TW483928B - Process for the production of a bonded abrasive - Google Patents

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五、發明說明（ A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 背景 本發明係關於使用混成黏結物質製成之研磨物件。在此 說明之上下文中，“研磨物件，，一詞意指通常説明爲塗佈 研磨劑及黏結研磨劑之物件。 k佈研磨劑使用基材來區別，基材通常爲平面，其上沈 積有藉黏結物質黏結至其基材之研磨粒。傳統上，黏結劑 或其先、沈積在基材上，研磨粒則沈積在黏結劑上，然後 =被固化以提供粒子之適當固定物。第一黏結劑層稱爲製 造者塗層，粒子上方之塗層稱爲尺寸塗層。在另一構型 中’研磨粒與黏結劑或黏結劑先質混合，混合物在黏結 或钻結釗先質被固化前沈積在基材上。黏結/研磨層可… 單層或以結構圆案沈積，其爲沈積法之結果或在黏結劑固 化沙）（後％處理。在後者情況下，塗佈過研磨產物稱爲結 構研磨劑。 黏結研磨物件具有特徵爲，其包含立體結構，其中研磨 粒保持於黏結物之母體内，傳統上其爲金屬、玻璃態物 或有機物質。金屬黏結物通常儲備供超研磨劑用。金屬 〜之研磨劑通常以銅焊在金屬輪或表面上之超研磨粒之 層形式獲得。本發明更關於研磨物件，其中結構爲立體 且黏結物爲混雜黏結物。 根據本發明產物所用之“混雜”黏結物爲黏結物，其非敬 &怨或有機類屬。玻璃態黏結物，如名稱所示乃基於玻璃 物貝’其需熔化並流動以塗佈研磨粒並在冷卻前形成連田比 鄰粒子之黏結位置，以固化並保持結構一起。因此，玻璃 劑 以 質 黏薄 玻 本紙張尺度適用中咖家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 483928 第88121312號專利申請案 0〇· 了· 一 6 中文說明書修正頁(90年7月）i A7 B7 五、發明説明（2) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 態黏結物質在高溫下並使用伸出形成循環形成。然而，產 物極剛硬且在精確研磨應用時特別有效。但有機黏結物質 在相當低溫下形成，黏結物為聚合物質，其可在相對低严 下成形，且其可成為交聯結果後之剛硬。聚合物可為熱固 性樹脂，如苯酚/甲醛、脲/甲醛或環氧樹脂，或其可為放 射可固化树月曰如丙錦r故化脈燒樹脂或丙婦酸化環氧樹听或 丙烯酸化聚酯樹脂或在該化學題目上許多變易例之一，在 曝露至可見光線、UV光線或電子束放射時，其產生高度 父聯剛硬聚合物’使用或不使用觸媒活化或增強變形Y 一種可使用混雜聚合物質之類別述於usp 4,349,386，· 4,472，199 ;及4,888,3 1 1。其龙明秒-铭酸鹽、聚矽鋁酸鹽 及/或（矽氧-矽鋁酸鹽）聚合物之屬。該聚合.物具有ς 式：Mn[-(Si-0r)z-Al-0r]n.w.H20，其中Μ為鈉或鉀或其混 合物，ζ為1至3 ;w具有高達7之值，η為縮合程度。核聚 合物現一般人稱為“地質聚合物，，。其係藉加入苛性水八 鋁矽酸鹽至鹼金屬矽酸鹽溶液而容易製成。此方面之次要 ，易例產生聚合物，已知為“geosets，，。其係藉加入鹼金 屬矽酸鹽之苛性溶液至水合銘矽酸鹽而製成。$ 了簡單起 見，二種產物以下均稱為“地質聚合物，，。 該地質聚合物於製造黏結研磨劑之 逆褐不於E p申請 采〇 485 960，其亦教示此等黏結物可、 改良。 」猎加入有機聚合物而 地質聚合物有“混雜黏結物，，之特性， ^ ^ Ά σ + ^ ®為其不像玻璃態 次有機黏結物，即使其各具若干特 其具有極顯著優點 -5- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、11 用中 ίϋ準(cnS)^^77^ X 297公釐） • m· In In 483928 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（3 ) 超過製造黏結研磨劑之傳統玻璃態黏結物。主要重要性在 於，其在比較低溫度下形成，（像有機黏結物），在玻璃熔 化之/皿度以下，具有相同組合物。相對照地，玻璃態黏結 物必須在熔融玻璃溫度下形成並保持在該溫度，同時玻璃 流動，俾可塗佈研磨粒並形成黏結位置。然而，地質聚合 物形成聚合結構，具有許多坡璃態黏結物之硬度與強度， 因此，其不像傳統有機黏結物，其脆度極低，並具有較玻 璃態黏結物更大模數値。 因此，地質聚合物之用途，由其比較低之形成溫度之觀 點而T，對傳統玻璃態黏結物爲極具吸引力之替代品。由 於相當低溫度之加工’許多先進技術如使用玻璃態黏結產 物不可行义活性填料，可加入黏結物内。加入此等優點與 有機黏結產物比較時，爲較高後加工熱安定性及使用溫 度。因此，黏結物質之本質實際上爲“混雜”。 低加工溫度亦可緩和與有機聚合物以外之玻璃態黏結物 相關之若干易脆性。因此，有可能調整黏結物對欲製造產 物需要之物性。 然而，對使用地質聚合物於製造研磨劑以氧化鋁爲底之 黏結研磨產物，有嚴重問題。此乃因爲黏結物以強鹼條件 下形成，而氧化鋁研磨粗粒之表面被鹼侵襲。其結果在研 磨與#結物質間爲一極弱黏結物，在眞正研磨試驗中，使 十生能不明顯。 頃發現’地質聚合物可與以氧化銘爲底之研磨劑使用， 此項發現形成本發明之基礎。此項發現開啓低價玻璃-黏 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) r裝---- 訂---------線i 483928 A7 B7 五、發明說明（4 結研磨劑之可能性，其中黏結研磨剞士 Γ心〜特性可藉改良黏結 物而调整’且其中雜結物爲馬度可重製 &」至衣及製造與用途相當 經濟。 本發明之説明 本發明提供一種製造黏結研磨劑之方法，其包括提供以 氧化错爲底之研磨粒’具有至少一部份該粒子之表面被玻 璃態層覆蓋，將該玻璃塗佈過氧化鋁底之研磨粒與地質聚 合物混合及固化該地質聚合物以形成黏結研磨產物。 以氧化鋁爲底之研磨劑可爲熔合氧化鋁或陶资（或燒結） 氧化銘，視需要由溶膠-凝膠法所形成。其亦可爲共溶合 乳化紹-氧化锆或孩粒子與其他氧化鋁研磨粒之混合物。 黏結物侵襲問題因較小氧化鋁結晶尺寸而惡化，因此，當 以氧化鋁爲底心研僧粒寧實上由種晶溶膠-凝膠法製成 時’如除了其他以外USP 4,623,364所述，因爲此產生氧化 紹晶體，其爲次微米。達到約】〇微米之氧化鋁晶體大小 係藉未種晶溶膠-凝膠法所產生，特別是在燒結時，晶體 生長因稀土金屬氧化物、氧化釔、氧化鎂、氧化結及氧化 石夕等存在受抑制。本發明所提供之益處在使用該未種晶溶 膠-凝膠氧化鋁時亦十分明顯。更通常的是，本發明亦可 使用所有熔合氧化鋁。 玻璃態層可例如藉煙氧化矽處理粒子，接著燒製法沈積 在粒子上。另外，粒子可用傳統玻璃成份之混合物處理， 然在足以形成玻堝之溫度下燒製以形成玻璃並使玻璃流 動並塗佈粒子。然後混合物會破裂以提供玻璃塗佈過粒 -7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

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五、發明說明（5 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 子。此法可加速並使用粉狀玻璃燒結物取代破璃成份而使 之更一致。 然而，使用本發明方法之最便利方式極簡單。在製造傳 統玻璃態黏結研磨產物時，某種百分比產物被發現爲指定 規格之外且必須切碎。此外，在研磨產物如輪2達到=使 用壽命之結朿時，時常有實質容積之產物留下。此等碎屑 及殘留產物，當碾碎時，可得研磨粒，至少部份塗佈有玻 璃態層，其從先前使用之玻璃狀黏結物殘留。粒子之表面 積基本上1 0 0 %塗佈有玻璃，除非粒子受研磨或其中黏結 才千破裂诏下一 τφ份％露之表面。當該回收利用之研磨粒爲 氧化鋁底時，其可極適於提供本發明所用之塗佈過氧化鋁 底之研磨粒。 因此，本發明提供使用碎屑料之機會，否則其必須送入 廢墙埋填操作。因此，本發明之優點顯而易見。其採用無 價値物質，環保上更令人接受。 然而優點並非僅經濟性。本發明亦首次提供按照低溫及 快速固化以及配合欲製造產物需求之黏結設計之潛力來利 用加工彈性之機會。 本發明之較佳具體例包括研磨性粒，具有厚度〇 5至5 微米（更佳爲1至3微米）之玻璃態（玻璃）黏結物之塗層。 該塗層之厚度足以保護粒子不受苛性高鹼性地質聚合物黏 結物侵襲，且仍薄至足以在研磨時不致改變粒子功能。爲 贯現么層在較佳範圍内，粒子/玻璃比會需要不同，端視 粒子大小、粒子密度及玻璃密度而言。爲例示起見，熔合 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） -ί n I— n · *ϋ ϋ —ϋ ·ϋ n ϋ ϋ 一 · n ϋ ϋ a.^1 n ϋ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 線Φ. 483928 五、發明說明（6 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 或燒結氧化鋁研磨粒， 微米），塗佈有典型p二有1 〇 〇粗砂粒子大小，（約1 8 〇 約1.5微米時，其具有‘忠玻璃黏結物者，若塗層厚度爲 面假設爲1 〇 〇 %覆蓋，u /玻如比爲1 〇 0 : 5容積，粒子 高。 右叫盖率低於1 〇 〇 %時，塗層會 此積在粒子上之破〜 5 0%，更佳至少7〇%^造塗層之量較佳足以覆蓋至 難或至少不便於測定塗屌表7面然而，以此方式時常 之重量X更有利地表示ΤΙ量，其量按照玻璃態物質代 至30%，較佳爲2至）〇因此，玻堝怨塗層之重量呈現 全部重量。 〜。，最佳爲2至10¾塗佈過粒子 r '。物較佳在塗佈操作時不會盥氣仆 頌耆夂應。因此，包厶b Ώ 4礼化 Ad ο礼化鋁、氧化矽、鹼土金屬s & 與乳化硼以及其他較低及、 王免礼化 ^ ,t m , 低里〈其他金屬氧化物之調配物 可使用。較佳破璃態/ 物 、、'α 3物包含（依重量計），>4 矽、<16%氧化鋁、〇 Μ 〇 〆 /〇 .05'2.)〇/〇 氧化卸、7-1 ρ/ο 氧化 10%氧化鋰及9-16%氧化爛。 ，内、 較t破璃態組合物，特別是其中以氧化館爲底之研， c。办％ -极朴氧化鋁，稱爲“低溫黏結調配物，，: 爲在約叫以下熔化及流動之調配物。 “其 地質聚合物黏結通常類似於玻璃態黏結，其爲高 聯，因此剛硬又易脆。典型地質聚合物調配物在與粒 合可馬>14。然而，不像傳統玻璃態黏結物，其可在 降解熱塑性改質聚合物之溫度下交聯。因此，隨同 -9- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 表 略 少 很 表 之 鋁 物 時常 氧化 2- 粒 度 子 交 混 不會 C請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} ，裝 訂· .線, 483928 A7 五、發明說明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 口 其成烏可加入熱塑性改質劑以得撓性及強度至黏結 物處’而此時常爲本發明之較佳特性。適當補強或改質熱 塑性聚合物包括聚締烴、聚丁二烯、&乙烯氯、聚(四氟 =綿）、聚亞胺及聚g旨。可加人黏結物中之該補強及/或改 貝熱塑性#合物之量可高達3〇%，較佳爲2〇%全部黏結 物重量。 ^質聚合物黏結系統亦可利用填料改質。填料可爲活性 %枓如二硫化鐵：硫或有機研磨助劑，但條件是其在黏結 成-度下具欠（性’無機填料如礦物粒子或玻璃或陶瓷 球體，其主要目的爲幫助最後黏結研磨產物中產生希望程 度之多孔性或結構。坺抖α “、 —枓可根據調配物重量爲達到2 〇重 量0/0，更佳爲5至10重f %按比例使用。 附圖之簡械 4圖1爲實例丨數據之桿形座標目。第一座標(ia)，比 凋配物與本發明义玻埤態塗層之性能而非根據在不同饋 速率下測定之G-Rati0增圆之塗層。第二座標（ib),比 在不同饋入速率下相同產物之“研磨能力，，。 圖2爲賞例2衍生之#f. 、 数抓，如圖1中，比較具有及不具 玻璃態塗層之產物。在此情況下，比較性爲G_Rat⑴作 Foice (2A)又ώ數，研您能力作爲F〇rce (2B)之函數。 較佳具體例之説明 本發明現特別參考下列實例説明，但須知其並非對本發 明之贳質範圍上之實質限制。 較 入 較 有 ------------裝--------訂---------線* (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 10- 483928 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（8 ) 實例1 此例説明製造具有及不具有玻璃化（玻璃）黏結物在研磨 粒上之塗層之说雜-黏結研磨輪之方式。其亦比較含塗佈 過及未塗佈粒子之輪間之研磨性能。 製造二組黏結研磨輪。第一組包括傳統熔合氧化鋁粒 (“3 8 Alundum”氧化么4 ’技自Saint-Gobain工業陶瓷公司， 在商品標示下）’於地質聚合物黏結物中，第二組包括具 有玻璃態塗層之相同研磨粒並使用相同黏結物製成輪。 第二組中之硏焓粒係藉碾碎玻璃態黏結研磨輪獲得，其 中玻璃態黏結物具有上述界定較佳調配範圍内之調配物。 玻璃態物質至現爲碾碎輪後分離之研磨粒上之塗層並呈 現約3%全部重量之塗佈過粒子。藉光學及電子掃描顯微 鏡，塗佈過粒子出現具有破璃層，較未塗佈粒子更平滑及 閃k，並說蓋主y 8 0 土 9 〇 %整個粒子表面。$ e μ内之能 量-分散光譜計顯示自層射出之特性X射線，其具有富砂 多成份結構之特性°頃發現層之化學組合物與用以塗佈粒 子之破璃之化學組合物一致。 在試驗輪之形成中，地質聚合物黏結物對研磨粒之比例 爲25:75重量。在各情況下，地質聚合物包括乾黏結地質 聚合物，（GP600HT獲自Ge〇p〇 lymere)，氫氧化鉀、煙石夕 石及水。乾黏結物質可藉混合各重量比25:18:57之偏高嶺 土、六氟矽酸鈉與非晶矽而得。 用以製造輪之調配物如下： -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} ----訂·------- •線0' 483928 A7 B7 公克 400 66 21.5 44.4 48.2 經¾部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（9

熔合氧化鋁〇〇〇 grit) GP600HT fe合石夕石

KOH 水 二組輪（即，是否包含坡璃-塗佈過研磨黏）係以下面方 式製備。 . 虱氧化鉀落解於水屮，使之冷卻。煙矽石攪拌入氫氧化 鉀落液中，產生矽酸鉀溶液，在Gp6〇〇HT乾黏結物拌入前 .使足冷卻。最後，研磨劑摻入混合物中。若需額外水時， 研磨劑在此時加入並摻入混合物中。 然後將混合物澆入並捣固入矽酮橡膠模具中。所用輪模 具具有尺寸爲13.65 X 1.27 x 3· 18 cm。將填滿模具振動約i 分鐘。除去多餘混合物，模具被pTFE片材，陶瓷黏板覆 蓋，然後用各重約4.5公斤之二鋼板秤重。 埃滿及神重過之模具在室溫下靜置2 _ 4小時，然後放入 爐中供下表所示之固化循環“A”。其後，輪自模具移除並 放入Lmbery鎔爐内供表中最後固化循環“ B ,，。 固化循環條件

A

B 升溫至85°C歷1小時 在85°C下歷1.5小時 升溫至120°C歷1小時 保持在120°C歷5小時 升溫至350°C歷1小時 保持在350°C歷5小時 -12- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 483928 A7 --------B7________ 五、發明說明（10 ) 取終輪各具有約30-40%孔隙率，在最終過程後最後尺寸 爲 H7 χ 1·59 X 3.18cm。 —、、且輪再使用Brown & Sharpe機進行表面橫向研磨試驗 而未使用冷卻劑°輪速保持在約4700 r.p.m下，枱速爲 m/分鐘。研磨前，各輪在速度至25 4 cm/分鐘下使用 單點至剛鑽處理’處理之化合物爲0.025 nim。金屬研磨爲 52100鋼’具有硬度爲65Rc，板形式，尺寸以輪研磨方向 爲40.6 cm ’以輪交又饋入方向爲4 6 cm。在交叉饋入速率 爲12.7 mm下，各輪具有全部向下蝕入爲〇 5 mni，各個向 下蚀入速率爲0.0125，0.025及0.05 mm。在各個向下馈入 速率F對一，組輪測定G-ratj〇，研磨力及金屬移除速率 (MRR)以比較性能。 其結果以二桿形流程圖形式示於圖！。第一圖比較在不 同向下饋入速率下按G-Rati〇測定之繪圖之性能。第二圖 比較在不同向下饋入速率下之“研磨能力”（如G_Rati〇除以 特定能量定義，特定能量本身如特定力除以MRR定義）。 由圆1數據可知，在表面橫向試驗中，用塗佈粒製成之 輪顯著超出用未塗佈粒製成輪之性能，無論G_Rati〇及研 磨能力。 實例2 此贯例中，研究填料加入黏結系統以改良特性之功效。 所用研曆物質及模製與燒製方法均述於實例1，另加入塡 料以製成二組輪，兩組均含填料，但其中一組用坡璃塗佈 之研磨粒製成。製成輪之調配物示於實例〗，不同的是所 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) π裝--------訂---------線1 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 483928 A7

經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 用填料含4份細無機粒與i份鉻 物，# A 7 ， · 切裂泡§鋁紅柱石球體之混合 心自Zeelan工業公司，商σ 一 往、 Π 口口名稱馬“Z-Light”。加入塌 枓〈全部量爲39.6g。此等於+ r ^ ,r ’ ^由柱形控制力（ODCF)試驗許 與貫例1所述試驗比較，於 ^ ^工作接觸區較小，使在邱 歷粒上之局部力更強。 一 ODCF Λ I在柱塞研磨模式中不用冷卻劑進行而不用火 九法至屬研磨爲）2 1 00鋼，具有硬度爲59Rc。柱式金屬 工作件具有厚度爲6.4 mm，直徑爲1〇 2 cm。輪速保持在約 495 0 r.p.m.下’工作件在i5〇 ^ p⑺下旋轉。各研磨期間， 輪在開始4.5 kg及增加之2,3 kg間隔之制恆定力下饋入， 直到後得過度輪耐久性爲止。G_Rati〇及研磨能力各對研 磨力綠示。其結果亦於桿形流程圖形式之圖2中，並顯示 對不用研磨粒不具坡璃塗層製成之輪改良之相同圖案。此 頭示由％料存在提供之經濟優點來伴隨内使用塗佈過研磨 粒衍生之物理優點任何惡化。 由結果可知，在低塗敷力及金屬移除速率下，用塗佈過 研厝粒製成之輪之性能顯然優於用未塗佈粒製成之輪。 一般相信，在較高壓力下，主要障礙模式爲黏結物本身 之障礙，而此反應結果。因此，當黏結物障礙並非因素 時，用地質聚合物黏結物之塗佈過粒產生較未塗佈粒更佳 之研磨輪。 14- 本紙張尺錢中國國家鮮（CNS)A4祕 U---^---------裝--------訂·------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 線up.

Claims (1)

1. 483928 第88121312號專利中請案 中文申請專利範圍修正本(9〇斧7月） A8 B8 C8 m 申請專儀 概 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 一種I蓬黏結研磨劑之方法，其包括提供以氧化鋁為底 <研磨粒’其具有至少一部份該研磨粒之表面由玻璃態 層所覆盖’將該塗佈氧化鋁底之研磨粒與包含矽酸鋁、 鹼金屬矽酸鹽及無定形氧化矽之地質聚合物先質成份混 合’其然後與鹼金屬氫氧化物反應以形成地質聚合物， 並固化3地貝4合物以形成黏結研磨產物，其中研磨粒 上之玻璃毖層呈現1至3〇重量％研磨粒重量，及研磨粒 上之玻璃態層覆蓋至少60%研磨粒表面，且該玻璃態層 包含氧化鋁、氧化矽、鹼土金屬氧化物及氧化硼。曰 2·根據中請專利範園第1之方法，叾中地質聚合物按比 例與研磨粒混合’使在最後贵磨產物中’地質聚合物呈 現10至50重量％產物。 3. 根據中請專利範園第η之方法，叾中地質聚合物以 式·· MnKSbCVVAJ.OHn W η2〇，其中Μ為納或钟或々 合物，2為1-3，评具有〇至7之值，η為縮合程度。、W 4. 根據申請專利範圍第μ之方法，其中地 入熱塑性聚合物而改良。 曰 5•根據申請專利範圍第4項之方法，其中熱塑性改 自一聚:希烴、聚丁二烯、聚乙缔氯聚(四氟乙浠）、；亞 胺、聚酯及其混合物所組成之群。 " 6.根據中請專利範圍第i項之方法，*中地質聚 入至多10重量％細分之填料而改良。 , 9 口 1： 泰紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） I:--：------------IT------^^1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)