KR100895911B1 - 세라믹 물질, 연마 입자, 연마 용품 및 이들의 제조 방법및 사용 방법 - Google Patents

세라믹 물질, 연마 입자, 연마 용품 및 이들의 제조 방법및 사용 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무정질 물질, 유리-세라믹 및 이들의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 몇가지 실시양태는 연마 입자를 포함한다. 연마 입자는 접착된 연마재, 피복된 연마재, 부직 연마재 및 연마 브러쉬 등을 비롯한 각종 연마 용품에 도입될 수 있다.
무정질 물질, 유리-세라믹, 연마 입자, 연마재

Description

세라믹 물질, 연마 입자, 연마 용품 및 이들의 제조 방법 및 사용 방법 {Ceramic Materials, Abrasive Particles, Abrasive Articles, and Methods of Making and Using the Same}
본 발명은 무정질 물질 및 유리-세라믹에 관한 것이다. 또다른 측면에서, 본 발명은 연마 입자 및 상기 연마 입자가 도입된 연마 용품에 관한 것이다.
다수의 무정질 (유리 포함) 및 유리-세라믹 조성물이 알려져 있다. 대다수의 산화물 유리 시스템은 유리 형성을 보조하기 위해 SiO2, B2O3, P2 O5, GeO2, TeO2, As2O3 및 V2O5와 같은 공지된 유리-형성제를 사용한다. 이들 유리-형성제를 사용하여 형성된 몇몇 유리 조성물은 열처리되어 유리-세라믹을 형성할 수 있다. 이러한 유리 형성제로부터 형성된 유리 및 유리-세라믹은 사용 온도가 더 높으며 일반적으로 1200℃ 미만, 전형적으로는 약 700 내지 800℃이다. 유리-세라믹은 그들이 유래된 유리보다 더욱 온도 내성인 경향이 있다.
또한, 공지된 유리 및 유리-세라믹의 많은 성질들은 유리-형성제의 고유한 성질에 의해 제한된다. 예를 들면, SiO2, B2O3 및 P2O5 -기재의 유리 및 유리-세라믹 의 경우, 영 모듈러스 (Young's modulus), 경도 및 강도가 상기 유리-형성제에 의해 제한된다. 이러한 유리 및 유리-세라믹은 예를 들어 Al2O3 나 ZrO2에 비하여 기계적 성질이 일반적으로 열악하다. 임의의 기계적 성질이 Al2O3 또는 ZrO2와 유사한 유리-세라믹이 바람직할 것이다.
희토류 산화물-산화알루미늄을 기재로 하는 유리와 같은 몇가지 비-통상적인 유리 (예를 들면, 2001년 4월 19일자로 공개된 PCT 출원 공개 WO 01/27046 A1 및 2000년 2월 15일자로 공개된 일본 특허 문헌 2000-045129 참고)가 공지되어 있지만, 추가의 신규 유리 및 유리-세라믹이 요구되고, 공지된 유리 및 유리-세라믹과 신규한 유리 및 유리-세라믹을 둘다 사용할 것이 요구된다.
또다른 측면에서, 다양한 연마 입자 (예컨대 다이아몬드 입자, 입방체 질화 붕소 입자, 융합된 연마 입자 및 소결된 세라믹 연마 입자 (졸-겔-유래된 연마 입자 포함)가 당업계에 공지되어 있다. 어떤 연마 물품에서는 연마 입자가 산개(散開)된 (loose) 형태로 사용되고, 다른 물품에서는 입자들이 연마 제품 (예컨대 피복된 연마 제품, 접착된 연마 제품, 부직 연마 제품 및 연마 브러쉬) 내로 도입된다. 특정 연마 물품에 사용되는 연마 입자를 선택할 때의 기준은 연마 수명, 절단 속도, 기재 표면 마무리, 연삭 효율 및 제품 가격 등을 포함한다.
약 1900년부터 1980년대 중반까지, 피복된 연마 제품 및 접착된 연마 제품을 사용하는 것과 같은 연마 물품을 위한 주된 연마 입자는 전형적으로 융합된 연마 입자였다. 융합된 연마 입자에는 일반적으로 두 종류가 있다: (1) 융합된 알파 알 루미나 연마 입자 (예를 들어 미국 특허 제1,161,620호 (Coulter), 동 제1,192,709호 (Tone), 동 제1,247,337호 (Saunders 등), 동 제1,268,533호 (Allen) 및 동 제2,424,645호 (Baumann 등) 참고) 및 (2) 융합된 (때로 "공-융합된"이라고도 불리우는) 알루미나-지르코니아 연마 입자 (예를 들어 미국 특허 제3,891,408호 (Rowse 등), 동 제3,781,172호 (Pett 등), 동 제3,893,826호 (Quinam 등), 동 제4,126,429호 (Watson), 동 제4,457,767호 (Poon 등) 및 동 제5,143,522호 (Gibson 등) 참고) (또한, 특정의 융합된 옥시질화물 연마 입자를 보고하고 있는 미국 특허 제5,023,212호 (Dubots 등) 및 동 제5,336,280호 (Dubots 등) 등 참고). 일반적으로, 융합된 알루미나 연마 입자는 전형적으로 노(爐) (furnace)에 알루미늄 원광 또는 보크사이트와 같은 알루미나 공급원 및 기타 원하는 첨가제를 충전하고, 상기 물질을 융점 초과로 가열하고, 상기 용융물을 냉각시켜 고체화된 덩어리를 수득하고, 상기 고체화된 덩어리를 입자로 분쇄한 다음, 입자를 체질 및 분류하여 원하는 연마 입도 분포를 수득함으로써 제조된다. 융합된 알루미나-지르코니아 연마 입자는 노에 알루미나 공급원 및 지르코니아 공급원을 둘다 넣고, 용융물을 융합된 알루미나 연마 입자의 제조에 사용된 용융물보다 더 신속하게 냉각시킨다는 점을 제외하고는 유사한 방식으로 제조하는 것이 일반적이다. 융합된 알루미나-지르코니아 연마 입자의 경우, 알루미나 공급원의 양은 일반적으로 약 50 내지 80 중량％이고, 지르코니아의 양은 50 내지 20 중량％이다. 융합된 알루미나 및 융합된 알루미나 연마 입자의 제조 방법은 냉각 단계 이전에 용융물로부터 불순물을 제거하는 단계를 포함할 수도 있다.
융합된 알파 알루미나 연마 입자 및 융합된 알루미나-지르코니아 연마 입자가 여전히 연마 물품 (피복된 연마 제품 및 접착된 연마 제품을 이용한 물품 포함)에 널리 사용되고 있지만, 1980년대 중반 경 이후에는 많은 연마 물품의 주된 연마 입자가 졸-겔-유래된 알파 알루미나 입자이다 (미국 특허 제4,314,827호 (Leitheiser 등), 동 제4,518,397호 (Leitheiser 등), 동 제4,623,364호 (Cottringer 등), 동 제4,744,802호 (Schwabel), 동 제4,770,671 (Monroe 등), 동 제4,881,951호 (Wood 등), 동 제4,960,441호 (Pellow 등), 동 제5,139,978호 (Wood), 5,201,916호 (Berg 등), 동 제5,366,523호 (Rowenhorst 등), 동 제5,429,647호 (Larmie), 동 제5,547,479호 (Conwell 등), 동 제5,498,269호 (Larmie), 동 제5,551,963호 (Larmie) 및 동 제5,725,162호 (Garg 등) 참고).
상기 졸-겔-유래된 알파 알루미나 연마 입자는, 첨가된 2차 상의 존재 또는 부재 하에 매우 미세한 알파 알루미나 미세결정으로 이루어진 미세구조를 가질 수 있다. 예를 들어 연마 입자로 제조된 연마 제품의 수명에 의해 측정되는, 졸-겔 유래된 연마 입자의 금속에 대한 연삭 성능은 통상의 융합된 알루미나 연마 입자로부터 제조된 상기 제품에 비하여 훨씬 더 길다.
전형적으로, 졸-겔-유래된 연마 입자의 제조 방법은 통상의 융합된 연마 입자의 제조 방법에 비하여 더 복잡하고 비용이 많이 든다. 일반적으로, 졸-겔-유래된 연마 입자는 물, 알루미나 1수화물 (뵘석 (boehmite)) 및 경우에 따라 해교제 (예컨대 질산 등의 산)을 포함하는 분산액 또는 졸을 제조하고, 상기 분산액을 겔화시키고, 상기 겔화된 분산액을 건조시키고, 상기 건조된 분산액을 입자로 분쇄하 고, 상기 입자를 체질하여 원하는 크기의 입자를 수득하고, 상기 입자를 소성하여 휘발물질을 제거하고, 상기 소성된 입자를 알루미나의 융점 미만의 온도에서 소결시키고, 상기 입자를 체질 및 분류하여 원하는 연마 입도 분포를 수득함으로써 제조되는 것이 전형적이다. 빈번히, 금속 산화물 개질제(들)가 상기 소결된 연마 입자 내로 도입되어 소결된 연마 입자의 물성 및(또는) 미세구조를 변경시키거나 달리 변형시킨다.
당업계에는 다양한 연마 제품 ("연마 용품"이라고도 지칭함)들이 공지되어 있다. 전형적으로, 연마 제품은 결합제 및 그에 의해 상기 연마 제품 내에 고정된 연마 입자를 포함한다. 연마 제품의 예로는 피복된 연마 제품, 접착된 연마 제품, 부직 연마 제품 및 연마 브러쉬를 들 수 있다.
접착된 연마 제품의 예로서는 연삭 휠, 절단 휠 및 숫돌 (honing stone)을 들 수 있다. 접착된 연마 제품 제조에 사용되는 접착 시스템의 주된 유형은 레지노이드, 유리화물 및 금속이다. 레지노이드 접착된 연마재는 유기 결합제 시스템 (예컨대 페놀계 결합제 시스템)을 사용하여 상기 연마 입자를 한데 접착하여 형상을 갖는 덩어리를 형성한다 (예를 들어 미국 특허 4,741,743호 (Narayanan 등), 동 제4,800,685호 (Haynes 등), 동 제5,037,453호 (Narayanan 등) 및 동 제5,110,332호 (Narayanan 등) 참고). 또다른 주된 유형은 유리 결합제 시스템을 사용하여 연마 입자들을 덩어리로 한데 접착하는 유리화된 휠이다 (예를 들어 미국 특허 제4,543,107호 (Rue), 동 제4,898,587호 (Hay 등), 동 제4,997,461호 (Markhoff-Matheny 등) 및 동 제5,863,308호 (Qi 등) 참고). 이러한 유리 접착은 일반적으로 900℃ 내지 1300℃ 사이의 온도에서 숙성 (mature)된다. 오늘날의 유리화된 휠은 융합된 알루미나 및 졸-겔-유래된 연마 입자를 둘다 사용한다. 그러나, 융합된 알루미나-지르코니아는 부분적으로는 알루미나-지르코니아의 열 안정성으로 인하여 유리화된 휠 내에 도입되지 않는 것이 일반적이다. 유리 결합이 숙성되는 상승된 온도에서는, 알루미나-지르코니아의 물성이 붕괴되어 그 연마 성능이 현저히 감소하게 된다. 일반적으로, 금속 접착된 연마 제품에서는 소결되거나 도금된 금속을 이용하여 연마 입자들을 접착한다.
연마재 산업에서는 기존의 연마 입자 및 연마 제품에 비해 제조하기 쉽고, 제조 비용이 저렴하고(하거나) 그들보다 뛰어난 성능 장점(들)을 제공하는 연마 입자 및 연마 제품에 대한 요구가 계속되고 있다.
발명의 요약
한 측면에서, 본 발명은 무정질 물질의 총 중량을 기준으로 Al2O3을 35 중량％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 40, 45, 50, 55, 60, 65 중량％ 이상 또는 심지어는 70 중량％ 이상) 포함하고 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2 O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 포함하며 무정질 물질의 총 중량을 기준으로 As2O3, B2O3, GeO2 , P2O5, SiO2, TeO2 및 V2O5를 총합하여 10 중량％ 이하 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 5, 4, 3, 2, 1 중량％ 미만 또는 심지어는 0 중량％)로 함유하고 서로에 대하여 각각 수직인 그의 x, y 및 z 치수 각각이 5 mm 이상 (몇몇 실시양태에서는 10 mm 이상)인 무정질 물질을 제공한다. 경우에 따라, 무정질 물질을 열처리하여 이의 적어도 일부를 유리-세라믹으로 전환시킨다.
물질의 x, y 및 z 치수는 치수의 크기에 따라 육안으로 측정하거나 현미경으로 측정할 수 있다. 보고된 z 치수는 예를 들어 구의 직경, 피복물의 두께 또는 삼각기둥 형상 중 가장 긴 길이이다.
한 측면에서, 본 발명은 무정질 물질의 총 중량을 기준으로 Al2O3을 35 중량％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 40, 45, 50, 55, 60, 65 중량％ 이상 또는 심지어는 70 중량％ 이상) 포함하고 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2 O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 포함하며 무정질 물질의 총 중량을 기준으로 As2O3, B2O3, GeO2 , P2O5, SiO2, TeO2 및 V2O5를 총합하여 10 중량％ 이하 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 5, 4, 3, 2, 1 중량％ 미만 또는 심지어는 0 중량％)로 함유하지만, Al2O3 이외의 금속 산화물이 CaO 또는 ZrO2인 경우에는 무정질 물질이 결정화될 때 적어도 일부가 별개의 결정질 상을 형성하는, Al2O3, CaO 및 ZrO2 이외의 금속 산화물을 추가로 포함하는 무정질 물질을 제공한다. 몇몇 실시양태에서, 무정질 물질에서 서로에 대하여 각각 수직인 x, y 및 z 치수는 각각 5 mm 이상 (몇몇 실시양태에서는 10 mm 이상)이다. 경우에 따라, 무정질 물질을 열처리하여 그의 적어도 일부를 유리-세라믹으로 전환시킨다.
"별개의 결정질 상"은 X-선 회절이 고체 용액 중에 존재하는 상과는 다른 별 개의 결정질 상으로 구별되어 이러한 X-선 회절에 의해 검출가능한 결정질 상이다. 예를 들면, Y2O3 또는 CeO2 등과 같은 산화물이 결정질 ZrO2가 들어있는 고체 용액 중에 존재하여 상 안정화제로서 기능할 수 있다. 이러한 예에서, Y2O3 또는 CeO2 는 별개의 결정질 상이 아니다.
몇몇 실시양태에서, 무정질 물질은 그의 총 중량을 기준으로 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O 3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 0 내지 70 중량％, 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함하고(하거나) ZrO2 또는 HfO2 중 1종 이상을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 무정질 물질은 또다른 물질 (예를 들어 본 발명에 따른 무정질 물질을 포함하는 입자, 본 발명에 따른 무정질 물질을 포함하는 세라믹 등) 중에 존재할 수 있다. 경우에 따라, 무정질 물질 (유리 포함)을 열처리하여 그의 적어도 일부를 유리-세라믹으로 전환시킨다.
또다른 측면에서, 본 발명은 유리의 총 중량을 기준으로 Al2O3을 35 중량％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 40, 45, 50, 55, 60, 65 중량％ 이상 또는 심지어는 70 중량％ 이상) 포함하고 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2 O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 포함하 며 유리의 총 중량을 기준으로 As2O3, B2O3, GeO2, P2O5, SiO2, TeO2 및 V2O5를 총합하여 10 중량％ 이하 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 5 중량％ 미만 또는 심지어는 0 중량％)로 함유하고 서로에 대하여 각각 수직인 그의 x, y 및 z 치수 각각이 5 mm 이상 (몇몇 실시양태에서는 10 mm 이상)인 유리를 제공한다. 몇몇 실시양태에서, 유리는 또다른 물질 (예를 들어 본 발명에 따른 유리를 포함하는 입자, 본 발명에 따른 유리를 포함하는 세라믹 등) 중에 존재할 수 있다. 경우에 따라, 유리를 열처리하여 그의 적어도 일부를 유리-세라믹으로 전환시킨다.
또다른 측면에서, 본 발명은 유리의 총 중량을 기준으로 Al2O3을 35 중량％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 40, 45, 50, 55, 60, 65 중량％ 이상 또는 심지어는 70 중량％ 이상) 포함하고 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2 O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 포함하며 유리의 총 중량을 기준으로 As2O3, B2O3, GeO2, P2O5, SiO2, TeO2 및 V2O5를 총합하여 10 중량％ 이하 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 5 중량％ 미만 또는 심지어는 0 중량％)로 함유하지만, Al2O3 이외의 금속 산화물이 CaO인 경우에는 유리가 결정화될 때 적어도 일부가 별개의 결정질 상을 형성하는, Al2O3 또는 CaO 이외의 금속 산화물을 추가로 포함하는 유리를 제공한다. 몇몇 실시양태에서, 유리에서 서로에 대하여 각각 수직인 x, y 및 z 치수는 각각 5 mm 이상 (몇몇 실시양태에서는 10 mm 이상)이다. 몇몇 실시양태에서, 유리는 또다른 물질 (예를 들어 본 발명 에 따른 유리를 포함하는 입자, 본 발명에 따른 유리를 포함하는 세라믹 등) 중에 존재할 수 있다. 경우에 따라, 유리를 열처리하여 그의 적어도 일부를 유리-세라믹으로 전환시킨다.
몇몇 실시양태에서, 유리는 그의 총 중량을 기준으로 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3 , MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 0 내지 70 중량％, 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함하고(하거나) ZrO2 또는 HfO2 중 1종 이상을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함한다.
또다른 측면에서, 본 발명은
유리의 총 중량을 기준으로 Al2O3을 35 중량％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 40, 45, 50, 55, 60, 65 중량％ 이상 또는 심지어는 70 중량％ 이상) 포함하고 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO 2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 포함하며 유리의 총 중량을 기준으로 As2O3, B2O3, GeO2, P2O5, SiO2, TeO2 및 V2O5를 10 중량％ 이하 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 5, 4, 3, 2, 1 중량％ 미만 또는 심지어는 0 중량％)로 함유하지만, Al2O3 이외의 금속 산화물이 CaO 또는 ZrO2인 경우에는 유리가 결정화될 때 적어도 일부가 별개의 결정질 상을 형성하는, Al2O3 또는 CaO 이외의 금속 산화물을 추 가로 포함하며, Tg를 갖는 유리 입자를 제공하는 단계,
상기 유리 입자를 그의 Tg 초과로 가열하고 소정의 형상이 형성되도록 유리 입자를 유착시키는 단계 및
상기 형상을 냉각시키는 단계
를 포함하는, 유리의 총 중량을 기준으로 Al2O3을 35 중량％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 40, 45, 50, 55, 60, 65 중량％ 이상 또는 심지어는 70 중량％ 이상) 포함하고 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3 , REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 포함하며 유리의 총 중량을 기준으로 As2O3, B2O3, GeO2, P2O 5, SiO2, P2O5, TeO2 및 V2O5를 총합하여 10 중량％ 이하 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 5, 4, 3, 2, 1 중량％ 미만 또는 심지어는 0 중량％)로 함유하지만, Al2O3 이외의 금속 산화물이 CaO 또는 ZrO2인 경우에는 유리가 결정화될 때 적어도 일부가 별개의 결정질 상을 형성하는, Al2O3 또는 CaO 이외의 금속 산화물을 추가로 포함하는 유리를 포함하는 용품의 제조 방법을 제공한다. 경우에 따라, 상기 유리를 포함하는 용품을 열처리하여 유리의 적어도 일부를 유리-세라믹으로 전환시킨다. 몇몇 실시양태에서, 유리 및 유리-세라믹은 그들 각각의 총 중량을 기준으로 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O 3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 0 내지 70 중량 ％, 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함하고(하거나) ZrO2 또는 HfO2 중 1종 이상을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함한다.
또다른 측면에서, 본 발명은
유리 용융물의 총 중량을 기준으로 Al2O3을 35 중량％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 40, 45, 50, 55, 60, 65 중량％ 이상 또는 심지어는 70 중량％ 이상) 포함하고 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 포함하며 유리 용융물의 총 중량을 기준으로 As2O3, B2O3, GeO2, P2O 5, SiO2, TeO2 및 V2O5를 총합하여 10 중량％ 이하 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 5 중량％ 미만 또는 심지어는 0 중량％)로 함유하는 유리 용융물을 분무화하는 단계 및
분무화된 유리 용융물을 냉각시켜 각 유리 입자의 총 중량을 기준으로 Al2O3을 35 중량％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 40, 45, 50, 55, 60, 65 중량％ 이상 또는 심지어는 70 중량％ 이상) 포함하고 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3 , MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 포함하며 각 유리 입자의 총 중량을 기준으로 As2O3, B2O3, GeO2, P2O5, SiO2, TeO2 및 V2O5를 총합하여 10 중량％ 이하 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 5 중 량％ 미만 또는 심지어는 0 중량％)로 함유하고 서로에 대하여 각각 수직인 유리의 x, y 및 z 치수 각각이 5 mm 이상 (몇몇 실시양태에서는 10 mm 이상)이지만, Al2O3 이외의 금속 산화물이 CaO 또는 ZrO2인 경우에는 유리가 결정화될 때 적어도 일부가 별개의 결정질 상을 형성하는, Al2O3 또는 CaO 이외의 금속 산화물을 추가로 포함하는 유리 입자를 제공하는 단계
를 포함하는, 유리 입자의 제조 방법을 제공한다.
또다른 측면에서, 본 발명은 유리-세라믹의 총 중량을 기준으로 Al2O3을 35 중량％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 40, 45, 50, 55, 60, 65 중량％ 이상 또는 심지어는 70 중량％ 이상) 포함하고 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 포함하며 유리-세라믹의 총 중량을 기준으로 As2O3, B2O3, GeO 2, P2O5, SiO2, TeO2 및 V2O5를 총합하여 10 중량％ 이하 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 5, 4, 3, 2, 1 중량％ 미만 또는 심지어는 0 중량％)로 함유하고 서로에 대하여 각각 수직인 그의 x, y 및 z 치수 각각이 5 mm 이상 (몇몇 실시양태에서는 10 mm 이상)이지만, Al2O3 이외의 금속 산화물이 CaO인 경우에는 CaO 이외의 금속 산화물의 결정을 추가로 포함하는 유리-세라믹을 제공한다. 몇몇 실시양태에서, 유리-세라믹은 또다른 물질 (예를 들어 본 발명에 따른 유리-세라믹을 포함하는 입자, 본 발명에 따른 유 리-세라믹을 포함하는 세라믹 등) 중에 존재할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 유리-세라믹은 그의 총 중량을 기준으로 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2 O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함하고(하거나) ZrO2 또는 HfO2 중 1종 이상을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함한다.
또다른 측면에서, 본 발명은 본 발명에 따른 무정질 물질 (유리 포함)을 열처리하여 그의 적어도 일부를 유리-세라믹으로 전환시키는 단계를 포함하는, 유리-세라믹의 제조 방법을 제공한다.
또다른 측면에서, 본 발명은
본 발명에 따른 무정질 물질 (유리 포함)을 열처리하여 그의 적어도 일부를 유리-세라믹으로 전환시키는 단계 및
유리-세라믹을 분쇄하여 유리-세라믹을 포함하는 연마 입자를 제공하는 단계
를 포함하는, 연마 입자의 제조 방법을 제공한다.
연마 입자는 연마 용품 내로 도입되거나 산개된 형태로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 연마 용품은 결합제 및 적어도 일부가 본 발명에 따른 연마 입자인, 복수개의 연마 입자를 포함한다. 연마 제품의 예로는 피복된 연마 용품, 접착된 연마 용품 (예컨대 휠), 부직 연마 용품 및 연마 브러쉬 등이 있다. 피복된 연마 용품은 전형적으로 대향하는 제1 및 제2 주 표면을 갖는 배킹 (backing)을 포함하 며, 여기에서 상기 결합제 및 복수개의 연마 입자는 제1 주 표면의 적어도 일부 위에서 연마 층을 형성한다.
몇몇 실시양태에서 바람직하게는, 연마 용품 중의 연마 입자는 연마 용품 중 그의 총 중량을 기준으로 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 중량％ 이상 또는 심지어는 100 중량％가 본 발명에 따른 연마 입자이다.
일반적으로, 연마 입자를 사용하기 전에 연마 입자를 주어진 입도 분포에 따라 분류한다. 전형적으로, 이러한 분포의 입도는 조립자로부터 미립자까지 범위이다. 연마재 업계에서 상기 범위는 종종 "조대" 분획, "대조" 분획 및 "미세" 분획이라 지칭된다. 산업적으로 수용되는 등급 표준에 따라 분류된 연마 입자는 각 공칭 등급에 대한 수치 범위 내에서 입도 분포를 특정한다. 이러한 산업적으로 수용되는 등급 표준 (즉, 특정 공칭 등급)은 ANSI (American National Standards Institute, Inc.) 표준, FEPA (Federation of European Producers of Abrasive Products) 표준, 및 JIS (Japanese Industrial Standard) 표준으로 알려져 있는 것들을 포함한다. 한 측면에서, 본 발명은 특정 공칭 등급을 갖는 복수개의 연마 입자로서 이 연마 입자의 적어도 일부가 본 발명에 따른 연마 입자인, 복수개의 연마 입자를 제공한다. 몇몇 실시양태에서 바람직하게는, 복수개의 연마 입자는 그의 총 중량을 기준으로 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 중량％ 이상 또는 심지어는 100 중량％가 본 발명에 따른 연마 입자이다.
또다른 측면에서, 본 발명은 본 발명에 따른 무정질 물질 (유리 포함)을 열처리하여 그의 적어도 일부를 유리-세라믹으로 전환시키고 유리-세라믹을 포함하는 연마 입자를 제공하는 단계를 포함하는, 본 발명에 따른 연마 입자의 제조 방법을 제공한다. 전형적으로, 유리-세라믹을 포함하는 연마 입자들을 열처리 후에 분류하여, 특정 공칭 등급을 갖는 복수개의 연마 입자로서 이 연마 입자의 적어도 일부가 유리-세라믹을 포함하는 복수개의 연마 입자인, 복수개의 연마 입자를 제공한다. 경우에 따라, 무정질 물질을 포함하는 입자들을 열처리하기 전에, 특정 공칭 등급을 갖는 복수개의 입자로서 이 입자의 적어도 일부가 열처리될 무정질 물질을 포함하는 복수개의 입자인, 복수개의 입자를 제공하고, 열처리를 수행하여, 특정 공칭 등급을 갖는 복수개의 연마 입자로서 이 연마 입자의 적어도 일부가 유리-세라믹을 포함하는 복수개의 연마 입자인, 복수개의 연마 입자를 제공한다.
또다른 측면에서, 본 발명은 무정질 물질을 포함하는 입자들을 열처리하여 무정질 물질의 적어도 일부를 유리-세라믹으로 전환시키고 유리-세라믹을 포함하는 연마 입자를 제공하는 단계를 포함하는, 본 발명에 따른 연마 입자의 제조 방법을 제공한다. 전형적으로, 유리-세라믹을 포함하는 연마 입자들을 열처리 후에 분류하여 특정 공칭 등급을 갖는 복수개의 연마 입자로서 이 연마 입자의 적어도 일부가 유리-세라믹을 포함하는 복수개의 연마 입자인, 복수개의 연마 입자를 제공한다. 경우에 따라, 무정질 물질을 포함하는 입자들을 열처리하기 전에, 특정 공칭 등급을 갖는 복수개의 입자로서 이 입자의 적어도 일부가 열처리될 무정질 물질을 포함하는 복수개의 입자인, 복수개의 입자를 제공하고, 열처리를 수행하여, 특정 공칭 등급을 갖는 복수개의 연마 입자로서 이 연마 입자의 적어도 일부가 유리-세라믹을 포함하는 복수개의 연마 입자인, 복수개의 연마 입자를 제공한다.
또다른 측면에서, 본 발명은 특정 공칭 등급을 갖는 복수개의 연마 입자로서 이 연마 입자의 적어도 일부가 유리-세라믹을 포함하는 복수개의 연마 입자이고, 이 유리-세라믹은 상기 일부에 속하는 각 입자 중 그의 총 중량을 기준으로 Al2O3을 35 중량％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 40, 45, 50, 55, 60, 65 중량％ 이상 또는 심지어는 70 중량％ 이상) 포함하고 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 포함하며 상기 일부에 속하는 각 입자 중 유리-세라믹의 총 중량을 기준으로 As2O3, B2O3, GeO2, P2O5, SiO2, TeO2 및 V2O5를 총합하여 10 중량％ 이하 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 5, 4, 3, 2, 1 중량％ 미만 또는 심지어는 0 중량％)로 함유하는 복수개의 연마 입자를 제공한다. 몇몇 실시양태에서, 유리-세라믹은 그의 총 중량을 기준으로 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함하고(하거나) ZrO2 또는 HfO2 중 1종 이상을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 유리-세라믹에서 서로에 대하여 각각 수직인 x, y 및 z 치수는 각각 25 ㎛, 30 ㎛, 35 ㎛, 40 ㎛, 45 ㎛, 50 ㎛, 75 ㎛, 100 ㎛, 150 ㎛, 200 ㎛, 250 ㎛, 500 ㎛, 1000 ㎛, 2000 ㎛, 2500 ㎛, 1 mm, 5 mm 이상 또는 심지어는 10 mm 이상이다. 몇몇 실시양태에서, Al2O3 이외의 금속 산화물이 CaO인 경우, 상기 유리-세라믹은 CaO 이외의 금속 산화물의 하나 이상의 별개의 결정질 상을 추가로 포함한다. 몇몇 실시양태에서, Al2O3 이외의 금속 산화물이 ZrO2인 경우, 상기 유리-세라믹은 ZrO2 이외의 금속 산화물의 하나 이상의 별개의 결정질 상을 추가로 포함한다. 몇몇 실시양태에서, Al2O3 이외의 금속 산화물이 CaO 또는 ZrO2 인 경우, 상기 유리-세라믹은 CaO 또는 ZrO2 이외의 금속 산화물의 하나 이상의 별개의 결정질 상을 추가로 포함한다.
또다른 측면에서, 본 발명은
특정 공칭 등급을 갖는 복수개의 입자로서 이 입자의 적어도 일부가 무정질 물질을 포함하는 복수개의 입자인, 복수개의 입자이고, 이 무정질 물질은 상기 일부에 속하는 각 입자 중 그의 총 중량을 기준으로 Al2O3을 35 중량％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 40, 45, 50, 55, 60, 65 중량％ 이상 또는 심지어는 70 중량％ 이상) 포함하고 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3 , REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 포함하며 상기 일부에 속하는 각 입자 중 무정질 물질의 총 중량을 기준으로 As2O3, B2O3 , GeO2, P2O5, SiO2, TeO2 및 V2O5를 총합하여 10 중량％ 이하 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 5 중량％ 미만 또는 심지어는 0 중량％)로 함유하는 복수개의 입자를 제공하는 단계 및
무정질 물질을 포함하는 입자들을 열처리하여 무정질 물질의 적어도 일부를 유리-세라믹으로 전환시키고, 특정 공칭 등급을 갖는 복수개의 연마 입자로서 이 연마 입자의 적어도 일부가 유리-세라믹을 포함하는 복수개의 연마 입자인, 복수개의 연마 입자를 제공하는 단계
를 포함하는, 연마 입자의 제조 방법을 제공한다. 몇몇 실시양태에서, 유리 및 유리-세라믹은 그들 각각의 총 중량을 기준으로 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함하고(하거나) ZrO2 또는 HfO2 중 1종 이상을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함한다.
또다른 측면에서, 본 발명은
무정질 물질을 포함하는 입자들을 열처리하여 유리의 적어도 일부를 유리-세라믹으로 전환시키는 단계로서, 이때의 무정질 물질은 상기 일부에 속하는 각 입자 중 그의 총 중량을 기준으로 Al2O3을 35 중량％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 40, 45, 50, 55, 60, 65 중량％ 이상 또는 심지어는 70 중량％ 이상) 포함하고 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO2 , TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 포함하며 각 입자 중 무정질 물질의 총 중량을 기준으로 As2O3, B2O3, GeO2, P2O 5, SiO2, TeO2 및 V2O5를 총합하여 10 중량％ 이하 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 5 중량％ 미만 또는 심지어는 0 중량％)로 함유하고,
유리-세라믹을 포함하는 연마 입자들을 분류하여, 특정 공칭 등급을 갖는 복수개의 연마 입자로서 이 연마 입자의 적어도 일부가 유리-세라믹을 포함하는 복수개의 연마 입자인, 복수개의 연마 입자를 제공하는 단계
를 포함하는, 연마 입자의 제조 방법을 제공한다. 몇몇 실시양태에서, 유리 및 유리-세라믹은 그들 각각의 총 중량을 기준으로 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함하고(하거나) ZrO2 또는 HfO2 중 1종 이상을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함한다.
또다른 측면에서, 본 발명은
무정질 물질의 총 중량을 기준으로 Al2O3을 35 중량％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 40, 45, 50, 55, 60, 65 중량％ 이상 또는 심지어는 70 중량％ 이상) 포함하고 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 포함하며 무정질 물질의 총 중량을 기준으로 As2O3, B2O3, GeO2, P2O 5, SiO2, TeO2 및 V2O5를 총합하여 10 중량％ 이하 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 5 중량％ 미만 또는 심지어는 0 중량％)로 함유하는 무정질 물질을 열처리하여 그의 적어도 일부를 유리-세라믹으로 전환시키는 단계,
유리-세라믹을 분쇄하여 유리-세라믹을 포함하는 연마 입자를 제공하는 단계 및
유리-세라믹을 포함하는 연마 입자들을 분류하여, 특정 공칭 등급을 갖는 복수개의 연마 입자로서 이 연마 입자의 적어도 일부가 유리-세라믹을 포함하는 복수개의 연마 입자인, 복수개의 연마 입자를 제공하는 단계
를 포함하는, 연마 입자의 제조 방법을 제공한다. 몇몇 실시양태에서, 유리 및 유리-세라믹은 그들 각각의 총 중량을 기준으로 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함하고(하거나) ZrO2 또는 HfO2 중 1종 이상을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함한다.
또다른 측면에서, 본 발명은
무정질 물질의 총 중량을 기준으로 Al2O3을 35 중량％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 40, 45, 50, 55, 60, 65 중량％ 이상 또는 심지어는 70 중량 ％ 이상) 포함하고 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 포함하며 무정질 물질의 총 중량을 기준으로 As2O3, B2O3, GeO2, P2O 5, SiO2, TeO2 및 V2O5를 총합하여 10 중량％ 이하 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 5 중량％ 미만 또는 심지어는 0 중량％)로 함유하는 무정질 물질을 포함하는 세라믹을 열처리하여 무정질 물질의 적어도 일부를 유리-세라믹으로 전환시키는 단계,
유리-세라믹을 분쇄하여 유리-세라믹을 포함하는 연마 입자를 제공하는 단계 및
유리-세라믹을 포함하는 연마 입자들을 분류하여, 특정 공칭 등급을 갖는 복수개의 연마 입자로서 이 연마 입자의 적어도 일부가 유리-세라믹을 포함하는 복수개의 연마 입자인, 복수개의 연마 입자를 제공하는 단계
를 포함하는, 연마 입자의 제조 방법을 제공한다. 몇몇 실시양태에서, 유리 및 유리-세라믹은 그들 각각의 총 중량을 기준으로 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함하고(하거나) ZrO2 또는 HfO2 중 1종 이상을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함한다.
또다른 측면에서, 본 발명은
(a) 유리의 총 중량을 기준으로 Al2O3을 35 중량％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 40, 45, 50, 55, 60, 65 중량％ 이상 또는 심지어는 70 중량％ 이상) 포함하고 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 포함하며 유리의 총 중량을 기준으로 As2O3, B2O3, GeO2, P2O5 , SiO2, TeO2 및 V2O5를 10 중량％ 이하 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 5 중량％ 미만 또는 심지어는 0 중량％)로 함유하며, Tg를 갖는 유리 입자 및 (b) 유리 입자에 대한 내화 입자 (예컨대 금속 산화물 입자, 붕소화물 입자, 탄화물 입자, 질화물 입자, 다이아몬드 입자, 금속 입자, 유리 입자 및 이들의 조합)를 배합하는 단계,
상기 유리 입자를 그의 Tg 초과로 가열하여 유리 입자를 유착시키는 단계 및
유리를 냉각시켜 세라믹을 제공하는 단계
를 포함하는, 세라믹의 제조 방법을 제공한다. 몇몇 실시양태에서, Al2O3 이외의 금속 산화물이 CaO인 경우, 상기 유리 입자 및 세라믹은 CaO 이외의 금속 산화물의 하나 이상의 별개의 결정질 상을 추가로 포함한다. 몇몇 실시양태에서, Al2O3 이외의 금속 산화물이 ZrO2인 경우, 상기 유리 입자 및 세라믹은 ZrO2 이외의 금속 산화물의 하나 이상의 별개의 결정질 상을 추가로 포함한다. 몇몇 실시양태에서, Al2O3 이외의 금속 산화물이 CaO 또는 ZrO2인 경우, 상기 유리 입자 및 세라믹 은 CaO 또는 ZrO2 이외의 금속 산화물의 하나 이상의 별개의 결정질 상을 추가로 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 유리 및 유리-세라믹은 그들 각각의 총 중량을 기준으로 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO2 , TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함하고(하거나) ZrO2 또는 HfO2 중 1종 이상을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함한다.
또다른 측면에서, 본 발명은
(a) 유리의 총 중량을 기준으로 Al2O3을 35 중량％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 40, 45, 50, 55, 60, 65 중량％ 이상 또는 심지어는 70 중량％ 이상) 포함하고 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 포함하며 유리의 총 중량을 기준으로 As2O3, B2O3, GeO2, P2O5 , SiO2, TeO2 및 V2O5를 10 중량％ 이하 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 5 중량％ 미만 또는 심지어는 0 중량％)로 함유하며, Tg를 갖는 유리 입자 및 (b) 유리 입자에 대한 내화 입자 (예컨대 금속 산화물 입자, 붕소화물 입자, 탄화물 입자, 질화물 입자, 다이아몬드 입자, 금속 입자, 유리 입자 및 이들의 조합)를 배합하는 단계,
상기 유리 입자를 그의 Tg 초과로 가열하여 유리 입자를 유착시키는 단계,
유리를 냉각시켜 유리를 포함하는 세라믹을 제공하는 단계 및
세라믹을 열처리하여 유리의 적어도 일부를 유리-세라믹으로 전환시키는 단계
를 포함하는, 유리-세라믹의 제조 방법을 제공한다. 몇몇 실시양태에서, Al2O3 이외의 금속 산화물이 CaO인 경우, 상기 유리는 유리가 결정화될 때 적어도 일부가 별개의 결정질 상을 형성하는, Al2O3 또는 CaO 이외의 금속 산화물을 추가로 포함하고 상기 유리-세라믹은 CaO 이외의 금속 산화물의 하나 이상의 별개의 결정질 상을 추가로 포함한다. 몇몇 실시양태에서, Al2O3 이외의 금속 산화물이 ZrO2 인 경우, 상기 유리는 유리가 결정화될 때 적어도 일부가 별개의 결정질 상을 형성하는, Al2O3 또는 ZrO2 이외의 금속 산화물을 추가로 포함하고 상기 유리-세라믹은 ZrO2 이외의 금속 산화물의 하나 이상의 별개의 결정질 상을 추가로 포함한다. 몇몇 실시양태에서, Al2O3 이외의 금속 산화물이 CaO 또는 ZrO2인 경우, 상기 유리는 유리가 결정화될 때 적어도 일부가 별개의 결정질 상을 형성하는, Al2O3, CaO 또는 ZrO2 이외의 금속 산화물을 추가로 포함하고 상기 유리-세라믹은 CaO 또는 ZrO2 이외의 금속 산화물의 하나 이상의 별개의 결정질 상을 추가로 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 유리, 세라믹 및 유리-세라믹은 그들 각각의 총 중량을 기준으로 Al2O3 이외의 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, REO, ZrO2, TiO2, CaO, Cr2O3, MgO, NiO, CuO 및 이들의 복합 금속 산화물)을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함하고(하거나) ZrO2 또는 HfO2 중 1종 이상을 0 내지 50 중량％, 0 내지 25 중량％ 또는 심지어는 0 내지 10 중량％ 포함한다.
본 명세서에서,
"무정질 물질"은 X-선 회절에 의해 측정할 때 임의의 긴 범위의 결정 구조가 없고(없거나) "시차열분석"이라는 제목으로 본원에 기재된 시험에 의해 측정할 때 DTA (시차열분석)에 의해 측정된 무정질 물질의 결정화에 상응하는 발열 피크를 갖는 용융물 및(또는) 기체 상으로부터 유래된 물질을 의미하고;
"세라믹"은 무정질 물질, 유리, 결정질 세라믹, 유리-세라믹 및 이들의 조합을 포함하며;
"복합 금속 산화물"은 2종 이상의 상이한 금속 원소 및 산소를 포함하는 금속 산화물 (예컨대 CeAl11O18, Dy3Al5O12, MgAl 2O4 및 Y3Al5O12)을 의미하고;
"복합 Al2O3·금속 산화물"은 이론적 산화물을 기준으로, Al2O 3 및 Al 이외의 1종 이상의 금속 원소를 포함하는 복합 금속 산화물 (예컨대 CeAl11O18, Dy3Al 5O12, MgAl2O4 및 Y3Al5O12)을 의미하며;
"복합 Al2O3·Y2O3"는 이론적 산화물을 기준으로 Al2O3 및 Y2O3을 포함하는 복합 금속 산화물 (예컨대 Y3Al5O12)을 의미하고;
"복합 Al2O3·REO"는 이론적 산화물을 기준으로 Al2O3 및 희토류 산화물을 포 함하는 복합 금속 산화물 (예컨대 CeAl11O18, Dy3Al5O12 )을 의미하며;
"유리"는 유리 전이 온도를 나타내는 무정질 물질을 의미하고;
"유리-세라믹"은 무정질 물질을 열처리하여 형성된 결정을 포함하는 세라믹을 의미하며;
"Tg"는 "시차열분석"이라는 제목으로 본원에 기재된 시험에 의해 측정된 유리 전이 온도를 의미하고;
"Tx"는 "시차열분석"이라는 제목으로 본원에 기재된 시험에 의해 측정된 결정화 온도를 의미하며;
"희토류 산화물"은 산화세륨 (예컨대 CeO2), 산화디스프로슘 (예컨대 Dy2O 3), 산화에르븀 (예컨대 Er2O3), 산화유러퓸 (예컨대 Eu2O3), 산화가돌리늄 (예컨대 Gd2O3), 산화홀뮴 (예컨대 Ho2O3), 산화란탄 (예컨대 La2 O3), 산화루테튬 (예컨대 Lu2O3), 산화네오디뮴 (예컨대 Nd2O3), 산화프라세오디뮴 (예컨대 Pr6O11), 산화사마륨 (예컨대 Sm2O3), 산화테르븀 (예컨대 Tb2O3), 산화토륨 (예컨대 Th4O7), 산화툴륨 (예컨대 Tm2O3) 및 산화이테르븀 (예컨대 Yb2O3) 및 이들의 조합을 의미하고;
"REO"는 희토류 산화물(들)을 의미한다.
추가로, 여기에서 예를 들어 유리-세라믹 중에서 금속 산화물 (예컨대 Al2O3, 복합 Al2O3·금속 산화물 등)이 결정질이라고 언급되지 않는다면, 이는 무정 질, 결정질 또는 일부는 무정질이고 일부는 결정질일 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어 유리-세라믹이 Al2O3 및 ZrO2를 포함하는 경우, Al2O 3 및 ZrO2 각각은 무정질 상태, 결정질 상태 또는 일부는 무정질 상태이고 일부는 결정질 상태 또는 심지어는 다른 금속 산화물(들)과의 반응 생성물일 수 있다 (예컨대 Al2O3가 결정질 Al2O3 또는 Al2O3의 특정 결정질 상 (예컨대 알파 Al2 O3)으로 존재한다고 언급되지 않는다면, 이는 결정질 Al2O3 및(또는) 1종 이상의 결정질 복합 Al2O3 ·금속 산화물의 일부로서 존재할 수 있음).
추가로, Tg를 나타내지 않는 무정질 물질을 가열하여 형성된 유리-세라믹은 실제로는 유리를 포함하지 않지만, Tg를 나타내지 않는 결정 및 무정질 물질은 포함할 수 있다는 점이 이해된다.
본 발명에 따른 무정질 물질 및 유리-세라믹은 입자 (예를 들어 유리 비드 (예컨대 직경이 1 ㎛, 5 ㎛, 10 ㎛, 25 ㎛, 50 ㎛, 100 ㎛, 150 ㎛, 250 ㎛, 500 ㎛, 750 ㎛, 1 mm, 5 mm 이상 또는 심지어는 10 mm 이상인 비드), 용품 (예컨대 판), 섬유, 입자 및 피복물 (예컨대 얇은 피복물)로 제조 또는 형성되거나 그것으로 전환될 수 있다. 무정질 물질 및(또는) 유리-세라믹 입자 및 섬유는 예를 들어 절연재, 충진재, 또는 복합재 (예컨대 세라믹, 금속 또는 중합체 매트릭스 복합재) 중의 보강재로서 유용하다. 얇은 피복물은 예를 들어 열 관리용 뿐만 아니라 마모를 수반하는 물품에서의 보호 피복물로서 유용할 수 있다. 본 발명에 따른 용품의 예로는 주방용기 (예컨대 쟁반), 치과용 브래킷 및 보강 섬유, 절단 도구 삽입물, 연마재, 및 가스 엔진 (예컨대 밸브 및 베어링)의 구조적 성분 등이 있다. 다른 용품들로는 몸체 또는 기타 기재의 외부 표면에 세라믹의 보호 피복물을 보유하는 용품 등이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연마 입자를 포함하는 피복된 연마 용품의 단편의 개략적 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연마 입자를 포함하는 접착된 연마 용품의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연마 입자를 포함하는 부직 연마 용품의 개략적인 확대도이다.
도 4는 실시예 1에서 제조한 물질의 DTA이다.
도 5는 실시예 22에서 제조한 물질을 파쇄 (fracture)한 표면의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진이다.
도 6은 실시예 24에서 제조한 물질을 파쇄한 표면의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진이다.
도 7은 실시예 30에서 제조한 물질을 파쇄한 표면의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진이다.
도 8은 실시예 30에서 제조한 물질을 파쇄한 표면의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진이다.
도 9는 실시예 31에서 제조한 물질을 파쇄한 표면의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진이다.
도 10은 실시예 32에서 제조한 물질의 후방-산란된 전자 현미경 사진이다.
도 11은 실시예 35 물질의 DTA 곡선이다.
도 12 내지 도 15는 실시예 36 내지 실시예 39 물질 각각의 DTA 곡선이다.
도 16은 실시예 47에서 고온 압축한 (hot-press) 물질을 잘라낸 막대 (2 mm 두께)의 광학 현미경 사진이다.
도 17은 열처리된 실시예 47 물질을 마멸시킨 단면의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진이다.
도 18은 실시예 47 물질의 DTA 기록 (trace)이다.
도 19는 실시예 65 물질을 마멸시킨 단면의 SEM 현미경 사진이다.
유리-세라믹, 연마 입자 등을 제조하기 위한 유리-세라믹, 무정질 물질 (유리 포함)을 포함하는 본 발명에 따른 무정질 물질 (유리 포함), 유리-세라믹, 연마 입자의 몇몇 실시양태는 Al2O3 및 1종 이상의 기타 금속 산화물 (예를 들어 REO, 및 REO와 ZrO2 또는 HfO2 중 1종 이상)을 포함하는 무정질 물질 (유리 포함), 유리-세라믹, 연마 입자를 포함하고 여기에서 상기 무정질 물질, 유리-세라믹 등 (적절한 경우)은 그의 총 중량을 기준으로 Al2O3 및 1종 이상의 기타 금속 산화물을 총합하여 80 중량％ 이상 (85, 90, 95, 97, 98, 99 중량％ 이상 또는 심지어는 100 중량 ％) 포함한다.
무정질 물질 (유리 포함), 상기 무정질 물질을 포함하는 세라믹, 상기 무정질 물질을 포함하는 입자 등은 적절한 금속 산화물 공급원을 예를 들어 가열 (화염 중 가열을 포함)하여 용융물, 바람직하게는 균질 용융물을 형성시킨 후에 상기 용융물을 신속하게 냉각시켜 무정질 물질을 수득함으로써 제조할 수 있다. 몇가지 실시양태에서, 무정질 물질은 예를 들어 금속 산화물 공급원을 임의의 적합한 노 (예컨대 유도 가열된 노, 기체-점화된 노 또는 전기 노) 또는 예를 들어 플라즈마에서 용융시켜 제조된다. 생성되는 용융물은 냉각 (예컨대 상기 용융물을 냉각 매질 (예컨대 고속 공기 분사, 액체, 금속판 (냉각시킨 금속 판 포함), 금속 롤 (냉각시킨 금속 롤 포함), 금속 볼 (냉각시킨 금속 볼 포함)) 등으로 배출시킴)시킨다.
몇가지 실시양태에서, 무정질 물질은 미국 특허 제6,254,981호 (Castle) 등에 개시된 바와 같은 화염 융합을 이용하여 제조될 수 있다. 상기 방법에서는, 금속 산화물 물질을 버너 (예컨대 메탄-공기 버너, 아세틸렌-산소 버너, 수소-산소 버너 등) 내로 직접 공급 (예컨대 때로는 "공급 입자"라고도 지칭되는 입자의 형태로 공급함)한 후에 예를 들어 물, 냉각 오일, 공기 등에서 급냉시킨다. 공급 입자는 예를 들어 상기 금속 산화물 공급원을 연삭, 응고 (예컨대 분무-건조), 용융 또는 소결시킴으로써 형성될 수 있다. 일반적으로, 화염 내로 공급되는 공급 입자의 크기가 입자를 포함하며 생성될 무정질 물질의 크기를 결정한다.
몇가지 실시양태에서, 무정질 물질은 자유 낙하 냉각을 이용하는 레이저 방사 용융, 테일러 (Taylor) 와이어 기술, 플라즈마트론 기술, 해머 및 모루 기술, 원심분리 급냉, 공기 총 판자 냉각, 단일 롤러 및 2중 롤러 급냉, 롤러-판 급냉 및 펜던트 강하 용융 추출 (예를 들면, 문헌 [Rapid Solidification of Ceramics, Brockway et al., Metals and Ceramics Information Center, A Department of Defense Information Analysis Center, Columbus, OH, January, 1984] 참고)과 같은 다른 기술로 수득될 수도 있다. 또한, 몇가지 실시양태에서는 무정질 물질이 적절한 전구체의 열적 (화염 또는 레이저 또는 플라즈마-보조를 포함하는) 열분해, 금속 전구체의 물리적 증기 합성 (PVS) 및 기계화학적 가공과 같은 다른 기술로 수득될 수도 있다.
유용한 무정형 물질 조성물은 공융 조성물 (예컨대 2원 또는 3원 공융 조성물) 또는 유사한 것들을 포함한다. 본 개시내용를 검토한 당업자에게는, 본원에 개시된 조성물 외에도 4원 및 기타 더 높은 차수의 공융 조성물을 비롯한 기타 조성물들이 명백할 수 있다.
전형적으로, 본 발명에 따른 무정질 물질 및 그로부터 제조된 본 발명에 따른 유리-세라믹에서 서로에 대하여 각각 수직인 x, y 및 z 치수는 각각 25 ㎛ 이상이다. 몇몇 실시양태에서, x, y 및 z 치수는 30 ㎛, 35 ㎛, 40 ㎛, 45 ㎛, 50 ㎛, 75 ㎛, 100 ㎛, 150 ㎛, 200 ㎛, 250 ㎛ 500 ㎛, 1000 ㎛, 2000 ㎛, 2500 ㎛, 1 mm, 5 mm 이상 또는 심지어는 10 mm 이상이다.
시판되는 (이론적 산화물을 기준으로) Al2O3의 공급원을 포함하는 Al2O 3의 공급원은 보크사이트 (천연 보크사이트 및 합성하여 생산한 보크사이트를 둘다 포함), 소성된 보크사이트, 수화된 알루미나 (예컨대 뵘석 및 깁사이트), 알루미늄, 바이엘 (Bayer) 가공 알루미나, 알루미늄 원광, 감마 알루미나, 알파 알루미나, 알루미늄 염, 질산 알루미늄 및 이들의 조합을 포함한다. Al2O3의 공급원은 Al2O3을 함유하거나 단지 Al2O3을 제공할 수 있다. 별법으로, Al2O3의 공급원은 Al2O3 뿐 아니라 Al2O3가 아닌 1종 이상의 금속 산화물 (복합 Al2O3·금속 산화물 (예컨대 Dy3Al5O12, Y3Al5O12, CeAl11 O18 등)로 이루어지거나 그를 함유하는 물질을 포함)을 함유하거나 제공할 수 있다.
시판되는 (이론적 산화물을 기준으로) 희토류 산화물의 공급원을 포함하는 희토류 산화물의 공급원은 희토류 산화물 분말, 희토류 금속, 희토류-함유 원광 (예컨대 바스트나사이트 및 모나자이트), 희토류 염, 희토류 질산염 및 히토류 탄산염을 포함한다. 희토류 산화물(들)의 공급원은 희토류 산화물(들)을 함유하거나 단지 희토류 산화물(들)을 제공할 수 있다. 별법으로, 희토류 산화물(들)의 공급원은 희토류 산화물(들) 뿐 아니라 희토류 산화물(들)이 아닌 1종 이상의 금속 산화물 (복합 희토류 산화물·기타 금속 산화물 (예컨대 Dy3Al5O12, CeAl11 O18 등)로 이루어지거나 그를 함유하는 물질을 포함)을 함유하거나 제공할 수 있다.
시판되는 (이론적 산화물을 기준으로) Y2O3의 공급원을 포함하는 Y2O3 의 공급원은 산화이트륨 분말, 이트륨, 이트륨-함유 원광 및 이트륨 염 (예컨대 이트륨의 탄산염, 질산염, 염화물, 수산화물 및 이들의 조합)을 포함한다. Y2O3의 공급원은 Y2O3을 함유하거나 단지 Y2O3을 제공한다. 별법으로, Y2 O3의 공급원은 Y2O3 뿐만 아니라 Y2O3가 아닌 1종 이상의 금속 산화물 (복합 Y2O3·금속 산화물 (예컨대 Y3Al5O12)로 이루어지거나 그를 함유하는 물질을 포함)을 함유하거나 제공할 수 있다.
시판되는 (이론적 산화물을 기준으로) ZrO2의 공급원을 포함하는 ZrO2의 공급원은 산화지르코늄 분말, 지르콘 모래, 지르코늄, 지르코늄-함유 원광, 및 지르코늄 염 (예컨대 지르코늄의 탄산염, 아세트산염, 질산염, 염화물, 수산화물 및 이들의 조합)을 포함한다. 추가로 또는 별법으로, ZrO2의 공급원은 ZrO2 뿐만 아니라 하프니아와 같은 다른 금속 산화물을 함유하거나 제공할 수 있다. 시판되는 (이론적 산화물을 기준으로) HfO2의 공급원을 포함하는 HfO2의 공급원은 산화하프늄 분말, 하프늄, 하프늄-함유 원광 및 하프늄 염을 포함한다. 추가로 또는 별법으로, HfO2의 공급원은 HfO2 뿐만 아니라 ZrO2과 같은 다른 금속 산화물을 함유하거나 제공할 수 있다.
기타 유용한 금속 산화물은 (이론적 산화물을 기준으로) BaO, CaO, Cr2O3, CoO, Fe2O3, GeO2, Li2O, MgO, MnO, NiO, Na2O, Sc2O3, SrO, TiO2, ZnO 및 이들의 조합을 포함할 수도 있다. 시판되는 공급원을 포함하는 공급원은 산화물 자체, 복합 산화물, 원광, 탄산염, 아세트산염, 질산염, 염화물, 수산화물 등을 포함한다. 이들 금속 산화물은 생성되는 연마 입자의 물성을 개질시키고(시키거나) 가공성을 개선시키기 위해 첨가된다. 전형적으로, 이들 금속 산화물은 모든 경우에서, 예를 들어 원하는 성질에 따라 유리-세라믹의 0 내지 50 중량％, 몇몇 실시양태에서 바람직하게는 0 내지 25 중량％, 더욱 바람직하게는 0 내지 50 중량％로 첨가된다.
몇몇 실시양태에서는, 금속 산화물 공급원의 적어도 일부 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 중량％ 이상 또는 심지어는 50 중량％ 이상)가, 산화물 형성시의 엔탈피가 음의 값을 갖는 1종 이상의 금속 (예컨대 Al, Ca, Cu, Cr, Fe, Li, Mg, Ni, Ag, Ti, Zr 및 이들의 조합) M 또는 그의 알로이를 포함하는 미립자, 금속 물질을 첨가하거나 다른 원료와 금속을 혼합함으로써 수득되는 것이 유리할 수 있다. 이론에 구애되기를 원치 않지만, 금속의 산화와 관련된 발열 반응으로부터 발생된 열이 균질 용융물 및 수득되는 무정질 물질의 형성에 유익하다고 여겨진다. 예를 들면, 원료 내에서의 산화 반응에 의해 발생된 추가의 열이 불필요한 열 전달을 제거하거나 최소화하기 때문에, 특히 x, y 및 z 치수가 150 ㎛ 초과인 무정질 입자를 형성할 때의 용융물 형성 및 균질성을 돕는 것으로 여겨진다. 또한, 각종 화학 반응 및 물리적 공정 (예컨대 고밀도화, 구형화)의 완결을 촉진하기 위한 추가의 가열 보조제를 사용할 수도 있다고 여겨진다. 추가로, 몇몇 실시양태의 경우에는, 산화 반응에 의해 발생된 추가의 열의 존재가, 물질의 높은 융점으로 인하여 다른 방법으로는 달성되기 어렵거나 실용적이지 못한, 용융물의 형성을 실제로 가능케 한다고 여겨진다. 추가로, 산화 반응에 의해 발생된 추가의 열의 존재가 다른 방법으로는 제조될 수 없거나 원하는 크기 범위로 제조될 수 없는 무정질 물질의 형성을 실제로 가능케 한다. 본 발명의 또다른 장점은, 무정질 물질을 형성할 때, 용융, 고밀도화 및 구형화와 같은 많은 화학적 및 물리적 공정이 단 시간 이내에 달성되어 매우 높은 급냉 속도가 달성될 수 있다는 점을 포함한다. 추가의 세부 사항에 대하여는, 본 출원과 동일자로 출원되어 동시 계류 중인 미국 특허 출원 번호 제10/211639호를 참고한다.
전형적으로, 특정 금속 산화물 공급원 및 본 발명에 따른 세라믹을 제조하기 위한 기타 특정 첨가제는, 예를 들어 수득되는 세라믹에 대한 원하는 조성 및 미세구조, 바람직한 결정도, 수득되는 세라믹의 원하는 물성 (예컨대 경도 또는 인성) (존재하는 경우), 바람직하지 않은 불순물의 존재를 피하거나 최소화함, 수득되는 세라믹의 원하는 특성 및(또는) 세라믹 제조에 이용되는 특정 공정 (융합 및(또는) 고체화 이전 및(또는) 동안의 원료의 정제 여부 및 장치 포함)을 고려하여 선택한다.
몇몇 경우에, Na2O, P2O5, SiO2, TeO2, V2 O3 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 제한된 양의 금속 산화물을 도입하는 것이 바람직할 수 있다. 시판되는 공급원을 포함하는 공급원은 산화물 자체, 복합 산화물, 원광, 탄산염, 아세트산염, 질산염, 염화물, 수산화물 등을 포함한다. 이들 금속 산화물들을 첨가하여, 예를 들어 수득되는 연마 입자의 물성을 개질시키고(시키거나) 가공성을 개선시킬 수 있다. 전형적으로, 상기 금속 산화물들은 사용될 경우, 예를 들어 원하는 성질에 따라 유리-세라믹의 0 내지 20 중량％ 초과, 바람직하게는 0 내지 5 중량％ 초과, 더욱 바람직하게는 0 내지 2 중량％ 초과로 첨가된다.
특정 금속 산화물의 첨가는 본 발명에 따른 유리-세라믹의 성질 및(또는) 결정질 구조 또는 미세 구조를 변경시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 유리-세라믹을 제조하는 원료 및 중간체의 가공 공정도 변경시킬 수 있다. 예를 들어, MgO, CaO, Li2O 및 Na2O와 같은 산화물의 첨가는 무정질 물질의 Tg 및 Tx (Tx는 결정화 온도임) 둘다를 변경시키는 것으로 관찰되었다. 이론에 구애되기를 원치 않지만, 이러한 첨가는 유리 형성에 영향을 미치는 것으로 여겨진다. 추가로, 예를 들어 이러한 산화물의 첨가는 전체 시스템의 용융 온도를 낮추고 (즉, 시스템의 공융물 용융 온도를 더욱 낮춤), 무정질 물질-형성의 용이성을 감소시킬 수 있다. 다성분 시스템 (4원 시스템 등)에서의 복잡한 공융은 무정질 물질-형성력을 더 양호하게 할 수 있다. 액체 용융물의 점도 및 유리의 "작업" 범위에서의 점도 역시 MgO, CaO, Li2O 및 Na2O와 같은 특정 금속 산화물의 첨가에 의해 영향을 받을 수 있다. 또한, 1종 이상의 할로겐 (예컨대 불소 및 염소) 또는 칼코겐 화합물 (chalcogenide) (예컨대 황화물, 셀레늄화물 및 텔루르화물)을 무정질 물질 및 그로부터 제조된 유리-세라믹에 도입하는 것도 본 발명의 범위에 속한다.
무정질 물질 및 무정질 물질을 포함하는 세라믹의 결정화는 특정 물질의 첨가에 의해 영향을 받을 수도 있다. 예를 들어, 특정 금속, 금속 산화물 (예컨대 티탄산염 및 지르콘산염) 및 플루오르화물은 핵형성제로 작용하여 결정의 유익한 불균질 핵형성이 초래될 수 있다. 또한, 몇몇 산화물의 첨가는 재가열 시 무정질 물질로부터 불투명하게 하는 준안정 상의 특성을 변화시킬 수 있다. 또다른 측면 에서, 결정질 ZrO2를 포함하는 세라믹의 경우, ZrO2의 정방정계/입방체 형태를 안정화시키는 것으로 알려진 금속 산화물 (예컨대 Y2O3, TiO2, CaO 및 MgO)을 첨가하는 것이 바람직할 수 있다.
금속 산화물 공급원 및 다른 첨가제들은 본 발명에 따른 유리-세라믹 제조에 이용되는 공정 및 장치에 적합한 임의의 형태일 수 있다. 원료는 산화물 무정질 물질 및 무정질 금속의 제조와 관련하여 당업계에 공지된 기술 및 장치를 이용하여 용융 및 급냉될 수 있다. 바람직한 냉각 속도는 50 K/초 이상을 포함한다. 당업계에 공지된 냉각 기술은 롤-냉각을 포함한다. 롤-냉각은 예를 들어 금속 산화물 공급원을 융점보다 전형적으로 20 내지 200℃ 더 높은 온도에서 용융시키고, 상기 용융물을 고압 하에 고속 회전 롤(들) 상에 분무하여 냉각/급냉시킴 (예컨대 공기, 아르곤, 질소 등과 같은 기체를 이용함)으로써 수행될 수 있다. 전형적으로, 롤은 금속으로 제조되며 물로 냉각된다. 금속 책-형상의 금형 (book mold)도 용융물을 냉각/급냉하는 데 유용할 수 있다.
용융물을 형성하고(하거나) 용융물을 냉각/급냉시키고(시키거나) 달리 무정질 물질을 형성하기 위한 기타 기술로는 증기 상 급냉, 용융-추출, 플라즈마 분무 및 기체 또는 원심분리적 분무화 등이 있다. 증기 상 급냉은 예를 들어 스퍼터링에 의해 수행될 수 있는데, 이때의 금속 알로이 또는 금속 산화물의 공급원은 사용되는 스퍼터링 목표물(들)로 형성된다. 목표물은 스퍼터링 장치 내의 소정 위치에 고정되며, 피복될 기재은 목표물(들)과 대항하는 위치에 놓여진다. 전형적인 10-3 torr 압력의 산소 기체 및 Ar 기체의 배출물이 목표물(들)과 기재(들) 사이에서 발생되고 Ar 또는 산소 이온이 목표물에 충돌하여 반응 스퍼터링를 개시함으로써, 조성물의 필름을 기재 상에 침착시킨다. 플라즈마 분무에 관한 추가의 세부 사항은 예를 들어 본 출원과 동일자로 출원되어 동시 계류 중인 미국 특허 출원 제10/211640호를 참고한다.
기체 분무화는 공급 입자를 용융시켜 이들을 용융물로 전환시키는 것을 수반한다. 이러한 용융물의 희박한 흐름이 분열시키는 공기 분사와의 접촉을 통하여 분무화된다 (즉, 상기 흐름이 미세한 소적 (droplet)들로 분리됨). 실질적으로 불연속적이며 일반적으로 타원형인, 유리 입자 (예컨대 비드)를 포함하는 무정질 물질이 생성되며 이를 회수한다. 비드 크기의 예로서 약 5 ㎛ 내지 약 3 mm 범위의 직경을 갖는 것들을 들 수 있다. 용융-추출은 예를 들어 미국 특허 제5,605,870호 (Strom-Olsen 등)에 개시된 바와 같이 수행될 수 있다. 예를 들어 PCT 출원 공개 WO 01/27046 A1 (2001년 4월 4일 공개)에 개시된 것과 같은 레이저 빔 가열을 이용하는 무-용기 유리 형성 기술이 본 발명의 유리를 제조하는 데 유용할 수도 있다.
냉각 속도는 급냉된 무정질 물질의 성질에 영향을 미치는 것으로 여겨진다. 예를 들면, 유리의 유리 전이 온도, 밀도 및 기타 성질들은 전형적으로 냉각 속도에 따라 달라진다.
전형적으로, 벌크 물질은 무정질 물질의 50, 60, 75, 80, 85, 90, 95, 98, 99 중량％ 이상 또는 심지어는 100 중량％로 포함되는 것이 바람직하다.
냉각되는 동안에 원하는 산화 상태 등을 유지하고(하거나) 그에 영향을 미치 기 위해 환원, 중화 또는 산화 환경과 같은 제어된 분위기 하에 신속한 냉각이 수행될 수도 있다. 분위기는 또한 불충분하게 냉각된 액체로부터의 결정화 동력학에 영향을 줌으로써 부정형 물질 형성에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 결정화 없는 Al2O3 용융물의 불충분 냉각은 공기 중에 비하여 아르곤 분위기에서 더 큰 것으로 보고되었다.
물질의 미세구조 또는 상 조성 (유리질/무정질/결정질)은 다양한 방법에 의해 결정될 수 있다. 예를 들면, 광학 현미경, 전자 현미경, 시차열분석 (DTA) 및 X-선 회절 (XRD)을 이용하여 다양한 정보를 얻을 수 있다.
광학 현미경을 이용할 때, 무정질 물질은 결정 경계와 같은 광 산란 중심이 없기 때문에 주로 투명한 것이 전형적이지만, 결정질 물질은 결정질 구조를 나타내며 광 산란 효과로 인하여 불투명하다.
무정질 수율 백분율은 -100+120 메쉬 크기 분획 (즉, 구멍 크기가 150 ㎛인 체와 125 ㎛인 체로 수거된 분획)을 이용하여 비드에 대하여 계산될 수 있다. 측정은 다음과 같은 방식으로 수행된다. 비드의 단일 층을 유리 슬라이드 상에 편다. 비드를 광학 현미경으로 관찰한다. 광학 현미경 접안렌즈의 가는 십자선을 지침으로 이용하여 직선으로 놓인 비드를 그들의 광학적 투명도에 따라 무정질 또는 결정질로 계수한다. 총 500 개의 비드를 계수하고, 무정질 비드의 양을 계수된 비드의 총 수로 나누어 무정질 수율 백분율을 결정한다.
DTA를 이용하여, 물질의 상응하는 DTA 기록이 발열성 결정화 현상 (Tx)을 가 지면 무정질로 분류한다. 동일한 기록이 Tx 미만의 온도에서 흡열 현상 (Tg)을 가지면, 그것은 유리 상으로 구성된 것으로 간주된다. 물질의 DTA 기록이 이러한 현상을 갖지 않는 경우, 이는 결정질 상을 갖는 것으로 간주된다.
시차열분석 (DTA)은 다음 방법을 이용하여 수행될 수 있다. DTA 작업은 -140+170 메쉬 크기 분획 (즉, 즉, 구멍 크기가 105 ㎛인 체와 90 ㎛인 체로 수거된 분획)을 이용하여 수행될 수 있다 (독일 셀브에 소재하는 넷쯔쉬 인스트루먼츠 (Netzsch Instruments)가 상표명 "넷쯔쉬 (NETZSCH) STA 409 DTA/TGA"로 시판하는 기기를 이용함). 각각의 체질한 샘플의 양 (전형적으로 약 400 밀리그램 (mg))을 100 ㎕ Al2O3 샘플 홀더에 넣는다. 각 샘플을 정체된 공기 중에서 실온 (약 25℃)에서 1100℃까지 10℃/분의 속도로 가열한다.
분말 X-선 회절, XRD를 이용하면 (1.54050 Å의 구리 K α1 방사를 이용하는 X-선 회절측정기 (미국 뉴저지주 마와에 소재하는 필립스 (Philips)가 상표명 "필립스 XRG 3100"으로 시판하는 것을 구입함)를 사용함), 결정화된 물질의 XRD 기록에 존재하는 피크를 국제 회절 데이터 센터 (International Center for Diffraction Data)가 발행한 JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards) 데이터베이스에서 제공되는 결정질 상의 XRD 패턴과 비교함으로써 물질 중에 존재하는 상이 결정될 수 있다. 추가로, XRD는 상의 유형을 결정하기 위해 정성적으로 사용될 수 있다. 넓게 퍼진 강도 피크가 존재하는 것은 물질의 무정질 성질에 대한 지표인 것으로 해석된다. 넓은 피크 및 잘-한정된 피크가 둘다 존재 하는 것은 무정질 매트릭스 중 결정질 물질의 존재에 대한 지표인 것으로 해석된다.
초기에 형성된 무정질 물질 또는 세라믹 (결정화 이전의 유리를 포함)은 원하는 크기보다 클 수 있다. 무정질 물질 또는 세라믹은, 롤 분쇄, 카나리 밀링, 자 (jaw) 분쇄, 해머 밀링, 볼 밀링, 분사 밀링, 충격 분쇄 등을 포함하는 당업계에 공지된 분쇄 및(또는) 밀링 기술을 이용하여 더 작은 조각으로 전환될 수 있다. 어떤 경우에는 2회 이상의 분쇄 단계를 거칠 것이 요구된다. 예를 들면, 세라믹이 형성 (고체화)된 후, 이는 원하는 것보다 큰 형태일 수 있다. 제1 분쇄 단계는 이러한 비교적 큰 덩어리 또는 "청크 (chunk)"를 분쇄하여 더 작은 조각을 형성하는 것을 수반할 수 있다. 상기 청크의 이와 같은 분쇄는 해머 밀, 충격 분쇄기 또는 자 분쇄기로 수행될 수 있다. 이어서, 상기 더 작은 조각들을 연속적으로 분쇄하여 원하는 입도 분포를 달성할 수 있다. 원하는 입도 분포 (때로는 그릿 크기 또는 등급이라고 함)를 달성하기 위해, 다수의 분쇄 단계를 수행하는 것이 필요할 수 있다. 일반적으로, 분쇄 조건은 원하는 입자 형상(들) 및 입도 분포를 획득하도록 최적화된다. 원하는 크기로 수득되는 입자는 그들이 너무 큰 경우에 재분쇄 또는 "재순환"될 수 있고, 그들이 너무 작은 경우에는 재-용융을 위한 원료로 사용될 수 있다.
세라믹 (결정화 이전의 유리 포함) 입자의 형상은 예를 들어 세라믹의 조성 및(또는) 미세구조, 그것이 냉각된 기하학적 외형 및 세라믹이 분쇄된 방식 (즉, 이용된 분쇄 기술)에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로, "블록 (blocky)" 형상이 바람직한 경우, 이 형상을 획득하기 위해 많은 에너지가 사용될 수 있다. 반대로, "날카로운" 형상이 바람직한 경우에는, 이 형상을 획득하기 위해 보다 적은 에너지가 사용될 수 있다. 분쇄 기술을 변화시켜 여러가지 원하는 형상을 획득할 수도 있다. 어떤 연마 입자의 경우에는 평균 종횡비가 전형적으로 1:1 내지 5:1 범위인 것이 바람직하며, 몇몇 실시양태에서는 1.25:1 내지 3:1 또는 심지어는 1.5:1 내지 2.5:1인 것이 바람직하다.
또한, 예를 들어 세라믹 (결정화 이전의 유리 포함)을 원하는 형상으로 직접 형성할 수 있다는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 예를 들면, 용융물을 성형틀에 붓거나 성형틀에서 용융물을 형성하여 세라믹 (결정화 이전의 유리 포함)을 형성 (성형 포함)할 수 있다.
또한, 유착을 통하여 세라믹 (결정화 이전의 유리 포함)을 제작하는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 이러한 유착 단계는 본질적으로 둘 이상의 더 작은 입자로부터 더 커다란 몸체를 형성한다. 예를 들면, 입자 (예를 들어 분쇄하여 수득한 입자) (비드 및 미소구 포함), 섬유 등을 포함하는 무정질 물질의 입도를 더 크게 한다. 예를 들면, 세라믹 (결정화 이전의 유리 포함)은 예를 들어 무정질 물질을 포함하는 입자 및(또는) 섬유 등을 Tg 초과의 온도로 가열하고 소정의 형상이 형성되도록 상기 입자 등을 유착시키고 유착된 형상을 냉각시켜 제공될 수도 있다. 유착에 사용되는 온도 및 압력은 예를 들어 무정질 물질의 조성 및 수득되는 물질의 원하는 밀도에 따라 달라질 수 있다. 상기 온도는 유리의 경우 유리 결정화 온도 보다 낮아야 하며 유리 전이 온도보다는 높아야 한다. 특정 실시양태에서, 가열은 약 850℃ 내지 약 1100℃ (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 900℃ 내지 1000℃)의 범위에 있는 하나 이상의 온도에서 수행된다. 전형적으로, 무정질 물질은 유착되는 동안에 무정질 물질의 유착을 보조하기 위해 가압 하에 있다 (예컨대 0 초과 내지 1 GPa 이상). 한 실시양태에서, 입자 등의 분량을 다이에 넣고 유리 전이 온도 초과의 온도에서 고온 압축을 수행하는데, 이러한 조건하에서의 유리의 점성 유동은 비교적 다량이 유착되게 한다. 전형적인 유착 기술의 예는 고온 압축, 고온 이소스태틱 압력, 고온 압출 등을 포함한다. 전형적으로, 수득되는 유착된 몸체를 추가의 열처리 전에 냉각시키는 것이 일반적으로 바람직하다. 열처리 후에 상기 유착된 몸체를 더 작은 입자 또는 바람직한 입도 분포로 분쇄 (원하는 경우)할 수 있다.
물질의 바람직한 성질을 추가로 개선시키기 위해 추가의 열처리를 수행하는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 예를 들면, 잔류 다공성을 제거하고 물질의 밀도를 증가시키기 위해 고온-이소스태틱 압축을 수행 (예컨대 약 900℃ 내지 약 1400℃의 온도에서 수행함)할 수 있다. 경우에 따라, 수득되는 유착된 용품을 열처리하여 유리-세라믹, 결정질 세라믹 또는 달리 결정질 세라믹을 포함하는 세라믹을 제공할 수 있다.
무정질 물질 및(또는) 유리-세라믹 (예컨대 입자)의 유착은 무압력 또는 가압 소결 (예컨대 소결, 플라즈마 보조된 소결, 고온 압축, HIP, 고온 단조 (forging), 고온 압출 등)을 비롯한 다양한 방법으로 수행될 수도 있다.
열처리는 유리를 열처리하여 유리-세라믹을 제공하는 것과 관련하여 당업계에 공지된 방법을 포함하는 임의의 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 열처리는 예를 들어 저항, 유도 또는 기체 가열된 노를 이용하여 배치식으로 수행될 수 있다. 별법으로, 예를 들어, 열처리는 예를 들어 회전 가마를 이용하여 연속적으로 수행될 수 있다. 회전 가마의 경우, 물질은 상승된 온도에서 작동되는 가마 내에 직접 공급된다. 상승된 온도에서의 시간은 몇 초 (몇몇 실시양태에서는 심지어 5 초 미만) 내지 수 분에서 수 시간의 범위일 수 있다. 온도는 900℃ 내지 1600℃ 중 임의의 범위일 수 있고, 전형적으로는 1200℃ 내지 1500℃이다. 일부의 열처리를 배치식으로 수행 (예를 들어 핵형성 단계의 경우)하고 또다른 것은 연속적으로 수행 (예컨대 결정 성장 단계의 경우 및 원하는 밀도를 달성하기 위함)하는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 핵형성 단계의 경우, 온도는 전형적으로 약 900℃ 내지 약 1100℃의 범위이고, 몇몇 실시양태에서 바람직하게는 약 925℃ 내지 약 1050℃의 범위이다. 밀도 단계의 경우와 유사하게, 온도는 전형적으로 약 1100℃ 내지 약 1600℃ 범위이고, 몇몇 실시양태에서 바람직하게는 약 1200℃ 내지 약 1500℃의 범위이다. 이러한 열처리는 예를 들어 물질을 상승된 온도의 노에 직접 공급함으로써 수행될 수 있다. 별법으로, 예를 들어 상기 물질을 훨씬 더 낮은 온도 (예컨대 실온)의 노에 공급한 후에 소정의 가열 속도로 원하는 온도까지 가열할 수 있다. 열처리를 공기 아닌 분위기에서 수행하는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 몇몇 경우에는, 심지어 환원 분위기(들)에서 열처리를 수행하는 것이 바람직할 수도 있다. 또한, 예를 들어, 고온-이소스태틱 압축기에서, 또는 기체 압력 노 에서 기체 압력 하에 열처리하는 것이 바람직할 수 있다. 수득되는 용품 또는 열처리된 용품을 전환 (예컨대 분쇄)시켜 입자 (예컨대 연마 입자)를 수득하는 것도 본 발명의 범위에 속한다.
무정질 물질을 열처리하여 그를 적어도 부분적으로 결정화하여 유리-세라믹을 제공한다. 특정 유리를 열처리하여 유리-세라믹을 형성하는 것이 당업계에 잘 알려져 있다. 여러가지 유리의 경우에 대하여 핵을 형성하고 유리-세라믹을 성장시키기 위한 가열 조건이 알려져 있다. 별법으로, 당업자는 당업계에 공지된 기술을 이용하는 유리의 시간-온도-변형 (TTT) 연구로부터 적절한 조건을 결정할 수 있다. 본 개시내용를 검토한 당업자라면, 본 발명에 따른 유리에 대한 TTT 곡선을 수득하여, 본 발명에 따른 유리-세라믹을 제공하기에 적절한 핵형성 및(또는) 결정 성장 조건을 결정할 수 있을 것이다.
전형적으로, 유리-세라믹은 그들이 형성되는 무정질 물질보다 강하다. 따라서, 물질의 강도는 예를 들어 상기 무정질 물질이 결정질 세라믹 상(들)으로 전환되는 정도에 의해 조절될 수 있다. 별법으로 또는 추가로, 물질의 강도는 예를 들어 제조되는 핵형성 부위의 수에 의해 영향을 받을 수도 있고, 다시 이를 이용하여 결정질 상(들)의 결정 수에 영향을 미칠 수 있으며, 다시 이를 이용하여 그 크기에 영향을 미칠 수 있다. 유리-세라믹의 형성에 관한 추가의 세부 사항에 대해서는 예를 들어 문헌 [Glass-Ceramics, P.W. McMillan, Academic Press, Inc., 2nd edition, 1979]을 참고한다.
예를 들면, 본 발명에 따른 유리-세라믹을 제조하기 위한 몇몇 예시적인 무정질 물질의 열처리 동안에 약 900℃ 초과의 온도에서 La2ZrO7, 및 ZrO2가 존재할 경우에는 입방체/정방정계 ZrO2, 몇몇 경우에는 단사정계 ZrO2 등의 상 형성이 관찰되었다. 이론에 구애되기를 원치 않지만, 지르코니아-관련 상은 무정질 물질로부터의 핵형성을 위한 제1 상인 것으로 생각된다. Al2O3, ReAlO3 (Re는 1종 이상의 희토류 양이온임), ReAl11O18, Re3Al5O12, Y3 Al5O12 등의 상 형성은 일반적으로 약 925℃ 초과의 온도에서 발생하는 것으로 생각된다. 전형적으로, 상기 핵형성 단계 동안의 미세결정은 nm 크기이다. 예를 들면, 10 내지 15 nm만큼 작은 결정이 관찰되었다. 적어도 일부 실시양태의 경우, 약 1300℃에서 약 1 시간 동안의 열처리는 완전한 결정화를 제공한다. 일반적으로, 핵형성 및 결정 성장 단계 각각의 열처리 시간은 수 초 (몇몇 실시양태에서는 심지어 5 초 미만) 내지 수 분에서 1 시간 또는 그 이상의 범위일 수 있다.
전형적으로, 생성되는 결정의 크기는 적어도 부분적으로는 핵형성 및(또는) 결정화 시간 및(또는) 온도를 통해 제어할 수 있다. 작은 결정 (예를 들어 마이크로미터 (㎛) 이하의 크기 또는 심지어는 나노미터 (nm) 이하의 크기)인 것이 일반적으로 바람직하지만, 본 발명에 다른 유리-세라믹은 더 큰 결정 크기 (예를 들어 1 내지 10 ㎛ 이상, 10 내지 25 ㎛ 이상, 50 내지 100 ㎛ 이상의 크기 또는 심지어는 100 ㎛ 초과의 크기)를 갖도록 제조될 수 있다. 이론에 구애되기를 원치 않지만, 일반적으로 당업계에서는 결정의 크기가 미세할 수록 (동일 밀도의 경우) 세라 믹의 기계적 성질 (예컨대 경도 및 강도)이 높아지는 것으로 생각되고 있다.
본 발명에 따른 연마 입자의 몇가지 실시양태에 존재할 수 있는 결정질 상의 예로는 Al2O3 (예컨대 α-Al2O3), Y2O3, REO, HfO2, ZrO2 (예컨대 입방체 ZrO2 및 정방정계 ZrO2), BaO, CaO, Cr2O3, CoO, Fe2O3, GeO 2, Li2O, MgO, MnO, NiO, Na2O, P2O5, Sc2O3, SiO2, SrO, TeO2, TiO2, V2O 3, Y2O3, ZnO, "복합 금속 산화물" ("복합 Al2O 3·금속 산화물 (예컨대 복합 Al2O3·REO (예컨대 ReAlO3 (예컨대 GdAlO3 LaAlO3), ReAl11O18 (예컨대 LaAl11O18) 및 Re3Al5O 12 (예컨대 Dy3Al5O12)), 복합 Al2O3·Y 2O3 (예컨대 Y3Al5O12) 및 복합 ZrO2·REO (예컨대 Re2Zr 2O7 (예컨대 La2Zr2O7)) 및 이들의 조합 등이 있다.
복합 Al2O3·금속 산화물 (예컨대 Al2O3·Y2O3 (예컨대 가넷 결정 구조를 나타내는 알루미늄산 이트륨)) 중 이트륨 및(또는) 알루미늄 양이온의 일부를 다른 양이온으로 치환하는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 예를 들면, 복합 Al2O3·Y2 O3 중 Al 양이온의 일부는 Cr, Ti, Sc, Fe, Mg, Ca, Si, Co 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 원소 중 1종 이상의 양이온으로 치환될 수 있다. 예를 들면, 복합 Al2O3·Y2O3 중 Y 양이온의 일부는 Ce, Dy, Er, Eu, Gd, Ho, La, Lu, Nd, Pr, Sm, Th, Tm, Yb, Fe, Ti, Mn, V, Cr, Co, Ni, Cu, Mg, Ca, Sr 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 원소 중 1종 이상의 양이온으로 치환될 수 있다. 유사하게, 알 루미나 중 알루미늄 양이온의 일부를 치환하는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 예를 들면, Cr, Ti, Sc, Fe, Mg, Ca, Si 및 Co가 알루미나 중의 알루미늄을 치환할 수 있다. 전술한 바와 같은 양이온의 치환은 융합된 물질의 성질 (예컨대 경도, 인성, 강도, 열 전도성 등)에 영향을 미칠 수 있다.
복합 Al2O3·금속 산화물 (예컨대 복합 Al2O3·REO) 중 희토류 및(또는) 알루미늄 양이온의 일부를 다른 양이온으로 치환하는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 예를 들면, 복합 Al2O3·REO 중 Al 양이온의 일부는 Cr, Ti, Sc, Fe, Mg, Ca, Si, Co 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 원소 중 1종 이상의 양이온으로 치환될 수 있다. 예를 들면, 복합 Al2O3·REO 중 Y 양이온의 일부는 Y, Fe, Ti, Mn, V, Cr, Co, Ni, Cu, Mg, Ca, Sr 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 원소 중 1종 이상의 양이온으로 치환될 수 있다. 유사하게, 알루미나 중 알루미늄 양이온의 일부를 치환하는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 예를 들면, Cr, Ti, Sc, Fe, Mg, Ca, Si 및 Co가 알루미나 중의 알루미늄을 치환할 수 있다. 전술한 바와 같은 양이온의 치환은 융합된 물질의 성질 (예컨대 경도, 인성, 강도, 열 전도성 등)에 영향을 미칠 수 있다.
평균 결정 크기는 ASTM 표준 E 112-96 "평균 입도의 측정을 위한 표준 시험법"에 따르는 선 교차법 (line intercept method)으로 측정할 수 있다. 전형적으로 직경 약 2.5 cm 및 높이 약 1.9 cm의 수지로 이루어진 실린더 내에 있는 받침 수지 (mounting resin) (미국 일리노이주 레이크 블러프에 소재하는 뷜러 (Buehler)가 상표명 "트랜스옵틱 파우더 (TRANSOPTIC POWDER)"으로 시판하는 것을 구입함)에 샘플을 올려 놓는다 (mount). 올려 놓은 절편은 마멸기 (미국 일리노이주 레이크 블러프에 소재하는 뷜러가 상표명 "에포메트 3 (ECOMET 3)"로 시판하는 것을 구입함)를 이용하는 통상의 마멸 기술을 이용하여 제조한다. 샘플을 다이아몬드 휠로 약 3 분 동안 마멸시킨 다음, 각 45, 30, 15, 9, 3 및 1 ㎛ 슬러리로 5 분 동안 마멸시킨다. 상기 올려 놓고 마멸시킨 샘플을 박층의 금-팔라듐으로 스퍼터링하고 주사 전자 현미경 (예컨대 JEOL SEM 모델 JSM 840A)을 이용하여 관찰한다. 샘플에서 확인되는, 미세구조의 전형적인 후방-산란된 전자 (BSE) 현미경 사진을 이용하여 다음과 같이 평균 결정 크기를 결정한다. 현미경 사진에 무작위로 그은 직선의 단위 길이 당 교차하는 결정의 수 (NL)를 계수한다. 평균 결정 크기는 다음 수학식을 이용하여 상기 값으로부터 결정된다:
평균 결정 크기 = (1.5 / NLM)
식 중, NL은 단위 길이 당 교차하는 결정의 수이고, M은 현미경의 배율이다.
본 발명의 몇몇 실시양태는 하나 이상의 평균 결정 크기가 150 nm 이하인 알파 알루미나를 포함하는 유리-세라믹을 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시양태는 알파 알루미나를 포함하는 유리-세라믹을 포함하는데, 이러한 부분에 존재하는 알파 알루미나의 90 개수％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 95 개수％ 이상 또는 심지어는 100 개수％)의 결정 크기가 200 nm 이하이다.
본 발명의 몇몇 실시양태는 알파 Al2O3, 결정질 ZrO2 및 제1 복합 Al2 O3·Y2O3을 포함하며, 이때 알파 Al2O3, 결정질 ZrO2 또는 제1 복합 Al2 O3·Y2O3 중 1종 이상의 평균 결정 크기가 150 nm 이하인 유리-세라믹을 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 바람직하게는 상기 유리-세라믹은 제2의 상이한 복합 Al2O3·Y2O3 을 추가로 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 바람직하게는 상기 유리-세라믹은 복합 Al2O3·REO를 추가로 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시양태는 제1 복합 Al2O3·Y2O3, 제2의 상이한 복합 Al2O3·Y2O3 및 결정질 ZrO2를 포함하고, 이때 제1 복합 Al2O3·Y2O3, 제2의 상이한 복합 Al2O3·Y2O3 또는 결정질 ZrO2 중 1종 이상이 그의 결정 크기의 90 개수％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 95 개수％ 이상 또는 심지어는 100 개수％)이 200 nm 이하인 유리-세라믹이다. 몇몇 실시양태에서, 바람직하게는 상기 유리-세라믹은 제2의 상이한 복합 Al2O3·Y2O3을 추가로 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 바람직하게는 상기 유리-세라믹은 복합 Al2O3·REO를 추가로 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시양태는 알파 Al2O3, 결정질 ZrO2 및 제1 복합 Al2 O3·REO를 포함하고, 이때 알파 Al2O3, 결정질 ZrO2 또는 제1 복합 Al2O 3·REO 중 1종 이상의 평균 결정 크기가 150 nm 이하인 유리-세라믹을 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 바람직하게는 상기 유리-세라믹은 제2의 상이한 복합 Al2O3·REO를 추가로 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 바람직하게는 상기 유리-세라믹은 복합 Al2O3·Y2O 3을 추가로 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시양태는 제1 복합 Al2O3·REO, 제2의 상이한 복합 Al2O3·REO 및 결정질 ZrO2를 포함하고, 이때 제1 복합 Al2O 3·REO, 제2의 상이한 복합 Al2O3·REO 또는 결정질 ZrO2 중 1종 이상이 그의 결정 크기의 90 개수％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 95 개수％ 이상 또는 심지어는 100 개수％)이 200 nm 이하인 유리-세라믹이다. 몇몇 실시양태에서, 바람직하게는 상기 유리-세라믹은 복합 Al2O3·Y2O3을 추가로 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시양태는 제1 복합 Al2O3·Y2O3, 제2의 상이한 복합 Al2O3·Y2O3 및 결정질 ZrO2를 포함하고, 이때 제1 복합 Al2O3·Y2O3, 제2의 상이한 복합 Al2O3·Y2O3 또는 결정질 ZrO2 중 1종 이상의 평균 결정 크기가 150 nm 이하인 유리-세라믹을 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 바람직하게는 상기 유리-세라믹은 제2의 상이한 복합 Al2O3·Y2O3을 추가로 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 바람직하게는 상기 유리-세라믹은 복합 Al2O3·REO를 추가로 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시양태는 제1 복합 Al2O3·Y2O3, 제2의 상이한 복합 Al2O3·Y2O3 및 결정질 ZrO2를 포함하고, 이때 제1 복합 Al2O3·Y2O3, 제2의 상이한 복합 Al2O3·Y2O3 또는 결정질 ZrO2 중 1종 이상이 그의 결정 크기의 90 개수％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 95 개수％ 이상 또는 심지어는 100 개수％)이 200 nm 이하인 유리-세라믹이다. 몇몇 실시양태에서, 바람직하게는 상기 유리-세라믹은 복합 Al2O3·REO를 추가로 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시양태는 제1 복합 Al2O3·REO, 제2의 상이한 복합 Al2O3·REO 및 결정질 ZrO2를 포함하고, 이때 제1 복합 Al2O 3·REO, 제2의 상이한 복합 Al2O3·REO 또는 결정질 ZrO2 중 1종 이상의 평균 결정 크기가 150 nm 이하인 유리-세라믹을 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 바람직하게는 상기 유리-세라믹은 제2의 상이한 복합 Al2O3·REO를 추가로 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 바람직하게는 상기 유리-세라믹은 복합 Al2O3·Y2O3을 추가로 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시양태는 제1 복합 Al2O3·REO, 제2의 상이한 복합 Al2O3·REO 및 결정질 ZrO2를 포함하고, 이때 제1 복합 Al2O 3·REO, 제2의 상이한 복합 Al2O3·REO 또는 결정질 ZrO2 중 1종 이상이 그의 결정 크기의 90 개수％ 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 95 개수％ 이상 또는 심지어는 100 개수％)이 200 nm인 유리-세라믹이다. 몇몇 실시양태에서, 바람직하게는 상기 유리-세라믹은 복합 Al2O3·Y2O3을 추가로 포함한다.
몇몇 실시양태에서, 본 발명에 따른 유리-세라믹은 평균 크기가 1 ㎛ 미만인 미세결정을 75, 80, 85, 90, 95, 97, 98, 99 부피％ 이상 또는 심지어는 100 부피％로 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 본 발명에 따른 유리-세라믹은 평균 크기가 0.5 ㎛ 이하인 미세결정을 75, 80, 85, 90, 95, 97, 98, 99 부피％ 이상 또는 심지어는 100 부피％로 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 본 발명에 따른 유리-세라믹은 평균 크기가 0.3 ㎛ 이하인 미세결정을 75, 80, 85, 90, 95, 97, 98, 99 부피％ 이상 또는 심지어는 100 부피％로 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 본 발명에 따른 유리-세라믹은 평균 크기가 0.15 ㎛ 이하인 미세결정을 75, 80, 85, 90, 95, 97, 98, 99 부피％ 이상 또는 심지어는 100 부피％로 포함한다.
무정질을 열처리하여 형성되어 본 발명에 따른 유리-세라믹의 몇가지 실시양태를 제공하는 결정은 예를 들어 등축형(equiaxed)이거나 원주형이거나 또는 편평하게 된 판자 형상일 수 있다.
본 발명에 따른 무정질 물질, 유리-세라믹 등은 벌크 물질의 형태일 수 있지만, 본 발명에 따른 무정질 물질, 유리-세라믹 등을 포함하는 복합재를 제공하는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 이러한 복합재는 예를 들어 본 발명에 따른 무정질 물질, 유리-세라믹 등에 분산된 상 또는 섬유 (연속적 또는 불연속적) 또는 입자 (단결정 포함) (예컨대 금속 산화물 입자, 붕소화물 입자, 탄화물 입자, 질화물 입자, 다이아몬드 입자, 금속 입자, 유리 입자 및 이들의 조합) 또는 다층 복합재 구조 (예컨대 유리-세라믹의 제조에 사용된 무정질 물질에 대한 유리-세라믹 구배 및(또는) 상이한 조성의 유리-세라믹들의 층)를 포함할 수 있다.
전형적으로, 본 발명에 따른 세라믹의 (진정한) 밀도 (때로는 비중이라고도 칭함)는 일반적으로 이론적 밀도의 70％ 이상이다. 더욱 바람직하게는, 본 발명에 따른 세라믹의 (진정한) 밀도는 이론적 밀도의 75％, 80％, 85％, 90％, 92％, 95％, 96％, 97％, 98％, 99％, 99.5％ 이상 또는 심지어는 100％이다. 본 발명에 따른 연마 입자의 밀도는 이론적 밀도의 85％, 90％, 92％, 95％, 96％, 97％, 98％, 99％, 99.5％ 이상 또는 심지어는 100％이다.
본 발명의 물질의 평균 경도는 다음과 같이 측정할 수 있다. 물질의 절편을 전형적으로 직경 약 2.5 cm 및 높이 약 1.9 cm의 수지로 이루어진 실린더 내에 있는 받침 수지 (미국 일리노이주 레이크 블러프에 소재하는 뷜러가 상표명 "트랜스옵틱 파우더"로 시판하는 것을 구입함)에 올려 놓는다. 올려 놓은 절편을 마멸기 (미국 일리노이주 레이크 블러프에 소재하는 뷜러가 상표명 "에포메트 3"으로 시판하는 것을 구입함)를 이용하는 통상의 마멸 기술을 이용하여 제조한다. 샘플을 다이아몬드 휠로 약 3 분 동안 마멸시킨 다음, 45, 30, 15, 9, 3 및 1 ㎛ 슬러리 각각으로 5 분 동안 마멸시킨다. 미세경도 측정은 빅터스 (Vickers) 압자가 장착되어 있는 통상의 미세경도 시험기 (예를 들어 일본 도꾜에 소재하는 미쯔또요 가부시키가이샤 (Mitutoyo Corporation)가 상표명 "미쯔또요 (MITUTOYO) MVK-VL"로 시판하는 것을 구입함)를 사용하여 100-g 압자 하중에서 수행된다. 미세경도 측정은 문헌 [ASTM Test Method E384 Test Methods for Microphardness of Materials (1991)]에 언급된 지침에 따라 수행된다.
몇몇 실시양태에서, 본 발명에 따른 유리-세라믹의 평균 경도는 13 GPa 이상 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 14, 15, 16, 17 GPa 이상 또는 심지어는 18 GPa 이상)이다. 본 발명에 따른 연마 입자의 평균 경도는 15 GPa 이상이고, 몇몇 실시양태에서는 16 GPa 이상, 17 GPa 이상 또는 심지어는 18 GPa 이상이다.
무정질 물질 및 유리-세라믹의 제조, 사용 및 그의 성질 등을 비롯하여 이들에 관한 추가의 세부 사항은 2001년 8월 2일자로 출원된 미국 특허 출원 제09/922,526호, 동 제09/922,527호 및 동 제09/922,530호, 및 본 출원과 동일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제10/211598호, 제10/211630호, 제10/211639호, 제10/211034호, 제10/211044호, 제10/211628호, 제10/211640호 및 제10/211684호의 출원에서 찾아볼 수 있다.
본 발명에 따른 연마 입자는 일반적으로 결정질 세라믹을 포함 (몇몇 실시양태에서는, 바람직하게는 75, 80, 85, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 99.5 부피％ 이상 또는 심지어는 100 부피％로 포함)한다.
본 발명에 따른 연마 입자는, ANSI (American National Standard Institute), FEPA (Federation Europeenne des Fabricants de Products Abrasifs) 및 JIS (Japanese Industrial Standard)와 같은 산업에서 인지된 등급 표준의 사용을 포함하는 당업계에 공지된 기술을 사용하여 체질 및 분류될 수 있다. 본 발명에 따른 연마 입자는 전형적으로 약 0.1 내지 약 5000 ㎛, 더욱 전형적으로는 약 1 내지 약 2000 ㎛, 바람직하게는 약 5 내지 약 1500 ㎛, 더욱 바람직하게는 약 100 내지 약 1500 ㎛의 광범위하게 넓은 입도 범위에서 사용될 수 있다.
ANSI 등급 표시는 ANSI 4, ANSI 6, ANSI 8, ANSI 16, ANSI 24, ANSI 36, ANSI 40, ANSI 50, ANSI 60, ANSI 80, ANSI 100, ANSI 120, ANSI 150, ANSI 180, ANSI 220, ANSI 240, ANSI 280, ANSI 320, ANSI 360, ANSI 400 및 ANSI 600을 포함한다. 본 발명에 따른 연마 입자를 포함하는 바람직한 ANSI 등급은 ANSI 8-220이다. FEPA 등급 표시는 P8, P12, P16, P24, P36, P40, P50, P60, P80, P100, P120, P150, P180, P220, P320, P400, P500, P600, P800, P1000 및 P1200을 포함한다. 본 발명에 따른 연마 입자를 포함하는 바람직한 FEPA 등급은 P12-P220이다. JIS 등급 표시는 JIS8, JIS12, JIS16, JIS24, JIS36, JIS46, JIS54, JIS60, JIS80, JIS100, JIS150, JIS180, JIS220, JIS240, JIS280, JIS320, JIS360, JIS400, JIS600, JIS800, JIS1000, JIS1500, JIS2500, JIS4000, JIS6000, JIS8000 및 JIS10,000을 포함한다. 본 발명에 따른 연마 입자를 포함하는 바람직한 JIS 등급은 JIS8-220이다.
분쇄 및 체질 후의 연마 입도 분포 또는 등급은 여러가지로 다양한 것이 전형적이다. 어떤 경우에는, 이러한 여러가지 등급들이 제조자 또는 공급자의 요구에 부합되지 않을 수도 있다. 재고를 최소화하기 위해, 수요 밖의 등급을 용융물 내로 재순환하여 무정형 물질을 형성하는 것이 가능하다. 이러한 재순환은, 입자들이 특정 분포로 체질되지 않은 큰 청크 또는 더 작은 조각 (때로 "미세물"이라고도 함)으로 존재하는, 분쇄 단계 이후에 수행할 수 있다.
또다른 측면에서, 본 발명은 입자들을 포함하는 무정질 물질 (예컨대 유리) 을 열처리하여 그의 적어도 일부를 유리-세라믹으로 전환시켜 이러한 유리-세라믹을 포함하는 연마 입자를 제공하는 단계를 포함하는, 연마 입자의 제조 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 무정질 물질을 열처리하여 그의 적어도 일부를 유리-세라믹으로 전환시키는 단계 및 이로써 생성된 열처리된 물질을 분쇄하여 연마 입자를 제공하는 단계를 포함하는, 유리-세라믹을 포함하는 연마 입자의 제조 방법을 제공한다. 유리를 분쇄할 경우, 유리는 상당히 결정화된 유리-세라믹 또는 결정질 물질을 분쇄할 때보다 더 날카로운 입자를 제공하는 경향이 있다.
또다른 측면에서, 본 발명은 각각이 결합제에 의해 한데 접착된 본 발명에 따른 복수개의 연마 입자를 포함하는 응집 연마 입자를 제공한다. 또다른 측면에서, 본 발명은 결합제 및 복수개의 연마 입자를 포함하는 연마 용품 (예컨대 피복된 연마 용품, 접착된 연마 용품 (유리화된 레지노이드 및 금속 접착된 연삭 휠, 절단 휠, 박아 넣은 점 (mounted point) 및 숫돌 포함), 부직 연마 용품 및 연마 브러쉬)을 제공하며, 여기에서 연마 입자의 적어도 일부는 본 발명에 따른 연마 입자 (연마 입자가 응집된 경우를 포함)이다. 이러한 연마 용품의 제조 방법 및 연마 용품의 사용 방법은 당업자에게 공지되어 있다. 또한, 본 발명에 따른 연마 입자는 연마 화합물 (예컨대 마멸 화합물)의 슬러리, 밀링 매질, 샷 블라스트 (shot blast) 매질, 진동 밀링 매질 등과 같이 연마 입자를 사용하는 연마재 물품에서 사용될 수 있다.
피복된 연마 용품은 일반적으로 배킹, 연마 입자, 및 상기 연마 입자를 배킹 상에 고정시키기 위한 1종 이상의 결합제를 포함한다. 배킹은 천, 중합체 필름, 섬유, 부직 웹, 종이, 이들의 조합 및 이들의 처리된 변형물을 포함하는 임의의 적합한 물질일 수 있다. 결합제는 무기 또는 유기 결합제 (열 경화성 수지 및 방사 경화성 수지를 포함)를 포함하는 임의의 적절한 결합제일 수 있다. 연마 입자는 피복된 연마 용품의 1개 층 또는 2개 층으로 존재할 수 있다.
피복된 연마 용품의 예를 도 1에 도시하였다. 이 도면에서, 본 발명에 따른 피복된 연마 용품 (1)은 배킹 (기재) (2) 및 연마 층 (3)을 보유한다. 연마 층 (3)은 메이크 (make) 피복물 (5) 및 사이즈 (size) 피복물 (6)에 의해 배킹 (2)의 주 표면에 고정된 본 발명에 따른 연마 입자 (4)를 포함한다. 몇몇 경우에는, 슈퍼사이즈 (supersize) 피복물 (도시되지 않음)이 사용된다.
접착된 연마 용품은 전형적으로 유기, 금속성 또는 유리화된 결합제에 의해 한데 고정된 연마 입자의 형상화된 덩어리를 포함한다. 이러한 형상화된 덩어리는 예를 들어 연삭 휠 또는 절단 휠과 같은 휠의 형태일 수 있다. 연삭 휠의 직경은 전형적으로 약 1 cm 내지 1 m 초과이고, 절단 휠의 직경은 약 1 cm 내지 80 cm 초과 (더욱 전형적으로는 3 cm 내지 약 50 cm)이다. 절단 휠의 두께는 전형적으로 약 0.5 mm 내지 약 5 cm, 더욱 전형적으로는 약 0.5 mm 내지 약 2 cm이다. 상기 형상화된 덩어리는 예를 들어 숫돌, 절편물, 박아 넣은 점, 디스크 (예컨대 이중 디스크 연삭기) 또는 다른 통상적으로 접착된 연마재 형상물의 형태일 수도 있다. 전형적으로, 접착된 연마 용품은 접착된 연마 용품의 총 부피를 기준으로 3 내지 50 부피％의 접착 물질, 약 30 내지 90 부피％의 연마 입자 (또는 연마 입자 블렌드), 50 부피％ 이하의 첨가제 (연삭 보조제 포함) 및 70 부피％ 이하의 세공을 포 함한다.
바람직한 형태는 연삭 휠이다. 도 2에서, 휠로 성형되어 축 (12) 상에 올려 놓은 본 발명에 따른 연마 입자 (11)를 포함하는 본 발명에 따른 연삭 휠 (10)이 도시되어 있다.
전형적으로, 부직 연마 용품은 본 발명에 따른 연마 입자가 구조물에 분포되고 유기 결합제에 의해 그 안에 부착 접착된, 개방형 다공성인 고도의 (lofty) 중합체 필라멘트 구조물을 포함한다. 필라멘트의 예로는 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유 및 폴리아라미드 섬유 등이 있다. 도 5는 본 발명에 따른 전형적인 부직 연마 용품의 약 100 × 확대된 개략도이다. 이러한 본 발명에 따른 부직 연마 용품은, 기재로서의 섬유성 매트 (50)에 본 발명에 따른 연마 입자 (52)가 결합제 (54)에 의해 부착되어 있는 것을 포함한다.
유용한 연마 브러쉬는 배킹과 일체인, 복수개의 털을 갖는 것들을 포함한다 (예컨대 미국 특허 제5,427,595호 (Pihl 등), 동 제5,443,906호 (Pihl 등), 동 제5,679,067호 (Johnson 등) 및 동 제5,903,951호 (Ionta 등) 참고). 바람직하게는 이러한 브러쉬는 중합체와 연마 입자의 혼합물을 사출 성형하여 제조된다.
연마 용품을 제조하기 위한 적절한 유기 결합제는 열경화성 유기 중합체를 포함한다. 적절한 열경화성 유기 중합체의 예로는 페놀계 수지, 우레아-포름알데히드 수지, 멜라민-포름알데히드 수지, 우레탄 수지, 아크릴레이트 수지, 폴리에스테르 수지, α,β-불포화 카르보닐 펜던트기를 보유하는 아미노플라스트 수지, 에폭시 수지, 아크릴화 우레탄, 아크릴화 에폭시류 및 이들의 조합 등이 있다. 결합 제 및(또는) 연마 용품은 섬유, 윤활제, 습윤제, 틱소트로피 물질, 계면활성제, 안료, 염료, 대전 방지제 (예컨대 카본 블랙, 산화바나듐, 흑연 등), 커플링제 (예컨대 실란, 티탄산염, 지르코알루미늄산염 등), 가소제, 현탁제 등과 같은 첨가제를 포함할 수도 있다. 이들 선택적 첨가제의 양은 바람직한 성질을 제공하도록 선택된다. 커플링제는 연마 입자 및(또는) 충진재에 대한 접착을 개선시킬 수 있다. 결합제 화학은 열적으로 경화되거나 방사선 경화되거나 이들의 조합일 수 있다. 결합제 화학에 대한 추가의 세부 사항은 미국 특허 제4,588,419호 (Caul 등), 동 제4,751,138호 (Tumey 등) 및 동 제5,436,063호 (Follett 등)에서 찾아볼 수 있다.
무정질 구조를 나타내고 전형적으로 경질인 유리화된 접착된 연마재, 유리질 접착 물질에 대한 더욱 구체적인 사항은 당업계에 공지되어 있다. 몇몇 경우에, 유리질 접착 물질은 결정질 상을 포함한다. 본 발명에 따른 접착된 유리화된 연마 용품은 휠 (절단 휠 포함), 숫돌, 박아 넣은 점 또는 다른 통상적인 접착된 연마재 형상물의 형태일 수 있다. 본 발명에 따른 바람직한 유리화된 접착된 연마 용품은 연삭 휠이다.
유리질 접착 물질의 형성에 사용되는 금속 산화물의 예로는 실리카, 실리케이트, 알루미나, 소다, 칼시아, 포타시아, 티타니아, 산화철, 산화아연, 산화리튬, 마그네시아, 보리아, 알루미늄 실리케이트, 보로실리케이트 유리, 리튬 알루미늄 실리케이트, 이들의 조합 등이 있다. 전형적으로, 유리질 접착 물질은 10 내지 100％의 유리 프릿을 포함하는 조성물로부터 형성될 수 있지만, 더욱 전형적으로는 20 내지 80％의 유리 프릿, 또는 30 내지 70％의 유리 프릿을 포함하는 조성물로부 터 형성될 수 있다. 유리질 접착 물질의 나머지 부분은 비-프릿 물질일 수 있다. 별법으로, 상기 유리질 접착은 비-프릿 함유 조성물로부터 유래될 수 있다. 유리질 접착 물질은 전형적으로 약 700 내지 약 1500℃, 통상적으로 약 800℃ 내지 약 1300℃, 때로는 약 900℃ 내지 약 1200℃ 범위의 온도에서 숙성된다. 접착이 숙성되는 실제 온도는 예를 들어 특정 접착 화학에 따라 달라진다.
바람직한 유리화 접착 물질로서 실리카, 알루미나 (바람직하게는 10 중량％ 이상의 알루미나) 및 보리아 (바람직하게는 10 중량％ 이상의 보리아)를 포함하는 것들을 들 수 있다. 대부분의 경우에, 상기 유리화된 접착 물질은 알칼리 금속 산화물(들) (예컨대 Na2O 및 K2O) (몇몇 경우에는 10 중량％ 이상의 알칼리 금속 산화물(들))을 추가로 포함한다.
결합제 물질은 전형적으로 미립자 물질 형태인 충진재 물질 또는 연삭 보조제를 함유할 수도 있다. 전형적으로, 미립자 물질은 무기 물질이다. 본 발명에 유용한 충진재의 예로는 금속 탄산염 (예컨대 탄산칼슘 (예컨대 백악, 방해석, 이회토, 온천의 침전물, 대리석 및 석회석), 탄산칼슘 마그네슘, 탄산나트륨, 탄산마그네슘), 실리카 (예컨대 석영, 유리 비드, 유리 버블 및 유리 섬유), 실리케이트 (예컨대 활석, 점토, (몬모릴로나이트) 장석, 운모, 칼슘 실리케이트, 칼슘 메타실리케이트, 나트륨 알루미노실리케이트, 나트륨 실리케이트), 금속 황산염 (예컨대 황산 칼슘, 황산 바륨, 황산 나트륨, 황산 알루미늄 나트륨, 황산 알루미늄), 석고, 질석, 목재 분말, 알루미늄 삼수화물, 카본 블랙, 금속 산화물 (예컨대 산화칼 슘 (생석회), 산화알루미늄, 이산화티탄) 및 금속 아황산염 (예컨대 아황산 칼슘) 등이 있다.
일반적으로, 연삭 보조제의 첨가는 연마 용품의 사용 수명을 증가시킨다. 연삭 보조제는 연마의 화학적 및 물리적 과정에 중대한 영향을 미치는 물질이며, 그의 성능을 향상시킨다. 이론에 구애되기를 원치 않지만, 연삭 보조제(들)는 (a) 연마 입자 및 연마되는 작업편 사이의 마찰을 감소시키거나, (b) 연마 입자가 "캡핑 (capping)"되는 것을 방지하거나 (즉, 금속 입자가 연마 입자의 상단에 결합되는 것을 방지), 적어도 연마 입자의 캡핑 경향을 감소시키거나, (c) 연마 입자와 작업편 사이의 계면 온도를 감소시키거나, (d) 연삭력을 감소시킬 것으로 생각된다.
연삭 보조제는 광범위하게 다양한 여러가지 물질을 포함하며 무기 또는 유기 기재일 수 있다. 연삭 보조제의 화학적 군의 예로서 왁스, 유기 할라이드 화합물, 할라이드 염 및 금속 및 그들의 알로이를 들 수 있다. 유기 할라이드 화합물은 전형적으로 연마 동안에 분해되어 할로겐 산 또는 기체상 할라이드 화합물을 방출할 것이다. 이러한 물질의 예로서 테트라클로로나프탈렌, 펜타클로로나프탈렌 및 폴리비닐 클로라이드 같은 염소화된 왁스를 들 수 있다. 할라이드 염의 예로서, 염화 나트륨, 칼륨 빙정석 (cryolite), 나트륨 빙정석, 암모늄 빙정석, 칼륨 테트라플루오로보레이트, 나트륨 테트라플루오로보레이트, 플루오르화 규소, 염화 칼륨 및 염화 마그네슘을 들 수 있다. 금속의 예로서 주석, 납, 비스무트, 코발트, 안티몬, 카드뮴 및 철 티타늄을 들 수 있다. 다른 기타 연삭 보조제로서 황, 유기 황 화합물, 흑연 및 금속 황화물을 들 수 있다. 여러가지 연삭 보조제들의 조합을 사용하는 것도 본 발명의 범위에 속하는데, 몇몇 경우에는 이것이 상승 효과를 창출할 수도 있다. 바람직한 연삭 보조제는 빙정석이고, 가장 바람직한 연삭 보조제는 칼륨 테트라플루오로보레이트이다.
연삭 보조제는 피복된 연마 용품 및 접착된 연마 용품에서 특히 유용할 수 있다. 피복된 연마 용품에서, 연삭 보조제는 연마 입자의 표면 상에 적용되는 슈퍼사이즈 피복물에 전형적으로 사용된다. 그러나 때로는 상기 연삭 보조제가 사이즈 피복물에 첨가된다. 전형적으로, 피복된 연마 용품 내에 도입되는 연삭 보조제의 양은 약 50 내지 300 g/m2 (바람직하게는, 약 80 내지 160 g/m2)이다. 유리화된 접착된 연마 용품에서 연삭 보조제는 전형적으로 입자의 세공 내로 함침된다.
연마 용품은 본 발명에 따른 연마 입자 100％를 함유하거나, 이러한 연마 입자와 다른 연마 입자 및(또는) 희석제 입자와의 블렌드를 함유할 수 있다. 그러나, 연마 용품 중 약 2 중량％ 이상, 바람직하게는 약 5 중량％ 이상, 더욱 바람직하게는 약 30 내지 100 중량％의 연마 입자는 본 발명에 따른 연마 입자여야 한다. 몇몇 경우에, 본 발명에 따른 연마 입자는 또다른 연마 입자 및(또는) 희석제 입자와 5 : 75 중량％ 사이, 약 25 : 75 중량％, 약 40 : 60 중량％, 또는 약 50％ : 50％ 중량％ (즉, 동일 중량)의 비율로 블렌딩될 수 있다. 통상적인 연마 입자의 적합한 예로서, 융합된 산화알루미늄 (백색 융합된 알루미나, 열처리된 산화알루미늄 및 갈색 산화알루미늄), 탄화 규소, 탄화 붕소, 탄화 티탄, 다이아몬드, 입방체 질화 붕소, 가넷, 융합된 알루미나-지르코니아 및 졸-겔-유래된 연마 입자 등을 들 수 있다. 졸-겔-유래된 연마 입자는 시딩 (seeding)되거나 시딩되지 않은 것일 수 있다. 유사하게, 졸-겔-유래된 연마 입자는 무작위 형상이거나 그들과 연관된 막대 또는 삼각형 등의 형상을 가질 수 있다. 졸 겔 연마 입자의 예로서 미국 특허 제4,314,827호 (Leitheiser 등), 동 제4,518,397호 (Leitheiser 등), 동 제4,623,364호 (Cottringer 등), 동 제4,744,802호 (Schwabel), 4,770,671호 (Monroe 등), 동 제4,881,951호 (Wood 등), 동 제5,011,508호 (Wald 등), 동 제5,090,968호 (Pellow), 5,139,978호 (Wood), 5,201,916호 (Berg 등), 동 제5,227,104호 (Bauer), 5,366,523호 (Rowenhorst 등), 동 제5,429,647호 (Larmie), 5,498,269호 (Larmie) 및 5,551,963호 (Larmie)에 기재된 것들을 들 수 있다. 알루미나 분말을 원료 공급원으로 사용하여 제조된 소결 알루미나 연마 입자에 관한 추가의 세부 사항은 또한 예를 들어 미국 특허 제5,259,147호 (Falz), 동 제5,593,467호 (Monroe) 및 5,665,127호 (Moltgen)에서 찾아볼 수 있다. 융합된 연마 입자에 관한 추가의 세부 사항은 예를 들어 미국 특허 제1,161,620호 (Coulter), 동 제1,192,709호 (Tone), 동 제1,247,337호 (Saunders 등), 동 제1,268,533호 (Allen) 및 동 제2,424,645호 (Baumann 등), 동 제3,891,408호 (Rowse 등), 동 제3,781,172호 (Pett 등), 동 제3,893,826호 (Quinan 등), 동 제4,126,429호 (Watson 등), 동 제4,457,767호 (Poon 등), 동 제5,023,212호 (Dubots 등), 동 제5,143,522호 (Gibson 등) 및 동 제5,336,280호 (Dubots 등), 및 2000년 2월 2일자로 각각 출원된 미국 특허 출원 제09/495,978호, 동 제09/496,422 호, 동 제09/496,638호 및 동 제09/496,713호, 및 2000년 7월 19일자로 각각 출원된 동 제09/618,876호, 09/618,879호, 동 제09/619,106호, 동 제09/619,191호, 동 제09/619,192호, 동 제09/619,215호, 동 제09/619,289호, 동 제09/619,563호, 동 제09/619,729호, 동 제09/619,744호 및 동 제09/620,262호, 및 2001년 1월 30일자로 출원된 동 제09/772,730호에서 찾아볼 수 있다. 몇몇 경우에는 연마 입자의 블렌드가 어떤 연마 입자 종류를 100％로 포함하는 연마 용품에 비하여 연삭 성능이 개선된 연마 용품이 생성될 수도 있다.
연마 입자의 블렌드가 존재하는 경우에, 그 블렌드를 형성하는 연마 입자 종류는 동일 크기의 것일 수 있다. 별법으로, 연마 입자 종류는 상이한 입도의 것일 수 있다. 예를 들면, 보다 큰 크기의 연마 입자는 본 발명에 따른 연마 입자이고, 보다 작은 크기의 입자는 또다른 연마 입자 종류일 수 있다. 반대로, 예를 들어 보다 작은 크기의 연마 입자는 본 발명에 따른 연마 입자이고, 보다 큰 크기의 입자는 또다른 연마 입자 종류일 수 있다.
적절한 희석제 입자의 예로서, 대리석, 석고, 부싯돌, 실리카, 산화철, 알루미늄 실리케이트, 유리 (유리 버블 및 유리 비드 포함), 알루미나 버블, 알루미나 비드 및 희석제 응집체를 들 수 있다. 본 발명에 따른 연마 입자는 연마 응집체 내에 조합되거나 그와 함께 조합될 수도 있다. 연마 응집체 입자는 전형적으로 복수개의 연마 입자, 결합제 및 선택적인 첨가제를 포함한다. 결합제는 유기 및(또는) 무기물일 수 있다. 연마 응집체는 무작위 형상이거나 그것과 관련된 소정의 형상을 가질 수 있다. 상기 형상은 블럭형, 실린더형, 피라미드형, 동전형, 정사 각형 등일 수 있다. 연마 응집체 입자의 입도 범위는 전형적으로 약 100 내지 약 5000 ㎛, 전형적으로 약 250 내지 약 2500 ㎛ 범위이다. 연마 응집체 입자에 관한 추가의 세부 사항은 예를 들어 미국 특허 제4,311,489호 (Kressner), 4,652,275호 (Bloecher 등), 동 제4,799,939호 (Bloecher 등), 동 제5,549,962호 (Holmes 등) 및 5,975,988호 (Christianson) 및 2001년 10월 16일자로 출원된 미국 특허 출원 제09/688,444호 및 09/688,484호에서 찾아볼 수 있다.
연마 입자는 연마 용품 내에 균일하게 분포하거나 연마 용품의 선택된 면적 또는 부분에 집중될 수 있다. 예를 들면, 피복된 연마재 내에, 연마 입자의 2개 층이 있을 수 있다. 제1 층은 본 발명에 따른 연마 입자 이외의 연마 입자를 포함하고, 제2 (가장 바깥쪽) 층은 본 발명에 따른 연마 입자를 포함한다. 유사하게, 접착된 연마재의 경우에도, 연삭 휠에 두 개의 구별되는 부분이 있을 수 있다. 가장 바깥쪽 부분은 본 발명에 따른 연마 입자를 포함하는 한편, 가장 안쪽 부분은 그렇지 않다. 별법으로, 본 발명에 따른 연마 입자는 접착된 연마 용품에 균일하게 분포될 수 있다.
피복된 연마 용품에 관한 추가의 세부 사항은 예를 들어 미국 특허 제4,734,104호 (Broberg), 동 제4,737,163호 (Larkey), 동 제5,203,884호 (Buchanan 등), 동 제5,152,917호 (Pieper 등), 동 제5,378,251호 (Culler 등), 동 제5,417,726호 (Stout 등), 동 제5,436,063호 (Follett 등), 동 제5,496,386호 (Broberg 등), 동 제5,609,706호 (Benedict 등), 동 제5,520,711호 (Helmin), 5,954,844호 (Law 등), 동 제5,961,674호 (Gagliardi 등) 및 동 제5,975,988호 (Christianson)에서 찾아볼 수 있다. 접착된 연마 용품에 관한 추가의 세부 사항은 예를 들어 미국 특허 제4,543,107호 (Rue), 동 제4,741,743호 (Narayanan 등), 동 제4,800,685호 (Haynes 등), 동 제4,898,597호 (Hay 등), 동 제4,997,461호 (Markhoff-Matheny 등), 동 제5,037,453호 (Narayanan 등), 동 제5,110,332호 (Narayanan 등) 및 동 제5,863,308호 (Qi 등)에서 찾아볼 수 있다. 접착된 유리질 연마재에 관한 추가의 세부 사항은 예를 들어 미국 특허 제4,543,107호 (Rue), 동 제4,898,597호 (Hay 등), 동 제4,997,461호 (Markhoff-Matheny 등), 동 제5,094,672호 (Giles Jr. 등), 동 제5,118,326호 (Sheldon 등), 동 제5,131,926호 (Sheldon 등), 동 제5,203,886호 (Sheldon 등), 동 제5,282,875호 (Wood 등), 동 제5,738,696호 (Wu 등) 및 동 제5,863,308호 (Qi)에서 찾아볼 수 있다. 부직 연마 용품에 관한 추가의 세부 사항은 예를 들어 미국 특허 제2,958,593호 (Hoover 등)에서 찾아볼 수 있다.
본 발명은 본 발명에 따른 하나 이상의 연마 입자를 작업편의 표면과 접촉시키는 단계 및 상기 연마 입자 또는 접촉된 표면 중 적어도 하나를 상기 표면의 적어도 일부가 연마 입자로 연마되도록 이동시키는 단계를 포함하는, 표면의 연마 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 연마 입자를 이용하는 연마 방법은 스내깅 (snagging) (즉, 고압 고저장 제거 (high pressure high stock removal))에서 마멸 (예컨대 피복된 연마 벨트로 의학적 이식물을 마멸시킴)에 이르는 범위이며, 여기에서 후자는 전형적으로 연마 입자의 보다 미세한 등급 (예컨대 ANSI 220 미만 및 더 미세함)으로 수행된다. 연마 입자는 유리화된 접착된 휠을 이용하여 캠축을 연 삭하는 것과 같은 정밀 연마 물품에 사용될 수도 있다. 특정 연마 물품에 사용되는 연마 입자의 크기는 당업자에게 명백할 것이다.
본 발명에 따른 연마 입자로 연마하는 것은 건식 또는 습식으로 수행될 수 있다. 습식 연마의 경우, 액체는 가벼운 미스트 (mist) 형태로 공급되어 완전한 충만에 이르도록 도입될 수 있다. 통상적으로 사용되는 액체의 예로서, 물, 수용성 오일, 유기 윤활제 및 에멀젼을 들 수 있다. 액체는 연마시의 열을 감소시키고(시키거나) 윤활제로서 작용할 수 있다. 액체는 살균제, 소포제 등과 같은 소량의 첨가제를 함유할 수 있다.
본 발명에 따른 연마 입자는 알루미늄 금속, 탄소 강, 마일드 강 (mild steel), 도구 강 (tool steel), 스테인레스 강, 경질화된 강, 티탄, 유리, 세라믹, 목재, 목재-유사 물질, 페인트, 페인트칠한 표면, 유기 피복된 표면 등과 같은 작업편을 연마하는 데 사용될 수 있다. 연마 동안에 가해지는 힘은 전형적으로 약 1 내지 약 100 kg의 범위이다.
본 발명에 따른 무정질 물질 및(또는) 유리-세라믹의 몇가지 실시양태를 이용하는 다른 예로는 고체 상태의 배터리, 고체 산화물 연료 전지 및 기타 전기화학 장치 등의 용도에 있어서의 고체 전해질; 방사성 폐기물 및 잔여 액티나이드를 위한 호스트 (host); 산화 촉매; 산소 모니터링 센서; 형광 센터를 위한 호스트; 내구성이 있는 IR 투과 창문 소재 및 방호구 (armor)로서 사용하는 것 등이 있다. 예를 들면, 피로클로어 (pyrochlore)형의 희토류 산화지르코늄 (Re2Zr2O7)이 상기에 서 언급한 방사성 폐기물 및 잔여 액티나이드; 산화 촉매; 산소 모니터링 센서 및 형광 센터 용도에 유용한 상으로서 공지되어 있다. 추가로, 예를 들어 Ce-함유 혼합 산화물이 산화 촉매로서 공지되어 있다. 이론에 구애되기를 원치 않지만, Ce-함유 혼합 산화물의 산화환원 성질 및 비교적 높은 산소 저장능은 산화 촉매를 보조한다. 내구성이 있는 IR 투과 창문 소재로서의 용도와 관련하여서는, 습기, 고체 및 액체 입자에 의한 충격, 고온 및 신속한 가열 속도 등을 포함한다.
본 발명의 장점 및 실시양태가 이하의 실시예에 의해 추가로 예시되지만, 이들 실시예에 인용된 특정 물질 및 그의 양, 뿐만 아니라 다른 조건 및 세부 사항은 본 발명을 부당하게 한정하는 것으로 여겨져서는 안된다. 모든 부 및 백분율은 달리 명시되지 않는 한은 중량 기준이다. 달리 언급이 없는 한, 모든 실시예는 유의한 양의 SiO2, B2O3, P2O5, GeO2, TeO 2, As2O3 및 V2O5는 함유하지 않았다.
실시예 1 내지 실시예 20
250 ㎖ 폴리에틸렌 병 (직경 7.3 cm)에 다양한 분말들 (하기 표 1에 나타낸 바와 같음; 원료의 구입처는 하기 표 2에 나열하였음)로 이루어진 50 g 혼합물, 이소프로필 알콜 75 g 및 알루미나 밀링 매질 (실린더형, 높이와 직경은 둘다 0.635 cm, 99.9％ 알루미나, 미국 콜로라도주 골덴에 소재하는 쿠어스 (Coors)에서 구입함) 200 g을 충전하였다. 폴리에틸렌 병 중의 함유물을 16 시간 동안 60 rpm (1 분 당 회전수)로 16 시간 동안 밀링하였다. 밀링 후, 밀링 매질을 제거하고 슬러 리를 가온된 (약 75℃) 유리 ("파이렉스 (PYREX)") 팬 상에 부어 건조시켰다. 건조된 혼합물을 페인트 브러쉬를 이용하여 70-메쉬 체 (구멍 크기 212 ㎛)를 통하여 체질하였다.
분쇄 및 체질 후, 밀링된 공급 입자들의 혼합물을 상기 불꽃 화염에 서서히 (0.5 g/분) 공급하여 입자들을 용융시켰다. 입자들을 용융시켜 용융된 소적을 생성하는데 사용된 불꽃은 미국 펜실바니아주 헬러타운에 소재하는 베들레헴 아파라투스 컴파니 (Bethlehem Apparatus Co.)에서 구입한 베들레헴 벤치 버너 PM2D 모델 B였다. 불꽃을 위한 수소 및 산소의 유량은 다음과 같았다. 내부 고리의 경우, 수소 유량은 8 SLPM (1 분 당 표준 리터)이었고 산소 유량은 3.5 SLPM이었다. 외부 고리의 경우, 수소 유량은 23 SLPM이었고 산소 유량은 12 SLPM이었다. 건조 및 크기조절된 입자들을 수소/산소 불꽃 화염에 서서히 (0.5 g/분) 공급하여 입자들을 용융시키고, 연속적으로 순환되는 냉각수가 들어있는 19 ℓ (5 갤런) 실린더형 용기 (직경 30 cm, 높이 34 cm)로 옮겨 용융된 소적들을 신속하게 급냉시켰다. 화염과 물의 접촉 각도는 약 45°였으며, 버너에서 수면까지의 화염 길이는 약 18 cm (센티미터)였다. 용융 및 급냉시킨 생성 입자들을 수거하여 110℃에서 건조시켰다. 입자들의 형상은 구형이었고, 그 크기는 수 ㎛ (즉, 미크론) 내지 250 ㎛까지 다양하였다.
생성된 화염-형성된 비드로부터의 무정질 수율 백분율은 -100+120 메쉬 크기 분획 (즉, 구멍 크기가 150 ㎛인 체와 125 ㎛인 체로 수거된 분획)을 이용하여 계산하였다. 측정은 다음과 같은 방식으로 수행하였다. 비드의 단일 층을 유리 슬 라이드 상에 폈다. 비드를 광학 현미경으로 관찰했다. 광학 현미경 접안렌즈의 가는 십자선을 지침으로 이용하여, 직선으로 놓인 비드를 그들의 광학적 투명도에 따라 무정질 또는 결정질로 계수했다. 총 500 개의 비드를 계수하고, 무정질 비드의 양을 계수된 비드의 총 수로 나누어 무정질 수율 백분율을 결정했다.
실시예 12 내지 실시예 20에서 제조한 물질들은 육안 검사시에 무정질인 것으로 결정되었으나, 상기 절차에 따른 정량 분석은 수행하지 않았다. 전형적으로, 무정질 물질은 결정 경계와 같은 광 산란 중심이 없기 때문에 주로 투명한 것이 전형적이지만, 결정질 입자는 결정질 구조를 나타내며 광 산란 효과로 인하여 불투명했다.
하기한 시차열분석 (DTA)을 통해 상 조성 (유리질/무정질/결정질)을 결정하였다. 물질에서 상응하는 DTA 기록이 발열성 결정화 현상 (Tx)을 가지면 그 물질을 무정질로 분류하였다. 동일한 기록이 Tx 미만의 온도에서 흡열 현상 (Tg)을 가지면, 그 물질은 유리 상으로 구성된 것으로 간주하였다. 물질의 DTA 기록이 이러한 현상을 갖지 않는 경우, 이는 결정질 상을 갖는 것으로 간주하였다.
시차열분석 (DTA)은 다음 방법을 이용하여 수행하였다. DTA 작업은 -140+170 메쉬 크기 분획 (즉, 구멍 크기가 105 ㎛인 체와 90 ㎛인 체로 수거된 분획)을 이용하여 수행하였다 (독일 셀브에 소재하는 넷쯔쉬 인스트루먼츠가 상표명 "넷쯔쉬 STA 409 DTA/TGA"로 시판하는 기기를 이용함). 100 ㎕ Al2O3 샘플 홀더에 넣은 각각의 체질한 샘플의 양은 약 400 mg이었다. 각 샘플을 정체된 공기 중에서 실온 (약 25℃)에서 1100℃까지 10℃/분의 속도로 가열하였다.
도 4에서, 선 (123)은 실시예 1의 물질에 대해 도시한 DTA 데이터이다. 도 4의 선 (123)에서 물질은 872℃ 부근의 온도에서 선 (123)의 하향 변화로 입증되는 흡열 현상을 나타내었다. 이 현상은 유리 물질의 유리 전이 (Tg)로 인한 것이라고 여겨졌다. 약 958℃에서, 선 (123)의 날카로운 피크에 의해 입증되듯이 발열 현상이 관찰되었다. 이 현상은 물질의 결정화 (Tx)로 인한 것이라고 여겨졌다. 실시예 15 내지 20을 제외한 다른 실시예에 대한 이들 Tg 및 Tx 값을 하기 표 1에 보고하였다.
Figure 112004004313537-pct00001
Figure 112004004313537-pct00002
Figure 112004004313537-pct00003
Figure 112004004313537-pct00004
Figure 112004004313537-pct00005
Figure 112004004313537-pct00006
원료 구입처
알루미나 입자 (Al2O3) 미국 아칸소주 보크사이트에 소재하는 알코아 인더스트리얼 케미칼스 (Alcoa Industrial Chemicals)가 상표명 "Al6SG"로 시판하는 것을 구입함
알루미늄 입자 (Al) 미국 매사추세츠주 와드 힐에 소재하는 알파 애사르 (Alfa Aesar)에서 구입함
산화세륨 입자 프랑스에 소재하는 론느-뿔랑 (Rhone-Poulence)에서 구입함
산화가돌리늄 입자 미국 캘리포니아주 마운틴 패스에 소재하는 몰리코프 인크. (Molycorp Inc.)에서 구입함
산화란탄 입자 (La2O3) 미국 캘리포니아주 마운틴 패스에 소재하는 몰리코프 인크.에서 구입하여, 700℃에서 6 시간 동안 소성시킨 후, 배치 혼합하였음
마그네슘 입자 (Mg) 미국 매사추세츠주 와드 힐에 소재하는 알파 애사르에서 구입함
산화마그네슘 입자 (MgO) 영국 풀에 소재하는 비디에이치 케미칼스 엘티디 (BDH Chemicals Ltd)에서 구입함
산화티탄 입자 (TiO2) 미국 조지아주 사바나에 소재하는 케미라 (Kemira)가 상표명 "우니탄 (Unitane) 0-110"으로 시판하는 것을 구입함
산화이트륨 입자 (Y2O3) 미국 매사추세츠주 뉴튼에 소재하는 에이치.씨. 스타르크 (H.C. Stark)에서 구입함
산화지르코늄 입자 (ZrO2) 미국 조지아주 마리에타에 소재하는 지르코니아 세일즈, 인크. (Zirconia Sales, Inc.)가 상표명 "DK-2"로 시판하는 것을 구입함
플루오르화칼슘 입자 (CaF2) 미국 위스콘신주 밀워키에 소재하는 알드리치 (Aldrich)에서 구입함
산화인 입자 (P2O5) 미국 위스콘신주 밀워키에 소재하는 알드리치에서 구입함
산화니오븀 입자 (Nb2O5) 미국 위스콘신주 밀워키에 소재하는 알드리치에서 구입함
산화탄탈 입자 (Ta2O5) 미국 위스콘신주 밀워키에 소재하는 알드리치에서 구입함
산화스트론튬 입자 (SrO) 미국 위스콘신주 밀워키에 소재하는 알드리치에서 구입함
산화망간 입자 (Mn2O3) 미국 위스콘신주 밀워키에 소재하는 알드리치에서 구입함
산화철 입자 (Fe2O3) 미국 위스콘신주 밀워키에 소재하는 알드리치에서 구입함
산화크롬 입자 (Cr2O3) 미국 위스콘신주 밀워키에 소재하는 알드리치에서 구입함

실시예 21
실시예 1의 비드 약 25 g을 흑연 다이에 넣고, 단일축 압축 장치 (미국 캘리포니아주 브레아에 소재하는 써멀 테크놀로지 인크. (Thermal Technology Inc.)가 상표명 "HP-50"로 시판하는 것을 구입함)을 사용하여 고온 압축하였다. 고온 압축은 아르곤 분위기 하에서 13.8 MPa (메가파스칼) (1 인치2 당 2000 파운드, 즉 2 ksi)의 압력으로 수행하였다. 고온 압축 노를 25℃/분의 속도로 970℃까지 상승시켰다. 투명한 벌크 물질로 이루어진 직경 3.4 cm 및 두께 0.6 cm의 디스크가 생성되었다. 실시예 1 내지 실시예 20에 기재된 바와 같이 DTA 기록을 수행하였다. 기록은 885℃ 부근의 온도에서 기록 곡선의 하향 변화로 입증되는 흡열 현상을 나타내었다. 이 현상은 유리 물질의 유리 전이 (Tg)로 인한 것이라고 여겨졌다. 동일 물질이 928℃ 부근의 온도에서 기록에서의 날카로운 피크로 입증되는 발열 현상을 나타내었다. 이 현상은 물질의 결정화 (Tx)로 인한 것이라고 여겨졌다.
실시예 22
250 ㎖ 폴리에틸렌 병 (직경 7.3 cm)에 알루미나 입자 (미국 아칸소주 보크사이트에 소재하는 알코아 인더스트리얼 케미칼스가 상표명 "Al6SG"로 시판하는 것을 구입함) 19.3 g, 산화지르코늄 입자 (미국 조지아주 마리에타에 소재하는 지르코니아 세일즈, 인크.가 상표명 "DK-2"로 시판하는 것을 구입함) 9.5 g 및 산화란탄 입자 (미국 캘리포니아주 마운틴 패스에 소재하는 몰리코프 인크.에서 구입함) 21.2 g으로 이루어진 50 g 혼합물, 이소프로필 알콜 75 g 및 알루미나 밀링 매질 (실린더형, 높이와 직경은 둘다 0.635 cm, 99.9％ 알루미나, 미국 콜로라도주 골덴에 소재하는 쿠어스에서 구입함) 200 g을 충전하였다. 폴리에틸렌 병 중의 함유물을 60 rpm에서 16 시간 동안 밀링하였다. 출발 물질 중 알루미나:지르코니아의 비율은 2:1이었고, 알루미나 및 지르코니아는 총합하여 약 58 중량％를 구성하였다. 밀링 후, 밀링 매질을 제거하고 슬러리를 가온된 (약 75℃) 유리 ("파이렉스") 팬 상에 부어 건조시켰다. 건조된 혼합물을 페인트 브러쉬를 이용하여 70-메쉬 체 (구멍 크기 212 ㎛)를 통하여 체질하였다.
분쇄 및 체질 후, 밀링된 공급 입자들의 혼합물을 수소/산소 불꽃 화염에 서서히 (0.5 g/분) 공급하여 입자들을 용융시켰다. 입자들을 용융시켜 용융된 소적을 생성하는데 사용된 불꽃은 미국 펜실바니아주 헬러타운에 소재하는 베들레헴 아파라투스 컴파니에서 구입한 베들레헴 벤치 버너 PM2D 모델 B였다. 불꽃을 위한 수소 및 산소의 유량은 다음과 같았다. 내부 고리의 경우, 수소 유량은 8 SLPM이었고 산소 유량은 3.5 SLPM이었다. 외부 고리의 경우, 수소 유량은 23 SLPM이었고 산소 유량은 12 SLPM이었다. 건조 및 크기조절된 입자들을 불꽃 화염에 서서히 (0.5 g/분) 공급하여 입자들을 용융시키고, 표면상에 냉수가 흐르는 (약 8 L/분) 경사진 스테인레스 강 표면 (폭 약 51 cm (20 인치); 경사각 45°)으로 옮겨 용융된 소적들을 신속하게 급냉시켰다. 용융 및 급냉시킨 생성 비드들을 수거하여 110℃에서 건조시켰다. 입자들의 형상은 구형이었고 그 크기는 수 ㎛ (즉, 미크론) 내지 250 ㎛까지 다양하였다.
이어서, 직경이 125 ㎛ 미만인 화염-형성된 비드를 다음과 같이 플라즈마 건에 통과시켜 스테인레스 강 기재에 침착시켰다.
304 스테인레스 강 기재 (76.2 mm (밀리미터) ×25.4 mm ×3.175 mm 치수) 4개 및 1080 탄소 강 기재 (76.2 mm ×25.4 mm ×1.15 mm) 2개를 다음과 같은 방식으로 제조하였다. 피복할 면에 분사(噴砂)를 수행하고, 초음파 조에서 세척한 후, 이소프로필 알콜로 깨끗이 닦았다. 스테인레스 강 4개 및 1080 탄소 강 기재 1개 를 플라즈마 건 (미국 뉴햄프셔주 콩코드에 소재하는 프락스에어 서피스 테크놀로지스 (Praxair Surface Technologies)가 상표명 "프락스에어 (Praxair) SG-100 플라즈마 건"으로 시판하는 것을 구입함) 노즐의 전방 약 10 cm에 위치시켰다. 두번째의 1080 탄소 강은 플라즈마 건 노즐의 전방 18 cm에 위치시켰다. 플라즈마 건의 노즐의 전방 18 cm의 거리의 두번째 1080 탄소 강 샘플 상에 형성된 피복물은 더이상 특성화하지 않았다.
플라즈마 장치의 전력 등급은 40 kW이었다. 플라즈마 건은 아르곤 (50 파운드/m2 (psi), 0.3 MPa)과 보조 가스로서의 헬륨 (150 psi, 1 MPa)이었다. 프락스에어 모델 1270 컴퓨터화 분말 공급기 (미국 뉴햄프셔주 콩코드에 소재하는 프락스에어 서피스 테크놀로지스에서 구입함)에서 아르곤을 운반 가스로 사용하여 비드를 플라즈마 건에 통과시켰다. 침착 동안, 전압 약 40 V 및 전류 약 900 A를 적용하고, 플라즈마 건을 좌우 상하로 회전시켜 기재를 균일하게 피복하였다. 원하는 두께가 얻어졌을 때, 플라즈마 분무기의 전원을 차단하고, 샘플을 회수하였다. 1080 탄소 강 기재를 구부려 피복물을 기재로부터 떼어냄으로써 따로 분리된 (free-standing) 벌크 물질을 얻었다. 광학 현미경을 사용하여 측정한 침착된 물질의 z 치수 (두께)는 약 1350 ㎛이었다.
하기한 시차열분석 (DTA)을 통해 상 조성 (유리질/무정질/결정질)을 측정하였다. 물질에서 상응하는 DTA 기록이 발열성 결정화 현상 (Tx)을 가지면 그 물질을 무정질로 분류하였다. 또한, 동일한 기록이 Tx 미만의 온도에서 흡열 현상 (Tg)을 가지면, 그 물질은 유리 상으로 구성된 것으로 간주하였다. 물질의 DTA 기록이 이러한 현상을 갖지 않는 경우, 이는 결정질 상을 갖는 것으로 간주하였다.
시차열분석 (DTA)은 다음 방법을 이용하여 수행하였다. DTA 작업은 -140+170 메쉬 크기 분획 (즉, 구멍 크기가 105 ㎛인 체와 90 ㎛인 체로 수거된 분획)을 이용하여 수행하였다 (독일 셀브에 소재하는 넷쯔쉬 인스트루먼츠가 상표명 "넷쯔쉬 STA 409 DTA/TGA"로 시판하는 기기를 이용함). 100 ㎕ Al2O3 샘플 홀더에 넣은 각각의 체질한 샘플의 양은 약 400 mg이었다. 각 샘플을 정체된 공기 중에서 실온 (약 25℃)에서 1100℃까지 10℃/분의 속도로 가열하였다.
(304 스테인레스 강 기재상의) 피복된 물질은 880℃ 부근의 온도에서 기록 곡선의 하향 변화로 입증되는 흡열 현상을 나타냈다. 이 현상은 유리 물질의 유리 전이 (Tg)로 인한 것이라고 여겨졌다. 동일 물질이 931℃ 부근의 온도에서 기록의 날카로운 피크로 입증되는 발열 현상을 나타내었다. 이 현상은 물질의 결정화 (Tx)로 인한 것이라고 여겨졌다. 즉, DTA 기록으로 측정한 (304 스테인레스 강 기재상의) 피복된 물질 및 따로 분리된 벌크 물질은 유리질이었다.
이어서, 유리질의 따로 분리된 벌크 물질의 일부를 1300℃에서 48 시간 동안 열처리하였다. 분말 X-선 회절, XRD (1.54050 Å의 구리 K α1 방사를 이용하는 X선 회절기 (미국 뉴저지주 마와에 소재하는 필립스가 상표명 "필립스 XRG 3100"으로 시판하는 것을 구입함)를 사용하여 존재하는 상을 결정하였다. 상은 결정화된 물질의 XRD 기록에 존재하는 피크를 국제 회절 데이터 센터가 발행한 JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards)에 제공된 결정질 상의 XRD 패턴과 비교하여 측정하였다. 생성된 결정질 물질은 LaAlO3, ZrO2 (입방형, 정방정계), LaAl11O18) 및 전이 Al2O3 상을 포함하였다.
따로 분리된 유리질 벌크 물질의 또다른 부분을 전기 가열 노 (미국 뉴저지주 블룸필드에 소재하는 씨엠 퍼니시즈 (CM Furnaces)가 상표명 "래피드 템프 퍼니스 (Rapid Temp Furnace)"로 시판하는 것을 구입함)에서 1300℃로 1 시간 동안 결정화시켰다. 해머를 이용하여 결정화된 피복물을 -30+35 메쉬 크기 (즉, 구멍 크기가 600 ㎛인 체와 500 ㎛인 체로 수거된 분획)로 분쇄하였다. 음파 조 (미국 일리노이주 버논 힐즈에 소재하는 콜-파머 (Cole-Parmer)가 상표명 "8891"으로 시판하는 것을 구입함)에서 15 분 동안 세척함으로써 입자에서 부스러기를 제거하고, 100℃에서 건조시키고, 수 개의 입자를 탄소 테이프를 사용하여 금속 실린더 (직경 3 cm 및 높이 2 cm)에 올려 놓았다. 올려 놓은 샘플을 금-팔라듐의 박층으로 스퍼터 피복하고, JEOL 주사 전자 현미경 (SEM) (모델 JSM 840A)을 사용하여 검사하였다. 파쇄면은 거칠었고, 200 nm 초과의 조대한 결정은 SEM에서 관찰되지 않았다 (도 5).
실시예 23
알루미나 입자 (미국 아칸소주 보크사이트에 소재하는 알코아 인더스트리얼 케미칼스가 상표명 "Al6SG"로 시판하는 것을 구입함) 21.5 g, 산화지르코늄 입자 (미국 조지아주 마리에타에 소재하는 지르코니아 세일즈, 인크.가 상표명 "DK-2"로 시판하는 것을 구입함) 9 g 및 산화세륨 입자 (프랑스에 소재하는 론느-뿔랑에서 구입함) 19.5 g으로 이루어진 50 g 혼합물을 사용하여 실시예 22에 기재된 바와 같이 공급 입자를 제조하였다. 출발 물질 중 알루미나:지르코니아의 비율은 2.4:1이었고, 알루미나 및 지르코니아는 총합하여 약 61 중량％를 구성하였다. 실시예 22에 기재된 바와 같이, 공급 입자를 비드 (크기가 수 ㎛에서 250 ㎛까지 다양함)로 화염-형성하였다. 이어서, 직경이 180 ㎛ 내지 250 ㎛인 화염-형성된 비드를 실시예 22에 기재된 바와 같이 플라즈마 건에 통과시켜 스테인레스 강 및 탄소 강 기재에 침착시켰다.
1080 탄소 강 기재를 구부려 피복물을 기재로부터 떼어냄으로써 따로 분리된 벌크 물질을 얻었다. 생성된 벌크 물질은 광학 현미경으로 측정한 z 치수 (두께)가 약 700 ㎛이었다. 또한, 미세구조를 광학 현미경으로 관찰하였다. 물질은 일반적으로 구형 및 비스듬한 결정질 입자로 이루어졌으며, 이것은 투명하고 주로 무정질인 매트릭스 내에서 불투명하였다. 무정질 물질은 전형적으로 결정 경계와 같은 광 산란 중심이 없기 때문에 투명한 반면, 결정질 입자는 결정질 구조를 나타내고 광 산란 효과로 인해 불투명했다. 실시예 22에 기재된 바와 같은 분말 XRD 분석으로 측정한 결정질 상은 Zr0.4Ce0.6O2 (입방형) 및 전이 Al2O 3로 이루어졌다.
직경 125 ㎛ 미만의 화염-형성된 비드를 사용하여 두번째 침착 실험을 수행하였다. 생성된 피복물은 광학 현미경으로 측정한 z 치수 (두께)가 약 1100 ㎛이었다. 또한, 미세구조를 광학 현미경으로 관찰하였다. 이 물질은 직경이 180 ㎛ 내지 250 ㎛인 비드로부터 형성된 물질과 특징이 유사하였다 (즉, 주로 무정질인 매트릭스 내부의 일반적으로 구형이고 경사진 결정질 입자로 이루어짐). 실시예 22에 기재된 바와 같은 XRD 분석으로 측정한 결정질 상은 Zr0.4Ce0.6O2 (입방형) 및 전이 Al2O3로 이루어졌다.
본 실시예의 분무된 그대로의 (as-sprayed) 물질의 평균 경도를 다음과 같이 측정하였다. 물질의 단편을 받침 수지 (미국 일리노이주 레이크 블러프에 소재하는 뷜러가 상표명 "트랜스옵틱 파우더"로 시판하는 것을 구입함)에 올려 놓았다. 생성된 수지 실린더는 직경이 약 2.5 cm이고 높이가 약 1.9 cm이었다. 올려 놓은 단편은 마멸기 (미국 일리노이주 레이크 블러프에 소재하는 뷜러가 상표명 "에포메트 3"으로 시판하는 것을 구입함)를 사용하는 통상적인 마멸 기술을 사용하여 제조하였다. 다이아몬드 휠을 사용하여 샘플을 약 3 분 동안 마멸시킨 후, 45 ㎛, 30 ㎛, 15 ㎛, 9 ㎛, 3 ㎛ 및 1 ㎛ 슬러리로 각각 5 분 동안 마멸시켰다. 미세경도 측정은 빅커스 압자가 장착되어 있는 통상적인 미세경도 시험기 (일본 도꾜에 소재하는 미쯔또요 가부시키가이샤가 상표명 "미쯔또요 MVK-VL"로 시판하는 것을 구입함)를 사용하여 100 g 압자 하중에서 수행하였다. 미세경도 측정은 문헌 [ASTM Test Method E384 Test Methods for Microphardness of Materials (1991)]에 언급된 지침에 따라 수행하였다. 본 실시예의 물질의 평균 미세경도 (20회 측정치의 평균)는 15 GPa (기가파스칼)이었다.
실시예 24
알루미나 입자 (미국 아칸소주 보크사이트에 소재하는 알코아 인더스트리얼 케미칼스가 상표명 "Al6SG"로 시판하는 것을 구입함) 27.9 g, 산화지르코늄 입자 (미국 조지아주 마리에타에 소재하는 지르코니아 세일즈, 인크.가 상표명 "DK-2"로 시판하는 것을 구입함) 7.8 g 및 산화이트륨 입자 (미국 매사추세츠주 뉴튼에 소재하는 에이치.씨. 스타르크에서 구입함) 14.3 g으로 이루어진 50 g 혼합물을 사용하여 실시예 22에 기재된 바와 같이 공급 입자를 제조하였다. 출발 물질 중 알루미나:지르코니아의 비율은 3.5:1이었고, 알루미나 및 지르코니아는 총합하여 약 72 중량％를 구성하였다. 이어서, 공급 입자를 30-메쉬 체 (구멍 크기 600 ㎛)를 통해 체질하고 전기 가열 노 (미국 뉴저지주 블룸필드에 소재하는 씨엠 퍼니시즈가 상표명 "래피드 템프 퍼니스"로 시판하는 것을 구입함)에서 1400℃로 2 시간 동안 열처리하였다. 열처리된 입자를 추가로 체질하여 직경이 125 ㎛ 내지 180 ㎛인 입자들을 분리해낸 후, 이것을 실시예 22에 기재된 바와 같이 플라즈마 건에 통과시켜 스테인레스 강 기재에 침착시켰다.
1080 탄소 강 기재를 구부려 피복물을 기재로부터 떼어냄으로써 따로 분리된 벌크 물질을 얻었다. 생성된 벌크 물질은 광학 현미경으로 측정한 z 치수 (두께)가 약 700 ㎛이었다. 또한, 미세구조를 광학 현미경으로 관찰하였다. 물질은 주로 투명하고 무정질인 매트릭스 내부의 결정질 불투명 입자 (그의 본래 형상을 유지함)로 이루어졌다. 실시예 22에 기재된 바와 같은 분말 XRD 분석으로 측정한 결정질 상은 Al5Y3O12 및 Y0.15Zr0.85O1.93으로 이루어졌다.
따로 분리된 벌크 물질의 또다른 부분을 1300℃에서 1 시간 동안 결정화시키고, 실시예 22에 기재된 바와 같이 파쇄면을 금-팔라듐의 박층으로 스퍼터 피복하고 JEOL SEM (모델 JSM 840A)을 사용하여 관찰하였다. 파쇄면은 거칠었고, 200 nm 초과의 조대한 결정은 관찰되지 않았다 (도 6).
직경 125 ㎛ 미만의 열처리된 입자를 사용하여 두번째 침착 실험을 수행하였다. 생성된 피복물은 z 치수 (두께)가 약 1500 ㎛이었다. 또한, 미세구조를 광학 현미경으로 관찰하였다. 이 물질은 직경이 180 ㎛ 내지 250 ㎛인 비드로부터 형성된 물질과 특징이 유사하였다 (즉, 주로 투명하고 무정질인 매트릭스 내부의 일반적으로 불투명하고 결정질인 입자 (그의 본래 형상을 유지함)로 이루어짐). 실시예 22에 기재된 바와 같은 XRD 분석으로 측정한 결정질 상은 Al5Y3O12 및 Y0.15Zr0.85O1.93으로 이루어졌다.
실시예 25
실시예 22 내지 실시예 24에서 제조된 공급 입자를 사용하여, 이들 세 실시예의 다양한 층으로 이루어진 두꺼운 피복물을 플라즈마 분무하였다. 제1층은 실시예 23에 기재된 바와 같이 피복하였고, 제2층은 실시예 22에 기재된 바와 같이 피복하였고, 제3층은 실시예 24에 기재된 바와 같이 피복하였다.
피복 전에 기재에 분사하지 않았으며, 이 때문에 기재를 손으로 쉽게 떼어내어 약 75 mm ×25 mm ×7.5 mm의 따로 분리된 벌크 물질을 얻었다. 다이아몬드 톱을 사용하여, 각 층을 통과하는 단편을 물질에서 잘라내었다. 잘라낸 조각을 받침 수지 (미국 일리노이주 레이크 블러프에 소재하는 뷜러가 상표명 "트랜스옵틱 파우더"로 시판하는 것을 구입함)에 여러 층들이 보이도록 올려 놓았다. 생성된 수지 실린더는 직경이 약 2.5 cm이고 높이가 약 1.9 cm이었다. 올려 놓은 단편은 마멸기 (미국 일리노이주 레이크 블러프에 소재하는 뷜러가 상표명 "에포메트 3"으로 시판하는 것을 구입함)를 사용하는 통상적인 마멸 기술을 사용하여 제조하였다. 다이아몬드 휠을 사용하여 샘플을 약 3 분 동안 마멸시킨 후, 45 ㎛, 30 ㎛, 15 ㎛, 9 ㎛, 3 ㎛ 및 1 ㎛ 슬러리로 각각 5 분 동안 마멸시켰다.
제1층은 광학 현미경을 사용하여 측정한 z 치수 (두께)가 약 2.5 mm이었다. 미세구조를 광학 현미경으로 관찰하였다. 이 물질은 실시예 23의 물질과 특징이 유사하였다 (즉, 주로 투명하고 무정질인 매트릭스 내부의 일반적으로 구형이고 불투명한 결정질 입자로 이루어졌음). 제2층은 광학 현미경으로 측정한 z 치수 (두께)가 약 2 mm이었다. 또한, 미세구조를 광학 현미경을 사용하여 관찰하였다. 이 물질은 실시예 22의 물질과 특징이 유사하였다 (즉, 투명하여 무정질임을 나타내었음). 제3층은 광학 현미경으로 측정한 z 치수 (두께)가 약 3 mm이었다. 또한, 미세구조를 광학 현미경을 사용하여 관찰하였다. 이 물질은 실시예 24의 물질과 특징이 유사하였다 (즉, 주로 투명하고 무정질인 매트릭스 내부의 일반적으로 불투명하고 결정질인 입자 (그의 본래 형상을 유지함)로 이루어졌음).
실시예 26
실시예 21에서 제조된 강화 물질을 "칩멍크 (Chipmunk)" 자 분쇄기 (미국 캘리포니아주 버뱅크에 소재하는 비코 인크. (BICO Inc.)에서 제조한 타입 (Type) VD)를 사용하여 연마 입자로 분쇄하고 분류하여 -30+35 메쉬 분획 (즉, 구멍 크기가 600 ㎛인 체와 500 ㎛인 체로 수거된 분획) 및 -35+40 메쉬 분획 (즉, 구멍 크기가 500 ㎛인 체와 425 ㎛인 체로 수거된 분획)을 얻었다. 이 두 메쉬 분획을 합하여 50/50 블렌드를 제공했다.
입자의 평균 종횡비는 제이쓰 (Zeiss) 상 분석 기기 (제이쓰 스테미 (Zeiss Stemi) SV11 현미경 및 컴퓨터에 설치된 소프트웨어) 및 비디오 카메라 (3 CCD 카메라, 모델 330 [미국 인디애나주 미시건 시티에 소재하는 데이지 엠티아이 인크. (Dage MTI Inc.)에서 구입])를 사용하여 측정하였다. 측정된 종횡비는 1.86이었다.
입자의 밀도는 미국 조지아주 노르크로쓰에 소재하는 마이크로메리틱스 (Micromeritics)의 가스 피코미터 (gas pychometer)인 아큐픽 (AccuPyc) 1330을 사용하여 측정하였다. 측정된 밀도는 4.65 g/cc이었다.
분쇄된 입자를 전기 가열 노 (미국 뉴저지주 블룸필드에 소재하는 씨엠 퍼니시즈가 상표명 "래피드 템프 퍼니스"로 시판하는 것을 구입함)에서 1300℃로 45 분 동안 열처리하였다. 생성된 결정질 입자는 그의 본래의 분쇄된 형상을 유지하였다. 입자의 밀도는 5.24 g/cc이었다. 실시예 22에 기재된 바와 같은 XRD 분석으로 측정한 결정화된 유리 세라믹 상은 LaAlO3, 입방형/정방정계의 ZrO2, LaAl11 O18, α-Al2O3, 단사정계의 ZrO2였고, 소량의 무정질 상으로 구성되었다.
실시예 27 및 실시예 28
250 ㎖ 폴리에틸렌 병 (직경 7.3 cm)에 알루미나 입자 (미국 아칸소주 보크사이트에 소재하는 알코아 인더스트리얼 케미칼스가 상표명 "Al6SG"로 시판하는 것을 구입함) 19.3 g, 산화지르코늄 입자 (미국 조지아주 마리에타에 소재하는 지르코니아 세일즈, 인크.가 상표명 "DK-2"로 시판하는 것을 구입함) 9.5 g, 산화란탄 입자 (미국 캘리포니아주 마운틴 패스에 소재하는 몰리코프 인크.에서 구입함) 21.2 g, 이소프로필 알콜 75 g 및 알루미나 밀링 매질 (실린더형, 높이와 직경은 둘다 0.635 cm, 99.9％ 알루미나, 미국 콜로라도주 골덴에 소재하는 쿠어스에서 구입함) 200 g을 충전하였다. 폴리에틸렌 병 중의 함유물을 60 rpm에서 16 시간 동안 밀링하였다. 밀링 후, 밀링 매질을 제거하고 슬러리를 가온된 (약 75℃) 유리 ("파이렉스") 팬 상에 부어 3 분 이내에 건조시켰다. 건조된 혼합물을 페인트 브러쉬를 이용하여 14-메쉬 체 (구멍 크기 1400 ㎛)를 통하여 체질하고, 1400℃에서 공기 중에서 2 시간 동안 예비소결시켰다.
흑연 막대 (길이 약 60 cm, 직경 15 mm)의 말단부에 홈 (직경 약 13 mm, 깊이 약 8 cm)을 냈다. 예비소결시킨 입자 약 20 g을 상기 말단부 홈에 넣었다. 흑연 막대의 말단부 홈을 저항 가열 노 (미국 캘리포니아주 산타 바바라에 소재하는 애스트로 인더스트리즈 (Astro Industries)에서 구입함)의 고열 대역에 넣었다. 노는 이것을 내부 직경이 약 18 mm인 흑연 튜브가 있는 튜브 노 안으로 전환하도록 개조되었다. 고열 대역은 2000℃의 온도로 유지하였고, 노는 약 30°기울어져 있어 용융물이 막대 밖으로 흘러내리지 않게 하였다. 확실히 균일하게 용융되도록 하기 위해 상기 막대 말단부를 고열 대역에서 10 분 동안 유지시켰다. 10 분 후, 막대를 노에서 신속하게 꺼내고 기울여 용융물을 급냉 표면상에 부었다.
실시예 27에서는, 급냉 표면이 2개의 대향 스테인레스 강 판이었다. 17.8 cm ×5 cm ×2.5 cm의 판들을 약 1 mm 틈을 두고 긴 모서리들이 서로 평행하도록 위치시켰다. 용융물을 틈 안으로 부어 z 치수 (두께)가 약 1 mm인 판으로 신속하게 고체화시켰다. 급냉된 용융물은 주로 투명하고 무정질이었고, 실시예 1 내지 실시예 20에 기재된 바와 같이 얻은 DTA 기록으로 측정했을 때, 885℃의 유리 전이 온도 (Tg) 및 930℃의 결정화 온도 (Tx)를 나타내었다.
실시예 28에서는, 급냉 표면이 2개의 역회전 강철 롤러였다. 롤러는 직경이 5 cm이었고, 전기 모터에 의해 80 rpm으로 구동되었다. 롤러 사이의 틈은 약 0.8 mm였다. 용융물을 틈에 부었고, 롤러에 의해 x 및 y 치수가 상당하고, z 치수 (두께)가 0.8 mm인 판으로 신속하게 고체화시켰다. 급냉된 용융물은 주로 투명하고 무정질이었고, 실시예 1 내지 실시예 20에 기재된 바와 같이 얻은 DTA 기록으로 측정했을 때, 885℃의 유리 전이 온도 (Tg) 및 930℃의 결정화 온도 (Tx)를 나타내었다.
실시예 29
실시예 21에서 제조된 벌크 무정질/유리 물질을 "칩멍크" 자 분쇄기 (미국 캘리포니아주 버뱅크에 소재하는 비코 인크.에서 제조한 타입 VD)를 사용하여 연마 입자로 분쇄하고 분류하여 -30+35 메쉬 분획 (즉, 구멍 크기가 600 ㎛인 체와 500 ㎛인 체로 수거된 분획) 및 -35+40 메쉬 분획 (즉, 구멍 크기가 500 ㎛인 체와 425 ㎛인 체로 수거된 분획)을 얻었다. 이 두 메쉬 분획을 합하여 50/50 블렌드를 제공했다.
실시예 26에 기재된 방법을 사용하여 종횡비를 측정했다. 측정된 종횡비는 1.83이었다.
실시예 26에 기재된 방법을 사용하여 입자의 밀도를 측정하였다. 측정된 밀도는 4.61 g/cc였다.
실시예 30 및 실시예 31
고온 압축된 디스크를 실시예 21에 기재된 바와 같이 제조하고, 다이아몬드 톱 (미국 일리노이주 레이크 블러프에 소재하는 뷜러가 "이소메트 1000 (ISOMET 1000)"으로 시판하는 것을 구입함)을 사용하여 2개의 막대 (약 2 cm ×0.5 cm ×0.5 cm)로 절단하였다. 두 막대 모두를 전기 가열 노 (미국 뉴저지주 블룸필드에 소재하는 씨엠 퍼니시즈가 상표명 "래피드 템프 퍼니스"로 시판하는 것을 구입함)에서 800℃로 2 시간 동안 어닐링하였다. 어닐링 공정 동안 결정화는 일어나지 않았다.
실시예 30에서는, 해머를 사용하여 하나의 막대를 -30+35 메쉬 크기 (즉, 구멍 크기가 600 ㎛인 체와 500 ㎛인 체로 수거된 분획)의 입자로 분쇄하였다. 분쇄된 입자를 전기 가열 노 (미국 뉴저지주 블룸필드에 소재하는 씨엠 퍼니시즈가 상표명 "래피드 템프 퍼니스"로 시판하는 것을 구입함)에서 1300℃로 1 시간 동안 열처리하여 결정화시켰다. 음파 조 (미국 일리노이주 버논 힐즈에 소재하는 콜-파머가 상표명 "8891"으로 시판하는 것을 구입함)에서 15 분 동안 세척함으로써 입자에 서 부스러기를 제거하고, 100℃에서 건조시키고, 수 개의 입자를 탄소 테이프를 사용하여 금속 실린더 (직경 3 cm 및 높이 2 cm)상에 올려 놓았다. 올려 놓은 샘플을 금-팔라듐의 박층으로 스퍼터 피복하고, JEOL SEM (모델 JSM 840A)을 사용하여 관찰하였다.
실시예 30의 물질에서는 결정화가 발생한 이후에도 고전적인 유리 파쇄 특성을 관찰할 수 있었다. 도 7에 나타낸 파쇄면은 대부분의 유리 파쇄시에 통상적인 월너 (Wallner) 선의 좋은 예이다. 도 8에 나타낸 파쇄면은 유리 파쇄의 또다른 통상적 특징인 갈라진 금 (hackle)을 나타낸다. 월너 선 및 갈라진 금의 정의는 문헌 [Fundamentals of Inorganic Glasses, Arun K Varshneya, p. 425-27, 1994]에 기재되어 있다.
실시예 30의 물질의 평균 경도를 다음과 같이 측정하였다. 물질의 단편을 받침 수지 (미국 일리노이주 레이크 블러프에 소재하는 뷜러가 상표명 "트랜스옵틱 파우더"로 시판하는 것을 구입함)에 올려 놓았다. 생성된 수지 실린더는 직경이 약 2.5 cm이고 높이가 약 1.9 cm이었다. 올려 놓은 단편은 마멸기 (미국 일리노이주 레이크 블러프에 소재하는 뷜러가 상표명 "에포메트 3"으로 시판하는 것을 구입함)를 사용하는 통상적인 마멸 기술을 사용하여 제조하였다. 다이아몬드 휠을 사용하여 샘플을 약 3 분 동안 마멸시킨 후, 45 ㎛, 30 ㎛, 15 ㎛, 9 ㎛, 3 ㎛ 및 1 ㎛ 슬러리로 각각 5 분 동안 마멸시켰다. 미세경도 측정은 빅커스 압자가 장착되어 있는 통상적인 미세경도 시험기 (일본 도꾜에 소재하는 미쯔또요 가부시키가이샤가 상표명 "미쯔또요 MVK-VL"로 시판하는 것을 구입함)를 사용하여 500 g 압자 하중에서 수행하였다. 미세경도 측정은 문헌 [ASTM Test Method E384 Test Methods for Microphardness of Materials (1991)]에 언급된 지침에 따라 수행하였다. 미세경도는 20회 측정치의 평균이었다. 실시예 30의 평균 미세경도는 16.4 GPa이었다.
실시예 31에서는, 두번째 절반의 막대를 전기 가열 노 (미국 뉴저지주 블룸필드에 소재하는 씨엠 퍼니시즈가 상표명 "래피드 템프 퍼니스"로 시판하는 것을 구입함)에서 1300℃로 1 시간 동안 열처리하였다. 해머를 사용하여, 열처리된 막대를 -30+35 메쉬 크기 (즉, 구멍 크기가 600 ㎛인 체와 500 ㎛인 체로 수거된 분획)의 입자로 분쇄하였다. 상기한 방법을 사용하여 입자를 올려 놓고 관찰하였다.
실시예 30의 물질의 유리-파쇄면과는 대조적으로, 실시예 31의 물질은 다중결정질 물질에서 통상적으로 나타나는 파쇄면을 나타냈다. 도 9에 나타낸 파쇄면은 표면이 거칠었고, 무늬 (feature) 크기는 결정 크기와 유사하여, 전형적인 입내 (transgranular) 파쇄였다.
실시예 32
실시예 4로부터의 비드를 전기 가열 노에서 1300℃로 30 분 동안 열처리하였다. 결정화된 비드를 실시예 30 및 실시예 31에 기재된 바와 같이 올려 놓고 마멸시키고, 금-팔라듐 박층으로 피복하고, JEOL SEM (모델 JSM 840A)를 사용하여 관찰하였다. 도 10은 결정화된 비드로부터 확인된, 미세구조의 전형적인 후방-산란 전자 (BSE) 현미경 사진이다. 결정화된 샘플은 나노결정질이었고, 결정 크기 분포가 매우 좁았으며, 200 nm 초과의 결정은 현미경에서 육안으로 관찰되지 않았다.
평균 결정 크기는 문헌 [ASTM Standard E112-96 "Standard Test Methods for Determining Average Grain Size"]에 따라 선 교차법으로 측정하였다. 샘플을 받침 수지 (미국 일리노이주 레이크 블러프에 소재하는 뷜러가 상표명 "트랜스옵틱 파우더"로 시판하는 것을 구입함)에 올려 놓았다. 생성된 수지 실린더는 직경이 약 2.5 cm이고 높이가 약 1.9 cm이었다. 올려 놓은 단편은 마멸기 (미국 일리노이주 레이크 블러프에 소재하는 뷜러가 상표명 "에포메트 3"으로 시판하는 것을 구입함)를 사용하는 통상적인 마멸 기술을 사용하여 제조하였다. 다이아몬드 휠을 사용하여 샘플을 약 3 분 동안 마멸시킨 후, 45 ㎛, 30 ㎛, 15 ㎛, 9 ㎛, 3 ㎛ 및 1 ㎛ 슬러리로 각각 5 분 동안 마멸시켰다. 올려 놓고 마멸시킨 샘플을 금-팔라듐 박층으로 피복하고, JEOL SEM (모델 JSM 840A)를 사용하여 관찰하였다. 샘플로부터 확인된, 미세구조의 전형적인 후방-산란 전자 (BSE) 현미경 사진을 이용하여 다음과 같이 평균 결정 크기를 측정하였다. 현미경 사진에 무작위로 그은 직선의 단위 길이 당 교차하는 결정의 수 (NL)를 계수하였다. 평균 결정 크기는 다음 수학식을 이용하여 상기 값으로부터 결정하였다:
Figure 112004004313537-pct00007
식 중, NL은 단위 길이 당 교차하는 결정의 수이고, M은 현미경의 배율이다. 선 교차법으로 측정한 샘플 중의 평균 결정 크기는 140 nm이었다.
실시예 33
실시예 21에서 제조된 강화 물질을 전기 가열 노 (미국 뉴저지주 블룸필드에 소재하는 씨엠 퍼니시즈가 상표명 "래피드 템프 퍼니스"로 시판하는 것을 구입함)에서 1300℃로 45 분 동안 열처리하였다. 생성된 결정질 물질을 "칩멍크" 자 분쇄기 (미국 캘리포니아주 버뱅크에 소재하는 비코 인크.에서 제조한 타입 VD)를 사용하여 연마 입자로 분쇄하고 분류하여 -30+35 메쉬 분획 (즉, 구멍 크기가 600 ㎛인 체와 500 ㎛인 체로 수거된 분획) 및 -35+40 메쉬 분획 (즉, 구멍 크기가 500 ㎛인 체와 425 ㎛인 체로 수거된 분획)을 얻었다. 이 두 메쉬 분획을 합하여 50/50 블렌드를 제공했다.
실시예 26에 기재된 방법을 사용하여 종횡비를 측정했다. 측정된 종횡비는 1.84이었다.
실시예 26에 기재된 방법을 사용하여 입자의 밀도를 측정하였다. 측정된 밀도는 5.19 g/cc였다.
실시예 34
실시예 1에 기재된 바와 같이 제조된 비드 약 150 g을 5 cm ×5 cm ×5 cm 강철 캔에 넣은 후, 이것을 진공으로 만들어 주위로부터 밀폐시켰다. 이어서 강철 캔을 열간정수압성형 (HIP) 장치 (미국 오하이오주에 소재하는 아메리칸 이소스태틱 프레싱 (American Isostatic Pressing)가 상표명 "아이피에스 이글-6 (IPS Eagle-6)"으로 시판하는 것을 구입함)를 사용하여 열간정수압성형하였다. HIP는 아르곤 분위기 하에서 207 MPa (30 ksi)의 압력으로 수행하였다. HIP 노를 25℃/분으로 970℃까지 상승시키고, 이 온도에서 30 분 동안 유지시켰다. HIP 후, 강철 캔을 절단하여 충전 물질을 꺼내었다. 비드가 투명한 유리질 물질의 청크로 유착 된 것이 관찰되었다. 실시예 1 내지 실시예 20에 기재된 바와 같이 수행된 DTA 기록은 879℃의 유리 전이 온도 (Tg) 및 931℃의 결정화 온도 (Tx)를 나타내었다.
실시예 35
폴리에틸렌 병에 알루미나 입자 (미국 아리조나주 투크슨에 소재하는 콘데아 비스타 (Condea Vista)가 상표명 "APA-0.5"로 시판하는 것을 구입함) 27.5 g, 산화칼슘 입자 (미국 매사추세츠주 와드 힐에 소재하는 알파 애사르 제품) 22.5 g 및 이소프로필 알콜 90 g을 충전하였다. 지르코니아 밀링 매질 (미국 뉴저지주 디비젼 오브 바운드 브루크에 소재하는 도죠 세라믹스 (Tosoh Ceramics)가 상표명 "YTZ"로 시판하는 것을 구입함) 약 200 g을 상기 병에 첨가하고, 혼합물을 120 rpm으로 24 시간 동안 밀링하였다. 밀링 후, 밀링 매질을 제거하고 슬러리를 유리 ("파이렉스") 팬 상에 부어 히트-건 (heat-gun)으로 건조시켰다. 건조된 혼합물을 막자사발과 막자로 분쇄하고 70-메쉬 체 (구멍 크기 212 ㎛의 체)를 통하여 체질하였다.
분쇄 및 체질 후, 일부 입자를 수소/산소 화염 불꽃에 공급하였다. 입자를 용융시켜 용융된 유리 비드를 생성하는데 사용된 불꽃은 다음과 같은 유량으로 수소 및 산소를 공급하는, 미국 펜실바이아주 헬러타운에 소재하는 베들레헴 아파라투스 컴파니로부터 구입한 베들레헴 벤치 버너 PM2D 모델 B였다. 내부 고리의 경우, 수소 유량은 8 SLPM이었고 산소 유량은 3 SLPM이었다. 외부 고리의 경우, 수소 유량은 23 SLPM이었고 산소 유량은 9.8 SLPM이었다. 건조 및 크기조절된 입자 들을 직접 화염 불꽃으로 공급하여 용융시키고, 표면상에 냉수가 흐르는 (약 8 L/분) 경사진 스테인레스 강 표면 (폭 약 51 cm (20 인치); 경사각 45°)으로 옮겨 무정질 비드를 형성하였다.
실시예 36 내지 실시예 39
실시예 36 내지 실시예 39의 유리 비드는, 실시예 35에 기재된 방법에서 사용된 원료의 양이 하기 표 3에 나타낸 바와 같고 원료의 밀링을 이소프로필 알콜 90 ㎖ 중에서 지르코니아 매질 (미국 뉴저지주 디비젼 오브 바운드 브루크에 소재하는 도죠 세라믹스가 상표명 "YTZ"로 시판하는 것을 구입함) 200 g을 사용하여 120 rpm에서 24 시간 동안 수행하였다는 점을 제외하고는, 실시예 35의 방법에 따라 제조하였다. 사용된 원료의 구입처는 하기 표 4에 나타냈다.
Figure 112004004313537-pct00008
원료 구입처
알루미나 입자 (Al2O3) 미국 아리조나주 투크슨에 소재하는 콘데아 비스타가 상표명 "APA-0.5"로 시판하는 것을 구입함
산화칼슘 입자 (CaO) 미국 매사추세츠주 와드 힐에 소재하는 알파 애사르로부터 구입함
산화란탄 입자 (La2O3) 몰리코포레이션 인크.로부터 구입함
산화스트론튬 입자 (SrO) 알파 애사르로부터 구입함
이트리아-안정화된 산화지르코늄 입자 (Y-PSZ) 미국 조지아주 마리에타에 소재하는 지르코니아 세일즈, 인크.가 상표명 "HSY-3"으로 시판하는 것을 구입함

실시예 35 내지 실시예 39의 일부 물질의 다양한 성질/특징은 다음과 같이 측정하였다. 분말 X-선 회절 (1.54050 Å의 구리 K α1 방사를 이용하는 X-선 회절 측정기 (미국 뉴저지주 마와에 소재하는 필립스가 상표명 "필립스 XRG 3100"으로 시판하는 것을 구입함)를 사용함)로 실시예 물질에 존재하는 상을 정성적으로 측정하였다. 넓게 퍼진 강도 피크가 존재하는 것은 물질의 무정질 성질에 대한 지표인 것으로 해석되었다. 넓은 피크 및 잘-한정된 피크가 둘다 존재하는 것은 무정질 매트릭스 중 결정질 물질의 존재에 대한 지표인 것으로 해석되었다. 여러가지 실시예에서 검출된 상들을 하기 표 5에 보고했다.
실시예 X-선 회절로 검출된 상 색상 Tg (℃) Tx(℃) 고온 압축 온도 (℃)
35 무정질* 투명 850 987 985
36 무정질* 투명 851 977 975
37 무정질* 투명 855 920 970
38 무정질* 투명 839 932 965
39 무정질* 투명 875 934 975
*예를 들어 Tg를 갖는 유리
시차열분석 (DTA)을 위해, 물질을 체질하여 90 내지 125 ㎛ 크기 범위의 비드를 얻었다. DTA 작업 (독일 셀브에 소재하는 넷쯔쉬 인스트루먼츠가 상표명 "넷쯔쉬 STA 409 DTA/TGA"로 시판하는 기기를 이용함)을 수행하였다. 100 ㎕ Al2O3 샘플 홀더에 넣은 각 체질된 샘플의 양은 400 mg이었다. 각 샘플을 정체된 공기 중에서 10℃/분의 속도로 실온 (약 25℃)에서부터 1200℃로 가열하였다.
도 11에서, 선 (345)는 실시예 35 물질에 대해 플롯한 DTA 데이터이다. 도 11의 선 (345)에서 상기 물질은 799℃ 부근에서 선 (375)의 하향 곡선으로 입증되는 흡열 현상을 나타내었다. 이 현상은 물질의 유리 전이 (Tg)로 인한 것으로 여겨졌다. 약 875℃에서는 선 (345)의 날카로운 피크로 입증되는 발열 현상이 관찰되었다. 이 현상은 물질의 결정화 (Tx)로 인한 것으로 여겨졌다. 다른 실시예에 대한 Tg 및 Tx 값은 상기 표 5에 보고했다.
도 12 내지 도 15는 실시예 36 내지 실시예 39 각각에 대해 플롯한 DTA 데이터이다.
실시예 35 내지 실시예 39 각각에서, 유리 비드 약 25 g을 흑연 다이에 넣고, 단일축 압축 장치 (미국 캘리포니아주 브레아에 소재하는 써멀 테크놀로지 인크.가 상표명 "HP-50"으로 시판하는 것을 구입함)를 이용하여 고온 압축하였다. 고온 압축은 아르곤 분위기 하에서 13.8 MPa (1 인치2 당 2000 파운드 (2 ksi))의 압력으로 960℃에서 수행되었다. 실시예 35 내지 실시예 39에서 상기한 고온 압축 기의 변위 제어 유닛으로 지시되는 상당한 유리 유동이 발생한 고온 압축 온도를 상기 표 5에 보고했다.
실시예 40 내지 실시예 46
폴리에틸렌 병에 하기 표 6에 나타낸 원료 (하기 표 7에는 이들 원료의 구입처를 나타냄) 및 이소프로필 알콜 90 ㎖을 충전하였다. 지르코니아 밀링 매질 (미국 뉴저지주 디비젼 오브 바운드 브루크에 소재하는 도죠 세라믹스가 상표명 "YTZ"로 시판하는 것을 구입함) 약 200 g을 상기 병에 첨가하고, 혼합물을 120 rpm (분당 회전수)으로 24 시간 동안 밀링하였다. 밀링 후, 밀링 매질을 제거하고 슬러리를 유리 ("파이렉스") 팬 상에 부어 히트-건으로 건조시켰다. 건조된 혼합물을 막자사발과 막자로 분쇄하고 70-메쉬 체 (구멍 크기 212 ㎛의 체)를 통하여 체질하였다. 분쇄 및 체질 후, 일부 입자들을 수소/산소 불꽃 화염에 공급하여 실시예 1 내지 실시예 20에 기재된 바와 같은 비드를 형성하였다.
Figure 112004004313537-pct00009
원료 구입처
알루미나 입자 (Al2O3) 미국 아리조나주 투크슨에 소재하는 콘데아 비스타가 상표명 "APA-0.5"로 시판하는 것을 구입함
산화칼슘 입자 (CaO) 미국 매사추세츠주 와드 힐에 소재하는 알파 애사르로부터 구입함
산화란탄 입자 (La2O3) 미국 캘리포니아주 마운틴 패스에 소재하는 몰리코포레이션 인크.로부터 구입함
탄산리튬 입자 (Li2CO3) 알드리치 케미칼 컴파니 (Aldrich Chemical Co.)로부터 구입함
산화네오디뮴 입자 (Nd2O3) 몰리코포레이션 인크.로부터 구입함
실리카 입자 (SiO2) 알파 애사르로부터 구입함
중탄산나트륨 입자 (NaHCO3) 알드리치 케미칼 컴파니로부터 구입함
이트리아-안정화된 산화지르코늄 입자 (Y-PSZ) 미국 조지아주 마리에타에 소재하는 지르코니아 세일즈, 인크.가 상표명 "HSY-3"로 시판하는 것을 구입함

실시예 40 내지 실시예 46의 일부 물질의 다양한 성질/특징은 다음과 같이 측정하였다. 분말 X-선 회절 (1.54050 Å의 구리 K α1 방사를 이용하는 X-선 회절 측정기 (미국 뉴저지주 마와에 소재하는 필립스가 상표명 "필립스 XRG 3100"으로 시판하는 것을 구입함)를 사용함)을 사용하여 실시예 물질에 존재하는 상을 정성적으로 측정하였다. 넓게 퍼진 강도 피크가 존재하는 것은 물질의 무정질 성질에 대한 지표인 것으로 해석되었다. 넓은 피크 및 잘-한정된 피크가 둘다 존재하는 것은 무정질 매트릭스 중 결정질 물질의 존재에 대한 지표인 것으로 해석되었다. 여러가지 실시예에서 검출된 상들을 하기 표 8에 보고했다.
실시예 X-선 회절로 검출된 상 색상 Tg (℃) Tx (℃) 고온 압축 온도 (℃)
40 무정질* 및 결정질 투명/우유빛 874 932 980
41 무정질* 투명 843 938 970
42 무정질* 청색/분홍 848 934 970
43 무정질* 투명 821 927 970
44 무정질* 투명 845 922 970
45 무정질* 투명 831 916 970
46 무정질* 투명 826 926 970

시차열분석 (DTA)을 위해, 물질을 체질하여 90 내지 125 ㎛ 크기 범위의 비드를 얻었다. DTA 작업 (독일 셀브에 소재하는 넷쯔쉬 인스트루먼츠가 상표명 "넷쯔쉬 STA 409 DTA/TGA"로 시판하는 기기를 이용함)을 수행하였다. 100 ㎕ Al2O3 샘플 홀더에 넣은 각 체질된 샘플의 양은 400 mg이었다. 각 샘플을 정체된 공기 중에서 10℃/분의 속도로 실온 (약 25℃)에서부터 1200℃로 가열하였다.
실시예 36 내지 실시예 39에서 상기한 고온 압축기의 변위 제어 유닛으로 지시되는 상당한 유리 유동이 발생한 고온 압축 온도를 상기 표 8에 보고했다.
실시예 47
폴리우레탄으로 라이닝된 밀에 알루미나 입자 ("APA-0.5") 819.6 g, 산화란탄 입자 (몰리코프, 인크.에서 구입함) 818 g, 이트리아-안정화된 산화지르코니아 입자 (공칭 조성이 ZrO2 (+ HfO2) 94.6 중량％ 및 Y2O3 5.4 중량％임; 미국 조지아주 마리에타에 소재하는 지르코니아 세일즈, 인크.가 상표명 "HSY-3"으로 시판하는 것을 구입함) 362.4 g, 증류수 1050 g 및 지르코니아 밀링 매질 (미국 뉴저지주 바운드 브루크에 소재하는 도죠 세라믹스가 상표명 "YTZ"으로 시판하는 것을 구입함) 약 2000 g을 충전하였다. 혼합물을 120 rpm에서 4 시간 동안 밀링하여 성분들을 철저하게 혼합하였다. 밀링 후, 밀링 매질을 제거하고 슬러리를 유리 ("파이렉스") 팬 상에 붓고 히트-건으로 건조시켰다. 건조된 혼합물을 막자사발과 막자로 분쇄하고 70-메쉬 체 (구멍 크기 212 ㎛)를 통하여 체질하였다. 분쇄 및 체질 후, 일부 입자를 실시예 1 내지 실시예 20에 기재된 바와 같이 수소/산소 불꽃에 공급하였다.
비드 약 50 g을 흑연 다이에 넣고, 단일축 압축 기구 (미국 캘리포니아주 브레아에 소재하는 써멀 테크놀로지 인크.가 상표명 "HP-50"으로 시판하는 것을 구입함)을 사용하여 고온 압축하였다. 고온 압축은 아르곤 분위기 하에서 960℃에서 13.8 MPa (1 인치2 당 2000 파운드 (2 ksi))의 압력으로 수행하였다. 생성된 반투명 디스크는 직경이 약 48 mm이고 두께가 약 5 mm이었다. 추가의 고온 압축을 수행하여 추가의 디스크를 제조하였다. 도 16은 고온 압축된 물질을 잘라낸 막대 (두께 2 mm)가 투명함을 입증하는 광학 현미경 사진이다.
생성된 고온 압축 유리 물질의 밀도는 아르키메데스 (Archimedes)법을 사용하여 측정하였으며, 약 4.1 내지 4.4 g/cm3 범위 이내인 것으로 밝혀졌다. 생성된 고온 압축 유리 물질의 영 모듈러스 (E)는 초음파 시험 장치 (미국 워싱턴주 리치랜드에 소재하는 노르텍 (Nortek)이 상표명 "NDT-140"으로 시판하는 것을 구입함)를 사용하여 측정하였고, 약 130 내지 150 GPa 범위 이내인 것으로 밝혀졌다.
생성된 고온 압축된 물질의 평균 미세경도는 다음과 같이 측정하였다. 고온 압축된 물질의 조각 (크기 약 2 내지 5 mm)을 받침 수지 (미국 일리노이주 레이크 블러프에 소재하는 뷜러 엘티디. (Buehler Ltd.)가 상표명 "에포메트"로 시판하는 것을 구입함)에 올려 놓았다. 생성된 수지 실린더는 직경이 약 2.5 cm (1 인치)이고 높이가 약 1.9 cm (0.75 인치)이었다. 올려 놓은 샘플의 마멸은 통상적인 연삭 기/마멸기 (미국 일리노이주 레이크 블러프에 소재하는 뷜러 엘티디.가 상표명 "에포메트 3"으로 시판하는 것을 구입함) 및 통상적인 다이아몬드 슬러리를 사용하는 통상적인 마멸 기술을 사용하였고, 최종 마멸 단계에서는 1 ㎛ 다이아몬드 슬러리 (뷜러 엘티디.가 상표명 "메타디 (METADI)"로 시판하는 것을 구입함)를 사용하여 마멸시킨 샘플 단면을 얻었다.
미세경도 측정은 빅커스 압자가 장착되어 있는 통상적인 미세경도 시험기 (일본 도꾜에 소재하는 미쯔또요 가부시키가이샤가 상표명 "미쯔또요 MVK-VL"로 시판하는 것을 구입함)를 사용하여 500 g 압자 하중에서 수행하였다. 미세경도 측정은 문헌 [ASTM Test Method E384 Test Methods for Microphardness of Materials (1991)]에 언급된 지침에 따라 수행하였다. 미세경도 값은 20회 측정치의 평균이었다. 고온 압축된 물질의 평균 미세경도는 약 8.3 GPa이었다.
고온 압축된 물질의 평균 압흔 인성은 미세경도 시험기 (일본 도꾜에 소재하는 미쯔또요 가부시키가이샤가 상표명 "미쯔또요 MVK-VL"으로 시판하는 것을 구입함)에서 500 g 압자 하중을 이용하여 생성시킨, 빅커스 압자의 정점로부터 연장된 균열 길이를 측정하여 계산하였다. 압흔 인성 (KIC)을 다음의 수학식에 따라 계산하였다.
KIC = 0.016 (E/H)1/2(P/c)3/2
식 중, E = 물질의 영 모듈러스;
H = 빅커스 경도;
P = 압자에 가해지는 힘 (뉴톤);
c = 압자의 중심부로부터 균열 끝까지의 길이.
인성 측정용 샘플은 상기 미세경도 시험에 기재된 바와 같이 제조하였다. 보고된 압흔 인성 값은 5회 측정치의 평균이다. 균열 (c)는 주사 전자 현미경 ("JEOL SEM" (모델 JSM 6400))을 사용하여 찍은 현미경 사진상에서 디지탈 캘리퍼로 측정하였다. 고온 압축된 물질의 평균 압흔 인성은 1.4 MPa·m1/2이었다.
고온 압축된 물질의 열 팽창 계수를 열 분석기 (미국 코넥티커트주 셸턴에 소재하는 퍼킨 엘머 (Perkin Elmer)가 상표명 "퍼킨 엘머 써멀 애널라이저 (PERKIN ELMER THERMAL ANALYZER)"로 시판하는 것을 구입함)를 사용하여 측정하였다. 평균 열 팽창 계수는 7.6 ×10-6/℃이었다.
고온 압축된 물질의 열 전도율을 문헌 [ASTM Standard "D 5470-95, Test Method A" (1995)]에 따라 측정하였다. 평균 열 전도율은 1.15 W/m·K이었다.
고온 압축된 La2O3-Al2O3-ZrO2 유리의 반투명 디스크를 노 (전기 가열 노; 미국 캘리포니아주 피코 리베라에 소재하는 키쓰 퍼니시즈 (Keith Furnaces)가 상표명 "모델 KKSK-666-3100"으로 시판하는 것을 구입함)에서 다음과 같이 열처리하였다. 디스크를 먼저 실온 (약 25℃)으로부터 약 900℃까지 약 10℃/분의 속도로 가열한 후, 900℃에서 1 시간 동안 유지시켰다. 이어서, 디스크를 약 900℃에서 1300℃까지 약 10℃/분의 속도로 가열한 후, 1300℃에서 약 1 시간 동안 유지시켰고, 그 후에 노의 전원을 차단하여 다시 실온으로 냉각시켰다. 동일한 열처리 계 획에 따라 추가의 열처리를 수행하여 추가의 디스크를 제조하였다.
도 17은 물질의 미세 결정질 특성을 보여주는 열처리된 실시예 47의 물질의 마멸된 단편의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진이다. 마멸된 단편은 통상적인 기술 (올려 놓고 마멸시킴)을 사용하여 제조하였다. 마멸은 마멸기 (미국 일리노이주 레이크 블러프에 소재하는 뷜러가 상표명 "에포메트 3 타입 폴리셔-그라인더 (ECOMET 3 TYPE POLISHER-GRINDER)"로 시판하는 것을 구입함)를 사용하여 수행하였다. 다이아몬드 휠을 사용하여 약 3 분 동안 샘플을 마멸시킨 후, 45 ㎛, 30 ㎛, 15 ㎛ 9 ㎛ 및 3 ㎛ 다이아몬드 슬러리로 각각 약 3 분 동안 마멸시켰다. 마멸된 샘플을 금-팔라듐의 박층으로 피복하고 JEOL SEM (모델 JSM 840A)로 관찰하였다.
열처리된 실시예 47 물질의 일부를 실시예 22에 기재된 바와 같이 분말 X-선 회절을 수행하고 마멸된 샘플을 후방-산란 방식의 SEM으로 조사했을 때, 현미경 사진의 어두운 부분이 결정질 LaAl11O18이고, 회색 부분이 결정질 LaAlO3이고, 백색 부분이 결정질의 입방형/정방정계의 ZrO2인 것으로 여겨졌다.
열처리된 물질의 밀도는 아르키메데스법을 사용하여 측정하였으며, 약 5.18 g/cm3인 것으로 밝혀졌다. 열처리된 물질의 영 모듈러스 (E)는 초음파 시험 장치 (미국 워싱턴주 리치랜드에 소재하는 노르텍이 상표명 "NDT-140"으로 시판하는 것을 구입함)을 사용하여 측정하였고, 약 260 GPa인 것으로 밝혀졌다. 열처리된 물질의 평균 미세경도는 실시예 47의 유리 비드에 대해 상기 기재된 바와 같이 측정하였으며, 18.3 GPa인 것으로 밝혀졌다. 열처리된 물질의 평균 파쇄 인성 (Kic)은 상기 실시예 47의 고온 압축된 물질에 대해 상기 기재된 바와 같이 측정하였으며, 3.3 MPa·m1/2인 것으로 밝혀졌다.
실시예 48 내지 실시예 62
실시예 48 내지 실시예 62의 비드는, 실시예 47에 기재된 방법에서 사용된 원료의 양이 하기 표 9에 나타낸 바와 같고 원료의 밀링을 이소프로필 알콜 90 ㎖ (밀리리터) 중에서 지르코니아 매질 (미국 뉴저지주 디비젼 오브 바운드 브루크에 소재하는 도죠 세라믹스가 상표명 "YTZ"로 시판하는 것을 구입함) 200 g을 사용하여 120 rpm에서 24 시간 동안 수행하였다는 점을 제외하고는, 실시예 47의 방법에 따라 제조하였다. 사용된 원료의 구입처는 하기 표 10에 나타냈다.
Figure 112004004313537-pct00010
Figure 112004004313537-pct00011
원료 구입처
알루미나 입자 (Al2O3) 미국 아리조나주 투크슨에 소재하는 콘데아 비스타가 상표명 "APA-0.5"로 시판하는 것을 구입함
산화세륨 입자 (CeO2) 프랑스에 소재하는 론느-뿔랑으로부터 구입함
산화유러퓸 입자 (Eu2O3) 알드리치 케미칼 컴파니로부터 구입함
산화가돌리늄 입자 (Gd2O3) 미국 캘리포니아주 마운틴 패스에 소재하는 몰리코포레이션 인크.로부터 구입함
산화하프늄 입자 (HfO2) 미국 오레곤주 알바니에 소재하는 텔레딘 와 장 알바니 컴파니 (Teledyne Wah Chang Albany Company)로부터 구입함
산화란탄 입자 (La2O3) 몰리코포레이션 인크.로부터 구입함
탄산리튬 입자 (Li2CO3) 알드리치 케미칼 컴파니로부터 구입함
산화마그네슘 입자 (MgO) 알드리치 케미칼 컴파니로부터 구입함
산화네오디뮴 입자 (Nd2O3) 몰리코포레이션 인크.로부터 구입함
중탄산나트륨 입자 (NaHCO3) 알드리치 케미칼 컴파니로부터 구입함
이산화티탄 입자 (TiO2) 미국 조지아주 사바나에 소재하는 케미라 인크. (Kemira Inc.)로부터 구입함
이트리아-안정화된 산화지르코늄 입자 (Y-PSZ) 미국 조지아주 마리에타에 소재하는 지르코니아 세일즈, 인크.가 상표명 "HSY-3"로 시판하는 것을 구입함

실시예 47 내지 실시예 62의 일부 물질의 다양한 성질/특징은 다음과 같이 측정하였다. 분말 X-선 회절 (1.54050 Å의 구리 K α1 방사를 이용하는 X-선 회절 측정기 (미국 뉴저지주 마와에 소재하는 필립스가 상표명 "필립스 XRG 3100"으로 시판하는 것을 구입함)를 사용함)로 실시예 물질에 존재하는 상을 정성적으로 측정하였다. 넓게 퍼진 강도 피크가 존재하는 것은 물질의 유리질 성질에 대한 지표인 것으로 해석되었다. 넓은 피크 및 잘-한정된 피크가 둘다 존재하는 것은 유리질 매트릭스 중 결정질 물질의 존재에 대한 지표인 것으로 해석되었다. 여러가지 실시예에서 검출된 상들을 하기 표 11에 보고했다.
실시예 X-선 회절로 검출된 상 색상 Tg (℃) Tx (℃) 고온 압축 온도 (℃)
47 무정질* 투명 834 932 960
48 무정질* 투명 848 920 960
49 무정질* 투명 856 918 960
50 무정질* 짙은 황색/겨자색 874 921 975
51 무정질* 투명 886 933 985
52 무정질* 초록 881 935 985
53 무정질* 청색/분홍 836 930 965
54 무정질* 황색 831 934 965
55 무정질* 투명 795 901 950
56 무정질* 투명 816 942 950
57 무정질* 투명 809 934 950
58 무정질* 투명/초록 840 922 950
59 무정질* 투명 836 934 950
60 무정질* 투명 832 943 950
61 무정질* 투명 830 943 950
62 무정질* 투명/약간 녹색 818 931 950
*예를 들어 Tg를 갖는 유리
시차열분석 (DTA)을 위해, 물질을 체질하여 90 내지 125 ㎛ 크기 범위의 비드를 얻었다. DTA 작업 (독일 셀브에 소재하는 넷쯔쉬 인스트루먼츠가 상표명 "넷쯔쉬 STA 409 DTA/TGA"로 시판하는 기기를 이용함)을 수행하였다. 100 ㎕ Al2O3 샘플 홀더에 넣은 각 체질된 샘플의 양은 400 mg이었다. 각 샘플을 정체된 공기 중에서 10℃/분의 속도로 실온 (약 25℃)에서부터 1200℃로 가열하였다.
도 18에서, 선 (801)는 실시예 47 물질에 대해 플롯한 DTA 데이터이다. 도 18의 선 (801)에서 상기 물질은 840℃ 부근에서 선 (801)의 하향 곡선으로 입증되는 흡열 현상을 나타내었다. 이 현상은 물질의 유리 전이 (Tg)로 인한 것으로 여겨 졌다. 약 934℃에서는 선 (801)의 날카로운 피크로 입증되는 발열 현상이 관찰되었다. 이 현상은 물질의 결정화 (Tx)로 인한 것으로 여겨졌다. 다른 실시예에 대한 Tg 및 Tx 값은 상기 표 11에 보고했다.
여러 실시예에 대하여 상기한 고온 압축기의 변위 제어 유닛으로 지시되는 상당한 유리 유동이 발생한 고온 압축 온도를 상기 표 11에 보고했다.
실시예 63
폴리에틸렌 병에 알루미나 입자 ("AP0.5") 20.49 g, 산화란탄 입자 (몰리코포레이션 인크.로부터 구입함) 20.45 g, 이트리아-안정화된 산화지르코늄 입자 (공칭 조성이 ZrO2 (+ HfO2) 94.6 중량％ 및 Y203 5.4 중량％임; 미국 조지아주 마리에타에 소재하는 지르코니아 세일즈, 인크.가 상표명 "HSY-3"로 시판하는 것을 구입함) 9.06 g 및 증류수 80 g을 충전하였다. 알루미나 밀링 매질 (직경 10 mm; 99.9％ 알루미나; 미국 오하이오주 아크론에 소재하는 유니온 프로세스 (Union Process)로부터 구입함) 약 450 g를 상기 병에 첨가하고, 혼합물을 120 rpm으로 4 시간 동안 밀링하여, 성분들을 철저하게 혼합하였다. 밀링 후, 밀링 매질을 제거하고 슬러리를 유리 ("파이렉스") 팬 상에 부어 히트-건으로 건조시켰다. 건조된 혼합물을 막자사발과 막자로 분쇄하고 70-메쉬 체 (구멍 크기 212 ㎛)를 통하여 체질하였다.
소량의 건조된 입자를 아크 방전 노 (모델 번호 5T/A 39420; 미국 뉴햄프셔주 나슈아에 소재하는 센토르 배큠 인더스트리스 (Centorr Vacuum Industries)로부 터 구입함)에서 용융시켰다. 건조 및 크기조절된 입자들 약 1 g을 노 챔버 내부에 위치한 냉각된 구리판에 넣었다. 노 챔버를 배기시킨 후에 13.8 kPa (킬로파스칼) (2 파운드/인치2 (psi)) 압력에서 아르곤으로 다시 채웠다. 아크를 전극과 판 사이에서 방전시켰다. 아크 방전으로 인한 온도는 건조 및 크기조절된 입자들을 급속하게 용융시킬 만큼 충분히 높았다. 용융이 완결된 후에, 상기 물질을 약 10 초 동안 용융된 상태로 유지시켜 용융물을 균질화했다. 아크의 전원을 차단함으로써, 생성된 용융물을 신속하게 냉각시켜 용융물이 아크 상에서 냉각되도록 했다. 신속한 냉각은, 샘플의 덩어리가 작고 물로 냉각시킨 구리판이 열을 식히는 능력이 높을 때 더욱 확실해졌다. 노에 대한 전원을 차단한 후 1 분 이내에 노에서 융합된 물질을 꺼냈다. 이론에 구애되기를 원치 않지만, 물로 냉각시킨 구리판 표면의 냉각 속도는 100℃/초 초과인 것으로 추정되었다. 융합된 물질은 투명한 유리 비드 (비드의 최대 직경은 2.8 mm인 것으로 측정됨)였다.
생성된 무정질 비드를 2 mm 지르코니아 밀링 매질 (미국 뉴저지주 바운드 브루크에 소재하는 도죠 세라믹스가 상표명 "YTZ"로 시판하는 것을 구입함) 200 g과 함께 폴리에틸렌 병 (실시예 1에서와 같음)에 넣었다. 증류수 300 g을 상기 병에 첨가하고, 혼합물을 120 rpm으로 24 시간 동안 밀링하여 비드를 분말로 분쇄하였다. 밀링된 물질을 히트-건으로 건조시켰다. 건조된 입자 15 g을 흑연 다이에 넣고, 실시예 21에 기재된 바와 같이 고온 압축하였다. 생성된 디스크는 반투명했다.
실시예 64
실시예 64의 융합된 무정질 비드를 실시예 63에 기재된 바와 같이 제조하였다. 실시예 50에 기재된 방법에서는 실시예 50에서 흑연 다이의 바닥 펀치에 2 mm 깊이의 홈이 있었다는 점을 제외하고는, 실시예 50에 기재된 방법에 따라 비드 약 15 g을 고온 압축하였다. 이로써 생성된 물질에서도 상기 홈이 재현되었는데, 이는 압력 인가 하에 가열하는 동안 유리의 유동성이 매우 뛰어남을 지시하는 것이다.
비교예 A
비교예 A의 융합된 물질은, 실시예 63에 기재된 방법에서 폴리에틸렌 병에 알루미나 입자 ("APA-0.5") 27 g, 이트리아-안정화된 산화지르코늄 입자 (공칭 조성이 ZrO2 (+ HfO2) 94.6 중량％ 및 Y203 5.4 중량％임; 미국 조지아주 마리에타에 소재하는 지르코니아 세일즈, 인크.가 상표명 "HSY-3"로 시판하는 것을 구입함) 23 g 및 증류수 80 g을 충전하였다는 점을 제외하고는, 실시예 63에 기재된 바와 같이 제조하였다. 본 비교예의 조성물은 Al203-ZrO2 2성분계의 공융 조성물에 상응한다. 이로써 생성된 100 내지 150 ㎛ 직경의 구는 부분적으로 무정질이었으며, 상당 부분은 결정질임이 X-선 회절 분석으로 입증되었다.
실시예 65
실시예 47에 기재된 바와 같이 제조한 무정질 비드의 샘플 (31.25 g) 및 비교예 A에 기재된 바와 같이 제조한 비드 18.75 g을 폴리에틸렌 병에 넣었다. 증류 수 80 g 및 지르코니아 밀링 매질 (미국 뉴저지주 바운드 브루크에 소재하는 도죠 세라믹스가 상표명 "YTZ"로 시판하는 것을 구입함) 300 g을 상기 병에 첨가하고, 혼합물을 120 rpm으로 24 시간 동안 밀링하였다. 밀링된 물질을 히트-건으로 건조시켰다. 건조된 입자 20 g을 실시예 32에 기재된 바와 같이 고온 압축하였다. 실시예 65의 물질을 마멸시킨 단면 (실시예 47에 기재된 바와 같이 제조함)의 SEM 현미경 사진을 도 19에 나타냈다. 비교예 A의 물질 (어두운 영역)과 실시예 65의 물질 (밝은 영역) 사이의 계면에 균열이 없다는 것은 양호한 접착이 달성되었음을 지시한다.
실시예 47 및 실시예 47A 및 비교예 B 내지 비교예 D의 연삭 성능
실시예 47의 고온 압축된 물질을 "칩멍크" 자 분쇄기 (미국 캘리포니아주 버뱅크에 소재하는 비코 인크.가 제조한 타입 VD)를 사용하여 (연마) 입자로 분쇄하고 분류하여 -25+30 메쉬 분획 (즉, 구멍 크기가 25 ㎛인 체와 30 ㎛인 체로 수거된 분획) 및 -30+35 메쉬 분획 (즉, 구멍 크기가 30 ㎛인 체와 35 ㎛인 체로 수거된 분획) (미국 표준 시험 체)을 얻었다. 이 두 메쉬 분획을 합하여 50/50 블렌드를 제공했다. 블렌딩된 물질을 실시예 47에 기재된 바와 같이 열처리하였다. 생성된 유리-세라믹 연마 입자 30 g을 피복된 연마 디스크 내로 도입하였다. 피복된 연마 디스크는 통상적인 방법으로 제조하였다. 통상적인 탄산칼슘 충전된 페놀계 메이크 수지 (레졸 페놀계 수지 48％, 탄산칼슘 52％; 물 및 글리콜 에테르를 사용하여 고형분 81％로 희석함) 및 통상적인 빙정석 충전된 페놀계 사이즈 수지 (레졸 페놀계 수지 32％, 산화철 2％, 빙정석 66％; 물 및 글리콜 에테르를 사용하여 고 형분 78％로 희석함)을 사용하여, 유리-세라믹 연마 입자를 직경 17.8 cm, 두께 0.8 mm의 가황 섬유 배킹에 접착시켰다. 습윤 메이크 수지 중량은 약 185 g/m2이었다. 메이크 피복물을 적용한 직후에, 유리-세라믹 연마 입자를 정전 피복하였다. 메이크 수지를 88℃에서 120 분 동안 예비경화시켰다. 이어서, 빙정석 충전된 페놀계 사이즈 피복물을 메이크 피복물 및 연마 입자 위에 피복하였다. 습윤 사이즈 중량은 약 850 g/m2이었다. 사이즈 수지를 99℃에서 12 시간 동안 경화시켰다. 피복된 연마 디스크를 구부린 후 시험하였다.
실시예 47A의 피복된 연마 디스크는, 실시예 47A의 연마 입자를 실시예 47에서 분쇄 후 열처리하는 대신에 고온 압축 및 열처리된 실시예 47의 물질을 분쇄하여 얻었다는 점을 제외하고는, 실시예 47에 기재된 바와 같이 제조하였다.
비교예 B의 피복된 연마 디스크는, 실시예 47 (상기)에서 실시예 47의 유리-세라믹 연마 입자 대신에 열처리된 융합된 알루미나 연마 입자 (오스트리아 필라흐에 소재하는 트리바허 (Triebacher)가 상표명 "알로두르 (ALODUR) BFRPL"로 시판하는 것을 구입함)를 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 47에 기재된 바와 같이 제조하였다.
비교예 C의 피복된 연마 입자는, 실시예 47 (상기)에서 실시예 47의 유리-세라믹 연마 입자 대신에 알루미나-지르코니아 연마 입자 (Al2O3 53％ 및 ZrO2 47％의 공융 조성물; 미국 매사추세츠주 워세스터에 소재하는 노턴 컴파니 (Norton Company)가 상표명 "노르존 (NORZON)"으로 시판하는 것을 구입함)를 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 47에 기재된 바와 같이 제조하였다.
비교예 D의 피복된 연마 디스크는, 실시예 47 (상기)에서 실시예 47의 유리-세라믹 연마 입자 대신에 졸-겔 유도된 연마 입자 (미국 미네소타주 세인트 폴에 소재하는 쓰리엠 컴파니 (3M Company)가 상표명 "321 큐비트론 (321 CUBITRON)"으로 시판하는 것을 구입함)를 사용하였다는 점을 제외하고는 상기한 바와 같이 제조하였다.
실시예 47 및 비교예 B 내지 비교예 D의 피복된 연마 디스크의 연삭 성능을 다음과 같이 평가하였다. 각각의 피복된 연마 디스크를 경사진 알루미늄 백업 패드에 올려 놓고, 미리 칭량된 1.25 cm ×18 cm ×10 cm의 1018 연강 작업편의 표면을 연삭하는데 사용하였다. 디스크를 5,000 rpm으로 구동시키면서, 백업 패드의 경사진 연부에 중첩된 디스크의 일부를 8.6 kg의 하중으로 작업편에 접촉시켰다. 각 디스크를 사용하여 1 분 간격으로 차례로 개개의 작업편을 연삭하였다. 총 절단물 (cut)은 시험 시간 동안 작업편에서 제거된 물질의 양의 합이었다. 12 분 동안 연삭 후 각각의 샘플에서 제거된 총 절단물 및 제12 분에서의 절단물 (즉, 최종 절단물)을 하기 표 12에 보고하였다. 실시예 47의 결과는 2개 디스크의 평균치인 반면, 실시예 47A 및 비교예 B, 비교예 C 및 비교예 D 각각에서는 하나의 디스크를 시험하였다.
실시예 총 절단물 (g) 최종 절단물 (g)
47 1163 92
47A 1197 92
비교예 B 514 28
비교예 C 689 53
비교예 D 1067 89

당업자라면, 본 발명의 범위 및 사상에서 벗어나지 않고도 본 발명의 다양한 변형 및 변경이 명백할 것이며, 본 발명은 본원에 제시된 예시적인 실시양태로 부당하게 제한되어서는 안된다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (33)

  1. 무정질 물질의 총 중량을 기준으로 35 중량％ 이상의 Al2O3 및 Al2O3 이외의 금속 산화물을 포함하는 무정질 물질로서,
    상기 무정질 물질은, As2O3, B2O3, GeO2, P2O5, SiO2, TeO2 및 V2O5를 총합하여 무정질 물질의 총 중량을 기준으로 10 중량％ 이하로 함유하고,
    서로에 대하여 각각 수직인 x, y 및 z 치수를 가지며, 상기 x, y, 및 z 치수 각각은 5 mm 이상이고,
    단, Al2O3 이외의 금속 산화물이 CaO 또는 ZrO2인 경우에는 무정질 물질이 결정화될 때 적어도 일부가 별개의 결정질 상을 형성하는, Al2O3, CaO 및 ZrO2 이외의 금속 산화물을 추가로 포함하고, Al2O3 이외의 금속 산화물이 CaO인 경우에는 CaO가 무정질 물질의 총 중량을 기준으로 25 중량％ 이하로 존재하는 무정질 물질.
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  7. 유리의 총 중량을 기준으로 35 중량％ 이상의 Al2O3 및 포함하고 Al2O3 이외의 금속 산화물을 포함하는 유리로서,
    상기 유리는, As2O3, B2O3, GeO2, P2O5, SiO2, TeO2 및 V2O5를 총합하여 유리의 총 중량을 기준으로 10 중량％ 이하로 함유하고,
    서로에 대하여 각각 수직인 x, y 및 z 치수를 가지며, 상기 x, y, 및 z 치수 각각은 5 mm 이상이고,
    단, Al2O3 이외의 금속 산화물이 CaO인 경우에는 유리가 결정화될 때 적어도 일부가 별개의 결정질 상을 형성하는, Al2O3 또는 CaO 이외의 금속 산화물을 추가로 포함하고, Al2O3 이외의 금속 산화물이 CaO인 경우에는 CaO가 유리의 총 중량을 기준으로 25 중량％ 이하로 존재하는 유리.
  8. 제1항에 따른 무정질 물질 또는 제7항에 따른 유리를 열처리하여 무정질 물질 또는 유리의 적어도 일부를 유리-세라믹으로 전환시키는 것을 포함하는, 유리-세라믹의 제조 방법.
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  18. 유리-세라믹의 총 중량을 기준으로 35 중량％ 이상의 Al2O3 및 Al2O3 이외의 금속 산화물을 포함하는 유리-세라믹으로서,
    상기 유리-세라믹은, As2O3, B2O3, GeO2, P2O5, SiO2, TeO2 및 V2O5를 총합하여 유리-세라믹의 총 중량을 기준으로 10 중량％ 이하로 함유하고,
    서로에 대하여 각각 수직인 x, y 및 z 치수를 가지며, 상기 x, y, 및 z 치수 각각은 5 mm 이상이고,
    단, Al2O3 이외의 금속 산화물이 CaO인 경우에는 CaO 이외의 금속 산화물의 결정을 추가로 포함하고 CaO가 유리-세라믹의 총 중량을 기준으로 25 중량％ 이하로 존재하는 유리-세라믹.
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