CN100577364C - 研磨材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种研磨材料，包括一个基底表面，所述基底表面具有从该表面突出的多个锥形形状，所述基底表面和所述突起由相同材料形成，每个突起具有大体的三角形、正方形或者多边形基底，以及三角形侧面，所述基底和侧面在大体形成一点的尖顶相交。所述锥形形状在至少两个不同的平面具有尖顶，所述锥形形状的一部分与其他部分相比从所述基底表面延伸得更远，所述突起的尖顶在图案上提供了切割和削平边缘的混合，使得所述材料能够独立于使用方向而研磨。
Description
技术领域
本发明涉及通过蚀刻工艺生产的适于打磨或者平滑多种表面的研磨材料，以及形成所述研磨材料的方法。
背景技术
多年以来就提出了不同的研磨表面。这种表面包括那些其中像金刚砂、氧化铝、碳化硅、氧化锆和α氧化铝一水化物砂砾、单晶钻石或立方氮化硼那样的研磨颗粒附着在衬底上的表面。还知道研磨表面具有刻痕以提供槽或冲孔，来给孔或开口提供围绕孔的突起或毛刺。其中槽已经形成在像钢板那样的金属板上，涂敷表面或者切割由槽形成的边缘也是已知的。已知金属研磨板是这样准备的，即通过使用砂纸片来形成固化的聚氯乙烯原底板然后电镀原板以形成片材。
使用适当抗蚀剂以在金属衬底中形成预期图案的蚀刻过程也是已知的。在一种这样的技术中，抗蚀剂图案以预定的图案施加于薄的平钢板，例如可以是圆形、长形或多边形的等尺寸点。板通过像氯化铁含水溶液那样的蚀刻剂来蚀刻，以去除预定量的金属并形成图案元素。也有记载喷雾模式的整个变化，蚀刻溶液的成分和温度，突起的切割元素的侧面和初始板表面之间的角度，以及蚀刻将达到保护图案元素的边缘下方多远。一个改进建议是在板的蚀刻侧上或者切线地或者螺旋地提供菱形四边形形式的平行脊，用以防止板卷边。
另一个改进建议是抗蚀剂图案，其记载提供有快速工作尖锐点和平滑平面边缘的均匀混合。切割齿形成为三角形或正方形，其在蚀刻过程之后仍然尖锐，并且由于抗蚀剂图案而可以使用，蚀刻图案强化了角点且消除了对切割齿的上表面的下切割。每个齿承载一个上平表面，并且能够通过热处理而固化，同时因为齿结构而没有过度脆性。每个齿的上平表面记载是典型地大约3毫英寸(mils)，基底的宽度和齿的高度是上平表面的大约两倍。
生产切割模的过程，尤其是使用像切割胶带以形成标签的过程已经公开，其中使用了多个蚀刻步骤。相应于待成形标签的轮廓的抗蚀剂形成于钢板上，并且实施第一蚀刻步骤，藉此形成预期高度的凸起部分。实施第二蚀刻步骤，藉此从凸起部分的顶部的两侧延伸的抗蚀剂被除去，并且钢板经受进一步的蚀刻。这个第二蚀刻步骤可以多次实施。保留在凸起部分的顶部的抗蚀剂然后被除去。
已经描述的金属研磨剂具有从基底表面延伸的充分均匀的锥形突起，其由金属板材料的蚀刻形成。
发明内容
本发明一方面提供了一种研磨材料，包括一个基底表面，所述基底表面具有从其突出的多个锥形形状，所述基底表面和所述突起由相同材料形成，每个突起具有大体的三角形、正方形或者多边形基底，以及三角形侧面，所述基底和侧面在大体形成一点的尖顶相交，所述锥形形状在至少两个不同的平面具有尖顶，所述锥形形状的一部分与其他部分相比从所述基底表面延伸得更远，所述突起的尖顶在图案上提供了切割和削平边缘的混合，使得所述材料能够独立于使用方向而研磨。
从保持其尖顶的所述基底表面延伸较少距离的所述锥形形状的尖顶会使其尖顶磨损而不形成大体的一点，所述尖顶在使用一段时间以后大体形成点，在此期间所述锥形形状从所述基底材料延伸更远的距离。那些锥形形状的从所述基底材料延伸较少距离的尖顶的这种保留提供了具有较长寿命和效率的研磨材料。
优选地，从所述基底材料延伸较少距离的所述锥形形状，与从所述基底材料延伸较远距离的锥形形状的尖顶相比，延伸至少约10％，更优选的是至少约20％，最优选的是至少约30％。
本发明的研磨材料的锥形形状可以形状相同或不同。举个例子，多种锥形形状可以具有不同的基底结构，也就是不同数量的侧面和/或不同角度的斜面。
可选的性能增强表面处理可以施加给所述突起和/或所述基底表面，以改善研磨性能，由于某些涂层的润滑而有助于不加载特性，并且减少了表面孔隙度。
优选地，所述锥形突起的三角形侧面具有向内弓形斜面。由于不需要加载待磨损材料，这种斜面提供了研磨材料的更长的寿命。本发明提供了快速使材料从工件移除，而在工件上留下光滑表面。
本发明的研磨材料可以在所述基底材料的两个表面具有突起，以防止当材料变薄的时候卷曲。作为选择，为了防止薄材料的卷曲，也就是减少内部压力或张力，突起可以设在一个表面上并且相对的表面可以简单地被蚀刻。
本发明的进一步的方面提供了形成一种研磨材料的方法，包括步骤：
(a)提供基底材料；
(b)给所述基底材料的至少一个表面施加光致抗蚀剂涂层；
(c)在所述光致抗蚀剂上设置一个掩模，所述掩模在其上具有随机方向的三角形、正方形或多边形图案，形成所述图案的各个元素具有至少两个不同的表面面积；
(d)将没有被掩模覆盖的光致抗蚀剂固化；
(e)去除所述掩模和未曝光的光致抗蚀剂；
(f)施加适于蚀刻所述基底材料的蚀刻剂充足的时间，以在所述基底表面上提供多个锥形突起，每个突起具有大体的三角形、正方形或多边形基底以及三角形侧面，所述基底和侧面在大体形成一点的尖顶相交，所述锥形形状在至少两个不同的平面具有尖顶，所述锥形形状的一部分与其他部分相比从所述基底表面延伸得更远。
所述突起的表面和所述基底表面可以选择性地具有性能增强涂层或处理，以改善研磨性能，由于某些涂层的润滑而有助于不加载特性，并且减少了表面孔隙度。可以使用电镀来提供这种增强的表面。如本领域技术人员公知的那样，所述表面可以热处理或者冶金改性以在所述基底表面的表面上形成薄的较硬层和突起，以改善硬度。其他性能增强处理也是可以使用的，例如金刚石表面处理。美国专利号5620754描述了使用激光技术的特别有用的金刚石表面处理。
附图说明
图1A、1B和1C是本发明的有用的锥形突起的透视图。
图2是本发明的具有向内弓形三角侧面的优选的锥形突起的透视图。
图3是本发明的具有向内弓形三角侧面的优选的锥形突起的俯视图。
图4A是适于用来生产本发明的研磨材料的光致抗蚀剂掩模的俯视图。
图4B是适于用来生产本发明的研磨材料的另一种光致抗蚀剂掩模的俯视图。
图4C是适于用来生产本发明的研磨材料的另一种光致抗蚀剂掩模的俯视图。
图5是其上具有性能增强涂层的本发明使用的锥形突起的侧视图。
图6是每个表面都具有锥形突起的本发明的研磨材料的局部截面图。
具体实施方式
本发明的研磨材料可以由任何容易蚀刻的材料形成，例如包括不锈钢、碳钢、铝合金、铁镍铬合金以及钛；充硼弹性体、硅合成物、碳氟化合物材料、石墨合金、塑料以及类似物。
在本发明中，不锈钢是特别优选的基底材料，因为其固有的材料抗腐蚀性、在很宽温度范围内良好的高温和优异的低温强度和韧性、奥氏体级别的非磁特性以及美学的外观。不锈钢也可以容易地重复蚀刻以形成本发明的研磨材料。
材料的厚度没有特别限制，但是在蚀刻后，在其用于辊子上的时候应该具有适当柔性，或者当用作平的研磨剂的时候应当具有适当刚性。当然，如果必要可以通过附加刚性衬底来提供刚度，例如金属板或者具有适当刚度的合成树脂板。
对于不锈钢基底材料来讲尤其优选的典型表面处理包括但不限于镍或铬电镀或者金刚石镀或者结合了氮化硼和金刚石沙的电镀。基底和锥形突起可以暴露以热处理或冶金改性(metalluricalalteration)，例如表面硬化，以通过在基底表面和突起上形成薄的较硬层来例如影响表面硬度，以改善性能。
参考附图，相同的参考标号用于表示相同的部件。图1A、1B和1C示出了本发明的研磨材料的锥形突起的不同的可能的实施例，其中锥形突起的基底分别是三角形、正方形和五边形。当然，其他多边形也可以使用。在图1A中，示出了突起10a具有三角形基底12a，三角形侧面14a以及尖顶16a。在图1B中，示出了突起10b具有正方形基底12b，正方形侧面14b以及尖顶16b。在图1C中，示出了突起10c具有多边形基底12c，三角形侧面14c以及尖顶16c。
每个突起的尖顶不需要形成附图所示的真正的尖点，尽管这是优选的结构。突起的尖顶可以稍微有圆角或是平的。然而，尖顶的这个部分优选地应该不宽于边缘L的20％，更优选地是不大于边缘L的10％，边缘L在图5中示出。
在本发明的优选实施例中发现的在锥形突起的三角形侧面上的向内弓形斜面的深度可以从非常小，例如1μm，到最大大约175μm。这种弓形斜面可以在图2和图3中容易地看出，其中突起20具有弓形斜面22。突起的尺寸越大，可以形成的向内弓形斜面越深。
优选地，锥形突起的距蚀刻表面的高度H可以在大约25μm到1.5mm范围之间，较高的锥形突起用于常规的粗糙研磨，也就是从大约125μm到375μm，以及较低的锥形突起用于精细研磨，也就是从大约75μm到125μm。基底的边缘L的长度依赖于突起的高度。优选地，突起距蚀刻表面的高度与基底边缘的长度之比在大约1∶1到1∶5之间，更优选地是在大约1∶2到1∶4之间，最优选地是大约1∶3。剩余基底材料的厚度B可以很宽泛地变化，并且是不重要的，较薄的基底材料用于更柔性的研磨材料，较厚的基底材料用于较硬的研磨材料，正如本领域技术人员所知的那样。这些尺寸在硬涂层研磨材料的一部分的放大视图中示出了，见图5中的横截面。
锥形突起的间隔S也可以非常宽泛地改变，从锥形突起的中心到中心测量是从大约0.75mm到30mm，用于粗糙研磨的较大间隔，也就是2到10mm或更大间隔，以及用于精细研磨的较小间隔，也就是从大约0.75到1.5mm间隔。
研磨材料的精细或粗糙度也可以通过保持突起的高度以及突起的基底的长度并且调整抗蚀图的尺寸来调整。突起之间较大的间隔提供了较粗糙研磨材料，同时突起之间较小的间隔提供了较精细研磨材料。
图4A中示出了适于精细研磨砂粒的抗蚀剂掩模。图4B中示出了适于中间研磨砂粒的抗蚀剂掩模。图4C示出了适于产生粗糙砂砾的抗蚀剂掩模。
重要的是，锥形突起就被定向成使得各个突起的切割边缘定位在不同方向上，以提供独立于使用方向的研磨的能力。锥形突起可以在不同方向上随机定向，例如通过使用计算机基础的随机编程器来设计蚀刻掩模，或者蚀刻掩模可以布图以保证本领域技术人员周知的随机定位。图4A、4B、4C中示出了随机定位图案的例子。
如前面所述，像镍或铬电镀；金刚石镀；或者与钻石砂或特氟隆(Teflon)、钨、碳化物或氮化硼颗粒相结合的镍或铬电镀那样的涂层可以应用于如图5所示的研磨材料的表面，其中，研磨材料59的一个部分具有突起52、剩余基底材料54以及涂层56。
蚀刻工艺可以使用广为人知的抗蚀和蚀刻材料以及工艺来实施。在将光致抗蚀剂施加到基底材料之前，优选实施基底材料的清洁。如果基底材料是不锈钢，这种清洁可以包含用去离子水进行的清洗以及干燥。作为选择，或者除了这种清洗以外，不锈钢表面也可以受到浮石洗擦或钝化处理。如果有，将自由铁污染物连同其他污染物一起移除的钝化通常通过本领域技术人员已知的氯化铁、硝酸或其他溶液来实现。
抗蚀涂层可以使用例如热辊层压、丝网印刷、照相凹版印刷、浸渍涂布以及类似方式来应用。当抗蚀剂以聚合薄膜形式施加于不锈钢基底材料的时候，基底材料优选地被预热且薄膜使用充分的热和压力来应用，以保证良好的粘合。在处理过程中的这个时刻，必须避免抗蚀剂的固化。
用来提供预期的研磨图案表面的掩模然后放置在被抗蚀剂覆盖的基底材料上。需要抗蚀剂涂层和掩模之间的好的接触，也就是紧密接触，以在没有被掩模覆盖的光致抗蚀剂被固化的时候在基底材料上获得预期的图案。
固化或成像通过暴露于在足以固化的光中而实现，也就是交链聚合抗蚀剂。掩模然后从基底材料/光致抗蚀剂/掩模合成物移除，并且未固化的光致抗蚀剂使用显影液或显影剂从基底材料移除。显影剂的选择取决于光致抗蚀剂的成分。如果期望，然后保留在基底材料上的光致抗蚀剂可以在蚀刻之前再次成像，以进一步保证在蚀刻期间光致抗蚀剂良好地粘合在基底材料上。
基底材料的那些不受光致抗蚀剂保护的部分然后被实施蚀刻。举个例子，当衬底是不锈钢、碳钢或者类似物的时候，适当的蚀刻剂包括氯化铁、盐酸、硝酸、这些酸和氢氧化钠的混合物；对于铝或铝合金，适当的蚀刻剂包括氢氧化钠；对于钛，适当的蚀刻剂包括盐酸；并且塑料通常可以使用多种酸来蚀刻。蚀刻程度可以通过改变蚀刻液的浓度和温度来调整，并且实施方法是本领域技术人员周知的。举个例子，当这些基底材料或者衬底是不锈钢的时候，可以使用大约37°到42°波美度(Baume)的含水氯化铁溶液，溶液浓度越低，通常突出的侧部的斜面就越弓形弯曲。
蚀刻以后，任何剩余的光致抗蚀剂都可以通过本领域技术人员公知的技术来任选地移除。在某些掩模图案和蚀刻参数的情况下，很多这些光致抗蚀剂在蚀刻过程中被移除。剩余光致抗蚀剂的移除通常是优选的，特别是当锥形突起被电镀且光致抗蚀剂可以用作电镀抗蚀剂的时候。
作为选择，抗蚀剂可以保留在生成的研磨材料的表面上，特别是当只有一侧被遮蔽和图案蚀刻的时候保留在材料的非研磨侧，这可以防止卷边。防止卷边的适当方法包括蚀刻如图6所示的基底材料的两侧，其中，研磨材料60在每个表面61、63具有从剩余基底材料64延伸的突起62a、62b。
本发明的目的和优势通过以下例子被进一步阐述，但是这些例子中引用的特殊的材料和数量，以及其他条件和细节不应该构成对本发明不适当的限制。除非另有说明，所有部分和百分比以重量为准。
例子
例1
具有大约0.02000英寸厚度的高拉伸不锈钢板301使用40°波美度的氯化铁溶液浮石洗擦和钝化30秒。可从杜邦公司获得的0.0013英寸厚的EM213型光致抗蚀剂薄膜粘附在钝化不锈钢上，并且具有如图4C所示图案的掩模应用到光致抗蚀剂上。
不锈钢/光致抗蚀剂/掩模合成物暴露在60毫焦耳的光下以有效地开始光致抗蚀剂的成像。未交联的光致抗蚀剂通过pH值10.5的1％的含水碳酸钾显影剂溶液来清洗。其上具有光致抗蚀剂图案的不锈钢再次暴露在100毫焦耳的光下以保证在蚀刻期间光致抗蚀剂粘附到不锈钢上。
不锈钢使用40°波美度的氯化铁溶液被蚀刻到大约0.011英寸深度。所产生的蚀刻板用水清洗，并且剩余的光致抗蚀剂使用15％的氢氧化钾含水剥离溶液来移除。
锥形突起具有三角形基底。其顶尖是距基底材料距离最大的突起的高度是大约0.004英寸。所产生的片材在与粗粒砂纸类似的方式中性能优异，但是没有砂纸中存在的典型的加料问题。
例2
可从加利福尼亚的Ulbrich获得的具有大约0.006英寸厚度的全硬不锈钢板302如例1那样使用40°波美度的氯化铁溶液浮石洗擦和钝化30秒。光致抗蚀剂薄膜粘附在钝化不锈钢上，并且具有如图4A所示图案的掩模应用到光致抗蚀剂上。不锈钢使用40°波美度的氯化铁溶液经过大约4分钟的周期而被蚀刻到大约0.0040±0.0005英寸深度。所产生的蚀刻板用水清洗，并且剩余的光致抗蚀剂使用15％的氢氧化钾含水剥离溶液来移除。
锥形突起具有三角形基底。其顶尖是距基底材料距离最大的突起的高度是大约0.004英寸。所产生的研磨材料具有同精细砂纸类似的性能，但是明显地更加有效且比标准砂纸更加长寿。
例3
具有大约0.013英寸厚度的高拉伸不锈钢板301使用氯化铁的酸溶液浮石洗擦和钝化清洁30秒。可从McDermid获得的E1215型0.0015英寸厚的光致抗蚀剂薄膜粘附在钝化不锈钢上，并且具有如图4C所示图案的掩模应用到光致抗蚀剂上。不锈钢/光致抗蚀剂/掩模合成物如例1那样成像。
不锈钢使用40°波美度的氯化铁溶液蚀刻到大约0.008英寸深度。所产生的蚀刻板用水清洗，并且剩余的光致抗蚀剂使用15％的氢氧化钾含水剥离溶液来移除。
锥形突起具有三角形基底。其顶尖是距基底材料距离最大的突起的高度是大约0.007英寸。所产生的片材具有与粗粒砂纸类似的优异性能，但是不会产生砂纸中存在的典型问题。
例4
具有大约0.010英寸厚度的全硬不锈钢板304如例3那样清洁。光致抗蚀剂薄膜粘附在钝化不锈钢上，并且具有如图4A所示图案的掩模应用到光致抗蚀剂上。不锈钢使用40°波美度的氯化铁溶液经过大约4分钟周期而蚀刻到大约0.0050英寸深度。所产生的蚀刻板用水和15％的氢氧化钾含水剥离溶液来清洗。
锥形突起具有三角形基底。其顶尖是距基底材料距离最大的突起的高度是大约0.005英寸。所产生的研磨材料具有同精细砂纸类似的性能，但是明显地更加有效且比标准砂纸更加长寿。
对于本领域技术人员来讲，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本发明的多种修改和变化是显而易见的，并且应该理解，本发明并非过度限制于这里提出的阐释性的实施例。
Claims (1)
1.一种研磨材料，包括一个基底表面，所述基底表面具有从该表面突出的多个锥形形状，所述基底表面和所述突起由相同材料形成，每个突起具有大体的三角形、正方形或者多边形基底，以及三角形侧面，所述基底和侧面在大体形成一点的尖顶相交，所述锥形形状在至少两个不同的平面中具有尖顶，所述锥形形状的一部分与其他部分相比从所述基底表面延伸得更远，所述突起的尖顶在图案上提供了切割和削平边缘的混合，使得所述材料能够独立于使用方向而研磨。
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