JP4496984B2

JP4496984B2 - レジンボンド砥石

Info

Publication number: JP4496984B2
Application number: JP2005037315A
Authority: JP
Inventors: 正人中村; 雅俊河野; 裕一小原
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2025-02-15
Also published as: JP2006224195A

Description

本発明は、特に両頭研削用砥石として用いて好適なレジンボンド砥石に関するものである。

本発明の発明者らは、特許文献１において、例えば半導体ウェハーなどの高脆性材料の鏡面研削などに用いられるレジンボンド砥石として、樹脂結合相中に超砥粒とアモルファスカーボンが分散配置されたレジンボンド砥石を提案している。しかるに、このようなレジンボンド砥石によれば、アモルファスカーボンを分散することによって砥粒層の弾性率と圧縮剛性、および機械的強度を向上させることができるとともに、アモルファスカーボンは潤滑剤としても作用するために研削抵抗を低減して研削熱の発生を抑制することができ、しかも黒鉛等の個体潤滑剤に比べては硬さおよび圧縮強度、曲げ強度等が大きいので、砥石の変形や偏摩耗を効果的に抑制することができる。

そして、さらにこの特許文献１には、球状のアモルファスカーボンを粉砕した粒径２０μｍ以下の不定形状のアモルファスカーボンを分散することにより、研削抵抗の一層の低減を図るとともにレジンボンド砥石の耐摩耗性を向上させることも提案されている。
特開２００１−１３８２４４号公報

ところが、この特許文献１に記載のレジンボンド砥石では、上述のような半導体ウェハーの鏡面研削など研削量の小さい軽研削に用いる砥石としては、樹脂結合相に分散されたアモルファスカーボン（特に粉砕したアモルファスカーボン）により砥粒層に高い弾性率と機械的強度および耐摩耗性を与えることができるものの、研削量が大きくて砥粒層に作用する負荷も大きくなる両頭研削のような重研削に用いられる砥石としては、十分な強度と耐摩耗性とを砥粒層に確保するに至ってはいなかった。

この点、特許文献１には、上記アモルファスカーボンの他に、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２、Ａｇ、Ｃｕ、およびＮｉのうち少なくとも１種を耐摩耗性フィラーとして樹脂結合相中に分散することも提案されている。しかしながら、このようなフィラーを分散しても、上述のような重研削においては砥粒層の強度や耐摩耗性を十分に確保することができず、砥石の摩耗量に対するワークの研削量すなわち研削比を確実に向上させて効率的な研削を図ることは困難とされていた。

本発明は、このような背景の下になされたもので、特に上述した両頭研削のような重研削に用いられるレジンボンド砥石において、粉砕したアモルファスカーボンの粒子による優れた潤滑性によって研削抵抗の低減やワークの表面粗さの向上を図りつつ、このような重研削に対しても十分対応しうる強度や耐摩耗性を砥粒層に与えて研削比の向上を図ることが可能なレジンボンド砥石を提供することを目的としている。

上記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は、樹脂をバインダーとするボンド相に超砥粒が分散された砥粒層を有するレジンボンド砥石であって、上記ボンド相に、粒径２０μｍ以下の粉砕アモルファスカーボン粒子を８〜２０vol%の範囲で、そして粒径３０μｍ以下のＣｒ_２Ｏ_３粒子を５〜２５vol%の範囲で、さらに粒径３０μｍ以下のＷＡ、ＳｉＣ、およびＳｉＯ _２のうちの少なくとも１種である硬質粒子を２０vol%以下の範囲で、それぞれ含有し、かつ該ボンド相における上記バインダーの含有量を４５〜６０vol%の範囲とした、両頭研削用砥石であることを特徴とするレジンボンド砥石である。

このようなレジンボンド砥石においては、まず砥粒層の超砥粒を保持するボンド相に粒径２０μｍ以下の粉砕アモルファスカーボン粒子が８〜２０vol%の範囲で含有されており、上述のようなアモルファスカーボンが有する高い弾性率と優れた潤滑性によって、超砥粒を保持するボンド相の機械的強度の向上と、研削抵抗の低減やワークの表面粗さの向上とを図ることができる。また、このアモルファスカーボン粒子は粒径が２０μｍ以下に粉砕されたものであるので、その分散のピッチを小さく抑えてワークと樹脂バインダーとの接触長さを短くし、確実に研削抵抗の低減を図るとともに砥粒層の耐摩耗性の向上を図ることができる。

そして、さらに上記構成のレジンボンド砥石では、このような粉砕アモルファスカーボン粒子に加えて、上記ボンド相に粒径３０μｍ以下のＣｒ_２Ｏ_３粒子が５〜２５vol%の範囲で含有されており、かかるＣｒ_２Ｏ_３粒子はボンド相を形成する樹脂バインダーとの濡れ性（親和性）がよく、金属クロム成分とバインダー樹脂との密着力を高めることができ、これによりボンド相の結合度を向上させて、砥粒層に高い抗折強度を与えることが可能となる。従って、このようなレジンボンド砥石によれば、上記粉砕アモルファスカーボン粒子によるボンド相の弾性率や耐摩耗性の向上効果と相俟って、たとえ負荷の大きい両頭研削用砥石として用いた場合でも十分対応しうる強度や超砥粒保持力、および耐摩耗性を砥粒層に与えることができ、これにより研削比の向上を図って効率的な研削を行うことが可能となる。

ここで、上記Ｃｒ_２Ｏ_３粒子の粒径が３０μｍを上回るほど大きいと、粒子含有量が同じならばボンド相における樹脂バインダーとの密着面積が低減するため、ボンド相の結合度を向上させることができなくなるおそれがある。また、Ｃｒ_２Ｏ_３粒子のボンド相における含有量が５vol%よりも少ないと、やはりボンド相の結合度を向上させることができなくなって、両頭研削のような重研削では十分な強度や耐摩耗性を砥粒層に与えることができなくなるおそれがある一方、逆にこのＣｒ_２Ｏ_３粒子の含有量が２５vol%を上回るほど多いと、ボンド相の結合度が高くなりすぎて超砥粒の脱落による切刃の自生が促されなくなり、如何に粉砕アモルファスカーボン粒子を含有していても研削抵抗の増大を招いたり、研削比の向上を期待することができなくなったりするおそれがある。

さらに、上記粉砕アモルファスカーボン粒子の粒径が２０μｍを上回るほど大きいと、ワークと樹脂バインダーとの接触長さが増大するために研削抵抗を十分抑制することができなくなり、また粉砕アモルファスカーボン粒子の含有量が８vol%を下回っても十分な潤滑効果が得られなくなって、やはり研削抵抗が確実に低減されなくなったり、ワークの表面粗さを向上させることができなくなるおそれがある。その一方で、この粉砕アモルファスカーボン粒子の含有量が２０vol%を上回ると、ボンド相において上記Ｃｒ_２Ｏ_３粒子と密着してその結合度を向上させる樹脂バインダーの含有量が低下するためにボンド相が部分的に脆くなって超砥粒やアモルファスカーボン粒子自体が脱落しやすくなり、却って抵抗の増大やワーク表面粗さの劣化などを招く結果となる。

また、上記ボンド相にはさらに、特許文献１における耐摩耗性フィラーのような硬質粒子を含有させており、これにより該硬質粒子が擬似的に砥粒として作用して研削助剤の効果を奏し、一層の研削比の向上を図るとともに砥粒層の耐摩耗性もさらに高めることが可能となる。ただし、このような硬質粒子は、その粒径が大きすぎたりボンド相における含有量が多すぎたりすると、樹脂バインダーとＣｒ_２Ｏ_３粒子との密着を妨げるおそれが生じるので、粒径は３０μｍ以下、含有量は２０vol%以下の範囲とされ、かつ、特にこうして硬質粒子をボンド相に含有させた場合は、Ｃｒ_２Ｏ_３粒子との密着結合性を確保するために、該ボンド相における上記バインダーの含有量は４５〜６０vol%の範囲とされる。なお、このような硬質粒子としては、特にＷＡ、ＳｉＣ、およびＳｉＯ_２のうちの少なくとも１種を用いる。

一方、このようなボンド相に超砥粒を分散した上記砥粒層においては、その超砥粒の含有量が１０〜３０vol%の範囲とされるのが望ましい。すなわち、該砥粒層において切刃を構成する超砥粒の含有量が１０vol%を下回るほど少ないと、如何にボンド相の結合度が高くても高い研削比を得ることはできず、また逆に超砥粒含有量が３０vol%を上回るほど多くても、ボンド相自体の体積が減少するため十分な超砥粒保持力が得られなくなって脱落し易くなり、やはり研削比の向上を図ることができなくなるおそれが生じる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。本実施形態のレジンボンド砥石は、例えば鋳鉄系や超硬合金等の焼結部品であるワークを両頭研削盤によって研削するのに用いられる両頭研削用砥石であって、中心軸線回りに回転される円板状の砥粒層を備え、この砥粒層の円板面によって上記ワークを研削する。そして、この砥粒層は、熱硬化性フェノール等の樹脂をバインダーとするボンド相に、ＣＢＮまたはダイヤモンド等の超砥粒が分散されたものであり、このうち超砥粒を除く上記ボンド相には、粒径２０μｍ以下の粉砕アモルファスカーボン粒子が該ボンド相に対して８〜２０vol%の範囲で、また粒径３０μｍ以下のＣｒ_２Ｏ_３粒子が同じくボンド相に対して５〜２５vol%の範囲で、それぞれ含有されている。

さらに、上記ボンド相には、ＷＡ、ＳｉＣ、およびＳｉＯ_２のうちの少なくとも１種よりなる粒径３０μｍ以下の硬質粒子が２０vol%以下の範囲で含有されるとともに、該ボンド相における上記バインダーの含有量は４５〜６０vol%の範囲とされる。また、上記砥粒層における超砥粒の含有量は１０〜３０vol%の範囲とされるのが望ましい。

ここで、上記粉砕アモルファスカーボン粒子は、例えば上記特許文献１に記載のような公知の方法により得ることができる。また、Ｃｒ_２Ｏ_３粒子および上記硬質粒子も、公知の方法によって製造されたものを篩い分けすることによって上述のような範囲の粒径とされたものが使用される。そして、このような粉砕アモルファスカーボン粒子、Ｃｒ_２Ｏ_３粒子、バインダー樹脂、超砥粒、および上記硬質粒子が、それぞれのボンド相または砥粒層に対する含有量が上記各範囲となるように、かつその総和がボンド相および砥粒層の１００vol%となるように混合されて、ホットプレス等によって焼成されることにより、本実施形態のレジンボンド砥石が製造される。

従って、このように構成されたレジンボンド砥石においては、上記ボンド相に粒径２０μｍ以下の粉砕アモルファスカーボン粒子が８〜２０vol%の範囲で含有されているので、このアモルファスカーボンが有する高い弾性率により超砥粒を保持するボンド相の機械的強度の向上を図ることができる。また、かかるアモルファスカーボンは優れた潤滑性も有している上、粒径が２０μｍ以下に粉砕されているので、その分散のピッチを小さく抑えてワークと樹脂バインダーとの接触長さを短く抑えることができ、これらにより研削抵抗の低減とワークの表面粗さおよび砥粒層の耐摩耗性の向上とを図ることができる。

そして、さらに上記構成のレジンボンド砥石では、樹脂バインダーよりなるボンド相に粒径３０μｍ以下のＣｒ_２Ｏ_３粒子が５〜２５vol%の範囲で含有されている。しかるに、このようなＣｒ_２Ｏ_３粒子は上記樹脂バインダーとの濡れ性がよく、すなわちその金属クロム成分がバインダー樹脂と強固に密着してボンド相の結合度を向上させることができ、これにより砥粒層の抗折強度を高めることができるので、上記レジンボンド砥石によれば、粉砕アモルファスカーボン粒子による上述の効果とも相俟って、ボンド相にさらに高い強度や耐摩耗性を与えることが可能となる。従って、本実施形態のように当該レジンボンド砥石を負荷の大きい両頭研削用砥石として用いた場合でも、これに十分対応することが可能な超砥粒の保持力や強度および耐摩耗性を砥粒層に確保することができ、これにより研削比の向上を図って効率的な研削を行うことが可能となる。

ここで、このＣｒ_２Ｏ_３粒子の粒径が３０μｍを上回るほど大きいと、上述のように互いに密着してボンド相の結合度を向上させるＣｒ_２Ｏ_３粒子と樹脂バインダーとの密着面積が小さくなるため、この結合度を十分に向上させることができなくなるおそれがある。なお、このＣｒ_２Ｏ_３粒子の粒径の下限値については、より小さい方が望ましいのではあるが、かといってあまり粒径の小さなＣｒ_２Ｏ_３粒子を得ることは困難であり、また必要以上に粒径を微細にしてもそれに見合った上記効果の向上は認められないので、０．５μｍ程度までの範囲とされていればよい。

また、Ｃｒ_２Ｏ_３粒子の含有量が５vol%より少ないと、やはりボンド相の結合度を向上させることができなくなって、両頭研削のような重研削では十分な強度や耐摩耗性を砥粒層に与えることができなくなるおそれがある。その一方で、逆にこのＣｒ_２Ｏ_３粒子のボンド相における含有量が２５vol%より多いと、ボンド相の結合度が高くなりすぎて超砥粒が脱落せずに切刃の自生が促されなくなり、研削抵抗が増大するとともに研削比の向上を図ることができなくなるおそれがある。

また、上記粉砕アモルファスカーボン粒子の粒径が２０μｍを上回るほど大きいと、上記とは逆にワークと樹脂バインダーとの接触長さが増大してしまうため、研削抵抗を十分抑制することができなくなる。なお、この粉砕アモルファスカーボン粒子の粒径の下限値についても、Ｃｒ_２Ｏ_３粒子と同様により小さい方が望ましいのではあるが、やはりアモルファスカーボン粒子を粉砕して粒径を小さくするにも限度があり、また粒径の微細化に伴う上記効果の向上もある一定程度までで、それ以上は望めないので、１μｍ程度までの範囲とされていればよい。

さらに、粉砕アモルファスカーボン粒子の含有量が８vol%より少ないと、上述のようなボンド相の強度向上や十分な潤滑効果を得られなくなるおそれがある一方、逆にこの粉砕アモルファスカーボン粒子の含有量が２０vol%より多いと、上述のようにＣｒ_２Ｏ_３粒子と密着してボンド相の結合度を向上させる樹脂バインダーの含有量が低下するため、ボンド相が部分的に脆くなって超砥粒や潤滑効果を奏する粉砕アモルファスカーボン粒子が脱落しやすくなり、却って研削抵抗の増大を招いたりする結果となる。

一方、本実施形態においては、上記ボンド相に、ＷＡ、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２のうちの少なくとも１種の硬質粒子を含有させており、かかる硬質粒子が擬似的に砥粒として作用して研削助剤の効果を奏するため、砥粒層の耐摩耗性や研削比の一層の向上を図ることができる。なお、この硬質粒子は、ＷＡ、ＳｉＣ、およびＳｉＯ_２のうちの１種でもよく、またこれらの２種または全種を混合して含有させてもよい。

ただし、このような硬質粒子の粒径が３０μｍを上回ったり、そのボンド相における含有量が２０vol%を上回ったりすると、上述したＣｒ_２Ｏ_３粒子と樹脂バインダーとの密着が妨げられてボンド相の結合度の向上を損なうおそれがある。また、特にこうして硬質粒子をボンド相に含有させた場合には、上記Ｃｒ_２Ｏ_３粒子と樹脂バインダーとの密着によるボンド相の結合度向上を確実にするために、このボンド相における樹脂バインダーの含有量は４５〜６０vol%の範囲とされる。

さらに、本実施形態では、このように樹脂バインダー、粉砕アモルファスカーボン粒子、Ｃｒ_２Ｏ_３粒子、および望ましくは上記硬質粒子を含有したボンド相に上記超砥粒を合わせた砥粒層において、この超砥粒の含有量が１０〜３０vol%の範囲とされており、上述したＣｒ_２Ｏ_３粒子による高い研削比をより確実に維持することが可能となる。すなわち、この超砥粒の含有量が１０vol%を下回るほど小さいと、切刃となるべき超砥粒が少ないために高い研削比を得ることはできず、かといって超砥粒含有量が３０vol%を上回るほど多くても、超砥粒を保持するボンド相自体の体積が少なくなるために如何にその結合度が高くても超砥粒の脱落が促進されることが避けられず、やはり研削比の向上が阻害されることになる。

以下、本発明の実施例を挙げて上述した効果について実証する。本実施例では、上記実施形態と同様に、熱硬化性フェノール樹脂をバインダーとして、粒径２０μｍ以下の粉砕アモルファスカーボン粒子が８〜２０vol%の範囲、粒径３０μｍ以下のＣｒ_２Ｏ_３粒子が５〜２５vol%の範囲でそれぞれ含有されたボンド相、およびこのボンド相にさらに粒径３０μｍ以下のＷＡ、ＳｉＣ、およびＳｉＯ_２のうちの１種よりなる硬質粒子が２０vol%以下の範囲で含有されたボンド相に、超砥粒が分散された砥粒層を有する両頭研削用レジンボンド砥石を、粉砕アモルファスカーボン粒子とＣｒ_２Ｏ_３粒子の含有量を適宜変更し、また硬質粒子が含有されたものにおいてはその含有量も変更して、１７種製造した。これらを実施例１〜１７として、表１にそのボンド相における粉砕アモルファスカーボン粒子、Ｃｒ_２Ｏ_３粒子、および硬質粒子としてのＷＡ、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２の含有量を示す。

ただし、これらの実施例１〜１７においてはいずれも、超砥粒はニッケルコート６０％ＣＢＮ砥粒であって平均粒径は８０μｍ、砥粒層における集中度は７５で含有量は１８．７５vol%であった。また、粉砕アモルファスカーボン粒子の平均粒径は５μｍ、Ｃｒ_２Ｏ_３粒子の平均粒径は２μｍ、ＷＡ粒子の平均粒径は２５μｍ、ＳｉＣの平均粒径は１０μｍ、ＳｉＯ_２の平均粒径は６μｍであった。さらに、ボンド相においてこれらの粒子以外は上記樹脂バインダーであり、従ってその含有量は４５〜６０vol%の範囲とされている。

そして、これら実施例１〜１７の両頭研削用砥石により鋳鉄系焼結部品を研削加工して、その際の研削比、抵抗、および加工後のワークの表面粗さＲｙを測定した。この結果を表１に合わせて示す。ただし、抵抗は、両頭研削盤の主軸を回転させるモーターの負荷電流として測定し、６．０Ａまでを○印、６．５Ａまでを△印、６．５Ａを上回ったものを×印としてある。また、面粗さＲｙは、４．０μｍまでを○印、５．０μｍまでを△印、５．０μｍを上回ったものを×印としてある。

なお、実施例１〜１７の両頭研削用砥石のホイール形状は６Ａ２ＭＳ、ホイール寸法は２００Ｄ×３Ｗ×５Ｘ×７５Ｈ、ホイール使用はＣＢ１７０であって、使用した両頭研削盤は株式会社ヨシカワ製竪軸ＮＣ平面研削盤ＹＧＳ−１６、研削条件は、ホイール周速１３００ｍ／ｍｉｎ、切込み０．０２ｍｍ／ｍｉｎ、テーブル送り速度４．８ｍ／ｍｉｎ、研削液としてＷ２種（希釈５０倍）を用いた。また、ワーク寸法は９０Ｄ×６５ｄであって、ワーク硬さはＨＲＢ８０〜９０、研削量は４０ｃｃであった。

また、これら実施例１〜１７に対する比較例として、Ｃｒ_２Ｏ_３粒子を含有しないもの（比較例１）、Ｃｒ_２Ｏ_３粒子の含有量が５vol%より少ないもの（比較例２）、粉砕アモルファスカーボン粒子の含有量が８vol%より少なくもの（比較例１〜３）、硬質粒子の含有量が２０vol%より多いもの（比較例１〜４）、粉砕アモルファスカーボン粒子の含有量が２０vol%より多いもの（比較例５、６）、およびこれに加えてＣｒ_２Ｏ_３粒子の含有量も２５vol%より多いもの（比較例７）をボンド相とし、これに実施例１〜１７と同様の超砥粒を分散した砥粒層を有する両頭研削用レジンボンド砥石を製造して、実施例１〜１７と同様の条件で研削加工を行い、研削比、抵抗、およびワークの表面粗さＲｙを測定した。この結果を、ボンド相の各粒子含有量と合わせて表２に示す。なお、Ｃｒ_２Ｏ_３粒子、粉砕アモルファスカーボン粒子、および硬質粒子（ＷＡ粒子）の平均粒径は実施例１〜１７と同じである。

しかるに、まずこの表２の結果より、ボンド相にＣｒ_２Ｏ_３粒子が含有されていない比較例１やＣｒ_２Ｏ_３粒子の含有量が３vol%と少ない比較例２、および逆に３０vol%と多い比較例７では、研削比が実施例１〜１７や他の比較例と比べても著しく小さく、効率的な研削が望めないことが分かる。また、粉砕アモルファスカーボン粒子の含有量が５vol%と少ない比較例１〜３や逆に２５vol%と多すぎる比較例５〜７では、Ｃｒ_２Ｏ_３粒子の含有量が５〜２５vol%の範囲の比較例３、５、６でも研削抵抗が大きくなり、特に粉砕アモルファスカーボン粒子含有量が少ない比較例１〜３では面粗さＲｙも悪化する傾向にあった。これは、硬質粒子（ＷＡ粒子）の含有量の多い比較例４でも共通である。

これら比較例１〜７に対して、本発明に係わる実施例１〜１７では、粉砕アモルファスカーボン粒子の含有量が１０vol%と他の実施例に比べて少ない実施例１、２において、抵抗や面粗さＲｙがやや大きくなる傾向はあるものの十分許容範囲内であり、それにも拘わらずこれら実施例１、２も含めたすべての実施例において研削比はいずれも高い結果を得るに至った。特に、実施例８、９では研削比が６３０と極めて高い結果となり、両頭研削のような重研削においてもより効率的な加工が可能であることが実証された。

Claims

樹脂をバインダーとするボンド相に超砥粒が分散された砥粒層を有するレジンボンド砥石であって、上記ボンド相には、粒径２０μｍ以下の粉砕アモルファスカーボン粒子が８〜２０vol%の範囲で、粒径３０μｍ以下のＣｒ_２Ｏ_３粒子が５〜２５vol%の範囲で、粒径３０μｍ以下のＷＡ、ＳｉＣ、およびＳｉＯ _２のうちの少なくとも１種である硬質粒子が２０vol%以下の範囲で、それぞれ含有され、かつ該ボンド相における上記バインダーの含有量が４５〜６０vol%の範囲である、両頭研削用砥石であることを特徴とするレジンボンド砥石。
上記砥粒層における上記超砥粒の含有量が１０〜３０vol%の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のレジンボンド砥石。