アルミナ、コランダム、サファイアの関係は何ですか?
①アルミナ
広義には、アルミニウム、酸素、水素からなる化合物の一種であるアルミニウム酸化物、アルミニウム水酸化物などの総称としてアルミナを考える人が多い。
しかし厳密に言えば、アルミナ、すなわち化学式Al₂O₃で表される酸化アルミニウムは、地殻中における含有量が二酸化ケイ素に次いで多い酸化物です。長石や雲母などの鉱物中に広く含まれています。工業的には、天然鉱物原料であるボーキサイトから抽出してアルミナを得ることが多いです。
アルミナの結晶構造は複雑で、多くの同素体を含み、α、β、γ、δ、ε、ζ、η、θ、κ、λ、ρ、χなど10種類以上の結晶形に分類されます。これらの結晶形のうち、α-アル₂O₃は安定相であり、その他の結晶形は遷移相です。これらの遷移相はすべて1200℃でα相に相転移します。この相転移過程は、格子再編に属する化学結合の切断と再結合を伴い、非常に大きなエネルギーを必要とする不可逆的な過程です。α-アル₂O₃とγ-アル₂O₃は産業界で広く使用されています。
α-アル₂O₃は、一般的にコランダムと呼ばれ、三方晶系に属し、密度は3.96～4.01 g/cm³です。非常に安定した化学的性質を持つ無機非金属材料で、高硬度（モース硬度9）、高融点（2050℃）、高強度、優れた耐摩耗性、優れた耐腐食性、そして高い電気抵抗を特徴としています。そのため、α-アル₂O₃の微粉末は、耐火材料、特殊セラミックス、研磨材、化学工業、エレクトロニクスなどの分野で広く使用されています。
γ-アル₂O₃は、アルミニウムイオンが不足した欠陥スピネル構造を有し、活性アルミナに属します。アルミナ類の中でも広く用いられており、吸着、触媒、およびそれらの担体の分野で重要な役割を果たしています。
②コランダム
コランダムは宝石鉱物の名称で、自然界に自然に発生するα-アル₂O₃結晶です。純粋なコランダムは無色で無傷ですが、非常に希少です。天然コランダムには通常、微量のFe、ティ、Cr、Niなどが含まれており、黒、濃紺、青灰色、黄灰色、茶色、黄褐色など、様々な色を呈します。
コランダムは用途によって宝石級コランダムと工業用コランダムに分けられます。工業用コランダムは主に高級研磨材の分野で使用され、コランダム砥石、研削盤、研磨紙、研磨粉などに加工されます。金属製品の研磨・加工に使用され、精密機器の高速回転部のベアリングとしても使用されます。超微粒コランダム粉末は、精密機器の光学ガラスの研磨・補修に広く使用されています。
天然コランダムの供給が需要に追いつかないため、人工コランダムが産業界に登場しました。これらのコランダム製品の主な違いは、アルミナ含有量の違いと製造プロセスの違いにあります。
茶色のコランダム
ブラウンコランダムの主相はAl₂O₃（94.5%～97%を占める）で、不純物相にはSiO₂、酸化カルシウム、鉄₂O₃、MgOなどが含まれます。色は茶色です。硬度が高く、比較的靭性が高く、コストが低いため、研削分野で最も一般的に使用される研磨材の一つであり、一般的な鋼材の研削によく使用されます。
ホワイトコランダム
ホワイトコランダム（ワシントン州）は、アルミナ粉末を溶融結晶化させて製造されます。ブラウンコランダムと比較して、電気炉の製造工程における断熱性と通気性に対する要求が厳しく、純白で純度が高いものの、結晶内に残留気孔が存在します。硬くて脆く、研削時に砥粒が砕けやすいという欠点がありますが、発熱は少ないです。焼入れ鋼や高炭素鋼などの研削に適しています。
微結晶コランダム
微結晶コランダム（修士号）の製錬工程はブラウンコランダムとほぼ同じですが、溶融液を急冷する必要があります。得られた研磨粒子は、粒径が300μm未満の多数の微細結晶粒子で構成されています。MAは靭性、自生性、強度に優れているため、炭素鋼、ステンレス鋼などの研削に適しています。
ジルコニアコランダム
ジルコニアコランダム（南アフリカ）は、ボーキサイトまたはアルミナ粉末とジルコンを電気アーク炉で精錬して作られ、酸化ジルコニウム₂含有量は25～45%です。他の研磨材と比較して靭性に優れており、重荷重研削や精密研削に使用できます。
ブラックコランダム
ブラックコランダム（学士）は、人工エメリーとも呼ばれ、ボーキサイトとコークスを混合・焼結して作られます。酸化鉄と少量の不純物を含み、価格は安価ですが、硬度が低く、切削性能が低いという欠点があります。
③サファイアとルビー
サファイアとルビーは、実際には少量の異なる酸化物が添加された高品質のコランダムです。ルビーは赤色系の透明な宝石グレードのコランダム結晶であり、サファイアは赤色以外の様々な色の透明な宝石グレードのコランダム結晶を指します。サファイアは青色だけではないことに注意してください。
サファイアは、宝石として使用されるだけでなく、その優れた物理的、化学的、光学的特性により、固体レーザー、赤外線ウィンドウ、半導体チップの基板ウェーハ、医療などの最先端技術にも広く応用されています。
④結論
アルミナ、すなわち三酸化アルミニウムは、化学式Al₂O₃で表されます。多くの多形性があり、α-アル₂O₃とγ-アル₂O₃が一般的なものです。
コランダムは、天然に存在するα-アル₂O₃結晶である宝石鉱物の名称です。天然コランダムの供給が需要に追いつかないため、人工コランダムが産業界で登場しました。人工コランダムは単結晶コランダムと多結晶コランダムに分けられます。
サファイアやルビーは、微量の異なる酸化物をドーピングすることで異なる色を呈するα-アル₂O₃単結晶であり、高品質の単結晶コランダムの一種でもあります。