(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド、ＣＢＮなどの超砥粒とマトリックスボンドからなる硬質素材において、超砥粒が粗粒５５〜７５体積％、中粒１５〜２５体積％、細粒１０〜２０体積％からなり、かつ、この砥粒比率の範囲内において、前記細粒の配合比率を粗粒の１／３〜１／５とし、前記超砥粒の粗粒の粒径が２０〜３０μｍ、中粒の粒径が８〜１２μｍ、細粒の粒径が２〜３μｍであり、マトリックスボンドが活性金属含有ろう材または自溶性合金からなることを特徴とする硬質素材の砥粒緻密化構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はダイヤモンド砥粒、ＣＢＮ砥粒などの超砥粒を用いた硬質素材、とくに研磨、研削用の工具類の耐摩耗性が要求される部分の材料として用いられる硬質素材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワークセンタやセンタレスブレードなどの研磨、研削用の工具類の耐摩耗性が要求される部分の材料として、ダイヤモンド砥粒やＣＢＮ砥粒などの超砥粒とマトリックスボンドからなる硬質素材が用いられている。このような工具類に用いられる材料としては、工具類の寿命、強度、精度を確保するために、耐摩耗性、緻密性、表面の平滑性、耐熱性などの特性が要求され、とくにワークを削ってしまうことがないように表面の平滑性が重要視される。
【０００３】
このような硬質材料として、たとえば特開昭５４−３７５９９号公報には、ダイヤモンドの含有量が焼結体全体の重量で９０〜５０％の範囲にあり、残部が銅を主成分とする結合相中に重量％で５〜５０％のＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎの中の一つ以上の元素を含有したダイヤモンド焼結体が記載されている。このダイヤモンド焼結体によれば、加熱による劣化の少ない耐摩耗性に優れた焼結体の結合相が得られ、また極めて微細なダイヤモンド粒子の焼結体が得られるとされている。
【０００４】
また、特開平８−５２６０２号公報には、ダイヤモンド焼結体を用いたレースセンタが記載されている。このレースセンタに用いられているダイヤモンド焼結体は、ダイヤモンド粒子とＡｌ，Ｓｉ、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ、の単体金属、合金、金属間化合物から選ばれる金属材を含有するマトリックスからなるものである。このマトリックスとダイヤモンド粒子とからなるダイヤモンド焼結体は、超砥粒層と基材とが直接結合型の焼結体であることから、立体的構造を有する比較的大型のものを製造することができるとされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載のダイヤモンド焼結体は、超高圧、高温下で焼結することにより製作されるものであり、その製作に大がかりな設備を必要とし、製作コストも高いという難点がある。また、特開昭５４−３７５９９号公報に記載のダイヤモンド焼結体は、焼結体の形状は円筒状や平板上のものに限られ、たとえば円錐状などの立体的な形状の焼結体を得ることが難しい。さらに、寸法の面でも制約があり、砥粒層の厚さが５ｍｍを超える大きさのものは製作が困難である。
【０００６】
また上記した従来のダイヤモンド焼結体は、粒径がほぼ同じ大きさのダイヤモンド粒子をメタルボンドで結合したものであり、全体として密にダイヤモンド粒子を混合したとしても、材料表面においては粒子と粒子の間のボンド層が露出しており、ダイヤモンド粒子が粗粒の場合はボンド層の摩耗による比較的大きな窪みが生じ、砥粒が切刃となってワークを削ってしまい、以後の使用が困難になる。逆にダイヤモンド粒子が細粒の場合は、ダイヤモンド粒子が１層脱落した後に凹凸のあるボンド層が出現し、砥粒の突き出しが大きくなってワークを削るために、以後の使用が困難になる。
【０００７】
本発明が解決すべき課題は、工具類の耐摩耗性が要求される部分の材料として用いられる硬質素材において、表面に連続して緻密に超砥粒を配列させ、ボンド層の摩耗による凹凸発生の影響を抑制することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の硬質素材の砥粒緻密化構造は、ダイヤモンド、ＣＢＮなどの超砥粒とマトリックスボンドからなる硬質素材において、超砥粒が粗粒５５〜７５体積％、中粒１５〜２５体積％、細粒１０〜２０体積％からなり、マトリックスボンドが活性金属含有ろう材または自溶性合金からなることを特徴とする。
【０００９】
本発明においては、粗粒、中粒、細粒を特定の配合割合とした超砥粒を活性金属含有ろう材または自溶性合金と混合して加熱、加圧焼結することにより、表面に超砥粒が連続して緻密に配列された硬質素材が得られる。この硬質素材を工具類の耐摩耗性を要求される部分の材料として用いると、工具表面は平滑となるので、工具によりワークが削られることがなくなる。また、表面に超砥粒が緻密に配列されているので、表面に凹凸ができにくく、長時間良好な表面粗さを維持することができる。
【００１０】
本発明における超砥粒の粗粒、中粒、細粒の区分は、粒径で表すと、粗粒は２０〜３０μｍ、中粒は８〜１２μｍ、細粒は２〜３μｍの範囲である。この区分にしたがった粗粒、中粒、細粒の各超砥粒を前記の割合で配合する。この配合割合において、粗粒の体積％を基準としたとき、中粒の配合が多すぎると空隙が大きくなり過ぎ、また細粒の配合が多すぎるとマトリックボンドが流れにくくなり、緻密化されにくく、また砥粒が脱落しやすくなる。
【００１１】
とくに細粒の配合比率を粗粒の１／３〜１／５とすることにより、細粒が粗粒および中粒の空隙に密に充填された状態となり、表面の平滑性が一段と向上する。また、マトリックスボンドが砥粒間に充分に流れ込んで緻密化され、砥粒保持力が向上する。さらに、マトリックスボンドを活性金属含有ろう材または自溶性合金とすることにより、従来のレジンボンドの場合に比して耐摩耗性および耐熱性、強度に優れた硬質素材がが得られる。また、従来のＷＣ，Ｃｏを主成分とするメタルボンドの場合に比して焼結工程での高温、高圧力を必要としないので、製造コストは安価であり、大型、立体的形状の焼結体を得ることもできる。
【００１２】
また本発明においては、マトリックスボンドを活性金属含有ろう材または自溶性合金とすることによって、耐摩耗性、耐熱性、強度に優れた硬質素材を得ることができる。さらに活性金属としてＴｉやＣｒなどの炭化物生成元素を含むろう材を用いると、焼結工程において砥粒中のＣとろう材中の炭化物生成元素とが反応して砥粒表面に炭化物が生成されるため、砥粒保持力が高く、砥粒の脱落が起こりにくくなる。
【００１３】
本発明にかかる硬質素材は、概略つぎのような手順により製作することができる。
▲１▼マトリックボンドとして、Ｃｕ６０〜８０重量％、Ｓｎ１６〜２０重量％、Ｔｉ２〜１５重量％、Ｚｒ２〜５重量％の活性金属ろう材を準備する。
▲２▼粗粒（３０μｍ）６５体積％、中粒（１０μｍ）１５体積％、細粒（３μｍ）２０体積％からなる超砥粒を準備する。
▲３▼マトリックボンドに超砥粒を２５〜６０体積％混合する。
▲４▼上記混合物を非酸化性雰囲気中で９００℃、３０分間、加圧しながら焼結する。
【００１４】
このようにして製作された硬質素材の表面近傍の断面構造を図１に示す。図１は粗粒、中粒、細粒の超砥粒とボンドとの混合および配列状態を示す模式図である。同図に示すように、粗粒１と粗粒１の間に中粒２が配列され、粗粒１と中粒２の間に細粒３が配列され、各粒子間にボンド４が充填されたかたちとなっている。このような砥粒の配列となることにより、硬質素材の表面５には、粗粒１、中粒２、細粒３が連続して緻密に表れ、ボンドが摩耗したとしても表面に大きな凹凸が生じない構造となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下試験例に基づき本発明の実施形態を説明する。超砥粒としてダイヤモンド砥粒を用い、マトリックスボンドとしてＣｕ−２０ＳｎにＴｉとＺｒをそれぞれ２．５重量％添加した活性金属含有ろう材を用いた。ダイヤモンド砥粒とボンドの混合比率は５０体積％（集中度２００）とし、粗粒、中粒、細粒の配合割合を種々変えて硬質素材を製作し、これを材料としてワークセンタを作成した（発明品１〜６）。比較例として特開昭５４−３７５９９号公報記載のダイヤモンド焼結体と特開平８−５２６０２号公報記載のダイヤモンド焼結体を製作し、これを材料としてワークセンタを作成した（比較品１，２）。これらのワークセンタを旋盤に取り付けて耐用試験を行った。表１にワークセンタ材料の仕様を、図２に試験結果を示す。
【００１６】
【表１】
0003751160.tif 000002
【００１７】
〔試験条件〕
使用機械    ：両センター円筒研削盤
ワークセンタ：φ１６、先端角度６０度
被研削材    ：炭素鋼（Ｓ２５Ｃ）
【００１８】
〔試験結果〕
図２は比較品２のワークセンタの耐用度指数を１００としたときの他のワークセンタの耐用度指数を示す図である。ここで耐用度とは、素材表面の形状が崩れ、工具交換に至るまでの使用時間をもって表したものである。発明品１〜６のワークセンタは比較品２のワークセンタに比して耐用度が１５〜４０％向上しており、とくに細粒の配合比率を粗粒の１／３〜１／５とした発明品３，４，５は一段と耐用度が高いことがわかる。このように本発明によれば、素材表面に砥粒が密に充填され、かつ、ろう材が砥粒間に充分に流れることから、表面の平滑化、緻密化、ろう材と砥粒との化学結合による強固な保持力が得られ、優れた耐用度が得られることが確認された。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によって以下の効果を奏することができる。
【００２０】
（１）粗粒、中粒、細粒を特定の配合割合とした超砥粒を活性金属含有ろう材または自溶性合金と混合して加熱、加圧焼結することにより、表面に超砥粒が連続して緻密に配列された硬質素材が得られ、この硬質素材を工具類の耐摩耗性を要求される部分の材料として用いると、工具表面は平滑となるので、工具によりワークが削られることがなくなる。また、表面に超砥粒が緻密に配列されているので、表面に凹凸ができにくく、長時間良好な表面粗さを維持することができる。
【００２１】
（２）細粒の配合比率を粗粒の１／３〜１／５とすることにより、細粒が粗粒および中粒の空隙に密に充填された状態となり、表面の平滑性が一段と向上する。また、マトリックスボンドが砥粒間に充分に流れ込んで緻密化され砥粒保持力が向上する。
【００２２】
マトリックスボンドを活性金属含有ろう材または自溶性合金とすることにより、従来のレジンボンドの場合に比して耐摩耗性および耐熱性、強度に優れた硬質素材がが得られる。また、従来のＷＣ，Ｃｏを主成分とするメタルボンドの場合に比して焼結工程での高温、高圧力を必要としないので、製造コストは安価であり、大型、立体的形状の焼結体を得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかる硬質素材の表面近傍の断面構造を示す模式図である。
【図２】  耐用試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１  粗粒
２  中粒
３  細粒
４  マトリックスボンド
５  表面
【図１】
0003751160.tif 000003
【図２】
0003751160.tif 000004