(57)【要約】チタン化合物を、還元された形で、特に酸化物及び／または亜酸化物及び／または炭化物及び／またはオキシ炭化物及び／またはオキシカ−ボナイトライド及び／または珪化物の形で、ＴｉＯ２ として表して０．５−１０重量％の割合に相当して含み、ＺｒＯ２ 、その７５重量％以上が正方晶形で存在するものを２０−５０重量％含み、全炭素を０．０３−０．５重量％有し、原料に由来する不純物が３．０重量％未満、但し希土類が酸化物として計算して０．１重量％未満であり、Ｓｉ化合物をＳｉＯ２ として表して０．０５−１．０重量％有し、及びＡｌ２ Ｏ３ を５０−８０重量％含む、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＺｒＯ２ 、ＴｉＯ２ 及びＳｉＯ２ の及び／または後者を含む及び研磨材粒子の対応する組成物に必要な原料の混合物を過剰の還元剤の存在下に溶融し、そしてこれを溶融物が１０秒以下に完全に固化するように急冷することによって得られる、Ａｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ に基づく該研磨材粒子。本発明は、該研磨材粒子の製造法及びその研磨材への使用法にも関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン化合物を還元された形で、特に酸化物及び／または亜酸化物及び／または炭化物及び／またはオキシ炭化物及び／またはオキシカ−ボナイトライド及び／または珪化物の形で、ＴｉＯ２ として表して０．５−１０重量％；ＺｒＯ２ をその７５重量％以上が正方晶形で存在するもの２０−５０重量％；全炭素を０．０３−０．５重量％；原料に由来する不純物３．０重量％未満、但し希土類を酸化物として計算して０．１重量％未満；Ｓｉ化合物をＳｉＯ２ として表して０．０５−１．０重量％；及びＡｌ２ Ｏ３ を５０−８０重量％含み、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＺｒＯ２ 、ＴｉＯ２ 及びＳｉＯ２ の及び／または後者を含む及び研磨材粒子の対応する組成物に必要な原料の混合物を過剰の還元剤の存在下に溶融し、そしてこれを溶融物が１０秒以内に完全に固化するように急冷することによって得られる、Ａｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ に基づく研磨材粒子。
【請求項２】
還元されたチタン化合物の含量がＴｉＯ２ として表して２−５重量％である、請求項１の研磨材粒子。
【請求項３】
正方晶形のＺｒＯ２ 変態の割合が８５重量％より低くない、好ましくは少なくとも９０重量％である、請求項１及び２の１つまたはそれ以上の研磨材粒子。
【請求項４】
原料に由来する不純物が１重量％以下である、請求項１−３の１つまたはそれ以上の研磨材粒子。
【請求項５】
付加的なＳｉ化合物の割合が、ＳｉＯ２ として表して０．２−０．７重量％である、請求項１−４の１つまたはそれ以上の研磨材粒子。
【請求項６】
Ａｌ２ Ｏ３ ：ＺｒＯ２ の共晶系の領域における比が、それぞれの場合Ａｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ の全含量に対してＺｒＯ２ ３５−４５重量％及びＡｌ２ Ｏ３ ６５−５５重量％である、請求項１−５の１つまたはそれ以上の研磨材粒子。
【請求項７】
研磨材粒子が２０μｍ以下、好ましくは１５μｍ以下の中央断面を有するＡｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ の樹枝状共晶ドメインを有する非常に細かい構造をなす、請求項１−６の１つまたはそれ以上の研磨材粒子。
【請求項８】
ａ）原料の対応する混合物を還元剤の存在下に溶融し、
ｂ）液体溶融物を注ぎ出し且つ急冷し、そして
ｃ）冷却後、固化した材料を粉砕し、研磨材粒子化の処理をする、
請求項１−７の１つまたはそれ以上による研磨材粒子の製造法。
【請求項９】
液体溶融物を、それが５秒以内、好ましくは３秒以内で完全に固化するように急冷する、請求項８の方法。
【請求項１０】
明礬土をＡｌ２ Ｏ３ に対する原料として使用する、請求項８及び９の１つまたはそれ以上の方法。
【請求項１１】
バデレアイト、ジルコンサンド及び／または人口ジルコン濃縮物をＺｒＯ２ に対して使用する、請求項８−１０の１つまたはそれ以上の方法。
【請求項１２】
ルチルをＴｉＯ２ に対する原料として使用する、請求項８−１１の１つまたはそれ以上の方法。
【請求項１３】
石英、ムライト及び／またはジルコンサンドをＳｉＯ２ に対する原料として使用する、請求項８−１２の１つまたはそれ以上の方法。
【請求項１４】
１つまたはそれ以上の、Ａｌ、Ｔｉ及びＺ群からの元素の酸素化合物を含むＳｉＯ２ 含有原料を、ＳｉＯ２ に加えてＳｉＯ２ に対する原料として使用する、請求項８−１２の１つまたはそれ以上の方法。
【請求項１５】
石油コ−クス及び／またはグラファイト及び／または無煙炭の形の炭を還元剤として使用する、請求項８−１４の１つまたはそれ以上の方法。
【請求項１６】
請求項１−７の１つまたはそれ以上による研磨材粒子の、柔軟な及び固めた研磨材への使用。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、チタン化合物を還元された形で、特に酸化物及び／または亜酸化物及び／または炭化物及び／またはオキシ炭化物及び／またはオキシカ−ボナイトライド及び／または珪化物の形で、ＴｉＯ２ として表して０．５−１０重量％；ＺｒＯ２ をその７５重量％以上が正方晶形で存在するもの２０−５０重量％；全炭素を０．０３−０．５重量％；原料に由来する不純物３．０重量％未満、但し希土類を酸化物として計算して０．１重量％未満；Ｓｉ化合物をＳｉＯ２ として表して０．０５−１．０重量％；及びＡｌ２ Ｏ３ を５０−８０重量％含む、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＺｒＯ２ 、ＴｉＯ２ 及びＳｉＯ２ の及び／または後者を含む原料の研磨材粒子の対応する組成物に必要な混合物を過剰の還元剤の存在下に溶融し、そしてこれを溶融物が１０秒以内に完全に固化するように急冷することによって得られる、Ａｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ に基づく該研磨材粒子に関する。
【０００２】
（背景の技術）
Ａｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ の溶融物の非常に迅速な冷却で製造されるＡｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ に基づく研磨材粒子は、約４０年にわたって知られてきた。それは選択した研磨工程において特に有利な研磨性を示すことが特徴である。
【０００３】
例えばジルコニウムコランダム研磨材粒子は米国特許第３９８１４０８号に記述されている。これによると、還元条件下に調製されたＡｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ の溶融物を金属間に注いで非常に迅速に冷却して、成分の分離を妨げ、非常に細かい微結晶構造及び同時にある割合のＺｒＯ２ の正方晶形高温変態（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を安定化させる。このようにして製造されるジルコニウムコランダムは、その微結晶構造のために、一方で強靭性（ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ）、即ち大きい耐用性（ｓｔｕｒｄｉｎｅｓｓ）を有し、同時に研磨工程中の対応する高応力下に微結晶構造の結果助長され且つ可能となる研磨材粒子からのより小さい部分のはげ落ちにより新しい切断端（ｃｕｔｔｉｎｇ ｅｄｇｅｓ）を形成するという傾向を有するがゆえに、研磨材への用途が特に適当である。この新しい切断端は研磨工程において順次起こり、これが冷却とこれによる材料に優しい研磨並びに高研磨収率とをもたらす。米国特許第３９８１４０８号によれば、ＳｉＯ２ の含量をできるだけ低く保つべきである。ＴｉＯ２ はより損傷の低いものと見なされている。
【０００４】
過去において、何回となくジルコニウムコランダム研磨材粒子の性能を、急冷工程の拡散及び変形並びに還元の程度によって更に改良することが試みられてきた。
【０００５】
例えば、ＴｉＯ２ として表して１−１０重量％の、溶融工程中の炭（ｃｏａｌ）によるＴｉＯ２ の還元で得られるチタンのオキシ炭化物、炭化物及び／または亜酸化物（ｓｕｂｏｘｉｄｅ）を含むＺｒＯ２ の割合が２７−３５重量％のジルコニウムコランダムが独国特許第３０４０９９２号に記述されている。この研磨材粒子の研磨性能は、米国特許第３８９１４０８号に記述される研磨材粒子に同等か、またはそれより優れていることが特徴である。しかしながら、この研磨材粒子の利点は、とりわけ製造費の低減に、一方でＺｒＯ２ 部分の還元で得られる対比しうる研磨性能の付与に見られる。独国特許第３０４０９９２号においては、還元で生じるＴｉ化合物の研磨工程への直接的影響が研磨材粒子の性質の改善につながっているという仮定が述べられている。
【０００６】
米国特許第５１４３５２２号には、２５重量％以上が正方晶形で存在するＺｒＯ２ ２０−５０重量％、亜酸化物、炭化物及び／またはオキシ炭化物形の還元された酸化チタン１−１０重量％、カ−ボン０．３−０．５重量％、不純物３重量％未満、及び主成分としてのＡｌ２ Ｏ３ を含む研磨材粒子が記述されている。この研磨材粒子の構造は、共晶（ｅｕｔｅｃｔｉｃ）酸化アルミニウム／酸化ジルコニウムマトリックスにおける一次Ａｌ２ Ｏ３ 結晶沈着物として記述されている。一次結晶の寸法は５−５０μｍである。正方晶形中のＺｒＯ２ の割合は、ＺｒＯ２ の全量に対して７５重量％までの量である。有害な不純物として言及されているものは、中でも含量が０．１重量％を越えるべきでないＮａ２ Ｏ及び含量が１重量％を越えるべきでない、理想的には０．１重量％以下のＳｉＯ２ である。言及されている他の原料に関連する不純物はＭｇＯ、ＣａＯ及びＦｅ２ Ｏ３ であり、これらは１．５重量％を越えるべきではないとされている。
【０００７】
上述した刊行物及び米国特許第３８９１４０８号並びに同業者の一般的な意見に反して、英国特許第２０１１８８０号は、ＳｉＯ２ を１．１−２．０重量％含み且つより純粋な原料から作られたものと比べてある用途には有利であるといわれるＴｉＯ２ を２．５重量％までを含有するボ−キサイト及びバデレアイト（ｂａｄｄｅｌｅｙｉｔｅ）に基づくジルコンコランダムを記述している。ここに記述されている、他のすべての方法との本質的な相違は、安価なボ−キサイトを原料として直接使用する事実である。しかしながら、ボ−キサイトをジルコンコランダムに対する原料として使用する場合、多量の不純物を還元することが必要である（ボ−キサイトはとりわけ常にチタン化合物に加えて多量の鉄鉱物及び石英またはケイ酸塩を含む）。独国特許第３０４０９９２号、米国特許第５１４３５２２号、更には後に言及するヨ−ロッパ特許第０５９５０８１号と違って、英国特許第２０１１８８０号の方法では、不純物の還元に対しても炭が使われ、多分金属鉄及びケイ素の合金を生成させる。記述される生成物の１％以上という高いＳｉＯ２ 含量は、比較的少量の炭を還元剤として用いて作業を行っているという事実を示唆する。このことは、上述した刊行物との大きな相違が、単に多分チタンが正方晶形のＺｒＯ２ 変態の安定化に働く還元形で且つ研磨活性を有する還元形で生成物中に存在しないという事実にあることを意味する。
【０００８】
米国特許第４４５７７６７号においては、正方晶形高温変態を安定化させるのに役立つ０．１−２％の酸化イットリウムを含むジルコンコランダム研磨材粒子が記述されている。本発明者自身の試験によれば、ＴｉＯ２ での安定化に対比して、酸化イットリウムを添加すると溶融物の粘度が殆どまたは全然影響されないことが分かった。ＴｉＯ２ を正方晶形のＺｒＯ２ 変態に対する安定剤として溶融物中で使用する場合と比べて、これは溶融物の迅速な急冷と非常に細かい構造の実現がいかなる妨害もなく可能であるという利点を提供する。しかしながら、このＴｉ含有ジルコンコランダムに対する欠点は、還元されたＴｉ化合物の研磨活性化効果によって相殺される。
【０００９】
日本国特許第１６１４９７４号は、Ｙ２ Ｏ３ の高温変態が安定化されるＹ２ Ｏ３ も含むチタン含有のジルコンコランダムを記述している。
【００１０】
本発明が基づくヨ−ロッパ特許第０５９５０８１号において、研磨剤粒子はＺｒＯ２ の９０重量％がその正方晶形変態で存在する且つ溶融物を１０秒以内に固化を終了するように急冷することによって得られる、チタン化合物を亜酸化物、炭化物及び／またはオキシ炭化物形で含む研磨材粒子が記述されている。ＺｒＯ２ の正方晶形高温変態の安定化は、この場合Ｙ２ Ｏ３ の添加なしに、また還元されたチタン化合物の助けをかりた安定化によってだけで、また迅速な急冷によって達成される。
【００１１】
酸化物溶融物の迅速な急冷法は、例えば米国特許第３９９３１１９号、米国特許第４７１１７５０号、及びヨ−ロッパ特許第０５９３９７７号に記述されている。
【００１２】
上述したすべての方法及び材料は、その目的として、特に種々のスチールの処理に対するより高い研磨性能及びより好ましい研磨挙動を有する、研磨材粒子に対する使用者の要求を満足させねばならなかった。言及される方法及び材料は過去において好ましかったけれど、それは更なる性能の改良及び研磨材の効率的使用に対して、研磨材製造者及び使用者の増大する要求に適合しない。
【００１３】
それゆえに本発明は、広汎な材料、特に最も多種類のスチールの処理に対し、従来技術に比較しての性能に関して改良を示すジルコンコランダム研磨材粒子を利用可能とする。
【００１４】
（発明の説明）
本発明によれば、上述の問題は、チタン化合物を還元された形で、特に酸化物及び／または亜酸化物及び／または炭化物及び／またはオキシ炭化物及び／または珪化物の形で、ＴｉＯ２ として表して０．５−１０重量％；ＺｒＯ２ をその７５重量％以上が正方晶形で存在するもの２０−５０重量％；全炭素を０．０３−０．５重量％；原料に由来する不純物３．０重量％未満、但し希土類を酸化物として計算して０．１重量％未満；Ｓｉ化合物をＳｉＯ２ として表して０．０５−１．０重量％；及びＡｌ２ Ｏ３ を５０−８０重量％含み、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＺｒＯ２ 、ＴｉＯ２ 及びＳｉＯ２ の及び／または後者を含む原料の研磨材粒子の対応する組成物に必要な混合物を過剰の還元剤の存在下に溶融し、そしてこれを溶融物が１０秒以内に完全に固化するように急冷することによって得られる、Ａｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ に基づく研磨材粒子を提供することによって解決される。
【００１５】
本研磨材粒子はそれ自体、本研磨材粒子収率で製造される研磨材が広汎な材料、特に最も多種類のスチールの処理に対し、対比しうる及び／または同一の試験因子下にジルコンコランダムに基づく既知の研磨材と比較して、５０％まで及びそれ以上の研磨性能を増大させるという事実が特徴である。
【００１６】
請求項２−１４で示されるような本発明による研磨材粒子の好適な種類の態様において、還元されたチタン化合物の含量は２−５重量％、及び／または正方晶形のＺｒＯ２ 変態の含量は少なくとも８５重量％、好ましくは少なくとも９０重量％であり、及び／または不純物の含量は１重量％以下であり、及び／またはＳｉ化合物の含量は０．２−０．７重量％である。
【００１７】
驚くべきことに、ヨ−ロッパ特許第０５９５０８１号と同様に、Ａｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ に基づく研磨材コランダムの製造中、溶融工程中にＳｉＯ２ 含有化合物を目的を持って添加することにより、今まで知られたジルコンコランダムよりも明らかに優れた研磨剤粒子の得られることが発見された。
【００１８】
このことは、コランダムに基づく研磨材粒子の製造において、溶融工程中に生成するケイ酸塩がいかなる際だった研磨性も有さず、かくして研磨材粒子の性能を減少させるがゆえにＳｉＯ２ 不純物が通常回避されるという点で、更に驚くべきことである。ジルコンコランダム研磨材粒子の製造に際し、同業者間での一般的な傾向は最も純粋な可能な原料を使用し、また不純物の含量をできるだけ低く保つことであった。ただ経済的な理由または入手性の理由から、よりひどく汚れた原料に依存してきた。それゆえに市場にでているジルコンコランダム及び研磨材粒子自体は比較的純粋な製品であるが、概してそれらは０．０２−０．３重量％のＳｉＯ２ を含んでおり、性能のＳｉＯ２ 含量に対する依存性を関連する根底の刊行物から収集することはできない。しかしそれは初めに言及したようにむしろ有害と見なされている。多くの商業的製品において、その含量は、凡そ０．２重量％である。ヨ−ロッパ特許第０５９５０８１号による特許登録者の製造する製品だけは、凡そ０．０２重量％の明らかに低いＳｉＯ２ 含量を示す。ＳｉＯ２ 含量と研磨材粒子の性能との関係はヨ−ロッパ特許第０５９５０８１号に示されていない。
【００１９】
研磨材粒子の製造工程において、例えばＡｌ２ Ｏ３ 、好ましくは明礬土（ａｌｕｍ  ｅａｒｔｈ）５０−８０重量％、及び好ましくはルチル（ｒｕｔｉｌｅ）形で使用されるＴｉＯ２ ０．５−１０重量％の存在下におけるバデレアイト、ジルコン濃縮物及び／またはジルコンサンド（ｚｉｒｃｏｎ ｓａｎｄ）形のＺｒＯ２ ２０−５０重量％、及び好ましくはジルコンサンドの形で混合物に添加されるＳｉＯ２ ０．５−５重量％の混合物を、電気放電炉において炭０．５−５重量％の存在する還元条件下において溶融する。次いで溶融した混合物をできる限り迅速に急冷する。これはヨ−ロッパ特許第０５９３９７７号に従って溶融物を金属板間の狭い溝に注入することによって達成できる。この時液体材料は数秒以内、好ましくは５秒以内、特に好ましくは３秒以内に完全に固化する。板パケット（ｐａｃｋｅｔ）に組み立てられた金属板における対応する凹所によって形成される金属板間の空隙は、１−１０ｍｍ、好ましくは２−５ｍｍの幅を有する。溶融物の注入中に炉容器の注入口の下において定義される速度で誘導される冷却板パケット（ｃｏｏｌｉｎｇ ｐｌａｔｅ ｐａｃｋｅｔ）は約１００−５００℃の開始温度を有する。注入後冷却板パケットの温度は２０００℃の熱溶融物の空隙への充填のために約５０−１００℃だけ上昇するが、冷却板パケットを空にした後にいわゆる冷却域に駆動させ、そこで水を噴霧して最初に設定された開始温度に戻す。ついで冷却版パケットを、十分な溶融物が炉容器中に存在するや否や開始できる次の注入作業のために開始位置へ置く。
【００２０】
しかしながら、ヨ−ロッパ特許第０５９３９７７号に記述される方法に対応する液体溶融物（ｌｉｑｕｉｄ ｍｅｌｔ）の、上述した急冷法以外の、液体酸化物溶融物の迅速急冷に対するいかなる適当な他の従来方法、例えば米国特許第３９９３１１９号及び米国特許第４７１１７５０号に記述された方法も、使用できる。
【００２１】
本発明による研磨材粒子の製造に対しては、明礬土、ジルコン濃縮物、ジルコンサンド、及びルチルが好ましく原料として使用される。原料混合物は、最終製品が、ＺｒＯ２ 及びＡｌ２ Ｏ３ の全含量に対してそれぞれＡｌ２ Ｏ３ 含量約５５−６５重量％、ＺｒＯ２ 含量約３５−４５重量％を有し、ＺｒＯ２ 及びＡｌ２ Ｏ３ の共晶混合物を優勢に含むように好適に選択される。
【００２２】
製品の炭含量は０．０３−０．５重量％であり、一方０．５−５重量％、好ましくは１−４重量％が出発混合物に使用される。これは、炭の大部分が溶融工程中に溶融物の還元状態の安定化、ＴｉＯ２ の還元、及びＳｉＯ２ の還元に消費され、この工程で大部分がＣＯとして消散することを意味する。出発混合物中において比較的多量で、生成物中において比較的低含量のＳｉＯ２ は、選択した還元条件下に、ＳｉＯ２ が大部分ＳｉＯに還元され且つ蒸散し、そして少部分だけが珪化物及び／または他のＳｉ化合物に還元されることを示す。原料中の酸化物から還元によって生成する他の金属不純物と一緒に炉の底部に沈着するはずの金属Ｓｉへの還元は低いであろう。
【００２３】
ヨ−ロッパ特許第０５９５０８１号におけるように、Ｔｉ化合物、恐らくは還元中に生成するチタンの亜酸化物または他の還元生成物は、ＺｒＯ２ の正方晶形の高温変態を安定化させ、上述した溶融物の効果的な急冷と組合わさって、非常に高含量の正方晶形ＺｒＯ２ 変態を生成物中にもたらす。
【００２４】
しかしながら、溶融物中及び最終製品中のＳｉＯ２ 含量が低下した本発明による研磨材粒子と同一である、また同一の方法で溶融し且つ急冷された材料と比べた場合、正方晶形ＺｒＯ２ の安定化にＴｉＯ２ を使用する時、ＳｉＯ２ の添加は明らかに正方晶形ＺｒＯ２ 変態の安定化に対して意に反して働き、また他の点では同一の出発混合物を用いた時、本発明による生成物はより低ＳｉＯ２ 含量の対比しうる研磨材粒子よりも正方晶形ＺｒＯ２ 変態を低含量で含むということが目につくようになる。ヨーロッパ特許第０５９５０８１号は、今や最良の研磨結果が全ＺｒＯ２ 含量に対して少なくとも９０重量％の正方晶形ＺｒＯ２ 変態を含む研磨材粒子を用いて達成されるということを教示している。更に驚くべきことに、比較的減少したＺｒＯ２ 変態含量にもかかわらず、試験したすべての適用分野において、本発明の研磨材粒子を用いた場合には、正方晶形ＺｒＯ２ 変態の高含量を示す対応する技術の研磨材粒子を用いた場合よりも明らかに良好な結果が達成できた。しかしながら、本質的なこととして、本発明の研磨材粒子に関しては、正方晶形相の高含量が研磨技術の利点をもたらすであろうということも事実である。例えば正方晶形相部分は、ＴｉＯ２ の添加によって再び増加させることができる。このことは、最初ＳｉＯ２ の少なくとも一部が溶融物中でＴｉＯ２ と反応して、例えば珪化Ｔｉを生成し、この結果正方晶形ＺｒＯ２ 変態の安定化に働く還元されたＴｉ化合物の割合が低下しうることを示唆する。ＴｉＯ２ の割合を増加させることにより、この部分を再び増加させることができる。そうする場合、溶融物の粘度を、溶融物の急冷能が再び悪くなるような程度まで増大させることなしに、正方晶形ＺｒＯ２ 相の含量を再び増大させることができるということは驚くべきことである。
【００２５】
この挙動の説明は、ＳｉＯ２ の存在によって変えられる溶融物自体の物理的性質に見出だすことができる。即ち、還元条件下における溶融工程の過程で、増大する酸化チタン含量と共に、溶解性の貧弱な高融点チタン化合物の生成によって増大する溶融物の粘度は、例えば液体溶融物を金属板間の比較的狭い空隙に注ぎこむのを容易にするＳｉＯ２ の添加によって再び低下させうることが理解できる。液体溶融物をより迅速に冷却板間に注入できればできるほど、溶融物の急冷が迅速となり、生成物中の安定化しうる構造がより細かくなる。
【００２６】
実施例１−１０及び対照実施例１−２に従い、本発明の研磨材粒子について行う構造試験は、理論が見方して、正方晶形ＺｒＯ２ 相の高含量に加え、また酸化物及び／または亜酸化物及び／または炭化物及び／またはオキシ炭化物及び／またはオキシカ−ボナイトライド及び／または珪化物の形のチタン化合物の存在下において、それがとりわけその性能の有用性に役立つ研磨材粒子の構造であるということを示す。構造が細かくなればなるほど、対応する研磨材粒子はより効果的になる。この構造試験は、走査型電子顕微鏡を用いるバック（ｂａｃｋ）散乱像（ｓｃａｔｔｅｒ ｉｍａｇｅｓ）を用い且つ磨いた研磨物によって行った。最適に冷却された材料の場合、Ａｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ の共晶混合物は、０．１μｍ以下である個々の沈殿物の寸法が走査型電子顕微鏡によるバック散乱電子像ではもはや正確に決定できなくなるほど細かい構造を１００００倍の倍率でさえ示すということが判明した。しかしすべての試験した試料において明らかに認めうるものはドメイン様の形態を有する樹枝状（ｄｅｎｄｒｉｔｉｃ）共晶領域であり、この樹枝状共晶ドメインの断面はＡｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ の個々の沈殿物の寸法の減少と協同して減少する。樹枝状共晶ドメインは、数ミクロンまたはそれ以上の大きさであり、従って電子顕微鏡像で測定でき、研磨材粒子の構造の特性化に使用できる。対応する測定は、これらの作業の枠組み内で行った。この際、すべての参考実施例の測定した樹枝状物の中央断面は２０μｍ以下、好適な場合に１５μｍであること、及びかくしてそれはＳｉＯ２ の添加なしに溶融した対照実施例１よりも明らかにより細かいことが認められた。この結果を表２に要約する。
【００２７】
表３−５に要約した研磨試験から、研磨材粒子の性能は構造がより細かくなるにつれて向上することが推論できる。同時に、高含量の正方晶形ＺｒＯ２ 相はその性能に有利な効果を示すことがヨーロッパ特許第０５９５０８１号から公知であり、研磨試験により再認識できる。しかしながらこの効果は、すでにあげたすべての実施例が比較的高含量で正方晶形相を有するから、実施例中の限界内にとどまる。
【００２８】
それゆえに本発明の目的は、高品質のジルコンコランダム研磨材粒子の製造に対してＴｉ化合物及びＳｉ化合物の最適な組み合わせを見つけることによって解決される。
【００２９】
チタン化合物の研磨性能に及ぼす効果は、複雑である。例えばＴｉＯ２ は最初に正方晶形ＺｒＯ２ 相の安定化に使用される。しかしながら、これにおける決定的な因子は、還元条件下に作業を行うという事実である。それは、還元剤なしの試験が以下のことを証明しているからである。即ち、還元されたチタン化合物の１つまたはいくつかは、中でも添加された酸化チタンを有するジルコンコランダムをいかなる還元剤の添加もなしに急冷するというヨーロッパ特許第０５９５０８１号実施例３においても見られる正方晶形ＺｒＯ２ 相の安定化に明らかに役立っているからである。この結果を確かめる対応する試験は、本作業の範囲内でも行った。どんなチタン化合物が安定化に対して究極的に役立つかという疑問は、今までに行われていない将来の研究の主題である。しかし炭の存在下における還元条件下での溶融工程中に生成するチタン化合物、例えば炭化チタン、オキシ炭化チタン、チタンカ−ボナイトライドなども、それらの化合物の大きな硬度によって多分説明できる研磨性能に正の影響を及ぼすということは、全く明白である。しかしながらそれに加えて、非常に溶解性が貧弱で、高融点のチタン化合物は、溶融物の粘度、及びそれにより溶融物の冷却挙動をも同様に変える。高粘度の溶融物は、例えば金属板間の狭い空隙に注入するのが難しく、更に金属の液体溶融物での被覆が順次熱伝導を妨害し、結果として迅速冷却を妨げる。ＳｉＯ２ の添加は溶融物の粘度を低下させるが、同時に多分珪化チタンの生成のために、生成するチタン化合物の平衡が移動し、これが明らかに正方晶形ＺｒＯ２ 相の安定化に役立つ化合物に明らかに影響する。ＴｉＯ２ 含量の増加は、驚くべきことに溶融物の急冷の性質または生成物の構造を悪化させるような程度まで溶融物の粘度を増大させることなしに、正方晶形ＺｒＯ２ 相の高割合が可能となるように、平衡を再び移動させる。ＴｉＯ２ 部分の更なる増加は正方晶形ＺｒＯ２ 相のより高い割合（１００％）さえも安定化せしめるけれど、同時に溶融物の粘度はより粗い構造のために生成物が全体的に悪化するような程度まで増大し、順次より悪い冷却条件に至る。
【００３０】
本発明の驚くべき良好な研磨結果に対する他の及び／または更なる可能な説明は、本発明の研磨材粒子の耐摩耗性を向上させる研磨材粒子におけるガラス相の形成である。
【００３１】
以下、本発明を詳細に説明するが、これはいかなる制限を構成するものでもない。
実施例１
明礬土［ＡＣ３４、ペクニ−社（Ｐｅｃｈｎｅｙ，Ｇａｒｄａｎｎｅ）］３３５ｋｇ、バデレアイト濃縮物［フォスカ−社（Ｆｏｓｋｅｒ）、南アフリカ］２３２ｋｇ、石油コ−クス１６ｋｇ、ルチル１６ｋｇ、及びＺｒＯ２ ６６．６％、ＳｉＯ２ ３２．５％、Ａｌ２ Ｏ３ ０．３２％、Ｆｅ２ Ｏ３ ０．１％及びＴｉＯ２ ０．１４％の組成を有するジルコンサンド１０ｋｇの混合物を電気アーク炉中で溶融した。この炉容器は直径約２ｍを有し、電圧は１１０Ｖであり、負荷は１５００ｋＷ時で選択した。この混合物は、約１時間の後全混合物が溶融し、ヨーロッパ特許第０５９３９７７号の方法に従って急冷できるように仕込んだ。冷却板に対する出発温度は約３００℃に相当し、金属板間の空隙は幅３−５ｍｍであった。予備試験は、これらの条件下において、冷却板間に注いでから僅か３秒後に材料が完全に固化することを示した。注いでから約１分後に板パケットは、固化し且つ冷却された材料が板パケットから取り出される排出装置に至り、そこで集められた。排出の時点では、固化した材料は依然約３５０℃の温度を有した。完全な冷却後、材料を通常の方法で（例えばジョ−クラッシャ−、ロ−ルクラッシャ−、ロ−ルミル、または同様の粉砕機により）粉砕し、次いで適当な篩わけによって粒状化処理をした。
実施例２−１０
実施例１と同様にして、ジルコン研磨材粒子を製造した。しかしながら、ジルコンサンドの添加及び対応してバデレアイト濃縮物の割合を変えた。更にルチル含量も同様に変えた。表１は実施例２−１０に示される本発明の研磨材粒子の種々の態様に対して必要なジルコンサンド、バデレアイト濃縮物及びルチルの出発混合物を示す。明礬土及び石油コ−クスの量は実施例１から変えなかった。従ってこれらは下記の表には示していない。
表１  実施例２−１０の出発混合物（Ａｌ２ Ｏ３ 及び石油コ−クスは示してない、これらの割合はすべての実験で変えなかった）
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技術の直接的比較のために、次に示す対照実施例は実施例１−１０と同一の条件で製造した。化学組成、物理的性質、及び研磨技術的性質において、対照実施例は現在市場に出ている最良の性能を有する従来技術の材料に相当する。
対照実施例１
実施例１と同様に製造した。しかしながら、ジルコンサンドは添加しなかった。出発混合物は、明礬土３３５ｋｇ、バデレアイト濃縮物２３５ｋｇ、ルチル１６ｋｇ及び石油コ−クス１６ｋｇを含んだ。
対照実施例２
実施例２と同様に製造した。しかしながら、ルチルを添加せず、その代わりにＹ２ Ｏ３ ５ｋｇを添加して正方晶形ＺｒＯ２ 変態の安定化を達成した。
【００３２】
参考実施例及び対照実施例の研磨材粒子の最も重要な成分の化学的分析を表２にまとめる。Ａｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ の割合は、それぞれの場合、混合物ができるだけＡｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ の共晶系に近いように選択した。これはすべての実施例に対して、Ａｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ の含量が殆ど同一であり、個々の場合でＡｌ２ Ｏ３ が５５−５９重量％及びＺｒＯ２ が３９−４２重量％であることを意味する。この狭い限界内において、主成分Ａｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ の割合におけるいかなる可能な変化も生成物の品質に対して認識できる効果を持たず、それゆえにそれらはいずれも表２に示していない。
【００３３】
更に正方晶系ＺｒＯ２ 変態の、全ＺｒＯ２ 含量に対する割合を表２に示す。正方晶系ＺｒＯ２ 変態の割合は方程式
Ｔ（重量％）＝２ｔｘ１００／（２ｔｘｍ１ ＋ｍ２ ）
に従って計算される。但し方程式はジルコンコランダム粉末の放射線回折分析  （放射線力回折写真）に基づき、ｔは回折角２Θ＝３０．３における正方晶系変態のピーク強度を示し、ｍ１ は回折角２Θ＝２８．３における単斜晶系変態のピーク強度を示し、そしてｍ２ は回折角２Θ＝３１．５における単斜晶系変態のピークを示す。強度自体はピーク面積の積分で決定した。
表２  種々の参考実施例及び対照実施例の特性
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表２の注釈
＊    対照実施例１はヨーロッパ特許第０５９５０８１号による市販のジルコンコランダムに相当する。
＊＊  対照実施例２は米国特許第４４５７７６７号による市販のジルコンコランダムに相当する。
１）  樹枝状物の中央断面は、樹枝状物の成長方向の長さ方向に尖った中央断面３ｍｍのジルコンコランダム板状体の、倍率５００倍におけるバック散乱電子像の測定によって決定した。このジルコンコランダム板状体はそれ自体中央空隙幅３ｍｍの金属板間の空隙に液体溶融物を注入することによって得た。この時樹枝状物の成長は冷却板から、注入且つ固化したジルコンコランダム板状体の内部へ垂直に進行した。
表２に示す研磨材粒子を用いて、下に詳細に説明する研磨試験を行った。結果を表３−５に示す。
表３  作業片ＳＴ３７（研磨時間１２分）及びＶ２Ａ（研磨時間３０分）に対するベルト研磨機の試験結果、それぞれＦＥＡＰによるＰ４０研磨
研磨試験１
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表４  ベルト研磨機Ｃ４５及びＶ２Ａの試験結果（それぞれの場合、固体材料、直径３０ｍｍ）／接触圧３５Ｎ／研磨時間５０分）
研磨試験２
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表５  ＳＵＳ３０４（研磨時間５分）及びＳ５０Ｃ（研磨時間３０分）に対するベルト研磨機の試験結果、ＦＥＡＰによるＰ４０研磨
研磨試験３
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実施例から理解できるように、本発明の研磨材粒子を用いて製造した研磨材の場合、ジルコンコランダムに基づく従来から公知の研磨材と比較して、対比しうる及び／または同一の試験因子を維持しながら広汎の材料の処理において、約５０％まで及びそれ以上の研磨性能の増大が達成される。これは特に上述した試験の殆どに使用した柔軟なジルコンコランダム研磨材、例えば研磨ベルト及び研磨紙に当てはまる。
【００３４】
しかしながら、本発明がそれに限定されるわけではない。他の材料及び研磨材種を用いる更なる試験は、本発明による研磨材粒子が、本発明の特許請求項で網羅される他の応用分野に対しても利点を与えることを示した。
【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年11月15日(2002.11.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン化合物を還元された形で、特に酸化物及び／または亜酸化物及び／または炭化物及び／またはオキシ炭化物及び／またはオキシカ−ボナイトライド及び／または珪化物の形で、ＴｉＯ２ として表して０．５−１０重量％；ＺｒＯ２ をその８５重量％以上、好ましくは少なくとも９０重量％が正方晶形で存在するもの２０−５０重量％；全炭素を０．０３−０．５重量％；原料に由来する不純物３．０重量％未満、但し希土類を酸化物として計算して０．１重量％未満；及びＡｌ２ Ｏ３ を５０−８０重量％含み、Ａｌ２ Ｏ３ 、ＺｒＯ２ 、ＴｉＯ２ 及びＳｉＯ２ の及び／または後者を含む及び研磨材粒子の対応する組成物に必要な原料の混合物を過剰の還元剤の存在下に溶融し、そしてこれを溶融物が１０秒以内に完全に固化するように急冷することによって得られる、Ｓｉ化合物がＳｉＯ２ として表して０．０５−１．０重量％含量で添加される、Ａｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ に基づく研磨材粒子。
【請求項２】
還元されたチタン化合物の含量がＴｉＯ２ として表して２−５重量％である、請求項１の研磨材粒子。
【請求項３】
原料に由来する不純物が１重量％以下である、請求項１〜３の１つまたはそれ以上の研磨材粒子。
【請求項４】
付加的なＳｉ化合物の割合が、ＳｉＯ２ として表して０．２−０．７重量％である、請求項１−４の１つまたはそれ以上の研磨材粒子。
【請求項５】
Ａｌ２ Ｏ３ ：ＺｒＯ２ の共晶系の領域における比が、それぞれの場合Ａｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ の全含量に対してＺｒＯ２ ３５−４５重量％及びＡｌ２ Ｏ３ ６５−５５重量％である、請求項１−５の１つまたはそれ以上の研磨材粒子。
【請求項６】
研磨材粒子が２０μｍ以下、好ましくは１５μｍ以下の中央横断面を有するＡｌ２ Ｏ３ 及びＺｒＯ２ の樹枝状共晶ドメインを有する非常に細かい構造をなす、請求項１−６の１つまたはそれ以上の研磨材粒子。
【請求項７】
ａ）原料の対応する混合物を還元剤の存在下に溶融し、
ｂ）液体溶融物を注ぎ出し且つ急冷し、そして
ｃ）冷却後、固化した材料を粉砕し、研磨材粒子化の処理をする、
請求項１−７の１つまたはそれ以上による研磨材粒子の製造法。
【請求項８】
液体溶融物を、それが５秒以内、好ましくは３秒以内で完全に固化するように急冷する、請求項８の方法。
【請求項９】
明礬土をＡｌ２ Ｏ３ に対する原料として使用する、請求項８及び９の１つまたはそれ以上の方法。
【請求項１０】
バデレアイト、ジルコンサンド及び／または人口ジルコン濃縮物をＺｒＯ２ に対して使用する、請求項８−１０の１つまたはそれ以上の方法。
【請求項１１】
ルチルをＴｉＯ２ に対する原料として使用する、請求項８−１１の１つまたはそれ以上の方法。
【請求項１２】
石英、ムライト及び／またはジルコンサンドをＳｉＯ２ に対する原料として使用する、請求項８−１２の１つまたはそれ以上の方法。
【請求項１３】
１つまたはそれ以上の、Ａｌ、Ｔｉ及びＺｒ群からの元素の酸素化合物を含むＳｉＯ２ 含有原料を、ＳｉＯ２ に加えてＳｉＯ２ に対する原料として使用する、請求項８−１２の１つまたはそれ以上の方法。
【請求項１４】
石油コ−クス及び／またはグラファイト及び／または無煙炭の形の炭を還元剤として使用する、請求項８−１４の１つまたはそれ以上の方法。
【請求項１５】
請求項１−７の１つまたはそれ以上による研磨材粒子の、柔軟な及び固めた研磨材への使用。
【国際調査報告】
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