发明内容
如特开2001-71268号公报中所记载那样,在使用无机粘合剂的低温下烧结而成的砂轮,与使用一般的方法制成的陶瓷粘合剂砂轮相比,抗弯强度低,因而磨粒保持力不够,在砂轮寿命上存在问题。另外,特开昭52-26094号公报中记载的制造方法,从添加的无机物的量少来看,认为该制造方法在高温烧结中主要起作用的不是陶瓷粘合剂,因此不能期待足够的强度。
像上述这样的无机质砂轮的制造,从各种方面正在进行研究,为了发挥所要求的砂轮特性,关于无机质粘合剂等的利用方法或制造条件,遗留许多值得研究的事项。
特别在制造多孔陶瓷粘合剂砂轮时,除了锐利程度良好和耐久性高以外,必须考虑砂轮组织的均匀性和砂轮的强度。在以往的陶瓷制造工序中,如果使用有机质的气孔形成剂,就不能维持烧结中形状保持,并且有烧结收缩率大等问题,因此限制气孔率大的砂轮,特别是气孔率大于或等于60体积%的砂轮的制造。另外,也考虑使用无机质中空体制造多孔砂轮,但在烧结后在砂轮中残存无机质中空体的膜壁,因此由于该作用而存在磨削时的磨削阻力增大这样的问题。
另一方面,在以往的陶瓷粘合剂砂轮的制造中,也有砂轮组织不易均匀化这样的问题。特别在磨粒粒径不到100μm的细砂轮中,气孔的分散容易变得不均匀。
发明内容
鉴于上述的各问题,本发明以提供在使用无机粘合剂和发泡性气孔形成剂制造的多孔陶瓷粘合剂砂轮,特别是气孔率大于或等于60体积%而且/或者磨粒粒径不到100μm的细砂轮中也保持均匀的砂轮组织、锐利程度良好而且有足够的耐久性和强度的砂轮及其制造方法作为课题。
解决上述课题的本发明的多孔的无机质陶瓷粘合剂砂轮,是具有包含磨粒、粘合剂和气孔的组织的砂轮,以具有无机粘合剂和由玻璃料形成的粘合剂、及自然气孔和由气孔形成剂形成的气孔为特征。
本发明的多孔陶瓷粘合剂砂轮,上述玻璃料的软化点可以是300~900℃,优选可以是400~900℃。
另外,本发明的砂轮可以具有选自熔融氧化铝系磨粒、溶胶凝胶氧化铝质磨粒、碳化硅系磨粒、氧化铝-氧化锆系磨粒、氧化铈系磨粒、二氧化硅系磨粒、CBN系磨粒和金刚石系磨粒组成的组中的一种或大于1种的磨粒。
按照本发明的多孔陶瓷粘合剂砂轮的制造方法,以将磨料、无机粘合剂、玻璃料和气孔形成剂溶解于水中得到的液状混合物浇注到模型中,在常温~300℃使该模型内的混合物干燥固化的同时使上述气孔形成剂发泡,再在600~1000℃烧结已干燥固化的混合物而得到陶瓷粘合剂砂轮为特征。
本发明的制造方法,作为上述气孔形成剂,既可以使用液状的发泡性气孔形成剂,也可以使用固态的发泡性气孔形成剂。另外,可以使用软化点是300~900℃,优选是400~900℃的玻璃料。另外,所使用的磨粒可以从熔融氧化铝系磨粒、溶胶凝胶氧化铝质磨粒、碳化硅系磨粒、氧化铝-氧化锆系磨粒、氧化铈系磨粒、二氧化硅系磨粒、CBN系磨粒和金刚石系磨粒组成的组中选择1种或大于1种。
本发明能够提供具有无机粘合剂和由玻璃料形成的粘合剂、以及自然气孔和由气孔形成剂形成的大致均匀的气孔的多孔陶瓷粘合剂砂轮,尤其能够提供在气孔率大于或等于60体积%而且/或者磨粒粒径不到100μm的细砂轮中,保持均匀的砂轮组织、锐利程度良好、而且耐久性和强度高的砂轮及其制造方法。
具体实施方式
本发明的砂轮,是通过将含有磨料、无机粘合剂、玻璃料和气孔形成剂而构成的混合物浇注成形而制造的多孔陶瓷粘合剂砂轮。
在本申请说明书中所说的“多孔陶瓷粘合剂砂轮”意味着,不含有机系的一次粘合剂,使用无机粘合剂作为基本的一次粘合剂,再和无机粘合剂一起使用玻璃料进行烧结,包含由发泡剂形成的气孔和自然气孔的砂轮。按照本发明,在砂轮原料混合物的干燥固化时进行良好的气孔形成,此后,通过玻璃料的陶瓷化在进展,因此能够制造保持均匀的砂轮组织、特别保持细小且均匀的气孔组织、而且具有足够的强度的多孔陶瓷粘合剂砂轮。
首先,说明在本发明的砂轮的制造中使用的各材料。
无机粘合剂是在比较低的温度硬化、主要对从成形开始至烧结为止维持砂轮形状有用的无机物质。这样的无机粘合剂,可以从以选自二氧化硅-氧化铝、氧化铝、二氧化硅、氧化锆-二氧化硅、氧化锆、硅酸钠、磷酸铝、磷酸镁等中的1种或者大于或等于2种作为主成分,以水玻璃、二氧化硅溶胶、磷酸铝、磷酸镁等作为粘合剂、以硅酸离子等作为硬化剂的无机粘合剂中适宜地选择。以碱金属硅酸盐类,例如水玻璃作为粘合剂的无机粘合剂,通过加热脱水使硅酸离子发生聚合而硬化。优选的无机粘合剂,是以硅酸钠作为主成分,以碱金属硅酸盐类作为粘合剂使用的无机粘合剂。
气孔形成剂,可以使用有机性气孔形成剂、和无机中空体等的无机性气孔形成剂的任一种,也可以一起使用这些气孔形成剂。特别优先选择发泡性的气孔形成剂,例如适合使用球状的发泡苯乙烯等。另外在本发明中使用的发泡性气孔形成剂,可以使用固态发泡剂或者液状发泡剂的任一种,也可以以适度的比例使用两者。优先选择使用液状发泡剂。
优选的液状发泡剂,是以通式ROOC-N=N-COOR(该式中,各个R可以是直链,也可以是支链,表示1~4的低级烷基)表示的偶氮二羧酸二烷基酯。更优选的偶氮二羧酸二烷基酯,是偶氮二羧酸二异丙酯。另外,能够在本发明中使用的其他的偶氮二羧酸二烷基酯,包括偶氮二羧酸二甲酯、偶氮二羧酸二乙酯、偶氮二羧酸二丙酯、偶氮二羧酸二叔丁酯及它们的混合物。这些偶氮二羧酸二烷基酯,通过加热发生热分解而发泡,在砂轮组织内形成许多发泡气孔。典型是其热分解温度是250℃左右,并且在常温没有挥发性是安全的。其发泡从50℃附近开始,但为了得到理想的气孔,可以加热至60~200℃。以上述的偶氮二羧酸二烷基酯为代表的液状发泡剂,在酸性溶液下、碱性溶液下、或者添加酚醛树脂、磺酸、氯乙烯及脂肪酸金属盐的情况下,在常温发生发泡。本发明中使用的无机粘合剂溶液,是碱性溶液,即使在常温也发生发泡,并且浇注成形物的水分用此时的热进行蒸发,成形物发生固化。
如上所述,本发明在不实施加热或冷却处理,在常温下能够使液状发泡剂的发泡和无机粘合剂的固化开始。在本说明书中使用的常温这样的用语意味着,即使不进行砂轮原材料的加热或冷却处理,液状发泡剂的发泡和无机粘合剂的固化也能够进行的环境温度,具体地可定义为0~30℃。
如上所述,本发明通过使用是碱性溶液的无机粘合剂,发生由在常温的发泡引起的气孔形成和砂轮固化,因此是令人满意的。
玻璃料是为了使砂轮组织发生陶瓷化,烧结砂轮所必要的无机粘合剂,典型地可以使用其化学成分主要是硼硅酸玻璃的玻璃料。其他,也可以使用钠钙玻璃、各种结晶化玻璃等,但不限于这些。
玻璃料和无机粘合剂固体成分的比例,可以在3∶1~1∶7的范围适宜地变化,但优选是2.5~1∶6。玻璃料的软化点,为了使烧结时玻璃料充分地软化熔融,优先选择在比规定的烧结温度还要低的温度开始熔融的温度,例如优先选择比烧结温度低大约100℃左右。但烧结温度和软化点的温度差如果过大,在砂轮制造中会发生裂纹等不良,因此希望该温度差是小于或等于300℃。
对于磨粒来说,可以适合使用熔融氧化铝系磨粒、溶胶凝胶氧化铝质磨粒、碳化硅系磨粒、氧化铝-氧化锆系磨粒、氧化铈系磨粒、二氧化硅系磨粒和CBN系磨粒或者金刚石系磨粒等的超磨粒等。应该使用的磨粒,根据研磨条件从上述磨粒中选择大于或等于1种。
磨粒粒度,可以使用F4(按照“JIS R6001磨削砂轮用研磨料的粒度”中记载的“粗粒的种类”所示的粒度表示)~平均粒径0.1μm的粒度。优选可使用F4(按照“JIS R6001磨削砂轮用研磨料的粒度”中记载的“粗粒的种类”所示的粒度表示)~平均粒径0.2μm的粒度。特别优选使用#1000(是“JIS R6001磨削砂轮用研磨料的粒度”中记载的粒度表示,按照由“精密研磨用细粉的种类”中的“电阻试验方法”所示的粒度表示,累积高度50%点的粒度分布11.5±1.0μm)~平均粒径0.5μm的粒度。
接着,说明本发明的砂轮的制造方法。
本发明的砂轮的制造过程包括在水溶液中混合分散上述的砂轮原材料、将其浇注到砂轮成形用的模型内的工序,在常温(0~30℃)~300℃使浇注的液状混合物干燥固化的同时进行发泡的工序以及在高于或等于玻璃料的熔融温度,具体地在600~1000℃烧结该干燥固化物的工序。在本方法中,进行浇注成形,有提高混合的各原材料的分散性、形成更均匀的砂轮组织的目的。
使用上述的原材料的本发明的制造方法,在干燥固化工序中,在浇注后无机粘合剂在常温~300℃发生固化,但与此同时发泡性气孔形成剂进行发泡而形成人工气孔。作为该优点,有防止在被浇注形成的砂轮制造上产生不良情况的作用。即,固化时,混合物中包含的水分蒸发,成形物发生干燥,但在该干燥时在成形物上往往发生细裂纹。按照本发明的制法,在固化进展时利用气孔形成剂的发泡作用在液状混合物中形成气孔,因此就形成了用于使液状混合物内的水分逃逸到外部的空洞。这样一来,气孔形成剂在液状混合物内形成均匀的气孔的同时,在制造时也有防止细裂纹发生的作用。该效果,在使用比固态发泡剂分散性大的液状发泡剂的方法中是特别有利的。
按照本发明,在由浇注成形制造的砂轮的内部形成来自被认为是在制备液状的原料时混入的气泡和水抽出的痕迹部分的自然气孔和来自添加的发泡剂的人工气孔,与自然气孔相比,由发泡剂产生的气孔成为大的气孔。这两者的气孔能够均匀地分散在砂轮内部,因此所制造的砂轮能够具有保持高气孔率的均匀的砂轮组织。
另外,如上所述,通过先在低温进行干燥固化处理,也有防止在此后的高温烧结时产生某种担心的砂轮烧结物的裂纹或者变形的效果。另外,在原料中不含有机系的一次粘合剂,因而可防止烧结中的异臭和以一次粘合剂为原因的裂纹等,再有,砂轮中的水分被完全干燥,因此也可防止由残留水分起的烧结中的不良情况。
继上述的固化工序之后,在600~1000℃烧结混合成形物。在此,玻璃料和无机粘合剂发生化学反应而提高强度。即,根据本发明,按照使用玻璃料的砂轮制造,在无机粘合剂的固化后,再在600~1000℃进行烧结,玻璃料发生软化熔融,因此玻璃料在提高和磨粒的结合力的同时,也发生和无机粘合剂的化学反应,能够进行陶瓷化。与此相对,用只使用无机粘合剂的以往的方法制成的陶瓷粘合剂砂轮,与本发明相比,抗弯强度低,因此磨粒保持力不够,砂轮寿命变短。
如上所述,本方法为了充分地有效利用无机粘合剂、玻璃料和气泡形成剂的各特性,通过分开顺序地进行干燥固化(硬化)和烧结各工序,使希望的多孔陶瓷粘合剂砂轮的制造成为可能。
作为砂轮组成,可以在磨粒率5~50体积%、气孔率30~90体积%的范围进行制造。特别是按照本发明,能够容易地制造一般被认为制造困难的气孔率60~90体积%的陶瓷粘合剂砂轮。再者,粘合剂率,即无机粘合剂+玻璃料的体积率是从100%减去磨粒率和气孔率的值。
本发明能够提供具有低磨削阻力和良好的加工面光洁度特性的多孔陶瓷粘合剂砂轮。本发明的砂轮,能够在一般的磨削条件、圆筒磨削、平面磨削、内面磨削、成形磨削等中良好地使用。特别是本发明的砂轮,能够在以铁系材料作为被磨削材料的磨削·研磨中良好地使用,并且也能够在是非铁系材料的硅片、超硬、氧化铝、蓝宝石、石英、碳化物材料、氮化物材料、各种玻璃、陶瓷材料等硬脆性材料的磨削·研磨中良好地使用。
以下,与对比例一起说明本发明的实施例,但这些是证实本发明的实施可能性和有用性的例子,没有对本发明的构成进行任何限制的意图。
实施例
[抗弯强度试验]
关于适用本发明的砂轮(实施例1)和仅以无机粘合剂作为粘合剂使用的砂轮(对比例1)的抗弯强度进行比较。
在表1和表2中示出各试验砂轮的原材料和混合比。
表1
实施例1的原料混合比
磨粒:WA#1500 37.3重量%
无机粘合剂:FJ-521 30.1重量%
(常盘电机株式会社制)
玻璃料(软化点650℃) 2.9重量%
(化学组成:SiO2 37重量%
Al2O 8重量%
CaO 3重量%
Na2O 14重量%
B2O3 38重量%)
发泡剂:偶氮二羧酸二异丙酯 2.3重量%
溶剂:水 27.4重量%
表2
对比例1的原料混合比
磨粒:WA#1500 38.4重量%
无机粘合剂:FJ-521 31.0重量%
(常盘电机株式会社制)
发泡剂:偶氮二羧酸二异丙酯 2.3重量%
溶剂:水 28.3重量%
实施例1
实施例1的试验砂轮的制作顺序:
1.均匀地混合上述记载的原料。
2.将浆状的混合物浇注到120×30mm的金属模型中。
3.在60℃加热72小时。
4.从金属模型中取出加热得到的固形物。
7.在900℃烧结7小时。
8.烧结后,切削厚度方向,制成120×30×40mm的长方体的方形砂轮。
对比例1
对比例1的试验砂轮的制作顺序:
1.均匀地混合上述记载的原料。
2.将浆状的混合物浇注到120×30mm的金属模型中。
3.在60℃加热72小时。
7.加热后,切削厚度方向,制成120×30×40mm的长方体的方形砂轮。
评价顺序:
按照JIS标准(精细陶瓷的抗弯强度试验方法R1601,2004),以跨度间距100mm、载荷下降速度1.0mm/min,将各试验砂轮进行3点弯曲强度试验。试验砂轮各制造3个,以3个的平均值作为比较数据。
在表3中示出抗弯强度试验的结果。
表3
如表3所示,实施例1的试验砂轮与对比例1的试验砂轮相比,具有3倍的抗弯强度。这是按照本发明添加玻璃料,在900℃的高温进行烧结的效果。
图1是实施例1中制成的试验砂轮的电子显微镜照片。从其组织状态看可知,与细小自然气孔一起利用液状发泡剂形成了气孔径均匀的气孔。
[磨削试验1]
使用适用本发明的试验砂轮(实施例2)进行磨削试验,测定加工面光洁度(Ra、Rz)。
实施例2
实施例2的试验砂轮的制作顺序:
1.均匀地混合和实施例1中记载的相同原料。
2.将浆状的混合物浇注到外周205mm、孔径50mm的金属模型中。
3.在60℃加热72小时。
4.从金属模型中取出加热得到的固形物。
7.在900℃烧结7小时。
8.烧结后,进行精加工,制成_205×t10×h50mm的1A砂轮。
在表4中示出磨削试验条件。
表4
磨削试验条件
砂轮尺寸 :_250×t10×h50.81A砂轮
被磨削材料 材质:S55C(淬火材料 58HRC)
尺寸:100mm(长)×5mm(宽)
磨削液 名称:クレカツトNS201
浓度:2%
流量:15L/min
磨床 种类:冈木工作制作所制 横轴平面磨床
形式:CNC-52B(7.5kw)
修整条件:修整工具:切断修整工具(ニプドレツサ)
砂轮圆周速度:33m/s
修整导程(ドレスリ一ド):0.05mm/rev
修整进给量0.001mm/pass(一次走刀)×10pass
磨削方法:平面纵向磨削
砂轮圆周速度:33m/s
工作台速度:167m/s
横向进给:2mm/pass(往复)
磨削进给量:0.001mm/pass
加工余量:0.02mm
无火花磨削:1pass
加工面光洁度(Ra、Rz)计算顺序:
[Ra]
中心线平均光洁度(Ra)是指从光洁度的曲线选取在其中心线方向测定长度1的部分,在以X轴表示该选取部分的中心线、以Y轴表示纵倍率的方向、光洁度曲线y=f(x)表示时,用微米(μm)表示的按照下式求出的值。
[数1]
[Rz]
进行试验的砂轮的加工面的面光洁度,作为十点平均光洁度Rz进行测定。十点平均光洁度Rz,从光洁度曲线在该平均线的方向仅选取基准长度,从该选取部分的平均线在纵倍率方向进行测定,可作为从最高的山顶至第5号山顶的标高Yp的绝对值的平均值和从最低的谷底至第5号谷底的标高Yv的绝对值的平均值的和求出。在本实施例中,Rz是超过0.50μm、在10.0μm以下,遵从基准长度0.8mm和评价长度4mm的区分。
磨削试验结果:
本实施例的试验砂轮的加工面光洁度(Ra、Rz)如下。
Ra 0.014μm
Rz 0.102μm
如磨削试验结果所示,本实施例的试验砂轮具有良好的面光洁度。这表示按照本发明制成的砂轮,对于根据被磨削材料的表面光洁度所要求的加工来说,可进行良好的磨削。
[磨削试验2]
使用适用本发明的试验砂轮,进行以硅片作为被磨削材料的磨削试验,评价加工面光洁度、磨削动力、砂轮消耗、被磨削材料去除量。
在表5和表6中示出实施例3和4的各试验砂轮的原材料和混合比。
表5
实施例3的原料混合比
磨粒:DIA#3000(3~6μm) 36.12重量%
无机粘合剂:FJ-521 18.78重量%
(常盘电机株式会社制)
玻璃料(软化点650℃) 14.69重量%
(化学组成:SiO2 37重量%
Al2O 8重量%
CaO 3重量%
Na2O 14重量%
B2O3 38重量%)
发泡剂:偶氮二羧酸二异丙酯 1.41重量%
溶剂:水 28.50重量%
表6
实施例4的原料混合比
磨粒:DIA#3000(3~6μm) 39.91重量%
无机粘合剂:FJ-521 17.99重量%
(常盘电机株式会社制)
玻璃料(软化点650℃) 9.05重量%
(化学组成:SiO2 37重量%
Al2O 8重量%
CaO 3重量%
Na2O 14重量%
B2O3 38重量%)
发泡剂:偶氮二羧酸二异丙酯 1.35重量%
溶剂:水 31.21重量%
实施例3和4
实施例3和4的试验砂轮的制作顺序:
1.均匀地混合上述记载的原料,形成浆状。
2.将浆状的混合物浇注到长90mm、宽70mm的金属模型中。
3.在60℃加热24小时。
4.从金属模型中取出通过直至上述步骤制成的固形物。
5.在空气气氛中、在850℃烧结7小时。
6.烧结后的砂轮组成,实施例3的砂轮为磨粒体积率20.3%、粘合剂体积率18.9%、气孔率60.8%。实施例4的砂轮为磨粒体积率18.6%、粘合剂体积率11.3%、气孔率70.1%。
7.为了制作图2所示形状的杯形砂轮,按照上述的制作顺序,各制成28个长20mm、宽3mm、高5mm的扇形砂轮片。将各砂轮片(1)在硬化后、等间隔地贴附在杯形基体(2)的环状周边部上,进行精加工,制成_200×t35×h40mm的杯形砂轮(参照图3、4的照片)。
表7
磨削试验条件:
砂轮尺寸 _200×t35×h40mm杯形砂轮
被磨削材料 材质:硅片
尺寸:200mm(直径)×0.9mm(厚度)
磨削液 名称:蒸馏水
流量:12L/min
磨床 种类:东芝机械社制 纵轴平面磨床
形式:UVG-380B
修整条件:修整工具:WA#3000
砂轮圆周速度:1910min-1
工作台转数:50min-1
修整进给量20μm/min×10pass
无火花磨削:30s
磨削方法:磨削方式:湿式横向磨削
砂轮圆周速度:1910min-1
工作台旋转圆周速度:50min-1
砂轮进给量:20μm/min
加工余量:40μm
无火花磨削:10s
磨削枚数:10枚
各评价项目的求出方法如下。
加工面光洁度Ra(μm)计算顺序:
加工面光洁度Ra,按照和上述的磨削试验1相同的算出顺序求出。
磨削动力(kW):
设砂轮轴电动机的消耗电力为W,按照式:612×W/圆周速度(60/100)求出。再者,作为圆周速度使用上述砂轮圆周速度。
砂轮消耗(μm):
使用磨床的磨削尺寸自动测定功能求出。
被磨削材料去除量(μm):
使用磨床的磨削尺寸自动测定功能求出。
试验结果:
表8
硅片磨削枚数 |
Ra(μm) |
磨削动力(kw) |
实施例3 |
实施例4 |
实施例3 |
实施例4 |
1 |
28 |
32 |
2.4 |
2.3 |
2 |
29 |
29 |
2.7 |
2.5 |
5 |
25 |
24 |
3.0 |
3.3 |
10 |
23 |
23 |
3.4 |
3.6 |
表9
硅片磨削枚数 |
砂轮消耗量(μm) |
硅片去除量(μm) |
实施例3 |
实施例4 |
实施例3 |
实施例4 |
1 |
0.4 |
0.4 |
39 |
40 |
2 |
0.6 |
0.4 |
37 |
40 |
5 |
0.7 |
0.9 |
36 |
39 |
10 |
1.3 |
1.2 |
37 |
38 |
关于硅片去除量,实施例3和实施例4的双方都显示接近目标去除量40μm的去除量。关于砂轮消耗,没有看到异常的消耗和消耗量的停滞,硅片去除正常地进行,表示磨削作业顺利地进行。关于加工面光洁度(Ra)和磨削动力(Ft)的各特性,也没有看到异常值。以上的结果表示,即使在以硅片作为对象的磨削作业中,实施例的砂轮也可进行恰当而且良好的磨削。