JPH10309670A - 多孔質ダイヤモンド切刃の構造およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】レジン砥石は、鉄鋼の研削性は良好であるが、
磨耗速度が速く、作業寿命が短い。また、メタル系ボン
ド砥石は、レジン砥石より作業寿命は長いものの、研削
性は余り良くない。さらに、ビトリファイ砥石は、砥石
を形成するボンドが脆弱なため、作業中に欠損し易いと
いう欠点を有していた。 【解決手段】ダイヤモンド粒１と、前記ダイヤモンド粒
を接合する接合部材２と、前記接合部材で接合されたダ
イヤモンド粒を支持する支持基板とからなり、前記接合
部材は、隣接するダイヤモンド粒を小接点３で接続して
形成した多孔質ダイヤモンド切刃の構造とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、石材や管材など
種々の部材であるワークの切断、研磨、切削、穿孔ある
いは掘削を行うダイヤモンド粒の切刃を備えるダイヤモ
ンド切刃工具に係り、特に、鉄鋼材料の切断を可能とし
た多孔質ダイヤモンド切刃の構造およびその製造方法に
関する。

【従来の技術】

【０００２】従来、ダイヤモンド工具を製造する場合
は、図５（ａ）（ｂ）で示すように、焼結手段および電
着結合法とが知られている。図５（ａ）で示すように、
焼結手段では、例えば、ダイヤモンド粒子５１と、コバ
ルト粉末あるいはコバルトと銅と錫との混合粉末などを
混合し、窒素や、水素あるいは、水素と窒素または、真
空などの雰囲気中で９００〜１０００°Ｃの温度に保持
しながら熱間加圧するいわいるホットプレス法により、
前記金属粉末を圧粉焼結させてダイヤモンド粒子を固定
した焼結チップ５２をつくり、この焼結チップをロウ付
けまたはレーザー溶接などにより鋼基材に取り付けてい
る。

【０００３】また、電着結合法では、例えば、鋼基材を
被メッキ材とし、メッキを施さない部分をメッキ用レジ
ストなどでマスキングした後、下地ニッケルメッキを施
し、次いで界面活性剤である所定量のダイヤモンド粒子
６１を分散させた分散液を混合して作ったニッケルメッ
キ液を用いて電気メッキを行い共析するダイヤモンド粒
子を電着ニッケル６２で固定している。

【０００４】前記焼結手段では、図５（ａ）で示すよう
に、ダイヤモンド粒子５１の保持は囲繞する焼結金属の
収縮と内部歪みとによる抱き込み力に依存するため、ダ
イヤモンド粒子６１は焼結金属に覆われた状態となる。
また、図５（ｂ）で示すように、電着結合法では、電着
金属６２が盛り上がりを示し、電着金属６２により抱き
込まれた状態でダイヤモンド粒子６１が保持される。

【０００５】そのため、前記構成の状態のダイヤモンド
粒子５１、６１を使用して鉄鋼材料の切削あるいは研削
を行うと、ダイヤモンド粒子５１、６１に発生する熱を
発散できず、ダイヤモンド刃先が黒鉛化すると共に作業
中に一定の高温を越えると酸素存在下で鉄と反応してセ
メンタイト（Ｆｅ₃ Ｃ）を生成してしまい黒鉛化して脆
弱化し、ダイヤモンド刃先が著しく磨耗して、切削が不
可能となる。

【０００６】そのため、従来、鉄鋼の切削や研削は砥石
で行われていた。前記砥石は、レジン砥石（フェノール
樹脂などを使用）や、ビトリファイド砥石（ガラス質あ
るいは磁製の結合材を使用）、あるいは、メタル系ボン
ド砥石を用いたものが使用されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記砥
石で鉄鋼を切削する場合、つぎのような問題点が存在し
ていた。

【０００８】 レジン砥石は、鉄鋼に対して研削性な
どは良好であるが、磨耗速度が速く、作業寿命が短かっ
た。 メタル系ボンド砥石は、レジン砥石より作業寿命は
長いものの、研削性などは余り良いとはいえなかった。

【０００９】 ビトリファイ砥石は、前記レジン砥石
およびメタル系ボンド砥石の中間的な性能を備えている
が、砥石を形成するボンドが脆弱なため、作業中に欠損
し易いという欠点を有していた。

【００１０】この発明は、上記の問題点に鑑み創案され
たもので、ダイヤモンド粒を接合する接続部材を適切に
することで、ダイヤモンドの放熱性や熱伝導度、熱容量
の大きいことなどダイヤモンドの特性を生かして鉄鋼の
切削、研削などの作業を行うことができる多孔質ダイヤ
モンド刃工具およびその製造方法を提供することを目的
とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、この発明は、ダイヤモンド粒と、前記ダイヤモンド
粒を接合する接合部材と、前記接合部材で接合されたダ
イヤモンド粒を支持する支持基板とからなり、前記接合
部材は、隣接するダイヤモンド粒を小接点で接続して形
成した多孔質ダイヤモンド切刃の構造とした。

【００１２】ダイヤモンド粒の周りに、周設手段により
活性ロウ層を設け、７５０度ないし９５０度で焼結する
ことで、前記ダイヤモンド粒間の結束力を付与する多孔
質ダイヤモンド切刃の製造方法とした。

【００１３】活性ロウ層を周設手段によりダイヤモンド
粒の周りに設け、７５０度ないし９５０度の範囲で一定
時間焼結作業を行い、多孔質ダイヤモンド切刃を製造す
る方法であって、前記ダイヤモンド粒の粒度の大きさ
と、前記活性ロウ層の被覆厚さからダイヤモンド粒間の
空隙率を決定する多孔質ダイヤモンド切刃の製造方法と
した。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
図面に基づいて説明する。図１は、多孔質ダイヤモンド
の接合状態を示す原理図、図２は、多孔質ダイヤモンド
切刃とレジンボンドを使用したダイヤモンドの割合を比
較する原理図、図３は多孔質ダイヤモンドを切削工具に
適用した状態の斜視図である。

【００１５】図１（ａ）（ｂ）で示すように、ダイヤモ
ンド粒１を使用して多孔質ダイヤモンド切刃を構成する
場合は、はじめに、所定粒度のダイヤモンド粒１を溶剤
と活性ロウである例えば銀ロウを混合してペースト状に
形成した粘性液２に浸漬させ、そのダイヤモンド粒１の
周りに粘性液２を均等に付着（活性ロウ層）させる。

【００１６】なお、ダイヤモンド粒１の周りに粘性液２
を均質に付着させる付着手段としては、粘性液コート装
置を使用しても良い。すなわち、前記粘性液コート装置
は、ダイヤモンド粒を所定範囲のケーシング内で空気の
噴射により流動化状態とし、その流動化状態にあるダイ
ヤモンド粒に前記ケイシングに開口を有する供給ノズル
から、アルコールとボンドおよび銀ロウなどを溶解させ
た粘性液（スラリ液）を霧状にして吹きつける構成とし
ている。前記粘性液２を吹きつける場合、ダイヤモンド
粒に所望の厚みになるように調整することもできるもの
である。

【００１７】つぎに、図１（ｃ）（ｄ）で示すように、
ダイヤモンド粒１の周りに粘性液２が均一な厚みで設け
られると、耐熱性モールド内に設けた金属基板の周りに
充填されて、７５０度から９５０度の間の温度で焼結さ
れ、前記粘性液２が小接点３となり空隙率の大きな多孔
質ダイヤモンド切刃４が構成される。

【００１８】図４で示すように、前記粘性液２の小接点
３となるには、表面張力と凝集力および張力のバランス
により、ダイヤモンド粒（固体Ｓ）１と，接触角θで接
触する粘性液２（Ｌ）と、その周りの気体Ａとの関係
式、γ×Ａ／Ｌ（表面張力）、γ×Ｌ／Ｓ（凝集力）お
よび、γ×Ａ／Ｓとの関係から決定される。なお、γ×
Ａ／Ｓ≦あるいは≧γ×Ｌ／Ｓ＋ｃｏｓθγ×Ａ／Ｌの
関係がある。

【００１９】また、工具の種類によっては、ダイヤモン
ド粒１を焼結する際に、取り付ける基板の所定位置に配
置した状態で焼結し、その後、レーザ溶接作業によりダ
イヤモンド切刃を基板に固定する構成とする場合もあ
る。

【００２０】なお、前記焼結温度を７５０度から９５０
度の範囲で行っているのは、７５０度以下であると、ダ
イヤモンド粒１の周りに設けた粘性液２の接触角θが大
きくなりすぎ小接点とならず、９５０度以上であると、
ダイヤモンド粒１と粘性液２との接触角θが小さくなり
すぎて、焼結したときに接合強度を損なうことになるた
めである。

【００２１】図２で示すように、多孔質ダイヤモンド切
刃１０のダイヤモンド粒１の接合状態を、原理的に従来
のレジンボンドによるダイヤモンド切刃１５と比較して
みると、つぎのようになる。多孔質ダイヤモンド切刃１
０は、ダイヤモンド粒１が球体であると仮定して最密充
填した場合、ダイヤモンドの占める容積は７５％であ
る。

【００２２】これに対し、前記レジンボンドによるダイ
ヤモンド切刃１５の最高ダイヤモンド濃度の集中度１０
０％（４．４ｃｔ／ｃｍ³ ）では、ダイヤモンドの比重
を３．５とすると、 ４．４×０．２／３．５＝０．２５ であり、すなわち、この値は、レジンボンド中のダイヤ
モンドの占める割合を示し２５％であることを表してい
る。

【００２３】今、前記レジンボンドでダイヤモンドの集
中度＝１００％（２５％×４）と仮定し、ダイヤモンド
粒度５０ｍｅｓｈ（２９０μｍ）とすると、１粒のダイ
ヤモンドの重量は、 ０．５２３６×０．０２９³ ×３．５＝０．００００４
４７ｇ となり、１ｃｔ（カラット）当たりの粒数は、 ０．２／０．００００４４７＝４４７４粒／ｃｔ となり、ダイヤモンドの集中度を１００％と仮定してい
るので、 ４．４×４４７４＝１９６８６粒／ｃｍ³ となる。

【００２４】一方、多孔質ダイヤモンド切刃を３００％
（７５％×４）で１９６８６粒／ｃｍ³ として、ダイヤ
モンド粒度を計算すると、 ４．４×３００％×０．２／１９６８６＝０．０００１
３４ｇ ０．０００１３４／３．５＝０．００００３８３ｃｍ³ ０．５２３６×ｄ³ ＝０．００００３８３ ｄ＝０．０４１８３ｃｍ＝０．４１８ｍｍ＝４１８μｍ となり、ほぼ４０ｍｅｓｈのダイヤモンド粒度の換算で
あることがわかる。

【００２５】したがって、前記レジンボンドのダイヤモ
ンド粒度５０ｍｅｓｈと、多孔質ダイヤモド切刃のダイ
ヤモンド粒度が４０ｍｅｓｈとを比較した場合、被切削
物に当接する切刃数がほぼ同一となりダイヤモンド粒度
が異なるにもかかわらず、切削性も、仕上面粗度も同程
度に構成することが可能となる。

【００２６】また、ダイヤモンドの強度は、粒度に比例
するので、一粒の強度は、 ５０：４０＝２９０³ ：４２０³ ５０×４２０³ ＝４０×２９０³ ≒３：１ となり、多孔質ダイヤモンド切刃の構成が高強度とな
る。

【００２７】さらに、多孔質ダイヤモンドの放熱性はダ
イヤモンドの表面積に比例するので、５０ｍｅｓｈと４
０ｍｅｓｈのダイヤモンド粒度を比較すると、 ５０：４０＝２９０² ：４２０² ５０×４２０² ＝４０×２９０² ≒２．６：１ となり、５０ｍｅｓｈのほうが４０ｍｅｓｈのダイヤモ
ンドより放熱性が２６０％優れていることが分かる。

【００２８】なお、前記のダイヤモンドの粒度は５０ｍ
ｅｓｈと４０ｍｅｓｈの間で比較したが、それ以外の粒
度の状態でも適用されることは勿論である。表１にダイ
ヤモンド粒のｍｅｓｈ番号と、ダイヤモンド粒の粒度お
よび１ｃｔ（カラット）当たりの粒数の関係を示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】つぎに、多孔質ダイヤモンド切刃の空隙率
を決定する場合の説明をする。ダイヤモンド粒度を２９
０μｍ〜４２０μｍの間のものを使用する場合、人造ダ
イヤモンドの比重は、３．５であり、そのとき使用する
粘性液として２％のチタン（Ｔｉ）を含んだ銀ロウの比
重は８．０である。このときのダイヤモンドの充填率を
ほぼ５０％として（理論充填密度は、７５％であるが、
ダイヤモンドの場合球体ではないため実験値平均とし
た）計算する。なお、ダイヤモンドの平均粒度を３５５
μｍとし形状を球体と仮定する。

【００３１】１ｃｍ³ 当たりのダイヤモンドの重量は、
３．５／２＝１．７５ｇである。したがって。ダイヤモ
ンド１粒当たりの重量は、 ０．５２３６×０．０３５５³ ×３．５＝０．００００
８２ｇ となる。そして、１ｃｍ³ 中のダイヤモンド粒数は、 １．７５／０．００００８２＝２１．３４１粒 となる。

【００３２】ダイヤモンド一粒の表面積は、π×０．０
３５５² ＝０．００３９６ｃｍ² となる。そして、１ｃ
ｍ³ 中に含まれるダイヤモンド粒の全表面積は、 ０．００３９６×２１．３４１＝８４．５ｃｍ² である。

【００３３】一方、粘性液をダイヤモンド表面に被覆し
た厚みを０．１ｍｍとすると、活性ロウの容積は、 ８４．５×０．０１＝０．８４５ｃｍ³ である。そして、被覆時の粘性液の密度は、ほぼ３０％
となるため、その実容積は、０．８４５×３０％＝０．
２５ｃｍ³ となり、活性ロウの重量は、 ０．２５×８．０＝２ｇ となる。

【００３４】したがって、空隙率は、１００％−（ダイ
ヤモンドの容積＋活性ロウの容積）となり、 １００−（５０＋２５）＝２５％ となる。すなわち、空隙率（放熱）は、あらかじめ計画
した計算の値により決定できることが分かる。

【００３５】したがって、重切削あるいは難加工の被加
工物を扱うような工具を形成する場合は、空隙率を大き
くし、放熱性が大きくなるように構成し、軽切削あるい
は易加工の被加工物を扱うような工具では、空隙率を小
さくし、多孔質ダイヤモンド切刃の強度を求める構成と
すると都合が良い。

【００３６】

【実施例】つぎに、図３で示すように、４インチ径の支
持基板２１の周縁に切刃厚さＴを５ｍｍで多孔質ダイヤ
モンド切刃２０を備えた多孔質ダイヤモンド砥石２２と
して構成し、他方、４インチ径の切刃厚さ５ｍｍのアル
ミナ系ビトリファイド砥石（図示せず）の構成で比較す
る。

【００３７】作業条件としては、軟鋼であるワークＷ
を、周速Ｒを３５０ｍ／ｍｉｎ、切り込み深さＤを２ｍ
ｍで、送り速度１００ｍｍ／ｍｉｎとして切削作業を行
うと次のような測定結果を示した。

【００３８】作業直後の多孔質ダイヤモンド砥石２２の
作用面の温度は、５０度（切り込み深さ２ｍｍおよび３
ｍｍ）であった。これに対し、アルミナ系ビトリファイ
ド砥石の作業直後の作用面の温度は、切り込み深さ２ｍ
ｍの場合、８５度で、切り込み深さ３ｍｍの場合、１３
０度であった。

【００３９】また、比切削抵抗および切削抵抗は、多孔
質ダイヤモンド砥石２２が、アルミナ系ビトリファイド
砥石の６２パーセントであった。

【００４０】また、５０ｍｅｓｈ（２９０μｍ）のダイ
ヤモンド砥石で、集中度＝１００％（４．４ｃｔ／ｃｍ
³ ）のレジンボンドのダイヤモンドホイールと、４０ｍ
ｅｓｈ（４２０μｍ）の多孔質ダイヤモンドで空隙率３
０％の多孔質ダイヤモンドホイールのを使用し、炭化タ
ングステン（ＷＣ）−コバルト（Ｃｏ）系の超硬合金、
ＪＩＳでＨ−５５０１超硬合金規格、Ｇ種−２号
（Ｇ₂ ）を研削により、３Ｓ以下に仕上げる時間を計測
した。その結果、多孔質ダイヤモンド砥石は、レジンボ
ンドのダイヤモンドホイールの６０％の時間で仕上げる
ことができた。

【００４１】

【発明の効果】この発明は、上記のように構成したので
次のような優れた効果を奏する。 (1) ダイヤモンド粒を小さな接点で互いに接合させてダ
イヤモンド切刃として構成しているため、鉄鋼製品を加
工するときもセメンタイトの発生を防ぎ適切に作業で
き、ダイヤモンド切刃の自性がほぼゼロであるため、平
面方向（Ｘ，Ｙ方向）の制御だけ行えば良く、上下方向
（Ｚ方向）の制御を行うことがなく鉄鋼などの良好な加
工が可能となる。

【００４２】(2) 多孔質ダイヤモンド切刃は、切削性お
よび仕上面粗度も、従来のレジンボンドなどを使用する
ダイヤモンド工具と比較しても、例えば、４０ｍｅｓｈ
のダイヤモンド粒度を使用していた従来のダイヤモンド
工具で行う作業を、５０ｍｅｃｈのダイヤモンド粒度を
使用して同じ状態で作業ができ、かつ、放熱性、熱伝導
性などが優れていることから、鉄鋼部材の切削などの加
工をセメンタイトを生じることなく行うことが可能とな
る。

【００４３】(3) 多孔質ダイヤモンド切刃を製造する場
合は、ダイヤモンド粒の周縁に活性ロウ材を被覆して７
５０〜９５０度で焼結する構成としているため、隣接す
るダイヤモンド粒の結合力の強度を向上できると共に、
ダイヤモンド粒の露出率が大きくなることで、ダイヤモ
ンドが備えている大きな熱伝導性、熱容量および放熱性
を最大限利用することができ、鉄鋼部材の加工がセメン
タイトの発生をすることなく行うことが可能となる。

【００４４】(4) 多孔質ダイヤモンド切刃を製造する
際、隣接するダイヤモンド粒の空隙率を決定することが
可能であるため、被加工物に対応させた多孔質ダイヤモ
ンド切刃の製造が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、この発明の多孔
質ダイヤモンドの接合状態を示す原理図である。

【図２】この発明の多孔質ダイヤモンド切刃とレジンボ
ンドを使用したダイヤモンドの割合を比較する原理図で
ある。

【図３】この発明の多孔質ダイヤモンドを切削工具に適
用した状態の斜視図である。

【図４】この発明の多孔質ダイヤモンドの接続する小接
点の接触角を表す原理図である。

【図５】従来の構成を示すダイヤモンド工具の構成を示
す原理図である。

【符号の説明】

１ ダイヤモンド粒 ２ 粘性液 ３ 小接点 ４ 多孔質ダイヤモンド切刃 １０ 多孔質ダイヤモンド切刃 ２０ 多孔質ダイヤモンド切刃 ２１ 支持基板 ２２ 多孔質ダイヤモンド砥石

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ダイヤモンド粒と、前記ダイヤモンド粒を
   接合する接合部材と、前記接合部材で接合されたダイヤ
   モンド粒を支持する支持基板とからなり、前記接合部材
   は、隣接するダイヤモンド粒を小接点で接続して形成し
   たことを特徴とする多孔質ダイヤモンド切刃の構造。
2. 【請求項２】ダイヤモンド粒の周りに、周設手段により
   活性ロウ層を設け、７５０度ないし９５０度の範囲で焼
   結することで、前記ダイヤモンド粒間の結束力を付与す
   ることを特徴とする多孔質ダイヤモンド切刃の製造方
   法。
3. 【請求項３】活性ロウ層を周設手段によりダイヤモンド
   粒の周りに設け、７５０度ないし９５０度の範囲で一定
   時間焼結作業を行い、多孔質ダイヤモンド切刃を製造す
   る方法であって、 前記ダイヤモンド粒の粒度の大きさと、前記活性ロウ層
   の被覆厚さからダイヤモンド粒間の空隙率を決定するこ
   とを特徴とする多孔質ダイヤモンド切刃の製造方法。