JP2005177889A - メタルボンドホイールの製造方法及びそれに使用される金型 - Google Patents

Abstract

【課題】 砥石ホイールの厚さ方向にできる密度差の問題が解消され、しかも、より厚手のメタルボンドホイールの製造に簡易且つ安価に対応することができる製法及びそれに用いる成型用金型を提供する。
【解決手段】 本発明は、ダイヤモンド砥粒又は立方晶窒化硼素砥粒と金属粉末との混合物を成型用金型内で成型焼成することによりメタルボンドホイールを製造する方法であって、前記成型用金型として、その少なくとも一部がその内壁に境界を設けて分割された構成の金型１，２を使用し、前記成型焼成の工程において、前記金型の分割境界面１′，２′が部分的溶接等で互いに合着することにより該金型の内部から外部に通じる微少間隙が形成されることを特徴とする方法を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、メタルボンドホイールの製造方法及びそれに使用される金型に関し、より詳しくは、ダイヤモンド砥粒又は立方晶窒化硼素砥粒を使用して、厚手な研削面を持つメタルボンドストレートホイールを製造するための方法等に関する。

メタルボンドホイールの一般的な成型焼結方法としては、図５のような成型金型を用いたホットプレス法がよく用いられている。ホットプレス法では、通常、外枠部１と中合部２からな成型金型を用い、砥材を含んだメタルボンド混合物を中合部２と外枠部１との間の成型部４に充填し、熱間中又は成型金型を赤熱後、上下方向から押型３によって加圧し、メタルボンド混合物を焼結し高密度化する。こうしてリング状の砥石ホイールが形成される。

メタルボンドを均一に成型焼結する方法としては、特開平１０−７１５６９号公報に記載されるように熱間等方圧縮（ＨＩＰ）を用い、場合により冷間等方圧縮（ＣＩＰ）を加えカプセルに封入後減圧して熱間等方圧縮（ＨＩＰ）を加える技術が開示されている。
特開平１０−７１５６９号公報

従来のホットプレス法は、図５に示すような上下方向の一軸成型であるため、例えば、薄肉形状のものでは加圧方向の上下両端部で加圧焼成が進みやすく、中央部でそれが進みにくくなり、その結果、焼結体に密度差が生じるという問題点がある。特に最近、メタルボンドホイールの寸法に関して、研削作用面であるホイールの厚みを大きくしたいという寸法上の要求が出てきている。具体的には、厚み方向が２０ｍｍ以上、場合により３０ｍｍ以上又は４０ｍｍ以上、最大では５０ｍｍ以上などの要求がある。これはメタルボンドホイールの厚みを大きくすることにより幅高い研削作用面を持たせ、例えば、シリコンウエハーまたはガラス等の薄い端部を加工する場合に１つの研削作用面で多くの角数を持つホイールを作製し、ホイールコストの低減を意図したものである。このような場合に、製造された１つのメタルボンドホイール砥石層の厚み方向において上下の端側と中央部とで密度差が生じれば、これが砥石硬さの差に表れて、厚さ方向の位置によって研削性能に差が生じるという問題点が発生する。そこで従来では２枚以上のホイールを貼り合せることにより対処することはできた。しかしながら、これではメタルボンドホイールの生産効率が落ち、製造コストが上がるという問題があった。

従って、厚みが必要とされるメタルボンドホイールにおいて、貼り合わせ工程を使うことなく厚み方向の密度差を均一にすることが要求されるところ、上述の通り、従来のホットプレス法では厚み方向が大きくなればなるほど密度差の問題は深刻化する。

従来の技術では、特開平１０−７１５６９号公報記載の方法のように冷間等方圧縮（ＣＩＰ）及び熱間等方圧縮（ＨＩＰ）を行う方法が提案されている。しかしながら、冷間等方圧縮及び熱間等方圧縮を行うことができる設備を導入しようとすれば膨大な設備投資が必要とされ、また２つ以上の工程を経る点で生産効率が悪くなる。結局、設備投資及び生産効率の低下による生産工賃の増大分を回収しようとすればホイールの値段が高くなり実用的でない。またこの製法により現在要求されている２０ｍｍ以上の厚みに対応できるかどうかも不明である。

また、一般的には熱間等方圧縮（ＨＩＰ）の製造工程によると、混合原料充填及び加圧は冷間で一軸方向に行うことになるので、成型充填の上下部は密となり、中央部は粗となるが、その後、熱間で等方で加圧・加熱焼結することで均一な硬度の焼結体が得られる。しかしながら、均一な密度を持った焼結体を得たとしても、成型幅方向で成型加圧方向の上下の幅方向が厚くなり、中央部は薄くなるので、その厚さの違いを均一な幅寸法に加工する工程を設けるために作業量が多くなり、結局、非効率的であり加工コストが増大するという問題が生じる。

そこで、本発明の課題は、砥石ホイールの厚さ方向にできる密度差の問題が解消され、しかも、より厚手のメタルボンドホイールの製造に簡易且つ安価に対応することができる製法及びそれに用いる成型用金型を提供することにある。

上記の課題を解決するために本発明者は鋭意研究を重ねた結果、下記のごとく本発明を完成させた。

すなわち本発明は、ダイヤモンド砥粒又は立方晶窒化硼素砥粒と金属粉末との混合物を成型用金型内で成型焼成することによりメタルボンドホイールを製造する方法であって、前記成型用金型として、その少なくとも一部がその内壁に境界を設けて分割された構成の金型を使用し、前記成型焼成の工程において、前記金型の分割境界面が部分的な溶接等を介して互いに合着しており、該金型の内部から外部に通じる微少間隙が形成されていることを特徴とするメタルボンドホイールの製造方法を提供する。

本発明の製造方法は、前記成型用金型が外枠金型と中合金型とにより構成され、前記分割境界面が前記外枠金型又は中合金型の少なくともいずれか一方に設けられた金型を使用するとよい。

また本発明の製造方法は、前記分割境界面に段差が設けられた成型用金型を使用するとよい。また本発明の製造方法は、分割された構成の金型部分同士をかしめ合わせ、ボルト止め、又は部分的に溶接して固定して使用するとしてもよい。
また本発明の製造方法において、前記分割境界面における微少間隙が、約５０μｍ以下であることが好ましい。

さらに本発明は、ダイヤモンド砥粒又は立方晶窒化硼素砥粒を成型焼成してメタルボンドホイールを製造するための成型用金型であって、その少なくとも一部がその内壁に境界を設けて分割された構成を有し、その分割境界面が互いに合着することにより該金型の内部から外部に通じる微少間隙を形成可能であることを特徴とする成型用金型を提供する。

本発明者は、従来、メタルボンドホイールの成型焼成において押型の加圧方向の中央付近で焼結体の密度が低くなるのは、加圧焼成段階において中央部での押圧作用が進みにくくなるからであると考えた。すなわち、この原因は、押型と金型壁面との摩擦だけでなく、成型金型に充填された粉体（砥粒と金属粉の混合物）中に介在する気体が押型で圧縮されると中央へ寄り集まり、これが金属焼結中に小さな気泡となってとどまり、そしてこのような圧縮気体の圧力が大きくなるに従い背圧（反発圧力）が生じることにある。また、焼結温度が上昇すれば金属粉が流動化を促進し、壁面の摩擦の低減が図られるという面もあるが、焼結された金属中の気泡が集まって大径化し、焼結体中に発泡が起こる場合もある。

本発明によれば、成型用金型としてその少なくとも一部がその内壁に境界を設けて分割された構成の金型を使用し、前記加圧成型工程において前記金型の分割境界面が互いに合着して該金型の内部から外部に通じる微少間隙が形成されるので、加圧中の金型内に生じる圧縮空気をその微少間隙から放出することができ、焼結体の中心部までスムーズに加圧焼結が進み、その結果として加圧方向でほぼ均一な密度に有する砥石ホイールを提供できる。このような砥石ホイールは厚み方向で硬さにバラツキがなく、厚み方向で複数のワーク研削部を設けても研削性能に有意な差は生じない。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施態様を示す断面図である。同図の成型用金型は、円柱状の中合金型２と、この外径を上回る内径を持つリング状の外枠金型１とにより構成されており、中合金型２と外枠金型１との間にリング状の成型部４が形成される。成型部４内にはダイヤモンド砥粒又は立方晶窒化硼素砥粒と金属粉末の混合粉末が充填され、混合粉末に対し上下から挿入されるリング状の押型３で加圧が行われる。

図１に示すように外枠金型１及び中合金型２は、それぞれ２つに分割された構造を有し、加圧方向に対しほぼ水平な分割境界面１′，２′が形成されている。各分割境界面１′，２′は、合着して成型部４の側壁部の中央を分断する位置にくる。外枠金型１と中合金型２とは溶接等で部分的に固定されており、それらの合着面の微少間隙を維持できるようになっている。外枠金型１の分割境界面１′はその外周面で外部に通じ、中合金型２の分割境界面２′は中合金型２の中央部に設けられた孔により外部に通じている。

次に、図１の金型を用いたホットプレス工程を説明する。
上下から２つの押型３を作用させると、成型部４内に充填された混合粉末の高密度化は押型３が接触する部分から始まって中央へ進む。この際に混合粉末中の金属粉が溶融して気体を中央方向へ排除する作用が働く。混合粉末中の気体は、押型側が封密な状態となるため、焼結が進むに従って中央部に寄り集まるが、ここで外枠金型又は中合金型の各分割境界面１′，２′の合着で形成されている微少間隙から外部へ放出される。こうして成型部の中央に集まった空気を逃がすことにより、中央での加圧が進みやすくなり、均一な高密度化が可能となる。その結果、成型厚み方向で高密度で均一な硬さを持ち研削性能にバラツキのない砥石ホイールを製造することができる。

分割境界面における合着とは、分割された構成の金型同士が分割境界面でほぼ密着し、焼結すべき粉末材料を成型部内に封止した状態に保ちつつも、それらの合着面に所定の加圧下で空気の抜け道となる微少間隙を失わない状態を意味する。また金型は、加圧焼成の工程中、押型との摩擦により加圧方向の力を受けるため、上下の金型同士を部分的に固定しており、これにより常に適切な大きさの微少間隙を維持することができる。そのような固定方法としては、例えば、上下両面の円周方向で均等分割した４〜８カ所を溶接する程度でよい。

分割境界面間に形成されるべき微少間隙の大きさは、その金型接触面の面粗度で決まり、約５０μｍ以下、好ましくは約５０〜５μｍ、より好ましくは２０〜５μｍ、特に好ましくは約１０μｍ程度である。

なお、通常、成型厚さは最大でも５０ｍｍ前後の要求レベルであるので、この場合、図１の実施形態のように各金型部分を２つに分割（成型部に対して分割境界面数が１つ）する構成で足りると考えられる。また分割境界面の位置は、押型から十分に奥まった位置、理想的には図１の例のように成型加圧方向の中心部に向けられているとよい。

図２は、本発明の第２の実施態様を示す断面図である。同図に示すように、分割された外枠金型１及び中合金型２の各分割境界面１′，２′に段差が設けられている。このような構成によれば、上下の金型部分の中心軸を一致させる位置決めが容易となる。

図３は、本発明の第３の実施態様を示す断面図である。同図の金型のように、外枠金型１の外周面及び中合金型２の中心部に２分割又は３分割された止め具５を設けてこれらを金型に溶接し、かしめ合わせ、上下の金型部分を半永久的に固定することもできる。

図４は、本発明の第４の実施態様を示す断面図である。同図の金型のように、外枠金型１の外周面及び中合金型２の中心部に止め具としてボルト６を使用すれば、上下の金型部分を分解可能にすることができる。このようにすることで、分割境界面１′，２′を清掃することが可能となり、砥石ホイールの一層安定した製造に寄与する。

上記の態様はいずれも砥石砥粒層を単独で成型するための方法及び金型を示すものであるが、これら態様に限らず、例えば中合金型に代えて金属製のコア材（台金）をセットし、砥石ホイール部の成型焼結と同時にコア部へホイール部とを接着させ、１Ａ１タイプ等のホイールを製造するとしてもよい。この場合は、通常、砥石の幅方向の寸法が短いので、中合金型を使用せずに外枠金型のみを使用し、外枠金型を分割構成にするとよい。

本発明に使用できる砥粒は、ダイヤモンド砥粒又は立方晶窒化硼素砥粒であるが、研削条件等を考慮して他の砥粒を添加してもよい。メタルボンド結合剤としては、ニッケル系、鉄系、コバルト系、銅系、ブロンズ系等が挙げられる。また必要であれば各種充填剤を添加してもよい。いかなる付加的組成も、本発明で意図される効果を逸脱しない範囲で適宜選択されるであろう。

なお、加圧焼成条件等の具体的な製法は、当業者に周知である従来のメタルボンドホイールの製造方法に従う。いずれにしても本発明で意図される効果を逸脱しない範囲で、加圧焼成条件等に関するあらゆる追加及び変更が可能である。

本発明に従って製造されたメタルボンドホイールは、シリコンウエハーの端面加工、ガラスの端面加工、又はセラミックス被削材の端面加工に使用することができるが、これらに限定されず平面、円筒又は内径研削などにも使用してもよい。

以下、本発明の実施例を比較例とともに説明するが、これらは本発明の実施可能性及び有用性を例証するものであり、本発明の構成を何ら限定する意図はない。

ホイール硬度についての試験
本発明の金型（図４）と従来の金型（図５）のいずれか一方を用いて製造されたメタルボンドホイールについて、それぞれ厚み方向でロックウエル硬度（ＨＲＢ）を測定し、比較を行った。

混合原料として、＃５００ダイヤモンド砥粒５．７重量部と、結合剤（Ｃｕ／Ｓｎ／Ｆｅ＝１２／２８／６０）９４．６重量部とを攪拌雷潰機にて２０分間混合し、メタルボンドホイール原料混合物を調製した。各金型の寸法はホイール寸法外径１００ｍｍ、幅５ｍｍ、成型厚さ４５ｍｍに設定し、各金型内に混交原料を充填し、最終加熱温度で加圧焼成（最終圧力は１００ＭＰａ、６５０℃）して試験用ホイールを作製した。作製した各ホイールの厚さ方向で５ｍｍ毎に、円周方向で９０°毎にロックウエル硬度を測定した。

[ロックウエル硬度（ＨＲＢ）の測定方法]
ロックウエル硬度はＪＩＳ規格（ロックウエル硬さ試験Ｂ７７２６、１９９８）に従い、基準荷重９８．０７Ｎ（１０ｋｇｆ）を加え、次に一定の試験荷重を加えて再び戻したとき、前後２回の基準荷重における圧子の侵入深さｈから求められる。本実施例では直径１．５８７５ｍｍ（１／１６インチ）の鋼球を用い、試験荷重９８０．７Ｎ（１００ｋｇｆ）とし１３０−５００ｈの算出式で求めた。
ロックウエル硬度の測定結果を表１に示す。

実施例のホイールは、ロックウエル硬度が成型厚み方向でほぼ均一となっていたが、比較例のものは中央部、特に上側から２５〜３０ｍｍに低硬度の部分が生じていた。これは従来の成型用金型では中央部に気泡が残ったためとと考えられる。これに対して実施例では均一な硬さとなっており、加圧焼成時に気泡が抜け出て均一に高密度化したものと考えられる。

研削テスト
上記実施例１で作製した試験用ホイールを台金に接着して１Ａ１形状の砥石を作製した。ロックウエル硬度を測定した各ポイントに研削用の溝（８箇所）を形成し、各溝により外形１５０ｍｍ、厚さ０．７ｍｍのガラスの端面を研削した。研削は、溝形状が崩れて継続使用が不能となった時点で終了とし、処理できたガラスの枚数を比較した。

［研削条件］
ホイール周速：３０ｍ／ｓ
切り込み：０．５mm
加工物回転速度：１ｍｉｍ-1
研削液：純水
研削テストの結果を表２に示す。

上記研削テスト結果で示されるように、実施例による研削枚数出来高は成型厚み方向でほぼ均等であるが、比較例では中央部の出来高がかなり落ちている。これは、比較例のホイールは成型厚方向の中央部が比較的軟らかいためであると考えられる。

砥石層断面の確認
上記試験に供されたホイール試験片について、焼結後に成型厚さ方向２５ｍｍの部分で砥石層断面を観察した。図６は実施例の試験片、図７は比較例の試験片についての拡大顕微鏡写真である。拡大写真で示されるように、比較例の試験片の砥石組織中には大きな気孔部が見つかり、大きく成長した気泡が残存していることが分かった。これに対して、実施例の試験片にはそのような大きな気泡は見当たらなかった。

本発明の第１の実施態様を示す断面図である。 本発明の第２の実施態様を示す断面図である。 本発明の第３の実施態様を示す断面図である。 本発明の第４の実施態様を示す断面図である。 従来の金型の一構成を示す断面図である。 実施例のメタルボンドホイール試験片の拡大写真である。 比較例のメタルボンドホイール試験片の拡大写真である。

符号の説明

１ 外枠金型
１′ 外枠金型の分割境界面
２ 中合金型
２′ 中合金型の分割境界面
３ 押型
４ 成型部
５ 止め具
６ ボルト

Claims (6)

1. ダイヤモンド砥粒又は立方晶窒化硼素砥粒と金属粉末との混合物を成型用金型内で成型焼成することによりメタルボンドホイールを製造する方法であって、前記成型用金型として、その少なくとも一部がその内壁に境界を設けて分割された構成の金型を使用し、前記成型焼成の工程において、前記金型の分割境界面が互いに合着しており、該金型の内部から外部に通じる微少間隙が形成されていることを特徴とするメタルボンドホイールの製造方法。
2. 前記成型用金型が外枠金型と中合金型とにより構成され、前記分割境界面が前記外枠金型又は中合金型の少なくともいずれか一方に設けられた金型を使用することを特徴とする、請求項１記載のメタルボンドホイールの製造方法。
3. 前記分割境界面に段差が設けられた成型用金型を使用することを特徴とする、請求項１又は２に記載のメタルボンドホイールの製造方法。
4. 分割された構成の金型部分同士をかしめ合わせ、ボルト止め、又は部分的に溶接して固定した成型用金型を使用することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のメタルボンドホイールの製造方法。
5. 前記分割境界面における微少間隙が、約５０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のメタルボンドホイールの製造方法。
6. ダイヤモンド砥粒又は立方晶窒化硼素砥粒を成型焼成してメタルボンドホイールを製造するための成型用金型であって、その少なくとも一部がその内壁に境界を設けて分割された構成を有し、その分割境界面が合着することにより該金型の内部から外部に通じる微少間隙を形成可能であることを特徴とする成型用金型。