KR101863969B1

KR101863969B1 - 이중 테이퍼진 성형된 연마 입자

Info

Publication number: KR101863969B1
Application number: KR1020127016682A
Authority: KR
Inventors: 네거스 비 아데프리스; 에리히 제이 브라운슈바이그; 스티븐 제이 케이퍼트
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2018-06-01
Also published as: BR112012013346B1; WO2011068714A3; CN102666017A; EP2507013A4; EP2507013B1; BR112012013346A2; KR20120114276A; WO2011068714A2; US20120227333A1; JP5651190B2; JP2013512788A; EP2507013A2; CN102666017B; US9447311B2

Abstract

성형된 연마 입자는 알파 알루미나를 포함하고 제1 측면, 제2 측면, 종방향 축을 따라 최대 길이 및 종방향 축에 대해 가로지르는 최대 폭을 갖는다. 제1 측면은 4개의 정점 및 4개의 에지를 갖는 사변형을 포함하고, 사변형은 마름모꼴, 편능형, 연 모양, 또는 초타원형으로 구성된 군으로부터 선택된다. 성형된 연마 입자는 1.3 이상의 최대 길이를 최대 폭으로 나눈 종횡비를 갖는다.

Description

이중 테이퍼진 성형된 연마 입자{DUAL TAPERED SHAPED ABRASIVE PARTICLES}

연마 입자 및 이 연마 입자로 만들어진 연마 용품은 상품의 제조과정에서 다양한 재료 및 표면을 마모시키거나, 마무리하거나 또는 연삭하는 데 유용하다. 이와 같이, 연마 입자 및/또는 연마 용품의 비용, 성능 또는 수명을 개량시키려 하는 요구가 계속될 것이다.

삼각형의 성형된(shaped) 연마 입자 및 이 삼각형의 성형된 연마 입자를 사용한 연마 용품이 버그(Berg)의 미국 특허 제5,201,916호; 로웬호스트(Rowenhorst)의 미국 특허 제5,366,523호(제Re 35,570호); 및 버그의 제5,984,988호에 개시되어 있다. 일 실시 형태에서, 연마 입자의 형상은 정삼각형을 포함하였다. 삼각형의 성형된 연마 입자는 절삭률(cut rate)이 높은 연마 용품을 제조하는데 유용하다.

성형된 연마 입자는 일반적으로 랜덤하게 분쇄된 연마 입자보다 뛰어난 성능을 가질 수 있다. 연마 입자의 형상을 제어함으로써, 연마 용품의 결과적인 성능을 제어할 수 있다. 본 발명자는 성형된 연마 입자가 이의 마주보는 단부 각각을 향하여 테이퍼지도록(이중 테이퍼짐) 성형된 연마 입자를 제조함으로써 상당히 향상된 연삭 성능 결과를 발견하였다.

성형된 연마 입자가 코팅된 연마 용품을 제조하기 위해 사용될 때, 전형적으로, 정전기장은 성형된 연마 입자를 배킹에 점착하기 위해 메이크 코트를 포함하는 수지와 접촉하도록 성형된 연마 입자를 픽업하고 이동시키는데 사용된다. 본 발명의 청구된 성형된 연마 입자의 일 이점은 더욱 더 많은 성형된 연마 입자가 배킹에 부착됨에 따라 일 꼭짓점(point)이 도 6 및 7에 도시된 바와 같이 연마 용품의 연삭 면에 존재하도록 각각의 성형된 연마 입자가 메이크 코트 내로 배향되는 경향이 있다는 것이다. 이는 성형된 연마 입자가 각각의 단부를 향하여 테이퍼지고 넓기보다는 더 길기 때문에 발생된다.

삼각형의 성형된 연마 입자가 코팅될 때, 더 많은 입자가 적용됨에 따라, 일부 삼각형은 미국 특허 제5,201,916호의 도 3에 도시된 바와 같이 연삭 면에 노출된 삼각형의 기저(base) 및 메이크 코트에 부착된 이의 꼭짓점으로 존재하는 삼각형들 사이를 충전하기 시작할 것이다. 이 효과는 연마 용품의 폐쇄형 코트 구조물 내에서 특히 두드러지며, 여기서, 실질적으로 연마 용품의 전체 연삭 면은 성형된 연마 입자로 덮인다. 일부 응용의 경우, 감소된 연삭 성능은 예컨대, 삼각형의 꼭짓점 대신에 삼각형의 기저와 같은 수평 표면이 연삭 면 내에 존재할 때 발생된다.

이중 테이퍼진 성형된 연마 입자의 그 외의 다른 이점은 향상된 충격 저항 및 감소된 쉘링(shelling)인 것으로 여겨진다. 성형된 연마 입자가 단부에서보다는 중간에 근접하여 더 넓기 때문에, 입자는 예컨대, 로드 형태의 연마 입자와 같은 일정한 단면적을 갖는 입자에 대해 향상된 강성을 가질 수 있다. 높은 종횡비의 로드 형태의 연마 입자는 예컨대, 높은 하중 하에서의 날카로운 에지를 연삭하는 것과 같이 충격에 노출 시에 이들이 메이크 및 사이즈 코트 내로 고정되는 기저에서 간단히 부러질 수 있다(snap off). 역으로, 현재 청구된 성형된 연마 입자는 상당히 더 넓은 기저를 형성하는 메이크 및 사이즈 코트 내의 대략 중간까지 매립될 수 있는데, 여기서 성형된 연마 입자가 충돌 저항을 향상시키는 코트로부터 도출된다. 게다가, 성형된 연마 입자의 상당 부분은 치근과 유사하게 메이크 및 사이즈 코트 내로 매립될 수 있어서 연마 용품으로부터 연마 입자의 감소된 쉘링(shelling)이 가능하다.

일부 실시 형태에서 또 다른 이점은 성형된 연마 입자가 마주보는 측면 상에 4개의 소면(facet) 및 정점을 포함할 수 있는 것이다. 비스듬함으로 인해 소면은 심지어 성형된 연마 입자가 메이크 코트에 부착된 후 떨어지거나 또는 메이크 코트에 더욱 수평 방향으로 직접 부착될 때 배킹에 대해 성형된 연마 입자를 기울일 수 있다(tip). 재차 이는 연삭 면, 이에 따라 성형된 연마 입자에 의해 연마되는 재료에 대해 성형된 연마 입자의 실질적으로 수평의 표면을 제공하는 것을 방지하는데 도움이 된다. 도 7에 도시된 바와 같이, H로 명시된 입자와 같이 코팅된 연마 용품의 연삭 면 내에서 수직 이외의 더욱 수평으로 놓이는 성형된 연마 입자는 역시 수평 표면 대신에 연마되는 재료와 초기에 접촉하는 지점 및 날카로운 에지를 가지며, 이에 따라 절삭 성능이 향상된다.

따라서, 일 실시 형태에서, 발명은 제1 측면, 제2 측면, 종방향 축을 따라 최대 길이 및 종방향 축에 대해 가로지르는 최대 폭을 가지며 알파 알루미나를 포함하는 성형된 연마 입자에 속하며, 제1 측면은 4개의 정점 및 4개의 에지를 갖는 사변형을 포함하고, 사변형은 마름모꼴, 편능형, 연 모양, 또는 초타원형으로 구성된 군으로부터 선택되고, 최대 길이를 최대 폭으로 나눈 종횡비는 1.3 이상이다.

당업자라면 본 개시 내용이 예시적인 실시 형태의 설명일뿐 본 개시 내용의 보다 넓은 태양들을 한정하려는 것은 아니며, 이 예시적인 구성에서 보다 넓은 태양들이 구현된다는 것을 이해할 것이다.
<도 1a, 1b 및 도 1c>
도 1a, 1b 및 도 1c는 성형된 연마 입자의 일 실시 형태의 제1 측면, 제2 측면 및 측면도.
<도 2a, 2b 및 도 2c>
도 2a, 2b 및 도 2c는 성형된 연마 입자의 또 다른 실시 형태의 제1 측면, 제2 측면 및 측면도.
<도 3a, 3b 및 도 3c>
도 3a, 3b 및 도 3c는 성형된 연마 입자의 또 다른 실시 형태의 제1 측면, 제2 측면 및 측면도.
<도 4a, 4b 및 도 4c>
도 4a, 4b 및 도 4c는 성형된 연마 입자의 또 다른 실시 형태의 제1 측면, 제2 측면 및 측면도.
<도 5a, 5b 및 도 5c>
도 5a, 5b 및 도 5c는 성형된 연마 입자의 또 다른 실시 형태의 제1 측면, 제2 측면 및 측면도.
<도 6>
도 6은 도 1의 성형된 연마 입자로부터 제조된 코팅된 연마 용품을 도시하는 도면.
<도 7>
도 7은 도 1의 성형된 연마 입자로부터 제조된 코팅된 연마 용품의 연삭 면의 현미경 사진.
<도 8>
도 8은 -50/+60 우 마름모꼴 피라미드형의 성형된 연마 입자 대 분쇄된 입자의 현미경 사진.
<도 9>
도 9는 -70/+80 우 마름모꼴 피라미드형의 성형된 연마 입자(도 1) 대 분쇄된 입자에 대한 사이클의 함수로서의 절삭률의 그래프.
<도 10>
도 10은 -70/+80 우 마름모꼴 피라미드형의 성형된 연마 입자(도 1) 대 분쇄된 입자에 대한 사이클의 함수로서의 누적 절삭량의 그래프.
<도 11>
도 11은 -60/+70 우 마름모꼴 피라미드형의 성형된 연마 입자(도 1) 대 분쇄된 입자에 대한 사이클의 함수로서의 절삭률의 그래프.
<도 12>
도 12는 -60/+70 우 마름모꼴 피라미드형의 성형된 연마 입자(도 1) 대 분쇄된 입자에 대한 사이클의 함수로서의 누적 절삭량의 그래프.
<도 13>
도 13은 분쇄된 입자를 갖는 30%의 -50/+60 우 마름모꼴 피라미드형의 성형된 연마재(도 1) 대 100%의 분쇄된 입자에 대한 사이클의 함수로서의 절삭률의 그래프.
<도 14>
도 14는 스테인리스 스틸 상의 도 3의 성형된 연마 입자에 대한 사이클의 함수로서 절삭률의 그래프.
<도 15>
도 15는 스테인리스 스틸 상의 도 1의 성형된 연마 입자에 대한 사이클의 함수로서 절삭률의 그래프.
<도 16>
도 16은 스테인리스 스틸 상에 2개의 평행한 정삼각형 면을 갖는 성형된 연마 입자에 대한 사이클의 함수로서 절삭률의 그래프.
<도 17>
도 17은 마일드 스틸 상의 도 3의 성형된 연마 입자에 대한 사이클의 함수로서 절삭률의 그래프.
<도 18>
도 18은 마일드 스틸 상의 도 1의 성형된 연마 입자에 대한 사이클의 함수로서 절삭률의 그래프.
<도 19>
도 19는 스테인리스 스틸 상에 2개의 평행한 정삼각형 면을 갖는 성형된 연마 입자에 대한 누적 절삭량의 함수로서 절삭률의 그래프.
본 명세서 및 도면에서 도면 부호를 반복하여 사용하는 것은 본 발명의 동일하거나 유사한 특징 또는 요소를 나타내려는 것이다.
정의
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "포함하다", "갖다", 및 "포함되다"라는 단어의 형태는 법률적으로 동등하며 제한이 없다. 따라서, 열거한 요소, 작용, 단계 또는 한정 이외에도 추가의 열거되지 않은 요소, 작용, 단계 또는 한정이 존재할 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "연마 분산액(abrasive dispersion)"이라는 용어는 주형 공동(mold cavity) 내로 도입되는 알파 알루미나로 변환될 수 있는 알파 알루미나 전구체를 의미한다. 이 조성물은 충분한 휘발성 성분이 제거되어 연마 분산액을 응고시킬 때까지 연마 분산액으로 지칭된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "전구체 성형된 연마 입자(precursor shaped abrasive particle)"라는 용어는, 주형 공동 내에 있을 때 연마 분산액으로부터 충분한 양의 휘발성 성분을 제거하여, 주형 공동으로부터 제거되고 후속의 처리 작업에서 몰딩된 형상을 실질적으로 유지할 수 있는 응고체를 형성함으로써 생성되는 소결되지 않은 입자를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "성형된 연마 입자"라는 용어는 연마 입자의 적어도 일부가, 전구체 성형된 연마 입자를 형성하는 데 사용되는 주형 공동으로부터 복제된 소정의 형상을 갖는 세라믹 연마 입자를 의미한다. (예를 들어, 미국 가출원 제61/016,965호에 기재된 것과 같은) 연마 파편의 경우를 제외하고는, 성형된 연마 입자는 일반적으로 성형된 연마 입자를 형성하는 데 사용되었던 주형 공동을 실질적으로 복제하는 소정의 기하학적 형상을 가질 것이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이 성형된 연마 입자는 기계적 파쇄 작업에 의해 얻어지는 연마 입자를 배제한다.

이중 테이퍼진 성형된 연마 입자( Dual Tapered Shaped Abrasive Particles )

도 1 내지 도 5를 참조하면, 예시적인 이중 테이퍼진 성형된 연마 입자(20)가 도시된다. 성형된 연마 입자(20)가 제조되는 재료는 알파 알루미나를 포함한다. 알파 알루미나 입자는 나중에 본 명세서에서 논의되는 바와 같이 겔화되고, 소정 형상으로 몰딩되며, 그 형상을 유지하도록 건조되고, 하소되며, 이어서 소결되는 알루미늄 옥사이드 모노하이드레이트의 분산액으로부터 제조될 수 있다. 성형된 연마 입자의 형상은 결합제(binder)를 필요로 함이 없이 유지되어, 이어서 성형된 구조체로 형성되는 결합제 내의 연마 입자를 포함하는 응집물(agglomerate)을 형성한다.

일반적으로, 성형된 연마 입자(20)는 제1 측면(24) 및 제2 측면(26)을 갖고 두께(T)를 갖는 얇은 본체를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 두께(T)는 약 5 마이크로미터 내지 약 1 밀리미터 범위이다. 일부 실시 형태에서, 제1 측면(24)과 제2 측면(26)은 도 3에 도시된 바와 같이 90도 이외의 드래프트각 α를 갖는 경사진 측벽일 수 있는 적어도 하나의 측벽(28)에 의해 서로 연결된다. 일부 실시 형태에서, 하나 초과의 경사진 측벽(28)이 존재할 수 있으며, 각각의 경사진 측벽(28)에 대한 기울기 또는 각도는 발명의 명칭이 "경사진 측벽을 갖는 성형된 연마 입자(Shaped Abrasive Particles With A Sloping Sidewall)"이고 2008년 12월 17일자에 출원된 계류중의 미국 특허 출원 제12/337,075호에 더 상세히 기재된 바와 같이 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 그 외의 다른 실시 형태에서, 측벽(28)은 도 5에 도시된 바와 같이 90도로 제1 측면(24) 및 제2 측면(26)과 교차할 수 있다.

일반적으로, 성형된 연마 입자의 제1 측면(24)은 4개의 에지(30) 및 4개의 정점(32)을 갖는 사변형을 포함하고, 사변형은 마름모꼴, 편능형, 연 모양(kite), 또는 초타원형(superellipse)으로 구성된 군으로부터 선택된다. 사변형의 정점은 종방향 축(36)의 마주보는 측면상에 위치된 한 쌍의 마주보는 부 정점(38) 및 종방향 축(36)에 의해 교차되는 한 쌍의 마주보는 주 정점(34)으로서 추가로 분류될 수 있다.

마름모꼴은 동일한 길이의 4개의 에지를 갖는 사변형이며, 마주보는 정점은 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 동일한 각의 각도가 포함된다. 편능형은 평행사변형이며, 종방향 축(36)의 일 측면 상에서 2개의 교차하는 에지(30)는 길이가 동일하지 않고, 이들 에지 사이의 정점(32)은 도 4에 도시된 바와 같이 경사지게 포함된 각도를 갖는다. 도 5에 도시된 바와 같이, 연 모양은 사변형이며, 가로방향 축(40) 상의 2개의 마주보는 에지(30)는 길이가 동일하며, 가로방향 축(40) 아래의 2개의 마주보는 에지(30)는 길이가 동일하지만 가로방향 축 상의 에지와는 길이가 상이하다. 마름모꼴을 취하고 가로방향 축(40)에 더 인접하게 또는 이로부터 더 이격되도록 마주보는 주 정점(34)들 중 하나의 정점을 이동시킨다면, 연 모양이 형성된다. 초타원형은 공식 (x/a)ⁿ + (y/b)ⁿ = 1(여기서, n, a 및 b는 양수임)을 갖는 라메 곡선(Lame's curve)에 의해 정의된 기하학적 형상이다. n이 0과 1 사이일 때, 초타원형은 도 2에 도시된 바와 같이 오목한 에지를 포함하는 4개의 암을 갖는 별(four-armed star)(스캘럽(scallop)이 없음)과 같이 보인다. n이 1일 때, 마름모꼴 a=b 또는 연 모양 a≠b가 형성된다. n이 1과 2 사이일 때, 에지(30)는 볼록해진다.

제1 측면(24)의 형상은 상기 군으로부터 선택되며, 이는 이들 형상이 각각의 마주보는 주 정점을 향하여 가로방향 축(40)으로부터 테이퍼진 형상 및 종방향 축(36)을 따라 마주보는 주 정점(34)을 갖는 성형된 연마 입자를 생성할 것이기 때문이다. 이와 같이, 성형된 연마 입자는 성형된 연마 입자를 코팅된 배킹에 적용하기 위하여 정전기 장이 사용될 때, 특히 더욱더 많은 성형된 연마 입자가 배킹에 적용됨에 따라 연삭 면에 노출된 제2 주 정점(34) 및 메이크 코트 내의 하나의 주 정점(34)을 갖는 경향이 있을 것이다.

테이퍼 각도는 종방향 축(36)에 대해 수직한 가로방향 축(40)을 따른 최대 폭(W)으로 나눈 종방향 축(36)을 따른 최대 길이(L)로 정의된 바와 같이 입자에 대한 특정 종횡비를 선택함으로써 조절될 수 있다. 도 1, 도 2 및 도 3에서의 성형된 연마 입자 모두는 약 2.4의 종횡비를 갖는다. 도 4에서의 성형된 연마 입자는 약 6.2의 종횡비를 갖는다. 도 5에서의 성형된 연마 입자는 약 1.8의 종횡비를 갖는다. 종횡비는 향상된 정전 코팅을 위해 원하는 경우 성형된 연마 입자가 테이퍼지도록 1.0보다 커야 한다. 발명의 다양한 실시 형태에서, 종횡비는 약 1.3 내지 약 10, 약 1.5 내지 8, 또는 약 1.7 내지 약 5이다. 종횡비는 상당히 클 수 있어서, 성형된 연마 입자는 상당히 깨지기 쉬워진다. 이에 따라 성형된 연마 입자는 성형된 연마 입자에 가해진 충격이 극심할 수 있는 날카로운 에지를 갖는 물체를 연삭하기 위하여 고하중 하에서 사용 시에 서서히 마모되는 것과는 상반되게 깨질 수 있다. 바람직하게는, 종횡비는 성형된 연마 입자의 맨 끝부분(very tip)이 부러지고 코팅된 연마 용품으로부터 입자의 쉘링(shelling)을 방지하기 위하여 성형된 연마 입자의 충분한 폭 및/또는 두께가 메이크 및 사이즈 코트 내로 매립되도록 선택된다.

일부 실시 형태에서, 도 1에서의 점선(42)으로 도시된 바와 같이 하나 이상의 정점을 약간 절두하고, 이러한 형태로 성형된 연마 입자를 몰딩할 수 있다. 이러한 입자는 감소된 초기 절삭량(reduced initial cut)을 가질 것이며, 재료를 연마하기 위하여 짧은 기간 동안 이러한 입자를 사용한 후에 연마 입자의 형상과 다소 닮을 것이라고 여겨진다. 따라서, 더 넓은 초기 지지 면적 또는 감소된 초기 절삭량이 요구되는 응용의 경우 하나 이상의 절두형 정점을 갖는 성형된 연마 입자를 설계할 수 있다. 이들 실시 형태에서, 절두부(truncation)가 형성되는 에지가 그 뒤에 요구된 사변형을 완성하는 하나 이상의 가상의 정점을 형성하기 위해 연장될 수 있다면, 제1 측면(24)은 요구된 형상인 것으로 여겨진다. 예를 들어, 주 마주보는 정점(34) 양자 모두가 점선(42)으로 도시된 바와 같이 절두된다면, 생성된 형상은 역시 마름모꼴인 것으로 여겨질 수 있으며, 이는 에지가 절두부를 지나 연장될 때 에지가 2개의 가상의 정점을 형성하여 제1 측면(24)에 대한 마름모꼴 형상을 완성하기 때문이다.

일부 실시 형태에서, 제2 측면(26)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 피라미드를 형성하는 4개의 소면(facet, 46) 및 정점(44)을 포함한다. 이러한 실시 형태에서, 성형된 연마 입자의 두께(T)는 제1 측면(24)과 소면(46) 사이에 각도 β가 선택되도록 제어될 수 있다. 비스듬함으로 인해 소면(46)은 심지어 성형된 연마 입자가 메이크 코트에 부착된 후 떨어지거나(fall over) 또는 메이크 코트에 더욱 수평 방향으로 직접 부착될 때 배킹에 대해 성형된 연마 입자를 기울일 수 있다(tip). 재차 이는 연삭 면, 이에 따라 성형된 연마 입자에 의해 연마되는 재료에 대해 성형된 연마 입자의 실질적으로 수평인 표면을 제공하는 것을 방지하는데 도움이 된다. 도 7에 도시된 바와 같이, H로 명시된 입자와 같이 코팅된 연마 용품의 연삭 면 내에서 수직 이외의 더욱 수평으로 놓이는 성형된 연마 입자는 역시 수평 표면 대신에 연마되는 재료와 초기에 접촉하는 마주보는 부 정점(38) 및 날카로운 에지를 가지며, 이에 따라 절삭 성능이 향상된다. 제2 측면(26)에 대한 이 실시 형태는 제1 측면(24)에 대해 임의의 나열된 형상으로 사용될 수 있다.

발명의 다양한 실시 형태에서, 제1 측면(24)과 소면(46) 사이의 각도 β는 20도 내지 약 50도, 또는 약 10도 내지 약 60도, 또는 약 5도 내지 약 65도일 수 있다.

일부 실시 형태에서, 제2 측면(26)은 도 4에 도시된 바와 같이 모임 지붕(hip roof)과 유사한 구조체를 형성하는 4개의 소면(46) 및 리지 선(ridge line, 47)을 포함할 수 있다. 따라서, 2개의 마주보는 소면은 삼각형 형상을 가질 것이며, 2개의 마주보는 소면은 사다리꼴 형상을 가질 것이다. 이 실시 형태에서, 제1 측면과 소면(46) 사이의 각도 β에 대해 유사한 범위가 사용될 수 있다. 제2 측면(26)에 대한 이 실시 형태는 제1 측면(24)에 대해 임의의 나열된 형상으로 사용될 수 있다.

일부 실시 형태에서, 제2 측면(26)은 경사진 측벽(28)(도 3에 도시된 바와 같이 측벽(28)과 제2 면(48) 사이의 드래프트각 α는 90도를 초과함) 또는 측벽(28)(도 5에 도시된 바와 같이 측벽(28)과 제2 면(48) 사이의 드래프트각 α는 90도임)을 형성하는 4개의 소면 및 제2 면(48)을 포함한다. 이 성형된 연마 입자의 두께(T)가 더 두꺼워짐에 따라, 성형된 연마 입자는 드래프트각 α가 90도를 초과할 때 절두형 피라미드를 닮는다. 성형된 연마 입자(20)의 측벽(28)과 제2 면(48) 사이의 드래프트각 α는 제2 면(48)의 상대 크기를 변화시키기 위해 달라질 수 있다. 본 발명의 다양한 실시 형태에서, 드래프트각 α는 대략 90도 내지 대략 135도, 또는 대략 95도 내지 대략 130도, 또는 약 95도 내지 약 125도, 또는 약 95도 내지 약 120도, 또는 약 95도 내지 약 115도, 또는 약 95도 내지 약 110도, 또는 약 95도 내지 약 105도, 또는 약 95도 내지 약 100도 일 수 있다. 2008년 12월 17일자에 출원되고 발명의 명칭이 "경사진 측벽을 갖는 성형된 연마 입자(Shaped Abrasive Particles With A Sloping Sidewall)"인 미국 특허출원 제12/337,075호에서 논의된 바와 같이, 드래프트각 α에 관한 특정 범위가 경사진 측벽을 갖는 성형된 연마 입자로 제조되는 코팅된 연마 용품의 연삭 성능의 놀라운 증가를 생성하는 것으로 밝혀졌다. 특히, 98도, 120도 또는 135도의 드래프트각은 90도의 드래프트각보다 개선된 연삭 성능을 갖는 것으로 밝혀졌다. 연삭 성능의 개선은, 특히 미국 특허출원 제12/337,075호의 도 6 및 도 7에서 보여지는 바와 같이 98도 또는 120도의 드래프트각에서 특히 두드러진다. 제2 측면(26)에 대한 이 실시 형태는 제1 측면(24)에 대해 임의의 나열된 형상으로 사용될 수 있다.

일부 실시 형태에서, 제1 측면(24)은 실질적으로 평탄하거나, 제2 면(48)은 실질적으로 평탄하거나, 또는 둘 모두가 실질적으로 평탄하다. 대안적으로 제1 측면(24)은 2008년 12월 17일자로 출원되고 발명의 명칭이 "리세스된 표면을 갖는 접시형 연마 입자(Dish-Shaped Abrasive Particles With A Recessed Surfaces)"인 공계류 중인 미국 특허출원 제12/336,961호에서 보다 상세하게 논의되는 바와 같이 오목한 또는 리세스된 표면(50)일 수 있다. 도 5에는 제1 측면(24)의 오목한 표면(50)을 갖는 성형된 연마 입자가 도시된다. 오목한 또는 리세스된 표면(50)은 졸 겔에 대해 건조 조건을 선택하고, 미국 특허 출원 번호 제12/336,961호에서 논의된 바와 같이 주형의 측면 위로 졸 겔의 에지를 위킹하는(wick) 경향의 졸 겔 내에 메니스커스(meniscus)를 형성하는 주형 공동 내에 잔류시킴으로써 형성될 수 있다. 제1 측면(24) 상의 오목한 표면(50)은 중공 그라운드 치즐 블레이드(hollow ground chisel blade)와 유사한 일부 응용에서 절삭 성능을 향상시키는데 도움이 될 수 있다. 리세스(50)가 단지 도 5의 실시 형태에서만 도시될지라도, 이러한 특징은 이 특허 출원에 기재되거나 또는 예시되는 임의의 특징과 함께 또는 특징들 또는 실시 형태의 조합과 함께 사용될 수 있다.

추가로, 제1 측면(24) 및 제2 측면(26)을 통과하는 성형된 연마 입자를 통한 하나 이상의 개구(52)는 2008년 12월 17일자에 출원되고 발명의 명칭이 "개구를 갖는 성형된 연마 입자(Shaped Abrasive Particles With An Opening)"인 공계류 중의 미국 특허 출원 제12/337,112호에 더 상세히 언급된 바와 같이 존재할 수 있다. 도 2에는 성형된 연마 입자를 통과하는 2개의 개구(52)가 도시된다. 성형된 연마 입자를 통과하는 개구(52)는 성형된 연마 입자의 벌크 밀도(bulk density)를 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 예컨대, 증가된 다공도가 종종 요구되는 연삭 휠(grinding wheel)과 같은 일부 응용에서 생성된 연마 용품의 다공도가 증가된다. 대안적으로, 개구는 입자를 사이즈 코트 내로 더욱 견고하게 고정함으로써 쉘링(shelling)을 감소시킬 수 있거나 또는 개구는 연삭 보조제용 리저버로서 기능을 할 수 있다. 개구는 전술된 메니스커스 현상을 악화시키는 건조 조건을 선택하거나, 또는 번트 케이크 팬(Bundt cake pan)과 유사한 바닥으로부터 연장되는 하나 이상의 기둥(post)를 갖는 주형을 제조함으로써 성형된 연마 입자 내에 형성될 수 있다. 개구를 갖는 성형된 연마 입자를 제조하는 방법은 미국 특허 출원 제12/337,112호에서 언급된다. 개구(52)가 단지 도 2의 실시 형태에서만 도시될지라도, 이러한 특징은 이 특허 출원에 기재되거나 또는 예시되는 임의의 특징과 함께 또는 특징들 또는 실시 형태의 조합과 함께 사용될 수 있다.

추가로, 성형된 연마 입자는 2008년 12월 17일자로 출원되고 발명의 명칭이 "홈을 갖는 성형된 연마 입자(Shaped Abrasive Particles With Grooves)"인 공계류 중의 미국 가출원 제61/138,268호에 기재된 바와 같이 제2 측면(26) 상에 복수의 홈(53)(도 3)을 가질 수 있다. 홈은 주형으로부터 전구체 성형된 연마 입자를 제거하는 것을 더 용이하게 하는 것으로 밝혀진 주형 공동의 바닥 표면 내의 복수의 리지에 의해 형성된다. 삼각형의 성형된 단면을 갖는 리지는 주형 공동 내에 잔류하면서 졸 겔의 수축을 촉진하는 건조 조건 하에서 주형의 바닥 표면으로부터 전구체 성형된 연마 입자를 들어올리는 웨지로서 기능을 하는 것으로 여겨진다. 도 6에서의 성형된 연마 입자를 면밀히 검토함으로써, 제2 측면(26) 상에 복수의 홈(53)이 가시될 수 있다. 홈(53)이 단지 도 3의 실시 형태에서만 도시될지라도, 이러한 특징은 이 특허 출원에 기재되거나 또는 예시되는 임의의 특징과 함께 또는 특징들 또는 실시 형태의 조합과 함께 사용될 수 있다.

추가로, 성형된 연마 입자는 도 8에 도시된 바와 같이 제2 측면(26)으로부터 연장되는 복수의 리지(ridge)를 가질 수 있다. 리지는 계단 외관(stair-step appearance)이 동심 리지에 의해 제2 측면(26) 상에 형성되도록 소면(46)(또는 제2 면(48)) 상으로 배치될 수 있다. 그 외의 다른 실시 형태에서, 리지는 평행한 비-교차 선 또는 평행한 교차 선(크로스 해치 패턴(cross hatch pattern))을 형성할 수 있다. 일 실시 형태에서, 동심 리지는 8 내지 10 마이크로미터의 기저 치수, 3 내지 5 마이크로미터의 높이를 가지며 약 40 내지 45 마이크로미터마다 선형으로 이격되며, 제2 측면 상에서 소면 표면 위로 상승되는, 정삼각형 단면을 포함한다. 그 외의 다른 실시 형태에서, 리지의 단면은 정사각형, 직사각형, 사다리꼴, 삼각형, 또는 그 외의 기하학적 형상일 수 있다. 리지는 제2 측면(26)의 표면 면적을 증가시켜 코팅된 연마 용품의 수지 코팅 시에 향상된 점착을 촉진시키는 것으로 여겨진다. 복수의 리지는 주형 공동의 바닥 표면 내로 절삭된 복수의 홈에 의해 형성될 수 있다. 리지가 단지 도 8의 실시 형태에서만 도시될지라도, 이러한 특징은 이 특허 출원에 기재되거나 또는 예시되는 임의의 특징 또는 특징들 또는 실시 형태의 조합과 함께 사용될 수 있다.

성형된 연마 입자(20)는 다양한 체적 종횡비(aspect ratio)를 가질 수 있다. 체적 종횡비는 체적의 중심을 통과하는 최대 단면적을, 중심을 통과하는 최소 단면적으로 나눈 비로서 정의된다. 일부 형상의 경우, 최대 또는 최소 단면적은 그 형상의 외부 기하학적 형상에 대해 기울어지거나, 비스듬하거나, 경사진 평면일 수 있다. 예를 들어, 구체는 1.000의 체적 종횡비를 가지는 한편, 정육면체는 1.414의 체적 종횡비를 가질 것이다. 길이 A와 동일한 각각의 측부 및 A와 동일한 균일한 두께를 갖는 정삼각형의 형태의 성형된 연마 입자는 1.54의 체적 종횡비를 가질 것이며, 균일한 두께가 0.25A까지 감소되면, 체적 종횡비는 2.64까지 증가된다. 더 큰 체적 종횡비를 갖는 이중 테이퍼진 성형된 연마 입자는 향상된 절삭 성능을 갖는 것으로 여겨진다. 본 발명의 다양한 실시 형태에서, 성형된 연마 입자에 관한 체적 종횡비는 약 1.15 초과, 또는 약 1.50 초과, 또는 약 2.0 초과, 또는 약 1.15 내지 약 10.0, 또는 약 1.20 내지 약 5.0, 또는 약 1.30 내지 약 3.0일 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 성형된 연마 입자(20)는 연마 용품에 포함되거나 성긴 형태로 사용될 수 있다. 연마 입자들은 일반적으로 사용 전에 주어진 입자 크기 분포로 분류된다. 이러한 분포는 전형적으로 거친 입자에서 미세한 입자까지 일정 범위의 입자 크기를 갖는다. 연마재 분야에서 이 범위는 때때로 "거친", "대조", 및 "미세" 부분으로 지칭된다. 연마재 산업에서 승인된 분류 표준에 따라서 분류된 연마 입자들은 수치 한계 내에서 각 공칭 등급에 대한 입자 크기 분포를 규정한다. 이러한 산업 승인 분류 규정(즉, 연마재 산업에서 규정된 공칭 등급)에는 미국 규격 협회(American National Standards Institute, Inc., ANSI) 표준, 연마 제품의 유럽 생산자 연맹(Federation of European Producers of Abrasive Products, FEPA) 표준, 및 일본 공업 규격(Japanese Industrial Standard, JIS) 표준으로 알려진 것들이 포함된다.

ANSI 등급 명칭(즉, 규정된 공칭 등급)은 ANSI 4, ANSI 6, ANSI 8, ANSI 16, ANSI 24, 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 600을 포함한다. FEPA 등급 명칭은 P8, P12, P16, P24, P36, P40, P50, P60, P80, P100, P120, P150, P180, P220, P320, P400, P500, P600, P800, P1000 및 P1200을 포함한다. JIS 등급 명칭은 JIS8, JIS12, JIS16, JIS24, JIS36, JIS46, JIS54, JIS60, JIS80, JIS100, JIS150, JIS180, JIS220, JIS240, JIS280, JIS320, JIS360, JIS400, JIS600, JIS800, JIS1000, JIS1500, JIS2500, JIS4000, JIS6000, JIS8000 및 JIS10,000을 포함한다.

대안적으로, 성형된 연마 입자(20)는 ASTM E-11 "시험 목적용 쇠그물 및 체에 대한 표준 규격(Standard Specification for Wire Cloth and Sieves for Testing Purposes)"에 따른 미국 표준 시험용 체를 사용하여 공칭 선별 등급(nominal screened grade)으로 분류될 수 있다. ASTM E-11은 지정된 입자 크기에 따른 재료의 분류를 위해 프레임에 장착된 짜여진 쇠그물 매체를 사용하여 시험용 체의 설계 및 구성을 위한 요건을 규정하고 있다. 전형적인 명칭은 -18+20으로 나타낼 수 있는데, 이는 성형된 연마 입자(20)가 18번 체에 관한 ASTM E-11 규격을 만족시키는 시험용 체를 통과하고 20번 체에 관한 ASTM E-11 규격을 만족하는 시험용 체에 걸려서 유지된다는 것을 의미한다. 일 실시 형태에서, 성형된 연마 입자(20)는 대부분의 입자가 18 메시 시험용 체를 통과하고 20, 25, 30, 35, 40, 45, 또는 50 메시 시험용 체에 걸려서 유지될 수 있게 하는 입자 크기를 갖는다. 본 발명의 다양한 실시 형태에서, 성형된 연마 입자(20)는 -18+20, -20/+25, -25+30, -30+35, -35+40, -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+635를 포함하는 공칭 스크린 등급을 가질 수 있다. 대안적으로, 예컨대, -90+100과 같은 맞춤 메시 크기(custom mesh size)가 사용될 수 있다.

일 태양에 있어서, 본 발명은 연마 산업에서 규정된 공칭 등급 또는 공칭 선별 등급을 갖는 복수의 성형된 연마 입자를 제공하는데, 여기서 복수의 연마 입자들의 적어도 일부는 성형된 연마 입자(20)이다. 다른 태양에 있어서, 본 발명은 본 발명에 따라 만들어진 성형된 연마 입자(20)들을 분류하여 연마 산업에서 규정된 공칭 등급 또는 공칭 선별 등급을 갖는 복수의 성형된 연마 입자(20)를 제공하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.

원하는 경우, 연마재 산업에서 규정된 공칭 등급 또는 공칭 선별 등급을 갖는 성형된 연마 입자(20)가 다른 공지의 연마 또는 비연마 입자와 혼합될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 복수의 연마 입자의 총 중량에 기초하여, 연마재 산업에서 규정된 공칭 등급 또는 공칭 선별 등급을 갖는 복수의 연마 입자 중 적어도 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 심지어 100 중량%가 본 발명에 따라 제조된 성형된 연마 입자(20)이다.

성형된 연마 입자(20)와의 혼합에 적합한 입자에는 미국 특허 제4,799,939호 및 제5,078,753호에 기재된 것과 같은 종래의 연마 그레인, 희석용 그레인, 또는 부식성 응집물이 포함된다. 종래의 연마 그레인의 대표적인 예에는 용융 알루미늄 옥사이드, 탄화규소, 가닛(garnet), 용융 알루미나 지르코니아, 입방정 질화붕소, 다이아몬드 등이 포함된다. 희석용 그레인의 대표적인 예에는 대리석, 석고 및 유리가 포함된다. 상이하게 성형된 연마 입자(20)(예를 들어, 마름모꼴, 연 모양,또는 삼각형)들의 블렌드 또는 상이한 드래프트각을 갖는 경사진 측벽을 갖는 성형된 연마 입자(20)들의 블렌드(예를 들어, 120도 드래프트각을 갖는 입자와 혼합된 98도 드래프트각을 갖는 입자)가 본 발명의 용품에 사용될 수 있다.

일부 응용의 경우, 성형된 연마 입자 및 종래의 연마 그레인의 블렌드가 효과적인 것으로 밝혀졌다. 이들 응용에서, 실시예에 예시된 바와 같이, 예컨대, 10 중량%와 같이 심지어 소량의 성형된 연마 입자가 성능을 상당히 과장시 한다(boast). 종래의 연마 그레인 또는 희석용 그레인과의 성형된 연마 입자의 블렌드 내에서, 블렌드 내의 성형된 연마 입자의 중량은 50%, 40%, 30%, 25%, 20%, 15%, 또는 10%이하일 수 있고, 또한 상당한 성능 증가를 제공할 수 있다.

성형된 연마 입자(20)는 또한 표면 코팅을 가질 수 있다. 연마 용품 내의 결합제와 연마 그레인 사이의 점착력을 개선시키는 표면 코팅이 공지되어 있거나, 이 표면 코팅은 성형된 연마 입자(20)들의 정전 침착(electrostatic deposition)을 돕도록 사용될 수 있다. 일 실시 형태에서, 성형된 연마 입자 중량에 대해 0.1% 내지 2%의 무기물의 양으로 미국 특허 제5,352,254호에 기재된 바와 같이 표면 코팅이 사용되었다. 이러한 표면 코팅은 미국 특허 제5,213,591호, 제5,011,508호, 제1,910,444호, 제3,041,156호, 제5,009,675호, 제5,085,671호, 제4,997,461호, 및 제5,042,991호에 기재되어 있다. 또한, 표면 코팅은 성형된 연마 입자가 캡핑(capping)되는 것을 방지할 수 있다. 캡핑은 마모되고 있는 공작물로부터의 금속 입자가 성형된 연마 입자의 상부에 융착되는 현상을 설명하는 용어이다. 상기 기능을 실행하는 표면 코팅은 당업자에게 알려져 있다.

이중 테이퍼진 성형된 연마 입자를 갖는 연마 용품

도 6을 참조하면, 코팅된 연마 용품(54)은 배킹(56)의 제1 주 표면(60) 위에 적용되는, 이하에서 메이크 코트(58)로 지칭되는 제1 결합제 층을 갖는 배킹(56)을 포함한다. 연마층을 형성하는 복수의 성형된 연마 입자(20)가 메이크 코트(58)에 부착되거나 부분적으로 매립되어 있다. 이하에서 사이즈 코트(62)로 지칭되는 제2 결합제 층이 성형된 연마 입자(20) 위에 있다. 메이크 코트(58)의 목적은 성형된 연마 입자(20)를 배킹(56)에 고정시키는 것이고, 사이즈 코트(62)의 목적은 성형된 연마 입자(20)를 보강하는 것이다. 당업자에게 공지된 바와 같은 선택적인 수퍼사이즈 코팅이 또한 적용될 수 있다. 성형된 연마 입자(20)의 대부분(50% 초과)은 마주보는 주 정점(34) 중 하나가 배킹(56)으로부터 이격되는 방향으로 향하고, 마주보는 주 정점(34) 중 하나가 메이크 코트(58) 내로 매립되도록 배향된다.

이중 테이퍼진 성형된 연마 입자의 사용을 추가로 최적화하기 위하여, 폐쇄형 코트 연마 층이 사용될 수 있다. 폐쇄형 코트 연마층은 메이커(maker)를 통한 단일의 통과(pass) 시에 연마 용품의 메이크 코트에 적용될 수 있는 연마 입자 또는 연마 입자의 블렌드의 최대 중량으로서 정의된다. 개방형 코트는 적용될 수 있는, 즉 코팅된 연마 용품의 메이크 코트에 적용되는 그램 단위의 최대 중량보다 무게가 덜 나가는 연마 입자 또는 연마 입자의 블렌드의 양이다. 개방형 코트 연마층은 100% 미만의 연마 입자에 의한 메이크 코트의 피복률(coverage)로 이어져 입자들 사이에 개방 영역 및 눈에 보이는 수지층을 남겨둘 것이다.

메이크 코트(58) 및 사이즈 코트(62)는 수지성 접착제를 포함한다. 메이크 코트(58)의 수지성 접착제는 사이즈 코트(62)의 수지성 접착제와 동일하거나 상이할 수 있다. 이들 코트에 적합한 수지성 접착제의 예로는 페놀 수지류, 에폭시 수지류, 우레아-포름알데히드 수지류, 아크릴레이트 수지류, 아미노플라스트 수지류(aminoplast resins), 멜라민 수지류, 아크릴레이티드 에폭시 수지류, 우레탄 수지류 및 이들의 조합이 포함된다. 수지성 접착제에 추가로, 메이크 코트(58) 또는 사이즈 코트(62), 또는 둘 모두의 코트는, 예를 들어 충전제, 연삭 보조제, 습윤제, 계면활성제, 염료, 안료, 커플링제, 점착 촉진제 및 이들의 조합과 같은 당업계에 알려진 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 충전제의 예에는 탄산칼슘, 실리카, 활석, 점토, 칼슘 메타실리케이트, 돌로마이트, 알루미늄 설페이트 및 이들의 조합이 포함된다.

연삭 보조제가 코팅된 연마 용품에 적용될 수 있다. 연삭 보조제는, 그것의 첨가가 연마의 화학적 및 물리적 공정에 상당한 영향을 미쳐서, 그 결과로 개선된 성능을 가져오는 미립자 물질로서 정의된다. 연삭 보조제는 매우 다양한 상이한 물질들을 포괄하며, 무기물질 또는 유기물질계일 수 있다. 연삭 보조제의 화학적 그룹의 예에는 왁스, 유기 할라이드 화합물, 할라이드 염, 및 금속과 이들의 합금이 포함된다. 유기 할라이드 화합물은 전형적으로 마모 중에 분쇄되어 할로겐 산 또는 기체 할라이드 화합물을 방출할 것이다. 이러한 물질의 예에는 염소화 왁스, 예를 들어 테트라클로로나프탈렌, 펜타클로로나프탈렌, 및 폴리비닐클로라이드가 포함된다. 할라이드 염의 예에는 염화나트륨, 칼륨 빙정석, 나트륨 빙정석, 암모늄 빙정석, 사플루오로붕산칼륨, 사플루오로붕산나트륨, 플루오르화규소, 염화칼륨, 염화마그네슘이 포함된다. 금속의 예에는 주석, 납, 비스무스, 코발트, 안티몬, 카드뮴, 철 및 티타늄이 포함된다. 다른 연삭 보조제에는 황, 유기 황 화합물, 흑연 및 금속 황화물이 포함된다. 또한, 상이한 연삭 보조제들의 조합을 이용하는 것이 본 발명의 범주에 속하며, 일부 경우에 이는 상승 효과를 낼 수 있다. 일 실시 형태에서, 연삭 보조제는 빙정석 또는 사플루오로붕산칼륨이다. 이러한 접착제의 양은 원하는 특성을 제공하도록 조절될 수 있다. 수퍼사이즈 코팅(supersize coating)을 이용하는 것이 또한 본 발명의 범주에 속한다. 수퍼사이즈 코팅은 전형적으로 결합제 및 연삭 보조제를 함유한다. 결합제는 페놀 수지류, 아크릴레이트 수지류, 에폭시 수지류, 우레아-포름알데히드 수지류, 멜라민 수지류, 우레탄 수지류 및 이들의 조합과 같은 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 미국 특허 제5,441,549호(헬민(Helmin))에 개시되어 있는 바와 같이, 열경화성 에폭시 수지, 경화제, 열가소성 탄화수소 수지, 연삭 보조제, 분산제 및 안료를 포함하는 수퍼사이즈 코팅이 사용된다.

접합된 연마 용품, 부직포 연마 용품 또는 연마 브러시에 성형된 연마 입자(20)가 사용될 수 있음이 또한 본 발명의 범주에 속한다. 접합된 연마제는 결합제에 의해서 함께 접합되어 성형된 덩어리를 형성하는 복수의 성형된 연마 입자(20)를 포함할 수 있다. 접합된 연마제를 위한 결합제는 금속성 결합제, 유기 결합제 또는 유리질 결합제일 수 있다. 부직포 연마재는 유기 결합제에 의해서 섬유 부직 웨브에 접합된 복수의 성형된 연마 입자(20)를 포함한다.

이중 테이퍼진 성형된 연마 입자를 제조하는 방법

제1 공정 단계는 알파 알루미나로 변환될 수 있는 시드형(seeded) 또는 비-시드형(non-seeded) 연마 분산액을 제공하는 단계를 포함한다. 알파 알루미나 전구체 조성물은 흔히 휘발성 성분인 액체를 포함한다. 일 실시 형태에서, 휘발성 성분은 물이다. 연마 분산액은 주형 공동을 충전하고 주형 표면을 복제할 수 있도록 연마 분산액의 점도를 충분히 낮게 하기 위해 충분한 양의 액체를 포함하지만, 나중에 액체를 주형 공동으로부터 제거하는 것이 엄청나게 비싸지게 할 정도로 많은 액체를 포함해서는 안된다. 일 실시 형태에서, 연마 분산액은 알루미늄 옥사이드 모노하이드레이트(베마이트(boehmit))의 입자와 같이 알파 알루미나로 변환될 수 있는 2 중량% 내지 90 중량%의 입자와, 적어도 10 중량%, 또는 50 내지 70 중량%, 또는 50 내지 60 중량%의 물과 같은 휘발성 성분을 포함한다. 역으로, 연마 분산액은 일부 실시 형태에서 30 내지 50 중량%, 또는 40 내지 50 중량%의 고체를 함유한다.

베마이트 이외의 알루미늄 옥사이드 하이드레이트가 또한 사용될 수 있다. 베마이트는 공지의 기술로 제조될 수 있거나 구매될 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 알루미늄 옥사이드 모노하이드레이트는 비교적 순수한데, 즉 이들은 모노하이드레이트 이외에 조금이라도 있다면 비교적 작은 하이드레이트상을 포함하며 큰 표면적을 갖는다. 생성되는 성형된 연마 입자(20)의 물리적 특성은 일반적으로 연마 분산액에 사용되는 물질의 유형에 따라 좌우될 것이다.

일 실시 형태에서, 연마 분산액은 겔 상태에 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "겔"은 액체 내에 분산된 고체의 3차원 네트워크(network)이다. 연마 분산액은 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, 그리고 마그네슘, 아연, 철, 규소, 코발트, 니켈, 지르코늄, 하프늄, 크롬, 이트륨, 프라세오디뮴, 사마륨, 이테르븀, 네오디뮴, 란탄, 가돌리늄, 세륨, 디스프로슘, 에르븀, 티타늄 및 이들의 혼합물의 산화물의 전구체일 수 있다. 연마 분산액에 존재할 수 있는 이들 첨가제의 구체적인 농도는 당업자에 따라서 달라질 수 있다. 전형적으로, 개질 첨가제 또는 개질 첨가제의 전구체를 도입하면 연마 분산액이 겔로 될 것이다. 또한 연마 분산액은 또한 일정 기간에 걸친 열의 적용에 의해 겔로 유도될 수 있다.

또한 연마 분산액은 수화되거나 하소된 알루미늄 옥사이드의 알파 알루미나로의 변환을 향상시키기 위한 핵형성제(시딩)를 함유할 수 있다. 본 발명에 적합한 핵형성제는 변환의 핵이 될 알파 알루미나, 알파 산화철 또는 그 전구체, 산화 티타늄 및 티탄산염, 산화 크롬, 또는 그 외의 다른 재료로 된 미세 입자를 포함한다. 사용되는 경우 핵형성제의 양은 알파 알루미나의 변환을 일으킬 수 있을 정도로 충분하여야 한다. 이런 연마 분산액의 핵을 형성하는 것은 슈와벨(Schwabel)의 미국 특허 번호 제 4,744,802호에 개시되어 있다.

보다 안정한 하이드로솔 또는 콜로이드 연마 분산액을 제조하기 위해 연마 분산액에 펩타이징제(peptizing agent)가 첨가될 수 있다. 적절한 펩타이징제는 일염기산(monoprotic acid)이거나 또는 초산, 염산, 포름산 및 질산과 같은 산 화합물이다. 다양성자 산(multiprotic acid)이 또한 사용될 수 있지만, 이는 연마 분산액을 신속하게 겔로 만들어서 추가의 성분을 취급하거나 그것에 도입하는 것을 어렵게 할 수 있다. 베마이트의 일부 상업적 공급원은 안정한 연마 분산액을 형성하는 것을 도와줄 산 역가(acid titer)(예를 들어 흡수된 포름산 또는 질산)를 함유한다.

연마 분산액은 임의의 적합한 수단, 예를 들어 펩타이징제를 함유하는 물과 알루미늄 옥사이드 모노하이드레이트를 단순히 혼합함으로써, 또는 펩타이징제가 첨가되는 알루미늄 옥사이드 모노하이드레이트 슬러리를 형성함으로써 형성될 수 있다. 혼합 중에 기포를 형성하거나 공기를 함유하는 경향을 줄이기 위해 소포제 또는 다른 적합한 화학물질이 첨가될 수 있다. 필요에 따라서 습윤제, 알코올 또는 커플링제와 같은 추가의 화학물질이 첨가될 수 있다. 알파 알루미나 연마 그레인은 1997년 7월 8일자의 에릭슨(Erickson) 등의 미국 특허 제5,645,619호에 개시된 것과 같이 실리카 및 산화철을 함유할 수 있다. 알파 알루미나 연마 그레인은 1996년 9월 3일자의 라미(Larmie)의 미국 특허 제5,551,963호에 개시된 것과 같이 지르코니아를 함유할 수 있다. 대안적으로, 알파 알루미나 연마 그레인은 2001년 8월 21일자의 카스트로(Castro)의 미국 특허 제6,277,161호에 개시된 것과 같이 미세구조체 또는 첨가제를 가질 수 있다.

제2 공정 단계는 적어도 하나의 주형 공동, 바람직하게는 복수의 공동을 갖는 주형을 제공하는 단계를 포함한다. 주형은 대체로 평탄한 바닥 표면 및 복수의 주형 공동을 가질 수 있다. 복수의 공동이 제조 공구에 형성될 수 있다. 제조 공구는 벨트, 시트, 연속 웨브, 윤전 그라비아 롤(rotogravure roll)과 같은 코팅 롤, 코팅 롤에 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 또는 열가소성 재료로 제조된다. 다른 실시 형태에서, 복수의 공동의 표면과 같이 건조 중에 졸-겔과 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 적용될 수 있다.

중합체성 또는 열가소성 공구는 금속 마스터 공구로부터 복제될 수 있다. 마스터 공구는 제조 공구에 요구되는 역패턴을 가질 것이다. 마스터 공구는 제조 공구와 동일한 방식으로 제조될 수 있다. 일 실시 형태에서, 마스터 공구는 금속, 예를 들어 니켈로 제조되며, 다이아몬드 선삭된다. 중합체성 시트 재료를 마스터 공구와 함께 가열하여, 그 둘을 함께 압축함으로써 중합체성 재료가 마스터 공구 패턴에 의해 엠보싱될 수 있다. 중합체성 또는 열가소성 재료를 또한 마스터 공구 상으로 압출 또는 캐스팅한 다음 압축할 수 있다. 열가소성 재료를 고형화되도록 냉각하여 제조 공구를 생성한다. 열가소성 제조 공구가 이용되는 경우, 과도한 열이 발생하여 열가소성 제조 공구를 변형시켜서 수명을 제한하지 않도록 주의하여야 한다. 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. 일부 경우에, 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 하나의 측면, 즉 공동이 형성된 측면은 휘발성 성분이 제거되는 단계 동안에 주위의 대기에 노출된 채로 유지될 수 있다.

공동은 도 1 내지 도 5에 도시된 성형된 연마 입자를 제조하기 위해 규정된 3-차원 형상을 갖는다. 깊이 치수는 상부 표면으로부터 바닥 표면 상의 최저 지점까지의 수직 거리와 같다. 주어진 공동의 깊이는 균일할 수 있거나 그 길이 및/또는 폭을 따라서 변할 수 있다. 주어진 주형의 공동은 동일한 형상이거나 상이한 형상일 수 있다.

제3 공정 단계는 임의의 종래 기술에 의해 주형의 공동을 연마 분산액으로 충전하는 단계를 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 땅콩유 또는 광유와 같은 오일, 어유(fish oil), 실리콘, 폴리테트라플루오로에틸렌, 아연스테아레이트 및 흑연을 포함한다. 일반적으로, 주형 이형제가 필요한 경우, 주형의 단위 면적당 약 0.016 ㎎/㎠(0.1 ㎎/in²) 내지 약 0.47 ㎎/㎠ (3.0 ㎎/in²), 또는 약 0.016 ㎎/㎠ (0.1 ㎎/in²) 내지 약 0.78 ㎎/㎠ (5.0 ㎎/in²)의 주형 이형제가 존재하도록, 졸-겔과 접촉하는 제조 공구의 표면에, 물 또는 알코올과 같은 액체 중의 약 0.1 중량% 내지 약 5 중량%의 주형 이형제, 예를 들어 땅콩유가 적용된다. 일 실시 형태에서, 주형의 상부 표면을 연마 분산액으로 코팅한다. 연마 분산액을 상부 표면 상에 펌핑할 수 있다. 다음으로, 스크래퍼(scraper) 또는 레벨러 바(leveler bar)를 사용하여 연마 분산액을 주형의 공동 내로 완전히 밀어 넣을 수 있다. 공동으로 들어가지 않은 연마 분산액의 잔여분은 주형의 상부 표면으로부터 제거하여 재활용할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 연산 분산액의 적은 부분은 상부 표면에 남을 수 있고, 다른 실시 형태에서는 상부 표면에 실질적으로 분산액이 없다. 스크래퍼 또는 레벨러 바에 의해 가해지는 압력은 전형적으로 689.5 ㎪(100 psi) 미만, 또는 344.7 ㎪(50 psi) 미만, 또는 68.9 ㎪(10 psi) 미만이다. 일부 실시 형태에서, 생성되는 성형된 연마 입자(20)의 두께의 균일성을 보장하기 위해서 연마 분산액의 노출된 표면은 실질적으로 상부 표면을 넘어서 연장하지 않는다.

제4 공정 단계는 휘발성 성분을 제거하여 분산액을 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 종종 주형이 제조되는 재료에 따라 좌우된다. 폴리프로필렌 공구의 경우, 이 온도는 플라스틱의 용융점 미만이어야 한다.

일 실시 형태에서, 약 40 내지 50 퍼센트 고형물로 된 수분산액 및 폴리프로필렌 주형의 경우, 건조 온도는 약 90℃ 내지 약 165℃, 또는 약 105℃ 내지 약 150℃, 또는 약 105℃ 내지 약 120℃일 수 있다. 더 높은 온도는 향상된 제조 속도로 이어질 수 있지만, 또한 주형으로서의 그 사용 수명을 제한하는 폴리프로필렌 공구의 열화로 이어질 수도 있다.

제5 공정 단계는 주형 공동으로부터 전구체 성형된 연마 입자를 제거하는 단계를 포함한다. 전구체 성형된 연마 입자는 주형에서 이하의 공정들, 즉 주형 공동으로부터 입자를 제거하기 위한 중력, 진동, 초음파 진동, 진공 또는 가압 공기를 단독으로 또는 조합하여 사용함으로써 공동으로부터 제거될 수 있다.

전구체 연마 입자는 주형의 외부에서 추가로 건조될 수 있다. 연마 분산액이 주형 내에서 원하는 수준까지 건조된 경우, 추가의 건조 단계는 필요하지 않다. 그러나, 일부 경우에는, 연마 분산액이 주형 내에 체류하는 시간을 최소화하기 위해 이 추가의 건조 단계를 이용하는 것이 경제적일 수 있다. 전형적으로, 전구체 성형된 연마 입자는 섭씨 50도 내지 섭씨 160도, 또는 섭씨 120도 내지 섭씨 150도의 온도에서, 10분 내지 480분, 또는 120분 내지 400분 동안 건조될 것이다.

제6 공정 단계는 전구체 성형된 연마 입자를 하소시키는 단계를 포함한다. 하소 동안에, 본질적으로 모든 휘발성 재료가 제거되며, 연마 분산액 중에 존재하는 다양한 성분이 산화금속으로 변환된다. 전구체 성형된 연마 입자는 일반적으로 섭씨 400도 내지 섭씨 800도의 온도까지 가열되며, 자유수(free water)와 90 중량%를 초과하는 임의의 결합된 휘발성 재료가 제거될 때까지 이 온도 범위 내에 유지된다. 선택적 단계에서, 함침 공정에 의해 개질 첨가제를 도입하는 것이 바람직할 수 있다. 수용성 염이 함침에 의해 하소된 전구체 성형된 연마 입자의 세공 내로 도입될 수 있다. 그리고, 전구체 성형된 연마 입자는 다시 예비소성된다. 이 선택 사항은 유럽 특허 제293,163호에 추가로 설명되어 있다.

제7 공정 단계는 하소된 전구체 성형된 연마 입자를 소결하여 알파 알루미나 입자를 형성하는 단계를 포함한다. 소결 전에, 하소된 전구체 성형된 연마 입자는 완전히 치밀화되지 않으며, 따라서 성형된 연마 입자로서 사용하는 데 필요한 경도가 부족하다. 소결은 하소된 전구체 성형된 연마 입자를 섭씨 1,000도 내지 섭씨 1,650도의 온도까지 가열하고, 실질적으로 모든 알파 알루미나 모노하이드레이트(또는 등가물)가 알파 알루미나로 변환되고 다공도가 15 체적% 미만으로 감소될 때까지 이 온도 범위 내에 유지함으로써 이루어진다. 이 수준의 변환을 달성하기 위해 하소된 전구체 성형된 연마 입자가 소결 온도에 노출되어야 하는 시간 길이는 다양한 인자에 따라서 달라지지만 보통은 5초 내지 48시간이 전형적이다. 다른 실시 형태에서, 소결 단계의 지속 시간은 1분 내지 90분의 범위이다. 소결 후에, 성형된 연마 입자는 비커스(Vickers) 경도가 10 ㎬, 16 ㎬, 18 ㎬, 20 ㎬, 또는 그 초과일 수 있다.

전술한 공정을 변경하기 위해 재료를 하소 온도로부터 소결 온도까지 급속하게 가열하고, 연마 분산액을 원심분리하여 슬러지, 폐기물 등을 제거하는 것과 같은 다른 단계를 사용할 수 있다. 또한 이 공정은 필요에 따라 공정들 중 둘 이상을 조합함으로써 변경될 수 있다. 본 개시 내용의 공정을 조정하는데 사용할 수 있는 종래의 공정 단계들은 레이티져(Leitheiser)의 미합중국 특허 번호 제 4,314,827호에 보다 자세하게 기재되어 있다.

성형된 연마 입자를 제조하는 방법에 관한 더 많은 정보가 발명의 명칭이 "연마 파편, 개구를 갖는 성형된 연마 입자, 또는 접시형 연마 입자를 제조하는 방법(Method Of Making Abrasive Shards, Shaped Abrasive Particles With An Opening, Or Dish-Shaped Abrasive Particles)"이고, 2008년 12월 17일자로 출원된 공계류 중의 미국 특허 출원 제12/337,001호에 개시되어 있다.

실시예

본 발명의 목적 및 이점들은 하기의 비제한적 실시예에 의해 더욱 예시된다. 이들 실시예에 열거된 구체적인 재료 및 그 양뿐만 아니라 그 외의 조건 및 상세 사항은 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 달리 나타내지 않는 한, 실시예 및 명세서의 나머지 부분에서 모든 부, 백분율, 비 등은 중량 기준이다.

실시예 1 내지 3: 성형된 연마 입자의 제조

실시예 1 내지 3은 도 8에 도시된 바와 같이 우 마름모꼴 피라미드형의(right rhombic pyramidal) 성형된 연마 입자이다. 베마이트 졸-겔을 하기 방법을 사용하여 제조하였다: 상표명이 "디스페랄(DISPERAL)"(미국 텍사스, 휴스턴 소재의 사솔 노스 아메리카(Sasol North America))인 알루미늄 옥사이드 모노하이드레이트 분말(4824 부(part))을 13분 동안 70% 수성 질산(212 부)과 물(7087 부)을 함유하는 용액을 고 전단 혼합시킴으로써 분산시켰다. 생성된 졸-겔을 코팅 전에 1시간 동안 에이징하였다. 졸-겔을 표 1에 예시된 바와 같은 치수의 우 마름모꼴 피라미드형의 성형된 주형 공동을 갖는 제조 공구 내로 밀어 넣었다. 제조 공구의 구성(construction) 동안에, 삼각형의 단면을 포함하는 일련의 홈을 갖도록 주형 공동의 표면을 제작하였다. 홈의 깊이는 6 미크론이었고, 110도의 팁 각도 치수(tip angle dimension)를 가졌다. 이러한 특징부들 사이의 간격은 0.065 ㎜이었다. 주형 이형제인, 수중의 2％ 땅콩유를 제조 공구 상에 코팅하여 약 1.55 g/제곱 미터(1 ㎎/제곱 인치)의 땅콩유를 적용하였다. 졸-겔을 진공 슬롯 다이 코팅 스테이션을 사용하여 공동 내로 밀어넣어 제조 공구의 모든 개구를 완전히 충전하였다. 4.1 미터(13.5 피트) 구역 1 섹션에서는 60% 공기 속도에서 섭씨 135도로 설정되고 4.1 미터(13.5 피트) 구역 2 섹션에서는 40% 공기 속도에서 섭씨 121도로 설정된 8.2미터(27 피트) 강제 대류 공기 오븐을 통하여 3 m/분(10 피트/분)으로 졸-겔 코팅된 제조 공구를 통과시켰다. 제조 공구를 초음파 혼 위로 통과시켜 제조 공구로부터 전구체 성형된 연마 입자를 제거하였다. 전구체 성형된 연마 입자를 대략 섭씨 650도에서 하소시킨 후에 다음의 농도(산화물로서 보고됨)의 혼합 질산염 용액으로 포화시켰다: MgO, Y₂O₃ Nd₂O₃ 및 La₂O₃ 각각 1.8%. 여분의 질산염 용액을 제거하고 포화된 전구체 성형된 연마 입자를 건조되게 한 후, 입자를 다시 섭씨 650도에서 하소시키고 대략 섭씨 1400도에서 소결하였다. 하소와 소결 둘 모두를 회전식 튜브 킬른을 사용하여 실시하였다. 대표적인 성형된 연마 입자는 도 8에 도시된 바와 같다.

표면 코팅 처리

미국 특허 제5,352,254호에 개시된 바와 같이 쿠비톤(CUBITON) 324AV 분쇄된 연마 입자를 제조하기 위해 사용된 방법과 유사한 방식으로 성형된 연마 입자의 정전 적용을 향상시키기 위해 일부 성형된 연마 입자를 처리하였다. 1.4% MgO, 1.7% Y₂O₃, 5.7% La₂O₃ 및 0.07% CoO를 포함하는 희토류 산화물(REO) 용액으로 하소된 전구체 성형된 연마 입자를 함침한다. 70 그램의 REO 용액 내에서, 미국 펜실베니아 피츠버그 소재의 알마티스(Almatis)로부터 입수가능한 1.4 그램의 하이드랄 코트(Hydral Coat) 5 분말(약 0.5 미크론의 평균 입자 크기)을 개방 비이커(open beaker) 내에서 교반함으로써 이를 분산한다. 그 뒤, REO 용액 내에서 71.4 그램의 하이드랄 코트 5 분말 분산액으로 약 100 그램의 하소된 전구체 성형된 연마 입자를 함침한다. 최종 경도로 소결되기 전에, 그 뒤 함침되고 하소된 전구체 성형된 연마 입자를 재차 하소한다.

비교예 A 내지 C

비교예 A 내지 C는 실시예 1 내지 3의 것들과 같이 비교 스크린 절삭량에 대해 체질한(sieved) 상용입수가능한 졸 겔 유도 분쇄된 연마 입자이었다. 이들 입자는 상표명 "쿠비트론(CUBITRON) 321"로 3M 컴퍼니로부터 상용입수가능하다. 표 1에서, -70/+80은 입자가 메시 크기 70을 통과할 수 있지만 메시 크기 80에서는 걸려서 유지되는 것을 나타낸다.

실시예 4 내지 6 및 비교예 D 내지 F

실시예 4 내지 6 및 비교예 D 내지 F는 실시예 1 내지 3 및 비교예 A 내지 C와 같이 제조된 연마 입자로부터 제조된 연마 용품이었다. 2.2 ㎝(7/8 인치) 홀을 갖는 17.8 ㎝(7 인치) 직경의 섬유 디스크 상에 이들 입자를 코팅하였다. 메이크 및 사이즈 코트 조성물이 표 2에 예시된다. 0.83 ㎜(33 밀)의 두께를 갖는 가황된 섬유 배킹(독일 트로이스도르프 소재의 다이노스 게엠베하(DYNOS Gmbh)로부터 상표명 "다이노스 벌커나이즈드 파이버(DYNOS VULCANIZED FIBRE)"로 입수됨)을 메이크 코트 조성물의 3.0 그램/디스크로 코팅하고, 연마 입자의 5.0 그램/디스크로 정전 코팅하며, 그 뒤 사이즈 코트 조성물의 10.0 그램/디스크를 적용하였다. 실시예 6의 경우에, 연마 입자는 70%의 브라운 알루미늄 옥사이드 입자(미국 뉴욕 나이아가라 폴스 소재의 트라이바허 슈라이프미텔 노스 아메리카, 인코포레이티드(Treibacher Schleifmittel North America, Inc.)로부터 입수된 등급 P100 "FSX")와 30%의 실시예 3 성형된 연마 입자의 혼합물이었다. 10 시간 동안 섭씨 102도에서 경화 이후에, 디스크를 구부렸고 그 뒤 연삭 시험 1에 따라 시험하였다. 시험 결과가 도 9 내지 도 19에 도시되어 있다.

연삭 시험 1

다음의 절차를 이용하여 연마 디스크를 시험하였다. 17.8 ㎝(7 인치) 직경의 평가용 연마 디스크를 17.8 ㎝(7 인치)의 디스크 패드 면 플레이트(미국, 미네소타 세인트. 폴에 소재의 3M 컴퍼니로부터 입수한 "45193 미디움 그레이(Medium Gray)")가 끼워진 회전 연삭기에 부착하였다. 그 뒤 연삭기를 작동시키고 3.6 kg(8 lb)의 하중 하에서 1.9 ㎝ × 1.9 ㎝(0.75 인치 × 0.75 인치)의 사전 칭량된 1045 중탄소강 바의 단부 면에 맞대었다. 이 하중 하에서 그리고 이 공작물에 맞대어 연삭기의 결과적인 회전 속도는 5000 rpm이었다. 이들 조건 하에서 총 오십(50) 회의 15-초 연삭 간격(통과) 동안 공작물을 연마하였다. 각각의 15-초 간격에 뒤이어, 공작물을 실온까지 냉각되게 하고 칭량하여 연마 작업의 절삭량을 측정하였다. 시험 결과는 실시예 6의 경우 각각의 간격에 대한 증분 절삭량(incremental cut) 및 실시예 4 및 5의 경우 누적 절삭량(cumulative cut) 및 절삭률로서 기록된다. 필요에 따라, 이 시험은 적절한 장비를 이용하여 자동화될 수 있다.

결과

디스크를 등급 -70/+80 마름모꼴 피라미드형의 성형된 기하학적 형상(rhombic pyramidal shaped geometry)으로 제조하였고, 성형된 연마 입자는 종래의 롤 분쇄로부터 수득된 유사한 입자로 제조된 것들보다 성능이 우수했다. 성형된 연마 입자로 제조된 디스크에 대한 절삭률 및 누적 절삭량은 분쇄된 입자로 제조된 디스크보다 상당히 컸다. 이들 결과는 도 9에서 사이클에 대한 함수로서의 절삭률로서 및 도 10에서 메시 크기 -70/+80을 갖는 입자에 대한 시간의 함수로서의 총 절삭량으로서 제시된다.

등급 -60/+70 마름모꼴 피라미드형의 성형된 기하학적 형상의 입자로 제조한 디스크는 종래의 롤 분쇄로부터 수득된 유사한 입자로 제조된 것들보다 성능이 우수했다. 또한, 성형된 입자로 제조된 디스크에 대한 절삭률 및 누적 절삭량은 분쇄된 입자로 제조된 디스크보다 상당히 컸다. 이들 결과는 도 11에서 사이클의 함수로서의 절삭률로서 및 도 12에서 메시 크기 -60/+70을 갖는 입자에 대한 시간의 함수로서의 총 절삭량으로서 제시된다.

동일한 스크린 크기의 분쇄된 연마 입자로 블렌드된 등급 -50/+60의 30% 마름모꼴 피라미드형의 성형된 연마 입자로 제조된 디스크에 대한 절삭량은 등급 -50/+60의 100% 분쇄된 입자로 제조된 디스크보다 상당히 컸다. 이들 결과는 사이클의 함수로서 사이클 당 절삭량으로서 도 13에 제시된다. 따라서, 성능을 상당히 과장시 하기 위하여 단지 소량의 이중 테이퍼진 성형된 연마 입자가 필요하다.

실시예 7 내지 10 및 비교예 G

실시예 7 내지 10 및 비교예 G는 상용입수가능한 분쇄된 입자로 블렌드 내에 소수로서 배치 시에, 본 발명의 성형된 연마 입자의 유효성을 명시한다. 유사한 크기의 상용입수가능한 분쇄된 입자(미국 뉴욕 나이아가라 폴스 소재의 트라이바허 슈라이프미텔 노스 아메리카, 인코포레이티드로부터 입수된 브라운 알루미늄 옥사이드 등급 P80 "FSX")와 실시예 2의 성형된 연마 입자로 블렌드를 제조하였다. 이들 연마 블렌드의 조성물은 표 3에서 확인된다. 연마 시트를 제조하기 위해 이들 연마 블렌드를 사용하였다.

리브형 코팅 로드(ribbed coating rod)를 사용하여 0.5%의 비이온성 계면활성제(미국 뉴저지 뉴 브런스윅 소재의 인터스탭 케미컬즈(Interstab Chemicals)로부터의 "인터웨트(Interwet) 33")를 함유하는 55%의 수중에 분산된 레졸 페놀 수지를 포함하는 메이크 코팅으로 코팅되는 코트-측 배리어 층을 포함한 40.6 ㎝ × 61.0 ㎝(16 인치 × 24 인치) 표준 C-중량(120 gsm) 종이 배킹으로부터 실시예 7을 제조하였다. 소정 양의 25 그램의 광물 블렌드를 칭량하였고, 정전 코팅을 위하여 제조 시에 광물 트레이 상에 편평하게 펼쳤다. 코팅된 배킹을 10초 동안 정전 코팅하였다. 강제-대류 오븐 내에서 99℃(210℉)에서 50분 동안 그 이후 104℃(220℉)에서 60분 동안 입자 코팅된 시트를 경화하였다. 그 뒤, 균일한 습윤 외관이 수득될 때까지 브러싱함으로써 메이크 코팅과 동일한 조성물의 사이크 코팅을 적용하였다. 그 뒤, 순차적인 단계, 60분 동안 85℃(185℉), 60분 동안 99℃(210℉), 30분 동안 104℃(220℉), 및 30분 동안 113℃(235℉)에서 사이즈-코팅된 용품을 경화하였다. 브러싱에 의해 영국 리즈 소재의 이-쳄(E-Chem)으로부터 상표명 "E-1058"로 상용입수가능한 50% 수성 칼슘 스테아레이트 분산액의 수퍼사이즈 코팅을 적용하고 하룻밤 동안 건조되도록 하였다. 평가를 위해 비연마 측면에 부착 층을 적용하고 12.7 ㎝(5-인치) 직경의 원형 디스크를 절삭함으로써 바로 완성된 연마 용품을 제조하였다.

연마 입자 블렌드의 조성물이 표 3에 도시된 바와 같이 변화하는 것을 제외하고 실시예 7의 디스크와 동일하게 실시예 8 내지 10 및 비교예 G의 디스크를 제조하였다. 우드 시험(Wood Test)에 따라 실시예 7 내지 10 및 비교예 G의 디스크를 평가하였다.

우드 시험(Wood Test)

미국 미네소타 세인트. 폴 소재의 3M 컴퍼니로부터 상표명 "3M 스티키트(STIKIT) 또는 후키트 백업 패드(HOOKIT BACKUP PAD), #20206"으로 입수가능한 12.7-㎝(5.0-인치) 직경 × 0.95-㎝(3/8-인치) 두께의 폼 백업 패드에 디스크를 부착하였다. 그 뒤, 미국 캘리포니아 엘 몬테 소재의 에어 밴티지 툴스(Air Vantage Tools)로부터 입수된 12.7-㎝(5-인치) 직경의 미디움 피니싱 듀얼-액션 오비탈 샌더(medium finishing dual-action orbital sander), "모델 050237" 상으로 백업 패드 및 디스크 조립체를 장착하였다. 샌더의 먼지 배출 포트에 사전-칭량된 먼지 수집 장치(11.43 ㎝ × 15.24 ㎝)를 부착하였다. 미국 미네소타 세인트. 클라우드 소재의 우드크래프츠 인더스트리얼(Woodcrafts Industrial)로부터 입수된 사전-칭량된 40.6 ㎝ × 40.6 ㎝(16 인치 × 16 인치)의 하드 메이플 우드 시험 공작물(hard maple wood test workpiece)과 디스크의 연마 면을 수동 접촉하도록 하였다. 샌더를 각각 150초의 8 사이클 동안 620 ㎪(90 psi)의 공기 라인 압력 및 44 N(15 파운드 포스)의 하향력으로 작동시켰다. 공작물의 표면에 대해 0도의 각도를 사용하였다. 각각의 사이클은 패널 표면을 가로질러 17 ㎝/초(6.7 인치/초)의 공구 속도로 조합된 25.16 미터(1008 인치)의 총 경로 길이에 대해 48 회의 중첩된 횡단 이동으로 구성되어 시험 패널의 평평한 모래로 덮인 영역을 형성한다. 우드 패널로부터 제거되는 "절삭량"(중량)은 그램으로 기록된다. 기록된 데이터는 평균 3개의 시험 샘플을 기초로 한다. 비교 시험 결과는 표 3에 예시된다.

10 중량% 만큼 적은 실시예 2(표 1) 성형된 연마 입자의 첨가는 연마 용품의 누적 절삭 성능에 거의 2배이다. 실시예 2 성형된 연마 입자의 상대적인 양의 추가 증가는 절삭 성능을 추가로 증가시키지만 매우 효과적이지는 않다.

실시예 11 및 12 및 비교예 H

공구 내의 주형 공동이 변화되는 것을 제외하고 실시예 1의 입자와 동일하게 실시예 11 및 12 및 비교예 H의 연마 입자를 제조하였다.

실시예 11의 주형 공동은 주형 내의 신장된 마름모꼴 및 또한 신장된 마름모꼴의 성형된 기저로서 성형되는 개구이었다. 마름모꼴의 성형된 기저는 도 3에 도시된 바와 같이 성형된 연마 입자를 제조하기 위하여 공동의 벽 상에 8도의 드래프트각을 제공하도록 다소 작다.

실시예 12의 주형 공동은 신장된 마름모꼴과 같이 성형되는 개구이었다. 마름모꼴 형상의 4개의 측면은 도 1에 도시된 바와 같이 성형된 연마 입자를 제조하기 위하여 공동의 벽 상에서 45도의 드래프트각으로 선단으로 하향 테이퍼졌다.

비교예 H의 주형 공동은 정삼각형 및 또한 정삼각형의 성형된 기저와 같이 성형되는 개구였다. 삼각형의 기저는 공동의 벽 상에서 8도의 드래프트각을 제공하기 위해 다소 작다.

실시예 13 및 14 및 비교예 J

1) 실시예 11(도 3에 도시된 신장된 마름모꼴), 실시예 12(도 1에 도시된 신장된 능면체형(rhombohedryl) 피라미드) 및 비교예 H(정삼각형 프리즘)의 입자를 대체하였고, 2) 페놀 수지 중 KBF4를 포함하는 수퍼사이즈 층을 각각의 디스크에 적용하였고; 3) 10 그램/디스크 연마 중량의 개방 코트 및 100% 폐쇄형 코트(실시예 11의 경우 34 그램/디스크, 실시예 12의 경우 22 그램/디스크 및 비교예 J의 경우 22 그램/디스크) 버전 둘 모두를 제조한 것을 제외하고 실시예 4의 것들과 동일하게 실시예 13 및 14 및 비교예 J의 연마 용품을 제조하였다. 50 사이클 대신에 42 내지 45 사이클로 제한하지만, 연삭 시험 1에 따라 1045 중탄소강에 대해(결과는 도 17 내지 도 19에 예시됨) 및 연삭 시험 2에 따라 스테인리스 스틸에 대해(결과는 도 14 내지 도 16에 예시됨) 실시예 13 및 14 및 비교예 J의 연삭 성능을 평가하였다. 실시예 13 및 14의 절삭 성능은 연마 그레인 함량이 증가됨에 따라 향상된다. 실시예 13 및 14에서 폐쇄형 코트 디스크는 개방 코트 디스크보다 성능이 우수하다. 비교예 J 디스크는 상반된 거동을 보여주며, 절삭 성능은 개방 코트로부터 폐쇄형 코트로 진행함에 따라 감소된다.

연삭 시험 2

다음의 절차를 이용하여 연마 디스크를 시험하였다. 17.8 ㎝(7 인치) 직경의 평가용 연마 디스크를 17.8 ㎝(7 인치)의 디스크 패드 면 플레이트(미국, 미네소타 세인트. 폴에 소재의 3M 컴퍼니로부터 입수한 "45193 미디움 그레이")가 끼워진 회전 연삭기에 부착하였다. 이어서 연삭기를 작동시키고 5.4 kg(12 lb)의 하중 하에서 1.9 ㎝ × 1.9 ㎝(0.75 × 0.75 인치)의 사전 칭량된 304 스테인리스 스틸 바의 단부 면에 맞대었다. 이 하중 하에서 그리고 이 공작물에 맞대어 연삭기의 결과적인 회전 속도는 5000 rpm이었다. 공작물을 이들 조건 하에서 총 6개 내지 12개에 대하여 15초의 연삭 간격(통과)으로 연마하였다. 각각의 15초 간격에 뒤이어, 공작물을 실온까지 냉각되게 하고 칭량하여 연마 작업의 절삭량을 측정하였다. 시험 결과는 실시예 6의 경우 각각의 간격에 대한 증분 절삭량 및 실시예 4 및 5의 경우 누적 절삭량 및 절삭률로서 기록된다. 필요에 따라, 이 시험은 적절한 장비를 이용하여 자동화될 수 있다.

도 14는 2개의 신장된 마름모꼴의 평행한 면(도 3)을 갖는 성형된 연마 입자의 성능을 나타내며, 도 15는 스테인리스 스틸 상에 하나의 신장된 마름모꼴 면(도 1) 성형된 연마 입자의 성능을 나타낸다. 이들 입자의 메디안 크기는 메시 40이다. 이 둘 모두의 경우, 개방 코트 구조물로부터 폐쇄형 코트 구조물로 초기 절삭률의 증가가 있는 것으로 보여질 수 있다. 다른 한편, 40 메시 입자 크기의 2개의 정삼각형의 평행한 면을 갖는 비교 성형된 연마 입자가 도시되는 도 16에서, 연삭 성능은 개방 코트로부터 폐쇄형 코트로 저하된다. 따라서, 본 발명의 성형된 연마 입자는 기존의 성형된 연마 입자보다 폐쇄형 코트 구조물 내에서 더 우수하게 수행한다.

도 17은 2개의 신장된 마름모꼴의 평행한 면(도 3)을 갖는 성형된 연마 입자의 성능을 나타내며, 도 18은 연강(mild steel) 상의 하나의 신장된 마름모꼴 면(도 1)을 갖는 성형된 연마 입자의 성능을 나타낸다. 이들 입자의 메디안 크기는 메시 40이다. 이 둘 모두의 경우, 개방 코트 구조물로부터 폐쇄형 코트 구조물로 초기 절삭률의 증가가 있는 것으로 보여질 수 있다. 다른 한편, 40 메시 입자 크기의 2개의 정삼각형의 평행한 면을 갖는 비교 성형된 연마 입자가 도시되는 도 19에서, 연삭 성능은 개방 코트로부터 폐쇄형 코트로 저하된다. 따라서, 본 발명의 성형된 연마 입자는 기존의 성형된 연마 입자보다 폐쇄형 코트 구조물 내에서 더 우수하게 수행한다.

이들 결과는 이들 본 발명의 기하학적 형상이 저압 연삭 응용의 경우 최적화될 수 있음을 나타낸다. 미리, 우수한 연삭 절삭률을 획득하기 위하여, 삼각형의 입자를 갖는 개방 코트 구조물이 필요하였다. 이들 연삭 조건 하에서 비교해보면, 적어도 하나의 신장된 마름모꼴의 성형된 면을 갖는 성형된 입자에 대한 광물의 감소된 개방성(openness)에 따라 연삭 성능의 증가가 있다.

페인트 샌딩 성능(Paint Sanding Performance)

실시예 9, 10 및 비교예 G의 연마 용품을 페인트 샌딩 시험에 따라 비교하였다. 그 결과를 표 4에 나타내었다.

페인트 샌딩 시험

3M 컴퍼니로부터 상표명 "3M 스티키트 또는 후키트 백업 패드, #20206"으로 입수가능한 12.7-㎝(5.0-인치) 직경 × 0.95-㎝(3/8-인치) 두께의 폼 백업 패드에 디스크를 부착하였다. 그 뒤, 미국 캘리포니아 엘 몬테 소재의 에어 밴티지 툴스로부터 입수된 12.7-㎝(5-인치) 직경의 미디움 피니싱 듀얼-액션 오비탈 샌더, "모델 050237" 상으로 백업 패드 및 디스크 조립체를 장착하였다. 미국 미시건 힐즈데일 소재의 ACT 레버러토리즈, 인코포레이티드(ACT Laboratories, Inc.)로부터의 사전-칭량된 46 ㎝ × 76 ㎝(18 인치 × 30 인치)의 페인트, 프라이머, 및 E-코트 분사된 스틸 패널과 디스크의 연마 면을 수동 접촉하도록 하였다. 샌더를 620 ㎪(90 psi)의 공기 라인 압력에서 작동시켰고, 각각 150초의 대략 6 사이클 동안 공작물의 표면에 대해 2.5도의 각도로 44 N(15 파운드 포스)의 하향력을 사용하였다. 각각의 샌딩 사이클에는 패널 표면을 가로질러 대략 17 ㎝/초(6.7 인치/초)의 공구 속도로 조합된 대략 25.16 미터(1008 인치)의 총 경로 길이에 대해 48 회의 중첩된 횡단 이동이 포함되어 시험 패널의 평평한 모래로 덮인 영역을 형성하였다. 사이클은 조작자가 작업을 점검하기 위해 샌딩을 중단하기 전에, 그 뒤 금속에 도달될 때까지 반복하는 상기 총 샌딩 시간 및 움직임을 나타낸다. 통상적으로 스틸 패널에 대해 6 사이클이 필요하다.

제1 샌딩 사이클 이후에, 가시가능한 먼지를 제거하기 위하여 모래로 덮인 패널의 상측을 가로질러 압축된 공기를 블로잉(blowing)함으로써 시험 패널을 세척하였다. 패널을 칭량하였고, 테일러 홉슨 컴퍼니(Taylor Hobson Co.)의 프로필로미터(profilometer)를 사용하여 마무리(finish)를 측정하였다. 기록된 데이터는 3개의 시험 샘플의 평균이다. 데이터는 본 발명의 성형된 연마 입자가 더 높은 절삭 성능을 가질 뿐만 아니라 더 낮은 표면 거칠기가 달성되는 것을 보여준다. 양자 모두가 선호되는 속성이다.

본 발명에 대한 다른 변경 및 변형이 첨부된 특허청구범위에 보다 구체적으로 기재되는 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 당업자에 의해 실시될 수 있다. 다양한 실시 형태의 태양이 전체적으로 또는 부분적으로 상호 교환될 수 있거나, 다양한 실시 형태의 다른 태양과 조합될 수 있다. 특허증을 위한 상기 출원에서의 모든 인용 문헌, 특허 또는 특허 출원들은 전체적으로 일관된 방식으로 본 명세서에 참고로 포함된다. 포함되는 문헌의 부분과 본 출원의 부분 사이에 불일치나 모순이 있는 경우, 전술한 기재의 정보가 지배하여야 한다. 당업자가 청구된 발명을 실시하는 것을 가능하게 하기 위한 것임을 고려하면, 전술한 기재는 본 발명의 범주를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안되며, 본 발명의 범주는 특허청구범위 및 이에 대한 모든 동등물에 의해 한정된다.

Claims

성형된 연마 입자로서, 알파 알루미나를 포함하고, 제1 측면, 제2 측면, 중간부, 제1 단부, 제2 단부, 종방향 축을 따라 최대 길이 및 종방향 축에 대해 가로지르는 최대 폭을 갖고; 제1 측면은 4개의 정점 및 4개의 에지를 갖는 사변형을 포함하고, 사변형은 마름모꼴, 편능형, 연 모양, 또는 초타원형으로 이루어진 군으로부터 선택되고; 최대 길이를 최대 폭으로 나눈 종횡비는 1.3 이상이고; 성형된 연마 입자는 제1 단부와 제2 단부에서보다는 중간부에 근접하여 더 넓고, 종방향 축은 제1 측면의 한 쌍의 마주보는 정점 사이에서 연장되는, 성형된 연마 입자.
제1항에 있어서, 제2 측면은 피라미드를 형성하는 4개의 소면(facet) 및 정점을 포함하는 성형된 연마 입자.
제2항에 있어서, 소면은 약 5도 내지 약 65도의 각도 β로 제1 측면과 교차하는 성형된 연마 입자.
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