JP2016144864A - ムライトと、チアライト及び/又はアーマルコライトと、バデレアイト及び/又はスリランカイトとから成る鉱物学的相を含む酸化アルミニウムをベースとする焼結成形砥粒、並びにその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、ムライトと、チアライト及び/又はアーマルコライトと、バデレアイト及び/又はスリランカイトとから成る鉱物学的相を含む酸化アルミニウムをベースとする焼結成形砥粒、並びに原材料としてアルミナ、イルメナイト及びジルコンサンドを用いることによって焼結成形砥粒を製造する方法に関する。
【選択図】図1
Description
一般的に、砥粒又は研磨品の研削性能は、いわゆるg-比によって決まり、それは取り代(stock removal)対アブレシブ摩耗(abrasive wear)の比として計算される。砥粒の高硬度は、高取り代率及び結果として高g-比をもたらす。同時に、砥粒の高破壊靱性は、低アブレシブ摩耗のみならず高g-比を生じさせる。従って、理想的ケースでは、砥粒の硬度及び破壊靱性は、高g-比を得るためにできるだけ高くすべきである。
この比は、例えば化学組成の変更によって影響を受け得る。しかしながら、砥粒の研削性能は、その化学組成のみならず、その結晶構造、その密度、及びとりわけその幾何学的形状によっても特徴づけられる。さらに、ある砥粒を特殊な研削作業に使用するか否かの判断は、その潜在的研削性能に影響されるのみならず、多くの場合、実質的に原材料コスト及びプロセス条件に応じた砥粒生産コストが重要な役割を果たす。
酸化アルミニウム以外に使用する原材料のため、結果として生じる砥粒は酸化ケイ素、酸化鉄、酸化チタン並びに少量の他の酸化物、例えば酸化カルシウム及び酸化マグネシウムを含む。当該酸化物のいくつかが酸化アルミニウムと共に別々の鉱物学的相、例えばムライト(3Al2O3 *2SiO2)又はチアライト(Al2TiO5)等を形成し、これらの相は、酸化アルミニウム(コランダム)より低い硬度を有し、対応する砥粒も低硬度にするが、異なる相の分離又は包含のため、砥粒はより高い破壊靱性を示すことが多く、特殊な研削用途に有利なことがある。この場合、ボーキサイトは低価格原材料として用いられるため、対応する砥粒の可能な適用分野はさらに拡大される。しかしながら、製品品質に不利な効果を及ぼし得る化学組成変動の可能性によって、天然に存在するボーキサイトを使用することの悪影響が生じる。
US-A-2,360,841は、固溶体中に酸化チタン及び酸化鉄を含有する酸化アルミニウム結晶から成る焼結砥粒について記載している。一実施形態は、結晶成長抑制物質としてさらに酸化ジルコニウムを含むことを記載している。
US-A-3,481,723の主題は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、ケイ酸ジルコニウム、炭化ケイ素、酸化チタン、酸化マグネシウム、ベントナイト、ケイ素及びそれらの混合物から成る群より選択される研磨材から本質的に成る円柱状砥粒である。
EP 2 636 655 A1は、高硬度及び高破壊靱性を有するアルミナ焼結成形体をベースとする砥粒について記載している。この砥粒の製造のため、結合剤を含有する水性媒体にアルミナ粉末及びイルメナイト粉末を加える。その後、混合物を均質化し、所望の形を有するように成形し、焼結して、高硬度及び優れた破壊靱性を有する焼結成形砥粒を得る。該砥粒の破壊靱性は、アルミナ結晶の粒界におけるFeTiAlO5結晶の形成によって上昇する。
‐ 85質量%〜95質量%のアルミナ(Al2O3)、1.0質量%〜10質量%のジルコンサンド(ZrSiO4)、及び0.5質量%〜8.0質量%のイルメナイト(FeTiO3)の均質乾燥混合物を調製する工程であって、原材料ベース不純物が2質量%未満である、該工程;
‐ 分散剤、潤沢剤及び可塑剤を含む群から選択される1種以上の添加剤と共に、少なくとも1種の結合剤及び少なくとも1種の溶媒を添加して、押出可能塊を得る工程;
‐ 前記塊を押し出す工程;
‐ 押出生成物をカットして成形砥粒前駆体にする工程;及び
‐ 前記成形砥粒前駆体を1450℃〜1650℃の温度範囲で焼結して焼結砥粒を得る工程
を含む方法(方法1)が提供される。前記方法1において、ジルコンサンド対イルメナイトの質量パーセント比は1:6〜6:1であり得る。
‐ 85質量%〜95質量%のAl2O3;
‐ 0.5質量%〜5.0質量%の、TiO2として表される、チタン化合物;
‐ 0.3質量%〜4.0質量%の、SiO2として表される、ケイ素化合物;
‐ 0.4質量%〜9.0質量%の、Fe2O3として表される、鉄化合物;
‐ 1.0質量%〜9.0質量%の、ZrO2として表される、ジルコニウム化合物;及び
‐ 2質量%未満の原材料ベース不純物
を含む、酸化アルミニウムをベースとする焼結砥粒が提供され、該焼結砥粒は任意に前記方法1に従って製造される。
焼結後、焼結砥粒の鉱物学的成分は、コランダム(Al2O3)と、ムライト(3Al2O3 *2SiO2)と、チアライト及び/又はアーマルコライト(Al2TiO5/AlFeTiO5)と、バデレアイト及び/又はスリランカイト(ZrO2/Ti0.75Zr0.25O2)とを含み、ムライト対チアライト及び/又はアーマルコライトの質量パーセント比は好ましくは6:1〜1:6である。
有利には、焼結砥粒は、0.5〜5mmの直径及び1〜10mmの長さを有する棒状体であり、その直径対長さの比は0.2:1.0〜1.0:1.0である。
砥粒の品質を評価するためには、研削試験を行なうことが必須である。研削試験はかなり広範囲に及び、非常に時間がかかる。従って、研磨業界では、前もって機械的特性を用いて砥粒の品質を評価するのが一般的であり、これはより容易に利用することができ、研削試験における後の挙動の指標として役立ち得る。本研究の文脈では、硬度の同定に加えて、ボールミル内で製粉することによる微粒子分解(micro grain decomposition)(MKZ)を通じて砥粒の粒子靭性を判定した。
12個の鋼球(直径19mm、質量330〜332g)を詰めたボールミル(高さ10.5cm、直径6.8cm)において毎分185回転で150秒間にわたって限定的なグリットサイズ(例えばコランダムに基づいて、好ましくはグリットサイズ24又は36)の砥粒10gを粉砕する。その後、Rotap選別機(Haver Bocker EHL 200)で、粉砕粒を5分間、対応するグリットサイズに合わせて規定された底部ふるいより2クラス微細である対応微細ふるい(好ましくは250μm)を通してスクリーンにかけ、その後に、微細部分の収支を合わせる。MKZ値は下式から得られる。
前述したように、棒状砥粒は、高度に圧縮されたほとんど無孔のレジンボンド砥石車が用いられる鋳造業及び鋼生産業においてスラブ及びビレットの粗研削又はバリスリのために好ましく用いられる。典型的試験では、例えば、厚さ220mm、幅400mm、及び長さ1540mmの炭素鋼製ワークピース、又は厚さ140mm、幅500mm、及び長さ2080mmのステンレススチール製ワークピースを、砥石車が616mm及び76mm幅の断面寸法を有するレジンボンド砥石車を用いて一定の機械パラメーターで処理する。これらの試験では、本発明の砥粒を使用すると、一般的に、MKZ値が低下するにつれてg-比(砥石摩耗に対する材料除去の比)が上昇することが見出された。結果として、MKZ値から砥粒の能力への結論を導き出すことができる。しかしながら、これは、砥粒の硬度も特定の研削作業に要求される範囲内にある場合にのみ当てはまり、この範囲は、本発明の砥粒に関しては総計14〜18GPaの硬度HVに達する。
例D及びEでは3:1のジルコンサンド対イルメナイトの比を維持したが、アルミナのパーセンテージを増やした。この場合、MKZ値は、アルミナ含量の増加とともに悪くなったが、3:1のジルコンサンド対イルメナイトの比を有し、アルミナ含量がより低い例Fは、1.0%という優れたMKZ値及び16.6GPaの硬度を示し、この事実は、添加物イルメナイト及びジルコンサンドの利点の別の指標であることが見出された。
さらに、例Jでは、純粋アルミナをベースとする焼結コランダム棒を比較のために使用した。比較例Jは、18.6GPaの高硬度及び1.0%の低MKZ値を示し、本発明の例B、C及びFと同一範囲に入っている。一方で例AのMKZ値は有意に良い。事前の通常の研削試験は、本サンプルでは、g-比(砥石摩耗に対する材料除去の比)はMKZ値と直接相関することを示唆した。その結果、本発明の砥粒においては、コスト効率よく製造でき、かつ特殊な研削作業のために、純粋アルミナをベースとする焼結棒に比べて同等又はより良くさえある研削結果をもたらす製品を入手可能である。
Claims (9)
- 焼結砥粒を製造する方法であって、下記工程:
‐ 85質量%〜95質量%のアルミナ(Al2O3)、1.0質量%〜10質量%のジルコンサンド(ZrSiO4)、及び0.5質量%〜8.0質量%のイルメナイト(FeTiO3)の均質乾燥混合物を調製する工程であって、原材料ベース不純物が2質量%未満である、該工程;
‐ 分散剤、潤沢剤及び可塑剤を含む群から選択される1種以上の添加剤と共に、少なくとも1種の結合剤及び少なくとも1種の溶媒を添加して、押出可能塊を得る工程;
‐ 前記塊を押し出す工程;
‐ 押出生成物をカットして成形砥粒前駆体にする工程;及び
‐ 前記成形砥粒前駆体を1450℃〜1650℃の温度範囲で焼結して焼結砥粒を得る工程
を含む、前記方法。 - ジルコンサンド対イルメナイトの質量パーセント比が1:6〜6:1である、請求項1に記載の方法。
- 下記質量含量の成分:
‐ 85質量%〜95質量%のAl2O3;
‐ 0.5質量%〜5.0質量%の、TiO2として表される、チタン化合物;
‐ 0.3質量%〜4.0質量%の、SiO2として表される、ケイ素化合物;
‐ 0.4質量%〜9.0質量%の、Fe2O3として表される、鉄化合物;
‐ 1.0質量%〜9.0質量%の、ZrO2として表される、ジルコニウム化合物;及び
‐ 2質量%未満の原材料ベース不純物
を含む、酸化アルミニウムをベースとする焼結砥粒。 - 前記焼結砥粒の鉱物学的成分が、コランダム(Al2O3)、ムライト(3Al2O3 *2SiO2)、チアライト及び/又はアーマルコライト(Al2TiO5/AlFeTiO5)と、バデレアイト及び/又はスリランカイト(ZrO2/Ti0.75Zr0.25O2)を含む、請求項3に記載の焼結砥粒。
- ムライト対チアライト及び/又はアーマルコライトの質量パーセント比が6:1〜1:6である、請求項3又は4に記載の焼結砥粒。
- ≧3.6g/cm3の密度及び14〜18GPaの硬度HVを有する、請求項3〜5のいずれか1項に記載の焼結砥粒。
- ≦2.0%のMKZ値を有する、請求項3〜6のいずれか1項に記載の焼結砥粒。
- ≦1.2%のMKZ値を有する、請求項7に記載の焼結砥粒。
- 前記焼結砥粒が、0.5〜5mmの直径及び1〜10mmの長さを有する棒状体であって、直径対長さの比が0.2:1.0〜1.0:1.0である、請求項3〜8のいずれか1項に記載の焼結砥粒。
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