JP7083989B2 - 砥粒、砥石および砥粒の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は砥粒、砥石および砥粒の製造方法に関し、特に、研磨精度と研磨効率の双方に優れた砥粒、砥石および砥粒の製造方法に関するものである

砥粒は、溶液中に分散させてスラリーとして使用される遊離砥粒とバインダを加えて砥石に成形されて使用される固定砥粒があり、さらにはバレル研磨、バフ研磨、ラップ研磨、ペーパー研磨およびブラスト研磨のような吹き付け加工の研磨材にも使用される。何れの場合でも、砥粒は単一の素材で形成され、かつ素材の種類も限られているため、使用目的に応じて砥粒の硬度を自在に変更することは困難であった。このため、一般に研磨効率を向上させると研磨精度は悪化し、一方、研磨精度を向上させると研磨効率が悪化するという問題があった。なお、特許文献１には、微細繊維状セルロースを含有する化学機械研磨用組成物が示されている。

特開２００９－６５０４１

そこで、本発明は、上記従来の問題点に鑑み、研磨精度に優れるとともに高い研磨効率をも有する砥粒、砥石および砥粒の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第１発明の砥粒では、有機物繊維に研磨材粒子が捕捉されている。

上記有機物繊維としては、天然有機系繊維でも合成繊維でも構わないが、吸水性であることが好ましく、なかでも吸水性がある天然有機系の生物由来の繊維もしくはその再生または改質した繊維がよい。特に植物や微生物などの生物が生産したセルロース繊維もしくはそれらを再生したレーヨンなどの再生セルロース繊維またはそれらを改質したセルロース繊維を含むものが最も好適である。

セルロース形状は乾燥時に研磨材粒子を捕捉した塊状となるために、比表面積が大きい板状のもの、繊維状のものが好ましく、中でも繊維状のものが特に好ましい。大きさは粒子径や厚みとして、繊維状のものは太さとして各々4ｎｍから100μｍが良く、好ましくは4ｎｍから10μｍであるもの、特に4ｎｍから1μｍであるものが最も好ましい。

上記研磨材粒子の素材としては、炭化ケイ素、アルミナ、ガラス、シリカ、ジルコニア、ダイヤモンド、CBNなどの一般に研磨材として用いられる無機、金属類、レアメタルの他、ナイロン、ポリエチレンなどの一般に研磨に用いられる有機物の一種類もしくは複数種類の混合が使用できる。

発明者らは、セルロースなどの有機物繊維に各種の研磨材粒子を混合した複合素材からなる砥粒の開発を試みた。その結果、有機物繊維の形状を板状や繊維状にすることにより研磨材粒子を捕捉した乾燥固体としての砥粒が得られることを見出した。さらに、これら配合により、硬さや吸水性能が異なる砥粒を得られることを見出した。このような砥粒は、研磨材粒子の径に規制されることなく任意の径の砥粒を実現することができるが、砥粒径としては特に1～5000μmが好適である。

有機物繊維が架橋などの共有結合を用いることなく研磨材粒子を捕捉する機構は、明確には解明されていないが、以下のように推察される。有機物繊維の比表面積が大きくなることにより有機物繊維間で水素結合や分子間力が大きく働く。その際に、ある特定形状の有機物繊維を用いることによりこれらの効果が大きくなって研磨材粒子が捕捉される。

本第２発明の砥粒では、有機物繊維およびバインダに研磨材粒子が捕捉されている。

上記バインダは、有機系バインダでも無機系バインダでも構わないが、好ましくはエポキシ樹脂系、アクリル樹脂系、フェノール樹脂系、ポリエチレン系樹脂系、ポリアミド樹脂系、ポリイミド樹脂系、ウレタン系樹脂系、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）樹脂系、ポリエステル系樹脂系、多糖類系などの有機系バインダであり、特にエポキシ樹脂系、アクリル樹脂系、多糖類が好ましい。

このような砥粒は、バインダを添加することにより硬度をより高いレベルで調整することができる。特に、バインダに対して有機物繊維を同重量以上配合した場合に良好な吸水性が維持される。

本第３発明の砥石は、本第１発明または本第２発明に記載の砥粒をさらに他のバインダで結合する。本第３発明におけるバインダとしては、有機系バインダでも無機系バインダでも構わないが、プレス加工型砥石製造に用いられる有機系バインダが好ましく、なかでもエポキシ樹脂系、アクリル樹脂系、フェノール樹脂系およびウレタン樹脂系が好適である。なお、本第３発明の「他のバインダ」には本第２発明のバインダと同種類ものも含まれる。

従来の単一素材の砥粒をバインダで結合して得られる砥石では、砥粒硬度の制御ができないため、砥粒の目つぶれや目詰まりが生じ、被加工物の焼けや割れが生じた。これに対して本第３発明の砥石では、第１及び第２発明の砥粒を使用して砥石に成形しているから、目つぶれや目詰まりを生じることなく、研磨精度および研磨効率が共に良くなる。

本第４発明は、本第１発明の砥粒の製造方法であって、微細加工した有機物繊維に研磨材粒子を混合して乾燥し粉砕する。有機物繊維は、乾燥時に研磨材粒子を捕捉した塊状となるため、その微細加工は、機械的な粉砕や有機的な合成、触媒による分解などの繊維化するための種々の加工方法が使用できるが、特に、高い剪断力が有機物に対して作用する湿式の粉砕装置で加工するのが良い。有機物繊維と研磨材粒子は分散用の溶媒存在下で混合して一旦スラリーとした後に乾燥するが望ましい。有機物繊維と研磨材粒子の混合したスラリーの乾燥は常温から200℃以下で行うが、乾燥時に発生する気泡の影響をなくすために、常圧の場合60℃が望ましく、60℃を超える場合は加圧することが望ましい。

本第５発明では、本第２発明の砥粒の製造方法であって、微細加工した有機物繊維に研磨材粒子およびバインダを混合して乾燥し粉砕する。有機物繊維の微細加工、有機物繊維と研磨材粒子、バインダの混合と乾燥は本第４発明の場合と同様である。

上記本第４発明における、微細加工した有機物繊維に研磨材粒子を混合して乾燥する際に砥石用の定形容器に入れることによって、本第６発明の、有機物繊維に研磨材粒子が捕捉されている砥石、を得ることができる。

また、上記第５発明における、微細加工した有機物繊維に研磨材粒子およびバインダを混合して乾燥する際に砥石用の定形容器に入れることによって、本第７発明の、有機物繊維およびバインダに研磨材粒子が捕捉されている砥石、を得ることができる。

本発明によれば、砥粒の硬さや吸水性能、あるいはその径を自在に変更調整することができるから、研磨精度と研磨効率のいずれもが十分に高い性能を有する砥粒やこれを使用した砥石を得ることができる。

砥粒のSEM像を示す図である。 SEM観察面の蛍光X線分析（EDX）チャートを示す図である。 EDXによる元素マッピングの結果を示す図である。 様々な配合の砥粒の吸水試験結果を示す図である。

なお、以下に説明する実施形態はあくまで一例であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が行う種々の設計的改良も本発明の範囲に含まれる。

（砥粒の作成）
有機物繊維であるセルロース原料にセオラスTG101（旭化成ケミカルズ社製）を用い、水中に重量比で約10％の割合で投入した。得られた水とセルロースの混合液を湿式の粉砕装置ナノヴェータ（吉田機械興業社製）により、室温または180℃において、圧力150MPaで所定回数粉砕装置に繰り返し投入して粉砕した。

粉砕後のセルロースの形状を電子顕微鏡（以下、SEM）で観察して確認した。これを表１に示す。処理前の原料は約数10μmの様々なブロック形状であったが、室温粉砕により約数100nmの板状になり、180℃の加熱により数10～数100nmの繊維状になった。

上記粉砕後の水とセルロースの混合液に研磨材粒子（アルミナ、炭化ケイ素）を種々の割合で添加し、攪拌機LAB-STIRRER（タイテック社製）で約5分間攪拌混合した。

撹拌混合した混合液を容器に投入し常圧、40℃の環境下で約8時間静置乾燥し、得られた乾燥品が大きな複合素材の塊に生成されるか否かを目視で確認した。これを表２に示し、粉砕処理したセルロースに研磨材粒子を添加して撹拌混合したものは全て塊状となった。ちなみに、粉砕処理をしなかった場合には粉状のままで塊状にはならなかった。塊状となった試料を乾式粉砕後、篩目開き0.5mmのふるいで分級し、篩下を回収して砥粒を得た。

表２に示す通り、粉砕処理によるセルロースの形状変化に伴い、上記の工程を経たセルロースとアルミナ研磨材粒子の混合、乾燥品は塊を形成しうることが確認された。この傾向は炭化ケイ素を用いた場合も同様の結果となった。

砥粒の構造を確認するためSEM観察と蛍光X線分析（以下、EDX）により観察面の原子番号5番のＢ（ホウ素）以上の元素分析を行った。セルロースのみのSEM像を図１（a）に、セルロースと炭化ケイ素研磨材粒子のSEM像を図１（ｂ）にそれぞれ示す。SEM観察の結果、セルロースのみの場合比較的凹凸の少ない平坦な面が観察されたが、炭化ケイ素を含んだ砥粒には上記の平坦な面に炭化ケイ素と思われる粒子状物質が適度に分散して、面内部に一部が捕捉されていることが観察された。また、セルロースのみのSEM観察面のEDXチャートを図２（a）に、セルロースと炭化ケイ素研磨材粒子のSEM観察面のEDXチャートを図２（ｂ）にそれぞれ示す。EDXチャートでは、セルロースのみの場合は炭素と酸素が、また、セルロースと炭化ケイ素からなる砥粒は、炭素と酸素およびケイ素が確認された。

図３に、セルロースと炭化ケイ素からなる砥粒（図１（ｂ）に示すもの）のEDXによる元素マッピングの結果を示す。図３中、白色部分が濃度の高いところである。結果は、SEM観察時に面を構成している主成分は炭素と酸素で（図３（a）、（ｂ））、面に対して適度に分散して、面内部に一部が捕捉されている粒子の主成分がケイ素であることが確認された（図３（ｃ））。これらの結果より、調製した砥粒は有機物繊維であるセルロースに研磨材粒子が捕捉された構造を有していることが見出された。

（砥粒の吸水特性と硬度測定）
試作した砥粒の硬度測定および吸水による硬度変化を目的に、乾式粉砕前の塊の上下面を平坦に加工した円柱を試作して、ロックウェル試験を行った。試験に供した試料は、セルロースとアルミナを重量比10：1の割合で混合し、常圧、40℃で乾燥して調製した。吸水は、試料に対して十分量の水で浸して静置して行った。表３に吸水前後のロックウェル試験の結果を示す。

表３に示すとおり、吸水前に31～33の硬度を有した試料は、吸水により硬度が変化した。

（砥粒の給水性能の調整）
セルロースと研磨材粒子の配合割合を重量比で1：1、7：3、8：2、および10：0とした砥粒を調製し、吸水試験を行った。吸水試験は、上記各重量比で配合した砥粒を十分量の水で所定時間浸した際の重量変化を調べて行った。浸せき2時間および5時間後の吸水試験結果を図４に示す。全ての試験区で砥粒の吸水が認められ、2時間後から5時間後へと浸せき時間が増加するほど吸水量は増加した。また、5時間後（同一時間）での比較ではセルロース割合が多いほど吸水量が多くなる傾向が認められる。上記結果は、砥粒のセルロースと研磨材粒子の配合割合を変えることでその吸水性能を調整できることを示している。

（砥粒乾燥調製時の圧力の影響）
砥粒乾燥時の圧力の影響を調べるために、加圧条件下、常温で静置乾燥し、大きな複合素材の塊を得ることを試みた。常圧で乾燥した試料は硬度が31～33となった（表３参照）。さらに、プレス機を用いて加圧後に乾燥した試料は硬度がさらに大きくなり、砥粒乾燥調製時の圧力によって硬度を調整できることが確認された。

（砥粒乾燥調製時の温度の影響）
砥粒乾燥時の温度の影響を調べるために、常圧下、様々な温度で静置乾燥し、大きな複合素材の塊を得ることを試みた。結果、60℃より高い乾燥条件下では外観観察上気泡が多くなり、200℃を超えるとセルロースの酸化が原因と思われる白色から茶色への変化が確認された。そのため、60℃以上では加圧が望ましく、200℃以上では調製に適さないと考えられる。

（バインダ添加砥粒）
砥粒調製時にセルロースに対して様々なバインダを重量比で1：50から9：10の割合で添加した。バインダはポリビニルアルコール（以下、PVA）、酢酸ビニル、フェノール（液）、フェノール（粉）、アクリル樹脂エマルジョンおよびエポキシ樹脂とした。混合後の乾燥は常圧化で各々のバインダの推奨条件に依った。調製時の均一分散性の外観評価や吸水試験を行いバインダの適性を評価した。表４に様々なバインダを9：10の割合で添加した際の砥粒の評価結果を示す。同様の傾向は添加割合を9：10～1：50の間で変化させても見られた。この結果より、バインダの選択により吸水時の硬度調整ができることが確認された。

（バインダ添加砥石の硬度変化）
砥粒調製時に研磨材粒子（アルミナ）とバインダの混合比を固定し、さらにセルロースを重量比で最大で20％まで混合して砥粒を試作した。試作した砥粒の硬度測定を目的に、乾式粉砕前の塊の上下面を平坦に加工した円柱を試作して、ロックウェル試験を行った。表５に示すように、セルロースを添加しない場合の硬度は174であったが、2％添加時には最大値193となった。さらに添加量を向上させると硬度が減少し20％添加時には最低値143を示した。このような結果より、研磨材粒子とバインダに対するセルロースの配合比を変えることで試作砥粒の硬度調整ができることが確認された。

（研磨実施例）
摩擦摩耗測定装置（TRI-S50W、高千穂精機株式会社）を使用して、ピンオンディスクによる摩擦試験により砥石の研磨性能を評価した。試験には、セルロースと研磨材粒子（炭化ケイ素）からなる砥粒に、バインダ（フェノール樹脂）を配合せずに試作した砥石（バインダなし）とバインダを配合した砥石（バインダあり）を用いた。また、参考例として研磨材粒子（炭化ケイ素）とバインダ（フェノール樹脂）で作成した市販砥石を用いた。

ピン側に砥石、ディスク側にアルミニウム合金（A5052）を設置し、荷重1ｋｇ、ディスク回転数100rpm、水溶性加工液（ソリューション）の条件で30分間アルミニウム合金を砥石で研磨した。回転半径は約20mmとした。アルミニウム合金の除去体積を砥石摩耗体積で除した研削比および仕上げ面粗さを平均算術粗さRaにより評価した。仕上げ面粗さは干渉式非接触三次元粗さ計（WykoNT9100、Veeco Instruments Inc.）を用いて測定した。

表６にその結果を示す。市販砥石に比べ本発明のバインダなし砥石、バインダあり砥石ではいずれも研磨効率である研削比が向上した。特に、バインダあり砥石では研削比は約2倍に向上した。この点で、バインダを添加することが望ましく、砥石寿命も向上する。研磨精度である仕上げ面粗さも、市販砥石に比べて本発明のバインダなし砥石、バインダあり砥石はいずれも向上した。

Claims (3)

1. セルロース繊維およびバインダに研磨材粒子が捕捉されており、前記セルロース繊維に対するバインダの配合割合を重量比で１：５０～９：１０の間の所定割合として、研磨時に、前記所定割合に応じた吸水をさせてその硬度が調整される砥石であって、前記バインダとして、ポリビニルアルコールないし酢酸ビニルのいずれかを使用した砥石。
2. 請求項１に記載の砥石を粉砕して得られる砥粒。
3. 請求項２に記載の砥粒をさらに他のバインダで結合した砥石。

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