(57)【要約】【課題】ダイヤモンド粒子とＣｕ母相の濡れ性を改善することにより、耐久性に優れたＣｕ基メタルボンド砥石およびその製造方法を提供する。【解決手段】Ｃｕ母相とダイヤモンド粒子を含み、さらにＣｕ母相とダイヤモンド粒子との間にＴｉの炭化物あるいはＣｒの炭化物が介在するＣｕ基ダイヤモンド砥石である。Ｃｕ、ダイヤモンド、およびＴｉまたはＣｒを含む混合粉末を鋳型に入れ、遠心力を印加してＣｕ溶湯を鋳型に流し込むＣｕ基メタルボンド砥石の製造方法である。【選択図】  図８
2013166204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ母相とダイヤモンド粒子を含み、さらにＣｕ母相とダイヤモンド粒子との間にＴｉの炭化物あるいはＣｒの炭化物が介在するＣｕ基ダイヤモンド砥石。
【請求項２】
Ｃｕ、ダイヤモンド、および、ＴｉまたはＣｒを含む混合粉末を、鋳造法により成型するＣｕ基メタルボンド砥石の製造方法。
【請求項３】
Ｃｕ、ダイヤモンド、および、ＴｉまたはＣｒを含む混合粉末に、Ｃｕ溶湯を流し込んで成型する請求項２に記載のＣｕ基メタルボンド砥石の製造方法。
【請求項４】
前記混合粉末を鋳型に入れ、遠心力を印加して前記Ｃｕ溶湯を鋳型に流し込む請求項３に記載のＣｕ基メタルボンド砥石の製造方法。
【請求項５】
前記混合粉末にＴｉが含まれる場合のＣｕとＴｉの質量比がＣｕ：Ｔｉ＝９９：１〜９７：３である請求項２〜４に記載のＣｕ基メタルボンド砥石の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタルボンド砥石、特に耐久性に優れたＣｕ基メタルボンド砥石に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
難加工材の加工を行うための工具の一つにメタルボンド砥石がある。メタルボンド砥石とは、金属材料を母相としてダイヤモンド粒子のような砥粒が焼結法あるいは電着法によって母相内に分散して複合化された砥石である。焼結法にて作製されたメタルボンド砥石は、砥石全体にダイヤモンド粒子が均一分散している。一方、電着法にて作製されたメタルボンド砥石は、砥石の刃先近傍にダイヤモンド層を持っている。そのため、焼結法や電着法で作製された従来のメタルボンド砥石は、ダイヤモンドの使用量が多く、かつ耐久性が十分でないという問題があった。
【０００３】
この欠点を克服するために、特許文献１記載の遠心力混合粉末法と呼ばれる鋳造技術を用いてＣｕ基メタルボンド砥石を作製した研究が非特許文献１で報告されている。この砥石は、純Ｃｕを母相としてダイヤモンド粒子が分散したものである。しかしながら、非特許文献２で報告されているように純Ｃｕとダイヤモンドの濡れ性が悪いため、非特許文献１で報告されたＣｕ基メタルボンド砥石はダイヤモンド粒子とＣｕ母相の剥離が生じやすいという問題点がある。そのため、この鋳造にて製造したＣｕ基メタルボンド砥石は、難加工材の砥石として耐久性が乏しく、母相とダイヤモンド粒子の結合力を向上させる必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特願２００７−１３２１２７
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】間宮佑太、佐藤尚、三浦永理、渡辺義見、倉知一正、横山久範：傾斜機能材料論文集、２４巻、２０１０年、５−１０ページ
【非特許文献２】藤田英一，細見暁，足立芳寛：ダイヤモンドの接着技術，オーム社，1992年
【非特許文献３】マテリアルズサイエンスイン  ＵＳＳＲ研究会：チタン合金状態図集，東レ経営研究所，１９８６年，１５ページ
【非特許文献４】Y. V. Naidich, A. A. Bugaev, A. A. Adamovskii, V. A. Evodkimov, V. P. Umanskii, N. S. Zyukin: Powder Metallurgy and Metal Ceramics, Vol. 47, (2008), pp. 3-4.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、Ｃｕ母相とダイヤモンド粒子の結合力を改善して、Ｃｕ基メタルボンド砥石の耐久性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、Ｃｕ基メタルボンド砥石において、Ｃｕ母相とダイヤモンド粒子の結合力を大きくする金属材料をＣｕおよびダイヤモンド粒子の粉末に含ませることにより、Ｃｕとダイヤモンドの結合力が大きくなり、上記課題を解決しうることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下のＣｕ基メタルボンド砥石およびその製造方法が提供される。
【０００８】
[１] Ｃｕ母相とダイヤモンド粒子を含み、さらにＣｕとダイヤモンド粒子との間にＴｉの炭化物あるいはＣｒの炭化物が介在するＣｕ基ダイヤモンド砥石。
【０００９】
[２] Ｃｕ、ダイヤモンド、および、ＴｉまたはＣｒを含む混合粉末を、鋳造法により成型するＣｕ基メタルボンド砥石の製造方法。
【００１０】
[３] Ｃｕ、ダイヤモンド、および、ＴｉまたはＣｒを含む混合粉末に、Ｃｕ溶湯を流し込んで成型する前記［２］に記載のＣｕ基メタルボンド砥石の製造方法。
【００１１】
[４] 前記混合粉末を鋳型に入れ、遠心力を印加して前記Ｃｕ溶湯を鋳型に流し込む前記［３］に記載のＣｕ基メタルボンド砥石の製造方法。
【００１２】
[５]  前記混合粉末にＴｉが含まれる場合のＣｕとＴｉの質量比がＣｕ：Ｔｉ＝９９：１〜９７：３である前記［２］〜［４］に記載のＣｕ基メタルボンド砥石の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】棒状の鋳造材を製造するための遠心鋳造装置の模式図である。
【図２】遠心鋳造で用いる鋳型の模式図である。
【図３】混合粉末を用いて作製したＣｕ基ダイヤモンド複合材料の模式図である。
【図４】Ｃｕ基メタルボンド砥石の微細組織を示す走査型電子顕微鏡写真である。（ａ）は混合粉末にＣｕを添加せずに作製した砥石で（ｂ）は混合粉末中のＣｕに対して２質量％のＴｉを添加した混合粉末にて作製した砥石である。
【図５】Ｔｉを添加した混合粉末にて作製したＣｕ基メタルボンド砥石におけるダイヤモンド粒子周りの組成分布を示す反射電子組成像である。
【図６】Ｔｉを添加した混合粉末にて作製したＣｕ基メタルボンド砥石におけるダイヤモンド粒子周りの組成分布をエネルギー分散型分光装置にて測定した結果である。
【図７】（ａ）混合粉末中のＣｕに対して０．７６質量％のＴｉを添加した混合粉末、（ｂ）２．２質量％のＴｉを添加した混合粉末、および（ｃ）３．８質量％のＴｉを添加した混合粉末を用いて作製した砥石の反射電子組成像である。
【図８】混合粉末中のＴｉ濃度の変化に伴うダイヤモンド粒子と母相との接合強度の変化を示したグラフである。
【図９】ダイヤモンド粒子とＣｕ母相の接合強度の測定方法を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００１５】
本発明はＣｕ母相中にダイヤモンド粒子が分散したＣｕ基メタルボンド砥石であるが、Ｃｕ母相とダイヤモンド粒子の間に、濡れ性を改善する層が形成されることが好ましい。この層として金属炭化物が形成されることが好ましく、ＴｉあるいはＣｒの炭化物が特に好ましい。
【００１６】
本発明のＣｕ基メタルボンド砥石の製造にあたっては、Ｃｕ、ダイヤモンド、および、ＴｉまたはＣｒを含む混合粉末を、鋳造法により成型することが好ましく、より具体的には、Ｃｕ、ダイヤモンド、および、ＴｉまたはＣｒを含む混合粉末に、Ｃｕ溶湯を流し込んで成型する方法が好ましい。Ｃｕ溶湯の熱によって混合粉末中のＣｕ粉末およびＴｉ粉末が溶けて、鋳造材が形成される。 前記混合粉末を鋳型に入れ、遠心力を印加して前記Ｃｕ溶湯を鋳型に流し込んで成型する方法が特に好ましい。そして、前記混合粉末にＴｉを含む場合には、Ｃｕ母相とダイヤモンド粒子の結合力およびコストの観点から、ＣｕとＴｉの質量比がＣｕ：Ｔｉ＝９９：１〜９７：３が好ましく、Ｃｕ：Ｔｉ＝９９：１〜９８：２の場合がより好ましい。さらに、本実施形態では、図１に示すような棒状の鋳造材を製造する遠心鋳造装置を用いるが、遠心鋳造装置であればいかなる形式の装置であっても構わない。
【実施例】
【００１７】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００１８】
（実施手順）
本実施例によるＣｕ基メタルボンド砥石の製造は、以下の手順で行った。
・  Ｃｕ粉末、Ｔｉ粉末およびダイヤモンド粉末が所定の質量比で混合された混合
末を作製する。後述するが、ＣｕとＴｉの質量比を変えて評価する。
（２）作製した混合粉末１．５ｇを図２に示す鋳型に投入し、混合粉末を持つ鋳型を図２に示す遠心鋳造装置に設置する。
（３）図１の坩堝内でＣｕインゴット８０ｇを１２００℃で溶解した後、８０Ｇの遠心力を印加してＣｕ溶湯を鋳型に流し込む。
（４）遠心力によって鋳型内部に流し込まれたＣｕ溶湯の熱によって混合粉末中のＣｕ粉末およびＴｉ粉末が溶けることで、図３に示すような鋳造材の先端部にＣｕ母相中にダイヤモンド粒子が分散したＣｕ基ダイヤモンド複合材料を得ることができる。
（５）図３に示すＣｕ基ダイヤモンド複合材料におけるダイヤモンド粒子複合化部分のみを切り出すことによってＣｕ基メタルボンド砥石を得る。
【００１９】
図４は、作製したＣｕ基メタルボンド砥石の組織を示す走査型電子顕微鏡写真である。図４（ａ）および（ｂ）は、それぞれＴｉを含まない混合粉末を用いて作製した砥石および混合粉末中のＣｕに対して２．２質量％のＴｉを添加した混合粉末（質量比  Ｃｕ：Ｔｉ：ダイヤモンド＝１．２９ｇ：０．０３ｇ：０．１８ｇ）にて作製した砥石の微細組織である。両者の砥石ともに母相中にダイヤモンド粒子が複合化されていた。図４（ａ）に示すＴｉが添加されていない混合粉末を用いて作製した砥石では、ダイヤモンド粒子周りに空孔が存在している。一方で、Ｔｉを添加した混合粉末にて作製した図４（ｂ）に示す砥石では、ダイヤモンド粒子周りに空孔が存在していなかった。これより、混合粉末中にＴｉを添加することによってＣｕ母相とダイヤモンドの濡れ性が向上していることが分かる。
【００２０】
図５は、図４（ｂ）に示すＴｉを添加した混合粉末にて作製した砥石のダイヤモンド粒子周りの走査型電子顕微鏡による反射電子組成像である。反射電子組成像は組成差をコントラストにて表すものである。図５より、ダイヤモンド粒子とＣｕ母相の間にダイヤモンドおよびＣｕと異なる層が形成している。図６は、走査型電子顕微鏡に付随したエネルギー分散型分光装置にて観察した図５に示すダイヤモンド粒子周りのＣｕ、Ｃ、Ｔｉの組成分布である。ダイヤモンドとＣｕ母相の間に存在する層にはＴｉとＣが多く分布していた。また、この装置による定量分析から、この層はＴｉＣであった。つまり、混合粉末に少量のＴｉを添加することで、ダイヤモンド粒子表面にＴｉＣ層を形成し、それによってＣｕ母相とダイヤモンドの濡れ性が向上することで、母相とダイヤモンド粒子の間に空孔が生じないことが分かる。
【００２１】
図７は、混合粉末中のＴｉの添加量を変えて作製した砥石の反射電子組成像である。図７（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ混合粉末中のＣｕに対して０．７６質量％のＴｉを添加した混合粉末（質量比  Ｃｕ：Ｔｉ：ダイヤモンド＝１．３１ｇ：０．０１ｇ：０．１８ｇ）、２．２質量％のＴｉを添加した混合粉末（質量比  Ｃｕ：Ｔｉ：ダイヤモンド＝１．２９ｇ：０．０３ｇ：０．１８ｇ）および３．８質量％のＴｉを添加した混合粉末（質量比  Ｃｕ：Ｔｉ：ダイヤモンド＝１．２７ｇ：０．０５ｇ：０．１８ｇ）を用いて作製した砥石の反射電子組成像である。この写真から、Ｔｉを添加した混合粉末を用いた砥石のダイヤモンド粒子周りには、すべての砥石においてＴｉＣ層が形成されていた。
【００２２】
図８は、混合粉末中のＴｉ濃度の変化に伴うダイヤモンド粒子と母相との結合力の変化を示したグラフである。この結合力の測定は、図９に示すような針状のアタッチメントを平行移動してダイヤモンド粒子に押し当て、それによってダイヤモンド粒子が掘り起こされるために必要な荷重を測定する方法である。この測定におけるアッタチメントの移動速度は０．１ｍｍ／ｓとした。図８より、混合粉末中のＴｉ濃度が増加するにつれてダイヤモンドと母相の結合力は向上した。また、この結合力は、混合粉末中のＴｉ濃度が２．２質量％を超えると飽和した。この結果から、混合粉末中へのＴｉの添加は、砥石のＣｕ母相とダイヤモンド粒子との濡れ性を改善することで両者の結合力が向上するといえる。結合力の変化よりＴｉ濃度が１〜３質量％が好ましいことがわかる。特に、Ｔｉ濃度が約２質量％を超えるとＣｕ母相とダイヤモンド粒子の結合力が飽和することから、材料コスト面等も含めて、混合粉末あるいはＣｕ母相に添加するＴｉの最適濃度は約２質量％であることがいえる。
【００２３】
ダイヤモンド粒子とＣｕ母相の接合強度の改善に伴う砥石の摩耗特性を評価するために、Ｂｌｏｃｋ−ｏｎ−Ｄｉｓｃ式摩耗試験機にて摩擦摩耗試験を行った。摩耗試験に供した試料は、混合粉末中にＴｉを添加せずに作製した砥石および混合粉末中のＣｕに対して２質量％のＴｉを添加した混合粉末を用いて作製した砥石である。相手材は金型鋼（ＳＫＤ１１）とした。摩耗特性の評価は、摩耗に供した砥石の質量変化および相手材に形成した摩耗痕体積にて評価した。混合粉末にＴｉを添加せずに作製した砥石およびＴｉを２質量％添加して作製した砥石は、両者とも摩耗試験前後における質量損失が小さかった。これは、両者の砥石ともにダイヤモンド粒子が複合化されていることによって、それらの強度が強いためである。しかし、相手材の摩耗痕体積は、両者の砥石間で大きな差が生じた。混合粉末にＴｉを添加せずに作製した砥石に対する相手材の摩耗痕体積は４．１８ｍｍ３である。一方、混合粉末中のＣｕに対して２質量％のＴｉを添加して作製した砥石に対する相手材の摩耗痕体積は５．６６ｍｍ３である。よって、混合粉末中のＣｕに対し２質量％のＴｉを添加した混合粉末にて作製した砥石の方が摩耗特性および研削性に優れることが分かる。以上の結果より、混合粉末中にＴｉを添加し、ダイヤモンド粒子とＣｕ母相の濡れ性を改善することによって、耐摩耗性や研削性に優れたメタルボンドダイヤモンド砥石の作製することができた。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は耐摩耗性や研削性に優れたメタルボンド砥石等に利用することができる。
【図１】
2013166204.tif 000003
【図２】
2013166204.tif 000004
【図３】
2013166204.tif 000005
【図４】
2013166204.tif 000006
【図５】
2013166204.tif 000007
【図６】
2013166204.tif 000008
【図７】
2013166204.tif 000009
【図８】
2013166204.tif 000010
【図９】
2013166204.tif 000011