JPH03149186A - メタルボンド工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は金属粉末をマトリックスとして用い、マトリッ
クス中に固体潤滑材および高硬度の砥粒を分散し、焼結
によって一体に結合してなるメタルボンド工具に係り、
特に製造時に上記原料混合粉末を常温成形する際の成形
性が優れるとともに、工具として研削性能が良好で、寿
命が長いメタルボンド工具に関する。

（従来の技術） 酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭
化ケイ素などの高硬度ファインセラミックスの研削加工
、仕上加工に使用される研削工具として、砥粒にダイヤ
モンドを使用したメタルポンドダイヤモンド工具が、従
来より広く用いられている。

またバナジウム（Ｖ）を含む高速度鋼やマルテンサイト
系ステンレス鋼などの難削合金材の研削加工や仕上加工
においては、砥粒として立方晶窒化硼素（以下ｒＣＢＮ
Ｊと略称する。）をマトリックス中に分散させたメタル
ボンド窒化硼素工具が使用されている。

上記のようなメタルボンド工具のうち、例えば砥粒にダ
イヤモンド粉末を用いるメタルボンドダイヤモンド工具
は、一般に金属粉末および必要により金属化合物を含む
金属粉末とダイヤモンド粉末砥粒とを混合し加圧成形し
た後に焼結して形成される。この焼結操作によってマト
リックスとダイヤモンド粉末砥粒との結合力、機械的強
度の向上が図られ、形成されたメタルボンドダイヤモン
ド工具は、適宜ドレッシングによって砥石表面を再生し
ながら研磨・研削用工具として使用されている。

ところで、切込み深さが大きい重研削加工に適したメタ
ルボンドダイヤモンド工具の場合、マトリックスの原料
としては、炭素含有量が大きな鉄基鋳造材の切粉を、ボ
ールミルまたはスタンプ法などで粉砕した粉末が使用さ
れる。そして得られた高炭素鉄基合金粉末にダイヤモン
ド砥粒を均一に混合し、例えば金型プレス機を使用して
、圧力１２１０＋＋／ｃａｒ程度の条件で圧縮成形して
得られた成形体を、さらに１１００℃で３０分間程度焼
結してを行ない、砥粒層を形成している。砥粒の周囲に
は炭素粒子が分散するように固定される。この炭素粒子
は研削対象物との研削抵抗を低減する潤滑材として働く
一方、マトリックスはダイヤモンド砥粒を支持固定する
保持材として機能する。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら炭素含有量が多い鉄基合金鋳造材は硬度が
大きいために成形性が悪く、圧縮成形時に所定の形状を
成形するためには高温度条件で大きな加圧力と長い成形
時間が必要とされる。そのため高価な金型の損耗が著し
く金型の再研磨および交換を高頻度で行なう必要があり
、製造コストが増大するとともに製造効率が大幅に低下
してしまうという問題点があった。

特に常温金型プレスによって、原料粉末を加圧成形する
場合には圧密か困難であり、成形体にボアが生じ易く、
焼結して工具とした場合に低い研削比しか得られない。

また成形時の抜き圧が太きくなり効率的な成形操作が困
難となる。さらにパンチを抜く際に成形体に割れや欠け
が発生し易く製品の歩留りが大幅に低下してしまう問題
点があった。

また、従来の粉砕方法で粉砕して得られた鉄基合金粉末
は、炭素の析出物の大きさが数十μｍないし１００μｍ
と砥粒の平均粒径（１０〜３５μｍ）に比較して大きく
、また形状的にも不均一である。

そのため粉砕操作によって粉末中に保持されていた炭素
粒子の脱落が起り易く、粉末中の炭素の分布および形状
が不均一になる。そしてこの鉄基合金粉末を焼結してマ
トリックスを形成した工具材料では、炭素析出物の径が
大きいことから、研削時においても炭素析出物が脱落し
易く潤滑機能が低下する。また炭素析出物の脱落によっ
て生成した窪みに削り屑や磨き屑が堆積して目詰りを発
生し、さらに目詰りによって潤滑機能が喪失され、焼き
付きによるマトリックスの破損や塑性変形を生起する。

また砥粒の近傍に窪みが形成されることによって砥粒に
対するマトリックスの保持強度が急減し、ダイヤモンド
砥粒の脱落が急増して、研削研磨効率の低下を招き、さ
らに高い仕上げ精度が得られないという問題があった。

また従来のメタルボンドダイヤモンド工具の製造工程に
おいては、合金粉末原料に炭素粉末を直接添加して焼結
操作を行なうことによって焼結体中に炭素粒を分散させ
る方法も一般的に採用されている。しかし、この方法で
は砥粒層全体に潤滑材としての微小な炭素粒を均一に分
散させることが困難であり、粗大な炭素粒が焼結体中に
偏積してしまう傾向があった。そのため炭素析出物およ
び砥粒の脱落が多く、これにより研削・研磨加工の効率
が低下し、高い仕上げ精度が得られない上に、砥石自体
の寿命が短いという根本的な問題点があった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、研削加工の際に砥粒および潤滑材の脱落が少なく
、高い効率で研削・研磨加工を実施することが可能であ
り、寿命が長い経済的なメタルボンド工具を提供するこ
とを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段と作用） 本願発明者等は、従来の砥粒層の研磨特性が砥粒層を構
成する材料の種類および材料の粒径に起因することを見
い出し、合金粉末の粒径、砥粒の種類および粒径、固体
潤滑材の種類および粒径とを種々変えて砥粒層を形成し
、その研磨特性を調査した。

その結果、砥粒としてダイヤモンドおよび立方晶窒化硼
素の少なくとも一種を含有する一方、固体潤滑材として
二硫化モリブデンおよび六方晶窒化硼素の少なくとも一
種を１〜５重量パーセント含有するとともに、上記固体
潤滑材の平均粒径を砥粒の平均粒径の１／３以下に設定
した焼結体から成る砥粒層を形成したときに、従来と比
較して研削特性が格段に優れたメタルボンド工具を得る
ことができた。

またマトリックスとなる金属粉末の焼結前の平均粒径を
砥粒の平均粒径の１／３以下に調整したときに、砥粒お
よび固体潤滑材の脱落が効果的に抑制され、寿命の長い
砥粒層を得ることができた。

本発明は上記の知見に基づいてなされたものである。

本発明に係るメタルボンド工具のマトリックスとして使
用する金属粉末としては、Ｆｅ、Ｎｉ。

Ｃｕ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ａオ、Ｍｎ、Ｃｒなどの金属
元素の単体または２種以上の元素から成る合金材が使用
される。原料金属粉末の組成は、必要とされるマトリッ
クスの強度、伝熱性、加工対象の種類等を勘案して決定
されるが、一般に砥粒の保持強度を高くするために、２
種以上の金属を複合化させた合金材が使用される。しか
し半導体材料のように加工時におけるＦｅの混入を極度
にきらう加工対象を研削するメタルボンド工具用の金属
粉末にはＦｅを含有しないものが採用される。

合金材を粉末化する手段としては、例えば合金材の鋳塊
片をボールミル、スタンプミルによって粉砕する方法や
合金材を溶湯噴霧法等の急冷法を使用して微細化する方
法がある。

上記溶湯噴霧法は、原料の溶湯をガス噴霧、水噴富、遠
心噴霧によって粉体化する方法であり、噴霧条件により
適当な冷却速度と粉末粒径になるように調整して所望の
原料粉末を得る方法である。

また砥粒としては、ダイヤモンド粉末の他にＣＢＮを混
合して使用することもできる。ダイヤモンドおよびＣＢ
Ｎのヌープ硬さはそれぞれ、５１００．８５００ｋｇ／
−以上といずれも極めて高い硬度を有し、難研削材の加
工用砥粒として有用である。特にＣＢＮ砥粒は、耐熱性
に優れているため、冷却材を使用しない乾式加工用砥粒
として急速に用途を拡大している。

また固体潤滑材としては、二硫化モリブデンおよび六方
晶窒化硼素の少なくとも一種から成る粉末状の固体潤滑
材を使用し、この固体潤滑材は、焼結体に対して１〜５
重量パーセント含有するように添加される。二硫化モリ
ブデン（Ｍ　ｏ　Ｓ　２　）粉末は、塑性加工における
工具と材料との間の摩擦力を低減するために広く使用さ
れている。−方六方品窒化硼素は、ＣＢＮ　（立方晶窒
化硼素）と異なり六方晶の結晶構造を有し、固体潤滑材
としての機能に優れ、研削抵抗を大幅に低減することが
できる。

焼結体に対する固体潤滑材の含有量が１％未満であると
研削加工時における潤滑作用が十分に発揮されない一方
、５％を超えると、マトリックスの耐衝撃強度が低下し
、砥粒に対する保持力が低下して砥粒の脱落が顕著とな
り研削性能が低下する。したがって固体潤滑材の含有量
は１〜５％重量パーセントの範囲に設定される。

さらに固体潤滑材の平均粒径は砥粒の平均粒径の１／３
以下に設定される。この粒径比は砥粒を保持するマトリ
ックスの強度および研削特性に大きな影響を及ぼすもの
で、粒径比が１７３を超えると、詞滑材と砥粒との均一
な分散状態が得られず、またマトリックスからの固体潤
滑材の脱落が顕著になり、潤滑性能が低下するとともに
目詰りの発生頻度が高くなる。また砥粒近傍の固体潤滑
材が脱落することによって砥粒側方に窪みを生じ、マト
リックスの強度が低下する。そのため砥粒を保持固定す
る保持力が急激に低下し砥粒の脱落をも増加せしめる結
果、砥粒層の消耗が著しく、ドレッシングの必要回数が
急増する。したがって、固体潤滑材の平均粒径は砥粒の
平均粒径の１／３以下に設定される。

また本発明に係るメタルボンド工具は、マトリックスと
なる金属粉末と、固体潤滑材と、砥粒との混合粉末を、
常温金型プレス機等によって圧縮成形し、得られた成形
体を焼結によって一体に結合して形成される。この場合
、焼結操作前の金属粉末の平均粒径は砥粒の平均粒径の
１／３以下に設定することが好ましい。これは粒径比が
１７３を超えると、砥粒の分布が不均一となり、砥粒の
表面近傍に金属粉を均一に配置することが不可能であり
、砥粒同士が接する部分が増大し、成形性を劣化させる
ばかりでなく、研削中の砥粒の脱落を招き、工具として
の研削・研磨能力が低下するためである。

このように本発明に係るメタルポンド工具は、固体潤滑
材として二硫化モリブデンや六方晶窒化硼素を原料金属
粉末中に添加して製造されるため、圧縮成形操作が極め
て容易になる。すなわち添加された二硫化モリブデンや
六方晶窒化硼素は、圧縮成形時に潤滑材として作用する
ため、小さな加圧力で短時間内に所定形状を有する高密
度の成形体を形成することができる。そのため成形用金
型の損傷が少なく、工具の製造コストが大幅に低減され
るとともに、成形用金型の交換頻度が減少するため、工
具の製造効率を大幅に高めることができる。

またマトリックスを形成する金属粉末と、ダイヤモンド
およびＣＢＮの少なくとも一方から成る高硬度の砥粒と
、潤滑性に優れた硫化モリブデン、六方晶窒化硼素から
成る潤滑材とを焼結して形成されているため焼結体中に
砥粒と潤滑材とを均一に分散させることが可能であり、
良好な研削仕上面が得られるとともに、常に安定した潤
滑作用を受けることが可能となり加工時における研削抵
抗が低減される。

また固体潤滑材の平均粒度およびマトリックスを形成す
る金属粉末の平均粒径を、砥粒の平均粒径に対して１７
３以下に調整しているため、潤滑材および砥粒の支持材
となる金属粉末を、砥粒の周辺に均一に分散配置するこ
とができる。

したがって、研削加工時の潤滑機能が充分に発揮される
とともに、支持材としてのマトリックスの強度が充分確
保され、砥粒の脱落が抑制される結果、常に高い研削効
率を維持できる上に砥粒層の寿命を大幅に延伸させるこ
とができる。

（実施例） 次に本発明について以下に示す実施例を参照して、より
具体的に説明する。

実施例１〜３および比較例４〜６ 実施例１〜３として、炭素３．０％、Ｓｉｌ。

５％、残＠Ｆｅより成る鉄基合金粉末８０〜８３％に対
して、第１表に示すように、平均粒径１００μｍで鋭い
ブロッキーな稜線形状を有するダイヤモンド粉末を１５
％混合し、さらに平均粒径が３０μｍの二硫化モリブデ
ンを２〜５％添加した混合物を乳鉢にて均一に混合した
。上記合金粉末は、溶湯噴霧法によって調製され、その
平均粒径は３０μｍであった。

次に上記各組成の混合物を外径８０Ｗ１内径１５ｍの金
型ブレス機の原料空間に充填し、圧力１２ｔｏｍ／ｃａ
ｒの加圧力を作用させて圧縮成形し、得られた成形体を
真空条件下で温度１１００℃で３０分間焼結を行なった
。そして整形加工を施し、幅１０■のダイヤモンド砥石
を形成した。

また比較例４．５．６として二硫化モリブデン粉末の混
合割合をそれぞれ０．５％、７％、０％に設定した原料
混合物を、実施例１〜３と同様な製造方法で常温金型成
形し焼結した後に加工を施し、外径８０■、内径１５■
、幅ｌＯ■のダイヤモンド砥石とした。

こうして得られた実施例１〜３および比較例４〜６のダ
イヤモンド砥石を使用してビッカース硬度１７００のＳ
　ｓ　３　Ｎ　４の研削加工を起った。研削加工条件は
、回転数３００Ｏｒｐｍ、送り速度５ｍ／ｗｉｎ、研削
幅１０１１Ｉｍ１切込み深さは、０゜２５ｍｍに設定し
た。

こうして得られた研削試験結果を第１表の実施例１〜３
、比較例４〜６に対応する右欄に示す。

ここで第１表に示す砥石の表面状態については、実体顕
微鏡による観察結果を示すものである。その表面状態の
評価は、千の表面に目詰り等がなく良好であるものをＯ
とする一方、表面全面に「だれ」および一部に「割れ」
が視認されるものを×とした。さらに研削比は、砥石損
耗量に対する被研削材の除去量の比で表わしている。

第１表の結果かられかるように固体潤滑材としての二硫
化モリブデン粉末の含有量を１〜５重量％の範囲内に設
定した実施例１〜３のダイヤモンド砥石は、上記範囲外
に設定した比較例４，５および二硫化モリブデンを添加
しない比較例６と比較して研削比がいずれも高く、研削
性能が優れ、長い寿命を有することが判明する。

また砥石の表面状態についてもいずれも良好であり、潤
滑機能が十分発揮されていること、また砥粒の保持力が
高いことが実証された。

また金型プレス機による圧縮成形性の良否を確認するた
めに、実施例１〜３、比較例４〜６の原料混合粉末につ
いて抜き圧試験を実施したところ、二硫化モリブデンを
適量に添加した実施例１〜３および過量に添加した比較
例５における抜き圧は、比較例４，６と比較して１７２
〜１７３に低減できることが確認された。

したがって実施例１〜３によれば成形時に潤滑性が充分
発揮されるため、成形性が向上し、成形体に割れや欠け
が発生することが少ない。そのため製品の歩留りを高く
することができる上に、金型の寿命を延ばすことができ
、工具の製造コストを大幅に低減することができる。

実施例７〜８および比較例９ 次に実施例７〜８として、実施例１〜３と同一組成を有
し、平均粒径が３０μｍの金属粉末７７重量％に対して
、固体潤滑材として平均粒径が９．２８μｍの六方晶窒
化硼素を３重量％添加し、ざらに砥粒として平均粒径８
８μｍのＣＢＮを２０重量％の割合で加え、均一に混合
した混合物を前記実施例１〜３と同様に常温金型プレス
成形し、同一の焼結加工条件で焼結し、外径８０−、内
径１５■、幅１０■のＣＢＮ砥石を形成した。

また比較例９として、平均粒径が４４μｍ、である六方
晶窒化硼素を実施例７〜８と同一割合（３％）で混合し
た混合物を同一方法で処理して、同一形状のＣＢＮ砥石
を形成した。

上記の実施例７〜８および比較例９のＣＢＮ砥石を使用
して実施例１〜３と同様の加工条件で超硬合金の研削加
工を実施し、砥石の表面状態および研削比を測定し、潤
滑材である六方晶窒化硼素の粒径の大小が研削特性に及
ぼす影響を調査した。

研削試験結果は第１表の対応する右欄に示す。

第１表の結果から理解されるように、潤滑材である六方
晶窒化硼素の平均粒径を砥粒の平均粒径の１／３以下で
ある０、１０と０．３２とに設定した実施例７．８の場
合は、１／３より大きく設定した比較例９と比較して、
砥石の表面状態がいずれも良好であり、研削比も優れて
いる。これは微細な六方晶窒化硼素が焼結体内の砥粒の
周辺に均一に分散しているため、潤滑性能が優れ、また
マトリックス強度が増加し、砥粒および固体潤滑材の脱
落が抑制されたことに起因する。

また実施例７，８および比較例９の各原料混合粉末につ
いて抜き圧試験を行なったところ、いずれの抜き圧も、
比較例６の場合の約１７２に低減されることが判明し、
成形性が大幅に改善されることが確認された。

実施例１０〜１２および比較例１３〜１４実施例１０〜
１２として、まず炭素３．０％、Ｎｉ２％、Ｃｏ１％、
残部鉄から成り、平均粒径が３３μｍである鉄基合金粉
末を通常の溶湯噴霧法によって調製した。次に第１表に
示すように得られた合金粉末に対して砥粒として平均粒
径１００μｍのダイヤモンドとＣＢＮとをそれぞれ加え
、さらに固体潤滑材として平均粒径３０μｍの二硫化モ
リブデンおよび六方晶窒化硼素を第１表に示す割合で混
合した。得られた原料混合粉末を実施例１〜３と同様な
条件で金型プレス成形した後に焼結し、ダイヤモンドＣ
ＢＮ複合砥石を形成した。

また比較例１３．１４として、マトリックスとなる金属
粉末の平均粒径を５２μｍ、９０μｍと変え、砥粒の平
均粒径（１００μｍ）に対する粒径比を０．５２〜０．
９０と変化させてその研削性能に及ぼす影響を観察した
。

実施例１０〜１２および比較例１３〜１４で得られたダ
イヤモンドＣＢＮ複合砥石を使用して、実施例１〜３と
同様な加工条件でＳｉ３Ｎ４の研削加工試験を実施した
ところ、下記第１表の右欄に示す結果を得た。

なお、第１表中砥粒欄の記号りはダイヤモンドを示し、
記号ＣＢＮは立方晶窒化硼素を示し、また、潤滑材欄の
記号Ｍは硫化モリブデン、記号ＨＢＮは六方晶窒化硼素
を示す。

〔以下余白〕

第１表の結果かられかるようにダイヤモンド砥粒とＣＢ
Ｎ砥粒との混合砥粒を使用し、固体潤滑材を２重量％程
度含有している場合においては、良好な砥石表面状態を
維持することが可能であり、併せて高い研削比を確保す
ることができる。

しかし比較例１３．１４に示すようにマトリックスとな
る金属粉末の平均粒径が砥粒の平均粒径の１／３を超え
る場合は、砥粒の脱落が増加し、研削比が逆に低下する
。したがってマトリックスを構成する金属粉末の平均粒
径は砥粒の平均粒径の１／３以下に設定することが必要
となる。

〔発明の効果〕

以上説明の通り本発明に係るメタルボンド工具は、固体
潤滑材として二硫化モリブデンや六方晶窒化硼素を原料
金属粉末中に添加して製造されるため、圧縮成形操作が
極めて容易になる。すなわち添加された二硫化モリブデ
ンや六方晶窒化硼素は、圧縮成形時に潤滑材として作用
するため、小さな加圧力で短時間内に所定形状を有する
高密度の成形体を形成することができる。そのため成形
用金型の損傷が少なく、工具の製造コストが大幅に低減
されるとともに、成形用金型の交換頻度が減少するため
、工具の製造効率を大幅に高めることができる。

またマトリックスを形成する金属粉末と、ダイヤモンド
およびＣＢＮの少なくとも一方から成る高硬度の砥粒と
、潤滑性に優れた硫化モリブデン、六方晶窒化硼素から
成る潤滑材とを焼結して形成されているため焼結体中に
砥粒と潤滑材とを均一に分散させることが可能であり、
良好な研削仕上面が得られるとともに、常に安定した潤
滑作用を受けることが可能となり加工時における研削抵
抗が低減される。

また固体潤滑材の平均粒度およびマトリックスを形成す
る金属粉末の平均粒径を、砥粒の平均粒径に対して１７
３以下に調整しているため、潤滑材および砥粒の支持材
となる金属粉末を、砥粒の周辺に均一に分散配置するこ
とができる。

したがるで、研削加工時の潤滑機能が充分に発揮される
とともに、支持材としてのマトリックスの強度が充分確
保され、砥粒の脱落が抑制される結果、常に高い研削効
率を維持できる上に砥粒層　の寿命を大幅に延伸させる
ことができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、砥粒と、固体潤滑材と、マトリックスを形成する金
   属粉末とを一体に焼結してなるメタルボンド工具におい
   て、砥粒としてダイヤモンドおよび立方晶窒化硼素の少
   なくとも一種を含有する一方、固体潤滑材として二硫化
   モリブデンおよび六方晶窒化硼素の少なくとも一種を１
   〜５重量パーセント含有するとともに、上記固体潤滑材
   の平均粒径を砥粒の平均粒径の１／３以下に設定したこ
   とを特徴とするメタルボンド工具。 ２、金属粉末の平均粒径は、砥粒の平均粒径の１／３以
   下に設定した請求項１記載のメタルボンド工具。