WO2010137623A1 - メタルボンド砥石の製造方法及び製造装置 - Google Patents

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WO2010137623A1
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pressure
metal bond
temperature
bond grindstone
metal
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PCT/JP2010/058922
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博 山副
正拡 糸井
友彦 三谷
太郎 園部
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株式会社日進製作所
国立大学法人京都大学
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D3/00—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents
    • B24D3/02—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents the constituent being used as bonding agent
    • B24D3/04—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents the constituent being used as bonding agent and being essentially inorganic
    • B24D3/06—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents the constituent being used as bonding agent and being essentially inorganic metallic or mixture of metals with ceramic materials, e.g. hard metals, "cermets", cements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D18/00—Manufacture of grinding tools or other grinding devices, e.g. wheels, not otherwise provided for
    • B24D18/0009—Manufacture of grinding tools or other grinding devices, e.g. wheels, not otherwise provided for using moulds or presses

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for manufacturing a metal bond grindstone.
  • the metal bond grindstone is formed by sintering a grindstone material (mixed powder) in which abrasive grains are dispersed in a metal bond powder such as copper, tin, or silver (see Patent Document 1). Conventionally, a hot press method or a discharge plasma method is used for sintering such a metal bond grindstone.
  • the hot press method and the discharge plasma method have a problem that the power consumption for heating is about 16 kW, for example, and the power consumption is large.
  • microwave heating is inappropriate for sintering of a metal bond grindstone, and there is no example using microwave heating for sintering of a metal bond grindstone.
  • the present inventors have conducted experiments under the idea that microwave heating is used to sinter the metal bond grindstone, and as a result of experiments, the metal bond grindstone is sintered by microwave heating.
  • the present invention has been completed successfully.
  • an object of the present invention is to provide a novel method and apparatus for manufacturing a metal bond grindstone with reduced power consumption.
  • the present inventors have found that when a metal bond grindstone material body containing a metal binder powder is heated by microwaves, sintering is possible because the binder is a powder of a metal. . That is, the present invention is a method for producing a metal bond grindstone for obtaining a sintered metal bond grindstone by a sintering step of sintering a metal bond grindstone material in which a metal binder powder and abrasive grains are mixed.
  • the binding step is a method for manufacturing a metal bond grindstone characterized in that the metal bond grindstone material containing the metal binder powder is heated by microwaves to obtain a sintered metal bond grindstone.
  • the sintering step is a pressure sintering step in which microwave heating is performed while pressing the metal bond grindstone material.
  • the final pressure in the pressure sintering step is It is preferable that heating by microwaves is started at a low pressure, and the pressurization pressure reaches the final pressurization pressure by increasing the pressurization pressure during the temperature rise by the microwave heating.
  • the increase of the pressurizing pressure to the final pressurizing pressure is performed when the temperature of the metal bond grindstone material reaches an intermediate temperature, and the intermediate temperature includes a plurality of types of metal bonds included in the metal bond grindstone material.
  • the melting point of the metal binder powder made of a metal having a melting point lower than the target temperature for microwave heating is preferably at or near the melting point.
  • the firing step has a pressure sintering configuration in which microwave heating is performed while pressurizing the metal bond grindstone material.
  • the pressure applied in the pressure sintering step is the final applied at the start of microwave heating.
  • the initial pressurization pressure is lower than the pressurization pressure, and before reaching the target temperature for microwave heating, it is increased to an intermediate pressurization pressure that is a pressure between the initial pressurization pressure and the final pressurization pressure. It is preferable to further increase to the final pressure.
  • the increase of the pressurizing pressure to the intermediate pressurizing pressure is performed when the temperature of the metal bond grindstone material reaches the intermediate temperature, and the intermediate temperature is a plurality of kinds of metal bonds included in the metal bond grindstone material.
  • the melting point of the metal binder powder made of a metal having a melting point lower than the target temperature for microwave heating is preferably at or near the melting point.
  • Another aspect of the present invention is an apparatus for manufacturing a metal bond grindstone, in which a metal bond grindstone material in which a metal binder powder and abrasive grains are mixed is housed therein, and the metal housed in the mold It is a manufacturing apparatus of the metal bond grindstone characterized by including the microwave radiation part for heating bond grindstone material with the microwave radiated from the outside of the above-mentioned type.
  • the mold is preferably made of a dielectric material having microwave permeability.
  • the mold further includes a temperature measurement unit provided in the mold, and the mold has microwave permeability, and the temperature in the metal bond grindstone material is set to the temperature. It is preferable to include a material having a thermal conductivity that can be reflected in the position where the measurement unit is provided.
  • the mold further includes a temperature measurement unit for measuring the temperature of the metal bond grindstone material in the mold, and the mold includes a first mold part formed of a dielectric material having microwave permeability, and the first mold part. And a second mold part that transmits the heat of the metal bond grindstone material to the temperature measurement part, and the temperature measurement part is interposed via the second mold part. It is preferable to measure the temperature of the metal bond grindstone material.
  • the metal bond grindstone can be sintered by microwave heating that can save power, and the manufacturing cost of the grindstone can be reduced.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line AA in FIG. 3. It is a graph which shows the 1st example of the microwave heating control method. It is a graph which shows the 2nd example of the microwave heating control method. It is a graph which shows the 3rd example of the microwave heating control method. It is a graph which shows the 4th example of a microwave heating control method. It is a graph which shows the microwave heating control method (temperature-pressure control) which concerns on 2nd Example. It is a graph which shows the microwave heating control method (temperature-pressure control) which concerns on 3rd Example.
  • FIG. 1 shows a grindstone manufacturing apparatus 1 according to the embodiment.
  • This manufacturing apparatus 1 is configured as a microwave heating apparatus with a pressurizing function, and this microwave heating apparatus is a single mode that performs heating by standing waves (combination of incident waves and reflected waves). Therefore, heating can be efficiently performed by installing the grindstone material (mold 10) at the position where the electric field is maximum or the magnetic field is maximum.
  • the thing of a multi mode can also be used as a microwave heating apparatus.
  • the manufacturing apparatus 1 includes a microwave generation unit (oscillation unit) 2 and a processing unit 3 for heating a grindstone material that is an object to be heated by microwaves, and transmits the microwave to the processing unit 3 side.
  • a waveguide 4 is provided.
  • the waveguide 4 includes a short-circuit plate 4a at the end.
  • the microwave generation unit 2 is configured by, for example, a magnetron and can generate a microwave of 2.45 GHz, for example.
  • the frequency is not limited to this, and for example, 915 MHz or 5.8 GHz. It may be.
  • a semiconductor amplifier may be used as the microwave generator 2.
  • the power consumption in the microwave generating unit 2 may be about 400 W, for example, and the power consumption in the conventional grindstone manufacturing method (for example, the hot press method) is 16 kW. Can be reduced.
  • an isolator 5 and a stub tuner 6 are provided in the middle of the waveguide 4 leading to the processing unit 3.
  • the isolator 5 includes a circulator 5a and a dummy load 5b.
  • the microwave generated from the microwave generation unit 2 passes to the processing unit 3 side, but the microwave reflected from the processing unit 3 side does not return to the microwave generation unit 2, but to the dummy load 5b side.
  • Sent. The apparatus 1 measures the power of the microwave (incident wave) emitted from the microwave generation unit 2 and the power of the microwave (reflected wave) reflected from the processing unit 3 side.
  • a power meter 7 for obtaining the absorbed power is provided.
  • the stub tuner (impedance matching unit) 6 can adjust the resonance length of the microwave.
  • FIG. 2 to 4 show the configuration of the device 1 related to the processing unit 3.
  • FIG. The processing unit 3 is provided in the waveguide 4 and is used for obtaining a grindstone (for example, a honing grindstone) obtained by pressure-sintering a grindstone material.
  • sintering is performed by microwave heating using microwaves radiated from the microwave generating unit 2 and passing through the waveguide 4.
  • a mold 10 for accommodating an unsintered grindstone material is disposed at a predetermined position of the maximum electric field or maximum magnetic field in the waveguide 4, and the microwave transmitted through the mold 10 is The grinding stone material in 10 is heated.
  • the mold 10 includes a cylindrical mold body (first mold part) 11, an inner mold 13 (first mold part) that stores a grindstone material, and an inner mold 13 that enters the inner mold 13 from above and below.
  • the upper and lower molds 14 and 15 (second mold part) for pressing the material M from above and below, and the pressing plates (second mold parts) 12a and 12b for pressing the upper and lower molds 14 and 15 are configured. Yes.
  • the upper and lower pressing dies 14, 15 are pressed through the pressing plates 12 a, 12 b by the pressing rods 21, 22 included in the pressing device 20 to press the grinding stone material M. I do.
  • the mold 10 is formed of a dielectric material such as ceramics that does not absorb much microwave and generates little heat by the microwave. Since the microwave absorption by the mold 10 itself is small, even if the microwave is irradiated from the outside of the mold 10, the microwave is absorbed mainly by the grindstone material M, and the microwave absorption by the mold 10 is reduced. Efficiency is good.
  • the mold 10 may be entirely formed of a single type of material (for example, alumina) in accordance with the above viewpoint, but in this embodiment, the mold 10 is used for easy monitoring of the temperature of the grindstone material. 10 is constituted by a plurality of types (two types) of materials. More specifically, the cylindrical mold body (first mold part) 11 and the inner mold (first mold part) 13 are formed of alumina (aluminum oxide; Al 2 O 3 ), and the upper and lower pressing molds (second molds). The mold parts 14 and 15 and the pressing plates (second mold parts) 12a and 12b are made of an aluminum nitride-boron nitride composite (AlN-BN).
  • AlN-BN aluminum nitride-boron nitride composite
  • the alumina is a kind of ceramics and has microwave permeability, so that it is difficult to be heated by microwaves and is suitable for suppressing microwave absorption by the mold 10.
  • ceramics such as alumina do not necessarily have high thermal conductivity. If the thermal conductivity of the mold 10 is low, the temperature difference between the mold 10 and the grindstone material M becomes large when attempting to measure the temperature of the grindstone material M during the sintering process via the mold 10, and the grindstone material M It becomes difficult to measure the exact temperature.
  • both aluminum nitride and boron nitride are ceramics and have microwave permeability like alumina, but ceramics (dielectric) is a material with high thermal conductivity.
  • nitriding which is a material having better heat conductivity than alumina, is desired to ensure good heat conduction for temperature measurement.
  • An aluminum-boron nitride composite is used. That is, in the present embodiment, as described above, the mold body 11 and the inner mold 13 that are the first mold part are formed of alumina, and the upper and lower pressing molds 14 and 15 that are the second mold part and the pressing plate 12a. , 12b are formed of an aluminum nitride-boron nitride composite. Note that the second mold part may be formed of aluminum nitride or boron nitride.
  • thermocouple which is a temperature detection unit 23a is provided on the outer surface of the pressing plate 12a in contact with the pressing dies 14.
  • the temperature detection part 23a may be embedded in the second mold part in a non-contact state with the grindstone material M.
  • the pressing die and the pressing plate are the main paths of heat conduction from the grindstone material M to the temperature detection unit 23a.
  • the temperature of the grinding stone material M being heated is reflected in the temperature detection unit 23a, and the grinding stone material M Accurate temperature measurement is possible.
  • the overall shape of the mold 10, the shape of the first mold part, and the shape of the second mold part are not limited to those shown in the drawings, and various changes can be made. Further, the material of the first mold part and the material of the second mold part are not limited to those described above. Furthermore, the mold 10 need not be formed of a plurality of materials, and may be formed of a single material.
  • the material constituting the mold 10 for example, from the viewpoint of microwave transmission (low dielectric loss), in addition to alumina, aluminum nitride-boron nitride composite, aluminum nitride, or boron nitride described above, nitride is used. Silicon, silicon oxide, or the like can also be employed. Further, these materials may be used or these materials and other composite materials may be used. In addition, as long as it is a part of the mold 10, a material having a high dielectric loss (for example, SiC or carbon) may be included.
  • a high dielectric loss for example, SiC or carbon
  • microwave heating can be performed while suppressing power loss by mainly forming the mold 10 with a material having a dielectric loss lower than that of the grinding stone material to be heated at the microwave frequency used for heating.
  • the use of a material having good thermal conductivity such as an aluminum nitride-boron nitride composite or aluminum nitride among the above materials facilitates temperature measurement of the grindstone material.
  • a material having good thermal conductivity is preferable.
  • a material having good hardness and impact resistance is preferable because pressure is applied.
  • the temperature detection unit (thermocouple) 23 a is connected to the temperature measurement unit 23, and this temperature measurement unit 23 gives the measured temperature signal to the control unit 24.
  • the control part 24 is for controlling the baking process of the apparatus 1, for example, can control the pressurization pressure of the pressurization apparatus 20 based on the measured temperature.
  • the pressurizing device 20 applies pressure to the pressing dies 14 and 15 from the vertical direction via the pressing plates 12a and 12b by the pressure rods 21 and 22 which are paired up and down, and pressurizes the grinding stone material M. It is.
  • the pressurizing device 20 is hydraulic and includes a hydraulic cylinder as a pressure generating unit 25 that generates a desired pressurizing pressure according to a pressure control signal given from the control unit 24.
  • the pressure generating unit 25 is provided outside the waveguide 4, but since the pressure rods 21 and 22 are extended in the waveguide 4, the pressure generating unit 25 is connected to the mold 10 in the waveguide 4. It is possible to apply a load.
  • the pressure generator 25 is to be provided in the waveguide 4, it is necessary to downsize the pressure generator 25 to a size that can be accommodated in the waveguide 4, or as a component of the pressure generator 25.
  • restrictions such as the inability to use metal parts that reflect microwaves occur, the provision of the pressure generator 25 outside the waveguide 4 frees you from such restrictions.
  • the pressure generating unit 25 is supported by a support body 26 outside the waveguide 4.
  • the support body 26 includes an upper support portion 26a, a lower support portion 26b, and a connecting portion 26c that connects the upper and lower support portions 26a and 26b.
  • the pressure generator 25 is supported by the upper support 26 b, and the upper pressure rod (movable rod) 21 is attached to the pressure generator 25.
  • the lower pressure rod (fixed rod) 22 is fixed to the lower support portion 26b.
  • the lower pressure rod 22 may also be a movable rod.
  • the pressure rods 21 and 22 are made of a dielectric material such as ceramics having low microwave reflectivity and absorption. Specifically, the pressure rods 21 and 22 of this embodiment are made of alumina. In the present embodiment, the entire pressure rods 21 and 22 are made of alumina, but at least a portion that can be positioned in the waveguide 4 is made of alumina (a dielectric material such as ceramics). It's enough.
  • the waveguide 4 is formed with a through hole 4b for allowing the pressure rods 21 and 22 to pass therethrough.
  • the through-hole 4b cannot be made very large because it is necessary to suppress the microwave in the waveguide 4 to a size that does not leak from the through-hole 4b. Therefore, the pressure rods 21 and 22 inserted through the through hole 4b cannot be made too thick.
  • a plurality of pressure rods 21 and 22 may be provided in each of the upper and lower parts. That is, a plurality of through holes 4 b may be provided on the upper and lower sides of the waveguide 4, and the mold 10 may be pressed by the plurality of pressure rods 21 and 22.
  • the load concerning each pressurizing rod 21 and 22 can be disperse
  • the pressing direction is not limited to the vertical direction, and may be, for example, the horizontal direction.
  • the grindstone material processed by the apparatus 1 is a metal bond grindstone material, specifically, a mixture of metal binder powder and abrasive grains. A filler is added to the grindstone material as necessary.
  • the metal binder powder is preferably a powder of one or more metal binders selected from the group consisting of copper, tin, silver, nickel, zinc, cobalt, iron, and aluminum. These metal binder powders constitute a binder phase of a grindstone by being sintered. The average particle size of the metal binder powder is about 2 ⁇ m to 65 ⁇ m.
  • fusing point of each said material used as metal binder powder is as follows. That is, copper is 1084 ° C, tin is 232 ° C, silver is 962 ° C, nickel is 1455 ° C, zinc is 420 ° C, cobalt is 1495 ° C, iron is 1535 ° C, and aluminum is 660 ° C.
  • the abrasive grains are diamond (C), CBN (cubic boron nitride; BN), GC (green silicon carbide; SiC), C (black silicon carbide; SiC), WA (white alumina; Al 2 O 3 ), A ( Gray alumina; one or more selected from the group consisting of Al 2 O 3 ).
  • the concentration is preferably about 20 to 150.
  • the fillers are GC (green silicon carbide; SiC), C (black silicon carbide; SiC), WA (white alumina; Al 2 O 3 ), A (gray alumina; Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), two One or more selected from the group consisting of molybdenum sulfide (MoS 2 ), boron nitride (BN), carbon (C), and ceramic hollow balloons.
  • MoS 2 molybdenum sulfide
  • BN boron nitride
  • ceramic hollow balloons fusing point of each said material used as a filler is as follows. That is, GC and C are 2730 ° C, WA and A are 2054 ° C, zirconia is 2715 ° C, molybdenum disulfide is 1085 ° C, and the ceramic hollow balloon is 1600 ° C.
  • the metal bond grindstone material contains the metal (metal binder powder) as described above.
  • a metal (conductor) is not heated by microwaves because it reflects radio waves.
  • the metal bond grindstone material as described above can be heated by microwave irradiation.
  • the reason why the metal bond grindstone material containing the metal binder powder can be heated is that the electromagnetic wave scattered by the metal binder powder propagates in the metal binder powder, and thereby in the metal binder powder. It is estimated that eddy current is generated and heated by Joule heat due to the eddy current loss.
  • the microwave absorption power to the metal bond grindstone material depends on the particle size of the metal binder powder. If the average particle size of the metal binder powder is about 2 ⁇ m to 65 ⁇ m as described above, the microwave of 2.45 GHz is used. Heating by was possible. If the particle size of the metal binder powder is too large or too small, heating by microwaves cannot be performed. Therefore, the average particle size of the metal binder powder is preferably about the above. The average particle size of the metal binder powder is more preferably about 5 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the metal bond grindstone material When microwave heating is performed on the metal bond grindstone material, the metal bond grindstone material itself self-heats and can be heated from the inside of the grindstone material.
  • a conventional method for producing a metal bond grindstone for example, a hot press method
  • heating is performed from the outside of the grindstone material.
  • the outer side of the grindstone material is hardened first, and the gas generated inside the grindstone material during heating cannot escape to the outside, and the inner side tends to be soft.
  • the polishing force becomes non-uniform, the life of the grindstone is shortened, heat generation during polishing is increased, and the quality of the grindstone is degraded.
  • microwave heating there is little unevenness in heating, and the entire grinding stone material can be cured almost uniformly, so there are few problems as described above, and it is easy to obtain a grinding wheel of good quality compared to conventional manufacturing methods. become. Also, in microwave heating, the temperature can be increased in a shorter time than in the conventional manufacturing method, so that the heating time can be shortened and deterioration (oxidation) of the abrasive grains can be suppressed.
  • FIG. 5 shows an example of a temperature change when microwave heating is performed without applying pressure to the grindstone material.
  • the control unit 24 generates a microwave from the microwave generation unit 2 at the start of the sintering process.
  • the output of the microwave generator 2 is 400 W, for example, and the time from the start of sintering to the end of sintering is about 20 to 30 minutes.
  • Tt target temperature
  • FIG. 6 shows an example of temperature and pressure when microwave heating is performed on the grindstone material at a constant pressure from the start to the end of the sintering process.
  • the controller 24 presses the mold 10 set in the waveguide 4 by the pressurizing device 20 to press the grinding stone material.
  • the pressurizing pressure is a predetermined sintering pressure Pt.
  • the control unit 24 generates a microwave from the microwave generation unit 2 while maintaining the sintering pressure Pt, and performs a pressure sintering process. Also in this case, the output of the microwave generator 2 is, for example, 400 W, and the time from the start of sintering to the end of sintering is about 20 to 30 minutes.
  • the control unit 24 stops the microwave generation from the microwave generation unit 2, and then After a while, the pressure sintering process is completed, and the sintered grindstone is taken out.
  • the metal binder powder is composed of a plurality of types of metal powders, and the average particle size may differ for each type of metal.
  • the ease of being heated by the microwave varies depending on the type of the metal powder, and if pressure is not applied as shown in FIG. 5, a local temperature rise may occur in the metal bond grindstone material. Even in such a case, by applying pressure as shown in FIG. 6 (or FIGS. 7 to 8), the temperature of the entire metal bond grindstone material is likely to rise uniformly.
  • the sintering is generally performed at a temperature lower than the melting point of the object to be sintered.
  • the sintering temperature Tt is generally around 500 ° C.
  • a material having a melting point lower than the sintering temperature Tt (for example, tin or the like.
  • the melting point of tin is 232 ° C.) is contained in the metal binder powder formed by mixing a plurality of types of metal powders. include.
  • a low melting point material such as tin having a melting point lower than the sintering temperature Tt
  • the microwave heating the grinding stone material is heated from the inside, so that the low melting point material melted inside the grinding stone material elutes on the surface of the grinding stone material and forms a glossy metallic surface on the surface of the grinding stone material.
  • Cheap the low-melting point material eluted on the surface of the grindstone material reflects the microwave, making microwave heating difficult.
  • FIG. 6 or FIGS.
  • FIG. 7 shows an example of temperature and pressure when microwave heating is performed on the grindstone material while changing the pressurizing pressure in two stages from the start to the end of the sintering process.
  • the control unit 24 Prior to the start of the sintering process, the control unit 24 causes the mold 10 set in the waveguide 4 to be pressed by the pressurizing device 20, and causes the grindstone material to be pressed at the initial pressurizing pressure (first pressure) Pi. Pressurize.
  • the control unit 24 generates a microwave from the microwave generating unit 2 in the state of the initial pressurizing pressure Pi, and starts a pressure sintering process.
  • the control unit 24 increases the pressure generated by the pressure generation unit 25 to increase the final pressurization pressure (sintering pressure).
  • Second pressure) Pt The increase from the initial pressurizing pressure Pi to the final pressurizing pressure Pt may be performed instantaneously, but as shown in FIG. 7, it is preferably performed gradually (for example, over about 1 minute).
  • control part 24 continues the microwave heating, maintaining the said last pressurization pressure Pt, and the temperature of the grindstone material measured by the temperature measurement part 23 is target temperature (sintering temperature) of microwave heating.
  • Tt the microwave generation from the microwave generator 2 is stopped, and after a while, the pressure sintering process is completed, and the sintered grindstone is taken out.
  • the power of the microwave generator 2 is, for example, 400 W, and the time from the start of sintering to the end of sintering is about 20 to 30 minutes.
  • the load applied to the mold 10 and the pressure rods 21 and 22 can be suppressed as a whole of the sintering process.
  • the mold 10 and the pressure rods 21 and 22 located in the waveguide 4 are preferably ceramic materials that are less affected by microwaves. Since the impact resistance is inferior to that of the material, it is preferable to suppress the load by two-stage pressing as shown in FIG.
  • the grindstone material is rapidly heated from the inside. Therefore, considering that the gas comes out from the center of the grindstone material being heated, the escape of the gas to the outside of the grindstone material is promoted. Therefore, instead of applying a large pressure (Pt) from the initial stage of the sintering process as shown in FIG. 6, the pressurized pressure (Pi) at the initial stage of the sintering process is kept relatively small, and then the pressurized pressure is changed. It is desirable to increase to the final pressurizing pressure (sintering pressure) Pt.
  • the initial pressurizing pressure Pi may be a relatively low pressure necessary to ensure the heating uniformity of the metal binder powder made of a plurality of types of metal materials, for example, about 1/2 of the final pressurizing pressure Pt. Or less.
  • the initial pressurization pressure Pi can be set to about 18 MPa.
  • the intermediate temperature Tm used to determine the timing of increasing from the initial pressurizing pressure Pi to the final pressurizing pressure Pt is the melting point of the low melting point material or a temperature in the vicinity thereof (more preferably, near the melting point of the low melting point material). And a temperature higher than the melting point).
  • the intermediate temperature Tm can be set to about 250 ° C. to 300 ° C., for example. In this case, it is possible to change the pressure to a higher pressure Pt at the timing when the dissolution of tin begins to occur while pressing the grindstone material at a relatively low pressure Pi in the initial stage of the sintering process.
  • FIG. 8 shows an example of the temperature and pressure when microwave heating is performed on the grindstone material while changing the pressurization pressure in three stages from the start to the end of the sintering process.
  • the control unit 24 Prior to the start of the sintering process, the control unit 24 causes the mold 10 set in the waveguide 4 to be pressed by the pressurizing device 20, and causes the grindstone material to be pressed at the initial pressurizing pressure (first pressure) Pi. Pressurize.
  • the control unit 24 generates a microwave from the microwave generating unit 2 in the state of the initial pressurizing pressure Pi, and starts a pressure sintering process.
  • the control unit 24 increases the pressure generated by the pressure generation unit 25 to increase the intermediate pressurization pressure Pm ( Pi ⁇ Pm ⁇ Pm).
  • the control unit 24 further increases the pressure generated by the pressure generation unit 25, and finally The pressure is set to Pm.
  • the increase from the initial pressurization pressure Pi to the intermediate pressurization pressure Pm and the increase from the intermediate pressurization pressure Pm to the final pressurization pressure Pm may be performed instantaneously, but as shown in FIG. (For example, it takes about 1 minute).
  • control part 24 continues the microwave heating, maintaining the said last pressurization pressure Pt, and the temperature of the grindstone material measured by the temperature measurement part 23 is target temperature (sintering temperature) of microwave heating.
  • Tt the microwave generation from the microwave generator 2 is stopped, and after a while, the pressure sintering process is completed, and the sintered grindstone is taken out.
  • the power of the microwave generator 2 is, for example, 400 W, and the time from the start of sintering to the end of sintering is about 20 to 30 minutes.
  • the grinding stone material is rapidly heated from the inside. Therefore, considering that the gas comes out from the center of the grinding stone material being heated, the escape of the gas to the outside of the grinding stone material is promoted. Therefore, instead of applying a large pressure (Pt) from the initial stage of the sintering process as shown in FIG. 6, the pressurizing pressure (Pi) at the initial stage of the sintering process is kept relatively small, and then the pressurizing pressure is changed to It is desirable to increase to the final pressurizing pressure (sintering pressure) Pt.
  • the initial pressurizing pressure Pi may be a relatively low pressure necessary to ensure the heating uniformity of the metal binder powder made of a plurality of types of metal materials, and is, for example, about 1/4 of the final pressurizing pressure Pt. Or less.
  • the initial pressurization pressure Pi can be set to about 9 MPa.
  • the first intermediate temperature Tm1 used for determining the timing for increasing the initial pressurization pressure Pi to the intermediate pressurization pressure Pm is a temperature near the melting point of the low melting point material (more preferably, near the melting point of the low melting point material). And a temperature higher than the melting point).
  • the second intermediate temperature Tm2 used to determine the timing for increasing the intermediate pressurization pressure Pm to the final pressurization pressure Pt is slightly before the sintering temperature (sintering target temperature) Tt (about 50 ° C.). It is preferable that the temperature is set to the near side.
  • the first intermediate temperature Tm1 is, for example, about 250 ° C. to 300 ° C. Can be set.
  • the second intermediate temperature Tm2 can be set to about 450 ° C., for example.
  • Example 1 In Example 1, the sintering process only by microwave heating was performed with respect to the said metal bond grindstone material (refer FIG. 5).
  • the power of the microwave generator 2 was 400 W, and the time from the start of sintering to the end of sintering was 30 minutes.
  • sintering by microwave heating was possible, but since the grinding stone material contains tin, which is a low melting point material, tin is deposited on the surface of the grinding stone after sintering, and the grinding stone is contracted. Observed.
  • the pressing area per grindstone material 0.625 cm 2
  • the total load to be applied is 0.956 [ton].
  • the obtained metal bond grindstone was excellent in appearance, and the same density and hardness of the grindstone were obtained that were inferior to those produced by other manufacturing methods. .
  • the life as a grindstone was longer than those produced by other production methods. This is considered to be because the wear amount is reduced because the hardness uniformity inside the grindstone is good even if polishing progresses.
  • this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation
  • the apparatus 1 concerning this embodiment can be used not only for manufacture of a metal bond grindstone but also for sintering of a resin bond grindstone or a vitrified bond grindstone.
  • the control conditions may be set according to the difference in the grindstone material.

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Abstract

消費電力を抑えた、メタルボンド砥石の製造方法である。このメタルボンド砥石の製造方法は、金属結合剤粉末と砥粒とを混合したメタルボンド砥石材料を焼結する焼結工程によって、焼結したメタルボンド砥石を得る。前記焼結工程は、前記金属結合剤粉末を含む前記メタルボンド砥石材料をマイクロ波によって加熱して、焼結したメタルボンド砥石を得る。前記焼結工程は、前記メタルボンド砥石材料を加圧しつつマイクロ波加熱を行う加圧焼結工程であってもよい。

Description

メタルボンド砥石の製造方法及び製造装置
　本発明は、メタルボンド砥石の製造方法及び製造装置に関するものである。
　メタルボンド砥石は、銅、錫、銀などのメタルボンド粉末中に砥粒を分散させた砥石材料（混合粉末）を焼結してなるものである（特許文献１参照）。このようなメタルボンド砥石の焼結には、従来、ホットプレス法や放電プラズマ法が用いられている。
特開２００８－４４０７０号公報
　しかし、ホットプレス法や放電プラズマ法は、加熱のための消費電力が、例えば、１６ｋＷ程度必要で、消費電力が大きいという問題があった。
　ここで、消費電力の少ない加熱法として、本発明者らは、マイクロ波による加熱に着目した。しかし、金属はマイクロ波を反射するという性質を有しており、マイクロ波では、金属を加熱できないということが技術常識である。
　このため、メタルボンド砥石の焼結にマイクロ波加熱は不適当である、と従来は考えられており、メタルボンド砥石の焼結にマイクロ波加熱を利用した例は存在しない。
　これに対し、本発明者らは、メタルボンド砥石の焼結にマイクロ波による加熱を利用するという従来の常識に反する着想の下、実験を行った結果、マイクロ波加熱によってメタルボンド砥石を焼結することに成功し、本発明を完成するに至った。
　すなわち、本発明は、消費電力を抑えた、メタルボンド砥石の新規な製造方法及び製造装置を提供することを目的とするものである。
　本発明者らは、実験を行ったところ、金属結合剤粉末を含むメタルボンド砥石材料体をマイクロ波によって加熱すると、結合剤が金属であるものの粉末であるため、焼結が行えることが判明した。
　すなわち、本発明は、金属結合剤粉末と砥粒とを混合したメタルボンド砥石材料を焼結する焼結工程によって、焼結したメタルボンド砥石を得るメタルボンド砥石の製造方法であって、前記焼結工程は、前記金属結合剤粉末を含む前記メタルボンド砥石材料をマイクロ波によって加熱して、焼結したメタルボンド砥石を得ることを特徴とするメタルボンド砥石の製造方法である。
　また、前記焼結工程は、前記メタルボンド砥石材料を加圧しつつマイクロ波加熱を行う加圧焼結工程であり、前記加圧焼結工程では、当該加圧焼結工程における最終加圧圧力よりも低い圧力でマイクロ波による加熱を開始し、マイクロ波加熱による温度の上昇中に加圧圧力を上昇させることで、加圧圧力が前記最終加圧圧力に至るようにするのが好ましい。
　加圧圧力の前記最終加圧圧力への上昇は、メタルボンド砥石材料の温度が、中間温度に至ったときに行われ、前記中間温度は、前記メタルボンド砥石材料に含まれる複数種類の金属結合剤粉末のうち、マイクロ波加熱の目標温度よりも融点が低い金属からなる金属結合剤粉末の前記融点又はその近傍の温度であるのが好ましい。
　前記焼成工程は、前記メタルボンド砥石材料を加圧しつつマイクロ波加熱を行う加圧焼結構成であり、前記加圧焼結工程における加圧圧力は、マイクロ波加熱の開始時においては、最終加圧圧力よりも低い初期加圧圧力であり、マイクロ波加熱の目標温度になる前に、初期加圧圧力と最終加圧圧力との間の圧力である中間加圧圧力にまで上昇させ、その後、前記最終加圧圧力にまで更に上昇させるのが好ましい。
　加圧圧力の前記中間加圧圧力への上昇は、メタルボンド砥石材料の温度が、中間温度に至ったときに行われ、前記中間温度は、前記メタルボンド砥石材料に含まれる複数種類の金属結合剤粉末のうち、マイクロ波加熱の目標温度よりも融点が低い金属からなる金属結合剤粉末の前記融点又はその近傍の温度であるのが好ましい。
　他の観点からみた本発明は、メタルボンド砥石の製造装置であって、金属結合剤粉末と砥粒とを混合したメタルボンド砥石材料を内部に収容する型と、前記型に収容された前記メタルボンド砥石材料を、前記型の外部から放射されるマイクロ波によって加熱するためのマイクロ波放射部と、を備えていることを特徴とするメタルボンド砥石の製造装置である。
　前記型は、マイクロ波透過性を有する誘電体材料によって形成されているのが好ましい。
　前記型内のメタルボンド砥石材料の温度を測定するために当該型に設けられた温度測定部を更に備え、前記型は、マイクロ波透過性を有するとともに、メタルボンド砥石材料における温度を、前記温度測定部が設けられた位置に反映させることができる程度の熱伝導性を有する材料を備えて構成されているのが好ましい。
　前記型内のメタルボンド砥石材料の温度を測定するための温度測定部を更に備え、前記型は、マイクロ波透過性を有する誘電体材料によって形成された第１型部と、当該第１型部よりも熱伝導性の良い材料からなるとともにメタルボンド砥石材料の熱を前記温度測定部に伝える第２型部とを有して構成され、前記温度測定部は、前記第２型部を介してメタルボンド砥石材料の温度を測定するものであるのが好ましい。
　本発明によれば、省電力化が可能なマイクロ波加熱によって、メタルボンド砥石の焼結を行うことができ、砥石の製造コストを低減することができる。
マイクロ波加熱による砥石製造装置の構成図である。 砥石製造装置に用いる砥石材料収容用の型を示す斜視図である。 砥石製造装置の処理部を示す拡大図である。 図３のＡ－Ａ線断面図である。 マイクロ波加熱制御方法の第１例を示すグラフである。 マイクロ波加熱制御方法の第２例を示すグラフである。 マイクロ波加熱制御方法の第３例を示すグラフである。 マイクロ波加熱制御方法の第４例を示すグラフである。 第２実施例に係るマイクロ波加熱制御方法（温度－圧力制御）を示すグラフである。 第３実施例に係るマイクロ波加熱制御方法（温度－圧力制御）を示すグラフである。
　以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
［１．砥石製造装置］
　図１は、実施形態に係る砥石製造装置１を示している。この製造装置１は、加圧機能付きのマイクロ波加熱装置として構成されており、このマイクロ波加熱装置は、定在波（入射波と反射波の合成）による加熱を行うシングルモードである。したがって、電界最大又は磁界最大の位置に砥石材料（型１０）を設置することで、効率よく加熱を行うことができる。なお、マイクロ波加熱装置としては、マルチモードのものを用いることも可能ではある。
　この製造装置１は、マイクロ波発生部（発振部）２と、被加熱物である砥石材料をマイクロ波によって加熱するための処理部３とを備えており、マイクロ波を処理部３側へ伝送するための導波管４を備えている。なお、導波管４は、終端に短絡板４ａを備えている。
　マイクロ波発生部２は、例えば、マグネトロンによって構成されており、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させることができるが、周波数は、これに限られるものではなく、例えば、９１５ＭＨｚや５．８ＧＨｚなどであってもよい。また、マイクロ波発生部２としては、半導体アンプを利用してもよい。
　ここで、マイクロ波発生部２における使用電力は、例えば、４００Ｗ程度でよく、従来の砥石製造方法（例えば、ホットプレス法）での使用電力が１６ｋＷであったのに比べて、消費電力を大幅に低減することができる。
　前記製造装置１において、処理部３に至るまでの導波管４の中途部には、アイソレータ５及びスタブチューナ６が設けられている。
　前記アイソレータ５は、サーキュレータ５ａ及びダミーロード５ｂから構成されている。サーキュレータ５ａでは、マイクロ波発生部２から発生したマイクロ波は処理部３側へ通過するが、処理部３側から反射してきたマイクロ波はマイクロ波発生部２へは戻らず、ダミーロード５ｂ側へ送られる。また、装置１は、マイクロ波発生部２から出射されたマイクロ波（入射波）の電力と、処理部３側から反射してきたマイクロ波（反射波）の電力とをそれぞれ測定し、処理部３において吸収された電力を求めるパワーメータ７を備えている。
　なお、前記スタブチューナ（インピーダンス整合器）６は、マイクロ波の共振長を調整することができる。
　図２～図４は、処理部３に関連した装置１の構成を示している。処理部３は、導波管４内に設けられており、砥石材料を加圧焼結して焼結した砥石（例えば、ホーニング砥石）を得るためのものである。この処理部３において焼結は、マイクロ波発生部２から放射され、導波管４を通ってきたマイクロ波によるマイクロ波加熱によって行われる。より具体的には、未焼結の砥石材料を収容するための型１０が、導波管４内の電界最大又は磁界最大の所定の位置に配置され、型１０を透過したマイクロ波が、型１０内の砥石材料を加熱する。
　図２に示すように、前記型１０は、円筒状の型本体（第１型部）１１、砥石材料を収容する内型１３（第１型部）、内型１３に上下から進入して砥石材料Ｍを上下から加圧する上下の押型１４，１５（第２型部）、及び上下の押型１４，１５を押圧するための押圧板（第２型部）１２ａ，１２ｂを有して構成されている。
　図３及び図４に示すように、上下の押型１４，１５は、加圧装置２０が有する加圧ロッド２１，２２によって、押圧板１２ａ，１２ｂを介して加圧され、砥石材料Ｍの加圧を行う。
　前記型１０は、マイクロ波をさほど吸収せずマイクロ波による発熱が少ない、セラミックスなどの誘電体材料によって形成されている。型１０自体によるマイクロ波吸収が少ないことから、型１０外部からマイクロ波を照射しても、マイクロ波の吸収は主に砥石材料Ｍで行われ、型１０によるマイクロ波吸収が少なくなるため、電力効率が良い。
　前記型１０は、上記観点に即して、単一種類の材料（例えば、アルミナ）によって全体を形成しても良いが、本実施形態では、砥石材料の温度の監視の容易化のため、型１０は、複数種類（二種類）の材料によって構成されている。
　より具体的には、円筒状の型本体（第１型部）１１及び内型（第１型部）１３は、アルミナ（酸化アルミニウム；Ａｌ2Ｏ3）によって形成され、上下の押型（第２型部）１４，１５及び押圧板（第２型部）１２ａ，１２ｂは、窒化アルミニウム－窒化硼素複合体（ＡｌＮ－ＢＮ）によって形成されている。
　ここで、上記アルミナは、セラミックスの一種であり、マイクロ波透過性を有することから、マイクロ波によって加熱され難く、型１０によるマイクロ波吸収を抑える上で好適である。
　ただし、一般にアルミナのようなセラミックスは熱伝導性が必ずしも高くない。型１０の熱伝導性が低いと、型１０を介して焼結処理中の砥石材料Ｍの温度を測定しようとした場合に、型１０と砥石材料Ｍとの温度差が大きくなり、砥石材料Ｍの正確な温度を測定するのが困難となる。
　一方、窒化アルミニウムや窒化硼素は、いずれもセラミックスであり、アルミナと同様にマイクロ波透過性を有しているが、セラミックス（誘電体）としては、熱伝導率が高い材料である。
　そこで、本実施形態では、型１０の材質として、アルミナを採用しつつも、温度測定のための良好な熱伝導を確保することが望まれる部分にアルミナよりも熱伝導性の良い材料である窒化アルミニウム－窒化硼素複合体を採用している。
　つまり、本実施形態では、上述のように、第１型部である型本体１１や内型１３は、アルミナによって形成されており、第２型部である上下の押型１４，１５や押圧板１２ａ，１２ｂは窒化アルミニウム－窒化硼素複合体によって形成されている。なお、第２型部は、窒化アルミニウム又は窒化硼素によって形成してもよい。
　押型１４，１５は、砥石材料Ｍと接触するとともに、この押型１４に接触する押圧板１２ａの外表面には、温度検出部２３ａである熱電対が設けられる。なお、温度検出部２３ａは、砥石材料Ｍとは非接触の状態で、第２型部の内部に埋め込んでも良い。
　したがって、押型及び押圧板（図３では、上側の押型１４及び押圧板１２ａ）は、砥石材料Ｍから温度検出部２３ａまでの熱伝導の主たる経路となる。本実施形態では、この熱伝導経路を構成する材質として熱伝導性のよい材料が採用されているため、加熱中の砥石材料Ｍの温度が、温度検出部２３ａへ反映され、砥石材料Ｍのより正確な温度測定が可能となる。
　なお、型１０の全体形状、第１型部の形状、及び第２型部の形状は、図示のものに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。また、第１型部の材質や第２型部の材質も上記のものに限定されるわけではない。さらに、型１０は、複数材料によって形成する必要はなく、単一材料で形成してもよい。
　型１０を構成する材料としては、例えば、マイクロ波透過性（低誘電損失）の観点からは、先に例示した、アルミナ、窒化アルミニウム－窒化硼素複合体、窒化アルミニウム、又は窒化硼素の他、窒化珪素、酸化珪素などを採用することもできる。また、これらの材料同士又はこれらの材料とその他の複合材料であってもよい。なお、型１０の一部であれば、誘電損失が高い材料（例えば、ＳｉＣやカーボン）が含まれていても良い。
　このように、加熱に用いるマイクロ波の周波数において加熱対象である砥石材料よりも誘電損失が低い材料によって、型１０を主構成することによって、電力ロスを抑えつつマイクロ波加熱を行うことができる。
　また、上述のように、上記の材料のうち、窒化アルミニウム－窒化硼素複合体、窒化アルミニウムなど熱伝導性の良好なものを用いることで、砥石材料の温度測定が容易になる。また、熱伝導性が低い材料では、型１０の砥石材料に近い部分と遠い部分とで温度差が大きくなり、型１０にひずみが生じやすくなる。したがって、ひずみによる耐久性低下を防止する観点からは、熱伝導性の良好な材料が好適である。
　なお、その他の型１０の材料の選定条件としては、加圧を行うため、硬度や耐衝撃性が良好なものが好ましい。
　前記温度検出部（熱電対）２３ａは、温度測定部２３に接続されており、この温度測定部２３は測定した温度信号を制御部２４に与える。制御部２４は、装置１の焼成工程を制御するためのものであり、例えば、測定した温度に基づいて、加圧装置２０の加圧圧力を制御することができる。
　前記加圧装置２０は、上下に対をなす加圧ロッド２１，２２によって、押圧板１２ａ，１２ｂを介して、押型１４，１５に上下方向から荷重をかけ、砥石材料Ｍを加圧するためのものである。この加圧装置２０は、油圧式であり、制御部２４から与えられた圧力制御信号に応じた所望の加圧圧力を発生させる圧力発生部２５として油圧シリンダを備えている。
　この圧力発生部２５は、導波管４の外に設けられているが、加圧ロッド２１，２２が、導波管４内に延設されているため、導波管４内の型１０へ荷重をかけることが可能となっている。圧力発生部２５を導波管４内に設けようとする場合、導波管４内に収納可能なサイズにまで圧力発生部２５を小型化する必要が生じたり、圧力発生部２５の構成部品としてマイクロ波を反射する金属部品を使用できないなどの制約が生じるが、導波管４外に圧力発生部２５を設けることで、そのような制約から解放される。
　前記圧力発生部２５は、導波管４外の支持体２６によって支持されている。支持体２６は、上側支持部２６ａ、下側支持部２６ｂ、及び上下の支持部２６ａ，２６ｂを連結する連結部２６ｃを有して構成されている。
　圧力発生部２５は、上側支持部２６ｂに支持されており、この圧力発生部２５に上側の加圧ロッド（可動ロッド）２１が取り付けられている。また、下側の加圧ロッド（固定ロッド）２２は、下側支持部２６ｂに固定されている。なお、下側の加圧ロッド２２も可動ロッドとしてもよい。
　前記両加圧ロッド２１，２２は、その一部が、導波管４内に位置するため、マイクロ波の反射性や吸収性が小さい、セラミックスなどの誘電体材料によって形成されている。具体的には、本実施形態の加圧ロッド２１，２２は、アルミナによって形成されている。なお、本実施形態では、加圧ロッド２１，２２全体がアルミナによって形成されているが、少なくとも、導波管４内に位置し得る部分がアルミナ（セラミックスなどの誘電体材料）によって形成されていれば足りる。
　また、導波管４には、前記加圧ロッド２１，２２を貫通させるための貫通孔４ｂが形成されている。この貫通孔４ｂは、導波管４内のマイクロ波が当該貫通孔４ｂから漏洩しない程度の大きさに抑える必要があるため、あまり大きくすることはできない。したがって、貫通孔４ｂに挿通される加圧ロッド２１，２２も、あまり太くすることはできない。
　そこで、図示の加圧ロッド２１，２２は、上下一本ずつしか設けられていないが、上下それぞれに複数本設けても良い。つまり、導波管４の上下それぞれに複数の貫通孔４ｂを設けておき、複数本の加圧ロッド２１，２２で型１０を押圧するようにしてもよい。このようにすることで、個々の貫通孔４ｂの大きさを抑えてマイクロ波漏洩を防止しつつ、個々の加圧ロッド２１，２２にかかる荷重を分散させることができる。
　なお、加圧方向は、上下方向に限られるものではなく、例えば、左右方向であってもよい。
［２．砥石材料とその加熱］
　装置１によって処理される砥石材料は、メタルボンド砥石の材料であり、具体的には、金属結合剤の粉末と砥粒とを混合したものである。砥石材料には、必要に応じて、フィラーが添加される。
　金属結合剤粉末（ボンド材料）は、銅、錫、銀、ニッケル、亜鉛、コバルト、鉄、アルミニウムからなる群から選択される１種又は２種以上の金属結合剤の粉末であるのが好ましい。これら金属結合剤粉末は、焼結されることにより砥石の結合相を構成する。前記金属結合剤粉末の平均粒径は、２μｍ～６５μｍ程度のものである。
　なお、金属結合剤粉末となる上記各材料の融点は、次の通りである。すなわち、銅は１０８４℃、錫は２３２℃、銀は９６２℃、ニッケルは１４５５℃、亜鉛は４２０℃、コバルトは１４９５℃、鉄は１５３５℃、アルミニウムは６６０℃である。
　砥粒は、ダイヤモンド（Ｃ）、ＣＢＮ（立方昌窒化硼素；ＢＮ）、ＧＣ（緑色炭化ケイ素；ＳｉＣ）、Ｃ（黒色炭化ケイ素；ＳｉＣ）、ＷＡ（ホワイトアルミナ；Ａｌ2Ｏ3）、Ａ（グレーアルミナ；Ａｌ2Ｏ3）からなる群から選択される１種又は２種以上のものである。砥粒としてダイヤモンド又はＣＢＮを採用した場合、集中度は２０～１５０程度が好ましい。
　フィラーは、ＧＣ（緑色炭化ケイ素；ＳｉＣ）、Ｃ（黒色炭化ケイ素；ＳｉＣ）、ＷＡ（ホワイトアルミナ；Ａｌ2Ｏ3）、Ａ（グレーアルミナ；Ａｌ2Ｏ3）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）、窒化硼素（ＢＮ）、炭素（Ｃ）、セラミック中空バルーンからなる群から選択される１種又は２種以上のものである。
　なお、フィラーとなる上記各材料の融点は、下記の通りである。すなわち、ＧＣ及びＣは２７３０℃、ＷＡ及びＡは２０５４℃、ジルコニアは２７１５℃、二硫化モリブデンは１０８５℃、セラミック中空バルーンは１６００℃である。
　メタルボンド砥石材料は、上記のように金属（金属結合剤粉末）を含んでいる。一般に、金属（導体）は、電波を反射するためマイクロ波では加熱されない。しかし、上記のようなメタルボンド砥石材料は、マイクロ波の照射によって加熱できることが、本発明者らの実験により確認できた。
　ここで、金属結合剤粉末を含んでいるメタルボンド砥石材料が加熱できる理由は、金属結合剤粉末によって散乱される電磁波が、金属結合剤粉末内を伝搬し、それにより、金属結合剤粉末内に渦電流が発生し、その渦電流損によるジュール熱により加熱されるものと推測される。
　メタルボンド砥石材料へのマイクロ波吸収電力は、金属結合剤粉末の粒径に依存し、上述のように金属結合剤粉末の平均粒径が２μｍ～６５μｍ程度であれば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波による加熱が可能であった。金属結合剤粉末の粒径が、大きすぎたり小さすぎたりするとマイクロ波による加熱が行えなくなるため、金属結合剤粉末の平均粒径は、上記程度であるのが好ましい。なお、金属結合剤粉末の平均粒径は５μｍ～１０μｍ程度が更に好ましい。
　メタルボンド砥石材料に対し、マイクロ波加熱を行うと、メタルボンド砥石材料自体が自己発熱し、砥石材料の内側から加熱が行える。
　これに対し、従来のメタルボンド砥石の製造方法（例えば、ホットプレス法）では、砥石材料の外側から加熱が行われる。このため、砥石材料の外側が先に硬化し、加熱中において砥石材料内部で発生したガスが外に逃げられなくなり、内側が柔らかくなる状態が生じ易い。このような状態になると、砥石としての使用時に、研磨の力が不均一になり、砥石寿命が短くなり、研磨時の発熱が大きくなって、砥石品質が低下する。
　マイクロ波加熱では、加熱ムラが少なく、砥石材料全体をほぼ均一に硬化させることができるため、上記のような問題が少なく、従来の製造方法に比べて、良好な品質の砥石を得るのが容易になる。
　また、マイクロ波加熱では、従来の製造方法に比べて、短時間で温度を上昇させることができるため、加熱時間を短くでき、砥粒の劣化（酸化）を抑えることができる。
［３．焼結工程における装置の制御方法（加熱と加圧の制御）］
　以下、制御部２４による焼結工程の制御方法のバリエーションについて説明する。
［３．１　マイクロ波加熱のみ］
　図５は、砥石材料に対し、加圧を行わずに、マイクロ波加熱を行った場合の温度変化の例を示している。制御部２４は、焼結工程の開始の際に、マイクロ波発生部２からマイクロ波を発生させる。マイクロ波発生部２の出力は、例えば、４００Ｗであり、焼結開始から焼結終了までの時間は、２０～３０分程度である。
　制御部２４は、温度測定部２３によって測定された砥石材料の温度が、マイクロ波加熱の目標温度（焼結温度）Ｔｔになると、マイクロ波発生部２からのマイクロ波発生を停止させ、その後、しばらく経つと、焼結工程が終了し、焼結した砥石の取り出しが行われる。
［３．２　一定の加圧圧力でマイクロ波加熱］
　図６は、砥石材料に対し、焼結工程開始から終了まで一定の圧力で加圧を行いつつ、マイクロ波加熱を行った場合の温度と圧力の例を示している。制御部２４は、焼結工程の開始に先立って、加圧装置２０によって導波管４内にセットされた型１０の押圧を行わせ、砥石材料の加圧を行う。加圧圧力は、所定の焼結圧力Ｐｔである。焼結圧力Ｐｔは、砥石材料の成分や所望される砥石性能によって適宜設定され、例えば、Ｐｔ＝３５ＭＰａである。
　制御部２４は、上記焼結圧力Ｐｔを維持させたたま、マイクロ波発生部２からマイクロ波を発生させ、加圧焼結工程を行う。この場合も、マイクロ波発生部２の出力は、例えば、４００Ｗであり、焼結開始から焼結終了までの時間は、２０～３０分程度である。
　制御部２４は、温度測定部２３によって測定された砥石材料の温度が、マイクロ波加熱の目標温度（焼結温度）Ｔｔになると、マイクロ波発生部２からのマイクロ波発生を停止させ、その後、しばらく経つと、加圧焼結工程が終了し、焼結した砥石の取り出しが行われる。
　メタルボンド砥石材料の場合、金属結合剤粉末が、複数種類の金属粉末から構成されており、しかも金属種類の種類ごとに平均粒径が異なることがある。この場合、マイクロ波による加熱され易さが、金属粉末の種類ごとに異なることとなり、図５のように加圧を行わないと、メタルボンド砥石材料において局所的な温度上昇が生じる場合がある。
　このような場合であっても、図６（又は図７～８）に示すように加圧を行うことで、メタルボンド砥石材料全体の温度が均一に上がりやすくなる。
　また、焼結は、一般に、焼結対象物の融点以下の温度で行われ、砥石の焼結の場合、焼結温度Ｔｔは、５００℃前後が一般的である。ところが、メタルボンド砥石材料の場合、複数種類の金属粉末が混合されてなる金属結合剤粉末中に、焼結温度Ｔｔよりも融点が低い材料（例えば、錫など。錫の融点は２３２℃）が含まれている。
　このため、焼結中に、焼結温度Ｔｔよりも融点が低い低融点材料（錫など）の融解が生じることがある。しかも、マイクロ波加熱では、砥石材料を内側から加熱するため、砥石材料内部で溶けた低融点材料が、砥石材料の表面に溶出し、砥石材料の表面において金属光沢面を形成するような状態となりやすい。このような状態になると、砥石材料表面に溶出した低融点材料が、マイクロ波を反射し、マイクロ波加熱を困難にする。
　しかし、図６（又は図７～８）に示すように、加圧を行いながらマイクロ波加熱を行うと、加圧によって複数種類の金属粉末が混合された状態を維持でき、錫などの低融点材料が含まれていても、当該低融点材料の溶出を防止できる。
［３．３　二段階加圧でマイクロ波加熱］
　図７は、砥石材料に対し、焼結工程開始から終了までの間に二段階に加圧圧力を変化させつつ、マイクロ波加熱を行った場合の温度と圧力の例を示している。制御部２４は、焼結工程の開始に先立って、加圧装置２０によって導波管４内にセットされた型１０の押圧を行わせ、砥石材料を初期加圧圧力（第１圧力）Ｐｉで加圧する。
　制御部２４は、上記初期加圧圧力Ｐｉの状態で、マイクロ波発生部２からマイクロ波を発生させ、加圧焼結工程を開始させる。制御部２４は、温度測定部２３によって測定された砥石材料の温度が、中間温度Ｔｍ（Ｔｍ＜Ｔｔ）になると、圧力発生部２５が発生する圧力を増加させ、最終加圧圧力（焼結圧力；第２圧力）Ｐｔにする。初期加圧圧力Ｐｉから最終加圧圧力Ｐｔへの増加は、瞬間的に行っても良いが、図７に示すように、徐々に（例えば１分程度かけて）行うのが好ましい。
　そして、制御部２４は、上記最終加圧圧力Ｐｔを維持させたたま、マイクロ波加熱を継続させ、温度測定部２３によって測定された砥石材料の温度が、マイクロ波加熱の目標温度（焼結温度）Ｔｔになると、マイクロ波発生部２からのマイクロ波発生を停止させ、その後、しばらく経つと、加圧焼結工程が終了し、焼結した砥石の取り出しが行われる。
　なお、この場合も、マイクロ波発生部２の電力は、例えば、４００Ｗであり、焼結開始から焼結終了までの時間は、２０～３０分程度である。
　図７に示すように二段階で加圧を行うと、焼結工程全体としてみて、型１０や加圧ロッド２１，２２にかかる荷重を抑えることができる。マイクロ波加熱の場合、前述のように、導波管４内に位置する型１０や加圧ロッド２１，２２は、マイクロ波の影響の少ないセラミックス系の材料が好ましいが、セラミックス系材料は、金属材料に比べて、耐衝撃性に劣るため、図７のような二段階加圧によって加重を抑えるのが好適である。
　また、マイクロ波加熱では、砥石材料が急速に内側から加熱されるため、加熱中の砥石材料の中心部からもガスが出てくることを考慮すると、当該ガスを砥石材料外へ逃がすのを促進するため、図６のように焼結工程初期から大きな圧力（Ｐｔ）をかけるのではなく、焼結工程初期の加圧圧力（Ｐｉ）は、比較的小さくしておき、その後、加圧圧力を最終加圧圧力（焼結圧力）Ｐｔまで高めるのが望ましい。
　初期加圧圧力Ｐｉは、複数種類の金属材料からなる金属結合剤粉末の加熱均一性を確保するのに必要な程度の比較的低い圧力でよく、例えば、最終加圧圧力Ｐｔの１／２程度又はそれ以下であるのが好ましい。例えば、最終加圧圧力Ｐｔが３６ＭＰａである場合、初期加圧圧力Ｐｉは１８ＭＰａ程度に設定できる。
　初期加圧圧力Ｐｉから最終加圧圧力Ｐｔに増加させるタイミングを決定するのに用いられる前記中間温度Ｔｍは、前記低融点材料の融点又はその近傍の温度（より好ましくは、低融点材料の融点近傍かつ融点よりも高い温度）に設定されるのが好ましい。
　例えば、金属結合剤粉末に含まれる低融点材料が錫（融点：２３２℃）である場合、中間温度Ｔｍは、例えば、２５０℃～３００℃程度に設定することができる。この場合、焼結工程初期段階では比較的低い圧力Ｐｉで砥石材料を加圧しつつ、錫の溶解が生じ始めたタイミングで、より高い圧力Ｐｔに変更することができる。
［３．４　三段階加圧でマイクロ波加熱］
　図８は、砥石材料に対し、焼結工程開始から終了までの間に三段階に加圧圧力を変化させつつ、マイクロ波加熱を行った場合の温度と圧力の例を示している。制御部２４は、焼結工程の開始に先立って、加圧装置２０によって導波管４内にセットされた型１０の押圧を行わせ、砥石材料を初期加圧圧力（第１圧力）Ｐｉで加圧する。
　制御部２４は、上記初期加圧圧力Ｐｉの状態で、マイクロ波発生部２からマイクロ波を発生させ、加圧焼結工程を開始させる。制御部２４は、温度測定部２３によって測定された砥石材料の温度が、第１中間温度Ｔｍ１（Ｔｍ１＜Ｔｔ）になると、圧力発生部２５が発生する圧力を増加させ、中間加圧圧力Ｐｍ（Ｐｉ＜Ｐｍ＜Ｐｍ）にする。さらに、制御部２４は、温度測定部２３によって測定された砥石材料の温度が、第２中間温度Ｔｍ２（Ｔｍ１＜Ｔｍ２＜Ｔｔ）になると、圧力発生部２５が発生する圧力をさらに増加させ、最終加圧圧力Ｐｍにする。
　初期加圧圧力Ｐｉから中間加圧圧力Ｐｍへの増加や、中間加圧圧力Ｐｍから最終加圧圧力Ｐｍへの増加は、瞬間的に行っても良いが、図８に示すように、徐々に（例えば１分程度かけて）行うのが好ましい。
　そして、制御部２４は、上記最終加圧圧力Ｐｔを維持させたたま、マイクロ波加熱を継続させ、温度測定部２３によって測定された砥石材料の温度が、マイクロ波加熱の目標温度（焼結温度）Ｔｔになると、マイクロ波発生部２からのマイクロ波発生を停止させ、その後、しばらく経つと、加圧焼結工程が終了し、焼結した砥石の取り出しが行われる。
　なお、この場合も、マイクロ波発生部２の電力は、例えば、４００Ｗであり、焼結開始から焼結終了までの時間は、２０～３０分程度である。
　図８に示すように三段階で加圧を行うと、焼結工程全体としてみて、型１０や加圧ロッド２１，２２にかかる荷重を、二段階の場合よりもさらに抑えることができる。
　また、マイクロ波加熱では、砥石材料が急速に内側から加熱されるため、加熱中の砥石材料の中心部からもガスが出てくることを考慮すると、当該ガスを砥石材料外へ逃がすのを促進するため、図６のように焼結工程初期から大きな圧力（Ｐｔ）をかけるのではなく、焼結工程初期の加圧圧力（Ｐｉ）は、比較的小さくしておき、その後、加圧圧力を最終加圧圧力（焼結圧力）Ｐｔまで高めるのが望ましい。
　初期加圧圧力Ｐｉは、複数種類の金属材料からなる金属結合剤粉末の加熱均一性を確保するのに必要な程度の比較的低い圧力でよく、例えば、最終加圧圧力Ｐｔの１／４程度又はそれ以下であるのが好ましい。例えば、最終加圧圧力Ｐｔが３６ＭＰａである場合、初期加圧圧力Ｐｉは９ＭＰａ程度に設定できる。
　初期加圧圧力Ｐｉから中間加圧圧力Ｐｍに増加させるタイミングを決定するのに用いられる前記第１中間温度Ｔｍ１は、前記低融点材料の融点近傍の温度（より好ましくは、低融点材料の融点近傍かつ融点よりも高い温度）に設定されるのが好ましい。
　また、中間加圧圧力Ｐｍから最終加圧圧力Ｐｔに増加させるタイミングを決定するのに用いられる前記第２中間温度Ｔｍ２は、焼結温度（焼結の目標温度）Ｔｔのやや手前（５０℃程度手前）の温度に設定されるのが好ましい。
　例えば、焼結温度Ｔｔ＝５００℃であり、金属結合剤粉末に含まれる低融点材料が錫（融点：２３２℃）である場合、第１中間温度Ｔｍ１は、例えば、２５０℃～３００℃程度に設定することができる。砥石材料が、２５０℃～３００℃程度になると、錫が溶解し、砥石材料が収縮し、加圧ロッド２１が下方に移動するため、中間加圧温度Ｐｍまで（徐々に）加圧することになる。
　また、第２中間温度Ｔｍ２は、例えば、４５０℃程度に設定することができる。これにより、最終加圧圧力（焼結圧力）Ｐｔかつ目標温度（焼結温度）での加圧焼結を行うことができる。
［４．実施例］
　以下、メタルボンド砥石の焼結をマイクロ波加熱にて実際に行った結果を示す。ここでは、メタルボンド砥石材料として、銅（平均粒径４４μｍ）を５０ｖｏｌ％、錫（平均粒径４４μｍ）を２０ｖｏｌ％、銀（平均粒径４４μｍ）を１０ｖｏｌ％、コバルト（平均粒径２μｍ）を２０ｖｏｌ％の割合で混合した金属結合剤粉末（メタルボンド）に、粒度が＃３２５（ＪＩＳ　Ｂ４１３０）のＣＢＮ砥粒を集中度７５の割合で混合したものを用いた。
　以下の各実施例において、上記メタルボンド砥石材料の焼結温度Ｔｔ＝５００℃とした。
　また、一つの砥石のサイズは、幅２．５ｍｍ、高さ２．５ｍｍ、長さ２５ｍｍとし、一つの砥石分の砥石材料の重量は、１．２１５ｇとした。
［４．１　実施例１］
　実施例１では、上記メタルボンド砥石材料に対し、マイクロ波加熱のみでの焼結工程を行った（図５参照）。マイクロ波発生部２の電力は、４００Ｗとし、焼結開始から焼結終了までの時間は、３０分とした。
　この場合、マイクロ波加熱による焼結は行えたが、砥石材料中に低融点材料である錫を含んでいるため、焼結後の砥石表面に錫が析出し、砥石が収縮しているのが観察された。
［４．２　実施例２］
　実施例２では、上記メタルボンド砥石材料に対し、二段階加圧を行った。実施例２における温度と圧力の変化を図９に示す。ここでは、初期加圧圧力Ｐｉ＝１８ＭＰａ、最終加圧圧力（焼結圧力）Ｐｔ＝３６ＭＰａとした。また、中間温度Ｔｍ＝３００℃とし、砥石材料が中間温度に達したときに、初期加圧圧力Ｐｉから最終加圧圧力Ｐｔまで圧力を上昇させるための時間を１分とした。さらに、焼結開始から完了までの時間を２０分とした。
［４．３　実施例３］
　実施例３では、上記メタルボンド砥石材料に対し、三段階加圧を起こった。実施例３における温度と圧力の変化を図１０に示す。ここでは、初期加圧圧力Ｐｉ＝７．５ＭＰａ、中間加圧圧力Ｐｍ＝１５ＭＰａ、最終加圧圧力（焼結圧力）Ｐｔ＝３０ＭＰａとした。また、第１中間温度Ｔｍ１＝１８０℃、第２中間温度Ｔｍ２＝３２０℃とした。焼結開始から完了までの時間を３５分とした。
　なお、図１０では、加圧圧力を、５本の砥石材料にかかる総荷重[ｔｏｎ]で示した。すなわち、砥石材料１本あたりの加圧面積＝０．６２５ｃｍ2であり、総加圧面積は、０．６２５ｃｍ2×５本＝３．１２５ｃｍ2であるから、最終加圧圧力Ｐｔ＝３０ＭＰａに対応する総荷重は、０．９５６［ｔｏｎ］となる。
　実施例２，３のいずれにおいても、得られたメタルボンド砥石は、外観上も良好であり、砥石の密度や硬度も、他の製法で製造したものと遜色のない良好なものが得られた。また、実施例２，３で得られた砥石では、他の製法で製造したものと比べ、砥石としての寿命が長くなった。これは、研磨が進んでも、砥石内部の硬度の均一性が良いため、摩耗量が少なくなっているものと考えられる。
　なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。また、本実施形態にかかる装置１は、メタルボンド砥石の製造だけでなく、レジンボンド砥石やビトリファイドボンド砥石の焼結にも使用することができる。メタルボンド砥石以外の焼結に使用する場合、砥石材料の違いに合わせて制御条件を設定すればよい。
１　砥石製造装置
２　マイクロ波発生部
３　処理部
１０　型
１１，１３　第１型部
１２ａ，１２ｂ、１４，１５　第２型部
２０　加圧装置
２３ａ　温度検出部
２３　温度測定部
２４　制御部

Claims (9)

  1. 　金属結合剤粉末と砥粒とを混合したメタルボンド砥石材料を焼結する焼結工程によって、焼結したメタルボンド砥石を得るメタルボンド砥石の製造方法であって、
    　前記焼結工程は、前記金属結合剤粉末を含む前記メタルボンド砥石材料をマイクロ波によって加熱して、焼結したメタルボンド砥石を得ることを特徴とするメタルボンド砥石の製造方法。
  2. 　前記焼結工程は、前記メタルボンド砥石材料を加圧しつつマイクロ波加熱を行う加圧焼結工程であり、
    　前記加圧焼結工程では、当該加圧焼結工程における最終加圧圧力よりも低い圧力でマイクロ波による加熱を開始し、マイクロ波加熱による温度の上昇中に加圧圧力を上昇させることで、加圧圧力が前記最終加圧圧力に至るようにする請求項１記載のメタルボンド砥石の製造方法。
  3. 　加圧圧力の前記最終加圧圧力への上昇は、メタルボンド砥石材料の温度が、中間温度に至ったときに行われ、
    　前記中間温度は、前記メタルボンド砥石材料に含まれる複数種類の金属結合剤粉末のうち、マイクロ波加熱の目標温度よりも融点が低い金属からなる金属結合剤粉末の前記融点又はその近傍の温度である
    　請求項２記載のメタルボンド砥石の製造方法。
  4. 　前記焼成工程は、前記メタルボンド砥石材料を加圧しつつマイクロ波加熱を行う加圧焼結構成であり、
    　前記加圧焼結工程における加圧圧力は、マイクロ波加熱の開始時においては、最終加圧圧力よりも低い初期加圧圧力であり、マイクロ波加熱の目標温度になる前に、初期加圧圧力と最終加圧圧力との間の圧力である中間加圧圧力にまで上昇させ、その後、前記最終加圧圧力にまで更に上昇させる請求項１記載のメタルボンド砥石の製造方法。
  5. 　加圧圧力の前記中間加圧圧力への上昇は、メタルボンド砥石材料の温度が、中間温度に至ったときに行われ、
    　前記中間温度は、前記メタルボンド砥石材料に含まれる複数種類の金属結合剤粉末のうち、マイクロ波加熱の目標温度よりも融点が低い金属からなる金属結合剤粉末の前記融点又はその近傍の温度である
    　請求項４記載のメタルボンド砥石の製造方法。
  6. 　メタルボンド砥石の製造装置であって、
    　金属結合剤粉末と砥粒とを混合したメタルボンド砥石材料を内部に収容する型と、
    　前記型に収容された前記メタルボンド砥石材料を、前記型の外部から放射されるマイクロ波によって加熱するためのマイクロ波放射部と、
    　を備えていることを特徴とするメタルボンド砥石の製造装置。
  7. 　前記型は、マイクロ波透過性を有する誘電体材料によって形成されている請求項６記載のメタルボンド砥石の製造装置。
  8. 　前記型内のメタルボンド砥石材料の温度を測定するために当該型に設けられた温度測定部を更に備え、
    　前記型は、マイクロ波透過性を有するとともに、メタルボンド砥石材料における温度を、前記温度測定部が設けられた位置に反映させることができる程度の熱伝導性を有する材料を備えて構成されていることを特徴とする請求項６又は７記載のメタルボンド砥石の製造装置。
  9. 　前記型内のメタルボンド砥石材料の温度を測定するための温度測定部を更に備え、
    　前記型は、マイクロ波透過性を有する誘電体材料によって形成された第１型部と、当該第１型部よりも熱伝導性の良い材料からなるとともにメタルボンド砥石材料の熱を前記温度測定部に伝える第２型部とを有して構成され、
    　前記温度測定部は、前記第２型部を介してメタルボンド砥石材料の温度を測定するものであることを特徴とする請求項６又は７記載のメタルボンド砥石の製造装置。
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