TWI321079B - Abrasive tools having a permeable structure - Google Patents

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1321079 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明揭7F -種包含研磨顆粒之摻和物及黏結組份之經 黏:。研磨工具。該研磨顆粒之摻和物包括細絲狀溶膠凝 膠氧化鋁研磨顆粒及經聚結研磨顆粒微粒。本發明亦揭示 包含細絲狀溶膠·凝膠氧化鋁研磨顆粒與非細絲狀研磨顆 粒之聚結塊及黏結組份之經黏結研磨工具。該細絲狀溶 膠-凝膠氧化㈣磨顆粒具有大於1()之長度對截面寬度縱 橫比。該經聚結研磨顆粒微粒包括藉由黏合材料保持三維 形狀之複數個研磨顆粒。本發明亦揭示一種製備此一如上 所述經黏結研磨工具之方法。 【先前技術】 在許多磨削作業中，磨削工具孔隙（尤其可渗透或互連 性質之孔隙）可改良磨削作業之效率及被磨削工件之品 質。具體而言，已發現互連孔隙或流體渗透性之體積％係 研磨工具之磨削性能的重要決定性因素。該互連孔隙允許 在磨削期間去除磨削廢料（金屬肩）並使冷卻流體於砂輪内 通過。同樣，該互連孔隙為運動的研磨顆粒與工件表面之 間之磨削流體（例如潤滑劑）提供通道。該等特徵在深度切 割及現代精密製程（例如，緩進給磨削）中對於其中大=材 料在一輪深度磨削過程中去除而不損害該工件尺寸準確度 之高效率磨削尤為重要。 又 具有完全開放且可滲透結構之此等研磨工具之實例包括 私用細長或纖維狀研磨顆粒之研磨工具。美國專利第 114021.doc 1321079 5,73 8,696號及第5,738,697號揭示採用具有至少約5:1縱橫 比之細長或纖維狀研磨顆粒製備經黏合研磨料之方法。採 用細絲狀研磨顆粒之此等研磨工具之一實例目前可以 ALTOStm 商標名購自 Worcester， ΜΑ 之 Saint-Gobain Abrasives ° ALTOStmW磨工具採用平均縱橫比為約7.5:1之燒結溶膠 凝膠氧化銘陶竞顆粒（Worcester，MA之Saint-Gobain Abrasives)，例如Norton® TG2或TGX研磨料（下文為 「TG2」），其為細絲狀研磨顆粒。ALTOStm研磨工具係高 度多孔及可滲透磨削工具，其已被證明具有高金屬去除速 率、增強的形狀保持性及長砂輪壽命、以及顯著降低之冶 金損傷風險（參見，舉例而言，Norton Company Technical Service. Bulletin，2002 年 6月，「Altos High Performance Ceramic Aluminum Oxide Grinding Wheels」）。ALTOStm 研磨工具根據纖維-纖維填充理論使用僅包含細絲狀研磨 顆粒之研磨顆粒（例如，TG2顆粒）來達成最大結構開放性 (參見，舉例而言，美國專利第5,738,696號及第5,738,697 號，其内容以引用方式全部併入本文中）。通常認為TG2顆 粒與大量其他非細絲狀（例如球狀）顆粒摻和將損害結構開 放性或損害金屬工件之表面光潔度。然而，TG2顆粒儘管 極為耐用，但其脆性不足以用於某些應用且TG2顆粒較大 多數塊狀或球形顆粒製造成本高。 因而，業内仍需研究具有類似於採用細絲狀研磨顆粒之 研磨工具（例如ALTOStmW磨工具）之性能的性能特徵但更 114021.doc 脆且更成本有效之研磨工真。 【發明内容】 現在已發現用細絲狀溶膠-凝膠氧化铭研磨顆粒或其聚 結塊與經聚結研磨顆粒微粒之摻和物製備之經黏結研磨工 具相對於用1 00%細絲狀溶膠_凝膠氧化铭研磨顆粒或經聚 結研磨顆粒微粒所製備之彼等可具有經改良之性能。舉例 而言，申請者已發現納入TG2或TG2聚結塊與經聚結氧化 鋁研磨顆粒微粒之摻和物之經黏結研磨工具具有高度多孔 及可滲透結構，且在各種磨削應用中表現良好性能而不損 害表面光潔度品質。基於該發現，本文揭示包含細絲狀溶 膠·凝膠氧化鋁研磨顆粒或其聚結塊與經聚結研磨顆粒微 粒之摻和物之研磨工具，及製備此一研磨工具之方法。本 文亦揭示包含細絲狀溶膠-凝膠氧化鋁研磨顆粒之聚結塊 之研磨工具及製備此一研磨工具之方法。 在一實施例中，本發明係關於包含研磨顆粒之摻和物、 黏結組份及至少約3 5體積％孔隙之經黏結研磨工具。該研 磨顆粒之摻和物包括細絲狀溶膠_凝膠氧化鋁研磨顆粒或 其聚結塊 '及經聚結研磨顆粒微粒。該細絲狀溶膠-凝膠 氧化鋁研磨顆粒具有大於約丨.0之長度對截面寬度縱橫 比。該等經聚結研磨顆粒微粒包括藉由黏合材料保持三維 形狀之複數個研磨顆粒。 在另一實施例中，本發明係關於包含下列經黏結研磨工 具：包括細絲狀溶膠·凝膠氧化鋁研磨顆粒、非細絲狀研 磨顆粒及黏合材料的聚结塊；黏結組份；及至少約3 $體積 114021.doc 1321079 %孔隙。該非細絲狀研磨顆粒及細絲狀溶膠凝膠氧化链研 磨顆粒藉由黏合材料保持三維形狀。 本發明亦包括製備經黏結研磨工具之方法。在該方法 中，形成研磨顆粒之摻和物，其中該推和物包括細絲狀溶 膠-凝膠氧化銘研磨顆粒或其聚結塊及經聚結研磨顆粒微 粒，如上所述。然後使該研磨顆粒之推和物與點結組份組 合。將該研磨顆粒與黏結組份之經組合換和物模製成包含 至y約35體積/〇孔隙之成形複合材料。加熱該研磨顆粒與 黏結組份摻和物之成形複合材料以形成經黏結研磨工具γ 本發明可達成所期望性能而不損害所得產品之表面^潔 度品質或結構開放性。採用細絲狀溶膠_凝膠氧化鋁研磨 顆粒或其聚結塊與經聚結研磨顆粒微粒之摻和物之研磨工 具可在同一結構中形成纖維_纖維網絡且同時形成非纖維 網絡，例如准球形-球形網絡。本發明之研磨工具（例如研 磨砂輪）具有對流體流高度滲透之多孔結構，且具有卓越 的磨削性能及高金屬去除速率。本發明研磨工具之性能可 藉由將顆粒摻和物含量調節至使脆性或韌性最大或調節至 一者平衡而適合於各種磨削應用。本發明研磨工具之高滲 透性在與高金屬去除速率結合時尤其有利，最大程度減小 磨肖j區域中產生的熱置，且因而使石夕輪壽命延長並降低冶 金知害之風險。 【實施方式】 閱讀於附圖中予以圖解說明的本發明較佳實施例之以下 更具體闡述，本發明之上述及其他目的、特徵及優點將更 11402 丨.doc 易為人們所瞭解。 本發明經黏結研磨工具具有含有互連孔隙之完全開放、 可滲透結構。該經黏結研磨工具以該工具之體積計具有至 少約35%孔隙，較佳約35%至約8〇%孔隙。在一較佳實施 例中，該總孔隙之至少約3〇%(以體積計）係互連孔隙。因 而，本發明經黏結研磨工具具有高互連孔隙，且尤其適用 於深度切割及現代精密製程，例如緩進給磨削。本文術語 「互連孔隙」係指研磨工具之孔隙，其由位於黏合研磨顆 粒粒子之間的流體能於其中流動之空隙組成。互連孔隙之 存在通常藉由在受控條件下量測該研磨工具對空氣或水流 的滲透性來確定，例如於美國專利第5,738,696號及 5,738,697號（其教示内容以引用方式全部併入本文中）中所 揭示之測試方法中。 本文術語「細絲狀」研磨顆粒係用來指沿其長度具有通 常一致橫截面之細絲狀陶瓷研磨顆粒，其中該長度大於橫 截面之最大尺寸。該最大橫截面尺寸可高至約2毫米，較 4低於’力1毫米、更佳低於約Q 5毫米。該細絲狀研磨顆粒 可筆直、彎曲、捲曲或扭曲因此係沿主體而非必需以直線 I測其長度。較佳i也，本發明之細絲狀研磨顆粒捲曲或扭 曲。 本發明之細絲狀研磨顆粒之縱橫比大於i .0，較佳至少 2·1 ’且最佳至少約4:1，舉例而言至少約7:1及介於約ϋ …約25 · 1間。本文「縱橫比」或「長度對截面寬度 '縱橫 比」係指沿主要或較長尺寸之長度與該顆粒沿垂直於該主 Π 4021 .doc 1321079 要尺寸之任-尺寸之最大範圍之間的比率4㈣截面非 圓形的情況下’例如係多邊形’在確定縱橫比時使用垂直 於縱向方向之最長量測值。

本文術語「經聚結研磨顆粒微粒」或「經聚結顆粒」係 指包含研磨顆粒及黏合㈣之三維微粒，該等微粒具有至 少35體積％孔^除非指出細絲狀顆粒構成該等微粒中之 全部或部分顆粒加以說明，否則該等經聚結研磨顆粒微粒 由具有約1.0之縱橫比之塊狀或球形研磨顆粒組成。該等 經聚結研磨顆粒微粒藉由美國專利第6,679,758 B2號中所 述之聚結塊來例示。本發明之經黏結研磨工具由顆粒推和 物來製備，該等顆粒摻和物包括呈鬆散形式及/或呈經聚 結形式之細絲狀研磨顆粒以及包含具有約10之縱橫比之 塊狀或球形研磨顆粒之經聚結研磨顆粒微粒。或者，本發 明工具由包含具有約10之縱橫比之塊狀或球形研磨顆粒 之經聚結細絲狀研磨顆粒微粒來製備。每一該等工具視情

況皆可於顆粒摻和物中納入一種或多種呈鬆散形式之第二 研磨顆粒。 在一實施例中，該摻和物包括細絲狀溶膠-凝膠氧化鋁 研磨顆粒及經聚結研磨顆粒微粒。在該實施例中，相對於 該摻和物之總重，該摻和物包括約5%至90%、較佳約25% 至90%、更佳約45%至80%(以重量計）之細絲狀溶膠-凝膠 氧化銘研磨顆粒。該摻和物進一步包括約5%至90%、較佳 約25%至90%、更佳約45%至8〇%(以重量計）之經聚結研磨 顆粒微粒。該摻和物視情況可包含既非細絲狀顆粒亦非經 114021.doc 1321079 聚結顆粒且最大值約50%、較佳約25%(以重量計)之第二 研磨顆粒。該細絲狀顆粒、經聚結顆粒及可選第二研磨顆 粒之所選量總數達本發明研磨工具中所使用總顆粒摻和物 重量〇 β下文闡述視情況可與細絲狀顆粒及經 聚結顆粒摻和之適宜第二研磨顆粒。 在另一實施例中

該推和物包括細絲狀溶膠-凝膠氧化 铭研磨顆粒之聚結塊及經聚結研磨顆粒微粒。該細、絲狀溶 膠凝膠氧化鋁研磨顆粒之聚結塊包括複數個細絲狀溶膠· 凝膠氧化鋁研磨顆粒之顆粒及第 溶膠·凝膠氧化鋁研磨顆粒藉由 形狀。 二黏合材料。該等細絲狀 該第二黏合材料保持三維

、視情況，該細絲狀溶膠-凝膠氧化鋁研磨顆粒之聚結塊 進步匕括第一研磨顆粒。該第二研磨顆粒及細絲狀研磨 顆粒藉由該第二黏合材料保持三維形狀。該第二研磨顆粒 可包括用於研磨工具中業内所習知之-種或多種研磨顆 粒，例如氧化紹顆粒(包括熔融氧化銘、非細絲狀經燒結 溶膠氧化#、經燒結μ土，及諸如此類）、碳化石夕、氧化 鋁-氧化錯、氧氮化鋁 二氧化錦、低價氧化硼、石榴 石、打火石、金剛石（包括天然及合成金剛石）、立方氮化 棚（CBN)及其組合。 除當使用經燒結溶膠-凝膠氧化鋁時， 該第二研磨顆粒可係包括長絲型形狀之任—形狀。較佳 地，該第二研磨顆粒係非細絲狀研磨顆粒。 以該聚結塊總重計，細絲狀研磨顆粒之聚結塊中該細絲 狀研磨顆粒之量通常介於約15。/。至95❶/。、較佳約35%至 114021.doc 12 8〇〇/°、更佳約45%至75%(以重量計）之間。 、X I、’·°塊總重計，細絲狀研磨顆粒之聚結塊中該第二 研磨顆粒之量通常介於約5%至85%、較佳約5%至㈣、更 :約10%至55%(以重量計)之間。如同細絲狀顆粒與經聚 結顆粒之摻和物之情形，可將可選第二顆粒添加至該經聚 結細絲狀顆粒中以形成本發明研磨工具中所使用的總顆粒 摻和物。同樣，可使最大約50%、較佳約25%(以重量計） 之可選第二研磨顆粒與該細絲狀顆粒聚結塊摻和以達成研 磨工具中所使用的總顆粒摻和物。 細絲狀溶膠-凝膠氧化鋁研磨顆粒包括經燒結溶膠-凝膠 氧化鋁之多晶體。經接種或未經接種之溶膠-凝膠氧化鋁 可納入該細絲狀溶膠-凝膠氧化鋁研磨顆粒中。較佳地， 細絲狀、經接種之溶膠-凝膠氧化鋁研磨顆粒使用於研磨 顆粒之摻和物中。在一較佳實施例中，該經燒結溶膠凝 膠氧化銘研磨顆粒主要包括具有小於約2微米、更佳不大 於約1至2微米、甚至更佳小於約〇 4微米之尺寸之α氧化鋁 晶體。 溶膠-凝膠氧化鋁研磨顆粒可藉由業内所習知之方法來 製備（參見’舉例而言，美國專利第4,623,364號、第 4,314,827 號、第 4,744,802 號、第 4,898,597 號、第 4,543，107 號、第 4,770,671 號、第 4,881，951 號、第 5,011，508 號、第 5,213,591 號、第 5,383,945 號、第 5,395,407號、及第6,083,622號，其内容以引用方式併入本 文中。）。舉例而言，一般而言其通常藉由下列來製傷： 11402l.doc 13 形成亦可包合π ρ θ Μ 5I的一種或多種氧化物改良劑（例如，

g r 2或稀土金屬氧化物）或接種/晶核成核材料 如，α·ΑΙ2〇3、R 2 3、γ-Α!2〇3、a-Fe2〇3 或鉻氧化物）之 丄氧化#凝膠’且然後乾燥並燒結該凝膠（參見，舉例 而& ’美國專利第4,623,364號）。 '細絲狀溶膠-凝膠氧化鋁研磨顆粒可藉由各種方 法來獲# ’例如藉由將水合氧化紹之溶膠或凝膠擠麗或纺 絲成連續細絲狀顆粒’乾燥該等如此所得之細絲狀顆粒， 切割或破碎該等細絲狀顆粒至所期望長度，且然後燒製該 等細絲狀顆粒至較佳不大於約15啊之溫度。製備該顆粒 之較佳方法闡述於美國專利第5,244,477號、美國專利第 5，194’072號及美國專利第5,372,62〇號中。擠壓對於直徑在 約0.254毫米與，約！ ·〇毫米之間且於乾燥及燒製後其直徑分 別與用於100粒度至24粒度研磨料之篩孔之直徑大致相當 之水合氧化鋁溶膠或凝膠最為有用。紡絲對於燒製後直徑 尺寸小於約1 00微米之細絲狀顆粒最為有用。 尤其適用於擠壓之凝膠通常具有約30%至68%之固含 量。該最佳固含量隨被擠壓之細絲直徑而變化。舉例而 吕，對於經燒製直徑與用於5〇粒度經粉碎研磨顆粒之篩孔 大致相當之細絲狀研磨顆粒，約6〇%的固含量較佳。若該 等細絲狀溶膠-凝膠氧化鋁研磨顆粒藉由紡絲法形成則 期望將約1 %至5%非玻璃形成紡絲助劑（例如聚環氧乙烷） 添加至由其形成凝膠之溶膠中，以將所期望黏度及彈性性 能賦予該凝膠來形成細絲狀研磨顆粒。該紡絲助劑在煆燒 114021.doc 14 或燒製期間自該等細絲狀研磨顆粒中燃燒掉。 當細絲狀、經接種溶膠·凝膠氧化鋁研磨顆粒用於研磨 顆粒之摻和物時，在將水合氧化鋁溶膠或凝膠擠壓或紡絲 成連續細絲狀顆粒之製程期間，較佳添加促進凝膠中水合 氧化銘向極細α氧化鋁晶體快速轉化之有效量亞微粒晶種 材料。該接種材料之實例如上所述。 對於經擠壓凝膠顆粒而言，可藉由擠壓該凝膠使之通過 具有該等顆粒橫截面所期望之形狀之模具來產生各種所期 望形狀。該等可係（舉例而言）正方形、菱形、橢圓形、管 狀、或星形《然而，一般而言，該橫截面係圓形❶較佳將 該等初始所形成連續細絲狀顆粒破碎或切割成預期磨削應 用所期望之最大尺寸長度。在該等細絲狀凝膠顆粒根據需 要成形、切割或粉碎及乾燥（若需要）之後，藉由受控燒製 將其轉化為研磨顆粒之最終形式。一般而言，該燒製步驟 之溫度係介於約1200。〇與約135(rc之間。通常，燒製時間 係介於約5分鐘與1小時之間。然而，亦可使用其它溫度及 時間。對於m25毫米粗糖之顆粒而言，較佳在約4〇〇 至600 C下預燒製該乾燥材料自約幾小時至約分鐘以去 除可在燒製期間造成該等顆粒破裂之剩餘揮發物及結合 水。尤其對於由經接種凝膠所形成之顆粒而言，過度燒製 可迅速造成較大顆粒吸附其周圍所有較小顆粒中之大部 分，從而降低該產物在微結構水平上的均勻度。 本發明中研磨驗摻和物之經聚結研磨^微粒係包括 複數個研磨顆粒及黏合材料之三維微粒。該等經聚結研磨 114021.doc •15· 顆粒微粒具有係該等研磨顆粒之平均粒度尺寸的約2至20 °之平均尺寸。較佳地，該等經聚結研磨顆粒微粒具有 "於約200與約3000微米之間的平均直徑。通常，該等經 聚結研磨顆粒微粒具有（例如）對於120粒度尺寸⑽微米） 顆粒約1.6克/立方公分且對於嶋度（25G微米）尺寸顆粒約 1.2克/立方公分之鬆散填充密度（Lp⑺及約至“％(以體 積十）之孔隙。由TG2顆粒製備之經聚結細絲狀研磨顆粒微 粒具有約丨.0克/立方公分之鬆散填充密度。對於大多數顆 粒而s，該經聚結研磨顆粒之鬆散填充密度約為呈鬆散未 經聚結顆粒形式的相同顆粒之鬆散填充密度的0·4倍。該 等經聚結研磨顆粒微粒較佳具有約0.2 MPa之最小抗碎強 度值。 該等經聚結研磨顆粒微粒可包括習知適用於研磨工具中 之一種或多種研磨顆粒，例如氧化鋁顆粒，包括熔融氧化 鋁、非細絲狀溶膠-凝膠經燒結氧化鋁、經燒結釩土、及 諸如此類，碳化；ε夕，氧化_氧化錯，包括共炫融氧化紹· 氧化錯及經燒結氧化鋁-氧化锆；氮氧化鋁；低價氧化 硼，石榴石；打火石；金剛石，包括天然及合成金剛石； 立方氮化硼（CBN);及其組合。適宜研磨顆粒之其他實例 包括未經接種、經燒結溶膠_凝膠氧化鋁研磨顆粒，該等 研磨顆粒包括微晶α_氧化鋁及至少一氧化物改良劑，例如 稀 土金屬氧化物（例如 Ce〇2、Dy2〇3、Er2〇3、Eu2〇3、 La203 ' Nd2〇3、pr2〇3、Sm2〇3、Yb2〇AGd2〇3) ' 鹼金屬 氧化物（例如，LiW、NhO及ΙΟ)、鹼土金屬氧化物（例 II402I.doc • !6 - 1321079 如，MgO、CaO、SrO及BaO)及過渡金屬氧化物（例如，

Hf02、Fe203、MnO、NiO、Ti02、Y203、ZnO及 Zr02)(參 見’舉例而言，美國專利第5,779,743號、第4,314,827號、 第 4,770,671 號、第 4881，951 號、第 5429,647 號及第 5,5 5 1，963號’其教示内容以引用方式全部併入本文中）。 該等未經接種、經燒結溶膠_凝膠氧化鋁研磨顆粒之具體 實例包括由式LnMAlnO”表示之稀土鋁酸鹽，其中Ln係三 價金屬離子（例如La、Nd、Ce、Pr、Sm、Gd、或Eu)，且 M係一價金屬陽離子（例如Mg、Μη、Ni、Zn、Fe、或 C〇)(參見’舉例而言’美國專利第5,779,743號）。此等稀 土銘酸鹽通常具有有時被稱為磁鐵鉛礦晶體結構之六角形 - 晶體結構。經聚結研磨顆粒微粒之各種實例可發現於美國 - 專利第6,679,758 B2號及美國專利申請公開案第 2003/0194954號中，其教示内容以引用方式全部併入本文 中。 φ 可使用任一尺寸或形狀的研磨顆粒。較佳地，選擇研磨 顆粒摻和物之經聚結研磨顆粒微粒尺寸以最大程度地減少 砂輪孔隙及滲透性之減損。適用於該等經聚結研磨顆粒微 粒之顆粒尺寸介於常規磨料粒度（例如，大於約60且高至 '力7’000鉍米）至微磨料粒度（例如約0.5至約60微米）之間及 "玄等尺寸之混合。對於指定磨料磨削作業而言，可期望聚 、·。粒度尺寸小於該磨料磨削作業通常所選之研磨顆粒（未 經聚結）粒度尺寸之研磨顆粒。舉例而言，經聚結80粒度 尺寸〇80微米）磨料可替代54粒度（3〇〇微米）磨料，經聚結 H402I.doc 17 100粒度（125微米）替代60粒度（25〇微米）磨料且經聚結i2〇 粒度（106微米）替代80粒度（180微米）磨料。 典型研磨顆粒之較佳聚結塊尺寸平均直徑係介於約2〇〇 至約3,〇〇〇、更佳約35〇至約2，_ '最佳約奶至約1〇〇〇微 米之間。對於微研磨顆粒而言，較佳聚結塊尺寸平均直徑 係介於約5至約180、更佳約2〇至約15〇、最佳約川至約12〇 微米之間。 在本發明之經聚結研磨顆粒微粒中，研磨顆粒通常以該 =結塊之約10至約95體積％存在。較佳地，研磨顆粒以該 聚結塊之約35至約95體積％、更佳約48至約85體積％存 在該聚結塊之其餘成分包括黏合劑材料及孔。 與經聚結研磨顆粒微粒一樣，使用於本發明之細絲狀溶 膠-凝膠研磨顆粒之聚結塊係包括複數個細絲狀溶膠·凝膠 研磨顆粒及第二黏合材料之三維微粒。較佳地，該等細絲 狀溶膠-凝膠研磨顆粒之聚結塊進一步包括如上所述之第 二研磨顆粒。在一具體實例中，該第二研磨顆粒係非細絲 形狀。在一實施例中，包括複數個細絲狀溶膠凝膠研磨 顆粒之顆粒及第二研磨顆粒之細絲狀溶膠_凝膠研磨顆粒 聚結塊可與經聚結研磨顆粒微粒結合而用於研磨顆粒之播 和物。在另一實施例中，包括複數個細絲狀溶膠-凝膠研 磨顆粒之顆粒及第二研磨顆粒之細絲狀溶膠_凝膠研磨顆 粒聚結塊可用於本發明研磨工具之研磨而不摻有經聚結研 磨顆粒微粒。該等細絲狀溶膠·凝膠研磨顆粒聚結塊之典 型特徵如上文對於經聚結研磨顆粒微粒之論述。 I14021.doc 藉由選擇細絲狀顆粒與非細絲狀顆粒之摻和物之不同粒 度尺寸，可對包含該等經聚結顆粒之研磨工具之磨削性能 加以調節。舉例而言，用於在相對較高材料去除速率 (MRR)下運作之磨削作業中的玉具可由包含“粒度（355微 米）正方形或塊狀氧化鋁顆粒及80粒度（18〇微米）TG2顆粒 之顆粒聚結塊來製備。以類似方式，適用於高MRR作業之 工具可包含摻有80粒度TG2顆粒之鬆散、未經聚結顆粒之 恰好46粒度正方形或塊狀氧化鋁顆粒之聚結塊。在另一實 例中，用於要求受控、良好表面光潔度且在工件表面上無 刮痕之磨削作業中的工具可由包含12〇粒度（1〇6微米）正方 形或塊狀氧化鋁顆粒及80粒度（180微米）TG2顆粒之顆粒聚 結塊來製備。在一替代性實施例中，適用於良好表面品質 磨削或拋光作業之工具可包含掺有8 〇粒度（丨8 〇微米）TG2顆 粒之鬆散、未經聚結顆粒之恰好120粒度（1 〇6微米）正方形 或塊狀氧化鋁顆粒之聚結塊。 業内通常使用於經黏結研磨工具之任一黏結（黏合）材料 可用於經聚結研磨顆粒微粒之黏合材料（下文為「第—黏 合材料」）及細絲狀溶膠-凝膠研磨顆粒聚結塊之第二黏合 材料。較佳地，該等第一及第二黏合材料每一皆獨立包括 無機材料’例如陶瓷材料、玻璃化材料、玻璃化黏結組合 物及其組合，更佳包括用作玻璃化經黏結研磨工具之黏結 劑系統的陶瓷及玻璃化材料類 '該等玻璃化黏結劑材料可 係磨削成粉末（玻璃料）之預燒製玻璃，或各種原料（例如黏 土、長石、石灰 '硼砂及蘇打）之混合物，或玻璃燒結材 114021.doc -19- 料與原料之組合。此等材料在介於約500至約140(rc之溫 度下熔融並形成液體玻璃相，濕潤研磨顆粒表面以在冷卻 後產生黏結劑柱，從而將研磨顆粒保持於複合材料結構 内。適用於聚結塊之黏合材料之實例可發現於（舉例而言） 美國專利第6,679,758 B2號及美國專利申請公開案第 2〇〇3/0194954號中。較佳之黏合材料之特徵為具有於約 1180 C下約345至55,300泊之黏度及約8〇〇至約13〇〇 〇c之熔 化溫度。 在一較佳實施例中，該等第一及第二黏合材料每一皆獨 立係包含Si〇2、B2〇3、Al2〇3、鹼土金屬氧化物及鹼金屬 氧化物之經燒製氧化物組合物之玻璃化黏結組合物。該經 燒製氧化物組合物之一實例包括71重量％ 8丨02及]8203、14 重量％ Al2〇3、小於〇.5重量％鹼土金屬氧化物及13重量％ 驗金屬氧化物。 該等第一及第二黏合材料亦可係陶瓷材料，包括二氧化 矽、鹼金屬、鹼土金屬、混合鹼金屬及鹼土金屬矽酸鹽、 矽酸鋁、矽酸錯、水合矽酸鹽、鋁酸鹽、氧化物、氮化 物、氮氧化物、碳化物 '碳氧化物及其組合及衍生物。一 般而言’陶瓷材料與玻璃狀或玻璃化材料之不同之處在於 該等陶瓷材料包括晶體結構《某些玻璃相可與晶體結構結 合存在於（尤其）呈未精煉態之陶瓷材料中。本文可使用呈 自然狀態之陶曼材料’例如黏土、水泥及鑛物β適用於本 文之具體陶瓷材料之實例包括二氧化矽、矽酸鈉、富鋁紅 柱石及其他矽酸鋁、氧化鍅·富鋁紅柱石、鋁酸鎂、矽酸 114021.doc -20- 丄： 鎂、矽酸錯、長石及其他鹼金屬_鋁_矽酸鹽、尖晶石、鋁 酸約、18酸鎮及其他驗金屬|g酸鹽、氧化錯、用氧化紀穩 定之氧化錯、氧化鎂、氧化鈣、氧化鈽、二氧化鈦、或其 他稀土添加劑、滑石粉、氧化鐵、氧化鋁、勃姆石、氧化 棚氧化冑、氧化鋁_氮氧化物 '氮化硼' 氮化矽、石墨 及該等陶瓷材料之組合。

-般而言’該等第一及第二黏合材料每一皆獨立以粉末 ㈣式獨立使用且可視情況添加至液體媒财以確保在製 造聚結塊期間黏合材料與研磨顆粒可形成—致、均勾混合

較佳將有機點合劑々力、散欣作马模製—n添 粉狀黏合材料組份中。該等黏合劑可包括糊精、I粉、動 物蛋白膠、及其他類型膠；一液體組份(例如水' 溶劑、 黏度或pH改良劑）；及混合助劑。使用有機點合劑可改良 聚結塊均勻度（尤其黏合材料分散於顆粒上的均勻度），^ 預燒製或未處理聚結塊之結構品f，以及包含該等聚結塊 之研磨工具之結構品質。由於該等有機⑩合劑可在 燒製聚結塊期間燃燒掉’因而其既不會變為最終聚社塊的 -部分亦不會變為最終研磨工具的一部分。根據需要可將 無機黏。促進劑添加至該混合物中以改良該等黏合材料對 研磨顆粒之黏合從而改良該混合物品質。該無機黏合促進 劑在，備該等聚結塊中可與或不與有機黏合劑結合使用。 儘&在本發明聚結塊中較佳使用高溫溶融黏合材料但 該黏合材料亦可包含其他無機黏合劑 '有機黏合劑、有機 114021.doc •21 · 黏結材料、金屬黏結材料及其組合。在研磨工具工業中， 用作有機黏合研磨料、塗覆研磨料、金屬黏合研磨料及諸 如此類之黏結劑的黏合材料為較佳。 該黏合材料以聚結塊之約0 5至約15體積％、更佳約丄至 約1 〇體積％、且最佳約2至約8體積0/。存在。 工藝上來說，該聚結塊内較佳之體積％孔隙在製造研磨 工具且用其磨削所需的聚結塊機械強度限定内應盡可能 高。孔隙可介於約30至約88體積％、較佳約4〇至約8〇體積 %且最佳約50至約75體積％之間。在聚結塊内一部分（例 如，向至約75體積。/〇)的孔隙較佳以互連孔隙或對包括液體 (例如磨削冷卻劑及金屬肩）及空氣之流體流可滲透之孔隙 形式存在。 μ 聚結塊之密度可以多種方式表示。該等聚結塊之體積密 度可表示為LPD。該等聚結塊之相對密度可表示為初始相 對密度之百分數’或表示為該等聚結塊對用來製備該等结 塊之組份之相對密度的比率，計及該等聚結塊中互連孔隙 之體積。 以百分數表示之初始平均相對密度可藉由用假定零孔隙 之聚結塊之理論密度除以LPD來計#。該理論密度可根據 混合物之體積㈣方法由該等聚結塊中所包含之黏合材料 及研磨顆粒的重量¥分數及^重來計算。對於制於本發 明之聚結塊而言’最大百分數相對密度係約5〇體積％，且 最大百分數相對密度更佳係約3〇體積〇/〇。 該相對密度可藉由流體置換體積技術來量測以便包括互 M402I.doc -22· 連^並排除封閉的室孔隙。該相對密度係藉由流體置換 所置測之聚結塊體積對用來製備該等聚結塊之材料體積的 =率。用來製備該等聚結塊之材料體積係基於用於製備該 等聚結塊之研磨顆粒及黏合劑材料之量及填充密度的表觀 :積之量度。在一較佳實施例中’該等聚結塊之最大相對 密度較佳係約0.7，且最大相對密度更佳係約〇 5。 可藉由各種工藝將研磨顆粒之聚結塊製成多種尺寸及形 狀。該等工藝可在燒製顆粒及黏合材料之初始（「未處 理」）階段混合物之前、期間或之後實施。將該混合物加 熱至使黏合材料熔融且流動從而使該黏合材料黏附於顆粒 上並以經聚結形式固結顆粒之步驟被稱為燒製、煆燒或燒 了使用業内習知用於聚結粒子混合物之任一方法來製 備》玄等研磨I結塊。舉例而言，可使用揭示於美國專利第 6,679,758 B2號及美國專利申請公開案第2〇〇3/〇194954號 (其教示内容以引用方式全部併入本文中）中之方法。 在一較佳實施例中，該等研磨顆粒聚結塊（例如經燒結 聚結研磨顆粒微粒）係藉由下列步驟來製備：丨）將該等研磨 顆粒及黏合材料以受控進料速率加至旋轉煆燒爐中；π)以 又控速度旋轉該爐，iii)以藉由進料速率及爐速度所確定 之加熱速率將該混合物加熱至介於約8〇與約1，3〇〇之 間之溫度；iv)在該爐内翻轉該顆粒及黏合材料直至該黏合 材料黏附於顆粒上且複數個顆粒黏附在_起以產生經燒結 聚結微粒；及v)自該爐中回收該等經燒結聚結微粒。較佳 地’該等經燒結聚結微粒具有等於或小於約1.6克/立方公 I14021.doc -23- 分之鬆散填充密度。 本文用來製備聚結塊之製程之一實例中，在燒製顆粒 及黏合材料之初始混合物之前對該混合物實施聚結以便產 生被稱為「未處理聚結塊」或「預燒製聚結塊J之相對較 弱機械結構。在該實例中，該研磨顆粒及黏合材料可藉由 多種不同工藝(例如)在盤式造粒機中以未處理狀態實施聚 結，且然後加至旋轉煆燒設備中進行燒結。於連續或間歇 製程t，該等未處理聚結塊可置於經燒製盤或搁架上並在 爐中燒製而不翻轉。 將該研磨顆粒傳送至流化床中，然後用包含黏合材料之 液體進行潤濕以將該黏合材料黏附於顆粒上，薛選聚結塊 尺寸，且然後在爐或煆燒設備中實施燒製。 盤式造粒可如下實施：將顆粒添加至混合缽中，且將包 :黏合材料(例如，水、或有機黏合劑及水)之液體組份： 量至該顆粒上，同時混合以使其聚結在一起。將視情況含 有有機黏合劑之黏合材料之液體分散液喷塗於該顆粒上， 且然後可使該經塗佈之顆粒混合以形成聚結塊。 低麼擠麼設備可用來將顆粒及黏合材料之毁料擠壓成各 種尺寸及形狀’對其實施乾燥以形成聚結塊。漿料可由該 等黏合材料及顆粒與有機黏♦劑溶液製《，且使用美國專 利第4,393，G21號（其教示内容以引用方式全部併人本文中） 中所揭示之設備及方法將其擠壓成所期望之形狀（例如細 絲狀粒子）。 在-乾燥造粒製程中，可對由埋置於黏合材料之分散液 114021.doc •24· 或漿料中之研磨顆粒製成之片或塊實施乾燥且 滚筒壓製機來粉碎顆粒與黏合材料之複合材料 燥且然後可使用 一方法中，可將黏合材 中且（舉例而言）以美國 以引用方式全部併入本 勿以形成精確形狀及尺 在製備未處理或前體聚結塊之另一方法

在本文用於製備聚結塊之製程之第二實例中， 將顆粒及 黏合材料（視情況含有有機黏合劑）之簡單混合物（較佳大體 均句混合物）加至旋轉煆燒設備中（參見，舉例而言，美國 專利第6,679,758號)。α㊣定rpm且沿預定斜坡翻轉該混合 物，同時施加熱。當該黏合材料混合物受熱、熔化、流動 且黏附於顆粒上時形成聚結塊。在進料之受控速率及體積 及施加熱的情況下同時實施燒製及聚結步驟。通常設置該 進料速率以得到佔該旋轉煆燒設備之管（即，爐部分）之約 8%至12%(以體積計）的給料流。選擇暴露於該設備内之最 大溫度以將呈液態之黏合材料之黏度保持在至少約1，〇〇〇 泊之黏度《此可避免該黏合材料過度流動至該管表面上及 黏合材料自該研磨顆粒之表面上損失。可在單製程步驟或 在兩分離步驟中（較佳在單製程步驟中）實施用於聚結及燒 製該等聚結塊之聚結製程。 適且旋轉浪燒機器可得自Harper International，Buffalo, Ν·Υ· ’ 或得自 Alstom Power公司、Applied Test Systems公 司及其他設備製造商。該設備視情況可配有電子過程控制 114021.doc • 25· 及檢測裝置、冷卻系統 裝置。 研二：：固化(例如約自約80至約5。。。〇黏合材料聚結 =粒時’可使用配有旋轉乾燥器的旋轉爐設備。該旋 轉乾挺器將熱空氣供應至該管的排氣端以加熱該研磨顆粒 混合物，從而固化該黏合材料並使其黏結於顆粒上且從 而當自設備中收集該研磨顆粒時對其實施聚結。本文所用

術語「旋轉炮燒爐」係由此等旋轉乾燥器裝置來例示。 在本文用於製備聚結塊之製程之第三實例中，將研磨顆 粒、黏合材料及有機黏合劑系統之混合物在未預聚結之情 況下加至爐中並進行加熱。將該混合物加熱至足夠高之溫 度以使該黏合材料溶化、流動且黏附於顆粒上，然後冷卻 以製備複合材料。將該複合材料粉碎並篩選以製備該等瘦 燒結聚結塊。

各種設計的進料設備及其他可選 在第四實例中，在製備研磨工具之前不㈣等聚結塊實 包燒、’。巾疋將該等「未處理」聚結塊與黏結劑材料一起 模製以形成工具主體，對該主體實施燒製以形成研磨工 具°在實施該製程之—較佳方法中，使用高黏度（當溶化 時形成液體）玻璃化黏合材料來聚結呈未處理狀態之顆 粒對該等未處理聚結塊實施烘爐乾燥且使其與第二（較 較低黏度）玻璃化黏結組合物混合並模製成未處理研磨 〃之形式。在有效熔融高黏度玻璃化黏合材料但避免其 抓動之溫度下對該未處理工具實施燒製。選取該燒製溫 又使之同至足以將該黏合材料組合物熔融為玻璃；藉此 】14021.doc • 26 - 聚結该顆粒，且高至足以使該黏結劑組合物流動、黏結該 等聚結塊並形成該工具。選擇不同黏度材料及具有不同熔 融或熔化溫度之材料來實施此製程並非關鍵。在此工藝中 可使用業内所習知之黏合材料及黏結劑材料之其他組合用 於自未處理-狀態聚結塊製備研磨工具。 本發明之經黏結研磨工具通常包括任一類型的習用研磨 產品。此等習用研磨產品之實例包括磨削砂輪、切割砂輪 及珩磨油石，其由黏結組份及研磨顆粒之摻和物或細絲狀 溶膠-凝膠研磨顆粒之聚結塊組成，如上所述。製備經黏 結研磨工具之適宜方法揭示於美國專利第5,129,919號、第 5,738,696號及第5,738,697號中，其教示内容以引用方式全 部併入本文中。 本發明中可使用通常使用於研磨物件中之任一黏結劑。 黏結劑及磨料之量通常在該工具之自約3%至約25%黏結劑 及約10%至約70%研磨顆粒（以體積計）之間變化。較佳 地’該研磨顆粒之摻和物以該工具之約1〇%至6〇%、更佳 約20%至52%(以體積計）之量存在於該經黏結研磨工具 中同樣’ S使用不摻有經聚結研磨微粒之細絲狀溶膠· 凝膠研磨顆粒之聚結塊時，細絲狀溶膠_凝膠研磨顆粒之 聚結塊之量以該工具之約10%至6〇%、更佳約2〇%至 52%(以體積計）之量存在於該經黏結研磨工具中。黏結劑 之較佳量可端視該研磨工具所使用黏結劑類型而變化。 在一實施例中，可使本發明研磨工具與樹脂黏結劑黏 結。適宜樹脂黏結劑包括酚醛樹脂、脲醛樹脂、三聚氛胺 114021.doc •27- 甲醛樹脂、尿烷樹脂、丙烯酸樹脂、$酯樹脂、胺基塑膠 樹脂、環氧樹脂、及其組合。適宜樹脂黏結劑之實例及製 造此等黏結劑之工藝可發現於（舉例而言）美國專利苐 6’251，149 號、帛 6,015,338 號、帛 5 976,2〇4 號第 5,827,337號、及第3,323,885號中，其教示内容以引用方式 全部併入本文中。通常，該等樹脂黏結劑以約3%至 48%(以體積計）之量納入研磨工具之組合物中。視情況， 可將添加劑（例如纖維、磨削助劑、潤滑劑、潤濕劑 '表 面活性劑、顏料 '染料、抗靜電劑（例如，碳黑、氧化 釩、石墨、等）、偶聯劑（例如，矽烷、鈦酸鹽、錯鋁酸鹽 等）、增塑劑、懸浮劑及諸如此類）進一步添加至該等樹脂 黏結劑中。該等添加劑之典型量係工具之約〇%至7〇%(以 體積計）。 在另一實施例中，該工具之黏結組份包括選自由陶瓷材 料、玻璃化材料、玻璃化黏結組合物及其組合組成之群之 無機材料。適宜黏結劑之實例可發現於美國專利第 4,543，107 號、第 4,898,597 號、第 5,2〇3,886 號、第 5,025,723 號、第 5,401，284 號、第 5,〇95,665 號、第 5,711，774號、第 5,863,308 號、及第 5 〇94 672號中，其所 有教示内容以引用方式全部併入本文中。舉例而言，適用 於本發明之玻璃狀黏結劑包括使用於熔融氧化鋁或溶膠_ 凝膠氧化鋁研磨顆粒之習用玻璃狀黏結劑。此等黏結劑闡 述於美國專利第5,203,886號、第5,4〇ι，284號及第 5,536,283號中。該等玻璃狀黏結劑可在相對較低溫度（例 114021.doc •28· 1321079 如，約850°C至1200°C)下進行燒製。適用於本發明之其他 玻璃狀黏結劑可在低於約875 °C之溫度下進行燒製❶該等 黏結劑之實例揭示於美國專利第5,863,308號中。較佳地， 本發明中使用可在介於約850°C與約1200eC之間之溫度下 實施燒製之玻璃狀黏結劑。在一具體實例中，該玻璃狀黏 結劑係鹼性矽酸硼氧化鋁（參見，舉例而言，美國專利第 5,203,886號、第 5,025,723 號及第 5,711，774號）。 該等玻璃狀黏結劑通常以小於約2 8 % (以體積計）之量納 入研磨工具之組合物中，例如其量在約3與約25體積％之 間，在約4與約20體積％之間，及在約5與約185體積。/〇之 間。 視情況，研磨工具之黏結組份及包括第一及第二黏合材 料之黏合材料可包括相同類型的黏結劑組合物，例如包含 SiCh、Βζ〇3、Ah〇3、鹼土金屬氧化物及鹼金屬氧化物之 經燒製我化物組合物之玻璃化黏結組合物。 結合經聚結研磨顆粒之細絲狀溶膠_凝膠研磨顆粒、或 與或不與經聚結研磨顆粒微粒摻和之細絲狀溶膠·凝膠研 磨顆粒之聚結塊可允許製備具有冑度多孔及可滲透結構之 況，習用孔誘導介質（例如

本發明之經黏結研磨工具較佳包含自 經黏結研磨工具。然而，視情況， 中空玻璃念珠、固體玻璃念珠、中 約0.1 %至約80%孔 114021.doc -29- 叫079 隙（以體積計）。更佳地，其包含該工具之自約35°/。至約 80%、且甚至更佳其包含該工具之自約4〇%至約68體積 當使用樹脂黏結劑時，在（例如）介於約6 0 °C與約3 0 0 之間之溫度下固化研磨顆粒及樹脂黏結劑組份之經結合換 和物以製備樹脂質研磨工具。當使用玻璃狀黏結劑時，在 (例如）介於約600°C與約1350°C之間之溫度下固化研磨顆粒

與玻璃狀黏結組份之經組合摻和物以製備玻璃化研磨工 具。 當使用玻璃狀黏結劑時，通常藉由為彼等熟習此項技術 者所習知之方法對該等玻璃化研磨工具實施燒製。燒製條 件主要由所使用實際黏結劑及磨料來確定 氣氛或在空氣甲實施。在某些實施例中， 中燒製該等經組合組份。本文所用短語「 係才曰自環境獲得而未處理之空氣。 。燒製可在惰性 在環境空氣氣氛 環境空氣氣氛」

艰成研磨工具（例如砂輪 抬钿„ ^ ▲ …浴々汉铕如此類）之 i製=製製程可藉由業内所習知之方法來實施。舉例而 ==國專利第6,609,963號（其教示㈣μ μ μ 文1^)t教不一種此適宜方法β 納！I他=組份藉由機械摻和組合。如業内所習知，可 奶八具他成分，例如， 在單個步驟中使組份組：:視,合劑。可依序或 去除在摻和期間已形成之心：’可筛選所得混合物以 將該混合物置於適宜模具中來壓製。通常使用成形柱塞 114021.doc 來封閉該混合物。在一實例中，模製該等組合組份並壓製 成適用於磨削砂輪緣之形狀。壓製可藉由任一適宜方法 (例如藉由冷壓或藉由熱屋）來實施，如專利第6,6〇9,963號 中所述。避免粉碎該等中空體之模製及壓製方法較佳。 冷壓較佳且通常包括在室溫下施用足以使模具組件保持 在一起之初始壓力。 當使用熱壓時，在燒製之前以及期間施用壓力。或者， 在物件自熔爐中取出後將壓力施用於模製組件中，此被稱 為「熱精壓」。 在其中使用中空體之某些實施例中，較佳至少9〇0/〇(以重 量計）該等中空體在模製及壓製之後保持完好。 自模具中取出該研磨物件並對其進行空氣冷卻。在後續 步驟中，可根據標準規範使修整該經燒製工具之邊緣且實 施抛光’且然後在使用之前進行速度測試。 本發明之研磨工具適用於磨削所有類型的金屬，例如包 括不銹鋼、鑄鋼及硬質工具鋼之各種鋼；鑄鐵，例如延展 性鑄鐵，可煆鑄鐵、球墨鑄鐵、冷鑄鐵及組件鑄鐵；及金 屬士絡、敛及鋁。具體而言，本發明之研磨工具適用於 其中與工件有大的接觸面積之磨削應用（例如蠕動進給、 齒輪及表面磨削）且尤其其中使用難以磨削及熱敏材料（例 如基於鎳之合金）之磨削應用中。 藉由下列實例進一步闡述本發明，該等實例並非意欲具 有限制性。 範例 114021.doc •31 · 實例1製備含有兩種聚結塊原料之摻和物之研磨砂輪 製備細絲狀溶膠-凝膠研磨顆粒之聚結塊及經聚結研磨 顆粒微粒之各種組合物來用於實驗研磨磨削砂輪，如表i 中所述。本文「TG2」表示得自Worcester, ΜΑ之Saint> Gobain Abrasives之細絲狀經接種溶膠_凝膠氧化鋁研磨顆 粒樣品。購自同一公司之N〇rt〇n® 38A熔融氧化鋁研磨顆 粒用作經聚結研磨顆粒微粒（下文為r 38A」）。 用丁G2顆粒對38A顆粒聚結塊之不同比率來調配一組實 驗砂輪。下文將含有細絲狀溶膠-凝膠氧化鋁研磨顆粒或 其聚結塊與經聚結研磨顆粒微粒之摻和物之此等砂輪稱為 「經聚結顆粒-TG2」型砂輪。用1〇、％、5〇及75重量％ TG2及相應地90、70、50及25重量％ 38A顆粒之總量製備 四種經聚結顆粒-TG2砂輪（20)至（23)。該等砂輪由兩種聚 結塊原料製成： a) 存在於3重;g： %黏合材料c(Binding Material C)中之75 重量％ TG2(8:1縱橫比）及25重量❶/〇具有120網目尺寸之 38A(38A-120)之聚結塊，黏合材料c闡述於美國專利 第6,679,75 8 B2號之表2中（經燒製組合物包括71重量〇/〇 玻璃形成劑（Si〇2+B2〇3) ; 14重量％ α1203 ; <〇·5重量 %鹼土金屬RO(CaO、Mg〇) ; 13重量％鹼金屬 R2〇(Na20、K20、Li2〇) ’比重係2 42克/立方公分且 在1180°C下黏度（泊）為345);及 b) 存在於3重量％黏合材料C中之具有60網目尺寸之38八 聚結塊（38A-60)。 114021.doc -32- 1321079 屌料a)包含75重量。/。具有8〇網目尺寸之TG2顆粒及乃重量％ 具有120網目尺寸之熔融氧化鋁38A顆粒（38Ai2〇)之聚結 塊。原料b)包含具有6〇網目尺寸之熔融氧化鋁38a顆粒 (38A 60)聚結塊。對於每一種原料，3重量％黏合材料匸係 用作黏β材料。聚結塊幻及b)在一旋轉爐中藉由美國專利 第M79,75 8 B2號之實例5中所述之方法來製備，只是在 11 50 C下操作該爐。附圖顯示75重量％ TG2與25重量〇/〇 38A-120之摻和物用3重量％黏合材料c聚結之聚結塊4的 掃描式電子顯微_]\4)圖>{。如圖中所*，38Α·12〇之良好 粒度產生該細絲狀TG2顆粒之良好顆粒覆蓋。 隨後藉由改變聚結塊“與…之摻和物比率來得到本發明 研磨顆粒之四種不同摻和物，如表丨中所總結。 表1_用於研磨工具（20)至（23)之研磨顆粒摻和物 樣品 編號 TG2/(TG2 +38A)，重量％ (75重量％ TG2+25 重量％ 38A-120)+3重量。/。黏合材料匸 38A-60+3 重量 °/〇黏合材料C (23) 10 13 87 (22) 30 40 60 (21) 50 67 33 (20) 75 100 --- 0 然後藉由混合研磨顆粒及聚結塊與黏合材料並將該混 合物模製成砂輪並在95代下燒製該模製砂輪來構造具有 最終尺寸2〇"Xl"X8"(5().8公分Χ2.5公分徵3公分）之磨削砂 輪。使用聚結塊切割-12/+盤（美國標準筛網目尺寸；保持 5^結塊小於12網目）。 114021.doc •33 · 作為對照，藉由美國專利第6,679,758 B2號之實例7中所 述之方法製備採用100% 3 8A-120之習用聚結塊作為磨料之 砂輪（樣品（24))。 其他標準砂輪（27)及（28)使用分別包括100% 38A-l2〇之 非聚結塊及100% 38A-60之非聚結塊之磨料’且標準砂輪 (25) 及（26)使用分別包括1〇〇% TG2-80之非聚結塊及TG2-120之非聚結塊之磨料。該等標準砂輪係可得自Saint_ Gobain Abrasives公司’ Worcester, ΜΑ且以在表2中指出的 各自之市售砂輪名稱出售之市售產品。下文’將採用習用 聚結塊（例如38Α聚結塊）之該等砂輪稱為「經聚結顆粒控 制砂輪」。類似地，下文將採用習用細絲狀溶膠·凝膠研磨 顆粒（例如TG2顆粒）之該等砂輪稱為「TG2砂輪」。 實例2.實例1之研磨砂輪之機械性質 Α.彈性模數（Emod) 所有與Emod有關之數據使用Grindosonic機器藉由J. Peters之「Sonic Testing of Grinding Wheels」’心vawca ζ·« Machine Tool Design and Research, Pergamon Press， 1968 年中所述之方法來量測。 經聚結顆粒-TG2砂輪（20)至（23)之物理性質示於下表2中 且使其與標準經聚結顆粒砂輪（24)、標準TG2砂輪（25)及 (26) 、及習用標準砂輪（27)及（28)進行比較。如表2中所 示，標準TG2砂輪（25)及（26)之彈性模數與標準38A-60砂 輪（28)之彈性模數類似。標準TG2砂輪（26)之彈性模數在彼 等所測試之砂輪中為最高值。與TG2砂輪（25)及（26)相比， -34· 114021.doc 1321079 經聚結顆粒砂輪（24)之特徵為其彈性模數極其出乎意料地 下降高達約40%。令人感興趣的是，經聚結顆粒·τ〇2砂輪 (20)至（23)之彈性模數介於較TG2砂輪（25)及（26)之彼等低 37至42%之間。值得注意的是經聚結顆粒_TG2砂輪（2〇至 23)之彈性模數並不隨TG2/38A比率顯著變化，仍保持與經 聚結顆粒砂輪（24)之彈性模數接近。 表2.實例1之研磨砂輪之特性 輪 (砂輪中研磨摻 和物之重量％) 砂輪成分體積％ 經燒製 彈性 模數 (GPa) 斷裂 模數 (MPa) 硬度 (喷砂處 理)e Aggl_ Abra. Bond6 孔隙 密度克/ 立方 公分 比較砂輪(25) TG2-80 E13 VCF30 N/A 38 6.4 55.6 1.67 23.5 23 1.61 比較砂輪(26) TG2 120-E13 VCF30 N/A 36.2 8.2 55.6 1.66 24.2 21.0 1.46 (20)75% TG2 38 36.2 8 2 55.6 1.63 14.5 14.6 2.81 (21)50% TG2 38 36.2 8.2 55.6 1.64 13.8 16.5 2.32 (22)30% TG2 38 36.2 8.2 55.6 1.64 14.3 17.9 2.32 (23)10% TG2 38 36.2 8.2 55.6 1.64 15.2 21.2 2.81 比較砂輪(27) 38A120-E13 VCF20 N/A 36.2 8.2 55.6 1.67 15.9 28 2.90 比較砂輪(24)100% 38A120 38 36.2 8.2 55.6 1.64 14.9 24.6 2.84 比較砂輪(28) 38A60-K75 LCNNa N/A 38.4 7.7 53.9 1.75 23.5 N/A 1.35 比較砂輪係得自Saint-Gobain Abrasives公司（Norton公司） 114021.doc -35- 之市售產品且以所指出的各 6 目的文子數子砂輪名稱出售。 採用聚結塊之砂輪$奴έ士才丨k儿 y輪之點結劑的體積％值包括使用於該等顆 粒上以製備該等聚社垃夕成枯知A 寸稍 ，-。鬼之玻璃黏合材料加該砂輪黏結 體積％。 ⑷爻 聚結顆粒比較砂輪 °喷砂處理值表明該等實驗砂輪較非經 25、26及 28軟。 B·斷裂模數丨]ytOI^ 藉由使用具有4'點彎曲夾具之Instr〇n®型mts η。機械 測試機器（支擇跨距為3"、負載跨距為貞載速率為 〇·050,7分鐘十字頭速度）’測定實们樣品（20)至（27)之棒 之斷裂模數。該等量測藉由將力施用於樣品直至其斷裂且 記錄在此斷裂點上之力來實施。結果總結於上表2中。由 表2中可以看出’經聚結顆粒砂輪（24)通常具有與標準產品 (25)、(26)及(27)極其類似之斷裂模數。通常，在經聚結顆 粒-TG2產品（2〇)至（23)中可觀察到較該等標準產品為低之 斷裂模數（參見表2卜儘管除經聚結顆粒_TG2砂輪（23)外經 聚結顆粒-TG2砂輪（20)至（22)之M〇R數據較標準砂輪 (25)、（26)及（27)之彼等相對低，但其較在採用38A 6〇聚結 塊之習用經聚結顆粒砂輪上所量測之丨3至丨6 Μρ&之河〇&相 對高（參見WO 〇3/〇86,7〇3之表6_2)。因而，經聚結顆粒_ TG2砂輪（20)至（23)之M0R數據仍足以為磨削作業提供足 夠的機械強度，如下文實例3中所述。 於經聚結顆粒-TG2砂輪（20)至（23)上所觀察到之斷裂模 數之下降應歸於該等經聚結顆粒_TG2砂輪較其指定成分預 11402 丨.doc -36 · 丄 期中為軟之事實。據信表2中所示之經燒製密度下降係由 於缺乏收縮。此密度下降亦表明相對於具有同樣體 分但不用經聚結顆粒製備之對照砂輪（即，體積％顆粒、點 結劑及孔達總數1G0%)而言，該等經聚結顆粒·tg2砂輪在 熱處理期間抗收縮。該等經聚結顆粒观砂輪之該特徵表 明在研磨輪製造及拋光作業中具有顯著的潛在優點。 在不損害機械強度（斷裂模數）之情況下已達成的本發明

經聚結顆粒-TG2砂輪之相對低剛度（e_模數）極為獨特且出 人意料。 C.速度測試/爆裂速度 機械強度性能通常決定複合材料在磨削作業中是否可用 作經黏結研磨工具。對於玻璃化砂輪而言，採用一關聯以 使複合材料測試棒之機械強度（斷裂模數）與產生彼同一複 合材料失效之旋轉拉伸應力聯繫起來。因此，由測試棒所 篁測之斷裂模數可提供藉助與該測試棒相同之調配物藉由 相同製程所製備之磨削砂輪之爆裂速度的快速及準確估 計0 磨削砂輪之爆裂速度測試可根據闡述於ANSI心扣乜以 1-1988( 1995年）中之標準化測試直接量測。 S用緩進給磨削作業傳統上在6500 sfpm(33米/秒）下操 作磨削砂輪，且最大操作速度為約8500 sfpm(43.2米/秒）。 所有經聚結顆粒_TG2砂輪（2〇)至（23)之爆裂速度測試值完 全可適合用於緩進給磨削作業中。 實例3·實例研磨砂輪之磨削性能 114021.doc -37· 1321079 在緩進給磨削作業中對照推薦使用於緩進給磨削作業中 之比較市售砂輪（25)、（26)及（27)對實例〗之經聚結顆粒 TG2砂輪（20至23)進行測試。亦將經聚結顆粒砂輪（24乂實 驗室樣品）及得自 Saint-Gobain Abrasives公司，w〇rcester， ΜΑ之市售經聚結顆粒砂輪（29)作為對照砂輪進行測試。 缓進給磨削係-通常使用於高材料去除及燃燒敏感材料 之低壓磨削（大接觸表面）應用。三個主要產品特性使得緩 進給砂輪磨削更佳·· i)低磨削功率；Η)低燃燒敏感性，·及 111)低磨光補償。降低磨削功率可使磨削在更高去除速率 下進行。降低燃燒敏感性亦可使磨削在更高去除速率下進 行。降低磨光補冑同時保持高去除速率且無燃燒可使砂輪 壽命延長。 使用於緩進給磨削測試之所有砂輪皆具有相同的尺寸大 小20x1x8 ，且藉助Hauni_B1〇hm pr〇fimat 41〇實施測試。 實施楔形磨削測試，其中該工件相對於於其上安裝該工件 之機器滑塊以較小角度(〇 〇5。)傾斜。當該磨削自開始至結 束行進時，此幾何形狀可增加切割深度、增大材料去除速 率且增加碎片厚度β在該等磨削運行中切割深度之連續 增加提供了在該塊長度上（8英忖（2() 3公 率(議)的連續增加1而，在單次運行中於-系列= 下收集磨削數據。換形測試中砂輪性能之評估進一步借助 於轉轴功率及磨削屋力之電子量測及記錄。產生不可㈣ 之結果（例如磨削燃燒和砂輪斷裂）之條件（金屬去除速率 (MRR) '碎片厚度等）的精麵定有利於砂輪性質之定性及 114021.doc •38- 1321079 相關產品性能之專級評定。 用於楔形緩進給磨削測試之標準磨削條件： i) 機器：Hauni-Blohm Profimat 4 1 0 ϋ) 模式：楔形緩進給磨削 iii) 砂輪速度：每分鐘5500表面英尺（28米/秒） iv) 工作臺速度：自5至17.5英吋/分鐘（12.7至44.4公 分/分鐘）變化 v) 冷卻劑：Master Chemical Trim E210 200，在去 離子井水中濃度為1 〇〇/〇，72加侖/分鐘（272公升/ 分鐘） vi) 工件材料：Inconel 718(42 HRc) (vii) 磨光模式：旋轉金剛石，連續 (viii) 磨光補償：1〇、2〇或6〇微英吋/轉（〇 25、〇 5或 1 ‘5微米/轉） (ix) 速度比率：+0.8。 用於槽口緩進給磨削測試之標準磨削條件 Ο 機器：Hauni-Blohm Profimat 410 i〇 模式··槽口緩進給磨削 in)砂輪速度：每分鐘5500表面英尺（28米/秒） 1V)·工作臺速度：自5至17.5英吋/分鐘（12.7至44.4公 分/分鐘）變化 ν)冷卻劑.Master Chemical Trim Ε210 200，於去 離子井水中濃度為10%，72加命/分鐘（272公升/ 分鐘） 114021.doc •39· 1321079 vi)工件材料：Inconel 7l8(42 HRc) (vii) 磨光模式：旋轉金剛石，連續 (viii) 磨光補償：15微英吋/轉 (ix) 速度比率：+0.8。 由工件燃燒、粗糙表面光潔度或由損失轉角形狀表示失 效。由於其為連續磨光磨削測試因而不對砂輪磨損進行記 錄。 記錄發生失效時之材料去除速率（最大MRR)。 Α.在20微英吋/轉磨光速率下經聚結顆粒_TG2砂輪之楔形 磨削 表3中總結在20微英吋/轉磨光速率及〇 〇丨英吋初始楔形 切割深度下測試砂輪（20)至（27)之最大磨削速率（MRR)及 比磨削能。在發生失效之前，標準經聚結顆粒砂輪（24)呈 現較TG2砂輪（25)之值低53%的材料去除速率（圖4)。採用 10及30重量。/〇 TG2之經聚結顆粒-TG2砂輪（22)及（23)呈現 與標準經聚結顆粒砂輪（24)之MRR相似之MRR。採用50重 量％ TG2之經聚結顆粒-TG2砂輪（21)呈現與TG2砂輪（25)及 (26)之值極為相似的最大去除速率（分別較TG2砂輪（25)及 (26)之彼等值低約12%及約6%)。非常令人驚奇的是，採用 75重量％ TG2之經聚結顆粒-TG2砂輪（20)在測試輪中呈現 最高MRR值，其較TG2砂輪（25)之值高27%。因而，該等 經聚結顆粒-TG2砂輪之MRR數據表明經聚結顆粒與TG2工 藝之組合具有顯著優點。 該等結果表明經聚結顆粒與TG2工藝之特定組合可使磨 II4021.doc • 40- 1321079 削性能優於TG2工藝之性能。本發明經聚結顆粒-TG2砂輪 優於TG2砂輪之該出人意料之性能使得本發明（即經聚結顆 粒與TG2工藝之組合）成為突破性工藝。 表3.具有20微英吋/轉（μίη/rev)磨光速率及0.01英吋初始楔 形切割深度之磨削測試結果 輪成分 體積％ 最大 MRR° 毫米3/ 秒/毫米 比 磨削 能（焦/ 毫米） MRR 改良對 TG2(%) 失效 模式 Agglo. Abra. 黏結劑6 孔隙 對照砂輪(25)* TG2-80E13 VCF3 N/A 38 6.4 55.6 12.2 29.9 N/A 燃燒 對照砂輪(26)* TG2-120 E13 VGF3 N/A 36.2 8.2 55.6 10.1 33.15 N/A 燃燒 (20) 75% TG2 38 36.2 8.2 55.6 15.45 26.1 27 燃燒 (21) 50°/〇TG2 38 36.2 8 2 55.6 10.7 29.4 -12 燃燒 (22)30% TG2 38 36.2 8.2 55.6 6.5 38.1 -47 燃燒 (23) 10% TG2 38 36.2 8.2 55.6 5.83 - -48 燃燒 對照砂輪(27)* 38A120-E13 VCF2 N/A 36.2 8 2 55.6 5.8 48.1 -53 燃燒 對照砂輪(24)* 100% 38A120 38 36.2 8.2 55.6 5.8 46.95 -53 燃燒 比較對照砂輪係得自Saint-Gobain Abrasives公司（Norton 公司）之市售產品。 £1磨光速率=20微英忖/轉；砂輪速度=5500 sfpm ;初始楔形 切割深度=0.01英吋。 114021.doc 41 1321079 6採用聚結塊之砂輪之黏結劑的體積％值包括使用於顆粒上 以製備該等聚結塊之玻璃黏合材料加該砂輪黏結劑之體積 %。 B.經聚結顆粒-TG2砂輪與習用TG2-砂輪之比較 使經聚結顆粒-TG2砂輪在與實例3之A部分不同之初始 楔形切割深度下之MRR數據與標準TG2砂輪（25)之MRR數 據進行比較（參見表4)。在0.05英吋初始楔形切割深度下得 到表4中之MRR數據。如表4中所示，即使在此不同條件 下，經聚結顆粒-TG2砂輪（20)在測試砂輪中仍具有最高的 最大]^1111值，其較丁02砂輪（25)之值提高43.8%。 表4.具有20微英对/轉（μίη/rev)磨光速率及0_05英叶初始楔 形切割深度之磨削測試結果 砂輪 輪成分 體積％ 最大 MRRa 毫米3/ 秒/毫米 比 磨削 能（焦/ 毫米） MRR 改良對 TG2(%) 失效 模式 Agglo. Abra. 黏結劑b 孔隙 對照砂輪(25)* TG2-80 E13 VCF3 N/A 38 6.4 55.6 12.8 56.3 N/A 燃燒 (20)75% TG2 38 36.2 8.2 55.6 18.4 42.3 +43.8 燃燒 (21)50% TG2 38 36.2 8 2 55.6 10.6 52.2 -18 燃燒 對照砂輪(28)* 38A60-K75 LCNN N/A 38.4 7.7 53.9 8.1 55.1 -37 燃燒 對照砂輪(29)* 100% 38A-60 38 36.4 10.7 52.9 10.2 46.5 -20 燃燒 I14021.doc • 42- 1321079 比較對照砂輪係得自Saint-Gobain Abrasives公司（Norton 公司）之市售產品。 磨光速率=20微英吋/轉；輪速度=55〇〇 sfpm ;初始横形切 割深度=0.0 5英叶。 6採用聚結塊之砂輪之黏結劑的體積％值包括使用於顆粒上 以氡備a玄荨聚結塊之玻璃黏合材料加該砂輪黏結劑之體積 % 〇 C.磨光速率對材料去除速率之影響 磨光速率對材料去除速率之影響亦由TG2、經聚結顆粒_ TG2及標準38A產品來測定》在三個磨光補償速率1〇、2〇 及60微英吋/轉Qin/rev)下實施表5中所示之磨削測試數 據。 標準38 A砂輪（27)之最大去除速率之特徵係隨磨光速率 呈對數變化。相比而言，TG2砂輪（25)使材料去除速率持 續增大，由此允許砂輪用於高生產率應用中。表5中數據 表明經聚結顆粒-TG2砂輪（20)至（23)呈現根據TG2含量自 標準38八砂輪（27)之值至丁02砂輪（25)之值變化之]\41^變 化。具體而言，經聚結顆粒-TG2砂輪（20)及（21)之特徵係 MRR相對於磨光速率呈線性增加，其表明該等砂輪與 輪砂（25)性能相似《應注意經聚結顆粒_TG2砂輪（2〇)在1〇 微英吋/轉之極低磨光速率下呈現較TG2砂輪（25)之MRR值 尚5 8%之MRR值。同樣，應注意經聚結顆粒紗輪（21) 在各種磨光速率（尤其在10微英时/轉及2〇微英叶/轉）下呈 現與TG2砂輪（25)之MRR值極為相似之mrr值。該等結果 U402J.doc •43- 1321079 表明當補償速率降低（舉例而言，在5與10微英吋/轉之間） 時，本發明經聚結顆粒-TG2砂輪之磨削效率較習用TG2砂 輪為面。 表5.磨削測試結果-磨光速率 砂輪 石; Agg. !>'輪成 Abr. ,分體積 黏結劑 V〇 孔隙 最大 MRRa 10微英 吋/轉 毫米3/ 秒/毫米 改良％ 對TG2 最大 MRRa 20微英 吋/轉 毫米3/ 秒/毫米 改良％ 對TG2 最大 MRRa 60微英 吋/轉 毫米3/ 秒/毫米 改良％ 對TG2 對照砂輪(25)* TG2-80E13 VCF3 N/A 38 6.4 55.6 6.2 N/A 12.2 N/A 15.4 N/A (20) 75% TG2 38 36.2 8.2 55.6 9.8 58 15.5 27 25.1 過度 磨損 (21) 50% TG2 38 36.2 8.2 55.6 5.8 -6 10.7 -12 31 轉角 磨損 (22) 30% TG2 38 36.2 8.2 55.6 4.5 -27 6.5 -47 N/A N/A (23) 10% TG2 38 36.2 8 2 55 6 N/A N/A 5.8 -52 N/A N/A 對照砂輪(27)* 38Α120-Ε13 VCF2 N/A 36.2 8.2 55.6 3.9 -37 5.8 -53 7.7 -50

比較對照砂輪係得自Saint-Gobain Abrasives公司（Norton 公司）之市售產品。 a輪速度=5 5 00 sfpm ;初始楔形切割深度=0·05英吋。 έ採用聚結塊之砂輪之黏結劑的體積％值包括使用於顆粒上 以製備該等聚結塊之玻璃黏合材料加砂輪黏結劑之體積 %。 等效項 114021.doc -44- 1321079 雖然已參考本發明較佳實施例具體展示 π 1且闡述了本發 明，但熟習此項技術者應瞭解，在不背離隨附申往專利★ 圍所涵蓋之本發明之範疇情況下可對本發明 作出形式及細 節上之各種改變。 【圖式簡單說明】 該圖係本發明經黏結研磨工具之75% N0rt〇n® TG2研磨 料與25% Norton® 38A研磨顆粒之聚結塊的掃描式電子顯 微（SEM)圖片。 ^ 114021.doc 45-

Claims (1)

1. 正替換頁 第095132197號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(98年10月） 十、申請專利範圍： 1 · 種經黏結研磨工具，其包括： a) 一包括下列物之研磨顆粒摻和物： i)包括具有至少約2:1之長度對載面寬度縱橫比之細絲 狀溶膠-凝勝氧化紹研磨顆粒與非細絲狀之研磨頼粒 之聚結塊；及 “)包括藉由-黏合材料保持三維形狀之複數個研磨顆 粒之經聚結研磨顆粒微粒’該研磨顆粒微粒具有約 之一長度對截面寬度縱橫比； b) 一黏結劑；及 c) 約35體積％至晴積％之孔隙；其中非細絲狀之研磨 顆粒之-總數係以少⑨或等於該擦和物之重量之卿〇 存在於該摻和物中。 2. 如請求们之經黏結研磨工具’其中該經黏結研磨工具 具有可滲透流體流之結構。 3. 如請求们之經黏結研磨玉具，其中該細絲狀溶膠-疑膠 氧化紹研磨顆粒具有至少約4:1之縱橫比且主要包括美有 小於約2微米之尺寸之α氧化鋁昂體。 4. 如咕求項1之經黏結研磨工具，其包括約體積％至μ體 積％總孔隙。 5. 如明求項丨之經黏結研磨工具，其中該總孔隙之至少約 3 0體積％係互連孔隙。 6. 如租求項丨之經黏結研磨工具，其中該等經聚結研磨顆 粒微粒之研磨顆粒包含至少一選自由熔融氧化鋁、非細 114021-981021.doc 獅πΗ日她正鑛頁 :糸狀μ燒結溶膠·凝膠氧魅、經燒結飢土、共炫融氧化 、-氧化錯、經燒結氧化鋁·氧化錘、碳化矽、立方氮化 金剛石、打火石、石榴石、低價氧化硼、氮氧化 鋁、及其組合組成之群之研磨顆粒類型。 7.如請求们之經黏結研磨工具，其中該黏結組份及黏合 材料各自皆獨立包含一有機黏結及一選自由陶_、 破璃化材料 '玻璃化黏結組合物及其組合組叙群之無 機材料之至少其中之一。 8·如請求項7之經黏結研磨工具，其中該黏合材料係包含 =〇2二1〇3、Al2〇3'鹼土金屬氧化物及鹼金屬氧化物之 經燒製氧化物組合物之玻璃化黏結組合物。 ，印求項1之經黏結研磨工具，其中該等經聚結研磨顆 粒微粒具有介於該等經聚結研磨顆粒微粒之該等研磨顆 粒之平均粒度尺寸約兩倍與二十倍之間的尺寸大小。 10. 如請求項9之經黏結研磨工具，其中該等經聚結研磨顆 粒微粒具有介於約200微米與約3,〇〇〇微米之間的直徑。 11. 如相求項1之經黏結研磨工具，其中該聚結塊包含一第 -黏合材料。 12. —種製備經黏結研磨工具之方法，該方法包括下列步 驟： a)形成一研磨料摻和物’該摻和物包括： Ο包含具有至少約2:1之長度對截面寬度縱橫比之細絲 狀溶膠-凝膠氧化鋁研磨顆粒與非細絲狀之研磨顆粒 之聚結塊；及 114021-981021.doc 1321079 11)包括藉由點合材料保持三維形狀之複數個研磨顆粒 之’’二結研磨顆粒微粒，該研磨顆粒微粒具有约1 ·0 之—長度對截面寬度縱橫比，其中非細絲狀之研磨 顆粒之一總數係以少於或等於該摻和物之重量之 5〇°/〇存在於該摻和物中； b) 使該研磨料摻和物與一黏結組份組合； c) 將該研磨料與黏結組份之經組合摻和物模製成包含自 約35體積％至8〇體積％孔隙之成形複合材料；及 d) 加熱該成形複合材料以形成該經黏結研磨工具。 13. 如請求項12之方法，其中該經黏結研磨工具包括約5〇體 積％至75體積％總孔隙，且該總孔隙之至少約3〇體積％係 互連孔隙。 ’ 14. 如請求項12之方法，其中該等經聚結研磨顆粒微粒係經 燒結聚結微粒。 114021-981021.doc