KR101849797B1

KR101849797B1 - 세라믹 형상화 연마 입자, 이의 제조 방법 및 이를 함유하는 연마 용품

Info

Publication number: KR101849797B1
Application number: KR1020127030546A
Authority: KR
Inventors: 마크 지. 슈와벨; 마이켄 기보트; 네구스 비. 아데프리스
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2018-04-17
Also published as: RU2012144389A; RU2539246C2; CN102858496B; US20130040537A1; EP2563549A2; EP2563549A4; KR20130103330A; US9573250B2; CN102858496A; EP2563549B1; BR112012027030B1; BR112012027030A2; JP2013525130A; JP5791702B2; CA2797096A1; CA2797096C; WO2011139562A2; WO2011139562A3

Abstract

세라믹 형상화 연마 입자는 6개의 공통 모서리에 의해 연결된 4개의 주요 면을 갖는다. 4개의 주요 면들 중 각각의 면은 4개의 주요 면들의 3개의 다른 면과 접촉한다. 6개의 공통 모서리는 사실상 동일한 길이를 갖는다. 세라믹 형상화 입자의 제조 방법이 개시된다. 세라믹 형상화 연마 입자는 공작물의 표면 연마에 유용하다. 연마 용품은 결합재 중에 보유된 세라믹 형상화 연마 입자를 포함한다.

Description

세라믹 형상화 연마 입자, 이의 제조 방법 및 이를 함유하는 연마 용품{CERAMIC SHAPED ABRASIVE PARTICLES, METHODS OF MAKING THE SAME, AND ABRASIVE ARTICLES CONTAINING THE SAME}

본 발명은 접합된 연마 용품에 관한 것이다.

접합된 연마 용품은 접합 매체에 의해 함께 접합된 연마 입자를 갖는다. 접합 연마재는 예를 들어 석재, 혼(hone), 연삭 휠 및 절삭 휠을 포함한다. 접합 매체는 전형적으로 유기 수지이지만, 또한 세라믹 또는 유리(즉, 유리질 접합재)와 같은 무기 재료일 수 있다.

일 태양에서, 본 발명은 복수의 세라믹 형상화 연마 입자를 제공하며, 여기서 세라믹 형상화 연마 입자는 6개의 공통 모서리에 의해 연결된 4개의 주요 면들을 가지며, 4개의 주요 면들 중 각각의 면은 4개의 주요 면들 중 3개의 다른 면과 접촉하며, 6개의 공통 모서리는 사실상 동일한 길이를 갖는다.

일부 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 연마 산업의 규정된 공칭 등급(abrasives industry specified nominal grade)에 부합된다. 일부 실시 형태에서, 4개의 주요 면들 중 적어도 하나의 면은 사실상 평면형이다. 일부 실시 형태에서, 4개의 주요 면들 중 적어도 하나의 면은 오목형이다. 일부 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 알파 알루미나를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 4개의 주요 면들 전부가 오목형이다. 일부 실시 형태에서, 4개의 주요 면들 중 적어도 하나의 면은 볼록형이다. 일부 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 절두 피라미드형으로 형상화되어 있지 않다. 일부 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 사면체 대칭(tetrahedral symmetry)을 갖는다. 일부 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 사실상 정사면체로 형상화된다. 일부 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 졸-겔 유도된 알루미나를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자 상에는 무기 입자의 코팅이 있다.

본 발명에 따른 세라믹 형상화 연마 입자는 예를 들어 연마 입자의 제조에 그리고 공작물을 연마하는 데 유용하다.

따라서, 다른 태양에서, 본 발명은 공작물을 연마하는 방법을 제공하며, 본 방법은 본 발명에 따른 연마 용품의 세라믹 형상화 연마 입자의 적어도 일부분을 공작물의 표면과 마찰 접촉시키는 단계; 및 공작물 또는 연마 용품 중 적어도 하나를 움직여 공작물의 표면의 적어도 일부분을 연마하는 단계를 포함한다.

또 다른 태양에서, 본 발명은 결합재 중에 보유된 본 발명에 따른 세라믹 형상화 연마 입자를 포함하는 연마 용품을 제공한다.

일부 실시 형태에서, 결합재는 유기 결합재를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 연마 용품은 접합된 연마 용품을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 결합재는 페놀 수지를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 결합재는 무기 결합재를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 결합재는 유리질 결합재를 포함한다.

일부 실시 형태에서, 연마 용품은 접합된 연마 휠을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 접합된 연마 휠은 연삭 휠(grinding wheel)(예를 들어, 중앙이 움푹한(depressed-center) 연삭 휠을 포함함) 또는 절삭 휠(cut-off wheel)을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 연마 용품은 접합된 연마 휠의 대향 주 표면들 상에 배치된 강화재(reinforcing material)를 추가로 포함한다. 일부 실시 형태에서, 연마 용품은 접합된 연마 휠의 단지 하나의 주 표면 상에 배치된 강화재를 추가로 포함한다. 일부 실시 형태에서, 연마 용품은 파쇄된 연마 입자 (예를 들어, 연마 산업의 규정된 공칭 등급에 부합함)를 추가로 포함한다.

또 다른 실시 형태에서, 본 발명은 연마 입자를 제조하는 방법을 제공하며, 본 방법은

세라믹 전구체 분산물을 주형의 공동 - 여기서, 공동은 공통 꼭짓점에서 만나는 3개의 오목형 벽을 가짐 - 내로 도입하는 단계;세라믹 전구체 분산물을 건조시키고 이를 공동으로부터 꺼내어 세라믹 형상화 연마 입자 전구체를 제공하는 단계;

세라믹 형상화 연마 입자 전구체를 하소시키는 단계; 및

하소된 세라믹 형상화 연마 입자 전구체를 소결시켜 세라믹 형상화 연마 입자를 제공하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 세라믹 형상화 연마 입자는 6개의 공통 모서리에 의해 연결된 4개의 주요 면을 가지며, 4개의 주요 면들 중 각각의 면은 4개의 주요 면들 중 3개의 다른 면과 접촉하고, 4개의 주요 면들 중 적어도 3개는 사실상 평면형이며, 6개의 공통 모서리는 사실상 동일한 길이를 갖는다.

유리하게는, 본 발명에 따른 세라믹 형상화 연마 입자는 고도의 대칭성을 가지며, 상기 대칭성은 (예를 들어, 제조 기술의 결과로서) 주어진 방향을 따라 연마 입자가 배향되는 가능성 - 이는 불규칙한 및/또는 열화된 연마 성능에 이르게 될 수 있음 - 을 감소시킨다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이,

공통 모서리와 관련하여 용어 "사실상 동일한 길이"는 공통 모서리의 길이가 공칭 길이의 ±20% 이내임을 의미하며;

용어 "정사면체"는 4개의 동일한 면을 갖는 사면체를 말하며;

정사면체와 관련하여 용어 "사실상 형상화된"은 (예를 들어 제조 동안 일어날 수도 있는) 사소한 결함을 제외하고는 정사면체의 형상을 가짐을 의미한다.

전술한 실시 형태들은 임의의 그 조합이 본 발명의 교시내용을 고려하여 명백하게 잘못된 것이 아니라면 그러한 조합으로 구현될 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점은 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용뿐만 아니라 첨부된 특허청구범위의 고려시에 이해될 것이다. 이하의 도면들과 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 예시적인 실시 형태를 더욱 구체적으로 예시한다.

<도 1>
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 예시적인 접합된 연마 휠(100)의 사시도.
<도 2>
도 2는 선 2-2를 따라 취한 도 1에 도시된 접합된 연마 휠(100)의 측단면도.
<도 3a>
도 3a는 예시적인 세라믹 형상화 연마 입자(20a)의 개략적인 사시도.
<도 3b>
도 3b는 예시적인 세라믹 형상화 연마 입자(20b)의 개략적인 사시도.
<도 3c>
도 3c는 예시적인 세라믹 형상화 연마 입자(20c)의 개략적인 사시도.
<도 3d>
도 3d는 예시적인 세라믹 형상화 연마 입자(20d)의 개략적인 사시도.
<도 3e>
도 3e는 예시적인 세라믹 형상화 연마 입자(20e)의 개략적인 사시도.
상기 도면은 본 발명의 일부 실시 형태들을 기술하지만, 논의에서 알 수 있는 바와 같이 다른 실시 형태가 또한 고려된다. 모든 경우에서, 본 개시 내용은 예시적이고 비제한적으로 본 발명을 나타낸다. 본 발명의 원리의 범주 및 사상에 속하는 많은 다른 변형 및 실시 형태들이 당업자에 의해 창안될 수 있음을 이해하여야 한다. 도면은 일정한 비율로 그려지지 않을 수 있다. 도면 전체에 걸쳐, 유사한 부분을 나타내기 위해 유사한 도면부호가 사용될 수 있다.

이제 도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 예시적인 접합된 연마 휠(100)은 접합된 연마 휠(100)을 예를 들어 전동 공구에 부착시키는 데 사용되는 중심 구멍(112)을 갖는다. 접합된 연마 휠(100)은 세라믹 형상화 연마 입자(20), 통상적으로 파쇄되고 소정 크기로 분류된(sized) 선택적 연마 입자(30), 및 결합 재료(25)를 포함한다. 선택적 제1 스크림(115) 및 선택적 제2 스크림(116)은 접합된 연마 휠(100)의 대향 주 표면들 상에 배치된다.

세라믹 형상화 연마 입자는 6개의 공통 모서리에 의해 연결된 4개의 주요 면들을 가지며, 여기서 주요 면들 각각은 주요 면들 중 3개의 면과 접촉하고, 6개의 공통 모서리는 사실상 동일한 길이를 갖는다. 특징적인 형상을 갖는 다양한 실시 형태들은 전술한 설명에 포함된다.

도 3a에 도시된 예시적인 일 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 사실상 정사면체로 형상화된다. 이제 도 3a를 참조하면, 세라믹 형상화 연마 입자(20A)는 6개의 공통 모서리(91a, 92a, 93a, 94a, 95a, 96a)에 의해 연결된 4개의 주요 면(81a, 82a 83a, 84a)을 갖는다. 주요 면들 각각은 각각의 공통 모서리에서 주요 면들 중 다른 3개의 면과 접촉한다. 예를 들어, 주요 면(81a)은 공통 모서리(95a)에서 주요 면(82a)과 접촉하며, 주요 면(81a)은 공통 모서리(91a)에서 주요 면(84a)과 접촉하며, 주요 면(81a)은 공통 모서리(94a)에서 주요 면(83a)과 접촉한다. 정사면체 (즉, 동일한 6개의 모서리 및 4개의 면을 가짐)가 도 3a에 도시되어 있지만, 다른 형상이 또한 허용가능함이 인식될 것이다. 예를 들어, 6개의 공통 모서리가 사실상 동일한 길이(이상에서 정의됨)를 갖는다는 제한 조건 하에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 불규칙 사면체(즉, 정사면체가 아님)로서 형상화될 수 있다.

예를 들어, 도 3b에 예시된 다른 예시적인 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 사면형 입자로서 형상화된다. 이제 도 3b를 참조하면, 세라믹 형상화 연마 입자(20B)는 6개의 공통 모서리(91b, 92b, 93b, 94b)에 의해 연결된 4개의 주요 면(81b, 82b 83b, 84b)을 갖는다. 주요 면들 각각은 오목형이며, 각각의 공통 모서리에서 주요 면들 중 다른 3개의 면과 접촉한다. 예를 들어, 주요 면(81b)은 공통 모서리(95b)에서 주요 면(82b)과 접촉하며, 주요 면(81b)은 공통 모서리(91b)에서 주요 면(84b)과 접촉하며, 주요 면(81b)은 공통 모서리(94b)에서 주요 면(83b)과 접촉한다. 사면체 대칭성(즉, 3중 대칭의 4개의 회전축 및 6개의 반사 대칭면)을 갖는 입자가 도 3b에 도시되어 있지만, 다른 형상도 또한 허용가능함이 인식될 것이다. 예를 들어, 6개의 공통 모서리가 사실상 동일한 길이를 갖는다는 제한 조건 하에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 1개, 2개 또는 3개의 오목형 면을 가질 수 있으며, 이때 나머지는 평면형이다.

도 3c에 도시된 다른 예시적인 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 사면형 입자로서 형상화된다. 이제 도 3c를 참조하면, 세라믹 형상화 연마 입자(20C)는 6개의 공통 모서리(91c, 92c, 93c, 94c)에 의해 연결된 4개의 주요 면(81c, 82c 83c, 84c)을 갖는다. 주요 면들 각각은 볼록형이며, 각각의 공통 모서리에서 주요 면들 중 다른 3개의 면과 접촉한다. 예를 들어, 주요 면(81c)은 공통 모서리(95c)에서 주요 면(82c)과 접촉하며, 주요 면(81c)은 공통 모서리(91c)에서 주요 면(84c)과 접촉하며, 주요 면(81c)은 공통 모서리(94c)에서 주요 면(83c)과 접촉한다. 사면체 대칭성을 갖는 입자가 도 3c에 도시되어 있지만, 다른 형상이 또한 허용가능함이 인식될 것이다. 예를 들어, 6개의 공통 모서리가 사실상 동일한 길이를 갖는다는 제한 조건 하에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 1개, 2개 또는 3개의 볼록형 면을 가질 수 있으며, 이때 나머지는 평면형 또는 오목형이다.

도 3d에 예시된 다른 예시적인 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 4개의 주요 면 및 4개의 보조 면(minor side)을 갖는 팔면형 입자로서 형상화된다. 이제 도 3d를 참조하면, 세라믹 형상화 연마 입자(20D)는 6개의 공통 모서리(91d, 92d, 93d, 94d)에 의해 연결된 4개의 주요 면(81d, 82d, 83d, 84d)을 갖는다. 주요 면들 각각은 육각형이며, 각각의 공통 모서리에서 주요 면들 중 다른 3개의 면과 접촉한다. 예를 들어, 주요 면(81d)은 공통 모서리(95d)에서 주요 면(82d)과 접촉하며, 주요 면(81d)은 공통 모서리(91d)에서 주요 면(84d)과 접촉하며, 주요 면(81d)은 공통 모서리(94d)에서 주요 면(83d)과 접촉한다. 사면체 대칭성을 갖는 입자가 도 3d에 도시되어 있지만, 다른 형상이 또한 허용가능함이 인식될 것이다. 예를 들어, 6개의 공통 모서리가 사실상 동일한 길이를 갖는다는 제한 조건 하에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 1개, 2개 또는 3개의 볼록형 면을 가질 수 있으며, 이때 나머지는 평면형이다.

물론, 도 3a 내지 도 3d의 이상화된 도면으로부터의 현실 세계에서의 일탈이 빈번하게 존재할 것이다. 그러한 세라믹 형상화 연마 입자가 또한 포함된다. 이제 도 3e를 참조하면, 세라믹 형상화 연마 입자(20E)는 6개의 공통 모서리(91e, 92e, 93e, 94e)에 의해 연결된 4개의 주요 면(81e, 82e 83e, 84e)을 갖는다. 주요 면들 각각은 각각의 공통 모서리에서 주요 면들 중 다른 3개의 면과 접촉한다. 예를 들어, 주요 면(81e)은 공통 모서리(95e)에서 주요 면(82e)과 접촉하며, 주요 면(81e)은 공통 모서리(91e)에서 주요 면(84e)과 접촉하며, 주요 면(81e)은 공통 모서리(94e)에서 주요 면(83e)과 접촉한다.

세라믹 형상화 연마 입자는 상기 형상 요소들 (예를 들어, 볼록형 면, 오목형 면, 불규칙 면, 평면형 면)의 조합을 가질 수 있다. 이와 유사하게, 상이한 형상 및/또는 크기를 갖는 세라믹 형상화 입자의 조합이 사용될 수 있다.

일부 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 다단계 공정에 따라 제조될 수 있다. 이 공정은 임의의 세라믹 전구체 분산 물질을 이용하여 수행될 수 있다.

간략하게는, 본 방법은 상응하는 세라믹으로 전환될 수 있는 시드형 또는 비시드형 세라믹 전구체 분산물(예를 들어, 알파 알루미나로 전환될 수 있는 베마이트(boehmite) 졸-겔)을 제조하는 단계; 형상화 연마 입자의 원하는 외부 형상을 갖는 하나 이상의 주형 공동을 세라믹 전구체 분산물로 충전시키는 단계; 세라믹 전구체 분산물을 건조시켜 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자를 형성하는 단계; 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자를 주형 공동으로부터 꺼내는 단계; 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자를 하소시켜 하소된 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자를 형성하는 단계, 및 그 후 하소된 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자를 소결시켜 세라믹 형상화 연마 입자를 형성하는 단계를 포함한다. 이제 본 방법을 알파-알루미나 함유 세라믹 형상화 연마 입자의 맥락에서 더욱 더 상세하게 설명할 것이다.

제1 공정 단계는 세라믹으로 전환될 수 있는 세라믹 전구체의 접종되거나 또는 비접종된 분산물을 제공하는 것을 포함한다. 흔히 세라믹 전구체 분산물은 휘발성 성분인 액체를 포함한다. 일 실시 형태에서, 휘발성 성분은 물이다. 당해 분산물은 주형 공동을 충전하고 주형 표면을 복제할 수 있도록 분산물의 점도를 충분히 낮게 하기 위해 충분한 양의 액체를 포함하지만 나중에 액체를 주형 공동으로부터 꺼내는 것이 엄청나게 비싸지게 할 정도로 많은 액체는 포함해서는 안 된다. 일 실시 형태에서, 세라믹 전구체 분산물은 산화알루미늄 1수화물(베마이트)의 입자와 같은 세라믹으로 전환될 수 있는 입자 2 중량% 내지 90 중량%, 10 중량% 이상, 또는 50 내지 70 중량%, 또는 50 내지 60 중량%의 물과 같은 휘발성 성분을 포함한다. 역으로, 세라믹 전구체 분산물은 일부 실시 형태에서 30 내지 50 중량%, 또는 40 내지 50 중량%의 고형물을 함유한다.

유용한 세라믹 전구체 분산물의 예에는 산화지르코늄 졸, 산화바나듐 졸, 산화세륨 졸, 산화알루미늄 졸 및 그 조합이 포함된다. 유용한 산화알루미늄 분산물은 예를 들어 베마이트 분산물 및 다른 산화알루미늄 수화물 분산물을 포함한다. 베마이트는 공지의 기술로 제조할 수 있거나 구입할 수 있다. 구매가능한 베마이트의 예에는 둘 모두 사솔 노스 아메리카, 인크.(Sasol North America, Inc.)로부터 입수가능한 상표명 "디스페랄(DISPERAL)" 및 "디스팔(DISPAL)", 또는 바스프 코포레이션(BASF Corporation)으로부터 입수가능한 상표명 "하이큐-40(HIQ-40)"을 갖는 제품이 포함된다. 이들 산화알루미늄 1수화물은 비교적 순수하며, 즉 이들은 1수화물 이외에 조금이라도 있다면 비교적 적은 수화물상을 포함하며 큰 표면적을 갖는다.

생성된 세라믹 형상화 연마 입자의 물리적 특성은 일반적으로 세라믹 전구체 분산물에 사용되는 물질의 유형에 따라 달라질 것이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "겔"은 액체에 분산된 고체의 삼차원 네트워크이다.

세라믹 전구체 분산물은 개질 첨가제 또는 개질 첨가제의 전구체를 함유할 수 있다. 개질 첨가제는 연마 입자의 일부 바람직한 특성을 향상시키거나 후속 소결 단계의 효과를 증대시키는 기능을 할 수 있다. 개질 첨가제 또는 개질 첨가제의 전구체는 가용성 염의 형태, 전형적으로는 수용성 염의 형태일 수 있다. 이들은 전형적으로 금속을 함유하는 화합물로 이루어지며, 마그네슘, 아연, 철, 규소, 코발트, 니켈, 지르코늄, 하프늄, 크롬, 이트륨, 프라세오디뮴, 사마륨, 이테르븀, 네오디뮴, 란탄, 가돌리늄, 세륨, 디스프로슘, 에르븀, 티타늄, 및 그 혼합물의 산화물의 전구체일 수 있다. 세라믹 전구체 분산물에 존재할 수 있는 이들 첨가제의 구체적인 농도는 당업계의 기술을 기반으로 하여 달라질 수 있다.

전형적으로 개질 첨가제 또는 개질 첨가제의 전구체의 도입은 세라믹 전구체 분산물의 겔화를 야기할 것이다. 또한 세라믹 전구체 분산물은 증발을 통하여 분산물 중 액체 함량을 감소시키기 위하여 소정 기간의 시간에 걸쳐 열을 가함으로써 겔화가 유도될 수 있다. 세라믹 전구체 분산물은 핵형성제를 또한 함유할 수 있다. 본 발명에 적합한 핵형성제는 알파 알루미나, 알파 산화철 또는 그 전구체, 티타늄 산화물 및 티탄산염, 산화크롬, 또는 변환의 핵이 될 임의의 다른 재료의 미세 입자를 포함할 수 있다. 사용되는 경우, 핵형성제의 양은 알파 알루미나의 변환을 초래하기에 충분하여야 한다. 핵화 알파 알루미나 전구체 분산물은 미국 특허 제4,744,802호 (슈바벨(Schwabel))에 개시되어 있다.

해교제(peptizing agent)를 세라믹 전구체 분산물에 첨가하여 더 안정한 하이드로졸 또는 콜로이드성 세라믹 전구체 분산물을 생성할 수 있다. 적합한 해교제는 일양성자(monoprotic) 산 또는 산 화합물, 예를 들어 아세트산, 염산, 포름산 및 질산이다. 다양성자(multiprotic) 산이 또한 사용될 수 있지만, 이는 세라믹 전구체 분산물을 신속하게 겔화시켜서 추가의 성분을 취급하거나 그것에 도입하는 것을 어렵게 할 수 있다. 베마이트의 일부 상업적 공급원은 안정한 세라믹 전구체 분산물을 형성하는 것을 도와줄 산 타이터(acid titer)(예를 들어 흡수 포름산 또는 질산)를 함유한다.

세라믹 전구체 분산물은 임의의 적합한 수단에 의해, 예를 들어 졸-겔 알루미나 전구체의 경우 산화알루미늄 1수화물을 해교제를 함유하는 물과 단순히 혼합함으로써 또는 해교제를 첨가한 산화알루미늄 1수화물 슬러리를 형성함으로써 형성될 수 있다.

혼합 중에 기포가 형성되거나 공기가 비말동반되는 경향을 줄이기 위해 소포제 또는 다른 적합한 화학물질이 첨가될 수 있다. 원할 경우 습윤제, 알코올 또는 커플링제와 같은 추가의 화학물질이 첨가될 수 있다.

제2 공정 단계는 적어도 하나의 주형 공동, 그리고 바람직하게는 복수의 공동이 주형의 적어도 하나의 주 표면에 형성된 주형을 제공하는 것을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 주형은 제조 공구로서 형성되며, 이는 예를 들어 벨트, 시트, 연속 웨브, 코팅 롤, 예를 들어 로토그라비어(rotogravure) 롤, 코팅 롤 상에 장착된 슬리브, 또는 다이일 수 있다 일 실시 형태에서, 제조 공구는 중합체성 재료를 포함한다. 적합한 중합체성 재료의 예에는 폴리에스테르, 폴리카르보네이트, 폴리(에테르 설폰), 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리우레탄, 폴리비닐클로라이드, 폴리올레핀, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 이들의 조합과 같은 열가소성 재료, 또는 열경화성 재료가 포함된다. 일 실시 형태에서, 전체 공구는 중합체성 재료 또는 열가소성 재료로 만들어진다. 다른 실시 형태에서, 복수의 공동의 표면과 같이 건조 중에 세라믹 전구체 분산물과 접촉하는 공구의 표면은 중합체성 또는 열가소성 재료를 포함하며, 공구의 다른 부분은 다른 재료로 제조될 수 있다. 예로서 표면 장력 특성을 변화시키기 위해 적합한 중합체성 코팅이 금속 공구에 도포될 수 있다.

중합체성 또는 열가소성 제조 공구는 금속 마스터 공구로부터 복제될 수 있다. 마스터 공구는 제조 공구에 요구되는 역상의 패턴을 가질 것이다. 마스터 공구는 제조 공구와 동일한 방식으로 제조될 수 있다. 일 실시 형태에서, 마스터 공구는 금속, 예를 들어 니켈로 만들어지며, 다이아몬드 선삭된다. 일 실시 형태에서, 마스터 공구는 스테레오리소그래피(stereolithography)를 사용하여 적어도 부분적으로 형성된다. 중합체성 시트 재료를 마스터 공구와 함께 가열하여, 그 둘을 함께 가압함으로써 중합체성 재료가 마스터 공구 패턴에 의해 엠보싱될 수 있다. 중합체성 또는 열가소성 재료를 또한 마스터 공구 상으로 압출 또는 캐스팅한 다음 가압할 수 있다. 열가소성 재료를 고형화되도록 냉각하여 제조 공구를 생성한다. 열가소성 제조 공구가 이용되면, 과도한 열이 발생하지 않도록 주의하여야 하는데, 상기 열은 열가소성 제조 공구를 변형시켜서 그 수명을 제한할 수 있다. 제조 공구 또는 마스터 공구의 설계 및 제작에 관한 더 많은 정보를 미국 특허 제5,152,917호(피퍼(Pieper) 등), 제5,435,816호(스퍼전(Spurgeon) 등), 제5,672,097호(후프만(Hoopman) 등), 제5,946,991호(후프만 등), 제5,975,987호(후프만 등) 및 제6,129,540호(후프만 등)에서 찾을 수 있다.

공동에의 접근은 주형의 상부 표면 또는 바닥 표면의 개구로부터 할 수 있다. 일부의 경우, 공동은 주형의 전체 두께에 대하여 연장될 수 있다. 대안적으로, 공동은 주형의 두께의 단지 일부에 대하여 연장될 수 있다. 일 실시 형태에서, 상부 표면은 공동이 실질적으로 균일한 깊이를 갖는 주형의 바닥 표면에 실질적으로 평행하다. 주형의 적어도 일 면, 즉 공동이 형성되는 면은 휘발성 성분을 제거하는 단계 중에 주위의 대기에 노출된 상태로 남을 수 있다.

공동은 세라믹 형상화 연마 입자를 만들도록 특정한 3차원 형상을 갖는다. 깊이 치수는 상부 표면으로부터 바닥 표면 상의 최저 지점까지의 수직 거리와 같다. 주어진 공동의 깊이는 균일하거나 그 길이 및/또는 폭을 따라서 변할 수 있다. 주어진 주형의 공동은 동일 형상의 것이거나 또는 다른 형상의 것일 수 있다.

제3 공정 단계는 주형 내의 공동을 (예를 들어 통상적인 기술에 의해) 세라믹 전구체 분산물로 충전시키는 것을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 나이프 롤 코터(knife roll coater) 또는 진공 슬롯 다이 코터(vacuum slot die coater)가 사용될 수 있다. 필요한 경우 주형으로부터 입자를 제거하는 것을 돕기 위해 주형 이형제가 사용될 수 있다. 전형적인 주형 이형제는 오일, 예를 들어 땅콩유 또는 광유, 어유(fish oil), 실리콘, 폴리테트라플루오로에틸렌, 스테아르산아연 및 흑연을 포함한다. 일반적으로, 주형 이형제가 요구될 때, 주형의 단위 면적 당 약 0.6 ㎎/㎠(0.1 ㎎/in²) 내지 약 20 ㎎/㎠(3.0 ㎎/in²), 또는 약 0.6 ㎎/㎠(0.1 ㎎/in²) 내지 약 30 ㎎/㎠(5.0 ㎎/in²)의 주형 이형제가 존재하도록, 세라믹 전구체 분산물과 접촉하는 제조 공구의 표면에 물 또는 알코올과 같은 액체 중의 주형 이형제, 예를 들어 땅콩유가 적용된다. 일부 실시 형태에서, 주형의 상부 표면은 세라믹 전구체 분산물로 코팅된다. 세라믹 전구체 분산물은 상기 상부 표면 상으로 펌핑될 수 있다.

다음으로, 스크래퍼(scraper) 또는 레벨러 바아(leveler bar)를 사용하여 세라믹 전구체 분산물을 주형의 공동 내로 완전히 밀어 넣을 수 있다. 공동으로 들어가지 않은 세라믹 전구체 분산물의 잔여분은 주형의 상부 표면으로부터 제거하여 재활용할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 세라믹 전구체 분산물의 적은 부분은 상부 표면에 남을 수 있고, 다른 실시 형태에서는 상부 표면에 사실상 분산물이 없다. 스크래퍼 또는 레벨러 바아에 의해 가해지는 압력은 전형적으로 0.6 ㎫ (100 psi) 미만, 또는 0.3 ㎫ (50 psi) 미만, 또는 심지어 60 kPa (10 psi) 미만이다. 일부 실시 형태에서, 세라믹 전구체 분산물의 노출된 표면은 사실상 상부 표면을 넘어서 연장되지는 않는다.

공동의 노출된 표면이 형상화 세라믹 연마 입자의 평면형 면을 생성하게 하는 것이 요구되는 실시 형태에서, (예를 들어 미세노즐 어레이(array)를 사용하여) 공동을 과잉충전시키고 세라믹 전구체 분산물을 서서히 건조시키는 것이 바람직할 수 있다.

제4 공정 단계는 휘발성 성분을 제거하여 분산물을 건조시키는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 휘발성 성분은 빠른 증발 속도에 의해 제거된다. 일부 실시 형태에서, 증발에 의한 휘발성 성분의 제거는 휘발성 성분의 비등점을 초과한 온도에서 일어난다. 건조 온도에 대한 상한은 흔히 주형의 재료에 따라서 달라진다. 폴리프로필렌 공구에 있어서, 이 온도는 플라스틱의 융점 미만이어야 한다. 일 실시 형태에서, 약 40 내지 50% 고형물의 수분산물 및 폴리프로필렌 주형에 있어서, 건조 온도는 약 90℃ 내지 약 165℃, 또는 약 105℃ 내지 약 150℃, 또는 약 105℃ 내지 약 120℃일 수 있다. 더욱 높은 온도는 제조 속도를 개선시킬 수 있지만, 또한 폴리프로필렌 공구를 열화시켜 주형으로서의 그의 내용 수명을 제한할 수 있다.

건조 중에, 세라믹 전구체 분산물은 수축되어(shrink), 흔히 공동 벽으로부터의 수축(retraction)을 야기한다. 예를 들어, 공동이 평면형 벽을 가지면, 생성된 세라믹 형상화 연마 입자는 3개 이상의 오목형 주요 면을 갖는 경향이 있을 수 있다. 공동 벽을 오목하게 만듦으로써 (이에 의해 공동 부피가 증가됨) 3개 이상의 사실상 평면형의 주요 면을 갖는 세라믹 형상화 연마 입자를 얻는 것이 가능함이 지금에 와서야 발견되었다. 필요한 오목함의 정도는 일반적으로 세라믹 전구체 분산물의 고형물 함량에 따라 달라진다.

제5 공정 단계는 생성된 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자를 주형 공동으로부터 꺼내는 것을 포함한다. 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자는, 주형 공동으로부터 입자를 꺼내기 위해 주형에서 이하의 공정들, 즉 중력, 진동, 초음파 진동, 진공 또는 가압 공기를 단독으로 또는 조합하여 사용함으로써 공동으로부터 꺼낼 수 있다.

전구체형 세라믹 형상화 연마 입자는 주형의 외부에서 추가로 건조될 수 있다. 세라믹 전구체 분산물이 주형 내에서 원하는 수준까지 건조된 경우, 추가의 건조 단계는 필요하지 않다. 그러나, 일부 경우에는, 세라믹 전구체 분산물이 주형 내에 체류하는 시간을 최소화하기 위해 이 추가의 건조 단계를 이용하는 것이 경제적일 수 있다. 전형적으로, 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자는 50℃ 내지 160℃의 온도에서, 또는 120℃ 내지 150℃에서 10 내지 480분간, 또는 120 내지 400분간 건조될 것이다.

제6 공정 단계는 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자를 하소시키는 것을 포함한다. 하소 동안에, 본질적으로 모든 휘발성 재료가 제거되며, 세라믹 전구체 분산물 중에 존재했던 다양한 성분이 금속 산화물로 변환된다. 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자는 일반적으로 400℃ 내지 800℃의 온도까지 가열되며, 자유수(free water)와 90 중량%를 초과하는 임의의 결합된 휘발성 재료가 제거될 때까지 이 온도 범위 내에서 유지된다. 선택적 단계에서는 함침 공정에 의해 개질 첨가제를 도입하는 것이 바람직할 수 있다. 수용성 염이 함침에 의해 하소된 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자의 기공 내로 도입될 수 있다. 그 후, 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자는 다시 예비소성된다. 이 선택사항은 미국 특허 제5,164,348호 (우드(Wood))에 추가로 기재되어 있다.

제7 공정 단계는 하소된 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자를 소결하여 세라믹 입자를 형성하는 것을 포함한다. 소결 전에, 하소된 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자는 완전히 치밀화되는 것은 아니며, 따라서 세라믹 형상화 연마 입자로서 사용하는 데 요구되는 경도가 부족하다. 소결은 하소된 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자를 1000℃ 내지 1650℃의 온도로 가열함으로써 일어난다. 이 수준의 전환을 달성하기 위해 하소된 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자가 소결 온도에 노출되어야 하는 시간 길이는 다양한 인자에 따라서 달라지지만 보통은 5초 내지 48시간이 전형적이다.

다른 실시 형태에서, 소결 단계의 기간은 1분 내지 90분이다. 소결 후에, 세라믹 형상화 연마 입자는 비커스(Vickers) 경도가 10 ㎬(기가파스칼), 16 ㎬, 18 ㎬, 20 ㎬, 또는 그 초과일 수 있다.

예를 들어 당해 재료를 하소 온도로부터 소결 온도로 빠르게 가열하는 것, 세라믹 전구체 분산물을 원심분리하여 슬러지 및/또는 폐기물을 제기하는 것과 같은 다른 단계를 사용하여 기재된 공정을 변경할 수 있다. 게다가, 본 공정은 원할 경우 공정 단계들 중 둘 이상을 조합함으로써 변경될 수 있다. 본 발명의 공정을 변경하는 데 사용될 수 있는 통상적인 공정 단계들은 미국 특허 제4,314,827호 (라이타이저(Leitheiser))에 더욱 충분히 기재되어 있다.

알파 알루미나, 마그네슘 알루미나 스피넬(spinel), 및 희토류 6방정계 알루미네이트의 정자(crystallite)로 구성된 세라믹 형상화 연마 입자가 예를 들어 미국 특허 제5,213,591호 (셀리카야(Celikkaya) 등) 및 미국 특허 공개 제2009/0165394 A1호 (쿨러(Culler) 등) 및 미국 특허 공개 제2009/0169816 A1호 (에릭슨(Erickson) 등)에 기재된 방법에 따라 졸-겔 알파 알루미나 전구체 입자를 사용하여 제조될 수 있다. 알파 알루미나 연마 그레인은 미국 특허 제5,551,963호 (라미(Larmie))에 개시된 바와 같이 지르코니아를 함유할 수 있다. 대안적으로, 알파 알루미나 연마 그레인은 미국 특허 제6,277,161호(카스트로(Castro))에 개시된 바와 같이 미세구조체 또는 첨가제를 가질 수 있다. 세라믹 형상화 연마 입자를 제조하는 방법에 관한 더 많은 정보가 본 출원과 공계류 중인 미국 특허 출원 공개 제2009/0165394 Al호 (쿨러 등)에 개시되어 있다.

전형적으로, 본 발명에서 사용되는 세라믹 형상화 연마 입자는 예를 들어 스탬핑(stamping) 또는 펀칭과 같은 다른 제작 대안보다 더 높은 특징부 정밀도(definition)를 제공하는 다이아몬드 공구를 사용하여 절삭 가공된 공구(즉, 주형)를 이용하여 제조될 수 있다. 전형적으로, 공구 표면 내의 공동은 첨예한 모서리를 따라 만나는 평면형 면을 가지며, 정사면체의 면들을 형성한다. 생성된 세라믹 형상화 연마 입자는 공구 표면 내의 공동의 형상에 상응하는 각각의 공칭 평균 형상을 갖지만, 공칭 평균 형상의 변화 (예를 들어, 무작위의 변화)가 제조 중에 일어날 수 있으며, 그러한 변화를 나타내는 세라믹 형상화 연마 입자가 본 명세서에 사용되는 세라믹 형상화 연마 입자의 정의 내에 포함된다.

세라믹 형상화 연마 입자는 다양한 형상 특징부를 갖는 입자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 세라믹 형상화 연마 입자는 볼록형, 평면형, 오목형, 또는 일부 다른 형상인 하나 이상의 주요 면과, 곡선형 또는 선형인 공통 모서리를 가질 수 있다. 또한, 세라믹 형상화 연마 입자는 6개의 공통 모서리에 의해 연결된 4개의 면을 갖는다는 것을 제외하고는 상이한 개개의 형상의 입자를 포함할 수 있다. 선택적으로, 주요 면들은 평탄할 수 있고/있거나 그 내부에 공동 또는 돌출부를 가질 수 있으며; 이로써 예를 들어 추가의 첨예한 모서리가 제공된다.

도 3a 내지 도 3e에는 본 발명에 따른 형상화된 세라믹 형상화 연마 입자의 다양한 예시적인 실시 형태들이 도시되어 있다.

예시적인 일 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 도 3a에 도시된 바와 같이 정사면체로 형상화될 수 있다 따라서, 세라믹 형상화 연마 입자(20a)는 6개의 공통 모서리(91a, 92a, 93a, 94a, 95a, 96a)에 의해 연결된 4개의 합동의 평면형 주요 면(81a, 82a, 83a, 84a)을 갖는다.

다른 예시적인 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 도 3b에 도시된 바와 같이 형상화될 수 있다. 따라서, 세라믹 형상화 연마 입자(20b)는 6개의 공통 모서리(91b, 92b, 93b, 94b, 95b, 96b)에 의해 연결된 4개의 오목형 주요 면(81b, 82b, 83b, 84b)을 갖는다.

또 다른 예시적인 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 도 3c에 도시된 바와 같이 형상화될 수 있다. 따라서, 세라믹 형상화 연마 입자(20c)는 6개의 공통 모서리(91c, 92c, 93c, 94c, 95c, 96c)에 의해 연결된 4개의 볼록형 주요 면(81c, 82c 83c, 84c)을 갖는다.

또 다른 예시적인 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 절두형 사면체로서 형상화될 수 있으며, 여기서 꼭짓점들은 도 3d에 도시된 바와 같다. 따라서, 세라믹 형상화 연마 입자(20d)는 사실상 동일한 길이의 6개의 공통 모서리(91d, 92d, 93d, 94d, 95d, 96d)에 의해 연결된 4개의 평면형 주요 면(81d, 82d, 83d, 84d)을 갖는다.

또 다른 예시적인 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 절두형 사면체로서 사실상 형상화될 수 있으며, 여기서 하나 이상의 꼭짓점 및/또는 공통 모서리는 예를 들어 도 3e에 도시된 바와 같이 제조 결함의 결과로서 기형이다. 따라서, 세라믹 형상화 연마 입자(20e)는 사실상 동일한 길이의 6개의 공통 모서리(91e, 92e, 93e, 94e, 95e, 96e)에 의해 연결된 4개의 주요 면(81e, 82e, 83e,84e)을 갖는다.

세라믹 형상화 연마 입자 상의 표면 코팅은 연마 용품에서 세라믹 형상화 연마 입자와 결합재 사이의 부착성을 개선시키는 데 사용될 수도 있거나, 또는 세라믹 형상화 연마 입자의 정전 침착을 돕는 데 사용될 수 있다. 일 실시 형태에서, 형상화 연마 입자 중량에 대하여 0.1 내지 2%의 표면 코팅의 양의, 미국 특허 제5,352,254호(셀리카아(Celikkaya))에 기재된 표면 코팅이 사용될 수 있다. 이러한 표면 코팅은 예를 들어 미국 특허 제5,213,591호(셀리카야 등); 미국 특허 제5,011,508호(왈드(Wald) 등); 미국 특허 제1,910,444호(니콜슨(Nicholson)); 미국 특허 제3,041,156호(라우스(Rowse) 등); 미국 특허 제5,009,675호(쿤즈(Kunz) 등); 미국 특허 제5,085,671호(마틴(Martin) 등); 미국 특허 제4,997,461호(마크호프-마테니(Markhoff-Matheny) 등); 및 미국 특허 제5,042,991호(쿤즈 등)에 기재되어 있다. 또한, 표면 코팅은 형상화된 연마 입자가 캡핑(capping)되는 것을 방지할 수 있다. 캡핑은 마모되고 있는 공작물로부터의 금속 입자가 세라믹 형상화 연마 입자의 상부에 융착되는 현상을 설명하는 용어이다. 상기 기능을 실행하는 표면 코팅은 당업자에게 알려져 있다.

전형적으로, 세라믹 형상화 연마 입자는 최대 입자 치수가 상대적으로 작으며, 예를 들어 약 5 ㎜, 2 ㎜, 1 ㎜, 5 마이크로미터, 200 마이크로미터, 100 마이크로미터, 50 마이크로미터, 20 마이크로미터 미만 또는 심지어 10 마이크로미터 미만이지만, 다른 크기가 이용될 수 있다.

일부 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자 (및 선택적으로 임의의 추가의 통상적으로 파쇄된 연마 입자)는 연마 산업에 공인 및 규정된 공칭 등급에 따라 크기에 따라 분류된다. 예시적인 연마 산업 공인 등급 표준은 ANSI(미국 표준 협회(American National Standards Institute)), FEPA(유럽 연마제 생산자 연합(Federation of European Producers of Abrasives)), 및 JIS(일본 산업 표준(Japanese Industrial Standard))에 의해 공표된 것들을 포함한다. 그러한 산업 공인 등급 표준은 예를 들어 ANSI 4, ANSI 6, ANSI 8, ANSI 16, ANSI 24, ANSI 30, ANSI 36, ANSI 40, ANSI 50, ANSI 60, ANSI 80, ANSI 100, ANSI 120, ANSI 150, ANSI 180, ANSI 220, ANSI 240, ANSI 280, ANSI 320, ANSI 360, ANSI 400, 및 ANSI 600; FEPA P8, FEPA P12, FEPA P16, FEPA P24, FEPA P30, FEPA P36, FEPA P40, FEPA P50, FEPA P60, FEPA P80, FEPA P100, FEPA P120, FEPA P150, FEPA P180, FEPA P220, FEPA P320, FEPA P400, FEPA P500, FEPA P600, FEPA P800, FEPA P1000, 및 FEPA P1200; 및 JIS 8, JIS 12, JIS 16, JIS 24, JIS 36, JIS 46, JIS 54, JIS 60, JIS 80, JIS 100, JIS 150, JIS 180, JIS 220, JIS 240, JIS 280, JIS 320, JIS 360, JIS 400, JIS 400, JIS 600, JIS 800, JIS 1000, JIS 1500, JIS 2500, JIS 4000, JIS 6000, JIS 8000, 및 JIS 10,000을 포함한다. 보다 전형적으로, 세라믹 형상화 연마 입자는 ANSI 60 및 80 또는 FEPA P60 및 P80 등급 표준에 따라 독립적으로 크기에 따라 분류된다.

용어 "연마 산업 공인된 규정된 공칭 등급"은 연마 산업 공인된 특정한 공칭의 스크리닝 등급을 또한 포함한다. 예를 들어, 규정된 공칭 스크리닝 등급은 ASTM E-11-09 "시험 목적용의 와이어 클로스 및 체의 표준 규격[Standard Specification for Wire Cloth and Sieves for Testing Purposes]"에 부합되는 미국 표준 시험 체를 이용할 수 있다. ASTM E-11-09에는 표기된 입자 크기에 따른 재료들의 분류를 위해 프레임 내에 장착된 직조 와이어 클로스(woven wire cloth)의 매체를 이용하는 시험 체(testing sieve)의 설계 및 구성에 대한 요건이 기술되어 있다. 전형적인 명칭은 -18+20으로 나타낼 수 있는데, 이는 세라믹 형상화 연마 입자가 18번 체에 대한 ASTM E-11-09 규격을 만족시키는 시험용 체를 통과하고, 20번 체에 대한 ASTM E-11-09 규격을 만족시키는 시험용 체 상에 보유된다는 것을 의미한다. 일 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 입자의 90% 이상이 18메시 시험용 체를 통과하고 20, 25, 30, 35, 40, 45, 또는 50메시 시험용 체 상에 보유될 수 있도록 하는 입자 크기를 갖는다. 다양한 실시 형태에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 하기를 포함하는 공칭 스크리닝 등급을 가질 수 있다: -18+20, -20/+25, -25+30, -30+35, -35+40, 5 -40+45, -45+50, -50+60, -60+70, -70/+80, -80+100, -100+120, -120+140, -140+170, -170+200, -200+230, -230+270, -270+325, -325+400, -400+450, -450+500, 또는 -500+635.

본 발명에 따른 접합된 연마 용품 (예를 들어, 연삭 휠, 절삭 휠, 혼 및 숫돌)은 전형적으로 성형 공정에 의해 제조된다. 성형 동안, 결합 재료 전구체, 액체 유기물, 분말형 무기물 또는 분말형 유기물 중 어느 하나는 연마 입자와 혼합된다. 몇몇 경우에, 액체 매체(수지 또는 용제)가 먼저 연마 입자에 도포되어 연마 입자의 외측 표면을 습윤시키고 이어서 습윤된 입자가 분말형 매체와 혼합된다. 본 발명에 따른 접합된 연마 용품은 압축 성형, 사출 성형, 이송 성형 등에 의해 제조될 수 있다. 성형은 열간 또는 냉간 가압 또는 당업자에게 공지된 임의의 적합한 방식에 의해 행해질 수 있다.

결합 재료는 전형적으로 유리질 무기 재료 (예를 들어, 유리질화된 연마 휠의 경우에서와 같이), 금속, 또는 유기 수지 (예를 들어, 수지 접합된 연마 휠의 경우에서와 같이)를 포함한다.

유리질 무기 결합재는 상이한 금속 산화물들의 혼합물로 제조될 수 있다. 이들 금속 산화물 유리질 결합재의 예에는 실리카, 알루미나, 칼시아, 산화철, 티타니아, 마그네시아, 산화나트륨, 산화칼륨, 산화리튬, 산화망간, 산화붕소, 산화인 등이 포함된다. 중량을 기준으로 한 유리질 결합재의 구체예에는 예를 들어 47.61%의 SiO₂, 16.65%의 Al₂O₃, 0.38%의 Fe₂ O₃, 0.35%의 TiO₂, 1.58%의 CaO, 0.10%의 MgO, 9.63%의 Na₂O, 2.86%의 K₂O, 1.77%의 Li₂O, 19.03%의 B₂O₃, 0.02%의 MnO₂, 및 0.22%의 P₂O₅와; 63%의 SiO₂, 12%의 Al₂O₃, 1.2%의 CaO, 6.3%의 Na₂O, 7.5%의 K₂O, 및 10%의 B₂O₃이 포함된다. 몰비를 기준으로 한 유리질 결합재의 또 다른 예에는 3.77%의 SiO₂, 0.58%의 Al₂O₃, 0.01%의 Fe₂O₃, 0.03%의 TiO₂, 0.21%의 CaO, 0.25%의 MgO, 0.47%의 Na₂O, 및 0.07%의 K₂O가 포함된다. 유리질의 접합된 연마 용품의 제조 동안, 분말 형태의 유리질 결합재는 일시적 결합재, 전형적으로 유기 결합재와 혼합될 수 있다. 유리질화된 결합재는 또한 프릿, 예를 들어 대략적으로 약 1 내지 100%의 프릿, 그러나 일반적으로 20 내지 100%의 프릿으로부터 형성될 수 있다. 프릿 결합재에 사용되는 공통 재료의 일부 예에는 장석, 붕사, 석영, 소다회, 산화아연, 호분(whiting), 삼산화안티몬, 이산화티타늄, 플루오르화규산나트륨, 플린트(flint), 빙정석, 붕산, 및 그 조합이 포함된다. 이들 재료는 일반적으로 분말로서 함께 혼합되며, 혼합물이 융합되도록 소성되고, 그 후 융합된 혼합물은 냉각된다. 냉각된 혼합물을 파쇄하고, 매우 미세한 분말로 스크리닝하여 그 후 프릿 결합재로 사용한다. 이들 프릿 본드가 숙성되는 온도는 그의 화학적 특성에 따르지만, 대략적으로 약 600℃ 내지 약 1800℃의 임의의 범위일 수 있다.

금속 결합재의 예에는 주석, 구리, 알루미늄, 니켈 및 그 조합이 포함된다.

전형적으로 유기 결합 재료는 접합된 연마 용품의 총 중량을 기준으로 5 내지 30 중량%, 더 전형적으로는 10 내지 25 중량%, 그리고 더 전형적으로는 15 내지 24 중량%의 양으로 포함된다. 페놀 수지가 가장 일반적으로 사용되는 유기 결합 재료이고, 분말 형태 및 액체 상태 둘 모두로 사용될 수 있다. 페놀 수지가 널리 사용되지만, 예를 들어 에폭시 수지, 우레아-포름알데히드 수지, 고무, 셸락 및 아크릴 결합재를 포함하는 다른 유기 결합 재료를 사용하는 것은 본 발명의 범주 이내이다. 또한 유기 결합 재료를 다른 결합 재료로 개질시켜 그 특성을 개선시키거나 변경할 수 있다.

유용한 페놀 수지는 노볼락 및 레졸 페놀 수지를 포함한다. 노볼락 페놀 수지는 산 촉매되고 포름알데히드 대 페놀의 비가 1 미만, 전형적으로 0.5:1 내지 0.8:1인 것을 특징으로 한다. 레졸 페놀 수지는 알칼리 촉매되고 포름알데히드 대 페놀의 비가 1 이상, 전형적으로 1:1 내지 3:1인 것을 특징으로 한다. 노볼락 및 레졸 페놀 수지는 (예를 들어 에폭시 화합물과의 반응에 의해) 화학적으로 개질될 수 있거나, 또는 상기 수지는 비개질될 수 있다. 페놀 수지를 경화하기에 적합한 예시적 산성 촉매는 황산, 염산, 인산, 옥살산, 및 p-톨루엔설폰산을 포함한다. 페놀 수지를 경화하기에 적합한 알칼리 촉매는 수산화나트륨, 수산화바륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 유기 아민, 또는 탄산나트륨을 포함한다.

페놀 수지는 잘 알려져 있으며 상업적 공급원으로부터 쉽게 입수가능하다. 구매가능한 노볼락 수지의 예에는 두레즈(DUREZ) 1364, 2스텝(2-step), 분말형 페놀 수지 (미국 텍사스주 애디슨 소재의 두레즈 코포레이션(Durez Corporation)에 의해 상표명 바르쿰(VARCUM) (예를 들어, 29302)으로 시판됨), 또는 헥시온(HEXION) AD5534 레진(RESIN) (미국 켄터키주 루이스빌 소재의 헥시온 스페셜티 케미칼즈, 인크.(Hexion Specialty Chemicals, Inc.)에 의해 시판됨)이 포함된다 본 발명의 실행에서 유용한 구매가능한 레졸 페놀 수지의 예에는 미국 텍사스주 애디슨 소재의 두레즈 코포레이션에 의해 상표명 바르쿰으로 시판되는 것들 (예를 들어, 29217, 29306, 29318, 29338, 29353); 미국 플로리다주 바토우 소재의 애시랜드 케미칼 컴퍼니(Ashland Chemical Co.)에 의해 상표명 에어로펜(AEROFENE)으로 시판되는 것들 (예를 들어, 에어로펜 295); 및 대한민국 서울 소재의 강남 케미칼 컴퍼니 리미티드(Kangnam Chemical Company Ltd.)에 의해 상표명 "페놀라이트(PHENOLITE)"로 시판되는 것들 (예를 들어, 페놀라이트 TD-2207)이 포함된다.

유기 결합 재료 전구체의 경화 온도는 선택되는 재료와 휠 설계에 따라 달라질 것이다. 적합한 조건들의 선택은 당업자의 능력 이내이다. 페놀 결합재에 있어서의 예시적인 조건은 실온에서 약 21.9 ㎫ (224 ㎏/㎠(4" 직경 당 20톤))의 인가 압력, 이어서 유기 결합 재료 전구체를 경화시키기에 충분한 시간 동안 최대 약 185℃의 온도에서의 가열을 포함할 수 있다.

일부 실시 형태에서, 접합된 연마 용품은 결합 재료 및 연마 입자의 총 중량을 기준으로 약 10 내지 60 중량%의 세라믹 형상화 연마 입자; 전형적으로 30 내지 60 중량%, 및 더 전형적으로는 40 내지 60 중량%의 세라믹 형상화 연마 입자를 포함한다.

접합된 연마 용품은 파쇄된 연마 입자(즉, 세라믹 형상화 연마 입자의 파괴에서 생성된 것이 아닌 그리고 연마 산업의 규정된 공칭 등급에 상응하는 연마 입자들 또는 그 조합)를 추가로 포함할 수 있다. 전형적으로, 파쇄된 연마 입자는 세라믹 형상화 연마 입자보다 더 미세한 크기의 등급 또는 등급들 (예를 들어, 복수의 크기 등급이 사용될 경우)의 것이지만, 이는 요건은 아니다.

유용한 파쇄된 연마 입자는 예를 들어 용융 산화알루미늄, 브라운 용융 산화알루미늄, 열처리 산화알루미늄, 화이트 용융 산화알루미늄, 세라믹 산화알루미늄 재료, 예를 들어 상표명 '큐비트론(CUBITRON)`으로 미국 미네소타주 세인트폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 구매가능한 것들, 블랙 탄화규소, 그린 탄화규소, 이붕화티타늄, 탄화붕소, 탄화텅스텐, 탄화티타늄, 다이아몬드, 입방정계 질화붕소, 석류석, 용융 알루미나 지르코니아, 알루미늄 옥시나이트라이드, 졸-겔 유도된 연마 입자, 산화철, 크로미아, 세리아, 지르코니아, 티타니아, 규산염, 산화주석, 실리카 (예를 들어, 석영, 유리 비드, 유리구 및 유리 섬유) 규산염 (예를 들어, 활석, 점토 (예를 들어, 몬모릴로나이트), 장석, 운모, 규산칼슘, 메타규산칼슘, 알루미노규산나트륨, 규산나트륨), 플린트 및 금강사를 포함한다. 졸-겔 유래된 연마 입자의 예는, 미국 특허 제4,314,827호(레이테이서(Leitheiser) 등); 미국 특허 제4,623,364호(코트링거(Cottringer) 등), 미국 특허 제4,744,802호(슈바벨(Schwabel)); 미국 특허, 제4,770,671호(먼로(Monroe) 등) 및 미국 특허 제4,881,951호(먼로 등)에서 찾아볼 수 있다. 연마 입자는 예를 들어 미국 특허 제4,652,275호(블뢰처(Bloecher) 등) 또는 미국 특허 제4,799,939호(블뢰처 등)에 기재된 것과 같은 연마 응집물을 포함할 수 있음이 또한 고려된다.

연마 입자는, 예를 들어 접합된 연마 용품 전체에 걸쳐 균일하게 또는 불균일하게 분포될 수 있다. 예를 들어, 만일 접합된 연마 휠이 연삭 휠 또는 절삭 휠이면, 연마 입자는 중간(예를 들어, 연삭 또는 절삭 휠의 외부 면으로부터 멀리 위치됨)을 향해 집중되거나, 또는 연삭 또는 절삭 휠의 외부 모서리에만, 즉 주연부에만 집중될 수 있다. 다른 변형에서는, 제1 연마 입자가 휠의 한 면에 있고 반대 면에는 다른 연마 입자가 있을 수 있다. 그러나, 전형적으로 모든 연마 입자는 서로 간에 균질하게 분포되는데, 이는 휠의 제조가 더욱 쉽고, 절단 효과가 두 유형의 연마 입자가 서로 가까이 위치될 때 최적화되기 때문이다.

본 발명에 따른 접합된 연마 용품은, 다른 구성요소의 중량 범위 요건이 충족되는 것을 조건으로, 상기에 언급된 것들을 넘어 추가의 연마 입자를 포함할 수 있다. 예에는 용융 산화알루미늄(용융 알루미나-지르코니아 포함), 브라운 산화알루미늄, 블루 산화알루미늄, 탄화규소(그린 탄화규소 포함), 석류석, 다이아몬드, 입방정계 질화붕소, 탄화붕소, 크로미아, 세리아, 및 그 조합이 포함된다.

연마 입자를 선택적으로 하나 이상의 커플링제로 처리하여 연마 입자의 결합재에의 부착성을 향상시킬 수 있다. 연마 입자는 결합 재료와 조합되기 전에 커플링제(들)로 처리될 수 있거나, 또는 커플링제를 결합 재료에 포함시킴으로써 원위치에서 표면 처리될 수 있다. 커플링제는 연마 분야의 당업자에게 잘 알려져 있다. 커플링제의 예에는 유기실란 커플링제 (예를 들어, 감마-아미노프로필트라이에톡시실란), 티타네이트 및 지르코네이트가 포함된다.

일부 실시 형태에서, 본 발명에 따른 접합된 연마 용품은 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌 입자, 빙정석, 염화나트륨, FeS₂(이황화철), 또는 KBF₄와 같은 추가의 연삭 보조제를 다른 구성요소의 중량 범위 요건이 충족되는 것을 조건으로, 전형적으로 1 내지 25 중량%, 더 전형적으로 10 내지 20 중량%의 양으로 함유한다. 연삭 보조제는, 일반적으로 절단 계면의 온도를 감소시킴으로써, (예를 들어, 냉각제 없이 건식으로 사용될 때) 접합된 연마제의 절단 특성을 개선시키기 위하여 첨가된다. 연삭 보조제는 단일 입자 또는 연삭 보조 입자들의 응집물의 형태일 수 있다. 정확하게 형상화된 연삭 보조 입자의 예가 미국 특허 공개 제2002/0026752 A1호(쿨러 등)에 교시되어 있다.

결합 재료는 예를 들어 미국 일리노이주 시카고 소재의 유니바르 유에스에이, 인크.(UNIVAR USA, Inc.)로부터 샌티사이저(SANTICIZER) 154 플라스티사이저(PLASTICIZER)로서 입수가능한 것과 같은 하나 이상의 가소제를 선택적으로 함유할 수 있다.

본 발명에 따른 접합된 연마 용품은, 다른 구성요소의 중량 범위 요건이 충족되는 것을 조건으로, 예를 들어 충전제 입자와 같은 추가 구성요소를 함유할 수 있다. 충전제 입자는 공간을 차지하고/하거나 다공성을 제공하기 위해 첨가될 수 있다. 다공성은 접합된 연마 용품이 새로운 또는 닳지 않은 연마 입자를 노출시키기 위해 사용되거나 마모된 연마 입자를 배출하도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 접합된 연마 용품은 임의의 범위의 다공성, 예를 들어 약 1 부피% 내지 50 부피%, 전형적으로 1 부피% 내지 40 부피%의 다공성을 갖는다. 충전제의 예는 버블 및 비드(예를 들어, 유리, 세라믹(알루미나), 점토, 중합체, 금속), 코르크, 석고, 대리석, 석회암, 플린트, 실리카, 규산알루미늄, 및 그 조합을 포함한다.

본 발명에 따른 접합된 연마 용품은 임의의 적합한 방법에 따라 제조될 수 있다. 한 가지 적합한 방법에서, 세라믹 형상화 연마 입자는 경화성 레졸 페놀계 물질과의 혼합 이전에 커플링제로 코팅된다. 커플링제의 양은 일반적으로 연마 입자의 매 50 내지 84부당 0.1 내지 0.3부의 양으로 존재하도록 선택되지만, 이 범위 밖의 양 또한 사용될 수 있다. 생성된 혼합물에 경화성 노볼락 페놀 수지 및 빙정석뿐만 아니라 액체 수지도 첨가한다. 혼합물은 실온에서 주형 내로 (예를 들어, 21.9 ㎫(224 ㎏/㎠(4인치 직경당 20톤))의 인가 압력에서) 가압된다. 이어서, 성형된 휠을 경화성 페놀 수지를 경화하기에 충분한 시간 동안 최대 약 185℃의 온도에서 가열하여 경화시킨다.

본 발명에 따른 접합된 연마 용품은, 예를 들어 연삭 휠 및 절삭 휠로서 유용하다.

연삭 휠은 전형적으로 두께가 0.5 ㎝ 내지 100 ㎝, 더 전형적으로 1 ㎝ 내지 10 ㎝이며, 전형적으로 직경이 약 1 ㎝ 내지 100 ㎝, 더 전형적으로 약 10 ㎝ 내지 100 ㎝이지만, 다른 치수가 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 접합된 연마 용품은 일반적으로 직경이 10 내지 15 ㎝인 컵 휠(cup wheel)의 형태일 수 있거나, 또는 직경이 최대 100 ㎝인 스내깅 휠(snagging wheel)의 형태일 수 있거나, 또는 또한 직경이 최대 약 25 ㎝인 중앙이 움푹한 연삭 휠의 형태일 수 있다. 절삭 휠을 전동 공구에 부착시키기 위해 선택적인 중심 구멍이 사용될 수 있다. 만일 존재하면, 중심 구멍은 전형적으로 직경이 0.5 ㎝ 내지 2.5 ㎝이지만, 다른 크기가 사용될 수 있다. 선택적인 중심 구멍은 예를 들어 금속 플랜지(flange)에 의해 강화될 수 있다. 대안적으로, 기계 체결구는 절삭 휠의 한 표면에 축방향으로 고정될 수 있다. 예에는 나사가공된 포스트(threaded post)가 포함된다.

절삭 휠은 전형적으로 두께가 0.80 밀리미터(㎜) 내지 16 ㎜, 더 전형적으로 1 ㎜ 내지 8 ㎜이며, 전형적으로 직경이 2.5 ㎝ 내지 100 ㎝ (40 in), 더 전형적으로 약 7 ㎝ 내지 13 ㎝이지만, 다른 치수가 또한 사용될 수 있다. 절삭 휠을 전동 공구에 부착시키기 위해 선택적인 중심 구멍이 사용될 수 있다. 만일 존재하면, 중심 구멍은 전형적으로 직경이 0.5 ㎝ 내지 2.5 ㎝이지만, 다른 크기가 사용될 수 있다. 선택적인 중심 구멍은 예를 들어 금속 플랜지에 의해 강화될 수 있다. 대안적으로, 기계 체결구는 절삭 휠의 한 표면에 축방향으로 고정될 수 있다. 예에는 나사가공된 포스트, 나사가공된 너트, 티네르만 너트(Tinnerman nut), 및 바요넷 마운트 포스트(bayonet mount post)가 포함된다.

선택적으로, 본 발명에 따른 접합된 연마 용품은 접합된 연마 용품을 강화하는, 예를 들어 접합된 연마 용품의 하나 또는 2개의 주 표면 상에 배치된 또는 접합된 연마 용품 내에 배치된 스크림을 추가로 포함할 수 있다. 스크림의 예는 직조 또는 편직 천을 포함한다. 스크림 내의 섬유는 유리 섬유(예를 들어, 섬유유리), 유기 섬유, 예를 들어, 폴리아미드, 폴리에스테르, 또는 폴리이미드로 제조될 수 있다. 몇몇 경우에, 섬유가 접합된 연마 용품 전체에 걸쳐 균일하게 분산되도록 접합 매체 내에 보강 스테이플 섬유를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명에 따른 접합된 연마 용품은, 예를 들어 공작물을 연마하는 데 유용하다. 예를 들어, 이는 공작물에 대한 열 손상을 피할 수 있는 상대적으로 낮은 작업 온도를 유지하는 한편 우수한 연삭 특징을 나타내는 연삭 또는 절삭 휠로 형성될 수 있다.

접합된 연마 연삭 휠은 예를 들어 미국 밀워키 수 소재의 인게르솔-란드(Ingersoll-Rand) 및 미국 사우스캐롤라이나주 렉싱턴 소재의 쿠퍼 파워 툴즈(Cooper Power Tools)로부터 입수가능한 것들과 같은 임의의 직각 연삭 공구에서 사용될 수 있다. 상기 공구는 일반적으로 약 1000 내지 50000 RPM의 속도로 전기 또는 공압 구동될 수 있다.

사용 중에, 접합된 연마 휠은 건식으로 또는 습식으로 사용될 수 있다. 습식 연삭 중에, 접합된 연마 휠은 물, 오일계 윤활제, 또는 수계 윤활제와 함께 사용된다. 본 발명에 따른 접합된 연마 휠은 예를 들어 탄소강 시트 또는 바아 스톡(bar stock), 그리고 더욱 특이한 금속(예를 들어, 스테인리스강 또는 티타늄)과 같은 다양한 공작물 재료에서 또는 더 연성이고 철을 더 많이 함유하는 금속(예를 들어, 연강, 저 합금 강, 또는 주철)에서 특히 유용할 수 있다.

본 발명의 목적 및 이점은 하기의 비제한적인 실시예에 의해 추가로 예시되지만, 이들 실시예에 인용된 특정 물질 및 그 양뿐만 아니라 기타 조건이나 상세 사항은 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

실시예

달리 언급되지 않는다면, 실시예 및 명세서의 나머지 부분에서의 모든 부, 백분율, 비 등은 중량 기준이다. 실시예에서의 표에서, "NA"는 적용가능하지 않음(not applicable)을 의미한다.

실시예에 사용되는 재료

[표 1]

세라믹 형상화 연마 입자 SAP1-SAP3의 제조에 사용한 주형의 설명

SAP1 - SAP3의 입자의 제조에 사용한 주형은 독일 글라트베크 소재의 엔비전테크 게엠베하(envisionTEC GmbH)가 제작한, 퍼팩토리(PERFACTORY) SXGA+ W/ERM 미니 멀티 렌즈 스테레오리소그래피(MINI MULTI LENS STEREOLITHOGRAPHY) 장치로 알려진 신속 프로토타입 제조 장치에 의해 생성하였다. 엔비전테크 기계는 초점 거리가 60 ㎜인 투사 렌즈(projector lens)로 구성되었다. 이들 주형을 만드는 데 사용한 수지는 엔비전테크 R5였다. SAP1에 있어서, 정사면체형 공동의 모서리 길이는 3 ㎜였다. SAP3에 있어서, 정사면체형 공동의 모서리 길이는 2 ㎜였다. SAP2에 있어서, 정사면체는 모서리 길이가 3 ㎜이며, 이때 측면은 각각의 공동 면(cavity side)의 중심에서 0.14 ㎜의 벌지(bulge)를 갖는다 (즉, 각각의 3개의 공동 벽들 상에 0.14 ㎜의 벌지를 가지며, 이는 연마 입자의 상응하는 면 상에 오목부를 생성하게 된다).

세라믹 형상화 연마 입자 SAP4-SAP5의 제조에 사용한 주형의 설명

SAP4의 입자의 제조에 사용한 주형은 조밀한 정삼각형 형상의 개구(변의 길이 (피치) = 0.9429 ㎜)를 갖는 정사면체 공동들의 어레이(array)였다. 각각의 정사면체 공동은 깊이가 0.8171 ㎜였고 드래프트각(draft angle)이 77.5도였다. 개구들 사이의 랜드 영역(land area)은 폭이 0.0508 ㎜였다.

SAP5의 입자의 제조에 사용한 주형은 조밀한 정삼각형 형상의 개구(변의 길이 (피치) = 1.5918 ㎜)를 갖는 정사면체 공동들의 어레이였다. 각각의 정사면체 공동은 깊이가 1.3571 ㎜였고 드래프트각이 77.5도였다. 개구들 사이의 랜드 영역은 폭이 0.1016 ㎜였다.

비교용 세라믹 형상화 연마 입자 SAPA - SAPC 의 제조에 사용한 주형의 설명:

주형은 3개의 모든 변이 동일한 길이를 갖는 조밀한 형상의 삼각형 공동들을 가졌다 (즉, 공동은 절두형 삼각뿔의 형상을 가졌다). SAPA 및 SAPB의 제조에 사용한 주형 공동들의 변의 길이는 2.79 ㎜ (110 밀(mil))였다. SAPA 및 SAPB의 경우, 주형은 주형 공동이 삼각형의 한 변과 90도 각도로 교차하는, 공동의 바닥 표면으로부터 융기하는 평행한 릿지(ridge)를 갖도록 제작되었다. 평행한 릿지는 0.277 ㎜ (10.9 mil) 이격되었으며, 릿지의 단면은 높이가 0.0127 ㎜ (0.5 mil)이고 팁에서의 각 릿지의 측면들 사이의 각도가 45도인 삼각형 형상이었다. SAPA의 경우, 측벽 깊이는 0.91 ㎜ (36 mil)였다. SAPB의 경우, 주형은 주형 공동이 삼각형의 한 변과 90도 각도로 교차하는, 주형 공동의 바닥 표면으로부터 돌출하는 평행한 릿지를 갖도록 제작되었다. 평행한 릿지는 0.10 ㎜ (3.9 mil) 이격되었으며, 릿지의 단면은 높이가 0.0032 ㎜ (0.126 mil)이고 팁에서의 각 릿지의 측면들 사이의 각도가 45도인 삼각형 형상이었다. SAPB의 경우, 측벽 깊이는 0.46 ㎜ (18 mil)였다.

SAPC: SAPC의 제조에 사용한 주형 공동들의 변의 길이는 1.66 ㎜ (65 mil)였다. 측벽 깊이는 0.80 ㎜ (31mil)였다. 주형 공동은 삼각형의 한 변과 90도의 각도로 교차하는, 바닥으로부터 융기하는 평행한 릿지를 가졌다. 평행한 릿지는 0.150 ㎜ (5.9 mil) 이격되었으며, 릿지의 단면은 높이가 0.0127 ㎜ (0.5 mil)이고 팁에서의 각 릿지의 측면들 사이의 각도가 30도인 삼각형 형상이었다.

SAPA - SAPC의 경우, 사면각(slope angle) (즉, 주형 공동들의 밑면(base)과 각 측벽(sidewall) 사이에 형성된 이면각(dihedral angle))은 98도였다.

곡률 반경을 측정하기 위한 방법

모든 샘플에 대한 곡률 반경을 하기 방법에 따라 측정하였다: 세라믹 형상화 연마 입자는 세라믹 형상화 연마 입자의 밑면 및 정점(top)을 연결하는 측면 모서리를 따르는 곡률 반경이 50 마이크로미터 이하이다. 곡률 반경은, 예를 들어 캐나다 퀘벡주 롱게일 소재의 클레멕스 테크놀로지즈, 인크.(Clemex Technologies, Inc.)로부터 입수가능한 클레멕스 비젼 피이(CLEMEX VISION PE) 이미지 분석 프로그램 - 도립 현미경 또는 다른 적합한 이미지 분석 소프트웨어/장비와 인터페이스됨 - 을 이용하여 상부 및 하부 표면들 사이에서 취해진 연마면(polished cross-section)으로부터 측정하였다. 형상화 연마 입자의 각 점에 대한 곡률 반경은 (예컨대, 100배 배율로) 단면으로 볼 때 각 점의 팁에 3개의 점을 형성함으로써 측정하였다. 제1 점은 직선 에지로부터 곡선의 시작점으로 변화하는 부분(transition)이 있는 팁 곡선의 시작부에 위치시켰고, 제2 점은 팁의 정점부에 위치시켰고, 제3 점은 곡선의 팁으로부터 다시 직선 에지로 변화하는 부분에 위치시켰다. 이어서, 이미지 분석 소프트웨어가 3개의 점(곡선의 시작점, 중간점 및 끝점)에 의해 한정되는 호(arc)를 그리고 곡률 반경을 계산한다. 적어도 30개의 정점부에 관한 곡률 반경이 측정 및 평균되어 평균 팁 반경을 결정한다.

입자 길이를 측정하기 위한 방법

치수는 미국 캘리포니아주 토렌스 소재의 www.BigC.com로부터 입수된 구매 가능한 "AM413ZT 디노-라이트 프로(DINO-LITE PRO)" 디지털 현미경을 이용하여 측정하였다. 각 배치(batch)의 5개의 입자를 평평하게 놓고 100배 배율로 이미지를 촬영하였다. 각 입자의 3개의 모든 변의 길이는 디지털 카메라의 내장된 컴퓨터 소프트웨어를 이용하여 측정하였다. 이러한 15개의 길이 측정치들의 평균을 그 표준 편차와 함께 계산하였다.

SAP1 - SAP5 연마 입자에 대한 입자 두께를 측정하기 위한 방법

입자 두께는, 정사면체의 기하학적 특성에 따라, 측정된 입자 길이로부터 계산하였다.

SAPA - SAPC 연마 입자에 대한 입자 두께를 측정하기 위한 방법

연마 입자의 치수는 미국 캘리포니아주 토렌스 소재의 www.BigC.com로부터 입수할 수 있는 구매 가능한 "AM413ZT 디노-라이트 프로" 디지털 현미경을 이용하여 측정하였다. 평균 입자 두께는, 각 유형의 5개의 입자들을 옆으로 (평평한 측면이 테이블 표면에 수직하게) 설치하고 입자 측면을 100배 배율로 이미지를 촬영함으로써 측정하였다. 각 모서리에 근접한 중앙의 입자 두께는, 제공된 소프트웨어의 커서(cursor)를 이용하여 각 면에 대해 측정하였다. 이어서, 이 입자들을 테이블 표면에 수직하게 120도 회전시켰고, 3개의 높이 측정치를 제2 측면 및 제3 측면에 대해 각각 얻었다. 따라서, 9개의 입자 두께 측정치를 각 샘플에 대해 얻었고, 즉 5개의 입자에 대해 총 45개의 측정치를 얻었다. 평균 및 표준 편차를 계산하였다.

연삭 시험 (총 절삭량, 10 사이클)

시험을 위한 예시적인 휠을 왕복 운동하는 연삭기 상에 설치하였다. 사전 칭량된 시험 공작물은 400 ㎜ × 50 ㎜ × 7 ㎜의 1018 강 쿠폰(coupon)이고 공작물의 수평 상부 표면에 대해 15도의 각도로 연삭 휠에 의해 결합되도록 설치하였다. 공작물은 400 ㎜ × 7 ㎜ 측면으로 서 있도록 설치하였다. 연삭 휠을 6000 RPM으로 회전시키도록 연삭기를 작동시켰다. 회전하는 연삭 휠을 15.24 ㎝/s (6 인치/초)의 속도로 공작물의 긴 치수를 가로질러 이동하면서 시험 공작물 쪽으로 58 N의 힘으로 밀었다. 시험 사이클은 1분이었다. 시험 공작물은 제1, 제5 및 제10 사이클 후에 칭량하였다. 10회의 1분 연삭 사이클 후, 제거된 공작물의 총 중량을 측정하였고, 이를 총 절삭량, 10 사이클로서 보고하였다.

절삭 시험

예시적인 절삭 휠은 230 V, 105 ㎜ (4 in) 보쉬(Bosch) 연삭기 모델 GWS 6-100 (공칭 rpm 10,000)을 장착한 마테르니니 절삭 시험기, 모델 PTA 100/230 (다비드 마테르니니 SPA, 이탈리아 말나트 소재)에서 시험하였다. 절삭 시험기는 하기의 파라미터에서 이용하였다: 시험 프로그램 100-SS-R, 절삭 전류 3.5A, 계수 kp = 15, 계수 kd = 30. 공작물은 16 ㎜의 중실 스테인레스 강 봉(rod)이었다. 평균 절삭 시간 및 절삭 횟수 둘 모두는 절삭 휠의 직경이 90 ㎜에 도달할 때까지 기록하였다.

REO-도핑된 세라믹 형상화 연마 입자 (SAP1 -SAP5 및 SAPA -SAPC)의 제조

베마이트 졸-겔의 샘플을 하기 방법을 사용하여 제조하였다: 사솔 노스 아메리카, 인크.(Sasol North America, Inc.)로부터 디스페랄(DISPERAL)로 입수가능한 산화알루미늄 1수화물 분말 (1600부)을 11분 동안 70% 수성 질산 (72부)과 물 (2400부)을 함유하는 용액의 고 전단 혼합에 의해 분산시켰다. 생성된 졸-겔을 코팅 전에 적어도 1시간 동안 에이징하였다. 졸-겔을 상기에 보고한 치수의 삼각형 주형 공동을 갖는 제조 공구 내로 밀어넣었다.

졸-겔을 퍼티용 나이프(putty knife)로 공동 내로 밀어넣어 제조 공구의 개구를 완전히 충전하였다. 주형 이형제인, 메탄올 중 1% 땅콩유를 사용하여 제조 공구를 코팅하였으며, 이때 약 0.08 mg/㎠(0.5 ㎎/in2)의 땅콩유를 제조 공구에 적용하였다. 제조 공구의 시트를 45℃에서 5분 동안 공기 대류식 오븐 내에 둠으로써 여분의 메탄올을 제거하였다 . 졸-겔 코팅된 제조 공구를 45℃의 공기 대류식 오븐 내에 45분 이상 동안 두어 건조시켰다. 제조 공구를 초음파 혼 위로 통과시켜 제조 공구로부터 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자를 제거하였다. 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자를 대략 650℃에서 하소시켰다. 하소된 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자를 1.4%의 MgO, 1.7%의 Y₂O₃, 5.7%의 La₂O₃ 및 0.07%의 CoO를 포함하는 대안적인 희토류 산화물(rare earth oxide; REO) 용액으로 함침시켰다. 70 그램의 REO 용액 내에서, 미국 펜실베이니아주 피츠버그 소재의 알마티스(Almatis)로부터 입수가능한 1.4 그램의 하이드랄 코트(HYDRAL COAT) 5 분말(대략 0.5 마이크로미터의 평균 입자 크기)을 개방 비이커(open beaker) 내에서 교반함으로써 이를 분산시킨다. 이어서, REO 용액 중 71.4 그램의 하이드랄 코트 5 분말의 분산물로 약 100 그램의 하소된 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자를 함침시킨다. 이어서, 함침되고 하소된 전구체형 세라믹 형상화 연마 입자를 다시 650℃에서 하소시킨 후 대략 1400℃에서 최종 경도로 소결시켰다. 하소 및 소결 둘 모두를 관형 회전로를 사용하여 수행하였다. 생성된 조성물은 1 중량%의 MgO, 1.2 중량%의 Y₂O₃, 4 중량%의 La₂O₃ 및 0.05 중량%의 CoO를 함유하고, 미량의 TiO₂, SiO₂, 및 CaO를 포함하는 알루미나 조성물이었다. 생성된 연마 입자 치수는 표 2 (하기)에 보고되어 있다.

[표 2]

실시예 1 내지 3 및 비교예 A 내지 C

실시예 1 내지 3 및 비교예 A 내지 C의 연삭 휠을 제작하여 다양한 기하학적 형상의 입자를 105 ㎜(4 in) 연삭 휠 내로 혼입하는 것의 효과를 입증하였다.

실시예 1에서, 방사상으로 층화된 강화된 휠을 제작하였으며, 이는 방사상 내부(휠의 반경의 80%, 통상적인 접합된 연마 조성물을 포함함) 및 시험 조성물의 원주형 밴드(휠의 20%)를 가졌다. 비교 조성물 또는 본 발명의 이 원주 밴드(예를 들어 "타이어")는 각각의 휠의 둘레를 따라 두께가 1.0 ㎝였다.

실시예 1의 내부의 80%의 조성물을, 완성된 연삭 휠 중량을 기준으로, 44부의 AP1, 3.8부의 AP2, 및 2.48부의 AP3을 조합함으로써 제조하였다. 교반하면서 4.4부의 PR1을 첨가하고, 이어서 13.88부의 PR2 및 12부의 CRY를 첨가하였다. 외부(원주)의 20%의 밴드를 5.5부의 SAP1, 5.5부의 AP1, 0.95부의 AP2, 및 0.62부의 AP3을 조합함으로써 제조하였다. 교반하면서 1.1부의 PR1을 첨가하고, 이어서 3.47부의 PR2 및 3부의 CRY를 첨가하였다. 방사상 층화 믹스를 105 ㎜ 직경의 다이 내의 SM의 층들 사이에 개재시키고, 22.6 ㎫(230 ㎏/㎠(20톤/12.27 in²))의 압력으로 단일 공동 프레스에서 가압하였다. 이어서 연삭 휠을 금속 플레이트들 사이에 위치시키고, 테플론(TEFLON) 코팅된 시트에 의해 분리시키고, 경화 오븐 내에 두었다. 약 40시간의 경화 사이클(세그먼트 1: 설정점: 78.8℃ (174℉), 4분에 걸친 증가, 7시간 동안 침지; 세그먼트 2: 설정점: 107℃ (225℉), 4시간 20분에 걸친 증가, 3시간 동안 침지; 세그먼트 3: 설정점: 185℃ (365℉), 3시간 15분에 걸친 증가, 18시간 동안 침지; 세그먼트 4: 설정점: 26.6℃ (80℉), 4시간 27분에 걸친 감소, 5분 동안 침지) 후, 22.2 ㎜(7/8 in) 중심 구멍을 다이아몬드 드릴을 사용하여 뚫고, 연삭 휠을 98 ㎜ 직경으로 조정하였다.

표 3에 예시한 바와 같이 조성을 조정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시예 2 내지 3 및 비교예 A 내지 C를 제조하였다.

비교예 D

비교예 D는 하기 표 3에 예시한 바와 같이 그 조성이 전체에 걸쳐 균일한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조한 휠이었다. 비교예 D의 연삭 휠은 파쇄된 연마 입자만을 함유하였다.

[표 3]

실시예 4 및 실시예 5와 비교예 E

실시예 4 및 실시예 5와 비교예 E의 절삭 휠을 제작하여 다양한 기하학적 형상의 입자를 105 ㎜(4 in) 절삭 휠 내로 혼입하는 것의 효과를 입증하였다.

실시예 4에 있어서, 5.5부의 AP1, 5.5부의 SAP4, 0.95부의 AP2 및 0.62부의 AP3을 1.1부의 PR1과 혼합하였다. 한편, 3.47부의 PR2, 3.0부의 CRY를 함께 혼합하였다. 상기 건조 분말 혼합물을 수지와 연마 입자의 습윤 혼합물에 서서히 첨가하였다. 미국 매사추세츠주 시루즈베리 소재의 인더스트리얼 폴리머즈 앤드 케미칼즈로부터 3321로 획득한 105 ㎜(4 in) 직경의 유리 섬유 스크림(SM)을 수압식 프레스 기계(hydraulic press machine)의 주형 내에 넣었다. 20 g의 광물/수지 믹스를 스크림의 상부 상의, 수압식 프레스 기계의 주형 내에 넣었다. 제2 스크림을 상기 믹스 조성물의 상부 상에 위치시키고, 22.6 ㎫ (230 ㎏/㎠ (20 톤/12.27 in²))의 압력에서 단일 공동 주형에서 가압하였다. 이어서 절삭 휠을 금속 플레이트들 사이에 위치시키고, 테플론 코팅된 시트에 의해 분리시키고, 경화 오븐 내에 두었다. 약 40시간의 경화 사이클(세그먼트 1: 설정점: 78.8℃ (174℉), 4분에 걸친 증가, 7시간 동안 침지; 세그먼트 2: 설정점: 107℃ (225℉), 4시간 20분에 걸친 증가, 3시간 동안 침지; 세그먼트 3: 설정점: 185℃ (365℉), 3시간 15분에 걸친 증가, 18시간 동안 침지; 세그먼트 4: 설정점: 26.6℃ (80℉), 4시간 27분에 걸친 감소, 5분 동안 침지) 후, 최종 절삭 휠의 치수는 104.03 - 104.76 ㎜ × 1.34-1.63 ㎜ × 9.5 ㎜였다.

절삭 휠을 절단 시험에 따라 시험하였다. 결과가 표 4에 보고되어 있다.

표 4에 예시한 바와 같이 조성을 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 4와 동일하게 실시예 5 및 비교예 E를 제조하였다.

휠의 소모 전에 성취된 절삭당 평균 시간 및 절삭 횟수에 대한 비교 시험 결과가 표 4(하기)에 예시되어 있다.

[표 4]

본 명세서에서 언급된 모든 특허 및 간행물은 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된다. 본 명세서에서 주어진 모든 실시예는 달리 표시되지 않는다면 비제한적인 것으로 간주되는 것이다. 본 발명의 다양한 수정 및 변경은 본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어남이 없이 당업자에 의해 행해질 수 있으며, 본 발명이 본 명세서에 기술된 예시적인 실시 형태들로 부당하게 제한되지 않음을 이해하여야 한다.

Claims

결합재 중에 보유된 세라믹 형상화 연마 입자를 포함하는 연마 용품으로서, 상기 세라믹 형상화 연마 입자는 6개의 공통 모서리에 의해 연결된 4개의 주요 면들을 가지고, 4개의 주요 면들 중 각각의 면은 4개의 주요 면들 중 3개의 다른 면과 접촉하며, 4개의 주요 면들 모두는 오목형이고, 6개의 공통 모서리는 사실상 동일한 길이를 가지며, 연마 용품은 접합된 연마 휠을 포함하는, 연마 용품.
공작물을 연마하는 방법으로서,
제1항의 연마 용품의 세라믹 형상화 연마 입자의 적어도 일부분을 공작물의 표면과 마찰 접촉시키는 단계; 및
공작물 또는 연마 용품 중 적어도 하나를 움직여 공작물의 표면의 적어도 일부분을 연마하는 단계를 포함하는 방법.
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