JP5123628B2

JP5123628B2 - 電着工具の製造方法

Info

Publication number: JP5123628B2
Application number: JP2007249007A
Authority: JP
Inventors: 豊明安井; 勇哉紺野; 泰路菊池; 秀彰有澤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2027-09-26
Also published as: JP2009078321A

Description

本発明は、研削または切断に用いられる電着工具の製造方法に関するものである。

研削用または切断用の電着工具は、炭素鋼または低合金鋼からなる電着工具の電着部台金表面に薄いＮｉメッキ層が形成され、その上に硬質粒子であるダイヤモンドまたは立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）がＮｉメッキにより固定されている。硬質粒子を固定する方法としては、薄いＮｉメッキを施した台金上に硬質粒子を充填してからＮｉメッキで仮固定した後に、余分な硬質粒子を除去し、次いでＮｉメッキを施して硬質粒子を固定する。あるいは、硬質粒子を懸濁させたメッキ液中に薄いＮｉメッキを施した台金を浸漬し、Ｎｉメッキを施すのと同時に硬質粒子を台金上に固定する。

しかし、上記の電着工具は、硬質粒子を固定するメッキに硬度が低いＮｉメッキを使用しているので耐摩耗性に劣る。そのため、切削中や研削中にワークの切りくずや削りかすが硬質粒子間のメッキ層部分に入り込んで摺動し、硬質粒子が欠けたり、摺動で焼きつきが発生してＮｉメッキ層が磨耗し硬質粒子が脱落したりするなどして、工具寿命が短くなるという問題があった。

この問題を解決するために、例えば特許文献１では、電着部台金表面に施したＮｉメッキとＮｉ−Ｐ合金メッキの上部に、Ｎｉメッキ担持層とＮｉ−Ｐ合金メッキ担持層とを順次形成させることで、下地に対する密着性とメッキ層の硬度を向上させて電着工具の耐久寿命を長くしている。また、特許文献２は、研削面にダイヤモンドあるいはｃＢＮからなる大径の超砥粒と小径の超砥粒とを固着させたレンズ芯取り用ホイールを開示している。
特公平８−２２５０７号公報特開２００１−１９１２３９号公報

特許文献１の電着工具では、メッキ部分の硬度が不十分であり、耐久性に問題が残る。また、特許文献２の工具は、小径の超砥粒によりメッキ層を強化し従来の工具よりも寿命は長くなる。しかし、大径粒子と小径粒子との粒径差が小さく、また、小径粒子の最小径は３８μｍであるので、加工表面に現れる固定用のＮｉメッキ層の領域が広いため、加工表面のＮｉメッキ層が焼きつきにより磨耗する。特に、より硬い金属の加工では工具寿命が非常に短くなるという問題があった。

本発明は上記問題を鑑みなされたものであり、金属メッキ層の耐磨耗性を向上させた長寿命の電着工具の製造方法を提供する。

すなわち、本発明の参考例は、電着部の研磨面に少なくとも担持メッキ層と固定メッキ層とが形成され、該担持メッキ層と該固定メッキ層によって硬質粒子が固定された電着工具であって、前記固定メッキ層中に微細硬質粒子が分散されることを特徴とする電着工具を提供する。

固定メッキ層中に微細な硬質粒子を分散させるので、粒子間の距離が小さくなり、加工表面の固定メッキ層部分の領域が小さくなる。更に、微細硬質粒子によって固定メッキ層部分の硬度が高くなる。これにより、使用中にワークの切りくずや削りかすが固定メッキ層部分で摺動するために固定メッキ層が焼き付き磨耗して硬質粒子が脱落するのを防止するので、固定メッキ部分の耐磨耗性が向上する。その結果、金属などの硬い材料の研削や切断に用いても、長寿命の電着工具が得られる。

上記の電着工具において、前記微細硬質粒子が、硬質のセラミック微粒子であることが好ましい。硬質のセラミック微粒子を固定メッキ層中に分散させることで、固定メッキ層の硬度を大幅に向上させることができる。

上記の電着工具は、前記微細硬質粒子の大きさが、０．１〜１０μｍであることが好ましい。１０μｍを超えると、加工表面の固定メッキ層の領域が大きくなるので固定メッキ層の耐摩耗性が低下する。０．１μｍより小さい粒子は凝集しやすく固定メッキ層中に均一に分散させることが困難である。また、大きさが０．１μｍより小さい超微粒子は高価であるので、製造コストが高くなり不利である。

また、前記固定メッキ層中の前記微細硬質粒子の体積分率が、１０〜４０ｖｏｌ％であることが好ましい。体積分率が１０ｖｏｌ％より小さくなると、固定メッキ層の硬度が不十分となり、加工表面の固定メッキ層の領域が大きくなるので耐摩耗性が低下する。一方、体積分率４０ｖｏｌ％を超えると固定メッキ層中に微細粒子を確実に共析させることができない。

上記の電着工具は、前記固定メッキ層及び前記担持メッキ層が、Ｎｉメッキ、Ｎｉ合金メッキ、Ｎｉ合金無電解メッキ、Ｃｕメッキ、Ｃｕ合金メッキ、Ｃｒメッキ、Ｓｎメッキ、及びＳｎ合金メッキの中から選択されるいずれか１つとされる。

上記の電着工具は、前記電着部と前記担持メッキ層との間に、少なくとも１層の下地メッキ層を設けることができる。下地メッキ層は、Ｎｉ電解メッキまたはＮｉ合金無電解メッキとされる。下地メッキ層により電着部台金との密着性を改善しメッキ層の剥離を防止する。また、固定メッキ層の硬度を向上させ電着工具の耐久性を向上させる効果も奏する。

また、本発明は、上記電着工具を製造する方法であって、前記電着部の研磨面に前記担持メッキ層によって硬質粒子を担持させた後、前記微細硬質粒子を分散させたメッキ液を用いて固定メッキ層を形成することにより、前記硬質粒子を固定させることを特徴とする電着工具の製造方法を提供する。このようにして電着工具を製造すれば、硬質粒子の間に微細硬質粒子が均一に分散した固定メッキ層を形成することができる。

以上のように、本発明の方法により製造された電着工具は、固定メッキ層中に微細硬質粒子を分散させているので、硬度が高く耐摩耗性に優れた固定メッキ層となり、長寿命の電着工具とすることができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について説明する。
図１は本発明の参考例とされる電着工具の加工面の断面図である。炭素鋼や低合金鋼などから成る電着部１上に硬質粒子３が配置され、硬質粒子３の間に担持メッキ層５と固定メッキ層２が順に積層され、硬質粒子３が固定されている。固定メッキ層２中には微細硬質粒子４が分散されている。

硬質粒子３は、ダイヤモンドまたは立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の粒子であり、ワークを研削あるいは切断するものである。

微細硬質粒子４は、硬質のセラミック粒子とされる。例えば、ダイヤモンド、ｃＢＮ、アルミナ、炭化ケイ素、炭化タングステン、窒化ケイ素、ホウ化ジルコニアなどから成る。微細硬質粒子４が固定メッキ層２中に分散されることで、固定メッキ層２の硬度が高くなり、加工表面の固定めっき層領域が小さくなる。これにより、工具使用中にワークの切りくずや削りかすが固定メッキ層部分で摺動して、固定メッキ層２が焼き付いて磨耗し硬質粒子３が脱落するのを防止することができる。

微細硬質粒子４は、大きさが０．１〜１０μｍであることが好ましい。１０μｍを超えると、加工表面の固定メッキ層領域が大きくなるので固定メッキ層の耐摩耗性が低下する。０．１μｍより小さい粒子は凝集しやすく固定メッキ層中に均一に分散させることが困難であり、また、高価であるので製造コストが高くなる。より好ましくは０．３〜５μｍとされる。

固定メッキ層２中の微細硬質粒子４の体積分率が１０〜４０ｖｏｌ％であることが好ましい。体積分率が１０ｖｏｌ％より小さくなると、固定メッキ層２の硬度が不十分であり、加工表面の固定メッキ層領域が大きくなるので耐摩耗性が低下する。一方、微細粒子量が多くすると固定メッキ層中に微細粒子を共析させることができない。固定メッキ層中に微細硬質粒子を確実に共析させることができるのは、体積分率４０ｖｏｌ％までである。

固定メッキ層２は、Ｎｉメッキ、Ｎｉ−ＷメッキなどのＮｉ合金メッキ、Ｎｉ−ＰメッキまたはＮｉ−ＢメッキなどのＮｉ合金無電解メッキ、Ｃｕメッキ、Ｃｕ−ＳｎメッキなどのＣｕ合金メッキ、Ｃｒメッキ、Ｓｎメッキ、及びＳｎ−ＣｕメッキなどのＳｎ合金メッキの中から選択されるいずれか１つとされる。

担持メッキ層５は、硬質粒子３を固定メッキ層２で固定する前に、電着部１上に所定量の硬質粒子を担持させ脱落しないように仮固定するためのものである。担持メッキ層５は上記の固定メッキ２層と同じ材料で構成される。

電着工具は、例えば図２に示すように、電着部１と担持メッキ層５との間に、少なくとも１層の下地メッキ層６を形成しても良い。下地メッキ層６は、Ｎｉ電解メッキまたはＮｉ合金無電解メッキとすることができる。下地メッキ層を形成することによって、電着部とメッキ層との密着性が向上し、使用中にワークの切りくずなどが摺動してメッキ層部分が剥離するのを防止することができる。特にＮｉ合金無電解メッキはそれ自体で硬度が高いため、固定メッキ層の硬度をより高くし耐磨耗性を向上させる役割もある。

次に、本実施形態にかかる電着工具を製造する方法を説明する。なお、以下で説明する製造方法は例示であり、これに限定されるものではない。

図７に示す電着工具１０の電着部１１以外に、ゴム系マスキング剤などによりマスキングを施す。この電着工具をアルカリ脱脂液に浸漬して脱脂後、水洗する。次いで、塩酸中に室温で浸漬（酸洗）して電着部表面を活性化させた後、水洗する。

ここで、電着部１１表面に少なくとも１層の下地メッキ層を形成しても良い。Ｎｉ電解メッキの場合、例えば図８に示す装置を用い、メッキ液に電着工具を浸漬し、所定の厚さが得られる時間及び電流密度で通電し、下地メッキ層を形成する。Ｎｉ−Ｐ無電解メッキなどのＮｉ合金系無電解メッキの場合、無電解メッキ液中に電着工具を所定時間浸漬してメッキを施す。下地メッキ層形成後、電着工具を水洗する。

次に、電着部上に硬質粒子を配置し、電解メッキまたは無電解メッキにより担持メッキ層を形成して硬質粒子を担持する。担持メッキ層を電解めっきとする場合、例えば図８の装置を用いる。電着工具１０を冶具２２にセットする。容器２１にメッキ液を入れ、電着工具１０を浸漬する。メッキ液は、例えば、硫酸ニッケル、塩化ニッケル、ホウ酸を主成分とするワット浴とすることができる。メッキ液中にダイヤモンドあるいはｃＢＮの硬質粒子を添加し、電着工具に微振動を加えながら電着部表面に硬質粒子を隙間なく充填する。

ヒーター２５でメッキ液の温度を所定温度まで昇温する。整流器２４からＮｉ電極２３を通じてメッキ液中に電流を流し、薄い担持メッキ層を形成して硬質粒子を電着部１１に仮固定する。メッキ後、電着工具１０を水洗して、電着部１１に固定されていない硬質粒子を除去する。

次いで、微細硬質粒子を懸濁させたメッキ液中に電着工具１１を浸漬して、固定メッキ層が所定の厚さとなる条件で電解メッキまたは無電解メッキを施し、担持メッキ層上に微細硬質粒子を分散させた固定メッキ層を形成する。その後、電着工具を水洗し乾燥させて、微細硬質粒子が均一に分散した固定メッキ層を硬質粒子の間に形成させた電着工具を得る。

（参考例１）
図７に示す形状の炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）製電着工具に、図１に示す構成の電着部を形成した。

〔手順〕
（１）電着部１１以外の電着工具台金に、ゴム系マスキング剤を刷毛塗りし、マスキングを施した。
（２）マスキングした電着工具をアルカリ脱脂液に浸漬し、標準条件（５０〜６０℃で５〜１０分）で脱脂した。脱脂終了後、水洗しアルカリ脱脂液を除去した。
（３）１０重量％塩酸に室温で３分間浸漬して表面を活性化した後、水洗した。
（４）図８に示すように、電着工具をメッキ冶具にセットし、下記のメッキ液（ワット浴）に浸漬した。次いで、＃８０のｃＢＮ粒子（デビアス社製）を、微振動を加えながら電着部表面に隙間なく充填した。その状態で、以下の条件でメッキを行って担持メッキ層５を形成し、ｃＢＮ粒子３を電着部表面に担持した。
（担持メッキ層形成条件）
メッキ液：ＮｉＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ２４０ｇ／Ｌ
ＮｉＣｌ_２・７Ｈ_２Ｏ４５ｇ／Ｌ
Ｈ_３ＢＯ_３３０ｇ／Ｌ
ｐＨ：４．５
温度：４５℃
電流密度：２Ａ／ｄｍ^２
メッキ時間：６０分
（５）メッキ後水洗し、担持されていないｃＢＮ粒子を除去した。
（６）無電解Ｎｉ−Ｐメッキ液（上村工業社製ニムデン５Ｘ）中に平均粒径０．５μｍのＳｉＣ微粒子を５０ｇ/Ｌ添加し分散させた。メッキ液中に上記のｃＢＮ粒子を担持した電着工具を浸漬して９０℃で７時間メッキ処理し、ＳｉＣ微粒子４が分散した固定メッキ層２でｃＢＮ粒子３を固定した。実施例１の固定メッキ層中のＳｉＣ微粒子の体積分率は４０ｖｏｌ％だった。

（実施例１）
図７に示す形状の電着工具に、図２に示す構成の電着部を形成した。
参考例１の手順（３）の後に、以下の条件で電着部表面に厚さ０．５μｍのＮｉ電解メッキからなる下地メッキ層６を形成する工程を追加した。実施例１の固定メッキ層中のＳｉＣ微粒子の体積分率は４０ｖｏｌ％だった。
（下地メッキ層形成条件）
メッキ液：ＮｉＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏ２４０ｇ／Ｌ
ＮｉＣｌ_２・７Ｈ_２Ｏ４５ｇ／Ｌ
Ｈ_３ＢＯ_３３０ｇ／Ｌ
ｐＨ：４．５
温度：４５℃
電流密度：６Ａ／ｄｍ^２
メッキ時間：５分

（実施例２）
図７に示す形状の電着工具に、図３の構成の電着部を形成した。
参考例１の手順（３）の後に、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ液（上村工業社製ニムデン５Ｘ、液温９０℃）中に浸漬し、電着部表面に厚さ５μｍの無電解Ｎｉ−Ｐメッキからなる下地メッキ層７を形成する工程を追加した。実施例２の固定メッキ層中のＳｉＣ微粒子の体積分率は４０ｖｏｌ％だった。

（実施例３）
図７に示す形状の電着工具に、図４の構成の電着部を形成した。
参考例１の手順（３）の後に、実施例１に記載の方法で厚さ０．５μのＮｉ電解メッキからなる下地メッキ層６と、実施例２に記載の方法で厚さ５μｍの無電解Ｎｉ−Ｐメッキからなる下地メッキ層７を順に形成する工程を追加した。実施例３の固定メッキ層中のＳｉＣ微粒子の体積分率は４０ｖｏｌ％だった。

（実施例４）
図７に示す形状の電着工具に、実施例３と同じ構成の電着部を形成した。但し、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ液中に添加するＳｉＣ微粒子の量を１０ｇ／Ｌに変更した。実施例４の固定メッキ層中のＳｉＣ微粒子の体積分率は８ｖｏｌ％だった。

（比較例１）
図７に示す形状の電着工具に、図５の構成の電着部を形成した。
参考例１の手順（３）の後に、実施例１に記載の方法で厚さ０．５μのＮｉ電解メッキからなる下地メッキ層６と、実施例２に記載の方法で厚さ５μｍの無電解Ｎｉ−Ｐメッキからなる下地メッキ層７を順に形成する工程を追加した。また、参考例１の手順（６）で、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ液中にＳｉＣ微粒子を添加せずにメッキを施した。

（比較例２）
図７に示す形状の電着工具に、図６の構成の電着部を形成した。
参考例１の手順（３）の後に、実施例１に記載の方法で厚さ０．５μのＮｉ電解メッキからなる下地メッキ層６と、実施例２に記載の方法で厚さ５μｍの無電解Ｎｉ−Ｐメッキからなる下地メッキ層７を順に形成する工程を追加した。また、参考例１の手順（５）の後に、小径粒子を担持させ、その後大径粒子と小径粒子とを固定メッキ層２で固定した。具体的には、電着工具をメッキ液（ワット浴）に浸漬し、＃１２０のｃＢＮ小径粒子（デビアス社製）を配置して微振動を加え、ｃＢＮ粒子３の間に隙間なく充填した。その状態で、参考例１の手順（４）と同条件でメッキを行って担持メッキ層５を形成し、ｃＢＮ小径粒子８を担持した後、水洗して余分な粒子を除去した。次いで、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ液（上村工業社製ニムデン５Ｘ）中に電着工具を浸漬し、９０℃で７時間メッキ処理して固定メッキ層２を形成し、ｃＢＮ粒子３及びｃＢＮ小径粒子８を固定した。比較例２の固定メッキ層中のｃＢＮ小径粒子の体積分率は４５ｖｏｌ％だった。

上記参考例、実施例及び比較例の工具の寿命試験を行った。被切断材にＳＮＣＭ４３１の丸棒（ＨＢ２６０、直径８ｍｍ）を用い、工具回転速度３００ｒｐｍで工具に焼き付きが生じるまで切断し、焼き付きまでの切断本数で寿命を評価した。その結果を図９に示す。固定メッキ層にＳｉＣ微粒子を分散させた実施例の工具は、比較例１及び比較例２の工具より大幅に寿命を伸ばせることができた。ＳｉＣ微粒子の体積分率が４０ｖｏｌ％の参考例１及び実施例１から３の工具は、体積分率８ｖｏｌ％の実施例４の工具よりも寿命が長かった。固定メッキ層中のＳｉＣ微粒子の体積分率を大きくすることにより、メッキ層の耐磨耗性を更に向上させることができた。

本発明の参考例の電着工具の加工面の断面図である。本発明の一実施形態の電着工具の加工面の断面図である。本発明の一実施形態の電着工具の加工面の断面図である。本発明の一実施形態の電着工具の加工面の断面図である。従来の電着工具の加工面の断面図である。従来の電着工具の加工面の断面図である。電着工具の一例の平面図及び断面図である。本発明に用いる電解メッキ装置の概略図である。参考例、実施例及び比較例の電着工具の寿命試験の結果を表すグラフである。

符号の説明

１，１１電着部２固定メッキ層３硬質粒子４微細硬質粒子
５担持メッキ層６，７下地メッキ層
１０電着工具

Claims

電着部の研磨面に、Ｎｉ電解メッキまたはＮｉ合金無電解メッキとされる下地メッキ層を少なくとも１層形成する工程と、
前記下地メッキ層上にＮｉメッキ、Ｎｉ合金メッキ、Ｎｉ合金無電解メッキ、Ｃｕメッキ、Ｃｕ合金メッキ、Ｃｒメッキ、Ｓｎメッキ、及びＳｎ合金メッキの中から選択されるいずれか１つとされる担持メッキ層を形成して、前記担持メッキ層によって硬質粒子を担持させる工程と、
Ｎｉメッキ、Ｎｉ合金メッキ、Ｎｉ合金無電解メッキ、Ｃｕメッキ、Ｃｕ合金メッキ、Ｃｒメッキ、Ｓｎメッキ、及びＳｎ合金メッキの中から選択されるいずれか１つとされ、大きさが０．１〜１０μｍの硬質のセラミック微粒子とされる微細硬質粒子を分散させたメッキ液を用いて、前記微細硬質粒子の体積分率が１０〜４０ｖｏｌ％で分散された固定メッキ層を形成し、前記固定メッキ層を形成した後に前記固定メッキ層に加熱処理を施さないことにより、前記硬質粒子を固定させる工程とを含むことを特徴とする電着工具の製造方法。