KR101618040B1 - 연마 물품 및 형성방법 - Google Patents

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Abstract

연마 물품는 와이어로 제조되는 기재, 기재에 부착되는 연마 입자를 포함하고, 연마 입자는 연마 입자에 적층되는 제1 코팅층 및 제1 코팅층에 적층되고 제1 코팅층와는 다른 제2 코팅층을 가진다. 연마 물품은 기재 및 연마 입자에 적층되는 결합층을 추가로 포함한다.

Description

연마 물품 및 형성방법 {ABRASIVE ARTICLE AND METHOD OF FORMING}
본 발명은 연마 물품, 및 특히, 단일-층 연마 물품 형성 방법에 관한 것이다.
과거 수세기에 걸쳐 다양한 산업분야에서 예를들면 절단, 드릴링, 연마, 클리닝, 각인, 및 연삭을 포함하여 가공물 소재를 제거하는 포괄적 기능의 다양한 연마 도구들이 개발되었다. 특히 전자산업과 관련하여, 웨이퍼를 형성하기 위하여 단결정 잉곳 소재를 절단하여 적합한 연마 도구들이 특히 관련된다. 산업이 성숙해 감에 따라, 잉곳은 점차 직경이 커지고, 수율, 생산성, 영향 층들, 치수 제한조건 및 기자 인자들로 인하여 이러한 작업을 위하여 유리 연마제 및 와이어 톱을 사용하는 것이 가능하게 되었다.
일반적으로, 와이어 톱은 고속으로 감기면서 절삭 작용을 하는 와이어의 긴 길이를 따라 부착된 연마 입자를 가지는 연마 도구이다. 둥근톱은 절삭 깊이가 톱날 반경 이하로 제한되지만, 와이어 톱은 직선 또는 만곡의 절삭 경로 절삭이 가능한 유연성이 더욱 크다.
종래 부착성 연마 와이어 톱을 제조하기 위하여 다양한 방법들이 존재하고, 예컨대 금속 와이어 또는 케이블 위로 스틸 비드를 활주시켜 제조하고, 비드는 전형적으로 스페이서로 분리된다. 비드는 연마 입자로 덮여있고 입자는 통상 전기도금 또는 소결하여 부착된다. 그러나, 전기도금 및 소결 작업은 시간 소모성 작업이므로 비용 문제가 있어, 와이어 톱 연마 도구를 신속하게 제조하지 못한다. 이러한 와이어 톱은 전자 분야에서와 같이 치폭 손실이 크지 않은 톨 또는 대리석 절단에 주로 사용되었다. 화학 결합 공정, 예컨대 납땜을 통하여 연마 입자를 부착하려는 일부 시도가 있었지만, 이러한 조립 방법은 와이어 톱의 장력을 감소시키고, 와이어 톱은 높은 장력하에서 절단 작업 중에 절단 및 조기 파손에 취약하다. 기타 와이어 톱은 연마제를 와이어에 결합시키기 위하여 수지를 이용할 수 있다. 그러나, 수지 결합되는 와이어 톱은 쉽게 마모되고 연마제는 특히 경질 소재 절단 시에, 입자 유용 수명이 실현되기 전에 쉽게 상실된다.
따라서, 와이어 톱 분야에서 개선된 연마 도구들에 대한 산업적 요구가 존재한다.
제1 양태에 의하면, 연마 물품은 와이어로 구성되는 기재, 기재에 부착되는 연마 입자를 포함하고, 연마 입자는, 연마 입자에 적층되는 제1 코팅층 및 제1 코팅층에 적층되고 제1 코팅층과는 상이한 제2 코팅층을 가진다. 연마 물품은 기재 및 연마 입자에 적층되는 결합층을 추가로 포함한다.
다른 양태에 의하면, 연마 물품 형성방법은 길이: 폭의 종횡비가 적어도 약 10:1인 신장 몸체로 구성되는 기재 제공단계, 결합막 형성을 위한 기재 처리단계, 저온 금속 합금 (LTMA) 재료를 포함하는 제2 코팅층을 가지는 연마 입자를 결합막에 배치하는 단계, 연마 입자를 기재에 결합시키기 위한 기재 처리단계, 및 연마 입자 상에 결합층을 형성하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에서, 연마 물품 형성방법은 길이: 폭의 종횡비가 적어도 약 10:1인 신장 몸체로 구성되는 기재 제공단계, 결합막 형성을 위한 기재 처리단계, 금속을 포함하는 제1 코팅층 및 제1 코팅층에 적층되고 저온 금속 합금 (LTMA) 재료를 포함하는 제2 코팅층으로 구성되는 연마 입자를 결합막에 배치하는 단계, 및 연마 입자 제2 코팅층 및 기재 일부 사이에 확산 결합 영역을 형성하기 위하여 기재를 가열하는 단계를 포함한다.
다른 양태는 연마 물품에 관한 것이고, 물품은 길이: 폭의 종횡비가 적어도 약 10:1인 신장 몸체로 제조되는 기재, 기재에 부착되는 연마 입자, 및 대부분의 연마 입자를 둘러싸고 적층하는 저온 금속 합금 (LTMA) 재료를 포함한 금속 소재로 구성되는 코팅 영역 및 연마 입자들 사이 간격 영역을 포함하는 불연속 코팅물을 가진다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하면 더욱 양호하게 이해되며 다양한 특징 및 이점들이 명백하여 질 것이다.
도 1은 실시태양에 따른 연마 물품 형성 방법의 흐름도이다.
도 2는 실시태양에 따른 연마 물품의 부분 단면도이다.
다른 도면들에서 유사하거나 동일한 부분에 대하여는 동일한 도면부호를 사용한다.
본 발명은 연마 물품, 특히 공작물 연마 및 절단에 적합한 연마 물품에 관한 것이다. 특정 실시예들에서, 본원의 연마 물품은 와이어 톱을 형성하며, 전자산업, 광학산업 및 기타 관련 산업분야에서 민감한결정성 소재 처리에 사용될 수 있다.
도 1은 실시태양에 따른 연마 물품 형성 공정의 흐름도를 도시한 것이다. 본 공정은 단계 101에서 기재의 제공에 의해 개시된다. 기재는 연마 소재가 부착되는 표면을 제공하고, 따라서 연마 물품의 연마 성능이 발휘된다.
실시태양에 따라, 기재 제공 방법은 와이어 형태의 기재를 제공하는 단계를 포함한다. 실제로, 와이어 기재는 스풀 기구 (spooling mechanism)에 연결된다. 예를들면, 와이어는 공급 스풀 및 수용 스풀 사이에서 제공된다. 공급 스풀 및 수용 스풀 사이로 와이어를 병진시킴으로써, 와이어는 원하는 형성 프로세스를 통과하여 이동되고 공급 스풀에서 수용 스풀로 이동되는 과정에서 최종-형성 연마 물품의 구성 층들이 형성된다.
실시태양에 따라, 기재는 길이: 폭의 종횡비가 적어도 10:1인 신장 부재일 수 있다. 다른 실시태양들에서 기재의 종횡비는 적어도 약 100:1, 예컨대 적어도 1000:1, 또는 적어도 약 10,000:1이다. 기재의 길이는 기재의 길이축을 따라 측정된 가장 긴 치수이다. 폭은 길이축에 교차하여 측정되는 기재의 두 번째로 긴 (또는 일부 경우에 가장 작은) 치수이다.
또한, 신장 부재 형태 기재의 길이는 적어도 약 50 미터이다. 실제로, 기타 기재들은 더 길 수 있고, 평균 길이는 적어도 약 100 미터, 예컨대 적어도 약 500 미터, 적어도 약 1,000 미터, 또는 10,000 미터이다.
또한, 기재의 폭은 약 1 cm 이하이다. 기타 기재들은 더 작을 수 있고, 평균 폭은 약 0.5 cm 이하, 예컨대 약 1 mm 이하, 약 0.8 mm 이하, 또는 약 0.5 mm 이하이다. 또한, 기재의 평균 폭은 적어도 약 0.01 mm, 예컨대 적어도 약 0.03 mm이다. 기재는 상기 최대 및 최소의 임의 값 사이의 평균 폭을 가질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 기재가 대략 원형 단면을 가지는 와이어인 경우, 폭이란 직경을 의미한다.
실시태양에 의하면, 기재는 무기 소재, 예컨대 금속 또는 금속 합금 소재를 포함한다. 일부 기재는 원소주기율표에서 나타낸 전이 금속 원소를 포함한다. 예를들면, 기재는 철, 니켈, 코발트, 구리, 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 탄탈, 텅스텐 및 이들의 조합을 포함한다. 특정 실시태양에 의하면, 기재는 철을 포함하고, 특히 스틸일 수 있다.
소정의 실시예들에서, 기재는 기재 표면에 적층되는, 특히, 기재 외면에 직접 결합되는 코팅물을 가진다. 소정의 코팅물은 예를들면 금속 또는 금속 합금을 포함하는 무기 재료를 포함한다. 특정 실시태양들에서, 기재는 전이금속원소 또는 전이금속원소의 조합물로 이루어진 재료를 포함한다.
소정의 실시태양들에서, 기재는 신장 부재, 예컨대 서로 꼬여있는 다수의 필라멘트들을 포함하는 와이어일 수 있다. 즉, 기재는 상호간에 감기거나, 함께 꼬이거나, 다른 부재 예컨대 중앙 코어 와이어에 부착된 더 작은 다수의 와이어들로 형성될 수 있다. 소정의 구성에서 적합한 기재 구조로서 피아노선이 활용될 수 있다.
기재 제공 방법에서, 기재는 처리가 가능한 특정 속도로 공급 스풀에서 수용 스풀로 감길 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를들면, 기재는 공급 스풀에서 수용 스풀로 약 5 m/분이상의 속도로 감길 수 있다. 다른 실시태양들에서, 감김 속도는 더 빠를 수 있고, 적어도 약 8 m/min, 적어도 약 10 m/min, 적어도 약 12 m/min, 또는 적어도 약 14 m/분일 수 있다. 감김 속도는 상기 최대 및 최소의 임의 값 사이일 수 있다. 감김 속도는 최종-형성 연마 물품이 형성되는 속도를 나타낸다.
단계 101에서 기재가 제공된 후, 본 방법은 계속하여 단계 102에서 기재를 처리하여 결합막을 형성한다. 결합막 형성방법은 예를들면, 분무, 인쇄, 침지, 다이 코팅, 적층 및 이들의 조합을 포함하는 적층 공정을 포함한다. 결합막은 기재 외면에 직접 결합된다. 실제로, 결합막은 대부분의 기재 외면을 덮도록, 특히, 실질적으로 기재 전체 외면을 적층하도록 형성된다. 특정 실시예들에서, 결합막은 기재 표면에 직접 결합되는 균일 두께의 단일, 연속층으로서 형성된다. 그러나, 소정의 실시태양들에서, 결합막은 기재에 연마 입자가 도포될 때 위치를 위치 유지를 포함한 추가 처리를 위한 임시막이다.
실시태양에 따라, 결합막은 플럭스 (flux) 소재로 형성된다. 플럭스 소재는 무기 재료, 유기재료, 또는 이들의 조합일 수 있다. 예를들면, 플럭스 소재는 유기재료일 수 있고, 특히, 유기재료를 포함한 활성화 성분을 포함한다. 적합한 무기 재료는 금속할로겐화물 (예를들면, 염화아연 또는 염화암모늄), 염산, 인산, 또는 브롬화수소산을 포함한다. 기타 무기 활성화 성분들은 염을 포함하고, 특히 아민 무기산염은 공격적인 활성화제로 사용될 수 있다. 하나의 특정 실시태양에서, 활성화 성분은 불소를 포함한다. 다른 실시태양에서, 플럭스 소재는 유기 활성화 성분들 예컨대 카르복실산 (예를들면 지방산 (대부분 올레산 및 스테아르산), 디카르복실산, 아미노산, 유기할로겐화물, 및 이들의 조합을 포함한다.
플럭스 소재는 부착막에 적층되는, 특히 부착막에 직접 접촉되는 대체로 균일 층 형태일 수 있다. 플럭스 소재는 액상 또는 페이스트 형태일 수 있다. 일 실시태양에 의하면, 플럭스 소재는 적층 방법 예컨대 분무, 침지, 도포, 인쇄, 브러싱, 및 이들의 조합으로 부착막에 적용될 수 있다.
단계 102에서 기재 처리 후, 본 방법은 계속하여 단계 103에서 연마 그레인을 결합막에 배치한다. 일부 실시예들에서, 본 방법의 특성에 따라, 연마 입자는 결합막과 직접 접촉된다. 특히, 결합막에 대하여 연마 입자를 영구적으로 결합시키는 추가 처리될 때까지 연마 입자는 처리 과정에서 연마 입자를 고정시킬 수 있는 자연 (natural) 점도 및 접착 특성을 가지는 플럭스 소재와 직접 접촉된다.
결합막에 연마 입자를 제공하기에 적합한 방법은 분무, 중력 코팅, 침지, 다이 코팅, 정전 코팅, 및 이들의 조합을 포함한다. 특히 유용한 연마 입자 도포 방법은 분무법이며, 실질적으로 균일 연마 입자 코팅물이 플럭스 소재를 포함한 추가 층에 적용된다.
대안적 실시태양에서, 연마 입자 제공 방법은 연마 입자에 결합막 소재 일부 함량을 더욱 배치하는 것을 포함하고, 이에 따라 연마 입자 및 기재와 기재 외면 결합막 간의 접착력이 개선된다. 대안적 방법은 플럭스 소재 및 연마 입자를 포함하는 혼합물 형성, 및 이후, 혼합물을 기재 및/또는 결합막에 적용하는 단계를 포함한다.
연마 입자는 산화물, 탄화물, 질화물, 붕소화물, 산질화물, 산붕소화물, 다이아몬드, 및 이들의 조합물과 같은 재료를 포함한다. 소정의 실시태양들에서, 연마 입자는 초연마 소재를 포함한다. 예를들면, 하나의 적합한 초연마 소재는 다이아몬드를 포함한다. 특정 실시예들에서, 연마 입자는 실질적으로 다이아몬드로 이루어진다.
일 실시태양에서, 연마 입자는 비커스 (Vickers) 경도가 적어도 약 10 GPa인 소재를 포함한다. 기타 실시예들에서, 연마 입자의 Vickers 경도는 적어도 약 25 GPa, 예컨대 적어도 약 30 GPa, 적어도 약 40 GPa, 적어도 약 50 GPa, 또는 적어도 약 75 GPa이다. 또한, 본원 실시태양들에서 적용되는 연마 입자의 Vickers 경도는 약 200 GPa 이하, 예컨대 약 150 GPa 이하, 또는 약 100 GPa 이하이다. 연마 입자의 Vickers 경도는 상기 최소 및 최대 값들 중 임의 값 사이의 범위일 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
연마 입자는 연마 물품의 바람직한 최종 용도에 의해 부분적으로 결정되는 평균 입도를 가진다. 소정의 실시예들에서, 연마 입자의 평균 크기는 약 500 미크론 이하이다. 기타 실시예들에서, 연마 입자의 평균 입도는 약 400 미크론 이하, 약 300 미크론 이하, 약 250 미크론 이하, 약 200 미크론 이하, 약 150 미크론 이하, 또는 약 100 미크론 이하이다. 실시태양에 따라, 연마 입자의 평균 입도는 적어도 약 0.1 미크론, 예컨대 적어도 약 0.5 미크론, 또는 적어도 약 1 미크론이다. 연마 입자의 평균 입도는 상기 최소 및 최대 값들 중 임의의 값 사이의 범위일 수 있다. 이러한 값은 연마 입자에 적층되는 추가 코팅물에 따라 달라지거나 그렇지 않을 수 있다.
연마 입자는 연마 입자 외면 상에 제1 코팅층을 포함하여, 연마 입자는 코어/쉘 구조를 가지고, 코어는 상기된 연마 입자로 구성되고, 제1 코팅층은 쉘 층 형태로 코어에 적층된다. 적합한 제1 코팅층 소재는 금속 또는 금속 합금 재료를 포함한다. 하나의 특정 실시태양에 의하면, 제1 코팅층은 전이금속원소, 예컨대 티타늄, 바나듐, 크롬, 몰리브덴, 철, 코발트, 니켈, 구리, 은, 아연, 망간, 탄탈, 텅스텐, 및 이들의 조합을 포함한다. 소정의 제1 코팅층은 니켈, 예컨대 니켈 합금, 및 코팅층 조성물에 존재하는 기타 종들과 비교하여 중량 백분율로 측정될 때 대부분 니켈을 가지는 합금을 포함한다. 특정 실시예들에서, 제1 코팅층은 단일 금속 종들을 포함한다. 예를들면, 제1 코팅층은 실질적으로 니켈로 이루어진다. 대안으로, 제1 코팅층은 구리를 포함하고, 구리-기재 합금으로 제조되고, 특히, 실질적으로 구리로 이루어질 수 있다.
연마 입자는 제1 코팅층이 연마 입자 (즉, 코어) 외부 표면적의 적어도 약 25%, 적어도 약 30%, 적어도 약 40%, 또는 적어도 약 50% 덮이도록 형성된다. 다른 실시태양들에서, 각각의 연마 입자에 대한 제1 코팅층 도포 비율은 연마 입자의 외부 표면적의 적어도 약 75%, 적어도 약 80%, 적어도 약 90%, 적어도 약 95%, 또는 실질적으로 전체일 수 있다.
제1 코팅층은 연마 입자 (즉, 코어)와 직접 접촉하고 각각의 연마 입자 외면에 직접 접합된다. 특정 실시태양들에서, 제1 코팅층은 연마 입자 외면에 직접 무전해 도금된다.
본원의 실시태양들에 의한 소정의 연마 물품에 있어서, 제1 코팅층은 각각의 연마 입자 총 중량의 적어도 약 5% 함량으로 존재한다. 다른 실시태양들에서, 제1 코팅층 함량은 각각의 연마 입자 총 중량의 적어도 약 10%, 적어도 약 20%, 또는 적어도 약 30%으로 형성된다. 또한, 소정의 실시예들에서, 각각의 연마 입자에 존재하는 제1 코팅층 함량은 제한되고, 예컨대 각각의 연마 입자 총 중량의 약 100% 이하, 약 60% 이하, 약 55% 이하, 약 50% 이하, 약 45% 이하, 약 40% 이하, 또는 약 38% 이하일 수 있다. 각각의 연마 입자에 존재하는 제1 코팅층 함량은 상기 최소 및 최대 백분율들 중 임의 값들 사이의 범위에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
일 실시태양에 의하면, 제1 코팅층의 평균 두께는 약 12 미크론 이하이다. 기타 실시예들에서, 제1 코팅층 두께는, 예컨대 약 10 미크론 이하, 약 8 미크론 이하, 약 6 미크론 이하, 또는 약 5 미크론 이하이다. 또한, 제1 코팅층 평균 두께는 적어도 약 0.2 미크론, 적어도 약 0.5 미크론, 예컨대 적어도 약 0.7 미크론, 또는 적어도 약 1 미크론이다. 제1 코팅층 평균 두께는 상기 최소 및 최대 값들 중 임의 값들 사이에 있을 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
제1 코팅층의 평균 두께는 코어로 측정되는 연마 입자의 평균 입도의 약 80% 이하가 되도록 형성된다. 일 실시태양에 의하면, 제1 코팅층의 평균 두께는 연마 입자의 평균 입도의 약 70% 이하, 약 60% 이하, 약 50% 이하, 예컨대 약 40% 이하, 또는 약 30% 이하이다. 또 다른 실시태양들에서, 제1 코팅층의 평균 두께는 연마 입자의 평균 입도의 적어도 약 1 %, 적어도 약 5 %, 적어도 약 10%, 또는 적어도 약 12%일 수 있다. 제1 코팅층의 평균 두께는 상기 최소 및 최대 값들의 임의 값들 사이에 있을 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
연마 입자는 제1 코팅층에 적층되는 제2 코팅층을 더욱 포함한다. 제2 코팅층은 제1 코팅층에 직접 결합된다. 특히, 적어도 제2 코팅층 일부는 제1 코팅층에 의해 연마 입자 외면으로부터 이격되어, 연마 입자는 연마 입자 코어, 제1 코팅층의 제1 쉘 및 제1 쉘에 적층되는 제2 코팅층의 제2 쉘로 구성된다.
실시태양에 따르면, 제2 코팅층은 금속, 금속 합금, 금속 기지 복합재, 및 이들의 조합로 형성될 수 있다. 하나의 특정 실시태양에서, 제2 코팅층은 전이금속원소를 포함하는 소재로 형성된다. 예를들면, 제2 코팅층은 전이금속원소를 포함하는 금속 합금일 수 있다. 일부 적합한 전이금속원소는, 예를들면, 납, 은, 구리, 아연, 주석, 티타늄, 몰리브덴, 크롬, 철, 망간, 코발트, 니오븀, 탄탈, 텅스텐, 팔라듐, 백금, 금, 루테늄, 및 이들의 조합을 포함한다. 특정 실시태양에 의하면, 제2 코팅층은 주석 및 납, 예컨대 60/40 주석/납 조성의 금속 합금으로 제조된다. 다른 실시태양에서 제2 코팅층은 대부분이 주석 함량인 소재로 제조된다. 실제로, 소정의 연마 물품에서, 제2 코팅층은 실질적으로 주석으로 이루어진 소재로 제조된다.
실시태양에 따르면, 제2 코팅층은 저온 금속 합금 (LTMA) 소재일 수 있다. LTMA 소재는 예컨대 약 450℃ 이하의 특정 융점을 가지는 소재를 포함한다는 것을 이해할 것이다. LTMA 소재는 전형적으로 500℃ 이상인 상당히 높은 융점을 가지는 예를들면, 납땜 재료를 포함한 고온 용융 소재와 차별된다. 또한, 납땜 소재는 상이한 조성을 가질 수 있다. 또한, 실시태양에 의하면, 본원 실시태양들의 LTMA 소재는 약 400℃ 이하, 예컨대 약 375℃ 이하, 약 350℃ 이하, 약 300℃ 이하, 또는 약 250℃ 이하의 융점을 가지는 소재로 형성된다. 또한, LTMA 소재는 적어도 약 100℃, 예컨대 적어도 약 125℃, 적어도 약 150℃, 또는 적어도 약 175℃의 융점을 가질 수 있다. LTMA 소재의 융점은 상기 임의의 최소 및 최대 온도들 사이의 범위일 수 있다는 것을 이해하여야 하다.
소정의 실시태양들에 있어서, 제2 코팅층은 각각의 연마 입자 제1 코팅층의 외부 표면적을 적어도 약 50% 덮고 있다. 기타 실시예들에서, 제2 코팅층은 더 넓은 면적, 예를들면, 각각의 연마 입자 제1 코팅층의 외부 표면적을 적어도 약 60%, 적어도 약 70%, 적어도 약 75%, 적어도 약 80%, 적어도 약 85%, 적어도 약 90%을 덮고 있고, 또는 각각의 연마 입자 제1 코팅층의 실질적으로 모든 전체 외부 표면적을 덮고 있다.
본원의 실시태양들에 의한 소정의 연마 물품에 있어서, 제2 코팅층은 연마 입자 소재의 코어 및 제1 코팅층을 포함한 각각의 연마 입자 총 중량에 대하여 적어도 약 10% 함량으로 존재한다. 다른 실시태양들에서, 제2 코팅층 함량은 더 많을 수 있고, 각각의 연마 입자는 제1 코팅층을 포함한 각각의 연마 입자 총 중량에 대하여 적어도 약 15%, 적어도 약 20%, 또는 적어도 약 25%의 제2 코팅층을 포함할 수 있다. 또한, 특정 실시예들에서, 각각의 연마 입자에 존재하는 제2 코팅층 함량은, 제1 코팅층을 포함한 각각의 연마 입자 총 중량에 대하여 예컨대 약 500% 이하, 약 400% 이하, 약 300% 이하, 약 200% 이하, 약 100% 이하, 약 80% 이하, 또는 약 60% 이하로 제한될 수 있다. 각각의 연마 입자에 존재하는 제2 코팅층은 상기 최소 및 최대 백분율들 중 임의 값 사이의 범위에 있을 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
일 실시태양에 의하면, 제2 코팅층의 평균 두께는 약 12 미크론 이하이다. 기타 실시예들에서, 제2 코팅층 두께는 더 얇을 수 있고, 예컨대 약 10 미크론 이하, 약 8 미크론 이하, 약 6 미크론 이하, 또는 약 5 미크론 이하이다. 또한, 제2 코팅층 평균 두께는 적어도 약 0.2 미크론, 적어도 약 0.5 미크론, 예컨대 적어도 약 0.7 미크론, 또는 적어도 약 1 미크론일 수 있다. 제2 코팅층 평균 두께는 상기 최소 및 최대 값들 중 임의 값 사이의 범위에 있다는 것을 이해하여야 한다.
제2 코팅층은 제1 코팅층을 제외하고 코어로 측정되는 연마 입자 평균 입도의 약 80% 이하의 평균 두께를 가지도록 형성된다. 일 실시태양에 의하면, 제2 코팅층의 평균 두께는 연마 입자 평균 입도의 약 70% 이하, 약 60% 이하, 약 50% 이하, 예컨대 약 40% 이하, 또는 약 30% 이하가 되도록 형성된다. 또 다른 실시태양들에서, 제2 코팅층 평균 두께는 연마 입자 평균 입도의 적어도 약 2%, 적어도 약 5%, 적어도 약 8%, 또는 적어도 약 12%이다. 제2 코팅층 평균 두께는 상기 최소 및 최대 값들 중 임의 값 사이의 범위에 있을 수 있다.
일 실시태양에 의하면, 제1 코팅층의 평균 두께는 제2 코팅층의 평균 두께보다 두껍다. 그러나, 기타 실시예들에서, 제1 코팅층의 평균 두께는 제2 코팅층의 평균 두께보다 얇다. 기타 연마 입자에 있어서, 제1 코팅층은 제2 코팅층 평균 두께와 실질적으로 동일한 평균 두께를 가지고, 제1 및 제2 코팅층들의 평균 두께는 더 두꺼운 두께를 가지는 코팅층 기준으로 차이는 약 5% 이내이다.
단계 103에서 연마 입자를 결합막에 배치한 후, 본 방법은 계속하여 단계 104에서 연마 입자를 기재에 결합시키도록 처리된다. 처리 방법은 예컨대 가열, 경화, 건조, 및 이들의 조합의 공정을 포함한다. 하나의 특정 실시태양에서, 처리방법은 열적 방법, 예컨대 연마 그레인 및 기재에 대한 손상을 억제하도록 과도한 온도를 피하면서 결합막 및 제2 코팅층 용융을 유도하기에 충분한 온도에서 가열한다. 예를들면, 처리방법은 약 450℃ 이하로 기재, 결합막, 및 연마 그레인을 가열하는 단계를 포함한다. 특히, 처리 방법은 예컨대 약 375℃ 이하, 약 350℃ 이하, 약 300℃ 이하, 또는 약 250℃ 이하에서 수행된다. 다른 실시태양들에서, 처리방법은 적어도 약 100℃, 적어도 약 150℃, 또는 적어도 약 175℃에서의 가열 단계를 포함한다.
가열을 통하여 결합막 및 연마 입자 제2 코팅층의 재료들이 용융되고 연마 입자가 기재에 결합된다는 것을 이해할 수 있다. 특히, 코팅되는 연마 입자 관점에서, 확산 결합 영역이 연마 입자 코팅층 일부 및 기재 일부 사이에 형성되고, 특히 제2 코팅층 일부 및 기재 일부 사이에 형성된다. 확산 결합 영역은 기재의 적어도 하나의 화학 종들 (예를들면, 금속 원소) 및 연마 입자에 적층되는 제2 코팅층의 적어도 하나의 화학 종들 (예를들면, 금속 원소) 사이의 상호확산으로 특징된다. 확산 결합 영역은 더욱 상세하게 하기된다.
결합 처리된 후, 선택적 단계 (도 1에 미도시)는 일부 또는 모든 결합막 재료를 기재 외면에서 제거하는 것이다. 적합한 결합 재료 제거 방법은 세척, 스크러빙, 와이핑, 분무, 건조, 가열, 및 이들의 조합을 포함한다. 단계 104의 처리 방법 후에 형성된 물품 표면은 세척 또는 세정되어 바람직하지 않은 재료들 (예를들면, 추가 층에서 유래하는 잔류 플럭스 소재)을 제거한다.
단계 104에서의 처리 후, 본 방법은 계속하여 단계 105에서, 연마 입자 및 기재 상에 결합층을 형성한다. 결합층 형성으로 인하여 내마모성이 개선된 연마 물품 형성이 가능하다. 또한, 결합층은 연마 물품의 연마 입자 보유 성능을 개선시킨다. 실시태양에 따라, 결합층 형성 방법은 연마 입자, 기재 외면, 및 연마 입자를 둘러싸는 확산 결합 영역에 의해 형성되는 물품 외면에 대한 결합층 적층을 포함한다. 실제로, 결합층은 연마 입자, 기재 외면, 및 확산 결합 영역에 직접 결합된다.
결합층 형성방법은 예컨대 도금, 분무, 침지, 인쇄, 및 이들의 조합과 같은 방법을 포함한다. 하나의 특정 실시태양에 의하면, 결합층은 전기도금 방법으로 형성된다. 대안적 실시태양에서, 결합층은 무전해 도금 방법에 의해 형성된다.
결합층은 연마 입자 제2 코팅층 및 기재 외면에 적층, 특히 직접 접촉되도록 형성된다. 특정 실시태양에 의하면, 결합층은 연마 입자 노출 표면 및 기재 외면의 적어도 90%를 적층한다. 다른 실시태양들에서, 결합층 도포율은 더 크고, 연마 입자 노출 표면 및 기재외면의 적어도 약 92%, 적어도 약 95%, 또는 적어도 약 97%를 덮는다. 하나의 특정 실시태양에서, 결합층은 실질적으로 모든 연마 입자 및 기재의 노출 표면을 적층하도록 형성되고, 결합층은 연마 물품 외부 표면을 형성하는 연마 물품 성분들을 완전히 덮는다.
결합층은 예컨대 유기재료, 무기 재료, 및 이들의 조합의 재료로 제조된다. 일부 적합한 유기재료는 예컨대 UV 경화성 중합체, 열경화성, 열가소성, 및 이들의 조합을 포함한 중합체를 포함한다. 일부 기타 적합한 중합체 재료는 우레탄, 에폭시, 폴리이미드, 폴리아미드, 아크릴레이트, 폴리비닐, 및 이들의 조합을 포함한다.
적합한 결합층 무기 재료는 금속, 금속 합금, 서멧, 세라믹, 복합재, 및 이들의 조합을 포함한다. 특정 실시예에서, 결합층은 적어도 하나의 전이금속원소을 가지는 재료, 및 특히 전이금속원소를 포함한 금속 합금으로 형성된다. 결합층에 사용 가능한 일부 적합한 전이금속원소는 납, 은, 구리, 아연, 주석, 티타늄, 몰리브덴, 크롬, 철, 망간, 코발트, 니오븀, 탄탈, 텅스텐, 팔라듐, 백금, 금, 루테늄, 및 이들의 조합을 포함한다. 소정의 실시예들에서, 결합층은 니켈을 포함하고, 니켈 함유 금속 합금, 또는 니켈-기재 합금일 수 있다. 추가적인 기타 실시태양들에서, 결합층은 실질적으로 니켈로 이루어진다.
일 실시태양에 의하면, 결합층의 평균 두께는 제1 및 제2 코팅층들을 제외한 연마 입자 평균 입도의 적어도 약 10%이다. 다른 실시태양에서, 결합층의 평균 두께는 적어도 약 20%, 적어도 약 30%, 적어도 약 40%, 또는 적어도 약 50%이다. 다른 실시태양에서, 결합층의 평균 두께는 연마 입자 평균 입도의 약 100% 이하, 약 90% 이하, 약 85% 이하, 예컨대 약 80% 이하, 또는 약 75% 이하이다.
특정 실시예들에서, 결합층의 평균 두께는 적어도 약 1 미크론, 예컨대 적어도 약 2 미크론, 적어도 약 5 미크론, 적어도 약 10 미크론, 또는 적어도 약 20 미크론이다. 일부 실시태양들에서, 결합층의 평균 두께는 약 100 미크론 이하, 약 90 미크론 이하, 약 80 미크론 이하, 약 70 미크론 이하가 되도록 형성된다.
일 실시태양에 의하면, 결합층은 확산 결합 영역 및/또는 제2 코팅층 재료 경도보다 더 큰 경도를 가지는 예를들면 복합재료를 포함한 소재로 제조된다. 예를들면, 결합층의 비커스 (Vickers) 경도는 확산 결합 영역의 비커스 경도보다 적어도 약 5% 이상이다. 실제로, 다른 실시태양들에서, 결합층의 비커스 경도는 확산 결합 영역 및/또는 제2 코팅층의 비커스 경도 대비 적어도 약 10%, 예컨대 적어도 약 20%, 적어도 약 30%, 적어도 약 40%, 적어도 약 50%, 적어도 약 75%, 또는 적어도 약 100% 이상이다.
또한, 압입법으로 측정되는 결합층의 파괴 인성 (K1c)은 확산 결합 영역 및/또는 제2 코팅층 소재 평균 파괴 인성보다 적어도 약 5% 이상이다. 특정 실시태양에서, 결합층의 파괴 인성 (K1c)은 확산 결합 영역 및/또는 제2 코팅층 소재의 파괴 인성보다 적어도 약 8%, 적어도 약 10%, 적어도 약 15%, 적어도 약 20%, 적어도 약 25%, 적어도 약 30%, 또는 적어도 약 40% 이상이다.
선택적으로, 결합층은 충전제 소재를 포함한다. 충전제는 최종-형성 연마 물품 성능 개선에 적합한 다양한 소재일 수 있다. 일부 적합한 충전제 소재는 연마 그레인, 기공-형성제 (pore-former) 예컨대 중공구, 유리구, 버블 알루미나, 천연 소재 예컨대 쉘 (shell) 및/또는 파이버, 금속 입자, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
하나의 특정 실시태양에서, 결합층은 연마 그레인 형태의 충전제를 포함한다. 충전제의 연마 그레인은, 특히 크기와 관련하여 연마 입자와는 상당히 다르고, 소정의 실시예들에서 연마 그레인 충전제의 평균 그레인 크기는 부착막에 결합되는 연마 입자의 평균 크기보다 실질적으로 더 작다. 예를들면, 연마 그레인의 충전제 평균 그레인 크기는 제1 및 제2 코팅층들을 제외한 연마 입자 코어 크기로 측정되는 연마 입자 평균 입도의 적어도 약 2 배 더 작다. 실제로, 연마 충전제의 평균 그레인 크기는 더 작고, 예컨대 연마 입자 평균 입도의 적어도 3 배, 예컨대 적어도 약 5 배, 적어도 약 10 배 더 작고, 특히 약 2 배 내지 약 10 배 더 작은 범위이다.
결합층 내의 연마 그레인 충전제는 예컨대 탄화물, 탄소-기재 소재 (예를들면 풀러렌), 붕소화물, 질화물, 산화물, 산질화물, 산붕소화물, 및 이들의 조합 소재로 제조된다. 특정 실시예들에서, 연마 그레인 충전제는 초연마 소재 예컨대 다이아몬드, 입방정 질화붕소, 또는 이들의 조합일 수 있다. 연마 그레인 충전제는 부착막에 결합되는 연마 입자와 동일할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 기타 실시예들에서, 연마 그레인 충전제는 부착막에 결합되는 연마 입자 소재와 다른 소재를 포함할 수 있다.
도 2는 실시태양에 의한 일부 연마 물품 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 연마 물품 (200)은 신장 부재 형태 예컨대 와이어인 기재 (201)를 포함한다. 더욱 도시된 바와 같이, 연마 물품은 기재 (201) 외면에 적층되고 부착되는 연마 입자 (203)를 포함한다. 특히, 연마 입자 (203)는 연마 그릿 소재 (예를들면, 다이아몬드 그릿)로 구성되는 코어 (204), 코어를 덮고 있는 제1 코팅층 (205), 및 제1 코팅층 (205) 에 적층되는 제2 코팅층 (206)을 포함한다. 연마 입자 (203)는 기재 (201) 표면에 직접 결합될 수 있고, 기재 표면에 직접 접촉될 수 있고, 개재 층을 반드시 필요로 하지 않는다.
특정 실시태양들에서, 연마 입자 (203)는 제2 코팅층 (206) 소재 및 기재 (201)의 상호 확산을 포함하는 확산 결합 영역 (207)에서 기재 (201)에 결합된다. 일 실시태양에 의하면, 확산 결합 영역 (207)은 연마 입자 (203) 주위 영역으로 국소화된다. 또한, 확산 결합 영역 (207)은 바람직하게는 연마 입자 (203) 및 기재 (201)의 계면에 위치하고, 연마 입자 (203)들 사이 간격 (208)을 형성하며, 간격 (208)은 연마 물품를 따라 확산 결합 영역 조성물이 부재하는 영역이다. 또한, 간격은 결합층 (209)이 기재 (201)와 직접 접촉되는 연마 입자 (203)들 사이 영역으로 정의된다.
따라서 실시태양에 의한 연마 물품은 바람직하게는 연마 입자 (203)를 둘러싸고 연마 입자 (203)들 사이 재료 부재 영역을 형성하는 간격을 남기는 불연속 코팅물을 특징으로 한다. 특정 실시예들에서, 불연속 코팅물은 제2 코팅층 (206) 소재 및 제2 코팅층 (206) 및 기재 (201)의 소재를 포함하는 확산 결합 영역 (207)을 형성한다. 소정의 실시태양들에서 불연속 코팅물은 대부분의 연마 입자 (203)를 둘러싸고 적층하는 저온 금속 합금 (LTMA) 소재를 포함하는 코팅 영역 (220) 및 연마 입자 (203)들 사이 간격 (208)을 형성한다. 소정의 실시예들에서, 간격 (208)은 좁은 기재 (201) 외면 표면적, 예를들면, 기재 (201) 총 외면 표면적의 약 48% 이하, 약 40% 이하, 약 35% 이하, 약 30% 이하, 약 25% 이하, 약 20% 이하, 약 15% 이하, 또는 약 12% 이하에 해당한다. 또한, 간격 (208)은 기재 (201) 총 외면 표면적의 적어도 약 1%, 예컨대 적어도 약 3%, 또는 적어도 약 5%로 구성된다.
연마 물품 (200)은 연마 입자 (203) 외면에 적층되고 연마 입자 (203) 제2 코팅층 (206)에 직접 결합되고, 확산 결합 영역 (207) 사이인 간격 (208)에서 일부 기재 (201) 외면에 직접 결합되는 결합층 (209)을 포함한다.
개시된 주제는 예시적이고 제한적인 것이 아니며, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 범위에 속하는 이러한 모든 변경, 개선 및 기타 실시태양들을 포괄할 의도이다. 따라서, 법이 허용한 최대로, 본 발명의 범위는 청구범위 및 이의 균등론을 광의로 해석하여 판단되어야 하고 상기 상세한 설명에 제한 또는 한정되어서는 아니된다.
특허법에 부합되도록 요약서가 제공되고 청구범위 및 의미를 해석 또는 한정하는 것이 아니라는 이해로 제출된다. 또한, 상기된 상세한 설명에서, 다양한 특징부들이 개시의 간소화를 위하여 단일 실시태양에서 집합적으로 함께 설명된다. 청구되는 실시태양들이 각각의 청구항에서 명시적으로 언급되는 것 이상의 특징부들을 필요로 한다는 의도로 이러한 개시가 해석되어서는 아니된다. 오히려, 하기 청구범위에서와 같이, 본 발명의 주제는 개시된 임의의 실시태양의 모든 특징부들보다 적은 것에 관한 것이다. 따라서, 하기 청구범위는 상세한 설명에 통합되고, 각각의 청구항은 그 자체로 청구되는 주제를 별개로 정의하는 것이다.

Claims (67)

  1. 연마 물품에 있어서,
    와이어로 구성되는 기재;
    상기 기재에 부착되는 연마 입자; 및
    상기 기재 및 상기 연마 입자에 적층되는 결합층으로 구성되고,
    상기 연마 입자는,
    상기 연마 입자에 적층되는 제1 코팅층; 및
    상기 제1 코팅층에 적층되고, 상기 제1 코팅층과 상이한 제2 코팅층을 포함하며,
    상기 제2 코팅층은 융점이 약 450℃ 이하인 저온 금속 합금(LTMA) 소재를 포함하는, 연마 물품.
  2. 연마 물품에 있어서,
    길이: 폭의 종횡비가 적어도 약 10:1인 신장 몸체로 구성되는 기재;
    상기 기재에 부착되는 연마 입자;
    상기 연마 입자의 외부 표면적의 적어도 50%를 둘러싸고 적층하는 저온 금속 합금(LTMA) 소재를 포함하는 금속 소재로 구성되는 코팅 영역 및 상기 연마 입자들 사이 간격 영역을 포함하는 불연속 코팅물을 포함하고,
    상기 저온 금속 합금(LTMA) 소재는 융점이 약 450℃ 이하인, 연마 물품.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 코팅층은 티타늄, 바나듐, 크롬, 몰리브덴, 철, 코발트, 니켈, 구리, 은, 아연, 망간, 탄탈, 텅스텐, 및 이들의 조합으로 이루어진 금속 군에서 선택되는 금속을 포함하는, 연마 물품.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 코팅층은 니켈로 이루어지는, 연마 물품.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 코팅층은 구리로 이루어지는, 연마 물품.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 코팅층은 각각의 상기 연마 입자 외부 표면적의 적어도 약 50%를 덮는, 연마 물품.
  7. 제1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 코팅층은 각각의 상기 연마 입자 외면에 직접 전기 도금되는, 연마 물품.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 코팅층은 각각의 상기 연마 입자 총 중량의 적어도 약 5%로 구성되는, 연마 물품.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 코팅층은 각각의 상기 연마 입자 총 중량의 약 60% 이하로 구성되는, 연마 물품.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2 코팅층은 주석 및 납의 금속 합금을 포함하고, 상기 제2 코팅층은 주석을 포함하고, 상기 제2 코팅층은 실질적으로 주석으로 이루어진, 연마 물품.
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  13. 연마 물품 형성방법에 있어서,
    길이: 폭의 종횡비가 적어도 약 10:1 인 신장 몸체를 가지는 기재를 제공하는 단계;
    결합막을 형성하기 위하여 상기 기재를 처리하는 단계;
    저온 금속 합금(LTMA) 소재를 포함하는 제2 코팅층으로 구성되는 연마 입자를 상기 결합막에 배치하는 단계;
    상기 연마 입자를 상기 기재에 결합하기 위하여 상기 기재를 처리하는 단계; 및
    상기 연마 입자 상에 결합층을 형성하는 단계로 구성되고,
    상기 저온 금속 합금(LTMA) 소재는 융점이 약 450℃ 이하인, 연마 물품 형성 방법.
  14. 제13항에 있어서, 기재를 제공하는 단계는 공급 스풀 및 수용 스풀에 연결되는 와이어를 제공하는 것을 포함하고, 기재를 제공하는 단계는 상기 공급 스풀에서 상기 수용 스풀로 약 5m/분 이상의 속도로 상기 와이어를 감는 것을 포함하는, 연마 물품 형성방법.
  15. 제13항에 있어서, 결합막을 형성하기 위하여 기재를 처리하는 단계는 기재 외부 표면에 결합막의 연속 코팅을 적용하는 것을 포함하고, 결합막을 형성하기 위하여 기재를 처리하는 단계는 적층, 분무, 인쇄, 침지, 다이 코팅, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법을 포함하고, 상기 결합막은 상기 기재 표면에 직접 결합되고, 상기 결합막은 플럭스 소재를 포함하는, 연마 물품 형성방법.
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