KR101238279B1 - 코팅된 연마제 입자들을 이용하는 고정된 연마제 물품들 - Google Patents

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Abstract

매트릭스 재료 및 매트릭스 재료에 매립된 연마제 입자들을 포함하는 고정된 연마제 물품이 제공된다. 연마제 입자들은 다결정 알파 알루미나 코어 및 다결정 알파 알루미나 코어를 덮는 쉘 층을 포함하는 코어-쉘 구조를 가진다. 쉘 층은 실리콘 산화물 및 지르코늄 산화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함한다. 다결정 알파 알루미나 코어는 또한 약 500 nm 이하의 평균 입자 크기를 가지는 입자들을 포함한다.

Description

코팅된 연마제 입자들을 이용하는 고정된 연마제 물품들{FIXED ABRASIVE ARTICLES UTILIZING COATED ABRASIVE PARTICLES}
본 발명은 고정된 연마제들에 관한 것이며, 특히 코팅된 연마제 입자들을 포함하는 고정된 연마제들에 관한 것이다.
연마제들은 일반적으로 표면들의 폴리싱 및 준비에 이용된다. 연마제들을 이용하는 적용들은, 예를 들어 반도체 산업에서의 화학 기계 연마(CMP: chemical mechanical polishing)과 같은 폴리싱 적용들을 위한 슬러리들에 있는 자유 연마제들(free abrasives)의 이용을 비롯하여 매우 다양하다. 또는, 연마제들은 그라인딩 휠들(grinding wheels), 벨트들, 롤들(rolls), 디스크들 및 이와 유사한 것과 같은 장치들을 포함할 수 있는 결합되고 코팅된 연마제들과 같은 고정된 연마제 물품들에 이용될 수 있다.
고정된 연마제들은, 연마제 입자들의 위치를 서로에 대하여 고정하는 재료의 매트릭스 내에 있는 연마제 입자들 또는 그리트(grit)를 이용한다는 점에서, 일반적으로 자유 연마제들과 상이하다. 통상의 고정된 연마 그리트는 일반적으로 알루미나이다. 한동안 이용되어 온 알루미나는 매우 단단하고 풍부하게 이용 가능하므로 효과적인 연마제로 잘 알려져 있다. 그러나, 일반적으로 1 미크론 미만의 크기인, 더 미세한 크기의 알루미나 입자들이 특히 정밀하고, 매끄럽고, 폴리싱된 표면들을 요구하는 적용들에서 그라인딩 성능을 개선시킬 수 있다는 것이 인정되어 왔다. 그러나, 특히 고정된 연마제들과 관련하여, 미세 입자의 알루미나의 이용은, 예를 들어 미세 입자의 알루미나의 형성/소싱(forming/sourcing), 고정된 연마제 내의 다른 재료들과 미세 입자의 알루미나의 형성과 상용성뿐만 아니라 이런 미세 입자들을 이용하는 고정된 연마 장치들의 기계 및 화학적 안정성을 포함하는, 독특한 어려움들을 내포한다.
개선된 알루미나 연마제 재료들의 이전의 시도들은 미국 특허 제6,258,141호 및 미국 특허 제5,131,923호에 개시된 것과 같은 접근법들을 포함한다. 미국 특허 제6,258,141호 참고문헌은 염계 전구체 용액(salt-based precursor solution)으로부터 알루미나 입자 위에 코팅의 형성을 개시한다. 이와 같은 염계 코팅은, 알루미나 입자들이 고온에서 알루미나 입자들에 침투할 수 있는, 일반적으로 실리카 글라스 재료인, 유리질 재료와 함께 가열되는, 결합된 연마제 물품의 형성 중에 연마제 입자들을 보호한다. 특히, 코팅은 바람직하게는 결합된 연마 제품의 변색을 유발하는 알루미나 입자들 위의 탄소의 잔류물을 종종 남기는 저온의 유리질 결합 재료들과 연관된 변색을 방지하는데 사용된다. 유사하게, 미국 특허 제5,131,923호 참고문헌은 높은 실리카 함유량을 가지는 유리질 결합 매트릭스와 개선된 결합을 위해 실리카-농축 표면을 가지는 연마제 입자의 형성을 개시한다. 그러나, 미국 특허 제6,258,141호 및 미국 특허 제5,131,923호에 의해 교시되는 접근법들의 효율성에는 한계가 있다.
따라서, 본 산업계는 개선된 특성들을 가지는 고정된 연마제들을 계속 필요로 한다. 관심을 끄는 특성들은 화학 및 기계적 안정성, 사용 가능한 수명, 및, 만약 그라인딩 성능을 개선시키지 않는다면, 종래의 장치들과 동일한 그라인딩 성능을 제공할 수 있는 고정된 연마 장치들을 포함한다.
특허문헌
미국 특허 제6,258,141호, 및 미국 특허 제5,131,923호
일 양상에 따라 알파 알루미나 입자들을 쉘-형성 재료와 결합시키는 단계 및 연마제 입자들을 형성하기 위해 쉘-형성 재료와 함께 알파 알루미나를 소성하는 단계를 포함하는 고정된 연마제를 형성하는 방법이 제공된다. 연마제 입자들은 다결정 알파 알루미나 코어 및 다결정 알파 알루미나 코어를 덮는 쉘 층을 포함하는 코어-쉘 구조를 가진다. 쉘 층은 실리콘 산화물 및 지르코늄 산화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 다결정 재료를 포함한다. 게다가, 다결정 알파 알루미나 코어는 약 500 nm 이하의 평균 입자 크기를 가지는 입자들로 만들어진다. 이 방법은 또한 고정된 연마제를 형성하기 위해 연마제 입자들을 매트릭스 재료에 부착하는 단계를 포함한다.
다른 양상에 따라 매트릭스 재료 및 매트릭스 재료에 매립된 연마제 입자들을 포함하는 고정된 연마제가 제공된다. 연마제 입자들은 다결정 알파 알루미나 코어 및 다결정 알파 알루미나 코어를 덮는 쉘 층을 포함하는 코어-쉘 구조를 가진다. 쉘 층은 실리콘 산화물 및 지르코늄 산화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 다결정 재료를 포함하며, 다결정 알파 알루미나 코어는 약 500 nm 이하의 평균 입자 크기를 가지는 입자들로 만들어진다.
첨부된 도면들을 참조함으로써 본 공개서는 더 잘 이해될 수 있으며 그의 수많은 특징들 및 이점들이 본 기술분야에 숙련된 사람들에게 명백하게 될 수 있다.
도1은 일 실시예에 따른 고정된 연마 장치를 형성하기 위한 공정을 도시하는 흐름도이다.
도2는 일 실시예에 따른 코팅된 연마제 입자의 도면이다.
도3은 일 실시예에 따른 코팅된 연마제 물품의 단면도이다.
도4는 일 실시예에 따른 결합된 연마제 물품의 단면도이다.
도5는 고정된 연마 장치에 포함된 종래의 알루미나 입자 내에 존재하는 원소들의 선도이다.
도6은 일 실시예에 따라 형성된 고정된 연마 장치에 포함된 알루미나 입자 내에 존재하는 원소들의 선도이다.
도7은 고정된 연마제 물품에 포함된 종래의 알루미나 입자 내에 존재하는 원소들의 선도이다.
도8은 일 실시예에 따라 형성된 고정된 연마 장치에 포함된 알루미나 입자 내에 존재하는 원소들의 선도이다.
도9는 종래의 결합된 연마제 물품을 가로지르는 영역의 원소 라인 스캔(elemental line scan)의 선도이다.
도10은 일 실시예에 따라 형성된 결합된 연마제 물품을 가로지르는 영역의 원소 라인 스캔의 선도이다.
상이한 도면들에서 동일한 참조 부호들의 사용은 유사하거나 동일한 아이템들을 나타낸다.
도1을 참조하면, 일 실시예에 따라 고정된 연마제를 형성하는 공정을 도시하는 흐름도가 제공된다. 이 공정은 알파 알루미나 입자들을 쉘-형성 재료와 결합시킴으로써 시작된다(101). 하나의 특정한 실시예에 따르면, 알파 알루미나 입자들은 다중의 상 변환들을 포함할 수 있는 시딩된 졸-겔 알루미나(seeded sol-gel alumina) 처리 경로를 통해 형성될 수 있다.
따라서, 시딩된 졸-겔 알루미나 처리 경로는 현탁액으로, 수화된 알루미나(hydrated alumina)와 같은, 알파 알루미나 전구체 재료를 이용함으로써 시작된다. 일반적으로, 현탁액의 액체 매체는 물이다. 시드들(seeds)은 그 다음에 알파 알루미나 입자들의 형성을 위한 핵형성 중심들(nucleation centers)을 제공하기 위해 현탁액에 포함된다. 일반적으로, 시드들은 약 5.0 wt%보다 크지 않거나 심지어 약 3.0 wt% 이하의 것과 같이, 약 10 wt% 이하의 양으로 제공되는, 1 미크론 미만의 크기의 알파 알루미나 입자들이다. 물은 그 다음에 약 100℃와 200℃ 사이의 온도에서 건조함으로써 현탁액으로부터 제거된다. 남아 있는 알파 알루미나 전구체 재료와 알파 알루미나 시드들은 그 다음에 전구체 재료의 알파 알루미나 입자들로의 변환을 일으키기 위해 충분한 온도(하소되는)로 가열된다. 일반적으로, 가열 온도는 약 400℃보다 높으며 약 600℃와 1500℃ 사이의 온도에서와 같이, 약 200℃보다 높다. 변환된 알파 알루미나에 존재할 수 있는 다른 산화물 종(species)과 같은 불순물들이 이온 교환 공정을 통해 제거될 수 있다.
알파 알루미나 전구체 재료는 보에마이트(boehmite)와 같은 알루미나의 수화물 형태일 수 있다. 알파 알루미나는 시딩된 처리 경로를 통해 처리될 수 있지만, 보에마이트 재료도 또한 시딩된 처리 경로를 통해 형성될 수 있다. "보에마이트"라는 용어는 일반적으로 Al2O3ㆍH2O이며 대략 15%의 수분 함량을 가지는 미네랄 보에마이트뿐만 아니라, 20-38 중량%와 같이, 15%보다 큰 수분 함량을 가지는 유사보에마이트(pseudoboehmite)를 포함하는 알루미나 수화물들을 나타내기 위해 일반적으로 여기에 사용된다.
일반적으로, 시딩된 처리 경로를 통한 보에마이트의 형성은 시딩된 처리 경로를 통한 알파 알루미나 입자들의 형성과 유사하다. 보에마이트는 현탁액으로 제공되며 가열된다. 가열은 상승된 압력이 처리 중에 발생되는 자생 환경에서, 즉, 오토클레이브(autoclave)에서, 수행될 수 있다. 시드 입자들(seed particles)은 일반적으로 보에마이트 전구체(Al2O3로 계산되는)의 약 1.0 중량%보다 큰 양으로 존재하며, 가열은, 약 125℃보다 더 높거나 심지어 약 130℃보다 더 높은 것과 같이, 약 120℃보다 더 높은 온도에서, 그리고 일반적으로 약 30 psi인, 자생적으로 발생된 압력에서 수행된다.
게다가, 현탁액의 산성도를 제어하여 원하는 형상과 크기의 보에마이트 시드들을 형성할 수 있다. 현탁액의 pH는 일반적으로 7보다 더 작거나 8보다 더 큰 값으로부터 선택되며, 보에마이트 시드 재료는 약 0.5 미크론보다 더 미세한 입자 크기를 가진다. 원하는 형태를 달성하기 위해, 몇몇 변수들이 보에마이트 입자 재료의 처리 중에 변경될 수 있다. 이 변수들은 특히 중량비, 즉, 보에마이트 시드에 대한 보에마이트 전구체의 비, 처리 중에 사용되는 산 또는 염기의 특정한 타입 또는 종(상대적인 pH 수준뿐만 아니라), 및 시스템의 온도(자생 열수 환경(autogenous hydrothermal environment)의 압력에 직접 비례함)를 포함한다.
보에마이트 입자 재료의 알파 알루미나로의 변환은 하소시킴으로써 수행될 수 있다(위에 언급된 바와 같음). 하소 온도(calcining temperature)는 부분적으로 보에마이트 입자 재료의 타입과 보에마이트 입자 재료를 알파 알루미나 상으로 변환하는데 필요한 시간에 따른다. 일반적으로, 하소 온도는 약 1100℃ 이상이다. 다른 실시예들에서는 약 1200℃, 1300℃, 또는 심지어 1400℃ 이상의 하소 온도를 이용한다. 일반적으로, 하소 온도는 약 1250℃에서 약 1500℃의 범위 내에 있다.
적당한 하소 시간은 부분적으로 보에마이트 입자 재료와 알파 알루미나 재료의 원하는 조성에 따른다. 일반적으로, 하소는 약 5 시간보다 더 긴 시간 동안 수행되지 않으며, 일반적으로 약 1에서 4 시간, 또는 약 1에서 3 시간의 범위 내에서 수행된다. 게다가, 하소는 제어된 가스 및 압력 환경들을 포함하는 다양한 환경들에서 수행될 수 있다. 하소는, 일반적으로 화학 반응이 아닌, 보에마이트 입자 재료의 상 변화들을 달성하기 위해 수행되기 때문에, 그리고 그 결과로 생성된 재료가 주로 산화물이기 때문에, 특수한 가스 및 압력 환경들은 최대로 조성 및 형태적으로 제어되는 알루미나 최종 제품들을 제외하고는 실행될 필요가 없다.
알파 알루미나에 관련하여, 일반적으로, 알파 알루미나 입자들은 일반적으로 특히 1 미크론 미만인, 미세한 1차 입자 크기를 가진다. 일 실시예에 따르면, 알파 알루미나는 약 500 nm 이하, 약 300 nm 이하,, 또는 심지어 약 250 nm 이하의 1차 입자 크기를 가진다. 또한, 다른 실시예들은 약 200 nm 이하, 또는 심지어 약 150 nm 이하의 1차 입자 크기를 가지는 알파 알루미나를 이용한다. 다른 실시예에서, 알파 알루미나 입자들의 평균 1차 입자 크기는 약 100 nm 이하, 또는 심지어 약 75 nm 이하이다.
도1을 다시 참조하면, 알파 알루미나 입자들은 쉘-형성 재료와 결합된다(101). 일반적으로, 쉘-형성 재료는 쉘 층을 형성하기 위한 종을 포함하며, 보다 구체적으로는, 실리콘 또는 지르코늄을 포함한다. 특정한 실시예에 따르면, 쉘 형성 재료는 이런 종의 금속 산화물, 즉 실리콘 산화물 또는 지르코늄 산화물을 함유한다.
알파 알루미나는 혼합물의 형상의 쉘-형성 재료와 결합될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 혼합물은 수성의 매체를 포함하는 습식 혼합물이다. 혼합은, 습식 또는 건식의 원하는 혼합 방법에 따라서 예를 들어 밀링 공정과 같은 추가적인 공정들을 포함할 수 있다는 것이 인정될 것이다. 습식 혼합물을 이용하는 이런 실시예들에서, 알파 알루미나 입자들은 수성의 용매로 슬러리 또는 현탁액으로 형성될 수 있다. 또는, 다른 실시예들에서, 용매는 유기 화합물과 같이 비-수성(non-aqueous)이다.
특히 알파 알루미나 입자들은 콜로이드 분산액으로서 쉘-형성 재료와 결합될 수 있으며, 이는 액체 매체에 현탁된 콜로이드들로서 쉘-형성 재료를 포함할 수 있다. 이와 같이, 콜로이드들은 쉘 층을 형성하기 위해 금속 산화물 종을 함유할 수 있으며, 특히 실리카 및 지르코니아(zirconia)를 포함하는 실리콘 산화물 또는 지르코늄 산화물을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 콜로이드들은 약 90 이상의 실리콘 산화물 또는 지르코늄 산화물로 구성된다. 다른 실시예에서, 콜로이드들은 본질적으로 완전히 실리콘 산화물 또는 지르코늄 산화물이다.
액체 매체에 관련하여, 콜로이드 분산액은 수성의 액체 매체를 이용할 수 있다. 또는, 콜로이드의 액체 매체는 유기 화합물일 수 있으며, 특히 아세테이트를 포함할 수 있다. 콜로이드 분산액은 다른 무기 화합물들, 유기 화합물들, 안정제들, pH 조절제들, 또는 바인더들과 같은, 콜로이드들 및 액체 매체에 추가하여 첨가제들을 함유할 수 있다. 이런 첨가제들의 양은 일반적으로 분산액의 전체 고형물 함유량에 근거한 약 15 wt% 이하이다. 다른 실시예들에 따르면, 이런 첨가제들의 양은 약 10 wt% 이하이거나, 약 5.0 wt% 이하이다.
쉘-형성 재료를 사용하여 콜로이드 분산액의 형성을 촉진시키기 위해, 콜로이드들의 1차 입자 크기는 작으며, 일반적으로 1 미크론 미만이다. 일 실시예에 따르면, 콜로이드들은 약 150 nm 이하, 또는 심지어 약 100 nm 이하와 같은, 약 200 nm 이하의 평균 1차 입자 크기를 가진다.
일 실시예에 따르면, 쉘-형성 재료와 결합되는 알파 알루미나 입자들의 양은 알파 알루미나와 쉘-형성 재료의 전체 고형물 함유량에 근거한 약 80 wt% 이상이다. 다른 실시예에서, 알파 알루미나의 양은 약 90 wt% 이상이며, 몇몇의 경우에는 약 95 wt% 이상이다. 따라서, 알파 알루미나와 결합되는 쉘-형성 재료의 양은 알파 알루미나와 쉘-형성 재료의 전체 고형물 함유량에 근거한 약 20 wt% 이하이다. 쉘-형성 재료의 양은 여전히 약 10 wt% 이하이거나, 약 5.0 wt% 이하이거나, 또는 심지어 약 3.0 wt%이하일 정도로, 적을 수 있다. 일반적으로, 쉘-형성 재료의 양은 약 0.25 wt% 이상이다.
알파 알루미나 입자들과 쉘-형성 재료들이 결합된 후에, 혼합물은 건조될 수 있다. 건조 온도는 일반적으로 혼합물, 특히 유기 성분들 및 다른 성분들로부터 성분들을 방출시키며 증발시키기에 적당한 범위 내에 있다. 일 실시예에 따르면, 혼합물은 대략 실내 온도보다 높은, 즉 약 25℃ 이상의 온도에서 건조된다. 다른 실시예에 따르면, 건조는 약 35℃ 이상, 약 40℃ 이상, 또는 심지어 약 50℃보다 이상의 온도에서 완료된다. 특정한 실시예에 따르면, 건조는 약 25℃와 약 100℃ 범위 내의 온도에서 수행될 수 있다.
쉘-형성 재료를 알파 알루미나 입자들과 결합하는 단계는 대체 방법들을 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어 쉘 형성 재료는 침착 공정을 사용하여 알파 알루미나 입자들과 결합될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 쉘-형성 재료는 예를 들어 화학 증착(CVD: chemical vapor deposition), 플라즈마 증착(PVD: plasma vapor deposition), 또는 금속 유기 화학 증착(MOCVD: metal organic chemical vapor deposition)을 포함하는 증착 공정을 통해 침착될 수 있다. 증착 공정을 이용하는 이런 실시예들에서, 쉘 형성 재료는 전구체 재료로서 제공될 수 있다. 전구체 재료는 이 전구체 재료가 증착 공정 중에 반응되거나 분해될 때 쉘 층을, 특히 실리콘 산화물 또는 지르코늄 산화물을 포함하는 쉘층을, 형성하도록 쉘-형성 재료 또는 쉘-형성 재료의 유도체를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 전구체 재료는 실리콘을 포함하며, 특히 테트라에틸 오르토실리케이트(TEOS: tetraethyl orthosilicate)이다.
성분들을 결합한 후에, 혼합물은 연마제 입자들을 형성하기 위해 소성될 수 있다(103). 성분들을 소성하는 단계는 다결정 알파 알루미나 코어를 덮는 쉘 층으로의 쉘-형성 재료의 변환에 도움을 준다. 특히, 쉘-형성 재료는 다결정 형상일 수 있는, 금속 산화 화합물과 같은, 고온 화합물로 변환될 수 있다. 일반적으로, 이 성분들을 소성하는 단계는 약 800℃ 이상의 온도에서 완료된다. 여전히, 일 실시예에 따르면, 소성 온도는 약 1000℃ 이상이지만, 일반적으로 약 1400℃ 이하이다. 하나의 특정한 실시예에서, 굽는 온도는 약 800℃와 약 1200℃ 사이의 범위 내에 있다.
성분들을 소성하는 단계는 일반적으로 쉘 층과 알루미나 코어 사이의 결합의 형성을 촉진시킨다. 결합은 1차 결합일 수 있으며, 특히 쉘 층은 공유결합으로 결합되는 것과 같은, 1차 결합 매커니즘을 통해 알루미나 코어에 결합될 수 있다. 더구나, 소성 단계는 연마제 입자의 치밀화와 균일한 다결정 쉘 층의 형성을 촉진시킨다.
전체(즉, 코어 및 쉘)로서 연마제 입자들에 관련하여 소성 단계 후에 연마제 입자들은 굵거나, 미세하거나, 또는 이들의 혼합인, 특정한 크기 및/또는 분포의 연마제 입자들을 획득하기 위해 메시들(meshes)을 통해 스크리닝될 수 있다는 것이 인정될 것이다. 연마제 입자들의 최종 크기는 초기 알파 알루미나 입자들의 크기 및 분포에 의해 부분적으로 결정되며, 더구나, 알파 알루미나 입자들의 크기의 제어 및 제조가 최종 연마제 입자들의 크기의 제어를 제공한다는 것이 인정될 것이다. 따라서, 연마제 입자들은 코어를 형성하는 알파 알루미나의 1 미크론 미만의 결정성 입자들과 비교하여 더 큰 입자들일 수 있다. 일반적으로, 소성 단계 후의 연마제 입자들의 크기는 약 1.7 mm 이하이다. 일 실시예에서, 연마제 입자들은 약 500 미크론 이하, 또는 심지어 약 400 이하인 것과 같이, 약 1.0 mm 이하의 평균 입자 크기를 가진다.
소성 단계 후에(103), 연마제 입자들은 고정된 연마제를 형성하기 위해 매트릭스 재료에 부착될 수 있다(105). 일반적으로, 고정된 연마제는 연마제 알갱이들 또는 연마제 입자들이 소정 위치에 고정되거나, 일반적으로 서로에 대하여 소정 위치에 고정되거나(결합된 연마제), 또는 서로와 이면 재료(backing material)에 대하여 소정 위치에 고정되는(코팅된 연마제) 구성요소로서 여기에서 정의된다. 고정된 연마제의 실제 형상은 적용에 따라 매우 다양할 수 있다. 예를 들어, 코팅된 연마제는 종이, 천, 스티치 본드 천, 파이버 또는 필름 이면 재료를 이용할 수 있으며, 코팅된 연마제는 벨트들, 디스크들, 시트들, 인터라이닝이 있는 슬리브들, 롤들, 플랩 디스크들, 플랩 휠들, 및 다른 기하학적 형상들을 포함하는, 몇몇 상이한 기하학적 형상들을 가질 수 있다. 다른 한편으로는, 결합된 연마제들은 일반적으로 연마 휠들, 원통형 휠들, 컵형 휠들, 접시형 휠들, 세그먼트들, 콘들, 장착형 휠들, 및 포인트들, 벽돌과, 막대들의 형상과 같이, 속이 차고(solid) 일체화된 구조들의 형상이다.
도2를 참조하면, 일 실시예에 따른 연마제 입자의 단면도가 도시된다. 여기에 설명된 바와 같이 일 실시예에 따르면, 연마제 입자는 복수의 알파 알루미나 입자들(205)로 이루어지는 코어(203)를 포함하는 코어-쉘 구조를 가진다. 일반적으로 코어(203)는 약 95% 이상의 알파 알루미나, 또는 약 98% 이상의 알파 알루미나를 포함한다. 또한, 하나의 특정한 실시예에서, 코어(203)는 거의 완전히 알파 알루미나로 이루어진다.
다결정 코어(203)는 아주 작으며 일반적으로 1 미크론 미만의 입자 크기를 가지는 복수의 알파 알루미나 결정성 입자들을 포함한다. 일 실시예에서, 알파 알루미나 입자들은 약 400 nm 이하, 또는 심지어 약 300 nm 이하와 같이, 약 500 nm 이하의 평균 크기를 가진다. 다른 실시예에 따르면, 코어(203)는 약 150 nm 이하이며, 몇몇의 경우들에서는 약 100 nm 이하인 것과 같이, 약 200 nm 이하의 평균 입자 크기를 가지는 입자들(205)을 포함한다.
추가로 연마제 입자들의 코어(203)에 관련하여, 일반적으로 코어(203)의 평균 크기는 약 750 미크론 이하, 또는 심지어 약 600 미크론 이하와 같이, 약 1.7 mm 이하이다. 하나의 특정한 실시예에 따르면, 연마제 입자들의 평균 코어 크기는 약 500 미크론 이하, 또는 심지어 약 200 미크론 이하이다. 특히, 평균 코어 크기는 약 0.5 미크론과 약 1.7 mm의 범위 내에 있다.
도2에 도시된 바와 같이, 쉘 층(201)은 코어(203)를 덮는 다결정 재료를 포함한다. 일반적으로, 쉘 층(201)은 약 90 vol% 이상의 다결정 재료일 수 있으며, 더 일반적으로는 약 98 vol% 이상의 다결정 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 쉘 층(201)은 완전히 다결정 재료로 이루어져 있다.
일반적으로, 쉘 층(201)은 쉘 층(201)이 코어(203)의 외부면의 약 90% 이상을 덮도록 대체로 알파 알루미나 코어(203)를 둘러싸고 있다. 또한, 다른 실시예들에서, 쉘 층(201)은 코어(203)의 외부면의 약 95% 이상이 쉘 층(201)에 의해 덮이도록 더 많은 코어(203)를 둘러쌀 수 있다. 다른 실시예에서, 쉘 층(201)은 코어(203)의 외부면의 약 98% 이상을 덮는다. 하나의 특정한 실시예에서, 쉘 층(201)은 기본적으로 코어(203)의 모든 외부면이 쉘 층(201)에 의해 덮이도록 알파 알루미나 코어(203)를 거의 완전히 뒤덮는다.
쉘 층(201)은 코어(203)를 덮으며 일 실시예에 따르면, 쉘 층(201)은 약 10 미크론 이하의 평균 두께를 가진다. 또한, 쉘 층은 더 얇을 수 있으며, 다른 실시예에서, 쉘 층(201)은 약 5.0 미크론 이하와 같이, 약 8.0 미크론 이하의 평균 두께를 가진다. 하나의 특정한 실시예에서, 쉘 층(201)은 약 3.0 미크론 이하의 평균 두께를 가진다.
쉘 층(201)은 연마제 입자들의 전체 중량의 상당한 부분을 차지할 수 있는 일반적으로 견고한 층이다. 일 실시예에 따르면, 쉘 층(201)은 입자의 전체 중량의 약 0.5wt% 이상이다. 다른 실시예에서, 쉘 층(201)은 약 3 wt% 이상, 또는 심지어 약 5 wt% 이상과 같이, 연마제 입자의 전체 중량의 약 1 wt% 이상일 수 있다. 특정한 실시예에 따르면, 쉘 층(201)은 연마제 입자의 전체 중량의 약 1 wt%와 약 10 wt%의 범위 내에 있는 중량을 가지도록 연마제 입자의 상당한 부분을 차지하는 견고한 층이다.
추가로 쉘 층(201)에 관련하여, 일반적으로 쉘 층(201)은 공극도가 거의 없는, 특히 조밀한 층이며 이런 공극도는 일반적으로 폐쇄 공극도다. 일 실시예에 따르면 쉘 층(201)은 약 30 vol% 이하의 공극도를 가진다. 다른 실시예에 따르면, 쉘 층(201)은 약 15 vol% 이하, 또는 약 10 vol% 이하와 같이, 약 20 vol% 이하의 공극도를 가진다. 또한, 하나의 특정한 실시예에서, 쉘 층(201)의 공극도는 약 5.0 vol% 이하이다.
이전에 설명된 바와 같이, 쉘 층(201)은 쉘-형성 재료를 포함하며 특히 지르코늄 산화물 또는 실리콘 산화물의 금속 산화물 복합물을 포함한다. 지르코늄 산화물과 실리콘 산화물은 예를 들어 지르코니아 또는 실리카와 같은 지르코늄 또는 실리콘의 산화물들, 또는 하부의 알루미나 코어와의 반응 생성물들을 포함할 수도 있는 실리콘 및 지르코늄의 복합 산화물을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 연마제 입자들은 약 95% 이상의 지르코늄 산화물이며, 또한 몇몇의 경우에는 약 98% 이상의 지르코늄 산화물과 같이, 약 90% 이상의 지르코늄 산화물을 포함하는 쉘 층(201)을 가진다. 또한, 하나의 특정한 실시예에서, 쉘 층(201)은 완전히 지르코늄 산화물로 이루어져 있다.
지르코늄 산화물 쉘 층을 이용하는 실시예들에 관련하여, 일반적으로, 지르코늄 산화물 쉘 층은 다결정이다. 더구나, 일 실시예에 따른 지르코늄 산화물의 결정성 상은 불안정한 형상이다. 특히, 완전히 지르코늄 산화물로 이루어져 있는 쉘 층(201)을 이용하는 실시예들은 불안정한 형상의 지르코니아를 이용하며, 그에 따라서, 지르코니아는 단사정계 결정 구조를 가질 수 있다. 또한, 다른 실시예들은 정방 또는 입방 결정 구조를 가지는 지르코니아를 포함하는 쉘 층(201)을 이용할 수 있다.
다른 실시예들에 따르면, 쉘 층(201)은 실리콘 산화물, 특히 다결정 형상의 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 일반적으로, 쉘 층(201)은 약 90% 이상의 실리콘 산화물을 포함한다. 다른 실시예에서, 쉘 층(201)은 약 98% 이상의 실리콘 산화물과 같이, 약 95% 이상의 실리콘 산화물을 포함한다. 또한, 쉘 층(201)은 쉘 층(201)이 완전히 실리콘 산화물로 이루어지도록 더 많은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
도3을 참조하면 코팅된 연마제 물품의 단면이 도시된다. 도시된 바와 같이, 코팅된 연마제는 이면 재료(301), 제1 층(303)과 제2 층(305)을 가지는 매트릭스 재료(302), 및 코어(307)와 이 코어(307)를 덮는 쉘 층(309)을 가지는 연마제 입자들(306)을 포함한다. 일반적으로, 대부분의 코팅된 연마제 물품들과 마찬가지로, 이면 재료(301)는 매트릭스 재료(302)에 인접하며 이를 덮는 평평한 재료이며 매트릭스 재료(302) 및 연마제 입자들(306)을 유지하기 위한 표면을 제공한다. 이면 재료(301)는 일반적으로 그라인딩 또는 폴리싱 적용의 특정한 기계적인 요구들을 견딜 수 있는 유연하지만 단단한 재료를 함유한다. 일 실시예에 따르면, 이면 재료(301)는 세라믹들, 폴리머들, 금속들, 합성 섬유들, 및 종이 또는 면직물 등의 천연 섬유들 또는 이들의 조합과 같은 재료들을 포함한다. 다른 실시예에 따르면, 이면 재료는 폴리머, 유사 폴리에스테르, 나일론, 또는 레이온과 같은 합성 재료이다. 게다가, 이면 재료(301)는 합성 직물 재료, 천연 직물 재료, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있는 직물 재료를 포함할 수 있다. 게다가, 이런 직물 재료들은 수지 또는 폴리머 화합물에 의해 함께 결합될 수 있다. 여전히, 다른 실시예들은 이면 재료(301)를 형성하기 위해 폴리에스테르 필름과 같은 필름을 이용한다.
코팅된 연마제의 매트릭스 재료(302)를 다시 참조하면, 일반적으로 매트릭스 재료(302)는 이면 재료(301)에 인접하며 이를 덮으며, 연마제 입자들(306)이 부착될 수 있는 표면을 제공한다. 일 실시예에서, 매트릭스 재료(302)는 도3에 도시된 제1 층(303) 및 제2 층(305)과 같이, 일반적으로 접착 층들인, 복수의 층들을 포함한다. 일반적으로, 제1 층(303)은 "메이크 코트(make coat)"로 불리며 이면 재료(301)에 대하여 소정의 위치에 연마제 입자들을 부착하는 것을 용이하게 한다. 일 실시예에 따르면, 제1 층(303)은 수지 또는 접착제, 또는 이들 모두를 포함할 수 있다. 수지라는 용어는 경화되는 합성 화합물을 가리키며, 천연 또는 합성 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 층은 요소 수지 및 페놀 수지, 또는 이들의 조합과 같은 수지들을 포함한다. 제1 층(303)의 내부에 존재하는 수지와 접착제의 조성 및 퍼센트들은 이 층의 강성의 제어를 용이하게 하며, 이는 원하는 적용에 따른 필요에 따라 결정될 것이다. 연마제 입자들(306)은 그 다음에 제1 층(303)의 재료의 굳힘 또는 경화에 앞서 제1 층의 내부에 부착된다. 연마제 입자들은 특정한 배열 또는 패턴으로 제1 층(303)의 내부에 정렬되거나 부착될 수 있다.
제1 층(303)에 추가하여, 매트릭스 재료(302)는 또한 연마제 입자들(306)과 제1 층(303)을 덮는, 도3에 도시된 바와 같은, 제2 층(305)을 포함할 수 있다. 일반적으로, 제2 층(305)은 "사이즈 코트(size coat)"로 불릴 수 있으며 연마제 입자들(306)을 서로에 대하여 제1 층(303)의 내부에 고정하는 것을 용이하게 한다. 따라서, 제2 층(305)은 예를 들어, 요소 수지 또는 페놀 수지를 포함하는 폴리머 화합물들을 포함할 수 있는, 수지 및 접착제를 포함할 수 있다.
수지 및 접착성 화합물들에 추가하여, 제2 층(305)은 또한 충전재들(fillers)과 같은, 추가적인 화합물들을 포함할 수 있다. 충전재들은 고체 윤활제와 같은, 추가적인 성능 향상 화합물들을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제2 층(305)은 할로겐 화합물, 보다 구체적으로는, 불소 화합물을 포함한다. 하나의 특정한 실시예에서, 충전재는 나트륨, 알루미늄, 및 불소를 포함하는 화합물(예를 들어, Cryolite?)을 포함한다. 불소와 같은 할로겐들을 함유하는 이런 충전재 재료들은 부식성이 있으며, 특히 연마 작동 중에 만연하는 고온에서 부식될 수 있으며, 이는 고정된 연마 장치의 그라인딩 성능을 개선시킬 수 있지만, 또한 동시에 연마제 입자들을 부식시키고 변화시킨다.
특정한 실시예에 따르면, 코팅된 연마제는 코팅된 연마제의 약 75% 이상의 사용 가능한 표면을 덮는 연마제 입자들을 가지는 폐쇄 코트 물품(closed coat article)이다. 또한, 폐쇄 코트 물품은 코팅된 연마제의 약 80% 이상, 또는 심지어 약 90% 이상의 사용 가능한 표면을 덮는 연마제 입자들과 같이, 표면에 걸쳐서 더 높은 밀도의 연마제 입자들을 가질 수 있다. 또는, 다른 실시예들에서, 코팅된 연마제 물품은 코팅된 연마제의 약 75% 미만의 사용 가능한 표면을 덮는 연마제 입자들을 가지는 개방 코트 물품이다. 일 실시예에서, 코팅된 연마제는 코팅된 연마제의 약 55% 미만, 또는 심지어 약 45% 미만과 같이, 약 65% 미만의 사용 가능한 표면을 덮는 연마제 입자들을 가지는 개방 코트 연마제이다. 일반적으로, 개방 코트 연마제 물품은 약 50%와 약 75% 사이의 범위 내에서와 같은, 연마제 입자들로 덮인 대부분의 사용 가능한 표면을 가진다.
이제 다른 고정된 연마제 물품들을 참조하면, 도4는 일 실시예에 따르는 결합된 연마제 물품의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 결합된 연마제는 그 내부에 매립된 연마제 입자들(406)을 가지는 매트릭스 재료(401)를 포함한다. 도시된 연마제 입자들(406)은 코어(403)와 이 코어(403)를 덮는 쉘 층(405)을 가지는 입자들을 포함한다.
결합된 연마제의 매트릭스 재료(401)를 참조하면, 일반적으로 매트릭스 재료는 연마제 입자들(406)을 서로에 대하여 소정의 위치에 유지하는데 적합한 재료를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 매트릭스 재료(401)는 세라믹들, 금속들 폴리머들, 및/또는 고무와 같은 천연 재료 등의 재료들을 포함한다. 일 실시예에서, 매트릭스 재료(401)는 페놀 재료를 포함할 수 있는 수지와 같은, 합성 재료를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 매트릭스 재료는 유리 또는 유리화된 세라믹 재료와 같은, 세라믹을 포함한다. 특정한 실시예에 따르면, 유리화된 매트릭스 재료는 약 30 wt% 이상, 또는 약 60 wt% 이상과 같이, 일반적으로 약 10 wt% 이상의 양의, 실리카를 포함한다.
일반적으로, 유리화된 세라믹 매트릭스 재료를 가지는 결합된 연마제들은 연마제 입자들, 유리화된 또는 세라믹 결합 전구체 성분들(예를 들어, 프리트(frit), 산화물들 및 실리케이트들), 및 일시적인 바인더를 함께 혼합하는 단계, 그런 다음에 이와 같은 혼합물을 주형에 배치하는 단계 및 대략 원하는 크기와 형상으로 주형 내의 혼합물을 가압하는 단계를 사용함으로써 만들어진다. 공정은, 결합된 연마제 물품의 팽창과 과도 팽창을 감소시키기 위해 최종 소성 단계 전에 어떤 휘발성 물질들(예를 들어, 물 및/또는 유기 재료들)을 방출시키기 위해 통상적으로 상대적으로 낮은 온도(예를 들어 200℃ 내지 300℃)에서 가압된 부품을 가열함으로써, 가압된 부품으로부터 휘발성 물질들을 추출한다.
초기의 가압 및 가열 후에, 결합된 연마제는 주형으로부터 제거되며 그런 다음에 연마제 입자들과 매트릭스 재료의 결합을 촉진하기 위해 유리화 결합을 형성하기 위해서 상대적으로 높은 온도(예를 들어 500℃ 내지 1200℃)로 노에서 소성된다. 가압되고, 일시적으로 결합된(즉, 녹색) 부품의 소성은 통상적으로 약 700℃ 이상, 또는 심지어 약 900℃ 이상과 같이, 약 500℃ 이상, 일반적으로 약 500℃ 내지 약 1200℃ 사이의 범위 내에 있는 온도에서 수행된다. 이런 고온의 소성 중에, 연마제 입자들과 매트릭스 재료를 함께 결합시키는 유리화된 또는 세라믹 매트릭스의 형성을 초래하는 다양한 물리적 및/또는 화학적 변환들이 일어난다.
결합된 연마제 물품, 특히 유리화된 세라믹 매트릭스 재료를 이용하는 결합된 연마제들의 매트릭스 재료(401)는 결합된 연마제 물품의 전체 중량에 근거하여 약 30 wt% 이상의 매트릭스 재료를 포함한다. 다른 실시예에 따르면, 매트릭스 재료(401)는 결합된 연마제 물품의 전체 중량의 약 40 wt% 이상, 또는 약 50 wt% 이상, 또는 몇몇의 경우에 약 60 wt% 이상 포함된다.
고정된 연마제 물품들에 사용되는 것과 같은 연마제 입자들에 관련하여, 도5는 코팅된 연마제 물품의 내부에 부착된 종래의 알루미나 입자들의 내부에 존재하는 원소들의 선도를 도시한다. 특히, 코팅된 연마제는 1차 성분들로 나트륨(Na) 및 불소(F)를 가지는 충전재 재료를 포함한다(예를 들어, Cryolite?). 더구나, 코팅된 연마제의 내부에 있는 알루미나 입자들은 약 500 나노미터보다 작은 평균 결정 크기를 가진다. 도5를 참조하면, 알루미나 입자들은 예상된 바와 같이 많은 양의 알루미늄(505)을 함유하며, 알루미늄 함유량에 추가하여, 알루미나 입자들은 또한 많은 양의 불소(503)와 나트륨(501)을 보여준다. 언급된 바와 같이, 이런 원소들은 코팅된 연마제의 매트릭스 재료의 내부에 있는 충전재 재료에 존재하며, 도5에 의해 증명된 바와 같이 이런 원소들은 알루미나 입자들에 침투하였다.
비교하기 위해, 도6은 여기에 있는 실시예들에 따른 코팅된 연마제에 포함된 연마제 입자의 내부에 존재하는 원소들의 선도를 도시한다. 특히, 도6에 도시된 연마제 입자는 알파 알루미나 코어 및 지르코니아로 구성되는 쉘 층을 포함하는 코어-쉘 구조를 가진다. 이 입자들은 5분 동안 1000℃에서 구워졌다. 도5에 평가된 코팅된 연마제와 마찬가지로, 도6의 코팅된 연마제 물품은 매트릭스 재료의 제2 층에 동일한 충전재 재료, 즉 주로 나트륨과 불소로 만들어진 충전재를 함유하였다. 도6에 제공되는 연마제 입자들의 알루미나 코어는 예상된 바와 같이 높은 함유량의 알루미늄(603)을 함유하지만, 알루미나 코어는 영역(601)에 표시된 바와 같이 불소 또는 나트륨의 양이 매우 작거나, 전혀 없는 것을 보여준다. 도5와 비교하여 도6은 충전재의 내부에 존재하는 원소들이 연마제 입자들의 알루미나 코어들에 침투하지 않는다는 것을 나타낸다.
추가로 연마제 입자들의 특정한 특성들에 관련하여, 도7은 종래의 알루미나 입자의 내부에 존재하고 결합된 연마제 물품에 함유되는 원소들의 선도를 도시한다. 비교를 위해, 도8은 코어-쉘 구조를 가지는 연마제 입자의 내부에 존재하고 여기에서의 실시예들에 따른 결합된 연마제에 함유되는 원소들의 선도를 도시한다. 특히, 도8의 연마제 입자들은 약 500 nm보다 작은 평균 입자 크기의 알루미나 입자들을 가지는 다결정 알파 알루미나 코어와 지르코니아로 구성되는 쉘 층을 포함한다. 연마제 입자들은 4시간 동안 1250℃에서 구움으로써 형성되었다. 도7 및 도8에 도시된 양쪽 모두의 샘플들은 실리카를 함유하는 유리화된 매트릭스 재료를 가지는 결합된 연마제를 함유하였다. 도7은 예상된 높은 함유량의 알루미늄(701)에 추가하여, 알루미나 입자들이 높은 함유량의 실리콘(703)을 함유하는 것을 도시하며, 이는 매트릭스 재료의 실리카로부터 나온 실리콘 원소가 연마제 입자에 침투하는 것을 나타낸다. 비교를 위해, 도8의 연마제 입자들은 예상된 바와 같이, 높은 함유량의 알루미늄(801)을 보이지만, 알파 알루미나 코어들의 내부에 있는 실리콘(803)의 함유량은 감소되며 코어-쉘 구조를 이용하는 연마제 입자들로 더 적은 양의 실리콘 침투를 보여준다.
추가로 여기에 제공되는 연마제 입자들의 특성들에 관련하여, 도9는 높은 함유량의 실리카를 가지는 유리화된 매트릭스 재료의 내부에 있는 발가벗은 알루미나 입자들을 이용하여, 종래의 결합된 연마제의 일부분의 원소 라인 스캔을 도시한다. 영역들(901 및 903)은 알루미나의 연마제 입자들인 결합된 연마제의 영역들을 나타내며, 반면에 영역(902)은 실리카로 구성되는 유리화된 매트릭스 재료인 결합된 연마제의 영역을 나타낸다. 따라서, 라인(907)은 각각의 영역들 내부에 있는 실리콘의 양을 나타내며 라인(905)은 각각의 영역들의 내부에 있는 알루미늄의 양을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 영역들(901 및 903)(알루미나의 연마제 입자들로 표시되는 영역들)의 내부에 있는 알루미늄의 양은 실리콘의 양보다 많지만, 영역(901)(알루미나 입자)에서부터 영역(902)(매트릭스 재료)까지 이동하고, 다시 영역(903)(알루미나 입자)에서 이동하는 실리콘의 양은 단지 조금만 변한다.
비교를 위해, 도10은 실리카를 함유하는 동일한 유리화된 매트릭스 재료를 가지며, 또한 코어 쉘 구조를 가지는 연마제 입자들을 함유하는 결합된 연마제의 유사한 스캔을 도시한다. 특히, 연마제 입자들은 다결정 알파 알루미나 코어와 지르코니아 쉘 층을 포함한다. 도9와 마찬가지로, 도10은 연마제 입자들의 영역들인 영역들(1001 및 1003)을 제공하며, 영역(1002)은 매트릭스 재료의 영역을 나타낸다. 따라서, 라인(1007)은 각각의 영역들의 내부에 있는 실리콘의 양을 나타내며 라인(1005)은 각각의 영역들의 내부에 있는 알루미늄의 양을 나타낸다. 특히, 연마제 입자들(1001 및 1003)의 영역들의 내부에 있는 실리콘(1007)의 양은 매트릭스 재료(1002)의 영역으로부터 극적으로 떨어진다. 더구나, 도9와 비교하면, 도10의 연마제 입자들의 내부에, 특히 영역들(1001 및 1003)의 내부에, 존재하는 실리콘(1007)의 양은 도9의 연마제 입자들(영역들(901 및 903))보다 더 적은 실리콘을 함유한다.
추가로 여기에서는 실시예들에서 제공되는 바와 같은 고정된 연마제 물품들의 성능에 관련하여, 아래에 제공되는 표 1은 단일 층 테스트(Single Layer Test)에서 연마제 입자들의 그라인딩 성능을 보여준다. 단일 층 테스트는 선택된 금속 가공대상물들에 대하여 결합된 연마제 및 코팅된 연마제의 성능을 판단하기 위한 시뮬레이션 테스트로 사용되는 표면 그라인딩 테스트이다. 특히, 표 1은 연마 휠로부터 제거되는 재료의 체적과 비교하여 샘플로부터 제거되는 재료의 체적의 측정이며, 일반적으로 연마 휠인, 연마제 물품의 그라인딩 성능을 측정하는 표준화된 방법인, G-비율(G-ratio)에 의하여 그라인딩 성능을 측정한다. 아래에 제공되는 각각의 결과는 유리화된 매트릭스 재료의 내부에 있는 표준 알루미나 연마제 입자들로서 또한 사용되는 표준 알루미나 1(Standard Alumina 1) 샘플에 대한 그라인딩 성능의 백분율로서 측정된다.
샘플 G-비율(%)
표준 알루미나 1 100
표준 알루미나 2 89
S1 119
S2 115
S3 103
S4 121
표준 알루미나 3 104
S5 126
S6 132
시험을 위해 사용되는 연마 휠들은 접착 재료로서 페놀 수지를 사용하여 금속 휠의 표면에 부착된 단일 층의 연마제 입자들을 가지는 직경 5 인치이며 두께 0.25 인치인, 금속 휠을 포함한다. 표 1의 모든 샘플들의 연마제 입자들은 연마제 입자들의 입자 크기가 250 미크론과 425 미크론 사이(표준 60과 40 메시 크기의 사이)의 범위 내에 있도록 체로 걸러지며 수집된다. 연마제 입자들의 차이점은 표준 알루미나 1, 표준 알루미나 2, 및 표준 알루미나 3의 샘플들이 종래의 발가벗은 알루미나 입자들을 사용하였다는 것이다. 샘플들(S1내지 S6)은 여기에 있는 실시예들에 설명된 바와 같은 코어-쉘 구조를 가지는 연마제 입자들을 사용하였다.
각각의 샘플들은 0.0001 인치의 일정한 공급, 및 65 feet/min의 테이블 속도로 일정한 속도에서 공급되는, 4140 탄소강 가공대상물의 사용을 포함하는 동일한 조건들 하에 테스트된다. 테스트 중에 그라인딩 조건들은 또한 건조, 횡단, 및 345W 내지 350W의 정지 파워를 포함한다.
특정한 비교 샘플들을 참조하면, 샘플(S1)은 표준 알루미나 2 샘플의 알루미나 입자들과 유사한 알루미나 입자들을 이용하지만, 실리카로부터 형성되는 알루미나 입자들을 덮는 쉘 층을 포함하는 연마제 입자들을 함유한다. 특히, 쉘 층은 0.5 wt%의 실리카(전체 고형물들의 함유량에 근거하여)를 알파 알루미나 입자들에 혼합하고 이 혼합물을 1000℃에서 소성함로써 형성되었다. 도시된 바와 같이, 샘플(S1)은 표준 알루미나 1 샘플에 대하여 19%이고, 표준 알루미나 2 샘플에 대하여 30%의 개선된 G-비율을 가지는 개선된 그라인딩 성능을 보여주었다. 게다가, 샘플(S1)은 각각의 표준 알루미나 3 샘플에 비교하여 개선된 그라인딩 성능을 보여주고 있다.
다음의 비교 샘플에 관련하여, 샘플(S2)은 표준 알루미나 2 샘플의 알루미나 입자들과 유사한 알루미나 입자들을 이용하지만, 실리카로부터 형성되는 알루미나 입자들을 덮는 쉘 층을 포함하는 연마제 입자들을 함유한다. 특히, 샘플(S2)의 연마제 입자들은 알파 알루미나를 쉘-형성 재료로서 1.0 wt%의 실리카(전체 고형물들의 함유량에 근거하여)와 결합시키고 이 혼합물을 1000℃에서 소성함으로써 형성되었다. 도시된 바와 같이, 샘플(S2)은 또한 각각의 표준 알루미나 샘플들에 비교하여 개선된 그라인딩 성능을 보여주었다.
비교 샘플들(S1 및 S2)과 유사하게, 샘플(S3)은 코어-쉘 구조를 가지는 연마제 입자들을 함유하는 결합된 연마제이다. 특히, 샘플(S3)은 다결정 알파 알루미나 코어와 이 다결정 코어를 덮는 쉘 층을 가지는 연마제 입자들을 포함한다. 연마제 입자들은 알파 알루미나 입자들과 쉘-형성 재료로서 0.5 wt%의 실리카(전체 고형물들의 함유량에 근거하여)를 결합시킴으로써 만들어졌다. 이 혼합물은 1200℃의 온도에서 소성되었다. 도시된 바와 같이, 샘플(S3)의 성능은 표준 알루미나 1 및 2 샘플들에 비교하여, 개선을 보여주며, 표준 알루미나 3 샘플의 성능에 비슷한 성능을 보여준다.
마찬가지로, 샘플(S4)은 표준 알루미나의 모든 샘플들에 비교하여 그라인딩 성능의 개선을 보여준다. 샘플(S4)은 알루미나 코어와 이 알루미나 코어를 덮는 실리카 쉘 층을 가지는 연마제 입자들을 포함하는 결합된 연마제이다. 연마제 입자들은 알파 알루미나 입자들을 쉘-형성 재료로서 1.0 wt%의 실리카(전체 고형물들의 함유량에 근거하여)와 결합시킴으로써 만들어졌다. 이 입자들은 1200℃의 온도에서 소성되었다. 코어-쉘 구조를 함유하는 이전의 샘플들과 마찬가지로, 각각의 표준 알루미나 샘플들에 비교하여 그라인딩 성능의 개선을 보여준다.
샘플(S5)을 참조하면, 이 샘플은 결합된 연마제의 내부에 표준 알루미나 3 샘플과 동일한 타입의 알루미나 입자들을 사용하였지만, 연마제 입자들은 알루미나 코어를 덮는 실리카 쉘 층을 포함하였다. 특히, 샘플(S5)의 연마제 입자들은 알파 알루미나 입자들과 쉘-형성 재료로서 1.0 wt%의 실리카(전체 고형물들의 함유량에 근거하여)를 결합시킴으로써 만들어졌다. 이 혼합물은 1200℃의 온도에서 소성되었다. 도시된 바와 같이, 샘플(S5)은 표준 알루미나 3 샘플에 비교하여 개선된 그라인딩 성능을 보여준다. 샘플(S5)은 또한 표준 알루미나 1 및 2 샘플들에 비교하여 개선된 그라인딩 성능을 보여준다.
따라서, 샘플(S6)도 또한 표준 알루미나 3 샘플과 동일한 타입의 알루미나 입자들을 사용하지만, 이 연마제 입자들은 알루미나 코어를 덮는 실리카 쉘 층을 이용한다. 특히, 연마제 입자들은 알파 알루미나 입자들을 0.5 wt%의 실리카(전체 고형물들의 함유량에 근거하여)와 결합시키고 1200℃의 온도에서 이 혼합물을 소성함으로써 형성되었다. 다시, 샘플(S6)은 표준 알루미나 3인, 표준 결합 연마 샘플에 비교하여 개선된 그라인딩 성능을 보여준다. 샘플(S6)은 또한 표준 알루미나 1 및 2 샘플들에 비교하여 개선된 그라인딩 성능을 보여준다. 이 샘플들은 여기에서의 실시예들에서 제공되는 연마제 입자들의 개선된 그라인딩 성능, 특히 실리카 쉘 층을 이용하는 연마제 입자들의 개선된 그라인딩 성능을 보이지만, 유사한 쉘 층을 이용하고 지르코니아를 포함하는 연마제 입자들도 동일한 개선된 그라인딩 성능을 보여주었다.
여기의 실시예들에 따르면, 향상된 그라인딩 성능, 매트릭스 재료들 및 충전재들과의 상용성, 및 연장된 수명과 같은, 개선된 특성들을 가지는 고정된 연마제 물품들이 제공된다. 본 발명자들은 미국 특허 제6,258,141호와 미국 특허 제5,131,923호에 개시된 바와 같은, 표면-개질된 구조들을 가지는 특정한 연마제 입자들의 존재를 인정하고 있지만, 현재 개시되는 연마제 물품들이 우수하다. 미국 특허 제6,258,141호에 관해서, 참고문헌은 염계 전구체로부터 형성되는 코팅의 사용을 개시하고 있지만, 개시된 코팅은 바람직하게는 결합 재료가 저온의 유리화된 재료일 때 결합된 연마제 물품의 형성 중에 알루미나 입자들에 대한 보호를 제공한다. 더구나, 미국 특허 제6,258,141호는 일반적으로 알루미나 연마제 입자들이 세라믹 산화물로 코팅될 수 있다고 기술하고 있지만, 이 참고문헌은 "세라믹 산화물"이 주로 마그네슘 산화물, 티타늄 산화물, 코발트 산화물, 니켈 산화물, 및 크롬 산화물이며, 1500℃를 초과하는 온도에서 안정적인 금속 산화물을 가리키는 것으로 이해된다는 것을 계속해서 기술하고 있다. 게다가, 세라믹 산화물 코팅들은 많아야 입자의 전체 중량의 1 wt%이며, 일반적으로 훨씬 작기 때문에, 이 세라믹 산화물 코팅들은 견고하지 않다. 미국 특허 제6,258,141호에 개시된 세라믹 산화물 코팅들은 견고한 코팅들이 되는 것을 목적으로 하고 있지 않으며, 오히려 이들은 재료의 얇은 코팅들이며, 연마제 입자들의 표면적을 감소시키기 위해 알루미네이트 화합물을 만들기 위해서 알루미나 입자들과 종종 반응하며, 그에 의해 연마 중에 가공대상물의 변색에 이르게 할 수 있는 탄소 잔류물이 가라앉는 영역들을 감소시킨다.
미국 특허 제5,131,923호에 관해서, 참고문헌은 실리카-농축 표면들을 가지는 알루미나 입자들을 만들어내기 위해 실리콘 함유 재료를 알루미나 연마제 입자들과 혼합하는 것을 개시한다. 그러나, 실리카-농축 표면들은 연마제 입자들을 실리콘 함유 화합물과 혼합함으로써 간단히 형성되며, 그런 다음에 이들은 연마제 입자들의 표면 위에 비결정질 실리카의 필름을 형성하기 때문에, 이 실리카-농축 표면들은 실리카의 균일한 코팅들이 아니다. 연마제 입자들의 실리카-농축 표면들은 최종 제품(즉, 유리화된 결합된 연마제)을 형성하기 전에 처리되지 않으며 그에 따라 비결정질이고 깨지기 쉬우며, 특히 성분들의 혼합 중에 마찰에 의해 마모되기 쉬우며, 그에 따라 최종의 결합된 연마 제품을 형성하기 이전에 파손된다. 따라서, 약하고, 비결정질의 코팅과 최종 연마제 물품을 형성하기 이전에 입자들의 취급의 조합 때문에, 코팅들은 일정하지(conformal) 않으며 최종의 형성된 연마 제품에 있는 입자들을 충분히 둘러싸지 못한다는 것이 이해된다. 더구나, 비결정질 실리카-농축 표면들의 형성은 오직 실리카 함유 매트릭스 재료의 내부에서 연마제 입자들의 결합을 도와주는 역할을 한다. 따라서, 이와 같은 입자들은, 특히 높은 함유량의 실리카를 가지는 유리화된 결합된 연마제에 대한, 이들의 사용이 제한된다.
특히, 본 실시예들의 고정된 연마제 물품들은 예를 들어, 1 미크론 미만의 입자 크기, 조성, 및 공학적(engineered) 코어-쉘 구조를 포함하는 특징들의 조합을 가지는 고정된 연마제들을 사용한다. 특히, 이런 요소들의 조합은 그라인딩 공정들에 존재하는 특정한 화학 약품들에 대한 저항성뿐만 아니라 쉘링(shelling)의 영향을 경감시키도록 디자인된 거의 완전한 코팅, 즉 특히 알파 알루미나 입자의 파손을 방지하도록 디자인된 희생 층 모두를 제공하도록 디자인된 공학적 구조를 제공한다. 게다가, 여기의 실시예들은 다른 특징들과 결합하여, 개선된 그라인딩 성능, 기계적 안정성, 및 화학적 저항성을 제공하는, 코어를 덮는 견고한 다결정 쉘을 형성하는 방법들을 제공한다. 따라서, 그라인딩과 폴리싱의 특정한 상황에서, 여기에 제공되는 특정한 연마제 입자들을 함유하는 고정된 연마 장치들의 사용은, 특정한 매트릭스 재료 및 동반하는 충전재 재료들과의 조합으로, 고정된 연마 장치들이 개선된 기계적 안정성, 화학적 안정성, 및 그라인딩 성능을 가지는 것을 가능하게 한다.
본 발명은 특정한 실시예들과 관련하여 도시되고 설명되었지만, 다양한 변형들 및 대체들이 어떤 방식으로 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 만들어질 수 있기 때문에, 이는 보여진 세부사항들에 한정되도록 의도하지 않는다. 예를 들어, 추가적인 또는 균등한 대체들이 제공될 수 있으며 추가적이거나 균등한 제조 단계들이 사용될 수 있다. 이와 같이, 여기에 개시된 본 발명의 추가적인 변형들 및 균등물들은 본 기술분야에 숙련된 사람들에게 단지 일상적인 실험을 사용하여 발생될 수 있으며, 이와 같은 모든 변형들 및 균등물들은 다음의 청구항들에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 믿어지고 있다.

Claims (15)

  1. 매트릭스 재료; 및
    상기 매트릭스 재료에 매립된 연마제 입자들로서, 다결정 알파 알루미나 코어 및 상기 다결정 알파 알루미나 코어를 덮고 있으며 실리콘 산화물 및 지르코늄 산화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 다결정 재료를 포함하는 쉘 층을 포함하는 코어-쉘 구조를 가지며, 상기 다결정 알파 알루미나 코어는 500 nm 이하의 평균 입자 크기를 가지는 입자들을 포함하는 연마제 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 고정된 연마제 물품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정된 연마제 물품은 코팅된 연마제인 것을 특징으로 하는 고정된 연마제 물품.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 매트릭스 재료는 이면 재료(backing material)를 덮고 있으며 상기 이면 재료와 접촉하는 제1 접착 층, 및 상기 제1 접착 층을 덮고 있는 제2 접착 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 고정된 연마제 물품.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 접착 층은 할로겐 화합물을 포함하는 충전재 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 고정된 연마제 물품.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고정된 연마제는 유리화된 세라믹 재료를 포함하는 매트릭스 재료를 포함하는 결합된 연마제인 것을 특징으로 하는 고정된 연마제 물품.
  6. 제1항, 제2항, 및 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 다결정 알파 알루미나 코어는 300 nm 이하의 평균 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 고정된 연마제 물품.
  7. 제1항, 제2항 및 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 쉘 층은 기본적으로 다결정 재료로 구성되며 당해 쉘 층이 상기 알파 알루미나 코어 외부면의 90% 이상을 덮도록 상기 알파 알루미나 코어를 감싸는 것을 특징으로 하는 고정된 연마제 물품.
  8. 제1항, 제2항 및 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 쉘 층은 10 미크론 이하의 평균 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 고정된 연마제 물품.
  9. 제1항, 제2항 및 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 쉘 층은 30 vol% 이하의 공극도를 가지는 것을 특징으로 하는 고정된 연마제 물품.
  10. 제1항, 제2항 및 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 쉘 층은 지르코늄 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 고정된 연마제 물품.
  11. 알파 알루미나 입자들을 쉘-형성 재료와 결합하는 단계;
    다결정 알파 알루미나 코어 및 상기 다결정 알파 알루미나 코어를 덮고 있으며 실리콘 산화물 및 지르코늄 산화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 다결정 재료를 포함하는 쉘 층을 포함하는 코어-쉘 구조를 포함하는 연마제 입자들을 형성하기 위해 상기 쉘-형성 재료와 함께 상기 알파 알루미나를 굽는 단계로서, 상기 다결정 알파 알루미나 코어는 500 nm 이하의 평균 입자 크기를 가지는 입자들을 포함하는 상기 굽는 단계; 및
    고정된 연마제를 형성하기 위해 매트릭스 재료에 상기 연마제 입자들을 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고정된 연마제를 형성하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 쉘-형성 재료는 액체 매체에 현탁된 콜로이드들을 함유하는 콜로이드 분산액을 포함하며, 상기 액체 매체는 유기 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 고정된 연마제를 형성하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 콜로이드들은 200 nm 이하의 평균 1차 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 고정된 연마제를 형성하는 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 결합하는 단계는 상기 다결정 알파 알루미나 코어의 위에 상기 쉘-형성 재료를 침착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고정된 연마제를 형성하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 쉘-형성 재료를 침착시키는 단계는 전구체 재료를 분해하는 단계를 포함하는 증착 공정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 고정된 연마제를 형성하는 방법.
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