JP3080305B2 - コーティングされた超砥粒を有する研磨工具 - Google Patents

コーティングされた超砥粒を有する研磨工具

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JP3080305B2 JP10055488A JP5548898A JP3080305B2 JP 3080305 B2 JP3080305 B2 JP 3080305B2 JP 10055488 A JP10055488 A JP 10055488A JP 5548898 A JP5548898 A JP 5548898A JP 3080305 B2 JP3080305 B2 JP 3080305B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、活性なロウ付され
た単層の超砥粒研削工具に関するものであり、より詳し
くは、チタンのような第１活性粉末成分をコーティング
された超砥粒を用いて作成された工具に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】工業用
のあるタイプの研磨工具は、一般に、結合剤の中に埋設
された砥粒の研磨部分を有する。この研磨部分は通常硬
質なコアに固定される。このコアは、加工物を研削、切
削、ポリシングその他の研磨によって所望形状にするた
めに、人力又は動力によって加工物に接触する運動を行
うのに適する。
【０００３】特に、砥粒は、表面より侵入して加工物か
ら小片を除去するために、研磨されている材料よりも硬
いことが必要である。ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素
（ＣＢＮ）のようないわゆる「超砥粒」物質が、材料を
切削することが難しい又は困難な場合にとりわけ有用で
ある。例えば、ダイヤモンドは、炭化タングステン、天
然石、花崗岩、コンクリート、セラミックを研磨するこ
とができる。しかしながら、ダイヤモンドは鉄や鋼を研
磨するのにそれ程適さない。重要なことに、ＣＢＮは鉄
系材料を切削することができる。
【０００４】超砥粒は割合に高価なため、研磨工具上の
超砥粒の量を減らすことが経済的に有利である。あるタ
イプの研磨工具において、非常に少量の研磨材が、コア
の使用面上に実質的に１つの砥粒の厚さの層で堆積さ
れ、次いでその砥粒が金属系結合剤によってコアに結合
される（「単層」研磨工具）。この結合は、電気メッキ
やロウ付などの方法で行うことができる。これらの２つ
の方法のうち、電気メッキは一般に電気メッキ浴の中に
高価な超砥粒を多量に保持する必要があるため、ロウ付
の方が好ましい。
【０００５】場合により、金属結合剤が、単層研磨工具
の使用寿命を決める要因になることがある。結合剤の組
成は、その結合強度に影響を及ぼす。即ち、超砥粒が未
だ鋭利で引き続き切削が可能であっても、結合が強くな
ければ、加工物に対する繰り返しの衝撃がコアから超砥
粒を永久にはぎ取ることになる。また、結合剤は通常加
工物より軟らかい。また、結合剤が、加工物や削り屑に
直接接触すると、鋭利な粒子を早期に剥離するような浸
蝕を受けることもある。
【０００６】最近の技術開発は、ロウ付の結合強度を改
良することを追求してきた。例えば、米国特許第４９６
８３２６号は、所望の程度に変えることができる良好な
結合強度を有する単層ダイヤモンドの研磨工具の製造方
法を開示している。この方法は、炭化物生成用元素、好
ましくは、モリブデン又は鉄を含むロウ付用材料を使用
する。また、この特許に係る方法は、炭化物とロウ層が
ダイヤモンド粒子の側面を這い上がることを長所として
述べている。この表面「濡れ」現象は、砥粒と結合剤の
間の、結合剤が作用し得る境界を増加し、このため、ロ
ウ剤(braze) の結合力を強くする。１９９６年８月７日
出願の米国特許出願第０８／６９３７６３号において、
青銅ベースのロウ剤の中に、チタン、ジルコニウム、炭
化チタン、又はこれらの混合物のような活性成分の粒子
を含めることを提案している。これらの活性成分は、表
面で砥粒と反応し、より強い化学的結合を形成すること
ができる。
【０００７】チタンのような活性金属を結合剤組成物に
添加することは問題がある。ロウ付の際に添加物が組成
物中の他の元素と反応し、金属間化合物を生成すること
がある。これらの金属間化合物はロウ剤より弱く、残存
するロウ剤を希薄にする。即ち、この金属間化合物はロ
ウ剤の機械的特性を低下させる。また、この金属間化合
物は、ロウ剤をコアの金属に非常に強く接着させる。こ
の接着は、磨耗した工具から、ロウ剤を化学的又は電気
化学的にはぎ取ることを、より難しくする。はぎ取り
は、リサイクルされる工具コアの再生にとって重要なプ
ロセスである。使用済のコアを回復できることは工具の
製造コストに徐々に影響し、このことは、フェライト用
の大径の研削砥石のような製造業の大型工具に特にあて
はまる。
【０００８】このため、結合を強くするにはロウ付用組
成物に活性金属を含めることが望ましいが、一方で、金
属間化合物の生成を抑えるように、ロウ付用組成物中の
活性金属を最少限にすることが有利である。単層研磨工
具における強い結合が、ロウ付用組成物の例えば０．５
〜３．０重量％のような非常に少ない量の活性成分で得
られることが見出されている。この発見は、第１活性成
分の機械的結合層でコーティングされた超砥粒と、第２
活性成分を含むロウ付用組成物を併せて使用することを
必要とする。得られたロウ付後の組成物に存在する活性
成分の合計量は、ロウ付用組成物中に単に活性成分を含
ませることによって得られる通常の結合剤に必要な量よ
りもはるかに少ない。得られたロウ付後の組成物は、超
砥粒に対して強い結合を形成する一方で、金属間化合物
を生成させるのに利用される活性成分を殆ど残存させ
ず、このため、結合を強固にし、磨耗した工具からロウ
剤をはぎ取り易くする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】即ち、本
発明は、以下の各工程を含む、金属コアを有する研磨工
具の製造方法を提供する： (A) 第１活性成分と、接着剤ペーストを作成するのに有
効な量の液体バインダーを混合し、均一な組成物を作成
し、(B) ある表面積を各々が有する超砥粒(superabrasi
ve grain) に、その超砥粒の表面積の大部分が接着剤ペ
ーストで濡れるのに有効な量の接着剤ペーストを混合
し、(C) 液体バインダーを乾燥させ、それによって、第
１活性成分の厚さ１μｍを上回る機械的結合表面コーテ
ィングを有するコーティングされた超砥粒を作成し、
(D) コアの作用面に、第２活性成分を含むロウ付用組成
物(brazing composition) の有効量をコーティングし、
(E) 金属コアの作用面上のロウ付用組成物の中に、コー
ティングされた超砥粒の単層を堆積させ、(F) コーティ
ングされた金属コアを、不活性雰囲気中で加熱し、実質
的に全ての液体バインダーを除去し、(G) 超砥粒、第１
活性成分、及び第２活性成分の間の反応をもたらすよう
に、少なくとも７００℃の温度で、コーティングされた
超砥粒をコアにロウ付する。
【００１０】さらに、本発明は、以下の構成部分を備え
た研磨工具を提供する：作用面を有する金属コア、その
作用面にロウ付された超砥粒の１つの粒子の厚さの層で
あって、ロウ付の前に超砥粒に専ら機械的に結合された
第１活性成分の高分子的厚さでコーティングされた粒
子、及び以下のロウ付用組成物： (1) 約１０〜３０重量％の錫と残余の銅から本質的にな
る約１００重量部の青銅合金、(2) 約０．５〜７重量部
の第２活性成分の粉末、のロウ付後の生成物であって、
その作用面上のロウ付後の組成物。
【００１１】本発明は、単層研磨工具のコアにロウ付す
るのに適切なコーティングされた砥粒を含んでなり、そ
のコーティングされた砥粒は、約４〜１５０μｍの高分
子的厚さの第１活性成分でコーティングされ、そのコー
ティングは、以下の工程を含むプロセスによって専ら機
械的にその砥粒に結合される： (A) 第１活性成分の粉末と、接着剤ペーストを形成する
のに有効な量の液体バインダーを混合し、均一な組成物
を作成し、(B) それぞれある表面積を有する超砥粒に、
接着剤ペーストで超砥粒の表面積の少なくとも大部分を
濡らすのに有効な量の接着剤ペーストを混合し、(C) そ
の液体バインダーを乾燥する。
【００１２】コーティングされた砥粒は、好ましくは、
約４〜１５０μｍの元素チタン又は水素化チタンでコー
ティングされたダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素であ
り、そのコーティングされた砥粒は、好ましくは、約
０．５〜３．０重量部の元素チタン又は水素化チタンを
含む青銅系ロウ剤と併用される。本発明は、主として、
活性ロウ付法によって製造される単層研磨工具に使用さ
れる。活性ロウ付は、青銅合金が融点以上に加熱されて
次いで冷却されて固体の青銅マトリックスの中に砥粒を
取り込む従来のロウ付に勝る進歩を呈する。用語「活性
ロウ付」とは、通常高温のとりわけロウ剤が溶融したと
き（即ち、ロウ付工程の際）、砥粒と化学反応し得る活
性物質を青銅合金が含むことを意味する。この反応は、
ロウ付後の組成物と砥粒を化学的に結合させ、従来のロ
ウ付で得られたよりも強い結合を提供する。従来の活性
ロウ付において、活性物質は、通常ロウ付用組成物の中
に含められていたに過ぎない。
【００１３】本発明は、超砥粒上の第１活性成分の単に
機械的に結合した高分子的厚さのコーティングが、ロウ
付の際に、第２活性成分を含むロウ付用組成物が砥粒表
面を濡らすことができる性能を顕著に高めるといった発
見に基づくものである。改良された濡れ性は、溶融した
ロウ剤が、砥粒表面積をより完全に覆うようにする。こ
のため、濡れ性の向上は、活性成分が砥粒と反応するよ
り多くの座を提供し、砥粒が固体マトリックスの中によ
り深く埋設されるのを助長する。本発明による砥粒上の
第１活性成分のコーティングは、ロウ付用組成物中の第
２活性成分の量が大きく削減され得るという濡れ性の効
率を高める。このことは、研磨部分の全活性成分が従来
の活性ロウ付に必要なよりもかなり少ない単層工具の製
造を可能にする。
【００１４】用語「機械的結合」とは、ロウ付の前に、
純粋な物理的手段により、即ち、超砥粒と活性成分の間
に直接の化学的結合がなしに、第１活性成分が超砥粒に
接着することを意味する。第１活性成分のコーティング
厚さは、高分子的、即ち、多数分子の厚さであるべきで
ある。１つの局面において、本発明は、第１活性成分の
個別粒子によって砥粒表面積の少なくとも大部分が覆わ
れた新規な超砥粒に関する。
【００１５】本発明の機械的結合の高分子的厚さでコー
ティングされた砥粒は、一般に化学蒸着や物理蒸着のよ
うな直接的結合技術によって作成され、超砥粒表面上に
１分子から多くて数分子の活性成分の非常に薄いコーテ
ィングを提供する、市販のコーティングされた超砥粒と
は大きく異なる。工業的に使用される堆積法によって製
造されたコーティングされた超砥粒は、本発明の工具に
使用された場合、有益な効果を示さない。即ち、市販の
コーティングされたダイヤモンドを用いると、砥粒の濡
れと強いロウ剤結合は、ロウ付用組成物の中に不都合に
多量の第２活性成分（例えば、７重量部を上回る）を含
めることによってのみ達成される。
【００１６】本発明の活性成分は、活性ロウ付を達成す
るように選択される。好ましくは、それらは青銅合金と
適合性のある金属である。用語「青銅合金と適合性のあ
る」とは、活性成分が、ロウ付の際に青銅合金と合金を
形成し得ることを意味する。また、活性成分は、ロウ付
温度以下の高温で超砥粒と反応し得る元素又は化合物を
含むべきである。好ましくは、活性成分は、ダイヤモン
ド砥粒については炭化物を生成する物質、立方晶窒化ホ
ウ素砥粒については窒化物を生成する物質である。第２
活性生成は、第１活性生成と化学的に同じでも異なって
もよい。
【００１７】活性成分は元素の形態である。例えば、元
素のケイ素、クロム、チタン、タングステン、バナジウ
ム、モリブデン、ハフニウム、鉄、ジルコニウムの粉
末、又はそれらの混合物が使用可能である。遷移金属が
好ましく、これらの金属のうちチタンが好ましい。ま
た、活性成分は、ロウ付の際に分解して反応する化合物
の中に存在することもできる。例えば、水素化チタンの
ＴｉＨ2 が使用可能である。ＴｉＨ2 は約５００℃まで
安定であり、それより高いとチタンと水素に分解する。
元素チタンは、低温で水と反応して二酸化チタンを生成
し、このため、水が存在するとロウ付の際に炭化物又は
窒化物を生成することが出来なくなる。したがって、Ｔ
ｉＨ2 は、例えば液体バインダーの成分としてロウ付の
際に水が存在しない場合に、超砥粒にチタンをコーティ
ングするための有用な第１活性成分である。元素チタン
が使用される場合、チタンと、酸素又は水又は他の化合
物（炭化物又は窒化物を生成する化合物以外）との時期
尚早な反応を避けるべく、割合に大きい粒子サイズ（例
えば、少なくとも１００μｍ）を有するチタン金属粉末
と非水系バインダーを選択するように注意すべきであ
る。
【００１８】第１活性成分を超砥粒に接着させるため、
液体バインダーが使用可能である。一般に、第１活性成
分粒子と超砥粒は、液体バインダー中で互いに接触され
る。最初にバインダーが液体状態で存在する。次いで液
体バインダーが乾燥され、砥粒表面に接着結合した粒子
を残存させる。一般に、乾燥は、例えば揮発性溶媒を蒸
発させることにより、液体バインダーの揮発性部分を除
去することにより行われる。
【００１９】液体バインダーは、その易乾燥性を特徴と
することができる。液体バインダーは、好ましくは、活
性成分がその反応形態に分解する温度より低い温度で乾
燥し得るべきである。水素化チタンは、例えば、約５０
０℃でチタンに分解する。液体バインダーは、このた
め、約４５０℃より低い温度で乾燥し得るべきである。
液体バインダーは、所望により、真空下で乾燥し得るべ
きである。超砥粒との反応の前に活性成分の分解を防ぐ
ため、酸素が存在しない中で液体バインダーを乾燥させ
ることが必要なこともある。
【００２０】また、液体バインダーは、きれいに燃焼し
得ること、即ち、ロウ付形成温度より低い温度に、好ま
しくは活性成分と超砥粒の間の反応温度より低い温度に
加熱すると、コーティングされた砥粒から実質的に完全
に逃散することを特徴とする。液体バインダーは、残留
物を殆ど残さないことが必要であり、こうした残留物が
ロウ剤の形成や機能にそれ程影響を及ぼさないことが必
要である。特に炭素は、活性成分と反応する超砥粒の炭
素又は窒素との競合を防ぐために、最少限にされる必要
がある。
【００２１】各種の液体バインダーが考えられる。例え
ば、液体バインダーは、化学的に硬化して粒子を砥粒に
接着させるポリマー材料になり易い液体プレポリマーで
あることができる。液体バインダーは、高沸点の液体又
は揮発性溶媒中の接着剤溶液であることができる。適切
な液体バインダーは、商業的に入手可能である。本発明
に使用するのに適する代表的なペースト生成バインダー
には、Ｖｉｔｔａ社のＢｒａｚ（商標）バインダーゲ
ル、ウォールコルモノイ社（マジソンハイツ、ミシガン
州）の「Ｓ」バインダーが挙げられる。
【００２２】第１活性成分は、いくつかの異なる方法で
超砥粒の上に堆積させることができ、例えば、液体バイ
ンダー中の第１活性成分ドライ粉末の混合物を粒子の上
にスプレー、塗布、浸漬スパッタリング、又はドクター
リングする、あるいは、先ず超砥粒を液体バインダーで
濡らし、次いで湿り超砥粒の上に活性成分を衝突させる
方法が挙げられる。その後で、液体バインダーを乾燥さ
せ、活性成分粒子を砥粒に接着させる。液体バインダー
の粘度は、一般に、それ程重要ではないと考えられる。
ここで、スプレーや塗布などの方法によって施工するた
めの第１活性成分と液体バインダーの混合物の調製は、
当業者が周知の粘度上の制約を与えることがある。
【００２３】好ましくは、第１活性成分は、接着剤ペー
ストとして超砥粒に施される。このペーストは、正確な
量の活性成分を施工するための便利な形態を提供し、超
砥粒の表面積が有効に覆われることを保証するのに役立
つ。所望の結果を得るため、砥粒表面積の大部分、即
ち、少なくとも５０％、好ましくは全表面積がコーティ
ングされるべきである。接着剤ペーストは、微粉末の活
性成分と液体バインダーを混合することによって作成す
る。バインダーは、練り歯磨きに似た粘稠で粘着性のあ
るペースト状の稠度を得るのに有効な量で粉末に添加す
る。広くは、接着剤ペーストは、約３０〜約９０重量％
の第１活性成分と、残余量の液体バインダーである。当
業者は、過度に実験することなく、特定の用途のために
より正確な粉末と液体バインダーの最適割合を決めるこ
とが出来よう。液体バインダーは、組成物が均一になる
まで第１活性成分の粒子と混合するべきである。均一性
は、通常、目視検査により判断される。反転ミル、ロー
ルミル、及びパドルやバー又はブレードで攪拌される攪
拌式タンクなど、ペーストを処理するのに当該技術で周
知の各種の方法の任意のものが混合を行うために使用可
能である。
【００２４】好ましくは、第１活性成分は、微粉末形態
で接着剤ペーストの中に含めるべきである。理想的に
は、粉末は易流動性である。粉末粒子は、砥粒の表面上
に薄いコーティングを提供するのに十分に小さいことが
必要である。上記のように、コーティングの厚さは、主
としてロウ付の際に砥粒表面上に十分な活性成分が存在
することを保証するため、高分子的レベルであるべきで
ある。ここで、厚いコーティングは、ロウ付用組成物に
不必要に多い活性成分を与え、これが、ロウ付の際に不
都合な量の金属間化合物を生成するのに使われることが
ある。過度に厚いコーティングを形成するのを避けるた
め、第１活性成分粉末の好ましい最大粒子サイズは３２
５米国標準メッシュ（４４μｍ）であり、好ましい範囲
は約４〜４４μｍである。好ましくは、第１活性成分粉
末のかなりの割合が少なくとも約４〜１０μｍの粒子サ
イズを有するべきである。活性成分の粒子サイズと液体
バインダーの種類は、乾燥後に約４〜１５０μｍ、好ま
しくは４〜５０μｍの厚さのコーティングを形成するよ
うに選択すべきである。
【００２５】砥粒は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、
炭化ケイ素、炭化タングステンなどの硬くて、切削され
る物質を研磨する物質からなることができる。単層工具
にとって、研磨材物質は、ダイヤモンド、立方晶窒化ホ
ウ素、及びこれらの混合物のような超研磨材であること
が好ましい。ダイヤモンドは、主として非鉄系材料を切
削するのに好ましい。砥粒の粒子サイズは、一般に、第
１活性成分の粉末粒子のサイズよりも大きく、即ち、３
２５メッシュ（４４μｍ）より大きく、好ましくは約１
４０メッシュ（１００μｍ）より大きく、より好ましく
は６０メッシュ（３００μｍ）より大きい。
【００２６】接着剤ペーストが流体のとき、これが砥粒
を湿らすために砥粒と混合される。混合操作の目的は、
砥粒が適切にコーティングされるように、粘着性のある
活性成分粉末粒子に砥粒を緊密に接触させることであ
る。この混合は、反転ミル、ロールミル、及びパドルや
バー又はブレードで攪拌される攪拌式タンクのような標
準的な工業用スラリー混合装置で行われることができ
る。好ましくは、混合は、泡が混合物中に捕獲されるの
を防ぐため、接着剤ペーストをあまりに早く乾燥させる
蓄熱を防ぐため、また、砥粒の微粉砕を防ぐため、割合
に低い剪断速度で行うべきである。砥粒は接着剤ペース
ト混合容器に直接添加することができ、また、砥粒と接
着剤ペーストが別な混合容器に移すこともできる。その
他の態様も可能であり、例えば、液体バインダーと超砥
粒を前混合してスラリーを作成し、次いでそのスラリー
に第１活性成分粉末を添加すること、液体バインダー／
超砥粒スラリーに液体バインダー／第１活性成分ペース
トを混合すること、などが挙げられる。各成分の混合順
序は、均一な濃度や、砥粒、粒子、液体バインダーの均
質な混合が得られるならば、それ程重要ではない。砥粒
の湿り程度は、目視検査によって観察される。即ち、砥
粒がペースト中で十分に混合されているように見え、凝
集した砥粒の塊は殆ど存在しないことである。
【００２７】砥粒の表面積の少なくとも大部分を濡らす
ため、十分な量の接着剤ペーストを砥粒と混合するべき
である。混合物中のペーストの上限はそれ程重要ではな
いが、過剰のペーストは、液体バインダーが乾燥した
後、砥粒の表面上に不必要な厚さの第１活性成分のコー
ティングを残存させることがある。上記のように、非常
に厚いコーティングは、ロウ付用組成物に余剰な活性成
分を与え、不都合な金属間化合物の生成を促進させ易
い。好ましくは、砥粒の表面積の大部分が、乾燥の後に
第１活性成分粉末でコーティングされる。乾燥後の重量
基準のダイヤモンド上のコーティングの重量％は約５〜
５０重量％、好ましくは約５〜１５重量％である。
【００２８】ペーストが砥粒と均質に混合された後、液
体バインダーを乾燥させる。接着剤ペーストに関する用
語「乾燥」とは、ペーストが湿り状態から乾燥状態に変
わり、それによって、第１活性成分の粉末粒子が砥粒の
表面に機械的に結合することを意味する。乾燥条件は、
使用される液体バインダーのタイプによって殆ど指定さ
れる。例えば、乾燥は、液体バインダーを含む液体プレ
ポリマーを重合させることによって行うこともできる。
揮発性の液体部分と接着剤部分を含む特定の液体バイン
ダーは、液体部分を蒸発させ、粉末粒子を砥粒に接着さ
せる残留物を残存させることによって乾燥させることが
できる。蒸発は、接着剤ペーストで湿らせた砥粒を、ロ
ウ付温度より低い高温に加熱することによって行うこと
ができる。また、蒸発温度は、第１活性成分の分解温度
よりも低いことが必要である。例えば、ＴｉＨ2 が活性
成分の場合、蒸発は、不活性雰囲気中、即ち、酸素を含
まない雰囲気中で約４５０℃より低い温度で行うべきで
ある。理想的には、蒸発温度は約５０〜３００℃の範囲
であり、より好ましくは約５０〜２５０℃である。蒸発
は、パンやトレーが移動する床、又は連続ベルトのキル
ン、オーブン、ドライヤーのような通常の乾燥装置で行
うことができる。乾燥中及び乾燥後の砥粒には、第１活
性成分の粉末粒子が砥粒から離れることを防ぐよう、過
剰な攪拌はすべきでない。コーティングされた砥粒を切
削工具上に堆積させることを容易にするため、コーティ
ングされた砥粒は易流動性であることが必要である。あ
る乾燥プロセスは、コーティングされた砥粒を砕け易い
ケーキとして生成する。したがって、その凝集を破砕す
るために若干の軽度な攪拌が必要なことがある。
【００２９】本新規なコーティングされた砥粒は、種々
の研磨工具を作成するために使用可能である。本発明に
よってコーティングされた超砥粒は、単層の研磨工具を
作成するのに特に有用である。一般に、ロウ付の前に砥
粒からコーティングが剥がれるような仕方でコーティン
グされた砥粒が過度に攪拌その他の外的負荷を与えられ
ないように余分な注意をすれば、通常の工具作成プロセ
スが使用可能である。
【００３０】単層研磨工具を作成するために本新規な超
砥粒と併用可能なロウ付用組成物は、青銅合金と第２活
性成分を含むことができる。好ましくは、青銅合金と第
２活性成分のそれぞれは微粒子状である。取扱いの都合
上、ロウ付用組成物は、ペーストを形成するのに有効な
割合で液体ビヒクルをさらに含むことができる。ロウ付
用組成物のペーストの物理的特性は、接着剤ペーストの
それと同様である。
【００３１】青銅合金は、基本的に銅／錫の組成物であ
り、約１０〜３０重量％の錫と残余量の銅から本質的に
なる。用語「から本質的になる」とは、本発明の作用を
損なうことなくロウ付後の組成物の機能を広く付加する
付加的な元素を、青銅合金がいろいろな量で含んでもよ
いことを意味する。例えば、青銅合金は、銀、ニッケ
ル、炭素、インジウム、マンガンを含んでもよい。これ
らの付加的な元素は、青銅と予め合金にされて存在して
もよく、又はロウ付用組成物の別な成分として添加され
てもよい。各々の付加的な元素は、銅と錫を合計した１
００重量部あたり約０．２〜約２０重量部の範囲で存在
することが好ましく、その合計は、一般に、ロウ付用組
成物の半分未満を構成する。
【００３２】所望により、ある第２活性成分が、青銅合
金とともにロウ付用組成物に導入されることもできる。
即ち、チタン、ジルコニウム、タングステン、モリブデ
ンのような少量の活性元素を含む青銅青銅合金を使用す
ることもできる。好ましくは、青銅合金中の各活性成分
の濃度は、青銅中の銅と錫の合計の１００重量部あたり
約３重量部未満である。
【００３３】青銅合金と第２活性成分は、好ましくは、
粗い粉末として供給される。この粉末の粒子サイズは、
一般に、第１活性成分の微粉末のサイズよりも大きい。
即ち、粗い粉末の公称粒子サイズは少なくとも１０μｍ
であるべきである。「公称粒子サイズ」は、粗い粉末粒
子が１０μｍより小さくてもよく、約５μｍのように小
さくてもよいことを意味する。粗い粉末粒子の最大サイ
ズは、主としてロウ付用組成物の溶融特性によって決ま
る。好ましくは、このサイズは高々３２５米国標準メッ
シュ（４４μｍ）であるべきである。
【００３４】液体ビヒクルは、粗い粉末の均一な混合物
を作成するための媒体を提供する。また、これらの粉末
を取り扱うための便利な手段を与える。液体ビヒクル
は、十分に揮発性があることが必要であり、ロウ付の際
に実質的に完全に蒸発及び／又は熱分解し、ロウ剤の生
成や機能を損なう残留物を残すべきでない。好ましく
は、液体ビヒクルは約４００℃未満で逃散する。ここ
で、妥当な作業時間にわたって室温で流動性と粘着性を
結合組成物が維持するよう、液体の揮発性が低いことが
必要である。作業時間は、ロウ付用組成物と研磨材をコ
アに施し、ロウ付した工具を作成するのに十分長いこと
が望ましい。好ましくは、乾燥時間は約１〜２時間より
短い。より好ましくは、液体ビヒクルは、実際には、約
５０〜３００℃の約５〜２０分間の乾燥時間の中で結合
組成物から全て蒸発することができる。
【００３５】本発明において、Ｖｉｔｔａ社のＢｒａｚ
（商標）バインダーゲル、ウォールコルモノイ社（マジ
ソンハイツ、ミシガン州）の「Ｓ」バインダーのような
市販の材料を液体ビヒクルとして選択することができ
る。また、Ｌｕｃａｓ社のＬｕｃａｎｅｘ（商標）バイ
ンダーを使用することもできる。これは、メーカーによ
り、青銅合金と第２活性成分が既に混合されたペースト
として得られる。反転混合、ロール混合、攪拌などの上
記の周知のスラリー・ペースト処理法の多くが、ロウ付
用組成物の成分を混合するのに使用可能である。粉末と
液体ビヒクルの混合順序はそれ程重要ではない。ロウ付
用組成物は、青銅合金成分中の銅と錫の合計の１００重
量部あたり約０．５〜７重量部の第２活性成分を含むこ
とができ、好ましくは約０．５〜３重量部、より好まし
くは約０．５〜２重量部である。第１活性成分のコーテ
ィングは、本新規な結合剤中の活性成分の全量に殆ど付
加を与えない。これに対し、単層研磨工具用の従来の金
属ロウ付用組成物は、一般に、約１０重量部もの多くの
活性成分を含む。高濃度の活性成分は、超砥粒を十分に
湿らせて強い結合を与えるのに必要であった。ここで、
本発明は、砥粒の良好な湿りをもたらすのに、はるかに
少ない活性成分が存在するだけでよいといった長所を提
供する。これらのより少ない量は、研磨材とコアの間の
結合を弱くして磨耗した工具からロウ付後の組成物を剥
がす性能に悪影響を及ぼす金属間化合物層を生成させる
のに利用される活性成分をより少なくする。
【００３６】ロウ付用組成物は、当該分野で周知の技術
によってコアの作用面にコーティングすることができ、
例えば、ブラシ、スプレー、ドクターリング、ペースト
中に工具面を浸漬する、などが挙げられる。例えば、ロ
ウ付用組成物ペーストは、回転機を利用してコア表面に
コーティングすることができる。ロウ付用組成物は、結
合に有効な深さでコア上に配置するべきである。即ち、
ロウ付用組成物のコーティング厚さは、ロウ付の際にロ
ウ剤が砥粒を囲んで少なくとも部分的に埋没させるのに
十分にすべきである。次いで、新規なコーティングされ
た粒の層を、ロウ付用組成物のコーティング上に堆積さ
せる。砥粒は、切削面上に均一に分配させるように、個
別に配置する又は散布することができる。砥粒は、単
層、即ち、実質的に１つの砥粒の厚さで堆積させる。先
に加熱した工具を振盪する、軽く叩く、又は反転させ、
余剰の砥粒を除去する必要があることがある。
【００３７】砥粒はロウ付によってコアに固定させる。
通常のロウ付法と装置が使用可能である。一般に、ロウ
付工程は、コア上に配置されたロウ付用組成物中に埋設
された砥粒のアセンブリーを加熱することを必要とす
る。アセンブリーの温度は、所定の温度と時間のプログ
ラムにしたがって昇温させる。低めの加熱温度、即ち約
４００〜６００℃において、液体バインダーの揮発分と
可燃画分の残存物が蒸発及び／又は熱分解される。同様
に、結合組成物の液体ビヒクル部分が、これらの温度で
逃散する。また、これらの温度において、反応性イオン
を含む活性成分の化合物が分解し、反応性イオンを遊離
させる。例えば、水素化チタンが分解し、元素チタンと
水素になる。温度をさらに約８００〜９５０℃まで高め
ると、青銅合金と活性成分の活性ロウ付が生じ、超砥粒
をコアに結合させる。種々の温度に曝す時間は、ロウ付
を最適化するように選択することができる。当業者は、
それ程の実験をしなくても、適切な時間と温度の条件を
決めることができるはずである。
【００３８】次に本発明を、ある代表的な例によって説
明するが、部、割合、％はいずれも特に明記がなければ
重量基準である。最初にＳＩ系単位で求めなかった重量
単位はＳＩ系単位に変換した。
【００３９】
【実施例】
例１ ８０重量部のＴｉＨ2 粉末（Ｃｅｒａｃ社、ミルウォー
キー、ウィスコンシン州）と２０重量部のＶｉｔｔａ
Ｂｒａｚ（商標）バインダーゲル（Ｖｉｔｔａ社、ベテ
ル、コネクティカット州）を混合してペーストを作成し
た。ＴｉＨ2 粉末の公称粒子サイズは３２５米国標準メ
ッシュ（４４μｍ）であったが、実際の最大粒子サイズ
は約１０μｍであった。この成分を坩堝に添加し、ペー
ストが滑らかな稠度になるまでスパチュラを用いて手で
攪拌した。公称で２５米国標準メッシュ（０．７０７ｍ
ｍ）の天然ダイヤモンド結晶をペーストに添加し、さら
に攪拌して混合した。ダイヤモンドがＴｉＨ2 ペースト
を完全に湿らせた後、このダイヤモンド混合物を２００
℃で２時間オーブン乾燥した。乾燥の後、バインダーは
完全に蒸発した。
【００４０】例２〜６と比較例１〜３ 例１のダイヤモンド結晶をロウ付する種々のロウ付用組
成物の性能を、表１に記載したように、一連のロウ付テ
スト実験によって調べた。ＴｉＨ2 粉末のコーティング
を備えたダイヤモンド結晶は、例１に記載したようにし
て調製した。比較例２においては、ダイヤモンド結晶は
コーティングしなかった。ロウ付用組成物は、表１に示
した割合の銅−錫青銅合金粉末（米国標準メッシュで３
２５未満）とＴｉＨ2 粉末（実際の最大粒子サイズは約
４４μｍ）、及びＶｉｔｔａ Ｂｒａｚ（商標）バイン
ダーゲルを混合して調製した。この組成物は２０重量％
の液体ビヒクルと８０重量％の固体を含んだ。ロウ付用
組成物は、手で約１０分間攪拌し、均一な稠度の粘稠ペ
ーストを作成することによって配合した。ロウ付用組成
物の床を、平坦な幅約１０ｍｍ低炭素鋼のプレフォーム
ブロックの各々の上に、６ｍｍの奥行きで広げた。
【００４１】ダイヤモンド結晶群をロウ付用組成物の床
の上に配置し、そのブロックを、表１に示した時間にわ
たって記載のロウ付温度まで加熱した。これらのロウ付
条件の下で、全てのロウ剤合金組成物はダイヤモンド結
晶の周りで溶融した。目視検査により、ダイヤモンドと
ロウ剤の間の結合性が観察された。比較例１において、
ロウ剤合金は、ダイヤモンド表面を湿らさず、その結晶
はロウ付後の組成物の非常に浅い溜の中に位置したまま
であった。この構造は強い結合を与えない。これに対し
て、例２〜４の各々のロウ付後の組成物は、各ダイヤモ
ンド粒子の周りに十分なメニスカスを形成し、その粒子
はロウ剤の中に深く沈められた。この形態は、ロウ付後
のダイヤモンドが単層研磨工具に強く結合したことを示
した。また、これらの例は、ロウ付用組成物中の非常に
少量の第２活性成分が、ロウ付後の組成物を、コーティ
ングされたダイヤモンド砥粒に適合性にし得ることを示
す。少なくとも約１．５重量部で十分であることが示さ
れたが、約０．５重量部のようにさらに少ない量でも十
分であろう。さらに、比較例２に見られるように、低い
チタン濃度のロウ付用組成物は、未コーティングダイヤ
モンドを十分に湿らさなかった。しかしながら、例３
は、第１活性成分の機械的に結合されたコーティング
が、ロウ付用組成物中の同じ２重量部のチタンをダイヤ
モンド結晶に十分に濡らすことを示している。
【００４２】
【表１】
【００４３】ロウ付テストの実験を、例５と６及び比較
例３において、銀を含む異なる青銅合金について繰り返
した。各ロウ付用組成物は２重量部のＴｉＨ2 を含ん
だ。例６における第１活性成分はＣｅｒａｃ社（ミルウ
ォーキー、ウィスコンシン州）から入手の３２５未満標
準メッシュ（＜４４μｍ）の元素チタン粉末であった。
例５と６において、ロウ付後の組成物は、ダイヤモンド
結晶の周りにメニスカスを形成したが、比較例３におけ
る同じロウ付後の組成物は形成しなかった。これらの実
験は、ダイヤモンド砥粒をコーティングすることが、ダ
イヤモンドとロウ付後の組成物の間の適合性を顕著に高
めることを確認するものである。さらに、例６は、元素
チタン粉末が有効な第１活性成分であることを示す。
【００４４】例７と比較例４ 上記と同様にして、次の変更を加えて追加のロウ付テス
トを行い、即ち、例７において６８重量％のＴｉＨ2 粉
末に３２重量％の品名「Ｓ」バインダー（ウォールコル
モニィ社）を混合し、スラリーペーストを作成した。こ
のペーストをダイヤモンド結晶（米国標準メッシュ２０
／３０の粒子サイズ、即ち、０．８４１〜０．５９５ｍ
ｍ）に混ぜ、ダイヤモンドを湿らせた。この混合物を１
７５℃で２時間乾燥し、「Ｓ」バインダーを完全に蒸発
させた。コーティングされたダイヤモンドと対象標準の
未コーティングダイヤモンド（比較例４）を、表２に示
したロウ付用組成物と条件を用いてロウ付した。得られ
たロウ付後の組成物の有効性を目視検査により観察し
た。この実験は、ロウ付用組成物に含まれた２重量部の
ＴｉＨ2 がロウ付後の組成物を未コーティングダイヤモ
ンドをあまり上手く濡らさないことを示した。これに対
し、コーティングされたダイヤモンド結晶は、同じロウ
剤合金を上手く濡らせた。この実験に基づくと、ウォー
ルコルモニィ社の「Ｓ」バインダーが本発明における有
効な揮発性液体バインダーであり得ることをさらに結論
することができる。
【００４５】
【表２】
【００４６】比較例５と６ 例７と同様にしてロウ付テストを行い、但し、２種の市
販のチタンコーティングしたダイヤモンドで、機械的コ
ーティングしたダイヤモンドを置き換えた。比較例５に
おいて、ゼネラルエレクトリック社から入手した２５／
３０米国標準メッシュ（０．７０７〜０．５９５ｍｍ）
の粒子サイズの合成ダイヤモンドを使用した。例６のダ
イヤモンドはデビアーズ社から入手した４０／５０米国
標準メッシュ（０．４２〜０．２９７ｍｍ）の粒子サイ
ズであった。デビアーズ社のダイヤモンドのチタンコー
ティングは０．５重量％であったが、ゼネラルエレクト
リック社のダイヤモンドのチタン量は不明であり、但
し、コーティングと約１μｍ未満の厚さと推測された。
表２に示した組成物と条件でロウ付を行った。
【００４７】ロウ剤は、いずれの市販のコーティングさ
れたダイヤモンドサンプルも濡らさなかった。必ずしも
明らかではないが、市販のダイヤモンド上の割合に薄い
チタンコーティングは、化学蒸着又は物理蒸着あるいは
その他の同様な直接的結合法によるものと考えられる。
このような方法は分子レベルのコーティング厚さを生成
する。これらの極めて薄いコーティングは、ロウ付用組
成物がダイヤモンドを濡らすことを生じさせない。市販
のチタンコーティングのダイヤモンドは、ロウ付用組成
物をダイヤモンドに濡れさせるのに十分な未反応チタン
をコーティング中に欠くものと考えられる。
【００４８】尚、本発明の好ましい態様において、超砥
粒は、ダイヤモンドと立方晶窒化ホウ素からなる群より
選択され、第１活性成分は、元素チタンと水素化チタン
からなる群より選択され、第２活性成分は、元素チタン
と水素化チタンからなる群より選択され、乾燥工程が、
コーティングされた超砥粒をバインダー中の液体が蒸発
するまで約５０℃〜３００℃に加熱することを含み、第
１活性成分と第２活性成分が化学的に同一である。上記
の例において本発明の特定の態様を説明のために選択
し、本発明のこれらの態様を説明するために特定の用語
によって説明してきたが、これらの説明は特許請求の範
囲に限定される本発明の範囲を制限するものではない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 サージ−トミスラブ バルジャン アメリカ合衆国，マサチューセッツ 01720，アクトン，ワシントン ドライ ブ 23 (72)発明者 ブラドリー ジェイ．ミラー アメリカ合衆国，マサチューセッツ 01581，ウエストボーロー、フィッシャ ー ストリート 55 (72)発明者 エリック シャルツ アメリカ合衆国，マサチューセッツ 01606，ウスター，アパートメント １, ハーレー ドライブ 78 (72)発明者 トーマス ダブリュ．イーガー アメリカ合衆国，マサチューセッツ 02178，ベルモント，クラフリン スト リート 138 (56)参考文献 特開 平１−301070（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−131475（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B24D 3/00 330 B24D 3/00 310 B24D 3/00 320 B24D 3/00 340 B24D 3/06

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 (A) チタン、ケイ素、クロム、タングス
    テン、バナジウム、モリブデン、ハフニウム、鉄、ジル
    コニウム、及びこれらの反応性化合物、及びこれらの混
    合物からなる群より選択された金属又は金属化合物を含
    む第１活性粉末成分と、接着剤ペーストを作成するのに
    有効な量の液体バインダーを混合し、均一な組成物を作
    成し、 (B) ある表面積を各々が有する超砥粒に、その超砥粒の
    表面積の大部分が接着剤ペーストで濡れるのに有効な量
    の接着剤ペーストを混合し、 (C) 液体バインダーを乾燥させ、それによって、厚さ１
    μｍを上回る第１活性粉末成分の機械的結合表面コーテ
    ィングを有するコーティングされた超砥粒を作成し、 (D) コアの作用面に、チタン、ケイ素、クロム、タング
    ステン、バナジウム、モリブデン、ハフニウム、鉄、ジ
    ルコニウム、及びこれらの反応性化合物、及びこれらの
    混合物からなる群より選択された金属又は金属化合物を
    含んでなる第２活性成分を含むロウ付用組成物の有効量
    をコーティングし、ここで、前記ロウ付用組成物は、
    (1) 約１０〜３０重量％の錫と残余の銅から本質的にな
    る青銅合金の１００重量部の粗い粉末、(2) 約０．５〜
    ７重量部の第２活性成分の粗い粉末、及び(3) 約１５〜
    ３０重量部の液体ビヒクル、を含んでなり、前記第１活
    性成分と前記第２活性成分の合計が青銅合金の１００重
    量部あたり約５重量部を下回り、 (E) 金属コアの作用面上のロウ付用組成物の中に、コー
    ティングされた超砥粒の単層を堆積させ、 (F) コーティングされた金属コアを、不活性雰囲気中で
    加熱し、実質的に全ての液体バインダーを除去し、 (G) 超砥粒、第１活性成分、及び第２活性成分の間の反
    応をもたらすように、少なくとも７００℃の温度で、コ
    ーティングされた超砥粒をコアにロウ付する、各工程を
    含む、金属コアを有する研磨工具の製造方法。
  2. 【請求項２】 コーティングされた超砥粒が、厚さ約４
    〜１５０μｍの第１活性粉末成分の表面コーティングを
    有する請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 第１活性粉末成分が約４〜４４μｍの粒
    子サイズを有する請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 第２活性成分がロウ付用組成物中に約４
    〜約１５０μｍの粒子サイズの粉末の形態で存在する請
    求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 第２活性成分が青銅合金の１００重量部
    あたり約０．５〜３．０重量部である請求項１に記載の
    方法。
  6. 【請求項６】 ロウ付が、非酸化性雰囲気下で、コーテ
    ィングされた金属コアを７５０〜９５０℃の温度に５〜
    ３０分間加熱することによって行われる請求項５に記載
    の方法。
  7. 【請求項７】 作用面を有する金属コア、 その作用面にロウ付された超砥粒の１つの粒子の厚さの
    層であって、ロウ付の前に超砥粒に専ら機械的に結合さ
    れたチタン、ケイ素、クロム、タングステン、バナジウ
    ム、モリブデン、ハフニウム、鉄、ジルコニウム、及び
    これらの反応性化合物、及びこれらの混合物からなる群
    より選択された金属又は金属化合物を含む第１活性成分
    を高分子的厚さでコーティングされた各粒子の層、及び
    ロウ付用組成物の生成物である以下の作用面上のロウ付
    後の組成物： (1) 約１０〜３０重量％の錫と残余の銅から本質的にな
    る約１００重量部の青銅合金、 (2) チタン、ケイ素、クロム、タングステン、バナジウ
    ム、モリブデン、ハフニウム、鉄、ジルコニウム、及び
    これらの反応性化合物、及びこれらの混合物からなる群
    より選択された金属又は金属化合物を含む約０．５〜７
    重量部の第２活性成分の粉末、 を含んでなり前記第１活性成分と前記第２活性成分の合
    計が、青銅合金の１００重量部あたり約５重量部を下回
    る研磨工具。
  8. 【請求項８】 第２活性成分がロウ付用組成物中に約
    ０．５〜３．０重量部存在する請求項７に記載の研磨工
    具。
  9. 【請求項９】 チタン、ケイ素、クロム、タングステ
    ン、バナジウム、モリブデン、ハフニウム、鉄、ジルコ
    ニウム、及びこれらの反応性化合物、及びこれらの混合
    物からなる群より選択された金属又は金属化合物を含む
    第１活性粉末成分の約４〜１５０μｍの高分子的厚さで
    各粒子がコーティングされた超砥粒を含んでなり、その
    コーティングは、 (A) 第１活性粉末成分と、接着剤ペーストを作成するの
    に有効な量の液体バインダーを混合し、均一な組成物を
    作成し、 (B) ある表面積を各々が有する超砥粒に、その超砥粒の
    表面積の少なくとも大部分が接着剤ペーストで濡れるの
    に有効な量の接着剤ペーストを混合し、 (C) 液体バインダーを乾燥させる、 各工程を含む方法によって砥粒に専ら機械的に結合さ
    れ、前記コーティングされた超砥粒を含んでなるコーテ
    ィング砥粒であって、 (1) 約１０〜３０重量％の錫と残余の銅から本質的にな
    る青銅合金の１００重量部の粗い粉末、(2) 約０．５〜
    ７重量部の第２活性成分の粗い粉末、及び(3)約１５〜
    ３０重量部の液体ビヒクル、を含んでなるロウ付用組成
    物を用いて、 前記第１活性成分と前記第２活性成分の合計が青銅合金
    の１００重量部あたり約５重量部を下回る量で金属単層
    の研磨工具のコアにロウ付するのに適するコーティング
    された砥粒。
  10. 【請求項１０】 第１活性粉末成分のコーティングが、
    超砥粒の約５〜５０重量部の量で存在する請求項９に記
    載のコーティングされた砥粒。
  11. 【請求項１１】 第１活性成分の粉末が約４〜４４μｍ
    の粒子サイズを有する請求項９に記載のコーティングさ
    れた砥粒。
  12. 【請求項１２】 超砥粒が、ダイヤモンドと立方晶窒化
    ホウ素からなる群より選択された請求項９に記載のコー
    ティングされた砥粒。
  13. 【請求項１３】 第１活性成分が、元素チタンと水素化
    チタンからなる群より選択された反応性チタン物質であ
    る請求項９に記載のコーティングされた砥粒。
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