JP2761318B2

JP2761318B2 - 砥粒

Info

Publication number: JP2761318B2
Application number: JP4040209A
Authority: JP
Inventors: 正治鈴木; 知巳二階堂; 宏彰丹治
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1992-01-30
Filing date: 1992-01-30
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2013-06-04
Also published as: JPH05209169A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多結晶型の立方晶窒化
ほう素（ｃＢＮ）からなる研削砥石用砥粒に関するもの
である。本発明の砥粒が応用される研削砥石としては、
特に高品位・高能率研削用のレジンボンド砥石、ビトリ
ファイド砥石、メタルボンド砥石、電着砥石等があげら
れる。

【０００２】

【従来の技術】ｃＢＮはダイヤモンドに次ぐ硬さと熱伝
導率を有し、鉄系金属と反応しないとうダイヤモンドに
はない特徴を持つことから、鉄系金属の研削加工用砥粒
としての利用が進められている。

【０００３】近年の研削加工は、高品位化、高能率化の
方向にある。高品位加工とは、加工物の表面性状を高品
位にする加工であり、その具体例としては、加工物表面
の表面粗さを小さくすることや意図的に加工物表面に圧
縮応力を残留させて加工物の機械的強度をあげることで
ある。一方、高能率化とは、例えば、単位時間当たりの
加工量を増やす目的で砥石の周速度を大きくすることで
あり、最近では周速度60m/sec 以上の高速研削も検討さ
れている。

【０００４】しかしながら、従来のｃＢＮ砥粒では、高
品位化と高能率化を同時に満足するような砥石は開発さ
れていなかった。それは、以下に示す要求を同時に満た
すような砥粒が存在しなかったことに起因する。（１）加工物表面に圧縮応力を残留させるという目的の
ためには、「ｃＢＮホイール研削加工技術」（工業調査
会 1988 年発行）にも紹介されているように、砥石の切
れ味をよくする、すなわち、研削抵抗を小さくして、研
削中に加工物との間で発生する摩擦熱を充分小さくする
必要がある。そのためには、切れ味を一定に維持するた
めに研削時に砥粒が適当に破壊し脱落して、新たな砥粒
切れ刃が砥石表面に露出する必要があり、均一で適当な
破砕性を持つ砥粒が要求される。（２）砥石の周速度を大きくし高速研削を行う目的のた
めには、研削時に砥粒部分に大きな負荷がかかるので、
高い強度を持つ砥粒が要求される。

【０００５】従来から用いられてきた単結晶型のｃＢＮ
砥粒は、粒子一つ一つが自形した単結晶の形状を持つた
め強度が比較的均一であり、また、単結晶であるので容
易にへき開しやすく破砕性も大きいが、強度が小さくて
周速度60m/sec のような高速研削に耐えるようなもので
はなかった。

【０００６】一方、高い強度を持つｃＢＮ砥粒としては
多結晶型のものがある。多結晶型の砥粒は、微細な結晶
粒子が互いに強固に結合した多結晶体構造を有するた
め、粒子一つが単結晶により構成される単結晶型砥粒の
ようにへき開などの大破壊を起こさず、高い強度を示
す。しかし、従来の多結晶型のｃＢＮ砥粒は、逆に強度
が大きすぎて適当に破砕しないので、研削中に切れ刃先
端が摩耗し丸くなるため切れ味に劣る。また、一定の砥
粒強度を持つものしか得られないので、応用できる研削
機械や研削条件の範囲が限られてしまう等の問題があっ
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、以上の
問題点を解決し、高品位かつ高能率加工に適した研削砥
石用砥粒を提供することを目的とし、多結晶型ｃＢＮ砥
粒の強度について、その製造条件を種々変えて検討した
結果、以下の事実を見いだし、本発明を完成させたもの
である。

【０００８】（１）従来の多結晶型ｃＢＮ砥粒は、その
内部には低圧相窒化ほう素（低圧相ＢＮ）もしくはＣ軸
方向の面間隔が圧縮された低圧相ＢＮを含まないが、適
当な合成条件を選ぶとそれが存在する粒子が得られる。（２）多結晶型ｃＢＮ粒子内部に含まれるＣ軸方向の面
間隔が圧縮された低圧相ＢＮの存在量は粒子の強度に深
く関係し、その存在量が大きくなればなるほど粒子の強
度が小さくなり、その存在量を制御することによって所
望の強度を持つ砥粒を作製できる。（３）Ｃ軸方向の面間隔が圧縮された低圧相ＢＮが存在
する多結晶型ｃＢＮ砥粒を用いた砥石で周速度60m/sec
の高能率研削を行うと、長時間に渡って研削抵抗が小さ
く安定し、砥石の摩耗量も小さく、しかも加工物の表面
には圧縮応力が残存する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、Ｃ
軸方向の面間隔が圧縮された低圧相ＢＮを０. １〜３０
重量％含んでなる多結晶型ｃＢＮからなることを特徴と
する砥粒である。

【００１０】以下、さらに詳しく本発明について説明す
る。

【００１１】本発明でいうＣ軸方向の面間隔が圧縮され
た低圧相ＢＮにおける「低圧相ＢＮ」とは、ほう素原子
と窒素原子が交互に結合されることによって形成される
六角網面が積層した構造を持つものを指し、具体的に
は、六方晶系の窒化ほう素（ｈＢＮ）、乱層構造の窒化
ほう素（ｔＢＮ）、菱面体晶の窒化ほう素（ｒＢＮ）の
単体又はそれらの２種以上の混合物である。

【００１２】そして、Ｃ軸方向の面間隔が圧縮された低
圧相ＢＮにおける「Ｃ軸方向の面間隔が圧縮された」と
は、ほう素原子と窒素原子からなる六角網面の面間隔、
すなわち、ｈＢＮ、ｔＢＮの場合にはd002であり、ｒＢ
Ｎの場合にはd003が通常の値の約3.34オングストローム
より小さな値を持つものである。このようなＣ軸方向の
面間隔が圧縮された低圧相ＢＮは、「The Journal of C
hemical Physics, vol.63, No.9, 3812 〜3820(1975)」
で示されているように、高温・高圧のｃＢＮの合成条件
でｃＢＮ多結晶体中に原料として使われた低圧相ＢＮが
未反応で残存するか、もしくはｃＢＮ多結晶体の中で一
部がＣ軸方向の面間隔が圧縮された低圧相ＢＮに逆転換
した場合に生成する。

【００１３】Ｃ軸方向の面間隔が圧縮される理由として
は、焼結体が常温・常圧に戻る際、ｃＢＮ多結晶体の中
に閉じこめられた低圧相ＢＮが、ｃＢＮとの熱膨張率
差、弾性率差で圧縮されるために生成するものである考
えられている。したがって、Ｃ軸方向の面間隔が圧縮さ
れた低圧相ＢＮは、ｃＢＮ多結晶体粒子の中に閉じこめ
られている状態においてのみ存在するもので、ｃＢＮ多
結晶体を微粉砕するなどして解放した場合には、通常の
面間隔を有する普通の低圧相ＢＮとなる。

【００１４】Ｃ軸方向の面間隔が圧縮された低圧相ＢＮ
のｃＢＮ多結晶体中の存在は、ｃＢＮ多結晶体の中に閉
じこめられた状態でエックス線回折法によって六角網面
の面間隔、d002もしくはd003回折線を観測することによ
り確かめることができる。通常、Ｃ軸方向の面間隔が圧
縮された低圧相ＢＮは、六角網面の面間隔、d002もしく
はd003の値として約3.10オングストロームの値を持つ。

【００１５】Ｃ軸方向の面間隔が圧縮された低圧相ＢＮ
の定量は、通常の粉末エックス線による定量法のよう
に、六角網面の面間隔、d002もしくはd003回折線の強度
とあらかじめ作成しておいた検量線とを比較することに
よって行うことができる。

【００１６】検量線の作り方としては、最初に、焼結体
もしくは砥粒の状態で、Ｃ軸方向の面間隔が圧縮された
低圧相ＢＮのd002もしくはd003回折線の強度およびｃＢ
Ｎの（１１１）回折線の強度の比を測定する。次に、こ
の焼結体もしくは砥粒を、振動ミル等で１μｍ以下の粉
末に粉砕して、Ｃ軸方向の面間隔が圧縮された低圧相Ｂ
Ｎを、通常の低圧相ＢＮの状態に戻して、そのd002もし
くはd003回折線の強度およびｃＢＮの（１１１）回折線
の強度の比を測定する。三番目に、あらかじめ、低圧相
ＢＮとｃＢＮを既知の重量比で混合した試料を作製して
おき、低圧相ＢＮのd002もしくはd003回折線の強度およ
びｃＢＮの（１１１）回折線の強度の比を測定する。以
上、得られた３つの測定結果を組み合わせることによっ
て、Ｃ軸方向の面間隔が圧縮された低圧相ＢＮの定量を
行うことができる検量線を作成することができる。

【００１７】本発明においては、Ｃ軸方向の面間隔が圧
縮された低圧相ＢＮを多結晶ｃＢＮ中に意図的に存在さ
せるものであり、前述したように、その存在量を制御す
ることによって、所望の強度を持つ砥粒を得ることがで
きるのである。

【００１８】本発明においては、Ｃ軸方向の面間隔が圧
縮された低圧相ＢＮの存在量は、０. １〜３０重量％望
ましくは１〜２５重量％であることが必要である。その
理由は、後述の実施例でも示すように、０. １重量％未
満では粒子の強度が大きく通常の多結晶型ｃＢＮ砥粒と
ほとんど強度が変わらないためか、砥粒先端が目つぶれ
を起こして研削抵抗があがり被削物表面に発生する研削
熱が大きくなるために、表面に引っ張り応力が残留して
しまうからである。一方、３０重量％をこえると粒子の
強度が著しく低下して、従来の単結晶型ｃＢＮ砥粒と同
等の強度となってしまい、高速研削条件下では砥石表面
に突き出している砥粒が完全に破壊してしまう。そのた
め、砥石の切れ味が落ちて研削抵抗が上がり被削物表面
に発生する研削熱が大きくなるために、表面に引っ張り
応力が残留してしまうからである。

【００１９】本発明におけるＣ軸方向の面間隔が圧縮さ
れた低圧相窒化ほう素を、０. １〜３０重量％以下を含
む多結晶型立方晶窒化ほう素砥粒砥粒を入手する方法と
しては、種々の方法があるが、たとえば以下の方法があ
る。

【００２０】すなわち、直接転換法により多結晶型ｃＢ
Ｎ焼結体を合成する際の合成条件を緩やかにすることに
よって製造することができる。直接転換法は、広く一般
に知られており、例えば特公昭63-394号公報に述べられ
ているように、熱分解窒化ほう素をｃＢＮの安定領域で
ある高温・高圧下で処理することによって得ることがで
きる。本発明においては、その際の高温・高圧下で保持
する温度を通常の条件よりも低く、あるいは保持する時
間を短くして、原料の低圧相ＢＮを完全にｃＢＮに転換
させずに、一部をｃＢＮ多結晶体中に未転換の状態で残
存させる。次いで、それをロールクラッシャーなどで粉
砕した後、網ふるいで分級することによって所望の粒度
を持った砥粒とすることができる。

【００２１】本発明で採用される直接転換法の好ましい
条件を示すと、熱分解窒化ほう素（ＰＢＮ）を原料と
し、圧力7.7GPa、温度２０００℃以下、保持時間４分以
内である。

【００２２】

【作用】本発明のように、Ｃ軸方向の面間隔が圧縮され
た低圧相ＢＮを含む多結晶型ｃＢＮを砥粒とすることに
よって、高品位かつ高能率の研削加工が達成される理由
は、Ｃ軸方向の面間隔が圧縮された低圧相ＢＮの存在量
と粒子の強度に大きく関係している。

【００２３】すなわち、本発明では、前述したように、
Ｃ軸方向の面間隔が圧縮された低圧相ＢＮはｃＢＮ多結
晶体粒子中に圧縮され閉じこめられた状態で存在するの
で、低圧相ＢＮが存在する部分には、ひずみエネルギー
が蓄えられた状態となっている。このような粒子におい
ては、粒子内部に蓄えられたエネルギーを解放しようと
する力が存在するために、通常よりも小さな外力の作用
によって容易に粒子が破壊する。また、Ｃ軸方向の面間
隔が圧縮された低圧相ＢＮの存在量が多ければ、粒子内
部に蓄えられたエネルギーも大きくなるために、より小
さな外力で容易に破壊する。さらには、本発明の砥粒
は、従来の多結晶型ｃＢＮ砥粒と単結晶型砥粒との中間
の適切な強度を持つので、高能率研削条件下でも非常に
切れ味が鋭く加工物の表面粗さも格段に小さくなり、し
かも加工物表面には圧縮応力が残留する。

【００２４】

【実施例】次に実施例と比較例をあげてさらに具体的に
本発明を説明する。実施例１〜７比較例１〜２市販の熱分解窒化ほう素を原料に用い、フラットベルト
型超高圧高温発生装置で1800〜2200℃、7.7GPaの条件で
１〜30分間処理して直接転換ｃＢＮ多結晶体を合成し
た。それぞれの条件で合成した多結晶体をロールクラッ
シャーで粉砕した後、分級して60〜80メッシュの砥粒を
より分けた。

【００２５】次に、これらの砥粒を理学電機社製の粉末
エックス線回折装置で、Cu Kα 2θのステップスキャン
速度、0.01度／分の条件で測定した。Ｃ軸方向の面間隔
が圧縮された低圧相ＢＮの(002) 回折線の強度とｃＢＮ
の(111) 回折線の強度比を、あらかじめ作製しておいた
検量線と比較することにより、砥粒中に存在するＣ軸方
向の面間隔が圧縮された低圧相ＢＮの重量％を求めた。

【００２６】次に、各条件で合成した砥粒から２０粒を
取り出し、その一粒を超硬合金の板の間に挟み込んで材
料試験機で荷重を加え、粒子が圧壊を起こす荷重を測定
した。Ｃ軸方向の面間隔が圧縮された低圧相ＢＮの存在
量と圧壊荷重の２０粒の平均値を表１に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】表 1から、多結晶型ｃＢＮ砥粒において、
Ｃ軸方向の面間隔が圧縮された低圧相ＢＮの存在量が粒
子の強度に大きく関係しており、その存在量が大きくな
ればなるほど粒子の強度が小さくなることがわかる。

【００２９】次に、各条件で合成した砥粒から200 カラ
ットを抜き出し、直径200mm 、厚さ10mm、集中度200 の
ビトリファイドボンド砥石を作製した。これらの砥石を
用い平面プランジカット法で試験を行い６０分後の研削
抵抗、被削物の表面粗さ、及び加工物表面の残留応力を
測定した。それらの結果を表１に示す。

【００３０】試験に用いた被削材は軸受鋼SUJ2であり、
研削条件は砥石周速度3600m/min 、被削材送り速度8m/m
in、砥石切込み量12μｍである。また、研削抵抗は日本
キスラー（株）製の動力計を、加工物表面の残留応力は
理学電機（株）製のエックス線残留応力測定機を用いて
測定した。

【００３１】表１から、０. １重量％未満のＣ軸方向の
面間隔が圧縮された低圧相ＢＮでは、粒子の強度が大き
く通常の多結晶型ｃＢＮ砥粒とほとんど強度が変わらな
いために、砥粒先端が目つぶれを起こして研削抵抗があ
がり被削物表面に発生する研削熱が大きくなること、ま
た、そのために被削物表面に引っ張り応力が残留してし
まうことがわかる。また、３０重量％をこえると粒子の
強度が著しく低下して、従来の単結晶型ｃＢＮ砥粒と同
等の強度となり、本実施例のような高速研削条件下では
砥石表面に突き出している砥粒が完全に破壊してしまう
ためか、砥石の切れ味が落ちて研削抵抗があがり被削物
表面に発生する研削熱が大きくなるために、表面に引っ
張り応力が残留することがわかる。

【００３２】比較例３〜４市販の多結晶型ｃＢＮ砥粒（ゼネラルエレクトリック社
製商品名「BZ550 」：粒度60〜80メッシュ）と単結晶型
ｃＢＮ砥粒（ゼネラルエレクトリック社製商品名「BZ50
0 」：粒度60〜80メッシュ）を入手し、実施例と同一の
方法で粒子の圧壊強度を測定し、研削試験を行った。そ
の結果を表１に示す。

【００３３】

【発明の効果】本発明の砥粒は、従来の多結晶型ｃＢＮ
砥粒と単結晶型砥粒との中間の適切な強度を持つので、
高能率研削条件下でも非常に切れ味が鋭く加工物の表面
粗さも格段に小さくなり、また、加工物表面には圧縮応
力が残留するなど、従来では得られなかった高品位かつ
高能率加工に適する研削砥石を得ることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C09K 3/14 550 B24D 3/00 C04B 35/583

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ軸方向の面間隔が圧縮された低圧相窒
化ほう素を０. １〜３０重量％含んでなる多結晶型立方
晶窒化ほう素からなることを特徴とする砥粒。