JPH04122571A - セラミックスの精密研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はセラミックスの精密研磨方法に関し、さらに詳
しくは、高度に平滑な仕上が要求される難研磨材の研磨
に好適なセラミックスの精密研磨方法に関する。

［従来の技術と発明が解決しようとする課題］従来、常
識的な研磨の概念は、被研磨材よりも硬質の砥粒を被研
磨材表面に押しっけ、摺動させることにより、表面をフ
ィジカルに削り取ることである。

このような研磨概念の下に、セラミックスのような硬い
材料に対しては、一般には砥粒のなかではもっとも高い
硬度をもった超砥粒と呼ばれるダイヤモンド８よびＣＢ
Ｎ　（窒化ポロン）が砥石材料として好適であるとされ
ている。

しかしながら、鏡面ないしは鏡面に近い、高度に平滑な
仕上が要求される場合、従来のこのような硬度砥粒によ
る研磨では、被研磨材の種類によっては、いかに微細な
砥粒を使用しても肌荒れが生じたり１表面欠陥や加工変
質層が生成したり、目標とする表面粗さが得られないと
いう問題点がある。

特にへき開栓を有するとか、脱粒しやすいセラミックス
の研磨操作においてしばしばこのような問題点が経験さ
れるところである。

そこて、このような難研磨材に対しては、硬度の低い砥
粒を使用することにより、被研磨材の表面におけるへき
開栓や脱粒を回避しようと試みられているが、超砥粒に
比較して著しく加工能率が低く、研磨に長い時間を要す
るという欠点があり、また多少でも砥粒の硬度が被研磨
材よりも大きい場合は、表面の肌荒れか避は難いという
問題点がある。

一方、研磨加工の中には必ずしもフィジカルな作用が期
待されない粉末、例えば被研磨材よりもはるかに軟らか
い粉末であっても、研磨加工能力を示すものが知られて
いる。

このような研磨作用は、特定の粉末と特定の被研磨材と
の間に認められ、メカノケミカル研磨の概念によって説
明されている。

この場合、接触する微小部分における高熱の発生などに
伴う化学変化が研磨に関与しているとみられ、フィジカ
ルな砥粒の切込みによる研磨に比べて、平滑でダメージ
の少ない仕上りが得やすいという特徴がある。

例えば、セラミックスについても、酸化クロームの粉末
を成型した砥石によって、！化珪素を研磨して良好な結
果を得た例［須賀ら：昭和６２年度精密工学会秋季大会
学術講演会諭文集（昭和６２年９月５日発行）第２１３
〜２１５ページ参照］が報告されている。

しかしながら、メカノケミカル研磨は、通常、乾式で試
みられるので、研磨時に発生する熱によって、被研磨材
の変形や変質をきたすおそれがある。

そこでかかる問題を解決するために、加工液を流し掛け
たり、液中で行なわれる研磨（以下、湿式研磨と略称す
る）などが取り入られている。

しかしながら、湿式研磨の場合、熱の影響を免れること
はてきるが、加工液の冷却硬化によってメカノケミカル
な反応の進行が阻害されるため、加工能率は必ずしも高
いとは言い難いという別の問題点がある。

また、メカノケミカル研磨においては、軟質の粉末であ
れば、被加工材表面に与えるダメージは少ないと予想さ
れるが、実際には１機械的な研磨と興なり、被研磨材の
表面状態として、メカノケミカルな反応に関与するミク
ロな化学的性状や組織にばらつきがあって、研磨が均一
に進行しないため、仕上り面が良好といえないことが多
いという問題点もある。

また１通常、研磨の仕上段階ては、要求される仕上面粗
さに従フて、かなり微細な砥粒を用いなくてはならない
場合がある０例えば、その砥粒の粒径が＃３，０００以
上の細かい砥粒を使用するような工程では、成型された
固形砥石を利用するいわゆる固形砥粒方式が適用し難い
ので、遊離砥粒方式を採用せざるを得なくなつている。

この点においても加工能率の低下や表面欠陥の生成が免
れ難いという間−点がある。

これらの問題点を解決するために１本発明者らは既に微
細な砥粒を用いざるをえない精密研磨工程において、固
定砥粒方式を適用して遊離砥粒方式の欠点を克服するた
めに、砥石を構成している砥粒が高密度でかつ低結合で
ある固形砥石とこれによる研磨方法を開発（特開平１−
１７１７４６号公報、特開平１−１７１７６７号公報）
することにより、品質と加工能率の向上を実現している
。

しかしながら、へき開栓が高いとか脱粒しやすいセラミ
ックスに対しては、なおその効果は十分とは言い難い。

本発明は前記の事情に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明の目的は、へき開栓か高かワたり、脱
粒しやすいようなセラミックスに対しても、高度に平滑
な仕上がり面が得られるようなセラミックスの精密研磨
方法を提供することにある。

［前記課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するための本発明は、被研磨材と同等な
いしはやや硬い砥粒からなる高密度低結合度砥石に、メ
カノケミカルな作用を有する粉末を加えて、加工液の存
在下に被研磨材を研磨することを特徴とするセラミック
スの精密研磨方法である。

また、被研磨材の研磨は、１　ｋｇ／　ｃｍ２以上の加
工圧力の下に行うのが好ましい。

以下１本発明をさらに詳細に説明する。

本発明のセラミックスの精密研磨方法は、難研磨材とい
われているセラミックスの研磨工程、特に精密研磨にお
いて、被研磨材の硬度と同等ないしは若干高い砥粒から
なる高密度低結合度砥石を用い、これに被研磨に対して
メカノケミカルな機能を有する粉末を添加することによ
り、高密度低結合度砥石とメカノケミカルな作用を有す
る粉末とを併用して、水その他の加工液の存在下で、好
ましくは高圧て、被研磨材を研磨することにより、高度
に平滑な仕上り面を得ることができる。

一高密度低結合度砥石一 本発明において重要な点は、本発明に用いる砥石が、被
研磨材と同等ないしはやや硬い砥粒からなる高密度低結
合度砥石であることである。

本発明に用いられる砥石は、砥石を構成している砥粒が
高密度でかつ低結合である固形砥石である。

砥石を構成している砥粒が高密度であるということは、
研磨操作における砥石と被研磨材との接触単位面積当た
りの作用砥粒が多いことを意味し、高圧をかけて研磨し
ても砥粒ｌヶ１ヶにかかる圧力は小さいのて、被研磨面
にダメージを与えることなく、能率の良い研磨を行うこ
とがてきる。砥粒の含有量を砥石の単位体積中に占める
砥粒の割合（充填率）で示せば１通常、その含有量は３
５〜６５％である。砥石体積から砥粒体積を差し引いた
体積（空隙率）は、３５〜ｓ５％である。あらかじめ粉
末を砥石中に添加しておくときは、砥粒と粉末を併せた
体積が、全体の３０〜６５％を占め。

空隙率としては３５〜６５％である。

また、砥石を構成している砥粒の結合度が低いというこ
とは、砥石が被研磨材表面に抑圧、摺動させるとき、砥
粒は転動するものと見られ、砥石表面に再配置されて作
用砥粒数を増大させるとともに、砥石表面の砥粒を脱落
させるのて、常に新しい切れ刃が砥石表面に提供され、
砥石に目詰まりや１漬れをきたすことのなし）セルフド
レッシングというべき機能が付与されて、能率の良い研
磨操作を連続して実施することができる。

砥石の結合度は主として砥石中に含まれる結合剤の量に
依存し、本発明に用いられる砥石中の結合剤量は２〜１
２重量％の範囲にある。また砥石の結合度は、一般に大
赦式結合度測定法で測定した数値で表現される。この大
赦式は、結合度の低い砥石に対しては、必ずしも正確に
結合度を表現するものとは言い鰹いところもあるが、便
宜的に大赦式で表わせば、本発明に使用される砥石の結
合度はＨＲｌｌにほぼ相当する。

前記高密度低結合度砥石を構成する砥粒としては、例え
ば、ダイヤモンド、窒化硼素、炭化珪素、酸化アルミ、
酸化ジルコン、その他各種の微細なセラミック粒子など
を挙げることができる。

これらの内、選定される砥粒の硬度は、具体的には被研
磨材であるセラミックスと同等ないしはやや硬いものて
なくてはならない。

砥粒と被研磨材との硬度の差は２本質的には両者の接触
がもたらす高温状態での硬度差にかかわるが、便宜的に
常温付近での硬度をもって示すならば、新モース硬度で
４以下の範囲内にあることか望ましい。

砥粒と被研磨材との硬度の差が新モース硬度で４を超え
、これより硬質になると肌荒れが起こる。一方、硬度が
低いほど肌荒れの危険は少なくなるが、硬度が被研磨材
に近づくほど能率は低下する。

砥粒の粒径の選択は、目標とする仕上げ面の表面粗さに
左右されるが、一般にセラミックスの仕上げ研磨の領域
で用いられるのは、＃　３０００以上の微細な粒子であ
る。

もっとも容易に採用される高密度低結合度砥石の製造方
法は、砥粒に粉末や結合剤を前記のような所定の割合で
加えて、前記のような充填密度となるように加圧成形し
、乾燥あるいは加熱硬化させるものである。

−メカノケミカル粉末− 本発明において重要な点は、本発明の研磨方法では、高
密度低結合度砥石を用い、これに被研磨材に対してメカ
ノケミカルな機能を有する粉末を併用して研磨すること
である なお１本発明に言う「メカノケミカルな機能を有する粉
末（以下、粉末と略する）」とは、たとえば、研磨加工
の中には必ずしもフィジカルな作用が期待されない粉末
、例えば被研磨材よりもはるかに軟らかい粉末であって
も、研磨加工能力を示すものを指す。

この特定の粉末と特定の被研磨材との間に、メカノケミ
カル研磨の概念によって説明されている研磨作用が認め
られる。この研磨作用は、接触する微小部分における高
熱の発生などに伴う化学変化によるものとみられている
。

メカノケミカルな作用を有する粉末の具体例としては、
鉄、ニッケル、アルミなどの金属、酸化クロム、酸化珪
素、酸化鉄、酸化カルシウム、酸化マグネシウムなどの
金属酸化物、酸化セリュウムなど希土類金属の酸化物、
ハリュームフェライトなどの鉄酸化物、炭酸マグネシウ
ム、炭酸カルシウム、炭酸バリュウムなどの金属の炭＃
塩などを挙げることかできる。

前記粉末の添加は、高密度低結合度砥石を製造する際に
、予め砥石に添加しておいて、この砥石に水などの加工
液を流しながら被研磨材を押圧してもよいし、または砥
石面に粉末を散布したり、あるいは加工液に分散してお
き、この加工液を流しかけるなどの方法て、砥石表面に
供給しても良い。

粉末の粒度については、特に制約はないが、硬度が高く
被研磨材に近接し、あるいはこれを上回って、フィジカ
ルな研磨機能を有するような粉末については、研磨面に
対するダメージを考慮して、充分微細なものを使用する
ことが望ましい。

また、粉末を散布したり流しかけて砥石面に供給する時
は、やはり微細な粒子を使用しないと。

粉末が砥石面から逃げて有効に作用しないことかある。

粉末の粒径が高密度低結合度砥石を構成する砥粒より小
さいときは、粉末は砥粒の空隙に保持されるのて一層効
果的である。

一研磨方法一 本発明のセラミックスの精密研磨方法は、固定砥粒方式
を採用した。高圧湿式研磨方法である。

すなわち、セラミックスの研磨工程において、被研磨材
の硬度と同等ないしは若干高い砥粒からなる前記高密度
低結合度砥石を用い、これに前記メカノケミカルな機能
を有する粉末を添加して、水その他の加工液の存在下で
高圧で研磨することを特徴とする。

前記加工液としては、前記粉末の水懸濁液を使用するこ
とができる。またこのほかに、溶媒として、他の有機溶
剤を使用することもてきるが、安全性を考慮すると水が
はるかに好ましい。

加工液の研磨加工面への供給量としては、加工液中の前
記粉末の含有量によっても相違するが。

通常、ｌ〜ｌａｇ／１００ｓＪｌの割合で砥粒を含有さ
せた加工液を用い、砥石の研磨有効単位面積あたり毎分
０．１〜１　　ａｎを標準にし、研磨状況、被研磨材の
昇温状況等に応じて適宜に加減すればよく、本発明の実
施においては何ら制限されるものではない。

本発明の研磨方法においては、被研磨材と前記高密度低
結合度砥石に水または前記加工液を流し掛けたり、ある
いは水中または前記加工液中で。

高圧下で研磨か進行される。

加工圧力は被研磨材の種類に応じて適宜に決定されるの
であるが、十分に高圧であるのが望ましい、これは、砥
粒や粉末が高密度に充填されているので、加工圧力が不
十分であると砥粒や粉末粒子のｌヶ１ヶにかかる圧力は
小さくなって被研磨面に切り込まなくなったり、粉末と
被研磨面との間のメカノケミカル反応が進行しないこと
があるからである。加工圧力の具体例としては、もし研
磨装置の剛性が許容されるならば、１　ｋｇ／　ｃｖｌ
”以上、好ましくは１．８　ｋｇ／ｃｍ”以上であるこ
とが望ましく、これ以下では研磨効果に乏しいことがあ
る。また１０　ｋｇ／ａｍ２を越えると研磨面に肌荒れ
などの不都合を生しることかある。

加工圧力と加工能力との関係は、遊離砥石方式の研磨て
は、加工能率は必ずしも加工圧力に比例せず、圧力を上
げても加工量の増大が望めないことが多く、通常数１０
０　ｇ以下で実施される０本発明の高密度低結合度砥石
による研磨では、通常加工圧力と加工能力との間にリニ
ヤ−な関係があり、圧力が高いほど加工量も大きい。

高圧縮低結合度砥石を構成する砥粒や粉末は、相互にご
くルーズに結合されているので、ワークとの接触点にお
けるミクロな挙動は、遊離砥粒方式に類似して転勤を伴
うとみなされるが、加工における圧力と能率との関係は
、砥粒が高密度に充填されているため、高圧においても
遊離砥粒方式にみられるような砥粒の逃げによる作用砥
粒の減少がなく、砥石面の砥粒や粉末がすべてワーク面
に効果的に作用していることを示している。

本発明はこの高密度低結合度砥石の特長を効果的に利用
するものである。

すなわち、高圧をかけての研磨は、適当な硬度を有する
砥粒によって機械的な研削量の増大かもたらされると同
時に、メカノケミカルな作用を有する粉末もまた、高圧
でもって被研磨材を砥石に押圧されることになりワーク
との接触点における局部的な高温状態かもたらされ、湿
式すなわち加工液を流しかけるような冷却雰囲気てあっ
ても。

メカノケミカル作用か進行して面の平滑化が実現するが
、湿式研磨における水などの加工液の供給が十分である
ならば、数１００ｇ以上数ｋｇ／ｃｍ”の加工圧におい
ても、温度上昇は被研磨面の局部に止まり、被研磨材全
体としては、発熱による変形や変質を生じるおそれがな
い。

本発明の研磨方法によると、被研磨材がいわゆる難研磨
材と言われているセラミックスである場合においても、
脱粒のない鏡面仕上げないし鏡面に近い仕上げを実現し
、また加工能率を向上させることかできる。

［実施例］ 次に、実施例および比較例に基いて本発明を具体的に説
明するか、本発明はそれに限定されない。

（実施例１） メカノケミカルな作用を有する粉末である酸化クローム
粉末を添加した高密度低結合度砥石を用いて、望化アル
ミニウム基板（２インチ角１表面粗さ０．４１Ｌ■Ｒｍ
ａｘ）の高圧湿式研磨を行なった。

窒化アルミニウムはセラミックスの中でも、特に加工中
に脱粒やへき開をきたしやすい材料として知られている
。

ここて使用した高密度低結合度砥石は、砥粒として酸化
アルミニウム（平均粒径３ＩＬ）７ｏｆＥ量％、結合剤
としてフェノール樹脂７重量％からなり、添加された酸
化クローム粉末は２３重量％であった。また砥石の空隙
率は約５０体積％、結合度はＨＲ，７０（大赦式砥石結
合度測定機による測定値、以下同じ）てあった。

被研磨材である窒化アルミニウムの硬度は、新モース硬
度で８前後（ヌープ硬度ては約１１００）　、砥粒であ
る酸化アルミニウムの硬度は１２　（２３００）程度で
あり１両者の硬度差は新モース硬度で、はぼ４である。

両面研磨盤の上下定盤にこの砥石を装着し、前記窒化ア
ルミニウム基板を挟んで、加工液として水を用い、加工
圧力と加工時間を変えて研磨操作を実施した。研磨盤は
φ４５０、回転数は５０ｒｐｍである。加工時間ならび
に加工圧力と仕上り表面粗さとの関係をみると第１表の
通りであり、経時的に表面粗さが低下して鏡面に到達す
る。

この結果を比較例１と比較すると、より軟質で、被研磨
材との硬度差が少ない砥粒を用いているにもかかわらず
、はるかに良好な鏡面が短時間で得られることがわかる
。

（比較例１） メカノケミカルな作用を有する粉末である酸化クローム
粉末を添加した高密度低結合度砥石を用いて、窒化アル
ミニウム基板（表面粗さ０．４μｍ　Ｒｍａｘ）の高圧
湿式研磨を行なった。

ここで使用した高密度低結合度砥石は、砥粒として炭化
珪素（平均粒径３ル）が７２重量％、結合剤としてフェ
ノール樹脂７重量％からなり、添加された酸化クローム
粉末は２３重量％であった。また砥石の空隙率は約５０
体積％、結合度はＨＲ，７０であった。被研磨材である
窒化アルミニウムの硬度は、新モース硬度で８前後（ヌ
ープ硬度では１１００）　、砥粒である炭化珪素の硬度
は１３（２５００）程度であり、両者の硬度差は新モー
ス硬度でほぼ５である。

両面研磨盤の上下定盤にこの砥石を装着し、実施例１と
同一条件で研磨操作を行なった。

加工時間ならびに加工圧力と仕上り表面粗さとの関係を
みると第１表の通りである。

すなわち加工時間を延長しても表面粗さの向上がみられ
ず、顕微鏡によって観察される研磨面には、著しい脱粒
員が認められる。

（比較例２） また被研磨材のセラミックスとして、新モース硬度て１
２前後の酸化アルミニウムを研磨するのに、硬度１５　
（７８００）のダイヤモンド砥粒を用いた遊離砥石粒子
方式の研磨では、市販砥粒としてはもっとも細かい１／
２ｇ（平均粒径）の粒子を使用しても、目視で認められ
る肌荒れが認められた。

（実施例２） 比較例２において高密度低結合度砥石を用いて、これに
粉末として酸化珪素（平均粒径３＃Ｌ）を加えると、よ
り粗い２井（平均粒径）のダイヤモンド粒子を使用して
も、肌荒れのない鏡面が得られた。

（実施例３） 被研磨材のセラミックスとして、新モース硬度で１３前
後の窒化珪素を高密度低結合度砥石を用いて研磨した。

研磨に使用した高密度低結合度砥石は、砥粒として酸化
アルミニウム（平均粒子径３鉢）重量９４％、結合剤と
してアクリル樹脂６！ｉ量％からなり、砥石の空隙率は
４９％、結合度は）ＩＲ，Ｓ５であり、φ２００のディ
スク状に成形されている。この砥石を平面片面ラップ盤
に装着、この砥石の上に被研磨材である窒化珪素ブロッ
ク（２０ｘ２０ｘ５　ａｓ裏表面さ１．２　＃Ｌｓ　Ｒ
ａ）を貼りつけたキャリアを乗せて・７０ｒｐｍで回転
させた。

研磨面にかかる加工荷重は３．２　ｋｇ／ｃｍ”であっ
た、加工液として水を用い、この水の中に酸化クローム
粉末を約５重量％加えて、攪拌しながら砥石面に流しか
けた。

加工時間と仕上り面との関係は第２表の通りであり、良
好な仕上り面が短時間で得られることがわかった。

（比較例３） また同じ条件で加工液として水のみを用い、粉末を添加
しないときの加工時間と仕上り面との関係は第２表の通
りであり、実施例３と比較すると表面状態がかなり劣る
ことがわかる。

（実施例４） 砥粒として酸化アルミニウム（＃８０００）　７０重量
％と、粉末として酸化珪素（＃３０００）　３０重量％
、結合剤としてフェノール樹脂５重量％とからなる高密
度低結合度砥石（結合度５ｏｎＲｒ、空隙率４９％）を
砥石を偏心揺動させる両面ラップ盤に装着し、加工液と
して水を滴下しながら、酸化アルミニウム基板（２イン
チ角、＃　８００のダイヤモンド砥石で前加工したもの
）を研磨した。

ここで砥粒と被研磨材の材質はともに酸化アルミニウム
であるから１両者の硬度差はほぼ同等ないしは究めて微
小である。加工時間２０分における加工圧力と加工量と
の関係は、第３表に示した通りであり、加工圧力が低い
ときは加工能力も低いが、０．８　ｋｇ／ｃｍ”以上に
おいて顕著な研磨加工が進行することがわかる。

（比較例４〜８） ケメット（銅合金）定盤を装着した片面研磨盤て、遊離
砥粒方式で各種の硬質砥粒を用い、窒化アルミニウム基
板（１インチ角、表面粗さ硬度０．４　ｇ　ｍ　Ｒｓａ
ｘ）の仕上げ研磨を行なった。

使用した砥粒は、新モース硬度１５（ヌープ硬度７００
０）て、平均粒径１　／　２　ｕ、のダイヤモンド粒子
、硬度１４て平均粒径１　／　２　ｕのＣＢＮ　（窒化
硼素）粒子、硬度１３　（２５００）前後で平均粒径ｌ
終の炭化珪素粒子、硬度１２　（２３００）で平均粒径
１、のアルミナ粒子、硬度１１　（１８００）程度て平
均粒径１ｇのジルコン粒子の５種類である。

加工条件は回転数５０　ｒｐｍ　、加工圧力５００ｇ／
ＣＩ２、加工時間１ｈｒである。いずれの砥粒を使用し
た場合でも、仕上りの表面状態は鏡面には至らなかった
。さらに加工時間をｌｈｒ延長しても、肉眼で観察され
る表面状態には、顕著な改善は認められなかった。

また、この研磨操作を経た被研磨材の研磨面を、干渉光
顕微鏡により１００倍に拡大して観察したところ、脱粒
痕が一面に生成して肌荒れをきたしているのが認められ
た。

〈考察〉 第１表から明らかなように、実施例１では、被研磨材と
の硬度差が少ない高密度低結合度砥石（硬度差４）に、
メカノケミカルな作用を有する粉末を添加して用いると
、良好な鏡面か短時間で得られる。

しかしながら、比較例１にみられるように被研磨材との
硬度差が新モース硬度で４を越える高密度低結合度砥石
（硬度差５）の場合には、研磨面に脱粒痕が認められ、
被研磨材と同等ないしはやや硬い砥粒な選択することが
重要であることがわかる。

第２表から明らかなように、実施例３ては、高密度低結
合度砥石を用い、メカノケミカルな作用を有する粉末を
添加して、高圧湿式研磨方式により良好な仕上り面が短
時間で得られる。

しかしながら、比較例３にみられるように粉末を添加し
ないときには、同一条件であっても仕上げ面の表面状態
がかなり劣ることがわかる。すなわち、高密度低結合度
砥石と粉末とを併用することにより１ｗＡ著な効果か得
られることかわかる。

第３表から明らかなように、加工圧力が低いときは加工
能力も低いが、０．８ｋｇ／ｃｍ２以上において顕著な
研磨加工が進行することかわかる。

比較例４〜８に見られるように、遊離砥粒方式において
は、使用した砥粒のいずれにおいても仕上げ面に肌荒れ
が生じた。

［発明の効果］ この発明によると、従来、難研磨材とされているべき開
栓を有したり、脱粒しやすいセラミックスにおいても、
鏡面ないしは鏡面に近い高度に平滑な仕上げ面を加工能
率よく得ることのてきるセラミックスの精密研磨方法を
提供することができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被研磨材と同等ないしはやや硬い砥粒からなる高
   密度低結合度砥石に、メカノケミカルな作用を有する粉
   末を加えて、加工液の存在下に被研磨材を研磨すること
   を特徴とするセラミックスの精密研磨方法。
2. （２）１ｋｇ／ｃｍ＾２以上の加工圧力で被研磨材を研
   磨する前記請求項１に記載のセラミックスの精密研磨方
   法