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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-21
(45)【発行日】2022-11-30
(54)【発明の名称】ダイヤモンド多結晶体、及びダイヤモンド多結晶体を備える工具
(51)【国際特許分類】
C01B 32/25 20170101AFI20221122BHJP
【ＦＩ】
C01B32/25
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2022536624
(86)(22)【出願日】2021-06-11
(86)【国際出願番号】 JP2021022258
【審査請求日】2022-06-14
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】503212652
【氏名又は名称】住友電工ハードメタル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】石田 雄
(72)【発明者】
【氏名】松川 倫子
(72)【発明者】
【氏名】久木野 暁
【審査官】田口 裕健
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０２０／０１７０３９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－０２８５００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－１９４０８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１５４９６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】PANTEA, C. et al.，Dislocation density and graphitization of diamond crystals，PHYSICAL REVIEW B，2002年，Vol. 66，094106-1 - 094106-6，DOI: 10.1103/PhysRevB.66.094106
【文献】STEHL, C. et al.，Efficiency of dislocation density reduction during heteroepitaxial growth of diamond for detector ap，APPLIED PHYSICS LETTERS，2013年，Vol. 103，151905-1 - 151905-4
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ０１Ｂ ３２／２５
ＣＡｐｌｕｓ／ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ）
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０／ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド多結晶体であって、前記ダイヤモンド粒子の含有率は、前記ダイヤモンド多結晶体に対して、９９体積％を超えていて、
前記ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
前記ダイヤモンド粒子の転位密度は、０．１×１０１５ｍ－２以上２．０×１０１５ｍ－２未満であり、
常温におけるヌープ硬度は、８０ＧＰａ以上である、ダイヤモンド多結晶体。
【請求項2】
前記ダイヤモンド粒子の転位密度は、０．１×１０１５ｍ－２以上１．０×１０１５ｍ－２以下である、請求項１に記載のダイヤモンド多結晶体。
【請求項3】
前記ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、請求項１又は請求項２に記載のダイヤモンド多結晶体。
【請求項4】
前記ダイヤモンド多結晶体は、ホウ素を更に含み、前記ホウ素の含有率は、前記ダイヤモンド多結晶体に対して、０．０１質量％以上１質量％以下である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のダイヤモンド多結晶体。
【請求項5】
周期表の第４族元素、第５族元素、第６族元素、鉄、アルミニウム、珪素、コバルト及びニッケルからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属元素の含有率は、１体積％未満である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のダイヤモンド多結晶体。
【請求項6】
水素、酸素、窒素、アルカリ金属元素及びアルカリ土類金属元素からなる群から選ばれる少なくとも１種の不可避不純物の含有率は、０．１体積％未満である、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のダイヤモンド多結晶体。
【請求項7】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のダイヤモンド多結晶体を備える工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ダイヤモンド多結晶体、及びダイヤモンド多結晶体を備える工具に関する。
【背景技術】
【0002】
ダイヤモンド多結晶体は、優れた硬度を有するとともに、硬さの方向性及び劈開性がないことから、切削バイト、ドレッサー及びダイス等の工具、並びに、掘削ビット等に広く用いられている。
【0003】
従来のダイヤモンド多結晶体は、原料であるダイヤモンドの粉末を、焼結助剤又は結合材とともに、ダイヤモンドが熱力学的に安定な高圧高温（一般的には、圧力が５～８ＧＰａ程度及び温度が１３００～２２００℃程度）の条件で焼結することにより得られる。焼結助剤としては、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉ等の鉄族元素金属、ＣａＣＯ３等の炭酸塩等が用いられる。結合材としては、ＳｉＣ等のセラミックス等が用いられる。
【0004】
上記の方法で得られるダイヤモンド多結晶体には、焼結助剤又は結合材が含まれる。焼結助剤及び結合材は、ダイヤモンド多結晶体の硬度及び強度等の機械的特性又は耐熱性を低下させる原因となり得る。
【0005】
ダイヤモンド多結晶体中の焼結助剤を酸処理により除去したもの、及び結合材として耐熱性のＳｉＣを用いた耐熱性に優れたダイヤモンド多結晶体も知られている。しかし、該ダイヤモンド多結晶体は硬度又は強度が低く、工具材料としての機械的特性は不十分である。
【0006】
一方、グラファイト、グラッシーカーボン、アモルファスカーボン、オニオンライクカーボン等の非ダイヤモンド状炭素材料を超高圧高温下で、焼結助剤等を用いることなく、直接的にダイヤモンドに変換させることが可能である。非ダイヤモンド相からダイヤモンド相へ直接変換すると同時に焼結させることでダイヤモンド多結晶体が得られる（国際公開第２００５／０６５８０９号（特許文献１）、Ｈ． Ｓｕｍｉｙａ ｅｔ ａｌ．， Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ４８ （２００９） １２０２０６（非特許文献１））。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】国際公開第２００５／０６５８０９号
【非特許文献】
【0008】
【文献】Ｈ． Ｓｕｍｉｙａ ｅｔ ａｌ．， Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ４８ （２００９） １２０２０６
【発明の概要】
【0009】
本開示のダイヤモンド多結晶体は、
ダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド多結晶体であって、
前記ダイヤモンド粒子の含有率は、前記ダイヤモンド多結晶体に対して、９９体積％を超えていて、
前記ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
前記ダイヤモンド粒子の転位密度は、０．１×１０１５ｍ－２以上２．０×１０１５ｍ－２未満である。
ダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド多結晶体であって、
前記ダイヤモンド粒子の含有率は、前記ダイヤモンド多結晶体に対して、９９体積％を超えていて、
前記ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
前記ダイヤモンド粒子の転位密度は、０．１×１０１５ｍ－２以上２．０×１０１５ｍ－２未満である。
【0010】
本開示の工具は、上記ダイヤモンド多結晶体を備える。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
［本開示が解決しようとする課題］
近年はより高効率な（例えば、送り速度が大きい）切削加工が求められており、ダイヤモンド多結晶体の更なる性能の向上（例えば、熱伝導率の向上、硬度の向上等）が期待されている。
近年はより高効率な（例えば、送り速度が大きい）切削加工が求められており、ダイヤモンド多結晶体の更なる性能の向上（例えば、熱伝導率の向上、硬度の向上等）が期待されている。
【0013】
本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、優れた熱伝導性を有するダイヤモンド多結晶体、及びダイヤモンド多結晶体を備える工具を提供することを目的とする。
【0014】
［本開示の効果］
本開示によれば、優れた熱伝導性を有するダイヤモンド多結晶体、及びダイヤモンド多結晶体を備える工具を提供することが可能になる。
本開示によれば、優れた熱伝導性を有するダイヤモンド多結晶体、及びダイヤモンド多結晶体を備える工具を提供することが可能になる。
【0015】
［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
［１］本開示の一態様に係るダイヤモンド多結晶体は、
ダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド多結晶体であって、
上記ダイヤモンド粒子の含有率は、上記ダイヤモンド多結晶体に対して、９９体積％を超えていて、
上記ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
上記ダイヤモンド粒子の転位密度は、０．１×１０１５ｍ－２以上２．０×１０１５ｍ－２未満である。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
［１］本開示の一態様に係るダイヤモンド多結晶体は、
ダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド多結晶体であって、
上記ダイヤモンド粒子の含有率は、上記ダイヤモンド多結晶体に対して、９９体積％を超えていて、
上記ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
上記ダイヤモンド粒子の転位密度は、０．１×１０１５ｍ－２以上２．０×１０１５ｍ－２未満である。
【0016】
上記ダイヤモンド多結晶体は、ダイヤモンド粒子の転位密度が低いため、熱伝導率が向上している。すなわち、上記ダイヤモンド多結晶体は、優れた熱伝導性を有する。
【0017】
［２］上記ダイヤモンド粒子の転位密度は、０．１×１０１５ｍ－２以上１．０×１０１５ｍ－２以下であることが好ましい。このように規定することで、更に熱伝導性に優れるダイヤモンド多結晶体となる。
【0018】
［３］上記ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。このように規定することで、熱伝導性に加えて、硬度に優れるダイヤモンド多結晶体となる。
【0019】
［４］上記ダイヤモンド多結晶体は、ホウ素を更に含み、上記ホウ素の含有率は、上記ダイヤモンド多結晶体に対して、０．０１質量％以上１質量％以下であることが好ましい。このように規定することで、摺動性及び導電性を備えるダイヤモンド多結晶体となる。
【0020】
［５］常温におけるヌープ硬度は、８０ＧＰａ以上であることが好ましい。このように規定することで、熱伝導性に加えて、耐摩耗性に優れるダイヤモンド多結晶体となる。
【0021】
［６］本開示のダイヤモンド多結晶体は、周期表の第４族元素、第５族元素、第６族元素、鉄、アルミニウム、珪素、コバルト及びニッケルからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属元素の含有率は、１体積％未満であることが好ましい。このように規定することで、硬度に優れるダイヤモンド多結晶体となる。
【0022】
［７］本開示のダイヤモンド多結晶体は、水素、酸素、窒素、アルカリ金属元素及びアルカリ土類金属元素からなる群から選ばれる少なくとも１種の不可避不純物の含有率は、０．１体積％未満であることが好ましい。このように規定することで、硬度に優れるダイヤモンド多結晶体となる。
【0023】
［８］本開示の一態様に係る工具は、上記ダイヤモンド多結晶体を備える。
【0024】
上記工具は、熱伝導性に優れるダイヤモンド多結晶体を備えるため、各種材料の高速加工等において優れた耐摩耗性を有する。ここで、「耐摩耗性」とは、材料の加工時における工具の摩耗に対する耐性を意味する。
【0025】
［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態の詳細を、以下に説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではない。ここで、本明細書において「Ａ～Ｚ」という形式の表記は、範囲の上限下限（すなわちＡ以上Ｚ以下）を意味し、Ａにおいて単位の記載がなく、Ｚにおいてのみ単位が記載されている場合、Ａの単位とＺの単位とは同じである。
本開示の実施形態の詳細を、以下に説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではない。ここで、本明細書において「Ａ～Ｚ」という形式の表記は、範囲の上限下限（すなわちＡ以上Ｚ以下）を意味し、Ａにおいて単位の記載がなく、Ｚにおいてのみ単位が記載されている場合、Ａの単位とＺの単位とは同じである。
【0026】
≪ダイヤモンド多結晶体≫
本実施形態に係るダイヤモンド多結晶体は、
ダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド多結晶体であって、
上記ダイヤモンド粒子の含有率は、上記ダイヤモンド多結晶体に対して、９９体積％を超えていて、
上記ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
上記ダイヤモンド粒子の転位密度は、０．１×１０１５ｍ－２以上２．０×１０１５ｍ－２未満である。
本実施形態に係るダイヤモンド多結晶体は、
ダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド多結晶体であって、
上記ダイヤモンド粒子の含有率は、上記ダイヤモンド多結晶体に対して、９９体積％を超えていて、
上記ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
上記ダイヤモンド粒子の転位密度は、０．１×１０１５ｍ－２以上２．０×１０１５ｍ－２未満である。
【0027】
上記ダイヤモンド多結晶体は、ダイヤモンド粒子を含む。すなわち、ダイヤモンド多結晶体は、粒子であるダイヤモンドを基本組成とし、実質的に焼結助剤及び結合材の一方又は両方により形成される結合相（バインダー）を含まない。したがって、上記ダイヤモンド多結晶体は、非常に高い硬度と強度とを備える。また上記ダイヤモンド多結晶体は、高温条件下においても結合材との熱膨張率の差異又は結合材の触媒作用による機械的特性の劣化又は脱粒が発生しない。また、本実施形態の一側面において、ダイヤモンド粒子は、ダイヤモンドの結晶粒と把握することもできる。
【0028】
上記ダイヤモンド多結晶体は、複数のダイヤモンド粒子により構成される多結晶体である。そのため、上記ダイヤモンド多結晶体は、単結晶のような方向性（異方性）及び劈開性がなく、全方位に対して等方的な硬度及び耐摩耗性を有する。
【0029】
ダイヤモンド多結晶体は、本実施形態の効果を示す範囲において不可避不純物を含んでいても構わない。不可避不純物としては、例えば、水素、酸素、窒素、アルカリ金属元素（リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）等）及びアルカリ土類金属元素（カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）等）等の金属元素等を挙げることができる。すなわち、本実施形態において、上記ダイヤモンド多結晶体は、水素、酸素、窒素、アルカリ金属元素及びアルカリ土類金属元素からなる群から選ばれる少なくとも１種の不可避不純物の含有率は、０．１体積％未満であることが好ましい。上記不可避不純物の含有率の下限値は、例えば０体積％以上であってもよい。なお、上記不可避不純物が二種以上の元素を含む場合、各元素における含有率の合計が、上記不可避不純物の含有率となる。
【0030】
ダイヤモンド多結晶体中の水素、酸素、窒素等の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって測定することができる。この測定方法としては、たとえば装置に「ＣＡＭＥＣＡ ＩＭＳ－７ｆ」（アメテック社製）を用い、一次イオン種をＣｓ＋、一次加速電圧１５．０ｋＶとし、検出領域はφ３０μｍとして不純物濃度を測定する。
【0031】
本実施形態のダイヤモンド多結晶体は焼結体であるが、通常焼結体とはバインダーを含むことを意図する場合が多いため、本実施形態では「多結晶体」という用語を用いている。
【0032】
＜ダイヤモンド粒子＞
（ダイヤモンド粒子の含有率）
本実施形態において、上記ダイヤモンド粒子の含有率は、上記ダイヤモンド多結晶体に対して、９９体積％を超えていて、９９体積％を超えて１００体積％以下であることが好ましい。
（ダイヤモンド粒子の含有率）
本実施形態において、上記ダイヤモンド粒子の含有率は、上記ダイヤモンド多結晶体に対して、９９体積％を超えていて、９９体積％を超えて１００体積％以下であることが好ましい。
【0033】
ダイヤモンド多結晶体におけるダイヤモンド粒子の含有率（体積％）は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）（例えば、日本電子社製の「ＪＳＭ－７８００Ｆ」（商品名））付帯のエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）（例えば、ＯＸＦＯＲＤ製Ｘ－ＭＡＸ８０ ＥＤＳシステム）（以下「ＳＥＭ－ＥＤＸ」とも記す。）を用いた方法、及びＸ線回折法を組み合わせることにより測定することができる。具体的な測定方法は下記の通りである。
【0034】
まず、ダイヤモンド多結晶体の任意の位置を切断し、ダイヤモンド多結晶体の断面を含む試料を作製する。断面の作製には、集束イオンビーム装置、クロスセクションポリッシャ装置等を用いることができる。次に、上記断面をＳＥＭにて観察して、反射電子像を得る。反射電子像においては、ダイヤモンド粒子及び非ダイヤモンド状炭素が存在する領域が黒色領域となり、その他の領域（例えば、結合材に由来する元素等）が灰色領域又は白色領域となる。ＳＥＭにて上記断面を観察する際の倍率は、測定視野において観察されるダイヤモンド粒子の数が１００個以上となるように適宜調整する。例えば、ＳＥＭにて上記断面を観察する際の倍率は１００００倍であってもよい。
【0035】
次に、上記反射電子像に対して画像解析ソフト（三谷商事（株）の「Ｗｉｎ ＲＯＯＦ ｖｅｒ．７．４．５」、「ＷｉｎＲＯＯＦ２０１８」等）を用いて二値化処理を行う。上記画像解析ソフトは画像情報に基づき適切な二値化の閾値を自動的に設定する（測定者が恣意的に閾値を設定することはない）。また、画像の明るさ等を変動させた場合でも測定結果に大きな変動がないことを発明者らは確認している。二値化処理後の画像から、測定視野の面積に占める暗視野に由来する画素（ダイヤモンド粒子及び非ダイヤモンド状炭素に由来する画素）の面積比率を算出する。算出された面積比率を体積％とみなすことにより、ダイヤモンド粒子の含有率と非ダイヤモンド状炭素の含有率との合計（体積％）を求めることができる。
【0036】
二値化処理後の画像から、測定視野の面積に占める明視野に由来する画素（その他の領域に由来する画素）の面積比率を算出することにより、その他の領域の含有率（体積％）を求めることができる。
【0037】
同一の試料においてダイヤモンド多結晶体におけるダイヤモンド粒子の含有率と非ダイヤモンド状炭素の含有率との合計（体積％）を測定する限り、測定視野の選択箇所を変更して複数回算出しても、測定結果のばらつきはほとんどないことを、本発明者らは確認している。すなわち、任意に測定視野を設定しても恣意的にはならないと本発明者らは考えている。
【0038】
なお、暗視野に由来する画素がダイヤモンド粒子及び非ダイヤモンド状炭素に由来することは、ダイヤモンド多結晶体に対してＳＥＭ－ＥＤＸによる元素分析を行うことにより確認することができる。
【0039】
次に、Ｘ線回折装置（Ｒｉｇａｋｕ社製「ＭｉｎｉＦｌｅｘ６００」（商品名））を用いてダイヤモンド多結晶体の上記切断面のＸ線スペクトルを得る。このときのＸ線回折装置の条件は、下記の通りとする。
特性Ｘ線： Ｃｕ－Ｋα（波長１．５４Å）
管電圧： ４５ｋＶ
管電流： ４０ｍＡ
フィルター： 多層ミラー
光学系： 集中法
Ｘ線回折法： θ－２θ法。
特性Ｘ線： Ｃｕ－Ｋα（波長１．５４Å）
管電圧： ４５ｋＶ
管電流： ４０ｍＡ
フィルター： 多層ミラー
光学系： 集中法
Ｘ線回折法： θ－２θ法。
【0040】
得られたＸ線スペクトルにおいて、下記のピーク強度Ａ、及びピーク強度Ｂを測定する。
【0041】
ピーク強度Ａ：回折角２θ＝２８．５°付近のピーク強度から、バックグランドを除いた非ダイヤモンド状炭素のピーク強度。
ピーク強度Ｂ：回折角２θ＝４３．９°付近のピーク強度から、バックグラウンドを除いたダイヤモンド粒子のピーク強度。
ピーク強度Ｂ：回折角２θ＝４３．９°付近のピーク強度から、バックグラウンドを除いたダイヤモンド粒子のピーク強度。
【0042】
ダイヤモンド粒子の含有率（体積％）は、｛ピーク強度Ｂ／（ピーク強度Ａ＋ピーク強度Ｂ）｝×｛上述のＳＥＭ－ＥＤＸにおいて求めたダイヤモンド粒子の含有率と非ダイヤモンド状炭素の含有率との合計（体積％）｝の値を算出することにより得られる。非ダイヤモンド状炭素とダイヤモンド粒子は、全て同程度の電子的な重みを有するため、上記のＸ線ピーク強度比をダイヤモンド多結晶体中の体積比と見なすことができる。なお、本手法ではホウ素に由来するピークが検出されない。そのため、ダイヤモンド多結晶体がホウ素を含む場合でも、ダイヤモンド粒子の含有率が１００体積％となる場合がある。
【0043】
（ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０）
ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０が１０ｎｍ以上であることによって、強度に優れるダイヤモンド多結晶体となる。ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０が２００ｎｍ以下であることによって、硬度に優れるダイヤモンド多結晶体となる。
ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０が１０ｎｍ以上であることによって、強度に優れるダイヤモンド多結晶体となる。ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０が２００ｎｍ以下であることによって、硬度に優れるダイヤモンド多結晶体となる。
【0044】
本実施形態において、ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０とは、任意に選択された５箇所の各測定視野において、複数のダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０をそれぞれ測定し、これらの平均値を算出することにより得られた値を意味する。具体的な方法は下記の通りである。
【0045】
まず、ダイヤモンド多結晶体の任意の位置を切断し、ダイヤモンド多結晶体の断面を含む試料を作製する。断面の作製には、集束イオンビーム装置、クロスセクションポリッシャ装置等を用いることができる。次に、上記断面をＳＥＭにて観察して、反射電子像を得る。ＳＥＭにて上記断面を観察する際の倍率は、測定視野において観察されるダイヤモンド粒子の数が１００個以上となるように適宜調整する。例えば、ＳＥＭにて上記断面を観察する際の倍率は１００００倍であってもよい。
【0046】
５つのＳＥＭ画像のそれぞれについて、測定視野内に観察されるダイヤモンド粒子の粒界を分離した状態で、画像処理ソフト（三谷商事（株）の「Ｗｉｎ ＲＯＯＦ ｖｅｒ．７．４．５」、「ＷｉｎＲＯＯＦ２０１８」等）を用いて、各ダイヤモンド粒子の円相当径を算出する。このとき、一部が上記測定視野の外に出ているダイヤモンド粒子については、カウントしないものとする。
【0047】
算出された各ダイヤモンド粒子の円相当径の分布から、各測定視野におけるメジアン径ｄ５０を算出し、これらの平均値を算出する。該平均値が、ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０に該当する。
【0048】
なお、同一の試料においてダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０を算出する限り、ダイヤモンド多結晶体における測定視野の選択箇所を変更して複数回算出しても、測定結果のばらつきはほとんどないことを本発明者らは確認している。すなわち、任意に測定視野を設定しても恣意的にはならないと本発明者らは考えている。
【0049】
（ダイヤモンド粒子の粒径ｄ９０）
本実施形態において、ダイヤモンド粒子の粒径ｄ９０は、１５ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、１５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることが好ましい。ダイヤモンド粒子の粒径ｄ９０が１５ｎｍ以上であることによって、強度に優れるダイヤモンド多結晶体となる。ダイヤモンド粒子の粒径ｄ９０が１５０ｎｍ以下であることによって、硬度に優れるダイヤモンド多結晶体となる。
本実施形態において、ダイヤモンド粒子の粒径ｄ９０は、１５ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、１５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることが好ましい。ダイヤモンド粒子の粒径ｄ９０が１５ｎｍ以上であることによって、強度に優れるダイヤモンド多結晶体となる。ダイヤモンド粒子の粒径ｄ９０が１５０ｎｍ以下であることによって、硬度に優れるダイヤモンド多結晶体となる。
【0050】
本実施形態において、ダイヤモンド粒子の粒径ｄ９０とは、任意に選択された５箇所の各測定視野において、複数のダイヤモンド粒子の粒径ｄ９０をそれぞれ測定し、これらの平均値を算出することにより得られた値を意味する。具体的な方法は上述したメジアン径ｄ５０を求める方法と同様の方法である。
【0051】
（ダイヤモンド粒子の転位密度）
上記ダイヤモンド粒子の転位密度は、０．１×１０１５ｍ－２以上２．０×１０１５ｍ－２未満であり、０．５×１０１５ｍ－２以上１．０×１０１５ｍ－２以下であることが好ましい。ダイヤモンド粒子の転位密度が０．１×１０１５ｍ－２以上であることによって、強度に優れるダイヤモンド多結晶体となる。ダイヤモンド粒子の転位密度が２．０×１０１５ｍ－２未満であることによって、熱伝導性に優れるダイヤモンド多結晶体となる。
上記ダイヤモンド粒子の転位密度は、０．１×１０１５ｍ－２以上２．０×１０１５ｍ－２未満であり、０．５×１０１５ｍ－２以上１．０×１０１５ｍ－２以下であることが好ましい。ダイヤモンド粒子の転位密度が０．１×１０１５ｍ－２以上であることによって、強度に優れるダイヤモンド多結晶体となる。ダイヤモンド粒子の転位密度が２．０×１０１５ｍ－２未満であることによって、熱伝導性に優れるダイヤモンド多結晶体となる。
【0052】
従来、結合相を含まないダイヤモンド多結晶体におけるダイヤモンド粒子の転位密度と、当該ダイヤモンド多結晶体の物性との相関関係については着目されていなかった。そこで本発明者らは、両者の相関関係に着目し、ダイヤモンド多結晶体におけるダイヤモンド粒子の転位密度と、ダイヤモンド多結晶体の熱伝導性との関係について鋭意調査を行った。その結果、従来から存在するダイヤモンド多結晶体に比べて、ダイヤモンド粒子の転位密度を低くすると、熱伝導性が向上することを初めて見出した。このような熱伝導性に優れるダイヤモンド多結晶体を切削工具等の工具に使用すると、刃先が高温になる高速加工を行った場合でも、刃先に蓄積した熱が速く拡散するため優れた耐摩耗性を発揮することができる。なお、この調査によって、従来のダイヤモンド多結晶体（例えば、特許文献１に記載のダイヤモンド多結晶体）は、ダイヤモンド粒子の転位密度が５×１０１６ｍ－２以上８×１０１６ｍ－２以下であることが明らかになっている。
【0053】
本明細書において、ダイヤモンド多結晶体の転位密度は大型放射光施設（例えば、九州シンクロトロン光研究センター（佐賀県））において測定される。具体的には下記の方法で測定される。
【0054】
ダイヤモンド多結晶体からなる試験体を準備する。試験体の大きさは、観察面が２ｍｍ×２ｍｍであり、厚みが１．０ｍｍである。試験体の観察面を平均粒径３μｍのダイヤモンドスラリーを用いて鏡面研磨する。
【0055】
該試験体について、下記の条件でＸ線回折測定を行い、ダイヤモンドの主要な方位である（１１１）、（２２０）、（３１１）、（３３１）、（４２２）、（４４０）、（５３１）の各方位面からの回折ピークのラインプロファイルを得る。
【0056】
（Ｘ線回折測定条件）
Ｘ線源：放射光
装置条件：検出器ＮａＩ（適切なＲＯＩにより蛍光をカットする。）
エネルギー：１８ｋｅＶ（波長：０．６８８８Å）
分光結晶：Ｓｉ（１１１）
入射スリット：幅３ｍｍ×高さ０．５ｍｍ
受光スリット：ダブルスリット（幅３ｍｍ×高さ０．５ｍｍ）
ミラー：白金コート鏡
入射角：２．５ｍｒａｄ
走査方法：２θ－θｓｃａｎ
測定ピーク：ダイヤモンドの（１１１）、（２２０）、（３１１）、（３３１）、（４２２）、（４４０）、（５３１）の７本。ただし、集合組織、配向などによりプロファイルの取得が困難な場合は、その面指数のピークを除く。
測定条件：各測定ピークに対応する半値全幅中に、測定点が９点以上となるようにする。ピークトップ強度は２０００ｃｏｕｎｔｓ以上とする。ピークの裾も解析に使用するため、測定範囲は半値全幅の１０倍程度とする。
Ｘ線源：放射光
装置条件：検出器ＮａＩ（適切なＲＯＩにより蛍光をカットする。）
エネルギー：１８ｋｅＶ（波長：０．６８８８Å）
分光結晶：Ｓｉ（１１１）
入射スリット：幅３ｍｍ×高さ０．５ｍｍ
受光スリット：ダブルスリット（幅３ｍｍ×高さ０．５ｍｍ）
ミラー：白金コート鏡
入射角：２．５ｍｒａｄ
走査方法：２θ－θｓｃａｎ
測定ピーク：ダイヤモンドの（１１１）、（２２０）、（３１１）、（３３１）、（４２２）、（４４０）、（５３１）の７本。ただし、集合組織、配向などによりプロファイルの取得が困難な場合は、その面指数のピークを除く。
測定条件：各測定ピークに対応する半値全幅中に、測定点が９点以上となるようにする。ピークトップ強度は２０００ｃｏｕｎｔｓ以上とする。ピークの裾も解析に使用するため、測定範囲は半値全幅の１０倍程度とする。
【0057】
上記のＸ線回折測定により得られるラインプロファイルは、試験体の不均一ひずみなどの物理量に起因する真の拡がりと、装置起因の拡がりの両方を含む形状となる。不均一ひずみ及び結晶子サイズを求めるために、測定されたラインプロファイルから、装置起因の成分を除去し、真のラインプロファイルを得る。真のラインプロファイルは、得られたラインプロファイルおよび装置起因のラインプロファイルを擬Ｖｏｉｇｔ関数によりフィッティングし、装置起因のラインプロファイルを差し引くことにより得る。装置起因の回折線拡がりを除去するための標準サンプルとしては、ＬａＢ６を用いる。また、平行度の高い放射光を用いる場合は、装置起因の回折線拡がりは０とみなすこともできる。
【0058】
得られた真のラインプロファイルを修正Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ－Ｈａｌｌ法及び修正Ｗａｒｒｅｎ－Ａｖｅｒｂａｃｈ法を用いて解析することによって転位密度を算出する。修正Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ－Ｈａｌｌ法及び修正Ｗａｒｒｅｎ－Ａｖｅｒｂａｃｈ法は、転位密度を求めるために用いられている公知のラインプロファイル解析法である。
【0059】
修正Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ－Ｈａｌｌ法の式は、下記式（Ｉ）で示される。
【数1】
【0060】
上記式（Ｉ）において、ΔＫはラインプロファイルの半値幅を示す。Ｄは結晶子サイズを示す。Ｍは配置パラメータを示す。ｂはバーガースベクトルを示す。ρは転位密度を示す。Ｋは散乱ベクトルを示す。Ｏ（Ｋ２Ｃ）はＫ２Ｃの高次項を示す。Ｃはコントラストファクターの平均値を示す。
【0061】
上記式（Ｉ）におけるＣは、下記式（ＩＩ）で表される。
Ｃ＝Ｃｈ００［１－ｑ（ｈ２ｋ２＋ｈ２ｌ２＋ｋ２ｌ２）／（ｈ２＋ｋ２＋ｌ２）２］ （ＩＩ）
Ｃ＝Ｃｈ００［１－ｑ（ｈ２ｋ２＋ｈ２ｌ２＋ｋ２ｌ２）／（ｈ２＋ｋ２＋ｌ２）２］ （ＩＩ）
【0062】
上記式（ＩＩ）において、らせん転位と刃状転位におけるそれぞれのコントラストファクターＣｈ００およびコントラストファクターに関する係数ｑは、計算コードＡＮＩＺＣを用い、すべり系が＜１１０＞｛１１１｝、弾性スティフネスＣ１１が１０７６ＧＰａ、Ｃ１２が１２５ＧＰａ、Ｃ４４が５７６ＧＰａとして求める。上記式（ＩＩ）中、ｈ、ｋ及びｌは、それぞれダイヤモンドのミラー指数（ｈｋｌ）に相当する。コントラストファクターＣｈ００は、らせん転位０．１８３であり、刃状転位０．２０４である。コントラストファクターに関する係数ｑは、らせん転位１．３５であり、刃状転位０．３０である。なお、らせん転位比率は０．５、刃状転位比率は０．５に固定する。
【0063】
また、転位と不均一ひずみとの間にはコントラストファクターＣを用いて下記式（ＩＩＩ）の関係が成り立つ。下記式（ＩＩＩ）において、Ｒｅは転位の有効半径を示す。ε（Ｌ）は、不均一ひずみを示す。
＜ε（Ｌ）２＞＝（ρＣｂ２／４π）ｌｎ（Ｒｅ／Ｌ） （ＩＩＩ）
＜ε（Ｌ）２＞＝（ρＣｂ２／４π）ｌｎ（Ｒｅ／Ｌ） （ＩＩＩ）
【0064】
上記式（ＩＩＩ）の関係と、Ｗａｒｒｅｎ－Ａｖｅｒｂａｃｈの式より、下記式（ＩＶ）の様に表すことができ、修正Ｗａｒｒｅｎ－Ａｖｅｒｂａｃｈ法として、転位密度ρ及び結晶子サイズを求めることができる。下記式（ＩＶ）において、Ａ（Ｌ）はフーリエ級数を示す。ＡＳ（Ｌ）は結晶子サイズに関するフーリエ級数を示す。Ｌはフーリエ長さを示す。
ｌｎＡ（Ｌ）＝ｌｎＡＳ（Ｌ）－（πＬ２ρｂ２／２）ｌｎ（Ｒｅ／Ｌ）（Ｋ２Ｃ）＋Ｏ（Ｋ２Ｃ）２ （ＩＶ）
ｌｎＡ（Ｌ）＝ｌｎＡＳ（Ｌ）－（πＬ２ρｂ２／２）ｌｎ（Ｒｅ／Ｌ）（Ｋ２Ｃ）＋Ｏ（Ｋ２Ｃ）２ （ＩＶ）
【0065】
修正Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ－Ｈａｌｌ法及び修正Ｗａｒｒｅｎ－Ａｖｅｒｂａｃｈ法の詳細は、“Ｔ．Ｕｎｇａｒ ａｎｄ Ａ．Ｂｏｒｂｅｌｙ，“Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｏｎ ｘ－ｒａｙ ｌｉｎｅ ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ：Ａ ｎｅｗ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｌｉｎｅ ｐｒｏｆｉｌｅ ａｎａｌｙｓｉｓ”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．６９，ｎｏ．２１，ｐ．３１７３，１９９６．”及び“Ｔ．Ｕｎｇａｒ，Ｓ．Ｏｔｔ，Ｐ．Ｓａｎｄｅｒｓ，Ａ．Ｂｏｒｂｅｌｙ，Ｊ．Ｗｅｅｒｔｍａｎ，“Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ，ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｐｌａｎａｒ ｆａｕｌｔｓ ｉｎ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｃｏｐｐｅｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｘ－ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ａｎｄ ａ ｎｅｗ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｆ ｐｅａｋ ｐｒｏｆｉｌｅ ａｎａｌｙｓｉｓ”Ａｃｔａ Ｍａｔｅｒ．，ｖｏｌ．４６，ｎｏ．１０，ｐｐ．３６９３－３６９９，１９９８．”に記載されている。
【0066】
同一の試料においてダイヤモンド粒子の転位密度を測定する限り、測定範囲の選択箇所を変更して複数回算出しても、測定結果のばらつきはほとんどないことを本発明者らは確認している。すなわち、任意に測定視野を設定しても恣意的にはならないと本発明者らは考えている。
【0067】
＜ホウ素＞
本実施形態において、上記ダイヤモンド多結晶体は、ホウ素を更に含み、上記ホウ素の含有率は、上記ダイヤモンド多結晶体に対して、０．０１質量％以上１質量％以下であることが好ましく、０．０５質量％以上０．６質量％以下であることがより好ましい。このようにすることで、摺動性及び導電性を備えるダイヤモンド多結晶体となる。ホウ素の含有率は、上述した二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって測定することができる。
本実施形態において、上記ダイヤモンド多結晶体は、ホウ素を更に含み、上記ホウ素の含有率は、上記ダイヤモンド多結晶体に対して、０．０１質量％以上１質量％以下であることが好ましく、０．０５質量％以上０．６質量％以下であることがより好ましい。このようにすることで、摺動性及び導電性を備えるダイヤモンド多結晶体となる。ホウ素の含有率は、上述した二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって測定することができる。
【0068】
本実施形態の一側面において、上記ダイヤモンド多結晶体は、周期表の第４族元素、第５族元素、第６族元素、鉄、アルミニウム、珪素、コバルト及びニッケルからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属元素の含有率が、１体積％未満であることが好ましく、０体積％以上０．１体積％以下であることがより好ましい。ここで、金属元素が２種以上含まれる場合、上記「金属元素の含有率」は、その２種以上の金属元素の合計の含有率を意味する。上述の金属元素の含有率は、ＳＥＭ付帯のＥＤＸを用いて、ダイヤモンド多結晶体に対し、組織観察、元素分析等を実施することによって確認することができる。
【0069】
周期表の第４族元素は、例えば、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びハフニウム（Ｈｆ）を含む。第５族元素は、例えば、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）及びタンタル（Ｔａ）を含む。第６族元素は、例えば、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）を含む。
【0070】
＜ヌープ硬度＞
本実施形態のダイヤモンド多結晶体は、室温におけるヌープ硬度が８０ＧＰａ以上であることが好ましく、１００ＧＰａ以上であることがより好ましい。上記ヌープ硬度の上限は特に設けないが、製造上の観点から１５０ＧＰａ以下であってもよい。上記ヌープ硬度は、ＪＩＳ Ｚ２２５１：２００９に規定される条件で行われるヌープ硬さ試験によって求められる。
本実施形態のダイヤモンド多結晶体は、室温におけるヌープ硬度が８０ＧＰａ以上であることが好ましく、１００ＧＰａ以上であることがより好ましい。上記ヌープ硬度の上限は特に設けないが、製造上の観点から１５０ＧＰａ以下であってもよい。上記ヌープ硬度は、ＪＩＳ Ｚ２２５１：２００９に規定される条件で行われるヌープ硬さ試験によって求められる。
【0071】
ＪＩＳ Ｚ ２２５１：２００９に規定されるヌープ硬さ試験は、工業材料の硬さの測定方法の一つとして公知である。ヌープ硬さ試験は、所定の温度及び所定の荷重（試験荷重）でヌープ圧子を被測定材料へ押圧することにより、被測定材料の硬度を求めるものである。本実施形態において、所定の温度は室温（２３℃±５℃）であり、所定の荷重は４．９Ｎである。ヌープ圧子とは、底面が菱型の四角錐の形状を有するダイヤモンド製の圧子をいう。
【0072】
≪工具≫
本実施形態のダイヤモンド多結晶体は、熱伝導性、硬度に優れているため、切削工具、耐摩工具、研削工具、摩擦撹拌接合用ツール、スタイラス等に好適に用いることができる。すなわち、本実施形態の工具は、上記のダイヤモンド多結晶体を備えるものである。上記工具は、各種材料の高速加工において優れた耐摩耗性を有する。上記工具が切削工具である場合、上記切削工具は超硬合金、セラミックス等の旋削加工に特に適している。
本実施形態のダイヤモンド多結晶体は、熱伝導性、硬度に優れているため、切削工具、耐摩工具、研削工具、摩擦撹拌接合用ツール、スタイラス等に好適に用いることができる。すなわち、本実施形態の工具は、上記のダイヤモンド多結晶体を備えるものである。上記工具は、各種材料の高速加工において優れた耐摩耗性を有する。上記工具が切削工具である場合、上記切削工具は超硬合金、セラミックス等の旋削加工に特に適している。
【0073】
上記の工具は、その全体がダイヤモンド多結晶体で構成されていてもよいし、その一部（例えば切削工具の場合、刃先部分）のみがダイヤモンド多結晶体で構成されていてもよい。
【0074】
切削工具としては、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップ、切削バイト等を挙げることができる。
【0075】
耐摩工具としては、ダイス、スクライバー、スクライビングホイール、ドレッサー等を挙げることができる。
【0076】
研削工具としては、研削砥石等を挙げることができる。
【0077】
≪ダイヤモンド多結晶体の製造方法≫
本実施形態に係るダイヤモンド多結晶体の製造方法は、
出発物質として非ダイヤモンド状炭素材料を準備する工程（第１工程）と、
グラファイト安定領域を通るように開始圧力及び開始温度から、昇圧及び昇温を行う工程（第２工程）と、
圧力を上げてダイヤモンド領域を跨ぐ際に、相境界付近における圧力及び温度で１０分以上６０分以下の間、維持する工程（第３工程）と、
更に、焼結圧力及び焼結温度まで昇圧及び昇温を行い、上記焼結圧力及び上記焼結温度において、上記非ダイヤモンド状炭素材料をダイヤモンド粒子に変換させ、かつ焼結させる工程（第４工程）と、
を備える。
本実施形態に係るダイヤモンド多結晶体の製造方法は、
出発物質として非ダイヤモンド状炭素材料を準備する工程（第１工程）と、
グラファイト安定領域を通るように開始圧力及び開始温度から、昇圧及び昇温を行う工程（第２工程）と、
圧力を上げてダイヤモンド領域を跨ぐ際に、相境界付近における圧力及び温度で１０分以上６０分以下の間、維持する工程（第３工程）と、
更に、焼結圧力及び焼結温度まで昇圧及び昇温を行い、上記焼結圧力及び上記焼結温度において、上記非ダイヤモンド状炭素材料をダイヤモンド粒子に変換させ、かつ焼結させる工程（第４工程）と、
を備える。
【0078】
＜第１工程：非ダイヤモンド状炭素材料を準備する工程＞
本工程では、出発物質として非ダイヤモンド状炭素材料を準備する。非ダイヤモンド状炭素材料は、炭素材料であれば特に制限はない。非ダイヤモンド状炭素材料は、低結晶性グラファイト、熱分解性グラファイト又はアモルファスカーボンを含むことが好ましい。これらは、１種類を単独で用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。
本工程では、出発物質として非ダイヤモンド状炭素材料を準備する。非ダイヤモンド状炭素材料は、炭素材料であれば特に制限はない。非ダイヤモンド状炭素材料は、低結晶性グラファイト、熱分解性グラファイト又はアモルファスカーボンを含むことが好ましい。これらは、１種類を単独で用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。
【0079】
非ダイヤモンド状炭素材料は、その純度が９９体積％以上であることが好ましく、９９．５体積％以上であることがより好ましく、９９．９体積％以上であることが更に好ましく、１００体積％であることが最も好ましい。換言すれば、非ダイヤモンド状炭素材料は、結晶粒の成長を抑制する観点から、不純物である鉄族元素金属を含まないものが好ましい。鉄族元素金属としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）等が挙げられる。
【0080】
非ダイヤモンド状炭素材料は、結晶粒の成長を抑制し、ダイヤモンドへの直接変換を促進する観点から、不純物である水素、酸素、窒素等の濃度が低いものが好ましい。非ダイヤモンド状炭素材料中の水素、酸素及び窒素の濃度は、それぞれ０．１体積％以下が好ましく、０．０１体積％以下がより好ましい。また、非ダイヤモンド状炭素材料中の全不純物濃度は０．３体積％以下が好ましく、０．１体積％以下がより好ましい。
【0081】
非ダイヤモンド状炭素材料中の不純物の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって測定することができる。この測定方法としては、たとえば装置に「ＣＡＭＥＣＡ ＩＭＳ－７ｆ」（アメテック社製）を用い、一次イオン種をＣｓ＋、一次加速電圧１５．０ｋＶとし、検出領域はφ３０μｍとして不純物濃度を測定する。
【0082】
＜第２工程：グラファイト安定領域を通るように昇圧及び昇温を行う工程＞
本工程では、グラファイト安定領域を通るように開始圧力及び開始温度から、昇圧及び昇温を行う。ここで、「グラファイト安定領域」とは、炭素の相平衡図（図１）におけるグラファイトが熱力学的に安定な領域を意味する。具体的な当該グラファイト安定領域は、温度をＴ（℃）、圧力をＰ（ＧＰａ）としたときに下記式（１）を満たす領域である。
Ｐ≦０．００２８６Ｔ＋１．４１８５ （１）
本工程では、グラファイト安定領域を通るように開始圧力及び開始温度から、昇圧及び昇温を行う。ここで、「グラファイト安定領域」とは、炭素の相平衡図（図１）におけるグラファイトが熱力学的に安定な領域を意味する。具体的な当該グラファイト安定領域は、温度をＴ（℃）、圧力をＰ（ＧＰａ）としたときに下記式（１）を満たす領域である。
Ｐ≦０．００２８６Ｔ＋１．４１８５ （１）
【0083】
開始圧力及び開始温度から、グラファイト安定領域を通るように昇圧及び昇温を行うことで、後述する相境界付近において圧力及び温度を維持することと相まって、最終的に得られるダイヤモンド多結晶体の転位密度が低くなる。
【0084】
本実施形態において、開始温度は常温（２３±５℃）であり、開始圧力は大気圧（１０１３．２５ｈＰａ）である。
【0085】
＜第３工程：相境界付近において圧力及び温度を維持する工程＞
本工程では、圧力を上げてダイヤモンド領域を跨ぐ際に、相境界付近における圧力及び温度で１０分以上６０分以下の間、維持する。ここで、「ダイヤモンド領域」とは、炭素の相平衡図（図１）におけるダイヤモンドが熱力学的に安定な領域を意味する。具体的には当該ダイヤモンド領域は、圧力Ｐ（単位：ＧＰａ）と温度Ｔ（単位：℃）とした場合に下記式（２）が成り立つ領域である。
Ｐ＞Ｔ×０．００２８６＋１．４１８５ （２）
本工程では、圧力を上げてダイヤモンド領域を跨ぐ際に、相境界付近における圧力及び温度で１０分以上６０分以下の間、維持する。ここで、「ダイヤモンド領域」とは、炭素の相平衡図（図１）におけるダイヤモンドが熱力学的に安定な領域を意味する。具体的には当該ダイヤモンド領域は、圧力Ｐ（単位：ＧＰａ）と温度Ｔ（単位：℃）とした場合に下記式（２）が成り立つ領域である。
Ｐ＞Ｔ×０．００２８６＋１．４１８５ （２）
【0086】
「相境界」とは、上述したグラファイト安定領域とダイヤモンド領域との境界を意味する。相境界付近において圧力及び温度を維持することでダイヤモンド多結晶体の転位密度が減少し、結果として得られたダイヤモンド多結晶体の熱伝導率が向上するという作用が得られる。
【0087】
上記相境界付近における圧力としては、１．５ＧＰａ以上８ＧＰａ以下であることが好ましく、２ＧＰａ以上７ＧＰａ以下であることがより好ましい。ここで、上記相境界における圧力Ｐ（単位：ＧＰａ）と温度Ｔ（単位：℃）との間には以下の関係式が成り立っている。
Ｐ＝Ｔ×０．００２８６＋１．４１８５
Ｐ＝Ｔ×０．００２８６＋１．４１８５
【0088】
上記相境界付近における温度としては、２５℃以上２３００℃以下であることが好ましく、１００℃以上２０００℃以下であることがより好ましい。
【0089】
本実施形態の一側面において、上記相境界付近における圧力Ｐは２ＧＰａ以上３ＧＰａ以下であり、上記相境界付近における温度Ｔは３００℃以上５００℃以下であり、上記圧力Ｐと上記温度Ｔとは上述の関係式を満たすことが好ましい。
【0090】
相境界付近において圧力及び温度を維持する時間は、１０分以上であることが好ましく、２０分以上であることがより好ましい。相境界付近において圧力及び温度を維持する時間の上限は、製造上の観点（例えば、生産のサイクルタイムの観点）から６０分以下が好ましい。
【0091】
＜第４工程：ダイヤモンド粒子に変換させ、かつ焼結させる工程＞
本工程では、更に、焼結圧力及び焼結温度まで昇圧及び昇温を行い、上記焼結圧力及び上記焼結温度において、上記非ダイヤモンド状炭素材料をダイヤモンド粒子に変換させ、かつ焼結させる。
本工程では、更に、焼結圧力及び焼結温度まで昇圧及び昇温を行い、上記焼結圧力及び上記焼結温度において、上記非ダイヤモンド状炭素材料をダイヤモンド粒子に変換させ、かつ焼結させる。
【0092】
上記焼結圧力は、１２ＧＰａ以上であることが好ましく、１５ＧＰａ以上であることがより好ましい。上記焼結圧力の上限は、製造上の観点から２５ＧＰａ以下であることが好ましい。
【0093】
上記焼結温度は、１８００℃以上２８００℃以下であることが好ましく、２０００℃以上２６００℃以下であることがより好ましい。
【0094】
上記焼結圧力及び上記焼結温度における焼結時間は１分以上２０分以下であることが好ましく、５分以上２０分以下であることがより好ましく、１０分以上２０分以下であることが更に好ましい。
【0095】
本実施形態のダイヤモンド多結晶体の製造方法において用いられる高圧高温発生装置は、ダイヤモンド相が熱力学的に安定な相である圧力及び温度の条件が得られる装置であれば特に制限はないが、生産性及び作業性を高める観点から、高圧高温発生装置又はマルチアンビル型の高圧高温発生装置が好ましい。また、原料である非ダイヤモンド状炭素材料を収納する容器は、耐高圧高温性の材料であれば特に制限はなく、たとえば、Ｔａ、Ｎｂ等が好適に用いられる。
【0096】
ダイヤモンド多結晶体中への不純物の混入を防止するためには、例えば、まず原料である非ダイヤモンド状炭素材料をＴａ、Ｎｂ等の高融点金属製のカプセルに入れて真空中で加熱して密封し、非ダイヤモンド状炭素材料から吸着ガス及び空気を除去する。その後、上述した第２工程から第４工程を行うことが好ましい。
【実施例】
【0097】
本実施の形態を実施例によりさらに具体的に説明する。ただし、これらの実施例により本実施の形態が限定されるものではない。
【0098】
≪ダイヤモンド多結晶体の作製≫
＜第１工程：非ダイヤモンド状炭素材料を準備する工程＞
まず、試料１～試料１１では、原料として以下の非ダイヤモンド状炭素材料を準備した。
非ダイヤモンド状炭素材料
試料１～５及び８～１０：粒径３μｍのグラファイト粉末
試料６、７及び１１ ：粒径３μｍのグラファイト粉末にホウ素を添加した粉末
＜第１工程：非ダイヤモンド状炭素材料を準備する工程＞
まず、試料１～試料１１では、原料として以下の非ダイヤモンド状炭素材料を準備した。
非ダイヤモンド状炭素材料
試料１～５及び８～１０：粒径３μｍのグラファイト粉末
試料６、７及び１１ ：粒径３μｍのグラファイト粉末にホウ素を添加した粉末
【0099】
＜第２工程：グラファイト安定領域を通るように昇圧及び昇温を行う工程＞
次に、上記非ダイヤモンド状炭素材料を、Ｔａ製のカプセルに入れて真空中で加熱して密閉した。その後、高圧高温発生装置を用いて、表１に示す開始圧力及び開始温度から表１に示す第一段階の到達圧力及び到達温度まで、昇圧及び昇温させた。表１における開始圧力は、「０ＧＰａ」と表記しているが大気圧のことを意味している。第一段階の到達圧力及び到達温度は、上述したグラファイト安定領域に対応する。
次に、上記非ダイヤモンド状炭素材料を、Ｔａ製のカプセルに入れて真空中で加熱して密閉した。その後、高圧高温発生装置を用いて、表１に示す開始圧力及び開始温度から表１に示す第一段階の到達圧力及び到達温度まで、昇圧及び昇温させた。表１における開始圧力は、「０ＧＰａ」と表記しているが大気圧のことを意味している。第一段階の到達圧力及び到達温度は、上述したグラファイト安定領域に対応する。
【0100】
＜第３工程：相境界付近において圧力及び温度を維持する工程＞
上述の第一段階から圧力を上げて表１に示す第二段階の到達圧力及び到達温度まで到達させ、表１に示す第二段階の保持時間の間、その状態を維持した。ここで、第二段階の到達圧力及び到達温度は、上述した相境界付近の圧力Ｐ（単位：ＧＰａ）及び温度Ｔ（単位：℃）に対応し、以下の関係式が成り立つ。
Ｐ＝Ｔ×０．００２８６＋１．４１８５
上述の第一段階から圧力を上げて表１に示す第二段階の到達圧力及び到達温度まで到達させ、表１に示す第二段階の保持時間の間、その状態を維持した。ここで、第二段階の到達圧力及び到達温度は、上述した相境界付近の圧力Ｐ（単位：ＧＰａ）及び温度Ｔ（単位：℃）に対応し、以下の関係式が成り立つ。
Ｐ＝Ｔ×０．００２８６＋１．４１８５
【0101】
＜第４工程：ダイヤモンド粒子に変換させ、かつ焼結させる工程＞
第３工程を行った後、表１に示す第三段階の到達圧力及び到達温度を経由して第四段階の焼結圧力及び焼結温度まで昇温、昇圧を行い、表１に示す第四段階の焼結時間で加圧加熱処理することで、上記非ダイヤモンド状炭素材料をダイヤモンド粒子に変換させ、かつ焼結させた。以上の手順で、試料１～試料１１のダイヤモンド多結晶体を得た。なお、非ダイヤモンド状炭素材料には、焼結助剤及び結合材のいずれも添加しなかった。また、試料１２として市販のダイヤモンド焼結体（住友電工ハードメタル株式会社製、商品名：ＤＡ１０００）を準備した。試料１～試料７は実施例に相当する。試料８～試料１２は比較例に相当する。上記ダイヤモンド焼結体は、ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０が０．５μｍであり、ダイヤモンド粒子の含有率が９０－９５体積％である。また、上記ダイヤモンド焼結体は、結合材としてコバルトを使用している。
第３工程を行った後、表１に示す第三段階の到達圧力及び到達温度を経由して第四段階の焼結圧力及び焼結温度まで昇温、昇圧を行い、表１に示す第四段階の焼結時間で加圧加熱処理することで、上記非ダイヤモンド状炭素材料をダイヤモンド粒子に変換させ、かつ焼結させた。以上の手順で、試料１～試料１１のダイヤモンド多結晶体を得た。なお、非ダイヤモンド状炭素材料には、焼結助剤及び結合材のいずれも添加しなかった。また、試料１２として市販のダイヤモンド焼結体（住友電工ハードメタル株式会社製、商品名：ＤＡ１０００）を準備した。試料１～試料７は実施例に相当する。試料８～試料１２は比較例に相当する。上記ダイヤモンド焼結体は、ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０が０．５μｍであり、ダイヤモンド粒子の含有率が９０－９５体積％である。また、上記ダイヤモンド焼結体は、結合材としてコバルトを使用している。
【0102】
【表1】
【0103】
≪ダイヤモンド多結晶体の特性評価≫
得られたダイヤモンド多結晶体について、以下に示すとおり、ダイヤモンド粒子及びホウ素の含有率、金属元素の含有率、不可避不純物の含有率、ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０及び粒径ｄ９０、ダイヤモンド粒子の転位密度、ダイヤモンド粒子の抵抗率、並びに、ダイヤモンド粒子のヌープ硬度を測定した。
得られたダイヤモンド多結晶体について、以下に示すとおり、ダイヤモンド粒子及びホウ素の含有率、金属元素の含有率、不可避不純物の含有率、ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０及び粒径ｄ９０、ダイヤモンド粒子の転位密度、ダイヤモンド粒子の抵抗率、並びに、ダイヤモンド粒子のヌープ硬度を測定した。
【0104】
＜ダイヤモンド粒子及びホウ素の含有率＞
ダイヤモンド多結晶体におけるダイヤモンド粒子の含有率をＳＥＭ付帯のＥＤＸを用いた方法及びＸ線回折法を組み合わせて用いることにより特定した。また、ダイヤモンド多結晶体におけるホウ素の含有率をＳＩＭＳにより特定した。具体的な測定方法は、上記の［本開示の実施形態の詳細］の欄に記載された方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。結果を表２（「ダイヤ含有率」及び「ホウ素含有率」の欄参照）に示す。なお、試料２及び３については、残部が未変換のグラファイトであることを確認している。
ダイヤモンド多結晶体におけるダイヤモンド粒子の含有率をＳＥＭ付帯のＥＤＸを用いた方法及びＸ線回折法を組み合わせて用いることにより特定した。また、ダイヤモンド多結晶体におけるホウ素の含有率をＳＩＭＳにより特定した。具体的な測定方法は、上記の［本開示の実施形態の詳細］の欄に記載された方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。結果を表２（「ダイヤ含有率」及び「ホウ素含有率」の欄参照）に示す。なお、試料２及び３については、残部が未変換のグラファイトであることを確認している。
【0105】
＜金属元素の含有率（鉄族元素の含有率）＞
ダイヤモンド多結晶体及びダイヤモンド焼結体における鉄族元素の含有率をＳＥＭ付帯のＥＤＸにより特定した。具体的な測定条件は、以下の通りである。結果を表２（「鉄族元素Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ含有率」の欄参照）に示す。
ＥＤＸの条件
加速電圧１５ｋＶ
ダイヤモンド多結晶体及びダイヤモンド焼結体における鉄族元素の含有率をＳＥＭ付帯のＥＤＸにより特定した。具体的な測定条件は、以下の通りである。結果を表２（「鉄族元素Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ含有率」の欄参照）に示す。
ＥＤＸの条件
加速電圧１５ｋＶ
【0106】
＜不可避不純物の含有率＞
ダイヤモンド多結晶体における不可避不純物の含有率をＳＩＭＳにより特定した。具体的な測定方法は、上記の［本開示の実施形態の詳細］の欄に記載された方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。結果を表２（「不可避不純物含有率」の欄参照）に示す。
ダイヤモンド多結晶体における不可避不純物の含有率をＳＩＭＳにより特定した。具体的な測定方法は、上記の［本開示の実施形態の詳細］の欄に記載された方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。結果を表２（「不可避不純物含有率」の欄参照）に示す。
【0107】
＜ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０及び粒径ｄ９０＞
各ダイヤモンド多結晶体に含まれるダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０及び粒径ｄ９０を測定した。具体的な測定方法は、上記の［本開示の実施形態の詳細］の欄に記載された方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。結果を表２（「メジアン径ｄ５０」及び「粒径ｄ９０」の欄参照）に示す。
各ダイヤモンド多結晶体に含まれるダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０及び粒径ｄ９０を測定した。具体的な測定方法は、上記の［本開示の実施形態の詳細］の欄に記載された方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。結果を表２（「メジアン径ｄ５０」及び「粒径ｄ９０」の欄参照）に示す。
【0108】
＜ダイヤモンド粒子の転位密度＞
ダイヤモンド多結晶体におけるダイヤモンド粒子の転位密度を測定した。具体的な測定方法は、上記の［本開示の実施形態の詳細］の欄に記載された方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。結果を表２（「転位密度」の欄参照）に示す。
ダイヤモンド多結晶体におけるダイヤモンド粒子の転位密度を測定した。具体的な測定方法は、上記の［本開示の実施形態の詳細］の欄に記載された方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。結果を表２（「転位密度」の欄参照）に示す。
【0109】
＜ダイヤモンド粒子の抵抗率＞
ダイヤモンド多結晶体における抵抗率を、ＪＩＳ規格のＪＩＳ Ｋ ７１９４に準じて４端針法で測定した。このとき、試料サイズはφ５×１ｍｍとした。結果を表２（「抵抗率」の欄参照）に示す。表２中、「－」と表記されている箇所は、ダイヤモンド多結晶体が絶縁体であったため測定が不可能であったことを意味する。
ダイヤモンド多結晶体における抵抗率を、ＪＩＳ規格のＪＩＳ Ｋ ７１９４に準じて４端針法で測定した。このとき、試料サイズはφ５×１ｍｍとした。結果を表２（「抵抗率」の欄参照）に示す。表２中、「－」と表記されている箇所は、ダイヤモンド多結晶体が絶縁体であったため測定が不可能であったことを意味する。
【0110】
＜ダイヤモンド粒子のヌープ硬度＞
ダイヤモンド多結晶体及びダイヤモンド焼結体におけるヌープ硬度を測定した。具体的な測定方法は、上記の［本開示の実施形態の詳細］の欄に記載された方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。結果を表２（「ヌープ硬度」の欄参照）に示す。
ダイヤモンド多結晶体及びダイヤモンド焼結体におけるヌープ硬度を測定した。具体的な測定方法は、上記の［本開示の実施形態の詳細］の欄に記載された方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。結果を表２（「ヌープ硬度」の欄参照）に示す。
【0111】
≪ダイヤモンド多結晶体を備える工具の評価≫
＜切削加工試験＞
試料１～試料１１のダイヤモンド多結晶体又は試料１２のダイヤモンド焼結体を備える切削工具の耐摩耗性を調べるために、上記ダイヤモンド多結晶体又は上記ダイヤモンド焼結体を用いて旋削加工用のインサート（工具形状：ＤＮＭＡ１５０４０４ＲＨ）を作製し、以下の切削条件で切削加工を行い、切削距離が１５００ｍになった時点における摩耗量を算出した。このとき、試料１の摩耗量を基準として上記摩耗量の比を求めた。結果を表２に示す。切削速度３００ｍ／分の高速切削を行った場合、切削工具の刃先は高温になると考えられる。そのため、上述の摩耗量の比が小さい程、刃先が高温になる切削加工において熱伝導性及び耐摩耗性に優れると評価することができる。
＜切削加工試験＞
試料１～試料１１のダイヤモンド多結晶体又は試料１２のダイヤモンド焼結体を備える切削工具の耐摩耗性を調べるために、上記ダイヤモンド多結晶体又は上記ダイヤモンド焼結体を用いて旋削加工用のインサート（工具形状：ＤＮＭＡ１５０４０４ＲＨ）を作製し、以下の切削条件で切削加工を行い、切削距離が１５００ｍになった時点における摩耗量を算出した。このとき、試料１の摩耗量を基準として上記摩耗量の比を求めた。結果を表２に示す。切削速度３００ｍ／分の高速切削を行った場合、切削工具の刃先は高温になると考えられる。そのため、上述の摩耗量の比が小さい程、刃先が高温になる切削加工において熱伝導性及び耐摩耗性に優れると評価することができる。
【0112】
（切削条件）
被削材 ：アルミナ（純度９９％）
切削速度 ：３００ｍ／分
送り量 ：０．０３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み ：０．０１ｍｍ
クーラント：Ｗｅｔ
被削材 ：アルミナ（純度９９％）
切削速度 ：３００ｍ／分
送り量 ：０．０３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み ：０．０１ｍｍ
クーラント：Ｗｅｔ
【0113】
【表2】
【0114】
≪結果≫
表２の結果から、試料１～試料７（実施例）は、摩耗量の比が０．９２～１．１３であり、熱伝導性、耐摩耗性に優れることが分かった。一方、試料８～試料１１（比較例）は、摩耗量の比が１．３～１．９であった。試料１２（比較例）は、切削距離が３００ｍに到達した時点で、摩耗量が大きく、以降の切削試験を中止した。以上の結果から、実施例に係る切削工具は、熱伝導性及び耐摩耗性に優れることが分かった。また、実施例に係る切削工具に用いられているダイヤモンド多結晶体は、熱伝導性に優れることが分かった。
表２の結果から、試料１～試料７（実施例）は、摩耗量の比が０．９２～１．１３であり、熱伝導性、耐摩耗性に優れることが分かった。一方、試料８～試料１１（比較例）は、摩耗量の比が１．３～１．９であった。試料１２（比較例）は、切削距離が３００ｍに到達した時点で、摩耗量が大きく、以降の切削試験を中止した。以上の結果から、実施例に係る切削工具は、熱伝導性及び耐摩耗性に優れることが分かった。また、実施例に係る切削工具に用いられているダイヤモンド多結晶体は、熱伝導性に優れることが分かった。
【0115】
以上のように本開示の実施の形態及び実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態及び実施例の構成を適宜組み合わせたり、様々に変形することも当初から予定している。
【0116】
今回開示された実施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、上記した説明でなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
【要約】
ダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド多結晶体であって、上記ダイヤモンド粒子の含有率は、上記ダイヤモンド多結晶体に対して、９９体積％を超えていて、上記ダイヤモンド粒子のメジアン径ｄ５０は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、上記ダイヤモンド粒子の転位密度は、０．１×１０１５ｍ－２以上２．０×１０１５ｍ－２未満である。
【図1】