JP4982850B2 - 被加工物の表面改質加工方法及び装置 - Google Patents
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Description
一方、ますます細密化する半導体回路の加工などを背景として、位置決めの精度の高い加工機と固定砥粒加工とを組み合わせた超精密研削技術の開発と実用化が求められている。超精密研削では、加工面粗さや形状精度、表面品位などで厳しい仕様を満たさなければならない。
また、生体内で使用するいわゆる生体材料(例えば人工歯根)の場合には、耐食処理自体が生体に影響を及ぼすおそれがあるため、研削加工した加工物を耐食処理せずにそのまま使用する必要がある。この場合、人体に影響のない材料は限られるため、これを耐食処理することなく耐食性、トライボロジー特性、疲労強度等の表面機能を改善することが望まれる。
特許文献1の発明は、導電性砥石と電極との間に導電性研削液を流しながら、砥石と電極との間に電圧を印加し、砥石を電解ドレッシングしながら被加工物を研削する電解インプロセスドレッシング研削において、アルカリ性研削液を導電性研削液として用い、かつ被加工物に微弱な電位を印加するものである。
この発明により、被加工物の表面は、ELID研削で表面を研削すると同時に、研削加工により露出した素材表面をOHイオンと溶存酸素で酸化して強い酸化皮膜が形成され、その表面機能(耐食性、トライボロジー特性、疲労強度等)を改善することができることが確認された。
導電性の被加工物と前記導電性砥石との間に前記導電性研削液を循環して供給しながら、前記被加工物に微弱な電位を印加し、前記砥石で被加工物を研削し、同時に、前記研削液中のOHイオンと共に前記第1金属イオンを前記加工面に引きつけることによって被加工物の加工面を酸化させ、かつ前記第1金属イオンを前記加工面から注入させる金属イオン浸透拡散ステップとを有し、
前記第1金属イオン溶出ステップと金属イオン浸透拡散ステップとを同時に行う、ことを特徴とする被加工物の表面改質加工方法が提供される。
これを前記第1金属イオン溶出ステップおよび金属イオン浸透拡散ステップと同時に行う。
該導電性砥石と間隔を隔てて対向する導電性の電解用電極と、
前記導電性砥石を正に電解用電極を負に電圧を印加する砥石印加装置と、
前記被加工物に微弱な電位を印加するワーク印加装置と、
前記導電性砥石と電解用電極との間および前記砥石と被加工物との間に導電性研削液を循環して供給する研削液供給手段と、を備え、
前記導電性砥石と電解用電極の間で導電性研削液の一部を電気分解すると共に前記第1金属のイオンを溶出させ、
前記伝導性研削液中で該第1金属のイオンとOHイオン又は水分子とが結合して錯体を形成し、
前記砥石で被加工物を研削しながら、同時に、前記研削液中のOHイオンと共に前記第1金属イオンを前記加工面に引きつけることによって被加工物の加工面を酸化させ、かつ前記第1金属イオンを前記加工面から注入させる、ことを特徴とする被加工物の表面改質加工装置が提供される。
前記導電性部材と溶出用電極の間に導電性研削液を流しながら、前記導電性部材を正に溶出用電極を負に電圧を印加し、その間で導電性研削液の一部を電気分解すると共に前記第2金属のイオンを溶出させる。
また、研削液中のOHイオンと共に第1金属イオンを被加工物の表面に引きつけて、表面をOHイオンと溶存酸素によりこれを酸化すると共に、イオン化傾向の高い第1金属イオンを加工面に浸透拡散させることができる。
この第2金属イオンも研削液中でOHイオンや水分子と結合して錯体を形成し、第1金属と共に加工面に浸透拡散させることができる。従って、第1金属と第2金属の両方を同時に加工面に浸透拡散させることができる。
第1金属は、例えば、イオン化傾向の高い順にチタン、クロム、鉄、コバルト、銅であり、好ましく、鉄よりもイオン化傾向が高いもの金属を用いる。第1金属は微細な粉末であり、他の金属又はレジン(樹脂)と均一に混合され分散しているのがよい。
導電性砥石12は、砥粒とこれを保持する導電性ボンド部を有する。砥粒は、ダイヤモンドやCBNであり、鏡面仕上げに適した微細粒度(例えば#4000〜#20000)であるのが好ましい。
また導電性ボンド部は、第1金属の粉体のみを焼結した金属ボンド材、あるいは第1金属の粉体をレジン中に分散させ焼結した金属レジンボンド材である。
また、この電圧印加により、導電性砥石12の表面を同時に電解ドレッシングするのが好ましい。
導電性研削液2は、アルカリ性研削液であるのが好ましい。アルカリ性研削液を導電性研削液として用いることにより、導電性砥石12の表面を電解ドレッシングすることができると共に、研削液中にOHイオンを大量に遊離させることができる。
この電圧印加により、導電性砥石12と電解用電極14の間で導電性研削液2の一部を電気分解すると共に第1金属のイオンを溶出させる。溶出した第1金属イオンは研削液2中でOHイオンや水分子と結合して錯体を形成する。また、この電圧印加により、導電性砥石12の表面を同時に電解ドレッシングする
この研削と同時に、錯体の触媒作用により、被加工物の酸化が促進される。また、研削液中のOHイオンと共に第1金属イオンを被加工物1の表面に引きつけて、表面をOHイオンと溶存酸素によりこれを酸化すると共に、イオン化傾向の高い第1金属イオンを加工面に浸透拡散させることができる。
第1金属イオンが浸透拡散した改質層は、後述する実施例によれば、厚さは数10nmに達する。また、表面粗さに優れると共に、大量の酸素と第1金属イオンを加工面近傍に有しており、硬質被膜との密着性を高めることができることが確認された。
第2金属は、例えば、イオン化傾向の高い順にチタン、クロム、鉄、コバルト、銅であり、好ましく、鉄よりもイオン化傾向が高いものが好ましい。第2金属は、ソリッドでも微細な粉末でもよく、微細な粉末の場合には、他の金属又はレジン(樹脂)と均一に混合され分散しているのがよい。
その他の構成は、図1と同様である。
Cuレジン、Crレジン、Coレジンの砥粒は、粒度#8000(dv−50値:1.2±0.3μm)のダイヤモンドであり、金属とレジンの比率は7:3であった。
この結果から、Cuレジン、Crレジン、Coレジンのいずれの場合でも、アルミナ研磨よりも優れた表面粗さ(Ra:2〜3nm、Ry:16〜22nm)が得られることが確認された。
図7(A)から、研磨によるワーク表面近傍は、超硬合金(WC−TiC)の構成元素である、C,Ti,Wが主に含まれ、その他の元素(Cr,O)は、非常に少ないことがわかる。
また、図7(B)から、Cuレジン研削によるワーク表面近傍には、超硬合金の構成元素C,Ti,Wの他に、表面から30〜50nmの範囲にCuが浸透拡散していることがわかる。
この図において、横軸はスパッタ時間(すなわち深さ)であり、縦軸はスペクトル強度(すなわち構成元素の量)である。
また、図8(B)から、Coレジン研削によるワーク表面近傍には、超硬合金の構成元素C,Ti,Wの他に、特にCrとCoが大量に浸透拡散していることがわかる。なお、Coレジンの場合もCrが大量に浸透拡散しているのは、Crレジン、Coレジンの順で研削液を交換せずに行ったためと考えられる。
図9(A)(B)の比較から、酸素の原子数濃度が、Crレジン研削ではCuレジン研削に比べて非常に高いことがわかる。
この図において、CoレジンとCuレジンでは、時間の経過により電流値が初期値より低下している。これは、砥石の表面に不導体皮膜(酸化被膜)が生成していると考えられる。
これに対し、Crレジンでは、電流値が初期値からほとんど低下せず、長時間高い値を保っている。
この結果から、Crレジンでは、砥石の表面に不導体被膜が生成されないためと考えられる。
Cuレジンの表面(図12B)は、砥粒が覆われるほどの厚い不導体被膜が生成されている。これに対し、Crレジンの表面(図12A)では、電解後も砥石表面で砥粒が観察でき、不導体被膜が生成していないことが確認された。
またそれによって研削液中の金属イオン濃度が上昇し、高い電流が流れ続けるため、ワーク表面の化学反応が促進され、研削液中の金属イオンがワーク表面に取り込まれるものと考えられる。
従って、イオン化傾向がCrよりも高いTi(チタン)を用いたTiレジン(Tiレジンボンド砥石)の場合も、Crレジンと同様の現象が起こると考えられる。
DLCコーティングは、DLC成膜装置を用い、Arボンバード処理の後、C6H6プラズマにより膜厚800nmのDLCを成膜(コーティング)した。コーティング条件は同一である。
また、密着強度は、薄膜評価試験機を用い、ダイヤモンド圧子を表面に垂直に押し付け、その垂直荷重を一定に保持したままで、表面に沿って摺動させ、スクラッチ痕に亀裂が入り始める荷重値を密着強度として計測した。
なお、砥石および被加工物以外の加工条件は、実施例1と同様である。
この図から、スパッタ時間を経るにしたがって,Ti元素が被加工物の深いところまで拡散していることが確認された。
また、研削液中のOHイオンと共に第1金属イオン(例えば、Cr+,Ti+)を被加工物1の表面に引きつけて、表面をOHイオンと溶存酸素によりこれを酸化すると共に、イオン化傾向の高い第1金属イオンを加工面に浸透拡散させることができる。
この第2金属イオンも研削液中でOHイオンと結合して錯体を形成し、第1金属と共に加工面に浸透拡散させることができる。従って、第1金属と第2金属の両方を同時に加工面に浸透拡散させることができる。
(B)円筒研削盤では、シリンダーや軸受部品のトライボロジー特性の改善に特に適している。また、(C)曲面加工装置では、ミラー、レンズ等の保護膜形成に適している
10 表面改質加工装置、12 導電性砥石、14 電解用電極、
16 砥石印加装置、16a 電源装置、
16b,16c 接点、16d,16e 接続コード、
18 ワーク印加装置、18a 電源装置、
18b,18c 接点、18d,18e 接続コード、
20,22 研削液供給手段、23 導電性部材、24 溶出用電極
Claims (8)
- イオン化傾向の高い第1金属を含む導電性砥石とこれと間隔を隔てて対向する電解用電極との間に導電性研削液を流しながら、前記導電性砥石を正に電解用電極を負に電圧を印加し、その間で導電性研削液の一部を電気分解すると共に前記第1金属のイオンを溶出させ、前記伝導性研削液中で該第1金属のイオンとOHイオン又は水分子とが結合して錯体を形成する第1金属イオン溶出ステップと、
導電性の被加工物と前記導電性砥石との間に前記導電性研削液を循環して供給しながら、前記被加工物に微弱な電位を印加し、前記砥石で被加工物を研削し、同時に、前記研削液中のOHイオンと共に前記第1金属イオンを前記加工面に引きつけることによって被加工物の加工面を酸化させ、かつ前記第1金属イオンを前記加工面から注入させる金属イオン浸透拡散ステップとを有し、
前記第1金属イオン溶出ステップと金属イオン浸透拡散ステップとを同時に行う、ことを特徴とする被加工物の表面改質加工方法。 - イオン化傾向の高い第2金属を含む導電性部材とこれと間隔を隔てて対向する溶出用電極との間に導電性研削液を流しながら、前記導電性部材を正に溶出用電極を負に電圧を印加し、その間で導電性研削液の一部を電気分解すると共に前記第2金属のイオンを溶出させる第2金属イオン溶出ステップを、さらに有し、
これを前記第1金属イオン溶出ステップおよび金属イオン浸透拡散ステップと同時に行う、ことを特徴とする請求項1に記載の被加工物の表面改質加工方法。 - 前記第1金属及び/又は第2金属は、クロム又はチタンである、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の被加工物の表面改質加工方法。
- 前記導電性砥石は、砥粒とこれを保持する導電性ボンド部を有し、該導電性ボンド部は第1金属の粉体のみを焼結した金属ボンド材、あるいは第1金属の粉体をレジン中に分散させ焼結した金属レジンボンド材である、ことを特徴とする請求項1に記載の被加工物の表面改質加工方法。
- イオン化傾向の高い第1金属を含みかつ被加工物を加工可能な導電性砥石と、
該導電性砥石と間隔を隔てて対向する導電性の電解用電極と、
前記導電性砥石を正に電解用電極を負に電圧を印加する砥石印加装置と、
前記被加工物に微弱な電位を印加するワーク印加装置と、
前記導電性砥石と電解用電極との間および前記砥石と被加工物との間に導電性研削液を循環して供給する研削液供給手段と、を備え、
前記導電性砥石と電解用電極の間で導電性研削液の一部を電気分解すると共に前記第1金属のイオンを溶出させ、
前記伝導性研削液中で該第1金属のイオンとOHイオン又は水分子とが結合して錯体を形成し、
前記砥石で被加工物を研削しながら、同時に、前記研削液中のOHイオンと共に前記第1金属イオンを前記加工面に引きつけることによって被加工物の加工面を酸化させ、かつ前記第1金属イオンを前記加工面から注入させる、ことを特徴とする被加工物の表面改質加工装置。 - 前記研削液供給手段は、イオン化傾向の高い第2金属を含む導電性部材と、該導電性部材と間隔を隔てて対向する溶出用電極とを有し、
前記導電性部材と溶出用電極の間に導電性研削液を流しながら、前記導電性部材を正に溶出用電極を負に電圧を印加し、その間で導電性研削液の一部を電気分解すると共に前記第2金属のイオンを溶出させる、ことを特徴とする請求項5に記載の被加工物の表面改質加工装置。 - 前記第1金属及び/又は第2金属は、クロム又はチタンである、ことを特徴とする請求項5又は6に記載の被加工物の表面改質加工装置。
- 前記導電性砥石は、砥粒とこれを保持する導電性ボンド部を有し、該導電性ボンド部は第1金属の粉体のみを焼結した金属ボンド材、あるいは第1金属の粉体をレジン中に分散させ焼結した金属レジンボンド材である、ことを特徴とする請求項5に記載の被加工物の表面改質加工装置。
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