KR101316665B1

KR101316665B1 - 알루미나질 소결체, 숫돌입자, 및 숫돌

Info

Publication number: KR101316665B1
Application number: KR1020137011035A
Authority: KR
Inventors: 신이치로 토미카와; 히로카즈 미야자와; 타케시 이에무라
Original assignee: 쇼와 덴코 가부시키가이샤
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2013-10-10
Also published as: KR20130089257A; JPWO2012060211A1; CN103189329B; PL2636655T3; TWI465319B; US20130312336A1; EP2636655A1; CN103189329A; WO2012060211A1; EP2636655B1; US8894730B2; SI2636655T1; TW201240773A; EP2636655A4; JP4976601B2

Abstract

티타늄 화합물 및 철 화합물을 포함하는 알루미나질 소결제로서, 티타늄 화합물을 TiO₂ 환산한 함유량과 철 화합물을 Fe₂O₃ 환산한 함유량과 알루미나 함유량의 합계량이 98질량% 이상이고, 티타늄 화합물을 TiO₂ 환산한 함유량과 철 화합물을 Fe₂O₃ 환산한 함유량의 합계량이 5∼13질량%이며, 티타늄 화합물을 TiO₂ 환산한 함유량과 철 화합물을 Fe₂O₃ 환산한 함유량의 질량비(TiO₂:Fe₂O₃)가 0.85:1.15~1.15:0.85인 알루미나질 소결체, 및 그 알루미나질 소결체를 이용하여 이루어지는 숫돌입자 및 숫돌이다.

Description

알루미나질 소결체, 숫돌입자, 및 숫돌{ALUMINA SINTERED BODY, ABRASIVE GRAINS, AND GRINDSTONE}

본 발명은 알루미나질 소결체, 상기 알루미나질 소결체를 이용하여 이루어지는 숫돌입자, 및 상기 숫돌입자를 이용하여 이루어지는 숫돌에 관한 것이다.

알루미나질 소결체는 고경도, 고강도, 고내열성, 고내마모성 및 고내약품성 등에 뛰어나다는 특징을 살려서 다양한 산업분야에서 사용되고 있다. 특히, 철강산업에 있어서의 중연삭 숫돌의 원료(숫돌입자)로서 사용되고 있다.

또한, 자동차를 중심으로 하는 수송용 기기 또는 산업용 기계를 구성하는 부품의 재료로서 특수합금이 다용되고 있다. 이들 특수합금은 통상의 SUS304 등에 비하여 단단하기 때문에 종래에는 없었던 「연삭비」가 높은 중연삭 숫돌이 시장에서 요구되고 있다. 여기서, 「연삭비」란 숫돌의 성능을 나타내는 지표이며 이하의 식에 의해 나타내어진다.

연삭비=피삭재가 깎인 양(연삭량)/숫돌의 마모량

일반적으로, 적은 숫돌로 많은 피삭재를 깎을 수 있으면 성능이 좋다고 판단되지만, 숫돌의 연삭비는 그 숫돌에 사용되는 숫돌입자의 「경도」와 「파괴인성」에 영향받는다. 「연삭비와 경도」, 및 「연삭비와 파괴인성」의 사이에는 다음과 같은 관계가 있다고 생각되고 있다.

(1) 숫돌입자의 경도가 높아지면 연삭량이 증가하기 때문에 연삭비는 커진다.

(2) 파괴인성이 높아지면 숫돌입자의 마모량이 적어지기 때문에 연삭비는 커진다.

상기 (1) 및 (2)를 고려하면, 연삭비의 식에 있어서의 분자부분은 연삭량에 의해 영향받고, 분모부분은 마모량에 의해 영향받는다. 숫돌의 연삭비를 향상시키기 위해서는 경도 및 파괴인성이 모두 높은 것이 이상적이다.

여기서, 종래의 중연삭 숫돌용 숫돌입자로서는 알루미나질의 미분 원료를 소결시킨 숫돌입자(예를 들면, 특허문헌 1∼3 참조)나 용융 알루미나 지르코니아 숫돌입자(예를 들면, 특허문헌 4 참조), 고순도 미립 알루미나 분말에 산화마그네슘 등의 결정립 성장 억제제를 첨가한 숫돌입자(예를 들면, 특허문헌 5 참조) 등이 알려져 있다.

또한, 산화알루미늄을 주재로 하고 TiO₂를 첨가한 소결재료가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 6 참조). 또한, 고경도 및 고파괴인성을 갖는 내마모성이 우수한 알루미나 소결체로서 알루미나 결정 중에 고용 가능한 Ti, Mg, Fe 등의 금속 화합물을 첨가한 알루미나 소결체가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 7 참조).

일본 특허공고 소39-4398호 공보 일본 특허공고 소39-27612호 공보 일본 특허공고 소39-27614호 공보 일본 특허공고 소39-16592호 공보 일본 특허공고 소52-14993호 공보 일본 특허공개 평3-97661호 공보 일본 특허공개 평11-157962호 공보

그러나, 특허문헌 1∼5는 모두 고경도이고 저파괴인성, 또는 저경도이고 고파괴인성이며, 고경도이고 파괴인성이 높은 숫돌입자에 대한 구체적 개시는 없다. 특허문헌 6의 소결재료는 경도에 대한 평가는 되어 있지만, 파괴인성에 대해서는 일절 고려되어 있지 않다. 또한, 특허문헌 7의 알루미나 소결체는 Ti와 Mg의 조합, 및 Fe와 Mg의 조합만을 개시하고, 그 밖의 조합에 대해서는 구체적으로 개시되어 있지 않다.

본 발명은 이러한 상황 하에 이루어진 것이며, 고경도이고 파괴인성이 우수한 숫돌입자를 부여하는 알루미나질 소결체, 상기 알루미나질 소결체를 이용하여 이루어지는 숫돌입자 및 상기 숫돌입자를 이용하여 이루어지는 숫돌을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위하여 예의 연구를 거듭한 결과, 알루미나질 소결체에 함유시키는 화합물로서 티타늄 화합물(특히, 티타늄 산화물) 및 철 화합물(특히, 철 산화물)에 착안하여, 그것들의 합계량(각각을 산화물 환산한 함유량의 합계량)을 제어함으로써 알루미나질 소결체의 특성을 향상시키는 것이 가능하다는 것을 발견했다. 본 발명은 이러한 지견에 의거하여 완성된 것이다.

즉, 본 발명은 하기와 같다.

[1] 티타늄 화합물 및 철 화합물을 포함하는 알루미나질 소결제로서, 상기 티타늄 화합물을 TiO₂ 환산한 함유량과 철 화합물을 Fe₂O₃ 환산한 함유량과 알루미나 함유량의 합계량이 98질량% 이상이고, 티타늄 화합물을 TiO₂ 환산한 함유량과 철 화합물을 Fe₂O₃ 환산한 함유량의 합계량이 5∼13질량%이며, 티타늄 화합물을 TiO₂ 환산한 함유량과 철 화합물을 Fe₂O₃ 환산한 함유량의 질량비(TiO₂:Fe₂O₃)가 0.85:1.15~1.15:0.85인 것을 특징으로 하는 알루미나질 소결체.

[2] [1]에 있어서, 티타늄 화합물을 TiO₂ 환산한 함유량과 철 화합물을 Fe₂O₃ 환산한 함유량의 합계량이 7∼10질량%인 것을 특징으로 하는 알루미나질 소결체.

[3] 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 알루미나질 소결체로 이루어지는 숫돌입자.

[4] 상기 [3]에 기재된 숫돌입자의 층을 작용면으로 갖는 숫돌.

(발명의 효과)

본 발명에 의하면 고경도이며 파괴인성이 우수한 숫돌입자를 부여하는 알루미나질 소결체, 상기 알루미나질 소결체를 이용하여 이루어지는 숫돌입자 및 상기 숫돌입자를 이용하여 이루어지는 숫돌을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 알루미나질 소결체에 대한 충격의 전달 방식을 설명하는 작용 설명도이다.
도 2는 본 발명의 알루미나질 소결체에 대한 충격시험 전후의 SEM 사진이며, (A)는 충격시험 전의 결정조직의 모양(서멀 에칭처리 완료)을 나타내고, (B)는 충격시험 후의 크랙 전파의 모양(서멀 에칭처리 무)을 나타낸다.
도 3은 알루미나만으로 이루어지는 소결체에 대한 충격의 전파 방식을 설명하는 작용 설명도이다.
도 4는 알루미나만으로 이루어지는 소결체에 대한 충격시험 전후의 SEM 사진이며, (A)는 충격시험 전의 결정조직의 모양(서멀 에칭처리 완료)을 나타내고, (B)는 충격시험 후의 크랙 전파의 모양(서멀 에칭처리 무)을 나타낸다.
도 5는 실시예 4의 알루미나질 소결체의 조성 분석(X선 회절 측정) 결과를 나타내는 X선 회절도이다.

[알루미나질 소결체]

본 발명의 알루미나질 소결체는 티타늄 화합물 및 철 화합물을 포함하고, 티타늄 화합물을 TiO₂ 환산한 함유량(이하, 「TiO₂ 환산 함유량」이라고 하는 경우가 있음)과 철 화합물을 Fe₂O₃ 환산한 함유량(이하, 「Fe₂O₃ 환산 함유량」이라고 하는 경우가 있음)과 알루미나의 함유량의 3성분 합계량이 98질량% 이상으로 되어 있다.

또한, TiO₂ 환산 함유량과 Fe₂O₃ 환산 함유량의 2성분 합계량은 5∼13질량%로 되어 있고, 7∼10질량%로 되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 알루미나질 소결체에 있어서는 고경도이고 고파괴인성의 소결체를 얻기 위해서 TiO₂ 환산 함유량과 Fe₂O₃ 환산 함유량의 질량비(TiO₂ : Fe₂O₃)가 0.85:1.15∼1.15:0.85로 되어 있다.

상기 비(TiO₂ : Fe₂O₃)는 0.90:1.10∼1.10:0.90인 것이 바람직하고, 0.95:1.05∼1.05:0.95인 것이 보다 바람직하다.

여기에서, TiO₂ 환산 함유량 및 Fe₂O₃ 환산 함유량의 2성분 합계량과 경도의 관계에 대해서는 합계량이 많아질수록 경도는 낮아진다는 관계에 있지만, 2성분 합계량이 본 발명의 범위에 있으면 경도의 지표인 평균 비커스 경도가 예를 들면 16㎬ 이상으로 되고, 실용적으로도 우수한 경도를 갖게 된다.

한편, 2성분 합계량과 파괴인성의 관계에 대해서는 상기 경도와 같은 관계는 없지만, 본 발명자들은 2성분 합계량이 특정 범위에 있어서 파괴인성이 현저하게 높아지는 것을 발견했다. 즉, 2성분 합계량이 본 발명의 범위에 있으면 파괴인성값이 예를 들면 3.0㎫·m^1/2 이상으로 된다.

여기서, 상기와 같은 효과가 얻어진다고 추찰되는 메커니즘에 대해서 설명한다.

우선, 알루미나만으로 이루어지는 소결체의 경우는, 도 3에 나타내는 바와 같이 크랙의 전달 방식은 알루미나 입자(12)의 경계를 따라 화살표 Y방향으로 진행하게 된다. 그리고, 충격의 크기에 따라서는 도 4(B)의 SEM 사진으로 나타내는 바와 같이, 경계를 따라서 직선적으로 균열이 발생하게 된다. 또한, 도 4는 후술의 비교예 1에 의한 소결체의 SEM 사진이며, 도 4(A)는 충격을 가하기 전의 결정조직의 모양을 나타내고, 도 4(B)는 충격을 가한 후의 크랙 전파의 모양을 나타낸다.

한편, 티타늄 화합물 및 철 화합물을 함유시킴으로써 도 1에 나타내는 바와 같이 파괴인성값이 높은 복합 금속 산화물의 결정상(예를 들면 FeTiAlO₅ 입자(10))이 알루미나 입자(12)의 입계에 생성된다. 이 FeTiAlO₅ 입자(10)가 알루미나 입자(12)의 입계에 존재함으로써 충격을 가했을 때에 발생하는 크랙이 진행되어도 상기 입자(10)를 기점으로 크랙이 화살표 X방향으로 우회하도록 편향되기 때문에, 충격력이 일방향이 아니라 분산하여 완화된다. 그 때문에 전체로서 파괴인성값이 높아진다고 생각된다.

이것은 도 2에 나타내는 충격시험의 결과를 나타내는 SEM 사진으로부터도 알 수 있다. 즉, 도 2(A)의 SEM 사진과 같이 알루미나 입자의 입계에 FeTiAlO₅ 입자가 존재하는 상태에서 충격을 가하면, 도 2(B)와 같이 크랙은 FeTiAlO₅ 입자를 기점으로 이것을 우회하도록 진행한다.

또한, 도 2는 후술하는 실시예 3에 의한 소결체의 SEM 사진이며, 상기 도면 중의 알루미나 입자의 입계에 있는 3중점에 위치하는 회색부분(색이 옅은 부분)이 FeTiAlO₅ 입자에 상당한다.

또한, 후술의 알루미나질 소결체의 제조방법에 있어서 설명한 바와 같이, 제조 비용의 관점으로부터 Ti와 Fe를 포함한 원료로서는 일메나이트(티타늄철광:FeTiO₃)를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 알루미나질 소결체에 있어서는 커런덤 결정으로 구성되는 주결정상의 입계에 상술한 바와 같이 Ti, Fe 및 Al을 포함하는 복합 금속 산화물의 결정상, 구체적으로는 FeTiAlO₅ 입자가 존재한다. 이 FeTiAlO₅ 입자의 존재에 의해 고경도이고 파괴인성이 우수한 숫돌입자를 부여하는 알루미나질 소결체가 된다. 특히, FeTiAlO₅ 입자는 커런덤상보다 파괴인성이 높다는 작용에 의해 고경도이고 파괴인성이 우수한 알루미나질 소결체가 얻어진다. FeTiAlO₅ 입자로 이루어지는 결정상의 존재 및 평균 결정 사이즈는 후술의 실시예에 기재된 방법에 의해 확인할 수 있다.

Ti, Fe 및 Al을 포함하는 복합 금속 산화물의 결정상(FeTiAlO₅ 입자)의 평균 결정 사이즈는 고파괴인성화의 관점으로부터 3.4∼7.0㎛인 것이 바람직하고, 3.7∼6.5㎛인 것이 보다 바람직하다. 3.4∼7.0㎛임으로써 파괴시에 발생하는 크랙의 진행을 억제하는 효과가 커진다. 이것은 평균 결정 사이즈가 이 범위에 있음으로써 상기 FeTiAlO₅ 입자에 의한 크랙의 편향 효과를 양호하게 유지할 수 있다.

또한, 본 발명의 알루미나질 소결체는 보다 높은 파괴인성을 갖는 소결체를 얻기 위해서 TiO₂, Fe₂O₃ 및 Al₂O₃ 이외의 금속 화합물인 규소 화합물 및/또는 칼슘 화합물을 함유하는 것이 바람직하다.

규소 화합물을 SiO₂ 환산한 함유량(이하, 「SiO₂ 환산 함유량」이라고 하는 경우가 있음)과 칼슘 화합물을 CaO 환한한 함유량(이하, 「CaO 환산 함유량」이라고 하는 경우가 있음)의 합계량은 2질량% 이하로 되어 있는 것이 바람직하고, 0.5∼2질량%로 되어 있는 것이 보다 바람직하다.

규소 화합물 및 칼슘 화합물은 입성장제로서 작용하고, 이것들이 산화물 환산으로 2질량% 이하 존재함으로써 알루미나의 커런덤 결정의 형상·사이즈를 불균일하게 하고, 크랙의 편향을 발생시키는 것이라 생각된다. 즉, 특정량의 티타늄 화합물 및 철 화합물, 및 특정량의 규소 화합물 및 칼슘 화합물의 존재에 의해 각각의 작용이 조합되어서 크랙의 편향이 효율적으로 발생하고, 보다 높은 파괴인성화의 효과가 얻어진다고 생각된다.

여기서, 알루미나의 함유량이나, TiO₂ 환산 함유량, Fe₂O₃ 환산 함유량, SiO₂ 환산 함유량, CaO 환산 함유량, 기타의 금속 화합물의 금속 산화물 환산 함유량은 형광 X선 원소분석법에 의해 구할 수 있다. 구체적으로는 하기와 같이 하여 구한다.

우선 측정을 행하기 위해서 원소의 조성이 이미 알려진 표준 산화물 시료의 습식 분석을 행한다. 얻어진 습식 분석값을 기준값으로 해서 측정시에 필요한 검량선을 작성한다. 샘플의 정량분석은 이 작성한 검량선을 기초로 행한다. 측정기기로서는 Panalytical사 제, 「PW2400형」을 이용할 수 있다. 또한 측정은 관구:로듐 관구, 특성 X선:Kα선의 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 관전압 및 관전류는 원소마다 다른 조건에서 측정을 행하는 것이 바람직하다. 관전압과 관전류의 조건의 일례를 하기 표 1에 나타낸다.

또한, 본 명에서에 있어서 각 금속 산화물 환산 함유량을 구할 때의 분모가 되는 전체량은 알루미나질 소결체에 포함되는 모든 금속 원소를 산화물로 환산하여 합계한 양으로 된다.

금속 산화물마다의 관전압 및 관전류값

원소	관전압[kV]	관전류[mA]
Al	24	120
Fe	60	48
Ti	40	72
Si	24	120
Ca	40	72

[알루미나질 소결체의 제조방법]

이어서, 상술한 본 발명의 알루미나질 소결체의 제조방법에 대하여 설명한다.

(원료)

본 발명의 알루미나질 소결체의 제조방법에 있어서는 원료로서 알루미나, 티타늄 화합물, 철 화합물을 사용한다. 필요에 따라서 규소 화합물 및/또는 칼슘 화합물을 더 사용한다. 이것들은 2종 이상을 포함하는 복합 산화물이어도 좋다.

이들 원료의 형태로서는 분말, 금속 분말, 슬러리, 수용액 등이 예시되지만, 본 발명에 있어서는 작업시의 핸들링의 용이함 등의 관점으로부터 분말의 원료를 사용하는 것이 바람직하다. 분말 원료를 사용할 경우 알루미나 분말, 티타늄 화합물 분말, 철 화합물 분말, 규소 화합물 분말, 및 칼슘 화합물 분말의 누적질량 50%지름(d₅₀)은 균질한 혼합분말을 얻기 위해서 각각 3㎛ 이하인 것이 바람직하고, 1㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다.

여기서, 각종 분말의 누적질량 50%지름(d₅₀)은 레이저 회절법에 의해 측정할 수 있다.

알루미나 분말은 얻어지는 알루미나질 소결체에 있어서 커런덤 결정으로 이루어지는 주결정상을 형성하기 위한 원료이기 때문에 고순도인 것이 바람직하고, 예를 들면 바이어법으로 형성된 알루미나 등을 이용하는 것이 바람직하다.

티타늄 화합물 분말 및 철 화합물 분말로서는 각각 고순도의 TiO₂ 분말 및 고순도의 Fe₂O₃ 분말이어도 좋고, 티타늄, 철, 알루미나의 전부 또는 그것들 중 2종이 복합 산화물을 형성한 것이어도 좋다. 복합 산화물로서는 일메나이트(티타늄철광:FeTiO₃) 분말, 티타늄산 알루미늄 분말, FeTiAlO₅ 분말 등을 들 수 있다. 일메나이트 분말은 고순도의 TiO₂ 분말 및 고순도의 Fe₂O₃ 분말보다 저렴하기 때문에 숫돌입자의 제조비용을 억제할 수 있다. 따라서, 일메나이트 분말을 사용하는 것이 바람직하다.

여기서, 일메나이트는 티타늄철광으로도 불리고, 천연산의 철 및 티타늄의 산화광물이고, 조성으로서는 FeTiO₃로 나타내어진다. 산지로서는 호주, 노르웨이, 러시아 우랄 지방, 인도, 캐나다, 미국, 말레이시아 등이며, 산지에 따라 화학조성이 다르다. FeTiO₃의 Fe²⁺의 일부가 Mg²⁺로 치환된 것도 있다.

일메나이트(호주 퀸즐랜드산)를 구성하는 성분 중, 알루미나 성분과, 철 화합물, 티타늄 화합물, 규소 화합물 및 칼슘 화합물을 산화물 환산한 경우의 각각의 화학조성을 하기 표 2에 나타낸다.

일메나이트 중의 알루미나, 및 산화물 환산한 경우의 각 성분의 함유량(질량%)

Al₂O₃	Fe₂O₃	TiO₂	SiO₂	CaO
0.43	46.93	49.10	0.35	0.02

일메나이트 분말을 사용하는 경우, 알루미나 분말에 대한 일메나이트 분말의 질량 혼합비(일메나이트 분말:알루미나 분말)는 0.05:0.95∼0.16:0.84로 하는 것이 바람직하고, 0.08:0.92∼0.12:0.88로 하는 것이 보다 바람직하다. 질량 혼합비를 0.05:0.95∼0.16:0.84로 함으로써 TiO₂ 환산 함유량과 Fe₂O₃ 환산 함유량의 2성분 합계량을 5∼13질량%로 할 수 있다.

또한, 규소 화합물이나 칼슘 화합물을 사용하는 경우에는 규소 화합물을 SiO₂ 환산한 함유량과 칼슘 화합물을 CaO 환산한 함유량이 합계 2질량% 이하, 바람직하게는 0.5∼2질량%로 되도록 한다. 이것들을 이용함으로써 파괴인성값을 보다 향상시킬 수 있다.

규소 화합물 분말, 칼슘 화합물 분말로서는 각각 고순도의 SiO₂ 분말 및 고순도의 CaO 분말, 탄산칼슘 분말 등이어도 좋고, 실리카, 산화칼슘, 알루미나의 전부 또는 그것들 중 2종이 복합산화물을 형성한 것이어도 좋다. 복합산화물로서는 뮬라이트, 제올라이트, 벤토나이트, 겔레나이트, 회장석 등의 분말을 들 수 있다.

(혼합물의 조제)

본 발명의 알루미나질 소결체를 제조하는 방법에 있어서, 원료의 혼합물을 조제하는 방법에 특별히 제한은 없지만, 예를 들면 하기의 방법을 바람직하게 채용할 수 있다.

우선, 폴리비닐알콜을 포함하는 수성 매체 중에 바이어법으로 얻어진 알루미나 분말, 일메나이트 분말(또는 TiO₂ 분말과 Fe₂O₃ 분말)을 각각 소정량을 첨가한다. 그 후, 예를 들면 초음파 분산기, 유성 볼밀, 볼밀, 샌드밀 등의 미디어를 이용한 분산기, 알티마이저(상품명), 나노마이저(상품명) 등의 미디어리스 분산기 등을 이용하여 균질한 슬러리를 얻는다. 이어서, 이 슬러리를 건조 처리한 후 분쇄하여 누적질량 50%지름(d₅₀) 3㎛ 이하, 바람직하게 1㎛ 이하의 혼합물(분말)을 조제한다.

(혼합물의 소결)

상기와 같이 해서 조제된 원료의 혼합물 성형체를 소결해서 상대밀도 95% 이상, 바람직하게는 97% 이상인 본 발명의 알루미나질 소결체를 얻는다. 상대밀도가 95% 이상임으로써 소결체 중의 기공·공극에 기인하는 소결체 경도 및 파괴인성의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 상대밀도는 아르키메데스법으로 측정한 소결 부피밀도를 진밀도로 나누어서 구할 수 있다.

또한, 소결시에는 공지의 성형수단, 예를 들면 금형 프레스, 냉간정수압 프레스, 주입성형, 사출성형, 압출성형 등에 의해 임의의 형상으로 성형하고, 이어서 이 성형체를 공지의 소결법, 예를 들면 핫프레스법, 상압소성법, 가스 가압 소성법, 마이크로파 가열 소성법 등, 여러 가지 소결방법에 의해 소결한다.

이와 같이 하여 얻어진 본 발명의 알루미나질 소결체는 고경도이고 우수한 파괴인성을 갖고 있고, 예를 들면 연삭재, 연마재 등의 연삭·절삭·연마 등의 공구, 또한 철강산업에 있어서의 중연삭용 숫돌의 숫돌입자으로서 바람직하다.

[숫돌입자]

본 발명의 숫돌입자는 본 발명의 알루미나질 소결체로 이루어진다. 본 발명의 알루미나질 소결체는 분쇄처리, 혼련처리, 성형처리, 건조처리, 소결처리를 순차적으로 실시함으로써 얻어진다.

[숫돌]

본 발명의 숫돌은 본 발명의 숫돌입자의 층을 작용면으로 갖는 것이다.

본 발명의 숫돌에 있어서의 숫돌입자의 작용면으로의 고정방법으로서는 수지 본드, 비트리파이드 본드(vitrified bond), 메탈 본드, 전착 등을 들 수 있다.

또한, 베이스 메탈의 재질로서는 스틸, 스테인리스 합금, 알루미늄 합금 등을 들 수 있다.

수지 본드는 잘림성은 좋지만 내구성이 낮다. 비트리파이드 본드는 잘림성은 좋고, 내마모성도 양호하지만, 숫돌입자에 내부응력이 발생하여 숫돌입자가 갈라지거나, 깨지거나 하기 쉬워진다. 전착은 형상의 자유도가 크고, 잘림성도 양호하다.

이상을 감안하여 숫돌에 있어서는 그 용도에 따라서 숫돌입자의 고정방법이 선택된다.

구체적으로는, 예를 들면 수지 본드 숫돌의 경우 페놀 수지, 폴리이미드 수지 등의 결합제 분말과 숫돌입자를 혼합하거나, 또는 결합제를 숫돌입자에 코팅하여 금형에 충전해서 프레스 성형하는 방법, 또는 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 등의 액상의 결합제와 숫돌입자를 혼합하여 틀에 흘려넣어서 경화시키는 방법에 의해 베이스 메탈의 작용면에 숫돌입자층을 고정하여 이루어지는 본 발명의 숫돌이 얻어진다.

본 발명의 숫돌의 형상에 대해서는 특별히 한정은 없고, 숫돌의 용도에 따라서 스트레이트형이나 컵형 등의 형상으로부터 적절히 선택하면 좋다.

실시예

이어서, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만 본 발명은 이들 예에 의해 조금도 한정되는 것은 아니다.

또한, 각 예에 있어서의 모든 특성은 이하에 나타내는 방법에 따라서 구했다.

(1) 원료 분말의 누적질량 50%지름(d₅₀) 측정

원료 분말의 누적질량 50%지름(d₅₀)은 레이저 회절법[닛키소(주) 제, 마이크로트랙 HRA]에 의해 측정했다.

(2) 알루미나질 소결체의 평균 비커스 경도 측정

장치로서 (주)아카시 제, 기종명「MVK-VL, Hardness Tester」를 이용하고, 측정은 하중 0.98N, 압자의 박아넣음 시간 10초의 조건으로 하고, 15점의 측정값의 평균값을 평균 비커스 경도로 했다. 평균 비커스 경도가 16㎬ 이상이면 실용상 문제없다.

(3) 알루미나질 소결체의 평균 파괴인성값

장치로서 마츠사와 세이키(주) 제, 기종명「DVK-1」을 사용하고, 측정은 최대하중 9.81N, 압자의 박아넣음 속도 50㎛/sec, 압자의 박아넣음 시간 15초의 조건으로 15점의 평균값을 평균 파괴인성값으로 했다. 계산식은 이하와 같다. 또한, 평균 파괴인성값이 3.0㎫·m^1/2 이상이면 실용상 문제없다.

K _IC =0.026＊E ^1/2 ＊P ^1/2 ＊a/c ^3/2

K_IC : 파괴인성값(㎫·m^1/2)

E : 영률(Pa)

P : 최대하중(N)

a : 압괴치수(m)

c : 크랙의 치수(m)

또한, 본 발명에 있어서 상기 영률(E)은 알루미나의 값(3.9×10¹¹Pa)을 사용했다.

(4) 알루미나질 소결체의 각 결정상에 있어서의 평균 결정 사이즈의 측정

장치로서 니혼덴시(주) 제, 기종명 「JSM-6510V」를 이용하여 SEM 사진을 촬영했다. 얻어진 SEM 사진으로부터 각 결정상의 평균 결정 사이즈를 측정했다. 평균 결정 사이즈는 각 결정(50개)의 동일 방향에 있어서의 최대 길이를 직경법에 의해 측정하고, 평균을 산출하여 구했다.

(5) 알루미나질 소결체의 Ti, Fe 및 Al을 포함하는 금속 산화물 결정상의 조성 분석

장치로서 Panalytical사 제, 기종명「X'pert PRO」를 사용하고, 특성 X선 : CuKα선, 관전압 40kV, 관전류 40mA의 조건으로 상기 금속 산화물 결정상의 조성 분석을 행하였다.

(6) 상대밀도

상대밀도는 아르키메데스법으로 측정한 각 소결체의 부피밀도를 진밀도로 나누어서 했다.

이 때, 첨가한 철 화합물과 티타늄 화합물은 모두 반응해서 FeTiAlO₅로 되었다고 가정하고, 또한 알루미나의 진밀도를 3.98, FeTiAlO₅의 진밀도를 4.28로 하고, 생성될 수 있는 FeTiAlO₅의 비율과 잔부인 알루미나의 비율을 근거로 진밀도를 산출했다.

상술한 바와 같이, 소결체의 원료 형태로서는 분말, 금속 분말, 슬러리, 수용액 등을 들 수 있다. 본 실시예에 있어서는 작업시의 핸들링의 용이함 등의 관점으로부터 분말의 원료를 사용하는 것이 바람직하다고 생각하고, 분말 원료를 사용했다. 여기서, 원료로서 사용한 알루미나 분말, 일메나이트 분말, 산화철 분말 및 산화티타늄 분말의 화학조성(알루미나의 함유량, TiO₂ 환산 함유량, Fe₂O₃ 환산 함유량, SiO₂ 환산 함유량, CaO 환산 함유량)을 하기 표 3∼표 6에 나타낸다.

알루미나 분말 중의 알루미나, 및 산화물 환산한 경우의 각 성분의 화학조성(질량%)

Al₂O₃	Fe₂O₃	TiO₂	SiO₂	CaO
99.36	0.02	<0.01	0.01	<0.01

상기 아루미나 분말은 쇼와 덴코(주) 제 「AL-160SG-3」이며, 그 누적질량 50%지름(d₅₀)은 0.6㎛이다.

일메나이트(FeTiO₃) 분말 중의 알루미나, 및 산화물 환산한 경우의 각 성분의 화학조성(질량%)

Al₂O₃	Fe₂O₃	TiO₂	SiO₂	CaO
0.43	46.93	49.10	0.35	0.02

상기 일메나이트 분말은 호주산이고, 호주의 CRL(Consolidated Rutile Limited)사 제의 것을, 누적질량 50%지름(d₅₀) : 0.75㎛로 분쇄하여 이용했다.

산화철(Fe₂O₃) 분말 중의 알루미나, 및 산화물 환산한 경우의 각 성분의 화학조성(질량%)

Al₂O₃	Fe₂O₃	TiO₂	SiO₂	CaO
0.019	96.66	0.017	2.38	0.006

상기 산화철 분말은 리네산교(주) 제, 벤가라 SR-570이고, 그 누적질량 50%지름(d₅₀)은 0.5㎛이다.

산화티타늄(TiO₂) 분말 중의 알루미나, 및 산화물 환산한 경우의 각 성분의 화학조성(질량%)

Al₂O₃	Fe₂O₃	TiO₂	SiO₂	CaO
0.057	0	99.22	0	0.0011

상기 산화티타늄 분말은 쇼와 타이타늄(주) 제 「슈퍼 타이타니아(등록상표) G 시리즈」이고, 그 누적질량 50%지름(d₅₀)은 0.6㎛이다.

(실시예 1∼5 및 비교예 1∼7)

누적질량 50%지름(d₅₀) 0.6㎛의 상기 알루미나 분말과, 누적질량 50%지름(d₅₀) 0.75㎛의 상기 일메나이트 분말을, 형성되는 알루미나질 소결체 중의 TiO₂ 및 Fe₂O₃의 각 함유량이 표 7에 나타내는 값으로 되도록 혼합하여 각종 혼합물을 얻었다.

이 각종 혼합물에 각각 폴리비닐알콜 5질량%를 포함하는 수용액 300g과 순수를 600g 첨가하고, 볼밀로 분쇄·혼합 처리(실시예 1∼5 및 비교예 1∼6은 4시간, 비교예 7은 8시간)를 행하여 혼합물 농도가 약 25질량%의 균질한 각종 슬러리를 조제했다.

이어서, 이 각종 슬러리를 각각 120℃에서 24시간 건조처리한 후, 유발에 의해 해쇄 처리하여 누적질량 50%지름(d₅₀) 300㎛ 이하의 각종 분쇄품을 얻었다. 이 각종 분쇄품을 각각 100㎫의 압력으로 금형 성형한 후, 또한 150㎫의 압력으로 정수압 처리를 실시하여 각종 성형체를 제작했다.

그 후, 이 각종 성형체를 상대밀도가 95% 이상이 되도록 전기로(대기 분위기)에서 4시간 소성함으로써 각종의 알루미나질 소결체를 얻었다. 이것들에 대해서 상술한 바와 같은 실험(평가)을 행하였다. 결과를 하기 표 7에 나타낸다.

또한, 도 2에 실시예 3의 알루미나질 소결체에 대한 충격시험 전후의 SEM 사진을, 도 4에 비교예 1의 알루미나질 소결체에 대한 충격시험 전후의 SEM 사진을 나타낸다. 또한, 이들 도면 중, (A)는 충격시험 전의 결정조직의 모양을 나타내고, (B)는 충격시험 후의 크랙 전파의 모양을 나타낸다.

(실시예 6, 실시예 7 및 비교예 8, 비교예 9)

누적질량 50%지름(d₅₀) 0.6㎛의 상기 알루미나 분말과, 누적질량 50%지름(d₅₀) 0.5㎛의 산화철 분말, 및 누적질량 50%지름(d₅₀) 0.6㎛의 산화티타늄 분말을, 형성되는 알루미나질 소결체 중의 TiO₂ 및 Fe₂O₃의 각 함유량이 표 7에 나타내는 값으로 되도록 혼합하여 각종 혼합물을 얻었다.

이 각종 혼합물에 각각 폴리비닐알콜 5질량%를 포함하는 수용액 300g과 순수를 600g 첨가하여 볼밀로 분쇄·혼합 처리(처리시간: 4시간)를 행하여 혼합물 농도가 약 25질량%의 균질한 각종 슬러리를 조제했다.

이어서, 이 각종 슬러리를 각각 120℃에서 24시간 건조 처리한 후, 유발에 의해 해쇄 처리하여 누적질량 50%지름(d₅₀) 300㎛ 이하의 각종 분쇄품을 얻었다. 이 각종 분쇄품을 각각 100㎫의 압력으로 금형 성형한 후, 또한 150㎫의 압력으로 정수압 처리를 실시하여 각종 성형체를 제작했다.

이어서, 이 각종 성형체를 상대밀도가 95% 이상으로 되도록 전기로(대기 분위기)에서 4시간 소성함으로써 각종 알루미나질 소결체를 얻었다. 이것들에 대해서 상술한 바와 같은 시험(평가)을 행하였다. 결과를 하기 표 7에 나타낸다.

실시예 1∼7 및 비교예 3∼9의 알루미나질 소결체에 있어서 커런덤 결정으로 구성되는 주결정상의 입계에 존재하는 Ti, Fe 및 Al을 포함하는 금속 산화물 결정상은 FeTiAlO₅로 이루어지는 결정상인 것이 X선 회절측정에 의해 확인되었다.

또한, 도 5에 실시예 4의 알루미나질 소결체의 X선 회절측정의 결과를 나타낸다.

X선 회절측정의 데이터 해석은 PANalytical사 제의 해석 소프트 「X' Pert High Score Plus」를 이용하여 행하였다.

이 해석 소프트에서는 FeTiAlO₅의 구조를 1982년 Tiedemann 등이 발표한 문헌을 기초로 결정구조를 결정했다.

그것에 의해서 얻어진 패턴과 실험 샘플의 결과를 조합하여 피크가 FeTiAlO₅에 기인하는 것으로 판단했다.

10 : FeTiAlO₅ 입자
12 : 알루미나 입자
X : 크랙의 진행방향을 나타내는 화살표
Y : 크랙의 진행방향을 나타내는 화살표

Claims

티타늄 화합물 및 철 화합물을 포함하는 알루미나질 소결제로서:
상기 티타늄 화합물을 TiO₂ 환산한 함유량과 상기 철 화합물을 Fe₂O₃ 환산한 함유량과 알루미나 함유량의 합계량이 98질량% 이상이고,
상기 티타늄 화합물을 TiO₂ 환산한 함유량과 상기 철 화합물을 Fe₂O₃ 환산한 함유량의 합계량이 5∼13질량%이며,
상기 티타늄 화합물을 TiO₂ 환산한 함유량과 상기 철 화합물을 Fe₂O₃ 환산한 함유량의 질량비(TiO₂:Fe₂O₃)가 0.85:1.15~1.15:0.85인 것을 특징으로 하는 알루미나질 소결체.
제 1 항에 있어서,
상기 티타늄 화합물을 TiO₂ 환산한 함유량과 상기 철 화합물을 Fe₂O₃ 환산한 함유량의 합계량이 7∼10질량%인 것을 특징으로 하는 알루미나질 소결체.
제 1 항에 기재된 알루미나질 소결체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 숫돌입자.
제 3 항에 기재된 숫돌입자의 층을 작용면으로 갖는 것을 특징으로 하는 숫돌.