JPH0671699B2

JPH0671699B2 - 砥石および刃物工具の製造方法

Info

Publication number: JPH0671699B2
Application number: JP60272301A
Authority: JP
Inventors: 廉士澤田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1985-12-03
Filing date: 1985-12-03
Publication date: 1994-09-14
Anticipated expiration: 2009-09-14
Also published as: JPS62136373A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」本発明は、ポリシング、ラップ、研削、切断等の加工を
行う砥石および刃物工具の製造方法に係り、特に、シリ
コンやガリウムヒ素等の半導体材料の機械加工に用いて
好適な砥石および刃物工具の製造方法に関するものであ
る。

「従来の技術」一般に、砥石は台金と称される基材の表面に砥粒と称さ
れる硬質体と結合材とからなる硬質層が形成されたもの
である。

従来、このような砥石の製造は、まず粘土質結合材や合
成樹脂系結合材などと硬質体（砥粒）とを混合し、つい
でこの混合物を基材（台金）が収容された金型に充填
し、その後これを加圧（100〜3000kg/cm²）、焼成する
といった方法で行なわれていた。

その際、硬質体、結合材は、それぞれロールクラッシャ
や粉砕機などで粉砕され所望の粒度とされたものを秤量
して、所定量ずつボールミル等により湿式または乾式で
混合混和して用いる。

「発明が解決しようとする問題点」このような従来の製造方法にあっては、次のような問題
があった。

従来の製造方法にあっては、硬質層の結合度を増す
ため、および硬質層を基材に密着させるために加圧工程
が必要であるが、このため小型の砥石を製造するにも大
型プレス機が必要となり、製造設備の面から大型の砥石
は製造し難い不都合があった。

従来の製造方法にあっては、結合材や硬質体の粒径
を小とすると結合材の粒子あるいは硬質体の粒子がそれ
ぞれ凝集して分散性が悪化するので、均一な混合が困難
になる。このため、従来の製造方法では、粒径の小さな
結合材や硬質体を用いることができず、また用いたとし
ても結合材と硬質体の分散が不均一となるので、超精密
仕上げに適した砥石を生産できない不満があった。

「問題点を解決するための手段」本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、上記問題点を解決
し得る新規な砥石および刃物工具の製造方法を開発し
た。

すなわち、本発明の製造方法は、まず、結合材となる第１のハロゲン化金属化合物を
主成分とする原料ガスを第１の酸水素炎で燃焼せしめつ
つ、硬質体となる第２のハロゲン化金属化合物を主成分
とする原料ガスを第２の酸水素炎で燃焼せしめ、これら
の燃焼物を耐火物からなる基材表面に吹き付けて、前記
第１のハロゲン化金属化合物が火炎加水分解されてなる
第１の金属酸化物と、前記第２のハロゲン化金属化合物
が火炎加水分解されてなる第２の金属酸化物との混合物
を前記基材表面に堆積せしめ、ついで、この堆積された混合物を焼結せしめることによって砥石あるいは刃物工具を製造する方法であ
る。

「実施例」以下、図面を参照して本発明の砥石および刃物工具の製
造方法を詳しく説明する。

第１図は本発明の製造方法の一実施例を実施するのに好
適な製造装置の一例を示す概略図で、図中符号１は基材
である。これら基材１…はターンテーブル２上に載置さ
れている。また、符号３は結合材となるハロゲン化金属
化合物を吹き付ける結合材用酸水素バーナ、符号４は硬
質体となるハロゲン化金属化合物を吹き付ける硬質体用
酸水素バーナである。これら酸水素バーナ３、４はター
ンテーブル２の半径方向に（図中矢印a,b）往復動作す
るもので、互いに近接して設けられている。これらバー
ナ３、４の開口はターンテーブル２上の基材１に向けら
れている。また、これらバーナ３、４には、後述する原
料と、酸素、水素が供給されている。これら酸水素バー
ナ３、４の近傍には、排気管５がバーナ３、４に向かっ
て開口するように設けられている。

上記酸水素バーナ３、４には、第２図に示すような原料
供給装置からそれぞれ原料ガスが供給されている。第２
図中符号６、７は結合材となるハロゲン化金属化合物が
収容された容器であって、これら容器６、７は結合材用
酸水素バーナ３に連接されている。また符号８、９は硬
質体となるハロゲン化金属化合物が収容された容器であ
って、これら容器８、９は硬質体用酸水素バーナ４に連
接されている。

上記容器６には例えば液体状態である四塩化ケイ素（Si
Cl₄）が収容されており、容器７には気体状態である三
塩化ホウ素（BCl₃）が収容されている（この場合、容器
７はガスボンベである）。また、容器８には液体状態の
三塩化アルミニウム（AlCl₃）、容器９には液体状態の
四塩化ジルコニウム（ZrCl₄）が収容されている。液体
状態の原料が収容されている容器６、８、９には、流量
計10…を介してキャリヤーガスが供給されており、この
キャリヤーガスによって原料液は気化されて各バーナ
３、４に搬送される。このキャリヤーガスには、一般に
アルゴンガス（Arガス）などの不活性ガスが用いられ
る。

次に、このような製造装置によって実施される本発明の
製造方法の一実施例を説明する。

本発明の製造方法に用いられる基材１は、耐火物からな
るもので、具体的には後述する焼結処理工程の処理温度
で変形しない耐熱性を有する材料（例えば酸化アルミニ
ウム（Al₂O₃）など）によって形成されたものである。

この例の製造方法にあっては、結合材用酸水素バーナ３
で結合材を生成せしめ、硬質体用酸水素バーナ４で硬質
体を生成せしめ、第３図に示すように、生成した結合材
の粒子11、硬質体の粒子12をバーナ口部近傍で火炎と共
に直ちに混合して基板１表面に吹き付け堆積させる。

結合材は、ハロゲン化金属化合物が火炎加水分解されて
生成する金属酸化物からなるもので、後述する硬質体よ
りも融点の低いものが用いられる。ここで火炎加水分解
とは、バーナに供給される酸素と水素が反応する高温の
酸水素火炎中でそこに生成する水によってハロゲン化金
属化合物が加水分解される反応である。この結合材を生
成せしめるには、多種類のハロゲン化金属化合物を利用
できるが、第１表中欄に挙げるようなものが好適に用
いられる。またこれら欄のハロゲン化金属化合物から
は、第１表中欄に挙げる金属酸化物が結合材として生
成する。

第１表に示したハロゲン化金属化合物のうち、代表的な
火炎加水分解反応を次に示す。

2BCl₃＋3H₂O→B₂O₃＋6HCl 2BBr₃＋3H₂O→B₂O₃＋6HBr SiCl₄＋2H₂O→SiO₂＋4HCl 上記硬質体は研削、切断作用をなすもので、従来から用
いられているアルミナ質、炭化ケイ素質あるいは窒化ホ
ウ素等からなる人造研削材やダイヤモンド砥粒などの、
予め粉砕された既製の硬質体（砥粒）を用いることもで
きるが、この実施例の製造方法にあっては、ハロゲン化
金属化合物が火炎加水分解されて生成する金属酸化物を
硬質体に用いている。この硬質体の生成にも、多種類の
ハロゲン化金属酸化物を利用できるが、第２表中欄に
挙げるようなものが好適に用いられる。またこれら欄
のハロゲン化金属酸化物化合物からは、第２表中欄に
挙げる金属酸化物が硬質体として生成する。

第２表に示したハロゲン化金属化合物のうち、代表的な
火炎加水分解反応を次に示す。

2AlCl₃＋3H₂O→Al₂O₃＋6HCl ZrCl₄＋2H₂O→ZrO₂＋4HCl これら火炎加水分解反応で生成された結合材および硬質
体は粒状となって、基板１表面に混合して吹き付けられ
る。それらの粒径は、バーナ３、４の温度、具体的には
バーナ３、４に送り込まれている水素ガスの流量によて
制御される。水素ガスの流量が増すと粒径は大となる。

このようにして結合材の粒子11と硬質体の粒子12とから
なる混合層13が形成された基材１は、次に第４図に示す
ように、焼結炉15内で焼結処理される。焼結処理の温度
は、結合材をなす金属酸化物の種類によって異なるが、
通常800〜1300℃程度で行なわれる。例えば、結合材と
なるハロゲン化金属化合物として、BCl₃＋SiCl₄を用い
た場合、BCl₃の濃度を濃くすると800℃程度の比較的低
温度でも結合材は焼結され、透明化した無気孔の砥石が
得られる。また、上述のようにバーナ３への水素供給量
を少なくして結合材の粒径を小とすれば、結合材は低い
温度でも容易に焼結され得るものとなる。

この焼結処理の際には、処理温度、処理時間、処理雰囲
気、および処理雰囲気の圧力などによって混合層13の気
孔率を制御できる。処理温度が高いほど、時間が長いほ
ど、処理を水素ガス雰囲気下あるいはヘリウムガス雰囲
気下などで行った場合、また処理雰囲気が減圧状態であ
るような場合に、気孔率が小となる。なお、結合材の種
類によって、焼結処理条件と気孔率の関係は多少変化す
る。

この焼結処理工程が終了すると、混合層13は焼結された
結合材によって硬質体が強固に保持された硬質層13aと
なり、砥石が得られる。

「作用」このような本発明の製造方法によれば、ハロゲン化金属
化合物が火炎加水分解されてなる活性の高い超微粒の金
属酸化物が結合材となるので、結合材は自ら収縮して固
まる。従って、この製造方法によれば、組織を緻密化す
るための圧縮工程が不要になる。よって、本発明の製造
方法にあっては、圧縮工程の大型プレス機が不要とな
り、熱処理炉を設けるのみで砥石を製造できるので、大
型の砥石あるいは刃物工具を容易に製造できる。

また、基材１に吹き付けられた結合材の粒子は、お互い
に一部結合した状態で堆積しているので、粒子の融点よ
りも遥かに低温で焼結することができる。

さらに、本発明の製造方法によれば、生成された結合材
および硬質体が粒子の状態で直ちに混合されて基材表面
に吹き付けられるので、従来の粉砕された結合材、硬質
体をボールミルを用いて混合する場合のように粒子が凝
集するようなことがない。従って、得られる砥石あるい
は刃物工具は硬質体が均一に分散された高品質のものと
なる。特に硬質体の粒径が小さい場合に飛躍的な改善が
見られる。

このように硬質体の分散性の問題が解決された結果、本
発明の製造方法によれば、硬質体の粒径を更に小とし
て、結晶欠陥、歪みの少ない高精度な加工を行える最終
仕上げに効果を発揮する砥石等を製造することができ
る。

さらにまた、ハロゲン化金属化合物の火炎加水分解によ
って硬質体を生成せしめる場合にあっては、粉砕などに
よって得られる硬質体よりも飛躍的に小粒径の硬質体を
得ることができるうえ、その粒径分布も小さいので、超
精密仕上げをなし得る砥石、刃物工具を製造することが
できる。

またさらに、硬質体をハロゲン化金属化合物の火炎加水
分解によって生成する際、水素供給量の調整などによっ
て硬質体の粒径を制御できるので、同一の装置で硬質体
の粒径が異なる多種類の砥石、刃物工具を製造できる。

さらにまた、酸水素バーナ３、４に供給する原料ガスの
組成を変えることによって、種々の組成の結合材、硬質
体を生成せしめることができるので、組成の異なる多種
類の砥石、刃物工具を生産できる。

加えて、原料ガスの成分を適宜選択することによって、
固容体（例えばAl-Zr-O等）からなる硬質体を生成でき
るので、本発明の製造方法によれば従来にない種類の砥
石等を生産することができる。

なお、上記実施例にあっては砥石を製造する例を示した
が、本発明の製造方法によれば、硬質層13aを薄く形成
できるので、薄い基材１（剛体）に膜状に硬質層13aを
形成して、切断などに用いられる刃物工具（カッタ）を
製造することもできる。

また、上記実施例においては、硬質体と結合材をそれぞ
れ異ある酸水素バーナ３、４を用いて生成せしめたが、
これらは同一の酸水素バーナによって生成しても良い。
このように同一のバーナによって行った場合、硬質体の
粒子は結合材によって被覆された状態になるが、実用上
支障ない。

また、適宜配置された複数のバーナから結合材や硬質体
を吹き付けることによって、硬質層を多層構造のものに
することができる。その際、吹き付ける硬質体を複数と
すれば、硬質体の種類の異なる層が複数積層されてなる
砥石を製造することができる。

また、上記実施例にあっては、ハロゲン化金属化合物を
バーナ４で火炎加水分解して硬質体を生成せしめたが、
硬質体に窒化ホウ素（BN）、ダイヤモンド等の既製の硬
質体（砥粒）を利用する場合は、結合材を生成する酸水
素バーナにこれら既製の硬質体をキャリヤーガスなどで
分散状態で搬送して、バーナ口から結合材と共に吹き付
けることができる。また、硬質体を噴出せしめるノズル
を別に設けてそこから硬質体を吹き付けてもよい。

さらにまた、ハロゲン化金属化合物を火炎加水分解して
結合材、硬質体を生成せしめる際、火炎の温度すなわち
水素供給量によって結合材、硬質体の粒径を制御し得る
と説明したが、水素を多量に供給した場合はそれと反応
する酸素の供給量も増やす必要があり、粒子の大形化に
も限界がある。このような場合は、硬質体あるいは結合
材を吹き付けるバーナの外周に更に酸水素炎を形成する
バーナを設けた２重構造のバーナを用いることによっ
て、硬質体あるいは結合材の粒径をさらに大きくするこ
とができる。

「発明の効果」以上説明したように、本発明の砥石および刃物工具の製
造方法は、耐火物からなる基板表面に、火炎加水分解反
応により生成された結合材微粒子と硬質体微粒子とを同
時に直接バーナから吹き付け、加圧せずに焼成すること
により硬質体・結合材からなる硬質層が膜状にコートさ
れた砥石あるいは刃物工具を製造する方法なので、従来
の粉砕等により予め製造された硬質体および結合材を混
合し加圧下で焼成する製造方法と比較して次のような利
点がある。

本発明の製造方法にあっては、加圧する必要がないの
で、小型の焼結炉で生産を行うことができ、大型のプレ
ス機を必要としないので大型の砥石、刃物工具の生産を
容易に行うことができる。

硬質体が均一に分散されるので、品質のよい砥石、刃
物工具を生産できる。この効果は、硬質体の粒径が小で
ある場合に大きく、その結果、本発明の製造方法によれ
ば、従来よりさらに精密加工をなし得る砥石、刃物工具
を生産することができる。

組成の制御が容易で、原料の組成比を変えることによ
り多種類の砥石、刃物工具を生産できる。また、多層構
造の工具を生産できる。さらに、砥石、刃物工具の結合
材及び硬質体には、シリコンやガリウムヒ素等の半導体
材料を汚染する元素が含まれていないので、前記半導体
材料を機械加工する際に用いれば、前記半導体材料の特
性を低下させることなく良好に保持することができる。

結合材・硬質体がなす硬質層を膜状に形成できるの
で、薄い刃物工具を生産できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の砥石および刃物工具の製
造方法の一実施例を実施するのに好適な製造装置を示す
概略図、第３図は結合材、硬質体を吹き付ける工程を示
す拡大図、第４図は焼結工程を示す概略図である。１……基材、３、４……酸水素バーナ、11……結合材の
粒子、12……硬質体の粒子、15……焼結炉。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結合材となる第１のハロゲン化金属化合物
を主成分とする原料ガスを第１の酸水素炎で燃焼せしめ
つつ、硬質体となる第２のハロゲン化金属化合物を主成
分とする原料ガスを第２の酸水素炎で燃焼せしめ、これ
らの燃焼物を耐火物からなる基材表面に吹き付けて、前
記第１のハロゲン化金属化合物が火炎加水分解されてな
る第１の金属酸化物と、前記第２のハロゲン化金属化合
物が火炎加水分解されてなる第２の金属酸化物との混合
物を前記基材表面に堆積せしめる工程と、この堆積された混合物を焼結せしめる工程とからなるこ
とを特徴とする砥石および刃物工具の製造方法。
【請求項２】請求項１記載の砥石および刃物工具の製造
方法において、前記第１のハロゲン化金属化合物は、三塩化ホウ素、三
臭化ホウ素、三塩化ホウ素と四塩化ケイ素、三塩化リン
と四塩化ケイ素、四塩化ケイ素と三塩化ホウ素と三塩化
リン、四塩化ゲルマニウムと四塩化ケイ素の６種から選
択された１種であることを特徴とする砥石および刃物工
具の製造方法。
【請求項３】請求項１記載の砥石および刃物工具の製造
方法において、前記第２のハロゲン化金属化合物は、四塩化ケイ素、三
塩化アルミニウム、四塩化ジルコニウム、四塩化チタン
の４種から選択された１種または２種であることを特徴
とする砥石および刃物工具の製造方法。