無機固體材料及刀具工具的制作方法
【專利摘要】一種無機固體材料以及刀具工具。本發明的無級固體材料為非金屬的無機固體材料，在無機固體材料的表面的至少一部分具有形成有網狀連接的凹部和由該凹部包圍的隆起部的表面結構，隆起部的平均寬度為5～50nm，表面結構的物理參數與位于表面結構下方的無機固體材料的內部的物理參數不同，并且在表面結構與無機固體材料的內部之間不具有固相界面。
【專利說明】無機固體材料及刀具工具【技術領域】
[0001]本發明涉及非金屬的無機固體材料、即在施加了沖擊等的情況下不易產生裂紋及缺口的無機固體材料、和刀刃使用有該無機固體材料的刀具工具。
【背景技術】
[0002]在玻璃、陶瓷、金剛石、立方晶氮化硼(cBN)、碳化鶴等結構材料、功能性材料、機械零件材料、模具用材料、工具用材料中，要求固體材料的高強度化。高強度化是指，在由于突然的沖擊或者反復的沖擊及滑動而對固體材料施加力的情況下，抑制固體材料出現缺口或產生裂紋的現象。
[0003]特別是，由于金剛石、無粘合劑cBN燒結體、碳化鎢等高硬度材料具有耐磨損性，故而用于模具及切削工具等刀具工具。但是，它們是韌性低的脆性材料，施加沖擊后產生裂紋及缺口而容易破損。這樣的非金屬的脆性材料幾乎不會產生金屬那樣的塑性變形，因此，施加沖擊時，應力集中于在制造工序等產生的表面上的小傷痕，使傷痕擴張的力起作用。其結果，傷痕伸長，以該傷痕為起點而產生裂紋及缺口。
[0004]作為脆性材料的高強度化技術，通常公知有使脆性材料的表面平坦化以除去傷痕及表面缺損的技術。使用磨粒的機械研磨不基于材料而被采用。另外，在專利文獻1(日本特開2007-230807號公報) 中，作為制造耐崩裂性優良的金剛石產品的技術，公開了將由機械研磨產生的表面上的微裂紋除去的熱化學研磨技術。
[0005]此外，作為脆性材料的高強度化技術，公知有玻璃的高強度化技術。通過在玻璃表面產生壓縮應力，能夠在向玻璃表面上的傷痕施加力的情況下制止傷痕的伸長。另外，化學強化法(離子交換法)是將玻璃浸潰在硝酸鉀(KNO3)水溶液中，將玻璃表面層的離子半徑小的Na +置換為比其離子半徑大的K +，在玻璃表面產生壓縮應力的強化玻璃技術(例如參照專利文獻2 (日本特開2011-256104號公報))。
[0006]此外，作為脆性材料的高強度化技術，公知有纖維強化陶瓷。例如,通過捆扎直徑為數Pm至數十μ m的碳化硅(SiC)及碳的數千根至數萬根的纖維，雖然每個纖維被脆性破壞，但由于破壞的單位相對地變小，故而防止了纖維束的脆性破壞。將這種纖維束的織物用陶瓷加固的復合材料為纖維強化陶瓷(例如參照專利文獻3(日本特開2011-157251號公報))。
[0007]在通過機械研磨而使固體材料的表面平坦化的情況下，能夠除去比磨粒大的傷痕，但難以完全除去磨粒造成的研磨傷痕。另外，專利文獻I公開的熱化學研磨技術利用金剛石和銅之間的氧化還原反應，不能夠將該技術適用于金剛石以外的固體材料。專利文獻2及專利文獻3公開的技術也存在適用對象的固體材料的制約。
【發明內容】
[0008]鑒于這樣的狀況，本發明的目的在于提供一種在施加了沖擊等力的情況下不易產生裂紋及缺口的非金屬的無機固體材料及在刀刃使用有該無機固體材料的刀具工具。[0009]本發明的無機固體材料，為非金屬的無機固體材料，其中，在無機固體材料的表面的至少一部分具有形成有網狀連接的凹部和由該凹部包圍的隆起部的表面結構，隆起部的平均寬度為5nm~50nm，表面結構的物理參數與位于表面結構下方的無機固體材料的內部的物理參數不同，并且在表面結構與無機固體材料的內部之間不具有固相界面。
[0010]另外，本發明的無機固體材料，為非金屬的無機固體材料，其中，在無機固體材料的表面的至少一部分具有形成有網狀連接的凹部和由該凹部包圍的隆起部的表面結構，隆起部的平均寬度為5nm~50nm,表面結構的楊氏模量小于位于表面結構下方的無機固體材料的內部的楊氏模量，并且在表面結構與無機固體材料的內部之間不具有固相界面。
[0011]另外，本發明的無機固體材料，為非金屬的無機固體材料，其中，在無機固體材料的表面的至少一部分具有形成有網狀連接的凹部和由該凹部包圍的隆起部的表面結構，隆起部的平均寬度為5nm~50nm，表面結構的密度小于位于表面結構下方的無機固體材料的內部的密度，并且在表面結構與無機固體材料的內部之間不具有固相界面。
[0012]另外，本發明的無機固體材料，為非金屬的無機固體材料，其中，在無機固體材料的表面的至少一部分具有形成有網狀連接的凹部和由該凹部包圍的隆起部的表面結構，隆起部的平均寬度為5nm~50nm，表面結構的硬度小于位于表面結構下方的所述無機固體材料的內部的硬度，并且在表面結構與無機固體材料的內部之間不具有固相界面。
[0013]另外，本發明的無機固體材料，為非金屬的無機固體材料，其中，在無機固體材料的表面的至少一部分具有形成有網狀連接的凹部和由該凹部包圍的隆起部的表面結構，隆起部的平均寬度為5nm~50nm，表面結構具有非晶體結構，位于表面結構下方的固體材料的內部具有晶體結構，在無機固體材料的內部與表面結構的邊界區域具有從無機固體材料的內部向表面結構從晶體結構向非晶體結構逐漸變化的結構。
[0014]優選的是，在這樣的表面結構中，存在多個所述隆起部密集地聚集的、平均寬度為50nm~530nm的區域。
`[0015]優選的是，這樣的表面結構可通過氣體團簇離子束照射而形成。
[0016]另外，本發明的刀具工具，其刀刃部使用上述無機固體材料。
[0017]另外，本發明的刀具工具，由非金屬的無機固體材料形成，在刀具工具的刀刃部的表面具有形成有網狀連接的凹部和由該凹部包圍的隆起部的表面結構，隆起部的平均寬度為5nm~50nm，表面結構的物理參數與位于表面結構下方的無機固體材料的內部的物理參數不同，并且在表面結構與無機固體材料的內部之間不具有固相界面。
[0018]根據本發明，由于在無機固體材料的表面的至少一部分具有上述那樣的與無機固體材料的內部的物理參數不同的，形成有網狀連接的凹部和由該凹部包圍的隆起部的表面結構，因此，在施加有沖擊等力的情況下通過該表面結構緩和應力集中而不易產生裂紋及缺口。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是實施例的表面結構的基于掃描式電子顯微鏡的解析圖像(不含密集區域)；
[0020]圖2是將圖1所示的表面結構的一部分放大的解析圖像(200nmX200nm)；
[0021]圖3是實施例的表面結構的基于掃描式電子顯微鏡的解析圖像(不含密集區域)；
[0022]圖4是實施例的表面結構的基于掃描式電子顯微鏡的解析圖像(包含密集區域)；[0023]圖5是實施例的表面結構的基于掃描式電子顯微鏡的解析圖像(包含密集區域)；
[0024]圖6是實施例的表面結構的基于掃描式電子顯微鏡的解析圖像；
[0025]圖7是實施例的表面結構的基于原子力顯微鏡的解析圖像；
[0026]圖8是由團簇的碰撞而形成的凹坑結構；
[0027]圖9是用于說明密集區域的寬度定義的譜線輪廓的一例；
[0028]圖10是表示各實施例及各比較例的滑動試驗結果的一覽表1 (硬度比)；
[0029]圖11是表示關于實施例1~5和比較例I~5共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系的圖；
[0030]圖12是表示各實施例及各比較例的滑動試驗結果的一覽表2 (硬度比)；
[0031]圖13是表示關于實施例10~14和比較例8~12共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系的圖；
[0032]圖14是表示各實施例及各比較例的滑動試驗結果的一覽表3 (硬度比)；
[0033]圖15是表示關于實施例19~23和比較例15~19共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系的圖；
[0034]圖16是表不各實施例及各比較例的滑動試驗結果的一覽表1 (楊氏模量比)；
[0035]圖17是表示關于實施例28~32和比較例22~26共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系的圖；
[0036]圖18是表不各實施例及各比較例的滑動試驗結果的一覽表2 (楊氏模量比)；
[0037]圖19是表示關于實施例37~41和比較例29~33共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系的圖；
[0038]圖20是表不各實施例及各比較例的滑動試驗結果的一覽表3 (楊氏模量比)；
[0039]圖21是表示關于實施例46~50和比較例36~40共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系的圖；
[0040]圖22是表示各實施例及各比較例的滑動試驗結果的一覽表1 (密度比)；
[0041]圖23是表示關于實施例55~59和比較例43~47共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系的圖；
[0042]圖24是表示各實施例及各比較例的滑動試驗結果的一覽表2 (密度比)；
[0043]圖25是表示關于實施例64~68和比較例50~54共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系的圖；
[0044]圖26是表示各實施例及各比較例的滑動試驗結果的一覽表3 (密度比)；
[0045]圖27是表示關于實施例73~77和比較例57~61共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系的圖；
[0046]圖28是表示各實施例及各比較例的滑動試驗結果的一覽表1 (結晶率);
[0047]圖29是表示關于實施例82~86和比較例64~68共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系的圖；
[0048]圖30是表示各 實施例及各比較例的滑動試驗結果的一覽表2 (結晶率)；
[0049]圖31是表示關于實施例91~95和比較例71~75共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系的圖；
[0050]圖32是表示各實施例及各比較例的滑動試驗結果的一覽表3 (結晶率)；[0051]圖33是表示關于實施例100~104和比較例78~82共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系的圖；
[0052]圖34是在無機固體材料的表面彼此接觸的情況下的接觸面的示意圖；
[0053]圖35是比較在兩種不同的材料表面施加力時的情形的示意圖，(a)表示在現有的脆性材料的表面施加力時的情形，(b)表不在實施方式的無機固體材料的表面施加力時的情形；
[0054]圖36是比較在形成有不同隆起部的兩種無機固體材料表面施加力時的情形的示意圖，Ca)表示在形成有脆性的隆起部的無機固體材料表面施加力時的情形，(b)表示在通過氣體團簇離子束照射而形成有5nm以上且50nm以下大小的隆起部的無機固體材料表面施加力時的情形；
[0055]圖37是用來說明對應于隆起部的平均寬度的大小而使崩裂發生率不同的示意圖，(a)為隆起部的平均寬度比50nm大很多的情況,(b)為隆起部的平均寬度小于5nm的情況，(c)為隆起部的平均寬度在5nm~50nm的情況。
【具體實施方式】
[0056]如上所述，非金屬的無機固體材料的裂紋及缺口的原因為應力集中在無機固體材料表面上的傷痕。因此，目前認為通過除去無機固體材料表面上的傷痕及微裂紋而可實現無機固體材料的高硬度化。
[0057]但是，本申請發明人發現，不將無機固體材料表面上的傷痕及微裂紋除去，即不使無機固體材料的表面平坦 度提高，而是通過在無機固體材料的表面形成具有某種特征的“傷痕”來實現無機固體材料的高硬度化。
[0058]具體而言，本發明的無機固體材料在表面的至少一部分具有形成有網狀連接的凹部和由該凹部包圍的隆起部的表面結構，隆起部的寬度的平均值(平均寬度)為5nm以上且50nm以下，表面結構的物理參數與位于表面結構下方的無機固體材料的內部的物理參數不同，并且在表面結構與無機固體材料的內部之間不具有固相界面。在此，固相界面定義為在從表面結構至無機固體材料的內部的區域中物理參數不連續變化的邊界。
[0059]具體而言，“表面結構的物理參數與位于表面結構下方的無機固體材料的內部的物理參數不同，并且在表面結構與無機固體材料的內部之間不具有固相界面”可列舉如下例子:“表面結構的楊氏模量小于位于表面結構下方的無機固體材料的內部的楊氏模量，在無機固體材料的內部與表面結構的邊界區域具有從無機固體材料的內部向表面結構楊氏模量逐漸變化的結構”、或者“表面結構的密度小于位于表面結構下方的無機固體材料的內部的密度，在無機固體材料的內部與表面結構的邊界區域具有從無機固體材料的內部向表面結構密度逐漸變化的結構”、或者“表面結構的硬度小于位于表面結構下方的無機固體材料的內部的硬度，在無機固體材料的內部與表面結構的邊界區域具有從無機固體材料的內部向表面結構硬度逐漸變化的結構”、或者“表面結構具有非晶體結構，位于表面結構下方的無機固體材料的內部具有晶體結構，在無機固體材料的內部與表面結構的邊界區域具有從無機固體材料的內部向表面結構從晶體結構逐漸向非晶體結構變化的結構(即，表面結構的結晶率小于無機固體材料的內部的結晶率)”。
[0060]另外，在這樣的表面結構中，可以存在多個(例如，數個至數百個程度)隆起部密集地聚集的區域(以下，也稱密集區域)。該密集區域的寬度的平均值(平均寬度)優選為50nm以上且530nm以下。另外，在密集區域的平均寬度為50nm的情況下，具有小于50nm的平均寬度的隆起部聚集而形成密集區域。
[0061]非金屬的無機固體材料是指絕緣體及半導體即具有脆性的材料。具體而言，可示例金剛石、立方晶氮化硼(cBN)、碳化鎢燒結體(也稱為超硬合金)、玻璃、硅、各種陶瓷等。關于固體結構，可以為包含單晶體、多晶體、金屬粘合劑的燒結體、非晶體等，其形態不限。例如在金剛石的情況下，可示例單晶體金剛石、包含金屬粘合劑的多晶體金剛石(也稱為燒結金剛石)、不含金屬粘合劑的多晶體金剛石等。作為無機固體材料并不是完全排除含有金屬，在主要成分作為固體而具有脆性的情況下可發揮本發明的效果。
[0062]另外，本申請發明人發現，通過對由例如機械研磨等充分平坦化后的無機固體材料照射氣體團簇離子束，能夠在無機固體材料表面形成上述的表面結構。由于通過氣體團簇離子束的加工是束工藝，故而能夠瞄準工具的一部分例如刀刃部來照射氣體團簇離子束。
[0063]作為用于在無機固體材料表面形成上述表面結構的裝置，可使用例如專利第3994111號公報記載的氣體團簇離子束裝置。使原料氣體從噴嘴噴出到真空的團簇生成室內，使氣體分子凝聚而生成團簇。該團簇通過分離器作為氣體團簇束向離子化室引導。在離子化室從離子發生器照射電子束、例如熱電子而將中性團簇離子化。該離子化的氣體團簇束通過加速電極加速。入射的氣體團簇離子束通過孔徑而形成為規定的束徑并向無機固體材料的表面照射。另外，通過使無機固體材料傾斜,能夠控制向無機固體材料表面照射的角度。另外，通過X-Y工作臺及旋轉機構，使無機固體材料縱向及橫向移動，或旋轉，從而能夠進行從任意方向向無機固體材料照射氣體團簇離子束的控制。
[0064]圖1~圖6表不上述表面結構的基于掃描式電子顯微鏡(SEM:Scanning ElectronMicroscope)的解析圖像(SEM圖像)的一例。
[0065]在圖1~圖4中，看起來是白點的為隆起部，看起來是包圍白點的黑網的為凹部(在SEM圖像中，以相對高的部分較白，相對低的部分較黑的方式進行描畫)。在圖1和圖3所圖示的表面結構中，隆起部大致均勻地存在。圖2是將圖1所圖示的表面結構的一部分放大的解析圖像(200nmX200nm)。在圖4和圖5所示的表面結構中，可知隆起部不均勻地存在，存在有多個隆起部密集地聚集的密集區域。在圖4及圖5中，多個密集區域的一部分用圓圈表示，用箭頭表示隆起部。
[0066]圖6是在無機固體材料的形成角部分的兩個面中的一面形成上述表面結構并在另一面不形成上述表面結構的情況下的該角部分的SEM圖像。由該SEM圖像可知，隆起部具有凸狀、塔狀、山體狀等立體形狀。另外，從圖6的SEM圖像還可知，也如SEM圖像的示意圖所示，在無機固體材料的內部與表面結構(具體而言，為各個隆起部)的邊界區域沒有明確的固相界面。
[0067]圖7是上述表面結構的基于原子力顯微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)的解析圖像(AFM圖像)的一 例。由圖4、圖5及圖7可知，密集區域的高度比隆起部的高度高。
[0068]通過向利用機械研磨等充分平坦化的無機固體材料照射氣體團簇離子束而可在固體材料表面形成上述表面結構的機理被認為如下。
[0069]一個團簇與平坦的無機固體材料的表面碰撞后，在無機固體表面形成凹坑(凹坑不依賴無機固體材料的種類而形成)。若設氣體團簇離子束照射前的平坦無機固體表面為高度的標準，則凹坑的中央部分比該標準低，在該凹坑的周圍形成由于團簇的碰撞而在碰撞點附近的無機固體材料隆起的、比該標準高的環狀壟(參照圖8。圖8引用自山田公編著的“團簇離子束基礎及應用”日刊工業新聞社(2006年)p.70)。向由機械研磨等充分平坦化的無機固體材料照射氣體團簇離子束后，由于多數的團簇碰撞無機固體材料表面，故而在無機固體材料的表面形成多個凹坑。此時，由于在之前形成的凹坑及其附近發生團簇碰撞，故而維持單獨的凹坑的形狀是較少有的。這樣的凹坑形成反復進行的結果是，多個凹坑的中央部分相連并形成網狀的凹部，形成被該凹部包圍的隆起部(壟的痕跡)。
[0070]另外，在凹坑形成反復進行的過程中，由于形成新凹坑的現象和之前形成的凹坑被破壞的現象共存，故而若兩現象的發生頻率均衡，則形成如圖1和圖3所示地隆起部大致均勻地存在的表面結構(即，密集區域不存在的表面結構)。另一方面，若兩現象的發生頻率出現不平衡，即，形成凹坑的現象的發生頻率變多，則會重復出現凹坑的中央部變得更深，壟的部分變得更高的現象，形成如圖4及圖5所示地存在密集區域(隆起部密集聚集的區域)的表面結構。在隆起部大致均勻地存在的表面結構的情況下，凹部的底與隆起部的頂的差(高度)平均為數nm至數十nm左右，但在存在密集區域的表面結構時的凹部的底與隆起部的頂的差(高度)由于兩現象的發生頻率不平衡，比隆起部大致均勻地存在的表面結構的情況變大。
[0071]由于每個隆起部的大小及形狀未必一定，故而作為隆起部的大小的指標而采用上述的“隆起部的平均寬度”。具體而言，在正面觀察形成有上述表面結構的無機固體材料表面時，對每個隆起部求出包含隆起部的最小圓的直徑，將這些直徑的平均值定義為“隆起部的平均寬度”。另外，將在IymXlym的面內存在的隆起部的個數定義為“隆起部的濃度”。
[0072]同樣地，由于各個密集區域的大小及形狀未必一定，故而作為密集區域的大小的指標，采用上述的“密集區域的平均寬度”。具體而言，將從使測量表面結構的平均表面粗糙度時的中心線從低向高橫穿到再使中心線從高向低橫穿`的長度作為一個密集區域的寬度(參照圖9。在該例中，可看到由箭頭標記表示的20個密集區域)，求出對若干中心線觀測到的密集區域的寬度，將這些寬度的平均值定義為“密集區域的平均寬度”。另外，將在lumXlum的面內存在的密集區域的個數定義為“密集區域的濃度”。用該方法定義密集區域的平均寬度的理由是，由于與沒有密集區域的部分相比，密集區域中的凹部的底與隆起部的頂的差(高度)較大，故而在沒有密集區域的部分存在的隆起部作為相對比中心線低的凸部而被觀測到，密集區域作為比中心線高的凸部而被觀測到。
[0073]《實施例和比較例》
[0074]對本發明的實施例和用于確認實施例的效果的比較例進行說明(參照圖10~圖33)。以下，將無機固體材料也稱為試料(樣品)。在各實施例和各比較例中，使用在加工前的狀態下具有6面通過機械研磨而被平坦化的長5_X寬1_X高1_的長方體的大小和形狀的試料。
[0075]在將氣體團簇離子束向試料表面照射的實施例或者比較例中(這些例如在圖10的“加工方法”欄中記載為“GCIB”)，從照射對象面的法線方向分別向長5mmX寬Imm的一面和長5mmX高Imm的兩面共計三面照射氣體團簇離子束。在這些實施例或者比較例中，控制氣體團簇離子束生成的諸多條件(加速電壓、照射量、離子化電子的電壓及電流、氣體種類、氣壓、工藝腔的排氣速度等)，在各種無機固體材料的表面上形成有隆起部的平均寬度不同的各種表面結構。通過用掃描式電子顯微鏡和原子力顯微鏡觀察，算出所形成的各種試料的表面結構上的隆起部的平均寬度和密集區域的平均寬度。隆起部的濃度和密集區域的濃度也按照上述定義計數。
[0076]作為不向試料表面照射氣體團簇離子束的比較例，采用兩種加工方法。
[0077]第一種加工方法為例如在圖10的“加工方法”欄記載為“構圖”的加工方法，制成如下試料，即，形成使用光刻技術構圖的抗蝕掩膜，進而通過干式蝕刻在試料的表面形成矩形圖案結構(在表面上在正交的兩個方向形成有周期性地反復的凹凸的表面結構)。所形成的矩形圖案結構上的凸部分的大小和濃度的定義比照適用關于隆起部的上述定義(在關于隆起部的上述定義中，將“隆起部”代替為“凸部分”)。凸部分的大小(平均寬度)和濃度的數值分別在各圖(例如參照圖10)方便地記載于“隆起部的大小”欄和“隆起部的濃度”欄。
[0078]第二種加工方法是在例如圖10的“加工方法”欄記載為“成膜”的加工方法，制成如下試料，即，通過成膜法在試料的表面形成多個粒狀堆積物(類金剛石碳)。所形成的粒狀堆積物的大小和濃度的定義參照適用關于隆起部的上述定義(在關于隆起部的上述定義中，將“隆起部”代替為“粒狀堆積物”)。粒狀堆積物的大小(平均寬度)和濃度的數值分別在各圖(例如參照圖10)方便地記載于“隆起部的大小”欄和“隆起部的濃度”欄。
[0079]另外，未加工的試料(表面通過機械研磨而被平坦化的試料)也用作比較例。該比較例例如在圖10的“ 加工方法”欄記載為記號“-”。
[0080]通過滑動試驗對各試料的強度變化進行了調查。以使照射了氣體團簇離子束的長5mm X寬Imm的面成為上表面的方式在滑動試驗機設置試料,使用邊緣長度為1mm的超硬合金制的楔形壓頭進行滑動試驗。以邊緣的長度方向與試料的長5_的邊平行的方式配置楔形壓頭，在荷重100gf、往復速度60cpm的條件下使楔形壓頭與試料的寬Imm的邊平行地往復100次。另外，通過使滑動寬度比Imm大一些，以跨越試料的兩端的直角拐角的方式使其滑動。在兩端的直角拐角即固體材料的端部周邊容易產生應力集中，因此，容易觀察試料的強度(缺口產生的難易性)的變化。通過評價兩端的直角拐角處的缺口(崩裂)，算出崩裂發生率。崩裂發生率的算出方法如下。在試料的各直角拐角由于楔形壓頭接觸的部分的長度為楔形壓頭的邊緣長度即1_，故而將其分割成IOym寬的100個區劃，若在每一區劃產生0.Ιμπι以上的缺口，則設為“有崩裂”，相反則設為“沒有崩裂”。從試料兩端的直角拐角的共計200個區劃任意地選擇100個區劃，將該100個區劃中被判定為“有崩裂”的區劃數的百分率設為崩裂發生率。
[0081]作為成為強度變化指標的物理參數，采用硬度、楊氏模量、密度、結晶率。
[0082]指標為硬度的情況:
[0083]用薄膜硬度儀對各試料的硬度進行了計測。將照射氣體團簇離子束前的試料表面的硬度看作試料內部的硬度(以下，稱為內部硬度)。而且，將照射了氣體團簇離子束后的試料表面的硬度相對于內部硬度的比作為硬度比而求出。
[0084]指標為楊氏模 量的情況:
[0085]用使用了表面彈性波法的超薄膜楊氏模量測量系統對各試料的楊氏模量進行了計測。將照射氣體團簇離子束前的試料表面的楊氏模量看作試料內部的楊氏模量(以下，稱為內部楊氏模量)。而且，將照射氣體團簇離子束后的試料表面的楊氏模量相對于內部楊氏模量的比作為楊氏模量比而求出。
[0086]指標為密度的情況:
[0087]用薄膜密度儀對各試料的密度進行了計測。將照射氣體團簇離子束前的試料表面的密度看作試料內部的密度(以下，稱為內部密度)。而且，將照射氣體團簇離子束后的試料表面的密度相對于內部密度的比作為密度比而求出。
[0088]指標為結晶率的情況:
[0089]對各試料的電子束衍射圖像的斑點強度(衍射斑點強度)進行了測定。將照射氣體團簇離子束前的試料表面的衍射斑點強度看作試料內部的衍射斑點強度(以下，稱為內部衍射斑點強度)。將照射氣體團簇離子束后的試料表面的衍射斑點強度相對于內部衍射斑點強度的比作為結晶率而求出。另外，若結晶率不滿100%則具有非晶體結構。
[0090]<硬度比:圖10~圖15 >
[0091][實施例1~27]
[0092]實施例1~27均為通過氣體團簇離子束在試料的表面形成有各種表面結構的試料。實施例1~9的試料的材質為單晶體金剛石，實施例10~18的試料的材質為燒結金剛石，實施例19~27的試料的材質為無粘合劑cBN。
[0093]關于實施例1~27，各硬度比與照射氣體團簇離子束前的狀態相比有所降低。在實施例1~27中，隆起部的平均寬 度為5nm以上且50nm以下，崩裂發生率為28%以下。特別是，在平均寬度為50nm~530nm左右的密集區域(多個隆起部密集地聚集的區域)存在的情況下，崩裂發生率為0% (實施例6~9、15~18、24~27)。
[0094][比較例1、8、15]
[0095]表面通過機械研磨而被平坦化的各試料的崩裂發生率為100%。
[0096][比較例2、9、16]
[0097]在隆起部的平均寬度為3nm時的崩裂發生率為89~95%。
[0098][比較例6、13、20]
[0099]作為表面結構具有矩形圖案結構(凸部分的平均寬度為50nm)的各試料的硬度比在干式蝕刻的前后無變化(硬度比100%)，各試料的崩裂發生率為100%。
[0100][比較例7、14、21]
[0101]作為表面結構形成有粒狀堆積物的各試料的硬度比降低，但各試料的崩裂發生率為 100%O
[0102][比較例3 ~5、10 ~12、17 ~19]
[0103]比較例3~5、10~12、17~19均為通過氣體團簇離子束在試料的表面形成了各種表面結構的試料。比較例3~5的試料的材質為單晶體金剛石，比較例10~12的試料的材質為燒結金剛石，比較例17~19的試料的材質為無粘合劑cBN。
[0104]關于這些比較例，各硬度比與照射氣體團簇離子束前的狀態相比有所降低，但隆起部的平均寬度大于50nm，崩裂發生率為50%以上。
[0105]另外，圖11表示關于實施例1~5和比較例I~5共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系，圖13表示關于實施例10~14和比較例8~12共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系，圖15表示關于實施例19~23和比較例15~19共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系。[0106]<楊氏模量比:圖16~圖21 >
[0107][實施例28~54]
[0108]實施例28~54均為通過氣體團簇離子束在試料的表面形成各種表面結構的試料。實施例28~36的試料的材質為單晶體金剛石，實施例37~45的試料的材質為燒結金剛石，實施例46~54的試料的材質為無粘合劑cBN。
[0109]關于實施例28~54，各硬度比與照射氣體團簇離子束前的狀態相比有所降低。在實施例28~54中，隆起部的平均寬度為5nm以上且50nm以下，崩裂發生率為31%以下。特別是，在平均寬度為50nm~530nm左右的密集區域(多個隆起部密集地聚集的區域)存在的情況下，崩裂發生率為0% (實施例33~36、42~45、51~54)。
[0110][比較例22、29、36]
[0111]表面通過機械研磨而被平坦化的各試料的崩裂發生率為100%。
[0112][比較例23、30、37]
[0113]在隆起部的平均寬度為3nm時的崩裂發生率為91~96%。
[0114][比較例27、34、41]
[0115]作為表面結構具有矩形圖案結構(凸部分的平均寬度為50nm)的各試料的楊氏模量比在干式蝕刻的前后無變化(楊氏模量比100%)，各試料的崩裂發生率為100%。
[0116][比較例28、35、42]
[0117]作為表面結構形成粒狀堆積物的各試料的楊氏模量比降低，但各試料的崩裂發生率為100%。
[0118][比較例24 ~26、31 ~33、38 ~40]
[0119]比較例24~26、31~33、38~40均為通過氣體團簇離子束在試料的表面形成各種表面結構的試料。比較例24~26的試料的材質為單晶體金剛石，比較例31~33的試料的材質為燒結金剛石，比較例38~40的試料的材質為無粘合劑cBN。
[0120]關于這些比較例，各楊氏模量比與照射氣體團簇離子束前的狀態相比有所降低，但隆起部的平均寬度大于50nm，崩裂發生率為50%以上。
[0121]另外，圖17表示關于實施例28~32和比較例22~26共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系，圖19表示關于實施例37~41和比較例29~33共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系，圖21表示關于實施例46~50和比較例36~40共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系。
[0122]<密度比:圖22~圖27 >
[0123][實施例55~8I]
[0124]實施例55~81均為通過氣體團簇離子束在試料的表面形成各種表面結構的試料。實施例55~63的試料的材質為單晶體金剛石，實施例64~72的試料的材質為燒結金剛石，實施例73~81的試料的材質為無粘合劑cBN。
[0125]關于實施例55~81，各密度比與照射氣體團簇離子束前的狀態相比有所降低。在實施例55~81中，隆起部的平均寬度為5nm以上且50nm以下，崩裂發生率為28%以下。特別是，在平均寬度為50nm~530nm左右的密集區域(多個隆起部密集地聚集的區域)存在的情況下，崩裂發生率為0% (實施例60~63、69~72、78~81)。
[0126][比較例43、50、57][0127]表面通過機械研磨而被平坦化的各試料的崩裂發生率為100%。
[0128][比較例44、51、58]
[0129]在隆起部的平均寬度為3nm時的崩裂發生率為92~95%。
[0130][比較例48、55、62]
[0131]作為表面結構具有矩形圖案結構(凸部分的平均寬度為50nm)的各試料的密度比在干式蝕刻的前后無變化(密度比100%)，各試料的崩裂發生率為100%。
[0132][比較例49、56、63]
[0133]作為表面結構形成粒狀堆積物的各試料的密度比有所降低，但各試料的崩裂發生率為100%。
[0134][比較例45 ~47、52 ~54、59 ~61]
[0135]比較例45~47、52~54、59~61均為通過氣體團簇離子束而在試料的表面形成各種表面結構的試料。比較例45~47的試料的材質為單晶體金剛石，比較例52~54的試料的材質為燒結金剛石，比較例59~61的試料的材質為無粘合劑cBN。
[0136]關于這些比較例，各密度比與照射氣體團簇離子束前的狀態相比有所降低，但隆起部的平均寬度大于50nm，崩裂發生率為50%以上。
[0137]另外，圖23表示關于實施例55~59和比較例43~47共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系，圖 25表示關于實施例64~68和比較例50~54共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系，圖27表示關于實施例73~77和比較例57~61共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系。
[0138]<結晶率:圖28~圖33 >
[0139][實施例82 ~IO8]
[0140]實施例82~108均為通過氣體團簇離子束在試料的表面形成各種表面結構的試料。實施例82~90的試料的材質為單晶體金剛石，實施例91~99的試料的材質為燒結金剛石，實施例100~108的試料的材質為無粘合劑cBN。
[0141]關于實施例82~108，各結晶率與照射氣體團簇離子束前的狀態相比有所降低。在實施例82~108中，隆起部的平均寬度為5nm以上且50nm以下，崩裂發生率為22%以下。特別是，在平均寬度為50nm~530nm左右的密集區域(多個隆起部密集聚集的區域)存在的情況下，崩裂發生率為0% (實施例87~90、96~99、105~108)。
[0142][比較例64、71、78]
[0143]表面通過機械研磨而被平坦化的各試料的崩裂發生率為100%。
[0144][比較例65、72、79]
[0145]在隆起部的平均寬度為3nm時的崩裂發生率為94~96%。
[0146][比較例69、76、83]
[0147]作為表面結構具有矩形圖案結構(凸部分的平均寬度為50nm)的各試料的結晶率在干式蝕刻的前后無變化(結晶率100%)，各試料的崩裂發生率為100%。
[0148][比較例70、77、84]
[0149]作為表面結構形成粒狀堆積物的各試料的結晶率有所降低，但各試料的崩裂發生率為100%。
[0150][比較例66 ~68、73 ~75、80 ~82][0151]比較例66~68、73~75、80~82均為通過氣體團簇離子束在試料的表面形成各種表面結構的試料。比較例66~68的試料的材質為單晶體金剛石，比較例73~75的試料的材質為燒結金剛石，比較例80~82的試料的材質為無粘合劑cBN。
[0152]關于這些比較例，各結晶率與照射氣體團簇離子束前的狀態相比有所降低，但隆起部的平均寬度大于50nm，崩裂發生率為50%以上。
[0153]另外，圖29表示關于實施例82~86和比較例64~68共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系，圖31表示關于實施例91~95和比較例71~75共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系，圖33表示關于實施例100~104和比較例78~82共計10例的隆起部的大小和崩裂發生率的關系。
[0154]接著，對刀具工具的一種即切削工具的實施例和比較例進行說明。另外，雖然例示的是切削工具的實施例，但通常沖床的脫模那樣的具有刀刃的模具工具、及雕刻用工具等刀具工具也可實施。
[0155][實施例109]
[0156]切削工具如下地進行制作。將單晶體金剛石、燒結金剛石、無粘合劑cBN燒結體、超硬合金(JIS使用分類記號Z01)的各材料分別通過激光加工進行裁切，通過機械研磨制作單刃的刀具。該刀具與切削工具相當。刀刃的形狀為長度Imm的直線狀，將構成刀刃的兩面之間的角度設為60度。以在構成刀刃的兩面同時以相同的角度照射氣體團簇離子束的方式(即，以對于各面，以自面的法線60度的角度照射氣體團簇離子束的方式)，對刀刃部分從與刀刃相對的方向照射氣體團簇離子束，在各切削工具的刀刃部形成以下的表面結構。
[0157]【表1】
[0158]
【權利要求】
1.一種無機固體材料，其為非金屬的無機固體材料，其特征在于， 在所述無機固體材料的表面的至少一部分具有形成有網狀連接的凹部和由該凹部包圍的隆起部的表面結構， 所述隆起部的平均寬度為5~50nm， 所述表面結構的物理參數與位于所述表面結構下方的所述無機固體材料的內部的物理參數不同，并且在所述表面結構與所述無機固體材料的內部之間不具有固相界面。
2.一種無機固體材料，其為非金屬的無機固體材料，其特征在于， 在所述無機固體材料的表面的至少一部分具有形成有網狀連接的凹部和由該凹部包圍的隆起部的表面結構， 所述隆起部的平均寬度為5~50nm， 所述表面結構的楊氏模量小于位于所述表面結構下方的所述無機固體材料的內部的楊氏模量，并且在所述表面結構與所述無機固體材料的內部之間不具有固相界面。
3.一種無機固體材料，其為非金屬的無機固體材料，其特征在于， 在所述無機固體材料的表面的 至少一部分具有形成有網狀連接的凹部和由該凹部包圍的隆起部的表面結構， 所述隆起部的平均寬度為5~50nm， 所述表面結構的密度小于位于所述表面結構下方的所述無機固體材料的內部的密度，并且在所述表面結構與所述無機固體材料的內部之間不具有固相界面。
4.一種無機固體材料，其為非金屬的無機固體材料，其特征在于， 在所述無機固體材料的表面的至少一部分具有形成有網狀連接的凹部和由該凹部包圍的隆起部的表面結構， 所述隆起部的平均寬度為5~50nm， 所述表面結構的硬度小于位于所述表面結構下方的所述無機固體材料的內部的硬度，并且在所述表面結構與所述無機固體材料的內部之間不具有固相界面。
5.—種無機固體材料，其為非金屬的無機固體材料，其特征在于， 在所述無機固體材料的表面的至少一部分具有形成有網狀連接的凹部和由該凹部包圍的隆起部的表面結構， 所述隆起部的平均寬度為5~50nm， 所述表面結構具有非晶體結構，位于所述表面結構下方的所述固體材料的內部具有晶體結構，在所述無機固體材料的內部與所述表面結構的邊界區域具有從所述無機固體材料的內部向所述表面結構從晶體結構向非晶體結構逐漸變化的結構。
6.如權利要求1~5中任一項所述的無機固體材料,其特征在于， 存在多個所述隆起部密集地聚集的區域， 所述區域的平均寬度為50~530nm。
7.如權利要求1~5中任一項所述的無機固體材料,其特征在于， 所述表面結構通過氣體團簇離子束照射而形成。
8.如權利要求6所述的無機固體材料，其特征在于， 所述無機固體材料為耐崩裂性無機固體材料， 所述表面結構通過氣體團簇離子束照射而形成。
9.一種刀具工具，其刀刃部使用有權利要求1~5中任一項所述的無機固體材料。
10.一種刀具工具,其刀刃部使用有權利要求6所述的無機固體材料。
11.一種刀具工具，其刀刃部使用有權利要求7所述的無機固體材料。
12.—種刀具工具，其刀刃部使用有權利要求8所述的無機固體材料。
13.一種刀具工具，由非金屬的無機固體材料形成，其特征在于， 在所述刀具工具的刀刃部的表面具有形成有網狀連接的凹部和由該凹部包圍的隆起部的表面結構， 所述隆起部的平均寬度為5~50nm， 所述表面結構的物理參數與位于所述表面結構下方的所述無機固體材料的內部的物理參數不同，并且在所述表面結構與所述無機固體材料的內部之間不具有固相界面。
【文檔編號】C01B31/06GK103663445SQ201310378806
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年8月27日 優先權日:2012年8月31日
【發明者】鈴木晃子, 佐藤明伸 申請人:日本航空電子工業株式會社