JP7425443B2 - ラップ工具 - Google Patents

Description

本発明は、ＦＣＶ鋳鉄製のラップ工具に関するものである。尚、本明細書において、「ＦＣＶ鋳鉄」とは、芋虫形状の黒鉛組織を含有する引張強度が３００ＭＰａ以上のコンパクティッド・バーミキュラ鋳鉄をいう。

近年、電子機器の高機能化と省エネの観点からパワー半導体の普及が期待されており、ラッピング及びポリシングの研磨が行われている。ラッピングは、ポリシングの前加工として、直径が１０μｍ程度の砥粒を用いて行われる。ラッピングには、乾式ラッピングと湿式ラッピングがある。

乾式ラッピングは、砥粒を工具上に配置して工具に埋め込んで行われる。湿式ラッピングは、水中に分散させた砥粒を用いて行われるので砥粒の分散性が良く、工業的によく用いられている。

そして、ラッピング工具として、従来から鋳鉄製のラップ工具が用いられており、そのうち７割程度が球状の黒鉛を晶出させた黒鉛鋳鉄（以下「ＦＣＤ鋳鉄」と言う）製のラップ工具であり、その他は線片状の黒鉛組織を有する安価なねずみ鋳鉄（以下「ＦＣ鋳鉄」と言う）製のラップ工具である。

殊に、ＦＣＤ鋳鉄製のラップ工具は、引張強度が４００ＭＰａ以上と高く、ＦＣ鋳鉄製のラップ工具よりも耐摩耗性に優れており、被加工材を非常に高精度な加工面に仕上げる場合などに用いられており（特許文献１）、ＦＣ鋳鉄製のラップ工具の引張強度は約４００ＭＰａ未満であるが、反面、成形が容易なことから、レンズの球面の光学部品等のラッピングによく用いられている。

特開平０６－２１２２５２号公報

ところで、湿式ラッピングは工具と被加工材との間で砥粒が転動して研磨を行うものであり、工具にひっかかった砥粒が多ければ多いほど、工具との滑りがなくなるため除去量が増えるという現象が生じる。

ＦＣ鋳鉄製のラップ工具は、ＦＣＤ鋳鉄製のラップ工具より研磨能率が高いが耐摩耗性が低く、それに対してＦＣＤ鋳鉄製のラップ工具は、耐摩耗性は高いが研磨能率が低い、という特徴がある。

そのため、ＬＥＤ基板に使用されるサファイアやパワー半導体に使用されるＳｉＣやＧａＮ等のような難削材をラッピングする場合、上記従来のＦＣ鋳鉄製やＦＣＤ鋳鉄製のラップ工具では、ラッピングに時間がかかるか、あるいは耐摩耗性が低いため、コスト高の原因となっていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ基板に使用されるサファイアやパワー半導体に使用されるＳｉＣやＧａＮ等のような難削材をラッピングするのに適する、研磨能率が高く且つ耐摩耗性に優れたラップ工具を提供することを課題とする。

前記課題を解決するためになされた本発明のラップ工具は、黒鉛を含有する引張強度が３００ＭＰａ以上のＦＣＶ鋳鉄製のラップ工具であって、前記黒鉛が６～８０μｍの幅及び２０～５００μｍの長さを有し、８０個／ｍｍ²以上の密度で含有されることを特徴とする。一般に引張強度と硬度は相対的に正の相関を有するが、硬度が高くなると靭性が減り耐摩耗性が劣化するので、硬度はビッカース硬度で２００以下であることが望ましい。

また、本発明において、前記ＦＣＶ鋳鉄は、質量％で、３．０％以上４．０％以下のＣ［炭素］、２．０％以上３．０％以下のＳｉ［ケイ素］、１．０％未満のＭｎ［マンガン］、０．１０％以下のＰ［リン］、０．０１％以上０．０２％以下のＳ［硫黄］、１．０％以下のＣｕ［銅］、０．０１％以上０．０２％以下のＭｇ［マグネシウム］及び０．０３％以上０．０８％以下のＲＥ［希土類元素］を含有し、残部がＦｅ［鉄］及び不可避不純物である、と好ましい。

更に、本発明において、前記ＦＣＶ鋳鉄が、Ｃｒ［クロム］、Ｎｉ［ニッケル］、及びＭｏ［モリブデン］からなる群からなる選択される少なくとも一種を含む金属または合金である耐食性向上添加剤を含有する場合には耐食性の向上を図ることができる。

本発明により、研磨能率が高く且つ耐摩耗性に優れたラップ工具を提供することが可能となる。殊に、基本的には球状黒鉛がなるべく少なく、芋虫状黒鉛が多いほど研磨特性は向上し、また、ＦＣＶ鋳鉄はＦＣＤ鋳鉄よりも熱伝導率が高いために研磨中に生じる加工熱を早く除去して形状精度の高い研磨が可能になるばかりか、振動減衰性が高いために、研磨中に生じる振動を抑えるので仕上げ面粗さがよくなる傾向にあり、更に、ＦＣＶ鋳鉄はＦＣ鋳鉄よりも耐摩耗性が良いため、レンズ等の光学部品の研磨に使用した場合、工具の摩耗による形状が劣化した工具の形状修正を行う頻度が下がり、生産性を向上させることも期待できる。

本発明のラップ工具を構成するＦＣＶ鋳鉄の表面の金属顕微鏡写真である。 従来のＦＣ鋳鉄の表面の金属顕微鏡写真である。 従来のＦＣＤ鋳鉄の表面の金属顕微鏡写真である。 従来の一般的なＦＣＶ鋳鉄の表面の金属顕微鏡写真である。 Ｍｇ含有量を少なくすることで単に球状化率を小さくしたＦＣＤ鋳鉄の表面の金属顕微鏡写真である。 ＦＣＶ鋳鉄（実施例１）及びＦＣＤ鋳鉄（比較例２）のラップ工具を用いてサファイア基板を湿式ラッピングしたときの、用いた砥粒Ｂ₄Ｃの番手（粒径）による研磨能率及び仕上げ面粗さを示すグラフである。 ♯６００のＧＣを用いてドレッシングを行い、次いでＦＣＶ鋳鉄（実施例１）、ＦＣＤ鋳鉄（比較例２）、及びＦＣ鋳鉄（比較例１）のラップ工具と♯２０００のＧＣとを用いてソーダガラスを湿式ラッピングしたときの、ラッピング（研磨）時間と研磨能率の関係を示すグラフである。 ソーダガラスの湿式ラッピングで用いる♯２０００のＧＣの砥粒濃度を１質量％、３質量％、及び５質量％としたときのＦＣＶ鋳鉄（実施例）、ＦＣＤ鋳鉄（比較例）、及びＦＣ鋳鉄（比較例）のそれぞれのラップ工具の研磨能率及び仕上げ面粗さを示すグラフである。 ＦＣＶ鋳鉄（実施例１）、ＦＣＤ鋳鉄（比較例２）、及びＦＣ鋳鉄（比較例１）のそれぞれのラップ工具の、ソーダガラスの湿式ラッピングで用いるＧＣの番手を、♯６００、♯１０００、及び♯２０００としたときの研磨能率及び仕上げ面粗さを示すグラフである。 黒鉛幅が７．５μｍ、１５μｍ、及び２７．５μｍのラップ定盤を用いてサファイア基板を湿式ラッピングしたときの研磨能率を示すグラフである。 黒鉛長さが１７５μｍ、１２５μｍ、及び２７．５μｍのラップ定盤を用いてサファイア基板を湿式ラッピングしたときの研磨能率を示すグラフである。 黒鉛密度が１１０個／ｍｍ²、２３０個／ｍｍ²、及び２８４個／ｍｍ²のラップ定盤を用いてサファイア基板を湿式ラッピングしたときの研磨能率を示すグラフである。

本発明は、黒鉛を含有する引張強度が３００ＭＰａ以上のＦＣＶ（コンパクティッド・バーミキュラ）鋳鉄製のラップ工具であって、前記黒鉛は、６～８０μｍの幅及び２０～５００μｍの長さを有し、前記ＦＣＶ鋳鉄に８０個／ｍｍ²以上の密度で含有される、ラップ工具である。ＦＣＶ鋳鉄は、ＣＶ黒鉛鋳鉄ともいう。

本発明のラップ工具を構成するＦＣＶ鋳鉄は、芋虫状の黒鉛組織を有し、ＦＣ鋳鉄（ねずみ鋳鉄）の優れた鋳造性、機械加工性、熱伝導性、及び減衰能と、ＦＣＤ鋳鉄（球状黒鉛鋳鉄）の高強度及びヤング率とを兼ね備えた材料特性を有する。

図１乃至図３にそれぞれ、本発明のラップ工具を構成するＦＣＶ鋳鉄、従来のＦＣ鋳鉄、及び従来のＦＣＤ鋳鉄の表面の金属顕微鏡写真を示す。

黒鉛が抜け落ちた部分に砥粒が保持され、その保持された砥粒がラップ工具上を転動している他の砥粒の動きを妨げることにより、単位時間当たりの除去量である研磨能率が向上する。

本発明のラップ工具はＦＣＶ鋳鉄製であり、ラッピングに直接寄与するラップ工具の本体が実質的にＦＣＶ鋳鉄からなり、好ましくはラップ工具の全体がＦＣＶ鋳鉄からなる。

本発明のラップ工具を構成するＦＣＶ鋳鉄は、芋虫形状の黒鉛組織を含有する引張強度が３００ＭＰａ以上のコンパクティッド・バーミキュラ鋳鉄である点で従来の一般的なＦＣＶ鋳鉄と共通するが、本発明のラップ工具を構成するＦＣＶ鋳鉄に含有される黒鉛は、６～８０μｍの幅及び２０～５００μｍの長さを有する。黒鉛の幅は、好ましくは８～６０μｍ、より好ましくは１０～５０μｍ、さらに好ましくは１２～４０μｍである。黒鉛の長さは、好ましくは２５～３００μｍ、より好ましくは３０～１７５μｍ、さらに好ましくは１００～１５０μｍである。黒鉛は、好ましくは３０～６５％の球状化率を有する。球状化率は、ＪＩＳ Ｇ５５０５によって算出される。

黒鉛が上記範囲の幅及び長さを有することにより、ラップ工具上を転動している他の砥粒の動きを妨げやすくなり、砥粒と被加工材との相対速度が大きくすることができ、高い研磨能率が得られる。上記黒鉛の幅はＦＣ鋳鉄の黒鉛の幅よりも広く、本発明のＦＣＶ鋳鉄製のラップ工具は、ＦＣ鋳鉄製のラップ工具と比べて同等以上の研磨能率を示す。黒鉛が上記好ましい範囲の幅及び長さを有することにより、より高い研磨能率が得られる。尚、研磨能率とは、被加工材をラッピングするときの単位時間あたりの減少する厚みである。

黒鉛の幅及び長さは、ラップ工具の表面を金属顕微鏡で５０倍の倍率で１．０ｍｍ×１．２ｍｍの視野範囲について観察し、金属顕微鏡写真を母相の金属組織と黒鉛とに画像処理（二値化処理）して測定される。芋虫状の黒鉛の長さは、黒鉛の最大径での円の面積と対象となる黒鉛の面積比で求められる。

黒鉛の幅は、好ましくは、ラッピングを行う際に使用する砥粒の平均粒径の２～５倍である。黒鉛の長さは、好ましくは、ラッピングを行う際に使用する砥粒の平均粒径の５～２０倍である。砥粒の平均粒径に対する黒鉛の幅及び長さが上記範囲にあることにより、研磨能率がより向上する。ラッピングを行う際に使用する砥粒の平均粒径は、好ましくは２～３０μｍ、より好ましくは５～２０μｍである。砥粒の平均粒径とは、沈降試験法によって測定される累積高さ５０％（ｄ－５０価）の値であり、粒の大きなものと小さなものを並べていったときに、双方が等量となる境目の径を表すものである。

ラッピングを行う際に本発明のラップ工具とともに用いる砥粒は特に限定されないが、ＧＣ、Ｂ₄Ｃ、アルミナ等、従来ラッピングで用いられている砥粒を用いることができる。

また、黒鉛は、８０個／ｍｍ²以上、好ましくは１１０個／ｍｍ²以上、より好ましくは１５０個／ｍｍ²以上、さらに好ましくは２３０個／ｍｍ²以上の密度で、ＦＣＶ鋳鉄に含有されている。黒鉛の密度が高いほど研磨能率の観点で好ましいが、上記幅及び長さを有する黒鉛形状を得る観点で、黒鉛の体積割合は好ましくは９体積％以下であり、黒鉛の密度の上限は好ましくは３５０個／ｍｍ²以下でもよい。

更に、黒鉛の密度は、ラップ工具の表面を金属顕微鏡で５０倍の倍率で１．０ｍｍ×１．２ｍｍの視野範囲について観察し、金属顕微鏡写真を母相の金属組織と黒鉛とに画像処理（二値化処理）して測定される。

ラップ工具を構成するＦＣＶ鋳鉄の引張強度は、３００ＭＰａ以上、好ましくは４００ＭＰａ以上である。

３００ＭＰａ以上４００ＭＰａ未満の引張強度を有するＦＣＶ鋳鉄は、比較的成形し易いため、３００ＭＰａ以上４００ＭＰａ未満の引張強度を有するＦＣＶ鋳鉄製のラップ工具は、レンズ等の球面の光学部品のラッピングに好適に用いられ、従来のＦＣ鋳鉄製のラップ工具に代えて用いられ得る。

４００ＭＰａ以上の引張強度を有するＦＣＶ鋳鉄は、耐摩耗性に優れているので一般用途として用いられる。４００ＭＰａ以上の引張強度を有するＦＣＶ鋳鉄は、研磨時間が長くなっても研磨能率の低下が抑制され、研磨能率を実質的に維持することができる。４００ＭＰａ以上の引張強度を有するＦＣＶ鋳鉄製のラップ工具は、従来の球状黒鉛鋳鉄製のラップ工具に代えて用いられる。ＦＣＶ鋳鉄の引張強度の上限は特に限定されないが、実質的に６００ＭＰａ程度である。

また、本発明において、前記ＦＣＶ鋳鉄は、質量％で、３．０％以上４．０％以下のＣ［炭素］、２．０％以上３．０％以下のＳｉ［ケイ素］、１．０％未満のＭｎ［マンガン］、０．１０％以下のＰ［リン］、０．０１％以上０．０２％以下のＳ［硫黄］、１．０％以下のＣｕ［銅］、０．０１％以上０．０２％以下のＭｇ［マグネシウム］及び０．０３％以上０．０８％以下のＲＥ［希土類元素］を含有し、残部がＦｅ［鉄］及び不可避不純物である、と好ましい。

以下の説明において、各元素の含有量を表す「％」は特に断りがない限り質量％を意味する。

（３．０％以上４．０％以下のＣ［炭素］）について
本発明に用いられる前記ＦＣＶ鋳鉄において、Ｃ［炭素］は、適宜な黒鉛形状を保障するために必要である。３００ＭＰａ以上の引張強度を得て、且つ十分な量の黒鉛を晶出させるために、３．０％以上のＣを含有することが好ましい。上記形状の黒鉛をより安定して得る観点から、Ｃ含有量の上限は好ましくは４．０％以下である。Ｃ［炭素］含有量の下限値は、より好ましくは３．１％以上、さらに好ましくは３．２％以上である。Ｃ［炭素］含有量の上限は、より好ましくは３．９％以下、より好ましくは３．８％以下である。尚、Ｃ［炭素］、Ｓｉ［ケイ素］の組成の割合や、Ｃｕ［銅］、Ｓｎ［錫］などを添加し基地組織をパーライト化させることで引張強度を調整する。

（２．０％以上３．０％以下のＳｉ［ケイ素］）について
本発明に用いられる前記ＦＣＶ鋳鉄において、Ｓｉ［ケイ素］は黒鉛化促進元素である。Ｃ［炭素］を黒鉛化させるために、２．０％以上のＳｉを含有することが好ましい。Ｃ［炭素］の黒鉛化量をより増やすために、Ｓｉ［ケイ素］含有量の下限値は、より好ましくは２．１％以上、さらに好ましくは２．２％以上である。上記形状の黒鉛をより安定して得る観点から 、Ｓｉ［ケイ素］含有量の上限は好ましくは３．０％以下である。Ｓｉ［ケイ素］含有量の上限は、より好ましくは２．９％以下、さらに好ましくは２．８％以下である。

（１．０％未満のＭｎ［マンガン］）について
本発明に用いられる前記ＦＣＶ鋳鉄において、Ｍｎ［マンガン］は、原料の銑鉄等から混入し得る成分で、フェライトの析出を抑制し、パーライト化を促進させる観点で、Ｍｎ［マンガン］含有量の上限は好ましくは１．０％未満である。また、Ｍｎ［マンガン］含有量の下限値は０．２％以上でもよい。

（０．１０％以下のＰ［リン］）について
本発明に用いられる前記ＦＣＶ鋳鉄において、Ｐ［リン］は過剰に含有すると靭性及び伸びが低下する。したがって、Ｐ含有量の上限を好ましくは０．１０％以下とする。また、Ｐ［リン］含有量の下限値は０．０２％以上でもよい。

（０．０１％以上０．０２％以下のＳ［硫黄］）について
Ｓ［硫黄］は上記形状の黒鉛を得る観点からＳ含有量の上限は０．０２％以下であるが、安定して黒鉛を析出する観点から、Ｓ［硫黄］含有量の下限値は０．０１％以上である。

（１．０％以下のＣｕ［銅］）について
本発明に用いられる前記ＦＣＶ鋳鉄において、Ｃｕ［銅］は、フェライトの析出を抑制し、パーライト化を促進させる観点で、Ｃｕ［銅］含有量の上限は好ましくは１．０％以下である。また、パーライト化を促進させる観点で、Ｃｕ［銅］含有量の下限は、０％超（不可避不純物を含む）である。

（０．０１％以上０．０２％以下のＭｇ［マグネシウム］）について
本発明に用いられる前記ＦＣＶ鋳鉄において、Ｍｇ［マグネシウム］は黒鉛球状化元素である。上記形状の黒鉛を得る観点からＭｇ含有量の上限は好ましくは０．０２％以下である。上記形状の黒鉛をより安定して得る観点から、Ｍｇ［マグネシウム］含有量の下限値は好ましくは０．０１％以上である。

（０．０３％以上０．０８％以下のＲＥ［希土類元素］）について
本発明に用いられる前記ＦＣＶ鋳鉄において、ＲＥ［希土類元素］は、上記形状の黒鉛を維持する効果を有する。上記形状の黒鉛を維持する観点からＲＥ［希土類元素］含有量の下限値は好ましくは０．０３％以上である。上記黒鉛を安定して維持する観点から、ＲＥ［希土類元素］含有量の上限は好ましくは０．０８％以下である。ＲＥ［希土類元素］としては、Ｃｅ［セリウム］、Ｌａ［ランタン］などが挙げられる。

また、本発明に用いられるラップ工具を構成するＦＣＶ鋳鉄は、好ましくはＣｒ、Ｎｉ、及びＭｏからなる群から選択される少なくとも一種を含む金属または合金である耐食性向上添加剤をさらに含有する。

一般的に、水を用いてラッピングを行うと、鉄製のラップ工具は表面に錆びが発生する。錆びにより研磨能率が低下するため、錆びを取り除く必要がある。

上記耐食性向上添加剤を含有することにより、ラップ工具の耐食性を向上することができる。耐食性を向上することにより錆びの発生を抑制することができるので、研磨能率の向上及び錆を取り除く作業時間を低減または無くすことができる。

本発明であるラップ工具は、従来と同様に好ましくはラップ定盤である。ラップ定盤は、好ましくは１～５００ｍｍ、より好ましくは５～２５０ｍｍ、さらに好ましくは１０～１００ｍｍの厚みを有する。ラップ定盤は、好ましくは１ｍｍ～３ｍ、より好ましくは１００ｍｍ～２．５ｍ、さらに好ましくは２００ｍｍ～２ｍの直径を有する。このような厚み及び／または直径を有するラップ定盤は、光学部品の研磨に特に好適に用いられる。

本発明のラップ工具を構成するＦＣＶ鋳鉄は、従来のＦＣＶ鋳鉄の製造方法に対して、黒鉛生成に影響する元素であるＳ［硫黄］を０．０１～０．０２質量％、及びＭｇ［マグネシウム］を０．０１～０．０２質量％として、より黒鉛が生成しやすい条件下で注湯直前に接種剤を添加することで製造される。これにより、黒鉛粒数を増加させ、組織を均一化させることができ、上記形状の黒鉛を含有する３００ＭＰａ以上の引張強度を有するＦＣＶ鋳鉄を得ることができる。接種剤としては、従来より用いられているものでもできるが、好ましくは黒鉛化をより促進させるＣａ［カルシウム］、Ｂａ［バリウム］、Ｚｒ［ジルコニウム］などを含有する接種剤が挙げられる。

従来のＦＣＶ鋳鉄は、質量％で３．０％以上４．０％以下のＣ［炭素］、２．０％以上３．０％以下のＳｉ［ケイ素］、１．０％未満のＭｎ［マンガン］、０．１０％以下のＰ［リン］、０．０１％以上０．０２％以下のＳ［硫黄］、１．０％以下のＣｕ［銅］、０．０１％以上０．０２％以下のＭｇ［マグネシウム］及び０．０３％以上０．０８％以下のＲＥ［希土類元素］を含有し、残部がＦｅ［鉄］及び不可避不純物からなる。図４に、従来の一般的なＦＣＶ鋳鉄の表面の金属顕微鏡写真を示す。

Ｍｇは黒鉛の球状化に影響する元素であり、ＦＣＶ鋳鉄においては、黒鉛形状を芋虫状にするためＭｇ添加量はＦＣＤ鋳鉄より少ない。ＲＥについては、芋虫状の黒鉛を維持させるため、添加量はＦＣＤ鋳鉄より多い。これをＣＶ化剤と呼ぶ。

本発明のラップ工具を構成するＦＣＶ鋳鉄は、単にＦＣＤ鋳鉄の球状化率が低いものとも異なる。Ｍｇ含有量を少なくすることでＦＣＤ鋳鉄の球状化率の低いものを得ることができるが、この場合、黒鉛形状は、球状のもの、芋虫状のもの、及び片状のものが混在したものとなり、本発明のラップ工具を構成するＦＣＶ鋳鉄とは異なる。図５に、Ｍｇ含有量を少なくすることで単に球状化率を小さくしたＦＣＤ鋳鉄の表面の金属顕微鏡写真を示す。

本発明のラップ工具を構成するＦＣＶ鋳鉄の製造に用いるＣＶ化剤は、好ましくはＣ［炭素］、Ｓｉ［ケイ素］、Ｍｎ［マンガン］、Ｐ［リン］、Ｓ［硫黄］を調整したＦＣＶ鋳鉄の元湯を注湯用取鍋に移し替え時に添加する。ＣＶ化剤の組成は、好ましくはＳｉ［ケイ素］：４５．０質量％、Ｍｇ［マグネシウム］：２．０～３．０質量％、ＲＥ［希土類元素］：３．０～１０．０質量％、残部Ｆｅ［鉄］及び不可避不純物である。ＦＣＶ鋳鉄の製造に用いるＣＶ化剤の添加量は、主原料１００に対して、好ましくは０．８５～０．９５質量％である。上記量のＭｇを含むＣＶ化剤を主原料に含有させることで、ＦＣＶ鋳鉄中に上記幅及び長さの芋虫状の黒鉛形状を形成することができる。上記添加量のＲＥは、黒鉛の球状化率を低下させた芋虫状の黒鉛形状を維持させる効果を有する。

（実施例１）
Ｃ［炭素］、Ｓｉ［ケイ素］、Ｍｎ［マンガン］、Ｐ［リン］、及びＳ［硫黄］を調整したＦＣＶ鋳鉄の元湯に、ＣＶ化剤及び各種接種剤を添加し、鋳型に注湯した。溶湯成分はＣ［炭素］：３．７５％、Ｓｉ［ケイ素］：２．５１％、Ｍｎ［マンガン］：０．２３％、Ｐ［リン］：０．０２０％、Ｓ［硫黄］：０．０１１％、Ｃｕ［銅］：０．２６％、Ｍｇ［マグネシウム］：０．０１１％、及びＲＥ［希土類元素］：０．０３１％であった。

初期の溶湯温度は１４０２℃で注湯し、注湯完了後から２４時間後に解枠して、直径が２１０ｍｍ及び厚みが３５ｍｍのＦＣＶ鋳鉄製のラップ定盤粗材を作製した。

作製したラップ定盤には、幅が１５μｍであり黒鉛長さが４０μｍの黒鉛が１００個／ｍｍ²の密度で含有されていた。ラップ定盤の引張強度は４００ＭＰａであった。黒鉛の球状化率は５０％であった。黒鉛の幅、長さ、及び密度は、ラップ定盤の表面を金属顕微鏡で観察し、観察画像を金属組織と黒鉛とに二値化処理して測定した。引張強度は万能材料試験機で測定した。黒鉛の球状化率はＪＩＳ Ｇ５５０５にしたがって測定した。図１に、ラップ工具表面の金属顕微鏡写真を示す。

（比較例３）
Ｃ［炭素］、Ｓｉ［ケイ素］、Ｍｎ［マンガン］、Ｐ［リン］及びＳ［硫黄］を調整したＦＣ鋳鉄の元湯に、各種接種剤を添加し、鋳型に注湯した。溶湯成分はＣ［炭素］：３．２１％、Ｓｉ［ケイ素］：１．９６％、Ｍｎ［マンガン］：０．６６％、Ｐ［リン］：０．０２９％、Ｓ［硫黄］：０．０８５％、及びＣｕ［銅］：０．８２％であった。初期の溶湯温度は１４１０℃で注湯した。上記以外は実施例１と同様に、幅が７．５μｍ、長さが１７５μｍ、及び黒鉛が２５０個／ｍｍ²の密度で含有される引張強度が３５４ＭＰａのＦＣ鋳鉄製のラップ定盤を作製した。

（実施例２）
Ｃ［炭素］、Ｓｉ［ケイ素］、Ｍｎ［マンガン］、Ｐ［リン］及びＳ［硫黄］を調整したＦＣＶ鋳鉄の元湯に、ＣＶ化剤及び各種接種剤を添加し、鋳型に注湯した。溶湯成分はＣ［炭素］：３．６５％、Ｓｉ［ケイ素］：２．５１％、Ｍｎ［マンガン］：０．２３％、Ｐ［リン］：０．０２０％、Ｓ［硫黄］：０．０１１％、Ｃｕ［銅］：０．２６４％、Ｍｇ［マグネシウム］：０．０１１％、及びＲＥ［希土類元素］：０．０４１％であった。初期の溶湯温度は１４０２℃で注湯した。上記以外は実施例１と同様に、幅が１５μｍ、長さが１２５μｍ、及び球状化率が４６％の黒鉛が１０３個／ｍｍ²の密度で含有される引張強度が４３２ＭＰａのＦＣＶ鋳鉄製のラップ定盤を作製した。

（比較例４）
Ｃ［炭素］、Ｓｉ［ケイ素］、Ｍｎ［マンガン］、Ｐ［リン］及びＳ［硫黄］を調整したＦＣＤ鋳鉄の元湯に、球状化剤及び各種接種剤を添加し、鋳型に注湯した。溶湯成分はＣ［炭素］：３．５５％、Ｓｉ［ケイ素］：２．４７％、Ｍｎ［マンガン］：０．２６％、Ｐ［リン］：０．０１８％、Ｓ［硫黄］：０．０１０％、Ｃｕ［銅］：０．０２４％、Ｍｇ［マグネシウム］：０．０３６％、及びＲＥ［希土類元素］：０．０１０％であった。初期の溶湯温度は１３９６℃で注湯した。上記以外は実施例１と同様に、幅が２７．５μｍ、長さが２７．５μｍ、及び球状化率が８８％の黒鉛が１５０個／ｍｍ²の密度で含有される引張強度が４９１ＭＰａのＦＣＤ鋳鉄製のラップ定盤を作製した。

（実施例３）
Ｃ［炭素］、Ｓｉ［ケイ素］、Ｍｎ［マンガン］、Ｐ［リン］及びＳ［硫黄］を調整したＦＣＶ鋳鉄の元湯に、ＣＶ化剤及び各種接種剤を添加し、鋳型に注湯した。溶湯成分はＣ［炭素］：３．３７％、Ｓｉ［ケイ素］：２．６６％、Ｍｎ［マンガン］：０．３０％、Ｐ［リン］：０．０３０％、Ｓ［硫黄］：０．０１３％、Ｃｕ［銅］：０．２９２％、Ｍｇ［マグネシウム］：０．０１１％、及びＲＥ［希土類元素］：０．０５３％であった。初期の溶湯温度は１３４０℃で注湯した。上記以外は実施例１と同様に、幅が１４μｍ、長さが３７μｍ、及び球状化率が５２％の黒鉛が１１０個／ｍｍ²の密度で含有される引張強度が４３１ＭＰａのＦＣＶ鋳鉄製のラップ定盤を作製した。

（実施例４）
Ｃ［炭素］、Ｓｉ［ケイ素］、Ｍｎ［マンガン］、Ｐ［リン］及びＳ［硫黄］を調整したＦＣＶ鋳鉄の元湯に、ＣＶ化剤及び各種接種剤を添加し、鋳型に注湯した。溶湯成分はＣ［炭素］：３．６１％、Ｓｉ［ケイ素］：２．６１％、Ｍｎ［マンガン］：０．２７％、Ｐ［リン］：０．０２３％、Ｓ［硫黄］：０．０１２％、Ｃｕ［銅］：０．０２２％、Ｍｇ［マグネシウム］：０．００８％、及びＲＥ［希土類元素］：０．０２４％であった。初期の溶湯温度は１３５７℃で注湯した。上記以外は実施例１と同様に、幅が１３μｍ、長さが３４μｍ、及び球状化率が５６％の黒鉛が２３０個／ｍｍ²の密度で含有される引張強度が３８９ＭＰａのＦＣＶ鋳鉄製のラップ定盤を作製した。

（実施例５）
Ｃ［炭素］、Ｓｉ［ケイ素］、Ｍｎ［マンガン］、Ｐ［リン］及びＳ［硫黄］を調整したＦＣＶ鋳鉄の元湯に、ＣＶ化剤及び各種接種剤を添加し、鋳型に注湯した。溶湯成分はＣ［炭素］：３．５３％、Ｓｉ［ケイ素］：２．６７％、Ｍｎ［マンガン］：０．３２％、Ｐ［リン］：０．０２６％、Ｓ［硫黄］：０．０１２％、Ｃｕ［銅］：０．４００％、Ｍｇ［マグネシウム］：０．００８％、及びＲＥ［希土類元素］：０．０２５％であった。初期の溶湯温度は１３６７℃で注湯した。上記以外は実施例１と同様に、幅が１２μｍ、長さが３５μｍ、及び球状化率が５７％の黒鉛が２８４個／ｍｍ²の密度で含有される引張強度が４７３ＭＰａのＦＣＶ鋳鉄製のラップ定盤を作製した。

（比較例１）
黒鉛の長さが１００～２００μｍ及び幅が１０～１５μｍのＦＣ鋳鉄製のラップ定盤（洲崎鋳工(株)社製、ＦＣ３５０、直径２００ｍｍ、厚み３０ｍｍ）を用意した。図２に、ラップ定盤表面の金属顕微鏡写真を示す。

（比較例２）
黒鉛の平均粒径が２８μｍのＦＣＤ製のラップ定盤（日立造船株式会社社製、ＦＣＤ４５０、直径２００ｍｍ、厚み３０ｍｍ）を用意した。図３に、ラップ定盤表面の金属顕微鏡写真を示す。

（本発明のＦＣＶ鋳鉄及び従来のＦＣＤ鋳鉄と砥粒径との関係評価）
図６に、本発明のＦＣＶ鋳鉄（実施例１）及び従来のＦＣＤ鋳鉄（比較例２）のラップ工具を用いて、サファイア基板を湿式ラッピングしたときの研磨能率及び仕上げ面粗さを示す。仕上げ面粗さは算術平均粗さ（Ｒａ）である。湿式ラッピングに用いた砥粒は、Ｂ₄Ｃであり、平均粒径が１７．３μｍの番手Ｆ５００、平均粒径が６．５μｍの番手Ｆ８００、及び平均粒径が３．０μｍの番手Ｆ１２００である。

ラッピングの結果、いずれの砥粒番手においても、本発明のＦＣＶ鋳鉄製のラップ工具は従来のＦＣＤ鋳鉄製のラップ工具よりも優れた研磨能率を示した。仕上げ面粗さについては、いずれの砥粒番手においても、本発明のＦＣＶ鋳鉄製のラップ工具は従来のＦＣＤ鋳鉄製のラップ工具と同等以上であった。

（本発明のＦＣＶ鋳鉄、従来のＦＣ鋳鉄、及び従来のＦＣＤ鋳鉄による研磨時間と研磨能率評価）
図７に、♯６００のＧＣを用いてドレッシングを行い、次いで本発明のＦＣＶ鋳鉄（実施例１）、従来のＦＣＤ鋳鉄（比較例２）、及び従来のＦＣ鋳鉄（比較例１）のラップ工具と♯２０００のＧＣとを用いて湿式ラッピングを行ったときの、ラッピング（研磨）時間と研磨能率の関係を示す。

従来のＦＣ鋳鉄（比較例１）は、研磨初期における研磨能率は比較的高いが研磨時間に応じて大幅に研磨能率が低下した。従来のＦＣＤ鋳鉄（比較例２）は、研磨時間によらず研磨能率はあまり変わらないが、研磨初期から研磨能率は低かった。本発明のＦＣＶ鋳鉄（実施例１）は、研磨初期から研磨能率が高く、研磨時間によらず研磨能率がほぼ一定であることが確認された。

（本発明のＦＣＶ鋳鉄、従来のＦＣ鋳鉄、及び従来のＦＣＤ鋳鉄と砥粒濃度との関係評価）
図８に、湿式ラッピングで用いる♯２０００のＧＣの砥粒濃度を１質量％、３質量％、及び５質量％としたときの本発明のＦＣＶ鋳鉄（実施例１）、従来のＦＣ鋳鉄（比較例２）、及び従来のＦＣＤ鋳鉄（比較例１）のそれぞれのラップ工具の研磨能率及び仕上げ面粗さを示す。棒グラフが研磨能率を示し、丸印のプロットが仕上げ面粗さを示す。

図８によると、いずれの砥粒濃度においても、本発明のＦＣＶ鋳鉄を用いたラップ工具（実施例１）は、従来の従来のＦＣ鋳鉄（比較例２）、及び従来のＦＣＤ鋳鉄（比較例１）を用いたラップ工具よりも研磨能率が優れていた。特に低砥粒濃度で、本発明のＦＣＶ鋳鉄を用いたラップ工具と従来のＦＣＤ鋳鉄及びＦＣ鋳鉄を用いたラップ工具との研磨能率の差が顕著であった。本発明のＦＣＶ鋳鉄を用いたラップ工具の場合、砥粒濃度が３質量％の場合が最も高い研磨能率を示した。仕上げ面粗さは研磨能率が高いほど大きくなる傾向はあるが、研磨能率が大きくても仕上げ面粗さの劣化は同等またはわずかであった。

（本発明のＦＣＶ鋳鉄、従来のＦＣ鋳鉄、及び従来のＦＣＤ鋳鉄と砥粒径との関係評価）
図９に、本発明のＦＣＶ鋳鉄を用いたラップ工具（実施例１）、従来の従来のＦＣ鋳鉄（比較例２）、及び従来のＦＣＤ鋳鉄（比較例１）を用いたラップ工具の、湿式ラッピングで用いるＧＣの番手を、♯６００、♯１０００、及び♯２０００としたときの研磨能率及び仕上げ面粗さの結果を示す。砥粒濃度は３質量％であった。棒グラフが研磨能率を示し、丸印のプロットが仕上げ面粗さを示す。

図９によると、いずれの番手においても、本発明のＦＣＶ鋳鉄を用いたラップ工具は、従来のＦＣＤ鋳鉄及びＦＣ鋳鉄を用いたラップ工具よりも研磨能率が優れており、仕上げ面粗さは同等であることが確認できる。

（黒鉛幅と研磨能率の関係評価）
図１０に、黒鉛幅が７．５μｍ、１５μｍ、及び２７．５μｍの比較例３、実施例２、及び比較例４で作製したラップ定盤を用いてサファイア基板を湿式ラッピングしたときの研磨能率を示す。湿式ラッピングに用いた砥粒は、ＧＣ♯１０００であり、砥粒濃度は３質量％であった。黒鉛幅が７．５～２７．５μｍの範囲で黒鉛幅が１５μｍのラップ定盤が最も高い研磨能率を示した。

（黒鉛長さと研磨能率の関係評価）
図１１に、黒鉛長さが１７５μｍ、１２５μｍ、及び２７．５μｍの比較例３、実施例２、及び比較例４で作製したラップ定盤を用いてサファイア基板を湿式ラッピングしたときの研磨能率を示す。湿式ラッピングに用いた砥粒はＧＣ♯１０００であり、砥粒濃度は３質量％であった。黒鉛長さが２７．５～１７５μｍの範囲で黒鉛長さが１２５μｍのラップ定盤が最も高い研磨能率を示した。

（黒鉛密度と研磨能率の関係評価）
図１２に、黒鉛密度が１１０個／ｍｍ²、２３０個／ｍｍ²、及び２８４個／ｍｍ²の実施例３～５で作製したラップ定盤を用いてサファイア基板を湿式ラッピングしたときの研磨能率を示す。湿式ラッピングに用いた砥粒はＧＣ♯１０００であり、砥粒濃度は３質量％であった。黒鉛密度が大きいほど高い研磨能率を示した。

Claims (3)

1. 黒鉛を含有する引張強度が３００ＭＰａ以上のＦＣＶ鋳鉄製のラップ工具であって、
   前記黒鉛が６～８０μｍの幅及び２０～５００μｍの長さを有し、８０個／ｍｍ²以上の密度で含有されることを特徴とするラップ工具。
2. 前記ＦＣＶ鋳鉄が、質量％で、３．０％以上４．０％以下のＣ［炭素］、２．０％以上３．０％以下のＳｉ［ケイ素］、１．０％未満のＭｎ［マンガン］、０．１０％以下のＰ［リン］、０．０１％以上０．０２％以下のＳ［硫黄］、１．０％以下のＣｕ［銅］、０．０１％以上０．０２％以下のＭｇ［マグネシウム］及び０．０３％以上０．０８％以下のＲＥ［希土類元素］を含有し、残部がＦｅ［鉄］及び不可避不純物からなることを特徴とする請求項１に記載のラップ工具。
3. 前記ＦＣＶ鋳鉄が、Ｃｒ［クロム］、Ｎｉ［ニッケル］、及びＭｏ［モリブデン］からなる群から選択される少なくとも一種を含む金属または合金である耐食性向上添加剤を含有することを特徴とする請求項１または２に記載のラップ工具。

Images