JP2003251566A - サーメットを基板とする超砥粒切断ホイ−ル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】切断加工中において基板の摩耗を防止すること
ができると共に、切断加工時に発生する被削材などの切
り屑による基板への損傷を回避することにより、更に切
断精度を高めた超砥粒切断ホイ−ルを提供する。 【解決手段】 超砥粒切断ホイ−ルとして超砥粒切断ホ
イ−ル１は、ドーナツ円板状の基板２と、基板２の外周
部に形成された超砥粒層３とを備え、基板２は、鉄、コ
バルト、ニッケル及びクロムからなる郡より選ばれた一
種以上の元素を含む結合相と、炭化タングステンを含む
第１の硬質相と周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族に属す
る元素からなる郡より選ばれた１種以上の元素の窒化物
及び／または炭窒化物を含む第２の硬質相を含む硬質材
料からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光学ガラス、セ
ラミックス、水晶、磁性材料、半導体材料などの切断加
工や溝入れ加工に用いられる超砥粒切断ホイ−ルに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドや立方晶窒化硼素（ＣＢ
Ｎ）などの超砥粒を用いた超砥粒切断ホイ−ルは難削材
の加工、各種材料の高能率で高精度な加工に広く使用さ
れている。

【０００３】特に、切断加工用超砥粒切断ホイ−ルの一
種として超砥粒切断ホイ−ルが、例えば、光学ガラス、
セラミックス、水晶、磁性材料、半導体材料などの切断
加工や溝入れ加工に用いられている。磁気ヘッドのコア
となるフェライトブロックに溝を形成する場合や、光学
ガラスの素材からプリズムを切断して分離する場合に
は、外径が５０ｍｍ〜３００ｍｍ、刃部の厚みが０．１
ｍｍ〜４．０ｍｍｍの超砥粒切断ホイ−ルが用いられ
る。従来の超砥粒切断ホイ−ルの基板材料は主に鋼であ
り、例えば調質された炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度
工具鋼などである。刃部を形成する超砥粒層は基板の外
周部に結合材によって固着されている。しかしながら、
鋼はヤング率が小さく、薄い超砥粒切断ホイ−ルを作製
するのは困難であった。

【０００４】別の技術として、特開平９−１７４４４１
号公報がある。ここに示されているのは、台板が超硬合
金のドーナツ状穴あき薄板円板からなり、その外周部に
ダイヤモンド系砥粒粉末を１０〜８０％含有させること
を特徴としている。ここに記載されている超硬合金は、
ＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−ＴｉＣ−
ＴａＣ−Ｃｏ系の合金が優れているとされている。鉄族
金属を多く含むネオジウム磁石を上記の砥石で切断する
と、切り屑の鉄と基板材料の炭化物やＣｏとのなじみが
よく、台金に切り粉が付着しやすい。そして、基板が重
くなり、重量バランスが悪くなり振動が発生する、切削
抵抗が大きくなるなどの問題点があった。

【０００５】同様の技術として、特開平２００１−５４
８７０号公報がある。ここには、希土類磁石切断用ダイ
ヤモンドブレードの芯金を、超硬合金又はサーメットを
結合材とし、１〜７０体積％の微細なダイヤモンド及び
／又はＣＢＮを含む複合焼結体によって形成することが
開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
特開平９−１７４４４１号公報や、特開２００１−５４
８７０号公報に記載されている切断ホイ−ルを用いて高
能率で加工する場合には、超砥粒切断ホイ−ルを高速で
回転させ、且つ送る必要がある。このとき、超砥粒切断
ホイ−ルとネオジウム磁石との摩擦により、基板の温度
が上昇し、生成した切り屑が超砥粒切断ホイ−ルの基板
部に付着する。切り屑と基板のなじみのよさによるもの
と考えられる。

【０００７】被加工物と切断ホイ−ルは、高速で接触す
るため、超砥粒切断ホイ−ルの基板に大きな応力、いわ
ゆる研削応力が発生する。その結果、超砥粒切断ホイ−
ルの基板に曲がりやうねりなどの歪みが切断加工中に発
生する。この基板の歪みが大きくなると、超砥粒切断ホ
イ−ルが蛇行して回転するので被加工物の切断面や溝の
直角精度、幅精度、平面精度などの要求精度を満足する
ことが出来なくなる。超砥粒切断ホイ−ルの基板にさら
に大きな応力が発生すると、基板に大きな歪みが発生す
る。その結果、被加工物の角部に大きなチッピングが発
生する場合があり、製造歩留まりの低下を招くという問
題があった。

【０００８】また、特開２００１−５４８７０号公報の
切断砥石は、高価なダイヤモンドを大量に含むため高価
になり経済的な問題点があった。基板全面に亘りダイヤ
モンドを含んでいるが、実際の使用に当たっては外周部
から次第に摩耗し、ある径になると切断時の周速が不足
して使用不能になる。従って、芯まで全部使用する事の
ない本件発明のような分野には適していない。

【０００９】本願発明は、前記したような問題点を解決
するために種々検討した結果得られたものである。即
ち、切り屑の鉄族金属が付着しにくく、長寿命が保て、
軽量であって、しかも、ダイヤモンド入りの基板に比較
すると安価な基板を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、発明者は種々検討を加え本発明を達成出来た。すな
わち、円板状の基板と、前記基板の外周部に形成された
砥粒層とを備えた超砥粒切断ホイ−ルであって、前記基
板は、第１の硬質相と第２の硬質相と結合相からなる硬
質材料からなり、前記第１の硬質相としてＴｉの窒化
物、Ｔｉの炭窒化物の一種以上の粉末、前記第２の硬質
相として周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族に属する郡
より選ばれた１種以上の元素の炭化物、窒化物及び／又
は炭窒化物（但し、Ｔｉの窒化物、炭窒化物を除く）の
粉末、前記結合相として、コバルト、ニッケル、鉄及び
モリブデンの中の一種以上の粉末を焼結してなるサーメ
ットを基板とする超砥粒切断ホイ−ルである。更に別の
特徴は、前記第１の硬質相が基板の３０〜７０重量％を
占める。また、前記結合相は、基板の１０〜３０重量％
を占める。

【００１１】別の手段は、ＴｉＮを主として添加するも
のである。それは、円板状の基板と、前記基板の外周部
に形成された砥粒層とを備えた超砥粒切断ホイ−ルであ
って、前記基板は、第１の硬質相と第２の硬質相と結合
相からなる硬質材料からなり、前記第１の硬質相として
Ｔｉの窒化物粉末を１０〜３０重量％、前記第２の硬質
相として周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族に属する郡
より選ばれた１種以上の元素の炭化物、窒化物及び／又
は炭窒化物（但し、Ｔｉを除く）の粉末とＴｉの炭化物
の粉末、前記結合相として、コバルト、ニッケル、鉄、
モリブデンの中の一種以上粉末を１０〜３０重量％とを
焼結してなるサーメットを基板とする超砥粒切断ホイ−
ルである。この発明では、窒化物の量が請求項１の半分
になっているが、Ｔｉの炭化物と形成する炭窒化物の固
溶体に換算するとほぼ同じになる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１に示すように本発明の超砥粒
切断ホイ−ル１は、基板２の周囲に超砥粒層３が設けら
れその中心部には研削盤などの機械に取り付けるための
穴があいている。図２はその断面図である。本発明で用
いる砥粒層３は、平均粒径４６μｍ（＃３２５／４０
０）〜２５２μｍ（＃６０／８０）のダイヤモンド粒子
からなる砥粒とこれを結合するためのレジンからなる。
この砥粒層が、前記した基板の外周部に一定の厚さで接
合されている。本願発明の別の特徴は、被削材の歩留ま
りを高めることにあり、切断ホイ−ルで除去される被削
材の量を少なくしなければならない。そのためには、先
ず第１に砥粒層と基板が共に薄いことが重要要件であ
る。薄くてしかも前記の高速回転により切断するために
は、基板の強度はもちろん、基板と砥粒層の接合が強固
でなければならない。

【００１３】その他の砥粒層として、メタルボンド、電
着法やビトリファイド砥石が知られている。しかしなが
ら、これらのものは本件発明には適さない。メタルボン
ドやビトリファイドは、高温で焼結する。このとき、薄
い円板状の基板が変形する。硬質材料であって、変形し
た薄い板を、変形のない平板にすることは殆ど不可能で
ある。また、電着法による場合は、通常ダイヤモンド層
が一層なので、寿命という点に難点がある。従って、レ
ジンを結合相とするものがこの発明においては最も優れ
ている。

【００１４】基板への砥粒層の接合方法は種々考えられ
る。基板の外周端面に凹凸を付けたり、レジンと濡れ性
のよい、ＣｕやＮｉをメッキしてその上に砥粒とレジン
からなる砥粒層を形成する。凹凸の付け方について言え
ば、機械的に切り込みを入れたり、溶けた金属を冶金学
的に盛り上げる方法などがある。特に、Ｎｉ−Ａｌ合金
を基板の外周に溶射被覆膜を設ける方法は、簡便で信頼
性が高く効果的である。

【００１５】基板を構成する硬質材料は、第１の硬質相
と第２の硬質相と結合相からなる。この中で、第１の結
合相が本願発明において特に重要である。一般的に硬質
相がＴｉの炭化物や窒化物を主成分とするものを従来の
超硬合金と区別して、サーメットという。サーメット
は、Ｔｉ化合物を主成分とするもので、ＷＣを主成分と
する超硬合金より軽い。その中で更に炭化物を主成分と
するものと、窒化物を主成分とするものに区分される。
窒化物を主成分とするものの硬質相は、Ｔｉ（ＣＮ）を
核とし、その周囲を（Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ）Ｃなどの複炭化
物が包む二重構造になっている。

【００１６】本願では、上記のうち窒化物を多く含むサ
ーメットを基板とするものに関する。この材料は、もと
もと鋼などの切削工具用として開発されたものである。
従来の超硬合金では、高速切削で刃先の熱塑性変形に起
因する摩耗が生じたり、湿式切削や断続切削で熱亀裂が
生じる場合は使用できない。本発明で使用するサーメッ
トは上記のような条件で切削する時、特に優れている。
また一般的には、耐摩耗性に優れ、耐溶着性に優れてい
るとされ、乾式切削でも溶着しないという特徴を持って
いる。これらは、硬質相が二重構造になっていることが
主な原因である。

【００１７】ＴｉＣとＴｉＮの粉末を出発原料として用
いると、焼結したときにこれらの固溶体であるＴｉ（Ｃ
Ｎ）を形成する。また出発原料としてＴｉ（ＣＮ）を用
いることもできる。ここにおいて、ＣとＮの比率は、任
意に選びうる。そして焼結体になったときにその割合を
調べる方法は、Ｘ線によりＴｉ（ＣＮ）の格子定数を調
べて判断する。したがって厳密な割合を調べることは困
難であるが、概略の量を知ることが出来る。焼結の条件
によっては、第１の硬質相と第２の硬質相が相互に固溶
体を形成する。その他、窒化物を含有するサーメット
は、焼結するとき窒素が抜けやすいので雰囲気をはじめ
とする、焼結条件に注意を払わなければならない。

【００１８】本発明で用いることが出来るＴｉ（ＣＮ）
は、窒素の割合が概略０．２以上０．８までの範囲であ
る。第１の硬質相の割合は、３０重量％未満では窒素添
加の効果が無く、７０重量％を越えると、窒素の量が多
すぎて、焼結が困難になるほか、研削などの加工に要す
る時間が長くなる。またＴｉＮのみを用いることもでき
る。この場合は、１０〜３０重量％の範囲が適してい
る。１０重量％未満では、効果が無く３０重量％を越え
ると焼結が難しい。Ｎの量は、出発原料のＮ、及び焼結
の雰囲気に左右される。条件によっては、窒素成分が焼
結体から抜ける場合と窒素雰囲気などで焼結すると窒素
が増加することもある。

【００１９】発明者らはこのような材料を用いて、鉄族
金属を含有するネオジウム磁石の切断ホイ−ルに使用し
た。その結果、従来の超硬合金では鉄族金属からなる切
り屑が基板の表面に付着して、すぐに寿命になってしま
う。これに対して、本願発明による基板は、長時間の切
断をしても、切り屑が基板表面に付着することはなかっ
た。この理由はおそらくは、窒素含有量が多いので鉄族
金属を含有する切り屑との反応性が小さくなるからだと
考えられる。

【００２０】次に結合相であるが、従来の超硬合金では
一般的にＣｏを主成分として、Ｎｉを添加しないのが普
通である。本件発明では、Ｃｏの他に、Ｎｉを必須成分
とする。Ｔｉの窒化物や炭窒化物との濡れ性を高めるた
めに、Ｎｉは必要である。これらの含有量は、１０〜３
０重量％である。１０重量％より少ない場合は、結合相
が不足して焼結が困難になり、また３０重量％を越える
と、硬質相の量が少なすぎて耐摩耗性に劣る合金とな
り、本件発明に用いることは出来ない。

【００２１】この発明のサーメットを基板とする超砥粒
切断ホイールの特長として、基板が軽量であることが挙
げられる。例えば、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金の比重は１４
〜１５である。そのため従来の超硬合金からなる基板は
非常に重い。特に、マルチセットホイールとして使用す
る場合には、従来の超硬合金製の基板を用いると研削盤
スピンドルに与える負荷が大きくなり好ましくなかっ
た。ところが、本発明の基板の比重は６〜８である。こ
のため従来の超硬合金製の基板に比較して、基板の重量
を最高で約６０％低減することが可能である。従って、
基板の軽量化によって切断加工時の振動発生を抑制する
ことができるので切断加工精度を向上させることがで
き、切断面の表面粗さも向上することができる。また、
基板の軽量化よって研削盤スピンドルに与える負荷を低
減できるので研削盤の寿命に悪影響を及ぼすことがな
い。

【００２２】（実施例１）第１の硬質相としてＴｉ（Ｃ
Ｎ）を５０重量％、（ただし、ＣとＮの割合は１：
１）、第２の結合相としてＷＣを１０重量％、Ｍｏ_２Ｃ
を１０重量％、ＴｉＣを５重量％、ＴａＮを５重量％、
ＮｂＣを５重量％の粉末と、結合相としてＣｏを１０重
量％、Ｎｉを５重量％の粉末を混合した。これを圧縮、
成形し更に窒素雰囲気で温度１３９０゜Ｃで焼結し試料
１とした。同様に、表１に示された粉末の配合に従って
試料を作製した。試料の形状は、外径が１５０ｍｍ、内
径３５ｍｍ、厚さが０．８ｍｍの基板用焼結体である。
このようにして得られた夫々の焼結体を、外径が１４４
ｍｍ、内径が４０ｍｍ、厚みが０．５ｍｍのドーナツ状
の穴が開いた円板に加工することによって砥石の基板２
を２０枚作製した。そして、超砥粒層の接合強度を高め
るために、外周部にＮｉ−Ａｌ合金を溶射した。

【００２３】ダイヤモンドとその結合材としてレジンを
使用して、基板の外周部に固着し、超砥粒層３を形成し
た。具体的には、円板砥石形状の金型に上記の硬質材料
からなる基板２をセットした。この基板２の外周部分
に、バインダーである熱硬化性フェノール樹脂粉末と、
平均粒径１５０μｍ（粒度＃１００）の人工ダイヤモン
ド砥粒を体積比率で１８．８％となるように混合し、次
にこの混合粉末を、前記の金型に充填しプレスにより砥
石形状に成形した。その後、この成形体を金型にセット
したまま温度１８０゜Ｃで２時間加熱硬化させ、冷却
後、ラップ盤にて刃厚０．６ｍｍに仕上げ加工をして、
超砥粒切断ホイ−ルを製作した。

【００２４】上記の超砥粒切断ホイ−ルを用いて、ネオ
ジウム系磁石を次の条件で切断した。超砥粒切断ホイ−
ル２０枚を３．０ｍｍ間隔で組み上げて、回転数４００
０ｒｐｍ、切断速度１０ｍｍ／ｍｉｎで切断した。ネオ
ジウム磁石の切断領域は幅が４０ｍｍ、高さが２０ｍｍ
であった。得られた切断済製品は、面粗さも小さく研磨
することなく十分に実用に耐えるものであった。切断開
始後、切断回数２０回毎にそれぞれ１５枚の超砥粒切断
ホイ−ルで切断されたネオジウム磁石の中央部１点とそ
の他の任意の４点の合計５点の厚みをマイクロメーター
で測定し、５点の最大値と最小値との差を平行度で表し
て切断精度とした。切断精度が、０．０２０ｍｍを越え
るまでの切断ホイ−ルの寿命を測定して、評価した。

【００２５】比較例としてＷＣ−Ｃｏの超硬合金からな
る基板を試料６とした。これを用いた上記と同一サイズ
のホイ−ルを用いて同じ切断加工を行った。夫々の寿命
を相対的に比較した結果を、表１に示す。

【表１】

【００２６】（実施例２）第１の硬質相としてＴｉＮを
１５重量％、第２の硬質相としてＴｉＣを３５重量％、
ＷＣを１０重量％、Ｍｏ_２Ｃを１０重量％、ＴａＮを１
０重量％、ＮｂＣを５重量％の粉末と、結合相としてＣ
ｏを１０重量％、Ｎｉを５重量％の粉末を混合した。こ
れを圧縮、成形し更に窒素雰囲気で温度１４００゜Ｃで
焼結し試料１１とした。その他は実施例と同じにして、
外径が２００ｍｍ、内径４５ｍｍ、厚さが１ｍｍの基板
用焼結体を作製した。同様に試料１２、１３を表２に示
す配合組成で作成した。このようにして得られた夫々の
焼結体を、外径が１９４ｍｍ、内径が５０．８ｍｍ、厚
みが０．７ｍｍのドーナツ状の穴が開いた円板に加工す
ることによって砥石の基板２を２０枚作製した。そし
て、超砥粒層の接合強度を高めるために、外周部にＮｉ
−Ａｌ合金を溶射した。

【００２７】ダイヤモンドとその結合材としてレジンを
使用して、基板の外周部に固着し、超砥粒層３を形成し
た。具体的には、円板砥石形状の金型に上記の硬質材料
からなる基板２をセットした。この基板２の外周部分
に、バインダーである熱硬化性フェノール樹脂粉末と、
平均粒径１５０μｍ（粒度＃１００）の人工ダイヤモン
ド砥粒を体積比率で１８．８％となるように混合し、次
にこの混合粉末を、前記の金型に充填しプレスにより砥
石形状に成形した。その後、この成形体を金型にセット
したまま温度１８０゜Ｃで２時間加熱硬化させ、冷却
後、ラップ盤にて刃厚０．６ｍｍに仕上げ加工をして、
超砥粒切断ホイ−ルを製作した。

【００２８】上記の超砥粒切断ホイ−ルを用いて、ネオ
ジウム系磁石を次の条件で切断した。超砥粒切断ホイ−
ル２０枚を３．０ｍｍ間隔で組み上げて、回転数４００
０ｒｐｍ、切断速度１０ｍｍ／ｍｉｎで切断した。ネオ
ジウム磁石の切断領域は幅が４０ｍｍ、高さが２０ｍｍ
であった。切断開始後、切断回数２０回毎にそれぞれ１
５枚の超砥粒切断ホイ−ルで切断されたネオジウム磁石
の中央部１点とその他の任意の４点の合計５点の厚みを
マイクロメーターで測定し、５点の最大値と最小値との
差を平行度で表して切断精度とした。試料１１の相対寿
命を１００とすると１２、１３の寿命は表２に示す通
り、それぞれ８６と７９であった。

【表２】

【００２９】

【発明の効果】この発明の超砥粒切断ホイ−ルの基板
は、切断加工中において曲がりやうねりなどの歪みを防
止することが出来る機械的な強度と剛性を備えている。
同時に切断加工時に発生する被削材の切り屑による基板
への損傷を回避できる。このため、従来のＷＣ−Ｃｏ系
超硬合金を基板材料として用いた超砥粒切断ホイ−ルに
比べて更に切断精度を高めることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明に従った超砥粒切断ホイ−ルの一種
として超砥粒切断ホイ−ルの一つの形態を示す斜視図で
ある。

【図２】 図１に示された超砥粒切断ホイ−ルの断面図
である。

【符号の説明】

１ 超砥粒切断ホイ−ル ２ 基板 ３ 超砥粒層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 英司 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 高橋 邦博 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 山本 義仁 兵庫県加東郡滝野町河高字黒石1816番地 174号 株式会社アライドマテリアル播磨 製作所内 (72)発明者 井上 治男 兵庫県加東郡滝野町河高字黒石1816番地 174号 株式会社アライドマテリアル播磨 製作所内 (72)発明者 福島 健二 兵庫県加東郡滝野町河高字黒石1816番地 174号 株式会社アライドマテリアル播磨 製作所内 Ｆターム(参考） 3C063 AA02 AB03 BA02 BB02 BC03 BD01 EE01 EE10 EE31 FF11

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円板状の基板と、前記基板の外周部に形成
   された砥粒層とを備えた超砥粒切断ホイ−ルであって、
   前記基板は、第１の硬質相と第２の硬質相と結合相から
   なる硬質材料からなり、前記第１の硬質相としてＴｉの
   窒化物またはＴｉの炭窒化物の一種以上の粉末、前記第
   ２の硬質相として周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族に
   属する郡より選ばれた１種以上の元素の炭化物、窒化物
   及び／又は炭窒化物（但し、Ｔｉの窒化物、炭窒化物を
   除く）の粉末、前記結合相として、コバルト、ニッケ
   ル、鉄、モリブデンの中の一種以上の粉末を焼結してな
   るサーメットを基板とする超砥粒切断ホイ−ル。
2. 【請求項２】前記第１の硬質相は、３０〜７０重量％で
   ある請求項１に記載のサーメットを基板とする超砥粒切
   断ホイ−ル。
3. 【請求項３】前記結合相は、１０〜３０重量％である請
   求項１〜２のいずれかに記載されたサーメットを基板と
   する超砥粒切断ホイ−ル。
4. 【請求項４】円板状の基板と、前記基板の外周部に形成
   された砥粒層とを備えた超砥粒切断ホイ−ルであって、
   前記基板は、第１の硬質相と第２の硬質相と結合相から
   なる硬質材料からなり、前記第１の硬質相としてＴｉの
   窒化物粉末を１０〜３０重量％、前記第２の硬質相とし
   て周期律表第４ａ、５ａおよび６ａ族に属する郡より選
   ばれた１種以上の元素の炭化物、窒化物及び／又は炭窒
   化物（但し、Ｔｉの窒化物、炭窒化物を除く）の粉末、
   前記結合相として、コバルト、ニッケル、鉄、モリブデ
   ンの中の一種以上の粉末を１０〜３０重量％とを焼結し
   てなるサーメットを基板とする超砥粒切断ホイ−ル。