(57)【要約】【課題】材料特性が高速回転に適し、高速回転による研削加工の高能率化および加工の高精度化を可能にする研削砥石用台金およびその製造方法を提供する。【解決手段】円板型に形成され、表面に砥粒層を接着することで研削砥石として用いられる研削砥石用台金であって、アルミニウム合金からなる金属材料と、低熱膨張セラミックスまたは負膨張セラミックスからなるセラミックス材料とを有する金属−セラミックス複合材料で形成され、線膨張係数が１３ｐｐｍ／℃以上１７ｐｐｍ／℃以下、比重が３．０以下、かつ引張強度が４００ＭＰａ以上である。これにより、研削砥石に用いて高速回転させたときに、台金または砥粒層が変形して歪みが生じるのを防止し、加工精度を向上できる。また、研削機械への負担を低減し、砥石の回転に要する電力を小さくでき、高速回転時の破損を防止できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円板型に形成され、表面に砥粒層を接着することで研削砥石として用いられる研削砥石用台金であって、
アルミニウム合金からなる金属材料と、低熱膨張セラミックスまたは負膨張セラミックスからなるセラミックス材料とを有する金属−セラミックス複合材料で形成され、
線膨張係数が１３ｐｐｍ／℃以上１７ｐｐｍ／℃以下、比重が３．０以下、かつ引張強度が４００ＭＰａ以上であることを特徴とする研削砥石用台金。
【請求項２】
前記セラミックス材料は、炭化珪素、窒化アルミニウムまたはリン酸タングステン酸ジルコニウムからなることを特徴とする請求項１記載の研削砥石用台金。
【請求項３】
前記金属−セラミックス複合材料は、前記金属材料に、前記金属−セラミックス複合材料の１３体積％以上３６体積％以下となる前記セラミックス材料が分散して形成されていることを特徴とする請求項２記載の研削砥石用台金。
【請求項４】
円板型に形成され、表面に砥粒層を接着することで研削砥石として用いられる研削砥石用台金の製造方法であって、
平均粒径が１００μｍ以下のアルミニウム合金粉末からなる金属粉末と、平均粒径が２μｍ以上２０μｍ以下の低熱膨張セラミックス粉末または負膨張セラミックス粉末からなるセラミックス粉末とを混合し、前記セラミックス粉末が前記金属粉末およびセラミックス粉末の合計に対して１３体積％以上３６体積％以下となるように混合粉末を調製する工程と、
前記混合粉末で成形体を作製する工程と、
前記成形体を金属粉末の固相線温度から５０℃低い温度以上固相線温度以下の範囲内の温度で加圧焼結させる工程を含むことを特徴とする研削砥石用台金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円板型に形成され、表面に砥粒層を接着することで研削砥石として用いられる研削砥石用台金およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼材料、セラミックスなどを研削するための研削砥石は、基本的に円板型台金の周縁に砥石をレジンボンドにより固着されて構成される。台金には、強度が高い鉄または鉄系合金が主に使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２８６７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、研削加工においては、高能率化、高精度化を目的に、円板型研削砥石による研削の高周速化が進められている。しかしながら、鉄系台金は比重が大きいために、研削機械への負担が大きくなり、砥石回転に要する電力が大きくなるという問題がある。
【０００５】
そこで、比重が大きい鉄系台金に対して、比重が小さいアルミニウムまたはアルミニウム合金の使用が考えられている。しかし、アルミニウムまたはアルミニウム合金の線膨張係数は２１〜２３ｐｐｍ／℃と大きく、研削に伴う発熱が砥石に伝わり、砥石の温度が変化すると、この温度変化に基づく台金と砥粒層の熱膨張差の影響により、台金または砥粒層に変形による歪みが生じ、加工精度が低下するという問題がある。
【０００６】
また、特許文献１においては、台金に軽量な低熱膨張材料である金属−セラミックス複合材料の適用が提案されている。アルミニウム−アルミナ複合材料では、比重は３．４５と低く、線膨張係数は１２ｐｐｍ／℃と低い。しかしながら、鉄系台金に比べ、比強度(引張強度／比重)が低いため、鉄系台金ほどの高周速化は望めない。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、材料特性が高速回転に適し、高速回転による研削加工の高能率化および加工の高精度化を可能にする研削砥石用台金およ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】
（１）上記の目的を達成するため、本発明の研削砥石用台金は、円板型に形成され、表面に砥粒層を接着することで研削砥石として用いられる研削砥石用台金であって、アルミニウム合金からなる金属材料と、低熱膨張セラミックスまたは負膨張セラミックスからなるセラミックス材料とを有する金属−セラミックス複合材料で形成され、線膨張係数が１３ｐｐｍ／℃以上１７ｐｐｍ／℃以下、比重が３．０以下、かつ引張強度が４００ＭＰａ以上であることを特徴としている。
【０００９】
このように形成された研削砥石用台金は、台金と砥粒層の熱膨張差が小さいため、研削砥石に用いて高速回転させたときに、台金または砥粒層が変形して歪みが生じるのを防止し、加工精度を向上できる。また、比重が小さいため、研削機械への負担を低減し、砥石の回転に要する電力を小さくできる。また、比強度が大きいため高速回転時の破損を防止できる。その結果、高速回転による研削加工の高能率化および加工の高精度化が可能になる。
【００１０】
（２）また、本発明の研削砥石用台金は、前記セラミックス材料は、炭化珪素、窒化アルミニウムまたはリン酸タングステン酸ジルコニウムからなることを特徴としている。これにより、セラミックス材料の添加量を小さくし、軽量化および低熱膨張化を実現できる。
【００１１】
（３）また、本発明の研削砥石用台金は、前記金属−セラミックス複合材料は、前記金属材料に、前記金属−セラミックス複合材料の１３体積％以上３６体積％以下となる前記セラミックス材料が分散して形成されていることを特徴としている。これにより、金属材料に対するセラミックス材料の含有量を低減して研削砥石用台金の線膨張係数を砥粒層の線膨張係数と同程度にしつつ、比強度を向上させることができる。
【００１２】
（４）また、本発明の研削砥石用台金の製造方法は、円板型に形成され、表面に砥粒層を接着することで研削砥石として用いられる研削砥石用台金の製造方法であって、平均粒径が１００μｍ以下のアルミニウム合金粉末からなる金属粉末と、平均粒径が２μｍ以上２０μｍ以下の低熱膨張セラミックス粉末または負膨張セラミックス粉末からなるセラミックス粉末とを混合し、前記セラミックス粉末が前記金属粉末およびセラミックス粉末の合計に対して１３体積％以上３６体積％以下となるように混合粉末を調製する工程と、前記混合粉末で成形体を作製する工程と、前記成形体を金属粉末の固相線温度から５０℃低い温度以上固相線温度以下の範囲内の温度で加圧焼結させる工程を含むことを特徴としている。
【００１３】
このようにして製造された研削砥石用台金は、台金と砥粒層の熱膨張差が小さいため、研削砥石に用いて高速回転させたときに、台金または砥粒層が変形して歪みが生じるのを防止し、加工精度を向上できる。また、比強度が大きいため高速回転時の破損を防止できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、耐久性が高く、研削砥石に用いて高速回転させたときに、台金部分の破損や砥粒層の変形を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例および比較例の作製条件および評価結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
本発明者等は、上記課題を解決するため鋭意研究した結果、研削砥石用台金に、アルミニウム合金からなる金属材料と、低熱膨張セラミックスまたは負膨張セラミックスからなるセラミックス材料とで形成された金属-セラミックス複合材料とを用いれば、高速回転に対応した研削砥石用台金が得られるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
【００１８】
（研削砥石用台金の構成）
本発明の研削砥石用台金は、円板型に形成され、表面に砥粒層を接着することで研削砥石として用いられる。研削砥石用台金は、アルミニウム合金からなる金属材料と、低熱膨張セラミックスまたは負膨張セラミックスからなるセラミックス材料とを有する金属−セラミックス複合材料で形成されている。
【００１９】
なお、低熱膨張セラミックスとは、線膨張係数０ｐｐｍ／℃以上４ｐｐｍ／℃以下のセラミックスであり、負膨張セラミックスとは、線膨張係数０ｐｐｍ／℃より小さいセラミックスである。
【００２０】
研削中においては、研削砥石を取り付けたスピンドルの回転による発熱または加工に伴う発熱が研削砥石に伝わり、研削砥石の温度が変化する。この温度変化に基づく台金と砥粒層の熱膨張差により、台金または砥粒層に変形による歪みが生じ、加工精度が低下しうる。
【００２１】
台金の外径が４５０ｍｍである砥石を用いて、室温２０℃で周速１８０ｍ／ｓで研削を行った場合には、外周部の砥粒層の温度は約７０℃となり、台金の温度は約４０℃となる。ダイヤモンド砥粒や立方晶窒化硼素砥粒と樹脂結合剤からなる砥粒層の線膨張係数は５〜７ｐｐｍ/℃である。したがって、砥粒層の内径変化量は０．１１〜０．１６ｍｍとなり、これに対して台金の外径の変化量を一致させるためには、台金の線膨張係数は１３〜１７ｐｐｍ／℃が好ましい。
【００２２】
研削砥石用台金の比強度は１３３ＭＰａ以上である。比強度が高いことから、研削砥石を高速回転させ研削加工を高能率化できる。このように、台金の材料特性が高速回転に適していることから、研削加工を高能率化しつつ高精度な加工を可能にしている。
【００２３】
また、鉄系台金より大きい１３３ＭＰａ以上の比強度を得るためには、比重３．０以下、引張強度４００ＭＰａ以上の台金を用いるのが好ましい。なお、台金の比重は、モータ等の駆動系の負荷を軽減できることから小さい程好ましい。さらに、比強度を高くすることで高速回転時の砥石に発生する応力も低減できる。
【００２４】
研削砥石用台金の比重は、３．０以下であることが好ましい。比重が小さいことにより、研削機械への負担を低減し、砥石回転に要する電力を小さくすることができる。なお、このとき研削砥石用台金の引張強度は４００ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００２５】
研削砥石用台金に、金属−セラミックス複合材料を使用することにより、軽量化および低熱膨張化が可能となる。特にセラミックス材料として、炭化珪素、窒化アルミニウム等の低熱膨張セラミックスまたはリン酸タングステン酸ジルコニウム等の負膨張セラミックスを使用することより、セラミックス材料の添加量を低減して軽量化および低熱膨張化が可能となる。このような材料は、軽量の低熱膨張材料であり、アルミニウムと反応が少ない。
【００２６】
また、金属−セラミックス複合材料は、金属材料に、金属−セラミックス複合材料の１３体積％以上３６体積％以下となるセラミックス材料が分散して形成されていることが好ましい。これにより、金属材料に対するセラミックス材料の含有量を低減して研削砥石用台金の線膨張係数を砥粒層の線膨張係数と同程度にしつつ、比強度を向上させることができる。
【００２７】
（研削砥石用台金の製造方法）
次に、上記のように構成された研削砥石用台金の製造方法を以下に説明する。まず、平均粒径が１００μｍ以下のアルミニウム合金粉末からなる金属粉末と、平均粒径が２μｍ以上２０μｍ以下の低熱膨張セラミックス粉末または負膨張セラミックス粉末からなるセラミックス粉末とを混合する。その際には、セラミックス粉末が金属粉末およびセラミックス粉末の合計に対して１３体積％以上３６体積％以下となるように混合粉末を調整する。
【００２８】
金属粉末としてはアルミニウム合金が用いられ、特に引張強度の高いＡ２０００系またはＡ７０００系のアルミニウム合金が好ましい。平均粒径を１００μｍ以下の金属粉末を用いるのは、１００μｍより大きい平均粒径では、金属-セラミックス複合材料のアルミニウム初晶デンドライトが粗大化し、強度の低下をもたらすためである。なお、金属粉末の平均粒径は、５μｍ以上であることが好ましい。５μｍより平均粒径が小さいと、粉塵爆発等の問題があり扱いが難いためである。
【００２９】
平均粒径２μｍ以上のセラミックス粉末を用いるのは、２μｍより小さい平均粒径ではセラミックス粉末が凝集しやすく、金属-セラミックス複合材料とした時、内部欠陥となり、強度の低下をもたらすためである。平均粒径２０μｍ以下のセラミックス粉末を用いるのは、２０μｍより大きい平均粒径では、金属-セラミックス複合材料のアルミニウム初晶デンドライトが粗大化し、強度の低下をもたらすためである。
【００３０】
次に、得られた混合粉末をプレスし円板の成形体を作製する。その際には混合粉末をＶ型ブレンダー等で混合した後、成形圧力２００ＭＰａ以上の成形圧力で圧粉成形する。これより、相対密度６０％以上の成形体が得られる。成形圧力２００ＭＰａ以下では成形体密度が低くなり、加圧熱処理を行っても気孔等の欠陥が残留し、強度の低下をもたらす。また、成形圧力は高い程、成形体密度が高くなることから好ましい。ただし、５００ＭＰａを超えると金型への成形体の付着が発生しやすくなるため好ましくない。
【００３１】
そして、得られた成形体を、窒素雰囲気等の還元雰囲気中で上記の金属粉末の固相線温度から５０℃低い温度以上固相線温度以下の範囲内の温度、１００ＭＰａ以上の圧力で加圧焼結させる。固相線温度より高い温度での焼結では多量の液相が発生し寸法精度が低下するため好ましくない。また、固相線温度から５０℃低い温度より低い温度では、緻密化が促進されないので好ましくない。また、圧力が１００ＭＰａ以下では、焼結体中の気孔等の欠陥が残留し、強度の低下をもたらす。
【００３２】
圧力については、カーボン治具等の治具に成形体を入れて一軸方向に加圧しても良いし、成形体を銅や銅合金の銅系合金の容器に密閉した後、熱間静水圧成形等のガス圧でも良い。以上の方法によって得られた円板型研削砥石用台金は、線膨張係数が１３〜１７ｐｐｍ／℃以下、比重が２．７４以上、比強度１３３ＭＰａ以上の金属−セラミックス複合材料からなり、高速回転に対応した研削砥石用台金が得られる。
【実施例１】
【００３３】
以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する（実施例１〜８、比較例１〜６）。図１は、実施例および比較例の作製条件および評価結果を示す表である。
【００３４】
（１）混合粉末の調整
セラミックス材料として市販ＳｉＣ粉末、ＡｌＮ粉末およびリン酸タングステン酸ジルコニウム粉末を用意し、金属粉末としてアルミニウム合金粉末（Ａ２０２４，Ａ７０７５）を用意した。そして、それぞれ図１に示す組み合わせでＶ型混合機により１５分混合した。セラミックス粉末および金属粉末の粒径、添加率等は図１に示す通りである。
【００３５】
（２）研削砥石用台金の作製
次に、混合粉末をφ６００×深さ５０ｍｍの金型に入れ、成形圧力２００ＭＰａで成形した。得られた成形体を、窒素雰囲気中で温度４００〜４５０℃、圧力１００〜２００ＭＰａで一軸加圧焼結して、金属−セラミックス複合材料を得た。なお、一軸加圧焼結温度および圧力等は図１に示す通りである。これを加工してφ４５０×厚さ３０ｍｍの研削砥石用台金を作製した。
【００３６】
（３）台金特性の測定
得られた台金の嵩密度、線膨張係数および引張強度を測定した。測定結果は図１に示す通りである。嵩密度はアルキメデス法で測定した。温度範囲２０〜２００℃における線膨張係数は、熱機械分析装置（リガク  Thermo plus2）を用いて、大気中で昇温速度２（℃／ｍｉｎ）に制御されている条件下で測定した。また、引張強度の測定は、小型のダンベルに切り出し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に従い行った。
【００３７】
（４）高速回転試験の評価
研削砥石用台金の外周部に砥粒層を接着して研削用砥石とし、周速度１８０ｍ／ｓｅｃの高速で研削加工を行った。この高速回転試験の評価結果は図１に示す通りである。実施例１〜８においては、高速での研削加工を行っても台金及び砥粒層の破損は認められなかった。比較例１は、台金の伸び量が、砥粒層より少ないため、砥粒層が変形した。比較例２〜６は、台金の引張強度が低いため、台金が破損した。
【図１】
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