JP4116333B2 - 超仕上用砥石 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な砥石に関し、特に軸受の内外輪の軌道面や転動体その他の各種摺動面の鋼材の超仕上に好適に用いられる砥石に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、転がり軸受の内外輪の軌道面や転動体その他の各種摺動面には、摩擦係数、発熱、潤滑油溜り、耐焼付寿命などの点から、プラトー面が必要とされ、これを形成すべく、超仕上砥石が開発されてきた。このような事情は、特開平3−239475号公報に記載されている通りである。
特開平3−239475号公報に記載されている超仕上砥石は、基本的に、砥粒の全容積を100としたとき、その容量の80〜95%を炭化珪素砥粒、溶融アルミナ砥粒及びその混合砥粒のいずれか一つとし、残る20〜5%の容量を前記砥粒の平均砥粒径の5〜30倍の平均砥粒径をもつ立方晶窒化硼素砥粒を使用し、結合剤によって焼結した超仕上砥石である。
さらに、特開2000−343438号には、砥石中にカーボン質の球形状粒子を含有させたビトリファイド砥石も提案されているが、ここにおけるカーボン質の球形状粒子は、砥粒として用いられておらず固体潤滑剤として用いられており、研削抵抗を低下させ、ダイヤモンド砥粒やCBN砥粒の切れ味を向上させている。ここには、カーボン質粒子を砥粒として用いる技術思想は見られない。
【0003】
しかし、超仕上砥石を用いて仕上げた転がり軸受の内外輪の軌道面や転動体その他の各種摺動面を、電子顕微鏡等で詳細に亘って調べてみると、摺動面には、砥粒が突き刺さった状態で残存し、とくにアルミナ砥粒が突き刺さった状態或いは脱落した痕が残存していることが判明した。
砥粒がいかに小さくとも、摺動面に突き刺さった砥粒は、その後の洗浄でも取り除くことが難しく又使用中脱落するとこの硬い砥粒が摺動面に介在し、結果として軸受に様々な機能障害を発生させる問題要因となると同時に、製造過程での不良品の率を高めてしまうことが判明した。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題はこのような事情の下、精密研磨加工に適した超仕上砥石を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、砥石にRBセラミックス及び/又はCRBセラミックス微粉末を含有させることによって解決される。
すなわち、本発明は、RBセラミックス及び/又はCRBセラミックス微粉末を砥粒として含有することを特徴とする超仕上砥石を提供するものである。
すなわち、RBセラミックス及び/又はCRBセラミックス微粉末は、図1に示されるように、粒子の表面に小さな穴を多数有する炭素粒子であり、さらにその微細構造は、図2に示される分子構造を有すると考えられる。
RBセラミックス及び/又はCRBセラミックス微粉末のビッカース硬度は、400〜1500であり一定ではない。図2に示すような、分子層の先端部Sが高いビッカース硬度を有すると考えられる。
【発明の実施の形態】
【0006】
本発明の超仕上砥石の砥粒に用いられるRBセラミックスは、米ぬかを利用した多孔質炭素材料であって、本件の第一発明者である堀切川 一男の研究により知られている。(機能材料 1997年 5月号 Vol.17 No.5 p24〜28参照)
すなわち、RBセラミックスは、米ぬかから得られる脱脂ぬかと、熱硬化性樹脂を混合して混錬し、加圧成形した成形体を乾燥させた後、乾燥成形体を不活性ガス雰囲気中で焼成することにより製造することができる。
また、熱硬化性樹脂は、熱硬化しさえすればどのようなものでもよく、代表的にはフェノール系樹脂、ジアリールフタレート系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、トリアジン系樹脂が挙げられ、特にフェノール系樹脂が好適に用いられる。
また、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、ポリアミド等の熱可塑性樹脂を併用することもできる。
脱脂ぬかと熱硬化性樹脂の混合割合は、通常質量比で50〜90:50〜10であるが、好適には70〜80:30〜20が用いられる。
この方法によれば、加圧成形した成形体の寸法と、不活性ガス雰囲気中で焼成した出来あがりの成形体との寸法の収縮比率が25%程度も違ってくるので実質上、精密な成形体を作成するのは困難であったが、これを改良したセラミックス(CRBセラミックス)が開発された。
【0007】
本発明の超仕上砥石の砥粒に用いられるCRBセラミックスは、米ぬかから得られる脱脂ぬかと、熱硬化性樹脂とから得られるRBセラミックスの改良材であって、米ぬかから得られる脱脂ぬかと、熱硬化性樹脂を混合して混錬し、不活性ガス中700℃〜1000℃で一次焼成した後、粉砕して炭化粉末とし、該炭化粉末と熱硬化性樹脂を混合して混錬し、加圧成形した後、成形体を不活性ガス雰囲気中で再び600℃〜900℃で熱処理することにより製造することができる。また、熱硬化性樹脂は、熱硬化しさえすればどのようなものでもよく、代表的にはフェノール系樹脂、ジアリールフタレート系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、トリアジン系樹脂が挙げられ、特にフェノール系樹脂が好適に用いられる。一次焼成用の熱硬化性樹脂は、比較的分子量の小さい液体状のものが望ましい。
脱脂ぬかと熱硬化性樹脂の混合割合は、通常質量比で50〜90:50〜10であるが、好適には70〜80:30〜20が用いられる。
一次焼成には通常ロータリーキルンが用いられ、焼成時間は約40〜120分である。一次焼成して得られた炭化粉末と熱硬化性樹脂の混合割合は、通常質量比で50〜90:50〜10であるが、好適には70〜80:30〜20が用いられる。
この炭化粉末と熱硬化性樹脂の混錬物の加圧成形時の圧力は、20〜30MPa、中でも21〜25MPaが好ましい。金型の温度は約150℃が好ましい。熱処理には通常充分にコントロールされた電気炉が用いられ、熱処理時間は約60〜360分である。
好適熱処理温度は500℃〜1100℃であり、とくに成型物を作成する場合は、この熱処理温度までの昇温速度は、500℃までは比較的穏やかに上げることが要求される。具体的な数値で云うと、0.5〜2℃/分であり、好ましくは約1℃/分である。
また、このように熱処理して焼き上げた後、温度を下げるのには、500℃までは比較的穏やかに下げることが要求される。500℃以下になると自然放冷する。
具体的な数値で云うと、0.5〜4℃/分であり、好ましくは約1℃/分である。
しかし、本発明のように微粉末にして用いるRBセラミックス又はCRBセラミックスを作る場合には、所定の温度に達するまでの時間的なコントロールは、それほど重要ではなく、所定温度とその所定温度に保持する時間が重要である。
また、一次焼成時及び熱処理時に用いられる不活性ガスは、ヘリウム、アルゴン、ネオン、窒素ガスどれでもよいが、好適には窒素ガスである。
また、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、上記熱硬化性樹脂にポリアミド等の熱可塑性樹脂を併用することもできる。
【0008】
砥粒として砥石に供する場合にはこの差は利用する必要がなく、基本的にRBセラミックス又はCRBセラミックスどちらでも用いることができる。
RBセラミックス及びCRBセラミックスの砥粒としての性質は次の通りである。
*ビッカース硬度400〜1500である。
*ひとつひとつの粒子の表面に、硬度の高い点が分散している。
*粒子は、弾性変形可能である。
*硬度の高い点は、分子構造に関係するので、粒子の大きさに関係なく一定の割合で存在する。
*導電性である。
*還元性を有する。
*粉砕手段により所望の粒子径のものが得られる。
*熱処理温度を変えることにより、硬度をコントロールできる。
*RBセラミックス砥粒及びCRBセラミックス砥粒は、その表面に多数の凹凸があるので、砥粒として保持性が良い。
【0009】
本発明において用いるRBセラミックス及び/又はCRBセラミックスは、その硬度が重要なポイントであり、基本的に焼成条件を変えることによりその硬度をコントロールすることができ、一般的に高温で処理するほど硬度は上がる。RBセラミックスにおいては焼成温度、CRBセラミックスにおいては一次焼成及び二次熱処理の温度が大きな影響を与え、これらの温度を600℃〜900℃とすることで硬度の高いものが得られる。硬度をどの程度にするかは被研磨材の種類や、使用目的等に応じ適宜決定すればよい。
【0010】
本発明の超仕上砥石は、砥粒としてRBセラミックス及び/又はCRBセラミックスを含有するものであれば特に限定されないが、大きく分けて2種類ある。
ひとつは、バインダーを用いることにより砥粒を固め、超仕上砥石を作成するものであり、もうひとつは、RBセラミックス又はCRBセラミックスと同様の製造方法によるもので、熱硬化性樹脂により、砥粒と共に炭化させ、成型体とすることにより、作成するものである。
本発明の超仕上砥石において、砥粒として用いるRBセラミックス及び/又はCRBセラミックスは、砥粒の硬度や大きさは用途や目的に応じて使い分けられ、通常、その平均粒子径は通常1〜10μm程度、好ましくは1〜5μm、より好ましくは1〜3μmの範囲で選ばれる。
本発明の超仕上砥石においては、さらに必要に応じ、他の砥粒、例えばダイヤモンド、CBNやWBNのような窒化ホウ素等の砥粒、ジルコニア、シリカ、炭化ケイ素、Fe2O3やFe3O4等の酸化鉄、酸化クロム、酸化セリウム等を併用してもよい。
RBセラミックス砥粒及び/又はCRBセラミックス砥粒:他の砥粒状砥石は質量比で、50〜90:50〜10好ましくは50〜80:50〜20であることが望ましい。
【0011】
本発明の超仕上砥石のひとつの形態であるバインダーを用いる場合は、合成樹脂を用いるレジノイドボンド砥石、金属を用いるメタルボンド砥石、ビトリファイドボンドを用いるビトリファイド砥石の3種類がある。
レジノイドボンド砥石において、砥粒を固着する結合材としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリマレイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂が好適である。
【0012】
ビトリファイドボンドの基本的な成分組成は、シリカ40〜70質量、アルミナ10〜20質量%、酸化ホウ素10〜20質量%、酸化カルシウム及び/又は酸化マグネシウム2〜10質量%、酸化ナトリウム及び/又は酸化カリウム、2〜10質量%、少量の酸化鉄、酸化亜鉛を含むものである。本発明では、これらを平均粒径1〜15μmにして用いる。
本発明では、600℃〜900℃程度で加圧焼結させるので、上述したビトリファイド結合材の粉末は上記焼結温度で溶融することが必要である。
本発明で用いるビトリファイド結合材の典型例はホウ珪酸ガラスである。
【0013】
本発明のビトリファイド砥石における焼結体は、RBセラミックス又はCRBセラミックス砥粒と、周知の砥粒と、ビトリファイド結合材を少なくとも含有するものであり、前記ビトリファイド結合材は、好ましくはビトリファイド結合材の相(マトリックス相)として含有する。
加圧焼結する方法としては、ホットプレス、ホットコイニング、通電加熱焼結法である抵抗焼結、プラズマ放電焼結、ホットプレスにポンプ機能を加えた真空加圧焼結等が用いられる。
【0014】
本発明の実施の形態をまとめると以下の通りである。
(1) 砥粒とバインダーからなり、砥粒としてRBセラミックス及び/又はCRBセラミックス微粒子を必須成分として含有する混合物を焼成して固めたことを特徴とする超仕上用砥石。
(2) 砥粒として、ダイヤモンド砥粒、窒化ホウ素系砥粒、ジルコニア砥粒、シリカ砥粒、炭化ケイ素砥粒、酸化鉄砥粒、酸化クロム砥粒、酸化セリウム砥粒からなる群れより選ばれる1種若しくは2種以上の砥粒を併用する上記1記載の超仕上用砥石。
(3) 砥粒が、RBセラミックス又はCRBセラミックス微粒子のほかに、ダイヤモンド砥粒及び/又はCBN砥粒のみを併用する上記2記載の超仕上用砥石。
(4) RBセラミックス及び/又はCRBセラミックス微粒子の平均粒子径が1〜3μmであり、併用する砥粒の平均粒子径が、0.1〜3μmである上記2に記載した超仕上用砥石。
(5) バインダーがビトリファイドボンド、レジノイドボンド、メタルボンドから選ばれる1種である上記1ないし5のいずれかに記載の超仕上用砥石。
(6) 砥粒が、RBセラミックス及び/又はCRBセラミックス微粒子、ダイヤモンド砥粒及び/又はCBN砥粒であり、バインダーがビトリファイドボンドである上記4または上記5に記載した超仕上用砥石。
(7) RBセラミックス及び/又はCRBセラミックス微粒子、及びダイヤモンド砥粒、窒化ホウ素系砥粒、ジルコニア砥粒、シリカ砥粒、炭化ケイ素砥粒、酸化鉄砥粒、酸化クロム砥粒、酸化セリウム砥粒からなる群れより選ばれる1種若しくは2種以上の砥粒、フェノール系樹脂、ジアリールフタレート系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、トリアジン系樹脂からなる群れより選ばれる熱硬化性樹脂の1種又は2種以上を可塑性を有する混合物を得るために加熱しながら混合して混錬し、金型に注入し、加圧成形し、金型から成形体を取り出し、不活性ガス雰囲気中で600℃〜900℃で焼成し、冷却して得られる超仕上用砥石。
(8) 熱硬化性樹脂がフェノール樹脂であり、砥粒がRBセラミックス及び/又はCRBセラミックス微粒子、ダイヤモンド砥粒及び/又はCBN砥粒のみである上記7に記載した超仕上用砥石。
(9) RBセラミックス及び/又はCRBセラミックス微粒子:ダイヤモンド砥粒及び/又はCBN砥粒が50〜80:50〜20(質量比)である上記8に記載した超仕上用砥石。
(10) RBセラミックス及び/又はCRBセラミックス微粒子の平均粒径が、1〜3μmであり、ダイヤモンド砥粒及び/又はCBN砥粒の平均粒径が、0.1〜3μmである請求項8に記載した超仕上用砥石。
【0015】
【実施例】
次に実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。
製造例1(RBセラミックス砥粒)
米ぬかから得られる脱脂ぬか75Kgと液体状のフェノール樹脂(レゾール)25Kgを、50℃〜60℃に加熱しながら、混合して混錬した。可塑性を有する均質な混合物が得られた。
混合物を3cmの球体に成形し、ロータリーキルンを使って窒素雰囲気中で700℃で120分焼成した。得られた炭化焼成物を粉砕機で粉粒体化し、さらにボールミルで微粒子化して平均粒径1〜5μmのRBセラミックスからなる砥粒を調製した。
【0016】
製造例2(RBセラミックス砥粒)
焼成温度750℃とした他は製造例1と同様にして平均粒径1〜10μmのRBセラミックス砥粒からなる砥粒を調製した。
【0017】
製造例3(CRBセラミックス砥粒)
米ぬかから得られる脱脂ぬか75Kgと液体状のフェノール樹脂(レゾール)25Kgを、50℃〜60℃に加熱しながら、混合して混錬した。可塑性を有する均質な混合物が得られた。
混合物を、ロータリーキルンを使って窒素雰囲気中750℃で100分一次焼成した。得られた炭化焼成物を、粉砕機を用いて粉砕し、粒径が5〜10μmである炭化粉末を得た。
得られた炭化粉末75Kgと固体状のフェノール樹脂(レゾール)25Kgを100℃〜150℃に加熱しながら混合、混錬して可塑性を有する均質な混合物をCRBセラミックス前駆体として得た。
このCRBセラミックス前駆体を20MPaで加圧成型し、直径3cmの球体に成形し、電気炉を使って窒素雰囲気中で二次焼成温度700℃で3時間焼成した。得られた炭化焼成物を粉砕機で粉粒体化し、さらにボールミルで粉砕し、平均粒径1〜5μmのCRBセラミックスからなる砥粒を調製した。
【0018】
製造例4(CRBセラミックス砥粒)
一次焼成温度を700℃、二次焼成温度を750℃に変えた以外は製造例3と同様にしてCRBセラミックスからなる平均粒径1〜5μmの砥粒を調製した。
【0019】
実施例1〜5
(ビトリファイドボンド砥石の製造)
製造例1〜4のRBセラミックス砥粒、CRBセラミックス砥粒、市販のダイヤモンド砥粒(平均粒径1〜2μm)、市販のCBN砥粒(平均粒径1〜2μm)を用い、結合剤としてビトリファイド砥石用結合剤を用い、表1に示す組成(容量比)にして、抵抗焼結機で30Mpa、温度650℃、2分間保持し、大気雰囲気中で通電加熱加圧焼成を行い、ビトリファイド砥石を得た。
【表1】
【0020】
得られた超仕上砥石の性能について、超仕上げ量、砥石磨耗寸法、面粗度について調べた。従来の超仕上砥石(シリカ砥粒、アルミナ砥粒を含むボラゾン砥石)を100として、以下の通りであった。
研削条件及びドレス条件は、超仕上研削液流量 1.3 l/分、被削材 SUJ−2(HRC61)、被削材周速度 3.0m/秒、サイクルタイム 10秒、砥石面圧 3.0MPa、前加工面粗度 3S、砥石振動数 16.7 /秒、砥石振幅 1.5mm
【表2】
【0021】
実施例6〜10
(砥粒と熱硬化性樹脂とを共に炭化させる超仕上砥石成型体の製造)
製造例1〜4のRBセラミックス砥粒、CRBセラミックス砥粒、市販のダイヤモンド砥粒(平均粒径1〜2μm)、市販のCBN砥粒(平均粒径1〜2μm)から選ばれる砥粒を用い、固体状のフェノール樹脂(レゾール)を100℃〜150℃に加熱しながら混錬して可塑性を有する均質な混合物を得た。
この均質な混合物を30MPaで加圧成型し、4mmX9mmX6mmの直方体に成形し、電気炉を使って窒素雰囲気中で500℃まで約1℃/分の速度で、それ以降は約2℃/分の速度で昇温させ、焼成温度700℃で1時間焼成した。温度を下げるのには、500℃までは約1℃/分の速度で降温させた。500℃以下になると自然放冷した。表3に示す組成(容量比)にして、炭化焼結砥石を得た。
【表3】
【0022】
得られた超仕上砥石の性能について、超仕上げ量、砥石磨耗寸法、面粗度について調べた。従来の超仕上砥石(シリカ砥粒、アルミナ砥粒を含むボラゾン砥
石)を100として、以下の通りであった。
【表4】
【0023】
【発明の効果】
本発明の超仕上砥石は、上記の通りの性能をもち、特に成形体としたものにおいてはその形状を自由に成形加工することができる。また、これを用いた仕上げ面は滑らかで、異物が加工表面に突き刺さって残留することが無く、軸受をはじめとする精密機器部品の精密研磨加工に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いたCRB微粒子の説明図。
【図2】CRB微粒子の炭化フェノール樹脂の模式図。
フォームの終わり
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Claims (10)
- 砥粒とバインダーからなり、砥粒としてRBセラミックス及び/又はCRBセラミックス微粒子を必須成分として含有する混合物を焼成して固めたことを特徴とする超仕上用砥石。
- 砥粒として、ダイヤモンド砥粒、窒化ホウ素系砥粒、ジルコニア砥粒、シリカ砥粒、炭化ケイ素砥粒、酸化鉄砥粒、酸化クロム砥粒、酸化セリウム砥粒からなる群れより選ばれる1種若しくは2種以上の砥粒を併用する請求項1記載の超仕上用砥石。
- 砥粒が、RBセラミックス又はCRBセラミックス微粒子のほかに、ダイヤモンド砥粒及び/又はCBN砥粒のみを併用する請求項2記載の超仕上用砥石。
- RBセラミックス及び/又はCRBセラミックス微粒子の平均粒子径が1〜3μmであり、併用する砥粒の平均粒子径が、0.1〜3μmである請求項2に記載した超仕上用砥石。
- バインダーがビトリファイドボンド、レジノイドボンド、メタルボンドから選ばれる1種である請求項1ないし5のいずれかに記載の超仕上用砥石。
- 砥粒が、RBセラミックス及び/又はCRBセラミックス微粒子、ダイヤモンド砥粒及び/又はCBN砥粒であり、バインダーがビトリファイドボンドである請求項4に記載した超仕上用砥石。
- RBセラミックス及び/又はCRBセラミックス微粒子、及びダイヤモンド砥粒、窒化ホウ素系砥粒、ジルコニア砥粒、シリカ砥粒、炭化ケイ素砥粒、酸化鉄砥粒、酸化クロム砥粒、酸化セリウム砥粒からなる群れより選ばれる1種若しくは2種以上の砥粒、フェノール系樹脂、ジアリールフタレート系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、トリアジン系樹脂からなる群れより選ばれる熱硬化性樹脂の1種又は2種以上を可塑性を有する混合物を得るために加熱しながら混合して混錬し、金型に注入し、加圧成形し、金型から成形体を取り出し、不活性ガス雰囲気中で600℃〜900℃で焼成し、冷却して得られる超仕上用砥石。
- 熱硬化性樹脂がフェノール樹脂であり、砥粒がRBセラミックス及び/又はCRBセラミックス微粒子、ダイヤモンド砥粒及び/又はCBN砥粒のみである請求項7に記載した超仕上用砥石。
- RBセラミックス及び/又はCRBセラミックス微粒子:ダイヤモンド砥粒及び/又はCBN砥粒が50〜80:50〜20(質量比)である請求項8に記載した超仕上用砥石。
- RBセラミックス及び/又はCRBセラミックス微粒子の平均粒径が、1〜3μmであり、ダイヤモンド砥粒及び/又はCBN砥粒の平均粒径が、0.1〜3μmである請求項8に記載した超仕上用砥石。
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