JPH0770552A - ジルコニウムコランダムを基剤とする研磨材料、その製造方法およびその使用 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 α−Ａｌ₂Ｏ₃および主として正四面体形状の
ＺｒＯ₂を基材とし、亜酸化物、炭化物および／または
酸炭化物の形状のチタニウム化合物をも含有する研磨材
料。 【効果】 Ａｌ₂Ｏ₃／ＺｒＯ₂への少量のＴｉＯ₂の添加
によりＺｒＯ₂の正四面体形状の比率が劇的に増加し、
極めて高い研磨性能レベルが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、α−Ａｌ₂Ｏ₃およびＺｒＯ₂を
基材とし、亜酸化物、炭化物および／または酸炭化物の
形状のチタニウム化合物をも含有する研磨材料に、その
製造方法に、およびその使用に関するものである。

【０００２】

【発明の背景】熔融物の極めて迅速な冷却により製造し
たジルコニウムコランダムは、特に有利な研磨性を特色
としている。

【０００３】たとえばドイツ特許出願ＤＥ−Ａ２ ５１
９ ５６９は、Ａｌ₂Ｏ₃およびＺｒＯ₂を基材とし、任意
に酸化物、炭化物、炭窒化物および窒化物の形状のクロ
ミウム、鉄、チタニウム、バナジウム、マグネシウムお
よび／または希土類よりなる物質または添加物を伴う、
精密研磨または準精密研磨に使用するための研磨材料を
記載している。上記の添加物は研磨性能を向上させるた
めに使用するのではなく、品質の低下を最小限に維持す
る支えとするのである。

【０００４】ドイツ特許出願ＤＥ−Ａ２ １６０ ７０５
は、Ａｌ₂Ｏ₃に５ないし４５重量％のＺｒＯ₂を、好ま
しくは２５重量％のＺｒＯ₂と０ないし４重量％のＴｉ
Ｏ₂とを添加した混合物を熔融して製造した研磨材料を
記載している。

【０００５】ドイツ特許出願ＤＥ−Ａ２ ２２７ ４６２
は、還元条件下で製造したＡｌ₂Ｏ₃とＺｒＯ₂との熔融
物を金属板の間に注ぐことにより極めて迅速に冷却し
た、この方法で安定化した結晶構造のために研磨剤にお
ける使用に顕著に好適な、正四面体高温変態のＺｒＯ₂
を含有するジルコニウムコランダムを記載している。

【０００６】研磨工程中のＺｒＯ₂の正四面体高温変態
から室温で安定な単斜形状への相転移が、結果的な体積
増加を経由する転移誘導微細ひび割れの発現の原因とな
り、上記の研磨材料をエネルギー散逸により強化する必
要が生ずる。

【０００７】ドイツ特許出願ＤＥ−Ａ３ ０４０ ９９２
は、２７ないし３５重量％のＺｒＯ₂と−ＴｉＯ₂として
表して−１ないし１０重量％のＴｉＯ₂の還元により得
られるチタニウムの酸炭化物、炭化物または亜酸化物と
を含有するジルコニウムコランダムを記載している。こ
の研磨材料の性能は、ＤＥ−Ａ２ ２２７ ６４２に記載
されている材料と同等、またはそれより良好であるとし
て特徴付けられているが、この研磨材料の利点は、とり
わけ、同等の研磨性能の場合のＺｒＯ₂含有量の減少に
より達成される製造経費の軽減にあると考えられる。

【０００８】この、チタニウム化合物による研磨材料の
性質の改良の基礎となるメカニズムは、大部分が未解決
のままに残されている。ＤＥ−Ａ３ ０４０ ９９２にお
いては、研磨工程に積極的に関与すると言われるチタニ
ウム化合物により、研磨工程が直接に影響を受けると考
えられている。

【０００９】ＤＥ−Ａ３ ０４０ ９９２およびＤＥ−Ａ
２ ２２７ ６４２の双方とも、ＺｒＯ₂含有量を基準に
して少なくとも２５重量％の正四面体ＺｒＯ₂変態を含
有する研磨材料を開示している。

【００１０】ＵＳ−Ａ５,１４３,５２２は、その２５重
量％以上が正四面体形状である２０−５０重量％のＺｒ
Ｏ₂、１−１０重量％の亜酸化物、炭化物または炭酸化
物の形状の還元酸化チタニウム、０.０３−０.５重量％
の炭素、３重量％未満の不純物および主成分としてのＡ
ｌ₂Ｏ₂の含有量を有する研磨剤粒子を記載している。こ
の粒子の構造は、主として共融アルミナ−ジルコニア基
剤中に埋め込まれたＡｌ₂Ｏ₃結晶よりなるものとして記
述されている。主結晶のサイズは５ないし５０ミクロン
である。

【００１１】日本特許１ ６１４ ９７４（特願昭５８−
１０２２８９）は、そのＺｒＯ₂の１００％までが正四
面体変態で存在する二酸化チタニウム含有ジルコニウム
コランダムを記載している。この文献からは、これも添
加されているＹ₂Ｏ₃が単に安定化と正四面体相の豊富化
とにのみ寄与していることが明らかである。たとえば、
この明細書中の実施例は、Ｙ₂Ｏ₃でドープした試料の場
合に未ドープの標準を超える増加を示すのみである。Ｙ
₂Ｏ₃の添加は、研磨材料の製造経費を増加させる。高い
百分率含有量の正四面体ＺｒＯ₂変態による研磨性能の
改良はまた、Ｙ₂Ｏ₃ またはＹ₂Ｏ₃含有化合物がそれ自
体は研磨工程に有利ないかなる性質をも持たないという
事実によっても限定される。

【００１２】本発明の目標は、通常のジルコニウムコラ
ンダムとの比較で製造経費のいかなる増加をも伴うこと
なく、これまで公知のジルコニウムコランダムと比較し
て改良された性能を示すであろうジルコニウムコランダ
ム研磨材料を提供し、本発明記載の研磨材料を使用する
場合には、多くの研磨作業に関して先行技術で可能なも
のより好ましい経費対性能比をも得られるようにするこ
とである。

【００１３】

【発明の概要】驚くべきことには、Ａｌ₂Ｏ₃／ＺｒＯ₂
混合物に少量のＴｉＯ₂を添加し、この混合物を還元剤
の存在下に熔融し、この熔融物を急激に冷却することに
より、正四面体ＺｒＯ₂変態の百分率含有量が劇的に増
加し得ることがここに見いだされた。ＴｉＯ₂の量と正
四面体相の比率との間に直線的な依存性が存在すること
も見いだされている。

【００１４】この方法においては、α−Ａｌ₂Ｏ₃とＺｒ
Ｏ₂とを基剤とし、亜酸化物、炭化物および／または酸
炭化物の形状のチタニウム化合物を含有する、そのＺｒ
Ｏ₂の８０重量％以上が正四面体結晶形状で存在する研
磨材料を得ることが可能である。本発明記載の研磨材料
は、極めて高い研磨性能レベルを特色としている。

【００１５】本発明記載の研磨材料の特に好ましい具体
例の一つにおいては、ＺｒＯ₂の９０重量％以上が正四
面体結晶形状で存在する。特に高度の形状性能レベル
は、ＺｒＯ₂含有量が３５ないし５０重量％である場合
に達成される。

【００１６】Ａｌ₂Ｏ₃熔融物の特に好ましい混合範囲は
共融混合物（ＺｒＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃との合計量を基準にし
て３７ないし４５重量％のＺｒＯ₂）の近傍にある。こ
の範囲においては、特に高い百分率含有量の正四面体Ｚ
ｒＯ₂変態を安定化することも可能である。

【００１７】ＴｉＯ₂または他のＴｉ化合物は、ＺｒＯ₂
の高温変態用の安定剤としては文献に記載されていな
い。通常は、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃または他の希土類
の酸化物がこの目的に使用されている。

【００１８】これらの安定剤を用いた比較試験は、驚く
べきことに、Ａｌ₂Ｏ₃／ＺｒＯ₂系においては亜酸化
物、炭化物および／または酸炭化物の形状のチタニウム
化合物の安定化効果が公知の安定剤であるＭｇＯおよび
ＣａＯのものより効果的であることを示した。Ｙ₂Ｏ₃の
みが、そのＺｒＯ₂に対する安定化効果においてＴｉＯ₂
の還元形状を超えている。

【００１９】特に良好な性質は、チタニウム化合物の量
がＴｉＯ₂として表して０.５ないし１０重量％、好まし
くは１ないし５重量％である場合に得られる。

【００２０】驚くべきことには、正四面体ＺｒＯ₂相の
可能な最高の含有量を有する粒子で最も好成績の研磨結
果が得られるが、Ｔｉ化合物の含有量は高過ぎてはなら
ないことが見いだされた。

【００２１】高含有量のＴｉ化合物は明らかに熔融物の
粘性を変化させ、熔融物を均一に、かつ迅速に急冷する
ことを困難にして、ミクロン以下の範囲の結晶サイズを
有するＺｒＯ₂結晶とＡｌ₂Ｏ₃結晶との理想的に完全に
均一な共融構造が、不満足な急冷工程に起因する分離効
果によりますます損なわれるのである。

【００２２】この種の分離効果は粒子の性質を変化さ
せ、これから製造した研磨材料の研磨性能を低下させ
る。

【００２３】最適構造の一つは完全に共融的な形状にお
いて存在するものであるが、優れた絶縁材料であるジル
コニウムコランダムは、完全に同時には全熔融物を固化
し得ないので、経験は、僅かな程度の分離は最適急冷条
件下においても回避し得ないことを示している。

【００２４】酸化物として表した不純物の含有量は、有
利には最高でも３重量％であるべきである。酸化物とし
て表した希土類の含有量は、好ましくは最高でも０.１
重量％であるべきである。

【００２５】本発明記載の研磨材料で得られる驚くほど
良好な研磨結果は、同等の正四面体ＺｒＯ₂相の百分率
含有量を有する公知のジルコニウムコランダムのものよ
りはるかに優れている。このことは、炭化物、亜酸化物
および／または酸炭化物の形状のチタニウム化合物が研
磨工程に積極的に関与することを示唆している。

【００２６】本発明はまた、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂および
ＴｉＯ₂および／またはこれらの物質を含有する原材料
の混合物を還元剤の存在下に熔融し、急冷することを特
徴とする本発明記載の研磨材料の製造方法に関するもの
でもある。急冷は、好ましくは熔融物が１０秒を超えな
い時間内に完全に固化するような様式で実施する。その
後は、正四面体相で存在するＺｒＯ₂の単斜変態への相
転移を防止するために、この材料を約７００℃以上の温
度に暴露すべきではない。

【００２７】本件方法は特にアルミナ、ボーキサイト、
バデレー石、ジルコニウムサンド、ルチルおよびイルメ
ナイトを含む天然の原材料を熔融物の形状で使用して、
特に経済的に実施することができる。

【００２８】グラファイトまたはコークスの形状の炭素
は、本発明記載の方法における還元剤として好適に使用
される。

【００２９】本発明はまた、本発明記載の研磨材料の結
合研磨剤および基材上の研磨剤における使用に関するも
のでもある。

【００３０】

【好ましい具体例の詳細な記述】以下の実施例は、本発
明をこれに限定することなく説明することを意図したも
のである。

【００３１】

【実施例】

実施例１ 個々の各成分の合計量を基準にして０、０.５、１、２.
５、５および１０重量％の量のＴｉＯ₂（ルチル）を、
２４０ｋｇのアルミナ、１７０ｋｇのバデレー石および
１２ｋｇの石油コークの混合物に添加し、ついで、これ
を電気アーク炉中で熔融した。炉室は２ｍの直径を有
し、電圧は１１０Ｖ、選択した負荷は１１００ｋＷｈで
あった。金属板間の幅約５ｍｍの空隙に液体熔融物を注
ぎ入れて６００℃以下の温度に急冷し、急冷の間は酸素
を実質的に排除して２０秒以内に完全な固化を達成し
た。

【００３２】このようにして得られた生成物は、表１に
特定してある：

【００３３】

【表１】

【００３４】正四面体相の百分率含有量は次式に従って
計算した：

【００３５】

【数１】 式中、 ｔ はθ＝３０.３における正四面体ピークの強度であ
り、 ｍ１はθ＝２８.３における単斜ピークの強度であり、 ｍ２はθ＝３１.５における単斜ピークの強度である 上記の式は、ジルコニウムコランダム粉末のＸ−線回折
分析（Ｘ−線回折像）を基礎に置いたものである。

【００３６】種々の材料を４２ＣｒＭｏ４に対する研磨
ベルトのＰ３６研磨砂中で、７０Ｎの接触圧下で試験し
た。研磨時間は１２分であった。

【００３７】

【表２】 表 ２ 先行技術（試験番号１） 試験番号 研磨度 との比較での研磨性能（％） １ ９３７.６ １００ ２ ９６５.１ １０３ ３ １１０５.６ １１８ ４ １３８６.７ １４８ ５ １２３６.８ １３２ ６ １１８９.９ １２７ 実施例２ １重量％の量のＴｉＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃、ＣａＯまたはＭｇＯ
を、２４０ｋｇのアルミナ、１７０ｋｇのバデレー石お
よび１２ｋｇの石油コークの混合物に添加した。熔融条
件および冷却条件は実施例１と同様であった。

【００３８】このようにして得られた生成物は、表３に
特定してある：

【００３９】

【表３】 表 ３ 使用した安定剤、個々の成分のＴ（％） 合計量を基準とする％ 試験番号 ＴｉＯ₂ Ｙ₂Ｏ₃ ＣａＯ ＭｇＯ ７ １ − − − ７６ ８（比較例） − １ − − ９６ ９（比較例） − − １ − ５６ １０（比較例） − − − １ ４２ 研磨試験は実施例１と同一の条件下で実施した。直接に
比較するために、試験番号１に記載した試料（未ドー
プ）も標準として研磨した。

【００４０】

【表４】 表 ４ 研磨試験 試験番号 研磨度 研磨性能（％） １（比較例） ９５３.７ １００ ７ １２００.８ １２６ ８ １１１５.８ １１７ ９ ６３８.５ ６７ １０ ９３３.９ ９８ 実施例３ ２４０ｋｇのアルミナ、１７０ｋｇのバデレー石および
１２ｋｇのルチルの混合物を、還元剤を添加することな
く、実施例１および２の条件下で熔融、急冷した（試験
１１）。

【００４１】試験１２においては、通常通りに１２ｋｇ
の石油コークを添加し；熔融条件は、熔融物を急冷せ
ず、替わりに開放坩堝に注入したことを除いて他の実施
例と同様であった。

【００４２】直接的な比較のために、実施例１の試験４
も表５に含めた。

【００４３】

【表５】 表 ５ 使用した添加剤 試験番号 ＴｉＯ₂ Ｃ 冷却条件 Ｔ（％） ４ ２.５％ ２.８％ 急冷 ９６ １１（比較例） ２.５％ − 急冷 ３６ １２（比較例） ２.５％ ２.８％ 徐冷 ４２ 実施例３の試験材料での研磨試験は行わなかった。

【００４４】本発明の主なる特徴および態様は以下のと
おりである。

【００４５】１．ＺｒＯ₂の８０重量％を超える部分が
正四面体結晶形状で存在することを特徴とする、α−Ａ
ｌ₂Ｏ₃とＺｒＯ₂を含んでなり、亜酸化物、炭化物およ
び酸炭化物よりなるグループから選択した１種または２
種以上のチタニウム化合物の形状のチタニウム化合物を
も含有する研磨材料。

【００４６】２．ＺｒＯ₂の９０重量％を超える部分が
正四面体結晶形状で存在することを特徴とする１記載の
研磨材料。

【００４７】３．ＺｒＯ₂の含有量が上記の材料の３５
ないし５０重量％であることを特徴とする１または２の
いずれかに記載されている研磨材料。

【００４８】４．上記のチタニウム化合物の量が、Ｔｉ
Ｏ₂として表して上記の材料の０.５ないし１０重量％で
あることを特徴とする１記載の研磨材料。

【００４９】５．酸化物として表した不純物の含有量が
最大でも上記の材料の３重量％であることを特徴とする
１または４のいずれかに記載されている研磨材料。

【００５０】６．酸化物として表した希土類の含有量が
最大でも上記の材料の０.１重量％であることを特徴と
する５記載の研磨材料。

【００５１】７．Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂およびＴｉＯ₂を含
んでなる混合物を還元剤物質の存在下に熔融し、急冷す
ることを特徴とする請求項１記載の研磨材料の製造方
法。

【００５２】８．急冷を熔融物が１０秒以内に完全に固
化するような様式で実施することを特徴とする７記載の
方法。

【００５３】９．上記の酸化物の少なくとも１種がその
原材料源の形状で与えられることを特徴とする７または
８記載の方法。

【００５４】１０．上記の還元剤が炭素を含んでなるも
のであることを特徴とする７、８または９記載の方法。

【００５５】１１．７記載の方法により製造した生成
物。

【００５６】１２．１ないし６および１１に記載された
生成物の研磨媒体としての使用を含む研磨方法。

【００５７】１３．１ないし１０の１項または２項以上
に記載された研磨材料の結合研磨材料および基材上の研
磨材料中での使用。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パウル・メルトゲン ドイツ連邦共和国デー79725ラウフエンブ ルク・シユタイヒマツトシユトラーセ２ (72)発明者 ボルフガング・ガルマン ドイツ連邦共和国デー79730ムルク・リン グシユトラーセ10

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＺｒＯ₂の８０重量％を超える部分が正
   四面体結晶形状で存在することを特徴とする、α−Ａｌ
   ₂Ｏ₃とＺｒＯ₂を含んでなり、亜酸化物、炭化物および
   酸炭化物よりなるグループから選択した１種または２種
   以上のチタニウム化合物の形状のチタニウム化合物をも
   含有する研磨材料。
2. 【請求項２】 Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂およびＴｉＯ₂を含ん
   でなる混合物を還元剤物質の存在下に熔融し、急冷する
   ことを特徴とする請求項１記載の研磨材料の製造方法。