JPH11165261A

JPH11165261A - 多孔質砥粒砥石とその製造方法

Info

Publication number: JPH11165261A
Application number: JP9333137A
Authority: JP
Inventors: Kozo Ishizaki; 幸三石▲崎▼; Atsushi Takada; 篤高田; Kazuyuki Kumeta; 和幸粂田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-12-03
Filing date: 1997-12-03
Publication date: 1999-06-22
Anticipated expiration: 2017-12-03
Also published as: US6485533B1; JP4173573B2; TW426588B; WO1999028087A1

Abstract

(57)【要約】【課題】超砥粒と結合材との間の結合力を高めるとと
もに、結合材の研削過程での摩滅性、また砥石の物性を
高める。【解決手段】砥粒として超砥粒および結合材として金
属粉末からなり、この結合材は、化学的および物理的結
合をして超砥粒を保持した多孔質体に形成され、かつ、
該多孔質体に形成された後少なくともその表面がセラミ
ックスに変成されていることを特徴とする多孔質砥粒砥
石。砥粒としての超砥粒と結合材としての金属粉末とを
原料として多孔質砥粒砥石を製造する方法において、砥
粒の突き出しをまず制御し、ついで砥粒のつかみ具合を
制御することを特徴とする製造方法。上記超砥粒は、ダ
イヤモンドおよび立方晶窒化ホウ素、上記結合材は、Ｆ
ｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、
Ｗ、Ｔｉ、ＳｉおよびＺｒからなる群から選ばれる１種
以上である。上記砥石全体の気孔率が５〜６０％、好ま
しくは５〜４５％である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、精密加工分野で用
いられる多孔質の超砥粒砥石に関するものであり、特に
高能率で強度に優れた多孔質超砥粒砥石とその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素（以
下、「ｃＢＮ」と記す場合もある。）の砥粒は、きわめ
て高い硬度を有するので“超砥粒”と呼ばれ、鋼、高硬
度金属、ガラス、セラミックス、石材などの精密な研削
加工に多く用いられている。この超砥粒を用いた超砥粒
砥石（以下、単に「砥石」という。）は、一般に超砥粒
を結合材によって結合し成形して製造される。この結合
材として、合成樹脂を用いたものはレジンボンド砥石、
ガラス質を用いたものはビトリファイドボンド砥石、金
属を用いたものはメタルボンド砥石と呼ばれ、それぞれ
被研削体の特性によって使い分けられる。最近では、薄
膜プロセスを用いた集積回路に代表されるように、素子
の高密度化が進み、また広く普及してくると、経済的理
由から基板の切断代の幅を、例えば０．３ｍｍ以下とす
るような精密な切断が要求されるようになり、この切断
を可能とする薄刃の研削砥石が求められるようになっ
た。

【０００３】これらの砥石の中でメタルボンド砥石は、
金属粉末に砥粒を均一に分散して台金と共に型込めしプ
レス成形および焼結（またはホットプレス）を経て成形
される。メタルボンド砥石の金属結合剤としては、例え
ばＣｕ−Ｓｎ系、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｃｏ系、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｆ
ｅ−Ｃｏ系、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｎｉ系、もしくはＣｕ−Ｓｎ
−Ｆｅ−Ｎｉ系、またはこれらに燐を添加したもの等が
用いられている。これらの従来のメタルボンド砥石は、
レジノイドボンド砥石やビトリファイドボンド砥石に比
べて、結合強度が格段に高く、超砥粒を用いて強力な研
削を行う場合に必要な優れた砥粒保持力を有している利
点があるが、結合剤自身の強度、ねばりが強く、研削過
程で結合材が摩滅することはなく、砥粒が摩滅しても脱
落できないためにドレッシング間隔を短くせざるを得ず
高能率研削は不可能である。したがって、従来のメタル
ボンド砥石においては、切り屑の排出が悪くて目づまり
し易いために、研削抵抗が大きく、いわゆる切れ味が悪
くて発熱が大きくなり、仕上げ面が不良となり易く、ま
た切り込みを増やしたり、砥石と工作物との接触面積を
大きくして高能率研削を行うことは極めて難しい等の欠
点がある。そのうえ、これらのボンドは研削時に軟化し
て塑性流動を起こし砥石表面に目づまりを生ずる欠点も
ある。

【０００４】従来、この種の精密研削に用いられる薄刃
砥石は、強度的な観点からほとんどがメタルボンド砥石
であった。メタルボンド砥石は、Ｎｉやブロンズ系合金
を結合材として電鋳法や焼結法により作製されるが、結
合材相の組織が緻密であるために、ドレッシング（目立
てを含む）が困難であり、電解法などの煩雑で高価な技
術と装置を必要とした。すなわち、砥石を活性化するた
めには、超砥粒の切刃を結合材相の表面から突出させる
必要がある。一般に、砥石が形成された状態では、砥石
表面で、超砥粒と結合材相とは同一レベルにある。この
状態から超砥粒の切刃を突出させるためには、超砥粒を
残したまま結合材相の表層をある程度の深さまで除去し
なければならない。この作業が「目立て」であるが、結
合材相の表層が平滑であると、超砥粒を残したまま、結
合材相の表層のみを、例えば掻き取りのような方法で除
去することはきわめて困難であり、電解法などによって
結合材相の表層を溶出除去するなどの煩雑で高価な方法
が必要になる。

【０００５】一方、ビトリファイドボンド砥石は、一般
に結合材であるセラミクス粒子と超砥粒との混合物を成
形し、圧力下に焼結して製造されるものであって、結合
材相が多孔質であり、組織が粗いので特別な目立てが不
要であり、また研削作業中に生じる研削屑などは、気孔
が形成するポケットに捕捉されて排除されるので目詰ま
りが起こり難く、また、砥粒の切刃が摩耗しても、結合
材相が粗く脆いので適度に崩落して新たな切刃が現れ、
目潰れも起こり難い。しかし、ビトリファイドボンド砥
石は、結合材相が脆いばかりでなく、結合材と超砥粒と
の結合力も弱いので、例えば厚みが０．３ｍｍ以下とな
るような薄刃の砥石とすることができず、また目こぼれ
を起こし易いので、高硬度の難研削性被研削体を強い押
し付け圧で研削する場合には消耗が激しくて経済的でな
い。

【０００６】これらの欠点を改善するため、連続多孔質
メタルボンド砥石が提案されているが（特開昭５９−１
８２０６４号公報）、粉末焼結法を利用するものではな
い。溶剤可溶無機化合物を所定の形状に焼結して成形し
たのち、得られた焼結体の空隙部に砥粒を充填して予熱
し、ついでこの砥粒充填焼結体の空隙部にさらに溶融し
た金属または合金を圧入し、凝固させたのち、溶剤で前
記無機化合物を溶出させて製造するという、気孔付与剤
をフィラーとして添加し砥粒層に気孔を介在させる方法
が記載されている。また、砥粒に何層もの金属コーティ
ングを施し、ホットプレスによってビトリファイドボン
ドのような構造に焼結させ気孔をもたせたもの（特公昭
５４−３１７２７号公報）等、切れ味の低下を防ぐ手段
が提案されている。さらに、目づまりを克服するための
鋳鉄を用いた砥石（特開平３−２６４２６３号公報）が
提案されている。その鋳鉄ボンドの砥石は、高強度で剛
性が高く、高切り込み重研削が可能であり、塑性流動を
起こさない脆性破壊的な摩耗であり、目づまりは生じに
くい等の様々な利点をもっているが、強度が大きすぎる
ために銅系のボンドに比べてドレッシング性が悪く、ま
たその剛性の高さが既存の研削盤、方式では実用が難し
いのが現状である。砥粒層の内部に多数の気孔を形成さ
せることは、その気孔に研削液を含浸させて砥石の冷却
性を高めたり、この気孔で研削抵抗を小さくさせ良好な
切れ味を有することができ、言いかえると、発熱が少な
く、高品質の仕上げ面を得られることが予想できる。し
かし、従来の銅系のメタルボンド砥石においては、気孔
を有することは、当然強度の低下、ひいては砥粒保持力
の低下を招き、十分な研削性能を得るには至っていな
い。また無気孔型鋳鉄ボンド砥石においては、鋳鉄粉の
焼結性の悪さから鋳鉄粉に鉄粉を加え、なおかつ８，０
００ｋｇｆ／ｃｍ²から１０，０００ｋｇｆ／ｃｍ²の荷
重で成形している。鉄粉を加えることで鋳鉄本来の脆性
破壊挙動を消失させ、銅系ボンドと同様な塑性変形を起
こす原因にもなり、鋳鉄の特徴が引き出されるには至っ
ていない。また、砥粒は直接鋳鉄と接すれば、鉄と炭素
の反応によりダイヤモンドが消失するので、ダイヤモン
ドを保護するための被膜をする必要がある。

【０００７】そこで、本発明者らは研削効率がよく、強
度が強く、かつ結合材と超砥粒との結合力も強い砥石を
得るために、メタルボンド砥石の組織中に気孔を形成し
て多孔質とする発明を完成させた（特開平７−２５１３
７８号および特開平７−２５１３７９号公報）。この多
孔質メタルボンド砥石は、例えば超砥粒と結合材金属粒
子とを混合し、熱発揮性の結合剤を用いまたは用いず
に、砥石の形状に圧縮形成し、結合材金属が粒状を保っ
たままその粒子どうし、および結合材粒子と超砥粒との
間に結合が生じる程度の温度と圧力を加えて焼結するこ
とによって製造できる。このようにして製造された多孔
質メタルボンド砥石は、結合材と超砥粒との結合力が強
く、しかも目立て性が良好であり、また研削作業中に生
じた研削屑などは気孔のポケットに捕捉されて除去され
るので目詰まりが起こり難く、砥粒の切刃が摩耗して
も、結合材相の焼結強度を調整することで適度に崩落し
て新たな切刃が現れ、目潰れも起こり難くなることが期
待され、それなりの成果が得られた。しかし、上記の多
孔質メタルボンド砥石においては、超砥粒と結合材の結
合力が強いとはいえ、金属の範囲内の強さである。また
結合材相部分の多孔質メタルも金属であるがため、ヤン
グ率の高さにも限界が見られる。既存砥石に比べて格段
に砥石性能は向上したが、砥粒と結合材の反応や結合材
相そのもののもつ材料物性を高くしなければならない問
題が残った。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この問題を解決するた
めに、本発明者らは、超砥粒と結合材との間の結合力を
高めるとともに、結合材の研削過程での摩滅性、また砥
石の物性を高めることを課題とした。本発明は、超砥粒
と結合材相との結合力が強く、目立て性、目こぼれ性、
目詰まり性、目潰れ性などがバランスよく改善され、微
細加工用の薄刃砥石としても使用可能な強度を有する多
孔質砥粒砥石およびその製造方法を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解するための手段】本発明は、上記課題を解決
するためになされたもので、以下その構成を具体的に説
明する。本発明は、砥粒として超砥粒および結合材とし
て金属粉末からなり、この結合材は、化学的および物理
的結合をして超砥粒を保持した多孔質体に形成され、か
つ、該多孔質体に形成された後少なくともその表面がセ
ラミックスに変成されていることを特徴とする多孔質砥
粒砥石を要旨としている。結合材の多孔構造相の気孔率
を調節しかつ該多孔質体の少なくとも表面をセラミック
スに変成することにより得られた、超砥粒と結合材相と
の結合力が強く、目立て性、目こぼれ性、目詰まり性、
目潰れ性などがバランスよく改善され、微細加工用の薄
刃砥石としても使用可能な強度を有する多孔質砥粒砥石
である。

【００１０】上記超砥粒は、ヌープ硬度１０００以上を
有する材料からなる群から選ばれる。具体的には、ダイ
ヤモンドおよび立方晶窒化ホウ素からなる群から選ばれ
る。上記超砥粒は、平均粒径が１０００μｍ以下のもの
ものを用いる。上記結合材は、加熱下にこの超砥粒と化
学的および物理的に結合し得る金属からなり、その多孔
質体が、粉末焼結により形成された多孔構造相のもので
ある。上記金属は、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔ
ａ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｗ、Ｔｉ、ＳｉおよびＺｒからな
る群から選ばれる１種以上である。上記砥石全体の気孔
率が５〜６０％、好ましくは５〜４５％である。

【００１１】本発明は、砥粒としての超砥粒と結合材と
しての金属粉末とを原料として多孔質砥粒砥石を製造す
る方法において、砥粒の突き出しと砥粒のつかみ具合を
別個に制御することを特徴とする製造方法を要旨として
いる。本発明は、砥粒としての超砥粒と結合材としての
金属粉末とを原料として多孔質砥粒砥石を製造する方法
において、砥粒の突き出しをまず制御し、ついで砥粒の
つかみ具合を制御することを特徴とする製造方法を要旨
としている。本発明は、砥粒としての超砥粒と結合材と
しての金属粉末とを混合し、所定の寸法形状に成形した
後、この成形体の超砥粒と結合材粒子との界面において
原子の拡散が起きるようにかつ結合材粒子どうしが焼結
して多孔質体となるように、調節された温度と圧力を加
えて焼結し、さらにその後、窒素、炭素、水素からなる
群から選ばれる１種以上の気体の存在下で加熱して該多
孔質体の少なくとも表面をセラミックスに変成すること
を特徴とする多孔質砥粒砥石の製造方法を要旨としてい
る。上記砥粒として平均粒径が１０００μｍ以下の超砥
粒を用いる。上記砥粒として、ヌープ硬度１０００以上
を有する材料からなる群から選ばれる超砥粒を用いる。
上記ヌープ硬度１０００以上を有する材料として、ダイ
ヤモンドまたは立方晶窒化ホウ素を用いる。上記結合材
として、加熱下にこの超砥粒と化学的および物理的に結
合し得る金属を用い、粉末焼結により多孔構造相の多孔
質体を形成する。上記金属として、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、
Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉお
よびＺｒからなる群から選ばれる１種以上の金属を用い
る。砥石全体の気孔率が５〜６０％になるように、調節
された温度と圧力を加えて焼結する。好ましくは砥石全
体の気孔率が５〜４５％になるように、調節された温度
と圧力を加えて焼結する。前記の焼結を通電焼結法によ
り行い、焼結時の温度を６００℃〜２０００℃の範囲内
とし、かつ圧力を５ＭＰａ〜５０ＭＰａの範囲内とす
る。あるいは、前記の焼結をホットプレス焼結法により
行い、焼結時の温度を６００℃〜２０００℃の範囲内と
し、かつ圧力を５ＭＰａ〜５０ＭＰａの範囲内とする。
また、雰囲気焼結、ＨＩＰ焼結などあらゆる焼結方法が
適用できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の多孔質超砥粒砥石の原料
は、上記の砥粒としてはきわめて高い硬度を有する砥粒
である“超砥粒”、好ましくはヌープ硬度１０００以上
を有する材料から選ばれる。具体的には、ダイヤモンド
および立方晶窒化ホウ素からなる群から選ばれる。ここ
に用いられる超砥粒１は、単結晶または多結晶のダイヤ
モンド、または単結晶または多結晶のｃＢＮのいずれ
か、またはそれらの任意の２種以上の混合物であって、
平均粒径が１０００μｍ以下のものである。超砥粒とし
ては、例えばセラミックス材料などの被研削体を精密加
工する場合には、最高硬度を有するダイヤモンドを用い
ることが好ましい。このダイヤモンドは、単結晶のもの
のほかに多結晶のものであってもよく、天然ダイヤモン
ド、人造ダイヤモンドのいずれでもよい。また、鉄系の
被研削体では、ダイヤモンドの使用に問題があるので、
この場合にはｃＢＮを用いることが好ましい。このｃＢ
Ｎも、単結晶のもの、多結晶のものいずれでもよい。

【００１３】上記の超砥粒とともに用いられる結合材
は、選択された超砥粒との界面に加熱時に化学的および
物理的結合が生じるものであればいすれでもよい。上記
の“化学的および物理的結合”とは、超砥粒と結合材の
原子が接触界面において熱的拡散により入り交じること
によって形成される、共融混合物、固溶体または化合物
からなる拡散接合相を形成して結合した状態を意味す
る。上記の結合材としては、特に精密研削用砥石の結合
材として好ましい金属であり、焼結後、セラミックス化
されて脆性が付与される、Ｆｅ，Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃ
ｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｚｒから
なる単体元素からなる群から選ばれる１種以上である。
結合材としての金属は、平均粒径が、前記超砥粒の平均
粒径の５％〜５０％の範囲内である粉末状態のものを用
いることが好ましい。

【００１４】超砥粒に対する結合材粒子の粒径比が１：
１に近づくと、最密充填状態においても超砥粒と結合材
粒子との接点が少なく、従って焼結時の結合力が不足し
て目こぼれなどの原因となり易い。超砥粒に対する結合
材粒子の粒径比が１：０．０５〜０．５の範囲であれ
ば、超砥粒と結合材粒子との接点数が十分多くなるの
で、焼結に際して拡散接合相が超砥粒のほぼ全表面に薄
膜状に形成され、超砥粒と結合材との結合力が大とな
り、しかも適度の気孔率が保たれる。超砥粒に対する結
合材粒子の粒径比が１：０．０５より小さくなると、接
点数は十分に多いから焼結時の結合力は問題ないが、気
孔率および気孔径が小さくなって、焼結体は無気孔メタ
ルボンド砥石と大差がなくなる。

【００１５】これらの結合材は、上記の超砥粒と接触し
た状態で、例えば３００℃〜２０００℃の範囲に加熱す
ると、その界面において原子の拡散が行われ、共融混合
物、固溶体または化合物からなる拡散接合相が形成され
る。超砥粒と結合材とは、この拡散接合相によって強固
に結合される。従って、切れ味を良くするために深く目
立てされ、超砥粒と結合材との接触面積が比較的小さく
なった場合にも、研削作業中の超砥粒の無駄な脱落が起
こり難い。しかし、この融合相の厚みが過大になると、
この拡散接合相と超砥粒との間に剥離が起こることがわ
かった。これは、拡散接合相の過剰生成によって接触界
面に対して、ダイヤモンドではＣ、ｃＢＮではＢの移動
度が高く、空乏層が形成されることや、水平方向にズレ
応力が発生するとともに、超砥粒本体と拡散接合相との
熱膨張係数が異なるため、熱的変化によって拡散接合相
に皺が発生するなどの理由によるものと考えられる。

【００１６】この観点から、本発明の多孔質超砥粒砥石
における拡散接合相の厚みは、砥粒径に対して一定の範
囲内になるように制御することが好ましい。この拡散接
合相の厚みは、超砥粒と結合材との粉体混合物を焼結成
形する際に加える温度と時間を調節することによって制
御可能である。この温度と時間は、選定された超砥粒と
結合材の種類と粒度、焼結方法と装置、および焼結時の
圧力などによって変化するので、実際に用いる好適温度
は実験によって決定されるべきである。一般的な選定温
度範囲は、３００℃〜２０００℃である。

【００１７】砥粒としてダイヤモンド、結合材として鉄
系金属を用いる場合について説明すると、鉄系金属とし
ては、加熱下にダイヤモンド粒と化学的および物理的に
結合し得る鉄系金属の粉末であれば何でもよい。一般
に、鉄には測定限界以下（純鉄）から、少量の炭素を含
んでいる炭素鋼、または１．７％以上の炭素を含んだ鋳
鉄まで多種多様の材質が存在する。本発明では、ダイヤ
モンドの炭素成分と反応させて接合強度を向上させるわ
けであるから、鉄系金属粉末は鋳鉄で代表されるがそれ
のみに限られない。ダイヤモンドの炭素成分と反応させ
て接合強度を向上させ、かつ、適度の気孔率を持たせた
焼結後に、該焼結体はセラミックス化される。セラミッ
クス化により、例えば窒素あるいは炭素と鉄の反応によ
って、脆性破壊挙動を示す鉄ボンドに変化するから、鉄
系金属粉末には、焼結時ダイヤモンド粒と化学的および
物理的に結合し得る性質および適度の気孔率を持たせ得
る性質をもつことが優先される。

【００１８】砥粒としてダイヤモンド、結合材として鉄
系金属を用いる場合、砥粒としてダイヤモンドおよび結
合材として鉄系金属粉末からなり、結合材部分が粉末焼
結によって形成された多数の気孔を含んでおり、かつ、
砥粒が結合材である鉄系金属に化学的および物理的結合
して保持されており、このような該多孔質の構造に形成
された後、少なくともその表面がセラミックスに変成さ
れている。このようにメタルボンド砥石において、メタ
ルボンドに多数の気孔を含ませることにより、ならびに
該多孔質メタルボンドの少なくとも表面をセラミックス
化することにより、メタルボンドの強度および摩耗性を
調整するものである。メタルボンドのセラミックス化
は、ガス量、ガスの圧力または焼結温度、時間によって
セラミックス化の度合いが調整でき、それによってヤン
グ率は自由自在に制御できる。当然表面のみからすべて
をセラミックス化することができる。本発明の多孔質超
砥粒砥石では、砥石全体の気孔率は５〜６０％、好まし
くは５〜４５％に調節する。本発明においては、砥石全
体の気孔率は結合材の気孔率に相当する。その気孔率
は、金属の粒径、砥石の成形条件および砥石の焼成条件
によって調節する。この調節によっても、メタルボンド
の機械的強度および砥粒保持力を制御することができ
る。すなわち、本発明の砥粒は、砥粒としてダイヤモン
ド、結合材としてＴｉ金属を用いる場合、結合材である
Ｔｉ金属とダイヤモンドがその界面で化学反応によって
保持されている。すなわち、ダイヤモンドとＴｉ金属が
化学反応によってＴｉＣという化合物を生成しており、
界面がセラミックス化している。ボンド部分の機械的強
度、すなわち気孔率および砥粒保持力の制御は、Ｔｉ金
属粉末の粒度、焼結温度、焼結時間を調整することで行
われる。ならびに該多孔質メタルボンド（Ｔｉ）の少な
くとも表面から内部までのセラミックス化（例えばＴｉ
Ｎ）は、多孔質化された後のＮ₂ガスによる化学反応処
理によって調整できる。これによって、砥粒の保持力が
ボンド自体の強度、剛性（ヤング率）、摩耗性（気孔
率）を自在にコントロールできる。例えば、鋳鉄ボンド
多孔質砥石の場合はダイヤモンドと鋳鉄の反応部分の制
御は可能であるが、ボンド部分自体の鋳鉄の機械的特性
に依存していた。つまり、鋳鉄の物性値によって決まっ
ていた。本発明では、化学反応処理によってボンド部分
の強度、剛性、摩耗性が制御できることが特徴であり、
なおかつ、そのボンド部分をセラミックス化できる特徴
がある。

【００１９】超砥粒と結合材粒子とを型に充填し、圧力
と温度とを加えて焼結すると、結合材粒子が一部溶解
し、超砥粒と接触しているものはその表面に濡れ広が
り、双方の原子が熱的拡散により入り交じり、共融混合
物、固溶体または化合物からなる拡散接合相を形成す
る。結合材粒子どうしが接触している場合は、その接触
面で融合が起こり、結合材粒子どうしがネックで相互に
連結され、非接触部分が連続気孔を形成する。焼結に際
して超砥粒と結合材粒子との混合割合は、超砥粒：結合
材粒子の容量比で１：３〜２：１とすることが好まし
い。１：３より超砥粒の割合が少ない場合は、研削能力
が不足するようになり、２：１より超砥粒の割合が多い
場合は、超砥粒の密度が高すぎて焼結体の強度が低下
し、目こぼれなどが起こりやすくなる。

【００２０】“気孔率”についての説明をまとめる。本
発明の多孔質超砥粒砥石の気孔率は、５％〜６０％の範
囲内、更に好適には５％〜４５％の範囲内であることが
好ましい。砥石として使用されているものの最大の気孔
率は特殊な場合を除いて、ビトリファイドボンド砥石が
最も大きく、最大で５０％程度である。実際に使用して
いる範囲は３５％〜４５％ぐらいが多く、５０％の気孔
率までいくと砥石の強度はかなり低下し、砥石が破壊す
る恐れも生じてくる。しかし、強力な研削が可能な超砥
粒の性能を十分に発揮させ、しかも高価な砥粒を有効に
利用するためには、基本的には砥粒率は低めにし、結合
剤は砥粒保持力の強いメタルボンドとし、それを必要最
小限に用い、そして気孔率は大きくすることが望ましい
と考える。通常の鋳鉄ボンドダイヤモンド砥石の場合、
ボンド自身の気孔率はほとんどなく、砥粒を介在してそ
の隙間を得るか、または気孔付与剤を添加するかである
のに対して、本発明の多孔質超砥粒砥石はメタルボンド
自身が多数の気孔を含んでいることを特徴としている。
そして、本発明の砥石全体の気孔率は、５％より少ない
とボンド強度がかなり高くなり鉄系金属の摩耗特性を十
分に発揮できないので、下限は５％とする。また気孔率
が高すぎると砥石の強度が低下し破壊するおそれのある
ので６０％以下、好ましくは４５％以下とする。本発明
の超砥粒砥石は多孔質に形成されている。その気孔率
は、５％〜６０％の範囲内、特に５％〜４５％の範囲内
とされることが好ましい。気孔率が５％未満になると、
気孔によるポケット容量が不足し、また冷却液の循環も
不十分となり、目詰まりなどが起こり易く、４５％、特
に６０％を越えると、結合材相の物性が低下し、目こぼ
れや目潰れが起こり易くなり、また薄刃砥石を製造した
ときは、折れ易くなる。

【００２１】多孔質の本砥石を製造するに際しては、結
合材を粉体として超砥粒と混合し、この粉体混合物を型
に充填し、加圧下に超砥粒と結合材粒子、および結合材
粒子どうしを焼結することが好ましい。このとき、超砥
粒と結合材粒子のそれぞれの平均粒径、混合割合、焼結
圧力、焼結温度、焼結時間などを調節することによっ
て、気孔率を好適範囲に調節することができる。

【００２２】“拡散接合”についての説明をまとめる。
本発明の多孔質超砥粒砥石においては、砥粒として超砥
粒および結合材として金属粉末からなり、この結合材
は、化学的および物理的結合をして超砥粒を保持した多
孔質体に形成されている。上記の“化学的および物理的
結合”とは、超砥粒と結合材の原子が接触界面において
熱的拡散により入り交じることによる共融混合物、固溶
体または化合物からなる拡散接合相を形成して結合した
状態を意味する。例えばダイヤモンドまたはｃＢＮから
なる群から選ばれ、平均粒径が１０００μｍ以下である
超砥粒と、加熱下にこの超砥粒と化学的および物理的に
結合し得る金属の結合材とからなり、この結合材が連続
気孔を有する多孔質体であり、この結合材と超砥粒との
界面にそれらの“化学的および物理的結合”が形成さ
れ、この拡散接合相の厚みが砥粒径ｒに対して一定の範
囲内になるように制御されることが好ましい。この拡散
接合相は、超砥粒とＴｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｔａ、
Ｗ、Ｃｒ、ならびにＣｏからなる群から選ばれた１種以
上とから形成されてなるものであることが好ましい。鉄
系金属の炭素濃度とダイヤモンドの濃度勾配について、
鉄は大体６〜７％の炭素を含有することができる。つま
り、例えば、炭素量が３％の場合には、さらに３〜４％
の炭素と反応することが可能である。ダイヤモンドと鉄
粉末を混合して、焼結させた場合に焼結温度に達した時
に、鉄粉の表面が部分溶融しはじめ焼結が始まる。この
時、鉄の炭素量が許容範囲に満たない場合は、近接する
炭素と反応（拡散接合）することができる。

【００２３】“セラミックス化”について説明する。従
来、鋳鉄ボンドの砥石は強度が大きすぎるという欠点が
あるが、高強度で剛性が高く、高切り込み重研削が可能
であり、塑性流動を起こさない脆性破壊的な摩耗であ
り、目づまりは生じにくい等の様々な利点をもっている
ことが知られている。本発明の多孔質超砥粒砥石におい
ては、この結合材を、化学的および物理的結合によりい
ったん超砥粒を保持した多孔質体に形成した後、少なく
とも表面部分をセラミックス化して、砥石の剛性を、つ
まりヤング率を調整するものである。メタルボンドの結
合強度を気孔率およびセラミックス化の割合によって制
御するため、研削過程において、メタルボンドが抵抗な
く適度に摩滅するように容易に制御することができる。

【００２４】本発明の多孔質超砥粒砥石の製造方法につ
いて説明する。砥粒としての超砥粒と結合材としての金
属粉末とを混合し、所定の寸法形状に成形した後、この
成形体の超砥粒と結合材粒子との界面において原子の拡
散が起きるようにかつ結合材粒子どうしが焼結して多孔
質体となるように、調節された温度と圧力を加えて焼結
し、さらにその後、窒素、炭素、水素からなる群から選
ばれる１種以上の気体の存在下で加熱して該多孔質体の
少なくとも表面をセラミックスに変成する。砥石全体の
気孔率が５〜４５％になるように、調節された温度と圧
力を加えて焼結する。前記の焼結を通電焼結法により行
い、焼結時の温度を６００℃〜２０００℃の範囲内と
し、かつ圧力を５ＭＰａ〜５０ＭＰａの範囲内とする。
あるいは、前記の焼結をホットプレス焼結法により行
い、焼結時の温度を６００℃〜２０００℃の範囲内と
し、かつ圧力を５ＭＰａ〜５０ＭＰａの範囲内とする。
また、雰囲気焼結、ＨＩＰ焼結などあらゆる焼結方法が
適用できる。前記の焼結をホットプレス焼結法により行
い、焼結時の温度を６００℃〜２０００℃の範囲内と
し、かつ圧力を５ＭＰａ〜５０ＭＰａの範囲内とする。
また、雰囲気焼結、ＨＩＰ焼結などあらゆる焼結方法が
適用できる。前記の焼結に際して加える温度と圧力は、
超砥粒と結合材粒子との界面に、それらの拡散接合相が
目的とする範囲内の厚みに形成されるように調節する。
また、前記の焼結に際して加える温度と圧力は、気孔率
が５％〜４５％の範囲内となるように調節することが好
ましい。例えばＴｉとＣの反応を考える。ＴｉＣの生成
は７００℃以上で炭素雰囲気または真空の場合生成する
ことが可能である。濃度勾配はもちろんのことである
が、鋳鉄などと異なるのは、炭素と鉄の固溶反応ではな
く全く新しい生成物が生まれるということである。タン
グステン（Ｗ）についても同様で、砥粒とボンドの界面
にはタングステンカーバイド（ＷＣ、「超硬」とも呼
ぶ。）が生成される。固溶反応だけであると、その強度
は反応前のものとそれ程変化しないが、全く新しい生成
物、特に、金属がセラミックスに変成した場合に、格段
に強度、ヤング率が向上し、全く異なる物性を示す。

【００２５】焼結には、従来から知られている各種の方
法が採用できる。これらの内で、通電焼結法は特に好ま
しい方法である。通電焼結法は、公知の放電プラズマ焼
結装置または通電焼結機を用いて行うことができる。公
知の放電プラズマ焼結装置は、ダイと、このダイの内部
に挿入される上パンチおよび下パンチと、下パンチを支
え、パルス電流を流す際の一方の電極ともなる基台と、
上パンチを下方に押圧し、パルス電流を流す他方の電極
となる基台と、上下のパンチに挟まれた粉体原料の温度
を測定する熱電対とを有している。上記の基台、基台に
は別途設けた通電装置が接続されていて、この通電装置
から、プラズマ放電のためのパルス電流が、上下のパン
チに印加されるようになっている。この放電プラズマ焼
結装置において、少なくとも基台と基台とに挟まれた部
分はチャンバに収容され、このチャンバ内は真空に排気
され、また雰囲気ガスが導入されないようになってい
る。超砥粒と結合体との粉体混合物は、所定の砥石の形
状に成形されたダイに充填され、チャンバ内が真空にさ
れ、または不活性雰囲気ガスで置換された後、パンチで
上下から加圧圧縮され、次いでパルス電流が印加され
る。この放電プラズマ焼結法によれば、通電電流を調節
することにより、原料粉末を焼結温度に均一に素早く昇
温することができ、また温度管理も厳密に行うことがで
きる。上記の放電プラズマ焼結法に用いることができる
放電プラズマ焼結装置としては、例えば住友石炭鉱業社
製モデルＳＰＳ−２０５０型放電プラズマ焼結装置を挙
げることができる。放電プラズマ焼結法以外にも、例え
ばホットプレス焼結法やセラミクス粉体の焼結にしばし
ば用いられるＨＩＰ（Hot Isostatie Press）法などが
有利に採用できる。

【００２６】

【作用】《拡散接合相》砥粒を結合材に化学的および物
理的結合させて、すなわち、超砥粒と結合材の原子が接
触界面において熱的拡散により入り交じることによって
形成される、共融混合物、固溶体または化合物からなる
拡散接合相により、砥粒が摩滅するまでは脱落しないよ
うに、砥粒保持力を制御する。

【００２７】《気孔率》一般に、砥石において、気孔
は、結合剤の結合強度を制御し研削過程で結合剤が抵抗
なく適度に摩滅していくため、目詰りを抑制し砥石の切
れ味を向上する作用効果がある。また、研削時に発生す
る多量の研削熱を放散させる作用もあり、研削焼けの防
止が問題となる場合は高気孔率の砥石が求められ、中に
は通常の気孔のほかに意図的に大孔径の気孔をつくった
ものもしばしば用いられる。気孔率を下げすぎると、砥
粒を保持する保持力が強くなりすぎるため、切削部が摩
耗した砥粒がバインダーメタルが脱落せずに残り、この
結果、砥石の切削能力が低下し、また、気孔率を上げす
ぎると、砥粒を保持する保持力が弱くなりすぎるため、
バインダーメタルから脱落する砥粒が多くなり、この結
果、砥石の摩耗が増大し、砥石の寿命が短くなる。気孔
率を下げすぎることなく、砥粒を保持する保持力が強く
なりすぎることもなく、メタルボンドの結合強度を制御
する。

【００２８】《セラミックス化》鋳鉄ボンドの砥石にお
ける鋳鉄の特徴は、強度だけではなくその脆性的な破壊
にある。銅系のメタルボンドでは塑性変形によってボン
ド成分が砥石表面を覆ってしまい目づまりを起こし切れ
味を低下させるが、鋳鉄ボンドは脆性的な破壊によって
目づまりを防止することができる。こうした目づまりが
生じにくいという利点をいかすためには、強度が大きす
ぎるという欠点を強度調整によって克服することが必要
である。本発明は砥粒を取り囲む結合材を多孔質構造に
焼結し、上記の気孔を無数に介在させ、かつ、砥粒を焼
結材金属に化学的および物理的結合して保持させる。そ
の後、結合材の多孔質構造体の少なくとも表面部分をセ
ラミックス化し脆性を増加させる。気孔率およびセラミ
ックス化の割合などにより、研削過程でメタルボンドが
抵抗なく適度に摩滅するようにと、ヤング率を調整する
ことで、加工精度を制御できる。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の実施形態について、実施例に
よって図面を用いて説明する。

【００３０】実施例１図１は、実施例１の多孔質超砥粒砥石の構成を模式的に
示したものである。図１において、符号１０は該砥石の
表層部の構成を示している。該砥石１０は、この実施例
では平均粒径２０μｍ〜３０μｍ（＃６６０）のダイヤ
モンド単結晶からなる超砥粒１が、加熱下にこの超砥粒
１と結合して拡散接合相を形成し得る単体元素であるＴ
ｉを結合材３として固定されてなっている。この結合材
３の相（結合材相）には多数の連続気孔５が形成され、
これによって、該砥石１０は気孔率が２９％、すなわち
５％〜６０％の範囲内である多孔質体となっている。こ
の結合材相はその表面がセラミック化されセラミック相
１１に変成されている。該砥石１０において、超砥粒１
と結合材３との接触界面には、これらのいずれか、また
は双方からの原子拡散によって、拡散接合相７が形成さ
れている。この拡散接合相７の厚みｔは、この実施例で
は約０．４３μｍ、すなわち１．５μｍ以下となってい
る。該砥石は、超砥粒１と結合材３とが、上記のように
限定された厚みの拡散接合相７によって強固に結合され
ているので、研削作業中に超砥粒１が無駄に脱落するこ
とがない。

【００３１】また、該砥石は、結合材３の相が多孔質と
されていて、表面が粗いので、電解目立てなどの煩雑な
手段を用いなくても、研削作業中に自動的に目立てが行
われる。しかも、気孔率が高いので、超砥粒１の切刃が
結合材３の表面レベルから高く突出し、切れ味が良い砥
石が得られる。また、該砥石１０は、結合材３の相が連
続気孔の多孔質とされているので、この気孔５を通して
冷却液を循環させることができ、砥石の冷却効果を高
め、また、気孔５によって表面に形成されるポケット９
は、研削作業中に発生する研削屑などを捕捉し、系外に
排除するので目詰まりが起こり難い。さらにまた、その
少なくとも表面部分がセラミック化されたセラミック相
１１に変成されており、セラミック特有の脆性破壊的な
摩耗性をもつため、研削過程において、抵抗なく適度に
摩滅する。

【００３２】更に、結合材３は、気孔５およびセラミッ
ク相１１の存在によってある程度脆くなっているので、
超砥粒１の切刃が摩耗する程度の研削が行われた場合に
は、摩耗した超砥粒１と、その周辺に拡散接合相７を介
して結合された結合材３の一部分とが一緒に剥ぎ取ら
れ、目潰れを防ぐとともに、砥石の最外層が除去される
ことによって、内層にあった超砥粒１が、新たに表面に
現れて本砥石１０の研削力を維持することになる。

【００３３】実施例２実施例１の多孔質超砥粒砥石１０の製造。＃６６０の人造ダイヤモンド単結晶からなる超砥粒１
と、純度９９．５％以上、平均粒径５μｍのＴｉ粉末と
を３（超砥粒）：４（結合材）の容量割合で混合し、得
られた粉体混合物を、放電プラズマ焼結装置のドーナツ
型ダイに充填し、８００℃、１０ＭＰａ、５分の条件で
焼結し、外形９２ｍｍ、内径４０ｍｍ、厚み０．３ｍｍ
のドーナツ円板状の焼結体とした。この窒化処理前の焼
結体を、電子顕微鏡写真（図２）で見ると、中央に見え
るダイヤモンド、およびその周りの小さい粉末Ｔｉが確
認される。ダイヤモンド砥粒とＴｉの反応は、その拡大
写真（図３）により、ダイヤモンド砥粒とＴｉの反応に
よるＴｉ粉末同士の接合状況またはダイヤモンドとＴｉ
の接合が確認される。ついで窒素雰囲気下で加熱してセ
ラミックス（窒化チタン）化して、実施例１の砥石１０
を得た。このものの気孔率は２９％であった。また電子
顕微鏡により、拡散接合相７の厚みを測定したところ、
約０．１μｍであった。その界面はＴｉＣ（炭化チタ
ン）が確認された。超砥粒１と拡散接合相７の界面に空
隙は認められなかった。Ｔｉ焼結体はその表面部分がセ
ラミック（窒化チタン）化されているのを確認した。

【００３４】実施例３実施例１の超砥粒砥石を試料として、工具研削盤を用
い、所定研削法で切断試験を行った。砥石のドレッシン
グはＧＣ＃２４０スティックを用いて行った。被研削体
としてはアルチック（Ａｌ₂Ｏ₃・ＴｉＣ）（曲げ強さ５
８８ＭＰａ、ピッカース硬さ１９．１ＧＰａ）の断面２
ｍｍ×５ｍｍのブロックを用いた。

【００３５】比較例１実施例１の超砥粒砥石のセラミックス化していないもの
を試料として用い、実施例３と同様に切断試験を行っ
た。

【００３６】比較例２比較試験として、実施例１と同様の超砥粒と結合材とを
用い、電着法で作成された外径９２ｍｍ、内径４０ｍ
ｍ、厚み０．３ｍｍのドーナツ円板状のメタルボンド砥
石をＥＬＩＤで目立てしたものを作製し、これを用い、
実施例３と同様に切断試験を行った。実施例１の試料
は、比較例１の３．０倍、比較例２の１．５倍の研削速
度で被研削体を切断できた。この結果は実施例１の砥石
の研削効率が従来のメタルボンド砥石よりはるかに優れ
ていることを示している。

【００３７】実施例４＃６００のＣＢＮ砥粒からなる超砥粒１と純度９９．９
％以上、平均粒径２ミクロンのＴｉ粉末とを３（超砥
粒）：４（結合材）の容量割合で混合し、得られた混合
物を、放電プラズマ焼結装置のドーナツ型ダイに充填
し、８００℃、１０ＭＰａ、５分の条件で焼結し、外径
９２ｍｍ、内径４０ｍｍ、厚み０．３ｍｍのドーナツ円
盤上の焼結体とした。ついで窒素雰囲気下で加熱してセ
ラミックス（窒化チタン）化して、砥石を得た。ＣＢＮ
砥粒と結合材の界面をＸ線回折とＥＰＭＡ（ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎｐｒｏｖｅｍｉｃｒｏａｎａｌｙｚｅｒ）
で面分析を行ったところ、ホウ化チタン（ＴｉＢ₂）の
析出が確認された。また結合材部分のＴｉは窒化処理に
よって、窒化チタン（ＴｉＮ）に変性していることも合
わせて確認した。つまり、ＣＢＮ砥粒は、ホウ化チタン
（ＴｉＢ₂）によって保持され、窒化チタン（ＴｉＮ）
ボンドでその骨格を形成している構造になっている。

【００３８】実施例５実施例４の超砥粒砥石を試料として、工具研削盤を用
い、定圧研削法で切断試験を行った。ドレッシングはＧ
Ｃ＃２４０の簡単なブレーキツルアを用いて行い、被研
削体としてはハイス綱の断面２ｍｍ×５ｍｍのブロック
を用いた。工具研削盤を用い、所定研削法で切断試験を
行った。

【００３９】比較例３実施例４の超砥粒砥石のセラミックス化していないもの
を試料として用い、実施例５と同様に切断試験を行っ
た。

【００４０】比較例４比較試験として、実施例４と同様な割合の超砥粒を含む
ビトリファイド砥石を作成し、これを用い、実施例５と
同様に切断試験を行った。実施例４の試料は、比較例３
の約２倍、比較例４の約５倍の研削速度で被研削体を切
断できた。この結果は実施例４の砥石が、研削効率にお
いてビトリファイド砥石より格段に優れていることを示
している。

【００４１】

【発明の効果】目的の強度、気孔率をもった多孔質セラ
ミックスボンドダイヤモンド砥石を提供することができ
る。目づまりすることなく、長時間の連続研削が可能で
ある多孔質セラミックスボンドダイヤモンド砥石を提供
することができる。ビトリファイドボンド砥石より切れ
味がよく高精度加工が可能で、レジノイドボンド砥石よ
り砥石摩耗が少ない砥石を提供することができる。汎用
の研削盤で充分に使用でき、かつドレッシング性に優れ
ているために、ビトリファイドボンド、レジノイドボン
ドと同様に研削盤上でのドレッシングが可能であり、ま
た研削比も高いために研削コストを大幅に改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の多孔質砥粒砥石の一実施例における、
表層部分の断面模式図である。

【図２】中央に見えるダイヤモンドとその周りの小さい
粉末Ｔｉを確認するための、多孔質砥粒砥石の窒化処理
前のサンプルの、図面に変わる電子顕微鏡写真である。

【図３】図２の拡大写真である。

【符号の説明】

１超砥粒３結合材５連続気孔７融合相９ポケット１０多孔質砥粒砥石の表層部１１結合材表面のセラミック相または結合材のセラミ
ック相ｔ融合相の厚み

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】砥粒として超砥粒および結合材として金
属粉末からなり、この結合材は、化学的および物理的結
合をして超砥粒を保持した多孔質体に形成され、かつ、
該多孔質体に形成された後少なくともその表面がセラミ
ックスに変成されていることを特徴とする多孔質砥粒砥
石。
【請求項２】砥粒が、ヌープ硬度１０００以上を有す
る材料からなる群から選ばれる請求項１の多孔質砥粒砥
石。
【請求項３】ヌープ硬度１０００以上を有する材料か
らなる群が、ダイヤモンドおよび立方晶窒化ホウ素から
なる請求項２の多孔質砥粒砥石。
【請求項４】上記結合材が、加熱下にこの砥粒と化学
的および物理的に結合し得る金属からなり、その多孔質
体が、粉末焼結により形成された多孔構造相のものであ
る請求項１、２または３の多孔質砥粒砥石。
【請求項５】上記金属が、Ｆｅ，Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、
Ｃｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｗ、Ｔｉ、ＳｉおよびＺ
ｒからなる群から選ばれる１種以上である請求項４の多
孔質砥粒砥石。
【請求項６】砥石全体の気孔率が５〜６０％である請
求項１ないし５のいずれかの多孔質砥粒砥石。
【請求項７】砥石全体の気孔率が５〜４５％である請
求項６の多孔質砥粒砥石。
【請求項８】砥粒としての超砥粒と結合材としての金
属粉末とを原料として多孔質砥粒砥石を製造する方法に
おいて、砥粒の突き出しと砥粒のつかみ具合を別個に制
御することを特徴とする製造方法。
【請求項９】砥粒の突き出しをまず制御し、ついで砥
粒のつかみ具合を制御する請求項８の多孔質砥粒砥石の
製造方法。
【請求項１０】砥粒としての超砥粒と結合材としての
金属粉末とを混合し、所定の寸法形状に成形した後、こ
の成形体の超砥粒と結合材粒子との界面において原子の
拡散が起きるように、かつ結合材粒子どうしが焼結して
多孔質体となるように、調節された温度と圧力を加えて
焼結し、さらにその後、窒素、炭素、水素からなる群か
ら選ばれる１種以上の気体の存在下で加熱して該多孔質
体の少なくとも表面をセラミックスに変成する請求項９
の多孔質砥粒砥石の製造方法。
【請求項１１】ヌープ硬度１０００以上を有する材料
からなる群から選ばれる超砥粒を用いる請求項１０の多
孔質砥粒砥石の製造法。
【請求項１２】ヌープ硬度１０００以上を有する材料
からなる群が、ダイヤモンドおよび立方晶窒化ホウ素か
らなる請求項１１の多孔質砥粒砥石の製造法。
【請求項１３】結合材として、加熱下にこの砥粒と化
学的および物理的に結合し得る金属を用い、粉末焼結に
より多孔構造相の多孔質体を形成する請求項１０、１１
または１２の多孔質砥粒砥石の製造法。
【請求項１４】上記金属として、Ｆｅ，Ｃｕ、Ｎｉ、
Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｉお
よびＺｒからなる群から選ばれる１種以上の金属を用い
る請求項１０ないし１３のいずれかの多孔質砥粒砥石の
製造法。
【請求項１５】砥石全体の気孔率が５〜６０％になる
ように、調節された温度と圧力を加えて焼結する請求項
８ないし１４のいずれかの多孔質砥粒砥石の製造法。
【請求項１６】砥石全体の気孔率が５〜４５％になる
ように、調節された温度と圧力を加えて焼結する請求項
１５の多孔質砥粒砥石の製造法。
【請求項１７】前記の焼結を放電プラズマ焼結法によ
り行い、焼結時の温度を３００℃〜２０００℃の範囲内
とし、かつ圧力を５ＭＰａ〜５０ＭＰａの範囲内とする
請求項１０ないし１７のいずれかの多孔質砥粒砥石の製
造方法。
【請求項１８】前記の焼結をホットプレス焼結法によ
り行い、焼結時の温度を３００℃〜２０００℃の範囲内
とし、かつ圧力を５ＭＰａ〜５０ＭＰａの範囲内とする
請求項１０ないし１７のいずれかの多孔質砥粒砥石の製
造方法。