JP2009535286A - 溶融した球状コランダムを基礎とする砥粒 - Google Patents

Abstract

本発明は、溶融した球状コランダムを基礎とする砥粒に関し、その際、この球状コランダムは粒子の細かい研磨固体粒子から成る比較的厚い層で被覆されている。被覆によって球状コランダムは、前記球状コランダムを砥粒として適格にする性質を達成する。

Description

本発明は、溶融した球状コランダムを基礎とする砥粒に関し、その際、この砥粒はバインダと粒子の細かい研磨固体粒子を含む層で被覆されている球状コランダムから成る。

球状コランダムは既に約７５年前から知られており、かつ大量生産で約３０年前から製造されている。例えば米国特許第ｌ，８７１，７９２号及び第１，８７１，７９３号明細書に圧縮空気又は蒸気で液状コランダムの鋳込み流を吹くことが記載されており、その際、直径約０〜５ｍｍのコランダム中空球が得られる。上記米国明細書に既に今日なお使用されている製造方法の全ての本質的な工程が記載されている。数多くのほかの特許明細書にはそのようにして得られた中空球の使用が記載されている。例えば独国特許第６２８９３６号明細書にはこの中空球を粉砕及びグレイジング（Ｇｌａｓｉｅｒｅｎ）して研磨材粒子とし、この研磨材粒子からさらに研削用具が製造されることが記載されている。

材料の高い気孔率及び前記中空球の低いの強度という理由から研磨材粒子への処理の際に、特定の特殊用途にのみ使用することができる比較的微細な粒子が得られる。しかしながら、相応の微細な粒子が不可避的に溶融コランダムの通常の処理の際に生じるのであるから、中空球コランダムからの研磨材粒子の製造は経済的にあまり有意ではない。

通常のコランダム砥粒の製造の場合には先ず原料であるアルミナもしくはボーキサイトが電気アーク炉で溶融される。この溶融コランダムは引き続き冷却されかつその際に１０〜１５トンのブロックの形で生じる。このコランダムブロックは２〜５日続く完全な冷却後に引き続き破砕機及びローラを用いて粉砕され、それにより生じた材料は適当な砥粒を得るために篩別される。従ってコランダムの製造の際の本質的ではなくない部分のコストが、数メートルまでの直径を有するコランダムブロックから数マイクロメートルないし数ミリメートルの範囲内である砥粒までの粉砕の際の粉砕作業及び摩耗に基づいている。従って過去において、液状のコランダム溶融物をまだ硬化前に分散させることによって費用のかかる粉砕作業を回避することが繰り返し試みられてきた。

既に冒頭で述べたとおり、液状コランダムから成る鋳込み流を吹くことにより多孔質の中空球コランダムを製造することに成功しているが、この中空球コランダムは砥粒としてあまり適当ではない。

このようにして球状コランダムは今日では、そのわずかな熱伝導性、その化学的不活性及びその気孔率ゆえにおもに耐火物として使用されている。球状コランダムの耐火物産業への使用は最初に米国特許第２，２６１，６３９号明細書に記載された。

研磨材産業ではこれに対して球状コランダムはおもに砥粒としてではなく、砥石車を製造する際の気孔形成剤として使用される。この種の研削用具は例えば米国特許第２，９８６，４５５号明細書又は独国特許第ｌ２８１３０６号明細書に記載されている。

それにもかかわらずコランダムを吹くことは、このようにして砥粒を製造するために再三取り上げられた。例えば米国特許第２，２６１，６３９号明細書には酸化ナトリウムｌ〜１０％が添加された酸化アルミニウムの溶融物が記載されており、この溶融物は空気で吹かれ、その際、緻密な結晶球が得られ、この結晶球は粉砕後に研磨材としても使用することができる。しかしながら酸化アルミニウムの高い含量はアルミン酸ナトリウムを形成させ、そのことによって砥粒の性能が著しく下げられる。

米国特許第２，３４０，１９４号明細書には前記溶融物中の酸化チタン１〜１．５％の添加が記載されており、この酸化チタンは比較的厚い壁を有する圧縮に強い中空球をもたらすという。旧東独特許第１３４６３８号明細書にはコランダム中空球の製造方法が記載されており、その際、このコランダム中空球の性質は窒化アルミニウム又はアルミニウム窒素酸化物の形の窒化物に結合した窒素の添加によって影響を及ぼされる。

英国特許第２８４１３１号明細書には、液状コランダムを先ず空気流を用いて冷却室中に吹き込ませ、そこではその個々の粒子が次に冷水流でさらに冷却される方法が記載されている。この方法により約３ｍｍの直径の粒子が生じる。欧州特許第１１５７０７７号明細書には多結晶の砥粒の製造が記載されており、その際、液状コランダムは注がれ、かつその冷却は溶融させた酸化アルミニウムを超音波を用いて微細な液滴に分散させることによって促進される。それにより１ｍｍ未満の平均直径を有する密な粒子が得られる。この粒子のクリスタリットサイズは３０μｍ未満である。

従来技術による上記方法には、所望の生成物の物理的性質、例えば気孔率及び密度に、化学的組成を介して影響が与えられることが試みられ、これは当然の帰結として生成物の化学組成の変化ももたらし、それによりその場合にはしばしば砥粒としての生成物の性能が低下するかあるいはプロセス技術的な変化を介して物理的な生成物の性質に影響が与えられることが試みられ、これは通常高い技術的な消費をともない、かつ製造時の相応のコストをもたらすという欠点があり、その結果、今日まで砥粒を直接製造するための上記方法のいずれも定着していない。

従って、砥粒を直接溶融物から費用のかかる粉砕作業なしに製造する方法に対する要求が相変わらず存在する。

従って本発明の課題は、従来技術の欠点をもたずかつこれまで通常であった費用のかかる粉砕作業を実施する必要なく、簡単に性能のよい砥粒を製造することができる方法を提供することである。

この課題は請求項１３による特徴を有する方法、並びに請求項１による特徴を有する砥粒によって解決される。
本発明の概念の別の形態及び発展は従属請求項の対象である。

意外にも、通常の多孔質の中空球コランダムをバインダとともに粒子の細かい研磨固体粒子から成る層で被覆し、かつ引き続きこのようにして被覆された球状コランダムを熱処理することによって砥粒としての卓越した性質を有する多孔質でほぼ球体の固体が得られることが見いだされた。

このようにして球状コランダムは付加的な被覆によって、前記球状コランダムを砥粒としての使用に適格にする性質を得る。
先ず粒子の細かい固体粒子が使用されることによって比表面積が増大され、そのことによって研磨材、例えば砥石車もしくは支持物上の研磨材による球状コランダムの包み込みが改善される。このようにして被覆によって比表面積０．１〜０．３ｍ²／ｇが得られる。従って被覆されたコランダムの表面積は被覆されていないコランダムのそれより約２０倍大きい。

この付加的な微孔質の被覆によって本発明による砥粒は並外れて高い全気孔率を有し、その際、開放気孔率は１０〜３０％であり、閉鎖気孔率は６０〜９０％であり、全気孔率Ｒは閉鎖気孔率に対する開放気孔率と閉鎖気孔率の和から得られ、そして式
Ｒ ＝ （開放気孔率 ＋ 閉鎖気孔率）／開放気孔率
に従って計算される。Ｒは３〜１０の値である。

気孔率が高いため、本発明による砥粒は、０．５〜１ｋｇ／ｌという砥粒にとって従来なら通常の値を明らかに下回る比較的低いかさ密度を有する。
気孔率値は水銀ポロシメトリー及びデジタル画像分析により測定され、それに対し、かさ密度は砥粒の圧入物質による容積測定（Ａｕｓｌｉｔｅｒｎ）及び秤量による常法で測定された。

バインダとして有機ならびに無機のバインダが考慮の対象となる。本発明の有利な実施の形態の場合には無機バインダ、特にケイ質バインダ及び／又はリン酸塩バインダが使用される。
砥粒の使用目的に応じて有機バインダを使用することもでき、その際、有利なバインダは合成樹脂である。砥粒の全固形分に対するバインダの含量は０．０５〜１０重量％である。しばしば比較的高いバインダ含量が使用される。なぜなら、砥粒に必要な強度を達成するために被覆層は厚くかつ相応のバインダ含量が使用されなければならないからである。

被覆自体は本質的に粒子の細かい研磨固体粒子から成る。有利に使用されるのは特殊溶融アルミナ、褐色溶融アルミナ（ノーマルコランダム）、半脆アルミナ又はジルコニア−コランダムである。しかしながら有利な実施の形態には、ジルコニアムライト、炭化ケイ素、ダイヤモンド及び／又は立方晶窒化ホウ素が含まれてもよい。固体粒子の粒度は０．１〜１００μｍである。有利な実施の形態の場合には固体粒子の平均粒度は３〜２５μｍである。

既に上述のとおり、本発明による砥粒は比較的厚い層で被覆されており、研磨固体粒子の含量は砥粒の全固形分に対して２０〜４０重量％である。膜厚自体は５０〜５００μｍ、特に１５０μｍ〜３００μｍ、であり、かつ本発明によれば固体粒子の平均粒度の数倍である。従って本発明にとって重要であるのは、被覆が多層を固体粒子に有することである。その場合にのみ被覆された球状コランダムが効果的に砥粒として使用されるために必要な強度を達成することが見いだされた。

使用ケースに応じて、被覆層にバインダ及び粒子の細かい研磨固体粒子のほかに付加的な添加剤を組み込むことが有利となりうる。添加剤として焼結添加剤、セメント質形成剤及び／又は研削活性物質が考慮の対象となる。これら付加的な添加剤は層として球状コランダムに施与される前に粒子の細かい研磨固体粒子と混合されることが好ましい。

本発明による砥粒の製造方法は比較的簡単であり、あまり費用がかからない。球状コランダム自体は空気−水−混合物を用いて液状溶融物を吹くことによる従来の方法で製造される。その際に生じる多孔質の球状Ａｌ₂Ｏ₃物体がポジティブミキサでバインダと混合される。引き続き、このバインダで濡らされた球状コランダムに粒子の細かい研磨固体粒子が添加され、その際にこの固体粒子は球状コランダムの表面に付着する。被覆層が所望の厚さに達すると直ちにこの被覆された多孔質の球状Ａｌ₂Ｏ₃物体は熱処理され、このようにして被覆が固化される。

使用されるバインダの種類は、後での砥粒の使用目的に依存する。特に無機バインダが使用されるセラミックスにより結合された砥石車への使用が想定されている場合には、特に有利な変形形態の場合には安価に大量に入手可能である水ガラスが使用される。無機バインダが使用される場合には引き続き４００〜１４００℃の温度範囲での熱処理が実施され、その際、バインダは粒子の細かい研磨固体粒子とともに焼結されて硬い層になる。

被覆された中空球コランダムが合成樹脂により結合された砥石車に使用されるべき場合には有機バインダを使用することも可能であり、その際には砥石車自体におけるバインダとしても使用される種類のバインダが有利に使用される。この種の有機バインダ系は２００〜５００℃で硬化される。有機バインダは、支持物上の研磨材に使用するための球状コランダムの被覆にも適当である。

付加的な添加剤の使用によって本発明による砥粒における研削作用、焼結挙動あるいはまた結合形成を改善することができる。このように好ましくはバインダとして合成樹脂が使用される場合には付加的に研削活性物質、例えばスルフィド、カーボネート、ハロゲニド又は研削プロセスを促進するその他の物質、を使用することができる。無機バインダが使用される場合には、被覆自体の強度に有利に作用する焼結添加剤又はセメント質形成剤を付加的に添加することができる。

被覆された球状コランダムの強度はいわゆるＣＦＦ試験（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｆｏｒｃｅ Ｔｅｓｔ）で測定することができる。この試験では個々の粗大な砥粒を水圧ラムを用いて押し潰し、砥粒を破壊するのに必要な力を測定する。この方法によって、本発明による被覆された球状コランダムが被覆されていないコランダムに比して約３〜５倍の強度を有し、従って従来の溶融アルミナに相応する強度範囲内にあることを確認することができた。

従って上記方法を用いて、球状コランダムを被覆することによって被覆における数多くのバリエーションの可能性からその砥粒のそのつどの使用目的に顕著に適合させることができる砥粒を製造することに成功した。
次に本発明を選択した幾つかの実施例につき詳説する。

実施例１
被覆されたコランダムの製造
平均粒度２〜３ｍｍを有する球状コランダム（ＡＬＯＤＵＲ ＫＫＷ、Ｔｒｅｉｂａｃｈｅｒ Ｓｃｈｌｅｉｆｍｉｔｔｅｌ ＡＧ社）６３ｋｇをポジティブミキサに入れ、水ガラスと水の比１：１の混合物６ｋｇと球状コランダムの表面が均一に濡れるまで混合した。この混合物に最大粒度２０μｍを有する褐色溶融アルミナ（ＥＳＫ Ｐ１４００、Ｔｒｅｉｂａｃｈｅｒ Ｓｃｈｌｅｉｆｍｉｔｔｅｌ ＡＧ社）２７ｋｇを添加した。この混合物を約２〜３分間均質化した。このようにして得られた均質に被覆されたコランダムを５０℃で乾燥させ、引き続きロータリーキルンで１３００℃で焼結させた。焼結炉での滞留時間は約２０分間であった。被覆の平均膜厚を電子顕微鏡で約２５０μｍと測定した。

実施例２
研削試験（平面研削）
実施例１に従い得られた砥粒を粒度Ｆ４６の褐色溶融アルミナ砥粒とともに樹脂により結合されたセグメント砥石に加工し、その際、褐色溶融アルミナ：砥粒（実施例ｌ）の比は３：１であった。セグメント砥石の寸法は砥粒面積０．０５９ｍ²で２８０×５５ｍｍであった。硬度の異なるセグメント砥石（ＧないしはＨ）を製造した。

このようにして得られたセグメント砥石を高炭素鋼（１０１８）から成る被加工物に対し被削面０．２０６ｍ²で試験した。比較のために、被覆された球状コランダムの代わりに従来の球状コランダムが使用された類似のセグメントを使用した。

これらセグメントを機械出力１８．４ｋＷないしは３６．８ｋＷ、切削速度１８ｒｐｍ、送り速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ及び総送り量（Ｇｅｓａｍｔｚｕｓｔｅｌｌｕｎｇ）１０．２ｍｍで平面研削に使用した。得られた研削結果は次の表１にまとめられている。

＊Ｂ１ ＝ 実施例１に従った被覆された球状コランダムを含む試料
Ｖ１ ＝ 従来の球状コランダムを含む比較例
＊＊ Ｇ係数は、削取り×被加工物面積／摩耗×研削用具面積から算出される。
表１の結果から分かるように、本発明による被覆された球状コランダムが使用されることによって２５％までのＧ係数の増大を達成することができる。

実施例３
研削試験（深研削）
実施例１に記載した方法と同様にして平均粒度２６０μｍ（粒Ｆ６０）を有する被覆された球状コランダムを製造し、セラミックスにより結合された寸法５００×６５×２０３．２ｍｍの砥石車に加工した。比較するため同じ条件下で、セラミックスにより結合された白色溶融アルミナ（Ｆ６０）を含む車を製造した。

上記砥石車で工具鋼ＤＩＮ １．２２４２を深研削で加工した。
本発明による球状コランダムを使用した場合には白色溶融アルミナを含む車に比べ約１７％の工具速度の増大を達成することができ、その場合、被加工物のくもりも、輪郭損失も生じることはなかった。従って時間の節約及びより高い機械効率という利点が明らかとなった。

Claims (25)

1. 溶融した球状コランダムから成るコアを含む砥粒において、前記球状コランダムが少なくとも１種のバインダと粒子の細かい研磨固体粒子から成る層で被覆されていることを特徴とする砥粒。
2. 前記球状コランダムが０．０５〜５ｍｍの平均直径を有することを特徴とする、請求項１に記載の砥粒。
3. 前記膜厚が５０〜５００μｍ、特に１５０μｍ〜３００μｍ、であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の砥粒。
4. 前記粒子の細かい研磨固体粒子が平均粒度０．１〜１００μｍ、特に３〜２５μｍ、を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の砥粒。
5. 研磨固体粒子の含量が砥粒の全固形分に対して２０〜４０重量％であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の砥粒。
6. 前記膜厚が前記球直径の１／２０〜１／５であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の砥粒。
7. 前記層が固体粒子の平均粒度の５倍〜１００倍、特に２０倍〜５０倍であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の砥粒。
8. 砥粒が開放気孔率１０〜３０％及び鎖気孔率６０〜９０％ならびに式
   Ｒ ＝（開放気孔率 ＋ 閉鎖気孔率）／開放気孔率
   による閉鎖気孔率に対する全気孔率（開放気孔率 ＋ 閉鎖気孔率）の比Ｒ３〜１０を有することを特徴とする、請求項１又は７に記載の砥粒。
9. 砥粒が比表面積ＢＥＴ０．１〜０．３ｍ²／ｇを有することを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の砥粒。
10. 砥粒がかさ密度０．５〜１．０ｋｇ／ｌを有することを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の砥粒。
11. バインダが無機バインダ、特にケイ質バインダ又はリン酸塩バインダ、であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の砥粒。
12. バインダが有機バインダ、特に合成樹脂、であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の砥粒。
13. バインダの含量が砥粒の全固形分に対して０．０５〜５重量％であることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載の砥粒。
14. 前記粒子の細かい研磨固体粒子が特殊溶融アルミナ、スタンダードコランダム、半脆アルミナ、ジルコニア−コランダム、ジルコニアムライト、炭化ケイ素、ダイヤモンド及び立方晶窒化ホウ素を含む群から選択されていることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項に記載の砥粒。
15. 被覆層にバインダ及び粒子の細かい研磨固体粒子のほかに、焼結添加剤、セメント質形成剤及び研削活性物質、例えばＮａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｓｂ及びＺｎを含む元素の群からのスルフィド、カーボネート、ハロゲニド及びホスフェートを含む群からの付加的な添加剤が含有されていることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか１項に記載の砥粒。
16. 溶融した球状コランダムから成るコアが中空球コランダムであることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか１項に記載の砥粒。
17. 溶融した球状コランダムから成るコアが多孔質の球状コランダムであることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか１項に記載の砥粒。
18. − 酸化アルミニウムを電気アーク炉で溶融するステップと、
    − この液状溶融物を空気−水混合物を用いて吹いて多孔質の球状Ａｌ₂Ｏ₃物体を得るステップと、
    を有する、溶融した球状コランダムを基礎とする砥粒を製造する方法において、
    − 得られた多孔質の球状Ａｌ₂Ｏ₃物体がミキサでバインダと混合し、
    − この少なくとも１種のバインダで濡らされた多孔質の球状Ａｌ₂Ｏ₃物体に粒子の細かい研磨固体粒子の混入によって粒子の細かい研磨固体粒子の層を備えさせ、及び
    − 粒子の細かい研磨固体粒子で被覆された多孔質の球状Ａｌ₂Ｏ₃物体を引き続き熱処理して被覆を固化することを特徴とする砥粒の製造方法。
19. 水で希釈した無機バインダを使用することを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
20. 熱処理を４００〜１４００℃の温度範囲で実施することを特徴とする、請求項１８又は１９に記載の方法。
21. 有機バインダを使用することを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
22. 熱処理を２００〜５００℃の温度範囲で実施することを特徴とする、請求項１８又は２１に記載の方法。
23. 粒子の細かい研磨固体粒子とともに、焼結添加剤、セメント質形成剤及び研削活性物質、例えばＮａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｓｂ及びＺｎを含む元素の群からのスルフィド、カーボネート、ハロゲニド及びホスフェートを含む群からの付加的な添加剤を添加することを特徴とする、請求項１８から２２のいずれか１項に記載の方法。
24. 砥石車を製造するための、請求項１から１７のいずれか１項に記載の砥粒の使用。
25. 支持物上の研磨材を製造するための、請求項１から１７のいずれか１項に記載の砥粒の使用。