JPH08502304A - 稀土類酸化物含有砥粒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 好ましい砥粒には、アルミナ、ジルコニアおよび稀土類酸化物を含む先駆材料の焼結生成物を含浸する。その好ましい砥粒は、少なくとも約21GPaの平均硬度および少なくとも約４MPa・m^1/2の平均靱性を有する。好ましい砥粒の製造方法を提供する。その改良された砥粒は、研磨製品に有用である。

Description

【発明の詳細な説明】 稀土類酸化物含有砥粒 （技術分野） 本発明は、改良した砥粒およびその製造方法に関する。その改良砥粒は研磨製 品に有用である。 （背景技術） 研磨材工業は一般に、バインダーおよび多数の砥粒から成る研磨製品に係わり 、それはワークピース（例えば、ステンレス鋼）を研磨するのに用いる。所望の 砥粒は、硬質、強靱であり、研磨するワークピースに化学的に耐性がある。その 硬度特性は、研削により降伏しない摩耗しない砥粒に関連する。その靱性は砥粒 の強度および破壊抵抗に関連する。 一般に、アルファアルミナをベースとした砥粒内に種々の材料を包含すること によりその粗粒の特性を改善することは既知である。要求されてきたことは硬度 および靭性の向上である。 （発明の要旨） 本発明の好ましい適用により、アルミナをベースとしたセラミック砥粒を提供 する。好ましい砥粒は、少なくとも約21GPa（好ましくは少なくとも約22GPa）の 平均硬度および少なくとも約４MPa・m^1/2の平均靭性を有する。その砥粒には、 アルミナ、ジルコニアおよび稀土類酸化物を含む先駆材料の焼結生成物を含む。 本発明の好ましいセラミック砥粒を、イットリアおよび酸化マグネシウム（およ び/またはそれらの先駆物質）を含む先駆材料から作製する。 好ましくは、焼結生成物の先駆物質粗粒材料は、元素酸化物を基礎として、約 70〜約90重量％のアルミナ；約0.1〜約15重量％のジルコニア；および約0.1〜約 10重量％の稀土類酸化物；から成る。加えて、先駆物質粗粒材料には、好ましく は約0.1〜約10％のイットリアおよび約0.3〜約10％の酸化マグネシウムを含む。 本発明の最も好ましいアルミナをベースとしたセラミック粗粒は、約85〜約93重 量％のアルミナ；約0.5〜約８重量％のジルコニア；約0.5〜約10重量％（好まし くは約0.5〜約５重量％）の稀土類酸化物；約0.1〜約３％のイットリア；および 約0.3〜約1.5％の酸化マグネシウムから成る粗粒材料から作製する。好ましい稀 土類酸化物には、ランタン、プラセオジム、サマリウム、ネオジム、セリウムお よびジスプロシウムが挙げられる。 その方法には、成核材料を有する分散体を調製することを含んでいてもよい。 本明細書中で用いる「成核材料」の語により、核剤またはその先駆物質を表す。 また、その方法には、その分散体内の金属酸化物先駆物質（変性剤先駆物質）を 含んでいてもよい。 その分散体から生成したベース粗粒は、例えば焼結前に金属酸化物（変性剤先 駆物質）先駆物質で被覆することにより処理してもよい。 好ましくは本発明のセラミック砥粒には、アルミナ、ジルコニア、および(a) イットリア；(b)イッテルビウム、ネオジム、ランタン、プラセオジム、サマリ ウム、ガドリニウム、セリウム、ジスプロシウム、エルビウム、およびそれらの 混合物；および(c)該アルミナがアルファアルミナ、アルミナ反応生成物または それらの組合せの内の１つとして存在し、該ジルコニアがジルコニア、ジルコニ ア反応生成物またはそれらの組合せの内の１つとして存在し、該金属酸化物が金 属酸化物、金属酸化物反応生成物またはそれらの組合せとして存在し、該砥粒が 、少なくとも約21GPaの平均硬度および少なくとも約４MPa・m^1/2の平均靱性を有 する。 本明細書中で用いる「反応生成物」の語により、２種以上の金属酸化物間で生 成する酸化物を表す。例えば、アルミナおよび酸化マグネシウムが存在するなら 、反応して尖晶石を生成し；アルミナ、酸化マグネシウムおよび酸化ランタンが 存在するなら、反応してLaMgAl₁₁O₁₉を生成し；酸化チタンおよび酸化マグネシ ウムが存在するなら、反応してMgTi₂O₄を生成し得る。LaMgAl₁₁O₁₉はアルミナ反 応生成物、酸化マグネシウム反応生成物および酸化ランタン（稀土類酸化物）反 応生成物の各々の例である。更に、尖晶石はアルミナ反応生成物および酸化マグ ネシウム反応生成物の両方である反応生成物の例である。 本発明の好ましい研磨製品には、分散した（好ましくは結果的にアルファアル ミナ微結晶間に分散した）等軸晶ジルコニア粒子を有する焼結生成物を含み、大 部分のジルコニア粒子は約0.4μm以下（好ましくは約0.1μm以下）の直径を有す る。好ましくは、そのアルファアルミナは、約１μm以下および通常は約0.5μm 以下のサイズを有する微結晶として存在する。本明細書中の「サイズ」の語によ り、表示されている粒子または微結晶の最長寸法を表す。 加えて、好ましくは配合剤を提供し、２価の金属カチオンおよびアルミニウム イオンと組合せて、稀土類金属が式MLnAl₁₁O₁₉（式中、Ｏは酸素；Ｍは２価の金 属カチオン；Lnは稀土類金属イオン；およびAlはアルミニウムイオン；である） による好ましい反応生成物を生成する。好ましくは、約５〜約30重量％のMLnAl_{1 1} O₁₉を含有するように焼結生成物（例えば、砥粒）を配合する。 本発明の好ましい砥粒材料を有する研磨物品は、本発明の範囲内である。 また、砥粒材料の好ましい調製方法は、本発明の範囲内である。 図面には明細書の一部を構成し、そこには典型的態様を含む。図面には、比較 材料厚さを誇張して示し、本発明の理解を容易にし得る。 （図面の簡単な説明） 図１は、本発明による砥粒を導入した被覆研磨製品の部分断面概略図である。 図２は、本発明による砥粒を導入した結合研磨製品の斜視図である。 図３は、本発明による砥粒を導入した不織研磨製品の拡大部分概略図である。 図４は、実施例33に従って製造した砥粒の25,000倍の走査電子顕微鏡写真であ る。 （好ましい態様の詳細な説明） 本発明はアルファアルミナをベースとする砥粒に関する。本発明により、アル ファアルミナをベースとする砥粒内に、改良された特性を供与するある別の成分 を提供する。加えて、本発明はそのような改良された砥粒、および有効量の改良 された砥粒を含む改良された研磨製品の製造方法に関する。 本明細書中で「砥粒」の語およびその変形により、研磨製品内に含有するため に作成した後の粒状研磨材料を表す。「ベース粗粒（base grit）」または「ベ ース粗粒材料」の語により、焼結時、または焼成および焼結時に、本発明の砥粒 を提供するアルミナベースセラミック粗粒先駆物質を表す。本明細書中の焼成お よ び未焼成ベース粗粒は通常、液体（例えば、水または有機溶媒）を毛管作用によ り孔に含浸するだけ十分な多孔度を有する。 一般に、本発明には、好ましい方法により、有効量の少なくとも１種の稀土類 酸化物および有効量のジルコニアを有するアルミナベース砥粒先駆物質を提供す ることを含む。そのようなベース粗粒を焼結してセラミック生成物を生成すると 、改良された砥粒と成る。 ベース粗粒 一般にベース粗粒は、(a)アルミナ水和物の分散体を調製すること；および(b) その分散体を乾燥し、乾燥多孔性固体（ベース粗粒材料）を生成すること；の段 階を含むプロセスにより製造する。焼結することにより乾燥多孔性固体から、砥 粒材料を生成する。通常、その乾燥多孔性固体を焼成して、多孔性先駆物質粗粒 を提供する。そのプロセスの間、ジルコニアおよび稀土類酸化物を多孔性固体に 供与し、改良された粗粒を生成する。 一般にベース粗粒材料は、含まれるジルコニアおよび稀土類酸化物を用いて初 期に（例えば、分散体から）生成し得るか；または、ベース粗粒材料を変性して 、そのような材料内に導入し得るかのどちらかである。得られる砥粒の特性を、 そのような変法により改良し得る。 本発明のプロセスの粒子として用いる好ましい粗粒材料を、公知のゾル-ゲル 法の変法に従って作製する。公知の方法、例えば米国特許第5,011,508号（ワル ド(Wald)）、同4,744,802号（シュワーべル(Schwabel)）、同4,623,364号（コッ トリンガー(Cottringer)）、同4,574,003号（ガーク(Gerk)）、同4,518,397号（ リーセイザー(Leitheiser)等）および同4,314,827号（リーセイザー(Leitheiser )）に開示されている。本発明の改良された製品の製造方法の変法を後述する。 その方法はアルミナの分散体の生成に関し、ゲル化、乾燥および（要すれば）粗 砕である。 一般に、アルミナベース粗粒をゾル-ゲル法により作製するために、その他の 水和物を用いてもよいが、約２〜約60重量％のアルファ酸化アルミニウム一水和 物（通常、ベーマイト）から成る分散体を作製する。重量％は、補助剤または添 加剤と関係なく、水和物と液状キャリアの合計を基本とする。そのベーマイトを 、様々な従来の技術から調製してもよく、市販品を購入してもよい。本明細書中 に記載のようなゾル-ゲル法に使用可能な市販のベーマイトには、独国ハンブル グ（Hamburg）のコンデア・ケミー（Condea Chemie）GmbHから商品名「ディスペ ラル(Disperal^R）」；およびテキサス州ヒューストン（Houston）のビスタ・ケ ミカル（Vista Chemical）社から商品名「キャタパル（Catapal^R）」で市販のも のが挙げられる。これらの酸化アルミニウム一水和物は、アルファ型であり、比 較的純粋であり（例えあるとしても、比較的小さい一水和物以外の水和物相）、 高表面積を有する。 液状キャリアは非極性有機キャリアー（例えば、ヘプタンまたはヘキサン）で あってもよいが、典型的な液体キャリアーは水、好ましくは脱イオン水である。 一般的にその分散体は（すべての成分に関して）少なくとも約10重量％の液体キ ャリアー、好ましくは約30〜約80重量％の液体キャリアーを含む。 しゃく解（peptizing）剤をベーマイト分散体に用いて、より安定なヒドロゾ ルまたはコロイド分散体を生成してもよい。しゃく解剤として使用し得る一塩基 酸には、酢酸、塩化水素酸、蟻酸および硝酸が挙げられる。硝酸は好ましいしゃ く解剤である。多塩基酸は、分散体を急速にゲル化する傾向にあり、取り扱いま たは別の成分中に混合するのが困難となるので通常は避けるべきである。いくつ かの販売先のベーマイトには酸タイター（titer）（例えば、酢酸、蟻酸または 硝酸）を含み、安定な分散体を形成することを補助する。 その分散体は、添加して、完成品のある所望の特性を向上し、または次の加工 段階、例えば焼結の有効性を向上する先駆物質または変性剤を含有していてもよ い。そのような変性剤を一般に、分散体の液状キャリアに可溶の塩（通常は金属 塩材料）として、液体キャリアーに可溶性のその型の酸化物の変性剤先駆物質（ 通常、相当する酸化物の先駆物質である金属塩材料で；焼成中の加熱により変換 が可能である）に導入する。、通常は水溶性塩を含有する。変性剤または変性剤 先駆物質の混合物を用いてもよい。好適な水溶性塩の例として、鉄、チタン、マ グネシウム、亜鉛、ニッケル、ケイ素、ハフニウムおよびそれらの混合物の酸化 物の金属塩先駆物質（ニトレート類およびアセテート類）が挙げられる。 その分散体のｐＨは、その分散体がどれだけ急速に増粘またはゲル化するかに 影響を与える。通常、そのｐＨは約1.5〜約４の範囲内であるべきである。一般 に、そのｐＨが低いほど、ゲル化速度が大きい。変性剤先駆物質の添加により、 一般的に分散体がゲル化する。 その分散体には、アルファアルミナへの変換を促進する有効量の核剤を含有し ていてもよい。好適な核剤には、アルファアルミナ、アルファ酸化第二鉄または その先駆物質、チタネートまたはその先駆物質、酸化クロムまたはその先駆物質 、および核により焼結時のベース粗粒の変換を生ずる他の材料；の微粒子が挙げ られる。そのような分散体の核形成が、米国特許第4,744,802号（シュワーベル( Schwabel)）、米国特許第4,623,364号（コットリンガー(Cottringer)）および米 国特許第4,964,883号（モリス(Morris)）に開示されている。 要すれば、そのゲルの成形を、従来の方法、例えば風乾を伴う、プレス、成形 、切削または押出により行ってもよい。それを段階的に、例えば押出により部分 的に乾燥したプラスチック塊を第１に形成することによって行ってもよい。成形 砥粒の例として、棒、四角錐、円錐、三角形または球形が挙げられる。不規則形 状砥粒製品を、適切なサイズおよび形状の乾燥容器（例えば、パン(pan)状容器 ）に部分的に乾燥した分散体を堆積させ、通常は分散体の起泡温度以下の温度で 乾燥することにより形成する。 成形していてもしていなくても、一般に、その分散体を乾燥して、ベース粗粒 材料を生成する。その分散体から遊離水を除去しベース粗粒材料を生成するのに 、風乾段階を用いてもよい。乾燥を例えば、約50℃〜約200℃、好ましくは約75 ℃〜約125℃の範囲の強制通風炉内で行ってもよい。一般に、乾燥時にゲル化し た分散体を徐々に加熱し、起泡を防止する。 そのゲルを乾燥後、どんな好適な方法によって、それを粗砕しても成形しても よい。粗砕方法の例として、ハンマーミル、ボールミルまたはロール粉砕機の使 用が挙げられる。その固体を粉砕するどんな方法を用いてもよく、「粗砕(crush ing)」の語によりそのような方法を表す。一般に、様々な粒径、即ち約10〜約40 00μm（好ましくは約20μm〜約4,000μm）のベース粗粒を用いてもよい。一般に 選 択したサイズ範囲を所定の用途に対して分離する。分級段階、例えば篩分けを用 いて、選択した粒径またはサイズフラクション（fraction）を得る。焼結、また は焼成および焼結により、線寸法の約33％のオーダーで粒子の収縮を引き起こす ことに注意する。フラクション選択の間、このことを考慮すべきである。 ある場合には、粗砕または成形した材料にはベース粗粒またはベース粗粒材料 を含有し得る。その他の場合には、粗砕または成形した材料には「粗粒先駆物質 」を含有し、そのベース粗粒材料を、その材料を焼成すること、または他の変性 種を提供することにより生成する。通常の用途では、そのベース粗粒材料を焼成 し水または他の揮発分を除去する。その粗粒を、液体キャリアーとして非極性有 機溶媒を用いることによって生成刷るなら、焼成は通常は必要ない。 焼成の間、先駆物質を約400℃〜約1000℃（好ましくは約400℃〜約800℃）に 加熱することにより、本質的に全ての揮発分を先駆物質から除去する。遊離水お よび好ましくは90重量％以上の結合した揮発分を除去するまで、ベース粗粒材料 をこの温度範囲内に保持する。 ジルコニアおよび稀土類金属酸化物のベース粗粒への導入 本発明に従って、ジルコニアおよび稀土類金属酸化物を含有することにより、 ベース粗粒を有効に変性する。各成分に関する（独立してまたは共に）変性する 段階を、ベース粗粒生成または後のベース粗粒生成の間のどちらで行ってもよい 。 更に、両方の種類の成分を、要すれば、両方の方法により導入してもよい。 その平均硬度を、アメリカン・スタンダード・テスト・メソッド（American S tandard Test Method(ASTM)）スタンダード（Standard）E384（「スタンダード ・テスト・メソッド・フォー・ミクロハードネス・オブ・マテリアルズ（Standa rd Test Methodfor Microhardness of Materials）」1991年アニューアル・ブッ クス・オブ・ASTM・スタンダーズ（Annual Books of ASTM Standards）第３節、 第3.01巻、463頁）に従って、500g荷重で測定する。平均靭性を、ローン（Lawn ）およびフラー（Fuller）の論文「イコリブリウム・ペニー-ライク・クラック ス・イン・アイデンテーション・フラクチヤー（Equilibrium Penny-like Crack s in Identation Fracture）」Ｊ．of Mat．Sci.、第10巻、（1974年）、2016〜 24頁に概説された試験方法に従って測 定する。本発明の好ましい適用に従って、少なくとも約21GPa（好ましくは少な くとも約22GPa）の平均硬度および少なくとも約４MPa・m^1/2の平均靱性を有する 砥粒を提供する。 通常の適用では、結果として焼結セラミック砥粒が、約70〜約95重量％、好ま しくは約85〜約93重量％のアルミナ；約0.1〜約15重量％、好ましくは約0.5〜約 ８重量％のジルコニア；および約0.1〜約10重量％、好ましくは約0.5〜約５重量 ％の稀土類酸化物；から成るような十分な量の成分を用いてベース粗粒材料を提 供するなら、改良が可能である。別の好ましい砥粒には、約10％以下、好ましく は約0.1〜約３％のイットリア；および約0.5〜約10重量％、好ましくは約0.3〜 約1.5重量％の酸化マグネシウム；を含む。稀土類酸化物は、プラセオジム、サ マリウム、イッテルビウム、ネオジム、ランタン、ガドリニウム、セリウム、ジ スプロシウム、エルビウム、およびそれらの混合物；の酸化物から成る群から選 択され得る。本明細書中では、その砥粒がこれら種々の材料を重量百分率で含む と言われる場合、表示は最終焼結セラミック砥粒を意味し、その重量百分率は存 在する相と関係なく、粗粒上の被膜の存在に関係なく、成分の酸化物を基礎とし て表す。従って、その砥粒を被覆すべきであり、その重量百分率は、粗粒からそ の被膜、即ち焼結コアの重量を引いたものをベースとし、またはベースとして計 算すべきである。 種々の方法を用いて、種々の少量（重量百分率）成分、即ち非アルミナ成分を ベース粗粒に導入してもよい。開示された方法によって一般に改良されたベース 粗粒となると同時に、その方法の多様性により最終焼結生成物の特性の多様性を 導き出す。 ジルコニアの導入に関して、一般に、ジルコニアを３種の方法の内の１種また はこれら方法の組合せによって導入してもよい。第１の一般的方法は、分散体へ のジルコニアゾルの添加；またはジルコニアゾルを生成するようにジルコニア粒 子を分散体に混合すること；のどちらかによって、ベース粗粒生成時にジルコニ アゾルを酸化アルミニウム一水和物の分散体に提供することである。第２の方法 には、ジルコニア先駆物質（例えば、ジルコニウム塩）をベース粗粒生成時に酸 化アルミニウム一水和物の分散体に導入することを含む。第３の方法には、含浸 により多孔性ベース粗粒を生成した後、ジルコニア先駆物質（例えば、ジルコニ ウム塩）を多孔性ベース粗粒に導入することを含む。好ましくは、分散体内のジ ルコニア粒子または分散体に供与されたジルコニウム塩（ジルコニアの先駆物質 ）のどちらかとしてベース粗粒を生成時に、ジルコニアをジルコニウム成分とし て導入する。一般に、稀土類金属酸化物、酸化マグネシウムおよび（使用するな ら）イットリアを、ジルコニアに対して前述の後の２種の方法の一方または両方 によって（即ち、ゾル-ゲル法の間に分散体にこれら材料の塩先駆物質を導入す ること；または既に生成したベース粗粒に適当な塩を含浸すること；のどちらか によって）、ベース粗粒に導入する。好ましくは、稀土類金属酸化物塩先駆物質 を、ベース粗粒材料の含浸により、導入する。この理由は、稀土類金属酸化物先 駆物質をゾル-ゲル法の間に（即ち、ジルコニアまたはジルコニア先駆物質およ びアルミナ先駆物質の分散体内に）導入するなら、乾燥時に稀土類塩のマイグレ ーション（migration）が、得られるベース粗粒材料内の稀土類酸化物の不均一 分散体に引き起こし得るからである。 セリアを砥粒に導入する好ましい方法が、本出願人の「メソッド・フォー・メー キング・アブレイシブ・グレイン・コンテイニング・アルミナ・アンド・セリア(Meth od For Making Abrasive Grain Containing Alumina and Ceria)」の名称のPCT 出願第 号（米国特許出願第07/951,443号）に開示されている。 金属塩（ジルコニウム塩を含む金属酸化物先駆物質）を用いる場合、一般に、 乾燥および得られた粒子の焼成の後、その金属の酸化物を生じる。即ち、本明細 書中の「酸化物先駆物質」の語またはそれらの変種により、加熱により相当する 酸化物に変換する塩（例えば硝酸塩）を表す。 金属酸化物先駆物質のそのゾル-ゲルへの導入とは、単に分散体内に適当な酸 化物（金属塩）を混合することである。ジルコニア先駆物質は例えば、ジルコニ ルアルキレート、通常、蟻酸ジルコニル、酢酸ジルコニルであってもよい。その ような塩は水溶性であり、従って液体キャリアーが水の場合、ゾル-ゲル法にお いて分散体内に容易に混合し得る。 稀土類酸化物先駆物質は、揮発性アニオンの適当な金属塩、例えば硝酸塩、蟻 酸塩および酢酸塩であってもよい。稀土類金属から生成する最も容易に入手でき る化合物は通常、酸化物であり、過剰の濃硝酸との反応により塩（変性剤先駆物 質）に変換し、硝酸塩溶液を生成する。硝酸塩溶液を混合により容易にゾルゲル 法の分散体に導入し得る。同様の方法を用いて、例えばゾルゲル法の分散体；お よびイットリア、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化コバルト、酸化ニッケル、 ハフニア、酸化クロムおいてそれらの混合物の酸化物先駆物質を用いて最後に生 成したベース粗粒；を提供し得る。 ある用途に好ましい材料は、得られるセラミック粗粒中にジルコニアが均一に 分布するように、そのジルコニアをゾルゲル法の間に添加するかどうか；および 稀土類金属酸化物（および他の酸化物）をベース粗粒材料の含浸により添加する かどうか；に起因する。この方法では、その生成物は全体に比較的均一なジルコ ニアの分布を有する。 ジルコニアを砥粒に導入する最も好ましい方法が、本出願人の「アブレイシブ ・グレイン・コンテイニング・アルミナ・アンド・ジルコニア(Abrasive Grain Containing Alumina and Zirconia)」の名称のPCT出願第 号（米国特許出 願第07/951,654号）に開示されている。 一般に、ゾルゲル法により作成した焼成ベース粗粒は多孔性であり；即ち、そ れらは一般に外側表面から内部に広がる約700〜900nmサイズの孔を有する。溶解 した金属塩を含有する液体キャリアー（好ましくは水、より好ましくは脱イオン 水）と混合する場合、その金属塩は孔を毛管作用により含浸し得る。乾燥および 焼成する場合、その含浸物（金属酸化物先駆物質）を金属酸化物に変換する。 一般に、含浸法により金属酸化物先駆物質を導入するのに必要なことは、適量 の液体キャリアーをベース粗粒と混合することだけである。一般に、その粗粒を 実質的に含浸する（少なくとも約70％含浸）のに十分な液体キャリアーを用いる べきである。ベース粗粒を前述のゾルゲル法により作製する場合、溶解した含浸 剤を含有する少なくとも約50ミリリットル、および好ましくは少なくとも約60ミ リリットルの液体キャリアーを各100gのベース粗粒と混合すべきである。その比 が前述のとおり100g当たり50〜60ミリリットルの範囲内であるなら、一般にすべ ての溶解した金属酸化物先駆物質はベース粗粒を含浸し、即ち過剰溶液を好まし くは除去する。前述のことから、含浸法を用いる場合、変性剤（または変性剤先 駆物質）を砥粒の外側部に対して優先的に分配することがわかる。含浸法により 種々の材料をベース粗粒に導入することが、米国特許第5,164,348号に開示され ている。 前述のように、ジルコニアゾルをアルミナ水和物分散体に混合することにより 、ジルコニアをゾルゲル法の間にベース粗粒に導入してもよい。ジルコニアゾル は液体媒質内のコロイドジルコニア粒子である。その液体媒質は水（好ましくは 脱イオン水）または非極性有機キャリアー（例えば、ヘプタンおよびヘキサン） であってもよいが、大部分（50重量％以上）の液体媒質は水であることが一般に 好ましい。ジルコニアゾルには、約５〜約60重量％、好ましくは約15または約40 重量％のコロイドジルコニア粒子を含むべきである。粒径は少なくとも約97重量 ％および好ましくは約100重量％が少なくとも約0.1μm以下、好ましくは、少な くとも約90重量％が0.05μm以下および少なくとも約50重量％が約0.02μm以下で あることが好ましい。分散体に添加する前のジルコニアゾルのｐＨは通常、約５ 以下、好ましくは約４以下である。そのジルコニアゾルには、安定剤としていく らかの硝酸または酢酸を含有していてもよい。この方法を実行する場合、ゾルゲ ル法により作製した分散体にはアルミナゾルおよびジルコニアゾルの両方を含む 。アルミナの分散体内のジルコニアの固形分百分率の好ましい範囲は、約５〜約 30％である。 ベース粗粒の改良された砥粒への変換 本発明に従って、ベース粗粒を、１種以上の処理の適用により、改良された砥 粒に変換する。変換の主要段階は、そのベース粗粒を焼結して、アルミナ、ジル コニアおよび稀土類金属酸化物を含むセラミック砥粒を生成することである。し かし、更に変性剤、核剤材料および／または被膜をベース粗粒に加えてもよい。 そのベース粗粒を、１種以上の前述の処理により改良してもよい。 Ａ．砥粒先駆物質の焼結 アルミナ、ジルコニア、稀土類金属酸化物、および他の変性剤および／または 核剤材料および／または被膜を含むベース粗粒材料には、セラミック砥粒の先駆 物質を含む。焼結により、その粗粒（粗粒材料）または先駆物質は、独特の改良 した砥粒を生成する。 その砥粒の焼結を、様々な従来の方法により行ってもよい。通常、焼結を約1, 200℃〜1,650℃で、その先駆物質の変換を完結するのに充分な時間行う。一般に 、その焼結段階には、アルミナのアルファアルミナ（またはアルファアルミナお よびアルミナの金属酸化物変性剤との反応生成物）への変換を含む。ベース粗粒 を焼結温度に暴露すべき時間は様々な要因、例えば粗粒の正確な組成に依存する が、一般に焼結は数秒〜約120分間以内に行うことが可能である。様々な種類の ベース粗粒の焼結が、米国特許第4,314,827号（リーセイザー（Leitheiser）） に開示されている。その特許文献に記載の焼結技術を、本発明により作製した粗 粒に適用してもよい。 Ｂ．（任意の）焼結前の変性剤を用いたベース粗粒の含浸；成核；被覆 ベース粗粒に（稀土類金属酸化物先駆物質および／またはジルコニア先駆物質 に加えて）別の金属酸化物変性剤先駆物質を含浸することにより、好ましい特性 を焼結生成物に提供し得る。一般的に前述の含浸方法を用いてもよい。ゾルゲル 法に関連して記載されたこれらの金属酸化物変性剤を用いてもよい。 核剤材料をベース粗粒に加えて、燃焼中にベース粗粒の外側部に有核微細構造 を形成してもよい。ベース粗粒を供与された核剤材料を有する液体媒質で処理す ることによって、核剤材料を加えてもよい。その処理を含浸と同時に行ってもよ い。 本発明の砥粒は更に、表面被膜、即ち焼結コアを覆う被膜を有していてもよい 。典型的に、その被膜は、金属酸化物、最も典型的にはジルコニア、シリカまた はアルミナ（例えば、アルファアルミナ、並進（transitional）アルミナまたは 水和アルミナ）を含む。米国特許第5,011,508号（ウァルド(Wald)）、同1,910,4 40号（ニコルソン(Nicholson)）、同3,041,156号（ロウズ(Rawse)）、同5,009,6 75号（クンツ(Kunz)）、同4,997,461号（マークホッフ・マセニー(Markhoff-Mat heny)） および同5,042,991号（クンツ(Kunz)）に開示の方法を含む様々な被覆方法を用 いてもよい。被膜の作製には、核剤材料の使用することを含む。ある場合には、 前記特許文献には開示していない好ましい被膜を、無機粒子（通常、金属酸化物 ）を有する分散体または懸濁液をそのベース粗粒に添加することにより、ベース 粗粒に適用してもよい。このようにして無機粒子から作製した被膜が、本出願人 の米国特許第5,213,591号に開示されている。金属アルコキシド類から作製した 別の被膜が本出願人のPCT出願第PCT/US93/06689号に開示されている。 得られた砥粒 本発明により選択された好ましい砥粒を、図４の電子顕微鏡写真に示す。図４ の顕微鏡写真は本発明の砥粒の例（実施例33）の断面図である。示した砥粒試料 を研磨して１μm仕上げとし、次いで1250℃で15分間、熱溶蝕（thermally etch ）する。その試料を25,000倍で走査電子顕微鏡により観察する。その微細構造は 、アルファアルミナ微結晶を有するアルファアルミナマトリックスから成り、そ のマトリックス内には多数の小板および等軸ジルコニア粒子が存在する。その小 板は主に式：ＭＬｎＡｌ₁₁Ｏ₁₉（式中、Ｍは２価の金属カチオン；Ｌｎは稀土類 金属イオン（例えば、酸化数＋３）（例えば、プラセオジム、サマリウム、イッ テルビウム、ネオジム、ランタン、セリウムまたはエルビウムのカチオン）；Ｏ は酸素；およびＡｌはアルミニウムイオン；である）により表されるマグネトプ ランバイト構造である。その小板はアルミナマトリックス内（アルファアルミナ 微結晶およびジルコニア粒子の間）に不規則に分布している。その小板の直径は 一般に約１μm以下である。その小板の厚さは、0.04〜0.08μm）通常約0.04〜約 0.06μmの範囲である。その小板の体積は、微細構造の約５〜約50％の範囲内で あり得る。通常、その小板は、約25％〜約35％のコア体積を含む。その体積％は 砥粒配合に大きく依存する。 等軸ジルコニア粒子は一般に、約0.1μm以下、通常約0.01〜約0.04μm、およ び最も典型的には約0.02〜0.03μmの直径を有する。そのジルコニア粒子はアル ファアルミナ微結晶間に分布している。本明細書中で用いる「等軸」の語により 、各ジルコニア粒子が中心点からほぼ等量の広がりを有する形状であることを表 す。 従って、各ジルコニア粒子は、ほぼ球形である。 図４に示した微細構造は、砥粒の挙動に関してある特有の性質を示している。 特に、小板およびジルコニア粒子の両方の存在により、強靭な砥粒となる。理論 にとらわれようとはしないが、その小板の存在により、試料の亀裂生長を抑制す ると考えられている。 また、ジルコニアの粒径および存在する体積と同様、アルミナ系内のジルコニ アの存在により、得られる砥粒の機械的特性を非常に増大すると考えられている 。ジルコニア粒子を砥粒を強靭化するだけでなく、アルミナおよびアルミナ反応 生成物内の粒子生長を妨害することにより微細構造を改良する。従って、ジルコ ニアの添加によりアルミナ微細構造が変化し、高密度化を補助するものと理論付 けられる。靱性は、沈降または分散ジルコニア粒子に関する正方晶から単斜晶へ の転移を利用することに帰因し得る。それにより、ジルコニアの添加により増加 する強度は、増加する靱性および微細構造の改良の複合効果である。また、稀土 類酸化物の添加により、いくつかの組成物の正方晶または立方晶ジルコニア相の 安定化を補助するものと理論付けられる。 好ましい砥粒は、前述のように、硬質および強靱の両方である。これら特性は 、前の３つの段落に記載したような微細構造の形成に関係する。一般に、硬度特 性は粗粒の研削力による降伏抵抗に関係する。靱性は、強度および破壊抵抗に関 係する。砥粒が比較的硬質であるが十分には強靱でない場合、その粗粒は研磨中 に早期破壊を起こす傾向があり、即ち有用な有効寿命を減じる結果となる。これ に反して、その砥粒が比較的強靱であるが硬質でない場合、それが研磨中にすぐ に摩耗する、即ち研磨性能の低下を示す。硬度特性および靱性はしばしば、両特 性が所望のレベルに到達する本発明の系とは、逆の関係を有する（即ち、硬度の 増加に伴い靱性が低下し、逆もまた同じである）と考えられる。 研磨製品 改良された砥粒を有する研磨製品を提供することは、本発明の範囲内に含まれ る。好ましくは、その砥粒を本明細書中に開示の方法により作製し、その砥粒に は適当な金属酸化物または金属酸化物先駆物質を有するベース粗粒の焼結生成物 を含む。更に、公知のように、その砥粒を核剤の存在および／または被膜により 生成してもよい。 本発明の１種の研磨製品は、バインダーにより接着した前述の砥粒を有する支 持体（基材）を含む。その支持体は、布、ポリマーフィルム、繊維、不織ウェブ 、紙、それらの組合せまたはそれらの処理品であってもよい。様々な無機または 有機バインダーを使用し得る。その砥粒をある層または多数の層に適用してもよ い。被覆研磨材を製造する好ましい方法が、米国特許第4,734,104号（ブロバー グ(Broberg)）および同4,737,163号（ラーキー(Larkey)）に開示されている。 被覆研磨製品の例を図１の符号１に示す。そこに示す支持体（基材）２は、メ イク層５およびサイズ層６により支持体の主要表面に固定した砥粒４を含む研磨 材層３を有する。ある場合には、表示していないがスーパーサイズ被膜を用いて もよい。 本発明の結合研磨製品（例えば、研削砥石および切断(cut-off)ホイール）は 一般に、バインダーにより保持した、本明細書中に開示の砥粒の成形素材を含む 。研削砥石用の従来のバインダーには、有機、金属またはガラス質バインダーが 挙げられる。図２には、ホイール内に成型した粗粒11を含み、ハブ12上に搭載し した研削砥石10を示す。研削砥石の製造についての別の詳述に関しては、例えば 米国特許第4,997,461号（マークホッフ・マセニー(Markhoff-Matheny)）に開示 されている。切断ホイールを当業者に公知の従来の技術を用いて製造し得る。切 断ホイール用バインダーには有機バインダーが挙げられる。 本発明の砥粒を導入する不織研磨製品は通常、繊維構造全体に分布し、有機バ インダーにより結合した本発明の砥粒を有する開孔ロフティー(lofty)ポリマー フィラメント構造から成る。そのような構造に用いられる通常の繊維フィラメン ト構造には、ポリアミド類、ポリエステル類およびポリプロピレン類が挙げられ る。図３には、典型的不織研磨物品の約100倍に拡大した概略図を示す。その物 品には、砥粒52がバインダー54により接着した、基材としての繊維マット50を含 む。不織研磨製品に関する別の詳述が、米国特許第2,958,593号（フーバー(Hoov er)等）に開示されている。 前述のように、本発明の研磨製品は一般にバインダーおよび砥粒または研磨粒 子から成る。従来品を含む様々なバインダーを本発明の研磨製品に用いてもよい 。有用なバインダーには、フェノール、ユリアホルムアルデヒド、メラミンーホ ルムアルデヒド、ポリエステル樹脂、にかわ、アミノプラスト樹脂、エポキシ樹 脂、アクリル酸樹脂、ウレタン樹脂およびそれらの組合せが挙げられる。また、 そのバインダーには無機粒子を含んでもよい。そのような粒子は研削補助剤また は充填材であってもよい。そのような研削補助剤の例として、氷晶石、アンモニ ウム氷晶石、テトラフルオロホウ酸カリウム、ポリ塩化ビニル、硫黄および塩化 ナトリウムが挙げられる。充填材の例として、炭酸カルシウム、シリカおよびメ タケイ酸カルシウムが挙げられる。 本発明の研磨製品または研磨物品には、粒子材料として、本明細書中の記載の ように改良した砥粒を100％含んでもよい。加えて、または更に、その研磨物品 には、他種の砥粒または希釈粗粒と本発明の砥粒の混合物を含んでもよい。この 方法に用いられる従来の砥粒には、溶融酸化アルミニウム、炭化ケイ素、ざくろ 石、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、溶融アルミナジルコニアおよびその他の ゾルゲル砥粒が挙げられる。希釈粗粒には、大理石、石膏およびガラスが挙げら れる。本発明の砥粒を研磨剤凝集体と組合せてもよい（米国特許第4,799,939号 （ブルーシェール(Bloecher)等）に開示）。 以下の実施例により、更に本発明の目的および有用性を説明するが、他の条件 および詳細と同様、これら実施例に列挙した特定材料およびその量により、不当 に本発明を限定するものと解されるべきではない。すべての部数、百分率は、示 さない限り重量をベースとする。 （実施例） すべての実施例に関して、砥粒を後述の方法の内の１つに従って作製した。す べての砥粒配合は、成分の酸化物を基礎材料の重量をベースとした。その砥粒を 製造した後、それらを後述の方法に従って製造した被覆研磨繊維ディスクに用い た。得られた被覆研磨ディスクを後述の試験方法に従って試験した。実施例１〜 47に関して、砥粒の作製には核剤材料を使用せず、即ち、その砥粒は有核ではな い。 本明細書中の砥粒に対する重量百分率の数字は、相（例えば、反応生成物）の 存在に関係なく、成分の酸化物をベースとして計算した。 砥粒の一般的製造方法Ｉ 以下の材料、2269部の室温脱イオン水、45部の16Ｎ分析試薬グレード硝酸およ び643部の商品名「ディスペラル(Disperal^R)」で市販の酸化アルファアルミニウ ム一水和物粉末、を18.9リットルのポリエチレンライニング付き鉄容器に（均一 混合しながら）投入し、分散体を作製した。得られた混合物を、ギフォード-ウ ッド・ホモジェナイザー・ミキサー（Giford-Wood Homogenizer Mixer）（ニュ ーハンプシャー州ハドソン(Hudson)のグリーコ(Greeco)社製）を用いて３〜４分 間高速分散した。得られたゾルを、46cm×66cm×５cmのポリエステルライニング 付きアルミニウムトレーに入れ、強制通風炉内で100℃で約24時間乾燥し、破砕 性固形物とした。得られた乾燥材料を、鉄板間に1.1mmの間隙を有する「ブラウ ン(Braun)」型のUD微粉砕機を用いて粗砕し、粒子を作製した。その粒子を、0.1 25〜1mmの篩サイズに分級した。残った粒子を回転キルンに供給し、焼成粒子を 生成した。回転キルンは、40cm600℃のホットゾーン（hot zone）を有する16cm 直径、140cm長のステンレス鋼製管であった。その管を、水平に対して2.4゜の角 度で傾けた。その管を約６rpmで回転し、キルン内の滞留時間約４〜５分間とな るようにした。 含浸溶液を脱イオン水を用いて調製した。硝酸マグネシウム溶液は、酸化物を 基礎として約11％固形分であった。硝酸イットリウム溶液は、酸化物を基礎とし て約23％固形分であった。硝酸ランタン溶液は、約28％ランタン固形分であり、 硝酸セリウム溶液は、酸化物を基礎として約39％固形分であった。 各含浸段階に関して、含浸溶液のほぼ２倍の体積の焼成粒子があった。含浸溶 液および焼成粒子を共に完全に混合し、毛管作用により、その溶液を焼成粒子に 含浸させた。ジルコニア先駆物質を含浸溶液に入れるなら、混合に加えて減圧し 、ジルコニア先駆物質を焼成粒子に含浸させた。得られた含浸粒子を乾燥し、乾 燥粒子を前述のように回転焼成機に供給した。多重含浸に関して、その焼成粒子 を冷却し、所望の含浸溶液で再度含浸し、そして再度焼成した。 次いで焼成含浸粒子を、1400℃の回転キルンに供給した。その回転キルンは、 水平に対して4.4゜の角度で傾けた8.9cm直径、1.3m長の炭化ケイ素製管であり、 76cmのホットゾーンを有した。そのキルンは６rpmで回転し、キルン内の滞留時 間約５分間となるようにした。その生成物はキルンから室温空気内に出て行き、 金属容器に回収され、室温まで冷却した。 砥粒の一般的製造方法II この一般的方法IIは、元のゾルが、アルミナゾルに加えてジルコニアゾルを含 有すること以外は、本質的に一般的方法Ｉと同様であった。ジルコニアゾル内の ジルコニアの平均粒径は、約５〜約20nmの範囲であった。ジルコニアゾルは約20 ％固形分（ｐＨ3.5の酢酸水溶液の15％濃縮物中）であり、マサチューセッツ州 アッシュランド（Ashland）のナイアコール・プロダクツ（Nyacol Products）社 から市販されている。 砥粒の一般的製造方法III 以下の材料、2269部の室温脱イオン水、45部の16Ｎ分析試薬グレード硝酸、お よび643部の商品名「ディスペラル(Disperal^R)」で市販のアルファアルミナ酸化 物一水和物粉末、を（連続混合しながら）18.9リットルポリエチレンライナー付 き鉄製容器に入れ、分散体を作製した。また、要すれば、この分散体に変性剤塩 を加えた。これらの塩は、一般的方法Ｉ記載のものと同様である。得られた混合 物を、ギフォードーウッド・ホモジェナイザー・ミキサー(Giford-Wood Homogen izer Mixer)（ニューハンプシャー州ハドソン(Hudson)のグリーコ(Greeco)社製 ）を用いて３〜４分間高速分散した。得られたゾルを、46cm×66cm×５cmのポリ エステルライニング付きアルミニウムトレーに入れ、強制通風炉内で100℃で約2 4時間乾燥し、破砕性固形物とした。得られた乾燥材料を、鉄板間に1.1mmの間隙 を有する「ブラウン(Braun)」型のUD微粉砕機を用いて粗砕し、粒子を作製した 。その粒子を、0.125〜1mmの篩サイズに分級した。残った粒子を回転キルンに供 給し、焼成粒子を生成した。そのキルンは、40cm600℃のホットゾーン（hot zon e）を有する16cm直径、140cm長のステンレス鋼製管であった。その管は、水平に 対して2.4゜の角度で傾けた。その管を約６rpmで回転し、焼成機内の滞留時間約 ５分間となるようにした。次いで焼成粒子を、1400℃の回転キルンに供給した。 そのキルンは、水平に対して4.4゜の角度で傾けた8.9cm直径、1.3m長の炭化ケイ 素製管であり、76cmのホットゾーンを有した。そのキルンを６rpmで回転し、キ ルン内の滞留時間約５分間となるようにした。その生成物はキルンから室温空気 内に出て行き、金属容器に回収され、室温まで冷却した。 研磨製品の一般的製造方法 その砥粒を被覆研磨製品に用いて、それを研削性能に関して評価した。被覆研 磨製品を従来の被覆研磨材製造方法に従って製造した。グレード50の砥粒を、50 重量％の砥粒がU.S.スタンダード（Standard）40メッシュの篩を通過するが、U. S.スタンダード（Standard）45メッシュの篩上に残るように分級して作製した。 残りの50％は、U.S.スタンダード（Standard）40メッシュの篩を通過するが、U. S.スタンダード（Standard）50メッシュの篩上に残る砥粒である。グレード40の 砥粒を、100重量％の砥粒がU.S.スタンダード（Standard）35メッシュの篩を通 過するが、U.S.スタンダード（Standard）40メッシュの篩上に残るように分級し て作製した。同様に、グレード36の砥粒を、50重量％の砥粒がU.S.スタンダード （Standard）25メッシュの篩を通過するが、U.S.スタンダード（Standard）30メ ッシュの篩上に残るように分級して作製した。残りの50％は、U.S.スタンダード （Standard）30メッシュの篩を通過するが、U.S.スタンダード（Standard）35メ ッシュの篩上に残る砥粒である。常套の炭酸カルシウム充填フェノールメイク樹 脂および常套の炭酸カルシウム充填フェノールサイズ樹脂を用いて、その砥粒を バルカンファイバー支持体に接着した。メイク樹脂を約88℃まで約1.1℃／分で 昇温し、約88℃で約２時間保持することによって予備硬化した。サイズ樹脂を、 約65℃まで約1.1℃／分で昇温し、約65℃で約30分間保持し、約99℃まで約0.6℃ ／分で昇温し、約99℃で約12時間保持することによって硬化した。その砥粒を静 電塗装した。 被覆繊維ディスクを用いてステンレス鋼を研削する場合には、スーパーサイズ 被膜をサイズ被膜上に適用した。スーパーサイズは、14.3重量部のビスフェノー ルＡエポキシ樹脂（テキサス州ヒューストン（Houston）のシェル・ケミカル（S hellChemical）社からEPON 828で市販）；9.4重量部のポリアミド硬化剤（ペン シルバニア州ガルフ・ミルズ（Gulph Mills）のヘンケル（Henkel）社よりバー サミド（Versamid）125で市販）；71.25重量部のＫＢＦ₄；1.9重量部の増粘剤（ インディアナ州ココモ（Kokomo）のキャボット（Cabot）社よりキャボジル（Cab -o-sil）で市販）；および3.1重量部の酸化鉄充填材；から成る。そのスーパー サイズ被膜を有機溶媒から析出し、加熱して硬化した。 試験方法Ｉ その被覆研磨ディスクを面取りしたアルミニウムバックアップ（back-up）パ ッドに搭載し、1.25cm×18cmの1018軟鋼ワークピースの面を研削した。バックア ップパッドの面取りエッジを覆うディスクの部分をワークピースに約７kgの荷重 で接触しながら、そのディスクを5,500rpmで操作した。各ディスクを用いて別の ワークピースを１分間間隔で、12分間の合計時間で研削した。初期切削量は、最 初の１分間に除去した金属量であった。同様に、最終切削量は、切削の最後の１ 分間に除去した金属量であり、合計切削量は試験全体で除去した合計量であった 。ほとんどの実施例に関して、その砥粒の性能を比較例の百分率で示し、比較例 に対して除去した金属の合計量を100％とし、実施例の砥粒をその100％に比較し て測定した。実施例毎に約４ディスクを試験した。本明細書中に記載の各試験方 法に関する誤差は約±５％であった。 試験方法II 試験方法IIは、試験終点が１分間隔に除去された金属量が初期切削量の１/３ 以下となった時である以外は本質的に試験方法Ｉと同様である。 試験方法III 試験方法IIIは、試験終点が20分間である以外は本質的に試験方法Ｉと同様で ある。 試験方法IV 試験方法IV、ワークピースが304ステンレス鋼であり、試験終点が10分間であ る以外は本質的に試験方法Ｉと同様である。 試験方法Ｖ 試験方法Ｖは、試験終点が15分間である以外は本質的に試験方法Ｉと同様であ る。 比較例Ａおよび実施例１および２ この組の例には、様々な砥粒組成を含む。その結果を以下の表１および２に示 した。 比較例Ａ 砥粒を米国特許第4,881,951号に開示のように作製した。その砥粒をゾルゲル 法により作製し、94.7％のアルミナ、2.7％の酸化ランタン、1.3％の酸化マグネ シウムおよび1.3％の酸化イットリウムから成る。 実施例１ この実施例の砥粒を一般的方法Ｉにより製造し、この実施例に対して多段階の 含浸を行った。焼成アルミナ粒子を酢酸ジルコニル水溶液で３回に分けて含浸し 、次いで、得られた粒子を、硝酸マグネシウム、硝酸イットリアおよび硝酸ラン タンを含む水溶液で別に４回含浸した。得られた砥粒は、約86.7重量％のアルミ ナ；約８重量％のジルコニア；約1.3重量％のイットリア：約1.3重量％の酸化マ グネシウムおよび約2.7重量％酸化ランタンから成った。 実施例２ 実施例２の砥粒を、酢酸ジルコニルの代わりに硝酸ジルコニルを用いた以外は 、実施例１と同様の方法で作製した。 表１．試験方法Ｉ 実施例 初期切削量(g) 合計切削量（比較例Ａの％） 比較例Ａ 83.8 100 １ 95.4 127 表２．試験方法 実施例 初期切削量(g) 合計切削量（比較例Ａの％） 比較例Ａ 88.3 100 １ 87.1 134 ２ 87.3 107 比較例Ａおよび実施例３〜７ この組の例により、種々の砥粒組成を比較した。その結果を以下の表４および ５に示した。表４に示した結果はグレード50繊維ディスクに関し、表５の結果は グレード36に関するものであった。実施例３〜７に関して、その砥粒を一般的方 法Ｉに従って作製し、その実施例に対して単一段階の含浸を行った。その含浸溶 液には、硝酸ランタン、硝酸イットリウムおよび酢酸ジルコニルを含んだ。これ ら材料の量を選択し、以下の表３に後述の焼結砥粒組成物を生成した。 表３．実施例３〜７の組成 実施例 ％Ａｌ₂Ｏ₃ ％Ｌａ₂Ｏ₃ ％Ｙ₂Ｏ₃ ％ＭｇＯ ％ＺｒＯ ₂ ３ 94.2 2.7 1.3 1.3 0.5 ４ 93.7 2.7 1.3 1.3 1.0 ５ 92.7 2.7 1.3 1.3 2.0 ６ 91.7 2.7 1.3 1.3 3.0 ７ 90.7 2.7 1.3 1.3 4.0 表４．試験方法III 実施例 初期切削量(g) 合計切削量（比較例Ａの％） 比較例Ａ 53.2 100 ３ 53.3 120 ４ 65.6 129 ５ 55.0 125 ６ 58.0 123 ７ 55.6 120 表５．試験方法Ｉ 実施例 最終切削量(g) 合計切削量（比較例Ａの％） 比較例Ａ 80.9 100 ３ 88.6 104 ４ 94.7 104 ５ 93.7 110 ６ 91.8 102 比較例Ａおよび実施例８〜14 この組の例により、種々の砥粒組成を比較した。その砥粒をグレード36に分級 した。その結果を以下の表７に示した。実施例８〜14に関して、その砥粒を一般 的方法Ｉに従って作製し、この実施例に対して単一段階の含浸を行った。その含 浸溶液には、硝酸ランタン、硝酸マグネシウム、硝酸セリウム、硝酸イットリウ ムおよび酢酸ジルコニルを含んだ。これら材料の量を選択し、以下の表６に後述 の焼結砥粒組成物を生成した。 表６．実施例８〜14の組成実施例 ％Ａｌ₂Ｏ₃ ％Ｌａ₂Ｏ₃ ％Ｙ₂Ｏ₃ ％ＭｇＯ ％ＺｒＯ₂ ％ＣｅＯ₂ ８ 94 2.7 ０ 1.3 １ １ ９ 93 2.7 ０ 1.3 １ ２ 10 92 2.7 ０ 1.3 １ ３ 11 95 2.7 ０ 1.3 １ ０ 12 94 2.7 １ 1.3 １ ０ 13 93 2.7 ２ 1.3 １ ０ 14 92 2.7 ３ 1.3 １ ０ 表５．試験方法Ｉ 実施例 初期切削量(g) 最終切削量(g) 合計切削量（比較例Ａの％） 比較例Ａ 64.6 64.5 100 ８ 63.7 77.8 105 ９ 68.1 79.7 110 10 64.0 80.1 111 11 68.6 77.9 109 12 64.8 86.1 112 13 71.2 84.7 115 14 71.5 84.3 113 実施例15〜26 この組の例により、種々の砥粒組成を比較した。その砥粒をグレード50に分級 した。その結果を以下の表８〜11に示した。実施例15〜28に関して、その砥粒を 一般的方法IIに従って作製し、この実施例に対して単一段階の含浸を行った。そ の含浸溶液には、硝酸ランタン、硝酸マグネシウムおよび硝酸イットリウムを含 んだ。これら材料の量を選択し、以下の表８に記載の焼結砥粒組成を提供した。 実施例15、17、19、21、23および25に関しては、ジルコニアゾルを酢酸で安定化 し3.5のｐＨを有した。実施例16、18、20、22、24および26に関して、ジルコニ アゾルを硝酸で安定化し0.5のｐＨを有した。 表８．実施例15〜28の組成 実施例 ％ＡＬ₂Ｏ₃ ％Ｌａ₂Ｏ₃ ％Ｙ₂Ｏ₃ ％ＭｇＯ ％ＺｒＯ₂ 15 82.9 2.7 1.3 1.3 11.8 16 82.9 2.7 1.3 1.3 11.8 17 93.9 2.7 1.3 1.3 0.8 18 93.9 2.7 1.3 1.3 0.8 19 93.1 2.7 1.3 1.3 1.6 20 93.1 2.7 1.3 1.3 1.6 21 91.5 2.7 1.3 1.3 3.2 22 91.5 2.7 1.3 1.3 3.2 23 88.5 2.7 1.3 1.3 6.2 24 88.5 2.7 1.3 1.3 6.2 25 78.0 2.7 1.3 1.3 16.7 26 78.0 2.7 1.3 1.3 16.7 実施例27〜30 この組の例により、種々の砥粒組成を比較した。その砥粒をグレード36に分級 した。その試験結果を以下の表14に示した。これら実施例に関して、その砥粒を 一般的方法Ｉに従って作製し、この実施例に対して単一段階の含浸を行った。そ の含浸溶液には、硝酸ランタン、硝酸マグネシウム、硝酸イットリウムおよび酢 酸ジルコニルを含んだ。これら材料の量を選択し、以下の表１３に記載の焼結砥 粒組成を提供した。 表13．実施例27〜30の組成 実施例 ％Ａｌ₂Ｏ₃ ％Ｌａ₂Ｏ₃ ％Ｙ₂Ｏ₃ ％ＭｇＯ ％ＺｒＯ ₂ 27 92.0 ３ １ 3.5 0.5 28 91.5 ３ １ 3.5 １ 29 90.5 ３ １ 3.5 ２ 30 89.5 ３ １ 3.5 ３ 表14．試験方法Ｉ 実施例 初期切削量(g) 最終切削量(g) 合計切削量(g) 27 73.9 83.1 974 28 71.9 87.6 999 29 81.3 76.9 981 30 75.6 81.2 1001 実施例31〜36 この組の例により、種々の砥粒組成を比較した。その砥粒をグレード40に分級 した。その試験結果を以下の表15に示した。これら実施例に関して、その砥粒を 一般的方法IIに従って作製し、その含浸溶液には、稀土類硝酸塩および硝酸マグ ネシウムを含んだ。実施例32ではガドリニウム；実施例33ではランタン；実施例 34ではネオジム；実施例35ではプラセオジム；および実施例36ではサマリウム； であった。この組の例の焼結砥粒は、92.7％のアルミナ、２％のジルコニア、2. 7％の稀土類酸化物、1.3％のイットリアおよび1.3％の酸化マグネシウムから成 る。 表15．試験方法ＩおよびIV 方法Ｉ 方法IV 実施例 合計研削量(g) 合計研削量(g) （1018鋼） （304ステンレス鋼） 31 967 152 32 935 160 33 948 177 34 1130 190 35 1097 101 36 972 171 実施例37〜40 この組の例により、種々の砥粒組成を比較した。その砥粒をグレード50に分級 した。その試験結果を以下の表17に示した。これら実施例に関して、その砥粒を 一般的方法IIに従って作製し、この実施例に対して単一段階の含浸を行った。そ の含浸溶液には硝酸ランタン、硝酸イットリウムおよび硝酸マグネシウムを含ん だ。これら材料の量を選択し、以下の表16に記載の焼結砥粒組成を提供した。 表17．試験方法IVおよびＶ 方法Ｉ 方法IV 実施例 合計研削量(g) 合計研削量(g) （1018鋼） （304ステンレス鋼） 31 1250 165 32 1212 200 33 1306 238 34 1251 200 比較例Ｂおよび実施例41 この組の例により、種々の砥粒組成を比較した。その砥粒をグレード40に分級 した。その試験結果を、以下の表18に示した。比較例Ｂを、米国特許第4,314,82 7号の実施例38に開示の通り作製した。実施例41を、砥粒の一般的製造方法IIIに 従って作製した。実施例41の焼結砥粒組成は、約84％のアルミナ；５％の酸化マ グネシウム；６％の酸化セリウムおよび５％のジルコニアであった。 表18．試験方法Ｉ 実施例 初期切削量(g) 最終切削量(g) 合計切削量(g) 比較例Ｂ 97 60 1112 41 95 88 1230 比較例Ｃおよび実施例42〜45 この組の例により、種々の砥粒組成を比較した。その砥粒をグレード50に分級 した。その試験結果を、以下の表19に示した。比較例Ｃを、米国特許第4,881,95 1号（含浸方法）に開示の方法に従って作製し、96％のアルミナ；１％の酸化ラ ンタン；１％の酸化ネオジム；１％の酸化マグネシウム；および１％のイットリ アを含んだ。実施例42〜45を、砥粒の一般的製造方法IVに従って作製した。実施 例42および43の焼結砥粒組成は、約96％のアルミナ；2.5％のジルコニア；１％ の酸化ランタン；１％の酸化ネオジム；１％のマグネシア；および１％のイット リアであった。実施例44および45の焼結砥粒組成は、約96％のアルミナ；2.5％ のジルコニア；１％の酸化ランタン；１％の酸化ネオジム；１％の酸化マグネシ ウム；および１％のイットリアであった。実施例43および45の各々が、ゾルを安 定化するために硝酸を用いる一方：実施例42および44では、ゾルを安定化するた めにジルコニアゾルに酢酸を含有した。 表19．試験方法Ｉ 実施例 初期切削量(g) 最終切削量(g) 合計切削量(g) 比較例Ｃ 74 16 1271 42 87 38 1694 43 84 36 1553 44 77 44 1541 45 84 6 1380 比較例ＤおよびＥおよび実施例46 この組の例により、種々の砥粒組成を比較した。その砥粒をグレード50に分級 した。その試験結果を、以下の表20に示した。比較例Ｄを、米国特許第4,314,82 7号に開示の方法に従って作製し、93％のアルミナ；および７％の酸化マグネシ ウム；を含んだ。比較例Ｅを、米国特許第4,314,827号に開示の方法に従って作 製し、90％のアルミナ；５％のジルコニア；および５％の酸化マグネシウム；を 含んだ。実施例46を、砥粒の一般的製造方法IIIに従って作製した。その砥粒に は、５％のジルコニア；1.3％の酸化マグネシウム；1.3％のイットリア；2.7％ の酸化ランタン；および約89.7％のアルミナを含んだ。 表20 実施例 合計切削量(g) 比較例Ｄ 927 比較例Ｅ 982 46 1016 また、Ｘ線回折により、実施例46中に存在するジルコニアが100％正方晶形で あることを観察した。比較例Ｅでは、存在するジルコニアは70％が正方晶および 30％が単斜晶であった。正方晶は好ましい形状であり、それが性能の向上の原因 と考えられている。 前記の砥粒の例の硬度および靭性値を以下の表21に示した。測定に用いた方法 は本明細書中に示した通りであった。 特に、微小硬度および靭性測定の両方に関しては、砥粒を2.5cm（１インチ） 直径のステンレス鋼製成形ラムの従来の成形材料（イリノイ州エバンストン（Ev anston）のブエーラー（Buehler）社から商品名「エポメット（EPOMET）」で市 販）に固定した。次いで、その砥粒および成形材料を27.6MPa（4000psi）でプレ スし、従来のマウント（mounting）プレス（ブエーラー（Buehler）社から商品 名「ブエーラー・ニューメット（BUEHLER NUEUMET）Ｉマウンティング・プレス （MOUNTING PRESS）」）内で約150℃に加熱した。次いで、硬化した成形材料を 室温まで冷却した。 固定した砥粒を、研磨スラリーを研磨領域に計量分配させるマイクロプロセッ サー制御装置（ブエーラー（Buehler）社から商品名「メットラップ（METLAP） 」で市販）の研磨ユニット（ブエーラー（Buehler）社から商品名「ダイヤログ （DIALOG）」で市販）を用いて研磨した。以下の連続工程により研磨を行った。工程１ 研磨面 ：直径20.3cmのアルミナ定盤（ブエーラー（Buehler）社 から商品名「メットラップ（METLAP）10」で市販） 研磨剤種類および粒径：30μｍダイヤモンドスラリー（ブエーラー（Buehler） 社から商品名「メタディ・ダイヤモンドスラリー（METADI DIAMOND SLURRY）」 で市販） 研磨時間 ：３分間、または表面が平坦になるまで 力 ：試料当たり22.2N（試料当たり５ポンド） 速度設定 ：240rpm 計量分配シーケンス ：１秒間噴霧；10秒間噴霧停止 相対回転 ：右回り工程２ 研磨面 ：直径20.3cmのアルミナ定盤（ブエーラー（Buehler）社 から商品名「メットラップ（METLAP）10」で市販）に圧着した研磨布（ブエーラ ー（Buehler）社から商品名「テクスメット（TEXMET POLISHING CLOTH）」で市 販） 研磨剤種類および粒径：６μmダイヤモンドスラリー（ブエーラー（Buehler）社 から商品名「メタディ・ダイヤモンドスラリー（METADI DIAMOND SLURRY）」で 市販） 研磨時間 ：30分間 力 ：試料当たり22.2N（試料当たり５ポンド） 速度設定 ：120rpm 計量分配シーケンス ：１秒間噴霧：10秒間噴霧停止 相対回転 ：左回り工程３ 研磨面 ：直径20.3cmのアルミナ定盤（「メットラップ（METLAP） 」）に圧着した研磨布（「テクスメット（TEXMET POLISHINGCLOTH）」） 研磨剤種類および粒径：１μmダイヤモンドスラリー（ブエーラー（Buehler）社 から商品名「メタディ・ダイヤモンドスラリー（METADI DIAMOND SLURRY）」で 市販） 研磨時間 ：３０分間 力 ：試料当たり22.2N（試料当たり５ポンド） 速度設定 ：120rpm 計量分配シーケンス ：１秒間噴霧；10秒間噴霧停止 相対回転 ：右回り 砥粒のビッカース（Vickers）微小硬度を、ダイヤモンド圧子を備えた従来の 微小硬度試験機（独国のライツ（Leitz）から商品名「ミニロード（MINILOAD） ２ミクロハードネス・テスター（MICROHARDNESS TESTER）」）を用いて測定した 。圧子（面角136゜の高研磨の尖頭四角錐）を徐々におよび滑らかに測定すべき 試料に接触させた。予め決めた荷重は500gであった。各試料毎に20測定の平均値 を、以下の表21に示した。 ビッカース（Vickers）微小硬度測定に用いたものと同様の装置を用いて靭性 測定を行い、予め決めた荷重を圧子のダイヤモンド形状圧痕の先端で発生する亀 裂を評価するべき試料に負荷した。以下の式： （式中、ｃは亀裂半径であり、Ｆ_Nは圧子荷重およびβは圧子の半頂角（semi-ap ical angle）（ビッカースダイヤモンドで68゜）である。）を用いて、靭性を決 定した。各試料毎に20測定の平均値を、以下の表21に示した。更に、表21には、 ミクロメリティックス・アキュピィック（Micromeritics AccuPyc）（ジョージ ア州ノークロス（Norcross））1330ピクノメーターを用いて測定した砥粒の密度 密度を示した。 本発明の範囲および意図を逸脱する事なく、本発明の様々な改良および変更が 当業者に明らかとなり、本発明は本明細書中に列挙した態様に不当に限定される ものではないと解されるべきである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．アルミナ、ジルコニア、および(a)イットリア；(b)イッテルビウム、ネオ ジム、ランタン、プラセオジム、サマリウム、ガドリニウム、セリウム、ジスプ ロシウム、エルビウム、およびそれらの混合物の酸化物から成る群から選択され る稀土類酸化物；および(c)それらの組合せ；から成る群から選択される金属酸 化物を含むセラミック砥粒であって、該アルミナがアルファアルミナ、アルミナ 反応生成物およびそれらの組合せの内の１つとして存在し、該ジルコニアがジル コニア、ジルコニア反応生成物またはそれらの組合せの内の１つとして存在し、 該金属酸化物が金属酸化物、金属酸化物反応生成物またはそれらの組合せとして 存在し、該砥粒が、少なくとも約21GPaの平均硬度および少なくとも約４MPa・m¹ /²の平均靭性を有する砥粒。 ２．金属酸化物が稀土類酸化物である請求項１記載の砥粒。 ３．砥粒が更に酸化マグネシウムを含み、酸化マグネシウムが酸化マグネシウ ム反応生成物として存在する請求項１記載の砥粒。 ４．(a)アルミナがアルファアルミナ、アルミナ反応生成物またはそれらの組 合せの内の１つとして存在する約70〜約95重量％のアルミナ； (b)ジルコニアがジルコニア、ジルコニア反応生成物またはそれらの組合せの 内の１つとして存在する約0.1〜約15重量％のジルコニア；および (c)稀土類酸化物が稀土類酸化物、稀土類酸化物反応生成物またはそれらの組 合せの内の１つである、ネオジム、プラセオジム、サマリウム、イッテルビウム 、ランタン、ガドリニウム、セリウム、ジスプロシウム、エルビウム、およびそ れらの混合物の酸化物から成る群から選択される約0.1〜約10重量％の稀土類金 属酸化物；を含むセラミック砥粒。 ５．イットリアがイットリア反応生成物として存在し、酸化マグネシウムが酸 化マグネシウム反応生成物として存在する、約0.1〜約10重量％の範囲のイット リアまたは約0.3〜約10重量％の範囲の酸化マグネシウムの内の少なくとも１つ を更に含む請求項４記載の砥粒。 ６．アルファアルミナ、アルミナ反応生成物またはそれらの組合せの内の１つ として存在するアルミナが約85〜約93重量％の範囲で存在し；ジルコニア、ジル コニア反応生成物またはそれらの組合せの内の１つとして存在するジルコニアが 約0.5〜約８重量％の範囲で存在し；および稀土類酸化物が約0.5〜約５重量％の 範囲で存在する；請求項４記載の砥粒。 ７．イットリアがイットリア反応生成物として存在し、酸化マグネシウムが酸 化マグネシウム反応生成物として存在する、約0.1〜約３重量％の範囲のイット リアまたは約0.3〜約1.5重量％の範囲の酸化マグネシウムの内の少なくとも１つ を更に含む請求項６記載の砥粒。 ８．金属酸化物被膜を有するコアを含む砥粒であって、コアが請求項４記載の 砥粒である砥粒。 ９．該砥粒がアルファアルミナ微結晶間に分布する等軸ジルコニア粒子を含む 請求項４記載の砥粒であって、該ジルコニア粒子が約0.1μm以下の平均粒径を有 する砥粒。 10．該稀土類反応生成物が約５〜約30重量％の範囲の以下の式： ＭＬｎＡｌ₁₁Ｏ₁₉ （式中、Ｏは酸素；Ｍは２価の金属カチオン；Ｌｎは稀土類金属イオン；および Ａｌはアルミニウムイオン；である）の材料を含有する請求項９記載の砥粒。 11．該稀土類反応生成物が約５〜約30重量％の範囲の以下の式： ＭＬｎＡｌ₁₁Ｏ₁₉ （式中、Ｏは酸素；Ｍは２価の金属カチオン；Ｌｎは稀土類金属イオン；および Ａｌはアルミニウムイオン；である）の材料を含有する請求項４記載の砥粒。 12．(a)バインダー（５、６、54）；および (b)該バインダーにより物品内に保持した請求項４記載の多数の砥粒（４ 、52）； を含む研磨製品（１、10）。 13．該研磨物品(10)が研削砥石である請求項１２記載の砥粒。 14．該研磨物品(10)が切断ホイールである請求項12記載の砥粒。 15．該研磨物品(10)が不織研磨製品である請求項12記載の砥粒。 16．(a)主要表面を有する支持体（２）；および (b)該バインダー（５，６）により該支持体の主要表面に保持した請求項 ４記載の砥粒（４）を含む研磨剤層（３）； を含む被覆研磨物品。 17．(a)アルファアルミナ微結晶を含むアルファアルミナマトリックス； (b)アルファアルミナ微結晶間に分布する多数の等軸ジルコニア粒子；および (c)該アルファアルミナ微結晶および該ジルコニア粒子間に分布する多数の小 板； を含むセラミック砥粒をベースとするアルファアルミナ。 18．該小板が以下の式： ＭＬｎＡｌ₁₁Ｏ₁₉ （式中、Ｏは酸素：Ｍは２価の金属カチオン：Ｌｎは稀土類金属イオン；および Ａｌはアルミニウムイオン：である）の材料を含有する請求項17記載の砥粒。 19．該アルファアルミナが約１μm以下の直径を有する請求項17記載の砥粒。 20．(a)アルミナがアルファアルミナ微結晶またはアルファアルミナ微結晶お よびアルミナ反応生成物の内の１つとして存在する約70〜約95重量％のアルミナ ’ (b)ジルコニアが該ジルコニア粒子または該ジルコニア粒子およびジルコニア 反応生成物の内の１つとして存在する約0.1〜約15重量％のジルコニア；および (c)約５〜約30重量％の該小板材料； を含む請求項17記載の砥粒。 21．(i)アルミナ； (ii)ジルコニア；および (iii)イットリア；イッテルビウム、ネオジム、ランタン、プラセオジム、サ マリウム、ガドリニウム、セリウム、ジスプロシウム、エルビウム、およびそれ らの混合物から成る群から選択される稀土類酸化物；およびイットリアおよび該 稀上類酸化物，から成る群から選択される金属酸化物； を含む先駆材料の焼結生成物を含むセラミック砥粒であって、該焼結生成物が、 少なくとも約21GPaの平均硬度および少なくとも約４MPa-m^1/2の平均靱性を有す る砥粒。 22．(a)(i)酸化アルファアルミナ一水和物；および (ii)ジルコニア粒子、ジルコニウム塩材料、およびそれらの混合物から 成る群から選択される分散体ジルコニウム組成物；を含む分散体を調整すること ； (b)多孔性固体ベース粗粒材料を該分散体から生成すること； (c)イッテルビウム、ネオジム、ランタン、プラセオジム、サマリウム、ガド リニウム、セリウム、ジスプロシウム、エルビウム、およびそれらの混合物の酸 化物の先駆物質から成る群から選択される酸化物先駆物質の含浸溶液で、多孔性 固体ベース粗粒材料を含浸すること；および (d)該含浸多孔性固体ベース粗粒材料を砥粒に変換することであって、該変換 段階にはベース粗粒材料を焼結して砥粒を作製することを含む； 段階から成る砥粒の製造方法。 23．該分散体が水性分散体であり、該含浸溶液が水溶液であり、該酸化物先駆 物質が塩であり、該分散体を含浸前に乾燥および焼成する請求項22記載の方法。