KR101785183B1 - 다이아몬드 표면의 연마 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 마모분의 발생이 적고, 연마 부재의 수명이 길고, 그 제어도 용이하며, 평활도가 높은 표면을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 요철이 있는 입체적인 표면의 연마에도 용이하게 적용할 수 있는 다이아몬드 표면의 연마 방법을 제공하는 것이다. 다이아몬드 표면(1a)의 연마 방법으로서, 탄소와 이반응성인 금속 또는 침탄성 금속으로 이루어진 표면을 갖는 연마 부재(3a)를 사용하고, 연마 부재(3a)로 다이아몬드 표면(1a)을 연마하기에 앞서, 다이아몬드 표면(1a)에 레이저광(5)을 조사하고, 레이저광(5)의 조사에 이어서, 레이저광 조사부에 연마 부재(3a)를 접찰시켜 연마를 행하는 것을 특징으로 한다.

Description

다이아몬드 표면의 연마 방법{METHOD OF POLISHING THE DIAMOND-SURFACE}

본 발명은, 다이아몬드 표면의 연마 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각종 다이아몬드 제품의 표면을 연마하는 방법에 관한 것이다.

탄소의 결정인 다이아몬드는, 주지하는 바와 같이 현저히 경도가 높고, 내마모성이 우수할 뿐만 아니라, 미끄럼성이나 열전도성도 우수하고, 나아가 고굴절률이라는 점에서 여러가지 용도에 사용되고 있다. 예컨대, 바이트, 엔드밀, 줄 등의 절삭용 공구, 펀치, 다이 등의 소성 가공 금형, 밸브 리프터, 베어링 등의 접동(摺動) 부재, 히트싱크 등의 방열 부재, 전자 기반, 렌즈, 윈도우 등의 광학 부품 등에 사용되고 있다.

이러한 다이아몬드 제품은, 그 특성을 충분히 발휘시키기 위해서, 그 다이아몬드 표면을 연마하여 평활한 면으로 하는 것이 필요하다.

다이아몬드 표면의 연마는, 오래 전에는 다이아몬드제의 지립이나 지석을 이용한 기계적 연마 방법이 채용되었지만, 연마에 시간을 요할 뿐만 아니라, 양쪽 모두 연마되기 때문에 툴의 수명이 짧고, 또한 요철이 있는 입체적인 표면의 연마에는 적합하지 않다는 문제도 있었다. 이 때문에, 현재 여러가지 연마 방법이 제안되어 있고, 상기와 같은 결점의 개선이 도모되고 있다.

예컨대, 특허문헌 1에는, 다이아몬드 결정중의 탄소와 반응하기 쉬운 금속으로 구성된 연마 부재를 사용하고, 이 연마 부재에 초음파를 인가하여, 상기 연마 부재를 초음파 진동시키면서 다이아몬드 표면에 압박하여 연마를 해 가는 연마 방법이 제안되어 있다. 여기서, 탄소와 반응하기 쉬운 금속으로는, γ-Fe를 포함하는 스테인리스강이나, 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 탄탈(Ta) 등을 들 수 있다.

또한, 특허문헌 2에는, Al, Cr, Mn, Fe, Co 및 Ni로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 금속 원소와 Zr, Hf, V, Nb, Mo, Ta 및 W로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 금속 원소의 금속간 화합물을 지석으로서 이용하고, 이 지석을 필요에 따라 100∼800℃로 가열하면서 상대적으로 이동하는 다이아몬드 표면에 눌러서 연마를 행하는 방법이 제안되어 있다.

특허문헌 3에는, 다이아몬드 표면이 촛점이 되도록 레이저광을 집속시켜 조사하여 다이아몬드 표면을 연마하는 방법이 제안되어 있다.

특허문헌 4에는, 다이아몬드막의 연마 방법에서, 금속과 다이아몬드의 접촉 부분의 온도를 700℃∼1000℃의 범위에서 연속적으로 변화시키면서, 양자를 상기 접촉 부분에서 상대적으로 접동시키면서 이동시켜 연마하는 방법이 제안되어 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2005-231022호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2001-198833호 공보 특허문헌 3: 일본 특허 공개 평6-170571호 공보 특허문헌 4: 일본 특허 공개 평7-314299호 공보

그러나, 전술한 선행기술에서 제안되어 있는 방법에서도 해결 과제가 남겨져 있어, 아직 그 개선이 요구되고 있다.

예컨대, 특허문헌 1에 제안되어 있는 방법은, 초음파 진동에 의한 마찰열을 이용하여 연마 부재를 구성하고 있는 금속을 다이아몬드 표면의 탄소와 화학 반응시킴으로써 연마를 행하는 것이지만, 초음파 진동에 의한 마찰열을 이용하고 있기 때문에, 온도 컨트롤을 진동수나 압박력에 의해 행해야 하므로, 그 제어가 매우 어려워, 안정적으로 일정한 효율로 연마를 행하는 것이 어렵다.

또한, 마찰열을 사용하고 있기 때문에, 그 에너지 효율이 낮아, 온도를 상승시키기 위해서는, 상당한 압박력으로 연마 부재를 다이아몬드 표면에 압박하는 것이 필요하다. 그와 같이, 이 연마 부재를 구성하고 있는 금속의 경도가 다이아몬드에 비하여 상당히 낮다. 따라서, 연마 부재의 마모가 현저하여, 그 수명이 짧다고 하는 결점도 있다.

나아가, 상당한 압박력으로 연마 부재를 다이아몬드 표면에 압접하는 것이 필요하기 때문에, 연마 가공기, 특히 연마 부재 주변의 강성을 높게 할 수 밖에 없어, 장치가 대형화한다고 하는 문제도 있다.

특허문헌 2에 제안되어 있는 방법은, 매우 경질의 금속간 화합물을 지립으로서 포함하는 지석을 이용하여 연마를 행하는 것이지만, 특수한 금속간 화합물을 사용하고 있기 때문에, 매우 고비용이 되어 버린다. 또한, 경질의 금속간 화합물(경도 Hv가 500∼1000)을 다이아몬드 표면에 압박하여 연마를 행하기 때문에, 지립의 마모에 의한 마모분의 발생량이 많다. 게다가 분체 표면은 화학적 활성이 높기 때문에, 다량의 마모분의 발생은, 발화나 폭발 등을 초래할 우려가 있다. 나아가, 다이아몬드 표면에 압박하여 행하는 기계적 연마이므로, 역시 장치가 대형화한다고 하는 문제가 있다.

특허문헌 3에 제안되어 있는 방법은, 레이저광에 의한 가열에 의해 다이아몬드 표면의 탄소를 가스화하여 연마하는 것이지만, 다이아몬드 표면의 볼록부가 촛점이 되도록 레이저광을 조사해야 하므로, 레이저광 조사의 제어가 매우 어렵다. 따라서, 어느 정도 넓은 표면적(예컨대 수십 평방센티 이상)을 갖는 물질의 연마에는 방대한 시간을 요한다고 하는 문제가 있다.

특허문헌 4에 제안되어 있는 방법은, 금속과 다이아몬드의 접촉 부분의 온도를, 700℃∼1000℃의 범위에서 연속적으로 변화시키면서, 양자를 상기 접촉 부분에서 상대적으로 접동시키면서 이동시켜 연마하는 것이다. 이 방법에서는, 히터에 의한 가열이므로, 온도를 순간적으로 변화시킬 수 없어, 연마량의 조정에 제약이 있다. 또한, 이 특허문헌 4에는, 편마모 방지를 목적으로 연마 부재를 구형으로 하고, 저속 회전시키는 것이 기재되어 있지만, 회전축을 고정한 경우는 1바퀴만 동일한 접촉 상태를 유지할 수 있어, 보다 넓은 면을 이용하고자 한 경우, 회전축을 자유롭게 할 필요가 있어, 장치가 복잡해지기 쉽다고 하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 마모분의 발생이 적고, 연마 부재의 수명이 길고, 그 제어도 용이하며, 평활도가 높은 표면을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 요철이 있는 입체적인 표면의 연마에도 용이하게 적용할 수 있는 다이아몬드 표면의 연마 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 금속간 화합물과 같이, 특수한 제법에 의해 얻어지는 고가의 재료를 사용하지 않고, 저렴한 금속 단체(單體)로 형성된 연마 부재를 이용하는 것에 의해 연마를 행하는 것이 가능한 다이아몬드 표면의 연마 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의하면, 다이아몬드 표면의 연마 방법에서, 선형, 벨트형 또는 막대형의 형상을 갖고 있고 또한 탄소와 이반응성인 금속 또는 침탄성 금속으로 이루어진 표면을 갖는 연마 부재를 사용하고, 상기 연마 부재의 연마 표면을 연속적 혹은 단속적으로 변화시키면서 상기 연마 부재로 다이아몬드 표면의 연마를 행하고, 상기 연마 부재에 의한 연마에 앞서, 상기 연마 부재 또는 다이아몬드 표면을 가열하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 표면의 연마 방법이 제공된다.

또한, 본 발명에서, 탄소와 이반응성인 금속이란, 탄화물 형성 반응에서의 깁스의 자유 에너지 변화(ΔG)가 마이너스가 되는 온도 영역을 갖는 것을 의미하는 것이며, 특히 바람직하게는 다이아몬드가 탄화하는 온도(750∼850℃)를 넘지 않는 온도 영역에서, 탄화물 형성 반응의 자유 에너지 변화량(ΔG)이 -20 kcal/mol 이하인 금속이다. 각종 금속에서의 탄화물 형성 반응의 깁스의 자유 에너지 변화량은 공지이며, 예컨대 금속 데이터북 개정 4판(일본금속학회편, 마루젠)에 게재되어 있다.

또한, 침탄성 금속이란, 표면으로부터 탄소를 확산 침투시킬 수 있는 금속을 의미한다.

본 발명의 연마 방법에서는,

(1) 상기 연마 부재에 의한 연마에 앞서, 레이저광의 조사에 의해 상기 다이아몬드 표면의 가열을 행하고, 상기 레이저광의 조사에 이어서, 레이저광 조사부에 상기 연마 부재를 접찰시켜 연마를 행하는 것,

(2) 상기 연마 부재로서, 탄소와 이반응성인 금속으로 이루어진 표면을 갖는 것을 사용하고, 상기 금속이 Zr, Ta, Ti, W, Nb 또는 Al인 것,

(3) 상기 연마 부재로서, 침탄성 금속으로 이루어진 표면을 갖는 것을 사용하고, 상기 침탄성 금속이 Fe, Ni 또는 Co인 것,

(4) 상기 연마 부재에 의한 연마에 앞서, 다이아몬드 표면의 가열과 연마 부재의 가열을 행하는 것,

이 바람직하다.

본 발명에서는, 연마 부재의 표면에서 다이아몬드 표면을 접찰함으로써, 다이아몬드 표면의 연마를 행하는 것이지만, 이 연마 부재의 표면은, 탄소와 이반응성인 금속 또는 침탄성 금속에 의해 형성되어 있고, 또한 연마 부재에 의한 연마에 앞서, 상기 연마 부재 또는 다이아몬드 표면이 가열되어 있다. 따라서, 연마시에, 다이아몬드 표면의 탄소가, 연마 부재 표면을 형성하고 있는 이반응성의 금속과 반응하거나 또는 침탄성 금속의 표면층에 확산 침투하고, 그 결과, 다이아몬드 표면의 탄소가 제거되어, 다이아몬드 표면이 효과적으로 연마되는 것이다.

또한, 본 발명에서는, 이용하는 연마 부재는, 선형, 벨트형 또는 막대형의 형상을 갖고 있고, 전술한 금속 소재에 의해 형성되어 있는 연마 부재 표면을 연속적 혹은 단속적으로 변화시키면서 연마가 행해진다. 즉, 이와 같이 접촉부를 변화시켜 다이아몬드 표면을 접찰하기 때문에, 상기 반응(이반응성 금속과 다이아몬드 표면의 탄소와의 반응 또는 상기 탄소의 확산 침투)이 포화 상태에 이르지 않거나, 또는 마모에 의해 면압이 변화하지 않아, 항상 안정적으로 진행되게 되고, 그 결과, 장기간에 걸쳐 지속적으로 안정된 연마를 행하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명에서, 연마 부재 표면을 형성하는 탄소와 이반응성인 금속으로는, Zr, Ta, Ti 또는 Al이 적합하다. 이들 금속은, 모두 연질 금속이며, 그 비커스 경도(Hv)는 모두 200 이하이고, 다이아몬드 표면에 비하여 현저하게 낮을 뿐만 아니라, 전술한 특허문헌 2에서 사용되고 있는 금속간 화합물의 지석의 경도 500∼1000과 비교하더라도 현저하게 낮다. 즉, 이러한 저경도의 금속을 다이아몬드 표면에 접찰하여 연마를 행하기 때문에, 고경도의 금속 내지 금속 화합물을 이용하는 경우에 비하여, 마모분의 발생을 유효하게 억제하여, 연마 부재의 수명을 향상시킬 수 있고, 이것은 본 발명의 큰 이점이 된다.

또한, 연마 부재 표면을 형성하는 침탄성 금속으로는 Fe, Ni 및 Co가 적합하다. 이들 금속은 표면으로부터 탄소를 확산 침투시키는 성질을 갖는다.

또한, 본 발명에서는, 연마에 앞선 다이아몬드 표면의 가열을 레이저광의 조사에 의해 행하고, 레이저광의 조사부를 연마 부재에 의한 접찰에 의해 연마하는 것이 바람직하다. 즉, 이러한 레이저광의 조사는, 단순히 연마 부재 표면의 금속과 탄소가 반응할 수 있을 정도의 온도, 또는 다이아몬드 표면의 탄소가 연마 부재 표면에 침탄할 수 있을 정도의 온도로 가열하기 위해 채용되고 있는 것에 불과하며, 다이아몬드 표면의 탄소를 증발 휘산시키기 위해 레이저광이 채용되고 있는 것은 아니다. 이 때문에, 연마 조건의 복잡한 조정도 필요로 하지 않아, 장치를 컴팩트하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 요철이 있는 입체적인 표면이나 곡면의 연마에도 유효하게 적용할 수 있어, 다이아몬드 표면의 효과적인 평활화를 실현할 수 있다.

또한, 레이저광의 조사에 의해 다이아몬드 표면을 가열하는 경우에는, 다이아몬드 표면은 스폿적, 국부적, 순간적으로 가열된다. 따라서, 소정의 기판 상에 형성된 다이아몬드 피막의 연마를 행하는 경우, 다이아몬드 피막과 기판의 열팽창차에 의한 피막 손상이 생길 우려가 적다. 또한 국부적인 가열로 끝나기 때문에, 에너지의 이용 효율이 매우 높다고 하는 이점도 있다.

또한, 레이저광은 순간적으로 그 강도를 바꿀 수 있기 때문에, 가열 온도를 변화시킴으로써 연마량을 조정할 수 있다. 구체적으로는, 표면 성상을 모니터링하여 피드백을 가함으로써, 표면 균일성의 향상을 도모하거나, 미소한 요철을 표면에 형성하거나 할 수 있다.

본 발명에서, 연마 부재에 의한 다이아몬드 표면의 연마에 앞서, 상기 연마 부재의 가열과 다이아몬드 표면의 가열을 모두 행하는 것이 바람직하다. 이러한 가열에 의해, 다이아몬드 표면의 연마시에, 다이아몬드 표면의 탄소와 연마 부재 표면을 형성하고 있는 금속의 반응 또는 상기 탄소의 금속 표면에 대한 침탄이 한층 더 촉진되어, 효율적으로 단시간에 연마를 할 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 금속간 화합물과 같은 특수한 화합물을 이용하여 연마 부재를 형성할 필요는 없고, 기존의 금속 단체를 연마 부재로서 사용하기 때문에, 비용면에서도 유리하다.

도 1은 본 발명의 연마 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 연마 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 도 1 및 2의 연마 방법의 실시에 사용되는 연마 부재의 형태를 나타내는 도면이다.
도 4는 조사 에너지 밀도와 온도의 관계를 나타내는 선도이다.
도 5는 실시예의 연마 시험에서의 다이아몬드 표면의 표면 거칠기의 변화를 나타내는 선도이다.
도 6은 실시예의 연마 시험에서의 다이아몬드 표면의 표면 거칠기의 변화를 나타내는 선도이다.
도 7은 실시예의 연마 시험에서의 다이아몬드 표면의 표면 거칠기의 변화를 나타내는 선도이다.
도 8은 실시예의 연마 시험에서의 다이아몬드 표면의 표면 거칠기의 변화를 나타내는 선도이다.

도 1을 참조하여, 본 발명은, 다이아몬드 표면(1a)을 갖는 가공물(1)의 연마를 행하는 것이지만, 이 가공물(1)은, 단결정, 다결정 또는 박막 등으로 이루어진 다이아몬드 표면(1a)을 갖고 있는 한, 임의의 형상을 갖는 것이면 되고, 그 용도에 따른 형상을 갖고 있으면 된다.

상기 가공물(1)의 다이아몬드 표면(1a)의 연마는, 다이아몬드 표면(1a)을 접찰하는 연마 부재(3a)를 구비한 연마 장치(3)에 의해 행하지만, 도 1에 나타낸 양태의 본 발명에서는, 이 연마에 앞서, 상기 표면(1a)에 레이저광(5)을 조사하고, 이 조사후에 연마 장치(3)에 의해 레이저광(5)의 조사부를 연마함으로써 행해진다.

또한, 연마 장치(3)는, 다이아몬드 표면(1a)과 접찰하는 연마 부재(3a)를 구비한 것이고, 이러한 연마 부재(3a)는, 탄소와 이반응성인 금속 또는 침탄성 금속으로 형성되어 있다.

탄소와 이반응성인 금속은, 앞서 설명한 바와 같이, 탄화물 형성 반응에서의 깁스의 자유 에너지 변화(ΔG)가 마이너스가 되는 온도 영역을 갖는 것이며, 예컨대, Zr, Ta, Ti, W, Nb 및 Al을 예시할 수 있고, 이들 중에서도 Zr, Ta, Ti 또는 Al이 적합하다. 즉, 이들 금속은, 앞서 설명한 바와 같이, 그 표면 경도 Hv(비커스 경도)가 매우 낮고, 예컨대 Ta에서 100∼150, Zr에서 120∼200, Ti에서 100∼200, Al에서는 15∼50 정도이다. 따라서, 이러한 연질의 금속으로 연마를 행한 경우에는, 상기와 같은 압박력이 작은 접찰력으로 연마를 행했을 때에도, 그 마모나 변형을 효과적으로 억제할 수 있어, 마모분의 대량 발생을 유효하게 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 연마 부재(3a)의 수명을 높여, 장기간에 걸쳐 안정적으로, 정밀도가 좋은 연마를 행할 수 있다.

또한, 이들 연질 금속 중에서도 Zr, Ta 또는 Ti가 최적이다. 이들 금속은, 그 탄화물(ZrC, TaC, TiC)을 형성하는 반응에서의 깁스의 자유 에너지 변화량(ΔG)이, 다이아몬드가 탄화하는 온도(750∼850℃)를 넘지 않는 온도 영역에서, 모두 -20 kcal/mol 이하, 특히 -30∼-45 kcal/mol로 상당히 낮고, 따라서, 레이저광(5)의 조사에 의한 가열후의 접찰에 의해 다이아몬드 표면(1a)의 탄소와 매우 반응하기 쉬워, 효과적으로 다이아몬드 표면(1a)을 연마할 수 있기 때문이다. 예컨대, 후술하는 실험예에서의 실험 결과(도 5 참조)에 나타나 있는 바와 같이, 표면 거칠기 Rz(최대 표면 높이)가 1.5 ㎛ 정도인 조면으로부터 표면 거칠기가 0.8 ㎛ 정도인 평활면으로의 연마를 단시간에 행할 수 있다.

또한, 침탄성 금속으로는 Fe, Ni 및 Co를 예시할 수 있고, 이들 중에서도 Ni에 의해 표면이 형성되어 있는 연마 부재(3a)가 적합하다. 즉, 이러한 침탄성 금속에 의한 표면을 갖는 연마 부재(3a)를 이용한 경우에는, 연마 부재(3a)에 의한 연마시에, 다이아몬드 표면(1a)의 탄소 원자가 연마 부재(3a)의 표면에 확산되어, 다이아몬드 표면의 연마를 효과적으로 행할 수 있다.

연마 부재(3a)에 의한 연마는, 레이저광 조사부를 연마 부재(3a)로 접찰하면 되고, 큰 압박력으로 압박하면서 접찰할 필요는 없다. 연마 부재의 형상이나 재질에 따라 적당한 압박력은 상이하지만, 예컨대, 5 N(0.5 kgf) 정도의 압박력으로 연마가 가능하다는 것을 확인하였다. 한편, 압박력을 높게 함에 따라서, 진실 접촉 면적이 커져, 연마가 더 진행되는 경향이 있기 때문에, 압박력은 가공물의 형상, 그것에 따른 연마 부재의 형상이나 재질, 장치 강성 등을 감안하여 적절하게 설정하면 된다. 어쨌든, 본 발명에서는 연마 부재의 선단이 대변형을 일으키는 것 같은 압박력은 불필요하기 때문에, 연마 부재나 그 유지구의 소형화가 가능하여, 복잡한 형상이나 소직경 구멍을 갖는 가공물에 대한 연마를 행하는 데에 있어서 유리하다.

본 발명에서, 레이저광(5)의 조사는, 다이아몬드 표면(1a)을 연마 부재(3a)의 표면을 형성하고 있는 금속이 탄소와 용이하게 반응할 수 있는 온도로 국소적으로 가열하기 위해 행해지는 것이며, 그 가열의 정도는, 주로 레이저의 조사 에너지 밀도와, 다이아몬드의 에너지 흡수율에 의해 결정된다. 구체적으로는 연마에 이용하는 레이저원에 대한 다이아몬드의 에너지 흡수율에 기초하여, 레이저의 출력, 조사 폭(스폿 직경), 가공 속도를 적절하게 설정함으로써 설정을 행한다. 실제로는 형상, 두께, 레이저 종류 등에 따라 다르지만, 일례로서, 초경합금에 코팅된 10 ㎛ 두께의 다이아몬드에 탄산 레이저를 조사한 경우의 조사 에너지 밀도와 다이아몬드 표면의 온도의 관계를 도 4에 나타낸다.

또한, 온도 측정에는 재팬센서(주) 제조 방사 온도계(FTK9-R220A-2.5B11)를 이용했다.

이것에 의하면, 조사 에너지 밀도가 증가함에 따라서 온도도 상승하고 있지만, 조사 에너지 밀도를 지나치게 증대시키면, 750∼850℃ 부근에서 다이아몬드가 탄화하고, 온도는 그 이상 상승하지 않게 되는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 다이아몬드가 탄화하는 온도(750∼850℃)를 넘지 않는 온도 영역으로 다이아몬드 표면(1a)이 가열되도록 레이저광의 조사 에너지 밀도 등의 조사 조건을 설정해야 한다. 연마 부재(3a)에 이반응성 금속을 사용한 경우는, 200℃ 이상, 특히 220℃ 내지 800℃이고, 침탄성 금속을 사용한 경우는, 600℃ 이상, 특히 700℃ 내지 800℃가 바람직하고, 상기 범위내에서, 연마 부재(3a)에 이용하는 금속의 융점을 넘지 않는 온도로 가열되도록 조사 조건을 설정하면 된다.

레이저광(5)의 레이저원으로는, 다양한 것이 알려져 있고, 본 발명에서는, 가열 레벨이 낮기 때문에, 레이저원이 제한되지 않고 공지의 레이저를 모두 사용할 수 있다. 안정된 연마를 행하기 위해서는, 예컨대 용접이나 기계 가공의 분야에서는, YAG, 파이버 레이저 등의 고체 레이저가 널리 사용되고 있지만, 본 발명에서는, 이러한 고체 레이저 뿐만 아니라, 탄산 가스 레이저, 엑시머 레이저 등의 기체 레이저를 사용할 수도 있다.

레이저광(5)의 조사 폭(스폿 직경)에는 특별히 제한이 없지만, 레이저광의 에너지 효율이나 연마의 효율이라는 관점에서 생각하면, 연마 부재(3a)와 다이아몬드가 접촉하는 폭에 가까운 것이 바람직하다. 예컨대, 양자의 접촉폭에 비하여 조사 폭이 지나치게 작으면, 접찰시에, 온도가 낮은 개소(조사되지 않은 부분)의 연마가 진행되지 않아, 결과적으로 연마에 시간을 요하게 된다. 또한 조사 폭을 지나치게 크게 설정하면, 가열이 불필요한(연마되지 않는) 장소도 가열하게 되어, 에너지의 손실이 생기게 되어, 레이저광의 출력을 불필요하게 높게 하거나, 가공 속도를 낮추는 등의 처치를 행하게 된다. 또한, 연마 부재(3a)와 다이아몬드가 접촉하는 폭은 일반적으로 잘 알려져 있는 헤르츠의 식 등을 이용하여 개략적으로 산출할 수 있다.

본 발명에서는, 레이저광(5)이 조사된 후에, 이 조사 부분에 연마 부재(3a)에 의한 연마가 행해지지만, 이 타이밍은, 이 조사 부분의 표면 온도가 연마 부재(3a)의 금속과 다이아몬드 표면(1a)의 탄소의 반응(또는 침탄)이 진행되는 정도의 온도로 유지되고 있는 중에 연마가 행해지도록 하면 된다. 단, 다이아몬드의 열전도율은 매우 높기(차가워지기 쉽기) 때문에, 설치 스페이스가 허용되는 한, 조사 부분과 연마 부재(3a)를 가깝게 하여, 단시간화를 도모하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는, 다이아몬드의 탄화가 생기지 않는 것을 조건으로, 레이저광의 조사 이외의 수단, 예컨대, 각종 히터, 핫에어, 통전 저항 가열, 유도 가열, 고에너지빔 등의 공지의 가열 수단에 의해, 다이아몬드 표면(1a)의 가열을 행하는 것도 가능하지만, 앞서 설명한 바와 같이, 레이저광의 조사에 의해 다이아몬드 표면(1a)의 가열을 행하는 것이 최적이다.

본 발명에서, 도 1을 예를 들면, 레이저광(5)의 조사부와, 연마 장치(3)에 설치되어 있는 연마 부재(3a)를 동심원 상에 배치하고, 가공 부재(1)를 회전시킨 상태로, 레이저광(5)을 조사하면서 연마 부재(3a)로 다이아몬드 표면을 접찰함으로써 연마를 행한다. 또한, 연마 장치(3)(연마 부재(3a))와 레이저광(5)의 조사원을, 단속적 또는 연속적으로 가공 부재(1)의 반경 방향으로 이동시킴으로써 다이아몬드 표면(1a) 전체에 걸쳐 연마를 행할 수 있다.

또한, 가공 부재(1)를 회전시키는 대신, 연마 장치(3)(연마 부재(3a))와 레이저광(5)의 조사원을 회전시킴으로써, 레이저광(5)의 조사부를 연마하는 것도 가능하지만, 가공 부재(1)를 회전시키는 쪽이, 장치가 대형화되지 않아 일반적이다. 또한, 1회의 연마 가공으로는 연마가 불충분한 경우는, 상기 조작을 복수 회 반복함으로써 연마를 더 행해도 좋다.

또한, 가공 부재(1)의 표면 형상에 따라서는, 가공 부재(1) 또는 연마 장치(3)(연마 부재(3a))와 레이저광(5)의 조사원을 직선적으로 슬라이드 이동시킴으로써 연마를 행할 수도 있다. 일례로서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 레일(30) 위를 슬라이드 가능한 테이블(31) 상에 가공 부재(35)가 고정되어 있고, 테이블(31)의 상측에는 레이저원(37)이 배치되고, 레이저원(37)과 병렬로 연마 장치(39)가 설치되어 있다. 이 연마 장치(39)는, 하단에 연마 부재(40)가 부착되어 있고, 레이저광(37a)을 조사하면서 테이블(31)을 왕복 이동시키는 것에 의해, 가공 부재(35)의 다이아몬드 표면을 연마 부재(40)에 의해 접찰함으로써 연마를 행한다. 또한, 가공 부재(35)를 지지 부재(33) 상에 놓고, 이 지지 부재(33)를 테이블(31)에 고정할 수도 있다.

본 발명에서는, 다이아몬드 표면의 탄소 원자와 연마 부재의 연마 표면의 금속을 반응시키거나 또는 연마 부재 표면에 다이아몬드 표면의 탄소 원자를 확산 침투시킴으로써 효율적으로 연마를 행하기 위해, 연마 부재(3a)의 형상은, 선형(와이어형), 벨트형 또는 막대형으로 하고, 또한, 연마시에 연마 부재의 접촉부를 연속적 혹은 단속적으로 변화시키는 것이 필요하다. 즉, 다이아몬드 표면과 접촉하는 연마 부재의 표면(접촉부)이 항상 변화함으로써, 항상 효율적으로, 탄소 원자와 금속의 반응 또는 탄소 원자의 확산 침투가 생기고, 또는 마모에 의해 면압이 변화하지 않고, 항상 안정적으로 진행되게 되고, 그 결과, 장기간에 걸쳐 지속적으로 안정된 연마를 행하는 것이 가능해진다.

도 3에는, 본 발명에서 사용되는 여러가지 형상의 연마 부재(3a)의 예를 나타냈다.

예컨대, 도 3의 (a)에서는, 소정의 지지 부재(10)에 유지된 풀리(13)에 무단형의 와이어(15)가 감겨 있다. 이 와이어(15)가 탄소와 이반응성인 금속(또는 침탄성 금속)에 의해 형성된 연마 부재(3a)가 되어 있다.

또한, 도 3의 (b)에서는, 지지 부재(10)에 유지된 롤러(17)에 무단형 벨트(19)가 감겨 있고, 이 무단형 벨트(19)가 연마 부재(3a)가 되어 있다.

또한, 도 3의 (c)에서는, 슬리브형의 지지 부재(10)의 내부를 로드(21)가 관통하고 있고, 그 하단면에서 다이아몬드 표면(1a)을 접찰하도록 되어 있다. 즉, 이 로드(21)가 연마 부재(3a)가 되어 있다.

전술한 무단형 와이어(15)나 무단형 벨트(19)는, 풀리(13) 또는 롤러(17)를 회전 구동함으로써, 모두 다이아몬드 표면(1a)에 대한 접찰면을 연속적 또는 단속적으로 변화시키면서 연마가 행해지게 되어 있다. 또한, 로드(21)는, 연속적 또는 단속적으로 풀려 나와, 이에 따라 연마가 행해지도록 되어 있다.

이와 같이, 연마 부재(3a)를 연속적 또는 단속적, 바람직하게는 연속적으로 구동하여 연마를 행함으로써, 다이아몬드와의 접촉면이 연마에 의해 소비됨으로써 마모하는 것에 의한 면압 변화가 일어나지 않아, 장기간에 걸쳐 지속적으로 안정된 연마를 행하는 것이 가능해진다.

또한, 예컨대, 특허문헌 4에 나타나 있는 바와 같이 연마 부재(3a)가 구체 형상을 갖고 있는 경우에는, 구를 회전시킴으로써 동일한 효과를 기대할 수 있지만, 회전축을 고정한 경우는 1바퀴밖에 사용할 수 없고, 또한 회전축을 자유롭게 한 경우는 장치가 복잡해져 버리는 문제가 있다.

본 발명에서는, 특히 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같은 선형(무단형 와이어(15)) 및 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같은 벨트형(무단형 벨트(19))의 형태를 갖고 있는 것이 가장 적합하다. 즉, 이들의 경우에는, 연마 부재(3a)와 다이아몬드 표면(1a)의 접찰면이 점 또는 선 접촉이 되어, 높은 연마 효율을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 항상 신규한 면에서 연마를 행할 수 있고, 마모 등에 의한 면압 변화가 일어나지 않아, 장기간에 걸쳐 지속적으로 안정된 연마를 행하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명에서는, 미리 연마 부재(3a)를 가열해 둠으로써 상승 효과를 노릴 수 있다. 이렇게 함으로써, 다이아몬드 표면의 온도를 더욱 높게 할 수 있어, 다이아몬드 표면(1a)의 탄소와 연마 부재(3a)의 표면의 금속과의 반응 또는 상기 탄소의 금속 표면으로의 침탄(확산)을 촉진시킬 수 있다. 그 결과, 레이저광의 출력을 낮게 억제하는 것도 가능해진다.

연마 부재(3a)를 가열하여 연마를 행하는 경우에는, 레이저광의 조사를 하지 않고, 연마 부재(3a)에 의한 접찰만으로도 어느 정도 효율적으로 다이아몬드 표면의 연마를 행할 수 있다.

상기와 같은 가열은, 다이아몬드가 탄화하는 온도를 넘지 않는 것을 조건으로 하여, 200℃ 이상, 특히 220℃ 이상의 온도로, 다이아몬드 표면(1a) 또는 연마 부재(3a)의 표면, 혹은 그 양자가 가열되도록 행해진다.

또한, 연마 부재(3a)의 가열 수단으로는, 예컨대, 각종 히터, 핫에어, 통전 저항 가열, 유도 가열, 고에너지빔 등의 공지의 가열 수단을, 연마 부재(3a)의 형태에 따라서 채용할 수 있다.

또한, 상기와 같은 가열 수단은, 앞에서도 설명한 바와 같이, 레이저광 조사 대신, 다이아몬드 표면의 가열 수단으로서 채용하는 것도 가능하다.

전술한 본 발명의 연마 방법은, 각별한 고가의 화합물에 의한 연마 부재를 사용하지 않고, 금속 단체로 형성된 연마 부재를 이용하여 연마를 행할 수 있을 뿐만 아니라, 그 제어도 용이하고, 편평한 면에 한정되지 않고 요철이 있는 입체적인 면이나 곡면의 연마도 효과적으로 행할 수 있기 때문에, 여러가지 형태의 다이아몬드 표면을 갖는 가공물의 연마에 적용된다.

또한, 이미 널리 알려져 있는 수법이기는 하지만, 연마 가공전이나 가공중에 다이아몬드 표면에 레이저 흡수체를 도포하여, 다이아몬드의 에너지 흡수 효율을 높여도 좋다.

또한, 연마 부재와 다이아몬드의 반응성을 높일 목적으로, 산소 가스 등을 분무하면서 연마를 행해도 좋다. 또한, 연마 품질을 유지할 목적으로, 연마에 의해 생기는 금속 탄화물이나 이물질을 제거하기 위해, 진공으로 흡인하거나, 고압 에어나 미량의 세정액을 연속적 또는 단속적으로 분무하거나 하면서 연마를 행해도 좋다.

실시예

본 발명을 다음 실험예에서 설명한다.

또한, 이하의 실험예에서 표면 거칠기는 이하의 방법에 의해 측정했다.

표면 거칠기;

(주)도쿄정밀사 제조 표면 거칠기계(서프콤 575A)를 사용하고, JIS-B-0601에 준거하여, 최대 높이 Rz를 측정했다.

<실험예 1>

연마 시험기로서 도 1에 나타내는 개략 구조의 것을 사용하고, 연마하는 테스트피스는 초경합금제의 기재에 열필라멘트 CVD법에 의해 다이아몬드를 코팅한 것을 이용했다.

테스트피스;

형상: 13 mm×13 mm의 평판(두께 5 mm)

기재: 초경합금

다이아몬드 두께: 10 ㎛

최대 높이 Rz: 1.5 ㎛(다이아몬드면)

레이저(탄산 가스 레이저); 신라드사 제조 Evolution 100W

출력: 100 W

조사 폭(스폿 직경): φ0.2 mm

상기 연마 시험기에, 연마 부재로서 단면이 원형이며 직경이 1 mm인 Ta제 와이어를 부착하고(도 3의 (a) 참조), 레이저 조사 위치 및 연마 부재와 테스트피스와의 접촉 위치의 간격이 2 mm가 되도록 설정했다. 이 상태로, 연마 부재(Ta제 와이어)를 테스트피스 표면에 10 N의 하중으로 레이저광을 조사하면서 테스트피스를 72 m/min로 이동시켜 연마를 행했다. 또한, 한번 연마가 끝날 때마다 접찰 방향에 대하여 수직으로 0.005 mm씩 테스트피스를 이동시키고, 이 조작을 복수 회(100회 정도) 행함으로써 면형으로 연마 시험을 행했다.

테스트피스의 동일 부위에서의 접찰 횟수가 5회마다, 와이어의 접촉부를 변화시키고, 또한 연마 부분의 최대 높이 Rz를 측정하여, 그 결과를 도 5에 나타냈다. 접찰 횟수가 증가함에 따라서, 최대 높이 Rz는 감소하여, 연마가 행해지고 있는 것을 확인했다.

이하의 실험예에 관해서는, 실험 조건 및 결과를 별표 1에 정리했다. 또한, 실험예 1과 마찬가지로 접찰 횟수와 최대 높이 Rz의 관계를 도 5에 나타냈다.

<실험예 2>

레이저 조사를 행하지 않은 것 외에는, 실험예 1과 완전히 동일하게 하여 연마 시험을 행했다.

그 결과, 다이아몬드 표면의 연마는 전혀 행해지지 않았다.

<실험예 3>

레이저 강도를 50 W로 감소시킨 것 외에는, 실험예 1과 완전히 동일하게 하여 연마 시험을 행했다.

그 결과, 50 W에서는 실험예 1(100 W)에 비하여 연마가 그다지 진행되지 않고, 또한, 25 W로 출력을 낮춘 경우는, 다이아몬드 표면의 연마는 거의 행해지지 않았다.

<실험예 4>

연마 부재의 접찰을 없앤 것 외에는, 실험예 1과 완전히 동일하게 하여 연마 시험을 행했다.

그 결과, 다이아몬드 표면의 연마는 전혀 행해지지 않은 것을 확인했다.

<실험예 5>

압박력을 20 N으로 증가시킨 것 외에는, 실험예 1과 완전히 동일하게 하여 연마 시험을 행했다.

그 결과, 실험예 1(10 N)에 비하여 연마가 빠르게 진행되는 것을 확인했다.

<실험예 6∼8>

연마 부재를, 각각 Ti, Zr, Al로 변경한 것 외에는, 실험예 1과 완전히 동일하게 하여 연마 시험을 행했다. 그 결과 Ti, Zr는 Ta보다 연마가 빠르게 진행되지만, Al은 그다지 연마가 진행되지 않은 것을 확인했다.

이하의 실험예에 관해서는, 실험 조건 및 결과를 별표 2에 정리했다. 또한, 실험예 1과 마찬가지로 접찰 횟수와 최대 높이 Rz의 관계를 도 6에 나타냈다.

<실험예 9>

테스트피스의 이동을 이하와 같이 변경하고, 레이저 조사를 행하지 않고, 연마 부재를 히터에 의해 700℃로 가열한 것 외에는, 실험예 1과 완전히 동일하게 하여 연마 시험을 행했다.

테스트피스 이동 속도: 18 m/min

테스트피스 접찰 수직 방향 이동량: 0.025 mm/rev

접찰 횟수가 증가함에 따라서, 최대 높이 Rz는 감소하여, 연마가 행해지고 있는 것을 확인했다.

<실험예 10>

연마 부재를 800℃로 가열한 것 외에는, 실험예 9와 완전히 동일하게 하여 연마 시험을 행했다.

그 결과, 실험예 9(700℃)에 비하여 연마가 빠르게 진행되는 것을 확인했다.

<실험예 11>

연마 부재를 500℃로 가열한 것 외에는, 실험예 9와 완전히 동일하게 하여 연마 시험을 행했다.

그 결과, 실험예 9(700℃)에 비하여 연마가 느리게 진행되는 것을 확인했다.

<실험예 12>

연마 부재를 Fe로 변경한 것 외에는, 실험예 9와 완전히 동일하게 하여 연마 시험을 행했다.

그 결과, 실험예 9(Ta)에 비하여 연마가 빠르게 진행되는 것을 확인했다.

<실험예 13>

연마 부재를 500℃로 가열한 것 외에는, 실험예 12와 완전히 동일하게 하여 연마 시험을 행했다.

그 결과, 다이아몬드 표면의 연마는 전혀 행해지지 않은 것을 확인했다.

<실험예 14>

연마 부재를 Ni로 변경한 것 외에는, 실험예 1과 완전히 동일하게 하여 연마 시험을 행했다.

그 결과, 실험예 9(Ta), 실험예 11(Fe)에 비하여 연마가 빠르게 진행되는 것을 확인했다.

이하의 실험예에 관해서는, 실험예 1과 마찬가지로 접찰 횟수와 최대 높이 Rz의 관계를 도 7에, 또한, 접찰 횟수 50회 후의 연마 시점으로부터 외경 방향의 거리와 최대 높이 Rz의 관계를 도 8에 나타냈다.

<실험예 15>

조건을 이하와 같이 변경하고, 테스트피스를 회전시키면서, 연마 부재를 내경으로부터 외경을 향하여 0.025 mm/rev의 속도로 이동시켜 종점에 도달한 시점에서 연마를 종료하고, 와이어의 접촉부를 변화시킨 후, 다시 내경으로부터 연마를 시작한다고 하는 조작을 복수 회 행한 것 외에는, 실험예 1과 완전히 동일하게 하여 연마 시험을 행했다.

테스트피스;

형상: 내경 33 mm, 외경 65 mm의 링형(두께 12 mm)

기재: 초경합금

다이아몬드 두께: 20 ㎛

최대 높이 Rz: 1.8 ㎛(다이아몬드면)

주속: 24 m/min

연마 부재 하중; 20 N

레이저 조사 위치 및 연마 부재와 테스트피스와의 접촉 위치의 간격; 0.7 mm

테스트피스의 동일 부위에서의 접찰 횟수가 5회마다, 연마 부분의 최대 높이 Rz를 측정했다.

그 결과, 접찰 횟수가 증가함에 따라서 최대 높이 Rz는 감소하여, 연마가 행해지고 있는 것을 확인했다. 또한, 연마 시점으로부터 종점으로 감에 따라서, 연마가 느리게 진행되는 것을 확인했다.

<실험예 16>

Ta제 와이어를 연속적으로 0.5 mm/s로 보내고, 접촉부를 변화시킨 것 외에는, 실험예 13과 완전히 동일하게 하여 연마 시험을 행했다.

그 결과, 연마 시점으로부터의 위치에 상관없이 거의 일정한 연마량인 것을 확인했다.

연마 시험의 결과의 판정은, 접찰 횟수 15회 후의 연마량(-ΔRz)이,

0.1 ㎛ 미만인 경우: ×

0.1∼0.5 ㎛ 미만인 경우: △

0.5 ㎛ 이상인 경우: ○

로 했다.

1: 다이아몬드제 가공물 1a: 다이아몬드제 표면
3a: 연마 부재 5: 레이저광

Claims (3)

1. 다이아몬드 표면의 연마 방법에 있어서, 선형 또는 벨트형의 형상을 갖고 있고 또한 Zr, Ta 또는 Ti로 구성되는 금속 단체로 이루어진 표면을 갖는 연마 부재를 사용하고, 상기 금속 단체와 다이아몬드 표면에 존재하는 탄소와의 반응이 포화 상태에 이르지 않도록, 또는 마모에 의해 면압이 변화되지 않도록 상기 연마 부재의 연마 표면을 연속적 혹은 단속적으로 변화시키면서 상기 연마 부재로 다이아몬드 표면의 연마를 행하고, 다이아몬드 표면의 연마가 다이아몬드 표면과 연마 부재의 연마 표면을 직접 접촉시킴으로써 수행되고, 상기 연마 부재에 의한 연마에 앞서, 상기 연마 부재, 또는 다이아몬드 표면, 또는 둘 다를 가열하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 표면의 연마 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 연마 부재의 형상이 무단형 와이어인 다이아몬드 표면의 연마 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연마 부재는 풀리 또는 롤러의 회전 구동에 의해 연마 부재의 연마 표면을 연속적 혹은 단속적으로 변화시키는 것인 다이아몬드 표면의 연마 방법
   

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