(57)【要約】【課題】  焼結時の歩留まりが高く、且つ加工性の良いサーメット製板状体を提供する。【解決手段】  サーメット製板状体であって、前記板状体は第1硬質相粉末と第2硬質相粉末と結合相粉末とからなる出発原料粉末を混合、焼結してなる。この第1硬質相粉末は、Tiの炭化物粉末と、Tiの炭窒化物粉末および窒化物粉末の少なくとも一方とからなり、出発原料粉末中に40〜65重量％含有される。第2硬質相粉末は、周期律表第4a、5aおよび6a族に属する1種以上の元素（Tiを除く）の炭化物粉末、窒化物粉末、炭窒化物粉末からなる。結合相粉末は、Co、NiおよびFeの1種以上の粉末からなり、出発原料粉末中に10〜25重量％含有される。そして、板状体は0.9〜4.0重量％の窒素を含有する。【選択図】  図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サーメット製板状体であって、
前記板状体は第1硬質相粉末と第2硬質相粉末と結合相粉末とからなる出発原料粉末を混合、焼結してなり、
前記第1硬質相粉末は、Tiの炭化物粉末と、Tiの炭窒化物粉末および窒化物粉末の少なくとも一方とからなり、出発原料粉末中に40〜65重量％含有され、
前記第2硬質相粉末は、周期律表第4a、5aおよび6a族に属する1種以上の元素（Tiを除く）の炭化物粉末、窒化物粉末、炭窒化物粉末からなり、
前記結合相粉末は、Co、NiおよびFeの1種以上の粉末からなり、出発原料粉末中に10〜25重量％含有され、
前記板状体は0.9〜4.0重量％の窒素を含有することを特徴とするサーメット製板状体。
【請求項２】
第1硬質相粉末としてTiの炭窒化物粉末を出発原料粉末中に5〜25重量％含まれることを特徴とする請求項1に記載のサーメット製板状体。
【請求項３】
前記サーメット製板状体の比重が7以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のサーメット製板状体。
【請求項４】
円板状の基板と、前記基板の外周部に形成された超砥粒層とを備えた超砥粒切断ホイールであって、
前記基板は請求項１に記載のサーメット製板状体で構成されたことを特徴とする超砥粒切断ホイール。
【請求項５】
第1硬質相粉末としてTiの炭窒化物粉末を出発原料粉末中に5〜25重量％含まれることを特徴とする請求項4に記載の超砥粒切断ホイール。
【請求項６】
前記サーメット製板状体の比重が7以下であることを特徴とする請求項4または5に記載の超砥粒切断ホイール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペーサーに好適なサーメット製板状体や、そのサーメット製板状体を基板とする超砥粒切断ホイールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドや立方晶窒化硼素（CBN)などの超砥粒を用いた超砥粒切断ホイールは難削材の加工、各種材料の高能率で高精度な加工に、広く使用されている。
【０００３】
例えば、超砥粒切断ホイールは、光学ガラス、セラミックス、水晶、磁性材料、半導体材料などの切断加工や溝入れ加工に用いられている。より具体的には、磁気ヘッドのコアとなるフェライトブロックに溝を形成する場合や、光学ガラスの素材からプリズムを切断して分離する場合には、外径が50mm〜300mm、刃部の厚みが0.1mm〜4mmの超砥粒切断ホイールが用いられる。通常、刃部を形成する超砥粒層は基板の外周部に結合材によって固着されている。
【０００４】
このようなホイールの一例として、特許文献1には、ホイール台板が超硬合金のドーナツ状穴あき薄板円板からなり、その外周部にダイヤモンド系砥粒粉末を体積率で10〜80％含有させた超砥粒切断ホイールが開示されている。ここで用いる超硬合金は、WCを硬質相の主材料としたもので、WC-Co系、WC-TiC-Co系、WC-TiC-TaC-Co系の合金が優れていると記載されている。
【０００５】
一方、特許文献２には、超硬合金に代えてサーメットを台金とするホイールが記載されている。このホールは、円板状の基板と、基板の外周部に形成された砥粒層とを備えた超砥粒切断ホイールであって、基板は、第1の硬質相と第2の硬質相と結合相とからなっている。第1の硬質相としてTiの窒化物またはTiの炭窒化物の一種以上の粉末を用いる。また、第2の硬質相として周期律表第4a、5aおよび6a族に属する群より選ばれた1種以上の元素の炭化物、窒化物および/又は炭窒化物（但し、Tiの窒化物、炭窒化物を除く）の粉末を用いる。結合相としてコバルト、ニッケル、鉄、モリブデンの中の一種以上の粉末を用いる。そして、この超砥粒切断ホイールは、これら硬質相および結合相の粉末を焼結してなるサーメットを基板としている。
【０００６】
【特許文献１】特開平9-174441号公報
【特許文献２】特開2003-251566号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献1に記載のホイールは、鉄族金属を多く含むネオジウム磁石を切断すると、切屑の鉄と基板材料の炭化物やCoとのなじみが良いので、台金に切粉が付着しやすい。この付着により、基板が重くなり、重量バランスが悪くなって振動が発生したり、切削抵抗が大きくなるといった問題がある。また、多数のホイールを回転軸に装着して使用するが、超硬合金はもともと重い材料なので、軸にかかる重量が大きくなり、軸のたわみにより切断精度が悪くなる。
【０００８】
一方、特許文献2に記載のホイールは、サーメットを基板とするので軽量であり、特許文献1の発明が有する前記の課題を解決することができる。しかし、特許文献2のサーメットは、焼結時の歪が大きいので焼結の歩留まりが悪く、かつ被加工性が悪いため加工に時間がかかる。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その主目的は、被加工性を向上させると同時に焼結時の歪みを少なくしたサーメット製板状体と、それを用いた超砥粒切断ホイールとを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、窒素の含有量を減少したサーメットとすることで、被加工性と焼結時の歪の発生を改善できると言う知見に基づいてなされたものである。
【００１１】
本発明は、サーメット製板状体であって、前記板状体は第1硬質相粉末と第2硬質相粉末と結合相粉末とからなる出発原料粉末を混合、焼結してなる。この第1硬質相粉末は、Tiの炭化物粉末と、Tiの炭窒化物粉末および窒化物粉末の少なくとも一方とからなり、出発原料粉末中に40〜65重量％含有される。第2硬質相粉末は、周期律表第4a、5aおよび6a族に属する1種以上の元素（Tiを除く）の炭化物粉末、窒化物粉末、炭窒化物粉末からなる。結合相粉末は、Co、NiおよびFeの1種以上の粉末からなり、出発原料粉末中に10〜25重量％含有される。そして、板状体は0.9〜4.0重量％の窒素を含有することを特徴とする。
【００１２】
本発明板状体のサーメットは、窒素の含有量を少なくすることで、優れた被加工性を得ることができ、さらに焼結時の歪による凹凸をほぼなくすことができる。そのため、高い平面度のサーメットを容易に得ることができ、切断ホイールの基板や切断ホイールの間に入れるスペーサーなどにも好適に利用できる。
【００１３】
第1硬質相粉末は、Tiの炭化物粉末と、Tiの炭窒化物粉末および窒化物粉末の少なくとも一方とからなる。すなわち、Tiの炭化物を必須成分とし、Tiの炭窒化物と窒化物の両方または一方を必須成分とする。第1硬質相粉末の含有量を出発原料粉末に対して40〜65重量％とする。この範囲にあると、溶着しにくく、かつ靭性に富むサーメットを得ることができる。従って、40％未満であれば耐溶着性が劣り、65％を越えると脆くなる。この第1硬質相粉末は焼結後に焼結体の中で第1硬質相を形成する。
【００１４】
第1硬質相粉末にTiCとTiNの粉末を用いると、焼結したときにこれらの固溶体であるTiCNが形成される。また、第1硬質相粉末にTiCNを用いることもできる。このTiCNのCとNの比率は、任意に選ぶことができる。焼結体になったときにおける前記CとNの比率は、例えばX線によりTiCNの格子定数を調べて判断することができる。TiCNのCとNの合計原子数に対するNの原子数の比率は、概略0.2〜0.8の範囲が好ましい。さらに好ましくは0.4〜0.6の範囲である。
【００１５】
第2硬質相粉末は、周期律表第4a、5aおよび6a族に属する1種以上の元素（Tiを除く）の炭化物粉末、窒化物粉末、炭窒化物粉末からなる。第2硬質相粉末の含有量は、第1硬質相粉末と結合相粉末の残部、つまり10〜50重量％とする。第2硬質相粉末は焼結後に焼結体の中で第2硬質相を形成する。第1硬質相であるTiの化合物は結合相との濡れ性が悪いが、第2硬質相は結合相との濡れ性が良い。焼結の過程で第2硬質相は第1硬質相の周囲を囲む組織となり、第2硬質相と結合相が接触するので、結果的に硬質相と結合相との濡れ性を高めている。
【００１６】
結合相粉末としてはCo、Ni、Fe粉末の中から一種以上を選択する。この結合相粉末は出発原料粉末中10〜25重量％含有するものとする。結合相粉末の含有量がこの範囲にあると、焼結体の硬度、ヤング率、K1Cなどの値を制御し易い。
【００１７】
また、本発明板状体すなわち焼結体は、窒素を0.9〜4.0％含んでいる。このように窒素の含有量を限定することで、優れた被加工性を得ることができる。この板状体を製作する場合、板の表裏を研削したり、研磨や遊離砥粒を用いてラッピングしたりする。このとき、本発明板状体のサーメットは、従来のサーメットに比較して、研削において約5.5倍の速さ、ラッピングにおいて約1.5倍の速さで加工できる。また、超硬合金と比較すると、研削で約2.2倍の速さ、ラッピングで約2.5倍の速さで加工できる。
【００１８】
一般に、サーメットは鉄族金属との溶着性が低い。本発明のような窒素の含有量の場合でも、鉄族金属との溶着性は充分低いことがわかった。例えば、鉄-ネオジウム系磁石を本発明板状体製のホイールを用いて切断する場合、鉄がホイールに溶着しにくく、ホイールの寿命も長くなる。
【００１９】
また、窒素の含有量を上記の範囲に特定することで、焼結時の歪による凹凸が殆ど発生しない。特に、板状の薄い焼結体を製作するとき、窒素の含有量が4.0％を超えていると、焼結体に歪が発生して板に凹凸が発生し、製品歩留が低下する。窒素の添加は、第1硬質相粉末または第2硬質相粉末に窒素化合物を用いることで行うことができる。また、焼結雰囲気により、焼結体中の窒素量を制御できるので、出発原料中の窒素量と焼結体中の窒素量とは必ずしも一致しない。従って、本発明の窒素含有量は、出発原料中の窒素量ではなく、焼結体中の窒素量を意味する。
【００２０】
上記の本発明板状体において、第1硬質相粉末のうちTiの炭窒化物粉末は出発原料粉末中に5〜25重量％含まれることが好ましい。Tiの炭窒化物を5〜25重量％含む場合、焼結時の凹凸が殆ど発生しない。特に、板状の薄い焼結体を製作するとき、従来のサーメットは、焼結体に歪が発生して板に凹凸が発生し、製品歩留が低下していた。ところが、Tiの炭窒化物粉末を25重量％以下とすることで、より一層焼結時の歪を効果的に低減できる。
【００２１】
本発明サーメット製板状体の比重は7以下であることが望ましい。軽量板状体は、多数のホイールなどを片持ち回転軸に装着して使用するとき、軸への負荷が少なくなり、より多くのホイールを装着できる。切断ホイールの間に入れるスペーサーとして使用する場合も同様である。ちなみに、超硬合金の場合、比重は約14.5であるが、本発明板状体の場合、その半分以下の比重である。
【００２２】
上記の本発明板状体は、超砥粒切断ホイールの基板として好適に利用できる。すなわち、本発明円超砥粒切断ホイールは、円板状の基板と、前記基板の外周部に形成された超砥粒層とを備えた超砥粒切断ホイールであって、基板を上記サーメット製板状体で構成したことを特徴とする。
【００２３】
このホイールにおいても、(1)第1硬質相粉末としてTiの炭窒化物粉末を出発原料粉末中に5〜25重量％含まれること、(2)板状体の比重を7以下とすることは好ましい構成である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、優れた被加工性を得ることができ、さらに焼結時の歪による凹凸をほぼなくすことができる。特に、軽量で、焼結性にも優れ、鉄族金属との溶着も少ない。そのため、高い平面度を有する板状体を容易に作製でき、超砥粒切断ホイールの基板などとして利用できる。特に、磁気ヘッドのコアとなるフェライトブロックに溝入れ加工する超砥粒切断ホイールに好適に使用できる。その際、本発明のサーメットは、軽いので芯ブレなどが発生しにくく、安定した高精度の加工を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００２６】
サーメット製板状体を作製しその特性を調べた。まず、第1硬質相粉末としてTiC、TiNおよびTi(CN)(但し、CとNの原子比率は1：1なので正しくはTi(C0.5N0.5)である。)の粉末を準備した。同様に、第2硬質相粉末としてTaN、Mo2C、NbC、WC、ZrCの粉末と、結合相粉末としてNi、Co、Feの粉末を準備した。これらの粉末を表1に従い配合し、ボールミルで混合した。次に、これを圧縮成形しさらに窒素雰囲気下、温度1390℃で1時間焼結し、サーメット製板状体を作製した。
【００２７】
表1の試料番号1〜7は、目視では凹凸を検出できないほど平坦な板状体であった。試料番号8は、窒素の添加量の多い従来のサーメットであり、目視で凹凸を検出できる試料を含んでいた。目視により焼結体の凹凸が分かれば、その焼結体はホイールに使用できない。試料番号9は市販の超硬合金である。なお、試料番号8は、TiCNとTiNを多く添加しているので焼結体に含まれる窒素量が5.5％となり比較例である。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
得られた板状の焼結体は、外径が150mm、内径35mm、厚さが0.8mmの中央に円孔を有する円板状である。このようにして得られた焼結体の上下面を、固定砥粒による研削と、遊離砥粒によるラップにより0.5mmの厚みに加工した。次に、外径と内径を加工して、外径が144mm、内径が40mmのドーナツ状のサーメット製板状体を20枚作製した。このようにして得られた各試料の比重を求めたところ、比重の大きいWC粉末を最も多く含む試料番号7のものは約７の比重であったが、それ以外のものはいずれも7未満で鉄の比重より小さかった。
【００３０】
そのときの焼結歩留、固定砥粒による研削レート、遊離砥粒によるラップレート、研削加工とラップ加工の2工程の合計歩留を加工歩留まりとして表2に示した。研削レートとラップレートは、超硬合金である試料番号9の研削レート、ラップレートを1として、各試料の相対値を表2に記載した。窒素含有焼結体の研削性やラッピング性は概略窒素含有量に逆比例する。なお、研削レートおよびラップレートは、単位時間当たりに除去される量を厚みで表したものであり、数字が大きいほど研削やラッピングされ易いこと示している。
【００３１】
【表２】
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【００３２】
超硬合金やサーメットの焼結工程では、成形体の収縮が原因で歪が発生する。このとき不均一な収縮が起こると、修復が不可能であり焼結歩留が低下する。窒素含有量の多い試料番号8のものは焼結歩留が低かった。また、試料番号1のものは、窒素量が少し多いので焼結歩留が低くなっている。
【００３３】
焼結歩留について考察するために、サーメット製板状体のCuKα線によるX線回折図形を求めた。図1、2共に横軸は、2θであり縦軸は強度を示す。図1は、試料番号2のサーメットのX線回折図形であり、図2は試料番号8の比較例のX線回折図形である。図1と図2のピークを2θが60°以上の大きなところで比較すると、図1では、強いピーク1が現れている幅の狭い図形になっていることが分かる。これに対して、図2では、強いピーク1の高さの半分程度の高さにもうひとつの弱いピーク2があるように見え、その結果、図形の幅が広くなっている。
【００３４】
図1の試料は、化合物が単純な構成となっているが、図２の試料は各種の格子定数のものが混ざっている複雑な構成になっていると推定される。従って、図2の試料は、焼結時に何らかの反応を伴い、板状体全面が同じ速度で反応させることが難しいので歪みの多い焼結体になるものと考えられる。このような現象が、焼結歩留を悪くする原因になっていると推定される。
【００３５】
加工歩留の原因について検討した。焼結体は、その内部の応力が研削やラップにより開放され、お椀状になったり、波のように屈曲したり種々に変形する。このような変形のうち不良とされる変形は、切断ホイールとして使用するとき、ホイールに振動が発生する原因となるものである。
【００３６】
表2に示された加工歩留は、加工後の歪み状況で判断されるが、以下のようにして判定される。図3は、ドーナツ状の板状体の上面図である。中心から同じ距離にあり、互いに直交する測定線ｓ1およびｓ2に沿ってダイヤルゲージを走らせ、各点の高さを測定する。その結果が実線で示した弓状の線で、最も高低差のある点の高さを測定線ｓ1、ｓ2に対応させてｈ1、ｈ2とした。
【００３７】
この図では、ｈ1、ｈ2共に中央部で凹んでいるのでお椀状のドーナツ板を示している。逆にｈ1、ｈ2共に中央部で凸になっている場合は、お椀を伏せた状態である。数10mmの幅に対してｈ1、ｈ2が10μm程度のお椀状のものは合格品である。これに対し、ｈ1とｈ2が互いに異なる方向、例えば図3においてｈ1が図のままで、ｈ2が図と逆の左に振れていると、ｈ1の方は中央が低く、ｈ2の方は、中央が高くなるのでドーナツ板は波を打っている。このような板状体は、使用時に振動の原因になり不良品である。表2から明らかなように、本発明品の加工歩留は、安定して高い値を示した。
【実施例２】
【００３８】
実施例1で得られたサーメット製の円板を用いて超砥粒ホイールを作製した。まず、超砥粒層の接合強度を高めるために、外周部にNi-Al合金を溶射した。次に、基板の外周部に超砥粒層を形成した。ダイヤモンドとその結合材であるレジンを用いてダイヤモンド砥粒を基板の外周部に固着し、超砥粒層を形成した。具体的には、円形砥石形状の金型に上記のサーメット製基板をセットした。この基板の外周部分にバインダーである熱硬化性フェノール樹脂と、平均粒径150μm(粒度＃100)の人工ダイヤモンド砥粒を体積比率で18.8％になるように混合し、この混合粉末を、前記金型に充填してプレスにより砥石形状に成形した。その後、この成形体を金型にセットしたまま温度180℃で2時間加熱硬化させ、冷却後、ラップ盤にて刃厚0.6mmに仕上げ加工をして、超砥粒切断ホイールを製作した。
【００３９】
上記の超砥粒切断ホイールを用いて、鉄-ネオジウム系磁石を次の条件で切断した。超砥粒切断ホイール20枚を3mm間隔で組み上げて、回転数4000rpm、切断速度10mm/minで切断した。鉄-ネオジウム系磁石の切断領域は幅が40mm、高さが20mmであった。試料番号1から8のもので切断された製品の切断面は、面粗さが小さく、研磨することなく使用できた。また、ホイールの寿命も長かった。これに対して試料番号9のものは、ホイールの面に鉄-ネオジウム系磁石が溶着していた。なお、試料番号3のサーメットを外径60mm、内径40mm、厚さ3mmの円板に加工し、超砥粒切断ホイールのスペーサーとして用いた。円板は、軽くて、歪がないので正確にホイールを組み上げることができた。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、光学ガラス、セラミックス、水晶、磁性材料、半導体材料などの切断加工や溝入れ加工等のホイールとして広い分野で使用できる。また、多数のホイールを組み立てるときに用いるスペーサーとしても利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明のサーメットのX線回折図形である。
【図２】従来のサーメットのX線回折図形である。
【図３】サーメット製板状体の凹凸を測定する方法を説明する図である。
【符号の説明】
【００４２】
1            強いピーク
2            弱いピーク
ｓ1、ｓ2    互いに直交する測定線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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