JP5579765B2

JP5579765B2 - 砥粒及びその製造方法

Info

Publication number: JP5579765B2
Application number: JP2012055317A
Authority: JP
Inventors: 一明榎; 知憲丁野; 守戸嶋; 由典久武
Original assignee: 宇治電化学工業株式会社
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2032-03-13
Also published as: JP2013188811A

Description

本発明は、砥粒とその製造方法に関し、特にラップ機及びポリッシング機の専用砥粒とその製造方法に関する。

ガラスなどを研磨するためにその最終工程で用いられる従来のこの種の砥粒としては、ダイヤモンド、酸化セリウム、コロイダルセリカ、アルミナ系粒子、酸化ジルコニウム粒子、酸化マグネシウム粒子及び炭化ケイ素が主として用いられている（下記の特許文献１参照）。このうち、研磨性能の観点から酸化セリウムを原料としているものが多い（下記の特許文献２参照）。すなわち、光学レンズやプリズムを含むガラスなどの研磨では、複数の工程を経て最終的に酸化セリウムを砥材として用いた研磨材がよく使われるが、これはガラスなどの仕上げ工程で要求される面精度を実現するのにダイヤモンドでは「鏡面」が出にくく、コストもかかりすぎてしまうことと関係している。液体などに砥粒を混ぜ込んだいわゆる液体研磨材は、ラップでの研磨工程などを見ればわかる通り、面精度の高い表面を、ある程度の面積にわたって要求される際によく使われる。これらの研磨メカニズムは、固定砥粒とは異なり、砥材自体が加工対象に切り込む深さを浅めにすることができる。これはボンドが常に削られていかないと（自生発刃が起こらないと）研磨自体が成り立たない固定砥粒と大きく異なる点である。切りくずで目詰まりする、目こぼれ、目つぶれといった現象が遊離砥粒の研磨材では問題とならず（砥粒の破砕性は見る必要があるが）、非常に柔らかいフェルトなどのパッドで低圧の条件をかけてやれば、細かい砥粒でほんのわずかしか切り込んでいない状態での研磨が実現可能である。これが仕上げに向いていると言われる理由である。ガラスについては幅広く使われ、ハードディスクの基板やフォトマスク基板でも使われる。光学レンズ、プリズムにも欠かせない生産材の一つと言える。また酸化セリウムは、アルミナや炭化ケイ素とは違った破砕拳動をし、砥粒自体の形状や寸法も仕上げ向きにデザインされていることが多いと言える。またラッピングやポリッシングでも粒度を分けた複数の工程が必要なケースもある。こうした場合にも、粒度を変えることで、幅広い要求精度に応えることができると言える。

特開２０１１−２４１１０９号公報（請求項１４）特開２０１２−１１５２６号公報（段落０００３）

上記のような使い方の他、レジン系のボンドに酸化セリウムを混ぜ込んだ砥石もあれば、酸化セリウム自体をコンパウンドのように固めて、固定砥粒として使う場合もある。ガラスの最終仕上げでは、やはり遊離砥粒として用いる酸化セリウムが最もよく使われていると言える。ただ、この酸化セリウムは原料のほとんどを中国に依存しており、国際間の問題や投機筋の動きによっては価格が乱高下することがある。特に近年のレアアースの価格高騰に伴い、セリウムの入手が困難な傾向が高まり、砥粒メーカーは、セリウムの代替原料を探している。大量に用いる場合は、加工コストもこれらの影響をダイレクトに受けるため、代替品の検討も一部で進んでいる。具体的には、酸化ジルコニウム（ジルコニア）などを酸化セリウムの代替品として用いる研究等が発表されている。

しかし、酸化ジルコニウム単体では砥粒として採用に至っていないのが現状である。これは、研磨力、面粗さに課題があるからと思われる。出願人によるテストでも市販品の酸化ジルコニウムを用いた砥粒は、酸化セリウムを用いた砥粒にくらべ大きく劣っていることが判明している。研磨作業において、多くのユーザはラップを数十台使用して生産を行っている。すなわち、通常4〜5台/人で運用しており、作業者による品質のバラツキも問題視されている。それ故、ひっかかりの少ないという作業性向上をもたらす砥粒は、ユーザにとって魅力的である。しかしこれまで、酸化セリウムを原料に用いた砥粒と同等の研磨性能がある代替原料は提案されていない。

本発明は、酸化ジルコニウムを用いて欠点が少なく、従来の酸化セリウムを用いた砥粒と同等の研磨性能を得ることができ、作業性をも向上させることが可能な砥粒とその製造方法を提供することを目的とする。

上記目標を達成するため、本発明ではカルシアの混合率と粒度がそれぞれ異なる２種類のカルシア安定化ジルコニアを所定の混合率で混合して砥粒を提供するようにしたものである。すなわち本発明によれば、第１のカルシア安定化ジルコニアと、前記第１のカルシア安定化ジルコニアよりカルシアの添加量を増加させた第２のカルシア安定化ジルコニアの混合物からなる砥粒であって、前記第１のカルシア安定化ジルコニアは、電融ジルコニアであり、前記第２のカルシア安定化ジルコニアは、電融ジルコニアとジルコン酸カルシウムが共存しているものであり、前記第１のカルシア安定化ジルコニアの粒度が前記第２のカルシア安定化ジルコニアの粒度より大きい砥粒が提供される。

また本発明によれば、第１のカルシア安定化ジルコニア原料を粉砕・分級し、所定の粒度分布を得るステップと、第２のカルシア安定化ジルコニア原料を粉砕・分級し、前記所定の粒度分布の中心粒度より小さい中心粒度の粒度分布を得るステップと、
前記粉砕・分級された前記第１のカルシア安定化ジルコニアと前記粉砕・分級された前記第２のカルシア安定化ジルコニアとを所定比率で混合するステップとを、
有する砥粒の製造方法が提供される。

なお、上記本発明の砥粒及びその製造方法において、前記第１のカルシア安定化ジルコニアのカルシア添加量が数重量％であり、前記第２のカルシア安定化ジルコニアのカルシア添加量が数十重量％であることは本発明の好ましい態様である。

また、前記第２のカルシア安定化ジルコニアが前記第１のカルシア安定化ジルコニアに対し１０〜９０重量％で混合されていることは本発明の好ましい態様である。

また、同様に前記第１のカルシア安定化ジルコニアの粒度が前記第２のカルシア安定化ジルコニアの粒度と比べ粒度差指数にて１．０以下であることは本発明の好ましい態様である。

また、同様に前記第１のカルシア安定化ジルコニアの粒度より粒度の大きい酸化セリウムが数重量パーセント添加されていることは本発明の好ましい態様である。

本発明によれば、従来の酸化セリウムを原料とする砥粒と同等の研磨性能を有する砥粒が高価な酸化セリウムを用いずに、あるいは酸化セリウムを僅かだけ用いることで提供することができる。

本発明の好ましい実施の形態に係る砥粒を製造する工程を示す工程図である。本発明の第２の実施の形態にかかる砥粒の各成分の粒度分布を示すグラフである。本発明に係る砥粒の性能を従来品と比較して示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は本発明の好ましい実施の形態に係る砥粒の製造工程を示す工程図であり、第１の実施の形態と後述する第２の実施の形態の双方を示している。本発明の砥粒は、第１のカルシア安定化ジルコニアと第２のカルシア安定化ジルコニアとをあらかじめ所定の方法で製造するかあるいは入手し、これらを所定の比率で混合し最終製品としたものである。なお、「カルシア」は「酸化カルシウム（ＣａＯ）」の通称であるが、本願では、この通称を用いている。また、「ジルコニア」は「酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）」の通称であるが、本願では、この通称を用いている。上記第１のカルシア安定化ジルコニアと第２のカルシア安定化ジルコニアはいずれもカルシア（以下単にCaOと記すこともある）が混合された酸化ジルコニウムのことであり公知のものである。特に第１のカルシア安定化ジルコニアは、商品名「ＦＳＤ」として株式会社IDUから発売されているものであり、また第２のカルシア安定化ジルコニアについても、商品名「ＦＳＤ−２６Ｃ」として株式会社IDUから販売されているものである。以下、これらについて説明する。

第１のカルシア安定化ジルコニアは、カルシア添加量が約３〜４wt％であり、部分安定化ジルコニアとも呼ばれる。第１のカルシア安定化ジルコニアは、耐火物材料として使用される商品名「FSD」というものであり、本発明では研磨材として使用している。一般的な酸化ジルコニウムであるmonoclinic-ZrO₂と比べ、電融ジルコニアであるcubic-ZrO₂となるため、結晶性、硬度、靭性の向上が得られると思われる。なお、ジルコニアは耐火物として使用する場合、優れた特性を有しているが、ZrO₂単体では温度変化によって結晶構造が変化する相転移が起こる。この相転移は体積変化を伴うため、昇温と降温を繰り返すと、焼結体の膨張・収縮が繰り返され焼結体は破損する。したがって、体積変化を起こさせないために安定化剤としてカルシアを添加するのが一般的である。なお、好ましい実施の形態では、第１のカルシア安定化ジルコニアにおけるカルシア添加量は３〜４wt％であるが、これに限られるものではない。

第２のカルシア安定化ジルコニアは、カルシア添加量が２０〜２８wt％であり、cubic-ZrO₂とCaZrO₃(ジルコン酸カルシウム)が共存した状態となっている。なお、第２のカルシア安定化ジルコニアにおけるカルシア添加量は、２０〜２８wt％に限定されるものではなく、１０wt％〜数十wt％とすることができる。

本発明では、第２のカルシア安定化ジルコニアは、耐火物としての用途ではなく、研磨材として使用している。CaO添加量を増やすことでジルコニアの砥粒硬度を下げることに繋がる。これにより、ソフトな研磨加工が可能となり、面粗度の向上が期待できるものである。また、ジルコン酸カルシウムは水に対して難溶であるが、１０μm以下の粒子にすることによって極僅かなアルカリ溶解が起こり、それによりpHがアルカリに振れることを本発明者は見出した。pHがアルカリになることにより、ジルコニアのスラリー特性が変化し分散性向上が目視にて確認された。本発明では、第１のカルシア安定化ジルコニアでは、カルシアの含有量が数重量(wt)％であり、第２のカルシア安定化ジルコニアでは、カルシアの含有量が数十重量(wt)％であり、具体的にどの程度のカルシアを添加するかは、砥粒の用途などにより任意に変更することができる。

図１に示すように、第１のカルシア安定化ジルコニア原料と第２のカルシア安定化ジルコニア原料はそれぞれ粉砕され（ステップＳ１、Ｓ１１）、分級される（ステップＳ２、Ｓ１２）。粉砕、分級にはクラッシャー・ボールミル、篩い網が用いられる。その後、それぞれ、微粉砕（ステップＳ３、Ｓ１３）、微粉分級（ステップＳ４、Ｓ１４）を経て、第１のカルシア安定化ジルコニアと第２のカルシア安定化ジルコニアが混合される（ステップＳ１６）。なお、ステップＳ１６での混合時に、必要に応じて添加剤が添加される（ステップＳ１５）。ステップＳ１６での混合が終了すると本発明の砥粒が完成し、梱包され（ステップＳ１７）、出荷される。

次に第１のカルシア安定化ジルコニアと第２のカルシア安定化ジルコニアの粒度について説明する。なおここで粒度とは、粒度分布の中心の粒度（平均粒度）を指す。本発明の好ましい実施の形態では、第１のカルシア安定化ジルコニアの粒度が１．５μｍであり、第２のカルシア安定化ジルコニアの粒度が１．０μｍである。なお粒度分布測定は、電気抵抗式によるものとする。

上記好ましい実施の形態では、第１と第２のカルシア安定化ジルコニアの間の粒度差Δdは、Δd=0.5μmである。第２のカルシア安定化ジルコニアは、CaO添加量が第１のカルシア安定化ジルコニアより多いことにより、砥粒硬度が小さいため、研磨力としては期待されていない。したがって、研磨力を持つ第１のカルシア安定化ジルコニアの粒度を大きくすることにより、そのジルコニアの研磨性能を維持したまま、第２のカルシア安定化ジルコニアにより面粗度向上、pH作用をもたらすことが可能となる。したがって、第１と第２のカルシア安定化ジルコニアと粒度の関係が同一、もしくは逆転した場合には研磨力が著しく低下してしまう。また、第２のカルシア安定化ジルコニアの粒度が極端に小さい場合（例えばd50=0.1μm）は、砥粒としての仕事効果は一切発揮されず、pH特性のみの効果しか得られない。

下記の表１は、第１のカルシア安定化ジルコニアと第２のカルシア安定化ジルコニアの好ましい粒度の組み合わせの例を示したものである。

次に第１のカルシア安定化ジルコニアと第２のカルシア安定化ジルコニアは、いずれも微粉粉砕器で粉砕され、次にそれぞれが微粉分級機により微粉分級され、例えば、上記表１に示した粒度の関係となるよう、それぞれ１〜３μｍの範囲内の粒度とされる。その後、両者が混合される。この混合は、例えばＶブレンダー混合機を用いて、３０分〜１２０分行われる。ここで混合率は、第１のカルシア安定化ジルコニアが１０〜９０wt%、第２のカルシア安定化ジルコニアが９０〜１０wt%である。なお、両者の混合率が上記範囲内にあるとき、所定の効果を発揮していることが確認されている。ここで所定の効果とは、研磨性能（加工レート、面粗さ）、作業性などであり、したがって、研磨対象物及び使用目的によって、どれを重視するかで、混合比率を変化させることができる。具体的には、第１のカルシア安定化ジルコニアは加工レートの向上に寄与するので、加工レートの向上を重視するときは、第１のカルシア安定化ジルコニアの比率を高めることとなる。一方、第２のカルシア安定化ジルコニアは、面粗さと作業性向上に寄与するので、これらを重視するときは第２のカルシア安定化ジルコニアの比率を高めることとなる。本発明者等が種々テストした結果、第２のカルシア安定化ジルコニアが第１のカルシア安定化ジルコニアに対し１０〜４０wt％混合された場合に汎用の砥粒が提供できることが確認されている。

なお第１のカルシア安定化ジルコニアと第２のカルシア安定化ジルコニアの混合工程で、必要に応じて添加剤を加えることができる。以下添加剤として酸化セリウムを添加した場合を第２の好ましい実施の形態として説明する。

ジルコニアはガラス用研磨材として使用されることは一般的であるが、ガラスの種類によっては酸化セリウムと比較した場合、研磨性能が極端に劣る場合がある。一般的には、水晶・石英のような硬度が硬い（磨耗度が低い)材料がそれらに当たる。逆に、水ガラスや、硼珪酸ガラス、蛍石のようなものが比較的軟らかいガラスと言われている。したがって、硬い材料に対しては必要最少量の酸化セリウムを添加することで、その低下分を補うことができる。

以下に第２の実施の形態における配合比を示す

第１の実施の形態で説明したのと同様の考え方で、第１と第２のカルシア安定化ジルコニアよりも、酸化セリウムの粒度を最も大きくすることで、酸化セリウムによる研磨性能を少ない量にて発揮することが可能である。図２は、第２の実施の形態における酸化セリウムと、第１のカルシア安定化ジルコニアと第２のカルシア安定化ジルコニアの粒度分布を示すグラフである。なお、研磨性能を上げるために、極端に粒径の粗い酸化セリウムを添加した場合には、研磨力と面粗度のバランスが狂い、総合的な性能低下となることが確認されている。

図３は、本発明の砥粒を他の砥粒と比較した結果を示す評価結果を示す表とグラフを含むものである。図３中の評価結果一覧には、３つの砥粒が示されている。「国内品セリアＡ」は酸化セリウムを用いた砥粒である、「海外品ジルコニアＢ」は一般的な酸化ジルコニウムを用いた砥粒、「発明品」は本発明による砥粒である。この表から、本発明による砥粒は、砥粒分布が他の砥粒とほぼ同じであり、また砥粒の平均的粒度（ｄｖ５０）も他の砥粒とほぼ同じであることがわかる。さらに、本発明による砥粒の加工レート（単位時間当たりの研磨量）は、酸化セリウムとほぼ同等であり、一般的な酸化ジルコニウムを遥かに上回る性能であることがわかる。図３中の加工レート比較グラフは、評価結果一覧に示した加工レートをグラフ化したものである。なお、研磨条件については、図３中に記載のとおりである。

以上説明したように、本発明では、原料がそれぞれ独立して生産されるので、上述のように、求められる条件によって、混合比率を変化させることができることも大きな特徴である。組成表で見れば、当初から配合を調整し、同じ組成の原料を一回の溶融原料で生産することは可能であるが、その場合のカルシア安定化ジルコニアの原料では、本発明の研磨性能、作業性向上は出て来ないのである。すなわち、個々の原料のそれぞれを溶融した後、混合することで効果を発揮しているのである。

本発明の砥粒及びその製造方法によれば、酸化セリウムを用いることなく、あるいは酸化セリウムを用いる場合であっても、従来の砥粒より極めて少量のみ用いることで、従来の酸化セリウムを主原料とする砥粒と同等の研磨性能を実現することが可能となり、したがって本発明は、高価な酸化セリウムの代替品としての砥粒を提供することができるので、研磨材としての砥粒を製造する産業部門のみならず、光学レンズを含むガラス製品やその他のものを研磨する諸産業において有用である。

Ｓ１、Ｓ１１粉砕ステップ
Ｓ２、Ｓ１２分級ステップ
Ｓ３、Ｓ１３微粉砕ステップ
Ｓ４、Ｓ１４微粉分級ステップ
Ｓ１５添加剤混合ステップ
Ｓ１６第１のカルシア安定化ジルコニアと第２のカルシア安定化ジルコニアの混合ステップ
Ｓ１７梱包ステップ

Claims

第１のカルシア安定化ジルコニアと、前記第１のカルシア安定化ジルコニアよりカルシアの添加量を増加させた第２のカルシア安定化ジルコニアの混合物からなる砥粒であって、前記第１のカルシア安定化ジルコニアは、電融ジルコニアであり、前記第２のカルシア安定化ジルコニアは、電融ジルコニアとジルコン酸カルシウムが共存しているものであり、前記第１のカルシア安定化ジルコニアの粒度が前記第２のカルシア安定化ジルコニアの粒度より大きい砥粒。
前記第１のカルシア安定化ジルコニアのカルシア添加量が３〜４重量％であり、前記第２のカルシア安定化ジルコニアのカルシア添加量が１０〜２８重量％である請求項１に記載の砥粒。
前記第２のカルシア安定化ジルコニアが前記第１のカルシア安定化ジルコニアに対し１０〜９０重量％で混合されている請求項１又は２に記載の砥粒。
前記第１のカルシア安定化ジルコニアの粒度が前記第２のカルシア安定化ジルコニアの粒度と比べ粒度差指数にて１．０以下である、請求項１から３のいずれか１つに記載の砥粒。
前記第１のカルシア安定化ジルコニアの粒度より粒度の大きい酸化セリウムが添加されている請求項１から４のいずれか１つに記載の砥粒。