JPH05253847A

JPH05253847A - メタルボンド砥石および研摩工具

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Publication number: JPH05253847A
Application number: JP8604892A
Authority: JP
Inventors: Matsufumi Takatani; 松文高谷; Yoshiaki Hagyuda; 善明萩生田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-03-09
Filing date: 1992-03-09
Publication date: 1993-10-05
Anticipated expiration: 2012-03-05
Also published as: JP2587747B2

Abstract

(57)【要約】【目的】砥石自身がセルフドレッシング機能を発揮し、
すぐれた長時間加工機能を保持することができる砥石お
よび研摩工具を提供することにある。【構成】砥粒を金属系の結合剤によって固定した砥石で
あって、該砥石が、金属または合金からなる主結合剤粉
末と、該主結合剤粉末に対し高い貴電位を有する局部電
池創成用粉末と、バインダと、砥粒とを混合して圧縮成
形し、加熱焼成又は焼結したものからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はメタルボンド砥石および
研摩工具、特にセルフドレッシング機能を有するメタル
ボンド砥石および研摩工具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ラッピングやポリシングには金属
製の定盤が利用され、その定盤上に遊離砥粒を工作液と
共に供給して工作物と定盤を相対摺動させる方法が一般
的であったが、砥粒の流出によるロス、砥粒の転動によ
る工作面の梨地化、定盤消耗量の増加と平坦度の耐久性
低下の難点があった。この対策として、メタルボンド砥
石を用いた固定砥粒方式のラッピングが開発され、自動
化に適した技術となっている。このようなメタルボンド
砥石を用いたラップ定盤として、特公昭６４−１８３号
公報には、鋳鉄粉と砥粒および純鉄粉を所要割合で混合
し、成形、焼結したものが提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】先行技術においては、
結合剤として鋳鉄と純鉄が使用されており、砥粒の保持
力については良好な特性が得られるが、微粒の砥粒を用
いた場合、工作物の表面粗さの平滑化の進行や砥粒先端
の摩耗と共に加工能率が減少し、その都度時間と手間の
かかるドレッシングを行わなければならないという問題
があった。

【０００４】本発明は前記のような問題点を解消するた
めに創案されたもので、その目的とするところは、砥石
自身がセルフドレッシング機能を発揮し、すぐれた長時
間加工機能を保持することができる砥石および研摩工具
を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明は、メタルボンド砥石において、金属または合金
からなる主結合剤粉末と、該主結合剤粉末に対し高い貴
電位を有する局部電池創成用粉末とバインダおよび砥粒
(研磨剤)を混合し、圧縮成形した後焼結ないし焼成せし
めることによって構成したものである。また、本発明は
前記のようにして得た砥石を複数個広い面積の基体に配
置し、あるいは単独で基体に装着した研摩ないし研削具
を含むものである。前者の具体例としては、ラップ定盤
や金型研磨工具が挙げられ、後者の例としては軸付き研
摩工具が挙げられる。主結合剤粉末としては、錫が好適
であるほか、銅、コバルト、鉄などの単種金属粉末、さ
らには青銅などで代表される各種合金粉末を用いること
ができる。高い貴電位を有する局部電池創成用粉末とし
ては、銀など金属粉末、グラファイトなどの非金属粉
末、さらには導電性と貴電位を有するセラミックたとえ
ばほう化チタン(TiB₂)、ほう化ジルコニウム(ZrB₂)、炭
化珪素(SiC)や導電性有機物が挙げられる。バインダと
してはレジンが代表的なものである。

【０００６】以下本発明を添付図面に基づいて説明す
る。図１は本発明によって得たラップ定盤を示してお
り、１は基体、２は本発明による砥石ペレット(セグメ
ント)であり、多数枚が整列配置された状態で接着され
ている。前記砥石ペレット２は定盤用としては図２(a)
のように平板状をなしているが、研摩工具の形状等に対
応させるべく図２(b)のように凸面となっていてもよい
し、逆に凹面となっていてもよく、平面形状も角形、円
形など任意である。さらには円筒形をなしていてもよ
い。前記砥石ペレット２は、図３のように複合母地組織
ａに砥粒ｂが包埋固定されており、複合保持組織ａは、
金属または合金からなる主結合剤３と、主結合剤に対し
高い貴電位を有する局部電池創成物質４とバインダ５と
の混合物が焼結ないし焼成したものから構成されてい
る。

【０００７】前記主結合剤３と局部電池創成物質４とバ
インダ５は、砥粒保持力、研摩能率、加工面へのあた
り、耐摩耗性などから材料が選定される。ことに、主結
合剤３は加工面の表面粗さを砥粒の粒径に対応した数値
に押えてスクラッチを防止するのに適したもの、すなわ
ち、加工物への当りを緩和して潤滑性のよい軟質である
ことが好適である。しかも、上記した特性に加えて局部
電池創成物質４とで相互に局部電池作用を発揮するする
に適した材質が選定される。その代表的なものは錫であ
り、このほかには、銅、コバルト、青銅などを使用する
ことができる。青銅は砥粒の粒度を大として精密研削に
も利用できる利点がある。

【０００８】次に高い貴電位を有する局部電池創成物質
４は、主結合剤３との関係で選択されるが、主結合剤３
として錫を使用した場合、好適なものは、銀系の金属と
グラファイト類である。これらを用いるのは、錫を結合
剤の主材料とした場合に、銀類とグラファイトが、見掛
け上の電位差と特定の溶液中での錫の溶解減少率が高い
ことを知見したことによる。すなわち、図４は市販溶液
(アクアクール)と緩衝溶液(ほう酸＋塩化カリウム＋水
酸化ナトリウム，ｐＨ９）を使用し、各溶液中における
錫と異種金属間の電位差と、これに対応する錫の溶解減
少率を測定した結果を示している。この図４から、銀類
およびグラファイトが錫に対し高い電位差と溶解減少率
を示すことがわかる。なお、局部電池創成物質４は、主
結合剤３が銅や青銅の場合の場合には例えばグラファイ
トが好適であり、主結合剤３がコバルトの場合銀系のも
のが好適である。

【０００９】この局部電池創成物質４の主結合剤３に対
する添加率は、主結合剤３の性質を減殺しない範囲で調
整する。主結合剤３を錫として、これに対する局部電池
創成物質４の添加量を種々にとって予備実験したとこ
ろ、局部電池創成物質４がグラファイトの場合、研摩加
工時間１０分において、局部電池創成物質無添加の場合
に比べて、加工量が、４wt%添加で２.４倍、２wt%の添
加で１.６倍であった。また局部電池創成物質４が銀の
場合、８wt%添加で２.４倍、４wt%添加で２.２倍になっ
た。この傾向は主結合剤３が銅、コバルト、青銅の場合
にも同様であった。この知見から、局部電池創成物質４
の主結合剤３に対する添加率は２〜８wt％であり、経済
性をも勘案して４wt%前後の添加が最適である。

【００１０】バインダ５は砥石の硬さや気孔を調整する
ためには効果的である。このバインダ５は焼結ないし焼
成時によって砥石母地組織の一部にもなり、長時間加工
能の持続に効果的である。このバインダとしては、フェ
ノールレジンで代表される熱硬化性レジンが好適であ
る。主結合剤３に対する添加率は、砥粒の集中度にもよ
るが、一般に２〜１０wt％である。上限を１０wt％とし
たのは、メタルボンド砥石と異なる性質を有するに到る
からである。なお、そのほかの添加剤として、ＣａＯで
代表される気孔吸収剤も適宜使用できる。その場合の添
加率は１〜５wt％である。上限を５wt％としたのは、気
孔が減りすぎることになり、チップポケットとしての作
用が減殺されるからである。砥粒ｂとしては、ダイヤモ
ンド、ｃＢＮなど公知のものをすべて使用でき、粒度や
集中度も加工物に要求される研摩加工度によって適宜♯
１０００〜４０００、集中度３０〜７５などの範囲から
選択すればよい。

【００１１】次に本発明によるメタルボンド砥石と研摩
工具の製造法を説明する。本発明によるメタルボンド砥
石を得るには、図５のように混合手段６たとえばボール
ミルなどを用いて、主結合剤粉末３０と局部電池創成物
質粉末４０と砥粒ａとバインダ５０とを撹拌混合する。
主結合剤粉末粒度は砥粒の粒度によって適宜選択すれば
よいが、砥粒粒度が♯３０００程度の場合には、通常１
００μm以下好ましくは６０μm以下であり、局部電池創
成物質粉末４０は通常３０μm以下好ましくは１０μm以
下である。それらの理由は、あまり粒径が大きいと主結
合剤粉末と局部電池創成物質粉末との接触面積が小さく
なるからである。この混合工程においては、主結合剤粉
末３０と局部電池創成物質粉末４０とが効果的に局部電
池作用を発揮するように混合順序を選定することが好ま
しい。すなわち、たとえば、主結合剤粉末３０が錫で、
局部電池創成物質粉末４０が銀の場合、始めに錫と銀が
固着するように撹拌し、次いで砥粒ａを加えた後、バイ
ンダ５０の順に混合する。局部電池創成物質粉末４０が
グラファイトの場合は、錫と砥粒ａを最初に混合し、そ
れからグラファイトを添加して混合する。

【００１２】これらの混合粉はついで、プレス型やロー
ル成形機、押出し成形機、射出成形機など所望の加圧成
形手段７に充填し圧縮成形する。成形圧力は砥粒粒径と
集中度によって異なり、砥粒径を小さくし集中度を高く
すると砥石強度は低下するため、約５０〜５００MPaの
範囲から適宜選定すればよい。実験によれば、砥粒粒度
♯３０００〜４０００、集中度３７.５〜７５では、２
００MPa前後から硬さはほぼ一定値に飽和する傾向を示
しており、したがって、通常２００〜２６０MPa前後が
適当である。ついで、成形体は加熱手段８に装入し、焼
結ないし焼成する。加熱手段８はバッチ炉、連続炉など
任意である。焼結ないし焼成条件は、主結合剤粉末３０
が錫の場合、大気雰囲気中で温度１１０〜１８０℃、時
間２０〜７０minにて行う。このようにして得られた砥
石ペレット２は、面取り後などの整形を行った後、軸付
き研摩具の場合には接着剤などによって基体に接合し、
研削し、ドレッシングする。ラップ定盤や金型研摩工具
の場合には、基体１の上に砥石ペレット２を整列接着
し、研削後、同一砥石ペレットを貼付た修正リングによ
って若干の遊離砥粒を使って共擦りドレッシングを行え
ばよい。

【００１３】

【実施例】次に本発明の実施例を示す。本発明により、
２種のメタルボンド砥石ペレットを作成し、これを用い
て２種の定盤を作成した。砥粒は♯３０００(4〜6μm)
のダイヤモンドとし、集中度５０とした。主結合剤粉末
には粒度約６３μm以下の錫粉を用い、第１砥石には局
部電池創成物質粉末として銀粉(粒度約１０μm以下)、
第２砥石にはカーボングラフアイト(粒度約７μm以下)
を使用した。バインダはフェノールレジンを使用した。
それらの配合比は、第１砥石および第２砥石とも錫粉９
２wt%、銀粉、カーボングラフアイトともに４wt%、フェ
ノールレジン４wt%とした。第１砥石においては、ボー
ルミルで最初に錫粉と銀粉を撹拌混合し、次いで砥粒を
添加し、バインダを加えて混合した。第２砥石において
は、錫粉と砥粒を混合し、次いでカーボングラファイト
を添加し、バインダを加えて混合した。次いで混合粉を
プレス型に充填し、２５０MPa前後の成形圧力で圧縮成
形し、成形体を、大気雰囲気中で、１５０℃×３０分間
焼結した。焼結体は錫と銀またはグラファイトとレジン
に包埋された複合組織であり、強度はロックウェルスー
パフィッシャルHR15Wであった。

【００１４】上記の方法により、３０×３０×８ｔ(mm)
の２種の平板砥石ペレットを得た。砥粒の消費を少なく
するため、表面層２mmだけを前記複合組織とし、それよ
り下層は錫焼結層とした。前記平板砥石ペレットを焼結
後１mm面取りし、φ２１０mmの基体上に整列接着した。
仕上げは、研削を経て、同一砥石ペレットを貼付した修
正リングにより若干の遊離砥粒を付加して共ずりドレッ
シングを行った。

【００１５】次にこれら定盤の性能試験を行った。工作
物はシリコンウエハ及び焼入鋼ＳＫＤ１１である。ま
ず、錫−グラファイト定盤を使い、これをラップマスタ
ー式のラッピングマシン取付け、ラップ液として、緩衝
溶液(ほう酸＋塩化カリウム＋水酸化ナトリウム、pH.9)
と市販研摩液(アクアクール 30倍稀釈液)および蒸留水
を使用し、定盤回転数５０r.p.m、加工圧力２４.５ｋＰ
ａの条件で、シリコンウエハを研摩した。このときの加
工量と加工時間の関係を図６示す。この図６から、ラッ
プ液として緩衝溶液（ほう酸＋塩化カリウム＋水酸化ナ
トリウム、pH.9)を使用した場合が他のラップより加工
量が大きくなっており、電解作用によりセルフドレッシ
ングが行われていることがわかる。なお、第２砥石(錫
−銀)の場合も同じ傾向にあった。

【００１６】上記条件で加工圧力を５８、２４.５、７.
８ｋＰａと変化させた場合、加工量は加工圧力に比例し
て増加し、加工時間に対して直線性を有することがわか
った。そこで、ラップ液として緩衝溶液を使用し、２種
の定盤と２種の工作物について前記と同じ条件にてラッ
ピングを行い、加工量の差をみた。この結果を図７に示
す。この図７から、いずれの場合も、電解質を含んだ溶
液と局部電池作用により、ドレッシング中に砥石作用面
が緩慢に減耗するため、加工能の持続性が非常に良好で
あることがわかる。そして、シリコンウエハに対しては
錫−銀定盤が加工量が大きく、ＳＫＤ１１対しては切り
込み量が少なく差異は表れなかった。なお、局部電池創
成物質を添加せずに、錫とフェノールレジン４wt％の砥
石では、同じラッピング条件において、加工時間１０分
間での加工量は、シリコンウエハのときに１１μm、Ｓ
ＫＤ１１のときに２．５μmであり、本発明よりも大幅
に劣っていた。

【００１７】次に、錫−銀定盤を用いてシリコンウエハ
を６０分間加工したときの、砥石使用前と使用後の粗さ
を、触針式表面検査器によって測定した結果を図８に示
す。(a)は使用前、(b)は使用後の粗さ曲線であり、加工
前と加工後の表面粗さの変化は少なく、切れ味が維持し
ていることがわかる。また、図９は錫−銀定盤で前加工
１.５μmRmaxのＳＫＤ１１を３０分加工したときの粗さ
曲線で、０.０５μmRmaxの良好な鏡面が得られることが
わかる。２種の定盤の特徴は、層状固体のグラファイト
を添加すると潤滑性が付与されるため軟質材料の加工に
適しており、銀を添加すると定盤の見掛けの硬さがやや
増加し、金属部分が多いので有効切れ刃数が多く、砥粒
保持力も大で比較的硬い材料の加工に適している。さら
に工作物の材質によっては、化学作用と洗浄効果により
表面の平滑化がより良好となる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明した本発明によるときには、結
合剤粉末と局部電池創成用粉末と砥粒を混合し成形、焼
結ないし焼成するため、砥石の全体に砥粒を均一に分布
させることができ、砥粒の種類、粒径、含有量を任意に
選択できる利点があるだけでなく、研摩または研削作業
中に緩衝溶液のような化学作用を持つ液を含む工作液を
供給することによって主結合剤と局部電池創成用物質間
の電位差により電解現象が生じ、砥石母地面(砥石作用
面)が緩慢に減耗され、セルフドレッシング効果が得ら
れる。このため、加工能率が向上し、切れ味の持続性が
維持されるというすぐれた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるメタルボンド砥石を使用した研摩
工具を示す部分切欠斜視図である。

【図２】図１に置ける砥石ペレットを示す断面図であ
る。

【図３】砥石ペレットの成形段階の一部拡大図である。

【図４】主結合剤として錫を用いた場合の、異種金属間
の電位差と溶解減少率の関係を示す線図である。

【図５】本発明の砥石ペレットの製造工程図である。

【図６】本発明により製作した研摩工具を用いて加工し
たときの異種ラップ液と加工量の関係を示す線図であ
る。

【図７】本発明による二種の定盤の加工量と加工時間の
関係を示す線図である。

【図８】使用前後の表面粗さ曲線図である。

【図９】本発明の定盤による研摩後の加工物の表面粗さ
曲線図である。

【符号の説明】

２砥石ペレットａ砥粒３主結合剤４局部電池創成物質５バインダ

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【手続補正書】

【提出日】平成４年４月２０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】砥粒を金属系の結合剤によって固定した砥
石であって、該砥石が、金属または合金からなる主結合
剤粉末と、該主結合剤粉末に対し高い貴電位を有する局
部電池創成用粉末と、バインダと、砥粒とを混合して圧
縮成形し、加熱焼成又は焼結したものからなることを特
徴とするメタルボンド砥石。
【請求項２】主結合剤粉末が錫、銅、コバルト、青銅か
ら選択され、局部電池創成用粉末が銀で代表される金
属、グラファイト、導電性で貴電位を有するセラミック
から選択される請求項１に記載のメタルボンド砥石。
【請求項３】砥石が、金属または合金からなる主結合剤
粉末と、該主結合剤粉末に対し高い貴電位を有する局部
電池創成用粉末と、バインダおよび砥粒とを混合して圧
縮成形し、加熱焼成又は焼結することで作られ、かつ、
該砥石の複数個がより広い面積の基体上に配置されてい
る研摩工具。
【請求項４】砥石が、金属または合金からなる主結合剤
粉末と、該主結合剤粉末に対し高い貴電位を有する局部
電池創成用粉末と、バインダと砥粒とを混合して圧縮成
形し、加熱焼成又は焼結することで作られ、かつ、砥石
が単独で基体に装着されている研磨工具。
【請求項５】局部電池創成用粉末の添加量が２〜８wt％
である請求項１ないし４のいずれかに記載のメタルボン
ド砥石および研摩工具。
【請求項６】電解質成分を含む工作液を併用する請求項
１ないし４のいずれかに記載のメタルボンド砥石および
研摩工具。