JPH10315138A

JPH10315138A - メタルボンド砥石

Info

Publication number: JPH10315138A
Application number: JP14465197A
Authority: JP
Inventors: Junichi Matsuda; 順一松田; Toru Ono; 徹小野
Original assignee: Asahi Diamond Industrial Co Ltd
Current assignee: Asahi Diamond Industrial Co Ltd
Priority date: 1997-05-19
Filing date: 1997-05-19
Publication date: 1998-12-02
Anticipated expiration: 2017-05-19
Also published as: JP4187287B2

Abstract

(57)【要約】【課題】応力変形が小さく、砥粒保持力が高く、砥粒層
と台金との結合強度が大きく、かつ軽量で、駆動に要す
る電力が少なく、研削抵抗が安定して小さく、被研削物
の表面が平坦で、研削比が大きい、高周速研削に適し
た、寿命の長いメタルボンド砥石を提供する。【解決手段】金属粉末を結合材として超砥粒を焼結した
メタルボンド砥石であって、結合材の全成分の４０重量
％以上がＡｌであり、台金がＡｌ合金からなることを特
徴とするメタルボンド砥石。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、メタルボンド砥石
に関する。さらに詳しくは、本発明は、砥粒保持力及び
台金との結合強度が大きく、応力変形が少なく、研削抵
抗が小さく、高周速用研削砥石として優れた性能を発揮
するメタルボンド砥石に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属粉末を結合材として超砥粒を
焼結したメタルボンド砥石には、結合材としてＣｕ−Ｓ
ｎ系メタルボンド、台金には鉄系金属が多く使用されて
きた。しかし、Ｃｕ−Ｓｎ系メタルボンド砥石は、砥石
全体の比重が高く、高周速用研削砥石としての性能を発
揮することは困難である。また、Ｃｕ−Ｓｎ系メタルボ
ンド砥石は、砥粒層と台金を銅メッキ層などを介して焼
結接合しなければ接合強度が向上しない。さらに、銅メ
ッキ層を介しても接合強度には限界があり、高速研削の
厳しい環境下では台金と砥粒層間にクラックが生じてし
まうこともある。昨今、高周速用研削砥石が期待される
中で、このように比重が高く、砥粒層と台金の接合強度
に不安のあるメタルボンド砥石を用いることは難しく、
軽量でしかも砥粒層と台金の接合強度の高い砥石の開発
が進められている。例えば、特開平５−８１７７号公報
には、台金にアルミ合金を用い、結合材に球状ニッケル
粉を用いて、アルミ合金を溶融させ、回転による遠心力
を利用して成形し、ニッケルとアルミの間に硬質のＡｌ
−Ｎｉ金属間化合物を形成することにより、砥粒層と台
金の結合を強化し、同時に砥石自体も軽量化する製造方
法が開示されている。しかし、この製造方法によると、
結合材の組成がＮｉのみであるため、Ｃｕ−Ｓｎ系メタ
ルボンドのような弾性に欠け、衝撃に弱いという欠点が
ある。また、溶融状態の合金の遠心力による成形には、
特殊で高価な設備を必要とする。また、特開平７−１７
１７６７号公報には、スチール系メタルボンド粉末とＡ
ｌ合金粉末を焼結することにより、砥粒層と台金との熱
膨張係数を同程度に保ち、砥粒層と台金の結合強度を向
上させたメタルボンド超砥粒砥石が開示されている。し
かし、このメタルボンド砥石は、メタルボンドとしてス
チール系粉末などを使用しているため結合材と台金間に
化学的反応が起こらず、粉末同士を一体焼結させても結
合強度が低いという問題がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、応力変形が
小さく、砥粒保持力が高く、砥粒層と台金との結合強度
が大きく、かつ軽量で、駆動に要する電力が少なく、研
削抵抗が安定して小さく、被研削物の表面が平坦で、研
削比が大きい、高周速研削に適した、寿命の長いメタル
ボンド砥石を提供することを目的としてなされたもので
ある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、超砥粒を主成分
がＡｌである結合材を用いて保持し、台金にＡｌ合金を
用いることにより、研削抵抗が安定して低く、軽量のメ
タルボンド砥石が得られることを見いだし、この知見に
基づいて本発明を完成するに至った。すなわち、本発明
は、（１）金属粉末を結合材として超砥粒を焼結したメ
タルボンド砥石であって、結合材の全成分の４０重量％
以上がＡｌであり、台金がＡｌ合金からなることを特徴
とするメタルボンド砥石、（２）結合材が、Ｚｎ及びＳ
ｉを含有する第(１)項記載のメタルボンド砥石、（３）
結合材中のＺｎの重量比が、Ｓｉの重量比より大きい第
(２)項記載のメタルボンド砥石、及び、（４）超砥粒層
と台金の間に中間層を有し、中間層の材質がＺｎ及び／
又はＣｕを含有するＡｌ合金である第(１)項、第(２)項
又は第(３)項記載のメタルボンド砥石、を提供するもの
である。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明のメタルボンド砥石は、超
砥粒をＡｌを主成分とする金属粉末を結合材として焼結
したメタルボンド砥石である。本発明においては、超砥
粒としてＣＢＮ砥粒及びダイヤモンド砥粒のいずれをも
使用することができる。本発明のメタルボンド砥石は、
超砥粒を焼結する結合材の４０重量％以上がＡｌであ
る。結合材としては、金属単体の粉末の混合物を用いる
ことができ、２種又は３種以上の金属の合金の粉末を１
種のみ又は２種以上を混合して用いることができ、ある
いは、金属単体の粉末と合金の粉末を混合して用いるこ
とができる。結合材が、金属単体であっても合金であっ
ても、結合材中のＡｌの重量比は結合材の全成分に対す
る割合として求められる。結合材の主成分をＡｌとする
ことにより、超砥粒層が軽量化するとともに、結合材と
超砥粒との濡れ性が向上し、良好な砥粒保持性が保たれ
る。本発明のメタルボンド砥石において、結合材の全成
分の４０重量％以上がＡｌであると、従来から使用され
ているブロンズ系の結合材を用いたメタルボンド砥石と
比べて超砥粒層の重量が軽く、研削装置への負荷が軽減
され、且つ回転時の遠心応力を低減することができ、こ
の特徴が特に高周速研削時に発揮される。本発明のメタ
ルボンド砥石において、結合材の全成分に対するＡｌの
比率が４０重量％未満であると、超砥粒と結合材との濡
れ性が低下して砥粒保持力が不足し、また、結合材とし
ての靭性が低下して回転時の変形により破壊するおそれ
がある。

【０００６】本発明のメタルボンド砥石の台金は、Ａｌ
合金からなる。使用するＡｌ合金には特に制限はなく、
例えば、Ａｌ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−
Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓ
ｉ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ
−Ｎｉ系合金、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金、Ａｌ−Ｍｎ系
合金などを挙げることができる。これらの中で、Ａｌ−
Ｓｉ系合金は鋳造性が良好で、熱膨張係数が小さく、耐
熱性に優れるので、特に好適に使用することができる。
本発明のメタルボンド砥石においては、結合材が、Ａｌ
成分以外に、Ｚｎ及びＳｉを含有することが好ましい。
結合材に、Ｚｎ及びＳｉを含有せしめる方法には特に制
限はなく、例えば、結合材として、Ａｌ単体粉末、Ｚｎ
単体粉末及びＳｉ単体粉末の混合物、Ａｌ−Ｓｉ系合金
粉末及びＺｎ単体粉末の混合物、あるいはＡｌ−Ｚｎ−
Ｓｉ系合金粉末など、任意の金属単体及び合金の組み合
わせを使用することができる。本発明においては、結合
材の金属成分として、さらに必要に応じて、Ｃｕ、Ｍ
ｇ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｓｎなどを含有せ
しめることができる。これらの金属成分は、単体粉末と
して、あるいは、これらの金属成分を含む合金粉末とし
て添加することができる。これらの金属単体の粉末又は
合金粉末は、結合材の全成分の組成比が所望の値になる
よう混合して使用することができる。

【０００７】結合材にＳｉを含有せしめることにより、
結合材と台金のＡｌ合金との結合強度を低い焼成温度で
向上することが可能となり、また、結合材と超砥粒との
濡れ性が更に向上し、又、従来のメタルボンド砥石のよ
うに台金に銅メッキなどの前処理を施すことが不要とな
る。また、特開平７−１７１７６７号公報に開示されて
いるように、台金にもＡｌ合金粉末を用いて、結合材と
台金の強力な結合を得ることが可能となる。結合材にＺ
ｎを含有せしめることにより、焼結温度付近でα−固溶
体が形成されて結合材の脆性が向上するとともに、結合
材の抗折力、弾性率及び硬度が大きくなり、応力変形が
減少し、研削性能が向上して、表面平滑性に優れた研削
面を得ることが可能となり、かつメタルボンド砥石の耐
久性が向上する。本発明のメタルボンド砥石において
は、結合材に含有せしめるＺｎ及びＳｉの量を調整する
ことにより、結合材の強度を調整することが可能であ
る。全結合材中のＺｎの重量比の方がＳｉの重量比より
大きくなるように、好ましくはＺｎの重量比がＳｉの重
量比の１.５〜３.６倍となるように調整することによ
り、良好な結果を得ることができる。Ｚｎの重量比がＳ
ｉの重量比の１.５倍未満であると、結合材の密度は低
いが、結合材の機械的強度が低下して、高速研削の環境
に耐えがたくなるおそれがある。Ｚｎの重量比がＳｉの
重量比の３.６倍を超えると、台金のＡｌ合金との結合
強度が低下するおそれがある。また、Ｚｎの重量比がＳ
ｉの重量比の３.６倍を超えると、溶融温度が低くな
り、台金のＡｌ合金と一体焼結する都合上、液相が生じ
て成形が困難となるおそれがある。本発明のメタルボン
ド砥石は、結合材が超砥粒を強固に保持しながらも、適
度な脆性を有するため、結合材が除去されやすく、目つ
ぶれと自生作用を速やかに繰り返す。このため、研削抵
抗が高くなることがなく、安定して良好な研削性能を示
し、従来のブロンズ系の結合材を用いたメタルボンド砥
石のように、目つぶれと自生作用の間隔が長く、研削抵
抗が高く不安定となるという現象を生じない。本発明の
メタルボンド砥石は、超砥粒層と台金の間に中間層を設
けることができる。中間層を、台金及び超砥粒層の両者
に対して親和性の大きい材料で構成することにより、台
金と超砥粒層の接合強度を高め、高周速研削を可能とす
ることができる。中間層の材質には特に制限はないが、
例えば、Ｚｎ及び／又はＣｕを含有するＡｌ合金は、台
金のＡｌ合金に対しても、Ｚｎ及びＳｉを含有するＡｌ
合金からなる超砥粒の結合材に対しても親和性が大きい
ので、好適に使用することができる。又、使用するＡｌ
合金台金に応じて、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔ
ｉ、Ｓｎなどを含有せしめることができる。これらの金
属成分は、単体もしくはこれらを含む合金粉末として添
加することができる。

【０００８】本発明のメタルボンド砥石を製造するため
には、超砥粒と全成分の４０重量％以上がＡｌである金
属粉末からなる結合材を、好ましくは不活性ガス雰囲気
中で、ボールミルなどを用いて均一に混合する。超砥粒
と結合材の混合比は、集中度が１〜４.４ct／cm³となる
よう混合することが好ましい。超砥粒と結合材の混合物
を、Ａｌ合金からなる台金とともに型に入れ、金属粉末
の融点以下の温度で加熱加圧して焼結し、機械的強度を
必要な程度まで向上させて超砥粒層を形成する。型とし
ては、金型、カーボン型などを使用することができ、加
熱には、マッフル炉、誘導加熱炉、抵抗加熱炉などを使
用することができる。図１は、本発明のメタルボンド砥
石の超砥粒層の模式図である。金属単体の粉末又は合金
粉末を超砥粒とともに焼結することにより、α−固溶体
及びシリコン結晶が生成し、超砥粒１が、α−固溶体２
及びシリコン結晶３により固着される。中間層を有する
本発明のメタルボンド砥石を製造するためには、例え
ば、Ａｌ合金粉末に、Ｚｎ粉末、Ｃｕ粉末などを配合
し、好ましくは不活性ガス雰囲気中で、ボールミルなど
を用いて均一に混合して中間層用金属粉末配合物を調製
し、Ａｌ合金からなる台金の作用面に、中間層用金属粉
末配合物を圧縮成形する。次いで、中間層用金属粉末配
合物成形体の外周に、超砥粒と結合材の混合物を圧縮成
形する。最後に、各金属粉末の融点以下の温度で加熱加
圧して焼結し、機械的強度を必要な程度まで向上させ、
中間層及び超砥粒層を形成してメタルボンド砥石を得
る。本発明のメタルボンド砥石は、応力変形が小さく、
砥粒保持力が高く、砥粒層と台金との結合強度が大きい
ので、周速１００ｍ／秒以上の高周速研削に好適に使用
することができ、軽量であるために駆動に要する電力が
少なく、研削時の研削抵抗が小さく、かつ安定してい
る。

【０００９】

【実施例】以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細
に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限
定されるものではない。参考例１有限要素法（ＦＥＭ）により、メタルボンド砥石の回転
時に発生する応力を計算した。図２は、計算の対象とし
たメタルボンド砥石の部分模式図である。このメタルボ
ンド砥石は、直径２０５mm、密度２.７ｇ／cm³のＡｌ合
金台金の外周部に、厚さ３mm、密度２.８ｇ／cm³の中間
層と、厚さ３mm、密度２.７８ｇ／cm³の超砥粒層を有す
るものである。このメタルボンド砥石を周速２００ｍ／
秒で回転するとき、台金に発生する応力の最大値は６１
MPaであり、最大応力の発生位置は台金の中心部Ａであ
った。また、台金と中間層の接合部Ｂに発生する応力は
１９MPaであり、中間層と超砥粒層の接合部Ｃに発生す
る応力は１６MPaであった。参考例２Ｓｉを１２重量％含有するＡｌ合金粉末に、Ｚｎ含有量
がそれぞれ１０、１５、２０、２５及び３０重量％とな
るようＺｎ粉末を配合した。これらの金属粉末配合物
を、窒素ガスを充填したボールミルを用いて均一に混合
したのち、９８MPaの圧力で、ＪＩＳＺ２２０３に規
定するＡ号試験片を成形した。得られた試験片を、１
９.６MPaの加圧下、５６０℃で３５分間焼成し、その後
直ちに１９.６MPaの加圧下で４０分間冷却した。得られ
た試験片について、万能試験機［(株)島津製作所、ＡＧ
−２０ｋＮＣ］を用いて抗折力と弾性率を測定した。ま
た、ＪＩＳＺ２２４５に準じてロックウェル硬度を、
ＪＩＳＺ２５０５に準じて密度を測定した。結果を第
１表に示す。

【００１０】

【表１】

【００１１】第１表の結果から、試験した金属粉末配合
物のうち、Ｚｎ含有量が２０〜３０重量％である配合物
が、結合材として最も適切な物理的特性を有することが
分かる。また、これらの組成の金属粉末配合物は成形性
も良好であったので、実施例において、ＣＢＮ砥粒の結
合材として使用した。参考例３Ｓｉを１２重量％含有するＡｌ合金粉末に、Ｚｎ粉末又
はＣｕ粉末を配合して、Ｚｎ５重量％を含有する配合
物、Ｚｎ８重量％を含有する配合物、Ｚｎ１０重量％を
含有する配合物及びＣｕ１０重量％を含有する配合物の
４種の金属粉末配合物を調製した。これらの金属粉末配
合物について、参考例２と同様にして試験片を成形し、
抗折力、弾性率、ロックウェル硬度及び密度を測定し
た。結果を第２表に示す。

【００１２】

【表２】

【００１３】第２表の結果から、Ｚｎの含有率が８〜１
０重量％の配合組成に於いて強度及び弾性率が高い値を
示すことが解る。また、上記の４種の金属粉末配合物に
ついて、台金材料としてのＪＩＳＨ５２０２に規定さ
れている鋳物４種Ｂアルミニウム合金との接合試験片、
及び、参考例２においてＣＢＮ砥粒の結合材として選定
した、Ｓｉを１２重量％含有するＡｌ合金粉末に、Ｚｎ
含有量が２０重量％となるようＺｎ粉末を配合した配合
物との接合試験片を成形し、接合面における抗折力とし
て接合強度を求めた。結果を第３表に示す。

【００１４】

【表３】

【００１５】第２表及び第３表の結果から、試験した金
属粉末配合物のうち、Ｚｎ含有量が８重量％である配合
物が、強度が大きく、参考例１で求めた接合面において
発生する応力にも十分対応し得る接合強度を有すること
が分かったので、実施例において、中間層の材料として
使用した。実施例１Ｓｉを１２重量％含有するＡｌ合金粉末に、Ｚｎ含有量
が２０重量％となるようＺｎ粉末を配合し、さらに粒度
＃１４０／１７０のＣＢＮ砥粒を集中度２.２ct/cm³に
なるように配合した。この粉末配合物を、窒素ガスを充
填したボールミルを用いて均一に混合した。アルミニウ
ム合金（ＡＣ４Ｂ）からなる台金を用い、粉末配合物を
９８MPaの圧力で成形し、次いで、１９.６MPaの加圧
下、５６０℃で３５分間焼成し、その後直ちに１９.６M
Paの加圧下で４０分間冷却して、ＣＢＮ砥粒層を形成し
た。さらに、研削加工により、２００Ｄ−６Ｗ−３Ｘ−
５０.８Ｈのメタルボンド砥石を完成した。このメタル
ボンド砥石を用いて、被削材ＳＫＳ３（Ｈ_RＣ６０）
を、ホイール周速１２０ｍ／秒、テーブル速度１５ｍ／
分、切込み量２５μｍ、研削幅３mm、研削様式プランジ
（アップカット）研削、研削液ケミカルソリュウジョン
タイプの条件で研削加工を行った。比較例１ブロンズ系合金粉末に、粒度＃１４０／１７０のＣＢＮ
砥粒を集中度２.２ct/cm³になるように配合した。この
粉末配合物を、窒素ガスを充填したボールミルを用いて
均一に混合した。Ｓ５５Ｃの台金の砥粒層接着部分に１
０μｍの銅メッキを施したのち、２０MPaの加圧下、６
００℃で４０分間焼成してＣＢＮ砥粒層を形成し、さら
に研削加工により、２００Ｄ−６Ｗ−３Ｘ−５０.８Ｈ
のメタルボンド砥石を完成した。このメタルボンド砥石
を用いて、実施例１と同様にして、被削材ＳＫＳ３の研
削加工を行った。実施例１及び比較例１について、研削
量と研削抵抗の関係を第４表及び図３に、また、研削量
２７cm³のときのホイール摩耗及び表面粗さを第５表に
示す。

【００１６】

【表４】

【００１７】

【表５】

【００１８】第４表及び図３の結果から、本発明のメタ
ルボンド砥石は、研削抵抗が長期間にわたって安定して
いることが分かる。これに対して、比較例１の従来のメ
タルボンド砥石は、研削開始直後は研削抵抗は小さい
が、研削量が増すにつれて研削抵抗が次第に増大し、不
安定である。実施例２Ｓｉを１２重量％含有するＡｌ合金粉末に、Ｚｎ含有量
１０重量％となるようＺｎ粉末を配合し、窒素ガスを充
填したボールミルを用いて均一に混合して、中間層用金
属粉末配合物を調製した。また、Ｓｉを１２重量％含有
するＡｌ合金粉末に、Ｚｎ含有量が２０重量％となるよ
うＺｎ粉末を配合し、さらに粒度＃１４０／１７０のＣ
ＢＮ砥粒を集中度２.２ct/cm³になるように配合し、窒
素ガスを充填したボールミルを用いて均一に混合してＣ
ＢＮ砥粒層用粉末配合物を調製した。アルミニウム合金
（ＡＣ４Ｂ）からなる台金を用い、中間層用金属粉末配
合物を９８MPaの圧力で成形し、次いでその外側にＣＢ
Ｎ砥粒層用粉末配合物を９８MPaの圧力で成形したの
ち、１９.６MPaの加圧下、５６０℃で３５分間焼成し、
その後直ちに１９.６MPaの加圧下で４０分間冷却して、
厚さがそれぞれ３mmである中間層とＣＢＮ砥粒層を形成
した。さらに、研削加工により、２００Ｄ−６Ｗ−３Ｘ
−５０.８Ｈのメタルボンド砥石を完成した。このメタ
ルボンド砥石を用いて、被削材ＳＫＳ３（Ｈ_RＣ６０）
を、ホイール周速８０ｍ／秒、１２０ｍ／秒、１６０ｍ
／秒又は２００ｍ／秒、テーブル速度１５ｍ／分、切込
み量４５μｍ、研削幅３mm、研削様式プランジ（アップ
カット）研削、研削液ケミカルソリュウジョンタイプの
条件で研削加工を行った。各ホイール周速における研削
量と研削抵抗の関係を第６表及び図４に、研削量６.０c
m³のときのホイール摩耗深さを第７表に示す。

【００１９】

【表６】

【００２０】

【表７】

【００２１】第６表及び図４の結果から、本発明のメタ
ルボンド砥石は、研削抵抗はホイール周速が大きくなる
と減少するが、一定の研削条件下では研削抵抗は長期間
にわたって安定していることが分かる。また、第７表の
結果から、ホイール周速が速くなると、ホイールの摩耗
深さは減少することが分かる。

【００２２】

【発明の効果】本発明のメタルボンド砥石は、応力変形
が小さく、砥粒保持力が高く、砥粒層と台金との結合強
度が大きく、かつ軽量で、駆動に要する電力が少なく、
研削時の研削抵抗が小さく、かつ安定している。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明のメタルボンド砥石の超砥粒層
の模式図である。

【図２】図２は、計算の対象としたメタルボンド砥石の
部分模式図である。

【図３】図３は、研削量と研削抵抗の関係を示すグラフ
である。

【図４】図４は、研削量と研削抵抗の関係を示すグラフ
である。

【符号の説明】

１超砥粒２ α−固溶体３シリコン結晶

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属粉末を結合材として超砥粒を焼結した
メタルボンド砥石であって、結合材の全成分の４０重量
％以上がＡｌであり、台金がＡｌ合金からなることを特
徴とするメタルボンド砥石。
【請求項２】結合材が、Ｚｎ及びＳｉを含有する請求項
１記載のメタルボンド砥石。
【請求項３】結合材中のＺｎの重量比が、Ｓｉの重量比
より大きい請求項２記載のメタルボンド砥石。
【請求項４】超砥粒層と台金の間に中間層を有し、中間
層の材質がＺｎ及び／又はＣｕを含有するＡｌ合金であ
る請求項１、請求項２又は請求項３記載のメタルボンド
砥石。