(57)【要約】【課題】砥粒保持力を強固にして、切れ味の優れたビトリファイドダイヤモンドホイールを提供する。【解決手段】砥粒層１は、被覆２を施したダイヤモンド砥粒３を、ビトリファイドボンド４で結合してなるものである。被覆２は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｂのいずれか、または、これらの酸化物、窒化物、または硼化物からなり、ダイヤモンド砥粒３の表面積の３０％以上を覆っている。ダイヤモンド砥粒３との境界には金属炭化物からなる内層２ａが形成され、ビトリファイドボンド４と接触する表層には、金属炭化物と同種の金属、または同種の金属の酸化物、窒化物、または硼化物からなる外層２ｂが形成されている。被覆２とビトリファイドボンドとの境界に、金属の酸化物、窒化物、または硼化物とＳｉ元素との反応層２ｃが形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属または金属の化合物を被覆したダイヤモンド砥粒をビトリファイドボンド中に分散させたホイールにおいて、前記被覆とビトリファイドボンドとの境界に、前記金属の酸化物、窒化物、または硼化物とＳｉ元素との反応層が形成されていることを特徴とするビトリファイドダイヤモンドホイール。
【請求項２】
前記被覆が、ダイヤモンド砥粒との境界は金属炭化物からなり、ビトリファイドボンドと接触する表層は前記金属炭化物と同種の金属、または同種の金属の酸化物、窒化物、または硼化物からなる２層構造となっており、前記被覆がダイヤモンド砥粒の表面積の３０％以上を覆っていることを特徴とする請求項１記載のビトリファイドダイヤモンドホイール。
【請求項３】
前記金属は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｂのいずれかであることを特徴とする請求項１または２記載のビトリファイドダイヤモンドホイール。
【請求項４】
前記ビトリファイドボンドは、フィラーを除くガラス質成分中にＳｉＯ2を２５体積％以上、ＺｎＯを１０体積％以上含むものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のビトリファイドダイヤモンドホイール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンド砥粒をビトリファイドボンドで結合したビトリファイドダイヤモンドホイールに関し、特に、砥粒保持力を向上させたビトリファイドダイヤモンドホイールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ビトリファイドホイールでは、ダイヤモンド砥粒の濡れ性を高めるために、製造工程の焼成過程で数日かけて成形している。ガラス質であるビトリファイドボンドは、冷却工程に時間をかけないと、冷却時にクラックが入ってしまい、これによってボンドの強度が弱まり、砥粒保持力が低下するからである。
【０００３】
ビトリファイドボンドを用いた技術に関して、さまざまな改良がなされている。
例えば、特許文献１には、ダイヤモンド砥粒の表面に金属炭化物で被覆したものが記載されている。また、特許文献２には、ダイヤモンド砥粒の表面に、金属素地にセラミック粒子を分散した組織を有する被覆を形成したものが記載されている。また、特許文献３には、金属層を介してダイヤモンド砥粒をビトリファイドボンドと結合させ、金属層には同種または異種の金属粒子を包含し、多数の突起を持つ表面を形成したものが記載されている。
また、特許文献４には、チタン、銅、ニッケル、及びそれらの合金、及びそれらの組み合わせからなる群より選択された金属でダイヤモンド砥粒を被覆したガラス質結合剤の研削工具が記載され、特許文献５には、窒化チタンを砥粒に被覆したビトリファイドボンド砥石が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３２２０６７号公報
【特許文献２】特開平７−１４８６６６号公報
【特許文献３】特開平８−１５０５６７号公報
【特許文献４】特表平１１−５０９７８５号公報
【特許文献５】特開平０４−３３１０７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
基本的に、グラファイトやダイヤモンドに対して、ガラスの溶融物は濡れ性が悪い。特許文献１に記載のものでは、炭素を含む金属炭化物とガラス質のビトリファイドボンドとの濡れ性が悪いため、ボンドと砥粒との接合強度が弱く、砥粒保持力が十分に得られないため、研削中に砥粒が脱落しやすい。また、特許文献２、特許文献３に記載のものでは、ダイヤモンド砥粒と金属とは化学反応をおこさないため、両者は機械的結合に留まり、接合強度が不足する。
また、特許文献４、５に記載されたものは、単層の被覆を用いているため、砥粒との結合力の強化と、ビトリファイドボンドとの濡れ性の向上の両方を満たすことはできない。
従って、これらの技術によると、ビトリファイドボンドとの濡れ性を確保しつつ、焼成後の冷却工程において、冷却時にクラックが発生することによる砥粒保持力の低下を解決することができない。
【０００６】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたもので、砥粒保持力を強固にして、切れ味の優れたビトリファイドダイヤモンドホイール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】
【０００７】
以上の課題を解決するために、本発明のビトリファイドダイヤモンドホイールは、金属または金属の化合物を被覆したダイヤモンド砥粒をビトリファイドボンド中に分散させたホイールにおいて、前記被覆とビトリファイドボンドとの境界に、前記金属の酸化物、窒化物、または硼化物とＳｉ元素との反応層が形成されていることを特徴とする。
被覆とビトリファイドボンドとの境界に、前記金属の酸化物、窒化物、または硼化物とＳｉ元素との反応層が形成されていることにより、被覆とビトリファイドボンドとの結合が強固になり、砥粒保持力が向上する。
【０００８】
本発明においては、前記被覆が、ダイヤモンド砥粒との境界は金属炭化物からなり、ビトリファイドボンドと接触する表層は前記金属炭化物と同種の金属、または同種の金属の酸化物、窒化物、または硼化物からなる２層構造となっており、前記被覆がダイヤモンド砥粒の表面積の３０％以上を覆っていることを特徴とする。
ダイヤモンド砥粒の周囲には金属炭化物が形成されて、ダイヤモンド砥粒と強固に結合しかつ、ビトリファイドボンドと接触する領域には、炭化物ではない層、すなわち、金属の酸化物、窒化物、または硼化物と、Ｓｉ元素との反応層ができる。金属被覆した砥粒を、あらかじめ熱処理して酸化皮膜、窒化皮膜を形成させたものは、よりＳｉ元素との反応性がよく濡れ性もよいことから、十分な砥粒保持力を得ることができる。このために、冷却時にマイクロクラックが発生しても、マイクロクラックによって砥粒が脱落することを防止でき、焼成後の冷却時間を短くしても、十分な砥粒保持力を得ることができる。
【０００９】
被覆がダイヤモンド砥粒を覆う割合がダイヤモンド砥粒の表面積の３０％未満であると、金属酸化物や窒化物の結合があっても、被覆がダイヤモンド砥石の表面を覆う割合が少ないため、十分な砥粒保持力が得られない。また、表層のダイヤ部よりＣＯやＣＯ2などのガスにより空隙が発生するため砥粒保持力が低下してしまう。
【００１０】
上述した、ダイヤモンド砥粒との間で炭化物を形成する金属として、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｂのいずれかを用いることができる。
【００１１】
本発明においては、前記ビトリファイドボンドは、フィラーを除くガラス質成分中にＳｉＯ2を２５体積％以上、ＺｎＯを１０体積％以上含むものであることを特徴とする。
ＳｉＯ2の含有率が２５体積％未満であると、前述の金属、金属酸化物、金属窒化物と結合する確率が少なくなり、目的とする砥粒保持力が得られず、成形性も悪い。ＺｎＯの含有率が１０体積％未満であると、砥粒保持力が高いままで、ボンド後退性が低下する。切粉によるボンド後退および、ドレッシングによるボンド後退性は、研削時の目詰まりの抑制、切味の持続に効果があるが、以上の理由によりボンド後退性が低下すると、切れ味が低下する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、被覆とビトリファイドボンドとの境界に、前記金属の酸化物、窒化物、または硼化物とＳｉ元素との反応層が形成されていることにより、被覆とビトリファイドボンドとの結合が強固になり、砥粒保持力が向上する。
また、ダイヤモンド砥粒の周囲には金属炭化物が形成されて、ダイヤモンド砥粒と強固に結合しかつ、ビトリファイドボンドと接触する領域には、炭化物ではない層、すなわち、金属の酸化物、窒化物、または硼化物と、Ｓｉ元素との反応層ができるため、金属被覆した砥粒を熱処理してあらかじめ、酸化皮膜、窒化皮膜を形成させたものはよりＳｉ元素との反応性がよく、十分な砥粒保持力を得ることができる。このために、冷却時にマイクロクラックが発生しても、マイクロクラックによって砥粒が脱落することを防止でき、焼成後の冷却時間を短くしても、十分な砥粒保持力を得ることができるため、切れ味の優れたビトリファイドダイヤモンドホイールを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明をその実施形態に基づいて説明する。
図１に、本発明の実施形態に係るビトリファイドダイヤモンドホイールの砥粒層を示す。
図１（ａ）において、砥粒層１は、被覆２を施したダイヤモンド砥粒３を、ビトリファイドボンド４で結合してなるものである。被覆２は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｂのいずれか、または、これらの酸化物、窒化物、または硼化物からなり、ダイヤモンド砥粒の表面積の３０％以上を覆っている。この砥粒層１は、窒素またはアルゴンの不活性雰囲気、あるいは減圧雰囲気で５００℃以上９００℃以下の温度で焼成される。
【００１４】
図１（ｂ）に、ダイヤモンド砥粒３が被覆されている様子を拡大して示す。ダイヤモンド砥粒３との境界には金属炭化物からなる内層２ａが形成され、ビトリファイドボンド４と接触する表層には、金属炭化物と同種の金属、または同種の金属の酸化物、窒化物、または硼化物からなる外層２ｂが形成されている。
金属の炭化物と、これと同種の金属の酸化物、窒化物、または硼化物からなる２層構造は、あらかじめ金属被覆された砥粒を、例えば、５００℃〜８００℃で大気または窒素雰囲気で熱処理を加えることによって形成される。こうして形成された砥粒とビトリファイドボンドとを混合し、窒素またはアルゴンの不活性雰囲気、あるいは減圧雰囲気で５００℃以上９００℃以下の温度で焼成することで、ボンド中に含まれるＳｉ元素と強固な反応層を形成することができる。
Ｓｉ層との反応層２ｃの厚みは、３μｍ以上１５μｍ以下であることが望ましい。反応層２ｃの厚みが３μｍ未満であると、ほとんど反応していないことに等しく、結合が単なる物理的な力によるかしめと同じレベルとなり砥粒保持力が弱い。一方、反応層２ｃの厚みが１５μｍを超えると、被覆金属の拡散がおこり、砥粒を被覆した状態が保てなくなるため、砥粒保持力は低下する。
内層２ａによって、ダイヤモンド砥粒３との結合が強まり、外層２ｂによって、ビトリファイドボンド４との反応層２ｃができる。そのため、図１（ａ）に示すように、焼成後の冷却工程においてマイクロクラック５が発生しても、ダイヤモンド砥粒３は炭化物の反応層によって強固に結合され、砥粒保持力は十分に確保される。
【００１５】
本実施形態と比較するために、通常のビトリファイドホイールの砥粒層を図２に示す。
図２において、砥粒層１１は、ダイヤモンド砥粒３を、ビトリファイドボンド４で結合してなるものであり、ダイヤモンド砥粒３には被覆が施されていない。この場合には、焼成後に冷却速度−２３℃／分程度で冷却したときに、マイクロクラック５が発生する。このマイクロクラック５によって、ダイヤモンド砥粒３の保持力が弱まり、ダイヤモンド砥粒３が脱落しやすくなる。
【００１６】
図１に示す本実施形態のものは、図２に示すものと比較してわかるように、被覆２によって、マイクロクラック５が発生しても砥粒保持力を維持することができる。従って、短い冷却時間でも保持力の高い状態をつくることができ、製造工程の短縮を図ることができる。
【００１７】
また、被覆２の金属表面にあらかじめ酸化処理や窒化処理をして、酸化物や窒化物を形成したものは、ビトリファイドボンド４の焼結の濡れ性に優れている。図３（ａ）に、酸化物が形成される場合を示し、図３（ｂ）に、窒化物が形成される場合を示す。
図３（ａ）では、酸化物はそれ自体のＯとＳｉとが結合して、酸化物と、ＳｉＯ2との結びつきが良くなる。また、図３（ｂ）では、窒化物の窒素が、ビトリファイドボンド４の主成分であるＳｉＯ2のＯと置換されて、Ｓｉと結合する。
【００１８】
従来の技術においても、砥粒を金属で被覆して、レジンボンドに対してアンカー効果を持たせたものは存在しているが、ビトリファイドボンドの焼成温度領域である７００℃〜９００℃では、被覆とダイヤモンド砥石との接着力が弱まり、被覆が剥離してしまう。さらにダイヤモンド砥粒と被覆との間の空隙にＣＯやＣＯ2などのガスが発生するという不都合がある。
この点、本発明の実施形態では、Ｃｒ，Ｔｉ，Ｓｉ，Ｖ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｎｂのいずれかの金属を用いることで、被覆２とダイヤモンド砥粒３との間で炭化物の反応層が形成されて砥粒が強固に結合され、上記の問題を生じない。
【００１９】
以下に、具体的な試験例を示す。
被覆を施さない砥粒と、チタンの炭化層とＴｉＮが形成された砥粒と、チタンの炭化層とＴｉ０2が形成された砥粒のそれぞれを、ビトリファイドボンドで結合したテストピースを形成して、強度試験を行った。
テストピースの仕様は、以下の通りである。
ＳＤ＃１０００
集中度１２０
ボンド：ＳｉＯ2  ２５〜５０％、ＺｎＯ  １０〜３０％、その他Ｂ2０3
テストピースサイズ：４０Ｌ×７Ｗ×４Ｔ
試験条件は、以下の通りである。
３点曲げ試験  支点間距離  ３０ｍｍ
クロスヘッドｓｐ  １．５ｍｍ／ｍｉｎ
チャートｓｐ：  ５０ｍｍ／ｍｉｎ
【００２０】
図４に、試験結果を示す。
被覆を施さない砥粒を用いたものに比べて、チタンの炭化層とＴｉＮが形成された砥粒を用いたものは、強度が高まっており、チタンの炭化層とＴｉ０2が形成された砥粒を用いたものでは、さらに強度が向上している。この結果から、チタンのように、ダイヤモンド砥粒との間で炭化物の反応層を形成する金属を用いることの有用性が示されており、これに窒化処理または酸化処理等を行うと、さらに効果があることが実証されている。
【００２１】
次に、研削試験について説明する。
表１に示す研削条件で研削試験を行った。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
試験に用いたホイールの仕様は、φ２００Ｄ×１０Ｗ  砥粒粒度は＃８００である。
図５に、研削試験の手順を示す。ＧＣ砥石ツルアーを用いてツルーイングを行った後、ＷＡ砥石でドレッシングを行い、研削を実施した。研削は３個の被削材について行い、１つの試験の終了とした。
図６に、被覆無し砥粒と、チタンの炭化層とＴｉＮが形成された砥粒を用いたものと、チタンの炭化層とＴｉ０2が形成された砥粒を用いたものとについて、送り速度を変化させたときの研削時の摩耗量を比較して示す。図６からわかるように、酸化チタン被覆、窒化チタン被覆が形成されることにより、砥粒保持力が向上するため、摩耗量を低減することができる。
【００２４】
図７に、被覆無し砥粒と、チタンの炭化層とＴｉＮが形成された砥粒を用いたものと、チタンの炭化層とＴｉ０2が形成された砥粒を用いたものとについて、送り速度を変化させたときの、研削時に発生する振動の加速度を示す。ここでは、ビトリファイドボンドの組成を変化させたサンプルを用いており、ＳｉＯ2が２５体積％〜６０体積％、ＺｎＯが１０体積％〜４０体積％含まれるものについては振動の加速度が小さいが、ＺｎＯが１０体積％未満のものでは、送り速度の増大とともに振動の加速度が急増する。また、ＳｉＯ2が２５体積％未満のものは、切れ味が悪く研削が不可能であった。
【００２５】
図８に、被覆がダイヤモンド砥粒の表面積を覆う割合を変化させたときの、研削終了時での砥粒脱落率を示す。被覆がダイヤモンド砥粒の表面を覆う割合が、ダイヤモンド砥粒の表面積の３０％未満のときは、砥粒脱落率が極めて大きいのに対して、３０％以上では大幅に改善されている。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、十分な砥粒保持力を得ることができ、切れ味の優れたビトリファイドダイヤモンドホイールして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係るビトリファイドダイヤモンドホイールの砥粒層を示す図である。
【図２】通常のビトリファイドホイールの砥粒層を示す図である。
【図３】酸化物や窒化物が形成されたときの結合状態を示す図である。
【図４】試験結果を示す図である。
【図５】研削試験の手順を示す図である。
【図６】被覆無し砥粒と、酸化チタン被覆砥粒と、窒化チタン被覆砥粒とについて、送り速度を変化させたときの研削時の摩耗量を比較して示す図である。
【図７】酸化チタン、窒化チタンを被覆したものについて、送り速度を変化させたときの、研削時に発生する振動の加速度を示す図である。
【図８】被覆がダイヤモンド砥粒の表面積を覆う割合を変化させたときの、研削終了時での砥粒脱落率を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  砥粒層
２  被覆
２ａ  内層
２ｂ  外層
２ｃ  反応層
３  ダイヤモンド砥粒
４  ビトリファイドボンド
５  マイクロクラック
【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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