第37回無機材料に関する最近の研究成果発表会－材料研究に新しい風を－マンガン系酸化物粉末を用いた新規ガラスの研磨材料の研究開発
2020年1月27日（月）15:30～16:10
住友会館（泉ガーデンタワー 42階）
岐阜工業高等専門学校
機械工学科 ・ 講師
島本(田中) 公美子

１．背景 －従来材：CeO2－
現在，ガラスの研磨材には希土類（レアアース）の一つで軽希土類に分類されるセリウム（Ce）の酸化物である酸化セリウム（CeO2）が用いられている．
ガラス研磨材の代替材料の研究開発として，2009年7月から2013年3月まで
立命館大学 谷 康弘 教授らの研究グループが研磨パッドや研磨砥粒等について検討が行われた．この研究では，研磨パッドに焦点をあてており，研磨砥粒はジルコニア（ZrO2）による評価を行っているが、他の研磨材料の性能評価には余地がある．
我が国ではレアアース鉱石・原料は生産されず，すべて輸入に頼っている．しかしながら，近年，外国からの酸化セリウムの輸入量が，平成18年をピークに年々減少し，価格も高騰している．

Fig.1 セリウムの価格の推移

Ref. 財務省貿易統計, セリウムの価格の推移.

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１．背景 －ガラス研磨材の種類・性質－
Table 1 ガラス研磨材の性質
名称

化学式

結晶系

色

モース硬さ

比重融点（℃）

適用

アルミナ（α 晶）

α －Al2O3

六方白～褐

9.2～9.6

3.94

2,040

ラッピング
ポリッシングアルミナ（γ 晶）

γ －Al2O3

等軸

白

83.4

2,040

ポリッシング

炭化ケイ素

SiC

六方緑，黒9.5～9.75

2.7（2,000）

ラッピング

炭化ホウ素

B4C

六方

黒9以上

2.5～2.7

2,350

ラッピング

ダイヤモンド

C

等軸

白

10

3.4～3.5（3,600）

ラッピング
ポリッシング

ベンガラ

Fe2O3

六方等軸

赤褐

65.21,550

ポリッシング

酸化クロム

Cr2O3

六方緑

6～75.2

1,990

ポリッシング

酸化セリウムCeO2

等軸

淡黄67.3

1,950

ポリッシング

酸化ジルコニウム

ZrO2

単斜白

6～6.5

5.7

2,700

ポリッシング

二酸化チタン

TiO2

正方白

5.5～63.8

1,855

ポリッシング

酸化ケイ素

SiO2

六方白72.64

1,610

ポリッシング

酸化マグネシウム

MgO

等軸

白6.5

3.2～3.7

2,800

ポリッシング

Ref. 「はじめての研磨加工」，安永暢男，25 March (2010).

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１．背景 －予備調査－
ガラスの研磨において，硬い物質が必ずしも研磨能力が高いとは言えない．それは主に化学・機械研磨（Mechanochemical Polishing）作用が生じているからである．

転位密度
横弾性係数
ポアソン比

Fig.2 研磨能力と単独粒の強度の関係

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２．目的
新しいガラスの研磨材料として選定したMn2O3の研磨の有効性を実験的検討により明らかにするとともに，従来材であるCeO2との比較を行うことを目的とした．

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３．実験方法 －試料, 手順－
試料： 酸化セリウム（CeO2）粉末，三二酸化マンガン（Mn2O3）粉末
溶媒： 蒸留水 （濃度： 蒸留水－10wt%研磨材，蒸留水－20wt%研磨材）
先行研究： 研磨液をガラスに塗布した後，研磨パッドで挟み往復スライダー型摩擦試験機を用いて摺動試験を行った．試料の評価は，厚さ，摩擦係数測定，表面粗さ測定，SEM観察により行った．先行研究で得られた結果をもとに，実際にガラスの研磨工場で用いられている研磨装置（DSM9B-5L/P-V（SPEEDFAM製））での実機試験を行った．
研磨量の向上を図るため，Mn2O3の粒径依存性，研磨荷重依存性，研磨速度依存性の実験を行った．ガラスの研磨メーカーでは最近は研磨材料（CeO2）の濃度を水に対して10wt%に変更したとのことであったため，それに合わせて添加量を変更して実験を行い、CeO2とMn2O3の相対比較を行った．

Fig.3 試料粉末のSEM写真（左：CeO2, 右：Mn2O3）6

３．実験方法 －実験装置－

Fig. 4 ガラス板
（26 mm×26 mm×3 mm）

Fig. 5 冶具(正面) Fig. 6 冶具(底面)

ラボ試験にて使用

Fig. 7 回転式研磨盤

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３．実験方法 －実験装置－

Fig. 9 粒度分布測定機
加圧方向

上ラップ

回転方向

Fig. 8 粉末粉砕機
セイシン企業下ラップ

Fig. 10 ガラス研磨機
DSM9B-5L/P-V（SPEEDFAM製）

ディスク基盤 回転方向

Ref. 「はじめての研磨加工」，安永暢男，
25 March (2010).

実機試験にて使用

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４．実験結果 －Mn2O3の粒度分布－
Mn2O3の入手先： Materion Advanced Chemicals社製（米国）

モード径（最頻径）： 6.0 mm
メディアン径（中央径）： 6.7mm

積分分布

頻度分布

粒径Fig. 11 入手したMn2O3粉末の粒度分布

9４．実験結果
研磨時間を30分とした場合の透明度の比較
研磨前のすりガラスの状態に比べ，CeO2およびMn2O3は透明度が向上．
研磨量（厚さ）は，CeO2：20 μm，Mn2O3：3 μmで，表面粗さはほぼ同等．

Fig. 12 Comparison of transparency for glasses after glass polish experiment.

Mn2O3は30分の研磨量が3 μmと少なかったが，少ない研磨量で鏡面化できることから，仕上げ研磨加工に応用できる可能性が高いことが明らかとなった．

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４．実験結果
Mn2O3粉末の分級前後のSEM観察

Fig. 13 Mn2O3粉末の分級前後のSEM写真

11４．実験結果
Mn2O3の研磨量の向上を目指した実機試験••

Mn2O3粉末の平均粒径を1.8 μm，2.6 μm，4.1 μmと変化させたものを作製
研磨材濃度： 水道水－10wt%研磨材
Mn2O3はCeO2に比べて半分程度の研磨量となった．
我が国はマンガン団塊があることから，今後Mn2O3の生産量が向上すれば安価になることを見越し，研磨材濃度を上げて実験を行うことにした．

Fig. 14 Particle size dependence of Mn2O3.

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４．実験結果
Mn2O3の研磨量の向上を目指したラボ試験
研磨条件（荷重，回転速度）を変更し，研磨量の向上を目指した．

8 mm向上

研磨材濃度を上げる
ことで，研磨量はCeO2を上回る結果となった．
研磨材濃度：
水道水－10wt%CeO2
水道水－20wt%Mn2O3
研磨荷重の増加に伴い研磨量が向上
回転速度を速くするとともに，研磨量が低下する傾向にあった．
これは荷重と遠心力の間に働く合力が関係し，試料表面の一点一点にかかる力が変化したことに起因する．

Fig. 15 Polishing load dependence and polishing speed dependence of Mn 2O3.

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４．実験結果
研磨条件を変更した場合の透明度の比較
すりガラス

CeO2,（10 wt%, 500 g
荷重, 150 rpm, 120 分）

Mn2O3（20 wt%, 2.5 kg
荷重, 150 rpm, 120 分）

Fig. 16 Comparison of transparency for glasses after glass polish experiment.

Mn2O3粉末の最大のメリットは，少ない研磨量においても鏡面になることであるが，研磨濃度を上げ，研磨荷重を増加させて研磨量を向上させた場合においても，その性能は劣らない．
今後は，Mn2O3粉末の更なる研磨量の向上に向けて，実験条件の検討を行うとともに，産業界では精度の高い研磨を短時間で行うことが望まれるため，研磨時間を短縮する技術についても検討する．

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５．まとめ新しいガラスの研磨材料として選定した三二酸化マンガン（Mn2O3）の有効性を実験的検討により明らかにし，従来のガラスの研磨材料である酸化セリウム（CeO2）と比較した結果，以下のことが明らかとなった．
1) Mn2O3粉末の研磨材料としての有効性を確認した．
2) 従来CeO2の研磨で行われる研磨条件下では，CeO2の方が20 mmと高い研磨量を示し，Mn2O3は3 mmであった．

3) 研磨量の粒径依存性を調べた結果，研磨材の粒径が細かいほど粒子の数が多くなり，わずかに研磨量が増加した．
4) Mn2O3粉末は，荷重の増加に伴い研磨量が向上し，荷重依存性が認められた．研磨量の研磨速度（研磨時間）依存性を調べた結果，研磨速度の上昇（研磨時間の短縮）に伴い研磨量は低下した．
5) 研磨後のガラスの観察を行った結果，Mn2O3は研磨量が少ない場合においても，CeO2の透明度や表面粗さとほぼ変わらず，最終仕上げの鏡面研磨に適することが明らかとなった．

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謝辞

本研究は，日本板硝子材料工学助成会のご支援により実施した研究課題（助成期間：平成28年度～平成30年度）であり，ここに深謝の意を表します．

National Institute of Technology (KOSEN), Gifu College

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