JP4473288B2 - ゾルーゲルアルミナ砥粒及びビトレアス結合研摩材製品 - Google Patents

Description

本発明はゾルーゲルアルミナ砥粒、そして特に、結合された砥粒に配合されるための砥粒に関する。

ゾルーゲルアルミナ砥粒、特に本質的にμｍ以下であるアルミナ結晶粒径を有する砥粒は、特にビトレアス結合砥粒に配合されるとき、多くの用途に非常に有効である。このような砥石の製造において、砥粒はビトレアス結合剤材料及び種々の一時的なバインダー、焼去される材料および／または潤滑剤と混合され、そして混合物は型に入れられる。一時的なバインダーおよび／または潤滑剤は混合および成形を容易にするために必要であり、そして焼去される材料は砥石が完成時に所望の気孔率の程度を有するのを確実にするのに必要とされる。もちろん焼去される材料は砥石の焼成時に完全に除去されるように意図される。

製造過程において、混合物の温度は、砥粒がビトレアス結合剤材料で被覆され、そして溶融結合剤が接触し、もしくはきわめて近接する隣りの砥粒と接合する結合ポスト（bond post）を形成するまで結合剤成分が混合し（もし原料のままの結合剤が使用されていれば）、そして流動する点まで上昇される。結合ポスト構造を完成させた後に、温度は、砥石が型から取除かれうるまで勾配をつけて低下させられる。

結合剤が焼成される温度がむしろ重要である。なぜなら１μｍ以下のオーダーのアルミナ結晶粒径を有するゾルーゲルアルミナ砥粒は、ビトレアス結合砥石の形成に要求される延長された時間、約１１５０℃よりも高い温度にさらされることにより劣化される。これは、優れた研削性能に密接に関係する微細結晶構造が劣化され始めるからである。このため、特に種結晶を入れられたゾルーゲルアルミナ砥粒を有するゾルーゲルアルミナ砥粒を用いるとき、結合は１１５０℃未満、好ましくは約１０００℃未満の温度で終了されることが強く勧められる。

さらに、結合が形成される温度が高ければ高いほど、ビトレアス結合剤系からのシリカによる砥粒の浸透の程度は大きい。この相互作用は、低温完成結合剤に重大な問題ではないが、最適な性能を発揮するのに考慮されることを必要とする。
有機官能基金属含有界面活性剤を有する砥粒を被覆することにより、この攻撃を防止することが可能であることが欧州特許公開第０５０３５８２号公報で知られている。さらに、シリカの被覆を用いて同一の結果を得ることも欧州特許公開第０４１７７２９号公報で知られている。しかし、これらの被覆はこれらのすべての問題に応えるとは限らない。

しかし、このような低温完成ビトレアス結合剤材料を用いて、完全に焼去されたと考えられる有機材料は残留炭素を実際には残すことがわかった。この残留物は、通常、白色もしくは無色である、砥粒の表面の細孔に集まり、その結果、製造された砥石は黒点を有する。

欧州特許公開第０５０３５８２号公報 欧州特許公開第０４１７７２９号公報

本発明の目的は、ビトレアス結合製品の表面に見苦しい傷、もしくは黒点の出現なしに、ゾルーゲルアルミナ砥粒を用いて、低温ビトレアス結合剤の使用を可能にする方法を開発することにある。

さらに、本発明の目的は、そのような方法において、結合剤と砥粒の間の相互作用を減少させて、それによりもっと強い結合を発現させうる有利な効果を引き出すことにある。

本発明は、アルミナ砥粒がセラミック酸化物で被覆され、そして２μｍ以下の粒径のアルファアルミナ結晶を含む、被覆されたゾルーゲルアルミナ砥粒を提供する。

「被覆された」（”ｃｏａｔｅｄ”）という用語により、アルファアルミナ砥粒はセラミック酸化物の前駆体で処理され、ついで前駆体が溶解される溶媒を追出し、前駆体からセラミック酸化物を形成するのに十分な温度で仮焼されたことを意味する。実際には、最も通常の効果はセラミック酸化物が砥粒の表面層に拡散し、砥粒の気孔率を減少させることである。この減少は５０％にもなりうるが、もっと一般的にはその表面積減少は、ＢＥＴ法で測定して、約１０％〜４０％であることがわかる。いくつかの場合には、セラミック酸化物が、少なくとも１部は、アルミナと反応してアルミン酸（酸化マグネシウムのような特定の酸化物の場合にはスピネルを含む）を形成する証拠がある。本発明の目的のために、形成されたこのようなアルミン酸塩はセラミック酸化物と考えられる。ただし、最高の酸化状態にあるセラミック酸化物が計算の基礎として用いられるときセラミック酸化物の量を計算する目的を除く。

本発明によるゾルーゲルアルミナ砥粒は、結晶粒径約２μｍ以下のアルファアルミナ砥粒を形成し、次いでその砥粒をセラミック酸化物前駆体の溶液もしくは分散体で処理し、つづいて溶媒を追出し、そして前駆体をセラミック酸化物に転換するのに十分な温度で加熱することを含む方法により製造されうる。

処理温度は、好ましくは９００〜１３００℃、およびもっと好ましくは１０００〜１２００℃であるが、もっと高いもしくは低い温度も、アルミナ結晶粒径が実質的に変更されず、セラミック酸化物が形成されるのであれば、使用されうる。

さらに、温度は、上述のように減少される処理砥粒のＢＥＴ表面積を生じさせるのに十分に高くあるべきであるのが非常に望ましい。

セラミック酸化物前駆体は水に溶解し得、そして加熱すると、酸化物およびガスに分解して残留物質のない、塩であるのが好適である。その塩はたとえば有機酸の硝酸塩でありうる。セラミック酸化物自体は１５００℃を超える温度で安定な金属酸化物をいうと理解される。典型的な例は酸化マグネシウム、二酸化チタン、酸化コバルト、酸化ニッケルおよび酸化クロムを含む。上述のように、セラミック酸化物は対応するアルミン酸塩の形態であり得、それらの酸化物のアルミナとの反応により形成する。添加されるセラミック酸化物の量は全アルミナ砥粒質量の１ｗｔ％（酸化物として測定）までを与えるのに十分な量である。

上述のようにセラミック酸化物は、処理砥粒が、処理の間にアルミナがさらされるよりも高い温度に加熱されるとき、酸化物を生成する溶解性塩の水溶液として添加されうる。あるいは、好ましくはセラミック酸化物は、たとえばベーマイトゾルもしくは三水和アルミナの水性溶液のような、アルファアルミナ前駆体の分散体もしくはゾルに、溶解もしくは分散されていることが多い。この添加の態様は、砥粒のまわりに、アルファアルミナまたはガンマアルミナのようなアルファアルミナ前駆体の層を配置しうる。しかし、もっと一般的にはアルミナの大部分は反応してアルミン酸塩を生成する。さらに、被覆もしくは層は、砥粒がビドレアス結合剤材料を形成するのに用いられるとき、ビトレアス結合剤からの攻撃に対して砥粒を保護するのを付加する。

砥粒が形成するゾルーゲルアルミナはμｍ以下の結晶粒径を有する、種結晶を入れられたゾルーゲルアルミナであるのが好ましい。本発明の状況下で、結晶粒径は「切取り法」（”ｉｎｔｅｒｃｅｐｔ ｍｅｔｈｏｄ”）により測定され、ＳＥＭ顕微鏡写真は、その顕微鏡写真を横切って多数の斜線（”ｄｉａｇｏｎａｌ ｌｉｎｅｓ”）を引き、その線より横断され結晶の数により線の合計長さを分割し、そして得られる数値に補正係数１．５を乗じることにより分析される。

本発明はここで次の非制限的な例について例示される。

例１
この例において、種結晶を入れられたゾルーゲルアルミナ砥粒、９５０℃の温度で完成されるビトレアス結合剤、ならびに細孔形成剤、潤滑剤および一時的バインダーを含む有機焼去材料、を含むビトレアス結合研磨剤物品の製造が述べられる。２組の試料が同一の配合で調製されたが、本発明により作製された砥石は硝酸コバルト溶液に浸漬された砥粒を含み、ついで本発明により被覆砥粒を与える。

被覆された砥粒の調製
商標「Ｃｅｒｐａｓｓ−ＸＴＬ」でＳａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ，Ｉｎｃ．により販売されている砥粒が次のすべての例においてゾルーゲルアルミナ砥粒として使用された。これは少なくとも９８％のアルファアルミナを含み、ビッカース硬度約２１ＧＰａを有する、種結晶を入れられたゾルーゲルアルミナである。本発明による被覆された砥粒の試料を確保するために、５４グリット径の砥粒試料１０００ｇがＨｏｂａｒｔミキサーに入れられ、硝酸コバルトの溶液が添加された。溶液の量は酸化コバルトとして測定され０．２５％の最終砥粒における硝酸コバルト含量を与えるように計算され、このために、添加されるのが必要な硝酸コバルト・６水和物の計算量は４．１ｇであった。これはｐＨ２．０である水性溶液１０ｇの形態で添加された。明らかなように、被覆するセラミック酸化物前駆体の量は、比較的小さな砥粒は被覆されるべき比較的大きい表面積を増すので、砥石粒径に依存する。たとえば３６グリット粒径について、砥粒表面に同一含量の被覆を達成するために、セラミック酸化物前駆体の量は約１５％減少されうるが、もしグリット粒径が８０であれば、１０％増加されるべきである。

混合条件は均一な被覆を与えるように調製され、そしてこれは前駆体溶液が強い色彩を有する視覚検査で決定されるのが通常である。均一な被覆が得られた後に、被覆された砥粒は対流オーブン中で１００℃で、１８時間にわたって乾燥された。もしミキサーが乾燥器を備えられていれば、乾燥はもちろんミキサー中で実施されうる。硝酸コバルトについても、融点はわずか５５℃であり、これは砥粒表面にわたって均一な分布を確実にするのを助けるので、実際上、好適である。乾燥の終了は均一な色彩を伴う流動性砥粒により示された。過乾燥は被覆の剥離もしくは粉体化をもたらしうるので、勧められない。目的はこの段階で水和の水を失わないようにすることである。なぜなら、それは硝酸塩のさらなる劣化をもたらし得、そして乾燥オーブンはＮＯ_ｘフュームの除去に適合されないのが通常であるからである。乾燥された、被覆砥粒は、ついで、キルン中に入れられ、焼成される。使用されるキルンは１１００℃の高温ゾーンを有し、２０分の滞留時間を用いるロータリーキルンであった。あるいは、静止型の焼成キルンも使用され、砥粒は１０５０〜１１５０℃の温度まで勾配をつけられ、そこで約１５分間保持され、ついで室温に冷却される。砥粒は、はじめに黒くなり酸化コバルトの生成を示し（約２００〜９００℃の間）、そして青色に変わり約９００℃を超えてアルミン酸コバルトの生成を示す。

被覆砥粒の試験
グリット粒径３６、５４および８０において、上述のように調製された被覆砥粒のＢＥＴ表面積は、同一の未処理砥粒と比較された。すべてのグリット粒径において、被覆の結果、測定された表面積が４０％までの著しい減少があった。結果は図１に示される。
被覆された砥粒と被覆されていない砥粒の比較試験は、被覆が硬度、静電放出性（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｏｊｅｃｔａｂｉｌｉｔｙ）、もしくは元素拡散プロフィールに対して、ビトリファイド結合製品の砥粒／結合剤界面にわたって、不利な影響を与えることを示した。アルミナの結晶粒径は０．０１〜０．０２μｍの小さな増加を示した。

ヒドレアス結合試料の調製
次いで、上述のように調製された被覆砥粒はビトレアス結合試験棒の形成においてそのほかは同一である未被覆砥粒に対して比較された。使用された結合剤は約９００℃の温度、１０時間で完了する低温結合剤であった。被覆されていない砥粒は著しい数の黒点を示した。これらは図２に明瞭に示される。被覆されたものは黒点を何ら示さなかった。表面積の減少との相関は、黒点が砥粒の表面細孔において不完全燃焼された有機材料が集合する結果であるという結論を強く支持する。

次いで、試験棒は被覆された砥粒および被覆されていない砥粒を用いて作製された棒についての、ＭＯＲ強度およびサンドブラスト浸透を測定する試験に供された。有意の差異はみられなかった。どちらかといえば、被覆された砥粒で作製された棒がわずかに良好であった。

次いで、被覆された砥粒は、９５０℃で１０時間を超えて完了した透明なビトレアス結合を用いて等量の白色溶融酸化アルミニウムとともに試験棒を形成された。溶融アルミナ砥粒への被覆砥粒の色の「にじみ」（”ｂｌｅｅｄｉｎｇ”）は検知されず、被覆は砥粒表面に十分に融和されたことを示した。

例２
この例において、同一の手順が例１に示されるように採用されたが、次の点は差異がある。すなわち、コバルト塩がベーマイトゾルに添加され、そして添加量は、アルミン酸コバルト酸およびアルファアルミナ前駆体を含む層の形態で、酸化コバルトとして測定され、例１に用いられる温度での焼成後にコバルトの質量の１．００％で、砥粒上の堆積をもたらすのに十分な量である。このように製造された砥粒はビトレアス結合研磨材製品を形成するのに要求される延長された焼成スケジュールの後でさえ色彩変化に非常に耐性があった。被覆形成の前後での砥粒表面積の測定は１０％を超える表面積の減少を示した。

３つの異なる砥粒の粒径において、被覆された、および被覆されていない砥粒についてＢＥＴ表面積を示すグラフである。 被覆されていない砥粒を用いてつくられたビトレアス結合材料の黒点の出現を示す一連の写真である。

Claims (6)

1. 粒径が２μｍ以下であるアルファアルミナの結晶を含む被覆されたゾルーゲルアルファアルミナ砥粒であり、アルミナ砥粒の質量に基づいて１ｗｔ％までの、酸化マグネシウム、二酸化チタン、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化クロム；アルミン酸マグネシウム、アルミン酸チタン、アルミン酸コバルト、アルミン酸ニッケル、及びアルミン酸クロムから選ばれる、上記酸化物の金属のアルミン酸塩；前記酸化物及び前記アルミン酸塩の１つ以上とアルファアルミナ前駆体との混合物；ならびにそれらの混合物からなる群より選ばれるセラミック酸化物で被覆され、そして被覆された砥粒は被覆されていない砥粒に比べて１０〜４０％小さいＢＥＴ表面積を有する、被覆されたゾルーゲルアルファアルミナ砥粒。
2. 前記アルミナが、結晶種を入れられたゾルーゲルアルミナである請求項１記載の被覆された砥粒。
3. 前記被覆がアルミン酸コバルトを含む請求項１記載の被覆された砥粒。
4. 砥粒を含むものであって、存在する砥粒が請求項１記載の被覆された砥粒を含むビトレアス結合研摩材製品。
5. 砥粒を含むものであって、存在する砥粒が請求項３記載の被覆された砥粒を含むビトレアス結合研摩材製品。
6. 砥粒を含むものであって、存在する砥粒が請求項２記載の被覆された砥粒を含むビトレアス結合研摩材製品。

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