JP5426263B2

JP5426263B2 - メタルボンド砥石製造用焼結炉

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Publication number: JP5426263B2
Application number: JP2009170026A
Authority: JP
Inventors: 正人氏橋; 俊也平田; 和彦北中; 直秀海野; 宏杉山; 規之難波
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2029-07-21
Also published as: JP2011021267A

Description

本発明は、プラトーホーニング加工に好適なメタルボンド砥石の製造に適した焼結炉に関する。

近年、あらゆる分野において環境に対する取り組みがなされている。車両においても、燃費向上は取り組むべき重大な事項である。燃費向上対策の一つに、シリンダとピストンとの間の摩擦軽減がある。この摩擦軽減は、燃費向上だけでなく、運動性能の向上にも繋がる。

上述の摩擦軽減を実現するには、プラトーホーニング工法が有効である。
図５はプラトーホーニング加工が施されたシリンダの断面を拡大した模式図であり、プラトーホーニング加工が施されたシリンダ１００の表面には、無数のプラトー（丘）１０１と、隣り合うプラトー１０１、１０１の間に形成される谷１０２とが形成される。プラトー１０１の頂面１０３は面粗さを小さくして摩耗を低減させ、谷１０２に溜めたオイルで頂面１０３とピストンとの間の潤滑を維持する。この結果、摺動性と潤滑性を両立させることができる。

以上に述べたプラトーホーニング加工に適した砥石として、メタルボンド砥石が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１の段落番号［００４９］に「製造条件は、硫酸バリウム（ＢａＳＯ_４）を含む実施例の砥石の焼結温度５００℃及び成型圧力１５ＭＰａであった。いずれも調合した混合粉末を同時に過熱（原文のまま。加熱が正しいと思われる）加圧（ホットプレス）して製作した。」の記載がある。

本発明者らは、上記焼結条件（５００℃、１５ＭＰａ）で、メタルボンド砥石素材を圧縮焼結した。焼結後に、特許文献１には説明されていないが、ヒータへの通電を停止して冷却することでメタルボンド砥石を得た。このときの冷却速度は５．８℃／分であった。
得られたメタルボンド砥石の断面模式図は次の通りである。

図６は従来のメタルボンド砥石の断面模式図であり、このメタルボンド砥石１１０では、母材である金属系結合材Ｍｂ中に、コバルト（Ｃｏ）粒子１１１と、約５μｍの砥粒１１２と、二硫化タングステン（ＷＳ_２）粒子１１３とを分散させることを基本とするが、これに約３０μｍの凝集塊１１５が含まれていることが判明した。

この凝集塊１１５は、機械的特性の向上を目的に添加されるフィラーの分散が不十分であるため、母材である金属系結合材Ｍｂの粗大な結晶中にフィラーであるコバルト粒子１１１と二硫化タングステン粒子１１３とが凝集したことにより生成される。このような凝集塊１１５は、周囲に較べて脆弱である。

図７は図６の作用説明図であり、メタルボンド砥石１１０で暫く研削を行ったところ、凝集塊１１５が表面から脱落して、約３０μｍ径の大きなポケット１１６ができていた。このため保持力が低下して砥粒の脱落が進行することによる研削量の低下、および、凝集塊脱落の進行による摩耗の急増が発生するので、従来のメタルボンド砥石１１０は寿命が短いという問題があることが分かった。

本発明者らは、凝集塊１１５の発生が、焼結炉の構造に起因することを突き止めた。そこで、上記問題を解決しうる焼結炉の構造を確立することを目的に研究を進めた。

特開２００８−２２９７９４公報

本発明は、凝集塊の発生を抑えることができる焼結炉を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、メタルボンド砥石素材を焼結するメタルボンド砥石製造用焼結炉において、
この焼結炉は、冷却ジャケットを備えると共にゲージ圧で０．９８ＭＰａの内圧に耐える炉殻と、この炉殻の内部へゲージ圧で０．９８ＭＰａまでの不活性ガスを供給する不活性ガス供給源と、前記炉殻に収納され前記メタルボンド砥石素材を加熱するヒータと、このヒータと前記炉殻との間に配置されるセラミックス繊維断熱材と、前記冷却ジャケットに冷媒を供給する冷媒供給手段とを有し、
前記セラミックス繊維断熱材は、形態が成形品又はフェルトであって、厚さが１０．０〜１２．５ｍｍであることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、焼成品を高圧不活性ガス中で冷却するようにした。不活性ガスは圧縮されると密度が大きくなりガス分子同士の衝突頻度が増すので、伝熱性が高まる。すなわち、高圧不活性ガスは、焼成品の保有熱を、冷却ジャケットへ効率よく伝達する、熱キャリアの役割を果たす。
加えて、焼結品と冷却ジャケットとの間に介在する断熱材を黒鉛より成形性に優れるセラミックス繊維とした。薄肉成形化、薄肉フェルト化して従来の黒鉛断熱材に比して熱伝導性を高くすることにより、焼結品の急冷が可能となる。
高い降温速度で冷却すると、脆弱な凝集塊の発生を抑制することができる。結果、砥石の寿命を延ばすことができる。

加えて、請求項１に係る発明では、セラミックス繊維断熱材は、形態が成形品又はフェルトであることを特徴とする。成形品はセラミックス繊維を圧縮成形してなるため、密度が上がり蓄熱量がやや増加するが、形状の維持性が高まり、取扱いが容易になる。
一方、フェルトは、成形品に比較して密度が小さく、蓄熱量が小さいため、焼結品の冷却速度を高めることに寄与する。

さらに加えて、請求項１に係る発明では、セラミックス繊維断熱材は、厚さが１０．０〜１２．５ｍｍであることを特徴とする。断熱材の厚さは、一般の黒鉛断熱材で５０ｍｍとされるが、本発明ではセラミックス繊維を用い、厚さを１０．０〜１２．５ｍｍとした。従来の黒鉛断熱材に比して厚みが１／４以下になるため、焼結品の冷却速度が高まる。

本発明で使用するメタルボンド砥石製造用焼結炉の断面図である。炉内圧力と降温速度の相関図である。砥石の断面を拡大した模式図である。使用後の砥石の断面を拡大した模式図である。プラトーホーニング加工が施されたシリンダの断面を拡大した模式図である。従来の砥石の断面を拡大した模式図である。使用後の砥石の断面を拡大した模式図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
また、圧力に関しては次の表記を採用する。減圧状態には、絶対真空をゼロとした絶対圧を使用し、単位の後に（ａ）を記す。加圧状態には、大気圧をゼロとしたケージ圧を使用し、単位の後に（Ｇ）を記す。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、メタルボンド砥石製造用焼結炉（以下、焼結炉と記す。）１０は、冷却ジャケット１１を備え、内圧が０．９８ＭＰａ（Ｇ）まで耐える炉殻１２と、この炉殻１２の底から上向きに挿入された下部パンチ１３と、この下部パンチ１３に載せられる円筒状のダイ１４と、炉殻１２のトップから下向きに挿入され、ダイ１４に挿入される上部パンチ１５と、ダイ１４の周囲に配置される黒鉛ヒータ１６と、この黒鉛ヒータ１６を囲う断熱室１７とからなるホットプレスである。

断熱室１７は、厚さ１２．５ｍｍのセラミックス繊維成形品で構成した。なお、実験の後段では、断熱室１７を、厚さ５０ｍｍの黒鉛で構成した例と、厚さ１０．０ｍｍのセラミックス繊維成形品で構成した例と、厚さ１２．５ｍｍのセラミックス繊維フェルトで構成した例を説明する。

下部パンチ１３の下部はシリンダ１８に挿入され、このシリンダ１８へ油圧ポンプ１９から圧油が送られると下部パンチ１３は上昇する。油圧は圧力検出手段２１で検出する。
冷却ジャケット１１へは、水ポンプ２２で給水される。この水はチラー２３に排出され、温度調節がなされた後、水ポンプ２２に戻される。

黒鉛ヒータ１６は炉温制御部２５で制御される。すなわち、炉温検出手段２６で検出した温度が設定値より低い場合には、黒鉛ヒータ１６への給電量を増加し、温度が設定値より高い場合には、黒鉛ヒータ１６への給電量を減少させることにより、昇温速度の制御を含む炉温制御が可能となる。

また、炉殻１２には、炉内の圧力を検出する炉圧検出手段２７及び排気・加圧兼用の管２８が設けられ、この管２８に真空ポンプやエジェクターなどの排気手段２９及び不活性ガス供給源３１が接続されている。不活性ガスは、アルゴンガスや窒素ガスが入手容易である。ただし、排気手段２９と不活性ガス供給源３１とは同時に使用されることはない。

また、炉圧検出手段２７は減圧用と加圧用とは別々に設けることが望ましいが、ここでは便宜的に共用とした。
以上に説明した焼結炉１０を用いて次に述べる実験を行った。

（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。
○素材：
砥粒（平均粒径５μｍ）：８．７５体積％
コバルト：５６体積％
二硫化タングステン：５．２５体積％
結合材（銅合金）：３０体積％

○素材充填：
上記素材を、図１のダイ１４に充填した。なお、ダイ１４の最大径は１２０ｍｍである。
○断熱室：厚さ１２．５ｍｍのセラミックス繊維成形品
○排気：
炉内の空気を排除するために、図１の排気手段２９により、炉内を２０Ｐａ（ａ）又はそれ以下の圧力に減圧する。これで、酸素は殆ど除去される。

○不活性ガス充填：
図１の不活性ガス供給源３１からアルゴンガスを炉内へ吹き込み、炉圧を所定の圧力に維持する。
○プレス：
図１のパンチ１３、１５により、素材に３０ＭＰａのプレス圧を付与する。

○加熱及び昇温速度：
大気温度（２５℃）から焼結温度（７４０℃）まで、１２．５℃／分の昇温速度で加熱する。７４０℃で一定時間保持することにより、焼結処理がなされる。
○加熱停止：
図１の黒鉛ヒータ１６を止める。これで、炉内及び素材の温度は下がる。降温の際には、炉内の不活性ガスの圧力が維持されるように、炉圧検出手段２７で圧力を監視して排気手段２９、及び不活性ガス供給源３１を制御する。

降温速度は、次図に示す通りであった。
図２に示すように、炉内圧力が０．０１ＭＰａ（Ｇ）では、降温速度は１１．９℃／分、０．１０ＭＰａ（Ｇ）で１２．８℃／分、０．４９ＭＰａ（Ｇ）で１６．０℃／分、０．６９ＭＰａ（Ｇ）で１７．５℃／分、０．８０ＭＰａ（Ｇ）で１８．７℃／分、０．９２ＭＰａ（Ｇ）で、１９．３℃／分であった。
なお、降温速度は７４０℃〜６００℃までの所要時間を計測し、（７４０−６００）／所要時間＝降温速度の計算により求めた。

降温速度の差異は、次のように説明することができる。
冷却とは温度が高い炉中心部から低い外周部に熱が伝わる（逃げる）事である。この仲介を果たす伝達物質が雰囲気となる。言い換えれば、熱の伝達は気体分子の衝突で行われる。

一般的なホットプレス製法は、炉内を減圧もしくはガス置換を行い、酸素分圧を下げてから焼結する。これは、酸化による劣化を防ぐ為である。減圧雰囲気では、熱を伝達する物質（気体分子）が少なくなる。また、ガス置換についても、ガスの種類が変わっても気体分子数はほとんど変わらない。よって、一般的なホットプレスの雰囲気では降温速度は向上しない。

本発明では、炉内の雰囲気を加圧状態でホットプレス製法を行うことにより、降温速度を向上させるものである。高圧ガスを炉に封入する事により気体の分子の数を増やす。すなわち、分子の衝突を増やして放熱を加速することに成功した。

○ ０．９２ＭＰａ（Ｇ）での評価：
炉内圧力が０．９２ＭＰａ（Ｇ）で製作した砥石の断面（模式図）は次図の通りであった。
図３に示すように、砥石４０は、砥粒４１とコバルト粒子４２と二硫化タングステン粒子４３と、これらを結合する金属系結合材４４とからなると共に、小さな黒点で示すコバルト粒子４２に、二硫化タングステン粒子４３と砥粒４１とが均等に分散されていた。

図４は図３の作用図であり、このような砥石４０で研削を行ったところ、表面から二硫化タングステン粒子４３が脱落し、微細なポケット４７ができた。

すなわち、砥粒の耐摩耗性を向上させるコバルト粒子４２は砥石内にとどまって砥石摩耗抑止作用を発揮する。さらに、微細ポケット４７は切粉の砥粒前面への堆積を防止し、脱落した二硫化タングステン粒子４３が固体潤滑剤の役割を果たして切粉の排出性を促進するため、切粉による目詰まりが防止される。これらの作用により、良好な切削性が維持される。

○大気圧（０．０１ＭＰａ（Ｇ））での評価：
一方、炉内圧力が０．０１ＭＰａ（Ｇ）で製作した砥石の断面（模式図）は、従来の技術で述べた図６とほぼ同一であり、図７のような問題点を有する。

本発明のように、焼結後に、高降温速度で冷却することで、凝集塊（図６、符号１１５）の発生を抑えることができた。

以上の説明から明らかなように、大気圧不活性ガス雰囲気よりも、高圧不活性ガス雰囲気の方が、凝集塊の発生を抑制する作用が認められた。
高降温速度を得るには、焼結炉内の断熱室の断熱性能を下げることが有効である。この知見から次に追加実験を行った。

（追加実験）
追加実験の内容を、表１に示す。

すなわち、比較対象の項に示した５０ｍｍ厚さの黒鉛を、実験０１では、１２．５ｍｍ厚さのセラミックス繊維成形品に替えた。他の実験条件は比較対象と同一とした。
結果、比較対象の降温速度が１０．８℃／分であったものが、実験０１では、１８．６℃／分に高まった。

さらに、比較対象の項に示した５０ｍｍ厚さの黒鉛を、実験０２では、１０．０ｍｍ厚さのセラミックス繊維成形品に替えた。他の実験条件は比較対象と同一とした。
結果、比較対象の降温速度が１０．８℃／分であったものが、実験０２では、１９．０℃／分に高まった。

また、比較対象の項に示した５０ｍｍ厚さの黒鉛を、実験０３では、１２．５ｍｍ厚さのセラミックス繊維フェルトに替えた。他の実験条件は比較対象と同一とした。
結果、比較対象の降温速度が１０．８℃／分であったものが、実験０３では、２６．４℃／分に高まった。

ところで、砥石でワークを研削した場合に、ワークは所定の体積だけ研削除去される。この体積を研削体積と呼ぶ。
また、砥石側もある程度の体積が摩耗する。この体積を摩耗体積と呼ぶ。
（研削体積／摩耗体積）＝研削比と定義する。研削比は砥石の寿命そのものを表すので、研削比の大きな砥石、すなわち、砥石の摩耗量が少なく、ワークの研削量が大きい砥石が望まれる。

実験結果を、研削比で比較すると、実験０１、０２、０３共に、比較対象の２倍以上の研削比が得られた。

本発明の焼結炉は、プラトーホーニング加工に用いるメタルボンド砥石の製造に好適である。

１０…メタルボンド砥石製造用焼結炉、１１…冷却ジャケット、２２…冷媒供給手段としての水ポンプ、３１…不活性ガス供給源、４０…砥石、４１…砥粒、４２…コバルト粒子、４３…二硫化タングステン粒子、４４…結合材。

Claims

メタルボンド砥石素材を焼結するメタルボンド砥石製造用焼結炉において、
この焼結炉は、冷却ジャケットを備えると共にゲージ圧で０．９８ＭＰａの内圧に耐える炉殻と、この炉殻の内部へゲージ圧で０．９８ＭＰａまでの不活性ガスを供給する不活性ガス供給源と、前記炉殻に収納され前記メタルボンド砥石素材を加熱するヒータと、このヒータと前記炉殻との間に配置されるセラミックス繊維断熱材と、前記冷却ジャケットに冷媒を供給する冷媒供給手段とを有し、
前記セラミックス繊維断熱材は、形態が成形品又はフェルトであって、厚さが１０．０〜１２．５ｍｍであることを特徴とするメタルボンド砥石製造用焼結炉。