダイヤモンド研磨材。
2. 上記平均粒径が１μｍ以下である、請求項１に記載の微細ダイヤモンド研磨材。
3. 上記非ダイヤモンド炭素の母材ダイヤモンドに対する質量比が0.5％以上である、請求項１に記載の微細ダイヤモンド研磨材。
4. 上記非ダイヤモンド炭素がグラフェン構造を有する、請求項１に記載の微細ダイヤモンド研磨材。
5. 上記非ダイヤモンド炭素がグラファイト構造を有する、請求項１に記載の微細ダイヤモンド研磨材。
6. 上記粒子が、加熱によるクラックを有しない、請求項１に記載の微細ダイヤモンド研磨材。
7. 静的超高圧合成により生成された、平均粒径(Ｄ50値)5μｍ以下のダイヤモンド粒子を、鉄族金属又は鉄族金属酸化物と密に接触させ、非酸化性雰囲気中で1000℃未満の処理温度に加熱保持することによりダイヤモンド粒子の表面を一部非ダイヤモンド炭素に転化することを特徴とする、請求項１に記載の表面改質微細ダイヤモンド研磨材の製造法。
8. 静的超高圧合成により生成された、平均粒径(Ｄ50値)5μｍ以下のダイヤモンド粒子を、鉄族金属又は鉄族金属の塩酸、硝酸又は硫酸塩から選ばれる処理剤の水溶液中に浸漬して表面に該塩を析出させ、さらに非酸化性雰囲気中で1000℃未満の処理温度に加熱保持することによりダイヤモンド粒子の表面を一部非ダイヤモンド炭素に転化することを特徴とする、請求項１に記載の表面改質微細ダイヤモンド研磨材の製造法。
9. 上記鉄族金属が、鉄、コバルト、ニッケル、及びこれらのいずれかを含有する合金から選ばれる１種である、請求項７又は８に記載の表面改質微細ダイヤモンド研磨材の製造法。
10. 上記処理剤が塩化鉄、又は硝酸鉄であり、ダイヤモンド粒子の表面に鉄塩を析出後中和して水酸化物に変える、請求項８に記載の方法。
11. 上記処理温度が800℃以下である、請求項７又は８に記載の表面改質微細ダイヤモンド研磨材の製造法。
12. 上記処理温度が500℃以上である、請求項７又は８に記載の表面改質微細ダイヤモンド研磨材の製造法。
13. 上記非酸化性雰囲気が1Ｐa以下への減圧及び窒素、アルゴン、ＣＯ又は水素ガス雰囲気から選ばれる、請求項７又は８に記載の表面改質微細ダイヤモンド研磨材の製造法。