(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高精度化を可能にする研削砥石用台金を提供する。【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、アルミニウムまた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、線膨張係数が１３ｐｐｍ／℃以上１７ｐｐｍ／℃以下で、比強度が１２０ＭＰａ以上である。これにより、台金と砥粒層の熱膨張差が小さくなり、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。【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、
アルミニウムまた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、
線膨張係数が１３ｐｐｍ／℃以上１７ｐｐｍ／℃以下で、比強度が１２０ＭＰａ以上であることを特徴とする研削砥石用台金。
【請求項２】
比重が３．０以下であ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または請求項２記載の研削砥石用台金。
【請求項４】
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３記載の研削砥石用台金。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の研削砥石用台金の製造方法であって、
アルミニウムまたはアルミニウム合金を溶融させた金属材料に、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粉末を分散させて混合材料を作製する工程と、
前記混合材料を用いて型に鋳造する工程と、
前記鋳造により形成された部材を据え込み率１０％以上４０％以下で熱間鍛造し、熱処理を行う工程と、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、研削砥石用台金およびその製造方法に関し、特に金属−セラミックス複合材料を用いた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、アルミニウムまた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、線膨張係数が１３ｐｐｍ／℃以上１７ｐｐｍ／℃以下で、比強度が１２０ＭＰａ以上であることを特徴としている。
【０００９】
これにより、台金と砥粒層の熱膨張差が小さくなり、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。
【００１０】
（２）また、本発明の研削砥石用台金は、比重が３．０以下であることを特徴としている。このように、比重が小さいために、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。
【００１１】
（３）また、本発明の研削砥石用台金は、前記セラミックス材料が、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。
【００１２】
（４）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が、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。
【００１３】
（５）また、本発明の研削砥石用台金の製造方法は、上記の研削砥石用台金の製造方法であって、アルミニウムまたはアルミニウム合金を溶融させた金属材料に、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粉末を分散させて混合材料を作製する工程と、前記混合材料を用いて型に鋳造する工程と、前記鋳造により形成された部材を据え込み率１０％以上４０％以下で熱間鍛造し、熱処理を行う工程と、を含むことを特徴としている。
【００１４】
これにより、台金と砥粒層の熱膨張差が小さく高い加工精度の研削砥石用台金を作製できる。また、高い比強度で研削加工を高能率化した研削砥石用台金を作製できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、研削砥石用台金の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高精度化を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
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、アルミニウムまた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。
【００１９】
（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、アルミニウムまた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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
台金の外径が４５０ｍｍである砥石を用いて、室温２０℃で周速度１２０ｍ／ｓｅｃ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。
【００２３】
研削砥石用台金の比強度は１２０ＭＰａ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。
【００２４】
また、鉄系台金より大きい１２０ＭＰａ以上の比強度を得るためには、比重３．０以下、引張強度３６０ＭＰａ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。
【００２５】
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３６０ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００２６】
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、溶融アルミニウムと反応が少ない。
【００２７】
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。
【００２８】
（研削砥石用台金の製造方法）
研削砥石用台金の製造方法を以下に説明する。セラミックス粉末を分散させた溶融アルミニウムまたはアルミニウム合金を、砂型等の型に鋳造した後、据え込み率１０〜４０％で熱間鍛造し、さらに熱処理を施して行う。
【００２９】
セラミックス材料としては、２〜８０μｍの平均粒径を有し、かつ１．７ｇ／ｃｍ3以上のタップ密度を有するセラミックス粉末を用意する。これにＭｇ粉末を適量加え、混合する。得られた混合粉末を容器内に充填し、その上にアルミニウムまたはアルミニウム合金のインゴットを載せ、窒素雰囲気中で７００〜１０００℃の温度でアルミニウムまたはアルミニウム合金を非加圧浸透させる。
【００３０】
アルミニウムまたはアルミニウム合金を溶融させた金属材料に、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粉末を分散させて混合材料を作製する。混合材料は、金属材料に対して金属−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粉末を分散させて作製することが好ましい。
【００３１】
上記のように、金属材料を非加圧浸透させた混合材料を冷却した中間素材である複合材料を作製する。複合材料を坩堝内で所定温度で再溶融し、それに別に融解したアルミニウムまたはアルミニウム合金を所定量加え、攪拌機で十分攪拌して希釈する。そして、希釈された複合材料を冷却して鋳造用の金属−セラミックス複合材料を作製する。このようにして希釈された金属−セラミックス複合材料を再溶融すれば、流動性に優れた溶湯が得られる。これを砂型、石膏型、金型等の型に鋳造して円板型鋳造品を作製できる。
【００３２】
作製された円板型鋳造品を、温度１００〜４５０℃に維持しつつ据え込み率１０〜４０％で熱間鍛造を施し、相対密度９８％以上とする。このようにして高い引張強度を有する金属−セラミックス複合材料を得ることができる。
【００３３】
金属−セラミックス複合材の熱間鍛造は、１００〜４５０℃、好ましくは２００〜４００℃の温度範囲で加熱する。これにより、据え込み率を１０〜４０％の範囲で行うことができる。加熱温度が１００℃に満たないと、素材の変形能が乏しく、据え込み率を大きくすることはできない。
【００３４】
また、加熱温度が２００℃以上では、円板型鋳造品が軟化し、変形能が増して所望の据え込み率で、熱間鍛造を行うに当たり、鍛造圧力を低くできる。一方、加熱温度が４５０℃を越えると金型と円板型鋳造品との凝着が著しく発生する。そのため、上限は４５０℃に止める必要があり、好ましくは４００℃である。ただし、上記温度範囲であっても据え込み率が４０％を超えると、鍛造割れが発生しやすくなる。
【００３５】
熱処理工程は、溶体化処理および時効析出処理からなる工程である。溶体化処理では、アルミニウム合金中の析出相を４６０〜４９０℃に加熱して、均一に固溶させた後、水焼き入れにより急冷して過飽和固溶体とする。時効析出処理では、その後１１０〜２００℃で３〜２８時間保持して過飽和固溶体より析出相（金属間化合物）を析出分散させる。溶体化処理温度が４６０℃に満たないと析出成分が全てアルミニウム基地中に均一固溶されず、一方、４９０℃を超えてもその効果は変わらず、かつ５００℃を超えると液相発生により気孔が発生する。
【００３６】
また、時効析出処理は、温度が１１０℃に満たない場合、または時間が３時間に満たない場合は、十分な析出化合物が得られず、温度が２００℃を超える場合、または時間が２８時間を越える場合は、析出した化合物が成長して粗大化するため強度の低下を生じることとなる。なお、温度と時間は、上記の範囲内で要求特性に対して適宜組み合わされる。
【００３７】
以上の方法で金属−セラミックス複合材料を作製することで、高速回転に対応した研削砥石用台金が得られる。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明の実施例を比較例と共に挙げて説明する（実施例１〜８、比較例１〜３）。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。
【００３９】
（１）鋳造用複合材料の作製
セラミックス材料として市販の炭化珪素粉末（平均粒径１７μｍ、タップ密度１．８ｇ／ｃｍ3）、窒化アルミニウム粉末（平均粒径２０μｍ、タップ密度１．７ｇ／ｃｍ3）およびリン酸タングステン酸ジルコニウム粉末（平均粒径１５μｍ、タップ密度２．２ｇ／ｃｍ3）に、Ｍｇ粉末を１重量％添加し、Ｖ型混合機で１５分混合した。得られた混合粉末をそれぞれ２００×２００×深さ２００ｍｍのグラフォイル製の容器に充填した後、その上に混合粉末の１．２倍のアルミニウム合金（ＡＣ３Ａ、ＡＣ５Ｃ）のインゴットを置き、電気炉にセットした。これをＮ2気流中で８００℃の温度で１２時間保持し、アルミニウム合金を非加圧浸透させた後、冷却して鋳造用複合材料を作製した。
【００４０】
（２）円板型鋳造品の作製
作製された複合材料と先のアルミニウム合金のインゴットを鋳造用複合材料中のセラミックス材料が図１の充填率となるよう所定量を坩堝内に入れた。そして、それらを６１０℃の温度で溶融し、２時間攪拌して溶湯を作製した。その溶湯物を冷却せずに７２０℃に上げてさらに攪拌し、それを砂型に７００℃近傍で流し込み、φ４５０×５０ｍｍの円板型鋳造品を作製した。
【００４１】
（３）鍛造および熱処理
作製された円板型鋳造品を、図１に示す温度および据え込み率で熱間鍛造を施した。次に、４７０℃に加熱して、水焼き入れにより急冷する溶体化処理した後１８０℃で２０時間保持して時効析出処理を行った。
【００４２】
なお、比較例１では、熱間鍛造時に鍛造割れが発生したため、熱間鍛造を行わないことにした。また、比較例３では、セラミックス添加率が高かったため、溶湯の流動性が得られず、円板型鋳造品を作製できなかった。
【００４３】
（４）評価
得られた鍛造物の嵩密度、線膨張係数および引張強度を測定した。その結果を図１に示す。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。
【００４４】
そして、鍛造物を外径４５０ｍｍ、厚さ３０ｍｍに加工して台金を作製し、その外周部に砥粒層を接着して研削用砥石とし、周速度１２０ｍ／ｓｅｃの高速で研削加工を行った。
【００４５】
その結果を図１に示す。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および砥粒層の破損は認められなかった。それに対して、比強度の低い比較例１では台金が破損し、台金の線膨張係数が高い比較例２では、研削時の温度変化により砥粒層より台金が膨張し、砥粒層にクラックが発生した。
【図１】
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