(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
理論酸化物ベースでＡl2Ｏ3、ＳiＯ2、および少なくとも0.25重量％のＦe2Ｏ3を含有し、ＳiＯ2が少なくとも３０％の粒内破壊を提供するのに十分な量で存在し、微結晶平均粒子サイズ0.5μm未満を有するアルファ-アルミナ微結晶を有し、200nmより大きい表面粗度高さおよび3.5g/cm3より大きい密度を有するアルファアルミナベースのセラミック砥粒。
【請求項２】
理論酸化物ベースでＡl2Ｏ3、Ｆe2Ｏ3、ＳiＯ2、および少なくとも0.05重量％のアルカリ金属酸化物を含有し、ＳiＯ2が少なくとも３０％の粒内破壊を提供するのに十分な量で存在し、微結晶平均粒子サイズ0.5μm未満を有するアルファ-アルミナ微結晶を有し、3.5g/cm3より大きい密度を有するアルファアルミナベースのセラミック砥粒。
【請求項３】
200nmより大きい表面粗度高さ、3.5g/cm3より大きい密度および微結晶平均粒子サイズ0.5μm未満を有し、砥粒の総重量を基礎として、Ａl2Ｏ385.0〜99.6重量％、Ｆe2Ｏ30.25〜5.0重量％、ＳiＯ21.0〜5.0重量％およびアルカリ金属酸化物0.01〜1.0重量％を含有し、ＳiＯ2が少なくとも３０％の粒内破壊を提供するのに十分な量で存在する非透明アルファアルミナベースのセラミック砥粒。
【請求項４】
理論酸化物ベースでＡl2Ｏ3、Ｆe2Ｏ3およびＳiＯ2を必須成分として含有し、ＳiＯ2が少なくとも３０％の粒内破壊を提供するのに十分な量で存在し、微結晶平均粒子サイズ0.5μm未満を有するアルファ-アルミナ微結晶を有し、200nmより大きい表面粗度高さおよび3.5g/cm3より大きい密度を有するアルファアルミナベースのセラミック砥粒。
【請求項５】
(a)液状媒体、ベーマイト、しゃく解剤、酸化鉄原料、およびアモルファスシリカ原料を含有する分散体を調製する工程、
(b)該分散体を砥粒前駆体に変換する工程、および
(c)該砥粒前駆体を焼結して、理論酸化物ベースでＡl2Ｏ3、0.1〜10重量％のＦe2Ｏ3、および0.1〜20重量％のＳiＯ2を含有し、ＳiＯ2が少なくとも３０％の粒内破壊を提供するのに十分な量で存在し、微結晶平均粒子サイズ0.5μm未満を有するアルファアルミナ微結晶を有し、3.5g/cm3より大きい密度を有するアルファアルミナベースのセラミック砥粒を提供する工程、を含むアルファアルミナベースのセラミック砥粒の製造方法。
【請求項６】
(a)ベーマイト、しゃく解剤、液状媒体、酸化鉄原料、およびアモルファスシリカ原料を含有する分散体を調製する工程、
(b)該分散体を砥粒前駆体に変換する工程、および
(c)該砥粒前駆体を焼結して、成分酸化物ベースでＡl2Ｏ3、Ｆe2Ｏ3、およびＳiＯ2を含有し、ＳiＯ2が少なくとも３０％の粒内破壊を提供するのに十分な量で存在し、微結晶平均粒子サイズ0.5μm未満を有するアルファアルミナ微結晶を有し、3.5g/cm3より大きい密度を有するアルファアルミナベースのセラミック砥粒を提供する工程、を含むアルファアルミナベースのセラミック砥粒の製造方法であって、
該アモルファスシリカ原料が、平均微結晶体積を少なくとも１／２だけ減少するのに十分な量で、該分散体中に存在するアルファアルミナベースのセラミック砥粒の製造方法。
【請求項７】
(a)液状媒体、ベーマイト、しゃく解剤および酸化鉄原料を含有する分散体を調製する工程、
(b)該分散体を多孔質砥粒前駆体に変換する工程、および
(c)工程(d)および(e)の後に、該アモルファスシリカ原料が、該アモルファスシリカ原料を含有しないこと以外は同様の方法で製造したアルファアルミナベースのセラミック砥粒中に存在するアルファアルミナ微結晶の平均微結晶体積より小さい平均微結晶体積を有するアルファアルミナ微結晶を有するアルファアルミナベースのセラミック砥粒を提供するのに十分な量のアモルファスシリカ原料を含有する含浸組成物を該多孔質砥粒前駆体に含浸する工程、
(d)工程(c)で得られた該砥粒前駆体を焼成する工程、および
(e)工程(d)で得られた該焼成砥粒前駆体を加熱して、Ａl2Ｏ3、Ｆe2Ｏ3、およびＳiＯ2を含有し、ＳiＯ2が少なくとも３０％の粒内破壊を提供するのに十分な量で存在し、微結晶平均粒子サイズ0.5μm未満を有するアルファアルミナ微結晶を有し、3.5g/cm3より大きい密度を有するアルファアルミナベースのセラミック砥粒を提供する工程、
を含むアルファアルミナベースのセラミック砥粒の製造方法。
【請求項８】
(a)液状媒体、ベーマイト、しゃく解剤、酸化鉄原料、および150nmより小さい平均粒子サイズを有するコロイダルシリカ原料を含有する分散体を調製する工程、
(b)該分散体を砥粒前駆体に変換する工程、および
(c)該砥粒前駆体を焼結して、理論酸化物ベースでＡl2Ｏ3、Ｆe2Ｏ3、およびＳiＯ2を含有し、ＳiＯ2が少なくとも３０％の粒内破壊を提供するのに十分な量で存在し、微結晶平均粒子サイズ0.5μm未満を有するアルファアルミナ微結晶を有し、3.5g/cm3より大きい密度を有するアルファアルミナベースのセラミック砥粒を提供する工程、を含むアルファアルミナベースのセラミック砥粒の製造方法。
【発明の詳細な説明】
（技術分野）
本発明は、砥粒、砥粒の製造方法、およびそのような砥粒を含有する研磨製品（例えば、被覆研磨材、結合研磨材、および不織研磨材）に関する。上記砥粒は、アルファアルミナ、シリカ、酸化鉄、および要すれば他の金属酸化物を含有する。
（背景技術）
砥粒は研磨製品に何世紀もの間、使用されてきた。これらの研磨製品には、結合研磨材（例えば、研削ホイール）、被覆研磨材、および不織研磨材を含む。好ましい研磨砥粒は通常、強靭で、硬質でかつ、研磨されるワークピースに対して化学的に耐性を有する。「強靭性」砥粒は一般に、強く、かつ耐破壊性を有する。「硬質」砥粒は一般に、研削力により降伏したり、擦り減ったりしない。上記砥粒が降伏するか、擦り減ると、通常、研磨性能の低下につながる。
溶融アルミナとして公知の一般タイプの研磨砥粒は、酸化アルミニウム原料を溶融状態に加熱し、急冷し、次いで粉砕することにより形成される。この種の砥粒は硬質で、強靭で、化学的に耐性を有する。更に最近開発されたタイプの砥粒は、しばしばアルファアルミナベースのセラミック砥粒と呼ばれる。この種の砥粒はゾル-ゲル法により製造され、例えば、液状媒体（通常は、水）、アルファアルミナ一水和物、および要すれば金属酸化物前駆体（例えば、硝酸マグネシウム）等の添加剤を含有する分散体を乾燥し、粉砕し、焼成し、次いで焼結しする。得られたセラミック砥粒は通常、溶融アルミナ砥粒より優れた強靭性を有し、かつ研磨作業において優れた性能を示す。
いくつかのアルファアルミナベースのセラミック砥粒は、上記ゾル-ゲル法において成核材料を用いて調製される。成核材料（時には、播種材料と呼ばれる）は通常、上記アルファアルミナ微結晶の粒子サイズを低減し、得られた砥粒の密度および硬度を向上する。成核材料および/または播種材料の例には、アルファ-Ａl2Ｏ3、アルファ-Ｆe2Ｏ3、アルファ-Ｃr2Ｏ3、および/またはそれらの前駆体が挙げられる。成核したおよび/または播種したゾル-ゲル法により調製された多くの製品が市販されているが、改良された強度および強靭性を有する製品が望ましい。
（発明の要旨）
本発明は、理論酸化物ベースでＡl2Ｏ3、Ｆe2Ｏ3、およびＳiＯ2を含有し、Ａl2Ｏ3が主にアルファアルミナ微結晶として存在するアルファアルミナベースのセラミック砥粒を提供する。
本発明の１つの態様では、アルファアルミナベースのセラミック砥粒は、理論酸化物ベースでＡl2Ｏ3、ＳiＯ2、および少なくとも約0.25重量％のＦe2Ｏ3を含有し、微結晶平均粒子サイズ約0.5μm未満を有するアルファ-アルミナ微結晶を有し、約200nmより大きい表面粗度高さおよび約3.5g/cm3より大きい密度を有するアルファアルミナベースのセラミック砥粒として表される。
他の態様では、アルファアルミナベースのセラミック砥粒は、理論酸化物ベースでＡl2Ｏ3、Ｆe2Ｏ3、ＳiＯ2、および少なくとも約0.05重量％のアルカリ金属酸化物を含有し、微結晶平均粒子サイズ約0.5μm未満および約3.5g/cm3より大きい密度を有するアルファ-アルミナ微結晶を有するアルファアルミナベースのセラミック砥粒として表される。
他の態様では、本発明は、約200nmより大きい表面粗度高さ、約3.5g/cm3より大きい密度、および微結晶平均粒子サイズ約0.5μm未満を有し、理論酸化物ベースで、上記砥粒の総重量を基礎として、Ａl2Ｏ3約85.0〜約99.6重量％、Ｆe2Ｏ3約0.25〜5.0重量％、ＳiＯ2約0.1〜5.0重量％、およびアルカリ金属酸化物約0.01〜1.0重量％を含有する非透明（nontranslucent）のアルファアルミナベースのセラミック砥粒を提供する。
更に他の態様では、本発明は、理論酸化物ベースで必須成分としてＡl2Ｏ3、Ｆe2Ｏ3、およびＳiＯ2を含有し、微結晶平均粒子サイズ約0.5μm未満を有するアルファアルミナ微結晶を有し、約200nmより大きい表面粗度高さおよび約3.5g/cm3より大きい密度を有するアルファアルミナベースのセラミック砥粒を提供する。
他の態様では、本発明は、バインダーおよび上記バインダーにより物品内に固定された本発明の多数の砥粒を含む研磨物品を提供する。そのような研磨物品は例えば、被覆研磨製品、結合研磨製品（例えば、結合研磨ホイール）、または不織研磨製品であってもよい。
本発明はまた、液状媒体、ベーマイト、酸化鉄原料、およびシリカ原料を含有する分散体からアルファアルミナベースのセラミック砥粒を製造する方法を提供する。１つの好ましい方法は、
(a)液状媒体、ベーマイト、酸化鉄原料、およびアモルファスシリカ原料を含有する分散体を調製する工程、
(b)該分散体を砥粒前駆体に変換する工程、および
(c)該砥粒前駆体を焼結して、理論酸化物ベースでＡl2Ｏ3、Ｆe2Ｏ3、およびＳiＯ2を含有するアルファアルミナベースのセラミック砥粒を提供する工程、を含む。
アルファアルミナベースのセラミック砥粒を製造する他の方法は、
(a)ベーマイト、液状媒体、酸化鉄原料、およびアモルファスシリカ原料を含有する分散体を調製する工程、
(b)該分散体を砥粒前駆体に変換する工程、および
(c)該砥粒前駆体を焼結して、成分酸化物ベースでＡl2Ｏ3、Ｆe2Ｏ3、およびＳiＯ2を含有するアルファアルミナベースのセラミック砥粒を提供する工程、を含み、上記アモルファスシリカ原料が、該アモルファスシリカ原料を含有しないこと以外は同様の方法で製造したアルファアルミナベースのセラミック砥粒中に存在するアルファアルミナ微結晶の平均微結晶体積より小さい平均微結晶体積を有するアルファアルミナ微結晶を有する該砥粒を提供するのに十分な量で、上記分散体中に存在する。
アルファアルミナベースのセラミック砥粒を製造する更に他の方法は、
(a)液状媒体、ベーマイト、および酸化鉄原料を含有する分散体を調製する工程、
(b)該分散体を多孔質砥粒前駆体に形成する工程、および
(c)工程(d)および(e)の後に、該アモルファスシリカ原料が、該アモルファスシリカ原料を含有しないこと以外は同様の方法で製造したアルファアルミナベースのセラミック砥粒中に存在するアルファアルミナ微結晶の平均微結晶体積より小さい平均微結晶体積を有するアルファアルミナ微結晶を有するアルファアルミナベースのセラミック砥粒を提供するのに十分な量のアモルファスシリカ原料を含有する含浸組成物を該多孔質砥粒前駆体に含浸する工程、
(d)工程(c)で得られた該砥粒前駆体を焼成する工程、および
(e)工程(d)で得られた該焼成砥粒前駆体を加熱して、該アルファアルミナベースのセラミック砥粒を提供する工程、
を含む。
アルファアルミナベースのセラミック砥粒を製造する他の方法は、
(a)液状媒体、ベーマイト、酸化鉄原料、および約150nmより小さい平均粒子サイズを有するコロイダルシリカ原料を含有する分散体を調製する工程、
(b)該分散体を砥粒前駆体に変換する工程、および
(c)該砥粒前駆体を焼結して、理論酸化物ベースでＡl2Ｏ3、Ｆe2Ｏ3、およびＳiＯ2を含有するアルファアルミナベースのセラミック砥粒を提供する工程、を含む。
本明細書中で、以下の定義を用いた。
「砥粒前駆体」または「未焼結砥粒」の語により、理論値の80％未満（通常60％未満）の密度を有し、焼結されて、または含浸組成物で含浸されてアルファアルミナベースのセラミック砥粒を提供し得る通常粒子形状の乾燥アルミナベースの分散体（即ち、「乾燥砥粒前駆体」）または焼成アルミナベースの分散体（即ち、「焼成砥粒前駆体」）を表す。
本明細書中で用いられる「アルファアルミナベースの砥粒」、「アルミナベースの砥粒」または「砥粒」の語により、理論値の少なくとも85％（好ましくは、少なくとも90％、より好ましくは少なくとも95％）の密度に焼結され、理論酸化物ベースで、Ａl2Ｏ3少なくとも60重量％を含有し、アルミナの総量の少なくとも50％がアルファアルミナとして存在する焼結砥粒を表す。
「分散体」または「ゾル」の語により、１相が液体中に分散された細かく分級された粒子（コロイドサイズ領域内）を含有するソリッド・イン・リキッド（solid-in-liquid）の２相系を表す。「安定性分散体」または「安定性ゾル」の語により、ゲル化し、分離し、または約２時間静置することにより安定させるのに固体が目視により観察されない分散体またはゾルを表す。
「含浸組成物」の語により、砥粒前駆体内に含浸され得る、液状媒体、シリカ原料、酸化鉄原料、および/または他の金属酸化物原料の溶液または分散体を表す。
「含浸砥粒前駆体」の語により、理論値の80％未満（通常60％未満）の密度を有し、含浸組成物で含浸され、含浸乾燥粒子および含浸焼成粒子を含有する乾燥アルミナベースの分散体（即ち、「含浸乾燥砥粒前駆体」）または焼成アルミナベースの分散体（即ち、「含浸焼成砥粒前駆体」）を表す。
「非透明砥粒」の語により、上記砥粒が高コントラスト画像（即ち、この節の活字）と直接接触している場合に画像が肉眼で見えない砥粒を表す。これには、不透明砥粒を含むが、それらに限定されない。
「成核材料」の語により、転移性アルミナのアルファアルミナへの変換を促進する材料を表す。上記成核材料は、成核剤自体またはそれらの前駆体であってもよい。
「焼結」の語により、加熱される材料の融点以下の温度で加熱して、高密度化および微結晶生長させて、強靭性、硬質の、化学的に耐性を有するセラミック材料を提供する方法を表す。本発明のアルファアルミナベースのセラミック砥粒は、加熱が加熱される材料の融点以上の温度で行われる溶融法によっては製造されない。
「溶液」の語により、１種以上の溶媒中の１種以上の溶質の分子レベルまたはイオンレベルで、実質的に均一分散した混合物である真の溶液を表す。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の砥粒を含有する被覆研磨製品の概略断面図である。
図２は、本発明の砥粒を含有する結合研磨製品の斜視図である。
図３は、本発明の砥粒を含有する不織研磨製品の拡大概略図である。
（好ましい態様の詳細な説明）
未焼結砥粒前駆材料を、当業者に公知のものを含む多数の方法により製造してもよい。砥粒前駆材料の好ましい製造方法には、分散体ベースのゾルゲル法を含み、アルミナ原料が好ましくは酸化アルミニウム一水和物（ベーマイト）または溶液ベースのゾルゲル法であり、好ましくは転移アルミナ前駆体が炭酸アルミニウムまたは窒化アルミニウムである。
（アルミナベースの分散体）
アルファアルミナ一水和物
ゾル-ゲル法を用いる本発明のアルファアルミナベースのセラミック砥粒の調製には、アルファアルミナ一水和物（即ち、ベーマイト）、シリカ原料（好ましくはコロイダルシリカ）、および酸化鉄原料（好ましくは粒状酸化鉄前駆体）の分散体の調製を含む。これは、多くの方法により行われ得る。１つの例として、上記シリカおよび酸化鉄を分散体中で組合せ、次いで上記ベーマイトを粉末状または分散体としてのいずれかにより加えてもよい。
通常、本明細書中に開示されたベーマイト以外のアルミナ原料、例えばホルモ酢酸アルミニウム（「ＡＦＡ」）、ニトロホルモ酢酸アルミニウム（「ＡＮＦＡ」）、および他の塩基性アルミニウム塩を用いる系では、クラックなしに約100μmより大きい粒子サイズを有する砥粒を作製することは困難である。そのようなクラックは特性、特に砥粒の研削特性の一般的な劣化の原因となる。これに反して、本発明のベーマイトを用いて作製した砥粒および/または本発明の方法により作製した砥粒は、約100μmより大きい砥粒子サイズを有するように容易に作製し得る。
ベーマイトは当業者に公知の様々な方法を用いて調製され、また多くの供給先から市販されている。例えば、独国ハンブルグ（Hamburg）のコンデア・ケミー（Condea Chemie）GmbHから商品名「ディスパーラル（DISPERAL）」およびテキサス州ヒューストン（Houston）のビスタ・ケミカル（Vista Chemical）社から商品名「ディスパル（DISPAL）」で市販されている。これらの酸化アルミニウム一水和物はα型であり、一水和物以外の水和物相は相対的にほとんど含まない（許容され得る非常に少量の三水和物不純物がいくつかの市販グレードのベーマイト中に含有するけれども）。それらは、低い水溶解性を有し、かつ高表面積（通常、少なくとも約180m2/g）を有する。好ましくは、本発明の砥粒を製造するのに用いられるベーマイトは、約20nmより小さい（より好ましくは約12nmより小さい）平均粒子サイズを有する。本明細書中で、「粒子サイズ」の語は、粒子の最長寸法により定義される。
上記分散体はまた、液状媒体を含有して上記ベーマイトを分散する。この液状媒体は水であっても、低級アルコール類（通常はＣ1〜Ｃ6アルコール類）、ヘキサンまたはヘプタンなどの有機溶媒であってもよい。ベーマイト分散体、または要すればベーマイトゲルは、上記分散体の総重量を基礎として、少なくとも約10重量％（好ましくは約30〜80重量％）の液状媒体（好ましくは水）を用いて調製されてもよい。
酸化鉄原料
上記アルミナベースの分散体はまた、理論に拘束されるつもりはないが、成核剤（即ち、転移性アルミナのアルファアルミナへの変換を促進する材料）として作用する、または成核剤として作用する材料を提供すると考えられている酸化鉄原料（または酸化鉄成核材料）を含有する。酸化鉄原料は、ヘマタイト（即ち、α-Ｆe2Ｏ3）、そしてそれらの前駆体（即ち、ゲータイト（α-ＦｅＯＯＨ）、レピドクロサイト（γ-ＦeＯＯＨ）、マグネタイト（Ｆe3Ｏ4）、およびマゲマイト（γ-Ｆe2Ｏ3））を含む。好適な酸化鉄の前駆体には、加熱するとα-Ｆe2Ｏ3に変換する鉄含有材料を含む。
好適な酸化鉄原料は、当業者に公知の様々な方法により調製されてもよい。例えば、E.マチジェビック（Matijevic）等の「J.コロイダル・インターフェイス・サイエンス（Colloidal Interface Science）」、第63巻、509〜24頁（1978年）およびB.ボイト（Voight）等の「クリスタル・リサーチ・テクノロジー（Crystal Research Technology）」、第21巻、1177〜83頁（1986年）に開示されているように、ヘマタイト（α-Ｆe2Ｏ3）の分散体を硝酸鉄溶液の熱処理により調製してもよい。レピドクロサイト（γ-ＦeＯＯＨ）は、例えばＦe（ＯＨ）2のＮaＮＯ2溶液を用いた酸化により調製されてもよい。マゲマイト（γ-Ｆe2Ｏ3）は、例えば減圧下でγ-ＦeＯＯＨを脱水により調製されてもよい。γ-ＦeＯＯＨはまた、空気中でγ-ＦeＯＯＨを加熱または研削することにより、α-Ｆe2Ｏ3に変換されてもよい。ゲータイト（α-ＦeＯＯＨ）は、例えば水酸化第一鉄の空気酸化により、または高温および高pＨでの水酸化第二鉄の分散体のエージングにより合成してもよい。鉄の酸化物の調製の更なる情報が、例えばR.N.シルバ（Sylva）の「Rev.ピュア・アプライド・ケミストリー（Pure Applied Chemistry）」、第22巻、15頁（1972年）およびT.ミサワ（Misawa）等の「コロージョン・サイエンス（Corrosion Science）」、第14巻、131頁（1972年）に開示されている。
本明細書中に開示の砥粒を作製するのに用いられた酸化鉄原料の種類は変更してもよい。好ましくは、結晶性粒状材料である。そのような粒状材料は、粒子の結晶度および/または調製方法に依存して、球状、針状、または板状であってもよい。上記粒状材料はすべて、好ましくは表面積少なくとも約60m2/g（より好ましくは少なくとも約80m2/g、最も好ましくは少なくとも約100m2/g）を有し、約１μmより小さい（より好ましくは約0.5μmより小さい）平均粒子サイズを有する。本明細書中で、「粒子サイズ」の語は、粒子の最長寸法により定義される。好ましい態様では、上記結晶性粒子はアスペクト比少なくとも約２：１を有する針状である。１つの特に好ましい材料は、長さ約0.04〜0.1μmおよび幅約0.01〜0.02μmの針状粒子を有する。そのような粒子は、多くの磁気媒体顔料の供給先、例えばバージニア州プラスキ（Plaski）のマグノックス・プラスキ（Magnox Plaski）社から得られる。
酸化鉄の粒状原料の表面積は、例えばフロリダ州ボーイントン・ビーチ（Boynton Beach）のカンタクローム（Quantachrome）社製のカンタソーブ・システム（Quantasorb System）OS-10を用いる窒素吸収量により測定されてもよい。上記粒子サイズは、様々な方法£を用いて、粒子の最長寸法を測定することにより決定されてもよい。例えば、上記粒子サイズは透過型電子顕微鏡を用いて測定されてもよく、それにより適当な倍率で粒子の集合体の顕微鏡写真を撮り、次いで上記粒子サイズを測定する。他の測定方法は、粒子により光線が散乱される準弾性光散乱である。上記粒子サイズは、上記粒子により散乱した光の強度の変動の数値分析により決定される。
非常に少量のＦe2Ｏ3の存在（例えば、理論酸化物ベースで約0.01重量％のＦe2Ｏ3）は、転移性アルミナのアルファアルミナへの変換を成核するのを補助すると考えられている。また、酸化鉄なしに起こる（即ち、Ｆe2Ｏ3原料を用いない以外は同様の方法で作製された砥粒における）高密度化より低い温度でアルファアルミナを高密度するのを補助すると考えられている。
シリカ原料
上記アルミナベースの分散体はまた、シリカ原料、好ましくはアモルファスシリカを含有してもよい。上記シリカ原料には、コロイダルシリカ、コロイダルシリカ前駆体、そして非コロイダルシリカ前駆体が挙げられる。即ち、上記シリカ原料は、十分に加熱するとＳiＯ2を形成する水溶性または水分散性材料であってもよい。好適なシリカ原料には、それらに限定されないが、シリカゾル、溶融シリカ、ハロゲン化ケイ素、テトラエトキシオルソシラン等のアルコキシシラン、そしてシロキサンポリマーおよびオリゴマーが挙げられる。
コロイダルシリカは、本明細書中では寸法の１つ以上が約３nm〜約１μmの範囲内であるアモルファスＳiＯ2の不連続の細かく分級された粒子（コロイドサイズ領域内）と定義される。コロイダルシリカ前駆体は例えば、加熱によりＳiＯ2の細かく分級された（１nm〜１μm）ポリマーまたは粒子を形成する水分散性または水溶性シリカ原料であってもよい。
コロイダルシリカ前駆体は、細かく分級されたＳiＯ2粒子を形成し得る材料であるが、上記コロイダルシリカ前駆体が本明細書中に記載の反応条件下でコロイダルシリカを形成する必要はないと解されるべきである。本明細書中で用いられるコロイダルシリカの語には、ケイ素および酸素を含有する現存するコロイド状化合物（例えば、コロイダルクレー）を包含する。この語には、被覆コロイダルシリカ、例えばアルミナ被覆シリカおよびジルコニア被覆シリカを含む。好ましくは、コロイダルシリカは必須成分としてＳiＯ2を含有する。
コロイダルシリカ直接からであろうと、コロイダルシリカの他の形または原料からであろうと、コロイダルシリカ中のシリカ平均粒子サイズは好ましくは、約50nmより小さい。いくつかの場合、上記シリカ粒子は約３〜10nmのオーダーである。ほとんどの場合、上記コロイダルシリカはシリカ粒子サイズの分布または範囲を有する。約150nmより小さいアルファシリカは、より大きな粒子サイズのシリカより良好な分散性を有し、それによりより均一な砥粒が得られる。
通常、シリカ原料を酸化鉄原料と共にまたは酸化鉄原料なしで液状媒体に加え、次いで、通常は分散体の形であるベーマイトと組合せる。更に、液状媒体中のシリカ原料を、酸化鉄原料と共にまたは酸化鉄原料なしで、より詳細に後述するように、砥粒前駆体に含浸組成物として加えてもよい。この液状媒体は、ベーマイト分散体に用いた液状媒体と同様であっても、異なってもよい。通常、この液状媒体は水（好ましくは、脱イオン水）である。より好ましくは、シリカ原料を分散するのに用いた液状媒体（および/または酸化鉄原料）およびベーマイトの分散に用いた液状媒体は共に、脱イオン水である。液状媒体中のコロイダルシリカを直接加える場合（即ち、前駆体溶液としてよりむしろ分散体として）、コロイダルシリカ分散体中の％固形分は、コロイダルシリカ分散体の総重量を基礎として、一般に約５〜50％（好ましくは、約15〜30％）である。
コロイダルシリカは、特に非常に小さい粒子（例えば、約５nm未満）を含有する場合、一般に塩基性Ｎa+安定化系またはＮＨ4+安定化系として調製される。上記塩基性コロイダルシリカのpＨは一般に約8.5〜約11.5、通常約９〜約11の範囲内である。酸性コロイダルシリカも市販されているが、それらは塩基性コロイダルシリカほど安定ではない。即ち、酸性コロイダルシリカは塩基性コロイダルシリカより容易に凝集する傾向を有する。従って、本発明のある態様では、保存寿命が長いため、塩基性コロイダルシリカが好ましい。そのような市販の塩基性コロイダルシリカの例には、それらに限定されないが、イリノイ州ナパービル（Naperville）のナルコ・プロダクツ（Nalco Products）社から商品名「ナルコ（NALCO）1115」、「ナルコ（NALCO）1130」および「ナルコ（NALCO）2326」で市販され、ジョージア州オーガスタ（Augusta）のエカ・ノーベル（Eka Nobel）社から商品名「ニアコル（NYACOL）215」で市販されているものが挙げられる。酸性コロイダルシリカの例には、それらに限定されないが、イリノイ州ナパービル（Naperville）のナルコ・プロダクツ（Nalco Products）社から商品名「ナルコ（NALCO）1034A」および「ナルコ（NALCO）AG2326」で市販されているものが挙げられる。
本発明のアルファアルミナセラミック砥粒の作製時に、上記コロイダルシリカを通常ベーマイトの酸性分散体または酸化鉄原料の酸性分散体に加える。塩基性コロイダルシリカは望ましくない凝集およびシリカフロックの形成を起こす。従って、塩基性コロイダルシリカを酸性原料と組合せ、それを酸性コロイダルシリカ分散体（好ましくはpＨ約１〜３を有する）に変換して、それをベーマイトまたは酸化鉄原料のどちらかと組合せることが好ましい。この新しく調製した酸性コロイダルシリカ分散体は、より高い密度により例証されるように、「より古い」酸性コロイダルシリカより良好な砥粒を提供する傾向があり、それはより凝集した粒子を有してもよい。
本発明の砥粒は、液状媒体、ベーマイト、酸化鉄原料、およびシリカ原料を含有する分散体を調製する工程；この分散体を砥粒前駆体に変換する工程；および上記砥粒前駆体を焼結して、アルファアルミナベースのセラミック砥粒を提供する工程；を含む方法により製造してもよい。ある態様では、分散体調製工程が、第１液状媒体およびベーマイトを含有する第１分散体を調製する工程；第２液状媒体、シリカ原料および酸化鉄原料を組合せることにより第２分散体を調製する工程；およびこれらの第１および第２分散体を組合せる工程；を含む。
非常に少量のＳiＯ2（例えば、理論酸化物ベースで0.05重量％以下のＳiＯ2）の存在は焼結温度を上昇させ、Ｆe2Ｏ3原料は用いるがＳiＯ2原料は用いない同様の方法により作製される砥粒と比較すると、砥粒内に存在するアルファアルミナの微結晶サイズを低減すると考えられている。非常に少量のＳiＯ2（例えば、理論酸化物ベースで0.05重量％以下のＳiＯ2）の存在はまた、Ｆe2Ｏ3原料は用いるがＳiＯ2原料は用いない同様の方法により作製される砥粒と比較すると、砥粒の粒内破壊量を増加し、砥粒の少なくとも１つの単位格子の寸法を増大すると考えられている。しかしながら、多量のシリカ（例えば、8.0重量％）の存在は、かなりのムライトの生成および低研削性能の原因となる。
要すれば含有する添加剤
アルファアルミナ分散体には、酸化物改質剤および/または他の酸化物添加剤を含有してもよく、それらをアルファアルミナベースのセラミック砥粒のいくつかの所望の特性を向上するため、または焼結工程の効率を向上させるのに添加してもよい。例えば、金属酸化物の添加は、得られる砥粒の化学的特性または物理特性を変え得る。通常、金属酸化物改質剤の添加は、焼結砥粒の多孔度を低下し、それによって密度が増加する。これらの成分の適当な比率は、焼結砥粒の所望の特性に依存して変化してもよい。
通常、これらの改質剤および/または添加剤は金属酸化物の前駆体の形（例えば、金属硝酸塩または金属酢酸塩等の塩）であり、加熱による分解よりそれを金属酸化物に変換する。更に、上記金属酸化物改質剤および/または添加剤をアルミナベースの分散体に、水中の粒子の分散体として、加えてもよい。また、それらは粒状材料として、上記アルミナベースの分散体に直接加えてもよい。後者の方法では、上記粒状材料は好ましくは、約５μmより小さい、より好ましくは約１μmより小さい粒子サイズを有する。
意外に、２種のそのような改質剤はＮa2ＯおよびＫ2Ｏである。通常、そのようなアルカリ金属酸化物は、砥粒の物理特性（例えば、硬度）を損なうと考えられているため、セラミック砥粒の製造には敬遠される。しかしながら、本発明の砥粒の製造へのアルカリ金属酸化物原料（例えば、Ｎa2Ｏ、Ｋ2ＯおよびＬi2Ｏ）の使用はかなりの有用性を提供し、特に焼結助剤として高密度化を促進すると考えられている。驚くべきことには、これらのアルカリ金属酸化物は、得られた砥粒の研削性能を向上することが明らかとなった。従って、好ましくは十分な量のアルカリ金属酸化物をアルミナベースの分散体に加えて、アルカリ金属酸化物原料を用いない以外は同様の方法により作製された砥粒に比較して、砥粒の密度を増大する。上記アルカリ金属酸化物原料はシリカ原料中に、塩基性Ｎa+-安定化コロイダルシリカ内として、含まれてもよく、また上記アルミナベースの分散体に、例えば酢酸ナトリウムのような塩として加えてもよい。より好ましくは、理論酸化物ベースで少なくとも約0.01重量％かつ約1.0重量％以下のアルカリ金属酸化物（例えば、Ｎa2Ｏ）がアルファアルミナベースのセラミック砥粒内に存在する。
本発明の砥粒内に導入され得る他の金属酸化物の例には、必ずしも望ましい訳ではないが、酸化マグネシウム（ＭgＯ）、酸化亜鉛（ＺnＯ）、酸化コバルト（ＣoＯ）、酸化ニッケル（ＮiＯ）、酸化ジルコニウム（ＺrＯ2）、酸化チタン（ＴiＯ）、酸化鉄（Ｆe2Ｏ3）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、酸化マンガン（ＭnＯ）、酸化プラセオジム（Ｐr2Ｏ3）、酸化サマリウム（Ｓm2Ｏ3）、酸化イッテルビウム（Ｙb2Ｏ3）、酸化ネオジム（Ｎd2Ｏ3）、酸化ランタン（Ｌa2Ｏ3）、酸化ガドリニウム（Ｇd2Ｏ3）、酸化セリウム（Ｃe2Ｏ3）、酸化ジスプロシウム（Ｄy2Ｏ3）、酸化エルビウム（Ｅu2Ｏ3）、酸化ハフニウム（ＨfＯ2）、酸化クロム（Ｃr2Ｏ3）、酸化ストロンチウム（ＳrＯ）、酸化カルシウム（ＣaＯ）、およびそれらの組合せが挙げられる。これらの金属酸化物のあるものは、上記アルミナと反応して、アルミナとの反応生成物を生成してもよいが、他のものは金属酸化物として残存する。例えば、コバルト、ニッケル、亜鉛、およびマグネシウムの酸化物は通常、アルミナとして反応してスピネルを生成するが、ジルコニアおよびハフニアはアルミナと反応しない。更に、酸化ジスプロシウムおよび酸化ガドリニウムの酸化アルミニウムとの反応生成物は一般にザクロ石である。酸化プラセオジム、酸化イッテルビウム、酸化エルビウムおよび酸化サマリウムの酸化アルミニウムとの反応生成物は一般に灰チタン石および/またはザクロ石型構造を有する。イットリアはアルミナと反応してザクロ石型結晶構造を有するＹ3Ａl5Ｏ12を生成する。ある稀土類酸化物および二価金属カチオンは、アルミナと反応して、式：
ＬnＭＡl11Ｏ19
（式中、Ｌnは３価の金属イオン、例えば、Ｌa3+、Ｎd3+、Ｃe3+、Ｐr3+、Ｓm3+、Ｇd3+またはＥu3+であり、Ｍは２価の金属イオン、例えば、Ｍg2+、Ｍn2+、Ｎi2+、Ｚn2+、またはＣo2+である）
により表される稀土類アルミネートを生成する。そのようなアルミネートは六面体結晶構造を有する。アルミナベース分散体中の金属酸化物に関して、米国特許第4,314,827号（リーセイザー（Leitheiser）等）、同4,770,671号（モンロー（Monroe）等）および同4,881,951号（ウッド（Wood）等）に更に開示されている。
これらの金属酸化物の内のどれも上記砥粒中には、ベーマイト、酸化鉄原料、および/またはシリカ原料中の少量の混入物に由来する量で存在しないことが好ましい。従って、上記砥粒の好ましい態様には、必須成分として、金属酸化物、例えばＭgＯは含有しない。存在する場合、理論酸化物ベースで、好ましくは約0.01〜25重量％（より好ましくは約0.01〜10重量％、最も好ましくは約0.01〜1.0重量％）がアルファアルミナベースのセラミック砥粒中に存在する。これらの金属酸化物は、あるこれらの金属酸化物原料（例えば、硝酸塩等の可溶性塩）はしばしば乾燥時にマイグレーションを起こして組成的に不均質砥粒となるため、必ずしも望ましいものではない。これらの金属酸化物のいくつか、例えばＭgＯは得られた砥粒の粒内破壊量を増加するが、それらは砥粒の硬度および強靭性も低下させる。しかしながら、シリカは、本発明のＦe2Ｏ3と組合せて用いる場合、砥粒の硬度および強靭性、そして研削性能を損なうことなく、改良さえしつつ、得られた砥粒の粒内破壊量を増加する。
分散剤とも呼ばれる、しゃく解剤（peptizing agent）を用いて、ベーマイト分散体を提供する。好適なしゃく解剤には、一塩基酸または酸化合物、例えば酢酸、塩酸、蟻酸および硝酸を含む。硝酸は好ましいしゃく解剤である。多塩基酸は通常、分散体を速くゲル化し、取扱いや別の成分との混合を困難にするため、敬遠される。いくつかの市販のベーマイト原料は酸滴定量、例えば吸収された蟻酸または硝酸を含有して、分散体を生成する。
更に、アルミナベースの分散体は酸化鉄原料以外に少量の成核材料、例えばアルファアルミナ成核材料を含有してもよい。しかしながら、そのような他の成核材料の存在は、特殊な他の成核材料の存在により、上記砥粒の特性に有害な作用を起こし得る。従って、第２の成核材料の添加は必ずしも望ましいものではない。
一般に、液状媒体、アルファアルミナ一水和物、シリカ原料、および酸化鉄原料を均質混合物を形成するまで混合する。塩基性コロイダルシリカを用いる場合、好ましくは最初に酸原料と組合せて、上記コロイダルシリカを酸性化する。１つの態様では、上記シリカ原料を酸化鉄原料と液状媒体中で組合せて、ベーマイトに加える。上記分散体を、例えば、ボールミル、エアースターラー、超音波混合機、コロイドミル、連続スクリュー型混合機、スクリューオーガー等を用いる従来技術により、混合または調製してもよい。ボールミルには、好適な粉砕媒体、例えばアルファアルミナ粉砕媒体、ジルコニア粉砕媒体等を有してもよい。
一般に、脱液化前に分散体内に閉じ込められた空気またはガスを低減することは、起泡の確率を低下する傾向がある。閉じ込められたガスが少ないほど、より多孔質でない微細構造を形成し、望ましい。例えば、上記分散体を調製時に減圧することにより脱泡を行ってもよい。更に、要すれば、脱泡剤を用いてもよい。
上記分散体は通常、脱液化工程の前にゲル化する。上記分散体のpＨおよびゲル中のイオン濃度は概して、分散体がどれだけ速くゲル化するかにより決定される。通常、分散体のpＨは約1.5〜約４の範囲内である。更に、ほとんどの改質剤の添加は、分散体のゲル化をより速くする。更に、分散体のゲル化をするのに酢酸アンモニウムまたは他のイオン種を加えてもよい。
分散体の脱液化および乾燥砥粒前駆体の形成
アルミナベースの分散体を、例えば従来の方法により脱液化してもよい。そのような方法には、分散体を単に風乾することも含む。他の好適な方法には、上記分散体の遊離水を除去し、乾燥砥粒前駆体を提供する当業者に公知の脱水法を含む。そのような他の方法の例には、遠心分離または濾過が挙げられる。好ましくは、脱液化は加熱して蒸発を促進することにより行われる。より好ましくは、上記加熱は約50〜200℃（好ましくは、約100〜150℃）で強制通風乾燥機内で行われる。そのような加熱はバッシ式で行っても連続式で行ってもよい。上記脱液化工程は一般に液状媒体のかなりの部分を上記分散体から除去するが、上記乾燥砥粒前駆体内には液状媒体の少しの部分がなお存在する。
成形砥粒に関して、分散体は部分的に脱液化された分散体の可塑性素材（plastic mass）が形成されるまで、部分的に脱液化される。この部分的に脱液化された可塑性素材は、プレス、モールディング、打ち抜きまたは押出の従来の方法により成形されてもよい。次いで、更に脱液化して所望の形状（例えば、ロッド、ピラミッド、三角板状、ダイヤモンド、円錐等）を形成する。上記成形砥粒がロッドである場合、直径、例えば約20〜1000μmおよびアスペクト比（即ち、長さと幅の比）少なくとも１、好ましくは少なくとも２、より好ましくは少なくとも５を有してもよい。不規則形状の砥粒は、上記分散体を乾燥容器、例えばケーキパンの形状の都合のよい大きさに単に滞積し、好ましくは上記分散体の発泡温度以下の温度で乾燥することにより、都合のよい形状に成形する。
更に、本発明の砥粒および/または本発明に従って製造した砥粒を、例えば三角形、正方形等の幾何学面を有する薄層体、およびフィラメント形状またはロッド形状に成形してもよい。成形砥粒が、米国特許第5,090,968号（ペロー（Pellow））および同5,201,916号（バーグ（Berg）等）に開示されている。
上記乾燥砥粒前駆体を、従来の方法、好ましくは粗砕により、有用なサイズの固形材料に変換してもよい。この粗砕工程は、好適な方法、例えばハンマーミル、ロールクラッシャー、またはボールミルにより行ってもよい。上記乾燥砥粒前駆体を微粉砕する如何なる方法を用いてもよい。「粗砕（crushing）」の語は、そのような方法のすべてを包含して用いられる。乾燥砥粒前駆体を粗砕することは、焼結砥粒を粗砕するより、非常に容易でありかつ、かなり少ないエネルギーしか必要としない。乾燥砥粒前駆体を所望の大きさおよび形状に成形する場合、変換工程が上記成形工程中に起こり、粗砕工程を必要としない。
乾燥砥粒前駆体の焼成
脱液化（即ち、乾燥）砥粒前駆体を更に焼成することにより加工してもよい。単に乾燥しても、または乾燥および焼成しても、この材料は本明細書中では「砥粒前駆体」または「未焼結砥粒」と表す。焼成の間に、本質的にすべての揮発分を除去し、上記分散体中に存在する様々な成分を酸化物に変換する。上記材料は一般に約400〜1000℃（好ましくは約500〜800℃）で加熱され、遊離水、および好ましくは少なくとも約90重量％の結合揮発物が除去されるまで、この温度を維持する。焼成は、（含浸が行われる場合）含浸の前または後に行われても、または含浸の前および後の両方に行われてもよい。含浸工程が用いられても用いられなくても、好ましくは、焼成は焼結の直前に行われる。
含浸
要すれば、含浸工程を砥粒の製造方法に用いて、シリカおよび/または他の金属酸化物および添加剤を導入してもよい。乾燥または焼成材料（即ち、上記砥粒前駆体）に、シリカ原料、酸化鉄原料、金属酸化物前駆体、およびそれらの混合物、および液状媒体を含有する含浸組成物を含浸して、含浸砥粒前駆体を提供してもよい。含浸工程の後、上記含浸砥粒前駆体を要すれば通常乾燥し、次いで、焼成して（一般に、これが第２焼成工程である）、含浸焼成砥粒前駆体を形成する。
以下の議論では粗砕砥粒前駆体を含浸することが記載されているが、上記乾燥および/または焼成砥粒前駆体を粗砕または成形する前に含浸工程を行ってもよいと解されるべきである。しかしながら、不規則形状の砥粒に関して、上記乾燥砥粒前駆体を粗砕し、次いでこの粗砕材料を焼成し、上記焼成砥粒前駆体を含浸する。
一般に、含浸組成物（好ましくは、溶液）は含浸液および以下のもの：シリカ原料、酸化鉄原料、アルカリ金属酸化物または他の金属酸化物の原料、およびそれらの混合物、の内の１種以上を含有する。上記含浸液は水（好ましくは脱イオン水）であっても、有機溶媒（好ましくは非極性有機溶媒）であってもよい。上記砥粒前駆体を含浸工程まえに焼成する場合、好ましくは水を含浸液として用いる。上記砥粒前駆体を含浸工程前に焼成しない場合、上記含浸液は上記砥粒前駆体を溶解または軟化しないものである。
浸透を促進するため、上記金属酸化物前駆体は一般に、可溶性塩、例えば金属硝酸塩または金属酢酸塩の形である。酸化物に変換する好適な金属塩の例として、マグネシウム、亜鉛、コバルト、ニッケル、ジルコニウム、アルミニウム、チタン、鉄、イットリウム、プラセオジム、サマリウム、マンガン、クロム、イッテルビウム、ネオジム、ランタン、ガドリニウム、セリウム、ジスプロシウム、エルビウム、ハフニウム、カルシウム、ストロンチウム、錫、ナトリウム、カリウム、リチウム、およびそれらの組合せの塩が挙げられる。含浸により添加する場合、上記シリカ原料も、材料の孔への浸透を促進するため、酸化鉄原料と同様に一般に可溶性材料、例えばテトラエトキシオルソシランの形である。
ベーマイトから誘導された焼成砥粒前駆体は一般に多孔質であり、通常、半径約30〜40Åの孔を有する。従って、含浸を、上記焼成砥粒前駆体を含浸組成物と混合することにより行ってもよく、上記含浸組成物は毛管作用により孔内に浸透する。上記含浸組成物が高粘度である場合、この混合工程を減圧下で行うことが好ましい。通常、十分な含浸組成物を上記焼成砥粒前駆体に加えて、理論酸化物ベースで所望の量のＳiＯ2、Ｆe2Ｏ3、アルカリ金属酸化物、または要すれば用いる他の金属酸化物を、得られるアルファアルミナベースのセラミック砥粒に供給する。
含浸後、上記含浸材料を、個々の粒子が互いに粘着せず、また焼成炉の供給管に粘着しないように乾燥する。いくつかの場合、この乾燥工程は必要ない。次に、上記材料を通常は焼成して、結合揮発性材料を前述の条件を用いて除去する。しかしながら、２つの焼成工程を用いる場合、上記条件は同一である必要はない。
１つ以上の含浸工程を用いることは、本発明の範囲内である。多数の含浸工程により、上記含浸溶液内に含まれる気孔の濃度を増加し得る。後の含浸溶液は、第１り含浸溶液中に含まれるのと異なる固形分濃度および/または異なる材料の組合せを有してもよい。例えば、第１の組成物はある金属塩を含有していてもよく、第２の溶液は異なる金属塩を含有していてもよい。
上記含浸組成物は更に、無機粒状材料の非常に小さい粒子または突起素材（例えば、約25μm未満）、例えばコロイダルシリカまたは固形酸化鉄原料を含有してもよい。一般に、この無機粒状材料は実質的に上記乾燥または焼成粒子の気孔には浸透し得ない。焼結により、上記無機粒状材料は焼結し、上記セラミック砥粒の表面に粘着し、それにより上記焼結砥粒表面に被膜を形成する。この種の被膜に関する更なる情報が、米国特許第5,213,591号（セリッカヤ（Celikkaya）等）および同5,011,508号（ウァルド（Wald）等）に開示されている。
焼結
上記砥粒前駆体の焼結を通常、転移性アルミナをアルファアルミナに変換し、かつ金属酸化物前駆体のすべてを上記アルミナと反応させるか、または金属酸化物を形成するのに有効な温度で加熱することにより行われる。本明細書中で用いられる、転移性アルミナは、アルファアルミナへの変換前に、水和アルミナを加熱して水和水を除去した後に存在するどんな結晶形のアルミナ（例えば、イータ、シータ、デルタ、チ、イオタ、カッパおよびガンマ形のアルミナ、およびそのような形の中間の組合せ）であってもよい。上記焼結温度は約1200〜約1650℃（好ましくは約1300〜約1450℃）である。上記砥粒前駆体を上記焼結温度に暴露して所望のレベルの変換を行う時間の長さは、粒子サイズ、粒子の組成および焼結温度のような種々のファクターに依存する。しかしながら、通常、焼結は数秒〜約60分内に完了してもよい。好ましくは、焼結は約５〜30分内で完了する。
焼結は、要すれば他の気圧で行ってもよいが、通常、大気圧で行われる。上記焼結は、好ましくは酸化雰囲気内で行われる。中性または還元雰囲気内での焼結は上記鉄を＋３から還元し、かつ播種（即ち、成核）効率を妨げる傾向がある。焼結は、例えば、回転キルン、バッチ式（即ち、静的）キルン、または米国特許第5,489,204号（コンウェル（Conwell）等）に開示のキルン内で行われる。
焼結後、上記砥粒を更に、スクリーニング、または粗砕および所望のサイズ分布へのスクリーニングにより加工してもよい。
砥粒
本発明の砥粒および/または本発明の方法により製造された砥粒は、好ましくは非透明であり、アルミナ（Ａl2Ｏ3）、シリカ（ＳiＯ2）および酸化鉄（α-Ｆe2Ｏ3）、そしてある態様に関してアルカリ金属酸化物を含有する。それは通常、砥粒サイズ（即ち、砥粒の最長寸法）少なくとも約10μmを有する。本明細書中に記載の砥粒は、約100μmより大きい砥粒サイズを有するものを容易に製造され得るが、更に大きい砥粒（例えば、約150μmより大きい、または約200μmより大きいものでも）容易に製造され得る。本明細書中の砥粒サイズは、好ましくは特殊砥粒サイズ「より大きい」と言われる試料に対して、上記試料の実質的にすべて粒子がその特殊な値より大きいけれども、通常、平均砥粒サイズである。
本発明の砥粒および/または本発明の方法により製造された砥粒は通常、約200nmより大きい（好ましくは約300nmより大きい）表面粗度高さ、および約500nmより小さい（好ましくは約250nmより小さい）表面粗度周期を有する。この表面粗度は、上記砥粒の、例えば研磨物品内のバインダーとの接着性に寄与する。表面粗度高さおよび周期を決定し得る方法を後述する。
焼結砥粒の微細構造は、約0.5μmより小さい、好ましくは約0.3μmより小さい平均直径を有する不規則に配列した、小面のある、等軸アルファアルミナ微結晶として記載されてもよい。即ち、約0.5μmより小さい平均微結晶サイズを有するアルファアルミナの少なくとも一部分がアルファアルミナ微結晶として存在する。一般に、１μmより大きいアルファアルミナ微結晶はなく、それらは通常、約0.1〜0.4μmの範囲のサイズである。本明細書中で用いられるように、微結晶サイズは上記微結晶の最長寸法である。通常、微結晶体積は、この最長寸法を３乗することにより決定されてもよい。
本発明のアルファアルミナベースのセラミック砥粒および/または本発明の方法により製造された上記砥粒は、少なくとも約3.5g/cm3、より好ましくは少なくとも約3.7g/cm3、最も好ましくは少なくとも約3.8g/cm3の密度を有する。一般に、上記砥粒は、硬質で（即ち、耐変形性）かつ強靭性（即ち、耐破壊性）を有する。上記砥粒は通常、平均硬度（即ち、耐変形性）少なくとも約16ＧＰaを有する。好ましくは、上記平均硬度は少なくとも約18ＧＰa、より好ましくは少なくとも約20ＧＰa、最も好ましくは少なくとも約22ＧＰaである。他の態様では、上記焼結砥粒は通常、平均靭性（即ち、耐破壊性）少なくとも約2.5ＭＰa・m1/2を有する。好ましくは、上記平均靭性は少なくとも約3.0ＭＰa・m1/2、より好ましくは少なくとも約3.5ＭＰa・m1/2、最も好ましくは少なくとも約4.0ＭＰa・m1/2である。特に好ましい砥粒は、平均硬度少なくとも23ＧＰaおよび平均靭性少なくとも約3.3ＭＰa・m1/2を有する。
理論に拘束されるつもりはないが、酸化鉄は転移性アルミナのアルファアルミナへの変換を始めるのを補助すると考えられている。上記酸化鉄は、また酸化鉄なしに起こる高密度化より低い温度で上記アルファアルミナを高密度化するのを補助すると考えられているが、シリカは焼結温度を上昇させるが、焼結時にアルファアルミナ微結晶の生長を低減すると考えられている。従って、酸化鉄量およびシリカ量は、アルファアルミナの微結晶生長を低減しながら有効に転移性アルミナをアルファアルミナに変換するのに用いられる。好ましくは、上記アルミナベースの分散体は十分な量の酸化鉄原料および十分な量のシリカ原料を含有して、約0.5μmより小さい（より好ましくは約0.3μmより小さい）平均微結晶サイズを有するアルファアルミナベースのセラミック砥粒を製造する。
一般に、上記砥粒前駆体の焼結時に、低減された微結晶生長が非常に低ＳiＯ2量（例えば、0.05％）で観察される。好ましくは、上記ＳiＯ2は、上記シリカ原料を含有しないこと以外は同様の方法で製造したアルファアルミナベースのセラミック砥粒中に存在するアルファアルミナ微結晶の平均微結晶体積より小さい平均微結晶体積を有するアルファアルミナ微結晶を有する砥粒を提供するのに十分な量で、上記砥粒中に存在する。好ましくは上記平均微結晶体積は、上記シリカ原料を含有しないこと以外は同様の方法で製造したアルファアルミナベースのセラミック砥粒中に存在するアルファアルミナ微結晶の平均微結晶体積の多くても１/２（より好ましくは１/５、最も好ましくは１/10、特に好ましい態様では、１/100）である。
本明細書中に記載の砥粒は、ガラス相をほとんどまたは全く有さず、上記砥粒が「真」密度少なくとも理論値の90％に焼結された場合、粒子間破壊とは異なる粒内破壊を示す。非常に多孔質な砥粒（例えば、が虫状のまたは多孔質非播種微細構造を有する材料中に見られるように、内部気孔と外部気孔がつながっている均一な多孔度を有するもの）は非常に高い「見掛け」密度および非常に多量（例えば、約70％より多い）の粒内破壊を有する。この場合、上記粒内破壊量は、多孔質材料が粒子内で破壊する傾向があるという意味ではない。本発明の砥粒が播種し、かつ高密度化した気孔のほとんどない（外部多孔度を同定する後述の赤色染料試験（Red Dye Test）および/または外部および内部多孔度の両方を同定する走査型電子顕微鏡により決定されたものとして）微細構造を有すると当業者には解される。そのような非多孔質砥粒に関して、測定されたまたは「見掛け」密度は「真」密度である。この場合、高い粒内破壊量は一般に、一般により良好な研削性能を有するより強靭な砥粒を示す。
上記粒内破壊量は、後述のように走査型電子顕微鏡を用いて決定されてもよい。一般に、粒内破壊は非常に低ＳiＯ2量（例えば、0.05重量％）で観察されるが、粒内破壊、研削性能および強靭性はより高ＳiＯ2量（例えば、0.1重量％、特に１〜２重量％）で向上する。従って、好ましくは、上記ＳiＯ2は、上記ＳiＯ2を含有しないこと以外は同様の方法で製造した砥粒と比較した場合に増加した粒内破壊量を有する砥粒を提供するのに十分な量で、上記砥粒中に存在する。より好ましくは、上記ＳiＯ2は、少なくとも約30％、最も好ましくは少なくとも約40％、ある態様では、少なくとも約50％の粒内破壊を有する砥粒を提供するのに十分な量で存在する。粒内破壊量が増加すると、一般に研削性能が向上する。
Ｆe2Ｏ3をアルミナセラミック材料に導入する場合、アルファアルミナ微結晶の単位格子寸法を増加することが知られている。驚くべきことに、非常に低ＳiＯ2量（例えば、0.05重量％）で、ＳiＯ2の存在はこの増加作用を促進する。従って、好ましくは、上記ＳiＯ2は、上記ＳiＯ2を含有しない砥粒と比較した場合に少なくとも１つ増加した単位格子を有する砥粒を提供するのに十分な量で、上記砥粒中に存在する。より好ましくは、上記ＳiＯ2は、ＳiＯ2を含有しない砥粒と比較した場合に、少なくとも１つの単位格子寸法の少なくとも約0.01％、最も好ましくは少なくとも約0.02％増加を有する砥粒を提供するのに十分な量で存在する。
ある態様では、上記砥粒は好ましくは、理論酸化物ベースで、少なくとも約0.1重量％（より好ましくは少なくとも約0.5重量％、最も好ましくは少なくとも1.0重量％）のＳiＯ2を含有する。更に、上記砥粒は好ましくは、約20.0重量％より少ない（より好ましくは約5.0重量％より少ない、最も好ましくは約2.0重量％より少ない）のＳiＯ2を含有する。
ある態様では、上記砥粒は好ましくは、理論酸化物ベースで、少なくとも約0.1重量％（より好ましくは少なくとも約0.25重量％、最も好ましくは少なくとも0.5重量％）のＦe2Ｏ3を含有する。更に、上記砥粒は好ましくは、約10.0重量％より少ない（より好ましくは約5.0重量％より少ない、最も好ましくは約2.0重量％より少ない）のＦe2Ｏ3を含有する。
一般に、本発明の砥粒および/または本発明の方法により製造された上記砥粒は好ましくは、上記砥粒の総重量をベースとして、少なくとも約70.0重量％（より好ましくは少なくとも約85.0重量％）のＡl2Ｏ3を含有する。更に、上記砥粒は好ましくは、上記砥粒の総重量をベースとして、約99.9重量％より少ない（より好ましくは約99.6重量％より少ない、最も好ましくは約98.0重量％より少ない）のＡl2Ｏ3を含有する。
前述のように、本発明のアルファアルミナベースのセラミック砥粒および/または本発明の方法により製造された上記砥粒は、アルカリ金属酸化物（例えば、Ｎa2Ｏ、Ｋ2Ｏ、またはＬi2Ｏ）をある有用性のために用いてもよい。しかしながら、通常、上記砥粒は必須成分としてＡl2Ｏ3、Ｆe2Ｏ3、およびＳiＯ2を含有する。
研磨製品
本発明の砥粒および/または本発明の方法により製造された上記砥粒を従来の研磨製品、被覆研磨製品、結合研磨製品（研削ホイール、カットオフホイール、および研磨砥石を含む）、不織研磨製品および研磨ブラシに使用してもよい。通常、研磨製品（即ち、研磨物品）には、バインダー、および上記バインダーにより研磨製品内に保持された少なくとも一部分が本発明の砥粒および/または本発明の方法により製造された砥粒である砥粒を含む。そのような研磨製品を製造する方法は当業者に公知である。更に、本発明の砥粒および/または本発明の方法により製造された砥粒を、摩耗（abrading）化合物（例えば、研磨（polishing）化合物）のスラリーを用いる研磨材用途に使用してもよい。
被覆研磨製品は一般に、支持体、砥粒、および上記砥粒を支持体上に保持する少なくとも１種のバインダーを含む。上記支持体は、布、ポリマーフィルム、ファイバー、不織ウェブ、紙、それらの組合せ、およびそれらを処理したものを含む如何なる好適な材料であってもよい。上記バインダーは無機または有機バインダー含む如何なる好適なバインダーであってもよい。上記砥粒は被覆研磨製品の１層または２層内に存在していてもよい。被覆研磨製品の好ましい製造方法が、米国特許第4,734,104号（ブロバーグ（Broberg））および同4,737,163号（ラーキー（Larkey））に開示されている。
上記被覆研磨製品は、被覆研磨製品を支持パッドまたはバックアップパッドに固定するのに、裏面に取付手段を有してもよい。そのような取付手段は、例えば、感圧接着剤、またはフック・アンド・ループ取付手段用のループ繊維（loop fabric）であってもよい。上記被覆研磨製品の裏側に、滑り止めまたは摩擦被膜を有していてもよい。そのような被膜の例として、接着剤中に分散した無機粒子材料（例えば、炭酸カルシウムまたは石英）が挙げられる。
被覆研磨製品の例を、図１に示した。この図に関して、被覆研磨製品10は、支持体（基材）12および研磨剤層13を有する。研磨剤層13は、メイク被膜15およびサイズ被膜16によって支持体12の主要表面に保持された砥粒14を含む。いくつかの場合には、表示はないがスーパーサイズ（supersize）被膜を用いる。
結合研磨製品は通常、有機、金属製またはガラス化バインダーにより保持した砥粒の成形素材を含む。そのような成形素材は例えば、ホイール、例えば研削ホイール、カットオフホイール等のホイールの形状であってもよい。それはまた、研削砥石の形状、または他の従来の結合研磨材形状としてもよい。それは好ましくは研削ホイールの形状である。図２には、ホイールに成形し、ハブ22上に搭載した、少なくとも一部分が本発明の砥粒および/または本発明の方法により製造された砥粒である砥粒21を含むホイール20を示す。結合研磨製品に関する更なる詳細に関して、例えば米国特許第4,997,461号（マークホッフ・マセニー（Markhoff-Matheny））に開示されている。使用可能な好ましいバインダーは、本発明のセラミック砥粒に悪影響を与えない温度および条件下で硬化可能である。
不織研磨製品は通常、構造全体に分布し、有機バインダーにより接着した砥粒を有する開口多孔性ロフティー（lofty）ポリマーフィラメント構造を含む。フィラメントの例として、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維、およびポリアラミド繊維が挙げられる。図３には、約100倍拡大の、典型的不織研磨製品の概略図を示した。そのような不織研磨製品には、少なくとも一部分が本発明の砥粒および/または本発明の方法により製造された砥粒である砥粒32をバインダー34で接着した支持体としての繊維状マット30を含む。不織研磨製品に関する更なる詳細に関して、例えば米国特許第2,958,593号（フーバー（Hoover）等）に開示されている。
本発明の研磨製品用の好適な有機バインダーには、熱硬化性有機ポリマーが挙げられる。好適な熱硬化性有機ポリマーの例には、フェノール樹脂、ユリアホルムアルデヒド樹脂、メラミンホルムアルデヒド樹脂、ウレタン類、アクリレート樹脂、ポリエステル樹脂、ペンダントα,β-不飽和カルボニル基を有するアミノプラスト樹脂、エポキシ樹脂、およびそれらの組合せが挙げられる。上記バインダーおよび/または研磨製品には、更に添加剤、例えば繊維、滑剤、湿潤剤、チキソトロープ材料、界面活性剤、顔料、染料、帯電防止剤（例えば、カーボンブラック、酸化バナジウム、グラファイト等）、カップリング剤（例えば、シラン類、チタネート類およびジルコアルミネート類等）、可塑剤、沈殿防止剤等を含有していてもよい。これら材料の量を選択し、所望の特性を得る。上記カップリング剤は、砥粒および/または充填材への接着性を改善し得る。
上記バインダーは充填材料または研削助剤を、通常粒状材料の形で含有してもよい。通常、上記粒状材料は無機材料である。充填材として働く粒状材料の例には、金属カルボネート、シリカ、シリケート、金属スルフェート、金属酸化物等が挙げられる。研削助剤として働く粒状材料の例には、ハロゲン化物塩、例えば、塩化ナトリウム、塩化カリウム、ナトリウムクリオライトおよびテトラフルオロホウ酸カリウム；金属類、例えば錫、鉛、ビスマス、コバルト、アンチモン、カドミウム、鉄およびチタン；有機ハロゲン化物、例えばポリ塩化ビニルおよびテトラクロロナフタレン；硫黄および硫黄化合物；グラファイト；等が挙げられる。研削助剤は、研磨の化学的および物理的プロセスに重要な影響を与え、性能を改善する材料である。被覆研磨製品において、研削助剤は、サイズ被膜にも加えられるが、通常、上記砥粒表面上に適用したスーパーサイズ被膜に用いる。要すれば、通常研削助剤は、被覆研磨製品の約50〜300g/m2（好ましくは、約80〜160g/m2）の量で用いられる。
本発明の砥粒および/または本発明の方法により製造された砥粒は、表面被膜を有してもよい。表面被膜は研磨製品内の砥粒およびバインダーの間の接着性を改良し、いくつかの場合には砥粒の研磨特性を改良することが知られている。そのような表面被膜は例えば、米国特許第5,011,508号（ワルド（Wald）等）、同1,910,444号（ニコルソン（Nicholson））、同3,041,156号（ロウズ（Rowse）等）、同5,009,675号（カンツ（Kunz）等）、同4,997,461号（マークホッフ・マセニー（Markhoff-Matheny）等）、同5,213,951号（セリッカヤ（Celikkaya）等）、同5,085,671号（マーチン（Martin）等）および同5,042,991号（カンツ（Kunz）等）に開示されている。
上記砥粒は、本発明の砥粒および/または本発明の方法により製造された砥粒100％から成ってもよいし、本発明の砥粒の従来の砥粒および/または稀釈剤粒子の混合物を含有していてもよい。しかし、研磨製品内の砥粒の少なくとも15重量％、および好ましくは50〜100重量％は、本発明の砥粒であるべきである。好適な従来の砥粒の例として、大理石、石膏、フリント、シリカ、酸化鉄、ケイ酸アルミニウム、ガラス、および稀釈剤凝集体が挙げられる。本発明の砥粒を研磨剤凝集体と組合せてもよい。研磨剤凝集体の例が、米国特許第4,311,489号（クレスナー（Kressner））、同4,652,275号（ブローカー（Bloecher）等）および同4,799,939号（ブローカー（Bloecher）等）に開示されている。
実施例
本発明を以下の実施例により更に説明するが、これらの実施例中に列挙されたそれらの特定材料および量、そして他の条件および詳細は、不当に本発明を制限するものではない解されるべきである。本発明の様々な変更および変形が当業者間で明らかである。表示しない限り、すべての部数および百分率は重量部および重量％である。
以下の略号を実施例に用いた。
ＡＡＭＨ：独国ハンブルグ（Hamburg）のコンデア・ケミー（Condea Chemie）から商品名「ディスパーラル（DISPERAL）」で市販されているアルファアルミナ一水和物（ベーマイト）
ＤＷＴ：脱イオン水
ＨＮＯ3：硝酸
ＡＭＭ：酢酸アンモニウム
ＴＥＯＳ：テトラエトキシオルソシラン
ＡＳＭ：４リットルボールミルジャー（内径21cm）中で、約750ミリリットルのＨ2Ｏ中の約5200gのアルミナ粉砕媒体（長さ0.25インチ（0.64cm）および直径0.25インチ（0.64cm））アルミナロッド（コアズ・オブ・ゴールデン（Coors of Golden）社から市販）を60rpmで7２時間ミルすることにより調製されたアルファアルミナ種水性分散体
ＡＳＧ：メジアン粒子サイズ0.4μm、表面積8.2m2/g、アラスカ州のアルコア・インダストリアル・ケミカルズ・オブ・ボーキサイト（Alcoa Industrial Chemicals of Bauxite）社から商品名「アルコア（ALCOA）A16SG」で市販のアルファアルミナ種
ＳＡＳ：50gのＡＳＧ、５ミリリットルの濃ＨＮＯ3および400ミリリットルのＤＷＴを円筒状のアルミナ粉砕媒体（等量の0.5インチ（1.3cm）ボール、0.5インチ円筒、および0.75インチ（1.9cm）円筒から成る）を容積の約１/３入れたアルミナボールミル中で約48時間ミルすることにより調製されたアルファアルミナ種ゾル
ＩＯ-１：約90〜95％が平均粒子サイズ約0.05〜0.1μm、長さと直径の比または長さと幅の比約0.05〜0.1および表面積約115.3m2/gを有するレピドクロサイト、針状粒子であるオキシ水酸化鉄（γ-ＦeＯＯＨ）、水性分散体（pＨ＝5.0〜5.5）
ＩＯ-２：オキシ水酸化鉄（α-ＦeＯＯＨ）、水性分散体、平均粒子サイズ0.1μm以上を有する針状粒子
ＩＯ-３：硫化鉄および水酸化アンモニウムから調製した、酸化鉄15％（Ｆe2Ｏ3としての理論酸化物ベースで計算）のオキシ水酸化鉄（α-ＦeＯＯＨ）、水性分散体、長さ約0.4μm、幅0.05μm、表面積約80m2/gを有する針状粒子。この分散体を約３年間エージングした。
ＩＯ-４：Ｆe（ＮＯ3）3・９Ｈ2Ｏ、水および水性アンモニアをそれぞれ、マクカラム（MacCallum）により明細書に記載された５倍量で用いた以外は、米国特許第3,267,041号の実施例２と同様にして調製した酸化鉄（α-Ｆe2Ｏ3）成核剤の水性分散体、平均粒子サイズ約0.2〜0.3μmを有する円盤状粒子
ＩＯ-５：水酸化鉄ポリマーの熱水処理により生成された酸化鉄（α-Ｆe2Ｏ3）の水性分散体、平均粒子サイズ約0.1μmを有する偏平長円粒子
ＩＯ-６：バージニア州プラスキ（Plaski）のマグノックス・プラスキ（Magnox Plaski）社から商品名「ゲータイト（Goethite）Ａ」で市販の、オキシ水酸化鉄（α-ＦeＯＯＨ）の水ベースのペースト、平均粒子サイズ約0.08μmおよび表面積約104.5m2/gを有する針状粒子
ＩＯ-７：83.4gのＦeＳＯ4・７Ｈ2Ｏを2000gのＤＷＴ中に溶解し；その溶液を40℃に加熱し；Ｏ2を泡立たせ；ＮaＯＨ溶液（500gのＤＷＴ中に30gのＮaＯＨ）を加え；Ｏ2を泡立たせながら撹拌し；上記温度を４時間保持し；この懸濁液を2400rpmで６分間遠心分離し、その粒子をＤＷＴ中に再分散し、これを３回繰り返し；一晩静置させることにより調製された、α-ＦeＯＯＨ分散体（平均長さ0.08μmの針状粒子、表面積約130.7m2/g、固形分1.4％、pＨ約8.7）
ＩＯ-８：硫化鉄および水酸化アンモニウムから調製した、酸化鉄15％（Ｆe2Ｏ3としての理論酸化物ベースで計算）のオキシ水酸化鉄（α-ＦeＯＯＨ）、水性分散体、長さ約0.4μm、幅0.05μm、表面積約80m2/gを有する針状粒子。この材料はＩＯ-３と同様であるが、上記分散体を新しく調製した。
ＩＯ-９：酸化鉄23.4％（Ｆe2Ｏ3としての理論酸化物ベースで計算）のα-ＦeＯＯＨ水性分散体、長さ約40nm、表面積約200m2/gを有する針状粒子
ＣＳ１；ジョージア州オーガスタ（Augusta）のエカ・ノーベル（Eka Nobel）社から商品名「ニアコル（NYACOL）215」で市販されている塩基性コロイダルシリカ（固形分15％、Ｎa2Ｏ＝0.75％）、平均粒子サイズ５nm
ＣＳ２；イリノイ州ナパービル（Naperville）のナルコ・プロダクツ（Nalco Products）社から商品名「ナルコ（NALCO）1115」で市販されている塩基性コロイダルシリカ（固形分15％、Ｎa2Ｏ＝0.75％）、平均粒子サイズ５nm
ＣＳ３；ナルコ・プロダクツ（Nalco Products）社から商品名「ナルコ（NALCO）2326」で市販されている塩基性コロイダルシリカ（固形分15％、ＮＨ3+安定化）、平均粒子サイズ５nm
ＣＳ４；ナルコ・プロダクツ（Nalco Products）社から商品名「ナルコ（NALCO）1130」で市販されている塩基性コロイダルシリカ（固形分30％、Ｎa2Ｏ＝0.65％）、平均粒子サイズ８nm
ＣＳ５；ナルコ・プロダクツ（Nalco Products）社から商品名「ナルコーグ（NALCOAG）1034A」で市販されている酸性コロイダルシリカ（固形分34重量％）、平均粒子サイズ20nm
ＣＳ６；ナルコ・プロダクツ（Nalco Products）社から商品名「ナルコーグ（NALCOAG）1SJ613」で市販されている酸性コロイダルシリカ（ＳiＯ220％、Ａl2Ｏ3４％）、平均粒子サイズ20nm
ＣＳ７；ニアコル・プロダクツ（Nyacol Products）社から商品名「ニアコル（NYACOL）5050」で市販されているコロイダルシリカ（固形分50重量％）、平均粒子サイズ50nm
ＣＳ８；ニアコル・プロダクツ（Nyacol Products）社から商品名「ニアコル（NYACOL）9950」で市販されているコロイダルシリカ（固形分50重量％）、平均粒子サイズ99nm
実施例１〜４および比較例Ａ
アルミナベースの分散体を実施例１〜４および比較例Ａのそれぞれについて調製した。各分散体を、500gのＡＡＭＨ、35gのＨＮＯ3、60gの（Ｆe2Ｏ3としての理論酸化物ベースで計算した）酸化鉄6.5％を有するＩＯ-１、および1350gのＤＷＴを共に混合することにより調製した。コロイダルシリカを以下の表１に示した量および種類で、実施例１〜４のそれぞれのアルミナ分散体に混合した。
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上記アルミナベースの分散体をそれぞれゲル化し、「パイレックス（PYREX）」トレーに入れて、約93℃（200°Ｆ）で一晩乾燥して、脆い固形物を得た。得られた乾燥材料をスチールプレート間の間隙1.1mmを有する「ブラウン（Braun）」ＵＤ型パルベライザー（カリフォルニア州ロサンゼルス（Los Angeles）のブラウン（Braun）社から市販）を用いて粗砕して、砥粒前駆体を作製した。粗砕砥粒前駆体をそれぞれ篩サイズ0.125〜１mmに分級した。保持した砥粒前駆体をそれぞれ焼成キルンに供給して、焼成砥粒前駆体を作製した。上記焼成キルンは加熱ゾーン0.3mを有する直径15cm、長さ1.2mのステンレス鋼管であった。上記管は水平に対して2.4°傾斜させた。上記管を約20rpmで回転させて、上記焼成キルン内での滞留時間約４〜５分間となるようにした。上記焼成キルンは、加熱ゾーン温度約650℃を有した。次いで、上記焼成砥粒前駆体を焼結キルンに供給した。上記焼結キルンは、水平に対して4.4°傾斜させた内径8.9cm、長さ1.32mの炭化ケイ素管であり、30cmの加熱ゾーンを有していた。上記加熱をＳiＣ電熱フィラメントにより外部から行った。上記焼結キルンを約2.8rpmで回転させて、上記キルン内での滞留時間約25分間となるようにした。
比較例Ａのアルファアルミナセラミック砥粒を約1290℃で焼結したのに対して、実施例１〜４の砥粒は1430℃で焼結した。実施例１〜４中のシリカの存在により、比較例Ａの砥粒に必要な温度より高い焼結温度を必要とした。上記生成物を上記キルンから室温空気中に出して、金属容器に回収し、室温まで冷却した。
実施例１〜４それぞれの砥粒の密度を、（ジョージア州ノークロス（Norcross）のミクロメリティックス・インスツルメンツ（Micromeritics Instruments）社から）商品名「ミクロメリティックス・アキュピック（Micromeritics AccuPyc）1330」で市販のヘリウムガスピクノメーターを用いて測定した。上記密度値をg/cm2単位で示した。
「エポメット（EPOMET）」（イリノイ州レイク・ブラッフ（Lake Bruff）のビューラー（Buehler）社製）取付け樹脂中に自由な砥粒を取付けて、直径１インチ（2.5cm）および高さ0.75インチ（1.9cm）の砥粒を含有する円筒物を形成することにより微小硬度を測定した。取付け試料を「エポメット（EPOMET）」クラインダー/ポリシャー（ビューラー（Buehler）社製）により、「メタディ（METADI）」ダイヤモンドスラリー（ビューラー（Buehler）社製）を用いて研磨して、上記試料の研磨断面を得た。最終仕上げ工程には、１μmの「メタディ（METADI）」ダイヤモンドスラリーを用いた。上記硬度測定を、指示荷重500gを用いるビッカース（Vickers）指示器を装備した「ミツトヨ（Mitutoyo）MVK-VL」硬度試験器（日本国東京（Tokyo）のミツトヨ（Mitutoyo）社製）を用いて行った。上記硬度測定を、ＡＳＴＭテスト・メソッズ（Test Methods）Ｅ３８４テスト・メソッズ・フォー・ミクロハードネス・オブ・マテリアルズ（Test Methods for Microhardness of Materials）（1991年）に従って行った。硬度値はＧＰa単位で示した。
実施例１〜４の砥粒の密度および硬度を測定し、以下の表２に示した。
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実施例１〜４および比較例Ａのアルファアルミナセラミック砥粒を被覆研磨ディスクに用いて、研削性能に関して試験した。上記被覆研磨ディスクを従来の方法により作製した。上記砥粒を分級して、ほぼグレード36とし、それは上記砥粒の100％が25メッシュ篩（目開きサイズ0.707mmを有するＵ.Ｓ.スタンダード（Standard）篩）を通過し、50％が30メッシュ篩（目開きサイズ0.595mmを有するＵ.Ｓ.スタンダード（Standard）篩）上に残り、50％が30メッシュ篩を通過し、35メッシュ篩（目開きサイズ0.500mmを有するＵ.Ｓ.スタンダード（Standard）篩）上に残った。上記砥粒を直径17.8cmのバルカンファイバー支持体（直径2.2cmのセンターホールを有する）に従来の炭酸カルシウム充填フェノールメイク樹脂（レゾールフェノール樹脂48％、炭酸カルシウム52％、水とグリコールエーテルで固形分81％に稀釈）および従来のクリオライト充填フェノールサイズ樹脂（レゾールフェノール樹脂32％、酸化鉄２％、クリオライト66％、水とグリコールエーテルで固形分78％に稀釈）を用いて結合した。上記メイク樹脂を88℃で90分間前硬化し、上記サイズ樹脂を88℃で90分間前硬化し、次いで最終硬化を100℃で10時間行った。
上記被覆研磨ディスクを、以下の試験方法に従って行った。各被覆研磨ディスクを面取りしたアルミニウムバックアップパッド上に取付け、予め秤量した1.25cm×18cmの1018軟鋼ワークピース表面を研削するのに用いた。バックアップパッドの面取りしたエッジを覆う上記ディスクの一部分を約６kg（13ポンド）荷重下でワークピースと接触させたまま上記ディスクを5,500rpmで回転させた。各ディスクを同一ワークピースを１分間隔で連続して研削するのに用いた。総切削量は上記試験時間中に上記ワークピースから除去された材料の合計量である。上記砥粒の性能を対照の％で示した。即ち、対照試料に関して除去された金属の合計量が100％であり、試験試料をその100％に対して測定した。試験した実施例当たりほぼ４ディスクであった。その試験結果を以下の表３に示した。
0004410850.tif 000004
これらの実施例は、ベーマイト、酸化鉄原料およびシリカ原料を用いて作製した砥粒が、シリカ原料を用いない以外は同様の方法により作製した砥粒より、良好な研削性能を有することを示している。
実施例５〜６
実施例５および６の砥粒を、実施例５の分散体が1300gのＤＷＴ、36gのＨＮＯ3、47gのＣＳ１、234gの（Ｆe2Ｏ3としての理論酸化物ベースで計算して）酸化鉄2.4％を有するＩＯ-１、および600gのＡＡＭＨから成り、かつ実施例６の分散体が1450gのＤＷＴ、36gのＨＮＯ3、47gのＣＳ１、37gのＩＯ-２、および600gのＡＡＭＨから成ること以外は、実施例１〜４と概略同様の方法に従って作製した。焼結温度は1430℃であった。得られた砥粒の硬度および密度を、実施例１〜４と同様の方法により測定し、以下の表４に示した。研削性能は測定しなかった。
0004410850.tif 000005
これらの実施例は、別の酸化鉄原料が同様の特性を有する砥粒を作製し得ることを示している。
実施例７〜10
実施例７〜10の砥粒を、上記砥粒のそれぞれが以下の表５に示した材料に加えて600gのＡＡＭＨ、36gのＨＮＯ3、および1300gのＤＷＴを有すること以外は、実施例１〜４と概略同様の方法に従って作製した。
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得られたゲルを、実施例１〜４と同様の方法により、100℃で一晩乾燥し、粗砕し、焼成し、1430℃で焼結した。
実施例８〜10の砥粒を、「赤色染料試験（Red Dye Test）」を用いて評価し、それは砥粒の表面および内部気孔への赤色染料の浸入をベースとした、表面および内部多孔度を測定する。より好ましくは、アルファアルミナベースのセラミック砥粒の試料を赤色浸入染料（カリフォルニア州セリトス（Cerritos）のウレスコ・アンドロックス（Uresco Androx）から商品名「P-303 Aペネトラント（Penetrant）」で市販されている）の入ったフラスコに入れる。上記砥粒を徐々に混合して、上記染料で完全に被覆する。上記染料を出し、上記粒子を脱イオン水で数回濯ぎ、残留染料を除去する。上記染料による砥粒の最終の赤色は高多孔度砥粒を表し、赤色を示さない砥粒は内部多孔度と関係する表面多孔度はほとんどないか、またはまったくないと考えられる。
実施例８および10の砥粒は赤色染料試験をパスしなかった（即ち、上記砥粒はかなりの赤色を示した）が、実施例７および９の砥粒は赤色染料試験をパスした（即ち、外部多孔度を示さなかった）。実施例８および10の砥粒の劣る結果は、使用前に数年間（約３年間）調製された酸化鉄成核材料による結果であると考えられる。実施例７および９の砥粒の密度を、以下の表６に示した。
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これらの実施例は、ＩＯ-１により例示されるように、より小さい酸化鉄粒子サイズによる有用性を示している。
実施例11および12並びに比較例Ｂ
実施例11および12の砥粒を、実施例11の分散体が600gのＡＡＭＨ、36gのＨＮＯ3、47gのＣＳ１、562gの（Ｆe2Ｏ3としての理論酸化物ベースで計算して）酸化鉄1.0％を有するＩＯ-１、および950gのＤＷＴから成り、かつ実施例12の分散体が600gのＡＡＭＨ、36gのＨＮＯ3、47gのＣＳ１、501gのＩＯ-４、および1000gのＤＷＴから成ること以外は、実施例１〜４と概略同様の方法に従って作製した。上記砥粒を実施例１〜４と同様の回転キルン内で1440℃で焼結した。
比較例Ｂの砥粒は、米国特許第4,314,827号（リーセイザー（Leitheiser）等）、同4,744,802号（シュバーベル（Schwabel））、および同4,964,883号（モーリス（Morris）等）の従来の技術に従って作製された、３Ｍ社の「リーガル（REGAL）983C」繊維ディスクに用いられたセラミック酸化アルミニウム砥粒であった。この砥粒はアルファアルミナ、（Ｆe2Ｏ3として計算した）1.2％の酸化鉄成核剤、および4.5％のＭgＯを含有する。
実施例11および12の砥粒の硬度および密度を、実施例１〜４と同様の方法により測定し、以下の表７に示した。
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実施例11および12並びに比較例Ｂの砥粒を被覆研磨ディスクに導入し、前述の実施例１〜４と同様に処理した。その研削試験結果を、以下の表８に示した。
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これらの実施例は、本明細書中に記載の砥粒のある態様が、Ａl2Ｏ3、Ｆe2Ｏ3およびＭgＯを含有するが、ＳiＯ2は含有しない従来の砥粒に比較して、改良された研削性能を有することを示した。
実施例13〜17および比較例Ｃ
実施例13〜15の砥粒を、各分散体が1200gのＡＡＭＨ、72gのＨＮＯ3、および93gのＣＳ１を含有すること以外は、実施例１〜４と概略同様の方法に従って作製した。更に、実施例13の分散体がまた264gの（Ｆe2Ｏ3としての理論酸化物ベースで計算して）酸化鉄4.3％を有するＩＯ-１、および2968gのＤＷＴを含有し；実施例14の分散体がまた782gのＩＯ-７および2468gのＤＷＴを含有し；実施例15の分散体がまた1442gの（Ｆe2Ｏ3としての理論酸化物ベースで計算して）酸化鉄0.8％を有するＩＯ-６および1808gのＤＷＴを含有した。焼結温度は、1440℃であった。
実施例16の砥粒を、上記分散体が600gのＡＡＭＨ、36gのＨＮＯ3、1450gのＤＷＴ、47gのＣＳ１、および131gの（Ｆe2Ｏ3としての理論酸化物ベースで計算して）酸化鉄4.3％を有するＩＯ-１を含有すること以外は、実施例１〜４と概略同様の方法に従って作製した。焼結温度は、1430℃であった。
実施例17の砥粒を、上記分散体が3.5kgのＡＡＭＨ、210gのＨＮＯ3、7.9kgのＤＷＴ、36gのＣＳ１、および408gの（Ｆe2Ｏ3としての理論酸化物ベースで計算して）酸化鉄6.5％を有するＩＯ-１を含有すること以外は、実施例１〜４と概略同様の方法に従って作製した。更に、上記分散体は、上記材料を５ガロン（19リットル）のペイル中でギフォード・ウッド・ホモジェナイザー・ミキサー（Gifford-Wood Homogenizer Mixer）3117-210型（ウィスコンシン州ラシーン（Racine）のデュモアー（Dumore）社から市販）を用いて混合することにより調製した。上記分散体を、45cm×75cm×5cmのアルミニウムトレー内で100℃で乾燥した。焼結温度は、1430℃であった。
比較例Ｃは、米国特許第5,201,916号（バーグ（Berg）等）に従って作製された砥粒であり、その記載をここに挿入する。上記三角形状砥粒はアルファアルミナおよび酸化鉄成核材料を含有した。
上記砥粒の密度および硬度を、荷重が300gであった以外は、実施例１〜４と同様の方法により測定した。その結果を、以下の表９に示した。
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実施例13〜15の砥粒を被覆研磨ディスクに導入し、前述の実施例１〜４と同様に試験した。その結果を、以下の表10に示した。
0004410850.tif 000011
実施例13および16並びに比較例Ｃの砥粒の表面粗度高さおよび周期を、6000倍以上の倍率での走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により得られた砥粒表面の拡大したエッジに観察される突起の高さおよび間隔を測定することにより決定した。「粗度周期」を求めるため、直線上エッジを砥粒表面の顕微鏡写真の代表部分のエッジに沿って配置し、上記砥粒表面の90,000Å長さを評価した。上記90,000Å長さ中の直線上エッジにより定義される直線に沿ったピーク数を測定した。この方法を、上記砥粒表面の顕微鏡写真の２つの他の領域で繰り返した。粗度周期値は、ピーク間のÅ単位の平均距離として表される３種の代表値の平均である。
「表面粗度高さ」を求めるため、直線上エッジを、上記エッジが50,000Å長さ中での少なくとも２つの最高ピークとちょうど接触するように、砥粒表面の代表部分のエッジに沿って配置した。上記直線上エッジからこの50,000Å長さの中で最深の谷部までの最大距離が上記粗度高さである。粗度高さ値は、Å単位で表される3つの代表値の平均値であった。上記表面粗度高さおよび周期の結果を、以下の表11に示した。
0004410850.tif 000012
実施例13〜15のアルファアルミナセラミック砥粒中の粒内破壊量を、少数の（10〜25）砥粒を、タングステンカーバイドをライニングした乳鉢および乳棒（ニュージャージー州エジソン（Edison）のスペックス・インダストリーズ（SPEX Industries）のスペックス・カタログ（SPEX Catalog）No.3203）を用いて手で粗砕することにより評価した。上記粗砕砥粒を次いで、ＳＥＭ試料スタブに導電性カーボンペーストを用いて固定し、「アニテック・ハンマー・VI・スパッタリング システム（Anitech Hummer VI Sputtering System）」（バージニア州スプリングフィールド（Springfield）のアニテック（Anitech）社製）を用いてＡu-Ｐdで導電性被覆し、「ジェオル（JEOL）840A」走査型電子顕微鏡（マサチューセッツ州ピーボディ（Peabody）のジェオル（JEOL）ＵＳＡ製）を用いて10,000倍以上の倍率で観察し、破壊した砥粒表面の写真を撮った。倍率15,000倍で撮った上記試料の断面図のＳＥＭ写真（3.5インチ（8.9cm）×4.5インチ（11.4cm））の上部左コーナーから下部右コーナーおよび下部左コーナーから上部右コーナーへのそれぞれ約14.5cm長さの２本の対角線を引くことにより粒内破壊を定量した。上記粒内破壊を、粒内破壊を通過する対角線の累積長さを測定し、それを対角線長さで割ることにより計算した。表12に示した粒内破壊の％は、上記各対角線に対して得られた２値の平均である。
0004410850.tif 000013
これらの実施例は、本明細書中に記載の砥粒のある態様は、Ａl2Ｏ3およびＦe2Ｏ3を含有するが、ＳiＯ2は含有しない従来の砥粒に比較して、かなり改良された粒内破壊量を有することを示した。これらの実施例はまた、ＳiＯ2を含有する砥粒は、ＳiＯ2を含有しない砥粒に比較して、増加した粗度高さおよび減少した周期を有することも示した。
実施例18〜20および比較例Ｄ
実施例18〜20の砥粒を、各分散体が600gのＡＡＭＨ、36gのＨＮＯ3、1450gのＤＷＴ、131gの（Ｆe2Ｏ3としての理論酸化物ベースで計算して）酸化鉄4.3％を有するＩＯ-１を含有すること以外は、実施例１〜４と同様の方法に従って作製した。更に、実施例18の分散体がまた3.2gのＣＳ１を含有し；実施例19の分散体がまた47gのＣＳ１を含有し；実施例20の分散体がまた250gのＣＳ１を含有した。
更に、実施例18〜20の焼成砥粒前駆体は、実施例１〜４と同様の回転キルン内で焼結せずに、ニュージャージー州ブルームフィールド（Bloomfield）のＣＭファーネスイズ（Furnaces）製の「ラピッド・テンプ（RAPID-TEMP）」炉内で初期設定温度1100℃で焼結した。実施例18に関して、炉温度を約５分間で1100℃から1315℃に上昇し、上記焼成砥粒前駆体を1315℃で20分間焼結した。実施例19に関して、上記温度を1100℃から1440℃に上昇し、焼成砥粒前駆体を30分間焼結した。実施例18〜20の砥粒の密度を、以下の表13に示した。
0004410850.tif 000014
比較例Ｄは、ミネソタ州セントポール（St.Paul）の３Ｍ社から商品名「984Cリーガル（REGAL）」繊維ディスクで市販のグレード36被覆研磨繊維ディスクであった。
実施例18〜20および比較例Ｄの試料を炭化ホウ素乳鉢中で手ですりつぶし、200メッシュ篩を通過させた。Ｘ線回折データが、フィリップス（Philips）垂直回折計、銅Ｋα線、適当な散乱放射線の検出器位置を用いて得られた。上記回折計には自動発散スリット、0.2mm受容（receiving）スリットおよびグラファイトモノクロメーターを備え付けた。結晶相同定のため、調査スキャンを各試料に対して５〜80°2Θの範囲内で行った。各試料部分を標準参照材料（ニスト（NIST）SRM 64bＳi粉末）と混合し、80〜100°2Θの範囲内で再スキャンした。ピーク位置を第２導関数ピークサーチおよびケイ素内部標準のピーク位置を用いて補正した２シータピーク位置を用いて決定した。得られた粉末パターンをを示し、単位格子パラメータをフィリップス（Philips）「PCエクステンド（EXTEND）」バージョン最少正方形格子改良プログラムを用いて計算した。
「ａ」および「ｃ」の単位格子パラメータを、括弧内に示したその誤差と共に、Å単位で以下の表14に示した。例えば、比較例Ｄの「ａ」パラメータは4.7596〜4.7598Åの範囲である。
0004410850.tif 000015
これらの実施例は、アルファアルミナベースのセラミック砥粒中に酸化鉄の存在するシリカの結果として、単位格子パラメータの増加することを説明する。
実施例21〜25
実施例21〜25の砥粒を、各分散体が以下の表15に示した材料に加えて、600gのＡＡＭＨ、131gの（Ｆe2Ｏ3としての理論酸化物ベースで計算して）酸化鉄4.3％を有するＩＯ-１、36gのＨＮＯ3、および1400gのＤＷＴを含有すること以外は、実施例１〜４と同様の方法に従って作製した。
0004410850.tif 000016
更に、実施例18の分散体がまた3.2gのＣＳ１を含有し；実施例19の分散体がまた47gのＣＳ１を含有し；実施例20の分散体がまた250gのＣＳ１を含有した。
焼結温度は、1435℃であった。実施例21〜25の砥粒の密度を以下の表16に示した。更に、上記砥粒を被覆研磨ディスクに導入し、前述の実施例１〜４と同様に研削性能を試験した。その研削試験結果を、以下の表16に示した。
0004410850.tif 000017
これらの実施例は、アルカリ金属塩のアルファアルミナベースのセラミック砥粒への導入の結果としてのＳiＯ2の作用の促進を説明する。
実施例26および27
実施例26および27の砥粒を、これらの各分散体が、600gのＡＡＭＨ、36gのＨＮＯ3、および1450gのＤＷＴを含有すること以外は、実施例１〜４と同様の方法に従って作製した。更に、実施例26の分散体はまた137.6gの（Ｆe2Ｏ3としての理論酸化物ベースで計算して）酸化鉄6.6％を有するＩＯ-１および76.8gのＣＳ１を含有し；実施例27の分散体はまた202.8gの（Ｆe2Ｏ3としての理論酸化物ベースで計算して）酸化鉄6.6％を有するＩＯ-１および48.0gのＣＳ１を含有した。実施例26および27の焼結温度はそれぞれ1430℃および1400℃であった。
実施例26および27の砥粒を被覆研磨ディスクに導入し、実施例１〜４と同様に研削性能を試験した。実施例26および27の砥粒は、それぞれ総切削量1629gおよび1688gを有した。実施例26および27の砥粒の密度および硬度を測定し、以下の表17に示した。比較として、比較例ＢおよびＣの硬度は、それぞれ21ＧＰaおよび25ＧＰaであった。
0004410850.tif 000018
実施例26および27の砥粒の強靭性を、「レイツ・ミニロード（Leitz Miniload）」微小硬度試験器を用いて荷重500gによりできたビッカース（Vickers）指示器の先端から伸びたクラック長さを測定することにより計算した。破壊靭性（ＫIC）を、式：
ＫIC＝ＦN/（πｃ）3/2tanｂ
（ｂ＝68°；Ｆ＝指示器のニュートン単位の力；ｃ＝1/2・ｍ単位のクラック長さ）に従って計算した。上記の各値は５測定値の平均である。実施例26および27の砥粒の破壊靭性は、それぞれ3.3ＭＰa・m1/2および3.99ＭＰa・m1/2である。比較例ＢおよびＣの砥粒の破壊靭性は、それぞれ2.9ＭＰa・m1/2および2.5ＭＰa・m1/2である。強靭性用の試料を、実施例１〜４の微小硬度用の試料と同様の方法により作製した。
これらの実施例は、本明細書中に記載の砥粒のある態様が、シリカを含有しない従来の砥粒と比較して、改良された硬度および/または強靭性を有することを説明する。
実施例28〜30
実施例28に関して、コロイダルシリカ分散体を、850のＤＷＴと２滴の濃ＨＮＯ3の入ったブレンダー（ワーニング（Warning）5011型、ＣＮ、ニュー・ハートフォード（New Hartford）のワーニング・プロダクツ・ディビィジョン（Warning Products Division）、ダイナミックス・コーポレーション・オブ・アメリカ（Dynamics Corporation of America））中で0.38gのＣＳ５を50.0ミリリットルのＤＷＴで稀釈することによって調製した。この分散体を、調製した直後に、11.34gのＩＯ-９の分散体に、激しく撹拌しながら添加した。この混合物に、336.92gのＡＡＭＨおよび11ミリリットルの濃ＨＮＯ3を加えた。得られた分散体を、上記ブレンダー内で激しく撹拌しながら分散した。10ミリリットルのＤＷＴに溶解した4.6gのＡＡＭの溶液を混合分散体に加えて、ゲル化させた。上記ゾルを浅いアルミニウムトレーに注入し、ゲル化させ（約10分間）、次いで強制通風炉内で95℃で一晩乾燥した。上記乾燥砥粒前駆体をボックス炉（加熱室9180m3を有する、イリノイ州シカゴ（Chicago）のリンドバーグ（Lindberg）、ア・ディビジョン・オブ・ジェネラル・シグナル（a Division of General Signal）製）内で100〜600℃で1.5時間以上加熱することにより焼成し、粗砕し、「ラピッド・テンプ（RAPID-TEMP）」炉内で1400℃で５分間焼結した。上記炉は最初は室温であり、温度範囲500〜1200℃に対して速度約100〜125℃/分で1400℃まで加熱した。
実施例29および30の砥粒を、ＣＳ５量をそれぞれ0.75gおよび1.88gとした以外は実施例28と同様に作製した。
実施例28のアルファアルミナセラミック砥粒は、理論酸化物ベースで、98.95％のＡl2Ｏ3、1.0％のＦe2Ｏ3および0.05％のＳiＯ2を含有し；実施例29は98.9％のＡl2Ｏ3、1.0％のＦe2Ｏ3および0.1％のＳiＯ2を含有し；実施例30は98.75％のＡl2Ｏ3、1.0％のＦe2Ｏ3および0.25％のＳiＯ2を含有した。
実施例28〜30の砥粒の試料をタングステンカーバイド乳鉢および乳棒を用いて粗砕し、その破壊表面をＳＥＭを用いて評価した。実施例28〜30の試料の平均微結晶サイズを評価して、それぞれ約0.8μm、0.5μm、0.2〜0.3μmであった。これらの実施例は、上記微結晶サイズがシリカの量の増加に伴って低減することがあきらかであることを説明する。
実施例31〜34および比較例Ｅ
実施例31〜34および比較例Ｅに関して、以下の表18に示したＣＳ５の量を、ＤＷＴで合計体積50ミリリットルに稀釈した。
0004410850.tif 000019
このコロイド状分散体を、激しく撹拌しながら340.90gのＩＯ-８に加えた。上記分散体を、添加時に、高速混合機（コネチカット州ウォーターバリー（Waterbury）のオムニ（OMNI）インターナショナル（National）製の「オムニ（OMNI）5000混合機」）を用いて十分に混合した。混合後、得られた分散体を静置した。これに続いて、671.1gのＡＡＭＨを加えた後、1040gのＤＷＴおよび340.90gのシリカ/α-ＦeＯＯＨ分散体を高速混合機（ニューヨーク州ハウパージ（Hauppauge）のRossチャールズ・ロス・アンド・サン（Charles Ross ＆ Son）社製ＭＥ100リットル型混合機）を用いて混合した。高速で混合しながら、26.0ミリリットルの濃ＨＮＯ3を加えた。十分に混合した後、90.0gのＡＭＭを100gのＤＷＴに溶解することにより調製した溶液10ミリリットルを激しく撹拌しながら加えた。得られたゾルを浅い（3.25cm）アルミニウムトレーに注入し、ゲル化するまで約10分間静置した。ゲル化後、上記トレーを95℃の強制通風炉に入れて乾燥した。上記乾燥砥粒前駆体をボックス炉内で650℃まで1.5時間以上焼成し、次いでその温度で30分間保持した。上記焼成砥粒前駆体を実施例１〜４に概略記載されているように粗砕し、分級し、実施例28に概略記載されているように焼結した。分級材料の他の試料を実施例28に概略記載されているように1430℃で８分間焼結し、実施例１〜４と同様に研磨物品に導入した。
実施例31のアルファアルミナセラミック砥粒は、理論酸化物ベースで、98.45％のＡl2Ｏ3、1.48％のＦe2Ｏ3および0.07％のＳiＯ2を含有し；実施例32は98.38％のＡl2Ｏ3、1.48％のＦe2Ｏ3および0.14％のＳiＯ2を含有し；実施例33は98.16％のＡl2Ｏ3、1.47％のＦe2Ｏ3および0.37％のＳiＯ2を含有し；実施例34は97.8％のＡl2Ｏ3、1.47％のＦe2Ｏ3および0.73％のＳiＯ2を含有した。
実施例31〜34それぞれの砥粒の研削性能を、実施例１〜４と同様に評価した。その結果を以下の表19に示した。
0004410850.tif 000020
1450℃で焼結した比較例ＥのＳＥＭ評価により、平均微結晶サイズ２〜３μmである本質的に十分に稠密な材料であることが明らかとなった。実施例31〜34の砥粒は、1450℃で焼結され、本質的に十分に稠密な材料であるように見えるが、非常に細かい微結晶から構成される。実施例31は見掛け平均微結晶サイズ約0.5μmを有し、実施例32〜34はそれぞれ見掛け平均微結晶サイズ0.4μm以下を有した。
これらの実施例は少量のシリカが微結晶精製を誘導し、酸化鉄成核アルファアルミナベースのセラミック砥粒の研削性能を改良する。
実施例35〜36
実施例35〜36は、アルミナ前駆体中に成核材料として用いる前に、α-ＦeＯＯＨ成核材料の加水分解性アルコキシシランとの反応効果を説明する。上記アルコキシシランは、以下の方法によりα-ＦeＯＯＨ成核材料のと反応させる。実施例35および36に関して、それぞれ2.8ミリリットルおよび7.0ミリリットルのＴＥＯＳを340.90gのＩＯ-８に激しく撹拌しながら加えた。得られた分散体を、これらの添加時に、高速混合機（コネチカット州ウォーターバリー（Waterbury）のオムニ（OMNI）インターナショナル（National）製の「オムニ（OMNI）5000混合機」）を用いて十分に混合した。３滴の濃ＨＮＯ3を各分散体に撹拌しながら加え、その混合物を随時再混合しながら約24時間反応させた。実施例35〜36を、1450℃で５分間焼結した以外は、実施例31〜34と同様の方法により作製した。
実施例35のアルファアルミナセラミック砥粒は、理論酸化物ベースで、98.38％のＡl2Ｏ3、1.48％のＦe2Ｏ3および0.148％のＳiＯ2を含有し；実施例36は98.16％のＡl2Ｏ3、1.47％のＦe2Ｏ3および0.37％のＳiＯ2を含有した。
ＳＥＭ評価により、実施例35および36は実質的に稠密であり、平均直径0.5μm未満を有する微結晶から構成されることが示された。しかしながら、比較例Ｅは平均微結晶サイズ約２〜３を有した。実施例35および36の粒内破壊の割合％はそれぞれ49％および51％であった。
実施例35および36のそれぞれの砥粒の研削性能を実施例１〜４と同様の方法により評価した。その結果を以下の表20に示した。
0004410850.tif 000021
これらの実施例により、酸化鉄成核アルファアルミナベースのセラミック砥粒へのシリカ前駆体としての加水分解性オルガノシランの使用を説明する。
比較例Ｆ、ＧおよびＨ（アルミナ播種砥粒）
比較例Ｆを、大きなビーカーに1360gのＤＷＴおよび20.2gのＳＡＳを入れることにより調製した。この分散体を高速混合機（ニューヨーク州ハウパージ（Hauppauge）のRossチャールズ・ロス・アンド・サン（Charles Ross ＆ Son）社製ＭＥ100リットル型混合機）を用いて混合して、アルミナ種ゾルを形成した。この混合物に671.1gのＡＡＭＨを加えた。高速で混合しながら、26.0ミリリットルのＨＮＯ3を加えた。十分に混合した後、90.0gのＡＭＭを100gのＤＷＴに溶解することにより調製した溶液10ミリリットルを激しく撹拌しながら加えた。上記材料を実施例35および36に概略記載されたように、乾燥し、粗砕した。
実施例ＧおよびＨそれぞれに関して、比較例Ｆと同様の方法により調製したアルミナ種ゾル100gを、激しく撹拌しながら、それぞれ1.42ミリリットルおよび15.6ミリリットルのＴＥＯＳと組合せた。これらの混合物を撹拌しながら約20時間加水分解させた。比較例ＧおよびＨを、それぞれ20.44gおよび23.12gのＴＥＯＳ処理アルミナ種を用いた以外は比較例Ｆと同様の方法により調製した。
比較例Ｆ〜Ｈの生成物のＳＡＳ評価により、1450℃で５分間の焼結後、比較例Ｆの砥粒は比較例ＧおよびＨより稠密であるように見えた。比較例ＧおよびＨは、非常に細かい微結晶から構成されると同時に、虫状（即ち、多孔質）または非播種微細構造の証拠を示した。
比較例Ｆ〜Ｈの砥粒の試料を研磨物品に導入し、実施例１〜４と同様の方法により試験した。その研削性能結果を以下の表21に示した。
0004410850.tif 000022
これらの比較例は、酸化鉄成核砥粒とは反対に、アルファアルミナ成核砥粒へのシリカの導入が研削性能を低下することを説明する。
実施例37
実施例37は、多孔質、焼成研磨材料前駆体へのシリカ前駆体の含浸による上記シリカの上記砥粒への導入を説明する。焼成砥粒前駆体を比較例Ｅと同様の方法により調製した。上記焼成砥粒前駆体を、実施例31〜34と同様の方法により粗砕し、分級した。
加水分解ＴＥＯＳ含浸溶液を、6.0ミリリットルのＴＥＯＳを３滴の濃ＨＮＯ3を含有するＤＷＴ75ミリリットルに混合することにより調製した。この溶液をマグネチックスターラーで約５時間撹拌して、使用した。上記焼成砥粒前駆体を含浸するために、部分的に加水分解したＴＥＯＳ溶液を162gの焼成砥粒前駆体に加え、上記素材を小さいビーカー中でスパチュラを用いて手で混合した。上記含浸アルミナベースの砥粒前駆体を小さいジャーに入れ、スクリュー型の蓋でシールし、85℃で12時間エージングした。上記蓋を上記ジャーから外して、上記含浸アルミナベースの砥粒前駆体をオーブン内で85℃で乾燥した。上記含浸アルミナベースの砥粒前駆体を600℃で焼成し、比較例Ｅと同様の方法により1430℃で８分間焼結した。実施例37のアルファアルミナセラミック砥粒は、理論酸化物ベースで、97.55％ののＡl2Ｏ3、1.46％のＦe2Ｏ3および0.99％のＳiＯ2を含有した。
実施例37の砥粒を被覆研磨ディスクに導入し、実施例１〜４と同様の方法により試験した。実施例37の砥粒の総切削量は比較例Ｆ（100％）の123％であった。
この実施例は、得られた砥粒の研削性能を向上するのに、焼成砥粒前駆体へのシリカ原料の含浸を用いることができることを説明する。
実施例38
実施例38の砥粒を、1.87gのＣＳ６をＤＷＴで稀釈して最終体積５ミリリットルとし、ＨＮＯ3/ＡＡＭＨ/α-ＦeＯＯＨゾル混合物を加えて、ＡＭＭを加えること以外は、比較例Ｅと同様の方法により調製した。アルミナ被覆コロイダルシリカの添加後、上記ＡＭＭ溶液を比較例Ｅのように加えて、ゲル化させる。実施例38のアルファアルミナセラミック砥粒は、理論酸化物ベースで、98.45％ののＡl2Ｏ3、1.48％のＦe2Ｏ3および0.07％のＳiＯ2を含有した。
実施例38の砥粒を被覆研磨製品に導入し、実施例１〜４と概略同様の方法により試験した。実施例38の砥粒の総切削量は比較例Ｆの120％であった。
この実施例は、得られた砥粒の研削性能を向上するのに、アルミナベースのコロイダルシリカを使用し得ることを説明する。
実施例39〜42
実施例39〜42を、600gのＡＡＭＨ、36gのＨＮＯ3、1300gのＤＷＴおよび234gの（Ｆe2Ｏ3としての理論酸化物ベースで計算して）酸化鉄2.4％を有するＩＯ-１を用いること以外は、実施例１〜４と同様の方法に従って作製した。用いたシリカ原料の量を以下の表22に示す。上記砥粒を実施例１〜４と同様に1440℃で焼結した。
0004410850.tif 000023
実施例39〜42の砥粒を被覆研磨製品に導入し、実施例１〜４と同様の方法により試験した。各砥粒の２枚のディスクを試験した。各砥粒の密度、硬度および研削データを、実施例１〜４と同様の方法により得た。各砥粒の研削データを、圧力８kgをかけた以外は、実施例１〜４と同様の高圧研削条件下でも得た。その結果を以下の表23に示した。
0004410850.tif 000024
これらの実施例は、同様の向上した研削性能を得るのに、種々の小さいシリカ粒子サイズ（例えば、約150nm未満）を使用し得ることを説明する。
比較例Ｉ〜Ｋ
米国特許第4,623,364号（コットリンガー（Cottringer）等）に従って作製されると考えられている、アルファアルミナベースのセラミック砥粒の３種の異なる試料の粒内破壊を実施例13〜17と同様の方法により測定した。上記砥粒試料は、それぞれマサチューセッツ州ウォーススター（Worcester）のノートン（Norton）社から市販されている以下の砥粒物品：42インチクランク研削ホイール；「F944」ＳＧグレード50繊維ディスク；およびＳＧロッドを有する繊維ディスク；から得られる。これらの砥粒をどのように作製するかは明らかではないが、エネルギー分散Ｘ線微量分析によって、ＡlおよびＯ以外の元素は検出されなかった。これらの試料のそれぞれは10％未満の粒内破壊を有した。
これらの試料をどのように作製したかは不明確であるため、米国特許第4,623,364号（コットリンガー（Cottringer）等）の実施例II、IVおよびＸを繰り返して、アルミナ粉砕媒体中のシリカおよび酸化鉄不純物から得られる粒内破壊量を決定した。
比較例Ｉの砥粒を、1.135kgのＡＡＭＨ（「ピューラル（PURAL）」微結晶ベーマイト）、11.25リットルのＤＷＴ、0.675リットルの14％ＨＮＯ3（135ミリリットルの濃ＨＮＯ3を545ミリリットルのＤＷＴと混合することにより調製した）を用いるコットリンガー（Cottringer）等の実施例IIの方法（20のファクターによりスケールダウンした）に従って作製した。上記「ピューラル（PURAL）」を水と大きなプラスチック混合容器中で混合し、ロス（Ross）ミキサー（ニューヨーク州ハウパージ（Hauppauge）のチャールズ・ロス・アンド・サン（Charles Ross ＆ Son）社製ＭＥ100リットル型）を用いて混合しながら上記酸を加えた。上記混合物を高速度で10〜15分間十分に混合した。この混合物の一部（５〜６リットル）をクールズ（Coors）セラミック結合アルミナ（クールズ・ポーセライン（Coors Porcelain）社から商品名「ＡＢＰ」で市販の0.5×0.5インチのロッド媒体）を有するスエコ（Sweco）振動仕上げ（vibrofinishing）ミル（１/３ＨＰ）に移した。上記粉砕媒体は、89.3％のＡl2Ｏ3、6.7％のＳiＯ2、2.5％のＭgＯ、および0.8％のＣaＯを含有した。上記媒体のＸ線回折により、上記媒体がアルファアルミナ、マグネシアアルミナスピネル、および少量のオーソクレイスおよびプラジオクレイスを含有することが明らかとなった。従って、米国特許第4,623,364号（コットリンガー（Cottringer）等）には結晶性ケイ素含有不純物を含有するセラミック結合アルミナ粉砕媒体の使用を開示されている。上記混合物を、スエコ（Sweco）ミル中で２時間ミルした。そのゲルをガラストレーに深さ６〜７cmまで注入し、オーブン中で200℃で30時間乾燥した。（最初に、コットリンガー（Cottringer）等により開示されたように、アルミニウムトレーを乾燥するのに用いた；しかしながら、得られた研磨材料は僅かにピンク色であり、ガラストレー中で乾燥した場合ほど稠密でなく、微細構造が粗い。）上記乾燥固形物を450℃で16時間焼成した。上記焼成ゲルを1400℃で１時間焼結した。得られた材料は白色であり、より少量の細かいサブミクロンの結晶と共に長さ約５μm未満の大きな旋盤状結晶から構成される微細構造を有した。
比較例Ｊの砥粒を、1.36kgのＡＡＭＨ（「ピューラル（PURAL）」微結晶ベーマイト）、13.6リットルのＤＷＴ、0.41リットルの14％ＨＮＯ3（82ミリリットルの濃ＨＮＯ3を328ミリリットルのＤＷＴと混合することにより調製した）および1.37リットルのＤＷＴに溶解した0.34kgの硝酸マグネシウム水和物を用いるコットリンガー（Cottringer）等の実施例IVの方法（10のファクターによりスケールダウンした）に従って作製した。上記「ピューラル（PURAL）」を水と大きなプラスチック混合容器中で混合し、ロス（Ross）ミキサー（ニューヨーク州ハウパージ（Hauppauge）のチャールズ・ロス・アンド・サン（Charles Ross ＆ Son）社製ＭＥ100リットル型）を用いて混合しながら上記酸を加えた。次いで、上記硝酸マグネシウム溶液を混合しながら加えた。上記混合物を高速度で10〜15分間十分に混合した。この混合物の一部（５〜６リットル）を比較例Ｉに記載のクールズ（Coors）セラミック結合アルミナを有するスエコ（Sweco）振動仕上げ（vibrofinishing）ミル（１/３ＨＰ）に移した。上記混合物を、スエコ（Sweco）ミル中で２時間ミルした。そのゲルをアルミニウムトレーに深さ６〜７cmまで注入し、オーブン中で200℃で30時間乾燥した。上記乾燥固形物を600℃で0.5時間焼成した（この温度までのランプ時間＝１時間）。上記焼成ゲルを1400℃で１分間焼結した。上記砥粒は白色であり、粒内破壊32％を有した。
比較例Ｋの砥粒を、0.68kgのＡＡＭＨ（「ピューラル（PURAL）」微結晶ベーマイト）、6.8リットルのＤＷＴ、0.205リットルの14％ＨＮＯ3（41.0ミリリットルの濃ＨＮＯ3を164.0ミリリットルのＤＷＴと混合することにより調製した）を用いるコットリンガー（Cottringer）等の実施例Ｘの方法（20のファクターによりスケールダウンした）に従って作製した。上記「ピューラル（PURAL）」を水と大きなプラスチック混合容器中で混合し、ロス（Ross）ミキサー（ニューヨーク州ハウパージ（Hauppauge）のチャールズ・ロス・アンド・サン（Charles Ross ＆ Son）社製ＭＥ100リットル型）を用いて混合しながら上記酸を加えた。上記混合物を高速度で10〜15分間十分に混合した。この混合物の一部（５〜６リットル）を比較例Ｉに記載のクールズ（Coors）セラミック結合アルミナを有するスエコ（Sweco）振動仕上げ（vibro-finishing）ミル（１/３ＨＰ）に移した。上記混合物を、スエコ（Sweco）ミル中で２時間ミルした。そのゲルをガラストレーに深さ６〜７cmまで注入し、オーブン中で200℃で30時間乾燥した。（最初に、コットリンガー（Cottringer）等により開示されたように、アルミニウムトレーを乾燥するのに用いた；しかしながら、得られた研磨材料は僅かにピンク色であり、ガラストレー中で乾燥した場合ほど稠密な微細構造は有さない。）上記乾燥固形物を450℃で16時間焼成した。上記焼成ゲルを1400℃で15分間焼結した。上記砥粒は白色であり、粒内破壊32％を有した。
比較例Ｉ〜Ｋの材料の元素分析を、ＩＣＰ分析（誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma））により測定した。上記砥粒試料（0.1g）をＬi2Ｂ4Ｏ7（1g）と共に溶融し、100ミリリットルの５％硝酸に溶解し、脱イオン水で250ミリリットルに稀釈した。それらを、マサチューセッツ州ビバリー（Beverly）のファイソン・インスツルメント（Faison Instrument）社製、アプライド・リサーチ・ラボラトリーズ・インダクティブリー・カップルド・プラズマ・スペクトロメーター（Applied Research Laboratories Inductively Coupled Plasma Spectrometer）3580型を用いて分析した。比較例ＩおよびＪの分析はアルファアルミナベースのセラミック砥粒の分析であったが、比較例Ｋの分析は焼結前ではあるが450℃で16時間の加熱により得られた材料の分析であった。その結果を以下の表24に示し、理論酸化物ベースでの重量％として示した。
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本発明の範囲および意図から逸脱することなく、本発明の様々な改良および変更が当業者間で明らかであり、本発明は本明細書中に例示した態様に不当に限定されるものではないと解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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