JPS5947715B2 - 焼結アルミナ研摩材およびその製造方法 - Google Patents

焼結アルミナ研摩材およびその製造方法

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JPS5947715B2
JPS5947715B2 JP49122972A JP12297274A JPS5947715B2 JP S5947715 B2 JPS5947715 B2 JP S5947715B2 JP 49122972 A JP49122972 A JP 49122972A JP 12297274 A JP12297274 A JP 12297274A JP S5947715 B2 JPS5947715 B2 JP S5947715B2
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09KMATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K3/00Materials not provided for elsewhere
    • C09K3/14Anti-slip materials; Abrasives
    • C09K3/1409Abrasive particles per se
    • C09K3/1418Abrasive particles per se obtained by division of a mass agglomerated by sintering

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Polishing Bodies And Polishing Tools (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は研摩材とその製法に関する。
この13年間、2000℃を越えるアーク炉でアルミナ
物質を溶かして製造された溶融研摩材とは異なり、焼結
温度(例えば1350〜1600℃)で微細ボーキサイ
トまたは他のアルミナ組成物を加熱して製造した焼結研
摩材が販売されてきた。
そのような研摩材は米国特許第2、725、286号、
第3、079、243号、第3、454、385号、第
3、387、957号、第3、637、360号、およ
び第3、679、385号に開示されている。また特公
昭43−4595(1968年2月20日公告)号は4
〜34%のジルコニアおよび0.5〜4.5%の酸化マ
ンガンを含む焼結アルミナ研摩グリッドを示している。
独国出願番号第1、908、475号(1969年11
月13日公告)はジルコニアと、1〜10%の添加物を
混合したアルミナからつくられた焼結研摩材を示してい
る。
その添加物はアルカリ士金属の酸化物およびハロゲン化
物、酸化クロム、酸化マンガン、酸化コバルト、および
アルミニウム、マンガン、コバルト、クロムのハロゲン
化物とそれらの混合物のグループより選ばれたものであ
る。ハンガリー特許第158、576号(1971年1
0月30日公告)は研摩材に関するものではないが酸化
セリウム、マグネシア、およびシリカを添加したアルミ
ナとジルコニアを含むアルミナ組成物を開示している。
なおこれらの組成物は1600℃を越える温度で焼結さ
れて電気絶縁体等の製品を形成する。焼結アルミナ−ジ
ルコニアは最近スナギングといしに販売使用されてきた
周知の焼結研摩材と同等の、あるいはそれよりすぐれた
衝撃強度と研摩抵抗を持つ焼結アルミナ研摩材が要望さ
れている。
この発明はステンレスステイールの歯形研削(Snag
ginggrinding)等の荒い研削作業用の研削
といしをつくるのに適したサイズ形状焼結粒子の研摩材
を提供するものである。
個々の研摩粒子はアルミナ、酸化セリウム、およびジル
コニアを含む成分からなり、その配合量は添付した3成
分の図の境線AEBCで規定されるが、その3成分は組
成物の少なくとも95重量%を占める。またこの発明は
歯形研削等の荒い研削作業用といしにするための研摩材
の製造方法を提供するものである。微細化された粉状混
合物は研摩グリッドサイズの径に予め形成され、例えば
1350〜1600℃の焼結温度で固定化される。その
混合物はアルミナ、酸化セリウム、およびジルコニアか
らなり、それらの組成量は添付の3成分の図の境線AE
BCによつて規定されるが、その3成分は組成物の少く
とも95%の量を占める。そして研摩材は2〜25%の
酸化セリウムを含む焼結アルミナまたはアルミナ−ジル
コニア材である。10〜45チの間のジルコニアを含む
組成物が望ましいのであるが、酸化セリウム−アルミナ
製品が先行技術では知られてないすぐれた研削特性を示
すことがわかつた。
添付図面は酸化セリウム、アルミナ、ジルコニア系の3
成分の図である。
曲線AEBCで囲まれた部分はこの発明の組成物の範囲
を示す。平行四辺形DEBFはこの発明の好ましい範囲
である。歯形研削用の研摩材の数値限定が一つの開発技
術となる。特定の研摩材の適性を判断する一つの目安は
そのもろさである。この特性を測定する方法はペンチの
アゴ部で手によつて所定のグリッドを破砕してその難易
度をテストする方法から、所定材料の多数のグリッドを
含むサンプルをボールミルまたはその他の手段で研摩し
た際にできた破砕量を測定するよく知られた方法まで多
様な方法がある。ここで使用する方法は、均一な径およ
び形のグリッドの大きなサンプルの各グリッド粒子を高
速回転している鋼製ヘラに一度ぶつけて、その衝撃から
得られた粒子を篩でサイズ分類をする。この方法でテス
トをずつと長く続けると、衝撃を与えられた研摩材料の
胞性材料は次のような等式で示される態様で砕ける。こ
こでRは径Xの開口を有する所定篩上に残留する重量分
率、XOは衝撃前の粒子の当初の径、kは試料の割れ目
の数を表わすと考えられる無次元の数である。
kの値が低ければ低いほど、試料は強いものである。こ
の衝撃テスト法はSOcietyOfMiningEn
gineersの会報の1965年6月号126頁〜1
30頁にカルピンスキー(Karpinski)とテル
ヴオ(TervO)による「胞性材料の単一衝撃テスト
(SingleImpactTestingOfBri
ttleMateriaIs)」で述べられている。
Kの値を決定するに際して試料は破砕と篩によつて調整
される。試料は篩シューカーで1時間30分ふるつた後
隣接する2つの特定タイラ一篩の間に保持される粉砕研
摩材の部分からなる。このサンプル重量は約10,00
0個の研摩卜粒となるように選ばれる。衝撃テストに典
型的に使用するグリッド14のものでは1009の試料
が適当である。卜粒は排気(例えば211mH9)され
たチエンバ一に一度に落込む。
そのチエンバ一で粒子は所定速度で運動している軟鋼製
羽根によつて直接の主要衝撃を与えられる。粒子はその
衝撃によつて収集ボツトに送られる。次の衝撃は接する
金属表面をガスケツトのラバ一で裏打ちすることによつ
て最小にされる。ポツトに収集された卜粒はシューカー
でタイ一篩(隣り合うサイズ)上で1時間30分ふるわ
れて各篩上および受皿上の粒子の重さによつて衝撃後の
粒径の分布状態を決められる。
kの決定に際して、羽根の中央部は回転の中心部から半
径30.48CTIL(12インチ)であり、そしてそ
の速度は2000回/分(209フイート/秒)であつ
た。実際にkの値を決定するには、シューカー中に4つ
のスクリーン(篩)とそのスクリーンの下に受皿とを備
えた篩を使用する。
第一のスクリーン(これをスクリーン1とする)は、篩
分け操作で試料が残留するスクリーンである。続くスク
リーン2,3,4等々、はタイラー篩システムの係数1
.189(2の4乗根)だけ各々小さくなつている。こ
のことを利用するとX。の多様な値に対応Xする1−一
の対数の逆数の値の表を用意することXOによつて計算
は単純化することができる。
(スクリーン1の開口径を単位1とするとX。は通常1
と1.5の間となる。)いくつかのスクリーン上の卜粒
の重さはスクリーン1から始めて順序よく整理記録され
る。
そして各々スクリーン上の全試料の累積フラクシヨンR
が計算される。XOの値は(例えば1.02)適当に選
定され、各スクリーンのRからRの各値に10gR対す
るkがk: x の等式から計算さ ノNg(1−一) Λ0 れる。
kの値が各Rに対して同一であれば、XOは正しく選定
されていることになり、kおよびX。はわかつてくる。
もしkの値が小数第3位までの範囲で1単位よりも大き
く異なるならば、XOの値はまた新たに選定されねばな
らない。このやり直しはkの値が正しい所定値にきまる
まで繰返される。研摩材の他の測定しうる特性は破砕係
数またはaの値であり、これは次の等式で定義される。
゛1wfa この等式は研削とιル摩耗率W(立方インチ/時)と被
加工体の切削率M(ポンド/時)の関係を表わす。
式中Pは研削とιルにかかる垂直力(ポンド)、Vはと
ιルの表面速度(フイート/分)、Kは被加工体の研削
性を表わす定数、aは被壊係数(立方インチ/時間)を
示す。この等式は任意の与えられたといしの摩耗率Wに
おける圧力およびといし速度を固定した場合に与えられ
たa値をもつ研摩材に対する最適の金属切削率を示すも
のである。研削テストにおいてはM(5Wの測定結果か
らPV/Mと1/Wを計算すると便利である。Y軸上に
PV/Mをプロツトし、X軸上に1/Wをプロツトする
と、Y軸上の1/Kを通過する直線となり、その勾配は
a/Kとなる。被加工体のKの値は前のテストかられか
るし、またaの値がわかつている所定といしに対応する
研削量を求めたり、(速度、圧力、といし結合剤の硬度
を変えることによつて)一以上のといし摩耗率での切削
量を測定して、PV/M−1/Wグラフ上に直線を定め
るための少なくとも2点が決定される。フードボンド法
では、定数Kの次元は60ポンド/fポンドである。
もちろん一致する次元を有する別の一致する単位を使用
することができる。この場合は、Kとaの数値は勿論こ
こに使用された値とは異なつてくる。等式(ハの理論的
討論については1971年にSpringer− Ve
rlag社が1971年にウイーンとニユーヨークで出
版したLOringCOes,Jr.による「Abra
sives」(研摩材)という本に載せられている。要
するに、研摩材の摩耗がない(a=0)ならば、金属切
削率はといしに加えられるエネルギー(PV)に比例す
ることを等式は示している。すなわち完全な研摩材の場
合にはM=KPVである。aの値は常にoよりも大きい
数であるから、金属切削率は実際にはKPVに等しくな
らず、W/(W+a)に等しい効率係数だけ小さくなる
。このようにaの値が小さくなるほど研摩材は良好とな
る。等式(1)によつて得た金属切削率は研摩材が最適
の効率で使用される時に達成される金属切削率である。
結合剤が軟弱すぎたり、与えられた研削条件に対して研
摩材が弱すぎる場合、金属切削率は等式(1)で予定さ
れたよりも少なくなり、研摩材はその実際の研摩力を果
さなくなる。例えば、研削中に研摩グリッド(粗粒)が
破砕して、といしで実際に使用されない場合がある。
これは研摩材が本質的に弱すぎたり、特定の研削状態に
対して不適当に結合されたり、あるいはまた割れやすい
等のためであろう。すなわちといしに使用する特定の結
合剤に対して研摩材がもろすぎるのである。かくて、研
摩材の個有の強さは重要な特性であり、といし結合剤の
特性および破壊係数aとともに、所定の研削状態におけ
る研削といしの摩耗率(および研削率)に影響を与える
無次元のkの値、または衝撃強度(被加工体の研削性を
表わすKと混同しないこと)は研摩グリッドの強度の一
つの目安である。所定研摩材の特定値kは衝撃破砕に抗
する研摩材個有の強度とグリッドの形状とによる。スナ
ギングのような高速と力が加れられる強力研削に対して
は、実施に重要な研摩材の測定可能な特性は衝撃強度k
および破壊係数aであることが上記のことから明白であ
ろう。
COesによつて指摘された通り、低い破壊係数(a値
)はある種の研摩材の高い融点と相関関係をもつている
。この発明の研摩材は、新規な組成をもち、高強度でa
値が低く、例えばスチールビレツトのスナギングのよう
な強力研削用の有機結合研削といしにことに適した焼結
研摩グリッドの一種である。この発明の焼結研摩材の最
も広い組成範囲は添付の3成分図の曲線EBl曲線BC
l曲線CAlおよび直線AEで囲まれた範囲である。こ
こにおいて、各点の組成重量%はA(Al2O,98%
,CeO22%)、B(Al2O325Ol),CeO
225%,ZrO25O%),C(Al2O375%,
CeO225%)、D(Al2O385%,CeO25
%,ZrO2lO%)、E(Al2O345%,CeO
25%,ZrO25OO/)),F(Al2O365%
,CeO225%,ZrO2lO%)である。また曲線
EBは点fl(Al2O327%,CeO2l8%,Z
rO255%)の点を通り、曲線BCはBC間で点h(
Al2O335%,CeO227%,ZrO238%)
、点1(Al2O338%,CeO23l%,ZrO2
3l%),点j(Al2O347%,CeO244%,
ZrO,9%)を順に通る曲線である。好ましい成分範
囲は平行四辺形DEBFで囲んだ部分である。限定区域
内の任意の点に対するCeO2,M2O3およびZrO
2の各重量%は、上記成分の相当する頂点から対向辺ま
で上記点を通過して直線を引き、上記点から対向辺まで
の長さを頂点から対向辺までの長さで割ることによつて
決定される。例えば、添付図面のF点におけるZrO2
の重量%は次のようにして求められる。すなわち、Zr
O2の頂点から点Fを通つて対向辺まで直線を引き、対
向辺との交点をXとする。点FにおけるZrO2の重量
%は、FXの長さおよびZrO2−xの長さをそれぞれ
測定し、得られたFXの長さをZrO2一Xの長さで割
つて求められる。この場合、点FにおけるZrO2の重
量%は約9.7%である。同様にして点FにおけるCe
O2およびAl2O3の重量%を決定することができる
。高純度の原料が望ましいのであるが、98%以上の高
純度の材料は高価である。5重量%までの不純物あるい
は焼結補助材、例えば鉄、ケイ素、チタン、マグネシウ
ム、カルシウム、クロム、コバルト、バナジウム、ニツ
ケルおよびマンガン等の酸化物は許容できるし、また研
摩組成物には好ましいことでさえある。
研摩グリッドの製造は(1)原料を混合する、(2)そ
の混合物を研摩グリッドサイズの粒子形状に形成する.
(3)そのように形成されたグリッドを乾燥焼成する、
工程を包含する。原料は良く混合し微細化しなければな
らない。
酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化ジルコニウムの
粒子径は0.5〜10ミクロンあるいはそれより微細な
ものであり、その平均径は4ミクロンあるいはそれより
微細なものとする。焼成操作によつて平均径が5ミクロ
ン以上の結晶成長を引起してはならない。前に引用した
特許文献はこの発明の組成物に使用し得るいくつかの異
なる成形方法、例えば圧力を加えてレンガ状にし、つい
で研摩粒径に粗砕し、押出し、薄い層にして乾燥し、破
砕して、成形する等の方法を示唆している。
スラリーは、乾燥混合物が使用される時のようにプレス
の必要なく所望寸法の型枠にキヤステイングして使用す
るために、解膠剤を含んで調整されることが好ましい。
適当な解膠剤は、米国特許第2,637,360号に開
示されたクエン酸第二鉄アンモニウム、または市販の解
膠剤でもよい。焼成は1350〜1600℃の温度で1
〜24時間行なう。
この焼成卜粒は高表面速度、高圧で回転する樹脂結合と
いしに使用され得る。
この実施例の原料はボールミルしたバイアー法(Bay
erprOcess)の市販のアルミナと、市販のジル
コニアと、市販の酸化セリウムであつた。
アルミナ1.25重量%、ジルコニア23.75重量%
、酸化セリウム(CeO2)5.0重量%の割合のこれ
ら粉末は、ロールミキサーで1時間乾燥式粉砕され、次
いで2〜3ミクロンの平均粒子径が得られるまで振動ミ
ルで湿式粉砕された。次いでできたスラリーをオーブン
でほぼ95℃で乾燥した。乾燥したものは金属製ローラ
ーで緩やかにローリングされ、粉状にされた。この粉に
1平方インチ当り12トンの圧力をかけて3インチ径の
ケーキにした。この試料には乾燥サイクル中に除かれな
かつた水以外はバインダーは存在しない。プレスしたケ
ーキをグラニユレータ一に通した。グラニユレータ一に
通した材料を8〜10メツシユのスクリーンに通した。
この末処理粗粒を、以下の工程を経て強い形状の卜粒と
するためにロールミキサー上の繊維ドラムでタンプルし
た。新たに粗砕された材料の+8の部分は5〜10分間
タンプルしてから再び篩にかけた。残留した+8部分は
手によつて8メツシユのスクリーンを通加させた。全1
0メツシユ部分はついで10分間タンブルして再び篩に
かけた。+10部分は次いで高温のロツドキルンを使用
して空気中で1580℃に焼成され、2時間この温度に
保たれた。焼成した粒子はサツトンテーブル(Sutt
OnTable)を用いて強くシエープされた部分と弱
くシエープされた部分とに分離された。X線回折分析法
では、次のような結晶相の存在を示した:すなわちアル
フア酸化アルミニウム、正方晶系ジルコニアーセリア固
溶体;単斜晶系ジルコニア;ジルコニウム酸セリウム(
Ce2Zr2O7)、である。ジルコニウム酸セリウム
はかろうじて認められる量であつた。kの値はほぼ10
0gの材料と2000回/分(200フイート/秒)を
使用して決定された。
強くシエープされた部分は0.013のkの値を示し、
弱くシエープされた部分は0.050の値を示した。他
の例は次の通り。
この試料は前に引用した例と同様の方法で処理された。
X線回折では単斜晶系酸化ジルコニウムは焼成後の粒子
には検出されなかつた。この試料の強くシエープされた
部分のkの値は0.046であり弱くシエープされた部
分のk値は0.107であつた。ジルコニア、アルミナ
および酸化セリウムの比率が3成分図のAEBCの区域
内でつくられた研摩材は、209フイート/秒の衝撃速
度、8 〜20グリッドサイズで0.2またはそれ以下
から0.01までのkの値と、焼結ボーキサイト研摩材
で得られた値よりも低いaの値とを有することがわかつ
た。
粉末混合物をプレスおよび粗砕する代りに、高度に固形
であるが鋳込み可能の混合物をつくるために解膠剤を加
えた粉末のスラリーを所望の粒子形状の型枠にキヤスト
することによつて卜粒に成形できることがわかつた。
このための便利な方法は、石こう板に固定された孔あき
金属板を使用するものである。孔あけは所望の形状を有
するようにし、金属板の厚さは焼成粒子の大きさおよび
形状寸法を考慮して決定する。型枠でキヤストする方法
の実例として、次のような混合物が調整された。
バイアー法による市販の アルミナを■焼したもの 40.370kg(89ポン
ド)ZrO2粉末 12A72kg(297ポンド)酸
化セリウム粉末 2.812kg(6.2ポンド)使用
したジルコニアは分析すると98.6%のジルコニアと
酸化ハフニウム(酸化ハフニウムは約3%)、残余は各
1%以下の石灰、シリカ、チタニア、鉄、アルミナであ
る。
混合された乾燥粉末は湿式あるいは乾式ミルによつて2
〜4ミクロンの平均粒径にされる。200部の水と25
部の市販の解膠剤を各850部の乾燥粉末混合物に加え
ることによつてスラリーがつくられる。
成形品の気孔率を小さくするために、スラリーを真空混
合または篩にかけることによつてスラリーから気泡を取
除くことが望ましい。スラリーは個々の研摩グリッドに
対応する型枠に流し込まれ、乾燥され、次いでグリッド
は型枠から外されて焼成される。
焼成は、1350℃で長陵間、例えば24時間、または
1580℃で1〜2時間かけて行なわれる。この発明に
よる生成物は空気中、電気加熱炉で焼成され、酸化雰囲
気を有するガス炉で焼成された。
焼成後の平均結晶径は5ミクロン以下でなければならな
い。この発明の製品のk値を測定した結果8〜12グリ
ッドの範囲では、この発明の研摩材は高強度の溶融研摩
材や他の焼結研摩材を一般に上回る高衝撃強度の研摩材
であることを示した。
ステンレススチールおよびカーボンスチールの研削テス
トではこの研摩材は市販の焼結研摩材よりもより低い破
壊係数(a)を示した。以下に実施の態様を付記する。
ジルコニア、アルミナおよびセリアの組成分量が、添付
Ξ成分図の直線EB,BF,FDおよびDE内にある特
許請求の範囲に記載された研摩材。
【図面の簡単な説明】
添付図面は酸化セリウム、アルミナ、ジルコニアの3成
分図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 個々の研摩材粒子は、添付された三成分図において
    曲線EB、曲線BC、直線CA、および直線AEで限定
    された区域内のAl_2O_3、CeO_2およびZr
    O_2の組成をもち、上記各点は重量%でA(Al_2
    O_398%、CeO_22%)、B(Al_2O_3
    25%、CeO_225%、ZrO_250%)、C(
    Al_2O_375%、CeO_225%)、D(Al
    _2O_385%、CeO_25%、ZrO_210%
    )、E(Al_2O_345%、CeO_25%、Zr
    O_250%)、F(Al_2O_365%、CeO_
    225%、ZrO_210%)であり、かつ、曲線EB
    はEB間で点g(Al_2O_327%、CeO_22
    7%、CeO_218%、ZrO_255%)の点を通
    り、曲線BCはBC間で点h(Al_2O_335%、
    CeO_227%、ZrO_238%)、点i(Al_
    2O_338%、CeO_231%、CeO_231%
    )、点j(Al_2O_347%、CeO_244%、
    ZrO_29%)を順に通り、このAl_2O_3分、
    CeO_2分、およびZrO_2分は合わせて全組成分
    の少なくとも95重量%を構成し、残りは0〜5重量%
    のケイ素、チタン、鉄、カルシウム、マグネシウム、マ
    ンガン、バナジウム、クロム、ニッケルおよびコバルト
    の一またはそれ以上の酸化物よりなり、限定区域内の任
    意の点に対するCeO_2、Al_2O_3、およびZ
    rO_2の各重量%は、図面において当該成分の対応す
    る頂点から対向辺まで上記点を通過して直線を引き、上
    記点から対向辺までの長さを頂点から対向辺までの長さ
    で割ることによつて決定されることを特徴とする、焼結
    成形粒子の形態にあり、荒研削に使用する研削といし中
    に結合されるのに適した研摩材。
JP49122972A 1973-10-24 1974-10-24 焼結アルミナ研摩材およびその製造方法 Expired JPS5947715B2 (ja)

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