JP4199126B2 - 樹脂ボンド研磨工具の形成方法 - Google Patents
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Description
ボンド研磨物品は、一般には、砥粒がマトリックス又はボンド中に保持されている三次元構造によって特徴付けされる。幾つかの事例において、ボンドは高分子ボンド又は樹脂ボンドとも呼ばれる有機ボンドである。しかし、有機ボンド研磨工具は、湿式研削条件下では良好に機能しないことがしばしばある。フェノール樹脂ボンド中に保持されたアルミナ系粒子から形成された幾つかの工具の場合には、湿式研削強度の保留率は特に低い。例えば「38A」粒子と呼ばれるフェノール樹脂ボンド砥粒を含む砥石車が、湿式研削中に砥石車が急速に磨耗することで知られている。その原因は、このようなタイプの砥粒における表面の化学特性が高水感受性であること、すなわちNa2O含量が高いことにあると考えられる。水性研削液の存在において、未使用の砥粒がボンドから時期尚早に放出される。
フェノール樹脂ボンドを採用して研磨工具の湿式性能を向上させる1つの試みの場合、砥粒をシランで処理し、これにより砥粒を疎水性にする。Kunz他の米国特許第5,042,991号明細書において報告されたところによれば、この技術には、製造の難しさが伴い、また、数カ月の保存後には、砥粒の改善された性能は減退してしまう。
米国特許第3,323,885号明細書に開示された別のアプローチの場合、ボンドから使用可能な粒子が時期尚早に損失するのを防ぐことにより、砥石車の寿命が改善され、硬化プロセスの初期段に、未処理の砥石車の素材全体にわたって湿分が提供され、すなわち、約100℃で少なくとも5分間にわたって最小20%の相対湿度が維持される。この相対湿度を提供するための手段として、未処理の砥石車は、硬化前に不透湿性フィルム内にラッピングされる。その結果得られる砥石車は、砥石車の寿命を改善するが、その一方で、各砥石車のラッピング工程及びラッピング除去工程がボンド研磨工具の製造コストに付加される。加えて、このフィルムは、不所望な反応生成物、例えばアンモニアを逃すのを妨げ、この生成物は完成物品のボディ内に捕捉されたままになる。ラッピングが行われない場合には、未処理のボディが100℃を上回る温度に加熱されるのに伴って、水蒸気が追い出され、蒸発する。
従って、上述の問題を低減又は最小化する、有機ボンド研磨物品及びこれらの物品の製造方法が必要である。
本発明は概ね、有機ボンド研磨物品、例えば砥石車及び砥石車セグメントなど、並びにこれらの製造方法に関する。
ある態様の場合、本発明は、砥粒成分とフェノール系樹脂成分とを合体させることを含む、有機ボンド研磨物品の製造方法に関する。合体された成分を成形する。湿分を含む雰囲気中で、フェノール系樹脂成分を熱硬化し、これにより、有機ボンド研磨物品を形成する。湿分を含む雰囲気は、成形された成分と接触する。
本発明はまた、砥粒成分とフェノール系樹脂成分とを合体させることと、合体された成分を成形することとを含む方法によって製造された研磨物品に関する。成形された成分と接触する、湿分を含む雰囲気中で、フェノール系樹脂成分を熱硬化する。
一例において、湿分を含む雰囲気は、熱硬化を実施するために採用されたチャンバ内に蒸気を導くことによって得られる。好ましい実施態様の場合、砥粒を先ず有機ケイ素成分と合体させ、これにより、有機ケイ素処理砥粒を形成し、続いて、フェノール系樹脂成分と有機ケイ素処理砥粒とを合体させる。
別の態様の場合、本発明は、本発明の方法により製造され、且つ強度保留率が57%を上回る砥石車に関する。別の実施態様の場合、本発明は、本発明の方法によって製造され、且つ砥石車中に存在するアンモニア量が約100万分の50部(50ppm)未満である研磨物品に関する。
本発明は数多くの利点を有する。例えば本発明は、砥石車の製造時にラッピング工程及びラッピング除去工程の必要をなくする。さらには、製造中に砥石車のボディ内に捕捉されるアンモニア及びその他の望ましくない反応生成物の量は低減される。本発明の実施により得られた研磨工具の湿潤強度保留性は良好である。すなわち、砥粒が湿式研削条件下で、有効寿命にわたって有機ボンドによって保持される。本発明は、軟質等級の砥石車内の湿潤強度保留を可能にする上で特に有利である。本明細書中で定義される「軟質等級の砥石車」とは、Norton Company等級尺度における等級Qよりも軟質の等級を有する砥石車を意味する。本発明の方法により製造された研磨工具はまた、強度保留性が良好であり、研削性能の劣化が少ない。
本発明の前述及びその他の目的、特徴及び利点は、本発明の好ましい実施態様のより詳細な説明から明らかになる。本発明の好ましい実施態様を下記に説明する。
本発明は、有機ボンド研磨物品の製造方法に関する。
本発明の方法は、砥粒成分とフェノール系樹脂成分とを合体させることを含む。合体された成分は成形することにより、例えば、研磨物品を形成するのに適した形状の未処理ボディにすることができる。フェノール系樹脂成分は、湿分を含み且つ成形済成分と接触する雰囲気中で熱処理される。
1実施態様において、本発明の方法により採用される砥粒成分は、アルミナ系砥粒を含む。本明細書中に使用される「アルミナ」、「Al2O3」及び「酸化アルミニウム」という用語は交換可能に使用される。多くのアルミナ系砥粒は商業的に利用可能であり、特殊な粒子を特注することができる。本発明において採用することができる好適なアルミナ系砥粒の具体例は、Saint Gobain Ceramics & Plastics, Inc.製の白色アランダム粒子(38A粒子と呼ばれる)、又はTreibacher Schleifmittel, AG製のピンク色のアランダム粒子(86A粒子)を含む。他の研磨粒子、例えば、稀土類酸化物、MgOなどによる化学的改質を伴うか又は伴わない、シーディング処理を施された又は施されない焼結ゾル・ゲルアルミナ、アルミナ-ジルコニア、ホウ素-アルミナ、炭化ケイ素、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、アルミニウム-オキシニトリド、及び種々異なる砥粒の組み合わせを採用することもできる。
砥粒のサイズはしばしばグリット・サイズとして表され、グリット・サイズと、ミクロン又はインチで表すその対応平均粒度との関係を示すチャートが、対応するUnited States Sieve(USS)メッシュ・サイズと相関するものとして、当業者に知られている。粒度の選択は、意図される研磨工具の研削用途又は研削プロセスに依存する。本発明において採用可能な好適なグリット・サイズは、約16(平均サイズ約1660μmに相当)から約320(平均サイズ約32μmに相当)の範囲にある。
Al2O3粒子には、研磨物品を製造する前に、有機ケイ素が塗被されるのが好ましい。好適な有機ケイ素成分は、典型的にはカップリング剤として採用されるような有機官能性シランを含む。特に好ましいのは、アミノシラン、例えばガンマ-アミノプロピルトリエトキシシランである。採用し得る有機ケイ素化合物の他の例としては、ビニルトリエトキシシラン、ガンマ-アミノプロピルトリメトキシシラン、ジアミノプロピルエトキシシランが挙げられる。
フェノール系樹脂成分は、1種以上のフェノール樹脂を含む。フェノール樹脂は一般には、フェノールとアルデヒド、具体的にはホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド又はフルフラールとを重合することにより得られる。フェノールに加えて、クレゾール、キシレノール及び置換型フェノールを採用することができる。一般には、アルカリ触媒の存在において水性ホルムアルデヒドとフェノールとを1工程で反応させることにより、レゾールが得られる。一般には、酸性条件下で、架橋剤、例えばヘキサメチレンテトラミン(本明細書中では「ヘキサ」とも呼ぶ)の存在において、2段フェノール樹脂としても知られるノボラック樹脂が製造される。
レゾール又はノボラック樹脂を使用することができる。2種以上のフェノール系樹脂を採用することができる。1実施態様の場合、フェノール系樹脂成分は、1種以上のレゾールと少なくともノボラック型のフェノール樹脂とを含む。好ましくは、1種以上のフェノール系樹脂は液状である。フェノール樹脂の好適な組み合わせは、例えばGardziella他の米国特許第4,918,116号明細書に記載されている。なお、この明細書の内容全体を本参照によって本明細書中に組み込んだものとする。
好ましい実施態様の場合、砥粒成分を先ず有機ケイ素成分と合体させる。砥粒を有機ケイ素化合物で処理する方法が当業者に知られている。例えば、好適な有機ケイ素化合物を含有する溶液中に砥粒を湿潤させるか、吹き付けるか又は分散させることにより、砥粒を塗被する。塗被済砥粒は一般に、使用前に乾燥させる。
次いで、有機ケイ素処理された砥粒を、フェノール系樹脂成分と合体させる。一例において、有機ケイ素処理砥粒を先ず1種又は2種以上の液状のフェノール系樹脂と合体させ、次いで粉末状の1種又は2種以上のフェノール系樹脂と合体させる。別の例において、液状及び粉末状双方のフェノール系樹脂を有機ケイ素処理砥粒に同時に添加する。
有機ケイ素処理砥粒と、フェノール系樹脂成分とは好適な方法によって、例えば好適なミキサー内でブレンドすることによって合体させる。好適なミキサーの例はEirichミキサ、例えばModel RV02, Littleford又はボウル型ミキサーである。
他の実施態様の場合、有機ケイ素成分を先ずフェノール系樹脂成分と合体させ、次いで砥粒成分と合体させる。例えば、有機ケイ素成分は、1種又は2種以上の液状フェノール系樹脂と合体させることができる。さらに他の実施態様の場合、全ての成分を1工程で合体させる。これらの成分を合体させる方法は当業者に知られている。
付加的な成分、例えば、有機ボンド研磨物品を製造するのに典型的に使用される充填材、硬化剤及びその他の化合物を含むこともできる。充填材は、微粉、例えばグラニュール、球体、繊維又はその他の成形片の形を成していてよい。好適な充填材の例は、砂、炭化ケイ素、気泡アルミナ、ボーキサイト、亜クロム酸塩、マグネサイト、ドロマイト、気泡ムライト、ホウ化物、ヒュームド・シリカ、二酸化チタン、炭素生成物(例えばカーボン・ブラック、コークス又はグラファイト)、木粉、クレイ、タルク、六方晶窒化ホウ素、二硫化モリブデン、長石、霞石、閃長岩、及び種々の形のガラス、例えばガラス繊維及び中空ガラス球体を含む。一般に充填材の量は、組成物全体の重量を基準として約0.1〜約30重量部の範囲にある。
フェノール・ノボラック樹脂を硬化するのに採用される架橋剤は、ヘキサ、及び当業者に知られたその他の硬化剤を含む。このような材料の前駆体、例えば水酸化アンモニウムを採用することもできる。採用される硬化剤の適量は、総フェノール・ノボラック樹脂100部当たり約20重量部である。
添加することができるその他の材料は、加工助剤、例えば静電防止剤；金属酸化物、例えば石灰、酸化亜鉛、酸化マグネシウム；潤滑剤、例えばステアリン酸、グリセロールモノステアレート及びこれらの混合物を含む。これらの材料のそれぞれの適量はまた、当業者によって決定することができる。
1実施態様の場合、プレスに適した型内に合体済成分を入れることにより、未処理ボディ（グリーンボディ）を形成する。本明細書中に使用する「未処理」と云う用語は、次の処理工程中にはその形状を維持するが、しかしその形状を永久に維持するほど十分な強度は一般には有さないボディを意味する。未処理ボディ内に存在する樹脂ボンドは未硬化状態又は未重合状態にある。合体された成分は、所望の物品の形状に成形することができる。例えば、合体された成分は砥石車、ディスク、砥石車セグメント、砥石及び研磨砥石の形に成形することができる。好ましい実施態様の場合、合体された成分は、砥石車に適した形状に成形されてプレスされる。当業者に知られているように、成形されたプランジャを使用して混合物をキャップ・オフすることができる。
本発明の研磨物品を製造するために、未処理ボディのフェノール系樹脂成分を、湿分を含む雰囲気中で熱硬化、すなわち重合する。未処理ボディが加熱されるのに伴って、物理的及び化学的なプロセスが行われる。すなわち熱硬化性フェノール系樹脂が架橋され、これにより研磨物品を形成する。
一般に、未処理ボディは最終硬化温度までステップ状に制御可能に加熱される。このプロセス全体は一般に「硬化」サイクル又は「ベーク」サイクルと呼ばれる。一般に、熱転移プロセスの実施を可能にすることにより、大きな未処理ボディをゆっくりと加熱し、これにより製品を均一に硬化する。所与の温度で「ソーク」段を利用して、フェノール系樹脂が重合される温度に達する前に、砥石車素材の温度が加熱温度上昇時間中に釣り合うのを可能にすることができる。「ソーク」段は、成形済成分、例えば未処理ボディを、所与の温度で所定の時間にわたって保持することを意味する。また未処理ボディを、例えば室温(周囲温度)からソーク温度までゆっくりと加熱し、これにより、砥石車の硬化の副産物から生じた揮発成分をゆっくりと(制御された状態で)放出するのが可能になる。
例えば、未処理ボディは初期温度、例えば100℃に予加熱することができる。この初期温度で、例えば所定の時間、例えば0.5時間から数時間にわたって未処理ボディをソークする。次いで所定の時間、例えば数時間にわたって最終硬化温度まで未処理ボディを加熱する。本明細書中に使用する「最終硬化温度」という用語は、成形済物品をソークしてフェノール系樹脂成分を重合、例えば架橋させることにより、研磨物品を形成する温度である。本明細書中に使用される「架橋」という用語は、熱の存在において、及び一般には架橋剤、例えばヘキサの存在において行われる化学反応を意味し、これによりフェノール系樹脂成分が固化する。一般に成形済物品は、所定の時間、例えば10〜36時間にわたって、又は、成形済物品の素材の中心が架橋温度に達して固化するまで、硬化サイクルの最終硬化温度でソークされる。
採用される最終硬化温度は、樹脂の組成に依存する。フェノール系樹脂の重合は一般に、約110℃〜約225℃の範囲の温度で行われる。レゾール樹脂は一般に、140℃〜約225℃の範囲の温度で重合し、ノボラック樹脂は一般に、110℃〜約195℃の範囲の温度で重合する。最終硬化温度はまた、その他のファクタ、例えば物品のサイズ及び/又は形状、硬化時間、採用される正確な触媒系、砥石車の等級、樹脂の分子量及び化学特性、硬化雰囲気及びその他に依存することもできる。本明細書中に記載された幾つかの好適なフェノール系成分の場合、最終硬化温度は最低約150℃である。
フェノール系樹脂成分の熱硬化、すなわち重合は、湿分を含む雰囲気中、すなわち与えられた温度における通常の相対湿度(normal R.H.)を上回る相対湿度R.H.を有する雰囲気中で行われる。本明細書中に使用される「相対湿度%(R.H%)」は、与えられた温度における気体、例えば空気、窒素中の実際の水蒸気濃度と、同じ気体及び同じ温度における飽和時の水の濃度との比を意味する。湿分を含む雰囲気は未処理ボディと接触する。すなわち、未処理ボディの表面はバリヤ材料、例えば不透水性フィルム内にラッピングされることはなく、湿分又は水蒸気を含む雰囲気に暴露される。水蒸気に加えて、湿分を含む雰囲気はさらに、空気又はその他の好適な気体、例えば窒素を含む。湿分を含む雰囲気は水滴、アンモニアガス、二酸化炭素ガス及びその他の成分を含むこともできる。
好ましくは、最終硬化温度で得られる最大相対湿度(R.H.%)で、熱硬化が行われる。実際には、所与の温度で得られる実際R.H.%は、理論上のR.H.%よりも多少低い。例えば温度150℃では、1気圧における理論上の最大R.H.%は21.30%である。好適な湿度制御炉内の出力R.H.%は約18%〜約20%であり、この結果、理論上の最大R.H.%に対して約5〜15%の差が生じる。好ましくは、最終硬化温度で得られる最大相対湿度(R.H.%)で、熱硬化が行われる。空気中では、最大相対湿度(R.H.%)の最小85〜90%が好ましい。
所与の温度で得られる最大R.H.%よりも低いR.H.%を採用することにより、湿分を含む雰囲気中で熱硬化を行うこともできる。例えば、空気中で熱硬化温度で得られる最大R.H.%よりも40〜50%だけ低いR.H.%が、本発明の方法によって製造された工具の湿潤条件下での作業を改善することが判っている。
湿分を含む雰囲気は、フェノール系樹脂成分が重合し、これにより研磨物品を形成する期間全体にわたって存在してよい。湿分を含む雰囲気は、これよりも短い時間にわたって存在することもできる。例えば、フェノール系樹脂成分を重合して研磨物品を形成するために23〜約36時間を採用する硬化サイクルの場合、湿分を含む雰囲気を、それぞれ約5時間から約16時間にわたって提供することができる。湿分を含む雰囲気を提供する時間は、最大硬化温度で樹脂成分を硬化させるために採用される時間の35%という僅かなものであり得る。
湿分を含む雰囲気は、未処理ボディの熱硬化前、例えば予加熱時間、及び/又は、初期硬化温度からフェノール系樹脂成分が熱硬化される温度までの加熱時間に存在することもできる。湿分を含む雰囲気が硬化サイクル全体を通して、すなわち室温から最終硬化温度までの時間、及び最終硬化温度の継続時間全体を通して存在するプロセスが好ましい。さらに、湿分を含む雰囲気は、研磨物質の冷却中、例えば炉温度が約100℃まで低減される時間中に存在することもできる。硬化サイクルの種々異なる段において、種々異なるレベルのR.H.%を採用することができる。
硬化前にチャンバ内に導入された既知量の水の存在において、湿分を含む雰囲気中でフェノール系樹脂成分を密閉チャンバ内で熱硬化することができる。既知量の水はさらに溶解ガス、例えばアンモニア又は二酸化炭素、及び/又は溶解金属塩、例えばハロゲン化金属、炭酸塩、酢酸塩、金属水酸化物、金属錯体及びその他の化合物を含むことができる。この水は水性フェノール・レゾール、アクリル及びその他を含むこともできる。
密閉チャンバ内に湿分を含む雰囲気を発生させるための他の技術は、例えば、高温で水を遊離させることができる吸着剤、例えばゼオライト水和物、吸水性分子篩材料、及びシリカ水和物、アルミナ水和物などを採用することを含む。結合水を含有する金属塩及び金属錯体を密閉チャンバ内に封じ込め、これにより、湿分を含む雰囲気を熱硬化中に発生させることもできる。
内蔵型チャンバ内に蒸気を導くことにより、湿分を含む雰囲気中でフェノール系樹脂成分を熱硬化させることもできる。例えば、硬化炉又はオートクレーブに、生蒸気を噴射するための導管を備えることができる。本明細書中に使用する「生蒸気(live steam)」は、硬化用チャンバ外部の蒸気源、例えば蒸気発生器からの蒸気を意味する。一例において、チャンバは密閉され、僅かな内圧、例えば大気圧から1平方インチ・ゲージ当たり(psig)約2ポンド未満までの範囲で操作される。チャンバは、蒸気を再循環させることによりチャンバ全体にわたって均一な湿度を促進するための手段を備えることもできる。蒸気を再循環するための好適な手段は、ポンプ、ファン、凝縮器、バッフル/チューブ、及び当業者に知られたその他のものを含む。
チャンバは例えば電気炉内のチャンバであってよく、このことは電気炉の性能を妨げることなしに高湿度環境内での硬化を可能にし、また、電気回路に対する損傷を防ぐ。例えば、チャンバに有孔プレートを設け、これにより蒸気を均一に分散することができる。チャンバは、チャンバ内部の空気旋回を制御するための、排気管路に設けられた調節可能な緩衝器と、吸気のための流入ポートと、熱電対及び湿度センサの導入部と、制御可能な蒸気取入れ弁とを備えていてよい。例えば最大860ミリメートル(mm)直径のフルサイズの有機砥石車を硬化するのに十分に大きい蒸気チャンバを採用することができる。
1実施態様の場合、生蒸気を単独で、又は当業者に知られたその他の技術との組み合わせで採用し、これにより、例えば最終硬化温度又は最終硬化温度未満の温度まで未処理ボディを加熱する。砥石車を取り囲む環境の空気温度が最低80℃に達した後で、生蒸気を未処理ボディに当て、これにより、初期温度上昇中にチャンバ壁に蒸気が凝縮するのを最小限に抑えることができる。放出管路から出る蒸気の温度は約110℃であり、硬化環境の温度を最終ソーク温度に上昇させるために、外部熱が加えられる。
湿度制御炉内で、湿分を含む雰囲気中でフェノール系樹脂成分を熱硬化することもできる。湿度制御炉の好適な例は、例えばM. Grande「Process Heating」第22〜24頁(2000年4月)に記載されている。ミスト及び蒸気水噴射の両方を採用することができる。蒸気噴射湿度制御炉が好ましい。好適な商業的な湿度制御炉は、MN, ミネアポリス在、Despatch Industriesから商業的に入手可能である。商業的な湿度炉は一般に、炉作業温度で得られる最大R.H.%に対するプロフィールを備えている。
未処理ボディは雰囲気に接触又は暴露され、すなわちボディ表面は不透水性フィルム内にラッピングされないので、硬化雰囲気中の水は未処理ボディの内外で循環することができ、その加熱中及びソーク中に行われる反応の生成物が逃れることができる。完成物品内に捕捉される反応生成物、例えばアンモニアの量は、ラッピングにより製造された物品に見出される量と比較して、低減される。研磨物品内のアンモニア含量を測定する方法は、EPA Method 351.3に記載された総ケルダール窒素(TKN)法である。
1実施態様の場合、本発明の方法により製造された研磨物品、例えば砥石車の強度保留率は57%を上回る。別の実施態様の場合、本発明の方法により製造された物品内に存在するアンモニアの量は、50ppm未満である。
好ましい実施態様の場合、本発明の方法は、開いた孔の構造を有する砥石車を製造するのに採用される。一般に、このような砥石車の開いた孔の有孔率は、約20〜約40容積%、任意には約2〜約60容積%の範囲にあるのが好ましい。
本発明の化学メカニズムに関して特定の解釈に支持されるわけではないが、水分子は有機ケイ素化合物の官能基のうちのいくつかの、粒子表面に対する結合を分断し、これに対して有機ケイ素化合物の一部を砥粒表面に結合されたままにすると考えられる。アミノ官能性シランの場合、例えば水の存在はシランのアミノ末端を遊離させる。硬化中、アミノ(-NH3)基は、フェノール系樹脂のヒドロキシ(-OH)と反応し、これにより、砥粒と有機ボンドとの間の強力な界面を提供する。
さらに、硬化中に水を添加することにより、レゾールの架橋のための平衡反応に効果をもたらすことができる。水の存在は、架橋反応を或る程度阻害し、これにより、アミノシラン、例えばアミノプロピルシランとの反応のために利用可能な、付加的な遊離アルキルヒドロキシ(例えば-CH2OH)基を提供することができる、と考えられる。ノボラック樹脂の場合には、水がヘキサの加水分解を触媒すると考えられる。このことは、ヘキサとノボラック樹脂とを架橋反応させ、その結果として架橋密度を増大させる上で必要なプロセスである。架橋密度が増大したノボラック樹脂は、水による攻撃を受けにくいと考えられる。
加えて、本発明の方法によって製造された砥石車におけるアンモニアのレベルが大幅に低減され、そしてその結果、砥石車の寿命は長くなり、冷却剤溶液がより長持ちすると考えられる。アンモニアは、ノボラック硬化反応の副産物であり、樹脂硬化プロセス中に発生する。アンモニアは湿式研削において有害である。なぜならばアンモニアは冷却剤溶液のpHを上昇させ、pHの上昇は続いて、樹脂/砥粒界面の加水分解を加速することにより砥石車の劣化を促進し、その結果、砥石車の寿命を縮めてしまうからである。閉じた環境、例えばフィルム内にラッピングされた環境内で砥石車を硬化する常用の方法を利用すると、砥石車が硬化されるのに伴って、アンモニアが砥石車内に捕捉されることになる。本明細書中に記載した方法では、硬化は開いた環境内で行われ、すなわち、未処理ボディが硬化雰囲気に暴露され、ひいては砥石車が硬化するのに伴って、アンモニアガスが砥石車から蒸発するのが可能になる。
本発明を下記の実施例によって説明する。これらの実施例は本発明を限定するものではない。
実施例1
Saint-Gobain Ceramics and Plastics, Inc., Worcester, MAから得られる「38A」と呼ばれる砥粒を使用して、11種の対照試料を調製した。この砥粒は白色の脆いアランダムであり、湿式研削プロセス中に使用されると、不良の強度保留性を示すことが知られている。Witco Corp., Greenwich CTからアミノプロピルトリエトキシシランを得た。Oxychem-Durez, Buffalo, NYから液状フェノール樹脂(LPR)を得た。9%ヘキサを含有する2種の乾燥フェノール樹脂ボンドA及びBをOxychem-Durez, Buffalo, NYから得た。両樹脂をデシルアルコール(TDA)(20cm3/lb)乾燥樹脂で湿潤し、これによりダストを制御した。両ボンドA及びBは、中度の流動性と中度の分子量とを有した。
Saint-Gobain Ceramics and Plastics, Inc., Worcester, MAから得られる「38A」と呼ばれる砥粒を使用して、11種の対照試料を調製した。この砥粒は白色の脆いアランダムであり、湿式研削プロセス中に使用されると、不良の強度保留性を示すことが知られている。Witco Corp., Greenwich CTからアミノプロピルトリエトキシシランを得た。Oxychem-Durez, Buffalo, NYから液状フェノール樹脂(LPR)を得た。9%ヘキサを含有する2種の乾燥フェノール樹脂ボンドA及びBをOxychem-Durez, Buffalo, NYから得た。両樹脂をデシルアルコール(TDA)(20cm3/lb)乾燥樹脂で湿潤し、これによりダストを制御した。両ボンドA及びBは、中度の流動性と中度の分子量とを有した。
ボンドA及びボンドBをそれぞれ採用する仕様#1A及び#1Bは、下記の組成及び特性を有した：
混合物を成形して棒又は試験砥石車にした。試験棒の寸法は4.0"(101.60mm) x 1.0"(25.40mm) x 0.5"(12.70mm)であった。試験砥石車は、5.125"(130.175mm) x 1.0"(25.40mm) x 0.4"(10.16mm)であった。混合物重量74.8gを使用して、試験片を成形した。
Rowse他の米国特許第3,323,885号明細書に記載されているようにラッピングをシミュレートするために、試料物品を容器内に入れ、成形後、加熱前に紙テープで容器を密閉した。フェノール系樹脂成分を熱硬化する前に、容器には水を加えなかった。
室温から160℃まで温度を制御可能に上昇させ、10時間にわたって160℃に保持することにより、未処理対照試料を炉内で硬化した。
三点曲げ試験及び2"スパン及び0.1"/分クロスヘッド速度を用いて、曲げ強度試験測定(ASTM D790-91)を行った。各試料毎に合計6〜8個所のデータポイントを収集することにより、それぞれの試料の乾燥強度及び湿潤強度の両方を測定した。第1表に報告するデータは平均曲げ強度(σ)及び対応する標準偏差s.d.である。11種の試料のそれぞれの結果及び11種の試料の平均結果を第1表に示す。
実施例2
実施例1に記載したように調製された未処理試験片を、10、25及び75立方センチメートル(cm3又はcc)の水の存在において、密閉容器内に置いた。この水は、小型金属パンに添加し、容器の底に置いた。試験片は、水パンの上方の固形セラミック・バット上に置いた。硬化中、容器全体にわたって蒸気を容易に蒸発させることができた。硬化中に容器内の水の容積を調節することにより、硬化中の水濃度(蒸気の分圧)が湿潤強度に与える効果を評価した。試験片から生じた結果に基づいて、湿潤強度を最大化するのに十分な量の水を使用した。硬化条件は、実施例1において記載したものと同じであった。但し、この実施例2の場合、湿分は硬化の間中存在した。
実施例1に記載したように調製された未処理試験片を、10、25及び75立方センチメートル(cm3又はcc)の水の存在において、密閉容器内に置いた。この水は、小型金属パンに添加し、容器の底に置いた。試験片は、水パンの上方の固形セラミック・バット上に置いた。硬化中、容器全体にわたって蒸気を容易に蒸発させることができた。硬化中に容器内の水の容積を調節することにより、硬化中の水濃度(蒸気の分圧)が湿潤強度に与える効果を評価した。試験片から生じた結果に基づいて、湿潤強度を最大化するのに十分な量の水を使用した。硬化条件は、実施例1において記載したものと同じであった。但し、この実施例2の場合、湿分は硬化の間中存在した。
種々異なるレベルの水濃度における、本発明により調製された試料の乾燥及び湿潤曲げ強度、並びに強度保留率%を下記の第2表に示す。比較データは、水を添加することなしに硬化した、第1表において報告した試料#2,3,6及び11によって示す。
実施例3
また、硬化中に1気圧の蒸気を炉に導入することにより、湿分の効果を調査した。
また、硬化中に1気圧の蒸気を炉に導入することにより、湿分の効果を調査した。
これらの試料の調製法は実施例1で報告されている。この調製法において、仕様#1Aはゴム改質フェノール樹脂を使用し、仕様#1Bは未改質フェノール樹脂を使用した。
実施例1に記載された組成を有する未処理試験片をワイヤ・スクリーン上に置き、10ガロンの非加圧型ケトル反応器の底部に入れられた水の上方に吊るした。試験片を含有する、ベントとカバーとを備えた容器及び1.5ガロンの水を、硬化のために炉内に置いた。湿分はサイクル全体を通して存在した。温度及び継続時間は実施例1に記載した通りであった。但し実施例3の場合、硬化に続いて、残留水がパン内に残った。このことは、最終硬化温度でのソークを含む硬化全体を通して、水飽和雰囲気が達成されたことを示す(水の枯渇は、硬化サイクルの継続時間中発生しなかった)。
その結果を第3表に示し、第1表に示した試料1〜11の平均と比較する。
実施例4
硬化中のRH(%)並びに湿度制御の継続時間を、6-3/16" X 3-3/8"の試験スラグを使用して調査した。実施例1に記載されたゴム改質乾燥樹脂(ボンドA)を採用して、実施例1に記載されたように未処理スラグを調製した。
硬化中のRH(%)並びに湿度制御の継続時間を、6-3/16" X 3-3/8"の試験スラグを使用して調査した。実施例1に記載されたゴム改質乾燥樹脂(ボンドA)を採用して、実施例1に記載されたように未処理スラグを調製した。
実施例1に記載されたように対照試料を調製した。Despatch Industries, Minneapolis, MNによって製造されたDespatch Model 519環境チャンバ内で、1気圧の湿分の存在において17種の未処理試料を硬化した。
高温において、100℃を上回る温度の関数として、R.H.値が幾何学級数的に低下することが判った。従って、温度は硬化サイクル全体を通して100℃を上回って上昇するので、設定点として使用されるR.H.%値は達成されない。例えば設定点90%が採用されても、相対湿度%は160℃で90%から15%に低下した。温度の関数として達成し得る最大R.H.値を、純水の沸点(100℃)を上回る温度に対応させて、第4A表で報告する。これらの値は理論上のものであり、温度範囲全体にわたる水の蒸気圧に基づいて計算した。
水蒸気の表は、CRC Handbook of Chemistry and Physics,第76巻、第6-15頁、CRC Press, Boca Raton, FLに見出すことができる。これは下記第4A表の最初の3つの欄に示されている。第4A表の第4欄(RH,%)は、下記の関係に基づいて計算したものである：
RH=(p/po) x 100%又はRH=1/po x 100%
上記式中、pは系の圧力(1atmを想定)であり、poは所与の温度における水の蒸気圧(この値は下記表の第3欄に報告されている)である。
RH=(p/po) x 100%又はRH=1/po x 100%
上記式中、pは系の圧力(1atmを想定)であり、poは所与の温度における水の蒸気圧(この値は下記表の第3欄に報告されている)である。
炉の湿度プロフィールは温度と共に変動する。炉内の所与の温度で得られる最大R.H.は、炉の温度/湿度プロフィールの表に見出すことができる。
相対湿度を変化させ、硬化サイクル全体にわたって湿分を維持することにより、或いは、硬化中に最大湿度に試料を暴露する時間の長さを変化させることにより、試験を実施した。試料を湿分に暴露する時間の長さは、全硬化サイクルに対応する5時間から最大15時間の範囲にあった。試験においては、特定の時間にわたって系内に90%R.H.最大湿度の設定点が得られた。データを第4B表及び第4C表に報告する。
これらの結果は、相対湿度、及び、湿分に対する暴露時間が増大すると、その結果特性が改善されることを示した。最適な条件は、硬化サイクルの継続時間にわたって、所与の温度に対して炉内で得られる最高湿度であった。最適化された条件下で硬化された試料の湿潤曲げ強度測定値は、対照試料の湿潤強度の2倍よりも大きかった。
実施例5
標準砥石車を成形して、完成サイズ5.0"(127.00mm) x 0.200"(5.08mm) x 1.25(31.75mm)のために、5.125"(130.175mm) x 0.40"(10.16mm) x 1.0"(25.4mm)にした。これらの砥石車は、砥粒、シラン、レゾール及び実施例1において記載されている乾燥ボンドAを採用して製造した。
標準砥石車を成形して、完成サイズ5.0"(127.00mm) x 0.200"(5.08mm) x 1.25(31.75mm)のために、5.125"(130.175mm) x 0.40"(10.16mm) x 1.0"(25.4mm)にした。これらの砥石車は、砥粒、シラン、レゾール及び実施例1において記載されている乾燥ボンドAを採用して製造した。
2種の試験片#3A及び#4Aの組成及び特性を以下に示す：
温度を室温から160℃まで10時間にわたって制御可能に上昇させることにより、砥石車を硬化した。
標準砥石車を個々のセラミック・バット上に積み重ね、水を添加することなしに容器(缶)内に密閉し、乾燥条件下で硬化した。これらの砥石車を対照砥石車とした。
湿分硬化(蒸気を当てられた)砥石車を、0.25Lの水を含有する密閉容器内で成形した後で個々のバット上に置き、これにより、高相対湿度下で熱硬化された砥石車の効果を評価した。
初期水飽和砥石車を、硬化前に水中でソークすることにより(ほぼ10wt%水/砥石車重量)飽和させ、炉内の開いたバット上に置き、これにより、硬化サイクルの早期段の間でのみ高湿度を提供することの硬化を評価した。付加的な水は添加せず、熱硬化は湿分の不存在において行った。
下記機械設定条件下で表面研削試験を行った。F.P.Mは1分間当たりのフィートを意味する。
製造した砥石車を冷却剤中に2日間ソークして、研削中に冷却剤に長時間暴露するのをシミュレートするのに続いて試験し、試験砥石車の耐水性を評価した。湿分硬化砥石車、標準砥石車、及び初期水飽和砥石車の試験結果を第5A表に示す。(MMRは除去率を表す。) 標準砥石車及び湿分硬化砥石車のヒオキ出力データを第5B表に示す。表面研削データは、本発明の方法により製造された試験砥石車が最大90%の改善されたG比保留率を有することを示した。加えて、これらの砥石車は、研削プロセスの早期に定常研削条件を達成した。
実施例6
有機ボンド研磨製品における高級シーディング処理ゲル(SG)アルミナ研磨材の使用を、表面スロット研削において調査した。高級(焼結)シーディング処理ゾルゲル・アルファ・アルミナ粒子と38Aアランダム粒子(両方ともSaint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc.から入手)とを30/70の重量でブレンドしたものを採用して、標準砥石車を形成した。常用の技術を用いて硬化された砥石車を、実施例2において記載した湿分制御ベーク・サイクルを用いて硬化された砥石車と比較して評価した。
有機ボンド研磨製品における高級シーディング処理ゲル(SG)アルミナ研磨材の使用を、表面スロット研削において調査した。高級(焼結)シーディング処理ゾルゲル・アルファ・アルミナ粒子と38Aアランダム粒子(両方ともSaint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc.から入手)とを30/70の重量でブレンドしたものを採用して、標準砥石車を形成した。常用の技術を用いて硬化された砥石車を、実施例2において記載した湿分制御ベーク・サイクルを用いて硬化された砥石車と比較して評価した。
試験片を下記のように調製した：
成形済の砥石車の寸法は、5.125(130.175mm) x 0.373(9.47mm) x 1"(25.40mm)であった。ホイールを試験のために仕上げて、サイズ5"(127.00mm) x 0.25(6.35mm) x 1.25"(31.75mm)にした。
ボンド研磨製品に及ぼされる冷却剤(水中5%で使用されるMaster Chemical Trim SC210半合成冷却剤)による劣化の長期効果をシミュレートするために、製造した砥石車を冷却剤中に2日間ソークし、これに続いて試験した。砥石車は下記機械設定条件下で試験した。
この試験の結果を第6A表及び第6B表で報告する。これらの結果は、湿分で誘発された熱硬化条件下で処理された砥石車が、表面研削において50%を上回る程度だけ標準製品を凌いだ。冷却剤に対する暴露後のG-比保留率は、硬質等級及び軟質等級の種々の研削条件下で90%に近いか、又は90%を上回った。出力データは、標準砥石車と、湿分を含む雰囲気中で熱硬化された砥石車とが同じ出力状態で作業することを示す。
実施例7
広域接触面研磨を竪型スピンドル・グラインダで行うために、一連の5"(127.00mm) x 2"(50.8mm) x 1.5"(38.10mm)のカップ砥石車を形成した。この試験のために採用したボンド系は下記の通りである：
広域接触面研磨を竪型スピンドル・グラインダで行うために、一連の5"(127.00mm) x 2"(50.8mm) x 1.5"(38.10mm)のカップ砥石車を形成した。この試験のために採用したボンド系は下記の通りである：
すべてこの乾燥ボンドを含む、種々の等級(H,J,L)の3つの異なる砥石車仕様を形成し、これらを以下に説明する。
実施例1に記載された標準的な(常用の)硬化サイクル、又は実施例2に記載された湿分制御硬化サイクルを用いて、砥石車を硬化した。
ボンド研磨製品に及ぼされる冷却剤による劣化の長期効果をシミュレートするために、製造した砥石車を冷却剤中に5日間ソークし、これに続いて試験した。この試験では、下記の広域接触面研削のための機械設定条件を用いた。R.P.M.は、1分間当たりの回転数を意味し、S.F.P.Mは1分間当たりの平方フィートを意味する：
結果を下記の第7A表及び第7B表に示す。
第7A表及び第7B表の結果は、高湿度条件(95℃で90%〜160℃で15%)下で硬化されたボンド研磨製品が、ディスク研磨用途において、冷却剤による劣化に対して強い抵抗性を呈することを明らかに示した。上記データは、本発明に従って処理されたフェノール・ボンド研磨製品を使用して、100%のG比保留率を達成できることを示した。その結果得られる砥石車の寿命は、G比保留率の値を基準として40%だけ延びることがこれらの製品から期待される。
実施例8
本発明の方法により製造された砥石車に破裂試験を施した。使用した仕様を以下に示す。
本発明の方法により製造された砥石車に破裂試験を施した。使用した仕様を以下に示す。
湿潤破裂強さ基準を使用した砥石車の認定の手順
実施例7に記載されたボンドC、及び実施例1に記載されたボンドAで、破裂試験用砥石車(12"(304.79mm) x 1"(25.4mm) x 4"(101.60mm))を作製した。軟質等級及び粗いグリットを使用して、湿潤破裂強さを試験した。ボンドC及びボンドAの双方において、湿潤強度が低いことが判っている38A研磨材を使用して、これらの試験を実施した。表面研削用途のための試験仕様はボンドA、試験片#7Aであり、ディスク研削用途のための試験仕様はボンドC、試験片#4Cであった。上述の常用のラッピングにより、標準製品を調製した。最小認定速度及び湿潤破裂データを第8表に示す。
実施例7に記載されたボンドC、及び実施例1に記載されたボンドAで、破裂試験用砥石車(12"(304.79mm) x 1"(25.4mm) x 4"(101.60mm))を作製した。軟質等級及び粗いグリットを使用して、湿潤破裂強さを試験した。ボンドC及びボンドAの双方において、湿潤強度が低いことが判っている38A研磨材を使用して、これらの試験を実施した。表面研削用途のための試験仕様はボンドA、試験片#7Aであり、ディスク研削用途のための試験仕様はボンドC、試験片#4Cであった。上述の常用のラッピングにより、標準製品を調製した。最小認定速度及び湿潤破裂データを第8表に示す。
表面研削仕様の場合、標準製品を35%だけ上回る湿潤破裂速度が、試験製品において観察された。ディスク研削仕様の場合、標準砥石車を9%だけ上回る湿潤破裂速度が、湿分を含む雰囲気中で熱硬化された砥石車において観察された。
実施例9
標準試料、及び湿分を含む雰囲気中で熱硬化された試料の両方を、実施例5に記載された手順に従って調製した。(ボンドA、試験片#3A及び4A)。得られた試料を、加圧抽出容器(オートクレーブ)内に水と一緒に入れ、これにより試料からアンモニアを抽出した。オートクレーブを炉から取り出し、反応器を開く前に急冷した。得られた水性抽出物中のアンモニアレベルを、総ケルダール窒素(TKN)のEPA法351.3を用いて分析した。結果を第9表に示す。
標準試料、及び湿分を含む雰囲気中で熱硬化された試料の両方を、実施例5に記載された手順に従って調製した。(ボンドA、試験片#3A及び4A)。得られた試料を、加圧抽出容器(オートクレーブ)内に水と一緒に入れ、これにより試料からアンモニアを抽出した。オートクレーブを炉から取り出し、反応器を開く前に急冷した。得られた水性抽出物中のアンモニアレベルを、総ケルダール窒素(TKN)のEPA法351.3を用いて分析した。結果を第9表に示す。
アンモニア濃度はmg/L(ppm)で報告する。この結果は、制御された容積の水(1000cm3)中で1000gの砥石車セグメントから抽出されたアンモニア量を表す。
以上、本発明をその好ましい実施態様を参照しながら具体的に示し説明してきたが、特許請求の範囲によって包含される本発明の範囲を逸脱することなしに、形態及び詳細に種々の変更を加え得ることは当業者には明らかである。
Claims (6)
- 有機ボンド研磨物品の製造方法であって：
a)砥粒成分とフェノール系樹脂成分とを合する工程と；
b)前記の合した成分を成形する工程と；
c)湿分を含む雰囲気中で、前記フェノール系樹脂成分が重合する期間全体にわたって、そのフェノール系樹脂成分を熱硬化するとともに、その際、前記雰囲気が、硬化温度における通常の相対湿度を上回る相対湿度を有し、かつ前記雰囲気を前記の成形された成分と接触させ、これにより有機ボンド研磨物品を製造する工程と
を含む、有機ボンド研磨物品の製造方法。 - 研磨車の製造方法であって、
a)砥粒成分と有機ケイ素成分とを合して有機ケイ素処理砥粒成分を形成する工程と；
ｂ)前記有機ケイ素処理砥粒成分とフェノール系樹脂成分とを合する工程と；
ｃ)前記の合した成分を成形して未処理ボディを形成する工程と；
ｄ)湿分を含む雰囲気中で前記フェノール系樹脂成分を熱硬化するとともに、その際、前記雰囲気が、硬化温度における通常の相対湿度を上回る相対湿度を有し、かつ前記雰囲気を前記未処理ボディと接触させ、これにより、得られる研磨車と同じ仕様の標準研磨車の破裂速度よりも少なくとも９％高い破裂速度を有する研磨車を製造する工程と
を含む、研磨車の製造方法。 - 砥石車の製造方法であって、
a)砥粒成分と有機ケイ素成分とを合して有機ケイ素処理砥粒成分を形成する工程と；
ｂ)前記有機ケイ素処理砥粒成分とフェノール系樹脂成分とを合する工程と；
ｃ)前記の合した成分を成形して未処理ボディを形成する工程と；
ｄ)湿分を含む雰囲気中で前記フェノール系樹脂成分を熱硬化するとともに、その際、前記雰囲気が、硬化温度における通常の相対湿度を上回る相対湿度を有し、かつ前記雰囲気を前記未処理ボディと接触させ、これにより、少なくとも８９．９％の湿潤強度保留率を有する砥石車を製造する工程と
を含む、砥石車の製造方法。 - 前記熱硬化は、最終硬化温度で得られる最大相対湿度から、最終硬化温度で得られる最大相対湿度よりも５０％だけ低い相対湿度までの範囲で行われる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
- 前記熱硬化が蒸気の存在で行われる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
- 前記熱硬化が湿度制御炉内で行われる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法。
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