JPH0931447A

JPH0931447A - 砥粒

Info

Publication number: JPH0931447A
Application number: JP18897995A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Suzuki; 正治鈴木; Tetsuya Okamoto; 哲也岡本; Tomoki Nikaido; 知己二階堂
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1995-07-25
Filing date: 1995-07-25
Publication date: 1997-02-04

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】アルミニウム含有量１０ＰＰＭ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号公報及び特願平6-
82981 号明細書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、しかも耐摩耗性の大きい砥粒を開発すべく種々検討
した結果、アルミニウム含有量を制御した多結晶型ｃＢ
Ｎ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、しかも耐摩耗性に優れ
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、アルミニウム含有量の異なるさ
まざまな多結晶型ｃＢＮ砥粒と単結晶型ｃＢＮ砥粒を種
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）アルミニウム含有量１０ＰＰＭ以
下の多結晶型ｃＢＮ砥粒は摩滅や大破壊が起きていない
こと、（２）アルミニウム含有量１０ＰＰＭ以下の多結
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、アルミニウム含有量１０
ＰＰＭ以下の多結晶型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、しかも耐摩耗性もアルミニウム含有
量１０ＰＰＭの多結晶型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、ア
ルミニウム含有量１０ＰＰＭ以下の多結晶型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。

【００１２】本発明において、多結晶型ｃＢＮ砥粒中の
アルミニウム分は、たとえば多結晶型ｃＢＮ砥粒表面に
付着する不純物を酸処理、純水処理などで除いた後、炭
酸ソーダで溶融分解処理し、微量金属不純物の定量分析
法として広く一般に行なわれているプラズマ発光分光法
などで定量することができる。また、多結晶型ｃＢＮ砥
粒のアルミニウムの存在形態は、たとえば微小部分析装
置付き透過電子顕微鏡による成分分析と構造解析を併用
することによって行なうことができる。

【００１３】本発明において、多結晶型ｃＢＮ砥粒のア
ルミニウム含有量を１０ＰＰＭ以下と限定したのは、１
０ＰＰＭを越えるアルミニウム含有量の多結晶型ｃＢＮ
砥粒では靭性が低いためか、単結晶型ｃＢＮ砥粒と混合
し砥石とした場合に耐摩耗性が著しく低下するからであ
る。

【００１４】本発明で使用されるアルミニウム含有量１
０ＰＰＭ以下の多結晶型ｃＢＮ砥粒は、たとえば以下の
ようにして入手することができる。すなわち、多結晶型
ｃＢＮ焼結体は上記したように、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製造することができる。その
直接転換ｃＢＮ焼結体の合成法は、広く一般に知られて
おり、例えば特公昭63-394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。ただし、本発明において
は、原料、高温／高圧下を発生する反応室を以下に述べ
るように精密に制御して純度を制御したｃＢＮ焼結体を
得る必要がある。

【００１５】まず、原料や反応室にアルミニウムを含ま
ない高純度のものを用いる。原料や反応室及びその周辺
部にアルミニウムが含まれると合成中に生成するｃＢＮ
焼結体内部にそれが拡散し不純物として取り込まれる。
そのため、原料としては熱分解窒化ほう素などの高純度
の低圧相窒化ほう素を用いる。低圧相窒化ほう素のアル
ミニウム含有量は１ＰＰＭ以下であることが好ましい。
また、高温／高圧処理過程で汚染がおきないように反応
室内に原料を充填する際にはＢＮと反応せず不純物のゲ
ッターとなる高純度のタンタル等の金属箔で包んでおく
ことが好ましい。

【００１６】反応室の材質についてもアルミニウムを含
まない純度の高いものを用いる。すなわち、原料を充填
する反応室兼加熱用ヒーターとしては半導体グレード９
９．９％以上の高純度カーボンを用いることが好まし
い。一方、カーボンヒーターの外側とガスケットの間に
位置するスリーブについてもアルミニウムを含まないも
のを用いる。もし、スリーブにアルミニウムが多く含ま
れているとアルミニウムが高温下で反応室材質であるカ
ーボン中を容易に拡散透過して内部の原料及び生成した
ｃＢＮを汚染する。通常、スリーブとしては天然鉱物で
あるパイロフィライト、タルクもしくはそれらの焼成
物、更にはＮａＣｌ粉末の成形体などが使用されてい
る。しかしながら、天然鉱物であるパイロフィライト、
タルク及びＮａＣｌには１００ＰＰＭ以上のアルミニウ
ムが含まれているので本発明には不適当な材質である。
本発明で使用されるｃＢＮ焼結体を製造するためには、
アルミニウム含有量１ＰＰＭ以下の材質たとえば高純度
の熱分解窒化ほう素の粉末成形体をスリーブとして用い
る。

【００１７】合成されたｃＢＮ焼結体から、多結晶型ｃ
ＢＮ砥粒を製造するには、ｃＢＮ焼結体を粉砕・分級
し、所望の粒度のものを選別する。粉砕にはロールクラ
ッシャーなどの一般の粉砕機を用いれば良く、また分級
には篩を用いれば良い。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】本発明の砥粒は、上記したアルミニウム含
有量１０ＰＰＭ以下の多結晶型ｃＢＮ砥粒と単結晶型ｃ
ＢＮ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。

【００２１】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。

【００２２】

【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。

【００２３】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。

【００２４】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砥粒が存在するた
めに単結晶型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。

【００２５】

【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。

【００２６】実施例１〜８比較例１〜３特願平6-82981 号明細書に述べられている方法を用い、
さまざまなアルミニウム含有量の多結晶型ｃＢＮ砥粒を
以下に従って製造した。

【００２７】すなわち、さまざまなアルミニウム含有量
を持つ熱分解窒化ほう素板を合成して原料とした。原料
の熱分解窒化ほう素板から外径３０ｍｍ、厚さ２ｍｍの
円板を２０枚切りだして積み重ねた後、タンタルの金属
箔で包んでカーボンチューブ内に充填した。このカーボ
ンチューブは反応室兼加熱用ヒーターとして機能するも
のであり、半導体グレード９９．９％以上の高純度カー
ボンで製作されているものである。

【００２８】一方、カーボンチューブの外側と固体ガス
ケット間のスリーブとして、アルミニウム含有量１ＰＰ
Ｍの熱分解窒化ほう素粉末の成型体を配置した。スリー
ブの内径及び外径はそれぞれ３４ｍｍ、５０ｍｍであ
る。これらを内径６０ｍｍのフラットベルト型超高圧高
温発生装置に充填し、温度２０８０℃、圧力７．７ＧＰ
ａ下、１５０分間処理して無触媒直接転換法による多結
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１００／１２０メッシュの砥
粒を選別した。

【００２９】この砥粒から、ＪＩＳＲ６００３の方法で
１．２ｇをサンプリングし、砥粒表面の不純物を酸処理
と純水洗浄で除去してから炭酸ソーダによるアルカリ溶
融処理し、プラズマ発光分光法でアルミニウムの含有量
を測定した。その結果を表１に示す。

【００３０】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１００／１２０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。

【００３１】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／ｍｉ
ｎ、被削材送り速度９ｍ／ｍｉｎ、砥石切込み量２０μ
ｍである。

【００３２】

【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：１０，０００ｍｍ³／ｍｍ研削後の値

【００３３】

【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な研削砥石
を製作することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム含有量１０ＰＰＭ以下の多
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。