CN106281220B - 合金材料用研磨组合物及合金材料的研磨方法 - Google Patents

合金材料用研磨组合物及合金材料的研磨方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及合金材料用研磨组合物及合金材料的研磨方法，提供提高了合金材料的研磨特性的合金材料研磨组合物及使用其的合金材料的研磨方法。本发明的合金材料用研磨组合物将合金材料作为研磨对象，且含有氧化铝颗粒，所述氧化铝颗粒具有以下的粒径分布：将体积基准的累积粒径分布的自大粒径侧起的累积体积为10％、50％、90％的粒径分别设为D10、D50、D90时，D50为3.1～12μm、D10与D90的差除以D50得到的值为0.7～2.4。

Description

合金材料用研磨组合物及合金材料的研磨方法
技术领域
本发明涉及合金材料用研磨组合物及合金材料的研磨方法。
背景技术
通常，合金是指1种金属元素和1种以上其它金属元素或碳、氮、硅等非金属元素的共熔体。通常，合金是出于与纯金属相比提高机械强度、耐化学药品性、耐腐蚀性、耐热性等性质的目的而被制造的。例如，铝合金由于轻量且具有优异的强度，因此，除了被用于建筑材料、容器等的结构材料、汽车、船舶、航空器等运输机器以外，还被用于各种电气化制品、电子部件等各种用途。另外，例如作为铁系合金的不锈钢由于具有优异的耐腐蚀性，因此除了被用于结构材料、运输机器以外，还被用于工具、机械器具、烹饪用具等各种用途。
一直以来，作为用于对这些合金材料的表面实施研磨加工的研磨组合物，已知有专利文献1中公开的合金材料用研磨组合物。专利文献1中，为了提高研磨速度和表面粗糙度这两者，着眼于磨粒的平均粒径(D50)等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平8-2913号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的在于，提供提高了合金材料的研磨特性的合金材料用研磨组合物及使用其的合金材料的研磨方法。
用于解决问题的方案
本发明是通过发现了在用于对合金材料进行研磨的用途的合金材料用研磨组合物中能够提高研磨特性的构成而完成的。
为了达成上述目的，在本发明的一个方案中，其主旨在于，一种合金材料用研磨组合物，其将合金材料作为研磨对象，且含有氧化铝颗粒，所述氧化铝颗粒具有以下的粒径分布：将体积基准的累积粒径分布的自大粒径侧起的累积体积为10％、50％、90％的粒径分别设为D10、D50、D90时，D50为3.1～12μm、D10与D90的差除以D50得到的值为0.7～2.4。
前述氧化铝颗粒的平均一次粒径可以为0.3μm以上。前述氧化铝颗粒的α化率可以为70～100％。前述氧化铝颗粒的D10为25μm以下，D90可以为1.0μm以上。前述合金材料可以为选自铝合金及铁合金中的至少一种。前述合金材料可以为含有0.1质量％以上的选自镁、硅、铜、锌、锰、铬及铁中的至少1种金属元素的铝合金。前述合金材料可以为含有10质量％以上的选自铬、镍、钼及锰中的至少一种的铁合金。在本发明的其它方式中，其主旨在于，一种合金材料的研磨方法，其具有使用前述合金材料用研磨组合物对合金材料进行研磨的研磨工序。
发明的效果
根据本发明，能够提高合金材料的研磨特性。
具体实施方式
以下，对将本发明的合金材料用研磨组合物(以下，简称为“研磨组合物”)具体化后的一个实施方式进行说明。本实施方式的研磨组合物用于对合金材料进行研磨的用途。作为合金材料的例子，例如可以举出：铝合金、铁合金、钛合金、镍合金、铜合金等。
铝合金以铝为主成分，例如还含有选自硅、铁、铜、锰、镁、锌及铬中的至少一种。铝合金中的铝以外的金属的含量例如为0.1质量％以上，更具体而言为0.1～10质量％。作为铝合金的例子，例如，可以举出日本工业标准(JIS)H4000：2006中记载的合金编号2000系列、3000系列、4000系列、5000系列、6000系列、7000系列、8000系列的合金。
铁合金以铁为主成分，例如还含有选自铬、镍、钼及锰中的至少一种。铁合金中的铁以外的金属的含量例如为10质量％以上，更具体而言为10～50质量％。作为铁合金的例子，例如可以举出不锈钢等。作为不锈钢的例子，例如，可以举出JIS G4303：2005中记载的SUS201、SUS303、SUS303Se、SUS304、SUS304L、SUS304NI、SUS305、SUS305JI、SUS309S、SUS310S、SUS316、SUS316L、SUS321、SUS347、SUS384、SUSXM7、SUS303F、SUS303C、SUS430、SUS430F、SUS434、SUS410、SUS416、SUS420J1、SUS420J2、SUS420F、SUS420C、SUS631J1的合金。
钛合金以钛为主成分，例如还含有铝、铁及钒。钛合金中的钛以外的金属的含量例如为3.5～30质量％。作为钛合金的例子，例如可以举出JIS H4600：2012中记载的11～23种、50种、60种、61种、80种的金属。
镍合金以镍为主成分，例如还含有选自铁、铬、钼及钴中的至少一种。镍合金中的镍以外的金属的含量例如为20～75质量％。作为镍合金的例子，例如可以举出JIS H4551：2000中记载的合金编号NCF600、NCF601、NCF625、NCF750、NCF800、NCF800H、NCF825、NW0276、NW4400、NW6002、NW6022的合金。
铜合金以铜为主成分，例如还含有选自铁、铅、锌及锡中的至少一种。铜合金中的铜以外的金属的含量例如为3～50质量％。作为铜合金的例子，例如可以举出JIS H3100：2006中记载的合金编号C2100、C2200、C2300、C2400、C2600、C2680、C2720、C2801、C3560、C3561、C3710、C3713、C4250、C4430、C4621、C4640、C6140、C6161、C6280、C6301、C7060、C7150、C1401、C2051、C6711、C6712的合金。
所述各合金材料可以仅应用一种，也可以组合应用两种以上。另外，所述合金材料中的主成分优选为铝及铁中的任一种。
本实施方式的研磨组合物含有氧化铝(矾土)颗粒作为磨粒，还可以进一步含有酸或其盐、及分散助剂。氧化铝颗粒通过对合金材料的表面进行物理研磨来提高合金材料的研磨速度。
将在研磨组合物中的氧化铝颗粒的体积基准的累积粒径分布的自大粒径侧起的累积体积为全部氧化铝颗粒体积的10％、50％、90％的粒径分别设为D10、D50、D90时，D10与D90的差除以D50得到的值([D10-D90]/D50)的下限为0.7以上，优选为1.1以上。所述值为0.7以上时，能够抑制由研磨组合物导致的研磨面的划痕的产生，并且能够使表面粗糙度良好。另外，上述D10与D90的差除以D50得到的值的上限为2.4以下，优选为2.3以下。所述值为2.4以下时，能够提高研磨速度。需要说明的是，体积基准的累积粒径分布可以通过小孔电阻法来测定。
研磨组合物中的氧化铝颗粒的D50的下限为3.1μm以上，优选为3.6μm以上。所述值为3.1μm以上时，能够提高研磨速度。D50的上限为12μm以下，优选为10μm以下。所述值为12μm以下时，能够抑制由研磨组合物导致的研磨面的划痕的产生，并且能够使表面粗糙度良好。
研磨组合物中的氧化铝颗粒的D10的下限优选为3μm以上，更优选为6μm以上。所述值为3μm以上时，能够使研磨速度进一步提高。D10的上限优选为25μm以下，更优选为22μm以下。所述值为25μm以下时，能够进一步抑制由研磨组合物导致的研磨面的划痕的产生，并且能够使表面粗糙度更良好。
研磨组合物中的氧化铝颗粒的D90的下限优选为1.0μm以上，更优选为1.3μm以上。所述值为1.0μm以上时，能够使研磨速度进一步提高。D90的上限优选为8μm以下，更优选为4μm以下。所述值为8μm以下时，能够进一步抑制由研磨组合物导致的研磨面的划痕的产生，并且能够使表面粗糙度更良好。
氧化铝颗粒的平均一次粒径的下限优选为0.3μm以上，更优选为0.6μm以上，进一步优选为1.0μm以上。随着磨粒的平均粒径变大，研磨对象物的研磨速度提高。研磨组合物中所含的氧化铝颗粒的平均一次粒径的上限优选为12μm以下，更优选为10μm以下。随着氧化铝颗粒的平均一次粒径变小，能够进一步抑制由研磨组合物导致的研磨面的划痕的产生，并且能够使表面粗糙度更良好。需要说明的是，氧化铝颗粒的一次粒径可以测量利用扫描电子显微镜得到的该颗粒的图像的面积、以与其相同面积的圆的直径的形式求出，可以使用一般的图像分析软件来求出。平均一次粒径为在扫描电子显微镜的视场范围内存在的多个颗粒的一次粒径的平均值。
研磨组合物中所含的氧化铝颗粒的BET比表面积的下限优选为0.1m2/g以上，更优选为0.2m2/g以上。随着氧化铝颗粒的BET比表面积变大，能够进一步抑制由研磨组合物导致的研磨面的划痕的产生，并且能够使表面粗糙度更良好。研磨组合物中所含的氧化铝颗粒的BET比表面积的上限优选为4.0m2/g以下，更优选为3.5m2/g以下。随着氧化铝颗粒的BET比表面积变小，研磨对象物的研磨速度提高。需要说明的是，氧化铝颗粒的BET比表面积可以使用流动式比表面积自动测定装置并通过氮吸附法来测定。
从提高研磨速度的观点出发，优选α化率高的氧化铝颗粒。氧化铝颗粒的α化率优选为70～100％，更优选为85～100％。氧化铝颗粒的α化率由通过X射线衍射测定得到的(113)面衍射线的积分强度比来求出。
研磨组合物中的氧化铝颗粒的含量的下限优选为0.1质量％以上，更优选为5质量％以上，进一步优选为10质量％以上。随着氧化铝颗粒的含量变多，利用研磨组合物的合金的研磨速度进一步提高。研磨组合物中的氧化铝颗粒的含量的上限优选为50质量％以下，更优选为40质量％以下。随着氧化铝颗粒的含量变少，不仅减少研磨组合物的制造成本，而且通过使用了研磨组合物的研磨容易获得划痕少的表面。
从提高研磨速度的观点出发，可以配混酸或其盐。作为酸或其盐，可以举出无机酸、有机酸或它们的盐。作为无机酸的例子，例如以可举出盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸、硼酸、碳酸、次亚磷酸、亚磷酸、磷酸等。作为有机酸的例子，例如可以举出甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、2-甲基丁酸、正己酸、3,3-二甲基丁酸、2-乙基丁酸、4-甲基戊酸、正庚酸、2-甲基己酸、正辛酸、2-乙基己酸、苯甲酸、乙醇酸、水杨酸、甘油酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、马来酸、邻苯二甲酸、苹果酸、酒石酸、柠檬酸、乳酸、二乙醇酸、2-呋喃羧酸、2,5-呋喃二羧酸、3-呋喃羧酸、2-四氢呋喃羧酸、甲氧基乙酸、甲氧基苯基乙酸、苯氧基乙酸等羧酸、甲磺酸等磺酸、膦酸等。
研磨组合物中的酸或其盐的含量的下限优选为0.01质量％以上，更优选为0.1质量％以上，进一步优选为0.5质量％以上。酸或其盐的含量为0.01质量％以上时，能够进一步提高研磨速度。研磨组合物中的酸或其盐的含量的上限优选为10质量％以下，更优选为8质量％以下，进一步优选为7质量％以下。酸或其盐的含量为10质量％以下时，通过使用了研磨组合物的研磨容易获得划痕少的表面。
从使磨粒的聚集体的再分散变得容易的观点出发，可以配混分散助剂。作为分散助剂的例子，例如可以举出聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚羧酸、聚羧酸盐、乙二醇、丙二醇、丙三醇、聚乙二醇、聚氧化乙烯、聚氧化乙烯烷基醚、膨润土、烷基磺酸、三聚磷酸盐、六偏磷酸盐等。
研磨组合物中的分散助剂的含量的下限优选为0.01质量％以上，更优选为0.1质量％以上。研磨组合物中的分散助剂的含量的上限优选为10质量％以下，更优选为5质量％以下。分散助剂的含量在上述优选的范围内时，可实现研磨性能的稳定化，被研磨物的平滑性变得更适宜。
本实施方式的研磨组合物可以根据需要含有除前述成分以外的成分，例如促进合金材料溶解的蚀刻剂；使合金材料的表面氧化的氧化剂；对合金材料的表面、磨粒表面起作用的水溶性聚合物；抑制合金材料表面腐蚀的防腐蚀剂、螯合剂；具有其它功能的防腐剂、防霉剂等成分。
作为蚀刻剂的例子，除上述酸以外，还可以应用碱。作为碱的例子，例如可以举出氢氧化钾、氢氧化钠等无机碱、氨、胺、季铵氢氧化物等有机碱等。
作为氧化剂的例子，例如可以举出过氧化氢、过乙酸、过碳酸盐、过氧化脲、高氯酸盐、过硫酸盐等。
作为水溶性聚合物的例子，例如可以举出聚羧酸、聚膦酸、聚苯乙烯磺酸等聚磺酸；黄原胶、藻酸钠等多糖类；羟乙基纤维素、羧甲基纤维素等纤维素衍生物；聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、山梨糖醇酐单油酸酯、具有一种或多种氧化烯单元的氧化烯系聚合物、它们的共聚合物、它们的盐、它们的衍生物等。
对本实施方式的研磨组合物的pH没有特别限定，优选为7.0以下，更优选为1.0～6.0，进一步优选为1.5～4.5。研磨组合物的pH在该优选的范围内时，能够进一步提高研磨速度。作为研磨组合物的pH调节剂，可以适当采用上述酸、碱、或它们的盐。
接着，对使用了上述研磨组合物的合金材料的研磨方法进行说明。
合金材料的研磨方法具有使用上述研磨组合物对合金材料进行研磨的研磨工序。研磨组合物可以在与金属材料的研磨中通常使用时相同的装置及条件下使用。在使用研磨垫的情况下，通过研磨垫与合金材料之间的摩擦及研磨组合物与合金材料之间的摩擦对合金材料进行物理研磨。
作为研磨装置的例子，例如，可以举出单面研磨装置及双面研磨装置。在单面研磨装置中，用被称作载台(carrier)的保持工具保持合金材料，边供给研磨组合物，边将贴附有研磨垫的平板按压在合金材料的单面并使平板旋转。由此对合金材料的单面进行研磨。在双面研磨装置中，用载台保持合金材料，边从上方供给研磨组合物，边将贴附有研磨垫的平板按压至合金材料的双面并使平板旋转。由此对合金材料的双面进行研磨。
研磨条件中包含研磨载荷及研磨线速度。通常随着研磨载荷变高，机械加工特性提高，因此研磨速度提高。另外，通常随着研磨载荷变低，研磨面的表面粗糙被抑制。在应用于使用了研磨组合物的研磨时的研磨载荷例如优选为20～1000g/cm2，更优选为50～500g/cm2。
研磨线速度通常受研磨垫的转速、载台的转速、合金材料的大小、合金材料的数量等的影响。线速度高时，由于施加到合金材料的摩擦力变大，因此容易对合金材料进行机械研磨。研磨线速度例如优选为10～300m/分钟，更优选为30～200m/分钟。线速度在上述范围内时，不仅能实现非常高的研磨速度，而且能够对合金材料赋予适度的摩擦力。对研磨垫没有特别限定，例如，可以使用无纺布型、绒面革型、含有磨粒的研磨垫、不含有磨粒的研磨垫中的任意种。
根据上述实施方式的研磨组合物，能够得到以下的效果。
(1)上述实施方式的研磨组合物中，以含有氧化铝颗粒的方式构成，所述氧化铝颗粒具有以下的粒径分布：将体积基准的累积粒径分布的自大粒径侧起的累积体积为全部氧化铝颗粒体积的10％、50％、90％的粒径分别设为D10、D50、D90时，D50为3.1～12μm、D10与D90的差除以D50得到的值为0.7～2.4。因此，能够提高对合金材料的研磨特性。更具体而言，能够提高对合金材料的研磨速度。另外，能够抑制因研磨组合物导致的研磨面的划痕的产生，并且使表面粗糙度良好。
需要说明的是，上述实施方式可以进行如下改变。
·前述研磨组合物可以为单组分型，也以为由双组分以上构成的多组分型。
·前述研磨组合物可以通过用水稀释研磨组合物的原液来制备。
·可以在使用前述研磨组合物的合金材料的研磨之前进行抛光研磨工序。也可以在使用研磨组合物的合金材料的研磨之后进行精加工研磨工序。
[实施例]
接着，举出实施例及比较例进一步具体说明前述实施方式。需要说明的是，本发明不限定于实施例栏记载的构成。
(试验例1：对铝合金的研磨试验)
将作为磨粒的下述表1所示的各例的氧化铝颗粒以含量成为20质量％的方式用水稀释，以含量成为0.5质量％的方式分别加入作为分散助剂的聚丙烯酸钠(质均分子量：2000)并进行搅拌，从而制备混合液。接着，边利用pH计确认pH，边向前述混合液中以酸或其盐的形式加入柠檬酸，调节至pH2.2，由此制备各例的研磨组合物。将各例的研磨组合物中所含有的氧化铝颗粒的详细情况示于表1。
表1中的D10、D50、D90栏分别示出在氧化铝颗粒的粒度分布中体积基准的累积粒径分布的自大粒径侧起的累积体积为10％、50％、90％的粒径。D10、D50、D90使用粒度分布测定装置(MultisizerIII型、Beckman Coulter,Inc.制)通过小孔电阻法来测定。
氧化铝颗粒的BET比表面积(SA)使用流动式比表面积自动测定装置(FlowSorbII、岛津制作所株式会社制)通过氮吸附法来测定。
氧化铝颗粒的平均一次粒径由扫描电子显微镜(S-4700、Hitachi High-Technologies Corporation制)的图像使用图像分析软件来测定。对于测定，对选自扫描电子显微镜的10个视场中的合计200个氧化铝(每1个视场20个)进行实施。
氧化铝颗粒的α化率使用X射线解析装置(Ultima IV、Rigaku Corporation制)由通过X射线衍射测定得到的(113)面衍射线的积分强度比来算出。
使用实施例1～4及比较例1～3的各研磨组合物，在表3所示的条件下对铝合金进行研磨。然后，求出利用各研磨组合物的铝合金的研磨速度，并且测定研磨后的铝合金的表面粗糙度及划痕的产生的有无。
<研磨速度的算出>
由研磨前后的合金材料的质量差算出研磨速度。将其结果示于表2的“研磨速度”栏。
<表面粗糙度的测定>
研磨后的合金材料的表面粗糙度Ra使用非接触表面形状测定器(激光显微镜VK-X200、KEYENCE CORPORATION制)来测定。需要说明的是，表面粗糙度Ra是表示粗糙度曲线的高度方向的振幅的平均值的参数，表示在一定视场内的合金材料表面的高度的算术平均值。将通过表面粗糙度形状测定机得到的测定范围设为285×210μm。将其结果示于表2的“表面粗糙度Ra”栏。
<划痕产生的有无>
在荧光灯下，通过以目视确认由研磨表面整面观察到的划痕来评价划痕产生的有无。将其结果示于表2的“划痕产生的有无”栏。
[表1]
[表2]
[表3]
如表2所示，在实施例1～4的情况下，确认了能得到良好的研磨速度。另外，由研磨组合物导致的研磨面的表面粗糙度低，也没有观察到划痕的产生。对于不满足本发明要件的比较例1，没有得到比各实施例高的研磨速度。另外，比较例2、3相对于各实施例，成为表面粗糙度劣化的结果。
(试验例2：对不锈钢的研磨试验)
将作为磨粒的下述表4所示的各例的氧化铝颗粒以含量成为20质量％的方式用水稀释，以含量成为0.5质量％的方式分别加入作为分散助剂的聚丙烯酸钠(质均分子量：2000)并进行搅拌，从而制备混合液。接着，边利用pH计确认pH，边向前述混合液中以酸或其盐的形式加入柠檬酸，调节至pH2.2，由此制备各例的研磨组合物。将各例的研磨组合物中所含有的氧化铝颗粒的详细情况示于表4。表4中所示的各参数的测定方法与试验例1同样。
使用实施例5～10及比较例4、5的各研磨组合物，在表6所示的条件下对铁合金(SUS)进行研磨。然后，求出利用各研磨组合物的铁合金的研磨速度，并且测定研磨后的铁合金的表面粗糙度及划痕的产生的有无。
<研磨速度的算出>
使用与试验例1同样的方法。将其结果示于表5的“研磨速度”栏。
<表面粗糙度的测定>
使用与试验例1同样的方法。将其结果示于表5的“表面粗糙度Ra”栏。
<划痕产生的有无>
使用与试验例1同样的方法。将其结果示于表5的“划痕产生的有无”栏。
[表4]
[表5]
[表6]
如表5所示，在实施例5～10的情况下，确认了能得到良好的研磨速度。另外，由研磨组合物导致的研磨面的表面粗糙度低，也没有观察到划痕的产生。不满足本发明要件的比较例4没有得到比各实施例高的研磨速度。另外，比较例5观察到了划痕的产生。
由以上的结果可知，通过使用本发明的研磨组合物，能以快的研磨速度获得具有表面粗糙度Ra更小的研磨面的合金材料，即研磨面的表面粗糙少、抑制了缺陷的合金材料。

Claims (9)

1.一种合金材料用研磨组合物，其将合金材料作为研磨对象，且含有氧化铝颗粒和水，所述氧化铝颗粒具有以下的粒径分布：将体积基准的累积粒径分布的自大粒径侧起的累积体积为10％、50％、90％的粒径分别设为D10、D50、D90时，D50为3.1～12μm、D10与D90的差除以D50得到的值为0.7～2.4。
2.根据权利要求1所述的合金材料用研磨组合物，其中，所述氧化铝颗粒的平均一次粒径为0.3μm以上。
3.根据权利要求1或2所述的合金材料用研磨组合物，其中，所述氧化铝颗粒的α化率为70～100％。
4.根据权利要求1或2所述的合金材料用研磨组合物，其中，所述氧化铝颗粒的D10为25μm以下，D90为1.0μm以上。
5.根据权利要求1或2所述的合金材料用研磨组合物，其中，所述合金材料为选自铝合金及铁合金中的至少1种。
6.根据权利要求5所述的合金材料用研磨组合物，其中，所述合金材料为铝合金，所述铝合金含有0.1质量％以上的选自镁、硅、铜、锌、锰、铬及铁中的至少1种金属元素。
7.根据权利要求5所述的合金材料用研磨组合物，其中，所述合金材料为铁合金，所述铁合金含有10质量％以上的选自铬、镍、钼及锰中的至少一种。
8.根据权利要求1或2所述的合金材料用研磨组合物，其中，所述合金材料用研磨组合物中的氧化铝颗粒的含量为0.1～50质量％。
9.一种合金材料的研磨方法，其具有使用权利要求1～8中任一项所述的合金材料用研磨组合物对合金材料进行研磨的研磨工序。
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