特許 7550688 単層ハイブリッドボンド砥石の製造方法

(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】2024-09-05

(45)【発行日】2024-09-13

(54)【発明の名称】単層ハイブリッドボンド砥石の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B24D 3/02 20060101AFI20240906BHJP

   B24D 3/00 20060101ALI20240906BHJP

   B24D 3/06 20060101ALI20240906BHJP

   B24D 3/14 20060101ALI20240906BHJP

【ＦＩ】

B24D3/02 A

B24D3/00 310D

B24D3/06 B

B24D3/14

B24D3/02 310C

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021046680

(22)【出願日】2021-03-19

(65)【公開番号】P2022145323

(43)【公開日】2022-10-04

【審査請求日】2023-09-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000004293

【氏名又は名称】ノリタケ株式会社

(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

(72)【発明者】

【氏名】櫻井 暁

【審査官】小川 真

(56)【参考文献】

【文献】特開平０８－２０６９６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０２５９７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１９３２６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１６０１６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－３４３４３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－３１８２６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２４Ｄ ３／０２

Ｂ２４Ｄ ３／００

Ｂ２４Ｄ ３／０６

Ｂ２４Ｄ ３／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガラス質の母材を形成する組成物と、無数の金属粒子と、無数の砥粒とを含み、前記母材と前記金属粒子との体積比が５：９５～９０：１０となる混合物を準備する第１工程と、
基材上に前記混合物を設けて基材成形体とする第２工程と、
前記基材成形体を焼成することにより、前記母材と、前記母材中に分散された前記金属粒子とを有する第１ボンド層を前記基材上に形成し、前記第１ボンド層によって前記砥粒が前記基材上に単層で固着された中間体とする第３工程と、
前記第１ボンド層上に電着法によって金属質の第２ボンド層を形成し、前記第２ボンド層が前記金属粒子と結合し、前記砥粒の表面密度が５０％以下である単層ハイブリッドボンド砥石を得る第４工程とを備えていることを特徴とする単層ハイブリッドボンド砥石の製造方法。

【請求項2】

前記基材は導電性を有し、
前記第４工程は電解めっき法によって行う請求項１記載の単層ハイブリッドボンド砥石の製造方法。

【請求項3】

前記金属粒子と前記金属質とは同種の金属からなる請求項１又は２記載の単層ハイブリッドボンド砥石の製造方法。

【請求項4】

前記砥粒はダイヤモンドであり、
前記金属粒子はＮｉであり、
前記金属質はＮｉを含む請求項３記載の単層ハイブリッドボンド砥石の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、単層ハイブリッドボンド砥石と、その製造方法とに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１の図４に一般的な単層メタルボンド砥石が開示されている。この単層メタルボンド砥石は、基材と、メタルボンド層と、無数の砥粒とを備えている。メタルボンド層は、金属質であり、電着法等によって基材上に設けられている。各砥粒は表面が露出された状態でメタルボンド層によって基材上に単層で固着されている。

【0003】

例えば、この単層メタルボンド砥石は研削工具として具体化され、研削加工の際に用いられる。この際、単層メタルボンド砥石は、メタルボンド層が靭性に富む金属質であることから、各砥粒が脱落し難く、高い耐久性を発揮する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００２－１６０１６８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、単層メタルボンド砥石は、一般的には、砥粒を含むめっき液を用いた電着法によってメタルボンド層と各砥粒とを基材に固着することから、研磨面における砥粒の表面密度が必然的に高い。特に、砥粒が微細である場合にはこの傾向が大きい。このため、単層メタルボンド砥石は、研削時において、研磨面に目詰まりや溶着が生じやすい。この場合、長期の連続的な使用によって研削抵抗が増大し、いずれは研削ができなくなってしまう。これを避けるために頻繁に研磨面の目詰まりや溶着を除去しようとすれば、研磨効率の低下を生じてしまう。

【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、高い耐久性と高い研磨効率とを実現可能な単層ハイブリッ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】

本発明の単層ハイブリッドボンド砥石は、基材と、前記基材上に設けられたボンド層と、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、
前記ボンド層は、前記基材上に設けられた第１ボンド層と、前記第１ボンド層上に設けられた第２ボンド層とからなり、
前記第１ボンド層は、ガラス質の母材と、前記母材中に分散された金属粒子とを有し、
前記第２ボンド層は金属質であることを特徴とする。

【0008】

本発明の単層ハイブリッドボンド砥石は、第１ボンド層上の第２ボンド層が金属質であることにより高い靭性で各砥粒を保持する。このため、この単層ハイブリッドボンド砥石は、研削時において、各砥粒が脱落し難い。

【0009】

また、この単層ハイブリッドボンド砥石は、第１ボンド層の母材がガラス質であるため、ガラス質を形成する組成物中の砥粒の割合を任意に調整でき、基材上の砥粒の表面密度を任意に下げることができる。このため、この単層ハイブリッドボンド砥石は、研磨面における砥粒の表面密度が従来よりも下げられることから、長期に亘って連続的に使用しても、研磨面に目詰まりや溶着が生じ難く、研削抵抗が増大し難い。

【0010】

さらに、この単層ハイブリッドボンド砥石は、金属質の第２ボンド層と第１ボンド層内の金属粒子とがともに金属であることから強固に結合し、第２ボンド層が第１ボンド層と強固に結合している。

【0011】

本発明の単層ハイブリッドボンド砥石の製造方法は、ガラス質の母材を形成する組成物と、無数の金属粒子と、無数の砥粒とを含み、前記母材と前記金属粒子との体積比が５：９５～９０：１０となる混合物を準備する第１工程と、
基材上に前記混合物を設けて基材成形体とする第２工程と、
前記基材成形体を焼成することにより、前記母材と、前記母材中に分散された前記金属粒子とを有する第１ボンド層を前記基材上に形成し、前記第１ボンド層によって前記砥粒が前記基材上に単層で固着された中間体とする第３工程と、
前記第１ボンド層上に電着法によって金属質の第２ボンド層を形成し、前記第２ボンド層が前記金属粒子と結合し、前記砥粒の表面密度が５０％以下である単層ハイブリッドボンド砥石を得る第４工程とを備えていることを特徴とする。

【0012】

本発明の製造方法により、本発明の単層ハイブリッドボンド砥石を製造することが可能である。

【発明の効果】

【0013】

本発明の単層ハイブリッドボンド砥石は、高い耐久性と高い研磨効率とを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、実施例の製造方法に係り、中間体の模式断面図である。

【図2】図２は、実施例の製造方法に係り、中間体の表面の顕微鏡写真である。

【図3】図３は、実施例の製造方法で得られた単層ハイブリッドボンド砥石の模式断面図である。

【図4】図４は、実施例の製造方法で得られた単層ハイブリッドボンド砥石の表面の顕微鏡写真である。

【図5】図５は、実施例の製造方法で得られた単層ハイブリッドボンド砥石の表面の顕微鏡写真である。

【図6】図６は、比較例の単層メタルボンド砥石の表面の顕微鏡写真である。

【図7】図７は、実施例の単層ハイブリッドボンド砥石を用いた研削工具の斜視図である。

【図8】図８は、実施例の単層ハイブリッドボンド砥石を用いた他の研削工具の斜視図である。

【図9】図９は、実施例の単層ハイブリッドボンド砥石を用いた他の研削工具の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

基材は、ボンド層及び各砥粒を保持できるものであれば、種々の材料のものであり得る。剛性を有する基材としては、鉄、ＳＵＳ、銅等の金属、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、ガラス等を採用することができる。導電性のある基材を採用すれば、本発明の製造方法において、第４工程で電解めっき法を採用できる。

【0016】

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、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。砥粒の粒径は研削工具の用途等に応じて種々設定される。

【0017】

第１ボンド層を構成するガラス質の母材としては、硼珪酸ガラス等のフリットを含む組成物のスラリー又は粉末を採用し、そのスラリー又は粉末を基材上に成形体として形成し、成形体を必要に応じて乾燥させ、組成物を溶融、固化させたものを採用することができる。本発明の単層ハイブリッドボンド砥石では、砥粒を基材上に単層で固着しているに過ぎないことから、第１ボンド層は気孔を実質的に含まない緻密なものであることが好ましい。

【0018】

第１ボンド層において、母材中に分散される金属粒子としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｐｂ等又はこれらの合金を採用することができる。金属粒子の平均粒径は０．０１～５μｍであることが好ましい。金属粒子の平均粒径が０．０１μｍ未満であれば、第１ボンド層と第２ボンド層との結合強度が不十分になり易く、金属粒子の粒径が５μｍを超えれば、第１ボンド層がクラックを生じやすいとともに、砥粒による研削性能に悪影響を与えやすい。

【0019】

第２ボンド層の金属質をなす金属としても、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｐ等又はこれらの合金を採用することができる。

【0020】

金属粒子と金属質とは同種の金属からなることが好ましい。この場合、金属質の第２ボンド層と第１ボンド層内の金属粒子とがより強固に結合し、第２ボンド層が第１ボンド層とより強固に結合する。

【0021】

発明者らの試験結果によれば、第１ボンド層は、母材と金属粒子との体積比が５：９５～９０：１０であることが好ましい。母材と金属粒子との体積比が５：９５より小さければ、第１ボンド層中のガラス質が少ないため、第１ボンド層中に金属粒子を固定し難く、砥粒を基材に対して保持し難い。母材と金属粒子との体積比が９０：１０より大きければ、第１ボンド層中の金属粒子が少なく、第１ボンド層と第２ボンド層との結合強度が不十分になり易い。

【0022】

また、発明者らの試験結果によれば、砥粒の表面密度は５０％以下であることが好ましい。この場合、研削時において、研磨面に目詰まりや溶着が生じ難い。

【0023】

本発明の製造方法の第１工程で準備する混合物は、ガラス質を形成する組成物と、無数の金属粒子と、無数の砥粒とを含む。組成物は硼珪酸ガラス等のフリットや原料を含む。混合物は、バインダ樹脂、溶剤等とともに組成物、金属粒子及び砥粒を含むスラリーであってもよく、組成物、金属粒子及び砥粒のみからなる粉末であってもよい。

【0024】

第２工程の基材成形体は基材上に混合物を設けたものである。基材上の混合物はスラリーの塗布、スラリーや粉末の成形等によって形成され得る。第３工程では、基材成形体を焼成することにより、第１ボンド層を基材上に形成した中間体が得られる。第１ボンド層は、ガラス質の母材と、母材中に分散された金属粒子とを有する。つまり、基材成形体における混合物中の組成物が溶融してガラス質の母材となり、母材中に金属粒子が分散される。また、中間体は、第１ボンド層によって砥粒が基材上に単層で固着される。第４工程としては、めっき液を用いる電着法、金属粉を焼結させて第２ボンド層を形成する焼結法等を採用することが可能である。電着法は、電解めっき法であってもよく、無電解めっき法であってもよい。

【0025】

第４工程は電着法によって行うことが好ましい。この場合、様々な形状の基材に第２ボンド層を形成し易いとともに、砥粒の突き出し長さを長く確保し易い。

【0026】

以下、本発明を試験１、２により説明するとともに、実施例１～９と比較例とを説明する。

【0027】

（試験１）
試験１では、母材１ａと金属粒子１ｂとの体積比を種々変え、単層ハイブリッドボンド砥石２０を製造した。各単層ハイブリッドボンド砥石２０は、図３に示すように、基材３と、ボンド層７と、無数の砥粒９とを備えている。ボンド層７は、基材３上に設けられた第１ボンド層７ａと、第１ボンド層７ａ上に設けられた第２ボンド層７ｂとからなる。各砥粒９は、表面が露出された状態でボンド層７によって基材３上に単層で固着されている。

【0028】

まず、第１工程として、表１にガラス質の組成を示す組成物と、無数の金属粒子１ｂ（Ｎｉ粒子、平均粒径：１８０ｎｍ）と、無数の砥粒９（ダイヤモンド、平均粒径：１２μｍ）と、バインダ樹脂（アクリル樹脂）と、溶剤（アルコール）とを準備した。

【0029】

【表1】

【0030】

母材換算で組成物と金属粒子１ａとが表２に示す体積比となるようにこれらをボールミルに投入し、ボールミルを回転させた。この際、砥粒９の表面密度は２０％となるようにした。砥粒９の表面密度は、組成物中の砥粒９の割合を調整することにより調整した。得られた単層ハイブリッドボンド砥石２０では、ＳＥＭ画像から砥粒９とボンド層７の表面とを２値化し、砥粒９が占める面積によって砥粒９の表面密度を算出した。こうして、試験品１～９のスラリーを得た。

【0031】

【表2】

【0032】

第２工程として、図１に示すように、鉄製の基材３上に各スラリーを所定の厚みで塗布した。この際、各スラリーの厚みは第１ボンド層７ａが砥粒９の径の１０～５０％になるようにした。各スラリー中の溶剤を気化し、基材３と成形体とからなる基材成形体を得た。

【0033】

第３工程として、基材成形体を還元雰囲気下、７５０°Ｃで焼成した。こうして、第１ボンド層７ａを基材３上に形成した中間体１１を得た。試験品４のスラリーを用いた中間体１１の表面の顕微鏡写真を図２に示す。図１及び図２に示すように、中間体１１の第１ボンド層７ａは、組成物が溶融、固化してなるガラス質の母材１ａと、母材１ａ中に分散された金属粒子１ｂとからなる。中間体１１では、砥粒９が第１ボンド層７ａによって基材３上に単層で固着されている。

【0034】

第４工程として、中間体１１を硫酸などからなる水溶液によって酸洗浄した。この後、スルファミン酸ニッケル、塩化ニッケル及び硼酸からなるスルファミン酸浴からなるめっき液と、陽極と、電源とを有する電解めっき装置を用意し、中間体１１を電解めっき装置のめっき液中で陰極に接続し、電圧を印加した。こうして、図３に示すように、電解めっき法によって第１ボンド層７ａ上に金属質の第２ボンド層７ｂを形成した。この際、第２ボンド層７ｂの厚みは砥粒９の突き出し量が砥粒９の径の１０～４０％になるようにした。こうして、各単層ハイブリッドボンド砥石２０を得た。

【0035】

試験品４の単層ハイブリッドボンド砥石２０の表面の顕微鏡写真を図４に示す。図３及び図４に示すように、この単層ハイブリッドボンド砥石２０の第１ボンド層７ａは、ガラス質の母材１ａと、母材１ａ中に分散された金属粒子１ｂとを有している。第１ボンド層７ａは気孔を実質的に含まない緻密なものである。また、第２ボンド層７ｂは金属質である。

【0036】

但し、試験品１のスラリーを用いた場合は、第４工程で第２ボンド層７ｂを形成している間に第１ボンド層７ａが基材３から剥離してしまった。また、試験品８のスラリーを用いた単層ハイブリッドボンド砥石２０は、第１ボンド層７ａ上の部分的にしか第２ボンド層７ｂが形成されなかった。試験品９のスラリーを用いた場合には、第１ボンド層７ａ上に第２ボンド層７ｂを形成することができなかった。

【0037】

得られた各単層ハイブリッドボンド砥石２０を用いて図７の研削工具を用意した。この研削工具は、環状をなす台金１５上に複数の単層ハイブリッドボンド砥石２０を接着剤によって接合したものである。一つの切削工具では、同一のスラリーで製造した単層ハイブリッドボンド砥石２０を接合した。

【0038】

そして、以下の条件で磨耗試験を行って寿命を評価した。
摺動式の乾式研削試験装置
取り代：５μｍ（５０×２０（ｍｍ）サイズ）
加工物：アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）のブロック
加工前の面粗さ：０．９０μｍ

【0039】

寿命は、加工物の連続研削枚数が５０枚以上で目詰まりによって研削が不能になった場合を◎、連続研削枚数が２５枚以上、５０枚未満で目詰まりによって研削が不能になった場合を〇、連続研削枚数が２５枚未満で目詰まりによって研削が不能になった場合を×として評価した。この結果も表２に示す。

【0040】

表２より、第１ボンド層は、母材７ａと金属粒子１との体積比が５：９５～９０：１０であることが好ましく、１０：９０～８０：２０であることがより好ましいことがわかる。母材７ａと金属粒子１との体積比が５：９５より小さければ、単層ハイブリッドボンド砥石が得られ難い。第１ボンド層７中のガラス質が少ないため、第１ボンド層７中に金属粒子１を固定し難く、砥粒３も基材５に対して保持し難いからである。また、母材７ａと金属粒子１との体積比が９０：１０より大きくても、単層ハイブリッドボンド砥石が得られ難い。第１ボンド層７中の金属粒子１が少なく、第１ボンド層７と第２ボンド層１１との結合強度が不十分になり易いからである。

【0041】

（試験２）
試験１と同様、第１工程として、組成物と、金属粒子１と、砥粒３と、バインダ樹脂と、溶剤とを準備した。そして、組成物（母材換算）と金属粒子１との体積比が５：５となるようにこれらをボールミルに投入し、ボールミルを回転させた。この際、表３に示すように、砥粒９の表面密度を０．１～６０％まで変化させた。こうして、実施例１～９のスラリーを得た。

【0042】

【表3】

【0043】

試験１と同様に第２～４工程を行い、実施例１～９の各単層ハイブリッドボンド砥石を得た。実施例３の単層ハイブリッドボンド砥石の表面の顕微鏡写真を図５に示す。一方、比較例として、市販の単層メタルボンド砥石を用意した。比較例の単層メタルボンド砥石は、実施例１～９と同様の砥粒３を電着法によって基材５上に設けたものである。比較例の単層メタルボンド砥石の表面の顕微鏡写真を図６に示す。図５及び図６に示すように、実施例３の単層ハイブリッドボンド砥石は、比較例の単層メタルボンド砥石よりも砥粒の表面密度が十分に低いことがわかる。

【0044】

実施例１～９の単層ハイブリッドボンド砥石及び比較例１の単層メタルボンド砥石を用いて試験１と同様の研削工具を用意した。そして、試験１と同様の磨耗試験を行い、目詰まり、寿命及び加工面粗さを評価した。寿命の評価は試験１と同様である。

【0045】

目詰まりは、研削終了後に付着がない場合を◎、研削終了後にエアー等で除去できる場合を〇、溶着を生じ、エアー等を吹きかけても除去できない状態であれば×として評価した。この結果も表３に示す。

【0046】

加工面粗さは、加工物の加工面Ｒａが０．２μｍ以下であれば◎、０．２μｍを超え、０．３μｍ以下であれば〇、０．３μｍを超え、０．４μｍ以下であれば△、０．４μｍを超えれば×として評価した。これらの結果も表３に示す。

【0047】

表３より、実施例１～９の単層ハイブリッドボンド砥石２０は、研削時において、各砥粒９が脱落し難いことがわかる。これらの単層ハイブリッドボンド砥石２０は、第１ボンド層７ａ上の第２ボンド層７ｂが金属質であることにより高い靭性で各砥粒９を保持しているためである。特に、実施例３～６の単層ハイブリッドボンド砥石２０が好ましい。

【0048】

また、実施例１～９の単層ハイブリッドボンド砥石２０は、第１ボンド層７ａの母材１ａがガラス質であるため、ガラス質を形成する組成物中の砥粒の割合を任意に調整でき、基材３上の砥粒９の表面密度を任意に下げることができる。このため、各単層ハイブリッドボンド砥石２０は、研磨面における砥粒９の表面密度が従来よりも下げられることから、長期に亘って連続的に使用しても、研磨面に目詰まりや溶着が生じ難く、研削抵抗が増大し難い。発明者らの試験結果によれば、実施例１～８の単層ハイブリッドボンド砥石２０のように、砥粒９の表面密度は５０％以下であれば、研削時において、研磨面に目詰まりが生じ難い。

【0049】

さらに、実施例１～９の単層ハイブリッドボンド砥石２０は、金属質の第２ボンド層７ｂと第１ボンド層７ａ内の金属粒子１ｂとがともに金属であることから強固に結合し、第２ボンド層７ｂが第１ボンド層７ａと強固に結合している。特に、実施例１～９の単層ハイブリッドボンド砥石２０は、金属粒子１ｂと第２ボンド層７ｂの金属質とが同じＮｉであることから、この作用効果が顕著であると推察する。

【0050】

したがって、実施例１～９の単層ハイブリッドボンド砥石２０は、高い耐久性と高い研磨効率とを実現することができることがわかる。また、実施例１～９の製造方法により、本発明の単層ハイブリッドボンド砥石を製造できることがわかる。特に、導電性のある基材３を採用し、第４工程で電解めっき法を採用し、容易に第２ボンド層７ｂを形成できる。

【0051】

以上において、本発明を試験１、２及び実施例１～９に即して説明したが、本発明は上記試験１、２及び実施例１～９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。

【0052】

例えば、上記実施例１～９では、台金１５等と基材３とを異ならせ、台金１５等に複数の単層ハイブリッドボンド砥石２０を接合することによって切削工具としたが、台金１５等そのものを基材３とすることも可能である。

【0053】

また、上記実施例１～９の切削工具は、台金１５が環状をなすが、図８に示すように、棒状の台金１７を採用し、この台金１７の周面に複数の単層ハイブリッドボンド砥石２０を接合してもよい。さらに、図９に示すように、板状の台金１９を採用し、この台金１９の一面に複数の単層ハイブリッドボンド砥石２０を接合してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0054】

本発明は研削工具等に利用可能である。

【符号の説明】

【0055】

３…基材
７…ボンド層
９…砥粒
７ａ第１ボンド層
７ｂ…第２ボンド層
１ａ…母材
１ｂ…金属粒子
１１…中間体
２０…単層ハイブリッドボンド砥石

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】