JP7092435B2

JP7092435B2 - 凹状中央研削ホイール

Info

Publication number: JP7092435B2
Application number: JP2018545997A
Authority: JP
Inventors: エックス．ヴァン，ロック; エー．グエン，スー
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2037-02-27
Also published as: WO2017151498A1; US20190030684A1; MX2018010142A; JP2019511375A; EP3423235B1; EP3423235A1; KR20180120711A; CA3016197A1; CN108778629A

Description

本開示は凹状中央研削ホイールに関する。

凹状中央研削ホイールはしばしば、操作者によって保持される手持ち式ポータブルグラインダーと組み合わせて、研磨されている被加工物の表面に対して、（例えば、ホイール切断として用いられる際には）９０度の角度で、又は（例えば、溶接ビード、ばり、ゲート、及び押湯を鋳造物から研削して除去するために用いられる際には）最大約３０度、より典型的には、約１５度の角度のいずれかで用いられる。凹状中央ホイールはまた、研磨技術分野において、隆起ハブホイールと称されるか、又は「タイプ」のそれらの形状呼称によって（例えば、タイプ２７、２８、及び２９）によって称され得る。ここで、タイプ２７が最も一般的である。

凹状中央の設計は、フランジ／ロックナットがホイール内に引っ込んでいることを可能にし、そのため、それは様々な研削及び切削用途のために用いることができる。結合研磨物品は、結合媒体によって互いに結合された研磨粒子を有する。結合媒体は、典型的には、有機樹脂であるが、セラミック又はガラス（即ち、ガラス質結合剤）などの無機材料であってもよい。結合された研磨物品の例としては、臼石、砥石、並びに例えば、研削ホイール及び切削ホイールなどの研磨ホイールが挙げられる。

研削ホイールには、様々な形状があり、例えば、例として、ベンチグラインダーなどの固定設置モータによって駆動されるか、又は手動ポータブルグラインダーに取り付けられ、これによって駆動され得る。手動ポータブルグラインダーは、典型的には、被加工物の表面に対して若干の角度で保持され、例えば、溶接ビード、ばり、ゲート、及び押湯などを鋳造物から研削して除去するために用いられ得る。

近年、成形研磨粒子を様々な研削ホイール（例えば、凹状中央研削ホイール）中に含めるための努力がなされている。しかし、このような研磨粒子の比較的高いコストが相変わらず、業界で広く受け入れられるための障害になっている。同等の研磨性能を達成しつつ成形研磨粒子の量を低減することによって研削ホイールのコストを低減することができる代替構造を有することが望まれるであろう。

有利に、本開示は、作業面と作業面と反対側の後面とを有する研磨ディスクを備える凹状中央研削ホイールであって、作業面は凹状中央部分を有し、研磨ディスクは、
第１のバインダー材料中に保持された第１の研磨粒子を含む作業層であって、第１の研磨粒子は第１の成形研磨粒子を含み、第１の成形研磨粒子は第１の研磨粒子の４０～１００重量％を含む、作業層と、
第１の破砕研磨粒子を含むが成形研磨粒子を本質的に含まない第２のバインダー材料中に保持された第２の研磨粒子を含む後部層と、
作業層と後部層との間に配置された中間層であって、この中間層は、第３のバインダー材料中に保持された第３の研磨粒子を含み、中間層は第２の成形研磨粒子及び第２の破砕研磨粒子を含み、第２の成形研磨粒子は第２の研磨粒子の２５～７５重量％を含む、中間層と、
後部層と中間層との間に挟まれた第１の補強スクリムと、
第２の補強スクリムであって、
中間層に対向する後部層、
後部層に対向する中間層、又は
中間層に対向する作業層、
のうちの１つに隣接している、第２の補強スクリムと、
を備える、凹状中央研削ホイールを提供することによって、凹状中央研削ホイールの場合におけるこの技術的問題を解決する。

本開示に係る凹状中央研削ホイールは、例えば、被加工物の表面を研磨するために有用である。

したがって、別の態様では、本開示は、被加工物を研磨する方法であって、この方法は、被加工物を本開示に係る凹状中央研削ホイールの作業面と接触させ、作業面を被加工物に対して動かし、被加工物を研磨することを含む、方法を提供する。

本明細書で使用するとき、「名目上の（nominal）」は、実際とは（例えば、製造プロセス許容差内で）いくらか異なり得る指定若しくは理論的寸法及び／又は形状の、あるいは実際とは（例えば、製造プロセス許容差内で）いくらか異なり得る指定若しくは理論的寸法及び／又は形状である、あるいは実際とは（例えば、製造プロセス許容差内で）いくらか異なり得る指定若しくは理論的寸法及び／又は形状に関連する、を意味する。

本明細書で使用されるとき、用語「成形研磨粒子」は、研磨粒子の少なくとも一部分が、後にか焼及び焼結されて成形研磨粒子を形成する、前駆体成形研磨粒子の形成に使用される金型キャビティに対応する、名目上の所定の形状を有する研磨粒子（例えば、セラミック研磨粒子）を指す。本明細書で使用されるとき、成形研磨粒子は、機械的破砕プロセスのみによって成形される研磨粒子を除外する。

本明細書で使用されるとき、用語「破砕研磨粒子」は、機械的破砕プロセスのみによって成形される研磨粒子を指す。

本明細書で使用されるとき、用語「～を本質的に含まない（essentially free of）」は、５重量％の～を含有すること（好ましくは、１重量％未満の～を含有すること、又は更に、～を含まないこと）を意味する。

本開示の特徴及び利点は、詳細な説明並びに添付の特許請求の範囲を考慮することにより更に理解されるであろう。

本開示に係る例示的な凹状中央研削ホイール１００の概略側面図である。例示的な凹状中央研削ホイール１００ａ～１００ｆにおけるスクリム配置の様々な例示的な構成を示す概略断面図である。例示的な凹状中央研削ホイール１００ａ～１００ｆにおけるスクリム配置の様々な例示的な構成を示す概略断面図である。例示的な凹状中央研削ホイール１００ａ～１００ｆにおけるスクリム配置の様々な例示的な構成を示す概略断面図である。例示的な凹状中央研削ホイール１００ａ～１００ｆにおけるスクリム配置の様々な例示的な構成を示す概略断面図である。例示的な凹状中央研削ホイール１００ａ～１００ｆにおけるスクリム配置の様々な例示的な構成を示す概略断面図である。例示的な凹状中央研削ホイール１００ａ～１００ｆにおけるスクリム配置の様々な例示的な構成を示す概略断面図である。例示的な成形研磨粒子３００の概略斜視図である。本開示に係る被加工物４００を研磨する凹状中央研削ホイール１００を示す概略側面図である。

明細書及び図面中の参照文字が繰り返して使用されている場合、本開示の同じ又は類似の特徴又は要素を表すことを意図している。多くの他の変更形態及び実施形態を当業者であれば考案することができ、それらは本開示の原理の趣旨及び範囲に入ることは理解されるべきである。図面は、縮尺どおりに描かれていない場合がある。

次に図１を参照すると、凹状中央研削ホイール１００は、作業面１２２と作業面１２２と反対側の後面１４２とを有する研磨ディスク１１０を備える。作業面１１２は凹状中央部分１１４を有する。研磨ディスク１１０は、作業層１２０と、中間層１３０と、後部層１４０とを含む。

作業層１２０は、第１のバインダー材料１２６中に保持された第１の研磨粒子１２４を含む。第１の研磨粒子１２４は第１の成形研磨粒子１２５を含む。第１の成形研磨粒子１２５は第１の研磨粒子１２４の４０～１００重量％を含む。第１の研磨粒子１２４はまた、第１の研磨粒子の総重量に基づいて、所望の場合には、最大約６０重量％（例えば、５～６０重量％、２０～６０重量％、又は４０～６０重量％）の量の破砕研磨粒子を含み得る。第１の成形研磨粒子１２５は全て、同じサイズ及び形状のものであり得るか、又はそれらは、異なるサイズ、形状、及び／若しくは組成を有する様々な成形研磨粒子の混合物であり得る。いくつかの好ましい実施形態では、第１の研磨粒子は全て、同じ名目上のサイズ及び形状を有する成形研磨粒子である。第１の成形研磨粒子１２５は全て、同じサイズ及び形状のものであり得るか、又はそれらは、異なるサイズ、及び／若しくは形状を有する様々な成形研磨粒子の混合物であり得る。同様に、第１の研磨粒子中に含まれる任意選択的な破砕研磨粒子はいずれも任意のサイズ分布及び／又は組成分布を有し得る。

後部層１４０は、第２のバインダー材料１４６中に保持された第２の研磨粒子１４４を含み、第１の破砕研磨粒子１４８を含むが成形研磨粒子（例えば、第１の成形研磨粒子、第２の成形研磨粒子、又はその他の成形研磨粒子）を本質的に含まない。

第２の研磨粒子１４４は、第２の研磨粒子の総重量に基づいて、少なくとも９５重量％の第１の破砕研磨粒子、好ましくは、少なくとも９９重量％、及びより好ましくは、約１００重量％の第１の破砕研磨粒子を含む。したがって、後部層は成形研磨粒子を本質的に含まない。第２の研磨粒子１４４は任意のサイズのものであり得る。第２の研磨粒子１４４は任意のサイズ分布及び／又は組成分布を有し得る。

中間層１３０は作業層１２０と後部層１４０との間に配置されている。中間層１３０は、第３のバインダー材料１３６中に保持された第３の研磨粒子１３４を含む。中間層１３０は第２の成形研磨粒子１３５及び第２の破砕研磨粒子１３８を含む。第２の成形研磨粒子１３５は第２の研磨粒子の２５～７５重量％（例えば、３０～６０重量％、又は４０～６０％）を含む。第２の成形研磨粒子１３５は全て、同じサイズ及び形状のものであり得るか、又はそれらは、異なるサイズ、形状、及び／若しくは組成を有する様々な成形研磨粒子の混合物であり得る。いくつかの好ましい実施形態では、第２の研磨粒子は、同じ名目上のサイズ及び形状を有する第２の成形研磨粒子を含む。第２の成形研磨粒子１３５は全て、同じサイズ及び形状のものであり得るか、又はそれらは、異なるサイズ、及び／若しくは形状を有する様々な成形研磨粒子の混合物であり得る。同様に、第２の破砕研磨粒子は任意のサイズ分布及び／又は組成分布を有し得る。

好ましくは、第１の成形研磨粒子及び第２の成形研磨粒子は同じである（即ち、同じ組成、形状、及びサイズ分布）。しかし、所望の場合には、他の実施形態では、それらは異なっていてもよい。同様に、第１の破砕研磨粒子及び第２の破砕研磨粒子は好ましくは同じである（即ち、同じ組成及びサイズ分布）。しかし、所望の場合には、他の実施形態では、それらは異なっていてもよい。

図１における成形研磨粒子は、鉛直に並べられた三角形として示されているが、これは単に例示目的のためのものであり、成形研磨粒子は任意の配向を有し得る（例えば、ランダムに並べられているか、又は下地と平行に並べられている）。

図１を再び参照すると、凹状中央研削ホイールは、研削ホイール全体にわたって様々な場所において展開された少なくとも２つの補強スクリムを含む。第１の補強スクリム１５０は後部層１４０と中間層１３０との間に挟まれている。第２の補強スクリム１５２（図示されていない）は、ａ）中間層１３０に対向する後部層１４０、ｂ）後部層１４０に対向する中間層１３０、又はｃ）中間層１３０に対向する作業層１２０のうちの１つに隣接して位置付けられている。

任意選択的な、中心に配置されたアーバー孔１７０が研磨ディスク１１０を貫いて延びる。任意選択的な取り付け部材１７５が中心に配置されており、任意選択的に、ナット１８０によって研磨ディスク１１０の後面１４２に固定されている。ただし、これは必要条件ではない。

いくつかの実施形態では、第２の補強スクリム１５２は作業層１２０と中間層１３０との間に挟まれている。例は、図２Ｂ（１５２ｂとして示される）、図２Ｄ（１５２ｄとして示される）、及び図２Ｆ（１５２ｆとして示される）に示される実施形態を含む。これらの実施形態のうちのいくつかにおいては、第３の補強スクリム１５６が中間層に対向する作業層１１０に結合されている（例えば、図２Ｂにおける１５６ｂ参照）。

いくつかの実施形態では、第２の補強スクリム１５２は中間層に対向する後部層に固定されている。図２Ａ（１５２ａとして示される）、図２Ｃ（１５２ｃとして示される）、及び図２Ｅ（１５２ｅとして示される）に例が示される。これらの実施形態のうちのいくつかにおいては、第３の補強スクリム１５６が中間層と作業層との間に挟まれている（例えば、図２Ｅにおいて１５６ｅとして示される）。これらの実施形態のうちのいくつかにおいては、任意選択的な第４の補強スクリム１６９が中間層１３０に対向する作業層１２０に結合されている（例えば、図２Ｅにおいて１６９ｅとして示される）。

図２Ｃでは、任意選択的な第３のスクリム１５６ｃは中間層１３０に対向する作業層１２０に固定されている。同様に、図２Ｆでは、任意選択的な第３のスクリム１５６ｆは中間層１３０に対向する作業層１２０に固定されている。

本開示に係る凹状中央研削ホイールは概して、圧縮成型、射出成型、トランスファー成型、又は同様のものによって作製され得る。成型は、ホットプレス法若しくはコールドプレス法、又は当業者に既知の任意の好適な方法のいずれかによって行うことができる。製造の間に、個々の構成要素（例えば、作業層、中間層、後部層、及びスクリム）は通例、素地へと積層され、その後、素地は硬化条件にさらされる。素地は通例、研磨粒子（即ち、本明細書において説明されたように選択され、位置付けられた成形研磨粒子及び破砕研磨粒子）、並びに（ホイール内の所望の場所に位置付けられた）補強スクリムと混合された、液状有機、粉末状無機、粉末状有機、又はこれらの組み合わせのいずれかの１つ以上のバインダー材料前駆体を含有する。いくつかの場合において、はじめに、液体媒体（樹脂又は溶媒のどちらか）を研磨粒子に適用し、その外面を湿潤させ、その後、湿潤された粒子を、粉末媒体と混合する。

作業層、中間層、及び後部層中の様々なバインダー材料（同じであるか、又は異なり得、好ましくは、同じである）は通例、ガラス様無機材料（例えば、ビトリファイド研磨ホイールの場合にあるようなもの）、金属、又は有機樹脂（例えば、樹脂凹状中央研削ホイールの場合にあるようなもの）を含む。

ガラス様のガラス質バインダーは異なる金属酸化物の混合物から作製され得る。これらの金属酸化物ガラス質バインダーの例としては、シリカ、アルミナ、カルシア、酸化鉄、チタニア、マグネシア、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化リチウム、酸化マンガン、酸化ホウ素、酸化リン、及び同様のものが挙げられる。重量に基づくガラス質バインダーの具体例としては、例えば、４７．６１％ＳｉＯ_２、１６．６５％Ａｌ_２Ｏ_３、０．３８％Ｆｅ_２Ｏ_３、０．３５％ＴｉＯ_２、１．５８％ＣａＯ、０．１０％ＭｇＯ、９．６３％Ｎａ_２Ｏ、２．８６％Ｋ_２Ｏ、１．７７％Ｌｉ_２Ｏ、１９．０３％Ｂ_２Ｏ_３、０．０２％ＭｎＯ_２、及び０．２２％Ｐ_２Ｏ_５、並びに６３％ＳｉＯ_２、１２％Ａｌ_２Ｏ_３、１．２％ＣａＯ、６．３％Ｎａ_２Ｏ、７．５％Ｋ_２Ｏ、及び１０％Ｂ_２Ｏ_３が挙げられる。ガラス質結合凹状中央研削ホイールの製作の間に、粉末形態のガラス質バインダーは、一時的バインダー、通例、有機物の一時的バインダーと混合され得る。ビトリファイドバインダーはまた、フリット、例えば、約１～１００％の範囲のフリット、ただし、概して２０～１００％のフリットから形成され得る。フリットバインダーで使用される一般材料のいくつかの例としては、長石、ホウ砂、石英、ソーダ灰、酸化亜鉛、重質炭酸カルシウム、三酸化アンチモン、二酸化チタン、ケイフッ化ナトリウム、フリント、氷晶石、ホウ酸、及びこれらの組み合わせが挙げられる。これらの材料は、通常、粉末として共に混合され、焼成してこの混合物が溶融され、次に溶融した混合物が冷却される。冷却された混合物は破砕され、微細粉末にふるい分けされた後、フリットガラス質バインダー前駆体として使用される。フリットガラス質バインダー前駆体が、ガラス質バインダーを形成するために養生される温度は、その化学的性質に依存するが、典型的には、約６００℃～約１８００℃に及ぶ。ただし、これは必要条件ではない。

金属バインダーの例としては、スズ、銅、アルミニウム、ニッケル、及びこれらの組み合わせが挙げられる。金属バインダー材料は、焼結の間に燃え尽きる一時的な有機バインダー材料を任意選択的に含有する、金属粉末を焼結することによって形成することができる。

有機バインダー材料は典型的に、凹状中央研削ホイールの総重量に基づいて、５～３０重量％、より典型的には１０～２５重量％、及びより典型的には１５～２４重量％の量で含まれる。フェノール樹脂は、最も一般に使用される有機バインダー材料であり、粉体形態及び液体状態の両方で使用してもよい。フェノール樹脂は広く使用されているが、例えば、エポキシ樹脂、尿素ホルムアルデヒド樹脂、ゴム、セラックニス、及びアクリルバインダーを含む他の有機バインダー材料を使用することも本開示の範囲内である。有機バインダー材料はまた、バインダー材料の特性を改良し又は変えるために、他のバインダー材料によって改質されてもよい。

有用なフェノール樹脂としてはノボラック型及びレゾール型フェノール樹脂が挙げられる。ノボラック型フェノール樹脂は、酸触媒され、ホルムアルデヒドのフェノールに対する比が１未満、典型的には、０．５：１～０．８：１であることを特徴とする。レゾール型フェノール樹脂は、アルカリ触媒され、ホルムアルデヒドのフェノールに対する比が１以上、典型的には１：１～３：１であることを特徴とする。ノボラック型及びレゾール型フェノール樹脂は化学修飾されていてもよく（例えば、エポキシ化合物との反応によって）又は未修飾であってもよい。フェノール樹脂の硬化に好適な例示的酸性触媒としては、硫酸、塩酸、リン酸、シュウ酸、及びｐ－トルエンスルホン酸が挙げられる。フェノール樹脂の硬化に好適なアルカリ触媒としては、水酸化ナトリウム、水酸化バリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、有機アミン、又は炭酸ナトリウムが挙げられる。

フェノール樹脂は周知であり、市販の供給源から容易に入手可能である。市販の入手可能なノボラック型樹脂の例としては、２ステップの粉末フェノール樹脂であるＤＵＲＥＺ１３６４（商品名ＶＡＲＣＵＭ（例えば２９３０２）でＤｕｒｅｚＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ａｄｄｉｓｏｎ，Ｔｅｘａｓから販売されている）、又はＨＥＸＩＯＮＡＤ５５３４ＲＥＳＩＮ（ＨｅｘｉｏｎＳｐｅｃｉａｌｔｙＣｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．，Ｌｏｕｉｓｖｉｌｌｅ，Ｋｅｎｔｕｃｋｙから販売されている）が挙げられる。本開示の実施に有用な市販の入手可能なレゾール型フェノール樹脂の例としては、商品名ＶＡＲＣＵＭ（例えば、２９２１７、２９３０６、２９３１８、２９３３８、２９３５３）でＤｕｒｅｚＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから販売されているもの、商品名ＡＥＲＯＦＥＮＥ（例えばＡＥＲＯＦＥＮＥ２９５）でＡｓｈｌａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．，Ｂａｒｔｏｗ、Ｆｌｏｒｉｄａから販売されているもの、及び商品名「ＰＨＥＮＯＬＩＴＥ」（例えばＰＨＥＮＯＬＩＴＥＴＤ－２２０７）でＫａｎｇｎａｍＣｈｅｍｉｃａｌＣｏｍｐａｎｙＬｔｄ．，Ｓｅｏｕｌ，ＳｏｕｔｈＫｏｒｅａから販売されているものが挙げられる。

有機バインダー材料前駆体の硬化温度は概して、選定された材料及びホイールの設計によって異なることになる。好適な条件の選択は、当業者の能力の範囲内である。フェノールバインダーのための例示的条件としては、室温において直径４インチ当たり約２０トン（２２４ｋｇ／ｃｍ^２）の圧力を印加し、続いて、有機バインダー材料前駆体を硬化させるのに十分な時間、最高約１８５℃（セ氏温度）の温度で加熱することを挙げることができる。

いくつかの実施形態では、凹状中央研削ホイールは、バインダー材料（単数又は複数）及び研磨粒子の総重量に基づいて、約１０～６０重量％の研磨粒子、典型的には３０～６０重量％、及びより典型的には４０～６０重量％を含む。

αアルミナ、マグネシウムアルミナスピネル、及び希土類の六方晶系アルミン酸塩の晶子から構成される成形研磨粒子は、例えば、米国特許第５，２１３，５９１号（Ｃｅｌｉｋｋａｙａら）、並びに米国特許出願第２００９／０１６５３９４（Ａ１）号（Ｃｕｌｌｅｒら）、及び同第２００９／０１６９８１６（Ａ１）号（Ｅｒｉｃｋｓｏｎら）に記載される方法に従って、ゾル－ゲル前駆体αアルミナ粒子を使用して調製され得る。

いくつかの実施形態では、αアルミナ系研磨粒子は、複数ステップのプロセスに従って作製することができる。簡潔に言うと、本方法は、αアルミナに変換することができる種晶添加又は種晶非添加のいずれかのゾル－ゲルαアルミナ前駆体分散体を作製するステップと、成形研磨粒子の所望の外側形状を有する１つ以上の金型キャビティにゾル－ゲルを充填するステップと、ゾル－ゲルを乾燥させて前駆体成形研磨粒子を形成するステップと、前駆体成形研磨粒子を金型キャビティから取り出すステップと、前駆体成形研磨粒子をか焼し、か焼された前駆体成形研磨粒子を形成するステップと、次いでか焼された前駆体成形研磨粒子を焼結し、成形研磨粒子を形成するステップとを含む。以下にプロセスを更に詳しく説明する。

第１のプロセスステップは、αアルミナに変換することができる種晶添加又は種晶非添加のいずれかのαアルミナ前駆体分散体を準備することを伴う。αアルミナ前駆体分散体は、揮発性成分である液体を含むことが多い。１つの実施形態において、揮発性成分は水である。分散体は、分散体の粘度を十分に低くし、金型キャビティへの充填及び金型表面の複製を可能にするために十分な量の液体を含むべきであるが、後に続く液体の金型キャビティからの取り出しが非常に高価になるような大量の液体を含むべきではない。１つの実施形態において、αアルミナ前駆体分散体は、２重量％～９０重量％の、酸化アルミニウム一水和物（ベーマイト）粒子等のαアルミナに変換することができる粒子、及び少なくとも１０重量％、又は５０重量％～７０重量％、又は５０重量％～６０重量％の、水等の揮発性成分を含む。逆に、いくつかの実施形態において、αアルミナ前駆体分散体は、３０重量％～５０重量％又は４０重量％～５０重量％の固形物を含む。

また、ベーマイト以外の酸化アルミニウム水和物を使用することもできる。ベーマイトは、公知の技術によって調製することが、又は市販のものを入手することができる。市販のベーマイトの例としては、両方ともＳａｓｏｌＮｏｒｔｈＡｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．，Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｔｅｘａｓから入手可能な商品名「ＤＩＳＰＥＲＡＬ」及び「ＤＩＳＰＡＬ」を有する、又はＢＡＳＦＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ＦｌｏｒｈａｍＰａｒｋ，ＮｅｗＪｅｒｓｅｙから入手可能な商品名「ＨｉＱ－４０」を有する製品が挙げられる。これらの酸化アルミニウム一水和物は、比較的純粋であり、即ち、一水和物以外の水和物相を含んでいたとしても比較的少量であり、かつ高表面積を有する。

得られた成形研磨粒子の物理的特性は、概ね、αアルミナ前駆体分散体に使用される材料のタイプによって決まる。１つの実施形態において、αアルミナ前駆体分散体はゲル状態である。本明細書において使用される「ゲル」は、液体に分散した固体の３次元ネットワークである。

αアルミナ前駆体分散体は、改質用添加剤又は改質用添加剤の前駆体を含んでいてもよい。改質用添加剤は、研磨粒子のいくつかの所望の特性を強化するため、又は後に続く焼結ステップの有効性を高めるために機能することができる。改質用添加剤又は改質用添加剤の前駆体は、可溶性塩、典型的には水溶性塩の形態とすることができる。これらは、典型的には、金属含有化合物からなり、マグネシウム、亜鉛、鉄、ケイ素、コバルト、ニッケル、ジルコニウム、ハフニウム、クロム、イットリウム、プラセオジウム、サマリウム、イッテルビウム、ネオジム、ランタン、ガドリニウム、セリウム、ジスプロシウム、エルビウム、チタンの酸化物の前駆体、及びこれらの混合物とすることができる。αアルミナ前駆体分散体中に存在することができるこれらの添加剤の具体的な濃度は、当該分野の技術に基づいて変更することができる。

典型的には、改質用添加剤又は改質用添加剤の前駆体を導入することによって、αアルミナ前駆体分散体はゲルになる。αアルミナ前駆体分散体はまた、一定の時間をかけて加熱することによってゲルにすることもできる。αアルミナ前駆体分散体はまた、水和又はか焼された酸化アルミニウムのαアルミナへの転移を促進するために、核形成剤（種晶）を含むこともできる。本開示に好適な核形成剤としては、αアルミナ、α酸化第二鉄若しくはその前駆体、酸化チタン及びチタン酸塩、酸化クロム、又は転移の核となる任意の他の材料の微粒子が挙げられる。核形成剤を使用する場合、その量は、αアルミナの転移をもたらすのに十分な量とするべきである。このようなαアルミナ前駆体分散体の核を生成することは、米国特許第４，７４４，８０２号（Ｓｃｈｗａｂｅｌ）に開示されている。

解膠剤をαアルミナ前駆体分散体に添加し、より安定なヒドロゾル又はコロイド状αアルミナ前駆体分散体を製造することができる。好適な解膠剤は、酢酸、塩酸、ギ酸及び硝酸等の、一塩基酸又は酸化合物である。多塩基酸を使用してもよいが、多塩基酸はαアルミナ前駆体分散体を急速にゲル化することがあり、取り扱い又は追加成分をそこに導入することを困難にする。ベーマイトの一部の市販供給源は、安定なαアルミナ前駆体分散体の形成を助ける（吸収されたギ酸又は硝酸等の）酸タイターを含む。

αアルミナ前駆体分散体は、例えば単に、酸化アルミニウム一水和物を解膠剤含有水と混合することによって、又は酸化アルミニウム一水和物のスラリーを生成し、そこに解膠剤を加えることによって等、任意の好適な手段によって形成することができる。

消泡剤又は他の好適な化学物質を添加し、気泡を形成する傾向又は混合中に空気が混入する傾向を低減することができる。湿潤剤、アルコール、又はカップリング剤等の追加の化学物質を必要に応じて添加することができる。αアルミナ研磨粒子は、米国特許第５，６４５，６１９号（Ｅｒｉｃｋｓｏｎら）に開示されているように、シリカ及び酸化鉄を含んでいてもよい。αアルミナ研磨粒子は、米国特許第５，５５１，９６３号（Ｌａｒｍｉｅ）に開示されているように、ジルコニアを含んでいてもよい。あるいは、αアルミナ研磨粒子は、米国特許第６，２７７，１６１号（Ｃａｓｔｒｏ）に開示されているように、マイクロ構造体又は添加剤を有することができる。

第２のプロセスステップは、少なくとも１つの金型キャビティ、好ましくは複数のキャビティを有する金型を準備することを伴う。金型は、概ね、平面の底面と複数の金型キャビティとを有することができる。複数のキャビティを、生産工具に形成することができる。生産工具は、ベルト、シート、連続ウェブ、輪転グラビア等のコーティングロール、コーティングロール上に取り付けられたスリーブ、又はダイとすることができる。１つの実施形態において、生産工具はポリマー材料を含む。好適なポリマー材料の例としては、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリ（エーテルスルホン）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリウレタン、ポリ（塩化ビニル）、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、若しくはこれらの組み合わせ等の熱可塑性樹脂、又は熱硬化性材料が挙げられる。１つの実施形態において、工具全体がポリマー材料又は熱可塑性材料から作製される。他の実施形態において、乾燥中にゾルゲルと接触する工具表面、例えば複数のキャビティ表面は、ポリマー材料又は熱可塑性材料を含み、工具の他の部分は、他の材料から作製することができる。好適なポリマーコーティングを金属工具に適用して、実施例の方法によって表面張力特性を変更してもよい。

ポリマー工具又は熱可塑性工具は、金属マスター工具から複製することができる。マスター工具は、生産工具に望ましい逆パターンを有することになる。マスター工具は、生産工具と同一の方法で作製することもできる。１つの実施形態において、マスター工具は、金属、例えばニッケルで作製し、ダイヤモンドターニング加工される。ポリマーシート材料は、マスター工具とともに加熱され、２つを一緒に加圧成形することにより、ポリマー材料がマスター工具パターンでエンボス加工されうる。ポリマー又は熱可塑性材料はまた、マスター工具上へ押し出し又はキャスティングし、次いで加圧成形することもできる。熱可塑性材料を冷却し、固化させ生産工具を生産する。熱可塑性生産工具を利用する場合、熱可塑性生産工具を歪めて寿命を制限し得るような過度の熱を生成しないよう注意が必要である。生産工具又はマスター工具の設計及び作製に関する更なる情報は、米国特許第５，１５２，９１７号（Ｐｉｅｐｅｒら）、同第５，４３５，８１６号（Ｓｐｕｒｇｅｏｎら）、同第５，６７２，０９７号（Ｈｏｏｐｍａｎら）、同第５，９４６，９９１号（Ｈｏｏｐｍａｎら）、同第５，９７５，９８７号（Ｈｏｏｐｍａｎら）、及び同第６，１２９，５４０号（Ｈｏｏｐｍａｎら）に見出すことができる。

キャビティへは、金型の天面又は底面にある開口部からアクセスすることができる。場合によっては、キャビティは、金型の全厚さに対して延在することができる。あるいは、キャビティは、金型の厚さの一部分に対してのみ延在することができる。１つの実施形態において、天面は、実質的に一様な深さを有するキャビティを備えた金型の底面と実質的に平行である。金型のうちの少なくとも１つの側、即ちキャビティが形成される側は、揮発性構成成分を除去するステップの間、周囲の外気に曝露したままにすることができる。

キャビティは、成形研磨粒子を作製するための特定の３次元形状を有する。深さの寸法は、天面から底面の最下点までの垂直距離と等しい。所与のキャビティの深さは、一様とすることができ、又はその長さ及び／若しくは幅に沿って変化することができる。所与の金型のキャビティは、同一の形状又は異なる形状とすることができる。

第３のプロセスステップは、金型内のキャビティにαアルミナ前駆体分散体を（例えば、従来の技法によって）充填することを伴う。いくつかの実施形態において、ナイフロールコーター又は真空スロットダイコーターを使用することができる。必要に応じて、金型からの粒子の取り出しを支援するために離型剤を使用することができる。典型的な離型剤としては、ピーナッツオイル又は鉱油、魚油等の油、シリコーン、ポリテトラフルオロエチレン、ステアリン酸亜鉛、及び黒鉛が挙げられる。概して、離型剤を所望の場合、金型の単位面積当たり、約０．１ｍｇ／ｉｎ^２（０．０２ｍｇ／ｃｍ^２）～約３．０ｍｇ／ｉｎ^２（０．４６ｍｇ／ｃｍ^２）、又は約０．１ｍｇ／ｉｎ^２（０．０２ｍｇ／ｃｍ^２）～約５．０ｍｇ／ｉｎ^２（０．７８ｍｇ／ｃｍ^２）の離型剤が存在するように、水又はアルコールなどの液体中のピーナッツオイルなどの離型剤が、ゾル－ゲルと接触する生産工具の表面に適用される。いくつかの実施形態において、金型の天面は、αアルミナ前駆体分散体で被覆される。αアルミナ前駆体分散体は、天面上にポンプ注入することができる。

次に、スクレーパ又はならし棒を使用し、αアルミナ前駆体分散体を金型のキャビティに完全に押し入れることができる。キャビティに入らないαアルミナ前駆体分散体の残り部分は、金型の天面から除去し、再利用することができる。いくつかの実施形態において、αアルミナ前駆体分散体のごく一部分が天面に残ることがあり、他の実施形態において、天面は分散体が実質的に存在しない。スクレーパ又はならし棒により適用される圧力は、典型的には、１００ｐｓｉ（０．７ＭＰａ）未満、５０ｐｓｉ（０．３ＭＰａ）未満、又は更には１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）未満である。いくつかの実施形態では、αアルミナ前駆体分散体の露出面が実質的に上面を超えて延在することはなく、得られるセラミックの成形研磨粒子の均一な厚さが確保される。

第４のプロセスステップは、揮発性構成成分を除去し、分散体を乾燥することを伴う。望ましくは、揮発性構成成分は速い蒸発速度で除去される。いくつかの実施形態において、蒸発による揮発性構成成分の除去は、この揮発性構成成分の沸点を上回る温度で生じる。乾燥温度の上限は、金型を作製する材料によって決まることが多い。ポリプロピレン工具に関しては、温度はプラスチックの融点未満とするべきである。一実施形態では、約４０～５０％の固形分の水分散体及びポリプロピレン製金型に関しては、乾燥温度は、約９０℃～約１６５℃、又は約１０５℃～約１５０℃、又は約１０５℃～約１２０℃であることができる。高い温度によって、生産速度を向上することができるが、ポリプロピレン工具が劣化し、金型としての耐用年数が制限されることがある。

第５のプロセスステップは、結果として得られた成形研磨粒子前駆体を金型キャビティから取り出すことを伴う。成形研磨粒子前駆体は、重力、振動、超音波振動、真空、又は加圧空気のプロセスを、単独で又は組み合わせて金型に使用し、金型キャビティから粒子を取り出すことによって、キャビティから取り出すことができる。

研磨粒子前駆体は、金型の外で更に乾燥することができる。αアルミナ前駆体分散体を、金型内で所望のレベルに乾燥する場合には、この追加の乾燥ステップは不要である。しかし、場合によっては、この追加の乾燥ステップを採用し、金型内にαアルミナ前駆体分散体が滞留する時間を最低限にすることが経済的であり得る。典型的には、前駆体成形研磨粒子は、１０～４８０分間又は１２０～４００分間、５０℃～１６０℃又は１２０℃～１５０℃の温度で乾燥させることになる。

第６のプロセスステップは、成形研磨粒子前駆体をか焼することを伴う。か焼の間、本質的に全ての揮発性材料は除去され、αアルミナ前駆体分散体に存在していた種々の構成成分が金属酸化物へ変換される。前駆体成形研磨粒子は、概ね、４００℃～８００℃の温度に加熱され、遊離水、及び９０重量％を超える任意の揮発性結合材料が除去されるまで、この温度範囲内で維持される。任意選択のステップにおいて、含浸プロセスによって改質用添加剤を導入することが望ましい場合がある。水溶性塩は、か焼された成形研磨粒子前駆体の孔に含浸することによって導入できる。次いで、成形研磨粒子前駆体を再び予備燃焼する。この選択肢は、米国特許第５，１６４，３４８号（Ｗｏｏｄ）に更に記載されている。

第７のプロセスステップは、か焼された成形研磨粒子前駆体を焼結し、αアルミナ粒子を形成することを伴う。焼結前は、か焼された成形研磨粒子前駆体は完全に緻密ではなく、したがって、成形研磨粒子として使用するには所望の硬度に欠けている。か焼された前駆体成形研磨粒子を１，０００℃～１，６５０℃の温度に加熱し、実質的に全てのαアルミナ一水和物（又は同等のもの）がαアルミナに変換され、多孔率（porosity）が１５体積％未満に低減されるまで、それらをこの温度範囲内で維持することにより焼結を行う。このレベルの変換を達成するために、か焼された成形研磨粒子前駆体を焼結温度に曝露しなくてはならない時間の長さは、種々の因子によって決まるが、通常、５秒～４８時間が典型的である。

他の実施形態において、焼結ステップの持続時間は１分間～９０分間の範囲である。焼結後、成形研磨粒子は、１０ＧＰａ、１６ＧＰａ、１８ＧＰａ、２０ＧＰａ、又はこれらを超えるビッカース硬度を有することができる。

他のステップを使用して、例えば、か焼温度から焼結温度まで材料を急速に加熱すること、αアルミナ前駆体分散体を遠心分離し、スラッジ及び／又は廃棄物を除去することによって、記載したプロセスを変更することができる。更に、必要に応じて、２つ以上のプロセスステップを組み合わせることによってこのプロセスを変更することができる。本開示のプロセスを変更するために使用できる従来のプロセスステップは、米国特許第４，３１４，８２７号（Ｌｅｉｔｈｅｉｓｅｒ）により完全に記載されている。

本開示において用いられる成形研磨粒子は、例えば、板、棒、又はこれらの組み合わせを含み得る。好ましい実施形態では、成形研磨粒子は、三角形、方形（正方形を含む）、又は鋭い先端を有する他の幾何形状を有する薄い本体として特徴付けることができる形状を有する。このような成形研磨粒子は正面及び背面を有し、どちらの面も実質的に同じ幾何形状を有する。面は粒子の厚さによって分離されている。研磨粒子の最短面寸法の長さの、その厚さに対する比は、少なくとも１対１、好ましくは少なくとも２対１、より好ましくは少なくとも５対１、及び最も好ましくは少なくとも６対１である。

好ましい成形研磨粒子は、好ましくは、傾斜した側壁を有する、方形状（正方形を含む）、又は三角形状の板、例えば、米国特許第８，１４２，５３１号（Ａｄｅｆｒｉｓら）に記載されているとおりの傾斜した側壁を有する三角形状粒子として成形される。図３は、三角錐台の形状を有する例示的なこのような成形研磨粒子３００を示す。

成形研磨粒子を作製するための方法に関する更なる詳細が、米国特許第８，７６４，８６５号（Ａｄｅｆｒｉｓら）、同第８，１４２，５３２号（Ａｄｅｆｒｉｓら）、同第８，１２３，８２８号（Ａｄｅｆｒｉｓら）、同第８，１４２，８９１号（Ｃｕｌｌｅｒら）、同第５，３６６，５２３号（Ｒｏｗｅｎｈｏｒｓｔら）、及び同第５，２０４，９１６号（Ｂｅｒｇら）、並びに米国特許出願公開第２００９／０１６５３９４（Ａ１）号（Ｃｕｌｌｅｒら）及び同第２０１３／００４０５３７（Ａ１）号（Ｅｒｉｃｋｓｏｎら）に記載されている。

本開示に使用される成形セラミック研磨粒子は、典型的には、ダイヤモンド工作機械を使用して切削された工具（即ち、金型）を使用して作製することができ、これは、例えば、鍛造又はパンチングなどの他の製造の代替手段よりも高い形状精細度をもたらす。典型的には、工具表面におけるキャビティは、鋭角沿いに合流する平坦な面を有し、切頭角錐形の側部及び頂部を形成する。結果として得られる成形研磨粒子は、それぞれの名目上の平均形状を有し、これは工具表面におけるキャビティの形状（例えば切頭角錐形）に対応するが、名目上の平均形状からの変形（例えばランダムな変形）が製造中に生じる場合があり、このような変形を呈する成形研磨粒子は、本明細書において使用される成形研磨粒子の定義内に含まれる。

成形研磨粒子は、典型的には、０．００１ｍｍ～２６ｍｍ、より典型的には０．１ｍｍ～１０ｍｍ、より典型的には０．５ｍｍ～５ｍｍの範囲の長さを有するように選択されるが、他の長さも使用してもよい。いくつかの実施形態では、長さは、成形研磨粒子が包含されている凹状中央研削ホイールの厚さの割合として表され得る。例えば、成形研磨粒子は、凹状中央研削ホイールの厚さの半分より大きい長さを有し得る。いくつかの実施形態では、長さは凹状中央研削ホイールの厚さより大きくてもよい。

成形研磨粒子は、典型的には、０．００１ｍｍ～２６ｍｍ、より典型的には０．１ｍｍ～１０ｍｍ、より典型的には０．５ｍｍ～５ｍｍの範囲の幅を有するように選択されるが、他の長さも使用してもよい。

成形研磨粒子は典型的には、０．００５ｍｍ～１．６ｍｍ、より典型的には０．２～１．２ｍｍの範囲の厚さを有するように選択される。

いくつかの実施形態において、成形研磨粒子は、少なくとも２、３、４、５、６、又はこれらを超えるアスペクト比（長さ対厚さ）を有していてもよい。

第１の研磨粒子（即ち、作業層内のもの）は第１の成形研磨粒子のみを含有してもよいし、第１の成形研磨粒子をある量の第３の破砕研磨粒子と組み合わせて含有してもよい。同様に、第２の研磨粒子（即ち、中間層内のもの）は第２の成形研磨粒子のみを含有してもよいし、第２の成形研磨粒子をある量の第２の破砕研磨粒子と組み合わせて含有してもよい。いずれの場合でも、第１の研磨粒子中の第１の成形研磨粒子の重量％と第２の研磨粒子中の第２の成形研磨粒子の重量％との比は４０：６０～６０：４０、好ましくは、４５：５５～５５：４５である。

第１の研磨粒子及び／又は第２の研磨粒子は成形研磨粒子の１つを超えるサイズ又は形状を含み得る。ただし、単一のサイズ及び形状が通例好ましい。第１の研磨粒子及び第２の研磨粒子は、形状、サイズ、及び／又は組成に関して、同じであるか、又は異なり得、好ましくは、同じである。

成形研磨粒子上の表面コーティングを使用し、研磨物品中の成形研磨粒子とバインダー材料との間の接着性を改質してもよく、又は成形研磨粒子の静電沈着を促進してもよい。１つの実施形態において、米国特許第５，３５２，２５４号（Ｃｅｌｉｋｋａｙａ）に記載されているような表面コーティングを、成形研磨粒子の重量に対して０．１～２％表面コーティング量で使用してもよい。このような表面コーティングは、米国特許第５，２１３，５９１号（Ｃｅｌｉｋｋａｙａら）、同第５，０１１，５０８号（Ｗａｌｄら）、同第１，９１０，４４４号（Ｎｉｃｈｏｌｓｏｎ）、同第３，０４１，１５６号（Ｒｏｗｓｅら）、同第５，００９，６７５号（Ｋｕｎｚら）、同第５，０８５，６７１号（Ｍａｒｔｉｎら）、同第４，９９７，４６１号（Ｍａｒｋｈｏｆｆ－Ｍａｔｈｅｎｙら）、及び同第５，０４２，９９１号（Ｋｕｎｚら）に記載されている。更に、表面コーティングは成形研磨粒子のキャッピングを防ぐことができる。キャッピングは、金属粒子が研磨中の被加工物から成形研磨粒子の頂部に溶着される現象を説明する用語である。上記の働きを発揮する表面コーティングは、当業者には既知である。

有用な破砕研磨粒子としては、例えば、溶融酸化アルミニウム、熱処理した酸化アルミニウム、白色溶融酸化アルミニウム、商品名３ＭＣＥＲＡＭＩＣＡＢＲＡＳＩＶＥＧＲＡＩＮとして３ＭＣｏｍｐａｎｙ，Ｓｔ．Ｐａｕｌ，Ｍｉｎｎｅｓｏｔａから市販されているもの等のセラミック酸化アルミニウム材料、黒色炭化ケイ素、緑色炭化ケイ素、二ホウ化チタン、炭化ホウ素、炭化タングステン、炭化チタン、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、ガーネット、溶融アルミナジルコニア、ゾル－ゲル由来研磨粒子、酸化鉄、クロミア、セリア、ジルコニア、チタニア、ケイ酸塩、酸化スズ、シリカ（石英、ガラスビーズ、ガラス泡、及びガラスファイバーなど）、ケイ酸塩（タルク、粘土（例えば、モンモリロナイト）、長石、雲母、ケイ酸カルシウム、メタケイ酸塩カルシウム、アルミノケイ酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウムなど）、フリント、並びにエメリーの粉砕粒子が挙げられる。ゾル－ゲル由来研磨粒子の例は、米国特許第４，３１４，８２７号（Ｌｅｉｔｈｅｉｓｅｒら）、同第４，６２３，３６４号（Ｃｏｔｔｒｉｎｇｅｒら）、同第４，７４４，８０２号（Ｓｃｈｗａｂｅｌ）、同第４，７７０，６７１号（Ｍｏｎｒｏｅら）、及び同第４，８８１，９５１号（Ｍｏｎｒｏｅら）に見出すことができる。研磨粒子は、例えば、米国特許第４，６５２，２７５号（Ｂｌｏｅｃｈｅｒら）又は同第４，７９９，９３９号（Ｂｌｏｅｃｈｅｒら）に記載されているもの等の研磨粒塊を含み得ることも考えられる。

典型的に、従来の破砕研磨粒子は、研磨剤産業界で認められた特定の名目上の等級に従って個別に寸法決めされる。研磨剤産業界で認められた等級規格の例としては、アメリカ規格協会（American National Standards Institute、ＡＮＳＩ）、欧州研磨剤製造者連盟（Federation of European Producers of Abrasives、ＦＥＰＡ）規格及び日本工業規格（ＪＩＳ）から公開されているものが挙げられる。係る産業が認めた等級規格には、例えば、ＡＮＳＩ４、ＡＮＳＩ６、ＡＮＳＩ８、ＡＮＳＩ１６、ＡＮＳＩ２４、ＡＮＳＩ３０、ＡＮＳＩ３６、ＡＮＳＩ４０、ＡＮＳＩ５０、ＡＮＳＩ６０、ＡＮＳＩ８０、ＡＮＳＩ１００、ＡＮＳＩ１２０、ＡＮＳＩ１５０、ＡＮＳＩ１８０、ＡＮＳＩ２２０、ＡＮＳＩ２４０、ＡＮＳＩ２８０、ＡＮＳＩ３２０、ＡＮＳＩ３６０、ＡＮＳＩ４００、及びＡＮＳＩ６００、ＦＥＰＡＰ８、ＦＥＰＡＰ１２、ＦＥＰＡＰ１６、ＦＥＰＡＰ２４、ＦＥＰＡＰ３０、ＦＥＰＡＰ３６、ＦＥＰＡＰ４０、ＦＥＰＡＰ５０、ＦＥＰＡＰ６０、ＦＥＰＡＰ８０、ＦＥＰＡＰ１００、ＦＥＰＡＰ１２０、ＦＥＰＡＰ１５０、ＦＥＰＡＰ１８０、ＦＥＰＡＰ２２０、ＦＥＰＡＰ３２０、ＦＥＰＡＰ４００、ＦＥＰＡＰ５００、ＦＥＰＡＰ６００、ＦＥＰＡＰ８００、ＦＥＰＡＰ１０００、ＦＥＰＡＰ１２００、ＦＥＰＡＦ８、ＦＥＰＡＦ１２、ＦＥＰＡＦ１６、及びＦＥＰＡＦ２４、並びにＪＩＳ８、ＪＩＳ１２、ＪＩＳ１６、ＪＩＳ２４、ＪＩＳ３６、ＪＩＳ４６、ＪＩＳ５４、ＪＩＳ６０、ＪＩＳ８０、ＪＩＳ１００、ＪＩＳ１５０、ＪＩＳ１８０、ＪＩＳ２２０、ＪＩＳ２４０、ＪＩＳ２８０、ＪＩＳ３２０、ＪＩＳ３６０、ＪＩＳ４００、ＪＩＳ４００、ＪＩＳ６００、ＪＩＳ８００、ＪＩＳ１０００、ＪＩＳ１５００、ＪＩＳ２５００、ＪＩＳ４０００、ＪＩＳ６０００、ＪＩＳ８０００、及びＪＩＳ１０，０００が挙げられる。より典型的には、破砕酸化アルミニウム粒子及び種晶が添加されていないゾル－ゲル法によるアルミナ系研磨粒子は、個別にＡＮＳＩ６０及び８０、又はＦＥＰＡＦ３６、Ｆ４６、Ｆ５４及びＦ６０、又はＦＥＰＡＰ６０及びＰ８０の等級規格に寸法決めされる。

代替的に、成形研磨粒子は、ＡＳＴＭＥ－１１「織金網及びふるいの標準試験の規格」に準拠する米国標準試験ふるいを用いて名目上のスクリーニング等級(nominal screened grade)に等級分けすることができる。ＡＳＴＭＥ－１１は、指定された粒径に従って物質を分類するためにフレームに装着された織金網の媒体を用いて、試験用ふるいの設計及び構築に関する要件を規定する。典型的な表記は、－１８＋２０のように表され得、これは、成形研磨粒子がＡＳＴＭＥ－１１の１８号ふるいの規格に一致する試験用ふるいを通過するものであり、ＡＳＴＭＥ－１１の２０号ふるいの規格に一致する試験用ふるい上に残るものであることを意味する。一実施形態では、成形研磨粒子は、粒子の大部分が１８メッシュ試験用ふるいを通過し、２０、２５、３０、３５、４０、４５、又は５０メッシュ試験用ふるい上に残り得るような粒径を有する。様々な実施形態において、成形研磨粒子は、－１８＋２０、－２０／＋２５、－２５＋３０、
－３０＋３５、－３５＋４０、－４０＋４５、－４５＋５０、－５０＋６０、－６０＋７０、－７０／＋８０、－８０＋１００、－１００＋１２０、
－１２０＋１４０、－１４０＋１７０、－１７０＋２００、－２００＋２３０、－２３０＋２７０、－２７０＋３２５、－３２５＋４００、－４００＋４５０、
－４５０＋５００、又は－５００＋６３５を含む名目上のスクリーニング等級を有することができる。あるいは、－９０＋１００のような特化したメッシュサイズの使用が可能である。

いくつかの実施形態では、研磨粒子（成形されたもの及び／又は破砕されたもの）の一部又は全ては、バインダーに対する研磨粒子の接着を強化するために、カップリング剤（例えば、オルガノシランカップリング剤）を用いて処理される。カップリング剤は、研磨材分野の当業者に周知である。カップリング剤の例としては、トリアルコキシシラン（例えば、γ－アミノプロピルトリエトキシシラン）、チタン酸塩、及びジルコン酸塩が挙げられる。研磨粒子は、それらをバインダー材料と混ぜ合わせる前に処理されてもよく、あるいはそれらは、バインダー材料に対するカップリング剤を含むことによって、その場で表面処理されてもよい。

いくつかの実施形態では、本開示に係る凹状中央研削ホイールは、他の構成成分の重量範囲必要要件が満たされていることを条件として、例えばポリテトラフルオロエチレン粒子、氷晶石、塩化ナトリウム、ＦｅＳ_２（二硫化鉄）、又はＫＢＦ_４等の追加の研削助剤を、典型的には１～２５重量％、より典型的には１０～２０重量％の量で含有する。研削助剤は、概ね、切断境界面の温度を低下させることによってカットオフホイールの切断特性を改良するために添加される。研削助剤は、研削助剤粒子の単一粒子又は粒塊の形態であってもよい。精確に成形された研削助剤粒子の例が、米国特許出願公開第２００２／００２６７５２（Ａ１）号（Ｃｕｌｌｅｒら）に教示されている。

いくつかの実施形態では、有機バインダー材料は、例えば、ＳＡＮＴＩＣＩＺＥＲ１５４ＰＬＡＳＴＩＣＩＺＥＲとしてＵＮＩＶＡＲＵＳＡ，Ｉｎｃ．Ｃｈｉｃａｇｏ，Ｉｌｌｉｎｏｉｓから入手可能なもの等の可塑剤を含有し得る。

本開示に係る凹状中央研削ホイールは、他の構成成分の重量範囲必要要件が満たされていることを条件として、例えば充填剤粒子等の追加成分を含有してもよい。充填剤粒子は、すき間を占有するためにかつ／又は多孔性をもたらすために添加してもよい。多孔性は、凹状中央研削ホイールが使用済の又は摩耗した研磨粒子を剥ぎ落とし、新しい、又は未使用の研磨粒子を露出させることを可能にする。

本開示に係る凹状中央研削ホイールは、例えば、約１体積％～５０体積％、典型的には１体積％～４０体積％の任意の範囲の多孔性を有する。充填剤の例としては、バブル及びビーズ（例えば、ガラス、セラミック（アルミナ）、粘土、ポリマー系、金属）、コルク、石膏、大理石、石灰岩、フリント、シリカ、ケイ酸アルミニウム、並びにこれらの組み合わせが挙げられる。

本開示に係る凹状中央研削ホイールは、例えば、タイプ２７（例えば米国規格協会規格ＡＮＳＩＢ７．１－２０００（２０００）、１．４．１４項にあるようなもの）の凹状中央研削ホイールとして有用である。

本開示に係る凹状中央研削ホイールは典型的には、厚さ０．８０ミリメートル（ｍｍ）～１６ｍｍ、より典型的には、１ｍｍ～８ｍｍであり、典型的には、２．５ｃｍ～１００ｃｍ（４０インチ）、より典型的には、約７ｃｍ～１３ｃｍの直径を有する。ただし、他の寸法も用いられ得る（例えば、直径１００ｃｍという大きさのホイールも知られている）。任意選択的な中央孔が、凹状中央研削ホイールを動力駆動工具に取り付けるために用いられてもよい。中央孔は、存在する場合、典型的には直径０．５ｃｍ～２．５ｃｍであるが、他のサイズを使用してもよい。任意の中央孔は、例えば金属フランジによって補強されていてもよい。あるいは、機械的留め具を、カットオフホイールの１つの表面に対して軸方向に固定してもよい。例としては、ねじ切りポスト、ねじ切りナット、Ｔｉｎｎｅｒｍａｎナット、及びバヨネットマウントポスト（bayonet mount posts）が挙げられる。

上述されたように、本開示に係る凹状中央研削ホイールは、凹状中央研削ホイールを補強する少なくとも２つのスクリムを含む。スクリムの例としては、織られた、若しくは編まれた布、メッシュ、及び網が挙げられる。スクリムは、ガラス繊維（例えば、繊維ガラス）、ポリアミド、ポリエステル、又はポリイミドなどの有機繊維を含み得る。スクリムは、織られた、不織の、若しくは編まれた繊維メッシュ、合成繊維メッシュ、天然繊維メッシュ、金属繊維メッシュ、成型された熱可塑性ポリマーメッシュ、成型された熱硬化性ポリマーメッシュ、穿孔シート材料、スリットを入れられ、伸張されたシート材料、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、目の荒いメッシュを含み得る。スクリムは均一なパターンで織成される必要はなく、不織のランダムパターンも含み得る。したがって、開口部は、あるパターンを成していてもランダムに離間していてもよい。スクリムネットワーク開口部は、方形であり得るか、あるいはそれらは、菱形状、三角形状、八角形状、又は諸形状の組み合わせを含む他の形状を有し得る。

場合によっては、補強短繊維が結合媒体内に含まれることが望ましい場合があり、これによって繊維は研削ホイール全体に均一に分散される。

本開示に係る凹状中央研削ホイールは、例えば、被加工物を研磨するために有用である。使用中、凹状中央研削ホイールは、湿式又は乾式で使用することができる。湿式研削中、ホイールは、水、油性潤滑剤、又は水性潤滑剤と併用して使用される。本開示に係る凹状中央研削ホイールは、例えば、炭素鋼シート若しくはバーストック、及びよりエキゾチックな金属（例えば、ステンレス鋼若しくはチタン）、又はより柔軟なより鉄含有系の金属（例えば、軟鋼、低合金鋼、若しくは鋳鉄）などの種々の被加工物材料に特に有用であり得る。

本開示に係る凹状中央研削ホイールは、被加工物に対して鋭角で被加工物を研削するために有用である。図４に、このような研磨プロセスが示される。ここでは、凹状中央研削ホイール１００が被加工物４００を研磨する。研削の間に、作業層、中間層、及び後部層は摩耗を経験し、被加工物の研磨に関与する。

本開示の選択された実施形態
第１の実施形態では、本開示は、作業面と作業面と反対側の後面とを有する研磨ディスクを備える凹状中央研削ホイールであって、作業面は凹状中央部分を有し、研磨ディスクは、
第１のバインダー材料中に保持された第１の研磨粒子を含む作業層であって、第１の研磨粒子は第１の成形研磨粒子を含み、第１の成形研磨粒子は第１の研磨粒子の４０～１００重量％を含む、作業層と、
第１の破砕研磨粒子を含むが成形研磨粒子を本質的に含まない第２のバインダー材料中に保持された第２の研磨粒子を含む後部層と、
作業層と後部層との間に配置された中間層であって、中間層は、第３のバインダー材料中に保持された第３の研磨粒子を含み、中間層は第２の成形研磨粒子及び第２の破砕研磨粒子を含み、第２の成形研磨粒子は第２の研磨粒子の２５～７５重量％を含む、中間層と、
後部層と中間層との間に挟まれた第１の補強スクリムと、
第２の補強スクリムであって、
中間層に対向する後部層、
後部層に対向する中間層、又は
中間層に対向する作業層、
のうちの１つに隣接している、第２の補強スクリムと、
を備える、凹状中央研削ホイールを提供する。

第２の実施形態では、本開示は、第２の補強スクリムが作業層と中間層との間に挟まれている、第１の実施形態に係る凹状中央研削ホイールを提供する。

第３の実施形態では、本開示は、中間層に対向する作業層に結合された第３の補強スクリムを更に備える、第２の実施形態に係る凹状中央研削ホイールを提供する。

第４の実施形態では、本開示は、第２の補強スクリムが中間層に対向する後部層に固定されている、第１の実施形態に係る凹状中央研削ホイールを提供する。

第５の実施形態では、本開示は、中間層と作業層との間に挟まれた第３の補強スクリムを更に備える、第４の実施形態に係る凹状中央研削ホイールを提供する。

第６の実施形態では、本開示は、中間層に対向する作業層に結合された第４の補強スクリムを更に備える、第４又は第５の実施形態に係る凹状中央研削ホイールを提供する。

第７の実施形態では、本開示は、第１の成形研磨粒子が三角形状成形研磨粒子を含む、第１～第６の実施形態のいずれか１つに係る凹状中央研削ホイールを提供する。

第８の実施形態では、本開示は、第２の成形研磨粒子が三角形状成形研磨粒子を含む、第１～第７の実施形態のいずれか１つに係る凹状中央研削ホイールを提供する。

第９の実施形態では、本開示は、第１の研磨粒子中の第１の成形研磨粒子の重量％と第２の研磨粒子中の第２の成形研磨粒子の重量％との比が４０：６０～６０：４０である、第１～第８の実施形態のいずれか１つに係る凹状中央研削ホイールを提供する。

第１０の実施形態では、本開示は、第１の研磨粒子中の第１の成形研磨粒子の重量％と第２の研磨粒子中の第２の成形研磨粒子の重量％との比が４５：５５～５５：４５である、第１～第８の実施形態のいずれか１つに係る凹状中央研削ホイールを提供する。

第１１の実施形態では、本開示は、第１の成形研磨粒子及び第２の成形研磨粒子がαアルミナを含む、第１～第１０の実施形態のいずれか１つに係る凹状中央研削ホイールを提供する。

第１２の実施形態では、本開示は、研磨ディスクを貫いて延びる、中心に配置されたアーバー孔を更に備える、第１～第１１の実施形態のいずれか１つに係る凹状中央研削ホイールを提供する。

第１３の実施形態では、本開示は、研磨ディスクの後面上において中心に配置された取り付け部材を更に備える、第１～第１２の実施形態のいずれか１つに係る凹状中央研削ホイールを提供する。

本開示の目的及び利点は、以下の非限定的な実施例によって更に説明されるが、これらの実施例に列挙された特定の材料及びその量、並びに他の条件及び詳細は、本開示を過度に限定するものと解釈されるべきではない。

特に記載のない限り、実施例及び本明細書のその他の箇所における全ての部分、百分率、比などは、重量によるものである。

実施例における材料には、以下の略語が使用される。

ＡＰ２の調製
米国特許第８，１４２，５３１号（Ａｄｅｆｒｉｓら）の開示に従って成形研磨粒子を調製した。成形研磨粒子は、０．０２８インチ（０．７１ｍｍ）の深さ、及び各辺において０．１１インチ（０．２８ｍｍ）の正三角形状のポリプロピレン金型キャビティ内でアルミナゾルゲルを成型することによって調製した。金型の側壁と底部との間の抜き勾配αは９８度であった。乾燥及び焼成後に、成形粒子を約６５０℃でか焼し、硝酸マグネシウム溶液で飽和させた（酸化マグネシウムとして１０．５重量％、及び０．０２重量％のＨＣ５をその中に分散した状態で有する）。過剰な硝酸塩溶液を除去し、飽和した成形粒子を乾燥させて、その後、この粒子を再び６５０℃でか焼し、約１４００℃で焼結して、成形セラミック研磨粒子を得た。か焼及び焼結はどちらも回転管状窯を用いて達成した。

研削試験
研磨ホイールを、前後に往復する（１サイクル＝片道１８インチ（４５．７ｃｍ）で合計３６インチ（９１ｃｍ））１２０００ｒｐｍ空気駆動式グラインダー上に装着されている間に、長方形軟鋼棒（０．２５インチ（０．６ｃｍ）ｘ１８インチ（４５．７ｃｍ）ｘ３インチ（７．６ｃｍ））を表面の０．２５インチ（０．６ｃｍ）ｘ１８インチ（４５．７ｃｍ）の区域上で、１分サイクル１０回にわたって研削することによって、試験した。印加荷重は９ポンド（４．１ｋｇ）のグラインダー重量であり、研磨ホイールを表面（即ち、０度）に対して１５度の角度で保持した。各サイクルの前及び後に棒鋼の重量を計り、重量喪失（即ち、切削）を記録した。棒鋼を１サイクルごとに端から端まで１６回横断した。研削ディスクからの重量喪失（即ち、ディスクの摩耗）を各１０サイクル試験後に記録した。

実施例１及び比較例Ａ～Ｂ
表１に列挙する量及び成分に従って混合物を調製した。パドルミキサー（「ＣＵＩＳＩＮＡＲＴＳＭ－７０」としてＣｏｎａｉｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ＥａｓｔＷｉｎｄｓｏｒ，ＮｅｗＪｅｒｓｅｙから入手したもの、速度１で動作させた）を用いて、指示された成分を１０分間混ぜ合わせることによって、混合物１、混合物２及び混合物４を調製した。パドルミキサーを用いて混合物１及び混合物２を１０分間混ぜ合わせることによって、混合物３を調製した。パドルミキサーを用いて混合物４及び混合物２を１０分間混ぜ合わせることによって、混合物５を調製した。パドルミキサーを用いて５０％の混合物１及び５０％の混合物４を１０分間混ぜ合わせることによって、混合物６を調製した。

実施例１
タイプ２７の凹状中央複合研削ホイールを以下のように調製した。直径４．５インチ（１１．４ｃｍ）のＳＣＲＩＭ１のディスクを直径４．５インチ（１１．４ｃｍ）のキャビティダイ内に配置した。混合物３（５０グラム）を均一に広げた。第２の直径４インチ（１０．２ｃｍ）のスクリム２を混合物３の上に配置した。混合物６（５０グラム）を均一に広げ、第３の直径４インチ（１０．２ｃｍ）のスクリム２を混合物６の上に配置した。次に、混合物５（５０グラム）を均一に広げた。次に、充填されたキャビティ金型を４０トン／３８平方インチ（１４．５メガパスカル）の圧力でプレスした。

得られたホイールをキャビティ金型から取り外し、タイプ２７の凹状中央研削ホイールにプレスするために、凹状中央のアルミニウムプレート間のスピンドル上に配置した。ホイールを５トン／３８平方インチ（１．８メガパスカル）で圧縮し、ディスクを成形した。次に、ホイールを硬化させるために、７９℃で７時間、１０７℃で３時間、１８５℃で１８時間、オーブン内に配置し、温度を４時間以上かけて２７℃まで降下させた。最終の研削ホイールの寸法は、直径１８０ｍｍｘ厚さ７ｍｍであった。中央孔は直径７／８インチ（２．２ｃｍ）であった。得られた凹状中央複合研削ホイールは、混合物５の層が作業層になるように構成した。

比較例Ａ
比較例Ａは、中層において混合物６の代わりに混合物５を用いたこと（そのため、中層及び上層の両方において混合物５を用いたこと）を除いて、実施例１の手順に従って調製したタイプ２７の凹状中央研削ホイールであった。得られた凹状中央複合研削ホイールは、混合物５の層が作業層になるように構成した。

比較例Ｂ
比較例Ｂは、上層において混合物５の代わりに混合物６を用いたこと（そのため、中層及び上層の両方において混合物６を用いたこと）を除いて、実施例１の手順に従って調製したタイプ２７の凹状中央研削ホイールであった。得られた凹状中央複合研削ホイールは、混合物６の層が作業層になるように構成した。

実施例１並びに比較例Ａ及びＢの研削試験結果を表２（下記）において報告する。

実施例２～７及び比較例Ｃ～Ｅ
表３に列挙する量及び成分に従って混合物を調製した。パドルミキサー（ＣｏｎａｉｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ＥａｓｔＷｉｎｄｓｏｒ，ＮｅｗＪｅｒｓｅｙからのＣＵＩＳＩＮＡＲＴＳＭ－７０、速度１で動作させた）を用いて、指示された成分を１０分間混ぜ合わせることによって、混合物７、混合物８及び混合物１０を調製した。パドルミキサーを用いて混合物７及び混合物８を１０分間混ぜ合わせることによって、混合物９を調製した。パドルミキサーを用いて混合物１０及び混合物８を１０分間混ぜ合わせることによって、混合物１１を調製した。パドルミキサーを用いて２５％の混合物９及び７５％の混合物１１を１０分間混ぜ合わせることによって、混合物１２を調製した。パドルミキサーを用いて５０％の混合物９及び５０％の混合物１１を１０分間混ぜ合わせることによって、混合物１３を調製した。パドルミキサーを用いて７５％の混合物９及び２５％の混合物１１を１０分間混ぜ合わせることによって、混合物１４を調製した。

実施例２～７及び比較例Ｃ～Ｅのうちの例ごとに以下のようにタイプ２７の凹状中央複合研削ホイールを調製した。各例において下層、中層及び上層として用いた混合物、並びにそれらの量を表４において報告する。直径４．５インチ（１１．４ｃｍ）のＳＣＲＩＭ１のディスクを直径４．５インチ（１１．４ｃｍ）のキャビティダイ内に配置した。下層混合物を均一に広げた。第２の直径４．０インチ（１０．２ｃｍ）のスクリム２を下層混合物の上に配置した。中層混合物を均一に広げ、次に、上層混合物を均一に広げた。第３の直径３インチ（７．６ｃｍ）のスクリム２を上層混合物の上に配置した。次に、充填されたキャビティ金型を４０トン／３８平方インチ（１４．５ｍＰａ）の圧力でプレスした。

得られるホイールをキャビティの成形型から取り外し、タイプ２７の凹状の中央の研削ホイールに圧入するために、凹状中央のアルミニウムプレート間のスピンドルに配置した。ホイールを５トン／３８平方インチ（１．８ｍＰａ）で圧縮し、ディスクを成形した。次に、ホイールを硬化させるために、７９℃で７時間、１０７℃で３時間、１８５℃で１８時間、オーブン内に配置し、温度を４時間以上かけて２７℃まで降下させた。最終の研削ホイールの寸法は、直径１８０ｍｍｘ厚さ７ｍｍであった。中心孔は、直径７／８インチ（２．２ｃｍ）であった。得られた凹状中央複合研削ホイールは、上層が作業層になるように構成した。

実施例２～７及び比較例Ｃ～Ｅの研削試験結果を表４（下記）において報告する。

本開示の範囲及び趣旨から逸脱することなく、本開示の様々な修正及び変更を当業者が行うことができ、本開示は上記で説明した例示的な実施形態に過度に限定されるべきでないことを理解されたい。

Claims

作業面と前記作業面と反対側の後面とを有する研磨ディスクを備える凹状中央研削ホイールであって、前記作業面は凹状中央部分を有し、前記研磨ディスクは、
第１のバインダー材料中に保持された第１の研磨粒子を含む作業層であって、前記第１の研磨粒子は第１の成形研磨粒子を含み、前記第１の研磨粒子は、前記第１の研磨粒子の総重量に基づいて４０～１００重量％の量の前記第１の成形研磨粒子を含む、作業層と、
第１の破砕研磨粒子を含むが、１重量％未満の成形研磨粒子を含む又は成形研磨粒子を含まない第２のバインダー材料中に保持された第２の研磨粒子を含む後部層と、
前記作業層と前記後部層との間に配置された中間層であって、前記中間層は、第３のバインダー材料中に保持された第３の研磨粒子を含み、前記中間層は第２の成形研磨粒子及び第２の破砕研磨粒子を含み、前記第３の研磨粒子は、前記第３の研磨粒子の総重量に基づいて２５～７５重量％の量の前記第２の成形研磨粒子を含む、中間層と、
前記後部層と前記中間層との間に挟まれた第１の補強スクリムと、
第２の補強スクリムであって、
前記中間層に対向する前記後部層に固定されている、第２の補強スクリムと、
を備え、
前記作業層と前記中間層との間に補強スクリムを備えない、
凹状中央研削ホイール。
前記中間層に対向する前記作業層に結合された第３の補強スクリムを更に備える、請求項１に記載の凹状中央研削ホイール。
前記第１の成形研磨粒子が三角形状成形研磨粒子を含む、請求項１または２に記載の凹状中央研削ホイール。
前記第２の成形研磨粒子が三角形状成形研磨粒子を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の凹状中央研削ホイール。
前記第１の研磨粒子中の前記第１の成形研磨粒子の重量％と前記第３の研磨粒子中の前記第２の成形研磨粒子の重量％との比が４０：６０～６０：４０である、請求項１～４のいずれか一項に記載の凹状中央研削ホイール。
前記第１の研磨粒子中の前記第１の成形研磨粒子の重量％と前記第３の研磨粒子中の前記第２の成形研磨粒子の重量％との比が４５：５５～５５：４５である、請求項１～４のいずれか一項に記載の凹状中央研削ホイール。
前記第１の成形研磨粒子及び前記第２の成形研磨粒子がαアルミナを含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の凹状中央研削ホイール。
前記研磨ディスクを貫いて延びる、中心に配置されたアーバー孔を更に備える、請求項１～７のいずれか一項に記載の凹状中央研削ホイール。
前記研磨ディスクの前記後面上において中心に配置された取り付け部材を更に備える、請求項１～８のいずれか一項に記載の凹状中央研削ホイール。