JP2008132560A - 単結晶超砥粒および単結晶超砥粒を用いた超砥粒工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 砥粒保持力と切れ味に優れた工具にできる超砥粒および超砥粒工具を提案する。
【解決手段】 複数の結晶面で構成される単結晶超砥粒であって、複数の結晶面のうち（１１１）面と（１００）面に微小突起を形成し、微小突起を形成した結晶面はＰＶ値が０．１〜５μｍの表面粗さとする。結晶面のうち（１１１）面に形成された突起は三角錐状の成長痕または三角錐状の成長痕が積層されたものとし、結晶面のうち（１００）面に形成された突起は四角錐状の成長痕とする。また、複数の結晶面は、（１１１）面、（１１０）面、（１００）面であり、気相合成法により（１１１）面と（１００）面を優先的に成長させ、（１１０）面を取り囲む稜線のうちお互いに対向する稜線間距離の小さい方向の稜線間距離は０．２Ｄ以下（Ｄは砥粒径）とする。これらの超砥粒を用いて、超砥粒工具とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、研削加工用の超砥粒工具に使用されるダイヤモンドやＣＢＮの超砥粒およびその超砥粒を用いた超砥粒工具に関するものであり、砥粒保持力を向上させ、加工性能も向上させることを可能とした単結晶超砥粒および単結晶超砥粒を使った超砥粒工具に関する。

ダイヤモンドは天然・人工を問わず古くからその硬さ故に、宝石以外の工業用途に使われてきた。ダイヤモンドを使った例として超砥粒工具があり、その代表的な例として研削加工用の砥石がある。

研削加工用の砥石は、ダイヤモンド砥粒をフェノール系樹脂、ポリイミド系樹脂を代表とする樹脂結合材と各種充填材で結合させたレジンボンド砥石、ダイヤモンド砥粒をブロンズ系、コバルト系などの金属粉末との焼結によって結合させたメタルボンド砥石、電解・無電解めっきによりＮｉなどの金属でダイヤモンド砥粒を結合させた電着砥石、さらにはガラスを主成分とし各種添加材を加えたセラミックボンドでダイヤモンド砥粒を結合させたビトリファイドボンド砥石に大別される。また、広義ではメタルボンドに分類されるが、台金にダイヤモンド砥粒をロー付けで固定した単層の研削砥石もある。

これらのダイヤモンド砥石を使い安定した加工性能や寿命を維持するためには、切れ味を如何に持続させるかが大きなポイントであり、砥石の仕様を決める際には砥粒自体の耐摩耗性、適度な発刃効果、砥粒の保持力、砥石の耐熱性などを考慮する必要がある。

上記のメタルボンド砥石のようなダイヤモンド砥粒を多層に結合したいわゆるインプリタイプのダイヤモンド砥石の場合、切れ味を維持・回復させる方法として、スティック状あるいは円盤状の在来砥石を用いてドレッシングすることにより性状を回復させる機械的ドレッシング方法、結合材に導電性を付加し、電気分解によって結合材を除去することで性状を回復させる化学的ドレッシング方法、あるいは、放電やレーザー等の熱によって結合材を除去するかあるいは砥粒自体に新たな切刃エッジを形成することにより性状を回復させる熱的ドレッシング方法などが一般的に使われてきた。

一方、電着砥石やロー付けタイプ砥石の様な単層構造のダイヤモンド砥石の場合、インプリタイプのダイヤモンド砥石とは異なり、ドレッシングすることにより切れ味を回復させるのは、構造上不可能である。従って、単層構造のダイヤモンド砥石の場合、砥石を製造した時点での砥粒保持力や加工に寄与する砥粒の形状、チップポケットの容量が、砥石の切れ味の持続性を左右することになる。

単層構造のダイヤモンド砥石では、比較的耐熱性や耐摩耗性に有利と言われているブロッキーな形状のダイヤモンド砥粒が一般的に使われるが、このダイヤモンド砥粒は結晶の形状が明瞭なため砥粒保持力が低下するという不具合も同時に発生する。

もともとダイヤモンドは、他の物質との濡れ性が極めて悪い材質であるため、砥粒保持力を向上させることはダイヤモンド砥石全般における課題であった。中でも、単層構造のダイヤモンド砥石は、インプリタイプの砥石よりも砥粒の突き出し量が大きいため、砥粒保持力を向上させる課題はダイヤモンド砥石全体の中でも高く位置付けられている。

一般的に、砥粒保持力を向上させるためには、各種結合材に合わせた砥粒の選択がなされたり、砥粒自体にチタン系やニッケル系などの金属被覆を行い、結合材との濡れ性を向上させたりアンカー効果を得ることで砥粒保持力の向上が試みられている。なお、各種結合材に合わせて砥粒を選択する場合は、砥粒の破砕性やボンドとの反応性を考慮した上でも行われるものであり、金属被覆を行う場合は、放熱性や熱から砥粒を保護するという点を考慮した上でも行われるのは公知の通りである。

単層構造のダイヤモンド砥石に一般的に利用されるブロッキーな形状のダイヤモンド砥粒は結晶方位が明瞭であり、砥粒の結晶面である（１１１）面や（１００）面は非常に平滑になっていて、砥粒保持力を向上させるアンカー効果は十分に期待出来ない。

一方、切れ味の観点から考えると、単層構造のダイヤモンド砥石は切れ味が低下する不具合が生じやすくなると考えられる。この原因は以下のように説明できる。

ブロッキーな形状のダイヤモンド砥粒の場合、砥粒の対向する面は基本的には平行となり、（１１１）面に対向する面には平行に（１１１）面が存在し、（１００）面に対向する面には平行に（１００）面が存在する。本来、ダイヤモンド砥石による研削加工は、これらの各面の境界部に形成されるエッジが切刃となって被削材を除去し、良好な切れ味がもたらされるものであるが、上記のブロッキーな形状の砥粒を台金に固着した段階で、台金の面に結晶面が接するように固着されて被削材に対向する砥粒の部位がエッジではなく面となる確率が高くなる。

また、仮に台金に砥粒を固着する段階で、効率的にエッジを配向させる手段があったとしても、砥粒自体の形状が（１１０）面を多く含む形状であった場合は、切れ味を向上させることが困難となる。従って、単層構造のダイヤモンド砥石にブロッキーな形状のダイヤモンド砥粒を使用した場合、切れ味が低下しやすくなると言える。

砥粒保持力を向上させたダイヤモンド砥石として、特許文献１に記載のダイヤモンド電着砥石がある。この電着砥石は、砥粒保持力を向上させるために砥粒の表面に導電性被膜を形成し、この砥粒を基材に電着させたものであるが、砥粒から導電性被膜が剥がれにくくするために砥粒の表面にエッチング処理を行って微小な凹凸を付与している。
特開２００２−１６６３７０号公報

特許文献１の電着砥石では、導電性被膜が形成された砥粒を台金に電着することで砥粒保持力が向上し、砥粒と導電性被膜との密着強度も向上するため、砥石の使用中に砥粒が脱落しやすいという問題を解決できるものである。しかしながら、砥粒に導電性被膜を形成しているために、切刃として作用する砥粒のエッジは丸みを帯びてしまい切れ味が低下する恐れがある。しかも前述のように、電着砥石で単層の砥石とする場合は、ブロッキーな形状のダイヤモンド砥粒を使用するため、元々切れ味が低下しやすいという問題を有している。

以上のようなことから、本発明は超砥粒工具に使用した場合に砥粒保持力と切れ味に優れた工具にできる超砥粒および超砥粒工具を提案するものである。

本発明の単結晶超砥粒の第１の特徴は、複数の結晶面で構成される単結晶超砥粒であって、前記複数の結晶面のうち（１１１）面と（１００）面に微小突起が形成され、前記微小突起が形成された結晶面はＰＶ値が０．１〜５μｍの表面粗さであることである。なお、ＰＶ（Ｐｅａｋ ｔｏ Ｖｏｌｌｅｙ）値とは、表面に存在する凹凸のうち凸部の頂点と凹部の底点との高低差の最大値を言い、本願においては、１つの結晶面全体における凹凸の高低差の最大値をＰＶ値としている。

以上のような構成の単結晶超砥粒は、微小突起によって多数の凹凸が形成されているため超砥粒自身の表面積が広くなり、研削加工用超砥粒工具に使用した場合に砥粒保持力を高くすることができ、加工中の脱石などによる切れ味低下も防止できる。特に単層構造の超砥粒砥石においては、この効果が大きくなる。

第２の特徴は、前記結晶面のうち（１１１）面に形成された前記突起は三角錐状の成長痕または三角錐状の成長痕が積層されたものであることである。

第３の特徴は、前記結晶面のうち（１００）面に形成された前記突起は四角錐状の成長痕であることである。

このように、結晶面に形成された突起を三角錐状や四角錐状の成長痕とすれば、（１１１）面や（１００）面などの結晶面が被削材に対向した場合でも、突起が加工に寄与するため砥石の切れ味は向上する。また、結晶面を成長させることで、本来研削能力を低下させる（１１０）面の構造を変えることができ、切刃としての作用を向上させるため、砥石の切れ味を向上させることが出来る。

さらに、結晶面に突起を形成すると、その高さは不規則になる。単層砥石の場合、上記００１２に記載したように１つの結晶面が台金と平行に固着されると作用する側も同じ結晶面となり、この結晶面が被削材と対向することになってエッジが作用しにくくなるが、本発明の場合は高さの不規則な突起が結晶面に形成されているため、結晶面が台金と平行に固着される可能性が低くなり、従って砥粒のエッジが被削材と対向するように固着されて切れ味が向上する。

第４の特徴は、前記複数の結晶面は、（１１１）面、（１１０）面、（１００）面であり、気相合成法により（１１１）面と（１００）面が優先的に成長させられ、（１１０）面を取り囲む稜線のうちお互いに対向する稜線間距離の小さい方向の前記稜線間距離は０．２Ｄ以下（Ｄは砥粒径）であることである。

（１１１）面や（１００）面を優先的に成長させることで、これらの面の間にある（１１０）面の長さあるいは幅が小さくなり、この大きさを０．２Ｄ以下とすれば極めて鋭い稜線のような形状に近づくことになる。従って、このような形状は切刃として作用するようになり、切れ味が向上する。

本発明の超砥粒工具は、上記の単結晶超砥粒を切刃としたことを特徴とし、これにより砥粒保持力や切れ味に優れた超砥粒工具とすることができる。

本発明の単結晶超砥粒は、超砥粒工具に使用した場合に砥粒保持力が向上し、同時に切れ味にも優れたものとすることができる。また、本発明の超砥粒工具は、砥粒保持力が高く切れ味に優れた工具とすることができる。

本発明の単結晶超砥粒の例を図２に示す。また、従来の単結晶超砥粒の例を図１に示す。本発明の単結晶超砥粒は、図２に示すように（１１１）面のみで構成された八面体構造になっており、（１１１）面には三角錐状の微小突起４が多数形成されている。この微小突起４が形成されることにより、（１１１）面はＰＶ値が０．１〜５μｍの表面粗さになっている。

次に、この単結晶超砥粒を製造する方法について説明する。図１は従来公知の八面体構造の超砥粒を示しており、図８は本発明の超砥粒を製造するための熱フィラメントＣＶＤ装置の概略を示している。図１を参照して、この超砥粒を構成する（１１１）面は凹凸がほとんど無い平滑な面になっている。本発明の単結晶超砥粒は、原料としてこのような超砥粒を使用する。この超砥粒１６を図８の装置１１にセットし、結晶を成長させる。結晶を成長させるために、原料ガス１５として水素−メタンなどのガスを装置１１内に流入し、装置１１内の圧力を１０〜２０ＫＰａとしてＷ線フィラメント１２に電流を流しながら１０〜２０時間保持し、結晶を成長させる。超砥粒１６は冷却テーブル１４上に置かれたＭｏなどの板上に載置されており、結晶を成長させた時に結晶の成長は超砥粒１６のＷ線フィラメント１２と対向する側の面（図８では超砥粒１６の上側の面）から一方向に優先的に進むため、超砥粒１６に振動を与えるなどして定期的に超砥粒１６の向きを変え、超砥粒１６全体の面ができるだけ均一に成長するようにしておくことが必要である。このような結晶の成長を継続させると、図２に示すように結晶面の表面に三角錐状の成長痕４があらわれ、この成長痕４が徐々に成長する。さらに結晶を成長させると、図４に示すように成長痕４が積層されたように形成される。またこの例では原料として、（１１１）面のみからなる超砥粒を使用したが、図３に示すような（１００）面を有する超砥粒を原料とした場合、（１００）面には四角錐状の成長痕５が形成される。なお、図２、図３、図４において、本発明の超砥粒の特徴を理解しやすくするために、結晶面に形成された三角錐状の成長痕４や四角錐状の成長痕５を強調して表している。

本発明の単結晶超砥粒の別の例を図６に示す。図６は、（１１１）面と（１００）面と（１１０）面で構成される超砥粒のＳＥＭ像である。また、この超砥粒を製造するための原料になった超砥粒のＳＥＭ像を図５に示す。図６を参照して、この超砥粒も上記００２８に記載のものと同様の方法により、図５の超砥粒の結晶を成長させたものである。（１１１）面には三角錐状の成長痕４が形成されており、（１００）面には四角錐状の成長痕５が形成されている。また、（１１１）面や（１００）面が成長することにより、これらの面の間にある（１１１）面は狭小化したり消失したりしている。稜線７の部分は、元々（１１０）面が存在していたが（１１１）面が成長したことにより消失してできたものである。この稜線７が切刃として作用するため、この超砥粒を工具に使用した場合、切れ味の良い工具とすることが可能になる。図７は、図６の超砥粒をさらに成長させたときの（１１１）面を示したＳＥＭ像である。三角錐状の成長痕４が形成された上にさらに新たな三角錐状の成長痕４が積層されるように形成されているのがわかる。

本発明の超砥粒の効果を確認するため、第１の実施例として、本発明および従来のダイヤモンド砥粒を使用した単層構造の軸付砥石を製作し、難削材である金属基複合材料の研削加工を行って砥粒保持力などの比較試験を行った。

本発明の軸付砥石を製作するため、（１１１）面、（１００）面、（１１０）面からなる平均粒径５９０μｍのブロッキーな構造の合成ダイヤモンドを準備し、このダイヤモンド砥粒１６を図８に示す熱フィラメントＣＶＤ装置１１にセットして、表１の条件で結晶を成長させて本発明のダイヤモンド砥粒２３を製作した。なお、ダイヤモンド砥粒２３の全面にできるだけ均一な成長痕を形成するため、１０Ｈおきに冷却テーブル１４を振動させてダイヤモンド砥粒１６の向きを強制的に変え、３回繰り返して結晶を成長させた。

結晶を成長させた後のダイヤモンド砥粒２３を確認すると、図３に示すような構造になっており、（１１１）面および（１００）面には多数の微小突起４および５が形成され、これらの面はＰＶ値が平均約３μｍの表面粗さになっていた。

このようにして成長させたダイヤモンド砥粒２３を使用し、図９に示す単層構造の軸付砥石２１を製作した。この軸付砥石２１はダイヤモンド砥粒２３を台金に結合させるためにロー材を使用し、砥粒密度は０．０５ｃｔ／ｃｍ^２、ダイヤモンド砥粒２３の突出量（結合材２４であるロー材からダイヤモンド砥粒２３が突出している量）は粒径の約７０％となるように固定した（以下、この砥石を本発明１とする）。なお、図９では軸付砥石のイメージを理解しやすくするためにダイヤモンド砥粒２３を強調して表している。

比較のために従来の軸付砥石も製作した。ダイヤモンド砥粒は本発明１の結晶を成長させる前のものと同じものを使用し、結晶を成長させずに軸付砥石を製作した。ダイヤモンド砥粒以外の点については、本発明１と同じである（以下、この砥石を比較例１とする）。

これら２つの軸付砥石を使用し、表２に示す条件で板状の被削材の端面の研削加工を行った。

以上の研削加工を行った結果、研削加工量が４００ｃｍ^３／ｃｍ（砥粒層の長さ１ｃｍあたりの除去量）の時点で、本発明１の軸付砥石はダイヤモンド砥粒の摩耗は見られたものの脱落はしていなかったのに対し、比較例１の軸付砥石はダイヤモンド砥粒が摩滅したり摩耗しており、しかも約１０％のダイヤモンド砥粒が脱落していた。このような結果になったのは、本発明１の軸付砥石に使用したダイヤモンド砥粒が図３に示すように結晶面に微小突起が多数形成されていたためアンカー効果が高まり、砥粒保持力が高くなったのと、（１１１）面や（１００）面が成長したことで（１１０）面が狭小化したり消失し、鋭利な稜線が形成されたために切れ味が向上したことが原因と考えられる。

第２の実施例として、本発明および従来のダイヤモンド砥粒を使用したＣＭＰパッドコンディショナを製作し、研磨パッドのドレッシングを行って、砥粒保持力などの比較試験を行った。

本発明のＣＭＰパッドコンディショナを製作するため、（１１１）面、（１００）面、（１１０）面からなる平均粒径約１５０μｍのブロッキーな構造の合成ダイヤモンドを準備し、このダイヤモンド砥粒１６を図８に示す熱フィラメントＣＶＤ装置１１にセットして、前述の表１の条件で結晶を成長させて本発明のダイヤモンド砥粒３３を製作した。なお、ダイヤモンド砥粒３３の全面にできるだけ均一な成長痕を形成するため、１０Ｈおきに冷却テーブル１４を振動させてダイヤモンド砥粒１６の向きを強制的に変え、３回繰り返して結晶を成長させた。

結晶を成長させた後のダイヤモンド砥粒３３を確認すると、図３に示すような構造になっており、（１１１）面および（１００）面には多数の微小突起４および５が形成され、これらの面はＰＶ値が平均約２μｍの表面粗さになっていた。

このようにして成長させたダイヤモンド砥粒３３を使用し、図１０に示す単層構造のＣＭＰパッドコンディショナ３１を製作した。このＣＭＰパッドコンディショナ３１はＳＵＳ３０４のステンレス鋼を台金３２とし、ダイヤモンド砥粒３３を台金３２に固定するためにＮｉメッキによる電着法を用いて製作した。ＣＭＰパッドコンディショナ３１の仕様は、外径は１００ｍｍ、高さは２５ｍｍ、超砥粒層の幅は１０ｍｍである。砥粒密度は０．１５ｃｔ／ｃｍ^２、ダイヤモンド砥粒３３の突出量は粒径の約４０％となるように固定した（以下、このＣＭＰパッドコンディショナを本発明２とする）。なお、図１０ではＣＭＰパッドコンディショナのイメージを理解しやすくするためにダイヤモンド砥粒３３や結合材（Ｎｉメッキ層）３４を強調して表している。

比較のために従来のＣＭＰパッドコンディショナも製作した。ダイヤモンド砥粒は本発明２の結晶を成長させる前のものと同じものを使用し、結晶を成長させずにＣＭＰパッドコンディショナを製作した。ダイヤモンド砥粒以外の点については、本発明２と同じである（以下、このＣＭＰパッドコンディショナを比較例２とする）。

これら２つのＣＭＰパッドコンディショナを使用し、表３に示す条件と図１１に示す加工方法で研磨パッドのドレッシング加工を行った。

ドレッシング加工の試験の結果、ドレッシング開始から５時間を経過した時点において、ＣＭＰパッドコンディショナの性能特に切れ味を示す指標である研磨パッドのドレスレート（研磨パッドを加工する速度）を比較すると、本発明２が１２１μｍ／ｈｒであったのに対し、比較例２は１０６μｍ／ｈｒであり、本発明２の方が１４％高い値を示し、研磨パッドを加工する速度が速く、切れ味が良いことが確認された。このような結果になったのは、本発明２のＣＭＰパッドコンディショナに使用したダイヤモンド砥粒が図３に示すように結晶面に微小突起が多数形成されて、これらの微小突起が切刃として作用したのに加え、（１１１）面や（１００）面が成長したことで（１１０）面が狭小化したり消失し、鋭利な稜線が形成されたために切れ味が向上したことが原因と考えられる。

従来の（１１１）面のみで形成された八面体構造の超砥粒の例を示す模式図である。 本発明の（１１１）面のみで形成された八面体構造の超砥粒の例を示す模式図である。 本発明の（１１１）面、（１００）面、（１１０）面を有する超砥粒の例を示す模式図である。 本発明の（１１１）面、（１００）面、（１１０）面を有する超砥粒の別の例を示す模式図である。 従来の（１１１）面、（１００）面、（１１０）面を有する超砥粒の例を示すＳＥＭ像である。 本発明の（１１１）面、（１００）面、（１１０）面を有する超砥粒の例を示すＳＥＭ像である。 本発明の（１１１）面、（１００）面、（１１０）面を有する超砥粒の別の例を示すＳＥＭ像である。 熱フィラメントＣＶＤ装置を示す概念図である。 実施例１の軸付砥石を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 実施例２のＣＭＰパッドコンディショナを示す図で、（ａ）は底面図、（ｂ）は（ａ）の断面図である。 実施例２の加工方法を示す概念図である。

符号の説明

１ （１１１）面
２ （１００）面
３ （１１０）面
４ （１１１）面に形成された三角錐状の微小突起（成長痕）
５ （１００）面に形成された四角錐状の微小突起（成長痕）
６ 結晶の成長により狭小化した（１１０）面
７ 稜線
１１ 熱フィラメントＣＶＤ装置
１２ Ｗ線フィラメント
１３ ベルジャー
１４ 冷却テーブル
１５ 原料ガスの流入方向
１６ 超砥粒
２１ 軸付砥石
２２ 軸状の台金
２３ 超砥粒
２４ 結合材
３１ ＣＭＰパッドコンディショナ
３２ 円盤状の台金
３３ 超砥粒
３４ 結合材
３５ 研磨パッド

Claims (5)

1. 複数の結晶面で構成される単結晶超砥粒であって、前記複数の結晶面のうち（１１１）面と（１００）面に微小突起が形成され、前記微小突起が形成された結晶面はＰＶ値が０．１〜５μｍの表面粗さである単結晶超砥粒。
2. 前記結晶面のうち（１１１）面に形成された前記突起は三角錐状の成長痕または三角錐状の成長痕が積層されたものである請求項１に記載の単結晶超砥粒。
3. 前記結晶面のうち（１００）面に形成された前記突起は四角錐状の成長痕である請求項１に記載の単結晶超砥粒。
4. 前記複数の結晶面は、（１１１）面、（１１０）面、（１００）面であり、気相合成法により（１１１）面と（１００）面が優先的に成長させられ、（１１０）面を取り囲む稜線のうちお互いに対向する稜線間距離の小さい方向の前記稜線間距離は０．２Ｄ以下（Ｄは砥粒径）である請求項１〜３のいずれかに記載の単結晶超砥粒。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の単結晶超砥粒を切刃とした超砥粒工具。