(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末を結合材として超砥粒を焼結したメタルボンド砥石であって、該結合材の金属粉末の全成分の４０重量％以上がＡｌであり、該結合材の金属粉末が、２０〜３０重量％のＺｎを含有し、Ｓｉが、Ｚｎ／Ｓｉ重量比１.５〜３.６の比率で含有しているものであり、かつ、台金がＡｌ合金からなることを特徴とするメタルボンド砥石。
【請求項２】
超砥粒層と台金の間に中間層を有し、該中間層の材質がＺｎ及び／又はＣｕを含有するＡｌ合金である請求項１記載のメタルボンド砥石。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタルボンド砥石に関する。さらに詳しくは、本発明は、砥粒保持力及び台金との結合強度が大きく、応力変形が少なく、研削抵抗が小さく、高周速用研削砥石として優れた性能を発揮するメタルボンド砥石に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属粉末を結合材として超砥粒を焼結したメタルボンド砥石には、結合材としてＣｕ−Ｓｎ系メタルボンド、台金には鉄系金属が多く使用されてきた。しかし、Ｃｕ−Ｓｎ系メタルボンド砥石は、砥石全体の比重が高く、高周速用研削砥石としての性能を発揮することは困難である。また、Ｃｕ−Ｓｎ系メタルボンド砥石は、砥粒層と台金を銅メッキ層などを介して焼結接合しなければ接合強度が向上しない。さらに、銅メッキ層を介しても接合強度には限界があり、高速研削の厳しい環境下では台金と砥粒層間にクラックが生じてしまうこともある。昨今、高周速用研削砥石が期待される中で、このように比重が高く、砥粒層と台金の接合強度に不安のあるメタルボンド砥石を用いることは難しく、軽量でしかも砥粒層と台金の接合強度の高い砥石の開発が進められている。
例えば、特開平５−８１７７号公報には、台金にアルミ合金を用い、結合材に球状ニッケル粉を用いて、アルミ合金を溶融させ、回転による遠心力を利用して成形し、ニッケルとアルミの間に硬質のＡｌ−Ｎｉ金属間化合物を形成することにより、砥粒層と台金の結合を強化し、同時に砥石自体も軽量化する製造方法が開示されている。しかし、この製造方法によると、結合材の組成がＮｉのみであるため、Ｃｕ−Ｓｎ系メタルボンドのような弾性に欠け、衝撃に弱いという欠点がある。また、溶融状態の合金の遠心力による成形には、特殊で高価な設備を必要とする。
また、特開平７−１７１７６７号公報には、スチール系メタルボンド粉末とＡｌ合金粉末を焼結することにより、砥粒層と台金との熱膨張係数を同程度に保ち、砥粒層と台金の結合強度を向上させたメタルボンド超砥粒砥石が開示されている。しかし、このメタルボンド砥石は、メタルボンドとしてスチール系粉末などを使用しているため結合材と台金間に化学的反応が起こらず、粉末同士を一体焼結させても結合強度が低いという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、応力変形が小さく、砥粒保持力が高く、砥粒層と台金との結合強度が大きく、かつ軽量で、駆動に要する電力が少なく、研削抵抗が安定して小さく、被研削物の表面が平坦で、研削比が大きい、高周速研削に適した、寿命の長いメタルボンド砥石を提供することを目的としてなされたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、超砥粒を主成分がＡｌである結合材を用いて保持し、台金にＡｌ合金を用いることにより、研削抵抗が安定して低く、軽量のメタルボンド砥石が得られることを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、
（１）金属粉末を結合材として超砥粒を焼結したメタルボンド砥石であって、該結合材の金属粉末の全成分の４０重量％以上がＡｌであり、該結合材の金属粉末が、２０〜３０重量％のＺｎを含有し、Ｓｉが、Ｚｎ／Ｓｉ重量比１.５〜３.６の比率で含有しているものであり、かつ、台金がＡｌ合金からなることを特徴とするメタルボンド砥石、及び、
（２）超砥粒層と台金の間に中間層を有し、該中間層の材質がＺｎ及び／又はＣｕを含有するＡｌ合金である第(１)項記載のメタルボンド砥石、
を提供するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明のメタルボンド砥石は、超砥粒をＡｌを主成分とする金属粉末を結合材として焼結したメタルボンド砥石である。本発明においては、超砥粒としてＣＢＮ砥粒及びダイヤモンド砥粒のいずれをも使用することができる。
本発明のメタルボンド砥石は、超砥粒を焼結する結合材の４０重量％以上がＡｌである。結合材としては、金属単体の粉末の混合物を用いることができ、２種又は３種以上の金属の合金の粉末を１種のみ又は２種以上を混合して用いることができ、あるいは、金属単体の粉末と合金の粉末を混合して用いることができる。結合材が、金属単体であっても合金であっても、結合材中のＡｌの重量比は結合材の全成分に対する割合として求められる。結合材の主成分をＡｌとすることにより、超砥粒層が軽量化するとともに、結合材と超砥粒との濡れ性が向上し、良好な砥粒保持性が保たれる。本発明のメタルボンド砥石において、結合材の全成分の４０重量％以上がＡｌであると、従来から使用されているブロンズ系の結合材を用いたメタルボンド砥石と比べて超砥粒層の重量が軽く、研削装置への負荷が軽減され、且つ回転時の遠心応力を低減することができ、この特徴が特に高周速研削時に発揮される。本発明のメタルボンド砥石において、結合材の全成分に対するＡｌの比率が４０重量％未満であると、超砥粒と結合材との濡れ性が低下して砥粒保持力が不足し、また、結合材としての靭性が低下して回転時の変形により破壊するおそれがある。
【０００６】
本発明のメタルボンド砥石の台金は、Ａｌ合金からなる。使用するＡｌ合金には特に制限はなく、例えば、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｉ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｎ系合金などを挙げることができる。これらの中で、Ａｌ−Ｓｉ系合金は鋳造性が良好で、熱膨張係数が小さく、耐熱性に優れるので、特に好適に使用することができる。
本発明のメタルボンド砥石においては、結合材が、Ａｌ成分以外に、Ｚｎ及びＳｉを含有することが好ましい。結合材に、Ｚｎ及びＳｉを含有せしめる方法には特に制限はなく、例えば、結合材として、Ａｌ単体粉末、Ｚｎ単体粉末及びＳｉ単体粉末の混合物、Ａｌ−Ｓｉ系合金粉末及びＺｎ単体粉末の混合物、あるいはＡｌ−Ｚｎ−Ｓｉ系合金粉末など、任意の金属単体及び合金の組み合わせを使用することができる。本発明においては、結合材の金属成分として、さらに必要に応じて、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｎなどを含有せしめることができる。これらの金属成分は、単体粉末として、あるいは、これらの金属成分を含む合金粉末として添加することができる。これらの金属単体の粉末又は合金粉末は、結合材の全成分の組成比が所望の値になるよう混合して使用することができる。
【０００７】
結合材にＳｉを含有せしめることにより、結合材と台金のＡｌ合金との結合強度を低い焼成温度で向上することが可能となり、また、結合材と超砥粒との濡れ性が更に向上し、又、従来のメタルボンド砥石のように台金に銅メッキなどの前処理を施すことが不要となる。また、特開平７−１７１７６７号公報に開示されているように、台金にもＡｌ合金粉末を用いて、結合材と台金の強力な結合を得ることが可能となる。
結合材にＺｎを含有せしめることにより、焼結温度付近でα−固溶体が形成されて結合材の脆性が向上するとともに、結合材の抗折力、弾性率及び硬度が大きくなり、応力変形が減少し、研削性能が向上して、表面平滑性に優れた研削面を得ることが可能となり、かつメタルボンド砥石の耐久性が向上する。
本発明のメタルボンド砥石においては、結合材に含有せしめるＺｎ及びＳｉの量を調整することにより、結合材の強度を調整することが可能である。全結合材中のＺｎの重量比の方がＳｉの重量比より大きくなるように、好ましくはＺｎの重量比がＳｉの重量比の１.５〜３.６倍となるように調整することにより、良好な結果を得ることができる。Ｚｎの重量比がＳｉの重量比の１.５倍未満であると、結合材の密度は低いが、結合材の機械的強度が低下して、高速研削の環境に耐えがたくなるおそれがある。Ｚｎの重量比がＳｉの重量比の３.６倍を超えると、台金のＡｌ合金との結合強度が低下するおそれがある。また、Ｚｎの重量比がＳｉの重量比の３.６倍を超えると、溶融温度が低くなり、台金のＡｌ合金と一体焼結する都合上、液相が生じて成形が困難となるおそれがある。
本発明のメタルボンド砥石は、結合材が超砥粒を強固に保持しながらも、適度な脆性を有するため、結合材が除去されやすく、目つぶれと自生作用を速やかに繰り返す。このため、研削抵抗が高くなることがなく、安定して良好な研削性能を示し、従来のブロンズ系の結合材を用いたメタルボンド砥石のように、目つぶれと自生作用の間隔が長く、研削抵抗が高く不安定となるという現象を生じない。
本発明のメタルボンド砥石は、超砥粒層と台金の間に中間層を設けることができる。中間層を、台金及び超砥粒層の両者に対して親和性の大きい材料で構成することにより、台金と超砥粒層の接合強度を高め、高周速研削を可能とすることができる。中間層の材質には特に制限はないが、例えば、Ｚｎ及び／又はＣｕを含有するＡｌ合金は、台金のＡｌ合金に対しても、Ｚｎ及びＳｉを含有するＡｌ合金からなる超砥粒の結合材に対しても親和性が大きいので、好適に使用することができる。又、使用するＡｌ合金台金に応じて、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｎなどを含有せしめることができる。これらの金属成分は、単体もしくはこれらを含む合金粉末として添加することができる。
【０００８】
本発明のメタルボンド砥石を製造するためには、超砥粒と全成分の４０重量％以上がＡｌである金属粉末からなる結合材を、好ましくは不活性ガス雰囲気中で、ボールミルなどを用いて均一に混合する。超砥粒と結合材の混合比は、集中度が１〜４.４ct／cm3となるよう混合することが好ましい。超砥粒と結合材の混合物を、Ａｌ合金からなる台金とともに型に入れ、金属粉末の融点以下の温度で加熱加圧して焼結し、機械的強度を必要な程度まで向上させて超砥粒層を形成する。型としては、金型、カーボン型などを使用することができ、加熱には、マッフル炉、誘導加熱炉、抵抗加熱炉などを使用することができる。
図１は、本発明のメタルボンド砥石の超砥粒層の模式図である。金属単体の粉末又は合金粉末を超砥粒とともに焼結することにより、α−固溶体及びシリコン結晶が生成し、超砥粒１が、α−固溶体２及びシリコン結晶３により固着される。
中間層を有する本発明のメタルボンド砥石を製造するためには、例えば、Ａｌ合金粉末に、Ｚｎ粉末、Ｃｕ粉末などを配合し、好ましくは不活性ガス雰囲気中で、ボールミルなどを用いて均一に混合して中間層用金属粉末配合物を調製し、Ａｌ合金からなる台金の作用面に、中間層用金属粉末配合物を圧縮成形する。次いで、中間層用金属粉末配合物成形体の外周に、超砥粒と結合材の混合物を圧縮成形する。最後に、各金属粉末の融点以下の温度で加熱加圧して焼結し、機械的強度を必要な程度まで向上させ、中間層及び超砥粒層を形成してメタルボンド砥石を得る。
本発明のメタルボンド砥石は、応力変形が小さく、砥粒保持力が高く、砥粒層と台金との結合強度が大きいので、周速１００ｍ／秒以上の高周速研削に好適に使用することができ、軽量であるために駆動に要する電力が少なく、研削時の研削抵抗が小さく、かつ安定している。
【０００９】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。
参考例１
有限要素法（ＦＥＭ）により、メタルボンド砥石の回転時に発生する応力を計算した。図２は、計算の対象としたメタルボンド砥石の部分模式図である。このメタルボンド砥石は、直径２０５mm、密度２.７ｇ／cm3のＡｌ合金台金の外周部に、厚さ３mm、密度２.８ｇ／cm3の中間層と、厚さ３mm、密度２.７８ｇ／cm3の超砥粒層を有するものである。
このメタルボンド砥石を周速２００ｍ／秒で回転するとき、台金に発生する応力の最大値は６１MPaであり、最大応力の発生位置は台金の中心部Ａであった。また、台金と中間層の接合部Ｂに発生する応力は１９MPaであり、中間層と超砥粒層の接合部Ｃに発生する応力は１６MPaであった。
参考例２
Ｓｉを１２重量％含有するＡｌ合金粉末に、Ｚｎ含有量がそれぞれ１０、１５、２０、２５及び３０重量％となるようＺｎ粉末を配合した。これらの金属粉末配合物を、窒素ガスを充填したボールミルを用いて均一に混合したのち、９８MPaの圧力で、ＪＩＳ Ｚ ２２０３に規定するＡ号試験片を成形した。得られた試験片を、１９.６MPaの加圧下、５６０℃で３５分間焼成し、その後直ちに１９.６MPaの加圧下で４０分間冷却した。
得られた試験片について、万能試験機［(株)島津製作所、ＡＧ−２０ｋＮＣ］を用いて抗折力と弾性率を測定した。また、ＪＩＳ Ｚ ２２４５に準じてロックウェル硬度を、ＪＩＳ Ｚ ２５０５に準じて密度を測定した。結果を第１表に示す。
【００１０】
【表１】
0004187287.tif 000002
【００１１】
第１表の結果から、試験した金属粉末配合物のうち、Ｚｎ含有量が２０〜３０重量％である配合物が、結合材として最も適切な物理的特性を有することが分かる。また、これらの組成の金属粉末配合物は成形性も良好であったので、実施例において、ＣＢＮ砥粒の結合材として使用した。
参考例３
Ｓｉを１２重量％含有するＡｌ合金粉末に、Ｚｎ粉末又はＣｕ粉末を配合して、Ｚｎ５重量％を含有する配合物、Ｚｎ８重量％を含有する配合物、Ｚｎ１０重量％を含有する配合物及びＣｕ１０重量％を含有する配合物の４種の金属粉末配合物を調製した。
これらの金属粉末配合物について、参考例２と同様にして試験片を成形し、抗折力、弾性率、ロックウェル硬度及び密度を測定した。結果を第２表に示す。
【００１２】
【表２】
0004187287.tif 000003
【００１３】
第２表の結果から、Ｚｎの含有率が８〜１０重量％の配合組成に於いて強度及び弾性率が高い値を示すことが解る。
また、上記の４種の金属粉末配合物について、台金材料としてのＪＩＳ Ｈ ５２０２に規定されている鋳物４種Ｂアルミニウム合金との接合試験片、及び、参考例２においてＣＢＮ砥粒の結合材として選定した、Ｓｉを１２重量％含有するＡｌ合金粉末に、Ｚｎ含有量が２０重量％となるようＺｎ粉末を配合した配合物との接合試験片を成形し、接合面における抗折力として接合強度を求めた。結果を第３表に示す。
【００１４】
【表３】
0004187287.tif 000004
【００１５】
第２表及び第３表の結果から、試験した金属粉末配合物のうち、Ｚｎ含有量が８重量％である配合物が、強度が大きく、参考例１で求めた接合面において発生する応力にも十分対応し得る接合強度を有することが分かったので、実施例において、中間層の材料として使用した。
実施例１
Ｓｉを１２重量％含有するＡｌ合金粉末に、Ｚｎ含有量が２０重量％となるようＺｎ粉末を配合し、さらに粒度＃１４０／１７０のＣＢＮ砥粒を集中度２.２ct/cm3になるように配合した。この粉末配合物を、窒素ガスを充填したボールミルを用いて均一に混合した。
アルミニウム合金（ＡＣ４Ｂ）からなる台金を用い、粉末配合物を９８MPaの圧力で成形し、次いで、１９.６MPaの加圧下、５６０℃で３５分間焼成し、その後直ちに１９.６MPaの加圧下で４０分間冷却して、ＣＢＮ砥粒層を形成した。さらに、研削加工により、２００Ｄ−６Ｗ−３Ｘ−５０.８Ｈのメタルボンド砥石を完成した。
このメタルボンド砥石を用いて、被削材ＳＫＳ３（ＨRＣ６０）を、ホイール周速１２０ｍ／秒、テーブル速度１５ｍ／分、切込み量２５μｍ、研削幅３mm、研削様式プランジ（アップカット）研削、研削液ケミカルソリュウジョンタイプの条件で研削加工を行った。
比較例１
ブロンズ系合金粉末に、粒度＃１４０／１７０のＣＢＮ砥粒を集中度２.２ct/cm3になるように配合した。この粉末配合物を、窒素ガスを充填したボールミルを用いて均一に混合した。
Ｓ５５Ｃの台金の砥粒層接着部分に１０μｍの銅メッキを施したのち、２０MPaの加圧下、６００℃で４０分間焼成してＣＢＮ砥粒層を形成し、さらに研削加工により、２００Ｄ−６Ｗ−３Ｘ−５０.８Ｈのメタルボンド砥石を完成した。このメタルボンド砥石を用いて、実施例１と同様にして、被削材ＳＫＳ３の研削加工を行った。
実施例１及び比較例１について、研削量と研削抵抗の関係を第４表及び図３に、また、研削量２７cm3のときのホイール摩耗及び表面粗さを第５表に示す。
【００１６】
【表４】
0004187287.tif 000005
【００１７】
【表５】
0004187287.tif 000006
【００１８】
第４表及び図３の結果から、本発明のメタルボンド砥石は、研削抵抗が長期間にわたって安定していることが分かる。これに対して、比較例１の従来のメタルボンド砥石は、研削開始直後は研削抵抗は小さいが、研削量が増すにつれて研削抵抗が次第に増大し、不安定である。
実施例２
Ｓｉを１２重量％含有するＡｌ合金粉末に、Ｚｎ含有量１０重量％となるようＺｎ粉末を配合し、窒素ガスを充填したボールミルを用いて均一に混合して、中間層用金属粉末配合物を調製した。
また、Ｓｉを１２重量％含有するＡｌ合金粉末に、Ｚｎ含有量が２０重量％となるようＺｎ粉末を配合し、さらに粒度＃１４０／１７０のＣＢＮ砥粒を集中度２.２ct/cm3になるように配合し、窒素ガスを充填したボールミルを用いて均一に混合してＣＢＮ砥粒層用粉末配合物を調製した。
アルミニウム合金（ＡＣ４Ｂ）からなる台金を用い、中間層用金属粉末配合物を９８MPaの圧力で成形し、次いでその外側にＣＢＮ砥粒層用粉末配合物を９８MPaの圧力で成形したのち、１９.６MPaの加圧下、５６０℃で３５分間焼成し、その後直ちに１９.６MPaの加圧下で４０分間冷却して、厚さがそれぞれ３mmである中間層とＣＢＮ砥粒層を形成した。さらに、研削加工により、２００Ｄ−６Ｗ−３Ｘ−５０.８Ｈのメタルボンド砥石を完成した。
このメタルボンド砥石を用いて、被削材ＳＫＳ３（ＨRＣ６０）を、ホイール周速８０ｍ／秒、１２０ｍ／秒、１６０ｍ／秒又は２００ｍ／秒、テーブル速度１５ｍ／分、切込み量４５μｍ、研削幅３mm、研削様式プランジ（アップカット）研削、研削液ケミカルソリュウジョンタイプの条件で研削加工を行った。
各ホイール周速における研削量と研削抵抗の関係を第６表及び図４に、研削量６.０cm3のときのホイール摩耗深さを第７表に示す。
【００１９】
【表６】
0004187287.tif 000007
【００２０】
【表７】
0004187287.tif 000008
【００２１】
第６表及び図４の結果から、本発明のメタルボンド砥石は、研削抵抗はホイール周速が大きくなると減少するが、一定の研削条件下では研削抵抗は長期間にわたって安定していることが分かる。また、第７表の結果から、ホイール周速が速くなると、ホイールの摩耗深さは減少することが分かる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明のメタルボンド砥石は、応力変形が小さく、砥粒保持力が高く、砥粒層と台金との結合強度が大きく、かつ軽量で、駆動に要する電力が少なく、研削時の研削抵抗が小さく、かつ安定している。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のメタルボンド砥石の超砥粒層の模式図である。
【図２】図２は、計算の対象としたメタルボンド砥石の部分模式図である。
【図３】図３は、研削量と研削抵抗の関係を示すグラフである。
【図４】図４は、研削量と研削抵抗の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  超砥粒
２  α−固溶体
３  シリコン結晶
【図１】
0004187287.tif 000009
【図２】
0004187287.tif 000010
【図３】
0004187287.tif 000011
【図４】
0004187287.tif 000012