(57)【要約】【課題】  【解決手段】  ガラスボンド・マトリックスに使用するための被覆研磨粒子であって、前記粒子は１層から約５０層までのコーティング層によってコーティングされる。各コーティング層の厚さは、約０．１から５０ミクロンである。各層の組成はＭＣｘＮｙＢｚＯｗであって、ここで、ＭはＴｉか、Ｓｉか、Ｖか、Ｃｒか、Ｚｒか、Ｎｂか、Ｍｏか、Ｈｆか、Ｔａか、Ｗか、Ｒｅか、希土類金属かの１若しくはそれ以上であり、ｗ、ｘ、ｙ、ｚは、それぞれ０から３の範囲である。最も外側のコーティング層は、研磨粒子に直接接触する層よりも少なくとも約２倍高い酸素濃度を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスボンド・マトリックスに使用するための被覆研磨粒子であって、
１層から約５０層のコーティング層で被覆した研磨粒子を有し、各コーティング層の厚さは約０．１から５０ミクロンであり、各層は、
ＭＣｘＮｙＢｚＯｗ
の組成を有し、ここで、
ＭはＴｉか、Ｓｉか、Ｖか、Ｃｒか、Ｚｒか、Ｎｂか、Ｍｏか、Ｈｆか、Ｔａか、Ｗか、Ｒｅか、希土類金属かの１若しくはそれ以上で、
ｗとｘとｙとｚは、それぞれ０から３の範囲であり、
前記最も外側のコーティング層は、研磨粒子に直接接触する層よりも少なくとも約２倍高い酸素濃度を有するものである。
【請求項２】
請求項１の被覆研磨粒子において、最も外側のコーティング層は、研磨粒子に直接接触する層よりも少なくとも約５倍高い酸素濃度を有するものである。
【請求項３】
請求項１の被覆研磨粒子において、前記研磨粒子に接触する前記コーティング層のｗは０である。
【請求項４】
請求項１の被覆研磨粒子において、前記研磨粒子はダイヤモンドか、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）か、炭化ケイ素かの１若しくはそれ以上である。
【請求項５】
請求項１の被覆研磨粒子において、前記研磨粒子の粒径は約１ミクロンから１０ｍｍである。
【請求項６】
請求項５の被覆研磨粒子において、前記研磨粒子は約３７から４２５ミクロンのダイヤモンドである。
【請求項７】
複合ガラスエレメントであって、
ガラスマトリックス内に研磨粒子が分散されたガラスマトリックスを有し、前記研磨粒子は１層から約５０層のコーティング層で塗布され、各コーティング層は約０．１から５０ミクロンの厚さであり、各層は、
ＭＣｘＮｙＢｚＯｗ
の組成を有し、ここで、
ＭはＴｉか、Ｓｉか、Ｖか、Ｃｒか、Ｚｒか、Ｎｂか、Ｍｏか、Ｈｆか、Ｔａか、Ｗか、Ｒｅか、希土類金属かの１若しくはそれ以上で、
ｗとｘとｙとｚは、それぞれ０から３の範囲であり、
前記最も外側のコーティング層は、研磨粒子に直接接触する層よりも少なくとも約２倍高い酸素濃度を有するものである。
【請求項８】
請求項７の複合ガラスエレメントにおいて、前記研磨粒子上の最も外側のコーティング層は、研磨粒子に直接接触する層よりも少なくとも約５倍高い酸素濃度を有するものである。
【請求項９】
請求項７の複合ガラスエレメントにおいて、前記研磨粒子に接触する前記コーティング層のｗは０である。
【請求項１０】
請求項７の複合ガラスエレメントにおいて、前記研磨粒子はダイヤモンドか、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）か、炭化ケイ素かの１若しくはそれ以上である。
【請求項１１】
請求項１０の複合ガラスエレメントにおいて、前記研磨粒子の粒径は約１ミクロンから１０ｍｍである。
【請求項１２】
請求項１１の複合ガラスエレメントにおいて、前記研磨粒子は約３７から４２５ミクロンのダイヤモンドである。
【請求項１３】
請求項７の複合ガラスエレメントにおいて、前記ガラスマトリックスはＳｉＯ２か、Ｂ２Ｏ３か、Ｎａ２Ｏか、ＣａＯか、ＭｇＯかを１若しくはそれ以上有するガラス形成材料である。
【請求項１４】
請求項７の複合ガラスエレメントにおいて、前記研磨粒子の濃度は約２５から２００である。
【請求項１５】
研削エレメントである請求項７の複合ガラスエレメント。
【請求項１６】
ガラスボンド・マトリックスに使うための被覆研磨粒子を作る方法であって、
（ａ）ＭがＴｉか、Ｓｉか、Ｖか、Ｃｒか、Ｚｒか、Ｎｂか、Ｍｏか、Ｈｆか、Ｔａか、Ｗか、Ｒｅか、希土類金属かの１若しくはそれ以上であり、
ｗとｘとｙとｚがそれぞれ０から３の範囲である
ＭＣｘＮｙＢｚＯｗの層を研磨粒子上に付着する工程と、
（ｂ）最も外側のコーティング層が、研磨粒子に直接接触する層よりも少なくとも約２倍高い酸素濃度を持つように、最も外側の層を酸化する工程とを有するものである。
【請求項１７】
請求項１６の方法において、工程（ａ）のコーティングを化学気相蒸着（ＣＶＤ）か、パック・セメンテーションか、炭化、窒化、ホウ化のうち１若しくはそれ以上を後に伴う金属付着かによって生成されるものである。
【請求項１８】
請求項１７の方法において、化学的に結合した酸化物コーティングは工程（ｂ）の、空気、酸素、または酸素含有ガスにおける高温アニーリングか、ガラス状マトリックスにおける焼結か、ＣＶＤ処理か、ゾル−ゲル技術か、酸素含有溶解塩での融解処理かによる、炭化物／窒化物／ホウ化物でコーティングした前記の研磨粒子と酸素の反応によって生成されるものである。
【請求項１９】
請求項１７の方法において、前記ガラスマトリックスはＳｉＯ２か、Ｂ２Ｏ３か、Ｎａ２Ｏか、ＣａＯか、ＭｇＯかを１若しくはそれ以上有するガラス形成材料である。
【請求項２０】
請求項１６の方法において、最も外側のコーティング層は、研磨粒子に直接接触する層よりも少なくとも約５倍高い酸素濃度を有するものである。
【請求項２１】
請求項１６の方法において、前記研磨粒子に接触する前記コーティング層のｗは０である。
【請求項２２】
請求項１６の方法において、前記研磨粒子はダイヤモンドか、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）か、炭化ケイ素かを１若しくはそれ以上である。
【請求項２３】
請求項２２の方法において、前記研磨粒子の粒径は約１ミクロンから１０ｍｍである。
【請求項２４】
請求項２３の被覆研磨粒子において、前記研磨粒子は約３７から４２５ミクロンのダイヤモンドである。
【請求項２５】
ガラスボンド・マトリックスに使うための被覆研磨粒子を作る方法であって、
少なくとも２層のＭＣｘＮｙＢｚＯｗを研磨粒子に付着させる過程を有し、
ここで、
ＭはＴｉか、Ｓｉか、Ｖか、Ｃｒか、Ｚｒか、Ｎｂか、Ｍｏか、Ｈｆか、Ｔａか、Ｗか、Ｒｅか、希土類金属かの１若しくはそれ以上であり、
ｗとｘとｙとｚは、それぞれ０から３の範囲であり、
前記最も外側のコーティング層は、研磨粒子に直接接触する層よりも少なくとも約２倍高い酸素濃度を有するものである。
【請求項２６】
請求項２５の方法において、前記層は化学気相蒸着（ＣＶＤ）またはパック・セメンテーションのうち１若しくはそれ以上の方法によって生成され、前記方法において最も外側の層を生成中に酸素濃度を上昇させるものである。
【請求項２７】
請求項２５の方法において、最も外側のコーティング層は、研磨粒子に直接接触する層よりも少なくとも約５倍高い酸素濃度を有するものである。
【請求項２８】
請求項２５の方法において、前記研磨粒子と接触するコーティング層のｗは０である。
【請求項２９】
請求項２５の方法において、前記研磨粒子はダイヤモンドか、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）か、炭化ケイ素かの１若しくはそれ以上である。
【請求項３０】
請求項２９の方法において、前記研磨粒子の粒径は約１ミクロンから１０ｍｍである。
【請求項３１】
請求項２９の被覆研磨粒子において、前記研磨粒子は約３７から４２５ミクロンのダイヤモンドである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属被覆スーパーアブレイシブ粒子または砂粒を含むガラスボンド研削エレメントに関するものであり、具体的には、ガラスボンド・マトリックスによって被覆粒子の湿潤（ウェッティング）を改善するための機能性グレード・コーティングの使用に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
これまで、研削エレメントとして用いるダイヤモンド、ＣＢＮ、炭化ケイ素に、難溶性金属酸化物（チタニア、ジルコニア、アルミナ、シリカ）をコーティングすることが提案されている（米国特許第４，９５１，４２７号および５，１０４，４２２号参照）。これらのコーティング加工では、研磨粒子表面に元素金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ）を付着させ、次に前記金属を酸化物に変えるために、前記サンプルを適切な温度で酸化させる。残念ながら、酸化層本来のもろさと、酸化物と研磨粒子の熱膨張係数の不一致によって生じる残留応力とが原因となり、これらのコーティングに亀裂が生じることがしばしばである。実際には、コーティングと研磨粒子の間の接触面が弱い場合は、研削中にこれらの研磨粒子がマトリックスから離脱してしまう。
【０００３】
ボンド内の結晶の保持は、研削ホイールの耐用期間を決定する重要な要因である。研削中のガラスボンドからの被覆結晶の離脱は、研削ホイールの主な不良形態の１つである。被覆研磨結晶を取り扱う場合に考慮すべき結合線は２つある。第１の結合線はダイヤモンド／コーティング結合線であり、第２の結合線はコーティング／マトリックス結合線である。いずれの結合の欠陥においても、被覆結晶の離脱と、被覆結晶を含む研削エレメントの寿命の短縮という結果につながる。ゆえに、本技術分野において、ガラスボンド中により長く保持される被覆研磨結晶技術の必要性が存在している。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
ガラスボンド・マトリックス中の金属酸化物被覆スーパーアブレイシブ粒子の保持は、このガラスボンド・マトリックスに機能性グレード被覆研磨粒子を組み込むことによって向上する。この目的において、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、炭化ケイ素などの研磨粒子が有用である。前記の新規機能性グレード被覆研磨粒子は、金属炭化物、窒化物、および／またはホウ化物を原料とする、外側の酸化相コーティング層を有し、前記化合物は内側のコーティング層を生成する。前記コーティングは前記マトリックス中の研磨粒子の接着力を向上させ、工具の製造および処理中に薬品から保護する働きを持つ。
【０００５】
ゆえに本発明は、ガラスボンド・マトリックスに用いる被覆研磨粒子を目的とする。前記粒子は、１層から約５０層のコーティング層によってコーティングされる。各コーティング層の厚さは、約０．１から５０ミクロンである。各層の組成はＭＣｘＮｙＢｚＯｗであり、この組成においてＭはＴｉか、Ｓｉか、Ｖか、Ｃｒか、Ｚｒか、Ｎｂか、Ｍｏか、Ｈｆか、Ｔａか、Ｗか、Ｒｅか、希土類金属かの１若しくはそれ以上であり、ｗ、ｘ、ｙ、ｚは、それぞれ０から３の範囲である。最も外側のコーティング層は、研磨粒子に直接接触する層よりも少なくとも約２倍高い酸素濃度を有する。
【０００６】
前記コーティング層は、ＭＣｘＮｙＢｚＯｗの組成を持つコーティングを、１層から約５０層までの範囲で付着させることによって生成することができる。前記研磨粒子と直接接触するコーティング層で少なくとも約２倍の酸素を有す最も外側の層は、炭化物／窒化物／ホウ化物でコーティングした前記の研磨粒子と酸素の反応によって生成される。
【０００７】
次に、前記機能性グレード被覆研磨粒子をマトリックス材料に組み込み、ガラスボンド研削エレメントを生成することができる。マトリックス材料として、ガラスボンド材料の、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ、ＣａＯ、ＭｇＯ、あるいはその他類似のガラス形成材料が挙げられる。本技術分野に一般的な従来の処理方法を用いて前記ガラスボンド研削エレメントを作る。そのような研削エレメントを用いることによって、研削性能が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
ダイヤモンド粒子は天然でも合成のものでもよい。研削作業において最もよく使われるのは合成ダイヤモンドである。合成ダイヤモンドは、本技術分野でよく知られた高圧／高温（ＨＰ／ＨＴ）処理によって作ることができる。前記ダイヤモンドの粒径は、ガラスボンド研削エレメントに通常使われるサイズである。一般に、前記ダイヤモンドの砂粒は粒経にして約１ミクロンから約１０ｍｍの範囲が可能であり、約１０ミクロンから１０００ミクロンが有利であり、約３７ミクロン（４００メッシュ）から４２５ミクロン（４０メッシュ）が好ましい。従来の研削技術に従って、狭い粒径分布が好ましい。本発明の原則に従って、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）をコーティングすることができるが、ＳｉＣまたはその他の研磨粒子で特に前記ガラスボンド・マトリックスによって濡れない研磨粒子、をコーティングしてもよい。
【０００９】
前記研磨粒子を、ＭＣｘＮｙＢｚＯｗの組成を持つ材料で少なくとも１層コーティングする。前記組成においてＭはＴｉか、Ｓｉか、Ｖか、Ｃｒか、Ｚｒか、Ｎｂか、Ｍｏか、Ｈｆか、Ｔａか、Ｗか、Ｒｅか、希土類金属かの１若しくはそれ以上であり、ｗ、ｘ、ｙ、ｚは、それぞれ０から３の範囲である。各層の厚さは、約０．１から５０ミクロンである。最も外側のコーティング層は、研磨粒子に直接接触する層よりも少なくとも約２倍、好ましくは少なくとも約５倍高い酸素濃度を有する。
【００１０】
前記機能性グレード研磨粒子を生成する第１の段階において、ＭＣｘＮｙＢｚである材料の層を、化学気相蒸着（ＣＶＤ）か、パック・セメンテーションか、炭化、窒化、ホウ化を後に伴う金属付着か、本技術分野で行なわれているその他の方法か、あるいはそのような方法の組み合わせによって付着させる。各層の厚さは約０．１から約５０μであり、層の数は１から約５０である。単一層は、特に比較的厚いものであれば、その外側の表面を酸化させ、本発明の原則に従った機能性グレード研磨粒子を作ることができる。
【００１１】
次に、化学的に結合した酸化コーティングを、空気、酸素、または酸素含有ガスにおける高温アニーリングか、ガラス状マトリックスにおける焼結か、ＣＶＤ処理か、ゾル−ゲル技術か、アルカリ硝酸塩、アルカリ水酸化物、またはアルカリ炭化物の少なくとも１つのような酸素含有溶解塩での融解処理か、あるいは金属炭化物／窒化物／ホウ化物の酸化のための方法として本技術分野で実際に使われているその他の方法によって、炭化物／窒化物／ホウ化物被覆した研磨粒子と酸素を反応させることによって生成される。前記ガラスボンド自体がガラスマトリックスを生成することにより、最も外側の酸化物層の生成および前記ガラスマトリックス複合材料の焼結が、１つの加工段階の中で起きるようにすることができる。そのようにして生成された酸化物層の組成はＭＣｘＮｙＢｚＯｗであり、前記組成においてＭは最も外側の層にある金属または合金であり、ｘ、ｙ、ｚ、ｗは０から３の範囲である。
【００１２】
また別の実施形態においては、ＭＣｘＮｙＢｚ層の最も外側の部分を酸化させるのではなく、酸化物の豊富な前記の表面層を直接付着させる。酸化物の豊富な前記表面層は、ＣＶＤ、パック・セメンテーション、あるいは本技術分野で実際に使われているその他の方法によって付着することができる。そのようにして生成した酸化物層の組成はＭＣｘＮｙＢｚＯｗであり、前記Ｍは最も外側の層にある金属または合金であり、ｘ、ｙ、ｚ、ｗは０から３の範囲である。
【００１３】
次に、前記の新規機能性グレード研磨粒子をガラスマトリックス複合材料と混合させることができる。次に、前記ガラスボンド技術において一般的な手順に従って、前記混合物を焼結またはホットプレスすることができる。例えばガラスボンド研削ホイールの場合は、前記機能性グレード研磨粒子をＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｎａ２Ｏ、ＣａＯ、ＭｇＯ、あるいはその他類似のガラス形成材料と混合し、ホットプレスする。機能的にコーティングされたダイヤモンドの濃度およびそのようなホイールの製作は、本技術において従来のよく知られたものである。広くは、そのような濃度は約２５から２００の範囲であり（従来、本技術において濃度１００は４．４カラット／ｃｍ３であり、１カラットは０．２ｇに等しく、前記ダイアモンド・グレイン濃度はその単位毎カラット体積濃度と直線的な関係にある）。好ましくは、ダイヤモンド砂粒の濃度の範囲は約５０〜１００である。前記機能性グレード研磨粒子を用いて生産した研削エレメント（例えばホイール）は、様々な金属、セラミック、関係複合材料の研削に有用である。
【００１４】
好ましい実施形態を参考にして本発明を説明してきたが、本技術分野に精通する者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更の実施が可能であり、前述のエレメントに代わる同等品の使用が可能であることを理解するであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱せず、特定の状況または材料を採用するために、本発明の開示に多くの変更を行なうことができる。ゆえに、本発明は、本発明を実行するための最良の形態として開示される具体的な実施形態に限定されることはなく、添付の請求項の範囲に含まれるすべての実施形態を含むものと意図される。特に明示がない限り、この用途において、すべての単位はメートル法によるものであり、すべての量とパーセンテージは重量によるものである。また、本明細書に参照されている全ての引用は、参照によって本明細書に明示的に組み込まれている。
【実施例１】
【００１５】
ＣＶＤ処理を用い、ＳｉＣでダイヤモンド粒子（５００／４２５μまたは３５／４０メッシュ）に平均約２．７重量パーセントのコーティングを塗布する。前記コーティングのＸ線回折解析を行なった。前期Ｘ線回折結果を示す図１で明らかにされているように、前記コーティングがＳｉＣであることが確認された。
【００１６】
熱重量分析（ＴＧＡ）により、前記被覆ダイヤモンドの酸化性状を確認した。ＴＧＡファーネスの温度は静的空気において１分間に１０℃の割合で２５℃から１１００℃まで上昇した。ＴＧＡで測定した前記粒子の重量増は、９８０℃未満の温度でコーティングの最も外側の部分に酸化物層が作られることを示した。これらの結果は、温度の関数として重量パーセントを描いた図２に示されている。熱処理に続き、前記サンプルのＸ線解析も行なった。これらの結果を図３に示してある。２θ（テータ）の低角側にある（ピーク１０）幅広い無定形ピークの強度の高まりは、前記コーティングの最も外側の部分におけるＳｉＣｘＯｗ層の形成を示唆するものである。ＳｉＣピークの継続（ピーク１２および１４）は、前記コーティングの酸化が完了していないことを示している。前記ＳｉＣコーティングの最も外側の表面から内側に向かって酸化が進むので、これらの結果は、外側の表面が、前記ダイヤモンド／ＳｉＣ表面に比べ、はるかに高い酸化物濃度を持つ機能性グレード・コーティングの合成であることを示している。
【００１７】
コーティングされていないダイヤモンド結晶を空気中で約７００℃以上に熱すると、エッチングおよび黒鉛化によって表面に激しい損傷が与えられ、大幅な重量損失につながる。この例で用いたダイヤモンド結晶にはオキシカーバイドの保護コーティングがあるため、約９８０℃までの加熱の間に観察できる損傷は見られなかった。コーティングされていないダイヤモンド結晶（ライン１８）と、前記コーティング（ライン１６）の保護性を比較するために、静的空気における温度の関数としての重量変化のグラフ（重量％）を図４に示す。
【実施例２】
【００１８】
前記の新規機能性グレード被覆ダイヤモンド粒子の適用性を示すために、ダイヤモンド結晶およびホウケイ酸ガラスをそれぞれ、無被覆のものとＳｉＣｘＯｗ被覆したものとを用意し、ガラスエレメントを製作した。無被覆およびＳｉＣ被覆ダイヤモンド結晶およびガラスをグラファイト型に入れ、標準実験室箱型ファーネスを使い静的空気で加熱した。ファーネスの温度を、２時間以上かけて常温から８５０℃まで上昇させた。図３が示すように、加熱中に、外側にあるオキシカーバイドの層が、初めにＳｉＣ被覆したダイヤモンド粒子の表面に形成される。ファーネスを１時間８５０℃で保った後、約４時間冷ました。次に、温度が５０℃未満になってから前記サンプルをファーネスから取り出した。
【００１９】
この加熱処理の後、ガラスエレメントを破壊し、破断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で調べることによってダイヤモンドとガラスの接触面を分析した。図５および６は、ガラスマトリックスが無被覆結晶を湿潤しなかったことを示している。さらに、ダイヤモンド結晶表面は滑らかでガラスの残留がなかった。これに対し、図７および８が示すように、ガラスマトリックスはＳｉＣｘＯｗ被覆したダイヤモンド結晶を湿潤した。ＳｉＣｘＯｗ被覆したダイヤモンド結晶とガラスマトリックスの間には、継続的な接触面が存在する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、例１のＳｉＣ被覆ダイヤモンド研磨粒子のＸ線回折解析を示す。
【図２】図２は、例１の酸化ＳｉＣ被覆ダイヤモンド研磨粒子の熱重量分析（ＴＧＡ）結果を示す。
【図３】図３は、外側の酸化層を有する例１のＳｉＣ被覆ダイヤモンド研磨粒子のＸ線回折解析を示す。
【図４】図４は、コーティングされていないダイヤモンド結晶と比較した例１の機能性グレードＳｉＣ被覆ダイヤモンド研磨粒子の熱重量分析（ＴＧＡ）結果を示す。
【図５】図５および図６は、コーティングされていないダイヤモンド結晶をホウケイ酸ガラスと混合して作ったガラスエレメントを、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で写した顕微鏡写真である（図５は６２倍、図６は１１０倍）。
【図６】図５および図６は、コーティングされていないダイヤモンド結晶をホウケイ酸ガラスと混合して作ったガラスエレメントを、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で写した顕微鏡写真である（図５は６２倍、図６は１１０倍）。
【図７】図７および図８は、ＳｉＣｘＯｗ被覆したダイヤモンド結晶をホウケイ酸ガラスと混合して作ったガラスエレメントを、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で写した顕微鏡写真である（図７は７８倍、図９は１０１倍）。
【図８】図７および図８は、ＳｉＣｘＯｗ被覆したダイヤモンド結晶をホウケイ酸ガラスと混合して作ったガラスエレメントを、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で写した顕微鏡写真である（図７は７８倍、図９は１０１倍）。
【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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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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