(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超砥粒とボンド材である金属粉末とを混合した混合体を焼結することにより砥粒層を形成するとともに、同砥粒層を鉄系の台金表面に直に接合する超砥粒ホイールであって、前記金属粉末として少なくともニッケル及び錫を使用し、かつ前記ニッケルに対する錫の量を１５〜３５重量％の範囲とし、前記ニッケルの含有量をボンド材全体の１５重量％以上として、焼結による台金へのニッケルの拡散領域を１０μｍ以上としたことを特徴とする超砥粒ホイール。
【請求項２】
超砥粒とボンド材である金属粉末とを混合した混合体を焼結することにより砥粒層を形成するとともに、同砥粒層を鉄系の台金表面に直に接合する超砥粒ホイールであって、前記金属粉末として少なくともニッケル及び錫を使用し、かつ前記ニッケルに対する錫の量を１５〜３５重量％の範囲とし、前記ニッケルの含有量をボンド材全体の１５重量％以上として、焼結による台金へのニッケルの拡散領域を１０μｍ以上とした超砥粒ホイールの製造方法であって、前記焼結温度が７００〜１０００℃の範囲であることを特徴とする超砥粒ホイールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石材、コンクリート、セラミックス、耐火れんが等、脆性材料の切断、切削加工に使用される超砥粒ホイール及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
台金の表面に砥粒層を同時成形により形成した超砥粒ホイールは、石材、コンクリート、セラミックス、耐火れんが等、脆性材料の切断或いは切削加工に使用されているが、このような同時成形の超砥粒ホイールにおいては、台金と砥粒層との接合力が安全上最も重要である。
【０００３】
従来この要求を充たすために、鉄製台金の表面に銅メッキを施し、また砥粒層のボンド材として、メッキ成分と同質の銅を使用している。これによって、砥粒層を台金表面に焼結成形する際に、メッキ成分の銅と砥粒層を構成する銅とが相互拡散し、砥粒層とメッキ層とを相互拡散によって強固に接合することが可能となる。また、台金と銅メッキ層とは、機械的結合によって強固に接合される。
【０００４】
このような技術として、例えば、特開昭６３−２２２７４号公報には、銅メッキした鉄製薄板を下地層として、ダイヤモンド層に銅、錫、亜鉛、ニッケルのような金属粉末を使用して一緒に焼結する方法が開示されている。
【０００５】
しかしながら、台金表面に銅メッキを施すことは製造工数の増加となるばかりでなく、メッキを施さない部分には絶縁体で台金表面を被覆しなければならないというメッキ加工の問題上、砥粒層形成部以外にも全面にメッキを施さざるを得ず、これがコストダウンの大きな阻害要因となっている。
【０００６】
またこの他に、実開昭５５−１４２２５８号公報には、台金と砥粒層との接合強度を向上させるために、台金の外周面の突起部に多数の凹陥部を設けてセグメントチップを焼結させ、機械的に接合強度を強くしたダイヤモンド砥石が記載されているが、このような凹陥部を設けるのは加工費が高く、現実的な製造方法としては採用しにくい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明において解決すべき課題は、製造コストを低減し、かつ、台金と砥粒層との接合力に優れた超砥粒ホイールを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題を解決するために、銅メッキを施すことなく、これと同等以上の接合力を得る方法について鋭意研究の結果、従来ボンド材としても使用されているニッケル及び錫を特定の割合で使用することによって、これが解決できることを知見し、本発明を完成するに至ったものである。
【０００９】
すなわち、本発明の超砥粒ホイールは、ダイヤモンドやＣＢＮなどの超砥粒とボンド材である金属粉末とを混合した混合体を焼結することにより砥粒層を形成するとともに、同砥粒層を鉄系の台金表面にメッキ層を介さずに直に接合する超砥粒ホイールであって、前記金属粉末として少なくともニッケル及び錫を使用し、かつ前記ニッケルに対する錫の量を１５〜３５重量％の範囲としたことを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、ニッケルはボンド材として使用した場合、耐熱性が高くボンド焼けしない、強度が高く延性に富むために砥粒層の強度を高める、という特徴を有する。反面、強度が高く磨耗しにくいので、砥粒の自生作用を起こしにくくする特性がある。
【００１１】
これに対し錫は、耐熱性が低くボンド焼けする、強度が低く延性が低いために砥粒層の強度が低い、という特性から、ボンド材の主材としては不適切であり、主に添加剤として用いられている。一方、強度が低く磨耗しやすいことから、砥粒の自生作用を促進するという特徴を有する。
【００１２】
本発明者は実験の結果、ニッケルの量に対し、錫を１５〜３５重量％とすることで、耐熱性が低く強度が低いという錫の欠点を発現させることなく、砥粒層の焼結温度である７００〜１０００℃の低い温度で流動化してニッケルの周囲を覆い、その結果、ニッケルを活性化させて、鉄製台金内に深く入り込み１０μｍ以上にわたってニッケルの拡散領域を持つことが可能となることを知見した。なお、ニッケルと錫以外の材料としては、銅、コバルト、鉄などが好適に使用可能である。
【００１３】
ここで、ニッケルの量に対する錫の量が１５重量％未満であると、錫の量が不足し、ニッケルの周囲を覆いきれずに、台金へのニッケルの拡散領域が狭くなる。またボンド強度が高過ぎて砥粒の自生作用を起こしにくくする。他方３５重量％を超えると、ニッケルの拡散領域は微増するが強度不足となるため、上記範囲が望ましい。
【００１４】
また、ニッケルの含有量はボンド材全体の１５重量％以上が望ましく、より好ましくは４０重量％以上である。ニッケルの含有量が１５重量％未満の場合、錫の量が前記の範囲であってもニッケルの量が不足し、ニッケルの拡散領域が狭くなって、砥粒層と台金との接合強度が低くなる。１５重量％以上であれば１０μｍ以上の拡散領域が得られ、４０重量％以上になると拡散領域と接合強度が高いレベルで安定する。
【００１５】
図１は錫の溶融によるニッケルの活性化を説明する模式図であり、（ａ）は常温で加圧したときの状態、（ｂ）は３００℃で加圧したときの状態、（ｃ）は７００℃で加圧したときの状態をそれぞれ示す。なお、本説明ではニッケル及び錫以外の材料として銅を含有したものについて述べるが、銅に代えてコバルトや鉄でも同様の傾向が見られた。
【００１６】
図１において、１は鉄製台金、２は砥粒層、３はニッケルの粉末、４は錫の粉末、５は銅の粉末であり、砥粒層２中のダイヤモンド砥粒は図示を省略している。同図（ａ）に示すように、常温で加圧した状態では、各金属粉末間には多数の空間が存在する。これを３００℃に加熱して加圧すると、同図（ｂ）に示すように、空間が少なくなるとともに錫の粉末４が溶融してニッケルの粉末３及び銅の粉末５の表面を被覆する。さらに７００℃以上で加熱すると、同図（ｃ）に示すように、溶融した錫４ａとニッケル及び銅とが合金化を始める。
【００１７】
この合金化によってニッケルが活性化され、ニッケルが鉄製台金１内に深く入り込み１０μｍ以上にわたって拡散領域を形成する。この場合、鉄製台金に従来のような銅メッキが施されていると、ニッケルが鉄製台金に拡散されにくく、拡散領域は４μｍ程度しか得られないが、本発明では銅メッキを施さない鉄製台金１を用いるので、１０μｍ以上の拡散領域が形成される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の超砥粒ホイールは、ボンド材の組成が異なる点を除いて、従来の超砥粒ホイールと同様な手順によって製造し、使用することができる。
以下本発明におけるボンド材の組成に関して、実験例に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
〔実験例１〕ニッケルと錫の組成比の検討
ボンド材全体の重量に対するニッケルの割合を５０重量％に固定し、ニッケルに対する錫の割合を０〜５０重量％の範囲で変化させたときの、台金へのニッケルの拡散領域及び接着強度を図２に示し、ニッケルに対する錫の割合を２０重量％に固定し、ボンド材全体の重量に対するニッケルの割合を０〜７０重量％の範囲で変化させたときの、台金へのニッケルの拡散領域及び接着強度を図３に示す。
【００２０】
図２に示すように、ニッケルに対する錫の割合が１５〜３５重量％のとき、台金へのニッケルの拡散領域は１０μｍ以上でかつ接着強度が１００Ｋｇｆ／ｃｍ以上となる結果が得られた。また、図３に示すように、ボンド材全体の重量に対するニッケルの割合が１５重量％以上のとき、台金へのニッケルの拡散領域は１０μｍ以上でかつ接着強度が１００Ｋｇｆ／ｃｍ以上となる結果が得られた。
【００２１】
〔実験例２〕拡散領域と接着強度・疲労強度の関係調査
ボンド材全体の重量に対するニッケルの割合及びニッケルに対する錫の割合を種々変えて台金へのニッケルの拡散領域が０〜２０μｍの範囲の超砥粒ホイールを製作し、接着強度と疲労強度を調査した結果を図４に示す。ここで疲労強度は、接着部に繰り返し応力を加え、接着部が疲労破壊するまでの繰り返し回数で表す。
【００２２】
図４に示すように、台金へのニッケルの拡散領域が１０μｍ以上あると、接着強度は１００Ｋｇｆ／ｃｍ以上となり、疲労強度（疲労破壊するまでの繰り返し回数）は１００００回以上となり、従来の台金表面に銅メッキを施した場合と同程度の接着強度と疲労強度が得られる。
【００２３】
〔実験例３〕焼結温度と拡散領域・砥粒の破砕性の関係調査
ボンド材全体の重量に対するニッケルの割合が１５重量％以上でかつニッケルに対する錫の割合が１５〜３５重量％の範囲のボンド材を用いて焼結したときの焼結温度と拡散領域及び砥粒の破砕性との関係を調査した結果を図５に示す。ここで砥粒の破砕性は、加熱後の試料砥粒と鋼球を鋼製のカプセルに入れて一定時間揺動し、この後カプセル中の砥粒を取り出し、試料砥粒より一段下の篩を用いて篩い分けを行ったときの、一段下の篩通過量（ｇ）／試料砥粒総重量（ｇ）×１００（％）で表す。
【００２４】
図５に示すように、焼結温度が７００℃以上であると、台金へのニッケルの拡散領域が１０μｍ以上となる。他方、焼結温度が１０００℃を超えると、砥粒結晶中の金属介在物が熱応力により砥粒粒子を破壊してクラックが発生し、砥粒の破砕性が急増する。この結果から、焼結温度は７００〜１０００℃の範囲が適当であることがわかる。
【００２５】
なお上記実施例では、ニッケルと錫とを別々準備してこれを混合したものについて説明したが、あらかじめ上記割合のニッケル粉と錫粉とを合金化したものも使用できる。この場合、合金化していない方が、若干ニッケルの拡散領域が広いことが確認された。
【００２６】
【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。
【００２７】
（１）金属粉末としてニッケル及び錫を使用し、かつニッケルに対する錫の量を１５〜３５重量％の範囲とすることで、従来のような台金に銅メッキを施すことなく、砥粒層の接合強度を高めることができる。
【００２８】
（２）特にニッケルの含有量をボンド材全体の１５重量％以上とすることで、台金へのニッケルの拡散領域が１０μｍ以上と広くなり、高い接合強度を得ることができる。
【００２９】
（３）ニッケル及び錫を特定の範囲で使用することにより、７００〜１０００度の比較的低温で焼結を行うことができる。
【００３０】
（４）比較的安価な金属材料であるニッケルや錫を使用すること、及び台金の銅メッキを省くことにより、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  錫の溶融によるニッケルの活性化を説明する模式図である。
【図２】  錫の含有量と台金へのニッケルの拡散領域及び接着強度の関係を示す図である。
【図３】  ニッケルの含有量と台金へのニッケルの拡散領域及び接着強度の関係を示す図である。
【図４】  拡散領域と接着強度・疲労強度の関係を示す図である。
【図５】  焼結温度と拡散領域・砥粒の破砕性の関係を示す図である。
【符号の説明】
１  鉄製台金
２  砥粒層
３  ニッケルの粉末
４  錫の粉末
４ａ  溶融した錫
５  銅の粉末
【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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