JP5635489B2 - 塗布研磨材粒子を利用した固定研磨材製品 - Google Patents

Description

本発明は、固定研磨材に関し、特に塗布研磨材粒子を組み込む固定研磨材に関する。

研磨材は、概して表面の研磨及び調製に利用される。研磨材を利用する用途は幅広く異なり、例えば、半導体産業における化学機械研磨（ＣＭＰ）などの研磨用途に対するスラリー中の遊離研磨材の利用などが挙げられる。或いは、研磨材は、結合研磨材（ｂｏｎｄｅｄ ａｂｒａｓｉｖｅ）及び塗布研磨材などの固定研磨材製品において利用することができ、そうした製品には、研削ホイール、ベルト、ロール、ディスクなどの装置が含まれ得る。

固定研磨材は概して、遊離研磨材とは異なり、マトリックス内の砥粒又はグリットを利用し、マトリックスの材料が砥粒の互いの位置を固定する。一般的な固定研磨材のグリットは、典型的にはアルミナである。アルミナは以前から利用されており、非常に硬く、且つ潤沢に入手可能なため、有効な研磨材であることが良く知られている。しかしながら、特に厳密な平滑研磨面が要求される用途においては、アルミナ結晶粒の粒径がより小さく、概してサブミクロン径であると、研削性能が向上し得ることが認められている。しかしながら、細粒アルミナの利用については、特に固定研磨材の場合、例えば、細粒アルミナの成形／調達、固定研磨材内の他の材料との細粒アルミナの構成及び適合性、並びにかかる細粒を利用する固定研磨装置の機械的及び化学的安定性を含め、特有の問題が生じている。

アルミナ研磨材料を改良しようとする従来の試みとしては、米国特許第６，２５８，１４１号明細書及び米国特許第５，１３１，９２３号明細書の開示などにある手法が挙げられる。米国特許第６，２５８，１４１号明細書の文献の開示では、アルミナ結晶粒上に塩ベースの前駆物質溶液からのコーティングが形成される。かかる塩ベースのコーティングは、結合研磨材製品の形成中、アルミナ結晶粒をガラス質材料、典型的にはシリカガラス材料と共に加熱して、それを高温下にアルミナ結晶粒に浸透させる間に、砥粒を保護する。特に、コーティングを使用すると、好ましくは、低温のガラス質結合材料に伴う変色が防止される。低温のガラス質結合材料は、それによりアルミナ結晶粒上に炭素が残留したままとなり、結合研磨製品に変色が起こることが多い。同様に、米国特許第５，１３１，９２３号明細書の文献の開示では、シリカ高含量のガラス質結合マトリックスとの接着性を向上させるため、シリカに富む表面を有する砥粒が形成される。しかしながら、米国特許第６，２５８，１４１号明細書及び米国特許第５，１３１，９２３号明細書によって教示される手法の有効性は、限られている。

従って、この工業部門では、特性の向上した固定研磨材が常に必要とされている。対象となる特性としては、化学的及び機械的安定性、使用可能な耐用期間、並びに研削性能の向上とはいかないまでも、従来の装置と同じ研削性能を提供することが可能な固定研磨装置が挙げられる。

一態様に従えば、固定研磨材の形成方法が提供され、この方法は、αアルミナ微粒子をシェル形成材料と組み合わせるステップと、αアルミナをシェル形成材料と共に焼成して研磨粒子を形成するステップとを含む。研磨粒子は、多結晶αアルミナコアと、多結晶αアルミナコアに重層するシェル層とを含むコア−シェル構造を有する。シェル層は、酸化ケイ素及び酸化ジルコニウムからなる群から選択される多結晶材料を含む。加えて、多結晶αアルミナコアは、平均粒径が約５００ｎｍ以下の結晶粒からなる。この方法はまた、研磨粒子をマトリックス材料に固着させて固定研磨材を形成するステップも含む。

別の態様に従えば、固定研磨材が提供され、これは、マトリックス材料と、マトリックス材料に埋め込まれた研磨粒子とを含む。この研磨粒子は、多結晶αアルミナコアと、多結晶αアルミナコアに重層するシェル層とを含むコア−シェル構造を有する。シェル層は、酸化ケイ素及び酸化ジルコニウムからなる群から選択される多結晶材料を含み、多結晶αアルミナコアは、平均粒径が約５００ｎｍ以下の結晶粒からなる。

添付の図面を参照することにより、当業者は本開示をさらに理解することができ、その多くの特徴及び利点が明らかとなり得る。

一実施形態に係る固定研磨装置の形成方法を示すフローチャートである。 一実施形態に係る塗布研磨材の結晶粒の図である。 一実施形態に係る塗布研磨材製品の断面図である。 一実施形態に係る結合研磨材製品の断面図である。 固定研磨装置に組み込まれる従来のアルミナ結晶粒中に存在する元素のプロットである。 一実施形態に従い形成された固定研磨装置に組み込まれるアルミナ結晶粒中に存在する元素のプロットである。 固定研磨材製品に組み込まれる従来のアルミナ結晶粒中に存在する元素のプロットである。 一実施形態に従い形成された固定研磨装置に組み込まれるアルミナ結晶粒中に存在する元素のプロットである。 従来の結合研磨材製品を横断する範囲の元素線走査のプロットである。 一実施形態に従い形成された結合研磨材製品を横断する範囲の元素線走査のプロットである。

種々の図面で同じ参照符号を使用するとき、それは、同様の、又は同一の要素を示す。

図１を参照すると、一実施形態に係る固定研磨材の形成方法を示すフローチャートが提供される。この方法は、αアルミナ微粒子をシェル形成材料と組み合わせることによって開始される（１０１）。特定の一実施形態に従えば、αアルミナ微粒子は、多相変態を含み得る種晶添加によるゾルゲルアルミナ加工経路を介して形成することができる。

従って、種晶添加によるゾルゲルアルミナ加工経路は、懸濁体中のαアルミナ前駆材料、例えばアルミナ水和物を利用することによって開始される。概して、懸濁体の液状媒体は水である。次に懸濁体に種晶が組み込まれ、αアルミナ結晶粒を形成するための核形成中心が提供される。概して、種晶はサブミクロン径のαアルミナ粒子であり、約１０ｗｔ％以下、例えば約５．０ｗｔ％以下、又はさらには約３．０ｗｔ％以下の量で提供される。次に、約１００℃〜２００℃の温度で乾燥させることにより、懸濁体から水が除去される。次に、残存するαアルミナ前駆材料及びαアルミナ種晶を十分な温度に加熱（か焼）して、前駆材料からαアルミナ粒子への変換を生じさせる。概して、加熱温度は約２００℃より高く、例えば約４００℃より高く、約６００℃〜１５００℃の温度である。他の酸化物種などの、変換されたαアルミナに存在し得る不純物は、イオン交換法によって除去し得る。

αアルミナ前駆材料は、ベーマイトなどの、アルミナの水和形態であり得る。αアルミナは、種晶添加による加工経路を通じて処理することができるが、ベーマイト材料もまた、種晶添加による加工経路を通じて形成することができる。概して用語「ベーマイト」は、本明細書では、典型的にはＡｌ_２Ｏ_３・Ｈ_２Ｏで、且つ含水量が１５重量％程度の鉱物ベーマイト、並びに含水量が１５重量％より高く、例えば２０〜３８重量％の擬ベーマイトを含むアルミナ水和物を指して用いられる。

概して、種晶添加による加工経路を通じたベーマイトの形成は、種晶添加による加工経路を通じたαアルミナ微粒子の形成と同様である。ベーマイトは懸濁体中に提供され、加熱される。加熱は、自己発生的な環境下で、すなわち、加工中に圧力の上昇が生じるようなオートクレーブにおいて実行することができる。種晶粒子は、典型的にはベーマイト前駆物質の約１．０重量％より多い量で存在し（Ａｌ_２Ｏ_３で計算して）、及び加熱は、約１２０℃より高く、例えば約１２５℃より高く、又はさらには約１３０℃より高い温度で、且つ典型的には約３０ｐｓｉの、自己発生的に生じる圧力で実行される。

加えて、懸濁体の酸性度を制御することにより、所望の形状及び粒径のベーマイト種晶を形成することができる。懸濁体のｐＨは、概して７未満又は８を上回る値から選択され、ベーマイト種晶材料は、約０．５μｍより小さい粒径を有する。ベーマイト微粒子材料の加工中、いくつかの変数を変更して所望の形態を生じさせ得る。こうした変数としては、特に、重量比、すなわちベーマイト前駆物質のベーマイト種晶に対する比、加工中に用いられる特定のタイプ又は種の酸又は塩基（並びに相対的なｐＨレベル）、及び系の温度（これは自己発生的な熱水環境の圧力に正比例する）が挙げられる。

ベーマイト微粒子材料のαアルミナへの変換は、（上述のとおり）か焼することにより実行され得る。か焼温度は、部分的には、ベーマイト微粒子材料のタイプと、ベーマイト微粒子材料をαアルミナ相に変換するのに必要な時間とに依存する。概して、か焼温度は約１１００℃以上である。他の実施形態は、約１２００℃、１３００℃、又はさらには１４００℃以上のか焼温度を利用する。典型的には、か焼温度は約１２５０℃〜約１５００℃の範囲内である。

好適なか焼時間は、部分的には、ベーマイト微粒子材料と、αアルミナ材料の所望の組成とに依存する。典型的には、か焼は約５時間より長く実行されることはなく、概して約１〜４時間、又は約１〜３時間の範囲内である。加えて、か焼は、制御されたガス及び圧力環境を含め、様々な環境下で実行され得る。か焼は、概してベーマイト微粒子材料の相転移を生じさせるために実行されるもので、化学反応を生じさせるためではないため、得られる材料は主に酸化物であり、従って、組成上及び形態上最も制御されたアルミナ最終生成物である場合を除き、特別な気体及び圧力環境を実現する必要はない。

αアルミナに関して、一般に、αアルミナ粒子は概して一次粒径が小さく、特にサブミクロン径である。一実施形態に従えば、αアルミナは一次粒径が約５００ｎｍ以下、約３００ｎｍ以下、又はさらには約２５０ｎｍ以下である。さらに、他の実施形態は、一次粒径が約２００ｎｍ以下、又はさらには約１５０ｎｍ以下のαアルミナを利用する。別の実施形態において、αアルミナ微粒子の平均一次粒径は、約１００ｎｍ以下、又はさらに、約７５ｎｍ以下である。

再び図１を参照すると、αアルミナ微粒子はシェル形成材料と組み合わされる（１０１）。一般に、シェル形成材料は、シェル層を形成するための種を含み、より具体的には、ケイ素又はジルコニウムを含む。特定の実施形態に従えば、シェル形成材料は、かかる種の金属酸化物、すなわち酸化ケイ素及び酸化ジルコニウムを含有する。

αアルミナは、シェル形成材料と混合物の形態で組み合わされる。一実施形態に従えば、混合は、水性媒質を含む湿潤混合物である。湿式であろうと、又は乾式であろうと、所望の混合方法に応じて混合にはさらなるプロセス、例えば磨砕プロセスが組み込まれ得ることは理解されるであろう。湿潤混合物を利用するかかる実施形態では、αアルミナ微粒子は、スラリー又は水性溶媒による懸濁体として形成することができる。或いは、他の実施形態において、溶媒は有機化合物などの非水性である。

特に、αアルミナ微粒子は、コロイド分散体としてのシェル形成材料と組み合わせることができ、これは液状媒体中に懸濁されたコロイドとしてシェル形成材料を含み得る。そのため、コロイドは、シェル層を形成するための金属酸化物種を含有してもよく、特に、シリカ及びジルコニアを含む酸化ケイ素又は酸化ジルコニウムを含んでもよい。一実施形態において、コロイドは、約９０％以上が酸化ケイ素又は酸化ジルコニウムで構成される。別の実施形態において、コロイドは、本質的に完全に酸化ケイ素又は酸化ジルコニウムである。

液体媒質に関して、コロイド分散体は水性の液体媒質を利用し得る。或いは、コロイドの液体媒質は有機化合物であってもよく、特に酢酸塩を含んでもよい。コロイド分散体は、コロイド及び液体媒質に加え、他の無機化合物、有機化合物、安定化剤、ｐＨ調整剤、又は結合剤などの添加物を含有し得る。かかる添加物は、典型的には、分散体の全固形分含量を基準として約１５ｗｔ％以下だけ含まれる。他の実施形態に従えば、かかる添加物の量は、約１０ｗｔ％以下、又は約５．０ｗｔ％以下である。

シェル形成材料を用いたコロイド分散体の形成を促進するため、コロイドの一次粒径は小さく、概してサブミクロンである。一実施形態に従えば、コロイドは、平均一次粒径が約２００ｎｍ以下、例えば約１５０ｎｍ以下、又はさらには約１００ｎｍ以下である。

一実施形態に従えば、シェル形成材料と組み合わされるαアルミナ微粒子の量は、αアルミナとシェル形成材料との全固形分含量を基準として約８０ｗｔ％以上である。別の実施形態において、αアルミナの量は、約９０ｗｔ％以上、ある場合には約９５ｗｔ％以上である。従って、αアルミナと組み合わされるシェル形成材料の量は、αアルミナとシェル形成材料との全固形分含量を基準として約２０ｗｔ％以下である。さらに、シェル形成材料の量はそれより少なくてもよく、例えば、約１０ｗｔ％以下、又は約５．０ｗｔ％以下、又はさらには約３．０ｗｔ％以下である。典型的には、シェル形成材料の量は約０．２５ｗｔ％以上である。

αアルミナ微粒子とシェル形成材料とを組み合わせた後、混合物は乾燥させることができる。乾燥温度は、概して、混合物から成分、特に有機物成分及び他の成分を放出及び蒸発させるのに好適な範囲内である。一実施形態に従えば、混合物は、概して室温より高い温度、すなわち約２５℃以上で乾燥させる。別の実施形態に従えば、乾燥は、約３５℃以上、約４０℃以上、又はさらには約５０℃以上の温度で達成される。特定の実施形態に従えば、乾燥は、約２５℃〜約１００℃の範囲内の温度で実行することができる。

シェル形成材料をαアルミナ微粒子と組み合わせるには、別の方法を用いて行うことができる。例えば、シェル形成材料は、堆積法を用いてαアルミナ微粒子と組み合わせてもよい。一実施形態に従えば、シェル形成材料は、例えば、化学気相堆積ＣＶＤ、プラズマ気相堆積ＰＶＤ、又は金属有機化学気相堆積ＭＯＣＶＤを含む気相堆積法によって堆積させることができる。気相堆積法を利用するかかる実施形態において、シェル形成材料は、前駆材料として提供することができる。前駆材料はシェル形成材料又はシェル形成材料の誘導体を含むことができ、従って前駆材料が堆積プロセス中に反応又は分解すると、シェル層、特に酸化ケイ素又は酸化ジルコニウムを含むシェル層が形成される。一実施形態に従えば、前駆材料はケイ素を含み、特に、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）である。

成分を組み合わせた後、組み合わせたものを焼成して研磨粒子を形成することができる（１０３）。成分を焼成すると、シェル形成材料が、多結晶αアルミナコアに重層するシェル層に変換するように促進される。特に、シェル形成材料は、金属酸化化合物などの、多結晶形態であり得る高温化合物に変換することができる。概して、成分の焼成は約８００℃以上の温度で達成される。さらに、一実施形態に従えば、焼成温度は約１０００℃以上で、但し典型的には約１４００℃以下である。特定の一実施形態において、焼成温度は約８００℃〜約１２００℃の範囲内である。

成分の焼成は、概してシェル層とアルミナコアとの間の結合の形成を促進する。結合は一次結合であってもよく、特にシェル層は、一次結合機構、例えば共有結合によってアルミナコアと結合され得る。さらに、焼成により、研磨粒子の緻密化、及び密着性且つ多結晶性のシェル層の形成が促進される。

全体としての研磨粒子（すなわち、コア及びシェル）に関して、焼成後、研磨粒子をメッシュにより篩別して、粗粒か、細粒か、又はそれらの混合であるかに関わらず、特定の粒径及び／又は分布の研磨粒子を得ることができることは理解されるであろう。研磨粒子の最終的な粒径は、部分的には最初のαアルミナ微粒子の粒径及び分布によって決定され、さらに、αアルミナ粒子の粒径の制御及び生成により、最終的な研磨粒子の粒径の制御がもたらされることは理解されるであろう。従って、研磨粒子は、コアを形成するサブミクロンのαアルミナ結晶粒と比較して大きい粒子であってもよい。概して、焼成後の研磨粒子の粒径は、約１．７ｍｍ以下である。一実施形態において、研磨粒子は平均粒径が約１．０ｍｍ以下、例えば約５００μｍ以下、又はさらには約４００μｍ以下である。

焼成（１０３）の後、研磨粒子をマトリックス材料に固着させて固定研磨材を形成することができる（１０５）。概して、本明細書において固定研磨材は、研磨粒子又は砥粒が所定位置に固定されている構成材として定義され、概して互いに対し所定位置に固定されているか（結合研磨材）、又は互いに、且つ基材部材に対し所定位置に固定されている（塗布研磨材）。固定研磨材の実際の構成は、用途によって大きく異なり得る。例えば、塗布研磨材は、紙、布、ステッチボンド布、繊維又はフィルムの基材を利用してもよく、及び塗布研磨材は、ベルト、ディスク、シート、インターライン型スリーブ、ロール、フラップディスク、フラップホイール、及び他の幾何構造を含め、いくつかの異なる幾何学的形態をとり得る。他方で、結合研磨材は、研削ホイール、円筒形ホイール、カップホイール、ディッシュホイール、セグメント、コーン、軸付きホイール、並びにポイント、ブロック、及びバーの形態など、典型的には中実の一体構造の形態である。

図２を参照すると、一実施形態に係る研磨粒子の断面図が示される。本明細書に記載されるとおり、及び一実施形態に従えば、研磨粒子は、複数のαアルミナ結晶粒２０５からなるコア２０３を含むコア−シェル構造を有する。概して、コア２０３は、αアルミナを約９５％以上、又はαアルミナを約９８％以上含む。さらに、特定の一実施形態において、コア２０３は本質的にαアルミナからなる。

多結晶コア２０３は、非常に小さく、概してサブミクロン結晶粒径である複数のαアルミナ結晶粒を含む。一実施形態において、αアルミナ結晶粒は、平均粒径が約５００ｎｍ以下、例えば約４００ｎｍ以下、又はさらには約３００ｎｍ以下である。別の実施形態に従えば、コア２０３は、平均粒径が約２００ｎｍ以下、例えば約１５０ｎｍ以下、ある場合には約１００ｎｍ以下の結晶粒２０５を含む。

研磨粒子のコア２０３をさらに参照すると、概してコア２０３の平均粒径は、約１．７ｍｍ以下、例えば約７５０μｍ以下、又はさらには約６００μｍ以下である。特定の一実施形態に従えば、研磨粒子の平均コア粒径は、約５００μｍ以下、又はさらには約２００μｍ以下である。特に、平均コア粒径は、約０．５μｍ〜約１．７ｍｍの範囲内である。

図２に示されるとおり、シェル層２０１は、コア２０３に重層する多結晶材料を含む。概して、シェル層２０１は約９０ｖｏｌ％以上が多結晶材料であってよく、より典型的には、多結晶材料を約９８ｖｏｌ％以上含み得る。一実施形態に従えば、シェル層２０１は完全に多結晶材料からなる。

典型的には、シェル層２０１は実質的に、シェル層２０１がコア２０３の外表面の約９０％以上に重層するようにαアルミナコア２０３を被包する。さらに、他の実施形態において、シェル層２０１はコア２０３のより多くを被包してもよく、コア２０３の外表面の約９５％以上がシェル層２０１によって被覆される。さらに別の実施形態において、シェル層２０１は、コア２０３の外表面の約９８％以上を被覆する。特定の一実施形態において、シェル層２０１は実質的に、コア２０３の本質的に全ての外表面がシェル層２０１によって被覆されるようにαアルミナコア２０３を被包する。

シェル層２０１はコア２０３に重層し、一実施形態に従えば、シェル層２０１は平均厚さが約１０μｍ以下である。さらに、シェル層はより薄くてもよく、別の実施形態において、シェル層２０１は平均厚さが約８．０μｍ以下、例えば約５．０μｍ以下である。特定の一実施形態において、シェル層２０１は平均厚さが約３．０μｍ以下である。

シェル層２０１は概してロバストな層であり、研磨粒子の総重量の相当の割合を占め得る。一実施形態に従えば、シェル層２０１は、粒子の総重量の約０．５ｗｔ％以上である。別の実施形態において、シェル層２０１は、研磨粒子の全体の重量の約１ｗｔ％以上、例えば約３ｗｔ％以上、又はさらには約５ｗｔ％以上であり得る。特定の実施形態に従えば、シェル層２０１はロバストな層であり、その重量が研磨粒子の総重量の約１ｗｔ％〜約１０ｗｔ％の範囲内であるなど、研磨粒子の相当の部分を占める。

さらにシェル層２０１を参照すると、概してシェル層２０１は、特に緻密な層で気孔がほとんどなく、かかる気孔は、概して閉鎖気孔である。一実施形態に従えば、シェル層２０１は気孔率が約３０ｖｏｌ％以下である。別の実施形態に従えば、シェル層２０１は、気孔率が約２０ｖｏｌ％以下、例えば約１５ｖｏｌ％以下、又は約１０ｖｏｌ％以下である。さらに、特定の一実施形態において、シェル層２０１の気孔率は約５．０ｖｏｌ％以下である。

先述のとおり、シェル層２０１はシェル形成材料を含み、特に酸化ジルコニウムか、又は酸化ケイ素かのいずれかの金属酸化化合物を含む。酸化ジルコニウム及び酸化ケイ素は、ジルコニウム又はケイ素の酸化物、例えば、ジルコニア若しくはシリカ、又は場合によっては下層のアルミナコアとの反応生成物を含むケイ素及びジルコニウムの複合酸化物を含む。一実施形態に従えば、研磨粒子は、酸化ジルコニウムを約９０％以上、例えば酸化ジルコニウムを約９５％以上、さらにある場合には酸化ジルコニウムを約９８％以上含むシェル層２０１を有する。さらに、特定の一実施形態において、シェル層２０１は完全に酸化ジルコニウムからなる。

酸化ジルコニウムシェル層を利用する実施形態に関して、概して、酸化ジルコニウムシェル層は多結晶である。さらに、一実施形態に係る酸化ジルコニウムの結晶相は、不安定な形態である。特に、完全に酸化ジルコニウムからなるシェル層２０１を利用する実施形態は、不安定な形態のジルコニアを利用し、従って、ジルコニアは単斜晶構造を有し得る。さらに、他の実施形態は、正方又は立方結晶構造を有するジルコニアを含むシェル層２０１を利用し得る。

他の実施形態に従えば、シェル層２０１は、酸化ケイ素、特に多結晶形態の酸化ケイ素を含み得る。概して、シェル層２０１は酸化ケイ素を約９０％以上含む。別の実施形態において、シェル層２０１は酸化ケイ素を約９５％以上、例えば酸化ケイ素を約９８％以上含む。さらに、シェル層２０１が完全に酸化ケイ素からなるといったように、シェル層２０１はより多くの酸化ケイ素を含むことができる。

図３を参照すると、塗布研磨材製品の断面が示される。示されるとおり、塗布研磨材は、基材部材３０１と、第１の層３０３と第２の層３０５とを有するマトリックス材料３０２と、コア３０７とコア３０７に重層するシェル層３０９とを有する研磨粒子３０６とを含む。概して、ほとんどの塗布研磨材製品と同様に、基材材料３０１は、マトリックス材料３０２と隣接してそれに重層する平面的な材料であり、この材料が、マトリックス材料３０２及びさらに研磨粒子３０６を保持するための表面を提供する。基材材料３０１は、概して、研削又は研磨用途の特定の機械的要求に耐えることが可能な、柔軟だが強い材料を組み込む。一実施形態に従えば、基材材料３０１としては、セラミック、ポリマー、金属、合成繊維、及び紙若しくは綿などの天然繊維などの材料、又はそれらの組み合わせが挙げられる。別の実施形態に従えば、基材材料は、合成材料、例えば、ポリエステル、ナイロン、又はレーヨンなどのポリマーである。加えて、基材材料３０１としては、合成織布材料、天然織布材料、又は双方の組み合わせを含み得る織布材料を挙げることができる。さらに、かかる織布材料は、樹脂又は高分子化合物によって一体にまとめることができる。さらに、他の実施形態は、ポリエステルフィルムなどのフィルムを利用して基材材料３０１を形成する。

塗布研磨材のマトリックス材料３０２を再び参照すると、概してマトリックス材料３０２は、基材材料３０１と隣接してそれに重層し、研磨粒子３０６を付着させることのできる表面を提供する。一実施形態において、マトリックス材料３０２は複数の層を含み、それらは概して、図３に示される第１の層３０３及び第２の層３０５などの接着剤層である。概して、第１の層３０３は「メークコート」と称され、基材材料３０１に対する砥粒のその場への固着を促進する。一実施形態に従えば、第１の層３０３は、樹脂又は接着剤、又はその双方を含み得る。樹脂という用語は、硬化させる合成化合物を指し、天然材料であっても、又は合成材料であってもよい。一実施形態に従えば、第１の層は、尿素樹脂及びフェノール樹脂などの樹脂、又はそれらの組み合わせを含む。第１の層３０３の中に存在する樹脂及び接着剤の組成及び割合により、層の剛性の制御が促進され、この剛性は、所望の用途に応じた必要に従い決定される。次に研磨粒子３０６が第１のコート内に固着された後、第１の層３０３の材料の固化又は硬化が行われる。研磨粒子は、特定の配置又はパターンで第１の層３０３内に整列又は固着され得る。

第１の層３０３に加え、マトリックス材料３０２はまた、図３に示されるとおり、研磨粒子３０６及び第１の層３０３に重層する第２の層３０５を含み得る。概して、第２の層３０５は、「サイズコート」と称され得るもので、第１の層３０３内での研磨粒子３０６の互いに対する固定を促進する。従って、第２の層３０５は、高分子化合物を含み得る樹脂及び接着剤を含むことができ、高分子化合物としては、例えば尿素樹脂又はフェノール樹脂が挙げられる。

樹脂化合物及び接着化合物に加え、第２の層３０５はまた、充填剤などのさらなる化合物も含み得る。充填剤は、固体潤滑剤などのさらなる効果増強化合物を含み得る。一実施形態に従えば、第２の層３０５はハロゲン化合物、より詳細にはフッ素化合物を含む。特定の一実施形態において、充填剤としては、ナトリウム、アルミニウム、及びフッ素を含む化合物（例えば、Ｃｒｙｏｌｉｔｅ（登録商標））が挙げられる。フッ素などのハロゲンを含有するかかる充填材料は腐食性であり、研削作業中に一般的な高温では特に腐食を呈する可能性があるため、固定研磨装置の研削性能を向上させ得るが、しかし同時に砥粒を腐食及び変質させ得る。

特定の実施形態に従えば、塗布研磨材は、研磨粒子が塗布研磨材の有効表面の約７５％以上を覆うクローズドコート製品である。さらに、クローズドコート製品は、表面にわたる砥粒の密度がより高くてもよく、例えば、砥粒が塗布研磨材の有効表面の約８０％以上、又はさらには約９０％以上を被覆する。或いは、他の実施形態において、塗布研磨材製品は、塗布研磨材の有効表面を覆う研磨粒子が約７５％未満のオープンコート製品である。一実施形態において、塗布研磨材は、塗布研磨材の有効表面を覆う研磨粒子が約６５％未満、例えば約５５％未満、又はさらには約４５％未満のオープンコート研磨材である。概して、オープンコート研磨材製品は、約５０％〜約７５％の範囲内など、有効表面の半分以上が研磨粒子で覆われている。

ここで他の固定研磨材製品を参照すると、図４は、一実施形態に係る結合研磨材製品の断面図である。示されるとおり、この結合研磨材は、研磨粒子４０６が中に埋め込まれたマトリックス材料４０１を含む。示される研磨粒子４０６は、コア４０３とコア４０３に重層するシェル層４０５とを有する粒子を含む。

結合研磨材のマトリックス材料４０１に関して、概してマトリックス材料は、研磨粒子４０６を互いにその場に保持するのに好適な材料を含む。一実施形態に従えば、マトリックス材料４０１としては、セラミック、金属、ポリマー、及び／又はゴムのような天然材料などの材料が挙げられる。一実施形態において、マトリックス材料４０１としては、フェノール系材料を含み得る樹脂などの合成材料を挙げることができる。別の実施形態に従えば、マトリックス材料としては、ガラス状の、又はガラス化したセラミック材料などのセラミックが挙げられる。特定の実施形態に従えば、ビトリファイドマトリックス材料は、約１０ｗｔ％以上、例えば約３０ｗｔ％以上、又はさらには約６０ｗｔ％以上がシリカである量でシリカを含む。

概して、ガラス化セラミックマトリックス材料を有する結合研磨材は、研磨粒子と、ガラス質又はセラミック質の接着剤前駆成分（例えば、フリット、酸化物及びシリケート）と、仮結合剤とを共に混合するステップと、次に、かかる混合物を型に入れるステップと、型内の混合物をほぼ所望のサイズ及び形状に圧縮するステップとを用いることにより作製される。この方法では、最終的な焼成ステップの前に、結合研磨材製品の膨張及び膨潤を低減するため、圧縮された部品から揮発分を抜き取り、これは通常、圧縮された部品を比較的低温（例えば２００℃〜３００℃）で加熱してあらゆる揮発分（例えば、水及び／又は有機材料）を放出させることによって行われる。

最初の圧縮及び加熱後、結合研磨材を型から取り出し、次に炉内において比較的高温（例えば５００℃〜１２００℃）で焼成すると、ガラス質接着剤が形成され、研磨粒子とマトリックス材料との結合が促進される。圧縮され、一時的に結合した（すなわち未硬化の）部品の焼成は、通常、約５００℃以上、例えば約７００℃以上、又はさらには約９００℃以上、概して約５００℃〜約１２００℃の範囲内の温度で行われる。この高温焼成の間、様々な物理的及び／又は化学的変換が起こり、その結果、砥粒とマトリックス材料とを一体に結合するガラス質又はセラミック質のマトリックスが形成される。

結合研磨材製品、特にガラス化セラミックマトリックス材料を利用する結合研磨材のマトリックス材料４０１としては、結合研磨材製品の総重量を基準として約３０ｗｔ％以上のマトリックス材料が含まれる。別の実施形態に従えば、マトリックス材料４０１は、結合研磨材製品の全体の重量の約４０ｗｔ％以上、又は約５０ｗｔ％以上、又はある場合には約６０ｗｔ％以上含まれる。

固定研磨材製品に使用される研磨粒子に関して、図５は、塗布研磨材製品内に固着される従来のアルミナ粒子中に存在する元素のプロットを示す。特に、塗布研磨材は、ナトリウム（Ｎａ）とフッ素（Ｆ）とを有する充填材料（例えば、Ｃｒｙｏｌｉｔｅ（登録商標））を主成分として含む。さらに、塗布研磨材内のアルミナ結晶粒は、平均結晶サイズが約５００ナノメートル未満である。図５を参照すると、アルミナ結晶粒は、予想し得るとおり多量のアルミニウム５０５を含有し、且つアルミナ結晶粒は、アルミニウム含量に加え、多量のフッ素５０３及びナトリウム５０１も示す。記載されるとおり、かかる元素は塗布研磨材のマトリックス材料中の充填材料に存在し、図５によって明らかなとおり、これらの元素はアルミナ結晶粒に浸透している。

比較のため、図６は、本明細書の実施形態に係る塗布研磨材に組み込まれる研磨粒子中に存在する元素のプロットを示す。特に、図６に示される研磨粒子はコア−シェル構造を有し、αアルミナコアとジルコニアを含むシェル層とを含む。この粒子は、１０００℃で５分間焼成した。図５で評価した塗布研磨材と同様に、図６の塗布研磨材製品は、マトリックス材料の第２の層に同じ充填材料、すなわち主にナトリウムとフッ素とからなる充填剤を組み込んだ。図６に提供される研磨粒子のアルミナコアは、予想どおり高含量のアルミニウム６０３を含有するが、このアルミナコアは、範囲６０１に示されるとおり、フッ素又はナトリウムをごく微量しか、又は全く示さない。図６は、図５と比較して、充填剤中に存在する元素が研磨粒子のアルミナコアに浸透しなかったことを示す。

さらに砥粒の特定の特徴に関して、図７は、従来の、結合研磨材製品に組み込まれるアルミナ結晶粒中に存在する元素のプロットを示す。比較すると、図８は、コア−シェル構造を有し、且つ本明細書の実施形態に従い結合研磨材に組み込まれる砥粒中に存在する元素のプロットを示す。特に、図８の研磨粒子は、平均粒径が約５００ｎｍ未満のアルミナ結晶粒を有する多結晶αアルミナコアと、ジルコニアを含むシェル層とを含む。この研磨粒子は、１２５０℃で１時間焼成することにより形成した。図７及び図８に示されるサンプルは双方とも、シリカを含有するビトリファイドマトリックス材料を有する結合研磨材を組み込んだ。図７は、予想された高含量のアルミニウム７０１に加え、アルミナ粒子が高含量のケイ素７０３を含有することを示し、これは、マトリックス材料のシリカからのケイ素元素が砥粒に浸透したことを示している。比較すると、図８の研磨粒子は、予想どおり高含量のアルミニウム８０１を示すが、αアルミナコア中のケイ素８０３の含量は減少しており、これは、コア−シェル構造を利用すると、研磨粒子に浸透するケイ素が少ないことを実証している。

さらに本明細書に提供される研磨粒子の特徴に関して、図９は、高含量のシリカを有するガラス質マトリックス材料中の被膜のないアルミナ結晶粒を利用した、従来の結合研磨材の一部の元素線走査を示す。範囲９０１及び９０３は、結合研磨材のうち、アルミナの砥粒である範囲を表し、一方、範囲９０２は、結合研磨材のうち、シリカを含むビトリファイドマトリックス材料である範囲を表す。従って、線９０７は各範囲におけるケイ素量を表し、線９０５は各範囲におけるアルミニウム量を表す。示されるとおり、範囲９０１及び９０３（アルミナの砥粒を表す範囲）のアルミニウム量はケイ素量より多いが、範囲９０１（アルミナ結晶粒）から範囲９０２（マトリックス材料）に、さらにまた範囲９０３（アルミナ結晶粒）に移るときのケイ素量の変化は、ごく僅かである。

比較すると、図１０は、シリカを組み込む同じビトリファイドマトリックス材料を有し、且つコアシェル構造を有する砥粒も組み込む結合研磨材の同様の走査を示す。特に、砥粒は、多結晶αアルミナコアとジルコニアシェル層とを含む。図９と同様に、図１０は、砥粒の範囲である範囲１００１及び１００３を提供し、範囲１００２は、マトリックス材料の範囲を表す。従って、線１００７は各範囲におけるケイ素量を表し、線１００５は各範囲におけるアルミニウム量を表す。特に、砥粒の範囲１００１及び１００３のケイ素量１００７は、マトリックス材料１００２の範囲と比べて著しく低下する。さらに、図９と比較すると、図１０の砥粒中、特に範囲１００１及び１００４内に存在するケイ素量１００７は、図９の砥粒（範囲９０１及び９０３）と比べてそれほど多くのケイ素を含まない。

さらに、本明細書の実施形態に提供されるとおりの固定研磨材製品の性能に関して、以下に表１が提供され、これは単層試験における研磨粒子の研削性能を示す。単層試験は、特定の金属被加工物に対する結合研磨材及び塗布研磨材の性能を測定するためにシミュレーション試験として用いられる平面研削試験である。特に、表１はＧ比に関して研削性能を計測し、これは、研磨材製品、典型的には研磨ホイールの研削性能の標準化された計測方法であり、研磨ホイールから失われた材料の容積と比較したときの、サンプルから失われた材料の容積の尺度である。以下に提供される各結果は、標準アルミナ１のサンプルに対する研削性能の割合として計られる。標準アルミナ１はまた、ビトリファイドマトリックス材料内の標準アルミナ研磨粒子としても使用される。

試験に使用される研磨ホイールは、直径５インチ及び厚さ０．２５インチの金属ホイールを含み、フェノール樹脂を接着材料として用いて金属ホイールの表面に単層の研磨粒子が付着されている。表１にある研磨粒子の全てのサンプルは、研磨粒子の粒径が２５０μｍ〜４２５μｍの範囲内となるように篩分けし、収集した（標準的な６０〜４０メッシュサイズ）。研磨粒子の違いは、標準アルミナ１、標準アルミナ２、及び標準アルミナ３サンプルが、従来の被膜のないアルミナ結晶粒を使用したことである。サンプルＳ１〜Ｓ６は、本明細書の実施形態に記載されるとおりのコア−シェル構造を有する研磨粒子を使用した。

サンプルの各々は、４１４０炭素鋼被加工物の使用、０．０００１インチの定速送り速度での送り込み、及び６５フィート／分のテーブル回転速度を含め、同じ条件下で試験する。試験中、研削条件には、乾式、トラバース、及び３４５Ｗから３５０Ｗの停止状態出力（ｓｔｏｐｐｅｄ ｐｏｗｅｒ）も含まれる。

特定の比較サンプルを参照すると、サンプルＳ１は、標準アルミナ２サンプルのものと同様のアルミナ結晶粒を利用するが、但しシリカで形成された、アルミナ結晶粒に重層するシェル層を含む研磨粒子を組み込む。特に、シェル層は、０．５ｗｔ％のシリカ（全固形分含量を基準として）をαアルミナ微粒子と混合し、混合物を１０００℃で焼成することにより形成した。示されるとおり、サンプルＳ１は研削性能の向上を実証し、Ｇ比が標準アルミナ１サンプルと比べて１９％、及び標準アルミナ２サンプルと比べて３０％向上した。加えて、サンプルＳ１は、標準アルミナ３サンプルの各々と比べても研削性能の向上を示している。

次の比較サンプルを参照すると、サンプルＳ２は、標準アルミナ２サンプルのものと同様のアルミナ結晶粒を利用するが、但しシリカで形成された、アルミナ結晶粒に重層するシェル層を含む研磨粒子を組み込む。特に、サンプルＳ２の研磨粒子は、αアルミナをシェル形成材料としての１．０ｗｔ％のシリカ（全固形分含量を基準として）と組み合わせ、混合物を１０００℃の温度で焼成することにより形成した。示されるとおり、サンプルＳ２もまた、標準アルミナサンプルの各々と比べて研削性能の向上を実証した。

比較サンプルＳ１及びＳ２と同じく、サンプルＳ３は、コア−シェル構造を有する砥粒を組み込む結合研磨材である。特に、サンプルＳ３は、多結晶αアルミナコアと多結晶コアに重層するシェル層とを有する砥粒を含む。研磨粒子は、αアルミナ微粒子と、シェル形成材料としての０．５ｗｔ％のシリカ（全固形分含量を基準として）とを組み合わせることにより作製した。組み合わせたものを１２００℃の温度で焼成した。示されるとおり、サンプルＳ３の性能は、標準アルミナ１及び２サンプルと比べて向上し、及び標準アルミナ３サンプルと同程度の性能であることを示している。

同様に、サンプルＳ４は、いずれの標準アルミナサンプルと比べても、研削性能の向上を示す。サンプルＳ４は、アルミナコアとアルミナコアに重層するシリカシェル層とを有する砥粒を含む結合研磨材である。研磨粒子は、αアルミナ微粒子をシェル形成材料としての１．０ｗｔ％のシリカ（全固形分含量を基準として）と組み合わせることにより作製した。粒子は１２００℃の温度で焼成した。コア−シェル構造を組み込む先述のサンプルと同様に、標準アルミナサンプルの各々と比べての研削性能の向上。

サンプルＳ５を参照すると、このサンプルは、標準アルミナ３サンプルと同じタイプのアルミナ結晶粒を結合研磨材内に使用したが、しかしながら、砥粒は、アルミナコアに重層するシリカシェル層を含んだ。特に、サンプルＳ５の研磨粒子は、αアルミナ微粒子と、シェル形成材料としての１．０ｗｔ％のシリカ（全固形分含量を基準として）とを組み合わせることにより形成した。組み合わせたものを１２００℃の温度で焼成した。示されるとおり、サンプルＳ５は、標準アルミナ３サンプルと比べて研削性能の向上を示す。サンプルＳ５はまた、標準アルミナ１及び２サンプルと比べても研削性能の向上を実証する。

従って、サンプルＳ６もまた、標準アルミナ３サンプルと同じタイプのアルミナ結晶粒を利用するが、砥粒は、アルミナコアに重層するシリカシェル層を利用する。特に、研磨粒子は、αアルミナ微粒子を０．５ｗｔ％のシリカ（全固形分含量を基準として）と組み合わせ、組み合わせたものを１２００℃の温度で焼成することにより形成した。この場合もまた、サンプルＳ６は、標準的な結合研磨材サンプルである標準アルミナ３と比べて研削性能の向上を示す。サンプルＳ６はまた、標準アルミナ１及び２サンプルと比べても研削性能の向上を示す。これらのサンプルは、本明細書の実施形態に提供される研磨粒子の研削性能の向上、特にシリカシェル層を利用する研磨粒子の研削性能の向上を示すが、同様のシェル層を利用し、且つジルコニアを含む研磨粒子は、同様の研削性能の向上を実証している。

本明細書の実施形態に従えば、研削性能の増強、マトリックス材料及び充填剤との適合性、及び耐用期間の長期化など、特性が向上した固定研磨材製品が提供される。本発明者は、米国特許第６，２５８，１４１号明細書及び米国特許第５，１３１，９２３号明細書に開示されるものなど、表面を改変した構造を有する特定の研磨粒子の存在を認識しているが、本明細書に開示する研磨材製品は、より優れたものである。米国特許第６，２５８，１４１号明細書に関して、この文献の開示では、塩ベースの前駆物質から形成されるコーティングが使用されるが、開示されているコーティングは、好ましくは結合材料が低温のガラス質材料であるときの、結合研磨材製品を形成する間のアルミナ結晶粒の保護を提供するものである。さらに、米国特許第６，２５８，１４１号明細書は、概してアルミナ研磨粒子をセラミック酸化物で被覆し得ると記載しているが、この文献は続いて、「セラミック酸化物」は、１５００℃超の温度で安定な金属酸化物、主には、酸化マグネシウム、二酸化チタン、酸化コバルト、酸化ニッケル、及び酸化クロムを指すものと理解されると記載している。加えて、これらのセラミック酸化物コーティングは、粒子の総重量の多くとも１ｗｔ％であり、典型的にはそれよりはるかに少ないため、ロバストではない。米国特許第６，２５８，１４１号明細書に開示されるセラミック酸化物コーティングは、ロバストなコーティングを意図したものではなく、むしろ、多くの場合にアルミナ粒子と反応してアルミン酸塩化合物を生じる薄い材料コーティングであり、研磨粒子の表面積が減少するため、研削中に被加工物の変色を引き起こし得る残留炭素の付着する範囲が低減する。

米国特許第５，１３１，９２３号明細書に関して、この文献の開示では、ケイ素含有材料をアルミナ研磨粒子と混合することにより、シリカに富む表面を有するアルミナ粒子が作成される。しかしながら、このシリカに富む表面は、単純に研磨粒子をケイ素含有化合物と混合し、次に研磨粒子の表面に非晶質シリカ膜を形成することによって形成されるため、密着性のあるシリカコーティングではない。研磨粒子のシリカに富む表面は、最終生産物（すなわち、ガラス質の結合研磨材）の形成前には処理されず、従って不定形で脆弱であり、特に成分の混合中に摩損によって擦り減り易く、従って最終的な結合研磨製品の形成前に崩壊する。従って、弱い非晶質のコーティングと最終研磨材製品の形成前の粒子の処理との組み合わせから、コーティングが形状に適合せず、最終的に形成される研磨製品において粒子は実質的に被包されないことが理解される。さらに、非晶質のシリカに富む表面を形成しても、それは、シリカ含有マトリックス材料内における研磨粒子の結合を補助する機能しか果たさない。従って、かかる粒子の利用は、特に高含量のシリカを有するガラス質の結合研磨材に限られている。

特に、本実施形態の固定研磨材製品は、例えば、サブミクロンの結晶粒径、組成、及び工学的なコア−シェル構造を含む特徴の組み合わせを有する固定研磨材を利用する。特に、かかる要素の組み合わせにより、研削プロセスに存在する特定の化学物質に対する抵抗性と、並びにシェル剥離の影響を緩和するように設計された実質的なコーティング、すなわち特にαアルミナ結晶粒の破砕を防止するように設計された犠牲層との双方を提供するように設計された工学的な構造が提供される。加えて、本明細書の実施形態は、コアに重層するロバストな多結晶シェルの形成方法を提供し、これは、他の特徴と組み合わさることにより、研削性能、機械的な安定性、及び化学的な抵抗性の向上を提供する。従って、研削及び研磨の特定の状況において、本明細書に提供される特定の砥粒を組み込む固定研磨装置を、特定のマトリックス材料及びそれに付随する充填材料と組み合わせて使用すると、機械的な安定性、化学的な安定性、及び研削性能の向上した固定研磨装置が可能となる。

本発明は、具体的な実施形態との関連において説明及び記載されたが、本発明の範囲から何ら逸脱することなく様々な変更例及び代替例を構成し得るため、本発明を示される詳細に限定することは意図されない。例えば、追加的な、又は等価な代用品を提供することができ、追加的な、又は等価な製造ステップを用いることができる。このように、本明細書に開示される本発明のさらなる変更及び等価物を、当業者は日常的な実験の範囲を越えることなく想起し得るとともに、かかる変更及び等価物は全て、以下の特許請求の範囲により定義されるとおりの本発明の範囲内にあるものと考えられる。

Claims (14)

1. 固定研磨材製品であって、
   マトリックス材料と、
   多結晶αアルミナコアと、前記多結晶αアルミナコアに重層し、且つ酸化ケイ素及び酸
   化ジルコニウムからなる群から選択される多結晶材料を９０ｖｏｌ％以上含むとともに気孔率５ｖｏｌ％以下の緻密なシェル層とを含むコア−シェル構造を有する、前記マトリックス材料に埋め込まれた研磨粒子であって、前記多結晶αアルミナコアが結晶粒を含む、研磨粒子と、を含み、前記固定研磨剤製品内の前記結晶粒は、平均粒径が５００ｎｍ以下である、固定研磨材製品。
2. 前記固定研磨材製品が塗布研磨材である、請求項１に記載の固定研磨材製品。
3. 前記マトリックス材料が、基材材料に重層し、且つそれと接触する第１の接着剤層と、前記第１の接着剤層に重層する第２の接着剤層とを含む、請求項２に記載の固定研磨材製品。
4. 前記第２の接着剤層が、ハロゲン化合物を含む充填材料をさらに含む、請求項３に記載の固定研磨材製品。
5. 前記固定研磨材が、ガラス化セラミック材料を含むマトリックス材料を含む結合研磨材である、請求項１に記載の固定研磨材製品。
6. 前記多結晶αアルミナコアの平均粒径が３００ｎｍ以下である、請求項１、２、及び５のいずれか一項に記載の固定研磨材製品。
7. 前記シェル層が本質的に多結晶材料からなり、且つ前記αアルミナコアを実質的に被包する、請求項１、２、５、及び６のいずれか一項に記載の固定研磨材製品。
8. 前記シェル層の平均厚さが１０μｍ以下である、請求項１、２、５、６、及び７のいずれか一項に記載の固定研磨材製品。
9. 前記シェル層が酸化ジルコニウムを含む、請求項１、２、５、６、７、及び８のいずれか一項に記載の固定研磨材製品。
10. 固定研磨材の形成方法であって、
    αアルミナ微粒子をシェル形成材料と組み合わせるステップと、
    前記αアルミナを前記シェル形成材料と共に焼成することにより、多結晶αアルミナコアと、前記多結晶αアルミナコアに重層し、且つ酸化ケイ素及び酸化ジルコニウムからなる群から選択される多結晶材料を９０ｖｏｌ％以上含むとともに気孔率５ｖｏｌ％以下の緻密なシェル層とを含むコア−シェル構造を含む研磨粒子を形成するステップであって、前記多結晶αアルミナコアが結晶粒を含み、前記固定研磨剤内の前記結晶粒は、平均粒径が５００ｎｍ以下である、ステップと、
    前記研磨粒子をマトリックス材料に固着させて固定研磨材を形成するステップと、を含む、方法。
11. 前記シェル形成材料が、液状媒体中に懸濁されたコロイドを含有するコロイド分散体を含み、前記液状媒体が有機化合物を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記コロイドの平均一次粒径が２００ｎｍ以下である、請求項１１に記載の方法。
13. 組み合わせるステップが、前記シェル形成材料を前記多結晶αアルミナコア上に堆積さ
    せるステップを含む、請求項１０に記載の方法。
14. 前記シェル形成層を堆積させるステップが、前駆材料の分解を含む気相堆積法によって
    行われる、請求項１３に記載の方法。
    
    

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