JPS596275B2 - アルミナ及びアルミニウムオキシ炭化物から構成された高硬度研摩剤製品及びその製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はアルミナ及びアルミニウムオキシ炭化物を基質
とする新規の高硬度研摩剤製品に関するものである。

本発明は又本発明の製品の製造方法及び物質の除去を包
含するすべての機械加工操作への適用に関するものであ
り、且つ抗摩耗性でなければならない部品に関するもの
である。

大部分の高硬度製品、詳細には現在使用されている研摩
剤は炭化ケイ素か、又は焼結あるいは電気溶融させたア
ルミナ（コランダム（ｃｏｒｕｎｄｕｍ） ）、又はア
ルミナと電気溶融させたジルコニアの混合物（ジルコニ
ア・コランダム（ｚｉｒｃｏｎｉａｃｏｒａｎｄｕｍ）
）のどれかを基質にしている。

しかしながら、摩耗抵抗性の製品、詳細には、高度の性
能はあるが、高価なために事実上使用を特殊な場合に限
定するダイアモンドあるいは立方体窒化ホウ素のような
製品を使用しない研摩剤を入手するのが望ましい場合が
おびただしくある。

本出願人はアルミナ及びアルミニウムオキシ炭化物を基
質とするある種の結晶性組成物は、コランダム及びジル
コニア・コランダムの硬度及び研摩能力よりもずっとよ
い硬度及び研摩能力があり且つその研摩特性及び摩耗抵
抗の両方のために使用することができる新規の種類の高
硬度製品の構成要素になることを見い出した。

フォスター（ＦＯ８ＴＥＲ）、その他がジャーナル・オ
ブ・ザ・アメリカン・セラミック・ソサエティ（Ｊ 、
Ａｍ、Ｃｅｒａｍ、Ｓｏｃ 、 ）（１９５６年）第３
９巻、第１号、第１ページから第１１ページまでに発表
し且つ［窯業従事者用状、態図（ＰｈａｓｅＤｉａｇｒ
ａｍｓ ｆｏｒ Ｃｅｒａｍｉｓｔｓ ） Ｊ第１巻（
１９６４年）、第１９１４号、第５２４ページに複写し
であるＡｌ２Ｏ３Ａｌ４Ｃ３状態図を考察するならば、
Ａ１３０Ｃ及びＡ１４０４で示される二種類のアルミニ
ウムオキシ炭化物があることを知ることができる。

実際問題として、Ａｌ４Ｃ３は湿潤空気中で徐々に分解
してアルミナ水和物及びメタンを生成することは公知で
あるから本発明の場合には、この炭化物を含有していな
い組成物に相当する、この状態図の左側部分だけに興味
がある。

本出願人は、一方では、Ａ１４０４Ｃオキシ炭化物は安
定であるのに、Ａｌ２ＯＣオキシ炭化物は高温でだけ安
定であるが、最初の液体混合物Ａ１２Ｏ８−Ａ１４Ｃ３
を急冷することによって準安定状態で得ることができ、
且つ他方では、融解点が約１８００℃である、Ａ１４Ｃ
３Ｐ３モル％に相当する共晶Ａ１□０３−Ａｌ４Ｃ３が
あるのに、フォスター状態図（第２図）では融解点が約
１８４０℃であるＡ１４Ｃ３Ｐ０モル％に相当する単一
の安定な共晶Ａ１２０３−Ａ１４’０４Ｃを示している
にすぎないことを見い出した。

本発明の主体験なる製品の組成についてどのような混乱
をも避けるために、各製品を炭素原子と酸素原子との和
の数に対する炭素原子の数の比率、すなわち、記号ρで
示す、Ｃ／（Ｃ＋Ｏ）で特徴づけることにする。

この定義によれば、化合物は Ａ１２Ｏ８Ｐ ：＝Ｏ Ａ Ｉ、０４ＣＰ： ＝０．２ Ａ１２０ＣＰ：＝２．５ Ａ１４Ｃ３Ｐ：＝１ である。

この比率ρは数字上ではＡ１２０３−Ａ１４Ｃ３状態図
の中のＡｌ４Ｃ３のモル分率に等しいことがわかる。

本発明の主体である高硬度の研摩剤製品はアルミナの他
に、オキシ炭化物の一つ及び（又は）他の一つ、あるい
は両方を含有することができるので、これらを上程類に
分類することができる。

すなわち、 Ａ −Ａ１２０．−Ａ１４０４Ｃの安定な組合せで構
成されている製品： １−ρが０．０１と０．１０との間である、共融マトリ
ックスＡ１２０３−Ａ１４ＱＣζこ一次アルミナ結晶を
分散させてできる亜共晶、 ２−ρが実質的に０．１に等しい共晶、 ３−ρが０．１０と０．２０との間である共融マトリッ
クスＡ１２０３−Ａ１４０４ＣにＡｌＡ１４０４Ｃ粒子
を分散させてできる過共晶、Ｂ −Ａ１２０３−Ａ１
２ＱＣの準安定組部せで構成さたている製品： ４−ρが０．０１と０．１３との間である、共融マトリ
ックスＡ１２ＱＣ−Ａ１２ＱＣに一次アルミナ結晶を分
散させてできる亜共晶、 ５−ρが実質的に０．１３に等しい共晶、６−ρが０．
１３と０．５０との間である、共融マトリックスＡ１２
０３−Ａ１２ＱＣにＡｌ２ＯＣ粒子を分散あせてできる
過共晶、 ７−ρが０．２０と０．５０との間で変化することがで
きる三元組合せＡ１２０３−Ａ１２０Ｃ−Ａ１４０４□
□□できている製品。

アルミナ含有量は種々の場合で、 値）低含有量に関しては、一次アルミナ粒子を確実に結
合させるために共晶を適当な割合にする必要のために。

この限度は約ρ＝０．０１に相当し、 （ｂ） 高含有量に関しては、湿潤空気中で不安定で
あり、且つ安定状態に関しては、ρ＝０．２０よりも大
きく、且つ準安定状態に関しては、ρ＝０．５０よりも
大きく出る、Ａｌ４Ｃ３の存在を避ける必要のために、 限定される。

しかしながら、実際問題としては０．０２と０．２０と
の間のρに相当する組成物が最も興味深いことを見い出
した。

本出願人は又、今開示したばかりの高硬度研摩剤組成物
はアルミナ及び炭素質物質を融解し、且つ制御された速
度で冷却して得ることができることを見い出したが、こ
れが本発明のもう一つの主体である。

炭素質物質は炭素の通常の形態の一つ、例えばグラファ
イト、コークス、ランプ・ブラック、無定形炭素の形態
の炭素自体でもよく、あるいは炭化アルミニウム、Ａ
ｌ ４ Ｃ３のような化合物でもよく、あるいはアルミ
ニウムと炭素との混合物であってもよい。

最初の成分の割合は所望の組成の関数としての化学量論
方程式に基いて計算する。

この過程の実施を説明するために実施例を示す。

溶融操作中にＡ１□ＯＣの揮発を認めることができるけ
れども、計算した組成と得た組成物との間に認められる
不一致は極わずかに過ぎない。

溶融を行う炉のタイプいかんでは、アルミニウム窒化物
又はカルボニトリドの生成の危険を残らず避けるように
、乾燥した不活性ガスふんい気中で操作するのが好まし
いことがあるが、外気中で操作することもできる。

冷却速度は生成物の構造を決定する不可欠な要素である
。

例えば１０℃／分から２０°Ｃ／分までの徐冷、あるい
は急冷し、続いて、例えば１５００℃で２４時間、又は
１８１０℃で１５分間の焼きなましで安定な構造、すな
わち主としてＡ ｌ ２０３及びＡ１４０４Ｃ化合物を
含有する構造になる。

５０’Ｃ／分から１００℃／分までの程度の急冷、ある
いはもつと速い急冷では準安定構造、すなわちＡｌ２Ｏ
３及びＡ１□ＯＣ化合物を含有する構造になる。

中間の冷却速度に対しては、化合物Ａ ｌ ２０３ 、
Ａ ｌ□ＯＣ及びＡ１４０．Ｃを含有する複雑な三元構
造のある物質を得ることもできる。

例えば、公知の方法で金属の大塊の中又は上に流し込む
（冷却固体インゴット成形、金属ペレットの積み重ね）
ことによって得られるもつと速い速度でも一段と微細な
結晶のある準安定構造になる。

下記の実施例では限定的でない仕方で本発明を実施する
ための条件を説明する。

これらは第１表に示す。

実施例１から実施例６までには特別な説明は必要でなく
、実施例７及び実施例８では、急冷して得た準安定構造
が１８１０℃で１５分間焼きなましして安定状態になる
ことを示す。

次に、一連の試験で、本発明の主体である高硬度の研摩
剤組成物の特性の測定を行った。

この数値の決定には原則として、［ルブユ・ド・メタリ
ュルジー（Ｒｅｖｕｅ ｄｅ Ｍｅｔａｌ ｌｕｒｇｉ
ｅ）Ｊ 、パリ、６月、１９６９年、第４７１ページか
ら第４７６ページまでに、セ・ラゴン（Ｃ，１ＧＯＮ）
、エル・ブロン（Ｌ、ＢＥＬＯＮ）、及びアシュ・フォ
ルスチェ（Ｈ，ＦＯＲ８ＴＩＥＲ）が発表し、又「メモ
ワール・ジアンテイフイーク・ド・う・ルブユ・ド・メ
タリュルジ−（Ｍｅｍｏｉｒｅｓ ５ｃｊｅｎｔｉｆｉ
ｑｕｅｓ ｄｅｌａ Ｒｅｖｕｅ ｄｅ Ｍｅｔａｌｌ
ｕｒｇｉｅ）Ｊ、第１号、１９７３年、第５５ページか
ら第５９ページまでに、ジ・エル・ブロン（Ｊ、Ｌ、Ｄ
ＥＬＯＮ）、セ・ラゴン（Ｃ，ＲＡＧＯＮ）及びアシュ
・フォルスチェが発表した機械及び方法を使用した。

採用した方法は次の通りである。

所定の金属に対しては、１２０°の角度をなしている三
面角すい形に作った、試験しようとする研摩剤から切り
とった工具によってこの金属でできている円筒から取り
除いた量を測定した。

金属円筒は３０ｍ／秒程度の周辺速度で回転する心棒の
周辺に固定する。

心棒の各回転中、円筒は試験中の工具の先端の前を通過
し、先端は円筒にみぞを描く。

工具は円筒の母線に沿って移動してその全長６ＣＩｒＬ
にわたって制御された重なりで一連のみぞを作る。

各試験後に、除かれた金属の量及び工具の摩耗の程度は
重ねを測って測定する。

試験の初めに角すいの形をした工具には先端があるが、
これは角すいが摩耗するにつれて変形して平らな三角形
の表面になる。

工具の摩耗はこの平らな三角形の表面積で表わす。

試験を始めるときには、角すいの先端のこの表面は小さ
くしてあって、表面積は０．００５−から０．０１１ｎ
１ｉまでの程度である。

条件は正確に合わせる研摩作業（微粒子研摩機〕の条件
と間中である。

試験の終り近くには、新しくできた表面は２−はどにな
ることがある。

これらは仕上げ研摩作業（粗粒子研摩機）に近い条件で
ある。

この試験では、調べている粒子の作用は、一連続した二
回の摩耗でできる三角形の表面積の値の間の、工具で除
去された量が特徴になる。

これらの試験の結果を更に説明し、且つ種々の研摩剤の
間の比較を簡単化するためには、 一方では、横座標としてｒｎａを単位にした工具で摩耗
した三角形の表面積Ｓをとり、縦座標として−を単位に
した除去された金属の全累積容積■をとってグラフを描
く。

各試験及び各タイプの金属に対して、特性曲線Ｖ二ｆ（
Ｓ）を描くことができ、これは実際問題としては、研摩
剤の性能が高い程、角係数が大きくなる直線と見なすこ
とができる。

他方では、各曲線の角係数を所定の条件下で使用した研
摩剤の「品質係数（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆｑｕ
ａｌｉｔｙ）Ｊλとして抑えておくためには、この係数
は龍単位で表わした容積対表面積の比である。

第１図では焼結ボーキサイト及びジルコニア・コランダ
ムで作った工具及び本発明による組成物を基質とする工
具に関する幾つかの曲線を示す。

第１表の実施例に相当する８種類の製品に関しては、第
２表で、 ゛ 負荷４ ｄａＮを２０秒間かけたときのヌープ（ＫＮＯ
ＯＰ）硬度（ｄａＮ／１１Ｌ１！で表わした硬度−第１
縦行）、 一方では未処理のＸＣ３８炭素鋼で試験した８種類の製
品の品位係数「λ」（第２縦行）、及び他方ではＺ１０
ＣＦ１７フエライト質ステンレス鋼で試験した８種類の
製品の品位係数「λ」（第３縦行）、 を示す。

組成物： （ＣＯ，３５１０，４０％ ） ＣＸ３８ Ｍｎ Ｏ，５０１０，８０％（ ）Ｓｉ Ｏ，１０１０，４０％ （Ｃ＜０．１２％ ） （Ｍｎ ＜１．５％ ） Ｚ１０ＣＦ１７ （Ｓ ｉ ＜ １．０％） （Ｃｒ＜１６％から１８％まで ） （Ｎｉ ＜０．５％ 第１図の曲線はＸＣ３８鋼上の金属を除去するのに使用
した下記の研摩剤に相当する。

曲線１：焼結ボーキサイト（λ＝６朋） 曲線２：ジルコニア・コランダム（λ＝ ８ ｙｎｗ
）曲線３：本発明による研摩剤、第１図、第３号（λ＝
１１３０ｍｍ） 曲線４：本発明による研摩剤、第１図、第６号（λ−＝
２０８０ｍｍ） 曲線５：本発明による研摩剤、第１図、第４号（λ＝６
２００ｍｍ） 通常の研摩剤に比較して、本発明の主体である組成物の
優秀さ、及び特に、特性が現在使用している最良の研摩
剤をはるかに引き離している組成組第４号の優秀さを認
めることができる。

いわゆる［準安定（ｍｅｔａｓｔａｂｌｅＪ研摩剤組成
物は最も苛研研摩作条件のときでさえ完全な安定性があ
り且つ準安定構造の安定構造への変態は、これを１５０
０℃よりも高い温度に長時間保持することによって起こ
るにすぎないことにも注目するべきである。

これらの新規の高硬度組成物は荒削り及び細かな研摩及
び補修の両作業用に研摩剤として適切である。

すべての場合に、本発明の工具で除去する金属量は、研
摩剤の同−消善量について言えば、他の研摩剤で除去す
る量よりもはるかに多い。

本発明の研摩剤は公知のすべての形態で、且つその高い
硬度及び研摩能力を利用するすべての適用に対して使用
することができる。

非限定的な例を示せば、 切断円盤、正確に合わせる、すなわち仕上げ研摩機械用
の団塊にした研摩剤、 布及び紙の機械加工、あるいはつや出しに使用する研摩
剤、 研摩及びのこぎり引き用の粉末、 ショット・ブラスティング（５ｈｏｔ ｂｌａｓｔｉｎ
ｇ）又はトンネル掘りのような機械的表面仕上げ作業用
小部品、 ダイス及び絞りリング、ワイヤガイド、切断板のような
摩耗抵抗性でなければならない固い部品又はゆるい部品
、 である。

これらの場合に部品は液体を冷えた型に鋳物で得ること
ができる。

このように可能な適用には金属変態及び機械加工操作、
並びに鉱物物質を包含する操作（例えば岩石の穴あけ、
のこぎり引き）、あるいは著しく摩耗を受ける装置の建
設に包含される工業をさえも包含している。

【図面の簡単な説明】

第１図は工具の摩耗した先端の三角形の面積を横軸（単
位−）とし、工具によって除去されたＸＣ３８鋼の全累
積容積を縦軸（単位ｍ７すとして、焼結ボーキサイト、
ジルコニア・コランダム及び本発明による製品で作った
工具について描いた品質係数曲線である。 第２図はフォスターのＡ１２０３−Ａ１４Ｃ３の安定平
衡状態図を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アルミナの結晶相と二種類のアルミニウムオキシ炭
   化物ＡＩ、ＱＣ及びＡＩ、０４Ｃの内の少なくとも一種
   類の結晶相との組合せで構成され、その中の炭素原子の
   数対炭素原子と酸素原子との和の数の比率ρ＝（Ｃ／（
   Ｃ十〇））が０．０１と０．５０との間である、高硬度
   研磨剤製品。 ２ 比率ρは好ましくは０．０２と０．２０との間であ
   る、特許請求の範囲第１項に記載の高硬度研磨剤製品。 ３ 比率ρが０．０１と０．１との間である共融マトリ
   ックス（Ａｌ ２０３−Ａ １，０４Ｃ）の中に一次の
   アルミナ結晶を分散させることによって構成されている
   、特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の高硬度研磨
   剤製品。 ４ 比率ρが実質的に０．１０に等しい共晶Ａ１２０３
   −Ａ１４０４Ｃで構成されている、特許請求の範囲第１
   項又は第２項に記載の高硬度研磨剤製品。 ５ 比率ρが０．１０と０．２０との間である共融マト
   リックスＡ１２０３−Ａ１４０４Ｃの中にＡ１４０．Ｃ
   粒子を分散させて構成されている、特許請求の範囲第１
   項又は第２項に記載の高硬度研磨剤製品。 ６ 比率ρが０．０１と０．１３との間である共融マト
   リックスＡ１２０３−Ａ１２０Ｃの中に一次アルミナ結
   晶を分散させて構成されている、特許請求の範囲第１項
   又は第２項に記載の高硬度研磨剤製品。 ７ 比率ρが実質的に０．１３に等しい共融混合物Ａ１
   ２０３−Ａ１２０Ｃで構成されている、特許請求の範囲
   第１項又は第２項に記載の高硬度研磨剤製品。 ８ 比率ρが０．１３と０．５０との間であり、好まし
   くは０．１３と０．２０との間である共融マトリックス
   Ａ１□０．−Ａ１２ＱＣの中にＡ１２００粒子を分散さ
   せて構成きれている、特許請求の範囲第１項又は第２項
   に記載の高硬度の研摩剤製品。 ９ 比率ρが０．０２と０．５０との間であり、好まし
   くは０．０２と０．２０との間である結晶相の三元組合
   せＡｌ ２０３−Ａ１２ＱＣ−ＡＩ、０４Ｃを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の高硬度研磨
   剤製品。 １０アルミナ及び炭素質物質の混合物を溶融する、アル
   ミナの結晶相及び二種類のアルミニウムオキシ炭化物Ａ
   １２ＱＣ及びＡ ｌ ４０． Ｃの内の少なくとも一種
   類の結晶相の組み合わせにより形成された非常に硬い研
   摩側製品の製造法において、アルミナ＋炭素質物質の混
   合物が、平衝状態図Ａｌ２Ｏ３＋Ａｌ４Ｃ３において、
   ０．０２〜０．２０のＡｌ４Ｃ３のモル割合に相当する
   割合で生成されること、そして 溶融混合物が分当り１０から１００°Ｃ以上までの制御
   された速度で冷却されることを特徴とする非常に硬い研
   摩側製品の製法。 １１ Ａｌ２Ｏ３及びＡＩ、０４Ｃを本質的に含む安定
   構造を生成するように、冷却速度が分当り２０℃に等し
   いかまたはそれより小さい、特許請求の範囲第１０項に
   記載の方法。 １２Ａ１２０３及びＡ１□ＯＣを本質的に含む準安定構
   造を生成するように、冷却速度が分当り５０°Ｃに等し
   いかまたはそれより高い、特許請求の範囲第１０項に記
   載の方法。 １３Ａ１□０３．Ａｌ、０４Ｃ及びＡ１□ＯＣを含む同
   じ混合された構造を生成するように、冷却速度が分当り
   ２０〜５０℃である特許請求の範囲第１０項に記載の方
   法。 １４Ａ１２０３及びＡｌ ４０．Ｃを本質的に含む安定
   構造を生成するために、生成物が分当り５０℃に等しい
   かまたはそれより高い速度で冷却され、次に１５分〜２
   ４時間の間１５００〜１８１０℃の温度に再び加熱され
   る、特許請求の範囲第１０項に記載の方法。 １５炭素質物質が炭素、特にグラファイト、コークス、
   ランプブラックまたは無定形炭素である特許請求の範囲
   第１０項から第１４項までのいずれか１項に記載の方法
   。 １６炭素質物質が炭化アルミニウムＡｌ４Ｃ３である、
   特許請求の範囲第１０項から第１５項までのいずれか１
   項に記載の方法。 １７炭素質物質が炭素及びアルミニウムの混合物である
   、特許請求の範囲第１０項から第１６項までのいずれか
   １項に記載の方法。 １８溶融操作を乾燥した不活性ガス中で行う、特許請求
   の範囲第１０項から第１７項までのいずれか１項に記載
   の方法。 １９溶融操作及び冷却操作の少なくとも開始が乾燥した
   不活性ガス中で行うことを特徴とする特許請求の範囲第
   １０項から第１８項までのいずれか１項に記載の方法。 Ｚ溶融生成物を公知の方法で金属の大塊の上又は中に流
   す、特許請求の範囲第１０項から第１９項までのいずれ
   か１項に記載の方法。