JP2761322B2 - 砥 粒 - Google Patents

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、
特に重研削ないし高速研削用のメタルボンド砥石、電着
砥石、ビトリファイド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、省力化、無人化の方向
にある。その具体的な方法として、重研削、高速研削が
行われているが、このような過酷な研削条件下では砥石
の特に砥粒部分に大きな負荷がかかるため高い強度を持
つ砥粒が要求されている。

【０００４】従来、高強度のｃＢＮ砥粒の一つとして
は、多結晶型のものが知られており、既に一部は市販さ
れている。多結晶型ｃＢＮ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ｃＢＮ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。多
結晶型ｃＢＮ砥粒は、特公昭63-44417号公報にも述べら
れているように、触媒を用いて合成される単結晶型のも
のと異なり、触媒を用いない無触媒直接転換法によって
得られた多結晶型ｃＢＮ焼結体を所望の粒度に粉砕する
ことによって得ることができる。

【０００５】しかし、このような多結晶型ｃＢＮ砥粒に
あっても、重研削、高速研削などの過酷な条件下の砥石
として用いると、砥石表面の一部の砥粒が破壊してしま
い、加工物の表面が粗れてくるので頻繁にドレッシン
グ、ツルーイングを行わなければならない等の問題点が
あった。

【０００６】一方、一般に砥粒の形状と強度の間には相
関があり、かさの大きい粒子ほど強度が大きいと言われ
てきた。そのため、砥粒の形状の基準として、ＪＩＳ
Ｒ６１２６「人造研削材のかさ比重試験法」に規定され
ているように、粒子を一定容積に充填したときに得られ
るかさ比重が採用されてきた。しかし、この方法では粒
子の形状を間接的にしか捉えることができず、特に砥石
として用いた場合の研削特性との間にはよい相関は得ら
れていなかった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、重研
削、高速研削などの過酷な使用条件下に耐え得る高強度
の研削砥石用砥粒を得ることを目的として種々検討した
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）市販の多結晶型ｃＢＮ砥粒を用いた
砥石で実際に重研削を行い、研削の前後で砥石表面の状
態を観察した結果、研削前に粒子先端が角ばった鋭利な
形状を持っていた砥粒が選択的に大破壊を起こしてお
り、研削中には実際に研削点としては寄与していない。 （２）粒子先端の凹凸が少ない形状を持つ砥粒のみを用
いた砥石では、前述のような砥粒の大破壊は起こらず、
著しく砥石の寿命が長くなる。 （３）大破壊を起こさない粒子の形状を表現する方法を
種々検討した結果、粒子の２次元投影像とそれに外接す
る円への比率の逆数で現わされる形状係数と多結晶型ｃ
ＢＮ砥粒の強度との間に強い相関があり、その値が1.7
〜1.8 を境に砥粒の破壊強度が大きく変わる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、粒
子の２次元投影像とそれに外接する円との比率の逆数で
表される形状係数の平均が1.0 〜1.7 で、その標準偏差
が0.4 以下であ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である。

【００１０】以下、本発明についてさらに詳しく説明す
る。

【００１１】本発明において、砥粒の形状を規定する
際、形状係数の平均や標準偏差等の統計量を用いて行う
理由は、多結晶型ｃＢＮ砥粒は一つ一つを見れば形状が
個々に異なる粒子の集まったものであり、また、砥石は
形状の異なる数多くの粒子を含んでいるので、実際の砥
粒の形状を表現し、品質を規定するには様々な粒子から
なる集団を表現できる統計量を用いる必要があるからで
ある。

【００１２】砥粒の形状係数の平均や標準偏差を正確に
得るためには縮分操作によるサンプリング方法が重要と
なるが、これについては、ＪＩＳ Ｒ６００３「研磨材
のサンプリング方法」に規定された方法を用いるのがよ
い。

【００１３】本発明における形状係数は、粒子の２次元
投影像とそれに外接する円との比率の逆数として定義さ
れるものであり、次式で表される。 形状係数＝（粒子の２次元投影像の面積／外接円の面
積）^-1 この形状係数の値は、上式から明らかなように、粒子の
投影図が完全な円である場合には1.0 となり、形状がラ
ンダムになるに従い大きくなるものである。

【００１４】粒子の２次元投影像の面積は、粒子に一方
向から光をあてることによって得ることができ、たとえ
ば市販の投影顕微鏡で粒子の投影写真を撮影し、画像解
析装置で解析することによって求めることができる。市
販の画像解析装置の中には、本発明で用いる形状係数を
複数の粒子の投影図について自動的に測定し、それらの
平均と標準偏差等の統計量を自動的に算出するものがあ
るので、それを用いると便利である。

【００１５】２次元投影像に外接する円の面積は、２次
元投影像図を内部に接しながら含むような円の中で、最
小の径を持つ円の面積として表される。

【００１６】本発明において、形状係数の平均は1.0 〜
1.7 であることが必要である。形状係数が1.7 を越える
と、砥粒は容易に破壊を起こしやすいためか、砥石によ
る実際の研削加工を行った際に砥石の摩耗量が大きくな
り、しかも被削物の表面粗さも大きくなって不安定にな
ってしまう。特に形状係数の平均が1.0 〜1.65であるも
のは、砥粒の微小破壊荷重と全体破壊荷重がより安定し
ているため、砥石の摩耗量と被削物の表面粗さを改善す
ることができるので好ましい。

【００１７】標準偏差は確率関数の分散の平方根として
表されるものである。本発明においては、形状係数の標
準偏差は0.4 以下好ましくは0.3 以下であることが必要
である。形状係数の標準偏差が大きいと砥粒の形状が不
揃いとなり、一部が目つぶれを起こして研削抵抗があが
り、砥石表面の凹凸が不均一となって加工物の表面が粗
くなってしまう。したがって、標準偏差は砥粒の性能面
から見れば小さければ小さいほど砥粒全体の機械的強度
が均一になるので好ましいが、砥粒の製造工程での収量
を大きくすることができない。この点について、標準偏
差を種々変えて検討した結果、標準偏差が0.4 以下であ
れば加工物の表面粗さが格段に小さくでき、特に0.3 以
下ではさらに表面粗さを小さくかつ安定させることがで
きるので、本発明では、形状係数の標準偏差を0.4 以下
に限定した。

【００１８】本発明の砥粒は、たとえば以下の方法で製
造することができる。すなわち、市販の多結晶型ｃＢＮ
砥粒を入手し、形状係数の平均が1.0 〜1.7 で、その標
準偏差が0.4 以下であるようなものを選別する。具体的
には、（１）所望の形状係数を持つものを振動フィーダ
ー式等の形状分離機を用いて分別する方法、（２）粉砕
した粒子をボールミルで粒子の先端部分のみが破壊する
ような穏やかな条件で処理する方法などである。

【００１９】さらには、直接転換法により多結晶型ｃＢ
Ｎ焼結体を合成し、それをロールクラッシャなどの粉砕
機で所望の粒度に粉砕した後、前記（１）又は（２）の
方法で分別するか又は処理することによっても製造する
ことができる。直接転換法は、広く一般に知られてお
り、たとえば特公昭63-394号公報に述べられているよう
に、熱分解窒化ほう素（ＰＢＮ）を高温・高圧下で処理
することによって得ることができる。

【００２０】

【作用】本発明のように、形状係数の平均が1.0 〜1.7
で、その標準偏差が0.4 以下である多結晶型ｃＢＮ砥粒
を用いると砥石の寿命が長くしかも安定した被削物の表
面粗さが得られる理由としては次のことが考えられる。
すなわち、前述のように、砥粒一つ一つの破壊挙動は形
状係数1.7 〜1.8 を境にして大きく変わり、1.8以上で
は粒子先端の微小破壊と同時に粒子全体の大破壊が起こ
る。このような破壊現象は、実際に砥石にして用いた場
合にも被削物との衝突により同様に起こっている可能性
がある。すなわち、形状係数が1.0 〜1.7 では、粒子全
体が破壊する前に先端部分が選択的に破壊して被削物と
の作用で起こる衝撃エネルギーを吸収するが、1.7 を越
える特に1.8 以上の形状係数の砥粒では、先端の凹凸が
激しく砥粒のかなり内側にまで凹部が入り込んでいるの
で、破壊エネルギーが砥粒内部にまで伝わり砥粒全体が
大破壊を起こすものと考えられる。

【００２１】従来より市販されている多結晶型ｃＢＮ砥
粒は、形状係数の平均とその標準偏差がそれぞれ1.80、
0.6 であって、この砥粒をそのまま用いた砥石では砥石
の摩耗が激しく被削物の表面も粗くなってしまうのに対
し、本発明の砥粒を用いた砥石では摩耗が非常に少なく
被削物の表面粗さも格段に小さくなるものである。

【００２２】

【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。 比較例１ 多結晶型ｃＢＮ砥粒としての唯一の市販品（ゼネラルエ
レクトリック社製商品名「ボラゾンBZ550 」：粒度60/8
0 ）を入手し、ＪＩＳ Ｒ６００３の方法でサンプリン
グし、投影顕微鏡で５０倍の倍率で粒子の投影写真を撮
影し、画像解析装置（ピアス社製「ＬＡ５５５」）を用
いて砥粒の形状係数の平均と標準偏差を測定した。

【００２３】次いで、その内の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。その砥石を用いて平面プラン
ジカット法による試験を行い、60分間の研削試験で得ら
れた砥石摩耗量と被削物の表面粗さを測定した。その結
果を表１に示す。

【００２４】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2400m/min 、被削材送り速度9m/m
in、砥石切込み量20μｍ、研削時間60分間である。

【００２５】実施例１〜３ 比較例２〜３ 上記市販の多結晶型ｃＢＮ砥粒を振動盤式フィーダー
（日本エリーズマグネチックス社製「ＨＳ−１０」）で
振動盤の傾斜角度と振動数を変えて処理し、異なる形状
係数の平均と標準偏差を持つ７種類の砥粒を製造し、比
較例１と同一の方法で砥石を作製して研削性能試験を実
施した。その結果を表１に示す。

【００２６】実施例４ 市販の熱分解窒化ほう素を原料とし、フラットベルト型
超高圧高温発生装置で2200℃、7.7GPaの条件で１時間処
理して直接転換法による多結晶型ｃＢＮ焼結体を合成し
た。それをロールクラッシャーで粉砕した後、分級して
粒度60/80 の砥粒をより分けた。この砥粒の中から100
個の粒子を抜き出し、実体顕微鏡で投影写真を撮影し
た。この写真から得られた粒子の２次元投影像とそれに
外接する円との比率の逆数で表わされる形状係数を、画
像解析装置（ピアス社製「ＬＡ５５５」）を用いて測定
したところ、100 個の砥粒は形状係数1.0 〜2.5 迄の様
々な形状を持つことがわかった。

【００２７】次に、粒子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、粒子先端で微小な破壊
を示す荷重（微小破壊荷重）と粒子全体が破壊を起こす
荷重（全体破壊荷重）を測定した。その結果を図１に示
す。図１から、形状係数1.7〜1.8 を境に破壊形態が大
きく変わり、形状係数が1.7 以下では、砥粒に負荷がか
かっても砥粒自身は大破壊することなく粒子の先端部分
のみが微小な破壊を起こし、微小破壊荷重と全体破壊荷
重が異なるのに対し、1.7 を越える特に1.8 以上になる
と、粒子の先端部分の微小破壊と同時に粒子全体が大き
く破壊しやすくなることがわかる。また、特に形状係数
が1.65以下では粒子の微小破壊荷重と全体破壊荷重が安
定していることがわかる。

【００２８】実施例５〜８ 比較例４〜７ 実施例６で得られた粒子を振動盤式フィーダー（日本エ
リーズマグネチックス社製「ＨＳ−１０」）で振動盤の
傾斜角度と振動数を変えて処理し、異なる形状係数の平
均と標準偏差を持つ１１種類の砥粒を製造し、比較例１
と同一の方法で砥石を作製して研削性能試験を実施し
た。その結果を表１に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】以上の実施例、比較例から明らかなよう
に、粒子の２次元投影像とそれに外接する円への比率の
逆数で表される形状係数の平均が1.0 〜1.7 で、その標
準偏差が0.4 以下である多結晶型ｃＢＮ砥粒を用いた砥
石は摩耗量が小さく、加工物の表面粗さも小さいことが
わかる。

【００３１】

【発明の効果】本発明の砥粒を用いることによって、従
来に比べて格段に寿命の長い高精度な研削砥石を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 砥粒の形状と微小破壊荷重及び全体破壊荷重
との関係図。

───────────────────────────────────────────────────── 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 (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粒子の２次元投影像とそれに外接する円
   との比率の逆数で表される形状係数の平均が1.0 〜1.7
   で、その標準偏差が0.4 以下であ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。