KR20110100278A

KR20110100278A - 리세스된 표면을 갖는 접시형 연마 입자

Info

Publication number: KR20110100278A
Application number: KR1020117016327A
Authority: KR
Inventors: 스콧 알 쿨러; 드와이트 디 에릭슨; 네구스 비 아데프리스; 존 티 보덴; 존 디 하스
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2011-09-09
Also published as: WO2010077491A2; US8142891B2; EP2373755A4; JP5415558B2; US20100151195A1; PL2373755T3; ES2687263T3; JP2012512044A; EP3444313A1; DE202009019189U1; DE202009019192U1; BRPI0922319B1; US20120144754A1; CN102282230B; CA2746931A1; BRPI0922319A2; DE202009019191U1; WO2010077491A3; CN102282230A; PL3444313T3

Abstract

연마 입자는 각각 측벽을 갖는 접시형 연마 입자를 포함하며, 접시형 연마 입자의 각각은 알파 알루미나를 포함하고 두께 t만큼 이격된 제1 면 및 제2 면을 가지며, 제1 면 또는 제2 면은 리세스되거나 오목하다.

Description

리세스된 표면을 갖는 접시형 연마 입자{DISH-SHAPED ABRASIVE PARTICLES WITH A RECESSED SURFACE}

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

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

성형된 연마 입자는 일반적으로 불규칙하게 파쇄된 연마 입자보다 뛰어난 성능을 가질 수 있다. 연마 용품의 형상을 제어함으로써 연마 입자의 최종 성능을 제어할 수 있다. 본 발명자는 연마 입자를 리세스된(recessed) 또는 오목한 표면을 갖는 접시형으로 만듦으로써 예기치 않은 연삭 이점이 발생함을 발견하였다.

이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 리세스된 또는 오목한 면은 접시형 연마 입자에 의해 제거되는 재료의 양을 개선시키는 것으로 여겨진다. 특히, 아이스크림 스쿠프(ice cream scoop) 또는 스푼은 재료 내로 효과적으로 파고들어 상당한 양의 재료를 제거하는 오목한 형상의 단부를 갖는다. 스쿠프는 재료 내로 파고들어 다량의 재료를 제거할 때 칼이나 평평하고 얇은 물체보다 훨씬 더 효과적이다. 유사하게, 오목한 표면을 갖는 중공형의 그라운드 치젤(ground chisel)은 더 예리한 에지를 생성한다. 유사한 방식으로, 성형된 연마 입자 상에 리세스된 또는 오목한 면을 배치하고 이에 의해 접시형 연마 입자를 형성하는 것은, 평탄한 제1 면 및 평탄한 제2 면을 갖는 유사한 형상의 연마 입자에 비해 접시형 연마 입자의 연삭 성능을 증가시킬 수 있다.

다음으로, 경사진 측벽을 갖는 접시형 연마 입자를 추가로 형성함으로써, 경사진 측벽을 갖는 접시형 연마 입자는 측벽의 드래프트각(draft angle)에 대응하는 각도로 코팅된 연마 용품의 메이크 코트(make coat) 상에 놓이는 경향이 있다. 코팅된 연마 용품 내에서 접시형 연마 입자가 놓이는 측벽이 드래프트각으로 인해 경사지기 때문에, 90도 이외의 드래프트각은 접시형 연마 입자가 코팅된 연마 용품 내의 배킹(backing)에 대해 90도의 배향을 갖는 대신에 기울어지게 하는 것으로 여겨진다. 접시형 연마 입자는 대부분 접시형 연마 입자가 놓이는 경사진 측벽으로 인해 일측으로 경사지거나 기울기 때문에, 접시형 연마 입자는 공작물에 대해 90도 미만의 경사각(rake angle)을 갖고 이에 의해 절삭률을 향상시킬 수 있다. 이 경사각은 접시형 연마 입자의 절삭률을 향상시키는 것으로 여겨진다.

따라서, 일 실시 형태에서, 본 발명은 각각 측벽을 갖는 접시형 연마 입자를 포함하며, 접시형 연마 입자의 각각은 알파 알루미나(alpha alumina)를 포함하고 가변 두께 T만큼 이격된 제1 면 및 제2 면을 가지며, 제1 면은 리세스되고 접시형 연마 입자에 관한 Tc/Ti의 두께비는 1.25 내지 5.00인 연마 입자이다.

다른 실시 형태에서, 본 발명은 각각 측벽을 갖는 접시형 연마 입자를 포함하며, 접시형 연마 입자의 각각은 알파 알루미나를 포함하고 두께 T만큼 이격된 제1 면 및 제2 면을 가지며, 제1 면은 볼록하고 제2 면은 오목한 연마 입자이다.

다른 실시 형태에서, 본 발명은 각각 측벽을 갖는 접시형 연마 입자를 포함하며, 접시형 연마 입자의 각각은 알파 알루미나를 포함하고 가변 두께 T만큼 이격된 제1 면 및 제2 면을 가지며, 제1 면은 리세스되고 제2 면은 리세스된 연마 입자이다.

당업자는 본 개시 내용이 예시적인 실시 형태의 설명일 뿐 본 개시 내용의 보다 넓은 태양들을 제한하려는 것은 아니며, 이 예시적인 구성에서 보다 넓은 태양들이 구현된다는 것을 이해하여야 한다.
<도 1a>
도 1a는 접시형 연마 입자의 일 실시 형태의 사시도.
<도 1b>
도 1b는 도 1a의 접시형 연마 입자의 측면도.
<도 1c>
도 1c는 도 1a의 접시형 연마 입자로부터 제조된 코팅된 연마 용품의 측면도.
<도 2a 내지 도 2c>
도 2a 내지 도 2c는 도 1a의 접시형 연마 입자의 현미경 사진.
<도 3a>
도 3a는 접시형 연마 입자의 다른 실시 형태의 사시도.
<도 3b>
도 3b는 도 3a의 접시형 연마 입자의 측면도.
<도 3c>
도 3c는 도 3a의 접시형 연마 입자로부터 제조된 코팅된 연마 용품의 측면도.
<도 4>
도 4는 도 3a의 접시형 연마 입자의 현미경 사진.
<도 5>
도 5는 로웬호스트 등의 미국 특허 제5,366,523호에 기재된 내용에 따라 제조된 종래 기술의 성형된 연마 입자의 현미경 사진.
<도 6a>
도 6a는 접시형 연마 입자의 다른 실시 형태의 사시도.
<도 6b>
도 6b는 도 6a의 접시형 연마 입자의 측면도.
<도 7>
도 7은 평탄한 표면 상에 복수의 홈(groove)을 갖는 도 1a 및 도 1b의 접시형 연마 입자의 다른 실시 형태의 저면도.
<도 8>
도 8은 오목한 표면 상에 복수의 홈을 갖는 도 3a 및 도 3b의 접시형 연마 입자의 다른 실시 형태의 저면도.
<도 9>
도 9는 접시형 연마 입자에 대한 절삭률 대 시간의 그래프.
본 명세서 및 도면에서 참조 부호를 반복하여 사용하는 것은 본 발명의 동일하거나 유사한 특징 또는 요소를 나타내려는 것이다.
정의
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "포함하다", "갖다", 및 "함유하다"라는 단어의 형태는 법률적으로 동등하며 제한이 없다. 따라서, 열거한 요소, 작용, 단계 또는 한정 이외에도 추가의 열거되지 않은 요소, 작용, 단계 또는 한정이 제시될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 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 명세서에서 사용되는 바와 같이, "전구체 성형된 연마 입자(precursor shaped abrasive particle) 또는 전구체 접시형 연마 입자"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 명세서에서 사용되는 바와 같이, "성형된 연마 입자"라는 용어는 연마 입자의 적어도 일부가, 성형된 전구체 연마 입자를 형성하는 데 사용되는 주형 공동으로부터 복제된 소정의 형상을 갖는 세라믹 연마 입자를 의미한다. (예를 들어, 미국 가출원 제61/016965호에 기재된 것과 같은) 연마 파편의 경우를 제외하고는, 성형된 연마 입자는 일반적으로 성형된 연마 입자를 형성하는 데 사용되는 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.

접시형 연마 입자

도 1a, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 예시적인 접시형 연마 입자(20)가 도시되어 있다. 접시형 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(calcined), 이어서 소결되는 알파 산화알루미늄 일수화물의 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, 접시형 연마 입자(20)는 제1 면(24), 및 가변 두께 T를 갖는 측벽(28)만큼 이격된 제2 면(26)을 갖는 얇은 본체를 포함한다. 일반적으로, 측벽 두께는 접시형 연마 입자의 첨단부(point) 또는 코너에서 더 크고 에지의 중간 지점에서 더 얇다. 그렇기 때문에, Tm은 Tc보다 작다. 일부 실시 형태에서, 측벽(28)은 본 명세서에서 나중에 더 상세하게 논의되는 바와 같이 90도 초과의 드래프트각 α를 갖는 경사진 측벽이다. 하나 초과의 경사진 측벽이 존재할 수 있으며, 각각의 경사진 측벽에 대한 기울기 또는 드래프트각은 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 동일하거나, 2008년 12월 17일자로 출원되고 대리인 문서 번호가 64869US002이며 발명의 명칭이 "경사진 측벽을 갖는 성형된 연마 입자(Shaped Abrasive Particle With A Sloping Sidewall)"인 공계류 중의 미국 특허 출원 제12/337,075호에서 논의되는 바와 같이 접시형 연마 입자의 각 측면에 대해 상이할 수 있다.

접시형 연마 입자(20)의 측벽(28)은 형상이 다를 수 있으며, 제1 면(24)의 주변부(perimeter)(29) 및 제2 면(26)의 주변부(29)를 형성한다. 일 실시 형태에서, 제1 면(24) 및 제2 면(26)의 주변부(29)는 기하학적 형상이도록 선택되며, 제1 면(24) 및 제2 면(26)은 하나의 면이 다른 면보다 큰 상태로 크기가 다를 수 있지만 동일한 기하학적 형상을 갖도록 선택된다. 일 실시 형태에서, 제1 면(24)의 주변부(29) 및 제2 면(26)의 주변부(29)는 도시된 삼각형 형상이었다. 일부 실시 형태에서 정삼각형 형상이 사용되며, 다른 실시 형태에서 이등변 삼각형 형상이 사용된다.

일부 실시 형태에서, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 제1 면(24)은 리세스되고 제2 면(26) 및 측벽(28)은 실질적으로 평탄하다. 리세스된다는 것은 제1 면(24)의 안쪽의 두께 Ti가 주변부를 따른 부분에서의 성형된 연마 입자의 두께보다 얇은 것을 의미한다. 일부 실시 형태에서, 리세스된 면은 실질적으로 평평한 중심부, 및 도 2a와 유사한 복수의 융기된 코너 또는 복수의 위로 향하는 첨단부를 갖는다. 도 2a에서 접시형 연마 입자의 주변부가 위로 향하는 첨단부 또는 코너들 사이의 부분에서 평평하거나 일직선인 것으로 보이며 두께 Tc가 Tm보다 훨씬 더 큼에 주목한다. 다른 실시 형태에서, 리세스된 면은 도 2b와 유사한 3개의 위로 향하는 첨단부 또는 코너 및 실질적으로 평탄한 제2 면을 갖는 실질적으로 오목면이다(성형된 연마 입자는 평요(plano-concave)임). 도 2b에서 Tc와 Tm 사이의 차는 더 작고, 도 2a와 비교할 때 제1 면의 안쪽으로부터 각각의 위로 향하는 첨단부까지 더 점진적인 천이가 있음에 주목한다. 더 상세하게 논의되는 바와 같이, 리세스된 면은 도 1b에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이 제1 면을 리세스된 상태가 되게 하는 메니스커스(meniscus)를 형성하는 주형 공동(31) 내의 졸-겔에 의해 형성된다고 여겨진다.

언급된 바와 같이, 제1 면(24)은 리세스되어 첨단부 또는 코너(30)에서의 두께 Tc가 제1 면(24)의 안쪽의 두께 Ti보다 큰 경향이 있게 한다. 그렇기 때문에, 첨단부 또는 코너(30)는 제1 면(24)의 안쪽보다 높게 상승되어 있다. 이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 리세스된 제1 면(24)은 접시형 연마 입자(20)에 의해 제거되는 재료의 양을 개선시키는 것으로 여겨진다. 특히, 아이스크림 스쿠프 또는 스푼은 재료 내로 효과적으로 파고들어 상당한 양의 재료를 제거하는 오목한 형상의 단부를 갖는다. 스쿠프는 재료 내로 파고들어 다량의 재료를 제거할 때 칼이나 평평하고 얇은 물체보다 훨씬 더 효과적이다. 유사하게, 오목한 표면을 갖는 중공형의 그라운드 치젤은 더 예리한 에지를 생성한다. 유사한 방식으로, 접시형 연마 입자(20) 상에 리세스된 표면을 갖는 것은 평탄한 제1 면(24) 및 평탄한 제2 면(26)을 갖는 유사한 형상의 연마 입자에 비해 접시형 연마 입자의 연삭 성능을 증가시키는 것으로 여겨진다.

추가로, 성형된 연마 입자의 더 얇은 안쪽 부분을 갖는 것이 일단 예리한 위로 향하는 첨단부 또는 코너가 마모되면 접시형 연마 입자의 연삭 성능을 도울 수 있을 것으로 여겨진다. 안쪽 부분이 더 얇을 때, 연삭 성능을 개선시키는 2개의 인자가 작용할 수 있다. 첫째로, 접시형 연마 입자의 사용 동안에 발생되는 대응하는 마모 평평부가 더 두꺼운 안쪽 부분을 갖는 성형된 연마 입자와 비교할 때 더 작은 면적을 가질 것이다. 하나의 입자가 다음의 입자의 두께의 절반인 경우, 생성되는 마모 평평부는 두께의 변화로 인해 크기가 절반일 것이다. 둘째로, 더 얇은 안쪽 부분은 사용 동안에 접시형 연마 입자의 파쇄를 증가시켜 파쇄 역학을 통해 자신을 다시 예리하게 하는 입자의 능력을 증대시킬 수 있다. 더 두꺼운 입자는 더 얇은 입자보다 파쇄될 가능성이 낮다.

도 5를 참조하면, 미국 특허 제5,366,523호의 개시 내용에 따라 제조된 종래 기술의 성형된 연마 입자가 도시되어 있다. 종래 기술의 성형된 연마 입자는 실질적으로 평탄한 제1 면 및 평탄한 제2 면, 삼각형의 꼭지점에 있는 둥근 코너, 및 면이 측벽과 만나는 둥근 에지를 갖는다.

본 발명의 다양한 실시 형태에서, Tc/Ti의 두께비는 1.25 내지 5.00, 또는 1.30 내지 4.00, 또는 1.30 내지 3.00일 수 있다. 두께비를 계산하기 위해, 랜덤하게 선택된 15개의 접시형 연마 입자가 스크리닝(screening)된다. 각 입자의 각각의 코너의 높이가 측정되고 이어서 평균 Tc를 결정하기 위해 높이의 전부가 평균된다. 예를 들어, 삼각형은 성형된 연마 입자당 3개의 Tc 측정치 및 Tc에 대한 평균을 결정하는 데에 사용하기 위한 45개의 측정치 총계를 가질 것이다. 성형된 연마 입자가 둥글거나, 타원형이거나 달리 코너 또는 첨단부를 갖지 않는 경우, 주변부를 따라 서로 등거리에 있는 3개의 지점이 각각의 성형된 연마 입자에 대해 측정되어야 한다. 다음, 각각의 성형된 연마 입자의 제1 면(24)의 안쪽에 관한 가장 작은 두께 Ti가 측정된다. 종종 성형된 연마 입자의 반투명성이 최소 안쪽 두께를 찾기 위해 사용될 수 있으며, 15개의 결과가 평균 Ti를 결정하기 위해 평균된다. 두께비는 평균 Tc를 평균 Ti로 나눔으로써 결정된다. X-Y 스테이지 및 수직 위치 측정 스테이지를 갖춘 광학 현미경이 접시형 연마 입자의 여러 부분의 두께를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명에 의해 제조된 삼각형의 접시형 연마 입자가 일부 실시 형태에서 1.55 내지 2.32의 두께비를 갖는 것으로 측정되었다. 로웬호스트 등의 발명의 명칭이 성형된 연마 입자를 포함하는 연마 용품(Abrasive Article Containing Shaped Abrasive Particles)인 미국 특허 제5,366,523호에 개시된 종래 기술의 방법에 의해 제조된 삼각형의 성형된 입자는 0.94 내지 1.15의 두께비를 갖는 것으로 측정되었으며, 이는 입자가 본질적으로 평평하며 단지 중앙에서 약간 더 두꺼울 수도 있고 마찬가지로 중앙에서 약간 더 얇을 수도 있음을 의미한다. 1.20 초과의 두께비를 갖는 접시형 연마 입자는 95% 신뢰 구간에서 로웬호스트 입자와 통계상 상이하다.

도 1b를 참조하면, 접시형 연마 입자(20)의 제2 면(26)과 측벽(28) 사이의 드래프트각 α는 각 면의 상대 크기를 변화시키기 위해 달라질 수 있다. 참조를 위해, 주형(33)의 주형 공동(31)이 접시형 연마 입자(20)가 제조되는 방법을 시각화하기 위해 점선으로 도시되어 있다. 2008년 12월 17일자로 출원되고 대리인 문서 번호가 64869US002이며 발명의 명칭이 "경사진 측벽을 갖는 성형된 연마 입자"인 공계류 중의 미국 특허 출원 제12/337,075호에서 논의되는 바와 같이, 90도 초과의 드래프트각 α를 갖는 것이 성형된 연마 입자의 연삭 성능을 개선시키는 것으로 여겨진다. 또한, 90도로부터 98도로의 드래프트각의 약간의 증가는 삼각형의 성형된 연마 입자의 절삭 성능을 두 배로 늘리는 것으로 확인되었으며, 증가된 성능은 드래프트각이 약 130도를 초과하게 될 때까지 존재한다.

본 발명의 다양한 실시 형태에서, 드래프트각 α는 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 100도일 수 있다.

이제 도 1c를 참조하면, 배킹(42)의 제1 주 표면(41)이 연마층에 의해 덮인 코팅된 연마 용품(40)이 도시되어 있다. 연마층은 메이크 코트(44), 및 메이크 코트(44)에 의해 배킹(42)에 부착된 복수의 접시형 연마 입자(20)를 포함한다. 접시형 연마 입자(20)를 배킹(42)에 추가로 부착 또는 접착시키기 위해 사이즈 코트(size coat)(46)가 적용된다.

보여지는 바와 같이, 대부분의 접시형 연마 입자(20)는 드래프트각 α가 90도를 초과하고 이에 의해 경사진 측벽을 형성할 때 일측으로 경사지거나 기울어져 있다. 그 결과, 대부분의 접시형 연마 입자(20)가 배킹(42)의 제1 주 표면(41)에 대해 90도 미만의 배향각(orientation angle) β를 갖게 된다. 경사진 측벽을 갖는 접시형 연마 입자를 적용하는 정전 코팅 방법은 입자가 처음에 배킹에 적용될 때 처음에 입자를 90도의 배향각 β로 배향시키는 경향이 있기 때문에 이 결과는 예기치 않은 것이다. 정전장(electrostatic field)은 경사진 측벽을 갖는 접시형 연마 입자의 위에 위치된 배킹에 입자를 적용할 때 입자를 수직하게 정렬시키는 경향이 있다. 또한, 정전장은 입자를 90도 배향으로 메이크 코트로 가속 및 밀어 넣는 경향이 있다. 웨브가 뒤집힌 후의 소정 시점에서, 사이즈 코트(46)가 적용되기 전에 또는 적용된 후에, 중력 또는 메이크 및 사이즈 코트의 표면 장력 하에 있는 입자는 기울어져 경사진 측벽으로 놓이는 경향이 있다. 메이크 코트 및 사이즈 코트가 경화되고 굳어져 임의의 추가의 회전을 방지하기 전에, 접시형 연마 입자가 기울어져 경사진 측벽에 의해 메이크 코트에 부착되기 위해, 코팅된 연마 용품을 제조하는 공정에서 충분한 시간이 제공되는 것으로 여겨진다. 보여지는 바와 같이, 일단 경사진 측벽을 갖는 접시형 연마 입자가 적용되어 기울어지게 되면, 가장 높은 코너(30)가 공작물을 마모시키기에 적합한 경사각에 있게 된다. 특히, 리세스됨으로써 제1 면(24)은 측벽(28)과 제1 면(24) 사이에 예각 λ를 형성하며, 이는 종래 기술의 둥근 코너 대신에 매우 예리한 첨단부 또는 코너로 이어진다. 이는 특히 드래프트각 α가 90도 초과일 때 접시형 연마 입자에 더 많은 재료와 결합하여 제거하는 톱니 모양의 첨단부(47)를 제공한다.

경사 배향을 추가로 최적화하기 위해, 접시형 연마 입자가 개방형 코트 연마층의 배킹에 적용된다. 폐쇄형 코트 연마층은 메이커(maker)를 통한 단일 패스(single pass)에서 연마 용품의 메이크 코트에 적용될 수 있는 연마 입자 또는 연마 입자의 블렌드(blend)의 최대 중량으로서 정의된다. 개방형 코트 연마층은 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. 본 발명의 다양한 실시 형태에서, 연마층 내의 퍼센트 개방 영역(percent open area)은 약 10% 내지 약 90% 또는 약 30% 내지 약 80%일 수 있다.

경사진 측벽을 갖는 접시형 연마 입자가 너무 많이 배킹에 적용되는 경우, 메이크 및 사이즈 코트를 경화시키기 전에 입자가 기울어지거나 경사지게 하기에 불충분한 입자들 사이의 공간이 존재할 것으로 여겨진다. 본 발명의 다양한 실시 형태에서, 개방형 코트 연마층을 갖는 코팅된 연마 용품 내의 50%, 60%, 70%, 80% 또는 90% 초과의 접시형 연마 입자가 90도 미만의 배향각 β를 갖고 기울어지거나 경사진다.

이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 90도 미만의 배향각 β는 경사진 측벽을 갖는 접시형 연마 입자의 절삭 성능을 향상시키는 것으로 여겨진다. 놀랍게도, 이 결과는 코팅된 연마 용품 내의 Z축 둘레에서의 입자 회전 배향에 무관하게 발생하는 경향이 있다. 도 1c는 모든 접시형 연마 입자가 동일한 방향으로 정렬되어 있는 것을 보여주도록 이상화되어 있지만, 실제 코팅된 연마 디스크는 랜덤하게 분포되고 Z축에 대해 다양한 배향으로 회전된 접시형 연마 입자를 가질 것이다. 연마 디스크가 회전중이고 접시형 연마 입자가 랜덤하게 분포되기 때문에, 이웃하는 접시형 연마 입자가 입자의 이면 및 제2 면(26)에 충돌하는 공작물과 함께 정확히 180도 회전될 수 있는 동안 일부 입자는 처음에 제1 면(24)에 충돌하는 공작물 내로 밀어 넣어질 것이다. 입자의 랜덤한 분포 및 디스크의 회전에 의해, 입자의 절반은 처음에 제1 면(24) 대신에 제2 면(26)에 충돌하는 공작물을 가질 수 있다. 그러나, 한정된 회전의 방향 및 공작물과의 한정된 접촉 지점을 갖는 연마 벨트의 경우, 도 1c에 이상화되어 있는 바와 같이 우선 공작물이 제1 면(24) 내로 밀어 넣어지는 것을 보장하기 위해 경사진 측벽을 갖는 접시형 연마 입자를 벨트 상에 정렬시키는 것이 가능할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시 형태에서, 코팅된 연마 용품의 연마층 내의 경사진 측벽을 갖는 접시형 연마 입자의 대부분에 관한 배향각 β는 약 50도 내지 약 85도, 또는 약 55도 내지 약 85도, 또는 약 60도 내지 약 85도, 또는 약 65도 내지 약 85도, 또는 약 70도 내지 약 85도, 또는 약 75도 내지 약 85도, 또는 약 80도 내지 약 85도일 수 있다.

이제 도 2a, 도 2b 및 도 2c를 참조하면, 리세스된 면을 갖는 접시형 연마 입자(20)의 현미경 사진이 도시되어 있다. 드래프트각 α는 대략 98도이고, 접시형 연마 입자의 주변부는 정삼각형을 구성한다. 각각의 삼각형의 변은 제1 면(24)의 주변부에서 대략 1.4 ㎜ 길이로 측정되었다. 리세스된 면을 더욱 특성화하기 위해, 접시형 연마 입자에 대한 제1 면(24)의 곡률이 www.NLREG.com으로부터 획득된, 미국 테네시주 브렌트우드 소재의 필립 쉐로드(Phillip Sherrod)로부터 입수가능한 비선형 회귀 곡선-맞춤 프로그램(non-linear regression curve-fitting program) "NLREG"와 같은 적합한 이미지 분석 프로그램을 사용하여 구(sphere)를 맞춤으로써 측정되었다. 이미지 분석의 결과는 리세스된 제1 면에 맞춰진 구의 반경이, 구의 중심이 제1 면(24)의 중심점 위에 수직하게 정렬되었을 때, 약 1 ㎜ 내지 약 25 ㎜, 또는 약 1 ㎜ 내지 약 14 ㎜, 또는 약 2 ㎜ 내지 약 7 ㎜일 수 있음을 보여주었다. 일 실시 형태에서, 접시형 연마 입자에 맞춰진 구의 반경은 2.0 ㎜, 다른 실시 형태에서 3.2 ㎜, 다른 실시 형태에서 5.3 ㎜, 그리고 다른 실시형태에서 13.7 ㎜로 측정되었다.

도 3a, 도 3b 및 도 3c를 참조하면, 접시형 연마 입자(20)의 다른 실시 형태가 도시되어 있다. 접시형 연마 입자(20)가 제조되는 재료는 알파 알루미나를 포함한다. 일반적으로, 접시형 연마 입자(20)는 제1 면(24), 및 두께 T를 갖는 측벽(28)만큼 이격된 제2 면(26)을 갖는 얇은 본체를 포함한다. 일반적으로, 측벽 두께 T는 제2 실시 형태에서 더 균일하다. 그렇기 때문에, Tm은 대략 Tc와 같을 수 있다. 일부 실시 형태에서, 측벽(28)은 본 명세서에서 나중에 더 상세하게 논의되는 바와 같이 90도 초과의 드래프트각 α를 갖는 주형 내에서 형성된다.

접시형 연마 입자(20)의 측벽(28)은 형상이 다를 수 있으며, 제1 면(24) 및 제2 면(26)의 주변부(29)를 형성한다. 일 실시 형태에서, 제1 면(24) 및 제2 면(26)의 주변부(29)는 기하학적 형상이도록 선택되며, 제1 면(24) 및 제2 면(26)은 하나의 면이 다른 면보다 큰 상태로 크기가 다를 수 있지만 동일한 기하학적 형상을 갖도록 선택된다. 일 실시 형태에서, 제1 면(24)의 주변부(29) 및 제2 면(26)의 주변부(29)는 도시된 삼각형 형상이었다. 일부 실시 형태에서 정삼각형 형상이 사용되며, 다른 실시 형태에서 이등변 삼각형 형상이 사용된다.

이 실시 형태에서, 제1 면(24)은 볼록하고 제2 면(26)은 오목하여(요철형(concavo-convex)), 접시형 연마 입자가 실질적으로 구형 쉘의 삼각형 섹션을 포함하게 한다. 더 상세하게 논의되는 바와 같이, 볼록한 면은 졸-겔의 증발 건조 동안에 땅콩유와 같은 주형 이형제(release agent)의 존재로 인해 주형의 바닥 표면으로부터 이형되는 주형 공동(31) 내의 졸-겔에 의해 형성되는 것으로 여겨진다. 이어서 졸-겔의 리올로지(rheology)는 주변부(29)가 증발 건조 동안에 삼각형 형상으로 형성되는 동안에 제1 및 제2 면의 볼록한/오목한 형성으로 이어진다.

언급된 바와 같이, 제2 면(26)은 오목하고 주형 공동(31)의 바닥에 인접하게 형성된다. 그렇기 때문에, 접시형 연마 입자(20)가 도 3a에서 배치된 바와 같이 표면 상에 놓일 때, 첨단부 또는 코너(30)가 제2 면(26)의 안쪽보다 높게 상승되어 있다. 이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 오목한 제2 면(26)은 접시형 연마 입자(20)에 의해 제거되는 재료의 양을 개선시키는 것으로 여겨진다. 특히, 아이스크림 스쿠프 또는 스푼은 재료 내로 효과적으로 파고들어 상당한 양의 재료를 제거하는 오목한 형상의 단부를 갖는다. 스쿠프는 재료 내로 파고들어 다량의 재료를 제거할 때 칼이나 평평하고 얇은 물체보다 훨씬 더 효과적이다. 유사하게, 오목한 표면을 갖는 중공형의 그라운드 치젤은 더 예리한 에지를 생성한다. 유사한 방식으로, 접시형 연마 입자(20) 상에 오목한 표면을 배치하는 것은 평탄한 제1 면(24) 및 평탄한 제2 면(26)을 갖는 유사한 형상의 연마 입자에 비해 접시형 연마 입자의 연삭 성능을 증가시키는 것으로 여겨진다.

이제 도 3c를 참조하면, 배킹(42)의 제1 주 표면(41)이 연마층에 의해 덮인 코팅된 연마 용품(40)이 도시되어 있다. 연마층은 메이크 코트(44), 및 메이크 코트(44)에 의해 배킹(42)에 부착된 복수의 접시형 연마 입자(20)를 포함한다. 접시형 연마 입자(20)를 배킹(42)에 추가로 부착 또는 접착시키기 위해 사이즈 코트(46)가 적용된다.

코팅된 연마 용품에서의 배향을 최적화하기 위해, 접시형 연마 입자가 개방형 코트 연마층의 배킹에 적용된다. 폐쇄형 코트 연마층은 메이커를 통한 단일 패스에서 연마 용품의 메이크 코트에 적용될 수 있는 연마 입자 또는 연마 입자의 블렌드의 최대 중량으로서 정의된다. 개방형 코트 연마층은 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 피복률로 이어져 입자들 사이에 개방 영역 및 눈에 보이는 수지층을 남겨둘 것이다. 본 발명의 다양한 실시 형태에서, 연마층 내의 퍼센트 개방 영역은 약 10% 내지 약 90% 또는 약 30% 내지 약 80%일 수 있다.

이제 도 4를 참조하면, 오목한 제2 면(26)을 갖는 접시형 연마 입자(20)의 현미경 사진이 도시되어 있다. 각 삼각형의 변은 제1 면(24)의 주변부에서 대략 1.2 ㎜로 측정되었고, 접시형 연마 입자는 두께가 대략 0.35 ㎜였다. 본 발명의 다양한 실시 형태에서, 오목한 제2 면(26)에 맞춰진 구의 반경은, 구의 중심이 제2 면의 중심점 위에 수직하게 정렬되었을 때, 약 1 ㎜ 내지 약 25 ㎜, 또는 약 1 ㎜ 내지 약 14 ㎜, 또는 약 2 ㎜ 내지 약 7 ㎜일 수 있다.

이제 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 형태에서, 접시형 연마 입자(20)의 제1 면(24) 및 제2 면(26)은 둘 모두가 리세스될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 접시형 연마 입자는 오목한 제1 면(24) 및 오목한 제2 면(26)을 갖는 양면 오목형(biconcave)일 수 있다. 그러한 형상의 연마 입자는 주형 공동(31)의 바닥 표면을 볼록하게 만들어 오목한 제2 면(26)이 성형된 연마 입자 상에 형성되게 함으로써 제조될 수 있다. 대안적으로, 다른 리세스된 구조적 기하학적 형상이 주형 공동의 바닥 표면의 윤곽을 적절하게 설계함으로써 제2 면(26) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 6b에서, 주형의 바닥 표면은 실질적으로 평탄한 중심부, 및 제2 면(26) 상에 복수의 위로 향하는 첨단부 또는 복수의 융기된 코너(30)를 형성하는 리세스된 코너를 가질 수 있다. 그러한 실시 형태에서, 제1 면(24)의 곡률 또는 평평함의 정도는 접시형 연마 입자가 건조되는 방법에 의해 어느 정도까지 제어될 수 있으며, 이에 의해 리세스된 또는 만곡된 제1 면 또는 실질적으로 평탄한 제1 면을 형성한다.

논의된 실시 형태들 중 임의의 것의 경우에, 접시형 연마 입자(20)는 다양한 3차원 형상을 가질 수 있다. 주변부(29)의 기하학적 형상은 삼각형, 직사각형, 원형, 타원형, 별 형상, 또는 다른 규칙 또는 불규칙 다각형의 형상일 수 있다. 일 실시 형태에서 정삼각형이 사용되며, 다른 실시 형태에서 이등변 삼각형이 사용된다. 추가로, 접시형 연마 입자의 다양한 측벽이 동일한 드래프트각 또는 상이한 드래프트각을 가질 수 있다.

추가로, 개구를 갖는 접시형 연마 입자는 2008년 12월 17일자로 출원되고 대리인 문서 번호가 64792US002이며 발명의 명칭이 "홈을 갖는 성형된 연마 입자(Shaped Abrasive Particles With Grooves)"인 공계류 중의 미국 특허 출원 제61/138,268호에 기재된 바와 같이 면들 중 하나 상에 복수의 홈을 가질 수 있다. 복수의 홈은 주형으로부터 전구체 성형된 연마 입자를 제거하는 것을 더 용이하게 만드는 것으로 확인된 주형 공동의 바닥 표면의 복수의 릿지(ridge)에 의해 형성된다. 일 실시 형태에서, 복수의 홈은 제2 면을 완전히 가로질러 연장하고 제1 에지를 따라 주변부(29)와 90도의 각도로 교차하는 평행한 선을 포함한다. 복수의 홈의 단면 기하학적 형상은 절두 삼각형(truncated triangle), 삼각형, 또는 본 출원에서 논의되는 바와 같은 다른 기하학적 형상일 수 있다.

본 발명의 다양한 실시 형태에서, 복수의 홈의 깊이 D는 약 1 마이크로미터 내지 약 400 마이크로미터일 수 있다. 또한, 접시형 연마 입자의 두께 Tc에 대한 홈 깊이 D의 백분율 비(백분율로 표현된 D/Tc)는 약 0.1% 내지 약 30%, 또는 약 0.1% 내지 20%, 또는 약 0.1% 내지 10%, 또는 약 0.5% 내지 약 5%일 수 있다.

본 발명의 다양한 실시 형태에서, 각각의 홈들 사이의 간격은 접시형 연마 입자의 에지들 중 하나의 길이와 같은 면 치수의 약 1% 내지 약 50%, 또는 약 1% 내지 40%, 또는 약 1% 내지 30%, 또는 약 1% 내지 20%, 또는 약 5% 내지 20%일 수 있다. 일 실시 형태에서, 주형의 바닥 표면에서 2.54 밀리미터의 변 길이를 갖고 0.277 ㎜의 간격으로 주형 공동당 8개의 릿지를 갖는 정삼각형은 10.9%의 홈 간격을 가졌다. 본 발명의 다른 실시 형태에서, 각각의 주형 공동의 바닥 표면의 릿지의 수는 1개 내지 약 100개, 또는 2개 내지 약 50개, 또는 약 4개 내지 약 25개일 수 있으며 따라서 접시형 연마 입자의 홈의 대응 수를 형성한다.

제조 공구의 일 실시 형태에서, 깊이가 0.71 ㎜(28 밀(mil))이고 각 변이 2.79 ㎜(110 밀)인 삼각형의 성형된 주형 공동이 사용되었다. 주형의 측벽과 바닥 사이의 드래프트각 α는 98도였다. 제조 공구는 주형 공동의 50%가 삼각형의 일 변과 90도의 각도로 교차하는, 공동의 바닥 표면으로부터 융기하는 8개의 평행한 릿지를 갖도록 제작되었고, 나머지 공동은 매끄러운 바닥 주형 표면을 가졌다. 위에서 언급한 대리인 문서 번호가 64792US002인 특허 출원에 기재된 바와 같이 평행한 릿지는 0.277 ㎜마다 이격되었으며, 릿지의 단면은 높이가 0.0127 ㎜이고 팁에서의 각 릿지의 측면들 사이의 각도가 45도인 삼각형 형상이었다. 이제 도 7을 참조하면, 도 1a의 접시형 연마 입자에 대응하는, 제2 면(26) 상의 복수의 평행한 홈을 보여주는, 설명된 제조 공구로부터 제조된 접시형 연마 입자의 현미경 사진이 도시되어 있다. 이제 도 8을 참조하면, 도 3a의 접시형 연마 입자에 대응하는, 제2 면(26) 상의 복수의 평행한 홈을 보여주는, 설명된 제조 공구로부터 제조된 접시형 연마 입자의 현미경 사진이 도시되어 있다. 홈이 오목한 면 상에 있기 때문에, 이 면은 처음에 주형의 평탄한 바닥 표면과 접촉하고 이어서 졸-겔이 충분히 건조되어 바닥 표면의 릿지로부터의 인상(impression)을 보유한 후에 건조 공정 동안의 소정 시점에서 오목하게 되었음은 명백하다.

접시형 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, 구는 1.000의 체적 종횡비를 갖는 반면 정육면체는 1.414의 체적 종횡비를 가질 것이다. 각 변이 길이 A와 같고 균일한 두께가 A와 같은 정삼각형 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 접시형 연마 입자가 향상된 절삭 성능을 갖는 것으로 여겨진다. 본 발명의 다양한 실시 형태에서, 접시형 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 접시형 연마 입자(20)는 연마 용품에 포함되거나 자유로운 형태로 사용될 수 있다. 연마 입자는 일반적으로 사용 전에 소정의 입자 크기 분포로 분류된다. 그러한 분포는 전형적으로 거친 입자에서 미세한 입자까지 일정 범위의 입자 크기를 갖는다. 연마제 분야에서 이 범위는 때때로 "거친", "대조", 및 "미세" 파편으로 지칭된다. 연마제 산업에서 승인된 분류 표준에 따라서 분류된 연마 입자는 수치 한계 내에서 각 공칭 등급에 대한 입자 크기 분포를 규정한다. 그러한 산업 승인 분류 규정(즉, 연마제 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)에는, 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 600이 포함된다. FEPA 등급 명칭에는 P8, P12, P16, P24, P36, P40, P50, P60, P80, P100, P120, P150, P180, P220, P320, P400, P500, P600, P800, P1000 및 P1200이 포함된다. JIS 등급 명칭에는 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 JIS10,000이 포함된다.

대안적으로, 접시형 연마 입자(20)는 ASTM E-11의 "시험 목적용 쇠그물 및 체에 대한 표준 규격"에 따른 미국 표준 시험용 체를 사용하여 공칭 스크린 등급(nominal screened grade)으로 분류될 수 있다. ASTM E-11은 지정된 입자 크기에 따른 재료의 분류를 위해 프레임에 장착된 직조된 쇠그물 매체를 사용하여 시험용 체를 설계하고 구성하기 위한 요건을 규정하고 있다. 전형적인 명칭은 -18+20으로 나타낼 수 있는데, 이는 접시형 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, 접시형 연마 입자(20)는 입자의 대부분이 18메시 시험용 체를 통과하고 20, 25, 30, 35, 40, 45 또는 50메시 시험용 체에 걸려서 유지될 수 있게 하는 입자 크기를 갖는다. 본 발명의 다양한 실시 형태에서, 접시형 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.

일 태양에서, 본 발명은 연마제 산업에서 규정된 공칭 등급 또는 공칭 스크린 등급을 갖는 복수의 연마 입자 - 여기서, 복수의 연마 입자의 적어도 일부는 접시형 연마 입자(20)임 - 를 제공한다. 다른 태양에서, 본 발명은 연마제 산업에서 규정된 공칭 등급 또는 공칭 스크린 등급을 갖는 복수의 접시형 연마 입자(20)를 제공하도록 본 발명에 따라 제조된 접시형 연마 입자(20)를 등급 분류하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.

원하는 경우, 연마제 산업에서 규정된 공칭 등급 또는 공칭 스크린 등급을 갖는 접시형 연마 입자(20)가 다른 공지의 연마 또는 비연마 입자와 혼합될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 복수의 연마 입자의 총 중량에 기초하여, 연마제 산업에서 규정된 공칭 등급 또는 공칭 스크린 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 접시형 연마 입자(20)이다.

접시형 연마 입자(20)와 혼합하기에 적합한 입자는 미국 특허 제4,799,939호 및 제5,078,753호에 기재되어 있는 것과 같은 종래의 연마 입자, 희석 입자 또는 부식성 응집물을 포함한다. 종래의 연마 입자의 대표적인 예에는 융합 산화 알루미늄, 탄화규소, 가넷(garnet), 융합 알루미나 지르코니아, 입방정형 질화붕소, 다이아몬드 등이 포함된다. 희석 입자의 대표적인 예에는 대리석, 석고 및 유리가 포함된다. 상이한 형상의 접시형 연마 입자(20)(예를 들어, 삼각형 및 정사각형)들의 블렌드, 또는 예를 들어 리세스된 면 및 오목한 면을 갖는 접시형 연마 입자(20)들의 블렌드가 본 발명의 용품에 사용될 수 있다.

접시형 연마 입자(20)는 또한 표면 코팅을 가질 수 있다. 표면 코팅은 연마 용품의 연마 입자와 결합제 사이의 점착성을 개선시키는 것으로 알려져 있으며, 접시형 연마 입자(20)의 정전 침착(electrostatic deposition)을 돕기 위해 사용될 수 있다. 그러한 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. 추가로, 표면 코팅은 접시형 연마 입자가 캡핑(capping)되는 것을 방지할 수 있다. 캡핑은 마모되고 있는 공작물로부터의 금속 입자가 연마 입자의 상부에 융착되는 현상을 설명하는 용어이다. 상기 기능을 실행하는 표면 코팅은 당업자에게 알려져 있다.

접시형 연마 입자를 갖는 연마 용품

도 1c 및 도 3c를 참조하면, 코팅된 연마 용품(40)은 이하에서 메이크 코트(44)로 지칭되는 결합제의 제1 층이 배킹(42)의 제1 주 표면(41) 위에 적용되어 있는 배킹(42)을 포함한다. 복수의 접시형 연마 입자(20)가 메이크 코트(44)에 부착되거나 부분적으로 매설되어 연마층을 형성한다. 접시형 연마 입자(20) 위에는 이하에서 사이즈 코트(46)로 지칭되는 결합제의 제2 층이 위치한다. 메이크 코트(44)의 목적은 접시형 연마 입자(20)를 배킹(42)에 고정하는 것이고, 사이즈 코트(46)의 목적은 접시형 연마 입자(20)를 보강하는 것이다.

메이크 코트(44) 및 사이즈 코트(46)는 수지성 접착제를 포함한다. 메이크 코트(44)의 수지성 접착제는 사이즈 코트(46)의 수지성 접착제와 동일하거나 상이할 수 있다. 이들 코트에 적합한 수지성 접착제의 예에는 페놀 수지류, 에폭시 수지류, 우레아-포름알데하이드 수지류, 아크릴레이트 수지류, 아미노플라스트 수지류, 멜라민 수지류, 아크릴화 에폭시 수지류, 우레탄 수지류 및 이들의 조합이 포함된다. 수지성 접착제 외에도, 메이크 코트(44) 또는 사이즈 코트(46), 또는 둘 모두의 코트는, 예를 들어 충전제, 연삭 보조제, 습윤제, 계면활성제, 염료, 안료, 커플링제, 접착 증진제 및 이들의 조합과 같은 본 기술 분야에 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. 그러한 물질의 예에는 염소화된 왁스, 예를 들어 테트라클로로나프탈렌, 펜타클로로나프탈렌; 및 폴리비닐 클로라이드가 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 보조제는 황, 유기 황 화합물, 흑연 및 금속 황화물을 포함한다. 상이한 연삭 보조제들의 조합을 사용하는 것이 또한 본 발명의 범주에 속하며, 일부 경우에 상승 효과를 제공할 수 있다. 일 실시 형태에서, 연삭 보조제는 빙정석 또는 사플루오로붕산칼륨이다. 그러한 접착제의 양은 원하는 특성을 제공하도록 조절될 수 있다. 슈퍼사이즈 코팅을 이용하는 것이 또한 본 발명의 범주에 속한다. 슈퍼사이즈 코팅은 전형적으로 결합제 및 연삭 보조제를 함유한다. 결합제는 페놀 수지류, 아크릴레이트 수지류, 에폭시 수지류, 우레아-포름알데하이드 수지류, 멜라민 수지류, 우레탄 수지류 및 이들의 조합과 같은 재료로 형성될 수 있다.

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

접시형 연마 입자의 제조방법

제1 공정 단계는 알파 알루미나로 변환될 수 있는 시드형(seeded) 또는 비-시드형(un-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 안 된다. 일 실시 형태에서, 연마 분산액은 알파 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 구매할 수 있다. 구매가능한 베마이트의 예에는 둘 모두 사솔 노스 아메리카 인크.(Sasol North America, Inc.)로부터 입수가능한 "디스페랄(DISPERAL)" 및 "디스팔(DISPAL)", 또는 바스프 코포레이션(BASF Corporation)으로부터 입수가능한 "HI-Q40"이라는 상표명을 갖는 제품이 포함된다. 이들 알루미늄 옥사이드 모노하이드레이트는 비교적 순수한데, 즉 이들은 모노하이드레이트 이외에 조금이라도 있다면 비교적 작은 하이드레이트상을 포함하며 큰 표면적을 갖는다. 생성되는 접시형 연마 입자(20)의 물리적 특성 및 입자의 생성되는 크기는 일반적으로 연마 분산액에 사용되는 물질의 유형에 따라 좌우될 것이다.

일 실시 형태에서, 연마 분산액은 겔 상태에 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "겔"은 액체 내에 분산된 고체의 3차원 네트워크(network)이다. 연마 분산액은 개질 첨가제(modifying additive) 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.

연마 분산액은 또한 수화되거나 하소된 산화 알루미늄의 알파 알루미나로의 변환을 향상시키는 핵형성제(nucleating agent)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. 그러한 연마 분산액의 핵을 형성하는 것은 슈와벨(Schwabel)의 미국 특허 제4,744,802호에 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, 개미산 및 질산과 같은 산 화합물이다. 멀티프로톤 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 개미산 또는 질산)를 함유한다.

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

제2 공정 단계는 적어도 하나의 주형 공동(31), 바람직하게는 복수의 공동을 갖는 주형(33)을 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. 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, 및 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 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 또는 열가소성 시트 재료를 마스터 공구와 함께 가열하여, 그 둘을 함께 압축함으로써 중합체성 또는 열가소성 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 제조에 관한 보다 많은 정보는 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), 제6,129,540호(후프만 등)에서 찾아 볼 수 있다.

공동에의 접근은 상부 표면의 개구로부터 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 규정된 삼차원 형상을 갖는다. 일 실시 형태에서, 공동의 형상은 상부에서 볼 때 공동의 바닥 표면이 상부 표면의 개구보다 약간 작도록 하는 경사진 측벽을 갖는 삼각형인 것으로 설명될 수 있다. 경사진 측벽은 전구체 연마 입자를 주형으로부터 더 쉽게 제거할 수 있게 한다고 여겨진다. 본 발명의 다양한 실시 형태에서, 소정의 각도 α는 약 95도 내지 약 130도, 또는 약 95도 내지 약 120도, 예를 들어 98도일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 주형은 복수의 삼각형 공동을 포함하였다. 복수의 삼각형 공동의 각각은 정삼각형을 포함한다.

대안적으로, 원형, 직사각형, 정사각형, 육각형, 별 형상 또는 이들의 조합과 같은 다른 공동 형상이 사용될 수 있는데, 이들 형상은 모두 실질적으로 균일한 깊이 치수를 갖는다. 깊이 치수는 상부 표면으로부터 바닥 표면 상의 최저 지점까지의 수직 거리와 같다. 추가로, 공동은 예를 들어 피라미드형, 절두 피라미드형, 절두 구형, 절두 회전 타원형, 원추형 및 절두 원추형과 같은 다른 기하학적 형상의 역상을 가질 수 있다. 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. 일 실시 형태에서, 주형의 상부 표면을 연마 분산액으로 코팅한다. 연마 분산액을 상부 표면 상에 펌핑할 수 있다. 다음으로, 스크래퍼(scraper) 또는 레벨러 바아(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, 나이프 롤 코터(knife roll coater) 또는 진공 슬롯 다이(vacuum slot die)가 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 연마 분산액의 적은 부분이 상부 표면에 남을 수 있고, 다른 실시 형태에서는 상부 표면에는 실질적으로 분산액이 없다. 스크래퍼 또는 레벨러 바아에 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 연마 입자의 두께의 균일성을 보장하기 위해서 연마 분산액의 노출된 표면은 실질적으로 상부 표면을 넘어서 연장하지 않는다.

일 실시 형태에서, 측벽 및 바닥 표면을 비롯한 공동의 내부 표면은 주형 이형제로 코팅된다. 전형적인 주형 이형제는 예를 들어 땅콩유, 어유(fish oil) 또는 광유와 같은 오일, 실리콘, 폴리테트라플루오로에틸렌, 아연스테아레이트 및 흑연을 포함한다.

제4 공정 단계는 주형 내의 졸-겔의 리올로지를 제어하여 다양한 유형의 접시형 연마 입자를 제조하는 단계를 포함한다. 특히, 본 발명자들은 주형 이형제의 부재 또는 존재가 제조되는 접시형 연마 입자의 유형에 기여한다고 추측하였다. 졸-겔과 접촉하는 공구의 표면 상에 주형 이형제가 존재하지 않거나 소량의 주형 이형제가 존재하는 경우, 졸-겔은 공구의 표면을 습윤화하고 제1 면(24)에 매니스커스를 형성하는 경향이 있다. 졸-겔과 접촉하는 공구의 표면 상에 더 많은 주형 이형제가 존재하거나 과잉의 주형 이형제가 존재하는 경우, 전구체 성형된 연마 입자는 건조 동안에 주형의 바닥 표면으로부터 이형되고 이에 의해 접시형 연마 입자 상에 볼록한/오목한 면을 형성하는 경향이 있다. 일반적으로, 주형 이형제가 필요한 경우, 주형의 단위 면적당 0.0 ㎎/㎠(0.0 ㎎/in²) 내지 약 0.47 ㎎/㎠(3.0 ㎎/in²), 또는 약 0.015 ㎎/㎠(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 0.0 중량% 내지 약 5 중량%의 주형 이형제, 예를 들어 땅콩유가 적용된다.

제5 공정 단계는 복수의 전구체 접시형 연마 입자를 주형 공동으로부터 제거하는 단계를 포함한다. 복수의 전구체 접시형 연마 입자는 주형 상에서 다음의 공정들을 단독으로 사용하거나 조합하여 사용함으로써 공동으로부터 제거될 수 있다: 입자를 주형으로부터 제거하기 위한 중력, 진동, 초음파 진동, 진공, 또는 압축 공기.

전구체 접시형 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 접시형 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 복수의 전구체 접시형 연마 입자를 하소시키는 단계를 포함한다. 하소 동안에, 본질적으로 모든 휘발성 재료가 제거되며, 연마 분산액 중에 존재하는 다양한 성분이 산화금속으로 변환된다. 전구체 접시형 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 접시형 연마 입자의 세공 내로 도입될 수 있다. 그 다음, 복수의 전구체 접시형 연마 입자가 다시 예비소성된다. 이 선택 사항은 유럽 특허 제293,163호에 추가로 설명되어 있다.

제7 공정 단계는 하소된 복수의 전구체 접시형 연마 입자를 소결하는 단계를 포함한다. 소결 전에, 하소된 전구체 접시형 연마 입자는 완전히 치밀화되지 않으며 따라서 연마 입자로서 사용하는 데 필요한 경도가 부족하다. 소결은 하소된 전구체 접시형 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 접시형 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, 접시형 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 발명의 공정을 변경하는 데 사용할 수 있는 종래의 공정 단계는 레이티져(Leitheiser)의 미국 특허 제4,314,827호에 보다 충분하게 설명되어 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, 대리인 문서 번호가 63512US002이며, 2008년 12월 17일자로 출원된 공계류 중의 미국 특허 출원 제12/337,001호에 개시되어 있다.

[실시예]

본 발명의 목적 및 이점들이 하기의 비제한적 실시예에 의해 추가로 설명된다. 이들 실시예에 열거된 구체적인 재료 및 그 양뿐만 아니라 그 외의 조건 및 상세 사항은 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 달리 기재되지 않는 한, 실시예 및 본 명세서의 나머지 부분에서 모든 부(part), 백분율, 비 등은 중량을 기준으로 한다.

평탄한/오목한 전구체 성형된 연마 입자의 제조(도 2a 내지 도 2c, 도 7)

하기의 방법을 사용하여 베마이트 졸-겔의 샘플을 제조하였다: 상표명 "디스페랄"을 갖는 알루미늄 옥사이드 모노하이드레이트 분말(7333 부)을 물(11000 부) 및 70%의 수성 질산(293 부)을 함유하는 용액과 10분 동안 고 전단 혼합(high shear mixing)하여 분산시켰다. 생성된 졸-겔을 코팅 전에 1시간 동안 에이징하였다. 이 졸-겔을 깊이가 0.71 ㎜(28 밀)이고 각 변이 2.79 ㎜(110 밀)인 삼각형의 성형된 주형 공동을 갖는 제조 공구 내로 밀어 넣었다. 주형의 측벽과 바닥 사이의 드래프트각 α는 98도였다. 제조 공구를 주형 공동의 50%가 삼각형의 일 변과 90도의 각도로 교차하는, 공동의 바닥 표면으로부터 융기하는 8개의 평행한 릿지를 갖도록 제조하였고, 나머지 공동은 매끄러운 바닥 주형 표면을 가졌다. 상기에 언급한 대리인 문서 번호가 64792US002인 계류중의 특허 출원에 기재된 바와 같이 평행한 릿지는 0.277 ㎜마다 이격되었으며 릿지의 단면은 높이가 0.0127 ㎜이고 팁에서의 각 릿지의 측면들 사이의 각도가 45도인 삼각형 형상이었다. 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 40% 공기 속도에서 섭씨 149도(화씨 300도)로 설정되고 4.1 미터(13.5 피트) 구역 2 섹션에서는 40% 공기 속도에서 섭씨 163도(화씨 325도)로 설정된 8 미터(27 피트) 대류 공기 오븐에 3.0 미터/분(10 피트/분)으로 졸-겔 코팅된 제조 공구를 통과시켰다. 제조 공구를 초음파 혼(ultrasonic horn) 위로 통과시켜 제조 공구로부터 전구체 성형된 연마 입자를 제거하였다.

오목한/볼록한 전구체 성형된 연마 입자의 제조(도 4, 도 8)

하기의 방법을 사용하여 베마이트 졸-겔의 샘플을 제조하였다: 상표명 "디스페랄"을 갖는 알루미늄 옥사이드 모노하이드레이트 분말(4824 부)을 물(7087 부) 및 70% 수성 질산(212 부)을 함유하는 용액과 13분 동안 고 전단 혼합하여 분산시켰다. 생성된 졸-겔을 코팅 전에 1시간 동안 에이징하였다. 이 졸-겔을 깊이가 0.71 ㎜(28 밀)이고 각 변이 2.79 ㎜(110 밀)인 삼각형의 성형된 주형 공동을 갖는 제조 공구 내로 밀어 넣었다. 주형의 측벽과 바닥 사이의 드래프트각 α는 98도였다. 제조 공구는 주형 공동의 50%가 삼각형의 일 변과 90도의 각도로 교차하는, 공동의 바닥 표면으로부터 융기하는 8개의 평행한 릿지를 갖도록 제조하였고, 나머지 공동은 매끄러운 바닥 주형 표면을 가졌다. 상기에 언급한 대리인 문서 번호가 64792US002인 계류중의 특허 출원에 기재된 바와 같이, 평행한 릿지는 0.277 ㎜마다 이격되었으며 릿지의 단면은 높이가 0.0127 ㎜이고 팁에서의 각 릿지의 측면 사이의 각도가 45도인 삼각형 형상이었다. 졸-겔을 진공 슬롯 다이 코팅 스테이션을 사용하여 공동 내로 밀어넣어 제조 공구의 모든 개구를 완전히 충전하였다. 주형 이형제인, 물 중 2% 땅콩유를 사용하여 제조 공구 상에 코팅하여 약 0.16 ㎎/㎠(1 ㎎/in²)의 땅콩유를 제조 공구에 적용하였다. 4.1 미터(13.5 피트) 구역 1 섹션에서는 60% 공기 속도에서 섭씨 137.8도(화씨 280도)로 설정되고 4.1 미터(13.5 피트) 구역 2 섹션에서는 40% 공기 속도에서 섭씨 121.1도(화씨 250도)로 설정된 8 미터(27 피트) 대류 공기 오븐에 3.4 미터/분(11 피트/분)으로 졸-겔 코팅된 제조 공구를 통과시켰다. 제조 공구를 초음파 혼 위로 통과시켜 제조 공구로부터 전구체 성형된 연마 입자를 제거하였다.

종래 기술의 성형된 연마 입자의 제조(도 5)

로웬호스트 등의 미국 특허 제5,366,523호에 개시된 절차에 따라 종래 기술의 성형된 연마 입자를 제조하였다. 연마 분산액(44% 고형물)을 하기 절차에 의해 제조하였다: 상표명 "디스페랄"을 갖는 알루미늄 모노하이드레이트 분말(1,235 부)을 물(3,026 부) 및 70% 수성 질산(71 부)을 함유하는 용액과 연속적으로 혼합하여 분산시켰다. 생성된 졸을 연속 건조기에서 대략 섭씨 125도의 온도에서 건조하여 44% 고형물의 연마 분산액을 생성하였다. 고무 스퀴지(squeegee)를 사용하여 연마 분산액을 삼각형의 성형된 주형 공동 내로 도입하였다. 연마 분산액을 도입하기 전에 공동을 실리콘 이형 재료로 코팅하였다. 주형은 다수의 정삼각형 형상의 구멍을 포함하는 알루미늄 시트였으며, 구멍은 알루미늄 시트를 관통하였다. 삼각형 형상의 구멍의 크기는 깊이가 0.71 ㎜(28 밀)이고 각 변이 2.79 ㎜(110 밀)였다. 충전된 주형을 섭씨 71도의 온도로 유지되는 강제 공기 오븐에 20분 동안 넣었다. 연마 분산액은 건조될 때 실질적으로 수축하였으며, 전구체 성형된 연마 입자는 공동 내에서 수축하였다. 전구체 성형된 연마 입자를 중력에 의해 주형으로부터 제거한 후, 섭씨 121도의 온도에서 3시간 동안 건조하였다.

세 가지의 전구체 성형된 연마 입자 모두를 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, 전구체 성형된 연마 입자를 다시 섭씨 650도에서 하소시키고 대략 섭씨 1400도에서 소결하여 성형된 연마 입자를 생성하였다. 하소와 소결 둘 모두는 회전식 튜브 킬른(rotary tube kiln)을 사용하여 실시하였다.

사용된 제4 로트(lot)는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 입수가능한, 거친 등급의 쿠비트론 연마 입자(CUBITRON Abrasive Grain) 321이었다.

연마 입자의 네 가지 로트를 -18+20 메시(미국 표준 시험용 체(USA Standard Testing Sieve)) 크기로 분류하여 임의의 파편 또는 부서진 형상을 제거하였다. 각각의 로트를 중량 기준으로 동량의 -25+30 메시(미국 표준 시험용 체)의 탄산칼슘 입자와 혼합하였다. -25+30 명칭은 25 메시 스크린을 통과하고 30 메시 스크린 상에 걸려서 유지되는 입자 크기를 지칭한다. 후속하여 탄산 칼슘 충전된 메이크 코팅, 빙정석 충전된 사이즈 코팅 및 플루오로붕산칼륨(KBF₄) 충전된 슈퍼사이즈 코팅을 사용하여, 디스크 당 18 그램의 연마 입자/탄산칼슘 혼합물의 수준으로, 네 가지 로트를 섬유 디스크 배킹 상에 코팅하였다. 제조된 네 가지 로트는 다음을 포함하였다:

1. 평탄한/오목한 삼각형 도 2a 내지 도 2c, 도 7

2. 오목한/볼록한 삼각형 도 4, 도 8

3. 종래 기술의 성형된 연마제 삼각형 도 5

4. 쿠비트론 연마 입자 321(랜덤 파쇄)

연마 디스크에 맞대어 공작물 상에 80.1 N(18 lb 힘)의 하중을 사용하는 304 스테인리스강 공작물 상에서의 슬라이드 작용 연삭 시험(Slide Action Grinding Test)을 사용하여 디스크의 연삭 성능을 평가하였다. 슬라이드 작용 연삭 시험은 코팅된 연마 디스크의 절삭률을 측정하도록 설계된다. 각각의 연마 디스크를 사용하여 1.25 ㎝ × 18 ㎝ 크기의 304 스테인리스강 공작물의 면을 연삭하였다. 사용한 연삭기는 정하중(constant load) 디스크 연삭기였다. 공작물과 연마 디스크 사이의 정하중은 하중 스프링에 의해 제공하였다. 연삭기의 백업 패드는 에지로부터 안쪽으로 중심을 향하여 3.5 ㎝ 연장하며 대략 7도 경사진 알루미늄 백업 패드였다. 연마 디스크를 유지 너트(retaining nut)로 알루미늄 패드에 고정하였고 5,000 rpm으로 구동시켰다. 1분 간격으로 제거된 금속의 그램 단위의 양을 기록하였다.

도 9를 참조하면, 접시형 연마 입자(20)는 2개의 평행한 평탄한 표면을 갖는 로웬호스트 등의 미국 특허 제5,366,523호에 개시된 종래 기술의 삼각형의 성형된 연마 입자(도 5), 또는 랜덤한 파쇄 입자보다 상당히 우수하게 작동하였다. 특히, 접시형 연마 입자는 초기 절삭률이 종래 기술의 성형된 연마 입자의 거의 2배였으며, 이는 연마 디스크의 경우 굉장한 개선이다. 더욱이, 종래 기술의 성형된 연마 입자와 비교할 때 접시형 연마 입자는 시험 전반에 걸쳐 더 높은 절삭률을 유지하였다.

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 교환되거나, 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 안 되며, 본 발명의 범주는 특허청구범위 및 이에 대한 모든 동등물에 의해 한정된다.

Claims

각각 측벽을 갖는 접시형(dish-shaped) 연마 입자를 포함하며, 접시형 연마 입자의 각각은 알파 알루미나(alpha alumina)를 포함하고 가변 두께 T만큼 이격된 제1 면 및 제2 면을 가지며, 제1 면은 리세스되고(recessed) 접시형 연마 입자에 관한 Tc/Ti의 두께비는 1.25 내지 5.00인 연마 입자.
제1항에 있어서, 제2 면은 실질적으로 평탄한 연마 입자.
제2항에 있어서, 제1 면은 실질적으로 평탄한 중심부 및 복수의 융기된 코너를 포함하는 연마 입자.
제2항에 있어서, 제1 면은 오목한 연마 입자.
제1항, 제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서, 제2 면과 측벽 사이의 드래프트각(draft angle) α를 포함하며, 드래프트각 α는 약 95도 내지 약 130도인 연마 입자.
제1항, 제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서, 제2 면과 측벽 사이의 드래프트각 α를 포함하며, 드래프트각 α는 약 95도 내지 약 110도인 연마 입자.
제1항, 제2항, 제3항 또는 제4항에 있어서, 제1 면의 주변부(perimeter) 및 제2 면의 주변부를 포함하며, 주변부는 삼각형 형상을 포함하는 연마 입자.
제7항에 있어서, 삼각형 형상은 정삼각형을 포함하는 연마 입자.
제1항에 있어서, 이미지 분석에 의해 제1 면에 곡선 맞춤된 구(sphere curved fitted)의 반경을 포함하며, 반경은 약 1 ㎜ 내지 약 25 ㎜인 연마 입자.
제9항에 있어서, 이미지 분석에 의해 제1 면에 곡선 맞춤된 구의 반경은 약 1 ㎜ 내지 약 14 ㎜인 연마 입자.
각각 측벽을 갖는 접시형 연마 입자를 포함하며, 접시형 연마 입자의 각각은 알파 알루미나를 포함하고 두께 T만큼 이격된 제1 면 및 제2 면을 가지며, 제1 면은 볼록하고 제2 면은 오목한 연마 입자.
제11항에 있어서, 이미지 분석에 의해 제2 면에 곡선 맞춤된 구의 반경을 포함하며, 반경은 약 1 ㎜ 내지 약 25 ㎜인 연마 입자.
제11항 또는 제12항에 있어서, 제1 면의 주변부 및 제2 면의 주변부를 포함하며, 주변부는 삼각형 형상을 포함하는 연마 입자.
제13항에 있어서, 삼각형 형상은 정삼각형을 포함하는 연마 입자.
각각 측벽을 갖는 접시형 연마 입자를 포함하며, 접시형 연마 입자의 각각은 알파 알루미나를 포함하고 가변 두께 T만큼 이격된 제1 면 및 제2 면을 가지며, 제1 면은 리세스되고 제2 면은 리세스된 연마 입자.
제15항에 있어서, 제1 면은 오목하고 제2 면은 오목한 연마 입자.
제15항에 있어서, 제1 면은 실질적으로 평탄한 중심부 및 복수의 융기된 코너를 포함하며, 제2 면은 실질적으로 평탄한 중심부 및 복수의 융기된 코너를 포함하는 연마 입자.
제15항, 제16항 또는 제17항에 있어서, 제1 면의 주변부 및 제2 면의 주변부를 포함하며, 주변부는 삼각형 형상을 포함하는 연마 입자.
제1항, 제11항 또는 제15항에 있어서, 접합된 연마 용품, 코팅된 연마 용품, 부직포 연마 용품 및 연마 브러시로 이루어진 군으로부터 선택되는 연마 용품을 형성하는 결합제(binder)를 포함하는 연마 입자.
제1항, 제11항 또는 제15항에 있어서, 배킹(backing)의 제1 주 표면 상에 메이크 코트(make coat)를 포함하며, 대부분의 접시형 연마 입자가 측벽에 의해 메이크 코트에 접착되며, 접시형 연마 입자는 연마층을 형성하고, 연마층은 사이즈 코트(size coat)로 코팅되며, 연마층은 적어도 5 중량%의 접시형 연마 입자를 포함하는 연마 입자.
중합체성 표면을 포함하는 복수의 공동(cavity)을 갖는 주형(mold)을 제공하는 단계;
휘발성 성분을 포함하는 액체 중에서 알파 알루미나로 변환될 수 있는 입자를 포함하는 졸-겔(sol-gel)로 복수의 공동을 충전하는 단계; 및
졸-겔이 복수의 공동 내에 체류하는 동안 졸-겔로부터 휘발성 성분의 적어도 일부를 제거하고 이에 의해 복수의 전구체 접시형 연마 입자를 형성하는 단계를 포함하는, 제1항, 제11항 또는 제15항의 연마 입자를 제조하는 방법.