KR101602639B1 - 연마 도구용 극세섬유 보강재 - Google Patents

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카렌 엠. 콘리
스티븐 에프. 파슨스
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생-고뱅 어브레이시브즈, 인코포레이티드
생-고벵 아브라시프
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Abstract

연마 물품은 유기 결합재, 유기 결합재에 분산되는 연마재, 광물면 유기 결합재에 균일 분산되는 극세섬유, 개별 필라멘트들인 광물면 극세섬유, 유기 결합재에 분산되는 하나 이상의 보강재 및/또는 절단 스트랜드 섬유들 및 예를들면, 망간 화합물을 포함하는 하나 이상의 활성 충전제를 포함한다. 연마 물품은 가공물 연마 처리에 사용될 수 있다.

Description

연마 도구용 극세섬유 보강재{MICROFIBER REINFORCEMENT FOR ABRASIVE TOOLS}
수지-기재 연마휠을 보강하기 위하여 절단 스트랜드 섬유들이 사용된다. 전형적으로 길이가3-4 mm인 절단 스트랜드 섬유들은 다수의 필라멘트들이다. 필라멘트들 개수는 제조 공정에 따라 달라지지만 전형적으로 다발 당 400 내지 6000 필라멘트들로 이루어진다.
필라멘트들은 궁극적으로 수지 매트릭스와 상용되는 사이징, 바인더, 또는 코팅제로 알려진 접착제에 의해 서로 결합된다. 절단 스트랜드 섬유의 일 예시로는 Owens Corning사에서 입수 가능한 183 Cratec®을 언급할 수 있다.
건식 연마휠 믹스에 절단 스트랜드 섬유들을 조합하는 것은 일반적으로 절단 스트랜드 섬유들, 수지, 충전제, 및 연마 입자를 특정 시간 동안 혼합한 후 성형, 경화 또는 기타 믹스를 마감 연마휠로 처리하여 이루어진다.
이러한 경우에, 절단 스트랜드 섬유 보강 휠은 전형적으로, 강도 저하, 연마 성능 불량뿐 아니라 부적합한 휠 수명을 포함한 여러 문제점들이 있고, 이는 아마도 절단 스트랜드 섬유 다발 내에 있는 필라멘트들의 불완전한 분산에 기인할 수 있다.
따라서, 연마 성능을 훼손시키지 않고 연마 도구를 보강할 수 있는 개선된 기술이 필요하다.
본 발명의 일 실시태양은, 유기 결합재 (예를들면, 열경화성 수지, 열가소성 수지, 또는 고무), 유기 결합재에 분산되는 연마재, 및 유기 결합재에 균일 분산되는 극세섬유를 포함하는 조성물을 제공한다. 극세섬유들은 개별 (individual) 필라멘트들이고, 예를들면, 광물면 섬유들, 광재면 섬유들, 암면 섬유들, 석재면 섬유들, 유리 섬유들, 및 특히 분쇄 유리 섬유들, 세라믹 섬유들, 분쇄 현무암 섬유들, 탄소 섬유들, 아라미드 섬유들, 및 폴리아미드 섬유들, 및 이들의 조합을 포함한다. 극세섬유의 평균 길이는, 예를들면, 약 1000 um 미만이다. 특정 실시예에서, 극세섬유의 평균 길이는 약 100 내지 500 um이고 직경은 약 10 미크론 미만이다. 일부 실시태양들에서, 절단 스트랜드 섬유들, 예를들면, 섬유유리 절단 스트랜드 섬유들이 존재할 수 있다. 많은 경우에 조성물은 적어도 하나는 극세섬유와 연마 온도에서 화학적으로 반응할 수 있는 활성 충전제를 가지는 하나 이상의 충전제를 더욱 포함한다. 이러한 활성 충전제 및 극세섬유의 화학 반응으로 다양한 연마 처리 이점들 (예를들면, 휠 수명 개선, 더 높은 G-비율, 및/또는 연마 도구 면의 안티-로딩)이 제공된다. 적합한 활성 충전제의 예시로는 망간 화합물, 은 화합물, 붕소 화합물, 인 화합물, 및 이들의 조합을 포함한다. 특정 실시예에서, 하나 이상의 활성 충전제는 이염화망간을 포함한다. 극세섬유와 화학적으로 반응하지 않는 기타 충전제가 포함될 수 있다.
조성물은, 예를들면, 10 부피% 내지 50 부피%의 유기 결합재, 30 부피% 내지 65 부피%의 연마재, 및 1 부피% 내지 20 부피%의 극세섬유를 포함한다. 특정 실시예에서, 조성물은 25 부피% 내지 40 부피%의 유기 결합재, 50 부피% 내지 60 부피%의 연마재, 및 2 부피% 내지 10 부피%의 극세섬유를 포함한다. 특정 실시예에서, 조성물은 30 부피% 내지 40 부피%의 유기 결합재, 50 부피% 내지 60 부피%의 연마재, 및 3 부피% 내지 8 부피%의 극세섬유를 포함한다. 일부 경우들에는, 조성물은 또한, 예를들면, 약 0.1 내지 약 10 부피%, 예를들면, 약 2 내지 약 8 부피%의 절단 스트랜드 섬유들을 포함한다.
다른 실시태양에서, 조성물은 가공물 연마 처리에 사용되는 연마 물품 형태이다. 이 경우, 연마 물품은 휠 또는 기타 연마 처리에 적합한 형태이다. 전형적으로, 조성물은 연마 입자들이 3차원 유기 결합 매트릭스에 고정되는 고정 연마 물품 예를들면, 휠 또는 다른 유형의 도구이다.
일 양태에서, 연마 물품은 유기 결합재; 유기 결합재에 분산되는 연마재; 유기 결합재에 분산되는 절단 스트랜드 섬유들; 유기 결합재에 균일 분산되는 개별 필라멘트들인 광물면 극세섬유; 및 하나 이상의 충전제를 포함한다. 특정 구현예들에서, 하나 이상의 충전제는 망간 화합물을 포함한다. 일부 경우들에서, 연마 물품은 절단 스트랜드 섬유들, 광물면 극세섬유, 망간 화합물 및, 선택적으로, 기타 예를들면 석회, 황철석 및 기타와 같은 충전제를 포함하지만, 칼륨염 (예를들면, 황산칼륨 및/또는 염화칼륨)을 포함하지 않는다.
본 발명의 다른 실시태양은 가공물 연마 방법을 제공한다. 본 방법은 가공물을 연마 처리 기계에 장착하는 단계, 및 연마 물품을 기계에 작동적으로 결합시키는 단계를 포함한다. 연마 물품은 유기 결합재, 유기 결합재에 분산되는 연마재, 및 유기 결합재에 균일 분산되는 극세섬유를 포함하고, 극세섬유는, 예를들면, 평균 길이가, 예를들면, 약 1000 um 미만인 개별 필라멘트들이다. 연마 물품은 유기 결합재에 분산되는 절단 스트랜드 섬유들을 더욱 포함할 수 있다. 특정 구현예들에서, 연마 물품은, 예를들면, 망간 화합물을 포함하는 하나 이상의 충전제를 함유할 수 있다. 일부 경우들에서, 연마 물품은 칼륨염을 제외한다. 본 방법은 연마 물품을 가공물 표면과 접촉하는 단계를 더욱 포함한다.
연마 물품은 예를들면, 하나 이상의 섬유유리 보강재들을 함유하여 보강되고, 예를들면, 내부 보강된다. 예로써, 연마 물품은 유기 결합재; 유기 결합재에 분산되는 연마재; 유기 결합재에 균일 분산되는 개별 필라멘트들인 광물면 극세섬유; 하나 이상의 충전제, 망간 화합물을 포함한 하나 이상의 충전제; 및 적어도 하나 유리 웨브 보강재로 구성된다.
본 발명의 양태들은 개선된 강도 (예를들면, 도구를 특정하는 버스트 속도 (burst speed)에 의해 반영) 및 내충격성을 보이고, 강건하고 파손에 덜 취약한 연마 물품 형태 예컨대, 예를들면, 연마휠 또는 기타 고정 연마 도구의 조성물을 제공한다. 또한 본 발명의 실시태양들에 의한 연마 물품은 개선된 휠 마모율, G-비율을 보이고 도구 수명이 연장된다. 본원에 개시되는 예시적 고정 물품들은 거의 또는 전혀 열 분해되지 않는 양호한 내열충격성을 보인다. 유리 웨브 보강재, 및, 선택적으로, 절단 스트랜드 섬유들을 함유한 연마 물품은, 전형적으로 충격 특성이 개선된다.
본원에 기재된 특징부 및 장점들이 전부가 아니고 많은 추가적인 특징부 및 장점들이 도면, 명세서 및 청구범위에 비추어 당업자에게 명백하여 질 것이다. 또한 본 명세서에 쓰여진 용어들은 주로 독이성 및 지침 목적으로 선택되었으며 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시태양들에 따른 조성물에 대한 강도 분석을 보이는 도표이다.
도 2는 본원의 실시태양들에 따른 도구의 연마 성능을 보이는 도표이다.
전기된 바와 같이, 절단 스트랜드 섬유들이 수지-기재 연마휠에 적용되어 강도 및 내충격성을 증가시킬 수 있고, 이때 절단 스트랜드 섬유들을 건식 연마휠 믹스에 조합시키는 것은 일반적으로 절단 스트랜드 섬유들, 수지, 충전제, 및 연마 입자들을 특정 시간 동안 혼합하여 달성된다. 그러나, 배합 또는 혼합 시간은 유용한 믹스 품질 달성에 중요한 역할을 한다. 부적합한 혼합으로 불균일한 믹스가 얻어지고 이는 몰드 충전 및 펼침을 어렵게 하여 저급하고 변동성이 심한 불균질 복합재를 초래한다. 한편, 과도한 혼합으로 “보플 볼 (fuzz ball)” (다중 절단 스트랜드 섬유들의 클러스터)이 형성되고 이는 믹스에 다시 분산될 수 없다. 더욱이, 절단 스트랜드 그 자체는 필라멘트들이 서로 결합되어 있는 사실상의 다발이다. 두 경우 모두, 이러한 클러스터 또는 다발은 연마 믹스의 균질성을 감소시키고 몰드로 이송 및 확산되기 어렵게 한다. 또한, 이러한 클러스터 또는 다발이 복합재 내에 존재하면 복합재 특성 예컨대 강도 및 탄성률을 저하시키고 특성 편차를 높인다. 또한, 고농도의 유리 예컨대 이의 절단 스트랜드 또는 클러스터는 연마휠 수명에 악영향을 미친다. 또한 휠 내부에서 절단 스트랜드 섬유들 수준이 높아지면 연마 성능 (예를들면, G-비율 및/또는 WWR으로 측정) 감소된다.
본 발명의 일 특정 실시태양에서, 극세섬유-보강 복합재 제조방법은 적합한 결합재 (예를들면, 유기 수지) 및 충전제의 건식 블렌드 내에서 개별 필라멘트들의 완전한 분산을 포함한다. 완전한 분산이란, 예를들면, 적합하게 배합 /혼합된 극세섬유, 결합재, 및 충전제의 조합물의 성형 및 경화 후 최대 복합재 특성 (예컨대 강도)에 의해 정의될 수 있다. 예로써, 혼합이 불량하면 강도가 저하되지만 양호한 혼합으로 강도가 증가된다. 또 다른 분산 평가 방법은 체 거름 (sieving technique)으로 분산되지 않은 재료 (예를들면, 혼합 전 본래 극세섬유와 유사한 재료)를 분리하고 계량하는 것이다. 실무적으로, 극세섬유 보강재 분산은 성형 및 경화 전 믹스를 (예를들면, 현미경 존재 또는 부재에서) 육안 검사로 평가된다. 본원에서 명백한 바와 같이, 불완전한 또는 달리 부적합한 극세섬유 분산은 일반적으로 복합재 특성 및 연마 성능 저하에 이른다.
본 발명의 다양한 실시태양들에 따르면, 극세섬유들은 높은 인장 탄성률을 가지는 작고 짧은 개별 필라멘트들로 무기 또는 유기물일 수 있다. 일 실시예에서, 극세섬유는 광재면 또는 암면 극세섬유로도 알려져 있는 광물면 극세섬유이다. 적용 가능한 기타 극세섬유의 예시로는 제한되지는 않지만 분쇄 유리 섬유들, 분쇄 현무암 섬유들, 세라믹 섬유들, 탄소 섬유들, 아라미드 또는 펄프화 아라미드 섬유들, 폴리아미드 또는 방향족 폴리아미드 섬유들을 포함한다.
본 발명의 일 특정 실시태양은 평균 길이가 약 4,000 미크론 이하이고 필라멘트 직경이 40 미크론 이하이고 보강 종횡비 (직경에 대한 길이 비율 또는 L/d)는 적어도 10인 무기 개별 필라멘트인 극세섬유를 이용한다. 예로써, 평균 길이가 약 100 미크론 및 필라멘트 직경이 약 10 미크론이면 보강 종횡비는 10이다. 필라멘트 직경이 약 5 미크론이고 필라멘트 길이가 약 50 미크론이면 보강 종횡비는 10이다. 유사하게, 필라멘트 직경이 약 2 미크론이고 필라멘트 길이가 약 20이면 보강 종횡비는 10이다.
또한, 본 실시예에서 극세섬유는 높은 융점 또는 분해 온도 (예를들면, 800 ºC 이상), 약 50 GPa 이상의 인장 탄성률을 가지고, 접착 코팅재를 거의 또는 전혀 가지지 않는다. 바람직하게는, 극세섬유는 이산 (discrete) 필라멘트들과 같이 고도로 분산되고, 섬유 다발을 형성하지 않는다. 전형적으로, 극세섬유는 사용되는 결합재 (예를들면, 유기 수지)와 화학적으로 결합된다.
이와는 반대로, 절단 스트랜드 섬유 및 이의 변형체는 접착제에 의해 함께 결합되는 다수의 필라멘트들을 포함하고 종횡비는 10 미만이다. 그러나, 일부 절단 스트랜드 섬유들은 이산 필라멘트들로 분쇄 또는 달리 파괴되어 (broken-down), 이러한 필라멘트들은 본 발명의 실시태양에 의한 극세섬유로 사용될 수 있다. 일부 이러한 경우, 형성된 필라멘트들은 분쇄/파괴 공정에 의해 (예를들면, 절단 스트랜드 또는 다발에서 필라멘트들을 결합시키는 접착제 또는 본드 제거에 필요한 가열 공정으로 인하여) 상당히 약해질 수 있다. 따라서, 고정 조성물에 사용되는 극세섬유 유형은 적용 분야 및 필요한 강도 정도에 따라 달라진다.
개별 필라멘트 형태의 광물면 극세섬유는, 본원에 기재된 조성물 및/또는 도구에 약 0.4 내지 수 부피%, 예를들면, 약 0.4 내지 약 12 vol. % 함량으로 존재한다. 본 발명의 양태들에 의한 일부 연마 물품은 약 0.5 내지 약 10 vol %의 광물면 극세섬유를 함유한다. 특정 구현예들에서, 연마 물품은 약 0.8 내지 약 8 부피%, 예를들면, 약 0.8 내지 약 4 부피 % 함량의 광물면 극세섬유를 함유한다.
이러한 실시태양에서, 본 발명에서 사용하기 적합한 극세섬유는 예컨대 Sloss Industries Corporation, AL에서 입수되는 것들 및 PMF® 상표로 판매되는 광물면 섬유들 것들이다. 유사한 광물면 섬유들은 Fibertech Inc, MA에서 제품명 Mineral wool FLM으로 입수될 수 있다. Fibertech는 또한 유리 섬유들 (예를들면, Microglass 9110 및 Microglass 9132)을 판매한다. 이들 유리 섬유뿐 아니라, 유사한 속성을 가지는 기타 천연 또는 합성 광물 섬유들 또는 유리질 개별 필라멘트 섬유들, 예컨대 석재면, 유리, 및 세라믹 섬유들이 사용될 수 있다. 광물면은 일반적으로 광물 또는 금속산화물로 제조되는 섬유들을 포함한다. 보강 고정 연마 도구에 사용될 수 있는 본 발명의 일 실시태양에 따른 예시적 조성물 및 극세섬유 특성 집합이 표 1 및 2에 각각 요약된다. 기타 여러 극세섬유 조성물 및 특성 세트는 본 발명 관점에서 명백하여 질 것이고, 본 발명은 임의의 특정한 것 또는 부분집합에 국한되지 않는다.
산화물 중량 %
SiO2 34-52
Al2O3 5-15
CaO 20-23
MgO 4-14
Na2O 0-1
K2O 0-2
TiO2 0-1
Fe2O3 0-2
기타 0-7
표 1: Sloss PMF® 섬유들의 조성
경도 7.0 모오스
섬유 직경 평균 4 - 6 미크론
섬유 길이 평균 0.1 - 4.0 mm
섬유 인장 강도 506,000 psi
비중 2.6
융점 1260 ºC
실투 온도 815.5 ºC
팽창계수 54.7 E-7 ºC
서냉점 638 ºC
왜곡점 612
표 2: Sloss PMF® 섬유들의 물성
본 조성물은 절단 스트랜드 섬유들, 예로써 섬유유리 절단 스트랜드 섬유들, 예컨대 상기된 것들을 더욱 포함한다. 절단 스트랜드 섬유들의 길이는, 예를들면, 3-4 mm이고, 각각의 스트랜드는 사이징, 바인더, 또는 코팅재로 알려진 접착제에 의해 결합되는 다수의 필라멘트들로 형성된다. 필라멘트 개수 및 필라멘트 직경은 제조 공정에 따라 다르지만 전형적으로 다발 당 400 내지 6000개의 필라멘트들로 이루어지고 필라멘트 직경은 10 미크론 이상이다. 평균 보강 종횡비는 3 미만이다. 적용 가능한 절단 스트랜드 섬유 재료의 일 예시는 Owens Corning에서 입수되는183 Cratec®가 언급된다.
조성물 또는 연마 물품의 총 부피 기준으로, 절단 스트랜드 섬유들은 거의 수 부피% 이하 수준으로 첨가된다. 예를들면, 마감 연마 물품에서 바람직한 특성, 예를들면, 내충격성에 따라 수준 정도가 결정된다. 일부 실시태양들에서, 연마 물품은 하나 이상의 이러한 바람직한 특성을 제공하도록 결정된 최소 수준의 절단 스트랜드 섬유들을 함유한다. 특정 구현예들에서, 절단 스트랜드 섬유들은 약 0 내지 약 10 vol. %, 예를들면, 약 0.1 내지 약 10, 예로써 약 2 내지 약 8 vol. %, 예컨대 약 3 내지 약 6 vol. % 함량 존재한다.
본 발명의 실시태양에 의한 고정 연마 도구에 사용될 수 있는 결합재는 유기 수지 예컨대 에폭시, 폴리에스테르, 페놀 및 시아네이트 에스테르 수지 및 기타 적합한 열경화성 또는 열가소성 수지를 포함한다. 하나의 특정 실시태양에서, 폴리페놀 수지가 사용된다 (예를들면, 예컨대 노보락 수지). 사용 가능한 수지의 특정 예시로는 다음을 포함한다: Durez Corporation, TX에서, 다음 카탈로그/제품 번호: 29722, 29344, 및 29717로 판매되는 수지; Dynea Oy, Finland에서, 상표명 Peracit® 및 카탈로그/제품 번호 8522G, 8723G, 및 8680G로 판매되는 수지; 및 Hexion Specialty Chemicals, OH에서, 상표명 Rutaphen® 및 카탈로그/제품 번호 9507P, 8686SP, 및 8431SP로 판매되는 수지. 다양한 기타 적합한 결합재는 본 발명 관점에서 명백하여 질 것이고 (예를들면, 고무), 본 발명은 임의의 특정한 것 및 부분집합에 국한되지 않는다.
본 발명의 실시태양들에 따른 연마 도구 제조에 사용 가능한 연마재는 상업적으로 입수 가능한 재료, 예컨대 알루미나 (예를들면, 압출 보크사이트, 소결 및 졸 겔 소결 알루미나, 용융 알루미나), 탄화규소, 및 알루미나-지르코니아 입자들을 포함한다. 초연마 입자들 예컨대 다이아몬드 및 입방정질화붕소 (cBN) 또한 적용 분야에 따라 사용될 수 있다. 하나의 특정 실시태양에서, 연마 입자들의 누프 경도는 1600 내지 2500 kg/mm2이고 크기는 약 10 밀리미터 내지 3000 미크론, 또는 더욱 상세하게는, 약 5 밀리미터 내지 약 2000 미크론이다. 둘 이상 유형들의 연마 입자들 조합물 또한 사용될 수 있다. 하나의 경우, 연마 도구 제조 조성물은 약 50 중량 % 이상의 연마재를 포함한다.
특정 실시태양들에서, 조성물은 연마 진행 온도에서 극세섬유와 화학적으로 반응할 수 있는 적어도 하나의 충전제를 가지는 하나 이상의 활성 충전제를 더욱 포함한다. 이 경우, 극세섬유-반응 활성 충전제는 다음에서 선택된다: 망간 화합물, 은 화합물, 붕소 화합물, 인 화합물, 및 이들의 임의조합. 특정 구현예들에서, 적용되는 활성 충전제는 망간 화합물, 예를들면, 망간 할로겐화물, 예컨대, 이염화망간, 망간 함유 금속 화합물 착염, 하나 이상의 망간 화합물 함유 조합물 및 기타 등이다. 조성물 및/또는 연마 물품에 존재하는 망간 화합물 활성 충전제 함량은 약 1 내지 약 10 vol. %, 예를들면, 약 2 내지 약 4 vol. %일 수 있다. 기타 함량이 적용될 수 있다.
따라서, 극세섬유, 예를들면, 광물면 극세섬유, 및 활성 충전제의 혼합물을 포함하는 연마 물품 조성물이 제공된다. 본 조성물의 이점들로는, 예를들면, 강도 및 연마 성능 개선을 포함한다.
극세섬유와 화학적으로 반응하지 않는 기타 충전제 역시 포함될 수 있다. 이러한 추가적인 충전제는 극세섬유 분산을 촉진시키거나 본 분야의 당업자에게 알려진 종래 메카니즘 예컨대 수지 분해, 가공물 분해, 연마재 분해, 안티-로딩 품질, 및 윤활을 통한 연마 성능 향상을 위하여 첨가된다. 적합한 예시로는 황철석, 황화아연, 빙정석, 불화칼슘, 불화알루미늄칼륨 (potassium aluminum fluoride), 붕불화칼륨, 황산칼륨, 염화칼륨, 및 이들의 조합을 포함한다.
연마 물품 제조 과정에서, 때로 충전제는 극세섬유 분산, 압축 과정에서 윤활성 제공, 경화 과정에서 습기 또는 휘발물질 흡수 기타 등을 위한 가공보조제로 기능하는 화합물 조합을 함유하는 이하 충전제 "성분"으로 칭하는 충전제 "패키지"로 제공된다. 이러한 충전제는, 예를들면, 마감 연마 물품 및 가공물 간의 마찰을 줄이고, 사용되는 연마 입자들을 보호하고, 및/또는 기타 본 분야에서 공지된 이점들을 제공한다. 본원의 조성물 및/또는 물품에 사용되는 충전제 성분들은, 예를들면, 석회, 황철석, 황산칼륨 (K2SO4), 염화칼륨 (KCl), 황화아연, 빙정석, 불화칼슘, 불화알루미늄칼륨, 붕불화칼륨, 이들의 조합뿐 아니라 활성 충전제 예컨대 상기 망간 화합물, 및 기타 등을 포함한다. 본원의 일부 양태들에서, 충전제 패키지에는 칼륨염은 제외된다.
일 구현예에서, 조성물 및/또는 연마 물품은, 연마 입자들, 유기결합재, 유기결합재에 균일 분산되는 개별 필라멘트인 광물면 극세섬유, 절단 스트랜드 섬유, 망간 화합물 및, 선택적으로, 기타 충전제를 포함한다. 조성물 및/또는 연마 물품은, 그러나, 칼륨염 예컨대, 예를들면, 황산칼륨 및/또는 염화칼륨을 배제한다. 본원의 일부 조성물 및/또는 연마 물품에서 칼륨염을 배제하면 황산칼륨 및/또는 기타 칼륨염을 함유한 비교 도구에 비하여 도구의 연마 성능이 향상된다는 것을 알았다. 본원에 사용되는 용어 “비교”란 연구되는 함량, 특성, 및/또는 화합물 또는 성분을 제외하고는 실험 물품 또는 조성물과 모든 측면에서 유사한 물품 또는 조성물을 의미한다.
특정 구현예들에서, 조성물 또는 연마 물품은 (조성물 또는 연마 물품의 총 부피 기준으로) 약 10 내지 약 50 vol %, 예를들면, 약 38 내지 약 41 vol% 유기결합재; 약 30 내지 약 65 vol %, 예를들면, 약 49 내지 약 59 vol. % 연마 입자; 약 0.4 내지 약 12 vol %, 예를들면, 0.8 내지 약 8 vol % 광물면 극세섬유; 약 0 내지 약 10 vol %, 예를들면 약 0.1 내지 약 10 부피 %, 예를들면, 약 2 내지 약 8 또는 약 3 내지 약 6 부피 %의 절단 스트랜드 섬유들; 및 약 1 내지 약 10, 예를들면, 약 2 내지 약 4 vol. % 망간 화합물 활성 충전제를 포함한다.
선택적으로, 상기된 바와 같은 하나 이상의 기타 충전제, 예를들면, 석회, 황철석, 황산칼륨, 염화칼륨 및 기타 등이, 추가로 존재할 수 있다. 사용되는 적합한 함량은 본 분야에서 알려진 바와 같이 선택된다. 일부 경우들에서, 칼륨염은 0 부피 %이다.
또한 선택적으로, 조성물 또는 연마 물품은 충전제로 기능할 수 있는 제2 연마 입자들을 더욱 포함한다. 예시로는 탄화규소, 브라운 용융 알루미나, 및 본 분야에서 공지된 기타들을 포함한다.
본원에 기재된 일부 연마 물품은 연마 입자들, 결합재, 개별 필라멘트들인 극세섬유, 예를들면, 광물면 극세섬유, 활성 충전제, 예를들면 망간 화합물, 하나 이상의 보강재 및, 선택적으로, 절단 스트랜드 섬유들을 함유한다. 본원에 사용되는 용어 예컨대 “보강된” 또는 “보강”이란 고정 연마 도구 제조에 사용되는 결합재 및 연마재와는 다른 보강재 성분들의 이산 층들 또는 삽입물 또는 기타를 의미한다. 예컨대 “내부 보강” 또는 “내부 보강된” 이라는 용어는 이들 성분이 도구 몸체 내부에 있거나 삽입된 것을 의미한다. 보강 기술 및 재료 관련 상세한 배경설명은, 예를들면, 1974.10.1자 Lakhani에 부여된 미국특허번호 3,838,543에 기재되어 있으며, 본 문헌은 본원에 참고로 전체가 통합된다. 또한 보강 휠은 2004.6.15자 Mota 등에서 부여된 미국특허번호 6,749,496 및 2005.9.13자 Mota 등에게 부여된 미국특허번호 6,942,561에 기재되어 있으며, 이들 양 문헌은 본원에 참고로 전체가 통합된다.
많은 경우, 내부 보강된 연마휠은 나일론, 탄소, 유리 또는 면직물에서 도려낸 원반을 포함한다. 특정 구현예들에서, 연마 물품은 웨브 형태의 섬유유리 보강재, 예를들면, 이하 유리 직물이라고도 칭하는 매우 가는 유리 섬유들의 직물을 포함한다. 하나, 둘 또는 그 이상의 섬유유리 웨브들이 사용되고 이들은 임의의 적합한 방식으로 고정 연마 도구에 배치된다.
사용 가능한 섬유유리는 E-유리 (1 wt% 미만의 알칼리 산화물을 함유한 알루미노-붕규산 유리)일 수 있다. 기타 유형의 섬유유리, 예를들면, A-유리 (산화붕소가 거의 또는 전혀 없는 알칼리-석회 유리), E-CR-유리 (높은 내산성을 가지는 1 wt% 미만의 알칼리 산화물을 함유한 알루미노-석회 규산염), C-유리 (예를들면 유리 스테이플 섬유들로 사용되는 높은 산화붕소 함량을 가지는 알칼리-석회 유리), D-유리 (높은 유전상수를 가지는 붕규산 유리), R-유리 (높은 기계적 특성을 가지는 MgO 및 CaO 부재의 알루미노 규산염 유리), 및 S-유리 (높은 인장 강도를 가지는 CaO 부재이지만 높은 MgO 함량을 가지는 알루미노 규산염 유리), 유리 섬유 웨브들 및 기타 등이 사용될 수 있다.
연마 물품 형태의 조성물은, 예를들면, 적용 분야에 적합한 수준의 다공도를 가진다. 특정 실시예들에서, 다공도는 30 부피 % 미만, 예로써 약 2 % 내지 약 8 부피%이다.
임의의 특정 이론에 구속되지 않고, 망간 화합물은 광물면 극세섬유와 화학적으로 상호 작용하여 여러 연마 공정 이점들, 예컨대, 예로써, 도구 강도 및 연마 성능 증가 및/또는 휠 수명 이점들을 제공한다. 절단 스트랜드 섬유들과는 달리, 극세섬유 (예를들면, 광물면, 분쇄 유리 또는 분쇄 현무암 섬유들)의 높은 종횡비는 높은 표면적을 제공하여 적용되는 활성 충전제 또는 충전제와 상승 반응을 일으킨다. 높은 코팅재를 가지는 섬유 다발과는 달리, 낮은 코팅재를 가지는 이산 필라멘트들은, 하나 이상의 망간 화합물과 조합되어, 최적의 복합재 및 연마 이점들을 제공한다. 더욱이, 칼륨염 예컨대 염화칼륨 또는 황산칼륨이 존재하면 망간염 및 이산 필라멘트들과의 이러한 "상승" 작용이 저해된다는 것을 알았다. 유리 웨브 보강재, 및/또는 절단 스트랜드 섬유들을 함유하는 연마 물품은, 전형적으로 충격 특성이 개선된다. 바람직하게는 활성 충전제, 예를들면, 망간 화합물 존재에서 (섬유 다발과는 달리) 개별 필라멘트들인 광물면 극세섬유의 (다발성) 절단 스트랜드 섬유들 및/또는 섬유 웨브 제품 (보강재)과의 조합으로 도구 강도 증가, 연마 성능 증가 및/또는 도구 수명 개선뿐 아니라, 내충격성 향상, 연마 물품 파손 경향을 감소시킨다.
본 발명의 실시태양에 의한 연마 도구 복합재의 특징 및 이점을 보이기 위하여 여러 예시적 극세섬유 보강 연마 복합재들이 이하 제공된다. 특히, 실시예 1은 광물면 존재 및 부재의 복합재 특성 결합재 바 (bond bar) 및 믹스 바를 보인다; 실시예 2는 믹스 품질 함수로서의 복합재 특성을 보인다; 실시예 3은 믹스 품질 함수로의 연마 성능 데이터를 보이고; 실시예 4는 광물면 존재 및 부재에서 활성 충전제 함수로서의 연마 성능을 보인다. 실시예 5는 망간 화합물 활성 충전제를 절단 스트랜드 섬유들에 첨가하는 경우와 대비하여 망간 화합물 활성 충전제를 광물면 극세섬유에 첨가하여 획득되는 연마 성능 상승 효과를 비교한다. 실시예 6은 유리 절단 스트랜드 섬유들과 조합하여 사용되는 광물면 극세섬유에서 활성 충전제 함수로서의 연마 성능을 보인다.
실시예 1
표 3, 4, 및 5를 포함하는 실시예 1은, 광물면 섬유들 존재 및 부재에서 결합재 바 및 복합재 바 (composite bar)의 특성을 보인다. 결합재 바는 연마재를 함유하지 않은 것이고, 복합재 바는 연마재를 포함하여 연마휠 조성물을 반영하는 것이다. 표 3에서 보이는 바와 같이, 8종의 샘플 결합재 조성물 성분들이 제공된다 (부피%, 또는 vol%). 일부 결합재 샘플은 (샘플 # 1 및 5) 보강재를 포함하지 않고, 일부는 분쇄 유리 섬유들 또는 절단 스트랜드 섬유들 (샘플 # 3, 4, 7, 및 8)을 포함하고, 일부는 본 발명의 일 실시태양에 따라 Sloss PMF® 광물면 (샘플 # 2 및 6)을 포함한다. 기타 유형의 개별 필라멘트 섬유들 (예를들면, 세라믹 또는 유리 섬유)이 사용될 수 있음은 본 개시로부터 명백하다. 브라운 용융 알루미나 (220 그릿)는 결합재 샘플에서 충전제로 사용되지만, 또한 제2 연마재로 기능할 수 있다 (일차 연마재는 예를들면, 압출 보크사이트, 16 그릿일 수 있다). 또한 SaranTM 506은 Dow Chemical Company에서 제조되는 폴리염화비닐리덴 결합조제이고, 브라운 용융 알루미나는 Washington Mills에서 입수되었다.
샘플들 →
성분들 ↓		 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8
Durez 29722 48.11 48.11 48.11 48.11 42.09 42.09 42.09 42.09
Saran 506 2.53 2.53 2.53 2.53 2.22 2.22 2.22 2.22
브라운 용융
알루미나 - 220 그릿		 12.66 6.33 6.33 6.33 18.99 9.50 9.50 9.50
Sloss PMF® 6.33 9.50
분쇄 유리 섬유 6.33 9.50
절단 스트랜드 6.33 9.50
황철석 (Iron Pyrite) 20.4 20.4 20.4 20.4 20.4 20.4 20.4 20.4
염화칼륨/황산칼륨 (60:40 혼합) 9.8 9.8 9.8 9.8 9.8 9.8 9.8 9.8
석회 6.5 6.5 6.5 6.5 6.5 6.5 6.5 6.5
표 3: 광물면 존재 및 부재의 예시적 결합재 (bond)
표 3의 1 내지 4의 결합 샘플들에서, 보강재 유형만을 제외하고는 조성들은 동일하다. 보강재 부재인 샘플들 1 및 5에서, 충전제 (이 경우, 브라운 용융 알루미나) vol%는 증가하였다. 유사하게, 표 3의 5 내지 8 샘플들에서, 보강재 유형만을 제외하고 조성은 동일하다.
표 4는 표 3의8종의 샘플 각각에 대한 응력 및 탄성률 (E-Mod)을 포함한 결합재 바 (연마재 부재) 특성을 보인다.
샘플들 → #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8
응력 (MPa) 90.1 115.3 89.4 74.8 103.8 118.4 97 80.7
Std Dev (MPa) 8.4 8.3 8.6 17 8 6.5 8.6 10.8
E-Mod (MPa) 17831 17784 17197 16686 21549 19574 19191 19131
Std Dev (MPa) 1032 594 1104 1360 2113 1301 851 1242
표 4: 결합재 바 특성 (삼점 굽힘)
표 5는 표 3의 8종의 샘플 각각에 대한 응력 및 탄성률 (E-Mod)을 포함한 복합재 바 (표 3의 결합재와 연마재, 예컨대 압출 보크사이트를 포함) 특성을 보인다. 표 4 및 5 각각에서 알 수 있는 바와 같이, 광물면 보강 결합재/복합재 (샘플들 2 및 6)는 제시된 기타 샘플들 대비 더 큰 강도를 가진다.
샘플들 → #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8
응력 (MPa) 59.7 66.4 61.1 63.7 50.1 58.2 34 34
Std Dev (MPa) 8.1 10.2 8.5 7.2 9.8 4.6 4.4 4.1
E-Mod (MPa) 6100 6236 6145 6199 5474 5544 4718 4427
Std Dev (MPa) 480 424 429 349 560 183 325 348
표 5: 복합재 바 특성 (삼점 굽힘)
각각의 연마 복합재 샘플들 1 내지 8에서, 약 44 vol%는 결합재이고 (연마재보다 낮은 결합재 성분들 포함), 약 56 vol%는 연마재 (예를들면, 압출 보크사이트, 또는 기타 적합한 연마 입자)이다. 또한, 연마 입자들 습윤화를 위하여 작지만 충분한 함량의 푸르푸랄 (총 연마재의 약 1 vol% 이하)이 사용되었다. 샘플 조성물 1 내지 8은 푸르푸랄-습윤화 연마 입자들과 2 시간 동안 혼합된 후 성형되었다. 각각의 혼합물을 예비-계량한 후 3-공동 몰드 (26 mm x 102.5 mm) (1.5 mm x 114.5 mm)로 옮겨 160 ºC에서 45 분 동안 140 kg/cm2로 열압하고, 이어 18 시간 동안 대류식 오븐에서 200 ºC에서 경화하였다. ASTM 방법 D790-03에 따라 생성된 복합재 바를 삼점 굴곡 시험하였다 (5:1 길이 대 폭 비율).
실시예 2
표 6, 7, 및 8을 포함하는 실시예 2는, 믹스 품질 함수로서의 복합재 특성을 보인다. 표 6에서 보이는 바와 같이, 8종의 샘플 조성물 성분들이 제공된다 (vol%). 샘플 A는 보강재를 포함하지 않고, 샘플들 B 내지 H는 본 발명의 일 실시태양에 의한 Sloss PMF® 광물면을 포함한다. 기타 유형의 단일 필라멘트 극세섬유 (예를들면, 세라믹 또는 유리 섬유) 역시 사용될 수 있다는 것은 전기된 바와 같다. 샘플 A의 결합재는 충전제로서 탄화규소 (220 그릿)를 포함하고, 샘플들 B 내지 H의 결합재들은 충전제로서 브라운 용융 알루미나 (220 그릿)을 적용한다. 전기된 바와 같이, 이러한 충전제는 분산에 조력하고 또한 제2 연마재로 기능한다. 샘플들 A 내지 H 각각에서, 사용되는 일차 연마재는 브라운 용융 알루미나 60 그릿 및 80 그릿의 조합물이다. 바람직한 제거율 및 표면 마무리와 같은 인자들에 따라 단일 일차 연마 그릿이 결합재와 혼합될 수 있을 뿐 아니라 그릿 크기도 변경될 수 있다 (예를들면, 6 그릿 내지 220 그릿).
샘플들 → A B C D E F G H
성분들 ↓
Durez 29722 17.77 16.88 16.88 16.88 16.88 16.88 16.88 16.88
Saran 506 1.69 1.57 1.57 1.57 1.57 1.57 1.57 1.57
탄화규소 -220 그릿 5.92 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
브라운 용융 알루미나 - 220 그릿 0.00 3.98 3.98 3.98 3.98 3.98 3.98 3.98
Sloss PMF® 0.00 3.81 3.81 3.81 3.81 3.81 3.81 3.81
황철석 10.15 9.64 9.64 9.64 9.64 9.64 9.64 9.64
황산칼륨 4.23 4.02 4.02 4.02 4.02 4.02 4.02 4.02
석회 2.54 2.41 2.41 2.41 2.41 2.41 2.41 2.41
브라운 용융 알루미나 - 60 그릿 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5
브라운 용융 알루미나 - 80 그릿 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5 28.5
푸르푸랄 총 연마재의~ 1 wt% 이하
표 6: 광물면 존재 및 부재의 예시적 복합재
보이는 바와 같이, 샘플들 B 내지 H는 조성이 동일하다. 보강재가 없는 샘플 A에서, 기타 결합 성분들의 vol%는 이에 따라 증가된다.
샘플들→ A B C D E F G H
혼합 방법 패들 장착 호바트 위스크 장착 호바트 패들 장착 호바트 ＆ 인터레이터 (Interlator) @6500rpm 에이리히 (Eirich) 인터레이터 @3500 rpm 인터레이터 @6500 rpm 에이리히 ＆ 인터레이터@ 3500rpm
혼합 시간 30 분 15 분 N/A 15 분
비-분산된 (Un-dispersed) 광물면 무 0.9 g 0.6 g 0 0.5 0
표 7: 혼합 방법에 따른 복합재 특성
표 7은 각각의 샘플에 대하여 사용된 혼합 방법을 표시한다. 샘플들 A 및 B 각각을 패들을 이용하여 호바트-유형 혼합기에서 30분간 혼합하였다. 샘플 C를 30 분 동안 위스크 (wisk)를 이용하여 호바트-유형 혼합기에서 혼합하였다. 샘플 D를 30 분 동안 패들을 이용하여 호바트-유형 혼합기에서 혼합하고, 인터레이터 (또는 기타 적합한 해머 밀 장치)로 6500 rpm에서 처리하였다. 샘플 E를 15 분 동안 에이리히-유형 혼합기로 혼합하였다. 샘플 F를 인터레이터에서 3500 rpm로 처리하였다. 샘플 G를 인터레이터에서 6500 rpm으로 처리하였다. 샘플 H를 15 분 동안 에이리히-유형 혼합기에서 혼합하고, 인터레이터에서 3500 rpm으로 처리하였다. 분산 테스트로 각각의 샘플들 B 내지 H에 대한 미-분산 광물면 함량을 측정하였다. 분산 테스트는 다음과 같다: Rototap 방법을 이용하여 100 그램의 믹스를 1분 동안 교반한 후 #20 체 (sieve)로 거른 후 잔류량. 보이는 바와 같이, 샘플 B는 광물면 0.9 그램이 잔류 체에 잔류하고, 샘플 C는 0.6 그램, 및 샘플 E는 0.5 그램이 잔류하였다. 각각의 샘플 D, F, G, 및 H는 섬유가 체에 거의 잔류하지 않았다. 따라서, 바람직한 광물면 분산에 따라, 다양한 혼합 방법이 적용될 수 있다.
샘플 조성물 A 내지 H는 푸르푸랄-습윤화 연마 입자들과 2 시간 동안 혼합된 후 성형되었다. 각각의 혼합물을 예비-계량한 후 3-공동 몰드 (26 mm x 102.5 mm) (1.5 mm x 114.5 mm)로 옮겨 160 ºC에서 45 분 동안 140 kg/cm2로 열압하고, 이어 18 시간 동안 대류식 오븐에서 200 ºC에서 경화하였다. ASTM 방법 D790-03에 따라 생성된 복합재 바를 삼점 굴곡 시험하였다 (5:1 길이 대 폭 비율).
샘플 테스트 # 평균 Std. Dev. Std. Err. 평균 하한 95% 상한 95%
A 18 77.439 9.1975 2.1679 73.16 81.72
B 18 86.483 9.2859 2.1887 82.16 90.81
C 18 104.133 10.2794 2.4229 99.35 108.92
D 18 126.806 5.9801 1.4095 124.02 129.59
E 18 126.700 5.5138 1.2996 124.13 129.27
F 18 127.678 4.2142 0.9933 125.72 129.64
G 18 122.983 4.8834 1.1510 120.71 125.26
H 33 123.100 6.4206 1.1177 120.89 125.31
표 8: 평균 및 평균 편차
도 1은 샘플들 A 내지 H 각각에 대한 복합재 강도의 일원분산분석 (one-way ANOVA)이다. 표 8은 평균 및 표준편차를 보인다. 표준 오차는 오차 변량의 통합 추정값을 사용한다. 보이는 바와 같이, 각각의 샘플 B 내지 H의 복합재 강도는 (각각 본 발명의 실시태양에 의한 광물면으로 보강) 비-보강 샘플 A보다 크게 개선된다.
실시예 3
표 9 및 10을 포함한 실시예3은, 믹스 품질 함수로서의 연마 성능을 보인다. 표 9에 보이는 바와 같이, 두 샘플 조성물의 성분들이 제공된다 (vol%). 조성물 1은 45 분 동안 혼합되고 조성물 2는 15 분 동안 혼합되는 것을 제외하고 (혼합 시간을 제외하고는 혼합 방법은 동일) 조성은 동일하다. 각각의 조성물은 본 발명의 일 실시태양에 의한 Sloss PMF® 광물면을 포함한다. 기타 유형의 단일 필라멘트 극세섬유 (예를들면, 유리 또는 세라믹 섬유) 역시 사용될 수 있음은 전기된 바와 같다.
순서 성분 조성물 1 (vol %) 조성물 2 (vol %)
단계 1: 결합재 제조 Durez 29722 22.38 22.38
브라운 용융 알루미나-220 그릿 3.22 3.22
Sloss PMF® 3.22 3.22
황철석 5.06 5.06
황화아연 1.19 1.19
빙정석 3.28 3.28
석회 1.19 1.19
트리데실 알코올 1.11 1.11
단계 2:혼합 45 분 15 분
결합재 품질 평가 Rototap 방법으로 미-분산 광물면 Wt % 1.52 2.36
단계 3: 복합재 제조 연마재 48 48
Varcum 94-906 4.37 4.37
푸르푸랄 총 연마재의1 wt%
단계 4: 몰드 충전 ＆ 냉압 다공도 목표 8% 8%
단계 5: 경화 175ºC까지 30hr 이어 175ºC에서 17Hr 정지 (soak)
표 9: 믹스 품질 함수로서의 연마 성능
표 9에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시태양에 의한 극세섬유 보강 연마 복합재 제조 순서는 다섯 단계들을 포함한다: 결합재 제조 (bond preparation); 혼합, 복합재 제조; 몰드 충전 및 냉압; 및 경화. 결합재 품질 평가는 결합재 제조 및 혼합 단계 후에 이루어졌다. 전기된 바와 같이, 결합재 품질 일원 평가를 위하여 분산 테스트를 수행하여Rototap 방법으로 인한 미-분산 광물면 중량 백분율을 결정하였다. 이러한 특별한 경우, Rototap 방법은 50g-100g의 결합재 샘플을 40 메쉬 스크린에 넣고 Rototap 교반5 분 후 40 메쉬 스크린에서의 잔류량을 측정한다. 단계 3에서 양 조성물들에 사용된 연마재는 압출 보크사이트 (16 그릿)이었다. 브라운 용융 알루미나 (220 그릿)는 단계 1의 결합재 제조에서 충전제로 사용되지만, 상기된 바와 같이 제2 연마재로 기능할 수 있다. Varcum 94-906은 Durez Corporation에서 입수되는 푸르푸롤-기재 레졸 (resole)이다.
표 10은 0.75, 1.0, 및 1.2 sec/컷을 포함한 다양한 컷-비율 (cutting-rate)에서 조성물 1 및 조성물 2로 제조된 보강 연마휠의 연마 성능을 보인다.
조성물 컷 비율 (sec/컷) MRR
(in3/분)		 WWR
(in3/분)		 G-비율
조성물 1 0.75 31.53 4.35 6.37
조성물 1 1.0 23.54 3.29 7.15
조성물 1 1.2 19.97 2.62 7.63
조성물 2 0.75 31.67 7.42 4.27
조성물 2 1.0 23.75 4.96 4.79
조성물 2 1.2 19.88 3.64 5.47
표 10: 연마 성능
보이는 바와 같이, 분당 입방인치로 측정되는 조성물 1의 재료 제거율 (MRR)은 조성물 2의 경우와 비교적 유사하였다. 그러나, 분당 입방인치로 측정되는 조성물 1의 휠 마모율 (WWR)은 조성물 2 보다 일관되게 낮았다. 또한 MRR을 WWR로 나누어 계산되는 조성물 1의 G-비율은, 조성물 2보다 일관되게 높았다. 표 9로부터 예시적 결합재 조성물 1은 45 분 동안 혼합되었고, 조성물 2는 15 분 동안 혼합되었다는 것을 상기하자. 따라서, 믹스 시간은 연마 성능과 직접 상관성을 가진다. 이러한 특정 실시예에서, 조성물 2에서 적용된15 분이라는 믹스 시간은 조성물 1의 개선 성능 및 45 분 믹스 시간과 비교할 때 사실상 너무 짧았다.
실시예 4
표 11, 12, 및 13을 포함하는 실시예 4는, 광물면 존재 및 부재에서 활성 충전제 함수로서의 연마 성능을 보인다. 표 11에 보이는 바와 같이, 4종의 샘플 복합재 성분들이 제시된다 (vol%). 샘플 A는 절단 스트랜드 섬유를 가지지만, 브라운 용융 알루미나 (220 그릿) 또는 Sloss PMF® 광물면을 가지지 않는 것을 제외하고는 복합재 샘플들 A 및 B는 동일하다. 한편 샘플 B는, Sloss PMF® 광물면 및 브라운 용융 알루미나 (220 그릿)를 포함하지만, 절단 스트랜드 섬유를 포함하지 않는다. 복합재 밀도 (입방 센티미터 당 그램으로 측정)는 샘플 B가 샘플 A 보다 약간 더 높다. 샘플 C는 절단 스트랜드 섬유를 가지지만 Sloss PMF® 광물면을 포함하지 않는 것을 제외하고는 복합재 샘플들 C 및 D는 동일하다. 한편, 샘플 D는, Sloss PMF® 광물면을 가지지만 절단 스트랜드 섬유를 가지지 않는다. 복합재 밀도는 샘플 C가 샘플 D 보다 약간 크다. 또한, 작지만 충분한 함량의 푸르푸랄 (총 연마재의 약 1 vol% 이하)을 적용하여 샘플들 C 및 D에 대하여는 알루미나 입자들 및 샘플들 A 및 B에 대하여는 알루미나-지르코니아 입자들인 연마 입자들을 습윤화하였다.
성분 복합재 (vol%)
A B C D
알루미나 입자 0.00 0.00 52.00 52.00
알루미나-지르코니아 입자 54.00 54.00 0.00 0.00
Durez 29722 20.52 20.52 19.68 19.68
황철석 7.20 7.20 8.36 8.36
황산칼륨 (K2SO4) 0.00 0.00 3.42 3.42
K2SO4/KCl (60:40 혼합) 3.60 3.60 0.00 0.00
MKC-S 3.24 3.24 3.42 3.42
석회 1.44 1.44 1.52 1.52
브라운 용융 알루미나 - 220 그릿 0.00 3.52 0.00 0.00
다공도 2.00 2.00 2.00 2.00
Sloss PMF 0.00 8.00 0.00 8.00
절단 스트랜드 섬유 8.00 0.00 8.00 0.00
푸르푸랄 총 연마재의1 wt%
밀도 (g/cc) 3.07 3.29 3.09 3.06
휠 치수 (mm) 760x76x203 760x76x203 610x63x203 610x63x203
표 11: 활성 충전제 함수로서의 연마 성능
표 12는 광물면 및 예시적 활성 충전제 이염화망간 (MKC-S, Washington Mills에서 입수) 혼합물로 제조되는 샘플들 B 및 D, 및 광물면 대신 절단 스트랜드로 제조되는 샘플들 A 및 C 간의 연마 성능 비교를 위하여 수행되는 테스트를 보인다.
테스트 번호 샘플 슬래브 재료 MRR (kg/hr) WWR (dm3/hr) G-비율 (kg/dm3) 개선율
1 A 오스테나이트계 스테인리스 강 193.8 0.99 196 27.77%
B 222.6 0.89 250
2 A 페라이트계 스테인리스 강 210 1.74 121 27.03%
B 208.5 1.36 153
3 C 오스테나이트계 스테인리스 강 833.1 4.08 204 35.78%
D 808.8 2.92 277
4 C 탄소강 812.4 2.75 296 30.07%
D 784.1 2.03 385
표 12: 연마 성능
보이는 바와 같이, 각각의 샘플로 제조되는 연마휠을 이용하여 슬래브라고 칭하는 다양한 가공물을 연마하였다. 더욱 상세하게는, 샘플들 A 및 B를 오스테나이트계 스테인리스 강 및 페라이트계 스테인리스 강재 슬래브에 대하여, 및 샘플들 C 및 D를 오스테나이트계 스테인리스 강 및 탄소강재 슬래브에 대하여 시험하였다. 표 12에서 보이는 바와 같이, 광물면 및 이염화망간 혼합물 샘플들 B 및 D을 이용하면 샘플들 A 및 C (광물면 대신 절단 스트랜드로 제조)에 비하여 약 27% 내지 36% 개선되었다. 이는 광물면 및 충전제 (이 경우, 이염화망간) 간의 긍정적인 반응에 기인한 연마 성능 개선을 보인다. 이러한 긍정적인 반응이 절단 스트랜드 및 이염화망간 조합에서는 일어나지 않았다. 표 13은 복합재 A 내지 D에 대한 시험 조건들을 나열한다.
테스트 번호 연마 동력 (kw) 슬래브 재료 슬래브 조건
1 제1 경로에서 120 이어 85 오스테나이트계 스테인리스 강 냉
2 제1 경로에서 120 이어 85 페라이트계 스테인리스 강 냉
3 105 오스테나이트계 스테인리스 강 열
4 105 탄소 Steel 열
표 13: 연마 조건
실시예 5
섬유 유형 및 MKCS 수준이 휠 연마 성능에 미치는 영향을 조사하기 위한 실험을 수행하였다. 휠을 실시예 4에서와 같이 제조하되 섬유들 유형 및 MKCS 함량만을 달리하였다. 상세하게는, 휠은 8 vol % (유리) 절단 스트랜드 섬유들 (CSF) 또는 8 vol % 광물면 극세섬유 (MW)를 함유하였다. 각각의 경우, MKCS 수준은 0 또는 3.42 vol %이었다.
표 14에서 보이는 바와 같이, 8 vol% CSF 함유 휠의 G-비율은 MKCS가 첨가될 때 약 10% 감소하였다 (무 MKCS의330 kg/dm3에서 유 MKCS의296 kg/dm3). 광물면으로 제조되는 휠에서는 반대 경향을 보였고, MKCS 첨가로 G-비율은 약 20 % 증가하였다 (0 수준 MKCS의311 kg/dm3에서 3.42 vol % MKCS의385 kg/dm3). 이러한 결과는MKCS가 두 종의 섬유와 달리 작용하고 MW 극세섬유와 MKCS와의 조합으로 상승 효과가 달성된다는 것을 보인다. 이러한 효과는 MKCS-CSF 조합에서는 보이지 않았다. 반대로, MKCS를 CSF 함유 조성물에 첨가하면 G-비율에 부정적인 효과를 미쳤다.
섬유 유형 G-비율 (kg/dm3)
MKCS 수준 (vol%)
0.00 3.42
CSF (8 vol%) 330.00 296.00 (Std.)
MW (8 vol%) 311.00 385.00
표 14: G-비율에 대한MKCS 수준 및 섬유 유형의 영향
실시예 6
표 15 및 도 2를 포함하는 실시예 6은, 광물면 및 절단 스트랜드 섬유들과 조합되는 활성 충전제 함수로서의 연마 성능을 보인다. 표 15에 보이는 바와 같이, 8종의 샘플 복합재 성분들이 제공된다 (vol%).
모든 샘플들 (1 내지 8)은 동일 유형 및 함량의 연마 입자들을 포함하였다. 두 수준의 섬유유리 절단 스트랜드 섬유들 (CSF)이 사용되었다: 고 수준인 6 부피 % (1,2, 5 및 6) 및 저 수준인 4 부피 % (3, 4, 7 및 8).
모든 경우, 결합재는 (유기) 수지, Sloss PMF® 광물면 (MW) 극세섬유, 철 화합물 (황철석), 석회, 및 활성 충전제 이염화망간 (MKCS)를 함유하였다. 5 내지 8 샘플들은 황산칼륨 충전제를 더욱 포함하였고, 나머지 샘플들 (1 내지 4)은 그렇지 않았다.
광물면 극세섬유 및 망간 화합물 활성 충전제 간의 상승효과는 저 수준의 (섬유유리) CSF를 가지는 샘플들에서 특히 상당하였다. 유리 섬유 수준이 증가할수록, MKCS/MW 이점은 덜 현저하였다. 이러한 결과는 망간 화합물 활성 충전제는 유리 CSF에 대하여는 MW 극세섬유에서와 동일한 이점들을 제공하지 않는다는 것을 보였다.
또한 데이터는 황산칼륨 (5 내지 8)을 첨가하면 누적 G-비율에 대한 악영향을 준다는 것을 보였다. 일반적으로, 최고 누적 Q-비율 (제거 금속 (lbs)/휠 마모 (lbs)로 정의) 값들은 황산칼륨을 함유하지 않은 샘플들에 대하여 관찰되었고, 이는 저 수준의 (섬유유리) CSF에서 특히 상당하였다. (예를들면, 3 및 4 참고). MKCS 효과를 비교하면, 황산칼륨은 연마 성능을 증가시키지 않거나 연마 성능을 감소시켰다.
이러한 결과는 MKCS 및 MW가 증가하면 연마 성능은 증가하지만 이러한 두 성분들로 인한 상승 효과는 섬유유리 절단 스트랜드 섬유들 또는 기타 충전제 (예를들면, 황산칼륨)까지 확장되지 않았다는 것을 보인다. 이러한 실험들은 MW 및 MKCS가 연마휠에 조합될 때 예기치 못한 성능 이점이 있다는 것을 보였다.
또한 데이터는 더 높은 수준의 유리 절단 스트랜드 섬유들, 광물면 극세섬유 및 망간 화합물을 함유하는 조성물에서 칼륨염은 성능 개선 효과를 제공하고, 광물면 극세섬유, 망간 화합물 및 더 낮은 수준의 절단 스트랜드 섬유들을 함유한 조성물에서 칼륨염 효과는 적다는 것을 보였다.
성분 복합재 (vol%)
1 2 3 4 5 6 7 8
입자 55.5 55.5 55.5 55.5 55.5 55.5 55.5 55.5
절단 스트랜드 섬유 6.0 6.0 4 4 6.0 6.0 4 4
결합재 (Bond) 38.5 38.5 40.5 40.5 38.5 38.5 40.5 40.5
수지 19.25 19.48 20.23 20.49 19.25 19.48 20.23 20.49
Sloss PMF 1.44 0.97 1.52 1.02 1.25 0.84 1.31 0.88
MKC-S 3.65 3.69 3.83 3.88 2.50 2.53 2.63 2.66
황철석 12.66 12.82 13.31 13.48 11.85 11.99 12.46 12.61
석회 1.52 1.54 1.60 1.62 1.15 1.16 1.21 1.22
황산칼륨 0.00 0.00 0.00 0.00 2.50 2.53 2.63 2.66
누적 Q-비율 70.1 68.4 84.0 71.4 69.4 65.4 68.0 55.3
표 15: MW, CSF 및 충전제가 조합된 도구의 성능
본 발명의 실시태양들의 상기 설명은 도시 및 설명을 위하여 제시되었다. 개시된 것과 정확한 형태로 본 발명을 국한 또는 제한할 의도는 아니다. 많은 변경 및 변경이 본 개시에 비추어 가능하다. 본 발명의 범위는 이러한 상세한 설명에 의해 제한되는 것이 아니라 첨부되는 청구범위에 의한 것이다.

Claims (15)

  1. 연마 물품에 있어서,
    유기 결합재;
    유기 결합재에 분산되는 연마재;
    유기 결합재에 분산되고, 연마 물품에서 0.1 부피 % 내지 10 부피 % 함유되는 절단 스트랜드 섬유들;
    유기 결합재에 균일 분산되고, 개별 필라멘트들인 광물면 극세섬유; 및
    망간 화합물을 포함하는 하나 이상의 충전제
    를 포함하는, 연마 물품.
  2. 제1항에 있어서, 망간 화합물은 이염화망간이고, 연마 물품에서 2부피% 내지 8부피%의 절단 스트랜드 섬유들을 포함하는, 연마 물품.
  3. 제1항에 있어서, 망간 화합물은 연마 물품에서 1 내지 10 부피 % 존재하는, 연마 물품.
  4. 제1항에 있어서, 광물면 극세섬유는 연마 물품에서 0.5 내지 10 부피 % 존재하는, 연마 물품.
  5. 제1항에 있어서, 연마 물품은 칼륨염을 포함하지 않는, 연마 물품.
  6. 제1항에 있어서, 절단 스트랜드 섬유들은 섬유유리 절단 스트랜드 섬유들이고, 연마 물품은 하나 이상의 유리 웨브 보강재를 포함하는, 연마 물품.
  7. 제1항에 있어서, 광물면 극세섬유는 적어도 10인 보강 종횡비를 가지고 절단 스트랜드 섬유들은 3 미만의 종횡비를 가지는, 연마 물품.
  8. 제1항에 있어서, 연마 물품은: 25부피% 내지 40부피%의 유기 결합재; 50부피% 내지 60부피%의 연마재; 0.5부피% 내지 10부피%의 극세섬유; 3부피% 내지 6부피%의 절단 스트랜드 섬유들; 및 1부피% 내지 10부피%의 망간 화합물을 포함하는, 연마 물품.
  9. 가공물 연마 처리 방법에 있어서,
    상기 방법은:
    가공물을 연마 처리 기계에 장착하는 단계,
    연마 물품을 기계에 작동 가능하게 결합시키는 단계, 및
    연마 물품을 가공물 표면에 접촉시키는 단계를 포함하고,
    상기 연마 물품은
    유기 결합재;
    유기 결합재에 분산되는 연마재;
    유기 결합재에 분산되고, 연마 물품에서 0.1 부피 % 내지 10 부피 % 함유되는 절단 스트랜드 섬유들;
    유기 결합재에 균일 분산되고, 개별 필라멘트들인 광물면 극세섬유; 및
    망간 화합물을 포함하는 하나 이상의 충전제
    를 포함하는, 가공물 연마 처리 방법.
  10. 제9항에 있어서, 망간 화합물은 이염화망간이고, 연마 물품은 칼륨염을 포함하지 않는, 가공물 연마 처리 방법.
  11. 제9항에 있어서, 망간 화합물은 연마 물품에서 1 내지 10 부피 % 함량으로 존재하고, 절단 스트랜드 섬유들은 연마 물품에서 2부피% 내지 8부피% 존재하는, 가공물 연마 처리 방법.
  12. 제9항에 있어서, 광물면 극세섬유는 연마 물품에서 0.5 내지 10 부피 % 함량으로 존재하는, 가공물 연마 처리 방법.
  13. 제9항에 있어서, 절단 스트랜드 섬유들은 섬유유리 절단 스트랜드 섬유들이고, 연마 물품은 하나 이상의 유리 웨브 보강재를 포함하는, 가공물 연마 처리 방법.
  14. 제9항에 있어서, 광물면 극세섬유는 적어도 10인 보강 종횡비를 가지고 절단 스트랜드 섬유들은 3 미만인 종횡비를 가지는, 가공물 연마 처리 방법.
  15. 제9항에 있어서, 연마 물품은: 25부피% 내지 40부피%의 유기 결합재; 50부피% 내지 60부피%의 연마재; 0.5부피% 내지 10부피%의 극세섬유; 3부피% 내지 6부피%의 절단 스트랜드 섬유들; 및 1부피% 내지 10부피%의 망간 화합물을 포함하는, 가공물 연마 처리 방법.
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