JPH04152068A - メタルボンド工具およびその製造方法 - 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およ
びその製造方法に係り、特に材料中に微小な炭素を均一
に分散させることが可能であり、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およびその製造方法に
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（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
ボ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、真空または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９００℃、圧力４
００ｋｇ／ｃｄ程度の条件で約１時間にわたり、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、従来の製造方法で合金鋳造材の切粉を粉
砕して得られた鉄基合金粉末は、鋳造時の冷却速度が小
さいため炭素の析出物の大きさが数十μｍないし２００
μｍと砥粒の平均粒径（１０〜３５μｍ）に比較して大
きく、また形状的にも不均一である。

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＜、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。

また砥粒の近傍に富みが形成されることによって砥粒の
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。

一方従来の鉄基合金粉末を焼結して形成されるマトリッ
クスは、硬度が高い部位が形成される場合があり、被研
削面に欠けや付着物を生成し易く、製品の品質を低下さ
せる問題もあつた。

また従来のメタルボンドダイヤモンド工具の製造工程に
おいては、グラファイトなどの炭素粉末を添加して圧縮
成形後、焼結操作を行なうことによって焼結体中に炭素
粒を分散させる方法を採用しているが、砥粒層全体に微
小な炭素粒を均一に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（、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。

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、材料中に微小な炭素粒子を均一に分散させ、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
を高め、砥粒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、さらに被研削面に欠けや付着物の生成が少なく仕
上り精度が良好である上に寿命が長い経済的なメタルボ
ンド工具およびそ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、従来の問題点がマトリックス中の炭素
の形態および合金の組成に起因することを見い出し、研
削時における炭素による潤滑作用を保持しつつ、寿命の
長いメタルボンド工具を得ることを目的にして、マトリ
ックス材料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組成お
よび粒径、砥石の種類および粒径の影響を研究した。

その結果、鉄、ニッケル、コバルトおよび銅から選択さ
れた２種以上の金属から成り、炭素を１゜５〜４．５重
量％含有する合金と砥粒との焼結体から成る砥粒層を形
成したときに、従来と比較して欠けや付着物が少なく研
削特性が優れたメタルボンド工具を得ることができた。

また、鉄、ニッケル、コバルトおよび銅から選択された
２種以上の金属から成り、炭素を１．５〜４．５重量％
含有する合金を、その固溶温度以上に加熱して固溶体を
形成し、得られた固溶体を毎秒１℃以上の冷却速度で２
００℃以下の温度まで冷却し、しかる後に得られた合金
粉末と砥粒との混合物を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、研削特性が格段に優れた長
寿命のメタルボンド工具を得ることができた。

さらに砥粒としてダイヤモンドおよび立方晶窒化硼素の
少なくとも一種から成るメタルボンド工具を形成した場
合に、研削対象範囲を大幅に拡大することができた。

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、鉄、ニッケル、
コバルトおよび銅から選択された２種以上の金属から構
成される。ニッケル、コバルト、銅は比較的に靭性が高
い、軟質なマトリックスを形成するために有効な元素で
あり、同時に焼結性を改善するために混合される。鉄、
ニッケル、コバルトおよび銅は、あらゆる比率で混合し
、均一な組織から成る合金体を形成することができる。

この合金材の組成は、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。

本発明方法においては、所定の組成および粒径に調製さ
れた合金粉末を、その固溶温度以上に加熱して固溶体を
形成し、得られた固溶体を、毎秒１℃以上の冷却速度で
２００℃以下の温度まで急速に冷却する。

固溶温度以上に加熱することにより、合金粉末に含有さ
れる炭素は一旦全て合金中に固溶し、均質な固溶体を形
成する。この固溶体を冷却すると冷却速度に応じた粒径
を有する炭素が合金中に析已する。

この冷却速度が毎秒１℃未満の緩速冷却であると炭素の
析出物が粗大化し、工具として使用した場合に潤滑剤と
しての機能が低下する一方、砥粒の脱落が頻発し研削研
磨効率の低下を招き、また高い仕上げ精度が得られない
。

一方、毎秒１℃以上で急速に冷却すると、析出物の粗大
化が阻止され、炭素の微小な析出物が合金粉末内に均一
に分散されるため、砥粒の保持強度の低下もなく、寿命
の長い工具を形成することができる。

また冷却処理において、合金粉末は、２００℃以下の温
度まで充分冷却することが必要である。

２００℃を超える温度まで冷却された高温状態において
は、依然として粉末内の元素の拡散移動が活発であり、
炭素析出物の粗大化が進行してしまうからである。

さらに調製する合金粉末の平均粒径は１５０μｍ以下で
、かつ砥粒の平均粒径の１／３以下のものが好ましい。

平均粒径が１５０μｍを超え、また砥粒の平均粒径の１
／３を超える場合は、マトリックス中の砥粒の分布が不
均一となり、砥粒の保持強度も低下し、工具としての研
削研磨能力が低下する傾向があるからである。

また、マトリックスを形成する合金粉末中の炭素は１．
５重量％以上、４．５重量％以下に調整される。これは
炭素量が１．５％未満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、さらに砥粒
であるダイヤモンドが鉄基材中に溶出してしまうからで
ある。

一方、炭素含有量が４．５重量％を超えると、マトリッ
クスが脆化し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。

このように本発明において用いる合金としては、前述し
た範囲の炭素を含有するものであればよく、加熱冷却工
程において、冷却速度を所定値以上に設定し、この炭素
の析出物の大きさを制御することにより本発明の効果が
得られるのであって、鉄、ニッケル、コバルトおよび銅
から選択された２種以上の金属から成る合金であれば、
Ｍｎ、Ｍｇ等の不可避的不純物を含んでいても良い。

しかしながらこの合金組成として硅素を添加すると、硅
素が基質のセメンタイトを不安定にして炭素（黒鉛）を
生じ易くさせて、より細かい炭素析出物が形成され、マ
トリックスの強度および潤滑性を高めることができる。

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。

前記のように、微小な炭素を均一に析出させた合金粉末
と、砥粒として用いるダイヤモンドおよび／またはＣＢ
Ｎとを均一に混合した混合物を一体に焼結して砥粒層が
形成され、その砥粒層と合金部とを接合してメタルボン
ド工具が製造される。

焼結操作は非酸化性雰囲気中で１０００〜１１８０℃程
度で実施すると良い。焼結温度が１０００℃未満では合
金中にＣを拡散させるために長時間を要し、十分な強度
を有する砥粒層が得にくい。

一方１１８０℃を超えると液相を生じ、砥粒との界面反
応を生じ、砥粒層の強度低下を招き易い。

その点から、加圧焼結を用いると、上記常圧焼結と比較
して、８５０℃以上での低温焼結が可能となり、界面反
応が起こりにくい。さらに焼結体の寸法変化が少なく、
ツルーイングを簡素化できる。

加圧力は、成形性および焼結時の相互拡散を促進させる
ために５０ｋｇ／ｃａｒ以上に設定される。しかし加圧
焼結を行なう場合においても、焼結温度が８５０℃未満
では合金中に炭素を拡散させるために長時間を要し、十
分な強度が得にくい。したがって加圧焼結温度は８５０
〜１１８０℃の範囲に設定される。

このように本発明に係るメタルボンド工具およびその製
造方法によれば、鉄、ニッケル、コバルトおよび銅から
選択された２種以上の金属から成る合金を使用している
ため、比較的軟質で靭性の高いマトリックスを形成する
ことができる。

そのため、被研削面に欠けや付着物が生成しに＜＜、品
質が優れたメタルボンド工具を得ることができる。

また、マトリックスを形成する合金を、その固溶温度以
上に一旦加熱して固溶体を形成し、得られた固溶体を毎
秒１℃以上の冷却速度で急速に冷却して合金を調製して
いる。そのため合金内には微小な炭素の析出物を均一に
分散させることができる。したがってマトリックスによ
る砥粒の保持強度の低下がなく、潤滑性も十分に保持す
ることが可能となり、工具の寿命を著しく延伸すること
ができる。

また急速冷却後における合金粉末の温度は２００℃以下
に設定されているため、冷却後における合金中の元素の
拡散は少なく、炭素の析出物の粗大化を防止することが
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合金の内部に予め微細な炭
素析出物が均一に分散されるため、焼結後においても、
潤滑材としての炭素粒を、砥粒の周辺に均一に分散配置
することができる。

また焼結前の合金の平均粒径を、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を、砥粒の周辺に均一
に分散させることができる。

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１〜４および比較例５〜７ まず実施例１〜４として、第１表に示す合金組成を有し
、平均粒径が５４μｍである合金粉末を通常のスタンプ
ミル法によって調製した。

次に合金粉末を、固溶温度以上に加熱し、炭素等の添加
元素を合金中に完全に固溶せしめた固溶体を形成した。

次に固溶体を形成した合金粉末に冷却用の圧縮空気を作
用させて、冷却速度がそれぞれ毎秒１゜５．１０．２０
℃となるように調整し、温度が２００℃になるまで冷却
した。

ここで冷却速度の調節は、通常の冷却操作と同様に合金
粉末層に送給する冷却用圧縮空気の温度および流量を制
御して行なった。

次に上記加熱処理および冷却処理によって得られた合金
粉末８０重量％に対して平均粒径１７０μｍ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８０Ｗ１内径１５ｍ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。焼
結操作は、４００ｋｇ／ａｌの加圧力を作用させた状態
で９００℃に昇温し、３０分間保持した後に加工を施し
、幅１０ｍｍのダイヤモンド工具を形成した。

また比較例５．　６．　７として実施例１〜４と同一の
合金組成を有する原料を使用し、同一温度まで加熱した
後に、冷却速度をそれぞれ０．　５℃／ｓｅｃ、　　０
．　２℃／ｓｅｅに設定し温度２００℃まで急冷したも
の（比較例５，６）および冷却速度５℃／　ｓ　ｅ　ｃ
で温度３００℃まで急冷したもの（比較例７）をダイヤ
モンド砥粒と混合して焼結後、加工して外径８０ｍ、内
径１５Ｍ１幅１０ｍＩａｌのダイヤモンド工具とした。

こうして得られた実施例１〜４および比較例５〜７のダ
イヤモンド工具を使用してビッカース硬度１７００のＳ
　１３Ｎ　４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
／ｗｉｎ、研削幅１０ｍ１切込み深さは、０゜２５ｍｍ
に設定した。さらに被研削材の表面状態については実体
顕微鏡による観察を行ない、表面に欠けもしくは付着物
があるかを調査した。

こうして得られた研削試験結果を下記第１表の実施例１
〜４、比較例５〜７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Ｓｉ３Ｎ４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冷却処理において、冷却
速度を１℃／　ｇ　ｅ　ｃ以上に設定して調製された合
金粉末中の析出炭素の平均粒径は３〜５μｍと極めて微
細であり、この合金粉末を使用した実施例１〜４のダイ
ヤモンド砥石は、冷却速度を１℃／ｓｅｅ未満で処理し
た比較例５，６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。

一方比較例５，６に示す合金粉末は、冷却速度が緩速で
あるため、炭素析出物の粗大化が進み、平均粒径が８〜
１８μｍと大きくなる。そのため、研削時における研削
面粗さが大きくなり、研削比も低下する傾向が観察され
る。

また比較例７に示すように、冷却速度を５℃／ｓｅｅと
大きく設定しても、冷却後の温度を３００℃と高値にし
た場合、粉末内部における元素の拡散が冷却後において
も進行し、析出炭素の平均粒径が粗大化し、研削特性が
やや低下することがわかる。

以上の実施例および比較例においては、砥粒としてダイ
ヤモンドを使用した場合について例示しているが、ＣＢ
Ｎを単独で使用した場合、ダイヤモンドとＣＢＮとを混
合した複合砥粒を使用した場合についても同様な効果が
得られることが実験により確認されている。

〔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およびそ
の製造方法によれば、鉄、ニッケル、コバルトおよび銅
から選択された２種以上の金属から成る合金を使用して
いるため、比較的に軟質で靭性の高いマトリックスを形
成することができる。

そのため被研削面に欠けや付着物が生成しにくく、高品
質のメタルボンド工具を得ることができる。またマトリ
ックスを形成する合金を、予めその固溶温度以上に一旦
加熱して固溶体を形成し、得られた固溶体を毎秒１℃以
上の冷却速度で急速に冷却して原料合金を調製している
。そのため合金粉末内には微小な炭素の析出物を均一に
分散させることができる。したがってマトリックスによ
る砥粒の保持強度の低下がなく、潤滑性も十分に保持す
ることが可能となり、工具の寿命を著しく延伸すること
ができる。

また急速冷却後における合金粉末の温度は２００℃以下
に設定されているため、冷却後における合金構成元素の
拡散は少なく、炭素の析出物の粗大化を防止することが
できる。

また、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合金粉末中に予め微細な炭
素析出物が均一に分散されるため、焼結後においても、
潤滑材としての炭素粒を、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、ニッケル、コバルトおよび銅から選択された２
   種以上の金属から成り、炭素を１．５〜４．５重量％含
   有する合金と、砥粒との焼結体から成る砥粒層を具備し
   たことを特徴とするメタルボンド工具。 ２、砥粒はダイヤモンドおよび立方晶窒化硼素の少なく
   とも一種から成ることを特徴とする請求項１記載のメタ
   ルボンド工具。 ３、合金と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おいて、鉄、ニッケル、コバ
   ルトおよび銅から選択された２種以上の金属から成り、
   炭素を１．５〜４．５重量％含有する合金を、固溶温度
   以上の温度に加熱して固溶体を形成し、得られた固溶体
   を毎秒１℃以上の冷却速度で２００℃以下の温度まで冷
   却した後に、合金と砥粒とを混合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。 ４、焼結前の合金の平均粒径は、砥粒の平均粒径の１／
   ３以下に設定した請求項３記載のメタルボンド工具の製
   造方法。