JPS61207480A - 研磨材の製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は研磨材、さらに詳しくは研削砥石のような製品
におよび他の研磨応用に用いうる焼結アルミナ質研磨材
の製法に関する。

従来の技術及びその問題点 アルミナ質研磨材の製造はよく知られている。

最も一般的な二つの製法はアーク炉法と焼結法である。

アーク炉法では、最終生成物は一般に溶融研磨材として
知られている。焼結法では、最終生成物は一般に焼結研
磨材として知られている。溶融研磨材および焼結研磨材
は共に類似の種類の製品に使用しうる。

アーク炉法では、最終研磨材生成物は、溶融操作から得
られるので、溶融研磨材と呼ばれる。一般的には、この
ような操作は、特に強力なエネルギーを必要とする性旬
の操作であるため、経費のかかるものである。このよう
な操作はまた製造温度が極めて高いため危険でもある。

その温度は普通的２０００℃である。このような温度で
は、アーク炉内でガスが生じると、多量の溶融アルミナ
が外へ噴出する傾向がある。さらに、この方法で得られ
る個々の砥粒は、固化した炉内生成物の大きな塊を粉砕
することによって製造される。これをその後集め、様々
な大きさに篩分ける。当然、あらゆる範囲の大きさのも
のが製造され、そのうちのい（らかは他のものに較べ市
場での需要のものより太きいものとなる。不所望の大き
さの粒子の製造を最小にするために、ある程度の調整を
粉砕操作中に行なう。しかしながら、これらは依然とし
て生じ、相変らずやっかいなものであり、アルミナ質研
磨材の製造を高価なものにしている。

これまでの焼結研磨材の製造では、必要な操作温度を下
げるばかりでなく、伴なって起りうる危険性および不所
望な大きさの砥粒の製造にかかわる経費を下げるように
努力されてきた。これらの焼結研磨側は一般に、予じめ
処理されたボーキサイト、特に焼成ボーキサイトから製
造され、そして普通微粉砕工程のある操作を含んでいる
。大抵はボールミルであるこのような微粉砕工程は２４
時間に及び、通常一般的には平均粒度５ミクロンの微粉
を生じる。この粉末を通常細粒にし、次に焼結して本質
的に不所望な大きさの粒子を含まぬ砥粒にする。

発明の目的 本発明の目的は、従来技術の上記の不利な点および欠点
の多くを解消する改良方法による商業的に受は入れられ
る焼結アルミナ質研磨材の製造に関する。本発明の方法
は、高温、危険な爆発の可能性および非常に高いコスト
を伴う溶融法のアーク炉を用いる必要がないものである
。また、得られる粉末は、粒子の大きさがより細かいた
め、従来技術の焼結法によって製造されるものより表面
積が著しく広い。粒子の大きさがより細かいということ
は、より高い反応性のそしてより焼結可能な粉末が得ら
れるということである。さらに、本方法は、ゆっくりし
た微粉砕工程を避けるので、従来技術の焼成法に較べて
有利である。本発明はまた、溶融法とは対照的に、製造
工程のあまり好ましくない副生成物を、操作の効率およ
び経断性をより高めるために、後続の工程で利用する。

上の記載は本発明の目的および利点のいくつかを略述し
たものである。これらの目的および利点は、本発明のよ
りすぐれた％［および応用のいくつかの単なる例示にす
ぎないものと解すべきである。

本発明を異なる態様に適用したりあるいは示された一５
囲内で、変更することによって、他の多くの有利な結果
を得ることができる。従って、本発明の他の目的および
利点そしていっそうの理解は、添付の図面と共に示す特
許請求の範囲によって定義される不発明の範囲の他に、
詳細な説明に記載されている好ましい各々の具体例およ
び実施例から得られる。

本発明は添付の図面に示される詳しい具体例および実施
例と共に特許請求の範囲によって定義される。本発明を
手短かに述べると、本発明を、これに限定されないが表
１に示すような未焼成ボーキサイトを熱硫酸と混合して
ボーキサイトを溶解しそして硫酸アルミニウム水和物と
鉄、珪素およびチタンの醪化物および／または水酸化物
のような残留物宵を形成する工程を含む焼成アルミナ質
研磨材の製法に組込む。

本発明では、濃度がＸｔに基づいて約３５％Ｈ，ＳＱで
ある硫酸を使用するのが好ましい。他の濃度の硫酸を使
用しても満足のい（ものとなり、そして本発明の目的は
その特定の濃度を挙げることによって３５％に限定する
ことではない。事実、文献によれば、３０％〜６０％硫
酸がこの方法で受は入れられている（　Ｋｉｒｋ　−Ｏ
ｔｈｍｅｒ　Ｅｎｃｙｃｌ−ｏｐｅｄｉａ　ｏｆ　Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第３版、第２巻
、第２４８頁）。ボーキサイトは通常、これを硫酸に加
える前に粉砕する。これは、溶解工程のスピードアップ
のためにそしてまたボーキサイトのアルミナ質部分の溶
解が確実に最高となるために行なう。ボーキサイトを、
全部が８０メツシユスクリーンを通過するところまで粉
砕すると、通常満足なものとなることがわかった。ボー
キサイトの溶解の後、粗い非溶解残留物を沈でんさせる
ためＫ、混合物を短時間放置する。細かい非溶解性の不
純物が硫酸アルミニウム溶液中に懸濁して残るが、この
ためにめんどうなことが生じることはなかった。放置後
、熱硫酸アルミニウム溶液を排水するかあるいはデカン
トして、粗い非溶解残留物鵞を後に残す。冷却すると、
硫酸アルミニウム溶液は約８ｂ″Ｃで固化する。これは
おそらくその温度であるいはその付近で硫酸アルミニウ
ム水和物が形成されるためである。“硫酸アルミニウム
浴液″および”Ｗｔｆ、Ｈアルミニウム水和物“という
語は、ここではややゆるやかな意味で使用する。これら
両者には“硫酸アルミニウム溶液”を反応容器から取出
した時に除去されなかった不純物が含まれていることに
Ｉ＃Ｉ意丁べきである。しかしながら、簡略化のために
、これらの語は本発明においては、不純物について繰返
し述べることなく使用する。

硫酸アルミニウム水和物を加熱して水を追い出し、そし
て硫酸アルミニウムを形成する。次に硫酸アルミニウム
を焼成してガンマアルミナと三酸化硫黄にする。

三酸化硫黄は、その後の溶解工程で使用するための（追
加の）硫酸を製造するために、水を加えることによって
公知の方法で再循環させうる。

次にガンマアルミナを水および適当な分散剤、たとえば
クエン酸と、と混合することによって形のあるグリーン
ボディーにする。得られたスラリーを容器に注ぎ、加熱
して乾燥したケーキにする。

グリーンボディーとしても知られている乾燥ケーキを細
粒に砕き、篩分けして所望の大きさの粒子を得る。プレ
スま′たは押出法のいずれかを乾燥ケーキの形成に使用
しうる。乾燥ケーキの粉砕で生じた不所望の細かい粒子
は、これらをさらにスラリーにするための適量の水およ
び分散剤と混合することによって再循環させうる。次い
でスラリーを前述のように処理する。次にグリーンボデ
ィーからの残りの適当な大きさの細粒を予じめ決めた時
間加熱することによって焼結する。この焼結の後、粒子
を冷却し、次いで種々の研磨材粒子粒度に篩分ける。

本方法は一般に、未焼成ボーキサイトおよび硫酸の量を
、硫酸を２０％過剰に至るまでにして、ボーキサイトの
アルミナ含有量に基づいてほぼ理論比で混合した量で始
める。溶解工程から得た硫酸アルミニウム水和物を次に
大気圧下的２０５℃に加熱して無水硫酸アルミニウムを
得る。次の工程は焼成であり、これは材料をその温度に
保つ時間の長さによって、一般に約９００℃〜１０１０
℃で行なう。この範囲の上の方の温度では通常焼成時間
はより短くなる。焼成は７７０℃という低い温度で行な
い５るが、かなり長い焼成を行なう必要がある。最終焼
結は１４５０℃にて１５〜３０分の時間間隔で、酸化条
件下で行なうのが好ましい。１３５０’ないし１５５０
℃の温度範囲は約４時間から約１１′Ｏ分の所要時間で
あることがわかった。

た。

上の記載は、より適切で重要な本発明の特徴をやや大ま
かに略述したものであり、これは以下の本発明の詳細な
説明をよりよく理解し、その結果本発明のこの技術分野
への貢献をさらに十分に認識できるようにするためのも
のである。本発明の特許請求の範囲の主題を形成する、
本発明のさらに別の特徴は、以下に記載される。当莱技
術者にはここに記載の事項および特定の具体例および実
施例を、これを基にして変更したりあるいは本発明と同
じ目的を実施する他の方法を計画するのに容易に利用し
うるということは、言うまでもないことである。当業技
術者にとって、そのような同等の方法が特許請求の範囲
に示す本発明の精神および範囲から逸脱しないことは、
言うまでもないことである。

本発明の性質および目的をさらに十分に理解するために
、添付の図面と関連させて以下の詳しい説明を参照され
たい。

第１図は、本発明の種々の工程を示すフローチャートで
あり、そして 第２図は、焼結粒子密度が温度と共にどのように変化す
るかを示すグラフである。

実施例１ 本発明の好ましい具体例または実施例を添付の図面の第
１図に示す。この好ましい具体例では、５０Ｉ！の未焼
成スリナムボーキサイトを２２５−の３５％硫酸と混合
した。この混合物を攪拌し、そして電熱器を使用して温
度を約１０５℃に保った。３０分後攪拌をやめ、この溶
液を数分間放置して前述のように非溶解不純物を沈でん
させた。

硫酸アルミニウムと溶解したおよび／または懸濁した不
純物を含有するこの溶液を容器に注ぎ出し、そして固化
させた。主に非溶解珪酸およびチタン鉄スラッジででき
た残留物が反応容器内に残った。

残留物質の化学組成は、初めの未か焼ボーキサイト鉱石
中に存在する異質の不純物によってそしてスラッジおよ
び上澄み液を溶解工程後分離するかどうかによって変化
するだろう。固化した硫酸アルミニウム水和物を２０５
℃に加熱し、この温度に約９０分間保った。これはほと
んどの水を追い出すのに十分であった。遊離水および化
学的結合水を除去するためのこの乾燥工程における条件
範囲が非常に広いことは言うまでもないことである。

時間・温度および圧力の変更は当業技術者には容易に決
定しうろことである。

乾燥後、硫酸アルミニウムを２０メツシユスクリーンを
通過するように粉砕した。この粉砕は：１）その後のか
焼工程での三酸化硫黄の除去を容易にするため；そして
２）材料がか焼を行なうのに使用するロータリーチュー
ブ炉を通過するのを容易にするために行なう。この粉砕
工程は、もしか焼を他の型のか焼装置内で長い時間にわ
たって行なうならば、必ずしも実施する必要はない。

次に乾燥し粉砕した硫酸アルミニウムを１０１０″Ｃで
か焼した。か焼（Ｃａ１ｃｉｎａｔｉｏｎ　）は、硫酸
アルミニウムのような物質を溶融せずに比較的高温で加
熱し、これによって不所望の揮発性物質を追い出しそし
てまた残りの物質を酸化する工程である。この工程はま
た初めの硫酸アルミニウム物質を焼結可能なガンマアル
ミナに転化きせる作用がある。

か焼の主な副生成物は三酸化硫黄である。このようにし
て生じた三酸化硫黄は未焼成ボーキサイトの溶解に初め
に使用した硫酸へ再循環させるのが好ましい。このよう
な再循環の間、水を三酸化硫黄へ加えて新しい硫酸をつ
くり、次にこれを後続の処理および硫酸アルミニウム水
和物の追加製造に使用しうる。

約３２，９０ガンマアルミナがか焼で得られた。

この物質を細かく砕いた。調べたところ、このガンマア
ルミナは最終的に約０．０２５ミクロメーターの粒度で
あった。これらの粒子はある程度凝集していた。このガ
ンマアルミナを焼結の前にまずグリーン（非焼成）ボデ
ィーに成形した。グリーンボディーは水および適当な分
散剤、たとえばクエン酸、と予じめ混合するスラリ一工
程によって作った。スラリー中のクエン酸の濃度は、ス
ラリーの全ｉｔに基づいて、１．５％であった。ガンマ
アルミナの濃度は４２重量％であった。この混合物を次
に容器に注ぎ、そして乾燥して乾燥ケーキにした。さら
にたとえばプレスまたは押出技術をガンマアルミナから
乾燥ケーキの製造に利用してもよい。

別のプレス法を用いるとしたら、ガンマアルミナを自己
支持物体に圧縮することによってグリーンボディーをつ
くる。加える圧力は、各々の隣接するガンマ−アルミナ
が各々の丁ぐ隣の粒子と緊密に接触するよう圧縮するの
に十分なものであり、それによって結晶の成長が接触点
で促進される。

この工程によって後続の焼結が容易になる。約５トン／
インチ−（約０．８トン／ｃｄ）の圧力で一般に十分で
ある。

再びスラリー法に関して述べると、グリーンボディーは
どのような周知の加熱法によっても乾燥される。次いで
こ′れを細粒に砕き、篩分ける。焼結中の収縮を考慮し
て、約２４〜３６メツシユの粒子を篩分けで得る。これ
はたいていの開業的応用に対して好ましい範囲であるが
、所望に応じて変えてもよい。所望の太きさより小さい
篩分は粒子は、グリーンボディー形成工程から始まる後
続工程のためのスラリーへ再循環させる。所望の大きさ
より大きい粒子は砕いて再び篩分ける。

残りの好ましい大きさのガンマアルミナ粒子を次に酸化
条件下約１４５１）℃にて約１５〜３０分間焼結する。

広い範囲の温度および時間、たとえば約４゛時間〜約１
０分間で１３５０’〜１５５０’　Ｃ。

が焼結を行なうのに使用できることがわかった。

第２図は、焼結粒子密度が１３５０’〜１５５０℃の温
度でいかに変化するかを゛示すグラフである。

焼結は物質を加熱または焼成する工程であり、そこで各
粒子は再結晶して、焼結した個々の粒子に相当の硬度お
よび機械的強度を付与するインク−ロック結晶構造を形
成する。焼結工程はまた、ガンマアルミナの分子構造を
再整列して、高密度の微結晶性アルファアルミナをつく
る。

焼結工程の間に、粒子の密度は再結晶を伴う団結によっ
て高まる。この団結または収縮のため、焼結に先だつ粒
子の篩分けは、所望の最終焼結粒子の太きさよりも線寸
法が約３０％〜約４０％大きい焼結可能な粒子が得られ
るようにすべきである。収縮度はある程度、グリーンボ
ディーの製造に用いた方法（スラリー、押出、プレス等
）によって決まる。そのため未焼結粒子の篩分けは、用
いる製造方法によって行なうべきである。収縮度は白菜
技術者であれは容易に測定される。

焼結は比較的単純な熱処理に思える。しかしながら、こ
れは表面エネルギー、気化−凝縮、表面および内部拡散
、塑性流れ、細孔の形、大きさおよび全体の細孔容積の
減少における同時あるいはその後の変化を含めた比較的
初雑な処理である。

また収縮、再結晶、粒子成長および粒子境界の移動も含
まれる。このような加熱、または焼成処理の間に生じる
他のものには、固体状態反応、新しい相の形成、多形転
移および新しい相の形成のための結晶化合物の゛分解が
含まれる。

焼結を行なう間の温度、圧力および時間のようナハラメ
ーターは、粒子の大きさおよび酸素の接近容易性のよう
ないくつかの因子による。焼結を固定層で行なうならば
、層の深さ、熱伝達率および空気の供給も考慮すべき因
子である。焼結の間の様々なパラメーターは、粒子にひ
びを入らせる不適当な圧力を生じることなく、揮発物が
粒子内部から脱出しうるよ５Ｋ、注意深く調整すべきで
ある。ここに示す実施例から逸脱する場合、いくつかの
実験を行って特定の状態に最適なパラメーターを決定す
る必要がある。

次いで焼結粒子を冷却し、大きさを分けてその後の製品
の製造に使用する商業サイズの研磨材粒子を得る。

実施例２ 本発明の方法の追加の実施例または具体例を、好ましい
具体例の記載に示したと同様に、同量の未焼成ボーキサ
イ）５０！ｊおよび３５％硫酸２２５献を混合すること
によって行なった。やはり上記の好ましい具体例のよう
に、ボーキサイトを溶解し、得られた硫酸アルミニウム
水和物を乾燥した。か焼は大気圧で９０５’　Ｃにて２
時間行なった。得られたガンマアルミナを、ガンマアル
ミナ３７％および水６３％よりなるペーストの押出しに
よってグリーンボディーにした。この押出したものを乾
燥し、砕きそして焼結した。焼結は酸化条件下１４５０
℃にて４時間行ない、そ度３．７６　ｆｌ　／　ｃｃの
生成物を得た。後続の未焼成ボーキサイトの溶解のため
の三酸化硫黄の再循環並びに砕いたグリーンボディーの
うちの不所望な大きさのものの再循環を含めた他方法の
工程も、上記の好ましい具体例に従って実施した。

実施例３ ここでは、前の実施例で記載したのと同様に、同量の未
焼成ボーキサイトおよび硫酸を混合し、得られた硫酸ア
ルミニウム水和物を乾燥した。乾燥した硫酸アルミニウ
ムを大気圧で１０１０℃Ｋて１５分間か焼し、そしてグ
リーンボディーをプレスすることによってつくった。こ
のプレス操作は、プランジャーを備えた円筒形の鋼製金
型に、か焼工程からのガンマアルミナを入れることによ
って行なった。プランジャーを挿入し、通常の油圧プレ
スを用いて圧力を加えた。圧力は穏かに５トン／インチ
２（０，８トン／ｃｎｌ”）に上昇させた。この圧力を
１分間保ち、次いで開放した。ガンマアルミナのプレス
ディスクを型から取り出し、砕き、篩分けしそして焼結
した。焼結は酸化条件下１５５０℃にて４時間行ない、
密度が３．７０，９／ｃｃの粒子を得た。他の方法の工
程全てを、上記具体例または実施例に示した手順に従っ
て実施した。

未焼成スリナムボーキサイトの化学分析を表１に示す。

表　　　１ Ｓｉｎ、　　　　１．９４ Ｔｏｏ、　　　　２．３７ Ｆｅ、０３４．１１ Ｎａ２６　　　　　　　　　　　　０．０１Ｍｇ０　　
　　　Ｏ，０１ Ｃｒ、０３０．０５ ＣａＯＯ，０１ 水分　　　　　　　　　　　　０．９０強熱減量　　　
　　　　　３２．４６ ＡＩ、Ｏ８（差による）　　　　　５８．１４ここに示
したものは特許請求の範囲並びに先の記載に含まれるも
のを包含するものである。本発明は上記の具体例または
実施例に示すようにその好ましい工程である程度詳しく
記したが、好ましい形のこの記載はただ例示のためのも
のにすぎないこと、そして方法および工程の細部におけ
る数字の変更を本発明の精神および範囲から逸脱するこ
となく行ないうろことは熱論のことである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の種々の工程を示すフローチャートであ
り、そして 第２図は焼結粒子密度が温度と共にどのように変化する
かを示すグラフである。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）焼結アルミナ質研磨材の製法において、以下の工
   程； ある量の未か焼ボーキサイトおよび硫酸を混合して、酸
   に可溶性の部分を溶解しそして主として硫酸アルミニウ
   ム水和物を形成し； 硫酸アルミニウム水和物をか焼して、ガンマアルミナお
   よび三酸化硫黄を別々に形成し； 上記ガンマアルミナを未焼成体にし； この未焼成体を砕いて細粒にし；そして このような細粒を焼結して、上記ガンマアルミナ細粒を
   アルファアルミナの焼結アルミナ質研磨材に変える、 ことよりなる、上記の製法。
2. （２）さらに以下の工程； 上記三酸化硫黄を再循環させ； 再循環させた三酸化硫黄に水を加えて追加量の硫酸を形
   成し；そして 追加量の硫酸を使って未か焼ボーキサイトを溶解する、 ことを含む特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. （３）上記硫酸アルミニウム水和物のか焼を約１０１０
   ℃で行なう、特許請求の範囲第１項記載の方法。
4. （４）焼結を約１３５０℃〜１５５０℃で約４時間〜１
   ０分間行なう、特許請求の範囲第１項記載の方法。
5. （５）焼結を約１４５０℃で約１５〜３０分間行なう、
   特許請求の範囲第４項記載の方法。
6. （６）未焼成体を、ガンマアルミナ、水および分散剤よ
   りなるスラリーを乾燥することによって形成する、特許
   請求の範囲第１項記載の方法。
7. （７）さらに、焼結の前にスラリーへ未焼成体からの篩
   下細粒を再循環させる工程を含む、特許請求の範囲第６
   項記載の方法。
8. （８）さらに、焼結の前に未焼成体からの篩上粒子をさ
   らに砕くために再循環させる工程を含む、特許請求の範
   囲第６項記載の方法。
9. （９）未焼成体を、ガンマアルミナを圧粉ケーキにプレ
   スすることによって形成する、特許請求の範囲第１項記
   載の方法。
10. （１０）未焼成体を、実質的にガンマアルミナおよび水
    よりなるペーストの押出によって形成する、特許請求の
    範囲第１項記載の方法。
11. （１１）焼結アルミナ質研磨材の製法において、以下の
    工程； ある量の未か焼ボーキサイトおよび硫酸を混合して、ボ
    ーキサイトを溶解しそして鉄、珪素およびチタンの酸化
    物および／または水酸化物の残留物、並びに可溶性形の
    鉄、珪素およびチタンを含有する不純な硫酸アルミニウ
    ム水和物を形成し；不純な硫酸アルミニウム水和物を約
    ２０５℃で乾燥して、不純な硫酸アルミニウムを形成し
    ；不純な硫酸アルミニウムを１０１０℃で焼成して、不
    純なガンマアルミナおよび三酸化硫黄を形成し； 三酸化硫黄を上記の硫酸へ再循環させそしてこれに水を
    加え； 不純なガンマアルミナを水および分散剤と混合してスラ
    リーを形成し、これを容器に注ぎそして乾燥して未焼成
    体を形成し； 未焼成体を粒子に砕いて篩分けし； 不所望な微細粒子をスラリーへ再循環させ；不所望な篩
    上粒子をさらに砕くために再循環させ；残りの粒子を焼
    結して不純なガンマアルミナを密度が少なくとも３．６
    ｇ／ｃｃの不純なアルファアルミナへ転化し；そして 焼結粒子を冷却、篩分けして最終の焼結アルミナ質研磨
    粒子とする、ことよりなる、上記の製法。