JPH1094967A

JPH1094967A - 切れ味に優れた多孔質超砥粒メタルボンド砥石およびその製造法

Info

Publication number: JPH1094967A
Application number: JP8249695A
Authority: JP
Inventors: Junji Hoshi; 純二星; Hidetoshi Okada; 英敏岡田; Yoshitaka Ikeda; 吉隆池田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1998-04-14

Abstract

(57)【要約】【課題】金属、セラミックス等の硬質材料の高速研削
加工に使用した場合、表面粗さ、形状精度あるいは表面
層の変質等の加工精度において優れた能力を長期にわた
って発揮する超砥粒メタルボンド砥石を提供する。【解決手段】ダイヤモンド砥粒をガラス質と金属で二
重被覆した球状の複合砥粒を加圧成形して焼結し、均一
な厚さのガラス質で覆われたダイヤモンド砥粒と微細で
均一な大きさの気孔が金属マトリックス層中に均一に分
布する超砥粒メタルボンド砥石とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ダイヤモンドある
いは立方晶窒化ほう素（以下、ＣＢＮという）よりなる
砥粒（以下、超砥粒という）を用いた砥石を、金属、セ
ラミックス等の硬質材料の高速研削加工に使用した場
合、表面粗さ、形状精度あるいは表面層の変質等の加工
精度において優れた能力を長期にわたって発揮する切れ
味に優れた超砥粒メタルボンド砥石およびその製造法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属、セラミックス等の硬度の高
い材料を精度よく研削加工するためには、ガラス質の結
合剤によって超砥粒を結合してなる砥粒層を有する超砥
粒ビトリファイドボンド砥石が広く用いられている。特
に、砥粒間をガラス質結合剤が橋渡しをして砥粒相互を
結合しており、その結果、砥粒層中に占める気孔の割合
（以下、気孔率という）が高い、いわゆるブリッジ型の
砥粒層を有する超砥粒ビトリファイドボンド砥石は、砥
粒が適度な強度で砥粒層中に保持されているので、切れ
刃の自生作用（以下、自生発刃作用という）が活発であ
ることや、ガラス質マトリックス相中の気孔がチップポ
ケットとして作用して、切り屑をスムースに排出する等
の特性を有するので、切れ味が良好で、かつツルーイン
グ、ドレッシングが容易であるなどの特徴を有し、高い
加工精度が必要な研削に際して広く用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年、研削加工の生産
性向上のために各種の研削能率向上の試みがなされてい
るが、工作物速度を速めるとともに、それに比例して砥
石の周速を高めて研削を行う、いわゆる高速研削が広く
行われるようになり、研削加工の生産性の向上には著し
いものがある。

【０００４】しかし、一般に、砥粒に作用する負荷は、
砥石の周速と工作物速度を高めることにより急激に増大
するので、上記硬質材料の高速研削に従来のブリッジ型
の超砥粒ビトリファイドボンド砥石用いると、増大する
負荷にガラス質結合剤が耐えられず砥粒が脱落し、目こ
ぼれによるホイールの摩耗量が極端に増大して、ホイー
ル摩耗量あたりの研削量（以下、研削比という）が低下
し、高価な砥石の消費量が著しく増大する。これに対し
気孔率の低い超砥粒ビトリファイドボンド砥石を用いれ
ば高速研削においても研削比が著しく低下することはな
いが、切り屑の排出がスムースに行われないので研削抵
抗が上昇し、仕上げ面粗さが悪化し、また研削抵抗の上
昇に伴って発生する研削熱が増大するが、ガラス質結合
剤の熱伝導率が低いため放熱が不十分で、研削面の温度
が上昇して研削面の表面焼けや表面微細割れ等が発生す
ることによって加工変質層が増大して、研削精度が低下
するため、絶えずドレッシングを繰り返し行うことによ
って、劣化した切れ味を回復させて使用しているのが現
状である。

【０００５】上述の如き、高速研削における超砥粒ビト
リファイドボンド砥石に特有の制約のため、近年におい
ては結合剤として、砥粒の保持力と研削熱の放散に優れ
た金属を使用した超砥粒メタルボンド砥石を高速研削に
使用する各種の試みがなされており、例えば、特開昭６
０−８０５６２においては電着砥石の砥粒層に１０〜７
０％の気孔を分散せしめることにより研削精度ないし切
断精度、研削効率ないし切断効率が著しく向上すること
を見いだしたとしている。また、特開昭６４−６４７７
９においては金属皮膜を有する超砥粒を焼結することに
より製造した超砥粒メタルボンド砥石は多くの気孔を有
し、自生発刃作用があり、切れ味がよく、高能率、高精
度な加工が出来るとしている。

【０００６】しかし、これらの超砥粒メタルボンド砥石
を高速研削に用いる場合には、砥粒粒子を保持する結合
剤の結合力が強いため自生発刃作用が十分でなく、上記
硬質素材を高速研削で加工するときのように砥粒の磨滅
的摩耗が著しい場合には、目つぶれによる研削抵抗が増
大して仕上げ面粗さが悪くなる、あるいは加工変質層が
生じる等の研削精度が低下するのは免れないところであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】これらの問題点を解決
し、上記硬質素材の高速研削に際して、長期間にわたり
高能率で、かつ高精度な研削加工を行うことの出来る超
砥粒砥石を開発すべく研究を進めた結果、均一に分散し
た気孔を有する金属ボンド相中に、表面を所定の厚さの
ガラス質結合剤で被覆した超砥粒よりなる複合砥粒が均
一に分散した構造の砥粒層よりなる超砥粒メタルボンド
砥石を用いて研削を行えば、砥粒はガラス質結合剤を介
して金属ボンド相に結合しているので、砥粒は適宜脱落
し、メタルボンド砥石に優れた自生発刃作用を与えるこ
とができるとともに、均一に分散した気孔により研削屑
の排出が容易であり、しかも金属ボンド相は熱伝導率が
高いので放熱が容易なために、研削面の温度上昇が著し
く軽減される等の理由によって、高速研削においても、
極めて優れた研削精度が得られることを見いだしたので
ある。

【０００８】一方、このような組織の砥粒層を有する砥
石を製造するためには、まず、所定の割合で砥粒とガラ
ス質粉末を混合し、砥粒の表面をほぼ均一の所望厚さの
ガラス質粉末層で被覆してガラス質被覆砥粒とし、つぎ
に、得られたガラス質被覆砥粒と金属粉末を所定の割合
で混合し、ガラス被覆砥粒の表面をさらにほぼ均一の所
望厚さの金属粉末で被覆して製造した球状の二重被覆砥
粒を原料とし、これを加圧成形した後、成形体を焼結し
て砥石を製造すれば、砥粒の表面は所望の厚さのガラス
質層で被覆されるので、加工物の硬度、強度等の物性に
応じて、自生発刃作用に必要な砥粒の脱落を行わしめる
ことが可能であり、またこのようにして製造した砥石
は、各砥粒を被覆するガラス質被覆層の厚さが均一であ
り、研削に際して無駄な砥粒の脱落がなく、研削比を著
しく高めることが出来る。さらに、各二重被覆砥粒が流
動性の高いほぼ同じ直径の球体であるので、加圧成形の
金型に二重被覆砥粒を装填後、軽い振動を与えれば、安
息角の小さな該二重被覆砥粒は金型に最稠密に充填さ
れ、これを加圧成形した際に各隣接砥粒間の距離は二重
被覆砥粒の被覆層厚さによって決まるほぼ一定の値をと
る。したがって、焼結により二重被覆砥粒の金属層がメ
タルボンド相を形成する際に、砥粒はメタルボンド相の
全体にわたって均一に分散し、研削に際して優れた表面
粗さを与える。また、二重被覆砥粒は金型中で最稠密に
充填されているので、各二重被覆砥粒間の隙間は充填層
中に均一に分布しており、これを成形・焼結して形成し
た砥粒層においては微細化した気孔が偏りなく砥粒層全
体にわたって均一に分散してチップポケットを形成する
ので、研削面全面にわたって研削屑の排出を容易にし、
高速研削時の研削抵抗を引き下げるのに大いに寄与して
いる。

【０００９】このように、本発明の方法によって製造さ
れた砥石は、上記の如く、極めて研削に適した組織の砥
粒層を有するので、高速研削時においても優れた切れ味
を発揮するのみならず、表面粗さ、形状精度、加工変質
層などの研削加工の精度に関してもまた極めて優れた特
性を本発明の砥石に付与することを見出したのである。

【００１０】この発明は、上記の研究結果にもとづいて
なされたものであって、超砥粒が結晶質ガラスまたは非
結晶質ガラスよりなるガラス質被覆層を介してメタルボ
ンド相と結合して砥粒層を形成し、砥粒層中の気孔が砥
粒層全体に占める割合で１０〜４０体積％であり、かつ
ガラス質被覆層が超砥粒に対する割合で５０〜２００体
積％である切れ味に優れた多孔質超砥粒メタルボンド砥
石に特徴を有し、ダイヤモンドまたはＣＢＮよりなる超
砥粒の表面をガラス質粉末で被覆してガラス質被覆砥粒
とし、このガラス質被覆砥粒をさらに金属粉末で被覆し
て、ガラス質粉末よりなる内層と金属粉末よりなる外層
の二重層で被覆された２５°以下の安息角を有する二重
被覆砥粒とし、この二重被覆砥粒を金型に振動充填した
後、加圧成形し、所定の形状を有する加圧成形体とした
後、この加圧成形体を焼結して形成する切れ味に優れた
多孔質超砥粒メタルボンド砥石の製造法に特徴を有する
ものである。

【００１１】なお、この発明において、砥粒層中に気孔
の占める割合を１０〜４０体積％と限定したのは、砥粒
層中に気孔の占める割合が４０体積％を超えると気孔を
均一に分布せしめることが難しく、また、砥粒層中に気
孔の占める割合が１０体積％に満たない砥石は、研削屑
を収納するチップポケットの容積が不足するために研削
抵抗が増大して所望の加工精度が得られないためであ
る。また、本発明の砥石の砥粒層中における超砥粒に対
するガラス質被覆層の割合を、５０〜２００体積％と限
定したのは、ガラス質被覆層の割合が超砥粒に対して２
００体積％を超えると、砥粒とメタルボンド相の結合が
弱くなり過剰の砥粒の脱落が生じるために所望の研削比
が得られないからであり、また砥粒に対するガラス質被
覆層の割合が５０体積％に満たないと、砥粒の表面を全
面にわたってガラス質粉末で被覆することができず、一
部の砥粒がメタルボンド相と直接接合するため、砥粒を
均一に脱落させることが出来なくなるからである。さら
に、二重被覆砥粒の有する安息角を２５゜以下と制限し
たのは、安息角が２５゜を越えると金型に振動充填した
際に、最稠密充填と至らないからである。

【００１２】

【発明の実施の形態】まず、本発明において用いられる
主要原料は以下の通りである。本発明のに砥石に用いる
超砥粒はＣＢＮまたはダイヤモンドのいずれにしてもよ
く、被研削材の種類や要求される面粗度により、最適な
種類や粒度のものを選択すればよい。

【００１３】ガラス質被覆層に用いるガラス質材料は通
常のビトリファイドボンド砥石に用いられるガラス質結
合材でもよいが、加圧成型体の焼結時に砥粒表面に均一
な厚さのガラス質層を形成せしめるためには、メタルボ
ンド相を形成する金属の焼結温度に対応した適当な軟化
温度を持つとともに広い作業温度範囲を有するガラス質
材料を選択することが重要である。例えば、メタルボン
ド砥石において広く用いられているＣｕ−Ｓｎ系合金を
結合剤として使用した場合には、ガラス質被覆層に用い
るガラスとしてＰｂＯを含有するガラスを使用して軟化
温度を低下せしめる等の方策を講じることが望ましい。

【００１４】メタルボンド相を形成する金属としては、
熱伝導性に優れた銅合金が望ましく、通常のメタルボン
ド砥石に用いられるＣｕ−Ｓｎ系合金（Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃ
ｕ−Ｓｎ−Ｃｏ、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｃｏ−Ｗ等）は強度、焼
結性、焼結温度等について好ましい性質を有する。つぎ
に、本発明の多孔質超砥粒メタルボンド砥石の製造方法
の１例を説明する。まず、所望の自生発刃作用を付与す
るに足る厚さのガラス質被覆層を得るために、所定の割
合で超砥粒とガラス質粒子の微粉末を混合し、これにバ
インダーとしてＰＶＡ水溶液を加え、攪拌機を用いて攪
拌してスラリーとし、砥粒表面にガラス質粉末粒子を付
着させた後、乾燥して、砥粒とガラス質粉末粒子を固着
せしめ、ガラス質被覆砥粒を製造する。この際、加熱し
た流動層中にスラリーを噴射して投入し、乾燥すれば、
ガラス質粉末粒子は砥粒表面に平均して固着し、均一な
厚さのガラス質粒子被覆層を有する、球状のガラス質被
覆砥粒となる。ついで、所望の切れ刃密度が得られるよ
うガラス質被覆粒子と合金の微粉末の混合割合を定め、
両者を混合・撹拌し、さらにＰＶＡの水溶液をバインダ
ーとして添加した後、乾燥して二重被覆砥粒を製造す
る。この際、上記ガラス質被覆砥粒の製造と同様に流動
層中で乾燥すると、合金粉末がガラス質被覆砥粒の表面
に均一の厚さに固着し被覆層を形成し、極めて流動性に
富んだ安息角の小さい球状の二重被覆砥粒を製造するこ
とが出来るので、望ましい乾燥方法である。前述のよう
に二重被覆砥粒の流動性を高めて金型充填の際に最稠密
充填がなされることが望ましいが、所望の流動性を保つ
ためには二重被覆砥粒は安息角：２５゜以下がよい。つ
いで、この二重被覆砥粒を成形用の金型に装填して、振
動を加えて最稠密に充填し、これに加圧成形を行い所定
の形状を有する成形体とし、この成形体を７００〜９０
０℃、望ましくは７５０〜８００℃で窒素ガス等の不活
性雰囲気、ないし水素ガスあるいはアンモニア分解ガス
等の還元性雰囲気に約１０時間保持して焼結する。この
結果、二重被覆砥粒の内層を形成するガラス質粉末粒子
は軟化して相互に融着し、砥粒の表面を均一な厚さで覆
う結晶質、あるいは非結晶質のガラス質層となり、二重
被覆砥粒の外層を形成する合金粉末は相互に焼結してメ
タルボンド相を形成し、砥粒を砥粒層中に保持する。一
方、二重被覆砥粒間の空隙は焼結に際してメタルボンド
相中に微細にしてかつ均一に分布する気孔を形成する。

【００１５】このようにして形成された砥粒層を有する
砥石は、砥粒がメタルボンド相中に均一に分布している
ので加工面粗さに優れており、気孔がメタルボンド層中
に微細にしてかつ均一に分布しているので研削屑の排出
が容易で切れ味に優れている。さらに、砥粒が所望の均
一な厚さを有するガラス質被覆層によって覆われている
ので、所定の磨耗が進むと各砥粒が自然と脱落するよう
にガラス質被覆層の厚さを設定すれば、自生発刃作用に
より常に優れた切れ味に保つとともに、研削比が高いこ
とに特徴を有するものである。

【００１６】

【実施例】つぎに、本発明の砥石を実施例によりさらに
詳細に説明する。まず、市販の粒度：３２５／４００
（ＪＩＳＢ４１３０）のＣＢＮ砥粒およびダイヤモン
ド砥粒、平均粒径：５μｍの表１に示す組成を有する市
販のＣｕ−Ｓｎ系の合金粉末イ〜ハと、構成する主成分
であるＳｉ、Ｐｂ、Ｋ、およびＮａの酸化物をそれぞれ
ＳｉＯ₂、ＰｂＯ、Ｋ₂Ｏ、およびＮａ₂Ｏで表現した
時、ＳｉＯ₂：４１重量％、ＰｂＯ：４０重量％、Ｋ₂Ｏ：１２重量％、Ｎａ₂Ｏ：５重量％、その他成分：残りなる組成を有する市販のガラス粉を微粉砕して製造した
平均粒径：７μｍのガラス質粉末粒子、及び試薬のポリ
ビニールアルコール（以下ＰＶＡという）を用意した。

【００１７】

【表１】まず、表２に示される材質の砥粒を、同じく表２に示す
割合でガラス質粉末粒子と混合して混合粒子とし、この
混合粒子：１００ｇに対してＰＶＡの１０重量％水溶液
を２ｍｌの割合でバインダーとして加え、攪拌機を用い
て攪拌・混合してスラリーとした後、流動層中に噴射し
て投入して、ガラス質被覆砥粒ａ〜ｅを製造した。ま
た、砥粒とガラス質粉末粒子の配合割合から体積比を計
算によって求め、表２に示す割合を得た。

【００１８】

【表２】ついで、このガラス質被覆砥粒ａ〜ｅと合金粉末イ〜ハ
を、表３に示す割合で混合して混合粒子とし、この混合
粒子：１００ｇに対してバインダーとしてＰＶＡの１０
重量％水溶液を２０ｍｌの割合で加えた後、攪拌機を用
いて攪拌・混合してスラリーとした後、流動層中に噴射
して投入し、二重被覆砥粒Ａ〜Ｊを製造した。また、こ
のようにして製造した二重被覆砥粒Ａ〜Ｊの安息角を測
定するために、二重被覆砥粒Ａ〜Ｊを漏斗から水平面上
に落下させ堆積した二重被覆砥粒の自由表面が水平面に
対してなす角度を測定して、表３に示す値を得た。

【００１９】

【表３】次に、前記二重被覆砥粒Ａ〜Ｊを金型に装填し、３０秒
振動を与えて充填した後、プレス成形機を用いて加圧成
形し所定の形状を有する二重被覆砥粒よりなる成形体を
製造した。ついで、この加圧成形体をＮ２雰囲気中にて
温度：７５０℃、保持時間：１０時間の条件で焼結し、
内径：φ１９０、外径：φ２０５、幅：１０ｍｍの本発
明の砥石１〜１０を製造した。この際、気孔率を測定す
るため、このように製造した本発明の砥石１〜１０につ
いて、ＪＩＳＺ２５０５−１９８９「金属焼結材料
の焼結密度試験方法」を準用して計測を行い、計算によ
り表５に示す気孔率を得た。このように製造した本発明
の砥石１〜１０の性能を評価する目的で、本発明の砥石
１〜１０を外径：１９０ｍｍ、内径：５０．８ｍｍ、厚
さ：１０ｍｍの高速度鋼（ＳＫＤ−１１）製の円板状台
金の外周に接着剤を用いて張り付けて、ホイールを製造
し、次に示す条件で金属被削材（合金工具鋼、インコネ
ル、ハステロイ、炭素工具鋼）とセラミックス被削材
（アルミナ）に研削試験を実施し、加工面粗さ（Ｒ
Ａ）、研削比、研削抵抗を測定し表４に示す結果を得
た。

【００２０】

【表４】研削試験機：岡本平研形式：ＰＳＧ−５２ＤＸＮＣ研削様式：トラバース研削ホイール周速：２０００ｍ／ｍｉｎテーブル送り：１０ｍ／ｍｉｎステップ送り量：４ｍｍ切込み：０．０２ｍｍ（被削材：金属）〃：０．０３ｍｍ（被削材：セラミックス）スパークアウト：２ｐａｓｓ研削液：水溶性ソリュブル型研削液研削量：５００ｃｃまた、表面変質層がないことを確認するために、４００
ｃｃの研削を行った後、目視により金属被削材の研削表
面の研削焼けの有無、および浸漬法により表面微小割れ
の有無を検査し、同じく表４に示す結果を得た。

【００２１】つぎに、比較の目的で従来超砥粒ビトリフ
ァイドボンド砥石１及び２を製造した。まず、構成する
主要構成成分であるＳｉ、Ａｌ、Ｂ、およびＮａの酸化
物をそれぞれＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃、およびＮａ₂
Ｏで表したとき、ＳｉＯ₂：６１重量％、Ａｌ₂Ｏ₃：８重量％Ｂ₂Ｏ₃：１８重量％、Ｎａ₂Ｏ：３重量％その他成分：残りの成分を有する平均粒径：７μｍの市販のガラス質粉末
と、本発明ホイールの製造に用いた超砥粒と同じ粒度：
３２５／４００のダイヤモンド砥粒またはＣＢＮ砥粒を
表５に示される割合で混合し、この混合物を１０００ｋ
ｇｆ／ｃｍ２の圧力で加圧成形して成形体とし、つい
で、この加圧成形体をＮ２雰囲気中にて９００℃、１０
時間の条件に保持することにより焼結して従来砥石１及
び２を製造した。ついで、この従来砥石の性能を評価す
るため、本発明の砥石と同様の方法で、ホイールを製造
し、同じ研削試験機を用い、同様の研削条件で研削を実
施し、表５に示す結果を得た。

【００２２】

【表５】

【００２３】

【発明の効果】表５の研削試験の結果から明らかなよう
に、従来砥石を金属あるいはセラミックス等の硬質材料
の高速研削に用いた場合、４００ＣＣ研削時において研
削抵抗が増大し、研削焼けあるいは研削割れ等による被
削体の表面層の著しい損傷が認められるのに対して、本
発明の砥石１〜１０においては同様の高速研削の条件に
おいても研削抵抗の増大が少なく、その結果、極めて清
浄な研削表面が得られている。したがって、本発明のホ
イールを使用して硬質材料を高速研削することによっ
て、研削加工の生産性の向上を著しく高めることが出来
るので、その産業上の効果は極めて大きい。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ダイヤモンドまたは立方晶窒化ほう素より
なる超砥粒が、ガラス質被覆層を介してメタルボンド相
と結合して砥粒層を形成していることを特徴とする切れ
味に優れた多孔質超砥粒メタルボンド砥石。
【請求項２】砥粒層が、砥粒層全体の体積に対する割合
で１０〜４０体積％の気孔を有することを特徴とする請
求項１記載の切れ味に優れた多孔質超砥粒メタルボンド
砥石。
【請求項３】ガラス質被覆層が、超砥粒に対する割合で
５０〜２００体積％なることを特徴とする請求項１記載
の切れ味に優れた多孔質超砥粒メタルボンド砥石。
【請求項４】ガラス質被覆層が、結晶質ガラスよりなる
ことを特徴とする請求項１記載の切れ味に優れた多孔質
超砥粒メタルボンド砥石。
【請求項５】ガラス質被覆層が、非結晶質ガラスよりな
ることを特徴とする請求項１記載の切れ味に優れた多孔
質超砥粒メタルボンド砥石。
【請求項６】ダイヤモンドまたは立方晶窒化ほう素より
なる超砥粒の表面をガラス質粉末で被覆してガラス質被
覆砥粒とし、このガラス質被覆砥粒を金属粉末で被覆し
てガラス質粉末よりなる内層と金属粉末よりなる外層の
二重層で被覆された二重被覆砥粒とし、この二重被覆砥
粒を金型に振動充填した後、加圧成形し、所定の形状を
有する加圧成形体とした後、この加圧成形体を焼結して
形成することを特徴とする切れ味に優れた多孔質超砥粒
メタルボンド砥石の製造法。
【請求項７】二重被覆砥粒が、２５゜以下の安息角を有
する粉体であることを特徴とする上記請求項６記載の切
れ味に優れた多孔質超砥粒メタルボンド砥石の製造法。