JP2019136835A - コーティング砥石およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い砥粒保持力と耐摩耗性を有するコーティング砥石およびその製造方法を提供する。【解決手段】切れ刃となるダイヤモンドやｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）などの硬質粒子である砥粒を金属ボンド材で保持する砥石であり、そのボンド材と砥粒が炭化チタンなどの硬質炭化物などでコーティングされており、ボンド材と砥粒が物理的に、化学的に強固に結合されている砥石と、その砥石とチタンなどを主成分とする電極を摺動させながら、コーティングする製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、コーティング砥石およびその製造方法に関するものである。切れ刃となるダイヤモンドやｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）などの硬質粒子である砥粒を金属ボンド材で保持する砥石であり、そのボンド材と砥粒が炭化チタンなどの硬質炭化物などでコーティングされており、ボンド材と砥粒が物理的に、化学的に強固に結合されていることを特徴とする砥石である。さらに、その砥石とチタンなどを主成分とする電極を摺動させながら、放電表面処理することを特徴とする製造方法である。

（電着砥石）
一般に、電着砥石は、円柱状のシャンクや円盤形のホイール（台金）の表面に、１層のみの砥粒層が配置されており、その砥粒を、電解めっきもしくは無電解めっきによってニッケルなどの金属を析出させて埋め込み、砥粒を固着した砥石である。電着砥石は、ガラスやセラミックスなどの硬脆材料の穴加工や溝加工、側面加工などに用いられる。砥石の形態としては、軸付砥石、ブレード、ホイール砥石などがある。

（電鋳ブレード）
一般に、電鋳ブレードは、電着砥石とは以下の点で異なる。１）台金を用いず、基本的にボンド材と砥粒のみから構成されている。２）砥粒層が多層であり、金属ボンド内に砥粒が重なり合って複合されている。一方、砥粒を電解めっきもしくは無電解めっきによってニッケルなどの金属を析出させて埋め込み、砥粒を固着する砥石である点は共通している。電鋳ブレードは、厚さ０．１ｍｍ以下のものが製造できるため、基盤やウェハなどのダイシングや硬脆材料の切断加工に用いられる。

（ボンド材の耐摩耗性の改善の要望）
ダイヤモンド砥粒を金属ボンドにより固着した砥石において、ボンド材が加工屑のスクラッチなどで摩耗すると砥粒保持力が低下するため、金属ボンド材の耐摩耗性の改善が求められている。電着砥石、電鋳ブレードの場合、電解めっきもしくは無電解めっきで析出できる金属はニッケルやクロムなどに限定されており、炭化チタンなどの硬質な炭化物を形成することはできない。そのため、電解めっきもしくは無電解めっきにより、金属ボンドで砥粒を固着した後、コーティング技術により、ボンド材の耐摩耗性の改善が検討されている。

（ボンド材の砥粒保持力の改善の要望）
ダイヤモンド砥粒を金属ボンドにより固着した砥石において、砥粒の脱落が工具寿命を決定するために、その砥粒保持力の改善が課題となっている。特に、砥粒層が１層しかない電着砥石では、砥粒の脱落が工具寿命を決定するために、その砥粒保持力の改善が課題となっている。砥粒保持力の改善のために、被覆砥粒を用いてボンド材との結合力を高めることが検討されている。

（従来技術による対策と問題点１）
特許文献１記載の技術では、砥石の耐摩耗性を改善するために、側面にＣＶＤ（化学気相成長法）により炭化チタン（ＴｉＣ）コーティングした薄刃砥石を提案している。しかし、ＴｉＣコーティングとボンド材との界面密着性が不十分である。さらに、砥粒とボンド材の密着性、砥粒保持力を改善できる構成になっていないため、前記課題の解決策としては不十分である。

（従来技術による対策と問題点２）
特許文献２記載の技術では、ＣＶＤもしくはＰＶＤ（物理気相成長法）により、砥粒表面にチタンの薄膜コーティングを施し、マイクロクラックや研削時の衝撃による破砕を押さえた砥石を提案している。しかし、ボンド材の耐摩耗性の改善はできていない。砥粒とボンド材の間にコーティング層を有することで密着性改善が図られているが、そこには境界がはっきりした界面が存在し、界面剥離の可能性があり、密着性は十分であるとはいえず、前記課題の解決策としては不十分である。

（従来技術による対策と問題点３）
特許文献３記載の技術では、エンドミルの放電表面処理方法とその装置を提案している。この手法は、液中でのパルス放電により、金属表面に密着性の良いＴｉＣなどのコーティングを施させる手法である。これを砥石へ用いることができれば良いが、絶縁性硬質砥粒であるダイヤモンドなどを含む砥石のコーティング方法として検討したものではないため、前記課題の解決策としては用いることができない。

特開２００９−００６４０９号公報 特開２００５−０２８５２５号公報 特開平１０−３３７６１７号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものである。すなわち、本発明は、メタルボンドホイール、電着砥石、電鋳・電着ブレード、電着ワイヤーなど金属をボンド材とする砥石の工具寿命を改善するために、コーティングによりボンド材の耐摩耗性と砥粒との密着性を改善した砥石およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明における課題の解決手段の概要は、以下のとおりである。（１）ダイヤモンド砥粒やｃＢＮ砥粒を切れ刃とする砥石であり、そのボンド材と砥粒が炭化チタンなどの硬質炭化物などでコーティングされており、ボンド材と砥粒が物理的に、化学的に強固に結合されていることを特徴とする砥石。物理的に強固に結合とは、ボンド材が砥粒を包み込むように被膜が形成されて、そのコーティングが砥粒とボンド材の表面を連続的に被覆して、強固な物理的なアンカリング効果を発現させることを示す。化学的に強固に結合とは、砥粒表面のコーティング層と砥粒とが化合物を形成し、化学的にも強固に結合していることを示す。（２）前記砥石とチタンなどを主成分とする電極を摺動させながら、放電表面処理することで、電極材が削り取られ砥粒表面に付着し、砥粒表面に導電性を与える工程と、その後、導電性を有した砥粒表面に放電が飛び、ボンド材のみならず、砥粒表面をコーティングする工程を有し、砥石のボンド材と砥粒とを連続的に硬質コーティングすることを特徴とする製造方法。

本発明によれば、砥粒が金属ボンド材に分散配置された砥石であり、最表面の砥粒と前記金属ボンド材とが、非酸化物セラミックスを含む連続したコーティングで覆われており、前記コーティングと前記金属ボンド材表面とがその界面に前記コーティングの成分と金属ボンドの成分からなる溶融再凝固層を形成して結合していることによって、連続的に砥粒を包み込むように配置された硬質なコーティングによってボンドの耐摩耗性と砥粒保持力とを同時に改善することができ、しかもコーティングと金属ボンド層が溶融再凝固層によって強固に結合していることによって、従来技術の課題であるコーティングと金属ボンド材の界面接着強度を改善できる。

請求項２によれば、前記コーティングと前記砥粒とがその界面に化合物を形成して結合していることにより、コーティングと砥粒との間の界面接着強度が改善され、砥粒保持力を高めることができる。
さらに、請求項５によれば、前記砥粒がダイヤモンド砥粒であり、前記コーティングと前記砥粒との界面に存在する前記化合物が炭化チタンであることにより、コーティングと前記砥粒との間の界面接着強度を改善することができる。

請求項３によれば、前記非酸化物セラミックスが、炭化チタン、窒化チタン、炭化タングステンから選択された１種以上の非酸化物セラミックスからなり、前記金属ボンドが、ニッケル、クロム、銅、亜鉛のいずれかを主成分とする金属ボンドであることによって、耐摩耗性が不十分な金属ボンドの表面に硬質な炭化チタン、窒化チタン、炭化タングステンあるいはそれらの複合材料を配置することで砥石の耐摩耗性を改善することができる。

請求項４によれば、前記非酸化物セラミックスが炭化チタンであり、前記金属ボンドがニッケルを主成分とする金属であり、前記コーティングのうち、金属ボンド上に形成された前記コーティングの表面に含まれるチタンの原子パーセントの割合が、ニッケルの原子パーセントに対して０．５倍以上であることによって、耐摩耗性が不十分なニッケルボンドの表面に硬質な炭化チタンを配置することで砥石の耐摩耗性を改善することができる。さらに、ニッケルとチタンを化合物化することによって、コーティングと金属ボンドの界面接着強度を上げることができる。

請求項６によれば、砥粒を複数層有する金属ボンドの砥石であり、最表面に配置された前記砥粒の突き出し高さ、つまり、前記上に形成されたコーティングの平均高さと、前記金属ボンド上に形成されたコーティングの平均高さとの差が１００マイクロメートル以下であるであることによって、メタルボンド砥石、電鋳ブレードなどの砥粒保持力と耐摩耗性を改善するとともに、切れ味などの加工能率を維持することができる。

請求項７によれば、砥粒層を１層だけ有し、前記砥粒が台金に接した状態で、前記金属ボンドで固定された電着砥石であり、前記金属ボンド上の前記溶融再凝固層を含むコーティング厚さが０．１〜２０マイクロメートルであり、前記砥粒の平均砥粒径の５０％〜９０％が前記金属ボンドと前記溶融再凝固層を含むコーティング層によって埋め込まれており、コーティング層を含む砥粒の台金からの平均高さと、前記金属ボンドと前記溶融再凝固層を含むコーティング層をあわせた平均厚さとの差が１００マイクロメートル以下であることによって、電着砥石の砥粒保持力と耐摩耗性を改善するとともに、切れ味などの加工能率を維持することができる。電着砥石は、ニッケルやニッケル合金めっきを金属ボンドとして砥粒を保持するが、それらのボンドはビッカース硬さで１０００ＨＶ以下であり、めっきという製造プロセスの制限のために硬質なボンドを用いることができない。特に小径の軸付き電着砥石による硬脆材料の加工においては砥粒保持力と耐摩耗性が重要であるため、ビッカース硬さが１０００ＨＶを超える本コーティングによって被覆することは砥粒保持力と耐摩耗性の改善において効果がある。

請求項８によれば、前記コーティングの成分を含む電極と前記砥石とを対向させ、前記電極と前記砥石の表面に存在する砥粒と接触させた状態で、（１）前記電極と前記砥粒の相対的に位置関係を移動させ、前記砥粒が前記電極の一部を削り取り、前記コーティング成分を含む微粒子Ａを生成する工程によって、コーティングの原材料を電極間により多く供給できるようになる。（２）液体で満たした前記電極と前記砥石の間で、パルス放電を発生させ、放電のエネルギーによって前記電極と前記砥石との表面の一部を溶融除去し、前記コーティング成分と前記金属ボンド材成分とを含む微粒子Ｂを生成する工程と、（３）液体で満たした前記電極と前記砥石の間で、パルス放電を発生させ、前記コーティング成分を含む微粒子Ａと、前記コーティング成分と前記金属ボンド材成分とを含む微粒子Ｂとを、放電のエネルギーによって溶融させ、前記砥石表面に堆積させる工程とを、同時にあるいは逐次的に行うことで、大気解放環境において、硬質でしかも密着性の良いコーティングを砥石表面に形成できる。

請求項９によれば、加工機上に取り付けた前記砥石に対して、研削加工を行っている状態あるいは研削加工を行った後に、前記加工機上でコーティングを行うことによって、加工機から砥石を取り外すことなく、前記コーティングを追加で成膜できるという効果があり、砥石の砥粒保持力と耐摩耗性を長く維持できるという効果がある。特に砥粒を複数層有する金属ボンドの砥石では、自生作用で、ボンド内部から新しい切れ刃が現れたときに、機上でコーティングできるという効果がある。

本発明のコーティング砥石である（Ａ）電着砥石、（Ｂ）メタルボンド砥石（電鋳砥石を含む）の断面構造を説明した図である。 従来のコーティング砥石（電着砥石）の断面構造を説明した図である。 本発明の製造方法の一例を示した図であって、加工初期を示す図である。 本発明の製造方法の一例を示した図であって、加工中期を示す図である。 本発明の製造方法の一例を示した図であって、加工終盤を示す図である。 本発明の加工機上でのコーティング砥石の製造方法の一例を示した図である。 Ｎｉ被膜に形成したＴｉＣ被膜のＮｉ(ａｔ％）に対するＴｉ(ａｔ％）の比率（Ｔｉ／Ｎｉ）について、電極極性の違いを比較した図である。 ニッケル被膜面を基準にしたＴｉＣ被膜の平均表面高さの処理時間に対する変化を示した図である。 ＴｉＣ被膜の表面粗さＲａの処理時間に対する変化を示す図である。 Ｎｉ−Ｐ金属ボンドに対して、（Ａ）処理時間８．０，（Ｂ）処理時間４０．０ｓｅｃ／ｍｍ²で形成したＴｉＣ被膜の表面ＳＥＭ写真である。 Ｎｉ金属ボンドに対して、（Ａ）処理時間８．０，（Ｂ）処理時間４０．０ｓｅｃ／ｍｍ²で形成したＴｉＣ被膜の表面ＳＥＭ写真である。 ＴｉＣ被膜の膜厚（誤差は標準偏差）の処理時間に対する変化を示す図である。 ＴｉＣ被膜に含まれるＮｉ(ａｔ％）に対するＴｉ(ａｔ％）の比率（Ｔｉ／Ｎｉ）について、Ｎｉ−ＰとＮｉ金属ボンドを比較した図である。 ＴｉＣ被膜の断面から測定したマイクロビッカース硬度である。 処理時間２６．７ｓｅｃ／ｍｍ²で形成したＴｉＣ被膜断面の反射電子組成像である。 処理時間０〜１３３．３ｓｅｃ／ｍｍ²ごとの砥石表面の電子顕微鏡写真（ＳＥＭ像）である。 （Ａ）処理前、（Ｂ）１３３．３ｓｅｃ／ｍｍ²処理後のダイヤモンド砥粒のＳＥＭ像である。

以下、本発明の実施形態について図１から図４を参照して説明するが、本発明は、下記の具体的な実施態様に何ら限定されるものではない。なお、各図において同一または対応する部材には、同一符号を用いる。

（コーティング砥石）
図１は、本発明のコーティング砥石の断面構造を説明した図である。図２は、従来のコーティング砥石の断面構造を説明した図である。本発明のコーティングは、従来コーティング砥石に比べて、以下の構成にすることにより、コーティング膜厚が厚く、金属ボンドの耐摩耗性が高いこと、砥粒および金属ボンドとの密着性に優れること、コーティングが砥粒と金属ボンドを連続的に被覆していることによる砥粒保持力の高さにおいて優れている。

コーティング砥石が電着砥石である場合、本発明のコーティング砥石図１（Ａ）と従来のコーティング砥石図２は、台金４の上に、金属ボンド３によって砥粒１が固定されて、コーティング２ａが砥粒１を、コーティング２ｂが金属ボンド３覆っている点は同じである。コーティング２ｂの厚さをＴ、コーティング２ｂを含む金属ボンドの厚さをＡ、砥粒の突き出し高さ（砥粒表面に形成されたコーティングの平均高さと、前記金属ボンド上に形成されたコーティングの平均高さとの差）をＢ、台金からの、コーティング層を含む砥粒の平均高さＣとする。

コーティング砥石が砥粒層を１層だけ有し、砥粒が台金に接した状態で、前記金属ボンドで固定された電着砥石の場合、前記金属ボンド上の前記溶融再凝固層を含むコーティング厚さが０．１〜２０マイクロメートルであり、前記砥粒の平均砥粒径の５０％〜９０％が前記金属ボンドと前記溶融再凝固層を含むコーティング層によって埋め込まれており、砥粒の突き出し高さＢ（コーティング層を含む砥粒の台金からの平均高さと、前記金属ボンドと前記溶融再凝固層を含むコーティング層をあわせた平均厚さとの差）が１００マイクロメートル以下であることが好ましい。前記突き出し高さＢが数マイクロメートルから３０マイクロメートルであることが好ましい。

コーティング砥石が砥粒を複数層有する金属ボンドの砥石であるメタルボンド砥石や電鋳砥石の場合、図１（Ｂ）のように、砥粒１が金属ボンド３中に複数層存在する。この場合、最表面の砥粒１が、コーティング２ｂを含む金属ボンドによって埋め込まれている深さがＡとなる。最表面に配置された砥粒の突き出し高さＢが１００マイクロメートル以下であることが好ましい。より好ましくは、前記突き出し高さＢが数マイクロメートルから３０マイクロメートルであることが好ましい。

本発明のコーティング砥石は、砥粒１上のコーティング２ａと金属ボンド上のコーティング２ｂが連続していて、砥粒１を強固に固定している構造となっている。砥粒１がコーティング２ａとの界面に化合物を作っていることが好ましい。砥粒１がダイヤモンド砥粒であり、コーティング２ａがチタン成分からなる硬質被膜である場合、界面には炭化チタンが形成されていることが好ましい。金属ボンド３とコーティング２ｂは、それぞれの成分がまざりあった溶融再凝固層を形成して結合していることが好ましい。金属ボンドがニッケル成分からなり、コーティング２ｂが炭化チタンである場合は、それらの溶融再凝固層が存在し、表面からの分析においてニッケルおよびチタンの成分が検出されることが好ましい。

コーティング２ａ、２ｂは、非酸化物セラミックスを含むものであり、炭化チタン、窒化チタン、炭化タングステンなどから選択することが好ましい。金属ボンド３は、ニッケル、クロム、銅、亜鉛のいずれかを主成分とする金属ボンドであることが好ましく。ニッケルの場合、ニッケルの合金よりも、純ニッケルの方が好ましい。コーティング２ｂが炭化チタンと金属ボンドがニッケルからなる場合、ニッケルに対してチタンの原子パーセントが０．５倍以上であることが好ましい。

（コーティング砥石の製造方法）
図３は、本発明のコーティング砥石の製造方法の一例を示した図であり、図３Ａはコーティング初期、図３Ｂはコーティング中期、図３Ｃはコーティング終盤の砥石の断面構造と電極の関係を示した図である。図４は、本発明の加工機上でのコーティング砥石の製造方法の一例として、電極と砥石と被加工物の位置関係を示した図である。

本発明の砥石のコーティング方法は、コーティングの成分を含む電極６と砥石５とを対向させ、電極６と砥石５の表面に存在する砥粒１と接触させた状態で、電極６と砥粒１の相対的に位置関係を移動させる。これにより、砥粒１が電極５の一部を削り取り、コーティング成分を含む粒子１０ａを生成する。一方、液体で満たした電極と砥石の間で、パルス放電を発生させ、放電のエネルギーによって電極と砥石との表面の一部を溶融除去し、コーティング成分を含む粒子１０ｂと金属ボンド材成分を含む粒子３ａを生成する。この工程では、一度、金属ボンド３に付着したコーティング２ａが、再び発生する放電によって再溶融除去され、コーティング成分と金属ボンド成分の両方を含む粒子１０ｄを生成する。さらに連続して、液体で満たした前記電極と前記砥石の間で、パルス放電を発生させ、前記粒子１０ａ、１０ｄと、３ａを放電のエネルギーによって溶融させ、前記砥石表面に堆積させる。

放電パルスのパルス幅は０．１から２００マイクロ秒が好ましい。パルスの休止時間はパルス幅と同等か、２〜１０倍程度が好ましい。放電電流は、０．１〜５０Ａ程度が好ましい。

電極６は、コーティング成分を含むバルク材でも良い。しかし、コーティング成分が高融点材料であり、非常に硬度があるため、砥粒による削り取ることも、放電によって溶融除去することも難しいため、コーティングの成分を含む粉体を圧縮成形したものが好ましい。コーティング成分が容易に脱落しやすく、コーティング成分をより多く、砥石側へ供給できるからである。圧縮成形する際、より低融点の材料を介して結合することで、電極の形状加工を行う際、形状創成を容易にできる。

たとえば、炭化チタンのコーティングを行いたい場合は、炭化チタンの粉末を純チタンで結合した電極が有効である。炭化チタンの粉末は、０．１マイクロメートルから１０マイクロメートル程度が好ましい。本発明の砥石のコーティング方法では、金属ボンドを除去しながら、硬質コーティングが形成できるため、砥粒が金属ボンドで完全に埋め込まれている状態、つまり表面から砥粒が見えない状態から本発明の手法によりコーティングすることができる。コーティングしながら金属ボンドを除去し、切れ刃となるコーティング砥粒を露出されることができる。

本発明の砥石のコーティング方法は、電着砥石だけではなく、砥粒層を複数層有するメタルボンド砥石にも適用できる。メタルボンド砥石の場合、コーティング層を含む金属ボンドが消耗していく砥石であるため、加工機上でコーティングすることが望ましい。加工機上に取り付けた前記砥石５に対して、研削加工を行っている状態あるいは研削加工を行った後に、前記加工機上でコーティングを行うために、砥石５と電極６を放電加工用電源（パルス電源）１３に接続しておく。砥石５は回転しながら被加工物１２を加工し、砥石５の反対面は本発明のコーティング法により、硬質コーティングを砥石表面に形成できる。したがって、メタルボンド砥石では常に新しい砥粒層が現れるが、都度、硬質コーティングを施すことができ、耐摩耗性を向上させることができる。

実施例について図５〜１５を参照して説明する。

（炭化チタンコーティングの概要）
本発明のコーティング砥石の製造方法おいては、液中での連続的なパルス放電により電極の一部が溶融し、砥石表面に移行堆積して電極素材に基づく被膜を形成することができる。炭化チタン（ＴｉＣ）粉体の圧粉体電極を用いて砥石表面へＴｉＣ被膜を形成した場合、耐摩耗性を向上させることができる。液中パルス放電によるＴｉＣ被膜形成は、ＴｉＣの成膜と砥石の金属ボンドの除去が同時に進行するプロセスであり、金属ボンドの熱伝導率や融点などによってその成膜形態が異なり、金属ボンド毎に成膜条件を検討する必要がある。電着砥石の場合、金属ボンドはニッケルになる。以下、本発明のコーティング砥石およびその製造方法の１例として、電解ニッケルめっき被膜（Ｎｉ）や無電解ニッケル・リン合金めっき被膜（Ｎｉ−Ｐ）でダイヤモンド砥粒を保持した電着砥石の耐摩耗性向上を取り上げて説明する。

（炭化チタン成膜における電極極性と金属ボンドの影響）
鋼材上にＮｉ被膜を５０μｍ形成した試料および平均粒径１００μｍのクラッシャータイプの単結晶ダイヤモンド砥粒をＮｉ被膜で６０％埋め込んだ電着砥石に対して、表１の条件で、Ｎｉ表面およびダイヤモンド砥粒が露出した表面にＴｉＣ被膜を形成した。放電加工機（三菱電機製ＥＸ８）を使用し、ＴｉＣ粉体電極を（＋）および（−）極とし、電極間を加工液で満たして行った。ＴｉＣ粉体電極（メルコメカトロニクス製ＥＤＣＯＡＴ用電極）は、ＴｉＣ粉体（粒径２〜５μｍ）を圧縮、仮焼結したものを用いた。ただし、砥石への試験は、電極を（−）極とし、電極を１００ｒｐｍで回転させながら行った。

（電極極性の影響）
図５に、Ｎｉ被膜に形成したＴｉＣ被膜をＮｉ(ａｔ％）に対するＴｉ(ａｔ％）の比率（Ｔｉ／Ｎｉ）を示す。元素分析は、表面からエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）で行った。電極が（＋）極の場合、処理時間によらずＴｉ／Ｎｉはほぼ０．６で一定値を示した。一方、電極が（−）極の場合、処理時間１３．３ｓｅｃ／ｍｍ²でＴｉ／Ｎｉは最も高く約１．３に達し、その後減少し約０．８となる。組成分析結果より、表１の放電条件においてＮｉ被膜に対してＴｉＣを成膜した場合、電極が（−）極の方がＴｉＣの成膜レートが高いといえる。

（金属ボンドの影響：ニッケルとニッケル・リンめっき被膜の比較）
図６に、ニッケル被膜面を基準にしたＴｉＣ被膜の平均表面高さの処理時間に対する変化を示す。Ｎｉ−Ｐでは、ＴｉＣ被膜の表面高さは、処理時間２６．７ｓｅｃ／ｍｍ²までわずかに増加し、その後減少する。一方、Ｎｉでは、処理時間に対して単調に減少する。

図７に、ＴｉＣ被膜の表面粗さＲａの処理時間に対する変化を示す。Ｎｉ−Ｐでは、処理時間に対して表面粗さが大きくなり、Ｎｉでは、処理時間８．０ｓｅｃ／ｍｍ²以降、表面粗さはほぼ一定となる。

図８（Ａ），（Ｂ）および図９（Ａ），（Ｂ）に、それぞれＮｉ−ＰおよびＮｉの処理時間８．０、４．０ｓｅｃ／ｍｍ²で形成したＴｉＣ被膜の表面ＳＥＭ写真を示す。図３（Ａ），（Ｂ）より、Ｎｉ−Ｐでは、表面にはクラックが見られ、処理時間が長くなるほど顕著になることがわかる。一方、図４（Ａ），（Ｂ）より、Ｎｉでは、表面にクラックはほとんど見られない。Ｎｉ−Ｐに見られるクラックは、非晶質であるＮｉ−Ｐ基板が放電加工の熱により一部結晶化することで発生すると考えられる。

図１０に、ＴｉＣ被膜の膜厚（誤差は標準偏差）の処理時間に対する変化を示す。Ｎｉ−Ｐでは、ＴｉＣ膜厚は、処理時間２６．７ｓｅｃ／ｍｍ²まで増加し、その後、減少する。一方、Ｎｉでは、処理時間８．０ｓｅｃ／ｍｍ²以降、ＴｉＣ膜厚は約５μｍでほぼ一定となる。

図１１に、ＴｉＣ被膜に含まれるＮｉ(ａｔ％）に対するＴｉ(ａｔ％）の比率（Ｔｉ／Ｎｉ）を示す。元素分析は、表面からエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）で行った。Ｎｉ−ＰおよびＮｉともに、処理時間２６．７ｓｅｃ／ｍｍ²以降、Ｔｉ／Ｎｉの比率はほぼ一定で、Ｎｉ−Ｐでは約０．８、Ｎｉでは約１．８となる。Ｎｉ−Ｐに比べ、ＮｉではＴｉ濃度が約２倍高く、残留するＮｉ成分が少ない。

図１２に、ＴｉＣ被膜の断面から測定したマイクロビッカース硬度を示す。Ｎｉ−Ｐでは、処理時間２６．７ｓｅｃ／ｍｍ²まで、処理時間が長くなるほど硬度が増加し、約１３００ＨＶに達する。一方、Ｎｉでは、処理時間１３．３ｓｅｃ／ｍｍ²以降、１５００ＨＶを超える。Ｎｉ−ＰとＮｉの硬度向上の差は、ＴｉＣ被膜に残留するＮｉ濃度による。

Ｎｉの場合、処理時間８．０ｓｅｃ／ｍｍ²以降で、ＴｉＣ被膜の表面粗さ、膜厚、Ｔｉ濃度、硬さがほぼ一定となること。さらに、被膜の表面高さが初期から単調に減少することから、短い処理時間で、電極からのＴｉＣの供給量とＴｉＣを含む母材の除去量が一定の割合となる定常状態に入り、この放電条件において形成できる品質のＴｉＣ成膜が完了しているといえる。一方、Ｎｉ−Ｐの場合、被膜高さが減少に転じる処理時間２６．７ｓｅｃ／ｍｍ²以降であり、Ｎｉに比べてＴｉＣの供給量と除去量が定常状態に入るのが遅い。以上より、油中パルス放電によるＴｉＣ被膜の形成において、非晶質な無電解ニッケルリンめっき（Ｎｉ−Ｐ）に比べて、結晶質で、融点および熱伝導率が高い電解Ｎｉめっき被膜（Ｎｉ）において、短い処理時間で、表面粗さが良く、クラックのない、ＴｉＣ濃度が高く、ビッカース硬度約１５００ＨＶの良質なＴｉＣ被膜が形成できる。

図１３に、処理時間２６．７ｓｅｃ／ｍｍ²で形成したＴｉＣ被膜断面の反射電子組成像を示す。組成像のコントラストから表面から約１０μｍにＴｉＣ被膜が形成されていることがわかる。ＴｉＣ被膜内においても若干コントラストが違う箇所があり、ＴｉＣ濃度は場所によって異なることがわかる。これは、電極材料であるＴｉＣと金属ボンドであるＮｉが溶融除去と再凝固をくりかえることで形成されためである。本発明の特徴の１つである金属ボンドとコーティングの密着性の良さはこのような被膜構造に起因する。

（ダイヤモンド上の炭化チタン被膜の性状）
平均粒径１００μｍのクラッシャータイプの単結晶ダイヤモンド砥粒を、電解めっきにより、純Ｎｉ被膜で６０％埋め込んだ砥石のＮｉ表面およびダイヤモンド砥粒が露出した表面に、ＴｉＣ被膜を形成した。放電加工機（三菱電機製ＥＸ８）を使用し、ＴｉＣ粉体電極を（−）極とし、電極間を加工液で満たし、電極を１００ｒｐｍで回転させながら行った。図１４に、処理時間ごとの砥石表面の電子顕微鏡写真（ＳＥＭ像）を示す。処理時間に伴い、ボンド層（Ｎｉ被膜）の表面において溶融再凝固した部分が増える。また、砥石表面のチャージアップが少なくなることから、ダイヤモンド砥粒表面にも導電性の付着物が増加していることがわかる。ＥＤＳ分析の結果、処理時間１３３．３ｓｅｃ／ｍｍ²において、Ｔｉ／Ｎｉは２２．９％であり、Ｎｉ被膜へ成膜に比べてＴｉＣの成膜レートは低い。

図１５（Ａ），（Ｂ）に、それぞれ処理前と処理時間１３３．３ｓｅｃ／ｍｍ²のダイヤモンド砥粒のＳＥＭ像を示す。処理時間１３３．３ｓｅｃ／ｍｍ²の砥粒表面には溶融物および粉体形状を残した付着物が見られる。ＥＤＳ分析の結果、付着物はＴｉおよびＮｉであり、Ｔｉ／Ｎｉは約３と高い。導電性のないダイヤモンド砥粒への付着物は、電極から脱落したＴｉＣ粉体が付着し、その後放電によって溶融したものと、Ｎｉ被膜が放電によって溶融除去され、飛散し付着したものがある。

以上の実施形態及び実施例を参照しながら本発明を説明したが、本発明に包含される権利範囲はこれらの実施形態及び実施例に限定されないものである。

本発明の砥石によれば、コーティングとボンド材とを、溶融再凝固層を介して強固に結合しており、剥離する可能性がほぼなく、耐摩耗性の向上に有効である。さらに、砥粒を覆うようにコーティングが形成され、そのコーティングが連続的に砥粒とボンド材を覆っていることによる砥粒保持力が発現される。これらの効果によって、砥粒加工中の砥粒の脱落を抑えて、ボンドの耐摩耗性が上がるため、砥石の工具寿命及び砥粒加工性能を大幅に向上させることができる。

本発明の製造方法によれば、真空装置を用いたＰＶＤやＣＶＤによるコーティング方法に比べて、大気解放雰囲気で実施できる手法であり、機上でのコーティングも可能であるという効果がある。

このように、本発明は、産業上の利用価値及び産業上の利用可能性が非常に高い。

１ 砥粒
２ａ 砥粒上のコーティング
２ｂ 金属ボンド上のコーティング
３ 金属ボンド
３ａ 金属ボンドから放電によって生成した粒子
４ 台金
５ 砥石
６ 電極
７ 加工液
８ 放電アーク柱
１０ コーティングの成分を含む粒子
１０ａ 砥粒により削り取られた粒子１０
１０ｂ 放電により溶融状態となった粒子１０
１０ｃ 放電後、溶融した金属ボンド３とともに再凝固したコーティング２ａ
１０ｄ 溶融再凝固し、金属ボンド３に付着したコーティング２ａが、放電により再度溶融し、コーティング２ａより除去された粒子
１１ 低融点金属
１２ 被加工物
１３ 放電加工用電源
Ｔ コーティング厚さ（本発明の場合、溶融再凝固層を含むコーティング厚さ）
Ａ 電着砥石の場合は、コーティング層を含む金属ボンド層の厚さ。メタルボンド砥石の場合は、最表面の砥粒の埋め込み深さ
Ｂ 砥粒の突き出し高さ（砥粒表面に形成されたコーティングの平均高さと、前記金属ボンド上に形成されたコーティングの平均高さとの差）
Ｃ 台金からの、コーティング層を含む砥粒の平均高さ

Claims (10)

1. 砥粒が金属ボンド材に分散配置された砥石であり、
   最表面の砥粒と前記金属ボンド材とが、非酸化物セラミックスを含む連続したコーティングで覆われており、前記コーティングと前記金属ボンド材表面とがその界面に前記コーティングの成分と金属ボンドの成分からなる溶融再凝固層を形成して結合していることを特徴とするコーティング砥石。
2. 前記コーティングと前記砥粒とがその界面に化合物を形成して結合していることを特徴とする請求項１に記載のコーティング砥石。
3. 前記非酸化物セラミックスが、炭化チタン、窒化チタン、炭化タングステンから選択された１種以上の非酸化物セラミックスからなり、
   前記金属ボンドが、ニッケル、クロム、銅、亜鉛のいずれかを主成分とする金属ボンドであることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載のコーティング砥石。
4. 前記非酸化物セラミックスが炭化チタンであり、前記金属ボンドがニッケルを主成分とする金属であり、
   前記コーティングのうち、前記金属ボンド上に形成された前記コーティングの表面に含まれるチタンの原子パーセントの割合が、ニッケルの原子パーセントに対して０．５倍以上であることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載のコーティング砥石。
5. 前記砥粒がダイヤモンド砥粒であり、
   前記コーティングと前記砥粒との界面に存在する前記化合物が炭化チタンであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のコーティング砥石。
6. 砥粒を複数層有する金属ボンドの砥石であり、最表面に配置された前記砥粒の突き出し高さ、つまり、前記砥粒上に形成されたコーティングの平均高さと、前記金属ボンド上に形成されたコーティングの平均高さとの差が１００マイクロメートル以下であるであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のコーティング砥石。
7. 砥粒層を１層だけ有し、前記砥粒が台金に接した状態で、前記金属ボンドで固定された電着砥石であり、前記金属ボンド上の前記溶融再凝固層を含むコーティング厚さが０．１〜２０マイクロメートルであり、前記砥粒の平均砥粒径の５０％〜９０％が前記金属ボンドと前記溶融再凝固層を含むコーティング層によって埋め込まれており、コーティング層を含む砥粒の台金からの平均高さと、前記金属ボンドと前記溶融再凝固層を含むコーティング層をあわせた平均厚さとの差が１００マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のコーティング砥石。
8. 前記コーティングの成分を含む電極と前記砥石とを対向させ、前記電極と前記砥石の表面に存在する砥粒と接触させた状態で、
   （１）前記電極と前記砥粒の相対的に位置関係を移動させ、前記砥粒が前記電極の一部を削り取り、前記コーティング成分を含む微粒子Ａを生成する工程と、
   （２）液体で満たした前記電極と前記砥石の間で、パルス放電を発生させ、放電のエネルギーによって前記電極と前記砥石との表面の一部を溶融除去し、前記コーティング成分と前記金属ボンド材成分とを含む微粒子Ｂを生成する工程と、
   （３）液体で満たした前記電極と前記砥石の間で、パルス放電を発生させ、前記コーティング成分を含む微粒子Ａと、前記コーティング成分と前記金属ボンド材成分とを含む微粒子Ｂとを、放電のエネルギーによって溶融させ、前記砥石表面に堆積させる工程とを、
   同時にあるいは逐次的に行うことで、前記コーティングを形成することを特徴とする請求１〜７のいずれかに記載のコーティング砥石の製造方法。
9. 加工機上に取り付けた前記砥石に対して、研削加工を行っている状態あるいは研削加工を行った後に、前記加工機上でコーティングを行うことを特徴とする請求項８に記載のコーティング砥石の製造方法。
10. 前記電極が、前記コーティングの成分を含む粉体を前記コーティングよりも低融点の材料を介して結合していることを特徴とする請求項８〜９のいずれかに記載のコーティング砥石の製造方法。