(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
97質量%を超える量のα-酸化アルミニウム及び3質量%未満の総量の他の酸化物合金成分を含む溶融酸化アルミニウムの多結晶質多孔性Al2O3物体であって、該Al2O3物体が、20〜100μmの結晶子サイズを有する複数のAl2O3一次結晶を含み、かつ5〜30体積%の細孔容積、20〜60μmの平均細孔径及び100μmの範囲の最大細孔径を含むマクロ多孔度を示し、
前記一次結晶の境界において、該多結晶質Al2O3物体が、外因性の相を構成する個別のTiO2の集中を含み、前記外因性の相が、7μm未満の直径を有し、かつ前記一次結晶の境界に沿って点状でまたは線状で個別に分布していることを特徴とする、前記Al2O3物体。
【請求項２】
前記外因性の相が、5μm未満の直径を有することを特徴とする、請求項１に記載のAl2O3物体。
【請求項３】
前記外因性の相が、TiO2に加えて、Cr2O3、Fe2O3、MgO、Na2O、NiO、ZnO、CoO、ZrO2、SiO2、MnO2または希土類元素の酸化物からなる群から選択される他の酸化物合金成分を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のAl2O3物体。
【請求項４】
前記他の酸化物合金成分の量が、１質量％未満であることを特徴とする、請求項１〜３のうちの１項に記載のAl2O3物体。
【請求項５】
前記Al2O3物体が砥粒であり、該砥粒が処理され規定のグリットサイズにされていることを特徴とする、請求項１〜４のうちの１項に記載のAl2O3物体。
【請求項６】
前記砥粒が、FEPAに従うグリットサイズF24〜F80において、1.75g/cm3未満の嵩密度を有することを特徴とする、請求項５に記載のAl2O3物体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融酸化アルミニウムをベースとする、多結晶質の多孔性Al2O3物体、その製造方法およびその使用、特に研磨材におけるその使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
文献においてしばしばコランダムとも呼ばれている、溶融酸化アルミニウムをベースとする砥粒は、長きに渡り知られており、また依然として今日の表面を機械加工するための最も普通に使用される材料に属している。木材、鋼、ステンレススチール、プラスチック、石材、セラミック等の機械加工されるべき多数の様々な材料があることから、各用途に合っており、かつ対応する場合に対して物理的特性が最適化されている、様々な型のコランダムまたは特定のコランダム夫々が、過去において開発された。
そのために、様々な方法を選択することができ、そこで上記コランダムは、他の酸化物でドープされるか、および/または特に上記砥粒の物理的特性を変更し、および/または同様に得られる砥粒を、特定の特性を得るようにまたはこれらを強化するように、後処理に掛けるべく、その製造方法が変更される。
WO 2012/041421は、多結晶質Al2O3物体を開示しており、該物体は、電気アーク炉内で酸化アルミニウムを溶融し、引続き該液状メルトを流し出すことにより製造される。これにより、該流出流は、急速に冷却され、そのために、該液状メルトは、例えば反対方向に回転している2つの水冷ローラー間のギャップに流し込まれる。その冷却速度を高めるために、微粒状酸化アルミニウム粒子が、該流出流に対して付随的に添加される。
このようにして得られる固体材料は、その後に粉砕され、かつスクリーニングによって研磨グリットサイズまで処理される。限定されたマクロ多孔度(macroporosity)を有し、かつ個々の一次結晶で構成され、相互に結合し、かつ20μm〜100μmの範囲の結晶子サイズ(crystallite size)を有する砥粒が、このようにして得られる。規定された多孔度および規定された結晶構造を有するこのような砥粒は、特に研削ディスクにおける使用に対して利点を持つ。
【０００３】
EP-B-1 339 809は、高い靭性を備えたアルミナをベースとする、緻密高密度の砥粒を製造する方法並びに研磨材におけるその使用を記載している。それについて、この完成された研磨グリットは、800〜1,500°Cの範囲の熱的後処理に掛けられる。
熱的後処理は、US-A-4 157 898によっても公知である。TiO2-含有コランダムは、酸化条件下で焼き戻しされ、そこではTiO2から、還元条件下で行われるその溶融中に形成される亜酸化チタンが、その粒子表面において酸化され、またチタン-アルミニウム化合物が形成され、該化合物は四価のチタンを含み、また該砥粒表面を青色に着色する。
後者の場合の両者において、緻密かつ高密度となるように構成された、完成された砥粒は、その粒子靭性を高めるように熱的に後処理される。特定の研削操作の場合において、該粒子靭性の増大は、研削性能の増大と相関している。
緻密かつ高密度となるように構成され、かつ極少数の大きなまたは個別の結晶子からなる上記砥粒に加えて、微晶質または多結晶質となるように構成され、かつ複数のより小さな結晶子で構成され、また結晶構造に基づくまたはその構造のみに基づく高い靭性を持つ、多数の砥粒が、特に最近になって開発された。例えば、EP-B-1 595 081は、アルミナジルコニアの製造を記載しており、ここでは酸化ジルコニウムが酸化アルミニウムと共に溶融され、またこの液状メルトは、次に冷却した際に該成分の偏析を防止するようにできる限り迅速に冷却され、結果としてZrO2およびAl2O3は、微晶質構造内で相互に隣接して均一に分配されるように、その生成物中に存在する。
同様に微晶質となるように構成されている、類似の強靭な材料は、夫々化学的方法またはセラミック法によって得ることもでき、ここで微細粒子融合アルミナまたは対応する原材料は、その製造工程中に結果としてAl2O3をもたらし、加工されて成形体(green body)を形成し、該成形体は、次いで1,200〜1,600℃の範囲の温度にて焼結される。微晶質の焼結されたコランダムは、例えばEP-B-0 152 068またはEP-A-0 725 045の課題である。
【０００４】
過去において、この微晶質または多結晶質コランダムの熱的後処理は回避されており、その理由は、その靭性の原因となっているその結晶構造が、結晶成長のために、あるいは上記アルミナジルコニアの場合の如く、同様に変性変態(modification transformations)のために、熱的後処理に応答して損傷を受けることを、経験が示したからである。
即ち、首尾の良い熱的後処理は、目下のところ、少数の大きなまたは単一の結晶子からなる緻密かつ高密度型のコランダムに関して知られているに過ぎない。
莫大な範囲の機械加工すべき様々な材料、表面および付形物のために、並びに該機械加工法自体に関する様々な要求のために、模範的な方法において上に特定された型のコランダムが好ましく使用されているばかりでなく、該材料を機械加工する場合に、結果として加工速度(removal rate)または表面性能を更に改善するように、特定の研削操作または特別な材料に対して、砥粒をより一層良好に適合させる必要性が依然としてある。
【発明の概要】
【０００５】
従って、本発明の目的は、コランダム砥粒を提供することにあり、該砥粒は特徴的なプロフィールを有し、特定の研削操作に対して最適化されており、かつそれ故にこれから製造される研磨材および研削成果の更なる最適化を可能とする。
同様に、本発明の目的は、対応するコランダム砥粒の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題は、97質量%を超える量のα-酸化アルミニウムおよび3質量%未満の総量の他の酸化物合金成分を含む溶融酸化アルミニウムをベースとする多結晶質多孔性Al2O3物体(Al2O3 body)を提供することにより解決される。
該Al2O3物体は、20〜100μmの結晶子サイズを含む複数のAl2O3一次結晶を含み、かつ5〜30体積%の細孔容積、20〜60μmの該細孔の平均径および約100μmの範囲にある最大細孔径を含むマクロ多孔度(macroporosity)を示す。該一次結晶の境界において、該多結晶質Al2O3物体は、個別の外因性の相(extrinsic phases)の集中(concentrations)を示し、該外因性の相は、該一次結晶境界に沿って点状でまたは線状で個別に分布している。該外因性の相は、7μm未満、好ましくは5μm未満の直径を有する。
本発明の好ましい一態様において、上記外因性の相は、TiO2、および/またはCr2O3、Fe2O3、MgO、Na2O、NiO、ZnO、CoO、ZrO2、SiO2、MnO2または希土類元素の酸化物からなる群から選択される他の酸化物合金成分を含む。
上記の多結晶質Al2O3物体は、例えばWO 2012/041421に従って製造し得る如く、少量のTiO2および/または他の酸化物合金成分を含む多結晶質Al2O3物体の熱的後処理によって得られる。
【０００７】
多結晶質Al2O3物体をベースとする、本発明に従う砥粒の製造は、少なくとも97質量％の酸化アルミニウムと多くても3質量％の他の酸化物合金成分との混合物の、電気アーク炉内での溶融をはじめとする、一連の処理段階を含む。該混合物を完全に溶融した後、この液状メルトを、80kg/分未満の一定の流出速度(pouring rate)にて注ぎ出す。流出の際に、微細なα-酸化アルミニウム粒子が、該流出流に添加される。該メルトの冷却はこのようにして促進される。従って、反対方向に回転している冷却されたローラーを通して、金属プレート間の狭いギャップに該メルトを注ぐことにより、あるいはまた冷却プレート上に注ぐことによって、該メルトの完全な冷却が起こる。この冷却の後に、多結晶質Al2O3物体は、粗製小片またはプレート形状で存在し、該物体は、次に粉砕され、またその後に規定された研磨グリットサイズにスクリーニングされる。本発明に係る必須の段階は、このようにして得られる該砥粒の、1,000〜1,400℃の範囲の温度における5〜60分間に渡るその後の焼き戻しである。好ましくは、該熱的後処理は、ロータリーキルン内で1,250℃にて15分間行われる。
本発明との関連で実施されたテストの結果として、上記焼き戻しに先立つ、上記完成された研磨グリットに係る先の粉砕およびスクリーニングが、本発明による砥粒の品質にかなりの影響を持つことが分かった。従って、たとえ冷却後に得られた粗製小片の焼き戻し、およびその後の粉砕が、同様に該砥粒の特性における改善をもたらしたとしても、該改善が、その逆の順序程には、圧倒的に目覚ましい改善ではないことが分かった。粉砕後に得られる該砥粒の形状は、立方形またはブロック状であり、ここではしかしながら、該ベースのAl2O3物体のマクロ多孔度のために、該完成された研磨グリットは、比較的低い嵩密度を示し、該嵩密度は、FEPAに従うグリットサイズF24〜F80に対して、1.75g/cm3未満、好ましくは1.70g/cm3未満、およびより好ましくは1.65g/cm3未満である。
【０００８】
驚いたことに、多結晶質多孔性Al2O3物体の場合においてさえも、該物体の結晶構造および該物体の多孔度にも拘らず、そのベース生成物が、合金成分として少量の外因性酸化物を含む場合には、上記粒子靭性の桁外れの増加を、熱的後処理によって得ることができることが今や見出された。この効果は、少量のTiO2の存在下において特に優れており、かつ顕著である。
TiO2に加えて、少量のCr2O3、Fe2O3、MgO、Na2O、NiO、ZnO、CoO、ZrO2、SiO2、MnO2および/または希土類元素の酸化物からなる群から選択される追加の酸化物合金成分も、本発明による多結晶質Al2O3物体中に存在することができ、ここにおいて該追加の合金成分の総和は、3質量％未満、好ましくは≦1質量％である。また、それ程顕著ではないものの、正の効果が、上記外因性の相がTiO2を含まない場合にも観測し得る。
本発明の特徴は、付随的にREM像によって説明され、該REM像は、図1〜6として本説明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図1は、1,000-倍の倍率における、本発明による多結晶質砥粒に係る研磨断面の走査型電子顕微鏡写真を示す。
【図２】図2は、2,000-倍の倍率における、本発明による多結晶質砥粒に係る研磨断面の走査型電子顕微鏡写真を示す。
【図３】図3は、1,000-倍の倍率における、比較例に係る研磨断面の走査型電子顕微鏡写真を示す。
【図４】図4は、1,000-倍の倍率における、比較例に係る研磨断面の走査型電子顕微鏡写真を示す。
【図５】図5は、100-倍の倍率における、多結晶質砥粒に係る走査型電子顕微鏡写真を示す。
【図６】図6は、150-倍の倍率における、緻密高密度の単結晶性砥粒に係る走査型電子顕微鏡写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
一次結晶1の境界3は、図1および2において、暗色の境界領域として特定でき、該領域は個々の一次結晶1を包囲している。それに加えて、該結晶境界は、徐々に出現する個別の明るい外因性の相2によって際立たされており、該相は、本件においては、88質量%を超えるTiO2を含む(実施例4)。従って、外因性の相2のEDX分析は、結果として88.6質量%のTiO2、0.7質量%のNa2O、0.1質量%のMgO、0.1質量%のSiO2および10.5質量%のAl2O3からなる組成物をもたらした。一次結晶1については、99.5質量%のAl2O3、0.3質量%のSiO2および各場合において0.1質量%のCaOおよびTiO2であるものと分析された。相境界3については、5.6質量%のNa2O、93.4質量%のAl2O3、0.2質量%のSiO2および0.8質量%のTiO2であることが見いだされた。上記像において確認し得る黒色領域は、細孔4であり、該細孔は、該一次結晶境界に沿って生じる。図2は2,000-倍の倍率における砥粒の研磨断面を示しており、その場合においては、特に、結晶子境界3に沿って整列されているTiO2-含有外因性相2を見ることができる。
図3および4は、上記熱処理前のベース粒子を通る断面を示す。図1または2に示された本発明による熱的に後処理された粒子と比較して、チタン-含有外因性相2の量が、かなり低く、その分離(separation)はより粗いものとなり、また該分離の形状は、より小板-様となっていることを理解することができる。従って、該熱的後処理の高温度が拡散過程へと導き、このことが、高められた分離および外因性相2のより微細な点状分布へと導くものと想定される。また、該温度処理(temperature treatment)または該拡散効果夫々が、相境界3の厚みの減少を引起すものと思われる。
【００１１】
20〜100μmのサイズを有するAl2O3一次結晶を含み、また相互に結合している、本発明による砥粒の多結晶質組成物は、100-倍の倍率で図5において見ることができる。該砥粒の亀裂を持つ表面は、研磨材の結合剤マトリックスにおける該砥粒の良好な埋め込みおよびこれに起因する良好な研削性能を説明している。
単結晶質となるように構成され、かつ比較的平滑な表面を持つ、従来の高密度で緻密な砥粒は、図5に対する有意な対照として、150-倍の倍率において、図6に見ることができ、結果として該砥粒は、実際に高い粒子強度を示すが、該結合剤マトリックス内に不十分に埋め込まれているに過ぎない。
砥粒の品質を評価するためには、研削テストを実施することが必須である。研削テストは、比較的大規模であり、かつ時間を要するものである。研磨材産業においては、従って機械的な特性によって前もって砥粒の品質を評価することが一般的であり、該機械的特性は、より容易に入手することができ、また該研削テストにおけるその以降の挙動に対する指標として役立つ。本研究との関連で、該砥粒の粒子靭性は、ボールミル内で磨砕することによるマイクロ粒子分解(micro grain decomposition)を通して、決定された。
【００１２】
マイクロ粒子分解(MKZ)
マイクロ粒子分解を測定するために、10gのコランダム(対応するグリットサイズを持つ)を、12個の鋼製ボール(径：15 mm、質量：330〜332g)で満たされたボールミル内で、188回転/分にて、所定の期間に渡り磨砕する。該磨砕された粒子は、その後にスクリーニング装置(ハーバーブロッカー(Haver Bocker) EHL 200)内で、対応するグリットサイズに規定されている、底部の篩よりも2等級目が細かい、対応する目の細かい篩を通して5分間に渡りスクリーニングされ、また該目の細かい部分は、釣合わされている。該MKZの値は、以下の式に従う：
【００１３】
【数１】
0006370895.tif 000002
【００１４】
以下の表1において、数種の選ばれた型のコランダムが特徴付けされており、その嵩密度に加えて、そのマイクロ粒子分解が、次に表2にまとめられており、かつ本発明の砥粒と比較されている。トライバッケルシュライフミッテル社(Treibacher Schleifmittel GmbH)からのコランダムを、これらテストのために使用する。比較のために、バッチ法で溶融させた、ブロック状で高密度の融合酸化アルミニウム(図6)も、多結晶質コランダムに加えて使用した。該多結晶質コランダムに対する温度処理は、1,250℃にて15分間、ロータリーキルン内で行われた。
【００１５】
【表１】
0006370895.tif 000003
【００１６】
【表２】
0006370895.tif 000004
【００１７】
上記ブロック状かつ高密度の融合コランダム(実施例1および2)に関して、その低いMKZの値は、高い靭性および粒子強度を証明し、これは上記白色の融合酸化アルミニウム(実施例1)に比して、該合金化コランダムについてかなり高い。実施例2と同様な化学的組成の場合において、上記多結晶質の多孔性コランダム(実施例3)に関するMKZの値は、かなり高いものである。それにも拘らず、対応する用途に応じて、この材料は極めて良好な研磨性能を示し、これも特に、その多孔質組成物のために、該砥粒を該研磨材中に極めて良好に埋め込むことができる(研削ベルトまたは研削ディスク)という事実に起因するものでもあり、ここでその結合剤は、該砥粒の外側の開口細孔(open pores)内に貫入し、また該砥粒は、該研磨材中に固定される。
1,250℃での温度処理後に、上記同一の砥粒は、夫々約32％の、そのMKZ値における減少または該粒子靭性の増加を示す。完全に新規な応用の可能性は、本発明の砥粒についてはこれから当然の結果として得られ、その理由は、該多孔性多結晶質構造が、今や比較的高い粒子靭性と対をなし、結果として上記良好な埋め込みの利点を高い粒子強度と組合せることができることにある。
上記MKZの値は、上記粒子サイズの関数であることが知られている。従って、より微細なグリットサイズを用いて、更なる測定を実施した。実施例5〜8の場合において、グリットサイズF60およびF80について、その粒子靭性の途方もない増加が、熱的後処理によって得られることも明らかとなった。かくして、約24％という粒子靭性の増加が、グリットサイズF60について測定され(実施例5および6)、一方で約44％の増加さえも、グリットサイズF80について観測できる。
【００１８】
ボールミル粒子分解(KMKZ)
上記ボールミル粒子分解は、上記粒子強度を測定するための同様な方法である。そのより多量のサンプル量の故に、この方法は、より正確で、しかもより欠点を示さない傾向にある。100gのコランダム(対応するグリットサイズを持つ)を、大きな8個の径35mmを持つ鋼製ボールおよび小さな40〜45個の径14.7mmを持つ鋼製ボールで満たされたボールミル内で、83回転/分にて所定期間に渡り磨砕する。該鋼製ボールを分離した後、該磨砕された粒子を、その後ロタップ(Rotap)スクリーニング装置内で対応する目の細かい篩を介して5分間に渡りスクリーニングする。ここで、該目の細かい篩は、対応するグリットサイズに規定されている、底部の篩よりも2等級目が細かく、またその目の細かい部分は、釣合わされている。該KMKZの値は、以下の式に従う：
【００１９】
【数２】
0006370895.tif 000005
【００２０】
この場合においては、合金化されていない多結晶質コランダムを、TiO2合金化多結晶質コランダムと比較した。両者の型のコランダムに係る化学的組成は、以下の表1Aにまとめられている。
【表３】
0006370895.tif 000006
【００２１】
【表４】
0006370895.tif 000007
【００２２】
上記多結晶質コランダムの温度処理は、1,250℃にて15分間に渡り、ロータリーキルン内で行われた。上記ボールミル粒子分解の結果は、上記表2Aにまとめられている。上記未処理の多結晶質コランダムは、これが合金化されているかまたは合金化されていないかに拘らず、同等の粒子強度を持つことが分かった。両者の型のコランダムは、温度処理後に粒子強度の改善を示し、それにより合金化されていない多結晶質コランダムの該改善は、20％以下であり、一方で該合金化された多結晶質コランダムの粒子強度は、50％を超えて増大する。
【００２３】
研削テスト
また、応用、研削応用に対する上記MKZの値に係る正の効果を立証するために、追加の研削テストを、実施例1〜4にならって実施した。
このために、切削ディスク(cutting disc)を、125×1.5×22.23の寸法で製造し、次いでこれを用いて、直径20mmおよび厚み2mmを有するステンレススチール製チューブを切断した。3個の粗製切断品(rough cuts)を、初めに該ディスクの状態調節のために製造し、またその後に、全体で20個の切断品を、各ディスクを用いて製造した。該ディスクの研削性能は、その径における減少(ディスクの磨耗)によって決定された。その平均値は、各場合において、該ディスクの磨耗に応じて、3個のディスクから形成した。これら研削の結果および該研削の条件は、以下の表3にまとめられている。
【００２４】
【表５】
0006370895.tif 000008
【００２５】
上に挙げられている研削条件の場合において、上記緻密かつ高密度の白色融合酸化アルミニウムを含む切削ディスクは、最も高いディスク磨耗を示し、これは上記結合剤マトリックス内への、該緻密な粒子の劣悪な埋め込みおよび特にその比較的低い粒子靭性を原因とするものと説明することができる。これと比較して、上記強靭な合金化されたコランダムを含む切削ディスクは、かなり低い摩耗性を示す(約45％)。上記極めて高いMKZ値(実施例3 = 29.6)にも拘らず、実施例(2)由来の緻密かつ強靭な粒子に比して僅かに低いに過ぎないディスクの磨耗を示す、多結晶質で多孔性のコランダムを含む上記切削ディスクに係る結果は、驚くべきものであり、また確かに上記結合剤マトリックスにおける該多孔性多結晶質粒子の良好な埋め込みを原因とするものと説明することができる。該砥粒を1,250℃にて15分間焼き戻しすることにより、該切削ディスクの径の減少に基くその安定性は、約30％増大する可能性があり、また結果として極めて固く緻密な合金化されたコランダムを超える。
これに関連して、上述の研削テストが、主として、本発明によるAl2O3物体の砥粒としての適性を一般的に決定するように、また上記未処理の砥粒と比べて、その性能の増大を明らかにするように行われたことを述べておくことは重要である。特定の用途および研削操作に関連して、この場合においては、本発明による砥粒の多孔度および比較的高い粒子靭性は、特に正の影響を有しているが、特に上記緻密かつ高密度のコランダム型と比較して、更なる性能の増大は、予想されることである。対応する結果は、精密研削について、あるいはまたセラミック結合された砥粒を用いた高性能研削についても見出された。
【００２６】
特に、規定された多孔度を持たなければならない研磨ディスクにおいて使用した場合、本発明による砥粒の使用は、最先端のものに比して改善へと導き、その理由は、該所望の多孔度が、今や少なくとも部分的に該砥粒自体により具体化されることにあり、このことは、その冷却潤滑剤を、研磨材の接触ゾーンに直接持ち込むことができるという追加の利点と関係している。他方、該研磨ディスクの切削能力は改善され、またその作業プロセス中の快削(free cutting)が、本発明による砥粒の使用に呼応する、追加の多孔度の導入により裏付けられる。他方、該研削ディスクへの該砥粒の埋め込みは、大きな亀裂のある表面を含む上記多結晶質構造のために更に改善され、それによりその研削性能は付随的に高められる。
上記高いマクロ多孔度にも拘らず、上記砥粒は極めて安定であり、また研削操作に対しても使用でき、その場合においては、高い接触圧が印加される。その組成により、上記多結晶質Al2O3物体が、特に研削ディスクにおける使用に適しているとしても、これらはまた、遊離砥粒(loose abrasive)として使用するために、被覆研磨材(coated abrasives)で使用するために、耐火性材料を製造するために、および摩耗保護材料として使用するためにも適している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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