JP2010099779A - 超砥粒 - Google Patents

Abstract

【課題】硬質材料の湿式・乾式での切断・穿孔等の加工に使用されるメタルボンド超砥粒を得ること、脆弱性の度合いが二種類以上の超砥粒をダイヤモンド又はＣＢＮの量とベースボンドの種類を異ならしめることなく得ること、バッキング層を備えかつ軟らかいベースボンドを用いることができる超砥粒を得ることを課題とする。
【解決手段】六方晶窒化ホウ素を固体潤滑剤として含有するメタルボンド超砥粒、六方晶窒化ホウ素の含有量がベースボンドに対し９重量％以下であるメタルボンド超砥粒によって課題を解決する。
【選択図】図２

Description

本発明は、メタルボンド超砥粒に関し、特に、石材、コンクリート（鉄筋コンクリート）アスファルト等の硬質材料の湿式、乾式での切断、穿孔等の加工に使用されるメタルボンド超砥粒に関する。また、特にその中でも乾式でのコンクリートの加工に広く使用されるメタルボンド超砥粒に関する。

超砥粒は、ダイヤモンドやＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）等をベースボンドとともに焼結して製造する。超砥粒はセグメントチップとして、基板にロー付け、溶接等によって接合し、切削、切断、穿孔、研磨、に用いる。

超砥粒は、ベースボンドの種類によって分類することができ、レジノイド等の樹脂を用いたレジンボンド超砥粒、セラミックを用いたビトリファイドボンド超砥粒、金属粉を用いたメタルボンド超砥粒などがある。

切断対象の硬さや大きさにより、超砥粒に求められる耐摩耗性及び脆弱性等は様々である。また、複数の回転刃を切断装置に取り付け、同時に複数の切断を行う場合、超砥粒の配置数による切断のための圧力の変化や、切断装置の出力、回転数、等により、超砥粒に求められる耐摩耗性及び脆弱性は様々である。

そのような様々な耐摩耗性、脆弱性を備えた超砥粒を得るため、従来は、ベースに用いる金属粉の配合比及び焼結方法（焼結の温度と時間）によって違いを得ていた。すなわち例えば、軟らかい削材に対しては硬いボンドが適するのでタングステンの配合比を高める、硬い削材に対しては柔らかいボンドが適するのでブロンズや銀の配合比を高める、といった具合である。

特許文献１には、ビトリファイドボンドで高研削能を得るために、固体潤滑剤として二硫化モリブデン、六方晶窒化ホウ素、及び黒鉛から選択される一種又は二種以上の潤滑剤を砥粒中体積率０．０５％〜５％含むことを特徴とするものが開示されている。

特許文献２には、ベース層、中間層、表面層の三層構造で構成されており、表面層や中間層に六方晶窒化ホウ素を用いた切削インサートが開示されている。

特許文献３には、ポリイミド樹脂と金属とを両方含み、潤滑剤として六方晶窒化ホウ素を用いたものが開示されている。

特許文献４には、レジンボンドであってグラファイト粒及び六方晶窒化ホウ素粒を改良剤として用いたものが開示されている。特許文献４では、改良剤としての六方晶窒化ホウ素を、粒径が、超砥粒の平均粒径の１．２倍以上３．８倍以下と非常に大きいものを用いている。研削加工に伴い、ボンドレジンから六方晶窒化ホウ素が脱落し、脱落部分が、超砥粒よりも大きい空所となり、この空所（ポケット）が研削液および研削粉の一時的貯留の機能を果たし、その結果、切れ味が良く大きな研削比での研削加工が可能となっている。
特開２０００−６１８４７公報 特開２００４−３３８０４１公報 特開２００４−５０３３１公報 特開２００７−１５０５４公報

超砥粒では、切削時に生じる切削屑がベースボンドを削り取ることによってベースボンドの摩耗が引き起こされ、これによりダイヤモンド（又はＣＢＮ）の自生が促され、自生したダイヤモンド（又はＣＢＮ）により切削が行われる。

コンクリートのドライカッティング等の硬質被削材に用いる超砥粒ではメタルボンド超砥粒が適切であるところ、被削材が硬いために、時間当たりの切削量が比較的小さく、このため切削粉（切屑）が少なくかつ細かくなり、ベースであるメタルボンドの磨耗が十分に起こらない。このため、ダイヤモンドの自生が十分に行われず、切削不良が起きる。

そこで、コンクリートのドライカッティング等の硬質被削材に用いる超砥粒として、軟らかく、かつ脆弱性の高いメタルボンド超砥粒が求められている。

ベースに用いる金属の配合として、ブロンズやシルバーを添加すると軟らかさは得られるが、脆弱性が低く切削屑によるダイヤモンドの自生促進が不十分である。また、軟らかいためにダイヤモンド等の超砥粒に衝撃や応力が加わった際にボンドに陥入したり位置のずれが生じて脱落したりして、十分な切削が得られない。従って被削材の硬度に応じて配合比を調節し、最適なものを得るようにしていた。

図１を参照して、超砥粒（１）は切削の際、隅の部分から削り取られる（ｂ）。従って超砥粒の脆弱性が均一の場合、超砥粒は隅の部分が削れて丸くなり（ｃ）、被削材との接触面積が大きくなるために切削のために必要な圧力が大きくなって切断の負荷が上がり、直進し難くなる。また左右の応力を受けやすいために直進し難くなる。その結果、両側面が削りとられて超砥粒（１）が基板（１０）と同じ幅になり（ｄ）、短期間で、使用不能となった。

従来より、超砥粒を縦方向の層構造とし、外側の層（２）に、内側の層（３）よりも脆弱性の高いものを用いることが行われていた（図２）。このような脆弱性の異なる層構造は、従来、各層に同一のベースボンドを用い、ダイヤモンド（またはＣＢＮ）の含有率を異ならせることにより得ていた。すなわち、ダイヤモンド等の含有率に関し、外側を高くし、内側を低くして、外側の方が内側よりも摩耗性が高くなるようにした。異なるベースボンドを用いることは、ベースボンドによって焼結条件が異なるために、できなかった。超砥粒は、切削の際に隅の部分から削りとられるが（図２の符号ｂ）、縦方向に層構造とすることにより、両側面が削り取られることなく切削が進行し（図２の符号ｃ）、超砥粒の幅を長期間維持することができた。また、図では３層の層構造を示すが、この他に、より磨耗形態を改善するために５層又は７層の層構造とする超砥粒もある。

図３を参照して、超砥粒を基板に溶接する場合、充分な強度を持った溶接を行うために、通常、超砥粒（１）の基板（１０）との取り付け部分にバッキング層（４）と呼ばれる基板との溶接性の良い層を設けることが行われていた。バッキング層は通常、ダイヤモンドやＣＢＮを混入させない層であり、超砥粒（１）のうちバッキング層以外の層はミックス層（５）と呼ばれる。バッキング層では、基板との溶接を可能にする為に、基板との溶接性に基づきその組成を選択しなければならない。その条件を満たす為には、軟らかい組成を採用できないことから、硬い層にする必要がある。さらに、バッキング層とミックス層の間の固着性を充分にするために、双方のベースボンドを、同一かあるいは非常に組成の近いものにする必要がある。

コンクリートのドライカッティング等、切断対象が硬質の場合、軟らかいベースボンドを用いる必要があるが、基板との溶接の必要のためにバッキング層を設け、バッキング層と同一または組成の近いベースボンドにする必要がある。このため、ミックス層のベースボンドも硬いものを用いざるを得なかった。そこで、コンクリートのドライカッティングに用いる超砥粒では、前述の三層構造にすることにより、硬いベースボンドを用いても、最大限良好な使用ができるようにしていた。

しかし、この手段では極めて不十分であり、コンクリートのドライカッティング等、切断対象が硬質の場合の、優れた切削・穿孔・研磨の可能な超砥粒の開発が望まれていた。

メタルボンド超砥粒であって、切削・穿孔・研磨の際に、切屑の排出及び被削材との滑りがよく、切屑の排出がスムーズに行われ、高温による切屑の付着が抑制され切れ味の優れた超砥粒を得ることを課題とする。

石材、コンクリート（鉄筋コンクリート）、アスファルト等の硬質材料の湿式、乾式での切断、穿孔等の加工に使用されるメタルボンド超砥粒を得ることを課題とする。特にその中でも乾式でのコンクリートの加工に広く使用されるメタルボンド超砥粒を得ることを課題とする。

メタルボンドであって、六方晶窒化ホウ素を個体潤滑剤として混入させ、六方晶窒化ホウ素の含有量の差異により、超砥粒の摩耗性、脆弱性の高いものと低いものとを得ることを課題とする。

脆弱性の度合いが二種類以上の超砥粒を、ダイヤモンド又はＣＢＮの量と、ベースボンドの種類を、異ならしめることなく得ることを課題とする。

バッキング層を備え、かつ軟らかいベースボンドを用いることができる超砥粒を得ることを課題とする。

同一焼結条件で、摩耗性、脆弱性の異なる部位を備える超砥粒を得ることを課題とする。

請求項１では、六方晶窒化ホウ素を固体潤滑剤として含有するメタルボンド超砥粒によって課題を解決する。

六方晶窒化ホウ素は、層状構造を有し、９００℃まで耐酸化性が低下せず固体潤滑剤として機能する。その結果、超砥粒と被削材との滑りがよく、高温による切屑の付着が抑制される。超砥粒が脆弱性を得ており、かつ固体潤滑剤としての機能を失わないことにより、優れた切削・穿孔・研磨状態を長時間維持できる。

請求項２では、六方晶窒化ホウ素の含有量がベースボンドに対し９重量％以下であるメタルボンド超砥粒によって課題を解決する。

六方晶窒化ホウ素は溶解金属と反応せず、超砥粒中の他の素材と化学的に融合せずに存在し、超砥粒中の他の素材の融合を妨げるものとして機能する。焼結体の強度は、金属どうしの結合によって得られるところ、六方晶窒化ホウ素の存在により、金属どうしの結合が阻害され、その結果、メタルボンド超砥粒の脆弱性、磨耗性が得られる。六方晶窒化ホウ素の含有量を、９重量％より多くすると、脆弱性が高くなりすぎ、六方晶窒化ホウ素を加えたことによる効果が十分に得られない。

請求項３では、六方晶窒化ホウ素の粒径が５０μｍ以下であ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超砥粒によって課題を解決する。

六方晶窒化ホウ素の粒径を５０μｍ以下にすることは、六方晶窒化ホウ素の粒径を、ベースボンドに用いる金属粉の粒子と大きさが同等かあるいは小さくすることを意味する。この結果、六方晶窒化ホウ素粒がベースボンドに用いる金属粉の十分な結合を妨げ、脆い超砥粒になる。ベースボンドの磨耗性が高くなり、その結果、ダイヤモンド（またはＣＢＮ）の自生が十分に行われる。このような構成であるので、例えば粒径が５０μｍを超え６０μｍであっても、六方晶窒化ホウ素の含有量を多くすることにより、同様の効果は得られる。また、ベースボンドに使用される金属粉の粒子は、一般的に数ミクロンから５０μｍ程度と幅が有る為に、六方晶窒化ホウ素の粒径は、均一な分散をさせ、金属間の結合を均一に妨げるようにする為にベースボンドに使用される金属粉の粒径と同等程度か小さい方が好ましい（１〜１０μｍ）。

本願発明において六方晶窒化ホウ素が超砥粒の摩耗性を高める機構は、特開２００７−１５０５４（特許文献４）との差異の点で重要である。すなわち、特開２００７−１５０５４記載の発明では、六方晶窒化ホウ素の粒径が、超砥粒の平均粒径の１．２倍以上３．８倍以下と非常に大きいものを用いており、六方晶窒化ホウ素が脱落した際にできる大きな孔の中の乱流により切削屑がボンドを削り取ることを利用して高い摩耗性を備えるようにしており、本願発明とは構成が異なる。

請求項４では、六方晶窒化ホウ素がベースボンドと化合していない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超砥粒によって課題を解決する。

ベースボンドとして用いるメタルに、六方晶窒化ホウ素と化学反応をおこなさないものを用いることによりこのようなメタルボンド超砥粒を得ることができる。メタルボンドの混合割合は、例えば、重量％で、鉄４０％、コバルト４０％、銅１２％、銀５％、超砥粒３％である。

請求項５では、摩耗性の異なる複数の層を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のメタルボンド超砥粒によって課題を解決する。

請求項６では、六方晶窒化ホウ素の含有量が異なる複数の層を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のメタルボンド超砥粒よって課題を解決する。

六方晶窒化ホウ素の含有量を異ならしめることにより、摩耗性を異ならしめることができる。これにより、ベースボンドの種類とダイヤモンド（またはＣＢＮ）の量が同じものにおいて、六方晶窒化ホウ素を添加することにより摩耗性を高めることができる。そして所定の量を超えるまで、摩耗性は六方晶窒化ホウ素の含有量の増加に伴って高まる。従って、六方晶窒化ホウ素の含有量を異ならしめることにより、一つの超砥石において摩耗性の異なる部位を備えたものを得ることができる。

一つの超砥石において摩耗性の異なる部位を備えたものを得るに際し、単一のベースボンドを用いているため、焼結条件の設定がきわめて容易である。

一つの超砥石において、どの位置にどのような形状でどのような耐摩耗性の部位を設けるかを、切断対象等によって、自在に定めることができる。ベースボンドとして何を用いるかに関しても、切断対象等によって自在に定めることができる。

六方晶窒化ホウ素の含有量の異なる複数の層を備える超砥石を製造する方法は従来と同様である。すなわち、一つには、六方晶窒化ホウ素の含有量の異なる複数種のコールドプレッシング成形体を形成したのち、複数のコールドプレッシング成形体を一体にして焼結する方法がある。また、その他の方法として、所定の割合で金属粉とダイヤモンド（又はＣＢＮ）と六方晶窒化ホウ素を混合せしめ、そのような混合物に関し、六方晶窒化ホウ素の混合率が異なるものを複数準備し、焼結用の型に、所定の順番で投入して層構造とし、焼結する方法がある。

請求項７では、縦方向に並ぶ層構造であって、外方向の層が内方向の層よりも摩耗性が低い層構造を備えることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のメタルボンド超砥粒によって課題を解決する。

セグメントを縦方向に並ぶ層構造とし、外側の層の摩耗性を、中央部の摩耗性よりも低くすることにより、切削作業に際し、側面（外側の層）の摩耗を抑制することができ、優れた切削性を長期間維持することができる。本願にかかる超砥石では、単一のベースボンドで構成されているため、構成するベースボンドに適した焼結条件を用いることにより、各層の結合が十分な、摩耗性の優れた層構造の焼結体を得ることができる。また、従来、同一のメタルボンドを用いかつ各層の摩耗性を異ならせしめるためには、ダイヤモンドの含有量を異ならせしめるしか方法がなかったところ、本願にかかる超砥石では、各層のダイヤモンドの量が同じでかつ外方向の層が内方向の層よりも摩耗性の高い、多層構造の超砥石を得ることができる。

これにより、従来よりもより大きな磨耗性の変化をさせることが可能になり多様な被削材、使用機械等に、従来よりも適合し、図２に示したような最適な磨耗形態を可能に出来る超砥粒の製作が可能になる。また、ダイヤモンドの使用料を抑えることができ、安価な製品を得ることができる。

請求項８では、複数の層が同一のベースボンドでなることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれかに記載のメタルボンド超砥粒によって課題を解決する。

従来、摩耗性の差異は、ベースボンドの成分の相異により得ていた。ベースボンドの成分毎に最適焼結温度及び最適焼結時間があるため、複数の層を備える超砥石の製造は極めて困難であり、良好な耐摩耗性と、優れた切削性を長期間維持する能力を備えたセグメントを得ることはできなかった。

本願に係る超砥石では単一のベースボンドで構成されているので、構成するベースボンドに適した焼結条件のみを用いることによって、極めて良好な焼結体を得ることができる。

請求項９では、バッキング層がダイヤモンド又はＣＢＮを含まないことを特徴とする請求項５乃至請求項８のいずれかに記載のメタルボンド超砥粒によって課題を解決する。

請求項１０では、バッキング層が六方晶窒化ホウ素を含有しないことを特徴とする請求項５乃至請求項９のいずれかに記載のメタルボンド超砥粒によって課題を解決する。

請求項１１では、グラファイトを固体潤滑剤として含有するメタルボンド超砥粒によって課題を解決する。グラファイトは、六方晶窒化ホウ素と同様、ベースのメタルボンドの不純物として混在し得、かつ破壊しやすく超砥粒の摩耗の邪魔にならない。ベースにグラファイトと化学反応が生じないものを用いる場合には、必要とされる脆弱性が得られ摩擦熱による燃焼も生じない。

請求項１２では、グラファイトの含有量がベースボンドに対し９重量％以下であり、グラファイトの粒径が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１１に記載のメタルボンド超砥粒によって、課題を解決する。

メタルボンド超砥粒であって、切削・穿孔・研磨の際に、切屑の排出及び被削材との滑りがよく、切屑の排出がスムーズに行われ、高温による切屑の付着が抑制され切れ味の優れた超砥粒を得ることができる。

石材、コンクリート（鉄筋コンクリート）アスファルト等の硬質材料の湿式、乾式での切削等加工に良好に使用されるメタルボンド超砥粒を得ることができる。また、乾式でのコンクリートの切削等加工に良好に使用されるメタルボンド超砥粒を得ることができる。

メタルボンドであって、六方晶窒化ホウ素が個体潤滑剤として機能し、六方晶窒化ホウ素の含有量の差異により超砥粒の摩耗性、脆弱性の高い者と弱いものを得ることができる。

磨耗性が異なるメタルボンドを同一焼結条件で焼結することが可能となることにより、一つの焼結体で磨耗性の異なる部位を備えたセグメントチップを得ることができる。

同一焼結条件で、摩耗性、脆弱性の異なる部位を備える超砥粒を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、実施例１から実施例４で説明する。

作業：水を使用せずにコンクリートに４０ｍｍ間隔で深さ６ｍｍの溝を１５本同時に掘る。
機械：搭乗式の乾式グルービングマシン（エンジン式出力36.8kw、使用軸回転数2,300min^−１）
ブレード：外径３００ｍｍ、同一回転軸に４０ｍｍ間隔で１５枚
セグメントチップ：厚さ６ｍｍ
切削深さ：６ｍｍ

結果：

作業：水を使用せずにコンクリートに深さ６ｍｍの目地を掘る。
機械：乾式コンクリートカッター（エンジン式出力12.5kw、軸回転数2,300 min^−１）
ブレード：外径３００ｍｍ、１枚
セグメントチップ：：厚さ５ｍｍ
切削深さ：６ｍｍ

結果：

作業：水を使用せずにコンクリートに直径２５ｍｍ、深さ２５０ｍｍの孔を穿つ。
機械：電動式穿孔機（モータ出力1.5kw、軸回転数4,300 min^−１）
穿孔径：２５ｍｍ
穿孔深さ：２５０ｍｍ

結果：

実験：サンドブラスト（株式会社不二越の製品）を用いて、超砥粒の摩耗量に関し、六方晶窒化ホウ素の添加量の比較実験を行った。表の１〜４では、六方晶窒化ホウ素を添加したベースボンドは同一の素材を用い、同一条件で焼結を行った。六方晶窒化ホウ素の添加量はベースボンドに対する重量パーセントで示す。
空気圧：５ｋｇ／ｃｍ^２
砂状砥石：カーボンランダム（粒径約１５０μｍ）
噴射距離：４０ｍｍ
噴射時間：９０秒

結果：

上記実験結果より、六方晶窒化ホウ素の添加量を異ならせることにより、同一焼結条件により、摩耗量の異なる超砥粒が得られることが判明した。また、ベースボンドに六方晶窒化ホウ素を添加することにより、もっとも摩耗性の高いといわれていたブロンズ１００％のメタルボンドの摩耗性を超える摩耗性を備えた超砥粒が得られることが判明した。

超砥粒の摩耗経過を示す。 超砥粒の摩耗経過を示す。 超砥粒を示す。 超砥粒を示す。

符号の説明

１ 超砥粒
２ 外側の層
３ 中央の層
４ バッキング層
５ ミックス層
１０ 基板

Claims (12)

1. 六方晶窒化ホウ素を固体潤滑剤として含有するメタルボンド超砥粒。
2. 六方晶窒化ホウ素の含有量がベースボンドに対し９重量％以下であるメタルボンド超砥粒。
3. 六方晶窒化ホウ素の粒径が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のメタルボンド超砥粒。
4. 六方晶窒化ホウ素がベースボンドと化合していないことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のメタルボンド超砥粒。
5. 摩耗性の異なる複数の層を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のメタルボンド超砥粒。
6. 六方晶窒化ホウ素の含有量が異なる複数の層を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のメタルボンド超砥粒。
7. 縦方向に並ぶ層構造であって、外方向の層が内方向の層よりも摩耗性が低い層構造を備えることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のメタルボンド超砥粒。
8. 複数の層が同一のベースボンドでなることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれかに記載のメタルボンド超砥粒。
9. バッキング層がダイヤモンド又はＣＢＮを含まないことを特徴とする請求項５乃至請求項８のいずれかに記載のメタルボンド超砥粒。
10. バッキング層が六方晶窒化ホウ素を含有しないことを特徴とする請求項５乃至請求項９のいずれかに記載のメタルボンド超砥粒。
11. グラファイトを固体潤滑剤として含有するメタルボンド超砥粒。
12. グラファイトの含有量がベースボンドに対し９重量％以下であり、グラファイトの粒径が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１１に記載のメタルボンド超砥粒。

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