JP2005212083A

JP2005212083A - 超砥粒ホイールおよびその製造方法

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Publication number: JP2005212083A
Application number: JP2004025154A
Authority: JP
Inventors: Yoshihito Yamamoto; 義仁山本
Original assignee: Allied Material Corp
Current assignee: Allied Material Corp
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】台金表面に溶射層を設けて、その表面に超砥粒層が接合された超砥粒ホイールにおいて、溶射層と台金の接合強度が十分に上がらず、超砥粒層が脱落する問題点があった。本発明の課題は、溶射層と台金の接合強度を向上させ、長期間に渡って安定した切れ味を発揮する高性能な超砥粒ホイールを提供することである。
【解決手段】台金の表面に、金属溶射による金属皮膜を設ける際に、台金の被溶射面に対して、溶射層が台金と接触している割合が７０％以上となるようにする。７０％以上とするには、溶射される金属粒子の直径を５０μｍ以下とする。より好ましくは、３０μｍ以下として溶射層が台金と接触している割合が８５％以上とすることが好ましい。溶射層は溶射粒が１層並ぶだけでも十分であるが、完全な１層とするのが困難な場合には、２〜３層の多層としても同様の効果が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超砥粒ホイールと、その製造方法に関するもので、特に、砥粒層と台金の接合の改善に関するものである。

超砥粒ホイールとしては、鋼製、アルミニウム合金製等の円板状台金の外縁に、ダイヤモンド、ＣＢＮ等の超砥粒を、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｃｏ、Ｎｉなどの金属等を主成分とする結合材で焼結固着したメタルボンド超砥粒ホイール、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂を主成分とする結合材で固着したレジンボンド超砥粒ホイール、ガラス質およびセラミックス質を主成分とする結合材で固着したビトリファイドボンド超砥粒ホイールなどが公知である。
これらの超砥粒ホイールにおいて、共通して求められる重要な要件の１つは、超砥粒層が台金に強固に接合されていることである。台金と超砥粒層の接合強度を上げるためには、台金と超砥粒層の熱膨張係数の差が少ないことが重要である。また、接合面の表面を粗面化して超砥粒層との接触面積を大きくすると共にアンカー効果を働かすことも重要である。その一つの手段として、台金表面にエッチング処理やサンドブラスト処理を施して、台金表面を粗面化することが行なわれている。
ところが、最近、切断用超砥粒ホイールなどにおいて用いられている超硬合金製、サーメット製およびセラミックス製の台金においては、エッチング処理やブラスト処理によっても充分な粗面を得ることは困難である。これを解決するために、超砥粒層を形成すべき台金の表面に、予め溶射すべき金属（合金や金属中に炭化物などの非金属粉を含有する場合を含む）を、燃焼ガスや電気アーク又はプラズマなどを用いて、溶融に近い状態にまで瞬間的に加熱し噴射して、金属溶射膜を設ける技術が知られている。その溶射膜上に直接又は接合材を介して超砥粒とボンド材との混合粉を充填し、充填物を圧縮加熱して上記溶射膜に一体に接合した超砥粒層を形成する。又は上記溶射膜上に予め形成しておいた超砥粒層を接着剤で一体に接合、固着する。溶射する金属としてＮｉ９５重量％−Ａｌ５重量％のようなテルミット反応合金を使用することが好ましい。また必要によっては１層目の溶射膜を上記Ｎｉ−Ａｌ合金とし、２層目をブロンズのような銅合金とするなど、複数層の溶射膜に形成してもよい。このブロンズの溶射膜は、ボンド材としてブロンズ系材料を用いる場合に、その接合強度を高めるのに特に効果があるが、このように溶射金属並びにそれを複層設ける場合の溶射金属の材質ならびにその厚さを選択することにより、アンカー効果の外、熱膨張係数の差の緩和、衝撃の緩和など、形成される超砥粒層の強化、保護を計ることが期待できる。（例えば、特許文献１参照）

別の文献としては、台金表面の超砥粒層が接合される位置に、溶射によって銅またはアルミニウム−ブロンズの何れかの金属からなる多孔質の緩衝層を５００〜７００μｍの厚みに形成したのち、この緩衝層上に砥材層を焼結接合する超砥粒ホイールの製造方法が公知である。この溶射層は、比較的多孔質であって超砥粒層と台金との熱収縮率の差を十分に緩衝する機能を発揮することができる。溶射層としては、台金の表面処理の観点から、５００〜７００μｍである。さらに、この溶射緩衝層を展延性と超砥粒層と台金との結合能力を有する素材によって形成することによって結合層を兼ねることもできる。この発明によって以下の効果を奏することができる。超砥粒層と台金との間に緩衝層を設けていて、両部材の熱膨張収縮の度合の差によるストレスが吸収されるので、焼成に際しての超砥粒層の亀裂の発生は極端に減少する。従来のめっきによって形成した金属層に比べこの溶射層の場合には、溶射層の表面粗度による超砥粒層の接着条件が良くなるので、接着面積の少ない薄物ホイールの製造範囲が広がる。接着力が格段に向上し、超砥粒ホイールの使用時の信頼性が向上する。台金と砥材層との接着力が向上するので、高錫含有のような硬くて脆いボンドが使用でき、研削性の良好なホイールが製造可能となる。（例えば、特許文献２参照）
特開平１０−１５１５６９号公報特開平２−２５６４６６号公報

しかしながら、上記の溶射層を台金表面に設けても、図４および図５に示すように、台金と溶射層の境界に隙間Ｓが多く存在する場合がある。この場合には、溶射層と台金の接合強度が十分に上がらず、超砥粒層が溶射層と台金の境界で外れる問題が発生した。

上記の課題を解決するために、本発明は台金の表面に、金属溶射による金属皮膜が設けられ、前記金属皮膜の表面に超砥粒層が接合された超砥粒ホイールであって、台金の被溶射面に対して、溶射層が台金と接触している割合が７０％以上であることを特徴とする超砥粒ホイールである。
ここで溶射層とは、金属溶射粒が台金表面に１層以上積層されたものである。金属溶射粒は台金の被溶射面に対して接触している割合が７０％以上であれば十分な接合強度が得られる。より好ましくは、被溶射面に対して接触している割合が８５％以上である。最も好ましくは、図２に示すように、溶射粒が隙間無しで台金に接触していることである。

そして、台金は超硬合金、サーメット、チタンまたはセラミックスのいずれかひとつであることを特徴とするの超砥粒ホイールである。
ここで、超硬合金としてはＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系などの各種超硬合金が使用できる。サーメットとしては、ＴｉＣ−Ｎｉ系、ＴｉＣ−Ｍｏ−Ｎｉ系、ＴｉＣ−Ｍｏ_２Ｃ−ＴｉＮ−Ｃｏ系などの各種サーメットが使用できる。チタンとしては、チタンの他チタン合金が使用できる。セラミックスとしては、ＡＩ_２Ｏ_３系セラミックス、ＡＩ_２Ｏ_３−ＴｉＣ系セラミックスなどの各種セラミックスが使用できる。なお、上記の超硬合金、サーメット、チタン、セラミックスに限定されるものではなく、各種組成のものが使用できる。

そして台金は、台金の厚みが２ｍｍ以下、外径が３００ｍｍ以下であることを特徴とする超砥粒ホイールである。
ここで超砥粒ホイールのサイズに限定を加えたのは、台金が超硬合金、サーメットまたはセラミックスの場合は外径が３００ｍｍを超えるものはほとんど用いられないからである。また厚みに限定を加えたのは、薄い超砥粒ホイールに用いると本発明の効果がより顕著に現れるからである。特に、超硬合金、サーメットを台金とした超砥粒切断ホイールにおいて、厚みが１ｍｍ以下の場合は、より本発明の効果が顕著である。

そして金属皮膜は、直径５０μｍ以下の微少溶射粒を溶射して形成されたことを特徴とする超砥粒ホイールである。
溶射金属としては、Ｎｉ−Ａｌ合金などを用いる。その組成はＮｉが８５〜９５重量％、Ａｌが５〜１５重量％のものが適当であり、溶射される金属粒子が直径５０μｍ以下の微小な粒子となるように溶射条件を設定する。なお、溶射される金属粒子が直径３０μｍ以下となることがより好ましい。台金と溶射層の隙間Ｓがより小さくできるからである。溶射層は溶射粒が１層並ぶだけでも十分であるが、完全な１層とするのが困難な場合には、２〜３層の多層としても同様の効果が得られる。

そして台金表面に、直径５０μｍ以下の微少溶射粒を溶射して金属被膜を形成する工程と、金属被膜の表面に超砥粒層接合する工程からなることを特徴とする超砥粒ホイールの製造方法である。

本発明の超砥粒ホイールは、台金の材質にかかわらず溶射による金属皮膜が強固に台金に固着しており、超砥粒層はこの金属皮膜上に形成されているので超砥粒層が台金から脱落することがなく、長期間に渡って安定した高性能を発揮する。

図１を用いて発明を実施するための最良の形態を説明する。図１は超砥粒切断ホイール（ＪＩＳＢ４１３１における記号で１Ａ１Ｒ型）の部分断面図を示すものである。その下の部分拡大図は、その外周部分の拡大断面図を示す。２は溶射による金属皮膜、３は超砥粒層、４は台金、ｔは台金の厚み、Ｔは超砥粒層の厚み、Ｘは超砥粒層の半径方向の厚み、Ｄは超砥粒切断ホイールの外径を示す。
超砥粒切断ホイールを製作するには、まず円盤状の台金１を準備する。次に、台金の超砥粒層が接合される外周部分に、金属溶射による金属皮膜を設ける。溶射金属としては、Ｎｉ−Ａｌ合金などを用いる。その組成はＮｉが８５〜９５重量％、Ａｌが５〜１５重量％のものが適当であり、溶射される金属粒子が直径５０μｍ以下の微小な粒子となるように溶射条件を設定することが好ましい。溶射層は溶射粒が１層並ぶだけでも十分であるが、完全な１層とするのが困難な場合には、２〜３層の多層としてもよい。
溶射層の成形後に、ダイヤモンド、ＣＢＮなどの超砥粒と、結合材としてレジンボンド、メタルボンドおよびビトリファイドボンドなどの混合物を金型に充填して、ホットプレス法などにより超砥粒層を溶射層の表面に接合する。その後、超砥粒層にツルーイング、ドレッシングを施して、超砥粒切断ホイールが完成する。このようにして完成して超砥粒切断ホイールは、超砥粒層の接合が極めて強固であり、長期間に渡って安定した切れ味を発揮する。

外径Ｄが１５０ｍｍ、厚みＴが０．８ｍｍ、台金厚みｔが０．６ｍｍのＷＣ−Ｃｏ系超硬合金を台金として、本発明の実施例１のレジンボンド超砥粒ホイールを製作した。まず、外径１４６ｍｍ、厚み０．７ｍｍのＷＣ−Ｃｏ系超硬合金の円盤を準備し、これをダイヤモンドホイールが装着された両面研削盤にて、両面を研削して厚みを０．６ｍｍに仕上げ台金とした。次に、Ｎｉ９０重量％−Ａｌ１０重量％の溶射金属をアーク溶射により、台金表面の超砥粒層固着部に溶射した。溶射粒の平均粒径は約４８μｍで、台金表面に１〜２層となるように溶射した。なお、溶射完了後、断面観察により、台金の被溶射面に対して、溶射層が台金と接触している割合を調査したところ７３％であった。次に、Ｎｉ被覆人造ダイヤモンド砥粒とフェノール樹脂の混合物を金型に充填して、ホットプレス法により超砥粒層を台金外周部に固着した。そしてツルーイング、ドレッシングしてレジンボンド超砥粒ホイールが完成した。この実施例１の超砥粒ホイールを用いて、人造サファイヤを研削テストしたところ安定した切れ味が長時間に渡って持続した。そして超砥粒層が消耗してなくなるまで超砥粒層が台金から剥離することは一切、認められなかった。

外径Ｄが１５０ｍｍ、厚みＴが０．８ｍｍ、台金厚みｔが０．６ｍｍのＴｉＮ系サーメットを台金として、本発明の実施例２のレジンボンド超砥粒ホイールを製作した。まず、外径１４６ｍｍ、厚み０．７ｍｍのサーメットの円盤を準備し、これをダイヤモンドホイールが装着された両面研削盤にて、両面を研削して厚みを０．６ｍｍに仕上げ台金とした。次に、Ｎｉ９０重量％−Ａｌ１０重量％の溶射金属をアーク溶射により、台金表面の超砥粒層固着部に溶射した。溶射粒の平均粒径は約２９μｍで、台金表面に１〜３層となるように溶射した。なお、溶射完了後、断面観察により、台金の被溶射面に対して、溶射層が台金と接触している割合を調査したところ９２％であった。次に、Ｎｉ被覆人造ダイヤモンド砥粒とフェノール樹脂の混合物を金型に充填して、ホットプレス法により超砥粒層を台金外周部に固着した。そしてツルーイング、ドレッシングしてレジンボンド超砥粒ホイールが完成した。この実施例２の超砥粒ホイールを用いて、光学ガラスを研削テストしたところ安定した切れ味が長時間に渡って持続した。そして超砥粒層が消耗してなくなるまで超砥粒層が台金から剥離することはなかった。

外径Ｄが１５０ｍｍ、厚みＴが０．８ｍｍ、台金厚みｔが０．６ｍｍのＡＬ_２Ｏ_３系セラミックスを台金として、本発明の実施例３のレジンボンド超砥粒ホイールを製作した。まず、外径１４６ｍｍ、厚み０．７ｍｍのセラミックス円盤を準備し、これをダイヤモンドホイールが装着された両面研削盤にて、両面を研削して厚みを０．６ｍｍに仕上げ台金とした。次に、Ｎｉ９０重量％−Ａｌ１０重量％の溶射金属をアーク溶射により、台金表面の超砥粒層固着部に溶射した。溶射粒の平均粒径は約２９μｍで、台金表面に１〜３層となるように溶射した。なお、溶射完了後、断面観察により、台金の被溶射面に対して、溶射層が台金と接触している割合を調査したところ９５％であった。次に、Ｎｉ被覆人造ダイヤモンド砥粒とフェノール樹脂の混合物を金型に充填して、ホットプレス法により超砥粒層を台金外周部に固着した。そしてツルーイング、ドレッシングしてレジンボンド超砥粒ホイールが完成した。この実施例３の超砥粒ホイールを用いて、光学ガラスを研削テストしたところ安定した切れ味が長時間に渡って持続した。そして超砥粒層が消耗してなくなるまで超砥粒層が台金から剥離することは認められなかった。

比較例１

外径Ｄが１５０ｍｍ、厚みＴが０．８ｍｍ、台金厚みｔが０．６ｍｍのＷＣ−Ｃｏ系超硬合金を台金として、比較例１のレジンボンド超砥粒ホイールを製作した。まず、外径１４６ｍｍ、厚み０．７ｍｍのＷＣ−Ｃｏ系超硬合金の円盤を準備し、これをダイヤモンドホイールが装着された両面研削盤にて、両面を研削して厚みを０．６ｍｍに仕上げ台金とした。次に、Ｎｉ９０重量％−Ａｌ１０重量％の溶射金属をアーク溶射により、台金表面の超砥粒層固着部に溶射した。溶射粒の平均粒径は約５２μｍで、台金表面に１〜２層となるように溶射した。なお、溶射完了後、断面観察により、台金の被溶射面に対して、溶射層が台金と接触している割合を調査したところ６７％であった。次に、Ｎｉ被覆人造ダイヤモンド砥粒とフェノール樹脂の混合物を金型に充填して、ホットプレス法により超砥粒層を台金外周部に固着した。そしてツルーイング、ドレッシングしてレジンボンド超砥粒ホイールが完成した。この比較例１の超砥粒ホイールを用いて、人造サファイヤを研削テストしたところ、超砥粒層が台金から剥離してテストの継続ができなくなった。この原因は溶射層と台金の接合強度不足と考えられる。

本発明の超砥粒ホイールの部分断面図と、その外周部の拡大図を示す。本発明の溶射層の台金への接合状態を示す断面図である。別の実施例における、本発明の溶射層の台金への接合状態を示す断面図である。比較例における、溶射層の台金への接合状態を示す断面図である。別の比較例における、溶射層の台金への接合状態を示す断面図である。

符号の説明

１超砥粒ホイール
２溶射層
３超砥粒層
４台金
ｔ台金厚み
Ｔ超砥粒層厚み
Ｄ超砥粒ホイールの外径
Ｘ超砥粒層の半径方向厚み

Claims

台金の表面に、金属溶射による金属皮膜が設けられ、前記金属皮膜の表面に超砥粒層が接合された超砥粒ホイールであって、
前記台金の被溶射面に対して、溶射層が台金と接触している割合が７０％以上であることを特徴とする超砥粒ホイール。
前記台金は超硬合金、サーメット、チタンまたはセラミックスのいずれかひとつであることを特徴とする請求項１記載の超砥粒ホイール。
前記台金は、台金の厚みが２ｍｍ以下、外径が３００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の超砥粒ホイール。
前記金属皮膜は、直径５０μｍ以下の微少溶射粒を溶射して形成されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の超砥粒ホイール。
台金表面に、直径５０μｍ以下の微少溶射粒を溶射して金属被膜を形成する工程と、
前記金属被膜の表面に超砥粒層接合する工程からなることを特徴とする超砥粒ホイールの製造方法。