JPH04152067A

JPH04152067A - メタルボンド工具の製造方法

Info

Publication number: JPH04152067A
Application number: JP27243190A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Horie; 宏道堀江; Mitsuo Kawai; 光雄河合; Naoto Kanbara; 蒲原　尚登
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-10-12
Filing date: 1990-10-12
Publication date: 1992-05-26

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）本発明は合金粉末と、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、特に従来の工具が有する研削特性を損うことなく焼
結性を改善し、圧縮成形用金型の寿命を延伸するととも
に焼結時間を短縮して製造効率の向上を図り得るメタル
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、例えばダイヤ
モンドなどの高硬度の砥粒粉末を、ベークライトなどの
フェノール系樹脂中に均一に分散させて結合したレジノ
イドボンド工具や、砥粒粉末をセラミックス中に分散さ
せて結合したビトリファイボンド工具が、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窒化硼
素工具が使用されている。

レジノイドボンド工具は、ダイヤモンド、溶融アルミナ
、炭化硅素などの砥粒粉末をフェノール樹脂などの樹脂
材で硬化結合したものであり、自由研削加工用工具とし
て使用される。このレジノイドボンド工具は、溶剤、油
、蒸気などに対して比較的安定であり、熱による軟化も
少なく、弾性に富んでいるため、薄型の切断用砥石とし
て優れた機能を発揮する。

一方、ビトリファイボンド工具は、上記砥粒粉末を長石
、粘土などの配合物で溶融結合して形成され、主として
精密研削加工用工具として使用されている。このビトリ
ファイボンド工具は、レジノイドボンド工具と比較して
弾性に乏しいため、薄型に形成して使用されることは少
ないが、マトリックス強度が優れているため、中程度の
切込量に設定した研削加工用工具として多用されている
。

しかしながらレジノイドボンド工具、ビトリファイボン
ド工具のマトリックスはそれぞれ樹脂、セラミックスで
形成されているため、耐熱性や耐衝撃性が低く、砥粒の
保持強度が低い欠点がある。

そのため切込量が大きな重研削用工具としては不向きで
あり、研削比も低く寿命が著しく短いという致命的な問
題点がある。

本願発明者等は上記問題点を解決するために、マトリッ
クスを鉄基合金で形成し、潤滑材としての炭素析出物を
合金内に分散させることにより研削特性および寿命を飛
躍的に向上させたメタルボンド工具を開発し、特願昭６
２−３１１８８８として出願した。

上記出願に係る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、金属粉末および必要により金属化合物を含む鉄基
合金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
雰囲気においてホットプレスを行ない、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、従来のメタルボンド工具の製造方法にお
いては、潤滑材としての炭素を多量に含有した高硬度の
鉄基合金粉末を原料として使用しているため、焼結性が
低いという問題点がある。

すなわち、ホットプレスによって合金粉末と砥粒との混
合物を加圧成形して焼結する際には、前記のように高い
温度と大きな加圧力とを長時間作用させて焼結を完結さ
せる必要があり、製造効率が低くなる傾向があった。ま
たホットプレス装置において作用させることが可能な全
加圧力の大きさによって、製作することができる成形体
の容積が制限され、比較的小型の工具しか製造できない
という問題もあった。

また高温度による焼結はマトリックスと砥粒との過剰な
界面反応を生起し、強度の低下が起こり易く、さらに焼
結後の焼き縮みや脹れによる寸法変化が大きく、工具と
してのツルーイングやドレッシングが煩雑になる場合が
多い。

さらに成形用金型に高温度と大きな加圧力とが作用する
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った。

また従来のメタルボンド工具は、Ｆｅ基合金を使用して
いるため、特にＦｅ分の混入をきらう半導体部品の研削
加工に使用した場合に製品品質を低下させるおそれがあ
る。

一方、従来の製造方法においては、砥粒の平均粒径に対
して比較的大きな平均粒径を有する鉄基合金粉末を使用
しているため、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困難な部位が発生
し、砥粒同士が隣接してマトリックス中に固定される割
合が高かった。

そのため砥粒の保持強度が十分確保されず、研削時に砥
粒が脱落し易く、研削特性が低下して高い仕上げ精度が
得られない上に、工具としての寿命が短いという欠点が
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もので
あり、従来法によって製造されたメタルボンド工具の研
削特性を損うことなく、従来法と比較して焼結性を改善
し、特に圧縮成形用金型の寿命を延伸するとともに、製
造効率を向上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、マトリックスの原料となる合金粉末の
焼結性を高め、寿命の長いメタルボンド工具を得ること
を目的にして、焼結性を高める方法を研究し、さらに砥
粒層の研削特性に及ぼす合金組成、合金粉末の粒径や砥
粒の種類および粒径の影響を研究した。

その結果、炭素を含有し、ニッケル、コバルト、銅、マ
グネシウム、亜鉛およびアルミニウムから選択された２
種以上の金属元素から成る合金粉末を形成し、得られた
合金粉末に対して予め加工度５％以上の塑性変形加工を
施し、しかる後に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
して焼結性が格段に優れ、また研削特性が同等またはそ
れ以上の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
。

本発明は上記知見に基づいてさなれたものである。本発
明において使用する合金粉末としては、ニッケル、コバ
ルト、銅、マグネシウム、亜鉛およびアルミニウムから
選択された２種以上の金属元素の他に、潤滑剤となる炭
素を添加した合金材が使用される。ニッケル、コバルト
、銅、マグネシウム、亜鉛およびアルミニウムはいずれ
も相互に固溶して靭性の高い均質なマトリックスを形成
し、従来のレジノイドボンド工具またはビトリファイボ
ンド工具と比較して砥粒の保持強度を大幅に増大化し、
工具の寿命を著しく延伸することができる。特にＮｉ、
Ｃｏ、Ｃｕは焼結性を改善する上で極めて有効な元素で
ある。

またマトリックスを形成する合金粉末中の炭素含有量は
１．５重量％以上、４．５重量％以下に設定される。こ
れは炭素量が１．５％末滴では自己潤滑性の低下を招き
、またマトリックス金属としての強度が低下してしまう
からである。

一方、炭素含有量が４．５重量％を超えると、工具とし
ての強度が低下するため、炭素含有量は１．５〜４．５
重量％の範囲に定められる。

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合金粉末に５％以上の
加工度をもって塑性変形加工を施す。

塑性変形加工法としては、スタンプによって合金粉末を
機械的に粉砕したり、変形を起こすスタンプ法や圧延機
に合金粉末を通して変形を与える粉体圧延法などが採用
される。

ここで加工度は塑性変形加工前後における合金粉末粒の
平均断面積の減少率で表わし、本発明方法では５％以上
に設定される。５％以上の加工度で合金粉末に塑性変形
を加えると、合金粉末粒子内の結晶構造が大きくひずみ
、変形によるエネルギが蓄積され、粉末表面が活性化さ
れる結果、焼結性が極めて良くなる。一方、５％未満で
は活性化が進まず焼結性の改善効果が少ないため、加工
度は５％以上に設定される。

次に塑性変形加工が施された合金粉末は、所定粒径の砥
粒と均一に混合された後にホットプレス装置の成形型に
移され、真空またはアルゴンなどの不活性ガスなどの保
護雰囲気において、圧縮成形され、さらに一体に焼結さ
れる。このとき合金粉末表面は加工ひずみによって活性
化されているため、比較的低い焼結温度で、また小さな
加圧力で短時間内に所定形状の焼結体を形成することが
できる。

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、合金粉末中に均一
に分散されていた砥粒がマトリックスによって強固に固
定される。

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
、砥粒の表面近傍に合金粉末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からである。

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、焼結体を形成する合金粉末に予め塑性変形加工
を施して加工ひずみを生起せしめ、合金粉末表面の活性
を高めているため、焼結性が大幅に向上する。

そのため塑性変形加工を施さない従来の製造方法と比較
して、成形焼結工程における加圧力および焼結温度を大
幅に低減することが可能となり、使用する成形用金型の
寿命を著しく延伸することができる。

また焼結を完結させるために必要な時間も短縮すること
が可能となり、工具の製造効率を向上させることができ
る。さらに、低温焼結となるため、マトリックス材と砥
粒との過剰な界面反応が起こりにくい。また焼結後の焼
き縮みや脹れによる寸法変化が少なく、工具としてのツ
ルーイングやドレッシング作業を省略したり、著しく簡
素化することができる。

さらにニッケル、コバルト、銅、マグネシウム、亜鉛お
よびアルミニウムから選択された２種以上の金属元素か
ら成る合金によって強固なマトリックスを形成している
ため、砥粒の保持強度が、従来の樹脂やセラミックと比
較して著しく向上する。

そのため、砥粒の脱落が防止され、極めて研削特性に優
れた長寿命のメタルボンド工具を得ることができる。

また潤滑剤としての炭素を含有しているため、研削時の
潤滑作用が良好であり、工具の寿命を著しく延ばすこと
が可能となる。

また、マトリックスを形成する合金粉末と、ダイヤモン
ドおよびＣＢＳ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ＣＢＳ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合金粉末の平均粒径を、砥
粒の平均粒径に対して１／３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。

さらにマトリックスを構成する金属元素として鉄を含有
していないため、特に鉄分の混入を嫌う半導体部品の研
削研磨用工具としても極めて有用である。

さらに焼結性が改善されるため、原料の圧縮成形時にお
ける加圧力を小さく抑制することが可能となる。したが
って同一の加圧動力を使用したホットプレス装置で製作
することができる成形体の容積を大型化することが可能
である。

（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１〜３まず実施例１〜３として、第１表の左欄に示す組成を有
し、平均粒径が１５μｍである合金粉末を通常の溶湯噴
霧法によって調製した。次に得られた合金粉末に対して
、スタンプ法により、加工度をそれぞれ５％、１０％、
１５％に設定して塑性変形加工を施した。

次に加工処理を行なった合金粉末８０重量％に対して平
均粒径５０μｍ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外径８０■、内
径１５■の金型空間に充填し、真空中でホットプレス法
により焼結を行なった後に加工を施し、幅１０ｍのダイ
ヤモンド工具を形成した。

また比較例１〜３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、塑性変形加工度を２％に設定し
たもの（比較例１）および塑性変形加工を全く行なわず
に実施例１〜３と同様な条件で焼結処理を行なったもの
（比較例２）および従来の焼結条件である加圧力４００
１ｑｒ／ｌｉ、温度１０５０℃で１時間焼結したもの（
比較例３）を加工して外径８０■、内径１５■、幅１０
■のダイヤモンド工具とした。

こうして得られた実施例１〜３および比較例１〜３のダ
イヤモンド工具を使用してビッカース硬度１７００のＳ
ｉ３Ｎ４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５■
／ｗｉｎ、研削幅１０■、切込み深さは、０゜２５ｍｍ
に設定した。

こうして得られた研削試験結果を第１表の実施例１〜３
、比較例１〜３に対応する右欄に示す。

ここで第１表に示す研削面粗さとは、被加工材であるＳ
　ｉ　３　Ｎ４の表面粗さの測定値を示し、また研削比
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。

〔以下余白〕

第１表の結果かられかるように予め５％以上の加工度で
塑性変形加工を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、塑性変形加工を実施しない比較
例２と比べて研削面の仕上りが良好であり、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。

また従来の焼結条件によって焼結した比較例３と比較し
て、焼結時の加圧力および温度が低く、焼結時間も短い
にも拘らず、はぼ同等の研削特性が得られている。すな
わち小さい加圧力および低温度で短時間に焼結すること
が可能となる。その結果工具の生産効率が高まるととも
に成形用金型の損耗も低減することができる。

一方比較例１に示すように加工度が２％の場合は、合金
粉末表面の活性度の高まりが十分でなく、焼結性が低く
なるため、研削特性値も低下する。

以上の実施例１〜３および比較例１〜３においては、砥
粒としてダイヤモンドを使用した例で説明したが、砥粒
としてＣＢＮおよびＣＢＮとダイヤモンドとを混合した
場合についても同様な効果が得られた。

〔発明の効果〕

以上説明の通り本発明に係るメタルボンド工具の製造方
法によれば、焼結体を形成する合金粉末に予め塑性変形
加工を施して加工ひずみを生起せしめ、合金粉末表面の
活性を高めているため、焼結性が大幅に向上する。

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ＣＢＨ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ＣＢＳ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。

さらにマトリックスを構成する金属元素として鉄を含有
していないため、特に鉄分の混入を嫌う半導体部品等の
研削研磨用工具としても極めて有用である。

Claims

【特許請求の範囲】１、炭素を含有し、ニッケル、コバルト、銅、マグネシ
ウム、亜鉛およびアルミニウムから選択された２種以上
の金属元素から成る合金粉末を形成し、得られた合金粉
末に対して予め加工度５％以上の塑性変形加工を施し、
しかる後に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することを特徴とするメタルボ
ンド工具の製造方法。２、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。３、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。