JPH02501209A - 結合型研磨工具 - Google Patents
結合型研磨工具Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
結合型研磨工具
技術分野
本発明は、寸法等級を調整され、はぼ離散状態の研磨砥粒と、ガラス、硬化した
樹脂、または金属のような異種の連続状結合剤とが混合して成る結合型研磨工具
、特に研磨ホイールに関する。研磨砥粒としては、ダイアモンド、立方晶はう化
窒素(CBN)等のような、「超研磨剤」として知られているものもある。ダイ
アモンドおよびCBNは単結晶または多結晶である。超研磨剤は、アルミナ、ジ
ルコニア−アルミナ、および炭化けい素のような通常の研磨剤よりもかなり硬く
かつ高価である。
背景技術
超研磨剤は一般的に通常の研磨剤に比べて単位体積当り約1000倍のコストが
かかるにもかかわらず、工具鋼のような種類の材料の研磨におけるコスト効果が
小さい。超研磨材料は主として約100〜400の砥粒サイズで用いられる。従
来、一般的に、超研磨剤を含有する研磨ホイール中にある程度ポロシティ−が存
在した方が普通は望ましいが、超研磨側砥粒を含有する工具の総合的研磨性能は
工具中の超研磨剤の体積率と密接な関係があることが見出されている。従来、研
磨工具中には通常の研磨剤と一緒に超研磨剤が用いられているか研磨工具を工具
鋼のような硬い被加工物に用いた場合、研磨工具中の通常研磨剤は基本的に一種
の充填材として機能し、切削工具総寿命に対する研磨剤としてはほとんど貢献し
ない。
たとえば、Makhloufらの米国特許4,652.277(1987,3,
24,発行)は、リム(周縁)領域のみにCBNを含有する研磨ホイールに炭化
けい素とアルミナを用いて、リム領域とコア(芯部)領域の熱膨張係数をできる
だけ近ずけるようにすることを教示しているが、これら通常の研磨剤が研磨ホイ
ールの切削性能に研磨剤として直接貢献しているという示唆はない。
発明の開示
所定体積率の超研磨剤を含有する結合型研磨工具の研磨有効性は、焼結した特定
のタイプのアルミニウム質研磨砥粒を超研磨剤と一緒に用いることによって多く
の用途でかなり向上できることを見出した。本発明に適したアルミニウム質研磨
砥粒を、本明細書中では「微結晶アルミナ」またはrMCA」と呼称する。これ
らの研磨剤は、たとえば米国特許4.623,364および同4,314,82
7に記載されたゾル・ゲル法によって製造できる。これらのうちより望ましい方
法は、極めて微細な「種」をゾルに添加する前者の方法である。その際、種材料
の量は最終製品中のアルミナ総量の5wt%未満であり、2wt%以下が望まし
い。種の添加によって、種添加しない米国特許4,314.827の方法よりも
極めて微細な結晶組織が得られ、種添加による生成物から製造される研磨砥粒は
密度が高(かつ硬さが高い。研磨ホイール中のMCA配合量は、最高約47vo
1%から最低的10vo1%である。もちろん、存在するMCAの量が多いほど
コスト低減が大きくなる。
本発明に用いる微結晶アルミナの望ましい特徴は、従来の方法で調整した断面を
光学顕微鏡あるいは電子顕微鏡によって倍率5.000〜20,000で観察し
たときに認められるミクロ組織において、主としてアルファ・アルミナまたはア
ルミン酸マグネシウムのようなアルミニウム・スピネルの非常に微細な結晶が緻
密に充填された状態になっていることである。主要な微結晶は最大寸法が約1声
以下、望ましくは約0.7n以下、更に望ましくは約0.3μ以下である。主要
な微結晶には倍率約5000倍でほとんどあるいは全くコアセッティングは認め
られず、はぼ等軸晶であって、アスペクト比2を超えるものはなく、普通は1.
5未満である。
上記の主要なタイプの微結晶の他に、本発明に用いるためのMCAは、主要な微
結晶の幾つかが成長して形成されたと考えられるラス形粗大アルミナ結晶、また
は結晶粒界の不明瞭なスピネル・マトリックスのような、他の物質を約40vo
1%まで含有できる。
本発明に用いるMCA研磨砥粒は、密度が化学分析による理論密度の90%以上
、望ましくは95%以上であり、硬さが15GPa以上、望ましくは18GPa
以上、更に望ましくは19GPa以上である。
発明を実施するための最良の形態
本発明に用いるMCAは種々の方法で製造することが可能であり、米国特許4,
623,364、同4,314,827、および同4.744,802の方法が
望ましい。これらのうち第一および第三の特許による砥粒製造方法では、ベーマ
イトのような水和物状のアルミナを含有し、この含有アルミナの一部とスピネル
を形成し得るマグネシアのような物質を任意に含有したゾルまたはゲルに、非常
に微細な結晶質の種粒子を混合した後、種添加したゾルまたはゲルを乾燥させ、
乾燥した種添加ゲルを適当な温度で適当な時間加熱して所要のミクロ組織にする
。
研磨砥粒のミクロ組織は非セル状であることが望ましい。研磨砥粒の分粒処理は
最終の加熱工程の前または後に行なうことができるが、加熱前の方が容易である
ため望ましい。
種物質としては、米国特許4,623.364が教示するアルファ・アルミナが
あるが、これの代りに酸化第二鉄のように種として有効であればどのような物質
を用いてもよく、また水和アルミナのゾルまたはゲルを任意の形で種添加しても
よいが、ゾルおよびCottringerの教示する種が一般的に望ましい。
Cottringerの教示する望ましい物質を用いた場合、種はできる限り微
細であることが望ましく、種の総量は最終生成物中のアルミナ総重量の5%以下
、更に望ましくは2%以下である。
微結晶アルミニウム質砥粒と超研磨砥粒とを本発明にしたがって一緒に用い、以
下結合型研磨工具の従来技術にしたがって、これらを従来の結合剤(任意にポロ
シティ−形成剤を含む)と混合し、適当な形状に加圧成形し、そして加熱するこ
とによって、全体としてほぼ均一な組成の研磨工具を形成する。結合剤としては
、ガラス、ガラス化物、レジノイド、または金属を用いることができ、また金属
を充填したレジノイド結合剤および樹脂を含浸したガラス化物結合剤のような混
成結合剤を用いることもできる。本発明では、活性または不活性の全ての公知の
充填剤、たとえばテフロン、グラファイト、銀あるいは硫酸カリウム、氷晶石、
カヤナイト等を超研磨ホイール中に用いることができる。また、本発明の特徴で
ある混合砥粒を研磨ホイールの外周部で濃密化させることができる。そのために
、たとえば、支持体表面に電気メッキで付着させた金属中に砥粒を陥入させたり
、あるいはろう付タイプの合金の周囲に混合砥粒を置いた状態で真空炉内でこの
合金を軟化または溶融させて、砥粒を合金中に十分沈め、工具の冷却後に砥粒が
保持されるようにしたりする。これも本発明を用いるために採用される従来の生
産技術であり、一般的に、従来知られかつ実質的に超研磨砥粒を用いたどのよう
な従来のタイプまたは形状の結合型研磨工具をも、超研磨砥粒の一部を本発明に
したがった微結晶アルミニウム質砥ねに置き代えることによって(それ以外は従
来の方法を用いて)、有利に製造することができる。
以下、限定しない実施例によって本発明を更に詳しく説明する。
実施例
1〜5および ″ C1〜Cに
れらの例では、第1表に示した組成の特定タイプのガラス化物結合剤を用いて製
造した研磨ホイールについて説明する。
第1表
これらの成分を混合し加圧成形してホイールの形状にした成形体を、キルン内で
60°C/時間の昇温速度で1100″Cまで加熱して1100°Cで6時間保
持した後加熱を停止し、キルンを閉じた状態で室温まで放冷した。3種類の研磨
粒子を用いた。
これらは、それぞれ、ジェネラルエレクトリック社製の従来の単結晶CBN (
第2表中rcBNJで表記)、ツートン社(マサチューセッツ州つォーセスター
)製の微結晶アルミニウム質研磨剤SG(第2表中rMcAJで表記)、および
ツートン社(マサチューセッツ州つォーセスター)製の高純度溶融アルミナ研磨
剤32A(第2表中r32AJで表記)である。
2 用いた研磨剤は全てANSIの標準で粒度150〜粒度180の等級であっ
た。本実施例および本比較例として製造した研磨ホイールは、外径:約19腸、
取付用中心孔の径:約6.35mm、厚さ:約15.9mmであった。各ホイー
ルの組成を第2表に示す。
第2表
1〜5および ″ C1〜C6の ホイールの第2表に示した組成の研磨ホイー
ルを用いて、外径:約70陥、中心孔の径:約25.4+mn、厚さ:約9.5
墓の円板状被加工物の研磨試験を行なった。ここでrID研磨」と略称するタイ
プの試験は、上記円板の内径を研磨する試験であり、ホイールを10.000外
表ft/分で動かし、1分間当りに除去される金属の量で表わした研磨速度を(
研磨ホイールは摩耗しの2水準で行なった。研磨試験中周期的に、回転式ダイア
モンド工具によって従来の方法で研磨ホイールのドレッシングを行なった。研磨
中従来の油(White and Bagley type 1572)を均等
に流して、研磨ホイールと被加工物とを冷却し、研磨ホイールの動力源としては
従来の研磨機(Bryant Model 263)を用いた。Al5I 52
100工具鋼(硬さHRC60に調質)で作った被加工物を用いた場合の研磨試
験の結果を第3表に示す。
「G比」とは、研磨によって除去された金属の体積を、同量の研磨による研磨ホ
イールの摩耗体積で除した値である。相対G比および相対投入動力の数値は、ホ
イールC1の値を100とし、他のホイールの値をこれに対応させて算出した値
である。
第3表
mた52100 1〜5および 六
01〜C6で したー
上記の結果から、微結晶アルミニウム質研磨剤にCBNをほんの6%混合したホ
イールタイプ2が、高価なCBN粒子を10倍以上の量で含んだ従来タイプC2
と同等のG比および投入動力であり、他のどのホイールよりもG比がかなり高く
、かつG比の利点を損うような多量の投入動力を必要とせずにこのG比が得られ
ていることが分かる。低研磨速度では、ホイールタイプ3はCBN量が37.5
%未満の他のどのホイールよりもG比が高く、余分な投入動力を必要としないか
ら、大きな経済的利点がある。はんの3%のCBNでも、試験したCBNなしの
ホイールよりもホイール性能はかなり向上する。
此l■1qにづン史
比較例C8およびC9は、MCA砥粒の代りに32A砥粒を用いた他はそれぞれ
実施例1,2.および3と同様に作り、試験した。これらのホイールは、タイプ
1,2.および3の10分1未満の研磨効率であった。
6および 六 7〜9
研磨ホイールタイプ6はタイプ3と同一組成で作ったが、成形後の最高加熱温度
を1100°Cでなく930°Cにした。比較例C7はCBN25vo1%、ポ
ロシティ一体積25%、粒度150の溶融アルミナ23VO1%として作り、最
高温度930°Cに加熱した他はタイプC4と同様である。比較例C8およびC
9は、CBN研磨剤の代りに全てMCA研磨剤(C8)または全て32A研磨剤
(C9)を用いた他はC7と同様である。
これら4種類の組成で、それぞれ外径研磨用の直径127mmの研磨ホイールと
内径研磨用の直径76.2mmの研磨ホイールを作った。研磨試験の条件は前述
の実施例・比較例と同様であるが、ただし、被加工物としてはAl5I 521
00の他にインコネル718およびAISIM 7工具鋼を用い、外径および内
径について種々の研磨速度で研磨した。上記試験の代表的な結果を、油(Whi
te and Bagley 1572)中で研磨した場合について第4表に、
水と水溶性油との混合液中で研磨した場合について第5表に示す。
第4表
イブ6 C7〜C9の′
一般的に第4表および第5表に示したタイプの試験では研磨速度(金属除去速度
)が大きくなるほどG比が小さくなる。
これらの表中で金属除去速度および対応するG比の範囲を決めれば、G比が最大
のときに金属除去速度は最小になる。G比の範囲のみを決めると、実績データは
極めて大きく変動する。この変動は試験される金属の損失あるいはその他の未知
の要因によると考えられる。
第4表の結果から、本発明にしたがったホイールは、52100の外径研磨につ
いて高価な超研磨剤の3タイプのホイールとほぼ同等の性能であり、インコネル
の外径研磨以外の全ての試験について高濃度の超研磨剤ホイールにくらべて経済
的に有利であることがわかる。本発明にしたがったホイールは、超研磨剤を用い
ない従来ホイールよりも著しく優れている。
第5表
イ C−Cの 六 ゛
第5表の結果から、本発明にしたがった研磨ホイールの相対性能は水溶性油冷却
時には油冷却時はど良好でないことが分かる。しかし、本発明にしたがったホイ
ールは超研磨剤を用いないホイールにくらべて経済的に有利なことは確かである
。
7〜8および + Cl0−C11
これらの例では、外周に砥粒濃度の高い層を基本的に一層設けた研磨工具に本発
明を適用した場合について説明する。
その場合、結合剤としてろう付合金を用い、以下のようにして付着させた。
1)プレフォーム(予備成形体)−典型的には鋼製−を情浄し、サンドブラスト
処理する。
2)プレフォームにろう付ペーストを塗布する。ろう付ペースト塗布層の厚さは
、砥粒寸法、濃度、砥粒露出量に応じて決める。
3)ろう付ペースト層上に研磨剤粒子を散布する。
4)真空炉(真空度lX10−“torr以上)に装入する。
5)用いたろう付ペーストに応じたろう付温度に加熱する。
6)真空を維持した状態で冷却する。
後は外観上の仕上げをすれ完了である。
用いたろう付ペーストは、セラミック、ダイアモンド、CBH
等のような濡れ性の悪い材料の接合用に改良された市販のAWS BVAg−8
b合金である。
本実施例・比較例の研磨工具は全て、有効外周層中の砥粒体積率を等しくした。
砥粒の種類は、タイプCIOについては全量CBN、タイプC1lについては半
量CBNで半量38A1タイプ7については半量CBNで半量MCA、タイプ8
については3/4量CBNで1/4量MCAとした。SG/CBN試験で用いた
研磨剤の濃度は100%と表現する。これは、散布によって到達し得る最高密度
の意味である。これは具体的には研磨部分表面積の約75%が研磨剤で覆われて
いることであり、粒度80の場合にはほぼ1.4ct/in”である。
本実施例・比較例で作製した研磨ホイールは、既に説明した実施例・比較例の研
磨ホイールより(らべて、仕上後の工具表面から砥粒がかなり突き出ている。そ
のため、このタイプのホイールは初期の切削が急速に進行し、初期工具摩耗が急
速に起こるので、研磨工具の損失体積を正確に測定することは極めて困難である
。したがって、本実施例・比較例については性能測定方法を変えた。すなわち、
損失体積の代りにホイール半径の変化を測定した。除去された金属の体積は前出
の実施例・比較例同様に測定した。代表的な試験条件についての結果を第6表に
示す。
第6表
7〜8と ″ 010〜C1lについての工具 および金 7、 の ゞ
第6表から、タイプ7とタイプC10とはほぼ同性能であり、他はこれらより劣
ることが分かる。タイプ7はタイプCIOの半分しか超研磨剤を用いないので、
タイプ7の経済性が明らかに優れている。
9および ・ C12
この例では、レジノイド結合剤を用いて乾式研磨を行なった場合について本発明
を説明する。比較例C12はニッケル被覆したCBN砥粒を25VQ1%用いて
おり(以下「被覆したボラゾン」をrCBJと表示する)、実施例9は同一量の
CBHに加えて粒度100のMCAを4.75 vo1%を用いである。
これらのホイールの加熱前(グリーン状態)結合剤の組成は下記のとおりであっ
た。
CBN+研磨コーティング十へキサフルオロけん酸ナトリウム ・・・・・ 4
7.Ovo1%ロングフローフェノール樹脂十石灰 ・・・・・ 36.7 v
o1%液状フルフラル ・・・・・ 2.3 vo1%片状銀 ・・・・・ 1
4.Ovo1%研磨砥粒と結合剤を結合型研磨工具を生産するための従来方法で
混合した後、鋼製金型に入れ、温度約160°C1圧力約40MPa、時間約3
0分で成形して最終的な研磨ホイールを作製した。
これらの研磨ホイールについて、3600SFPMで、第7表に示した5種類の
研摩代で、被加工物としてAl5I M2鋼(硬さHiC65に調質)を用いて
研磨試験を行なった。
第7表
イブ9および イブCI2の ・G
および ・7
これら2タイプの相対G比は相対投入動力よりも常に大きいので、本発明にした
がった研磨ホイールは実用上有利であり、その傾向は研摩代が大きくなるほど著
しい。
実去[ilo:11
これらの例では本発明の研磨ホイールの性能に対する、ガラス化した結合剤の使
用の著しい効果ついて説明する。
ガラス化した結合剤を用いた、直径127鵬、厚さ16mm。
中心孔直径22肛の研磨ホイールを従来の方法で作製した。
1組の研磨ホイール(「タイプ10」と呼称する)を市販のフリットType
3GF 259A(0,Homme1社製(ピッツバーグ、ペンシルベニア州)
)で結合してから900℃で焼成して結合剤を硬化させた。もう1組のホイール
(「タイプ11」と呼称する)を市販の結合剤H^4(ツートン社製(ウォーセ
スター、マサチューセッツ州)で結合してからやはり900°Cで焼成した。
これらのホイールは、ダイアモンドまたはCBNを研磨剤として用いる多くの研
磨処理に広く用いられているストレートリムタイプのホイールである。リムすな
わち研磨領域は下記の混合組成であり、仕上り状態の体積パーセントも併記しで
あるとおりである。
0、Hommelフリット 27 16.9gHA4結合剤 14.61 10
.56 g水 4.83 g
グリセリン 0.54 g
メチルセルロース 0.13g
デキストリン 0.21 g
Aeromer30 2.08 g
ポロシティ−2537,39
ホイールのコアの混合組成および仕上り状態の体積率は下記のとおりであった。
ホイール イブ 0 ホイール イ 110、Hommelフリット 25.2
118.05 gHA4結合剤 14.61 79.00 g水 28.04
g
グリセリン 3.16 g
メチルセルロース 0.74g
デキストリン 1.56 g
へeromer30 15.31 g
ポロシティ−3037,39
作製した研磨ホイールについて、水と水溶性油を10=1の比で混合した冷却剤
を用いて52100鋼の研磨試験を行なった。
ホイール10はホイール11に(らべてG比がほぼ2倍であり、研磨中の投入動
力が若干少なかった。ここで、ホイール10は研磨領域のポロシティ−が25v
o1%であったのに対し、ホイール11ではそれが37.39 vo1%であっ
た点に注意すべきである。フリット結合剤は研磨中に作用する硬さが本来柔いの
で試験結果に影響を及ぼすことはなく、両ホイールの実際の硬さがほぼ等しくな
るようにホイール10にはより多くの結合剤を添加した。
12および 六 C12
これらの例では、金属で結合を行ない、外周部の砥粒を特別に突出させないホイ
ールに本発明を用いた場合について説明する。実施例12ではCBN砥粒とMC
A砥粒とを体積比3:1で用い、比較例C12ではこれと砥粒総体積を等しくし
てCBN砥粒のみを用いた。結合剤組成は銅81.4%、錫18.6%であった
。銅粉末と錫粉末を湿潤剤と一緒に混合し、砥粒を添加して再び混合し、これを
芯型の周りで約330MPaの圧力を負荷して冷間加圧成形してグリーン(生)
ホイールとした。このグリーンホイールに、窒素・水素混合雰囲気中で約550
’Cまで5時間で昇温し、この温度で3時間保持する焼成を施して研磨ホイール
を得た。この製造方法は、混合タイプの砥粒を用いた他は従来どおりである。両
タイプのホイールについて同一条件の試験をそれぞれ2回行なった平均の結果か
ら、タイプ12はタイプC12にくらべてG比が17%高(、投入動力は約10
%少なかった。したがって、タイプ12の方が望ましい。
113および ・・C13
これらの例では、油冷却で鋼を研磨するレジノイド結合ホイールに本発明を用い
た場合について説明する。実施例13は実施例9と同様であるが、ただし研磨砥
粒の総量を25vo1%とし、このうち1/4をMCA砥粒、残部をCBとした
。Al5I MZ鋼(硬さHRC65に調質)を油冷却、低研磨速度で研磨して
、タイプ13のホイールをタイプC12のホイールと比較した。タイプ13はタ
イプC12にくらべてG比が45%高く、投入動力が若干少なかった。
14および15
これらの例は実施例9と近い関係にある。用いた材料は実施例と同様であったが
、ただしニッケル被覆したMCA砥粒を用いた。被覆は従来の方法で行ない、被
覆厚さは被覆後の砥粒重量の54%に相当する厚さとした。実施例14はこの被
覆以外は実施例9と同様である。一方、実施例15は、この他に砥粒の量がM
CA 6.25vo1%、CB 1B、75vo1%であった点が更に異なる。
これらのタイプのホイールについて、実施例9の乾式研磨で同−鋼を研磨した試
験結果を第8表に示す。
第8表
イブ14 、15 、およびC12の ・Cおよび 、r′−優
第8表のデータと第7表のデータとの比較から、この結合剤の場合の本発明の利
点が、MCA砥粒にニッケル被覆を施すと更に顕著になることが分かる。同様の
試験条件で冷却を水溶性油に変えてタイプ14および15の試験を行なった。
特表千2−501209 (7)
その場合、タイプC12に(らべたタイプ14および15のG比の優位性は第8
表のレベルよりもかなり低かったが、全く消失することはなかった。
Claims (9)
- 1.寸法等級を調整され、ほぼ離散状態の研磨砥粒を、この研磨砥粒とは化学的 に異なる結合材料のマトリックス中に保持した結合型研磨工具において、上記工 具中に超研磨砥粒とアルミニウム質砥粒とが存在し、上記アルミニウム質砥粒が 最大寸法約1um以下のほぼ等軸のアルファアルミまたはアルミナスピネルの微 結晶から主として成ることを特徴とする結合型研磨工具。
- 2.前記微結晶の最大寸法が0.7um以下である請求の範囲第1項記載の結合 型研磨工具。
- 3.前記微結晶の最大寸法が0.3um以下である請求の範囲第1項記載の結合 型研磨工具。
- 4.前記アルミニウム質砥粒が非セル状である請求の範囲第1項から第3項まで のいずれか1項に記載の結合型研磨工具。
- 5.前記アルミニウム質砥粒の硬さが18GPa以上である請求の範囲第4項か ら第6項までのいずれか1項に記載の結合型研磨工具。
- 6.前記結合材料が、ほぼ金属酸化物から成るガラスである請求の範囲第1項か ら第5項までのいずれか1項に記載の結合型研磨工具。
- 7.前記超研磨砥粒の体積が工具の総体積の9%以下である請求の範囲第1項か ら第6項までのいずれか1項に記載の結合型研磨工具。
- 8.前記結合材料がフェノール樹脂の硬化生成物であり、前記アルミニウム質砥 粒が前記工具中に結合される前にニッケル被覆されている請求の範囲第1項から 第5項までのいずれか1項に記載の結合型研磨工具。
- 9.前記アルミニウム質砥粒が、下記の工程(a)〜(d):(a)アルミナ水 和物のゾルまたはゲルと、加熱に際してアルミナ永和物から結晶質アルファアル ミナヘの交換を促進する効果を有するサブミクロンの結晶質の種粒子とを混合す る工程、 (b)工程(a)で形成された混合物を乾燥する工程、(c)工程(b)で形成 された乾燥混合物を、1500℃以下の温度で、この混合物中のアルミナがアル ファアルミナまたはアルミナスピネルに交換するのに十分な時間加熱する工程、 および (d)工程(c)の生成物から、ほぼ粒度等級の揃った研磨砥粒を選び出す工程 を含む方法によって作られる請求の範囲第1項から第8項までのいずれか1項に 記載の結合型研磨工具。
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