(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスを研削するために使用する工具であって、
セラミックスの被加工部と高速で接触する作業部を備えており、
前記作業部は、セラミックスを腐食させ得る腐食剤と、該腐食剤によって脆弱化された部分を削り取るための砥粒とを分散して含む結合材によって実質的に構成された砥石作業部であり、
砥石作業部は、前記結合材が４０〜６０vol％、前記腐食剤が５〜２０vol％、前記砥粒が２０〜３０vol％となるようにして構成されており、
該砥石作業部と該セラミックス被加工部とが高速で接触した際、前記被加工部への腐食剤の供給と、前記砥粒による被加工部の一部の除去とが同時に行われるセラミックス加工用工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックスの加工技術に関し、詳しくは、セラミックスの被加工部分を研削等によって除去することを包含するセラミックス加工用工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックスに関する研究の進展に伴い、高強度化または高靱性化されたセラミックス材料の開発が盛んである。このようなセラミックス材料は典型的な硬脆材料であり、組織の緻密性や硬度といった材料特性には優れる反面、研削等の加工を施すのは一般に難しい。従って、このような難削性セラミックス材料を材料自体の強度を損なうことなく高精度に加工し得る研削その他の除去加工方法（セラミックス材料の一部を削り取る等して実質的に除去することを包含する加工方法をいう。以下同じ。）および当該加工法に使用し得る研削砥石その他のセラミックス加工用工具の開発が要望されている。
【０００３】
従来、このような難削性セラミックス材料を効率よく加工することを目的として、研削分野において種々の改良が加えられている。例えば、従前の研削装置を使用した研削方法それ自体の改善に関するものとして、研削砥石（ダイヤモンド砥石）の回転速度を高めて研削効率を高める方法、あるいは、研削領域に高圧力で種々の研削液を供給することによって砥石の磨耗を抑制する方法、等がこれまでに知られており、これら方法は難削性セラミックス材料の研削に関して一定の成果を上げている。また、研削砥石自体の研削性能を向上させることに関するものとして、砥粒密度を高めることによって研削効率を向上させたダイヤモンド砥石（「セラミックス」第３２巻第４号（１９９７）３１９−３２２頁）、あるいは、砥石の砥粒分布を制御して研削特性を改善したメタルボンド砥石（「セラミックス」第３２巻第４号（１９９７）３１４−３１６頁）等がこれまでに提示されており、これらの砥石は難削性セラミックス材料の研削に関して一定の成果を上げている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の研削装置に基づく難削性セラミックス研削方法は、研削砥石の高回転化や、研削液の高圧噴射等を行うための特別な装置が必要である。このため、装置自体の価格上昇あるいは研削加工作業に係るランニングコストの上昇を招き、延いてはこれらが難削性セラミックス材料からなるセラミックス製品の製造コストをおし上げる要因となっている。また、上記したような難削性セラミックス材料を研削するために開発された改良研削砥石は、本質的には従前の砥粒や結合材から構成された砥石の域を脱していない。このため、これら砥石を用いて難削性セラミックスの研削効率を安定して向上させるためには、研削時における厳格な条件設定（砥粒切れ刃の押込み深さ等）が要求されるとともに、被削材料表層部において材料強度に影響を及ぼすようなヘアークラックや残留応力等が生じることのないように研削加工時には特段の慎重さが求められていた。
【０００５】
本発明は、難削性セラミックス材料を除去加工（研削等）する場合における、上記問題点を根本から解決するものであり、その目的とするところは、厳格な条件設定や特別な装置を必要としない、難削性セラミックス材料の除去加工を容易に行い得るセラミックス加工用工具を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本明細書において「腐食剤」とは、化学反応を起こさせてセラミックスの構成成分をより脆弱な物質（組成）に変化させ得る物質または当該物質を含む混合物をいう。
【０００７】
【０００８】
【０００９】
本発明は、セラミックスを加工するために使用する工具であって、セラミックスの被加工部と高速で接触する作業部を備えており、その作業部には当該セラミックスを腐食させ得る腐食剤が含まれており、ここで当該作業部と当該セラミックス被加工部とが高速で接触した際、当該腐食剤を当該被加工部に供給することが実現されるセラミックス加工用工具を提供する。本発明の工具では、上記腐食剤を含む作業部がセラミックス被加工部と高速で接触した際に、摩擦等によって腐食剤が作業部から被加工部に供給される。このため、本発明の工具によれば、別途、腐食剤供給機構を設けることなく、上述の本発明の加工方法を実施することができる。
【００１０】
また、本発明は、好ましい本発明の工具として、上記作業部は、砥粒と上記腐食剤とを分散して含む結合材によって実質的に構成された砥石作業部であり、当該砥石作業部と上記セラミックス被加工部とが高速で接触した際、当該被加工部への腐食剤の供給と該被加工部の一部の除去とが同時に行われるセラミックス加工用工具を提供する。この工具によれば、作業部（すなわち砥石作業部）をセラミックス被加工部に接触させることにより、当該被加工部の脆弱化と、被加工部の除去加工（即ち研削）とを併せて行うことができる。このため、本工具によれば、難削性セラミックス材料の研削を容易且つ高効率に行うことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、典型的には以下に示すような形態で実施され得る。
【００１２】
本発明は、セラミックスの被加工部を腐食剤によって脆弱化し得るため、難削性セラミックスを除去加工する場合に広く適用され得る。本発明は一般的なセラミックスの除去加工に広く適用し得るが、特に、窒化ケイ素（Si3N4 ）、炭化ケイ素（SiC ）のような非酸化物を主成分とする難削性セラミックス材料、および、アルミナ（Al2O3 ）、ジルコニア（ZrO2）等の酸化物を主成分とする難削性セラミックス材料、あるいはこれら化合物の複合材である難削性セラミックス材料等の硬脆材料の除去加工に好ましい。これらセラミックスは、従来の加工法によっては、研削、切削等の除去加工がきわめて困難であったものであるが、本発明によれば後述の実施例に示されるようにきわめて容易に研削等の除去加工を行うことができる。
【００１３】
本発明に適用する腐食剤は、上述の化合物等からなる難削性セラミックス材料を典型的には酸化または還元することによってより脆弱な物質（組成）に変え得る物質を主体として構成される。一般に融剤として使用され得る各種の化合物が本発明に係る腐食剤として好ましく適用され得る。例えば、炭酸カリウム（K2CO3 ）、炭酸ナトリウム（Na2CO3）のような炭酸塩、硫酸カリウム（K2SO4）、硫酸ナトリウム（Na2SO4）のような硫酸塩、水酸化カリウム（KOH ）、水酸化ナトリウム（NaOH）のようなアルカリ物質、フッ化カリウム（KF）、フッ化リチウム（LiF ）、フッ化鉛（PbF2）のようなハロゲン化物が本発明に係る腐食剤を構成する化合物として好ましい。また、酸化バナジウム（V2O5）、過酸化ナトリウム（Na2O2）、四ホウ酸ナトリウム（Na2B4O7 ）のような比較的低融点（１０００℃未満）の酸化物、炭酸カルシウム（CaCO3 ）のような炭酸塩も、本発明に係る腐食剤を構成する化合物として好ましい。加工対象となるセラミックスの種類・組成に応じてこれら化合物を適宜選択して酸性腐食剤、塩基性腐食剤等を調製すればよい。なお、これら化合物はそれ単独でも腐食剤として用い得るが、２種類または３種類以上のこれら化合物を含む混合物（固体液体を問わない）もまた本発明に係る腐食剤として好ましい。
【００１４】
【００１５】
【００１６】
本発明では、セラミックス被加工部と高速（接触した際に摩擦熱が発生する程度の速さをいう。）で接触させる作業部に腐食剤を含有させる。以下、このような供給手段を実現する本発明の工具の好適な実施形態を説明する。
【００１７】
本発明の工具としては、上記作業部に腐食剤を含有させ、その作業部とセラミックス被加工部とを高速で接触させたときに当該腐食剤が作業部から被加工部に供給されるように構成されておればよい。したがって、本発明の工具は、研削工具（砥石）、切削工具等に好適に適用され得る。典型的には、本発明の工具は、上記作業部を有する研削砥石として具現化される。例えば、本発明の工具として好ましい研削砥石は、その作業部すなわち砥石作業部が種々の結合材とその中に含有される砥粒と腐食剤とを主要構成要素とするものである。このような作業部を作製するにあたり、使用し得る結合材としてはいわゆるレジンボンド、メタルボンド等が挙げられるが、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂（レジノイド）が好適である。また、腐食剤としては上述の各化合物の固体形状（好ましくは粉状または粒状）のものがよい。１種または２種以上のそのような固体形状化合物を砥粒とともに結合材中に分散して含むものが特に好ましい。なお、特に限定されるものではないが、本発明の研削砥石における作業部すなわち砥石作業部は、結合材が全体の４０〜６０vol％、腐食剤（上記化合物の粉体または粒体）が５〜２０vol％、砥粒が２０〜３０vol％となるようにして構成されているものが研削効率と腐食化のバランスの観点から好ましい。なお、その他の副成分として骨材（各種セラミックス等）を全体の１５〜２５vol％およびその他の添加剤（固体潤滑剤等）を２〜１０vol％程度含有してもよい。
【００１８】
而して、本発明の研削砥石の砥石作業部は、一般の砥石製造と同様のプロセスで作製し得る。典型的には図１に示すような成形プロセスで作製され得る。すなわち、図１に示すように、結合材であるフェノール樹脂（好ましくは最終混合原料全体の４５〜５０vol％に相当する量）と、ＳｉＣ粉末等の添加剤（好ましくは最終混合原料全体の１５〜２０vol％に相当する量）とを混合し、その中に本発明に係る腐食剤として上記化合物（K2CO3 等）の粉体もしくは粒体を最終混合原料全体の５〜１０vol％となるように添加し、混合する。次いで、砥粒（ダイヤモンド砥粒等）を最終混合原料全体の２５vol％となるように添加し、混合する。次いで、得られた混合原料を所定形状の金型に注入し、加熱してプレス成形処理（例えば１５０℃で３０分）を行う。次いで、得られた成形品を電気炉で焼結処理（例えば１８０℃で３時間）することにより、本発明の研削砥石の砥石作業部を作製することができる。図２に模式的に示すように、このようにして得られた本発明の研削砥石１０の砥石作業部１１においては、当該砥石作業部１１を構成する結合材１４中に砥粒１６、添加剤(SiC等)１５および腐食剤１７が分散して含まれている（図２中の拡大部分参照）。
【００１９】
図２に模式的に示すように、このような砥石作業部１１を高速でセラミックス１２の被加工部１２ａに接触させると、従来の研削加工作業と同様、砥石作業部１１の表面の一部が磨耗したり脱落したりする。すると、結合材１４中に含まれていた腐食剤１７たる上記固体形状化合物（K2CO3 等）が表面に露出し、セラミックス被加工部１２ａ側の砥石作業部１１との接触部分１２ａに付着することとなる。このとき、当該接触部分１２ａには高速接触に伴う摩擦熱が生じている。このため、当該接触部分１２ｂ（即ち研削部位）は相当な高温（典型的には９００℃〜１０００℃）となっており、上記付着した固体形状化合物を瞬時に溶融することが可能である。例えば、K2CO3 、V2O5、Na2SO4およびNa2CO3の融点は、各々、８９１℃、６９０℃、８８４℃および８５１℃程度であり、結果、これら化合物は上記高速接触に伴う摩擦熱で容易に溶融し得るからである。そして、溶融された腐食剤１７によって当該接触部分１２ｂを速やかに腐食し、脆弱化することができる。従って、本発明の研削砥石１０によれば、セラミックス１２本来の難削性に関わらず、当該脆弱化された部分１２ｂを砥石作業部１１の砥粒１６で容易に削り取ることができる（図２）。
【００２０】
なお、従来法によって難削性セラミックス材料を研削する場合、ダイヤモンド製砥粒が必要不可欠であったが、本発明では研削対象であるセラミックスの被加工部を腐食剤で脆弱化し得る結果、使用する砥粒の硬度を低くすることができる。従って、本発明によれば、高価なダイヤモンド砥粒の使用割合を低減させ或いはダイヤモンド砥粒の使用に代えてより安価なアルミナ、炭化ケイ素、炭化ホウ素もしくは窒化ホウ素から成る砥粒を難削性セラミックスの研削に用いることができる。
【００２１】
以上、本発明の工具の好適な一典型例を説明したが、本発明の工具は、種々の用途・形態の研削工具（例えば、表面加工用の円筒状砥石車、切断用砥石、穴あけ用コアドリル）に適用し得る。また、本発明は、研削工具に限らず、バイトのような単一の刃物を用いて切削加工を行う場合にも適用し得る。例えば、上記レジンボンドに粉末状腐食剤（Na2CO3、K2CO3、V2O5、Na2SO4、K2SO4等）を含有させて成る作業部を有する腐食剤供給用器具を作成し、その器具を旋盤上で高速で回転する被切削材料（ここでは難削性セラミックス）に当該作業部が接触するようにして旋盤に取り付ける。好ましくは、バイトに接する直前の部位（即ち被加工部）に当該作業部が接触するようにして取り付けるのがよい。このようにすることで、上述の本発明の研削砥石と同様、高速接触に伴う磨耗と高熱によって溶融状態の腐食剤が回転中の被加工部に供給され得る。而して、供給された溶融腐食剤によって腐食された当該被加工部をバイトによって次々に除去加工（即ち切削加工）することができる。これにより、従来、旋盤等による切削作業は困難とされていた難削性セラミックス材料を通常のバイトで容易に切削加工することが実現され得る。従って、上述の作業部を備え、旋盤上に取付けられる腐食剤供給用器具は、本発明の工具の好ましい一形態である。
【００２２】
【実施例】
以下の実施例において、本発明をさらに具体的に説明するが、これらはなんら本発明を限定するものではない。
【００２３】
＜実施例１＞
まず、本発明の研削砥石による難削性セラミックスを研削した一例を説明する。本実施例においては、本発明の研削砥石を２種類使用した。これら砥石は、図１に示すプロセスに準じて作製された外径２００ｍｍ、幅１０ｍｍのレジンボンドダイヤモンド砥石である。その砥石作業部は熱硬化性樹脂によって構成されており、その内部にはダイヤモンド砥粒が体積比にして約２５％分散して含まれている。そして、一方の砥石には本発明に係る腐食剤として粉状のK2CO3 が体積比にして１０％程度分散して含有されており、他方の砥石には本発明に係る腐食剤として粉状のNa2CO3が体積比にして１０％程度分散して含有されている。なお、比較実験に供するため、上記腐食剤を含まない同形状の従来型レジンボンドダイヤモンド砥石（砥粒含有率は本発明の砥石と同じ２５vol％である）を同様に作製した。而して、これら作製した砥石（計３種類）を使って窒化ケイ素から成る被削材料をそれぞれ研削し、その研削効率における使用砥石間の差異を調べた。具体的には、岡本工作機械製作所製の平面研削盤（ＣＧＭ−６３）を用いて、砥石周速度２０００ｍ／分、被削材料送り速度１５ｍ／分、クロスフィード１０ｍｍ／分、設定切り込み量３μｍ／パス、総研削量３０μｍおよびスパークアウトなしの条件下、長さ４０ｍｍ×幅４ｍｍ×厚さ３ｍｍのSi3N4 製被削材料を長手方向に平面研削することによって負荷荷重３０Ｎおよび２０Ｎにおけるピンオンディスク摩擦試験を行った。比磨耗量（ｍ2 ／Ｎ）を指標とした試験結果を図３のグラフに示す。
【００２４】
図３に示すように、腐食剤としてK2CO3を含む砥石を用いてSi3N4 製被削材料を平面研削した場合の比磨耗量（２０Ｎ条件時：６．４×１０-15 ｍ2 ／Ｎ、３０Ｎ条件時：６．８×１０-15 ｍ2 ／Ｎ）、および、Na2CO3を含む砥石を用いてSi3N4製被削材料を平面研削した場合の比磨耗量（２０Ｎ条件時：８．８×１０-15 ｍ2 ／Ｎ、３０Ｎ条件時：１０．２×１０-15 ｍ2 ／Ｎ）は、それぞれ、腐食剤を含まない従来型砥石を用いて同材料を平面研削した場合（図中で無添加と表示されているもの）における比磨耗量（２０Ｎ条件時：１．２×１０-15 ｍ2／Ｎ、３０Ｎ条件時：２．１×１０-15 ｍ2 ／Ｎ）の約３倍および約５倍に達した（何れも３０Ｎ条件時における比較）。この結果は、本発明の研削砥石を用いればSi3N4 のような難削性セラミックスであっても容易に研削し得ることを如実に示すものである。
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
＜実施例２＞
次に、上記従来型レジンボンドダイヤモンド砥石に代えて、ダイヤモンド砥粒よりも安価なSiC 製砥粒を含む砥石を用いて、上記実施例１と同様の方法でSi3N4 製被研削材料を平面研削し、本発明の加工方法による砥石の置換可能性を確認した。本実施例においては本発明の研削砥石を２種類使用した。これら砥石は、図１に示すプロセスに準じて作製された外径２００ｍｍ、幅１０ｍｍのレジンボンド砥石である。その砥石作業部は熱硬化性樹脂によって構成されており、その内部にはダイヤモンド砥粒とSiC砥粒とが５０対５０で分散して含まれている。なお、砥石作業部における砥粒含有率は体積比で約２５％（即ちダイヤモンド砥粒を１２．５vol％、SiC砥粒を１２．５vol％含む）である。そして、一方の砥石には本発明に係る腐食剤として粉状のK2CO3 が体積比にして１０％程度分散して含有されており、他方の砥石には本発明に係る腐食剤として粉状のNa2CO3が体積比にして１０％程度分散して含有されている。なお、比較実験に供するため、砥石作業部における砥粒含有率が等しく上記腐食剤は含まない同形状の従来型レジンボンド砥石を同様に作製した。而して、これら作製した砥石（計３種類）を使って、上記実施例１と同様の条件でSi3N4製被削材料を長手方向に平面研削することによって、負荷荷重３０Ｎおよび２０Ｎにおけるピンオンディスク摩擦試験を行った。比磨耗量（ｍ2 ／Ｎ）を指標とした試験結果を図４のグラフに示す。
【００３０】
図４に示すように、腐食剤としてK2CO3を含むダイヤモンド・SiC混合砥石を用いてSi3N4製被削材料を平面研削した場合の比磨耗量（２０Ｎ条件時：２．７×１０-15 ｍ2／Ｎ、３０Ｎ条件時：３．８×１０-15 ｍ2／Ｎ）、および、腐食剤としてNa2CO3を含むダイヤモンド・SiC混合砥石を用いてSi3N4製被削材料を平面研削した場合の比磨耗量（２０Ｎ条件時：３．０×１０-15 ｍ2 ／Ｎ、３０Ｎ条件時：４．５×１０-15 ｍ2 ／Ｎ）は、何れも腐食剤を含まない従来型砥石を用いて同材料を平面研削した場合（図中で無添加と表示されているもの）における比磨耗量（２０Ｎ条件時：１．１×１０-15 ｍ2／Ｎ、３０Ｎ条件時：１．６×１０-15 ｍ2／Ｎ）を大幅に上回った。このことは、本発明の研削加工方法によれば、高価なダイヤモンド砥粒の使用量を減らし、より低コストでSi3N4のような難削性セラミックスを研削し得ることを示すものである。また、本試験結果は、本発明の研削工具ではダイヤモンド砥粒が必須の要素でなく、他の砥粒（SiC、CBN等）で代替し得ることを示すものである。
【００３１】
【発明の効果】
本発明では、硬脆材料である難削性セラミックスに対しても研削その他の除去加工を容易に行い得る加工用工具が提供される。すなわち、本発明の工具は、上記作業部に腐食剤を含有しており、セラミックス被加工部と高速で接触した際にその摩擦によって当該腐食剤が作業部から被加工部に供給される。このため、本発明の工具によれば、別途、腐食剤供給機構を設けることなく、本発明の加工方法を好適に実施することができる。
【００３２】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の工具の一典型例である研削砥石の製造プロセスを説明する流れ図である。
【図２】本発明の工具の一典型例である研削砥石および該砥石を用いた研削状況を模式的に示す説明図である。
【図３】実施例１の結果を示すグラフである。
【図４】実施例２の結果を示すグラフである。
【００３３】
【符号の説明】
１０  研削砥石
１１  砥石作業部
１２  セラミックス
１２ａ  被加工部
１２ｂ  接触部分
１４  結合材
１６  砥粒
１７  腐食剤
【図１】
0004809509.tif 000002
【図２】
0004809509.tif 000003
【図３】
0004809509.tif 000004
【図４】
0004809509.tif 000005