JPS642673B2 - - Google Patents
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- JPS642673B2 JPS642673B2 JP25025786A JP25025786A JPS642673B2 JP S642673 B2 JPS642673 B2 JP S642673B2 JP 25025786 A JP25025786 A JP 25025786A JP 25025786 A JP25025786 A JP 25025786A JP S642673 B2 JPS642673 B2 JP S642673B2
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Landscapes
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Description
【発明の詳細な説明】
(イ) 発明の目的
［産業上の利用分野］
この発明は珪素化合物を含む硬脆材料の表面仕
上げ粗さを、その結晶粒子の大きさより小さくし
得る。超精密加工法に関するものである。
上げ粗さを、その結晶粒子の大きさより小さくし
得る。超精密加工法に関するものである。
［従来の技術］
最近、さまざまな機能材料として無機結晶材や
セラミツクス材料が多く利用される。これらのう
ち、炭化珪素、窒化珪素、若しくはこれらの混合
物を主成分とするものは、ダイアモンドに近い硬
度を有し極めて硬くて摩耗しにくく、かつ耐蝕性
を備え、耐熱構造材料として優れた特性を有する
ことが知られている。しかし、硬くて脆いため、
加工が難しいという問題がある。
セラミツクス材料が多く利用される。これらのう
ち、炭化珪素、窒化珪素、若しくはこれらの混合
物を主成分とするものは、ダイアモンドに近い硬
度を有し極めて硬くて摩耗しにくく、かつ耐蝕性
を備え、耐熱構造材料として優れた特性を有する
ことが知られている。しかし、硬くて脆いため、
加工が難しいという問題がある。
構造材料一般に対する従来の加工法としてはダ
イアモンド砥石等による研削・研磨加工法とダイ
アモンド刃等による切削加工法が公知である。
イアモンド砥石等による研削・研磨加工法とダイ
アモンド刃等による切削加工法が公知である。
［発明が解決しようとする問題点］
切削加工法は、高効率でありかつ形状の精度を
出すのに有利な加工法であるが、前記硬脆材料に
切削加工を行うと、加工は結晶を破壊しながら進
行するため、その加工表面粗さは一般に単結晶粒
子の大きさより粗くなり、単結晶粒子より小さく
することは出来ない。
出すのに有利な加工法であるが、前記硬脆材料に
切削加工を行うと、加工は結晶を破壊しながら進
行するため、その加工表面粗さは一般に単結晶粒
子の大きさより粗くなり、単結晶粒子より小さく
することは出来ない。
一方、研削・研磨加工法は、表面加工精度を出
すのに有利な加工法であるが“うねり”がないよ
うにするのが難しく形状精度が出しにくい上に、
前記硬脆材料に研削・研磨加工を行うと、摩耗し
にくい特性の故に加工には非常に時間がかかり、
効率が低くかつ加工費が非常に高い。
すのに有利な加工法であるが“うねり”がないよ
うにするのが難しく形状精度が出しにくい上に、
前記硬脆材料に研削・研磨加工を行うと、摩耗し
にくい特性の故に加工には非常に時間がかかり、
効率が低くかつ加工費が非常に高い。
また、硬脆材料に対する効率の高い加工方法と
して、最近、水酸化カリウム水溶液等の加工液に
浸したセラミツクスに、アルゴンイオンレーザや
YAGレーザを照射し、局所的に高熱とし、かつ
加工液のエツチング作用を促進して、孔あけ・切
断等の加工を行う、レーザケミカルエツチング法
の研究が盛んになつたいるが、この方法では前記
表面の仕上げ加工は不可能である。
して、最近、水酸化カリウム水溶液等の加工液に
浸したセラミツクスに、アルゴンイオンレーザや
YAGレーザを照射し、局所的に高熱とし、かつ
加工液のエツチング作用を促進して、孔あけ・切
断等の加工を行う、レーザケミカルエツチング法
の研究が盛んになつたいるが、この方法では前記
表面の仕上げ加工は不可能である。
この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたも
のであつて、珪素化合物を含む硬脆材料の精密加
工において、形状精度と仕上げ面の粗さの精度と
が共に優れ、仕上げ面の粗さを単結晶粒子の大き
さより遥かに小さくすることが可能であり、か
つ、加工時間を大幅に短縮し得る高精度、高効率
の超精密加工法を提供することを目的としてい
る。
のであつて、珪素化合物を含む硬脆材料の精密加
工において、形状精度と仕上げ面の粗さの精度と
が共に優れ、仕上げ面の粗さを単結晶粒子の大き
さより遥かに小さくすることが可能であり、か
つ、加工時間を大幅に短縮し得る高精度、高効率
の超精密加工法を提供することを目的としてい
る。
(ロ) 発明の構成
［問題を解決するための手段］
この目的に対応して、この発明の硬脆材料の超
精密加工法は、珪素を含む硬脆材料からなる被加
工物の被加工面を機械的な摩擦作用によつてアモ
ルフアス化するアモルフアス化工程と、前記アモ
ルフアス化された被加工面に水系電解液の存在下
で短波長レーザを照射することにより前記被加工
面の表層部に酸化珪素の水和化物を含む軟質層を
生成する軟質層生成工程と、及び前記軟質層を除
去する軟質層除去工程と、を含むことを特徴とし
ている。
精密加工法は、珪素を含む硬脆材料からなる被加
工物の被加工面を機械的な摩擦作用によつてアモ
ルフアス化するアモルフアス化工程と、前記アモ
ルフアス化された被加工面に水系電解液の存在下
で短波長レーザを照射することにより前記被加工
面の表層部に酸化珪素の水和化物を含む軟質層を
生成する軟質層生成工程と、及び前記軟質層を除
去する軟質層除去工程と、を含むことを特徴とし
ている。
以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面に
ついて説明する。
ついて説明する。
この発明の硬脆材料の超精密加工法を模式的に
示す第１図において、１は被加工物である。被加
工物１は窒化珪素Si3N4を主成分とする硬脆材料
からなり、前工程より移送されて来たものであ
り、方向２に移送されつつ被加工面である上面に
超精密加工法による表面仕上げ加工を施される。
加工直前の未加工層1aは粗い結晶粒子による粗
い表面をなしており、まず水系電解液３を供給さ
れる。水系電解液３としては、水を水素イオン
H+と水酸イオンOH-とに電離し易くして酸化珪
素の水和化反応を促進し得るもの、例えば水酸化
カルシウム水溶液を用いる。供給の仕方として
は、例えば水系電解液３を含浸した多孔質の弾性
体を備えた水系電解液供給器４に接触させてこれ
を塗布する。水系電解液供給器４には電極が取付
けられて通電され、水系電解液３中の水のH+，
OH-への電離が促進されている。この他、電解
液の供給の仕方としてはジエツトノズルを使用し
たり或いは刷毛塗りも可能であり、電解液が被加
工物の表面に供給できるものであれば、供給の仕
方に特に制限はない。
示す第１図において、１は被加工物である。被加
工物１は窒化珪素Si3N4を主成分とする硬脆材料
からなり、前工程より移送されて来たものであ
り、方向２に移送されつつ被加工面である上面に
超精密加工法による表面仕上げ加工を施される。
加工直前の未加工層1aは粗い結晶粒子による粗
い表面をなしており、まず水系電解液３を供給さ
れる。水系電解液３としては、水を水素イオン
H+と水酸イオンOH-とに電離し易くして酸化珪
素の水和化反応を促進し得るもの、例えば水酸化
カルシウム水溶液を用いる。供給の仕方として
は、例えば水系電解液３を含浸した多孔質の弾性
体を備えた水系電解液供給器４に接触させてこれ
を塗布する。水系電解液供給器４には電極が取付
けられて通電され、水系電解液３中の水のH+，
OH-への電離が促進されている。この他、電解
液の供給の仕方としてはジエツトノズルを使用し
たり或いは刷毛塗りも可能であり、電解液が被加
工物の表面に供給できるものであれば、供給の仕
方に特に制限はない。
次に、ダイアモンド砥石５によるアモルフアス
化工程を受ける。すなわち、機械的な摩擦作用に
よつて極端な突出部１３が機械的に削り去られ表
面高さがならされると共に、その表面はダイアモ
ンド砥石５の粗さに従つた粗さの微結晶の集合体
化し、すなわちアモルフアス化し、アモルフアス
化層１ｂとなる。
化工程を受ける。すなわち、機械的な摩擦作用に
よつて極端な突出部１３が機械的に削り去られ表
面高さがならされると共に、その表面はダイアモ
ンド砥石５の粗さに従つた粗さの微結晶の集合体
化し、すなわちアモルフアス化し、アモルフアス
化層１ｂとなる。
水系電解液３を塗布された状態でアモルフアス
化されたアモルフアス化層１ｂは、次にレーザ照
射装置１０による軟質層生成工程を受ける。すな
わちレーザ発振器６から発せられた短波長レーザ
９は、凹レンズ７で拡げられ、反射鏡８で反射さ
れてアモルフアス化層１ｂに照射される。すると
照射面では Si3N4＋（６＋ｎ）H2O→3SiO2・nH2O＋4NH3 で示される反応が促進され、表層部の窒化珪素が
酸化珪素の水和化物に変化して軟質化し、アモル
フアス化層１ｂに沿つてほぼ一定の厚みの軟質層
１ｃが表層部に生成される。
化されたアモルフアス化層１ｂは、次にレーザ照
射装置１０による軟質層生成工程を受ける。すな
わちレーザ発振器６から発せられた短波長レーザ
９は、凹レンズ７で拡げられ、反射鏡８で反射さ
れてアモルフアス化層１ｂに照射される。すると
照射面では Si3N4＋（６＋ｎ）H2O→3SiO2・nH2O＋4NH3 で示される反応が促進され、表層部の窒化珪素が
酸化珪素の水和化物に変化して軟質化し、アモル
フアス化層１ｂに沿つてほぼ一定の厚みの軟質層
１ｃが表層部に生成される。
次に、この軟質層１ｃを除去する軟質層除去工
程を行う。すなわちダイアモンド刃１１によつ
て、軟質層１ｃの厚み分の深さの切削を行い仕上
げ面１ｄとする。この切削に先立つて軟質層１ｃ
の厚み分の深さの切り込みを入れると一層効果的
である。
程を行う。すなわちダイアモンド刃１１によつ
て、軟質層１ｃの厚み分の深さの切削を行い仕上
げ面１ｄとする。この切削に先立つて軟質層１ｃ
の厚み分の深さの切り込みを入れると一層効果的
である。
また、この軟質層除去工程の後に、仕上げ面１
ｄに不動態化処理を施すことも有効である。
ｄに不動態化処理を施すことも有効である。
第２図は実際にこの発明の硬脆材料の超精密加
工法を実施する場合の装置を模式的に示したもの
であり、円柱面に仕上げようとする被加工物１を
その軸１２の回りに方向２ａに回転させる一方、
水系電解液供給器４、砥石５、レーザ照射装置１
０、及びダイアモンド刃１１を、被加工物１の外
周面に沿つて方向２ａにこの順に配置し、水系電
解液３を供給しつつ、前記アモルフアス化工程、
軟質膜生成工程、及び軟質膜除去工程からなる加
工サイクルを反復して行うようにし、反複により
仕上げ面の平坦化の効果を更に高め得るようにし
たものである。
工法を実施する場合の装置を模式的に示したもの
であり、円柱面に仕上げようとする被加工物１を
その軸１２の回りに方向２ａに回転させる一方、
水系電解液供給器４、砥石５、レーザ照射装置１
０、及びダイアモンド刃１１を、被加工物１の外
周面に沿つて方向２ａにこの順に配置し、水系電
解液３を供給しつつ、前記アモルフアス化工程、
軟質膜生成工程、及び軟質膜除去工程からなる加
工サイクルを反復して行うようにし、反複により
仕上げ面の平坦化の効果を更に高め得るようにし
たものである。
この実施例では被加工物１を構成する硬脆材料
は窒化珪素であつたが、炭化珪素であつてもよ
い。この場合レーザ光による光反応として分解反
応SiC→Si＋Ｃが促進され、 電離した水H+＋OH-が電気化学反応 Si→SiO2・ｎ（H2O）を促進するものと考えら
れる。この場合も酸化珪素の水和化物の軟化層が
生成され、ダイアモンド刃１１により高効率に切
削できる。
は窒化珪素であつたが、炭化珪素であつてもよ
い。この場合レーザ光による光反応として分解反
応SiC→Si＋Ｃが促進され、 電離した水H+＋OH-が電気化学反応 Si→SiO2・ｎ（H2O）を促進するものと考えら
れる。この場合も酸化珪素の水和化物の軟化層が
生成され、ダイアモンド刃１１により高効率に切
削できる。
［作用・効果］
このように構成された硬脆材料の超精密加工法
によれば、被加工面は、まずアモルフアス化工程
により機械的にある厚み分をアモルフアス化さ
れ、次に軟質層生成工程によりこの厚み部分が化
学変化せられて軟質化され、更にこの軟質層の厚
みの分を効率良く除去される。このとき精々、単
結晶粒程度の表面粗さであつたアモルフアス層１
ｂは、その表面の凹凸部分が機械的にではなく、
化学反応により軟質化されてから除去されること
になり、化学反応は単結晶の大きさより更にミク
ロの分子レベルにおいて起るものであるから、あ
とに残る硬質部分からなる仕上げ面１ｄの粗さ
は、単結晶粒の大きさより遥かに小さくすること
が可能で、従来に比して格段に緻密となり、第３
図に示すように、従来のダイアモンド焼結工具に
よる切削加工の仕上げ面の粗さが２〜10μm程度
であつたのに比し0.02μm〜0.13μm程度と、およ
そ100分の１の粗さとなり、レーザケミカルエツ
チング法と比してもこの点で優れている。
によれば、被加工面は、まずアモルフアス化工程
により機械的にある厚み分をアモルフアス化さ
れ、次に軟質層生成工程によりこの厚み部分が化
学変化せられて軟質化され、更にこの軟質層の厚
みの分を効率良く除去される。このとき精々、単
結晶粒程度の表面粗さであつたアモルフアス層１
ｂは、その表面の凹凸部分が機械的にではなく、
化学反応により軟質化されてから除去されること
になり、化学反応は単結晶の大きさより更にミク
ロの分子レベルにおいて起るものであるから、あ
とに残る硬質部分からなる仕上げ面１ｄの粗さ
は、単結晶粒の大きさより遥かに小さくすること
が可能で、従来に比して格段に緻密となり、第３
図に示すように、従来のダイアモンド焼結工具に
よる切削加工の仕上げ面の粗さが２〜10μm程度
であつたのに比し0.02μm〜0.13μm程度と、およ
そ100分の１の粗さとなり、レーザケミカルエツ
チング法と比してもこの点で優れている。
また加工効率においても従来のダイアモンド焼
結工具による切削加工では、単位工具幅当り１〜
６mm2／分であつたのに対し、 0.3〜1.2mm2／分とほぼ３倍に高まる。
結工具による切削加工では、単位工具幅当り１〜
６mm2／分であつたのに対し、 0.3〜1.2mm2／分とほぼ３倍に高まる。
以上の説明から明らかな通り、この発明によれ
ば、珪素化合物を含む硬脆材料の表面の仕上げ加
工において形状精度・面の精度共に加工精度を高
め仕上げ面の粗さを結晶粒子の大きさより遥かに
小さくすることが可能で、かつ加工時間を大幅に
短縮し得る高効率の超精密加工法を得ることがで
きる。
ば、珪素化合物を含む硬脆材料の表面の仕上げ加
工において形状精度・面の精度共に加工精度を高
め仕上げ面の粗さを結晶粒子の大きさより遥かに
小さくすることが可能で、かつ加工時間を大幅に
短縮し得る高効率の超精密加工法を得ることがで
きる。
［実験例］
(1) まず、大気中の水蒸気の存在下・下記実験条
件でダイアモンド（ライダー）で硬脆材料（窒
化珪素）の表面を強く摩擦し、横の条痕を得
た。
件でダイアモンド（ライダー）で硬脆材料（窒
化珪素）の表面を強く摩擦し、横の条痕を得
た。
（実験条件）
大気湿度 50％
ダイアモンドの先端半径 100μm
摩擦の荷重 750ｇ
摩擦の回数 1000回
(2) 次に、横の条痕の部分の壁の軟かさを見るた
めに、ダイアモンドビツカース圧子により10ｇ
の荷重で引掻き、横の条痕に対して垂直に交わ
る縦の条痕を形成したところ、横の条痕内の周
辺で条痕内の反応生成物が押し分けられ、この
部分が軟かいことを示した。
めに、ダイアモンドビツカース圧子により10ｇ
の荷重で引掻き、横の条痕に対して垂直に交わ
る縦の条痕を形成したところ、横の条痕内の周
辺で条痕内の反応生成物が押し分けられ、この
部分が軟かいことを示した。
第１図はこの発明の硬脆材料の超精密加工法を
示す模式図、第２図は本発明を円柱面に仕上げよ
うとする被加工物に適用した場合を示す模式図、
及び第３図は珪素化合物を含む硬脆材料の従来の
加工法と本発明とにおける仕上げ面粗さ・加工効
率の比較を示す図である。 １……被加工物、１ａ……加工前の部分、１ｂ
……アモルフアス化層、１ｃ……軟質層、１ｄ…
…仕上げ面、２……方向、３……水系電解液、４
……水系電解液供給器、５……砥石、６……レー
ザ発振器、７……凹レンズ、８……反射鏡、９…
…短波長レーザ、１０……レーザ照射装置、１１
……ダイアモンド刃、１２……軸、１３……突出
部。
示す模式図、第２図は本発明を円柱面に仕上げよ
うとする被加工物に適用した場合を示す模式図、
及び第３図は珪素化合物を含む硬脆材料の従来の
加工法と本発明とにおける仕上げ面粗さ・加工効
率の比較を示す図である。 １……被加工物、１ａ……加工前の部分、１ｂ
……アモルフアス化層、１ｃ……軟質層、１ｄ…
…仕上げ面、２……方向、３……水系電解液、４
……水系電解液供給器、５……砥石、６……レー
ザ発振器、７……凹レンズ、８……反射鏡、９…
…短波長レーザ、１０……レーザ照射装置、１１
……ダイアモンド刃、１２……軸、１３……突出
部。
Claims (1)
- １ 珪素を含む硬脆材料からなる被加工物の被加
工物面を機械的な摩擦作用によつてアモルフアス
化するアモルフアス化工程と、前記アモルフアス
化された被加工面に水系電解液の存在下で短波長
レーザを照射することにより前記被加工面の表層
部に酸化珪素の水和化物を含む軟質層を生成する
軟質層生成工程と、及び前記軟質層を除去する軟
質層除去工程と、を含むことを特徴とする硬脆材
料の超精密加工法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25025786A JPS63105982A (ja) | 1986-10-21 | 1986-10-21 | 硬脆材料の超精密加工法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25025786A JPS63105982A (ja) | 1986-10-21 | 1986-10-21 | 硬脆材料の超精密加工法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63105982A JPS63105982A (ja) | 1988-05-11 |
| JPS642673B2 true JPS642673B2 (ja) | 1989-01-18 |
Family
ID=17205191
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25025786A Granted JPS63105982A (ja) | 1986-10-21 | 1986-10-21 | 硬脆材料の超精密加工法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63105982A (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3070499B2 (ja) * | 1996-11-26 | 2000-07-31 | 富士ゼロックス株式会社 | 微細切削方法および微細切削装置 |
| JP4737710B2 (ja) * | 2005-03-16 | 2011-08-03 | 日産自動車株式会社 | 微細凹部加工装置及び微細凹部加工方法 |
| KR101012091B1 (ko) | 2008-12-02 | 2011-02-07 | 한국과학기술연구원 | 다이아몬드막으로 코팅된 세라믹 몸체 및 그 제조방법 |
-
1986
- 1986-10-21 JP JP25025786A patent/JPS63105982A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63105982A (ja) | 1988-05-11 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |