(57)【要約】【課題】より簡便に砥石の交換寿命を向上させることが可能な、金属材の研削方法及び金属材の研削装置を提供すること。【解決手段】本発明は、砥石を利用して金属材を研削する金属材の研削方法において、砥石による金属材の研削部位に対して、酸素ガス、酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方を供給する。この際、酸素ガスは、研削部位における酸素の体積分率が大気中の酸素の体積分率よりも多くなるように供給される。これにより、砥石による機械的なせん断力による研削に加えて、酸化反応による電解作用で研削を行うことが可能となり、金属材の切削時間を大幅に短縮することが可能となる。その結果、砥石寿命の向上を図ることが可能となる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
砥石を利用して金属材を研削する金属材の研削方法において、
前記砥石による前記金属材の研削部位に対して、酸素ガス、酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方を供給し、
前記酸素ガスは、前記研削部位における酸素の体積分率が大気中の酸素の体積分率よりも多くなるように供給される
ことを特徴とする、金属材の研削方法。
【請求項２】
前記砥石は、非導電性の砥石である
ことを特徴とする、請求項１に記載の金属材の研削方法。
【請求項３】
前記酸素ガス、酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方は、前記研削部位に直接供給されるか、又は、前記研削部位に存在もしくは供給される酸素を含む混合ガスに対して混合される
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の金属材の研削方法。
【請求項４】
前記金属材は、電気的に接地される
ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の金属の研削方法。
【請求項５】
前記酸素ガス、酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方は、前記金属材が研削される研削方向の少なくとも上流側から供給される
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の金属材の研削方法。
【請求項６】
前記酸素ガス、酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方は、前記研削方向の下流側から更に供給される
ことを特徴とする、請求項５に記載の金属材の研削方法。
【請求項７】
前記金属材は、鉄を含む金属材である
ことを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載の金属材の研削方法。
【請求項８】
砥石を利用して金属材を研削する金属材の研削装置において、
酸素ガスを供給するガス供給装置、及び／又は、電子もしくは酸素負イオンの少なくとも何れか一方を発生させる発生装置を備え、
前記砥石による前記金属材の研削部位に対して、前記酸素ガス、前記発生装置で発生した前記電子及び酸素分子、又は、前記酸素負イオンの少なくとも何れか一方を供給し、
前記酸素ガスは、前記研削部位における酸素の体積分率が大気中の酸素の体積分率よりも多くなるように供給される
ことを特徴とする、金属材の研削装置。
【請求項９】
前記砥石は、非導電性の砥石である
ことを特徴とする、請求項８に記載の金属材の研削装置。
【請求項１０】
前記酸素ガス、酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方は、前記研削部位に直接供給されるか、又は、前記研削部位に存在もしくは供給される酸素を含む混合ガスに対して混合される
ことを特徴とする、請求項８又は９に記載の金属材の研削装置。
【請求項１１】
前記金属材は、電気的に接地される
ことを特徴とする、請求項８〜１０の何れか１項に記載の金属の研削装置。
【請求項１２】
前記酸素ガス、酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方は、前記金属材が研削される研削方向の少なくとも上流側から供給される
ことを特徴とする、請求項８〜１１の何れか１項に記載の金属材の研削装置。
【請求項１３】
前記酸素ガス、酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方は、前記研削方向の下流側から更に供給される
ことを特徴とする、請求項１２に記載の金属材の研削装置。
【請求項１４】
前記金属材は、鉄を含む金属材である
ことを特徴とする、請求項８〜１３の何れか１項に記載の金属材の研削装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材の研削方法及び金属材の研削装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄を含む鋼材や非鉄金属を含む金属材等といった金属材は、その製造工程で金属材の表面を研削する研削処理が行われる。例えば、連続鋳造で鋳造され所定の長さに切断された鋳片は、その表層部位にパウダーやノロと呼ばれる非金属介在物が付着しており、後段に実施される圧延工程や酸洗工程において、これらの非金属介在物が製品表面に露出することで製品欠陥が発生する。そのため、例えばステンレス鋼、高合金鋼、高炭素鋼等のようなガス溶削装置（マシンスカーフ装置）を適用しづらい鋼板を用いた、表面品質が厳格に規定されている製品については、鋳片表層部の非金属介在物を除去するために、例えば下記特許文献１に開示されているような研削装置（グラインダ装置）を利用した研削作業による鋳片表層手入れが行われている。
【０００３】
下記特許文献１に開示されているような研削装置には、金属材を研削するための砥石が設けられている。金属材を砥石で研削する場合、砥石をワーク（すなわち、被研削材である金属材）に押し付けて研削を実施する。研削が進むにつれて、砥石は砥粒が摩耗するとともに劈開・脱落して、常に新しい砥粒（すなわち、新しい切り刃）に更新される（自生作用）。このような自生作用により、常に新しい砥粒で金属材が研削されるが、自生作用における脱落の速度が、砥石の交換寿命を決めることとなる。
【０００４】
砥石の研削性を維持しつつ砥石寿命を向上させるために、従来、種々の砥石寿命対策が行われてきた。例えば下記特許文献２では、研削焼けの発生が少なく、かつ、長い砥石寿命を向上させるために、超砥粒と充填剤粒子とがビトリファイドボンドにより結合されたビトリファイド砥石が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１９６０３５号公報
【特許文献２】特開２００９−  ７２８３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上説明したように、従来、研削装置に設けられた砥石の交換寿命を向上させるために、上記特許文献２に開示されているような砥石自体を開発する試みがなされてきた。しかしながら、砥石を改良することなく、より簡便に砥石の交換寿命を向上させる試みについては、行われてはいなかった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、より簡便に砥石の交換寿命を向上させることが可能な、金属材の研削方法及び金属材の研削装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、砥石を利用して金属材を研削する金属材の研削方法において、前記砥石による前記金属材の研削部位に対して、酸素ガス、酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方を供給し、前記酸素ガスは、前記研削部位における酸素の体積分率が大気中の酸素の体積分率よりも多くなるように供給される金属材の研削方法が提供される。
【０００９】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、砥石を利用して金属材を研削する金属材の研削装置において、酸素ガスを供給するガス供給装置、及び／又は、電子もしくは酸素負イオンの少なくとも何れか一方を発生させる発生装置を備え、前記砥石による前記金属材の研削部位に対して、前記酸素ガス、前記発生装置で発生した前記電子及び酸素分子、又は、前記酸素負イオンの少なくとも何れか一方を供給し、前記酸素ガスは、前記研削部位における酸素の体積分率が大気中の酸素の体積分率よりも多くなるように供給される金属材の研削装置が提供される。
【００１０】
ここで、前記砥石は、非導電性の砥石であってもよい。
【００１１】
前記酸素ガス、酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方は、前記研削部位に直接供給されるか、又は、前記研削部位に存在もしくは供給される酸素を含む混合ガスに対して混合されてもよい。
【００１２】
前記金属材は、電気的に接地されることが好ましい。
【００１３】
前記酸素ガス、酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方は、前記金属材が研削される研削方向の少なくとも上流側から供給されることが好ましい。
【００１４】
前記酸素ガス、酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方は、前記研削方向の下流側から更に供給されてもよい。
【００１５】
前記金属材は、鉄を含む金属材であってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように本発明によれば、砥石による金属材の研削部位に対して、酸素分子、電子及び酸素分子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方を供給することにより、砥石による機械的なせん断力による研削に加えて、酸化反応による電解作用で研削を行うことが可能となり、金属材の切削時間を大幅に短縮することが可能となる。その結果、砥石寿命の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】鉄の高温酸化メカニズムについて説明するための説明図である。
【図２】本発明に係る酸化反応促進メカニズムについて説明するための説明図である。
【図３Ａ】本発明に係る酸化反応促進メカニズムについて説明するための説明図である。
【図３Ｂ】本発明に係る酸化反応促進メカニズムについて説明するためのグラフ図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る金属材の研削方法における反応機構の一例について示した流れ図である。
【図５Ａ】同実施形態に係る金属材の研削装置の一例を示した説明図である。
【図５Ｂ】同実施形態に係る金属材の研削装置の一例を示した説明図である。
【図６Ａ】同実施形態に係る金属材の研削装置の一例を示した説明図である。
【図６Ｂ】同実施形態に係る金属材の研削装置の一例を示した説明図である。
【図７】同実施形態に係る金属材の研削装置の一例を示した説明図である。
【図８Ａ】同実施形態に係る金属材の研削装置の一例を示した説明図である。
【図８Ｂ】同実施形態に係る金属材の研削装置の一例を示した説明図である。
【図９】実験例１の結果について示したグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１９】
（酸化反応促進メカニズムについて）
本発明の実施形態に係る金属材の研削方法及び金属材の研削装置について説明するに先立ち、本発明者が見出し、本発明の実施形態において着目する、新たな酸化反応促進メカニズムについて、図１〜図３Ｂを参照しながら具体的に説明する。
【００２０】
本発明の実施形態に係る金属材の研削方法及び金属材の研削装置は、以下で説明する、ガス溶削処理における酸化反応促進メカニズムを金属材の研削処理に適用したものである。このような酸化反応促進メカニズムを金属材の研削処理に適用することで、従来と同じ研削量を確保するに際して、従来の研削処理に要する研削時間を大幅に短縮することが可能となり、かつ、研削抵抗を小さくすることができる。その結果、従来に比べて、研削装置に設けられた砥石の寿命を大きく改善することが可能となる。
【００２１】
＜ガス溶削処理における酸化反応促進メカニズム＞
ガス溶削処理により被溶削材である金属を溶削する場合、金属は、いわゆる高温酸化により酸化されて母材部分から取り除かれていき、最終的に金属が溶削されることとなる。ここで、高温酸化とは、高温の状態にある鉄などの金属が酸素等の酸化性の気体と接触することで進行する酸化反応である。以下では、被溶削材である金属材料の一例として鉄（Ｆｅ）に着目し、ガス溶削の際に進行する鉄の高温酸化メカニズムについて簡単に説明する。図１は、鉄の高温酸化メカニズムについて説明するための説明図である。
【００２２】
鉄の高温酸化メカニズムは、図１に示したように、母材である鉄が存在する領域（金属領域）、外部環境として取り扱われる酸化性気体の存在する領域（気体領域）、及び、金属領域と気体領域との間に位置し、酸化反応によって生成される酸化皮膜が存在する領域という、３つの領域を考慮した３相モデルで説明することが可能である。
【００２３】
ガス溶削処理において、スカーフノズルに設けられた火口からの予熱炎により加熱された鉄（金属領域に存在する鉄）は、加熱による熱エネルギーによって、以下の反応式１のようにイオン化し、鉄イオン及び電子が生成される。
【００２４】
生成した鉄イオン及び電子は、図１に示したように、金属領域及び酸化皮膜領域を、酸化皮膜領域と気体領域との間に位置する界面に向かって拡散していくこととなる。
【００２５】
一方、気体領域に存在する酸素は、気体領域と酸化皮膜領域との間に位置する界面に接触し、この界面を通過して、酸化皮膜領域の中へと拡散していく。ここで、酸化皮膜中を拡散している電子と、酸素とが下記反応式２に示した反応を起こすことにより、酸化物イオンが生成されることとなる。
【００２６】
生成した酸化物イオンと、酸化皮膜領域中を拡散している鉄イオンとが、下記反応式３に示した反応を起こすことで、酸化鉄ＦｅＯ（ウスタイト）が生成され、酸化皮膜領域が拡大する（換言すれば、酸化皮膜が成長する）こととなる。
【００２７】
以上説明したような鉄の高温酸化メカニズムにおいて、外部の熱環境が高温である場合（より詳細には、鉄の燃焼温度に到達した場合）には、生成した酸化鉄が燃焼して、溶融することとなる。鉄の溶融物は、ガス溶削装置の火口から射出される酸素ガス（溶削ガス）によって吹き飛ばされて、鉄の表面が溶削されることとなる。
【００２８】
Ｆｅ  →  Ｆｅ２＋  ＋  ２ｅ−  ・・・（反応式１）
（１／２）Ｏ２  ＋  ２ｅ−  →  Ｏ２−  ・・・（反応式２）
Ｆｅ２＋  ＋  Ｏ２−  →  ＦｅＯ  ・・・（反応式３）
【００２９】
また、ガス溶削処理ではなく、鉄を高温酸化させて鉄の表面に酸化皮膜層を形成し、この酸化皮膜層に含まれる成分を分析した。その結果、酸化皮膜層の表面（外界である空気と接触している層）に近づくほど、生成される酸化鉄を構成する鉄の酸化数が高い状態にあり、酸化皮膜層の表面から母材側に向かって、Ｆｅ２Ｏ３（ヘマタイト、鉄の酸化数＋３）、Ｆｅ３Ｏ４（マグネタイト）、ＦｅＯ（ウスタイト、鉄の酸化数＋２）が分布していることが明らかになった。このような結果は、ガス溶削処理を含む鉄の高温酸化反応において、酸化皮膜層の表面ほど鉄イオンと結合した酸化物イオンの量が多いことを示しており、酸素や酸化物イオン（すなわち、酸化皮膜層と環境（気体）との界面における酸素や酸化物イオン）の供給が、酸化反応の律速になっていることを示唆している。
【００３０】
図２は、本発明に係る酸化反応促進メカニズムについて説明するための説明図である。本発明者は、以上説明したような知見をもとに鋭意検討を行った結果、図２に示したように、酸素分子、電子及び酸素、又は、Ｏ２−やＯ−のような酸素負イオンの少なくとも何れか一方を気体領域に更に供給することに想到した。気体領域に対し、電子や酸素負イオン等の高い反応性を有するものを供給することで、酸化皮膜領域−気体領域界面における酸素と電子との反応を更に生じさせたり、酸化物イオンＯ２−の量を増加させたりすることが可能となると考えられる。その結果、酸化反応の律速になっていると考えられる酸素や酸化物イオンの拡散度合いを増加させ、酸化皮膜領域−気体領域界面（換言すれば、酸化反応界面）における鉄の酸化反応を促進させることが可能となると考えられる。
【００３１】
本発明者は、上記のような知見について検証するために、図３Ａ及び図３Ｂに示したような実証実験を実施した。図３Ａは、本発明に係る酸化反応促進メカニズムについて説明するための説明図であり、図３Ｂは、本発明に係る酸化反応促進メカニズムについて説明するためのグラフ図である。
【００３２】
本発明者は、厚み１２ｍｍの極低炭素（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ  Ｆｒｅｅ：ＩＦ）鋼を利用して、図３Ａに示したような実証実験を行った。すなわち、ＩＦ鋼の鋼板をガスバーナーで加熱するとともに、鋼板の裏側に設けた放射温度計を用いて、加熱位置の温度上昇の様子を測定した。また、電子銃（電子発生源）と酸素供給ノズルとを組み合わせた電子発生装置を作製し、鋼板のガスバーナーと同じ側に設置した。電子発生装置は、真空に保たれた、電子を発生させる電子発生源と、この電子発生源から発生する電子線のみを大気中に取り出すことが可能な電子線透過膜と、を備えた電子銃を用いたものであり、電子銃先端のスリット前段部位に対して酸素ガスを供給するようになっている。この電子発生装置を用いることで、孔周囲を耐火材で覆われたスリットより、酸素負イオン、又は、酸素分子及び電子の少なくとも何れか一方が鋼板の加熱位置に向けて放出されることとなる。なお、かかる実験において、ガスバーナーの出力は一定とした。
【００３３】
図３Ｂは、得られた実験結果を示したグラフ図である。図３Ｂから明らかなように、ガスバーナー加熱のみの場合と比較して、加熱位置に対して酸素を供給した場合には、裏面温度がより早く上昇していることがわかる。また、加熱位置に対して酸素及び電子を供給した場合（酸素負イオン又は酸素分子及び電子の少なくとも何れか一方を供給した場合）には、ガスバーナー加熱のみの場合や酸素のみを供給した場合と比べて、格段に速く温度が上昇していることがわかる。
【００３４】
このように、電子及び酸素、又は、Ｏ２−やＯ−のような酸素負イオンの少なくとも何れか一方を加熱位置に供給することで、加熱位置で生じている詳細な反応機構は明らかではないものの、加熱位置における金属の昇温速度が格段に上昇することが明らかとなった。
【００３５】
本発明者は、以上説明したような、新たに見出した酸化反応促進メカニズムを、金属材の製造工程における他の処理へと適用することを検討した。その結果、ガス溶削処理における酸化反応が適用可能な工程として、砥石と金属材との機械的なせん断作用で発生する摩擦熱を用いた、金属材の研削処理に想到した。そこで、本発明者は、上記の酸化反応促進メカニズムの研削処理への適用を鋭意検討した結果、以下で詳述するような本発明の実施形態に係る金属材の研削方法及び金属材の研削装置に想到したのである。
【００３６】
（第１の実施形態）
＜金属材の研削方法について＞
以下では、図４を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る金属材の研削方法について、詳細に説明する。図４は、本実施形態に係る金属材の研削方法における反応機構の一例について示した流れ図である。
【００３７】
なお、以下では、被研削材である金属材の一例として、研削処理が実施される鋳片を例に挙げて説明を行うが、本発明に係る金属材の研削方法及び金属材の研削装置が適用可能な金属材料が鋳片に限定されるわけではなく、ステンレス鋼、高合金鋼、高炭素鋼等の一般的なガス溶削処理が適用しづらい鋼種についても適用することが可能である。
【００３８】
なお、これらの鋼種の中には、鋼材の表面に酸化皮膜が既に形成されているものも存在するが、酸化皮膜が形成されている鋼種であっても、上記のような酸化反応促進メカニズムは適用可能である。その理由は、以下の通りである。すなわち、このような酸化皮膜は、母材となる鋼種が完全に均一に酸化されることで形成されたものではなく、酸化皮膜の中には、酸化度合いの異なる様々な酸化物（換言すれば、酸化数の異なる酸化物）が存在していると考えられる。一方で、本実施形態で着目する酸化反応促進メカニズムは、以下で詳述するように、母材となる金属をより大きな酸化数の酸化物へと酸化させる反応機構である。そのため、表面に酸化皮膜が形成された鋼種であっても、酸化皮膜中に存在する酸化しきっていない酸化物も酸化反応に寄与し、反応機構が進行すると考えられる。
【００３９】
また、本発明に係る金属材の研削方法及び金属材の研削装置が適用可能な金属材料は、Ｆｅを含む鋼材に限定されるわけではなく、アルミニウム、銅、チタン等といった鉄以外の金属（非鉄金属）からなる金属材料やこれらの合金についても、同様に適用することが可能であることは言うまでもない。
【００４０】
本実施形態に係る金属材の研削方法は、砥粒が所定のバインダで固定された砥石を金属材の表面に当接させた後、砥石を回転させることで金属材の表面を削る、金属材の研削処理に適用されるものである。本実施形態に係る金属材の研削方法では、砥石による金属材の研削部位に対して、（ｉ）酸素分子Ｏ２、（ｉｉ）Ｏ−，Ｏ２−，Ｏ２−等の酸素負イオン、又は、（ｉｉｉ）酸素分子Ｏ２及び電子ｅ−、の少なくとも何れか一方を供給する。ここで、（ｉ）酸素分子Ｏ２を供給する場合には、研削部位における酸素の体積分率が大気中の酸素の体積分率（約２０％）よりも多くなるように、酸素分子（酸素ガス）が供給される。
【００４１】
価数が−１である酸素の陰イオンであるＯ−や、スーパーオキシドとも呼ばれるＯ２−等の酸素負イオンは、その化学式からも明らかなように電子（ｅ−）を帯電しており、鉄イオンとイオン結合しやすい状態のイオン種である。また、酸素分子及び電子を共に供給することで、電子を帯電した酸素負イオンを形成させることができる。以下、本明細書では、Ｏ−，Ｏ２−等の酸素負イオンや、酸素分子及び電子を総称して、酸素負イオン類と称することとする。
【００４２】
本実施形態に係る金属材の研削方法では、上記のような酸素分子又は酸素負イオン類が、研削部位に直接供給されてもよいし、研削部位に存在もしくは供給される酸素を含む混合ガスに対して混合されてもよい。
【００４３】
本実施形態に係る金属材の研削方法における研削メカニズムについて、図４を参照しながら説明する。
【００４４】
砥石が金属材の表面に当接され、回転し始めると、砥石による金属のせん断作用により摩擦熱が発生する。この摩擦熱により、研削部位における金属材が加熱される（ステップＳ１０１）。
【００４５】
一方で、研削部位には、少なくとも酸素を含む混合ガスが研削部位に供給されている（ステップＳ１０３）。本実施形態に係る金属材の研削方法では、上記混合ガスに加えて、上記のような酸素分子又は酸素負イオン類が、研削部位に対して更に供給される。これにより、研削部位における被研削材（鉄）と酸素との反応性が向上し、鉄の酸化反応が急激に進行することとなる。また、研削部位に対して反応性の高い酸素負イオン類が供給されることで、鉄とより多くの酸素とが反応し、通常はＦｅＯへと酸化されるＦｅが、Ｆｅ３Ｏ４やＦｅ２Ｏ３へと酸化されると考えられる。ここで、Ｆｅが、ＦｅＯ、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３へと酸化される場合の反応熱は、下記の反応式４〜６に示した値であるため、研削部位に対して酸素分子又は酸素負イオン類が供給されることで、ＦｅＯが生成する場合に比べてより多くの酸化発熱量が発生する。その結果、発生した熱エネルギーを利用して、更に効率良く被研削材である鉄の表面を加熱することが可能となる。また、酸素ガスで覆われた研削部位に対して電子を供給することで、電子に帯電した酸素ガス（すなわち、酸素負イオン）を更に形成させることも可能となる。
【００４６】
Ｆｅ＋（１／２）Ｏ２→ＦｅＯ＋６４ｋｃａｌ  ・・・（反応式４）
３Ｆｅ＋２Ｏ２→Ｆｅ３Ｏ４＋２６６．９ｋｃａｌ  ・・・（反応式５）
２Ｆｅ＋（３／２）Ｏ２→Ｆｅ２Ｏ３＋１９０．７ｋｃａｌ  ・・・（反応式６）
【００４７】
以上のような反応が進行することで、金属材は酸化発熱することとなる（ステップＳ１０５）。かかる酸化発熱により金属材の表面近傍の温度は上昇し、強度自体も低下していくこととなる。
【００４８】
他方、砥石が回転することによる研削も併せて進行しているため、酸化している研削部位は、砥石中に存在する砥粒の機械的なせん断力によって、研削部位から除去されることとなる（ステップＳ１０７）。ここで、上記のように、研削部位に存在する金属材は酸化により材質も劣化（脆化）しているため、機械的なせん断抵抗は低下し、研削性が改善されている。そのため、砥石は、より容易に研削部位に存在する金属を研削することができ、砥粒の摩耗及び摩耗に伴う劈開・脱落を抑制することが可能となる。また、研削される金属材は、酸化に伴って材質劣化しているため、砥石に付着した金属材は砥石の目詰まりを起こしにくく、砥石の研削性をより長時間維持することも可能となる。
【００４９】
また、砥石による研削部位には、混合ガスが供給されているため、かかる混合ガスにより砥石表面が冷却されることとなる（ステップＳ１０９）。これによって、研削部位の酸化発熱による砥石への熱負荷を軽減することが可能となり、砥石の寿命を更に向上させることが可能となる。
【００５０】
以後、上記ステップＳ１０３〜ステップＳ１０９の現象が繰り返し発生することで、被研削材である鉄の研削処理が進行することとなる。
【００５１】
以上のように、本実施形態に係る金属材の研削方法は、砥粒のせん断力によるワーク（すなわち、金属材）の研削に加え、研削部位に酸素分子又は酸素負イオン類を供給することで、金属材の酸化反応による電解作用を金属材に付加して研削するという、二重の研削メカニズムを有する研削方法である。
【００５２】
その結果、本実施形態に係る金属材の研削方法では、従来の研削処理と同じ研削量を確保するに際して、従来の研削時間を大幅に短縮することが可能であり、かつ、金属材の研削抵抗を小さくすることが可能である。従って、本実施形態に係る金属材の研削方法を利用することで、砥石寿命の更なる改善を図ることが可能となる。
【００５３】
＜金属材の研削装置について＞
続いて、図５Ａ〜図８Ｂを参照しながら、本実施形態に係る金属材の研削装置について、詳細に説明する。図５Ａ〜図８Ｂは、本実施形態に係る金属材の研削装置の一例を示した説明図である。
【００５４】
図５Ａは、本実施形態に係る金属材の研削装置（以下、単に研削装置ともいう。）を、上方から見た場合の模式図である。
本実施形態に係る研削装置は、例えば図５Ａに示したように、コンベア上を搬送される金属材の表面に対して、研削処理を行う装置である。この研削装置は、金属材の搬送方向に沿って設けられたレール上を移動する門型台車と、この門型台車に設置されたグラインダ装置１００と、を有する。
【００５５】
本実施形態に係る研削装置は、門型台車がレール上を移動することにより搬送方向の任意の位置にグラインダ装置１００を移動させることが可能であり、グラインダ装置１００は、門型台車内を移動することで、搬送方向に対して直交する方向の任意の位置に移動することが可能である。従って、本実施形態に係る研削装置は、コンベア上を搬送される金属材の表面の任意の部位を研削することが可能である。
【００５６】
図５Ｂは、グラインダ装置１００を側方から見た場合を模式的に示した模式図である。
グラインダ装置１００は、図５Ｂに示したように、枠体及び脚部を有する門型台車の枠体上に移動可能に設置されたキャリッジと、キャリッジに設けられた支柱とを有している。支柱は、未図示のシリンダ等によりキャリッジに対して昇降可能に取り付けられている。また、支柱には、金属材の表面を研削するための研削機構が設けられている。
【００５７】
研削機構としては、図５Ｂに示したように、略円筒形状の砥石１０１と、砥石１０１を回転させるための砥石回転用モータ１０３と、砥石回転用モータ１０３の回転力を砥石１０１に伝達させるためのベルト１０５と、砥石１０１を金属材の表面に当接させるための砥石押付用シリンダ１０７と、が設けられている。更に、本実施形態に係るグラインダ装置１００では、このような研削機構に加えて、酸素分子又は酸素負イオン類を研削部位に供給するための混合ガス供給ノズル１０９が設けられている。
【００５８】
砥石１０１は、所定の物質からなる砥粒が所定のバインダによって回転体の表面に固定されたものであり、本実施形態に係るグラインダ装置１００では、公知の砥石を利用することが可能である。特に、上記の金属材の研削方法で説明したように、本実施形態に係る研削メカニズムは酸素分子又は酸素負イオン類による酸化反応を利用したものであるため、砥石自体は、導電性の砥石のような特殊なものでなくともよく、非伝導性の砥石であってもよい。
【００５９】
本実施形態に係るグラインダ装置１００で使用可能な非伝導性の砥石は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）又はジルコニア（ＺｒＯ２）等といった無機系材料からなる砥粒と、この砥粒を固定するための有機樹脂系バインダと、を含む、電気的に絶縁性を示す公知のものである。有機樹脂系バインダについては、公知の有機樹脂を利用することが可能である。
【００６０】
また、砥石回転用モータ１０３、ベルト１０５及び砥石押付用シリンダ１０７は、特に限定されるものではなく、それぞれ公知のものを利用することが可能である。
【００６１】
このように、本実施形態に係るグラインダ装置１００では、以下で詳述する混合ガス供給ノズル１０９以外は、一般的なグラインダ装置を使用することが可能である。換言すれば、本実施形態に係るグラインダ装置１００としては、一般的なグラインダ装置に対して、混合ガス供給ノズル１０９を設置すればよい。
【００６２】
混合ガス供給ノズル１０９は、砥石１０１による研削部位に対して、少なくとも酸素分子又は酸素負イオン類を供給する。
【００６３】
混合ガス供給ノズル１０９（以下、単にノズル１０９ともいう。）は、砥石１０１の研削方向の上流側に少なくとも設けられることが好ましく、図５Ｂに示したように、砥石１０１の研削方向の上流側及び下流側の双方に設けられることが更に好ましい。砥石１０１の研削方向の上流側にノズル１０９を設けることで、砥石１０１による研削処理が行われている研削部位に対して、上記酸素負イオン類を供給することが可能となる。また、砥石１０１の研削方向に対して上流側及び下流側の双方にノズル１０９を設けることで、砥石１０１の研削方向を自由に設定することが可能となる。更に、研削部位を研削した後の砥石１０１に対して混合ガスを更に吹きつけて、砥石１０１を更に冷却することも可能となる。
【００６４】
ノズル１０９により研削部位に供給される混合ガスは、酸素ガスと、例えば窒素等の不活性ガスと、を含むものであり、酸素ガス中には、更に、上記酸素負イオン類が混合されている場合もある。このノズル１０９には、未図示の混合ガス供給ラインから、混合ガスが供給されている。
【００６５】
ノズル１０９に混合ガスを供給する混合ガス供給ラインの一例を、図６Ａ及び図６Ｂに示した。図６Ａ及び図６Ｂに示した例では、不活性ガスとして窒素ガスを利用した例について示している。
混合ガス供給ラインは、図６Ａ及び図６Ｂに例示したように、酸素ガス供給ラインと、窒素ガス供給ラインとの２つの系統を有している。
【００６６】
図６Ａ及び図６Ｂでは、酸素ガス供給ラインには、酸素ガス圧を制御するための減圧弁と、酸素ガスの流量を調整するための弁と、圧力計とが設置されている。同様に、窒素ガス供給ラインには、窒素ガス圧を制御するための減圧弁と、窒素ガスの流量を調整するための弁と、圧力計とが設置されている。それぞれのラインに設けられた弁を調整することで、混合ガス中の酸素ガスと窒素ガスとの混合比率を制御することができる。
【００６７】
また、図６Ｂに示した例では、酸素ガス供給ラインに対して、更に、電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方を発生させることが可能な発生装置１１１が配設されている。
【００６８】
図６Ａ及び図６Ｂに例示したような混合ガス供給ラインを利用することで、酸素ガス供給ラインによりノズル１０９へと供給されるガスとして、酸素ガス単体を供給したり、又は、酸素負イオンや電子等が混合された酸素ガスを供給したりすることが可能となる。
【００６９】
ここで、電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方を発生させる発生装置１１１としては、真空に保たれた電子を発生させる電子発生源と、当該発生源から発生される電子線のみを大気中に取り出せる電子線透過膜とを備えた電子銃等を用い、これら電子銃等と酸素ガス供給装置を組み合わせた電子発生装置を利用することが可能である。また、これ以外の電子発生源として、例えば、コロナ放電式、電子放射式、放射性物質利用式、レナード式等の電子発生装置を利用してもよい。
【００７０】
ここで、図６Ａ及び図６Ｂでは、酸素ガス供給ラインと窒素ガス供給ラインとが別個に設けられている場合について図示しているが、酸素ガス及び窒素ガスが予め混合されている混合ガス供給ラインに対して、上記の発生装置１１１を設置してもよい。この場合であっても、酸素分子と窒素分子の反応性を考慮した場合、窒素分子と電子との反応に先立って酸素分子と電子との反応が進行すると考えられ、上記のような酸素負イオン類を生成することが可能である。
【００７１】
このようなノズル１０９から酸素ガス又は酸素負イオン類を含む混合ガスが研削部位に対して供給されることで、以上説明したような研削メカニズムにより金属材の表面が研削されることとなる。
【００７２】
図７は、酸素ガス又は酸素負イオン類を供給する方法について模式的に示した説明図である。本実施形態において、酸素ガス又は酸素負イオン類を研削部位に供給する方法については、特に限定されるものではなく、様々な方法を適用することが可能である。
【００７３】
例えば、図７（ａ）に示したように、グラインダ装置１００の砥石１０１に対してノズル１０９を設け、図５Ｂ及び図６Ａに示したような混合ガス供給ラインにより、研削部位に対して酸素ガスのみを供給してもよい。
【００７４】
また、図７（ｂ）に示したように、グラインダ装置１００の砥石１０１に対してノズル１０９を設け、図５Ｂ及び図６Ｂに示したような混合ガス供給ラインにより、酸素負イオン類が混合された混合ガスを研削部位に供給してもよい。
【００７５】
また、図７（ｃ）に示したように、グラインダ装置１００に対してノズル１０９を設けることなく、窒素ガスと酸素ガスの混合ガスである大気そのものを利用し、発生装置１１１により発生した電子そのものを直接研削部位に供給するようにしてもよい。この場合、発生装置１１１は、砥石１０１の近傍に配設され、発生させた電子を研削部位に対して直接供給することとなる。発生装置１１１で発生した電子は、大気中に存在する酸素と反応して、上記のような酸素負イオン類が発生することとなる。
【００７６】
また、図７（ｄ）に示したように、酸素ガスの供給ラインやノズル１０９の途中に発生装置１１１を設けず、酸素ガス供給ラインやノズル１０９とは別個に独立して発生装置１１１を設けても良い。この場合、発生装置１１１は、砥石１０１の近傍に配設され、発生させた電子を研削部位に対して直接供給することとなる。発生装置１１１で発生した電子は、少なくとも酸素を含む混合ガス中の酸素と反応して、上記のような酸素負イオン類が発生することとなる。
【００７７】
また、図８Ａ及び図８Ｂに示したように、本実施形態に係る金属材の研削方法及び金属材の研削装置において、被研削材である金属材は、電気的に絶縁とならないように、電気的に接地されていることが好ましい。被研削材が電気的に接地されていない場合には、金属材に向かって供給される負の電荷を帯びた酸素負イオン類によって金属材が負に帯電し、供給される酸素負イオン類と被研削材とが電気的に反発するようになってしまう。
【００７８】
ここで、被研削材である金属材を電気的に接地するために、図８Ａに示したように、金属材そのものを電気的に接地してもよい。また、金属材の製造ライン等では、被研削材である金属材を搬送するために金属製のコンベア等が用いられていることが多いため、図８Ｂに示したように金属製のコンベアを電気的に接地することで、金属材を電気的に接地してもよい。
【００７９】
以上、図５Ａ〜図８Ｂを参照しながら、本実施形態に係る金属材の研削装置について詳細に説明した。
【００８０】
以上説明したように、本発明の実施形態に係る金属材の研削方法及び研削装置では、酸素分子又は酸素負イオン類を研削部位に供給して金属材を酸化させることにより、金属材のせん断抵抗を低減させることが可能となる。その結果、従来の研削処理と同じ研削量を確保するに際して、従来の研削時間を大幅に短縮することが可能となる。従って、本実施形態に係る金属材の研削方法及び研削装置を利用することで、砥石寿命の更なる改善を図ることが可能となり、砥石原単位を削減することができる。そのため、金属材の生産性を更に向上させることが可能となる。
【実施例】
【００８１】
以下では、実施例及び比較例を示しながら、本発明の実施形態に係る金属材の研削方法及び金属材の研削装置について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明の実施形態に係る金属材の研削方法及び金属材の研削装置のあくまでも一例であって、本発明の実施形態に係る金属材の研削方法及び金属材の研削装置が、下記に示す実施例に限定されるわけではない。
【００８２】
（実験例１）
以下では、炭素を１．０〜１．２質量％含有する高炭素鋼スラブの表面に対して、以下の実施例又は比較例に示す研削装置を用いて研削処理を行った。用いた研削装置は、図５Ａ〜図６Ｂに示したものであり、砥石１０１としては、砥粒としてアルミナ粒子及びジルコニア粒子を用い、有機樹脂系バインダとしてフェノール系樹脂を用いた、非導電性の砥石を利用した。
【００８３】
砥石１０１は、初期直径７６０ｍｍ、廃棄直径４４０ｍｍのものであり、砥石周速が５００ｍ／分の一定条件となるように、グラインダ装置１００の制御を行った。
【００８４】
以下に示す実験例では、窒素ガス及び酸素ガスの体積流量（Ｎｍ３／分）を制御し、窒素ガス：酸素ガスで表される体積流量比率（％）が：９０：１０、８０：２０、６０：４０、４０：６０、２０：８０の５パターンとなるようにした。また、それぞれの体積流量比率において、砥石１０１が初期直径から廃棄直径まで摩耗するまでのスラブの研削面数を計測した。
【００８５】
なお、酸素ガス供給ラインに設置する発生装置１１１としては、図３Ａに示した電子発生装置を利用した。また、酸素ガス供給ラインに設置した電子発生装置から発生する酸素負イオン類の量は、ＪＩＳ  Ｂ９９２９（２００６）「空気中のイオン密度測定方法」に記載されている方法に則して簡易の平板式イオン測定機で測定し、グラインダ装置１００の砥石１０１の位置で２５０万個／ｃｃ以上であることを別途確認した。
【００８６】
＜測定例１＞
上記のような条件のもとで発生装置１１１を稼働させて研削部位に対して酸素負イオン類を供給し、各体積流量比率（％）について、砥石１０１が摩耗するまでのスラブの研削面数を計測した。
【００８７】
＜測定例２＞
測定例１において発生装置１１１を稼働させない以外は、測定例１と同様にして、各体積流量比率（％）について、砥石１０１が摩耗するまでのスラブの研削面数を計測した。
【００８８】
すなわち、これら２つの測定例において、測定例１の全てと、測定例２のうち、窒素ガス：酸素ガスで表される体積流量比率（％）が６０：４０、４０：６０、２０：８０の３パターンとが、本発明例に該当し、測定例２のうち、窒素ガス：酸素ガスで表される体積流量比率（％）が：９０：１０、８０：２０の２パターンが、比較例に対応することとなる。
【００８９】
＜結果＞
得られた結果を、図９に示す。図９では、酸素の体積流量比率（％）が２０％である際の測定例２のスラブの研削面数を指数１．０とし、他の条件での各測定例のスラブ研削面数を指数化した。この指数を、以下では、砥石寿命指数と称することとする。この砥石寿命指数は、数値が高いほど、砥石寿命が高いことを示す指標である。ここで、酸素の体積流量比率が２０％であり、かつ、発生装置１１１を使用しないという条件は、通常行われている、大気中での一般的な研削処理に対応する条件である。なお、念のために、一般的なグラインダ装置を利用した大気雰囲気下での研削処理におけるスラブ研削面数を別途確認したところ、図９に示した場合と同様であった。
【００９０】
図９では、得られた砥石寿命指数を縦軸にとり、横軸に酸素の体積流量比率（混合ガス中の酸素比率）をとったグラフを示している。図９において、白塗りの棒グラフは混合ガスのみを供給した例（測定例２）に対応するものであり、黒塗りの棒グラフは、混合ガスと酸素負イオン類とを供給した例（測定例１）に対応するものである。
【００９１】
図９から明らかなように、測定例１及び測定例２の双方において、混合ガス中の酸素ガス比率が高くなるほど、砥石寿命指数が高くなることが明らかとなった。また、酸素比率が何れの場合であっても、酸素負イオン類を含む酸素ガスを供給した測定例１の砥石寿命指数は、同酸素比率の測定例２の砥石寿命指数よりも高い値を示した。この結果は、窒素ガスとの混合割合によらず、酸素ガス又は酸素負イオン類を供給した酸素ガスを研削部位に供給することで、砥石寿命指数が増加することを示すものである。
【００９２】
以上説明したように、本発明の実施形態に係る金属材の研削方法及び金属材の研削装置では、砥石による金属材の研削部位に対して酸素ガス又は酸素負イオン類を供給することにより、砥石による機械的なせん断力による研削に加えて、酸化反応による電解作用で研削を行うことが可能となり、金属材の切削時間を大幅に短縮することが可能となる。その結果、砥石寿命の向上を図ることが可能となる。
【００９３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００９４】
１００    グラインダ装置
１０１    砥石
１０３    砥石回転用モータ
１０５    ベルト
１０７    砥石押付用シリンダ
１０９    混合ガス供給ノズル
１１１    発生装置
【図１】
2014168830.tif 000003
【図２】
2014168830.tif 000004
【図３Ａ】
2014168830.tif 000005
【図３Ｂ】
2014168830.tif 000006
【図４】
2014168830.tif 000007
【図５Ａ】
2014168830.tif 000008
【図５Ｂ】
2014168830.tif 000009
【図６Ａ】
2014168830.tif 000010
【図６Ｂ】
2014168830.tif 000011
【図７】
2014168830.tif 000012
【図８Ａ】
2014168830.tif 000013
【図８Ｂ】
2014168830.tif 000014
【図９】
2014168830.tif 000015