特開 2023-70288 単層ビトリファイドボンド砥石

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023070288

(43)【公開日】2023-05-19

(54)【発明の名称】単層ビトリファイドボンド砥石

(51)【国際特許分類】

   B24D 3/00 20060101AFI20230512BHJP

   B24D 3/14 20060101ALI20230512BHJP

   B24D 3/02 20060101ALI20230512BHJP

【ＦＩ】

B24D3/00 310B

B24D3/14

B24D3/02 310C

B24D3/02 310A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021182364

(22)【出願日】2021-11-09

(71)【出願人】

【識別番号】000004293

【氏名又は名称】株式会社ノリタケカンパニーリミテド

(74)【代理人】

【識別番号】110001117

【氏名又は名称】弁理士法人ぱてな

(72)【発明者】

【氏名】岩井 広幸

【テーマコード（参考）】

3C063

【Ｆターム（参考）】

3C063AA02

3C063AB07

3C063BB02

3C063BB24

3C063BC05

3C063BD01

3C063BD04

3C063BG01

3C063BG08

3C063CC04

3C063CC06

3C063CC16

3C063FF22

(57)【要約】

【課題】砥粒がボンド層から脱落し難く、長期の寿命を実現できる単層ビトリファイドボンド砥石を提供する。
【解決手段】本発明の単層ビトリファイドボンド砥石は、基材１と、基材１の表面に設けられた緻密なガラス質からなるボンド層３、表面が露出された状態でボンド層３によって基材１上に単層で固着された無数の砥粒５とを備えている。ボンド層３には、ガラス質より融点が高く、非酸化状態の金属質からなり、平均粒径が５００ｎｍ以下である無数のフィラー７が含有されている。フィラー７は、ボンド層３中に０．０１体積％を超え、かつ１０．００体積％未満で含有されている。ボンド層３の表面における砥粒５の密度は、５０％未満とされている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基材と、前記基材の表面に設けられた緻密なガラス質を含むボンド層と、表面が露出された状態で前記ボンド層によって前記基材上に単層で固着された無数の砥粒とを備え、
前記ボンド層には、前記ガラス質より融点が高く、非酸化状態の金属質からなり、平均粒径が５００ｎｍ以下である無数のフィラーが含有されており、
前記フィラーは、前記ボンド層中に０．０１体積％を超え、かつ１０．００体積％未満で含有されており、
前記ボンド層の表面における前記砥粒の密度は、５０％未満とされていることを特徴とする単層ビトリファイドボンド砥石。

【請求項2】

前記フィラーは、前記ボンド層中に０．１０～５．００体積％含有されている請求項１記載の単層ビトリファイドボンド砥石。

【請求項3】

前記ボンド層の表面における前記砥粒の密度は、４０％以下とされている請求項１又は２記載の単層ビトリファイドボンド砥石。

【請求項4】

前記フィラーは、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ及びＡｇの少なくとも１種からなる請求項１乃至３のいずれか１項記載の単層ビトリファイドボンド砥石。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は単層ビトリファイドボンド砥石に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に従来の単層ビトリファイドボンド砥石が開示されている。この単層ビトリファイドボンド砥石は、基材と、ボンド層と、無数の砥粒とを備えている。ボンド層は、基材の表面に設けられた緻密なガラス質からなる。無数の砥粒は、表面が露出された状態でボンド層によって基材上に単層で固着されている。砥粒は、例えばダイヤモンドやＣＢＮ等の超砥粒である。

【0003】

この種の単層ビトリファイドボンド砥石は、例えばドレッシング工具として具体化され、ドレッシング加工の際に用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－７９４５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、単層ビトリファイドボンド砥石は、砥粒が単層でしか固着されていないため、砥粒の脱落が起こってしまうと、研削抵抗が増大し、研削ができなくなってしまう。特に単層ビトリファイドボンド砥石を乾式研削に用いる場合、研削抵抗の増加や切粉によりボンド層の摩耗の影響が大きくなり、砥粒が脱落し易くなる。このため、単層ビトリファイドボンド砥石が早期に寿命を迎えてしまう。

【0006】

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、砥粒がボンド層から脱落し難く、長期の寿命を実現できる単層ビトリファイドボンド砥石を提供することを解決すべき課題としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の単層ビトリファイドボンド砥石は、基材と、前記基材の表面に設けられた緻密なガラス質を含むボンド層と、表面が露出された状態で前記ボンド層によって前記基材上に単層で固着された無数の砥粒とを備え、
前記ボンド層には、前記ガラス質より融点が高く、非酸化状態の金属質からなり、平均粒径が５００ｎｍ以下である無数のフィラーが含有されており、
前記フィラーは、前記ボンド層中に０．０１体積％を超え、かつ１０．００体積％未満で含有されており、
前記ボンド層の表面における前記砥粒の密度は、５０％未満とされていることを特徴とする。

【0008】

発明者らは、単層ビトリファイドボンド砥石における砥粒の保持性を向上させるべく鋭意研究した。その結果、砥粒が脱落した単層ビトリファイドボンド砥石では、砥粒周りのボンド層にクラックが生じており、このクラックが起因となって研削加工時に砥粒が脱落していることが判明した。また、砥粒周りのボンド層のクラックは、溶融ガラスに対する砥粒の濡れ性が良すぎるために、砥粒周りに溶融ガラスがまとわりついてしまい、そのためにガラス固化後にクラックが生じていることも判明した。そして、砥粒周りのボンド層のクラックを抑えるべく、ボンド層中に微小な金属粒子をフィラーとして添加することを着想し、多くの試行錯誤の末、このフィラーの粒径の適正範囲等を見出して本発明を完成させた。

【0009】

発明者らの試験結果によれば、ガラス質より融点が高く、非酸化状態の金属質からなり、平均粒径が５００ｎｍ以下である無数のフィラーがボンド層に適正量含有されており、しかも砥粒がボンド層の表面において適正量固着されていれば、砥粒がボンド層に強固に保持され、砥粒がボンド層から脱落し難くなることから、長期の寿命を実現できる。

【0010】

発明者らはこの理由を以下のように推察している。すなわち、このようなフィラーがボンド層に適正量含有されていれば、フィラーが靭性のある金属であることから、フィラーによってボンド層が弾性的に補強され、ボンド層にクラックが生じ難くなると考えられる。また、フィラーによって、溶融ガラスに対する砥粒の濡れ性が適正になり、このため砥粒周りに溶融ガラスがまとわりつくことが抑えられ、ガラス固化後に砥粒周りのボンド層にクラックが発生することも抑えられると考えられる。

【0011】

したがって、本発明の単層ビトリファイドボンド砥石では、砥粒がボンド層から脱落し難く、長期の寿命を実現できる。

【0012】

基材は、剛性を有する基材の他、ボンド層を変形させない程度の可撓性を有する基材を採用することができる。剛性を有する基材としては、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ジルコニア、ムライト等のセラミックス、炭素鋼、超硬合金、鋳鉄、純鉄、クロム鋼、鉄、ＳＵＳ、銅等の金属、歪点が６００°Ｃ以上のガラス等を採用することができる。中でも、金属が好ましく、特に炭素鋼等、線膨張係数（×１０^-6／°Ｃ）が１０～１５程度の金属が好ましい。可撓性を有する基材としては、天然繊維、合成繊維、炭素繊維等の繊維から成る織布又は不織布からなるシートや、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、アラミド等の合成樹脂、アルミニウム、銅等の金属からなる単層又は複層のフィルムを採用することができる。

【0013】

緻密なガラス質からなるボンド層としては、基材に対する密着性の高いもの、すなわち線膨張係数が基材に近いものが好ましい。すなわち、基材の線膨張係数に近い線膨張係数を有するガラスのフリットを含むガラス結合剤の粉末又はペーストを採用し、その粉末又はペーストを基材上に形成して溶融、固化させたものを採用することができる。本発明は単層ビトリファイドボンド砥石であり、ボンド層は砥粒を単層で固着しているだけであることから、ボンド層は気孔を実質的に含まない。

【0014】

砥粒としては、シリカ、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ムライト、ＣＢＮ等のＢＮ、イットリア安定化ジルコニア、ダイヤモンド等を採用することができる。中でも、超砥粒としてのダイヤモンドの他、ＣＢＮ等のＢＮが好ましい。

【0015】

ボンド層に含まれるフィラーは、ガラス質より融点が高く、非酸化状態の金属質からなり、平均粒径が５００ｎｍ以下のものである。このようなフィラーとして、具体的には、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｇ等を採用することができる。これらの中では特に、Ｎｉが好ましい。ボンド層には、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ及びＡｇ等のうちの１種又は２種以上を含ませることができる。また、これらの金属の合金でもよい。

【0016】

本発明の単層ビトリファイドボンド砥石において、フィラーは、ボンド層中に０．０１体積％を超え、かつ１０．００体積％未満で含有されている。発明者らの試験結果によれば、フィラーは、ボンド層中に０．１０～５．００体積％含有されていることが好ましい。ボンド層中のフィラーの含有量が少なすぎると、フィラー添加による効果が十分ではない。ボンド中のフィラーの含有量が多すぎると、ボンド層が砥粒を十分に保持できない。フィラーがボンド層中に１．００～５．００体積％含有されていることがより好ましい。フィラーがボンド層中に１．００～３．００体積％含有されていることがさらに好ましい。

【0017】

本発明の単層ビトリファイドボンド砥石において、ボンド層の表面における砥粒の密度は、５０％未満とされている。発明者らの試験結果によれば、ボンド層の表面における砥粒の密度は、４０％以下とされていることが好ましい。砥粒密度が高すぎると、切粉が目詰まりし易くなり、フィラーの効果が得られない。ボンド層の表面における砥粒の密度は、３０％とされていることがより好ましい。ボンド層の表面における砥粒の密度は、５％以下とされていることがさらに好ましい。

【発明の効果】

【0018】

本発明の単層ビトリファイドボンド砥石では、砥粒がボンド層から脱落し難いことによって長期の寿命を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、実施例に相当する試験品２－４の模式断面図である。

【図2】図２は、実施例に相当する試験品２－４に係り、表面の２００倍のＳＥＭ写真である。

【図3】図３は、実施例に相当する試験品２－４に係り、側面の２００倍のＳＥＭ写真である。

【図4】図４は、実施例に相当する試験品１－３に係り、フィラーの粒度分布データを示すグラフである。

【図5】図５は、比較例に相当する試験品２－１の模式断面図である。

【図6】図６は、比較例に相当する試験品２－１に係り、表面の２００倍のＳＥＭ写真である。

【図7】図７は、比較例に相当する試験品２－１に係り、側面の２００倍のＳＥＭ写真である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明を試験１～４により説明するとともに、実施例と比較例とを説明する。

【0021】

（試験１）
まず、機械構造用炭素鋼としてのＳ４５Ｃ製の基材と、表１に組成を示すガラス結合剤と、１７０メッシュアンダーのダイヤモンド（平均粒径９１μｍ）からなる砥粒とを用意した。平均粒径はＪＩＳＢ４１３０による。また、フィラーとして、表２に平均粒径を示すＮｉ粉末を用意した。フィラーの粒径は動的光散乱法により測定し、体積換算のＤ（５０）を平均粒径とする（マルバーン社製ゼータサイザーナノ）。また、試験品１－３の平均粒径が１８０ｎｍのフィラーの粒度分布データを図４に示す。

【0022】

【表1】

【0023】

ターピネオールを溶媒としてガラス結合剤をペーストとする。このペーストに各フィラーを混合し、フィラー入りペーストを得る。ペースト中におけるフィラーの含有量は、ペーストの固形分に対して１．００体積％である。つまり、フィラー入りペーストのみによってボンド層が形成されれば、そのボンド層中のフィラー体積％は１．００体積％となる。

【0024】

基材上にフィラー入りペーストをコーティングし、第１準備品とする。各第１準備品上に続けて砥粒を振り掛け、第２準備品とする。各第２準備品を乾燥し、コーティング層の溶剤を蒸発させて第３準備品とする。各第３準備品を非酸化雰囲気下、８００°Ｃで焼成してガラス結合剤を溶融させ、一定時間の経過後、徐冷する。こうして、ガラス結合剤を固化させて緻密なガラス質からなるボンド層を形成する。常温まで冷却し、各試験品１－１～６を得る。

【0025】

フィラーの平均粒径は、試験品１－１が６０ｎｍ、試験品１－２が１００ｎｍ、試験品１－３が１８０ｎｍ、試験品１－４が３００ｎｍ、試験品１－５が５００ｎｍ、試験品１－６が１０００ｎｍである。

【0026】

各試験品１－１～６において、砥粒の突き出し量、つまり各砥粒がボンド層から突出している長さの平均値は３５μｍである。ボンド層の厚みはいずれも５０μｍ±５μｍである。

【0027】

以下の条件下、各試験品１－１～６を研削に用い、砥粒が脱落することによる寿命を評価した。
加工物：単結晶Ｓｉウエハ
研削条件：１０ｍ／分
切り込み量：１０μｍ
研削方式：乾式研削

【0028】

この際、１パスとして、１０ｍｍ幅の加工物の短冊の片方から切込み、もう片方へ加工物と各試験品とを平行移動する。１０パス以内に砥粒の脱落があった場合を「×」、１０パスを超え、５０パス以内に砥粒の脱落があった場合を「△」、５０パスを超え、１００パス以内に砥粒の脱落があった場合を「〇」、１００パスでも砥粒に脱落がない場合を「◎」とした。結果を表２に示す。

【0029】

【表2】

【0030】

表２に示すように、試験品１－６は、ボンド層中のフィラーの平均粒径が１０００ｎｍであり、１０パス以内に砥粒の脱落を生じてしまっている。一方、試験品１－１～５は、ボンド層中のフィラーの平均粒径が５００ｎｍ以下であるため、砥粒がボンド層から脱落し難くなっている。特に、試験品１－２～４は、フィラーの平均粒径が１００～３００ｎｍであるため、１００パスを超えても砥粒の脱落を生じない。したがって、試験品１－１～５は長期の寿命を実現できることがわかる。

【0031】

（試験２）
表３に示すように、ボンド層中のフィラーの含有量を種々異ならせ、試験１と同様にして試験品２－１～７を得る。ボンド層中のフィラーの体積％は、試験品２－１が０．００体積％、試験品２－２が０．０１体積％、試験品２－３が０．１０体積％、試験品２－４が１．００体積％、試験品２－５が３．００体積％、試験品２－６が５．００体積％、試験品２－７が１０．００体積％である。

【0032】

試験品２－４の模式断面図を図１に示す。試験品２－１の模式断面図を図５に示す。図１及び図５に示すように、試験品２－１、２－４は、基材１と、基材１の表面に設けられた緻密なガラス質からなるボンド層３と、表面が露出された状態でボンド層３によって基材１上に単層で固着された無数の砥粒５とを備えている。試験品２－４は、図１に示すように、ボンド層３に無数のフィラー７が含有されている。一方、試験品２－１は、図５に示すように、ボンド層３にフィラーは含有されていない。

【0033】

試験１と同一の条件下、各試験品２－１～７を研削に用い、砥粒が脱落することによる寿命を評価した。結果を表３に示す。

【0034】

【表3】

【0035】

表３に示すように、試験品２－３～６のように、ボンド層３中に適正量のフィラー７が存在すれば、砥粒５がボンド層３から脱落し難く、寿命が長くなっている。特に、試験品２－４～６のように、ボンド層３中のフィラーの体積％が１．００～５．００体積％であれば、より寿命が長くなっている。さらに、試験品２－４～５のように、ボンド層３中のフィラーの体積％が１．００～３．００体積％であれば、さらに寿命が長くなっている。

【0036】

一方、試験品２－１～２にように、ボンド層３中のフィラー７の体積％が０．０１体積％以下であったり、試験品２－７のようにボンド層３中のフィラー７の体積％が１０．００体積％以上であったりすると、砥粒５の保持力が低下する。

【0037】

（試験３）
表４に示すように、ボンド層３の表面における砥粒５の密度を種々異ならせ、試験１と同様にして試験品３－１～６を得る。砥粒密度は、試験品３－１が６０％、試験品３－２が５０％、試験品３－３が４０％、試験品３－４が３０％、試験品３－５が５％、試験品３－６が１％である。ボンド層３の表面における砥粒５の密度（％）とは、工具表面の砥粒が占める面積の割合のことである。密度は、まず、１００倍のＳＥＭ画像（JEOL JSM-6610、表面の反射電子像）を取得し、このＳＥＭ画像をｉｍａｇｅＪ（画像処理ソフト）にて２値化してボンド層の部分と砥粒の部分とに分け、砥粒の占める面積割合を算出することにより求める。

【0038】

試験１と同一の条件下、各試験品３－１～６を研削に用い、砥粒が脱落することによる寿命を評価した。結果を表４に示す。

【0039】

【表4】

【0040】

表４に示すように、砥粒５は、ボンド層３の表面において、４０％以下で固着されていることが好ましい。砥粒５は、ボンド層３の表面において、３０％以下で固着されていることがより好ましい。砥粒５は、ボンド層３の表面において、１％以上、かつ５％以下で固着されていることがさらに好ましい。表面の砥粒密度が５０％以上になると、切粉が目詰まりしやすくなり、フィラー添加による効果が得られない。

【0041】

（試験４）
フィラー７の種類を種々異ならせ、試験１と同様にして試験品４－１～６を得る。フィラー７は、試験品４－１がアルミナ、試験品４－２が３ＹＳＺ（３ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア）、試験品４－３がＦｅ、試験品４－４がＮｉ、試験品４－５がＣｕ、試験品４－６がＡｇである。

【0042】

試験１と同一の条件下、各試験品４－１～６を研削に用い、砥粒が脱落することによる寿命を評価した。結果を表５に示す。

【0043】

【表5】

【0044】

表５に示すように、フィラー７としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ等を採用できることがわかる。特に、Ｎｉがフィラー７として好ましいことがわかる。

【0045】

以上において、本発明を試験品１－１等に即して説明したが、本発明は上記試験品１－１等に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

【産業上の利用可能性】

【0046】

本発明はドレッシング工具等に利用可能である。

【符号の説明】

【0047】

１…基材
３…ボンド層
５…砥粒
７…フィラー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】