KR0179636B1 - 내화성 물질로 산화 알미늄 입자를 피복시키는 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 연마입자와 그 입자를 포함하는 연마제품 - Google Patents

내화성 물질로 산화 알미늄 입자를 피복시키는 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 연마입자와 그 입자를 포함하는 연마제품 Download PDF

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게리 리 그리스월드
미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩츄어링 컴퍼니
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Abstract

본 발명의 연마입자들은 음극 아크 용착에 의해 산화알미늄 -기저 광물에 금속 붕화물, 탄화물, 또는 질화물 내화성 물질이 피복된 것이다. 중심핵은 용융 산화알미늄 또는 산화알미늄-기저 세라믹 일 수 있다. 본 발명은 또한, 종래의 연마입자들의 적어도 일부분이 피복연마입자들로 대체된 개선된 연마 제품에 관한 것이다.

Description

내화성 물질로 산화 알미늄 입자를 피복시키는 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 연마입자와 그 입자를 포함하는 연마제품
본 발명은, 산화 알미늄-기저 중심핵 입자상에 내화성 물질을 음극 아크피복시킴에 의해 연마입자를 제조하는 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 연마입자, 그리고 그 연마입자를 만들어지는 연마제품에 관한 것이다.
여러가지 연마 제품에 있어서 연마 입자 또는 결정(grain)으로서 미립자 알미늄 산화물 또는 산화 알미늄이 오랫동안 사용되어 왔다. 산화 알미늄 연마입자용 원료는 자연에서 발견되는 것으로 충분히 공급된다. 자연 발생 산화 알미늄은 그 다음에 용융 기법, 열처리 및 여러가지 부화물의 부가에 의해 개량된다. 상기 기법은 결국 상기 연마 입자를 함유하는 연마제품의 성능에 있어서 극적인 개량을 초래하지만, 금속 가공편과의 접촉에 의해 유발되는 연마마모 및 반응성을 더 잘견디는 더욱 개량된 산화 알미늄 연마물질에 대한 필요성은 여전히 상존한다.
한정된 양의 기술적 노우-하우를 가지며 연마기술 또는 세라믹 절삭공구기술에 숙련되지 않은자는 연마 입자들이 개선된 내구성 및 낮은 반응성을 제공하도록 어떻게 개량될 수 있는가에 관한 지침으로서 세라믹 절삭 공구기술에 대해 검토할 수 있다. 예를들어, 미합중국 특허 제4,366,254호에는, 산화알미늄, 산화 지르코늄, 그리고 선택적으로는 주기율표의 VIB족 및 VB족 금속인 금속탄화물, 질화물, 또는 탄화-질화물 및 VIB족의 탄화물과 같은 내화성 금속 화합물의 절삭공구로서,순수 산화 알미늄만큼 내 마모성을 가지며 강인한 절삭공구가 개시되어 있다. 미합중국 특허 제4,543,343호에는 산화알미늄, 티타늄 붕화물, 티타늄 탄화물, 및 산화지르코늄으로 만들어진 고열전도성 세라믹 물질을 구비하는 절삭공구가 개시되어 있다. 미합중국 특허 제4,776,863호에는, 티타늄 탄화물, 티타늄 탄화질화물 및/또는 티타늄 질화물의 견고한 층으로 피복되고 최외측에 지르코늄 질화물의 박층(thin layer)으로 피복된 견고한 금속의 절삭공구가 개시되어 있다. 티타늄 탄화질화물의 연속층들은 상기 특허 발명에 따른 지르코늄 질화물 층들처럼 화학적 증착(CVD)방법을 통하여 피복되는데, 또한 물리적 증착(PVD)방법을 통하여 피복될 수도 있다. PVD방법에는 스퍼터링(sputtering; 튀김)에 의한 또는 아크 증발에 의한 증발이 포함된다.
다중층 피복 결합 탄화물 절삭공구는 미합중국 특허 제4,746,563호에 개시되어 있다. 상기 특허에는 CVD방법을 사용하여 결합 탄화물 기질상에 산화알미늄 및 금속 질화물 또는 탄화물의 연속층을 형성하는 방법이 개시되어 있다. 전체 두께가 5 내지 20마이크로 미터의 범위에 걸치는 산화알미늄층은, TiC, TiN, TiCN, TiCNO, TiCO, TiNO, Ti산화물, Ti(B,N), Ti(B,N,C), SiC, AlN, 및 AlON으로 구성되는 군으로부터 선택된 하나이상의 요소로 구성되는 각각 0.01 내지 2마이크로 미터의 두께의 중간층들의 사용에 의해 각각 0.02 내지 2마이크로 미터(10 내지 2000 나노미터)의 범위에 걸친 두께를 가지는 여러개의 층들로 분할된다.
미합중국 특허 제3,351,543호에 개시된 바와같이, 하나의 성형체로 형성될 때 다이아몬드 입자들 사이의 결합을 촉진시키기 위해 접착 금속층으로 다이아몬드를 피복시키는데에 몰리브덴과 같은 피복금속에 의한 스퍼터링이 이용된다. 상기 특허 발명의 장점은 다양한 칫수의 소형 인조 다이아몬드들을 결합시켜 사용가능한 공구를 제조할 수 있다는 점이다. 스퍼터링은 다이아몬드의 표면을 소제하고 몰리브덴으로 피복하는데 이용되었다. 피복의 두께는 약 58나노미터 내지 200나노미터의 범위에 걸친다.
상기한 몇몇 종래기술에 의하면, 내화성 금속 화합물에 의해 세라믹 절삭공구를 피복시킴에 의해 세라믹 절삭공구에서 개선된 물리적 특성이 획들될 수 있지만, 상기 종래기술을 통하여 연마기술분야의 당업자가 산화알미늄 연마입자 또는 결정의 유사한 변형을 바로 안출해 낼 수 있는 것은 아니다.
절삭공구는 몇가지 이유로 연마입자에 의해 균등화될 수는 없다. 절삭공구 뿐아니라 연삭 또한 금속제거의 순수한 기계적 작동으로서 고려된 바 있다. 이것은, 두개의 공용 연마제, 즉 산화 알미늄 및 실리콘 탄화물(SiC)이 서로 다른 물질에 서로다르게 작용한다는 사실에 의해 지지되었다. SiC는 저 장력물질에 더 효가적인 반면에, 더 견고한 광물인 것으로 추정되는 산화 알미늄은 고 장력강에 더 효과적이었다. 상기 물질들에 대해 더 연구한 결과, 두개의 광물중에서 SiC가 실제로 더 견고한 것으로 판별되었다. 산화알미늄 또는 SiC보다 훨씬 더 견고한 B4C가 개발되었는데, 이 새로운 광물은 연삭 강철로서는 산화알미늄 및 SiC에 비해 열등한 것으로 판명되었다. 연삭은 전적으로 기계적인 작업과정이라는 이론은 파기되었다.
연삭이 전적으로 기계적인 작업과정이 아니라는 이유는 마찰연삭 및 절단공구에 의한 금속제거에 이용되는 에너지의 분포를 비교함에 의해 인지될 수 있다. 절삭공구에 있어서, 절삭에 이용되는 전체 에너지의 90% 정도는 칩(chip)에 의해 소모되고 전체에너지의 약 5%만이 열의 형태로 금속표면대로 침투한다. 결과적으로, 절삭공구온도는 정상 절삭속도에 대해 약 700℃ 내지 800℃의 상대적으로 낮은 온도로 유지된다. 마찰 연삭에서는, 작업에 투입되는 전체에너지는 절삭공구에 의한 경우보다 열배가량 크다. 또한 전체 에너지 투입량 중에서, 약 80%는 연삭 표면에서 열의 형태로 가공편내로 침투한다(이점은 절삭공구의 5% 경우에 비해 대조적이다). 따라서 열로서 가공편내로 침투하는 에너지는 마찰 연삭의 경우에는 절삭공구의 경우에 비해 160배가 된다. 이와같은 차이의 이유는 레이크(rake)각도치 및 칩 형성의 서로다른 기구에서 발견될 수 있다. 절삭공구에서 레이크 각도는 제로에 가까우며 이로인해 칩의 제거 및 상향 유동에 대해 거의 완전한 자유도가 보강된다. 결과적으로, 연삭시 표면을 변형시키는데에 상당한 에너지가 소모되는 반면에 칩을 제거시키는데에는 에너지가 거의 소모되지 않는다. 따라서, 연삭 접촉면의 온도는 대단히 높은 값에 도달하며, 심지어 연삭 편에서 흔히 발견되는 응고된 칩들로부터 명백한 바와같이 금속의 용융점에 도달할 수도 있다. 고온상태의 또다른 표지(標識)로는 연삭시에 관찰되는 불꽃세례를 들 수 있으며, 이것은 칩이 적열 또는 백열 상태로 가열됨으로 인해 발생한다.
연삭 접촉면에서 조우되는 고온의 결과로서, 금속, 연마입자 및 공기 사이의 상호반응이 고려되어야 한다. 예를들어, 알미늄 산화물이 대부분의 강철에 대해 실리콘 탄화물보다 더좋은 연마제라는 이유에 대한 최적의 근거는, 연마제를 용융시키고 과다한 마모를 유발시키는 강철 및 실리콘 탄화물 사이의 마찰 연삭시에 나타나는 고온에서 화학반응이 일어난다는 점이다. 텅스텐 탄화물, 붕소 탄화물 및 티타늄 탄화물은 또한, 훌륭한 절삭 공구 물질임에 반해 여러가지 물질에 대한 그들의 반응성으로 인해 연마 입자로서는 용도를 거의 가지지 않는 매우 견고한 물질의 예들이다.
따라서, 피복된 연마제와 같은 연마 제품에 사용되는 연마 입자의 연삭성능을 개선함에 있어서의 시도는, 연마입자용 절삭공구에 사용되는 입자형 물질을 대체하지 않고, 대신에 입자의 화합물을 변화시키고 입자에 대해 내화성 물질의 얇은 피복을 도포시키는데 중점을 두었다.
미합중국 특허 제4,788,167호는 상기 시도의 일예이다. 이 특허에는, 알미늄 질화물, 알미늄 산화 질화물, 및 주기율표 IVB족 금속 질화물 등을 포함하는 연마입자가 개시되어 있다. 개시된 화합물은 냉 압연강을 연삭함에 있어 기지의(known)화합물에 대해 개선을 제공한다.
연마제 구조의 여러가지 형태에 대한 후자의 일예가 1989년 5월 2일에 공개된 일본 특허 출원 공개 공보 제1-113485호에 개시되어 있는데, 연삭바퀴, 절삭날, 그리고 다듬질 작업 등에서 사용되는 화학적 증착 과정을 통하여 다이아몬드 또는 등축정계 붕소 질화물로 피복된 산화알미늄, 산화지르코늄, 또는 실리콘 탄화물 연마 입자등이 개시되어 있다. 이 공보의 내용은 연마입자들을 0.5 내지 10마이크로미터(500 내지 10000나노미터)의 범위에 걸치는 두께의 다이아몬드 또는 붕소 질화물로 피복시킴에 의해 대단히 견고한 입자들로 변환시키는 것에 관한 것이다.
본 출원의 출원인에게 양도된 미합중국 특허 제4,505,720호에는 실리콘 탄화물 연마 입자상에 견고한 내화성 물질을 피복시킴에 의해 제조되는 개선된 입자형 연마 광물이 개시되어 있다. 피복물은 화학증착에 의해 유동층 내의 실리콘 탄화물 입자상에 도포된다. 최종 피복 입자에 있어서 연삭강에 사용될 때의 연마성능이 상당히 향상된다.
그러나, 종래기술에 있어서는 금속을 연삭하기 위해 피복된 연마제에 사용되는 산화알미늄-기저 연마입자의 연마 특성이 개선될 것이 계속적으로 요구되어 왔다.
일반적으로 산화알미늄-기저 피복 연마제에 의한 금속제거의 속도가 느린 한가지 이유는 연마 입자의 금속 캡핑(metal capping)으로 인한 것일 수 있다. 금속 캡핑이란 연마중에 가공편으로부터 배출되는 금속에 의해 연마입자가 피복되는 현상을 나타내는 용어이다. 금속 캡핑은 피복된 연마제품의 효율성을 극적으로 감소시키는데, 이것은 미세한 연마 입자(평균입자크기가 150마이크로미터 또는 100메쉬(mesh)이하인)들이 사용될 때 특히 곤란한 문제가 된다. 따라서, 금속 캡의 제거 또는 감축을 통하여 절삭율이 개선되고 연마 광물의 가용수명이 연장될 것으로 믿어진다.
본 발명은, 피복된 연마 디스크와 같은 연마제품내에 합체될 때 현저하게 개선된 연마 성능을 제공하는 금속붕화물, 탄화물 또는 질화물 내화성 물질의 얇은(0.1마미크로미터 이하)접착층에 의해 피복된 산화알미늄-기저 연마입자를 제공한다.
이론이 정립된 것은 아니지만, 이러한 개선된 연마성능은, 금속 가공편이 연마 입자의 표면과 반응하는 것을 방지하고 또한 동시에 연마특성을 유지시키는 장벽층 또는 중간 접촉면의 형성으로 인한 것으로 추정된다. 이 장벽은 내화성 금속 질화물, 탄화물 및 붕화물을 음극 아크 용착에의해 산화 알미늄-기저 연마입자에 피복시킴에 의해 제공된다.
간단하게 말하면, 본 발명의 연마 입자는 각각의 입자가 100나노미터 이하의 평균 피복 두께로 내화성 물질의 대체로 균일한 층에 의해 피복된 알미늄-기저 중심핵을 구비한다는 점을 특징으로 한다. 피복물은 금속붕화물 탄화물, 및 질화물의 군으로부터 선택된 내화성 물질인 것이 바람직하다. 바람직한 금속 붕화물, 탄화물 및 질화물은 스칸듐, 란타늄, 세륨, 네오디뮴, 이트륨, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크로뮴, 몰리브덴, 텅스텐 및 이들의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택된 금속이다. 붕소탄화물 및 질화물 또한 유용하다.
바람직한 피복 두께는 1 내지 100나노미터이며, 특히 바람직하게는 5 내지 25나노미터이다.
본 발명의 연마입자의 산화알미늄-기저 중심핵은 용융 산화 알미늄, 용융산화알미늄:산화지르코늄, 또는 졸(sol)겔(gel)처리에 의해 얻어지는 것과 같은 산화알미늄-기저 세라믹 물질등이 바람직하다. 바람직한 세라믹은 졸 겔처리에 의해 제조되는 알파-산화알미늄 기저 세라믹 물질이며, 이것은 더 미세한 영역 구조를 제공하도록 결정핵이 되거나, 또는 연소시 세라믹이 산화알미늄:산화 마그네슘 첨정석(spinel)을 생성함으로써 더 내구성 있는 입자를 제공하도록 산화마그네슘과 같은 변환제에 의해 변환될 수 있다.
a) 음극을 포함하는 금속의 플라즈마(plasma)를 형성하도록 금속 음극에 충분한 전류를 공급하는 단계; b) 플라즈마의 금속의 붕화물, 탄화물, 또는 질화물의 형성이 일어나기 쉽도록 플라즈마를 주위공기에 노출시키는 단계; c) 플라즈마를 하나의 통로를 통하여 양극에 까지 지향시키는 단계; d) 산화알미늄-기저 입자들이 피복되도록 통로내에 유지시키는 단계; e) 각각의 산화알미늄-기저 입자를 회전시켜 각각의 입자의 전체 표면을 플라즈마 통로에 노출시키는 단계; f) 내화성 물질로된 실질적으로 균일한 피복층이 각각의 산화 알미늄-기저입자상에 피복될 때까지 a 내지 e의 단계를 계속하는 단계; g) 산화 알미늄 입자상에 피복된 내화성 물질의 평균 두께가 100 나노미터에 이르기 전에 a 내지 f의 단계를 중단하는 단계.
주위공기에는 아르곤, 크립톤, 크세논(Xe), 헬륨, 또는 주기율표의 8족 원소 및 반응개스, 또는 단독의 반응개스 등이 포함되어 있을 수 있다. 적절한 반응개스로는 산소, 질소, 암모니아, 탄화수소, 또는 붕소-함유개스 등이 포함된다.
본 발명은 또한 본 발명의 연마 입자들에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 대체될 수 있는 연마결정을 포함하는 연마제품을 제공한다. 상기 연마제품들은 피복 연마제품(흔히 사포라 지칭됨), 결합 연마 제품(예를들어, 연삭바퀴 또는 숫돌), 또는 비직조 연마제품 등이다. 상기 제품들은 종래의 연마입자들의 전부 또는 일부를 본 발명의 연마 입자들로 대체한 점을 제외하고는 종래의 제품과 동일하다.
본 발명의 연마 결정들로써 제조되는 피복 연마 디스크들은 스텐레스강 및 연강과 같은 여러가지 금속가공편 상에 내화성 피복을 가지지 않는 종래의 산화알미늄-기저 연마 입자들을 함유하는 동일한 연마디스크들에 비해 개선된 연삭성능을 보여준다. 본 발명의 연마디스크의 가용수명은 연마 입자상의 내화성 피복의 존재로 인하여 상당히 연장된다. 연장된 수명은 금속 캡핑 문제의 감소를 시사하는 것으로 추정된다. 티타늄, 경화된 강철, 금속합금등과 같은 기타의 금속 가공편의 연삭성능은 본 발명에 따른 연마 입자들을 포함하는 연마제품의 사용에 의하여 동일하게 개선될 것으로 기대된다.
본 발명에 따른 내화성 물질로 피복되는 바람직한 산화 알미늄-기저입자들에는 용융 산화알미늄, 용융산화알미늄-산화 지르코늄, 그리고 결정핵물질 또는 변환체를 가진 또는 가지지 않은 졸 겔 유도 세라믹 알파 산화알미늄-기저 연마 입자들이 포함된다. 산화 알미늄-기저 연마 입자들은 바람직하게는 졸 겔 처리를 통해 제조된다. 상기 연마-결정들의 예들이 미합중국 특허 제4,314,827호, 제4,744,802호, 제4,770,671호 및 제4,881,951호에 개시되어 있다.
본 발명에 따른 연마 입자들을 제조하기 위해, 산화 알미늄-기저 연마 입자에 대해 내화성 물질을 피복시키는 과정에서 음극 아크 용착 처리가 이용된다. 산화 알미늄-기저 연마 입자들은 음극 아크 용착 장치의 진공실내에 배치되며, 그 장치내에서 또는 그 장치상에서 입자들을 교란 또는 진동되어 방향성 플라즈마 장내에서의 균일한 표면피복이 이루어지게 된다.
연마 입자들의 교란 방법의 예를들면, 반응제의 요동, 진동 또는 회전입자들의 와동 또는 유동층내에서의 현탁 등이 있다. 바람직한 반응실은 피복과정동안 입자들을 와동시키는 배플(baffle)들이 고정된 실린더로 구성된다. 상기 반응실에서, 입자들은 각각의 입자의 전체표면이 피복 용제(flux)에 노출될 수 있도록 여러가지 다른 방법에의해 교란될 수 있다. 입자들의 교란은 또한 응집을 방해하고 균일한 혼합을 이룰 수 있게하는 경향을 가지므로, 결과적으로 더욱 균일한 피복이 이루어진다.
반응실은 비워졌다가 요망되는 작동압력에 이를때까지 불활성 및/또는 반응성 개스로 다시 충전된다. 용착과정동안 음극원에서 고 전류가 가해지고 유지된다. 화합물의 반응성 용착은 피복실내로의 반응성 개스의 단순한 부가에 의해 음극 아크 피복에서도 가능하다.
양극 및 음극은, 아크 방전이 시작될 때 그리고 충분한 크기의 전류가 음극에 공급될 때 양극과 음극 사이에 아크방전이 일어날 수 있는 방향으로 배치된다. 아크들은 작은 발광지역에서 형성되며 매우 가동성 있고 음극 표면위를 신속히 이동한다. 각각의 지역에서의 고 전류밀도로 인하여, 전류가 음극에 가해지자마자 음극물질의 신속한 비등이 발생한다. 입자들의 최종 비임 또는 플라즈마는 원료(음극)물질의 원자 및 이온등으로 구성되며, 각각의 입자들은 약 10 내지 100 전자 볼트 사이의 동적 에너지를 가진다. 자기 솔레노이드는 기질표면상에 원자 및 이온들의 비임들을 배향시킨다. 원자 및 이온들은 일반적으로 기질 표면상에서 챔버내의 반응성 개스와 반응하여 박막을 형성하는 것으로 추정된다.
피복 과정은 대개 약 5시간 정도의 소요시간을 필요로 하는데, 1 내지 10시간 사이의 시간이 소요될 수도 있다. 내화성 피복 연마 입자들은 소요시간의 말기에 진공실로부터 배출되며, 그 다음에 연마제품을 만드는데 사용된다.
진공 용착과정에서 진공실을 충전시키는데에 불활성 개스를 사용하는 것은 일반적이다. 그러나, 본 발명의 피복과정에서는 불활성 개스를 사용하지 않는것이 더욱 전형적이다. 불활성 개스를 충전 가능한 것이 때때로 바람직한데, 그 이유는 그것이 음극으로부터의 방전을 균형시키는 것을 돕기 때문이다. 만약 피복과정중에 불활성 개스가 사용되는 경우에는, 불활성 개스는 아르곤, 크립톤, 크세논, 헬륨 및, 플라즈마 환경에서는 화학적으로 불활성인 임의의 기타의 개스로부터 선택될 수 있다. 일반적으로 비용 및 유용성의 측면에서는 아르곤이 바람직하다.
이 방법에 의해 화합물을 형성하는데 사용될수 있는 반응개스에는 산소질소, 암모니아, 탄화수소 그리고 디보란(diborane) 및 보라진(borazine)과 같은 붕소-함유개스가 포함된다.
본 발명에서 질화물, 탄화물, 또는 붕화물을 형성하는데 유용한 금속에는, 예를들어, 스칸듐, 란타늄, 세륨, 네오디뮴, 이트륨, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크로뮴, 몰리브덴, 텅스텐 및 그 혼합물등이 포함된다. 피복물은 약 1 내지 100나노미터의 두께로 도포된다.
음극 아크 처리에서의 고 에너지 플라즈마는 화합물 피복의 형성을 고양시키는 경향이 있다. 피복과정에 포함된 고 에너지로 인해, 피복은 대개기질에 대한 접착성이 대단히 높다.
본 발명에 따른 피복된 연마 입자들은 종래의 연마제품에 이용될 수 있으며, 어떤 경우에는 용융 산화알미늄, 실리콘 탄화물, 가아넷(garnet; 석류석), 용융산화알미늄-산하지르코늄 등등과 같은 비교적 값싼 종래의 입자들간의 혼합물로서 사용되는 것이 바람직할 수도 있다. 상기 입자들은 또한 칼슘탄산염, 유지 등과 같은 연마제로서 알려져 있지 않은 물질 또는 광물과 혼합될 수도 있다.
내화성 물질에 의한 연마 입자들의 피복의 상대적으로 높은 비용으로 인해, 본 발명의 연마 입자들을 비교적 값싼 연마 광물들과 혼합하는 것이 바람직할 수도 있다. 연마 입자들의 상기와 같은 혼합은 공지되어 있다. 바람직한 한가지 혼합 방법이 미합중국 특허 제4,734,104호에 개시되어 있는데, 선택적인 광물 대체 방법으로 알려져 있으며, 이 방법에서 조악한 연마 광물은 피복연마제와 같은 연마제품에 이용되는 값싼 연마 입자 충전물로부터 제거되며 본 발명의 조악한 연마광물로 대체된다. 상기 특허에서는 임의의 피복연마제에서 조악한 연마 입자들의 가공편의 연마의 실질적으로 주된 부분을 담당하는 것이 확인된다. 상기와 같은 대체에 의해, 본 발명의 개선된 연마 입자들은 연마제품에서 종래의 연마 광물의 작은 연마 입자들 사이에 삽입되어 개선된 조악한 연마 입자들이 상기 제품의 연마의 대부분을 담당할 수 있게 한다.
본 발명의 피복된 연마 입자들은 편리하게 취급되며, 예를들어, 피복연마제품, 결합연마제품, 그리고 고품위 비직조 연마제품 등을 제조하도록 공지된 기법에 따라 여러가지 연마제품내에 포함된다. 상기 연마제품들을 만드는 방법들은 당업자들에게 공지되어 있다. 피복연마제품은 예를들어, 충전된 결합제 물질로 포화될 수 있는 직물(예를들어, 종이와 같은 비직조 또는 직조 직물), 배향된 열-고정 폴리 프로필렌으로 형성된 것과 같은 중합제필름 또는, 필요한 경우 주입물질로 초벌 주입될 수 있는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등으로 형성된 보강재 또는 기타 임의의 종래의 보강 물질을 포함할 수 있다. 피복된 연마제는 또한, 대개는 메이크(make) 또는 메이커(maker)피복, 사이즈(size)또는 사이징(sizing)피복 및 슈퍼사이즈(supersize)피복을 포함하는 층들에 결합제 물질을 구비한다. 종래의 결합제 물질은 페놀수지를 포함한다.
또한, 연삭 보조물이 사이즈 피복에 또는 입자형 물질로서 부가될 수 있다. 바람직한 연삭 보조물로는 KBF4를 들 수 있으며, 물론 기타의 연삭 보조물이 사용될 수도 있다. 기타의 유용한 연삭 보조물로는 NaCl, 황, K2RiF6, 폴리비닐염화물, 폴리비닐라이덴 염화물, 크리올라이트(cryolite; 빙정석) 및 이들의 조합 또는 혼합물 등을 들 수 있다. 연삭 보조물의 바람직한 양은 피복된 연마제품의 평방미터당 50 내지 300그램이며, 바람직하게는 80 내지 160그램이다.
비 직조 연마제품은 대개 개방된 기공성 고품위 중합체 필라멘트 구조를 구비하는데, 전구조체를 통하여 내화성 피복 산화알미늄 연마입자들이 분산되어 있으며 접착성 물질에 의해 거기에 접착 결합되어 있다. 상기 비 직조 연마 제품을 제조하는 방법은 공지되어 있다. 결합된 연마제품은 대개 유기 또는 세라믹 결합제 물질에 의해 서로 결합된 연마 입자들의 일정형상을 갖춘 집합체로 구성된다. 상기 형상화된 집합체는 연삭 바퀴의 형태를 가지는 것이 바람직하다. 세라믹 또는 유리화한 결합제는, 본 발명의 연마입자들에 역효과를 미치지 않는 조건하에서 그리고 여러온도에서 경화가능한 경우에 한해 사용될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 몇가지 실시예에 대해 설명하며, 모든 부품들 및 백분율은 특별한 언급이 없는 한 중량비율이다.
[일반적인 음극 아크 용착 방법]
음극 아크 용착을 위해, 산화알미늄-기저 연마입자들은 무게를 단후에 진공장치내의 홀더(holder)내에 배치된다. 홀더는 퍼킨 엘머(Perkin Elmer)주식회사의 메트코 캣(Metco Cat)아크 부에서 제조하는 모델 1000 붕소질화물 제한형 음극 아크 장치를 사용하여 최대 피복용제를 수납하도록 배치된다. 이 장치는 미합중국 특허 제3,836,451에 개시된 것과 유사하다. 이 장치는 또한, 미국 전기, 전자 통신학회(IEEE)의 학보 제60권 제8호 977-991면에 길모어(Gilmore)등에 의해 개시된 것과 같은 자기 솔레노이드를 구비한다. 홀더는 음극으로 부터 약 7.6cm 거리를 두고 배치된다. 사용되는 지르코늄 및 티타늄 음극은 상업용으로 유용하며, 텍사스 휴스턴의 피닉스 금속 주식회사에서 제조하는데, 7.62cm의 직경과 2.5cm의 두께를 가진다.
음극은, 장치의 진공실내에 설치되는 수냉식 음극홀더에 장착된다. 진공실이 5x10-6torr의 압력에 이를때까지 비워진후에, 고 진공 확산 펌프는 드로틀(throttle)되고, 아르곤 및 반응개스, 또는 단독의 반응개스는 실내의 압력을 10-20millitorr로 유지시키기에 충분한 유동율로 상기 진공실로 유입된다. 대개 개스 유동율은 일정한 압력을 유지하기 위하여 전 유동과정 동안 조정된다. 아크는 음극 표면에서 점화되며, 상전류(constant current) 전력 공급기에 의하여 조절되어 400 그램 연마 결정 충전 작동에 대하여 150암페어로, 그리고 2000 그램 충전 작동에 대하여 180 암페어로 유지된다. 약 50 가우스의 자기장을 제공하는 솔레노이드는 티타늄 또는 지르코늄 플라즈마를 연마결정에 소통시키는 기능을 하며, 그동안 연마결정은 피복 과정 동안 연마 결정을 와동시키는 배플이 구비된 실린더내에서 교란된다. 대개의 피복 실행시간은 약 5시간이다.
[시험방법]
개선된 성능에 대하여 피복 연마결정을 시험하기 위하여, 결정은 먼저 보강재상에서 종래식으로 피복되고, 그 다음에 7.6cmx335cm 연삭 벨트로 변환된다. 연삭시험은 일정한 부하표면 연삭기 중에서 실행된다. 홀더에 장착된 약 2.5x5x18cm의 예비계량된(preweighed)연장 가공편은 연직으로 배치되며, 그것의 2.5x18cm 표면은 약 36cm 직경의 85 쇼어 에이듀로미터(Shore A durometer; 경도의 단위)톱니형 고무 접촉 바퀴와 직면하며, 상기 바퀴의 일 랜드부에 피복연마벨트가 걸리게 된다. 그다음에 가공편은 분당 20사이클의 속도로 18cm의 통로를 따라 연직으로 왕복 운동하며, 그동안 스프링 적재 플런저(plunger; 공이) 11.36kg의 하중하에 벨트에 대하여 가공편을 압박하는데 이때 벨트의 구송속도는 분당 약 2050미터이다.
시험은 예비 계량된 가공편을 1분동안 연삭한 후에, 금속제거된 가공편의 무게를 재계량하고, 그다음에 가공편을 냉각시킴에 의해 실행된다. 가공편 세트가 완료될때까지 연속 가공편들이 동일한 방식으로 처리되고, 요망되는 종말점이 얻어질때까지 사이클은 반복된다. 제거된 스톡(stock)의 양에 매 1분의 연삭기간 동안 각각의 가공편으로 부터 제거되는 금속의 양을 부가함에 의해 제거되는 금속의 전체무게가 얻어진다.
[실시예 1]
다음과 같은 조건하에서, 오스트리아 트레이바흐의 트레이바케르 케미쉐베르케 아클룽게젤샤프트(Treibacker Chemishe Werke Aklungesellschaft)에서 제조하는 150 등급(평균 입자크기 약 95마이크로미터)의 열처리 용융 산화알미늄(HTA)의 샘플이 음극아크용착을 통하여 티타늄 탄화물로써 피복되었다:
연마 결정 충전 무게 : 400그램.
실(chamber)압력 및 주위공기 : 15millitorr의 메탄
음극전류 : 150암페어
입자는, 계산되는 바와같이, 약 10 나노미터의 피복층두께를 형성하기에 충분하도록 5시간동안 피복용제에 노출되었다. 평균 피복 두께는, 다음의 방정식을 사용하여, 피복물의 중량 백분율(표준 화학 분석법에 의해 판별됨), 연마결정의 평균표면적, 그리고 피복물질의 밀도(예를들어, 티타늄 질화물의 밀도는 5.22g/cc)등으로 부터 계산된다:
여기서, t=피복층의 두께
W=피복층의 중량백분율
D=밀도(g/cc)
S=표면적(m2/g)
피복연마결정은 종래의 기법을 이용하여 피복연마제품으로 제조된다. 피복연마제품은 피복연마벨트로 변환된다. 비피복 HTA는 마찬가지로 연마벨트로 변환되는 제어 피복 연마제를 제조하는데 사용된다.
각각의 경우에 보강물질은 Y하중 새틴 폴리에스터(sateen polyester)였으며 벨트 칫수는 7.6cmx335.3cm 였다. 보강물질은, 경화시에 45.2%의 CaCO3와 54.8%의 수지가 함유되는 재래식 CaCO3충전 페놀포름알데히드 레졸 수지 메이크 피복으로써 피복되었다. 그다음에 연마 광물은 정전식 용착에 의해 도포되었다. 메이크 피복은 80℃에서 2시간동안 예비경화 되었으면 그 다음에 사이즈 피복이 가해졌다. 사이즈 피복물은, 경화시에 59.6%의 CaCO3와 40.4%의 수지가 함유되는 재래의 CaCO3충전 페놀 레졸 수지였다. 사이즈 피복을 가한후에 피복된 연마제는 100℃에서 12시간 동안 경화되었다.
벨트는 11.36kg의 압력에서 전체적으로 20분동안 4150연강의 4가공편을 연삭함에 의해 상기한 바와같이 표면 연삭기에 대해 시험되었다. 동일한 방법으로 제어가 준비되고 시험되었으며, 결과는 다음과 같다:
제어 벨트에 의해 제거된 금속의 전체량 : 352.3그램.
실시예 1의 벨트에 의해 제거된 금속의 전체량 : 382.96그램.
증가량의 백분율 : 8.7%.
[실시예 2]
실시예 1에 설명된 열처리 용융 산화알미늄(HTA)의 샘플이 다음과 같은 조건하에, 음극 아크 용착을 통하여 티타늄 질화물로써 피복되었다:
연마 결정 충전 무게 : 400그램.
실 압력 및 주위공기 : 15millitorr의 감소
음극 전류 : 150암페어
연마결정은 약 10 나노미터의 피복 두께를 형성하기에 충분하도록, 5시간동안 피복용제에 노출되었다. 최종 피복 연마 결정은 벨트로 변환되는 피복 연마제를 제조하는데 사용되었으며, 실시예 1에서와 같이 시험되었으며, 그 결과는 다음과 같다:
제어벨트에 의해 제거된 금속의 전체량 : 352.3그램.
실시예 2의 벨트에 의해 제거된 금속의 전체량 : 390.6그램.
[실시예 3]
미합중국 특허 제4,964,883호의 실시예 18에 따라 제조되는(0.5%의 산화마그네슘을 포함하지 않는 점을 제외하고) 등급 150의 세라믹 졸 겔산화알미늄-기저 연마결정의 샘플이 다음과 같은 조건하에 음극 아크 용착을 통하여 티타늄 질화물로써 피복된다:
연마 결정 충전 무게 : 400그램.
실 압력 및 기체 : 15millitorr의 질소
음극 전류 : 150암페어
연마제는 약 10 나노미터의 두께의 계산된 피복층을 형성하기에 충분하도록, 5시간동안 피복용제에 노출되었다. 최종 피복 연마 결정은 벨트로 변환되는 피복된 연마제품을 만드는데 사용되었다. 실시예 1에서와 같이 시험되었으며, 그 결과는 다음과 같다:
제어벨트에 의해 제거되는 금속의 전체량 : 248.3그램.
실시예 3의 벨트에 의해 제거되는 금속의 전체량 : 268.26그램.
증가량의 백분율 : 8.2%
[실시예 4]
알파산화알미늄, 산화마그네슘이 가감된, 롤산화물-결정핵의, 3M사의 상표 큐비트론(Cubitron)으로써 제조되는 세라믹 연마 결정(등급 150)은, 다음과 같은 조건하에, 음극 아크 용착을 통하여 지르코늄 탄화물로써 피복되었다:
연마 결정 충전 무게 : 200그램.
실 압력 및 주위공기 : 15millitorr의 메탄.
음극 전류 : 180암페어.
상기 연마 결정은, 약 10나노미터 두께의 피복층을 형성하기에 충분하도록 5시간 동안 피복용제에 노출되었다.
최종 피복 연마결정은 종래의 기법을 사용하여 피복연마제를 만드는데 사용되었으며, 피복 연마제는 연마 벨트로 변환되었다. 비 피복 큐비트론 결정은 제어 벨트로 변환되는 피복 연마제를 제조하는데 사용되었다.
피복 연마 보강물질은 독일의 구스타프 에른스트마이어 게엠베하 앤드 컴퍼니 카게(Gustav Ernstmeier Gmbh and Co. KG)에서 제조하는 화학처리된 면 J하중 능직 직물(drill cloth)이었으며, 벨트 칫수는 7.6cmx335.3cm 이었다.
상기 직물은, 경화시 42%의 CaCO3와 58%의 수지로된 고형물이 되는, 재래식 CaCO3충전 페놀레졸수지로써 피복된다. 그 다음에 연마광물은 정전기식 용착에 의하여 0.0151g/cm2의 밀도로 도포된다.
메이크 피복은 다음과 같은 가열 일정에 따라 예비 경화된다.
4분 71℃
20분 96℃
74분 104℃
사이즈 피복은, 경화시 80%의 CaCO3와 20%의 수지를 함유한 고형물을 구비하는 재래식 CaCO3충전 페놀 레졸 수지였다 : 피복후에, 벨트는 다음과 같은 가열 일정에 따라 경화되었다:
20분 57℃
40분 71℃
20분 81℃
80분 89℃
90분 58℃
그 다음에 최종 경화를 위해 벨트는 드럼내로 압연되며, 99℃에서 12시간 동안 경화된다. 벨트는 4.5kg의 압력에서 20분동안 4150연강의 4가공편을 연삭함에 의해 상기한 표면 연삭기에서 시험되며, 다음과 같은 결과가 얻어진다:
제어벨트에 의해 제거되는 전체금속 : 346.46그램.
실시예 4의 벨트에 의해 제거되는 전체금속 : 427.86그램.
증가량의 백분율 : 23.5%
[실시예 5]
실시예 4에서 설명된 큐비트론 연마 결정(등급 150)이 다음과 같은 조건하에 음극 아크 용착을 통하여 지르코늄 탄화물로써 피복되었다:
연마 결정 충전 무게 : 2000그램.
실 압력 및 기체 : 15millitorr의 메탄
음극 전류 : 180암페어
입자는 약 10나노미터 두께의 피복층을 형성하기에 충분하도록 5시간동안 피복용제에 노출되었다. 피복 연마 결정은 연마벨트로 변환되는 피복 연마제품을 만드는데 사용되었다. 피복연마제품은 실시예 4에서와 같이 시험 되었으며, 그 결과는 다음과 같다:
제어벨트에 의해 제거되는 전체금속 : 304.9그램.
실시예 5의 벨트에 의해 제거되는 전체금속 : 395.1그램.
증가량의 백분율 : 29.6%
본 발명은 특수한 구체예들에 따라 설명되었지만, 다른변형이 가능하다는 것이 이해될 수 있을 것이며, 청구범위는 그러한 변형, 즉, 여기서 설명된 것과 화학적으로 균등한 것이라고 당업자가 인지할 수 있을 정도의 변형까지도 본 발명의 보호범위내에 포함되게 하려는 의도하에 작성되었다.

Claims (5)

  1. 각기 평균 두께 100나노미터 미만의 실질적으로 균일한 내화성 물질 피복층으로 피복된 산화알미늄-기저 중심핵(무 alumina-based core)을 구비하며, 상기 내화성 물질은 금속붕화물, 탄화물 또는 질화물인 것을 특징으로 하는 연마 입자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내화성 물질은 스칸듐, 란타늄, 세륨, 네오듐, 이트륨, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크로뮴, 몰리브덴, 텅스텐 및 그들의 혼합믈로 구성된 군으로부터 선택된 금속 봉화물, 탄화물, 또는 질화물인 것을 특징으로 하는 연마 입자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 피복층 두께는 약 1나노미터 이상인 것을 특징으로 하는 연마 입자.
  4. 연마 입자들을 포함하는 피복 연마 제품, 결합 연마 제품, 또는 비조직 연마 제품 형태의 연마제품에 있어서, 상기 연마 입자들의 적어도 일부는 제1항의 연마 입자인 것을 특징으로 하는 연마제품.
  5. a) 음극을 구성하는 금속의 플라즈마를 형성하도록 금속 음극에 충분한 전류를 가하고; b) 상기 플라즈마의 금속의 봉화물, 탄화물, 또는 질화물이 형성되도록, 상기 플라즈마를 불활성 분위기에 노출시키고; c) 상기 플라즈마를 양극을 통해 하나의 통로로 향하게 하며; d) 산화알미늄-기저 입자들이 피복되도록, 상기 입자들을 상기 통로내에 유지시키고; e) 상기 각각의 입자의 전체 표면이 상기 플라즈마 통로에 실질적으로 노출되도록 상기 각각의 산화알미늄-기저 입자를 회전시키며; f) 실질적으로 균일한 내화성 물질의 피복층이 실질적으로 모든 산화알미늄-기저 입자상에 피복될 때까지 a 내지 e 단계를 계속 실시하며; g) 상기 산화알미늄-기저 입자상에서 피복된 내화성 물질 피복층의 평균 두께가 100 나노미터를 초과하기 전에 a 내지 f 단계를 중단하는 것을 특징으로 하는 연마 입자 제조 방법.
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