铈基磨料及其生产过程的利记博彩app

专利名称：铈基磨料及其生产过程的利记博彩app
对相关申请的交叉参考本申请是基于35 U.S.C.$111(a)而提出的，并依照35 U.S.C.$119(e)(1)的规定而要求享受依据35 U.S.C.$111(b)提出的申请日为2001年2月21日、临时申请号为60/269,843的临时申请的申请日。
因为液晶显示器的玻璃基板要能承受后热处理过程中的高温，因此那些基板要求具有高的热阻。另外，基板在重量减少的趋势下已经变的越来越薄。对于磁盘的玻璃基板，同样要求减少基板的厚度以迎合重量减少和高机械强度尤其硬度的趋势，以能够承受如高速转动过程中所产生的磁盘的变形。这些要求近年来已经变的越来越高。
为了满足上述例如厚度减小和机械强度的要求，在玻璃的化学组成和生产方法方面已经做了许多改进，使得主要含有铝硅酸盐的玻璃基板作为液晶显示器或者磁盘的基板。对于磁盘的玻璃基板，传统上用主要成分为锂硅酸盐或者石英晶体的玻璃陶瓷基板。采用此类基板的玻璃具有非常差的可加工性，因此，当使用传统的磨料时，加工速度很慢以致生产力下降。因此，就需要高抛光速度和高精密度的表面抛光性能。
对于使用在玻璃基板表面抛光的传统磨料，已经使用了一种主要含有稀土氧化物，尤其铈氧化物的磨料，因为铈氧化物在抛光速度方面比铁氧化物、锆氧化物或二氧化硅高好几倍。在使用这种磨料时，磨料颗粒通常被分散在液体比如水中。当传统的含有铈氧化物的磨料被用来抛光前面提到过的高硬度玻璃基板时，就会出现低抛光速度的问题。
尽管含铈氧化物的磨料的抛光原理还没有完全被阐明，但是已经得到广泛承认的是，抛光是因为铈氧化物对玻璃的化学作用与来自铈氧化物颗粒自身硬度产生的机械作用之间的协同作用而进行的。然而，由于主要成分为铝硅酸盐的玻璃基板和主要成分为锂硅酸盐的玻璃陶瓷基板具有优异的抗化学物质性能，磨料的化学作用不能得到充分的发挥。另外，因为那些玻璃基板(被加工)具有高的硬度，磨料颗粒容易发生破坏，导致在玻璃上不能维持足够的机械作用，以至于使加工速度下降。
为了长时间维持机械作用，一种可能可行的方法是，将比待加工的基板具有更高硬度的例如氧化铝或者氧化锆的粉状颗粒添加到磨料里。然而，当采用这种方法的时候，铈氧化物的相对浓度就会降低，从而导致化学作用变差。另外，具有高硬度的粉状颗粒还会给(待加工的基板的)玻璃表面带来不利的缺陷，例如凹痕和划痕。
本发明已经解决了传统技术中的上述问题。因此，本发明的目的之一是提供生产一种含铈磨料的方法，这种磨料对于硬的而且在高抛光速度下不易抛光的玻璃材料能长时间维持初始抛光速度，而且对于待抛光的材料(例如玻璃)不产生表面缺陷，例如凹痕和划痕，从而提供高质量的抛光表面。本发明的另一个目标是提供一种根据这个方法获得的含铈磨料。
本发明的含铈磨料含有立方晶系的复合稀土氧化物和复合酸性稀土氟化物，其中磨料中根据氧化物计算稀土元素含量不少于90质量％，并且稀土元素中根据氧化物计算铈元素的含量不少于55质量％。
本磨料包括一种磨料，当通过X射线衍射检测时，其立方晶系的复合稀土氧化物的主衍射峰的2θ角度不小于28.2度。
本磨料包括一种磨料，当通过X射线衍射检测时，其酸性稀土氟化物的主衍射峰的强度相对于立方晶系复合稀土氧化物主衍射峰的比值范围为0.2～1.0。
本磨料包括一种磨料，其主要颗粒的尺寸为10～50nm，比表面积为2～10m2/g。
本磨料包括一种磨料，其中含有百分比为5～10质量％的氟。
本发明的生产含铈磨料的方法包括在500～1100℃煅烧混合轻稀土化合物，(其中这些混合轻稀土化合物是从含有稀土元素的矿石中通过化学法去除中等的到重稀土元素、钕和其它非稀土元素的杂质而得到的)，从而得到混合的稀土氧化物。
磨料的生产过程包括将铈基稀土氟化物加入到混合的稀土氧化物中，并且使得到的混合物通过湿法粉碎，干燥，煅烧，粉碎和分级，从而得到含铈磨料。
磨料的生产过程包括将铈基稀土氟化物和通过使混合轻稀土化合物碳酸化而得到的混合稀土碳酸盐加入到混合的稀土氧化物中，并且使得到的混合物通过湿法粉碎，干燥，煅烧，粉碎和分级，从而得到含铈磨料。
在生产过程中，稀土氟化物是铈基混合轻稀土化合物的氟化物，这种氟化物是通过将氟化物加入到混合轻稀土化合物中，并且在不高于400℃下热处理该混合物得到的。
在生产过程中，煅烧是使用煅烧炉，例如电炉或者推料炉在空气中进行2到36个小时。
构成如上所述的含铈磨料对于硬玻璃材料能长时间保持初始抛光速度，并且能提供具有小的表面粗糙度的高质量光洁表面。附图的概括描述

图1是实施例1中所得到的磨料的X射线衍射图。
图2是对照实施例1中所得到的磨料的X射线衍射图。实施本发明的最佳方式本发明的含铈磨料含有氟，并尤其含有立方晶系复合稀土氧化物和复合酸性稀土氟化物，其中磨料含有根据氧化物计算不少于90质量％的稀土元素，并且稀土元素中根据氧化物计算铈元素的含量不少于55质量％。
含铈磨料中氟的适合的含量在5～10质量％的范围内。当氟的含量低于5质量％时，抛光速度就会变慢。另一方面，若氟的含量高于10质量％，稀土氟化物将残存以致抛光速度变慢而且形成划痕。
当稀土元素通过RE表示时，立方晶系复合稀土氧化物是一种可以表示为例如RE2O3的化合物，而复合酸性稀土氟化物是一种可以表示为例如REOFREO的化合物。依据本发明，含铈磨料必须主要由上述两种化合物组成。这里使用“主要”这个词，是因为含铈磨料还可能含有添加剂等。通常磨料的X射线衍射会检测到除了这两种化合物以外的物质产生的少量的晶体峰。这里特别强调的是，这些物质产生的晶体峰并不包括在上述两种化合物产生的晶体峰之内。
这里特别强调的是，磨料中依据氧化物计算，所有稀土元素的含量不低于90质量％，最好不低于95质量％，而且依据氧化物计算，所有稀土元素中铈的含量不低于55质量％，最好不低于60质量％。磨料中所有稀土元素的含量通过仪器进行分析检测，例如ICP分析或者X射线荧光光谱分析。磨料中稀土元素的含量通过仪器进行分析检测，检测结果依据氧化物进行计算。
当本发明含铈磨料中的所有稀土元素的含量低于90质量％，或者当所有稀土元素中的铈含量低于55质量％，对抛光不产生作用的颗粒的数量增加，从而导致抛光速度变慢，并且在抛光的过程中使抛光的材料产生划痕。
本发明的含铈磨料，当通过X射线衍射检测时，立方晶系稀土氧化物主峰的2θ衍射角宜不小于28.2度。X射线衍射检测显示普通的铈氧化物的主峰的衍射角为27.8度。本发明中的主峰的位置向高角度方向偏移了至少0.4度。发生偏移的原因是，除了铈氧化物以外，镧氧化物，镨氧化物等稀土组分被带入了铈氧化物，它们改变了晶粒间的距离。使用具有上述衍射峰的含铈磨料，能取得高的抛光速度和在抛光过程中减少划痕的效果。
本发明中的含铈磨料的X射线衍射检测是通过X射线衍射检测仪器来完成的。该仪器由Kabushiki Kaisha Rigake制造，分析条件为X射线产生电压为40KV，电流为30mA，扫描速度为4.0度/分钟，检测步长为0.02度/分钟，DS发射缝隙为1，RS光接收缝隙为0.3，SS散射缝隙为1。
为使本发明中的X射线衍射能准确的指示出衍射峰的位置，使用配备了Cu阳极作为X射线管和Ni箔作为过滤器进行CuKα-射线测量。
通过X射线衍射对本发明中含铈磨料的检测得到的酸性稀土氟化物的主峰强度对立方晶系复合稀土氧化物主峰的比率宜在0.2到1.0范围内，在0.3到0.6范围内最好。含铈磨料的X射线衍射中，立方晶系复合稀土氧化物的主峰(在2θ角)和酸性稀土氟化物的主峰的位置分别大约为28.2度和26.7度。峰的强度指的是衍射强度的最大值。当酸性稀土氟化物的主峰强度相对于立方晶系复合稀土氧化物的主峰强度比值小于0.2时，含铈磨料中的镧氧化物所造成的负面影响就不可能完全被消除，因此导致抛光速度降低和缩短磨料的使用时间。当这个比值超过1.0时，缺乏抛光能力的酸性氟化物的数量就会增加，从而导致抛光速度降低。
本发明的含铈磨料的主要颗粒的粒径最好在10到50nm的范围内，比表面积最好在2到10m2/g范围内。主要颗粒的粒径是通过计算从X射线衍射峰的半高位置上的峰宽读出的晶体直径得到的，比表面积是通过BET的方法得到。
若含铈磨料的主要颗粒的粒径小于10nm，铈氧化物或者酸性氟化物未结晶至足够的程度，以使机械抛光功率降低。而大于50nm时，硬的大晶体会增加从而导致形成划痕。当比表面积小于2m2/g时，会形成划痕，类似于当主要颗粒的粒径大于50nm的情况。而比表面积大于10m2/g时，抛光速度会下降。
本发明生产含铈磨料的过程宜包括一个步骤，该步骤从含有大量自然存在的铈(Ce)、镧(La)、镨(Pr)、钕(Nd)等的矿石(稀土浓缩物)中，通过化学法去除除了稀土元素以外的成分，包括碱金属、碱土金属和放射性物质，以及那些中等到重的稀土元素和钕(Nd)，从而得到作为第一原料的含铈的混合轻稀土化合物，例如其中那些成分的量已被减低的混合稀土碳酸盐或者混合稀土氢氧化物；以及一个步骤，在该步骤中在500～1100℃煅烧第一原料，以得到混合的稀土氧化物。这里说的“中等到重的稀土元素”指的是那些原子序数大于钷(Pm)的稀土元素。
作为去除除了稀土元素以外的成分(包括碱金属、碱土金属和放射性物质)的化学方法，通常采用稀土浓缩物与硫酸混合烘烤的方法。作为去除含有中等到重稀土元素和钕(Nd)的化学方法，通常采用溶剂萃取的方法。
本发明中用的第一原料，即混合轻稀土化合物，可以通过例如下面的方法得到，该方法包括粉碎含有大量的自然存在的铈、镧、镨、钕等的稀土浓缩物，然后将粉碎好的稀土浓缩物和硫酸一起焙烧，然后将其溶解在水中，然后去除非稀土元素成分，例如碱金属，碱土金属和不溶于水的放射性物质；采用溶剂萃取的方法以化学的方式除去稀土成分，包括中等到重稀土元素和钕，并通过碳酸氢铵或者草酸将所得到的产物转化为碳酸盐。这样得到的混合的轻稀土化合物，按照氧化物计算，稀土元素的含量宜为45～55质量％，而这些稀土元素中铈氧化物的含量宜为55～63质量％；非稀土元素的含量不超过0.5质量％，且其余为碳酸。
本发明生产含铈磨料的方法包括这样的步骤将铈基稀土氟化物加入到通过煅烧得到的混合的稀土氧化物中，并且将得到的混合物湿法粉碎，干燥，煅烧，粉碎和分级。
铈基稀土氟化物宜按这样的方法获取从含有大量自然存在的铈、镧、镨、钕等的稀土浓缩物中，通过化学法去除非稀土元素的成分，例如碱金属、碱土金属和放射性物质，以及必要时，还包括去除中等到重稀土元素和钕，以得到那些成分和金属量已经被减少的混合轻稀土化合物；用一种氟源，例如氢氟酸，氟化铵或者酸性氟化铵，对这些化合物进行氟化；在不超过400℃的温度下对氟化后的化合物进行热处理；并且粉碎热处理后的化合物。如此得到的铈基稀土氟化物中，按照氧化物计算，稀土元素总量宜占60质量％～75质量％，而氟占20质量％～30质量％。这里的“铈基”的意思是，按照氧化物计算，稀土元素中的铈含量不低于40质量％，最好不低于60质量％。
在上述过程中，若氟化后化合物的热处理温度高于400℃，稀土化合物，例如稀土氧化物，对氟的反应活性下降，导致在加热中产生硬的团块。这类团块可能是产生划痕的磨料颗粒。如果磨料中含有这种颗粒，抛光速度就不能提高。因此，热处理稳定必须控制在不超过400℃。
在本发明中，作为第一原料的混合的轻稀土化合物在500～1100℃煅烧，从而形成混合的稀土氧化物。将这样得到的混合稀土氧化物和上面所得到的作为第二原料的铈基稀土氟化物按规定的比例混合，然后将得到的混合物湿法微粉化。混合比例依据最终产品(含铈磨料)中所需的氟含量适当确定。因此，在本发明中，通过调节含铈稀土氟化物的混合比例可很容易地调节最终产品中的氟的含量。粉碎是通过中型研磨机进行的，例如湿球研磨机。在本发明中，粉碎后产品的平均粒径宜为0.5～3.0μm。
随后，含有上述粉碎后的混合稀土氧化物和铈基稀土氟化物的浆料被干燥和煅烧。煅烧温度在600～1100℃范围内，在800～1000℃范围更好。对煅烧后的产品进行冷却、粉碎和分级，从而得到含铈磨料。这种磨料的平均粒径宜为0.5～3.0μm，氟的含量宜为1.0～10质量％，最好为5～10质量％。
在本发明中，经500～1100℃煅烧混合的轻稀土化合物得到的混合稀土氧化物在使用前宜与未经煅烧的混合轻稀土化合物经碳酸化得到的混合稀土碳酸盐和铈基稀土氟化物混合。这样，稀土氟化物中的氟与混合稀土氧化物和混合稀土碳酸盐中的镧进行反应，得到镧的氟化物。将混合稀土碳酸盐和混合稀土氧化物进行混合能促进氟和镧之间的反应，从而得到镧的氟化物。
磨料中的镧氧化物具有很强的碱性，能在抛光的过程中导致抛光垫的堵塞。这不利地影响了为在待抛光表面上补充新磨料而进行的液状磨料浆的循环。尤其是，因为低铈含量的磨料具有相对含量高的镧，上述问题可能会发生。在本发明中，因为混合稀土氧化物加入了混合稀土碳酸盐和铈基稀土氟化物，然后经过湿法粉碎、干燥、煅烧、粉碎和分级，镧氧化物转化为镧氟化物，因此在抛光过程中上述不利影响将得到有效的抑制。
本发明中的含铈磨料通常以粉末状使用。然而，当作为磨料使用时，该磨料经常转化成为液态分散体系，用来完成抛光各种玻璃材料和玻璃制品，例如光学透镜，光盘或者磁盘以及液晶显示器面板的玻璃基板。
具体地说，磨料被分散在分散介质如水中，从而制备成大约5～30质量％的浆料来使用。在本发明中，所使用的分散介质的实例包括水和水基有机溶剂。有机溶剂的具体实例包括醇、多元醇、丙酮和四氢呋喃。一般情况下采用水。
当例如以玻璃底物等为对象，使用本发明中的含铈磨料进行抛光时，没有表面缺陷的产生，例如凹痕和划痕，为抛光表面提供优异的质量。
以下将通过实施例对本发明进行详细的说明。这些实施例不能因此解释为是对本发明的限定。
所得到的混合稀土碳酸盐，依据氧化物计算，含有49质量％的稀土元素，而这些稀土元素中含有60质量％的铈。将两升混合稀土碳酸盐在电炉中以800℃煅烧2个小时，从而得到混合稀土氧化物。向1kg混合稀土氧化物中加入300g铈基稀土氟化物(含有依据氧化物计算，27质量％的氟和45质量％的稀土元素，这些稀土元素中含有依据氧化物计算45质量％的铈)。该铈基稀土氟化物是通过加氟酸到混合轻稀土化合物中并且将所得到的混合物在400℃下热处理2个小时得到的。得到的混合物通过湿球磨机进行粉碎，得到含有平均粒径(D50)为1.5μm的料浆。料浆通过干燥，在电炉中以900℃段烧2个小时，然后冷却、粉碎、和分级，从而得到含铈磨料。这里所使用的平均粒径(D50)的意思是，依照从检测得到的粒径分布曲线的50％累积体积处的粒径。粒径分布曲线是由装配有30μm缝隙管的Coulter Multisizer(Coulter Kabushiki Kaisha生产)检测得到的。
由此得到的含铈磨料分散在水中，得到磨料10质量％的料浆。在如下条件下，使用该浆状抛光液体，对用作薄膜晶体管(TFT)面板的无碱玻璃板进行抛光，并且评价了抛光表面的状况。
抛光条件抛光机械4向双面抛光机加工对象面积为25cm2的边长为5cm的无碱玻璃板加工玻璃板的数目3块板/批×2批抛光垫泡沫聚氨酯垫(LP-77，Rhodes生产)转盘的旋转速度90rpm料浆的加料速度60ml/分操作压力156g/cm2抛光时间30分。
对6块用作薄膜晶体管(TFT)面板的无碱玻璃板进行了抛光。在抛光前后使用测微计在4点测量了每块板的厚度。对测量值(4点×6块)进行了平均，并且平均厚度被用来计算抛光速度(μm/min)。另外，采用200001x作为光源，对每个玻璃板表面进行目测，以统计每个抛光表面的划痕数。每块玻璃板的中心区域的表面粗燥度通过依据步进表面光度仪(Rank-Taylor Hobson生产)测量。
所得到的结果，包括每种磨料的平均粒径(D50)，抛光速度和中心区域表面粗燥度(Ra)，示于表1。另外，X射线衍射检测结果示于下面的图1，磨料的物理特性如下面的表2所示。
重复实施例1的过程，所不同的是80重量份的通过用碳酸氢铵碳酸化未经过煅烧的混合轻稀土化合物得到的混合稀土碳酸盐被40重量份的作为第一原料使用的混合稀土氧化物取代，因此形成混合稀土氧化物和混合稀土碳酸盐的混合物，然后得到含铈磨料。
采用实施例1中使用的相同的方法对上述含铈磨料进行抛光，并且对抛光表面的状况进行评价。磨料的抛光特性和物理性质分别如下面的表1和表2所示。对照实施例1重复实施例1的过程，所不同的是在1200℃煅烧混合稀土碳酸盐，从而得到含铈磨料。
采用实施例1中使用的相同的方法用如此得到的含铈磨料进行抛光，并且对抛光表面的状况进行评价。磨料的抛光特性和物理性质分别如下面的表1和表2所示，X射线衍射检测结果如图2所示。对照实施例2重复实施例1的过程，所不同的是铈基稀土氟化物在800℃下加热，从而得到含铈磨料。
采用实施例1中使用的相同的方法用如此得到的含铈磨料进行抛光，并且对抛光表面的状况进行评价。磨料的抛光特性和物理性质分别如下面的表1和表2所示。
表1
表2
从上面的表1和表2可以清楚的看出，在实施例1和2中，所得到的含铈磨料提供高的抛光速度，在无碱玻璃的抛光表面产生非常少的划痕，并且能提供表面粗燥度小的高质量抛光表面。
作为对比，在对照实施例1中，因为混合轻稀土化合物的燃烧温度高，加入的稀土氟化物的反应没有进行到足以允许没有反应的稀土氟化物残留的程序。另外，抛光速度高，划痕的产生增加了表面粗燥度。
在对照实施例2中，抛光速度的效果没有得到提高，因为对加入的混合稀土氟化物的高温热处理产生了的大的平均颗粒粒径。另外，划痕的产生增加了表面粗燥度并减弱了抛光表面的质量。工业适用性依据本发明，含铈磨料的使用能长时间维持好的抛光速度，即使对于硬玻璃而言也是如此，并且能使抛光对象具有很少划痕和表面粗燥度的高质量表面。
权利要求
1.一种含铈的磨料，该磨料含有立方晶系的复合稀土氧化物和复合酸性稀土氟化物，其中该磨料中根据氧化物计算稀土元素的含量不少于90质量％，并且稀土元素中根据氧化物计算铈元素的含量不少于55质量％。
2.根据权利要求1的磨料，其中该磨料当通过X射线衍射检测时，立方晶系的复合稀土氧化物的主衍射峰的2θ角不小于28.2度。
3.根据权利要求1或2的磨料，其中当通过X射线衍射检测时，酸性稀土氟化物的主衍射峰的强度相对于立方晶系复合稀土氧化物主衍射峰的比例值范围为0.2～1.0。
4.根据权利要求1到3的磨料，其中该磨料的主要颗粒的粒径为10～50nm，比表面积为2～10m2/g。
5.根据权利要求1到4的磨料，其中该磨料含有5～10质量％的氟。
6.一种生产含铈磨料的方法，该方法包括在500～1000℃煅烧一种混合轻稀土化合物，从而得到混合的稀土氧化物，其中这些化合物是通过化学法自含有稀土元素的矿石中除去中等到重稀土元素、钕和稀土元素以外的杂质而得到的。
7.根据权利要求6的生产方法，进一步包括将铈基稀土氟化物加入到混合的稀土氧化物中，以得到一种混合物，并且使该混合物通过湿法粉碎、干燥、煅烧、粉碎和分级，从而得到含铈磨料。
8.根据权利要求6的生产方法，进一步包括将铈基稀土氟化物和通过碳酸化混合轻稀土化合物得到的混合稀土碳酸盐加入到混合稀土氧化物中，得到一种混合物，然后使该混合物通过湿法粉碎、干燥、煅烧、粉碎和分级，从而得到含铈磨料。
9.根据权利要求7或者权利要8的生产方法，其中所述的稀土氟化物是通过将氟化物加入到混合轻稀土化合物中，并且在不超过400℃下热处理得到的。
10.根据权利要求6到9中的任何一项的生产方法，其中所述的煅烧是大气氛围中使用燃烧炉进行2～36小时。
11.根据权利要求10的生产方法，其中所述的燃烧炉是电炉或者推料炉。
全文摘要
从含有稀土元素的矿物中通过化学法除去中等到重稀土元素、钕和除稀土元素以外的其它杂质而得到一种混合轻稀土化合物，在500～1000℃煅烧，得到一种混合稀土氧化物。将一种铈基稀土氟化物加入到该混合稀土氧化物中，得到一种混合物。然后将该混合物通过湿法粉碎、干燥、煅烧、粉碎和分级，从而得到含铈磨料。
文档编号C03C19/00GK1478135SQ01819652
公开日2004年2月25日 申请日期2001年11月30日 优先权日2000年11月30日
发明者别所直纪, 玉村英雄, 雄 申请人:昭和电工株式会社