JPH01282195A

JPH01282195A - アルミナ質単結晶粒とその製造方法及び研磨具

Info

Publication number: JPH01282195A
Application number: JP63112233A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Tamamaki; 玉巻　雅弘; Yoshihiro Onoda; 小野田　芳大; Masaru Nozaki; 勝野崎
Original assignee: NIPPON KENMAZAI KOGYO KK; Japan Abrasive Co Ltd
Current assignee: NIPPON KENMAZAI KOGYO KK; Japan Abrasive Co Ltd
Priority date: 1988-05-09
Filing date: 1988-05-09
Publication date: 1989-11-14
Also published as: CN1040634A; ZA893416B; AU633000B2; BR8902159A; NO891851D0; JPH0476350B2; CN1024459C; AU3452589A; NO891851L; EP0342841A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野〕本発明は、研削工業材料、セラミック材料、耐火物材料
等に用いられるアルミナ質単結晶粒及びその製造方法並
びにその研磨具に関するものである。

〔従来の技術〕従来、研削工業材料、セラミック材料、耐火物材料とし
ては、溶融アルミナが主として用いられている。しかし
、それらの使用条件が厳しくなってきており、既存の溶
融アルミナでは、電気絶縁性、研削能率、耐食性の点か
らこれらの要求に応じることが困難になってきている。

〔発明が解決しようとする課題〕

これらの点を改善すべ〈発明されたのが、アルカリ含有
量の少ない白色溶融アルミナ、及びβ−アルミナの含有
量の少ない白色溶融アルミナである。これらのアルカリ
含有量の少ない白色溶融アルミナ、又はβ−アルミナ含
有量の少ない白色溶融アルミナの製造方法としては、原
料にアルカリ分の少ないアルミナを使用するか、特公昭
４６−５５７７号に示されるように、バイヤーアルミナ
にカーボンを添加して溶融する方法、特公昭４８−３８
２０３号に示されるように、バイヤーアルミナにＡｊ？
１．粒又はＡ、ｆＬ粉末を添加して溶融する方法、特公
昭５２−１２２０４＠に示されるように、バイヤーアル
ミナに金属３ｉを含む合金粒又は粉末を添加して溶融す
る方法、特公昭４７−４５６７８号に示されるように、
バイヤーアルミナにホウ酸又は無水ホウ酸を添加して溶
融し、アルミナ中空球を作りそれをＨＣ，！などの無機
酸で処理する方法などが述べられているが、いずれも原
料および製造コストが高くついたり、また未反応の添加
剤が製品中に残存した場合、着色などが起こり製品の品
位を落とす欠点があった。

また、特開昭５３−７９７９７号ではアルミナ原料にＳ
ｉ　０２　、Ｎａ　２０を添加して電気溶融し、冷却同
化後、インゴットを粉砕し、アルカリを含むシリカガラ
ス相をフッ酸塩酸処理することにより、アルミナ純度９
９．９％以上の電融アルミナの製法を示しているが、こ
の場合、シリカガラス相を除去するために強酸であるフ
ッ酸の使用が必要とされ、取扱いが困難である。特公昭
４４−１６５１８号では、バイヤーアルミナにフッ化ア
ルミニウムを添加し電気溶融し、アルカリの少ない強靭
性白色電融アルミナ（ＷＡ＞の製法を示しているが、単
結晶粒の溶融アルミナは得られていない。

特に研削工業材料では、いわゆる難削材と呼ばれる金属
の加工分野において、通常の白色溶融アルミナＷＡでは
、研削能率が悪いため、従来より単結晶砥粒ＨＡが好ん
で使用されている。ＷＡ、ＨＡについては、ＪＩＳ　　
Ｒ６１１１に規定されており、単結晶砥粒ＨＡは、ＪＩ
Ｓ　　Ｒ６１１１のＡ系、ＷＡ系等の電融アルミナ砥粒
と比べて、粒中に結晶粒界、クラック、開気孔、閉気孔
などの欠陥が少ないと言う特徴を持っている。単結晶砥
粒の製造法として、研削材工業界で一般的公知事実とし
て、アルミナ質原料に硫化鉄、硫黄、硫化鉱、鉄屑を添
加して電気溶融する方法が知られている。また特公昭４
６−９３９６号では、バイヤーアルミナに硫黄又は硫化
鉄を添加して電気溶融し、ざらに溶湯にＴｉ　０２　、
Ｃｒ　２０３　、Ｆｅ　２０３を加える方法を述べてい
る。これらの硫化物を添加する方法では、溶融時に８０
２．８０３、Ｈ２Ｓ等の有害ガスが発生するため、公害
対策の特別な装置が必要である。特公昭５９−１８３５
９号ではアルミナの溶湯を同化前に内部まで急冷して、
多数の結晶核を溶湯全域に発生させ冷却同化、解砕して
得られるアルミナ質単結晶粒の製造法を述べている。こ
の方法では単結晶粒の収得率は３０〜４５％とあまり高
くない。また、一般の溶融アルミナにおいては、アルミ
ナに酸化クロム、酸化チタン、酸化バナジウム等を少量
添加して電融し、これらの酸化物をアルミナ結晶粒中に
固溶させて粒の性質を変え、種々の研削用途に適応させ
ることが出来ることが知られている。

しかしながら、従来のアルミナ質単結晶粒の製造法にお
いては、コークスを加えて一部還元反応を伴いながら溶
融するため、雰囲気はかなり強い還元性とならざるを得
す、また粒界に不純物が集まるため、結晶粒の内部にこ
のような改質化合物を固溶させることは極めて困難でお
り、また多少固溶させることができたとしても、その歩
留りは非常に低いものであった。

本発明は、上記のように、従来、アルミナ質単結晶粒の
製法が困難であることを克服することにある。

すなわち本発明の目的は、β−アルミナ相を形成せず、
研削能率、電気絶縁性、高温耐食性にすぐれた特性を持
つ歩留りの良いアルミナ質単結晶粒及び当該アルミナ質
単結晶粒を容易に製造する方法を提供する点におる。

（課題を解決するための手段）上記の目的達成のため本発明は、アルミナ粉末にハロゲ
ン化物を添加、溶融し冷却同化させたインゴットのマト
リックス部に、オキシハロゲン化物相を生成させ次いで
、無懇酸またはアルカリでオキシハロゲン化物相を除去
することによりアルミナ質単結晶粒を得る独特の製法を
完成した。ざらに他の発明として、かかる製法で得られ
たアルミナ質単結晶粒に微粒ＳｉＯ２粉末を被覆させた
アルミナ質単結晶粒並びにこれらのアルミナ質単結晶粒
を使用した研磨具をも同時に開発した。

本発明に利用できるハロゲン化物には、フッ素化合物、
塩素化合物、臭素化合物、ヨウ素化合物が使用できるが
、高温時でのそれぞれのハロゲン化物の分解及び価格の
点を考慮するとフッ素化合物が好適である。

本発明で生成したオキシハロゲン化物相の化学組成を推
測する場合、ハロゲン化ガラスのＧ　ｌ　ａＳＳ−Ｆｏ
ｒｍａｒを基本として考えることができる。例えばオキ
シフッ化物相の場合、フッ化物ガラスのＧｌａｓｓ　−
Ｆｏｒｍｅｒは、Ｔｉ　、Ｓｃ　、Ｂｅ　ＳＨｆ　。

Ｚｒ　、Ａ、Ｒの各フッ化物である。また、Ｇ　ｌ　ａ
ＳＳ−ＦｏｒｍｅｒとＧｌａＳＳ　）Ｉｏｄｉｆｉｅｒ
の中間的な働きをするもの（Ｉｎｔｅｒｍｅｄ　１ａｔ
ｅ　）には、Ｃｒ　、Ｙ、Ｂ。

Ｆｅ　、Ｎｄ　、Ｐｂ　、ＭＯ、Ｓｂの各フッ化物があ
る。これらのフッ化物ガラスのＧｌａｓｓ−Ｆｏｒｍｅ
ｒ、Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ、　　）ｌｏｄｉｆｉｅ
ｒについては、Ｃ，Ｍ。

Ｂａｌｄｗｉｎ、　Ｊ、　Ｄ、　Ｍａｃｋｅｎｚｉｅ、
　Ｊ、Ａｍｅ、Ｃｅｒ。

Ｓｏｃ、、６２　５３７　（１９７９）に述べられてい
る。

そこで本発明では、主原料に酸化アルミニウムを使用し
ているため、インゴットのマトリックス部には、純粋な
フッ化物ガラスでなく、酸素とアルミナ原料中の不純物
Ｎａ　Ｎ　Ｓｉ　、Ｆｅを含んだオキシフッ化物が生成
する。生成したオキシフッ化物相は、ＡＪｌ−Ｆ−Ｎａ
　−０−Ｘ系と考えられる（Ｘは不純物元素）。

ところで一般にハロゲン化ガラス、オキシハロゲン化物
は、化学的耐久性が低いため、無機酸、アルカリに対す
る溶解度が大きい。従って、オキシハロゲン化物を化学
処理する時の酸はＨＦよりＨＯ２，Ｈ２ＳＯ４などの比
較的取り扱いやすい無機酸のほうが好ましい。アルカリ
で処理する場合は、Ｎａ　ＯＨ，ＫＯＨなどの水溶液が
好ましい。

化学処理する時の酸又はアルカリの濃度は、例えば塩酸
を使用する場合、０．１〜６Ｎの濃度で良い。

０．１Ｎより薄いとオキシハロゲン化物相の溶出速度が
遅い。６Ｎ以上でもオキシハロゲン化物相は溶出するが
、後の水洗工程で酸を洗い流すのに時間がかかり、不経
済である。アルカリとしてＮａＯＨを使用する場合の濃
度は、１〜１ＯＮが好ましい。又、化学処理する時の温
度は、高い方が良い。好ましくは２０℃以上が良い。処
理時間は、酸またはアルカリの濃度、処理温度によって
決まる。例えば６Ｎの塩酸５０Ｌに解砕物１００ｋｃ＋
を４０℃で処理した場合、約２０分で、解砕物中のオキ
シハロゲン化物相が除去できる。

一方、アルミナ質単結晶粒（α−Ａ４ｚ　Ｏ３）は、芯
、アルカリに対する６１食性が大きい。従って本発明に
よって得られたインゴット解砕物は、無ｅＪ［またはア
ルカリ処理することによって、簡単にアルミナ質単結晶
粒からオキシハロゲン化物相を除去する事ができる。

なおアルミナ質単結晶粒を製品として利用する場合、化
学処理後の充分な水洗、及び乾燥は必要不可欠である。

本発明で最も利用しやすいハロゲン化物はフッ素化合物
でおるが、フッ素化合物としては、フッ化アルミニウム
、フッ化ソーダ、フッ化チタン、フッ化アンモニウム等
が使用できる。

インゴットのマトリックス中に生成するオキシフッ化物
相の量は、添加するフッ素化合物の量と原料のアルミナ
純度によって支配されるが、不必要なオキシフッ化物相
は化学処理工程の時間などに悪影響を与えるため、経済
的でない。原料となる酸化アルミニウムの純度は、最終
製品のアルミナ質単結晶粒の純度にも多少影響を与える
ので、少なくともＡＡｚ　０３　＞９５％のものが有効
である。添加するフッ素化合物は、０．０５〜１５％が
望ましい。０．０５％以下では、アルミナ質単結晶粒の
Ｘ線回折でβ−Ａｆ１２０３相が表われる。また１５％
以上を越えても効果はあるが、不必要なオキシフッ化物
相が増加するため、不経済である。

生成させるオキシフッ化物相は、アルミナ質単結晶粒子
を薄り覆う程度で十分と考えられる。

アルミナの改質成分として添加する酸化チタン、酸化ク
ロム、酸化バナジウムなどは、本発明ではカーボンなど
の強還元剤を使用しないため、アルミナ質単結晶粒に理
論量まで固溶させることが出来る。この固溶量について
は、［Ｐｈａｓｅ　Ｄｉａｇｒａｍｆｏｒ　Ｃｅｒａｍ
ｉｓｔＪ　Ｊ、　Ａｍｅ、　Ｃｅｒ、　３ｏｃ、などに
詳しく述べられている。しかし、必要量以上のアルミナ
質単結晶粒への固溶は、アルミナ質単結晶粒の硬度低下
を引き起こす。酸化チタン等の１種又は２種以上の含量
は０．０５〜４．０ｗｔ％が望ましい。

ところでフェノール樹脂などのレジンボンドを使用した
レジノイド砥石は、水に濡れると強度か低下するのが一
般的である。この特性は砥石を使用する時の強度に関係
するので重要な問題である。

通常この強度劣化を防ぐためには、砥粒をシランカップ
リング処理が施されている。しかし、シランカップリン
グ剤などのカップリング剤は高価なため、特殊用途のレ
ジノイド砥石以外では使用されていない。

そこで本発明では、上述のアルミナ質単結晶粒を開発し
た際に、ざらにレジノイド砥石の強度劣化が微粒ＳｉＯ
２粉末を本発明のアルミナ質単結晶粒に被覆することに
より改善されることを判明した。微粒ＳｉＯ２粉末の添
加量は、アルミナ質単結晶粒１００部に対して０．０１
〜２．０ｗｔ％が望ましい。この範囲以下では効果は少
ない。又２．Ｏｗｔ％を越えても効果はあるが、強度劣
化率がほぼ２．０ｗｔ％で飽和する。なおアルミナ質単
結晶粒と微粒ＳｉＯ２粉末を混和する場合の混合機は、
市販機で十分利用できる。例えばＶ型混合機などがある
。

また、微粒５ｉＯｚ粉末を被覆したアルミナ質単結晶粒
を９００　℃〜１２００℃で熱処理することにより、さ
らにレジノイド砥石の強度劣化を小さくする事ができる
。熱処理温度が９００　℃より低いと、熱処理しない物
との差は小ざい。熱処理温度が１２００℃以上でも、９
００〜１２００′Ｃ処理品と同等の強度（劣化）の物が
得られるが、省エネルギーのために９００〜１２００℃
の熱処理が良い。

微粒ＳｉＯ２粉末の平均一次粒子径は０．００５〜０．
５μｍの物が望ましい。０．００５μｍ以下では、より
強度劣化の少ないものが得られるが、その様な微粒３ｉ
　０２粉末は高価でかつ入手しにくいため工業的でない
。平均一次粒子径０．５μｍ以上の微粒Ｓｉ　０２粉末
では、その効果は乏しい。

（作用〕本発明のアルミナ貿単結晶砥粒は、以上の通りなので、
β−Ａ、！２０３相を形成させず、また同時に酸化チタ
ン、酸化クロム、酸化バナジウムなどを固溶させること
ができる。

また従来の溶融アルミナ粒の製造法によるインゴットは
、結晶が互いに強く結合したかたまりとなっているため
、所望の大きざの粒にするには、クラッシャー、ロール
ミル等で衝撃粉砕しなければならないが、本発明によれ
ば、アルミナ原料にハロゲン化物、それと必要ならばア
ルミナの改質成分としての酸化チタン、酸化クロム、酸
化バナジウム等を添加し、溶融後、冷却固化させたイン
ゴットは、改質成分を固溶したアルミナ質単結晶粒（α
−Ａ４２０３　）とその周りのマトリックスがオキシハ
ロゲン化物相で構成された組織になっており、またアル
ミナ質単結晶粒は、オキシハロゲン化物相を間にして互
いに弱く結合しているため、機械的解砕により簡単に一
粒ずつ得ることができる。なおここで述べているオキシ
ハロゲン化物相とは、オキシハロゲン化ガラス相とオキ
シハロゲン化物の結晶質相の意味である。

またかかるアルミナ質単結晶粒に微粒Ｓ　ｉ　０２粉末
をざらに被覆することにより、高価なカップリング剤を
使用しなくても水によるレジノイド砥石の強度劣化を防
止できる。

〔実施例〕

実施例１バイヤーアルミナ粉末（Ａ／２０３　＞９８％）にフッ
化アルミニウム、フッ化チタン、フッ化ソーダ、フッ化
アンモニウム、酸化チタン、酸化クロム、酸化バナジウ
ムを用い、第１表の組成になるように配合し、混合した
後、ニル−式電気炉を用い、電圧８０±５Ｖ、平均負荷
電力２２０±２０ＫＷ、通電時間８時間、総電力量１８
００±１００にΔ１１でアーク溶融を行なった。通電終
了後、大気中で１２０時間冷却し、インゴットを１ｑだ
。

得られたインゴットの外側の層は未溶融のものであった
。得られた解砕物の収（ｅｌを第１表に示す。収得率は
８０〜９０％と特公昭５９−１８３５９＠による従来品
の約２倍であり、粉砕物である比較例１〜３とほぼ同等
であった。

得られたインボッ１への解砕物、及び粉砕物（試料番号
１．２．３は解砕不可）の化学組成、及び粉末Ｘ線回折
によるβ−Ａｉ２０３相の有無の結果を第１表に示す。

解砕物、粉砕物各各２００ｋ（］を６Ｎ塩酸１００尤に
３０分間浸漬した後（処理温度的２５°Ｃ）、水洗を十
分に行なってから乾燥して１ｑられた解砕物、粉砕物の
化学分析の結果を第１表に示す。それぞれの化学分析は
、ＪＩＳ　　Ｒ６１２３の方法で行なった。フッ素の分
析については、リン酸処理蒸溜分離イオン電極法で求め
た。粉末Ｘ線回折の測定条件については第２表に示す。

得られたインゴットの結晶状態は、フッ化アルミニウム
の添加量が０．３％以下の試料番号１．２．３（比較例
）以外はすべて、単結晶粒子が互いに弱い力で結合した
単一粒子の集合塊で簡単に解砕ができた。また粉末Ｘ線
回折による鉱物相の同定でも、試料番号１．２．３（比
較例）以外では、β−ＡＡ２０３相は確認できなかった
。

本発明の実施例でおる試料番号４〜１６の解砕物と解砕
物の酸処理量との化学組成データより、試料番号４〜１
６の解砕物では、生成したオキシフッ化物相が、化学処
理することにより除去できている事がわかる。又、バイ
ヤーアルミナ中の不純物であるＮａｚＯｌ　５ｉＯｚの
残存量か減つていることより、生成したオキシフッ化物
相は、Ａ、９−Ｆ−Ｎａ−０（−Ｘ）系と考えられる。

本発明法によって得られたアルミナ質単結晶粒は、低ソ
ーダであるため、より使用条件の厳しくなってきている
、精密研削工業材料、セラミック材料、耐火物何科の分
野に使用できる。

（以下余白）第２表フッ化アルミニウムの添加量が２０％の試料番号９では
本実施例の酸処理条件では、オキシフッ化物相が完全に
は除去できなかった。

試料番号５．１１．１２．１５の酸処理物をふるい分け
し、粒度＃６０を得た。この砥粒を使用して、砥粒の抗
破破率、ヌープ硬度を求めた結果を第３表に示す。抗破
破率の測定はＪＩＳ　　Ｒ６１２８に基づいた。ヌープ
硬度の測定は、荷重１００ｇｒで行なった。（ｎ＝５０
）第３表抗破破率は、従来の単結晶砥粒よりも約７〜１０％向上
した。硬度は、従来の単結晶砥粒よりも約４％向上した
。

実施例２実施例１の試料番号５．１１．１２．１５の酸処理量を
ふるい分けし、アルミナ貿単結晶砥粒粒度＃６０をそれ
ぞれ得た。この砥粒を使用しビトリファイド砥石を作り
、開本工作所製横軸平面研削盤ＰＳＧ−５２Ａを使用シ
テ、被削材５ＫＤ−１を研削した結果を第４表に示す。

第４表本発明品を使用した砥石は、従来品の約１．５倍の研削
比を示した。また、研削焼け、びびりとも発生しなかっ
た。

実施例３実施例１の試料量＠５より得られたアルミナ貿単結晶粒
をふるい分けし、粒度＃６０の砥粒を１ｑた。この砥粒
を使用して第５表の配合で微粒５１０２粉末（平均一次
粒子径約０．０１μｍ）を添加し、Ｖ型混合機で２０分
間混合して、アルミナ質単結晶粒表面に微粒５ｉＯｚ粉
末を被覆した砥粒を得た。ざらに得られた砥粒を第５表
の温度で熱処理した砥粒を使用してレジンポンドで１０
×１０１０Ｘ５０のテストピースを作製して抗折力を測
定した。抗折力は乾燥状態の物と４０℃の水中５０時間
浸漬した物を測定した。測定はｎ＝１０の平均である。

第５表５ｉＯｚ微粉末をコーティングし、熱処理することによ
り、劣化率が従来品の１／２以下になった。

実施例４実施例の試料量＠５．１１．１２．１５より得られた、
各省のアルミナ貿単結晶砥粒５００ｋ（］に微粒５ｉＯ
ｚ粉末１　ｋｇ（平均粒子径０．０１μｍ＞を添加し、
型混合機で２０分間混合し、アルミナ質単結晶粒表面に
３ｉＱ２粉末を被覆した。ざらにこの砥粒を１０００℃
で２時間焼成し、冷却後、ふるい分けし粒子ｆｌ＃６０
のレジノイド用アルミナ質単結晶砥粒を得た。この砥粒
を使用してレジノイド砥石を作り、開本工作所製横軸平
面研削盤ＰＳＧ−５２Ａを使用して、被削材５ＫＤ−１
を研削（〕た結果を第６表に示す。

第６表本発明品を使用した砥石は、乾式で従来品の約１．２倍
、湿式で約２倍の研削比を示した。また、加工精度も良
く研削焼け、びびりとも発生しなかった。

本発明品は本実施例のみならずベルト研削等の被覆研磨
製品の用途においても同様の効果が期待できる。

（発明の効果）以上の通りこの発明は、研削ＰＪＩ率、電気絶縁性、高
温耐食性にすぐれた特性を持つ歩留りの良いアルミナ質
単結晶粒及びその製造方法並びに研磨具を提供した。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）酸化アルミニウム単体、または酸化アルミニウム
と固溶形態をなす酸化クロム、酸化チタン、酸化バナジ
ウム等を１種又は２種以上含有せしめた酸化アルミニウ
ム原料に、ハロゲン化物を添加混合し、溶融後、冷却し
、必要に応じて解砕して、粒界に生じたオキシハロゲン
化物相を無機酸あるいはアルカリにより除去して分離さ
せたことを特徴とするアルミナ質単結晶粒。
（２）ハロゲン化物の添加量をアルミナ１００に対して
０．０５〜１５ｗｔ％とすることを特徴とする請求項１
記載のアルミナ質単結晶粒。
（３）オキシハロゲン化物相を除去して分離生成された
アルミナ質単結晶粒を微粒ＳｉＯ＿２粉末で被覆し焼成
することにより、ＳｉＯ＿２粉末をアルミナ質単結晶粒
表面に強固に結合させた請求項１または２記載のアルミ
ナ質単結晶粒。
（４）微粒ＳｉＯ＿２粉末の平均一次粒子径が０．００
５〜０．５μｍである請求項３記載のアルミナ質単結晶
粒。
（５）微粒ＳｉＯ＿２粉末をアルミナ質単結晶粒の表面
に０．０１〜２．０ｗｔ％被覆させ、９００℃〜１２０
０℃で焼成された請求項３または４記載のアルミナ質単
結晶粒。
（６）請求項１記載のアルミナ質単結晶粒を使用した研
磨具。
（７）請求項３記載のアルミナ質単結晶粒を使用した研
磨具。
（８）酸化アルミニウム単体、または酸化アルミニウム
と固溶形態をなす酸化クロム、酸化チタン、酸化バナジ
ウム等を１種又は２種以上含有せしめた酸化アルミニウ
ム原料に、ハロゲン化物を添加混合し、溶融後、冷却、
解砕し、これらの冷却物あるいは冷却後の解砕物の粒界
に生じたオキシハロゲン化物相を無機酸あるいはアルカ
リにより除去して分離生成させることを特徴とするアル
ミナ質単結晶粒の製造方法。
（９）冷却物、機械的解砕物中のオキシハロゲン化物相
を塩酸で溶解洗浄し、引続き水で充分に洗浄し乾燥する
事により、アルミナ質単結晶粒に分離することを特徴と
する請求項８記載のアルミナ質単結晶粒の製造方法。
（１０）冷却物、機械的解砕物中のオキシハロゲン化物
相を水酸化ナトリウム溶液で溶解洗浄し、引続き水で充
分に洗浄し乾燥する事により、アルミナ質単結晶粒に分
離することを特徴とする請求項８記載のアルミナ質単結
晶粒の製造方法。