JPH0248371B2

JPH0248371B2 -

Info

Publication number: JPH0248371B2
Application number: JP21456986A
Authority: JP
Inventors: Tooru Arai; Takuo Onoe
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1986-09-11
Filing date: 1986-09-11
Publication date: 1990-10-24
Also published as: JPS6368314A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、グリツトブラスト等により鋼材表面
に鋭利な凹凸を設け、その後その表面に炭化物、
窒化物等の表面層を形成し、焼入硬化を行う長寿
命の研磨工具の製造法に関する。

本発明に関する研磨工具は主として従来の鋼製
やすりやダイヤモンド粒を電着したダイヤモンド
製やすりあるいはラツピングツール（以下やすり
と称す）と同様の役目を果たすものである。やす
りは手動あるいは機械動により、金属および非金
属材料の形状作成、仕上げおよび表面粗仕上げな
どに用いるものである。

（従来の技術）従来の鋼製やすりは、高炭素鋼片に塑性加工あ
るいは切削加工により鋸刃状の目（切刃）を形成
させた後に焼入硬化したもので、焼入硬さ
HRC60〜64を有している。しかしながら、かか
る鋼製やすりは使用に伴い刃先が摩耗し、切れ味
が悪くなりやすい。特に、近年使用の機会が増大
している金型加工においては、焼入前の成形、焼
入後の修正研磨を行うが、従来のやすりは、前者
では著しく短寿命、後者ではほとんど使用不可と
いうのが現状である。

一方、こうした鋼製やすりとは別にダイヤモン
ドやすりも試用されている。このものは0.05〜
0.1mm直径のダイヤモンド粒をバインダー層によ
つて鋼製支持棒の必要部に被覆したものである。
しかし、このやすりは、硬い被加工材をも削れる
利点があるが、その形態上単位時間当たりの切削
量が小さい。また、軟らかいバインダー層が切粉
で削られやすいために短時間でダイヤモンド粒が
脱落しやすい。また、鋼製やすりに比べて著しく
高価である。

また、近年焼入鋼よりも著しく高い耐摩耗性を
実現する手段としてクロムメツキ、熱拡散処理、
蒸着など、鋼に対する表面硬化処理手段が工業化
されている。そこで、これらの処理を、従来の鋼
性やすりに適用することも考えられるが、現実に
はきわめて困難である。例えば、クロムメツキで
はメツキ層が角部に厚く成長するので刃先が丸く
なり切れ味が著しく鈍るし、使用時に容易にメツ
キ層が脱落する。拡散処理である窒化やボライデ
イングでは硬い層は作れるが、それ自体がもろい
上に鋼母材の靭性を著しく低下させる特性を持つ
ているので刃先先端が欠けやすく使用に耐えな
い。拡散処理によるバナジウム（Ｖ）、ニオビウ
ム（Nb）、クロム（Cr）などの炭化物、窒化物
被覆や蒸着によるチタン（Ti）の炭化物、窒化
物被覆では上記の欠点は少ないが、それでも刃先
を丸くしてしまう傾向がある。

また、やすりへのこれらの表面硬化の適用にお
ける重要な問題は、表面硬化の効果を発揮させる
ためには目立て（切刃形成）に工夫を必要とする
ことである。やすりが切れ味（刃のかかり易さ）
と耐久性を発揮するためには被加工材に食い付き
やすい鋭利な刃先形状と、それが長期にわたり変
化（摩減）しない強度、耐摩耗性が必要である。
しかし、従来の方法、特に塑性加工（タガネ加
工）で形成されたやすりの切刃には大きなバリが
形成されているのが普通である。そして、これを
除去するために、電解研磨やドライホーニングを
施すと、刃先に損傷を受けてしまうことが多い。
また、これらが存在したままで表面硬化処理を施
しても、やすりの初期の使用段階で、例えばバリ
の消失による刃先での鋼母材溶出、その部分への
応力集中による刃先破損などが起こる。それ故、
従来の鋼製やすりに、単に拡散による炭化物被覆
や蒸着による炭化物被覆処理を施してもその効果
はなかなか発揮されない。

以上からも知られるごとく、やすりに要求され
る重要な点は、切れ味、即ち刃のかかり及び小さ
な力で切粉発生が良いこと、また耐久性があり、
目詰まりし難いことである。そしてこれを実現す
るためには、切れ味については、第１１図の切刃
１の形状、刃先２の強度、耐久性については刃先
２の形状と切刃１の強度、刃先２の耐摩耗性、目
詰まりについてはチツプポケツト３（各切刃１の
間の切粉が入り込む空間）の形状、刃先１の形状
などが主として関係する。

そして、この中特に重要なことは、切刃１部の
形状、即ち刃全体の形状、大きさ、刃先２の形状
および刃数である。また、鋭利な切刃１が多数存
在するほど、切れ味が良いが、鋭利な刃先２を有
するのみでは、刃先２が損傷し易く耐久性が悪
い。また切刃のすくい角４が大きいと、刃のかか
りは良いが、過大となると目詰まりを起こし易
い。また、逃げ角５が大きいとチツプポケツト３
が大きくなるが、刃角６が小さくなり、切刃１が
損傷し易い。

そこで、我々は、やすりに要求されるかかる事
項を考慮しつつ、上記の表面硬化を施して、優れ
た効果が得られる切刃部を鋼に形成する方法を検
討し、本発明に至つた。

（解決しようとする問題点）本発明は寿命が長く、高硬度の被加工材にも使
用できる安価な研磨工具の製造法を提供しようと
するものである。

（問題点を解決するための手段）本発明は、研磨工具となるべき鋼部材の表面に
グリツトブラストあるいは腐食により鋭利な先端
部を有する凹凸模様を設け、次いで該鋼部材の表
面に拡散処理法、化学蒸着法等によつて炭化物、
窒化物、あるいは炭窒化物からなる被覆層を形成
することを特徴とする研磨工具の製造法にある。

本発明において、研磨工具の切刃部となる凹凸
模様を形成する手段としては、グリツトブラスト
法あるいは腐食法である。

ここに、グリツトブラスト法とは、鋭い角部を
有する多数の研削粒（グリツト）を鋼板表面に対
して叮きつけ、該鋼板表面に鋭利な先端部を有す
る多数の凹凸を形成させる方法をいう。このよう
にして形成された多数の凹凸模様は、後に行う拡
散処理法等の表面処理及び焼入硬化により、硬い
表面層となり、研磨工具の切刃部を構成すること
となる。

グリツトブラスト用のグリツトとしては、アル
ミナ、ジルコニヤ、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒
化ホウ素、ダイヤモンドなど各種のものが使用可
能であるが、実用上はアルミナあるいは炭化ケイ
素が適している。粒度としては８〜220番、望ま
しくは10〜150番である。また、ブラストが鋼材
表面を叮くブラスト圧力としては0.5〜10Kg／cm²、
望ましくは１〜５Kg／cm²である。また、ブラスト
時間としては、同一場所当たり１〜60秒、望まし
くは５〜30秒程度である。これによつて、切刃高
さ即ちチツプポケツト深さは10〜100μｍ、刃先
の曲率半径１〜20μｍ、25mm長当たりの刃数200
〜800個の切刃が構成される。また、この切刃の
すくい角は大部分が負の値を持つている。また、
このグリツトブラスト法によつて形成された切刃
は、かえりや、バリは全く生じていない。なお、
球状表面で、角部を有していない、小さな鋼球を
使用したシヨツトブラストでは、鋭い刃先を有す
る切刃を形成することができない（実施例１参
照）。

また、腐食法とは、腐食液中に鋼材を10分ない
し２時間浸漬し、鋼材表面を腐食させることをい
う。これにより、表面には上記グリツトブラスト
と同様に多数の鋭い先端を有する凹凸模様が形成
される。上記腐食液としては、硝酸、塩酸、硫
酸、酢酸、塩化第二鉄などの単独あるいは混合水
溶液を用いる。腐食液浸漬後は、水洗し、次の表
面硬化処理に備える。なお、上記腐食液中で電解
を加えて腐食をより能率的に行つてもよい。

なお、上記の切刃形成において、チツプポケツ
トを大きくするために、グリツトブラスト又は腐
食法に先立つて、表面を塑性加工や切削加工で予
め深い溝を切つておくこともできる。

研磨工具の本体を構成する母材としては、焼入
硬化可能な、したがつて約0.25％以上の炭素を含
有する鋼を用いる。この母材には、表面硬化時あ
るいはその後に焼入硬化を施しHRC55〜70程度
の硬さを付与する。これにより、切刃部に塑性変
形、衝撃破壊、疲労破壊に耐える強度を与える。
炭素を十分に含んでおれば鋼材の種類に特に制限
はない。なお、腐食法を用いる場合の母材として
は、複数の相から組織が形成されている高合金
鋼、例えば冷間ダイス鋼や高速度鋼が使い易い。
また、母材鋼には予め浸炭や窒化が行われていて
もよい。また、上記母材としては、既に切刃を形
成してある市販の鋼製研磨工具を用いることもで
きる。

次に、上記のごとく形成した切刃部に被覆層を
設ける（表面硬化処理法）につき述べる。

まず、被覆層としては、バナジウムカーバイド
（VC）、ニオビウムカーバイド（NbC）、クロム
カーバイド（Cr₂C₃）、チタンカーバイド（TiC）、
タングステンカーバイド（W₂C、W₃C）等の炭
化物、チタニウムナイトライド（TiN）、クロム
ナイトライド（CrN）、バナジウムナイトライド
（VN）、シリコンナイトライド（Si₃N₄）などの
窒化物、又はＶ（Ｃ、Ｎ）、Nb（Ｃ、Ｎ）、Cr（Ｃ、
Ｎ）、Ti（Ｃ、Ｎ）などの炭窒化物を設ける。こ
れらの被覆層は、Hv2000〜3000以上という極め
て高い硬さを有しており、極めて優れた耐摩耗
性、耐焼付性を有している。なお、この被覆層は
上記３種類の中の１種に限らず、複数の多層構造
とすることもできる。

また、この被覆層の形成法としては、拡散処理
法、化学蒸着法、物理蒸着法等を用いるが、この
中特に前二者が優れた方法である。

ここに、拡散処理法とは、高温に保たれた母材
中に含まれている炭素(C)あるいは炭素（Ｎ）原子
と処理剤中の炭化物あるいは窒化物形成元素が結
合して炭化物、窒化物あるいは炭窒化物を母材表
面に形成する方法である。しかして、この拡散処
理法としては、処理温度で処理材が溶融状態にあ
る溶融塩浴を用いてこれに被処理材を一定時間浸
漬保持する溶融塩浸漬法あるいはこれに更に電解
を加える溶融塩電解法、ガスを吹き込んで固体上
の処理剤が流動状態にある流動層中に被処理材を
浸漬する流動層炉法、固体状の処理剤中に埋没さ
せて加熱する粉末パツク法、固体処理剤から発生
するガス中で加熱する非接触粉末法などがある。
一般に拡散処理の温度は鋼の焼入温度に近いの
で、被覆後に母材の焼入硬化を行わねばならない
が、大気中で品物の出し入れができる溶融塩法お
よび流動層炉法は、被覆後の冷却中に母材の焼入
を行なえるので優れた方法である。

また、化学蒸着法（CVD）は、本質的には拡
散による非接触粉末法と同様に気体中で加熱する
方法であるが、処理ガスとして水素と四塩化チタ
ン（TiCl₄）、炭化水素あるいは窒素の混合ガス
を用いて炭化物、窒化物、炭窒化物を蒸着させ
る。この方法では冷却中に母材を焼入硬化させる
ことが困難であるので、多くの場合再加熱焼入を
行う。

また、物理蒸着法（PVD）はＣあるいはＮを
含んだ減圧室中でチタン（Ti）その他の金属の
蒸気を発生させ、Tiその他とＣあるいはＮの化
合物を品物に蒸着させる方法である。しかし、こ
の方法は、拡散法、CVD法に比べて被覆層厚さ
が不均一で、母材との結合力も若干劣る傾向があ
る。

なお、前記拡散処理法のうち、溶融塩浴法及び
流動層炉法は、塩浴、流動粒子による被処理材表
面の化学的、機械的洗浄作用があるために、切刃
部の凹凸模様の凹部中にも処理剤が良く浸透し、
優れた被覆層を形成させる。

また、被覆層の厚みは、余り大きくすると、前
の工程で形成した切刃部の刃先が丸味を帯びてし
まうため、20μｍ以下、好ましくは10μｍ以下と
する。また、その下限は、耐久性の面より1μｍ
以上とすることが好ましい。

次に、上記のごとく被覆層を形成した鋼部材
は、研磨工具として、その全体に焼入硬化を施
す。この焼入硬化は、通常鋼製品に行う焼入と同
様に約750〜1200℃に加熱後急冷することにより
行う。なお、前記のごとく塩浴処理法等の場合
は、被覆後の冷却により母材焼入れが行われるの
で、改めて焼入処理を行う必要はない。

（作用効果）本発明によれば、耐摩耗性、耐焼付性に優れた
長寿命の研磨工具を安価に製造することができ
る。

このように優れた性能を発揮することができる
理由は、グリツトブラストあるいは腐食によつ
て、鋭利な先端部を有する多数の凹凸模様を不規
則に形成できること、及びこのような表面にこの
凹凸の刃先の特性を損なうことなく、薄層の炭化
物、窒化物叉は炭窒化物の被覆層を形成したこ
と、またこの被覆層は密着性が高いことによる。

それ故、従来の焼入鋼やすりの如き刃先の早期
摩耗、あるいはダイヤモンドやすりの如き刃先の
脱落ということがなく、高い切れ味と耐久性を発
揮できるのである。

また、本発明により得られる研磨工具は、耐焼
付性にも優れ、また前記のごとき切刃部を有する
ので目詰まりを生じ難く、特に軟質金属の被加工
材の研磨に優れている。

また、本発明法は切刃形成にグリツトブラスト
叉は腐食法を用いるので、ダイヤモンド粒を用い
る場合に比して安価である。

また、表面が、前記特定の被覆層を有している
ので、錆びを生じ難く、化学工業や海浜環境での
使用にも好都合である。

本法にかかる研磨工具は、金属の形状出しや表
面仕上げの他、ガラス、歯科材、木材等の非金属
材の成形、表面仕上げ等にも用いることができ
る。

実施例実施例１ JISSK4の５×５×200mmの角棒の一端より50mm
の範囲に、以下の条件で本発明にかかるグリツト
ブラストおよび比較例としてのシヨツトブラスト
を施した。

グリツトブラスト条件：アルミナブラスト：80番、（以下、＃で示す）、
＃30、＃20。

圧力：0.5〜５Kgｆ／cm²。時間：20秒。

ブラスト放出ノズル径：20mm。

シヨツトブラスト条件：スチールボール：0.2、0.4mm径。

圧力：0.5〜５Kgｆ／cm²。時間：20秒。

ブラスト放出ノズル径：20mm。

その後このSK4材を、Fe−Ｖ粉末の添加され
た溶融硼砂浴中に950℃で、0.25、１および２時
間浸漬して、溶融塩浸漬による表面処理法を施
し、水冷するという条件でVCの被覆、母材焼入
を行つた。形成されたVC層厚さは時間に応じて
それぞれ約1.5、６および9.5μｍ、母材硬さは
HRC60となつた。また、切刃の大きさ、形状を、
表面粗さ計、表面の電顕観察、断面の光学顕微鏡
などで調べた。

第１図は、グリツトブラスト＃30を施した場合
における、粗さ計による切刃形状の測定結果の例
である。また、第２図は、シヨツトブラスト0.4
mmφを施した場合の測定結果の一例である。両図
より知られるように、グリツトブラストの方がよ
り高さの揃つた切刃が多数形成されている。ま
た、切刃の数はグリツトブラストの場合200〜800
個／25mm長、シヨツトブラストの場合100〜600
個／25mm長であり、前者がより多数の切刃を有す
ることが分かる。第３図は、グリツトブラスト
＃30を施した場合の、また第４図はシヨツトブラ
スト0.4mmφを施した場合の断面の光学顕微鏡写
真（400倍）である。両図より知られるように、
グリツトブラストによる場合の方が切刃が鋭利に
できている。また、切刃深さ即ち、チツプポケツ
トも、グリツトブラストの場合の方がかなり大き
いことが分かる。

上記の本発明にかかる３種類および比較例の２
種類の研磨工具を用いて、SCM焼なまし材につ
いて切削性能の感応試験を行つた。その結果、シ
ヨツトブラスト品では使用時に大きな力を加えな
いとすべる傾向が見られ、実用には適しないと判
断された。一方、グリツトブラスト品は切れ味、
耐久性ともに優れたものであつた。

実施例２本例は、市販の鋼製やすりにグリツトブラスト
を施し、拡散処理法により被覆層を形成するとい
う本発明方法、及びこのグリツトブラストを施す
ことなく他は同じ処理を行う比較方法を示す。

市販のJISSK2製組やすりを、クロム粉末を添
加した900℃の溶融硼砂浴に40分浸漬後取り出し
て水冷焼入を施した。これによつて約3μｍ厚さ
のCr₇C₃層が形成され、母材硬さはHRC63となつ
た。一つのやすりは入手のまま、一つのやすりは
＃80のアルミナブラストを圧力５Kgｆ／cm²で約30
秒施してあつた。これを用いて、HRC約45の硬
さのダイス鋼SKD61について切削性能の感応試
験を行つたところ、前者の比較方法のやすりは早
期にかかりが悪くなつたが、後者の本発明法にか
かるやすりでは数度のテストでも良好なかかりを
示した。

実施例３直径４mm、長さ200mmのJISSKD11棒のぼぼ2/3
長さにわたつてグリツトブラスト、腐食または研
磨紙による三種類の切刃形成を施した。グリツト
ブラスト法は、＃80のアルミナブラストを用い、
５Kgｆ／cm²の圧力で約１分行つた。腐食は、室温
の水750ml、硝酸250ml、酸性フツ化アンモニウム
15ｇの混合液に３分浸漬後、水洗を行うことによ
つて行つた。また、研磨紙による切刃形成は、ベ
ルト運動している＃80のエメリー研磨紙に棒を押
しつけて行つた。その際、切刃を棒長手方向に対
して直角、斜め（約45°）および斜めの交差に作
つた。

これらの棒に実施例１と同様にして1025℃、30
分保持の溶融塩浸漬法による表面処理を行い、油
冷後180℃、１時間の焼もどしを行い、約2.5μｍ
厚さのVC層を作ると同時に冷却中に、母材焼入
を同様に行つた。

第５ないし第７図は、得られた研磨工具の表面
の電子顕微鏡写真（200倍）を、第８ないし第１
０図はその表面の粗さ形状を示す。両図より知ら
れるように、グリツトブラスト（第５，８図）お
よび腐食（第６，９図）で作られた切刃は、VC
被覆後も鋭利で、多数の切刃が形成されている。
これに対して、研磨紙によるもの（第７，１０
図）では、刃先の鋭利さにも乏しく、切刃数も少
なく、またチツプポケツトの量も十分でない。な
お、第７図に見られる斜め方向の線は、前記のご
とく研磨紙により作つた溝である。

これらの工具を、金型製造工場で鋼および放電
加工電極用銅の加工にて試用した。その結果、研
磨紙による切刃形成のものはすべて早期に目詰ま
りが発生して、かかりが悪くなり試用不可能とな
つた。一方、グリツトブラストおよび腐食による
ものは切れ味がきわめて良好であり、目詰まりな
く長期の試用に耐えた。また、被加工材の仕上げ
面がきれいであることも認められた。

なお、グリツトブラストおよび腐食によるもの
でも作つた切刃の形状により、その用途が異な
り、例えば＃80グリツトおよび腐食によるものは
仕上げ用、＃30、＃20、＃10グリツトによるもの
は、被加工材によつて仕上げ用、粗加工用に適し
ていることが認められた。

実施例４実施例３と同様にしてSKD11棒に＃30のアル
ミナグリツトによるブラストを施し、その後、
Fe−Nb粉を添加した硼砂浴によるNbC被覆を行
つた。即ち、1025℃、30分の浸漬後、油冷、180
℃、１時間の焼もどしにより約2μｍのNbC被覆
層を形成させた。また、この研磨工具はHRC60
の母材硬さを得た。これについて切削性能の感応
評価を行つたところ、実施例３のものと同様に切
れ味、目詰まりにおいても良好であつた。

実施例５直径７mm、長さ200mmのJISSKH51丸棒に、実
施例３と同様にして＃30のアルミナグリツトによ
るブラストを施した。これに市販のシアンを含む
塩浴剤を用いて窒化を570℃、３時間の条件で施
した後、一部の丸棒はFe−Ｖ粉の添加された
1025℃の硼砂、一部の丸棒はCr粉の添加された
1025℃の硼砂浴中に、２時間浸漬し、その後取り
出して空冷により母材を焼入強化させた。これに
よつて、前者ではＶ（Ｃ、Ｎ）の、後者ではCr₇
（Ｃ、Ｎ）₃よりなる厚さ約6μｍの炭窒化物層を形
成した。

これらも同様に、感応試験を行つた結果、十分
なかかりと耐久性を有する優れた研磨工具であつ
た。

実施例６実施例３に用いた、グリツトブラスト処理済の
SKD11棒について、流動剤としてアルミナおよ
びFe−Ti粉、また活性剤としてNH₄Cl1.5wt％、
流動ガスとしてアルゴンを用いた1000℃流動層炉
中に２時間保持して、流動層炉法による表面処理
法を施し、その後取り出して空冷焼入を行つた。
これにより約5μｍのTiC層が形成され、母材硬さ
はHRC60となつた。

これも感応試験によつて十分実用可能な研磨工
具であることが確かめられた。

実施例７実施例３と同様にしてSKD11棒に＃30のアル
ミナグリツトによるブラストを施し、これに化学
蒸着法（CVD法）によつて約5μｍ厚のTiC被覆
を施した。CVD法は、四塩化チタン（TiCl₄）中
を通過させてこれを含ませた水素（H₂）とメタ
ン（CH₄）の混合ガスを導入した反応炉の中で、
1020℃で２時間加熱することによつて行つた。反
応炉の温度が下がつてから、これより取り出した
SKD11棒を真空焼入炉中に入れ、1020℃、１時
間さらに焼もどしを加えてHRC62の母材硬さを
得た。

これも、感応試験により、同様に十分なかかり
と耐久性を有することが認められた。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は実施例１で得られた研磨
工具の表面粗さを示す図、第３図及び第４図はそ
の研磨工具の断面の金属組織を示す顕微鏡写真
（400倍）、第５図ないし第７図は実施例３で得ら
れた研磨工具の表面の金属組織を示す顕微鏡写真
（200倍）、第８図ないし第１０図は、その研磨工
具の表面粗さを示す図、第１１図は、やすりの切
刃部の形状の説明図である。１……切刃、２……刃先、３……チツプポケツ
ト、４……すくい角、５……逃げ角、６……刃
角。

Claims

【特許請求の範囲】１鋼部材の表面にグリツトブラストあるいは腐
食により、鋭利な先端部を有する凹凸模様を設け
た後、該鋼部材の表面に拡散処理法、化学蒸着法
等によつて炭化物、窒化物あるいは炭窒化物から
なる被覆層を形成することを特徴とする研磨工具
の製造法。２グリツトブラストは、アルミナ、ジルコニ
ヤ、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、ダイ
ヤモンドの粒子を用いて行うことを特徴とする特
許請求の範囲第１項に記載の研磨工具の製造法。３グリツトブラストに用いるグリツトの粒径
は、８〜220番であることを特徴とする特許請求
の範囲第１項に記載の研磨工具の製造法。４腐食は硝酸、塩酸、硫酸、酢酸、塩化第二鉄
の１種叉は２種以上の水溶液中に鋼部材を浸漬す
ることにより行うことを特徴とする特許請求の範
囲第１項に記載の研磨工具の製造法。５表面層は、１〜10μｍの厚みに形成すること
を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の研磨
工具の製造法。