JPH0832870B2 - 研摩材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、親金属と気相酸化剤との酸化反応生成物と
して形成され研摩セラミック粒子又は研摩セラミック複
合粒子となるよう粉砕されることにより製造される研摩
材の製造方法に係り、またかかる方法により製造される
研摩材に係る。

従来の技術 近年研摩材の技術的進歩や高品質且特殊な研摩材に関
する関心が次第に増大してきている。本発明は破砕性が
低いことを特徴とし、セラミック又はセラミック複合材
にて特殊に形成された塊又はスラブを粉粒体に粉砕する
ことにより製造される新規にして改良された研摩材を提
供することを目的としている。

発明の概要 本発明によれば、実質的に親金属前駆物質の気相酸化
剤との酸化反応生成物と、親金属の酸化されていない成
分の如き随意の一種又はそれ以上の金属成分とよりなる
多結晶セラミック材の粉砕された形態としての研摩粒子
であることを特徴とする研摩材を製造する方法が得られ
る。必要ならば、例えば後に詳細に説明する如く、研摩
性能を向上させ、又は製造コストを低減すべく、多結晶
セラミックの酸化反応生成物と一種又はそれ以上の充填
材とを含むセラミック複合材が形成されてもよい。

即ち本発明は、セラミック材料を含んでなる研摩材の
製造方法であって、次の各工程を含んでなる方法であ
る： （１）少なくとも１種のドーパントを親金属に混合し、 （２）該ドーパント含有親金属を、酸化剤の存在下で該
親金属の融点以上に加熱し、該温度において、 ｉ）該親金属と該酸化剤を反応させて酸化反応生成物を
形成し、 ii）該酸化反応生成物の少なくとも１表面が酸化剤と接
触し、かつ該酸化剤と該溶融親金属の間に存在する状態
を維持し、それによって該溶融親金属が該酸化反応生成
物中を通って酸化剤の側に輸送されて新鮮な酸化反応生
成物が酸化剤側に生成し、及び iii）該反応を継続して酸化反応生成物を含むセラミッ
ク材料を形成し、さらにその後 （３）得られたセラミック材料を粉砕し、及び （４）粉砕したセラミック材料を回収する。

さらに本発明は、セラミックと充填材を含んでなる研
摩材の製造方法であって、次の各工程を含んでなる方法
である： （１）少なくとも１種のドーパントと共に使用する親金
属を充填材の透過性材料に隣接して配置し、かつ該親金
属及び該充填材を相互に関して酸化反応生成物体の形成
が該透過性材料中に向かうように配向し、 （２）該親金属を該親金属の融点より高いがその酸化反
応生成物の融点より低い温度に加熱して溶融した親金属
体を形成し、かつ該温度で該溶融親金属体と気相酸化剤
とを反応させて酸化反応生成物体を形成し、かつ該温度
で該酸化反応生成物体の少なくとも一部を該溶融親金属
体及び該気相酸化剤と接触しかつその間にあるように維
持せしめて、溶融親金属を既に形成された酸化反応生成
物体を通して該気相酸化剤に向かってかつ隣接する該充
填材素材中に向かって引き込み、よって該充填材素材中
の該気相酸化剤と該予め形成された酸化反応生成物体の
界面に新鮮な酸化反応生成物を形成し、そして （３）該反応を、得られる酸化反応生成物体中に充填材
の少なくとも一部が埋封されるに充分な時間まで継続し
てセラミック複合体を得、 （４）得られたセラミック複合体を粉砕し、 （５）粉砕したセラミック複合材料を回収する。

また、本発明によれば、上記の方法で製造された研摩
材も提供される。

一般に、本発明に従ってセラミック研摩材を製造する
方法に於ては、親金属前駆物質が気相酸化剤の存在下に
於て親金属の融点以上であって酸化反応生成物の融点以
下の温度に加熱され、これにより溶融親金属の塊が形成
される。溶融親金属は気相酸化剤と反応せしめられて酸
化反応生成物が形成され、該酸化反応生成物は少なくと
も部分的に溶融親金属の塊及び気相酸化剤と接触した状
態に維持され、またこれらの間に延在する。この温度範
囲に於ては、溶融親金属は先に形成された酸化反応生成
物を経て気相酸化剤へ向けて移送される。溶融親金属が
気相酸化剤と先に形成され酸化反応生成物との間の界面
に於て気相酸化剤と接触すると、溶融親金属は気相酸化
剤により酸化され、これにより酸化反応生成物を成長さ
せてその厚さを次第に大きくする。このプロセスはセラ
ミック塊を製造するに十分な時間に亙り継続される。必
要ならば、研摩材の最終用途に応じて、酸化反応プロセ
スは親金属を実質的に消費し、これによりセラミック塊
中に互いに接続された状態にて存在する金属をできるだ
け低減するに十分な時間に亙り継続される。このセラミ
ック塊は研摩材の最終用途に応じてインパクトミル、ロ
ーラミル、ジャイレートリークラッシャ等を用いて行わ
れる粉砕や他の従来の粉砕法により所望の粒子寸法に粉
砕され、粉砕されたセラミック材が回収される。回収さ
れた粉砕されたセラミック材は、実質的に酸化反応生成
物と、親金属の酸化されていない成分の如き随意の金属
成分とよりなる研摩粒子を含んでいる。

本発明の一つの好ましい実施例に於ては、親金属の成
長する酸化反応生成物が充填材の少なくとも一部に浸透
してこれを埋め込むよう、未焼結のプリフォームであっ
てよい充填材の浸透可能な集合体を親金属前駆物質に隣
接して又はこれと接触して配置することによりセラミッ
ク複合材が形成される。親金属は上述の如く加熱され、
親金属と気相酸化剤との酸化反応が、酸化反応生成物が
充填材の少なくとも一部を貫通して成長し浸透するに十
分な時間に亙り継続され、これにより充填材を埋め込む
酸化反応生成物のセラミックマトリックスを有する複合
体が製造される。この場合マトリックスは随意に一種又
はそれ以上の金属成分を含有していてよい。このセラミ
ック複合塊は上述の如き従来の手段により所望の粒子寸
法に粉砕され、粉砕された材料が回収される。回収され
た材料は実質的に親金属と気相酸化剤との酸化反応生成
物と、充填材と、随意の一種又はそれ以上の金属成分と
よりなる微小の複合研摩粒子を含んでいる。

上述の如く形成されたセラミック塊又はセラミック複
合塊は冷却され、しかる後研摩粒子を形成すべく粉砕さ
れる。粒子の細さはその最終用途次第であり、従って粉
砕手段は必要とされる粒子寸法及びセラミック塊の組成
に基いて選定される。粉砕及びサイジングを行うための
方法及び手段は当技術分野に於て知られており、本発明
の一部をなすものではない。まずジャークラッシャやハ
ンマーミル等によりセラミック塊を約1/4〜1/2inch（6.
35〜12.7mm）の大きい小片に粉砕し、次いでインパクト
ミル等により約８〜100メッシュ又はそれ以下の細い粒
子に粉砕することが好ましい。粉粒体は典型的には篩分
けにより所望の寸法の粒子として回収される。

得られる研摩粒子は強靭であり、破砕性が小さい、即
ち耐久性が高いことを特徴としている。本発明の方法に
より製造される好ましい研摩粒子は、成長したセラミッ
ク塊の粉砕された形態をなす充填材にて密に接合された
酸化反応生成物を含む微小複合材であることを特徴とし
ている。かくして成長したセラミック複合塊の粉砕によ
り得られる研摩粒子は、実質的に寸法低減が行われるに
も拘らず、互いに一体的に接合された材料としてのセラ
ミックマトリックスと充填材成分とを含んでいる。

本発明の粒状の研摩材は多数の任意の研摩の用途に使
用されてよい。例えば本発明の研摩材は研磨、粉砕、又
はグリットブラストの如きばらばらの状態で使用される
研摩の用途に使用されてよい。また必要ならば、本発明
の研摩材は被覆された研摩材製品や互いに結合された研
摩材製品に使用されてよい。後者の場合には、研摩粒子
は例えば樹脂、ガラス、金属、又は他のセラミックの如
き適当なバインダにて結合され、例えば砥石車に成形さ
れる。また前者の場合には、研摩粒子は適当な接着剤と
組合され、フエルト状のセルロース、布、厚紙の如き裏
当シート又は基板に対し被覆され又は適用される。本発
明の研摩材は研摩物品に於ける唯一の研摩材であっても
よく、また特性を修正し又はコストを低減すべく他の研
摩材又は非研摩材と組合されてもよい。

幾つかの研摩材が本発明に従って形成され、従来の方
法により製造された幾つかの研摩材との対比に於てそれ
らの破砕性が試験された。各研摩材について行われた破
砕性試験には、従来のボールミル法が含まれていた。10
gの試験されるべき特定の研摩材が特定のメッシュ寸法
に正確に篩分けされ、直径1inch（25.4mm）の７個の硬
化処理された鋼球（200g、アッベ・カンパニー（Abbe C
o.）製）と共に鋼製ジャー（アッベ・カンパニー製、Mi
jit寸法）内に配置された。鋼製のジャーがカバーによ
って閉じられ、回転装置上に配置され、92rpmにて１時
間回転された。かくして処理された材料が再度同一の篩
にて篩分けされ、篩を通過しなかった材料が回収され、
重量測定された。破砕性試験に於ける研摩材の性能は破
砕性指数として定量化された。これらの試験結果が下記
の表１に示されている。破砕性指数はボールミルによる
破砕に耐えた研摩材のパーセンテージ、即ち研摩材がボ
ールミルによる粉砕後に篩分けされた場合に篩上に残存
する研摩材の重量（ｇ）を最初のサンプル重量（10g）
にて除算し、それを100倍した値である。破砕性指数が
高ければ高いほど、材料の破砕性は小さい。

ガラス状アルミナ（ノートン・カンパニー（Norton C
o.）製「38Alundum」、46メッシュ）、炭化ケイ素（ノ
ートン・カンパニー製「37Crystolon」、14メッシ
ュ）、ゾル−ゲル状に製造されたアルミナ−アルマン酸
マグネシウム材料（スリーエム・カンパニー（3M Co.）
製「Cubitron」、20メッシュ及び40メッシュ、両方が試
験された）の３つの従来より製造されている材料と、本
発明に従って後に詳細に説明する如く製造された６つの
材料（研摩材Ａ〜Ｆとして説明される）とを含む９つの
材料が試験された。

研摩材Ａが以下の如く製造された。各インゴットの一
つの面が直接大気に露呈されるよう、反応容器内に収容
されたアルミナ粒子（ノートン・カンパニー・製「E1
Alundum」、90メッシュ）の床内に、アルミニウム合金3
80.1（ベルモント・メタルズ（Belmont metals）製、公
称組成（wt％）:8〜8.5％Si、２〜３％Zn、活性ドーパ
ント（後に詳細に説明する）としての0.1％Mg、3.5％C
u、及びFe、Mn、Ni、但し実際のMg含有量は0.17〜0.18
％の如く幾分か高い値であった）の幾つかのインゴット
を配置した。次いでかくして準備されたものが炉内に配
置され、５時間かけて1000℃に加熱された。かかる条件
下に於ては、セラミック塊の成長が露呈された金属面よ
り空間中へ上方へ生じ、他の金属面を覆うE1 Alundum
内へは成長が発生しなかった。炉の温度が24時間に亙り
1000℃に維持され、しかる後５時間かけて周囲温度に冷
却された。次いで炉内の材料が炉より取出され、製造さ
れたセラミック塊が回収され、二つの鋼板間に於てクラ
ッシングすることにより粉砕された。次いで粉砕された
材料が回収され、篩分けにより46メッシュの粒子が収集
された。

研摩材Ｂが以下の如く製造された。まず各インゴット
の一つの面が空気に露呈されるよう、反応容器内に収容
された上述のアルミナ粒子と同一の90メッシュのアルミ
ナ粒子の床内に、アルミニウム合金6061（公称組成（wt
％）:0.6％Si、1.0％Mg、0.25％Cu及びCr）の幾つかの
インゴットが配置された。次いで露呈された金属面に対
し二酸化ケイ素ドーパント材の薄い層が適用された。次
いでかくして準備されたものが炉内に配置され、６時間
かけて1325℃に加熱された。この条件下に於ても、セラ
ミックの成長が空気中にはかなり生じたが、床材料中に
は生じなかった。炉の温度は約160時間に亙り1325℃に
維持され、これにより形成されたセラミック塊内より酸
化されていない金属アルミニウムが実質的に全て消費さ
れた。製造されたセラミック材が研摩材Ａの場合と同様
に粉砕され、篩分けにより12メッシュの粒子が収集され
た。

研摩材Ｃが以下の如く製造された。まず反応容器内に
収容されたアルミナ粒子（ノートン・カンパニー製「38
Alundum」、22メッシュ）の床内に10wt％Si及び3wt％Mg
を含有するアルミニウム合金の幾つかのインゴットが完
全に埋設された。次いでかくして準備されたものが炉内
に配置され、６時間かけて1250℃に加熱された。この場
合セラミックの成長が金属面よりインゴットを囲繞する
床材料中に発生し、38Alundum粒子がセラミック塊中に
組込まれた。炉の温度は120時間に亙り1250℃に維持さ
れ、６時間かけて周囲温度に冷却された。次いで炉内の
材料が炉より取出され、充填材粒子が埋め込まれた酸化
反応生成物を含むセラミック複合塊が回収され、しかる
後研摩材Ａの場合と同一のクラッシング法により粉砕さ
れた。かくして粉砕された複合材が回収され、篩分けに
より12メッシュの粒子が収集された。

研摩材Ｄが以下の如く製造された。炉内に収容された
管状アルミナ（アルコア・カンパニー（Alcoa Co.）
製、60メッシュ）の充填材の床内に研摩材Ｃを製造する
ために使用されたアルミニウム合金と同一のアルミニウ
ム合金の幾つかのインゴットが埋設された。かくして準
備されたものが炉内に配置され、６時間かけて1250℃に
加熱された。この場合反応生成物の成長がアルミニウム
合金を囲繞する充填材粒子中へ生じた。炉の温度は144
時間に亙り1250℃に維持され、６時間かけて周囲温度に
冷却された。管状のアルミナ充填材が埋め込まれたアル
ミナの酸化反応生成物を含む上述の如く製造されたセラ
ミック複合塊が同様に粉砕され、篩分けにより12メッシ
ュの粒子が収集された。

研摩材Ｅが以下の如く製造された。まず反応容器内に
収容されたソル−ゲル状に製造されたアルミナ−アルミ
ン酸マグネシウム充填材（スリーエム・カンパニー製
「Cubitron」、80メッシュ）の床内に、研摩材Ａを製造
するために使用されたアルミニウム合金と同一のアルミ
ニウム合金380.1の幾つかのインゴットが埋設された。
次いでかくして準備されたものが炉内に配置され、５時
間かけて1000℃に加熱された。炉の温度は４時間に亙り
1000℃に維持され、５時間かけて周囲温度に冷却され
た。ゾル−ゲル状の充填材が埋設されたアルミナの酸化
反応生成物を含む上述の如く製造されたセラミック複合
塊が回収され、同様に粉砕された。得られた材料に対し
篩分けを行うことにより、12メッシュの粒子が収集され
た。

研摩材Ｆが以下の如く製造された。まず炭化ケイ素粒
子（ノートン・カンパニー製「37Crystolon」、220メッ
シュ）の床及び約10gのアルミニウム合金380.1が別々に
1000℃に加熱された。次いで溶融されたアルミニウム合
金が炭化ケイ素充填材の床上に注がれ、溶融アルミニウ
ム合金上に更に炭化ケイ素充填材が層状に配置された。
次いでかくして準備されたものが48時間に亙り1000℃に
維持され、しかる後炉より取出された。炭化ケイ素充填
材が埋め込まれたアルミナの酸化反応生成物を含むかく
して製造されたセラミック複合塊が回収された。このセ
ラミック複合塊が同様に粉砕され、篩分けにより12メッ
シュの粒子が収集された。

これらの材料は上述の破砕性試験に付された。その試
験結果が下記の表１に示されている。表１より明らかで
ある如く、本発明に従って製造された６つの材料のうち
の５つの材料は上述の試験条件下に於ては同様に試験さ
れた従来の方法により製造された材料よりも破砕性が小
さいことが解った。本発明に従って製造された研摩材Ａ
は、試験された従来の方法により製造された研摩材より
も低い破砕性を有していることが解ったが、この結果は
本発明の望ましい特徴、即ち研摩材が種々の研摩材用途
の要件に適合するのに好ましい広範囲の破砕性にて製造
され得ることを示している。

本明細書に於て使用されている次の各用語はそれぞれ
下記の意味を有している。

「セラミック」とは、古典的な意味、即ち非金属及び
無機質材のみよりなっているという意味でのセラミック
塊に限定されるものとして狭義に解釈されるべきもので
はなく、親金属から誘導され又はドーパントにより生成
された一種又はそれ以上の金属成分を少量又は実質的な
量（最も典型的には約１〜40vol％の範囲内であるが、
更に大きい含有量であってもよい）含んでいるとして
も、組成又は主たる特性に関し優勢的にセラミック的で
ある塊を指している。

「酸化反応生成物」とは、一般的には金属が電子を他
の元素、化合物又はそれらの組合せに与え又はそれらと
共有した任意の酸化された状態での一種又はそれ以上の
金属を意味する。従ってこの定義に於ける「酸化反応生
成物」は、本明細書に記載された酸化剤の如き酸化剤と
一種又はそれ以上の金属との反応生成物を含むものであ
る。

「酸化剤」とは、一種又はそれ以上の適当な電子受容
物質又は電子共有物質を意味し、処理条件に於て気体
（蒸気）又は気体の一成分である。

「親金属」とは、多結晶酸化反応生成物のための前駆
物質である例えばアルミニウムの如き金属を意味し、比
較的純粋の金属、不純物若しくは合金化成分を含有する
商業的に入手可能な金属、又はその金属前駆物質が主成
分である合金を含んでいる。また特定の金属が例えばア
ルミニウムの如く親金属として呼ばれる場合には、その
金属は特に断わらない限りこの定義にて解釈されなけれ
ばならない。

「複合」とは、複合材の所望の特性を得るために密に
互いに組成された一種又はそれ以上の互いに異なる材料
よりなる不均一な材料、塊、又は物品を含むものであ
る。例えば一方を他方のマトリックス中に埋め込むこと
により二つの互いに異なる材料が密に組成されてよい。
セラミック複合構造体は一般に粒子、繊維、棒体等の如
き一種又はそれ以上の種々の充填材を囲繞するセラミッ
クマトリックスを含んでいる。

本発明によれば、研摩材は金属前駆物質が酸化される
ことにより形成されたセラミック塊又はセラミック複合
塊の粉砕された状態にて製造される。セラミック塊やセ
ラミック複合塊を製造するに際しては、酸化反応生成物
の前駆物質である親金属が適当な形態にて、例えばイン
ゴット、ビレット、プレート等の形態にて用意され、る
つぼ又は他の耐火容器内に収容された不活性材若しくは
充填材の床内に配置される。不活性の材料は処理条件下
に於ても酸化反応生成物の成長に実質的に関与しない材
料である。この不活性の材料の床はセラミック複合塊の
製造に使用される充填材の浸透可能な床とは対照的であ
り、セラミック複合塊の製造に於ては酸化反応生成物は
充填材の床に浸透して成長し、製造されるセラミックマ
トリックス内に充填材が埋め込まれる。特定の形態をな
していてよい不活性の材料は溶融親金属の塊をそれが酸
化され周囲の雰囲気中又は浸透可能な充填材中へ成長し
得るよう保持する作用をなす。

適当なるつぼ又は他の容器内に配置され親金属、不活
性の材料若しくは充填材の床を含む積層体が、親金属の
融点よりも高く酸化反応生成物の融点よりも低い温度に
加熱される。しかし温度の使用可能な範囲又は好ましい
範囲は親金属の融点と酸化反応生成物の融点との間の温
度範囲を越えていてはならない。従ってこの温度又はこ
の温度範囲に於ては、親金属は溶融して溶融親金属の塊
又はプールを形成し、酸化剤と接触すると親金属は酸化
反応生成物の層を形成する。連続的に酸化雰囲気に曝さ
れると、残存する溶融金属は次第に酸化反応生成物中及
び酸化反応生成物を経て酸化剤の方向へ吸引され、これ
によりセラミックと酸化剤との界面又はその近傍に於て
多結晶の材料が連続的に成長せしめられ、これにより製
品としてのセラミック塊又はセラミック複合塊が形成さ
れる。

多結晶酸化反応生成物は、十分な量の酸化剤が交換さ
れれば、実質的に一定の速度、即ち時間に対する厚さの
増大率が実質的に一定の割合にて成長する。酸化雰囲気
が空気である場合に於ける酸化雰囲気の交換は炉の排気
口により適宜に行われてよい。酸化反応生成物の成長は
以下の現象の少なくとも一つが生じるまで継続する。
１）実質的に全ての親金属が消費される。２）酸化剤が
消費され、又は酸化雰囲気が非酸化雰囲気に交換され又
は排除される。３）反応温度が実質的に反応温度範囲
外、例えば親金属の融点以下に変化される。一般に温度
は炉の温度を低下させることにより低下され、しかる後
炉内より材料が取出される。

製造されたセラミック製品は実質的に親金属の酸化剤
との酸化反応生成物及び随意ではあるが親金属の酸化さ
れていない成分の如き一種又はそれ以上の金属成分とよ
りなっている。得られる多結晶材料は金属相の部分的又
はほぼ完全な交換により生じる多孔性を呈するが、製品
中の空孔の体積率は温度、時間、使用される親金属の種
類の如き条件に大きく依存する。多結晶酸化反応生成物
は少なくとも部分的に互いに接続されたクリスタライト
の形態をなしている。これより本発明を特にアルミニウ
ムについて、また親金属としてアルミニウムが使用され
た特定の実施例について説明するが、以下の説明は例示
的なものであり、本発明の基準に適合し又は適合するよ
うドープされてよいケイ素、チタニウム、ハフニウム、
ジルコニウム等の他の金属が採用されてもよいことに留
意されたい。

気相酸化剤は酸化雰囲気を与えるべく処理条件に於て
通常気体又は蒸発した状態にある酸化剤である。典型的
な気相酸化剤として、例えば酸素又は酸素含有ガス、窒
素又は窒素含有ガス、ハロゲン、イオウ、リン、ヒ素、
炭素、ボロン、セレン、テルル、それらの化合物及び組
合せ、例えばメタン、酸素、エタン、プロパン、アセチ
レン、エチレン、プロピレン（炭素供給源としての炭化
水素）、空気とH₂/H₂OとCO/CO₂の如き混合気等があり、
後者の二つ、即ちH₂/H₂O及びCO/CO₂）は雰囲気の酸素活
性を低減するのに有用である。気相酸化剤が特定の気体
又は蒸気を含有し又は含むものと同定される場合には、
このことは同定された気体又は蒸気が使用される酸化雰
囲気に於て得られる条件下に於て唯一の親金属に対する
酸化剤である気相酸化剤を意味する。従って空気は「酸
素含有ガス」の酸化剤の定義に適合するが、「窒素含有
ガス」の酸化剤の定義には適合しない。本明細書に於け
る「窒素含有ガス」酸化剤の一つの例は、一般に約96vo
l％の窒素と約4vol％の水素とを含む「フォーミングガ
ス」である。

温度及び酸化雰囲気の特定の条件下に於ける或る親金
属は、特殊な追加や修正を行うことなく本発明の酸化現
象に必要な基準を満す。しかし親金属との組合せにて使
用されるドーパント材は酸化反応プロセスに好ましく影
響し又は促進することができる。ドーパントの機能に関
する特定の理論や説明に限定されることを望む訳ではな
いが、幾つかのドーパントは親金属とその酸化反応生成
物との間の適当な表面エネルギ関係が本質的に存在しな
い場合に有用である。かくして固相−液相の界面エネル
ギを低減する或るドーパント又はドーパントの組合せ
は、金属の酸化により形成された多結晶構造体が、本発
明の方法に於て必要とされる溶融金属の移送を行うため
の溝を含む構造体になることを促進し加速する。ドーパ
ント材の他の一つの機能は、安定な酸化反応生成物とし
てのクリスタライトを形成するための核生成剤として作
用することにより、又は或る態様にて最初のうちは受身
的である酸化反応生成物層を崩壊させることにより、又
はこれらの両方によりセラミック成長現象を開始させる
ことである。この後者の種類のドーパントはセラミック
成長を行わせるには不要であるが、或る親金属系につい
てかかるセラミック成長を開始させるための準備期間を
商業的に実施可能な限度内に低減する点で重要である。

ドーパント材の機能はドーパント材それ自身以外の多
数の因子に依存する。かかる因子として、例えば特定の
親金属、必要とされる最終製品、二種又はそれ以上のド
ーパントが使用される場合に於けるドーパントの特定の
組合せ、合金化されたドーパントとの組合せに於て外部
より与えられるドーパントを使用すること、ドーパント
の濃度、酸化環境、処理条件等がある。

親金属がアルミニウムであり、特に酸化剤として空気
が使用される場合に於ける有用なドーパントとして、互
いに組合された状態での、或いは後に説明する他のドー
パントとの組合せに於ける金属マグネシウム及び金属亜
鉛がある。これらの金属又はこれらの金属の適当な供給
源が、得られるドープされた金属の総重量を基準に見て
約0.1〜10wt％の範囲の濃度にてアルミニウムをベース
とする親金属中に合金化されている。任意の一つのドー
パントについての濃度範囲は、ドーパントの組合せや処
理温度の如き因子に依存する。この範囲内の濃度はセラ
ミックの成長を開始させ、金属移送を向上させ、得られ
る酸化反応生成物の成長形態に好ましく影響するものと
考えられる。

アルミニウムをベースとする親金属系について多結晶
酸化反応生成物の成長を促進するのに有効である他のド
ーパントとして、例えば、特にマグネシウム又は亜鉛と
の組合せに於て使用される場合に於けるケイ素、ゲルマ
ニウム、スズ、鉛がある。これらの他のドーパントの一
種又はそれ以上、又はそれらの適当な供給源が、合金全
体の重量の約0.5〜15wt％の範囲の濃度にてアルミニウ
ムの親金属系中に合金化される。しかしより好ましい成
長の動力学及び成長の形態は、ドーパントの濃度が親金
属合金全体の重量の約１〜10wt％の範囲である場合に得
られる。ドーパントとしての鉛は一般に、アルミニウム
中に低い溶解度が得られるよう、少なくとも1000℃の温
度にてアルミニウムをベースとする親金属中に合金化さ
れるが、スズの如き他の合金元素の添加は鉛の溶解性を
増大させ、合金化元素をより低い温度にて添加されるこ
とを可能にする。

上述の如く、状況に応じて一種又はそれ以上のドーパ
ントが使用されてよい。例えば親金属がアルミニウムで
あり、酸化剤が空気である場合には、特に有用なドーパ
ントの組合せは（ａ）マグネシウムとケイ素、又は
（ｂ）マグネシウムと亜鉛とケイ素との組合せを含んで
いる。これらの例に於ては、マグネシウムの好ましい濃
度は約0.1〜3wt％の範囲であり、亜鉛の好ましい範囲は
約１〜6wt％であり、ケイ素の好ましい範囲は約１〜10w
t％の範囲である。

親金属がアルミニウムである場合に有用なドーパント
材料の他の例として、ナトリウム、リチウム、カルシウ
ム、ボロン、リン、イットリウム等があり、これらはそ
れぞれ単独で、又は使用される酸化剤及び処理条件に応
じて一種又はそれ以上の他のドーパントとの組合せにて
使用されてよい。ナトリウム及びリチウムは100万部当
り数部の如き非常に少量にて、典型的には100万部当り
約100〜200部の量にて使用されてよく、それぞれ単独
で、又はそれらの組合せにて、或いは他のドーパントと
の組合せにて使用されてよい。セリウム、ランタン、プ
ラセオジム、ネオジム、サマリウムの如き希土類元素も
有用なドーパントであり、特に他のドーパントとの組合
せにて使用される場合に特に有用である。

ドーパント材を親金属中に合金化することは不要であ
る。例えば親金属の表面の全て又は一部に対し薄い層と
して一種又はそれ以上のドーパント材を選択的に適用す
ることにより、親金属の表面又はその一部より局部的に
セラミックを成長させることができ、また所定の領域に
於て浸透可能な充填材中へ多結晶セラミックを成長させ
ることができる。かくして多結晶セラミックの成長は、
親金属の表面上にドーパント材を局部的に配置すること
により制御される。適用されたドーパントの被覆、即ち
層は親金属の塊の厚さに比して小さく、酸化反応生成物
の成長又は形成はドーパントの層を実質的に越えて、即
ち適用されたドーパント層の厚さを越えて生じる。ドー
パント材のかかる層は塗布、どぶ漬け、シルクスクリー
ン法、蒸着、又は他の方法により液体又はペースト状の
ドーパント材を適用することにより、又は溶射により、
又は親金属の表面上に固定粒状のドーパント又はドーパ
ントの固体の薄いシート又は膜をただ単に配置すること
により適用されてよい。ドーパント材は有機又は無機バ
インダ、ビヒクル、溶媒、若しくはシックナーを含んで
いてよい。ドーパントを親金属の表面に適用する一つの
特に好ましい方法は、付着した被覆層（処理前に於ける
ドープされた親金属の取扱いを容易にする）を得るため
に、親金属の表面上に噴霧される水及び有機バインダの
混合物中にドーパントが分散された懸濁液を使用するこ
とである。

合金化ではなく外的に使用される場合に於けるドーパ
ント材は、通常親金属の表面の一部に対し均一な被覆と
して適用される。被覆として適用される量のドーパント
は、それが適用される親金属の量に比して広い範囲に亙
り有効であり、アルミニウムの場合には、その量の上限
値及び下限値を実験的に求めることはできなかった。例
えば酸化材として空気又は酸素を使用してアルミニウム
をベースとする親金属に対するドーパントとして外的に
適用される二酸化ケイ素の形態にてケイ素を使用する場
合には、マグネシウム若しくは亜鉛の供給源を与える第
二のドーパントと共に使用される場合に於て、親金属1g
当り0.00003g程度の極く少量のケイ素、又は親金属の露
呈面の1cm²当り約0.0001gのケイ素の如き量であって
も、多結晶セラミクの成長の現象が生じる。またドープ
されるべき親金属の表面の1cm²当り約0.0003g以上のMg
量、及び酸化されるべき親金属の1g当り約0.008g以上の
Mg量にて、ドーパントとしてMgOまたはMgAl₂O₄を使用す
る場合にも、酸化剤として空気又は酸素を使用してアル
ミニウムをベースとする親金属よりセラミック構造体を
製造し得ることが解った。

本発明の幾つかの好ましい実施例に於ては、例えばア
ルミニウム、ケイ素、ジルコニウム、ハフニウム、又は
チタニウムを含んでいてよい親金属及び浸透可能な充填
材の集合体が互いに隣接して配置され、また上述の酸化
反応生成物の成長が充填材へ向う方向であり、これによ
り充填材又はその一部が成長する酸化反応生成物により
浸透され、これにより酸化反応生成物中に埋め込まれる
よう、互いに他に対し配向される。親金属及び充填材の
互いに他に対するかかる配置及び配向は、ただ単に親金
属の塊を粒状の充填材の床内に埋め込むことにより、又
は充填材の床又は他の組立体内又はその上又はそれに近
接した位置に親金属の一つ又はそれ以上の塊を配置する
ことにより達成されてよい。充填材は例えば小さい板状
体、球（充実又は中空の球）、粉末、又は他の粒状体の
床、細かい砂粒、耐火繊維、小管、ホイスカ等、又はそ
れらの組合せであってよい。何れの場合にも、それらの
組立体は酸化反応生成物の成長方向が充填材の少なくと
も一部に入り込み或いは抱え込み、これにより充填材粒
子の間の空間が成長した酸化反応生成物のマトリックス
によって充填されるよう配列される。

充填材の浸透可能な集合体に浸透して酸化反応生成物
が成長することを促進し又は容易にするために一種又は
それ以上のドーパント材が必要とされ又は望ましい場合
には、ドーパントは親金属上若しくは親金属中に使用さ
れ、或いは又はこのことに加えて、ドーパントは充填材
上に、又は充填材により与えられてもよい。かくしてド
ーパントは親金属の合金成分として与えられてもよく、
また上述の如く親金属の表面の少なくとも一部に対し適
用されてもよく、或いは充填材又は充填材床の一部に対
し適用され又はそれらにより供給されてもよく、或いは
これらの方法の二つ又はそれ以上の組合せが採用されて
もよい。ドーパントが充填材に適用される方法の場合に
は、ドーパントを充填材に適用することは、例えばドー
パントを微細な液滴又は粒状体として、充填材の一部又
は集合体全体に、好ましくは充填材の床の親金属に隣接
する部分にドーパントを分散させる方法の如き任意の好
適な方法によって達成されてよい。また充填材に対しド
ーパントを適用することは、充填材を浸透可能にする内
部孔、隙間、通路、介在的空間等を含む充填材床対し又
はその内部に一種又はそれ以上のドーパント材の層を適
用することにより達成されてもよい。またドーパントの
供給源は、ドーパントを含有する剛体を親金属の表面の
少なくとも一部と充填材床との間にそれらに接触した状
態に配置することにより与えられてもよい。例えばケイ
素のドーパントが必要とされる場合には、ケイ素を含有
するガラス又は他の材料の薄いシートが第二のドーパン
トが既に適用されている親金属の表面上に配置されてよ
い。ケイ素を含有する材料が配置された親金属が酸化雰
囲気（例えば空気中に配置されたアルミニウムの場合に
は、約850〜1450℃、好ましくは約900〜1350℃）中に於
て溶融される場合には、多結晶のセラミックが浸透可能
な充填材中へ成長する。ドーパントが親金属の表面の少
なくとも一部に対し外的に適用される場合には、多結晶
の酸化反応生成物は、一般に、浸透可能な充填材内に於
て実質的にドーパントの層を越えて（即ち適用されたド
ーパント層の厚さを越えて）成長する。何れの場合に
も、一種又はそれ以上のドーパントが親金属の表面若し
くは浸透可能な充填材床に外的に適用されてよい。更に
親金属中に合金化され若しくは親金属に対し外的に適用
されるドーパントは充填材床に適用されるドーパントに
より増強されてよい。その場合には親金属中に合金化さ
れ若しくは親金属に対し外的に適用されたドーパントの
濃度が不十分であっても、充填材床に適用された余剰濃
度のドーパントにより増強が行われ、又は逆の現象が生
じる。

セラミック複合構造体を製造するプロセスに於て親金
属としてアルミニウム又はその合金を使用し、酸化剤と
して酸素含有ガスを使用する場合には、適当な量のドー
パントが上述の如く親金属中に合金化され、又は親金属
に対し適用される。次いで親金属の金属面が容器内に配
置され親金属に隣接し又は親金属を囲繞する浸透可能な
充填材の集合体に露呈された状態にて、また雰囲気が酸
化雰囲気（典型的には大気圧の空気）に設定された状態
にて、親金属がるつぼ又は他の容器内に配置される。次
いでかくして得られた組立体が炉内に於て加熱され、充
填材、ドーパント又はドーパントの濃度、又はこれらの
任意の組合せに応じて典型的には約850〜1450℃の範
囲、より好ましくは約900〜1350℃の範囲の温度に組立
体の温度が上昇され、その温度に於て親金属が通常アル
ミニウムの親金属を保護する表面酸化被膜を貫通して移
行し始める。

高温度に於て親金属を連続的に酸化剤に曝すことによ
り、上述の如く多結晶の酸化反応生成物を形成すること
ができる。セラミック複合構造体の製造に於て固体酸化
剤が使用される場合には、固体酸化剤は充填材の全体
に、又は充填材の親金属に隣接する部分に分散されてよ
い。また液体酸化剤が使用される場合には、充填材の全
体が適当な液体酸化剤にて被覆され又は液体酸化剤に浸
漬されてよい。何れの場合にも、成長する酸化反応生成
物は、親金属の酸化されていない成分又は還元可能なド
ーパントの金属成分を含んでいてよい酸化反応生成物の
マトリックスが互いに接続された状態で、成長する酸化
反応生成物はそれに隣接する浸透可能な充填材中に次第
に浸透し、これにより凝集性の複合材を形成する。成長
する多結晶マトリックスは充填材中に含浸し又は浸透す
る。

選定される親金属及び酸化剤系に応じて本発明に有用
な充填材の例として、一種又はそれ以上の酸化物、窒化
物、ホウ化物又は炭化物がある。これらの材料には例え
ば酸化アルミニウム、炭化ケイ素、シリカ、シリコン・
アルミニウム・オキシナイトライド、酸化ジルコニウ
ム、ホウ化ジルコニウム、窒化チタニウム、窒化バリウ
ム、窒化ボロン、窒化ケイ素、ダイヤモンド、二ホウ化
チタニウム、アルミン酸マグネシウム（スピネル）、そ
れらの混合物がある。しかし本発明に於ては任意の好適
な充填材が使用されてよい。

以下の例は本発明の幾つかの特徴を説明するものであ
る。

本発明に従って製造された研摩材が、商業的に入手し
得る鋼製物体を研摩し得る能力に関し、従来の方法によ
り製造されたアルミナ研摩材（ノートン・カンパニー製
「38Alundum」、篩分けにより14メッシュに選定）と比
較された。

本発明の研摩材は、実質的にアルミニウム合金と気相
酸化剤としての空気との酸化反応生成物と、炭化ケイ素
の充填材とよりなる微細複合粒子よりなっていた。この
材料は上述の研摩材Ｆの製造に於て説明した方法に従っ
て製造された。この材料に対し篩分けが行われることに
より、14メッシュのものが収集された。

20gの上述の従来の38Alundumアルミナ研摩材と、20g
の本発明に従って製造されたアルミナ−炭化ケイ素複合
研摩材とがそれぞれ別の鋼製のジャー（アッベ・カンパ
ニー（Abbe Co.）製、Mijit寸法）内に配置された。次
いで６個のねじ切りされた鋼棒が注意深く重量測定さ
れ、各ジャー内にそれぞれ３個の鋼棒が配置された。次
いでジャーにカバーが掛けられ、ジャーが回転装置上に
配置され、92rpmにて１時間半回転された。しかる後ね
じ切りされた鋼棒が各ジャーより取出され、再度重量測
定されることにより、鋼棒が受けた重量損が測定され
た。

従来の研摩材にて処理された鋼棒の重量は研摩処理前
に於ては36.37gであったのに対し、研摩処理後に於ては
36.32gであった。0.05gの重量損は１時間半の研摩時間
中に0.13％の重量減少が生じたことを示している。また
本発明の研摩材により処理された鋼棒の重量は研摩処理
前に於ては36.49gであったのに対し、研摩処理後には3
6.44gであった。0.05gの重量損は同一の時間中に0.14％
の重量減少が生じたことを示している。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミック材料を含んでなる研摩材の製造
   方法であって、次の各工程を含んでなる方法： （１）少なくとも１種のドーパントを親金属に混合し、 （２）該ドーパント含有親金属を、酸化剤の存在下で該
   親金属の融点以上に加熱し、該温度において、 ｉ）該親金属と該酸化剤を反応させて酸化反応生成物を
   形成し、 ii）該酸化反応生成物の少なくとも１表面が酸化剤と接
   触し、かつ該酸化剤と該溶融親金属の間に存在する状態
   を維持し、それによって該溶融親金属が該酸化反応生成
   物中を通って酸化剤の側に輸送されて新鮮な酸化反応生
   成物が酸化剤側に生成し、及び iii）該反応を継続して酸化反応生成物を含むセラミッ
   ク材料を形成し、さらにその後 （３）得られたセラミック材料を粉砕し、及び （４）粉砕したセラミック材料を回収する。
2. 【請求項２】該粉砕した材料をバインダーと混合し、成
   形し、硬化させ、それによって研摩材製品を形成する請
   求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】該粉砕した材料を接着剤と混合し、基材シ
   ートに施し、それによって研摩材製品を形成する請求項
   １に記載の方法。
4. 【請求項４】該親金属がアルミニウム親金属であり、該
   酸化剤が空気であり、該酸化反応生成物がアルミナであ
   る請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 【請求項５】セラミックと充填材を含んでなる研摩材の
   製造方法であって、次の各工程を含んでなる方法： （１）少なくとも１種のドーパントと共に使用する親金
   属を充填材の透過性材料に隣接して配置し、かつ該親金
   属及び該充填材を相互に関して酸化反応生成物体の形成
   が該透過性材料中に向かうように配向し、 （２）該親金属を該親金属の融点より高いがその酸化反
   応生成物の融点より低い温度に加熱して溶融した親金属
   体を形成し、かつ該温度で該溶融親金属体と気相酸化剤
   とを反応させて酸化反応生成物体を形成し、かつ該温度
   で該酸化反応生成物体の少なくとも一部を該溶融親金属
   体及び該気相酸化剤と接触しかつその間にあるように維
   持せしめて、溶融親金属を既に形成された酸化反応生成
   物体を通して該気相酸化剤に向かってかつ隣接する該充
   填材素材中に向かって引き込み、よって該充填材素材中
   の該気相酸化剤と該予め形成された酸化反応生成物体の
   界面に新鮮な酸化反応生成物を形成し、そして （３）該反応を、得られる酸化反応生成物体中に充填材
   の少なくとも一部が埋封されるに充分な時間まで継続し
   てセラミック複合体を得、 （４）得られたセラミック複合体を粉砕し、 （５）粉砕したセラミック複合材料を回収する。
6. 【請求項６】該粉砕した材料をバインダーと混合し、成
   形し、硬化させ、それによって研摩材製品を形成する請
   求項５に記載の方法。
7. 【請求項７】該粉砕した材料を接着剤と混合し、基材シ
   ートに施し、それによって研摩材製品を形成する請求項
   ５に記載の方法。
8. 【請求項８】該充填材が酸化物、窒化物、ホウ化物、炭
   化物からなる群より選択された請求項５〜７のいずれか
   １項に記載の方法。
9. 【請求項９】該充填材がアルミナ、炭化ケイ素、ジルコ
   ニア、ダイヤモンド、二ホウ化チタン、窒化ホウ素、炭
   化ホウ素、マグネシウムアルミネートスピネルからなる
   群より選択された請求項５〜８のいずれか１項に記載の
   方法。
10. 【請求項１０】該親金属がアルミニウム親金属であり、
    該酸化剤が空気であり、該酸化反応生成物がアルミナで
    ある請求項５〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 【請求項１１】酸化反応生成物と金属成分を含むセラミ
    ックマトリックスからなる研摩材セラミック材料。
12. 【請求項１２】該金属成分が少なくとも部分的に内部接
    続された請求項11に記載の研摩材セラミック材料。
13. 【請求項１３】酸化反応生成物と金属成分を含むセラミ
    ックマトリックス、及び該セラミックマトリックス内に
    埋封された少なくとも１種の充填材からなる研摩材セラ
    ミク複合材料。
14. 【請求項１４】該金属成分が少なくとも部分的に内部接
    続された請求項13に記載の研摩材セラミック複合材料。