JP2008222979A - 研磨用複合粒子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】担体粒子表面に、砥粒が安定に保持されてなる研磨用複合粒子を効率良く製造することのできる研磨用複合粒子の製造方法を提供する。
【解決手段】熱プラズマ（２１）を形成してなるチャンバー（１１）内に担体粒子と砥粒とを供給し、担体粒子の表面に１種以上の砥粒を担持させることを特徴とする研磨用複合粒子の製造方法により、上記課題を解決した。
【選択図】図１

Description

本発明は、研磨用複合粒子の製造方法に関し、さらに詳しくは、自動車産業、化学分析機器産業、光学関連産業等に用いられる部品の表面仕上げ、表面改質、バリ取り等において、研磨、ブラスト、バレル加工等、広範な加工技術の分野に用いることができる研磨用複合粒子の製造方法に関する。

近年、医療機器や化学分析機器に代表される各種精密部品の飛躍的な高度化、機能化が進む中、例えば、内径０．５ｍｍ以下の細管ないしキャピラリーの内面、あるいは、スリット幅１ｍｍ以下の櫛歯状スリット等の内面を鏡面仕上げする要望や、内面に生じた微細なバリを除去する要望が非常に多い。

このような細管の内面研磨には、従来、電解研磨法や、細管の一端から研磨材スラリーを高速流動させて研磨する高速流動加工法が用いられている。一般に、内面が０．５ｍｍ以上の細管は、マンドレルを用いて引き抜き加工することによって製造されている。従って、マンドレルの精度を維持することにより高精度の引き抜き細管を作製できる。しかし、内径が０．５ｍｍ以下になると技術的にマンドレルを利用できなくなり、マンドレルなしで引き抜き加工して細管が作製される。このため、細管内面の形状精度（真円度）や面精度は途端に悪化し、このことが細管の内面研磨を難しくしている要因となっている。

内面の微小凹凸部が不揃いな細管を電解研磨法を用いて仕上げようとしても、原理的に高精度の表面を得ることが難しい。さらに、細管の小径化は電極の挿入さえ困難にするものである。また、高速流動加工法では、管の内径が０．５ｍｍ以下においても原理的には研磨可能であるが、長さが長くなると管の端部に比べて中心部ではスラリーの流速が減衰する。このため、例えば、長さ１０ｍｍ以下程度の短尺な工作物への適用は可能であるが、それ以上の長尺物への適用は困難であった。

ところで、一般の機械加工では困難な部品の研磨、例えば、複雑形状を有する部品の表面、工具が入らない穴の内面、工具が届かない管の内面等の研磨等を行うことのできる方法として、磁場の作用を取り込んだ精密加工技術である「磁気援用加工法（磁気研磨法）」が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

この加工法は、磁力線を媒介にして磁性砥粒や磁性粒子に加工力と運動力を与えて精密な表面加工を実現するものである。磁力線を媒介にする意味は、Ｘ線の物体透過現象と同じく、磁力線が非磁性体を透過する現象に着目した技術であり、従来の機械加工では困難な部品の研磨を可能とすることができる。

磁気研磨法で利用される磁性砥粒は、磁場の作用により被加工物に押し付けられるとともに被加工物との間で相対運動する。磁気研磨法で利用される従来公知の磁性砥粒としては、磁性を有する研磨粒子である磁性砥粒や、磁性を有しない汎用の研磨粒子と磁性を有するが研磨性能は十分でない磁性粒子との混合物からなる磁性砥粒（混合砥粒ともいう。）が知られている。前者の場合は、磁場の作用により研磨粒子自体が運動して被加工物の表面を研磨するが、後者の場合は、磁場の作用により運動するのは磁性粒子であり、研磨粒子は磁性粒子の運動に伴って運動して被加工物の表面を研磨する。この後者の混合砥粒においては、磁性を有しない研磨粒子が磁性粒子の運動に伴って十分に運動しないことがあり、特に、被加工物の内径に合わせて、小粒径化していくとその傾向が大きく、研磨性能が不安定となる。

一方、前者の磁性砥粒は、特に精密研磨に関しては混合砥粒よりも原理的に優れると考えられている。

このような磁性砥粒としては、磁性粒子の表面に研磨微粒子を含有した無電解めっき皮膜を形成した磁性砥粒が提唱されている（例えば、特許文献２を参照）。しかしながら、このようにして得られた磁性砥粒は、磁気研磨加工中にめっき皮膜が母材（例えば、鉄粉）表面から剥がれて砥粒が欠落してしまい、安定した研磨作用を期待できないものであった。

さらに、前者の磁性砥粒としては、融解して作製した鉄と酸化アルミニウムとのインゴットを機械的に粉砕、整粒して得られたものが知られており、市販されている（東洋研磨材工業株式会社製、商品名：ＫＭＸ−８０）。しかし、この磁性砥粒は機械的粉砕によって得られるものであるため、形状が不定形でかつ不揃いであり、内径が例えば０．２ｍｍ以下の細管になると、管内部に供給することさえ困難となる。さらに、母材となる鉄に対して非磁性である酸化アルミニウム粒が内部においても混在しているため、磁気に対する感応性低く、殊に、小粒径化が進むにつれその傾向が高まり、磁気研磨法による研磨を有効に行えないという問題も生じるものであった。
特開２００２−１９２４５３号公報 特開２００２−２６５９３３号公報

本発明は、上記したような従来技術における課題を解決するためになされたものであって、その目的は、担体粒子表面、特に球状担体粒子表面に、砥粒が安定に保持されてなる研磨用複合粒子を効率良く製造することのできる研磨用複合粒子の製造方法を提供することにある。

本発明はさらに、磁気研磨法による、細長くて狭い円管内面やスリットの内面等の精密仕上げ、精密内面バリ取り等といった、研磨、ブラスト、バレル加工等の広範な加工技術の分野に好適に用いることができる研磨用複合粒子の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決する本発明の研磨用複合粒子の製造方法は、熱プラズマを形成してなるチャンバー内に担体粒子と砥粒とを供給し、融解された担体粒子の表面に１種以上の砥粒を担持させることを特徴とする。

本発明の研磨用複合粒子の製造方法においては、前記担体粒子として予め球状化させたものを用い、前記熱プラズマとして当該担体粒子の表面近傍領域のみを融解する低温条件のものを用いるものであることが好ましい。

本発明の研磨用複合粒子の製造方法においては、さらに、前記担体粒子を予め球状化させる処理が、予め前記担体粒子のみを別途、前記熱プラズマを形成してなるチャンバー内に供給して、当該担体粒子を溶融し、溶融した担体粒子の表面張力により球状化させた後、冷却、凝固することによって行われるものとすることができる。

本発明の研磨用複合粒子の製造方法において、前記担体粒子と前記砥粒とは、予め混合された状態で前記熱プラズマ中に供給されることができる。

あるいは、本発明の研磨用複合粒子の製造方法において、前記担体粒子と前記砥粒とは、それぞれ別々の経路を経て前記チャンバー内へ供給し、前記熱プラズマ中を通過することで少なくとも表面近傍領域が溶融状態にある担体粒子に対し、前記砥粒をチャンバー内で混合することも可能である。

本発明の研磨用複合粒子の製造方法においては、前記担体粒子を、磁性金属又は磁性セラミックスからなるものとすることができる。

さらに、本発明の研磨用複合粒子の製造方法において、前記砥粒が、酸化物、炭化物、ダイヤモンド、及び窒化物からなる群から選ばれる少なくとも１種のものとすることができる。

本発明の研磨用複合粒子の製造方法によれば、母材となる担体粒子の表面に研磨材である砥粒を安定に保持した複合研磨材を磁性砥粒として提供できる。従って、母材となる担体粒子と砥粒との組み合わせを調整することにより、所望の研磨機能をもたせた各種、各粒径の磁性砥粒を作製することができる。本発明で製造された研磨用複合粒子は、一般の研磨材と同様に、研磨、ブラスト、バレル加工等の広範な加工技術の分野に用いることができる。

特に、母材となる担体粒子として、磁性金属又は磁性セラミックス等の磁性粒子を用いれば、小径化を図っても、良好な作用磁力を発揮すると同時に、良好な研磨力を安定して発揮できる磁性研磨用複合粒子を得ることができるために、磁性研磨法による微細管内部等の精密加工に好適に用いることができる。

また、本発明の研磨用複合粒子の製造方法によれば、得られる研磨用複合粒子として、形状が球状のものを得ることができるため、粒径を揃えれば各砥粒に作用する加工圧力を一様にすることができ、研磨加工精度と能率を向上させ得ることができ、平滑面の創成に有効である。また、球状を有するため、例えば、内径０．２ｍｍ以下というような細管内部への供給も可能であり、特にこのような研磨用複合粒子を液体中に分散してスラリー状の研磨材とすれば、細管内面等の微小空間への供給が容易であり、また、磁性研磨法を適用するにおいて、磁力に加えて流体の粘性によって加工力を調整することができるため、細く長い管体あるいはスリット等の内面の鏡面仕上げや、バリ取り等の精密仕上げを制御性良く、効果的に行うことができる。また、得られた研磨用複合粒子が球状の研磨材であることにより、上記したような細管内面研磨に限られず、光学部品や金型等の超精密研磨の可能性を拡張することが期待される。

さらに、母材となる担体粒子として、磁性金属又は磁性セラミックス等の磁性粒子を用いた場合、磁性担体粒子と研磨材である砥粒とが複合され一体化するため、磁性粒子と研磨粒子とを混合して用いる従来の場合とは異なり、磁気研磨加工時において１種類の粒子のみの挙動を制御すれば良く、加工能力、加工効力共に格段に向上できるものである。

以下、本発明を実施形態に基づき詳細に説明する。

本発明に係る研磨用複合粒子の製造方法は、熱プラズマを形成してなるチャンバー内に担体粒子と砥粒とを供給し、融解された担体粒子の表面に１種以上の砥粒を担持させることを特徴とするものである。

本発明において用いられる熱プラズマは、従来、主にプラズマ溶射法において用いられるような熱プラズマと同類のものであり、粒子密度が高く、イオンや中性粒子の温度がほぼ電子温度と等しいとされるプラズマである。

本発明において用いられるこのような熱プラズマの種類としても、特に限定されるものではなく、直流アーク放電による直流熱プラズマ、高周波（ＲＦ）誘導結合型熱プラズマ、マイクロ波加熱プラズマ、ハイブリッドプラズマ等の従来プラズマ溶射法において応用されているいずれのものを用いることも可能である。

また、プラズマガス種及び雰囲気ガスとしても、特に限定されるものではなく、用いられる担体粒子及び砥粒の種類に応じて、各種のものを用いることができるが、例えば、担体粒子として鉄材等を用いる場合には、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気あるいはこれらの不活性ガスに水素を添加してなる還元ガス雰囲気とすることが望ましい。なお、この場合、水素はプラズマガス種としても機能する。また、プラズマは大気圧下によって発生させるものであっても、減圧下にて発生させるものであっても良い。不活性ガス雰囲気あるいは還元ガス雰囲気中とする場合には、真空装置等を用いて一旦大気を系外に掃気した後、不活性ガスあるいは還元ガスを導入して所定圧に設定すれば良い。

図１は、本発明に係る研磨用複合粒子の製造方法に用いられるプラズマ処理装置の構成の一例を示す模式図である。

このプラズマ処理装置１０においては、真空ポンプ（図示せず）に接続された真空チャンバー１１の上端部に、直流アーク放電型のプラズマ噴射ノズル１２が備え付けられている。このプラズマ噴射ノズル１２は、中心部に位置する陰極１３とこれを周面方向において離間囲繞する陽極１４とを有し、この陰極１３と陽極１４との間の環状の流路１５には、外部よりプラズマガスを供給するプラズマガス供給ライン１６が接続されている。さらに、ノズル内の陽極１４の外周側には、さらに別の環状の流路１７が形成されており、この流路１７は粉体供給ライン１８を介して粉体供給装置１９へと接続されている。一方で、この流路１７はノズル１２内で、陽極１３及び陰極１４よりもチャンバー１１側に近い位置で、ノズル中心側に向かって開口しており、内側に位置する管状の流路１５に合流し、プラズマ噴射ノズル１２の下端に位置する噴射ノズル開口部２０へと至っている。

このプラズマ処理装置１０において、プラズマ噴霧ノズル１２内の陰極１３と陽極１４との間に電圧をかけて直流アークを発生させると、プラズマガス供給ライン１６から送給されるプラズマガスが、両電極間の管状の流路１５を通過する際に電離し、プラズマを発生する。そして、発生したプラズマフレーム２１中に、環状の流路１７を通って担体粒子及び砥粒が供給されると、プラズマの熱によって、例えば、担体粒子の少なくともその表面領域が瞬間的に溶融されることにより、担体粒子表面に砥粒が融着し複合化する。この状態で、複合粒子は、チャンバー１１内を装置下部に向けて落下する間に冷却されて凝固し、担体粒子の表面に砥粒が固着担持された複合粒子が得られるものである。

粉体供給装置１９から環状の流路１７への担体粒子と砥粒の供給は、例えば、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス等からなる搬送ガスに乗せて粉体供給ライン１８を介して行われる。

本発明に係る研磨用複合粒子の製造方法に用いられるプラズマ処理装置の構成としては、図１に示した実施形態に何ら限定されるものではない。

例えば、図１に示す実施形態では、担体粒子及び砥粒を混合体として１つの経路を通じて、プラズマフレーム２１中に供給するようなプラズマ噴射ノズル１２を用いたが、図２に示す別の実施形態におけるように、陰極１３と陽極１４との間のプラズマガスが供給される環状の流路１５に、前記陽極１３及び陰極１４よりもチャンバー１１側に近い位置で合流する、すなわち、発生するプラズマフレーム中へと向かい開口された第１粉体流路１７ａとは別途に、噴射ノズル開口部２０の側方においてチャンバー１１内へと開口された第２粉体流路１７ｂを有するような構成のプラズマ噴射ノズル１２’を用いることも可能である。そして、第１粉体流路１７ａと通じて担体粒子を、また第２粉体流路１７ｂを通じて砥粒を、それぞれ独立して前記チャンバー内へ供給し、プラズマフレーム中を通過することで少なくとも表面近傍領域が溶融状態にある担体粒子に対し、砥粒をチャンバー内で混合することで表面に付着させることも可能である。このような実施形態においては、砥粒はプラズマフレーム中の高温域に曝される可能性が小さくなるため、砥粒の熱プラズマによる溶融、球状化のおそれが十分に排除できるものとなる。

また、図１に示す実施形態では、直流アーク放電型のプラズマ噴射ノズルとしているが、上記したように、高周波（ＲＦ）誘導結合型、マイクロ波加熱型、ハイブリッド型といった、その他のプラズマ発生機構に応じた噴射ノズル形態を採択することはもちろん可能である。

本発明に係る研磨用複合粒子の製造方法において、担体粒子の形状としては特に限定されるものではないが、その形状が球状のものとすることが好ましい。このように球状のものとすると、粒径を揃えれば各砥粒に作用する加工圧力を一様にすることができ、研磨加工精度と能率を向上させ得ることができ、平滑面の創成に有効であるためである。また、球状を有するため、例えば、内径０．２ｍｍ以下というような細管内部への供給も可能であり、特にこのような研磨用複合粒子を液体中に分散してスラリー状の研磨材とすれば、細管内面等の微小空間への供給が容易な研磨材とすることができるためである。

このような担体粒子の形状が球状の研磨用複合粒子を得るためには、担体粒子として予め球状化させたものを用い、熱プラズマとして担体粒子の表面近傍領域のみを融解する低温条件にて、上記したようなプラズマ処理を行い、担体粒子表面に砥粒を固着担持させる必要がある。

すなわち、後述する比較例において示すように、担体粒子として不定形のものを用いた場合であっても、担体粒子が内部まで溶融するような高温の熱プラズマに曝すと、溶融した液状の担体粒子は、液体の表面張力により球状化することができるが、このように担体粒子が内部まで溶融するような液状の状態とされると、その表面部に砥粒が分散的に良好に保持されず、一部の砥粒は砥粒同士の凝集体として、担体粒子から離れて存在してしまうことが生じることが明らかとなったためである。さらに、このような高温の熱プラズマに砥粒が曝されることで、砥粒も溶融、球状化してしまい、得られる研磨用複合粒子の加工能力を低下させる虞れも生じるためである。

なお、熱プラズマとして担体粒子の表面近傍領域のみを融解する低温条件は、使用される担体粒子の材質、担体粒子の大きさ、担体粒子のプラズマ中の通過速度（担体粒子の供給速度）、プラズマ形成場の圧力条件、プラズマガス種等によって左右されるものであるので、これらの影響因子を考慮の上、通電電流を調整する等によって適宜決定すれば良い。

また、担体粒子を予め球状化させる処理としては、特に限定されるものではなく、例えば、火炎（フレーム）中を通過させる等により溶融して球状化する方法、メカノケミカル的な球形化処理、あるいは噴霧乾燥法のような粒子製造技術等の公知のいずれの手法を用いることもできる。あるいはまた、熱プラズマを用いることによっても担体粒子を好適に球状化することができる。すなわち、予め担体粒子のみを別途、高温の熱プラズマを形成してなるチャンバー内に供給して、担体粒子を内部まで溶融し、溶融粒子の表面張力により球状化させた後、冷却、凝固することによって行う方法である。

本発明の研磨用複合粒子の製造方法において、用いられる担体粒子の材質としては、担体として十分な強度を有するものであれば良く、各種の材料を用いることができる。なお、得ようとする複合粒子を、磁性研磨用とする場合には、例えば、カルボニル鉄粉、電解鉄のような鉄材、ニッケル、ないしＮｉ−Ｐ合金やＮｉ−Ｂ合金等のニッケル合金材、コバルトないしコバルト合金、等の金属、あるいは、磁性セラミックス等を用いることができる。磁性セラミックスとしては、例えば、Ｍｎ−Ｚｎフェライト、Ｎｉ−Ｚｎフェライト、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト等の磁性セラミックのほか、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｃｕ_２ＭｎＡｌ、Ｃｕ_２ＭｎＩｎ、ＭｎＢ、Ｆｅ_３Ｃ、Ｍｎ_４Ｎ、ＭｎＢｉ、ＭｎＳｂ、ＭｎＡｓ、ＣｒＦｅ、ＣｒＯ_２、ＥｕＳ、ＥｕＯ、ＣｏＰｔ、Ｆｅ_３Ａｌ、ＭｎＦｅ_２Ｏ_４、ＦｅＦｅ_２Ｏ_４、ＳｍＦｅＯ_３、ＣｏＦｅ_２Ｏ_４、ＮｉＦｅ_２Ｏ_４、ＭｎＢｉ、ＣｕＦｅ_２Ｏ_４、Ｌｉ_０．５Ｆｅ_２．５Ｏ_４、ＭｇＦｅ_２Ｏ_４、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、Ｇｄ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＢａＦｅ_１２Ｏ_１９、Ｌａ_０．５Ｃａ_０．５ＭｎＯ_３等の磁性粒子の少なくとも１種を含み、これらを炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化クロム、炭化クロム、炭窒化クロム、炭化チタン、炭化ジルコニウム等といった酸化物、窒化物、炭化物、さらに酸窒化物、ケイ化物及びホウ化物と共に焼結してなる磁性セラミック等公知の各種のものを用いることができる。

また、担体粒子の平均粒子径としては、得られる研磨用複合粒子の研磨対象とする被加工物の形状等によって左右されるため、特に限定されるものではないが、例えば、０．１〜１００μｍの範囲、より好ましくは１〜５０μｍの範囲のものとすることができる。

一方、砥粒としても、特に限定されるものではなく、研磨処理を行おうとする被加工物に対する研磨力等に応じて、適当なものが用いられるが、例えば、ＪＩＳ表示でＡ、ＷＡ、ＧＣ、ＳＡ、ＭＡ、Ｃ、ＭＤ、ＣＢＮといったものを含む、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ＺｒＯ_２、Ｂ_４Ｃ及びダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、ＭｇＯ、ＣｅＯ_２又はヒュームドシリカ等といった、各種酸化物、炭化物、ダイヤモンド、及び窒化物等を１種又は２種以上組み合わせて用いることができる。

また、砥粒の平均粒子径としては、得られる研磨用複合粒子の研磨対象とする被加工物の形状等によって左右されるため、特に限定されるものではないが、例えば、担体粒子の上に安定に保持され、かつ望ましくは、複合粒子とした場合において、複合粒子が略球状の形状を呈することができるように、少なくとも砥粒の平均粒子径が担体粒子の平均粒子径よりも小さい、好ましくは、砥粒の平均粒子径が担体粒子の平均粒子径の１０分の１以下、より好ましくは５０分の１以下〜２０分の１以下であり、かつ０．０１〜１０μｍの範囲程度のものとすることができる。

また、本発明の研磨用複合粒子の製造方法において、担体粒子表面への砥粒との担持する上で、予めこれらを混合し、担体粒子表面に砥粒を付着させておいて、熱プラズマ中に供給する場合、これらの混合方法としては、特に限定されるわけではなく、例えば、単純なボールミル、あるいは多軸的なメカニカルミル等の公知の各種の機械的混合法によって行うことが可能である。さらにこの場合、熱プラズマ中へ供給するまでの過程において、担体粒子表面からの砥粒の脱落を防ぐために、混合粉末を、熱プラズマ中で除去可能なコーティング剤、例えば、アルミナコロイド溶液で覆い、乾燥させ、必要に応じて、粉砕処理を行うといった工程を付加することが可能である。

このような本発明に係る研磨用複合粒子の製造方法により得られる複合粒子は、代表的には、図３に示すように、母材となる担体粒子、好ましくは球状の磁性担体粒子２の表面に複数の砥粒３を固着担持させた形態を呈するものとなる。

なお、本発明に係る研磨用複合粒子１においては、担体粒子２の表面に砥粒３を固着担持させたものであるので、母材内部に完全に埋め込まれた状態の砥粒は実質的に存在せず、融解して作製した鉄と酸化アルミニウムとのインゴットを機械的に粉砕して得られる従来の磁性砥粒における砥粒の分布状態とは本質的に異なるものである。

本発明に係る研磨用複合粒子において、担体粒子２の表面に砥粒３が「固着担持」させているとは、砥粒３が担体粒子２の表面に単純にファンデルワールス力等によって物理的に付着している、あるいはコーティング被膜等の何らかの接着作用層の存在によって表面に保持されているといった状態、換言すれば、担体粒子と砥粒とがその付着部において単純な点接触ないし微細な面接触をしている状態とは異なり、担体粒子２と砥粒３とがその接触界面において、少なくともその一方の材料（望ましくは主として担体粒子材料）が相手材の表面形状に追従して塑性変形し、比較的大きな接触面積を持って、物理的及び／又は化学的に結合された状態を指すものである。

本発明に係る研磨用複合粒子１において、母材となる担体粒子２は、各砥粒３に作用する加工圧力を一様にすることができ、精密性の高い研磨を実施できること、また、研磨加工時に微細な細管内部等への導入が容易となるために、その球形度が高いことが望ましい。特に限定されるわけではないが、例えば、球形度０．７以上、好ましくは０．８５以上、より望ましくは、０．９以上のものであることが望ましい。

なお、本明細書において、「球形度」とは平均球形度を示しており、次の方法にて求めることができる。実体顕微鏡や走査型電子顕微鏡等にて撮影した粒子像を画像解析装置等に取り込み、写真から任意の粒子の投影面積（ａ）と輪郭周長Ｌ（ａ）を計測し、Ｌ（ａ）と同一の輪郭周長を持つ真円の面積を（ｂ）とした場合、

（ｂ）＝π×（Ｌ（ａ）／２π）^２

と表すことができる。従って、球形度は以下の式で算出することができる。

球形度＝（ａ）／（ｂ）＝（ａ）×４π／（Ｌ（ａ））^２

このようにして、ある一定個数の粒子の球形度を求め、平均値を平均球形度とすることができるが、この際、２００個以上の粒子を使用して算出することが好ましい。

なお、上記以外の球形度の測定方法としては、粒子像分析装置等にて定量的に自動計測された個々の粒子の円形度から、以下の式により換算して球形度を求めることもできる。

球形度＝（円形度）^２

なお、本発明で得られた研磨用複合粒子において、担体粒子２とその表面に固着担持されてなる砥粒３との量比としては、それぞれの粒子の大きさ、また得られる研磨用複合粒子の研磨対象、研磨加工用途等によっても、変動するので一概には規定できないが、研磨用複合粒子において、表面に固着担持されてなる砥粒３による担体粒子２の表面被覆率としては、０．５〜１００％の範囲とすることができる。この範囲の表面被覆率を有する研磨用複合粒子は、その表面被覆率に応じた研磨性能を発現させることができる。

以下、本発明を実施例に基づきより具体的に説明する。

（比較例１）
比較のため、市販の磁性砥粒（平均粒径８０μｍ、東洋研磨材工業製）を調達した。この磁性砥粒（磁性砥粒（ａ）とよぶ）のＳＥＭ写真を図４（ａ）に示す。

（参考例１）
比較例１の市販の磁性砥粒との対比のために、同様の粒径となる磁性砥粒を調製した。まず、＃３０００ ＷＡ砥粒（平均粒径４μｍ、フジミインコーポレーテッド製）と電解鉄粉（平均粒径７５μｍ、東邦亜鉛製）を、メカニカルミリング（３００ｍｉｎ^−１、直径６ｍｍと８ｍｍアルミナ球を混合）により６０分間混合させた。両者の混合重量割合は、ＷＡ砥粒：電解鉄粉＝１：２０である。これを図１に示すような装置を用い、表１に示す実験条件１に従って熱プラズマ加工し、磁性砥粒を作製した。得られた磁性砥粒のＳＥＭ写真を図４（ｃ）に示す。また、原料として用いた電解鉄粉のＳＥＭ写真を図４（ｂ）に示す。

図４（ｃ）より、電解鉄粉表面にＷＡ砥粒が装着された球状磁性砥粒（磁性砥粒（ｃ）とよぶ）とＷＡ砥粒の凝集体とが観察される。この参考例１では、形状が不揃いな混合粉末を球状化するため、全ての電解鉄粉を内部まで溶融させる上で、４９０Ａの高電流を通電して熱プラズマを発生させて溶射加工した。その結果、ＷＡ砥粒には、電解鉄粉表面に保持されたものと、独立して凝集体となったものが観察された。

（実施例１）
参考例１の結果を考慮し、あらかじめ粒径をそろえた球状電解鉄粉とＷＡ砥粒の混合粉末を作製し、表１の条件よりも低温条件の下で電解鉄粉表層をわずかに溶解するに留め、ＷＡ砥粒を鉄粉表面から脱落させずに冷却、固化すれば、前述した磁性砥粒（ｃ）よりもＷＡ砥粒が電解鉄粉表面に多く装着された球状磁性砥粒が作製できるものと考えた。

まず、参考例１で用いたものと同様の電解鉄粉（平均粒径７５μｍ、東邦亜鉛製）を、上記した実験条件１と同様の条件により熱プラズマ処理し、球状化した。次いで、ＷＡ砥粒（平均粒径４μｍ、フジミインコーポレーテッド製）を、上記したように、あらかじめプラズマ溶射加工して球状化した電解鉄粉と１：２０重量割合でボールミリング（直径６ｍｍのアルミナ球混合、７９ｍｉｎ^−１）により３０分間混合した。球状電解鉄粉表面からＷＡ砥粒の脱落を防ぐために、混合粉末をアルミナコロイド溶液で覆い、乾燥、粉砕させたものを、図１に示すような装置を用い、アルゴンガス（９９．９９９ｖｏｌ．％）、プラズマ電流４００Ａの条件で熱プラズマ加工した。なお、上記で使用したアルミナコロイドは、アルミニウムブトキシド、蒸留水、硝酸を１：１７２：０．７のモル比の割合で混合、撹拌し、加水分解によりコロイドを形成して調製されたものである。

図４（ｄ）に、作製した磁性砥粒（磁性砥粒（ｄ）とよぶ）のＳＥＭ写真を示す。図４（ｃ）に比べて鉄粉表面には、ＷＡ砥粒が多くかつ分散して担持されていることがわかる。このことから、あらかじめ球状化された鉄粉を用い、プラズマ温度を鉄粉表層をわずかに溶融させるに留めながら砥粒を装着させることが球状磁性砥粒の作製に有利であることが明らかとなった。

（性能評価実験１）
磁気研磨法では、磁性砥粒の作用磁力が加工力の基本となる。そこで、参考例１及び実施例１で作製した磁性砥粒の磁力を測定し、従来の磁性砥粒（比較例１）及び電解鉄粉と比較することにした。図５は、磁力の測定に用いた装置構成を示す模式図である。磁性砥粒３１（１０ｍｇ）を内径６．３ｍｍ、深さ１０ｍｍの容器３２に入れ、それがひずみゲージ３３を貼り付けた真鍮板３４（９５ｍｍ×１０ｍｍ×１．５ｍｍ）の下方に設置された永久磁石３５に磁化される場合の磁力を調べた。得られた結果を、図６に示す。従来の磁性砥粒（ａ）（比較例１）は、表面のみならず内部にも非磁性ＷＡ砥粒が混在するため、その値は最も低く、ＷＡ砥粒が含まれない電解鉄粉（ｂ）は最も高い値を示している．本発明に係る磁性砥粒（ｄ）は、電解鉄粉（ｂ）に次いで高い磁力を示した。一方、図１（ｃ）に示したように、磁性砥粒（ｃ）（参考例１）にはＷＡ凝集体も含まれている。したがって、磁性砥粒（ｃ）は、磁性砥粒（ｄ）に比べて低い値を示したものと考察される。

（性能評価実験２）
図７に示す装置を用いて、調製した磁性砥粒の加工性能を調べた。被加工物には、加工面（管内面）を評価し易いＳＵＳ３０４ステンレス鋼円管（外径２．０ｍｍ×内径１．８ｍｍ×長さ６０ｍｍ）を採用した。また、従来のＷＡ磁性砥粒を用いた研磨実験も行い、両者の加工性能を比較した。

なお、実験条件としては、被加工物の回転速度：３００００回／分、磁極供給速度：１．７６ｍｍ／分、磁極供給ストローク：４ｍｍ、磁極−被加工物間のクリアランス：０．１３ｍｍ、潤滑剤：可溶性バレル仕上げコンパウンド：０．１７ｍｌ、磁性砥粒：５ｍｇ、磁極：Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂマグネット（１２ｍｍ×１８ｍｍ×１０ｍｍ）、極配置：９０°、とした。また、図８は、表面粗さと加工量の時間的変化を示すグラフである。図８の結果からわかるように、従来の磁性砥粒（ａ）では磁性砥粒（ｃ）、（ｄ）に比べてわずかに高い加工量と平滑面が得られているが、いずれもほぼ同等の研磨性能を有することが確認できる。最終仕上げ面粗さは電解鉄粉に装着する砥粒径によって調整できるといえ、本発明によれば、加工能力を有する球状磁性砥粒を作製できることが示された。

（参考例２）
図１に示す装置のプラズマ噴射ノズル１２の代わりに図２に示すプラズマ噴射ノズル１２’を用い、そのプラズマ噴射ノズル１２’が有する第１粉体流路１７ａには参考例１で用いた電解鉄粉を６ｇ／分で供給し、第２粉体流路１７ｂには参考例１で用いたＷＡ砥粒を１０リットル／分のガス流に乗せて供給し、表１に示す実験条件１と同じ条件で熱プラズマ加工し、磁性砥粒を作製した。得られた磁性砥粒のＳＥＭ写真を図９（ａ）に示す。

図９（ａ）より、参考例２で得られた磁性砥粒は、参考例１で得られた磁性砥粒に比べて、多くのＷＡ砥粒が電解鉄粉表面に装着されているのが確認された。

（実施例２）
参考例２と同様、図１に示す装置のプラズマ噴射ノズル１２の代わりに図２に示すプラズマ噴射ノズル１２’を用い、そのプラズマ噴射ノズル１２’が有する第１粉体流路１７ａには実施例１で用いた球状電解鉄粉（すなわち、あらかじめプラズマ溶射加工して球状化した電解鉄粉）を６ｇ／分で供給し、第２粉体流路１７ｂには実施例１で用いたＷＡ砥粒を１０リットル／分のガス流に乗せて供給した。熱プラズマ加工は、アルゴンガス（９９．９９９ｖｏｌ．％）、プラズマ電流４９０Ａの条件で行った。得られた磁性砥粒のＳＥＭ写真を図９（ｂ）に示す。

図９（ｂ）より、実施例２で得られた磁性砥粒は、参考例２で得られた磁性砥粒に比べ、さらに実施例１で得られた磁性砥粒に比べて、より多くのＷＡ砥粒が電解鉄粉表面に装着され、さらにＷＡ砥粒もその形状と大きさが供給時のものとほぼ同じであることが確認された。このことは、ＷＡ砥粒はプラズマフレーム２１中の高温域に曝される可能性が小さくなるため、ＷＡ砥粒が熱プラズマによって溶融したり、球状化したりするおそれが低減したためと考えられる。

（性能評価実験３）
参考例２と実施例２で得られた磁性砥粒を用いて、上記の性能評価実験２と同じ条件で、磁性砥粒の加工性能を調べた。図１０は、得られた表面粗さと加工量の時間的変化を示すグラフである。図１０の結果からわかるように、実施例２で得られた磁性砥粒は、参考例２で得られた磁性砥粒に比べて、低い加工量で同等の表面粗さＲｚに加工できた。さらに、図１０の結果と図８の結果を比べても、実施例２で得られた磁性砥粒は、実施例１で得られた磁性砥粒に比べて、低い加工量で同等の表面粗さＲｚに加工できた。このことは、図２に示すプラズマ噴射ノズル１２’の有効性を示唆するものと考えられる。

（実施例３）
参考例２及び実施例２と同様、図１に示す装置のプラズマ噴射ノズル１２の代わりに図２に示すプラズマ噴射ノズル１２’を用い、そのプラズマ噴射ノズル１２’が有する第１粉体流路１７ａには、平均粒径７μｍの球状電解鉄粉を２ｇ／分で供給し、第２粉体流路１７ｂには、＃３００００ ＷＡ砥粒（平均粒径０．３μｍ、フジミインコーポレーテッド製）を１０リットル／分のガス流に乗せて供給した。熱プラズマ加工は、アルゴンガス（９９．９９９ｖｏｌ．％）、プラズマ電流５０Ａの低電流条件で行った。得られた磁性砥粒のＳＥＭ写真を図１１に示す。図１１より、実施例３で得られた磁性砥粒は、約７μｍ程度の微細な粒子表面にＷＡ砥粒が均一に装着されていた。

本発明に係る研磨用複合粒子の製造方法に用いられるプラズマ処理装置の構成の一例を示す模式図である。 本発明に係る研磨用複合粒子の製造方法に用いられるプラズマ処理装置の別の要部構成例を示す模式図である。 本発明に係る研磨用複合粒子の製造方法により得られる複合粒子の構造例を示す模式図である。 磁性砥粒の表面状態を示すＳＥＭ写真であり、（ａ）は市販の磁性砥粒であり、（ｂ）は電解鉄粉であり、（ｃ）は参考例１の磁性砥粒であり、（ｄ）は実施例１の磁性砥粒である。 磁性砥粒の作用磁力の性能評価実験に用いた実験装置の構成を示す模式図である。 磁性砥粒の作用磁力の性能評価結果を示すグラフである。 磁性砥粒の加工性能の評価実験に用いた実験装置の構成を示す図面である。 磁性砥粒の加工性能の評価実験の評価結果（表面粗さＲｚ及び研磨量の経時変化）を示すグラフである。 磁性砥粒の表面状態を示すＳＥＭ写真であり、（ａ）は参考例１で得られた磁性砥粒であり、（ｂ）は実施例２で得られた磁性砥粒である。 参考例２と実施例２で得られた磁性砥粒の加工性能の評価実験の評価結果（表面粗さＲｚ及び研磨量の経時変化）を示すグラフである。 実施例３で得られた磁性砥粒の表面状態を示すＳＥＭ写真であり、（ａ）は市販の磁性砥粒であり、（ｂ）は電解鉄粉であり、（ｃ）は参考例１の磁性砥粒であり、（ｄ）は実施例１の磁性砥粒である。

符号の説明

１ 研磨用複合粒子
２ 担体粒子
３ 砥粒
１０ プラズマ処理装置
１１ 真空チャンバー
１２，１２’ 直流アーク放電型のプラズマ噴射ノズル
１３ 陰極
１４ 陽極
１５ 環状の流路（プラズマガス流路）
１６ プラズマガス供給ライン
１７ 環状の流路（粉体流路）
１７ａ 第１粉体流路
１７ｂ 第２粉体流路
１８ 粉体供給ライン
１９ 粉体供給装置
２０ 噴射ノズル開口部
２１ プラズマフレーム
３１ 磁性砥粒
３２ 容器
３３ ひずみゲージ
３４ 真鍮板
３５ 永久磁石

Claims (7)

1. 熱プラズマを形成してなるチャンバー内に担体粒子と砥粒とを供給し、融解された担体粒子の表面に１種以上の砥粒を担持させることを特徴とする研磨用複合粒子の製造方法。
2. 前記担体粒子として予め球状化させたものを用い、前記熱プラズマとして当該担体粒子の表面近傍領域のみを融解する低温条件のものを用いるものである、請求項１に記載の研磨用複合粒子の製造方法。
3. 前記担体粒子を予め球状化させる処理が、予め前記担体粒子のみを別途、前記熱プラズマを形成してなるチャンバー内に供給して、当該担体粒子を溶融し、溶融した担体粒子の表面張力により球状化させた後、冷却、凝固することによって行われるものである、請求項２に記載の研磨用複合粒子の製造方法。
4. 前記担体粒子と前記砥粒とは、予め混合された状態で前記熱プラズマ中に供給される、請求項１〜３のいずれかに記載の研磨用複合粒子の製造方法。
5. 前記担体粒子と前記砥粒とは、それぞれ別々の経路を経て前記チャンバー内へ供給し、前記熱プラズマ中を通過することで少なくとも表面近傍領域が溶融状態にある担体粒子に対し、前記砥粒をチャンバー内で混合する、請求項１〜３のいずれかに記載の研磨用複合粒子の製造方法。
6. 前記担体粒子が、磁性金属又は磁性セラミックスからなるものである、請求項１〜５のいずれかに記載の研磨用複合粒子の製造方法。
7. 前記砥粒が、酸化物、炭化物、ダイヤモンド、及び窒化物からなる群から選ばれる少なくとも１種のものである、請求項１〜６のいずれかに記載の研磨用複合粒子の製造方法。

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