KR970001254B1 - 알루미늄과 회토류 금속의 산화물들을 함유하는 세라믹으로 형성된 연마석질, 그의 제조방법 및 그를 사용하여 만들어진 연마제품 - Google Patents

Abstract

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Description

알루미늄과 희토류 금속의 산화물들을 함유하는 세라믹으로 형성된 연마석질, 그의 제조방법 및 그를 사용하여 만들어진 연마제품

본 발명은 알루미나-주성분 세라믹 연마 석질, 그의 제조방법, 연마 석질을사용하여 만들어진 연마제품 및 연마제품의 사용방법에 관한 것이다.

종래 기술에 대한 언급하자면, 조밀한 알루미나-주성분 세라믹 연마입자의 졸-겔 방법을 이용한 제법이 본 출원의 양수인에게 양도된 라이테이서(Leitheiser)등의 미합중국특허 제4,314827호에 발표된 바 있다. 상기 특허는 화학적인 세라믹 기술을 이용하여 최소한 1종의 개질성 성분의 전구체를 사용하여 알루미나 1수화물 졸을 겔화시키고, 이어서 탈수 및 연소시킴으로써 연마입자를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 상기 개질성 성분은 지르코니아, 하프니아, 지르코니아와 하프니아의 조합물, 및 알루미나와 최소한 1종의 코발트, 니켈, 아연 또는 마그네슘의 산화물로부터 유도된 스피넬로부터 선택된다.

알루미나-주성분 세라믹 연마입자들이 제법을 발표하고 있는 다른 참조자료들은 다음과 같다:

(1) 몬론(Monroe)외, 유럽특허 명세서 제0,228,856호, 1987년 7월 15일 발행됨, 발명의 명칭: 알루미늄과 이트륨의 산화물을 함유하는 세라믹으로 형성된 연마석질, 그의 제조방법 및 사용방법 및 그를 사용하여 만들어진 제품.

(2) 게르크(Gerk)외, 유럽특허 명세서 제0,152,768호, 1985년 8월 28일 발행됨, 발명의 명칭:알루미나-주성분 세라믹 연마입자 및 연마제품의 내구성 졸-겔화방법.

(3) 코트링거(Cottringger)외, 미합중국특허 제4,623,364호, 1986년 11월 18일 특허허여됨. 발명의 명칭: 연마재 및 그의 제조방법.

(4) 게르크(Gerk), 1986년 3월 4일 특허허여된 미합중국특허 제4,574,003호, 발명의 명칭:졸-겔방법으로 생산된 알루미나 -주성분 세라믹의 향상된 조밀화방법.

(5) 게르크(Gerk)외, 1986년 12월 13일 출원된 미합중국 일련번호 제830,478호, 발명의 명칭):우수한 나트륨 및 칼슘 고함량의 연마제품 및 그의 제조방법.

본 출원의 양수인인 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩츄어링(3M) 캠퍼니가 졸-겔 알루미나-주성분 세라믹연마 석질을 상표명 쿠비트론(Culitron)으로 시판하고 있다. 상기 쿠비트론 연마 석질을 함유하는 연마 제품은 많은 용도에 있어서, 가장 잘 융합된 합성 연마용 광물과 비교하여 우수한 방법으로 실행되는 것으로 밝혀졌다. 고성능 융합 합성 연마광물의 대표적인예는, 예를들면 노톤 캠패니(Norton Company)로부터 노르존(NorZon)이란 상표명으로 시판되고 있는 융합 알루미나-지르코니아이다.

카이거(Kiger)등에게 허여된 미합중국 특허 제3,802,893호에서는 거의 약 99.5%-99.99% Al₂O₃, 약 0.01%-0.25% MgO 및 약 0.01-0.25% 사마륨 산화물로 구성되고, 약 2-5 미크론의 입자크기 및 최소한 3.90g/cc의 밀도를 갖는 내연마성 다결성 세라믹에 관하여 기술하고 있다. 상기 세라믹은 산화물 분말을 유기결합제를 사용하여 습식 분쇄하고, 혼합물을 건조 및 검별하여 자유-유동 분말을 형성한 후, 건조분말을 저온압착시켜 성형품을 형성하고, 예비 소결시켜 유기물을 제거한 다음, 이어서 상기성형품을 수소대기중의 약 1500℃ 이상의 온도에서 약 5시간동안 연소하여 절삭공구로서의 용도를 갖는 것으로 공지된 세라믹을 수득함으로써 제조된다. 단지 매우 작은 양의 MgO 및 Sm₂O₃를 첨가하는 것이 도움이 되는 것으로 발표하고 있다. MgO 및 Sm₂O₃를 보다 다량으로 첨가할 경우 세라믹의 경도 및 내연마성에 바람직하지 않은 영향을 미치는 것으로 기술하고 있다. Sm₂O₃는 필수적인 첨가물로서 공지된 반면에, Cd₂O₃, Yb₂O₃, Eu₂O₃, 및 Y₂O₃와 같은 다른 희토류 산화물들은 동일한 미세 입자구조 및 Sm₂O₃를 첨가함으로써 수득되는 균일성을 갖지 않는 세라믹을 생산하는 것으로 기술하고 있다.

미합중국 특허 제4,181,532호는 촉매담체로서 사용하기에는 적합하나 다공성으로 인해 연마재로서는 유용하지 않은 다공성 세라믹 물질의 제법을 개시하고 있다. 상기 세라믹은 알루미나와 이트륨 또는 란타니드 화합물의 콜로이드성 분산액으로부터 제조된다.

1982년 9월 15일 발행된 영국 특허 GB제2,094,288B호에서는 절삭 공구로서의 용도를 갖는 세라믹 물질을 기술하고 있는데, 이는 20% 이하의 이트륨 또는 희토류 산화물, 20% 이하의 크롬 산화물, 2% 이하의 MgO 및 100%에서 잔여분의 Al₂O₃로 구성되어 있다. 입자크기는 1.5-2㎛ 인 것으로 기술하고 있다. 기계적 강도의 저하 및 그로 인한 절삭 내구력이 저하되지 않도록 희토류 원소 산화물 또는 이트륨 산화물 함량이 0.05% 이상 17.0 이하이도록 할 것을 제안하고 있다. 세라믹체를 제조하는 방법으로서는 분말고하 및 소결을 이용하는 것으로 나타나고 있다. 0.025% 이하 및 15.0 이상의 산화크롬 함량은 경도 및 그로 인한 절삭 내구력을 저하시키는 것으로 기술하고 있다. 이와는 대조적으로, 산화크롬을 첨가하여 졸 겔 방법으로 제조된 연마 입자들은 상술한 양의 산화크롬을 첨가함으로써 절식 내구력이 향상되지는 못하는 것으로 밝혀진 바 있다.

1983년 9월 26일 발행된 일본국 특허공보 제58/161969호는 0.005-2% Dy₂O₃와 55-90% Al₂O₃및 10-45% TiC(5-15% TiO₂함유)의 혼합물 100부 이루어진 세라믹 조성물에 관하여 기술하고 있다. 분말형 출발물질을 성형, 불활성 기체중에서의 소결 및 이어서 표면 평형을 이루도록(isostatic) 핫-프레싱하여 99.5% 이상의 상대밀도를 갖는 세라믹을 수득한다. 상기 세라믹은 절삭 공구로서의 용도를 갖는 것으로 기술하고 있다.

1984년 6월 14일 발행된 일본국 특허공보 JP 59/102865에서는 0.05-3부의 Tb₄O7, Ho₂O₃, Er₂O₃ 및/또는 Gd₂O₃를, 임의로 0.05-3부의 MgO, Y₂O₃, ZrO₃및 NiO 및/또는 Dy₂O₃를 함유하는 55-90중량%의 Al₂O₃ 및 10-45중량%의 TiC(3-25% Ti함유)의 혼합물 100부에 첨가함으로써 수득되는 세라믹 조성물에 관하여 기술하고 있다. 세라믹 절삭공구는 분말형 출발물질을 습식 혼합 및 압착시키고, 압착된 콤팩트를 1670℃의 아르곤중에서 예비소결시킨후, 이어서 상기 예비소결된 콤팩트를 1400℃에서 및 1500kg/cm²에서 1시간 동안 핫-프레싱함으로써 수득된다.

하마노(Hamano), 오오타(Ohta) 및 오자끼(Ozaki)가 1970년 12월 발생된 일본국 간행물 요교 교까이시 (Yogyo Kyokaishi), 87권(12), 632-41페이지에 알루미나 소결에 희퇴류 산화물이 미치는 영향이란 표제에 기고한 기술논문에서는 2중량%의 Y₂O₃, L*a₂O₃, Sm₂O₃및 Er₂O₃존재 및 부재시 Al₂O₃를 소결시키는 연구에 관하여 발표하고 있다. 1500℃에서 Sm₂O₃및 Er₂O₃는 소결을 향상시키는 반면, Y₂O₃및 La₂O₃는 소결 율을 억제하는 것으로 밝혀졌다. 조사한 모든 희토류 금속 산화물들은 1700℃ 이상의 온도에서 조밀화가 촉진되었다. 연소체의 미세구조는 희토류 금속산화물을 첨가하므로써 크게 영향을 받았다. Sm₂O₃첨가는 알루미나의 입자성장을 강화시키는 반면에, Er₂O₃첨가는 입자 성장을 억제시키는 것으로 밝혀졌다.

1980년 9월 발행된 요교 교까이시, 88(9)권, 531-8페이지에 알루미나 소결에 미치는 에르븀(Ⅲ) 산화물 첨가의 영향이란 표제로 오오타, 하모나 및 나까가와(Nakagawa)가 발표한 논문에서는 Er₂O₃가 1400℃ 이하에서 알루미나의 조밀화를 억제하나, 1500℃ 이상에서는 조밀화를 크게 촉진시킨다고 기술하고 있다. 최적 도핑수준은 0.5중량% Er₂O₃인 것으로 밝혀졌다.

또한 1980년 11월 발행된 요교 교까이시, 88(11)권, 666-73페이지에 하모나, 오오타 및 나까가와가 발표한 알루미나의 최종 소결상태에 에르븀(Ⅲ) 산화물의 첨가가 미치는 영향이란 표제의 논문에서는 고체상태에서의 반응에 의해 수득되는 에르븀 알루미네이트이 조밀화는 1650℃ 보다 높은 온도에서 연소시킨 시료에서 촉진되었다고 기술하고 있다. Er₂O₃의 첨가는 코룬듐 입자의 성장을 약간 촉진시켰으며, 입자크기의 분포는 제한했다.

상술한 특정 참고자료들이 세라믹내에 특정한 희토류 금속 또는 그들의 산화물을 주입시킴으로써 세라믹 절삭공구의 물리적 특성을 향상시킬 수 있다고 발표하고 있으나, 그와 같은 개시사항은 연마재 분야에 숙련된 이들에게 있어서 세라믹 연마입자에 유사하게 첨가할 것을 유도하고 있는 것은 아니다.

절삭공구들은 여러 가지 이유들로 인해 연마입자와 동일시 할 수 없다 그라인딩은 절삭공구만큼 금속을 제거하는 순수하게 기계적인 작용으로 간주되 있었다. 이는 통상적으로 사용되는 2종의 연마재 즉, 산화알루미늄과 실리콘 카바이드가 상이한 물질에 따라 다르게 작용한다는 사실로서 뒷받침되었다. 인성이 강한 광물로 간주되는 알루미나는 고인장성의 강철에 대한 유효한 반면에 SiC는 인장성이 낮은 물질들에 대하여 유효하다. 이들 물질들을 보다 더 연구한 결과, 두가지 광물들중 SiC가 실제적으로 보다 인성이 강하다는 것이 측정되었다. 알루미나 또는 SIC보다도 훨씬 더 단단하고 더 인성이 강한 입자인 B₄C가 개발되었으나, 이 새로운 광물은 강철을 그라인딩하는데 있어서는 알루미나 및 SiC 둘 다 보다도 열등한 것으로 밝혀졌다. 이로써, 그라인딩이 전적으로 기계적 공정이라는 이론이 무너졌다.

그라인딩이 전적으로 기계적 공정이 아닌 이유는 절삭공구와 연마 그라인딩에 의한 금속제거시 적용되는 에너지 분포를 비교함으로써 밝힐 수 있다. 절삭공구의 경우 절삭에 이용되는 총에너지의 90% 이하가 칩에 의해 소실되고 상기 총 에너지중 단지 약 5%만이 열로서 금속표면에 제공되는 것으로 추정되었다. 그결과, 절삭공구의 온도가 정상적인 절삭속도에서 약 700℃-800℃로 상대적으로 낮게 유지된다. 연마 그라인딩에 있어서, 작업시의 총 에너지는 절삭공구를 사용할 때보다 10배 이하이다. 또한 총 에너지 입력량중 약 80%가 그라인딩 계면에서 열로서 작업편에 제공되는 반면, 절삭공구의 경우는 5%만이 열로 제공된다. 따라서, 열로서 작업편에 유입되는 에너지는 절삭공구에 비해 연마 그라인딩이 경우에 있어서, 160배 이상 크다.

이러한 차이에 대한 이유는 칩 형성에 있어서의 상이한 메타키즘과 경사각에서 확인할 수 있다. 절삭공구에 있어서, 경사각은 거의 0이어서 상방유동 및 제거가 거의 완전히 자유롭다. 연마 그라인딩에 있어서는 절삭각은 거의 음의값이며, 상방유동에 대해서는 상당한 내성이 있다. 결국, 그라인딩시에 표면을 변형시키는데 상당한 에너지가 소모되는 반면에 칩을 사용하면 에너지가 거의 소모되지 않는다. 따라서 그라인딩 계면의 온도는 매우 높게 상승하며 금속의 융점까지 도달하기도 하는데, 이는 그라인딩 부스러기 중에서 가끔 발견되는 고형화된 칩으로 입증된다. 높은 온도가 존재한다는 또 다른 증거는 그리인딩시 관찰되는, 적색 또는 백색열로 가열된 칩들로 구성된 스파크 샤워이다.

그라인딩 계면에서는 온도가 높기 때문에, 금속, 연마입자 및 대기사이의 상호작업이 고려되어야한다. 예를들면, 산화 알루미늄이 대부분의 강철상에서 실리콘 카바이드보다 우수한 연마작용을 수행하는 이유는, 실리콘 카바이드와 상철사이의 연마 그라인딩시에 화학반응이 고온에서 발생하여 실제로 연마재를 용융시키고 과도한 마모를 일으키기 때문이다. 텅스텐 카바이드, 보론 카바이드 및 티탄 보라이드도 또한 우수한 절삭공구 재료로 공지되어 있는 매우 경질의 물질이나, 이들은 각종 금속들과의 반응성 때문에 연마입자로 서의 유용성이 거의 없었다.

따라서, 연마입자가 절삭공구와 동일하며 절삭공구로서 양호하게 작용하는 조성물이 연마입자로서도 또한 양호하게 작용할 것이라는 추정은 옳지 않다.

후술하는 유형의 희토류 금속 산화물이 본 발명과 관련하여 연마 석질에 포함된다는 것은 현재까지 알려진 바 없는 것으로서, 연마재 분야에 숙련된 이들에게 공지되지 않았다.

본 발명은 스테인레스 스틸, 티탄, 고 니켈 합금, 알루미늄 등으로 만들어진 것들과 같은 특정한 작업편을 마모시키는데 있어서 보다 강력한 연마성능을 가지며 연장과 같은 보다 통상적인 작업편에 대하여 탁월한 성능을 발휘하는, 졸-겔 방법 또는 합침방법에 의해 수득된 세라믹 연마 석질을 제공한다. 상기 세라믹 연마 석질은 알파 알루미나 및 약 0.5중량%이상(바람직하기로는 약 1 내지 약 30중량%)의 희토류 금속 산화물을 함유하는데, 이때, 상기 희토류 금속 산화물은 프라세오디뮴, 사마륨, 이테르븀, 네오디뮴, 란탄, 가돌리늄, 세륨, 디스프로슘, 에르븀(이하에서는 이와 같은 군의 희토류 금속들을 희로류 금속류로 기재하기로 한다) 및 이들 희토류 금속의 2종 이상의 조합물로 구성된 군으로부터 선택된다. 희토류 금속 산화물은 통상적으로 산화알루미늄과 반응하여 희토류 금속-알루미늄 산화물의 반응 생성물을 형성한다. 디스프로슘 및 가돌리늄과 알루미늄의 반응 생성물의 산화물은 일반적으로 석류석인 반면 프라세오디뮴, 이테르븀, 에르븀 및 사마륨과 알루미늄의 반응 생성물의 산화물은 일반적으로 석류석을 함유할 수도 있는 페로보스카이트(희티탄석)이다. 다른 한편으로, 란탄과 알루미늄의 반응은 알루미나를 베타형으로 전환시킨다. 희토류 금속 산화물들과 산화 알루미늄의 특정한 반응은 육방형 희토류 알루미네이트를 생성하며, 그리하여 알파 알루미나상 및 육방형 알루미네이트상을 갖는 연마석질이 산출된다. 상기 육방형 알루미네이트상은, 물론 출발물질들에 따라, 알파 알루미나상내에 따른 상과 함께 공존할 수 있다. 예를 들어, 알파 알루미나상이 스피넬상과 육박형 희토류 알루미네이트상을 함유할 수 있다. 또한, 출발물질에 따라 석류석 및 페로보스카이트와 같은 다른 상들도 존재할 수 있다.

육박형 희토류 알루미네이트는 발광물질로 공지되어 있지만, 연마 석질을 제공하는데 유용한 형태로서는 알려져 있지 않다. 육방형 희토류 알루미네이트 구조를 갖는 연마 석질이, 스테인레스 스틸 마모형 사용될 경우 놀랍게도 우수한 연마 성능을 발휘하는 것으로 밝혀졌다. 육방형 희토류 알루미네이트 구조는 통상 적으로 본발명에 따라 Mg, Ni, Zn, Co, Fe 또는 Mn과 같은 금속의 2가 금속이온을 함유하는 화합물 및 La, Nd, Ce, Pr, Sm 또는 Eu와 같은 금속의 3가 희토류 금속이온을 함유하는 화합물을, 알루미나 수화물로 처리하고자 하는 출발물질로서 선택함으로써 본 발명의 세라믹 연마 석질을 제조하였을 때 수득된다.

육방형 희토류 알루미네이트를 함유하는 본 발명에 따른 바람직한 연마석질은 이트리아를 함유하지 않으며, 핵 생성을 촉진시킬 수 있는 크기의 Fe₂O₃입자들을 사용함으로써 핵이 생성된다.

본 발명에 따른 바람직한 세라믹 연마 석질은 약 0.5중량% 이상(바람직하기로는 약 1 내지 약 30중량%)의 희토류 금속산화물 및 약 0.25 내지 30중량%의 이트리아 및 100%에서 잔여분량의 알파 알루미나를 함유한다.

본 발명에 따른 세라믹 연마 석질의 일반적인 제조방법은,

a. 알루미나 수화물을 물과 같은 액제 부형제내에 분산시킨(예, 용해시킨) 희토류 금속 산화물 또는 그의 전구체와 배합하여 혼합물을 수득하는 단계;

b. 상기 혼합물을 건조시켜 건조고체를 수득하는 단계;

c. 상기 건조 고체를 파쇄하여 입자들을 수득하는 단계;

d. 상기 입자들을 하소하여 결합된 휘발성 물질들을 거의 제거하는 단계; 및

e. 상기 입자들을 연소시켜 세라믹 물질을 수득하는 단계들을 포함한다.

세라믹 연마 석질을 제조하는 한가지 바람직한 방법은 졸-겔 방법으로서,

a. 알루미나 수화물, 바람직하기로는 1수화물(예. 베마이트)의 수성 분산액과, 연소시 세라믹내에 약 0.5중량% 이상의 희토류 금속 산화물 또는 산화물의 전구체와의 혼합물을 제조하는 단계;

b. 상기 혼합물을 겔화시키는 단계;

c. 상기 겔을 건조시켜 건조고체를 수득하는 단계;

d. 상기 건조고체를 파쇄하여 입자들을 수득하는 단계;

e. 상기 입자들을 하소하여 결합된 휘발성 물질들을 거의 제거하는 단계; 및

f. 상기 입자들을 연소시켜 세라믹 물질을 수득하는 단계들을 포함한다.

세라믹 연마 석질을 제공하는 또 다른 바람직한 방법은 함침 방법으로서,

a. 알루미나 수화물, 바람직하기로는 1수화물(예. 베마이트)의 졸을 제조하는 단계;

b. 상기 졸을 건조시켜 이 건조된 졸로 이루어진 다공성 건조고체를 수득하는 단계;

c. 상기 건조고체를 파쇄하여 입자들을 수득하는 단계;

d. 물과 같은 액체 부형제중에서의 희토류 금속 산화물 또는 그의 전구체, 바람직하기로는 수용성염의 균일한 혼합물을 제조하는 단계;

e. 입자들을 하소시켜 수화물의 수분을 제거하는 이어서 알루미나 1수화물을 상술한 액체 부형제중에서 불용성인 알루미나 형태로 전환시키는 단계;

f. 단계(d)의 혼합물을 하소된 입자들내에 함침시켜, 생성된 세라믹내에서 희토류 금속 산화물의 평균농도가 세라믹을 생산하기 위한 목적으로 연소시킬 경우 약 0.5중량% 이상이 되도로록 하는 단계;

g. 상기 함침된 입자들을 건조시키는 단계;

h. 상기 건조된 함침 입자들을 하소하여 결합된 휘발성 물질들을 거의 제거하는 단계; 및

i. 상기 입자들을 연소시켜 세라믹을 수득하는 단계들을 포함한다.

본 발명은 또한 연마 석질의 적어도 일부가 본 발명의 세라믹 연마 석질임을 특징으로 하는 연마 석질을 함유하는 유형의 각종 연마제품들을 제공한다. 바람직한 연마제품에는 피복 연마 제품, 연삭 숫돌차와 같은 결합형 연마제품 및 3M 컴패니에 의해 스코치브라이트(Scotchbrite)R라는 상표명으로 시판되는 것과 유사한 유형이 부직 연마제품을 들 수 있다.

졸-겔 방법을 이용한 본 발명의 세라믹 연마 석질의 제법은 먼저 통상적으로 약 2 내지 약 60중량%의 산화알루미늄 1수화물(예, 베마이트)을 함유하는 분산액을 제조하는 것이다. 함침 방법에 의한 세라믹 연마석질의 제법도 또한 면저 산화알루미늄 1수화물의 분산액을 제조하는 것이나, 통상적으로 다소 보다 농축된 분산액, 대표적으로 약 10 내지 약 60중량%의 산화알루미늄 1수화물을 함유하도록 한다.

베마이트는 당해 발명이 속한 기술분야에 주지되어 있는 각종 기술들로부터 제조하거나 또는 많은 제조원에서 시판되고 있는 것들을 입수할 수도 있다. 시판되고 있는 재료의 예로서는 콘데아 쉬미(Condea Chemie, GMBH)에 의해 제조되는 상표명 디스퍼랄(Disperal)R로서 입수할 수 있는 것 및 비스타 케미칼 컴패니(Vista Chemical Company)가 제조하는 상표명 카타팔(Catapal)R S.B.로서 입수할 수 있는 것을 들 수 있다. 상술한 산화 알루미늄 1수화물들은 통상적으로 알파 형태로서 비교적 순수하며, 1수화물 이외의 수화물 상들을 거의 함유하지 않으며 (존재할지라도)높은 표면적을 갖는다.

통상적으로 베마이트 분산액에 해고제(peptizing agent)를 첨가하여 보다 안정한 히드로졸 또는 콜로이드성 분산액을 수득한다. 해교제로서 이용 가능한 1가 양성자 산 또는 산 화합물로서는 염산, 아세트산 및 질산을 들 수 있으며, 이중 질산이 바람직한 해교제이다. 다가 양성자 산들은 분산액을 급속히 겔화시켜 부가적인 성분들과 혼합되거나 취급이 곤란하도록 하는 점 때문에 통상적으로 사용되지 않는다. 일부 시판되고 있는 베마이트는 안정한 분산액의 형성을 돕기 위한 목적으로 흡착되어 있는 포름산 또는 질산과 같은 산 역가를 함유한다.

졸 겔 방법에 있어서는, 연소후 약 0.5중량% 이상, 바람직하기로는 약 1 내지 30중량%의 희토류 금속산화물을 수득할 수 있도록 충분량의 희토류 금속 화합무를 분산액에 첨가한다.

통상적으로 거의 동일한 농도의 희토류 금속 산화물이 함침방법의 목표이나, 이 농도는 각각 연소된 다공성 구조 전체에 걸쳐 함침된 평균 농도이다. 함침방법에 있어서는 통상적으로 함침된 구조내부보다는 표면 또는 표면근처에 고농도의 희토류 금속 산화물이 존재하는 함침된 다공성 구조가 형성된다는 것을 이해하여야 한다. 상기 다공성 구조들을 파쇄시킴으로써 보다 고농도의 원래의 함침된 구조 표면 또는 보다 저농도의 상기 구조의 내부에 해당하는 표면들을 갖을 수도 있는 단편들을 수득된다.

바람직한 희토류 금속 전구체는 휘발성 음이온의 염이다. 휘발성 음이온들을 갖는 희토류 금속염으로서는 희토류 금속 질산염, 포르메이트, 아세테이트 등을 예로 들 수 있다. 희토류 금속의 가장 입수하기 용이한 형태는 과량의 진한 질산과의 반응에 의해 휘발성 음이온 염으로 쉽게 전환되어 통상적으로 산화알루미늄 1수화물 분산액 또는 다공성 알루미나체내로 목적하는 양을 용이하게 주입할 수 있는 니트레이트 용액을 산출하는 산화물이다. 안정성이 유지되며 최소한 세라믹 물질의 연소온도에서 휘발하지 않는 음이온들을 갖는 희토류 금속염 및 화합물들은 일반적으로 알루미나와 반응하여 이하에서 설명하는 바와 같이, 목적하는 희토류 금속-알루미늄 산화물의 반응 생성물을 형성하지 못하기 때문에 사용하여서는 아니 된다. 희토류 금속은, 예를 들면 졸내에서와 같이 미세하게 분리되어 있는 수화입자들 상태의 산화물로서 도입될 수도 있다.

산화알루미늄 1수화물 분산액은 산화알루미늄 1수화물을, 해교제를 함유하는 물과 단순히 혼합하는 임의의 적합한 수단을 이용하거나 또는 해교제가 첨가된 산화알루미늄 1수화물 슬러리를 형성시킴으로써 수득할 수 있다. 일단 분산액이 형성되며, 이어서 졸 겔 방법을 실시하여 겔화시키는 것이 바람직하다. 겔에의 분산을 일으키기에 충분한 농도의 염을 첨가함으로써 겔을 형성할 수 있다.

분산액을 알파 알루미나로의 전환율을 증가시키기 위한 목적으로 핵 생성제를 함유할 수도 있다. 적당한 핵 생성제로서는 알파 알루미나, 알파 산화 제2철 또는 그의 전구체의 미립자 및 전환 핵을 생성하는 임의의 기타 다른 물질들을 들 수 있다. 핵 생성제의 사용량은 핵생성을 일으키기에 충분한 양이다. 이와 같은 분산액의 핵 생성은 1985년 4월 30일에 출원되어 계류중인 본 양수인의 출원 일련번호 제728,852호에 발표되어 있으며, 상기 내용을 참고로 본 명세서내에도 기술한다.

분산액은 완성된 생성물의 일부 바람직한 특성을 향상시키기 위한 목적으로 또는 소결단계의 효율성을 중대시키기 위한 목적으로 첨가될 수 있는 1종 이상의 다른 개질성 첨가제의 전구체들을 1종 이상 함유할 수 도 있다. 상술한 부가물들을 또한 가용성, 통상적으로 수용성 염의 형태를 취할 수 있으며, 통상적으로 마그네슘, 아연, 코발트, 니켈, 지르코늄 및 하프늄의 산화물들이 전구체인 금속-함유 화합물로 구성될 수도 있다. 스피넬 결정 구조를 형성하는 마그네슘, 아연, 코발트 및 니켈과 같은 금속-함유 화합물들을 첨가함으로써 일반적으로 스피넬을 함유하지 않는 세라믹에 비해 보다 우수한 연마 석질이 수득되는 것으로 밝혀졌다.

일단 겔이 형성되면, 압착, 성형 또는 압출에 의해 성형시키고, 이어서 막대, 피라미드, 다이아몬형, 원뿔등과 같은 목적하는 형상이 되도록 조심스럽게 건조시킨다. 불규칙한-형상의 연마 석질은 케이크 팬의 형상과 같은 임의의 편리한 크기의 건조용기내에 간단하게 겔을 증착시키고, 이어서 겔을 통상적으로 겔의 거풍형성 온도 보다 낮은 온도에서 건조시킴으로써 용이하게 형성된다.

건조단계는 간단히 공기 건조시키거나, 또는 겔의 유리 수분을 제거하여 고체가 형성되도록하는, 본 발명이 속하는 당해 기술분야에 공지되어 있는 임의의 다른 여러 가지 탈수방법들을 이용하여 수행할 수 있다. 바람직한 건조방법들은 가용성 금속염의 손실을 최소한시키는 방법들이다. 고체를 건조시킨후, 고체를 분쇄하는 망치 또는 보올과 같은 임의의 알맞은 수단을 이용하여 파쇄 또는 분쇄시킬 수 있으며, 상술한 용어파쇄(crushing)란 이와 같은 방법들 모두를 이용할 수 있다는 의미로서 사용된다.

함침방법을 이용하여 연마입자를 제조하기 위해서는, 졸 분산액을 수분이 제거되면서 겔화가 일어나는 건조기내에 직접 도입한다. 성형된 입자를 수득하고자 하는 경우에 있어서는, 암모늄염 또는 과량의 산을 첨가하여 졸을 겔화시키고, 이어서 목적하는 형상으로 성형한 후, 상술한 바와 같이 처리한다.

파쇄시킨후, 건조된 물질을 하소시켜 거의 모든 휘발성분들을 제거한다. 건조물은 일반적으로 400℃-약 800℃의 온도로 가열하고, 이어서 유리 수분 및 상당량의 결합된 수분을 바람직하기로는 전체수분의 90중량% 이상이 제거될 때까지 상술한 온도범위내로 유지시킨다.

함침단계는 도핑되지 않은(undoped) 하소된 물질에 대하여 1회 함침시킴으로써, 즉 1종의 함침용액만을 사용하여 1회로 실시하거나, 또는 여러 함침 단계들로 실시할 수 있다. 예를 들면, 동일한 함침용액을 1회 주입하고, 이어서 다시 주입하여 다공성 구조내의 함침용액내에 존재하는 고체들의 농도를 증대시킬 수도 있다. 또한 뒤이어 사용하는 함침용액은 다른 농도의 고체들 및/또는 다른 고체들의 조합물을 가질 수도 있다. 예를 들면, 첫번째 용액은 1종의 희토류 금속염을 함유하도록 하고, 두번째 용액은 다른 종류의 것을 함유하도록 할 수 있다. 각각의 함침단계 사이에, 여과 또는 원심분리로 과량의 용액을 제거하고, 이어서 함침된 물질을 상술한 바대로 다시 건조 및 하소시켜 함침단계중에 도입된 도판트(dopant) 화합물의 휘발성 성분을 제거한다.

이어서 하소된 물질을 약 1200℃ 내지 약 1650℃의 온도로 가열하고, 거의 모든 희토류 금속이 산화알루미늄과 반응하여 희토류 금속-알루미늄 반응 생성물의 산화물로 전환될 때까지 및 거의 모든 잔류 알루미나가 연소된 형태, 통상적으로 알파 알루미나로 전환될 때까지 상술한 온도범위내로 유지시키므로써 소결시킨다. 물론, 하소된 물질을 상술한 정도의 전환을 일으킬 수 있는 소결온도에 노출시켜야 하는 시간은 각종 요인들에 따라 좌우된다. 소결에 소요되는 시간은 수초 내지 약 30분의 범위일 수 있다.

하소 온도로부터 소결온도로 물질을 급속히 가열하는 단계, 과립형 물질의 사이징(sizing)단계, 분산액을 원심분리하여 슬러지 폐기물을 제거하는 단계등과 같은 다른 단계들을 상술한 공정내에 포함시킬 수 있다. 또한, 필요에 따라 개별적으로 기술한 단계들중 2가지 이상을 조합하여 상기 공정을 변형시킬 수도 있다.

통상적인 공정의 단계들 및 재료들은 미합중국 특허 제4,314,827호 및 미합중국 특허 제4,518,397호에 보다 자세히 기재되어 있다.

본 발명에 따른 세라믹 물질의 밀도는 그의 이론적인 밀도(예, 95% 이상) 내지 약 75%까지 다양하다. 상기 세라믹 물질은 거의 공극이 없거나 통상적으로 표면으로까지 연장되는 작은 부분의 소공들과 함께 세라믹 내부의 대부분을 차지하는 내부 연충형 또는 등축형 소공 형태의 다공성을 갖는다는 것으로 특징지울 수도 있다. 다공성이 표면으로까지 연장되지 않는 밀폐형 소공들 및 표면으로까지 연장되는 개방형 소공들이 혼합된 상태이므로, 종래의 다공성 측정기술로 다공성을 정확히 측정하는 것은 매우 어려운 일이다.

본 발명에 따른 세라믹 연마 석질은 통상적인 연마제품내에, 바람직하기로는 융합 알루미나, 실리콘 카바이드, 석류석 융합 알루미나 지르코니아 등과 같은 가격이 덜 비싼 종래의 연마 석질과의 혼합물로서 사용될 수 있다. 또한, 탄산칼슘, 유리등과 같이 연마재로서 사용되지 않는 광물 또는 물질들과 혼합하여 사용 될수도 있다.

희토류 금속 화합물들의 비교적 높은 가격으로 인해, 본 발명의 세라믹 연마 석질은 가격이 싼 연마용 광물들과 혼합하는 것이 바람직하다. 이와 같은 연마 석질의 혼합은 공지되어 있다. 바람직한 혼합방법은 선택적인 광물 대체법으로 공지된 방법으로서, 피복 연마재와 같은 연마제품에 사용될 자격이 저렴한 연마석질 장입물로부터 거친 연마 광물을 제거하고 본 발명의 거친 거친 광물로 대체한다. 임의의 피복 연마재에 있어서 거친 연마 석질들이 실질적으로 대부분의 작업편의 마모에 관여하는 것으로 인식된다. 상술한 치환법을 이용하여, 본 발명에 따른 개량된 연마 석질을 연마제품 내부의 종래의 연마광물의 보다 작은 석질들 사이에 삽입시킴으로써 개량된 거친 연마 석질들이 상기 생성물과 함께 마모기능의 대부분을 수행한다.

본 발명에 따른 세라믹 연마 석질은 취급이 편리하며 또한, 예를 들면 피복연마제품, 결합형 연마제품 및 로프트성(lofty)부직 연마제품을 제조하는 주지의 기술에 따라 각종 연만제품내에 혼입된다. 이와 같은 연마 제품의 제조방법은 본 발명이 속한 당해기술 분야에 숙련된 이들에게 주지되어 있다. 피복 연마제품으로서는 예를 들면 충전된 결합물질을 포화시킬 수 있는 직물(예, 직포 또는 페이퍼와 같은 부직포)로 형성된 배킹(backing), 필요에 따라, 프라이밍(prming)물질로 먼저 프라이밍시킬 수 있는 배향된 열경화성 폴리프로필렌 폴리에틸렌테레프탈레이트로 형성된 중합 필름 또는 기타 다른 종래의 배킹물질을 들 수 있다. 피복 연마재는 또한 통상적으로 메이크 또는 메이커 코우트, 사이즈 또는 사이징 코우트 및 가능하다면 슈퍼사이즈-코우트를 함유하는 층내에 결합물질을 함유한다. 종래의 결합물질은 페놀수지를 포함한다.

통상적으로 슈퍼사이즈 피복층내의 연마 석질의 표면전체에 그라인딩 보조제를 첨가할 경우, 본 발명에 따른 세라믹 연마 석질을 함유하는 피복연마 제품을 사용하여 향상된 그라인딩 성능을 얻을 수 있는 것으로 밝혀졌다. 또한 그라인딩 보조제를 사이즈 코우트 또는 특정한 물질에 첨가할 수도 있다. 바람직한 그라이딩 보조제는 KBF₄이며, 다른 그라인딩 보조제들도 또한 유용한 것으로 추론된다. 다른 유용한 그라인딩 보조제로서는 NaCl, 황, K₂TiF6, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드, 크리올라이트 및 이들의 조합물 및 혼합물을 들 수 있다. 그라인딩 보조제의 바람직한 양은 피부 연마제품의 평방미터당 50-390g, 바람직하기로는 80-160g이다.

부직 연마제품에는 통상적으로 구조전체에 걸쳐 분포된 세라믹 연마 석질을 가지며, 그 내부로 접착물질에 의해 접착 결합되어 있는 개방형 다공성 로프트성 중합체 필라멘트 구조가 포함된다. 그러한 부직 연마 제품의 제조 방법은 널리 공지되어 있다.

결합형 연마제품은 통상적으로 유기 또는 세라믹 결합물질에 의해 서로 결합되어 있는 연마 석질들의 성형체로 구성된다. 상기 설형체는 그라인딩 숫돌의 형태가 바람직하다. 본 발명에 따른 세라믹 연마 석질용으로서 바람직한 결합물질은 유기 결합재이다. 본 발명에 따른 세라믹 연마 석질에 해로운 영향을 미치지 않는 온도 및 조건들하에 경화될 수 있는 세라믹 또는 유리질 결합재를 사용할 수도 있다.

실시예

하기 실시예들은 본 발명의 구체적 양태를 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 모든부는 특별한 언급이 없는 한 중량부이다.

실시예 1-60

연마 석질은 다음과 같은은 졸겔공정으로 제조한다.

실온은 탈이온수(2600ml), 48g의 16N의 분석용 시약인 질산, 800g의 알파 산화알루미늄 1수화물 분말(DisperalR 이라는 상표로 시판)를 18.91의 폴리에틸렌 내벽으로 이루어진 강철 용기에 충전하였다. Gifford-Wood Homogenizer Mixer(Greeco Corp., Hudson, N.H)를 사용하여 5분간 충전물을 고속하에 분산시켰다. 생성된 분산액과, 희토류 금속의 질산염을 함유하는 수용액을 인-라인 혼합기에 넣어 표 (Ⅰ)에 기재된 희토류 금속 질산염 용액의 중량을 측정하였다. 생선된 겔을 46cm×66cm×5cm의 폴리에스테르-내벽의 알루미늄 트레이에 넣어 압축시킨 뒤 100℃의 강제식 공기 오븐에서 건조시켜 무른 고체를 생성하였다.

생성된 건조물질을 강철판의 간격이 1.1mm인 Braun형의 UD 분쇄기에 넣어 분쇄하였다. 분쇄된 물질을 체분별(screen)하고, 0.125mm-1mm의 채분별 크기의 물질을 연소시키기 위해 보유하였다.

그 체분별되고 분쇄된 물질을 하소기 말단에 넣고 15분간 체류시켜 시켰다. 이 하소기는 직경 23cm, 길이 4.3m의 스테인레스 스틸 튜브인데, 이 트뷰는 2.9m의 고온대역을 지니고 있으며, 수평면에 대해 2.4°기울어져 있고, 7rpm하에서 회전하는 장치이다. 또한 하소기는 고온대역 공급단 온도가 350℃, 배출단 온도가 880℃인 장치이다. 상기 하소기에서 연소시킨 생성물을 1380℃노에 넣고 약 5 분간 체류시켰는데, 이 노는 직경 8.9cm, 길이 1.32m인 실리콘 카바이드로서 수평면에 대해 4.4°기울기를 지니며 76cm의 고온대역을 지니고 있으며, 10.5rpm으로 회전한다. 생성된 노에서 꺼내 금속용기에 수거한 뒤 실온으로 냉각하였다.

함침방법

실온은 탈이온수(2600ml), 48g의 16N의 분석용 질산과, 800g의 알파 산화알루미늄 1수화물 분말(상표명 DisperalR 로 시판)를 18.91의 폴리에틸렌-내벽의 강철 용기에 충전하였다. Gifford-Wood 균질 혼합기(Greeco Corp., Hudson, N.H)를 사용하여 5분간 고속하에 충전물을 분산시켰다. 생선된 졸을 46cm×66cm×5cm의 폴리에스테르-내벽의 알루미늄 트레이에 주입하여 100℃의 공기 오븐에서 무른 고체를 생성시켰다.

생성된 건조물질을 강철판의 간격이 1.1mm인 Braun형의 UD 분쇄기를 사용하여 분쇄하였다. 분쇄된 체분별하면, 0.125mm-약 1mm 체분별 크기의 물질이 남게되는데 이를 하소기 단부에 넣고 15분간 체류시킨다. 이 하소기는 직경 23cm, 길이 4.3m의 스테인레스 스틸 튜브인데, 이 트뷰는 2.9m의 고온대역을 지니고 있으며, 수평면에 대해 2.4°이고, 7rpm으로 회전하는 장치이다. 또한 하소기는 고온대역 공급단 온도가 350℃, 배출된 온도가 880℃인 장치이다.

예비 연소된 물질(100g)을 500ml유리 여과 플라스크내에 함유되어 있는 표(Ⅰ)에서 제시된 농도의 희토류질산염 용액 300ml에 가하였다. 흡입기를 사용하여, 석질의 소공내에 포획된 공기가 배출되고 희토류 질산염 용액이 상기 소공에 완전히 함침되도록, 용액위에서 부분 진공을 가하여 약 1분간 유지시켰다. 그후 포화된 석질을 No.4의 여과 페이퍼로 여과시켜 초과량의 질산염 용액을 제거하였다. 상기 석질을 100℃의 강제식 공기오븐에서 건조시키고, 전술한 바대로 회전식 하소기를 통해 공급하였다. 여러회 함침시키기 위하여, 예비연소된 물질을 냉각하여 목적하는 용액중에서 다시 함침시켰다. 초과량의 용액을 제거하고 물질을 건조하여 다시 예비연소시켰다. 이 방법을 필요한만큼 반복하여 원하는 농도의 희토류 산화물 조성물을 수득하였다.

하소기에서 연소시킨 생성물을 1380℃노에 넣고 약 5 분간 체류시켰는데, 이 노는 직경 8.9cm, 길이 1.32m, 및 수평면에 대한 기울기가 4.4°인 실리콘 카바이드 튜브로서, 76cm의 고온대역을 지니고 있으며, 10.5rpm으로 회전하였다. 생성물을 노에서 꺼내 금속용기에 수거한 뒤 실온으로 냉각하였다.

표(Ⅰ)은 실시에 1-60의 제법에 대한 상세한 사항을 제시한 것이다. 이들 실시예에서는 단하나의 희토류 산화물 개질제 사용과 관련된다. 표(Ⅰ)은 알루미나와 개질제의 상대적인 양 및 개질제의 종류를 기술하고 있다. 개질제는 편의상 희토류 금속 산화물을 제시했으나, 이는 일반적으로 전술한 바와 같이 알루미나와의 착물 결정체구조로 존재한다. 이러한 결정체 구조가 표(Ⅰ)에 기재되어 있다. 세라믹을 제조하는 방법도 표(Ⅰ)에 기재되어 있다. S/G는 세라믹이 졸 겔공정에 의해 만들어졌다는 것을 의미하며, IMP는 세라믹이 함침공정에 의해 만들어졌음을 의미한다. 희토류 금속 질산염의 중량은 알루미나 1수화물을 갖는 혼합물을 제조하는 졸 겔공정에서 사용된 중량(g)으로 표시하였다.

각 경우, 즉 졸 겔공정 및 함침공정에 사용된 희토류 금속 질산염 수용액의 농도 또한 표(Ⅰ)에 제시하고 있다. 실시예에서 두가지 농도가 제시되는 경우, 예를 들어 실시예 1에서 23/23으로 표시된 것은 다공성 알루미나 수화물이 2회 함침되었다는 것을 의미한다. 실시예 1에서, 희토류 질산염의 농도는 각 함침공정에 있어서 동일하다. 하지만, 실시예 6의 경우 일차함침은 23%의 용액으로 일어난 반면, 이차함침은 15%의 용액으로 일어났다.

실시예 61-98

표(Ⅱ)는 개질체로서 희토류 금속 산화물의 혼합물을 포함하는 세라믹 연마 석질의 제조방법에 대한 정보를 기재한 것이다. 이 실시예들은 표(Ⅱ)에 제시된 성분양으로 전술한 실시예에서 제시한 졸 겔 방법으로 제조한 것이다.

각 실시예의 연마 석질을 피복된 연마 생성물로 제조하여 연마도를 테스트하였다. 피복된 연마물질은 통상의 피복 연마제품 제조공정에 따라 만든 것이었다. 연마 석질을 채분별하여 다양한 입자 크기 또는 연마 석질 등급을 산출하고 특성 구조에 따라 목적하는 등급을 선택했다. 통상의 메이크, 사이즈 및 임의로 슈퍼사이즈 접착제 수지 조성물을 사용하여 연마 서질을 폴리에스테르 또는 가황처리된 섬유 배킹에 결합시켰다.

표(Ⅲ)은 석질 크기(등급), 연마 석질의 조성, 그라이닝 보조제(사용된 경우), 그라인딩 테스트에서 제거된 금속의 충량(총 절삭량) 및 후술되는 디스크 테스크에 따른 상대적 그라인딩 성능을 나타내고 있다. 이 표는 NorZonR이라는 상표명으로 시판되는 융합 알루미나-지르코니아 연마 석질으로 구성되는 표준제품의 성능과 비교하였다. 표(Ⅲ)에서, 제시된 등급 크기는 다음과 같은 평균 직경을 갖는 연마 석질으로 간주된다.

디스크테스트란 후술하는 디스크 테스트를 의미한다.

디스크 테스트는 다음과 같은 근사치의 피복중량을 갖는 17.8cm 직경의 연마 디스크를 테스트하는 것이다:

디스크 테스트

통상의 피복 연마재 제조방법으로 통상의 0.76mm의 가황처리된 섬유배킹, 통사의 탄산 칼슘의 충전된 폐놀수지, 메이크 수지 및 사이즈 수지를 사용하여(광물 밀도차 조절없음) 디스크를 제조하였다. 메이크 수지를 88℃에서 90분간 예비경화시킨후, 100℃에서 10시간동안 경화시켰다. 강제식 공기오븐에서 경화시키면서 통상의 기술을 사용하여 윈-트립(one-trip) 공정으로 피복을 실시하였다. 경화된 디스크를 먼저 통상적으로 구부려서 단단한 결합의 수지를 조절 파열시킨 뒤, 사각을 이룬 알루미늄 백-업 패드상에 장착하고, 2.5cm×18cm의 304 스테인레스 스킬 작업편의 면을 그라인딩 하는데 사용하였다. 디스크를 5,500rpm에서 회전시키면서 백-업 패드의 사각을 이룬 가장자리 위에 놓이는 디스크 부위를 약 140cm²의 디스크 마모경로를 만들어내는 5.91kg압력하에 상기 작업편과 접촉시켰다. 각 디스크를 사용하여 5g 이하의 금속이 몇분간 그라이딩 절삭에서 제거될 때까지 총 12분 동안 1분 간격으로 분리된 작업편을 그라인딩하였다. 각 디스크의 총 절삭량은 표(Ⅲ)에 기재되어 있다. 100%의 대조연마 입자로 만들어진 디스크의 누적 절삭량을 사용하여 디스크의 12회 절삭(또는 성능에 따라 보다 적은 수의 절삭)의 각각의 상대적인 누적 절삭률을 계산하여 역시 표Ⅲ에 나타냈다. 모든 그라인딩 데이터는 디스크테스트를 사용하여 생성되었으며 특별한 언급이 없는 한 그라인딩 데이터는 후술되는 연마벨트(abrasive Belt)테스트에 의해 나타났다.

연마 벨트테스트

등급 50의 피복된 연마시이트를 7.6×335cm의 끝이 없는 연마 벨트로 만든 뒤 일정한 하중을 지닌 표면 그라인더 상에서 테스트하였다. 이 그라인더는 2 1/2cm×18.4cm의 면을 가진 304 스테인레스 스틸을 30회의 연속 60초의 그라인딩 통과수로 연마시키고, 각 통과이후에 중량측정 및 냉각 수단을 지니며, 251b 압력을 사용하여, 2000m/분의 벨트속도 및 1/8m/분의 작업편 공급속도를 지닌 장치이다.

표(Ⅳ)는 실시예(61-98)의 연마 그라인딩 디스크 테스트를 나타낸 것이다. 이들 실시예의 디스크 테스트는 모든 연마 석질의 등급이 50이며, 실시예(97-98)의 작업편은 304 스테인레스 스틸 대신에 1018 마일드 스틸로서 그라인딩 보조제를 사용하지 않았으며 나머지 실시예는 그라인딩 보조제로서 kBF₄를 사용하여 테스트한 것을 제외하고는 실시예(1-60)의 것과 동일하게 테스트하였다.

상술된 것처럼, 희토류 금속 및 산화알루미늄의 반응은 육방형의 희토류 알루미네이트를 생산한다. 이러한 물질은 Ln이 희토류 금속이며 M은 알루미나와 함께 스피넬을 형성하는 2가 금속인 LnMAl11O19인 것으로 생각된다. 이들 물질은 마그네토플머비트(magnetoplumbite) 결정구조 PbFe12O19로서, Al+³이 격자내에서 하나의 Fe+³이외에 모든 Fe+³이외에 모든 Fe+³를 치환하며 Ln+³는 Pb+²을, M+²는 나머지 Fe+³을 치환한다. 육방형 유니트의 셀은 산소이온과 희토류 이온을 포함하는 거울면에 의해 분리된 사방형 및 팔방형 부위에서 Al(M) 이온과 함께 스핀넬 블록을 구성한다. Al(M) 및 희토류 양이온은 삼각형의 이중피라미드형 배위결합을 이룬다. 이러한 구조는 스피넬 블록을 분리하는 거울 평면이 마그네토플럼비트 구조로 채워질때만이 베타-알루미나 구조와 다르다.

존재할 수 있는 화합물의 수가 많은 것은 Ln+³및 M+²부위에서의 치환가능성이 크기 때문이다. Ln+³부위에서는 La, Pr, Nd, Sm, Eu 및 Ce가 치환될 수 있으며, M+²부위에서는 Mg, Mn, Co, Ni, 및 Zn이 치환될 수 있다. 전술한 가능한 화합물 중에서, Nd, La 및 Ce을 포함하는 화합물은 비교적 값이 저렴하기 때문에 연마용도에 크기 유익하다. 갈륨 또는 알루미늄 전체 또는 일부를 치환할 수 있으며, 마그네토플럼비트 구조를 보유할 수 있다.

실시예 99

육방형의 희토류 알루미네이트를 갖는 연마 석질은 실시예 1에 기재된 바와 유사한 졸-겔 공정에 의해 만들어졌다.

18.91의 폴리에틸렌-내벽의 강철용기내에 실온의 탈이온수 2000g, 16N 분석 시약용 질산 168g, 2824g의 알파 산화알루미늄 1수화물 분할(DisperalTM이라는 상표명으로 시판)을 충전하여 졸을 생성시켰다. Gifford-Wood 균질 혼합물(Greeco Corp., Hudson N.H.)를 사용하여 5분간 고속하에 졸을 분산시켰다. 그후 250g의 마그네슘 질산염 6수화물 수용액(11.3%의 MgO 고형분], 101g의 네오디뮴 질산염 6수화물 수용액(28%의 Nd₂O₃고형분), 101g의 란탄 질산염 헥사하이트레이트 용액(28%, La₂O₃ 고형분)을 완전히 졸로 혼합하여 두꺼운 겔을 만든다. 이것은 연소시킨 후 원소분석에 의해 97%의 산화알루미늄, 1%, MgO, 1% Nd₂O₃, 1% La₂O₃를 포함하여 알파알루미나중에서 이차 상으로서 육방형의 알루미네이트 결정구조을 갖는 혼합물을 산출한다. 겔을 46cm×66cm×5cm의 폴리에스테르-내벽의 알루미늄 트레이내로 압출시킨 뒤 100℃의 강제식 공기오븐에서 건조시켜 무른 고체를 생산하였다.

생성된 건조 물질을 실시예 1에 기재된 바대로 분쇄, 체분별, 하소, 연소시켜 본 발명에 따른 세라믹 연마석질을 생산하였다. 세라믹 연마 석질을 체분별하고 35매쉬 스크린(U.S 표준 스크린 크기)을 통과시키고 40메쉬 스크린상에 유지하였다. 45메쉬 스크린을 통과하고 50메쉬상에 유지되는, 융합, 열처리된 산화알루미늄 연마 석질의 체분별 분획을 수거했다. 세라믹과 융합-연마 석질의 회수분획을 세라믹 석질 15부 대융합된 산화 알루미늄 석질 85부의 비로 혼합하고, 이 광물 혼합물을 사용하여 피복된 연마 제품을 모든 뒤 연마도에 대해 벨트형으로 테스트했다. 폴리에스테르 배킹과 통상의 메이크 수지와 사이즈 수지를 사용하여 통상적인 방식으로 피복된 연마벨트를 제조하였다. 그라인딩 보조제로서 KBF₄를 함유하는 슈퍼사이즈 피복도 이용하였다.

피복된 연마재를 끝이 없는 연마벨트로 전환시키고 2.5×18cm의 304 스테인레스 스틸작업편의 면을 연마시켜 일정한 하중이 있는 표면 그라인더상에서 테스트하였다 1.76kg/cm²의 계면 압력하에서 60초간 그라인딩 경로로 그라인딩을 시행한 후 매 통과후 마다 냉각시키고 중량을 재었다. 작업편을 세로수지방향으로 배향시키고 연마시에 원래의 위치에서 18.4cm 길이로 수직 이동시킨 뒤 30분간 다시 제자리로 이동시켰다. 그라인딩 결과를 표(Ⅴ)에 나타냈으며, 제거된 스테인레스 스틸의 총량과 대조예의 피복연막벨트의 백분율을 나타냈다. 대조벨트는 60중량부의 알루미나-지르코니아 연마재와 40중량부의 융합된 알루미나 구성된 연마재 등급 50의 융합된 연마물질을 지녔다. 벨트는 NorZonTM E-864 상표명으로 Norton Co.에서 시판되는 것이다.

실시예 100

육방형의 희토류 금속 알루미네이트 구조를 갖는 본 발명의 연마입자는 희토류 금속의 종류와 마그네슘 질산염 6수화물 중량이 다른 것을 제외하고는 실시예 99에 기재된 바와 동일한 방법에 따라 제조되었다. 회토류 산화물은 733g의 프라세오디윰 질산염 6수화물 용액(22.5%의 고형분)과 365g의 마스네슘 질산염 6수화물 용액(11.3%의 고형물)으로 구성된 것이다. 연소된 고형분을 기준으로, 생성된 혼합물의 93%의 산화알루미늄, 5.6%의 Pr₂O₃, 1.4%의 MgO를 포함하였다. 연마입자의 제조방법, 연마입자로 제조된 피복연마벨트 및 그 테스트는 실시예 99에 기재된 바와 동일하다. 연마성능 결과를 표 Ⅴ에 제시한다.

상기 결과는 피복된 연마 구조물에 융합된 알루미나-지르코니아의 연마 석질의 경우보다 육방형의 희토류 알루미네이트를 함유하는 세라믹 연마석질을 사용한 경우에, 더 우수한 연마 벨트의 연마성능을 얻을 수 있음을 명백히 나타내고 있다.

실시예 101

본 발명에 따라 알파알루미나 중에서 이차상으로서 육방형의 희토류 금속 알루미네이트를 갖는 세라믹 연마 석질은 실시예 99에 기재된 졸겔 방식으로 제조되었다. 연소이후, 세라믹 석질을 체분별하고 두체분별 절삭물을 수거하였는데, 첫번째 것은 30메쉬를 통과하여 35메쉬에는 체류하고, 두번째 것은 35메쉬를 통과하고 40메쉬상에서 체류한다. 두 채분별 절삭물의 동일 중량을 합하여 등급 36으로 규정되는 혼합물을 제공하는데, 이 혼합물을 디스크를 절단하여 피복 연마제를 제조하는데 사용하였다. 피복 연마디스크의 제조방법 및 시험방법은 상기 디스크 테스트에서 기재하고 있으며, 이 테스트법을 약간 변형시켰다. 작업편은 304 스테인레스 스틸 대신 1018마일드 스틸이었다. 압력은 5.91kg 대신 11.4kg이었으며 시간 간격은 12분이었다.대조예는 본 출원의 양수인인 3M에서 시판되는 RegalTM Resin Bond Fiber Disc와 동일한 방식으로 제조된 실험샘플이며, 이는 육방형의 희토류를 알루미네이트를 함유하지는 않지만 마그네시아 스피넬을 함유하는 졸 겔 공정에 의해 생산된 CubitronTM 세라믹 연마 석질을 포함하였다. 그라인딩 결과를 표 Ⅳ에 나타낸다.

본 실시예는 육방형 희토류 알루미네이트를 포함하는 본 발명의 세라믹 연마 석질 함유의 연마 디스크는 육방형의 희토류 알루미네이트를 포함하지 않는 졸-겔 공정에 의해 세라믹 연마물질을 함유한 디스크에 비해 연강을 그라인딩하는데 있어서, 상당히 개선된 연마 성능을 나타냈다.

실시예 102 및 103

실시예 102 및 103은 핵생성제가 존재(부재한) 알루미늄과 희토류 금속의 산화물을 포함하는 연마석질의 연마도를 비교하였다. 이러한 연마석질은 실시예 1에 기재된 것과 비슷한 졸-겔 공정에 의해 제조되었다.

실시예 102

18.91의 폴리에틸렌-내벽의 강철 용기내로 8897g의 실온의 탈이온수, 분석시약용 16N 질산 138g, 2760g의 알파 산화알루미늄 1수화물 분말(DisperalTM), 216g의 철산화물 수용액(5% 고형분)을 충전시켰다. 충전물을 Gifford-Wood 균질 혼합물(Greeco Corp., Hudson N.H.)를 사용하여 5분간 고속하에 분산시켰다. 상기 철산화물은 약 200m²/g의 표면적을 지녔으며 핵생성제로서 작용하였다. 생성된 분산액과 희토류 금속의 질산염을 함유하는 수용액은 인-라인(in-line)혼합기에 넣어 표 Ⅶ에 기재된 희토류 금속 질산염 용액의 중량을 제공하였다. 연소된 고형분을 기준으로 상기 각 분산액의 조성은 이하 표 Ⅶ에 제시한다:

겔을 46cm×66cm×5cm의 폴리에스테르-내벽의 알루미늄트레이내로 압출시킨 뒤 100℃의 강제식 공기오븐에서 건조시켜 무른 고체를 생산하였다.

강철판 사이에 1.1mm 캡을 갖는 Braun형의 UD 분쇄기를 사용하여 생성된 건조물질을 분쇄하였다. 분쇄된 물질을 세분별하고 0.125mm 내지 약 1mm 채분별 사이즈 물질을 수거하여 연소시켰다.

채분별하고 분쇄한 물질을 하소기 단부에 공급하고 3분간 체류시켰다. 이 하소기는 직경 14.5cm, 길이 1.25m의 스테인레스 스틸튜브로서 6rpm하에서 회전하는 장치이다. 하소기는 고온 대격 공급단 온도가 350℃, 배출단 온도가 600℃장치이다. 하소기에서 연소시킨 생성물을 1390℃의 노에 넣고 약 3.8분간 체류시켰다. 이 노는 직경 10.1cm, 길이 1.53m의 실리콘 카바리드 튜브로서 5.5rpm에서 회전한다. 생성물은 노에서 꺼내 금속용기로 수거한 뒤 실온에서 냉각하였다.

430㎛의 평균 직경을 갖은 등급 50의 연마 석질을 채분별하였다. 연마석질의 각 예를 피복된 연마 섬유 디스크에 사용하였으며, 디스크의 제조 및 테스트 절차는 전술한디스크 테스트에 제시되어 있다. 섬유 디스크는 그라인딩 보조제로서 KBF₄를 함유하는 슈퍼사이즈르 가졌다. 작업편은 폭이 2.5cm 대신에 1.2cm인 304 스테인레스 스틸이다. 그라인딩 성능을 표 Ⅷ에 제시한다.

실시예 103

실시예 103의 연마 입자는 산화철 핵생성제를 첨가하지 않고 탈이온수의 양이 9102g인 것을 제외하고는 실시예 102와 동일방식으로 제조 및 테스트하였다.

Norton Co.에서 NorZon 로 시판되는 등급 50의 융합 알루미나: 지르코니아 연마 석질으로 제조한 것임.

상기 표 Ⅷ의 데이터로부터 연마 성능은 핵생성제를 포함하는 연마 석질을 사용하는 경우 더 향상된다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 실시양태는 후술되는 청구범위 영역을 벗어나지 않는 범위에서 당업계에 숙련된 자에 의해 변경 및 수정이 가능하다.

Claims (21)

1. 알파 알루미나 및 1종 이상이 부가적인 상을 포함하는 세라믹 연마 석질로서, 상기 부가적인 상중 하나는 프라세오디뮴, 사마륨, 이테븀, 네오디뮴, 란탄, 가돌리늄, 세륨, 디스프로슘, 에르븀 및 이들 희토류금속들중 2종 이상의 혼합물로 구성된 군에서 선택되는 희토류 금속 산화물 약 0.5 내지 30중량%와 산화알루미늄의 반응 생성물인 것을 특징으로 하는 세라믹 연마 석질.
2. 제1항에 있어서, 약 0.25내지 약 30중량%의 이트리아를 함유하는 것을 특징으로 하는 세라믹 연마 석질.
3. 제1항에 있어서, 상기 산화알루미늄과 희토류 금속 산화물의 반응 생성물이 석류석(garnet)상의 형태임을 것을 특징으로 하는 세라믹 연마 석질.
4. 제1항에 있어서, 상기 산화알루미늄과 희토류 금속 산화물의 반응 생성물이 흐티탄석(perovskite)상의 형태임을 것을 특징으로 하는 세라믹 연마

   석질.
5. 제1항에 있어서, 상기 희퇴류 금속 산화물 함량이 약 1내지 약 30중량%임을 특징으로 하는 세라믹 연마 석질.
6. 제1항 내지 제5항중 어느 한항의 세라믹 연마 석질들을 함유함을 특징으로 하는 연마 제품.
7. 제6항에 있어서, 상기 연마제품이 피복 연마제품인 것을 특징으로 하는 연마제품.
8. 제6항에 있어서, 상기 연마제품이 결합형 연마제품인 것을 특징으로 하는 연마제품.
9. 제6항에 있어서, 상기 연마제품이 로프트성(lofty) 부직 연마제품인 것을 특징으로 하는 연마제품.
10. (a) 알루미나 수화물과 첨가제를 혼합하여, 연소시 상기 첨가제로부터 생성되는 하나 이상의 기타 상과 알파 알루미나를 포함하는 세라믹을 형성하는 혼합물을 제공하는 단계; (b) 상기 혼합물을 건조시켜 건조고체를 생성시키는 단계; (c) 상기 건조고체를 파쇄하여 입자를 생성시키는 단계; (d) 상기 건조 입자들을 하소시켜, 상결합상태의 휘발성 물질들을 거의 제거하는 단계; 및 (e) 상기 입자들을 연소시켜, 세라믹 물질을 수득하는 단계들을 포함하며, 이때, 상기 첨가제는 액체 부형제 중의 프라세오디뮴, 사마륨, 이테르븀, 네오디뮴, 란탄, 가돌리늄, 세륨, 디스프로슘, 에르븀 및 이들중 2종 이상의 희퇴류 금속의 혼합물로 구성된 군중에서 선택되는 희토류 금속 산화물 또는 이 산화물이 전구체로서, 상기 혼합물 고체로 연소시켰을 때, 약 0.5 내지 30중량% 이상의 양으로 희토류 금속 산화물을 제공하는 혼합물을 생성시키는 것을 특징으로 하는 세라믹 연마 석질을 제조하는 방법.
11. 제 10항에 있어서, 상기 희토류 금속의 전구체 화합물이 휘발성 음이온의 희토류 금속염인 특징으로 하는 방법.
12. 제10항에 있어서, 상기 혼합단계는 알루미나 수화물의 수성분산액과 상기 희토류 금속 산화물 또는 그의 전구체의 혼합물을 제조하고, 그후 상기 혼합물을 겔화시킴으로써 결화상태 물질의 혼합물을 수득하는 졸 겔 방법으로 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제10항에 있어서, 상기 혼합단계는 알루미나 수화물의 졸을 제조하고, 이 졸을 건조시켜 건조졸로 이루어진 다공성 건조고체를 생성하고, 이 다공성 건조고체를 파쇄하여 입자를 생성시키고, 이 입자들을 하소시켜 알루미나 수화물을 불용성 형태의 알루미나로 전환시키고, 하소된 알루미나가 거의 용해되지 않는 액체 부형제내에서 상기 희토류 금속 산화물 또는 그의 전구체의 균질 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 상기 입자내로 함침 시키는 함침 방법으로 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 함침 방법은 상기 입자를 1회 이상 함침하여 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 함침용액내의 희토류 금속 산화물 또는 그의 전구체의 농도가 매함침시 마다 동일함을 특징으로 하는 방법.
16. 제14항에 있어서, 상기 함침용액이 농도가 매 함침시 마다 상이함을 특징으로 하는 방법.
17. 제14항에 있어서, 상기 함침용액이 농도가 매 함침시 마다 동일함을 특징으로 하는 방법.
18. 제14항에 있어서, 상기 함침용액이 농도가 매 함침시 마다 상이함을 특징으로 하는 방법.
19. 제 14항에 있어서, 개질성 첨가제의 전구체를 수성 분산액에 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제1항에 있어서, 상기 반응 생성물의 적어도 일부가 희토류 알루미나의 형태인 것을 특징으로 하는 세라믹 연마 석질.
21. 제6항에 있어서, 상기 반응 생성물의 적어도 일부가 육방형 희토류 알루미나의 형태인 것을 특징으로 하는 연마제품.