KR102469608B1 - 미세입자 코팅된 연마 그레인을 갖는 연마 물품 - Google Patents

Abstract

복수의 형상화된 연마 입자(20) - 각각의 형상화된 연마 입자는 연마 입자의 외측 표면의 적어도 일부분 상에 배치된 마이크로미립자 층을 포함하고, 마이크로미립자 층은 미세입자 결합제 중에 분산된 미세입자(22)를 포함하고, 연마 입자는 형상화된 연마 입자임 -; 및 복수의 형상화된 연마 입자가 분산되는 결합제를 포함하는, 연마 물품.

Description

미세입자 코팅된 연마 그레인을 갖는 연마 물품

연마 입자를 함유하는 연마 물품(예를 들어, 절삭 휠(cut off wheel)을 포함하는 접합된 연마 물품(bonded abrasive article))은 연삭 보조제와 조합하여 사용될 수 있으며, 여기서 연삭 보조제는 연마 물품에 대한 별개의 구성요소로서 사용된다. 연삭 보조제의 기능 중 하나는 냉각제 및/또는 윤활제로서 기능함으로써 연마 물품의 수명을 증가시키는 것이다.

도면은 일반적으로 본 명세서에서 논의되는 다양한 실시 형태를 제한으로서가 아니라 예로서 예시한다.
도 1a 및 도 1b는 다양한 실시 형태에 따른, 평면 삼각형 형상을 갖는 형상화된 연마 입자의 개략도이다.
도 2a 내지 도 2e는 다양한 실시 형태에 따른, 사면체 형상을 갖는 형상화된 연마 입자의 개략도이다.
도 3a 내지 도 3d는 다양한 실시 형태에 따른, 미세입자로 코팅된 형상화된 연마 입자를 예시한다.
도 4a 및 도 4b는 다양한 실시 형태에 따른 접합된 연마 물품을 예시한다.
도 5a 및 도 5b는 다양한 실시 형태에 따른 형상화된 미세입자를 예시한다.
도 6a 및 도 6b는 다양한 실시 형태에 따른 코팅된 연마 물품의 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 다양한 실시 형태에 따른 접합된 연마 물품의 사시도 및 단면도이다.
도 8 내지 도 10은 다양한 실시 형태에 따른 접합된 연마 물품을 형성하는 다양한 단계(stage)를 나타내는 사시도이다.
도 11은 다양한 실시 형태에 따른 연마 물품의 제조 방법을 나타내는 개략도이다.
도 12는 다양한 실시 형태에 따른, 도 11의 방법에 따른 형상화된 연마 입자를 배향시키는 방법을 나타내는 개략도이다.
도 13은 다양한 실시 형태에 따른, 도 11의 방법에 따른 형상화된 연마 입자를 배향시키는 방법을 나타내는 개략도이다.
도 14는 다양한 실시 형태에 따른, 도 11의 방법에 따른 형상화된 연마 입자를 배향시키는 방법을 나타내는 개략도이다.
도 15는 부직 연마 물품의 사시도이다.
도 16은 단면선 12-12를 따라 취한 도 15의 연마 물품의 단면도이다.
도 17은 스테인리스 강을 절삭하는 접합된 연마 절삭 휠의 절삭률/마모율(mm/㎣)의 플롯이다.
본 발명의 원리의 범주 및 사상에 속하는 다수의 다른 변형 및 예가 당업자에 의해 안출될 수 있음을 이해하여야 한다. 도면은 일정한 축척으로 작성되지 않을 수 있다.

이제, 개시된 발명의 요지의 소정 실시 형태가 상세히 참조될 것이며, 이의 예는 첨부 도면에 부분적으로 예시되어 있다. 개시된 발명의 요지는 열거된 청구항과 관련하여 설명될 것이지만, 예시된 발명의 요지는 청구범위를 개시된 발명의 요지로 제한하고자 하는 것이 아님이 이해될 것이다.

본 발명은, 특히, 연마 입자의 외측 표면의 적어도 일부분 상에 배치된 마이크로미립자 층을 포함하는 형상화된 연마 입자를 제공하며, 마이크로미립자 층은 결합제 중에 분산된 미세입자를 포함한다.

미세입자는 연마 입자와 일체형일 수 있으며, 따라서, 사용 전에 또는 사용 중에 첨가되는 별도의 성분이 아니지만, 본 발명은 연마 입자의 외측 표면의 적어도 일부분 상에 배치된 마이크로미립자 층을 포함하는 연마 입자와 예를 들어 연삭 보조제의 조합의 사용을 고려하며, 마이크로미립자 층은 결합제 중에 분산된 미세입자를 포함한다.

놀랍게도, 절삭 휠(COW)과 같은 연마 물품에 미세입자가 사용되는 경우, 연마 입자의 외측 표면의 적어도 일부분 상에 배치된 미세입자가 결여된 연마 입자를 포함하는 연마 물품에 비해 50% 초과의 상당한 성능 개선 - 성능은 절삭률을 휠 마모율로 나눈 것으로 정의됨 - 이 관찰되는 것으로 밝혀졌다.

마이크로미립자 층의 미세입자는, 예를 들어, 약 0.5 μm 내지 약 100 μm, 약 0.5 μm 내지 약 50 μm, 약 1 μm 내지 약 20 μm, 약 1 μm 내지 약 5 μm, 약 40 μm 내지 약 60 μm의 범위를 포함하거나 또는 약 20 μm, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 약 100 μm 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과하는 μm 범위의 임의의 적합한 미세입자 크기를 가질 수 있다. "미세입자 크기"는 마이크로미립자 층 내의 미세입자의 최대 치수를 지칭한다. 예를 들어, 미세입자의 최대 치수는 미세입자의 직경, 폭 또는 높이를 지칭할 수 있다.

마이크로미립자 층은 연삭 보조제 미세입자 및 연마 미세입자 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 연마 미세입자는 연마 미세입자가 배치되는 연마 입자와 동일한 재료 또는 상이한 재료로 제조될 수 있다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "연삭 보조제"는 일반적으로, 공작물과 연마 물품 사이의 계면을 윤활시키는 것 중 적어도 하나를 포함하는 임의의 적합한 메커니즘에 의해 공작물 절삭률을 증가시키고/시키거나 연마 물품의 마모율을 감소시키며, 공작물로부터 스톡(stock)을 제거하는 용이성을 증가시키는 물질을 지칭한다. 연삭 보조제가 작동하는 다른 메커니즘이 알려져 있으며, 예를 들어, 전체적으로 본 명세서에 완전히 기재된 것처럼 참고로 포함되는 미국 특허 제6,251,149 B1호에 기재되어 있다.

한 가지 적합한 연삭 보조제 미세입자는, 예를 들어, 산화철, 황화철, 및 이들의 조합을 포함한다. 황화철의 예에는 FeS₂ 및 FeS가 포함된다. 산화철의 예에는 Fe₂O₃이 포함된다. 본 명세서에 완전히 기재된 것처럼 참고로 포함되는 미국 특허 제5,552,225호를 참조한다.

다른 적합한 연삭 보조제 미세입자는 칼슘, 규소 및 산소로 구성된 규회석을 포함하며, 이는 CaSiO₃의 분자식을 갖는다. 규회석은 이머리스(Imerys)로부터 상표명 월라스토코트(Wollastocoat)(등록상표)로 입수할 수 있다.

적합한 연삭 보조제 미세입자의 예에는 염소화 왁스, 할라이드 염, 및 이들의 조합이 또한 포함된다. 염소화 왁스의 예에는 테트라클로로나프탈렌, 펜타클로로나프탈렌, 폴리비닐 클로라이드, 및 이들의 조합이 포함된다. 할라이드 염의 예에는 염화나트륨, 칼륨 빙정석, 나트륨 빙정석, 암모늄 빙정석, 칼륨 테트라플루오리도알루미네이트, 나트륨 테트라플루오리도알루미네이트, 칼륨 테트라플루오로보레이트, 나트륨 테트라플루오로보레이트, 플루오르화규소, 염화칼륨, 염화마그네슘, 및 이들의 조합이 포함된다.

적합한 연삭 보조제 미세입자의 다른 예에는 수화된 충전제 및 무기 비-할로겐화 충전제가 포함된다. 적합한 수화된 충전제는 금속 공작물의 연마 연삭 동안 탈수되어 물을 방출하는 것들이다. 적합한 수화된 충전제의 예에는 유.에스. 보랙스(U.S. Borax)로부터 상표명 파이어브레이크(FIREBRAKE)™ ZB(2ZnO·3B₂O_3·3.5H₂O: 293℃에서 탈수됨)로 또는 상표명 파이어브레이크™ 415(4ZnO·B₂O₃·H₂O: 415℃에서 탈수됨)로 입수가능한 붕산아연; 알루미늄 3수화물(Al(OH)₃, 알코아(Alcoa)로부터 상표명 하이드랄(HYDRAL)™ 710 또는 PGA-SD™로 입수가능함); 수산화칼슘(Ca(OH)₂); 아메리브롬, 인크.(Ameribrom, Inc.)로부터 FR-20 MHRM™ 23-2(아미노 실란 처리됨), FR-20 MHRM™ 640(폴리올레핀 커플링제를 가짐) 또는 FR-20 MHRM™ 120(지방 표면 처리됨)로 입수가능한 수산화마그네슘(Mg(OH)₂); 수화된 나트륨 실리케이트(Na₂SiO_3·9H₂O); 알칼리 금속 수화물; 네스퀘호나이트(MgCO_3·Mg(OH)_2·3H₂O); 탄산마그네슘 서브하이드레이트(MgO·CO₂(0.96)H₂O(0.30)) 등이 포함된다.

특정 수화된 충전제는 특히 바람직한 이점을 제공한다. 특히 바람직한 수화 충전제는 붕산아연이다. 붕산아연은 500 내지 600℃에서 유리화되며, 유기 접합제(organic bond) 위에 보레이트-유형 유리 시일(seal)을 형성하여, 유기 접합제의 열분해를 방지하는 것으로 여겨진다. 다른 수화된 충전제인 알루미늄 3수화물은 가열 및 탈수 시에 산화알루미늄(Al₂O₃)을 형성하는 것으로 여겨진다. 산화알루미늄은 연삭 공정에 도움을 줄 수 있는 공지된 연마 재료이다. 바람직한 수화된 충전제에는 알루미늄 3수화물 및 수산화마그네슘이 포함된다.

적합한 무기 비-할로겐화 충전제의 예에는 몰리브덴(VI) 산화물(MoO₃, 알드리치(Aldrich)로부터 입수가능함), 나트륨 안티모네이트(NaSbO₃, 엘프 아토켐(Elf Atochem)으로부터 상표명 서모가드(THERMOGUARD)™ FR로 입수가능함), 안티몬 산화물(Sb₂O₃, 엘프 아토켐으로부터 상표명 서모가드™ S로 입수가능함) 등이 포함된다.

연삭 보조제 미세입자는 단일 미세입자의 형태 또는 연삭 보조제 미세입자의 응집체의 형태를 포함하는 임의의 적합한 형태일 수 있다. 정밀하게 형상화된 연삭 보조제 입자의 비제한적인 예는, 본 명세서에 완전히 기재된 것처럼 참고로 포함되는 미국 특허 출원 공개 제2002/0026752 A1호에 교시되어 있다.

마이크로미립자 층 내의 미세입자는, 다른 성분들의 중량 범위 요건이 충족되는 것을 조건으로, 연마 입자의 약 0.1 중량% 내지 약 25 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 10 중량%, 약 1 중량% 내지 5 중량% 또는 약 10 중량% 내지 약 20 중량%의 양을 포함하는 임의의 적합한 양으로 존재할 수 있다.

마이크로미립자 층은 연마 입자의 외측 표면의 적어도 일부분(예를 들어, 복수의 연마 입자의 각각의 외측 표면의 적어도 일부분), 예를 들어 연마 입자의 외측 표면의 약 10% 이상, 약 20% 이상, 약 30% 이상, 약 40% 이상, 약 50% 이상, 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 80% 이상, 약 90% 이상 또는 최대 약 100% 상에 배치된 미세입자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 마이크로미립자 층은 연마 입자의 외측 표면의 약 10% 내지 약 90%, 약 20% 내지 약 50%, 약 30% 내지 약 70%, 약 50% 내지 약 90%, 약 60% 내지 약 100%, 약 40% 내지 약 80% 또는 약 70% 내지 약 99% 상에 배치된 미세입자를 포함할 수 있다.

마이크로미립자 층은 연마 입자의 외측 표면의 적어도 일부분 상에 결합제로 결합된 미세입자를 포함할 수 있다. 결합제는 무기 결합제 또는 유기 결합제를 포함하는 임의의 적합한 결합제일 수 있다. 무기 결합제의 예에는 석회, 점토, 실리케이트 결합제, 및 이들의 혼합물이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 실리케이트 결합제의 예에는 나트륨 실리케이트 결합제, 칼륨 실리케이트 결합제, 및 이들의 혼합물이 포함된다. 유기 결합제는 중합체 결합제, 예를 들어, 아크릴 중합체, 폴리우레탄, 폴리(락트산), 폴리(비닐 피롤리돈), 페녹시 수지 또는 이들의 조합을 포함하지만 이로 한정되지 않는다.

매우 다양한 연마 입자(및 연마 미세입자)가 이용될 수 있다. 연마 입자는, 예를 들어 랜덤 또는 파쇄된 형상, 정사각형, 별 모양 또는 육각형 프로파일과 같은 규칙적(예컨대, 대칭) 프로파일, 및 불규칙적(예컨대, 비대칭) 프로파일을 포함하는 다양한 크기, 형상 및 프로파일로 제공될 수 있다. 예를 들어, 연마 입자는 상이한 유형의 연마 입자들의 혼합물일 수 있다. 예를 들어, 연마 물품은 판상 입자와 비판상 입자의 혼합물, 파쇄된 입자와 형상화된 입자의 혼합물, 통상적인 비형상화된 연마 입자와 비판상 연마 입자(예컨대, 충전제 재료)의 혼합물, 및 상이한 크기의 연마 입자들의 혼합물을 포함할 수 있다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, "형상화된 입자" 및 "형상화된 연마 입자"는 미리 결정된 또는 비-랜덤 형상을 갖는 연마 입자를 의미한다. 형상화된 세라믹 연마 입자와 같은 형상화된 연마 입자를 제조하기 위한 한 가지 공정은 미리 결정된 형상을 갖는 주형 내에서 전구체 세라믹 연마 입자를 형상화하여 형상화된 세라믹 연마 입자를 제조하는 단계를 포함한다. 주형 내에서 형성되는, 형상화된 세라믹 연마 입자는 형상화된 세라믹 연마 입자의 부류의 한 종류이다. 다른 종류의 형상화된 세라믹 연마 입자를 제조하기 위한 다른 공정은 미리 결정된 형상을 갖는 오리피스를 통해 전구체 세라믹 연마 입자를 압출하거나, 미리 결정된 형상을 갖는 인쇄 스크린 내의 개방부를 통해 전구체 세라믹 연마 입자를 인쇄하거나, 또는 미리 결정된 형상 또는 패턴으로 전구체 세라믹 연마 입자를 엠보싱(emboss)하는 단계를 포함한다. 다른 예에서, 형상화된 세라믹 연마 입자는 시트로부터 개별 입자로 절단될 수 있다. 적합한 절단 방법의 예에는 기계적 절단, 레이저 절단, 또는 워터-제트(water-jet) 절단이 포함된다. 형상화된 세라믹 연마 입자의 비제한적인 예는 삼각형 플레이트, 또는 긴 세라믹 로드(rod)/필라멘트(filament)와 같은 형상화된 연마 입자가 포함된다. 형상화된 세라믹 연마 입자는 대체로 균질하거나 실질적으로 균일하고, 더 작은 연마 입자들을 응집된 구조로 접합하는 유기 또는 무기 결합제와 같은 결합제의 사용 없이도 그의 소결된 형상을 유지하며, 랜덤 크기 및 형상의 연마 입자를 생성하는 파쇄 또는 분쇄 공정에 의해 얻어지는 연마 입자는 배제한다. 다수의 실시 형태에서, 형상화된 세라믹 연마 입자는 소결된 알파 알루미나의 균질한 구조를 포함하거나 소결된 알파 알루미나로 본질적으로 이루어진다.

도 1a 및 도 1b는 절두 피라미드에 일치하는 정삼각형으로서 형상화된 연마 입자(100)의 예를 도시한다. 도 1a 및 도 1b에 나타나 있는 바와 같이, 형상화된 연마 입자(100)는 삼각형 밑면(102), 삼각형 상부(104), 및 (부등변, 둔각, 이등변, 및 직각 삼각형이 가능하지만 등변으로서 도시된) 삼각형 밑면(102)과 삼각형 상부(104)를 연결하는 복수의 경사진 측면(106A, 106B, 106C)에 의해 제한된 절두 정삼각형 피라미드를 포함한다. 본 명세서에 기재된 형상화된 연마 입자는 연마 입자의 외측 표면의 적어도 일부분 상에(예를 들어, 삼각형 상부(104) 및 경사진 측면(106A 내지 106C) 중 적어도 하나 상에) 배치된 마이크로미립자 층(도시되지 않음)을 포함하며, 마이크로미립자 층은 결합제 중에 분산된 미세입자를 포함한다.

경사각(108A)은 삼각형 밑면(102)과 측면(106A)의 교차에 의해 형성된 이면각이다. 유사하게는, 경사각(108B, 108C)(둘 모두 도시되지 않음)은 삼각형 밑면(102)과 측면(106B, 106C)의 각각의 교차에 의해 형성된 이면각에 상응한다. 형상화된 연마 입자(100)의 경우에, 모든 경사각이 동일한 값을 갖는다. 일부 실시 형태에서, 측면 모서리(110A, 110B, 110C)는 평균 곡률 반경이 약 0.5 μm 내지 약 80 μm, 약 10 μm 내지 약 60 μm의 범위이거나, 약 0.5 μm, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 또는 약 80 μm 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과한다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 실시 형태에서, 측면들(106A, 106B, 106C)은 동일한 치수를 가지며, 약 82도의 삼각형 밑면(102)과의 이면각(82도의 경사각에 상응함)을 형성한다. 그러나, 다른 이면각(90도를 포함함)이 또한 사용될 수 있음이 인식될 것이다. 예를 들어, 밑면과 각각의 측면 사이의 이면각은 독립적으로 45 내지 90도(예를 들어, 70 내지 90도, 또는 75 내지 85도)의 범위일 수 있다. 측면(106), 밑면(102) 및 상부(104)를 연결하는 모서리는 임의의 적합한 길이를 가질 수 있다. 예를 들어, 모서리의 길이는 약 0.5 μm 내지 약 2000 μm, 약 150 μm 내지 약 200 μm의 범위일 수 있거나, 약 0.5 μm, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1050, 1100, 1150, 1200, 1250, 1300, 1350, 1400, 1450, 1500, 1550, 1600, 1650, 1700, 1750, 1800, 1850, 1900, 1950, 또는 약 2000 μm 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다.

도 2a 내지 도 2e는 형상화된 연마 입자(200)의 사시도이며, 이들 입자는 사면체 연마 입자로서 형상화된다. 도 2a 내지 도 2e에 도시된 바와 같이, 형상화된 연마 입자(200)는 정사면체로서 형상화된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 형상화된 연마 입자(200A)는 4개의 꼭짓점(240A, 242A, 244A, 246A)에서 끝나는 6개의 모서리(230A, 232A, 234A, 236A, 238A, 239A)에 의해 결합된 4개의 면(220A, 222A, 224A, 226A)을 갖는다. 각각의 면은 모서리에서 다른 3개의 면과 접촉한다. 정사면체(예를 들어, 6개의 동일한 모서리 및 4개의 면을 가짐)가 도 2a에 도시되어 있지만, 다른 형상이 또한 허용가능하다는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 사면체 연마 입자(200)는 불규칙한 사면체(예를 들어, 모서리들의 길이가 상이함)로서 형상화될 수 있다. 도 2a 내지 도 2e에 의해 기술되는 형상화된 연마 입자는 연마 입자의 외측 표면(예를 들어, 면(220A, 222A, 224A, 226A))의 적어도 일부분 상에 배치된 마이크로미립자 층(도시되지 않음)을 포함하며, 마이크로미립자 층은 결합제 중에 분산된 미세입자를 포함한다.

이제 도 2b를 참조하면, 형상화된 연마 입자(200b)는 4개의 꼭짓점(240B, 242B, 244B, 246B)에서 끝나는 6개의 모서리(230B, 232B, 234B, 236B, 238B, 239B)에 의해 결합된 4개의 면(220B, 222B, 224B, 226B)을 갖는다. 각각의 면은 오목하며 각각의 공통 모서리에서 다른 3개의 면과 접촉한다. 도 2b에는 사면체 대칭(예를 들어, 삼중 대칭의 회전축 4개 및 대칭의 반사 평면 6개)을 갖는 입자가 도시되어 있지만, 다른 형상이 또한 허용가능하다는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 형상화된 연마 입자(200B)는 1, 2, 또는 3개의 오목한 면을 갖고, 나머지는 평탄할 수 있다.

이제 도 2c를 참조하면, 형상화된 연마 입자(200C)는 4개의 꼭짓점(240C, 242C, 244C, 246C)에서 끝나는 6개의 모서리(230C, 232C, 234C, 236C, 238C, 239C)에 의해 결합된 4개의 면(220C, 222C, 224C, 226C)을 갖는다. 각각의 면은 볼록하며 각각의 공통 모서리에서 다른 3개의 면과 접촉한다. 도 2c에는 사면체 대칭을 갖는 입자가 도시되어 있지만, 다른 형상이 또한 허용가능하다는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 형상화된 연마 입자(200C)는 1, 2, 또는 3개의 볼록한 면을 갖고, 나머지는 평탄하거나 오목할 수 있다.

이제 도 2d를 참조하면, 형상화된 연마 입자(200D)는 4개의 꼭짓점(240D, 242D, 244D, 246D)에서 끝나는 6개의 모서리(230D, 232D, 234D, 236D, 238D, 239D)에 의해 결합된 4개의 면(220D, 222D, 224D, 226D)을 갖는다. 도 2d에는 사면체 대칭을 갖는 입자가 도시되어 있지만, 다른 형상이 또한 허용가능하다는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 형상화된 연마 입자(200D)는 1, 2, 또는 3개의 볼록한 면을 갖고, 나머지는 평탄할 수 있다.

도 2a 내지 도 2d에서의 도시로부터 벗어난 것들(deviation)이 존재할 수 있다. 그러한 형상화된 연마 입자(200)의 예는, 4개의 꼭짓점(240E, 242E, 244E, 246E)에서 끝나는 6개의 모서리(230E, 232E, 234E, 236E, 238E, 239E)에 의해 결합된 4개의 면(220E, 222E, 224E, 226E)을 갖는 형상화된 연마 입자(200E)를 나타내는 도 2e에 도시되어 있다. 각각의 면은 각각의 공통 모서리에서 다른 3개의 면과 접촉한다. 각각의 면, 모서리, 및 꼭짓점은 불규칙한 형상을 갖는다.

임의의 형상화된 연마 입자(200A 내지 200E)에서, 모서리들은 동일한 길이 또는 상이한 길이를 가질 수 있다. 임의의 모서리의 길이는 임의의 적합한 길이일 수 있다. 예로서, 모서리의 길이는 약 0.5 μm 내지 약 2000 μm, 약 150 μm 내지 약 200 μm의 범위일 수 있거나, 약 0.5 μm, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1050, 1100, 1150, 1200, 1250, 1300, 1350, 1400, 1450, 1500, 1550, 1600, 1650, 1700, 1750, 1800, 1850, 1900, 1950, 또는 약 2000 μm 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다. 형상화된 연마 입자(200A 내지 200E)는 동일한 크기 또는 상이한 크기일 수 있다.

임의의 형상화된 연마 입자(100 또는 200)는 임의의 개수의 형상 특징부를 포함할 수 있다. 형상 특징부는 임의의 형상화된 연마 입자(100 또는 200)의 절삭 성능을 개선하는 데 도움을 줄 수 있다. 적합한 형상 특징부의 예에는 개구, 오목한 표면, 볼록한 표면, 홈(groove), 리지(ridge), 파단된 표면, 낮은 진원도 인자(roundness factor), 또는 예리한 첨단(tip)을 갖는 하나 이상의 코너점(corner point)을 포함하는 주연부가 포함된다. 개별 형상화된 연마 입자는 이들 특징부 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다.

이미 기술된 재료에 더하여, 적어도 하나의 자성 재료가 형상화된 연마 입자(100 또는 200) 내에 포함되거나 그에 코팅될 수 있다. 자성 재료의 예는 철; 코발트; 니켈; 다양한 등급으로 퍼멀로이(Permalloy)로 시판되는 니켈 및 철의 다양한 합금; 페르니코(Fernico), 코바르(Kovar), 페르니코 I, 또는 페르니코 II로 시판되는 철, 니켈 및 코발트의 다양한 합금; 다양한 등급으로 알니코(Alnico)로 시판되는 철, 알루미늄, 니켈, 코발트, 및 때때로 또한 구리 및/또는 티타늄의 다양한 합금; 센더스트(Sendust) 합금으로 시판되는 철, 규소, 및 알루미늄(중량 기준으로 약 85:9:6)의 합금; 호이슬러(Heusler) 합금(예컨대, Cu₂MnSn); 비스무트화망간(비스마놀(Bismanol)로도 공지됨); 희토류 자화가능 재료, 예를 들어 가돌리늄, 디스프로슘, 홀뮴, 유로퓸 산화물, 네오디뮴, 철 및 붕소의 합금(예컨대, Nd₂Fe₁₄B), 및 사마륨 및 코발트의 합금(예컨대, SmCo₅); MnSb; MnOFe₂O₃; Y₃Fe₅O₁₂; CrO₂; MnAs; 페라이트류, 예를 들어 페라이트, 마그네타이트; 아연 페라이트; 니켈 페라이트; 코발트 페라이트, 마그네슘 페라이트, 바륨 페라이트, 및 스트론튬 페라이트; 이트륨 철 가넷(yttrium iron garnet); 및 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 자화가능 재료는 8 내지 12 중량%의 알루미늄, 15 내지 26 중량%의 니켈, 5 내지 24 중량%의 코발트, 최대 6 중량%의 구리, 최대 1%의 티타늄을 함유하는 합금이며, 100 중량%까지 첨가되는 재료의 잔부는 철이다. 일부 다른 실시 형태에서, 예를 들어 마그네트론 스퍼터링을 포함하는 물리 증착(PVD)과 같은 증착 기술을 사용하여 자화가능 코팅이 연마 입자(100)상에 침착될 수 있다.

이들 자화가능 재료를 포함하는 것은 형상화된 연마 입자(100 또는 200)가 자기장에 반응하게 할 수 있다. 임의의 형상화된 연마 입자(100 또는 200)는 동일한 재료를 포함하거나 상이한 재료들을 포함할 수 있다.

형상화된 연마 입자(100 또는 200)는 다수의 적합한 방식으로 형성될 수 있는데, 예를 들어 형상화된 연마 입자(100 또는 200)는 다중-작업 공정에 따라 제조될 수 있다. 이 공정은 임의의 재료 또는 전구체 분산액 재료를 사용하여 수행될 수 있다. 간략하게는, 형상화된 연마 입자(100 또는 200)가 모놀리식 세라믹 입자인 실시 형태에 대해, 공정은 상응하는 것으로 변환될 수 있는 시드형(seeded) 또는 비-시드형 전구체 분산액(예컨대, 알파 알루미나로 변환될 수 있는 베마이트 졸-겔)을 제조하는 작업; 형상화된 연마 입자(100)의 원하는 외부 형상을 갖는 하나 이상의 주형 공동을 전구체 분산액으로 충전하는 작업; 전구체 분산액을 건조시켜 형상화된 전구체 연마 입자를 형성하는 작업; 주형 공동으로부터 형상화된 전구체 연마 입자(100)를 제거하는 작업; 형상화된 전구체 연마 입자(100)를 하소하여 하소된 형상화된 전구체 연마 입자(100 또는 200)를 형성하는 작업; 및 이어서 하소된 형상화된 전구체 연마 입자(100 또는 200)를 소결하여 형상화된 연마 입자(100 또는 200)를 형성하는 작업을 포함할 수 있다. 공정이 이제 알파-알루미나-함유 형상화된 연마 입자(100 또는 200)와 관련하여 더욱 상세히 기재될 것이다. 다른 실시 형태에서, 주형 공동은 멜라민으로 충전되어 형상화된 멜라민 연마 입자를 형성할 수 있다.

일부 형상화된 연마 입자(100 또는 200)는 중합체 재료를 포함할 수 있고, 연질 연마 입자로서 특징지어질 수 있다. 본 명세서에 기재된 형상화된 연질 연마 입자는 독립적으로 임의의 적합한 재료 또는 재료들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 형상화된 연질 연마 입자는 하나 이상의 중합성 수지를 포함하는 중합성 혼합물의 반응 생성물을 포함할 수 있다. 하나 이상의 중합성 수지, 예컨대 하이드로카르빌 중합성 수지. 그러한 수지의 예에는 페놀 수지, 우레아 포름알데하이드 수지, 우레탄 수지, 멜라민 수지, 에폭시 수지, 비스말레이미드 수지, 비닐 에테르 수지, 아미노플라스트 수지(펜던트 알파, 베타 불포화 카르보닐 기를 포함할 수 있음), 아크릴레이트 수지, 아크릴화 아이소시아누레이트 수지, 아이소시아누레이트 수지, 아크릴화 우레탄 수지, 아크릴화 에폭시 수지, 알킬 수지, 폴리에스테르 수지, 건성유, 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 것들이 포함된다. 중합성 혼합물은 가소제, 산 촉매, 가교결합제, 계면활성제, 순한 연마제(mild-abrasive), 안료, 촉매 및 항균제와 같은 추가 성분을 포함할 수 있다.

중합성 혼합물에 다수의 성분이 존재하는 경우, 이들 성분은 혼합물의 임의의 적합한 중량 백분율을 차지할 수 있다. 예를 들어, 중합성 수지 또는 수지들은 중합성 혼합물의 약 35 중량% 내지 약 99.9 중량%, 약 40 중량% 내지 약 95 중량%의 범위일 수 있거나, 약 35 중량%, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 또는 약 99.9 중량% 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다.

존재하는 경우, 가교결합제는 중합성 혼합물의 약 2 중량% 내지 약 60 중량%, 약 5 중량% 내지 약 10 중량%의 범위일 수 있거나, 약 2 중량%, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 또는 약 15 중량% 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다. 적합한 가교결합제의 예에는 미국 조지아주 알파레타 소재의 알넥스 유에스에이 인크.(Allnex USA Inc.)의 상표명 사이멜(CYMEL) 303 LF로 입수가능한 가교결합제; 또는 미국 조지아주 알파레타 소재의 알넥스 유에스에이 인크.로부터 상표명 사이멜 385로 입수가능한 가교결합제가 포함된다.

존재하는 경우, 순한 연마제는 중합성 혼합물의 약 5 중량% 내지 약 65 중량%, 약 10 중량% 내지 약 20 중량%의 범위일 수 있거나, 약 5 중량%, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 또는 약 65 중량% 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다. 적합한 순한 연마제의 예에는 미국 몬태나주 쓰리 퍽스 소재의 이머리스 탈크 아메리카, 인크.(Imerys Talc America, Inc.)의 상표명 민스트론(MINSTRON) 353 TALC로 입수가능한 순한 연마제; 미국 일리노이주 시카고 소재의 유에스지 코포레이션(USG Corporation)의 상표명 USG 테라 알바(TERRA ALBA) NO.1 황산칼슘으로 입수가능한 순한 연마제; 미국 펜실베이니아주 하트필드 소재의 이에스씨에이 인더스트리즈, 리미티드(ESCA Industries, Ltd.)로부터 입수가능한 재활용 유리(40 내지 70 그릿), 실리카, 방해석, 하석, 섬장암, 탄산칼슘, 또는 이들의 혼합물이 포함된다.

존재하는 경우, 가소제는 중합성 혼합물의 약 5 중량% 내지 약 40 중량%, 약 10 중량% 내지 약 15 중량%의 범위일 수 있거나, 약 5 중량%, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 또는 약 40 중량% 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다. 적합한 가소제의 예에는 아크릴 수지 또는 스티렌 부타디엔 수지가 포함된다. 아크릴 수지의 예에는 미국 미시간주 미들랜드 소재의 다우 케미칼 컴퍼니(Dow Chemical Company)의 상표명 로플렉스(RHOPLEX) GL-618로 입수가능한 아크릴 수지; 미국 오하이오주 위클리프 소재의 루브리졸 코포레이션(Lubrizol Corporation)의 상표명 하이카(HYCAR) 2679로 입수가능한 아크릴 수지; 미국 오하이오주 위클리프 소재의 루브리졸 코포레이션의 상표명 하이카 26796으로 입수가능한 아크릴 수지; 미국 미시간주 미들랜드 소재의 다우 케미칼 컴퍼니의 상표명 아르콜(ARCOL) LG-650으로 입수가능한 폴리에테르 폴리올; 또는 미국 오하이오주 위클리프 소재의 루브리졸 코포레이션의 상표명 하이카 26315로 입수가능한 아크릴 수지가 포함된다. 스티렌 부타디엔 수지의 예에는 미국 노스캐롤라이나주 샬롯 소재의 말라드 크릭 폴리머스, 인크.(Mallard Creek Polymers, Inc.)의 상표명 로벤(ROVENE) 5900으로 입수가능한 수지가 포함된다.

존재하는 경우, 산 촉매는 중합성 혼합물의 약 1 중량% 내지 약 20 중량%, 약 5 중량% 내지 약 10 중량%의 범위일 수 있거나, 약 1 중량%, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 또는 약 20 중량% 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다. 적합한 산 촉매의 예에는 염화알루미늄의 용액 또는 염화암모늄의 용액이 포함된다.

존재하는 경우, 계면활성제는 중합성 혼합물의 약 0.001 중량% 내지 약 15 중량%, 약 5 중량% 내지 약 10 중량%의 범위일 수 있거나, 약 0.001 중량%, 0.01, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 또는 약 15 중량% 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다. 적합한 계면활성제의 예에는 미국 노스캐롤라이나주 살리스버리 소재의 이노스펙 퍼포먼스 케미칼스(Innospec Performance Chemicals)의 상표명 젬텍스(GEMTEX) SC-85-P로 입수가능한 계면활성제; 미국 펜실베이니아주 앨런타운 소재의 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코포레이티드(Air Products and Chemicals, Inc.)로부터 상표명 다이놀(DYNOL) 604로 입수가능한 계면활성제; 미국 미시간주 미들랜드 소재의 다우 케미칼 컴퍼니의 상표명 아크리졸(ACRYSOL) RM-8W로 입수가능한 계면활성제; 또는 미국 미시간주 미들랜드 소재의 다우 케미칼 컴퍼니의 상표명 지아미터(XIAMETER) AFE 1520로 입수가능한 계면활성제가 포함된다.

존재하는 경우, 항미생물제는 중합성 혼합물의 약 0.5 중량% 내지 약 20 중량%, 약 10 중량% 내지 약 15 중량%의 범위일 수 있거나, 약 0.5 중량%, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 또는 약 20 중량% 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다. 적합한 항미생물제의 예에는 아연 피리티온이 포함된다.

존재하는 경우, 안료는 중합성 혼합물의 약 0.1 중량% 내지 약 10 중량%, 약 3 중량% 내지 약 5 중량%의 범위일 수 있거나, 약 0.1 중량%, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 6, 6.5, 7, 7.5, 8, 8.5, 9, 9.5, 또는 약 10 중량% 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다. 적합한 안료의 예에는 미국 뉴저지주 파시패니 소재의 썬 케미칼 코포레이션(Sun Chemical Corporation)의 상표명 썬스퍼스 블루(SUNSPERSE BLUE) 15로 입수가능한 안료 분산액; 미국 뉴저지주 파시패니 소재의 썬 케미칼 코포레이션의 상표명 썬스퍼스 바이올렛(SUNSPERSE VIOLET) 23으로 입수가능한 안료 분산액; 미국 뉴저지주 파시패니 소재의 썬 케미칼 코포레이션의 상표명 썬 블랙(SUN BLACK)으로 입수가능한 안료 분산액; 또는 미국 노스 캐롤라이나주 샬롯 소재의 클래리언트 리미티드(Clariant Ltd.)의 상표명 블루 피그먼트(BLUE PIGMENT) B2G로 입수가능한 안료 분산액이 포함된다. 성분들의 혼합물은 경화에 의해 중합될 수 있다.

본 공정은 세라믹으로 변환될 수 있는 전구체의 시드형 또는 비-시드형 분산액을 제공하는 작업을 포함할 수 있다. 전구체가 시딩되는(seeded) 예에서, 전구체는 철의 산화물(예컨대, FeO)로 시딩될 수 있다. 전구체 분산액은 흔히 휘발성 성분인 액체를 포함할 수 있다. 일례에서, 휘발성 성분은 물이다. 분산액은 주형 공동의 충전 및 주형 표면의 복제를 가능하게 하기 위해 분산액의 점도가 충분히 낮도록 충분한 양의 액체를 포함할 수 있지만, 후속하여 액체를 주형 공동으로부터 제거하는 것이 엄청나게 비싸지게 할 정도로 많은 액체를 포함할 수 없다. 일례에서, 전구체 분산액은 산화알루미늄 1수화물(베마이트)의 입자와 같이 세라믹으로 변환될 수 있는 2 중량% 내지 90 중량%의 입자와, 10 중량% 이상, 또는 50 중량% 내지 70 중량% 또는 50 중량% 내지 60 중량%의 물과 같은 휘발성 성분을 포함한다. 역으로, 전구체 분산액은 일부 실시 형태에서 30 중량% 내지 50 중량% 또는 40 중량% 내지 50 중량%의 고형물을 함유한다.

적합한 전구체 분산액의 예는 지르코늄 산화물 졸, 바나듐 산화물 졸, 세륨 산화물 졸, 알루미늄 산화물 졸 및 이의 조합을 포함한다. 적합한 알루미늄 산화물 분산액은, 예를 들어, 베마이트 분산액 및 다른 산화알루미늄 수화물 분산액을 포함한다. 베마이트는 알려진 기술에 의해 제조될 수 있거나 상업적으로 입수될 수 있다. 구매가능한 베마이트의 예는 둘 모두 사솔 노스 아메리카, 인크.(Sasol North America, Inc.)로부터 입수가능한 상표명 "디스퍼랄(DISPERAL)" 및 "디스팔(DISPAL)" 또는 바스프 코포레이션(BASF Corporation)으로부터 입수가능한 상표명 "하이큐(HIQ)-40"을 갖는 제품을 포함한다. 이들 산화알루미늄 1수화물은 비교적 순수한데; 즉 이들은 1수화물 이외에, 존재하더라도, 비교적 적은 수화물 상을 포함하며 큰 표면적을 갖는다.

생성되는 형상화된 연마 입자(100 또는 200)의 물리적 특성은 일반적으로 전구체 분산액에 사용되는 재료의 유형에 따라 좌우될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "겔"은 액체 중에 분산된 고체의 3차원 네트워크(network)이다.

전구체 분산액은 개질 첨가제 또는 개질 첨가제의 전구체를 함유할 수 있다. 개질 첨가제는 연마 입자의 일부 바람직한 특성을 향상시키거나 후속 소결 단계의 유효성을 증가시키는 기능을 할 수 있다. 개질 첨가제 또는 개질 첨가제의 전구체는 가용성 염, 예를 들어 수용성 염의 형태일 수 있다. 이들은 금속-함유 화합물을 포함할 수 있으며, 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. 전구체 분산액에 존재할 수 있는 이들 첨가제의 구체적인 농도는 달라질 수 있다.

개질 첨가제 또는 개질 첨가제의 전구체의 도입은 전구체 분산액이 겔화되게 할 수 있다. 또한 전구체 분산액은 일정 기간에 걸친 열의 적용에 의해 겔로 유도되어 증발을 통해 분산액 내의 액체 함량을 감소시킬 수 있다. 전구체 분산액은 또한 핵형성제를 함유할 수 있다. 본 발명에 적합한 핵형성제는 변환의 핵을 형성할 알파 알루미나, 알파 산화철 또는 이의 전구체, 산화티타늄 및 티탄산염, 산화크롬 또는 임의의 다른 재료의 미세 입자를 포함할 수 있다. 사용되는 경우, 핵형성제의 양은 알파 알루미나의 변환을 일으키기에 충분하여야 한다.

보다 안정한 하이드로졸 또는 콜로이드성 전구체 분산액을 제조하기 위해 전구체 분산액에 펩타이징제(peptizing agent)가 첨가될 수 있다. 적합한 펩타이징제는 일양성자산(monoprotic acid) 또는 산 화합물, 예를 들어 아세트산, 염산, 포름산 및 질산이다. 다양성자산(multiprotic acid)이 또한 사용될 수 있지만, 이는 전구체 분산액을 신속하게 겔화시켜 추가의 성분을 취급하거나 그것에 도입하는 것을 어렵게 할 수 있다. 베마이트의 일부 상업적 공급원은 안정한 전구체 분산액을 형성하는 것을 도와줄 산 역가(acid titer)(예컨대, 흡수된 포름산 또는 질산)를 함유한다.

전구체 분산액은 임의의 적합한 수단에 의해 형성될 수 있는데, 예를 들어, 졸-겔 알루미나 전구체의 경우에, 이는 펩타이징제를 함유한 물과 산화알루미늄 1수화물을 간단히 혼합함으로써, 또는 펩타이징제가 첨가된 산화알루미늄 1수화물 슬러리를 형성함으로써 형성될 수 있다.

혼합 동안 버블을 형성하거나 공기를 동반하는 경향을 감소시키기 위해 소포제 또는 다른 적합한 화학 물질이 첨가될 수 있다. 필요한 경우, 습윤제, 알코올 또는 커플링제와 같은 추가의 화학 물질이 첨가될 수 있다.

추가의 작업은 하나 이상의 주형 공동, 바람직하게는 주형의 하나 이상의 주 표면에 형성된 복수의 공동을 갖는 주형을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 주형은, 예를 들어 벨트, 시트, 연속 웨브(web), 윤전 그라비아 롤(rotogravure roll)과 같은 코팅 롤, 코팅 롤에 장착된 슬리브, 또는 다이일 수 있는 제조 공구로서 형성된다. 일례에서, 제조 공구는 중합체성 재료를 포함할 수 있다. 적합한 중합체성 재료의 예는 폴리에스테르, 폴리카르보네이트, 폴리(에테르 설폰), 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리우레탄, 폴리비닐클로라이드, 폴리올레핀, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 이들의 조합과 같은 열가소성 재료, 또는 열경화성 재료를 포함한다. 일례에서, 전체 공구는 중합체성 또는 열가소성 재료로 제조된다. 다른 예에서, 복수의 공동의 표면과 같은, 전구체 분산액이 건조되고 있는 동안에 전구체 분산액과 접촉하는 공구의 표면은 중합체성 또는 열가소성 재료를 포함하며, 공구의 다른 부분은 다른 재료로 제조될 수 있다. 예로서, 적합한 중합체성 코팅이 금속 공구에 적용되어 그의 표면 장력 특성을 변화시킬 수 있다.

중합체성 또는 열가소성 제조 공구는 금속 마스터 공구(master tool)로부터 복제될 수 있다. 마스터 공구는 제조 공구에 대해 요구되는 패턴의 역 패턴(inverse pattern)을 가질 수 있다. 마스터 공구는 제조 공구와 동일한 방식으로 제조될 수 있다. 일례에서, 마스터 공구는 금속(예컨대, 니켈)으로 제조되며, 다이아몬드 선삭된다. 일례에서, 마스터 공구는 적어도 부분적으로 스테레오리소그래피(stereolithography)를 사용하여 형성된다. 중합체성 시트 재료는 마스터 공구와 함께 가열되어, 둘을 함께 프레싱함으로써 중합체성 재료가 마스터 공구 패턴으로 엠보싱되게 할 수 있다. 중합체성 또는 열가소성 재료가 또한 마스터 공구 상으로 압출되거나 캐스팅되고 이어서 프레싱될 수 있다. 열가소성 재료를 냉각시켜 고화하고 제조 공구를 생성한다. 열가소성 제조 공구가 이용되는 경우, 열가소성 제조 공구를 일그러뜨려 그의 수명을 제한할 수 있는 과도한 열을 발생시키지 않도록 주의를 기울여야 한다.

공동에의 접근은 주형의 상부 표면 또는 하부 표면 내의 개구로부터 이루어질 수 있다. 일부 예에서, 공동은 주형의 전체 두께에 걸쳐 연장될 수 있다. 대안적으로, 공동은 주형의 두께의 단지 일부에 걸쳐 연장될 수 있다. 일례에서, 상부 표면은 주형의 저부 표면에 실질적으로 평행하며, 이때 공동은 실질적으로 균일한 깊이를 갖는다. 주형의 적어도 하나의 면(side), 즉 공동이 형성된 면은 휘발성 성분이 제거되는 단계 동안 주위 분위기에 노출된 상태로 남아 있을 수 있다.

공동은 형상화된 연마 입자(100)를 제조하기 위해 특정 3차원 형상을 갖는다. 깊이 치수는 상부 표면으로부터 저부 표면 상의 최저 지점까지의 수직 거리와 동일하다. 주어진 공동의 깊이는 균일할 수 있거나, 그의 길이 및/또는 폭을 따라 달라질 수 있다. 주어진 주형의 공동들은 동일한 형상을 갖거나 상이한 형상을 가질 수 있다.

추가 작업은 (예컨대, 종래 기술에 의해) 주형의 공동을 전구체 분산액으로 충전하는 단계를 수반한다. 일부 예에서, 나이프 롤 코터(knife roll coater) 또는 진공 슬롯 다이 코터(vacuum slot die coater)가 사용될 수 있다. 원하는 경우, 주형으로부터 입자를 제거하는 것을 돕기 위해 주형 이형제가 사용될 수 있다. 주형 이형제의 예에는 오일, 예를 들어 땅콩유 또는 광유, 어유(fish oil), 실리콘, 폴리테트라플루오로에틸렌, 아연 스테아레이트 및 흑연이 포함된다. 일반적으로, 주형 이형제가 필요한 경우, 주형의 단위 면적당 약 0.1 mg/in²(0.6 mg/㎠) 내지 약 3.0 mg/in²(20 mg/㎠), 또는 약 0.1 mg/in²(0.6 mg/㎠) 내지 약 5.0 mg/in²(30 mg/㎠)의 주형 이형제가 존재하도록, 전구체 분산액과 접촉하는 제조 공구의 표면에, 물 또는 알코올과 같은 액체 중의 주형 이형제, 예를 들어 땅콩유가 적용된다. 일부 실시 형태에서, 주형의 상부 표면은 전구체 분산액으로 코팅된다. 전구체 분산액은 상부 표면 상으로 펌핑될 수 있다.

추가 작업에서, 스크레이퍼(scraper) 또는 레벨러 바아(leveler bar)를 사용하여 전구체 분산액을 주형의 공동 내로 완전히 밀어 넣을 수 있다. 공동에 들어가지 않은 전구체 분산액의 잔여 부분은 주형의 상부 표면으로부터 제거되어 재활용될 수 있다. 일부 예에서, 전구체 분산액의 적은 부분은 상부 표면에 남을 수 있고, 다른 예에서 상부 표면에는 분산액이 실질적으로 없다. 스크레이퍼 또는 레벨러 바아에 의해 가해지는 압력은 100 psi(0.6 MPa) 미만, 50 psi(0.3 MPa) 미만, 또는 심지어 10 psi(60 ㎪) 미만일 수 있다. 일부 예에서, 전구체 분산액의 노출된 표면은 실질적으로 상부 표면을 넘어서 연장되지 않는다.

공동의 노출된 표면이 형상화된 연마 입자의 평탄한 면이 되게 하는 것이 요망되는 이러한 예에서, (예컨대, 마이크로노즐 어레이를 사용하여) 공동을 과충전하고 전구체 분산액을 느리게 건조시키는 것이 바람직할 수 있다.

추가 작업은 휘발성 성분을 제거하여 분산액을 건조시키는 것을 수반한다. 휘발성 성분은 빠른 증발 속도에 의해 제거될 수 있다. 일부 예에서, 증발에 의한 휘발성 성분의 제거는 휘발성 성분의 비등점을 초과한 온도에서 일어난다. 건조 온도에 대한 상한은 종종 주형을 제조하게 하는 재료에 좌우된다. 폴리프로필렌 공구의 경우, 이 온도는 플라스틱의 융점 미만이어야 한다. 일례에서, 약 40 내지 50% 고형물의 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 개선된 제조 속도로 이어질 수 있지만, 또한 주형으로서의 그의 유효 수명을 제한하는 폴리프로필렌 공구의 열화로 이어질 수 있다.

건조 동안, 전구체 분산액은 수축되어, 종종 공동 벽으로부터의 수축(retraction)을 일으킨다. 예를 들어, 공동이 평탄한 벽을 갖는 경우, 얻어지는 형상화된 연마 입자(100)는 적어도 3개의 오목한 주 면을 갖는 경향이 있을 수 있다. 공동 벽을 오목하게 만듦으로써(이에 의해, 공동 체적이 증가됨) 적어도 3개의 실질적으로 평탄한 주 면을 갖는 형상화된 연마 입자(100)를 얻는 것이 가능함이 현재 발견되었다. 오목한 정도(degree of concavity)는 일반적으로 전구체 분산액의 고형물 함량에 따라 좌우된다.

추가 작업은 주형 공동으로부터 결과적인 형상화된 전구체 연마 입자(100)를 제거하는 단계를 수반한다. 형상화된 전구체 연마 입자(100 또는 200)는 주형에서 하기 공정들을 단독으로 또는 조합하여 사용함으로써 공동으로부터 제거될 수 있다: 주형 공동으로부터 입자를 제거하기 위한 중력, 진동, 초음파 진동, 진공 또는 가압 공기.

형상화된 전구체 연마 입자(100 또는 200)는 주형의 외부에서 추가로 건조될 수 있다. 전구체 분산액이 주형 내에서 원하는 수준까지 건조된 경우, 이러한 추가의 건조 단계는 필요하지 않다. 그러나, 일부 경우에는 전구체 분산액이 주형 내에 잔류하는 시간을 최소화하기 위해 이 추가의 건조 단계를 이용하는 것이 경제적일 수 있다. 형상화된 전구체 연마 입자(100 또는 200)는 50℃ 내지 160℃ 또는 120℃ 내지 150℃의 온도에서 10분 내지 480분 또는 120분 내지 400분 동안 건조될 것이다.

추가 작업은 형상화된 전구체 연마 입자(100 또는 200)를 하소시키는 단계를 수반한다. 하소 동안에, 본질적으로 모든 휘발성 재료가 제거되며, 전구체 분산액 중에 존재하는 다양한 성분이 금속 산화물로 변환된다. 형상화된 전구체 연마 입자(100 또는 200)는 일반적으로 400℃ 내지 800℃의 온도로 가열되며, 자유수(free water)와 90 중량%를 초과하는 임의의 결합된 휘발성 재료가 제거될 때까지 이 온도 범위 내에 유지된다. 선택적인 단계에서, 함침 공정에 의해 개질 첨가제를 도입하는 것이 바람직할 수 있다. 하소된 형상화된 전구체 연마 입자(100)의 기공 내로 수용성 염이 함침에 의해 도입될 수 있다. 이어서, 형상화된 전구체 연마 입자(100)는 다시 예비 소성된다.

추가 작업은 하소된 형상화된 전구체 연마 입자(100 또는 200)를 소결시켜 입자(100 또는 200)를 형성하는 단계를 수반할 수 있다. 그러나, 전구체가 희토류 금속을 포함하는 일부 예에서, 소결은 필요하지 않을 수 있다. 소결 전에, 하소된 형상화된 전구체 연마 입자(100 또는 200)는 완전히 치밀화되지 않으며, 따라서 형상화된 연마 입자(100 또는 200)로서 사용되는 데 요구되는 경도가 결여된다. 소결은 하소된 형상화된 전구체 연마 입자(100 또는 200)를 1000℃ 내지 1650℃의 온도로 가열함으로써 일어난다. 이 수준의 변환을 달성하기 위해 하소된 형상화된 전구체 연마 입자(100 또는 200)가 소결 온도에 노출될 수 있는 기간은 다양한 인자에 따라서 달라지지만 5초 내지 48시간이 가능하다.

다른 실시 형태에서, 소결 단계의 지속 시간은 1분 내지 90분의 범위이다. 소결 후에, 형상화된 연마 입자(14)는 비커스 경도(Vickers hardness)가 10 GPa(기가파스칼), 16 GPa, 18 GPa, 20 GPa, 또는 그 초과일 수 있다.

기술된 공정을 변경하기 위해, 예를 들어, 재료를 하소 온도로부터 소결 온도까지 급속하게 가열하고, 전구체 분산액을 원심분리하여 슬러지 및/또는 폐기물을 제거하는 것과 같은 추가 작업이 사용될 수 있다. 또한, 공정은 원하는 경우 공정 단계들 중 둘 이상을 조합함으로써 변경될 수 있다.

본 명세서에 기재된 임의의 연마 물품은 연속적일 수 있거나 연마 세그먼트를 포함할 수 있다.

도 3a 내지 도 3d는 다양한 실시 형태에 따른 미세입자로 코팅된 형상화된 연마 입자를 예시한다. 도 3a는 적색 미세입자로 코팅된 형상화된 연마 입자(10)를 예시한다. 적색 미세입자는 Fe₂O₃으로 제조된다. 도 3b는 규회석 미세입자(22)로 코팅된 형상화된 연마 입자(20)를 예시한다. 도 3c 및 도 3d는 입자(20)의 더 근접한 도면을 예시한다. 도 3c는 65x로 촬영된 이미지이다. 도 3d는 1400x로 촬영된 이미지이다. 형상화된 연마 입자(10, 20)와 미세입자 사이의 최장 입자 치수의 비는 약 10:1 내지 약 100:1에서 약 1000:1 내지 약 10,000:1까지의 범위일 수 있다.

이전에 미세입자가 연마 입자에 적용되었었다. 미세입자는 연마 입자의 표면적을 증가시켜서, 연마 입자와 주위 수지 매트릭스 사이의 접합 강도를 증가시킨다. 이는 연마 입자의 구조 상에 미세입자를 포함하는 연마 물품의 전체 유효 수명을 증가시킬 수 있다. 파쇄된 입자 또는 판상 입자에 미세입자가 이전에 적용되었었지만, 본 명세서에 기재된 실시 형태는 정밀 형상화된 연마 입자에 미세입자를 적용한다.

이전에 연마 입자에 적용된 미세입자는 종종 형상이 구형이었다. 본 명세서에 포함된 실시예에 예시된 바와 같이, 놀랍게도 로드 또는 플레이트 형상의 미세입자가 더 우수한 성능을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 놀랍게도, 미세입자의 종횡비를 증가시키는 것이 개선된 성능을 가져오는 것으로 밝혀졌다. 일부 실시 형태에서, 종횡비는 약 2 초과, 또는 약 3 초과, 또는 약 4 초과, 또는 약 5 초과, 또는 약 10 초과, 또는 약 50 초과, 또는 약 100 초과, 또는 약 500 초과, 또는 약 1000 초과이다.

또한, 각각의 형상화된 연마 물품 상의 코팅에서 미세입자 및 미세입자 결합제의 양을 제어하는 것이 밝혀졌다. 미세입자 결합제는 코팅된 형상화된 연마 입자의 0.1 중량% 이상이어야 한다. 일부 실시 형태에서, 미세입자 결합제는 코팅된 형상화된 연마 입자의 0.2 중량% 이상, 또는 0.3 중량% 이상, 또는 0.4 중량% 이상, 또는 0.5 중량% 이상, 또는 0.6 중량% 이상, 또는 0.7 중량% 이상, 또는 0.8 중량% 이상, 또는 0.9 중량% 이상, 또는 1 중량% 이상이다. 더 낮은 범위에서는, 효과가 달성되지 않는다.

도 4a 및 도 4b는 다양한 실시 형태에 따른 접합된 연마 물품을 예시한다. 도 4a는 중심-함몰형 연삭 휠(30)을 예시한다. 도 4b는 수지 매트릭스(36) 내의 형상화된 연마 입자(32)의 단면의 확대도를 예시한다. 형상화된 연마 입자(32)는 미세입자 코팅(34)을 갖는다.

도 5a 및 도 5b는 다양한 실시 형태에 따른 형상화된 미세입자를 예시한다. 본 명세서에 기재된 실시 형태 및 실시예는 형상화된 연마 입자를 1 초과의 종횡비를 갖는 입자로 코팅할 때 얻어지는 개선된 수명 성능을 예시한다. 개선된 성능은 형상화된 연마 입자 및 수지 매트릭스 둘 모두와 접합하는 데 이용가능한 미세입자의 더 높은 표면적으로부터 기인하는 것으로 여겨진다. 따라서, 증가된 표면적을 갖는 형상화된 미세입자에서 유사한 결과가 또한 나타날 수 있음이 명백히 고려된다. 한 가지 그러한 입자가 도 5a 및 도 5b에 예시되어 있다. 도 5a는 서로 실질적으로 평면인 수 개의 패싯형 아암(faceted arm, 52)을 갖는 입자(50)를 예시한다. 도 5b는 평면 아암(52)과 추가의 수직으로 위치된 아암(54) 사이의 배열을 예시하는 측면도를 예시한다. 그러나, 도 5a 및 도 5b는 형상화된 미세입자의 일례를 예시하지만, 다른 것이 가능하다. 예를 들어, 로드, 십자형, 사면체, 2차원 플레이트 및 이들 형상의 결합된 조합.

도 6a는 코팅된 연마 물품(300)의 단면도이다. 코팅된 연마 물품(300)은 x-y 방향을 따라 표면을 한정하는 배킹(302)을 포함한다. 배킹(302)은 배킹(302)의 제1 표면 위에 적용된, 이하에서 메이크(make) 코트(304)로 지칭되는 제1 결합제 층을 갖는다. 복수의 형상화된 연마 입자(200A)가 메이크 코트(304)에 부착되거나 부분적으로 매립되어 있다. 형상화된 연마 입자(200A)가 도시되어 있지만, 본 명세서에 기재된 임의의 다른 형상화된 연마 입자가 코팅된 연마 물품(300)에 포함될 수 있다. 이하에서 사이즈(size) 코트(306)로 지칭되는 선택적인 제2 결합제 층이 형상화된 연마 입자(200A) 위에 분산된다. 도시된 바와 같이, 형상화된 연마 입자(200A)의 대부분은 3개의 꼭짓점(240, 242, 244) 중 적어도 하나가 실질적으로 동일한 방향으로 배향된다. 따라서, 형상화된 연마 입자(200A)는 비-랜덤 분포에 따라 배향되지만, 다른 실시 형태에서 임의의 형상화된 연마 입자(200A)는 배킹(302) 상에 랜덤하게 배향될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 입자의 배향의 제어는 연마 물품의 절삭량을 증가시킬 수 있다. 형상화된 연마 입자(200A)는 연마 입자의 외측 표면(예를 들어, 꼭짓점(240, 242, 244)에 의해 형성된 면)의 적어도 일부분 상에 배치된 마이크로미립자 층(도시되지 않음)을 포함하며, 마이크로미립자 층은 결합제 중에 분산된 미세입자를 포함한다.

배킹(302)은 가요성 또는 강성일 수 있다. 가요성 배킹을 형성하기에 적합한 재료의 예에는 중합체 필름, 금속 포일, 직조 천, 편직 천, 종이, 가황 섬유(vulcanized fiber), 스테이플 섬유, 연속 섬유, 부직포, 폼(foam), 스크린, 라미네이트, 및 이들의 조합이 포함된다. 배킹(302)은 코팅된 연마 물품(300)이 시트, 디스크, 벨트, 패드 또는 롤의 형태로 되도록 형상화될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 배킹(302)은 코팅된 연마 물품(300)이 적합한 연삭 장비 상에서 주행될 수 있는 연마 벨트를 제조하기 위해 루프로 형성되는 것을 허용하기에 충분히 가요성일 수 있다.

메이크 코트(304)는 형상화된 연마 입자(200A)를 배킹(302)에 고정하고, 사이즈 코트(306)는 형상화된 연마 입자(200A)를 보강하는 데 도움을 줄 수 있다. 메이크 코트(304) 및/또는 사이즈 코트(306)는 수지성 접착제를 포함할 수 있다. 수지성 접착제는 페놀 수지, 에폭시 수지, 우레아-포름알데하이드 수지, 아크릴레이트 수지, 아미노플라스트 수지, 멜라민 수지, 아크릴화 에폭시 수지, 우레탄 수지, 폴리에스테르 수지, 염색 오일, 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 하나 이상의 수지를 포함할 수 있다.

도 6b는 형상화된 연마 입자(300) 대신에 형상화된 연마 입자(200)를 포함하는 코팅된 연마 물품(300B)의 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 형상화된 연마 입자(200)는 메이크 코트(304)에 의해 배킹(302)에 부착되며 형상화된 연마 입자(200)를 배킹(302)에 추가로 부착 또는 접착시키기 위해 사이즈 코트(306)가 적용된다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 형상화된 연마 입자(200)의 대부분은 일측으로 경사지거나 기울어져 있다. 이는 형상화된 연마 입자(200)의 대부분이 배킹(302)에 대해 90도 미만의 배향각(β)을 갖게 한다.

접합된 연마 물품이 또한 본 명세서에서 고려된다. 접합된 연마 물품을 제조하는 방법은, 접합제의 주로 분말형 원재료를 연마 그레인 상에 코팅하는 단계, 연마 그레인을 주형 내에 충전하는 단계 및 충전된 재료를 프레스 성형하는 단계를 포함하는 프레스 성형 공정; 및 혼합기에서 수지(예를 들어, 액체 수지)와 연마 그레인을 블렌딩하는 단계, 및 블렌드를 습윤 상태에서 주형 내로 캐스팅하는 단계를 포함하는 캐스팅 공정을 일반적으로 포함한다.

도 7a 및 도 7b는 접합된 연마 물품(400)의 예를 도시한다. 구체적으로, 도 7a는 접합된 연마 물품(400)의 사시도이고, 도 7b는 도 7a의 선 A-A를 따라 취한 접합된 연마 물품(400)의 단면도이다. 도 4a 및 도 7b는 다수의 동일한 특징부를 나타내며 동시에 논의된다. 도시된 바와 같이, 접합된 연마 물품(400)은 중심-함몰형 연삭 휠이다. 다른 예에서, 접합된 연마 물품은 마운트 포인트(mounted point), 절삭 휠, 절삭 및 연삭 휠(cut-and-grind wheel), 중심-함몰형 연삭 휠, 중심-함몰형 절삭 휠, 릴(reel) 연삭 휠, 마운트 포인트, 공구 연삭 휠, 롤 연삭 휠, 열간-프레싱된 연삭 휠, 면(face) 연삭 휠, 레일(rail) 연삭 휠, 연삭 콘(cone), 연삭 플러그(plug), 컵(cup) 연삭 휠, 기어(gear) 연삭 휠, 센터리스(centerless) 연삭 휠, 원통형 연삭 휠, 내경 연삭 휠, 외경 연삭 휠, 또는 이중 디스크 연삭 휠일 수 있다.

휠의 치수는 임의의 적합한 크기일 수 있으며, 예를 들어 직경은 2 mm 내지 약 2000 mm, 약 500 mm 내지 약 1000 mm의 범위일 수 있거나, 약 2 mm, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300,1400, 1500,1600, 1700, 1800, 1900, 약 2000 mm 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있고; 2 mm 내지 2,000 mm, 5 mm 1,000 mm 또는 20 mm 500 mm일 수 있다.

접합된 연마 물품(400)은 제1 주 표면(402) 및 제2 주 표면(404)을 포함한다. 제1 주 표면 및 제2 주 표면은 실질적으로 원형인 프로파일을 갖는다. 중심 개구(416)는 제1 주 표면(402)과 제2 주 표면(404) 사이에서 연장되고, 예를 들어 전동 공구에 대한 부착을 위해 사용될 수 있다. 다른 연마 물품의 예에서, 중심 개구(416)는 제1 주 표면(402)과 제2 주 표면(404) 사이에서 단지 부분적으로만 연장되도록 설계될 수 있다. 접합된 연마 물품(400)은 다수의 상이한 구성요소로 형성될 수 있다.

형상화된 연마 입자(100)가 도시되어 있지만, 접합된 연마 물품(400)의 다른 실시 형태는 형상화된 연마 입자(200A 내지 200E)를 포함할 수 있다. 접합된 연마 물품(400)에 존재하는 입자는 결합제 중에 유지된다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 결합제는 유기 수지, 유리질 결합제, 또는 금속성 결합제일 수 있다. 일부 예에서, 결합제는 그 안에 분포된 연마 입자를 포함할 수 있다. 적합한 유기 결합제는 경화되어(예를 들어, 중합 및/또는 가교결합되어) 유용한 유기 결합제를 형성할 수 있는 것들이다. 이러한 결합제에는, 예를 들어, 하나 이상의 페놀 수지(노볼락 및/또는 레졸 페놀 수지를 포함함), 하나 이상의 에폭시 수지, 하나 이상의 우레아-포름알데하이드 결합제, 하나 이상의 폴리에스테르 수지, 하나 이상의 폴리이미드 수지, 하나 이상의 고무, 하나 이상의 폴리벤즈이미다졸 수지, 하나 이상의 셀락, 하나 이상의 아크릴 단량체 및/또는 올리고머, 및 이들의 조합이 포함된다. 유기 결합제 전구체(들)는 예를 들어, 경화제, 경질화제, 촉매, 개시제, 착색제, 정전기 방지제, 연삭 보조제, 및 윤활제와 같은 추가 성분과 조합될 수 있다.

유용한 페놀 수지에는 노볼락 페놀 수지 및 레졸 페놀 수지가 포함된다. 노볼락 페놀 수지는, 산-촉매되며 포름알데하이드 대 페놀의 비가 1 미만, 예를 들어 0.5:1 내지 0.8:1인 것을 특징으로 한다. 레졸 페놀 수지는, 알칼리 촉매되며 포름알데하이드 대 페놀의 비가 1 이상, 예를 들어 1:1 내지 3:1인 것을 특징으로 한다. 노볼락 및 레졸 페놀 수지는 (예를 들어, 에폭시 화합물과의 반응에 의해) 화학적으로 개질될 수 있거나, 그것은 개질되지 않을 수 있다. 페놀 수지를 경화시키기에 적합한 예시적인 산성 촉매에는 황산, 염산, 인산, 옥살산, 및 p-톨루엔설폰산이 포함된다. 페놀 수지를 경화시키기에 적합한 알칼리 촉매에는 수산화나트륨, 수산화바륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 유기 아민, 또는 탄산나트륨이 포함된다.

페놀 수지는 잘 알려져 있으며, 상업적 공급원들로부터 용이하게 입수가능하다. 구매가능한 노볼락 수지의 예에는 듀레즈(DUREZ) 1364, (미국 텍사스주 애디슨 소재의 듀레즈 코포레이션(Durez Corporation)에 의해 상표명 바르쿰(VARCUM)(예를 들어, 29302)으로 시판되는) 2-스텝, 분말형 페놀 수지, 또는 (미국 켄터키주 루이스빌 소재의 헥시온, 인크.(Hexion, Inc.)에 의해 시판되는) 듀라이트 레진(DURITE RESIN) AD-5534가 포함된다. 본 발명의 실시에 유용한 구매가능한 레졸 페놀 수지의 예에는 듀레즈 코포레이션에 의해 상표명 바르쿰으로 시판되는 것(예를 들어, 29217, 29306, 29318, 29338, 29353); 미국 플로리다주 바르토우 소재의 애쉬랜드 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 "페노라이트(PHENOLITE)"로 시판되는 것들(예를 들어, 페노라이트 TD-2207)이 포함된다.

유리질화된 결합 재료와 관련하여, 무정형 구조를 나타내며 경질인 유리질 접합 재료가 당업계에 잘 알려져 있다. 일부 경우, 유리질 접합 재료는 결정상을 포함한다. 유리질 접합 재료를 형성하는 데 사용되는 금속 산화물의 예에는 실리카, 실리케이트, 알루미나, 소다, 칼시아, 포타시아, 티타니아, 산화철, 산화아연, 산화리튬, 마그네시아, 보리아, 알루미늄, 알루미늄 실리케이트, 보로실리케이트 유리, 리튬 알루미늄 실리케이트 및 이의 조합 등이 포함된다. 유리질 접합 재료는 10 내지 100%의 유리 프릿을 포함하는 조성물로부터 형성될 수 있지만, 더욱 전형적으로는 조성물은 20% 내지 80%의 유리 프릿, 또는 30% 내지 70%의 유리 프릿을 포함한다. 유리질 접합 재료의 나머지 부분은 비-프릿(non-frit) 재료일 수 있다. 대안적으로는, 유리질 접합제는 비-프릿 함유 조성물로부터 유도될 수 있다. 유리질 접합 재료는 전형적으로 약 700℃ 내지 약 1500℃의 범위, 일반적으로는 약 800℃ 내지 약 1300℃의 범위, 때때로 약 900℃ 내지 약 1200℃의 범위, 또는 심지어 약 950℃ 내지 약 1100℃의 범위의 온도(들)에서 숙성된다. 접합제가 숙성되는 실제 온도는, 예를 들어 특정 접합제의 화학적 특성에 따라 좌우된다. 바람직한 유리질화 접합 재료에는 실리카, 알루미나(바람직하게는, 10 중량％ 이상의 알루미나), 및 보리아(바람직하게는, 10 중량％ 이상의 보리아)를 포함하는 것들이 포함된다. 대부분의 경우에, 유리질화 접합 재료는 알칼리 금속 산화물(들)(예를 들어, Na₂O 및 K₂O)(일부 경우에 10 중량％ 이상의 알칼리 금속 산화물(들))을 추가로 포함한다.

형상화된 연마 입자(100)는 복수의 층으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 접합된 연마 물품(400)은 형상화된 연마 입자의 제1 층(412) 및 형상화된 연마 입자의 제2 층(414)을 포함한다. 형상화된 연마 입자의 제1 층(412) 및 형상화된 연마 입자의 제2 층(414)은 그들 사이에 위치된 결합제에 의해 서로 이격된다. 2개의 층이 도시되어 있지만, 접합된 연마 물품(400)은 형상화된 연마 입자(100)의 추가 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 접합된 연마 물품(400)은 삼각형 연마 입자의 제1 층(412) 또는 제2 층(414) 중 적어도 하나에 인접한 형상화된 연마 입자(100)의 제3 층을 포함할 수 있다. 층(412, 414)들 중 임의의 것은 파쇄된 연마 입자, 파쇄된 세라믹 연마 입자, 또는 형상화된 세라믹 연마 입자를 포함할 수 있다.

형상화된 연마 입자(100)는 랜덤하게 분포될 수 있지만, 형상화된 연마 입자(100)를 미리 결정된 패턴에 따라 분포시키는 것이 또한 가능하다. 예를 들어, 도 7a는 제1 층(412)의 인접한 형상화된 연마 입자(100)가 중심 개구(416)로부터 접합된 연마 물품(400)의 주연부로 연장되는 열로 서로 직접 정렬되는 패턴을 도시한다. 인접한 형상화된 연마 입자(100)는 또한 동심원으로 직접 정렬된다. 대안적으로, 인접한 형상화된 연마 입자(100)는 서로에 대해 엇갈릴 수 있다. 형상화된 연마 입자(100)의 추가의 미리 결정된 패턴이 또한 본 발명의 범주 내에 있다. 예를 들어, 형상화된 연마 입자(100)는 단어 또는 이미지를 형성하는 패턴으로 배열될 수 있다. 형상화된 연마 입자(100)는 또한 접합된 연마 물품(400)이 미리 결정된 속도로 회전될 때 이미지를 형성하는 패턴으로 배열될 수 있다. 형상화된 연마 입자(100)가 미리 결정된 패턴으로 배열되는 것에 더하여 또는 그 대신에, 충전제 입자와 같은 다른 입자가 또한 연마 입자에 대해 기재된 바와 같이 미리 결정된 패턴으로 배열될 수 있다.

연마 물품(300 또는 400)을 포함하는 본 명세서에 기재된 연마 물품 중 임의의 것은 또한 통상적인(예를 들어, 파쇄된) 연마 입자를 포함할 수 있다. 유용한 연마 입자의 예에는 융해된(fused) 산화알루미늄계 재료, 예를 들어 산화알루미늄, 세라믹 산화알루미늄(하나 이상의 금속 산화물 개질제 및/또는 시딩제(seeding agent) 또는 핵화제(nucleating agent)를 포함할 수 있음), 및 열처리된 산화알루미늄, 탄화규소, 공-융해된(co-fused) 알루미나-지르코니아, 다이아몬드, 세리아(ceria), 이붕화티타늄, 입방정 질화붕소, 탄화붕소, 가넷(garnet), 플린트(flint), 에머리(emery), 졸-겔(sol-gel) 유도된 연마 입자 및 이들의 혼합물이 포함된다.

통상적인 연마 입자는 예를 들어 평균 직경이 약 10 μm 내지 약 5000 μm, 약 20 μm 내지 약 2000 μm, 약 50 μm 내지 약 1000 μm의 범위일 수 있거나, 약 10 μm, 20, 30, 40, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1050, 1100, 1150, 1200, 1250, 1300, 1350, 1400, 1450, 1500, 1550, 1650, 1700, 1750, 1800, 1850, 1900, 1950, 또는 2000 μm 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다. 예를 들어, 통상적인 연마 입자는 연마제 산업에 규정된 공칭 등급을 가질 수 있다. 그러한 연마제 산업에서 승인된 등급 표준에는 미국 표준 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. 예시적인 ANSI 등급 표기(예를 들어, 규정된 공칭 등급)에는 ANSI 12 (1842 μm), ANSI 16 (1320 μm), ANSI 20 (905 μm), ANSI 24 (728 μm), ANSI 36 (530 μm), ANSI 40 (420 μm), ANSI 50 (351 μm), ANSI 60 (264 μm), ANSI 80 (195 μm), ANSI 100 (141 μm), ANSI 120 (116 μm), ANSI 150 (93 μm), ANSI 180 (78 μm), ANSI 220 (66 μm), ANSI 240 (53 μm), ANSI 280 (44 μm), ANSI 320 (46 μm), ANSI 360 (30 μm), ANSI 400 (24 μm), 및 ANSI 600 (16 μm)이 포함된다. 예시적인 FEPA 등급 표기에는 P12 (1746 μm), P16 (1320 μm), P20 (984 μm), P24 (728 μm), P30 (630 μm), P36 (530 μm), P40 (420 μm), P50 (326 μm), P60 (264 μm), P80 (195 μm), P100 (156 μm), P120 (127 μm), P120 (127 μm), P150 (97 μm), P180 (78 μm), P220 (66 μm), P240 (60 μm), P280 (53 μm), P320 (46 μm), P360 (41 μm), P400 (36 μm), P500 (30 μm), P600 (26 μm), 및 P800 (22 μm)이 포함된다. 도달 등급의 대략적인 평균 입자 크기가 각각의 등급 표기 다음의 괄호 안에 열거되어 있다.

형상화된 연마 입자(100 또는 200) 또는 파쇄된 연마 입자는 임의의 적합한 재료 또는 재료들의 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 형상화된 연마 입자(100)는 알파-알루미나, 융해된 산화알루미늄, 열처리된 산화알루미늄, 세라믹 산화알루미늄, 소결된 산화알루미늄, 탄화규소, 이붕화티타늄, 탄화붕소, 탄화텅스텐, 탄화티타늄, 다이아몬드, 입방정 질화붕소, 가넷, 융해된 알루미나-지르코니아, 졸-겔 유도된 연마 입자, 산화세륨, 산화지르코늄, 산화티타늄, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 형상화된 연마 입자(100 또는 200) 및 파쇄된 연마 입자는 동일한 재료를 포함할 수 있다. 추가의 실시 형태에서, 형상화된 연마 입자(100 또는 200) 및 파쇄된 연마 입자는 상이한 재료를 포함할 수 있다.

충전제 입자가 또한 연마 물품(200 또는 300)에 포함될 수 있다. 유용한 충전제의 예에는 금속 카르보네이트(예를 들어, 탄산칼슘, 탄산칼슘마그네슘, 탄산나트륨, 탄산마그네슘), 실리카(예를 들어, 수정, 유리 비드, 유리 버블 및 유리 섬유), 실리케이트(예를 들어, 활석, 점토, 몬트모릴로나이트, 장석, 운모, 칼슘 실리케이트, 칼슘 메타실리케이트, 나트륨 알루미노실리케이트, 나트륨 실리케이트), 금속 설페이트(예를 들어, 황산칼슘, 황산바륨, 황산나트륨, 황산알루미늄나트륨, 황산알루미늄), 석고, 질석, 설탕, 목분(wood powder), 수화된 알루미늄 화합물, 카본 블랙, 금속 산화물(예를 들어, 산화칼슘, 산화알루미늄, 산화주석, 산화티타늄), 금속 설파이트(예를 들어, 칼슘 설파이트), 열가소성 입자(예를 들어, 폴리카르보네이트, 폴리에테르이미드, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리(비닐클로라이드), 폴리설폰, 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 블록 공중합체, 폴리프로필렌, 아세탈 중합체, 폴리우레탄, 나일론 입자) 및 열경화성 입자(예를 들어, 페놀 버블, 페놀 비드, 폴리우레탄 폼 입자 등)가 포함된다. 또한, 충전제는 염, 예컨대 할라이드 염일 수 있다. 할라이드 염의 예에는 염화나트륨, 칼륨 빙정석, 나트륨 빙정석, 암모늄 빙정석, 칼륨 테트라플루오로보레이트, 나트륨 테트라플루오로보레이트, 플루오르화규소, 염화칼륨, 염화마그네슘이 포함된다. 금속 충전제의 예에는 주석, 납, 비스무스, 코발트, 안티몬, 카드뮴, 철, 및 티타늄이 포함된다. 다른 다양한 충전제에는 황, 유기 황 화합물, 흑연, 리듐 스테아레이트 및 금속 설파이드가 포함된다. 일부 실시 형태에서, 개별 형상화된 연마 입자(100) 또는 개별 파쇄된 연마 입자는 무정형, 세라믹, 또는 유기 코팅으로 적어도 부분적으로 코팅될 수 있다. 코팅의 적합한 성분의 예에는 실란, 유리, 산화철, 산화알루미늄, 또는 이들의 조합이 포함된다. 이와 같은 코팅은 결합제의 수지에 대한 입자의 접합 및 가공성에 도움을 줄 수 있다.

연마 물품(400)은 임의의 적합한 방법에 따라 형성될 수 있다. 한 가지 방법은 장치(500)의 복수의 구멍(502)의 제1 부분 내에 제1 복수의 형상화된 연마 입자(100)를 유지하는 단계를 포함한다. 장치(500)는 주형 내에 위치될 수 있으며, 제1 복수의 형상화된 연마 입자(100)가 주형 내에서 방출된다. 이어서, 결합제 재료를 침착시켜 형상화된 연마 입자(100)와 결합제 재료의 혼합물을 형성한다. 이어서, 주형을 가열하여 연마 물품을 형성할 수 있다.

복수의 구멍(502)의 제1 부분은 장치(500)의 구멍(502)의 총량의 약 5% 내지 약 100%, 또는 약 30% 내지 약 60%의 범위일 수 있거나, 약 10%, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 또는 95% 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다. 복수의 구멍(502)의 제1 부분이 100% 미만인 예에서, 제2 복수의 형상화된 연마 입자(100)가 장치의 복수의 구멍의 제2 부분 내에 유지될 수 있다. 복수의 구멍(502)의 제2 부분은 장치의 구멍의 총량의 약 5% 내지 약 99%, 또는 약 30% 내지 약 60%의 범위일 수 있거나, 약 10%, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 또는 95% 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다.

도 8은 제1 복수의 형상화된 연마 입자(100)가 장치의 제1 주 표면과 접촉하고 있는 장치를 도시하는 사시도이다. 형상화된 연마 입자(100)는 장치 위에 입자(100)를 부음으로써 또는 연마 입자 내에 장치를 침지시킴으로써 장치의 제1 주 표면과 접촉될 수 있다.

장치의 구멍(502)의 대부분(예를 들어, 대략 95%)이 연마 입자(100)로 충전된 후에 진공 발생 시스템이 결합되고, 진공 발생 시스템이 결합된다. 이는 하우징 내부의 압력이 감소되게 한다. 도 8은 진공이 적용되었을 때 장치의 구멍 내에 유지된 형상화된 연마 입자(100)를 도시하는 사시도이다. 대안적으로 입자(100)는 하우징 내의 자석의 활성화를 통해 유지될 수 있다.

도 9는 주형(700) 내에 위치된 장치(500)를 도시하는 사시도이다. 일단 장치가 주형(700) 내에 적절하게 위치되면, 연마 입자(100)가 방출된다. 연마 입자(100)의 방출은 하우징 내의 압력을 증가시키거나 자석을 분리함으로써 달성될 수 있다. 압력 증가 또는 자석 분리 시에 연마 입자(100)의 대부분이 주형(700) 내로 방출된다. 입자는 실질적으로 동시에 또는 최대 약 10초의 범위의 기간에 걸쳐 방출될 수 있다. 도 10은 방출 후 주형 내의 연마 입자(100)를 도시하는 사시도이다. 방출 시에, 연마 입자(100)는 주형(700) 내에 사전에 배치된 임의의 결합제 재료와 접촉한다. 주형(700) 내에 결합제 재료가 없는 경우, 연마 입자(100 또는 200)가 주형(700) 내에 침착된 후에 결합제 재료가 첨가될 수 있다. 연마 입자와 결합제는 혼합물을 형성한다. 혼합물은 선택적으로 프레싱될 수 있다.

장치(500) 내의 구멍(502)의 적어도 대부분은 미리 결정된 패턴으로 배열되기 때문에, 연마 입자(100)의 적어도 대부분이 주형(700) 내에 미리 결정된 패턴으로 침착된다. 따라서, 연마 입자(100)의 미리 결정된 패턴을 형성하기 위하여, 입자를 스크림과 같은 보강 층에 부착하거나 연마 물품에 포함되는 스캐폴드 구조에 입자를 배열할 필요가 없다. 연마 입자의 추가 층은 장치를 재로딩하고 주형 내에서 연마 입자의 추가 층을 연마 입자의 이전에 침착된 층의 상부에 침착시킴으로써 형성될 수 있다.

연마 입자(100)의 층의 원하는 양이 주형(700) 내에서 침착된 후에, 혼합물을 예를 들어 약 70℃ 내지 약 200℃ 범위의 온도에서 가열함으로써 경화시킨다. 혼합물은 경화성 페놀 수지를 경화시키기에 충분한 시간 동안 가열된다. 예를 들어, 적합한 시간은 약 2시간 내지 약 40시간의 범위일 수 있다. 경화는 또한 단계적 방식으로 행해질 수 있는데; 예를 들어, 휠은 약 2시간 내지 약 40시간 범위의 시간 동안 약 70℃ 내지 약 95℃ 범위의 제1 온도로 가열될 수 있다. 이어서, 혼합물은 약 2시간 내지 약 40시간 범위의 시간 동안 약 100℃ 내지 약 125℃ 범위의 제2 온도에서 가열될 수 있다. 이어서, 혼합물은 약 2시간 내지 약 10시간 범위의 시간 동안 약 140℃ 내지 약 200℃ 범위의 제3 온도에서 가열될 수 있다. 혼합물은 공기의 존재 하에서 경화될 수 있다. 대안적으로, 색을 보존하는 데 도움을 주기 위해, 휠은 산소의 농도가 비교적 낮은 질소 하에서 더 높은 온도(예를 들어, 140℃ 초과)에서 경화될 수 있다.

도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 복수의 형상화된 연마 입자(100 또는 200)의 각각은 배킹(302)에 대해 90도 각도로 배킹(302)을 통과하고 형상화된 연마 입자(100 또는 200)를 통과하는 z-축에 대해 특정된 z-방향 회전 배향을 가질 수 있다. 형상화된 연마 입자(100 또는 200)는 실질적으로 평탄한 표면 입자(100 또는 200)와 같은 표면 특징부가 z-축에 대해 특정된 각도 위치로 회전된 상태로 배향된다. 연마 물품(300A 또는 300B)에서의 특정된 z-축 회전 배향은 연마 물품(300A 또는 300B)을 형성할 때 형상화된 연마 입자(100 또는 200)의 정전 코팅 또는 드롭 코팅(drop coating)으로 인해 표면 특징부의 랜덤한 z-방향 회전 배향에 의해 발생하는 것보다 더 빈번하게 발생한다. 따라서, 상당히 많은 수의 형상화된 세라믹 연마 입자(100 또는 200)의 z-방향 회전 배향을 제어함으로써, 코팅된 연마 물품(300A 또는 300B)의 절삭률, 마감 또는 둘 모두가 정전 코팅 방법을 사용하여 제조된 것과는 달라질 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 형상화된 연마 입자(100 또는 200)의 50, 51, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 99 퍼센트 이상은, 랜덤으로 발생하지 않고 정렬된 입자 모두에 대해 실질적으로 동일할 수 있는 특정된 z-방향 회전 배향을 가질 수 있다. 다른 실시 형태에서, 형상화된 연마 입자(100 또는 200)의 약 50%는 제1 방향으로 정렬될 수 있고, 형상화된 연마 입자(100 또는 200)의 약 50%는 제2 방향으로 정렬될 수 있다. 일 실시 형태에서, 제1 방향은 제2 방향에 실질적으로 직교한다.

성형된 연마 입자의 특정 z-방향 회전 배향은 정밀 개구형 스크린을 사용하여 달성될 수 있으며, 이는 형상화된 연마 입자(100 또는 200)가 4, 3, 2 또는 1개 이하의 배향과 같이 몇 가지 특정 배향으로만 정밀 개구형 스크린 내에 끼워질 수 있도록 형상화된 연마 입자(100 또는 200)를 특정 z-방향 회전 배향으로 위치시킨다. 예를 들어, 직사각형 플레이트를 포함하는, 형상화된 연마 입자(100 또는 200)의 단면보다 단지 약간 더 큰 직사각형 개방부는 형상화된 연마 입자(100 또는 200)를 2개의 가능한 180도 대향하는 z-방향 회전 배향들 중 하나로 배향시킬 것이다. 정밀 개구형 스크린은 형상화된 연마 입자(100 또는 200)가 스크린의 개구 내에 위치된 채로 약 30, 20, 10, 5, 2 또는 1도 이하의 각도로 (성형된 연마 입자가 개구 내에 위치되는 때의 스크린의 표면에 수직한) 그의 z-축에 대해 회전할 수 있도록 설계될 수 있다.

형상화된 연마 입자(100, 200)를 소정 패턴으로 z-방향으로 배향시키도록 선택된 복수의 개구를 갖는 정밀 개구형 스크린은 유지 부재(retaining member), 예컨대 정합하는 개구 패턴을 갖는 제2 정밀 개구형 스크린 상의 접착 테이프, 입자를 제1 정밀 스크린 내에 유지하는 데 사용되는 정전기장, 또는 개구 내에 입자(100, 200)를 조이도록(pinch) 반대 방향으로 꼬인 정합하는 개구 패턴을 갖는 2개의 정밀 개구형 스크린과 같은 기계적 로크(lock)를 가질 수 있다. 제1 정밀 개구 스크린을 형상화된 연마 입자(100, 200)로 충전하고, 유지 부재를 사용하여 형상화된 연마 입자(100)를 개구 내에 제자리에 유지한다. 일 실시 형태에서, 제1 정밀 개구 스크린과 적층물로 정렬된 제2 정밀 개구 스크린의 표면 상의 접착 테이프는 형상화된 연마 입자(100)가 제2 정밀 개구 스크린의 개구 내에서 노출된 테이프의 표면에 고착되어 제1 정밀 개구 스크린의 개구 내에 머무르게 한다.

개구 내에 위치시킨 후에, 형상화된 연마 입자(100 또는 200)를 포함하는 제1 정밀 개구 스크린 표면에 평행하게 메이크 층(304)을 갖는 코팅된 배킹(302)을 위치시키는데, 메이크 층(304)이 개구 내의 형상화된 연마 입자(100 또는 200)에 면하게 한다. 그 후, 코팅된 배킹(302)과 제1 정밀 개구 스크린을 접촉시켜 형상화된 연마 입자(100 또는 200)를 메이크 층에 접착시킨다. 예컨대 테이핑된 표면을 갖는 제2 정밀 개구 스크린을 제거하거나, 2개의 정밀 개구 스크린을 풀거나, 정전기장을 제거함으로써 유지 부재를 해제시킨다. 이어서, 제1 정밀 개구 스크린을 제거하여, 형상화된 연마 입자(100 또는 200)가 사이즈 코트를 적용하고 메이크 코트와 사이즈 코트를 경화시키는 것과 같은 추가의 통상적인 처리를 위해 코팅된 연마 물품(300) 상에 특정된 z-방향 회전 배향을 갖도록 한다.

형상화된 연마 입자(100 또는 200)가 특정된 z-방향 회전각을 갖는 연마 물품(300)을 형성하는 다른 방법은 자성 정렬(magnetic alignment)을 사용한다. 도 8은 웨브 경로(812)를 따라 웨브 하류(downweb) 방향(814)(예컨대, 기계 방향)으로 이동하는, 메이크 층 전구체(820)가 상부에 배치된 배킹(815)을 포함하는 웨브(810)를 도시한다. 웨브(810)는 웨브 하류 방향(814)에 수직인 웨브 횡단 방향(도시되지 않음)을 갖는다. 메이크 층 전구체(820)는 제1 경화성 결합제 전구체(도시되지 않음)를 포함한다. 자화가능 입자(832)(형상화된 연마 입자(100 또는 200)에 상응하는 구조를 가짐)가 인가 자기장(840)의 일부분을 통해 메이크 층 전구체(820) 상으로 낙하된다. 자화가능 입자(832) 중 적어도 일부는 연마 입자이다. 자화가능 입자(832)는 호퍼(875)로부터 공급되는 하향 경사 분배 표면(885)을 따라 하방으로 이동한 후에 웨브(810) 상에 주로 침착된다. 하향 경사 분배 표면(885)을 따라 하방으로 이동하는 동안, 자화가능 연마 입자(832)의 가장 긴 모서리는 인가 자기장(840)과 정렬되는 경향이 있다. 다양한 웨브 취급 구성요소(880)(예컨대, 롤러, 컨베이어 벨트, 공급 롤, 및 권취 롤)가 웨브(810)를 취급한다.

이 방법 전반에 걸쳐, 적어도 메이크 전구체 층(820)으로 자화가능 연마 입자(832)가 전달될 때까지, 자화가능 입자(832)는 그들의 가장 긴 축이 자기장 선(865)과 실질적으로 평행(또는 역평행)하게 정렬되는 상태로 인가 자기장에 의해 연속적으로 배향된다. 일단 전달되면, 인가 자기장은 자화가능 연마 입자(832)에 배향 영향을 계속 미칠 수 있지만, 이는 필수적인 것은 아니다.

일반적으로, 본 발명의 실시에 사용되는 인가 자기장은 자화가능 입자가 영향을 받는(예컨대, 끌어당겨지고/지거나 배향되는) 영역에서의 자기장 강도가 약 10 가우스(1 mT) 이상, 약 100 가우스(10 mT) 이상, 또는 약 1000 가우스(0.1 T) 이상이지만, 이는 필수적인 것은 아니다.

인가 자기장은, 예를 들어, 하나 이상의 영구 자석 및/또는 전자석(들), 또는 자석과 강자성 부재의 조합에 의해 제공될 수 있다. 적합한 영구 자석은 위에서 기술된 바와 같은 자화가능 재료를 포함하는 희토류 자석을 포함한다. 인가 자기장은 고정적이거나 가변적일(예컨대, 변동할) 수 있다. 각각이 N극 및 S극을 갖는 상부 및/또는 하부 자성 부재(852, 854)는 모놀리식일 수 있거나, 예를 들어 다수의 구성요소 자석(854A, 854B) 및/또는 자화가능 본체로 구성될 수 있다. 다수의 자석으로 구성되는 경우, 주어진 자성 부재 내의 다수의 자석은 구성요소 자석이 서로 가장 가깝게 접근하는 그들의 자기장 선에 대해 인접하고/하거나 (예컨대, 적어도 실질적으로 평행하게) 공동 정렬될 수 있다. 스테인리스 강 유지기(retainer)(856, 858A, 858B)가 자석들을 제자리에 유지한다. 스테인리스 강 304 또는 등가물이 그의 비자성 특성으로 인해 적합하지만, 자화가능 재료가 또한 사용될 수 있다. 연강 마운트(mount)(862, 864)가 각각 스테인리스 강 유지기(856, 858A, 858B)를 지지한다. 강 마운트가 도 11에 도시되어 있지만, 마운트는 자화가능한지 여부에 관계없이 임의의 치수 안정적 재료(들)로 제조될 수 있다.

하향 경사 분배 표면은, 자화가능 입자(832)가 표면을 따라 하방으로 이동하고 웨브 상으로 분배될 수 있다면, 임의의 적합한 각도로 경사질 수 있다. 적합한 각도는 15 내지 60도의 범위 내에 있을 수 있지만, 다른 각도가 또한 사용될 수 있다. 일부 경우에, 입자 이동을 용이하게 하기 위해 하향 경사 분배 표면을 진동시키는 것이 바람직할 수 있다. 하향 경사 분배 표면은 자화가능하지 않을 수 있는 임의의 치수 안정적 재료로 구성될 수 있다. 예는 알루미늄과 같은 금속; 목재; 및 플라스틱을 포함한다.

도 12 내지 도 14는 인가 자기장(840) 내에서의 하향 경사 분배 표면(885)의 위치에 따라 하향 경사 분배 표면(885)으로부터 웨브(810) 상으로의 전달 위치에서 자화가능 입자(832)의 정렬을 보여주는 도 11의 일반적인 공정을 도시한다.

예를 들어, 도 10에 도시된 구성에서, 자화가능한 형상화된 연마 입자(932)는, 웨브로 전달될 때 그의 긴 모서리가 우측으로부터 좌측으로 상향으로 경사지는 배향을 얻도록 자기장 선(965)이 90도 미만의 웨브(910)와의 웨브 하류 각도(α)를 형성하는 곳에서 웨브(910) 상으로 분배된다. 도시된 바와 같이, 자화가능한 형상화된 연마 입자(932)는 하향 경사 분배 표면(985)을 따라 하방으로 활주하고, 그의 가장 긴 모서리가 자기장 선(965)과 정렬되는 상태로 배향되기 시작한다. 자화가능한 형상화된 연마 입자(932)는 웨브(910)의 메이크 층 전구체(920)와 접촉함에 따라, 웨브 하류 방향으로 기울어진다. 중력 및/또는 하부 자성 부재는 자성의 형상화된 연마 입자가 메이크 층 전구체(920) 상으로 안착되게 하고, 경화 후에 이들은 후속하여 배킹(915)에 부착된다. 자화가능한 형상화된 연마 입자(932)의 대부분은 웨브 상류(upweb) 방향으로 약 90도의 공칭 레이크각(nominal rake angle)(예컨대, 지시된 방향(예컨대, 웨브 상류 또는 웨브 하류)으로의 자화가능한 형상화된 연마 입자의 선단 모서리와 배킹 사이의 각도)으로 부착된다.

이제 도 13에 도시된 구성을 참조하면, 자화가능한 형상화된 연마 입자(932)는, 웨브(910)로 전달될 때 그의 가장 긴 모서리가 우측으로부터 좌측으로 또는 좌측으로부터 우측으로 상향으로 경사지는 배향을 얻도록 정렬된다. 자화가능한 형상화된 연마 입자(932)는 하향 경사 분배 표면(985)을 따라 하방으로 활주하고, 그의 가장 긴 모서리가 자기장 선(965)과 정렬되는 상태로 배향되기 시작한다. 자화가능한 형상화된 연마 입자(932)는 자기장 선(965)이 웨브(910)에 대략 수직인 곳에서 웨브(910) 상으로 분배된다. 자화가능한 형상화된 연마 입자(932)는 그의 가장 긴 모서리가 배킹에 대략 수직인 상태로 웨브(910) 상에 배치된다. 이는 입자들이 그의 가장 긴 모서리에 대해 회전하게 한다. 하부 자성 부재 및/또는 중력은 자화가능한 형상화된 연마 입자(932)가 메이크 층 전구체(920) 상으로 안착되게 하고, 경화 후에 이들은 후속하여 배킹(915)에 부착된다.

도 14에 도시된 구성에서, 자화가능한 형상화된 연마 입자(932)는, 웨브로 전달될 때 그의 긴 모서리가 좌측으로부터 우측으로 상향으로 경사지는 배향을 얻도록 정렬된다. 자화가능한 형상화된 연마 입자(932)가 하향 경사 분배 표면(985)을 따라 하방으로 활주함에 따라, 그의 가장 긴 모서리가 자기장 선(965)과 정렬되는 상태로 배향되기 시작한다. 자화가능한 형상화된 연마 입자(932)는 자기장 선(965)이 90도 초과의 웨브(900)와의 웨브 하류 각도(β)를 형성하는 곳에서 배킹 상에 분배된다. 입자는 웨브와 접촉함에 따라, 웨브 하류 방향으로 전방으로 기울어진다. 하부 자성 부재 및/또는 중력은 자화가능한 형상화된 연마 입자(932)가 메이크 층 전구체(920) 상으로 안착되게 하고, 경화 후에 이들은 후속하여 배킹(915)에 부착된다. 자화가능한 형상화된 연마 입자(932)의 대부분은 웨브 하류 방향으로 약 90도의 레이크각으로 웨브(910)에 부착된다.

일단 자화가능 입자가 경화성 결합제 전구체 상에 코팅되면, 이는 제1 경화 스테이션(도시되지 않음)에서 적어도 부분적으로 경화되어 자화가능 입자를 제자리에서 단단히 유지한다. 일부 실시 형태에서, 경화 전에 추가의 자화가능 및/또는 비-자화가능 입자(예컨대, 충전제 연마 입자 및/또는 연삭 보조제 입자)가 메이크 층 전구체에 적용될 수 있다.

코팅된 연마 물품의 경우에, 경화성 결합제 전구체는 메이크 층 전구체를 포함하고, 자화가능 입자는 자화가능 연마 입자를 포함한다. 사이즈 층 전구체가 적어도 부분적으로 경화된 메이크 층 전구체 및 자화가능 연마 입자 위에 적용될 수 있지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 존재하는 경우, 사이즈 층 전구체는 이어서, 선택적으로 적어도 부분적으로 경화된 메이크 층 전구체의 추가의 경화와 함께, 제2 경화 스테이션에서 적어도 부분적으로 경화된다. 일부 실시 형태에서, 수퍼사이즈(supersize) 층이 적어도 부분적으로 경화된 사이즈 층 전구체 상에 배치된다.

본 발명은 또한 연마 입자의 외측 표면의 적어도 일부분 상에 배치된 마이크로미립자 층을 포함하는 연마 입자를 포함하는 부직 연마 물품을 고려하며, 마이크로미립자 층은 결합제 중에 분산된 미세입자를 포함한다.

간략하게는, 도 12는 부직 연마 물품(1210)의 사시도이다. 도 16은 단면선 12-12를 따라 취한 도 12의 부직 연마 물품의 단면도이다. 도 1 및 도 2는 실질적으로 동일한 구성요소를 나타내며 동시에 논의된다. 도 15 및 도 13에 도시된 바와 같이, 부직 연마 물품은 부직 웨브(1212)를 포함한다. 부직 웨브는 제1 주 표면(1214) 및 제2 주 표면(1216)을 포함한다. 제1 주 표면 및 제2 주 표면의 각각은 불규칙하거나 실질적으로 비평면인 프로파일을 갖는다. 부직 웨브는 개별 섬유(1220)를 포함하는 섬유 구성요소(1218)를 포함한다. 연마 입자(1222)는 부직 웨브 전체에 걸쳐 분산되고 결합제(1224)는 연마 입자를 개별 섬유에 접착시킨다.

그렇게 제한되지는 않지만, 섬유 구성요소는 부직 연마 물품의 약 5 중량% 내지 약 30 중량%, 약 10 중량% 내지 약 25 중량%, 약 10 중량% 내지 약 20 중량%, 약 12 중량% 내지 약 15 중량%의 범위일 수 있거나, 약 5 중량%, 10, 15, 20, 25, 또는 30 중량% 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다. 섬유 구성요소는 서로에 대해 랜덤으로 배향되고 얽힌 복수의 개별 섬유를 포함할 수 있다. 개별 섬유는 상호 접촉 지점에서 서로 접합된다. 개별 섬유는 스테이플 섬유 또는 연속 섬유일 수 있다. 일반적으로 이해되는 바와 같이, "스테이플 섬유"는 별개의 길이의 섬유를 지칭하고, "연속 섬유"는 합성 필라멘트일 수 있는 섬유를 지칭한다. 개별 섬유는 섬유 구성요소의 약 70 중량% 내지 약 100 중량%, 또는 약 80 중량% 내지 약 90 중량%의 범위일 수 있거나, 섬유 구성요소의 70 중량%, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 100 중량% 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다.

개별 스테이플 섬유는 길이가 약 35 mm 내지 155 mm, 50 mm 내지 약 105 mm, 약 70 mm 내지 약 80 mm의 범위일 수 있거나, 약 35 mm, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 76, 80, 85, 90, 95, 100, 102, 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135, 140, 145, 150, 또는 155 mm 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다. 개별 스테이플 섬유의 크림프 지수(crimp index) 값은 약 15% 내지 약 60%, 약 25% 내지 약 50%의 범위일 수 있거나, 약 15%, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 또는 60% 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다. 크림프 지수는, 예를 들어, 주목할 만한 크림프가 섬유에 유도되기 전의, 생성된 크림프의 척도(measurement)이다. 크림프 지수는 연장된 상태에서의 섬유의 길이에서 이완된(예컨대, 단축된) 상태에서의 섬유의 길이를 빼고 이것을 연장된 상태에서의 섬유의 길이로 나눈 것으로서 표현된다. 스테이플 섬유는 섬도(fineness) 또는 선밀도가 약 10 데니어 내지 약 2000 데니어, 약 10 데니어 내지 약 200 데니어, 약 500 데니어 내지 약 600 데니어, 약 500 데니어 내지 약 700 데니어, 약 800 데니어 내지 약 1000 데니어, 약 900 데니어 내지 약 1000 데니어의 범위일 수 있거나, 약 200 데니어, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1050, 1100, 1150, 1200, 1250, 1300, 1350, 1400, 1450, 1500, 1550, 1600, 1650, 1700, 1750, 1800, 1850, 1900, 1950, 2000 데니어 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다.

일부 예에서, 섬유 구성요소는 스테이플 섬유들의 블렌드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유 구성요소는 제1 복수의 개별 섬유 및 제2 복수의 개별 스테이플 섬유를 포함할 수 있다. 블렌드의 제1 복수의 스테이플 섬유와 제2 복수의 스테이플 섬유는 선밀도 값, 크림프 지수, 또는 길이 중 적어도 하나에 대해 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 복수의 개별 섬유의 개별 스테이플 섬유의 선밀도는 약 200 데니어 내지 약 700 데니어, 약 550 데니어 내지 약 650 데니어의 범위일 수 있거나, 약 200 데니어, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 또는 약 700 데니어 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다. 제2 복수의 개별 섬유의 개별 스테이플 섬유의 선밀도는 약 800 데니어 내지 약 2000 데니어, 약 850 데니어 내지 약 1000 데니어의 범위일 수 있거나, 약 800 데니어, 850, 900, 950, 1000, 1050, 1100, 1150, 1200, 1250, 1300, 1350, 1400, 1450, 1500, 1550, 1600, 1650, 1700, 1750, 1800, 1850, 1900, 1950, 또는 2000 데니어 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다. 선밀도가 상이한 개별 스테이플 섬유들의 블렌드는, 예를 들어, 사용 시에 바람직한 표면 마감을 초래하는 연마 물품을 제공하는 데 유용할 수 있다. 임의의 개별 섬유의 길이 또는 크림프 지수는 본 명세서에서 논의된 값에 따를 수 있다.

개별 스테이플 섬유들의 블렌드를 포함하는 연마 물품의 예에서, 제1 복수의 개별 스테이플 섬유와 제2 복수의 개별 스테이플 섬유는 섬유 구성요소의 상이한 부분을 차지할 수 있다. 예를 들어, 제1 복수의 개별 섬유는 섬유 구성요소의 약 20 중량% 내지 약 80 중량%, 약 30 중량% 내지 약 40 중량%의 범위일 수 있거나, 20 중량%, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 또는 80 중량% 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다. 제2 복수의 개별 섬유는 섬유 구성요소의 약 20 중량% 내지 약 80 중량%, 약 60 중량% 내지 약 70 중량%의 범위일 수 있거나, 20 중량%, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 또는 80 중량% 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다. 2가지 복수의 개별 스테이플 섬유가 본 명세서에서 논의되지만, 제1 복수의 개별 섬유 및 제2 복수의 개별 섬유의 선밀도 값, 크림프 지수, 및/또는 길이 중 적어도 하나에 대해 상이한 제3 복수의 개별 스테이플 섬유와 같은 추가적인 복수의 개별 스테이플 섬유를 포함하는 것이 본 발명의 범주 내에 있다.

부직 웨브의 섬유는 다수의 적합한 재료를 포함할 수 있다. 재료의 선택에 영향을 미치는 요인에는, 재료가 접착하는 결합제 및 연마 입자와 적합하게 상용성(compatible)이면서 또한 물품의 다른 구성요소와 조합하여 가공될 수 있는지의 여부, 및 결합제의 적용 및 경화 동안 이용되는 것들과 같은 가공 조건(예를 들어, 온도)을 견뎌낼 수 있는 재료의 능력이 포함된다. 섬유의 재료는 또한, 예를 들어, 가요성, 탄성, 내구성 또는 수명, 마모성, 및 마감 특성과 같은 연마 물품의 특성에 영향을 주도록 선택될 수 있다. 적합할 수 있는 섬유의 예에는 천연 섬유, 합성 섬유, 및 천연 섬유 및/또는 합성 섬유의 혼합물이 포함된다. 합성 섬유의 예에는 폴리에스테르(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트), 나일론(예를 들어, 나일론-6,6, 폴리카프로락탐), 폴리프로필렌, 아크릴로니트릴(즉, 아크릴), 레이온, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐리덴 클로라이드-비닐 클로라이드 공중합체, 및 비닐 클로라이드-아크릴로니트릴 공중합체로부터 제조된 것들이 포함된다. 적합한 천연 섬유의 예에는 면, 양모, 황마, 및 대마가 포함된다. 섬유는 초기 재료(virgin material)의 것일 수 있거나, 또는 예를 들어, 의복 재단, 카펫 제조, 섬유 제조, 또는 텍스타일(textile) 가공으로부터 재생되는 재활용 재료 또는 폐기 재료의 것일 수 있다. 섬유는 균질할 수 있거나, 또는 2성분 섬유(예를 들어, 코-스펀 시스-코어 섬유(co-spun sheath-core fiber))와 같은 복합재일 수 있다. 섬유는 인장되고 크림핑된 스테이플 섬유일 수 있다.

일부 예에서, 개별 섬유는 비원형 단면 형상을 가질 수 있거나, 또는 원형 및 비-원형 단면 형상(예를 들어, 삼각형, 델타, H자형, 삼엽형(tri-lobal), 직사각형, 정사각형, 도그본(dog bone), 리본형, 또는 타원형)을 갖는 개별 섬유들의 블렌드를 가질 수 있다.

연마 물품은 개별 섬유에 부착된 연마 구성요소를 포함한다. 연마 입자는 연마 물품의 약 5 중량% 내지 약 70 중량%, 또는 약 40 중량% 내지 약 60 중량%의 범위일 수 있거나, 약 5 중량%, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 또는 70 중량% 미만이거나, 그와 동일하거나, 그를 초과할 수 있다. 연마 구성요소는 개별 연마 입자를 포함할 수 있다.

실시예

본 명세서에 기재된 실시예는 예측적이기보다는 단지 예시적인 것으로 의도되며, 제조 및 시험 절차에서의 변화는 상이한 결과를 산출할 수 있다. 실시예 섹션에서의 모든 정량적 값들은 사용된 절차에 수반된 일반적으로 알려진 허용오차의 측면에서 근사치로 이해된다. 전술한 상세한 설명 및 실시예들은 단지 이해를 명확히 하기 위해 제공되었다. 이로부터의 어떠한 불필요한 제한도 없음이 이해되어야 한다.

[표 1]

쓰리엠 실버 엠에프알.로부터 입수가능한 정밀 형상화된 그레인 (모델# 87462)을 먼저 수성 나트륨 또는 칼륨 실리케이트 용액 및 여분의 물로 코팅하고, 이어서 미세입자로 코팅한 후에, 건조시켜 물을 제거하였다. 키친 에이드(Kitchen Aid) 혼합기에 PSG를 첨가하고, 이어서 수성 실리케이트를 첨가하였다.

그레인 및 수성 실리케이트를 60초 동안 혼합한 후에, 수동으로 교반하고 키친 에이드 혼합기에서 60초 동안 다시 혼합하여 입자를 균질하게 습윤시켰다. 이어서, 분말형 미세입자(산화철, 칼륨 알루미늄 플루오라이드, 알루미늄 3수화물 등)를 습윤된 그레인에 첨가하고, 혼합물을 혼합기에서 60초 동안 교반하고, 이어서 수동으로 교반한 후, 키친 에이드 혼합기를 사용하여 추가로 60초 교반하였다. 각각의 실시예 및 비교예에 대한 그레인, 나트륨 실리케이트, 및 미세입자의 양이 표 2에 나타나 있다.

[표 2]

전형적으로, 코팅된 PSG를 팬에 펼치고 오븐 내에 95℃에서 45초 동안 두고, 응집을 피하기 위해 입자를 혼합하고, 이어서 다시 오븐 내에 95℃에서 45초 동안 둠으로써 건조시켰다. 이어서, 코팅된 그레인을 혼합하고 다시 펼치고, 최종 건조를 위해 오븐 내에 130℃에서 1.5시간 동안 두었다.

접합된 연마 프리믹스(pre-mix) 제조

분말형 성분들의 "프리믹스"를 제조하고 푸드 프로세서(food processor)를 사용하여 혼합하였다. 성분들의 비가 하기 표 3에 나타나 있다. 모든 실시예에 대해 동일한 프리믹스를 사용하였다. 본 명세서의 실시예에 사용되는 바와 같이, 노발락 수지는 부피 평균 입자 크기가 40 μm 미만인 분말형 페놀 수지를 지칭한다.

[표 3]

절삭 휠(COW) 제조

PSG(코팅된 것 및 코팅되지 않은 것), 분말형 프리믹스, 및 액체 레졸 수지를 함유하는 COW를 제조하였다. 본 명세서의 실시예에 사용되는 바와 같이, 액체 레졸 수지는 실온에서 3000 센티푸아즈 미만의 점도를 갖는 레졸 수지를 지칭한다. 각각의 실시예에 대해, 동일한 비의 그레인, 프리믹스 및 레졸을 사용하였다. 분진 함량을 감소시키기 위해 파라핀 오일을 또한 첨가하였다.

[표 4]

표준 COW 혼합물에 있어서, PSG를 키친 에이드 혼합기 보울에 첨가한 후에, 액체 리졸을 첨가하였다. 이것을 혼합기에서 3.5분 동안 교반한 후에, 수동으로 혼합하고, 추가로 3.5분 혼합하였다. 이 혼합물에, 프리믹스를 첨가한 후에, 동일한 혼합 사이클(3.5분 혼합, 수동 교반, 3.5분 혼합)을 반복하였다.

다음으로, 혼합물을 OD = 125 mm, ID = 22.2 mm, 및 대략 1.8 mm의 두께의 COW로 프레싱하였다. 강 주형 내에, 부직 웨브를 갖는 유리 섬유 스크림을 넣은 후, 이전 단락에 기재된 혼합물 40 그램을 넣었다. 회전식 스크레이퍼(rotary scraper)를 사용하여 재료를 주형 내에 분포시켰다. 이어서, 제2 유리 섬유 스크림(부직 웨브 없음), 종이 라벨, 및 내경 알루미늄 링을 강 COW 주형 내에 넣었다. 1300 psi(91 bar)의 압력에 상응하는 50 톤의 힘을 구조물에 가하고, 이어서 이를 탈형시키고 다른 COW와 적층하였다.

일 세트가 완료된 후에, COW를 오븐 내에 넣고, 190℃의 최대 온도에서 30시간 동안 경화 사이클로 경화시켰다. 이어서, 이들을 오븐에서 꺼내고, 주위 습도와 평형을 이루도록 적어도 1주일 동안 저장하였다.

스테인리스 강 공작물에 대해 휴대용 톱을 사용하여 COW를 시험하였고, 절삭률(선형 스테인리스 강 절삭, mm/s) 및 마모율(COW의 부피 손실, ㎣/s)의 측면에서 성능을 측정하였다. 절삭률/마모율로서 구체적인 성능을 정의하였다. 미세입자-코팅된 PSG를 함유하는 실시예 1 내지 실시예 7, 및 어떠한 표면 처리도 없이 PSG 상에 실리케이트 코팅만을 갖는 비교예(CE) CE 1 및 CE 2에 대한 각각 절삭률, 마모율, "COW 성능"의 측면에서의 결과가 하기에 열거되어 있다.

도 17은 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 및 비교예 2에 대해 플롯된 절삭 및 마모 거동을 도시한다. 데이터는, 코팅되지 않은 PSG와 비교하여, 모든 코팅된 PSG에 대해 절삭률은 상대적으로 일관되게 유지되는 반면 마모율은 감소되었음을 보여준다.

실시예 4 내지 실시예 7은 다양한 농도의 산화철 및 칼륨 실리케이트를 갖는, 칼륨 실리케이트 결합제를 사용하여 산화철-코팅된 PSG를 함유한다. 모든 실시예는 입자 코팅을 갖지 않는 비교예 CE 1과 비교하여 감소된 휠 마모율을 나타낸다.

[표 5]

코팅된 연마 구조물

비교예 3, 실시예 8 및 실시예 9에 사용된 재료가 표 6에 기재되어 있다. 달리 언급되지 않는 한, 실시예 및 본 명세서의 나머지 부분에서의 모든 부, 백분율, 비 등은 중량 기준이다.

[표 6]

3 리터 플라스틱 용기를 470 그램(g)의 PF1, 410 g의 FIL1, 및 22 g의 물로 충전한 후에 기계적으로 혼합함으로써 메이크 수지 조성물을 제조하였다. 이어서, 제조된 메이크 수지를, 미국 플로리다주 폼파노 비치 소재의 폴 엔. 가드너 컴퍼니(Paul N. Gardner Company)로부터 입수한 10 센티미터(cm) 폭의 코팅 나이프를 사용하여 75 마이크로미터 습윤 두께로 BACK 상에 코팅한 후에, 흙손(trowel)을 사용하여 코팅의 상부 층을 148 그램/제곱미터(gsm)의 최종 코팅 중량으로 부드럽게 긁어냄으로써 코팅을 평탄화하였다.

코팅되지 않은 PSG 미네랄, MIN 1을 사용하여 비교예 3을 구성하였다. 이어서, 대체로 PCT 특허 공개 WO 2015/100018 A1호(쿨러(Culler) 등)에 따라, MIN 1을 TOOL1에 로딩하고 수지-코팅된 배킹으로 옮겼다. MIN 2 및 MIN 3에 대해 동일한 공정을 반복하여 각각 실시예 8 및 실시예 9를 생성하였다.

벨트 샘플을 강제 공기 오븐 내에서 90℃에서 90분 동안 그리고 103℃에서 60분 동안 경화시켰다. 이어서, 각각의 벨트 샘플을 사이즈 코트 조성물로 코팅한 후에, 수퍼사이즈 코트 조성물로 코팅하였다. 3 리터 플라스틱 용기를 431.5 g의 PF1, 227.5 g의 FIL1, 227.5 g의 FIL2 및 17 g의 RIO로 충전하고, 기계적으로 혼합하고, 이어서 물로 1 ㎏의 총 중량으로 희석함으로써 사이즈 코트 조성물을 제조하였다. 이어서, 제조된 사이즈 코트 조성물을 75 cm 페인트 롤러를 사용하여 482 그램/제곱미터당의 커버리지율(coverage rate)로 벨트 샘플 상에 코팅하고, 생성된 생성물을 90℃에서 60분 동안, 이어서 102℃에서 8시간 더 경화시켰다. 미국 특허 제5,441,549호(헬민(Helmin))의 컬럼 21, 10행에서 시작하는 실시예 26에 개시된 설명에 따라 수퍼사이즈 코트 조성물을 제조하였다. 이어서, 제조된 수퍼사이즈 코트 조성물을, 75 cm 페인트 롤러를 사용하여 424 그램/제곱미터의 커버리지로 벨트 샘플 상에 코팅하였다. 샘플을 90℃에서 30분, 102℃에서 8시간 그리고 109℃에서 60분 동안 경화시켰다. 경화 후에, 코팅된 연마제의 스트립을 종래의 접착제 스플라이싱 기술을 사용하여 벨트로 변환시켰다.

실시예 8 및 실시예 9와 비교예 3으로부터 제조된 코팅된 연마제 샘플로부터 변환된 10.16 cm × 91.44 cm 벨트에 대해 연삭 성능 시험을 수행하였다. 공작물은 연마될 표면이 1.9 cm × 1.9 cm인 304 스테인리스 강 바아였다. 70-듀로미터 고무를 갖고 1:1의 랜드 대 홈 비(land-to-groove ratio)를 갖는 20.3 cm 직경의 톱니형 접촉 휠(serrated contact wheel)을 사용하였다. 벨트를 2750 rpm으로 작동시켰다. 공작물을 4.54 ㎏ 내지 6.8 ㎏의 수직력으로 벨트의 중심부에 적용하였다. 공작물을 온도계 센서로부터 15.2 cm(6 인치) 떨어져 유지하였다. 15초의 연삭 후에 공작물의 중량 손실을 측정하였다. 이어서, 공작물을 냉각시키고 다시 시험할 것이다. 시험을 40회 사이클 후에 종료하였다. 2개의 시편에 대해 평균한, 40회 사이클 후의 공작물 제거의 결과가 표 7에 보고되어 있다.

[표 7]

부직 연마 구조물

실시예 10 및 실시예 11과 비교예 4에서 사용된 재료가 표 8에 기재되어 있다. 달리 언급되지 않는 한, 실시예 및 본 명세서의 나머지 부분에서의 모든 부, 백분율, 비 등은 중량 기준이다.

[표 8]

MIN 4의 제조. 실란-처리된 PSG.

공칭 그릿 크기 80을 갖는 정밀 형상화된 그레인(PSG)(쓰리엠 쿠비트론 II 파이버 디스크 982C로 입수함) 1000 그램을 키친 에이드 혼합기 보울에 첨가하였다. 별도의 용기에서, 40.0 그램의 탈이온수, 및 0.25 그램의 실퀘스트 A1110 실란(모멘티브 스페셜티 케미칼스(Momentive Specialty Chemicals))을 혼합하였다. PSG가 담긴 혼합기에 실란과 물의 액체 혼합물을 첨가하였다. PSG/액체 혼합물을 0.5분 동안 교반하였다. 이어서, 실란-코팅된 PSG를 오븐 내에 105℃에서 2분 동안 두었다. 이러한 실란-코팅된 PSG를 MIN 4로 정의하였다.

MIN 5의 제조. 미세입자-코팅된 PSG.

공칭 그릿 크기 80을 갖는 정밀 형상화된 그레인(PSG)을 실시예 1에 대해 기재된 것과 동일한 제형 및 공정을 사용하여 산화철 미세입자로 코팅하였다.

MIN 6의 제조. 실란 + 미세 입자-코팅된 PSG.

공칭 그릿 크기 80을 갖는 정밀 형상화된 그레인(PSG) 2270 그램을 키친 에이드 혼합기 보울에 첨가하였다. 별도의 용기에서, 11.35 그램의 N-실리케이트(피큐 코포레이션), 22.7 그램의 탈이온 H₂O, 및 0.57 그램의 실퀘스트 A1110 실란(모멘티브 스페셜티 케미칼스)을 혼합하였다. PSG가 담긴 혼합기에 실란과 실리케이트의 액체 혼합물을 첨가하였다. PSG/액체 혼합물을 키친 에이드에서 2분 동안 교반하고, 이어서, 45.4 그램의 산화철 입자를 첨가한 후, 2분 더 교반하였다. 이어서, 미세입자/실란-코팅된 PSG를 오븐 내에 95℃에서 10분 동안 둔 후에, 130℃에서 1시간 동안 두었다. 이러한 미세입자- 및 실란-코팅된 PSG를 MIN 6으로 정의하였다.

일체형 휠의 제조

예비접합제(prebond)의 제조. 미국 뉴욕 마세돈 소재의 란도 머신 코포레이션(Rando Machine Corporation)으로부터 상표명 "란도-웨버(RANDO-WEBBER)"로 입수가능한 에어 레이드 섬유 웨브 형성 장치 상에서 부직 웨브를 형성하였다. 섬유 웨브는 FIB1로부터 형성하였다. 웨브의 중량은 대략 125 그램/제곱미터(gsm)였다. 예비접합제 수지가 50 gsm의 습윤 부가 중량(wet add-on weight)으로 적용되는 수평 2-롤 코터로 웨브를 이송하였다. 예비접합제 수지는 하기 조성을 가졌다(모든 백분율은 성분 중량에 대한 것임): 44.4%의 물, 28.0%의 T403S, 18.7%의 EP1, 0.5%의 AF, 1%의 LCD4115, 2.9%의 T403LiSt, 4.5%의 CARBEZ3S. 코팅된 웨브를 3분 동안 345℉(174℃)의 대류 오븐에 통과시킴으로써 예비접합제 수지를 비-점착 상태로 경화시켜, 평량이 176 gsm인 예비접합된 부직 웨브를 산출하였다.

정밀 형상화된 연마 입자를 포함하는 슬러리를 제조하였으며, 이때 슬러리는 표 9에 기재된 제형을 갖는다. 혼합하면서 슬러리 내에 강한 와류를 생성하도록 조정된 속도로 고전단 혼합기를 사용하여 슬러리를 약 2.2 ㎏의 중량을 갖는 배치(batch)로 제조하였다. 성분 첨가 순서는 표 9에 열거된 순서였다.

[표 9]

일체형 연마 휠을 다음과 같이 예비접합된 부직 웨브로부터 제조하였다. 12 인치(38 센티미터) 폭 × 12 인치(38 센티미터) 길이의 섹션을 예비접합된 부직 웨브로부터 절단하고 연마 슬러리로 포화시켰다. 이어서, 포화된 예비접합된 웨브를 6 인치(15 센티미터) 직경의 롤로 이루어진 롤 코팅기의 닙(nip)에 통과시켜, 1373 gsm의 원하는 슬러리 부가 중량이 얻어질 때까지 여분의 슬러리를 제거하였다. 코팅된 예비접합된 웨브를 215℉(102℃)로 설정된 강제 공기 오븐 내에 2분 동안 두어서 용매 대부분을 제거하였다. 다음으로, 부직 연마 재료의 단일 일체형 슬래브를 형성하기 위해, 8개의 섹션을 이어서 수직으로 적층하고 유압 가열 압반 프레스 내에서 275℉ (135℃)로 설정된 가열된 압반 프레스에 놓았다. 이형 라이너를 오븐에 넣기 전에, 적층물의 양면 상에 배치하였다. 압반의 각각의 코너에 0.5 인치(1.27 센티미터) 두께의 금속 스페이서를 배치하여 일체형 슬래브의 일관된 두께를 유지하였다. 압반에 압력(15,000 psi, 103.4 MPa)을 가하였다. 30분 후에, 웨브의 2개의 섹션이 함께 단일 일체형 슬래브로 융합되었다. 이러한 슬래브를 275℉(135℃)로 설정된 강제 공기 오븐 내에 180분 동안 두었다. 오븐에서 꺼낸 후에, 슬래브를 실온으로 냉각하였고, 독일 프랑크푸르트 소재의 도이치 베레이니그테 쉬마치엔 게엠베하 & 컴퍼니(Deutsche Vereinigte Schuhmaschinen GmbH & Co)에 의해 제조된 삼코(SAMCO) SB-25 스윙 빔 프레스(swing beam press)를 사용하여 1 인치(2.54 센티미터) 중심 구멍을 갖는 6.0 인치(15.24 센티미터) 직경, 0.5 인치(1.27 센티미터) 두께의 일체형 연마 휠을 다이 커팅하였다.

일체형 휠의 성능 시험

연마 시험은 비교 시험 휠의 연마 효율을 측정하였으며 이중-스핀들 자동화 기계를 사용하여 수행하였다. 6 인치(15.24 센티미터) 직경, 0.5 인치(1.27 센티미터) 두께의 시험 휠을 하나의 스핀들 상에 장착하였고 2.0 인치(5.08 센티미터) 직경 × 0.125 인치(3.175 밀리미터) 두께의 탄소강 튜브 공작물을 다른 스핀들 상에 장착하였다. 공작물을 분당 32 회전수로 회전하도록 설정하였고, 연마 휠을 분당 3600 회전수로 회전하도록 설정하였다. 연마 휠 및 공작물을 8 파운드(3.63 킬로그램)의 하중으로 함께 압박하였다. 시험 동안, 사전-칭량된 회전 튜브의 단부를 15초 간격 동안 선택된 시험 하중으로 사전-칭량된 휠에 대고 압박하였고 15초의 비접촉 기간이 뒤따랐다. 각각의 연마 시험은 총 30분 동안 진행되었고, 공작물이 휠과 접촉한 총 시간은 15분이었다. 공작물의 중량 손실에 의해 전체 절삭량을 결정하였고, 연마 휠의 중량 손실에 의해 휠 마모량을 결정하였다. 각각의 시험 휠에 대한 절삭량 및 마모량(그램 단위)으로서 결과를 보고하였다. 강 절삭량의 그램, 및 마모된 휠의 그램이 표 10에 예시되어 있다.

[표 10]

실시예 12 내지 실시예 15

[표 11]

[표 12]

[표 13]

실시예 1 내지 실시예 7에 대해 전술된 바와 같이 3 mm 두께의 스테인리스 강 시트 상에 앵글 그라인더(angle grinder) 및 중력-공급식 시험기를 사용하여 절삭 휠(COW)을 시험하였다. 절삭률 및 휠 마모율을 측정하였고, 이어서 마모율로 나눈 절삭률로서 정의된 "총 성능" 값을 계산하였다. 각각의 샘플 유형에 대해 5개의 COW 시편을 시험하였다.

제조된 그대로의 절삭 휠의 성능이 표 14에 나타나 있다. 고 종횡비 미세입자 코팅을 사용한 예, 실시예 12 및 실시예 13은 코팅되지 않은 그레인보다 상당히 더 높은 성능을 나타내었고, 대략 1의 종횡비를 갖는 미세입자(황화철 및 칼륨 알루미늄 플루오라이드)와 비교하여 더 높은 성능을 나타내었다. 종횡비는 주사 전자 현미경에 의해 측정되는 입자의 최장 축의 길이를 입자의 최단 축의 길이로 나눈 비로서 정의하였으며, 10개 이상의 입자에 대해 평균하였다.

[표 14]

수지 접합된 연마재의 문제는 에이징 및 수분-매개 성능 강하인 것으로 알려져 있다. 에이징 거동에 대한 고 종횡비 코팅의 영향을 연구하기 위하여, 선택된 샘플을 가속 에이징 조건, 즉, 90℉ 및 90% 습도 하에서 2주 동안 시험하였다. 고 종횡비 미세입자 코팅을 갖는 생성된 샘플은 코팅되지 않은 그레인을 갖는 COW에 비해 140% 초과의 개선된 성능을 나타내었으며, 구형 미세입자-코팅된 그레인보다 더 높은 성능을 나타내었다.

[표 15]

정밀 형상화된 그레인을 실시예 1 내지 실시예 7과 관련하여 상기에 논의된 절차에서와 같이 미세입자로 코팅하였다. 이는 전형적인 연마제 제조 방법을 통해 가공가능한 건조된 그레인을 생성하였다. 결합제 및 미세입자의 양이 표 13에 기재되어 있다.

하기에 기재된 표준 연삭 휠 가공 방법에 의해 중심-함몰형 연삭 휠의 샘플을 제조하였다. 원료의 비율이 표 14에 나타나 있다.

생성된 연마 혼합물 150 그램을 유압 프레스에서 50 톤의 힘 하에 (파열 강도 증가를 위한) 3개의 유리-섬유 스크림을 갖는 5" 외경의 주형 내에서 프레싱하여, 도 4a 및 도 4b에 예시되어 있는 것과 같은 중심-함몰형 연삭 휠을 생성하였다. 수지 경화도가 95%가 되도록 전형적인 수지 접합된 연마제 경화 사이클을 통해 연삭 휠을 경화시켰다.

실시예 16 내지 실시예 20 - 중심-함몰형 연삭 휠

재료:

[표 16]

제형 및 혼합:

[표 17]

[표 18]

경화

제조 및 프레싱 후에, 95% 초과의 경화도를 갖는 수지의 가교결합을 야기하기에 충분한 표준 접합된 연마제 경화 사이클을 사용하여 휠을 경화시켰다.

하기 정사각형 바아 시험을 사용하여 휠을 시험하였다. 5개의 강 바아를 평행 지그(jig)에 설치하였다. 각각의 사이클은 새로운 바아에 대해 2분 동안 연삭되게 하여 코너 정점을 경사지게 하였다. 바아가 위아래로 움직일 때 각각의 통과당 12.5 내지 22.5도의 각도로 교대로 연삭되게 하였다. 6500 rpm 및 12 lb 힘에서 서보 모터(servo Motor)를 사용하여 총 5회 사이클(10분)을 완료하였다. 바아는 3/4" × 3/4" × 24", AISI 1018 냉간 연신 탄소강이었다.

시험 결과:

중심-함몰형 연삭 휠(DCGW) 시험은 모든 미세입자-코팅된 그레인에 대해 상당히 더 낮은 마모율을 초래하였다. 절삭률은 전형적으로 영향을 받지 않거나 약간 더 낮았다(약 5% 이내). 총 G-비(G-Ratio) 차이는, 미세입자 코팅된 그레인이 없는 비교예와 비교하여 모든 코팅된 그레인 실시예에 대해 47% 내지 83% 더 높았다.

[표 20]

복수의 형상화된 연마 입자를 포함하는 연마 물품이 제공되며, 각각의 형상화된 연마 입자는 연마 입자의 외측 표면의 적어도 일부분 상에 배치된 마이크로미립자 층을 포함하고, 마이크로미립자 층은 미세입자 결합제 중에 분산된 미세입자를 포함하고, 연마 입자는 형상화된 연마 입자이고, 미세입자의 일부는 종횡비가 2 초과이다. 연마 물품은 또한 복수의 형상화된 연마 입자가 분산되는 결합제를 포함한다.

연마 물품은 미세입자의 대부분이 2 내지 5의 종횡비를 갖도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 미세입자가 규회석을 포함하도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 접합된 연마 물품이 되도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 절삭 휠이 되도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 중심-함몰형 연삭 휠이 되도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 미세입자가 각각의 형상화된 연마 입자의 약 0.5 중량% 내지 약 4 중량%를 구성하도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 결합제가 중량 기준으로 각각의 형상화된 연마 입자의 0.1 내지 1%가 되도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 미세입자가 연마 입자와 일체형이 되도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 미세입자 크기가 약 0.5 μm 내지 약 50 μm의 범위가 되도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 마이크로미립자 층은 연삭 보조제 미세입자 및 연마 미세입자 중 적어도 하나를 포함하도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 연마 미세입자가 그가 배치되는 연마 입자와는 상이한 재료로 제조되도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 마이크로미립자 층이 연삭 보조제 미세입자를 포함하도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 미세입자가 산화철 및 황화철 중 적어도 하나를 포함하도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 미세입자가 FeS₂, FeS, 및 Fe₂O₃ 중 적어도 하나를 포함하도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 미세입자가 염소화 왁스 및 할라이드 염 중 적어도 하나를 포함하도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 염소화 왁스가 테트라클로로나프탈렌, 펜타클로로나프탈렌, 및 폴리비닐 클로라이드 중 적어도 하나를 포함하도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 할라이드 염이 염화나트륨, 칼륨 빙정석, 나트륨 빙정석, 암모늄 빙정석, 칼륨 테트라플루오리도알루미네이트, 나트륨 테트라플루오리도알루미네이트, 칼륨 테트라플루오로보레이트, 나트륨 테트라플루오로보레이트, 플루오르화규소, 염화칼륨, 염화마그네슘, 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 마이크로미립자 층 내의 미세입자가 연마 입자의 약 0.1 중량% 내지 약 10 중량%의 양으로 존재하도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 마이크로미립자 층이 연마 입자의 외측 표면의 약 10% 이상 내지 약 90% 상에 배치되도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 미세입자 결합제가 무기 결합제 또는 유기 결합제이도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 무기 결합제가 점토 및 실리케이트 결합제 중 적어도 하나를 포함하도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 실리케이트 결합제가 나트륨 실리케이트 결합제 및 칼륨 실리케이트 결합제 중 적어도 하나를 포함하도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 마이크로미립자 층이 결합제 중에 분산된 미세입자 및 실란을 포함하도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 코팅된 연마 물품, 부직 연마 물품 또는 접합된 연마 물품이 되도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 접합된 연마 물품이 되도록 구성될 수 있다.

연마 물품은 마운트 포인트, 절삭 휠, 절삭 및 연삭 휠, 중심-함몰형 연삭 휠, 중심-함몰형 절삭 휠, 릴 연삭 휠, 마운트 포인트, 공구 연삭 휠, 롤 연삭 휠, 열간-프레싱된 연삭 휠, 면 연삭 휠, 레일 연삭 휠, 연삭 콘, 연삭 플러그, 컵 연삭 휠, 기어 연삭 휠, 센터리스 연삭 휠, 원통형 연삭 휠, 내경 연삭 휠, 외경 연삭 휠, 이중 디스크 연삭 휠 또는 연마 세그먼트가 되도록 구성될 수 있다.

본 명세서에 개시된 특정 구조, 특징, 상세 사항, 구성 등은 단순히 다수의 실시 형태에서 수정 및/또는 조합될 수 있는 예임이 당업자에게 명백할 것이다. 모든 그러한 변형 및 조합은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 본 발명자에 의해 고려된다. 따라서, 본 발명의 범주는 본 명세서에 기재된 특정 예시적인 구조로 제한되어야 하는 것이 아니라, 오히려 적어도 청구범위의 언어에 의해 기재된 구조 및 그러한 구조의 등가물로 확장된다. 서면으로 된 본 명세서와 본 명세서에 참고로 포함되는 임의의 문헌의 개시 내용 간에 상충 또는 모순이 있는 경우에는, 서면으로 된 본 명세서가 우선할 것이다. 게다가, 본 명세서에서 언급되는 모든 간행물, 특허, 및 특허 문헌은 마치 본 명세서에 완전히 기술된 것처럼 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.

Claims (27)

1. 연마 물품으로서,
   복수의 형상화된 연마 입자 - 각각의 형상화된 연마 입자는 연마 입자의 외측 표면의 적어도 일부분 상에 배치된 마이크로미립자 층을 포함하고, 마이크로미립자 층은 미세입자 결합제 중에 분산된 미세입자를 포함하고, 연마 입자는 형상화된 연마 입자이고, 미세입자는 1 초과의 평균 종횡비를 가짐 -; 및
   복수의 형상화된 연마 입자가 분산되는 결합제
   를 포함하고,
   미세입자는 각각의 형상화된 연마 입자의 0.5 중량% 내지 4 중량%를 구성하는, 연마 물품.
2. 제1항에 있어서, 미세입자는 2 내지 5의 평균 종횡비를 갖는, 연마 물품.
3. 제1항에 있어서, 미세입자는 규회석을 포함하는, 연마 물품.
4. 제1항에 있어서, 미세입자 결합제는 중량 기준으로 각각의 형상화된 연마 입자의 0.1 내지 1%인, 연마 물품.
5. 제1항에 있어서, 미세입자 크기는 0.5 μm 내지 50 μm의 범위인, 연마 물품.
6. 제1항에 있어서, 연마 미세입자는 연마 미세입자가 배치되는 연마 입자와는 상이한 재료로 제조되는, 연마 물품.
7. 제1항에 있어서, 미세입자는 FeS₂, FeS, 및 Fe₂O₃ 중 적어도 하나를 포함하는, 연마 물품.
8. 제1항에 있어서, 미세입자는 염소화 왁스 및 할라이드 염 중 적어도 하나를 포함하는, 연마 물품.
9. 제1항에 있어서, 마이크로미립자 층은 연마 입자의 외측 표면의 10% 이상 내지 90% 상에 배치되는, 연마 물품.
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