JP3209976B2

JP3209976B2 - 超仕上げ砥石

Info

Publication number: JP3209976B2
Application number: JP08930899A
Authority: JP
Inventors: 和志中塩
Original assignee: クレノートン株式会社; ノートンカンパニー
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2001-09-17
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: JP2000280175A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は円筒外面、平面お
よび玉軸受軌道面等の最終仕上げ加工に用いられるビト
リファイド超仕上げ砥石に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近円筒外面、平面および玉軸受軌道面
等の最終仕上げ加工に用いられる砥石として、立方晶窒
化ホウ素、ダイヤモンドなどの超硬質砥粒とビトリファ
イド結合剤を組み合わせた超仕上げ砥石が知られている
（特開平５−２５３８４８号、特開昭６２−１４８１５
９号、特開平２−２７４４６５号公報）。また上記超硬
質砥粒とビトリファイド結合剤を組み合わせた超仕上げ
砥石を用いて貼り合わせ等などにより形状を工夫した超
仕上げ砥石などが知られている（特開平５−３２９７８
０号公報）。

【０００３】しかし、超硬質砥粒とビトリファイド結合
剤を組み合わせた超仕上げ砥石は、砥石に使用する砥粒
の価格が高価なため、砥石の価格も高い。従ってこれら
の超仕上げ砥石の用途は主に小径玉軸受軌道面に広く使
用されているが、それ以外の用途にはあまり使用されて
いない。そこで、溶融白色アルミナ質砥粒（ＷＡ）およ
び炭化ケイ素質砥粒（ＧＣ）などの一般砥粒を使用した
比較的安価なビトリファイド超仕上げ砥石がいまだに多
く使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし現在、主に市場
で使用されている溶融白色アルミナ質砥粒（ＷＡ）およ
び炭化ケイ素質砥粒（ＧＣ）を使った超仕上げ砥石は、
市場で要求されている高切削性を満たそうとすればどち
らかと言うと軟らかめの砥石を選定することになり、結
果砥石の消耗が大きくなり、一方、砥石の消耗を少なく
しようとすれば硬めの砥石を選定し、結果砥石の消耗は
少なくなるが、市場で要求されている高切削性を満足し
ないという問題がある。

【０００５】そこで、上記の問題を解決するために、超
仕上げ砥石の開発に関しては、現在、立方晶窒化ホウ
素、ダイヤモンドなどの超硬質砥粒を使用した超仕上げ
砥石の開発に重点が置かれている。これに対し、本発明
は、立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンドなどの超硬質砥粒
を含まない、比較的安価でありながら、市場で要求され
ている高切削性を満たし、かつ耐久性のすぐれた超仕上
げ砥石を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、アルミナ質砥粒を用いた超仕上げ砥石の
中に、微結晶性焼結アルミナ質砥粒を用い、またこの超
仕上げ砥石を有効に活用するためビトリファイド結合剤
中にＰ₂Ｏ₅を含ませることにより、比較的安価で耐久
性のすぐれたビトリファイド超仕上げ砥石を提供するも
のである。

【０００７】好ましくは、アルミナ質砥粒が微結晶性焼
結アルミナ質砥粒と溶融白色アルミナ質砥粒を含みかつ
ビトリファイド結合剤が、３〜１５wt％のＰ₂Ｏ₅を含
み、さらに好ましくは、ビトリファイド結合剤がＳｉＯ
₂４０〜５５wt％、Ａｌ₂Ｏ ₃１５〜２５wt％、１価の
アルカリ金属の酸化物（Ｒ₂Ｏ）と２価のアルカリ土類
金属の酸化物（ＲＯ）との合計で１１〜２１wt％、Ｂ₂
Ｏ₃５〜１５wt％、Ｐ ₂Ｏ₅３〜１５wt％を含む。

【０００８】

【発明の実施の形態】微結晶性焼結アルミナ質砥粒は、
特公平５−２０２３２号公報などに開示されているが、
アルミナ前駆体のゾル、ゲルを焼結してアルミナ質砥粒
としたものであるが、特に焼成前にシード（種晶）を添
加することにより微細（サブミクロン）なアルミナ結晶
からなる焼結アルミナを得ることができる。その特徴は
砥粒の耐破砕性が改善され、研削時砥粒の大破砕脱落な
どを減少させ切刃として有効に作用させると共に、ミク
ロな自生発刃作用により切刃の向上と耐摩耗性の改善を
可能とした砥粒である。

【０００９】通常の汎用砥粒製法では、原材料を加熱溶
解冷却し結晶を生成後粉砕して希望粒度とする。したが
って砥粒一個に含まれる結晶の数は一個から数個とな
る。これに対して微結晶性焼結アルミナ質砥粒はサブミ
クロン粒子の酸化アルミニウムの核種から始まり乾燥粉
砕焼結工程をへて砥粒とする化学プロセスにより製造さ
れるので、一個の砥粒中には数十億個の高純度微粒子が
存在する。したがって研削時通常の砥粒は平坦に摩耗し
やすいが、微結晶性焼結アルミナ質砥粒は新しいサブミ
クロン粒子が次々と出てくるため、優れた切れ味が持続
する。これは微結晶性焼結砥粒自身の破砕も逃げ角を形
成する構造となっているためである。

【００１０】本発明は、このような特性をもつ微結晶性
焼結アルミナ質砥粒を超仕上げ砥石に適用することによ
り比較的安価でありながら、市場で要求されている高切
削性を満たし、かつ耐久性に優れた超仕上げ砥石を提供
せんとするものである。本発明の超仕上げ砥石には、上
記の微結晶性焼結アルミナ質砥粒と共に溶融白色アルミ
ナ質砥粒を用いることが好ましい。微結晶性焼結アルミ
ナ質砥粒は溶融白色アルミナ質砥粒に比べて価格が高く
また研削性能の向上はその添加量に比例せず、むしろ微
結晶性焼結アルミナ質砥粒が砥粒全使用量に対して５０
wt％を越えると目づまりが発生し正常研削ができない。
従って微結晶性焼結アルミナ質砥粒は砥粒全使用量に対
して５〜５０wt％が望ましく、より好ましくは１０〜５
０wt％である。

【００１１】本発明の超仕上げ砥石に用いるビトリファ
イド結合剤はＰ₂Ｏ₅を３〜１５wt％含むことを特徴と
している。微結晶性焼結アルミナ質砥粒は、高温でビト
リファイド結合剤と反応して劣化するので、低温焼成、
好ましくは１１００℃以下、より好ましくは１０００℃
以下、さらには９００℃程度の温度で焼成するべきこと
が開示されている（特開昭６１−５６８７２号公報
他）。そのためには、ＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃の量を減少
させ、一価のアルカリ金属の酸化物およびＢ₂Ｏ₃の量
を増加することが有効であり、微結晶性焼結アルミナ質
砥粒を用いたビトリファイド砥石を開示する従来技術に
開示されたビトリファイド結合剤は大略そのような化学
組成である。

【００１２】本発明者は、当初、微結晶性焼結アルミナ
質砥粒の超仕上げ砥石への適用を着想し、超仕上げ砥石
を試作したが予想されるような性能を得ることができな
かった。そこで、超仕上げ用砥粒の粒径が小さいため、
ビトリファイド結合剤との反応に敏感なことが原因であ
るかもしれないと考え、公知のビトリファイド結合剤中
で最も低温焼成の結合剤（特開平３−６８６７８号及び
同８−９０４２２号公報）を用いたが、超仕上げの研削
性能は思うように向上しなかった。このような経緯を経
て、鋭意検討を重ねるうちに、ビトリファイド結合剤中
にＰ₂Ｏ₅を３〜１５wt％添加すると、微結晶性焼結ア
ルミナ質砥粒を用いた超仕上げ砥石の研削性能が顕著に
向上することを見い出した。

【００１３】理論に縛られる意図はないが、本発明者は
次のように考えている。すなわち、（１）Ｐ₂Ｏ₅はのビトリファイド結合剤の溶融を助け
る役目があるので研削性能に悪い影響を及ぼさない９０
０℃〜１０００℃でできるだけ低温の焼成を可能とす
る。（２）他にもビトリファイド結合剤の溶融を助ける成分
としてＢ₂Ｏ₃と１価のアルカリ金属の酸化物（Ｒ
₂Ｏ）などがあるが、これらの成分はビトリファイド結
合剤が溶融した後、溶融粘度が極端にさがる傾向があり
ビトリファイド結合剤の安定性に問題が生じる。

【００１４】また、ビトリファイド結合剤と砥粒との化
学反応性が顕著におこり微結晶性焼結アルミナ質砥粒の
特性を生かすことができない可能性がある。これに対し
てＰ ₂Ｏ₅はビトリファイド結合剤が溶融した後、溶融
粘度の変化はあまり起こらず結晶性焼結アルミナ質砥粒
の特性を生かすことができる。２価のアルカリ土類金属
の酸化物（ＲＯ）も同じ働きがあるがＰ₂Ｏ₅，Ｂ₂Ｏ
₃と１価のアルカリ金属の酸化物（Ｒ₂Ｏ）ほど顕著で
ない。

【００１５】（３）Ｐ₂Ｏ₅はリン酸アルミニウム化合
物などの代表例としてＡｌ₂Ｏ₃成分との化学結合性が
よい。（４）ビトリファイド結合剤の熱膨張係数は砥粒とでき
るだけマッテングしたほうがよい。一般的に砥粒とビトリファイド結合剤の熱膨張係数が±
２×１０Ｅ−６以上はなれると結合剤にクラックが発生
し砥粒の脱落が促進される。アルミナ質砥粒の熱膨張係
数は約８．０×１０Ｅ−６である。Ｂ₂Ｏ₃は熱膨張係
数を下げる働きがあり、おもに熱膨張係数の低い超硬質
砥粒を使うビトリファイド結合剤の溶融を助けるのに使
われる。１価のアルカリ金属の酸化物（Ｒ₂Ｏ）は熱膨
張係数を上げる働きがある。したがってビトリファイド
結合剤の溶融を助けるためＢ₂Ｏ ₃や１価のアルカリ金
属の酸化物（Ｒ₂Ｏ）を入れるとそれぞれの量関係によ
り熱膨張係数が砥粒とマッチングしなくなり、結合剤に
クラックが発生し砥粒の脱落が促進される可能性があ
る。

【００１６】これに対してＰ₂Ｏ₅の熱膨張係数は熱膨
張係数を上げる働きがあるが１価のアルカリ金属の酸化
物（Ｒ₂Ｏ）ほど大きくない。以上の理由からビトリフ
ァイド結合剤にＰ₂Ｏ₅ を３〜１５wt％入れることによ
り９００℃〜１０００℃でできるだけ低温の焼成を可能
とし、そのほかに微結晶性焼結アルミナ質砥粒と有効な
化学結合をし、熱膨張係数を砥粒とできるだけマッテン
グすることにより砥粒の早い時期の脱落を防ぎ、微結晶
性焼結アルミナ質砥粒による切削作用を助けよりよい切
削性と高寿命の超仕上げ砥石の製造ができるものと考え
られる。

【００１７】Ｐ₂Ｏ₅を３〜１５wt％含むことにより、
特に性能に優れた超仕上げ砥石を得ることができた。Ｐ
₂Ｏ₅は３wt％から効果が出始め、６〜１２wt％で性能
がピークとなる。１５wt％を越えると所望の性能がでな
くなる。本発明のビトリファイド結合剤の好適な化学組
成は、ＳｉＯ₂４０〜５５wt％、Ａｌ₂Ｏ₃１５〜２５
wt％、１価のアルカリ金属の酸化物（Ｒ₂Ｏ）と２価の
アルカリ土類金属の酸化物（ＲＯ）との合計で１１〜２
１wt％、Ｂ₂Ｏ₃５〜１５wt％、Ｐ₂Ｏ₅３〜１５wt％
を含む。

【００１８】ビトリファイド結合剤の上記の各成分の役
割は、次の如くである。ＳｉＯ₂が４０wt％未満になる
とボンドの強度がさがり、５５wt％より多くなるとボン
ドの溶融温度が上がり焼成温度を上げる必要がある。Ａ
ｌ₂Ｏ₃は１５wt％未満になるとボンドの安定性に問題
が生じ、２５wt％より多くなればボンドの溶融温度が上
がり焼成温度を上げる必要がある。Ｒ₂Ｏ（Ｒはアルカ
リ金属）プラスＲＯ（Ｒはアルカリ土類金属）は１１wt
％未満になるとボンドの溶融温度が上がり焼成温度を上
げる必要があり、２１wt％より多くなるとボンド安定性
に問題がでる。Ｂ₂Ｏ₃は５wt％未満だとボンドの溶融
温度が上がり焼成温度を上げる必要があり、１５wt％よ
り多くなるとボンドの安定性に問題が生じる。

【００１９】最近、機械部品の高性能、高寿命化に関連
して摩擦する部分に対しての仕上げ加工が重視され盛ん
に採用されるようになってきた。これに経済性も加わっ
て短時間でＲ_max０．０５〜０．１μｍ以下の鏡面加工
仕上げと高精度並びに高切削量が要求されている。特に
高切削性が要求される。使用される砥粒の粒度の範囲と
してはＪＩＳの呼びで２８０番〜６０００番であるが主
には１０００番以下の細目が多い。砥石の結合度はロッ
クウエル硬度でプラス１００〜マイナス６０でプラス１
００が硬めマイナス６０が軟らかめである。最近はどち
らかというとマイナス結合度の軟らかめが主に使用され
ている。

【００２０】一般的に、使用される超仕上げ砥石の寸法
および形状は被削材および機械の構造により決定され
る。最小寸法として２×２×１５mm最大寸法は２５×５
０×１２０mmぐらいであり、これらより大きな寸法、小
さな寸法がある可能性もある。形状としてはほとんど直
方体の形状であるが、先が丸く加工したものもある。一
般的に、使用される超仕上げ砥石の組織（組成）は砥粒
率（Ｖｇ）は３２％〜４６％でおもに３５％〜４３％が
多い。結合剤率（Ｖｂ）は５％〜２０％であり、気孔率
（Ｖｐ）は４４％〜５５％である。

【００２１】以上の製造範囲から仕上げ面粗度、研削条
件、経済性から適当な超仕上げ砥石を選定し使用され
る。

【００２２】

【実施例】以下の実施例に拘束される意図はなく、本発
明を実施例を用いて説明する。参考例ノートン社が開発した微結晶性焼結アルミナ質砥粒（商
品名ＳＧ砥粒、粒度ＪＩＳ３０００番）と、市販の溶
融白色アルミナ質砥粒（商品名ＷＡ、粒度ＪＩＳ３０
００番）を等重量比（５０：５０）で用い、ビトリファ
イド結合剤として特開平８−９０４２２号公報に低温焼
成用として開示されているもの、それを修正するものと
して表１に示す化学組成の結合剤（１）〜（３）を用い
て、表２に示す如く超仕上げ砥石（１）〜（３）を作製
した。

【００２３】比較として、市場で最もよく使われる（市
販品Ａ）溶融白色アルミナ質砥粒１００％の超仕上げ砥
石をテストした。超仕上げ砥石の組織は一般的に使用さ
れている組織、砥粒率を３７容量％、ビトリファイド結
合剤率を９容量％、気孔率を５４容量％、ビトリファイ
ド超仕上げ砥石の硬度はロックウエル硬度Ｈスケール
（１／８″スケール６０kgf 荷重)で−３０〜−４０の
範囲とした。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】テスト砥石混合手順及び研削条件ＷＡおよびＷＡ＋ＳＧ砥粒の各砥粒量１００重量部に対
して、３０％濃度のデキストリン水溶液５重量部と各ビ
トリファイド結合剤を攪拌混合し焼成後の砥石で、砥
粒、ビトリファイド結合剤および気孔の体積を砥石の体
積で除した値が砥粒率３７容量％、ビトリファイド結合
剤率９容量％、気孔率５４容量％になるように生砥石の
嵩比重をあらかじめ計算で求めておき、これを基準に各
テスト砥石の混合割合を定めて６０×１２×２５mmの角
形砥石を成型した。

【００２７】市販品（Ａ）の超仕上げ砥石の組織は上記
の組織であった。テスト砥石（１）〜（３）は成型後、
得られた生砥石を乾燥しさらに最高温度９００℃２時間
とし所定時間３０時間で焼成した。得られた砥石はロッ
クウエル硬度測定後所定の寸法に切り出し後研削テスト
を行った。

【００２８】比較として市販されている溶融白色アルミ
ナ質砥粒１００％の超仕上げ砥石をテストした。研削テ
ストは、超仕上げ盤（西部自動機器社製）で研削液は不
水溶性の鉱油を使用し、被削材はＳＵＪ−２（ＨＲＣで
５８／６２）、砥石寸法は縦１０mm横５mm奥行き２０mm
で、砥石作用面は円周方向の幅１０mm、軸方向の幅５m
m、摩耗方向２０mmとし、ワーク寸法は直径５０mm、幅
５mmで円筒外面のプランジ方式の研削を行った。テスト
前の被削材の面粗度は１．３μｍＲｚとした。超仕上げ
条件は砥石振動数１７８５cpm 、ワーク回転数１９７rp
m 、砥石振幅２mmで最大傾斜角２０度で１分間／１条件
とした。

【００２９】

【表３】

【００３０】結果を表３に示すが、市販品（Ａ）を基準
として、テスト砥石（１）の砥石は市販品より性能が劣
り、テスト結合剤（２）とテスト結合剤（３）は切削量
が劣り、耐久性の若干の向きは認められた。しかし、微
結晶性焼結アルミナ質砥粒を使用しているにもかかわら
ず市販品（Ａ）の溶融白色アルミナ質砥粒を使用した砥
石より性能の向上、特に切削性の向上が殆んどない。（実施例１）参考例のテスト砥石（１）〜（３）と同様
にして、表４に示す化学組成を有する結合剤（１１）〜
（１６）を用いて、表５に示すテスト砥石（１１）〜
（１８）を作製し、同じく参考例と同様にして研削試験
を行なった。結果を表６に示す。

【００３１】

【表４】

【００３２】

【表５】

【００３３】

【表６】

【００３４】全てテスト砥石のロックウエル硬度は−３
０〜−４０の範囲であった。全ての被削材は焼けが認め
られなかった。面粗度については市販品（Ａ）に比べて
切削量が多い砥石は市販品（Ａ）より若干劣った。これ
は切削量が多くなると面粗度が悪くなる傾向になるから
である。しかしこれらの数値は許容される範囲内であり
問題はない。

【００３５】表６によれば、市販品（Ａ）を基準として
テスト砥石（１１）溶融白色アルミナ質砥粒１００wt％
でビトリファイド結合剤中にＰ₂Ｏ₅を含まない砥石は
性能が劣った。微結晶性焼結アルミナ質砥粒を使用した
場合全般的に性能は向上した。またビトリファイド結合
剤中にＰ₂Ｏ₅がはいった砥石も性能が向上した。特に
微結晶性焼結アルミナ質砥粒をふくみ、ビトリファイド
結合剤中にＰ₂Ｏ₅の量が６〜１２wt％含んだテスト砥
石（１４），（１５），（１７）は切削量は１０％以上
向上し研削比は２倍以上となり、ビトリファイド結合剤
中のＰ₂Ｏ₅の量が９〜１２wt％で性能がピークとなっ
た。ビトリファイド結合剤中のＰ₂Ｏ₅の量が１５wt％
であるテスト砥石（１８）は市販品（Ａ）より性能が
１．８倍よいが、テスト砥石（１７）より性能は劣っ
た。

【００３６】微結晶性焼結アルミナ質砥粒が含んだテス
ト砥石（１５）と微結晶性焼結アルミナ質砥粒が含んで
いないテスト砥石（１６）では、微結晶性焼結アルミナ
質砥粒が含んだテスト砥石（１５）のほうが微結晶性焼
結アルミナ質砥粒が含んでいないテスト砥石（１６）よ
り２倍以上の研削比となった。従って、微結晶性焼結ア
ルミナ質砥粒とビトリファイド結合剤中のＰ₂Ｏ₅が相
乗効果となり、よりよい性能をもたらしたことが判る。（実施例２）実施例１と同様にして、微結晶性焼結アル
ミナ質砥粒の含有量と研削性能の関係を調べた。表７に
示すようにＷＡとＳＧの含有割合を変え、結合剤として
は実施例１のテスト結合剤（１４）を用いた。

【００３７】作製した砥石の研削試験も実施例１と同様
に行なった。結果を表８に示す。

【００３８】

【表７】

【００３９】

【表８】

【００４０】テスト砥石（２１）〜テスト砥石（２６）
について、ロックウエル硬度は−３０〜−４０の範囲で
あった。テスト砥石（２５）とテスト砥石（２６）は研
削初期目づまりが発生し正常研削ができなかった。テス
ト砥石（２１）〜テスト砥石（２４）については被削材
は焼けがなかった。面粗度については市販品（Ａ）に比
べて切削量が多い砥石は市販品（Ａ）より若干劣った。
これは切削量が多くなると面粗度が悪くなる傾向になる
からである。しかしこれらの数値は許容される範囲内で
あり問題はない。

【００４１】表８にみられるように、微結晶性焼結アル
ミナ質砥粒の含有量が全砥粒量に対し１０wt％より微結
晶性焼結アルミナ質砥粒添加の効果が出始め、５０wt％
まで切削量、砥石耐久性共に増大し研削比は伸びてい
る。しかし微結晶性焼結アルミナ質砥粒を５０wt％より
多く入れると目づまりが発生し正常な研削はできなかっ
た。

【００４２】従って、ビトリファイド超仕上げ砥石中に
おける微結晶性焼結アルミナ質砥粒の含有量は砥石中の
砥粒の全含有量に対して１０〜５０wt％が望ましい。

【００４３】

【発明の効果】以上のごとく、この発明の超仕上げ砥石
は従来の溶融白色アルミナ質砥粒と比べ２．８倍近い研
削性能が得られる。したがって溶融白色アルミナ質砥粒
１００％使用の市販品に比べて比較的安価でしかも研削
性能、特に耐久性にすぐれ、切れ味のよい超仕上げ砥石
を供給することができ、この発明の超仕上げ加工に対す
る貢献はきわめて大きいと言うことができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き審査官横溝顕範 (56)参考文献特開平８−90422（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−39292（ＪＰ，Ａ) 特開平４−315579（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B24D 3/00 B24D 3/02 B24D 3/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミナ質砥粒をビトリファイド結合剤
で結合する超仕上げ砥石において、前記アルミナ質砥粒
が微結晶性焼結アルミナ質砥粒を含み、更に前記ビトリ
ファイド結合剤がＰ₂Ｏ₅を３〜１５wt％含むことを特
徴とする超仕上げ砥石。
【請求項２】前記アルミナ質砥粒が微結晶性焼結アル
ミナ質砥粒を５〜５０wt％、溶融白色アルミナを５０〜
９５wt％含み、かつ前記ビトリファイド結合剤が３〜１
５wt％のＰ₂Ｏ₅を含む請求項１記載の超仕上げ砥石。
【請求項３】前記ビトリファイド結合剤が、ＳｉＯ₂
４０〜５５wt％、Ａｌ₂Ｏ₃１５〜２５wt％、１価のア
ルカリ金属の酸化物（Ｒ₂Ｏ）と２価のアルカリ土類金
属の酸化物（ＲＯ）との合計で１１〜２１wt％、Ｂ₂Ｏ
₃５〜１５wt％、Ｐ₂Ｏ₅の量３〜１５wt％を含む請求
項１又は２記載の超仕上げ砥石。