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

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K05162
• Research Institution: Akita University
• Principal Investigator: 神谷 修 秋田大学, 名誉教授, 名誉教授 (60113891)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 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

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。

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。

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。

Causes of Carryover

コロナ禍において、野外施設における爆発合成実験および蒸気圧破砕剤による鉄筋コンクリートの衝撃破砕実験が出来なかったことが理由である。新型コロナが2023年度の5月に５類に移行することにより、2023年度は本来の計画に沿った実験が可能となる。すなわち、硼素、炭素、窒素を用いて爆発による硬質砥粒の合成、および蒸気圧破砕剤(SPC)による鉄筋コンクリートの破砕を行う計画である。したがって、次年度使用経費の大部分は、当初計画にある実験現場（白河および宇都宮）への出張経費として使用する。

Research Products

• [Journal Article] Dismantling of Reinforced Concrete Using Steam Pressure Cracking System: Drilling and Crack Propagation (2023)
  • 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
  • Journal Title: Materials Volume: 16 Pages: 1398-1415
  • DOI: 10.3390/ ma16041398
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cutting of Diamond Substrate Using Fixed Diamond Grain Saw Wire (2022)
  • 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
  • Journal Title: Materials Volume: 15 Pages: 5524-5535
  • DOI: 10.3390/ma15165524
  • Peer Reviewed / Open Access