JPH10504348A - 改変ゾルゲルアルミナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 酸化イットリウム及び希土類金属酸化物の中の少なくとも１つと、マグネシウム及び／又は遷移元素の酸化物から選択される１つ以上の酸化物とを使用して改変したα−アルミナ砥粒が、酸化イットリウム及び／又は希土類金属酸化物改変剤が少なくとも砥粒表面におけるその改変剤濃度に等しいか又はこれより高い濃度で砥粒内部に存在する場合に、より高い性能を発揮する。

Description

【発明の詳細な説明】 改変ゾルゲルアルミナ 発明の背景 本発明は、アルミナ研削材材料に係わり、特に、ゾルゲルプロセスによって調 製するアルミナに係わる。このプロセスでは、α−アルミナの前駆物質のゾル又 はゲルを形成した後で、そのゾル又はゲルを乾燥させ、α型に焼成する。選択す る前駆物質はベーマイトであることが最も一般的であるが、より前期の前駆物質 （例えば、アルミナ三水和物）を使用することも可能である。こうしたアルミナ の利点の１つは、こうしたアルミナが溶融プロセスを必要とせず、従ってエネル ギー利用効率が著しく高いということである。こうしたアルミナは、更に、数ミ クロンの範囲内の結晶粒径を特徴とし、このことは、溶融プロセスの生成物を粉 砕することによって得られる比較的大きい結晶チップに比較して、こうしたゾル ゲルアルミナがより良好な研削特性を有することに関連していると考えられる。 こうしたゾルゲルプロセスは当業で公知であり、最初のゾルゲルアルミナ砥粒 が開発された８０年代初頭から大きな関心の対象となってきた。α−アルミナへ の転換が生じる温度を低下させることが可能な物質を結晶核としてゾルゲルアル ミナに添加した、非常に優れた結晶核添加ゾルゲルアルミナ(seeded sol-gel al umina)の導入によって、８０年代半ばにゾルゲルプロセスの開発が大きく促進さ れた。α−アルミナと同一の結晶型であり且つその結晶内部に類似の格子パラメ ーターを有することを必要とする結晶種の表面上における、α−アルミナのエピ タキシャル成長を含むメカニズムによって、このゾルゲルプロセスが作用するこ とが一般的に認められてい る。このプロセスの結果として、良好な研削材性能に関連すると考えられる非常 に微細で均一なサブミクロンの結晶構造が得られる。以下でゾルゲルアルミナに 言及する場合には、これによって、高密度で結晶粒径が小さく（例えば、約１０ ミクロン未満）且つ硬度が高い（例えば、約１６ＧＰａより高い）アルミナ砥粒 をもたらす上記タイプのプロセス全てとその明らかな変形プロセスとを包括する ことが意図されているということを理解されたい。 ゾルゲルアルミナ技術において、より小さな結晶構造を得るための他の方法は 、使用するプロセスと試薬とに応じて１ミクロンから約１０ミクロンの範囲内の 結晶粒径を有する極めて均一な構造が得られるように、結晶成長を制限すること が可能なセル成長調節剤を混和することである。こうした添加剤は、一般的に、 α−アルミナが形成される遷移温度を低下させることが不可能である。実際、こ うした添加剤の中には、シリカのように、この遷移温度を上昇させる可能性を有 するものもある。しかし、こうした添加剤は、重要な特性をもたらす可能性があ る。こうした改変は、破壊メカニズムの改変に関連付けられると考えられ、特定 の用途では有利である可能性がある。 しかし、こうした改変剤は砥粒表面に濃縮される傾向があり、このことは、改 変剤の存在に関連した有益な作用が不均一である可能性があることを意味する。 しかし、本発明は、改変剤成分の濃度が砥粒の厚さ全体に亙って実質的に一定 不変であるアルミナ砥粒と、こうした改変アルミナ砥粒の生産に使用することが 可能な新規のプロセスとを提供する。 発明の説明 本発明は、砥粒形態の新規のα−アルミナに係わり、このアルミ ナは、改変剤成分として、酸化イットリウム、及び／又は、少なくとも１つの希 土類金属（例えば、ランタン、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ガドリニ ウム、エルビウム、イッテルビウム、ジスプロシウム、及び、セリウム）の酸化 物を含み、更に、マグネシウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニ ッケル・亜鉛、及び、リチウムの酸化物から選択される少なくとも１つの酸化物 を含み、且つ、上記改変剤成分の中の少なくとも酸化イットリウム及び／又は希 土類金属酸化物が、砥粒表面から２０ミクロン以内における平均濃度に等しいか 又はこれより高い、砥粒内部における平均濃度を有する。 砥粒は、別個に識別可能な他の結晶相（例えば、スピネル、シリカ、ジルコニ ア）をアルミナ結晶間に含むことが可能である。しかし、このアルミナは実質的 に均一な結晶形態を有し、エッチングし研磨した表面上でＳＥＭ分光法によって 通常の拡大レベル（約５０Ｋ以下）で検査する場合には、アルミナ結晶構造間又 はアルミナ結晶構造内部のマグネトプランバイト構造のような別個の結晶相にお いて改変剤成分自体を識別することは不可能である。微量の改変剤成分がアルミ ナ格子内に部分的に溶解している可能性があると考えられるが、改変剤成分が別 個に識別できないので、本出願では、改変剤成分が主として粒界に位置している と仮定する。粒界内に収容可能な改変剤成分の量に制限があるので、こうして粒 界に改変剤成分が局在すること自体が、改変剤成分濃度に特定の限界があること を示唆している。 一般的に、別個に識別可能な結晶相混在物の偏折を回避しなければならない場 合には、本発明の砥粒中に存在する改変剤成分の合計量は（砥粒の合計重量を基 準として酸化物として測定した場合に）約２重量％未満であることが好ましく、 約１重量％未満であること が更に好ましいことが発見されている。 少なくとも酸化イットリウム及び希土類金属酸化物の改変剤成分（及び好まし くは全ての改変剤成分）が、砥粒全体に亙って粒界内に実質的に均一に分布し、 このことは、砥粒横断面全体に亙る微量元素濃度を定量するためにマイクロプロ ーブを使用する時に、改変剤の濃度が砥粒内の同様な位置で得られる測定値のば らつきマージン範囲内で実質的に一定不変のままであることを意味する。本明細 書で使用する術語としての「粒界」は、２つの隣接し合うアルミナ結晶粒の接合 点の両側においてその接合点から１０ナノメートル以下の距離の範囲内の区域を 意味する。結晶粒とは、全ての隣接する結晶粒に対して大角粒界を有するアルミ ナ結晶と理解されたい。従って、結晶粒は、その隣接する結晶粒全ての結晶学的 方位とは異なった結晶学的方位を有する。 本発明は、更に、砥粒全体に亙っての改変剤成分の均一な分布を生じさせるた めの方法を提供し、この方法は、α−アルミナ前駆物質のゲルを形成することと 、そのゲルを乾燥させて、多孔性転移／α−アルミナ相が生じ終わるまでそのゲ ルを焼成することを含む。このアルミナ相は、密閉多孔性に焼結が進捗し終わる 前の、且つ、α相への相転移が開始されるか又は開始されそうになるまで焼成さ れ終わった、アルミナを意味する。その後で、可溶性の熱分解性塩の形の改変剤 成分と、水と反応して塩基を生じさせ且つ密閉多孔性が得られる温度より低い温 度で分解して揮発性気体を形成する添加剤とを含む溶液で、このアルミナ相を溶 浸する。砥粒の中への改変剤成分溶液の浸入は、溶浸中にサンプルに真空を及ぼ すことによって容易に促進することが可能である。 均一な濃度が好ましいが、改変剤成分濃度が表面において欠乏している砥粒を 使用することも可能である。これは、例えば、上記の ように処理した又は表面区域から改変剤成分を浸出させることによって処理した 粗粒表面に対して非改変アルミナ層を付着させることによって得ることが可能で ある。これは、例えば、ガラス質接着砥石車の形成中に、重要な改変剤が砥粒か ら溶出することを防止するために必要とされる場合がある。極めて小さい（サブ ミクロン）アルミナ結晶構造の場合に、ガラス質接着剤による腐蝕作用を砥粒が 次第に受けやすくなるが、上記手法によって、こうした応用例における砥粒の研 削材特性に対するこのガラス質接着剤の悪影響を最小限度にすることが可能であ ることが公知である。 発明の詳細な説明 本発明のアルミナ砥粒中に含まれる改変剤成分の合計量は、この砥粒の総重量 の２重量％未満であることが好ましく、約１重量％であることが更に好ましい。 しかし、最も好ましい組成は、いずれか１つの改変剤成分を約０．０２重量％か ら約０．３５重量％、更に好ましくは約０．０６重量％から約０．２０重量％含 む。改変剤は、酸化イットリウム及び希土類金属酸化物の少なくとも１つを含ま なければならない。最も好ましい組合せは、酸化ランタンと酸化イットリウムの 両方であるを含む。これに加えて、改変剤は、希土類元素、マグネシウム、コバ ルト、チタン、クロム、マンガン、鉄、ニッケル、及び、亜鉛の酸化物、並びに 、これらの混合物から選択される、更に別の改変剤を少なくとも１つ含む。上記 グループの中で好ましい改変剤は、マグネシウム、コバルト、鉄、チタン、及び 、ニッケルの酸化物である。 改変剤成分の混和を、その改変剤成分の可溶性塩を含む溶液で多孔性転移／α −アルミナを溶浸することによって行うことが好ましい。この溶浸を別の防止作 用なしで行う場合には、改変剤成分が乾 燥操作中に乾燥表面に移動し、改変剤成分が砥粒構造全体に亙って極めて不均一 に分布する事態が生じる可能性がある。実際に、砥粒の他の部分に比較して砥粒 表面における改変剤成分濃度が著しく高いことがあり得る。本発明の一側面は、 この改変剤成分の分布が均一のままであることを確実なものにする手段の発見で ある。水との接触時に塩基を形成し且つ焼成操作中に完全に除去されることが可 能な物質を混和することによってその系のｐＨを増大させる場合に、焼成時にア ルミナ粒界が形成される時に、改変剤成分がα−アルミナ全体に亙って均一に分 布し、α−アルミナ粒界に移動することが発見されている。好ましい塩基形成添 加剤はホルムアミドであるが、同様の効果を得るために、アセトアミド、ヒドロ キシルアミン、メチルアミン、尿素等のような他の塩基形成添加剤を代用するこ とが可能である。塩基形成添加剤を改変剤成分と混和することが好ましいが、溶 浸完了後にこの添加剤を別個に加えることも可能である。別個に加える場合には 、アンモニアのような塩基の直接添加を使用することが可能である。インシツで の塩基の形成を、加熱によって促進することが可能である。 改変剤成分を可溶性塩として加えるが、密閉多孔性が得られる温度よりもかな り低い温度で硝酸塩が完全に分解して酸化物を形成するので、この可溶性塩が硝 酸塩であることが最も好ましい。この特性を有する他の可溶性塩、例えば酢酸塩 、及び、特定の塩化物と硫酸塩を代わりに使用することが可能である。 含浸アルミナ相の表面積は、改変剤成分の均一な分布を容易に得る上で極めて 重要である。これは、その表面積が大きければ大きいほど、改変剤成分溶液中の 酸性種との反応部位を（改変剤成分溶液を基準として実質的に塩基性である）ア ルミナ表面が与える能力が大きいからである。 特定の金属が、ゾルゲルプロセスで得られるアルミナ砥粒の品質に対して悪影 響を及ぼすことが発見されている。こうした金属は、ナトリウム及びカリウムの ようなアルカリ金属を含む。従って、アルミナの処理加工の全てを脱イオン水又 は蒸留水の中で行うことが好ましい。これは、初期ゾルゲルの調製と、調製剤成 分を含む溶浸溶液との両方を含む。 図面 本発明を４つのグラフを使用して説明する。これらのグラフは、中心から周縁 部までの砥粒全体に亙っての、グラフに示した改変剤成分の濃度変化を示す。 例１で言及する図１と図２は、各々に、本発明による組成の場合の上記濃度変 化と、改変剤成分が周縁部においてより高い濃度を有する組成との場合の上記濃 度変化を示す。 例２で言及する図３と図４は、各々に、本発明による組成の場合の上記濃度変 化と、改変剤成分が周縁部においてより高い濃度を有する組成との場合の上記濃 度変化を示す。 特定の実施様態の説明 以下では、特定の例を参照しながら本発明を説明するが、こうした特定の例は 、本発明を単に例示する目的で示されるにすぎず、本発明の範囲に対する本質的 な限定を加えるものではないということを理解されたい。 下記の例では、焼結温度より５０℃低い温度で１０分間熱によってエッチング した研磨表面上で結晶粒径を測定した。ＳＥＭ法を使用し、顕微鏡写真全体に引 いた直線上に位置する結晶の平均切片を測定することによって、顕微鏡写真から 結晶粒径を決定した。改変 剤成分の濃度を決定するために、砥粒をエポキシ樹脂中にマウントし、光学反射 性を得るように表面を研磨することによって、試料を調製した。各々に異なった 特定の元素を検出するように調整した複数の結合した分光計を備えたセメカカメ バックス・マイクロプローブを使用して、砥粒の中心から表面までの研磨表面全 体に亙って直線に沿って１ミクロン間隔で各元素の濃度を測定した。例えば、１ つの分光計が、祖粒の厚さ全体に亙ってのマグネシウムの濃度変化を検出するた めに、マグネシウムのＫａピークに合わせたＴＡＰ結晶を有した。エポキシ層に 達することによって、祖粒の周縁部に達したことを確認した。各々の測定ステッ プの計数時間を５秒間又は１０秒間に設定した。場合によっては測定結果を表形 式で示し、こうした結果の幾つかを添付図面に示す。装置の出力設定値は２５Ｋ ｖであり、ビーム電流（ファラディー）は２０ｎＡであった。 砥粒全体に亙って均一に分散した調製剤を含むことの重要性を、ガラス質接着 砥石車にその砥粒を使用した研削試験を行うことによって確認した。各々の場合 に、選択した砥粒は粒度８０であり、行った試験は、湿式ＯＤ円筒研削を含んだ 。各々の砥石車を、米国特許第４５４３１０７号に開示されている種類の市販の ガラス質接着剤を使用して同じように調製し、これらの砥石車は、同一のグレー ド（硬さ、この場合には「Ｋ」）と同一の構造（相対砥粒間隔、この場合には「 ８」）を有した。砥石車の直径は、７．６ｃｍ又は１２．７ｃｍであり、厚さは １．２７ｃｍだった。砥石車を使用する前に、ダイヤモンドロールを使用して砥 石車の各々を目直しした。試験中は砥石車を９０００ｓｆｐｍで回転させ、５２ １００加工物（直径約１０ｃｍ、厚さ約０．６４ｃｍ）を、３つの異なった送込 み速度、即ち、低（０．３ ｉｎ³／分／ｉｎ）、中（０．６ iｎ³／分／ｉｎ ）、高（１．１ ｉｎ³／分／ｉｎ）で砥石車に押 しつけた。各々の工作物から０．２ｃｍと０．３ｃｍだけを取り除いた。 例１ この例では、特定の改変剤成分を本発明によって砥粒中に均一に分布させた結 晶核添加ゾルゲルアルミナを使用して作製したガラス質接着砥石車（ＩＮＶ．− １）の性能を、 （１）同じ接着剤と同じ結晶核添加ゾルゲルアルミナとを使用して作製したが 改変剤成分は含まないガラス質接着砥石車（Ｃ１）、及び、 （２）同じ接着剤と同じ結晶核添加ゾルゲルアルミナと同一量の同一改変剤成 分を使用して作製したが、改変剤成分が砥粒表面において高濃度であるガラス質 接着砥石車（Ｃ２） と比較した。 下記において説明する各々の評価では、ゾルゲルアルミナの調製を、結晶粒の 焼結まで同一の手順に沿って行った。従って、下記で説明するこの最初のステッ プは、全ての評価用試料の調製に共通である。 ゾルゲルアルミナの調製 混合タンクに２０００ポンドの水を装入した。約１２０ｍ²／ｇの表面積を有 する微粉砕α−アルミナ粒子を４重量％含む水性スラリーを、低純度アルミナ媒 質を使用してＳｗｅｃｏミル中でα−アルミナのサブミクロンサイズ粒子の約８ 重量％水性分散液を磨砕することによって調製した。このスラリー（２６０ポン ド）を上記タンクに加え、十分に混合し、排気して気泡を取り除いた。このスラ リーは約４のｐＨを有した。 ０．１６ｇ／分の硝酸溶液と共に、上記タンクからの分散液を２ ．８ｇ／分の速度で混合器を通して汲み出した。生成物はゲルであり、このゲル を乾燥させ、ロール粉砕し、回転キルン内で６００℃から８００℃までの温度で か焼した。 以下の例全ての基礎として使用したのは、このか焼生成物だった。 ＩＮＶ．−１の調製 硝酸コバルト六水和物１５９ｇ、硝酸ランタン五水和物１７．１ｇ、及び、硝 酸イットリウム六水和物２１．６ｇを脱イオン水１０２００ｇ中に溶解すること によって、改変剤成分溶液を調製した。これらの塩全てが溶解し終わった時に、 更にホルムアミド１８００ｇを溶液に加えた。上記の通りに調製したか焼ゾルゲ ルアルミナ材料（２０００ｇ）を容器に入れ、細孔から排気してその容器内の空 気を取り除いた後に、真空を保ちながら上記の改変剤成分溶液２６６６ｇを加え た。材料が十分に沈んだ後に、真空を解除した。過剰な溶液を試料から排出した 後で、試料を１２０℃で乾燥させ、その後で、予熱した回転炉内で１２７０℃で １０分間焼成した。生成物は、密度３．８８ｇ／ｃｃ、硬さ２１．４Ｇｐａ、及 び、結晶粒径０．１５ミクロンを有した。この材料粗粒のマイクロプローブ分析 によって、砥粒全体に亙って改変剤成分が均一に分布することが明らかになった （図１を参照されたい）。 非改変対照（Ｃ１）の調製 上記のか焼ゾルゲル材料を、予熱した回転炉内で１２９０℃で１０分間焼成し た。この生成物は、密度３．８９ｇ／ｃｃ、硬さ２２．３Ｇｐａ、及び、結晶粒 径０．１９ミクロンを有した。 分析によって、この試料には上記改変剤が実質的に含まれないことが明らかに なった。 表面高濃度化対照（Ｃ２）の調製 脱イオン水１７４００ｇ中に３０％アンモニア溶液６００ｇを溶解することに よってアンモニア溶液を調製した。硝酸コバルト六水和物１９２．６ｇ、硝酸ラ ンタン五水和物２１．１ｇ、及び、硝酸イットリウム六水和物３３．４ｇを脱イ オン水１８０００ｇ中に溶解することによって、改変剤成分溶液を調製した。 その後で、上記か焼ゾルゲルアルミナ１８００ｇを容器に装入し、上記アンモ ニア溶液３６００ｇを加えた。細孔の外側に残った過剰な溶液を取り除いた。そ の後で、湿った生成物を改変剤成分溶液に加え、この溶液を１５分間撹拌した。 細孔の外側に残る過剰分を取り除き、材料を１２０℃で乾燥させた。その後で、 予熱した回転炉内で１２６５℃で１０分間材料を焼成し、この時点で、その材料 は、密度３．８９ｇ／ｃｃ、硬さ２２．０Ｇｐａ、及び、結晶粒径０．１５ミク ロンを有した。この材料の砥粒のマイクロプローブ分析（図２）は、改変剤成分 濃度は砥粒内部よりも砥粒表面においての方が高いことを示した。 改変剤分布の実際的重要性を評価するために、上記の３つの試料生成物を砥粒 の中に形成し、その後で、砥粒を、上記方法によってＮｏｒｔｏｎ Ｃｏｍｐａ ｎｙ製の市販製品であるガラス質接着剤を使用して別々の砥石車に組み込んだ。 改変剤成分を除いて互いに同一である、こうして得られた砥石車を、その研削性 指数（即ち、金属除去速度の２乗を、研削中に使用する馬力と砥石車摩耗率との 積で割った値）を測定するために試験した。その試験を上記の通りに行った。 より低い圧力の研削力を受ける場合に、本発明の改変ゾルゲル研削材粒子で作 った砥石車が、従来技術の砥粒を上回る最大の改善を示すことが、上記データか ら明らかである。しかし、全ての送込み速度でおいて改善が得られたことが明ら かである。更に興味深いことには、この改善は、実質的に同一の量で同一の改変 剤成分を含み且つより高い表面濃度を与えるようにその改変剤成分が分布してい るＣ２試料に比較して、著しく良好である。 例２ この実施例では、上記例１で説明した比較と基本的に同じ比較を、改変剤成分 の組合せを変化させながら繰り返す。 ＩＮＶ．−２の調製 硝酸マグネシウム六水和物２５２．７ｇ、硝酸ランタン五水和物２７．５ｇ、 及び、硝酸イットリウム六水和物３０．１ｇを脱イオン水１０２００ｇに加える ことによって、溶液を調製した。これらの塩が完全に溶解し終わった時に、ホル ムアミド１８００ｇを加えた。 上記の通りに調製したか焼ゾルゲルアルミナ材料３０００ｇを容器に装入し、 その容器を排気して、捕捉空気を細孔から排出した。材料を真空中に置いたまま 上記改変剤成分溶液を加えた（４０００ｇ）。材料が完全に沈んだ時に、真空を 解除した。材料を１２０℃ で乾燥させ、その後で予熱した回転炉の中で１３１０℃で１０分間焼成した。生 成物は、密度３．８８ｇ／ｃｃ、硬さ２２．１Ｇｐａ、及び、結晶粒径０．１１ ミクロンを有した。この材料で作った砥粒のマイクロプローブ分析によって、改 変剤成分が砥粒全体に亙って実質的に均一に分布することが明らかになった（図 ３）。 表面高濃度化対照（Ｃ２）の調製 硝酸マグネシウム六水和物２４１．２ｇ、硝酸ランタン五水和物５０．４ｇ、 及び、硝酸イットリウム六水和物７９．２ｇを脱イオン水１８０００ｇ中に溶解 することによって、改変剤成分溶液を調製した。 上記か焼ゾルゲルアルミナ材料１８００ｇに、例１で説明したアンモニア溶液 ３６００ｇを加えた。細孔の外側から過剰な溶液を取り除き、その後で、湿った 生成物を上記改変剤溶液３６００ｇに加え、この溶液を約１５分間撹拌した。細 孔の外側から過剰溶液を取り除き、材料を１２０℃で乾燥させた。その後で、予 熱した回転炉内で１２８０℃で１０分間材料を焼成した。この時点で、その材料 は、密度３．８９ｇ／ｃｃ、硬さ２１．６Ｇｐａ、及び、結晶粒径０．１６ミク ロンを有した。この材料で作った砥粒のマイクロプローブ分析は、少なくとも２ つの改変剤成分（酸化ランタン(lanthana)と酸化イットリウム）が砥粒の表面に おいて高い濃度を有したが、砥粒の本体内部では濃度が比較的低いことを示した 。この分析を例１で使用したのと同じマイクロプローブ法で行い、その結果を図 ３（ＩＮＶ．−２）と図４（Ｃ３）にグラフの形で示す。興味深いことに、砥粒 全体に亙って比較的多量のマグネシアが存在したが、この良好に分布した改変剤 でさえ、砥粒中心内の濃度に比べて砥粒周縁部付近の濃度の方が高かった。 上記のように分布の効果を、上記の方法で行った研削試験で評価 した。この結果を次の表２に示す。 この表にも、例１で明らかになった優位性と同じパターンの優位性が示されて いると考えられる。 例３ この例では、本発明によって調製した生成物（ＩＮＶ．−３）の性能を、各々 に異なった改変剤の組合せを含む上記Ｃ１対照と他の２つの対照（Ｃ４、Ｃ５） とに対して比較する。 ＩＮＶ．−３の調製 改変ゾルゲル材料を調製するために使用した方法は、その改変剤成分溶液が、 脱イオン水２５５０ｇ、硝酸鉄九水和物７．１７ｇ、硝酸コバルト（ＩＩ）六水 和物１１．０１ｇ、硝酸ニッケル（ＩＩ）六水和物１１．０１ｇ、硝酸クロム（ ＩＩＩ）九水和物１４．９３ｇ、硝酸ランタン五水和物７．２２ｇ、硝酸イット リウム六水和物９．６３ｇ、及び、ホルムアミド４５０ｇを含むことを除いて、 ＩＮＶ．−１を調製するために使用した方法と実質的に同じだった。 乾燥させた材料の焼成を１３１０℃で５分間行い、この材料は、密度３．８９ ｇ／ｃｃ、硬さ２０．９Ｇｐａ、及び、結晶粒径０．１２ミクロンを有した。 Ｃ４とＣ５の調製 これらの比較例は、例１と例２の比較例とは幾分か異なっている。含浸形態に よる影響から改変剤の作用を切り離すために、様々な改変剤の様々な組合せに対 して、同一の含浸方法を使用した。従って、Ｃ４試料とＣ５試料とＩＮＶ．−３ 試料との間の唯一の相違点は、使用する改変剤溶液の組成にある。 Ｃ４溶液 脱イオン水 ２５５０ｇ 硝酸鉄九水和物 ７．１７ｇ 硝酸コバルト（ＩＩ）六水和物 １１．０１ｇ 硝酸ニッケル（ＩＩ）六水和物 １１．０１ｇ 硝酸クロム（ＩＩＩ）九水和物 １４．９３ｇ ホルムアミド ４５０ｇ Ｃ５溶液 脱イオン水 １０２００ｇ 硝酸ランタン五水和物 ２８．８８ｇ 硝酸イットリウム六水和物 ３８．６ｇ ホルムアミド １８００ｇ Ｃ４材料を１２８０℃で５分間焼成し、この材料は密度３．９２ｇ／ｃｃ、硬 さ２１．１Ｇｐａ、及び、結晶粒径０．１８ミクロンを有した。 Ｃ５材料を１３４５℃で１０分間焼成し、この材料は密度３．８６ｇ／ｃｃ、 硬さ２２．４Ｇｐａ、及び、結晶粒径０．１６ミクロンを有した。 上記研削試験を行った時に、上記材料で作った砥粒は次の表５に示す通りの性 能を示した。 このデータは、改変剤の混和方法に加えて、改変剤成分混合物の調合も重要で あることを明瞭に示している。例１と例２とからのデータと共に、このデータは 、本発明の特徴の組合せの重要性を示している。 例４ この例は、本発明による生成物を調製するための改変剤成分の更に別の組合せ （ＩＮＶ．−４）を例示する。この調製と同時に比較例を調製しなかったが、上 記例で説明した方法と同一の一般的な調製及び評価方法を使用した。 改変剤成分溶液を、 硝酸鉄九水和物 ２８．６８ｇ、 硝酸コバルト（ＩＩ）六水和物 ４４．０４ｇ、 硝酸ニッケル（ＩＩ）六水和物 ４４．０４ｇ、 硝酸クロム（ＩＩＩ）九水和物 ５９．７２ｇ、 硝酸ランタン五水和物 ２８．８８ｇ、 硝酸イットリウム六水和物 ３８．５２ｇ、 硝酸マグネシウム六水和物 ７２．１２ｇ、 硝酸マンガン（ＩＩ）四水和物 ４０．１２ｇ、 コロイドチタニアゾル ２４６．５４ｇ、及び、 ホルムアミド １８００ｇ を脱イオン水１０２００ｇ中に溶解することによって調製した。 チタン（ＩＶ）イソプロポキシド４０ｇを脱イオン水１６０ｇと混合し、７０ ％硝酸４８ｇを加え、混合物が透明になるまで混合することによって、チタニア ゾルを調製した。 ゾルゲルアルミナを上記混合物で含浸し、例１で説明した通りに乾燥させ、１ ２９０℃で１０分間焼成し、密度３．８９ｇ／ｃｃ、硬さ２０．９Ｇｐａ、及び 、結晶粒径０．１２ミクロンの材料を得た。 上記研削試験を行い、上記研削材で作った砥粒を含む砥石車は次の「研削性指 数」を有した。 低速送込み １７ 中速送込み １３．１ 高速送込み １２．６ 例１から例４で調製した砥粒試料の化学分析は、次に示す酸化物の濃度（重量 ％）を示した。 この表で、ＩＮ−１をＣ２と比較し、ＩＮ−３をＣ３と比較されたい。 酸化鉄とマグネシアの場合に０．０２％以下の量を「バックグラウンドノイズ 」と見なし、「−−−」で表す。約０．１％から約０．１５％までのチタニアの より高いバックグラウンドノイズレベルは、高品質ベーマイトから得られるゾル ゲルアルミナでは（ベーマイトの製造方法の結果として）普通である。従って、 この範囲内の量は概ね常に含まれる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年４月２６日 【補正内容】 砥粒全体に亙って均一に分散した調製剤を含むことの重要性を、ガラス質接着 砥石車にその砥粒を使用した研削試験を行うことによって確認した。各々の場合 に、選択した砥粒は粒度８０であり、行った試験は、湿式ＯＤ円筒研削を含んだ 。各々の砥石車を、米国特許第４，５４３，１０７号に開示されている種類の市 販のガラス質接着剤を使用して同じように調製し、これらの砥石車は、同一のグ レード（硬さ、この場合には「Ｋ」）と同一の構造（相対砥粒間隔、この場合に は「８」）を有した。砥石車の直径は、７．６ｃｍ又は１２．７ｃｍであり、厚 さは１．２７ｃｍだった。砥石車を使用する前に、ダイヤモンドロールを使用し て砥石車の各々を目直しした。試験中は砥石車を９０００ｓｆｐｍで回転させ、 ５２１００加工物（直径約１０ｃｍ、厚さ約０．６４ｃｍ）を、３つの異なった 送込み速度、即ち、低（０．３ ｉｎ³／分／ｉｎ、１．９４ ｃｍ³／分／ｃｍ ）、中（０．６ ｉｎ³／分／ｉｎ、３．８７ ｃｍ³／分／ｃｍ）、高（１．１ ｉｎ³／分／ｉｎ、７．１０ｃｍ³／分／ｃｍ）で砥石車に押しつけた。各々の 工作物から０．２ｃｍと０．３ｃｍだけを取り除いた。 例１ この例では、特定の改変剤成分を本発明によって砥粒中に均一に分布させた結 晶核添加ゾルゲルアルミナを使用して作製したガラス質接着砥石車（ＩＮＶ．− １）の性能を、 （１）同じ接着剤と同じ結晶核添加ゾルゲルアルミナとを使用して作製したが 改変剤成分は含まないガラス質接着砥石車（Ｃ１）、及び、 （２）同じ接着剤と同じ結晶核添加ゾルゲルアルミナと同一量の同一改変剤成 分を使用して作製したが、改変剤成分が砥粒表面にお いて高濃度であるガラス質接着砥石車（Ｃ２） と比較した。 下記において説明する各々の評価では、ゾルゲルアルミナの調製を、結晶粒の 焼結まで同一の手順に沿って行った。従って、下記で説明するこの最初のステッ プは、全ての評価用試料の調製に共通である。 ゾルゲルアルミナの調製 混合タンクに２０００ポンドの水を装入した。約１２０ｍ²／ｇの表面積を有 する微粉砕α−アルミナ粒子を４重量％水性スラリーを、低純度アルミナ媒質を 使用してＳｗｅｃｏミル中でα−アルミナのサブミクロンサイズ粒子の約８重量 ％水性分散液を磨砕することによって調製した。このスラリー（２６０ポンド） を上記タンクに加え、十分に混合し、排気して気泡を取り除いた。このスラリー は約４のｐＨを有した。 請求の範囲 ９．各々に０．０２重量％から約０．２重量％まで（最大量は約０．２２重量 ％）のイットリウム又は及びランタンと、各々に約０．０１重量％から約０．２ 重量％まで（最大量は約０．８重量％）の、マグネシウム、チタン、クロム、マ ンガン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛から成るグループから選択される金属の 酸化物の少なくとも１つとを含む請求項８に記載の砥粒。 １０．改変剤成分の混和によって改変させたアルミナ砥粒の生産のためのプロ セスであって、α−アルミナ前駆物質のゲルを乾燥させて焼成し、多孔性アルミ ナ相を生じさせることと、その後で、可溶性の熱分解性塩の形の改変剤成分と、 水と反応して塩基を生じさせ且つα−アルミナが反応中に形成される温度よりも 低い温度で分解して揮発性気体を形成する塩基発生添加剤とを含む溶液で、前記 多孔性アルミナ相を溶浸することと、前記多孔性アルミナをα相に変換させるの に充分な高温度で焼成することとを含み、 前記改変剤成分が、 （ａ）酸化イットリウム及び希土類金属酸化物の中の少なくとも１つ、並びに 、 （ｂ）マグネシウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、 亜鉛、及び、リチウムから成るグループから選択する金属の酸化物の１つ以上 であり、 （ｃ）グループ（ａ）から選択される前記改変剤成分の量が、前記砥粒の表面 から２０ミクロン以内における平均濃度に等しいか又はこれより高い平均濃度を 前記砥粒の内部において生じさせるような量である 前記プロセス。 １１．前記改変剤成分の添加量が、前記改変剤成分全てが前記砥粒内に実質的 に均一に分布するような量である請求項１０に記載のプロセス。 １２．前記塩基発生添加剤を、ホルムアミド、アセトアミド、及び、尿素から 成るグループから選択する請求項１０に記載のプロセス。 １３．添加する前記改変剤成分の合計量が、前記アルミナを基準として約１． ５重量％未満である請求項１０に記載のプロセス。 １４．前記多孔性アルミナ材料を真空中に置いて前記溶浸を行う請求項１０に 記載のプロセス。 １５．前記アルミナゲルが、更に、α−アルミナへの転移温度を低下させ且つ サブミクロンのアルミナ結晶構造を生じさせるのに効果がある核形成剤も含む請 求項１０に記載のプロセス。 １６．添加する前記改変剤成分の合計量が、前記アルミナの重量を基準として 約１．０重量％未満である請求項１５に記載のプロセス。 １７．前記塩基発生添加剤を、ホルムアミド、アセトアミド、及び、尿素から 成るグループから選択する請求項１５に記載のプロセス。 １８．請求項１に記載の砥粒を含む研磨布紙。 １９．請求項１に記載の砥粒を含む結合研磨材工具。 ２０．請求項８に記載の砥粒を含む研磨布紙。 ２１．請求項８に記載の砥粒を含む結合研磨材工具。 【手続補正書】 【提出日】１９９７年８月２６日 【補正内容】 請求の範囲 １．実質的に均一な結晶形態をそのアルミナが有するα−アルミナ砥粒であっ て、前記砥粒が、改変剤成分として、 （ａ）酸化イットリウム及び希土類金属酸化物の中の少なくとも１つ、並びに 、 （ｂ）マグネシウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、 亜鉛、及び、リチウムから成るグループから選択される金属の酸化物の１つ以上 を含み、 グループ（ａ）から選択される前記改変剤成分が、少なくとも、前記砥粒の表 面から20ミクロン以内における平均濃度に等しいか又はこれより高い前記砥粒内 平均濃度を有するα−アルミナ砥粒。 ２．前記グループ（ａ）から選択される前記改変剤成分が、前記砥粒内に実質 的に均一に分布している請求項１に記載の砥粒。 ３．全ての改変剤成分が前記砥粒内部に実質的に均一に分布している請求項１ に記載の砥粒。 ４．前記改変剤成分の合計量が前記α−アルミナの重量の0.10重量％から２重 量％までであり、且つ、前記グループ（ａ）成分の各々が前記α−アルミナの重 量の0.02重量％から0.35重量％までである請求項１に記載の砥粒。 ５．各々に0.02重量％から0.2重量％まで（最大量は0.2重量％）の酸化イット リウム又は酸化ランタンと、各々に0.01重量％から0.4重量％まで（最大組合せ 量は1.5重量％）の、マグネシウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト 、ニッケル、亜鉛から成るグループから選択される金属の酸化物の少なくとも１ つとを含む請求項１に記載の砥粒。 ６．前記アルミナ相がサブミクロンの結晶構造を有する請求項１に記載の砥粒 。 ７．実質的に均一なサブミクロンの結晶形態をそのアルミナが有するα−アル ミナ砥粒であって、その砥粒が、改変剤成分として、 （ａ）酸化イットリウム及び酸化ランタン、並びに、 （ｂ）マグネシウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、 亜鉛、及び、リチウムから成るグループから選択される金属の酸化物の１つ以上 を含み、 グループ（ａ）から選択される前記改変剤成分が前記砥粒の内部に実質的に均 一に分布している 前記砥粒。 ８．各々に0.02重量％から0.2重量％まで（最大量は0.22重量％）のイットリ ウム又は及びランタンと、各々に0.01重量％から0.2重量％まで（最大量は0.8重 量％）の、マグネシウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル 、亜鉛から成るグループから選択される金属の酸化物の少なくとも１つとを含む 請求項７に記載の砥粒。 ９．改変剤成分の混和によって改変させたアルミナ砥粒の生産のためのプロセ スであって、α−アルミナ前駆物質のゲルを乾燥させて焼成し、多孔性アルミナ 相を生じさせることと、その後で、可溶性の熱分解性塩の形の改変剤成分と、水 と反応して塩基を生じさせ且つα−アルミナが反応中に形成される温度よりも低 い温度で分解して揮発性気体を形成する塩基発生添加剤とを含む溶液で、前記多 孔性アルミナ相を溶浸することと、前記多孔性アルミナをα相に変換させるのに 充分な高温度で焼成することとを含み、 前記改変剤成分が、 （ａ）酸化イットリウム及び希土類金属酸化物の中の少なくとも１つ、並びに 、 （ｂ）マグネシウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、 亜鉛、及び、リチウムから成るグループから選択する金属の酸化物の１つ以上で あり、 （ｃ）グループ（ａ）から選択される前記改変剤成分の量が、前記砥粒の表面 から20ミクロン以内における平均濃度に等しいか又はこれより高い平均濃度を前 記砥粒の内部において生じさせるような量である 前記プロセス。 10．前記改変剤成分の添加量が、前記改変剤成分全てが前記砥粒内に実質的に 均一に分布するような量である請求項９に記載のプロセス。 11．添加する前記改変剤成分の合計量が、前記アルミナを基準として1.5重量 ％未満である請求項９に記載のプロセス。 12．前記多孔性アルミナ材料を真空中に置いて前記溶浸を行う請求項９に記載 のプロセス。 13．前記アルミナゲルが、更に、α−アルミナへの転移温度を低下させ且つサ ブミクロンのアルミナ結晶構造を生じさせるのに効果がある核形成剤も含む請求 項９に記載のプロセス。 14．添加する前記改変剤成分の合計量が、前記アルミナの重量を基準として１ .0重量％未満である請求項13に記載のプロセス。 15．請求項１に記載の砥粒を含む研磨布紙 16．請求項１に記載の砥粒を含む結合研磨材工具。 17．請求項７に記載の砥粒を含む研磨布紙。 18．請求項７に記載の砥粒を含む結合研磨材工具。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．実質的に均一な結晶形態をそのアルミナが有するα−アルミナ砥粒であっ て、前記砥粒が、改変剤成分として、 （ａ）酸化イットリウム及び希土類金属酸化物の中の少なくとも１つ、並びに 、 （ｂ）マグネシウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、 亜鉛、及び、リチウムから成るグループから選択される金属の酸化物の１つ以上 を含み、 グループ（ａ）から選択される前記改変剤成分が、少なくとも、前記砥粒の表 面から２０ミクロン以内における平均濃度に等しいか又はこれより高い前記砥粒 内平均濃度を有するα−アルミナ砥粒。 ２．前記グループ（ａ）から選択される前記改変剤成分が、前記砥粒内に実質 的に均一に分布している請求項１に記載の砥粒。 ３．全ての改変剤成分が前記砥粒内部に実質的に均一に分布している請求項１ に記載の砥粒。 ４．前記希土類金属酸化物が酸化ランタンである請求項１に記載の砥粒。 ５．前記改変剤成分の合計量が前記α−アルミナの重量の約０．１０重量％か ら約２重量％までであり、且つ、前記グループ（ａ）成分の各々が前記α−アル ミナの重量の約０．０２重量％から約０．３５重量％までである請求項１に記載 の砥粒。 ６．各々に０．０２重量％から約０．２重量％まで（最大量は約０．２重量％ ）の酸化イットリウム又は酸化ランタンと、各々に約０．０１重量％から約０． ４重量％まで（最大組合せ量は約１．５重量％）の、マグネシウム、チタン、ク ロム、マンガン、鉄、コバ ルト、ニッケル、亜鉛から成るグループから選択される金属の酸化物の少なくと も１つとを含む請求項１に記載の砥粒。 ７．前記アルミナ相がサブミクロンの結晶構造を有する請求項１に記載の砥粒 。 ８．実質的に均一なサブミクロンの結晶形態をそのアルミナが有するα−アル ミナ砥粒であって、その砥粒が、改変剤成分として、 （ａ）酸化イットリウム及び酸化ランタン、並びに、 （ｂ）マグネシウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、 亜鉛、及び、リチウムから成るグループから選択される金属の酸化物の１つ以上 を含み、 グループ（ａ）から選択される前記改変剤成分が前記砥粒の内部に実質的に均 一に分布している 前記砥粒。 ９．各々に０．０２重量％から約０．２重量％まで（最大量は約０．２２重量 ％）のイットリウム又は及びランタンと、各々に約０．０１重量％から約０．２ 重量％まで（最大量は約０．８重量％）の、マグネシウム、チタン、クロム、マ ンガン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛から成るグループから選択される金属の 酸化物の少なくとも１つとを含む請求項８に記載の砥粒。 １０．改変剤成分の混和によって改変したアルミナ砥粒の生産のためのプロセ スであって、α−アルミナ前駆物質のゲルを乾燥させて焼成し、多孔性アルミナ 相を生じさせることと、その後で、可溶性の熱分解性塩の形の改変剤成分と、水 と反応して塩基を生じさせ且つα−アルミナが反応中に形成される温度よりも低 い温度で分解して揮発性気体を形成する塩基発生添加剤とを含む溶液で、前記多 孔性アルミナ相を溶浸することと、前記多孔性アルミナをα相に変 換させるのに充分な高温度で焼成することとを含み、 前記改変剤成分が、 （ａ）酸化イットリウム及び希土類金属酸化物の中の少なくとも１つ、並びに 、 （ｂ）マグネシウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、 亜鉛、及び、リチウムから成るグループから選択する金属の酸化物の１つ以上 である前記プロセス。 １１．グループ（ａ）から選択される前記改変剤成分の量が、前記砥粒の表面 から２０ミクロン以内における平均濃度に等しいか又はこれより高い平均濃度を 前記砥粒の内部において生じさせるような量である請求項１０に記載のプロセス 。 １２．前記改変剤成分の添加量が、前記改変剤成分全てが前記砥粒内に実質的 に均一に分布するような量である請求項１１に記載のプロセス。 １３．前記塩基発生添加剤を、ホルムアミド、アセトアミド、及び、尿素から 成るグループから選択する請求項１０に記載のプロセス。 １４．添加する前記改変剤成分の合計量が、前記アルミナを基準として約１． ５重量％未満である請求項１０に記載のプロセス。 １５．前記多孔性アルミナ材料を真空中に置いて前記溶浸を行う請求項１０に 記載のプロセス。 １６．前記アルミナゲルが、更に、α−アルミナへの転移温度を低下させ且つ サブミクロンのアルミナ結晶構造を生じさせるのに効果がある核形成剤も含む請 求項１０に記載のプロセス。 １７．添加する前記改変剤成分の合計量が、前記アルミナの重量を基準として 約１．０重量％未満である請求項１６に記載のプロセ ス。 １８．前記塩基発生添加剤を、ホルムアミド、アセトアミド、及び、尿素から 成るグループから選択する請求項１６に記載のプロセス。 １９．請求項１に記載の砥粒を含む研磨布紙。 ２０．請求項１に記載の砥粒を含む結合研磨材工具。 ２１．請求項８に記載の砥粒を含む研磨布紙。 ２２．請求項８に記載の砥粒を含む結合研磨材工具。