JP3683813B2 - ハイブリッド結合剤を用いて固定された砥粒物品 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
本発明は、ハイブリッド結合剤を用いて製造される砥粒物品に関する。この記述に関連して、「砥粒物品」（“ａｂｒａｓｉｖｅ ａｒｔｉｃｌｅ”）という用語は研磨布紙（ｃｏａｔｅｄ ａｂｒａｓｉｖｅｓ）および固定砥粒（ｂｏｎｄｅｄ ａｂｒａｓｉｖｅｓ）と比較的一般にいわれる物品である。
【０００２】
研磨布紙は、通常、平面である基体を用い、その上の砥粒の堆積が結合剤により基体に結合されることにより特徴づけられる。従来、結合剤もしくはその前駆体は基体上に堆積され、砥粒は、砥粒を適切に定着させるように硬化されるバインダー上に堆積される。第１のバインダー層は基礎接着剤層（ｍａｋｅｒ ｃｏａｔ）といわれ、そして低粒上の被覆は上引き接着剤層（ｓｉｇｅ ｃｏａｔ）といわれる。代わりの構成において、砥粒はバインダーもしくはバインダー前駆体と混合され、混合物はバインダーもしくはバインダー前駆体が硬化される前に基体上に堆積される。結合剤／砥粒層は、バインダーの硬化前に均一層もしくは組織化されたパターンで堆積され得、それは堆積工程の結果もしくは続く処理のいずれでもよい。後者の状況下での研磨布紙製品は構造砥粒製品といわれることが多い。
【０００３】
固定砥粒製品は、それらが３次元構造からなり、そこでは砥粒は、従来金属、ビトレアス材料もしくは有機材料である結合剤マトリックスで保持されている。金属結合剤は超砥粒のために用意されるのが通常である。金属固定砥粒は金属砥石もしくは表面上にろう付けされた超砥粒薄層の形態で得られるのが通常である。本発明は、構造が３次元であり、結合剤がハイブリッド結合剤である砥粒により直接的に関連する。
【０００４】
本発明による製品に使用される「ハイブリッド」結合剤はビトレアスもしくは有機の種類に簡単に分類される結合剤ではない。ビトレアス結合剤は、その名前が暗示するとおり、ガラス状物質にもとづき、それは冷却して固化して構造を共に保持する前に、溶融し流動して砥粒を被覆し、隣接する砥粒と結合する結合剤のポストを形成する必要がある。したがってビトレアス固定材料は高温で、長引いた形成サイクルで形成される。しかし製品は非常に剛直で精密研削用途に特に有効である。しかし、有機固定材料はかなり低温で形成され、結合剤は比較的低温で形づくられることができ、しかも架橋の結果、剛直になり得る重合体物質である。重合体はたとえば、フェノール／ホルムアルデヒド、尿素／ホルムアルデヒドもしくはエポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂であり得る。またはそれはたとえばアクリル化されたウレタン樹脂、アクリレート化されたエポキシ樹脂もしくはアクリル化されたポリエステル樹脂またはこのようなものの多くの化学的に変形したものの１つ、のような放射硬化しうる樹脂であり、それらは反応を活性化し、もしくは高める触媒とともに、あるいはそのようなことがなく、可視光、ＵＶ光もしくは電子線放射に露光することにより十分に架橋された剛直重合体を生成しうる。
【０００５】
ハイブリッド重合体材料の１つの有用な種類が米国特許第４，３４９，３８６；４，４７２，１９９号；および４，８８８，３１１号明細書に記載されている。これらはシリコアルミン酸塩（ｓｉｌｉｃｏ−ａｌｕｍｉｎａｔｅｓ）、ポリシアル塩（ｐｏｌｙｓｉａｌａｔｅｓ）および／または（シロキソ−シアル塩）ポリマーの系統群である。このようなポリマーは一般式：Ｍ _n ［−（Ｓｉ−Ｏ₂ −)_z−Ａｌ−Ｏ₂ −]_n・ｗ・Ｈ₂ Ｏを有し、ここでＭはナトリウムもしくはカリウムまたはそれらの混合物、ｚは１〜３：ｗは７までの値、そしてｎは縮合度を示す。このようなポリマーは、日常名「ジオポリマー」（“ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｓ”）により一般的に認識されている。これらは、アルカリ金属ケイ酸塩溶液に苛性水和アルミノケイ酸塩を添加することにより便利に製造されうる。これらを簡単に処理すると「ジオ群」（“ｇｅｏｓｅｔｓ”）として知られるポリマーを生成する。これらは水和ケイ酸アルミニウムにアルカリ金属ケイ酸塩の苛性溶液を添加することにより製造される。簡単のために、両方の種類の生成物は、以後、「ジオポリマー」（“ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｓ”）という。
【０００６】
固定砥粒の製造における、このようなジオポリマーの使用はＥＰ出願０４８５９６６に開示されており、それはこれらの結合剤が有機ポリマーの添加により変性されうることを教示している。
ジオポリマーは「ハイブリッド結合剤」として特徴づけられる。なぜなら、それらはビトレアスもしくは有機結合剤のそれぞれのいくつかの特徴を有するが、ビトレアスもしくは有機結合剤のいずれともいえないからである。それらは固定砥粒の製造において従来のビトレアス結合剤に対してよりも非常に重要な利点を有する。第１に重要なのは、それらがガラスが溶融する温度よりもはるかに低い、比較的低い温度で（有機結合剤のように）形成し、均一な組成を有することである。対照的に、ビトレアス結合剤は溶融ガラス温度で形成されて砥粒を被覆し、結合剤の部位を形成するためにガラスが流動する間はそのような温度を保持しなければならない。しかしジオポリマーはビトレアス結合剤と同様の硬度および強度を有する重合体構造を形成し、この点で、ビトレアス結合剤よりもそれ程もろくなく、そして大きな弾性率値を有する従来の有機結合剤とは異なる。
【０００７】
したがって、ジオポリマーの使用は、その比較的低い温度で形成するから従来のビトレアス結合剤の如き魅力的な代替である。比較的低温での処理の結果、ビトレアス固定製品では使用できない活性充填材が使用でき、多くの先端技術が結合剤に組み入れられうる。これらの利点に加えて、有機固定製品と比較して高い後処理熱安定性および使用温度が存在する。この結合剤材料は、したがって、真に事実上「ハイブリッド」（“ｈｙｂｒｉｄ”）である。
【０００８】
さらに、低い処理温度は、有機ポリマーの添加によりビトレアス結合剤に関するもろさを幾分改良することも可能である。したがって結合剤の物理的性質に基づき製造すべき製品の目的に適合させる可能性が存在する。
しかし、砥粒がアルミナにもとづく固定砥粒製品の製造においてジオポリマーを使用するのには重大な問題がある。これは、結合が強アルカリ性条件で形成されるので、アルミナ砥粒表面がアルカリにより侵されるからである。結果は砥粒と結合剤の間では非常に著しく弱化した結合となり、現実の研削試験において、その性能は全く好ましいものではない。
【０００９】
ここに、ジオポリマーがアルミナにもとづく砥粒とともに使用され得ることが新たに見出され、この知見が本発明の基礎を形成する。この知見は、低コストのビトレアス固定砥粒の可能性を開き、そこでは結合砥粒の性質は、結合剤の変性により調節され得、そして結合剤は非常に再現性がよく、製造および使用に経済的である。
発明の説明
本発明は、少くとも１部をビトレアス層により被覆された表面を有する、アルミナにもとづく砥粒を供給すること、該ガラス被覆された、アルミナにもとづく砥粒をジオポリマーと混合すること、そして該ジオポリマーを硬化して固定砥粒製品を形成すること、を特徴とする固定砥粒の製造方法に関する。
【００１０】
アルミナにもとづく砥粒は溶融アルミナもしくはセラミック（もしくは焼結）アルミナ、任意にはゾル−ゲル法で生成されたアルミナでありうる。さらに、共融アルミナ−ジルコニア、もしくは他のアルミナ砥粒とそのような砥粒の混合物であってもよい。結合剤により侵される問題は比較的小さなアルミナ結晶サイズでは特に悪く、したがって、アルミナにもとづく砥粒がとりわけ米国特許第４，６２３，３６４号明細書に記載されるような種晶入りのゾル−ゲル法によりアルミナにもとづく砥粒が実際に対象として製造されるときに、最大の利点が存在する。なぜならこれはサブミクロンであるアルミナ結晶を生成するからである。約１０μｍまでのアルミナ結晶サイズは、特に焼結の間に結晶成長が希土金属酸化物、イットリア、マグネシア、ジルコニアおよびシリカ等の存在下で停止される場合に種晶を入れないゾル−ゲルアルミナにおいて発生する。本発明によりえられる利益は、このような種晶を入れないゾル−ゲルアルミナとともに使用されるときに、きわめて明らになる。もっと一般的には、本発明は、さらにすべての溶融アルミナとともにも有用である。
【００１１】
ビトレアス層はたとえば、砥粒をフュームドシリカで処理しついで焼成することにより砥粒上に堆積されうる。あるいは、砥粒は従来のガラス成分混合物で処理され、ついでガラスを形成するのに十分な温度で焼成し、ガラスを流動させ、砥石を被覆しうる。ついで混合物は分解され、ガラス被覆砥粒を与える。この方法は、ガラス成分の代わりに粉末ガラスフリットを使用することにより、加速されもっと均一になされうる。
【００１２】
しかし本発明方法を用いるもっとも好都合な方法は、はるかにもっと簡単である。従来のビトレアス固定砥粒製品の製造の間、ある割合の製品は処方した仕様外であることが見出され、廃棄されなければならない。加えて砥石のような砥粒製品がその有用な寿命の終りに達した後、実質的に大量の製品が残ることが多い。これらの廃物および残物製品は、破砕されるとき、従来使用されたビトレアス結合剤から残るビトレアス層で少くとも部分的に被覆された砥粒を生じる。この砥粒の表面は、砥粒が研磨に供されたか、または結合剤の部分は取りこわされ、表面の一部が露出されているところを除いてガラスで本質的に１００％被覆されていることが多い。そのような再生利用される砥粒がアルミナにもとづく場合、本発明で使用される被覆された、アルミナにもとづく砥粒として非常に適切に使用できる。
【００１３】
このように本発明は、さもなければ埋め立てごみ処理作業に送られなければならない廃物材料を使用する機会を提供する。したがって本発明の利点は明らかである。それは、価値のない材料の再度の使用に適合し、環境的に受け入れられる。
しかし、利点は経済上だけではない。さらに本発明は、低温および急速硬化および製造されるべき製品の要求にあう結合剤設計の潜在能力の点から、プロセスの柔軟性を利用することができる。
【００１４】
本発明の好適な態様は厚さが０．５〜５μｍ（そしてもっと好適には１〜３μｍ）のビトレアス（ガラス）結合剤の被覆を有する砥粒からなる。このような被覆は苛性濃度の高いアルカリジオポリマー結合剤により侵されることから砥粒を保護するのに十分厚く、そして研削の間、砥粒の機能を変化させないほど十分に薄い。好適な範囲内に被覆を実現するために、砥粒／ガラス比は砥粒径、砥粒密度およびガラス密度によって異なる。これを例示すると、典型的なビトレアスガラス結合剤で被覆された、１００グリット粒径（約１８０μｍ）を有する溶融もしくは焼結アルミナ砥粒は、もし被覆厚さが約１．５μｍで砥粒表面が１００％被覆されていると仮定すると、１００：５の砥粒ガラス容積比を有する。被覆は、もし被覆範囲が１００％より小さいと、この部分は多少厚く被覆される。
【００１５】
砥粒上に堆積されたビトレアス被覆の量は、好ましくは砥粒表面の少くとも５０％、もっと好ましくは少くとも７０％を被覆するのに十分な量である。しかし、この態様で被覆量を測定することは困難であるか、もしくは少くとも不都合であることが多く、その量はビトレアス材料により表わされるwt％により表わすのがもっと好都合である。このようにビトレアス被覆質量は被覆された砥粒の１〜３０％、そして好ましくは２〜２０％、そして最も好ましくは２〜１０％で表わすのが通常である。
【００１６】
ビトレアス層の化学的組成は被覆作業の間にアルミナと反応しないものであるのが好適である。このようにアルミナ、シリカ、アルカリ土類金属酸化物および酸化ホウ素ならびに他の金属酸化物の残りの比較的少量を含む配合物は有用であることが多い。好適なビトレアス組成物は、質量でシリカ＞４７％、アルミナ＜１６％、酸化カリウム０．０５〜２．５％、酸化ナトリウム７〜１１％、酸化リチウム２〜１０％および酸化ホウ素９〜１６％を含有する。
【００１７】
好適なビトレアス組成物は、特にアルミナにもとづく砥粒がゾル−ゲルアルミナを含有するときには、いわゆる「低温結合剤」配合物であり、約１０００℃より低い温度で溶融、流動する配合物であると理解される。
ジオポリマー結合剤は、高度に架橋され、したがって剛直でもろいという意味でビトレアス結合剤に類似するのが通常である。砥粒と混合する前の典型的なジオポリマー配合物のpHは、＞１４である。しかし、従来のビトレアス結合剤と異なり、それは熱可塑性変性剤ポリマーを劣化させない温度で架橋されうる。したがってジオポリマーとともに、結合剤材料に可とう性および強度を与えるために熱可塑性変性剤を配合することが可能になり、これは本発明の好適な特徴である。適切な補強もしくは変性熱可塑性ポリマーは、ポリオレフィン、ポリブタジエン、ポリ塩化ビニル、ポリ（テトラフルオロエチレン）、ポリアミドおよびポリエステルを含む。結合剤中に配合されうる、このような補強および／または変性熱可塑性ポリマーの量は、合計結合剤質量の３０％まで、好ましくは２０％までである。
【００１８】
ジオポリマー結合剤系は、さらに、充填材の使用により変性されうる。充填材は、結合剤形成温度で安定であれば黄鉄鉱鉄、イオウもしくは有機研削助剤のような活性充填剤、または無機粒子、ガラスもしくはセラミック球のような無機充填剤であり得、その主な目的は最終の固定砥粒製品中で所望の程度の気孔率もしくは構造を発生することを助けることである。充填材は配合物質量基準で２０wt％まで、もっと好ましくは５〜１０wt％の割合で使用される。
好適な態様の説明
ここで本発明は次の実施例に関して具体的に説明されるが、それらは本発明の本質的な範囲を本質的に限定するものではないことが理解されよう。
実施例１
この実施例は砥粒上にビトリファイド（ガラス）結合剤を被覆して、および被覆しないで、ハイブリッド結合剤研削砥石を製造する方法を説明する。さらにそれは被覆および未被覆の砥粒を含有する砥石間の研削性能を比較する。
【００１９】
２組の固定砥石が製造された。第１の組はジオポリマー結合剤中に従来の溶融アルミナ砥粒（「３８Ａｌｕｎｄｕｍ」アルミナ、その商標でＳａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ，Ｉｎｃ．から入手しうる）を含んでおり、第２の組はビトレアス被覆を備える同一の砥粒を含み、同一の結合剤を用いて砥石を製造された。
【００２０】
第２の組の砥粒は、ビトレアス結合剤が上述の好適な配合範囲の配合を有するビトレアス固定砥石を破砕することにより得られた。
ビトレアス材料は砥石の破砕後に分離された砥粒上の被覆物として多く存在し、被覆砥粒の全質量の約３％を示した。光学的および電子走査顕微鏡により、被覆砥粒は未被覆砥粒に比べて平滑で光沢のあるガラス状層を有し、全砥粒表面の少くとも８０〜９０％を被覆している。ＳＥＭのエネルギー分散分光計はシリカに富む多成分構造の特徴である層から放出される特徴的なＸ線を示した。層の化学的組成は砥粒を被覆するのに使用されたガラスのものと一致しているのが見出された。
【００２１】
試験された砥石の作成において、砥粒に対するジオポリマーの割合いは、質量で２５：７５であった。各場合においてジオポリマーは乾燥結合剤ジオポリマー（Ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｅ社から入手したＧＰ６００ＨＴ）、水酸化カリウム、フュームドシリカおよび水を含んでいた。乾燥結合剤材料は、メタカオリン、ヘキサフルオロケイ酸ナトリウムおよびアモルファスシリカをそれぞれ質量比２５：１８：５７で混合することにより得られ得る。
【００２２】
砥石を作成するのに用いられた配合物は次のとおりであった：
材料 ｇ
溶融アルミナ（１００グリット） ４００
ＧＰ６００ＨＴ ６６
フュームドシリカ ２１．５
ＫＯＨ ４４．４
水 ４８．２
両者の砥石（すなわち、ガラス被覆砥粒を含むか否か）は、次の方法で調製された。
【００２３】
水酸化カリウムは水に溶解され、冷却された。フュームドシリカが水酸化カリウム溶液に添加、撹拌され、ケイ酸カリウムを生じ、ＧＰ６００ＨＴ乾燥結合剤が添加、撹拌される前に冷却された。最後に砥粒が混合物に配合された。更に水が必要ならばこの時点で添加され、混合物に配合された。ついで混合物はシリコーンゴム型に詰められた。使用された砥石型は１３．６５×１．２７×３．１８cmの大きさを有していた。充填された型は約１分間振動された。余剰混合物は除去され、型はＰＴＦＥシート、セラミックバットで覆われ、ついでそれぞれ約４．５Kgの重さの２枚のスチールプレートとともに計量された。充填され、計量された型は室温で２〜４時間放置され、ついで次の表に示される硬化サイクル「Ａ」の間、炉内に置かれた。ついで、砥石は型から取除かれ、表の最終硬化サイクルＢの間Ｌｉｎｄｂｅｒｇ炉に置かれた。
硬化サイクル条件
Ａ １時間にわたり８５℃に温度を上昇
８５℃で１時間
１時間にわたり１２０℃に温度を上昇
１２０℃で５時間維持
Ｂ １時間にわたり３５０℃に温度を上昇
３５０℃で５時間維持
完成した砥石はそれぞれ約３０〜４０％の気孔率を有し最終プロセス後の最終大きさは１２．７×１．５９×３．１８cmであった。
【００２４】
得られた砥石は、ついで研削液を使用しないでＢｒｏｗｎ ＆ Ｓｈａｒｐｅ機械を用いて表面トラバース研削試験に供された。砥石速度は約４７００r.p.m.に維持され、テーブル速度は１５．２ｍ／分であった。研削前に、各砥石は目直しコンパウンド０．０２５mmで、単１点ダイヤモンドを用いて２５．４cm／分の速度で目直しされた。研削された金属は砥石研削方向４０．６cm、そして砥石横向き送り方向に４．６cmの大きさを有するプレートの形状で硬度６５Rcの５２１００スチールであった。横向き送り速度１．２７mmで、各砥石は個別下向き送り速度０．０１２５，０．０２５および０．０５mmを有し、合計下向き送り速度０．５mmを有していた。Ｇ比、研削動力および金属除去速度（ＭＲＲ）が、性能を比較するために両者の砥石について各個別下向き送り速度で測定された。
【００２５】
結果は２つの棒グラフの形で図１に示される。第１のは異なる下向き送り速度でＧ比測定値のプロットにより性能を比較する。第２のは異なる下向き送り速度で「被研削性」（“Ｇｒｉｎｄａｂｉｌｉｔｙ”）（ＭＲＲで割られた比動力としてそれ自体定義される比エネルギーで割られたＧ比として定義される）を比較する。
【００２６】
図１のデータから、表面トラバース試験において、被覆砥粒で作成された砥石はＧ比および被研削性の両方の点で、未被覆砥粒で作成された砥石より非常に著しく高い性能を示す。
実施例２
この実施例２において、その性質を改善するために結合剤系に充填材を添加する効果が試験される。使用される研磨材、用いられる成型および焼成法は実施例１において記載されたとおりであるが、さらに充填材を添加して２組の砥石を製造し、両者は充填材を含有するが１組はガラス被覆砥粒を用いて製造される。砥石が製造された組成は実施例１に示されるとおりであるが、充填材が使用されたことで差異があり、「Ｚ−Ｌｉｇｈｔ」の商標でＺｅｅｌａｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓから入手しうる微細無機粉末４部と発泡ムライト球１部の混合物を含有する。添加された充填材の合計量は３９．６ｇであった。これらの砥石は円筒調整力（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｃｅ）（ＯＤＣＦ）試験で評価された。実施例１で示される試験と比べて、砥石−工作物（ｗｏｒｋ）接触面積は比較的小さいので、砥粒上に偏在する力ははるかに強かった。
【００２７】
ＯＤＣＦ試験はスパークアウト（ｓｐａｒｋｏｕｔ）処理をしないでプランジ研削態様で研削液なしで実施された。研削された金属は硬度５９Rcを有する５２１００スチールであった。円筒形の金属工作物は厚さ６．４mmおよび径１０．２cmを有していた。砥石速度は４９５０r.p.m.に保持され工作物は１５０r.p.m.で回転された。各研削期間について、砥石は、過度の砥石磨耗が生じるまで４．５Kgで始め、２．３Kg間隔で増加する、調整された一定の力で送り込まれた。Ｇ比および被研削性は研削力に対してそれぞれプロットされた。結果は棒グラフの形で図面の表２に示され、図１に示されように、ガラス被覆を欠く砥粒なしに製造された砥石に対する改良の同一パターンを示す。これは、充填剤の存在により与えられる経済的効果は、被覆砥粒の使用から得られる物理的利点にいかなる劣化も伴なわないことを示す。
【００２８】
得られた結果は、加えられた低い力と金属除去速度で、被覆砥粒で作成された砥石が未被覆砥粒で作成された砥石よりも著しく良好な性能を示したことを明らかにする。
比較的高い圧力で、著しい不合格の態様を示すものは結合剤自体が不合格であり、これは結果に反映されていると考える。このように、結合剤の不合格が要因でない場合に、ジオポリマー結合剤とともに使用される被覆砥粒は未被覆砥粒よりもはるかに良好な研削砥石を製造する。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 実施例１からのデータの棒グラフによる説明を示す。
【図１Ｂ】 実施例１からのデータの棒グラフによる説明を示す。
【図２Ａ】 実施例２からのデータの棒グラフによる説明を示す。
【図２Ｂ】 実施例２からのデータの棒グラフによる説明を示す。

Claims (5)

1. 少くとも７０％をビトレアス層により被覆された表面を有する、アルミナにもとづく砥粒を供給すること；該被覆された、アルミナにもとづく砥粒を式：Ｍ _n ［−（Ｓｉ−Ｏ ₂ − ) _z −Ａｌ−Ｏ ₂ − ] _n ・ｗ・Ｈ ₂ Ｏ（ここでＭはナトリウムもしくはカリウムまたはそれらの混合物、 _z は１〜３；ｗは７までの値でありそして _n は縮合度である）を有するジオポリマーと混合すること、そして該ジオポリマーを硬化して固定砥粒製品を形成すること、を特徴とする固定砥粒の製造方法。
2. 砥粒上のビトレアス層が砥粒質量の１〜３０wt％を示す請求項１記載の方法。
3. ジオポリマーが熱可塑性ポリマーの配合により変性される請求項１記載の方法。
4. 熱可塑性変性剤は、ポリオレフィン、ポリブタジエン、ポリ塩化ビニル、ポリ（テトラフルオロエチレン）、ポリイミド、ポリエステルおよびそれらの混合物からなる群より選ばれる請求項３記載の方法。
5. 配合物が１０ｗ％までの微細充填材をさらに含む請求項１記載の方法。

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