(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナの溶解、８０ｋｇ／分未満での一定流量での流し込み、および１ｍｍ未満のサイズの粒子を作るための、１５から５０ｋＨｚの間に含まれる周波の超音波によって支援されたアトマイゼーションによって細小滴に溶解したアルミナの分散による冷却を含む、電融アルミナベースの研磨粒の製造方法。
【請求項２】
流し込みの流量が５０ｋｇ／分未満であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
流し込みが、誘導によって、過熱された小ノズルを通して行われることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明の技術的範囲
本発明は、寸法が数十ミクロン程度であり、溶解状態でのアルミナの急速な凝固によって獲得される、結晶から成るアルミナベースの研磨粒に関するものである。
【０００２】
技術の現状
アルミナベースの研磨剤の使用は、非常に古く、ギリシャ世界からすでに知られていたエメリーの使用にさかのぼる。２０世紀の中ごろから、アルミナの溶解および凝固によって獲得されるコランダムの合成が、六方最密構造のαアルミナ結晶から構成される研磨粒を供給したが、その寸法は、数ミリメートルであった。言葉の濫用によって、このタイプの材料は、電融耐火コランダムの名前のもと示されてきた。当然、その名称が調製方法をほのめかす、固体材料のことである。
【０００３】
電融耐火コランダムの粉砕によって獲得される研磨粒は、このように、大部分において、六角形の単結晶によって構成され、それらの力学的特性は、最良でもアルミナ結晶の力学的特性であり、改良されることはできない。
【０００４】
力学的および研磨に関するより良い特性を獲得するために、その力学的特性が、それを構成する結晶の性質のみでなく、粒の強化を可能にする、多数の結晶粒界の存在にもまた、そして特にそれに由来するように、長い間、なるべく小さい寸法の結晶から構成され、各研磨粒が結晶の組み合わせから成る材料を製造することを追及してきた。
【０００５】
このように、１９１４年に出願された、米国特許第１１９２７０９号（カーボランダム）は、１０から３００μｍの間に含まれる（平均１００μｍ）サイズの結晶と電融された、厚みが１５０ｍｍ未満の狭いチル鋳型内で薄い板に鋳造されたアルミナを記載している。この急速な凝固の経路は、１９３２年に、アルコア（米国特許第１７９８２６１号および米国特許第１８７１７９３号）によっても探られたが、それは、電融アルミナを直径５ｍｍ未満の、２５０μｍ未満の結晶から構成される中空の球に変えるためにそれをアトマイゼーションすることを提案するものであった。かなり近い技術が、メタルバンクの英国特許第２８４１３１号に記載されている。米国特許第３７８１１７２号によって、同じ成分の冷たい顆粒床においてそれを鋳造することによって、５０μｍ未満のサイズの電融アルミナ結晶を獲得することができ、そのことによって、冷却が加速される。しかしながら、実験によって、液体アルミナが冷たい粒の間に入り込みにくく、この技術がほとんど能力がないことが示されている。
【０００６】
１９６１年に出願された、フランス特許第１３１９１０２号（ノートン）は、回転シリンダーにおいて薄い帯を鋳造することから成る、アルミナ質の研磨剤のための急速な冷却の鋳造方法および鋳造装置を記載している。１から３０μｍの間に含まれるサイズの結晶が獲得される。１９７７年に出願された、フランス特許第２２４２４６２号（ノートン）は、薄膜を形成するための２つの金属帯の間の研磨剤鋳造の方法および機器に関するものである。急冷効果は、この場合、コランダムの低い熱伝導性によって制限される。この薄い板への鋳造方法が工業的実現をさせたとは思われない。
【０００７】
１９７９年、水和アルミナの、多くは、塩またはアルコキシドアルミニウム溶液からの沈殿によってそれ自体獲得される、ベーマイトの、か焼ついで焼結によって獲得される、ゾル−ゲル方法に由来するアルミナが出現するのを見た。このタイプの材料は、ミクロン未満のサイズの結晶の組み合わせから成る研磨粒を調製することを可能にし、そのことは、それに優れた力学的特性を与える。この材料は、今日、研削砥石の製造によく用いられているが、その組成を重量で約３０％占め、残りは、従来の電融コランダムから成る。ゾル−ゲルのアルミナの非常に高いコストが、この３０％の比率を正当化するために通常示される説明である。
【０００８】
本発明の目的は、電融アルミナに特有の形態を保持しながら、先行技術のコランダムの結晶化よりもはるかに細かい制御された結晶化、および、はるかに改良された研磨性特性を有する、電融アルミナを供給することである。
【０００９】
発明の対象
本発明の対象は、１００μｍ未満、好ましくは３０μｍ未満、より好ましくは５μｍ未満の寸法の、密度がアルミナの理論密度の９７％を超える、好ましくは９８％を超える、ヌープ硬さが２０００を超える六方構造の結晶から構成されることを特徴とする、電融アルミナベースの研磨粒である。
【００１０】
本発明は、また、アルミナの溶解、８０ｋｇ／分未満の一定流量での流し込み、そして、１ｍｍ未満のサイズの粒子を与えるための細小滴に溶解したアルミナの分散による冷却を含む、アルミナベースの研磨粒の製造方法も目的とする。この分散は、好ましくは、１５と５０ＭＨｚの間に含まれる周波での、超音波によって支援されるアトマイゼーションによって行われる。
【００１１】
図の説明
図１，２および３は、先行技術による（図１）、および本発明による（図２および３）研磨粒の結晶の、走査型電子顕微鏡での図である。倍率は、それぞれ、１２００、６００および２０００である。図１は、実施例３において獲得される先行技術の製品を示す。図２および３は、異なる倍率で、実施例４において獲得される発明による製品を示す。
【００１２】
発明の説明
ゾル−ゲルアルミナの特性、および、このタイプの材料を用いて製造される砥石で獲得される結果を分析し、出願者は次の結論に達した。
−ゾル−ゲルのアルミナの硬度は非常に高く（ヌープ硬さＨＫ２１００から２２００）、明らかに、先行技術の電融コランダムの硬度を超える。
−ゾル−ゲルのアルミナ粒子および電融コランダム粒子は、異なる形態を有する。電融コランダム粒子が角張っており、はっきりした稜を有するのに対し、ゾル−ゲルのアルミナの粒子は、はるかに鈍重であり、丸い形を有する。
−ゾル−ゲルのアルミナのミクロ構造が非常に細かく、ミクロンの下位の寸法のαアルミナの六方結晶で構成されているのに対し、電融アルミナのミクロ構造は、本質的に単結晶である。
−ゾル−ゲルのアルミナおよびコランダムから異なる比率で構成された砥石は、ゾル−ゲルのアルミナ１００％で調製した砥石が良くない結果をもたらし、コランダムとゾル−ゲルのアルミナとの結合が、ゾル−ゲルのアルミナの製造者によって要求される結果のレベルを得るためには、必要不可欠であることを示した。
【００１３】
これらの良い結果を、切削生成物、コランダムと、非常に硬い強化材料、ゾル−ゲルのアルミナとの結合に帰属させ、それは、この主題について言われてきたこと、記述されてきたことに反するものになるが、出願人は、したがって、電融コランダムの粒の形態とゾル−ゲルのアルミナの硬度とを単一の材料に集約することを追求したのである。探求された道は、可能な限り細かい結晶化を獲得することを厳密に追求するための、急速な凝固であった。
【００１４】
コランダムの物理的な特性（凝固の熱さおよび固体状態での熱条件）を考慮すると、急速な凝固を獲得するために用いられる従来の技術は、結晶のサイズの十分な低減を獲得するためには非常に不充分であることが明らかになった。
【００１５】
このように、実験によって、およそ２００μｍの結晶を獲得するためには、５ｍｍの厚みで鋳造しなければならず、そのことは、非常に制約的であり、同時に、獲得される結晶のサイズから見ても能力的に低いことが示された。アトマイゼーションは、すでに言及されている米国特許第１８７１７９３号において提案されており、５ｍｍ未満の直径で２５０μｍ未満の壁の厚さの中空の球を獲得することを可能にする。結晶のサイズについてはいかなる指示も与えられていない。他の急速な凝固方法は、例えば、ノートンのフランス特許第１３１９１０２号およびフランス特許第２４２２４６２号に記載されているように、焼入れの従来技術の速度に比較可能な冷却速度を示し、そして、２００μｍ程度の比較的粗い結晶のサイズをもたらすことが、ついで提案された。したがって、それらは、実際的利益はほとんど有さないのである。しかしながら、より細かい結晶化の獲得が興味深いことは注意されるべきである、なぜなら、粉砕における材料の振る舞いを変更し、結晶のサイズに対応する単位格子に向かって最大を示す粒度分布を獲得することを可能にするからである。
【００１６】
急速凝固によって獲得される電融アルミナベースの研磨粒の能力をさらに改良することのできる手段を探ることを望み、出願人は、極めて細かい結晶化を獲得するために重要なパラメータが液体コランダムの流し込み流量であること、８０ｋｇ／分より下、好ましくは５０ｋｇ／分より下に保たなければならないことを発見した。通常実践されている流量よりもはるかに低い、このような流量は、熱せられた鋳造小ノズルによって、例えば、誘導によって、小ノズルにおける尚早な凝固を避けるように、獲得されることができる。
【００１７】
同様に、出願人は、先行技術に対して、固体化する前に液体状態でのコランダムの分散を向上させることができることを発見した。空気におけるアトマイゼーションまたは水における衝撃粉化によって、液体コランダムの適切な分散を獲得するためには、手段が不十分であることが明らかになり、１ｍｍを超えず、１０分の数ｍｍ程度のサイズの粒子を獲得することを可能にする補足的手段をそれらに加えることが必要である。このような寸法では、材料は、場合に応じて中空ではない、または中空の、ほぼ球面の球の形をとっていて、大部分は、直径が１ｍｍに近い球についてはおよそ２０から３０μｍ、直径０．２ｍｍの球については１０μｍおよびそれ以下の範囲で変動するサイズの結晶で構成される。
【００１８】
この分散を獲得するための非常に有効な手段は、好ましくは１５から５０ｋＨｚの間に含まれる周波数の超音波によって支援されるアトマイゼーションである。
【００１９】
このようにして、固体化された電融コランダムは、主要な性質である、形態がはっきりとした稜を示す粒を与える性質を維持する。また、先行技術の電融コランダムの密度および硬度よりも優れた密度および硬度を示す。この技術によって、３．９５の密度、つまり、アルミナの理論的密度（３．９８）の９８％を超える密度と、ヌープ硬さ２０５０に達することができる。その高い密度によって、多結晶粒の特性は、完璧な単一結晶粒の特性に近くなる。
【００２０】
硬度がゾル−ゲルアルミナの硬度とは等しくない、このように獲得された材料は、しかしながら、粒の形、硬度およびコストに関して、より良い妥協を示す。
【００２１】
実施例
実施例１
従来のアーク溶解炉において、Ａｌ2Ｏ3が９９．５％のアルミナを約２２００℃に保ちながら溶解させる。炉の中身は、非連続的に鋳造される。
【００２２】
約１０トンの溶解したコランダムの塊を受け入れるために想定した鋳塊鋳型で、ゆるやかな凝固によって、多くの小孔によって乱される粗い構造の材料によって構成される鋳塊を獲得する。鋳塊の周縁では、結晶のサイズは数ｍｍであり、一方、中心では、これらの結晶のサイズは数ｃｍに達する。
【００２３】
１ｍｍに粉砕した後、獲得された材料は、主に、密度がおよそ３．７で硬度が１９００ヌープである六方構造の単結晶粒から構成される。粒度分布Ｐ８０の粒（ＦＥＰＡ：欧州研磨剤製造者連合の用語による）の、つまり、その半分が１８５μｍよりも大きい粒の比率は、約１８％である。
【００２４】
実施例２
実施例１の溶解手段と同じ手段で、しかし、液体コランダムの流量が１０分で１．５トンを超えないように炉の傾斜を制限しながら、水の循環によって内部が冷却された銅の板上に液体コランダムを流し込む。銅の板は、銅の上で凝固するコランダムの板の厚みを制限するために３０度傾斜させられる。このようにして、約５ｍｍの厚さの板が得られ、ついで、それは１ｍｍに押しつぶされた。
【００２５】
Ｐ８０粒の比率は３８％であり、前のケースよりも明らかに高い。このようにして獲得された粒の試験は、この方法で調製された材料が、サイズが１５０から２５０μｍである六方結晶からほぼ構成されることを明らかにする。密度は３．８であり、ヌープ硬さは１９２５である。
【００２６】
実施例３
実施例１の溶解手段と同じ手段で、そして、実施例２の炉の傾斜条件において、液体コランダムを出湯樋において流し込み、その後、空気の噴射によって液体コランダムはアトマイゼーションされる。外側の直径が約５ｍｍ未満である中空の球を獲得する。図１において測定することができるように、これらの球は、サイズが１００から２５０μｍの間に位置する六方構造の結晶から構成されている。密度は３．８５であり、ヌープ硬さは１９５０である。
【００２７】
実施例４
１ＭＷのアーク溶解炉において、湯口の直径が１２ｍｍである連続鋳造小ノズルを桶の底に適合させる。小ノズルは、１０ｋＨｚの発生器によって、誘導で加熱される。発生器において可能な出力は５０ｋＷである。先の３つの実施例においてと同じ主要原料を炉に供給する。小ノズルを通して獲得される液体コランダムの流量は、３６ｋｇ／分である。
【００２８】
この液体コランダムの噴射は、４５度に傾斜されたチタンの薄片によって構成された音響体に向けられ、１５ｋＨｚの周波数での超音波源によって振動がかけられる。このように、およそ０．１ｍｍの粒子に溶解したコランダムの噴射を分散させ、溶解の物質の噴射が音響体と接触せず、音響体と液体の噴射との間に約１ｍｍの空間が残されることが確認される。
【００２９】
獲得された材料の試験によって、それが、主に、（図２および３において測定できるように）サイズが５μｍ未満、３．９５の密度でヌープ硬さ２０５０である基礎的結晶から構成されていることがわかる。
【００３０】
実施例５
規格ＦＥＰＡによるＰ８０粒に粉砕された後、先の４つの実施例からできた製品は、同一の条件において砥石の実現のために用いられる。砥石は、ついで、鉄鋼１００Ｃ６で、０．２５ＭＰａの圧力のもと、６０ｍ／秒の進行速度で、研削試験によってテストされる。
【００３１】
同じ条件のもと、実施例２の製品が７０％（重量で）とゾル−ゲルアルミナが３０％の混合から作られた砥石、および、すべてゾル−ゲルアルミナから作られた砥石とが同様にテストされた。
【００３２】
取り除かれた金属の質量および失われた砥石の質量との間の比率を調べると、次の結果になる。
実施例１の製品：３０
実施例２の製品：５０
実施例３の製品：５５
実施例４の製品：１２０
７０％の実施例２の製品および３０％のゾル−ゲルとの混合物：１５０
純粋ゾル−ゲルアルミナ：６０