硼素・炭素・窒素複合六方晶系超硬質砥粒の爆発合成と切削加工への応用

• Project/Area Number: 20K05162
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
• Research Institution: Akita University
• Principal Investigator: 神谷 修 秋田大学, 名誉教授, 名誉教授 (60113891)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 超硬質材 / 固定砥粒型工具 / ウルツ鉱 / 合成ダイヤモンド / 多結晶ダイヤモンド / ソーワイヤ / コンクリート掘削 / 切削機構 / ダイヤモンド基板加工 / 固定砥粒型ソーワイヤ / ダイヤモンド砥粒 / 窒化ケイ素 / 多結晶ダイヤモンド砥粒 / ダイヤモンド摩耗機構 / ダイヤモンド除去率 / 爆発合成 / ダイヤモンド基板切削加工 / 窒化ボロン砥粒 / ダイヤモンド窒化ボロン複合砥粒 / ダイヤモンド単結晶の加工 / 形状制御加工 / 長寿命ソーワイヤ / 切削速度上昇 / ダイヤモンドの切削加工 / 硬質砥粒 / 硼素炭素窒素 / ろう接 / 固定砥粒

Outline of Research at the Start

ダイヤモンドの硬度を超える物質として、これまでのwBNの爆発合成の成果を基にして、BCN系複合砥粒の合成をおこなう。研究スケジュールとしては、2020年度は主に合成出発素材の探査と爆発合成物から超高硬度砥粒の抽出分析を行う。2021年度は、引き続き出発物質の探査合成を続けるとともに、それまでに合成された超高硬度砥粒を用いて固定砥粒型のソーワイヤを製作して加工特性を評価する。2022年度は、切削加工特性に優れた超硬質砥粒を用いて、ドリルチップなどの工具を製作して現場における溶融デブリスなどの硬質セラミックス系廃棄物の切削に供与する。

Outline of Annual Research Achievements

硼素B・炭素C・窒素Nの元素を含む超硬質粒子で工具を製作して、難削材の加工を行った。これまで、用いた超硬質粒子は、フラーレン(C60)、ウルツ鉱(w-BN)、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド(PCD)およびタングステンカーバイド（WC)である。また、本研究室で行っている、アセチレン燃焼炎法による合成ダイヤモンドを粉砕して粒子として用いた。加工対象物としては、ダイヤモンド単結晶、タングステンカーバイド（WC）および複合セラミックスを用いた。最終年度である2023年は、２つの実験を行い成果を上げた。ひとつは、多結晶ダイヤモンド（PCF）の粒子（砥粒）を固定した工具（直径100μmソーワイヤとホイール）を研究室内で作成し、ダイヤモンド単結晶の加工を行ったことである。ソーワイヤにより、単結晶ダイヤモンドを一定速度で加工することが出来た。その加工速度は1.0μm/km、つまりワイヤ走行距離1kmに対してダイヤモンド加工量は、１μm前後であった。加工速度を増加させるには、切削荷重を増加させることと予測される。ソーワイヤでは張力以上の切削荷重をかけることが出来ないので、ダイヤモンドホイールを使った方が切削荷重を高く出来ると予測される。ふたつめは、タングステンカーバイト工具を用いた複合セラミックス（コンクリート）の掘削実験である。これは、産業廃棄構造物の早期解体システムの開発を目標とするものである。ルートハンマーと呼ぶ機械システムで掘削中に、工具にセラミックス粒子が噛み込んでシステムが急停止する問題が多発した。そのため、工具を改良して、らせん状の溝を付加することにより解決することが出来た。これに関しては論文で発表した。

Research Products

• [Journal Article] Development of Reinforced Concrete Dismantling System Using Steam Pressure Cracking Agent SPC (2024)
  • Author(s): 長尾 晃太, 御代田 竜也, 水間 宏行, 中津 雅延, 岩間 祐一, 鹿住 孝, 七尾 純平, 伊藤 慎一, 髙橋 護, 宮野 泰征, 村田 健司, 神谷 修
  • Journal Title: Journal of the Society of Materials Engineering for Resources of Japan Volume: 34 Issue: 1 Pages: 20-28
  • DOI: 10.5188/sjsmerj.662
  • ISSN: 2433-0507, 2433-9385
  • Year and Date: 2024-05-20
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Influence of Diamond Seed Attachment Processing on Diamond Films Synthesized on Tungsten Carbide Substrate by Flame Combustion (2023)
  • Author(s): Mamoru Takahashi, Osamu Kamiya
  • Journal Title: Journal of Materials and Applications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 11-20
  • DOI: 10.32732/jma.2023.12.1.11
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dismantling of Reinforced Concrete Using Steam Pressure Cracking System: Drilling and Crack Propagation (2023)
  • Author(s): Osamu Kamiya, Mamoru Takahashi, Yasuyuki Miyano, Shinichi Ito, Kenji Murata, Makoto Kawano, Arata Maisawa, Jumpei Nanao, Takashi Kazumi, Masanobu Nakatsu, Hiroyuki Mizuma, Tatsuya Miyota, Kota Nagao and Yuichi Iwama
  • Journal Title: Materials Volume: 16 Issue: 4 Pages: 1398-1415
  • DOI: 10.3390/ma16041398
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cutting of Diamond Substrate Using Fixed Diamond Grain Saw Wire (2022)
  • Author(s): Osamu Kamiya, Mamoru Takahashi, Yasuyuki Miyano, Shinichi Ito, Masanobu Nakatsu, Hiroyuki Mizuma, Yuichi Iwama, Kenji Murata, Junpei Nanao, Makoto Kawano, Arata Maisawa and Takashi Kazumi
  • Journal Title: Materials Volume: 15 Issue: 16 Pages: 5524-5535
  • DOI: 10.3390/ma15165524
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Demolition of Reinforced Concrete by Steam Pressure Cracking System (2022)
  • Author(s): Osamu Kamiya, Mamoru Takahash, Yasuyuki Miyano, Shinichi Ito1, Kenji Murata, Makoto Kawano, Arata Maisawa, Junpei Nanao, Takashi Kazumi, Masanobu Nakatsu, Hiroyuki Mizuma, Yuichi Iwama
  • Journal Title: Journal of Materials and Applications Volume: 11(1) Issue: 1 Pages: 1-9
  • DOI: 10.32732/jma.2022.11.1.1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Elastic Wave Property of Concrete Decomposed by Steam Pressure Cracking Agent (2022)
  • Author(s): Osamu KAMIYA, Etsushi OKUYAMA, Mamoru TAKAHASHI, Yasuyuki MIYANO, Shinichi Ito, Kenji MURATA, Junpei NANAO, Arata MAISAWA, Makoto KAWANO, Takashi KAZUMI, Masanobu NAKATSU, Hiroyuki MIZUMA, Yuichi IWAMA
  • Journal Title: Journal of Materials and Applications Volume: 11(1)
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Influence of substrate surface roughness on synthesized diamond films by flame combustion on Ti substrate for dental implant (2022)
  • Author(s): Mamoru TAKAHASHI, Tatsuya FUJITA, Takahito YANAGI, Riki SUZUKI, Osamu KAMIYA
  • Journal Title: Journal of Materials and Applications Volume: 11(1) Issue: 1 Pages: 17-26
  • DOI: 10.32732/jma.2022.11.1.17
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Controlled Cracking of Large Size Concrete Structures by a Steam Pressure Cracking Agent (2021)
  • Author(s): Osamu Kamiya, Kaito Suzuki, Etsushi Okuyama1, Naoya Kojima, Jyunpei Nanao, Shinichi Ito, Mamoru Takahashi, Yasuyuki Miyano, Kenji Murata, Takashi Kazumi, Arata Maisawa, Masanobu Nakatsu, Hiroyuki Mizuma, Yuichi Iwama
  • Journal Title: Journal of Materials and Applications Volume: 10(1) Issue: 1 Pages: 43-51
  • DOI: 10.32732/jma.2021.10.1.43
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Controlled Cracking for Industrial Concrete Waste by Steam Pressure Cracking Agen (2020)
  • Author(s): Osamu KAMIYA, Kaito SUZUKI, Etsushi OKUYAMA, Naoya KOJIMA, Shinichi ITO, Mamoru TAKAHASHI, Kenji MURATA, Takashi KAZUMI, Arata MAISAWA, Masanobu NAKATSU, Hiroyuki MIZUMA, Hiroshi SODEYAMA, Yuichi IWAMA, Nobuyasu FURUUCHI, Keizo SHINYA
  • Journal Title: International Journal of the Society of Materials Engineering for Resources Volume: Vol.24 Pages: 18-22
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Cracking of Reinforced Concrete by Steam Pressure Cracking Agent (2021)
  • Author(s): Osamu KAMIYA, Mamoru TAKAHASHI, Yasuyuki MIYANO, Shinichi Ito, Kenji MURATA, Makoto KAWANO, Arata MAISAWA, Junpei NANAO, Takashi KAZUMI, Masanobu NAKATSU, Hiroyuki MIZUMA and Yuichi IWAMA
  • Organizer: The Ninth International Conference on Materials Engineering for Resources
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of Diamond Seed Attachment Processing on Synthesis of Diamond Films on Tungsten Carbide Substrate by Flame Combustion (2021)
  • Author(s): Mamoru Takahashi, Osamu Kamiya
  • Organizer: The Ninth International Conference on Materials Engineering for Resources
  • Int'l Joint Research