JPH10506669A - 改良されたαアルミナ砥粒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 酸化ルビジウムと酸化セシウムから選択されたアルカリ金属酸化物を含む改良された研磨性能を有する種添加ゾルゲルアルミナ砥粒。

Description

【発明の詳細な説明】 改良されたαアルミナ砥粒 発明の背景 本発明は、アルミナ質の砥粒、とりわけ改良された研磨性能を有するゾルゲル アルミナ研磨材に関する。 ゾルゲルアルミナ研磨材は、通常、αアルミナ前駆体（常にではないが一般に ベーマイト）のゾル又はゲルを乾燥し、乾燥したゲルを加熱して所望サイズの粒 子にし、次いでその片をαアルミナの形態に転化するのに十分高い温度で最終的 に焼成することによって製造される。簡単なゾルゲルプロセスは、例えば米国特 許第4,314,827 号、同4,518,397 号、同4,881,951 号、イギリス特許出願第2,09 9,012 号に記載されている。 ゾルゲルプロセスの特に望ましい態様において、αアルミナ前駆体は、αアル ミナそのものと同じ結晶構造、及び出来るだけ近い格子定数を有する物質で「種 添加」される。「種添加」は、出来るだけ微細に分割された形態で添加され、ゾ ル又はゲルの全体にわたって均一に分散される。これは最初から添加することも でき、あるいはその場で生成させることもできる。 種の役割は、種が存在しない場合に必要なよりもはるかに低い温度で、前駆体 の全体にわたって均一にα形態への変態を生じさせることである。このプロセス は、αアルミナの個々の結晶（即ち、高角度の粒界によって隣接結晶から隔てら れた実質的に同じ結晶配向の領域）のサイズが非常に均一で、直径が実質的に全 てサブミクロンである結晶構造を生成する。適切な種には、αアルミナそのもの が挙げられるが、さらに、α酸化第二鉄、亜酸化クロム、チタン酸 ニッケル、及びこのような種が存在しない場合に転化が通常に生じるよりも低い 温度で前駆体からαアルミナを発生させるのに有効な、αアルミナに十分近い格 子定数を有するその他の多数の物質が挙げられる。このような種添加ゾルゲルプ ロセスの例は、米国特許第4,623,364 号、同4,744,802 号、同4,954,462 号、同 4,964,883 号、同5,192,339 号、同5,215,551 号、同5,219,806 号、及びその他 の多くに記載されている。 この分野における特許の多くは、グレインの特性、特には硬度を改良するため 、添加剤（一般に耐熱性酸化物）の使用に注力してきた。これらの多くは、アル ミナと相互作用して、結晶成長改良剤、又はアルミナ結晶中もしくは粒界でスピ ネルやマグネトプランバイトの発生剤として作用するものと思われる。ここで、 アルカリ金属酸化物だけはこれら検討の酸化物から除外されてきたが、これは、 上記課題の早期の特許において、ゾルゲルアルミナ研磨材の性能にとって有害で あると判断されたためである。これに関する１つの例外は、米国特許第5,190,56 7 号であり、この特許は、酸化リチウムが微細な構造組織を生成する上で非常に 有効なことを予想外に見出したと教示している。 本発明の概説 本発明の１つの局面は、酸化ルビジウム、酸化セシウム、及びこれらの群より 選択された酸化物を約0.01〜約２重量％含むゾルゲルアルミナ砥粒を提供する。 本発明のもう１つの局面において、酸化マグネシウム、ジルコニア、及びこれ らの混合物からなる群より選択された酸化物の約0.1 〜約20％と、酸化ルビジウ ム、酸化セシウム、及びこれらの群より選択された酸化物を約0.01〜約２重量％ 含むゾルゲルアルミナが提 供される。 本発明のさらにもう１つの局面において、ゾルゲルアルミナは、種添加ゾルゲ ルアルミナであって、約２〜約10％の酸化マグネシウムと、酸化ルビジウム、酸 化セシウム、及びこれらの群より選択された酸化物を約0.05〜約１重量％含んで なる。 ゾルゲルアルミナが種添加アルミナの場合、使用される種はαアルミナである ことが好ましい。種は、所与の重量の種について最大限の起こり得る核発生座の 数を得るため、出来るだけ微細に分割されるべきである。一般に、約0.1 μｍを 下回る種が、より好ましくは約0.05μｍを下回るものが選択される。アルミナの 不純物がそれ程問題にならない場合、α酸化第二鉄又は加熱するとα酸化第二鉄 を生成する物質を使用することもでき、例えは、加熱すると極めて微細に分割さ れた形態の種を容易に発生される米国特許第4,954,462 号に使用される「含水鉄 ポリマー」が挙げられる。 本発明のゾルゲルアルミナ研磨材中に存在する酸化ルビジウム、酸化セシウム 、又はこれら酸化物の混合物の量は、砥粒中のアルミナの全重量を基準に約0.01 〜約２％、好ましくは約0.03〜約１％、最も好ましくは約0.05〜約0.5 ％でよい 。 酸化ルビジウム又は酸化セシウムは、酸化マグネシウムと共存すると、特に首 尾よく機能することが見出されている。酸化マグネシウムは、スピネルの形態で 存在することが最も多く、その全量は、MgO として計算して、砥粒中のアルミナ の全重量の約0.1 〜約20％、好ましくは約0.5 〜約15％でよい。 好ましい態様の説明 次に本発明を、本発明の範囲に含まれる特定の処方に関して説明する。ここで 、これらの例は本発明の本質的な範囲に何らかの必要 な制限を示すものと解釈すべきでない。 例１（比較例） 50,000グラムの脱イオン水と、約120m²/g の表面積を有するαアルミナ粒子の 固形分６％の水系スラリーの2,333 グラムに、7,000 グラムのベーマイト（Cond ea GmbH 社より商標「Disperal」として入手可能）をRossミキサー中で混合した 。この分散系を減圧下で連続的に混合した。この攪拌後の分散系に、50,000グラ ムの脱イオン水中の70％硝酸の400 グラムの溶液を添加し、攪拌をさらに10分間 継続し、次いで10,000グラムの脱イオン水中の1,781 グラムの硝酸マグネシウム 六水和物の溶液を添加し、さらに15分間にわたって混合した。この終了時点で、 分散系はゲル状であった。 このゲルの約17,275グラムを90℃で２〜３日間乾燥させ、ゲルが乾いてかりか りになるまでさらに125℃で乾燥させた。次いでこの乾燥したゲルを直径約0.6 〜約1.2 mmの塊に破砕し、次いで直径約15cm×長さ約215cm で長さ約63cmの高温 ゾーンを有する炭化ケイ素チューブを備えた既加熱ロータリー炉の中で直接加熱 した。チューブは水平に対して６°傾き、約12 rpmで回転させた。グレインは爆 発し、同時に炉の中で約3.87g/ccの密度まで緻密化した。 例２ 例１の処方を踏襲したが、但し、ゲルを乾燥させる前に硝酸ルビジウムの５％ 溶液の25.2グラムを17,275グラムのゲルに混ぜた。 例１と２で得られた砥粒を、研磨布紙構造におけるそれらの研磨特性について テストしたが、ここで砥粒はフェノール樹脂で支持した。２回行った実験の結果 を下記の表１に示す。 例３（比較例） 900kg の水と、約120m²/g のBET 表面積を有するαアルミナ種晶を４重量％含 む水系スラリーの118kg を、567kg のベーマイト（Condea GmbH 社より商標「Di speral」として入手可能）と21％硝酸の40.5kgと一緒に混合タンクに入れた。次 いでこの混合物を高速攪拌翼を用いて混合し、減圧して気泡を除去した。この混 合物のpHは約４であった。 次いでこの分散系を、0.6 リットル／分の21％硝酸と共に10.6リットル／分の 速度でインラインホモジナイザーの中を通過させることによって均一にした。得 られたゲルを乾燥させ、ロール圧潰し、約1300℃の既加熱ロータリー炉の中で約 10分間焼成した。この物質を篩にかけて50T グリットにし、研磨布紙生産品のテ ストに供した（下記の表２参照）。 例４ Rossミキサーの中で、100,000 グラムの脱イオン水中のCondea「Disperal」の 14,850グラムの分散系に、約120m²/g のBET 表面積を有するαアルミナ種晶の固 形分６％の水系スラリーの4,950 グラムを混ぜた。連続的に攪拌しながら、この 分散系を減圧下に置いた。10,000グラムの脱イオン水中の70％硝酸の1060グラム の溶液。次いで30,000グラムの脱イオン水中の3,778 グラムの硝酸マグネシウム 六水和物を添加し、次いで10,000グラムの脱イオン水中の20.60 グラムの硝酸ル ビジウムとさらに20,000グラムの脱イオン水を添加した。 この分散系はゾルゲル状であり、乾燥させる前にこれをさらに５分間混合した 。この乾燥後のゲルを、次いで0.5 〜１cmを下回る片に破砕し、次いで直径約15 cm×長さ約215cm で長さ約61.6cmの高温ゾーンを有し、水平に対して６°傾き、 約12 rpmで回転する炭化ケイ素チューブを備えた既加熱ロータリー炉の中で約1, 330℃で加熱した。加熱後のグレインは3.8 グラム/cc を上回る密度を有し、平 均切断法で測定して直径0.2 μｍを下回る結晶から構成されていた。このグリッ トを篩にかけて50T のサイズにし、研磨布紙生産品を製造するために使用した。 例３と４の生産品の研磨性能を、グリットをフェノール樹脂のメーカーコート とサイズコートで支持して１平方メートルあたり590 グラムのグリット含む長さ 150cm×幅6.25cmの研磨ベルトの形態で評価した。 このベルトは、水冷却剤を使用し、900表面メートル／分の線速度で走行する 固定力モードでテストした。切削時間は４分間であり、切削した材料は6.75kgの 力でベルトに押しつけたステンレス鋼の棒であった。テスト中に切削したステン レス鋼の全重量を測定した。 例５ 例１（比較例）で調製したと同様なグレインを調製したが、相違として、ゲル を乾燥・加熱して研磨材グリットにする前に、硝酸ルビジウムの５％溶液の25.5 グラムを17,275グラムのゲルに混合した。その他の全ての方法は同一にした。 例１、３、及び５の方法で製造したグレインを研磨布紙試験リグにおける研削 性能について比較し、ここで、グリット（-45＋50メッシュ）はフェノール樹脂 のメーカーコートとサイズコートで支持した。それぞれにKBF₄を含むスーパーサ イズコードを添加した。各場合において、同じ量のグリット、メーカーコート、 サイズコート、スーパーサイズコートを使用した。試験リグを使用し、水基剤の 冷却剤を用いて、SUS304ステンレス鋼を切削し、切削がそれ以上検出されなくな るまで研磨を継続した。各場合において、切削した鋼の全量を測定した。その結 果を下記の表３に示す。 上記のデータより、酸化ルビジウムの添加の結果として得られた改良は極めて 顕著であり、従来の公知技術に基づいて予想できるものではないことが非常に明 白である。 例６ Rossミキサーの中で、Condeaの「Disperal」ベーマイトの14,850グラムに100, 000グラムの脱イオン水を混ぜる方法によって、本発明によるもう１つの生産品 を調製した。この混合物に約120m²/g の 表面積を有するαアルミナ種晶の固形分６％の水系スラリーの4,959 グラムを添 加した。混合物を減圧下で連続的に攪拌しながら、10,000グラムの脱イオン水中 の70％硝酸溶液の1,060 グラムの溶液を添加し、さらに10分間混合した。次いで 30,000グラムの脱イオン水中の3,778 グラムの硝酸マグネシウム六水和物の溶液 を添加し、さらに15分間にわたって混合を続けた。次いで10,000グラムの脱イオ ン水中の20.60 グラムの硝酸ルビジウムを添加し、さらに20,000グラムの脱イオ ン水を添加し、さらに10分間攪拌した。この混合物を乾燥させ、その乾燥後のゲ ルを直径0.5 〜1.0cm の粒子に破砕し、次いで例４で記載した型式のロータリー 炉中で加熱した。得られた加熱後のグリットは3.80グラム/ccを上回る密度を有 し、平均切断法で測定して直径約0.2 μｍを下回るαアルミナ結晶子から構成さ れていた。このグリットを篩にかけて50T のサイズにし、これを用いて通常の研 磨布紙ベルトを製造し、これを使用して固定力モードテストにおいてSUS304ステ ンレス鋼を研磨した。そのベルトを使用しながら水系の冷却剤を使用し、6.75kg の一定の力の下で20分間にわたってステンレス鋼を切削した。この終了時点で、 切削した全ての鋼を測定した。 同じ評価法を同じ研磨ベルトを製造するために用いたが、但し、例３に記載し た方法によって製造したグレインを使用した。その結果を下記の表４に示す。 例７ 110,000グラムの脱イオン水をRossミキサーに入れ、次いで約120m²/g の表面 積を有するαアルミナ種晶の固形分６％のスラリーを3,960 グラム添加した。こ の混合物を混合しながら、Condea GmbH から入手した「Disperal」の14,850グラ ムを添加した。減圧下で混合を５分間継続した。次いで10,000グラムの脱イオン 水中の70％硝酸の1,060 グラムの溶液を添加し、減圧下の攪拌をさらに10分間続 けた。次いで10,000グラムの脱イオン水中の3,778 グラムの硝酸マグネシウム六 水和物の溶液を添加し、さらに15分間にわたって減圧下で混合を続けた。最後に 、5,000 グラムの脱イオン水中の20.49 グラムの硝酸セシウムの溶液を添加し、 さらに５分間にわたって減圧下で攪拌した。次いで得られたゲルを乾燥させ、0. 5 〜１cmの片に破砕し、高温ゾーンを1383℃に維持した既加熱のロータリー炉の 中に直接供給した。この炉は、直径約15cm×長さ約215cm で約60cmの高温ゾーン を有する炭化ケイ素チューブを備えた。このチューブは約12 rpmで回転し、水平 に対して６°傾斜した。 このようにして得られたグレイン（-45＋50メッシュ）を、例１と３（双方と も比較例）で製造したグレインと、研磨布紙技術によって評価した。その結果を 下記の表５に示す。

【手続補正書】 【提出日】１９９７年１１月１９日 【補正内容】 （１）特許請求の範囲を別紙の通り補正します。 （２）明細書第５頁下から２行目の「の溶液。」を『の溶液を添加した。』と 補正します。 請求の範囲 １．酸化ルビジウム、酸化セシウム、及びそれらの混合物からなる群より選択 されたアルカリ金属酸化物を0.01〜２重量％含んでなるゾルゲルアルミナ砥粒。 ２．酸化マグネシウムとジルコニアからなる群より選択された酸化物を0.1 〜 20重量％さらに含んでなる請求項１に記載のゾルゲルアルミナ砥粒。 ３．アルミナが種添加ゾルゲルアルミナである請求項１に記載のゾルゲルアル ミナ砥粒。 ４．アルカリ金属酸化物が酸化ルビジウムである請求項１に記載のゾルゲルア ルミナ砥粒。 ５．0.03〜１重量％の酸化ルビジウムと0.5 〜15重量％の酸化マグネシウムを 含んでなる種添加ゾルゲルアルミナ砥粒。 ６．0.05〜0.5 重量％の酸化ルビジウムと0.5 〜15重量％の酸化マグネシウム を含んでなる種添加ゾルゲルアルミナ砥粒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．酸化ルビジウム、酸化セシウム、及びそれらの混合物からなる群より選択 されたアルカリ金属酸化物を約0.01〜約２重量％含んでなるゾルゲルアルミナ砥 粒。 ２．酸化マグネシウムとジルコニアからなる群より選択された酸化物を約0.1 〜約20重量％さらに含んでなる請求項１に記載のゾルゲルアルミナ砥粒。 ３．アルミナが種添加ゾルゲルアルミナである請求項１に記載のゾルゲルアル ミナ砥粒。 ４．アルカリ金属酸化物が酸化ルビジウムである請求項１に記載のゾルゲルア ルミナ砥粒。 ５．約0.03〜約１重量％の酸化ルビジウムと約0.5 〜約15重量％の酸化マグネ シウムを含んでなる種添加ゾルゲルアルミナ砥粒。 ６．約0.05〜約0.5 重量％の酸化ルビジウムと約0.5 〜約15重量％の酸化マグ ネシウムを含んでなる種添加ゾルゲルアルミナ砥粒。 ７．請求項１に記載の砥粒を含んでなる結合砥粒製品。 ８．請求項５に記載の砥粒を含んでなる結合砥粒製品。 ９．請求項１に記載の砥粒を含んでなる研磨布紙。 10．請求項５に記載の砥粒を含んでなる研磨布紙。