KR101161337B1 - 연마지석 제품 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연마지석 제품에 관한 것으로, 이는 규산염을 포함하는 결합기재 내의 입방정질화붕소로 이루어진 연마 입자들을 포함한다. 상기 연마지석 제품은 연마 입자들과 전이금속 질화물-포함 결합기재 사이의 계면에 있는 반응생성물을 더 포함한다. 또한, 본 발명은 연마지석 제품의 제조방법에 관한 것으로, 이는 전이금속 산화물을 포함하는 유리분말을 공급하는 단계; 입방정질화붕소를 포함하는 연마 입자들을 상기 유리분말과 배합하는 단계; 상기 유리분말과 연마 입자들을 형성하여 그린제품을 성형하는 단계; 및 상기 그린제품을 변태온도에서 소결하여 유리질 결합기재 내에 연마 입자들을 형성함으로써, 상기 변태 온도에서의 상기 전이금속 산화물이 상기 연마 입자들과 상기 유리질 결합기재 사이의 계면에서 전이금속 질화물로 변화하도록 하는 단계를 포함한다.

연마지석, 결정성 결합기재, 규산염, 입방정질화붕소, 연마 입자,전이금속 산화물, 유리 분말

Description

연마지석 제품 및 그의 제조방법{BONDED ABRASIVE ARTICLE AND METHOD OF MAKING}

본 발명은 연마지석 제품에 관한 것으로, 특히 결정성 결합기재(crystalline bond matrix)를 포함하는 연마지석 제품에 관한 것이다.

일반적으로 연마제는 정밀 연마공정(fine polishing)에서 벌크재료의 제거 및 절삭공정에 이르기까지 다양한 가공 공정에서 활용된다. 예를 들어, 유리 입자들(loose particles)로 구성된 자유 연마제는 반도체 산업의 화학기계연마(CMP) 공정 같은 연마용 슬러리에 사용된다. 대안으로, 연마제는 연마지석 및 연마포지(coated abrasive) 같은 고정 연마제품의 형태를 취할 수 있으며, 이러한 고정 연마제품으로는 연삭(grinding)- 휠, 벨트, 롤, 디스크 등과 같은 장치들이 있을 수 있다.

고정 연마제가 서로에 대한 연마 입자들의 위치를 고정시키는 재료 기재 내의 연마 입자 또는 연마 그릿을 활용한다는 점에서, 고정 연마제는 일반적으로 자유 연마제와는 다르다. 상용되는 고정 연마 그릿은, 예컨대 다이아몬드 및 입방정질화붕소(cBN) 같은 초연마제뿐만 아니라 알루미나, 탄화규소, 예컨대 가닛과 같은 다양한 광물을 포함할 수 있다. 특히 연마지석 제품과 관련하여, 연마 그릿은 결합 재 내에서 서로에 대해 고정되어 있다. 비록 다양한 결합재들이 사용될 수 있지만, 비결정질상의 유리재질 같은 유리화된(vitrified) 결합재가 흔히 사용된다. 그러나, 통상의 연마지석, 예를 들어, 산화알루미늄, 탄화규소, 다이아몬드 및 유리화 결합을 포함하는 입방정질화붕소의 성능특성은 결합의 성격과 연마 입자의 조성에 의해 제한받는다. 특히, 결합기재와 연마 입자들간의 결합이 부족한 관계로, 연삭시 연마 입자들은 쉽게 결합기재로부터 제거되어 연삭공정 또는 연마공정의 효과성을 저하시킨다.

업계는 개선된 특성들을 지닌 연마지석을 꾸준히 필요로 한다. 이러한 특성들에는 기계적 안정성, 강도, 가동수명 및 개선된 연삭성능이 있다.

제 1 실시예에 따라, 연마 입자들이 함유된 연마지석 제품을 제공하며, 여기서 연마 입자는 규산염을 포함하는 결합기재 내의 입방정질화붕소로 이루어진다. 연마지석은, 또한, 연마 입자들과 전이금속질화물-포함 결합기재 사이의 계면에 반응생성물을 함유한다.

제 2 실시예에 따라, 연마지석의 제조방법을 제공하며, 이는 전이금속 산화물을 포함하는 유리분말을 공급하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 입방정질화붕소를 포함하는 연마 입자들을 상기 유리분말과 배합하는 단계 및 상기 유리분말과 연마 입자들을 형성하여 그린제품을 성형하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은, 상기 그린제품(green product)을 변태온도(transformation temperature)에서 소결하여 유리질 결합기재 내에 연마 입자들을 형성함으로써, 상기 변태 온도에서의 상기 전이금속 산화물이 상기 연마 입자들과 상기 유리질 결합기재 사이의 계면에서 전이금속 질화물로 변화하도록 하는 단계를 더 포함한다.

본 발명 및 본 발명의 다양한 특징들과 장점들은 첨부된 도면들을 참조함으로써 더 잘 이해되고 당해업계의 숙련된 자들에게 명백해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마지석 제품의 형성방법을 설명하는 흐름도.

도 2a는 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 연마지석 제품의 일부분을 나타내는 이미지.

도 2b는 종래기술에 따라 형성된 연마지석 제품의 일부분을 나타내는 이미지.

도 3은 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 연마지석 제품들과 비교샘플의 탄성계수(MOE)를 나타내는 도표.

도 4는 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 연마지석 제품들과 비교샘플의 파단계수(MOR)를 나타내는 도표.

도 5는 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 연마지석 제품들과 비교샘플의 경도(hardness)를 나타내는 도표.

서로 다른 도면에서의 유사하거나 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하였다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마지석의 형성방법을 설명하는 흐름도가 나타나 있다. 이 방법은, 전이금속 산화물 반응물질을 포함하는 유리분말을 공급하는 단계 101에서 시작된다. 이 분말은 일반적으로 유리질(비정질)이므로 유리분말의 약 80 용적% 이상이 비정질상을 나타낸다. 특정 실시예에 따르면, 유리분말 내 비정질상의 함량은 약 90 용적% 이상 또는 심지어 약 95 용적% 이상과 같이 더 클 수 있다. 일반적으로, 유리분말의 형성은, 원료들을 적당한 비율로 혼합하고 이렇게 얻은 원료 혼합물을 용융시켜 고온에서 유리를 형성함으로써 완성될 수 있다. 유리가 충분히 용융되고 혼합된 후에는, 유리를 냉각(담금질)처리하고 제분하여 분말로 만들 수 있다.

일반적으로, 적당한 입도분포를 가지는 유리분말을 공급하도록, 유리분말을 예를 들어 분쇄공정(milling process)을 통해 더 처리할 수 있다. 대체로, 유리분말의 평균입경은 약 100 마이크론 이하이다. 특정 실시예에서, 유리분말의 평균입경은 75 마이크론 이하로, 예컨대 50 마이크론 이하 또는 심지어 10 마이크론 이하이다. 그러나, 유리분말의 평균입경은 대체로 약 5.0 마이크론 내지 약 75 마이크론 사이의 범위 내에 속한다.

유리분말의 조성물은 일반식 aM₂O-bMO-cM₂O₃-dMO₂-eM₂O₅으로 표기될 수 있다. 일반식에 나타난 바와 같이, 유리분말의 조성물은 금속 산화물을 함유할 수 있으며, 구체적으로는 하나 이상의 금속 산화물을 함유함으로써 산화물들이 함께 복합 산화물 재료로서 존재하게 된다. 특정의 일 실시예에서, 유리분말은 일반식 M₂O로 표기되는 금속 산화물들과 같은 1가 양이온(M^{1 +})을 가지는 금속 산화물들을 함유한다. M₂O로 표기되는 적당한 금속 산화물 조성물들에는 Li₂O, Na₂O, K₂O 및 Cs₂O와 같은 화합물들이 있다.

다른 실시예에 따르는 한편 상기 일반식에 제공된 바와 같이, 유리분말은 기타 금속 산화물들을 함유할 수 있다. 특히, 유리분말은 일반식 MO로 표기되는 금속 산화물들과 같은 2가 양이온(M^{2 +})을 가지는 금속 산화물들을 함유할 수 있다. MO로 표기되는 적당한 금속 산화물 조성물들에는 MgO, CaO, SrO, BaO 및 ZnO와 같은 화합물들이 있다.

또한, 유리분말은, 특히 일반식 M₂O₃로 표기되는 금속 산화물들로서 3가 양이온(M^{3 +})을 가지는 금속 산화물들을 함유할 수 있다. M₂O₃로 표기되는 적당한 금속 산화물 조성물들에는 Al₂O₃, B₂O₃, Y₂O₃, Fe₂O₃, Bi₂O₃ 및 La₂O₃와 같은 화합물들이 있다.

그중에서도, 상기 일반식에 표시된 바와 같이, 유리분말은 MO₂로 표기되는 것과 같이 M^{4 +} 원자가 상태의 양이온을 가지는 금속 산화물들을 함유할 수 있다. 특히 MO₂로 표기되는 적당한 금속 산화물 조성물들에는 SiO₂, ZrO₂ 및 TiO₂와 같은 화합물들이 있다.

더욱이, 유리분말은 일반식 M₂O₅로 표기되는 금속 산화물들로서 M^{5 +} 원자가 상태의 양이온을 가지는 금속 산화물들을 함유할 수 있다. M₂O₅로 표기되는 적당한 금속 산화물 조성물들에는 V₂O₅ 및 Nb₂O₅와 같은 화합물들이 있다.

전술된 일반식 aM₂O-bMO-cM₂O₃-dMO₂-eM₂O₅으로 표기되는 유리분말 조성물과 관련하여, 유리분말 내에 존재할 수 있는 상이한 유형의 금속 산화물들(M₂O, MO, M₂O₃, MO₂ 및 M₂O₅) 각각의 양(몰%)을 표시하도록 계수들(a, b, c, d 및 e)이 주어졌다. 이에 따라, 계수 “a”는 일반적으로 유리분말 내 M₂O 금속 산화물의 총량을 나타낸다. 유리분말 내 M₂O 금속 산화물의 총량(몰분율)은 일반적으로 대략 0≤a≤0.30의 범위 내에 속한다. 특정의 일 실시예에 따르면, 유리분말 내 M₂O 금속 산화물의 총량은 대략 0≤a≤0.15, 더욱 특히는 대략 0≤a≤0.10의 범위 내에 속한다.

2가 양이온 M^{2 +}을 가지는 MO 금속 산화물의 존재와 관련하여, 이러한 화합물의 총량(몰분율)을 계수 “b”로 표기한다. 일반적으로, 유리분말 내 MO 금속 산화물의 총량은 대략 0≤b≤0.60의 범위 내에 속한다. 특정의 일 실시예에 따르면, 유리분말 내 MO 금속 산화물의 총량은 대략 0≤b≤0.45, 더욱 특히는 대략 0.15≤b≤0.35의 범위 내에 속한다.

또한, 유리분말 내에 3가 양이온 M^{3 +}을 가지는 M₂O₃ 금속 산화물의 양을 계수 “c”로 표기한다. 이에 따라, M₂O₃ 금속 산화물의 총량(몰분율)은 대략 0≤c≤0.60의 범위 내에 속한다. 특정의 일 실시예에 따르면, 유리분말 내 M₂O₃ 금속 산화물의 총량은 대략 0≤c≤0.40, 더욱 특히는 대략 0.10≤c≤0.30의 범위 내에 속한다.

일반식 aM₂O-bMO-cM₂O₃-dMO₂-eM₂O₅에 기재된 바와 같이 M^{4 +} 양이온을 가지는 MO₂ 금속 산화물의 양을 계수 “d”로 표기한다. 일반적으로, 유리분말 내 MO₂ 금속 산화물의 총량(몰분율)은 대략 0.20≤d≤0.80의 범위 내에 속한다. 특정의 일 실시예에 따르면, 유리분말 내 MO₂ 금속 산화물의 총량은 대략 0.30≤d≤0.75, 더욱 특히는 대략 0.40≤d≤0.60의 범위 내에 속한다.

일반식 aM₂O-bMO-cM₂O₃-dMO₂-eM₂O₅에 기재된 바와 같이 M^{5 +} 양이온 을 가지는 M₂O₅ 금속 산화물의 존재를 계수 “e”로 표기한다. 일반적으로, 유리분말 내 M₂O₅ 금속 산화물의 총량(몰분율)은 대략 0≤e≤0.20의 범위 내에 속한다. 특정의 일 실시예에 따르면, 유리분말 내 M₂O₅ 금속 산화물의 총량은 대략 0≤e≤0.15, 더욱 특히는 대략 0.01≤e≤0.10의 범위 내에 속한다.

MO₂ 금속 화합물과 관련하여, 그리고 전술된 바와 같이, 특히 적당한 MO₂ 금속 산화물로서 산화규소(SiO₂)를 이용함으로써 유리분말은 규산계(silicate-based) 조성물을 이룬다. 특히 유리분말 내 산화규소의 단독존재와 관련하여, 대체로 유리 분말에는 산화규소가 약 80 몰% 이하 함유된다. 다른 실시예에 따르면, 유리분말에는 산화규소가 약 70 몰% 이하 또는 심지어 약 60 몰% 이하 함유된다. 또한, 특정 실시예들에서, 유리분말 내 산화규소의 양은 약 20 몰% 이상이다. 이에 따라, 유리분말 내 산화규소의 양은 일반적으로 약 30 몰% 내지 약 70 몰% 사이의 범위 내, 특히는 약 40 몰% 내지 약 60 몰%의 범위 내에 속한다.

특히 기타 금속 산화물들과 관련하여, 유리분말의 소정의 조성물들이, 특히 산화규소 이외에, 산화알루미늄(Al₂O₃)을 함유함에 따라 유리분말은 규산알루미늄을 이루게 된다. 이에 따라, 산화알루미늄을 이용하는 실시예들과 관련하여, 일반적으로 유리분말에는 Al₂O₃가 약 60 몰% 이하 함유된다. 기타 실시예들에서, 유리분말에는 산화알루미늄이 더 적은 양으로, 예컨대 약 50 몰% 이하 또는 심지어 약 40 몰% 이하 함유될 수 있다. 대체로, 유리분말에는 산화알루미늄이 약 5.0 몰% 내지 약 40 몰% 범위 내, 특히는 약 10 몰% 내지 약 30 몰% 범위 내로 혼합되어 있다.

기타 실시예들에 따르면, 유리분말은, 특히 산화규소 이외에, 더욱 특히는 산화규소 및 산화알루미늄 이외에, 산화마그네슘(MgO) 및 산화리튬(Li₂O) 중 적어도 하나를 함유한다. 이에 따라, 유리분말 내 산화마그네슘의 양은 일반적으로 약 45 몰% 이하, 예컨대 40 몰% 이하 또는 심지어 35 몰% 이하이다. 대체로, 유리분말 조성물에 이용되는 산화마그네슘의 양은 약 5.0 몰% 내지 약 40 몰%의 범위 내, 특히는 약 15 몰% 내지 약 35 몰%의 범위 내에 속한다. 마그네슘 함유-규산 알루미늄 유리는, 규산마그네슘알루미늄 조성물로 이루어진 MAS 유리로 지칭되기도 한다.

또 다른 실시예에 따르면, 유리분말은, 특히 산화규소 이외에, 더욱 특히는 산화알루미늄 및 산화규소 이외에, 산화리튬을 함유한다. 이에 따라, 유리분말 내 산화리튬의 양은 일반적으로 약 45 몰% 이하, 예컨대 30 몰% 이하 또는 심지어 20 몰% 이하이다. 대체로, 유리분말 조성물에 이용되는 산화리튬의 양은 약 1.0 몰% 내지 약 20 몰%의 범위 내, 특히는 약 5.0 몰% 내지 약 15 몰%의 범위 내에 속한다. 리튬 함유-규산 알루미늄 유리는, 규산리튬알루미늄 조성물로 이루어진 LAS 유리로 지칭되기도 한다.

기타 실시예들에서 유리분말은, 특히 산화규소 이외에, 소정 함량의 산화바륨(BaO)을 함유하는 한편, 일부 실시예들에서의 유리분말은 산화알루미늄- 및 산화 규소-함유 시스템 이외에 소정 함량의 산화바륨을 함유한다. 이에 따라, 유리분말 내 산화바륨의 양은 일반적으로 약 45 몰% 이하, 예컨대 30 몰% 이하 또는 심지어 20 몰% 이하이다. 대체로, 유리분말 조성물에 이용되는 산화바륨의 양은 약 0.1 몰% 내지 약 20 몰%의 범위 내, 더욱 특히는 약 1.0 몰% 내지 약 10 몰%의 범위 내에 속한다. 바륨 함유-규산 알루미늄 유리는, 규산바륨알루미늄 조성물로 이루어진 BAS 유리로 지칭되기도 한다.

기타 실시예들에서 유리분말은, 예컨대 산화규소 이외에, 소정 함량의 산화칼슘(CaO)을 함유하는 한편, 특정 실시예들에서의 유리분말은 산화알루미늄 및 산화 규소 이외에 소정 함량의 산화칼슘을 함유한다. 이에 따라, 유리분말 내 산화칼슘의 양은 일반적으로 약 45 몰% 이하, 예컨대 30 몰% 이하 또는 심지어 20 몰% 이하이다. 대체로, 유리분말 조성물에 이용되는 산화칼슘의 양은 약 0.5 몰% 내지 약 20 몰%의 범위 내, 특히는 약 1.0 몰% 내지 약 10 몰%의 범위 내에 속한다. 일부 실시예들에서, 산화칼슘은 앞서 언급한 기타 금속 산화물을 이용하는 시스템들에 존재하며, 그중에서도 MAS나 BAS 유리와 배합된다. 이에 따라, 산화칼슘은 예를 들어 규산칼슘마그네슘알루미늄(CAMS) 또는 규산칼슘바륨마그네슘알루미늄(CBAS)과 같은 복합 산화물을 형성할 수 있다.

전술된 바와 같이, 유리분말 조성물은 기타 금속 산화물들을 함유할 수 있다. 특정의 일 실시예에 따르면, 유리분말 조성물은 산화붕소(B₂O₃)를 함유한다. 일반적으로, 유리분말 내 산화붕소의 양은 약 45 몰% 이하, 예컨대 30 몰% 이하 또는 심지어 20 몰% 이하이다. 대체로, 유리분말 조성물에 이용되는 산화붕소의 양은 약 0.5 몰% 내지 약 20 몰%의 범위 내, 특히는 약 2.0 몰% 내지 약 10 몰%의 범위 내에 속한다.

본원에 사용된 바와 같이, 특히 유리분말 내의 전이금속 산화물 반응물질과 특히 관련하여, “전이금속 산화물 반응물질”이란 용어는 전이금속 산화물들의 선택그룹을 가리키는 것으로, 이들은 유리분말에 공급되어 연마지석의 소결처리시 반응함으로써 금속 질화물을 형성한다. 따라서, 적당한 전이금속 산화물 반응물질의 예로는 TiO₂, Cr₂O₃, V₂O₅, ZrO₂, Nb₂O₅ 및 이들의 조합물 또는 복합 산화물들이 있다.

이전의 설명이 MO, M₂O, M₂O₃, M₂O₅ 및 MO₂와 같은 일반 산화물의 존재에 관한 것인 반면에, 하기의 설명은, 특히, 전술된 바와 같이 본원에서 전이금속 산화물 반응물질로 사용되는 그러한 금속 산화물들의 존재에 관한 것이다. 일반적으로, 유리분말 내 전이금속 산화물 반응물질의 총량은 약 25 몰% 이하이다. 특정의 일 실시예에 따르면, 유리분말 내 전이금속 산화물 반응물질의 총량은, 예컨대 약 15 몰% 이하 또는 심지어 약 10 몰% 이하와 같이, 약 20 몰% 이하로 더 낮아질 수 있다. 대체로, 전이금속 산화물 반응물질의 총량은 약 1.0 몰% 내지 약 20 몰%의 범위 내, 특히는 약 2.0 몰% 내지 약 15 몰%의 범위 내에 속한다.

특히 전이금속 산화물 반응물질 TiO₂과 관련하여, 이 반응물질은 유리분말 내의 기타 산화물들, 특히 산화규소, 더욱 특히는 산화알루미늄 및 산화규소 이외에 추가로 존재하게 된다. 일반적으로, 유리분말 내 산화티타늄의 양은 약 20 몰% 이하이다. 다른 실시예에 따르면, 유리분말은 15 몰% 이하의 TiO2를 함유한다. 대체로, 유리분말 조성물에 이용되는 전이금속 산화물 반응물질 TiO2의 양은 약 1.0 몰% 내지 약 15 몰%의 범위 내, 더욱 특히는 약 2.0 몰% 내지 약 10 몰%의 범위 내에 속한다.

특히 전이금속 산화물 반응물질 Cr₂O₃과 관련하여, 이 반응물질은 유리분말 내의 기타 산화물들, 특히 산화규소, 더욱 특히는 산화알루미늄 및 산화규소 이외에 추가로 존재하게 된다. 일반적으로, 유리분말 내 산화크로미윰의 양은 약 20 몰% 이하이다. 또한, 유리분말 내 함유된 Cr₂O₃의 양은 예컨대 15 몰% 이하와 같이 더 적을 수 있다. 대체로, 유리분말 조성물에 대해 약 1.0 몰% 내지 약 15 몰%의 범위 내, 더욱 특히는 약 2.0 몰% 내지 약 10 몰%의 범위 내에 속하는 양의 전이금 속 산화물 반응물질 Cr₂O₃이 이용된다.

특히 전이금속 산화물 반응물질 V₂O₅과 관련하여, 일반적으로 이 반응물질은 유리분말 내의 기타 산화물들, 특히 산화규소, 더욱 특히는 산화알루미늄 및 산화규소 이외에 추가로 포함될 수 있다. 일반적으로, 유리분말에는 V₂O₅가 20 몰% 이하 함유된다. 다른 실시예에 따르면, 유리분말에는 V₂O₅가 15 몰% 이하 함유된다. 대체로, 유리분말에 이용되는 전이금속 산화물 반응물질 V₂O₅의 양은 약 1.0 몰% 내지 약 15 몰%의 범위 내, 더욱 특히는 약 2.0 몰% 내지 약 10 몰%의 범위 내에 속한다.

특히 ZrO₂의 존재와 관련하여, 이 반응물질은 유리분말 내의 기타 산화물들, 특히 산화규소, 더욱 특히는 산화알루미늄 및 산화규소 이외에 추가로 포함될 수 있다. 일반적으로, 유리분말 내의 전이금속 산화물 반응물질로서, ZrO₂의 유리분말 내의 함량은 20 몰% 이하이다. 다른 실시예에 따르면, 유리분말에는 ZrO₂가 15 몰% 이하 함유된다. 대체로, 유리분말에 존재하는 전이금속 산화물 반응물질 ZrO₂의 양은 약 1.0 몰% 내지 약 15 몰%의 범위 내, 더욱 특히는 약 2.0 몰% 내지 약 10 몰%의 범위 내에 속한다.

특히 전이금속 산화물 반응물질 Nb₂O₅과 관련하여, 이 반응물질은 유리분말 내의 기타 산화물들, 특히 산화규소, 더욱 특히는 산화알루미늄 및 산화규소 이외 에 추가로 포함될 수 있다. 일반적으로, 유리분말 내 Nb₂O₅의 함량은 약 20 몰% 이하이다. 다른 실시예에 따르면, 유리분말에는 Nb₂O₅가 15 몰% 이하 함유된다. 대체로, 유리분말 조성물에 이용되는 전이금속 산화물 반응물질 Nb₂O₅의 양은 약 1.0 몰% 내지 약 15 몰%의 범위 내, 더욱 특히는 약 2.0 몰% 내지 약 10 몰%의 범위 내에 속한다.

단계 101에서 유리분말을 공급한 이후에, 본 발명의 방법은 유리분말을 입방정질화붕소를 포함하는 연마 입자들과 배합하여 혼합물을 형성하는 단계 103으로 계속된다. 이 혼합물의 조성과 관련하여, 일반적으로 혼합물에는 연마 입자들이 약 25 용적% 이상 함유된다. 특정의 일 실시예에 따르면, 혼합물에는 연마 입자들이 약 40 용적% 이상, 예컨대 약 45 용적% 이상 또는 심지어 약 50 용적% 이상 함유된다. 또한, 연마 입자들의 양을 제한함으로써 일반적으로 혼합물 내 함유된 연마 입자들이 약 60 용적% 이하가 된다. 특히, 혼합물에 존재하는 연마 입자들의 양은 일반적으로 약 30 용적% 내지 약 60 용적%의 범위 내에 속한다.

연마 입자들과 관련하여, 이들 연마 입자는 경질의 연마물질을 함유하며, 특히는 입방정질화붕소와 같은 초연마 물질을 함유한다. 또한, 특정의 일 실시예에 따르면, 연마 입자는 입방정질화붕소를 함유하며, 더욱 특히, 연마 입자는 기본적으로 입방정질화붕소로 구성된다. 일부 실시예들에서, 통상 입방정질화붕소인 연마 입자들의 소정 비율(percentage)은 산화알루미늄, 탄화규소, 탄화붕소, 탄화텅스텐 및 규산지르코늄과 같은 치환연마입자들로 대체될 수 있다. 이에 따라, 치환연마 입자들의 양은 일반적으로 전체 연마 입자에 대해 약 40 용적% 이하, 예컨대 약 25 용적% 이하 또는 심지어 약 10 용적% 이하이다.

일반적으로 연마 입자의 평균입경은 약 500 마이크론 이하이다. 특히, 연마 입자의 평균입경은 약 200 마이크론 이하 또는 심지어 약 100 마이크론 이하이다. 일반적으로, 이러한 평균입경은 약 1.0 마이크론 내지 약 250 마이크론의 범위 내, 특히는 약 35 마이크론 내지 약 180 마이크론의 범위 내에 속한다.

혼합물에서 연마 입자들과 배합되는 유리분말의 양과 관련하여, 혼합물에는 유리분말이 약 10 용적% 이상, 예컨대 약 15 용적% 이상 함유될 수 있다. 또한, 유리분말의 양을 제한함으로써 혼합물에는 유리분말이 약 60 용적% 이하, 예컨대 약 50 용적% 이하 또는 심지어 약 40 용적% 이하 함유되기도 한다. 특히, 혼합물 내에는 일반적으로 유리분말이 약 10 용적% 내지 약 30 용적%의 범위 내에 속하는 양으로 함유된다.

혼합공정은 건식 혼합공정 또는 습식 혼합공정으로 이루어질 수 있다. 특히, 혼합공정으로 습식 혼합공정을 포함함으로써, 적어도 한 종류의 액체를 첨가하여 유리분말과 연마 입자들의 혼합이 순조롭게 되도록 한다. 특정의 일 실시예에 따르면, 상기 액체는 물이다. 이러한 실시예들에서, 혼합공정을 순조롭게 하는 적절한 양의 물이 첨가되며, 이에 따라 얻어지는 혼합물에는 일반적으로 물이 약 6.0 용적% 이상, 예컨대 약 10 용적% 이상 함유된다. 또한, 혼합물에는 일반적으로 물이 약 20 용적% 이하, 예컨대 약 15 용적% 이하 함유된다.

혼합물은 결합제와 같은 다른 첨가제들을 함유할 수 있다. 일반적으로, 이러 한 결합제는 유기물질이다. 적당한 결합제 물질의 예로는, 글리콜(예로서, 폴리에틸렌글리콜), 덱스트린, 레진, 접착제(glue) 또는 알코올(예로서, 폴리비닐알콜)을 포함하는 유기물질들, 또는 이들의 조합물이 있다. 일반적으로, 혼합물에는 결합제가 약 15 용적% 이하, 예컨대 약 10 용적% 이하 함유된다. 특정의 일 실시예에 따르면, 혼합물에 공급되는 결합제는 약 2.0 용적% 내지 약 10 용적% 범위 내에 속한다.

기타 첨가제들과 더 관련하여, 혼합물은 기공형성제(pore formers) 또는 기공유도물질을 함유하여 다공성의 최종 연마지석 구조가 순조롭게 형성되도록 한다. 따라서, 기공형성제의 예로는 일반적으로 무기물질 또는 유기물질이 있다. 대체적으로 적당한 유기물질의 예로는 폴리비닐 부티레이트, 폴리염화비닐, 왁스(예로서, 폴리에틸렌 왁스), 종자, 식물 껍질, 소디움디아밀설포석시네이트, 메틸에틸케톤, 나프탈렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아크릴 중합체, p-디클로로벤젠 및 이들의 조합물이 있다. 이러한 기공형성제는 대체로 미립자 형태로 공급됨으로써 가열시 미립자 물질은 방출(evolve)되고 기공이 남게 된다. 따라서, 기공형성제의 평균입경은 약 0.5 mm 이하 또는 심지어 약 0.05 mm 이하이다. 또한, 적당한 무기물질의 예로는, 무기물질 비드, 특히는 글래스, 세라믹 또는 글래스-세라믹, 또는 이들의 조합물과 같은 물질들의 중공구체(hollow spheres)가 있다.

대체로, 혼합물에 공급되는 기공형성제의 양은 약 35 용적% 이하이다. 다른 실시예에서, 혼합물에는 기공형성제가 약 30 용적% 이하, 예컨대 약 20 용적% 이하 또는 심지어 약 15 용적% 이하 함유된다. 특정의 일 실시예에 따르면, 혼합물에 함 유되는 기공형성제의 양은 약 1.0 용적% 내지 약 35 용적%의 범위 내, 더욱 특히는 약 5.0 용적% 내지 약 25 용적%의 범위 내에 속한다.

또한, 혼합물에는 “고유 기공률(natural porosity)”, 즉 연마 입자들, 유리분말 및 기타 첨가제들의 혼합물로 된 덩어리 내에 기포(bubble) 또는 기공들이 존재한다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 성형기법에 따라 최종 연마지석 제품이 이러한 고유 기공률을 유지하게 할 수 있다. 이에 따라, 특정의 실시예들에서는, 기공형성제를 사용하지 않고, 혼합물 내 고유 기공률을 이용하고 성형 및 소결처리 내내 이 기공률을 유지함으로써 원하는 기공률을 지닌 최종 연마지석 제품을 성형하도록 한다. 일반적으로, 혼합물의 고유 기공률은 약 40 용적% 이하이다. 비록 특정의 실시예들에서 혼합물 내 고유 기공률이 예컨대 약 25 용적% 이하 또는 심지어 약 15 용적% 이하와 같이 더 낮지만, 혼합물 내 고유 기공률은 일반적으로 약 5.0 용적% 내지 약 25 용적% 범위 내에 속한다.

혼합 단계에서는 유리분말, 연마 입자들 및 전술한 기타 구성요소들이 혼합될 수 있지만, 특정의 일 실시예에 따르면, 결합제와 연마 입자들이 먼저 물에서 혼합될 수도 있다. 그런 후에, 추가적 구성요소들(즉, 연마 입자들과 결합제)을 함유하는 물은 유리분말 및 기공형성제(존재하는 경우)와 배합될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 단계 103에서 유리분말과 연마 입자들을 혼합한 후에, 본 발명의 방법은 상기 혼합물을 형성하여 그린제품을 성형하는 단계 105로 계속된다. 혼합물을 형성하여 그린제품을 성형하는 것은 원하는 최종 외형 또는 실질적으로 원하는 최종 외형을 지니는 그린제품의 성형과정으로 이루어질 수 있다. 본 원에 사용된 바와 같이, “그린제품”이란 용어는 완전히 소결되지 않는 물품을 가리킨다. 따라서, 성형공정은 주조, 몰딩, 압출 및 가압공정들 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 성형공정은 몰딩공정이다.

단계 105에서 그린제품을 성형한 이후에, 본 발명의 방법은 이러한 그린제품을 예비 소성(pre-firing)하는 단계 107로 계속된다. 일반적으로, 예비 소성 단계는 휘발성 물질들(예로서, 물 및/또는 유기물질들 또는 기공형성제들)의 방출이 순조롭도록 그린제품을 가열하는 과정을 포함한다. 이에 따라, 혼합물의 가열은 일반적으로 대략 실온(22^oC)을 상회하는 온도까지 가열하는 과정을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 예비 소성처리는 그린제품을 약 100 ^oC 이상의 온도까지, 예컨대 약 200 ^oC 이상 또는 심지어 300 ^oC 이상의 온도까지 가열하는 과정을 포함한다. 특정의 일 실시예에 따르면, 가열과정은 약 22 ^oC 내지 약 850 ^oC 사이의 온도에서 완료된다.

단계 107에서 그린제품을 예비 소성한 이후에, 본 발명의 방법은 단계 109로 계속되어, 상기 그린제품을 변태온도에서 소결하여 결합기재 내에 연마 입자들을 함유하고 연마 입자들과 결합기재 사이의 계면에 반응 생성물인 전이금속 질화물을 함유하는 연마지석 제품을 성형한다. 일반적으로, 변태온도는 유리분말 내에 존재하는 전이금속 산화물 반응물질의 상당 부분을 전이금속 질화물로 변화시키기에 충분한 온도이다. 따라서, 변태온도는 일반적으로 약 800 ^oC 이상이다. 기타 실시예 들에서는 예를 들어 약 1000 ^oC 이상, 약 1200 ^oC 이상 또는 심지어 약 1300 ^oC 이상과 같은 더 높은 변태온도가 이용되기도 한다. 변태온도는 일반적으로 약 1000 ^oC 내지 약 1800 ^oC 범위 내, 특히는 약 1100 ^oC 내지 약 1500 ^oC 범위 내에 속한다.

소결처리는 일반적으로 제어된 분위기 속에서 수행된다. 일 실시예에 따르면, 이러한 제어된 분위기로는 비산화 분위기가 포함될 수 있다. 비산화 분위기의 예로는, 희소성 기체를 사용하는 것과 같은 불활성 분위기가 있다. 일 실시예에 따르면, 이러한 분위기는 질소로 구성되며, 예를 들어 약 90 용적% 이상이 질소로 구성된다. 기타 실시예들에서는 약 95 용적% 이상 또는 심지어 99.99 용적% 이상과 같은 더 높은 질소농도를 이용함에 따라, 기본적으로 질소로 구성된 분위기가 조성된다. 일 실시예에 따르면, 질소 분위기 하에서의 소결처리는 주변 분위기를 약 0.05 바 이하의 감압 분위기로 초기 진공화시키는 것으로 시작된다. 특정의 일 실시예에서는, 이 동작을 반복함으로써 소결실을 여러번 진공화시킨다. 진공동작 이후에, 소결실을 무산소 질소 가스로 퍼지시킨다.

소결처리와 더 관련하여, 이러한 처리는 소정의 지속기간 동안 수행된다. 일반적으로 소결처리는 약 10분 이상의 지속기간 동안 수행된다. 다른 실시예에 따르면, 소결처리는 약 60분 이상 또는 심지어 약 240분 이상의 지속기간 동안 소결온도에서 수행된다. 대체로, 소결처리는 약 20분 내지 약 4 시간 사이의 지속기간, 특히는 약 30분 내지 약 2 시간 사이의 지속기간 동안 수행된다.

또한, 변태온도에서의 소결처리 동안에, 일반적으로, 약 50 용적% 이상과 같 은 고함량의 결합기재가 비정질상을 가진다. 더 일반적으로, 약 60 용적% 이상, 약 70 용적% 이상 또는 심지어 약 80 용적% 이상과 같은 고함량의 결합기재가 비정질상을 가진다. 고함량의 비정질상은 연마 입자들과 결합기재 사이의 계면에서 전이금속 산화물 반응물질이 전이금속 질화물로 순조롭게 변형되도록 한다.

단계 109에서의 소결처리 이후에, 연마지석은 단계 111에서의 선택적 처리를 더 거쳐도 되며, 여기서 선택적 처리는 다결정 세라믹상의 결합기재를 형성하는 냉각처리를 포함한다. 예를 들어, 결합기재 재료의 결정화가 순조롭게 되도록, 연마지석은 제어 냉각 및 선택적인 제어 결정화 처리를 거쳐도 된다. 이러한 처리들에서, 소결온도로부터의 냉각률은 일반적으로 약 50 ^oC/분 이하이다. 기타 실시예들에서는 예컨대 약 40 ^oC/분 이하 또는 심지어 약 30 ^oC/분 이하의 더 낮은 승온률(ramp rate)이 이용될 수 있다. 특정의 일 실시예에 따르면, 냉각처리는 약 20 ^oC/분 이하의 속도로 수행된다.

또한, 제어 냉각 및 제어 결정화 처리는 홀드 처리(hold process)를 포함하되, 이는 연마지석 제품을 결합기재 재료의 유리전이온도(T_g)을 상회하는 결정화 온도에서 홀딩(holding)하는 것을 말한다. 대체로, 연마지석 제품은 T_g를 약 100 ^oC 이상 상회하는 온도까지, 예컨대 T_g를 약 200 ^oC 이상 상회하는 온도까지 또는 심지 어 T_g를 약 300 ^oC이상 상회하는 온도까지 냉각될 수 있다. 일반적으로, 결정화 온도는 약 800 ^oC 이상으로, 예컨대 900 ^oC 이상 또는 심지어 1000 ^oC 이상이다. 특히, 결정화 온도는 약 900 ^oC 내지 약 1300 ^oC범위 내, 더욱 특히는 약 950 ^oC 내지 약 1200 ^oC 범위 내에 속한다.

연마지석 제품을 일반적으로 약 10분 이상의 지속기간 동안 결정화 온도에서 홀딩한다. 일 실시예에서는, 연마지석 제품을 약 20분 이상의 지속기간 동안, 예컨대 약 60분 이상 또는 심지어 약 2 시간 이상의 지속기간 동안 결정화 온도에서 홀딩한다. 연마지석을 결정화 온도에서 홀딩하는 통상의 기간은 약 30분 내지 약 4 시간 범위 내, 특히는 약 1 시간 내지 약 2 시간 범위 내에 속한다. 선택적 냉각 및 결정화 처리시의 분위기는 소결처리시의 분위기와 동일하며, 따라서 제어된 분위기, 특히 무산소 고농도 질소 분위기를 포함하고 있음을 이해한다.

냉각처리를 이용하는 이들 실시예에서는, 결합기재의 상당부분이 다결정 세라믹상을 가지고 있으므로, 약 50 용적% 이상의 결합기재가 결정상태(crystalline)에 있게 된다. 특정의 일 실시예에 따르면, 약 60 용적% 이상, 약 75 용적% 이상 또는 심지어 약 90 용적% 이상의 결합기재가 결정상태에 있을 수 있다.

일반적으로, 다결정 세라믹상은 평균입경이 약 0.05 마이크론 이상인 다수의 결정자 또는 결정입자들을 포함한다. 특정의 일 실시예에서, 평균 결정자 크기는 약 1.0 마이크론 이상으로, 예컨대 약 10 마이크론 이상 또는 심지어 약 20 마이크 론 이상이다. 또한 평균 결정자 크기가 일반적으로 약 100 마이크론 이하이므로, 평균 결정자 크기는 약 1.0 마이크론 내지 100 마이크론 범위 내에 속한다.

일반적으로, 다결정 세라믹상의 결정자 조성물은 산화규소, 산화알루미늄 또는 이 둘의 혼합물을 포함할 수 있다. 이에 따라, 다결정 세라믹상의 결정자는 베타석영과 같은 결정체를 함유하며, 이들 결정체는, 고용체 내에서, 초기의 유리분말에 혼합된 기타 금속 산화물들과 혼합된다. 특히, 다결정 세라믹상은 규산알루미늄상을 포함할 수 있다. 또 다른 특정의 일 실시예에 따르면, 다결정 세라믹상의 결정자는, 예를 들어 코디어라이트, 완화석(enstatite), 사피린, 아노르싸이트, 셀시안, 다이옵사이드, 스핀넬 및 베타-스포듀민과 같은 복합 산화물 결정체들을 포함하되, 여기서 특히 베타-스포듀민이 고용체 내에서 발견된다.

또한, 결합기재의 일부는 비정질상을 가져도 된다. 비정질상은, 다결정 세라믹상과 유사하게, 산화규소, 산화알루미늄 및 원래의 유리분말에 존재하는 기타 종류의 금속 산화물 종들을 포함할 수 있다. 대체로, 비정질상은 결합기재 전체 용적의 약 50 용적% 이하의 양으로 존재한다. 이에 따라, 비정질상이 약 40 용적% 이하, 예컨대 약 30 용적% 이하 또는 더 적은, 약 15 용적% 이하의 양으로 존재하도록, 비정질상은 통상 소량으로 존재한다. 특정의 일 실시예에 따르면, 비정질상의 양은 약 0 용적% 내지 약 40 용적% 범위 내, 더욱 특히는 약 5.0 용적% 내지 약 20 용적% 범위 내에 속한다.

최종 성형된 연마지석 제품에서, 연마 입자들은 일반적으로 연마지석 제품 전체 용적의 약 25 용적% 이상을 구성한다. 실시예들에 따르면, 연마 입자들은 일 반적으로 최종 성형된 연마지석 제품 전체 용적의 약 35 용적% 이상, 예컨대 약 45 용적% 이상 또는 심지어 약 50 용적% 이상을 구성한다. 특정의 일 실시예에 따르면, 연마 입자들은 최종 성형된 연마지석 제품 전체 용적의 약 35 용적% 내지 약 60 용적% 범위를 구성한다.

연마지석 제품은 일반적으로 연마지석 제품 전체 용적의 약 5.0 용적% 이상 정도의 기공률을 가진다. 대체로, 기공률의 양을 그 이상으로 하여 전체 연마지석 용적의 약 10 용적% 이상, 예컨대 약 15 용적% 이상, 약 20 용적% 이상 또는 심지어 약 30 용적% 이상이 되도록 한다. 또한, 기공률의 양을 제한하여 기공률이 약 70 용적% 이하, 예컨대 약 60 용적% 이하 또는 심지어 약 50 용적% 이하가 되도록 한다. 특정의 일 실시예에 따르면, 연마지석 제품의 기공률은 약 20 용적% 내지 약 50 용적% 범위 내에 속한다. 이러한 기공률은 일반적으로 개기공률(open porosity)과 폐기공률(closed porosity) 양쪽 모두를 조합한 것이다.

연마지석 제품의 기공률과 더 관련하여, 평균기공크기는 일반적으로 약 500 마이크론 이하이다. 일 실시예에서, 평균기공크기는 약 250 마이크론 이하, 예컨대 약 100 마이크론 이하 또는 심지어 75 마이크론 이하이다. 특정의 일 실시예에 따르면, 평균기공크기는 약 1.0 마이크론 내지 약 500 마이크론 범위 내, 특히는 약 10 마이크론 내지 약 250 마이크론 범위 내에 속한다.

일반적으로, 최종 성형된 연마지석 제품 내에 존재하는 결합기재의 양은 그 제품의 전체 용적에 대해 약 60 용적% 이하이다. 이에 따라, 연마지석에는 일반적으로 결합기재가 약 50 용적% 이하, 예컨대 약 40 용적% 이하 또는 심지어 약 30 용적% 이하 함유된다. 따라서, 결합기재는 최종 성형된 연마지석 제품의 전체 용적에 대해 약 10 용적% 내지 약 30 용적% 범위 내에 속하는 양으로 존재한다.

전이금속 산화물 반응물질을 제외하고는, 최초의 유리분말에 처음부터 존재했던 화합물들이 결합기재에 함유되어 있다는 것을 이해한다. 즉, 결합기재는 실질적으로 유리분말의 조성물과 동일한 조성물로 이루어지며, 그중에서도 이는 상기의 금속 산화물들, 특히는 복합 금속 산화물들, 더욱 특히는 규산계 조성물들, 예를 들면, 규산알루미늄, MAS, LAS, BAS, CMAS 또는 CBAS 조성물을 함유한다.

앞서 설명한 바와 같이, 실질적으로 결합기재는 최초의 유리분말에서와 같은 동일한 금속 산화물들을 가지되, 소결처리시 in situ상에서 금속 질화물로 변형되는 전이금속 산화물 반응물질은 여기서 제외된다. 본원에 사용된 바와 같이, 전이금속 질화물들은 최초의 유리분말에 전이금속 산화물 반응물질로서 첨가되었던 화합물들을 포함하며, 최종 성형된 연마지석 제품 내에서는 전이금속 질화물로서 존재한다. 따라서, 전이금속 질화물들의 예로는 TiN, CrN, VN, ZrN 및 NbN 또는 이들의 조합물이나 복합 질화물들이 있다.

특히, 연마지석 내의 전이금속 질화물 총량은 일반적으로 약 20 mol% 이하이다. 다른 실시예에 따르면, 하나 이상의 전이금속 질화물들 총량은 약 15 몰% 이하, 예컨대 약 10 몰% 이하이다. 연마지석 내의 전이금속 질화물 총량은 대체로 약 1.0 몰% 내지 약 20 몰% 범위 내, 특히는 약 4.0 몰% 내지 약 15 몰% 범위 내에 속한다.

특정의 전이금속 질화물과 관련하여, 연마지석에는 일반적으로 TiN이 약 15 몰% 이하 함유된다. 다른 실시예에 따르면, 연마지석에는 TiN이 약 10 몰% 이하, 예컨대 약 8.0 몰% 이하 또는 심지어 약 6.0 몰% 이하 함유된다. 최종 성형된 연마지석 내의 TiN 함량은 일반적으로 약 1.0 몰% 내지 약 15 몰% 범위 내, 특히는 약 4.0 몰% 내지 약 10 몰% 범위 내에 속한다.

최종 성형된 연마지석 제품은 CrN 같은 기타 전이금속 질화물을 함유할 수 있다. 일반적으로, 연마지석에는 보통 CrN이 약 15 몰% 이하 함유된다. 다른 실시예에 따르면, 연마지석에는 CrN이 약 10 몰% 이하, 예컨대 약 8.0 몰% 이하 또는 심지어 약 6.0 몰% 이하 함유된다. 최종 성형된 연마지석 내 CrN의 함량은 일반적으로 약 1.0 몰% 내지 약 15 몰% 범위 내, 특히는 약 4.0 몰% 내지 약 10 몰% 범위 내에 속한다.

연마지석 제품에는 VN과 같은 기타 전이금속 질화물도 존재할 수 있으며, 일반적으로 연마지석에는 VN이 약 15 몰% 이하 함유된다. 다른 실시예에 따르면, 연마지석에는 VN이 약 10 몰% 이하, 예컨대 약 8.0 몰% 이하 또는 심지어 약 6.0 몰% 이하 함유된다. 최종 성형된 연마지석 내 VN의 함량은 일반적으로 약 1.0 몰% 내지 약 15 몰% 범위 내, 특히는 약 4.0 몰% 내지 약 10 몰% 범위 내에 속한다.

최종 성형된 연마지석 제품은 ZrN 같은 기타 전이금속 질화물을 함유할 수 있다. 일반적으로, 연마지석에는 보통 ZrN이 약 15 몰% 이하 함유된다. 다른 실시예에 따르면, 연마지석에는 ZrN이 약 10 몰% 이하, 예컨대 약 8.0 몰% 이하 또는 심지어 약 6.0 몰% 이하 함유된다. 최종 성형된 연마지석 내 ZrN의 함량은 일반적으로 약 1.0 몰% 내지 약 15 몰% 범위 내, 특히는 약 4.0 몰% 내지 약 10 몰% 범위 내에 속한다.

연마지석 제품에는 NbN과 같은 기타 전이금속 질화물도 존재할 수 있으며, 일반적으로 연마지석에는 NbN이 약 15 몰% 이하 함유된다. 다른 실시예에 따르면, 연마지석에는 NbN이 약 10 몰% 이하, 예컨대 약 8.0 몰% 이하 또는 심지어 약 6.0 몰% 이하 함유된다. 최종 성형된 연마지석 내 NbN의 함량은 일반적으로 약 1.0 몰% 내지 약 15 몰% 범위 내, 특히는 약 4.0 몰% 내지 약 10 몰% 범위 내에 속한다.

연마지석 내의 전이금속 질화물 존재와 더 관련하여, 일반적으로, 질화물은 연마 입자들과 결합기재 사이의 계면에 있음으로써 연마 입자들과 직접 접촉하게 된다. 일 실시예에 따르면, 연마지석에 존재하는 전이금속 질화물 전체 함량의 약 50 용적% 이상이 연마 입자들과 직접 접촉한다. 또한, 연마 입자들과 직접 접촉되는 전이금속 질화물의 양은 더 많을 수 있는데, 예를 들면 연마지석 내의 전이금속 질화물 전제 용적의 약 60 용적% 이상, 약 75 용적% 이상 또는 심지어 약 95 용적% 이상일 수 있다.

전이금속 질화물이 연마 입자들과 직접 접촉하거나 연마 입자들과 결합기재 사이의 계면에 있게 됨에 따라, 일반적으로, 전이금속 질화물은 연마 입자들의 전체 유효 표면적의 약 30% 이상을 점유(cover)한다. 다른 실시예들에 따르면, 전이금속 질화물은 더 많은 양의 연마 입자들을 점유하는데, 예컨대 연마 입자들의 전체 유효 표면적을 약 40% 이상, 약 50% 이상 또는 심지어 약 75% 이상을 점유한다.

일반적으로, 결합기재는 전술한 바와 같이 비정질상, 결정상 또는 이 둘의 조합의 상태에 있도록 매우 균일한 상을 가지지만, 그중에서도 결합기재는 제한된 기공률과 기포들을 지니고 있다. 대체로, 결합기재의 전체 용적에 비교할 때 결합기재의 약 10 용적% 이하가 기포들이다. 특정의 일 실시예에 따르면, 결합기재의 약 5.0 용적% 이하, 예컨대 약 2.0 용적% 이하 또는 심지어 약 1.0 용적% 이하가 기포들이다.

결합기재 재료의 열팽창계수는, 약 80x10^-7/K^-1 이하와 같이, 대체로 낮다. 특정의 일 실시예에 따르면, 결합기재의 열팽창계수는 약 60x10^-7/K^-1 이하, 예컨대 약 50x10^-7/K^-1 이하 또는 심지어 약 40x10^-7/K^-1 이하이다. 이에 따라, 결합기재의 열팽창계수는 대체로 약 10x10^-7/K^-1 내지 약 80x10^-7/K^-1 범위 내에 속한다.

소결처리 이후의 결합기재는 일반적으로 약 80 MPa 이상의 굴곡 강도(flexural strength)를 지닌다. 다른 실시예들에서, 결합기재의 굴곡 강도는 더 크며, 예컨대 약 90 MPa 이상, 약 100 MPa 이상, 일부예들에는 약 110 MPa 이상이다. 특정의 일 실시예에 따르면, 결합기재의 굴곡 강도는 약 90 MPa 내지 약 150 MPa 범위 내에 속한다.

이러한 특징들 이외에, 소결처리 이후의 결합기재는 일반적으로 약 0.8 MPa m^1/2 이상의 인성(toughness)을 지닌다. 다른 실시예들에서, 결합기재의 인성은 더 크며, 예컨대 약 1.5 MPa m^1/2 이상 또는 심지어 약 2.0 MPa m^1/2 이상이다.

연마지석 제품의 성질들과 관련하여, 일반적으로, 성형된 연마지석 제품은 약 20 MPa 이상의 파단계수(MOR)를 지닌다. 그러나, MOR은 약 40 MPa 이상, 약 50 MPa 이상 또는 심지어 약 60 MPa 이상과 같은 더 높은 값일 수 있다. 특정의 일 실시예에서, 연마지석 제품의 MOR은 약 70 MPa 이상이며, 대체로는 약 50 MPa 내지 약 150 MPa 범위 내에 속한다.

연마지석 제품 성질들과 더 관련하여, 일 실시예에 따르면, 연마 제품들은 약 40 GPa 이상의 탄성계수(MOE)를 지닌다. 다른 실시예에서, MOE은 약 80 GPa 이상, 예컨대 약 100 GPa 이상 또는 심지어 약 140 GPa 이상이다. 일반적으로, 연마지석 제품의 MOE는 약 40 GPa 내지 약 200 GPa 범위 내, 특히는 약 60 GPa 내지 약 140 GPa 범위 내에 속한다.

도 2를 참조하면, 도 2a로 표시된 첫번째 이미지는 본원의 실시예들에 따른 연마지석 제품의 일부분을 도시하고 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 연마지석 제품의 일부분은 결합기재(207) 내에 연마 입자들(205)을 함유한다. 이 샘플에는 규산마그네슘알루미늄 조성을 가지는 다결정 세라믹상 결합기재가 함유된다. 도 2a에 도시된 샘플을 1320 ^oC에서 질소 분위기하에 60분 동안 소성시키고, 3.0 ^oC/분 내지 8.0 ^oC/분의 속도로 냉각시켰다. 도 2b로 표시된 두번째 이미지는 기타 공정들에 따라 제조된 연마지석 제품의 일부분을 도시하고 있으며, 그중에서도 결합기재(211) 내의 연마 입자들(209)을 도시한다. 이 샘플은, 규산리튬알루미늄으로 이루어진 부분결정화된 결합기재를 포함하는 연마지석 제품이다. 도 2b의 연마지석을 1000 ^oC에서 질소 분위기하에 4시간 동안 소성시켰다. 이들 각각 샘플의 50 용적%는 입방정 질화붕소 연마 입자들을 함유하고, 16 용적%는 유리분말을 함유하였다. 일반적으로, 각 혼합물은 또한 물 15 용적% 및 결합제로 사용되는 폴리에틸렌 글리콜 5.0 용적%의 첨가제들을 함유하였다. 혼합물은 또한 약 14 용적%에 해당하는 고유 기공률을 가졌다. 각 샘플은 대략 34 용적%의 기공률, 16 용적%의 결합기재 및 50 용적%의 연마 입자들로 이루어졌다.

비교해보면, 도 2b에 도시된 연마지석의 결합기재(211)는, 특히 연마 입자들(209) 사이에서 상당한 정도의 기공률과 기포들을 나타낸다. 게다가, 결합기재(211)는 동일하지 않은 색상을 띄는데, 이는 상이한 상들의 존재, 특히는 비정질상 및 결정상이 존재함을 나타낸다. 결합기재(211)의 연마 입자들(209) 사이의 기공률과 기포들은 결합기재(211) 내의 응력집중 위치들을 특징지으며, 그리하여 더 쉽게 파단 및 절단되는 결합기재를 생성하게 된다. 비교해 보면, 도 2a의 결합기재(207)는, 연마 입자들(205)을 효과적으로 습윤시킬 뿐만 아니라, 높은 수준의 결정성, 낮은 수준의 기공률 및 연마 입자들간에 실질적으로 기포생성을 하지 않는 특징의 균일한 물질로 이루어진다.

하기에서는 본원에 제공된 실시예들에 따라 성형된 연마지석 제품의 특정예들을 기타 공정들에 따라 제조된 연마지석 제품과 비교하여 제공한다. 아래의 표 2에는 본원에 기재된 실시예들에 따라 제조된 세 개의 샘플들(샘플 1-3) 및 기타 공정들에 따라 제조된 유리분말 조성물(비교샘플)의 결합기재 조성물들인 유리분말 조성물들(중량%) 이 나타나 있다.

	SiO 2	Fe 2 O 3	Al 2 O 3	CaO	MgO	Na 2 O	K 2 O	B 2 O 3	TiO 2	Zr 2 O	ZnO
샘플 1	48.5	0.20	28.9	0.09	12.10	0.07	0.02	2.48	7.75	0.14
샘플 2	44.70	0.02	27.9	0.05	14.30	0.10		4.85	7.90
샘플 3	55.70	0.02	17.50	0.30	19.60	0.17	0.09	2.90	3.73
비교 샘플	50.80	0.10	18.9	0.15	18.8	0.03		5.36	0.02		5.93

표 2에 나타난 샘플들은 표 1에서의 샘플들에 대한 설명에 따라 앞서 제공된 동일한 과정으로 형성되었다. 각 유리 조성물을 제분하여 평균입경이 약 12 마이크론이고, 적어도 80 용적%에 가까운 높은 함량의 비정질상을 가지는 분말로 형성하였다. 다음으로 유리분말을, 약 115 마이크론의 평균입경을 가지는 입방정질화붕소 연마 입자들과 혼합하였다. 이에 혼합물은 50 용적%에 해당하는 입방정질화붕소 연마 입자들 및 16 용적%에 해당하는 유리분말을 함유하였다. 일반적으로, 각 혼합물은 또한 물 15 용적% 및 결합제로 사용되는 폴리에틸렌 글리콜 5.0 용적%의 첨가제들을 함유하였다. 각 혼합물은 또한 약 14 용적%의 고유 기공률을 가졌다.

다음으로, 압축금형을 사용하여 혼합물을 몰딩함으로써 샘플들을 그린제품들로 성형하였다. 성형과정 이후, 그린제품들을 약 850 ^oC까지 예비 소성시켜 유기물질들과 저휘발성 종들을 방출하고 최종 연마지석 제품의 성형을 돕도록 하였다.

예비 소성처리 이후에, 그린제품들을 소결시켰다. 샘플들 1-3을 고온(대체로 1320 ^oC 내지 1380 ^oC 사이)에서 약 1.1 atm 질소농후 분위기하에 60분 동안 소결시켰다. 샘플들 1-3을 8.0 ^oC/분 내지 13 ^oC/분 사이의 속도로 냉각시켰다. 비교샘플을 1050 ^oC의 온도에서 질소 분위기하에 60분 동안 소결시켰다. 모든 샘플들은 대략 기공률 34 용적%, 결합기재 16 용적% 및 연마 입자들 50 용적%으로 이루어짐이 밝혀졌다.

도 3을 참조하면, 샘플들 1-3과 비교샘플의 탄성계수를 나타내는 도표가 주어져 있다. 도 3에 있는 도표를 통해 도시된 바와 같이, 샘플들 1-3은 비교샘플보다 향상된 탄성계수를 보여준다. 각 샘플들 1-3이 보여주는 탄성계수는 100 GPa를 초과하고, 대체로는 120 GPa 이상, 그리고 일부예들에서는 140 GPa를 초과한다. 비교해 보면, 비교샘플의 탄성계수는 대략 63 GPa이다.

도 4를 참조하면, 샘플들 1-3과 비교샘플의 파단계수를 나타내는 도표가 주어져 있다. 일반적으로, 샘플들 1-3으로 표시된 연마지석 제품들이 비교샘플보다 향상된 파단계수를 보여준다. 그중에서도, 샘플들 1-3의 파단계수(MOR)는 약 60 MPa를 초과하는 반면에, 비교샘플의 MOR은 23 MPa이다. 그중에서도, 샘플들 1과 2의 MOR은 70을 초과하며, 특히 샘플 1 의 MOR은 약 75로 비교샘플의 것보다 약 4배가 넘는다.

도 5를 참조하면, 연마지석 샘플들의 경도를 나타내는 도표가 주어져 있다. 그중에서도, 각 샘플들 1-3은 비교샘플보다 큰 경도를 보여준다. 샘플들 1-3은 90(로크웰 경도 H 스케일)보다 큰 경도를 보여주며, 대체로는 약 100 이상의 경도를 보여준다. 특히, 샘플들 2와 3의 경도는 100을 초과하고, 샘플 3의 경도는 거의 105이다. 비교샘플은 정확한 측정을 위한 충분한 경도가 부족했지만, 70 미만의 경도를 가지는 것으로 예상된다.

본원의 실시예들에 따라, 향상된 성질의 연마지석 제품들이 제공된다. 어떤 참조문헌들은 유리화 결합기재 내에 초연마 포지입자들을 형성하는 것을 개시하고 있지만, 이러한 개시들은 그들의 결합기재 조성물들, 코팅과정 및 성형과정에 의해 제한받는다. 통상적 연마지석은 대체로 결합기재 조성물에 융제(fluxes)를 첨가하여 요구되는 소결온도를 낮춘다. 더 낮은 소결온도는 비용, 효율성 및 연마지석의 구성요소들(즉 연마 입자들)의 분해(degradation)를 감소시키는 측면에서 유리한 것으로 여겨진다. 또한, 통상의 초연마 포지재는 대체로 금속 결합기재를 가지는 절삭공구들이지, 제분화 용도를 위한 연마지석 입자들이 아니다. 대조적으로, 본원의 실시예들은, 결합기재 조성물들, 소결과정, 산화물에서 질화물로의 in situ 반응들과 변형 및 결정화 과정을 포함하는 조합된 여러 특징들을 이용한다. 게다가, 본원에서의 최종 성형된 연마지석 제품들은 조합된 다수의 특징들, 그중에서도 고기공률, 결합기재와 연마 입자들간의 우수한 습윤도, 저기공률과 저기포를 가지는 고강도 결합기재, 및 연마 입자들과 결합기재 사이의 계면에 형성된 반응생성물인 전이금속 질화물을 지닌다.

본 발명이 특정 실시예들을 참조하여 예시 및 설명되었지만, 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 다양한 변경들과 대체가 이루어질 수 있으므로, 본 발명은 주어진 상세사항들에 제한받도록 의도된 것이 아니다. 예를 들어, 부가적이거나 대등한 대체물을 제공하고, 부가적이거나 대등한 제조단계들을 사용할 수 있다. 이에 따라, 당해 업계의 숙련자들이 단지 관례적 실험법을 사용하여 본원에 개시된 발명을 더욱 수정하고 대응시켜도 되며, 이러한 수정 및 대등사항들은 하기의 청구 범위에 의해서만 제한되는 바, 본 발명의 범주 내에 속하는 것으로 여겨진다.

Claims (58)

1. 규산염을 포함하는 결합기재 내의 입방정질화붕소를 포함하는 연마 입자들; 및

   상기 연마 입자들과 결합기재 사이의 계면에 있으며, 전이금속 질화물을 포함하는 반응생성물;을 포함하고,

   상기 전이금속 질화물의 50 용적% 이상이 상기 연마 입자들과 직접 접촉하는 연마지석 제품.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전이금속 질화물은 TiN, CrN, VN, ZrN 및 NbN으로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 연마지석 제품.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전이금속 질화물은 TiN을 포함하는 것인 연마지석 제품.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전이금속 질화물은 CrN을 포함하는 것인 연마지석 제품.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 결합기재는, 산화리튬, 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화바륨, 산화나트륨, 산화칼륨, 산화붕소, 산화지르코늄, 산화티타늄, 산화아연, 산화이트륨, 산화철, 산화세슘, 산화란타늄(lanthanum oxide) 및 산화비스무트로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 요소를 더 포함하는 것인 연마지석 제품.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 결합기재는 다결정 세라믹상을 50 용적% 이상 포함하는 것인 연마지석 제품.
8. 전이금속 산화물을 포함하는 유리분말을 공급하는 단계;

   입방정질화붕소를 포함하는 연마 입자들을 상기 유리분말과 배합하는 단계;

   상기 유리분말과 연마 입자들을 형성하여 그린제품을 성형하는 단계; 및

   상기 그린제품을 변태온도에서 소결하여 유리질 결합기재 내에 연마 입자들을 형성함으로써, 상기 변태 온도에서의 상기 전이금속 산화물이 상기 연마 입자들과 상기 유리질 결합기재 사이의 계면에서 전이금속 질화물로 변화하도록 하는 단계를 포함하는 연마지석 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 변태온도는 800 ℃ 이상인 것인 연마지석 제조방법.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 유리분말은 일반식 aM₂O-bMO-cM₂O₃-dMO₂으로 표기되는 금속 산화물을 포함하며, 이 식에서 금속 산화물의 양(몰분율)은 0≤a≤0.30, 0≤b≤0.60, 0≤c≤0.50 및 0.20≤d≤0.80으로 이루어지는 것인 연마지석 제조방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 금속 산화물 M₂O은 Li₂O, Na₂O, K₂O 및 Cs₂O로 구성된 군으로부터 선택되는 금속 산화물들 중 하나를 포함하는 것인 연마지석 제조방법.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 금속 산화물 MO은 MgO, CaO, SrO, BaO 및 ZnO로 구성된 군으로부터 선택되는 금속 산화물들 중 하나를 포함하는 것인 연마지석 제조방법.
13. 제 10 항에 있어서, 상기 금속 산화물 M₂O₃은 Al₂O₃, B₂O₃, Y₂O₃, Fe₂O₃, Bi₂O₃ 및 La₂O₃로 구성된 군으로부터 선택되는 금속 산화물들 중 하나를 포함하는 것인 연마지석 제조방법.
14. 제 10 항에 있어서, 상기 금속 산화물 MO₂은 SiO₂, TiO₂ 및 ZrO₂ 구성된 군으로부터 선택되는 금속 산화물들 중 하나를 포함하는 것인 연마지석 제조방법.
15. 제 8 항에 있어서, 냉각처리를 더 포함하며, 냉각 동안 상기 연마지석은 결합기재 재료의 유리전이온도를 초과하는 100 ℃ 이상의 결정화온도에서 홀딩(holding)되는 것인 연마지석 제조방법.
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