砥石の研磨剤

研削砥石によく使われる研磨材には、コランダム系研磨材（ジルコニウムコランダム、ブラウンコランダム、ホワイトコランダムなど、図11）[1,2]、一部の超硬質研磨材（CBN）[3]、SiC、WCなどがあります。ダイヤモンドと遷移金属元素Feは親和力が強いため、高温での研削中にダイヤモンド表面層の炭素原子sp3混成状態がsp2+ 2P1z状態、つまりダイヤモンドの黒鉛化に変化し、研磨材の研削性能が低下します[4,5]。これにより研磨材の研削性能が低下するため、ダイヤモンドはレール研削には適していません。 CBN研磨材は強靭性、耐高温性、耐摩耗性、熱伝導性、研削能力が強いですが[6,7] CBN研磨材は強靭性、耐高温性、耐摩耗性、熱伝導性、研削能力が強いですが、粒子サイズが小さい（最大粒子サイズが500μm未満）ため、価格が高く、このような粗研削や重負荷条件のレール研削ではその研削性能の利点が反映されにくく、砥石の経済性も悪いです。コランダム研磨材は耐摩耗性、強靭性、切削能力に優れ、コストが低く、高速、高負荷、乾式研削、粗粒度などの極端な動作条件のレール研削クラスで顕著な利点があります。張武麟[8]一軸圧縮試験装置を用いてジルコニウムコランダム、焼成ブラウンコランダム、ホワイトコランダムの圧縮強度と対応するF16砥石の研削性能を調べたところ、ジルコニウムコランダムの強度が最も高く（308.0 MPa）、次いで焼成ブラウンコランダム（124.0 MPa）、最も低かったのはホワイトコランダム（103.2 MPa）であった。ジルコニウム、焼成ブラウンコランダム、ホワイトコランダム研磨砥石の研削比は、大きい順に、41.0、22.4、11.9であった。そのため、レール研削砥石の製造には、強靭で化学的に安定したコランダム研磨材、特にジルコニウムコランダムとブラウンコランダムが一般的に使用されています。[9,10,2] そのため、レール研削砥石の製造では、一般的に強靭で化学的に安定したコランダム型研磨材、特にジルコニウムコランダムとブラウンコランダムが使用されています。現在、世界的な高性能ジルコニウムコランダム研磨材の製錬技術は、フランスのサンゴバンなどの企業が習得しています。そのため、ジルコニウムコランダム製錬の重要な技術的ボトルネックを突破し、高性能（高靭性、耐摩耗性、耐熱性、良好な自鋭性など）ジルコニウムコランダム研磨材を開発することは、砥石性能の向上に不可欠です。

図1.ジルコニウムコランダム研磨材[1]

図2. 白色コランダム研磨材[1]

図3.褐色コランダム研磨材[1]

現在、ラインレール研削用の砥石は、粒径や種類の異なる研磨材を混合して製造されている。Wangら[50]は、ジルコニウムコランダムとブラウンコランダムの配合比率を変えた砥石の研削性能を研究し、その結果、ブラウンコランダムの含有量（0％～100％）が増加するにつれて、砥石の研削量が減少することを示した。総合的な比較結果から、砥石にブラウンコランダムを10％～30％添加することで、砥石の研削効率が向上し、製造コストも削減できることが示唆された。Zhangら[11]異なる砥粒サイズ（F10〜F30）の砥石の研削挙動を調査した結果、一定の負荷下では、砥粒サイズの減少に伴い、砥石の主な研削機構が滑り摩擦と耕起から切削へと徐々に変化し、砥石の研削性能と研磨レールの表面品質がともに向上することが示されました。その後の研究では、張ら[1]はジルコニウムコランダム、ブラウンコランダム、ホワイトコランダムの研磨材の機械的特性と対応する砥石の研削挙動を研究し続け、その結果、研磨材の機械的特性が砥石の研削性能に影響を与える基本的な理由の1つであることが示されました。王ら[12]の研究結果によると、研削振動は砥石研磨材の粒径の減少とともに増加しました。研削砥石研磨材についてはこれまで多くの研究が行われてきたものの、研磨材構造（形状、種類、粒径、比率など）が、研削砥石の物理的・化学的性質（靭性・靱性、強度、耐熱性、耐摩耗性など）や使用性能（研削量、研削比、使用寿命、使用走行距離、故障メカニズム、研削後のレール表面の品質）に及ぼす制御メカニズムは未だ明らかではない。

[1] ZHANG Wulin, LIU Changbao, YUAN Yongjie, et al. レール研削石の研削性能に対する研磨摩耗の影響の調査[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2021, 64: 493-507.

[2] WANG Ruixiang, ZHOU Kun, YANG Jinyu, et al. レール研削挙動に及ぼす研磨材と研削ホイールの硬度の影響[J]. Wear, 2020, 454-455: 203332.

[3] HUNAG Guigang. レールCBN研削ホイール用高速研削テストベンチの設計と実験的研究[J]. 製造オートメーション、、2020、42(05): 88-91+122。

[4] ペン・ジン、ゾウ・ウェンジュン。有機研磨工具[M]。鄭州：鄭州大学出版局、102-244。

[5] LI Boming, ZHAO Bo, LI Qing. 研磨材、研磨工具および研削技術[M]. 第2版. 北京：化学工業出版社, 2016, 45-270.

[6] ZHAO Biao、DING Wenfeng、CHEN Zhenzhen、他「真空焼結法による多孔質金属結合CBN研磨ホイールの細孔構造設計と研削性能[J]」製造プロセスジャーナル、2019年、44:125-132。

[7] ZHANG Wulin、ZHANG Pengfei、ZHANG Jun、他「レール研削挙動における研磨剤粒度の影響の調査[J]。」製造プロセスジャーナル、2020年、53:388-395。

[8] 張武麟. コランダム研磨材による高速鉄道用研削石の性能制御メカニズムの研究[D]. 成都：西南交通大学、2021年。

[9] 袁勇傑、張武林、張鵬飛、他「レール研削における予疲労軽減と材料除去効率向上に向けた多孔質研削ホイール」[J].トライボロジーインターナショナル、2021年、154:106692

[10] ZHOU Kun, DING Haohao, WANG Ruixiang, et al. 異なる前進速度でのレール研削中の材料除去メカニズムに関する実験的調査 [J]. Tribology International, 2020, 143: 106040.

[11] ZHANG Wulin、ZHANG Pengfei、ZHANG Jun、他「レール研削挙動に対する研磨剤粒度の影響の調査[J]。」製造プロセスジャーナル、2020年、53:388-395。

[12] WANG Wenjian, GU Kaikai, ZHOU Kun, et al. レール研削工程における砥石の粒度が研削力と材料除去量に及ぼす影響[JJ]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2019, 233(2): 355-365.