JP2014507509A - α−アルミナ研磨材及びその調製方法 - Google Patents

Abstract

本発明はα-アルミナセラミック研磨材粒子及びその調製方法に関する。その特徴は、粒子の密度が3.88g/cm³以上、マイクロ硬さが20Gpa以上、粒子を構成する結晶粒子のサイズが0.15μmの〜0.3μmである。その調製方法は次の通りである。1)真空にする機能のある攪拌機の中に純水、ベーマイトの半製品及びアルミナの種結晶研磨液を添加して、攪拌して原材料をパルプ性状に形成させる；2)パルプの中に20%希釈硝酸を入れて真空状態で攪拌し、パルプは次第にゾル、ゲルに形成させる；3)コロイドを140℃以下の温度で乾燥し、粉砕してから120メッシュ以上の粒子を選出する；4)選出された粒子を焼き付けて、焼き付けた後に粒子を焼結する；5)完成品の粒子を選出する。本発明の調製方法は、原材料のコストが低く、技術が円熟し安定している長所がある。本発明の研磨材の粒子で製造した研磨製品は、研削の効率が高く、自己鋭利性が良く、耐用性が長い。
【選択図】なし

Description

本発明は、α-アルミナセラミック研磨材粒子及びその調製方法の分野に属する。具体的には、一種のロー・コストのα-アルミナセラミック研磨材及びその調製方法に関するものである。

ゾルゲル法でセラミック研磨材を調製する一般的な方法は、純粋なベーマイトとイオン水、種結晶と硝酸を混合して、均質できめ細かいゾル或いはゲルを生成させ、そして乾燥してコロイドの中の水分を取り除き、乾燥したゲルの大きい粒子を必要とされるサイズより少し大きい粒子に粉砕して、そして500℃〜800℃の温度で焼き付けて、引き続き1300℃〜1500℃の温度で焼け付け、アルミナの堅い焼結体に形成させる。焼結済の研磨材粒子の密度は一般的に3.5g/cm³以上、上品なのは3.8g/cm³以上、最も良いものは3.9g/cm³以上で、硬さは20Gpa以上である。

純粋なベーマイトは粒子が非常に細かい粉末状の材料で、価格が高いため、それで調製したα-アルミナセラミック研磨材のコストも非常に高い。セラミック研磨材を調製する時に、純粋なベーマイトはコストに占める割合が一番大きく、セラミック研磨材が高価になる最も重要な原因である。セラミック研磨材の価格は普通の研磨材価格の15〜30倍で、普通の研磨材より優れた性能を有するが、この研磨材の普及と応用に厳重に（非常に）影響を与えた。これで、如何にセラミック研磨材の製造コストを降下（低下）して、セラミック研磨材を広範囲に応用させる研究は、非常に有意義な事である。

数年来、アルミナセラミック研磨材の研削性能を高めるために、人々は各種の方法を発明した。例えば、ホワイトアランダムの強靭性と研削性能を高めるために、アランダムを製錬する時に、酸化第二クロム、酸化バナジンと酸化ジルコニウムなどの金属酸化物を添加することができる。急速冷却の方法を利用して、微結晶構造を形成させることを通して強靭性を高める方法もある。或いは二種の方法を同時に利用する。これらの方法はある程度に研磨材の強靭性と研削性能を高めて、幾つかの研磨材の新種が誕生した。例えばクロムアランダム、ジルコニウムアランダム、バナジウムアランダムと微結晶アランダムなどである。しかし、これらの性能の向上は小さく、研削にもたらす利益が限られている。前世紀の８０年代に、人々はゾルゲル法で微結晶セラミック研磨材を生産する技術を発明した。例えば米国特許No.4314827はその一例である。一般的にはベーマイトを原材料にして、ゾルゲル技術を利用し、アルミナゾルゲルを生成して、そして乾燥、粉砕、焼結を通して、サブミクロン構造のセラミック研磨材になる。極めて細かい結晶構造を有するため、その結晶粒子の大きさが伝統的な意味での微結晶アランダムより遥かに小さく、その上にセラミック研磨材は粉砕した後に焼き付けるため、普通の電気溶解でアランダムが粉砕する時にもたらす微少割れを免れて、ゾルゲル法で製造されたセラミック研磨材は非常に優れた研削性能を持たせることができた。それから、人々は更にセラミック研磨材の技術・品質・性能を高めるため、色々な試作を行った。例えば、ゾルを調製するときに種結晶を添加して、それで焼結温度を下げることだけではなく、またセラミック研磨材の結晶粒子を更に縮小させて、これによって製品の研削性能を高めた。例えば米国特許No.4623364はその一例である。また乾燥ゲルを生成した後、まず低温で焼き付けて、それからマグネシウム、コバルト、イットリウム、希土類元素などの硝酸塩溶液に浸して、そして乾燥・焼結を行い、これも製品の性能を高めることができる。これに関する特許には米国特許No.5776214がある。これらの方法はセラミック研磨材の性能を高めたが、製造工程を増加させて、生産コストを増大させたため、当該製品の応用と普及を制約（制限）した。

米国特許第4314827号 米国特許第4623364号 米国特許第5776214号

本発明の目的は、既存技術でセラミック研磨材を調製するときに、純粋なベーマイトを主な原材料とすることによるコストが高い欠陥を解決して、一種の低コストのベーマイト半製品を主な原材料として、ゾルゲル法を通してα-アルミナセラミック研磨材を調製すること及びその調製の方法を提供することにある。

本発明は下記の技術方案を通して実現させた。

即ち一種のα-アルミナ研磨材に関して、その特徴は、粒子の密度が3.88g/cm³以上、マイクロ硬さは20Gpa以上、粒子を構成する結晶粒子のサイズは0.15μm〜0.3μmである。（訳注：「マイクロ硬さ」とは、micro hardnessのことであり、「微小硬さ」又は「マイクロビッカース硬さ」ともいう）。

α-アルミナ研磨材の調製方法に関してその特徴は下記の措置を採取したことである。
１） 真空にする機能のある攪拌機の中に純水、ベーマイトの半製品とアルミナの種結晶研磨液を添加して、攪拌機を起動し、原材料を均質のパルプ性状まで攪拌する、純水の添加量はベーマイト半製品原材料の量の1%〜40%で、アルミナの種結晶研磨液の濃度は4%で、種結晶の添加量は原材料にあるアルミナの含有量の0.6%〜2%である。
２） パルプの中に20%希釈硝酸を入れて、そのPH値＝1.5〜2にさせて、真空状態で攪拌して、パルプを次第にゾル、ゲルに形成させる。
３） 均質まで攪拌した後に、真空を放出して、コロイドを取り出し、140℃を超えない温度で乾燥して、粉砕してから120メッシュ以上の粒子を選出する。
４） 選出された粒子を焼成窯に入れて焼き付ける、焼成窯の温度を500℃〜800℃にコントロールして、焼付けの時間は10〜60分間で、焼き付けた後に粒子を焼結して、焼成窯の温度を1300℃〜1400℃にコントロールして、焼結の時間は5〜60分間である。
５） 完成品の粒子を選出する。

本発明の最適な方案として、パルプに希釈硝酸を加入するときに、一括的に全ての希釈硝酸を加入して、パルプのPH値＝1.5〜2にさせて、真空の状態で、攪拌して次第にゾル、ゲルに形成させる。

上述の方法を採用する場合、パルプの中に小量の粉砕できない小粒が形成される可能性があり、最終的に焼結された研磨材に白点を含有する可能性があり、製品の品質にある程度の影響があるが、これらの製品はある場合では使用に影響を与えない。

上記の小粒を取り除くことが必要とされる場合、沈下する（或いはその他の物理的な分離法、例えば一定の篩眼がある篩で濾過する）方法で小粒を分離することができる。

本発明の最適な方案として、パルプにあるベーマイトの固体粒子含有量が25%以下である時に、まず一部分の硝酸を使って、パルプのPH値＝4にさせて、60分間を放置して、上部の液体（上澄み液）を取って、真空状態で、取り出した上部の液体に再び硝酸を加入し同時に攪拌機を起動し攪拌して、パルプのPH値＝1.5〜2にさせて、パルプは次第にゾル、ゲルに形成される。

上記の小粒を取り除くことが必要とされる場合、沈下する（或いはその他の物理的な分離法、例えば一定の篩眼がある篩で濾過する）方法で小粒を分離することができるが、上述の方法はパルプの濃度を比較的薄くまで調製しなければならない。正常なベーマイトによって固体として計算する場合、その固体粒子含有量が25%を超えない方がいい。硝酸でパルプのPH値を４に調整する時に、パルプの粘度が一番低く、60分間を放置してから上部の液体を取って真空状態で、酸を加入して次の調製を行う。

本発明の最適な方案として、パルプに硝酸を加入する時に、先ず一部分の希釈硝酸を加入して、パルプのPH値＝４にさせて、攪拌を中止して、パルプをハレルコロイドミルに移して、更にパルプを細かくして、細かくしたパルプを元の攪拌機に戻して、真空状態で希釈硝酸を入れて、同時に攪拌機を起動して攪拌し、パルプのPH値＝1.5〜2にさせて、パルプは次第にゾル、ゲルに形成させる。

本発明の最適な方案として、パルプはゾルに形成された後、ゲルに形成される前に、硝酸マグネシウム溶液を加入する。硝酸マグネシウムの加入量は原材料の中のアルミナ総量の0.6%〜3.2%である。硝酸マグネシウム溶液を加入する場合、焼結の効果が更に良くなる。

本発明の最適な方案として、ベーマイト半製品の水の含有量は70%〜80%であり、含有する水を全て取り除いた後、アルミナの含有量は99%以上で、ベーマイト半製品を普通の製品に完成させた後、その比表面積は250m²/g以上、結晶粒度は10nm以下である。

ベーマイト半製品から工業製品のベーマイトに製造する場合、二つの工程を増加しなければならない。まず50%以上もある水分を取り除いて、その後に粉砕、選別を行い、そして粉砕過程中に集塵することが必要とされ、全ての工程では大量のエネルギーが消耗され、粉塵の汚染と物質の損耗をももたらす。上述の方法で生成したベーマイト完成品の価格は高いが、ベーマイト半製品を原材料として採用する場合、上述の工程が要らなく、価格も安くて、且つ原材料の中の水分を十分に利用できるため、ほとんど別途に水の添加が要らない或いは少量の水を加入してもいいから、生成されたコロイドが均質できめ細かく、価格が低く、凝集性と透明性が更に良いため、最終製品の焼結に有利である。

本発明の措置１）の中で、純水を入れなくても問題がないが、加入する水の量が少ない或いは水を加入しない場合、高速の真空攪拌機を使用することができず、攪拌モーメントの大きい低速真空攪拌機或いはニーダーしか使用できない。本発明における攪拌機は、真空にする機能がある混合機械、ニーダー等の装置で代替することができる。

種結晶の加入量は、原材料の中にアルミナ含有量の0.6%〜2%である。種結晶はある酸化鉄源を含む物質である可能性もあり、酸化鉄源は、α-酸化鉄、α-FeOOH、γ-酸化鉄及びγ-FeOOHの中の一種或いは多種の組合せを含み、適切な酸化鉄源は如何なる加熱した後にもα-酸化鉄に転化できる物質を含む。

本発明の措置３）の中で、120メッシュ以下の細い材料は措置１）の中で原材料として引き続き使用できる。

本発明の措置４）中で、優先的に回転窯を採用して焼付を行うが、その他の形の焼付窯で焼付を行うこともできる。その他の形の焼付窯で焼付を行う場合、その昇温スピードは30℃／分間を上回ってはならない。焼結するときに、粒子をその他の回転窯に移して焼結を行うことができるが、同じ高温窯で一回に焼結を行うこともできる。例えばプッシャー窯、ローラベッド窯は、高温窯の中で二つの保温エリアを設定して、それぞれ焼付と焼結の二つの措置を対応して、耐火容器に焼入れ予定の材料を入れて、耐火容器が高温窯に入った後に、順次焼付エリアと高温エリアを通過して、焼付と焼結を完成する。これらの高温窯は100メッシュ以下の材料の焼付と焼結に適合する。

本発明の措置５）の中で、焼結済の製品は更に選別を通して、研磨材製品の要求に符合するセラミック研磨材の粒子を調製する。調製した製品の密度は3.85g/cm³以上で、基本的に3.88〜3.95g/cm³である。マイクロ硬さは20Gpa以上で、セラミック研磨材粒子を構成する結晶粒子のサイズは0.5μm以下で、基本的に0.15μmの〜0.3μmである。

本発明で述べたベーマイト半製品は、工業製品の一水和アルミナ(ベーマイトとも称す)を生産する時に、アルミニウム鉱石或いはその他のメタアルミン酸ナトリウム或いはアルミン酸ナトリウムを製造できる原材料でメタアルミン酸ナトリウム溶液を製造して、そして酸化、純化などの一連の工程を行った後、産出した懸濁液が圧力（加圧）・濾過され或いはその他の方法を通して大部分の水を除去した後に濾過ケーキに形成されて、即ち（これが）ベーマイトの半製品（乾燥された後、粉砕、篩をかけて、工業製品の一水和アルミナとなる）である。含水総量は70%〜80%である。全ての水を除去して計算する場合、酸化ケイ素の含有量は一般的に0.5%以下、酸化ナトリウムの含有量は0.15%以下で、そして少量の酸化鉄などの不純物を含有して、残りはアルミナである。ベーマイト半製品を普通の製品に生成した（完成させた）後、その比表面積は250m²/g以上で、結晶粒度は10nm以下である。

本発明の調製方法は、原材料のコストが低く、技術が円熟しており且つ安定しているという長所がある。本発明を利用して生成したα-アルミナセラミック研磨材は、凝固リシャープニングツール、塗布リシャープニングツール及びその他の研磨材の製品に用いることができ、製造した研磨製品は、研削の効率が高い、自己シャープ（自己鋭利性）が良い、耐用性（耐久性）が長い等の特徴がある。

図１は実施例２によって獲得した粒子の断面のSEM写真である。 図２は実施例２によって獲得した粒子の表面のSEM写真である。

［実施例１］
150リットルの真空攪拌機の中に、純水を16.8kg、水の含有量が70%のベーマイト半製品42kg、濃度が4%のアルミナ種結晶研磨液3kgを入れて、攪拌機を起動し、原材料をパルプ性状にまで攪拌して、それから濃度が20%の硝酸溶液1.6kgを入れて5分間ぐらい攪拌する。攪拌を中止して、パルプをハレルコロイドミルに移して、更にパルプを細かくして、細かくしたパルプをハレルコロイドミルから元の攪拌機に戻して、真空状態にした後に攪拌機を起動して攪拌し、3kgの20%硝酸を入れてから、更に１リットルの17%六水和硝酸マグネシウムを含有する水溶液を入れて、均質に攪拌する。この時、ゲルは既に形成されている。

上述のゲルをステンレストレイに移して、120℃の焼付窯の中に入れて、ゲルが脆くなって、開裂して、直径が約何ミリから十何ミリの粒子になるまで乾燥する。ある粒子が何センチにも達するが、塊の大きさは乾燥するスピードによって決まる。乾燥するスピードが速ければ速いほど、粒子が小さくなる。

乾燥した粒子を更に粉砕して、必要によって、必要とされる粒度を選出する。研磨剤として、一般的に２５メッシュ以下、１２０メッシュ以上の物質を取り出して次の処理を行う。

ステンレス製の炉心管が直径120mm、長さ200mmの回転電気窯の温度を600℃にコントロールして、材料を炉心管に移して焼付を行い、焼付時間は30分間である。

600℃で焼き付けた材料を別の回転窯に移して、温度を1400℃にコントロールして焼結を行い、焼結時間は10分間である。

焼結済の製品は更に選別を通して、研磨材製品の要求に符合するセラミック研磨材の粒子を調製する。調製した４６メッシュの粒子の密度は3.92g/cm³で、マイクロ硬さは24Gpaであり、セラミック微結晶研磨材粒子を構成する結晶粒子のサイズは0.3μmである。

［実施例２］
150リットルの真空攪拌機の中に、純水を0.6kg、水の含有量が80%のベーマイト半製品62.5kg、濃度が4%のアルミナ種結晶研磨液6kgを入れて、攪拌機を起動し、原材料をパルプ性状にまで攪拌して、それから濃度が20%の硝酸溶液1.6kgを入れて5分間ぐらい攪拌する。攪拌を中止して、パルプをハレルコロイドミルに移して、更にパルプを細かくして、細かくしたパルプをハレルコロイドミルから元の攪拌機に戻して、真空状態にした後に攪拌機を起動して攪拌し、3.2kgの20%硝酸を入れてから、更に１リットルの17%六水和硝酸マグネシウムを含有する水溶液を入れて、均質に攪拌する。この時、ゲルは既に形成されている。

以下は実施例１に述べられた内容と同じく、焼付温度を750℃にコントロールして、焼付時間は15分間である。焼結温度は1330℃で、焼結時間は20分間である。獲得した製品の密度は3.95g/cm³で、マイクロ硬さは23Gpaであり、セラミック微結晶研磨材粒子を構成する結晶粒子のサイズは0.3μmである。

図１に示されたのは、粒子を研削製品に製造した後の断面のSEM写真である。図２に示されたのは、粒子を研削製品に製造した後の表面のSEM写真である。

［実施例３］
実施例１に述べられた内容と同じであるが、その違いは、焼付と焼結が長さ24mのローラベッド窯の中で行われて、焼付エリアの温度を700℃、焼付時間を60分間に設定すると共に、焼結エリアの温度を1360℃、焼結時間を60分間に設定したことである。獲得した製品の密度は3.94 g/cm³で、マイクロ硬さは20.5Gpaであり、セラミック微結晶研磨材粒子を構成する結晶粒子のサイズは0.4μmである。

［実施例４］
30リットルの真空機能を持つニーダーの中に、水の含有量が75%であるベーマイト半製品10kg、濃度が4%であるアルミナ種結晶研磨液0.4kg、17%の六水和硝酸マグネシウム0.48kgを入れる。ニーダーを起動してパギング（混練）を5分間行い、濃度が20%である硝酸0.9kgを入れてから、引き続きニーダーを起動してパギング（混練）を60分間行い、そして取り出して乾燥する。以下は実施例1と同様である。獲得した製品の密度は3.90g/cm³で、マイクロ硬さは24Gpaであり、セラミック微結晶研磨材粒子を構成する結晶粒子のサイズは0.2μmである。

本実施例は、前述した３つの実施例とは異なり、純水を加入しない。

Claims (7)

1. α-アルミナ研磨材であって、
   セラミック研磨材の粒子の密度が3.88g/cm³以上、マイクロ硬さが20Gpa以上、セラミック研磨材の粒子を構成する結晶粒子のサイズが0.15μm〜0.3μm、であることを特徴とするα-アルミナ研磨材。
2. α-アルミナ研磨材の調製方法であって、次の１）〜５）の措置を採用したこと、
   即ち、
   １） 真空にする機能のある攪拌機の中に、純水、ベーマイトの半製品およびアルミナの種結晶研磨液を添加して、攪拌機を起動し、原材料を均質のパルプ性状にまで攪拌すること、ここで、純水の添加量はベーマイト半製品原材料の量の１%〜40%で、アルミナの種結晶研磨液の濃度は４%で、種結晶の添加量は原材料にあるアルミナの含有量の0.6%〜2%であること、
   ２） パルプの中に20%希釈硝酸を入れて、そのPH値＝1.5〜2にさせて、真空状態で攪拌して、パルプを次第にゾル、ゲルに形成させること、
   ３） 均質まで攪拌した後に、真空を放出して、コロイドを取り出し、140℃以下の温度で乾燥し、粉砕してから120メッシュ以上の粒子を選出すること、
   ４） 選出された粒子を焼成窯に入れて焼き付け、ここで焼成窯の温度を500℃〜800℃にコントロールして、焼付けの時間は10〜60分間とすること、そして、焼き付けた後に粒子を焼結すること、ここで焼成窯の温度を1300℃〜1400℃にコントロールして、焼結の時間は5〜60分間とすること、
   ５） 完成品の粒子を選出すること、
   を採用したことを特徴とするα-アルミナ研磨材の調製方法。
3. 前記パルプに希釈硝酸を加入するときに、一括的に全ての希釈硝酸を加入して、パルプのPH値＝1.5〜2にさせて、真空状態で攪拌して次第にゾル、ゲルに形成させる、
   ことを特徴とする請求項２に記載のα-アルミナ研磨材の調製方法。
4. 前記パルプにあるベーマイトの固体粒子含有量が25%以下であるときに、まず一部分の硝酸を使ってパルプのPH値＝４にさせ、60分間放置して上部の液体（上澄み液）を取り、真空状態にて、前記取り出した上部の液体に再び硝酸を加入し同時に攪拌機を起動し攪拌し、パルプのPH値＝1.5〜2にさせて、パルプを次第にゾル、ゲルに形成させる、ことを特徴とする請求項２に記載のα-アルミナ研磨材の調製方法。
5. 前記パルプに硝酸を加入するときに、先ず一部分の希釈硝酸を加入して、パルプのPH値＝４にさせて、攪拌を中止して、パルプをハレルコロイドミルに移して、更にパルプを細かくして、細かくしたパルプを元の攪拌機に戻して、真空状態で希釈硝酸を入れ同時に攪拌機を起動して攪拌し、パルプのPH値＝1.5〜2にさせて、パルプを次第にゾル、ゲルに形成させる、
   ことを特徴とする請求項２に記載のα-アルミナ研磨材の調製方法。
6. 前記パルプは、ゾルに形成された後、ゲルに形成される前に、硝酸マグネシウム溶液を加入される、ここで硝酸マグネシウムの加入量は原材料の中のアルミナ総量の0.6%〜3.2%である、
   ことを特徴とする請求項２，３，４または５に記載のα-アルミナ研磨材の調製方法。
7. 前記ベーマイト半製品の水の含有量は70%〜80%であり、含有する水を全て取り除いた後には、アルミナの含有量が99%以上で、ベーマイト半製品を通常製品に完成させた後には、その比表面積は250m²/g以上、結晶粒度は10nm以下である、
   ことを特徴とする請求項２に記載のα-アルミナ研磨材の調製方法。