JPH07265B2 - 発泡金属ホイール及びその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は新規な発泡金属ホイールとその製造法に関する
ものである。

〔従来の技術〕

最近、セラミックス、超硬合金、高速度鋼等、研削が困
難な難削材を使用する度合いが多くなり、従ってこれを
研削する必要が益々多くなり、これに伴ってダイヤモン
ド砥粒や立方晶系窒化ホウ素砥粒等の超砥粒を使用した
研削ホイールが益々使用されるようになった。かかる超
砥粒使用の研削ホイールには一般の場合と同様結合剤の
種類に応じてビトリファイドボンド系、レジノイドボン
ド系、メタルボンド系等のものがあるが、それぞれ一長
一短があり、強度や保持力等寿命が求められるときは、
金属又は合金を結合剤としたメタルボンド系のものが主
として用いられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし従来のかかるメタルボンド系の研削ホイールは気
孔がほとんどないため、金属結合剤と被削材との間に研
削時摩擦が生じ多量の熱が発生する。これを冷やすべく
研削液を用いてもその液が研削作用面に十分供給されな
いため熱の発散吸収がよくない。又被削材を深く研削す
る場合研削切り屑の逃げ場がなくその切り屑のため被削
材に多大のダメージを与えることが多い。かくてこれら
の問題を解決しうる多気孔質のメタルボンド系研削ホイ
ールの開発が望まれていた。

従来かかるメタルボンド系研削ホイールをつくるに当っ
ては銅、錫、モリブデン、マンガン等の金属又はその合
金、たとえばブロンズの粉末と砥粒とを混合し型に入れ
て加熱、プレスして焼結するか、型に入れてプレスし、
型抜き後加熱、焼結する方法によってつくられていた
が、いずれもプレスして圧縮成型するため気孔がほとん
どなくなり、気孔率は０〜５容積％とごく少なかった。
従って従来の製法によれば、多気孔質のメタルボンド系
研削ホイールを得ることができなかった。ビトリファイ
ドボンド系でも多気孔質の研削ホイールの開発がすすめ
られているが高い強度のものを得るには至っていない。

かくて、本発明者らはかかる難点を解決して、強度、保
持力にすぐれ、難削材の研削に良好に使用できる多気孔
質のメタルボンド系研削ホイールとその製造法を提供す
ることを目的として種々実験、研究を重ねた結果溶融金
属又は合金から出発し、発泡剤を用いてかかる目的を達
成しうることを見出して本発明に至ったものである。

〔課題を解決するための手段〕

かくて本発明はアルミニウム、銅、亜鉛、マグネシウム
及びその合金からなる群から選ばれる、結合剤として働
く基地金属中に該金属の３〜40容積％の研削用砥粒と、
直径10mm以下の気泡を分散させ、この気泡は全体の容積
の20〜95％占めることを特徴とする発泡金属ホイールを
提供するものである。

本発明はまた、アルミニウム、銅、亜鉛、マグネシウム
及びその合金からなる群から選ばれる、溶融している金
属に、この金属を撹拌しながら該金属の３〜40％容積％
の研削用砥粒を加え、更に撹拌しながら発泡剤を添加し
て発泡させて、直径10mm以下の気泡を全体の容積の20〜
95％の量をその内部に形成せしめることを特徴とする発
泡金属ホイールの製造方法を提供するものである。

以下本発明について、特に本発明に係る発泡金属ホイー
ルの製造方法について詳しく説明する。

まず基地金属即ち結合剤となる金属又は合金材料を電気
炉内のるつぼでそれらの融点以上に加熱して溶融する。
かかる金属又は合金材料としてはアルミニウム、銅、亜
鉛、マグネシウム等の各種金属又はその合金を用いるこ
とができるがアルミニウム合金特に銅を５〜30重量％含
むアルミニウム・銅合金を用いるのが好ましい。この外
アルミニウム‐ケイ素合金も好んで用いられる。るつぼ
内でこれらの溶融金属材料を撹拌しながら、通常ここで
増粘剤を加えて、粘度を最適に調整し後の発泡作用を良
好ならしめるようにする。増粘剤としては各種のものを
用いうるが、上記の如きアルミニウム合金の場合はその
合金の量の0.2〜８重量％の金属カルシウムを用いるの
が好ましい。

溶融金属材料に必要により増粘剤を徐々に加えよく撹拌
しながら次いで研削用砥粒を所定量徐々に加える。ここ
に用いる砥粒としては上記の如き超砥粒（ダイヤモンド
砥粒、立方晶窒化ホウ素砥粒等）の外に通常の研削砥石
に用いられている所定粒度の砥粒、たとえばアルミナ、
ジルコニア等の酸化物、炭化ケイ素、炭化ホウ素等の炭
化物、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物その他
の砥粒を用いることができる。その量は溶融金属材料の
量の約３〜40容積％の範囲が好ましい。

このようにるつぼ内で溶融金属材料と増粘剤と砥粒を撹
拌してよく混合した後、これを別の炉内で同様に前記金
属材料の融点以上に加熱されている発泡鋳型に移す。よ
く撹拌を行ないながら発泡剤を添加して発泡を開始す
る。この発泡剤としては熱で分解してガスを発生する物
質ならば任意のものを用いることができる。例えば高温
で炭酸ガスを発生する炭酸マグネシウム、炭酸カドミウ
ム等の炭酸塩も用いうるが、アルミニウム合金の場合は
高温で水素を発生する金属水素化物たとえば水素化チタ
ニウム、水素化ジルコニウム等を用いるのが望ましい。
この外高温で水分を発生する鉱物質例えば火山灰堆積物
たるシラス、それから得られる微小中空体たるシラスバ
ルーン、結晶水を含む雲母などを用いることができる。
かかる発泡剤は溶融金属材料の約0.5〜５重量％の量用
いられる。

ガスが発生し気泡が成長する過程で一定時間撹拌しつつ
気泡を切断して一定の大きさにし又均一分散をはかった
後発泡鋳型を炉外に取出して発泡した金属材料を冷却、
凝固させると発泡金属ホイールがえられる。この際発泡
剤の種類、量、撹拌速度、撹拌時間等の各種条件を調整
することによって気泡の径、気孔率等を調整することが
でき、たとえば撹拌速度を遠くすることにより小さな径
の気泡を多数うることができる。又これらの条件や増粘
剤の使用によって発生した気泡を溶融混合物内へ閉じこ
め均一な分散をはかることができる。

このようにしてえられた発泡金属ホイールは直径10mm以
下の大きさの多数の気泡を有しており、その気泡率は全
体の容積の約20〜95％の範囲であり、基地金属の３〜40
容積％の砥粒が均一に分散し基地金属が結合剤となって
強固に結合されている。

この発泡金属ホイールは種々の形態で使用に供すること
ができる。たとえば第６図に示すように全体を一体に形
成することができる。この図において１は砥粒、２は気
泡、３は結合剤（基地金属）を示す。このホイールは中
央穴部４により研削機械に取付けられ回転して外周研削
面５により被削材を研削する。

しかし第６図の如きホイールにあっては外周部で研削す
るのみなので第７図（ａ）のように中央部を他の材料の
基盤６で形成すると特に高価な砥粒を用いるとき経済的
である。この基盤材料としてはアルミニウム、ニッケ
ル、銅等の非鉄金属、一般鋼、特殊鋼等の鉄金属、その
他各種合成樹脂、セラミックスを用いることができる。
又この際発泡金属材料は小さくセグメント７状に切断し
て、該基盤材料６の外周に所要個数接着剤８によって相
互に接着させるのが好ましい。基地金属がアルミニウム
合金のときはアルミニウム金属又はその合金製の基盤が
好ましい。この場合勿論外周面で研削する。

又第７図（ｂ）のように薄い円板状の基盤６上にセグメ
ント状の発泡金属７を接着剤８によって貼合わせること
もできる。この場合中心部まで数周の円周状にセグメン
ト７を貼合わせこのような側面９を研削面として表面研
磨を行なうことができる。この外第７図（ｂ）のように
数周貼合わせることなく同（ｃ）のように外周の一周の
みセグメント状発泡金属を貼合わせることもできる。こ
の場合も側面９が研削面として用いられる。更に同
（ｄ）のように長方形の基盤６の上に同じ大きさの長方
形の発泡金属を貼合わせて、又は基盤を用いることなく
長方形の発泡金属のままで、搖動を伴なう又は伴なわな
い往復運動による研削、研磨に適当な発泡金属ホイール
とすることもできる。本発明の発泡金属ホイールはこの
ように円形状のみでなく方形状のものも含まれる。第１
図はこのようにしてえられた本発明の発泡金属ホイール
を説明の便宜上拡大して図示したものである。さきと同
様に１が砥粒、２が気泡、３が結合剤（基地金属）を示
す。

尚、第７図（ａ）においては、円形状の基盤６の外周面
上に、適当個数のセグメント状発泡金属７が貼付けられ
ているが、この外第８図に示すように基盤６を適当数の
多角形に形成し、その直線状又は平面状の外周面上にそ
れに適合するように形成された、即ち外周研削面５は円
周状に、内周接着面11は直線状に形成されたセグメント
状の発泡金属７を接着剤８で貼合わせることもできる。
この方が貼合わせが比較的容易である。

このような発泡金属ホイール回転運動又は往復運動によ
り被削材を研削、研磨するのに用いられるがこのホイー
ルと被削材との間に電圧を印加、通電することによって
電気分解又は放電により基地金属を分解させ、そのホイ
ール中の砥粒を該金属表面から突出させて研削しながら
自動的に目立てを行なうことができる。

〔実施例〕

以下本発明を実施例及び試験例について更に詳しく説明
する。

実施例１ 銅20重量％を含むアルミニウム‐銅合金300gを電気炉内
で760℃に加熱されたるつぼで溶解し、300rpmの回転速
度を有する撹拌羽根にてよく撹拌しながら増粘剤として
金属カルシウム6gを徐々に投入した。５分間撹拌した後
次いで粒度140/170メッシュの立方晶窒化ホウ素砥粒を7
5g徐々に投入、３分間撹拌した。

このように混合された材料を別の炉内で740℃に加熱さ
れている発泡鋳型に移しこみ、800rpmの回転速度にセッ
トされた撹拌羽根にて撹拌を行ないながら発泡剤として
水素化チタニウム3gを加え発泡させた。この発泡剤が熱
で分解してガスを発生し、気泡が成長する過程で３分間
撹拌羽根で気泡を切断し、一定の大きさにする。次いで
この発泡鋳型を炉外に取出して発泡したアルミニウム合
金を冷却凝固させた。このようにして得られた発泡アル
ミニウム合金の気泡の径は約2mmであり、気孔率は約75
容積％であった。この合金の表面の模様はほぼ第１図の
ようであった。

実施例２ 砥粒としてアルミナ（ホワイトアランダム、WA）を用い
た場合も同様にして実施例１を繰返した。得られた製品
の気泡の径、気孔率もほぼ同じであった。

試験例１ 上記実施例２による発泡金属ホイールを外径205mm、厚
さ15mm、穴径50.8mmの大きさに加工して砥石Ａをつくっ
た。この外、比較のために通常の無機質結合剤により結
合された気孔率約40容積％の一般的な多気孔質の砥石Ｂ
と、人造軽石から気孔率80容積％の特殊な多気孔質の砥
石Ｃをつくった。

これらの砥石Ａ、Ｂ、Ｃを労働安全衛生法に定める機械
関係「研削盤等構造規格」の第12条によって回転破壊強
度を測定した得られた結果はほぼ第２図のグラフに示す
傾向を有していた。これはかかる発泡金属ホイールが多
気孔質でありながら高い強度を有しており、今後の研削
加工において、多気孔質のメタルボンド系研削ホイール
が高速研削加工に用いうることを示しており高速加工へ
の足掛かりになるといえる。

試験例２ 実施例１にて製造した発泡金属を切断してえられたセグ
メントをアルミニウム板に第７図（ａ）のように貼付し
て試験例１と同じ大きさのホイールをつくり被削材とし
てダイス鋼（SKD−１）（HRC60）を用いて研削加工し
た。その際一方では50Vの電圧を印加し他方ではかかる
電圧の印加なしで行なった。その他の研削条件は次のと
おり；横軸平面研削盤でホイール周速度 2000m/min、テーブル速度20m/min、切りこみ0.004mm/パ
スのプランジ研削。

電圧を印加しないで研削した後の発泡金属ホイールの表
面は第４図（ａ）（ｂ）に示すとおりであり、表面の基
地金属面に砥粒は突き出ていない。しかし電圧を印加し
た研削後の発泡金属ホイールの表面を断面図で表すと第
５図に示すとおりであり、表面の基地金属面（外周面）
から砥粒が突き出ていて、自動的に目立てがなされてい
ることが示されている。尚その平面図は第４図（ａ）と
ほぼ同じである。

試験例３ 銅を20重量％含有するアルミニウム‐銅合金を用いて実
施例１により得られた発泡金属セグメントを用いて試験
例２と同じ大きさ形状の研削ホイールをつくり、又銅の
含有量を５、10、15重量％にかえ、他は実施例１と同様
にして得られた発泡金属のセグメントから同様な研削ホ
イールをつくった。

このようにして得られた４種のホイールにより、試験例
２と同じ被削材を同じ研削条件で、ただし、電圧を印加
せずに、研削加工した。そしてそれぞれの場合の研削
量、消耗量、研削抵抗、面粗度を測定して銅含有量の変
化によるそれぞれの性質の変化の傾向を第３図（ａ）〜
（ｄ）に示した。銅含有量の増加につれて研削量は漸次
消耗量は著しく減少すること、研削抵抗と面粗度はほぼ
一定であることが見出される。尚第２図、第３図（ａ）
（ｄ）ともにそれぞれの性質の絶対値を示すものではな
く、傾向を示すものである。

〔発明の効果〕 以上説明してきたように、本発明によれば、溶融金属か
ら出発し、砥粒を加え、発泡剤により発泡させることに
より、20〜95％もの大きな気孔率をそなえ、しかも強度
や保持力等にすぐれたメタルボンド系の研削ホイールが
得られるのである。これを用いるときは、研削液が研削
作用面によく供給されるため、発生する熱をよく発散吸
収することができ、又研削切り屑の逃げ場も与えられて
それによるダメージを防ぐことができ。従って本発明に
よる発泡金属ホイールはセラミックスや超硬合金等の難
削材の研削、研磨に良好に使用することができ、誠に有
効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１により得られた本発明の発泡金属ホイ
ールの断面の模様を拡大して示す説明図、第２図は実施
例２による発泡金属ホイールと在来の研削砥石の回転破
壊強度のレベルを比較して示すグラフ、第３図（ａ）〜
（ｄ）は種々な銅含有量を有するアルミニウム‐銅合金
を用いてえられた本発明の発泡金属ホイールの夫々研削
量、消耗量、研削抵抗と面粗度の傾向を示すグラフ、第
４図（ａ）（ｂ）は実施例１によりえられた本発明の発
泡金属ホイールを用いて電圧を印加しないで研削したと
きの表面状態を示す平面図と断面図第５図は印加して研
削したときの該ホイールの表面状態を示す断面図、第６
図は一体的に成形された本発明の発泡金属ホイールの一
実施例の斜視図、第７図（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ発泡
金属ホイールの他の実施例の斜視図、第８図は発泡金属
ホイールの更に他の実施例を示す斜視図である。 １……砥粒、２……気泡、３……基地金属。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北原 晃 佐賀県鳥栖市布津原町69番地１ (72)発明者 窪田 干城 茨城県北相馬郡守谷町守谷甲1860番地 (72)発明者 中岡 義朗 千葉県我孫子市東我孫子２丁目20番地 (72)発明者 野村 博 東京都江東区越中島１丁目３番地12 (72)発明者 田口 雅基 広島県呉市焼山宮迫１丁目17番地７ 審査官 高木 進 (56)参考文献 特開 昭60−99568（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−186374（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−20846（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アルミニウム、銅、亜鉛、マグネシウム及
   びその合金からなる群から選ばれる、結合剤として働く
   基地金属中に該金属の３〜40容積％の研削用砥粒と、直
   径10mm以下の気泡を分散させ、この気泡は全体の容積の
   20〜95％を占めることを特徴とする発泡金属ホイール。
2. 【請求項２】研削用砥粒は酸化物、炭化物、窒化物、超
   砥粒からなる群から選ばれる請求項１の発泡金属ホイー
   ル。
3. 【請求項３】アルミニウム、銅、亜鉛、マグネシウム及
   びその合金からなる群から選ばれる、溶融している金属
   に、その金属を撹拌しながら該金属の３〜40％容積％の
   研削用砥粒を加え、更に撹拌しながら発泡剤を添加して
   発泡させて直径10mm以下の気泡を全体の容積の20〜95％
   の量その内部に形成せしめることを特徴とする発泡金属
   ホイールの製造方法。
4. 【請求項４】研削用砥粒は酸化物、炭化物、窒化物、超
   砥粒からなる群から選ばれる請求項３の発泡金属ホイー
   ルの製造方法。
5. 【請求項５】発泡剤は高温時、水素を発生する金属水素
   化物、水分を発生する鉱物質、炭酸ガスを発生する金属
   炭酸塩からなる群から選ばれる請求項３の発泡金属ホイ
   ールの製造方法。