硼素・炭素・窒素複合六方晶系超硬質砥粒の爆発合成と切削加工への応用
Project/Area Number |
20K05162
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Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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Allocation Type | Multi-year Fund |
Section | 一般 |
Review Section |
Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
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Research Institution | Akita University |
Principal Investigator |
神谷 修 秋田大学, 名誉教授, 名誉教授 (60113891)
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Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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Keywords | ダイヤモンド基板加工 / 固定砥粒型ソーワイヤ / ダイヤモンド砥粒 / 窒化ケイ素 / 多結晶ダイヤモンド砥粒 / ダイヤモンド摩耗機構 / ダイヤモンド除去率 / 爆発合成 / ダイヤモンド基板切削加工 / 窒化ボロン砥粒 / ダイヤモンド窒化ボロン複合砥粒 / ダイヤモンド単結晶の加工 / 形状制御加工 / 長寿命ソーワイヤ / 切削速度上昇 / ダイヤモンドの切削加工 / 硬質砥粒 / 硼素炭素窒素 / ろう接 / 固定砥粒 |
Outline of Research at the Start |
ダイヤモンドの硬度を超える物質として、これまでのwBNの爆発合成の成果を基にして、BCN系複合砥粒の合成をおこなう。研究スケジュールとしては、2020年度は主に合成出発素材の探査と爆発合成物から超高硬度砥粒の抽出分析を行う。2021年度は、引き続き出発物質の探査合成を続けるとともに、それまでに合成された超高硬度砥粒を用いて固定砥粒型のソーワイヤを製作して加工特性を評価する。2022年度は、切削加工特性に優れた超硬質砥粒を用いて、ドリルチップなどの工具を製作して現場における溶融デブリスなどの硬質セラミックス系廃棄物の切削に供与する。
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Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、新しい固定砥粒型ソーワイヤを製作して、ダイヤモンド基板の機械加工を試み、任意の曲線に沿って切幅0.1mmで全長2mmまで精密切断できることを実証した。最近、市場において大口径のダイヤモンド半導体基板が直接合成されたことにより、ダイヤモンドソーワイヤの役割は、単結晶のウェハリングではなく、基板を任意曲線状に精密切断する役割にシフトした。本研究で、高温(900℃)高真空(10の-3乗Pa)の雰囲気中にする自作の装置を用いて、直径30μmのダイヤモンド砥粒を直径80μmのタングステンワイヤに青銅ろう(Cu-Sn15%)接合することにより、長寿命ソーワイヤを得た。長さ8mのワイヤを往復走行させ、総走行距離6000kmにおいても砥粒は残存して、切断速度は減少せずに一定であった。残存砥粒をSEM観察すると砥粒先端は摩耗して平坦になっている。このことから、切断機構は先端による切削ではなく、ダイヤモンド同士の摩耗機構であることを見出した。切断速度は、単位走行距離当たりのダイヤモンド除去加工体積Vとして示した。これらの成果は、オープンジャーナル誌Materialsに論文掲載した。 爆発合成したウルツ鉱(六方晶窒化ケイ素)は、ダイヤモンド砥粒に混合することにより加工効率を10%増加する事が可能であったが、ウルツ鉱単独ではダイヤモンド基板を加工することが出来なかった。このことから、ダイヤモンドを機械加工するには、ダイヤモンド砥粒を主体とする複合材料を使用することとした。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
加工対象材料をダイヤモンド基板に絞ったことにより、ソーワイヤによるダイヤモンドの精密曲線加工を実現できた。従来のレーザービームによる加工は、熱影響を及ぼすため、IC基板には使用が難しい。他に類を見ない熱影響や加工層を残さない、ダイヤモンド基板の曲線機械加工を実現したことは順調であると評価できる。 高温真空炉を有する独自の製造装置により、長寿命の固定砥粒型ダイヤモンドソーワイヤーを製造して、8mのワイヤを6000㎞繰返し使用できることが解った。これは、市場のソーワイヤには類を見ない長寿命性能である。 ダイヤモンドソーワイヤによるダイヤモンド基板の加工は、砥粒先端が磨滅しても加工速度が一定であることから、砥粒先端におけるひっかきではなく、素材同士の滑り摩耗による現象であることを見出したことは進展である。 さらに、本年度内に本科研費の成果2編をオープンジャーナルに投稿できたことは、順調に進展していると言える。
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Strategy for Future Research Activity |
これまでコロナ禍において、日本工機と共同で行う予定であった野外施設での爆発合成が出来なかった部分を、今後の研究で推進する予定である。次年度に延長を認めて頂いたので、各種素材の爆発合成を実現して、硬質砥粒を得てさらなる成果を獲得したい。 具体的な今後の課題は、加工効率を増加する事である。その実現のために、ワイヤ走行速度と接触圧力の増加、および加工を促進するための素材添加である。さらには、一般的な立方晶ダイヤよりも、強度の高い可能性がある六方晶ダイヤモンド(ロンズデーライト)や多結晶ダイヤモンド、ならびにSP2構造であるフラーレン物質を得て、それらの効果を検討する。
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Report
(3 results)
Research Products
(9 results)
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[Journal Article] Dismantling of Reinforced Concrete Using Steam Pressure Cracking System: Drilling and Crack Propagation2023
Author(s)
Osamu Kamiya, Mamoru Takahashi, Yasuyuki Miyano, Shinichi Ito, Kenji Murata, Makoto Kawano, Arata Maisawa, Jumpei Nanao, Takashi Kazumi, Masanobu Nakatsu, Hiroyuki Mizuma, Tatsuya Miyota, Kota Nagao and Yuichi Iwama
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Journal Title
Materials
Volume: 16
Issue: 4
Pages: 1398-1415
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Cutting of Diamond Substrate Using Fixed Diamond Grain Saw Wire2022
Author(s)
Osamu Kamiya, Mamoru Takahashi, Yasuyuki Miyano, Shinichi Ito, Masanobu Nakatsu, Hiroyuki Mizuma, Yuichi Iwama, Kenji Murata, Junpei Nanao, Makoto Kawano, Arata Maisawa and Takashi Kazumi
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Journal Title
Materials
Volume: 15
Issue: 16
Pages: 5524-5535
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Demolition of Reinforced Concrete by Steam Pressure Cracking System2022
Author(s)
Osamu Kamiya, Mamoru Takahash, Yasuyuki Miyano, Shinichi Ito1, Kenji Murata, Makoto Kawano, Arata Maisawa, Junpei Nanao, Takashi Kazumi, Masanobu Nakatsu, Hiroyuki Mizuma, Yuichi Iwama
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Journal Title
Journal of Materials and Applications
Volume: 11(1)
Issue: 1
Pages: 1-9
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Elastic Wave Property of Concrete Decomposed by Steam Pressure Cracking Agent2022
Author(s)
Osamu KAMIYA, Etsushi OKUYAMA, Mamoru TAKAHASHI, Yasuyuki MIYANO, Shinichi Ito, Kenji MURATA, Junpei NANAO, Arata MAISAWA, Makoto KAWANO, Takashi KAZUMI, Masanobu NAKATSU, Hiroyuki MIZUMA, Yuichi IWAMA
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Journal Title
Journal of Materials and Applications
Volume: 11(1)
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Controlled Cracking of Large Size Concrete Structures by a Steam Pressure Cracking Agent2021
Author(s)
Osamu Kamiya, Kaito Suzuki, Etsushi Okuyama1, Naoya Kojima, Jyunpei Nanao, Shinichi Ito, Mamoru Takahashi, Yasuyuki Miyano, Kenji Murata, Takashi Kazumi, Arata Maisawa, Masanobu Nakatsu, Hiroyuki Mizuma, Yuichi Iwama
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Journal Title
Journal of Materials and Applications
Volume: 10(1)
Issue: 1
Pages: 43-51
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Controlled Cracking for Industrial Concrete Waste by Steam Pressure Cracking Agen2020
Author(s)
Osamu KAMIYA, Kaito SUZUKI, Etsushi OKUYAMA, Naoya KOJIMA, Shinichi ITO, Mamoru TAKAHASHI, Kenji MURATA, Takashi KAZUMI, Arata MAISAWA, Masanobu NAKATSU, Hiroyuki MIZUMA, Hiroshi SODEYAMA, Yuichi IWAMA, Nobuyasu FURUUCHI, Keizo SHINYA
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Journal Title
International Journal of the Society of Materials Engineering for Resources
Volume: Vol.24
Pages: 18-22
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] Cracking of Reinforced Concrete by Steam Pressure Cracking Agent2021
Author(s)
Osamu KAMIYA, Mamoru TAKAHASHI, Yasuyuki MIYANO, Shinichi Ito, Kenji MURATA, Makoto KAWANO, Arata MAISAWA, Junpei NANAO, Takashi KAZUMI, Masanobu NAKATSU, Hiroyuki MIZUMA and Yuichi IWAMA
Organizer
The Ninth International Conference on Materials Engineering for Resources
Related Report
Int'l Joint Research
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