メタルボンドホイール
【課題】整形性を良好に維持しつつ、研削時における砥粒保持力を確保することが可能なメタルボンドホイールを提供する。
【解決手段】メタルボンドホイールの砥粒層３おいて、砥粒６及び固体潤滑剤粒子７とは、第１金属合金９と第２金属粒子１０とから構成されるメタルボンド８ｂによって結合されている。第１金属合金９はＣｕ−Ｓｎ系合金であって、第２金属粒子１０は第１金属合金９を介してそれぞれの粒子の接点近傍で接合している。また、固体潤滑剤粒子７は、メタルボンド８ｂ内に適度に分散し、その周囲を第２金属粒子１０が取り囲むように配置されている。第２金属粒子１０として、Ｃｏなどの耐熱性が高い金属あるいはその合金、固体潤滑剤７として、ＭｏＳ2、ＷＳ2等を用いることができる。
【解決手段】メタルボンドホイールの砥粒層３おいて、砥粒６及び固体潤滑剤粒子７とは、第１金属合金９と第２金属粒子１０とから構成されるメタルボンド８ｂによって結合されている。第１金属合金９はＣｕ−Ｓｎ系合金であって、第２金属粒子１０は第１金属合金９を介してそれぞれの粒子の接点近傍で接合している。また、固体潤滑剤粒子７は、メタルボンド８ｂ内に適度に分散し、その周囲を第２金属粒子１０が取り囲むように配置されている。第２金属粒子１０として、Ｃｏなどの耐熱性が高い金属あるいはその合金、固体潤滑剤７として、ＭｏＳ2、ＷＳ2等を用いることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、整形を簡単に行うことが可能なメタルボンドホイールに関する。
【背景技術】
【０００２】
超硬金属、セラミック、焼き入れ鋼、ガラス等の加工を、ネジ研削、総型研削、溝研削、平面研削、円筒研削等で行うために、ダイヤモンド等の砥粒を結合剤で結合した砥粒層を有する研削ホイールが用いられている。このような用途の研削ホイールに使用する結合剤として、レジンボンドやビトリファイドボンドを使用した場合、これらのボンド材の形状維持性が低いため、硬質材料の研削を行った場合には砥粒が砥粒層から脱落しやすいという欠点がある。これに対し、メタルボンドを使用すると、レジンボンドやビトリファイドボンドと比較して、形状維持性が良いため砥粒保持力が強く、寿命が長いという利点がある。
【０００３】
一般に整形とは、所定の形状を形作ることである。使用中に研削ホイールの形状が崩れた場合にはＧＣ（グリーンカーボン）砥石などの整形砥石や鉄系材料を研削し、形状修正である整形を定期的に行う必要がある。この工程が潤滑に行われないと、研削ホイールの形状をもとに戻すことができず正常な研削ができない。このように整形の行いやすさ（以下、「整形性」と称す。）は、研削ホイールの性能に大きく影響する。
【０００４】
レジンボンドやビトリファイドボンド使用した研削ホイールでは、ＧＣ砥石等を用いて簡単に整形を行うことができるのに対し、メタルボンドを使用した研削ホイール（以下、「メタルボンドホイール」と称す。）を整形するためには放電加工や、ＧＣ砥粒を多量に使用するため、コストと時間がかかり、整形を簡単に行うことができないという欠点がある。メタルボンドホイールの整形性の向上を目的とした技術が特許文献１〜３に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２７６２６６１号公報
【特許文献２】特許第２６４１４３８号公報
【特許文献３】特許第２６５１８３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載のメタルボンドホイールは、砥粒層中に多孔質ケイ酸カルシウム粒子を分散させた多孔質メタルボンドホイールであるが、多孔質体を含有しているため強度が低下し、欠けが発生しやすくなる。特許文献２に記載のメタルボンドホイールは、砥粒と、耐熱性があり且つ研削液に溶解する溶解性物質と、金属粉末とからなる混合充填物から、溶解性物質を溶解させることで砥粒層表面に多孔質部を形成したメタルボンドホイールであるが、多孔質体であるため欠けやすいことに加え、溶解性物質が溶解したときに砥粒の脱落が起こりやすい。特許文献３に記載のメタルボンドホイールは、ダイヤモンド砥粒を含有する多孔質のビトリファイド顆粒をメタルボンドやレジンボンドに内在させた超砥粒ホイールであるが、砥粒がビトリファイド顆粒の中にのみ存在し、これを覆うメタルボンドやレジンボンドには砥粒が存在しないため、砥粒の分散性が悪く、被削材の仕上げ面の加工精度にばらつきが生じる。また、ビトリファイド顆粒自体が欠けたり、ビトリファイド顆粒がボンドから脱落したりして欠けが発生しやすい。
【０００７】
すなわち、良好な整形性と研削時における研削性能の両方を満足させるためには、使用されるメタルボンドは十分な砥粒保持力を有し、且つ、整形の際には摩耗が起こりやすい、という相反する条件を両立させることが必要となり、従来使用されてきたメタルボンドでは、この要求を満たすことができなかった。
【０００８】
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、整形性を良好に維持しつつ、研削時における適度な砥粒保持力を有するメタルボンドを使用したメタルボ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】
【０００９】
本発明のメタルボンドホイールは、砥粒と、粒子状の固体潤滑剤とをメタルボンドによって結合して形成された砥粒層を有するメタルボンドホイールにおいて、前記メタルボンドは、ＣｕとＳｎを含む合金からなる第１金属と、前記第１金属より高融点である金属あるいは合金からなる粒子状の第２金属から構成され、前記固体潤滑剤粒子は、前記メタルボンド内に分散し、その平均粒径が前記粒子状の第２金属よりも大きいことを特徴とする。
【００１０】
このような構成とすれば、砥粒と、粒子状の固体潤滑剤とを結合するメタルボンドにおいて、ＣｕとＳｎを含む合金からなる第１金属（以下、「第１金属合金」と称す）を介して、粒子状の第２金属（以下、「第２金属粒子」と称す）のそれぞれの粒子が接合することで砥粒を保持することができる。一方で、このようなメタルボンドでは、第２金属粒子同士の接合部分はそれぞれの粒子の接点近傍のみであるため、整形を行うと、第２金属粒子はその接合部分から容易に脱落する。また、第２金属粒子の周囲には第１金属合金が存在するため、第２金属粒子同士が凝集することを抑制することができる。
【００１１】
さらに粒子状の固体潤滑剤（以下、「固体潤滑剤粒子」と称す）はこのメタルボンド内に分散し、その平均粒径が第２金属粒子よりも大きいため、固体潤滑剤粒子の周囲を第２金属粒子が取り囲むように配置され、固体潤滑剤粒子の表面近傍に空隙が形成される。そのため、整形を行うと固体潤滑剤が適度に脱落することができ、さらに、固体潤滑剤の脱落痕がチップポケットとして機能することで、第２金属粒子の脱落効果が高まり、整形性が向上する。
【００１２】
ここで、固体潤滑剤粒子の平均粒径が、第２金属粒子の平均粒径の２倍以上１５倍以下であることが望ましく、この数値範囲であると整形の際に固体潤滑剤粒子を好適に脱落させることができる。前記固体潤滑剤の平均粒径が、第２金属粒子の平均粒径の２倍未満であると、固体潤滑剤は脱落しにくいため、整形性が著しく低下する。一方、前記固体潤滑剤の平均粒径が、第２金属粒子の平均粒径の１５倍を超えると、固体潤滑剤は脱落しやすいが、研削時におけるメタルボンドの摩耗速度が大きすぎ、砥粒層の形状保持性が著しく低下する。
【００１３】
また、本発明において、前記粒子状の固体潤滑剤の含有量が、前記粒子状の第２金属の含有量の１５体積％以上３０体積％以下であることが望ましい。粒子状の固体潤滑剤の含有量が、第２金属の含有量の１５体積％未満であると、整形時に固体潤滑剤が脱落しても、その脱落痕の間隔が広すぎるため、第２金属粒子の脱落が促進されにくく整形性が悪くなる。また、固体潤滑剤の含有量が、第２金属の含有量の３０体積％を超えると、研削時における砥粒層の形状保持性が著しく低下するため好ましくない。
【００１４】
本発明においては、固体潤滑剤は、ＭｏＳ2、ＷＳ2のいずれかであることが望ましい。固体潤滑剤として一般的によく用いられているグラファイトは、研削圧力が高い部分で潤滑性が劣るのに対し、ＭｏＳ2、ＷＳ2は潤滑性が高いため、特に研削圧力が高い場合において、砥材層の欠けが発生しづらい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のメタルボンドホイールは、整形性を良好に維持しつつ、研削時における砥粒保持力を確保することができるため、従来のメタルボンドホイールのように放電加工等の時間を要する整形を必要とせず、ＧＣ砥石などの整形砥石を用いて研削盤上で容易に整形を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】メタルボンドホイールに対する整形の説明図である。
【図２】従来のメタルボンドホイールの砥粒層の拡大図である。
【図３】本発明の実施形態に係るメタルボンドホイールの砥粒層の拡大図である。
【図４】本発明の実施形態に係るメタルボンドホイールにおける整形の状況を示す模式図である。
【図５】本発明の実施例におけるメタルボンドホイールの砥材層表面の電子顕微鏡像である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１はメタルボンドホイールに対する整形の説明図である。図１に示すメタルボンドホイール１においては、円盤状の台金２の外周側に、ダイヤモンド等の砥粒をメタルボンドで結合して形成された砥粒層３が設けられており、台金２の中心には取り付け穴４が設けられている。このメタルボンドホイール１に対して、例えばＧＣ砥石からなる整形砥石５を接触させ、メタルボンドホイール１を回転させることによって整形が行われる。
【００１８】
図２に従来のメタルボンドホイールの砥粒層の拡大図、図３に本発明の実施形態に係るメタルボンドホイールの砥粒層の拡大図を示す。
従来のメタルボンドホイール砥粒層３において、砥粒６と固体潤滑剤粒子７は合金状のメタルボンド８ａによって結合されている。メタルボンド８ａとしては例えば、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｃｏ系合金、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｎｉ系合金などがある。この中でも砥粒保持力が高い、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｃｏ系合金やＣｕ−Ｓｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金が使用されることが多いが、これらの合金は硬度が高く摩耗性が低いため整形性が低い。
【００１９】
一方、図３に示すように本発明の実施形態に係るメタルボンドホイールの砥粒層３において、砥粒６及び固体潤滑剤粒子７は、第１金属合金９及び第２金属粒子１０から構成されるメタルボンド８ｂによって結合されている。このうち、第１金属合金９は第２金属より低融点で軟質であるＣｕとＳｎを含む合金（Ｃｕ−Ｓｎ系合金）であり、さらにＰ，Ａｇ，Ｆｅなどの成分を添加することもできる。
【００２０】
第２金属粒子１０は、耐熱性が高い金属種であるＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉのいずれか、あるいはこれらを主成分とする合金からなる粒子である。なお、粒子の凝集や熱融合を抑制するためには、第２金属粒子１０としてはＣｏ、あるいはＣｏを主成分とする合金が好適に使用される。メタルボンド８ｂにおいて、第２金属粒子１０は、第１金属合金９を介してそれぞれの粒子の接点近傍で接合している。そのため、外部から強い力を加えると粒子間の接合部分が破壊され、第２金属粒子１０が脱落する。
【００２１】
なお、第２金属粒子１０の好適な平均粒径は０．５〜３．０μｍである。第２金属粒子１０の平均粒径が０．５μｍ未満であると、メタルボンド８ｂが緻密になり砥粒保持力が大きくなりすぎて整形性が低下し、平均粒径が３．０μｍを超えると、それぞれの第２金属粒子１０の接合力が小さくなりすぎて、砥粒層３の形状保持性が低下し、砥粒層３が崩壊しやすくなるため好ましくない。
【００２２】
砥粒層３において、固体潤滑剤粒子７は、第２金属粒子１０より大径の粒子であり、メタルボンド８ｂ内に適度に分散している。そのため、固体潤滑剤粒子７の周囲には、第１金属合金９を介して接合した第２金属粒子１０が取り囲むように配置している。このように固体潤滑剤粒子７の周囲に第２金属粒子１０が配置されると、固体潤滑剤粒子７の表面近傍に適度に空隙が形成される。この空隙はそれ自身がチップポケットとしての機能を有すると共に、固体潤滑剤粒子７が砥粒層３から脱落することを容易にする作用がある。
【００２３】
ここで、固体潤滑剤粒子７の平均粒径は、第２金属粒子１０の平均粒径の２倍以上１５倍以下、特に２倍以上６倍以下が好適である。固体潤滑剤粒子７の平均粒径がこの範囲であれば、適度な脱落性と砥粒層の形成保持性を両立することができる。固体潤滑剤粒子７の平均粒径が第２金属粒子１０の平均粒径の２倍未満であると、固体潤滑剤粒子７の保持力が大きすぎて固体潤滑剤粒子７の脱落が起こりづらく、１５倍以上であると逆に固体潤滑剤粒子７の保持力が小さすぎて砥粒層３が簡単に崩壊してしまうため好ましくない。なお、前記固体潤滑剤の含有量が、第２金属の含有量の１５体積％以上３０体積％以下とすると前記固体潤滑剤粒子７の脱落が起こりやすく、整形性が特に向上する。
【００２４】
なお、固体潤滑剤としては従来のグラファイトなどの炭素系材料も使用できるが、特に研削圧力が高い加工に使用されるメタルボンドホイールの場合、研削圧力が高い状態においても潤滑性がよいＭｏＳ2、ＷＳ2が好適に使用される。
【００２５】
本発明の実施形態に係るメタルボンドホイールの砥粒層構造を実現する方法として、以下の製造方法が挙げられる。メタルボンドを構成する第１金属の原材料となるＣｕ及びＳｎを含む粉末を３０〜４５重量％、第２金属粒子の原材料となるＣｏ等の金属粉末を含む粉末を５０〜７０重量％、ＭｏＳ2などの固体潤滑剤の粉末を５〜２０重量％として混合し、この混合物に適量の砥粒を加えて撹拌し、必要量を型に投入してプレス機にて圧力と温度を加える。なお、好適なプレス圧は３０〜５００ｋｇ／ｃｍ2の範囲である。次に、焼結機に圧粉体を入れ、第１金属の原材料が合金化する温度まで温度上昇させ、この温度を一定時間維持した後冷却する。なお、温度が上がり過ぎると、金属粉末の表面だけでなくその内部まで反応してしまい、第２金属粒子が接点近傍だけでなく面で接合するようになるため好ましくない。なお、第１金属が合金化し、且つ、第２金属粒子が接点近傍で接合するために好適な焼成温度は５００〜７００℃であり、特に５５０℃〜６５０℃が望ましい。
【００２６】
本発明の実施形態に係るメタルボンドホイールに対する整形の状況を、図４に基づいて説明する。
整形前において、メタルボンドホイール１の砥粒層３の切刃となる砥粒６は、第１金属合金９と第２金属粒子１０と固体潤滑剤粒子７からなるメタルボンド８ｂによって固定されており、表面近傍の砥粒６はほとんど露出していない（図４（ａ））。メタルボンドホイール１を回転させ、整形砥石５の砥粒１１を砥粒層３に接触させると、砥粒層３の表面の第２金属粒子１０が脱落する（図４（ｂ））。これは上述したように第２金属粒子１０は軟質金属である第１金属合金９によって被覆され、接点近傍のみで接合しており、それぞれの粒子の接合力はそれほど強くないためである。
【００２７】
表面近傍の第２金属粒子１０の脱落が進行すると、第２金属粒子１０に取り囲まれることでメタルボンド８ｂ中に保持されていた固体潤滑剤粒子７が周辺の第２金属粒子１０と共に脱落し、比較的大きな脱落痕が形成される（図４（ｃ））。このような脱落痕が多数形成されると、メタルボンド８ｂの砥粒保持力が低下し、表面近傍の砥粒６が脱落し（図４（ｄ））する。また、このような脱落痕は第２金属粒子１０などの排出のためのチップポケットとしても機能し、結果として砥粒層３の整形性が向上する。このような工程を繰り返すことで、メタルボンドホイールの砥粒層形状が修正できる。（図４（ｅ））。
【実施例】
【００２８】
以下に、具体的な実施例を示す。
【００２９】
使用したメタルボンドホイールの詳細は以下の通りである。
台金寸法：１５０Ｄ×６Ｕ×５０．８Ｈ×３Ｘ
台金材質：Ｆｅ
砥粒：ダイヤモンド、＃６００（平均粒径：３０μｍ）
第１金属合金：Ｃｕ−Ｓｎ系合金
：メタルボンド中の体積比率：他成分の残り
第２金属粒子：Ｃｏ（平均粒径：１．４μｍ）
：メタルボンド中の体積比率：５０〜６５体積％
固体潤滑剤粒子：ＭｏＳ2（平均粒径：０．８〜２２．５μｍ）
：メタルボンド中の体積比率：１０〜４０体積％
焼結条件：５５０℃、５分
圧力：５０ｋｇ／ｃｍ2
【００３０】
整形試験条件及び研削試験条件は以下の通りである。
（整形試験条件）
整形砥石：ＧＣ６００Ｖ
研削盤：平面研削盤
砥石周速：３６０ｍ/ｍｉｎ以下
ホイール周速：３６０ｍ/ｍｉｎ
（研削試験条件）
加工方式：トラバース研削
砥石周速：１８００ｍ/ｍｉｎ
被研削材：超硬材
切込み：６μｍ／ｐａｓｓ
送り速度：１０ｍ／ｍｉｎ
【００３１】
ＳＥＭ／ＥＰＭＡ分析装置（（株）島津製作所製、ＥＰＭＡ−Ｃ１）を使用して、実施例におけるメタルボンドホイールの砥粒層部分についての電子顕微鏡観察及びＥＰＭＡによる元素分析を行った。ＥＰＭＡ分析においては、ダイヤモンド砥粒を構成する炭素、第１金属を構成するＣｕ及びＳｎ、第２金属を構成するＣｏ、固体潤滑剤を構成するＭｏ及びＳについての元素分布状態を評価した。図５は本発明の代表的な実施例におけるメタルボンドホイールの砥材層表面の電子顕微鏡像である。なお、図５において、ＥＰＭＡ分析により炭素が検出された領域を、ダイヤモンド砥粒として点線で示している。
【００３２】
図５からダイヤモンド砥粒が砥粒層に適度に分散されていることがわかる。ＥＰＭＡ分析によるとＣｕ，Ｓｎはこのダイヤモンド砥粒が検出された部分以外からは同程度のシグナル強度で一様に検出された。一方、Ｃｏは、Ｃｕ，Ｓｎと同様にダイヤモンド砥粒が検出された部分以外から一様に検出されたが、Ｃｕ，Ｓｎの場合と異なり、その分布形状は島状であり、粒子であることが確認された。また、Ｍｏ，Ｓも粒子状でありその周囲にはＣｏが検出された。
【００３３】
次に固体潤滑剤の含有量を変化させて整形性を評価した結果を表１に示す。なお、使用した固体潤滑剤の平均粒径３μｍである。ここで、研削比とは、研削による被削材の削除量を砥石の磨耗量で割った値として定義されるものであり、固体潤滑材の含有量が２０体積％のときの研削比を１００、整形時間を１００とした指数で表示している。
【００３４】
【表１】
【００３５】
固体潤滑剤の含有量が、Ｃｏの含有量の１５体積％まで、整形砥石に実施例のメタルボンドホイールを接触させても整形を良好に行うことができなかった。これは固体潤滑剤の含有量が少なすぎて、整形時に固体潤滑剤が脱落しても、十分な量のチップポケットが形成されないためと考えられる。なお、整形時間は固体潤滑剤の含有量が増えるほど短くなっていき、固体潤滑剤の含有量１５体積％から特に整形時間が短縮し、特に２０体積％になると容易に整形を行うことができた。整形性の指標である研削比も固体潤滑剤の含有量１５体積％から向上し、１５〜３０体積％の範囲で整形後のメタルボンドホイールを使用すると好適に研削を行うことができた。その一方、固体潤滑剤の含有量が、Ｃｏの含有量の３０体積％を超えると、整形時間はさらに短くなったが、研削比が大きく低下した。これは固体潤滑剤が多すぎて、メタルボンドの結合力が著しく低下し、砥粒層自体の摩耗が大きくなったためと考えられる。
【００３６】
固体潤滑剤の含有量はすべて２０体積％に固定し、固体潤滑剤の平均粒径を変化させて整形を行った結果を表２に示す。なお、上記の通り、Ｃｏ粒子の平均粒径は１．４μｍである。また、表２においては、固体潤滑剤の平均粒径が３μｍ、すなわち、固体潤滑剤とＣｏ粒子の粒径比（以下、単に「粒径比」と称す。）が２．１のときの研削比、整形時間を１００とした指数で表示している。
【００３７】
【表２】
【００３８】
固体潤滑剤の平均粒径が１．５μｍ（粒径比：１．１）までは、整形砥石に実施例のメタルボンドホイールを接触させてもメタルボンドがほとんど摩耗せず、整形を行うことができなかったが、固体潤滑剤の大きさがＣｏ粒子と同程度であると、固体潤滑剤粒子の脱落が起こりづらく、メタルボンドの摩耗が進行しづらいためと考えられる。固体潤滑剤粒子の平均粒径２．３μｍ（粒径比：１．６）になるとメタルボンドの摩耗が確認され、整形を行うことができた。さらに固体潤滑剤粒子の平均粒径３μｍ（粒径比：２．１）になると、整形時間が短縮される。固体潤滑剤粒子の平均粒径２１μｍ（粒径比：１５）を超えると、著しく固体潤滑剤粒子が脱落しやすくなり、整形時間は短くなったが、研削比も大きく低下した。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明のメタルボンドホイールは研削時に適度な砥粒保持力を確保しつつ、ＧＣ砥石など一般的な整形砥石を使用して整形を行うことができるので、常に切味が高い研削ホイールとして、高精度金型加工などの用途に好適に使用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１ メタルボンドホイール
２ 台金
３ 砥粒層
４ 取り付け穴
５ 整形砥石
６，１１ 砥粒
７ 固体潤滑剤粒子
８ａ，８ｂ メタルボンド
９ 第１金属合金
１０ 第２金属粒子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、整形を簡単に行うことが可能なメタルボンドホイールに関する。
【背景技術】
【０００２】
超硬金属、セラミック、焼き入れ鋼、ガラス等の加工を、ネジ研削、総型研削、溝研削、平面研削、円筒研削等で行うために、ダイヤモンド等の砥粒を結合剤で結合した砥粒層を有する研削ホイールが用いられている。このような用途の研削ホイールに使用する結合剤として、レジンボンドやビトリファイドボンドを使用した場合、これらのボンド材の形状維持性が低いため、硬質材料の研削を行った場合には砥粒が砥粒層から脱落しやすいという欠点がある。これに対し、メタルボンドを使用すると、レジンボンドやビトリファイドボンドと比較して、形状維持性が良いため砥粒保持力が強く、寿命が長いという利点がある。
【０００３】
一般に整形とは、所定の形状を形作ることである。使用中に研削ホイールの形状が崩れた場合にはＧＣ（グリーンカーボン）砥石などの整形砥石や鉄系材料を研削し、形状修正である整形を定期的に行う必要がある。この工程が潤滑に行われないと、研削ホイールの形状をもとに戻すことができず正常な研削ができない。このように整形の行いやすさ（以下、「整形性」と称す。）は、研削ホイールの性能に大きく影響する。
【０００４】
レジンボンドやビトリファイドボンド使用した研削ホイールでは、ＧＣ砥石等を用いて簡単に整形を行うことができるのに対し、メタルボンドを使用した研削ホイール（以下、「メタルボンドホイール」と称す。）を整形するためには放電加工や、ＧＣ砥粒を多量に使用するため、コストと時間がかかり、整形を簡単に行うことができないという欠点がある。メタルボンドホイールの整形性の向上を目的とした技術が特許文献１〜３に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２７６２６６１号公報
【特許文献２】特許第２６４１４３８号公報
【特許文献３】特許第２６５１８３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載のメタルボンドホイールは、砥粒層中に多孔質ケイ酸カルシウム粒子を分散させた多孔質メタルボンドホイールであるが、多孔質体を含有しているため強度が低下し、欠けが発生しやすくなる。特許文献２に記載のメタルボンドホイールは、砥粒と、耐熱性があり且つ研削液に溶解する溶解性物質と、金属粉末とからなる混合充填物から、溶解性物質を溶解させることで砥粒層表面に多孔質部を形成したメタルボンドホイールであるが、多孔質体であるため欠けやすいことに加え、溶解性物質が溶解したときに砥粒の脱落が起こりやすい。特許文献３に記載のメタルボンドホイールは、ダイヤモンド砥粒を含有する多孔質のビトリファイド顆粒をメタルボンドやレジンボンドに内在させた超砥粒ホイールであるが、砥粒がビトリファイド顆粒の中にのみ存在し、これを覆うメタルボンドやレジンボンドには砥粒が存在しないため、砥粒の分散性が悪く、被削材の仕上げ面の加工精度にばらつきが生じる。また、ビトリファイド顆粒自体が欠けたり、ビトリファイド顆粒がボンドから脱落したりして欠けが発生しやすい。
【０００７】
すなわち、良好な整形性と研削時における研削性能の両方を満足させるためには、使用されるメタルボンドは十分な砥粒保持力を有し、且つ、整形の際には摩耗が起こりやすい、という相反する条件を両立させることが必要となり、従来使用されてきたメタルボンドでは、この要求を満たすことができなかった。
【０００８】
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、整形性を良好に維持しつつ、研削時における適度な砥粒保持力を有するメタルボンドを使用したメタルボ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】
【０００９】
本発明のメタルボンドホイールは、砥粒と、粒子状の固体潤滑剤とをメタルボンドによって結合して形成された砥粒層を有するメタルボンドホイールにおいて、前記メタルボンドは、ＣｕとＳｎを含む合金からなる第１金属と、前記第１金属より高融点である金属あるいは合金からなる粒子状の第２金属から構成され、前記固体潤滑剤粒子は、前記メタルボンド内に分散し、その平均粒径が前記粒子状の第２金属よりも大きいことを特徴とする。
【００１０】
このような構成とすれば、砥粒と、粒子状の固体潤滑剤とを結合するメタルボンドにおいて、ＣｕとＳｎを含む合金からなる第１金属（以下、「第１金属合金」と称す）を介して、粒子状の第２金属（以下、「第２金属粒子」と称す）のそれぞれの粒子が接合することで砥粒を保持することができる。一方で、このようなメタルボンドでは、第２金属粒子同士の接合部分はそれぞれの粒子の接点近傍のみであるため、整形を行うと、第２金属粒子はその接合部分から容易に脱落する。また、第２金属粒子の周囲には第１金属合金が存在するため、第２金属粒子同士が凝集することを抑制することができる。
【００１１】
さらに粒子状の固体潤滑剤（以下、「固体潤滑剤粒子」と称す）はこのメタルボンド内に分散し、その平均粒径が第２金属粒子よりも大きいため、固体潤滑剤粒子の周囲を第２金属粒子が取り囲むように配置され、固体潤滑剤粒子の表面近傍に空隙が形成される。そのため、整形を行うと固体潤滑剤が適度に脱落することができ、さらに、固体潤滑剤の脱落痕がチップポケットとして機能することで、第２金属粒子の脱落効果が高まり、整形性が向上する。
【００１２】
ここで、固体潤滑剤粒子の平均粒径が、第２金属粒子の平均粒径の２倍以上１５倍以下であることが望ましく、この数値範囲であると整形の際に固体潤滑剤粒子を好適に脱落させることができる。前記固体潤滑剤の平均粒径が、第２金属粒子の平均粒径の２倍未満であると、固体潤滑剤は脱落しにくいため、整形性が著しく低下する。一方、前記固体潤滑剤の平均粒径が、第２金属粒子の平均粒径の１５倍を超えると、固体潤滑剤は脱落しやすいが、研削時におけるメタルボンドの摩耗速度が大きすぎ、砥粒層の形状保持性が著しく低下する。
【００１３】
また、本発明において、前記粒子状の固体潤滑剤の含有量が、前記粒子状の第２金属の含有量の１５体積％以上３０体積％以下であることが望ましい。粒子状の固体潤滑剤の含有量が、第２金属の含有量の１５体積％未満であると、整形時に固体潤滑剤が脱落しても、その脱落痕の間隔が広すぎるため、第２金属粒子の脱落が促進されにくく整形性が悪くなる。また、固体潤滑剤の含有量が、第２金属の含有量の３０体積％を超えると、研削時における砥粒層の形状保持性が著しく低下するため好ましくない。
【００１４】
本発明においては、固体潤滑剤は、ＭｏＳ2、ＷＳ2のいずれかであることが望ましい。固体潤滑剤として一般的によく用いられているグラファイトは、研削圧力が高い部分で潤滑性が劣るのに対し、ＭｏＳ2、ＷＳ2は潤滑性が高いため、特に研削圧力が高い場合において、砥材層の欠けが発生しづらい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のメタルボンドホイールは、整形性を良好に維持しつつ、研削時における砥粒保持力を確保することができるため、従来のメタルボンドホイールのように放電加工等の時間を要する整形を必要とせず、ＧＣ砥石などの整形砥石を用いて研削盤上で容易に整形を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】メタルボンドホイールに対する整形の説明図である。
【図２】従来のメタルボンドホイールの砥粒層の拡大図である。
【図３】本発明の実施形態に係るメタルボンドホイールの砥粒層の拡大図である。
【図４】本発明の実施形態に係るメタルボンドホイールにおける整形の状況を示す模式図である。
【図５】本発明の実施例におけるメタルボンドホイールの砥材層表面の電子顕微鏡像である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１はメタルボンドホイールに対する整形の説明図である。図１に示すメタルボンドホイール１においては、円盤状の台金２の外周側に、ダイヤモンド等の砥粒をメタルボンドで結合して形成された砥粒層３が設けられており、台金２の中心には取り付け穴４が設けられている。このメタルボンドホイール１に対して、例えばＧＣ砥石からなる整形砥石５を接触させ、メタルボンドホイール１を回転させることによって整形が行われる。
【００１８】
図２に従来のメタルボンドホイールの砥粒層の拡大図、図３に本発明の実施形態に係るメタルボンドホイールの砥粒層の拡大図を示す。
従来のメタルボンドホイール砥粒層３において、砥粒６と固体潤滑剤粒子７は合金状のメタルボンド８ａによって結合されている。メタルボンド８ａとしては例えば、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｃｏ系合金、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｎｉ系合金などがある。この中でも砥粒保持力が高い、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｃｏ系合金やＣｕ−Ｓｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系合金が使用されることが多いが、これらの合金は硬度が高く摩耗性が低いため整形性が低い。
【００１９】
一方、図３に示すように本発明の実施形態に係るメタルボンドホイールの砥粒層３において、砥粒６及び固体潤滑剤粒子７は、第１金属合金９及び第２金属粒子１０から構成されるメタルボンド８ｂによって結合されている。このうち、第１金属合金９は第２金属より低融点で軟質であるＣｕとＳｎを含む合金（Ｃｕ−Ｓｎ系合金）であり、さらにＰ，Ａｇ，Ｆｅなどの成分を添加することもできる。
【００２０】
第２金属粒子１０は、耐熱性が高い金属種であるＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉのいずれか、あるいはこれらを主成分とする合金からなる粒子である。なお、粒子の凝集や熱融合を抑制するためには、第２金属粒子１０としてはＣｏ、あるいはＣｏを主成分とする合金が好適に使用される。メタルボンド８ｂにおいて、第２金属粒子１０は、第１金属合金９を介してそれぞれの粒子の接点近傍で接合している。そのため、外部から強い力を加えると粒子間の接合部分が破壊され、第２金属粒子１０が脱落する。
【００２１】
なお、第２金属粒子１０の好適な平均粒径は０．５〜３．０μｍである。第２金属粒子１０の平均粒径が０．５μｍ未満であると、メタルボンド８ｂが緻密になり砥粒保持力が大きくなりすぎて整形性が低下し、平均粒径が３．０μｍを超えると、それぞれの第２金属粒子１０の接合力が小さくなりすぎて、砥粒層３の形状保持性が低下し、砥粒層３が崩壊しやすくなるため好ましくない。
【００２２】
砥粒層３において、固体潤滑剤粒子７は、第２金属粒子１０より大径の粒子であり、メタルボンド８ｂ内に適度に分散している。そのため、固体潤滑剤粒子７の周囲には、第１金属合金９を介して接合した第２金属粒子１０が取り囲むように配置している。このように固体潤滑剤粒子７の周囲に第２金属粒子１０が配置されると、固体潤滑剤粒子７の表面近傍に適度に空隙が形成される。この空隙はそれ自身がチップポケットとしての機能を有すると共に、固体潤滑剤粒子７が砥粒層３から脱落することを容易にする作用がある。
【００２３】
ここで、固体潤滑剤粒子７の平均粒径は、第２金属粒子１０の平均粒径の２倍以上１５倍以下、特に２倍以上６倍以下が好適である。固体潤滑剤粒子７の平均粒径がこの範囲であれば、適度な脱落性と砥粒層の形成保持性を両立することができる。固体潤滑剤粒子７の平均粒径が第２金属粒子１０の平均粒径の２倍未満であると、固体潤滑剤粒子７の保持力が大きすぎて固体潤滑剤粒子７の脱落が起こりづらく、１５倍以上であると逆に固体潤滑剤粒子７の保持力が小さすぎて砥粒層３が簡単に崩壊してしまうため好ましくない。なお、前記固体潤滑剤の含有量が、第２金属の含有量の１５体積％以上３０体積％以下とすると前記固体潤滑剤粒子７の脱落が起こりやすく、整形性が特に向上する。
【００２４】
なお、固体潤滑剤としては従来のグラファイトなどの炭素系材料も使用できるが、特に研削圧力が高い加工に使用されるメタルボンドホイールの場合、研削圧力が高い状態においても潤滑性がよいＭｏＳ2、ＷＳ2が好適に使用される。
【００２５】
本発明の実施形態に係るメタルボンドホイールの砥粒層構造を実現する方法として、以下の製造方法が挙げられる。メタルボンドを構成する第１金属の原材料となるＣｕ及びＳｎを含む粉末を３０〜４５重量％、第２金属粒子の原材料となるＣｏ等の金属粉末を含む粉末を５０〜７０重量％、ＭｏＳ2などの固体潤滑剤の粉末を５〜２０重量％として混合し、この混合物に適量の砥粒を加えて撹拌し、必要量を型に投入してプレス機にて圧力と温度を加える。なお、好適なプレス圧は３０〜５００ｋｇ／ｃｍ2の範囲である。次に、焼結機に圧粉体を入れ、第１金属の原材料が合金化する温度まで温度上昇させ、この温度を一定時間維持した後冷却する。なお、温度が上がり過ぎると、金属粉末の表面だけでなくその内部まで反応してしまい、第２金属粒子が接点近傍だけでなく面で接合するようになるため好ましくない。なお、第１金属が合金化し、且つ、第２金属粒子が接点近傍で接合するために好適な焼成温度は５００〜７００℃であり、特に５５０℃〜６５０℃が望ましい。
【００２６】
本発明の実施形態に係るメタルボンドホイールに対する整形の状況を、図４に基づいて説明する。
整形前において、メタルボンドホイール１の砥粒層３の切刃となる砥粒６は、第１金属合金９と第２金属粒子１０と固体潤滑剤粒子７からなるメタルボンド８ｂによって固定されており、表面近傍の砥粒６はほとんど露出していない（図４（ａ））。メタルボンドホイール１を回転させ、整形砥石５の砥粒１１を砥粒層３に接触させると、砥粒層３の表面の第２金属粒子１０が脱落する（図４（ｂ））。これは上述したように第２金属粒子１０は軟質金属である第１金属合金９によって被覆され、接点近傍のみで接合しており、それぞれの粒子の接合力はそれほど強くないためである。
【００２７】
表面近傍の第２金属粒子１０の脱落が進行すると、第２金属粒子１０に取り囲まれることでメタルボンド８ｂ中に保持されていた固体潤滑剤粒子７が周辺の第２金属粒子１０と共に脱落し、比較的大きな脱落痕が形成される（図４（ｃ））。このような脱落痕が多数形成されると、メタルボンド８ｂの砥粒保持力が低下し、表面近傍の砥粒６が脱落し（図４（ｄ））する。また、このような脱落痕は第２金属粒子１０などの排出のためのチップポケットとしても機能し、結果として砥粒層３の整形性が向上する。このような工程を繰り返すことで、メタルボンドホイールの砥粒層形状が修正できる。（図４（ｅ））。
【実施例】
【００２８】
以下に、具体的な実施例を示す。
【００２９】
使用したメタルボンドホイールの詳細は以下の通りである。
台金寸法：１５０Ｄ×６Ｕ×５０．８Ｈ×３Ｘ
台金材質：Ｆｅ
砥粒：ダイヤモンド、＃６００（平均粒径：３０μｍ）
第１金属合金：Ｃｕ−Ｓｎ系合金
：メタルボンド中の体積比率：他成分の残り
第２金属粒子：Ｃｏ（平均粒径：１．４μｍ）
：メタルボンド中の体積比率：５０〜６５体積％
固体潤滑剤粒子：ＭｏＳ2（平均粒径：０．８〜２２．５μｍ）
：メタルボンド中の体積比率：１０〜４０体積％
焼結条件：５５０℃、５分
圧力：５０ｋｇ／ｃｍ2
【００３０】
整形試験条件及び研削試験条件は以下の通りである。
（整形試験条件）
整形砥石：ＧＣ６００Ｖ
研削盤：平面研削盤
砥石周速：３６０ｍ/ｍｉｎ以下
ホイール周速：３６０ｍ/ｍｉｎ
（研削試験条件）
加工方式：トラバース研削
砥石周速：１８００ｍ/ｍｉｎ
被研削材：超硬材
切込み：６μｍ／ｐａｓｓ
送り速度：１０ｍ／ｍｉｎ
【００３１】
ＳＥＭ／ＥＰＭＡ分析装置（（株）島津製作所製、ＥＰＭＡ−Ｃ１）を使用して、実施例におけるメタルボンドホイールの砥粒層部分についての電子顕微鏡観察及びＥＰＭＡによる元素分析を行った。ＥＰＭＡ分析においては、ダイヤモンド砥粒を構成する炭素、第１金属を構成するＣｕ及びＳｎ、第２金属を構成するＣｏ、固体潤滑剤を構成するＭｏ及びＳについての元素分布状態を評価した。図５は本発明の代表的な実施例におけるメタルボンドホイールの砥材層表面の電子顕微鏡像である。なお、図５において、ＥＰＭＡ分析により炭素が検出された領域を、ダイヤモンド砥粒として点線で示している。
【００３２】
図５からダイヤモンド砥粒が砥粒層に適度に分散されていることがわかる。ＥＰＭＡ分析によるとＣｕ，Ｓｎはこのダイヤモンド砥粒が検出された部分以外からは同程度のシグナル強度で一様に検出された。一方、Ｃｏは、Ｃｕ，Ｓｎと同様にダイヤモンド砥粒が検出された部分以外から一様に検出されたが、Ｃｕ，Ｓｎの場合と異なり、その分布形状は島状であり、粒子であることが確認された。また、Ｍｏ，Ｓも粒子状でありその周囲にはＣｏが検出された。
【００３３】
次に固体潤滑剤の含有量を変化させて整形性を評価した結果を表１に示す。なお、使用した固体潤滑剤の平均粒径３μｍである。ここで、研削比とは、研削による被削材の削除量を砥石の磨耗量で割った値として定義されるものであり、固体潤滑材の含有量が２０体積％のときの研削比を１００、整形時間を１００とした指数で表示している。
【００３４】
【表１】
【００３５】
固体潤滑剤の含有量が、Ｃｏの含有量の１５体積％まで、整形砥石に実施例のメタルボンドホイールを接触させても整形を良好に行うことができなかった。これは固体潤滑剤の含有量が少なすぎて、整形時に固体潤滑剤が脱落しても、十分な量のチップポケットが形成されないためと考えられる。なお、整形時間は固体潤滑剤の含有量が増えるほど短くなっていき、固体潤滑剤の含有量１５体積％から特に整形時間が短縮し、特に２０体積％になると容易に整形を行うことができた。整形性の指標である研削比も固体潤滑剤の含有量１５体積％から向上し、１５〜３０体積％の範囲で整形後のメタルボンドホイールを使用すると好適に研削を行うことができた。その一方、固体潤滑剤の含有量が、Ｃｏの含有量の３０体積％を超えると、整形時間はさらに短くなったが、研削比が大きく低下した。これは固体潤滑剤が多すぎて、メタルボンドの結合力が著しく低下し、砥粒層自体の摩耗が大きくなったためと考えられる。
【００３６】
固体潤滑剤の含有量はすべて２０体積％に固定し、固体潤滑剤の平均粒径を変化させて整形を行った結果を表２に示す。なお、上記の通り、Ｃｏ粒子の平均粒径は１．４μｍである。また、表２においては、固体潤滑剤の平均粒径が３μｍ、すなわち、固体潤滑剤とＣｏ粒子の粒径比（以下、単に「粒径比」と称す。）が２．１のときの研削比、整形時間を１００とした指数で表示している。
【００３７】
【表２】
【００３８】
固体潤滑剤の平均粒径が１．５μｍ（粒径比：１．１）までは、整形砥石に実施例のメタルボンドホイールを接触させてもメタルボンドがほとんど摩耗せず、整形を行うことができなかったが、固体潤滑剤の大きさがＣｏ粒子と同程度であると、固体潤滑剤粒子の脱落が起こりづらく、メタルボンドの摩耗が進行しづらいためと考えられる。固体潤滑剤粒子の平均粒径２．３μｍ（粒径比：１．６）になるとメタルボンドの摩耗が確認され、整形を行うことができた。さらに固体潤滑剤粒子の平均粒径３μｍ（粒径比：２．１）になると、整形時間が短縮される。固体潤滑剤粒子の平均粒径２１μｍ（粒径比：１５）を超えると、著しく固体潤滑剤粒子が脱落しやすくなり、整形時間は短くなったが、研削比も大きく低下した。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明のメタルボンドホイールは研削時に適度な砥粒保持力を確保しつつ、ＧＣ砥石など一般的な整形砥石を使用して整形を行うことができるので、常に切味が高い研削ホイールとして、高精度金型加工などの用途に好適に使用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１ メタルボンドホイール
２ 台金
３ 砥粒層
４ 取り付け穴
５ 整形砥石
６，１１ 砥粒
７ 固体潤滑剤粒子
８ａ，８ｂ メタルボンド
９ 第１金属合金
１０ 第２金属粒子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
砥粒と、粒子状の固体潤滑剤とをメタルボンドによって結合して形成された砥粒層を有するメタルボンドホイールにおいて、
前記メタルボンドは、ＣｕとＳｎを含む合金からなる第１金属と、前記第１金属より高融点である金属あるいは合金からなる粒子状の第２金属から構成され、
前記固体潤滑剤粒子は、前記メタルボンド内に分散し、その平均粒径が前記粒子状の第２金属よりも大きいことを特徴とするメタルボンドホイール。
【請求項２】
前記粒子状の固体潤滑剤の平均粒径は、前記粒子状の第２金属の平均粒径の２倍以上１５倍以下であることを特徴とする請求項１記載のメタルボンドホイール。
【請求項３】
前記粒子状の固体潤滑剤の含有量が、前記粒子状の第２金属の含有量の１５体積％以上３０体積％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のメタルボンドホイール。
【請求項４】
前記固体潤滑剤は、ＭｏＳ2、ＷＳ2のいずれかであることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載のメタルボンドホイール。
【請求項１】
砥粒と、粒子状の固体潤滑剤とをメタルボンドによって結合して形成された砥粒層を有するメタルボンドホイールにおいて、
前記メタルボンドは、ＣｕとＳｎを含む合金からなる第１金属と、前記第１金属より高融点である金属あるいは合金からなる粒子状の第２金属から構成され、
前記固体潤滑剤粒子は、前記メタルボンド内に分散し、その平均粒径が前記粒子状の第２金属よりも大きいことを特徴とするメタルボンドホイール。
【請求項２】
前記粒子状の固体潤滑剤の平均粒径は、前記粒子状の第２金属の平均粒径の２倍以上１５倍以下であることを特徴とする請求項１記載のメタルボンドホイール。
【請求項３】
前記粒子状の固体潤滑剤の含有量が、前記粒子状の第２金属の含有量の１５体積％以上３０体積％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のメタルボンドホイール。
【請求項４】
前記固体潤滑剤は、ＭｏＳ2、ＷＳ2のいずれかであることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載のメタルボンドホイール。
【図４】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１８８４４７（Ｐ２０１０−１８８４４７Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３３１８２（Ｐ２００９−３３１８２）
【出願日】平成２１年２月１６日（２００９．２．１６）
【出願人】（０００１１１４１０）株式会社ノリタケスーパーアブレーシブ (73)
【出願人】（０００００４２９３）株式会社ノリタケカンパニーリミテド (449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１６日（２００９．２．１６）
【出願人】（０００１１１４１０）株式会社ノリタケスーパーアブレーシブ (73)
【出願人】（０００００４２９３）株式会社ノリタケカンパニーリミテド (449)
【Ｆターム（参考）】
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