成果報告書詳細
管理番号20140000000039
タイトル平成21年度-平成24年度成果報告書 希少金属代替材料開発プロジェクト 精密研磨向けセリウム使用量低減技術開発及び代替材料開発 4BODY研磨技術の概念を活用したセリウム使用量低減技術の開発
公開日2014/3/8
報告書年度2009 - 2012
委託先名学校法人立命館 株式会社アドマテックス 九重電気株式会社 株式会社クリスタル光学
プロジェクト番号P08023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約ガラスの鏡面研磨材である酸化セリウムは、優れた研磨特性が得られる一方、希土類金属の酸化物の一つであり、その供給量の90%以上を一国が占める供給リスクの高い材料である。昨今のレアアース輸出制限を受け、2010年の中頃から酸化セリウム研磨材の価格が高騰しており、その使用量低減技術や代替材料の開発が強く要望されている。本プロジェクトでは砥粒の滞留性に着目し、それを改善した高付加価値研磨技術の開発を通じ酸化セリウムの使用量低減を図った。砥粒の滞留性が向上すれば、ガラス工作物表面に作用する砥粒の数が増加するため、研磨能率の向上や仕上げ面粗さの改善が可能となる。また、工作物と砥粒の相対速度が向上するため、研磨能率の向上が見込める。研磨能率の向上は短い研磨時間で所望の仕上げ面が得られることにつながり、砥粒の使用量を低減することができる。上記の研究戦略のもと、大きく分けて(1)複合砥粒の研究開発、(2)複合粒子研磨法の適用、(3)高機能研磨パッドの開発、(4)新プロセス技術の4つの研究開発テーマを遂行した。
複合砥粒の開発では、無機や有機粒子の周囲に酸化セリウムを付着させ、その成分割合を低減したコアシェル構造を持つ複合砥粒を開発した。これにより、砥粒の滞留性と分散性を高め、加工圧を集中させることで研磨能率の向上が可能であり、酸化セリウムの使用量を70-90%程度低減することに成功した。複合粒子研磨法の適用においては、加工域に4種類の固体が存在する4BODY研磨の適用で、研磨能率と仕上げ面粗さをともに向上できないというトレードオフの関係を打破し、研磨特性の向上を図った。有機粒子や無機粒子を酸化セリウムスラリーに添加することで、研磨能率を40%向上させることに成功した。また、酸化ジルコニウムに対し、滞留性を高める高比重酸化物粒子を添加した結果、酸化セリウムと同等の研磨特性を達成した。高機能研磨パッドの開発では、既存の研磨パッドのウレタン樹脂に代わり親水性の高いエポキシ樹脂を採用した新規研磨パッドを開発した。エポキシ樹脂研磨パッドは砥粒の保持性が高く、滞留性を改善できるため、従来の研磨パッドに比べて1.5-2倍程度の研磨能率を達成した。このような砥粒の高い保持性は酸化セリウム以外の砥粒にも発揮され、酸化ジルコニウム砥粒とエポキシ樹脂研磨パッドを併用することにより、従来研磨の研磨特性を上回り、酸化セリウムの完全な代替を実現した。このエポキシ樹脂研磨パッドは平成24年4月から九重電気(株)より市販を開始した。新プロセス技術の開発では、化学作用を援用した研磨による研磨特性の向上を行った。スラリー中で砥粒を凝集させる化学液を添加することで、酸化ジルコニウム砥粒の研磨特性が向上し、酸化セリウムと同等の研磨特性が得られ、代替砥粒としての可能性を見出した。上記のように本プロジェクトでは砥粒の滞留性に着目した研磨技術により、酸化セリウムの使用量を低減・代替する技術の開発を行った。開発した製品はサンプル提供を実施している他、エポキシ樹脂研磨パッドはプロジェクト期間内の事業化を達成した。これらの技術はガラス以外の他材料への応用が可能であり、遊離砥粒研磨技術の高付加価値化に貢献できるものと期待される。
英文要約Cerium oxide (CeO2) abrasives are widely used in a polishing process of glass surface because high removal rate and smooth glass surfaces can be obtained. However, the price of CeO2 abrasives has rapidly increased due to a lack of supply of rare-earth materials. Recently, the technologies for reducing the usage of the rare earth materials including CeO2 are strongly required. The purpose of this research project is to reduce more than 30% of cerium oxide usage as mirror-polishing agent for glass material. Three research strategies were established to realize the purpose. First is to develop abrasive-free processing which has same machining performance with conventional polishing. Second is to develop composite abrasives to decrease concentration of cerium oxide which have the same finishing performance and third is to develop process technologies which have more than 40% higher removal rate and same surface finish in comparison with conventional polishing. Then this research project has been carried out in four viewpoints of composite abrasives, media particles, polishing pads (as a tool) and process technology by applying the concept of 4-body finishing method. The composite abrasive has a core-shell structure, in which a polymer particle forms a core and CeO2 layer covers around the shell particle. CeO2 abrasives are physically or chemically adhered to the surface of core particles. The content of CeO2 abrasives in composite abrasives are less than 30 %, which indicates that the use of CeO2 abrasives are reduced more than 70 %. Furthermore, the composite abrasives achieved 50 % higher removal rate than conventional polishing. The increased removal rates are also obtained by employing media particles. Especially, plate-like aluminum oxide particles can increase the removal rate by 40 % without deteriorating the surface quality of finished glass compared with the conventional polishing. In addition, the polishing performance of ZrO2 abrasives can be improved by applying media particle. Epoxy resin polishing pads were developed to improve polishing performance. It was found that the removal rate of glass surface using epoxy polishing pad was approximately two times higher than those using urethane polishing pad, which corresponding to a 50 percent decrease in a usage of CeO2 abrasives. Commercially available ZrO2 abrasives combined with the epoxy polishing pad exhibited about 70 percent higher removal rate than the CeO2 with the conventional urethane polishing pad. The results indicate that the CeO2 abrasives are completely substituted for ZrO2 abrasives. Finally, chemically-enhanced polishing process was developed, in which the chemical agents that improve the stagnation abrasives were added to the polishing slurry. As a result, the ZrO2 abrasives achieved the improved polishing performance equivalent to CeO2 abrasives, indicating that the developed ZrO2 slurry can be used as alternative abrasives.
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