KR100263596B1 - 연소용 졸-겔 알루미나 입자 - Google Patents

Abstract

건조되었지만 연소되지 않은 졸-겔 알루미나는, 건조된 겔을 휘발성 물질이 겔 입자로부터 제거되는 온도보다 높은 온도로 유지된 노로 공급하여 폭발적으로 분쇄시킬 수 있다. 적절한 승온에서, 연소는 연마용 그릿으로서 직접 사용하기에 적합한 크기의 완전 치밀화된 알파 알루미나 입자를 형성하기에 충분하다.

Description

[발명의 명칭]

연소용 졸-겔 알루미나 입자

[도면의 간단한 설명]

도1은 씨딩된 졸-겔 알루미나에 대한 시차 열분석(DTA)의 트레이스(tarce)를 나타내며,

도2는 본 발명의 방법의 한 양태를 실행하기 위하여 채택된 장치를 단순화시킨 정면도를 나타내는 것이다.

[발명의 상세한 설명]

[배경기술]

본 발명은 알루미나 연마용 그릿(abrasive grit), 특히 연마 성능이 개선된 졸-겔 알루미나 연마재에 관한 것이다.

졸-겔 알루미나 연마재는 통상 알파 알루미나 전구체의 졸 또는 겔(이는 일반적으로 보에마이트이지만, 반드시 그런 것은 아니다)을 약 125내지 200℃에서 건조시켜 겔의 물 성분을 제거하고, 건조된 겔을 연마용 그릿으로서 바람직한 크기의 입자로 분쇄한 후에, 임의로 입자를 하소(일반적으로, 약 400내지 800℃의 온도에서)시켜 알루미나의 중간 형태를 형성한 다음, 최종 단계로서 하소된 조각이 감마 알루미나와 같은 중간 형태로부터 알파 알루미나 형태로 전환되기에 충분히 높은 온도에서 이를 연소시겨 제조한다. 간단한 졸-겔 방법이, 예를 들면, 미국특허 제4,314,827호, 제4,518,397호 및 제4,881,951호와, 영국특허원 제2,099,012호에 기술되어 있다. 실리카, 침정석 구성분(예 : 마그네시아) 및 기타 금속 산화물 부가제(예 : 지르코니아, 이트리아, 희토류 금속 산화물, 티타니아 및 전이 금속산화물 등)와 같은 개질 부가제가 소량으로 사용되어 결정 크기를 약 1내지 10μ으로 감소시키고 특정한 물리적 특성을 개선시키는 하지만, 상기 형태의 졸-겔 알루미나는 결정 크기를 최대 25μ 또는 그 이상으로 가지는 경향이 있다.

졸-겔 방법의 특히 바람직한 형태에 있어서, 알파 알루미나 전구체는 결정구조가 알파 알루미나 자체와 동일하고 격자 파라미터가 알파 알루미나 자체와 가능한 한 근접한 물질로 "씨딩(seeding)"된다. "씨드"는 가능한 한 미분된 형태로 가하여 졸 또는 겔 전체에 균일하게 분산시킨다. 이는 처음부터 가할 수도 있고, 아니면 동일 반응계내에서 형성시킬 수도 있다. 씨드의 기능은, 알파 형태로의 변형이 씨드의 부재하에 요구되는 온도보다 훨씬 낮은 온도에서도 전구체 전체에 걸쳐서 균일하게 이루어지도록 유발하는 것이다. 이러한 방법으로 인해, 알파 알루미나의 개개 결정(즉, 높은 각도의 결정 입계에 의해 인접한 결정으로부터 분리되는 실질적으로 동일한 결정학적 배향 영역)의 크기가 매우 균일하고 직경이 필수적으로 모두 마이크론 단위 이하(예: 약 0.1내지 약 0.5μ)인 결정 구조가 생성된다. 적절한 씨드는 알파 알루미나 자체 뿐만 아니라 알파 산화철, 아산화크롬, 니켈 티타네이트와 같은 기타 화합물을 포함하며, 또한 알파 알루미나와 충분히 유사한 격자 파라미터롤 가짐으로써 당해 씨드의 부재하에 전환이 통상 일어나는 온도 미만에서 전구체로부터 알파 알루미나를 생성하기에 효과걱인 다수의 기타 화합물을 포함한다. 이와 같이 씨딩된 졸-겔 방법의 예가 미합중국 특허 제4,623,364호, 제 4,744,802호, 제4,954,462호, 제4,964,883호, 제5,192,339호, 제5,215,551호, 제5,219,806호 및 다수의 기타 문헌에 기재되어 었다.

임의 단계인 건조된 졸-겔의 하소 단계는 높아진 연소 온도에서의 필요 시간을 최소화하기 위하여 종종 바람직하다. 이는, 연소 작업이 전이 알루미나 형태를 알파 형태로 전환시키는 과정과 알파 알루미나를 잔류 다공성에 근접하도록 소결시키는 과정을 수행하는 한편 입자가 연마용 그릿으로서 잘 기능하기에 적절한 밀도 및 경도를 갖도록 보장하기 때문이다. 일반적으로, 소결 온도는 씨딩되는 졸-겔물질의 경우 1300내지 1400℃이고 씨딩되지 않는 졸-겔 알루미나의 경우에는 이보다 약 100℃가 더 높은데, 소결 온도에서 지나치게 긴 시간이 소요되면 결정의 성장이 유도될 수 있다는 사실이 공지되어 있다. 결정의 성장은 일반적으로 바람직하지 못한 것으로서 간주되므로, 하소 단계를 별도로 수행함으로써 이러한 승온에서의 시간을 최소화하는 것이 적절하다고 여겨진다. 이 방법은 두개의 고온 작업을 유지하기 위한 막대한 경비에도 불구하고 그대로 사용되고 있다.

건조 단계에 이어서 파쇄 및 스크리닝 작업이 수행되므로, 입자는 실온으로 감온되고, 입자를 건조시키는 데 사용된 열은 주위로 발산된다. 이는 물론 매우 비효율적이다.

파쇄 작업은 건조 후에 수행하는데, 이는 이 시점에서 입자가 비교적 용이하게 파쇄되기 때문이다. 파쇄 작업을 연소작업후에 수행할 경우, 입자가 너무 딱딱해져서 과량의 에너지를 필요로 한다. 따라서, 예비 연소 단계에서 파쇄하는 것이 통상적이다. 또한, 연소는 보다 효율적이라고 여겨지는데, 이는 입자의 크기가 작으면 입자가 노에서 연소 온도에 이르는 시간이 단축되기 때문이다.

오늘날, 졸-겔 방법에 의한 알루미나의 제조와 관련된 에너지 소비가 현저히 감소될 수 있음이 밝혀졌다. 이는 통상의 방법을 고안하는데 사용된 직관적인 추론과는 완전히 상반되는 방법으로 공정을 조작함으로써 성취된다. 신규한 방법은 완전히 치밀화되어 있고 연마용으로 사용하기 위하여 잘 채택되는 매우 바람직한 형태로 알파 알루미나 입자를 생성한다. 더욱이, 이 시스템은 수득된 연마용 그릿에 대한 디자인이 허용될 정도로 충분한 가요성이 있다.

[발명의 일반적인 설명]

본 발명의 방법은 휘발성 성분의 함량이 5중량% 이상이고 건조되었지만 연소되지 않은 졸-겔 알루미나를 400℃ 이상의 온도로 유지되는 노에 직접 공급하고 노의 온도와 노에서의 체류 시간을 조절하여 폭발적으로 분쇄된 알루미나를 제조하는 것을 포함한다. 노의 온도가 충분히 높고 노에서의 체류 시간이 충분히 긴 특정 조건에서, 졸-겔 알루미나는 직접 알파 알루미나 형태로 전환되어, 이론치 밀도의 95% 이상인 밀도로 소결될 수 있다.

일반적으로 졸-겔 알루미나는 건조되어 크기가 수 mm인 덩어리를 형성하는데, 이는 기본적으로 건조된 보에마이트로서 이들의 분자는 각각 물의 회합 분자를 가지며, 추측컨데 건조 단계 이후에도 일부 수분은 완전히 제거되지 않는 채 잔류한다. 또한, 마그네시아, 이트리아, 루비디아, 카에시아, 희토류 금속 산화물 또는 전이 금속 산화물과 같은 유용한 개질제를 이들의 가용성 질산염의 형태로 졸-겔에 종종 가하면, 이들 또한 건조된 겔에 휘발성 성분(예 : 산화질소)을 공급한다. 겔산 또는 아세트산과 같은 산이 졸-겔을 콜로이드 용액으로 만들기 위하여 사용되는 경우, 건조된 졸-겔에 이들 산이 또한 잔류할 수 있다. 일반적으로, 건조된 겔에서 이의 전체 휘발성 성분은 약 5내지 50중량%, 바람직하게는 약 10내지 약 45중량%이고, 보다 바람직하게는 약 20내지 약 40중량%이다. 건조는 일반적으로 약 200℃미만의 온도에서 수행되며, 이 보다 훨씬 더 낮은 온도에서 수행되는 경우가 더 빈번하다. 이러한 이유로, 건조된 겔을 노에 충전시키는 경우에, 이는 상당량의 휘발성 물질을 함유한다.

고온에 급속하게 노출시킴으로써 급격하게 탈수시키는 방법은 EP-A 제0 176476호 및 EP-A 제0 518 106호에 기재되어 있지만, 이 방법은 하이드라질리트의 미세 분말에만 적용되며 보에마이트 또는 반응성 성형체의 제조시의 중간 단계로서 고안된 것이다.

본 발명은 주로 건조된 졸-겔 물질의 폭발적인 분쇄에 관련된 것이지만, 이들 물질은 또한 자체적으로는 휘발성 물질을 전혀 포함하지 않는 다른 화합물을 포함할 수 있다. 따라서, 졸-겔 물질에 알파 또는 감마 알루미나 분말, 탄화규소(둘다 미립자이고, 위스커(whisker) 형태임), 지르코니아, 입방형 질화붕소 및 다른 연마재와 같은 성분을 포함시킬 수 있는데, 단 건조된 혼합물중의 휘발성 물질의 전체 함량은 5중량% 이상을 유지해야 한다.

건조된 겔의 덩어리를 노에 가하는 경우, 덩어리중의 휘발성 물질은 폭발적으로 팽창하여 이들을 더 작은 입자로 부서뜨리는데, 이러한 입자는 연마용으로 사용하기에 매우 적합하다. 노에서의 체류 시간이 충분히 길면, 잔류하는 보다 작은 입자는 알파상으로 신속히 전환되어, 필수적으로 완전 치밀화된 형태로 매우 신속히 소결된다. 이 방법의 폭발성은 바람직한 양태에서 분쇄의 수준을 넘어서서 알파 상으로의 연소를, 어떤 경우에는 필수적으로 이론치 밀도로 소결됨을 포함함에도 불구하고, 이를 익숙한 표현대로 "폭발적 분쇄"로서 기술하고자 한다. 온도가 다소 낮으면, 분쇄량이 다소 감소될 수 있고, 주로 보다 큰 조각으로 파쇄될 수 있으며, 나머지 조각에 약한 선이 생성되어 후속 분쇄 작업으로 이들이 용이하게 파쇄될 수 있게 된다. 그러나, 이것도 또한 폭발적 분쇄로서 간주된다.

따라서, "폭발적으로 분쇄된" 물질은 건조된 졸-겔 알루미나 입자가 노에 공급된 다음 외부적으로 부과되는 힘 없이도 적어도 부분적으로 작은 입자로 파쇄되는 경우에 형성되는 것으로 간주된다.

노에서의 체류 시간이 비교적 짧거나 노의 온도가 비교적 낮은 경우, 소결 공정 및 심지어 알파 상으로의 전환은 물질이 노에서 배출되는 경우에도 완결될 수 없다. 이러한 경우에, 입자의 일부 또는 전부는 어느 정도 다공성일 수 있고, 비교적 느슨하게 결합된 이들 큰 입자는 가벼운 분쇄 작업을 거친 후 별개의 노에서 이론치의 95%를 초과하는 밀도로 소결되거나, 회전식 노를 2차로 통과됨으로써 파쇄시킬 수 있다. 이는 매우 강력한 폭발적 분쇄에 의해 특정 연마용으로는 덜 유용할 수도 있는 매우 미세한 입자를 상당량 제조할 수 있으므로 종종 바람직한다. 덜 심한 폭발적 분쇄는 심지어 분명하게 파손되지 않은 입자를 후속 작업에서 매우 용이하게 분쇄시키는 효과를 갖는다. 이와 달리, 그리고 종종 바람직하게는, 어느 정도의 다공성을 갖는 경우가 많으며 완전히 폭발적으로 분쇄되지는 않은 연소 물질은 적어도 부분적으로 휘발성 액체(예 : 물)에 함침된 다음, 회전식 노를 1회 이상 통과하여 분쇄공정을 완결할 수 있다.

위에서 기술한 바와 갈이 다공성인 생성물을 제조하기 위한 절하면, 다공성 물질을 개질제 용액(예 : 마그네슘, 이트륨, 전이 금속, 루비듐, 카에슘 또는 희토류 금속의 가용성 염의 수용액)에 함침시키는 기회를 얻게 된다. 소결시, 이들 물질은 일반적으로 매우 효과적인 형태로 개질 산화물을 생성하는 동시에, 폭발적 분쇄를 일으키는 데 사용될 수 있는 추가량의 휘발성 물질을 생성한다.

겔이 건조 전에 압출되는 경우, 압출 구멍이 큰 것 보다는 작은 경우가 더유용한 것으로 밝혀졌다. 따라서, 1.6 mm의 구멍을 통해 압출된 겔은 직경이 6 mm인 구멍을 통해 압출된 겔 보다 더 폭발적으로 분쇄된다. 또한, 직사각형 구멍을 통해 압출됨으로써 수득된 것과 같은 각진 압출물보다는 둥근 압출물이 더 바람직하다.

위의 방식으로 제조된 연마용 입자는 종종 예상밖으로 보다 통상적인 방법에의해 수득된 입자보다 우수한 연마 성능을 갖는다. 이는 분쇄 기술이 연마용 그릿구조에 미시적인 결함을 유발할 수 있는 형태의 물질에 물리적 응력을 부과하지 않기 때문인 것으로 이론화된다. 이론과는 무관하게, 이러한 성능 개선은 놀랍고도 중요하다.

따라서, 본 발명은 또한 신규 알루미나성 연마재 입자를 포함한다. 폭발적 분쇄에 의해 수득된 입자는 독툭한 형태 및 크기 분포를 가지며, 이는 또한 위에서 언급한 우수한 연마 성능에 기여할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이들은 이들의 제조방법의 결과로서 균일한 단면 형태롤 갖는 성형 입자 또는 압출 입자와는 상이하다. 대신에, 이들 연마재 입자는 불규칙한 형태롤 가지며, 특히 최장축에 따르는 단면이 불규칙한데, 이것이 분쇄된 입자를 특성화한다.

일반적으로, 비성형 방법에 의해 제조되는 연마용 그릿은 조각이 보다 큰 물질을 분쇄함으로써 수득한다. 이러한 분쇄를 수행하기 위한 두개의 기본적인 통상의 기술로서 충격 파쇄 기술 및 로울 파쇄 기술이 있다. 충격 파쇄로 인해 개개의 그릿은 L/D 또는 종횡비(최장축에 수직인 최대 길이(D)에 대한 최장축의 길이(L)의 비)가 1에 근접하는 보다 뭉특한 형태를 가지게 된다. 로울 파쇄에 의해 제조된 그릿은 보다 약한 형태를 가지게 되고, 실제로 이의 평균 종횡비는 1이상이다. 물론, 로울 파쇄된 그릿에서 실제 종횡비의 범위가 존재하지만, 이는 대부분 실질적으로 2 미만이다.

"그릿 크기"는 통상 메시 구경의 크기가 상이한 일련의 시브(sieve)를 사용하여 측정한다. 그릿이 상호 수직인 세개의 치수를 특징으로 하는 경우에, "그릿 크기"의 측정시 조절된 치수가 두 번째로 가장 큰데, 그 이유는 그릿이 이의 최장축을 따라 배향되는 경우에 그릿이 통과할 수 있는 최소 구멍의 크기를 상기 조절된 치수가 결정하기 때문이다. 본 발명에 따르는 그릿이 통상적인 그릿 보다 평균적으로 다소 긴 경우에, 이들은 확실히 그릿당 보다 큰 평균 용적을 가질텐데, 이는 실제로도 그러한 것으로 밝혀졌다.

본 발명에 따르는 연마용 알루미나 그릿은 세로 방향에 대하여 비대칭적이며, 제조시 및 그릿 크기 분율 내에서, 종횡비가 2:1 이상안 그릿을 25% 이상, 바람직하게는 30% 이상, 보다 바람직하게는 50% 이상 포함한다.

통상적인 로울 파쇄된 알루미나 연마용 그릿은, 제조되는 그릿 크기 분율 내에서 종횡비가 2:1 이상인 그릿을 25% 이하, 일반적으로는 약 19내지 25%로 갖는 것으로 밝혀졌다. 알루미나 그릿을 구성하는 특정 알루미나보다는 오히려 이러한 비율이 공정의 함수로서 작용하는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 본 발명에 따르는 그릿은 선행 기술 분야의 그릿과는 확실히 상이하다. 이는 대부분 하기의 실시예에 기술된 바와 같은 본 발명에 따르는 그릿의 연마 성능이 크게 증가됐다는 점에 의해 확실히 드러난다.

씨딩된 졸-겔의 온도가 상승됨에 따르는 이의 시차 열분석의 트레이스인 도1에 제시된 도면으로부터, 약 400℃에서 흡열이 이루어짐을 알 수 있다. 이는 물, 산 및 염 분해산물을 포함하는 휘발성 물질의 손실을 나타내는 것이다. 이는 폭발적 분쇄를 유발하는 휘발성 물질의 손실이다. 확실히, 이러한 손실이 빨라지면 빨라질수록, 분해는 보다 폭발적이 된다. 약 600℃까지, 제거되는 휘발성 물질의 양이 상당히 감소되며, 무수 상의 알루미나(예 : 감마 알루미나)로의 전환이 완결된다. 여전히 고온인 경우에에, 알파 상으로의 전환이 개시된다. 씨딩된 졸-겔 물질에 있어서, 이는 약 1150℃ 또는 이 보다 낮은 온도에서 유발된다. 이는 도1의 피크에 의해 지시된다. 씨딩되지 않은 졸-겔에 있어서, 트레이스는 매우 유사하며, 알파 전환 피크가 다소 고온, 추측컨데 1250℃ 정도에서 생성되는 점만 상이하다.

본 발명을 수행하기 위하여는, 반드시 휘발성 물질이 배출되기 시작하는 온도에서 가열해야 한다. 확실히, 최소 온도보다 높은 온도가 최대의 폭발 효과를 갖는 매우 신속한 분해에 유용하다. 그러나, 가열이 충분히 신속하다면, 심지어 위의 범위의 하한선인 적절한 온도도 효과적으로 사용될 수 있다.

위의 범위의 하한선인 온도(즉, 알파 알루미나가 여전히 형성되지 않는 온도)가 사용되는 경우에, 폭발적으로 분쇄된 물질은 다시 연소 작업을 하여 알파 상으로의 전환이 완결되고, (경우에 따라), 물질을 필수적으로 이론치 밀도(일반적으로, 95%를 초과하는 밀도)로 소결시켜야 한다. 이로 인해 추가의 비용이 소요되지만, 훨씬 더 튼튼하고 비용이 훨씬 적게 드는 회전식 노 물질의 사용으로 탄화규소관은 모든 작업이 동시에 수행되는 노에 대한 표준이 되었다.

폭발적인 분쇄를 수행하기전에, 졸-겔 알루미나는 통상 약 200℃ 미만, 보다 바람직하게는 훨씬 낮은 온도(예 : 약 75내지 약 175℃)에서 건조시킨다.

위에서 제시된 바와 같이, 건조된 졸-겔 물질의 큰 입자는 최대 팽창 및 폭발적 분쇄를 성취하기 위하여 가능한 한 신속하게 가열하는 것이 상당히 바람직하다. 도2의 단순화된 정면도 및 부분 단면도에 제시된 장치는 이들 요건에 부합되기에 적합하다. 직경이 약 0.5내지 약 1cm인 졸-겔 알루미나의 파쇄되지 않은 건조된 입자를 호퍼(1)에 공급하고, 이로부터 이들을 진공식 공급기(2)를 통하여 제2공급기(3)로 공급한다. 이러한 제2공급기는 입자를 공기 이덕터(4)로 배출하고, 이는 다시 포트(5)를 통해 도입되는 압축 공기 스트림을 사용하여 입자를 가속화시킨다. 이는 도관(6)을 통해 노 내부의 뜨거운 영역에 인접한 지점(8)에서, 상부 및 하부 말단을 갖는 회전식 노(7)로 입자를 운반한다. 사용시, 입자는 이들이 뜨거운 영역으로 도입될 때 폭발하여, 분쇄된 입자를 노의 하부 말단(9)으로 배출한다.

폭발적인 분쇄 방법에 있어서, 건조된 겔 덩어리의 가열은 바람직하게는 최대의 폭발 효과를 성취하기 위하여 신속히 수행한다. 도2에 제시된 것과는 다른 몇가지 노 디자인을 이 요건에 부합되도록 채택할 수 있지만, 본 방법을 수행하기에 상당히 적합한 노는 수평에 대하여 일정 각도로 경사지고 이의 축에 대하여 회전하는 관을 포함하며, 관은 외부에서 적용되는 열에 의해 가열된다. 관의 회전은 관 내부의 덩어리 또는 입자가 일정하게 움직여서 덩어리 또는 입자가 다른 부분을 배제하면서 관과 접촉됨으로써 가열되지 않도록 하는 것을 보장한다. 관의 회전속도 및 경사각은 노 내부에서의 체류 시간을 결정한다. 이들 파라미터는 바람직하게는 덩어리 내부로부터의 휘발성 물질의 증발이 점진적으로라기보다는 신속하게 유발되도록 조절된다. 이로 인하여 덩어리의 폭발적 분쇄 후에 헝성된 입자는 연소 및 치밀화틀 위해 최대 시간을 소요할 수 있게 된다.

임의로 유동층을 갖는 배치식 노와 마이크로파 또는 유도 가열을 사용하는 노를 포함하는 다른 노 디자인이 바람직하게 사용될 수 있다.

알루미나를 편리하게 소결시키는데 필요한 정도의 연소 온도에서 사용되는 회전식 노는 탄화규소 관이다. 이는 탄화규소 관이 세로 방향의 온도 변환 및 관 길이에 따라 상이한 지점에서의 상이한 부하를 포함하는 공정의 물리적 요구를 수용할 수 있기 때문이다. 탄화규소는 또한, 예를 들면, 질산염 잔사가 제거되는 경우에 생성될 수도 있는 산성 기체에 내성이 있다. 그러나, 완전 소결이 일어나는 온도보다 낮은 온도에서 폭발적인 분쇄 및 알파 형태로의 전환을 수행하고자 한다면, 최대 약 1200℃의 온도를 견딜 수 있는 금속 합금[예: "인코넬(Inconel)"]을 사용할 수 있다.

회전식 노를 사용하는 경우에, 본 발명의 방법은 뜨거운 영역에서 약 1초내지 약 30분, 바람직하게는 약 2초내지 약 20분의 체류 시간이 필요하다. 이러한 체류 시간을 수득하기 위하여, 관의 경사각은 바람직하게는 약 1내지 약 60°, 보다 바람직하게는 약 3내지 약 20°이며, 회전 속도는 바람직하게는 약 0.5내지 약 20rpm, 보다 바람직하게는 약 1내지 약 15rpm이다.

씨딩된 졸-겔 알루미나를 연소시키는 경우에, 회전식 노의 뜨거운 영역에서의 연소 온도는 일반적으로 약 400내지 약 1500℃, 보다 바람직하게는 약 600내지 약 1400℃이다. 씨딩되지 않은 졸-겔 알루미나의 경우, 뜨거운 영역은 바람직하게는 약 400내지 약 1650℃, 보다 바람직하게는 약 600내지 약 1550℃의 온도로 유지한다.

본 발명의 폭발적 분쇄 방법에 의해 수득한 입자는 두드러진 종횡비를 갖는다. 즉 이들은 다른 것 보다 실질적으로 더 긴 하나의 치수를 갖는다. 이러한 입자는 특히 피복 연마재에 유용하다.

본 발명의 방법은 특히, 이들을 연마용으로 사용하고자 하는 경우, 모든 형태의 졸-겔 입자의 제조에 적용시킬 수 있다. 졸-겔은 씨딩되거나 씨딩되지 않을 수 있고, 사용된 조건의 유일한 차이는 졸-겔이 씨딩되지 않은 경우에 일반적으로보다 높은 소결 온도가 필요하다는 것이다. 이는 또한 미분된 알파 알루미나 입자가 덩어리로 형성되는 소결 알루미나에 적용하여, 액체로 함침시키기 전에 부분 소결시킨 다음 폭발적으로 분쇄시켜 연마 제품을 제조할 수 있다.

본 발명의 방법은 선행 기술 분야에서 통상적인 물리적 분쇄 단계를 제거할수 있으므로, 건조된 겔은 건조기로부터 노로 직접 공급될 수 있다. 이는 시간 및에너지 경비를 크게 절감한다.

[바람직한 양태의 설명]

이제, 본 발명의 방법은 특히, 회전식 노에서 씨딩된 졸-겔 알루미나의 연소에 대하여 기술한다. 이들 실시예는 단지 설명을 위한 것이며, 본 발명의 필수적인 범위에 대해 근본적인 제한을 가하려는 의도는 없다.

[실시예]

[실시예 1]

로스 혼합기(Ross mixer)에, 탈이온수 10,000g에 탈이온수중의 6% 씨드 슬러리 6,00Og을 가하여 제조한, BET 표면적이 약 120㎡/g인 알파 알루미나 씨드의 슬러리 및 탈이온수 74,657g을 충전시킨다. 36.00kg의 보에마이트(Condea GmbH에서 시판하는 "Disperal")를 또한 가하고, 혼합물을 배기시킨 다음, 5분동안 교반한다. 그 다음에, 탈이온수 5,014g중의 70% 질산 1,671g의 용액을 가하면서, 교반된 혼합물을 진공하에 유지하고, 5내지 10분동안 다시 교반한다. 이어서, 진공을 제거하고, 혼합물은 인-라인 혼합기(in-line mixer)-균질화기를 통과시키면서, 혼합물을 탈이온수 5,014g중의 70% 질산 1,671g의 용액에 주입시켜 겔화시킨다.

겔을 건조시키고, 크기가 약 0.25내지 1cm인 덩어리로 분쇄한 다음, 이들 덩어리를 노에 공급한다. 건조된 졸-겔 덩어리를 길이가 213cm이고 직경이 15cm이며 50cm의 뜨거운 영역이 1405℃로 유지되는 탄화규소 관을 포함하는 회전식 노에 직접 공급한다. 관은 수평에 대해 6°만큼 경사지고, 약 18rpm으로 회전한다.

덩어리를 50T 크기(〉 300μ 및 〈 355 μ)의 그릿이 물리적 시험을 위해 분리되는 입자 크기의 범위로 폭발적으로 분쇄시킨다. 연소된 물질이 회전식 노를 통과하는데 소요되는 시간은 약 1내지 2분이다. 연소된 그릿의 밀도는 3.8g/cc를 초과하며, 직경이 약 0.2μ인 알루미나 미세 결정 구성 성분을 포함한다.

비교하기 위하여, 동일한 졸-겔 제형을 동일한 방법으로 건조시키고, 로울파쇄시켜 -24 메시(〈710μ)의 입자를 생성한 다음, 약 800℃에서 하소시킨 후에, 통상적인 회전식 노에서 통상적인 방법으로 연소시킨다. 그릿은 본 발명에 따라 폭발적으로 분쇄된 것과 동일한 마이크론 단위 이하의 알루미나 결정 구성 성분을 포함한다.

이어서, 두개의 샘플을 정확히 동일한 양의 그릿, 보강재(backing), 메이커(maker) 및 호제 피복물(size coats)을 사용하여 연마용 벨트로 제조한다. 각각의 벨트는 표면적 1㎡당 590g의 그릿을 이동시키며, 너비가 6.4cm이고, 길이가 152.4cm이다. 벨트는 분당 9,000 표면 m로 움직이며, 6.8kg의 작용력하에 수 냉각제하에서 4분동안 304개의 스테인레스 스틸 바아를 절단하는 데 사용된다.

통상적인 그릿을 사용하여 제조한 벨트는 이 기간동안에 74g을 절단하지만, 폭발적으로 분쇄된 그릿으로부터 제조된 벨트는 94g을 절단하거나, 통상적인 벨트에 비하여 27% 개선된다.

[실시예 2]

크기가 약 +24T(〉 710μ)이고 실온에서 씨딩된 졸-겔 알루미나의 건조된 덩어리를 약 2.25내지 약 4.5kg/h의 속도로 실질적으로 도2에 기술된 것과 같은 장치를 사용하여 1000℃로 유지된 회전식 노의 뜨거운 영역에 직접 공급한다. 노는 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 것이지만, 단 약 1Orpm으로 회전되고 수평에 대해 약 7° 만큼 경사진 관을 사용한다. 겔 입자는 노에서 폭발적으로 분쇄되며, 그릿 크기 분포는 하기의 표 1에 기술한 것과 같다.

[표 1]

별개의 작업으로, 위에서 폭발적으로 분쇄된 물질을 3.8g/cc 보다 높은 밀도로 다시 소결시키는데, 소결된 물질의 크기 범위가 하기의 표 2에 제시되어 있다.

두 세트의 그릿의 경우에, 알루미나는 마이크론 단위 이하의 결정 구성 성분 형태이다.

[표 2]

[실시예 3]

본 실시예는 본 발명의 신규한 연마용 그릿 및 이의 제조 방법을 기술하는 것이다.

씨딩되지 않은(green seeded) 알루미나 겔은 다음과 같이 제조한다:

두개의 시그마 블레이드 및 압출 스크류가 장착된 매우 견고한 제이코 혼합기(Jaygo mixer)에, "디스퍼랄"(Disperal, 제조원: Condea)이란 상표명으로 시판되고 있는 보에마이트 148kg 및 탈이온수 40kg을 가한다. 이 혼합물을 역 방향으로 작용하는 스크류를 사용하여 약 5분동안 교반한다. 이어서, 수성 알파 알루미나 슬러리(BET 표면적이 110㎡/g 보다 큰 알파 알루미나의 4% 고체 분산액 29kg)를 가하고, 계속해서 다시 8분동안 혼합한다. 이어서, 22% 질산 30kg을 가하고, 계속 해서 다시 20분동안 혼합한다. 최종적으로, 압출 스크류을 앞 방향으로 작동시켜, 생성된 겔을 6.3mm의 압출 다이를 통해 압출시킨다. 이어서, 압출된 겔은 물함량이 약 30내지 35중량%가 되도록 건조시킨다. 건조된 압출 겔을 두 부분으로 나눈다.

처음 부분은 로울 파쇄하여, 600내지 800℃에서 하소시킨 다음, 회전식 노에서 이론치 밀도의 97% 이상으로 소결시킨다. 그 다음에, 소결된 그릿을 스크리닝하여 50T(〉 300μ 및 〈 355μ) 크기의 그릿을 분리하고, 이들 그릿의 종횡비 및 이들의 연마 성능을 평가한다. 이는 통상적인 로울 파쇄된 약한 형태의 졸-겔 알루미나 연마용 그릿을 나타낸다.

두번째 부분은 밀도가 이론치의 97% 이상이 되도록 실시예 2에 기술된 기술에 따라 처리하되, 폭발적으로 분쇄된 물질을 먼저 +10 메시(〉 2mm)로 스크리닝하여 미세한 입자를 제거한다. 유사한 50T(〉 300μ 및 〈 355μ) 크기의 그릿을 폭발적으로 분쇄된 생성물로부터 스크리닝한다. 이 분획에 대해 종횡비를 분석하고, 연마 성능을 또한 평가한다.

[종횡비 분석]

분석할 그릿을 50T 크기에 대해서는 -45+50(〈 355μ 및 〉 300μ)으로, 36T 크기에 대해서는 -30+35(〈 600μ 및 〉 500μ)로 스크리닝한다.

사용된 장치에는 니콘 마이크로 닉커(Nikon Micro Nikkor) 55 mm 마이크로 렌즈가 장착되고 벤허(Bencher) M2 사진대 위에 설치된 다게(Dage) MTIO PA-81 고해상도 흑백 카메라가 포함되며, 이 카메라를 사용하여 그릿 상을 포착한다. 그릿을 흑색 종이 위에(백색 입자에 대해) 분산시키고, 시야에서 수개의 그릿을 사진찍는다. 천장의 형광빛에 의해서만 조명을 제공하고, 음영 또는 과잉 조명은 피한다.

카메라는 설치 브래킷의 상부 구멍 및 카메라 뒤의 중심 구멍을 사용하여 사진대에 설치하고, 수직 트래블러(vertical traveler)는 44cm의 위치에서 사진대 위에 고정시킨다. 렌즈 구경은 F-2.8이다. 이 시스템은 사진대의 바닥에 미터 자를 놓고 카메라의 초점을 맞춘 다음 목적하는 길이의 라인을 고정하여 보정하는데, 이때 라인의 길이는 실제로 10mm 또는 1,OOOμ인 것으로 확인되었다.

그 위에 연마용 그릿과 함께 흑색 종이를 다른 시야로 움직여서 상이한 그릿을 분석한다.

상을 포착하고, 콤픽스 C 이미징 1280/심플 51 소프트웨어 시스템(Compix C Imaging 1280/Simple 51 software system)을 사용하여 분석한다. 상 증진 방법으로 하나의 연마 작업을 수행하여 감지 도중에 그릿의 가장자리에 다시 고정되는 것을 돕는다. 이어서, 이중 상이 생성되며, 상을 조절하여 두개의 연마용 그릿이 서로 접촉되지 않도록 하거나, 명백히 변형된 상을 제거하도록 한다. 감지된 그릿에 대한 최소 크기 범위는 종이와 결합된 상에서 바탕 노이즈(background noise)를 제거하기 위하여 2O0μ²으로 고정한다. 이러한 최소 범위는 이렇게 시험된 그릿을 배제하지 못하는 것으로 밝혀졌다.

심플 51 소프트웨어를 사용하여 수거한 측정치에는 시야에서 각각의 그릿에 대한 면적, 최대 길이 및 최대 너비가 포함된다. 샘플당 200내지 250개 이상의 그릿에 대한 이들 파라미터를 측정한다. 이어서, 수집한 데이터를 마이크로소프트의 엑셀^R(릴리즈 5.0) 소프트웨어로 옮겨, 평균, 표준 편차, 종횡비 및 관련된 누적 데이터를 측정한다.

[연마 성능의 평가]

연마용 그릿을 페놀성 접착제가 피복된 천 보강재 위에 표준 피복 중량으로정전기적으로 부착시킨다. 이어서, 접착제를 경화시킨다. 이어서. 페놀성 수지호게 피복물을 연마용 그릿에 적용시키고, 호제 피복물을 경화시킨다. 피복된 연마재를 길이가 152.4cm이고 너비가 6.35cm인 무한 벨트로 전환시킨다. 이 벨트는 6.8kg의 힘하에서 304개의 스테인레스 스틸 바아를 절단함으로써, 수성 냉각제를 사용하여 914.4 표면m/분의 선속도로 고정된 힘의 방식으로 시험한다. 20분동안 절단된 전체 스티을 시험의 끝 단계에서 측정한다.

제조된 모든 그릿은 평균 절편법으로 측정한 직경이 약 0.2내지 약 0.4μ인 알파 알루미나 결정 구성 성분으로 구성된 미세결정성 구조를 갖는다.

위의 결과로부터, 폭발적으로 분쇄된 그릿은 연마 성능이 매우 우수하며, L/D 비가 2.0 보다 크거나 같은 입자의 비가 훨씬 높다는 점에서 비교 실시예의 약한 형태의 입자와는 아주 상이하다.

[실시예 4]

본 실시예는 실시예 3과 대등하게 수행하되, 단 다소 상이한 졸-겔 방법을 사용한다. 기타 모든 측면에서, 실시예는 동일하다.

대조용 그릿 및 본 발명에 따르는 그릿을 모두 제조하기 위해 사용되는 방법은 다음과 갈다:

혼합 탱크에 물 908kg, 표면적이 120㎡/g 보다 큰 알파 알루미나 씨드 4중량%를 함유하는 희석된 알파 알루미나 시드 118kg(다이아모나이트 저순도 알루미나매질을 사용하여 스웨코 분쇄기(Sweco mill)에서 마이크론 단위 이하의 알파 알루미나의 8% 수성 분산액을 분쇄하여 제조함) 및 21% 질산 41kg을 충전시킨다. 혼합물을 고속 분산기 블레이드를 사용하여 교반하고, 배기시켜 기포를 제거한다. pH는 약 4로 밝혀졌다. 이어서, 이 분산액을 0.6ℓ/분으로 공급되는 21% 질산과 함께 이를 인-라인 균질화기를 통해 펌핑하여 이를 균질화시킨다. 생성된 겔을 건조시켜 물 함량이 약 30내지 35%가 되도록 한다.

이어서, 건조된 겔을 두 부분으로 나누고, 실시예 3에 기술된 바와 같이 다시 처리하여 평가한다. 결과는 다음과 같다:

이 데이터로부터, 고체 함량이 낮은 방법인 경우에, 통상적인 방법에 의해 제조된 입자와 본 발명의 방법에 의해 제조된 입자 사이에는 현저한 차이가 있음을 알 수 었다.

[실시예 5]

본 실시예는 평가되는 그릿의 크기를 제외하고는 실시예 3에 기술된 것과 동일한 방법을 사용하여 수행한다. 50T 그릿 대신에, 36T 크기의 분획을 분리하여 평가한다. 결과는 다음과 같다:

따라서, 보다 긴 그릿의 상대적인 수가 통상적인 방법으로 로울 파쇄시켜 수득한 수의 142%에 불과할지라도, 연마 성능에 대한 긍정적인 효과는 여전히 매우 놀라웁다.

[실시예 6]

본 실시예는 동일한 표준 45/50 크기로 등급이 나눠진 7개의 물질에 대한 치수 및 중량의 변화를 나타내는 것이다. 세개는 각각 본 발명에서 청구한 방법으로 폭발적으로 각각 분쇄된 씨딩된 졸-겔 알루미나 물질의 상이한 샘플이다. 나머지에는 본 발명에 따라 분쇄된 그릿이 제조되는 것과 유사한 씨딩된 졸-겔 알루미나 물질로부터 로울 파쇄에 의해 제조되는 세개의 샘플이 포함된다. 마지막 샘플은 "321 큐비트론(321 Cubitron)"이란 상표명으로 3M 코포레이션(3M Corporation)에서 시판하고 있는 알루미나 연마재 입자이다. 이 입자는 알루미나가 소량의 이트리아 및 희토류 금속 산화물에 의해 개질되는 씨딩되지 않는 졸-겔 알루미나 방법에 의해 제조됨을 알 수 있다. 그릿은 기계적 파쇄 작업에 의해 제조되는 것으로 사료된다. 이들은 평균 절편법에 의해 직경이 약 1내지 7μ인 알루미나 결정을 포함하는 결정 구조를 갖는다.

결과가 하기의 표 3에 제시되어 있다.

[표 3]

측정 기술은 위의 실시예 3에 기술된 바와 같되, 단 높이 측정은 백색광 간섭계 기술을 사용하여 수행한다. 데이터로부터, 그릿 크기 측정 치수(너비)는 모든 샘플의 통상의 그릿 크기(45/50)로 인하여, 샘플의 범위에 있어서 단지 약 54μ 만큼 상이하고, 평균 높이 및 너비는 모두 중복되는 범위를 포함하지만, 평균 길이 및 결과적으로 차지하는 평균 중량은 확실히 범위가 구별되며, 본 발명에 따라 파쇄된 그릿은 선행 기술 분야의 로울 파쇄된 그릿 보다 길이가 더 길고 더 무겁다.

Claims (5)

1. 건조되었지만 연소되지 않은 졸-겔 알루미나를 포함하며 휘발성 물질의 함량이 5내지 60중량%인 조성물의 폭발적 분쇄 방법으로서, 관이 수평에 대해 1내지 60°의 각도로 경사지고 0.5내지 40rpm으로 회전하며 400내지 1600℃의 온도로 유지되는 관형 회전식 노로 조성물 입자를 직접 공급하고, 노의 최대 온도 영역(뜨거운 영역)에서의 체류 시간을 1초내지 30분으로 조절하여 폭발적으로 분쇄된 알루미나 입자를 제조함을 포함하는 방법.
2. 건조되었지만 연소되지 않은 씨딩된 졸-겔 알루미나를 포함하며 휘발성 물질의 함량이 20내지 40중량%인 조성물의 폭발적 분쇄 방법으로서, 관이 수평에 대해 2내지 20°의 각도로 경사지며 2내지 20rpm으로 회전하고 뜨거운 영역이 600내지 1500℃의 온도로 유지되는 관형 회전식 노로 조성물을 공급함을 포함하는 방법.
3. 휘발성 물질의 함량이 20내지 40중량%이고 건조되었지만 연소되지 않은 씨딩되지 않은 졸-겔 알루미나의 폭발적 분쇄 방법으로서, 관이 수평에 대해 3내지 20°의 각도로 경사지며 1내지 20rpm으로 회전하고 뜨거운 영역이 600내지 1650℃의 온도로 유지되는 관형 회전식 노로 건조된 졸-겔을 공급함을 포함하는 방법.
4. 세로 방향에 대하여 비대칭적이고, 제조시 및 그릿 크기 분율내에서 종횡비가 2:1 이상인 그릿을 25% 이상 포함하며, 밀도가 이론치 밀도의 95% 이상인 알루미나 연마용 그릿.
5. 제4항에 따르는 연마용 그릿을 포함하는 결합 연마재.

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