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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-08-19
(45)【発行日】2022-08-29
(54)【発明の名称】ガラスフィラー含有メタルボンド砥石
(51)【国際特許分類】
B24D 3/02 20060101AFI20220822BHJP
B24D 3/00 20060101ALI20220822BHJP
B24D 3/06 20060101ALI20220822BHJP
【ＦＩ】
B24D3/02 310A
B24D3/02 310C
B24D3/00 320B
B24D3/06 Z
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2019034355
(22)【出願日】2019-02-27
(65)【公開番号】P2020138260
(43)【公開日】2020-09-03
【審査請求日】2021-02-26
(73)【特許権者】
【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】100099508
【弁理士】
【氏名又は名称】加藤 久
(74)【代理人】
【識別番号】100182567
【弁理士】
【氏名又は名称】遠坂 啓太
(74)【代理人】
【識別番号】100197642
【弁理士】
【氏名又は名称】南瀬 透
(72)【発明者】
【氏名】中尾 貴裕
(72)【発明者】
【氏名】高山 祥一
(72)【発明者】
【氏名】野村 拓郎
(72)【発明者】
【氏名】一ノ瀬 勇児
【審査官】小川 真
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１１－１１５８６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－２２９７９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】ソ連国特許発明第０１０６６７９１（ＳＵ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２４Ｄ ３／０２
Ｂ２４Ｄ ３／００
Ｂ２４Ｄ ３／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
砥粒と、メタルボンドと、ガラスフィラーとを含有するメタルボンド層を有する砥石であって、前記砥粒が、ダイヤモンドおよび／または立方晶窒化ホウ素であり、
前記メタルボンドが、Ｃｕを含有する金属であり、
前記ガラスフィラーが、Ｚｎ、Ｓｎ、ＺｒおよびＮｉからなる群から選択される１種類以上の元素を含有し、Ｐｂを含有せず、
前記メタルボンドの体積に対する前記ガラスフィラーの体積の割合が０．０２５以上１．０以下であり、
前記メタルボンドと前記ガラスフィラーとが相互拡散していることを特徴とするガラスフィラー含有メタルボンド砥石。
【請求項2】
前記ガラスフィラーの平均粒径が、１μｍ以上３μｍ未満を特徴とする請求項１に記載のガラスフィラー含有メタルボンド砥石。
【請求項3】
前記砥粒の平均粒径が、３５μm以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のガラスフィラー含有メタルボンド砥石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガラスフィラー含有メタルボンド砥石に関する。
【背景技術】
【0002】
研削加工の砥石に求められる主要な性能は、安定した研削能率と砥石の長寿命化である。一般的に、メタルボンド砥石の研削能率は、研削中に砥石に加わる研削抵抗の増加や発生する切り屑によって、砥粒を固定するボンドが後退し、砥粒が適度に自生する自生作用によって維持される。また、切り屑をうまく排出させて砥石の目詰まりを抑制することで、安定した研削能率が得られる。自生作用を促進させ、目詰まりを抑制する方法として、固体潤滑剤やガラスなどのフィラーを砥石の構成成分として含有させる方法が一般的に知られている。
【0003】
例えば、特許文献１には、ダイヤモンド又は立方晶窒化硼素からなる超砥粒を、セラミックス又はガラス製の中空球とともにメタルボンドにより結合したことを特徴とするメタルボンド砥石が開示されている。このメタルボンド砥石は、中空球による密度低下効果によって回転バランスが良くなり、中空球が研削面において容易に割れてチップポケットとして働くので目詰まりの防止を図ることができる。
【0004】
また、特許文献２には、金属質粒子とガラス質粒子を含有する焼結性メタルボンドに、超砥粒および硫酸バリウムを含む軟質砥粒を分散させて焼結により一体化してなる超砥粒メタルボンド砥石が開示されている。この超砥粒メタルボンド砥石は、金属性結合剤による耐磨耗性を獲得すると同時にガラス質成分によるボンドエロージョン（浸食破壊）性が、硫酸バリウムによる微細な切り屑の排出性によって適当な速度で確実に現れる。これによってホーニングや超仕上げ加工などの精密な切削・研磨加工に用いても砥石の長寿命性と安定した高切削性が奏される超砥粒メタルボンド砥石となる利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】実開平５－９８５９号公報
【文献】特開２００８－２２９７９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献１や２のメタルボンド砥石は、砥石の結合度が低下し自生が促され、かつ、研削加工中に、固体潤滑剤やガラスなどのフィラーが崩壊することでチップポケットが形成される。このチップポケットが切り屑の排出の促進などをすることより、目詰まりが抑制され、安定した研削能率を維持することができる。
【0007】
しかしながら、特許文献１に記載のメタルボンド砥石は、メタルボンド砥石内に気孔を含むことから、摩耗しやすく、砥石の長寿命化が難しかった。また、添加される中空球（フィラー）は砥粒やメタルボンドとの結合力が弱く、目こぼれが発生し、切れ味が低下しやすいという問題もあった。
【0008】
特許文献２に記載の超砥粒メタルボンド砥石も、ガラス質粒子と軟質砥粒を含有するものであり、耐摩耗性に優れたボンド材（金属質粒子）の割合が制限されるため、更なる長寿命化には限界があった。
【0009】
特に、粒径の小さい砥粒を用いる微細領域の加工では、加工時に発生する切り屑が小さく、切り屑がボンドを削り取る能力が小さい。そのため、微細領域の加工に用いられる砥石は、砥粒を自生させて研削能率を維持するために、ボンドの結合強度を低下させる必要があり、高寿命化が難しかった。このような事情から、特に、微細領域の加工において、高寿命かつ安定した研削能率とすることが可能な砥石が求められていた。
【0010】
また、微細領域の加工では、安定した研削能率とするためには、砥粒の突き出し量を十分に確保できるように、砥石の弾性率を高くすることが好ましい。
さらに、近年では、エンジンシリンダボアは、車両や船舶などのエンジンシリンダボアの材質として高硬度化が求められる市場もある。そのため、エンジンシリンダボアなどの円筒状のワークの内面に、砥石を往復回転運動させながら、ワークの内面を研磨し仕上げる加工であるホーニング加工の砥石に高研削性を付与させることも求められている。高研削性を付与するためにも砥石の弾性率を高くすることが好ましい。
しかしながら、特許文献２のメタルボンド砥石では、超砥粒と軟質砥粒を含むため、砥石としての弾性率を高くするには限界があった。
さらに、近年では、エンジンシリンダボアは、車両や船舶などのエンジンシリンダボアの材質として高硬度化が求められる市場もある。そのため、エンジンシリンダボアなどの円筒状のワークの内面に、砥石を往復回転運動させながら、ワークの内面を研磨し仕上げる加工であるホーニング加工の砥石に高研削性を付与させることも求められている。高研削性を付与するためにも砥石の弾性率を高くすることが好ましい。
しかしながら、特許文献２のメタルボンド砥石では、超砥粒と軟質砥粒を含むため、砥石としての弾性率を高くするには限界があった。
【0011】
かかる状況下、本発明が解決しようとする課題は、優れた研削能率を有し、長期間にわたって、安定して研削することができる砥石を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明のガラスフィラー含有メタルボンド砥石は、砥粒と、メタルボンドと、ガラスフィラーとを含有するメタルボンド層を有する砥石であって、前記砥粒が、ダイヤモンドおよび／または立方晶窒化ホウ素であり、前記メタルボンドは、Ｃｕを含有する金属であり、前記メタルボンドの体積に対する前記ガラスフィラーの体積の割合が０．０２５以上１．０以下であり、前記メタルボンドと前記ガラスフィラーとが相互拡散していることを特徴とする。
【0013】
このように、メタルボンドとガラスフィラーとが相互に拡散していることで、メタルボンドとガラスフィラーの結合強度が向上する。研削加工中の砥石が作用する研削表面において、ガラスフィラーは、メタルボンドを構成するＣｕの拡散が進行していない部分から徐々に摩耗するため、チップポケットが得られる。また、砥石強度は大きく損なわれないため、目こぼれによる切味の低下が抑制される。
【0014】
また、メタルボンドの体積に対する前記ガラスフィラーの体積の割合が０．０２５以上１．０以下とすることで、砥石の極端な摩耗や目詰まりを抑えることができる。なお、メタルボンドに対してガラスフィラーが多すぎると、砥石の摩耗が大きくなり、砥石が短寿命となる。また、メタルボンドに対してフィラーが少なすぎると、目詰まり等に起因して研削性能が低下しやすく、安定した研削性能を維持することが困難となる。
【0015】
また、ガラスフィラーの平均粒径が１μｍ以上３μｍ未満であることが好ましい。このような粒径のガラスフィラーを用いることで、研削性能がばらつきにくく、より安定した研削加工が可能な砥石とすることができる。ガラスフィラーの平均粒径が小さすぎると、チップポケットの形成が不十分となり、切り屑を排出しにくくなる。また、ガラスフィラーの平均粒径が大きすぎると、形成されるチップポケットが大きくなりすぎて、研削性能がばらつきやすくなる。
【0016】
また、ガラスフィラーは、Ｚｎ、Ｓｎ、ＺｒおよびＮｉからなる群から選択される１種以上の元素を含有し、Ｐｂを含有しないことが好ましい。Ｚｎ、Ｓｎ、ＺｒおよびＮｉは、メタルボンドの成分であるＣｕと固溶反応しやすく、これらの元素はＣｕと相互拡散しやすいため、ガラスフィラーがメタルボンドとより強固に結合することができる。また、Ｐｂは、Ｃｕと相互拡散するが、毒性が高く環境負荷が大きいため好ましくない。
【0017】
また、前記砥粒の平均粒径は、３５μｍ以下であることが好ましい。このような構成とすれば、研削加工対象物の表面形状をより高品位な状態に仕上げることができ、かつ、高寿命な砥石とできる。また、砥粒の平均粒径が大きすぎると、砥石の寿命の観点で不利になる傾向にある。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、優れた研削能率を有し、長期間にわたって、安定して研削することができる砥石が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】（ａ）本発明のガラスフィラー含有メタルボンド砥石の断面模式図である。（ｂ）本発明のガラスフィラー含有メタルボンド砥石を用いた研削加工時のメタルボンド層の状況を示す模式図である。
【図2】メタルボンド層における、メタルボンドの体積に対するガラスフィラーの体積の割合の好適な範囲を、砥粒の粒度に対してプロットした図である。
【図3】メタルボンド層における、メタルボンドとガラスフィラーとの合計体積に対する砥石の体積の割合の好適な範囲を、砥粒の粒度に対してプロットした図である。
【図4】メタルボンド層において、メタルボンドとガラスフィラーとの相互拡散の様子を示す模式図である。
【図5】（ａ）従来のメタルボンド砥石の断面模式図である。（ｂ）従来のメタルボンド砥石を用いた研削加工時のメタルボンド層の状況を示す模式図である。
【図6】ホーニング加工装置の模式断面図である。
【図7】実施例１のメタルボンド砥石の破断面のＳＥＭ画像および、ガラスフィラーとメタルボンドとの界面領域近傍の４点のＺｒおよびＣｕの元素の存在割合の測定結果である。
【図8】実施例１および比較例１、２のメタルボンド砥石を用いた耐摩耗試験における、投射粒子重量に対する摩耗量をプロットした図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例（代表例）であり、本発明はその要旨を変更しない限り、以下の内容に限定されない。なお、本明細書において「～」という表現を用いる場合、その前後の数値を含む表現として用いる。
【0021】
図１（ａ）は、本発明に係るガラスフィラー含有メタルボンド砥石の模式断面図である。図１（ａ）に示すように、本発明のガラスフィラー含有メタルボンド砥石１０は、砥粒１１と、メタルボンド１２と、ガラスフィラー１３とを含有するメタルボンド層１４からなる。メタルボンド層１４において、砥粒１１とガラスフィラー１３は、メタルボンド１２によって結合されている。
【0022】
また、メタルボンド層１４において、メタルボンド１２とガラスフィラー１３とは相互拡散している。すなわち、メタルボンド層１４において、ガラスフィラー１３を構成する少なくとも１つの元素（例えば、Ｚｒ）が、ガラスフィラー領域からメタルボンド領域にかけて、徐々に減少しながら存在し、メタルボンド１２を構成するＣｕが、メタルボンド領域からガラスフィラー領域にかけて、徐々に減少しながら存在している。
【0023】
砥粒１１は、ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素である。
また、砥粒１１が小さいほど、研削加工対象物の表面を高品位に仕上げることができ、求められる研削加工対象物の表面の品位に応じて、砥粒１１の大きさは適宜選択される。一方、砥粒１１が大きすぎると、耐摩耗性が低下する傾向にあったり、仕上げ加工に用いるのにも不向きとなる。ホーニング加工のような仕上げ加工に用いることができ、かつ、高寿命な砥石とするためには、砥粒１１の好適な平均粒径は、３５μｍ以下であることが好ましい。また、上記のように、砥粒１１の平均粒径の下限は、目的に応じて選択すればよく、特に限定されない。例えば、砥粒１１の平均粒径の下限は、０．２μｍ以上や１μｍ以上であってもよい。
また、砥粒１１が小さいほど、研削加工対象物の表面を高品位に仕上げることができ、求められる研削加工対象物の表面の品位に応じて、砥粒１１の大きさは適宜選択される。一方、砥粒１１が大きすぎると、耐摩耗性が低下する傾向にあったり、仕上げ加工に用いるのにも不向きとなる。ホーニング加工のような仕上げ加工に用いることができ、かつ、高寿命な砥石とするためには、砥粒１１の好適な平均粒径は、３５μｍ以下であることが好ましい。また、上記のように、砥粒１１の平均粒径の下限は、目的に応じて選択すればよく、特に限定されない。例えば、砥粒１１の平均粒径の下限は、０．２μｍ以上や１μｍ以上であってもよい。
【0024】
なお、「平均粒径」とは、メジアン径を意味し、レーザ－回折・散乱法に基づく粒度分布測定により測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側から累積５０％に相当する粒径をいう。
【0025】
ガラスフィラー１３は、Ｃｕと相互拡散できる元素（特に、金属元素）を有するものであれば、その主骨格等は特に限定されず、ケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、ホウ素塩ガラス、リン酸塩ガラスなどのいずれの骨格であってもよい。
【0026】
ガラスフィラー１３は、Ｃｕと相互拡散しやすいことから、Ｚｎ、Ｓｎ、ＺｒおよびＮｉからなる群から選択される１種以上の元素を含有するガラスフィラーが好適である。
【0027】
また、ガラスフィラー１３は、環境面からはＰｂを含有しないガラスフィラーが好適である。
なお、「Ｐｂを含有しない」とは、Ｐｂを実質的に含まないことを意味し、Ｐｂを不純物レベルの混入を排除するものではない。具体的には、ガラスフィラーにおけるＰｂの含有量が１０００ｐｐｍ未満を指す。
なお、「Ｐｂを含有しない」とは、Ｐｂを実質的に含まないことを意味し、Ｐｂを不純物レベルの混入を排除するものではない。具体的には、ガラスフィラーにおけるＰｂの含有量が１０００ｐｐｍ未満を指す。
【0028】
Ｃｕとの相互拡散性や環境面を考慮して、Ｚｎ、Ｓｎ、ＺｒおよびＮｉからなる群から選択される１種以上の元素を含有し、Ｐｂを含有しないガラスフィラーがより好適である。
【0029】
ガラスフィラー１３の好適な平均粒径は、その下限が１μｍ以上であり、その上限は３μｍ未満である。なお、ガラスフィラー１３の大きさは、砥粒１１の大きさや、メタルボンド１２とガラスフィラー１３との割合などに応じて、この範囲の中でもより好適な平均粒径となるように適宜選択できる。
【0030】
メタルボンド１２は、Ｃｕを含有する金属である。Ｃｕを主成分として含有することが好ましく、メタルボンドは、２～５元系合金であってもよい。なお、Ｃｕを主成分して含有するとは、メタルボンドを構成する成分の中で最も含有量（質量％）が高い成分としてＣｕを含有することを意味する。例えば、Ｃｕ－Ｓｎ系合金、Ｃｕ－Ｓｎ－Ｃｏ系合金、Ｃｕ－Ｓｎ－Ｃｏ－Ｆｅ系合金、Ｃｕ－Ｓｎ－Ｎｉ系合金などとすることができる。
【0031】
メタルボンド層１４において、メタルボンド１２の体積に対するガラスフィラー１３の体積の割合（ガラスフィラー１３の体積／メタルボンド１２の体積）は、０．０２５～１．０である。なお、メタルボンド１２の体積に対するガラスフィラー１３の体積の割合は、目的や研削条件などを考慮して、砥粒１１の粒度（平均粒径）や集中度などに応じて調整することが好ましい。
【0032】
例えば、砥粒１１の粒度＃５００～＃８００（砥粒１１の平均粒径２０～３５μｍ程度）では、メタルボンド１２の体積に対するガラスフィラー１３の体積の割合は、０．０２５～０．５であることがより好ましい。
砥粒１１の粒度＃１０００～＃２０００（砥粒１１の平均粒径８～１５μｍ程度）では、メタルボンド１２の体積に対するガラスフィラー１３の体積の割合は、０．０５～０．７であることがより好ましい。
砥粒１１の粒度＃２５００～＃４０００（砥粒１１の平均粒径３～６μｍ程度）では、メタルボンド１２の体積に対するガラスフィラー１３の体積の割合は、０．１～０．９であることがより好ましい。
砥粒１１の粒度＃６０００以上（砥粒１１の平均粒径０．２～２μｍ程度）では、メタルボンド１２の体積に対するガラスフィラー１３の体積の割合は、０．２～１であることがより好ましい。
砥粒１１の粒度＃１０００～＃２０００（砥粒１１の平均粒径８～１５μｍ程度）では、メタルボンド１２の体積に対するガラスフィラー１３の体積の割合は、０．０５～０．７であることがより好ましい。
砥粒１１の粒度＃２５００～＃４０００（砥粒１１の平均粒径３～６μｍ程度）では、メタルボンド１２の体積に対するガラスフィラー１３の体積の割合は、０．１～０．９であることがより好ましい。
砥粒１１の粒度＃６０００以上（砥粒１１の平均粒径０．２～２μｍ程度）では、メタルボンド１２の体積に対するガラスフィラー１３の体積の割合は、０．２～１であることがより好ましい。
【0033】
砥粒１１の各粒度での、メタルボンド１２の体積に対するガラスフィラー１３の体積の割合の好適な範囲について、より具体的な例を図２に示す。
【0034】
このように、砥粒１１の粒度が細かいほど（砥粒１１の粒度の数値が大きいほど）、メタルボンド１２の体積に対するガラスフィラー１３の体積の割合が大きくなるように調整することで、砥石に異常摩耗が発生せずに継続して安定した加工が可能な砥石とすることができる。
【0035】
メタルボンド１２の体積に対するガラスフィラー１３の体積の割合と同様に、メタルボンド層１４における、メタルボンド１２とガラスフィラー１３との合計体積に対する砥粒１１の体積の割合（砥粒１１の体積／メタルボンド１２とガラスフィラー１３との合計体積）は、目的や研削条件などを考慮して、砥粒１１の粒度（平均粒径）や集中度などに応じて調整できる。
【0036】
例えば、砥粒１１の粒度＃５００～＃８００（砥粒１１の平均粒径２０～３５μｍ程度）では、メタルボンド１２とガラスフィラー１３との合計体積に対する砥粒１１の体積の割合は、０．０２５～０．３３であることがより好ましい。
砥粒１１の粒度＃１０００～＃３０００（砥粒１１の平均粒径５～１５μｍ程度）では、メタルボンド１２とガラスフィラー１３との合計体積に対する砥粒１１の体積の割合は、０．１２５～０．２３であることがより好ましい。
砥粒１１の粒度＃４０００以上（砥粒１１の平均粒径０．２～３μｍ程度）では、メタルボンド１２とガラスフィラー１３との合計体積に対する砥粒１１の体積の割合は、０．００２５～０．１５であることがより好ましい。
砥粒１１の粒度＃１０００～＃３０００（砥粒１１の平均粒径５～１５μｍ程度）では、メタルボンド１２とガラスフィラー１３との合計体積に対する砥粒１１の体積の割合は、０．１２５～０．２３であることがより好ましい。
砥粒１１の粒度＃４０００以上（砥粒１１の平均粒径０．２～３μｍ程度）では、メタルボンド１２とガラスフィラー１３との合計体積に対する砥粒１１の体積の割合は、０．００２５～０．１５であることがより好ましい。
【0037】
砥粒１１の各粒度での、メタルボンド１２とガラスフィラー１３との合計体積に対する砥粒１１の体積の割合の好適な範囲について、より具体的な例を図３に示す。
【0038】
このように、メタルボンド１２とガラスフィラー１３との合計体積に対する砥粒１１の体積の割合が、０．００２５～０．３３の範囲で、砥粒１１の粒度が細かいほど（砥粒１１の粒度の数値が大きいほど）、メタルボンド１２とガラスフィラー１３との合計体積に対する砥粒１１の体積の割合が小さくなるように調整することで、砥石に異常摩耗が発生せずに継続して安定した加工が可能な砥石とすることができる。
【0039】
また、図４は、本発明のガラスフィラー含有メタルボンド砥石１０のメタルボンド層１４における、メタルボンド１２とガラスフィラー１３との相互拡散の様子を示すものである。図４に示すように、メタルボンド１２とガラスフィラー１３との界面部分に形成された相互拡散領域１００は、ガラスフィラー１３を構成する少なくとも１つの元素が拡散したガラス成分拡散領域１００ａと、メタルボンド１２のＣｕが拡散したＣｕ拡散領域１００ｂとからなる。ガラスフィラー１３は、Ｃｕが拡散していない未拡散領域１０１と、未拡散領域１０１を覆うＣｕ拡散領域１００ｂとからなる。このような構成とすることで、研削加工中のガラスフィラー１３の崩壊のしやすさが、Ｃｕ拡散領域と未拡散領域とで異なるため、チップポケットを生成することによる安定な研削が可能であると同時に、砥石強度の低下を抑制することができる。
【0040】
特に、メタルボンド層１４は、メタルボンド１２とガラスフィラー１３との界面部分に、ガラスフィラー１３に含有されるＺｎ、Ｓｎ、ＺｒおよびＮｉからなる群から選択される１種以上の元素が拡散したガラス成分拡散領域１００ａと、メタルボンド１２に含有されるＣｕが拡散したＣｕ拡散領域１００ｂとからなる相互拡散領域１００を有し、ガラスフィラー１３の内部に未拡散領域１０１を有することが好適である。
【0041】
Ｃｕの拡散深さＤ（Ｃｕ拡散領域１００ｂの厚さ）は、ガラスフィラー１３の平均半径の５％以上である。また、Ｃｕの拡散深さＤの上限は、ガラスフィラー１３の内部に未拡散領域１０１が存在する範囲であればよい。一方で、Ｃｕの拡散が少ないと、砥石の強度が低下し短寿命となる傾向にあるため、Ｃｕの拡散深さＤは、ガラスフィラー１３の平均半径の１０％以上が好適である。また、Ｃｕの拡散が多すぎると、ガラスフィラー１３が崩壊しにくくなり、チップポケットの効果を十分に得ることが難しく、所望の研削性能を発揮しにくくなる傾向にある。そのため、Ｃｕの拡散深さＤは、ガラスフィラー１３の平均半径の６０％以下が好適である。
また、ガラスフィラー１３を構成する成分の拡散深さ（ガラス成分拡散領域１００ａの厚さ）は、例えば、Ｃｕの拡散深さと同程度（Ｃｕの拡散深さＤの０．８～１．２倍）である。
また、ガラスフィラー１３を構成する成分の拡散深さ（ガラス成分拡散領域１００ａの厚さ）は、例えば、Ｃｕの拡散深さと同程度（Ｃｕの拡散深さＤの０．８～１．２倍）である。
【0042】
なお、本明細書において「平均半径」とは、平均粒径を２で割った値をいう。
また、メタルボンド１２とガラスフィラー１３との相互拡散の有無や拡散深さは、ＥＤＳ元素分析により、メタルボンド１２とガラスフィラー１３との界面領域近傍の構成元素を分析することで確認することができる。
また、メタルボンド１２とガラスフィラー１３との相互拡散の有無や拡散深さは、ＥＤＳ元素分析により、メタルボンド１２とガラスフィラー１３との界面領域近傍の構成元素を分析することで確認することができる。
【0043】
ここで、研削加工時の本発明のガラスフィラー含有メタルボンド砥石１０の状態を説明する。
ワーク３０の研削加工を始めると、図１（ｂ）に示すように、研削表面において、ガラスフィラー１３が選択的に摩耗してチップポケット１５が形成される。チップポケット１５は、切り屑を効率的に排出して目詰まりが抑制する役割をする。
このとき、ガラスフィラー１３は、メタルボンド１２のＣｕが拡散している部分に対して、Ｃｕが拡散していない部分の方が脆く、Ｃｕの拡散が進行していない部分から崩壊するため、砥石強度は大きく損なわれない。
また、メタルボンド１２とガラスフィラー１３とが相互拡散していることで、ガラスフィラー１３の砥粒１１の保持力が向上するため目こぼれも抑制される。さらに、砥石１０の弾性率を高くすることができ、砥粒１１の沈み込みも抑制され、十分な突き出し量を確保できるため切味を維持できる。
ワーク３０の研削加工を始めると、図１（ｂ）に示すように、研削表面において、ガラスフィラー１３が選択的に摩耗してチップポケット１５が形成される。チップポケット１５は、切り屑を効率的に排出して目詰まりが抑制する役割をする。
このとき、ガラスフィラー１３は、メタルボンド１２のＣｕが拡散している部分に対して、Ｃｕが拡散していない部分の方が脆く、Ｃｕの拡散が進行していない部分から崩壊するため、砥石強度は大きく損なわれない。
また、メタルボンド１２とガラスフィラー１３とが相互拡散していることで、ガラスフィラー１３の砥粒１１の保持力が向上するため目こぼれも抑制される。さらに、砥石１０の弾性率を高くすることができ、砥粒１１の沈み込みも抑制され、十分な突き出し量を確保できるため切味を維持できる。
【0044】
研削加工を続けると、徐々に砥粒１１先端が摩耗するとともに、切り屑によってメタルボンド１２およびガラスフィラー１３が徐々に削られて後退し、砥粒１１が自生する。
結果として、長期間にわたって、高い研削能率を維持して安定的に研削加工ができる。
結果として、長期間にわたって、高い研削能率を維持して安定的に研削加工ができる。
【0045】
一方、図５（ａ）に従来のメタルボンド砥石の断面模式図を示す。従来のメタルボンド砥石２０は、砥粒２１と、メタルボンド２２とグラファイト（固体潤滑剤）２３とからなるメタルボンド層２４を有するものである。従来のメタルボンド砥石２０では、図５（ｂ）に示すように、ワーク３０の研削加工を始めると、グラファイト２３が脱落してチップポケット２５が形成される。グラファイト２３は、砥粒２１やメタルボンド２３との結合力が低く、全体が脱落するため、砥石２０の強度が低下する。また、グラファイト２３は砥粒２１の保持力が弱く、目こぼれや砥粒の沈み込みによる切味の低下が起こりやすい。
【0046】
本発明のガラスフィラー含有メタルボンド砥石１０の好適な用途は、仕上げ加工に用いられる砥石であり、高品位が求められる微細領域の研削加工に用いられるための砥石である。また、本発明のガラスフィラー含有メタルボンド砥石１０は、上記の通り、安定した研削能率を有し、かつ、長寿命の砥石であり、長期にわたって、連続研削を安定して行うことができる。そのため、ノードレスでの使用に特に好適である。
具体的には、本発明のガラスフィラー含有メタルボンド砥石１０は、ホーニング加工に用いるためのホーニング砥石として好適である。特に、本発明のガラスフィラー含有メタルボンド砥石１０は、長期間にわたって安定した高い研削能率を維持することができるため、ノードレス切削加工用のホーニング砥石として好適である。
具体的には、本発明のガラスフィラー含有メタルボンド砥石１０は、ホーニング加工に用いるためのホーニング砥石として好適である。特に、本発明のガラスフィラー含有メタルボンド砥石１０は、長期間にわたって安定した高い研削能率を維持することができるため、ノードレス切削加工用のホーニング砥石として好適である。
【0047】
ホーニング加工を行うための装置としては、例えば、図６に示すように、本体外周の円周方向複数箇所に取り付けられたホーニング砥石４１と、本体内部に上下動可能に挿入されたテーパコーン４２と、テーパコーン４２の下降によってホーニング砥石４１をシリンダーボア内面に向けて押圧するシュー４３とを備えたホーニングヘッド４４と、このホーニングヘッド４４を回転および軸方向に移動させる駆動機構（図示せず）を有するホーニング加工装置４０を用いることができる。本発明のガラスフィラー含有メタルボンド砥石１０は、このようなホーニング加工装置４０に取り付けられるホーニング砥石４１とすることができる。
【0048】
次に、本発明のガラスフィラー含有メタルボンド砥石１０の製造方法の一例を説明する。
本発明のガラスフィラー含有メタルボンド砥石１０は、砥粒１１と、ガラスフィラー１３と、Ｃｕを含有する金属粉とを混合して混合物を得る混合工程と、前記混合物を成形金型に充填する充填工程と、前記混合物が充填された成形金型を加圧加熱し、ガラスフィラー１３と前記金属粉とを相互拡散反応させながらメタルボンド層１４を形成させる成形工程とを有する製造方法により製造することができる。
本発明のガラスフィラー含有メタルボンド砥石１０は、砥粒１１と、ガラスフィラー１３と、Ｃｕを含有する金属粉とを混合して混合物を得る混合工程と、前記混合物を成形金型に充填する充填工程と、前記混合物が充填された成形金型を加圧加熱し、ガラスフィラー１３と前記金属粉とを相互拡散反応させながらメタルボンド層１４を形成させる成形工程とを有する製造方法により製造することができる。
【0049】
混合工程は、砥粒１１と、ガラスフィラー１３と、Ｃｕを含有する金属粉とを混合して混合物を得る工程である。
この工程で用いられる原料となるＣｕを含有する金属粉は、メタルボンド１２の構成に応じた組成の合金粉や混合粉を用いることができる。砥粒１１およびガラスフィラー１３は、上記の通りである。
この工程で用いられる原料となるＣｕを含有する金属粉は、メタルボンド１２の構成に応じた組成の合金粉や混合粉を用いることができる。砥粒１１およびガラスフィラー１３は、上記の通りである。
【0050】
原料の体積配合比率は、Ｃｕを含有する金属粉：ガラスフィラー＝１：１～４０：１の範囲で調整することができる。また、体積配合比率で、Ｃｕを含有する金属粉：砥粒＝１：１～８５：１や、８：１～８０：１の範囲で調整することができる。
また、体積配合比率は、用いる砥粒の粒度（平均粒径）等に応じて調整することが好ましい。
また、体積配合比率は、用いる砥粒の粒度（平均粒径）等に応じて調整することが好ましい。
【0051】
充填工程は、混合工程で得られた混合物を成形金型に充填する工程である。成形金型は、目的とする砥石の形状に応じて任意に選択できる。
【0052】
成形工程は、充填工程後の、混合物が充填された成形金型を加圧加熱し、ガラスフィラー１３と前記金属粉とを相互拡散反応させながらメタルボンド層１４を形成させる工程である。
【0053】
成形工程における成形温度や成形圧力、成形時間などの成形条件は、Ｃｕを含有する金属粉やガラスフィラーの種類に応じて、ガラスフィラーと金属粉とが相互拡散反応する範囲で適宜調整することができる。
【0054】
また、ガラスフィラー１３の内部に未拡散領域が残存するように、ガラスフィラー１３と前記金属紛との相互拡散反応は進行させればよいが、上記の通り、相互拡散が少なすぎると、得られる砥石は研削加工中に強度低下しやすくなる。一方で、相互拡散が多すぎると、得られる砥石の研削能率は低下する傾向にある。そのため、成形工程では、ガラスフィラー１３と前記金属粉とを相互拡散反応によりガラスフィラーの平均半径の５％以上の領域までＣｕが拡散するように、成形温度や成形圧力、成形時間を調整してメタルボンド層１４を形成させることが好ましく、ガラスフィラーの平均半径の１０％以上の領域までＣｕが拡散するようにすることがより好ましい。また、ガラスフィラー１３と前記金属粉とを相互拡散反応によるＣｕの拡散は、例えば、ガラスフィラーの平均半径の６０％以下の領域までとなるように成形温度や成形圧力、成形時間を調整することができる
【0055】
例えば、相互拡散反応が進行しやすいことから、成形温度は、３５０℃以上が好ましく、４００℃以上がより好ましい。また、成形温度は高すぎると相互拡散反応が進行しすぎるため、６００℃以下が好ましく、５００℃以下がより好ましい。
また、成形圧力は、５０ｋｇ／ｃｍ2以上が好ましく、１００ｋｇ／ｃｍ2以上がより好ましい。また、５００ｋｇ／ｃｍ2以下が好ましく、３００ｋｇ／ｃｍ2以下がより好ましい。
また、成形圧力は、５０ｋｇ／ｃｍ2以上が好ましく、１００ｋｇ／ｃｍ2以上がより好ましい。また、５００ｋｇ／ｃｍ2以下が好ましく、３００ｋｇ／ｃｍ2以下がより好ましい。
【実施例】
【0056】
［実施例１］
Ｃｕ及びＳｎの混合粉、ダイヤモンド砥粒（平均粒径２５μｍ、＃７００）、Ｚｒ含有リン酸塩ガラス（平均粒径２．５μｍ）を、６７．５：５：２７．５（体積比）で混合した混合物を成形金型に充填した。次いで、窒素雰囲気、４５０℃、１５０ｋｇ／ｃｍ2の条件で成形加工し、メタルボンド層からなるメタルボンド砥石（１）を得た。
Ｃｕ及びＳｎの混合粉、ダイヤモンド砥粒（平均粒径２５μｍ、＃７００）、Ｚｒ含有リン酸塩ガラス（平均粒径２．５μｍ）を、６７．５：５：２７．５（体積比）で混合した混合物を成形金型に充填した。次いで、窒素雰囲気、４５０℃、１５０ｋｇ／ｃｍ2の条件で成形加工し、メタルボンド層からなるメタルボンド砥石（１）を得た。
【0057】
［実施例２］
Ｃｕ及びＳｎの混合粉、ダイヤモンド砥粒（平均粒径２５μｍ、＃７００）、Ｚｒ含有リン酸塩ガラス（平均粒径２．５μｍ）を、８５：５：１０（体積比）で混合した混合物を用いた以外は、実施例１と同様にして、メタルボンド砥石（２）を得た。
Ｃｕ及びＳｎの混合粉、ダイヤモンド砥粒（平均粒径２５μｍ、＃７００）、Ｚｒ含有リン酸塩ガラス（平均粒径２．５μｍ）を、８５：５：１０（体積比）で混合した混合物を用いた以外は、実施例１と同様にして、メタルボンド砥石（２）を得た。
【0058】
[比較例１]
リン酸塩ガラスを使用せずに、Ｃｕ及びＳｎの混合粉、ダイヤモンド砥粒（平均粒径２５μｍ、＃７００）を、９５：５（体積比）で混合した混合物を用いた以外は、実施例１と同様にして、メタルボンド砥石（３）を得た。
リン酸塩ガラスを使用せずに、Ｃｕ及びＳｎの混合粉、ダイヤモンド砥粒（平均粒径２５μｍ、＃７００）を、９５：５（体積比）で混合した混合物を用いた以外は、実施例１と同様にして、メタルボンド砥石（３）を得た。
【0059】
[比較例２]
リン酸塩ガラスに代えて、ケイ酸ガラス（平均粒径２．５μｍ）を使用した以外は、実施例１と同様にして、メタルボンド砥石（４）を得た。
なお、比較例２に用いたケイ酸ガラスのＺｒ、Ｓｎ、ＺｎおよびＮｉの含有量は検出限界以下であった。
リン酸塩ガラスに代えて、ケイ酸ガラス（平均粒径２．５μｍ）を使用した以外は、実施例１と同様にして、メタルボンド砥石（４）を得た。
なお、比較例２に用いたケイ酸ガラスのＺｒ、Ｓｎ、ＺｎおよびＮｉの含有量は検出限界以下であった。
【0060】
[比較例３]
リン酸塩ガラスに代えて、グラファイト（平均粒径２．５μｍ）を使用した以外は、実施例１と同様にして、メタルボンド砥石（５）を得た。
リン酸塩ガラスに代えて、グラファイト（平均粒径２．５μｍ）を使用した以外は、実施例１と同様にして、メタルボンド砥石（５）を得た。
【0061】
［砥石の評価］
得られたメタルボンド砥石を３点曲げして破断させ、その破断面を評価した。
メタルボンド砥石（１）の破断面のガラスフィラーをＥＤＳ元素分析にて評価したところ、ガラスフィラー内部はＣｕが拡散していない未拡散領域が存在していた。
得られたメタルボンド砥石を３点曲げして破断させ、その破断面を評価した。
メタルボンド砥石（１）の破断面のガラスフィラーをＥＤＳ元素分析にて評価したところ、ガラスフィラー内部はＣｕが拡散していない未拡散領域が存在していた。
【0062】
また、メタルボンド砥石（１）の破断面のガラスフィラーとメタルボンドとの界面領域近傍についてもＥＤＳ元素分析にて評価した。メタルボンド砥石（１）の破断面のガラスフィラーとメタルボンドとの界面領域近傍の４点のＺｒおよびＣｕの元素の存在割合（質量％）をＥＤＳ元素分析で測定して算出した結果を図７に示す。
【0063】
図７に示すように、メタルボンド砥石（１）は、使用した混合粉はＺｒを含有しないにもかかわらず、メタルボンド領域においてもガラスフィラーとの界面付近ではＺｒの存在が確認された。さらに、Ｚｒの存在割合は、ガラスフィラーとの界面からメタルボンド領域の内部にかけて減少することが確認された。また、使用したガラスフィラーはＣｕを含有しないにもかかわらず、ガラスフィラー領域においてもメタルボンドとの界面付近ではＣｕの存在が確認され、Ｃｕの存在割合は、メタルボンドとの界面からガラスフィラー領域の内部にかけて減少することが確認された。この結果から、メタルボンド砥石（１）では、メタルボンドを構成するＣｕとガラスフィラーを構成するＺｒとが少なくとも相互拡散しているといえる。
【0064】
また、メタルボンド砥石（１）の破断面の砥粒表面の元素をＥＤＳ元素分析で測定した結果、Ｃ、Ｃｕ、ＺｒおよびＳｎが検出された。
【0065】
メタルボンド砥石（２）についても同様に破断面を評価した結果、ガラスフィラーの内部には未拡散領域が存在し、また、ガラスフィラーとメタルボンドとの界面領域近傍ではＣｕとＺｒの相互拡散が確認された。
【0066】
比較例２のメタルボンド砥石（４）についても同様に破断面を評価した結果、メタルボンド砥石（４）では、メタルボンドとガラスフィラーとの相互拡散は確認されなかった。
【0067】
[耐摩耗試験]
メタルボンド砥石（１）（実施例１）、メタルボンド砥石（３）（比較例１）およびメタルボンド砥石（４）（比較例２）について、砥石に硬質粒子を一定の投射速度にて所定の重量投射させた際の摩耗量（凹み深さ）を求めた。投射させた硬質粒子の重量（投射粒子重量（ｇ））を横軸に、各投射粒子重量における摩耗量（μｍ）を縦軸にプロットした結果を図８に示す。
図８に示すように、メタルボンド砥石（１）は、メタルボンド砥石（４）に比べて、砥石の摩耗量が大きく低減し、メタルボンド砥石（３）と同等であった。つまり、メタルボンド砥石（１）はガラスフィラーを含有するにもかかわらず、砥石の強度を大きく損なわい構造を有することが確認できた。
メタルボンド砥石（１）（実施例１）、メタルボンド砥石（３）（比較例１）およびメタルボンド砥石（４）（比較例２）について、砥石に硬質粒子を一定の投射速度にて所定の重量投射させた際の摩耗量（凹み深さ）を求めた。投射させた硬質粒子の重量（投射粒子重量（ｇ））を横軸に、各投射粒子重量における摩耗量（μｍ）を縦軸にプロットした結果を図８に示す。
図８に示すように、メタルボンド砥石（１）は、メタルボンド砥石（４）に比べて、砥石の摩耗量が大きく低減し、メタルボンド砥石（３）と同等であった。つまり、メタルボンド砥石（１）はガラスフィラーを含有するにもかかわらず、砥石の強度を大きく損なわい構造を有することが確認できた。
【0068】
［砥石を用いた研削試験］
メタルボンド砥石（２）（実施例２）を、接着剤を用いて台金に接着しホーニング砥石とした。これをホーニング加工装置（メカ拡張ホーニング盤）にセットし、下記条件で研削試験を行った。
・ホーニング砥石の配置本数：６本
・砥石周速度：９５ｍ／ｍｉｎ
・往復速度：２５ｍ／ｍｉｎ
・研削液：水溶性研削液
・加工物：鋳鉄ＦＣ２５０相当、内径φ８４ｍｍ×高さ１３５ｍｍ
・加工時間：１５ｓｅｃ
また、メタルボンド砥石（５）（比較例３）についても同様に研削試験を行った。
メタルボンド砥石（２）（実施例２）を、接着剤を用いて台金に接着しホーニング砥石とした。これをホーニング加工装置（メカ拡張ホーニング盤）にセットし、下記条件で研削試験を行った。
・ホーニング砥石の配置本数：６本
・砥石周速度：９５ｍ／ｍｉｎ
・往復速度：２５ｍ／ｍｉｎ
・研削液：水溶性研削液
・加工物：鋳鉄ＦＣ２５０相当、内径φ８４ｍｍ×高さ１３５ｍｍ
・加工時間：１５ｓｅｃ
また、メタルボンド砥石（５）（比較例３）についても同様に研削試験を行った。
【0069】
試験後のメタルボンド砥石（２）の表面をＳＥＭ観察した。その結果、メタルボンド砥石（２）では、メタルボンドに対して選択的にガラスフィラーが摩耗してチップポケットを形成していた。
また、ＥＤＳマッピングの結果より、凹部には、Ｚｒの存在が確認された。この結果より、メタルボンド砥石（２）において、ガラスフィラーが徐々に崩壊していると推察される。
また、ＥＤＳマッピングの結果より、凹部には、Ｚｒの存在が確認された。この結果より、メタルボンド砥石（２）において、ガラスフィラーが徐々に崩壊していると推察される。
【0070】
メタルボンド砥石（２）による加工物の研削量を基準（研削性指数１００％）とし、メタルボンド砥石（２）とメタルボンド砥石（５）との研削性指数（％）を比較した。メタルボンド砥石（５）の研削性指数（％）を、メタルボンド砥石（２）の相対値（メタルボンド砥石（５）による加工物の研削量を、メタルボンド砥石（２）による加工物の研削量で除し、１００を乗じた値）として算出したところ、メタルボンド砥石（５）の研削性指数（％）は９６％であった。
また、メタルボンド砥石（２）の摩耗量の逆数を基準（耐摩耗性指数１００％）とし、メタルボンド砥石（２）とメタルボンド砥石（５）との耐摩耗性指数（％）を比較した。メタルボンド砥石（５）の耐摩耗性指数（％）を、メタルボンド砥石（２）の相対値（メタルボンド砥石（５）の摩耗量の逆数を、メタルボンド砥石（２）の摩耗量の逆数で除し、１００を乗じた値）として算出したところ、メタルボンド砥石（５）の耐摩耗指数（％）は６５％であった。
この結果より、メタルボンド砥石（２）は、メタルボンド砥石（５）（従来の砥石）と比較して、同等以上の研削能率を有し、かつ、砥石の寿命が大幅に向上していることがわかる。
また、研削試験中、メタルボンド砥石（２）の研削能率も安定していた。
また、メタルボンド砥石（２）の摩耗量の逆数を基準（耐摩耗性指数１００％）とし、メタルボンド砥石（２）とメタルボンド砥石（５）との耐摩耗性指数（％）を比較した。メタルボンド砥石（５）の耐摩耗性指数（％）を、メタルボンド砥石（２）の相対値（メタルボンド砥石（５）の摩耗量の逆数を、メタルボンド砥石（２）の摩耗量の逆数で除し、１００を乗じた値）として算出したところ、メタルボンド砥石（５）の耐摩耗指数（％）は６５％であった。
この結果より、メタルボンド砥石（２）は、メタルボンド砥石（５）（従来の砥石）と比較して、同等以上の研削能率を有し、かつ、砥石の寿命が大幅に向上していることがわかる。
また、研削試験中、メタルボンド砥石（２）の研削能率も安定していた。
【産業上の利用可能性】
【0071】
本発明のガラスフィラー含有メタルボンド砥石は、高品位が求められる微細領域の研削加工で利用でき、特に、ノードレス使用環境下においても利用することができる。例えば、自動車用エンジンのシリンダ内面などのホーニング加工において広く利用することができる。
【符号の説明】
【0072】
１０ ガラスフィラー含有メタルボンド砥石
１１、２１ 砥粒
１２、２２ メタルボンド
１３ ガラスフィラー
１４、２４ メタルボンド層
１５、２５ チップポケット
２０ 従来のメタルボンド砥石
２３ グラファイト
３０ ワーク
４０ ホーニング加工装置
４１ ホーニング砥石
４２ テーパコーン
４３ シュー
４４ ホーニングヘッド
１００ 相互拡散領域
１００ａ ガラス成分拡散領域
１００ｂ Ｃｕ拡散領域
１０１ 未拡散領域
１１、２１ 砥粒
１２、２２ メタルボンド
１３ ガラスフィラー
１４、２４ メタルボンド層
１５、２５ チップポケット
２０ 従来のメタルボンド砥石
２３ グラファイト
３０ ワーク
４０ ホーニング加工装置
４１ ホーニング砥石
４２ テーパコーン
４３ シュー
４４ ホーニングヘッド
１００ 相互拡散領域
１００ａ ガラス成分拡散領域
１００ｂ Ｃｕ拡散領域
１０１ 未拡散領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
