CN112041117A

CN112041117A - 多晶磨粒以及包含该多晶磨粒的磨削砂轮

Info

Publication number: CN112041117A
Application number: CN201980028348.2A
Authority: CN
Inventors: 原田高志; 冈村克己; 石井显人; 久木野晓; 中村畅秀; 中村友一
Original assignee: ALMT Corp; Sumitomo Electric Hardmetal Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: ALMT Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2019-04-24
Publication date: 2020-12-04
Also published as: WO2019208640A1; JPWO2019208640A1; EP3785852A1; KR20210002494A; US20210237227A1; MX2020011232A; JP6918217B2; EP3785852A4

Abstract

一种多晶磨粒包含多个cBN颗粒以及能够使多个cBN颗粒彼此结合的结合剂，其中结合剂包含选自由元素周期表中的第4a族金属、第5a族金属和第6a族金属组成的组中的至少一者的氮化物、碳化物和碳氮化物中的至少一者，并且多晶磨粒中结合剂的含量为5体积％至50体积％，包括端值。

Description

多晶磨粒以及包含该多晶磨粒的磨削砂轮

技术领域

本发明涉及多晶磨粒和包含该多晶磨粒的磨削砂轮。本申请要求基于在2018年4月27日提交的日本专利申请No.2018-086323的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

此前，在(例如)专利文献1(日本专利特开No.9-267266)和专利文献2(日本国家专利公开No.2015-524357)中公开了磨粒。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利特开No.9-267266

专利文献2：日本国家专利公开No.2015-524357

发明内容

根据本公开的一个实施方案的多晶磨粒包含：多个高压相型氮化硼(以下，称作cBN)颗粒；以及结合多个cBN颗粒的结合剂，其中结合剂包含选自由元素周期表中的第4a族金属、第5a族金属和第6a族金属组成的组中的至少一者的氮化物、碳化物和碳氮化物中的至少一者，并且多晶磨粒中结合剂的含量为5体积％以上50体积％以下。

附图说明

图1为根据本公开的实施方案的多晶磨粒的平面图。

图2为沿图1中的II-II线截取得到的截面图。

图3示出了根据本公开的实施方案的多晶磨粒的照片。

图4为根据实施例的使用多晶磨粒的磨削砂轮的截面图。

具体实施方式

[本公开要解决的问题]

不利的是，常规磨粒易于磨损。

[本公开的有利效果]

根据以上描述，可以获得不易磨损的多晶磨粒。

[实施方案的描述]

首先，列举并描述本申请的发明的实施方案。

专利文献1在段落0003中公开了用于磨石的cBN磨粒通常为以下的混合物：具有优异的切削性并且适于高速磨削和强力磨削的cBN单晶磨粒，这是因为cBN单晶磨粒易于自锐；以及易于获得平滑的磨石表面并且适于表面精加工的cBN多晶磨粒，这是因为cBN多晶磨粒具有优异的强度。然而，在高速加工条件下，如上所述构造的磨石的耐磨性不足。推测这是因为cBN本身的耐热性不足。

专利文献2在段落0021中公开了：超硬磨料包含cBN单晶结构和用于改进立方氮化硼的晶体断裂路径的手段；用于改进立方氮化硼的晶体断裂路径的手段包括多个颗粒；并且多个颗粒可为包含在cBN单晶结构中的非催化剂非结合剂颗粒，例如氮化钛(TiN)。

据推测，超硬磨料中的非催化剂颗粒导致断裂强度降低，从而促进磨削过程中的自锐功能，因此使磨削阻力降低。然而，其结果是磨粒的压碎增加。因此，超硬磨粒和磨削砂轮严重磨损。

同时，根据本公开的一个实施方案的多晶磨粒包含：多个cBN颗粒；以及结合多个cBN颗粒的结合剂，其中结合剂包含选自由元素周期表中的第4a族金属、第5a族金属和第6a族金属组成的组中的至少一者的氮化物、碳化物和碳氮化物中的至少一者，并且多晶磨粒中结合剂的含量为5体积％以上50体积％以下。元素周期表中的第4a族元素是指钛、锆和铪。元素周期表中的第5a族元素是指钒、铌和钽。元素周期表中的第6a族元素是指铬、钼和钨。cBN颗粒可以是单晶的或者可以是多晶的。

在如此构成的多晶磨粒中，使用耐热性优异的结合剂，其结果是可以抑制磨损。此外，通过多晶结构，磨粒很少压碎，从而抑制了磨损。

当结合剂的含量小于5％时，由于结合剂的量小，因此所述多个cBN颗粒并未充分地结合。其结果是，cBN颗粒脱落从而导致磨损增加。当结合剂的含量大于50％时，由于结合剂的量大，因此cBN颗粒的比率降低。其结果是，在磨削步骤中工件和结合剂之间的直接接触的比率增加，从而导致磨损增加。

优选地，多晶磨粒具有在多晶磨粒的外表面处形成的第一面，并且在第一面中形成有至少一个凹陷。多晶磨粒具有作为与工件接触的第一面的作用面，并且可以在作用面中形成至少一个凹陷。当形成凹陷时，除了凹陷以外的部分作用于工件，因此导致与工件接触的面积减小。其结果是，可以减小切削阻力。切削阻力减小实现了防止磨粒脱落。这实现了使用该多晶磨粒的磨削砂轮的磨损减少。此外，磨削切屑进入到凹陷中。与不具有凹陷的情况相比，这有利于从多晶磨粒的磨削面去除磨削切屑。

优选地，通过用凹陷的总面积除以多晶磨粒的作用面和凹陷的总面积而获得的值为0.5以上0.99以下。当该值为0.5以上时，形成多个凹陷，并且许多磨削切屑进入到凹陷中，从而实现了更高的切削性。当该值为0.99以下时，作用面(除了凹陷以外的面)充分地保留，从而实现了更高的切削性。可以通过这样的方式得到各凹陷的面积，即，使用具有测定功能的数字显微镜(例如，KEYENCE VHX-5000)沿着垂直于作用面的方向捕获磨粒表面的图像。由于凹陷看起来较暗，因此提取亮度较低的部分以求得凹陷的面积。

优选地，结合剂包含选自由TiN、TiCN、ZrN、HfN、VN、NbCN、TaC、CrN、MoC和WC组成的组中的至少一者。通过使用这样的结合剂，可以获得非常难以磨损的多晶磨粒。

优选地，磨削砂轮包含上述多晶磨粒。

图1为根据本公开的一个实施方案的多晶磨粒的平面图。如图1所示，可以在作为多晶磨粒10的第一面的作用面11中设置凹陷12。可以不设置凹陷12。在图1中规则地设置了凹陷12，但是也可以不规则地进行设置。在图1中，各凹陷12的形状呈平行四边形，但不限于此。各凹陷12的形状可以呈诸如多边形、圆形和椭圆形之类的各种形状中的任一种。

图2为沿图1中的II-II线截取得到的截面图。如图2所示，作用面11的粗糙度Ra没有特别地限制；然而，经过抛光的作用面11的粗糙度Ra(例如)为1μm。相对于凹陷12和与工件接触的作用面11的总面积，凹陷12的面积的比率优选为50％以上90％以下。可以设置相对于作用面11较低的面13。较低的面13不与工件接触。在计算上述面积比率时，该较低的面13的面积包括在凹陷12的面积中。仅将对磨削加工起作用的面作为作用面11。以如下方式确定面是否为对磨削加工起作用的面。例如，使用具有测定功能的数字显微镜(例如，KEYENCE VHX-5000)，以沿着垂直于作用面的方向拍摄磨粒表面的三维形状的图像，并且可以将图像的最外表面视为作用面11。

图3示出了根据本公开的实施方案的多晶磨粒的照片。如图3所示，可以通过用激光照射多晶磨粒10的作用面11来形成凹陷12。作为形成凹陷12的方法，不仅可以采用激光照射，还可以采用放电加工、机械加工等。通过钎焊将多晶磨粒10固定到具有圆柱形形状的芯部15上。

[本申请的发明的实施方案的细节]

(实施例1)

<成品粉末步骤>

作为结合剂颗粒，准备TiN、TiCN、ZrN、HfN、VN、NbCN、TaC、CrN、MoC和WC。结合剂颗粒的平均粒径为1μm。

使用激光衍射型粒径分布测定装置(Shimadzu Corporation，SALD-2300)测定平均粒径。此外，在以下的各个实施例和比较例中，使用相同的装置来测定平均粒径。

以如下比率混合这些结合剂颗粒和Al颗粒：结合剂颗粒:Al＝65:35(摩尔％)。

在1000℃的温度进行30分钟的热处理，从而使结合剂颗粒与Al反应，从而获得化合物。将获得的化合物与乙醇以及直径为6mm的碳化物球一起引入到碳化物罐中。进行球磨粉碎，直到平均粒径变为约1μm，由此制作包含结合剂和铝的颗粒。

以这样的比率称取包含结合剂和铝的颗粒(比重示于表1和2)以及cBN颗粒(平均粒径为3μm，并且比重为3.5g/cm³)，使得结合剂的体积比为1％、5％、10％、30％、50％和60％。使用直径为5mm的氮化硅球对这些颗粒进行球磨混合。因此，总共获得60种成品粉末，即，结合剂有十种，成品粉末中结合剂的体积比有六种。

<填充和烧结步骤>

将获得的60种成品粉末分别填充到由Mo制成的胶囊中。然后，使用超高压烧结装置，在6GPa和1500℃进行30分钟的烧结。使用金刚石砂轮对已通过该烧结的胶囊进行机械加工以除去Mo，从而获得烧结体。即，烧结体中的结合剂的种类为这十种中的一种，并且烧结体中的结合剂的体积比的种类是这六种中的一种。因此，总共获得60种烧结体。

<粉碎步骤>

将上述各烧结体机械加工成边长分别为5mm且厚度为1mm的薄板形状，然后使用碳化物研钵和碳化物棒粉碎。重复粉碎以及用筛进行的分级。因此，获得60种平均粒径为70μm的多晶磨粒。

<多晶磨粒的评价>

使用X射线衍射仪对制作的各多晶磨粒进行定性分析，从而识别多晶磨粒的组成。其结果是，60种多晶磨粒均由诸如TiN、cBN和AlB₂之类的结合剂组成。

对各多晶磨粒的截面进行抛光，并且使用SEM(扫描电子显微镜)以2000倍的倍率进行观察。基于对比度的差异，指定多晶磨粒中的cBN区域和多晶磨粒中的结合剂区域。对于结合剂区域，使用EDX(能量分散X射线光谱)以求得结合剂中所含元素的比率，从而确定结合剂的组成。

使用图像处理软件(商品名：WinROOF，由Mitani Corporation提供)以计算多晶磨粒中cBN区域的面积和多晶磨粒中结合剂区域的面积。将cBN的面积相对于cBN区域的面积和结合剂区域的面积的总和的比率定义为多晶磨粒中cBN的含量(体积％)。将结合剂的面积相对于cBN区域的面积和结合剂区域的面积的总和的比率定义为多晶磨粒中结合剂的含量(体积％)。对于已在<多晶磨粒的评价>部分中识别了组成的60种多晶磨粒中的每一种，基于上述面积比计算cBN和结合剂的含量(体积％)。在60种多晶磨粒中的每一种多晶磨粒中，制作阶段的cBN和结合剂的体积配合比与由上述面积比计算出的cBN和结合剂的含量(体积％)相同。因此，基于cBN和结合剂的面积比计算cBN和结合剂的含量(体积％)，从而精确地计算含量。在观察图像(结构照片)中，以不同的亮度表示cBN和结合剂。选择适当的阈值(指示图像中白色和黑色之间的边界的亮度的值)，亮度为阈值以上的区域由白色表示，并且亮度小于阈值的区域由黑色表示。将这称为“二值化处理”。通过选择适当的阈值，由白色或黑色中的一种颜色表示图像观察中的cBN，并且由白色或黑色中的另一种颜色表示结合剂。

应当注意，如下调节二值化处理的阈值。将观察图像与已经通过采用特定阈值的二值化处理的图像进行比较。确定观察图像中的cBN和结合剂的尺寸和形状与已经通过二值化处理的图像中的cBN和结合剂的尺寸和形状是否等同。当它们彼此等同时，则采用该阈值。当它们彼此不等同时，利用不同的阈值再次进行二值化处理。当观察图像中的cBN和结合剂的尺寸和形状与已经通过二值化处理的图像中的cBN和结合剂的尺寸和形状彼此等同时，采用该阈值。当它们彼此不等同时，利用不同的阈值再次进行二值化处理。反复进行该处理以调节阈值，直到观察图像中的cBN和结合剂的尺寸和形状与已经通过二值化处理的图像中的cBN和结合剂的尺寸和形状彼此等同。

<单层砂轮的制作和评价>

通过将所制作的60种多晶磨粒(平均粒径为70μm)、市售的cBN单晶磨粒(平均粒径为75μm)和cBN多晶磨粒(平均粒径为75μm)钎焊到各自呈圆柱形的芯部，以制作62种钎焊单层砂轮(磨削砂轮)。各磨削砂轮的尺寸为：外径为50mm、宽度为8mm且中心孔径为20mm。磨削砂轮呈圆柱形。

通过钎焊将多个多晶磨粒(总质量为40mg)固定在磨削砂轮的表面上。附着在一个磨削砂轮上的多晶磨粒的数量为1150个。图4为根据实施例的使用多晶磨粒的磨削砂轮的截面图。在磨削砂轮100中，多晶磨粒10通过钎焊固定到芯部15的外周面上。

该磨削砂轮用于以2700m/min的圆周速度、1.2mm的切入量和50mm/min的进给速率磨削硬化钢(SCM415)，同时使用乳液型冷却剂冷却磨削面，以评价磨削比。将磨削加工之前、磨削加工中和磨削加工之后的磨削砂轮的形状分别转印到碳板上，并且根据获得的磨削砂轮的形状测定磨粒的磨损量。其结果(磨削比)示于表1和表2。

[表1]

[表2]

表1和2中的各个四位数字表示磨削砂轮的磨削比。使用cBN单晶磨粒的比较例1的磨削砂轮的磨削比为1100，并且使用cBN多晶磨粒的比较例2的磨削砂轮的磨削比为1400。

由以下定义各磨削比：工件的去除量(体积)/磨粒的磨损量(体积)。显示出在结合剂的体积比为1％的磨削砂轮和结合剂的体积比为60％的磨削砂轮中，磨削比均较小。显示出当磨削比较小时，每单位体积磨粒可以磨削的工件体积较小。在结合剂的体积比为1％的磨削砂轮和结合剂的体积比为60％的磨削砂轮中，认为多晶磨粒易于磨损从而导致了这样的较小的磨削比。

应当注意，对于各磨削砂轮的多晶磨粒的分析，首先，对磨削砂轮的磨粒层的一部分进行机械切削并且将其除去，然后进行树脂包埋处理。接下来，抛光多晶磨粒的截面，并且根据上述<多晶磨粒的评价>部分进行分析。因此，可以确定多晶磨粒的组成和结合剂的体积比。这同样适用于下述多层砂轮的分析。

<多层砂轮的制作和评价>

除了上述单层砂轮之外，以如下方式制作62种树脂结合多层砂轮(磨削砂轮)。用镍覆盖制作的60种多晶磨粒、cBN单晶磨粒和cBN多晶磨粒，然后与热固性树脂和填料混合。然后将所得混合物固定到具有圆柱形形状的芯部的外周面上。各磨削砂轮的尺寸为：外径为50mm，宽度为10mm，孔径为20mm且磨粒层厚度为3mm，并且磨粒的集中度为100。集中度为100表示在磨粒层中cBN的体积比为25％。

将这些磨削砂轮分别用于以3000m/min的圆周速度、0.8mm的切入量和50mm/min的进给速率磨削硬化钢(SCM415)，同时使用乳液型冷却剂冷却磨削面，以评价磨削比。将磨削加工之前和之后的磨削砂轮的形状分别转印到碳板上，并且根据获得的磨削砂轮的形状测定磨粒的磨损量。其结果(磨削比)如表3和表4所示。

[表3]

[表4]

表3和4中的各个四位数字表示磨削比。使用cBN单晶磨粒的比较例3的磨削砂轮的磨削比为1000，并且使用cBN多晶磨粒的比较例4的磨削砂轮的磨削比为1100。

显示出在结合剂的体积比为1％的磨削砂轮和结合剂的体积比为60％的磨削砂轮中，磨削比均较小。在结合剂的体积比为1％的试样和结合剂的体积比为60％的试样中，认为多晶磨粒易于磨损从而导致了这样的较小的磨削比。

(实施例2)

根据(实施例1)中的从<成品粉末步骤>到<填充和烧结步骤>的加工来制作烧结体。各烧结体中的结合剂的组成为TiN，并且烧结体中的结合剂的体积比为30％。

<激光切削步骤>

使用表面磨削机将烧结体加工成厚度为0.2mm的薄板。使用飞秒激光加工机形成多个凹陷。各凹陷的开口形状示于表5。调节凹陷的大小，使得与构成对应形状的多边形外接的圆的直径为50μm，凹陷的深度为40μm，并且凹陷的间隔满足表5中的凹陷比。如下计算凹陷比：(凹陷的面积)/((凹陷的面积)+(作用面的面积))。

[表5]

使用光纤激光器加工机(YLR-150/1500，由IPG提供)，在输出功率为10W、脉冲宽度为0.1毫秒、频率为300Hz并且加工速度为1mm/sec的条件下切割薄板，从而获得表5中所示的相应形状，并且该形状的外接圆的直径为300μm，由此获得各自呈棱柱形的多晶磨粒。将该棱柱与乙醇和直径为4mm的碳化物球一起导入到碳化物罐中，进行10分钟的球磨混合，并且除去在激光切割中产生的诸如碎屑之类的附着物。碎屑是在激光切割期间产生的、并且保留并附着在切削部分的附近的熔融材料。

<磨削砂轮的制作和评价>

将已经除去了附着物的多晶磨粒(试样2-1至2-12作为实施例并且试样2-13作为比较例)钎焊到呈圆柱形的各芯部上，从而制作钎焊单层砂轮(磨削砂轮)。各磨削砂轮的尺寸为：外径为50mm、宽度为8mm并且中心孔径为20mm。磨削砂轮呈圆柱形。以在磨粒层形成部分中，在厚度方向上获得2.074mm的间距并且在圆周方向上获得1.2mm的间距的方式，通过钎焊将多晶磨粒固定在芯部上来制作磨削砂轮，其中注意磨粒的取向，使得其中形成有凹陷的磨粒的面作为磨削砂轮的作用面。使用该磨削砂轮以2700m/min的圆周速度、0.6mm的切入量和50mm/min的进给速率磨削硬化钢(SCM415)，同时使用乳液型冷却剂冷却磨削面，以评价磨削比。将磨削加工之前和之后的磨削砂轮的形状分别转印到碳板上，并且根据获得的磨削砂轮的形状测定磨粒的磨损量。其结果(磨削比)示于表5。

从表5中可以确认，与比较例的试样2-13的cBN超硬磨轮相比，实施例的试样2-1至2-12的各磨削砂轮的磨削比大且磨损小。

本文公开的实施方案和实施例在任何方面都是说明性的而非限制性的。本发明的范围由权利要求的权项限定而不是由上述实施方案限定，并且旨在包括与权利要求的权项等同的含义和范围内的任何修改。

附图标记列表

10：多晶磨粒；11：作用面；12：凹陷；15：芯部；100：砂轮。

Claims

1.一种多晶磨粒，包含：

多个高压相型氮化硼颗粒；以及

结合所述多个高压相型氮化硼颗粒的结合剂，其中

所述结合剂包含选自由元素周期表中的第4a族金属、第5a族金属和第6a族金属组成的组中的至少一者的氮化物、碳化物和碳氮化物中的至少一者，并且

所述多晶磨粒中所述结合剂的含量为5体积％以上50体积％以下。

2.根据权利要求1所述的多晶磨粒，其中所述多晶磨粒具有在所述多晶磨粒的外表面处形成的第一面，并且在所述第一面上形成有至少一个凹陷。

3.根据权利要求2所述的多晶磨粒，其中通过将所述凹陷的总面积除以所述多晶磨粒的所述第一面和所述凹陷的总面积而获得的值为0.5以上0.99以下。

4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的多晶磨粒，其中所述结合剂包含选自由TiN、TiCN、ZrN、HfN、VN、NbCN、TaC、CrN、MoC和WC组成的组中的至少一者。

5.一种磨削砂轮，该磨削砂轮包括权利要求1至权利要求4中任一项所述的多晶磨粒。