(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
５μmより小さい結晶大きさを有するαアルミナ砥粒であって、本質的にすべてのアルミナがα形態であり、密度は３．６〜３．９ｇ/ｃｃであり、そして砥粒は、０．５〜５μｍの径を有する、ランダムに分散された本質的に球状のボイトを含む、αアルミナ砥粒。
【請求項２】
ａ）αアルミナ前駆体の水性分散体を生成すること；
ｂ）分散体内にボイド生成粒子を均一に分散させること；均一分散体を乾燥させ、焼成して有機物質を燃焼させて、αアルミナ前駆体を、径０．５〜５μｍの均一に分散されたミクロボイドを有するαアルミナに転換すること；ならびに
ｃ）所望の粒径範囲の砥粒を生成させること、
を含むαアルミナ砥粒の製造方法。
【請求項３】
ボイド生成粒子がポリマーラテックスの粒子である請求項２記載の方法。
【請求項４】
αアルミナ前駆体がα形態への転換を促進するのに有効な種晶をさらに含有してなる請求項２または３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は砥粒に関し、特にゾル-ゲル法を用いて製造されるアルミナ砥粒に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような方法において、通常ベーマイトであるαアルミナ前駆体は、化学剤を加熱もしくは変性する際にαアルミナが生成される温度を低下するのに有効な種晶物質の任意の存在下に、水性ゾルに形成される。ついでゾルは、通常、酸の添加によりゲルにされ、そしてゲルは乾燥され、焼成されてαアルミナを生成する。焼成の前に、乾燥ゲルは破砕され砥粒の大きさの粒子にされうる。なぜなら、この工程は、αアルミナへの転換の後に成し遂げられるよりも簡単にいくからである。所望ならば、イットリアおよび希土金属酸化物のような変性添加剤がゾルに、または焼成前に、乾燥ゲルに配合される。
【０００３】
このような方法は非常に細かい結晶構造を有する砥粒を生じさせ、これは溶融工程により製造されるアルミナ砥粒にまさり明らかに有利であることを示す。用いられて、砥粒は、破砕して細かい結晶に裂け、新たな切断表面をさらす。対照的に、溶融法により製造された砥粒は、はるかに大きい結晶から成り立っており、このような砥粒は工作物と接触するとき、砥粒の切れ刃（cutting edge）は次第に摩滅して、切削効率は研磨処理に対して弱まる。この減少した効率の切削は摩擦の増加ならびに工作物の表面をついに損傷しうる熱形成を伴う圧力が大きいので砥粒が結合剤から全体的にはぎ取られるときに粒状砥粒の寿命が終わる。砥粒からアルミナの微結晶を除去する準備をすることにより、この研磨の問題はゾルーゲルアルミナ砥粒で大きく減少する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この微小破砕更新法は、ゾル-ゲルアルミナ砥粒を含む研磨工具が中〜高圧の研磨条件下で用いられるときのみ活発である。比較的低い圧力が使用されるとき、これらは微小破砕を生じるには不十分であり、いくらかの研磨が観察されうる。したがって、処理において過度の砥粒損失なしに中〜低圧力で十分な研磨が可能な砥粒を開発する必要がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、真に最高を除けばすべての研削圧力で有用であることを見出されるような砥粒を提供する。それらが提供される方法は簡単で、経済的で、かつ非常に多目的に使用でき、出会いそうないかなる研剤条件にも適合されうる。本発明は、５μｍより小さい結晶大きさを有するアルミナ砥粒であって、本質的にすべてのアルミナがα形態であり、密度は３．６〜３．９g/ｃｃであり、そして砥粒は０．５〜５μｍの径を有する、ランダムに分散された本質的に球状のボイドを含むアルミナ砥粒を提供する。
【０００６】
すべてのアルミナは本質的にα形態であるが、これは、スピネルもしくはマグネトプランバイト（magnetoplumbite）のような形態でも存在するアルミナであってもよく、そこでは他の元素と結合されている。したがって、この制限は、砥粒中に存在する遷移相アルミナが本質的にないことを意味する。比較的低い密度は、砥粒中にランダムに分散された、径０．５〜５μｍ、好ましくは０．５〜２μｍであるボイド（空隙）を意味する多数の均一に分散されたミクロボイド（微小空隙）を有する砥粒の範囲内に包含することにより達成される。このようなミクロボイドは、大部分、砥粒内部であり(もちろんいくつかは表面に現れるが)、したがってαアルミナの理論密度（３．９８ｇ／ｃｃ）の通常８５〜９５％にすぎない砥粒見掛け密度を生じる。これらのミクロボイドは備った破砕通路を付与し、砥粒を比較的低い付加圧力で破砕させ、同時に研削の間に受け入れられない砥粒損失を招くことなく、もっと容易に切削表面を再生させる。
【０００７】
ミクロボイドは砥粒中にランダムに分散され、これによりそれらは規則的なパターンで分散されているのではなく、砥粒のすべての部分で比較的等しい数が見出されることを意味する。ミクロボイドは通常、別々であり、本質的に球形状あるが、時々２つ以上のミクロボイドが単一のミクロボイドとなるほど十分に互いに接近していることがある。このように多くの構造の存在は、本発明の限定の範囲内にあると理解される。
【０００８】
ミクロボイドは、ゾルから形成された乾燥ゲル内に均一に分散されるが、αアルミナ砥粒を生成する焼成後にボイドを残す物質をアルミナ前駆体ゾルに添加することにより砥粒中に組入れられる。
ミクロボイドを含有するαアルミナ砥粒の好ましい製造方法において、径が０．１〜５μｍであるポリマー粒子からなる水性重合体ラテックスがαアルミナとして評価されるアルミナの質量基準で、０．０３〜０．３％の量でベーマイトゾルに添加され、ついでゾルはαアルミナ砥粒を製造するために処理される。前述のとおり、この処理は、αアルミナ形態への転換を促進するために変性剤や種晶のようなそこに分散される種々の成分の分布を固定するためにゾルのゲル化を第一に含むのが通常である。ついで、ゲルは乾燥され、含浸によるさらなる変性剤の配合によって任意に変性され、ついで焼成されαアルミナ砥粒を製造する。
【０００９】
焼成処理は、ラテックス粒子を燃焼させミクロボイドを残すが、それは結晶構造内に浸入型（interstitial）ボイドを排除しやすい焼成中の焼結の結果、もとのラテックス粒子より大きさが少し小さくあり得る。したがって所望の密度に達したときに焼結を終了させるのが重要である。
大体、ミクロボイドは、フライアッシュ粒子のような中空球、または酵母もしくはリコポジウム粉末のような天然に産生する生物さえも配合することによっても創出されうる。しかし、これらは上述の特定の大きさの範囲にあり、そして塊状化することなくゾル中に容易に分散しうることが重要である。たとえばフライアッシュのような無機物の中空粒子が使用されうるが、適切に細かい径を有する粒子を得ることは困難であるのが通常である。
【００１０】
上述のとおり、ミクロボイドを創出する好適な形態は、ポリマーラテックスの配合による。ポリマーは完全に重合されていても液体オリゴマーであってもよく、このオリゴマーは、αアルミナ前駆体の分散体と混合されるときその粒状の特性を失わないものであることを要する。使用されるポリマーは、熱可塑性であるのが通常であり（適切な熱硬化性樹脂は代替されうるけれども）、たとえばポリスチレン、ポリブタジエン、フッ素ポリマー、ポリ塩化ビニルおよびアクリレートポリマーおよびコポリマーを含む。
【００１１】
さらに、構造中にミクロボイドを創出するガスを付与するように加熱により分解する炭酸塩のような物質の粉末を配合することもできる。このような化合物の例は炭酸マグネシウムであり、ゲルが乾燥される温度より高い約３５０℃で分解して二酸化炭素を生成する。さらに、それは水に不溶であり、ベーマイトゾルのような水性媒体に容易に分散される。焼成に際して、残るＭｇＯはアルミナとスピネルを形成することによりピン留め剤（ｐｉｎｎｉｎｇ  ａｇｅｎｔ）として作用し得、低い結晶の大きさを維持するのを助ける。他の塩は炭酸塩に限定される必要はなく、有機酸塩および水に不溶性の分解しうる塩も包含し得、硝酸塩および酢酸塩を含む。
【００１２】
さらに、αアルミナ前駆体分散体はアルミナのα形態への中間体の転換の種晶となるのに有効な物質の粒子を含みうる。通常、この種晶は０．０１〜１．０μｍの粒径を有するαアルミナ粒子である。しかし、αアルミナと同一構造を有し、αアルミナに近い格子パラメータを有する他の結晶性物質（たとえば、α酸化第二鉄、または 焼成によりこの化合物を生成する物質）も使用されうる。これらはαアルミナへの転換温度を低下させ、そして生成するアルミナ結晶の大きさを減少させる効果を有する。
【００１３】
αアルミナ前駆体自体は好ましくはベーマイトである。なぜならこれはたとえば酸の添加により容易にゲル化されうる安定なゾルを形成することがよく知られており、ゾル中のボイド形成粒子の分散体は処理の間中、分散体の均一性を保持するためにゲル化において安定されうる。
アルミナ分散体からの砥粒の生成はいかなる従来法にも従うことができる。乾燥ゲルは、焼成される前にたとえば、所望の範囲の粒径範囲に細かく砕かれうる。これはαアルミナに転換後に焼成物質を細かく砕くよりも有意に容易であり、両方の選択が使用されうるが、焼結が開始する。さらに、焼成してα形態に転換される形状にゲルを押出しもしくは成型することも可能である。これはいくつかの用途に明らかな利点を有するロッド形状粒子を製造する結果を有する。部分的に乾燥されたゲルも、爆発的な細分化で生じる砥粒の中で水を蒸発させるために、非常に急激な温度上昇を受けさせられうる。この方法はきわめて有利な性質を有する明らかに弱い（weak）（もしくは細長い）形状を有する砥粒をもたらす。すべてのこのような砥粒生成法は砥粒を「生成」するという教示により包含される。
【００１４】
【実施例】
本発明は次の例示的な実施例によりさらに具体的に説明されるが、それらは本発明の範囲を限定しようとするものとして理解されるべきではない。これらの実施例はαアルミナ砥粒の製造のためにゾルーゲル法で、最少量のポリマーラテックスの配合から生じる有利な研削性能を示す。
実施例１
貯蔵ゲル（stock gel）製造品が脱イオン水１０ＬにＤｉｓｐｕｒａｌ（登録商標）の商品名でＣｏｎｄｅａから得られるベーマイト２４００ｇを添加することにより調製された。混合物は実験室迅速ミキサーを用いて攪拌され、ついでイオン交換されたαアルミナ種結晶２８６．８２ｇが添加され、もう５分間攪拌された。混合物は脱イオン水７１４２．５７ｇ中に希釈された７０％硝酸１７８．７５ｇの添加によりゲル化され、２４時間保持される前にさらに１０分間攪拌された。ついでゲルはデカントされ、すべての次の実験での使用のために「貯蔵ゲル」として取っておかれた。
【００１５】
ラテックス分散体が、脱イオン水９９ｇに１０％固体ポリスチレンラテックス１．５ｇを添加することにより調製された。そのポリスチレンラテックスはポリスチレンの０．６μm粒子を含み、商品名「ＬＢ−６」でＳｉｇｍａ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓから得られた。このラテックス分散体は貯蔵ゲル４２０ｇに添加され、混合物は、気泡の同伴を避けるために迅速実験室ミキサーでやさしく攪拌された。脱イオン水で予め２度洗浄されたイオン交換ビーズ（ＤＯＷＥＸから得られるＨＣＲ−Ｗ２  Ｈ＋  １６〜４０メッシュ４０ｇ）は、８０メッシュふるいにより除去される前に５分間ゲルに攪拌して入れられる。このイオン交換処理は脱イオン水２０ｇで希釈された７０％硝酸６ｇをゲルに添加し、５分間混合する前にくり返される。
【００１６】
ついでゲルは乾燥オーブン中において１００℃で乾燥され−１８メッシュに破砕され、１２５０℃で回転炉内において焼成され、加熱帯域で１０分間保持された。
このようにして製造された砥粒は、未補正のインターセプト（intercept）法により測定して約０．１μmの結晶大きさを有していた。砥粒は密度３．８５ｇ／ｃｃおよび砥粒内に光学的顕微鏡下で示されるミクロボイドがみえる研磨断面を有していた。
【００１７】
ラテックス添加を除けば、まさに上述のとおりに製造された対照砥粒は密度３．８８g／ｃｃおよび結晶の大きさ約０．１μmを有していた。それはミクロボイドを有していなかった。
砥粒は対照および本発明による生成物から選ばれた。各砥粒は−３０＋３５メッシュの大きさであった。これらはそれぞれ単一点引っかき試験に供された。この試験において砥粒はフェノール樹脂結合剤を用いて３０５mm径のステンレス鋼砥石ハブに搭載された。５２１００ステンレス試験片は約１６００ｒｐｍで回転する砥石と接触された。砥粒の送り込み（infeed）は１０μmに設定され、表面は、温度を制御するために水性研削液（coolant）でくもらされた。各パス後に、工作物は、ステンレス鋼の新片に接触するように横方向に割出（index）された。合計５パスが各砥粒についてなされた。試験後に、加工物は各溝（groove）の断面領域を測定するＺｙｇｏプロフィロメータ（profilometer）で観察された。測定は試験の間に研削の間隔で試験のはじめに行われた。「磨耗比」(“Wear Ratio”)は第１パスで対応する断面領域について測定される溝の断面を分割することにより測定された。
【００１８】
結果は、本発明による砥粒がラテックス変性なしに製造された砥粒よりも一貫して高い磨耗比を示すことを明らかに例証する図１に示される。
実施例２
貯蔵ゲルが、脱イオン水１０５７１．４３ｇ中でＣｏｎｄeａから入手しうるＤｉｓｐｅｒａｌ（登録商標）ベーマイト３２００ｇを混合し、実験室高速ミキサーを用いて１０分間攪拌することにより調製された。ついで脱イオン水１８Ｌに希釈された７０％硝酸２２８．５７ｇと一緒にされ、さらに１０分間混合された。ついでこのゲルは３０００ｒｐｍで１時間、遠心分離され、上清液は、αアルミナ種晶のイオン交換分散体８５０ｇと固体含量４％で一緒にされ、全体はさらに５分間混合された。
【００１９】
上述のゲル混合物５kgに、粒子が１．１μmの大きさを有し、脱イオン水２００ｇで希釈され、そしてラテックスが１分間超音波処理されたことを除けば、実施例で用いられたのと同様な出所および含量の１０％固体ポリスチレンラテックス１５ｇが添加された。ポリマー粒子０．３％を含む混合物は実施例１のように２度のイオン交換処理に供された。
【００２０】
ついでこの混合物は、脱イオン水２５０ｇで希釈された７０％硝酸２８ｇで処理され、５分間混合された。ついでこのゲルは１１０℃で乾燥され、０．０４２インチの間隙を有するＢｒａｕｎロールクラッシャーで破砕され、１２１０℃の最高領域を有する回転炉で焼成され、そして砥粒は加熱帯域で１０分間保持された。
【００２１】
得られた砥粒は密度３．８５ｇ／ｃｃおよび結晶の大きさ約０．１μmであった。ラテックス添加がない以外はまさに同一の方法で製造された砥粒は密度３．８９ｇ／ｃｃである以外は同様の結晶の大きさを有していた。本発明による砥粒、およびラテックス添加なしに同一の方法で製造された従来の砥粒は、８０の砥粒試料が試験のために選ばれ、そして加工物がＭ７ステンレス鋼であることを除いて、実施例１で概説されるような同一の試験に供された。得られた結果は、試験終了後に、本発明による砥粒は従来の砥粒の１６２％の磨耗比を有することを示した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明および対照の砥粒の磨耗比を示すグラフである。
【図１】
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