KR20030017971A - 세라믹 연마 복합재를 가진 다공성 연마 제품, 제조 방법및 사용 방법 - Google Patents

세라믹 연마 복합재를 가진 다공성 연마 제품, 제조 방법및 사용 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3차원 연마 제품을 형성하기 위해 결합된 다수의 연마 복합재 (20)로 제조된 연마 제품 (10)에 관한 것이다. 각각의 연마 복합재 (20)는 제1 결합제 매트릭스 (34)에 의해 함께 결합된 다수의 일차 연마 입자 (30)를 포함하여 성형된 또는 불규칙한 연마 복합재를 형성한다. 연마 복합재 (20) 내에는 일차 연마 입자 사이 및 입자 중에 복합재내 다공도가 존재한다. 연마 제품 (10) 내에는 연마 복합재 (20) 사이 및 복합재 중에 복합재간 다공도가 존재한다. 연마 제품 (10)은 유리 및 다른 가공물 표면을 경면 피니쉬로 연삭하는데 이용된다.

Description

세라믹 연마 복합재를 가진 다공성 연마 제품, 제조 방법 및 사용 방법 {Porous Abrasive Article Having Ceramic Abrasive Composites, Methods of Making, and Methods of Use}
35 U.S.C § 119 (e) 하의 우선권이 2000년 5월 9일자로 출원된 임시 출원 번호 60/202,626호 (발명의 명칭: "Porous Abrasive Article Having Ceramic Abrasive Composites, Methods of Making, and Methods of Use")에 대해 청구된다. 출원 60/202,626호의 완전한 명세는 본원에 참고로 인용된다.
유리 제품은 가정, 사무실 및 공장에서 렌즈, 프리즘, 거울, CRT 스크린 및 다른 품목의 형태로 광범위하게 발견된다. 표면이 광학적으로 투명하고 결함 및(또는) 결점을 보이지 않을 필요가 있는 이러한 많은 유리 표면은 광학 성분과 함께 사용되고; 그러한 표면 피니쉬는 종종 거울 피니쉬로서 불리운다. 그 표면 내에 또는 위에 결함, 결점 및 미세한 긁힘이 존재한다면 유리 제품의 광학적 투명도를저해할 수 있다. 어떤 경우에, 이들 결함, 결점 및(또는) 미세한 긁힘은 유리를 통해 정확하게 보이는 능력을 저해할 수 있다. 광학 성분과 함께 사용된 유리 표면에는 본질적으로 임의의 결함, 결점 및(또는) 긁힘이 없어야 한다.
다른 재료, 예를 들면 금속, 플라스틱 및 세라믹으로 제조된 제품도 또한 가정, 사무실 및 공장에서 광범위하게 발견된다. 유리 제품과 유사하게, 이들 제품은 거울 피니쉬, 즉 본질적으로 임의의 결함, 결점 및(또는) 긁힘이 없는 표면을 가질 필요가 있다. 매우 미세한 표면 피니쉬를 필요로 하는 제품의 예는 하드 디스크 기판과 같은 자기 기록 품목 및 컴퓨터 판독/기록 헤드와 같은 전자 부품을 포함한다.
연마 피니슁 공정은 유리 및 다른 가공물 내의 주형 선, 거친 표면, 작은 점 및 다른 작은 결점과 같은 결점 및(또는) 결함을 제거하는데 널리 사용되어 왔다. 연마 피니슁은 전형적으로 3가지 주요 공정: 연삭, 정련 및 연마 내에 속한다.
연삭 단계는 유리 표면을 연마 공구로 거친 연삭하여 원하는 곡선 또는 반경을 완성하고 임의의 코팅 결함을 제거한다. 전형적으로, 이러한 연마 공구는 다이아몬드, 텅스텐, 카바이드 또는 입방 질화 붕소와 같은 초연마 입자를 함유한다. 그러나, 이러한 거친 연삭 공정에서의 연마 공구는 유리 또는 다른 표면에 굵은 긁힘을 부여하여 결과 표면이 광학적으로 투명한 상태 또는 다른 원하는 피니쉬로 직접 연마하기에 충분히 정밀하지도 않고 충분히 평활하지도 않게 할 것이다. 연마 공정의 목적은 긁힘 패턴을 가능한한 미세하게 남기면서 대량의 재료를 신속하고 아주 정확하게 제거하는 것이다. 그후에, 이들 긁힘은 통상적으로 "정련" 및 "연마"로서 알려진 또다른 단계에 의해 제거된다.
유리 정련 및 연마는 전형적으로 물과 같은 액체 매질에 분산된 다수의 연마 입자를 포함하는 유동성 연마 슬러리로 행해진다. 세라믹 및 많은 다른 제품도 또한 유동성 연마 슬러리로 연마된다. 유동성 슬러리에 사용되는 가장 일반적인 연마 입자는 경석, 탄화 규소, 산화 알루미늄 등이다. 유동성 연마 슬러리는 임의로 분산제, 윤활제, 소포제 등과 같은 다른 첨가제를 함유할 수 있다. 대부분의 경우에, 유동성 연마 슬러리는 그것이 피니슁될 표면과 랩 패드 사이에 존재하도록 그 표면과 랩 패드 사이에 펌핑된다. 전형적으로, 가공물 및 랩 패드는 접촉을 유지하면서 서로에 대해 이동할 것이다. 이 공정은 전형적으로 각각의 단계가 가공물 표면 상에 점차적으로 더욱 미세한 표면 피니쉬를 형성하도록 하는 하나 이상의 단계를 포함한다.
일반적으로, 최소의 표면 및 표면아래 손상 및 긁힘을 도입하면서 신속하게 원자재를 제거하여 표면을 단시간 내에 효율적으로 또한 경제적으로 연삭하는 연마 제품이 필요하다.
요약
본 발명은 하드 드라이브 매체 또는 디스크와 같은 가공물 상에 원하는 피니쉬를 연마, 피니슁 또는 달리 제공하기 위한 연마 제품에 관한 것이다. 단단하고(하거나) 무른 가공물을 조각내고 긁는 경향이 있는 통상의 연마 제품과 달리, 본 발명의 연마 제품은 최소로 표면 손상된 긁힘이 없는 미세한 표면을 제공한다. 연마 제품을 약 10 ㎛ 이하의 평균 입자 치수를 갖는 연마 입자를 갖도록 제작하는것이 특히 유용하며, 약 6 ㎛ 이하의 평균 입자 치수를 갖는 연마 입자를 갖도록 제작하는 것이 더욱 특히 유용하다. 일부 실시양태에서, 연마 제품은 약 3 ㎛ 이하의 평균 입자 치수를 갖는 연마 입자를 갖는 것이 유용하다.
연마 제품은 재료 안에 함께 결합된 다수의 연마 복합재 또는 응집체로부터 형성되어 만들어진다. 각 복합재는 제1 결합제 매트릭스에 의해 결합된 다수의 일차 연마 입자를 가지며; 일차 연마 입자는 개개의 연마 입자 또는 연마 입자의 응집체일 수 있다. 전체 연마 제품의 견지에서 볼 때, 연마 복합재는 연마 입자로서 작용하며; 연마 복합재의 견지에서 볼 때, 각 연마 복합재는 연마 공구 또는 제품이며, 일차 연마 입자는 개개의 연마 입자이다.
연마 제품은 한 연마 복합재의 두께 보다 더 큰 두께를 갖는 3차원 연마 제품이다. 연마 제품은 1개 이상의 연마 복합재, 바람직하게는 5개 이상의 연마 복합재, 더욱 바람직하게는 10개 이상의 연마 복합재의 두께 보다 더 큰 두께를 갖는다.
한 실시양태에서, 연마 지석 (砥石)과 같은 연마 제품은 일차 연마 입자를 무기 제1 결합제 매트릭스와 결합시켜 연마 복합재를 형성함으로써 제공된다. 이들 연마 복합재는 다시 함께 결합되어 연마 제품을 형성한다.
연마 제품은 (1) 연마 복합재 내에 배치된 기공 및 (2) 연마 복합재 사이 및 복합재 중에 배치된 기공을 포함하며, 이 다공도는 각각 "복합재내" 다공도 및 "복합재간" 다공도로서 불리운다. 전형적인 복합재내 다공도가 약 5 내지 60 용적%이긴 하지만, 일부 실시양태에서는 복합재내 다공도를 최소화하는 것이 바람직하며:즉, 복합재내 다공도가 0%에 가까운 것이 바람직할 수 있다. 복합재 형성 과정의 결과로서, 어느 정도의 복합재내 다공도는 전형적으로 존재하며, 일부 실시양태에서는 추가의 다공도를 도입하는 것이 바람직할 수 있다. 복합재간 다공도는 연마 복합재 사이 및 중에 있다. 전형적인 복합재간 다공도는 약 25 내지 75 용적%이다. 이 다공도 중에서, 두 복합재의 비, 즉 복합재내 다공도 대 복합재간 다공도의 비는 약 1:2 내지 2:1일 수 있거나 또는 여기에서 가변적일 수 있다. 전형적으로, 복합재내 다공도는 복합재간 다공도와 상이할 것이다.
복합재간 및 복합재내 다공도의 조합은 업계의 관련 제품에서 유용한 훨씬 더 작은 일차 연마 입자의 사용을 가능하게 한다. 이 제품은 일반적으로 빠른 절삭 속도와 미세한 표면 피니쉬를 조합한 것이다.
연마 복합재는 일차 연마 입자들을 함께 결합시키는 유기 또는 무기 결합제 매트릭스에 의해 형성된다. 복합재는 규칙적으로 성형되거나 또는 불규칙적으로 성형될 수 있다. 무기 제1 결합제 매트릭스의 예는 금속, 세라믹, 유리 및 산화물을 포함한다. 바람직하게는, 세라믹 매트릭스 또는 유리 매트릭스와 같은 무기 제1 결합제 매트릭스가 사용된다. 특별한 한 실시양태에서, 약 0.1 내지 1 ㎛의 평균 입자 치수를 갖는, 다이아몬트 입자와 같은 일차 연마 입자는 약 90 ㎛의 평균 입자 치수를 갖는 규칙적으로 성형된 입방상 연마 복합재로 형성된다.
이들 연마 복합재는 그후에 예를 들면 제2 결합제 재료로 결합되어 약 20 내지 65%의 다공도를 갖는 연마 제품을 형성한다. 즉, 연마 제품의 약 20 내지 65 용적%는 제2 결합제 재료 및 연마 복합재 둘다를 갖지 않는다. 제2 결합제 재료는세라믹 또는 유리와 같은 무기 재료이다. 한 실시양태에서, 연마 복합재는 결합되어 약 20 내지 55% 다공도를 갖는 연마 제품을 형성한다. 이 다공도는 복합재내 및 복합재간 다공도의 임의의 조합으로 연마 제품 전체에 걸쳐 분포될 수 있다. 일부 실시양태에서, 제2 결합제 재료는 바람직한 수준 보다 더 높은 수준으로 존재할 수 있으며; 이것은 제2 결합제 재료가 비교적 연질이거나, 침식성 재료일 때 바람직할 수 있다.
연마 제품은 연마 지석 또는 석재와 같은 단일 제품일 수 있거나 또는 결합된 연마 복합재의 다중 세그먼트로 구성될 수 있다.
본 발명은 다수의 연마 복합재 또는 응집체를 포함하는 연마 제품, 연마 제품의 제조 방법 및 가공물 표면을 연마하는데 연마 제품을 이용하는 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 연마 제품은 다수의 연마 복합재 또는 응집체 중에 연마 제품 전체에 걸쳐 분산된 다공도를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 연마 제품의 사시도이다.
도 2는 연마 제품 내의 연마 복합재의 배열을 나타내는, 도 1의 연마 제품의 일부의 확대도이다.
도 3은 연마 복합재의 배열의 다른 실시양태의 확대도이다.
도 4는 연마 제품 내의 연마 복합재의 배열을 나타내는, 도 2의 도면과 유사한, 연마 제품의 또다른 실시양태의 일부의 확대도이다.
도 5는 연마 복합재의 배열의 또다른 실시양태의 확대도이다.
도 6은 본 발명에 따른 연마 제품의 제2 실시양태의 측면도이다.
본 발명은 첨부 도면을 참고로 상세히 설명될 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 연마 제품 (10)을 나타낸다. 도 1의 연마 제품 (10)은 연마 지석 (15) 형태의성형된 3차원 구조 (12)이다. 연마 제품 (10)은 함께 결합된 다수의 연마 복합재로 구성되어 형성된다. 이 명세서 전체에서, 용어 "연마 복합재", "연마 응집체" 및 그의 파생어는 상호교환적으로 사용된다. 이 각각의 용어들은 제1 결합제 매트릭스에 의해 함께 결합되어 단일 입상물을 형성하는 다수의 일차 연마 입자를 의미한다. 이 명세서 전체에서, "일차 연마 입자"는 함께 결합되어 연마 복합재를 형성하는 연마 입자를 의미하는데 사용된다. 아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 일차 연마 입자는 개개의 연마 입자 또는 입자의 응집체일 수 있다.
본 발명의 연마 제품은 제2 결합제 재료에 의해 함께 결합되어 연마 제품을 형성하는 다수의 연마 복합재 또는 응집체를 포함한다.
연마 제품에는 연마 복합재 사이 및 복합재 중에 위치된 복합재간 다공도가 존재한다. 또한, 연마 제품에는 연마 복합재 내에 또한 일차 연마 입자 사이 및 입자 중에 위치된 복합재내 다공도가 존재한다.
연마 복합재 또는 응집체
연마 제품의 전체 구조를 제공하는 연마 복합재 또는 응집체는 제1 결합제 매트릭스에 분산된 다수의 일차 연마 입자로부터 제작된다. 연마 복합재 내 및 일차 연마 입자 사이 및 입자 중의 복합재내 다공도는 연마 복합재에 전형적으로 약 5 내지 60 용적%의 수준으로 존재한다.
도 2를 참고로 하면, "2"로 칭해지는, 도 1의 연마 제품 (10)의 크게 확대된 부분이 도시되어 있다. 연마 제품 (10)은 제2 결합제 재료 (40)에 의해 결합되어 성형된 3차원 물질 (12)을 형성하는 다수의 연마 복합재 (20)를 포함한다. 각각의연마 복합재 (20)는 제1 결합제 매트릭스 (34) 내에 분산된 일차 연마 입자 (30)를 포함한다. 복합재 (20)는 복합재내 기공 (35)을 포함할 수도 있다.
연마 복합재는 정밀하게 성형되거나 또는 불규칙하게 성형될 수 있다. "정밀하게 또는 불규칙하게 성형된 연마 복합재"는 복합재가 형성된 주형 공동부의 반대의 성형 형태를 갖는 연마 복합재를 의미한다. 이 형태는 복합재가 주형으로부터 제거된 후에 복합재에 의해 유지된다. 다른 실시양태에서, 정밀하게 또는 불규칙하게 성형된 연마 복합재는 응고된 방울과 같은 구형이다. 임의의 형태에서, 정밀하게 또는 불규칙하게 성형된 연마 복합재는 연마 제품이 사용되기 전에 복합재의 노출된 표면 너머로 돌출된 연마 입자를 실질적으로 갖지 않는다. 성형 기술을 이용하여 정밀하게 성형된 연마 복합재를 제조하는 방법의 예는 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제5,152,917호 (Pieper 등) 및 5,975,988호 (Christianson)에 기재되어 있다. "불규칙하게 성형된 연마 복합재"는 정밀하지 않거나 또는 불규칙한 형태를 갖는 연마 복합재를 의미한다. 그 형태는 예를 들면 더 큰 입자를 파쇄하여 불규칙하게 성형된 연마 복합재를 형성함으로써 얻어진다.
정밀하고 불규칙하게 성형된 연마 복합재의 조합이 연마 제품에 존재할 수 있다. 전형적으로, 정밀하게 성형된 복합재는 거의 동일한 크기이다. 불규칙하게 성형된 연마 복합재는 전형적으로 제공된 연마 제품 내에 비교적 균일한 연마 복합재 크기를 제공하기 위해 그의 크기에 따라 등급이 매겨진다.
정밀하게 또는 불규칙하게 성형된 연마 복합재는 일반적으로 정밀한 기하학적 형태를 갖는다. 처음에는, 다수의 일차 연마 입자가 일반적으로 복합재의 표면상에 존재할 것이며; 일차 연마 입자가 연마 복합재의 표면 너머로 돌출되지 않는 것이 바람직하다. 연마 제품이 가공물을 연마하는데 사용될 때, 제1 결합제 매트릭스는 파괴되어 새로운 연마 입자를 드러내게 된다. 연마 복합재 및 전체 연마 제품은 새로운 연마 입자를 침식하고 드러냄으로써 자체-드레싱 기능을 제공하며; 즉, 연마 제품은 연삭 공정 중에 새로운 연마 입자를 노출한다.
연마 복합재의 형태는 임의의 많은 기하학적 형태, 예를 들면 입방, 블록상, 원통, 프리즘, 피라미드, 절두 피라미드, 원추, 절두 원추, 구 또는 임의의 3차원 형태로부터 선택될 수 있다. 그 형태는 정밀하긴 하지만 불규칙할 수 있으며, 예를 들면 저면의 단면 형태는 표면과 상이할 수 있다. 또다른 이용가능한 형태는 미국 특허 제5,681,217호 (Hoopman 등)에 기재된 반구형이다. 일반적으로, 연마 복합재는 임의의 절두체 형태를 가질 수 있으며; 절두체는 입체 형태를 양분하는 두 평면 사이의 고체 형태의 일부로서 정의되며, 두 평면은 대체로 평행하다. 일반적으로, 연마 제품이 마모될 때 가공물 표면과 연마 제품 사이에 비교적 일정한 표면적의 접촉이 있는 것이 바람직하다.
연마 제품은 다른 형태 및(또는) 치수의 연마 복합재의 혼합물을 가질 수 있으나, 일반적으로 동일한 치수를 갖는 연마 복합재가 소정의 연마 제품에 사용되는 것이 바람직하다.
정밀하게 성형되든 또는 불규칙하든 연마 복합재의 평균 치수는 약 5 ㎛ 이상이어야 한다. 대안으로 또는 추가로, 연마 복합재의 평균 치수는 약 1000 ㎛ 이하이다. 전형적으로, 연마 복합재는 약 10 내지 800 ㎛, 바람직하게는 약 20 내지600 ㎛의 평균 치수를 갖는다. 일반적으로, 연마 복합재는 복합재 내의 일차 연마 입자의 최대 직선 치수 보다 3배 이상 더 큰, 바람직하게는 5배 이상 더 큰 중간 치수를 갖는다.
일차 연마 입자
본 발명의 연마 제품의 연마 복합재에 사용된 일차 연마 입자는 임의의 연마 입자일 수 있다. 일차 연마 입자는 개개의 연마 입자일 수 있거나 또는 개개의 연마 입자의 응집체 또는 집합체일 수 있다. 바람직하게는, 일차 연마 입자, 특히 개개의 연마 입자의 응집체는 응집체의 구조를 제공하는, 있다면 최소의 제2 결합제 재료를 갖는다. 개개의 연마 입자의 응집체는 입자들 사이의 기계적 상호작용에 의해 또는 반데르 바알스 힘과 같은 입자내의 힘에 의해 함께 유지될 수 있다.
일차 연마 입자는 바람직하게는 약 0.01 ㎛ 내지 100 ㎛, 더욱 바람직하게는 약 0.05 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 더더욱 바람직하게는 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛의 평균 입자 치수를 갖는다. 때로는, 연마 입자 크기는 통상적으로 알려진 연마 입자 크기 분류 방법인 "메쉬" 또는 "등급"으로서 보고된다.
본 발명의 연마 입자는 약 10 ㎛ 이하의 평균 입자 치수를 갖는 일차 연마 입자를 갖는 것이 특히 유용하며, 약 6 ㎛ 이하의 평균 입자 치수를 갖는 일차 연마 입자를 갖는 것이 특히 유용하다. 또한, 약 3 ㎛ 이하의 평균 입자 치수를 갖는 일차 연마 입자는 본 발명에 따른 연마 제품으로 쉽게 제조될 수 있다.
연마 복합재 내의 일차 연마 입자는 일반적으로 모두 동일한 메쉬 또는 등급의 것이며; 그것은 일반적으로 중앙 평균 입자 치수를 갖는 입자 크기의 표준 벨곡선 분포 내에 속한다. 그러나, 일부 실시양태에서는, 양봉 분포의 입자 크기가 이용될 수 있다. 양봉 분포는 예를 들면 약 10 ㎛의 평균 입자 치수를 갖는 일정량의 일차 연마 입자를 약 3 ㎛의 평균 입자 치수를 갖는 일정량의 일차 연마 입자를 혼합함으로써 이루어질 수 있다. 일차 연마 입자에 대해 어떠한 입자 분포가 사용되든, 복합재 내의 입자는 지나치게 함께 메워지지 않고 복합재 내의 내-다공도를 부적절하게 감소시키지 않는 것이 바람직하다.
연마 입자는 바람직하게는 8 이상, 더욱 바람직하게는 9 이상의 모오스 경도를 갖는 것이 바람직하다. 적합한 연마 입자의 예는 산화 알루미늄, 예를 들면 용융 산화 알루미늄, 열 처리된 산화 알루미늄, 화이트 용융 산화 알루미늄, 세라믹 산화 알루미늄 (예를 들면, 졸 겔 유래된 알루미나), 블랙 탄화 규소, 그린 탄화 규소, 티타늄 이붕소화물, 탄화 붕소, 질화 규소, 탄화 텅스텐, 탄화 티타늄, 가넷, 용융 알루미나 지르코니아, 다이아몬드, 입방 질화 붕소, 육각 질화 붕소 등을 포함한다. 다이아몬드 및 질화 붕소 연마 입자는 단결정질 또는 다결정질일 수 있다.
알루미나 기재 졸 겔 유래된 연마 입자의 예는 모두 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제4,314,827호 (Leitheiser 등); 4,623,364호 (Cottringer); 4,744,802호 (Schwabel); 4,770,671호 (Monroe); 및 4,881,951호 (Monroe 등)에서 찾아볼 수 있다. 졸 겔 유래된 알루미나 연마 입자는 금속 산화물 개질제를 함유할 수 있다.
유리 연마 및 연삭 용도의 경우, 다이아몬드 연마 입자가 바람직하다. 다이아몬드 연마 입자는 천연 또는 합성 제조된 다이아몬드일 수 있으며; 다이아몬드는"수지 결합 다이아몬드", "석재 톱 등급 다이아몬드" 또는 "금속 결합 다이아몬드"일 수 있다. 다이아몬드 연마 입자는 그들과 관련된 뭉툭한 형태 또는 대안으로 바늘상 형태를 가질 수 있다. 단일 다이아몬드 입자는 표면 코팅, 예를 들면 금속 코팅 (예를 들면, 니켈, 알루미늄, 구리 등), 무기 코팅 (예를 들면, 실리카) 또는 유기 코팅을 함유할 수 있다. 다결정질 다이아몬드 입자의 예는 마이포다이아몬드 인크. (Mypodiamond Inc.)로부터 "마이폴렉스 (Mypolex)"라는 상품명으로 시판된다. 본 발명의 연마 입자는 다이아몬드 입자와 다른 연마 입자와의 블렌드를 함유할 수 있다.
연마 복합재는 약 10 내지 90 중량%의 일차 연마 입자 및 90 내지 10 중량%의 제1 결합제 매트릭스로 이루어진다. 전형적으로, 연마 복합재는 약 15 내지 85%의 일차 연마 입자 및 85 내지 15%의 제1 결합제 매트릭스로 이루어진다.
제1 결합제 매트릭스
제1 결합제 매트릭스는 일차 연마 입자들을 함께 유지하며; 일차 연마 입자 및 제1 결합제 매트릭스는 함께 연마 복합재를 형성한다. 유용한 결합제의 예는 유기 결합제 (예를 들면, 페놀계 수지, 아크릴레이트, 폴리아미드 등) 및 무기 결합제를 포함한다. 무기 결합제의 예는 금속 결합제 (예를 들면, 니켈) 및 세라믹 결합제이다. 바람직하게는, 결합제는 세라믹, 유리-세라믹 및 유리 (유리질 또는 유리화된 결합제로서 불리우기도 함)를 포함하는 "세라믹 결합제"이다. 이들 재료는 일반적으로 원자 구조를 고려할 때 동일한 범주 내에 든다. 인접 원자의 결합은 전자 이동 또는 전자 성형 과정의 결과이다. 별법으로, 2차 전하로서 알려진,양전하 및 음전하의 인력의 결과로서 더 약한 결합이 존재할 수 있다. 결정질 세라믹, 유리 및 유리-세라믹은 이온 및 공유 결합을 갖는다. 이온 결합은 한 원자에서 다른 원자로의 전자 이동의 결과로서 이루어진다. 공유 결합은 원자가 전자를 공유한 결과이며 아주 방향성이 있다. 비교에 의해, 금속 내의 일차 결합은 금속성 결합으로 알려져 있으며 전자의 비방향성 공유를 포함한다.
결정질 세라믹은 실리카 기재 (실리케이트, 예를 들면 내화점토, 멀라이트, 자기 및 포틀랜드 시멘트), 비-실리케이트 산화물 (예를 들면, 알루미나, 마그네시아, MgAl2O4및 지르코니아) 및 비-산화물 세라믹 (예를 들면, 카바이드, 질화물 및 흑연)으로 세분될 수 있다.
비결정질 유리는 결정질 세라믹과 조성면에서 비교될 수 있다. 특정 가공 기술의 결과로서, 이들 재료는 결정질 세라믹이 갖는 긴 범위의 배열을 갖지 않는다. 유리-세라믹은 90% 이상의 결정질 상(들)을 생성하기 위한 제어된 열 처리의 결과이며, 나머지 비결정질 상은 결정입계를 채운다. 유리 세라믹은 세라믹 및 유리 둘다의 조합된 이점을 가지며 내구성있는 기계적 및 물리적 특성을 제공한다.
바람직한 제1 결합제 매트릭스, 특히 세라믹 매트릭스는 금속 산화물, 예를 들면 산화 알루미늄, 산화 붕소, 산화 규소, 산화 마그네슘, 산화 나트륨, 산화 망간, 산화 아연 및 그의 혼합물을 포함하는 유리이다. 바람직한 세라믹 매트릭스는 SiO2, B2O3및 Al2O3을 포함하는 알루미나-보로실리케이트 유리이다. 바람직한 알루미나-보로실리케이트 유리는 중량 기준으로 약 18% B2O3, 8.5% Al2O3, 2.8% BaO,1.1% CaO, 2.1% Na2O, 1.0% Li2O를 포함하며, 나머지는 Si2O이다. 약 45 ㎜ 미만의 입자 크기를 갖는 그러한 알루미나-보로실리케이트 유리는 스페샬티 글래스 인코포레이티드 (Specialty Glass Incorporated of Oldsmar, FL)로부터 시판된다.
연마 복합재는 일반적으로 성분들을 성형하기 용이하도록 일시 결합제, 제1 결합제 매트릭스 전구체, 연마 입자 및 충분량의 용제, 전형적으로 물을 함께 혼합함으로써 제조된다. 결과 혼합물은 성형가능한 페이스트 또는 슬러리이다. 이러한 성형가능한 슬러리는 적합한 주형에 놓여지고, 건조되고, 적어도 부분적으로 경화된 연마 복합재 전구체가 제거된다. 그후에, 연마 복합재 전구체는 예를 들면 복합재 전구체를 소성 또는 소결시킴으로써 연마 복합재로 변환된다.
복합재내 다공도
본 발명의 연마 제품의 연마 복합재는 다공성이며 바람직하게는 측정가능한 다공도를 갖는다. 본원에 사용된 용어 "다공성"은 연마 입자 중의 연마 복합재 전체에 걸쳐 분포된 기공 또는 공극을 갖는 것으로 특징지워지는 연마 복합재의 구조, 또는 연마 복합재 중의 그의 재료 전체에 걸쳐 분포된 기공 또는 공극을 갖는 것으로 특징지워지는 연마 제품의 구조 중 어느 하나 또는 둘다를 설명하는데 사용될 수 있다. 특히, "복합재내 다공도"는 연마 복합재 전체에 걸쳐 분포된 다공도이며; "복합재간 다공도"는 연마 복합재 중에 분포된 다공도이다. 일부 실시양태에서, "복합재내 다공도" 및 "복합재간 다공도"는 제1 결합제 매트릭스 (복합재내에 대해) 및 제2 결합제 재료 (복합재간에 대해) 내에 전용될 수 있다.
복합재내 다공도는 일차 연마 입자 사이 및 입자 중에 퍼져 있으며, 복합재의 외부 표면에 개방될 수 있거나 또는 복합재 내에 밀폐될 수 있다. 기공은 일차 연마 입자 및 제1 결합제 매트릭스 둘다에 의해 또는 전적으로 제1 결합제 매트릭스에 의해 형성될 수 있다. 복합재내 다공도는 복합재의 기계적 특성을 변형시키고 복합재로부터 사용된 (즉, 무딘) 연마 입자의 이탈을 유도하는 연마 복합재의 조절된 파괴를 돕는 것으로 생각된다. 복합재 내의 기공은 연마 제품과 가공물 사이의 계면으로부터 스와프 (swarf) 및 사용된 연마 입자의 제거를 위한 경로를 제공함으로써 최종 연마 제품의 성능 (예를 들면, 절삭 속도 및(또는) 표면 피니쉬)을 증가시킬 수 있다. 기공은 또한 연삭 또는 연마 계면으로의 냉각수 및 윤활제 수송을 용이하게 한다.
전형적으로, 복합재내 다공도, 즉 개개의 연마 입자 사이의 기공이 복합재 용적의 약 4% 이상을 차지하긴 하지만, 일부 실시양태에서는 0%에 가까운 복합재내 다공도를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 기공은 복합재 용적의 약 70% 이하를 차지한다. 전형적으로, 기공은 용적의 약 5% 내지 60%, 바람직하게는 약 6% 내지 50%를 차지한다. 다공성 제1 결합제 매트릭스는 공지된 기술에 의해, 예를 들면 매트릭스 전구체의 조절된 소성에 의해 또는 매트릭스 전구체 내의 유리 기포와 같은 기공 형성제의 혼입에 의해 형성될 수 있다. 높은 수준의 복합재내 다공도를 갖는 복합재는 일반적으로 높은 기계적 강도를 갖는 제1 결합제 매트릭스를 필요로 한다.
연마 복합재는 다른 첨가제, 예를 들면 충전제, 연삭 조제, 안료, 정착제,절삭 조제 및 기타 가공 재료를 더 함유할 수 있다. 이들 첨가제는 복합재의 기공 내에 위치되거나, 일차 연마 입자 상의 코팅으로서 제공되거나 또는 제1 결합제 매트릭스 전체에 걸쳐 분산될 수 있다.
바람직한 연마 복합재
특별한 한 실시양태에서, 약 0.1 ㎛의 평균 입자 치수를 갖는 개개의 다이아몬드 입자는 알루미나-보로실리케이트 제1 결합제 매트릭스에 의해 연마 복합재로 형성된다. 약 29%의 복합재 다공도를 가진 연마 복합재는 약 90 ㎛의 평균 치수를 갖는 절두 피라미드 형태를 갖는다.
특별한 다른 실시양태에서, 약 1.5 ㎛의 평균 입자 치수를 갖는 개개의 다이아몬드 입자는 알루미나-보로실리케이트 제1 결합제 매트릭스에 의해 연마 복합재로 형성된다. 약 5-10%의 복합재 다공도를 가진 연마 복합재는 약 90 ㎛의 평균 치수를 갖는 절두 피라미드 형태를 갖는다.
연마 복합재의 제조 방법
본 발명의 연마 제품에 유용한 연마 복합재 또는 응집체의 제조 방법은, 예를 들면 제1 결합제 매트릭스 전구체, 연마 입자 및 일시 유기 결합제 전구체를 포함하는 출발 물질을 혼합하는 것을 포함한다. 제1 결합제 매트릭스 전구체는 제1 결합제 매트릭스로 변환될 것이다. 일시 유기 결합제 전구체는 혼합물이 더욱 쉽게 성형되고 추가의 가공 중에 이 형태를 유지하도록 하며; 전형적으로 일시 유기 결합제 전구체는 연마 복합재의 최종 제조 단계 중에 소실된다 (예를 들면, 태워진다). 임의로, 다른 첨가제 및 가공 조제, 예를 들면 무기 충전제, 연삭 조제 및(또는) 액체 매질이 사용될 수 있다.
이들 출발 물질은 균일한 혼합물을 형성하는 임의의 통상의 기술에 의해 함께 혼합될 수 있다. 바람직하게는, 연마 입자는 유성형 믹서와 같은 기계적 혼합 장치에서 일시 유기 결합제 전구체와 철저하게 혼합된다. 그후에, 결합제 전구체는 결과 혼합물에 첨가되고 균질 혼합물이 얻어질 때 까지, 전형적으로 10 내지 30분 동안 블렌딩된다. 더 미세한 일차 연마 입자의 경우, 연마 입자 및 결합제 전구체를 혼합하는 바람직한 방법은 초 당 약 47,000 내지 50,000 사이클로 진동하는, 초음파 세척기 (예를 들면, Branson 또는 Cole-Palmer로부터 시판됨)의 도움으로 약 20 내지 30분의 전형적인 기간 동안 초음파 조를 사용하는 것이다.
다음에 성형되고 가공되어 복합재 전구체를 형성하는 혼합물은 페이스트 또는 슬러리와 유사한 상태이다. 혼합물은 예를 들면 성형, 압출 및 다이 절삭에 의해 성형될 수 있다. 그 혼합물은 별법으로 그것을 스크린에 통과시키거나 또는 그것을 그라비어 롤을 사용하여 웹 상에 코팅함으로써 성형될 수 있다. 전형적으로, 일시 유기 결합제 전구체의 손실과 관련된 약간의 수축이 있을 것이며; 이 수축은 연마 복합재의 원하는 형태 및 치수를 결정할 때 고려되어야 한다. 성형 과정은 배치 공정으로 또는 연속 방식으로 행해질 수 있다. 연마 복합재를 성형하는 바람직한 한가지 기술은 배합되어 균질 혼합물로 형성된 출발 물질을 유연 주형에 놓는 것이다. 예를 들어, 절두 피라미드 형태의 연마 복합재가 형성되어야 한다면, 주형은 이 형태로 만들어질 것이다. 유연 주형은 입자의 용이한 이탈을 가능하게 하는 임의의 주형, 예를 들면 실리콘 또는 폴리프로필렌 주형일 수 있다. 또한, 주형은 건조된 복합재의 제거를 돕기 위해 이형제를 함유할 수 있다. 혼합물을 함유하는 주형은 그후에 오븐에 놓여지고 가열되어 임의의 액체를 적어도 부분적으로 제거한다. 온도는 사용될 수 있는 일시 유기 결합제 전구체에 좌우되며 전형적으로 35 내지 200 ℃, 바람직하게는 70 내지 150 ℃이다. 그후에, 적어도 부분적으로 건조 또는 경화된 혼합물은 주형으로부터 제거된다. 주형을 완전히 파괴하고, 즉 완전히 태워버려서 복합재를 이형시키는 것이 바람직할 수도 있다.
연마 복합재는 무기 입자의 코팅을 포함하여 그 표면적을 증가시키고 또한 제조 중에 연마 복합재들 간의 응집을 최소화할 수 있다. 코팅을 실시하는 한가지 방법은 무기 입자, 예를 들면 연마 입자를 복합재 전구체에 도포하기 위하여, 성형된, 예를 들면 주형으로부터 제거된 복합재 전구체와 무기 입자를 혼합하는 것이다. 소량의 물 및(또는) 용제, 또는 예를 들면 복합재 전구체의 중량을 기준으로 5 내지 15 중량%, 바람직하게는 6 내지 12 중량%의 양의 일시 유기 결합제 전구체를 첨가하여 연마 복합재 전구체 표면으로의 무기 입자를 정착을 도울 수도 있다.
복합재 전구체는 그후에 가열되어 복합재 전구체를 제조하는데 이용된 임의의 유기 재료, 예를 들면 일시 유기 결합제를 태워 버리고 무기 결합제를 용융 또는 유리화하며; 이것은 개별적으로 또는 하나의 연속 단계로 일어날 수 있다. 유기 재료를 태워 버리기 위한 가열 온도 및 속도는 연마 복합재 내에 불필요한 크기의 기공을 형성할 수 있는 과도한 기포를 피하도록 선택되며 일반적으로 일시 유기 결합제 전구체를 포함한 선택적 성분의 화학에 좌우된다. 전형적으로, 유기 재료를 태워 버리기 위한 온도는 약 100 내지 600 ℃, 바람직하게는 200 내지 500 ℃이긴 하지만, 더 높은 온도가 이용될 수도 있다. 무기 결합제를 용융 또는 유리화하기 위한 온도는 600 내지 1150 ℃, 바람직하게는 600 내지 950 ℃이다. 일부 방법에서는, 결합제가 완전히 유리화되거나 또는 경화되지 않을 수 있으며; 오히려 부분적인 유리화 또는 경화 만이 행해질 수 있다.
결과 복합재는 그후에 결합 특성을 최적화하기 위해 열 가공될 수 있다. 열 가공은 300 내지 900 ℃, 바람직하게는 350 내지 800 ℃, 더욱 바람직하게는 400 내지 700 ℃의 온도에서의 가열을 포함한다.
연마 제품
각각이 일차 연마 입자 및 제1 결합제 매트릭스의 혼합물이며, 임의로 바람직하게는 복합재내 다공도를 갖는 연마 복합재는 성형되어 3차원 연마 제품, 예를 들면 도 1의 연마 제품 (10) 및 도 6의 연마 제품 (50)을 형성한다. 연마 제품은 3차원 연마 제품이며; 즉 제품 내의 연마 복합재의 두께는 전형적으로 연마 복합재의 단일층의 두께 보다 더 크다. 연마 복합재의 층의 두께는 한 연마 복합재의 최대 치수 보다 더 크다. 바람직하게는, 연마 복합재의 층의 두께는 연마 복합재의 최대 치수의 5배 보다 더 크며, 더욱 바람직하게는 연마 복합재의 최대 치수의 10배 보다 더 크다.
연마 제품은 도 1의 연마 지석 (15)과 같은 단일 단편일 수 있거나, 또는 연마 제품은 도 6의 연마 제품 (50)에 나타낸 바와 같은 다수의 세그먼트 (52)로부터 제조될 수 있다. 도 6에서, 세그먼트 (52)는 각각 중심축 (54) 주위의 일부를 차지한다. 축 구멍 (55)은 연마 제품 (50)을 스핀들 및 그 이외의 것에 장착시키는데 이용된다.
연마 제품 또는 연마 제품의 일부 (즉, 세그먼트)는 다수의 연마 복합재 또는 응집체들을 성형품으로 성형하거나 또는 함께 결합시킴으로써 형성된다. 전형적으로, 이는 연마 복합재가 주형 내에 보유되는 동안 열 및 압력을 가함으로써 행해진다. 그러한 성형 기술은 잘 알려져 있다.
성형 단계 중에, 연마 복합재는 적어도 부분적으로만 건조, 경화 또는 유리화될 수 있거나 또는 완전히 경화 또는 유리화될 수 있다. 완전하지 않게 경화 또는 유리화된 연마 복합재가 성형되어 최종 연마 제품이 형성된다면, 복합재 내의 복합재내 다공도 수준은 성형전 수준에서 성형후 수준으로 약 5%를 넘지 않게, 바람직하게는 2%를 넘지 않게 변화하는 것이 바람직하다. 또한, 연마 복합재는 성형 공정 중에 그의 형태, 예를 들면 그의 형상 및 크기를 유지한다. 연마 복합재는 일단 연마 제품에 혼입되면 그의 개개의 집결도를 느슨하게 하지 않는다.
연마 제품 결합제
연마 복합재는 성형되어 본 발명에 따른 연마 제품을 형성하고, 전형적으로 제2 결합제 재료는 복합재들의 결합을 쉽게 하기 위해 첨가된다. 제2 결합제 재료의 양은 최소인 것이 바람직하므로, 제2 결합제 재료 및 복합재가 존재하지 않는 곳이 있도록, 제2 결합제 재료가 연마 복합재 사이에 위치되어 복합재간 다공도가 형성된다.
유용한 제2 결합제 재료의 예는 유기 제2 결합제 재료 (예를 들면, 페놀계 수지, 아크릴레이트, 폴리아미드 등) 및 무기 제2 결합제 재료를 포함한다. 무기제2 결합제 재료의 예는 금속 결합제 (예를 들면, 니켈) 및 세라믹 제2 결합제 재료를 포함한다. 바람직하게는, 제2 결합제 재료는 "세라믹 결합제"이다. 용어 "세라믹 결합제"는 세라믹, 유리-세라믹 및 유리 (유리질 또는 유리화된 것으로 불리우기도 함)를 포함하는데 광범위하게 사용된다. 내화 입자는 유리와 조합되어 결합제 복합재를 형성할 수 있으며; 그러한 입자는 전형적으로 결합제 재료의 열 팽창 계수, 용융 점도 및 기계적 특성을 변형시키는데 사용된다.
도 2를 참고로 하면, 제2 결합제 재료 (40)는 연마 복합재 (20)를 함께 결합시켜 성형된 3차원 제품 (12)을 형성한다. 제2 결합제 재료 (40)는 연마 복합재 (20)와 함께 복합재간 기공 (45)을 형성한다. 도 2에서, 복합재 (20)는 연마 제품 (10) 전체에 걸쳐 불규칙적으로 분산된다.
도 3에서, 제1 결합제 매트릭스 (34) 내에 결합된 일차 연마 입자 (30)와 함께 복합재내 기공 (35)을 갖는 연마 복합재 (20)는 제2 결합제 재료 (40)에 의해 체커판 패턴과 유사한, 배열된 기하학적 패턴으로 결합된다. 복합재간 기공 (45)은 제2 결합제 재료 (40) 및 복합재 (20)에 의해 형성된다. 도 3은 단일 층의 결합된 복합재 (20)를 나타내며; 이 기하학적 패턴이 연마 제품의 깊이 전체에 걸쳐 계속될 수 있음을 이해하여야 한다. 도 3에 나타낸 바와 같은 연마 복합재의 임의 패턴은 연마 제품의 깊이 전체에 걸쳐 계속될 수 있다.
일부 실시양태에서는, 복합재들을 결합시켜 연마 제품을 형성하는데 별도의 제2 결합제 재료가 사용되지 않으며; 오히려 연마 복합재 자체의 제1 결합제 매트릭스가 복합재들을 함께 결합시킨다. 예를 들면, 복합재 (20) 내의 개개의 연마입자 (30)를 결합시키는 제1 결합제 매트릭스 (34)가 또한 다수 복합재 (20)들을 결합시키는 도 4의 연마 제품 (10')을 참조하면 된다. 제1 결합제 매트릭스 (34)는 복합재간 기공 (45)을 형성하며, 또한 복합재내 기공 (35)을 형성할 수도 있다.
연마 제품 (10')은 제2 결합제 재료 없이 (즉, 도 2의 연마 제품 (10)에서와 같이 제2 결합제 재료 (40) 없이 제1 결합제 매트릭스 (34) 만을 갖고) 제1 결합제 매트릭스 (34)가 유동하여 복합재들을 융합시키는 온도로 연마 복합재를 가열시킴으로써 제조될 수 있다.
일부 실시양태에서는, 다수의 복합재 전구체 (즉, 비소성, 비소결, 비유리화 또는 비경화된 복합재) 또는 부분적으로만 소성, 소결, 유리화 또는 경화된 복합재를 성형시키는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 실시양태에서, 복합재의 완전한 소성 및 연마 제품의 소성은 단일 가열 단계에서 이루어진다. 단일 가열 단계 중에, 복합재는 그의 원래 상태 (예를 들면, 형태, 크기, 복합재내 다공도 등)를 유지함을 이해하여야 한다.
제1 결합제 매트릭스 (34) 내에 결합된 일차 연마 입자 (30)와 함께 복합재내 기공 (35)을 갖는 연마 복합재 (20)가 배열된 기하학적 패턴으로 결합된 다른 실시양태가 도 5에 도시되어 있다. 복합재들 (20)은 제1 결합제 매트릭스 (34)에 의해 결합되며, 그 구조를 제공하는 동일한 것은 복합재 (20)이다. 복합재간 기공 (45)은 복합재 (20)에 의해 형성된다. 도 5는 단일 층의 결합된 복합재 (20)를 나타내며; 이 기하학적 패턴이 연마 제품의 깊이 전체에 걸쳐 계속될 수 있음을 이해하여야 한다.
복합재간 다공도
본 발명의 연마 제품은 다공성이고 바람직하게는 측정가능한 다공도를 갖는다. 본원에 사용된 용어 "다공성"은 연마 복합재의 재료 전체에 걸쳐 분포된 기공 또는 공극을 갖는 것으로 특징지워지는 연마 복합재의 구조, 또는 연마 복합재 중에 또는 사이에 분포된 기공 또는 공극을 갖는 것으로 특징지워지는 연마 제품의 구조의 어느 하나 또는 둘다를 설명하는데 사용될 수 있다. 기공은 연마 복합재 및 존재할 수 있는 임의의 제2 결합제 재료에 의해 형성된다. 바람직하게는, 기공은 임의의 재료가 존재하지 않는 것이다. 일부 실시양태에서는, 연마 제품의 다공도의 대부분은 복합재간 다공도이며; 즉 다공도의 대부분은 복합재 내의 것이 아니라 복합재 사이의 것이다.
연마 제품 내의 복합재간 기공은 연마 복합재와 임의의 제2 결합제 재료 사이 및 중에 퍼져 있으며, 연마 제품의 외부 표면에 개방될 수 있거나 또는 밀폐될 수 있다. 연마 제품 내의 기공은 복합재로부터 사용된 (즉, 무딘) 연마 입자의 이탈을 유도하는 연마 복합재의 조절된 파괴를 돕는 것으로 생각된다. 복합재간 기공 및 복합재내 기공은 연마 제품과 가공물 사이의 계면으로부터 스와프 (swarf) 및 사용된 연마 입자의 제거를 위한 경로를 제공함으로써 연마 제품의 성능 (예를 들면, 절삭 속도 및(또는) 표면 피니쉬)을 증가시킬 수 있다.
전형적으로, 연마 제품 내의 복합재간 기공, 즉 연마 복합재와 임의의 제2 결합제 재료 사이의 기공은 연마 제품 용적의 20% 이상을 차지한다. 대안으로 또는 추가로, 기공은 약 80% 이하의 용적을 차지한다. 전형적으로, 복합재간 다공도는 연마 제품의 용적의 약 25% 내지 75%, 바람직하게는 약 30% 내지 60%를 차지한다. 대부분의 실시양태에서, 연마 제품 내의 다공도의 대부분은 연마 복합재 사이에 분포된 복합재간 다공도이다.
복합재간 다공도의 특히 바람직한 용적%는 연마 복합재의 평균 입자 치수, 연마 복합재를 형성하는 일차 연마 입자의 치수 및 복합재내 다공도의 양에 좌우된다. 또한, 기공의 용적%는 연마 복합재들을 결합시켜 연마 제품을 형성하는데 사용되는 임의의 제2 결합제 재료에 좌우될 것이다. 연마 제품은 연삭 또는 연마 중에 발휘되는 힘을 견디기에 충분한 강도를 가져야 하며; 연마 제품 내의 다공도는 연마 제품을 무디게 약화시키지 않아야 한다. 개개의 연마 복합재 보다 상당히 더 약한 연마 제품이 형성되지 않아야 한다.
연마 제품은 다른 첨가제, 예를 들면 충전제, 연삭 조제, 안료, 정착제, 절삭 조제 및 기타 재료를 더 함유할 수 있다. 이들 첨가제는 복합재의 복합재간 기공 내에 위치되거나, 연마 복합재 상에 코팅으로서 제공되거나, 제2 결합제 재료 전체에 걸쳐 분산되거나 또는 연마 제품의 복합재간 또는 복합재내 기공내에 위치될 수 있다.
바람직한 연마 제품
특별한 한 실시양태에서, 약 0.1 ㎛의 평균 입자 치수를 갖는 개개의 다이아몬드 입자는 알루미나-보로실리케이트 제1 결합제 매트릭스에 의해 연마 복합재로 형성된다. 약 29%의 복합재내 다공도를 가진 연마 복합재는 약 90 ㎛의 평균 치수를 갖는 절두 피라미드 형태를 갖는다. 그후에, 이러한 연마 복합재는 에폭시 결합제 (Shell로부터 "Epon 828"로서 시판됨)로 결합되어 약 33 용적% 연마 복합재, 33 용적% 유기 결합제 및 33% 복합재간 다공도를 갖는 연마 제품을 형성한다.
특별한 다른 실시양태에서, 약 1 ㎛의 평균 입자 치수를 갖는 개개의 다이아몬드 입자는 알루미나-보로실리케이트 제1 결합제 매트릭스에 의해 연마 복합재로 형성된다. 약 5-10%의 복합재내 다공도를 가진 연마 복합재는 약 90 ㎛의 평균 치수를 갖는 절두 피라미드 형태를 갖는다. 이들 연마 복합재는 주형내에 놓여지고, 알루미나-보로실리케이트 제1 결합제 매트릭스의 일부를 유동시켜 제1 결합제 매트릭스가 복합재들을 결합시키기에 적합한 온도로 가열된다. 연마 제품을 형성하는데 추가의 결합제는 필요치 않다. 형성된 연마 제품은 약 50 용적% 연마 복합재 및 50% 복합재간 다공도를 갖는다.
유리 가공물을 연삭하는 방법
주로 연삭, 연마, 피니슁, 마모, 정련되거나 또는 달리 연마 제품으로 처리되는 유리 가공물은 렌즈, 프리즘, 거울, CRT 스크린, 창문, 자동차 및 다른 바람막이 유리, 하드 드라이브 기판 및 다른 유리 제품을 포함한다. 많은 다양한 기계, 연삭기, 연마기 등은 본 발명의 연마 제품에 의해 유리 가공물을 연삭하는데 사용될 수 있다. 유리 가공물을 연삭하는데 사용되는 특별한 방법은 가공물의 유형 및 원하는 효과에 좌우된다.
유리 가공물은 전형적으로 하나 이상의 유리 가공물 및 연마 제품을 서로에 대해 이동시킴으로써 연삭된다. 이러한 이동은 회전식, 불규칙, 직선 또는 다양한 조합일 수 있다. 회전 운동은 연마 제품을 회전식 금형에 부착시키거나 또는 유리가공물을 회전 홀더 상에 놓음으로써 발생될 수 있다. 불규칙 궤도 운동은 불규칙 궤도 금형에 의해 형성될 수 있으며, 직선 운동은 연속 연마 벨트에 의해 형성될 수 있다. 유리 표면 및 연마 제품은 동일한 방향 또는 반대 방향으로 회전할 수 있다. 작동 rpm은 이용된 연마 제품에 따라서 약 4,000 rpm 이하일 수 있다. 유리와 연마 제품 사이의 상대적 이동은 유리의 치수에 좌우될 수도 있다. 유리가 비교적 크면, 유리를 정지 상태로 두면서 연삭 중에 연마 제품을 이동시키는 것이 바람직할 수 있다.
연삭 중에, 연마 제품 및 유리 표면은 바람직하게는 약 0.1 내지 약 2 ㎏/㎠, 더욱 바람직하게는 약 0.25 내지 1.25 ㎏/㎠, 더더욱 바람직하게는 약 0.4 내지 0.85 ㎏/㎠의 계면 압력을 갖는다. 힘이 너무 강하면, 연마 제품은 긁힘 깊이를 정련할 수가 없고 오히려 긁힘 깊이를 증가시킬 수 있다. 또한, 연마 제품이 과도하게 마모될 수 있다. 힘이 너무 약하면, 연마 제품은 충분한 유리 재료를 효과적으로 제거할 수가 없다.
통상적으로 냉각수로 불리우는 액체의 존재 하에 유리를 연삭하는 것이 바람직하다. 어떤 예에서는, "윤활제"로서 불리우는 액체의 존재 하에 유리를 연삭하는 것이 바람직하다. 액체는 연삭 중의 열 발생을 억제하며 연삭 계면으로부터 스와프를 제거한다. "스와프"는 연마 제품에 의해 마모되어 떨어지는 유리 파편을 설명하는데 사용되는 용어이다. 어떤 경우에, 유리 스와프는 연삭되는 유리의 표면을 손상시킬 수 있다. 따라서, 계면으로부터 스와프를 제거하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명은 다음 실시예에서 더 설명되고 예시될 것이다. 실시예는 본 발명을 예시하는 것이며 그의 상세에 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 모든 부, 백분율, 비 등은 달리 명시하지 않으면 중량을 기준으로 한다.
연마 복합재를 제조하기 위하여, "스타덱스 230" 덱스트린 (A.E. Stanley Manufacturing Co. of Decatur, IL) 25 부를 탈이온수 75 부에 용해시켜 일시 결합제 용액을 제조하였다. 덱스트린 용액 120.0 g, 알루미나-보로실리케이트 유리 (18% B2O3, 8.5% Al2O3, 2.8% BaO, 1.1% CaO, 2.1% Na2O, 2.9% K2O, 1.0% Li2O 및 63.6% Si2O의 공칭 조성을 가짐; Specialty Glass Inc. of Oldsmar, FL로부터 얻음) 120.0 g 및 다이아몬드 (평균 입자 치수 약 1.5 ㎛; American Boarts Crushing Co., Inc. of Boca Raton, FL로부터 얻음) 120.0 g의 슬러리를 프로펠러 혼합 블레이드로 5분 동안 철저하게 교반시키고 이어서 초음파 조 (Cole-Palmer Instrument Co. of Chicago, IL로부터의 모델 8852)에서 47 kHz의 주파수 셋팅으로 30분 동안 교반시켰다. 결과 슬러리를 폴리프로필렌 금형의 공동부 내에 코팅하고 과잉의 슬러리를 닥터 블레이드로 제거하였다. 폴리프로필렌 금형의 공동부를 90 ㎛의 깊이, 117 x 117 ㎛의 저면 및 87 x 87 ㎛의 표면을 갖는 우측 절두된 피라미드였다.
슬러리를 실온에서 1시간 동안 공동부 내에 두면서 건조시키고, 그후에 금형 및 슬러리를 75 ℃ 오븐에 1시간 동안 두었다. 건조된 녹색 복합재 전구체를 초음파 구동 막대 (Branson Ultrasonic Instruments of Danbury, CT로부터 모델 902R에의해 초음파 구동됨)를 사용하여 금형으로부터 제거하였다.
녹색 복합재 전구체를 굴절망원경 새거 (sagger) (Ipsen Ceramic of Pecatonica, IL로부터 얻음)에서 소성시켰다. 온도를 1.5 ℃/분의 속도로 실온에서 400 ℃로 변화시키고 산화 (공기) 대기에서 1시간 동안 소성시켰다. 소성 후에, 연마 복합재를 약 2 ℃/분의 온도 감소 속도로 실온으로 냉각시켰다.
연마 제품을 성형하기 위하여, "스타덱스 230" 덱스트린 33 부를 탈이온수 66 부에 용해시켜 일시 결합제 용액을 제조하였다. 덱스트린 용액 8 g, 소성 복합재 8 g, 알루미나-보로실리케이트 유리 2 g 및 "Q-Cel 2135" 보로실리케이트 유리 중공 구 (PQ Corporation of Valley Forge, PA로부터 얻음) 0.5 g의 페이스트를 제조하였다. 그 페이스트를 3.61 ㎝ (1.42 inch)의 외경 및 2.92 ㎝ (1.15 inch)의 내경 및 0.72 ㎝ (0.285 inch)의 폭을 갖는 원통형 연마 지석으로 성형하였다. 그 연마 지석을 실온에서 건조시키고, 그후에 오븐에 놓고 온도를 약 2 ℃/분의 속도로 680 ℃로 올리고 680 ℃에서 2시간 동안 유지시켰다. 그 연마 지석을 실온으로 냉각되도록 하였다.
결과 연마 제품은 도 1 및 2에 나타낸 것과 유사하였다. 연마 지석은 미세 크기 연마 입자 및 개방된 다공성 구조를 가졌다.

Claims (16)

  1. (a) (i) 약 10 ㎛ 이하의 평균 입자 치수를 갖는 다수의 일차 연마 입자; 및
    (ii) 연마 복합재를 형성하기 위해 다수의 연마 입자를 결합시키는 세라믹 제1 결합제 매트릭스를 포함하는 다수의 연마 복합재
    를 포함하며, 20 용적% 이상의 복합재간 다공도를 갖는 성형된 3차원 연마 제품.
  2. 제1항에 있어서, 연마 복합재가 (a) 5 용적% 이상의 복합재내 다공도를 더 포함하는 성형된 3차원 연마 제품.
  3. 제2항에 있어서, 복합재내 다공도가 약 6 내지 50 용적%인 성형된 3차원 연마 제품.
  4. 제1항에 있어서, (a) 다수의 연마 복합재들을 함께 결합시키는 제2 결합제 재료; 및
    (b) 상기 제2 결합제 재료 및 연마 복합재에 의해 형성되는 복합재간 다공도
    를 더 포함하는 성형된 3차원 연마 제품.
  5. 제1항에 있어서, 연마 제품이 약 25 내지 75 용적%의 복합재간 다공도를 갖는 성형된 3차원 연마 제품.
  6. 제5항에 있어서, 연마 제품이 약 30 내지 60 용적%의 복합재간 다공도를 갖는 성형된 3차원 연마 제품.
  7. 제1항에 있어서, 1차 연마 입자가 약 6 ㎛ 이하의 평균 입자 치수를 갖는 성형된 3차원 연마 제품.
  8. 제7항에 있어서, 1차 연마 입자가 약 3 ㎛ 이하의 평균 입자 치수를 갖는 성형된 3차원 연마 제품.
  9. 제1항에 있어서, 연마 제품이 중심 회전축을 가진 연마 지석 (砥石)인 성형된 3차원 연마 제품.
  10. 제1항에 있어서, 연마 제품이 다수의 연마 세그먼트를 포함하고, 각 연마 세그먼트가
    (a) (i) 약 10 ㎛ 이하의 평균 입자 치수를 갖는 다수의 일차 연마 입자; 및
    (ii) 연마 복합재를 형성하기 위해 다수의 연마 입자를 결합시키는 세라믹 제1 결합제 매트릭스를 포함하는 다수의 연마 복합재를 포함하며,
    20 용적% 이상의 복합재간 다공도를 갖는 성형된 3차원 연마 제품.
  11. (a) (i) 약 10 ㎛ 이하의 평균 입자 치수를 갖는 다수의 일차 연마 입자; 및 (ii) 연마 복합재를 형성하기 위해 다수의 연마 입자를 결합시키는 세라믹 제1 결합제 매트릭스를 포함하는 다수의 연마 복합재를 제공하고;
    (b) 다수의 연마 복합재를 성형하여 20 용적% 이상의 연마 복합재간 다공도를 갖는 연마 제품을 형성하는
    것을 포함하는, 성형된 3차원 연마 제품의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 다수의 복합재를 제공하는 단계가 (a) 다수의 복합재 전구체에 열을 가하여 적어도 부분적으로 경화된 다수의 복합재를 제공하는 것을 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 적어도 부분적으로 경화된 다수의 복합재가 초기 복합재내 다공도를 가지며; 다수의 연마 복합재를 성형하여 연마 제품을 형성하는 단계가
    (a) 적어도 부분적으로 경화된 다수의 복합재를 성형하여 연마 제품을 형성하고 경화된 연마 복합재의 0 용적%를 넘는 최종 복합재내 다공도를 갖는 경화된 연마 복합재를 형성하는 것을 포함하는 방법.
  14. 제11항에 있어서, 다수의 연마 복합재를 성형하여 20 용적% 이상의 연마 복합재간 다공도를 갖는 연마 제품을 형성하는 단계가
    (a) 다수의 연마 복합재를 성형하여 25-75 용적%의 연마 복합재간 다공도를 갖는 연마 제품을 형성하는 것을 포함하는 방법.
  15. (a) (i) (A) 약 10 ㎛ 이하의 평균 입자 치수를 갖는 다수의 일차 연마 입자; 및 (B) 연마 복합재를 형성하기 위해 다수의 연마 입자를 결합시키는 세라믹 제1 결합제 매트릭스를 포함하는 다수의 연마 복합재; 및
    (ii) 20 용적% 이상의 복합재간 다공도를 갖는 연마 제품을 제공하고;
    (b) 가공물 표면과 다수의 연마 복합재를 접촉시키고;
    (c) 연마 제품 및 가공물 표면을 서로에 대해 이동시키는
    것을 포함하는 가공물 표면의 정련 방법.
  16. 제15항에 있어서, 연마 제품 및 가공물 표면을 서로에 대해 이동시키는 단계가 (a) 연마 제품 및 가공물 표면을 윤활제의 존재 하에 서로에 대해 이동시키는 것을 포함하는 방법.
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