JPH03149187A - メタルボンド工具の製造方法 - Google Patents

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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は炭素を含有する鉄基合金と、高硬度を有する砥
粒との焼結体から成る砥粒層を有するメタルボンド工具
の製造方法に係り、特に成形性を改善し成形用金型の寿
命を延ばし、また研削時における潤滑性を高めるととも
に、マトリックスの強度を改善し、寿命の増大を図った
メタルボンド工具の製造方法に関する。

（従来の技術） 酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭
化ケイ素などの高硬度ファインセラミックスの研削加工
、仕上加工に使用される研削工具として、砥粒にダイヤ
モンドを使用したメタルボンドダイヤモンド工具が、従
来より広く用いられている。

またバナジウム（Ｖ）を含む高速度鋼やマルテンサイト
系ステンレス鋼などの難削合金材の研削加工や仕上加工
においては、砥粒として立方晶窒化硼素（以下ｒＣＢＮ
Ｊと略称する。）をマトリックス中に分散させたメタル
ポンド窒化硼素工具が使用されている。

上記のようなメタルボンド工具のうち、例えば砥粒にダ
イヤモンド粉末を用いるメタルボンドダイヤモンド工具
は、一般に金属粉末および必要により金属化合物を含む
金属粉末とダイヤモンド粉末砥粒とを混合した後に焼結
して形成される。この焼結操作によってマトリックスと
ダイヤモンド粉末砥粒との結合力、機械的強度の向上が
図られ、形成されたメタルボンドダイヤモンド工具は、
適宜ドレッシングによって砥石表面を再生しながら研磨
・研削用工具として使用されている。

ところで、切込み深さが大きい重研削加工に適したメタ
ルボンドダイヤモンド工具の場合、マトリックスの原料
としては、炭素含有量が大きな鉄基合金鋳造材の切粉を
、ボールミルまたはスタンプ法などで粉砕した粉末が使
用される。この高炭素鉄基合金粉末にダイヤモンド砥粒
を均一に混合し、アルゴンなどの不活性ガスによる保護
雰囲気において例えば温度８００〜９００℃、圧力２０
０〜４００ｋｇ／ａ／程度の条件でホットプレスを行な
ったり、常温金型プレスを使用して１２　ｔｅａ／ａｄ
程度の高い加圧力を作用させて砥粒層を形成している。

砥粒の周囲には炭素粒子が分散するように固定される。

この炭素粒子は研削対象物との研削抵抗を低減する潤滑
材として働く一方、マトリックスはダイヤモンド砥粒を
支持固定する保持材として機能する。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら炭素含有量が多い鉄基合金鋳造材は硬度が
大きいために成形性が悪く、圧縮成形時に所定の形状を
成形するためには高温度条件で大きな加圧力と長い成形
時間が必要とされる。そのため高価な金型の損耗が著し
く金型の再研磨および交換を高頻度で行なう必要があり
、製造コストが増大するとともに製造効率が大幅に低下
してしまうという問題点があった。

特に常温金型プレスによって原料粉末を加圧成形する場
合には圧密か困難であり、また抜き圧が大きくなり効率
的な成形操作が困難となる。さらにパンチを抜く際に成
形体に割れや欠けが発生し易く製品の歩留りが大幅に低
下してしまう問題点があった。

上記の問題点を解決するため、比較的に炭素含有量が少
ない軟質な鉄基合金粉末をマトリックス材料として用い
、この合金粉末にグラファイトなどの炭素粉末を添加混
合した後に圧縮成形を行なう方法も採用されている。こ
の場合合金粉末が軟質であり、グラフフィトによる潤滑
作用が良好に発揮されるため、成形性が改善され小さな
加圧力で短時間に圧縮成形を行なうことが可能となり、
金型の損傷も少なくなる。

しかしながら合金粉末中に微小な炭素粒を分散させるこ
とが困難であった。そのため炭素析出物および砥粒の脱
落が多く、これにより研削・研磨加工の効率が低下し、
高い仕上げ精度が得られない上に砥石自体の寿命が短い
という根本的な問題点があった。

一方、炭素含有量が多い鋳造材を粉砕して得られた鉄基
合金粉末は、炭素の析出物の大きさが数十μｍないし２
００μｍと砥粒の平均粒径（数μｍ〜１００μｍ）に比
較して大きく、また形状的にも不均一であり、マトリッ
クス中に微細に分散する組織となっていない。

そのため粉砕操作によって粉末中に保持されていた炭素
粒子の脱落が起り易ぐ、粉末中の炭素の分布および形状
が不均一になる。そしてこの鉄基合金粉末によりマトリ
ックスを形成した工具材料では、炭素析出物の径が大き
いことから、研削中に炭素析出物が脱落し易く、また脱
落によって形成された窪みに削り屑や磨き屑が堆積して
目詰りの原因となり、さらに目詰りは焼き付きによるマ
トリックスの破損や塑性変形を生起する。

また砥粒の近傍に窪みが形成されることにょって砥粒の
保持強度が急減し、ダイヤモンド砥粒の脱落が急増して
研削、研磨効率の低下を招き、さらに高い仕上げ精度が
得られないという問題があった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされ　たちの
であり、圧縮成形時の潤滑性を高め成形用金型の損傷を
防止し成形加工を容易にするとともに、研削加工の際に
砥粒の脱落および潤滑材としての炭素粒の脱落が少なく
、高い効率で研削・研磨加工を実施することが可能であ
り、寿命が長い経済的なメタルボンド工具を製造し得る
メタルボンド工具の製造方法を提供することを目的とす
る。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段と作用） 本願発明者等は、鉄基合金粉末の成形時における潤滑作
用を高め、成形性を改善すると同時に、研削時における
潤滑作用を高め、寿命の長いメタルボンド工具を得るこ
とを目的にして、炭素成分を粉末表面に形成する方法お
よびマトリックス中に微細な炭素粒子を分散させる方法
を研究し、さらに砥粒層の研磨特性に及ぼす合金粉末の
粒径、砥石の種類および粒径の影響を研究した。

その結果、原料となる鉄基合金粉末に炭素化合物を付着
せしめた後、加熱して上記炭素化合物を熱分解して合金
粉末表面に炭素膜を形成し、しかる後に炭素膜を形成し
た合金粉末と砥粒との混合物を圧縮成形し、一体に焼結
して砥粒層を形成したときに、従来と比較して圧縮成形
時において、極めて成形性に優れかつ研削特性が格段に
優れたメタルボンド工具を得ることができた。

またマトリックスとなる鉄基合金粉末の焼結前の平均粒
径を砥粒の平均粒径の１／３以下に設定したときに、強
固なマトリックスが形成され、砥粒および炭素粒の脱落
が効果的に抑制され、寿命の長い砥粒層を得ることがで
きた。

本発明は上記の知見に基づいてなされたものである。

本発明方法において使用する鉄基合金粉末としては、Ｆ
ｅを基材として、他に必要に応じてＮｉ。

Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ、ＡＪ、Ｍｎ、Ｃｒなどの金属
元素を添加した合金材が使用される。合金材の組成は、
必要とされるマトリックスの強度、伝熱性等を勘案して
決定されるが、一般に砥粒の保持強度を高めるために、
２種以上の金属を複合化させた合金材が使用される。

合金材を粉末化する手段としては、例えば合金材の鋳塊
片をボールミル、スタンプミルによって粉砕する方法や
合金材を溶湯噴霧法等の通常の急冷法を使用して微細化
する方法がある。

上記溶湯噴霧法は、原料合金材の溶湯を、ガス噴霧、水
噴霧、遠心噴霧等によって粉体化する方法であり、噴霧
条件により適当な冷却速度と粉末粒径になるように調整
して、所望の原料粉末を得る方法である。

次に上記のようにして調製された鉄基合金粉末はアルコ
ールまたは炭化水素などの熱分解性に優れた炭素化合物
を付着させる。アルコールとしては、ブチルアルコール
（Ｃ２Ｈ４ＯＨ）、ヘキサノール（Ｃａ　Ｈｔｉｔ　Ｏ
Ｈ）　、オクタノール（Ｃ，Ｈ１７０Ｈ）などの炭素数
が３以上の高級アルコ−Ｊｌ／　ｈ＜用いられ、また炭
化水素としてはペンタン（Ｃ５Ｈ，２≧、ヘキサン（ｃ
６ＨＩ４）、ケロシン（炭素数６〜９の鎖状炭化水素の
混合物）など炭素数が５以上の直鎖状のパラフィン系炭
化水素や環状炭化水素が使用される。

ここで炭素数が５未満の炭化水素であるメタン（ＣＨ４
）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、または炭素数が３未満のアル
コールであるメタノール（ｃ　Ｈ３０Ｈ）、エタノール
（Ｃ，Ｈ５０Ｈ）などは、いずれも揮発性が高く、合金
粉末に付着しても瞬時に揮散してしまうため、アルコー
ルまたは炭化水素としては、それぞれ炭素数が３または
５以上の揮発性が少ないものが使用される。

次に炭素化合物を付着させた合金粉末を、アルゴンなど
の不活性ガス雰囲気または真空雰囲気において３００〜
９００℃に加熱し、炭素化合物を徐々に熱分解する。こ
のとき炭素化合物中の酸素および水素は分解して揮散し
、合金粉末表面には炭素膜が形成される。

次に炭素膜が形成された合金粉末は、所定粒径の砥粒と
均一に混合された後に成形型に移され圧縮成形される。

このとき合金粉末表面には潤滑剤として機能する炭素膜
が形成されているため、潤滑作用が円滑であり、小さな
加圧力で短時間内に所定形状の成形体を形成することが
できる。そのため成形用金型の損傷が少なく製造コスト
が大幅に低減されるとともに、成形用金型の交換頻度が
低減するため製造効率を大幅に高めることができる。

次に成形操作に引き続き、真空、アルゴンなどの不活性
ガスなどの保護雰囲気において成形体を加熱して一体に
焼結し砥粒層を形成する。この焼結操作によって合金粉
末は相互に融着し、強固なマトリックスを形成するとと
もに、炭素膜を構成していた微細な炭素粒がマトリック
ス中に均一に分散される。

この場合、焼結操作前の合金粉末の平均粒径は砥粒の平
均粒径の１／３以下に設定することが好ましい。これは
粒径比が１７３を超えると、砥粒の分布が不均一となり
、砥粒の表面近傍に金属粉を均一に配置することが不可
能であり、砥粒同士が接する部分が増大し、成形性を劣
化させるばかりでなく、研削中の砥粒の脱落を招き、工
具としての研削・研磨能力が低下するためである。

また砥粒としては、ダイヤモンド粉末の他にＣＢＮを混
合して使用することもできる。ダイヤモンドおよびＣＢ
Ｎのヌープ硬さはそれぞれ、８５００．５１００ｋｇ／
−以上といずれも極めて高い値を有し、難研削材の加工
用砥粒として有用である。特にＣＢＮ砥粒は、耐熱性に
優れているため、冷却材を使用しない乾式加工用砥粒と
して急速に用途を拡大している。

このように本発明に係るメタルボンド工具の製造方法に
よれば、マトリックスを形成する鉄基合金粉末に予め炭
素化合物を付着せしめ、さらにその炭素化合物を加熱分
解することにより、合金粉末表面に炭素膜が形成される
。この炭素膜は圧縮成形時において潤滑機能を発揮する
ため、小さな加圧力で短時間内に所定形状の成形体を形
成することが可能である。すなわち成形性が改善される
ため、成形用金型の損傷が少なく、その寿命を大幅に延
伸させることが可能になるとともに、工具の生産効率を
大幅に向上させることができる。

また、炭素膜を構成する微細な炭素粒が焼結操作によっ
てマトリックス内に均一に分散されるため、研削時にお
ける潤滑作用も良好でありメタルボンド工具自体の寿命
も大幅に延伸することができる。

また、マトリックスを形成する金属粉末と、ダイヤモン
ドおよびＣＢＮの少なくとも一方から成る高硬度の砥粒
とを焼結によって強固に結合して砥粒層を形成している
ため、砥粒の保持力が大きく、良好な研削仕上面が得ら
れるとともに工具の寿命を延伸することができる。なお
砥粒としてダイヤモンドおよびＣＢＮを併用することに
より研削対象範囲を広くすることができる。

またマトリックスを形成する鉄基合金粉末の平均粒径を
、砥粒の平均粒径に対して１７３以下に調整しているた
め、潤滑材としての炭素粒および砥粒の支持材となる鉄
基合金粉末を、砥粒の周辺に均一に分散配置することが
できる。

したがって、研削加工時の潤滑機能が充分に発揮される
とともに、支持材としてのマトリックスの強度が充分確
保され、砥粒の脱落が抑制される結果、常に高い研削効
率を維持できる上に砥粒層の寿命を大幅に延伸させるこ
とができる。

（実施例） 次に本発明について以下に示す実施例を参照して、より
具体的に説明する。

実施例１〜３および比較例４〜５ 実施例１〜３として、まず炭素２．０％、Ｎｉ２％、Ｃ
ｏ１％、残部Ｆｅから成り、平均粒径が３０μｍである
鉄基合金粉末を通常の溶湯噴霧法によって調製した。次
に第１表に示すように得られた合金粉末に対して、炭素
化合物として５重量％のケロシン、ブチルアルコール、
ペンタンをそれぞれ添加し、ミキサーによって均一に混
合し引き続き、真空下またはＡｒなどの不活性ガス雰囲
気においてケロシン、ブチルアルコールを添加したもの
は温度８００℃で１５分間加熱する一方、ペンタン、エ
タンを添加したものについては温度５００℃で６０分間
加熱して熱分解処理を行なった。

次に熱分解処理した各鉄基合金粉末８０重量％に対して
、平均粒径１００μｍのダイヤモンド砥粒を２０重量％
を均一に混合した。さらに上記組成の混合物を金型空間
に充填し、真空中でホットプレス法により焼結を行なっ
た二焼結操作は、４００ｋｇ／ＣＩｒの加圧力を作用さ
せた状態で９００℃に昇温し、３０分間保持した。しか
る後に焼結体に加工を施し、外径８０■、内径１５■、
幅１０■のダイヤモンド工具を形成した。

また比較例４．５として、実施例１〜３と同一の合金組
成を有する原料を使用し、炭素化合物としてエタンを添
加したもの（比較例４）、および炭素化合物を添加せず
熱分解処理を行なわない合金粉末を砥粒と混合して焼結
したもの（比較例５）を加工して外径８０■、内径１５
■、幅１０＋ａｍのダイヤモンド砥石とした。

こうして得られた実施例１〜３および比較例４〜５のダ
イヤモンド工具を使用して、ビッカース硬度１７００の
Ｓｉ３Ｎ４の研削加工を行なった。

研削加工条件は、回転数３００Ｏｒｐｍ、送り速度５ｍ
／ｍｉｘ１研削幅１０■、切込み深さは、０゜２５−に
設定した。

こうして得られた試験結果を第１表の実施例１〜３、比
較例４〜５に対応する右欄に示す。ここで第１表に示す
研削比は、砥石損耗量に対する被研削材の除去量の比で
表わしている。

第１表の結果かられかるように予め炭素化合物を付着さ
せた後に熱分解処理を実施した合金粉末を使用した実施
例１〜３のダイヤモンド砥石は、熱分解処理を実施しな
い比較例５と比べて成形性および焼結性が優れ、また研
削比がいずれも高く、長寿命を有することがわかる。

さらに、成形時における潤滑作用が良好であり、小さい
加圧力で短時間に圧縮成形することが可能であり、成形
用金型の損耗が大幅に減少した。

また比較例４に示すように炭素化合物として揮発性の高
いエタン−（Ｃ２Ｈ６）を使用した場合は、合金粉末表
面に殆ど炭素膜が形成されないため、潤滑性が乏しく、
圧縮成形時の抵抗が大であった。

また潤滑剤としての炭素析出物がマトリックス中に充分
に分散しないため、研削時における潤滑性が低下し研削
比が低下する傾向が伺える。

実施例６〜７および比較例８ 次に実施例６〜７として、炭素１．５％、Ｓｉ１６０％
、残部Ｆｅから成り平均粒径が３０μｍの合金粉末を溶
湯噴霧法により調製し、得られた合金粉末に対して第１
表に示すように炭素化合物として、それぞれケロシン、
ヘキサノールを５重量％添加して均一に混合し、付き続
き真空下において温度８００℃で１５分間加熱して熱分
解処理を行なった。

次に熱分解した合金粉末８０重量％に対して平均粒径１
００μｍのＣＢＮを２０重量％の割合で加え、均一に混
合した混合物を、金型プレス機に充填し、常温下で１２
　ｌｅａ／ｃａｒの加圧力を作用させて圧縮成形し、得
られた生成体を温度１０００℃で３０分間、アルコンガ
ス雰囲気中で焼結し、外径８０ｍ、内径１５■、幅１０
＋ｍｓのＣＢＮ砥石を形成した。

また比較例８として実施例６〜７と同一の合金組成を有
し、炭素化合物を添加せず、熱分解処理を行なわずに、
同一条件で焼結加工して同一形状・寸法のＣＢＮ砥石を
形成した。

上記実施例６〜７および比較例８によって得たＣＯＮ砥
石を使用して、実施例１〜３と同様な加工条件で超硬合
金の研削加工を実施で研削比を測定し、炭素化合物の添
加の有無が研削特性に及ぼす影響を調査した。研削試験
結果は第１表の対応する右欄に示す。

第１表の結果から理解されるように、ＣＢＮ砥粒を使用
した場合においても、炭素化合物を添加し、熱分解処理
を行なった合金粉末を使用した実施例６〜７の方が、添
加しない比較例８よりも研削比が優れている。

また金型プレス機による圧縮成形性の良否を確認するた
めに実施例６〜７、比較例８の原料混合粉末について抜
き圧試験を実施したところ、実施例６〜７における抜き
圧は比較例８と比べて１７２〜１／３に低減することが
できた。したがって圧縮成形時において成形体に割れや
欠けを生じることが少なく、製品の歩留りを高くするこ
とができる上に、金型の寿命を大幅に延伸することが可
能となり、工具の製造コストを大幅に低減することがで
きる。

実施例９〜１０および比較例１１〜１３次に実施例９〜
１０は、炭素１．５％、Ｓｉ１、　　Ｏ％、残部鉄から
成り、平均粒径をそれぞれ６．１５μｍに調整した合金
粉末に３重量％の割合でケロシンを添加して均一に混合
した後に、温度８００℃で１５分間熱分解処理を施した
ものである。熱分解処理した合金粉末７５重量％に対し
て、砥粒としてダイヤモンド砥粒（平均粒径５５μｍ）
およびＣＢＮ砥粒（平均粒径５５μｍ）を重量比で９＝
１の割合、すなわちそれぞれ２２゜５重量％、２．５重
量％ずつ混合し、得られた混合粉末を金型プレス機に充
填し、常温下で１２１ａｎ／ｄの加圧力を作用させて混
合粉末を圧縮成形し、得られた成形体をアルゴンガス雰
囲気において温度２５０℃で１５分間熱分解処理を行な
い、さらに焼結炉内を真空引きして温度１０００℃で３
０分間焼結し、さらに加工を施して、ダイヤモンドＣＢ
Ｎ複合砥石を形成したものである。

また比較例１１〜１３は、実施例９〜１０と同一の合金
組成を有する合金粉末の平均粒径を２５゜９０μｍとし
、砥粒の平均粒径（５５μｍ）に対する粒径比をＯ−４
５，１、６４と変化させてその研削性能に及ぼす影響を
調査した。

実施例９〜ｌＯおよび比較例１１〜１２で得られたダイ
ヤモンドＣＢＮ複合砥石を使用して、実施例６〜７と同
様な加工条件でＳｉ３Ｎ４の研削加工試験を実施したと
ころ下記第１表の右欄に示す結果を得た。

〔以下余白〕

第１表の結果かられかるようにダイヤモンド砥粒とＣＢ
Ｎ砥粒との混合砥粒を使用し、合金粉末の粒径を砥粒の
平均粒径の１／３以下に設定した実施例９〜ＩＯにおい
ては、成形性および焼結性がともに優れ、かつ高い研削
比を確保することができる。

しかし比較例１１〜１２で示すように、マトリックスと
なる金属粉末の平均粒径が砥粒の平均粒径の１／３を超
える場合は、抗折強度が低下し、研削時における砥粒の
脱落が増加し、研削比が逆に低下する。したがってマト
リックスを構成する金属粉末の平均粒径は砥粒の平均粒
径の１／３以下に設定することが必要となる−。

また実施例９．１０の混合粉末について抜き圧試験を実
施した結果、実施例９．１０における抜き圧は、炭素化
合物を添加しない比較例５の場合と比較して１７３程度
まで減少することが確認された。したがって圧縮成形体
時において成形体に割れや欠けが生じることがなく、製
品の歩留りが向上するとともに、金型寿命が延びて工具
の製造コストも大幅に低減される。

〔発明の効果〕

以上説明の通り本発明に係るメタルポンド工具の製造方
法によれば、マトリックスを形成する鉄基合金粉末に予
め炭素化合物を付着せしめ、さらにその炭素化合物を加
熱分解することにより、合金粉末表面に炭素膜が形成さ
れる。この炭素膜は圧縮成形時において潤滑機能を発揮
するため、小さな加圧力で短時間内に所定形状の成形体
を形成することが可能である。そのため成形用金型の損
傷が少なく、製造コストが大幅に低減されるともに、成
形用金型の交換頻度を低減することが可能となり、メタ
ルボンド工具の生産効率を大幅に向上させることができ
る。

また、炭素膜を構成する微細な炭素粒が焼結操作によっ
てマトリックス内に均一に分散されるため、研削時にお
ける潤滑作用が良好であり、従来と較べてメタルボンド
工具自体の寿命も大幅に延伸することができる。

また、マトリックスを形成する金属粉末と、ダイヤモン
ドおよびＣＢＮの少なくとも一方から成る高硬度の砥粒
とを焼結によって強固に結合して砥粒層を形成している
ため、砥粒の保持力が太きく、良好な研削仕上面が得ら
れるとともに工具の寿命を延伸することができる。なお
、砥粒としてダイヤモンドおよびＣＢＮを併用すること
により、研削対象範囲を広くすることができる。

またマトリックスを形成する鉄基合金粉末の平均粒径を
、砥粒の平均粒径に対して１７３以下に調整しているた
め、潤滑材としての炭素粒および砥粒の支持材となる鉄
基合金粉末を、砥粒の周辺に均一に分散配置することが
できる。

したがって、研削加工時の潤滑機能が充分に発揮される
とともに、支持材としてのマトリックスの強度が充分確
保され、砥粒の脱落が抑制される結果、常に高い研削効
率を維持できる上に砥粒層の寿命を大幅に延伸させるこ
とができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、鉄基合金粉末と砥粒との焼結体から成る砥粒層を備
   えたメタルボンド工具の製造方法において、原料となる
   鉄基合金粉末に、炭素化合物を付着せしめた後加熱して
   上記炭素化合物を熱分解して合金粉末表面に炭素膜を形
   成し、しかる後に炭素膜を形成した合金粉末と砥粒との
   混合物を圧縮成形し一体焼結して砥粒層を形成すること
   を特徴とするメタルボンド工具の製造方法。 ２、炭素化合物として炭素数が５以上の炭化水素または
   炭素数が３以上のアルコールを使用することを特徴とす
   る請求項１記載のメタルボンド工具の製造方法。 ３、合金粉末の平均粒径は、砥粒の平均粒径の１／３以
   下に設定した請求項１記載のメタルボンド工具の製造方
   法。 ４、砥粒としてダイヤモンドおよび立方晶窒化硼素の少
   なくとも１種を用いることを特徴とする請求項１記載の
   メタルボンド工具の製造方法。