JPS6339381B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は研摩材とりわけ微細金属短繊維と砥粒
との複合した研摩材に関するものである。 セラミツクをはじめとする硬脆材料や超硬合金
等のラツピング、超仕上加工あるいは微少切込み
の研削による超精密仕上げなど前加工された工作
物の平面度を高め、良好な仕上げ面を作る手段と
して研摩材（砥石）が汎用されており、一般にダ
イヤモンド、CBN、アルミナなどの砥粒を結合
剤で保持した構造となつている。この結合剤とし
ては金属、非金属があるが、前者は後者に比べて
結合力が良いため、ダイヤモンドやCBNなどの
高性能砥粒の結合に用いられている。かかる金属
を結合剤とする研摩材の製造法して電着法や焼結
法があるが、従来では次のような問題があつた。 すなわちそのひとつの問題は砥粒含有量が少な
い点である。研摩材としての性能向上を図るには
できるだけ多量の砥粒を含有させることが必要で
あるが、電着法は溶製材にニツケルメツキ等で砥
粒を固着させる関係から一層しか形成できず、砥
粒含有量には自ら限界がある。また、焼結法も、
砥粒を多く配合すると、混合の均一性（非分離
性）、成形性及び焼結性の低下が著しく、条件を
最良にしてもせいぜい15wt％、実用的には10wt
％程度が限度であつた。 次の問題は砥粒の分散性と保持力であり、これ
も研摩材において重要であるが、従来の方法はい
ずれもこの特性が良好ではなく、ことに焼結法
は、砥粒と粉末粒子との比重差、粒度差などによ
り砥粒がうまく分散しにくく、また砥粒が粉末粒
子間の空隙に顆粒状にかたまるため保持力が低
く、使用中に砥粒が離脱しやするいこれは特に砥
粒の粒度が小さい場合に起りやすく、前記焼結性
の不十分なこととあいまち研摩材としての機械的
強度を低下させる一因となつている。 本発明は前記のような従来の研摩材の問題点を
解消するために研究を重ねて創案されたもので、
砥粒を非常に多量にかつ均一に含有すると共に強
度及び砥粒保持力が良好で、しかもダイヤモンド
などの砥粒の焼結による損耗を低減できる実用的
な研摩材を提供しようとするものである。 この目的のため本発明は、母材をびびり振動切
削して製造したアスペクト比がほぼ４〜70の微細
短繊維を砥粒と混合、成形、焼結し、微細短繊維
により骨格を作り、この骨格中に砥粒を分散包埋
させるようにしたものである。 以下本発明の実施例を添付図面に基づいて説明
する。 第１図は本発明に係る繊維焼結型研摩材の一例
を示すもので、１はセグメント状の研摩材であ
り、任意の厚さと外形を有する焼結体とりわけ微
細短繊維の焼結組織２を骨格としてこれに砥粒３
が分散包埋された複合構造からなつている。 しかして、本発明は、砥粒結合剤として粉末を
用いず、微細な金属短繊維とくに母材からびびり
振動切削方式により直接分離創生したアスペクト
比が約４〜70の微細短繊維４を用いる。母材金属
は鋳鉄をはじめとする鉄系金属、黄銅や青銅など
の銅合金などを用いることができる。結合材とし
て金属粉末を用いた場合には、ほぼ球に近い形状
（粒子）をなしていることから、成形にあたつて
高い成形圧を要するうえに、成形可能な範囲で加
圧力を最小としても成形体空孔率が低く、砥粒を
多量に混合して成形を行うと、砥粒が粉末粒子の
まわりを取り巻き、粉末粒子同志の接触を妨げ
る。そして、砥粒を粉末粒子とは比重に大きな差
があるため、混合後金型等へ充填する際などに容
易に分離し、偏析が生じやすい。 このことから本発明は結合剤として微細短繊維
を用いるが、この微細短繊維としてなかなか良好
なものがなく、たとえば液体から押し出したもの
や引き抜き法や切削法による長繊維を寸断したも
のでは寸法や物性が不均一であつたり、表面性状
が悪いため容易に折損し粉末化されるなどの欠点
も多く、このような方法で作られた短繊維は成形
性、焼結性などの特性を著しく低下させることに
なる。種々の短繊維を検討した結果、微細短繊維
として、とくに母材をびびり振動切削により創生
させた特定寸法範囲の短繊維がもつとも有効であ
つた。 このびびり振動切削による短繊維製造は、柱状
や棒状をなす母材ブロツクを回転させるかまたは
高い固有振動数を持つ弾性工具を母材金属のまわ
りで回転させ、この弾性工具に所定量の微少な送
りを与えながら積極的にびびり振動を発生させ、
びびり１サイクルごとに母材表層を強制的に分断
して繊維化するもので、振動数に対応した本数と
切込み深さに対応した長さの微細で均一な寸法、
物性の短繊維が製造される。このびびり振動切削
による微細短繊維４は加工硬化により母材以上の
強度を示し、かつ、乾式でブロツクから直接分離
創生されるため表面の接合に対する活性度が高い
と同時に酸化物や他の異物が少ない。そして、断
面が平滑面と破さい面及び粗面とからなる略三角
形類似をなし、表面積が大きい。 ただ、このびびり振動切削で製造した微細短繊
維は粒子よりも流動性が低いため、長めで太さが
細いと繊維のからみ合いが強すぎてフアイバーボ
ールと称する塊を形成し、砥粒の効果的な分散封
入を図れなくなる。また、逆にあまり短く太さを
大にすると、粒子に近くなるため、成形性、焼結
性が低下し、砥粒の高含有率化を達成できない。
本発明者らの検討したところによれば、びびり振
動切削で製造した微細短繊維をアスペクト比がほ
ぼ４〜70の範囲にすると、びびり振動切削繊維の
特性を十分に発揮させることができると同時に、
流動性、成形性、焼結性などがきわめて良くな
り、砥粒の高含有率化、強度などの目的を達成で
きた。製造条件を含めた微細短繊維の若干例を示
すと下記第１表のとおりである。

【表】

【表】 しかして本発明は、前記のような特定の微細短
繊維４と砥粒３たとえばアルミナ（WA）、ダイ
ヤモンド、立方晶、窒化ほう素（CBN）などを
ボールミルなどの任意の容体に装入し、手動又は
機械的に撹拌する。アスペクト比が適正であるた
め、微細短繊維４は塊を形成することなくほどよ
くからみ合い、第４図及び第４ａ図のように少な
くとも一部が互いに接触し合つたきわめて目の細
かい多層網目状の骨格５が形成され、その網目状
の骨格の微少な全空隙（速成空孔）６に砥粒３が
充填される。 なお、必要に応じて微細短繊維４と砥粒３との
配合に微細短繊維と同系の材質の金属粉末たとえ
ば鋳鉄の微細短繊維であればカルボニルなどの純
鉄粉を添加してもよい。 次いで、前工程で得られた混合物７を所望の成
形手段たとえば第５図のような金型８に充填し、
所定の圧力で加圧する。このときの加圧力は、結
合材が微細短繊維であるため、粉末粒子の場合に
比べてかなり低圧力で足り、この成形時に微細短
繊維の配向および骨格間の空隙方向がほぼ繊維軸
線が加圧方向と直角に近い方向に調整されると共
に必要な密度となり、砥粒３は厚さ方向の断面に
おいてほぼ整列するようなかたちで分散封入され
る。なお成形方法としては、上記のような金型へ
の充填圧縮のほか、圧延ロールなどによる圧延方
式を採つてもよく、この方法をとればシート状の
研摩材とすることができる。 次に成形体を水素雰囲気などの還元性雰囲気に
て加熱、焼結させる。この焼結により微細短繊維
群からなる網目状の骨格が互いに溶着して第２図
のように溶製材に近い均質な焼結組織となり、そ
の組織中に砥粒３が分散包埋される。本発明の場
合、多量に砥粒を含有させるにもかかわらず、金
属粉末に砥粒を配合した圧粉体に較べ低い焼結温
度で焼結される。その理由は必ずしも明確ではな
いが、びびり振動切削により母材から直接分離創
生した短繊維が、油分等の異物の付着のない清浄
でかつ接合に対する活性度の高い表面性状である
こと、表面積が大きいうえに適正なアスペクト比
であるため溶着効率が良いことなどが考えられ
る。 以上のような工程で第１図や第２図に示すよう
な研摩材が得られ、そのままあるいは工具本体に
接着し、目立てを行えばよい。なお、必要に応じ
焼結後に再焼結などの熱処理を行つたり、再圧縮
などを行つてもよいのは勿論である。 本発明による研摩材は、上記のようにびびり振
動切削により製造したアスペクト比が４〜70の微
細短繊維を砥粒を添加混合し、成形、焼成したの
で、塊を形成することなく微細短繊維がからみ合
つてきわめて空孔率の高い多層の微細網目状骨格
が形成されると同時にその微細網目状骨格の各空
隙（速成空孔）に砥粒が多量に分散充填され、低
い成形圧によつて所望の形状に成形される。そし
て、成形後焼結することにより砥粒を封じ込んだ
微細網目状骨格が溶着して溶製材状の母地とな
り、この母地に多量の砥粒が均一に分散した状態
で包埋され、従つて、保持力が高く、砥粒離脱や
砥粒の転動による破さい面を生じさせない。 そして、砥粒が高含有率で封入されると共に均
一に分散されているため研削効果が高く、かつ砥
粒は母地中に分散されているため、表層の砥粒が
摩耗して脱落すると次層の砥石が表面に表出し、
従つて切刃の自生力がよく、切れ味が持続する。
加えて、砥粒を多量に含有しているにもかかわら
ず焼結性が良く、すぐれた引張り力や耐衝撃性な
どの特性が得られるうえに、低い焼結温度で処理
できるため、ダイヤモンドを砥粒とする場合に黒
鉛化による損耗が少なくて済むという大きなメリ
ツトがある。 次に本発明の実施例を示す。 実施例 本発明による砥石を製造し、あわせて比較の
ため結合剤として粉末を用いて砥石を製造し
た。 微細短繊維として、下記第２表に示す５種の
鋳鉄母材を第１表に示す条件でびびり振動切削
により製造したものを用いた。粉末は第２表の
FC15級鋳鉄の切粉を粉砕し＃120〜に分散した
ものを用いた。砥粒としてはアルミナ粉（WA
＃800）を用いた。

【表】 上記微細短繊維に砥粒を10〜50wt％添加混
合し、10mm×50mmの長方形ダイスで面圧60Kg／
mm²で成形し、焼結条件1140℃、30min、水素雰
囲気中で焼結した。 得られた砥石の引張強さと密度を、粉末
（鋳）を結合剤とした場合と比較して示すと第
６図のとおりである。本発明の場合は、砥粒を
10wt％添加した場合でも引張り強さが18Kg／
mm²もあり、50wt％（約70vol％）添加しても焼
結可能で、２Kg／mm²の引張り強さがある。これ
に対し、粉末（鋳鉄粉）では30wt％以上添加
すると成形不可能であり、20wt％添加ではな
んとか成形できても焼結しなかつた。 上記特性をみるため、成形圧力80Kg／mm²一
定、焼結時間30min一定の条件で焼結温度を
950〜1150℃にとつて焼結を行つた。その結果
を示すと第７図のとおりであり、粉末の場合は
焼鈍したものを使つても1100℃以上で焼結する
必要があり、最高の引張り強さが42Kg／mm²であ
る。これに対し本発明の場合は、成分的に大差
ないにもかかわらず950℃で焼結しても引張り
強さ25〜30Kg／mm²という強い値を示す。このこ
とから、本発明は砥粒としてダイヤモンドを使
用する場合にきわめて有利であることがわか
る。 次に、焼結温度1140℃一定、焼結時間30min
一定で、成形圧力を20〜80Kg／mm²にした場合の
引張り強さへの影響を示すと第８図のとおりで
ある。この第８図から本発明の場合は20Kg／mm²
というかなり低い成形圧力でも引張り強さが20
〜30Kg／mm²もあり、成形性が優れていることが
わかる。 得られた砥石（砥粒含有率30wt％）をラツ
プ工具として用い、超硬合金を被加工材とし
て、加工速度16〜60ｍ／min、加工圧力0.5〜
15Kgｆ／cm²で実験を行つた結果、長時間にわた
りラツプ量が減少せず、良好な耐久力が示さ
れ、またラツプ能率、表面粗さが良好であつ
た。 以上説明した本発明によるときには、従来の固
定砥粒型研摩材に比べ著しく砥粒含有量が多くか
つこれが均一に分散され、しかも砥粒保持力が良
好であると共に引張り強さ、耐衝撃性など工具と
して必要な機械的特性に優れた実用的な研摩材を
提供することができる。また焼結性に優れ、低温
での焼結によつても十分な強度が得られるため、
特に砥粒としてダイヤモンドを用いた場合に問題
となる焼結時の損耗を効果的に防止することがで
きる。さらに、製造上も成形圧力が低くて済み小
容量のプレス類を用いることができるため、前記
した焼結温度の低下とあいまち比較的容易かつ経
済的に製造できるというすぐれた効果が得られ
る。 なお本発明は、ラツプ工具、超仕上げやホーニ
ングなどの工具としてあるいは超硬合金の金型研
摩具や鋳鉄製品の研摩工具などあらゆる難加工材
の加工に用いることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る微細短繊維焼結型研摩材
の一例を示す斜視図、第２図は第１図の一部拡大
断面図、第３図は本発明における複合用材の拡大
斜視図、第４図は混合時の状態を示す拡大断面
図、第４ａ図は同じくその部分的拡大図、第５図
は成形状態を示す断面図、第６図は本発明におけ
る砥粒配合率と引張り強さの関係を示すグラフ、
第７図は焼結温度と引張り強さの関係を示すグラ
フ、第８図は成形圧力と引張り強さの関係を示す
グラフである。 ２……焼結組織、３……砥粒、４……微細短繊
維。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 母材をびびり振動切削して製造したアスペク
   ト比がほぼ４〜70の微細短繊維を砥粒と混合、成
   形、焼結し、微細短繊維焼結組織を骨格として砥
   粒を分散包埋せしめてなる微細短繊維焼結型研摩
   材。