JP5739425B2 - 融解されたアルミナ−ジルコニアグリット - Google Patents

Description

本発明は、融解されたセラミックのグリット、特に研磨グリットとして使用のためのもの、に関する。本発明は、該グリットの混合物及び本発明に従うグリット混合物を含む研磨用ツールにもまた関する。

研磨用ツールは、一般的に、その構成成分であるセラミックのグリットを形成する方法に従って分類される：遊離の研磨剤（噴霧により又は懸濁物において使用される、支持体（ｂａｃｋｉｎｇ）なし）、被覆された研磨剤（布又は紙の支持体あり、ここでグリットは複数の層に亘って配置されている）、及び結合された研磨剤（砥石車、棒等の形状のもの）。後者の場合、研磨グリットは有機又はガラス状のバインダーで圧縮されている（この場合、バインダーは、酸化物、特にシリケートのバインダーからなる）。これらのグリットはそれ自身が良好な機械的研磨性（特に強さ（ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ））を有しており、かつバインダーとの良好な機械的結合力（ｃｏｈｅｓｉｏｎ）（界面の強さ（ｓｔｒｅｎｇｔｈ））を有していなければならない。現在、広い範囲の用途及び取り扱われる性能を可能にする研磨グリットの種々のファミリーがある：溶融することにより合成された酸化物のグリットは特に良好な品質／製造コストの妥協を提供する。

砥石車又は研磨用ベルトの製造において慣用的に使用されているアルミナをベースとする研磨グリットは、用途のタイプ及び遭遇する研磨の方式に依存する３つの主要なカテゴリー、即ちアルミナをベースとする融解グリット；アルミナ−ジルコニアをベースとする融解グリット；及びゾル−ゲル工程により得られるアルミナをベースとするグリットを組み合わせる。

融解グリットの範囲内において、アルミナ及びジルコニアをベースとする物質が米国特許第３１８１９３９号から公知である。これらのグリットは、一般的に１０〜６０％のジルコニア、０〜１０％の添加剤から一般的になり、残部はアルミナである。公知の添加剤は、米国特許第４４５７７６７号に従って２％まで添加された酸化イットリウム又はドイツ国特許第４３０６９６６号に従って１０％まで添加された酸化チタンを包含する。これらの添加剤はアルミナ―ジルコニアグリットの研磨性の粉末を改良する。米国特許第５５２５１３５もまたアルミナ−ジルコニウム−酸化チタンをベースとする融解グリットを開示する。

最後に特開昭５９−２２７７２６号は、アルミナ−ジルコニア−酸化チタン−酸化イットリウムの融解グリットであって、イットリウムがアルミナ、ジルコニア及びチタンの合計に基づいておそらく０．０５％〜７％、好ましくは１％〜５％の量で添加されているグリットを開示している。

硬鋼を機械加工する（ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）場合、アルミナをベースとする融解グリットは、低い強さ（ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ）を有し、該強さはグリットの過剰な小片をもたらす。アルミナ−ジルコニアをベースとする融解グリットはより低い硬さと組み合わされた非常に高い強さ（ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ）を有する。それらは硬鋼を効率的に機械加工することを可能にするが、平らになる傾向がある。一般的に、これは研磨された部分に適用される力の増加をもたらし、そして操作条件に依存して、この部分は常に熱的に損傷され得る。ゾル−ゲル工程により得られるアルミナをベースとするグリットは、良好な妥協を構成する。これは、該グリットが、高い硬さ、それらにその刃先を再生することを可能にする中間の強さ、及び硬鋼上で長い寿命を保証するグリットの微小破壊をもたらす微小な微細構造を有しているからである。

低い硬さを有する延性のある鋼鉄、例えばステンレス鋼、を機械加工するためには、アルミナ−ジルコニアをベースとする融解グリットが、効果的である。これは、該鋼鉄の高い強さがその破壊を制限するからである。ゾルゲル法により得られたアルミナをベースとするグリットは、そのより低い強さ故に、一般的に、アルミナ−ジルコニアをベースとする融解グリットより低位に効果的である。アルミナをベースとする融解グリットは、最も低位に効果的である、なぜならそれらは過剰の小片化をもたらすより低位の強さを有するからである。

機械加工された鋼鉄の質量／該機械加工の間に消費された研磨グリットの質量（以下、比Ｓと呼ばれる）に関して種々のグリットの研磨性能を測定かつ比較することが一般的である。この比はグリットの研磨性能の大きさのオーダーを与えるが、しかし、機械加工の間に含まれるすべてのメカニズムを考慮に入れているわけではない。例えば、急速に消費されるグリットは、物質の実質的な除去を有する急速な摩損のため、高い比Ｓをもたらし得る。しかし、このグリットは、多数の部品を機械加工することに十分に耐え得ないかもしれない。該急速に消費されるグリットは、過剰な発達された切断力から生じる部品のブルーイング（ｂｌｕｉｎｇ）により起こされる、機械加工された部品の過剰な熱的な損傷をもまたもたらし得るが、この力は切断体制（ｃｕｔｔｉｎｇ ｒｅｇｉｍｅ）を維持するためには必要である。

従って、長い寿命又は耐久性を有しながら、低く発達された力を有する機械加工のために高い比Ｓを有する融解されたアルミナ−ジルコニア研磨グリットの混合物に対する需要がある。本発明の目的は、この重要を満たすことである。

本発明に従うと、この目的は、
重量百分率で以下の化学組成：
ＺｒＯ_２＋ＨｆＯ_２：３８．０〜４６．０％
Ａｌ_２Ｏ_３：全体を１００％にする量
ＳｉＯ_２：０．６０％以下
Ｙ_２Ｏ_３：０．４５〜０．７０％
ＴｉＯ_２：１．００〜２．００％
を有し、かつ、下記の条件を満たす
ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３およびＴｉＯ_２以外の他の酸化物：＜１．００％、Ｙ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２の比は０．８０〜２．００であり、かつ
ジルコニア中の正方晶系の相はジルコニアの質量の６０〜９０％であり、ジルコニアの残りは単斜晶系の形である、融解グリットであって
溶融された物質を冷却して固化させることにより得られる固体の融解グリットにより達成される。

本明細書の残りにおいてより詳細に見られるように、発明者らは、上記の化学組成で、特に酸化イットリウム含有量の非常に狭い範囲で、正方晶系の制限された割合が有利であることを発見した。さらに、この教示は、機械加工の効率を増すために正方晶系のジルコニアの最大の割合を示唆又は奨励さえする米国特許第５５２５１３５号又は特開昭５９−２２７７２６号の教示と反対である。

本発明に従うグリットは、以下の任意的な特徴の１以上をもまた有している。
− 好ましくは、Ｙ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２の質量比は、１．００超、好ましくは１．１０超、及び／又は１．８０未満、好ましくは１．５０未満、好ましくは１．４０未満、より好ましくは１．３０未満であり、
− 好ましくは、正方晶系のジルコニアは、ジルコニアの質量の７０％超、及び／又は８５％未満であり、
− 好ましくは、ＺｒＯ_２の含有は、４０％超であり、
− 好ましくは、シリカの含有量は、０．３％超、好ましくは０．３５％であり、
− 酸化チタンＴｉＯ_２の質量含有量は１．３０％超であり及び／又は１．７０％未満であり、
− 好ましくは、酸化物の形で表わされたその他の元素は、０．５０％未満であり、特に
ＭｇＯ：＜０．３０％，好ましくは＜０．１０％，好ましくは＜０．０５％であり、及び／又は
ＣａＯ：＜０．３０％，好ましくは＜０．２０％，好ましくは＜０．１０％，及び／又は
Ｎａ_２Ｏ：＜０．１０％，好ましくは＜０．０５％であり、そして
− 酸化物の形で表わされたその他の元素は不純物である。

本発明は、重量百分率で、８０％超、好ましくは９０％超、好ましくは９５％超、好ましくは９９％超、及び好ましくは実質的に１００％の本発明に従う研磨グリットを含むグリット混合物にもまた関する。好ましくは、本発明に従うグリット混合物は、以下の標準：ＦＥＰＡ標準４２−ＧＢ−１９８４，Ｒ１９９３及びＦＥＰＡ標準４３−ＧＢ−１９８４及びＲ１９９３に従って測定された混合物又はグリットの粒子サイズ分布に従う粒子サイズの分布を満足する。

本発明は、バインダーにより結合された研磨グリット混合物、又は支持体、特に可撓性である支持体の上に層として付着されかつバインダーにより保持された研磨グリット混合物を含む研磨用ツール、特に砥石車又は研磨ベルトの形の研磨用ツールであって、このツールは、グリットが本発明に従うことを特徴とするツールに関する。

一般的に、本発明は、研磨のために本発明に従うグリットを使用する方法に関する。

− 本発明に従うグリットの酸化物の含有量は、産業の通常の慣用に従って、最も安定な酸化物の形で表された、対応する化学元素のそれぞれの総含有量に関する。従って、含まれるものは、亜酸化物及び任意的に窒化物、酸化窒化物、カーバイド、オキシカーバイド、カーボナイトライド、又は上記の金属種さえが含まれる。

− 用語「不純物」は、出発原料と一緒に不可避的に導入される避けがたい成分を意味することと理解されたい。特に、酸化物、窒化物、酸化窒化物、カーバイド、オキシカーバイド、カーボナイトライド、及びナトリウム及びその他のアルカリ金属、鉄、バナジウム、及びクロムの金属種の群の一部を構成する化合物は不純物である。例を与えると、ＣａＯ，ＭｇＯ又はＮａ_２Ｏが挙げられ得る。残余の炭素は、本発明に従う製品の組成物の不純物の一部を形成する。しかし、酸化ハフニウムは不純物とみなされない。

− 用語、酸化物の「前駆体」は、本発明に従うグリット又はグリット混合物の製造の間に酸化物を与えることのできる成分を意味すると理解されたい。

− 融解により得られた製品において、ＨｆＯ_２は、ＺｒＯ_２から化学的に分離されることができない。従って、そのような製品の化学組成において、ＺｒＯ_２＋ＨｆＯ_２は、これらの２つの酸化物の合計含有量を意味する。しかし本発明に従うと、ＨｆＯ２は原料に意図的に添加されるわけではない。従って、ＨｆＯ_２は、痕跡量の酸化ハフニウムを意味するにすぎず、この酸化物は一般的に２％未満の含有量でジルコニア源に常に天然に存在する。従って、明確性のために、ジルコニア及び痕跡量の酸化ハフニウムの含有量を、ＺｒＯ_２＋ＨｆＯ_２で、又はＺｒＯ_２により、又はさもなければ「ジルコニア含有量」により表現することの間に差はない。

− 用語「融解されたグリット」又はより一般的には「融解された製品」は、溶融された物質を冷却して固化させることにより得られる固体のグリット（又は製品）を意味すると理解されたい。

− 「溶融された物質（ｍｏｌｔｅｎ ｍａｔｅｒｉａｌ）」は、いくつかの固体粒子を含んでいてもよいが、該粒子が該液体に構造を与えることができるには不十分な量において含む液体である。その形を保つためには、溶融された物質は容器に収容されなければならない。

− 本明細書において、他に明記されなければ、グリットの全ての成分はグリットの酸化物の合計質量に基づく重量百分率で与えられる。

本発明に従う融解されたグリットは、アルミナ−ジルコニアグリットを製造するための任意の慣用の方法により製造され得る。一つの慣用の方法は、慣用的に以下の段階を含む：原料を混合する段階；電気アーク炉において融解させる段階；溶融された液体を停止することによる固化の段階；粉砕し、かつ所望される粒子サイズに従って任意的に分類する段階。

融解されたアルミナ−ジルコニアグリットの混合物の性質は溶融された液体の熱履歴に依存し、該熱履歴自身はプロセスパラメーターに依存するが、炉の形状及びその環境（煙道ガスの回収（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）、物質等）にもまた強く依存する。従って、プロセスパラメーターは、使用される炉、使用される原料等に従って決定され、これらの段階の終わりに本発明に従うグリット混合物を得る。パラメーターは例えば下記の実施例において使用される方法の値を取り得る。

以下の非制限的な実施例は本発明を説明する目的のために与えられる。

実施例として与えられ得る製品は、以下の原料から製造された：
− ０．４％未満のソーダ含有量を有する、Ａｌｃａｎにより名前ＡＲ７５で販売されているアルミナ粉末。
− ８５％超のジルコニア＋ハフニウムの平均含有量を有し、平均で５％のシリカ、１０％未満のアルミナ含有量、及び０．７％未満の他の元素の含有量を含むジルコニア粉末。
− ９９．９９％超のＹ_２Ｏ_３含有量を有し、３〜６ミクロンの間のメジアン直径を有する、Ａｌｔｉｃｈｅｍにより名前「酸化イットリウム９９．９９ ＬＹ」で販売されている酸化イットリウムの粉末。
− ９５％超のＴｉＯ_２含有量を有し、約１２５ミクロンのメジアン直径を有する、Ｅｕｒｏｐｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓにより販売されている「ルチル砂」チタン粉末、及び
− １〜４ｍｍのサイズを有する、Ｓｏｌｕｔｉａ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄにより販売されている石油コーク。

グリットは、当業者に周知の以下の慣用の方法を使用して製造された：
ａ'）炉の状態に依存して、少なくとも０．５％（３％まで）の石油コークの添加と共に、原料が混合される。
ｂ'）０．８ｍの直径の炉のタンク、１０５〜１５０Ｖの電圧、１５００〜２５００Ａの電流、及び２．１〜２．８ｋＷｈ／ｋｇの供給される特定電気エネルギーの充電で、黒鉛電極を有するＨｅｒｏｕｌｔタイプの単相の電気アーク炉において、原料が溶融される。
ｃ'）次に、溶融された物質は、薄い金属の板の間にそれを注ぐためのデバイス、例えば米国特許第３９９３１１９号に示されているデバイスにより突然、冷却されて、固体の物質を構成する、完全に固体のスラブを得る。
ｄ'）段階ｃ'）において冷却された該固体の物質は粉砕されて、グリットの混合物を得る、及び
ｅ'）該グリットは５００〜６００μｍになるようにスクリーニングにより選択される。

グリット混合物の性能及び寿命を評価するために、各実施例のグリット、１グラムを含む直径１２．７ｃｍの砥石車が製造された。

次に、３０４ステンレススチールでできている、大きさが２０．３ｃｍ×７．６ｃｍ×５．１ｃｍである板の表面が、１２．７μｍの一定の切断深さ及び３６００ｒｐｍの砥石車の回転速度を保ちながら、これらの砥石車を使用して一定の速度における往復運動する動きで、機械加工された。機械加工の間に該砥石車により引かれる最大の力（ｐｏｗｅｒ）Ｐｍａｘが記録された。

砥石車が完全に磨滅した後に、機械加工されたスチールの質量（即ち、研磨操作により除去されたスチールの質量）「Ｍａ」及び消費された砥石車の質量「Ｍｍ」が測定された。比Ｓは比Ｍａ／Ｍｍである。

切断の効率は、機械試験の間の砥石車により引かれる最大の力Ｐ_ｍａｘ，砥石車の寿命ｔ_ｍａｘを測定することにより測定された。砥石車の寿命は砥石車の全てのグリットが消費されたときに到達されると考えられる。

表１は、試験された種々のグリット混合物の化学組成及び正方晶系のジルコニアの割合を与える。表２は、これらの混合物で得られた結果を与える。

比Ｓにおける百分率の改良は、以下の式により計算される：１００×（関連する実施例の製品の比Ｓ−参照例の製品の比Ｓ）／（参照例の製品の比Ｓ）、ここで参照例は比較例１＊又は比較例２＊である。比Ｓの百分率の改良の高い正の値が所望される。

試験の間に砥石車により引かれる最大の力Ｐ_ｍａｘの百分率の減少は、以下の式により計算される：
１００×（参照例の製品でのＰ_ｍａｘ−関連する実施例の製品でのＰ_ｍａｘ）／（参照例の製品のＰ_ｍａｘ）、ここで参照例は比較例１^＊又は比較例２^＊である。試験の間に砥石車に引かれる最大の力Ｐ_ｍａｘの百分率の減少の高い正の値が所望される。

砥石車の寿命ｔ_ｍａｘにおける百分率の改良は以下の式により計算される。
１００×（関連する実施例の製品のｔ_ｍａｘ−参照例の製品のｔ_ｍａｘ）／（参照例の製品のｔ_ｍａｘ）、ここで参照例は比較例１^＊又は比較例２^＊である。砥石車のｔ_ｍａｘの改良の百分率の高い正の値が所望される。

ジルコニア中の百分率の正方晶系のジルコニアの質量含有量は、以下の方法で測定される：
試験されるグリットがペレットを構成するように樹脂で被覆される。６００超のグリットを含むペレットの磨かれた部分について、銅の対陰極を有するブルッカーＤ５０００回折計を使用して、Ｘ−線回折パターンが獲得される。該獲得は、２５°〜３７°の範囲の２θ角に亘って０．０２°の段階でそして１段階ごとに４秒の時間で実行される。０．６ｍｍの受光スリット（ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｓｌｉｔ）が使用され、試料は、好ましい方向の影響を制限するように、それ自身で回転される。獲得時間（ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｔｉｍｅ）は、よりよい統計学上の計数のために５の因子ずつ増加される。

百分率の単斜晶系ジルコニア質量含有量は、ＴＯＰＡＳ Ｐソフトウェアを使用する解析プロセッシング後に（解析機能は疑似−Ｖｏｉｇｔ機能である）、以下の式に従って、安定化されたジルコニアの（１１１）ピーク面積に対する単斜晶系ジルコニアの

及び（１１１）のピーク面積の比から測定される。

ρモノは、単斜晶系ジルコニアの密度であり５．８ｇ／ｃｍ^３に等しく、
ρ安定化は、安定化されたジルコニアの密度であり、６．１ｇ／ｃｍ^３に等しい。

安定化されたジルコニアの質量含有量の百分率は、以下の式により与えられる。

本発明に従う、試験されたグリットにおいて、安定化されたジルコニアは完全に正方晶系の形であり、残りは、単斜晶系の形におけるジルコニアである。

正方晶系のジルコニアの百分率含有量は、総結晶化ジルコニアに対して表わされる。

下記の表１及び２は得られた結果をまとめる。

比較例１^＊は、特開昭５９−２２７７２号の実施例５の組成に近い組成を有するグリットであり、かつ比較例２^＊は米国特許第４４５７７６７号に従うグリットである。

− 比Ｓが、参照物質の製品と比較して少なくとも１０％だけ改良され、
− 最大の引かれる力Ｐ_ｍａｘが参照例の製品と比較して少なくとも５％減少され、
− 砥石車の寿命ｔ_ｍａｘが参照例の製品と比較して少なくとも６％改良されるとき、
発明者らは、比Ｓ、機械加工試験の間に砥石車により引かれる最大の力Ｐ_ｍａｘ及び砥石車の寿命ｔ_ｍａｘの間に良好な妥協があると考える。

好ましくは、比Ｓは少なくとも１５％、好ましくは少なくとも２０％、好ましくは少なくとも２５％又は少なくとも３０％さえ改良され、及び／又は最大の引かれる力Ｐｍａｘは少なくとも１０％、好ましくは少なくとも１５％、又は少なくとも２０％さえ減少され、及び／又は砥石車の寿命は、少なくとも１０％、好ましくは少なくとも１５％、又は少なくとも２０％さえ改良される。

実施例１０は、ジルコニアの質量の９１％の正方晶系のジルコニアの含有量は、所望されるべき妥協が達成されないことを示す。

実施例１２及び１４は、ジルコニアの質量のそれぞれ５７％及び５５％の正方晶系のジルコニア含有量が、所望される妥協を達成するためには不十分であることを示す。

実施例１１は、ジルコニアの質量の６４％の正方晶系ジルコニアの含有量が、上記の妥協が達成されることを許すことを示す。

実施例９は、０．６６％のシリカ含有量は高すぎであり、上記の妥協が達成されることを可能にしないことを示す。実施例１０は、０．２０％未満のシリカ含有量は、上記の妥協が達成されることを可能にしないことを示す。

実施例１３は、適切な正方晶系ジルコニア及びシリカ含有にもかかわらず、酸化イットリウムの含有量が０．４５％未満であり、かつＴｉＯ_２含有量が２％超であるならば、上記の妥協が達成されないことを示す。

実施例１０、１２及び１４は、０．８０未満及び２．００超のＹ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２比は該妥協が達成されることを可能にしないことを示す。

全ての実施例の中で、実施例１７が好ましい。

今、明らかに見えるように、本発明は例外的な研磨の性能、例外的な耐久性、及び例外的な切断効率を有する、融解されたアルミナ−ジルコニア研磨グリットの混合物を提供する。

しかし、もちろん、本発明は、記載され、そして示された実施態様に制限されず、これらは非制限的な、説明的な例として与えられている。

Claims (12)

1. 重量百分率で以下の化学組成：
   ＺｒＯ_２＋ＨｆＯ_２：３８．０〜４６．０％
   Ａｌ_２Ｏ_３：全体を１００％にする量
   ＳｉＯ_２：０．６０％以下
   Ｙ_２Ｏ_３：０．４５〜０．７０％
   ＴｉＯ_２：１．００〜２．００％
   を有し、かつ、下記の条件を満たす
   ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３およびＴｉＯ_２以外の他の酸化物：＜１．００％、Ｙ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２の比は０．８０〜２．００であり、かつ
   ジルコニア中の正方晶系の相はジルコニアの質量の６０〜９０％であり、ジルコニアの残りは単斜晶系の形である、融解グリットであって
   溶融された物質を冷却して固化させることにより得られる固体の融解グリット。
2. Ｙ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２の質量比が、１．００超かつ１．８０未満である、請求項１に記載のグリット。
3. ＺｒＯ_２含有量が４０．０％超である、請求項１又は２に記載のグリット。
4. ＳｉＯ _２ 含有量が０．３５％超である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のグリット。
5. Ｙ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２の比が、１．１０超かつ１．３０未満である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のグリット。
6. 酸化チタンＴｉＯ_２の質量含有量が、１．３０％超かつ１．７０％未満である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のグリット。
7. 正方晶系ジルコニアが、ジルコニアの質量の７０％超であるが、８５％未満である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のグリット。
8. 上記他の酸化物が、０．５０％未満である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のグリット。
9. ＭｇＯ：＜０．３０％、及び／又は
   ＣａＯ：＜０．３０％、及び／又は
   Ｎａ_２Ｏ：＜０．１０％
   である、請求項１〜８のいずれか１項に記載のグリット。
10. ＭｇＯ：＜０．１０％、及び／又は
    ＣａＯ：＜０．２０％、及び／又は
    Ｎａ_２Ｏ：＜０．０５％
    である、請求項１〜９のいずれか１項に記載のグリット。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のグリットの混合物を含む研磨用ツールにおいて、該グリットが、バインダーにより結合されている又は可撓性である支持体の上に層として付着されかつバインダーにより保持されている、上記研磨用ツール。
12. 砥石車又は研磨用ベルトの形である、請求項１１に記載の研磨用ツール。