KR101226420B1

KR101226420B1 - 용융 구체 코런덤에 기재한 연마 입자

Info

Publication number: KR101226420B1
Application number: KR1020087028781A
Authority: KR
Inventors: 세바스티안 작세
Original assignee: 센터 포 어브레이시브즈 앤 리프랙토리즈 리서치 앤 디벨롭먼트 씨.에이.알.알.디. 게엠베하
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2013-01-24
Also published as: WO2007124905A2; US9884982B2; DE102006020362A1; CN101460587A; KR20090007462A; DE502007005848D1; RU2434039C2; EP2013307A2; CN101460587B; ATE490297T1; RU2008146975A; JP2009535286A; JP5186638B2; EP2013307B1; WO2007124905A3; US20090139149A1

Abstract

본 발명은 연마용 고형 미립자들로 형성된 비교적 두꺼운 층으로 코팅된, 용융 구체 코런덤에 기재한 연마 입자에 관한 것이다. 상기 코팅을 통해 구체 코런덤이 연마 입자로서 적합한 특성을 획득한다.

연마 입자, 용융 구체 코런덤, 연마용 고형 미립자, 코팅, 결합제

Description

용융 구체 코런덤에 기재한 연마 입자{Abrasive Grain Based on Melted Spherical Corundum}

본 발명은, 결합제와 연마용 고형 미립자의 포위 층으로 코팅된 구체 코런덤 코어로 이루어진, 용융 구체 코런덤에 기재한 연마 입자에 관한 것이다.

연마 입자는 약 75년 전 공지되어, 약 30년간 상업적 규모로 제조되어 왔다. 요컨대, 미국 특허 제1,871,792호 및 제1,871,793호에는 액상 코런덤의 주입 스트림을 압축 공기 또는 증기에 의해 백필링(back-filling)하여, 직경이 약 0 내지 5 mm인 중공 코런덤 구체를 생성하는 것이 기재되어 있다. 상기 인용된 미국 특허에는, 제조 공정에서 현재 적용되고 있는 모든 필수 단계가 이미 기재되어 있다. 다른 수많은 특허들에 상기 공정에 의해 생성되는 중공 구체의 사용이 기재되어 있다. 예를 들어, DE 628 936호는 중공 구체를, 차후 연마 공구로 제작되는 연마 입자로 분쇄 및 글레이징하는 것을 기재한다. 재료의 고 기공율 및 중공 구체의 저 견고성으로 인하여, 연마 입자로의 가공 시 오직 특정 용도로만 사용될 수 있는 비교적 미세한 입자가 생성된다. 그러나, 용융 코런덤의 통상적인 가공 시 미립 공정은 필수적으로 실시되기 때문에, 중공 구체형 코런덤으로부터 연마 입자를 제조하는 것은 경제적 이점이 거의 없다.

통상적인 코런덤 연마 입자의 제조 방법은 전기 아크로(arc furnace)에서 산화 알루미늄 또는 보크사이트를 용융하는 것으로 시작된다. 그후, 용융된 코런덤이 냉각되어, 중량 10톤 내지 15톤의 블록이 제조된다. 2일 내지 5일의 냉각 공정을 완료한 후, 이들 코런덤 블록을 분쇄기 및 롤러로 분쇄하고 나서, 생성된 재료가 연마 입자로서 여과 분리된다. 따라서, 코런덤 제조에 수반되는 비용의 필수 부분은, 분쇄 공정 및 직경 수 미터의 코런덤 블럭을 수 마이크로미터 내지 수 밀리미터 크기의 연마 입자로 분쇄하는 동안의 마모에 기인한다. 따라서, 고형화 이전에 가능한 일찍 액상의 용융 코런덤을 분산시켜 값비싼 분쇄 공정을 피하려는 시도가 과거에 반복하여 이루어졌다.

그러나, 상기에서 언급한 바와 같이, 액상 코런덤으로 이루어진 주입 스트림의 백필링에 의해 연마 입자로서 적합하지 않은 다공성 중공 구체형 코런덤이 생성된다.

따라서, 다공성 중공 구체형 코런덤은 낮은 열전도도, 화학적 불활성 및 기공율로 인하여 현재는 주로 내화성 물질로서 사용된다. US 2,261,639호는 내화 산업에 의한 구체 코런덤의 이용을 처음으로 기재하였다.

이와 달리, 연마재 산업에서는 연마 휠의 제조 시 구체형 코런덤을 연마 입자로 사용하기 보다는 공극 형성 물질로서 주로 사용한다. 이러한 연마 공구는 예를 들어, US 2,986,455호 또는 DE 1 281 306호에 기재되어 있다.

그럼에도 불구하고, 코런덤의 백필링은 연마 입자를 제조하기 위한 수단으로서 계속 사용되어왔다. 예를 들어, 미국 특허 제2,261,639호는 1 내지 10％의 산 화나트륨이 첨가된 산화알루미늄으로 이루어지고, 이를 공기로 백필링하여 분쇄된 후에 연마 재료로서 이용될 수 있는 조결정질 구체를 수득하는 용융 물질을 기재한다. 그러나 산화나트륨의 대부분은 연마 입자 성능을 크게 감소시키는 알루민산나트륨(sodium aluminate)을 생성한다.

US 2,340,194호는 비교적 두꺼운 벽을 갖는 내압축성 중공 구체를 생성할 것이라고 추측되는, 산화티타늄 1 내지 1.5％를 용융 물질에 첨가하는 것을 기재한다. DD 134,638호는 질화알루미늄 또는 산질화알루미늄 형태의 나이트라이트-결합 질소의 첨가에 의해 코런덤 중공 구체의 특성에 영향을 끼치는, 코런덤 중공 구체의 제조 방법을 기재한다.

GB 284 131호는 개개의 입자가 냉각수 흐름에 의해 추가로 냉각되는 냉각 챔버로 공기 흐름을 이용하여 액상 코런덤을 우선 보내는 방법을 기재한다. 이때, 약 3 mm 직경의 입자가 생성된다. EP 1 157 077호는 액상 코런덤이 주조(cast)되고, 초음파를 사용하여 용융 산화알루미늄을 소적(small drop)으로 분산함으로써 냉각 공정을 촉진하는 다결정질 연마 입자의 제조를 기재한다. 상기 방법은 평균 직경 1 mm 미만의 고밀도 입자를 생성한다. 이들 입자의 미세결정 크기는 30 ㎛ 미만의 범위이다.

언급된 종래 기술에 따른 방법은, 화학적 조성에 의해 원하는 생성물의 기공율 및 밀도와 같은 물성에 영향을 끼치려는 시도를 함으로써, 결과적으로 생성물의 화학적 조성 변화를 초래하여 때때로 연마 입자로서의 생성물의 성능을 감소시키거나, 또는 기술적 절차상 변형을 통해 생성물의 물성에 영향을 끼치려는 시도를 함 으로써 기술적 수고의 큰 증가를 수반하여 높은 제조 비용을 초래한다는 단점을 가지므로, 상기 언급된 연마 입자의 직접 제조 방법 중 어느 것도 성공적이지 않았다.

따라서, 값비싼 분쇄 공정을 사용하지 않으면서, 용융 물질로부터 연마 입자를 직접 제조하는 방법이 여전히 필요하다.

그러므로, 본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 일으키지 않는 방법, 즉 통상 비용이 드는 분쇄 공정을 거칠 필요 없이 간단한 방식으로 고성능 연마 입자를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 제13항에 포함되는 특징들을 갖는 방법 및 청구항 제1항에 따른 특징들을 갖는 연마 입자에 의해 달성될 수 있다.

본 발명의 개념의 추가 전개 및 실시형태는 종속항들의 대상이다.

놀랍게도, 통상적인 다공성 구체 코런덤을 결합제와 함께 연마용 고형 미립자 층으로 코팅하고, 그후에 코팅된 구체 코런덤을 템퍼링(tempering)함으로써, 연마 입자로서의 우수한 특성을 갖는, 다공성이고 본질적으로 구체인 고체가 얻어진다는 사실이 밝혀졌다.

따라서, 추가 코팅은 연마 입자로서 사용하기에 적합한 특징을 갖는 구체 코런덤을 제공한다.

초기에, 예컨대 연마 휠 내의 연마재 내로 또는 연마포지(coated abrasives) 내의 연마재 내로의 구체 코런덤의 결합을 개선시키는 고형 미립자를 사용함으로써 비표면적이 증가된다. 코팅은 0.1 내지 0.3 m²/g의 비표면적을 제공한다. 따라서 코팅된 코런덤의 표면적은 비코팅된 코런덤과 비교하여 약 20배 증가한다.

추가적인 미세다공성 코팅으로 인해, 본 발명에 따른 연마 입자는 현저히 높은 전체 기공율을 가지며, 개방 기공율이 10 내지 30％, 밀폐 기공율이 60 내지 90％이고, 하기 수학식을 기초하여 밀폐 기공율에 대한 개방 기공율과 밀폐 기공율의 합의 비율로부터 전체 기공율 R이 산출된다.

<수학식>

R은 3 내지 10의 값을 나타낸다.

고 기공율에 기초하여, 본 발명의 연마 입자는 연마 입자의 통상의 값보다 훨씬 더 낮은 0.5 내지 1 kg/l의 벌크 밀도를 갖는다.

기공율 값은 수은 기공율 측정기 및 디지털 화상 분석에 의해 측정되었고, 벌크 밀도는 통상적인 방식으로 연마 입자의 용량 및 중량 측정을 통해 산출되었다.

사용되는 결합제는 유기질 또는 무기질일 수 있다. 본 발명을 실시하는데 있어, 무기 결합제, 특히 규산염 결합제 및/또는 인산염 결합제가 바람직하다.

연마 입자의 목적에 따라서, 유기 결합제가 사용될 수도 있는데, 이 경우 합성 수지가 바람직하다. 결합제의 함량은 연마 입자의 전체 고형 물질 양에 대하여 0.05 내지 10 중량％이다. 코팅층은 비교적 두껍고, 연마 입자에 필요한 강도를 달성하기 위해 상응하는 양의 결합제가 도포되어야 하기 때문에, 비교적 높은 함량의 결합제가 사용되어야 한다.

코팅 자체는 주로 연마용 고형 미립자로 이루어지며, 그러한 미립자로는 백색 산화알루미늄, 갈색 산화알루미늄, 반-이쇄성(semi-friable) 산화알루미늄, 또는 지르코늄 산화알루미늄이 사용되는 것이 바람직하다. 그러나, 바람직한 변형은 지르코늄 뮬라이트, 탄화규소, 다이아몬드 및/또는 입방정 질화붕소를 포함할 수도 있다. 고형 입자의 크기는 0.1 내지 100 ㎛ 범위이다. 바람직한 변형에서, 고형 입자의 평균 크기는 3 내지 25 ㎛ 범위이다.

상기에 언급된 바와 같이, 본 발명에 따른 연마 입자는 비교적 두꺼운 층으로 코팅되며, 연마용 고형 입자의 함량은 연마 입자의 전체 고형물 함량에 대하여 20 중량％ 내지 40 중량％이다. 층 자체의 두께는 50 내지 500 ㎛, 바람직하게는 150 내지 300 ㎛ 범위이며, 본 발명에 따라 고형 입자의 각 평균 입자 크기의 수 배에 해당한다. 따라서, 본 발명에서는 다수개의 고형 입자 층으로 코팅하는 것이 필수이다. 그러한 경우에만 비로소 코팅된 구체 코런덤이 연마 입자로서 효과적으로 사용되는 데 필요한 고형도가 달성되는 것으로 밝혀졌다.

특정 용도에 따라서는, 코팅층에 결합제 및 연마용 미립 고형 재료 이외에, 소결 첨가제, 시멘트 형성제 및 연마 활성 물질과 같은 추가의 첨가제를 더 첨가하는 것이 유용할 수 있다. 상기 추가 첨가제는 바람직하게는 구체 코런덤에 도포되기 이전에, 연마용 미립 고형 재료와 혼합된다.

본 발명에 따른 연마 입자의 제조 방법은 비교적 간단하고 경제적이다. 구체 코런덤 자체는 통상적인 방식으로 용융 액체를 공기-물 혼합물로 백필링함으로써 제조된다. 이때 생성된 다공성 Al₂O₃ 구체들이 강제 믹서(compulsory mixer)에서 결합제와 혼합된다. 이어서 상기 결합제로 습윤된 구체 코런덤에 연마용 고형물 미립자가 첨가되어 그 표면에 달라붙는다. 코팅층이 원하는 두께에 도달하는 즉시, 코팅된 다공성 Al₂O₃ 구체들을 열 처리하여 코팅을 경화한다.

적용되는 결합제의 유형은 연마 입자의 사용 목적에 따라 좌우된다. 세라믹 결합재 연마 휠에 사용하려는 경우에는 무기 결합제가 바람직하며, 매우 바람직한 한 변형예에서는 합리적인 가격으로 다량으로 입수가능한 규산나트륨이 사용된다. 무기 결합제를 사용할 때, 후속 열 처리는 400 내지 1400℃ 온도 범위에서 실시되며, 결합제는 연마용 미립 고형물과 함께 소결되어 고형 층을 형성한다.

코팅된 구체 코런덤이 합성 수지에 의해 결합된 연마 휠에 사용되는 경우에는 유기 결합제, 바람직하게는 연마 휠 자체에서 결합제로서 사용되는 유형의 결합제를 사용할 수도 있다. 이러한 유기 결합제는 200℃ 내지 500℃에서 경화된다. 유기 결합제도 역시 연마포지에 사용하기 위해 구체 코런덤을 코팅하기에 적합하다.

추가 첨가제에 의해서, 본 발명에 따른 연마 입자의 연마 특성, 소결 특성 또는 결합제 형성이 개선될 수 있다. 유리한 특징으로서, 결합제로서 합성 수지를 사용하는 경우, 황화물, 탄산염, 할로겐화물 또는 연마 공정을 촉진하는 다른 물질과 같은 추가적인 연마 활성재가 사용될 수 있다. 무기 결합제를 사용하는 경우, 코팅 자체의 고형화를 촉진하는 소결 첨가제 또는 시멘트 형성제(molder)가 추가로 첨가될 수 있다.

코팅된 구체 코런덤의 고형도는 소위 CFF 시험(Compressive Fracture Force Test: 압축 파괴 강도 시험)에 의해 측정할 수 있다. 상기 시험에서, 개개의 굵은 연마 입자는 유압 플런저로 분쇄되고, 연마 입자가 파괴되는데 필요한 힘이 측정된다. 상기 방법을 이용하여, 본 발명에 따른 구체 코런덤의 고형도가 비코팅된 구체 코런덤의 고형도에 비해 3배 내지 5배에 달함에 따라, 통상적인 용융 코런덤의 고형도 범위 내에 놓인다는 사실이 확인되었다.

전술한 방법을 사용하면, 구체 코런덤을 코팅함으로써 다양한 코팅 변형이 가능하기 때문에, 각각의 사용 목적에 맞게 우수하게 매칭될 수 있는 연마 입자를 제조할 수 있다.

이하, 몇몇 선택된 실시예를 기초하여 본 발명을 상세하게 서술한다.

실시예 1

코팅된 구체 코런덤의 제조

2 내지 3mm의 평균 크기 입자를 갖는 구체 코런덤(ALODUR KKW, 트라이바허 슐라이프미텔 아게(Treibacher Schleifmittel AG)) 63kg을, 구체 코런덤의 표면이 균일하게 습윤될 때까지, 강제 믹서에서 규산나트륨 및 물의 1:1 혼합물 6kg과 혼합하였다. 이 혼합물에, 20㎛의 최대 입자 크기의 표준 코런덤 (ESK P1400, 트라 이바허 슐라이프미텔 아게) 27kg을 첨가하였다. 이 혼합물을 약 2 내지 3분 동안 균질화하였다. 이 방법으로 제조된 균질화된 코팅된 코런덤 구체들을 50℃에서 건조시키고, 그 후에 회전로에서 1300℃로 소결하였다. 이들을 약 20분 동안 소결로에 두었다. 코팅의 평균 층 두께는 전자 현미경을 통해 약 250㎛로 측정되었다.

실시예 2

연마 시험 (평면 연마)

실시예 1에서 제조한 연마 입자를, 입자 크기 F46의 표준 연마 입자과 함께 표준 코런덤:연마 입자(실시예 1) 3:1의 비율로 수지 결합된 연마 세그먼트로 가공하였다. 연마 공구 표면적이 0.059 m²일때, 세그먼트의 크기는 280 × 55 mm에 달하였다. 경도가 상이한 연마 세그먼트들이 제조되었다 (G 및 H).

이들 연마 세그먼트를 시험편 표면적 0.206 m²을 갖는 비합금 강철 (1018)로 된 시험편에 대하여 시험하였다. 비교를 위하여, 코팅된 구체 코런덤 대신에 통상적인 구체 코런덤이 사용된 유사한 세그먼트를 적용하였다.

세그먼트에 18.4 kW 및 36.8 kW의 기계 장치 출력, 18 R.P.M.의 절단 속도, 0.5 mm/min의 공급 속도 및 10.2 mm의 총 공급량(total infeed)으로 .평면 연마를 실시하였다. 연마 결과를 하기 표 1에 종합하였다.

출력	18.4 kW				36.8 kW
경도/고형도	G		H		G		H
샘플	B1^*	V1^*	B1	V1	B1	V1	B1	V1
침식	3.8	3.2	4.2	3.2	6.7	5.4	7.6	5.6
마멸	7.3	6.9	7.1	6.6	7.6	7.3	7.6	7.1
G-인자^**	1.8	1.6	2.1	1.7	3.1	2.6	3.5	2.8
B1^* = 실시예 1에 따른 코팅된 구체 코런덤을 갖는 샘플 V1 = 통상적인 구체 코런덤을 갖는 비교예 ^**G-인자는 침식 × 시험편 표면적/ 마멸 × 연마 공구 표면적으로부터 계산한다.

표 1의 결과에서 증명된 바와 같이, 본 발명에 따른 코팅된 구체 코런덤을 사용함으로써, G-인자가 25％까지 증가할 수 있었다.

실시예 3

연마 시험 (심층 연마)

실시예 1에 기재된 방법과 유사하게, 260 ㎛의 평균 입자 크기 (입자 F60)의 코팅된 구체 코런덤을 제조하고, 치수 500 × 65 × 203.2mm의 세라믹 결합제 연마 휠로 가공하였다. 비교를 위해 동일한 조건하에 백색 용융 산화알루미늄(F60)을 함유한 세라믹 결합재 휠을 제조하였다.

공구강 DIN 1.2242를 심층 연마하는데 전술한 연마 휠을 사용하였다.

본 발명에 따른 구체 코런덤의 사용 시, 백색 용융 산화알루미늄을 함유한 휠에 비해 시험편이 변색되거나 또는 임의의 프로파일 손실 없이 작업 속도가 약 17％ 증가하였다. 따라서, 시간 절약 및 증가된 기계 효율이 포함된다.

Claims

용융 구체 코런덤의 코어를 갖는 연마 입자에 있어서, 상기 구체 코런덤은 1종 이상의 결합제 및 연마용 고형 미립자로 된 층으로 코팅되고, 상기 결합제는 합성 수지, 규산염 결합제 및 인산염 결합제를 포함하는 군으로부터 선택되고, 상기 연마용 고형 미립자는 백색 산화알루미늄, 갈색 산화알루미늄, 반-이쇄성(semi-friable) 산화알루미늄, 지르코늄 산화알루미늄, 지르코늄 뮬라이트, 탄화규소, 다이아몬드 및 입방 질화붕소(cubic boron nitride)를 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 연마 입자.
제1항에 있어서, 구체 코런덤의 평균 직경이 0.05 내지 5 mm의 범위인 것을 특징으로 하는 연마 입자.
제1항에 있어서, 층의 두께가 50 내지 500㎛인 것을 특징으로 하는 연마 입자.
제1항에 있어서, 연마용 고형 미립자의 평균 직경이 0.1 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 연마 입자.
제1항에 있어서, 연마용 고형 미립자의 함량이 연마 입자의 전체 고형 함량에 대하여 20 중량％ 내지 40 중량％에 해당하는 연마 입자.
제1항에 있어서, 층의 두께가 구체 직경의 1/20 내지 1/5의 범위인 것을 특징으로 하는 연마 입자.
제1항에 있어서, 층이 고형 입자의 평균 입자 크기의 5배 내지 100배인 것을 특징으로 하는 연마 입자.
제1항에 있어서, 연마 입자의 개방 기공율이 10 내지 30％이고, 밀폐 기공율이 60 내지 90％이며, 수학식

에 기초한 밀폐 기공율에 대한 전체 기공율(개방 기공율 ＋ 밀폐 기공율)의 비율 R이 3 내지 10인 것을 특징으로 하는 연마 입자.
제1항에 있어서, 연마 입자의 비표면적 BET가 0.1 내지 0.3 m²/g인 것을 특징으로 하는 연마 입자.
제1항에 있어서, 연마 입자의 벌크 밀도가 0.5 내지 1.0 kg/l인 것을 특징으로 하는 연마 입자.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 결합제의 양이 연마 입자의 전체 고형 함량에 대하여 0.05 중량％ 내지 5 중량％인 것을 특징으로 하는 연마 입자.
삭제
제1항에 있어서, 코팅층은 결합제와 미립 연마용 고형 물질 이외에, 소결 첨가제와, 시멘트 형성제(molder)와, 연마 활성제를 포함하는 군으로부터 선택되는 첨가제를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 연마 입자.
제1항에 있어서, 용융 구체 코런덤으로 된 코어가 다공성 구체 코런덤인 것을 특징으로 하는 연마 입자.
제1항에 있어서, 용융 구체 코런덤으로 된 코어가 다공성 구체 코런덤인 것을 특징으로 하는 연마 입자.
용융 구체 코런덤에 기재한 연마 입자를 제조하는 방법이며,

전기 아크로에서 산화알루미늄을 용융시키는 단계와,

상기 액상 용융물을 공기/물 혼합물을 이용하여 다공성 Al₂O₃ 구체 내로 백필링(back-filling)하는 단계를 포함하는, 연마 입자 제조 방법에 있어서,

다공성 Al₂O₃ 구체가 1종 이상의 결합제와 혼합기에서 서로 혼합되고,

연마용 고형 미립자를 혼합함으로써 1종 이상의 결합제로 습윤된 다공성 Al₂O₃ 구체에 연마용 고형 미립자로 된 층을 제공하고,

그후 연마용 고형 미립자로 코팅된 다공성 Al₂O₃ 구체를 열 처리하여 코팅을 경화하는 것을 특징으로 하는, 연마 입자 제조 방법.
제18항에 있어서, 물로 희석된 무기 결합제를 사용하는 것을 특징으로 하는 연마 입자 제조 방법.
제18항에 있어서, 400℃ 내지 1400℃ 범위의 온도에서 열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 연마 입자 제조 방법.
제18항에 있어서, 유기 결합제가 적용되는 것을 특징으로 하는 연마 입자 제조 방법.
제18항에 있어서, 200℃ 내지 500℃ 범위의 온도에서의 열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 연마 입자 제조 방법.
제18항에 있어서, 미립 연마용 고형물과 함께 소결 첨가제와, 시멘트 형성제와, 연마 활성제를 포함하는 군으로부터 선택된 첨가제를 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 연마 입자 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 따른 연마 입자를 연마 휠을 제조하는 데 사용하기 위한 방법.
제1항 또는 제2항에 따른 연마 입자를 연마포지(coated abrasives)를 제조하는 데 사용하기 위한 방법.