JP3559047B2 - 炭化ケイ素系研磨研削ホイール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、研磨工具、特に炭化ケイ素研磨グリット（grit）及び中空セラミック球を含有し、研磨ホイール（wheel）の研削面の輪郭損失（profile loss）に対する改善された抵抗性を有する研磨ホイールに関する。本発明は更に、改善された機械的強度及び炭化ケイ素研磨ホイールにおける改善された半径保持性を提供するガラス質結合材組成物を包含する。
新しい精密可動部品は、より長い稼働期間（survice periods）に渡ってより高い効率でより高い出力で運動するように設計される。これらの部品は、例えば、エンジン（内燃機関、ジェット及び電気）、駆動トレイン（trains）（伝導装置及び差動装置）、並びに軸受表面を包含する。これらの要求に応えるために、これら部品は、よりきつい寸法公差と共に、より良い／より強い設計を含む改善された品質を持って製造されなければならない。効率を下げることなく出力及び速度を増すために、より軽量の金属及び複合材が使用される。寸法公差を達成するためには、これら部品は、正味の又は最終の形状及び寸法に近づくためにより高価な材料を用いて製造してもよい。
研削ホイール（grinding wheel）は、全体の部品の製作のために、又は最終寸法を付与するために利用される。ガラス質結合材で結合された研削ホイールは、殆ど金属の部品に対して使用されるホイールである。研削ホイールを用いてこれらのタイプの精密部品を製造するために、この部品の反転形状が、ダイヤモンド工具でこのホイールの面に「ドレスされる（dressed）」。製造される部品は研削ホイールの輪郭を取るので、この研削ホイールはできるだけ長期にその形状を保持することが重要である。理想的な研削ホイールは、正確な寸法公差を持ち且つ何らの材料の損傷もない精密部品を製造する。
一般には、研削ホイールは、形が崩れたり、そのホイール中のコーナ又は曲面で破損が起こる。研削機械のオペレーターは、欠陥を回避するために工作物ごとに工作の後ホイールのドレッシングを行い、或いはクリープフィールド研削の場合には、連続ドレッシングを行う、即ちダイヤモンドドレッシング工具をホイールと連続的に接続させるかも知れない。比較的高い性能の研磨グリットを用いて作られるホイールについては、４つ又は５つの工作物を研削した後まではホイールのコーナの形状変化は現れず、研削機械のオペレーターは３工作物を研削した後これらのホイールをドレスすることを計画するかも知れない。ドレッシングによる研削ホイールの損失の減少、並びにドレッシング頻度及び／又は補正（ドレスの深さ）の更なる減少が望ましいゴールである。
改善されたコーナ保持特性を有する研削ホイールの製造において、ゾルゲルアルファーアルミナ及び従来のアルミナ酸化物研磨グリットと共に用いるために、改善された機械的強度によって特徴づけられたガラス質結合材が開示されている。これらの結合材は、米国特許No.5203886、米国特許No.5401284及び米国特許No.5536283に開示されている。これらを引用してここに記載に含める。これらの結合材は、高性能の、焼結されたゾルゲルアルミナ研磨粒子との反応を避けるために比較的低い温度で焼成すると良い。アルミナ粒子を用いて作ったホイールは、精密可動部品、特に鉄系金属部品の仕上げにおいて優れた性能を示した。
非鉄部品、例えばチタン及び比較的軽量の又は比較的柔らかい材料については成功率は低かった。アルミナ酸化物粒子は、そのような材料を研削するのに有効性が低いことが知られている。炭化ケイ素は、これらの材料について有効であるが、焼成の間に結合材成分との反応によって過剰に酸化され、過剰な収縮、泡立ち若しくは膨張、又はコアリング（coring）を引き起こす。アルミナグリットコーナ保持結合材を用いて達成しうる低い焼成温度においても、これらの結合材は炭化ケイ素粒子と反応し、粒子を酸化し、ホイール中に欠陥を引き起こす。
低温度ガラス質結合材中のある種の反応性酸化物、特に酸化リチウム、の含量を下げ、そしてこの新しい結合材、中空セラミック球及び炭化ケイ素粒子を含有するホイールを配合することによって、前記炭化ケイ素の過剰な酸化なしに優れたホイールが作れることが発見された。これらのホイールは、当技術分野で既知のガラス質結合材で結合された炭化ケイ素ホイールに対する改善である。これらのホイールは機械的に強くて、輪郭損失に対して抵抗性を持ち、削り屑クリアランスを許容するのに、また工作物表面の掻き傷及び研削の間の焼けを回避するための冷却剤を送給するのに充分多孔質である。これらのホイールは、チタン及び他の軽量金属並びに新しく開発された精密可動部品に使用される複合材の研削に適している。
発明の要約
本発明は、炭化ケイ素砥粒、約５〜21容量％の中空セラミック球、及びガラス質結合材を含む研磨研削ホイールであり、ここに前記ガラス質結合材は焼成後は約50重量％より多くのSiO₂、約16重量％未満のAl₂O₃、約0.05〜約2.5重量％のK₂O、約1.0重量％未満のLi₂O及び約９〜約16重量％のB₂O₃を含む。これらの結合材成分を用いて、粒子酸化は最小にされ、前記研磨ホイールは改善されたコーナ保持特性又は輪郭保持特性によって特徴づけられ、特に非鉄精密可動部品の研削においてそうである。この研磨研削ホイールは、好ましくは４〜15容量％のガラス質結合材を有し、焼成温度が1100℃までであり、34〜50容量％の炭化ケイ素粒子を有し、30〜55容量％の多孔度を有する。
好ましい具体例の説明
本発明のガラス質結合材で結合された研磨工具は炭化ケイ素研磨粒子を含む。また、ここで孔形成材、又は充填材若しくは２次研磨剤として使用されるものは、中空セラミック球である。前記研磨工具は約５〜21容量％の（セラミック殻及び球の内部空隙の体積を含む）、好ましくは７〜18容量％の中空球を含む。ここで用いるのに好ましい中空セラミック球は、溶融ムライト及び溶融二酸化ケイ素を含むものであり、これはZeeland Industries,Inc.,からＺ−Light（商標、サイズは10〜450μｍ）として商業的に入手可能である。どんな理論にも拘束されることを望むわけではないが、中空セラミック球は焼成中に結合材成分と優先的に反応し、炭化ケイ素粒子が酸化するのを節約すると考えられる。他の中空セラミック球、例えばExtendospheres（PQ Corporationから入手可能な材料）もここで使用するのに適している。本発明で有用な球は、約１〜1000μｍのサイズの球を含む。球のサイズは、好ましくは研磨粒子サイズに等しく、例えば10〜150μｍの球は、120〜220グリット（142〜66μｍ）の粒子に対して好ましい。
本発明の研磨ホイールは、研磨材、結合材、中空セラミック球並びに、任意に、充填材及び添加材を含む。本発明の研磨ホイールは、好ましくは約34〜50容量％の研磨材、より好ましくは約35〜47容量％の研磨材、最も好ましくは約36〜44容量％の研磨材を含む。
前記炭化ケイ素研磨粒子は、前記ホイール中の全研磨材の100容量％を占める。
前記研磨ホイールの構造は、粘着性になって切り屑クリアランスに問題を生じる傾向のあるチタンのような材料を効率的に研削するための最小の容量％の多孔度を有しなければならない。本発明の研磨ホイールの構造は、好ましくは約30〜約55容量％の多孔度を有し、より好ましくは約35〜約50容量％の多孔度を有し、最も好ましくは約39〜約45容量％の多孔度を有する。前記多孔度は材料の自然な充填密度に固有な空隙配置と、中空セラミック孔誘発媒体、例えばＺ−Light（ムライト／溶融SiO₂）中空球及び中空ガラスビーズとの両方によって形成される。ある種の有機ポリマービーズ（例えば、Piccotac（樹脂）、又はナフタレン）は、ゆっくりした焼成サイクルにおいて炭化ケイ素粒子と共に使用することができるが、殆どの有機孔形成剤は、ガラス質結合材中の炭化ケイ素粒子に製造上の困難を課する。泡状アルミナ孔形成材は、熱膨張の不釣り合いのためホイール成分と適合しない。
本発明の研磨ホイールはガラス質結合材で結合される。使用されるガラス質結合材は、本発明の研磨ホイールの改善された形状保持特性に大きく寄与する。この結合材の原料は、好ましくは、Kentucky Ball Clay No.6、カスミ石閃長岩、火打ち石及びガラスフリットを包含する。これらの材料は、組み合わせで複数の次の酸化物を含有する:SiO₂,Al₂O₃,Fe₂O₃,TiO₂,CaO,MgO,Na₂O,K₂O,Li₂O及びB₂O₃。
前記研磨ホイールの組成は、好ましくは約４〜約20容量％の結合材を含み、最も好ましくは約５〜約15容量％の結合材を含む。
焼成後、前記結合材は約50重量％より多くのSiO₂、好ましくは約50〜約65重量％のSiO₂、最も好ましくは約60重量％のSiO₂;約16重量％未満のAl₂O₃、好ましくは約12〜約16重量％のAl₂O₃、最も好ましくは約14重量％のAl₂O₃;好ましくは約７〜約11重量％のNa₂O、より好ましくは約８〜約10重量％のNa₂O、最も好ましくは約8.6重量％のNa₂O;約2.5重量％未満のK₂O、好ましくは約0.05〜約2.5重量％のK₂O、最も好ましくは約1.7重量％のK₂O;約1.0重量％未満のL₂O、好ましくは約0.2〜約0.5重量％のLi₂O、最も好ましくは約0.4重量％のLi₂O;約18重量％未満のB₂O₃、好ましくは約９〜約16重量％のB₂O₃、最も好ましくは約13.4重量％のB₂O₃を含有する。前記ガラス質結合材中に存在する他の酸化物、例えばFe₂O₃、TiO₂、CaO、及びMgOは、前記結合材を作るのに本質的でない原料中の不純物であり、焼成後に各酸化物について約1.0重量％までの量で存在する。
前記研磨ホイールは、当業者に公知の方法で焼成される。焼成の条件は、第１に、使用される実際の結合材及び研磨材並びにホイールのサイズ及び形状によって決定される。炭化ケイ素粒子と共に使用されるここに開示した結合材にとって、焼成中にホイールに損傷を引き起こす前記粒子及び結合材の反応を回避するために、最大焼成温度1100℃が必要である。
焼成後に前記ガラス質結合材で結合されたボデー（body）は、従来法で研削助剤、例えばロウ、又は硫黄、又は種々の天然若しくは合成の樹脂で、又はエポキシ樹脂のような媒体で含浸させ、研削助剤を前記ホイールの孔の中に含有させてもよい。他の添加剤、例えば加工助剤及び着色剤を用いてもよい。上述の温度及び組成の限定は別として、前記ホイール、又は他の研磨工具、例えば砥石（stone）若しくはホーンは、当技術分野で公知のいずれかの方法で成形し、圧縮しそして焼成される。
以下の例は説明のために提供されるもので、限定のためのものではない。
例
（例１）
本発明の低焼成温度、低反応性結合材の品質と、炭化ケイ素研磨材と共に使用するように指定された市販のノートンコンパニーの結合材のそれとを試験し、比較するために複数のサンプルを作った。新しい結合材は、予備焼成した組成が、42.5重量％の粉末化したガラスフリット（このフリットは、組成が49.4重量％のSiO₂、31.0重量％のB₂O₃,3.8重量％のAl₂O₃、11.9重量％のNa₂O、1.0重量％のLi₂O、2.9重量％のMgO/CaO、及び痕跡量のK₂Oである）、31.3重量％のカスミ石閃長岩、21.3重量％のKentucky No.6 Ball Clay、4.9重量％のフリント（石英）であった。カスミ石閃長岩、Kentucky No.6 Ball Clay及びフリントの化学組成を表１に示す。

前記結合材は、諸原料をSweco Vibratory Mill中で３時間ドライブレンドすることによって作った。本発明のホイールのために、前記結合材を、ノートンコンパニーから得たグリーン炭化ケイ素研磨粒子（60グリット）、及びZeeland Industries,Inc.,Australiaから得たＺ−Light中空セラミック球（Ｗ−1800グレード、サイズ200〜450μｍ）の混合物に混合した。これを、低速で、回転パン及びプラウブレードを備えた76.2cm（30インチ）バーティクルスピンドルミキサー（verticle spindle mixer）中で、粉末状のデキストリンバインダー、液体動物性にかわ（固形分47％）及び湿潤剤としてのエチレングリコールに、更に混合した。この混合物を14メッシュの篩に掛けてふるい、全ての塊をばらばらにした。次いで、この混合物を寸法が508×25.4×203.8mm（20"×1"×8"）のホイールにプレスした。このホイールを次の条件で焼成した：周期窯中で、１時間当たり40℃で室温から1000℃に昇温し、この温度に８時間保持し、次いで室温に冷却した。サンプルホイールもノートン社の標準の市販の結合材の内の２つを用いて作った。これら結合材も、ノートン社の製造設備で、標準的な製造方法を用いて原料をドライブレンドすることにより製造した。この結合材を研磨混合物と混合した。前記研磨混合物は、研磨材（60グリットのグリーン炭化ケイ素粒子）及び以下の表に与えられた配合に示された複数の他の成分からなっていた。ホイールは、焼成均熱温度900℃を有する製造サイクルを用いて焼成した。
本発明のホイールの崇密度、弾性係数及びSBP（サンドブラスト浸食:48ccの砂を圧力7psiで直径1.43cm（9/16インチ）のノズルを通し、ホイールの研削面に向けて誘導し（direct）、前記砂のホイールへの浸食距離を測定することにより測定した硬度）は、市販の炭化ケイ素ホイールに比肩するものであった。結果を以下の表２に示す。本発明のホイールは、膨張、スランピング（slumping）、コアリング又は焼成後の炭化ケイ素の酸化の徴である他の欠陥を示さず、外観及び外見上の構造は市販の対照と非常に似ていた。

（例２）
新しい炭化ケイ素ホイール結合材及び組成物を、（１）中空セラミック球のない炭化ケイ素ホイール組成物中の前記新しい結合材及び（２）アルミナ研磨材用のノートンコンパニーの低温結合材（米国特許No.5401284の結合材）と比較するために、複数の研磨ホイールを作った。これらホイール組成物を表３に記載する。これら結合材及びホイールを、これらホイールが178×25.4×31.75mm（７×１×（１＋1/4）インチ）であり、実験室規模（Hobert N50 dough）ミキサーを、バーティクルスピンドルミキサーの代わりに使用し、1000℃の均熱焼成サイクルを使用した他は、例１に記載したのと同じ方法で製造した。結果を表３に示す。

本発明のホイールとは対称的に、中空セラミック球及びアルミナ研磨材用の低温結合材を用いて作った炭化ケイ素ホイールは、許容できない収縮（即ち、４容量％を超過）を示した。新しい結合材を用いるが、中空セラミック球を用いない複数の炭化ケイ素ホイールも、許容できない程度のスランプ（slumpage）、表面の「泡立ち」及びふくれを現し、両方の例における焼成中の、結合材の粒子との反応を示した。結合材の粒子との反応は、本発明のホイールでは明らかに存在しなかった。従って、本発明の炭化ケイ素ホイールを作るためには、ホイール組成物は中空セラミック球及び前記粒子との化学的反応性の減少した新しい低温結合材の両方を含んでいなければならない。
（例３）
例１の研磨ホイールを、新しい結合材の半径方向の磨耗について試験し、市販の結合材対照ホイールと比較した。
焼成後、新しい結合材で作ったホイールは、約42容量％の粒子（炭化ケイ素とＺ−Lightバブルのセラミック殻の組み合わせ）、約8.1容量％の結合材及び約49.9容量％の多孔度（自然にできた多孔度及びＺ−Lightバブルで引き起こされた多孔度の内部体積の組み合わせ）を含んでいた。
市販の研磨ホイールを、新しい結合材を用いて作ったホイールと共に（全てのホイールは8.1容量％の焼成した結合材を含んでいた）チタンブロックの連続的ドレスクリープフィールド研削について試験した。
研削試験の条件は以下の通りであった：
研削機械:Blohm ＃410 PROFIMAT
湿式研削：水を伴う10％Trim MasterChemical VHP E200
工作品材料研削：チタンブロック
工作部品サイズ:159×102mm
カット幅:25.4mm
カット深さ:2.54mm
研削ホイールのコーナ半径：正面（face）を真直ぐにドレスした（dressed）（何らの半径も掛けなかった）
テーブル速度:2.12mm/s;3.18mm/s;又は4.23mm/sドレスされたホイール正面（face）:0.76μm/回転でのホイールの連続的ドレッシング
ホイール速度:23m/s（4500sfpm）860rpm試験当たり
研削の数：テーブル速度当たり２研削
各研削の後、タイル試片（tile coupon）を研削して、前記ホイールの輪郭を得ることにより半径磨耗を測定した。倍率50倍で光コンパレーターにて試片をトレースした（were traced）。このトレースから半径磨耗（μｍで表した平均コーナ半径）を、カリパスを用いて最大半径磨耗として測定する。結果を以下に示す。

この研削試験から、炭化ケイ素粒子ホイールは、本発明の新しい結合材及び中空のセラミック球と共に使用されるときは、従来の炭化ケイ素ホイールに較べて、改善された機械的強度、ホイールの輪郭の損失に対する抵抗性、許容し得る表面仕上げ、動力引き出し（power draw）及び研削力を有すると結論することができる。
当業者にとって、本発明の範囲及び精神から離れることなく種々の他の変形が明らかであり、容易に作ることができることが理解される。従って、請求の範囲は上述の記載に限られるものではなく、当業者によって均等物と取り扱われるであろう全ての態様を含む本発明の全ての特許性のある態様を包含する。

Claims (3)

1. 炭化ケイ素研磨砥粒、５〜21容量％の中空セラミック球、及びガラス質結合材を含み、全砥粒が炭化ケイ素研磨砥粒である炭化ケイ素研磨研削ホイールであって、前記ガラス質結合材が焼成の後に、重量％基準で、50％より多くのSiO₂、16％未満のAl₂O₃、７〜11％のNa₂O、0.05〜2.5％のK₂O、1.0％未満のLi₂O及び９〜16％のB₂O₃を含む炭化ケイ素研磨研削ホイール。
2. 前記ホイールが30〜55容量％の多孔度を有する請求項１に記載の炭化ケイ素研磨研削ホイール。
3. ａ）ガラス質結合材混合物を用意する工程であって、ここにこのガラス質結合材混合物は、焼成の後、重量％基準で、50％より多くのSiO₂、16％未満のAl₂O₃、７〜11％のNa₂O、0.05〜2.5％のK₂O、1.0％未満のLi₂O及び９〜16％のB₂O₃、のガラス質結合材を生ずるものである工程；
   ｂ）前記ガラス質結合材混合物を炭化ケイ素研磨粒子及び中空セラミック球の混合物に加える工程；
   ｃ）研磨工具部品を成形する工程；並びに
   ｄ）1100℃の温度を超えないで、前記成形された研磨工具部品を焼成して研磨工具を形成する工程を含み、
   よって、研磨工具には炭化ケイ素粒子の酸化の目に見える証拠が実質的にないことを特徴とする非鉄材料を研削するための炭化ケイ素研磨工具を製作する方法。