(57)【要約】【課題】超高速研削に耐えることができ且つ安価な超高速研削用砥石及びその製造方法を提供する【手段】本発明の超高速研削用砥石は、１０〜５０体積％でウイスカーを含有するマグネシウム合金からなる台金と、該台金の外周面に接着された砥粒層とからなる。前記ウイスカーが、炭化ケイ素ウイスカー、窒化ケイ素ウイスカー、及びホウ酸アルミニウムウイスカーからなる群から選ばれる少なくとも１種であることが好ましく、特に前記ウイスカーが、ホウ酸アルミニウムウイスカーであることが好ましい。さらに、本発明の超高速研削用砥石を構成する台金は、前記ウイスカーを含有するマグネシウム合金を１０〜２０％の圧下率で塑性処理されていることが好ましい。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０〜５０体積％でウイスカーを含有するマグネシウム合金からなる台金と、該台金の外周面に接着された砥粒層とからなる超高速研削用砥石。
【請求項２】
前記ウイスカーが、炭化ケイ素ウイスカー、窒化ケイ素ウイスカー、及びホウ酸アルミニウムウイスカーからなる群から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする、請求項１記載の超高速研削用砥石。
【請求項３】
前記ウイスカーが、ホウ酸アルミニウムウイスカーであること特徴とする、請求項１及び２に記載の超高速研削用砥石。
【請求項４】
前記台金が、前記ウイスカーを含有するマグネシウム合金を１０〜２０％の圧下率で塑性処理することによって得られたものであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超高速研削用砥石。
【請求項５】
炭化ケイ素ウイスカー、窒化ケイ素ウイスカー、及びホウ酸アルミニウムウイスカーからなる群から選ばれる少なくとも１種のウイスカーを１０〜５０体積％で含有するマグネシウム合金で台金を製造する工程、及び該台金の外周面に砥粒層を接着する工程を含む、超高速研削用砥石の製造方法。
【請求項６】
前記台金を製造する工程が、溶湯鍛造法を含むことを特徴とする、請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】
前記台金を製造する工程が、前記溶湯鍛造時又は溶湯鍛造後の前記ウイスカー含有マグネシウム合金を１０〜２０％の圧下率で塑性処理することを含む、請求項５又は６に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ウイスカーを含有する複合材料で製造された台金を用いた超高速研削用砥石に関する。より詳しくは、高周速での研削加工に適するホウ酸アルミニウムウイスカー含有マグネシウム合金基複合材料で製造された台金を用いた超高速研削用砥石及びその製造方法に関する。
【従来の技術】
従来、砥粒層を台金に接着してなる研削砥石の使用周速度は８０ｍ／ｓｅｃであり、その種の台金の材質はスチール台金（ＳＣＭ４３５）が一般的である。また最近では、より早い周速度、例えば１２０ｍ／ｓｅｃの研削作業も実施されるようになった。そのような周速度の向上に対応する砥石としては、セラミック材で補強されたアルミニウム合金、チタン合金又はマグネシウム合金を用いた研削砥石が提案されている（特許文献１）。
また、アルミニウム合金に関しては、ホウ酸アルミニウムウイスカーで補強された合金を用いた研削砥石用ベース円板が公知である（特許文献２）。さらに、エポキシ樹脂に炭素繊維を複合させたＣＦＲＰ材料が公知である（特許文献３）。
【０００２】
【特許文献１】
特開平３−１０４５６６号公報
【特許文献２】
特開平７−５２０４８号公報
【特許文献３】
特開平３−２３４４７４号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記先行技術で提案されたような合金製の台金は、その自重（比重）が大きいため、使用周速は一般に１６０ｍ／ｓｅｃが限界とされている。この点、ＣＦＲＰ材料は周速度１６０ｍ／ｓｅｃで実用化されているが、その材料コストは合金製台金よりも１０倍以上高く、製造コスト面において極めて不都合である。
一方、近年においては、砥石の使用周速度は更に超高速化が検討されており、１６０ｍ／ｓｅｃ、更にはこれを超える２００ｍ／ｓｅｃも提案されている。
【０００４】
上記のような超高速研削加工で生じる強度面の問題は、回転する台金の慣性モーメントで台金本体に伸びや破壊が生じることである。具体的には、台金はその外周面に砥石セグメントを接着固定して用いられるが、高回転数になるほど台金の半径方向の伸びが大きくなるので、その伸びによる変形に伴いそれら砥石セグメントと台金との間の接着面にズレが生じ、これに起因して砥石セグメントの剥離が生じるおそれがある（以下、本明細書において台金の破損又は砥石セグメントの剥離が生じる周速を回転破壊周速度と称する）。
【０００５】
実際に使用される周速度は、前記回転破壊周速度からの十分なマージンが確保されなければならず、前述のような周速１６０ｍ／ｓｅｃを超えるような超高速研削に耐えうる非常に高い回転破壊周速度を有する台金の提供が切望されている。
そこで、本発明の課題は、超高速研削に耐えることができ且つ安価な超高速研削用砥石及びその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らの検討によれば、１６０ｍ／ｓｅｃを超える周速での使用に耐えうる台金の条件としては、台金の材質が高強度且つ高弾性率であること同時にその比重が低いことも求められる。そこで、高強度且つ高弾性率であることに加えて低比重で安価な台金を開発すべく鋭意検討した結果、マグネシウム合金の複合材料に着目し、本発明を完成した。
【０００７】
すなわち、本発明の超高速研削用砥石は、１０〜５０体積％でウイスカーを含有するマグネシウム合金からなる台金と、該台金の外周面に接着された砥粒層とからなる。
前記ウイスカーが、炭化ケイ素ウイスカー、窒化ケイ素ウイスカー、及びホウ酸アルミニウムウイスカーからなる群から選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。特に前記ウイスカーが、ホウ酸アルミニウムウイスカーであることが好ましい。
更に、本発明の超高速研削用砥石は、その台金が、前記ウイスカーを含有するマグネシウム合金を１０〜２０％の圧下率で塑性処理することによって得られたものであることが好ましい。
本発明による超高速研削用砥石の製造方法は、炭化ケイ素ウイスカー、窒化ケイ素ウイスカー、及びホウ酸アルミニウムウイスカーからなる群から選ばれる少なくとも１種のウイスカーを１０〜５０体積％で含有するマグネシウム合金で台金を製造する工程、及び該台金の外周面に砥粒層を接着する工程を含む。
本発明の製造方法は、その台金の製造工程が、溶湯鍛造法を含むことが好ましく、さらには、前記溶湯鍛造時又は溶湯鍛造後に前記ウイスカー含有マグネシウム合金を１０〜２０％の圧下率で塑性処理することを含むことが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本発明の砥石を構成する台金は、マグネシウム合金に所望のウイスカーを複合化した材料から成形される。
【０００９】
マグネシウム合金は、一般にマグネシウム約９０％、及び代表的にはＡｌ、Ｚｎ、Ｍｎ等の他の金属元素約１０％を含む。マグネシウム合金自体の引張強度は、一般に２５０ＭＰａであるから、ＳＣＭ４３５の９３０ＭＰａ、チタン合金の９３０ＭＰａ、アルミニウム合金の５７０ＭＰａと比較して非常に低い。
これに対して、本発明で使用される所望のマグネシウム合金基複合材料は、高速回転研削砥石用途に適した高い強度及び高弾性を有する。加えて、そのマグネシウム合金基複合材料の比重は、ウイスカーが混入される場合でも２．５０以下に調整可能である。この好ましく低い比重値は、ＳＣＭ４３５の７．８６、チタン合金の４．４３、アルミニウム合金の２．８０に比較して非常に低い。
【００１０】
かくして、本発明によれば、上記ウイスカー含有マグネシウム合金基複合材料を高速回転研削砥石用台金の製造に使用することにより、マグネシウム合金の低比重という利点が活かされると同時にウイスカー含有による所望の引張強度及び高弾性率を有する台金が提供される。
一般に、補強用セラミック材料としてのウイスカーは「断面積８×１０-5（ｉｎｃｈ2）以下で、長さが断面の平均直径の１０倍以上の単結晶」と定義され、しかも完全結晶で理論強度に近い引張強度を有する。
本発明に有用なウイスカー材料の典型的な物性値は次表の通りである。
【００１１】
【表１】
2004195591.tif 000002
【００１２】
比重の低さ及び引張強度と弾性率の低さの各観点から、本発明に使用されるマグネシウム合金基複合材料には、好ましくは、炭化珪素ウイスカー、窒化珪素ウイスカー及びホウ酸アルミニウムウイスカーからなる群から選ばれる少なくとも１種類が含まれる。比重の低さ及び材料コストの観点から、ホウ酸アルミニウムウイスカーが特に好ましい。また、ホウ酸アルミニウムウイスカーを主とし、引張強度及び弾性率を考慮して炭化珪素ウイスカー又は窒化珪素ウイスカーを１種以上添加してもよい。
上記セラミック材料を使用する場合、一般にそれらセラミック材料と金属材料とが反応して、セラミック材料の表面に結晶が析出し、これが複合材料の強度低下を招くことが知られている。例えば、アルミニウム合金をホウ酸アルミニウムウイスカーと複合化させた場合は、ホウ酸アルミニウムウイスカーの表面に部分的に厚い結晶層が析出するので、強度に悪影響を与える。
【００１３】
その点、マグネシウム合金を使用する本発明においては、意外にも前記ウイスカーの表面への結晶析出が最小限に止まることが分かった。したがって、マグネシウム合金基複合材料を使用する本発明では、ホウ酸アルミニウムウイスカー表面への不都合な結晶析出に起因する強度低下が生じないという利点がある。
図１は、結晶析出の調査のために撮影されたマグネシウム合金マトリックス内のホウ酸アルミニウムウイスカー１の断面写真である。同図によれば、マグネシウム合金２中に含有されたホウ酸アルミニウムウイスカー１の面反応層３上にはスピネルが析出しているが、そのスピネル結晶は均一な膜形態をしており５０ｎｍ以下で非常に薄いことが確認された。このような形態の結晶析出にとどまることで、マグネシウム合金基複合材料の強度低下を回避できる。
【００１４】
上記ウイスカーのマグネシウム合金への添加量は、複合材料中の１０〜５０体積％が好ましい。１０体積％を下回ると得られる台金の強度が十分に向上せず、また５０体積％を越えると製造時にプリフォームに含浸できず複合化が困難となる。
本発明において複合材料で台金を成形する方法としては、溶湯鍛造法が好ましい。この方法によれば、マグネシウム合金中にウイスカー材料を均一に分散できるからである。こうして、低比重であるが、好ましく高強度で高弾性率な台金を得ることができる。
【００１５】
さらに、前記溶湯鍛造で得られた複合材料中の強度のバラツキを無くすために、前記成形された複合材料を高圧下でその複合材料を塑性処理して複合材料を拡散緻密化することが好ましい。
本明細書で使用される塑性処理という用語は、溶湯鍛造で得られた複合材料を、さらに厚み方向でプレスすると同時にその周縁部での塑性変形による逃げを許容した方式の鍛造を意味する。そのような塑性処理は、圧下率１０〜２０％に設計された恒温鍛造により行うことができる。圧下率とは、塑性処理前の試料の厚みに対する、塑性処理により減じる厚み分の比率を意味する。また恒温鍛造とは、一般に被成形材料を金型と同じ温度で加工する鍛造のことである。
【００１６】
本発明による塑性処理は、溶湯鍛造で使用したのと同じ金型中を使用して溶湯鍛造の工程内、即ち溶湯鍛造時に行われてもよいし、拡散緻密化用の別の金型を使用して溶湯鍛造後に行われてもよい。例えば、直径１００ｍｍの成形物を圧下率１０〜２０％で恒温鍛造するには、６００MＰａ以上の加圧力を確保できる油圧プレス機を使用するとよい。
本発明による前記塑性処理により、マグネシウム合金基複合材料の組織中の気孔を減らし、そのマトリックスを微細化することができる。本発明者の検討によれば、塑性処理されることでウイスカーの合金マトリックスへの密着性が増すと考えられ、これにより台金の強度は約２割ほど増す。
【００１７】
本発明による台金製造法は、典型的には次の各工程を含む。
（１）ウイスカー、水、及び分散剤としてのアクリルアミドを混合し、スラリーを作製する。このスラリーを型に注ぎ、成形する。
（２）得られた成形物を１００〜２００℃で乾燥させ、８００〜１２００℃で焼成する（プリフォームの製造）。
（３）高圧含浸用金型を２５０〜４００℃に予熱してから、前記プリフォームを前記金型内にセットする。
（４）前記プリフォームがセットされた金型内に６５０〜８００℃のマグネシウム合金溶湯を注湯する。この溶湯を２０〜６０ＭＰａに加圧してプリフォームに含浸させる。
（５）得られた複合材料を拡散緻密化金型に移し、３５０〜４５０℃で圧下率１０〜２０％（最大圧力５００ＭＰａ以上）の恒温鍛造による塑性処理を行う。
（６）成形された複合材料を金型から外して、塑性処理により台金周縁部に生じたバリを取り、その台金成形品に仕上げ加工を施す。
【００１８】
完成した台金の外周面に接着剤を塗布して砥粒層を接着固定することにより、本発明による超高速研削用砥石が得られる。また、接着性を高めるためには、台金の外周面を予めブラスト処理しておくことが好ましい。
図２及び３には、本発明の砥石に係る典型的な実施形態が示される。砥粒層の形態は、図２に示されるように台金の外周面方向一部に沿う円弧形状面に合致する形状の砥粒層セグメント４である。図３に示されるように、それら同一形状で複数の砥粒層セグメント４が台金５の外周面に沿って接着され、超高速研削用砥石として使用される。
【００１９】
本発明に使用される典型的な砥粒層には、主にＣＢＮ砥粒及び又／はＤＩＡ砥粒の少なくとも１種類以上を結合剤で結合させることにより製造される超砥粒層が含まれる。また、研削条件及び製造コスト等を考慮して、アルミナ質砥粒及び／又は炭化ケイ素質砥粒を使用した砥粒層でもよい。如何なる砥粒層を適用するかは、当業者が適宜選択することであり、当業者に周知の原材料及び製造方法を使用して作製することができる。
以下、実施例を参照して本発明をより具体的に説明するが、実施例中の如何なる記載も、特許請求の範囲に記載された発明を限定するものではない。
【００２０】
【実施例】
本発明を適用した台金を含め、各種の市販台金がテストされた。
実施例：本発明を適用した台金
比較例１：ＳＣＭ４３５で製造された台金
比較例２：ＣＦＲＰで製造された台金
比較例３：チタン合金で製造された台金
比較例４：マグネシウム合金で製造された台金
【００２１】
実施例
［台金寸法並びに砥粒層の材料及び寸法］
台金部寸法：
外径８３．６ｍｍ、厚み１０ｍｍ、穴径１５．６６ｍｍ
外周砥石セグメント寸法：
長さ３１．４ｍｍ、厚み８．２ｍｍ、幅１０．０ｍｍ、半径４１．８ｍｍ、超砥粒部厚み３．５ｍｍ
セグメント材質：
超砥粒部：使用砥粒ＣＢＮ＃８０、結合剤ビトリファイド結合剤、砥粒体積５０％、結合剤体積２０％、気孔体積３０％
コア部：使用砥粒ＧＣ＃４００、結合剤ビトリファイド結合剤、砥粒体積４６％、結合剤体積１８％、気孔体積３6％
【００２２】
［テスト砥石の製造方法］
ホウ酸アルミニウムウイスカー５２ｇ、水、及び分散剤としてのアクリルアミドを混合し、スラリーを作製し、そのスラリーをプリフォーム成形金型に注ぎ、成形を行った。得られた成形物を１５０℃で乾燥させ、１２００℃で焼成して、プリフォームを作製した。
【００２３】
高圧含浸用金型を３５０℃に予備加熱し、この金型内に前記プリフォームをセットした。７５０℃のマグネシウム合金溶湯７３ｇ（マグネシウム合金組成（ｗｔ％）Ｍｇ：Ａｌ：Ｚｎ＝９０：９：１）を金型内に注湯し、２９ＭＰａに加圧して、プリフォームにマグネシウム合金溶湯を含浸させ、台金成形品を得た。
【００２４】
その台金成形品を油圧プレス機上の拡散緻密化用金型にセットし、圧下率１５％で塑性処理した。塑性処理された台金成形品を金型から取り出し、バリ取り及び仕上げ加工を行った。
その台金成形品の外周面をブラスト処理してからエポキシ樹脂を塗布し、予め上記寸法で作製した１０個の砥粒層セグメントを接着し、６０℃で４８時間硬化処理した。
比較例１〜４
比較例１〜４の各砥石は、上記台金の製造工程を除き、上記実施例と同じ寸法及び製法で作製された。それぞれ、比較例１ではＳＣＭ４３５、比較例２ではＣＦＲＰ、比較例３ではチタン合金、そして比較例４ではマグネシウム合金で製造された市販の台金を使用した。
【００２５】
［製造された砥石の回転破壊強度テスト］
回転破壊テストは、台金外周面のセグメントが剥離したときの周速度を指標とした。
【表２】
2004195591.tif 000003
【００２６】
表２から明らかなように、比剛性及び回転破壊周速度は実施例が最も高い。実施例の効果は、比較例２のＣＦＲＰを有意に上回っている。実施例の材料コストがＣＦＲＰの１０分の１以下であることを考えると、本発明の砥石は製造コスト面において極めて有利である。
【００２７】
図４は、前記実施例の台金の砥粒層セグメント接着面の電子顕微鏡写真で、同図（ａ）はブラスト処理前、同図（ｂ）はブラスト処理後を示す。これら写真の比較から、台金外周上の砥粒層セグメント接着面は、ブラスト処理されることにより多数のホウ酸アルミニウムウイスカーが突き出た状態になることが観察された。そのような複雑な凹凸を有する表面形状に接着剤が絡み付くことによって投錨効果が発揮され、これに起因して砥粒層セグメントの接着性も向上していると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マグネシウム合金とホウ酸アルミニウムウイスカーの界面構造の写真を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る砥粒層セグメントの斜視図である。
【図３】砥粒層セグメントを台金に貼付けて作製された本発明の実施形態に係る砥石の正面図である。
【図４】本実施例の台金外周面の電子顕微鏡写真で、同図（ａ）はブラスト処理前、同図（ｂ）はブラスト処理後を示す図である。
【符号の説明】
１  ホウ酸アルミニウムウイスカー
２  マグネシウム合金
３  面反応層
４  砥粒層セグメント
５  台金
【図１】
2004195591.tif 000004
【図２】
2004195591.tif 000005
【図３】
2004195591.tif 000006
【図４】
2004195591.tif 000007