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有気孔砥石及びその製造方法 - 特開2008−30157 | j-tokkyo
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【発明の名称】 有気孔砥石及びその製造方法
【発明者】 【氏名】岸本 淳

【要約】 【課題】砥石を構成する結合材中に超砥粒を均一に分散させ、かつ研削・切断抵抗の低減等に寄与する気孔を適度に分散させ、しかもそれに伴って砥石内部にクラックが形成されることがない有気孔砥石及びその製造方法を提供する。

【構成】溶媒で希釈した液状のフェノール樹脂中に超砥粒2を均一に分散させて混合物とし、上記混合物を無加圧焼成してフェノール樹脂を硬化させ、硬化物とし、その硬化物を粉砕し、粉砕した粉砕粒1Aを粒間気孔5が存在する状態に加圧成形して成形体とし、次に、上記成形体を不活性ガス中又は真空中で高温焼成し、上記フェノール樹脂をアモルファスカーボン化すると共に、それに伴って発生するガスによりアモルファスカーボン中に微細気孔3を形成させ、有気孔砥石を得る。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アモルファスカーボンからなる結合材中に超砥粒が均一に分散すると共に、該結合材中に微細気孔が均一に分散して形成されている有気孔砥石であって、
上記超砥粒及び微細気孔が分散している結合材が、超砥粒を分散させたフェノール樹脂の硬化物を粉砕してなる粉砕粒を、粒間気孔が存在する状態で所期の成形体に加圧成形したうえで、それを不活性ガス中又は真空中で高温焼成して、上記フェノール樹脂をアモルファスカーボン化することにより形成され、
上記結合材中の微細気孔が、上記アモルファスカーボン化に伴って上記粉砕粒内に発生するガスにより形成されている、
ことを特徴とする有気孔砥石。
【請求項2】
上記超砥粒が平均粒径5μm以下の砥粒である、
こと特徴とする請求項1に記載の有気孔砥石。
【請求項3】
上記粉砕粒を形成するフェノール樹脂に、結合度を調整するためのフィラー及び/又は微細気孔量を調整するための気孔形成剤が加えられている、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の有気孔砥石。
【請求項4】
次の工程(a)〜(d)からなることを特徴とする有気孔砥石の製造方法。
(a) 溶媒で希釈した液状のフェノール樹脂中に超砥粒を均一に分散させて混合物とする工程。
(b) 上記混合物を無加圧焼成してフェノール樹脂を硬化させ、硬化物とする工程。
(c) 上記硬化物を粉砕し、粉砕した粉砕粒を粒間気孔が存在する状態に加圧成形して成形体とする工程。
(d) 上記成形体を不活性ガス中又は真空中で高温焼成し、上記フェノール樹脂をアモルファスカーボン化すると共に、それに伴って発生するガスによりアモルファスカーボン中に微細気孔を形成させる工程。
【請求項5】
上記工程(b)が、上記混合物から溶媒を除去する工程を含み、
上記工程(d)における焼成温度が、700〜1200℃である、
ことを特徴とする請求項4に記載の有気孔砥石の製造方法。
【請求項6】
上記工程(a)において、超砥粒の平均粒径が5μm以下である、
こと特徴とする請求項4又は5に記載の有気孔砥石の製造方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、研削・切断などに用いられる有気孔砥石及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、フェノール樹脂粉末と、ダイヤモンドやcBNなどの高硬度の超砥粒とを混合して、その混合物を成形金型に充填し、加圧焼結して得られるレジンボンド砥石が知られている。この種の方法で製造されたレジンボンド砥石は、フェノール樹脂がゲル状に軟化した状態で加圧成形しながら焼成されるので、砥石構造が稠密構造となる。この稠密構造の砥石は、被加工材の研削・切断時に発生する屑を除去するために必要な中空の気孔が存在せず、目詰まりを起こしやすい傾向があり、安定した加工性能を長期に亘って維持することが困難である。
そこで、微細気孔が分散しているレジンボンド砥石とするために、フェノール樹脂粉末及び超砥粒と共に、気孔形成剤として、塩化ナトリウム、硫酸ナトリウムなどの各種塩類を可溶性フィラーとして添加し、あるいは、中空ガラスビーズなどの中空フィラーを添加し、更には、粒状発砲スチロールを添加するなどの手段が用いられている。
【0003】
また、レジンボンド砥石は、結合材のフェノール樹脂の存在に起因する弾性変形により、研削・切断の加工時に被加工材と砥粒の接触が緩和されるため、メタルボンド砥石やビトリファイドボンド砥石と比べて、被加工材への加工ダメージが少ないという利点を有している。更に、レジンボンド砥石は、砥粒の自生発刃作用に優れているので、メタルボンド砥石に比べて、砥粒の目潰れが起こり難いという特徴を有している。
【0004】
しかしながら、平均粒径5μm以下の超砥粒を用いる場合、上記の方法で製造されたレジンボンド砥石は、フェノール樹脂粉末と超砥粒とを均一に混合することが難しく、超砥粒が均一に分散した砥石を安定的に得ることが困難である。微細気孔についてもその偏在が発生し易く、超砥粒の粒径と同程度の大きさの微細気孔が適度に分散させることは困難である。
【0005】
また、平均粒径5μm以下の微細な超砥粒を用いたレジンボンド砥石は、その結合材のフェノール樹脂が比較的軟らかいので、加工時に超砥粒が結合材中に埋没して、被加工材と結合材が接触し易くなる。このことから、レジンボンド砥石に微細な超砥粒を用いた場合には、研削・切断抵抗が上昇し、安定した被加工材の加工が困難になるという問題もある。
【0006】
このようなレジンボンド砥石の欠点を改善する技術として、特許文献1には、フェノール樹脂中に超砥粒を分散させて加圧状態で焼結して成形体とし、この成形体を非酸化雰囲気中で高温焼成して、フェノール樹脂をアモルファスカーボン化した砥石について開示されている。
しかしながら、このような方法では、高温焼成時にフェノール樹脂がガスを発生しながらアモルファスカーボンに変換されるため、この砥石は内部にクラックが形成される可能性が大で、成形体が崩れ易いという欠点を有している。
【0007】
レジンボンド砥石についてクラックの発生を防止する技術として、特許文献2には、フェノールホルムアルデヒド樹脂にアルコール等の溶媒を加えて液状化したものに、超砥粒を混合した後に溶媒を除去して、200℃前後の低温で加圧焼成し、次いで500℃以上の高温で加熱してフェノールホルムアルデヒド樹脂をアモルファスカーボン化させ、それを粉砕して砥石用原料とすることが開示されている。そして、こうして得られた砥石用原料をフェノール樹脂などのレジンボンド原料に添加し、200℃程度の比較的低温で焼成し、焼成による熱歪みを抑えて高精度の砥石となすことも開示している。
【0008】
しかしながら、特許文献2に開示された砥石は、砥石用原料にレジンボンド原料を添加した後には比較的低温で焼成されるので、研削屑・切断屑を除去するために必要な気孔が十分には存在せず、また砥石用原料をレジンボンド原料に添加するので、結合材に超砥粒が均一に分散されていないことがあり得る、という欠点も有している。
【特許文献1】特開昭60−232873号公報
【特許文献2】特開2002−274944号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明の技術的課題は、砥石を構成する結合材中に超砥粒を均一に分散させ、かつ研削・切断抵抗の低減等に寄与する気孔を適度に分散させ、しかもそれに伴って砥石内部にクラックが形成されることがない有気孔砥石及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記課題を解決するための本発明の有気孔砥石は、アモルファスカーボンからなる結合材中に超砥粒が均一に分散すると共に、該結合材中に微細気孔が均一に分散して形成されている有気孔砥石であって、上記超砥粒及び微細気孔が分散している結合材が、超砥粒を分散させたフェノール樹脂の硬化物を粉砕してなる粉砕粒を、粒間気孔が存在する状態で所期の成形体に加圧成形したうえで、それを不活性ガス中又は真空中で高温焼成して、上記フェノール樹脂をアモルファスカーボン化することにより形成され、上記結合材中の微細気孔が、上記アモルファスカーボン化に伴って上記粉砕粒内に発生するガスにより形成されていることを特徴とするものである。
【0011】
本発明に係る有気孔砥石の好ましい実施形態においては、上記超砥粒として平均粒径が5μm以下の砥粒が用いられる。上記粉砕粒を形成するフェノール樹脂には、結合度を調整するためのフィラー及び/又は微細気孔量を調整するための気孔形成剤を加えることができる。
【0012】
一方、上記課題を解決するための本発明の有気孔砥石の製造方法は、次の工程(a)〜(d)からなることを特徴とするものである。
(a) 溶媒で希釈した液状のフェノール樹脂中に超砥粒を均一に分散させて混合物とする工程。
(b) 上記混合物を無加圧焼成してフェノール樹脂を硬化させ、硬化物とする工程。
(c) 上記硬化物を粉砕し、粉砕した粉砕粒を粒間気孔が存在する状態に加圧成形して成形体とする工程。
(d) 上記成形体を不活性ガス中又は真空中で高温焼成し、上記フェノール樹脂をアモルファスカーボン化すると共に、それに伴って発生するガスによりアモルファスカーボン中に微細気孔を形成させる工程。
【0013】
本発明に係る有気孔砥石の製造方法の好ましい実施形態においては、上記工程(b)が上記混合物から溶媒を除去する工程を含み、上記工程(d)における焼成温度が、700〜1200℃に設定される。また、上記工程(a)においては、超砥粒として平均粒径が5μm以下のものが用いられる。
【0014】
上記構成を有する本発明の有気孔砥石及びその製造方法においては、溶媒で希釈した液状のフェノール樹脂中に超砥粒を分散させるので、超砥粒としてたとえ平均粒径が5μm以下のものを用いても、超砥粒を比較的容易に均一に分散させることができる。
また、フェノール樹脂の硬化物を粉砕してなる粉砕粒を、粒間気孔が存在する状態で加圧成形したうえで高温焼成し、上記フェノール樹脂をアモルファスカーボン化しているので、該アモルファスカーボン化に伴って発生するガスによる微細気孔が、上記粉砕粒内に形成され、そして、各粉砕粒間には粒間気孔が存在するので、発生したガスの一部は粉砕粒間の該粒間気孔を通して排出され、そのため、成形された有気孔砥石の内部にクラックが発生することはない。しかも、上記砥石における気孔が適度に分散配置される。
このように、砥石中に超砥粒が均一に分散されると共に、多数の気孔が適度に分散されており、研削・切断の加工時に目詰まりを越し難く、加工抵抗が低減し、加工時における発熱も少ない。
【発明の効果】
【0015】
上述した本発明の有気孔砥石及びその製造方法によれば、砥石を構成する結合材中に超砥粒を均一に分散させ、かつ研削・切断抵抗の低減等に寄与する気孔を適度に分散させ、しかも、それに伴って砥石内部にクラックが形成されるのを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明に係る有気孔砥石の一部を拡大して示すもので、該有気孔砥石は、焼成によりアモルファスカーボン化された結合材4中に、超砥粒2が均一に分散すると共に微細気孔3が適度に分散してなる粉砕粒1が、該粉砕粒1間に粒間気孔5が存在する状態に形成されている。この有気孔砥石は、超砥粒を均一に分散させた液状のフェノール樹脂を無加圧焼成してなる硬化物を粉砕し、その粉砕粒を加圧成形してなる成形体を不活性ガス中又は真空中で高温焼成したものである。
上記超砥粒2としては、ダイヤモンド砥粒が望ましいが,cBN砥粒やその他の高硬度の砥粒を用いることができる。上記ダイヤモンド砥粒等は、一定範囲に分級したものを用い、その粒度には特に制限がないが、平均粒径が5μm以下の超砥粒を用いるのに有効である。
【0017】
次に、図2〜図4を参照して、上記有気孔砥石の製造方法について説明しながら、該有気孔砥石の構成を更に具体的に説明する。
上記有気孔砥石の製造に際しては、まず、図2に示すように、アモルファスカーボン化して上記結合材4とするフェノール樹脂粉末にアルコール等の溶媒を加え、液状化したフェノール樹脂4Aとする。そして、この液状化したフェノール樹脂4Aに、超砥粒2、並びに必要に応じて結合度を調整するためのフィラー及び微細気孔量を調整するための気孔形成剤を加えて混合し、液状化したフェノール樹脂4A中に超砥粒2等が均一に分散した混合物とする。
【0018】
上記フィラーとしては、アルミナ、炭化珪素、シリカ等を用いることができ、また、気孔形成剤としては、中空ガラスビーズ、セルロース粉末等を用いることができる。
【0019】
次いで、上記混合物から溶媒を除去したうえで、無加圧焼成してフェノール樹脂を熱硬化させ、その熱硬化したフェノール樹脂4Bの硬化物を粉砕して、図3に示すような、熱硬化したフェノール樹脂4B中に砥粒2が分散した粉砕粒1Aを得る。この粉砕粒1A中には、超砥粒2が均一に分散しているが、前記微細気孔3は未だ形成されていない。
【0020】
上記粉砕粒1Aは、ふるい等を用いて粒径を整えるが、粒径は250μm以下であることが望ましく、この粒径を選択することにより、次工程の加圧成形後の粉砕粒1間の粒間気孔5の大きさを任意に設定することが可能となる。
粒径を選択した上記粉砕粒1Aは、次に、所定の形状の金型に充填して加圧成形し、図4に示すような成形体6とし、この成形体6を不活性ガス中又は真空中で高温焼成する。焼成温度は、700〜1200℃の温度範囲が望ましい。
上記焼成温度が700℃よりも低いと、フェノール樹脂のアモルファスカーボンへの変換が不十分となることから低硬度になって不適であり、また、1200℃よりも高いと、ダイヤモンド粒子の炭化が進行することから研削砥石の機能が大きく損なわれることになる。
【0021】
この焼成により、フェノール樹脂がガスを発生しながらアモルファスカーボンに変換され、この際に、各々の粉砕粒1A内には上記ガスの発生により微細気孔3が形成される。そして、発生したガスの一部は、粉砕粒1間に形成された粒間気孔5を通じて排出されるため、成形体6内部にクラックが形成されることはない。また、焼成時の最高温度を選択することで、焼成後のアモルファスカーボンの硬度を選択することができ、砥石の硬度を任意に選択することが可能となる。
【0022】
以下に、本発明の実施例を比較例との関連において示すが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定的に解されるものではない。
【実施例1】
【0023】
フェノール樹脂粉末(エアウォーターベルパール社製:商標名ベルパール)に溶媒としてのエチルアルコールを加えて液状化したものに、平均粒径2μmに分級したダイヤモンド砥粒と、平均粒径0.8μmのシリカ粒子を加えて混合し、ダイヤモンド砥粒とシリカ粒子を分散させた混合物を得た。なお、この混合物の溶液の濃度が60〜65wt%となるように、エチルアルコールの量を予め算出して加えた。
そして、上記ダイヤモンド砥粒とシリカ粒子を均一に分散させた混合物のアルコール分を蒸発させた後、その混合物を200±5℃の温度に保った環境下で無加圧焼成させ、上記フェノール樹脂の硬化物を得た。
【0024】
次に、上記硬化物をボールミルを用いて粉砕し、180μmの目開きのふるいと、125μmの目開きのふるいと、90μmの目開きのふるいを用いて分級し、粉砕粒の粒径を整えた。得られた3種の粉砕粒を、それぞれ直径30mmの金型に入れ、室温中で1.5t/cmの成形圧力を加え、直径30mm、厚さ5mmの成形体を得た。
得られた成形体を、炉内温度が950℃の窒素ガス雰囲気中に3時間保持して、焼成した。具体的には、950℃の温度に到達するまでの昇温時間が20時間であり、950℃で3時間保持した後は、炉内温度が100℃以下になるまで徐冷した。
【0025】
上述したところによって得られた有気孔砥石の内部には、ふるいの目開きの如何に関わらずクラックの形成がなく、均一に分散した超砥粒と気孔が形成されていた。ふるいの目開きに対する焼成後の成形体の乾燥重量と体積の比についての測定結果を表1に示す。
【0026】
【表1】


この測定結果によれば、実施例1の有気孔砥石は、乾燥重量と体積の比がフルイ目開きに依存している状態であることがわかる。
【実施例2】
【0027】
実施例1と同様にして得た無加圧焼成によるフェノール樹脂の硬化物を、ボールミルを用いて粉砕し、90μmの目開きのふるいを用いて粉砕粒の粒径を整えた。得られた粉砕粒を所定の金型に入れ、室温中で2.0t/cmの成形圧力を加え、直径143mm、厚み5mm、幅3.5mmのリング形状の成形体を得た。
この成形体を、真空焼成炉内で900℃の温度で3時間保持し、焼成した。900℃の温度に到達するまでの昇温時間は20時間であり、900℃で3時間保持した後は、炉内温度が100℃以下になるまで徐冷した。
【0028】
上記成形体の焼成によって得られた有気孔砥石を長さ32mmの寸法に切り出し、2液性のエポキシ接着剤を用いてアルミ基台に接合した後、直径142mm、厚み3.0mm、幅2.5mmの砥石寸法に成型し、研削砥石を得た。
この研削砥石を横軸超精密平面研削盤(東芝機械株式会社製 HG−130A)に取り付け、研削加工に供した。被削材には、予め表面粗さを中心線平均粗さRa0.2μmに研削したところの、直径125mm、厚さ約0.5mmのシリコンウェーハを用いた。砥石周速を2,920m/min、被削材の回転数を20rev/min、砥石送り設定量を50μm、被削材のテーブル送り速度を12μm/minの条件で、インフィード方式による研削加工を実施した。研削加工の結果を後記の表2に示す。
【比較例】
【0029】
フェノール樹脂粉末(エアウォーターベルパール社製の商標名ベルパール)と、平均粒径2μmに分級したダイヤモンド砥粒と、平均粒径0.8μmのシリカ粒子とのそれぞれを粉末の状態で混合した。得られた混合物を所定の金型に入れ、180±5℃の温度に保った状態で、1.5t/cmの成形圧力を加えながら焼成させた。直径143mm、厚み5mm、幅3.5mmのリング状の成形体を得た。
【0030】
以上の製造方法で得られた成形体を2液性のエポキシ接着剤を用いて、アルミ基台に接合した後、直径142mm、厚み3.0mm、幅2.5mmの砥石寸法に成形してレジンボンド砥石(研削砥石)を得た。この研削砥石を実施例2と同様に横軸超精密平面研削盤に取り付け、インフィード方式による研削加工を実施した。この研削加工の結果を実施例2の結果と共に表2に示す。
【0031】
【表2】


この実施例2及び比較例2によれば、本発明の有気孔砥石はレジンボンド砥石に比べ、研削量が50%程度、負荷電流も10%程度改善されていることから、研削性に優れ、研削抵抗が低い研削砥石であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】本発明に係る有気孔砥石の部分拡大図である。
【図2】本発明に係る有気孔砥石の製造方法において、液状化したフェノール樹脂中に超砥粒を混合した状態を示す説明図である。
【図3】上記製造方法における硬化物の粉砕状態を示す説明図である。
【図4】本発明に係る有気孔砥石の成形体の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【0033】
1 粉砕粒
1A 粉砕粒
2 超砥粒
3 微細気孔
4 結合材
4A 液状化したフェノール樹脂
5 粒間気孔
6 成形体
【出願人】 【識別番号】591107403
【氏名又は名称】株式会社リード
【出願日】 平成18年7月28日(2006.7.28)
【代理人】 【識別番号】100072453
【弁理士】
【氏名又は名称】林 宏

【識別番号】100119404
【弁理士】
【氏名又は名称】林 直生樹

【識別番号】100100804
【弁理士】
【氏名又は名称】堀 宏太郎

【識別番号】100141438
【弁理士】
【氏名又は名称】吉迫 大祐


【公開番号】 特開2008−30157(P2008−30157A)
【公開日】 平成20年2月14日(2008.2.14)
【出願番号】 特願2006−206961(P2006−206961)