JPH1199477A - 超砥粒ホイール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超砥粒とボンド材である金属粉末とを混合し
た混合体を焼結することにより砥粒層を形成するととも
に、同砥粒層を鉄系の台金表面に直に接合する超砥粒ホ
イールにおいて、製造コストを低減し、かつ、台金と砥
粒層との接合力に優れた超砥粒ホイールを提供する。 【解決手段】 金属粉末として少なくともニッケル及び
錫を使用し、かつニッケルに対する錫の量を１５〜３５
重量％の範囲とした。これにより、台金へのニッケルの
拡散領域が１０μｍ以上と広くなり、従来のように台金
に銅メッキを施すことなく、砥粒層の接合強度を高める
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、石材、コンクリー
ト、セラミックス、耐火れんが等、脆性材料の切断、切
削加工に使用される超砥粒ホイール及びその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】台金の表面に砥粒層を同時成形により形
成した超砥粒ホイールは、石材、コンクリート、セラミ
ックス、耐火れんが等、脆性材料の切断或いは切削加工
に使用されているが、このような同時成形の超砥粒ホイ
ールにおいては、台金と砥粒層との接合力が安全上最も
重要である。

【０００３】従来この要求を充たすために、鉄製台金の
表面に銅メッキを施し、また砥粒層のボンド材として、
メッキ成分と同質の銅を使用している。これによって、
砥粒層を台金表面に焼結成形する際に、メッキ成分の銅
と砥粒層を構成する銅とが相互拡散し、砥粒層とメッキ
層とを相互拡散によって強固に接合することが可能とな
る。また、台金と銅メッキ層とは、機械的結合によって
強固に接合される。

【０００４】このような技術として、例えば、特開昭６
３−２２２７４号公報には、銅メッキした鉄製薄板を下
地層として、ダイヤモンド層に銅、錫、亜鉛、ニッケル
のような金属粉末を使用して一緒に焼結する方法が開示
されている。

【０００５】しかしながら、台金表面に銅メッキを施す
ことは製造工数の増加となるばかりでなく、メッキを施
さない部分には絶縁体で台金表面を被覆しなければなら
ないというメッキ加工の問題上、砥粒層形成部以外にも
全面にメッキを施さざるを得ず、これがコストダウンの
大きな阻害要因となっている。

【０００６】またこの他に、実開昭５５−１４２２５８
号公報には、台金と砥粒層との接合強度を向上させるた
めに、台金の外周面の突起部に多数の凹陥部を設けてセ
グメントチップを焼結させ、機械的に接合強度を強くし
たダイヤモンド砥石が記載されているが、このような凹
陥部を設けるのは加工費が高く、現実的な製造方法とし
ては採用しにくい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明において解決す
べき課題は、製造コストを低減し、かつ、台金と砥粒層
との接合力に優れた超砥粒ホイールを提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記課題を解
決するために、銅メッキを施すことなく、これと同等以
上の接合力を得る方法について鋭意研究の結果、従来ボ
ンド材としても使用されているニッケル及び錫を特定の
割合で使用することによって、これが解決できることを
知見し、本発明を完成するに至ったものである。

【０００９】すなわち、本発明の超砥粒ホイールは、ダ
イヤモンドやＣＢＮなどの超砥粒とボンド材である金属
粉末とを混合した混合体を焼結することにより砥粒層を
形成するとともに、同砥粒層を鉄系の台金表面にメッキ
層を介さずに直に接合する超砥粒ホイールであって、前
記金属粉末として少なくともニッケル及び錫を使用し、
かつ前記ニッケルに対する錫の量を１５〜３５重量％の
範囲としたことを特徴とするものである。

【００１０】ここで、ニッケルはボンド材として使用し
た場合、耐熱性が高くボンド焼けしない、強度が高く延
性に富むために砥粒層の強度を高める、という特徴を有
する。反面、強度が高く磨耗しにくいので、砥粒の自生
作用を起こしにくくする特性がある。

【００１１】これに対し錫は、耐熱性が低くボンド焼け
する、強度が低く延性が低いために砥粒層の強度が低
い、という特性から、ボンド材の主材としては不適切で
あり、主に添加剤として用いられている。一方、強度が
低く磨耗しやすいことから、砥粒の自生作用を促進する
という特徴を有する。

【００１２】本発明者は実験の結果、ニッケルの量に対
し、錫を１５〜３５重量％とすることで、耐熱性が低く
強度が低いという錫の欠点を発現させることなく、砥粒
層の焼結温度である７００〜１０００℃の低い温度で流
動化してニッケルの周囲を覆い、その結果、ニッケルを
活性化させて、鉄製台金内に深く入り込み１０μｍ以上
にわたってニッケルの拡散領域を持つことが可能となる
ことを知見した。なお、ニッケルと錫以外の材料として
は、銅、コバルト、鉄などが好適に使用可能である。

【００１３】ここで、ニッケルの量に対する錫の量が１
５重量％未満であると、錫の量が不足し、ニッケルの周
囲を覆いきれずに、台金へのニッケルの拡散領域が狭く
なる。またボンド強度が高過ぎて砥粒の自生作用を起こ
しにくくする。他方３５重量％を超えると、ニッケルの
拡散領域は微増するが強度不足となるため、上記範囲が
望ましい。

【００１４】また、ニッケルの含有量はボンド材全体の
１５重量％以上が望ましく、より好ましくは４０重量％
以上である。ニッケルの含有量が１５重量％未満の場
合、錫の量が前記の範囲であってもニッケルの量が不足
し、ニッケルの拡散領域が狭くなって、砥粒層と台金と
の接合強度が低くなる。１５重量％以上であれば１０μ
ｍ以上の拡散領域が得られ、４０重量％以上になると拡
散領域と接合強度が高いレベルで安定する。

【００１５】図１は錫の溶融によるニッケルの活性化を
説明する模式図であり、（ａ）は常温で加圧したときの
状態、（ｂ）は３００℃で加圧したときの状態、（ｃ）
は７００℃で加圧したときの状態をそれぞれ示す。な
お、本説明ではニッケル及び錫以外の材料として銅を含
有したものについて述べるが、銅に代えてコバルトや鉄
でも同様の傾向が見られた。

【００１６】図１において、１は鉄製台金、２は砥粒
層、３はニッケルの粉末、４は錫の粉末、５は銅の粉末
であり、砥粒層２中のダイヤモンド砥粒は図示を省略し
ている。同図（ａ）に示すように、常温で加圧した状態
では、各金属粉末間には多数の空間が存在する。これを
３００℃に加熱して加圧すると、同図（ｂ）に示すよう
に、空間が少なくなるとともに錫の粉末４が溶融してニ
ッケルの粉末３及び銅の粉末５の表面を被覆する。さら
に７００℃以上で加熱すると、同図（ｃ）に示すよう
に、溶融した錫４ａとニッケル及び銅とが合金化を始め
る。

【００１７】この合金化によってニッケルが活性化さ
れ、ニッケルが鉄製台金１内に深く入り込み１０μｍ以
上にわたって拡散領域を形成する。この場合、鉄製台金
に従来のような銅メッキが施されていると、ニッケルが
鉄製台金に拡散されにくく、拡散領域は４μｍ程度しか
得られないが、本発明では銅メッキを施さない鉄製台金
１を用いるので、１０μｍ以上の拡散領域が形成され
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の超砥粒ホイールは、ボン
ド材の組成が異なる点を除いて、従来の超砥粒ホイール
と同様な手順によって製造し、使用することができる。
以下本発明におけるボンド材の組成に関して、実験例に
基づいて詳細に説明する。

【００１９】〔実験例１〕ニッケルと錫の組成比の検討 ボンド材全体の重量に対するニッケルの割合を５０重量
％に固定し、ニッケルに対する錫の割合を０〜５０重量
％の範囲で変化させたときの、台金へのニッケルの拡散
領域及び接着強度を図２に示し、ニッケルに対する錫の
割合を２０重量％に固定し、ボンド材全体の重量に対す
るニッケルの割合を０〜７０重量％の範囲で変化させた
ときの、台金へのニッケルの拡散領域及び接着強度を図
３に示す。

【００２０】図２に示すように、ニッケルに対する錫の
割合が１５〜３５重量％のとき、台金へのニッケルの拡
散領域は１０μｍ以上でかつ接着強度が１００Ｋｇｆ／
ｃｍ以上となる結果が得られた。また、図３に示すよう
に、ボンド材全体の重量に対するニッケルの割合が１５
重量％以上のとき、台金へのニッケルの拡散領域は１０
μｍ以上でかつ接着強度が１００Ｋｇｆ／ｃｍ以上とな
る結果が得られた。

【００２１】〔実験例２〕拡散領域と接着強度・疲労強
度の関係調査 ボンド材全体の重量に対するニッケルの割合及びニッケ
ルに対する錫の割合を種々変えて台金へのニッケルの拡
散領域が０〜２０μｍの範囲の超砥粒ホイールを製作
し、接着強度と疲労強度を調査した結果を図４に示す。
ここで疲労強度は、接着部に繰り返し応力を加え、接着
部が疲労破壊するまでの繰り返し回数で表す。

【００２２】図４に示すように、台金へのニッケルの拡
散領域が１０μｍ以上あると、接着強度は１００Ｋｇｆ
／ｃｍ以上となり、疲労強度（疲労破壊するまでの繰り
返し回数）は１００００回以上となり、従来の台金表面
に銅メッキを施した場合と同程度の接着強度と疲労強度
が得られる。

【００２３】〔実験例３〕焼結温度と拡散領域・砥粒の
破砕性の関係調査 ボンド材全体の重量に対するニッケルの割合が１５重量
％以上でかつニッケルに対する錫の割合が１５〜３５重
量％の範囲のボンド材を用いて焼結したときの焼結温度
と拡散領域及び砥粒の破砕性との関係を調査した結果を
図５に示す。ここで砥粒の破砕性は、加熱後の試料砥粒
と鋼球を鋼製のカプセルに入れて一定時間揺動し、この
後カプセル中の砥粒を取り出し、試料砥粒より一段下の
篩を用いて篩い分けを行ったときの、一段下の篩通過量
（ｇ）／試料砥粒総重量（ｇ）×１００（％）で表す。

【００２４】図５に示すように、焼結温度が７００℃以
上であると、台金へのニッケルの拡散領域が１０μｍ以
上となる。他方、焼結温度が１０００℃を超えると、砥
粒結晶中の金属介在物が熱応力により砥粒粒子を破壊し
てクラックが発生し、砥粒の破砕性が急増する。この結
果から、焼結温度は７００〜１０００℃の範囲が適当で
あることがわかる。

【００２５】なお上記実施例では、ニッケルと錫とを別
々準備してこれを混合したものについて説明したが、あ
らかじめ上記割合のニッケル粉と錫粉とを合金化したも
のも使用できる。この場合、合金化していない方が、若
干ニッケルの拡散領域が広いことが確認された。

【００２６】

【発明の効果】本発明によって以下の効果を奏すること
ができる。

【００２７】（１）金属粉末としてニッケル及び錫を使
用し、かつニッケルに対する錫の量を１５〜３５重量％
の範囲とすることで、従来のような台金に銅メッキを施
すことなく、砥粒層の接合強度を高めることができる。

【００２８】（２）特にニッケルの含有量をボンド材全
体の１５重量％以上とすることで、台金へのニッケルの
拡散領域が１０μｍ以上と広くなり、高い接合強度を得
ることができる。

【００２９】（３）ニッケル及び錫を特定の範囲で使用
することにより、７００〜１０００度の比較的低温で焼
結を行うことができる。

【００３０】（４）比較的安価な金属材料であるニッケ
ルや錫を使用すること、及び台金の銅メッキを省くこと
により、製造コストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 錫の溶融によるニッケルの活性化を説明する
模式図である。

【図２】 錫の含有量と台金へのニッケルの拡散領域及
び接着強度の関係を示す図である。

【図３】 ニッケルの含有量と台金へのニッケルの拡散
領域及び接着強度の関係を示す図である。

【図４】 拡散領域と接着強度・疲労強度の関係を示す
図である。

【図５】 焼結温度と拡散領域・砥粒の破砕性の関係を
示す図である。

【符号の説明】

１ 鉄製台金 ２ 砥粒層 ３ ニッケルの粉末 ４ 錫の粉末 ４ａ 溶融した錫 ５ 銅の粉末

フロントページの続き (72)発明者 手島 正智 福岡県浮羽郡田主丸町大字竹野210番地 ノリタケダイヤ株式会社内 (72)発明者 井手 大介 福岡県浮羽郡田主丸町大字竹野210番地 ノリタケダイヤ株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超砥粒とボンド材である金属粉末とを混
   合した混合体を焼結することにより砥粒層を形成すると
   ともに、同砥粒層を鉄系の台金表面に直に接合する超砥
   粒ホイールであって、前記金属粉末として少なくともニ
   ッケル及び錫を使用し、かつ前記ニッケルに対する錫の
   量を１５〜３５重量％の範囲としたことを特徴とする超
   砥粒ホイール。
2. 【請求項２】 前記ニッケルの含有量がボンド材全体の
   １５重量％以上であることを特徴とする請求項１記載の
   超砥粒ホイール。
3. 【請求項３】 前記焼結による台金へのニッケルの拡散
   領域が１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１，
   ２記載の超砥粒ホイール。
4. 【請求項４】 請求項１〜３記載の超砥粒ホイールの製
   造方法であって、前記焼結温度が７００〜１０００℃の
   範囲であることを特徴とする超砥粒ホイールの製造方
   法。