JPH0931442A - 砥 粒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 研削抵抗が安定して小さくしかも耐摩耗性に
優れた高性能の研削砥石の製作が可能となる砥粒を提供
すること。 【解決手段】 粒子を構成する一次結晶粒子の大きさの
平均が３．０μｍ以下である多結晶型立方晶窒化ほう素
砥粒と単結晶型立方晶窒化ほう素砥粒とを含むことを特
徴とする砥粒。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は研削砥石用の砥粒に
関するものである。本発明の砥粒が応用される研削砥石
としては、特に鉄系金属加工用の重研削、高速研削用の
メタルボンド砥石、電着砥石、ビトリファイド砥石等が
あげられる。

【０００２】

【従来の技術】窒化ほう素の高圧相である立方晶窒化ほ
う素（ｃＢＮ）はダイヤモンドに次ぐ硬さと熱伝導率を
有し、鉄系金属と反応しないとうダイヤモンドにはない
特徴を持つことから鉄系金属の研削加工用砥粒としての
利用が進められている。

【０００３】近年の研削加工は、省力化、無人化の方向
にある。その具体例は、重研削、高速研削であるが、こ
のような過酷な研削条件下では砥石の切れ味が悪いと研
削抵抗が大きくなり、工作機械へ大きな負荷がかかる。
このため、工作機械の高剛性化や高能力化が実施されて
いるが省力化の面から好ましくなく、切れ味が良く研削
抵抗を安定して小さく、しかも耐摩耗性に優れた砥石が
待ち望まれている。

【０００４】一般にｃＢＮ砥石の研削抵抗は、「ｃＢＮ
ホイール研削加工技術」（１９８８年 工業調査会発
行）でも紹介されているように砥石の使用初期に著しく
高いことが知られている。

【０００５】ｃＢＮ砥石に用いられるｃＢＮ砥粒を大別
すると、多結晶型と単結晶型の２種類のものがある。多
結晶型ｃＢＮ砥粒は、微細なｃＢＮ結晶粒子が互いに強
固に結合した多結晶体構造を有するため、粒子一つが単
結晶により構成される単結晶型ｃＢＮ砥粒のようにへき
開などの大破壊を起こさず高い強度を示す。そのため、
砥石として使用した場合に優れた耐摩耗性を示す。多結
晶型ｃＢＮ砥粒は、特公昭63-44417号公報、特開平4-13
5593号公報にも述べられているように、触媒を用いない
無触媒直接転換法によって合成されたｃＢＮ焼結体を所
望の粒度に粉砕することによって製造される。しかし、
このような多結晶型ｃＢＮ砥粒であっても実際に重研
削、高速研削などの過酷な条件下で砥石として用いる
と、耐摩耗性には優れるがドレッシング後の初期の研削
抵抗が著しく高くなってしまうという問題があった。

【０００６】一方、単結晶型ｃＢＮ砥粒は、基本的に粒
子一つが単結晶により構成されているので、耐摩耗性に
は劣るが、へき開などの大破壊を起こすので鋭利なへき
開面が刃先にでやすく切れ味に優れるという特徴があ
る。単結晶型ｃＢＮ砥粒は、特公昭38-14 号公報にも述
べられているように触媒を用いて合成されたｃＢＮ焼結
体から製造される。しかし、このような単結晶型ｃＢＮ
砥粒であっても実際に重研削、高速研削などの過酷な条
件下で砥石として用いると、ドレッシング後の初期の研
削抵抗はかなり高く、また砥粒強度が小さく目こぼれが
起こるためか研削の進行にともない一旦低下した研削抵
抗が再度上昇し、頻繁に再ドレッシングを行なわなけれ
ばならないという問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、重研
削、高速研削などの過酷な使用条件下で研削抵抗が安定
して小さく、特に初期の研削抵抗を小さくし、しかも耐
摩耗性の大きい研削砥石を製作することのできる砥粒を
提供することにある。

【０００８】本発明者らは、研削抵抗が安定して小さ
く、また耐摩耗性の大きい砥粒を開発すべく種々検討し
た結果、粒子を構成する一次結晶子の大きさを制御した
多結晶型ｃＢＮ砥粒と単結晶型ｃＢＮ砥粒を含む砥粒を
用いた砥石が、研削抵抗が安定して小さくなり耐摩耗性
に優れることを見いだし、本発明を完成させたものであ
る。

【０００９】すなわち、本発明者らは、一次結晶粒子の
大きさの異なるさまざまな多結晶型ｃＢＮ砥粒と単結晶
型ｃＢＮ砥粒とを種々の比率で含有させた砥石で実際に
重研削を行い研削の前後で砥石表面に突き出している砥
粒一つ一つの状態を観察した結果、（１）一次結晶粒子
が３．０μｍ以下の小さい多結晶型ｃＢＮ砥粒は摩滅や
大破壊が起きていないこと、（２）多結晶型ｃＢＮ砥粒
で囲まれている単結晶型ｃＢＮ砥粒はそれを単独で用い
た場合に比べて摩滅や大破壊が起きておらず鋭利な刃先
が保たれていること、を見いだした。また、実施例で詳
述するように、多結晶型ｃＢＮ砥粒又は単結晶型ｃＢＮ
砥粒を単独で用いた砥石に比べて初期の研削抵抗が著し
く小さくかつ安定し、耐摩耗性も多結晶型ｃＢＮ砥粒を
単独で用いた場合に比べて遜色のないことを見いだした
ものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、粒
子を構成する一次結晶粒子の大きさの平均が３．０μｍ
以下である多結晶型ｃＢＮ砥粒と単結晶型ｃＢＮ砥粒と
を含むことを特徴とする砥粒である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明についてさらに詳し
く説明すると、本発明における粒子を構成する一次結晶
粒子の大きさとは、多結晶型ｃＢＮ砥粒一個を構成する
ｃＢＮ結晶粒子の大きさのことを意味し、別の言い方と
しては、その大きさを砥粒の一次粒径と呼ぶこともあ
る。

【００１２】多結晶型ｃＢＮ砥粒を構成する一次結晶粒
子の大きさの平均は、たとえば以下の方法で測定するこ
とができる。ただし、いずれの測定法においても微少部
分の解析となるので、砥粒全体の組織を均一に調べられ
るように複数の場所を測定するのが望ましい。

【００１３】（１）砥粒を薄片とし、透過型電子顕微鏡
を用い、特定の回折線だけを用いて結像させて一次結晶
粒子の大きさに対応したコントラストを持つ暗視野像を
得、その写真（多数個の一次結晶粒子像を含む）を画像
解析することによって測定する。 （２）砥粒を破断し、粒界で破断した部分の組織を走査
型原子斥力電子顕微鏡を用いて直接観察し、得られた写
真を画像解析することによって測定する。 （３）焼結体の表面を熱溶融炭酸ナトリウムでエッチン
グし、粒界部分を選択的にエッチングして表面に凹凸を
つけ、表面粗さ計を用いて凹凸の大きさを測定すること
によって測定する。

【００１４】本発明において、一次結晶粒子の大きさを
その平均値で規定している理由は、多結晶型ｃＢＮ砥粒
の各々は数多くの一次結晶粒子から構成されているの
で、一つの粒子全体の平均品質を規定するには統計量を
用いる必要があるからである。また、異なる砥粒の粒子
の間でもバラツキがある場合もあるので、砥粒全体の品
質を正確に得るためには縮分操作によるサンプリング方
法が重要となる。これについては、ＪＩＳＲ６００３
「研磨材のサンプリング方法」の方法を用いると良い。

【００１５】本発明において、多結晶型ｃＢＮ砥粒を構
成する一次結晶粒子の大きさの平均を３．０μｍ以下と
規定したのは、一次結晶粒子の大きさが３．０μｍを越
えると砥粒の靭性が低下するためか、研削工具として用
いた場合に耐摩耗性が著しく低下するからである。

【００１６】このような一次結晶粒子の大きさの平均が
３．０μｍ以下である多結晶型ｃＢＮ砥粒を入手する方
法にはたとえば以下の方法がある。すなわち、多結晶型
ｃＢＮ砥粒は上記したように、触媒を用いない無触媒直
接転換法によって合成されたｃＢＮ焼結体を所望の粒度
に粉砕することによって得られ、その直接転換ｃＢＮ焼
結体の合成法については、たとえば特開平4-135593号公
報に述べられているように、熱分解窒化ほう素をｃＢＮ
の安定領域である高温／高圧下で処理することである。
所望の一次結晶粒子の大きさを持つ多結晶型ｃＢＮ砥粒
を得るには、たとえば特開平4-135593号公報に述べられ
ているように原料の純度や処理時間を制御すれば良い。

【００１７】本発明で使用される単結晶型ｃＢＮ砥粒と
は、基本的に粒子一つが一つの単結晶により構成される
ものであるが、完全な単結晶ばかりを指すものではな
く、双晶や数十μｍ単位の大きな一次結晶粒子が結合し
たものも含まれる。

【００１８】本発明で使用される単結晶型ｃＢＮ砥粒
は、広く一般に市販されているので、市場で入手するこ
ともできるし、また、特公昭38-14 号公報にも述べられ
ているように、六方晶系の窒化ほう素に触媒を加えｃＢ
Ｎの安定領域である高温／高圧下で処理することによっ
ても得ることができる。

【００１９】本発明の砥粒は、上記した多結晶型ｃＢＮ
砥粒と単結晶型ｃＢＮ砥粒とを一般的な方法で混合する
ことによって製造することができる。混合に際しては、
ミキサーやホモジナイザーを用いると均一な混合物が得
られるので好適である。また、ダイヤモンド、アルミ
ナ、シリコンカーバイド等の第三成分を加えることもで
きる。

【００２０】多結晶型ｃＢＮ砥粒と単結晶型ｃＢＮ砥粒
の混合比としては、砥粒全体に占める単結晶型ｃＢＮ砥
粒の比率が２０〜９０重量％であることが好ましい。単
結晶型ｃＢＮ砥粒の比率が２０重量％未満では研削抵抗
の改善効果が小さくなり、また９０重量％を越えると耐
摩耗性の改善効果が小さくなる。

【００２１】

【作用】本発明の砥粒を用いた砥石が、研削抵抗が安定
して小さくかつ耐摩耗性に優れる理由としては以下のこ
とが考えられる。

【００２２】まず、研削抵抗が安定して小さい理由は次
のように考えられる。研削抵抗は、たとえば「研削加工
と砥粒加工」（１９８４年 共立出版発行）でも述べら
れているように、研削に作用する砥石表面上の砥粒先端
の鋭さが大きく影響することが知られている。すなわ
ち、砥石表面に存在する砥粒の先端が鋭利なほど研削抵
抗が小さくなる傾向がある。単結晶型ｃＢＮ砥粒は、へ
き開破壊により砥粒先端が鋭利になりやすいが、強度が
劣るため研削中に大破壊を起こし、研削に作用する砥粒
数が減少してしまう。一方、多結晶型ｃＢＮ砥粒は、強
度が大きいため、作用砥粒数の減少は小さいが、大きな
破壊が起きにくく摩滅的に摩耗するため形状が鋭利にな
らない。砥石表面に両砥粒が共存すると、強度の大きい
多結晶型ｃＢＮ砥粒によって単結晶型ｃＢＮ砥粒が保護
されるような状態となるため、鋭利な刃先を有する単結
晶型ｃＢＮ砥粒の切れ刃数の減少が小さくなる。また、
同時に、多結晶型ｃＢＮ砥粒の先端には多結晶型ｃＢＮ
砥粒のみを用いた場合よりも大きな負荷がかかるため適
度な破壊が起こり、通常の多結晶型ｃＢＮ砥粒では起こ
りにくい鋭利な切れ刃の生成が起こるものと思われる。
このように、両砥粒が砥石表面に共存すると両砥粒の相
乗効果によって切れ味に優れる鋭利な砥粒刃先が多く発
生し研削抵抗が安定して小さくなるものと考えられる。

【００２３】次に、多結晶型ｃＢＮ砥粒を単独に用いた
場合と遜色のない優れた耐摩耗性を示す理由としては以
下のことが考えられる。本発明の砥粒を用いた砥石の表
面には強度が大きく耐摩耗性の大きい多結晶型ｃＢＮ砥
粒と、強度の小さい単結晶型ｃＢＮ砥粒が混ざり合った
状態で、多数、砥粒の一部を突き出した状態で存在して
いる。研削前には、両者の突き出し高さはほぼ同一であ
るが、研削中にはこれらの砥粒の先端部には被削材との
衝突で衝撃的な力が作用する。研削を開始するとその初
期には両者に同等の衝撃力が作用する。しかしながら、
単結晶型ｃＢＮ砥粒はへき開破壊を起こしやすいために
先端部が破壊し突き出し高さが低くなるのに対し、多結
晶型ｃＢＮ砥粒は強度が大きいためにその突き出し高さ
をある程度保持している。単結晶型ｃＢＮ砥粒の周りに
それよりも突き出した多結晶型ｃＢＮ砥粒が存在するこ
とによって単結晶型ｃＢＮ砥粒に作用する衝撃力は小さ
くなり、単結晶型ｃＢＮ砥粒の先端部の破壊はそれ以上
進まなくなる。また、多結晶型ｃＢＮ砥粒にとっても、
周囲に切れ味に優れた単結晶型ｃＢＮ砥粒がある程度の
突き出し高さを維持した状態で存在しているので負荷が
低減され、両砥粒の相乗効果によって砥石の耐摩耗性が
向上するものと思われる。

【００２４】

【実施例】次に、実施例を挙げてさらに具体的に本発明
を説明する。

【００２５】実施例１〜８ 比較例１〜３ 特開平4-135593号公報に述べられている方法を用い、さ
まざまな一次結晶粒子径を有する多結晶型ｃＢＮ砥粒を
以下に従って製造した。

【００２６】すなわち、原料に９８．０〜９９．９％の
さまざまな純度を持つ市販の熱分解窒化ほう素を用い、
半導体グレード９９．９％以上の高純度カーボンを加熱
用ヒーターとし、高純度のＮａＣｌ粉末の成形体からな
るスリーブをヒーター内部に配し、さらにタンタルの金
属箔で包んだ熱分解窒化ほう素原料をその中に入れる構
造の反応セルを組み立てた。この反応セルをフラットベ
ルト型超高圧高温発生装置に装填し、１９５０〜２２０
０℃の温度範囲、８．０ＧＰａの圧力下、１０〜１５０
分間処理してさまざまな一次結晶粒子径を有する多結晶
型ｃＢＮ焼結体を合成した。これをロールクラッシャー
で粉砕した後、分級して８０／１００メッシュの砥粒を
選別した。

【００２７】この砥粒から、ＪＩＳＲ６００３の方法で
サンプリングし、透過型電子顕微鏡により（１１１）回
折線の一部だけを用いて結像させて一次結晶粒子の大き
さに対応したコントラストを持つ暗視野像を得た。この
暗視野像の写真（多数個の一次結晶粒子像を含む）をピ
アス社製画像解析装置「ＬＡ５５５」で解析し、ｃＢＮ
焼結体を構成する一次結晶粒子の大きさの平均を測定し
た。測定は、ｃＢＮ焼結体全体を平均的に捉えられるよ
うに任意に１０個所の視野を選んで行った。暗視野像の
写真及び画像解析によって得られた多結晶型ｃＢＮ焼結
体の一次結晶粒子の大きさの平均を表１に示す。

【００２８】次に、単結晶型ｃＢＮ砥粒として市販品
〔ゼネラルエレクトリック社製「ボラゾンＴＹＰＥ
Ｉ」（粒度８０／１００メッシュ）〕を入手し、上記の
多結晶型ｃＢＮ砥粒と所望の混合比（重量比）でロッキ
ングミキサー（愛知電機商事社製）を用いて混合した。

【００２９】混合された砥粒から１００カラットを抜き
出し、直径２００ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、集中度１００の
メタルボンド砥石を作製した。この砥石を用いて平面プ
ランジカット法で研削試験を行い、研削抵抗として各研
削体積における砥石軸電流値及び砥石摩耗量を測定し
た。それらの結果を表１に示す。なお、試験に用いた被
削材は高速度工具鋼ＳＫＨ−５１（ロックウェル硬度：
６５度）であり、研削条件は砥石周速度１８００ｍ／ｍ
ｉｎ、被削材送り速度９ｍ／ｍｉｎ、砥石切込み量２０
μｍである。

【００３０】

【表１】 （注）研削抵抗の初期値：１０ｍｍ³ ／ｍｍ研削後の値 研削抵抗の中期値：５，０００ｍｍ³ ／ｍｍ研削後の値 研削抵抗の後期値：１２，０００ｍｍ³ ／ｍｍ研削後の値

【００３１】

【発明の効果】本発明の砥粒によれば、研削抵抗が安定
して小さく、しかも耐摩耗性に優れた高性能の研削砥石
を製作することができる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粒子を構成する一次結晶粒子の大きさの
   平均が３．０μｍ以下である多結晶型立方晶窒化ほう素
   砥粒と単結晶型立方晶窒化ほう素砥粒とを含むことを特
   徴とする砥粒。