CN101945734B - 薄刃砂轮及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种寿命长、能够长时间保持良好的切割性的薄刃砂轮及其制造方法。将分散配置有磨粒(2)的Ni金属结合材料(3)浸渍在蚀刻液中，选择性地除去与上述磨粒(2)的外围面相接的金属结合材料(3)，在磨粒(2)的外围面与金属结合材料之间形成空隙(4)，然后，在上述空隙(4)中使比上述金属结合材料更软质的金属(5)析出生长，在上述空隙中填充软质的金属(5)。因此，磨粒(2)的外围面被软质的金属(5)所被覆，可以长期维持缓冲作用，可以抑制破片。

Description

薄刃砂轮及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种适用于切割加工陶瓷、单晶体材料等被加工物的薄刃砂轮及其制造方法。

背景技术

目前，作为高精度地切削加工硅、GaAs、铁素体等被加工物的薄刃砂轮(切割刀片)，公知有薄板环状的电铸薄刃砂轮。该电铸薄刃砂轮是将金刚石、cBN等磨粒分散配置于金属结合材料中而成的砂轮，形成为其厚度为数十μm～数百μm左右的薄板环状。薄刃砂轮在其内周侧区域保持砂轮轴，通过使砂轮轴旋转，能够在外周侧区域对被加工物进行切割加工及开槽加工。

由于近年电子零件的小型化及产量增加等原因，电铸薄刃砂轮也要求进一步的薄刃化，通过使用Ni等机械强度高的金属材料作为金属结合材料，提供厚度达到50μm以下的极薄电铸砂轮。但是，基于金属结合材料的磨粒的保持力增大时，由磨粒引起的对被加工物的损伤增大，所以存在切割加工时所谓破片(チツピング，chipping)的被加工物的裂纹、缺损增大这样的问题。

为了解决这样的问题，专利文献1中提出了在Ni、Co或者由这些合金构成的金属结合材料的刀尖部的表面形成不超过磨粒从金属结合材料的突起量的厚度的Sn镀层的电铸薄刃砂轮。该情况下，通过使Sn镀层覆盖金属结合材料的表面，使滑动性提高，同时，比金属结合材料软质的Sn镀层构成缓冲层，能够降低对被加工物的损伤，抑制破片。

图2(a)表示根据专利文献1所述的方法制作的薄刃砂轮的剖面结构。在金属结合材料10的表层部保持有磨粒11，形成有不超过该磨粒11的突出量的厚度的Sn镀层12。这样的结构的情况下，在切削加工时，由于磨粒11承受来自被加工物的载荷，因此可以认为磨粒11发生微小地变位。然而，金属结合材料10的影响是处于支配地位的，金属结合材料10为Ni之类的高强度材料时，磨粒11几乎不能变位，并不能期待基于Sn镀层12的缓冲性提高实现的破片抑制效果。进而，由于Sn镀层12仅仅在金属结合材料10的表面形成，因此由于与被加工物的摩擦，Sn镀层12在早期发生磨损，存在不能长期地维持缓冲作用的问题。

另外，在专利文献1中，公开了蚀刻金属结合材料的表面来使砂轮的突出量增大，在其上形成Sn镀层的方法。在该方法中，虽然能够某种程度确保Sn镀层的厚度，但是因为由蚀刻而导致金属结合材料的厚度减少，所以存在作为金属结合材料的强度下降，同时位于金属结合材料的表层部的磨粒会发生脱落这样的问题。

专利文献1：日本特开2002-66935号公报

发明内容

因此，本发明优选的实施方式的目的在于，提供一种降低对被加工物的损伤、能够长时间保持良好的切割性的薄刃砂轮及其制造方法。

本发明提供一种薄刃砂轮，其是在金属结合材料中分散配置有磨粒的薄刃砂轮，其特征在于，在位于上述金属结合材料的至少表层部的上述磨粒中，与上述金属结合材料相接的上述磨粒的外围面被软质的金属所覆盖。

本发明的薄刃砂轮的制造方法，包括：制作分散配置有磨粒的金属结合材料的第一工序；选择性地除去与上述磨粒的外围面相接的金属结合材料，在上述磨粒的外围面与金属结合材料之间形成空隙的第二工序；在上述空隙中使比上述金属结合材料更软质的金属析出生长，在上述空隙中填充软质的金属的第三工序。

在本发明的薄刃砂轮中，软质的金属层不是像以往那样仅在金属结合材料的表面形成，而是形成软质的金属将与金属结合材料相接的磨粒的外围面被覆的结构。即，在磨粒与金属结合材料之间介在有软质的金属，因此在切削加工时对磨粒施加载荷时，每个的磨粒都由于软质的金属的缓冲效果而易于发生变位，可以减轻对被加工物的损伤，可以抑制破片。另外，即使加工进行，由于软质的金属形成于埋在金属结合材料中的磨粒的周围，因此软质的金属在早期不会发生磨损，可以长期发挥缓冲效果。

作为制作本发明的薄刃砂轮的方法，可以考虑各种方法，例如可以使用将金属结合材料浸渍在蚀刻液中，选择性地蚀刻与磨粒的外围面相接的金属结合材料，在磨粒的外围面与金属结合材料之间形成空隙，利用软质的金属对形成有空隙的金属结合材料实施镀覆处理，使软质的金属在空隙中析出生长的方法。金属结合材料由Ni构成时，若利用氯化铁溶液来蚀刻，则磨粒的外围面会发生活化，将与磨粒的外围面相接的金属结合材料选择性地蚀刻，从而可以在磨粒的外围面与金属结合材料之间形成空隙。蚀刻进行时，空隙不仅会达到位于表层部的磨粒周围，还会延及到与该磨粒接近的内侧的磨粒的周围，因此金属结合材料整体形成多孔的形态。这时，由于金属结合材料本身的厚度几乎没有减少，因此可以确保作为金属结合材料的强度，同时可以防止在金属结合材料的表层部存在的磨粒发生脱落。

金属结合材料由Ni构成时，作为软质的金属，理想的是Sn、Au、Cu、Ag的任一种。Ni的杨氏模量为210GPa，与此相对，Sn的杨氏模量为55GPa，Au的杨氏模量为78GPa，Cu的杨氏模量为120GPa，Ag的杨氏模量为73GPa，都可以发挥所需的缓冲效果。另外，Sn、Au、Cu、Ag与Ni的密接性也良好。

作为第三工序，使用通过镀覆处理在空隙中使软质的金属析出生长的方法时，若将形成空隙的金属结合材料在含软质金属离子的镀覆液中浸渍，则由于空隙的表面积大，所以能够在空隙内面有效地使软质的金属析出生长。此外，软质的金属镀层不仅在空隙的内面而且在金属结合材料的表面也会形成。在金属结合材料的表面上形成的金属镀层的厚度必须在不超过磨粒的突出量的范围。

在专利文献1的电铸薄刃砂轮的情况下，记载有将Sn镀层的厚度设为例如10～15μm，但是当这样程度厚的Sn镀层在金属结合材料的表面形成时，磨粒的粒径必须在该厚度以上，因此变成了粗粒砂轮，不能进行高精度的切削加工。为本发明的薄刃砂轮时，由于磨粒的周围分别被软质的金属所被覆，因此即使是粒径小于10μm的细微磨粒也可以发挥充分的缓冲效果。因此，可以进行尺寸精度高的切削加工。

作为本发明的薄刃砂轮的制作方法，并不限于蚀刻分散配置有磨粒的金属结合材料，而在磨粒的周围形成空隙后，再镀覆软质金属的方法。例如，也可以使用预先被覆了软质金属的磨粒，利用电铸等一般的砂轮制造方法将磨粒分散配置在金属结合材料中。另外，也可以是，在磨粒上先形成利用气化/液化/离子化等能除去的树脂被膜等，在将该磨粒分散配置与金属结合材料中的状态下制作砂轮，然后除去磨粒的被膜来形成空隙。在空隙中形成软质金属的方法不限于镀覆法。

作为构成金属结合材料的金属，除Ni以外，也可以为Ni和其他金属(例如Co等)的合金，也可以是Ni以外的金属，只要是具有与Ni同等机械强度及耐磨损性的合金即可。作为可以用本发明的薄刃砂轮切削的被加工物，除硅、GaAs、铁素体等之外，也包括PZT等压电陶瓷、水晶、LiTaO₃单晶、电介质等高硬度的材料。

根据本发明，磨粒以外围面被比金属结合材料更软质的金属所被覆的状态在金属结合材料中分散配置，因此在切削加工时对磨粒施加的载荷基于软质的金属的缓冲效果会被吸收，可以降低对被加工物的损伤，可以抑制破片。另外，即使加工进行，由于软质的金属形成于埋在金属结合材料之中的磨粒的周围，因此软质的金属在早期不会发生磨损，可以长期发挥缓冲效果。

根据本发明的制造方法，制作分散配置有磨粒的金属结合材料，然后选择性地除去与磨粒的外围面相接的金属结合材料，在磨粒的外围面与金属结合材料之间形成空隙，在该空隙中使软质的金属析出生长，以填充空隙，因此软质金属不形成在从金属结合材料突出的磨粒的表面，而是仅在埋设与金属结合材料之中的磨粒的周围和金属结合材料的表面形成。因此，可以高效地制造具有优良的切削性能和破片抑制效果的薄刃砂轮。

附图说明

图1是本发明的薄刃砂轮的第1实施方式的主视图和A-A线剖面图。

图2是以往的薄刃砂轮和本发明的薄刃砂轮的放大剖面图。

图3是表示图1所示的薄刃砂轮的制造阶段的剖面图。

图4是表示软质金属的析出状态的图。

图5是使用选择性蚀刻液来蚀刻的砂轮的表面照片。

图6是使用通常的蚀刻液来蚀刻的砂轮的表面照片。

图7是使用选择性蚀刻液来蚀刻的砂轮的剖面照片。

图8是使用通常的蚀刻液来蚀刻的砂轮的剖面照片。

图9是使用选择性蚀刻液蚀刻之后，进行Cu镀覆时的剖面照片。

图10是表示利用以往的单层砂轮和本发明的砂轮进行切削加工时的破片量的图。

符号说明

1薄刃砂轮

2磨粒

3金属结合材料(Ni镀层)

4空隙

5软质金属(Cu镀层)

具体实施方式

下面，参照附图对本发明优选的实施方式进行说明。图1表示本发明的薄刃砂轮的第一实施方式，(a)为薄刃砂轮的正视图，(b)为A-A线放大剖面图。本实施方式的薄刃砂轮1是薄板环状的电铸薄刃砂轮，为将金刚石或cBN等磨粒2分散配置在金属结合材料3中而成，其厚度为数十μm～数百μm左右，理想的是设定为50μm以下。本实施方式的金属结合材料3由Ni镀层构成。

在位于金属结合材料3的表层部的磨粒2的外围面和金属结合材料3之间形成空隙4，在该空隙4中填充比金属结合材料3更软质的金属5。即，埋设于金属结合材料3中的磨粒2的周围被软质金属5所被覆，金属结合材料3的表面也被软质金属5所被覆。在金属结合材料3的表面也形成有软质金属5，该软质金属5的厚度设定为不超过磨粒2从金属结合材料3的突出量的厚度。作为软质金属5，可以使用Sn、Au、Cu、Ag等杨氏模量比金属结合材料3更低的金属。

如图2(b)所示，在磨粒2与金属结合材料3之间介在有软质金属5，因此当切削加工时，磨粒2承受来自被加工物的载荷时，磨粒2易于变位，即使金属结合材料3由Ni这样的高强度材料形成，也可以轻减其影响。因此，通过基于软质金属5的缓冲效果，可以降低对被加工物造成的损害，可有效抑制破片。进而，软质金属5不只在金属结合材料3的表面，还在位于金属结合材料3的内部的空隙4中形成，因此形成于空隙4中的软质金属5不易被磨损，可以长期地维持缓冲作用。由于成为砂轮1的骨架的金属结合材料3是利用高强度材料来形成的，因此砂轮1的直进性好，可以实施高精度的切割加工。

接着，参照图3对由上述构成形成的薄刃砂轮1的制造方法的一例进行说明。

首先，准备分散有金刚石等磨粒2的包含Ni的电解电镀液，在该电镀液中，将不锈钢等基板与阳极板对向配置，使基板与阴极连接。在阴极和阳极之间通电时，在基板上会析出Ni合金镀层，形成均匀分散有磨粒2的金属结合材料3。在金属结合材料3厚度达到数十μm～数百μm的时刻结束电镀，从电镀液中取出形成有金属结合材料3的基板，并从基板将金属结合材料3剥离。将剥离的金属结合材料3成形为环形，得到如图3(a)所示的单层砂轮1A。

接着，将单层砂轮1A在含有氯化铁溶液的蚀刻液中浸渍，选择性地蚀刻与磨粒2的外围面相接的金属结合材料3，如图3(b)所示，得到在磨粒2的外围面和金属结合材料3之间形成有空隙4的单层砂轮1B。此外，空隙4主要形成在位于金属结合材料3的表层部的磨粒2的周围。这时，金属结合材料3的厚度几乎不变，磨粒2不会从金属结合材料3脱落。

接着，将单层砂轮1B在含软质金属离子的电解镀覆液中浸渍，将单层砂轮1B设为阴极，与该阴极对向地配置阳极板，在阴极和阳极间通电时，软质金属5在金属结合材料3的表面和空隙4的内面析出生长。其结果是空隙4被软质金属5填充。软质金属镀层不在非导电性的磨粒2上析出，仅在金属结合材料3上析出。由此，可以得到图3的(c)所示的薄刃砂轮1。

图4是显示软质金属5的析出生长的形态的图。如图4(a)所示，最初，软质金属5在金属结合材料3的表面上析出，同时在空隙4的内面部分地析出。随着镀覆时间的经过，在空隙4的内面析出的软质金属5生长，如图4(b)所示那样地扩展到空隙4的整体，因此空隙4被软质金属5所填充。

实施例

在此，利用SEM观察对使用选择性蚀刻液和通常的蚀刻液来蚀刻砂轮时的砂轮表面/砂轮剖面。

(1)选择性蚀刻液

44％氯化铁液(FeCl₃)∶纯水＝5∶95(vol％)

蚀刻液量：400ml

(2)通常蚀刻液

35％盐酸∶60％硝酸∶纯水＝1∶1∶3(vol％)

蚀刻液量：400ml

实验条件

·实验砂轮

磨粒径：8/20μm

形状：外径52，内径40，厚度0.075(mm)

·蚀刻量

将相对于初期重量的减少重量设定为8％、33％、67％这样3个水平，进行蚀刻。

图5为使用选择性蚀刻液时的表面照片，图6为使用通常蚀刻液时的表面照片。对于通常蚀刻液，蚀刻从表面向厚度方向推进，多产生不能保持的磨粒。与此相对，在选择性蚀刻液中，可以确认砂轮表面状态没有大的变化，而蚀刻也在进行(磨粒不脱落)。

图7是使用选择性蚀刻液时的剖面照片，图8是使用通常蚀刻液时的剖面照片。对于通常蚀刻液，随着蚀刻的进展，砂轮厚度会减少，与此相对，若使用选择性蚀刻液，则没有朝向厚度方向的减少，选择性地溶解磨粒的附近，可以确认在金属结合材料-磨粒间形成间隙。

图9是表示使用选择性蚀刻液，在减少重量8％的蚀刻后，进行Cu镀覆时的剖面的照片。该剖面照片是，在镀覆后分割砂轮，利用SEM观察其剖面时的图像。此外，镀覆条件如下所述。

镀覆液：硫酸铜镀覆液MICROFAB Cu300(田中贵金属售)

电流：0.2mA

镀覆时间：500s

由图9的图像可知，Cu在金属结合材料-磨粒间的间隙部生长，可以仅将磨粒附近的结合材料由Ni变换为Cu。由此，可以维持作为砂轮整体的刚性，同时可以提高磨粒的缓冲能力。

在此，比较使用以下2种薄刃砂轮对单晶材料(LiTaO₃)进行加工时的破片量。薄刃砂轮(1)为仅由分散有磨粒的金属结合材料构成的Ni单层砂轮，薄刃砂轮(2)为选择性蚀刻Ni单层砂轮，实施了Cu镀覆的本发明品。

(1)Ni电铸单层砂轮

金属结合材料：Ni

磨粒径：4/6μm

形状：外径52，内径40，厚度0.04(mm)

(2)本发明砂轮

金属结合材料：Ni

空隙形成：通过蚀刻选择性地溶解磨粒附近

软质材料形成：通过电解Cu镀覆法将被膜形成至间隙内部

图10表示利用以下的加工条件通过两砂轮进行切削加工时在元件中发生的破片量。

-加工条件-

加工机：Dicer DAD3350(公司Disco制)

主轴回转数：30000rpm

加工材料：单晶材料(LiTaO₃)

工件形状：

晶片

进刀速度：60mm/s

切割条数：(相对于定向平板)平行方向1.4mm，垂直方向1.0mm利用上述间隔切割加工1枚晶片

由图10的结果可确认，为本发明砂轮时，与Ni单层砂轮相比，可以抑制破片约25％，可以实现高品质加工。

本发明不限于上述实施方式。在上述实施方式中，以电铸薄刃砂轮为例进行说明，但也可以是在不锈钢等基底金属上通过电沉积设置Ni镀层而构成的金属结合材料，在蚀刻该金属结合材料后实施Cu镀覆而成的砂轮。另外，金属结合材料不限于Ni，软质的金属也不限于Sn、Au、Cu、Ag。

Claims (3)

1.一种薄刃砂轮，其是在金属结合材料中分散配置有磨粒的薄刃砂轮，其特征在于，

其是通过选择性地除去与所述磨粒的外围面相接的金属结合材料，在所述磨粒的外围面与金属结合材料之间形成空隙，在所述空隙中使比所述金属结合材料更软质的金属析出生长，在所述空隙中填充比所述金属结合材料更软质的金属而成的，

在位于所述金属结合材料的至少表层部的所述磨粒中，与所述金属结合材料相接的所述磨粒的外围面被所述更软质的金属所被覆。

2.根据权利要求1所述的薄刃砂轮，其特征在于，所述金属结合材料是由Ni构成的。

3.根据权利要求1或2所述的薄刃砂轮，其特征在于，所述比所述金属结合材料更软质的金属为Sn、Au、Cu、Ag中的一种以上。

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