KR101832002B1 - 접합된 연마 휠 - Google Patents

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Abstract

접합된 연마 휠은 결합제 내에 보유된 세라믹 성형된 연마 입자를 포함한다. 세라믹 성형된 연마 입자는 각각의 기저, 상부 및 기저와 상부를 연결하는 복수의 측면에 의해 획정된다. 인접한 측면은 50 마이크로미터 미만의 평균 곡률 반경을 갖는 각각의 측면 에지에서 만난다.

Description

접합된 연마 휠{BONDED ABRASIVE WHEEL}
본 발명은 접합된 연마 용품에 관한 것이다.
접합된 연마 용품은 접합 매체에 의해 서로 접합된 연마 입자를 갖는다. 접합된 연마재는 예를 들어, 석재, 숫돌, 연삭 휠 및 절삭 휠을 포함한다. 접합 매체는 전형적으로 유기 수지이지만, 또한 예컨대, 세라믹 또는 유리(즉, 유리질 접합)와 같은 무기 재료일 수 있다.
절삭 휠은 전형적으로 일반적인 절단 작업을 위해 사용되는 얇은 휠이다. 휠은 직경이 전형적으로 약 2 센티미터 내지 약 100 센티미터이고, 두께가 1 밀리미터(㎜) 미만 내지 수 밀리미터이다. 이들은 전형적으로 분당 약 1000 내지 약 50000 회전의 속도로 작동되고, 예컨대, 금속 또는 유리를 예를 들어, 공칭 길이로 절단하는 작업에 대해 사용된다. 절삭 휠은 또한 "산업용 절삭 톱날"로 알려져 있으며, 예컨대, 주조소(foundry)와 같은 일부 환경에서 "찹 소우(chop saw)"로 알려져 있다. 그들의 이름이 함축하듯이, 절삭 휠은, 예를 들어, 스톡(stock)을 통한 연마에 의해 예를 들어, 금속 로드와 같은 스톡을 절단하기 위해 사용된다.
일 양태에서, 본 발명은 결합제 내에 보유된 세라믹 성형된 연마 입자를 포함하는 접합된 연마재를 제공하며, 각각의 세라믹 성형된 연마 입자는 다각형 기저, 다각형 상부 및 기저와 상부를 연결하는 복수의 측면에 의해 각각 획정되고, 인접한 측면은 50 마이크로미터 미만의 평균 곡률 반경을 갖는 각각의 측면 에지에서 만나고, 접합된 연마재는 접합된 연마 휠을 포함한다.
일부 실시 형태에서, 접합된 연마재는 특정 공칭 등급(specified nominal grade)을 갖는 분쇄된 연마 입자를 추가로 포함한다. 일부 실시 형태에서, 분쇄된 연마 입자는 산업상 인식된 특정 공칭 등급이 세라믹 성형된 연마 입자보다 더 미세한 연마재로 형성된다.
일부 실시 형태에서, 세라믹 성형된 연마 입자는 명목상 절두 삼각형 피라미드를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 세라믹 성형된 연마 입자는 명목상 절두 정삼각형 피라미드를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 세라믹 성형된 연마 입자는 최대 길이 대 두께의 비가 1:1 내지 8:1이다. 일부 실시 형태에서, 세라믹 성형된 연마 입자는 최대 길이 대 두께의 비가 2:1 내지 4:1이다. 일부 실시 형태에서, 각각의 측면은 75° 내지 85°의 범위에서 기저와 각각의 이면각을 독립적으로 형성한다.
일부 실시 형태에서, 세라믹 성형된 연마 입자는 졸-겔 유도된 알루미나 연마 입자를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 세라믹 성형된 연마 입자는 이 위에 무기 입자의 코팅을 갖는다.
일부 실시 형태에서, 접합된 연마 휠은 이의 마주보는 주 표면에 배치된 보강 재료를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 접합된 연마 휠은 마주보는 주 표면을 가지며, 세라믹 성형된 연마 입자 대부분의 경우 기저는 마주보는 주 표면에 실질적으로 평행하게 정렬된다. 일부 실시 형태에서, 결합제는 페놀 수지를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 접합된 연마 휠은 절삭 휠을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 접합된 연마 휠은 중심-함몰형(depressed-center) 연삭 휠(예를 들어, 유형 26, 27, 또는 28 중심-함몰형 연삭 휠)을 포함한다.
바람직하게는, 본 발명에 따르는 접합된 연마 휠(예를 들어, 절삭 휠)은 사용 중에 더 우수한 절단 성능 및/또는 제품 수명을 나타낼 수 있다. 더 날카로운 에지가 높은 초기 절단을 유도할 수 있는데 반해 에지가 사용 중에 빠르게 무뎌지는 것으로 예상될 수 있기 때문에 이러한 성능은 예상치 못한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "성형된 연마 입자"라는 용어는 연마 입자의 적어도 일부가, 전구체 성형된 연마 입자를 형성하는 데 사용되는 몰드 공동에 대응하는 공칭 소정의 형상을 가지며, 그 뒤 성형된 연마 입자를 형성하기 위해 하소 및 소결되는 연마 입자를 말한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이 성형된 연마 입자는 기계적 파쇄 작업에 의해 얻어지는 연마 입자를 배제한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "공칭"은 실제로부터 변화할 수 있는 지정된 또는 이론적인 크기 및/또는 형상이거나, 이로 형성되거나, 또는 이와 관련된 것을 의미한다.
본 발명의 특징 및 이점은 상세한 설명 및 도면뿐만 아니라 첨부된 특허청구범위의 고려시에 추가로 이해될 것이다.
<도 1>
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따르는 예시적인 접합된 연마 절삭 휠의 사시도;
<도 2>
도 2는 선 2-2를 따라 취한 도 1에 도시된 예시적인 접합된 연마 절삭 휠의 단면 측면도;
<도 3a>
도 3a는 예시적인 세라믹 성형된 연마 입자(320)의 개략 상면도;
<도 3b>
도 3b는 예시적인 세라믹 성형된 연마 입자(320)의 개략 측면도;
<도 3c>
도 3c는 도 3b에서 평면 3-3의 단면 상면도;
<도 3d>
도 3d는 도 3c에서 측면 에지(327a)의 확대도;
<도 4>
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따르는 예시적인 중심-함몰형 연삭 휠의 사시도.
상기 도면은 본 발명의 일부 실시 형태들을 기술하지만, 논의에서 알 수 있는 바와 같이 다른 실시 형태가 또한 고려된다. 도면은 일정한 비율로 그려지지 않을 수 있다. 도면 전체에 걸쳐, 유사한 부분을 나타내기 위해 유사한 도면부호가 사용될 수 있다.
이제, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 형태에 따르는 예시적인 접합된 연마 절삭 휠(100)은 절삭 휠(100)을 예를 들어, 전동 공구에 부착시키기 위해 사용되는 중심 홀(112)을 갖는다. 절삭 휠(100)은 세라믹 성형된 연마 입자(20), 선택적인 통상적으로 분쇄되고 일정크기의 연마 입자(30), 및 결합제 재료(25)를 포함한다.
도 2는, 졸-겔 알루미나 기반 세라믹 성형된 연마 입자(20), 선택적인 통상적으로 분쇄된 연마 입자(30) 및 결합제 재료(25)를 도시하는, 선 2-2를 따라 취한 도 1의 절삭 휠(100)의 단면도이다. 절삭 휠(100)은 선택적 제1 스크림(115)과 선택적 제2 스크림(116)을 가지며 이들은 절삭 휠(100)의 마주보는 주 표면에 배치된다.
본 발명에 따르는 접합된 연마 휠은 일반적으로 성형 공정에 의해 제조된다. 성형 중에, 액체 유기물, 분말 무기물, 분말 유기물, 또는 이의 조합의 결합제 재료 전구체가 연마 입자와 혼합된다. 일부 경우에, 액체 매체(수지 또는 용제)가 먼저 연마 입자에 도포되어 연마 입자의 외측 표면을 습윤시키고, 그 뒤 습윤된 입자가 분말 매체와 혼합된다. 본 발명에 따르는 접합된 연마 휠은 압축 성형, 사출 성형 또는 이송 성형 등에 의해 제조될 수 있다. 성형은 열간 또는 냉간 프레싱 또는 당업자에게 공지된 임의의 적합한 방식에 의해 수행될 수 있다.
결합제 재료는 전형적으로 유리질 무기 재료(예를 들어, 비트리파이드(vitrified) 연마 휠의 경우에서와 같이), 금속, 또는 유기 수지(예를 들어, 수지-접합된 연마 휠의 경우에서와 같이)를 포함한다.
유리질 무기 결합제는 상이한 금속 산화물의 혼합물로부터 제조될 수 있다. 이들 금속 산화물 유리질 결합제의 예에는 실리카, 알루미나, 칼시아, 산화철, 티타니아, 마그네시아, 산화나트륨, 산화칼륨, 산화리튬, 산화망간, 산화붕소, 산화인, 등이 포함된다. 유리질 결합제의 특정 예에는 예를 들어, 47.61 중량%의 SiO2, 16.65 중량%의 Al2O3, 0.38 중량%의 Fe2O3, 0.35 중량%의 TiO2, 1.58 중량%의 CaO, 0.10 중량%의 MgO, 9,63 중량%의 Na2O, 2.86 중량%의 K2O, 1.77 중량%의 Li2O, 19.03 중량%의 B2O3, 0.02 중량%의 MnO2, 및 0.22 중량%의 P2O5; 및 63 중량%의 SiO2, 12 중량%의 Al2O3, 1.2 중량%의 CaO, 6.3 중량%의 Na2O, 7.5 중량%의 K2O, 및 10 중량%의 B2O3가 포함된다. 유리질 접합된 연마 휠의 제조 동안에, 분말 형태의 유리질 결합제는 임시 결합제, 전형적으로 유기 결합제와 혼합될 수 있다. 비트리파이드 결합제는 또한 예를 들어, 약 1% 내지 100%의 프릿이지만, 일반적으로 20% 내지 100%의 프릿 정도의 프릿으로부터 형성될 수 있다. 프릿 결합제 중에 사용되는 통상적인 재료의 일부 예에는 장석(feldspar), 붕사(borax), 석영, 소다회(soda ash), 산화아연, 호분(whiting), 삼산화안티몬, 이산화티타늄, 나트륨 규소플루오르화물, 플린트(flint), 빙정석(cryolite), 붕산, 및 이의 조합이 포함된다. 이들 재료는 통상적으로 분말과 같이 서로 혼합되고, 혼합물을 융합시키기 위해 소성되며, 융합된 혼합물은 냉각된다. 냉각된 혼합물은 분쇄되고, 매우 미세한 분말로 선별되어 그 뒤에 프릿 결합제로서 사용된다. 이들 프릿 접합이 완성되는 온도는 이의 화학적 성질에 의존되지만 약 600℃ 내지 약 1800℃ 정도의 범위일 수 있다.
금속 결합제의 예에는 주석, 구리, 알루미늄, 니켈, 및 이의 조합이 포함된다.
유기 결합제 재료는 전형적으로 접합된 연마 휠의 총 중량을 기준으로, 5 중량% 내지 30 중량%, 더욱 전형적으로 10 중량% 내지 25 중량%, 및 더욱 전형적으로 15 중량% 내지 24 중량%의 양으로 포함된다. 페놀 수지가 가장 일반적으로 사용되는 유기 결합제 재료이고, 분말 형태 및 액체 상태 모두로 사용될 수 있다. 페놀 수지가 널리 사용되지만, 예를 들어, 에폭시 수지, 우레아-포름알데히드 수지, 고무, 쉘락(shellac), 및 아크릴 결합제를 포함하는 그 외의 다른 유기 결합제 재료를 사용하는 것은 본 발명의 범위 내에 든다. 유기 결합제 재료는 또한 결합제 재료의 특성을 개선 또는 변경시키기 위해 그 외의 다른 결합제 재료로 개질될 수 있다.
유용한 페놀 수지는 노볼락(novolac) 및 레졸(resole) 페놀 수지를 포함한다. 노볼락 페놀 수지는 산-촉매되며 포름알데히드 대 페놀의 비가 1 미만, 전형적으로 0.5:1 내지 0.8:1임을 특징으로 한다. 레졸 페놀 수지는 알칼리 촉매되며 포름알데히드 대 페놀의 비가 1 이상, 전형적으로 1:1 내지 3:1임을 특징으로 한다. 노볼락 및 레졸 페놀 수지는 화학적으로 개질되거나(예를 들어, 에폭시 화합물과의 반응에 의해), 또는 그들은 비개질될 수 있다. 페놀 수지를 경화하기에 적합한 예시적 산성 촉매는 황산, 염산, 인산, 옥살산, 및 p-톨루엔설폰산을 포함한다. 페놀 수지를 경화하기에 적합한 알칼리 촉매는 수산화나트륨, 수산화바륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 유기 아민, 또는 탄산나트륨을 포함한다.
페놀 수지는 잘 알려져 있으며 상업적 공급원으로부터 쉽게 입수가능하다. 상용 입수가능한 노볼락 수지의 예에는 듀레즈(DUREZ) 1364, 상표명 바르큠(VARCUM)으로 미국 텍사스 애디슨 소재의 듀레즈 코포레이션(Durez Corporation)에 의해 판매되는 2-스텝, 분말형 페놀 수지(예를 들어, 29302), 또는 미국 캔터키 루이스빌 소재의 헥시온 스페셜티 케미컬즈, 인코포레이티드(Hexion Specialty Chemicals, Inc)에 의해 판매되는 헥시온(HEXION) AD5534 레신(RESIN)이 포함된다. 본 발명의 실시에 유용한 상용 입수가능한 레졸 페놀 수지의 예에는 듀레즈 코포레이션에 의해 상표명 바르큠(VARCUM)으로 판매되는 것들(예를 들어, 29217, 29306, 29318, 29338, 29353); 미국 플로리다 바르토우 소재의 애쉬랜드 케미컬 컴퍼니(Ashland Chemical Co)에 의해 상표명 에어로펜(AEROFENE)으로 판매되는 것들(예를 들어, 에어로펜 295); 및 대한민국 서울 소재의 강남 케미컬 컴퍼니 엘티디(Kangnam Chemical Company Ltd)에 의해 상표명 "페노라이트(PHENOLITE)"로 판매되는 것들(예를 들어, 페노라이트 TD-2207)이 포함된다.
유기 결합제 재료 전구체의 경화 온도는 선택된 재료 및 휠 설계에 따라 변화할 것이다. 적합한 조건의 선택은 당업자의 능력 내에 있다. 페놀 결합제에 대한 예시적인 조건은 유기 결합제 재료 전구체를 경화시키기에 충분한 시간 동안 온도를 최대 약 185℃로 가열함으로써 수반되는 실온에서 약 21.9 ㎫(20 톤/4 인치 직경(224 ㎏/㎠))의 인가된 압력을 포함할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 접합된 연마 휠은 결합제 재료 및 연마 입자의 총 중량을 기준으로 약 10 중량% 내지 60 중량%, 전형적으로 30 중량% 내지 60 중량%, 및 더욱 전형적으로 40 중량% 내지 60 중량%의 세라믹 성형된 연마 입자를 포함한다.
알파 알루미나, 마그네슘 알루미나 스피넬, 및 희토류 헥사고날 알루미네이트(rare earth hexagonal aluminate)로 구성된 세라믹 성형된 연마 입자는 예를 들어, 미국 특허 제5,213,591호(세릭카야(Celikkaya) 등) 및 미국 특허 출원 번호 제2009/0165394 A1호(쿨러(Culler) 등) 및 제2009/0169816 A1호(에릭슨(Erickson) 등)에 기재된 방법에 따라 졸-겔 전구체 알파 알루미나 입자를 사용하여 제조될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 알파 알루미나 기반 세라믹 성형된 연마 입자는 다단계 공정에 따라 제조될 수 있다. 요약하면, 방법은 알파 알루미나로 변환될 수 있는 시드형(seeded) 또는 비-시드형(non-seeded) 졸-겔 알파 알루미나 전구체 분산액을 제조하고, 성형된 연마 입자의 원하는 외측 형상을 갖는 하나 이상의 몰드 공동을 졸-겔로 충전하고, 졸-겔을 건조하여 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 형성하고, 몰드 공동으로부터 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 제거하고, 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 하소하여 하소된, 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 형성하고, 그 뒤 하소된, 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 소결하여 세라믹 성형된 연마 입자를 형성하는 단계를 포함한다. 이제, 이 공정은 보다 더 상세히 기재될 것이다.
제 1 공정 단계는 알파 알루미나로 변환될 수 있는 알파 알루미나 전구체의 시드형 또는 비 시드형 분산액을 제공하는 것을 수반한다. 알파 알루미나 전구체 분산액은 흔히 휘발성 성분인 액체를 포함한다. 일 실시예에서, 휘발성 성분은 물이다. 분산액은 몰드 공동을 충전하고 몰드 표면을 복제할 수 있도록 분산액의 점도를 충분히 낮게 하기 위해 충분한 양의 액체를 포함하지만, 나중에 액체를 몰드 공동으로부터 제거하는 것이 엄청나게 비싸지게 할 정도로 많은 액체를 포함해서는 안된다. 일 실시 형태에서, 알파 알루미나 전구체 분산액은 알루미늄 옥사이드 모노하이드레이트(베마이트(boehmite))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, 알파 알루미나 전구체 분산액은 일부 실시 형태에서 30 내지 50 중량%, 또는 40 내지 50 중량%의 고체를 함유한다.
베마이트 이외의 알루미늄 옥사이드 하이드레이트도 사용될 수 있다. 베마이트는 공지의 기술로 제조할 수 있거나 구입할 수 있다. 상용 입수가능한 베마이트의 예에는 모두가 미국 텍사스 휴스턴 소재의 사솔 노스 아메리카, 인코포레이티드(Sasol North America, Inc)로부터 입수가능한 상표명 "DISPERAL(디스퍼랄)", 및 "DISPAL(디스팔)", 또는 미국 뉴저지 플로럼 파크 소재의 바스프 코오포레이션(BASF Corporation)으로부터 입수가능한 "HiQ-40"을 갖는 제품이 포함된다. 이들 알루미늄 옥사이드 모노하이드레이트는 비교적 순수한데, 즉 이들은 모노하이드레이트 이외에 조금이라도 있다면 비교적 작은 하이드레이트상을 포함하며 넓은 표면적을 갖는다.
생성되는 세라믹 성형된 연마 입자의 물리적 특성은 일반적으로 알파 알루미나 전구체 분산액에 사용되는 물질의 유형에 따라 좌우될 것이다. 일 실시 형태에서, 알파 알루미나 전구체 분산액은 겔 상태이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "겔"은 액체 속에 분산된 고체의 삼차원 그물눈 구조이다.
알파 알루미나 전구체 분산액은 개질 첨가제 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 구성되며, 그리고 마그네슘, 아연, 철, 규소, 코발트, 니켈, 지르코늄, 하프늄, 크롬, 이트륨, 프라세오디뮴, 사마륨, 이테르븀, 네오디뮴, 란탄, 가돌리늄, 세륨, 디스프로슘, 에르븀, 티타늄, 및 그 혼합물의 산화물의 전구체가 될 수 있다. 알파 알루미나 전구체 분산액에 존재할 수 있는 이들 첨가제의 구체적인 농도는 당업자에 따라서 달라질 수 있다.
전형적으로 개질 첨가제 또는 개질 첨가제의 전구체를 도입하면 알파 알루미나 전구체 분산액이 겔로 될 것이다. 알파 알루미나 전구체 분산액은 또한 일정 기간에 걸친 열을 적용에 의해 겔로 유도될 수 있다. 알파 알루미나 전구체 분산액은 또한 수화되거나 또는 하소된 산화알루미늄의 알파 알루미나로의 변환을 향상시키기 위한 핵형성제(시딩)를 함유할 수 있다. 본 개시 내용에 적합한 핵형성제는 변환의 핵이 될 알파 알루미나, 알파 산화철 또는 그 전구체, 산화티타늄 및 티타네이트, 산화크롬, 또는 그 외의 다른 재료로 된 미세 입자를 포함한다. 사용되는 경우, 핵형성제의 양은 알파 알루미나의 변환을 일으킬 수 있을 정도로 충분하여야 한다. 이러한 알파 알루미나 전구체 분산액의 핵을 형성하는 것은 슈와벨(Schwabel)의 미국 특허 제4,744,802호에 개시되어 있다.
보다 안정한 하이드로졸 또는 콜로이달 알파 알루미나 전구체 분산액을 제조하기 위해 알파 알루미나 전구체 분산액에 펩타이징제(peptizing agent)가 첨가될 수 있다. 적절한 펩타이징제는 일염기산(monoprotic acid)이거나 또는 초산, 염산, 개미산 및 질산 등의 산 화합물이다. 멀티프로톤 산(multiprotic acid)이 또한 사용될 수 있지만, 이는 알파 알루미나 전구체 분산액을 신속하게 겔로 만들어서 추가의 성분을 취급하거나 그것에 도입하는 것을 어렵게 할 수 있다. 베마이트의 일부 상업적 공급원은 안정한 알파 알루미나 전구체 분산액을 형성하는 것을 도와줄 산 역가(acid titer)(예컨대, 흡수된 개미산 또는 질산)를 함유한다.
알파 알루미나 전구체 분산액은 임의의 적합한 수단에 의해, 예를 들어 펩타이징제를 함유하는 물과 알루미늄 옥사이드 모노하이드레이트를 단순히 혼합함으로써, 또는 펩타이징제가 첨가되는 알루미늄 옥사이드 모노하이드레이트 슬러리를 형성함으로써 형성될 수 있다.
혼합 중에 기포가 발생하거나 공기를 함유하는 경향을 줄이기 위해 소포제 또는 그 외의 적절한 화학약품이 첨가될 수 있다. 필요에 따라서 습윤제, 알콜 또는 커플링제 등의 추가의 화학약품이 첨가될 수 있다. 알파 알루미나 연마 입자는 에릭슨(Erickson) 등의 미국 특허 제5,645,619호에 개시된 것과 같이 실리카 및 산화철을 함유할 수 있다. 알파 알루미나 연마 입자는 라미(Larmie)의 미국 특허 제5,551,963호에 개시된 바와 같이 지르코니아를 함유할 수 있다. 대안적으로 알파 알루미나 연마 입자는 카스트로(Castro)의 미국 특허 제6,277,161호에 개시된 바과 같이 미세구조체 또는 첨가제를 가질 수 있다.
제2 공정 단계는 적어도 하나의 몰드 공동, 바람직하게는 복수의 공동을 갖는 몰드을 제공하는 단계를 포함한다. 몰드은 대체로 평탄한 바닥 표면 및 복수의 몰드 공동을 가질 수 있다. 복수의 공동이 제조 공구에 형성될 수 있다. 제작 공구는 벨트, 시트, 연속 웨브, 윤전 그라비아 롤(rotogravure roll) 등의 코팅 롤, 코팅 롤에 장착된 슬리브, 또는 다이가 될 수 있다. 일 실시 형태에서, 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, 또는 열경화성 재료가 포함된다. 일 실시예에서, 전체 공구는 폴리머 재료 또는 열가소성 재료로 만들어진다. 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 적절한 폴리머 코팅이 금속 공구에 도포될 수 있다.
중합체성 또는 열가소성 공구는 금속 마스터 공구로부터 복제될 수 있다. 마스터 툴은 제조 공구에 요구되는 역상의 패턴을 가질 것이다. 마스터 공구는 제조 공구와 동일한 방식으로 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 마스터 공구는 금속, 예를 들어 니켈로 만들어지며, 다이아몬드 선삭된다. 폴리머 시트 재료는 마스터 공구와 함께 가열될 수 있으며, 그 둘을 함께 가압함으로써 폴리머 재료는 마스터 공구 패턴으로 엠보싱된다. 중합체성 또는 열가소성 재료를 또한 마스터 공구 상으로 압출 또는 캐스팅한 다음 압축할 수 있다. 열가소성 재료를 고형화되도록 냉각하여 제조 공구를 생성한다. 열가소성 제작 공구가 이용되는 경우, 과도한 열이 발생하여 열가소성 제작 공구를 변형시켜서 수명을 제한하지 않도록 주의하여야 한다. 제조 공구 또는 마스터 공구의 설계 및 제작에 관한 더 많은 정보를 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) 및 제6,129,540호(후프만 등)에서 찾을 수 있다.
공동에의 접근은 몰드의 상부 표면 또는 바닥 표면의 개구로부터 할 수 있다. 일부 경우에, 공동은 몰드의 전체 두께에 대해 연장될 수 있다. 대안적으로, 공동은 몰드의 두께의 단지 일부에 대하여 연장될 수 있다. 일 실시 형태에서, 상부 표면은 공동이 실질적으로 균일한 깊이를 갖는 몰드의 바닥 표면에 실질적으로 평행하다. 몰드의 적어도 일 측면, 즉 공동이 형성되는 측면은 휘발성 성분이 제거되는 단계 중에 주위의 대기에 노출된 상태로 남을 수 있다.
공동은 세라믹 성형된 연마 입자를 제조하기 위해 특정 3-차원 형상을 갖는다. 깊이 치수는 상부 표면으로부터 바닥 표면 상의 최저 지점까지의 수직 거리와 같다. 주어진 공동의 깊이는 균일하거나 그 길이 및/또는 폭을 따라서 변할 수 있다. 주어진 몰드의 공동은 동일 형상이거나 다른 형상이 될 수 있다.
제3 공정 단계는 (예를 들어, 종래 기술에 의해) 몰드의 공동을 알파 알루미나 전구체 분산액으로 충전하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 나이프 롤 코터(knife roll coater) 또는 진공 슬롯 다이 코터(vacuum slot die coater)가 사용될 수 있다. 필요한 경우 몰드으로부터 입자를 제거하는 것을 돕기 위해 몰드 이형제가 사용될 수 있다. 전형적인 몰드 이형제는 땅콩유 또는 광유와 같은 오일, 어유(fish oil), 실리콘, 폴리테트라플루오로에틸렌, 아연스테아레이트 및 흑연을 포함한다. 일반적으로, 몰드 이형제가 필요한 경우, 몰드의 단위 면적당 약 0.02 ㎎/㎠(0.1 ㎎/in2) 내지 약 0.46 ㎎/㎠(3.0 ㎎/in2), 또는 약 0.02 ㎎/㎠(0.1 ㎎/in2) 내지 약 0.78 ㎎/㎠(5.0 ㎎/in2)의 몰드 이형제가 존재하도록, 졸-겔과 접촉하는 제조 공구의 표면에 물 또는 알코올과 같은 액체 중의 몰드 이형제, 예컨대 땅콩유가 적용된다. 일부 실시 형태에서, 몰드의 상부 표면은 알파 알루미나 전구체 분산액으로 코팅된다. 알파 알루미나 전구체 분산액은 상부 표면 상으로 펌핑될 수 있다.
다음으로, 스크래퍼(scraper) 또는 레벨러 바(leveler bar)를 사용하여 알파 알루미나 전구체 분산액을 몰드의 공동 내로 완전히 밀어 넣을 수 있다. 공동으로 들어가지 않은 알파 알루미나 전구체 분산액의 잔여분은 몰드의 상부 표면으로부터 제거되어 재활용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 알파 알루미나 전구체 분산액의 적은 부분은 상부 표면에 남을 수 있고, 다른 실시 형태에서는 상부 표면에 실질적으로 분산액이 없다. 스크래퍼나 레벨러 바에 의해 가해지는 압력은 전형적으로 0.7 ㎫ (100 psi) 미만, 또는 0.3 ㎫ (50 psi) 미만, 또는 심지어 69 ㎪(10 psi) 미만이다. 일부 실시 형태에서, 생성되는 세라믹 성형된 연마 입자의 두께의 균일성을 보장하기 위해서 알파 알루미나 전구체 분산액의 노출된 표면은 실질적으로 상부 표면을 넘어서 연장하지 않는다.
제4 공정 단계는 휘발성 성분을 제거하여 분산액을 건조시키는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 휘발성 성분은 빠른 증발 속도에 의해 제거된다. 일부 실시예에서, 증발에 의한 휘발성 성분의 제거는 휘발성 성분의 비등점을 초과한 온도에서 일어난다. 건조 온도에 대한 상한은 흔히 몰드의 재료에 따라서 달라진다. 폴리프로필렌 공구에 있어서, 이 온도는 플라스틱의 융점 미만이어야 한다. 일 실시 형태에서, 약 40 내지 50 % 고체로 된 수분산액 및 폴리프로필렌 몰드의 경우, 건조 온도는 약 90℃ 내지 약 165℃, 또는 약 105℃ 내지 약 150℃, 또는 약 105℃ 내지 약 120℃일 수 있다. 더 높은 온도는 향상된 제조 속도로 이어질 수 있지만, 또한 몰드로서의 그 사용 수명을 제한하는 폴리프로필렌 공구의 열화로 이어질 수도 있다.
제5 공정 단계는 몰드 공동으로부터 결과적인 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 제거하는 단계를 포함한다. 전구체 세라믹 성형된 연마 입자는 몰드에서 이하의 공정들, 즉 몰드 공동으로부터 입자를 제거하기 위한 중력, 진동, 초음파 진동, 진공 또는 가압 공기를 단독으로 또는 조합하여 사용함으로써 공동으로부터 제거될 수 있다.
전구체 연마 입자는 몰드의 외부에서 추가로 건조될 수 있다. 알파 알루미나 전구체 분산액이 몰드 내에서 원하는 수준까지 건조된 경우, 이 추가의 건조 단계는 필요하지 않다. 그러나, 일부 경우에는 알파 알루미나 전구체 분산액이 몰드 속에 있는 시간을 최소화하기 위해 이 추가의 건조 단계를 이용하는 것이 경제적일 수 있다. 전형적으로, 전구체 세라믹 성형된 연마 입자는 50℃ 내지 160℃, 또는 120℃ 내지 150℃의 온도에서 10분 내지 480분, 또는 120분 내지 400분 동안 건조될 것이다.
제6 공정 단계는 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 하소시키는 단계를 포함한다. 하소 동안에, 본질적으로 모든 휘발성 재료가 제거되며, 알파 알루미나 전구체 분산액 중에 존재하는 다양한 성분이 금속 산화물로 변환된다. 전구체 세라믹 성형된 연마 입자는 일반적으로 400℃ 내지 800℃의 온도까지 가열되며, 자유수(free water)와 90 중량%를 초과하는 임의의 결합된 휘발성 재료가 제거될 때까지 이 온도 범위 내에 유지된다. 선택적 단계에서는 함침 공정에 의해 개질 첨가제를 도입하는 것이 바람직할 수 있다. 수용성 염이 함침에 의해 하소된 전구체 세라믹 성형된 연마 입자의 기공 내로 도입될 수 있다. 그 뒤, 전구체 세라믹 성형된 연마 입자는 다시 예비소성된다. 이 선택 사항은 미국 특허 제5,164,348호(우드(Wood))에 추가로 기재되어 있다.
제7 공정 단계는 하소된 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 소결하여 알파 알루미나 입자를 형성하는 단계를 포함한다. 소결 전에, 하소된 전구체 세라믹 성형된 연마 입자는 완전히 치밀화되지 않으며, 따라서 세라믹 성형된 연마 입자로서 사용하는 데 필요한 경도가 부족하다. 소결은 하소된 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 1,000℃ 내지 1,650℃의 온도까지 가열하고, 실질적으로 모든 알파 알루미나 모노하이드레이트(또는 등가물)가 알파 알루미나로 변환되고 다공도가 15 부피% 미만으로 감소될 때까지 이 온도 범위 내에 유지함으로써 이루어진다. 이 수준의 변환을 달성하기 위해 하소된 전구체 세라믹 연마 입자가 소결 온도에 노출되어야 하는 시간 길이는 다양한 인자에 따라서 달라지지만 보통은 5초 내지 48시간이 전형적이다.
다른 실시예에서, 소결 단계의 기간은 1분 내지 90분이다. 소결 후에, 세라믹 연마 입자는 비커스(Vickers) 경도가 10 GPa, 16 GPa, 18 GPa, 20 GPa, 또는 그 초과일 수 있다.
전술한 공정을 변경하기 위해 예를 들어, 재료를 하소 온도로부터 소결 온도까지 급속하게 가열하고, 알파 알루미나 전구체 분산액을 원심분리하여 슬러지 및/또는 폐기물을 제거하는 것과 같은 다른 단계를 사용할 수 있다. 게다가, 이 공정은 필요에 따라 공정 단계들 중 둘 이상을 조합함으로써 변경될 수 있다. 본 발명의 공정을 변경하는 데 사용할 수 있는 종래의 공정 단계들은 레이티져(Leitheiser)의 미국 특허 제4,314,827호에 보다 완전하게 기재되어 있다.
세라믹 성형된 연마 입자를 제조하기 위한 방법과 연관된 더 많은 정보가 동시계속 중의 미국 공개 특허 출원 번호 제2009/0165394 Al호(쿨러 등)에 개시된다.
이제, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 예시적인 세라믹 성형된 연마 입자(320)는 삼각형 기저(321), 삼각형 상부(323) 및 기저(321)와 상부(323)를 연결하는 복수의 측면(325a, 325b, 325c)에 의해 획정된다. 기저(321)는 50 마이크로미터 미만의 평균 곡률 반경을 갖는 측면 에지(327a, 327b, 327c)를 갖는다. 도 3c 및 도 3d에는 측면 에지(327a)에 대한 곡률 반경(329a)이 도시된다. 일반적으로, 곡률 반경이 더 작을수록, 측면 에지가 더 날카로워질 것이다.
세라믹 성형된 연마 입자는 50 마이크로미터 이하의 세라믹 성형된 연마 입자의 기저 및 상부를 연결하는 측면 에지를 따라 곡률 반경을 갖는다. 곡률 반경은 예를 들어, 도립광학 현미경(inverted light microscope)과 인터페이싱된 클레멕스 비젼 PE 이미지 분석 프로그램(CLEMEX VISION PE image analysis program)(캐나다 퀘벡 롱게이 소재의 클레멕스 테크놀로지스, 인코포레이티드(Clemex Technologies, Inc)로부터 입수가능함), 또는 그 외의 다른 적합한 이미지 분석 소프트웨어/설비를 사용하여 상부 표면과 하부 표면 사이에서 취해진 폴리싱된 단면으로부터 측정될 수 있다. 성형된 연마 입자의 각각의 지점에 관한 곡률 반경은 단면에서 보았을 때(예를 들어, 100X 배율로) 각각의 지점의 팁에서 3개의 지점을 한정함으로써 결정될 수 있다. 제1 지점은 직선 에지로부터 곡선의 시작으로의 천이부가 있는 팁의 곡선의 시작점에 배치되고, 제2 지점은 팁의 정점부에 배치되고, 제3 지점은 만곡된 팁으로부터 다시 직선 에지로의 천이부에 배치된다. 이어서 이미지 분석 소프트웨어가 3개의 점(곡선의 시작점, 중간점 및 끝점)에 의해 한정되는 호(arc)를 그리고 곡률 반경을 계산한다. 적어도 30개의 정점부에 관한 곡률 반경이 측정 및 평균되어 평균 팁 반경을 결정한다.
본 발명에서 사용된 세라믹 성형된 연마 입자는 전형적으로, 예를 들어, 스탬핑 또는 펀칭과 같이 그 외의 다른 제조 대체예보다 더 높은 특징 데피니션(feature definition)을 제공하는, 다이아몬드 공구를 사용한 공구(즉, 몰드) 절단을 사용하여 제조될 수 있다. 전형적으로, 공구 표면 내의 공동은 날카로운 에지를 따라 만나는 평면형 면을 가지며, 절두 피라미드의 상부 및 측면을 형성한다. 결과적인 세라믹 성형된 연마 입자는 공구 표면 내에서 공동의 형상(예를 들어, 절두 피라미드)에 대응하는 각각의 공칭 평균 형상을 갖지만, 공칭 평균 형상으로부터의 변형(예를 들어, 임의의 변형)이 제조 중에 발생될 수 있으며, 이러한 변형을 나타내는 세라믹 성형된 연마 입자가 본 명세서에서 사용된 바와 같이 세라믹 성형된 연마 입자의 데피니션 내에 포함된다.
전형적으로, 세라믹 성형된 연마 입자의 기저 및 상부는 실질적으로 평행하여 이에 따라 필수 조건은 아닐지라도 프리즘 또는 절두 피라미드(도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이) 형상이 형성된다. 도시된 바와 같이, 측면(325a, 325b, 325c)은 동일한 치수를 가지며, 약 82°의 기저(321)와 이면각을 형성한다. 그러나, 그 외의 다른 이면각(90°를 포함함)도 또한 사용될 수 있는 것으로 인식될 것이다. 예를 들어, 각각의 측면과 기저 사이의 이면각은 독립적으로 45° 내지 90°, 전형적으로 70° 내지 90°, 및 더욱 전형적으로 75° 내지 85°의 범위일 수 있다.
세라믹 성형된 연마 입자를 지칭하는데 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "길이"는 성형된 연마 입자의 최대 치수를 지칭한다. "폭"은 길이에 수직한 성형된 연마 입자의 최대 치수를 지칭한다. "두께" 또는 "높이"는 길이 및 폭에 수직한 성형된 연마 입자의 치수를 지칭한다.
세라믹 성형된 연마 입자는, 그 외의 다른 길이가 또한 사용될 수 있을지라도, 전형적으로 0.001 ㎜ 내지 26 ㎜, 더욱 전형적으로, 0.1 ㎜ 내지 10 ㎜, 및 더욱 전형적으로 0.5 ㎜ 내지 5 ㎜ 범위의 길이를 갖도록 선택된다. 일부 실시 형태에서, 길이는 그것이 수용되는 접합된 연마 휠의 두께의 부분으로서 표현될 수 있다. 예를 들어, 성형된 연마 입자는 접합된 연마 휠의 두께의 절반보다 큰 길이를 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 길이는 접합된 연마 휠의 두께보다 클 수 있다.
세라믹 성형된 연마 입자는, 그 외의 다른 길이가 또한 사용될 수 있을지라도, 전형적으로 0.001 ㎜ 내지 26 ㎜, 더욱 전형적으로, 0.1 ㎜ 내지 10 ㎜, 및 더욱 전형적으로 0.5 ㎜ 내지 5 ㎜ 범위의 폭을 갖도록 선택된다.
세라믹 성형된 연마 입자는 전형적으로 0.005 ㎜ 내지 1.6 ㎜, 더욱 전형적으로 0.2 ㎜ 내지 1.2 ㎜ 범위의 두께를 갖도록 선택된다.
일부 실시 형태에서, 세라믹 성형된 연마 입자는 적어도 2, 3, 4, 5, 6, 또는 이를 초과하는 종횡비(길이 대 두께)를 가질 수 있다.
세라믹 성형된 연마 입자상의 표면 코팅은 연마 용품 내의 결합제 재료와 세라믹 성형된 연마 입자 사이의 접착을 향상시키기 위해 사용될 수 있거나 또는 세라믹 성형된 연마 입자의 정전 침착을 돕도록 사용될 수 있다. 일 실시 형태에서, 성형된 연마 입자에 대한 0.1 % 내지 2 %의 표면 코팅의 양으로 미국 특허 제5,352,254호(셀릭카야)에 기재된 바와 같이 표면 코팅이 사용될 수 있다. 이러한 표면 코팅은 미국 특허 제5,213,591호(셀릭카야 등); 미국 특허 제5,011,508호(왈드(Wald) 등); 미국 특허 제1,910,444호(니콜슨(Nicholson)); 미국 특허 제3,041,156호 (라우스(Rowse) 등); 미국 특허 제5,009,675호(쿤즈(Kunz) 등); 미국 특허 제5,085,671호(마틴(Martin) 등); 미국 특허 제4,997,461호(마크호프-마테니(Markhoff-Matheny) 등); 및 미국 특허 제5,042,991호(쿤즈 등)에 기재되어 있다. 추가로, 표면 코팅은 성형된 연마 입자가 캡핑(capping)되는 것을 방지할 수 있다. 캡핑은 마모되고 있는 공작물로부터의 금속 입자가 세라믹 성형된 연마 입자의 상부에 융착되는 현상을 설명하는 용어이다. 상기 기능을 수행하는 표면 코팅은 당업자에게 알려져 있다.
접합된 연마 휠은 분쇄된 연마 입자(즉, 연마 산업 특정 공칭 등급 또는 이의 조합에 대응되고 세라믹 성형된 연마 입자의 파쇄로부터 형성되지 않는 연마 입자)를 추가로 포함할 수 있다. 분쇄된 연마 입자는, 필수 조건은 아닐지라도, 전형적으로 세라믹 성형된 연마 입자보다 더 미세한 크기 등급 또는 등급들(예를 들어, 복수의 크기 등급이 사용되는 경우)으로 형성된다.
유용한 분쇄된 연마 입자에는 예를 들어, 미국 미네소타 세인트. 폴 소재의 3M 컴퍼니로부터 상표명 3M 세라믹 어브레이시브 그레인(CERAMIC ABRASIVE GRAIN)으로 상용 입수가능한 것들과 같은 융합된 산화알루미늄, 열 처리된 산화알루미늄, 화이트 융합된 산화알루미늄, 세라믹 산화알루미늄 재료의 분쇄된 입자, 블랙 탄화규소, 그린 탄화규소, 이붕화티타늄, 탄화붕소, 탄화텅스텐, 탄화티타늄 , 다이아몬드, 입방형 질화붕소, 가넷(garnet), 융합된 알루미나 지르코니아, 졸-겔 유도된 연마 입자, 산화철, 크로미아, 세리아, 지르코니아, 티타니아, 실리케이트, 산화주석, 실리카(예컨대, 석영, 유리 비드, 유리 버블 및 유리 섬유) 실리케이트(예컨대, 활석, 점토(예를 들어, 몬모릴로나이트), 장석, 운모, 칼슘 실리케이트, 칼슘 메타실리케이트, 소듐 알루미노실리케이트, 소듐 실리케이트), 플린트, 및 금강사(emery)가 포함된다. 졸-겔 유도된 연마 입자의 예에는, 미국 특허 제4,314,827호(레이테이서(Leitheiser) 등); 미국 특허 제4,623,364호(코트링거(Cottringer) 등); 미국 특허 제4,744,802호(슈바벨(Schwabel)); 미국 특허 제4,770,671호(먼로(Monroe) 등); 및 미국 특허 제4,881,951호(먼로 등)에서 찾아볼 수 있다. 또한, 연마 입자는 예를 들어, 미국 특허 제4,652,275호(브로에쳐(Bloecher) 등) 또는 미국 특허 제4,799,939호(브로에쳐 등)에 기재된 것들과 같이 연마 응집물을 포함할 수 있는 것으로 고려된다.
전형적으로, 종래의 분쇄된 연마 입자는 연마 산업 공인 특정 공칭 등급에 따라 독립적으로 크기가 형성된다. 예시적인 연마 산업 공인 등급 표준은 ANSI(미국 표준 협회(American National Standards Institute)), FEPA(유럽 연마재 생산자 연합(Federation of European Producers of Abrasives)), 및 JIS(일본 산업 표준(Japanese Industrial Standard))에 의해 공표된 것들을 포함한다. 이러한 산업 허용 등급 표준에는 예를 들어, ANSI 4, ANSI 6, ANSI 8, ANSI 16, ANSI 24, ANSI 30, 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, and ANSI 600; FEPA P8, FEPA P12, FEPA P16, FEPA P24, FEPA P30, FEPA P36, FEPA P40, FEPA P50, FEPA P60, FEPA P80, FEPA P100, FEPA P120, FEPA P150, FEPA P180, FEPA P220, FEPA P320, FEPA P400, FEPA P500, FEPA P600, FEPA P800, FEPA P1000, FEPA P1200; FEPA F8, FEPA F12, FEPA F16, 및 FEPA F24;.및 JIS 8, JIS 12, JIS 16, JIS 24, JIS 36, JIS 46, JIS 54, JIS 60, JIS 80, JIS 100, JIS 150, JIS 180, JIS 220, JIS 240, JIS 280, JIS 320, JIS 360, JIS 400, JIS 400, JIS 600, JIS 800, JIS 1000, JIS 1500, JIS 2500, JIS 4000, JIS 6000, JIS 8000, 및 JIS 10,000이 포함된다. 더욱 전형적으로, 분쇄된 산화알루미늄 입자 및 비-시드형 졸-겔 유도된 알루미나-기반 연마 입자는 독립적으로 ANSI 60 및 80, 또는 FEPA F36, F46, F54 및 F60 또는 FEPA P60 및 P80 등급 표준으로 크기가 형성된다.
대안적으로, 세라믹 성형된 연마 입자는 ASTM E-11 "시험 목적용 쇠그물 및 체에 대한 표준 규격(Standard Specification for Wire Cloth and Sieves for Testing Purposes)"에 따른 미국 표준 시험용 체를 사용하여 공칭 선별 등급(nominal screened grade)으로 분류될 수 있다. ASTM E-11은 지정된 입자 크기에 따른 재료의 분류를 위해 프레임에 장착된 짜여진 쇠그물 매체를 사용하여 시험용 체의 설계 및 구성을 위한 요건을 규정하고 있다. 전형적인 명칭은 -18+20으로 나타낼 수 있는데, 이는 세라믹 성형된 연마 입자가 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, 세라믹 성형된 연마 입자는 대부분의 입자가 18 메시 시험용 체를 통과하고 20, 25, 30, 35, 40, 45, 또는 50 메시 시험용 체에 걸려서 유지될 수 있게 하는 입자 크기를 갖는다. 다양한 실시 형태에서, 세라믹 성형된 연마 입자는 -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 선별 등급을 가질 수 있다.
대안적으로, 예컨대, -90+100과 같은 맞춤 메시 크기(custom mesh size)가 사용될 수 있다.
연마 입자는, 예를 들어 접합된 연마 용품에 걸쳐 균일하거나 불균일하게 분포될 수 있다. 예를 들어, 접합된 연마 휠이 연삭 휠 또는 절삭 휠이면, 연마 입자는 중간(예를 들어, 연삭 또는 절삭 휠의 외부 면으로부터 멀리 위치됨)을 향해 집중되거나, 또는 연삭 또는 절삭 휠의 외부 에지에만, 즉 주연부에만 집중될 수 있다. 중심-함몰형 부분은 더 적은 양의 연마 입자를 포함할 수 있다. 다른 변형에서는, 제1 연마 입자가 휠의 일 측면에 있고 마주보는 측면에는 다른 연마 입자가 있을 수 있다. 그러나, 전형적으로 모든 연마 입자는 서로 간에 균질하게 분포되는데, 이는 휠의 제조가 더 쉽고, 절단 효과가 두 유형의 연마 입자가 서로 가까이 위치될 때 최적화되기 때문이다.
본 발명에 따른 접합된 연마 휠은, 다른 구성요소의 중량 범위 요건이 충족되는 것을 조건으로, 상기에 언급된 것들을 넘어 추가의 연마 입자를 포함할 수 있다. 예에는 융합된 산화알루미늄(융합된 알루미나-지르코니아 포함), 브라운 산화알루미늄, 블루 산화알루미늄, 탄화규소(그린 탄화규소 포함), 석류석, 다이아몬드, 입방정형 질화붕소, 탄화붕소, 크로미아, 세리아, 및 그 조합이 포함된다.
일부 실시 형태에서, 연마 입자는 결합제에 대한 연마 입자의 접착을 향상시키기 위해 커플링제(예를 들어, 유기실란 커플링제)로 처리된다. 연마 입자는 결합제 재료로 이들을 조합하기에 앞서 처리될 수 있거나, 또는 연마 입자는 결합제 재료에 대한 커플링제를 포함함으로써 본래의 위치에서 표면처리될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 본 발명에 따르는 접합된 연마 휠은 전형적으로, 부합되는 그 외의 다른 구성물의 중량 범위 요건을 조건으로 하여 1 중량% 내지 25 중량%, 더 전형적으로 10 중량% 내지 20 중량%의 양으로 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌 입자, 크라이올라이트, 염화나트륨, FeS2 (이황화철), 또는 KBF4와 같은 추가 연삭 보조제를 함유한다. 연삭 보조제는 일반적으로 절단 계면의 온도를 감소시킴으로써, 절삭 휠의 절단 특징을 개선하도록 첨가된다. 연삭 보조제는 단일 입자 또는 연삭 보조 입자들의 응집물의 형태일 수 있다. 정밀하게 성형된 연삭 보조제 입자의 예는 미국 특허 공보 제2002/0026752A1호(쿨러 등)에 교시된다.
일부 실시 형태에서, 예를 들어, 결합제 재료는 예컨대, 미국 일리노이 시카고 소재의 유니벌 유에스에이(UNIVAR USA)로부터의 산티사이저(SANTICIZER) 154 플라스티사이저(PLASTICIZER)로서 입수가능한 가소제를 함유한다.
본 발명에 따른 접합된 연마 휠은, 다른 구성요소의 중량 범위 요건이 충족되는 것을 조건으로, 예를 들어 충전제 입자와 같은 추가 성분을 함유할 수 있다. 충전제 입자는 공간을 차지하고/하거나 다공성을 제공하기 위해 첨가될 수 있다. 다공성은 접합된 연마 휠이 새로운 또는 닳지 않은 연마 입자를 노출시키기 위해 사용되거나 또는 마모된 연마 입자를 배출하도록 할 수 있다.
본 발명에 따르는 접합된 연마 휠은 예를 들어, 약 1 체적% 내지 50 체적%, 전형적으로 1 체적% 내지 40 체적%의 임의의 범위의 다공도를 갖는다. 충전제의 예는 기포 및 비드(예를 들어, 유리, 세라믹(알루미나), 점토, 중합체, 금속), 코르크, 석고, 대리석, 석회암, 플린트, 실리카, 규산알루미늄, 및 그 조합을 포함한다.
본 발명에 따른 접합된 연마 휠은 임의의 적합한 방법에 따라 제조될 수 있다. 일 적합한 방법에서, 비-시드형 졸-겔 유도된 알루미나-기반 연마 압자는 경화성 레졸 페놀과 혼합하기에 앞서 커플링제로 코팅된다. 커플링제의 양은 일반적으로 연마 입자의 매 50 내지 84부 당 0.1 내지 0.3부의 양으로 존재하도록 선택되지만, 이 범위 밖의 양 또한 사용될 수 있다. 액체 수지뿐만 아니라 경화성 노볼락 페놀 수지 및 빙정석을 생성된 혼합물에 첨가하였다. 혼합물을 실온에서 몰드(예를 들어, 21.9 ㎫(4 인치 직경 당 20 톤)(224 ㎏/㎠)의 가해진 압력) 내로 가압하였다. 그 뒤, 성형된 휠을 경화성 페놀 수지를 경화하기에 충분한 시간 동안 최대 약 185℃의 온도에서 가열하여 경화시킨다.
커플링제는 연마 분야의 당업자에게 잘 알려져 있다. 커플링제의 예에는 트라이알콕시실란(예를 들어, 감마-아미노프로필트라이에톡시실란), 티타네이트, 및 지르코네이트가 포함된다.
본 발명에 따르는 접합된 연마 휠은 예를 들어, 절삭 휠 및 연마 산업 타입(Type) 27(예를 들어, 문헌 [American National Standards Institute standard ANSI B7.1-2000 (2000) in section 1.4.14]에서와 같이) 중심-함몰형 연삭 휠로서 유용하다.
절삭 휠은 전형적으로 두께가 0.80 밀리미터(㎜) 내지 16 ㎜, 보다 전형적으로 1 ㎜ 내지 8 ㎜이며, 및 전형적으로 직경이 2.5 ㎝ 내지 100 ㎝(40 인치), 보다 전형적으로 약 7 ㎝ 내지 13 ㎝이지만, 그 외의 다른 치수 또한 사용될 수 있다(예를 들어, 직경이 100 ㎝만큼 큰 휠이 알려져 있다). 절삭 휠을 전동 공구에 부착시키기 위해 선택적인 중심 홀이 사용될 수 있다. 만일 존재하면, 중심 홀은 전형적으로 직경이 0.5 ㎝ 내지 2.5 ㎝이지만, 다른 크기가 사용될 수 있다. 임의의 중심 홀이 예를 들어, 금속 플랜지에 의해 보강될 수 있다. 대안적으로, 기계 체결구는 절삭 휠의 한 표면에 축방향으로 고정될 수 있다. 예에는 나사 형성 포스트(threaded post), 나사 형성 너트, 티네르만 너트(Tinnerman nut), 및 바요넷 마운트 포스트(bayonet mount post)가 포함된다.
도 4에는 본 발명의 일 실시 형태에 따르는 타입 27 중심-함몰형 연삭 휠(400)의 예시적인 실시 형태가 도시된다. 중심 홀(412)은 예를 들어, 전동 공구에 타입 27 중심-함몰형 연삭 휠(400)을 부착하는데 사용된다. 타입 27 중심-함몰형 연삭 휠(400)은 세라믹 성형된 연마 입자(20) 및 결합제 재료(25)를 포함한다.
선택적으로, 본 발명에 따르는 접합된 연마 휠, 및 구체적으로 절삭 휠은 예를 들어, 접합된 연마 휠의 하나 또는 둘의 주 표면 상에 배치되거나 또는 접합된 연마 휠 내에 배치된 접합된 연마 휠을 보강하는 스크림(scrim)을 추가로 포함할 수 있다. 스크림의 예는 직조 또는 편직 천을 포함한다. 스크림 내의 섬유는 유리 섬유(예를 들어, 섬유유리), 유기 섬유, 예컨대, 폴리아미드, 폴리에스테르, 또는 폴리이미드로 제조될 수 있다. 일부 경우에, 섬유가 절삭 휠 전체에 걸쳐 균일하게 분산되도록 접합 매체 내에 보강 스테이플 섬유를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에 따른 접합된 연마 휠은, 예를 들어 공작물을 연마하는 데 유용하다. 예를 들어, 이는 공작물에 대한 열 손상을 피할 수 있는 상대적으로 낮은 작업 온도를 유지하는 한편 우수한 연삭 특징을 나타내는 연삭 또는 절삭 휠로 형성될 수 있다.
절삭 휠은 예를 들어, 미국 밀워키 수 소재의 인거솔-랜드(Ingersoll-Rand), 및 도트코(Dotco)로부터 입수가능한 것들과 같은 임의의 직각 연삭 공구상에서 사용될 수 있다. 공구는 일반적으로 약 1000 RPM 내지 50000 RPM의 속도로 전기 또는 공압식으로 구동될 수 있다.
사용 중에, 접합된 연마 휠은 건식 또는 습식으로 사용될 수 있다. 습식 연삭 중에, 휠은 물, 오일-기반 윤활제, 또는 물-기반 윤활제와 함께 사용된다. 본 발명에 따르는 접합된 연마 휠은 예를 들어, 탄소강 시트 또는 바 스톡 및 더욱 이종의 금속(예를 들어, 스테인리스 스틸 또는 티타늄)과 같은 다양한 공작물 재료, 또는 더 연성의 더욱 많은 철을 함유한 금속(예를 들어, 연강, 저합금 강, 또는 주철)에 대해 특히 유용할 수 있다.
본 발명의 목적 및 이점은 하기의 비제한적인 실시예에 의해 추가로 예시되지만, 이들 실시예에 인용된 특정 물질 및 그 양뿐만 아니라 기타 조건이나 상세 사항은 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예
달리 언급되지 않는다면, 실시예 및 명세서의 나머지 부분에서의 모든 부, 백분율, 비 등은 중량 기준이다.
실시예에 사용되는 재료
[표 1]
Figure 112012078201476-pct00001
Figure 112012078201476-pct00002
Figure 112012078201476-pct00003
Figure 112012078201476-pct00004
세라믹 성형된 연마 입자를 제조하기 위해 사용된 몰드의 설명
SAL1, SAL3, SAL4 및 SAL5: 몰드는 모두 3개의 측면의 동일한 길이를 갖는 조밀 성형된 삼각형 공동을 가졌다. SAL1, SAL3, SAL4 및 SAL5를 제조하기 위해 사용된 몰드 공동의 측면 길이는 2.79 ㎜(110 밀)이었다. SAL1 및 SAL4의 경우, 몰드는 몰드 공동이 삼각형의 일 측면과 90° 각도로 교차하는 공동의 바닥 표면으로부터 융기하는 평행한 리지(ridge)를 갖도록 제조되었다. 평행한 리지는 0.277 ㎜(10.9 밀) 이격되었으며, 리지의 단면은 높이가 0.0127 ㎜(0.5 밀)이고 팁에서의 각 리지의 측면들 사이의 각도가 45도인 삼각형 형상이었다. SAL1 및 SAL4의 경우, 측면 벽 깊이는 0.91 ㎜(36 밀)이었다. SAL3 및 SAL5의 경우, 몰드는 몰드 공동이 삼각형의 일 측면과 90° 각도로 교차하는 몰드 공동의 바닥 표면으로 돌출되는 평행한 리지를 갖도록 제조되었다. 평행한 리지는 0.10 ㎜(3.9 밀) 이격되었으며, 리지의 단면은 높이가 0.0032 ㎜(0.126 밀)이고 팁에서의 각 리지의 측면들 사이의 각도가 45°인 삼각형 형상이었다. SAL3 및 SAL5의 경우, 측면 벽 깊이는 0.46㎜(18 밀)이었다.
SAL2: SAL2를 제조하기 위해 사용된 몰드 공동의 측면 길이는 1.66 ㎜(65 밀)이었다. 측면 벽 깊이는 0.80 ㎜(31 밀)이었다. 몰드 공동은 삼각형의 일 측면과 90° 각도로 교차하는 바닥으로부터 융기하는 평행한 리지를 가졌다. 평행한 리지는 0.150 ㎜(5.9 밀) 이격되었으며, 리지의 단면은 높이가 0.0127 ㎜(0.5 밀)이고 팁에서의 각 리지의 측면들 사이의 각도가 30°인 삼각형 형상이었다.
SAL1 내지 SAL5의 경우, 경사각(즉, 공동의 바닥(성형된 연마 입자의 상부에 대응됨)과 각각의 측면 벽 사이에 형성된 이면각)은 98°이었다.
비교 세라믹 성형된 연마 입자의 제조(SAL0)
세라믹 성형된 연마 입자를 미국 특허 제5,366,523호(로웬호스트 등)에 개시된 절차에 따라 제조하였다. 알파 알루미나 전구체 분산액(44% 고체)을 하기 절차에 따라 제조하였다: 미국 텍사스 휴스턴 소재의 사솔 노쓰 어메리카, 인코포레이티드(Sasol North America, Inc)로부터 디스퍼랄로 입수가능한 알루미늄 모노하이드레이트 분말(1235 부)을 물(3026 부) 및 70 수성 질산(71 부)을 함유하는 용액 중에 연속적으로 혼합함으로써 분산시켰다. 생성된 졸을 연속 건조기 내에서 대략 125℃의 온도로 건조하여 44% 고체 알파 알루미나 전구체 분산액을 생성하였다. 알파 알루미나 전구체 분산액을 고무 스퀴즈(rubber squeegee)에 의해 삼각형 성형된 몰드 공동 내로 밀어 넣었다. 알파 알루미나 전구체 분산액을 밀어 넣기 전에 공동을 실리콘 이형 재료로 코팅하였다. 몰드는 다수의 정삼각형 형상의 홀을 포함하는 알루미늄 시트였으며, 홀은 알루미늄 시트를 관통하였다. 삼각형 형상의 홀의 크기는 깊이가 0.71 ㎜(28 밀)이고 각 측면이 2.79 ㎜(110 밀)이었다. 충전된 몰드를 71℃의 온도로 유지되는 강제 공기 오븐에 20분 동안 배치하였다. 알파 알루미나 전구체 분산액을 건조될 때 실질적으로 수축하였으며, 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 공동 내에서 수축하였다. 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 중력에 의해 몰드로부터 제거하고 121℃의 온도에서 3시간 동안 건조하였다.
전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 대략 650℃에서 하소시킨 후에 다음의 혼합 질산염 용액으로 포화시켰다: MgO, Y2O3, CoO 및 La2O3 . 여분의 질산염 용액을 제거하고 포화된 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 건조되게 한 후, 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 다시 650℃에서 하소시키고, 대략 1400℃에서 소결하여 세라믹 성형된 연마 입자를 생성하였다. 하소 및 소결 단계 모두를 회전식 튜브 킬른(rotary tube kiln)을 사용하여 수행하였다. 생성되는 조성물은 1.2 중량%의 MgO, 1.2 중량%의 Y2O3, 2.4 중량%의 La2O3, 및 TiO2, SiO2, CaO, 및 CoO 및 Fe의 트레이스를 함유하는 알루미나 조성물이었다.
REO-도핑된 세라믹 성형된 연마 입자(SAL1, SAL2, SAL3, 및 SAL6)의 제조
베마이트 졸-겔의 샘플을 하기 방법을 사용하여 제조하였다: 사솔 노쓰 어메리카, 인코포레이티드로부터 디스퍼랄로 입수가능한 알루미늄 모노하이드레이트 분말(1600 부)을 물(2400 부) 및 70 수성 질산(72 부)을 함유하는 용액 중에 11분 동안 고전단 혼합함으로써 분산시켰다. 생성된 졸-겔을 코팅 전에 적어도 1시간 동안 에이징하였다. 졸-겔을 전술된 치수의 삼각형 성형된 몰드 공동을 갖는 제조 공구 내로 밀어 넣었다.
졸-겔을 퍼티용 나이프(putty knife)로 공동 내로 밀어넣어 제조 공구의 개구를 완전히 충전하였다. 몰드 이형제인, 메탄올 중 1% 땅콩유를 사용하여 약 0.5 ㎎/in2(0.08 ㎎/㎠)의 땅콩유가 제조 공구에 적용되는 상태로 제조 공구에 코팅하였다. 여분의 메탄올을 45℃에서 5분 동안 공기 대류 오븐 내에 제조 공구의 시트를 배치시킴으로써 제거하였다. 졸-겔 코팅된 제조 공구를 건조를 위해 적어도 45분 동안 45℃의 공기 대류 오븐 내에 배치하였다. 제조 공구를 초음파 혼(ultrasonic horn) 위로 통과시켜 제조 공구로부터 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 제거하였다. 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 대략 650℃에서 하소시킨 후에 혼합 질산염 용액(MgO, Y2O3, CoO 및 La2O3)으로 포화시켰다. 여분의 질산염 용액을 제거하고 개구를 갖는 포화된 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 건조되게 한 후, 입자를 다시 650℃에서 하소시키고, 대략 1400℃에서 소결하였다. 하소 및 소결 단계 모두를 회전식 튜브 킬른(rotary tube kiln)을 사용하여 수행하였다. 생성되는 조성물은 1 중량%의 MgO, 1.2 중량%의 Y2O3, 4 중량%의 La2O3, 및 0.05 중량%의 CoO와 TiO2, SiO2, 및 CaO의 트레이스를 함유하는 알루미나 조성물이었다.
REO - 도핑된 세라믹 성형된 연마 입자( SAL4 및 SAL5 )의 제조
생성된 입자가 1.2 중량%의 MgO, 1.2 중량%의 Y2O3, 2.4 중량%의 La2O3 및 TiO2, SiO2, CaO, 및 CoO의 트레이스와 Fe를 함유하는 알루미나 조성물인 것을 제외하고 세라믹 성형된 연마 입자 SAL4 및 SAL5를 SAL1의 것들과 동일하게 제조하였다.
표면 코팅 처리(SAL1, SAL2, SAL3, 및 SAL6)
미국 특허 제5,352,254호(세리카야)에 개시된 바와 같이 분쇄된 연마 입자를 제조하기 위해 사용된 방법과 유사한 방식으로 세라믹 성형된 연마 입자의 정전 적용을 향상시키기 위해 일부 세라믹 성형된 연마 입자를 처리하였다. 하소된 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 1.4 %의 MgO, 1.7 %의 Y2O3, 5.7 %의 La2O3 및 0.07 %의 CoO를 포함하는 대안의 희토류 산화물(REO) 용액으로 함침하였다. 70 그램의 REO 용액 내에서, 미국 펜실베니아 피츠버그 소재의 알마티스(Almatis)로부터 입수가능한 1.4 그램의 하이드랄 코트(HYDRAL COAT) 5 분말(약 0.5 미크론의 평균 입자 크기)을 개방 비커(open beaker) 내에서 교반함으로써 이를 분산한다. 그 뒤, REO 용액 내에서 71.4 그램의 하이드랄 코트 5 분말 분산액으로 약 100 그램의 하소된 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 함침한다. 최종 경도로 소결되기 전에, 그 뒤 함침되고 하소된 전구체 세라믹 성형된 연마 입자를 재차 하소하였다.
연마 입자 치수는 표 2(하기)에서 기록된다.
[표 2]
Figure 112012078201476-pct00005
곡률 반경을 측정하기 위한 기술
모든 샘플에 대한 곡률 반경을 하기 방법에 따라 측정하였다: 세라믹 성형된 연마 입자는 50 마이크로미터 이하의 세라믹 성형된 연마 입자의 상부와 기저를 연결하는 측면 에지를 따라 곡률 반경을 갖는다. 곡률 반경은 예를 들어, 도립광학 현미경과 인터페이싱된 클레멕스 비젼 PE 이미지 분석 프로그램(캐나다 퀘벡 롱게이 소재의 클레멕스 테크놀로지스, 인코포레이티드로부터 입수가능함), 또는 그 외의 다른 적합한 이미지 분석 소프트웨어/설비를 사용하여 상부 표면과 하부 표면 사이에서 취해진 폴리싱된 단면으로부터 측정될 수 있다. 성형된 연마 입자의 각각의 지점에 관한 곡률 반경은 단면에서 보았을 때(예를 들어, 100X 배율로) 각각의 지점의 팁에서 3개의 지점을 한정함으로써 결정될 수 있다. 제1 지점은 직선 에지로부터 곡선의 시작으로의 천이부가 있는 팁의 곡선의 시작점에 배치되고, 제2 지점은 팁의 정점부에 배치되고, 제3 지점은 만곡된 팁으로부터 다시 직선 에지로의 천이부에 배치된다. 이어서 이미지 분석 소프트웨어가 3개의 점(곡선의 시작점, 중간점 및 끝점)에 의해 한정되는 호(arc)를 그리고 곡률 반경을 계산한다. 적어도 30개의 정점부에 관한 곡률 반경이 측정 및 평균되어 평균 팁 반경을 결정한다.
입자 길이를 측정하기 위한 기술
미국 캘리포니아 토랜스의 www.BigC.com으로부터 수득된, 상용 입수가능한 "AM413ZT DINO-LITE PRO" 디지털 현미경을 사용하여 최종 입자의 치수를 측정하였다. 각각의 배치의 5개의 입자를 평평하게 놓았고, 100x 배율로 이미지를 취했다. 디지털 카메라의 빌트-인 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 각각의 입자의 모두 3개의 측면의 길이를 측정하였다. 이들 15개의 길이 측정치의 평균과 뿐만 아니라 표준 편차를 계산하였다.
입자 두께를 측정하기 위한 기술
미국 캘리포니아 토랜스의 www.BigC.com으로부터 입수가능한, 상용 입수가능한 "AM413ZT DINO-LITE PRO" 디지털 현미경을 사용하여 최종 입자의 치수를 측정하였다. 각각의 유형의 사이드웨이(sideway)의 5개의 입자를 장착하고(평평한 측면이 테이블 표면에 대해 수직임), 100x 배율로 입자 측면의 이미지를 취함으로써 평균 입자 두께를 측정하였다. 제공된 소프트웨어의 커서(cursor)를 사용하여 각각의 측면에 대해 각각의 에지에 대한 근접부(close) 및 중심의 입자 두께를 측정하였다. 그 뒤, 테이블 표면에 대해 수직하게 120°로 입자를 회전시켰고, 3개의 높이 측정치를 각각 제2 및 제3 측면으로부터 취했다. 따라서, 각각의 샘플로부터 9개의 입자 두께 측정치, 5개의 입자에 대해 총 45개의 측정치를 취했다. 평균 및 표준 편차를 계산하였다.
실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 A 및 비교예 B
실시예 1의 경우, 패들 혼합기(paddle mixer)를 사용하여 54.35 부의 SAL1, 4.7%의 AL3 및 3.1%의 AL4를 5.5 부의 PR1과 혼합하였다. 동시에, 17.25 부의 PR2, 15.1 부의 CRY를 서로 혼합하였다. 수지 및 연마 입자의 습윤 혼합물에 건조 분말 혼합물을 천천히 첨가하여 텀블링(tumble)하였다. SR(1.1 부)을 이 혼합물에 첨가하였다. 임의의 큰 크기의 수지-코팅된 응집물을 제거하기 위해 16 메시 스크린을 통해 혼합된 조성물을 체에 걸렀다. 미국 메사추세츠 스루스버리 소재의 인더스트리얼 폴리머스 & 케미컬스로부터 3321로서 수득된 105-㎜ (4-인치) 직경의 유리 섬유 스크림(SM)을 유압 프레스 장치의 몰드 내에 배치하였다. 16 메시 스크린을 통해 혼합물을 체에 거른 후, 스크림의 상부에서 유압 프레스 장치의 몰드 내에 20 g의 광물/수지 혼합물을 배치하였다. 제2 스크림을 혼합 조성물의 상부에 배치하였고, 22.6 ㎫ (20 톤/12.27 인치2 (230 ㎏/㎠))의 압력으로 단일의 공동 프레스에서 압축하였다. 그 뒤, 절삭 휠을 금속 플레이트들 사이에 배치하였고, 테프론(TEFLON) 코팅된 시트에 의해 분리하였고, 경화 오븐 내에 배치하였다. 약 40 시간의 경화 사이클 이후(세그먼트 1 : 설정점 78.8℃(174℉), 4 분에 걸쳐 램프 업(ramp up), 7 시간 동안 침지; 세그먼트 2: 설정점 107℃(225℉), 4 시간 20분에 걸쳐 램프 업, 3 시간 동안 침지; 세그먼트 3: 설정점 185℃(365℉), 3 시간 15분에 걸쳐 램프 업, 18 시간 동안 침지; 세그먼트 4: 설정점 26.6℃(80℉), 4 시간 27분에 걸쳐 램프 업, 5 분 동안 침지), 최종 절삭 휠의 치수는 104.03 - 104.76 ㎜ x 1.34-1.63 ㎜ x 9.5 ㎜이었다.
230V 105-㎜ (4-인치) 보쉬 그라인더 모델(Bosch grinder model) GWS 6-100(공칭 rpm 10,000)이 장착된, 이탈리아 말네이트 소재의 다비드 마터니니 에스피에이(Davide Maternini SPA)로부터의 마터니니 절단 시험 장치, 모델(model) PTA 100/230 상에서 절삭 휠을 시험하였다. 다음의 매개변수로 절단 시험 장치를 사용하였다: 시험 프로그램 100-SS-R, 절단 전류: 3.5A, 인자 kp=15, 인자 kd=30. 공작물은 16 ㎜ 고체 스테인리스 스틸 로드이었다. 절삭 휠이 90 ㎜의 직경에 도달될 때까지 평균 절단 시간 및 절단 횟수 모두를 기록하였다. 결과가 표 4에 보고되어 있다.
실시예 2 및 3 및 비교 실시예 A 및 B를 표 3에 예시된 바와 같이 조성물이 변경되는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
휠이 소모되기 전에, 절단 횟수 및 절단에 대한 평균 시간에 대한 비교 시험 결과가 표 4에 예시된다.
실시예 4 내지 6 및 비교예 C 및 D
표 3에 나타내진 바와 같이 조성 변화를 제외하고, 실시예 4 내지 6 및 비교예 C 및 D를 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
부흐너 깔때기(Buchner funnel) 내의 1625 그램의 연마 입자 위에 1375 그램의 탈이온수 중 15 그램의 WG의 85℃ 용액을 주입함으로써 표면 처리를 적용하였다. 그 뒤, 광물을 2 내지 3 시간 동안 100℃에서 건조하였다. 그 뒤, 입자를 체에 걸러서 덩어리를 제거하였다. 그 뒤, 교반하면서 유리병(glass jar) 내의 1500 그램의 사전-처리된 연마 입자 위에 500 그램의 탈이온수와 75 그램의 이소프로필 알코올 중의 3 그램의 CA의 용액을 주입하였다. 병을 덮었으며(밀봉하지 않음), 4 시간 동안 100℃의 오븐 내에 배치하였다. 그 뒤, 병 덮개를 제거하여 입자가 오븐 내에서 건조될 수 있도록 하였다.
실시예 7 내지 10 및 비교예 E 내지 G
표 3에 나타내진 조성 변화를 제외하고, 실시예 7 내지 10 및 비교예 F 내지 H를 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 11 및 12 및 비교예 H 내지 J
표 3에 나타내진 조성 변화를 제외하고, 실시예 11 및 12 및 비교예 H 내지 J를 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 13 및 실시예 14
APR의 첨가를 제외하고, 실시예 13 및 14를 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
표 3(하기)에서, 별표(*)로 표시된 연마 입자는 일반적으로 실시예 4에 기재된 바와 같은 절차를 사용하여 수지와 혼합하기에 앞서 CA로 사전처리된다.
[표 3]
Figure 112012078201476-pct00006
Figure 112012078201476-pct00007
[표 4]
Figure 112012078201476-pct00008
실시예 15 내지 실시예 18
실시예 15 내지 18에서 세라믹 성형된 연마 입자의 표면상으로의 미립자 표면 코팅 처리의 적용의 효과가 입증되었다. 사용된 프레스가 실험실 모델 프레스(미국 캘리포니아 시티 오브 인더스트리 소재의 PHI, 튤립 코포레이션(Tulip Corporation)의 분소로부터 수득된 PHI 모델(model) no. B237-H-X4B)이었고, 사용된 성형 압력이 10 톤이었으며, 입자 조성물이 표 2에 예시된 바와 같은 것을 제외하고 실시예 15 내지 18을 실시예 1과 같이 제조하였다. 게다가, 실시예 15 및 17에서, 혼합물 내에 SR이 포함되지 않았다. 절단 횟수에 대한 실질적인 효과가 표면 코팅 처리의 적용에 기여하지 않았다.
[표 5]
Figure 112012078201476-pct00009
실시예 19 내지 실시예 21
실시예 19 내지 21은 하기 절차에 따라 제조되는 로트(lot)로부터 선택된 타입 27 중심-함몰형 연삭 휠이었다. 4440 그램의 SAL6을 패들 타입 혼합기 내에서 5 그램의 실란(다이나실란 다모트(DYNASILAN DamoT), 독일 에센 소재의 에보닉 인더스트리즈(Evonik Industries))과 200 그램의 액체 수지(PA 5614 G - 스웨덴 퍼스토르프 소재의 PA 레신즈 에이비(Resins AB))로 10 분 동안 혼합하였다. 이는 혼합물 1이었다. 280 그램의 8551G 및 8126G 분말 페놀 수지(핀란드 헬싱키 소재의 다이네아 오이(Dynea Oy)), 460 그램의 포타슘 알루미늄 플루오라이드(네덜란드 델프지즐 소재의 KBM 마스터 알로이즈(Master Alloys)), 320 그램의 빙정석(벨기에 브루셀즈 소재의 솔베이(Solvay) S.A) 및 8 그램의 카본 블랙을 패들 타입 혼합기 내에서 10 분 동안 혼합함으로써 혼합물 2를 제조하였다. 그 뒤, 혼합물 1과 혼합물 2를 10 분 동안 패들 타입 혼합기 내에서 배합 및 혼합하였다. 푸르푸랄 알코올(furfural alcohol)과 광유를 혼합 중에 첨가하여 혼합물 점성도를 제어하고 먼지를 감소시켰다.
이 혼합물을 개방형의 얕은 용기에 배치하였고, 실온 및 습도로 조건이 유지될 수 있도록 하였다. 그 뒤, 응집물을 제거하기 위해 2 x 2 ㎜의 개구를 갖는 스크린을 통해 이 혼합물을 선별하였다. 그 뒤, 이 선별된 혼합물을 125 ㎜ 직경의 다이 내에서 압축시켰다. 다이 내에 유리섬유 메시(폴란드 리만나우 소재의 리마텍스(Rymatex) Sp. z.o.o로부터의 RXP 28로서 수득됨)를 배치하였고, 그 뒤, 82 그램의 상기 혼합물을 첨가하였고, 제2 유리섬유 메시(RXO 38; 리마텍스)를 첨가하였고, 추가 82 그램의 상기 혼합물을 다이에 첨가하였고, 제3 유리섬유 메시(RXO 38)를 첨가하였다. 얇은 종이 라벨 및 금속 중심 홀 부싱을 추가하였다. 그 뒤, 이 혼합물을 12 시간 동안 1.93 kN/㎝ (197 ㎏/㎝) 제곱으로 압축하였다.
타입 27 중심-함몰형 연삭 휠의 경우 유럽 EN 표준으로 성형되는 알루미늄 플레이트들 사이의 스핀들 상에 휠을 배치하였다. 휠을 성형하기 위해 304 ㎪(3 대기압)에서 압축된 휠 및 플레이트의 스택을 압축하였고, 그 뒤 경화 동안에 압축 하에 두었다. 경화를 위해 오븐 내에 휠을 배치하였다. 오븐을 2 시간 동안 75℃, 3.5 시간 동안 90℃, 2 시간 동안 110℃, 5 시간 동안 135℃, 3 시간 동안 184℃로 가열하였고, 그 뒤 5.5 시간 동안 184℃로 유지하였다. 그 뒤, 가열을 중단했으며, 오븐이 냉각될 수 있도록 하였다. 최종 연삭 휠의 치수는 직경이 123.6 ㎜ 내지 124.2 ㎜이었고, 두께가 5.6 mm 내지 6.3 ㎜이었다. 중심 홀은 직경이 22.32 ㎜이었다.
비교예 K 내지 M
AL5가 SAL6에 대해 대체된 것을 제외하고, 비교예 K 내지 M을 실시예 19와 동일하게 제조하였다.
보쉬 전기 직각 그라인더(Bosch electric right angle grinder)를 사용함으로써 길이가 350 ㎜이고 두께가 8 ㎜인 스테인리스 스틸 플레이트 상에서 5분 동안 연삭에 의해 휠을 시험하였다. 플레이트 및 연삭 휠의 중량 손실을 각각의 시험 이후 기록하였다.
실시예 19 내지 21 및 비교예 K 내지 M에 대한 시험 결과치가 표 6(하기)에서 보고되고, 소모된 연삭 휠의 중량으로 나눈 소모된 공작물의 중량은 "무게 인자"로서 보고된다.
[표 6]
Figure 112012078201476-pct00010
본 명세서에서 언급된 모든 특허 및 간행물은 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된다. 본 명세서에서 주어진 모든 실시예는 달리 표시되지 않는다면 비제한적인 것으로 간주되는 것이다. 본 발명의 다양한 수정 및 변경은 본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어남이 없이 당업자에 의해 행해질 수 있으며, 본 발명이 본 명세서에 기술된 예시적인 실시 형태들로 부당하게 제한되지 않음을 이해하여야 한다.

Claims (15)

  1. 결합제 내에 보유된 세라믹 성형된 연마 입자를 포함하는 접합된 연마재로서, 각각의 세라믹 성형된 연마 입자는 다각형 기저, 다각형 상부 및 기저와 상부를 연결하는 복수의 측면에 의해 각각 획정되고, 인접한 측면은 50 마이크로미터 미만의 평균 곡률 반경을 갖는 각각의 측면 에지에서 만나는 것인, 접합된 연마 휠인 접합된 연마재.
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