JP3951544B2 - 砥石 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アモルファスカーボンを有する結合相中にダイヤモンド等の砥粒を分散混合してなる砥石に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レジンボンド砥石は超砥粒を保持する樹脂結合相が比較的軟質で脆いために比較的硬い被削材に対して研削を行った場合、超砥粒を支える樹脂結合相が破砕または摩耗して超砥粒が脱落する。そのためレジンボンド砥石は摩耗が激しい欠点を有するが、研削面の目詰まりや超砥粒の摩耗による切れ味低下が起き難く、メタルボンド砥石等と比較して研削を効率よく行え、しかも樹脂結合相で保持された超砥粒に弾性効果があるためにメタルボンド砥石を用いた場合よりも被削材のダメージが小さく仕上げ面が良好である。そのため、例えば半導体ウエーハ等の被削材の鏡面研削等、小さい面粗さが要求される研削に用いられるという利点を有している。
【０００３】
このようなレジンボンド砥石の欠点を改善しようとした技術として、例えば特開昭６０−２３２８７３号公報に開示された砥石がある。この砥石は結合相としてガラス状炭素（アモルファスカーボン）を用いており、砥石の製造に際して、フェノール樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂と砥粒の混合物を不活性雰囲気中で８００℃以上の温度で焼結したものである。
これによって耐熱硬化性樹脂が炭化されてガラス状炭素となり砥粒同士を結合させるというものである。このガラス状炭素は２５００℃以上の温度で安定し耐熱性と耐久性に優れているとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭６０−２３２８７３号公報では通常のフェノール樹脂を焼成してガラス状炭素とする場合、砥粒とフェノール樹脂の混合物を先ず固化させ、次にこの固化体を不活性雰囲気中で８００℃以上の温度で焼結してガラス状炭素に変換するが、実際に特開昭６０−２３２８７３号公報に従ってトレース実験を行ったところ、このガラス状炭素に変換する際にガスによる発泡作用が生じ焼成後に生成されるガラス状炭素は脆弱で砥粒保持力が小さく、またガラス状炭素に亀裂が発生するという欠点があった。
本発明は、このような実情に鑑みて、従来のガラス状炭素よりも強度と砥粒保持力の高いアモルファスカーボンを結合相とする砥石を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る砥石は、結合相中に砥粒が分散配置されてなる砥粒層を備えた砥石において、前記結合相はフェノール−ホルムアルデヒド樹脂と他の熱硬化性樹脂を、非酸化性雰囲気中で５００〜９５０℃で焼成することによりアモルファスカーボン化したものであって、前記フェノール−ホルムアルデヒド樹脂がアモルファスカーボン化されてなるアモルファスカーボンは、含有量が前記砥粒を除く前記砥粒層の体積比で５０〜９０ｖｏｌ％とされるとともに、ショア硬さを１００〜１２０としたものであることを特徴とする。
フェノール−ホルムアルデヒド樹脂を、非酸化性雰囲気中で５００〜９５０℃で焼成することにより、アモルファスカーボン化することで、従来のフェノール樹脂等からなるアモルファスカーボンと比較して結合相の強度と砥粒保持力が高く、結合相の硬さはショア硬さにして１００〜１２０となり硬度が大きく耐摩耗性が高い。また本発明による砥石の製造に際して、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂と砥粒との混合物を比較的低温で焼結して固化体を形成し、その後にこの固化体を５００〜９５０℃の非酸化性の不活性雰囲気中で焼成してアモルファスカーボン化させるが、アモルファスカーボン化の際にクラックやガス膨れを発生させることがなく、形成されるアモルファスカーボンが緻密で強度も高いために砥粒保持力が高く結合相の硬度も高く耐摩耗性が高い。
またフェノール−ホルムアルデヒド樹脂によるアモルファスカーボンの硬さはショア硬さＨｓ＝１００〜１２０に設定されており、ここでショア硬さＨｓが１００未満になるとアモルファスカーボンの強度が低下したり潤滑性が低下して砥石が偏摩耗することを抑制できず、更に潤滑性が低いことから被削材との間の研削抵抗を低減して研削熱の発生を抑制できない。また１２０を越えると硬度が高すぎて曲げ強さが小さくなり脆くなるので好ましくない。
【０００６】
また本発明に係る砥石は、結合相はフェノール−ホルムアルデヒド樹脂と他の熱硬化性樹脂を焼成してアモルファスカーボン化したものであることを特徴とする。
この場合、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂からなる第一のアモルファスカーボンは上述した曲げ強度を向上できるために他の熱硬化性樹脂からなる第二のアモルファスカーボン中に分散配置されて結合相の強さや剛性を向上させて結合相の強化相としての役割を果たし、研削時に被削材に対して平坦度の高い加工を行うことができて砥粒の保持力を強化できて砥石寿命を向上できる。また本発明による砥石の製造に際して、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂と他の熱硬化性樹脂と砥粒との混合物を比較的低温で焼結して固化体を形成し、その後にこの固化体を５００〜９５０℃の非酸化性の不活性雰囲気中で焼成してフェノール−ホルムアルデヒド樹脂と他の熱硬化性樹脂をそれぞれアモルファスカーボン化させるが、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂のアモルファスカーボン化の際にクラックやガス膨れを発生させることがなく、形成されるアモルファスカーボンが緻密で強度も高いために砥粒保持力が高く結合相の硬度も高く耐摩耗性が高い。またフェノール−ホルムアルデヒド樹脂は低温焼結する際に液状化せず、そのため成形性が悪く緻密な固化体とするためには高圧を必要とするが、他の熱硬化性樹脂を同時に添加すると他の熱硬化性樹脂が液状化した後に固化現象が起こるために成形性が著しく改善される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面により説明する。図１は第一の実施の形態による砥石の部分縦断面図である。
本実施の形態による砥石１は、例えば硬脆材料の鏡面研削用の砥石であり、砥粒層２はカップ型砥石等の台金の略リング状先端部に固定されていてもよいし、台金を設けることなく砥粒層２のみによって砥石が構成されていても良い。
図１に示すように砥粒層２は例えばフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を焼成してなるアモルファスカーボン（これを第二のアモルファスカーボンという）からなる結合相３と、この結合相３中に分散配置されたダイヤモンドまたはｃＢＮ等の超砥粒４とを備えている。更に結合相３中には結合相を強化するために強化相としてフェノール−ホルムアルデヒド樹脂を焼成してなるアモルファスカーボン５（これを第一のアモルファスカーボンという）が分散配置され、強化相であると共に結合相の役割を果たしている。第一及び第二のアモルファスカーボン３，５とも固体潤滑性を有するが、第一のアモルファスカーボンの方が潤滑性は高い。
【０００９】
フェノール−ホルムアルデヒド樹脂を焼成して固相化されてなる第一のアモルファスカーボン５は略球形から多面体をなしていて、粒径は特に限定されないが好ましくは５μｍ以上で５０μｍ未満とされ、結合相３中に個々に分散してほぼ均等な間隔で配置されている。第一のアモルファスカーボン５の粒径が５μｍ以上５０μｍ未満の場合に第一のアモルファスカーボンの分散性が良く略球形から多面体であるために焼成時の応力緩和効果がある。
【００１０】
砥粒層２中の第一のアモルファスカーボン５の含有量は超砥粒４を除く砥粒層２の体積比で例えば５０〜９０ｖｏｌ％とされる。ここで、第一のアモルファスカーボン５の含有量が５０ｖｏｌ％未満であると第一のアモルファスカーボン５を含有したことによる効果、例えばフェノール樹脂等を焼成した第二のアモルファスカーボンからなる結合相３の曲げ強度（ヤング率）の向上や強度の向上、更には焼成時に第二のアモルファスカーボンができる際に発生するガスの発生抑制効果がなく、第二のアモルファスカーボンが脆弱なものになる。また第一のアモルファスカーボン５の占有体積が９０ｖｏｌ％を越えると低温焼成時の成形性が低下し好ましくない。フェノール−ホルムアルデヒド樹脂は低温焼結時に液状化現象を示さないが、他の熱硬化性樹脂は液状化現象を示す。フェノール−ホルムアルデヒド樹脂はアモルファスカーボンの物性向上に効果があり、一方で他の熱硬化性樹脂成形性を改善するもので、両者が好ましく作用する範囲として第一のアモルファスカーボンの含有量を５０〜９０ｖｏｌ％の範囲とした。
また第二のアモルファスカーボン５の硬さはショア硬さＨｓ＝１００〜１２０に設定されており、この範囲において特に優れた潤滑性と強度を示す。
【００１１】
本実施の形態による砥石１は上述の構成を備えており、次にその製造方法について説明する。
分子量２０００以上で粒径３０μｍ未満のフェノール−ホルムアルデヒド樹脂（例えば商品名「ベルパール」または「ユニベックス」）を例えばダイヤモンドの超砥粒４と共に粉末または液相の熱硬化性フェノール樹脂に混合して分散配置させ、これを先ず２００℃程度の低温で焼結し、次に非酸化性雰囲気中で５００〜９５０℃の温度で焼成する。これによってフェノール−ホルムアルデヒド樹脂を炭素化して略球状の第一のアモルファスカーボン５を焼成でき、同時にフェノール樹脂を炭素化して第二のアモルファスカーボンからなる結合相３を焼成できる。これによって第一のアモルファスカーボン５と超砥粒４とが第二のアモルファスカーボンからなる結合相３に分散配置された砥粒層１を製作できる。
【００１２】
上述のように本実施の形態によれば、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂は炭素化して第一のアモルファスカーボン５とすることで曲げ強さが高く高強度となるから結合相３中に分散配置することでフェノール樹脂をアモルファスカーボン化した結合相３の曲げ強さを一層向上させると共に結合相３として機能する上に結合相３の強化相としての役割を果たすことになって強度を向上でき、その曲げ強度のために研削時に被削材のダメージを抑えて面粗さの向上を図ることができると共に超砥粒の保持力を強化できて砥石寿命を向上できる。
【００１３】
次に本発明の第二の実施の形態を図２により説明する。図２は第二の実施の形態による砥石の部分縦断面図である。
本実施の形態による砥石１０においては、図２に示すように砥粒層１２は結合相１３中にダイヤモンドまたはｃＢＮ等からなる超砥粒４が分散配置されており、結合相１３はフェノール−ホルムアルデヒド樹脂を焼成してなるアモルファスカーボンからなっている。
砥粒層１２中のアモルファスカーボンと超砥粒４の含有比率は体積（ｖｏｌ％）比で例えば９５：５〜５０：５０の範囲とされる。ここで、超砥粒４の含有量が５ｖｏｌ％未満であると集中度が低下して研削効率が悪く、５０ｖｏｌ％を越えるとアモルファスカーボンによる結合相１３の砥粒結合強度が低下して耐摩耗性が劣るという欠点が生じる。
またアモルファスカーボンの硬さは第一の実施の形態と同様にショア硬さＨｓ＝１００〜１２０に設定されている。
【００１４】
本実施の形態による砥石１０は上述の構成を備えており、次にその製造方法について説明する。
先ずフェノール−ホルムアルデヒド樹脂と超砥粒４の混合物を約２００℃前後の温度で焼結すると、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂は溶解することなく砥粒との混合物として固化体をなし、その後この固化体を非酸化性の不活性雰囲気中で５００〜９５０℃程度の高温で焼成することでフェノール−ホルムアルデヒド樹脂がアモルファスカーボン化されてアモルファスカーボンからなる結合相１３を構成し、これらアモルファスカーボン中に超砥粒４が分散されて成る。
尚、固化体を高温の不活性雰囲気で焼成してフェノール−ホルムアルデヒド樹脂をアモルファスカーボン化する際に、クラックやガスふくれを発生することがなく、形成されるアモルファスカーボンが緻密であり強度も高い。そのために砥粒保持力が高い。しかもフェノール−ホルムアルデヒド樹脂をアモルファスカーボン化することで結合相１３の硬度が大きく耐摩耗性が高い。
【００１５】
尚、上述の実施の形態において、潤滑剤として、予めフェノール−ホルムアルデヒド樹脂からなる第一のアモルファスカーボン５及び結合相１３を構成するアモルファスカーボンとは別に、その他の材料、例えばＣａＦ₂、ｈＢＮ、黒鉛（結晶質カーボン）等を同時に結合相３、１３中に分散配置してもよい。
特にフェノール−ホルムアルデヒド樹脂を予め焼成して生成したアモルファスカーボン粒（平均粒径５〜５０μｍ）をフェノール−ホルムアルデヒド樹脂に添加すると焼成時に結合相となるフェノール−ホルムアルデヒド樹脂がアモルファスカーボンに変化する際の収縮が減少し砥石の製造が容易となる効果もある。
また本発明による砥石は鏡面研削に限定されることなく他の種類の研削にももちろん採用できる。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る砥石では、結合相はフェノール−ホルムアルデヒド樹脂が、非酸化性雰囲気中で５００〜９５０℃で焼成されることにより、アモルファスカーボン化したものであるから、従来のフェノール樹脂等からなるアモルファスカーボンと比較して結合相の強度と砥粒保持力が高く、結合相の硬さが大きく耐摩耗性が高い。
また、本発明に係る砥石は、ショア硬さが１００〜１２０であるから、潤滑性と強度等の機械特性に特に優れる。
【００１７】
また本発明に係る砥石では、結合相はフェノール−ホルムアルデヒド樹脂と他の熱硬化性樹脂を焼成してアモルファスカーボン化したものであるので、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂からなる第一のアモルファスカーボンは上述した曲げ強度を向上できるために他の熱硬化性樹脂からなる第二のアモルファスカーボン中に分散配置されて結合相の強さや剛性を向上させると共に結合相の強化相としての役割を果たし、研削時に被削材に対して平坦度の高い加工を行うことができて砥粒の保持力を強化できて砥石寿命を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第一の実施形態による砥石の部分縦断面図である。
【図２】 本発明の第二の実施形態による砥石の部分縦断面図である。
【符号の説明】
１，１０ 砥石
２，１２ 砥粒層
３，１３ 結合相
４ 超砥粒
５ 第一のアモルファスカーボン

Claims (1)

1. 結合相中に砥粒が分散配置されてなる砥粒層を備えた砥石において、前記結合相はフェノール−ホルムアルデヒド樹脂と他の熱硬化性樹脂を、非酸化性雰囲気中で５００〜９５０℃で焼成することによりアモルファスカーボン化したものであって、前記フェノール−ホルムアルデヒド樹脂がアモルファスカーボン化されてなるアモルファスカーボンは、含有量が前記砥粒を除く前記砥粒層の体積比で５０〜９０ｖｏｌ％とされるとともに、ショア硬さを１００〜１２０としたものであることを特徴とする砥石。

Images