(57)【要約】      （修正有）【課題】研削能率を維持しながら長寿命化を図ることができるビトリファイド砥石及びその製造方法を提供する。【解決手段】砥粒２０と、前記砥粒２０同士を結合するガラス質結合剤２２とを含む焼成体からなるビトリファイド砥石１０の製造方法は、砥粒２０とガラス質結合剤２２を混合して混合物を得る混合工程と、前記混合物に対して焼成処理を施し、焼成体を得る焼成工程と、前記焼成体中の前記ガラス質結合剤２２に対してイオン交換を行うイオン交換工程と、を有する。【選択図】図１
2020099954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
砥粒と、前記砥粒同士を結合するガラス質結合剤とを含む焼成体からなるビトリファイド砥石の製造方法において、
砥粒とガラス質結合剤を混合して混合物を得る混合工程と、
前記混合物に対して焼成処理を施し、焼成体を得る焼成工程と、
前記焼成体中の前記ガラス質結合剤に対してイオン交換を行うイオン交換工程と、
を有するビトリファイド砥石の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の製造方法において、前記ガラス質結合剤としてナトリウムを１．６〜６．８重量％含有するものを用い、前記イオン交換工程でナトリウムをカリウムに交換するビトリファイド砥石の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の製造方法において、前記ガラス質結合剤としてナトリウムを２．１〜５．８重量％含有するものを用いるビトリファイド砥石の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法において、前記イオン交換工程の後、前記ビトリファイド砥石を洗浄する洗浄工程をさらに有するビトリファイド砥石の製造方法。
【請求項５】
砥粒と、前記砥粒同士を結合するガラス質結合剤とを含む焼成体からなるビトリファイド砥石において、
砥粒とガラス質結合剤を混合して混合物を得る混合工程と、
前記混合物に対して焼成処理を施し、焼成体を得る焼成工程と、
前記焼成体中の前記ガラス質結合剤に対してイオン交換を行うイオン交換工程と、
を経て得られたビトリファイド砥石。
【請求項６】
請求項５記載のビトリファイド砥石において、前記ガラス質結合剤が１．６〜６．８重量％のカリウムを含有するビトリファイド砥石。
【請求項７】
請求項６記載のビトリファイド砥石において、前記ガラス質結合剤が２．１〜５．８重量％のカリウムを含有するビトリファイド砥石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、砥粒とガラス質結合剤を含む焼成体からなるビトリファイド砥石及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビトリファイド砥石は、砥粒を主成分とするとともに、砥粒同士を物理的に結合するガラス質結合剤（いわゆるビトリファイドボンド）を含有し、さらに、気孔を内包する多孔質の焼成体からなり、研削材として広汎に使用されるに至っている。前記気孔は、研削の際に発生する研削屑を一時的に捕捉して貯留する貯留空間として機能する。また、研削中に加工点が高温となる、いわゆる研削焼けを抑制するべく加工点にクーラントを噴射するようにしているが、前記気孔は、このクーラントを一時的に蓄える貯留部ともなる。
【０００３】
この種の砥石の性能は、一般的に研削比（寿命）と研削能率で評価される。研削比を良好にするには、換言すれば、ビトリファイド砥石の長寿命化を図るには、砥粒の保持力を高めればよい。これを達成するべく、ガラス質結合剤の含有量を大きくすることが想起される。この場合、必然的に気孔の体積が低減する。
【０００４】
一方、研削能率を向上するには、研削屑を貯留するための気孔の個数（全体積）を大きくする必要がある。これを達成するためには、ガラス質結合剤の含有量を小さくしなければならない。このように、研削比を良好にすることと研削能率を向上させることは二律背反の関係にあり、双方を同時に向上させることは容易ではない。
【０００５】
そこで、本出願人は、特許文献１において、平均粒径が互いに相違する２種のガラス質結合剤を用いることを提案している。この技術では、第１のガラス質結合剤として平均粒径が砥粒に比して小さいものを選定し、且つ第２のガラス質結合剤として平均粒径が砥粒に比して大きいものを選定する。そして、第１のガラス質結合剤を先ず砥粒に付着させ、その後、第２のガラス質結合剤を添加するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５７２８２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記した技術に関連してなされたもので、研削能率を維持しながら長寿命化を図ることが可能なビトリファイド砥石及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、砥粒と、前記砥粒同士を結合するガラス質結合剤とを含む焼成体からなるビトリファイド砥石の製造方法において、
砥粒とガラス質結合剤を混合して混合物を得る混合工程と、
前記混合物に対して焼成処理を施し、焼成体を得る焼成工程と、
前記焼成体中の前記ガラス質結合剤に対してイオン交換を行うイオン交換工程と、
を有するビトリファイド砥石の製造方法が提供される。
【０００９】
また、本発明の別の一実施形態によれば、砥粒と、前記砥粒同士を結合するガラス質結合剤とを含む焼成体からなるビトリファイド砥石において、
砥粒とガラス質結合剤を混合して混合物を得る混合工程と、
前記混合物に対して焼成処理を施し、焼成体を得る焼成工程と、
前記焼成体中の前記ガラス質結合剤に対してイオン交換を行うイオン交換工程と、
を経て得られたビトリファイド砥石が提供される。
【００１０】
なお、「イオン交換」は、ガラス質結合剤中の所定のイオンを、該ガラス質結合剤の強度を向上させる別のイオンに置換することを表す。典型的には、所定のイオンを、該イオンよりもイオン半径が大きなイオンに置換する。この場合、イオン半径の差に基づいて圧縮応力が発生する。これによりガラス質結合剤の強度が向上し、その結果、砥粒の保持力が向上する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、イオン交換（置換）によってガラス質結合剤の強度が向上する一方、イオン交換の前後で気孔率が略同等に維持される。従って、研削能率を維持しながら研削比を向上させることができるので、十分な研削能率と長寿命を兼ね備えるビトリファイド砥石を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係るビトリファイド砥石が設けられた研削工具の要部模式図である。
【図２】ガラス質結合剤の分子構造の一例である。
【図３】本発明の実施の形態に係るビトリファイド砥石の製造方法の概略フローである。
【図４】Ｎａ+の含有量を様々に変更したガラス質結合剤を用いて得られた参照試験片と、参照試験片中のＮａ+をＫ+に置換した実験試験片の、Ｎａ+の含有量と抗折応力との関係を示すグラフである。
【図５】参照試験片及び実験試験片におけるＮａ+の含有量と気孔率との関係を示すグラフである。
【図６】Ｎａ+を置換していないガラス質結合剤を含有する参照砥石を接合した参照工具と、Ｎａ+をＫ+に置換した実験砥石を接合した実験工具の、研削加工回数と摩耗量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係るビトリファイド砥石につき、その製造方法との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態に係るビトリファイド砥石１０が設けられた研削工具１２の要部模式図である。研削工具１２は、略円環形状をなす台金１４にビトリファイド砥石１０が結着されることで構成される。ビトリファイド砥石１０は、砥粒２０と、砥粒２０、２０同士を物理的に結合し且つ砥粒２０を台金１４に結着させるガラス質結合剤２２とを含有する焼成体であり、また、気孔２４を内包した多孔質複合体である。
【００１５】
この場合、ビトリファイド砥石１０の重量は、砥粒２０の重量とガラス質結合剤２２の重量との合計である。従って、ビトリファイド砥石１０の重量を１００重量％とするとき、砥粒２０の重量割合がａ重量％、ガラス質結合剤２２の重量割合がｂ重量％であれば、ａ重量％＋ｂ重量％＝１００重量％が成り立つ。
【００１６】
砥粒２０は、ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素（ｃ−ＢＮ）からなり、被研削物を研削する主成分である。また、気孔２４は、上記したように研削屑を捕捉し、一時的に貯留することが可能な捕捉空間として機能する。
【００１７】
砥粒２０、２０同士を結合するガラス質結合剤２２は、後述する焼成処理の際に軟化し、その後の冷却に伴って固化することで砥粒２０、２０同士を橋架する成分である。ガラス質結合剤２２は複合酸化物からなり、図２にその分子構造の一例を示す。この場合、ガラス質結合剤２２は、電気的に中性であるＳｉ、Ａｌ、Ｏ、電気的に陽性又は陰性であるＫ+、Ｃａ2+、Ｏ-を含む。ここで、Ｋ+はＮａ+がイオン交換されることに伴って分子構造内に取り入れられたものであるが、この点については後述する。なお、全てのＮａ+がＫ+に置換されていることが好ましいが、若干量であれば、イオン交換されずに残存したＮａ+が含まれていてもよい。
【００１８】
ガラス質結合剤２２の重量を１００重量％とするとき、Ｋ+は、１．６〜６．８重量％の範囲内であることが好ましく、２．１〜５．８重量％の範囲内であることが一層好ましい。この理由についても後述する。
【００１９】
次に、本実施の形態に係るビトリファイド砥石１０の製造方法につき説明する。図３に概略フローを示すように、この製造方法は、混合工程Ｓ１と、焼成工程Ｓ２と、イオン交換工程Ｓ３と、洗浄工程Ｓ４とを有する。
【００２０】
先ず、混合工程Ｓ１において、ダイヤモンド又はｃ−ＢＮ等の砥粒２０に対して粉末状のガラス質結合剤２２を添加し、混練して混合物を得る。本実施の形態では、ガラス質結合剤２２としてＮａ+を含有するガラスを用いる。この場合において、砥粒２０とガラス質結合剤２２の合計重量を１００重量％とするとき、ガラス質結合剤２２を、Ｎａ+が１．６〜６．８重量％の範囲内となる量で添加することが好ましい。ガラス質結合剤２２の一層好ましい添加量は、Ｎａ+が２．１〜５．８重量％の範囲内となる量である。
【００２１】
前記混合物を、四角形形状や扇形形状等の適宜の形状のシート形状体に成形して成形体とした後、次に、焼成工程Ｓ２において、前記成形体に対して焼成処理を施す。焼成温度は、例えば、８００℃以上に設定される。この焼成処理によりガラス質結合剤２２が軟化し、砥粒２０、２０同士の間の間隙を充填するように流動する。さらに、焼成処理後に自然放冷等で冷却を行うことによりガラス質結合剤２２が硬化し、砥粒２０、２０同士を橋架する。すなわち、ガラス質結合剤２２を介して砥粒２０、２０同士が橋架された焼成体が得られる。この時点では、焼成体はシート形状体である。なお、気孔２４は、焼成の最中、ガラス質結合剤２２の溶融部が表面張力によって他のガラス質結合剤２２に一体化（結合）することに伴って形成される。
【００２２】
次に、イオン交換工程Ｓ３において、ガラス質結合剤２２中のナトリウム（Ｎａ+）をカリウム（Ｋ+）にイオン交換する。具体的には、焼成体を予熱した後、所定温度に加熱した硝酸カリウム（ＫＮＯ3）浴中に浸漬する。この浸漬により、分子構造中のＮａ+がＫ+に置換され、分子構造中にＫ+を含有したビトリファイド砥石１０が得られる。ビトリファイド砥石１０は、焼成体と同様にシート形状体である。
【００２３】
イオン交換は、ガラス強化法の一手法である。ここで、他のガラス強化法としては、ガラスを加熱した後に急冷する物理強化である冷風法や、ガラスの表面に対して窒化膜を形成する窒化が知られているが、このようなガラス強化法を実施するには高温が必要である。これに対し、イオン交換では、ガラス質結合剤２２をガラス転移点以上軟化点温度以下の温度範囲内とした浴中に浸漬すればよく、比較的低温で実施することが可能である。
【００２４】
このため、ガラス質結合剤２２が軟化したり溶融したりすることが防止される。従って、焼成体ないしビトリファイド砥石１０の形状が変化することや、焼成体ないしビトリファイド砥石１０における気孔率が変化することを回避することができる。また、温度の変化幅が小さいので、砥粒２０とガラス質結合剤２２の熱膨張量の差が小さくなるとともに、ビトリファイド砥石１０に存在する閉気孔の熱膨張量が小さくなる。従って、両素材の熱膨張量の相違に起因してガラス質結合剤２２にクラックが生じる懸念や、閉気孔内の気体の膨張に起因してガラス質結合剤２２にクラックが生じる懸念が払拭される。以上により、ビトリファイド砥石１０が早期に欠損に至ることも回避される。
【００２５】
所定時間が経過した後にビトリファイド砥石１０を硝酸カリウム浴から取り出し、放冷する。次に、ビトリファイド砥石１０を洗浄する洗浄工程Ｓ４を行う。すなわち、例えば、温水浴にビトリファイド砥石１０を浸漬し、その後に流水で洗浄する。この洗浄により、ビトリファイド砥石１０の表面に付着していた硝酸カリウム溶液が除去される。
【００２６】
洗浄されたビトリファイド砥石１０は、乾燥した後に台金１４に接合される。これにより、研削工具１２が得られるに至る。
【００２７】
ここで、Ｎａ+の含有量を様々に変更したガラス質結合剤２２を用い、ガラス質結合剤２２の重量と砥石の重量を同一にして作製した参照試験片の抗折応力をグラフとして図４に示す。抗折応力は、ガラス質結合剤２２による砥粒２０の保持力の指標であり、抗折応力が大きいほど砥粒２０の保持力が大きいこと、すなわち、ビトリファイド砥石１０としては長寿命であることを表す。
【００２８】
図４には、上記の各工程を行うことで焼成体中のＮａ+をＫ+にイオン交換して得た実験試験片の抗折応力を併せて示している。該図４中の「未置換」が参照試験片、「Ｋ+置換」が実験試験片を表しており、図５及び図６においても同様である。なお、横軸の数値は、参照試験片の場合にはガラス質結合剤２２中のＮａ+の含有量、実験試験片の場合にはイオン交換を行う前のガラス質結合剤２２中のＮａ+の含有量である。
【００２９】
この図４から、Ｎａ+の含有量が１．６〜６．８重量％の範囲内であるとき、Ｎａ+をＫ+に置換した実験試験片の抗折応力が、未置換である参照試験片に比して大きくなることが分かる。すなわち、ガラス質結合剤２２中のＫ+の含有量を１．６〜６．８重量％の範囲内とすることにより、強度に優れたビトリファイド砥石１０を得ることができる。
【００３０】
実験試験片抗折応力は、Ｎａ+の含有量が２．１〜５．８重量％である（イオン交換後のＫ+の含有量が２．１〜５．８重量％である）とき、Ｎａ+が未置換である参照試験片に比して顕著に大きくなる。すなわち、強度が有効に向上したビトリファイド砥石１０を得ることが可能である。このため、Ｎａ+の含有量が２．１〜５．８重量％であるガラス質結合剤２２を用いて焼成体を得た後、Ｎａ+をＫ+にイオン交換することが好ましい。
【００３１】
図５は、各々の参照試験片及び実験試験片における気孔率を示す。横軸は、図４と同様である。この図５から、Ｎａ+の含有量が１．６〜６．８重量％の範囲内であるときには、Ｎａ+をＫ+に置換しても気孔率が略同程度に維持されていることが明らかである。換言すれば、イオン交換を行った後であっても、研削屑を捕捉する捕捉空間がイオン交換前と同程度の容積で確保される。
【００３２】
さらに、Ｎａ+を置換していないガラス質結合剤２２を含有する参照砥石を接合した参照工具、Ｎａ+をＫ+に置換したことを除いては参照砥石と同様にして得た実験砥石を接合した実験工具をそれぞれ作製し、被研削材に対してそれぞれ研削加工を行った。勿論、被研削材の形状、寸法及び素材や、その他の研削条件は同一である。結果を、研削回数（加工回数）を横軸、砥石の摩耗量を縦軸とするグラフとして図６に併せて示す。図６から、研削加工数が同一であるとき、実験砥石（本実施の形態に係るビトリファイド砥石１０）の方が、参照砥石に比して摩耗が大きく低減していることが分かる。
【００３３】
このように、ガラス質結合剤２２中のＮａ+をＫ+に置換する本実施の形態によれば、気孔率を略同程度に維持しながら強度が向上したビトリファイド砥石１０を得ることができる。従って、該ビトリファイド砥石１０は、砥粒２０の保持力に優れるとともに研削屑を捕捉することが容易である。結局、研削能率を維持しながら研削比が良好で長寿命化が可能なビトリファイド砥石１０が構成される。
【００３４】
なお、粉末状であるガラス質結合剤２２中のＮａ+をＫ+に先ず置換し、その後に該ガラス質結合剤２２を砥粒２０に添加して混合物を得、さらに、該混合物から得た焼成体からなる参考試験片では、抗折応力が十分ではない。この理由についての詳細は不明であるが、粉末状のガラス質結合剤２２では、Ｎａ+をＫ+に置換しても、焼成工程Ｓ２でガラス質結合剤２２の形状が大きく変化するために残留応力が解放されるので、Ｎａ+とＫ+のイオン半径差に基づく圧縮応力が発生し難いためであると推察される。
【００３５】
本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３６】
例えば、砥粒２０とガラス質結合剤２２の他にムライト、コージェライト、スポジュメン等の骨材を混合するようにしてもよい。この場合、ビトリファイド砥石１０の重量は、砥粒２０、骨材、ガラス質結合剤２２の各重量の合計である。従って、ビトリファイド砥石１０の重量を１００重量％、砥粒２０の重量割合をａ重量％、ガラス質結合剤２２の重量割合をｂ重量％、骨材の重量割合をｃ重量％とするときには、ａ重量％＋ｂ重量％＋ｃ重量％＝１００重量％が成り立つ。
【００３７】
また、イオン交換は、Ｎａ+をＫ+に置換することに特に限定されるものではなく、所定のイオンを、イオン交換前よりも強度を向上させることが可能な別のイオンに置換するものであればよい。
【符号の説明】
【００３８】
１０…ビトリファイド砥石          １２…研削工具
１４…台金                        ２０…砥粒
２２…ガラス質結合剤              ２４…気孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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