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KR100430352B1 - 실리카 및 산화철을 함유하는 알파 알루미나 기제 연마입자 - Google Patents

실리카 및 산화철을 함유하는 알파 알루미나 기제 연마입자 Download PDF

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Publication number
KR100430352B1
KR100430352B1 KR1019970709539A KR19970709539A KR100430352B1 KR 100430352 B1 KR100430352 B1 KR 100430352B1 KR 1019970709539 A KR1019970709539 A KR 1019970709539A KR 19970709539 A KR19970709539 A KR 19970709539A KR 100430352 B1 KR100430352 B1 KR 100430352B1
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KR
South Korea
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abrasive
alumina
dispersion
abrasive particles
source
Prior art date
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KR1019970709539A
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KR19990028228A (ko
Inventor
래리 디 몬로우
드와이트 디 에릭슨
데이비드 엠. 윌슨
토마스 이. 우드
Original Assignee
미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩춰링 캄파니
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Publication date
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Publication of KR19990028228A publication Critical patent/KR19990028228A/ko
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Abstract

이론적인 산화물을 기준으로, Al2O3, Fe2O3및 SiO2을 포함하는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자는 약 200 나노미터 보다 큰 표면 조도 높이 및 약 3.50 g/㎤보다 큰 밀도를 갖는다. 바람직하게는, 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자는 평균 미결정 크기가 약 0.5 마이크로미터 미만 (바람직하게는, 약 0.3 마이크로미터 미만)인 알파 알루미나 미결정을 갖는다. Fe2O3와 배합된 SiO2의 존재는 연마 입자의 결정립내 파쇄량을 증가시키고, 연마 입자를 소결시키는 동안 알파 알루미나 미결정 성장을 감소시키며, 연마 입자의 적어도 하나 이상의 단위 격자 치수를 확장시키고, 일반적으로 연마 입자의 분쇄 성능을 개선시킨다. 다른 측면에서, 이론적인 산화물을 기준으로, Al2O3및 SiO2을 포함하는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자가 개시되어 있다.

Description

실리카 및 산화철을 함유하는 알파 알루미나 기제 연마 입자{Alpha Alumina-Based Abrasive Grain Containing Silica And Iron Oxide}
연마 입자는 수세기 동안 연마용 제품에 사용되어 왔다. 이들 연마용 제품에는 고정 연마 제품 (예를 들어, 숫돌차), 연마 포지 및 부직 연마 제품이 포함된다. 바람직한 건조 연마 입자는 전형적으로 강인하고, 경질이며 마모되는 용품에 대해 화학적 내성이 있다. "강인한" 연마 입자는 일반적으로 강인하고 파쇄 내성이 있다. "경질" 연마 입자는 일반적으로 연삭력에 의해 구부러지거나 무뎌지지 않는다. 연마 입자가 구부러지거나 무뎌진다면, 이는 전형적으로 연마능을 감소시킨다.
용융된 알루미나로 공지된 건조 연마 입자의 통상적인 한 형태는 산화 알루미늄의 공급원을 용융 상태로 가열하고, 신속히 냉각시킨 다음, 분쇄시킴으로써 형성한다. 이 형태의 연마 입자는 경질이고, 강인하며 화학적 내성이 있다. 보다 최근에 개발된 연마 입자의 형태는 종종 알파 알루미나 기제(基劑) 연마 입자로 언급된다. 이 형태의 연마 입자는 예를 들어, 액상 매질 (전형적으로 물), 알파 알루미나 일수화물 및 금속 산화물 전구체 (예를 들어, 질산 마그네슘)와 같은 임의의 첨가제를 포함하는 분산액을 건조시키고, 분쇄시키고, 하소시킨 다음, 소결시키는 졸-겔 방법에 의해 제조할 수 있다. 생성된 세라믹 연마 입자는 전형적으로 용융된 알루미나 연마 입자보다 강인하고, 전형적으로 연마 작업에서 우수한 성능을 나타낸다.
일부 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자는 졸-겔 방법에서 유핵 물질을 사용하여 제조한다. 전형적으로, 유핵 물질 (일부 경우에서 종(種) 물질로 언급됨)은 알파 알루미나 미결정의 크기를 감소시키고, 생성된 연마 입자의 밀도 및 경도를 증강시킨다. 유핵 및(또는) 종 물질의 예에는 알파-Al2O3, 알파-Fe2O3, 알파-Cr2O3및 그의 전구체가 포함된다. 유핵 및(또는) 종 졸-겔 방법에 의해 제조된 많은 시판 제품을 이용할 수 있지만, 경도 및 인성이 개선된 제품이 요구된다.
<발명의 요약>
본
본 발명은 이론적인 산화물을 기준으로, 알파 알루미나 미결정으로서 주로 존재하는 Al2O3와 함께 Al2O3, Fe2O3및 SiO2을 포함하는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 제공한다.
본 발명의 한 측면에서, 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자는 이론적인 산화물을 기준으로, Al2O3, SiO2, 및 약 0.25 중량% 이상의 Fe2O3을 포함하고, 평균미결정 크기가 약 0.5 마이크로미터 미만인 알파 알루미나 미결정을 가지며, 연마 입자는 약 200 나노미터보다 큰 표면 조도 높이 및 약 3.5 g/㎤보다 큰 밀도를 갖는다.
다른 측면에서, 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자는 이론적인 산화물을 기준으로, Al2O3, Fe2O3, SiO2, 및 약 0.05 중량% 이상의 알칼리 금속 산화물을 포함하고, 평균 미결정 크기가 약 0.5 마이크로미터 미만이고 밀도가 약 3.5 g/㎤보다 큰 알파 알루미나 미결정을 갖는다.
다른 측면에서, 본 발명은 약 200 나노미터보다 큰 표면 조도 높이, 약 3.5 g/㎤보다 큰 밀도 및 약 0.5 마이크로미터 미만의 평균 미결정 크기를 갖는 반투명이 아닌 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 제공하는데, 연마 입자는 이론적인 산화물을 기준으로, 연마 입자의 총중량을 기준으로 하여, 약 85.0-99.6 중량%의 Al2O3, 약 0.25-5.0 중량%의 Fe2O3, 및 약 0.1-5.0 중량%의 SiO2, 및 약 0.01-1.0 중량%의 알칼리 금속 산화물을 포함한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 이론적인 산화물을 기준으로, Al2O3, Fe2O3및 SiO2를 주성분으로 하고, 평균 미결정 크기가 약 0.5 마이크로미터 미만인 알파 알루미나 미결정을 갖는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 제공하는데, 연마 입자는 약 200 나노미터 보다 큰 표면 조도 높이, 약 3.5 g/㎤보다 큰 밀도를 갖는다.
다른 측면에서, 본 발명은 결합제 및 결합제에 의해 그 내부에 고정된 본 발명에 따른 다수의 연마 입자를 포함하는 연마용 제품을 제공한다. 이러한 연마용 제품은 예를 들어, 연마 포지, 고정 연마 제품 (예를 들어, 고정 연마 휠) 또는 부직 연마 제품의 형태로 존재할 수 있다.
또한, 본 발명은 액상 매질, 보에마이트, 산화철의 공급원 및 실리카의 공급원을 포함하는 분산액으로부터 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 제조하는 방법을 제공한다. 하나의 바람직한 방법은
(a) 액상 매질, 보에마이트, 산화철의 공급원 및 비결정질 실리카의 공급원을 포함하는 분산액을 제조하는 단계,
(b) 분산액을 연마 입자 전구체로 전환시키는 단계 및
(c) 연마 입자 전구체를 소결시켜 이론적인 산화물을 기준으로, Al2O3, Fe2O3및 SiO2을 포함하는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 제공하는 단계를 포함한다.
알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 제조하는 다른 방법은
(a) 보에마이트, 액상 매질, 산화철의 공급원 및 비결정질 실리카의 공급원을 포함하는 분산액을 제조하는 단계,
(b) 분산액을 연마 입자 전구체로 전환시키는 단계 및
(c) 연마 입자 전구체를 소결시켜 기본적인 산화물 기제상에, Al2O3, Fe2O3및 SiO2을 포함하는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 얻는 단계를 포함하고;
여기서, 비결정질 실리카의 공급원은 비결정질 실리카의 공급원이 없는 것을제외하고 동일한 방식으로 제조된 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자 중에 존재하는 알파 알루미나 미결정의 평균 미결정 용적 보다 작은 평균 미결정 용적의 알파 알루미나 미결정을 갖는 연마 입자를 제공하기에 충분한 양으로 분산액 중에 존재한다.
알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 제조하는 또 다른 방법은
(a) 액상 매질, 보에마이트 및 산화철의 공급원을 포함하는 분산액을 제조하는 단계,
(b) 분산액을 다공성 연마 입자 전구체로 형성시키는 단계 및
(c) 다공성 연마 입자 전구체를, 단계 (d) 및 (e) 후 비결정질 실리카의 공급원이 없는 것을 제외하고 동일한 방식으로 제조된 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자 중에 존재하는 알파 알루미나 미결정의 평균 미결정 용적 보다 작은 평균 미결정 용적의 알파 알루미나 미결정을 갖는 연마 입자를 제공하기에 충분한 양의 비결정질 실리카 공급원을 포함하는 함침 조성물로 함침시키는 단계,
(d) 단계 (c)로부터 생성된 연마 입자 전구체를 하소시키는 단계,
(e) 단계 (d)로부터 생성된 하소된 연마 입자 전구체를 가열하여 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 제공하는 단계를 포함한다.
알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 제조하는 다른 방법은
(a) 액상 매질, 보에마이트, 산화철의 공급원, 및 약 150 나노미터 미만의 평균 입도를 갖는 콜로이드 실리카의 공급원을 포함하는 분산액을 제조하는 단계,
(b) 분산액을 다공성 연마 입자 전구체로 전환시키는 단계 및
(c) 연마 입자 전구체를 소결시켜 이론적인 산화물을 기준으로, Al2O3, Fe2O3및 SiO2을 포함하는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 얻는 단계를 포함한다.
"연마 입자 전구체" 또는 "비소결된 연마 입자"는 전형적으로, 이론치의 80 % 미만 (전형적으로 60 % 미만)의 밀도를 갖고, 소결되거나, 또는 함침 조성물로 함침된 다음, 소결되어 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 제공할 수 있는, 입자 형태의 건조된 알루미나 기제 분산액 (즉, "건조된 연마 입자 전구체") 또는 하소된 알루미나 기제 분산액 (즉, "하소된 연마 입자 전구체")을 의미한다.
본 명세서에 사용된 "알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자", "알루미나 기제 연마 입자" 또는 "연마 입자"란 이론치의 85 % 이상 (바람직하게는, 90 % 이상, 더욱 바람직하게는 95 % 이상)의 밀도로 소결되고, 이론적인 산화물을 기준으로, 60 % 이상의 Al2O3을 함유하며, 알루미나 총중량의 50 중량% 이상이 알파 알루미나로 존재하는 소결된 연마 입자를 의미한다.
"분산액" 또는 "졸"은 하나의 상이 액상 전체에 분배된 미분된 입자 (콜로이드 크기 범위)를 포함하는 액상 중 고체의 2 상계를 의미한다. "안정한 분산액" 또는 "안정한 졸"은 고체가 겔화되기 시작하거나 분리되거나, 또는 약 2 시간 동안 분배되지 않고 유지된 채로 정착되는 것이 육안 관찰로 나타나지 않는 분산액 또는 졸 형태를 의미한다.
"함침 조성물"이란 액상 매질, 실리카의 공급원, 산화철의 공급원, 및(또는) 연마 입자 전구체 중으로 함침될 수 있는 다른 금속 산화물의 공급원의 용액 또는분산액을 의미한다.
"함침된 연마 입자 전구체"는 이론치의 약 80 % 미만 (바람직하게는, 60 % 미만)의 밀도를 갖고, 함침 조성물로 함침되고, 함침 건조된 입자 및 함침 하소된 입자를 포함하는 건조된 알루미나 기제 분산액 (즉, 함침 건조된 연마 입자 전구체") 또는 하소된 알루미나 기제 분산액 (즉, "함침 하소된 연마 입자 전구체")를 의미한다.
"반투명이 아닌 연마 입자"은 연마 입자가 높은 콘트라스트의 화상과 직접적으로 접촉할 경우 화상을 나안으로 볼 수 없는 연마 입자를 의미한다 (본 단락 중의 텍스트). 이에는 불투명한 연마 입자가 포함되지만, 여기에 제한되지 않는다.
"유핵 물질"이란 전이 알루미나(들)의 알파 알루미나로의 변환을 증강시키는 물질을 의미한다. 유핵 물질은 핵제 그 자체 또는 그의 전구체일 수 있다.
"소결"이란 치밀화 및 미결정 성장을 제공하기 위하여 가열되는 물질의 융점 이하의 온도에서 가열하여 강인하고, 경질이며 화학적 내성이 있는 세라믹 물질을 제공하는 방법을 의미한다. 본 발명에 따른 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자는 가열되는 물질의 융점 이상의 온도에서 가열하는 용융 방법에 의해 제조되지 않는다.
"용액"은 1종 이상의 용매 중에 1종 이상의 용질의 분자 또는 이온 수준으로 실질적으로 균질하게 분산된 혼합물인 진용액을 의미한다.
본 발명은 연마 입자, 연마 입자의 제조 방법 및 이러한 연마 입자를 혼입시킨 연마제 (예를 들어, 연마 포지(硏磨 布紙), 고정 연마 제품 및 부직 연마 제품)에 관한 것이다. 연마 입자는 알파 알루미나, 실리카, 산화철, 및 임의로 다른 금속 산화물을 함유한다.
도 1은 본 발명에 따른 연마 입자를 포함하는 연마 포지의 부분 횡단면 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연마 입자를 포함하는 고정 연마 제품의 투시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연마 입자를 혼입시킨 부직 연마 제품의 확대 개략도이다.
알루미나 기제 분산액
알파 알루미나 일수화물.졸-겔 방법을 사용하는 본 발명에 따른 알파 알루미나 세라믹 연마 입자의 제조에는 알파 알루미나 일수화물 (즉, 보에마이트), 실리카 공급원 (바람직하게는, 콜로이드 실리카) 및 산화철 공급원 (바람직하게는, 미립자 산화철의 전구체)의 분산액의 제조가 포함된다. 이는 많은 방식으로 성취할 수 있다. 한 예로, 실리카 및 산화철을 분산액 중에 배합한 다음, 보에마이트를 분말 형태 또는 분산액으로 가한다.
전형적으로, 보에마이트 이외에 알루미늄 포름아세테이트 ("AFA"), 알루미늄 니트로포름아세테이트 ("ANFA") 및 다른 염기성 알루미늄 염과 같은 알루미나 공급원을 갖는 본 명세서에 개시된 계에서는, 크랙킹없이 약 100 마이크로미터 보다 큰 연마 크기를 갖는 연마 입자를 제조하는 것은 어렵다. 이러한 크렉킹은 연마 입자의 특성, 특히 연마 특성을 일반적으로 저하시킨다. 반면에, 본 발명에 따라 보에마이트로 제조되고(되거나) 본 발명의 방법에 따라 제조된 연마 입자는 약 100 마이크로미터 보다 큰 연마 입자 크기로 쉽게 제조할 수 있다.
보에마이트는 당업계에 잘 알려진 다양한 기술을 사용하여 제조할 수 있거나, 많은 공급자로부터 상업적으로 구입할 수 있다. 예를 들어, 보에마이트는 상표명 "디스퍼랄(DISPERAL)" (Condea Chemie, GMBH, 독일 함베르크 소재) 및 "디스팔(DISPAL)" (Vista Chemical Company, 미국 텍사스주 휴스톤 소재)하에 구입할 수 있다. 이들 산화 알루미늄 일수화물은 알파 형태로 존재하고, 일수화물 이외의 임의로 비교적 거의 수화되지 않은 상을 포함한다. (매우 소량의 삼수화물 불순물이 일부 시판용 등급의 보에마이트에 존재할 수 있지만 허용될 수 있다.) 이들은낮은 수용해도를 갖고, 높은 표면적 (전형적으로, 약 180 ㎡/g 이상)을 갖는다. 바람직하게는, 본 발명에 따라 연마 입자를 제조하는데 사용된 보에마이트는 약 20 나노미터 미만 (더욱 바람직하게는, 약 12 나노미터 미만)의 평균 입도를 갖는다. 본 명세서에서, "입도"는 입자의 가장 긴 치수로 정의된다.
또한, 분산액은 보에마이트를 분산시키기 위한 액상 매질을 함유한다. 이 액상 매질은 물 또는 저급 알콜 (전형적으로, C1-6알콜), 헥산 또는 헵탄과 같은 유기 용매일 수 있다. 바람직하게는, 액상 매질은 물, 보다 바람직하게는 탈이온수이다. 보에마이트 분산액 또는, 필요하다면 보에마이트 겔은 분산액의 총중량을 기준으로 액상 매질 (바람직하게는, 물)의 약 10 중량% 이상 (바람직하게는, 약 30-80 중량%)을 사용하여 제조할 수 있다.
산화철의 공급원.알루미나 기제 분산액은 또한 산화철의 공급원 (또는 산화철 유핵 물질)을 포함하고, 이론에 의해 제한되기를 원하지 않지만 이는 핵제로 작용하거나, 핵제 (즉, 전이 알루미나(들)의 알파 알루미나로의 변환을 증강시키는 물질)로 작용하는 물질을 제공하는 것으로 믿어진다. 산화철의 공급원에는 헤마타이트 (즉, α-Fe2O3) 뿐 아니라, 그의 전구체 (즉, 거타이트 (α-FeOOH), 레피도크로사이트 (-FeOOH), 마그네타이트 (Fe3O4) 및 마그헤마이트 (-Fe2O3))가 포함된다. 산화철의 적절한 전구체에는 가열할 경우 α-Fe2O3로 전환되는 임의의 철 함유 물질이 포함된다.
적절한 산화철 공급원은 당업계에 잘 알려진 다양한 기술에 의해 제조할 수있다. 예를 들어, 헤마타이트 (α-Fe2O3)의 분산액은 예를 들어, 문헌 (E. Matijevie el al.,J. Colloidal Interface Science, 63, 509-24 (1978) 및 B. Voight et al.,Crystal Research Technology, 21, 1177-83 (1986))에 기술된 바와 같이 질산철을 열 처리하여 제조할 수 있다. 레피도크로사이트 (-FeOOH)는 예를 들어, Fe(OH)2를 NaNO2용액으로 산화시켜 제조할 수 있다. 마그헤마이트 (-Fe2O3)는 예를 들어, 진공하에-FeOOH를 탈수시켜 얻을 수 있다. 또한,-FeOOH는 예를 들어, 공기 중에-FeOOH를 가열하거나, 분쇄시켜 α-Fe2O3로 전환시킬 수 있다. 거타이트 (α-FeOOH)는 예를 들어, 수산화 제일철의 공기 산화에 의해 또는 승온 및 높은 pH에서 수산화 제이철의 분산을 노화시킴으로써 합성할 수 있다. 철 산화물의 제조에 대한 추가의 정보는 예를 들어, 문헌 (R.N. Sylva,Rev. Pure Applied Chemistry,22, 15 (1972) 및 T. Misawa et al.,Corrosion Science,14, 131 (1974))에서 발견할 수 있다.
본 명세서에 기재된 연마 입자를 제조하는데 사용되는 산화철 공급원의 형태는 다양하다. 바람직하게는, 이는 미결정 미립자 물질이다. 이러한 미립자 물질은 입자의 결정도 및(또는) 제조 방법에 따라 구형, 침상 또는 평면 유사형일 수 있다. 미립자 물질의 형상이 무엇이든지, 바람직하게는 이는 약 60 ㎡/g 이상 (더욱 바람직하게는, 약 80 ㎡/g 이상, 가장 바람직하게는 약 100 ㎡/g 이상)의 표면적 및 약 1 마이크로미터 미만 (더욱 바람직하게는, 약 0.5 마이크로미터 미만)의 평균 입도를 갖는다. 본 명세서에서, "입도"는 입자의 가장 긴 치수로 정의된다. 바람직한 실시태양에서, 미결정 입자는 적어도 약 2:1의 측면비를 갖는 바늘형이다. 하나의 특히 바람직한 물질은 약 0.04-0.1 마이크로미터의 길이 및 약 0.01-0.02 마이크로미터의 너비를 갖는 바늘형 입자를 갖는다. 이러한 입자는 마그녹스 풀라스키 인크사(Magnox Pulaski, Inc, 미국 버지니아주 풀라스키)와 같은 자성 매질 안료의 다양한 공급자로부터 얻을 수 있다.
산화철의 미립자 공급원의 표면적은 예를 들어, 퀀타소브 시스템 (Quantasorb System) OS-10 (Quantachrom Corp. 미국 플로리다주 보인톤 비치 소재)을 사용하여 질소 흡수에 의해 측정할 수 있다. 입도는 다양한 기술을 사용하여 입자의 가장 긴 치수를 측정하여 결정할 수 있다. 예를 들어, 입도는 전사 전자 현미경을 사용하여 측정할 수 있고, 이에 의해 현미경 사진은 적당한 배율로 입자를 수거하여 취한 다음 입자의 크기를 측정한다. 다른 측정 기술은 광 흐름이 입자에 의해 산란되는 쿼시 엘라스틱 광 산란법 (Quasi Elastic Light Scattering)이다. 입도는 입자에 의해 산란된 광 세기의 변동을 수적으로 분석하여 측정한다.
매우 소량의 Fe2O3(예를 들어, 이론적인 산화물을 기준으로, 0.01 중량% 만큼 작은 Fe2O3)의 존재가 전이 알루미나(들)의 알파 알루미나로의 변환을 핵화시키는데 보조하는 것으로 믿어진다. 또한, 치밀화가 산화철없이 일어나는 것 (즉, Fe2O3의 공급원이 없는 것을 제외하고 동일한 방식으로 제조된 연마 입자에서) 보다 낮은 온도에서 알파 알루미나를 치밀화시키는데 보조하는 것으로 믿어진다.
실리카 공급원.알루미나 기제 분산액은 또한 실리카, 바람직하게는 비결정질 실리카의 공급원을 함유한다. 실리카의 공급원에는 콜로이드 실리카, 콜로이드 실리카의 전구체 뿐 아니라 비콜로이드 실리카의 전구체가 포함될 수 있다. 즉, 실리카의 공급원은 충분히 가열할 경우 SiO2를 형성하는 임의의 수용성 또는 수 분산성 물질일 수 있다. 적절한 실리카의 공급원에는 실리카 졸, 발연 실리카, 할로겐화 규소, 테트라에톡시오르토실란과 같은 알콕시실란 뿐 아니라 실란 중합체 및 올리고머가 포함되지만, 이에 제한되지 않는다.
본 명세서에서 콜로이드 실리카는 약 3 나노미터 내지 약 1 마이크로미터의 범위내에 하나 이상의 그의 치수를 갖는 비결정질 SiO2의 분리된 미분 입자로 정의된다. 콜로이드 실리카의 전구체는 예를 들어, 가열시 미분된 (1 나노미터 내지 1 마이크로미터) SiO2의 중합체 또는 입자를 형성하는 임의의 수 분산성 또는 수용성 실리카 공급원일 수 있다. 콜로이드 실리카의 전구체가 미분된 SiO2입자를 형성할 수 있는 물질이지만, 콜로이드 실리카의 전구체는 본 명세서에 기재된 반응의 조건하에 콜로이드 실리카를 형성할 필요가 없다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에 사용된 용어 콜로이드 실리카는 규소 및 산소를 포함하는 천연 콜로이드 화학적 화합물 (예를 들어, 콜로이드 점토)를 포함한다. 또한, 이 용어에는 알루미나 피복된 실리카 및 산화지르코늄 피복된 실리카와 같은 피복된 콜로이드 실리카가 포함된다. 바람직하게는, 콜로이드 실리카는 SiO2로 구성된다.
콜로이드 실리카로부터 직접으로든지, 또는 다른 형태 또는 콜로이드 실리카의 공급원으로부터든지 간에, 콜로이드 실리카의 평균 실리카 입도는 바람직하게는, 약 150 나노미터 미만, 더욱 바람직하게는 약 100 나노미터 미만, 가장 바람직하게는 약 50 나노미터 미만이다. 일부 경우에서, 실리카 입자는 약 3-10 나노미터의 차수일 수 있다. 대부분의 경우에서, 콜로이드 실리카는 실리카 입도의 분포 또는 범위로 이루어진다. 약 150 나노미터 미만의 비결정질 실리카는 더 큰 입도의 실리카보다 더욱 분산될 수 있고, 이는 더욱 균질한 연마 입자를 생성한다.
전형적으로, 실리카의 공급원을 산화철의 공급원과 함께 또는 없이 액상 매질에 가한 다음, 보에마이트와 배합하여, 이는 전형적으로 분산액의 형태로 존재하게 된다. 별법으로, 하기 상세히 기재되는 바와 같이, 액상 매질 중의 실리카 공급원을 산화철의 공급원과 함께 또는 없이 함침 조성물로 연마 입자 전구체에 가한다. 이 액상 매질은 보에마이트 분산액에 사용되는 액상 매질과 동일하거나 상이할 수 있다. 전형적으로, 이 액상 매질은 물 (바람직하게는, 탈이온수)이다. 더욱 바람직하게는, 실리카의 공급원 (및(또는) 산화철의 공급원)을 분산시키는데 사용되는 액상 매질 및 보에마이트의 분산액에 사용되는 액상 매질은 둘다 탈이온수이다. 액상 매질 중의 콜로이드 실리카를 직접 가한다면 (즉, 전구체 용액으로서 보다 분산액으로서), 콜로이드 실리카 분산액 중의 고상 퍼센트는 일반적으로, 콜로이드 실리카 분산액의 총중량을 기준으로, 약 5-50 % (바람직하게는, 약 15-30 %)이다.
일반적으로, 콜로이드 실리카는 특히, 이들이 매우 작은 입자 (예를 들어, 약 5 나노미터 미만)를 함유한다면, 염기성 Na+안정화되거나 NH4 +안정화된 계로 제조된다. 염기성 콜로이드 실리카의 pH는 일반적으로 약 8.5 내지 약 11.5, 전형적으로 약 9 내지 약 11의 범위내이다. 또한, 산성 콜로이드 실리카는 상업적으로 이용할 수 있지만, 이들은 염기성 콜로이드 실리카만큼 안정하지 않다. 즉, 산성 콜로이드 실리카는 염기성 콜로이드 실리카보다 더욱 쉽게 응집하는 경향이 있다. 따라서, 본 발명의 특정 실시태양에서 염기성 콜로이드 실리카는 그의 연장된 저장 수명 때문에 바람직하다. 이러한 시판용 염기성 콜로이드 실리카의 예에는 상표명 "날코(NALCO) 1115", "날코 1130" 및 "날코 2326" (Nalco Products, Inc. 미국 일리노이주 내퍼빌 소재) 및 "나이콜(NYACOL) 215" (Eka Nobel, Inc. 미국 조지아주 오거스트 소재)으로 이용할 수 있는 실리카가 포함되지만, 이에 제한되지 않는다. 산성 콜로이드 실리카의 예는 상표명 "날코 1034A" 및 "날코아그 (NALCOAG) 1056" (Nalco Products, Inc. 미국 일리노이주 내퍼빌 소재)로 이용할 수 있는 실리카가 포함되지만, 이에 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 알파 알루미나 세라믹 연마 입자의 제조 동안, 콜로이드 실리카는 전형적으로 보에마이트의 산성 분산액 또는 산화철 공급원의 산성 분산액에 가한다. 염기성 콜로이드 실리카의 경우, 이는 원하지 않는 응집 및 실리카 플라크의 형성을 야기할 수 있다. 따라서, 염기성 콜로이드 실리카를 산성 공급원과 배합하여, 염기성 콜로이드 실리카를 산성 콜로이드 실리카 분산액 (바람직하게는, pH 약 1-3)으로 전환시킨 후 보에마이트 또는 산화철 공급원과 배합하는 것이 바람직하다. 상기 새롭게 제조된 산성 콜로이드 실리카 분산액은 더 높은 밀도에 의해 예시되는 바와 같이, 더 많이 응집된 입자를 가질 수 있는 "이전(older)" 산성 콜로이드 실리카 분산액보다 더 양호한 연마 입자를 제공하는 경향이 있다.
본 발명의 연마 입자는, 액상 매질, 보에마이트, 산화철 공급원 및 실리카 공급원을 포함하는 분산액을 제조하고, 이 분산액을 연마 입자 전구체로 전환하고, 연마 입자 전구체를 소결시켜 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 얻는 것을 포함하는 방법에 의해 제조할 수 있다. 특정 실시태양에서, 분산액을 제조하는 단계는, 먼저 제1 액상 매질 및 보에마이트를 포함하는 제1 분산액을 제조하고, 제2 액상 매질, 실리카 공급원 및 산화철 공급원과 배합하여 제2 분산액을 제조하고, 이들 제1 및 제2 분산액을 배합하는 것을 포함한다.
매우 소량의 SiO2(예를 들어, 이론적인 산화물을 기준으로, 0.05 중량% 만큼 작은 SiO2)의 존재는 소결 온도를 증가시키고, Fe2O3공급원을 가지고 SiO2공급원이 없는 것을 제외하고 동일한 방식으로 제조된 연마 입자과 비교하여 연마 입자 중에 존재하는 알파 알루미나의 미결정 크기를 감소시키는 것으로 믿어진다. 또한, 매우 소량의 SiO2(예를 들어, 이론적인 산화물을 기준으로, 0.05 중량% 만큼 작은 SiO2)의 존재는 Fe2O3공급원을 가지고 SiO2공급원이 없는 것을 제외하고 동일한 방식으로 제조된 연마 입자과 비교하여 연마 입자의 결정립내(結晶粒內) 파쇄량을 증가시키고, 연마 입자 미결정의 하나 이상의 단위 격자 치수를 증가시키는 것으로 믿어진다. 그러나, 다량의 실리카 (예를 들어, 8.0 중량%)의 존재는 상당한 물라이트를 형성하고, 분쇄 성능이 불량해지는 경향이 있다.
임의의 첨가제.알루미나 기제 분산액은 또한 산화물 개질제 및(또는) 다른산화물 첨가제를 함유할 수 있고, 이를 가하여 알파 알루미나 기제 연마 입자의 원하는 일부 특성을 증강시키거나 소결 단계의 효율성을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 금속 산화물의 첨가는 생성된 연마 입자의 화학적 및 물리적 특성을 개질시킬 수 있다. 전형적으로, 금속 산화물 개질제의 첨가는 소결된 연마 입자의 다공성을 감소시켜 밀도를 증가시킬 수 있다. 이들 성분의 정확한 비율은 소결된 연마 입자의 원하는 특성에 따라 변화시킬 수 있다.
전형적으로, 이들 개질제 및(또는) 첨가제는 가열하여 분해에 의해 금속 산화물로 전환하는 금속 산화물의 전구체 (예를 들어, 금속 질산염 또는 금속 아세테이트 염과 같은 염) 형태이다. 별법으로, 금속 산화물 개질제 및(또는) 첨가제를 물 중에 입자의 분산액으로 알루미나 기제 분산액에 가할 수 있다. 또한, 이들을 알루미나 기제 분산액에 직접 미립자 물질로 가할 수 있다. 상기 후자의 방법에서, 미립자 물질은 바람직하게는 약 5 마이크로미터 미만, 더욱 바람직하게는 약 1 마이크로미터 미만의 입도 (즉, 가장 긴 치수)를 갖는다.
예기치 않게도, 이러한 2종의 개질제는 Na2O 및 K2O이다. 전형적으로, 이러한 알칼리 금속 산화물은 이들이 연마 입자의 물리적 특성 (예를 들어, 경도)에 악영향을 주는 것으로 생각되기 때문에 세라믹 연마 입자 제조시 피한다. 그러나, 중요하게도, 본 발명에 따른 연마 입자 제조시 알칼리 금속 산화물 공급원 (예를 들어, Na2O, K2O 및 Li2O)의 사용은 특히, 치밀화를 증강시키기 위한 소결 보조제로 상당한 이점을 제공한다. 놀랍게도, 이들 알칼리 금속 산화물은 생성된 연마 입자의 분쇄 성능을 개선시키는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 바람직하게는, 충분한 양의 알칼리 금속 산화물 공급원을 알루미나 기제 분산액에 가하여 알칼리 금속 산화물 공급원이 없이 동일한 방식으로 제조된 연마 입자과 비교할 때 연마 입자의 밀도를 증가시킨다. 알칼리 금속 산화물 공급원은 염기성 Na+안정화된 콜로이드 실리카로 실리카 공급원 중에 포함시킬 수 있거나, 이를 예를 들어, 나트륨 아세테이트와 같은 염으로 알루미나 기제 분산액에 가할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 이론적인 산화물을 기준으로, 약 0.01 중량% 이상 내지 약 1.0 중량% 이하의 알칼리 금속 산화물 (예를 들어, Na2O)이 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자 중에 존재한다. 가장 바람직하게는, 이론적인 산화물을 기준으로, 약 0.05 중량% 이상 내지 약 0.12 중량% 이하의 알칼리 금속 산화물 (예를 들어, Na2O)이 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자 중에 존재한다.
본 발명에 따른 연마 입자에 혼입시킬 수 있는 다른 금속 산화물의 예에는 산화마그네슘(MgO), 산화아연(ZnO), 산화코발트(CoO), 산화니켈(NiO), 산화지르코늄(ZrO2), 산화티타늄(TiO2), 산화철(Fe2O3), 산화이트륨(Y2O3), 산화망간(MnO), 산화프라세오디뮴(Pr2O3), 산화사마륨(Sm2O3), 산화이테르븀(Yb2O3), 산화네오디뮴(Nd2O3), 산화란타늄(La2O3), 산화가돌리늄(Gd2O3), 산화세륨(Ce2O3), 산화디스프로슘(Dy2O3), 산화에르븀(Eu2O3), 산화하프늄(HfO2), 산화크로뮴(Cr2O3), 산화스트론튬(SrO), 산화칼슘(CaO) 및 그의 조합물이 포함되지만, 필수적으로 바람직한 것은 아니다. 특정 이들 금속 산화물은 알루미나와 반응하여 알루미나를 갖는 생성물을 형성하는 반면, 나머지들은 금속 산화물로 잔류한다. 예를 들어, 코발트, 니켈, 아연 및 마그네슘의 산화물은 전형적으로 알루미나와 반응하여 스피넬을 형성하는 반면, 산화지르코늄 및 산화하프늄은 알루미나와 반응하지 않는다. 별법으로, 산화디스프로슘 및 산화가돌리늄과 산화알루미늄의 반응 생성물은 일반적으로 가르니트이다. 산화프라세오디뮴, 산화이테르븀, 산화에르븀 및 산화사마륨과 산화알루미늄의 반응 생성물은 일반적으로 페로브스카이트 및(또는) 가르니트 구조를 갖는다. 또한, 산화이트륨은 알루미나와 반응하여 가르니트 결정 구조를 갖는 Y3Al5O12를 형성한다. 특정 희토류 산화물 및 이가 금속 양이온은 알루미나와 반응하여 화학식 LnMAl11O19(식 중, Ln은 La3+, Nd3+, Ce3+, Pr3+, Sm3+, Gd3+또는 Eu3+과 같은 3가 금속 이온이고, M은 Mg2+, Mn2+, Ni2+, Zn2+또는 Co2+와 같은 2가 금속 이온임)로 나타나는 희토류 알루민산염을 형성한다. 이러한 알루민산염은 육방정계 결정 구조를 갖는다. 추가의 알루미나 기제 분산액 중의 금속 산화물에 대해서는 예를 들어, 미국 특허 제4,314,827호 (Leitheiser et al.), 제4,770,671호 (Monroe et al.) 및 제4,881,951호 (Wood et al.)에서 발견할 수 있다.
이들 금속 산화물 중 어느 것도 보에마이트, 산화철 공급원, 및(또는) 실리카 공급원 중에 최소 불순물로부터 형성하는 수준 이상으로 연마 입자 중에 존재하지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 연마 입자의 바람직한 실시태양은 예를 들어,MgO와 같은 금속 산화물을 기본적으로 포함하지 않는다. 임의의 이들이 존재한다면, 이론적인 산화물을 기준으로 바람직하게는, 약 0.01-25 중량% (더욱 바람직하게는, 약 0.01-10 중량%, 가장 바람직하게는 약 0.01-1.0 중량%)로 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자 중에 존재한다. 이들 금속 산화물은 이들 금속 산화물의 특정 공급원 (예를 들어, 질산염과 같은 가용성 염)이 건조 동안 종종 이동하여 조성적으로 불균질 연마 입자를 생성하기 때문에 반드시 바람직한 것은 아니다. MgO와 같은 이들 금속 산화물의 일부가 생성된 연마 입자의 파쇄의 양을 증가시킬 수 있지만, 이들은 또한, 연마 입자의 경도 및 인성을 감소시킬 수 있다. 그러나, 본 본 발명에 따라 Fe2O3과 배합하여 사용할 경우 실리카는 일반적으로 보관되는 동안 생성된 연마 입자의 결정립내 파쇄량을 증가시키고, 또한 연마 입자의 경도 및 인성 뿐만 아니라 분쇄 성능을 개선시킨다.
분산제로 또한 언급되는 해교제를 보에마이트 분산액을 얻는데 이용한다. 적절한 해교제에는 일양성자 산 및 산 화합물, 예를 들어 아세트산, 염산, 포름산 및 질산이 포함된다. 질산이 바람직한 해교제이다. 통상적으로, 다양성자 산은 이들이 전형적으로 분산액을 빠르게 겔화시켜 처리하거나 추가의 성분과 혼합하는 것을 어렵게 만들기 때문에 피한다. 일부 시판용 보에마이트의 공급원은 흡수된 포름산 또는 질산과 같은 산 역가를 함유하여 분산액을 형성할 수 있다.
추가로, 알루미나 기제 분산액은 산화철의 공급원 이외에 알파 알루미나 유핵 물질의 공급원과 같은 소량의 유핵 물질을 함유할 수 있다. 그러나, 존재하는특정 다른 유핵 물질에 따라 이러한 다른 유핵 물질의 존재는 연마 입자의 특성에 악영향을 줄 수 있다. 따라서, 제2 유핵 물질을 가하는 것은 반드시 바람직한 것은 아니다.
일반적으로, 액상 매질, 알파 알루미나 일수화물, 실리카 공급원 및 산화철 공급원을 균질한 혼합물이 형성될 때까지 혼합한다. 염기성 콜로이드 실리카를 사용한다면, 바람직하게는 산 공급원과 배합하여 콜로이드 실리카를 산성화시킨다. 한 실시태양에서, 실리카 공급원을 액상 매질 중의 산화철 공급원과 배합한 후, 이를 보에마이트에 가한다. 분산액을 예를 들어, 볼 분쇄기, 공기 교반기, 초음파 혼합기, 콜로이드 분쇄기, 연속 스크루형 혼합기 또는 스크루 나사 송곳 등을 사용하여 임의의 통상적인 기술에 의해 혼합하거나 제조할 수 있다. 볼 분쇄기는 알파 알루미나 분쇄 매질 및 산화지르코늄 분쇄 매질 등과 같은 임의의 적절한 분쇄 매질을 함유할 수 있다.
일반적으로, 탈액화시키기 전에 분산액 중에 포집된 공기 또는 가스의 양을 감소시키는 것은 발포의 가능성을 감소시키는 경향이 있다. 일반적으로, 가스가 적게 포집될수록 더 적은 다공성 미세구조를 생성하고, 이것이 바람직하다. 가스 제거는 예를 들어, 분산액을 제조 동안 진공에 노출시킴으로써 성취할 수 있다. 별법으로 또는 추가적으로, 거품 제거제를 필요하다면 사용할 수 있다.
분산액은 전형적으로, 탈액화 단계 전 또는 동안 겔화한다. 분산액의 pH 및 겔 중 이온 농도는 일반적으로, 얼마만큼 신속히 분산액을 겔화하는지를 결정한다. 전형적으로, 분산액의 pH는 약 1.5 내지 약 4의 범위내이다. 더욱이, 대부분 개질제의 첨가는 분산액을 더 신속히 겔화한다. 별법으로, 암모늄 아세테이트 또는 다른 이온 종을 가하여 분산액의 겔화를 유도할 수 있다.
분산액의 탈액화 및 건조된 연마 입자 전구체의 형성
알루미나 기제 분산액은 예를 들어, 임의의 통상의 방식으로 탈액화시킬 수 있다. 이러한 방법에는 분산액을 단순 공기 건조시키는 것이 포함된다. 다른 적절한 방법에는 분산액의 유리수를 제거하고 건조된 연마 입자 전구체를 얻기 위한 당업계에 공지된 탈수법이 포함된다. 이러한 다른 방법의 예에는 원심분리 또는 여과가 포함된다. 바람직하게는, 탈액화는 가열하여 증발을 촉진시킴으로써 성취된다. 더욱 바람직하게는, 약 50-200 ℃ (바람직하게는, 100-150 ℃)의 온도에서 강제된 공기 오븐에서 가열한다. 이러한 가열은 배치식으로 또는 연속적으로 행할 수 있다. 일반적으로, 탈액화 단계는 분산액으로부터 액상 매질의 상당량을 제거하지만, 건조된 연마 입자 전구체 중에 최소량의 액상 매질이 존재할 수 있다.
형상된 연마 입자의 경우, 분산액은 부분적으로 탈액화된 분산액의 플라스틱 형태가 형성될 때까지 부분적으로 탈액화시킨다. 이 부분적으로 탈액화된 플라스틱 형태는 압착, 성형, 절단 또는 압출과 같은 임의의 편리한 방법으로 성형시킬 수 있다. 이어서, 더욱 탈액화시켜 목적하는 형상 (예를 들어, 막대형, 피라미드형, 삼각평면형, 디이아몬드형 또는 원추형 등)을 생성시킨다. 형상된 연마 입자가 막대형이라면, 이는 예를 들어, 약 20-1000 마이크로미터의 직경 및 하나 이상, 바람직하게는 약 2개 이상, 더욱 바람직하게는 5개 이상의 측면비 (즉, 길이 대 너비 비)를 가질 수 있다. 불규칙하게 형상된 연마 입자는 편리하게는, 임의의 편리한크기의 건조 용기, 예를 들어 케이크 팬의 형상에 분산액을 단순히 침착시키고, 바람직하게는 분산액의 발포 온도 이하의 온도에서 건조시킴으로써 제조한다.
더욱이, 본 발명에 따르고(거나) 본 발명에 따라 제조된 연마 입자는 예를 들어, 삼각형 또는 정방형 등의 기하학적인 면을 갖는 얇은 본체, 또는 필라멘트 또는 막대형으로 형상화시킬 수 있다. 형상된 연마 입자의 예는 미국 특허 제5,090,968호 (Pellow) 및 제5,201,916호 (Berg et al.)에 교시되어 있다.
건조된 연마 입자 전구체를 임의의 통상적인 수단, 바람직하게는 파쇄에 의해 유용한 크기의 고형 물질로 전환시킬 수 있다. 이 파쇄 단계는 해머 분쇄기, 롤 파쇄기 또는 볼 분쇄기와 같은 적절한 임의의 수단에 의해 행할 수 있다. 건조된 연마 입자 전구체를 분쇄시키는 임의의 방법을 사용할 수 있다. "파쇄"란 용어는 상기 모든 방법을 포함하도록 사용된다. 건조된 연마 입자 전구체를 파쇄시키는 것은 소결된 연마 입자를 파쇄시키는 것 보다 훨씬 쉽고 상당히 적은 에너지를 필요로 한다. 건조된 연마 입자 전구체를 원하는 치수 및 형태로 성형시킨다면, 전환 단계는 형상화 과정 동안 일어나고, 파쇄는 필요하지 않다.
건조된 연마 입자 전구체의 하소
탈액화된 (즉, 건조된) 연마 입자 전구체는 하소시킴으로써 추가로 가공시킬 수 있다. 단순히 건조되든지 또는 건조되고 하소되든지 간에, 이 물질은 "연마 입자 전구체" 또는 "비소결된 연마 입자"로 본 명세서에서 언급된다. 하소 동안, 필수적으로 모든 휘발성 물질은 제거되고, 분산액 중에 존재하는 다양한 성분은 산화물로 전환된다. 일반적으로, 물질을 약 400-1000 ℃ (바람직하게는 약 500-800 ℃)의 온도에서 가열하고, 유리수, 및 바람직하게는 임의의 결합된 휘발성 물질의 약 90 중량% 이상이 제거될 때까지 이 온도에서 유지시킨다. 함침 전 또는 후 (함침을 행하는 경우), 또는 함침 전후에 하소시킨다. 바람직하게는, 함침 단계를 사용하든지 또는 사용하지 않든지 간에 소결하기 직전에 하소시킨다.
함침
함침 단계는 연마 입자를 제조하는 방법에서 임의로 사용하여 실리카 및(또는) 다른 금속 산화물 및 첨가제를 혼입시킬 수 있다. 건조되거나 하소된 재료 (즉, 연마 입자 전구체)를 실리카 공급원, 산화철 공급원, 금속 산화물 전구체 및 그의 조합물을 포함하는 함침 조성물 및 액상 매질로 함침시켜 함침된 연마 입자 전구체를 얻을 수 있다. 함침 단계 후, 함침된 연마 입자 전구체를 전형적으로 건조시키고, 필요하다면 이어서 하소시켜 (일반적으로, 이는 제2 하소 단계임) 함침되고 하소된 연마 입자 전구체를 형성한다.
하기 논의에서 파쇄된 연마 입자 전구체를 함침시키는 것에 대해 언급하지만, 함침 단계는 건조되거나 하소된 연마 입자 전구체를 파쇄시키거나 성형시키기 전에 행할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 랜덤 또는 불규칙 형상 연마 입자의 경우, 건조된 연마 입자 전구체를 파쇄시킨 다음, 이 파쇄된 물질을 하소시키고, 하소된 연마 입자 전구체를 함침시킨다.
일반적으로, 함침 조성물 (바람직하게는, 용액)은 함침 액상 및 1종 이상의 하기: 실리카 공급원, 산화철 공급원, 알칼리 금속 산화물 공급원 또는 다른 금속 산화물 및 그의 조합물을 포함한다. 함침 액상은 물 (바람직하게는, 탈이온수) 또는 유기 용매 (바람직하게는, 비극성 유기 용매)일 수 있다. 연마 입자 전구체를 함침 단계 전에 하소시킨다면, 바람직하게는 함침 액상으로 물을 사용한다. 연마 입자 전구체를 함침 단계 전에 하소시키지 않는다면, 함침 액상은 연마 입자 전구체를 용해시키지 않거나 유화시키지 않는 액상이다.
침투력을 증강시키기 위해, 금속 산화물 전구체는 일반적으로 금속 질산염 또는 금속 아세테이트 염과 같은 가용성 염의 형태로 존재한다. 산화물로 전환하는 적절한 금속 염의 예는 마그네슘, 아연, 코발트, 니켈, 지르코늄, 알루미늄, 티타늄, 철, 이트륨, 프라세오디뮴, 사마륨, 망간, 크로뮴, 이테르븀, 네오디뮴, 란타늄, 가돌리늄, 세륨, 디스프로슘, 에르븀, 하프늄, 크로뮴, 칼슘, 스트론튬, 주석, 나트륨, 칼륨, 리튬 및 그의 조합물이 포함된다. 함침에 의해 첨가된다면, 또한 일반적으로 실리카 공급원은 산화철 공급원이 존재하는 것과 같이 테트라에톡시오르토실란과 같은 가용성 물질의 형태로 존재하여 기공 중으로 물질의 침투를 증가시킨다.
일반적으로, 보에마이트로부터 유도되는 하소된 연마 입자 전구체는 전형적으로 반경이 약 30-40 Å인 기공을 함유하는 다공성이다. 따라서, 함침은 하소된 연마 입자 전구체를 함침 조성물과 혼합하여 성취할 수 있고, 이는 모세관 작용에 의해 기공으로 침투한다. 함침 조성물이 높은 점도를 갖는다면, 진공이 상기 혼합 단계 동안 존재하는 것이 바람직하다. 전형적으로, 충분한 함침 조성물을 하소된 연마 입자 전구체에 가하여 이론적인 산화물을 기준으로 목적하는 양의 SiO2,Fe2O3, 알칼리 금속 산화물 또는 다른 임의의 금속 산화물을 생성된 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자 중에 얻는다.
함침 후, 함침된 물질을 각 입자들이 함께 부착되지 않거나 하소기의 공급관에 부착되지 않도록 건조시킨다. 일부 경우에서, 이 건조 단계는 필요하지 않다. 다음에, 물질을 통상적으로 하소시켜 전술한 조건을 사용하여 결합된 휘발성 물질을 제거한다. 그러나, 두 하소 단계를 사용하다면, 조건은 동일할 필요는 없다.
하나 보다 많은 함침 단계를 사용하는 것은 본 발명의 범위내이다. 다중 함침 단계는 함침 조성물 중에 함유된 물질의 기공 중의 농도를 증가시킨다. 또한, 후속적인 함침 조성물은 제1 함침 조성물에 함유된 것과는 상이한 농도의 고체 및(또는) 상이한 물질의 조합물을 갖는다. 예를 들어, 제1 조성물은 하나의 금속 산화물을 함유할 수 있고, 제2 조성물은 상이한 금속 산화물을 함유할 수 있다.
함침 조성물은 예를 들어 콜로이드 실리카 또는 고형 산화철 공급원과 같은 무기 미립자 물질의 매우 작은 입자 또는 돌기 물질 (예를 들어, 약 25 마이크로미터 미만)을 추가로 포함할 수 있다. 일반적으로, 이 무기 미립자 물질은 실질적으로 건조되거나 하소된 입자의 기공 중으로 침투할 수 없다. 소결시, 무기 미립자 물질은 소결하고 세라믹 연마 입자의 표면에 부착하여, 소결된 연마 입자 표면상에 코팅을 형성한다. 이 형태의 코팅에 관한 추가의 정보는 예를 들어, 미국 특허 제5,213,591호 (Celikkaya et al.) 및 제5,011,508호 (Wald et al.)에서 발견할 수 있다.
소결
연마 입자 전구체의 소결은 통상적으로 전이 알루미나(들)을 알파 알루미나로 전환시키고 모든 금속 산화물 전구체가 알루미나와 반응하거나 금속 산화물을 형성하도록 하는데 유효한 온도에서 가열함으로써 성취된다. 본 명세서에 사용된 전이 알루미나는 수화된 알루미나를 가열하여 알파 알루미나 (예를 들어, 에타, 쎄타, 델타, 카이, 이오타, 카파 및 감마형의 알루미나 및 이러한 형태의 중간 조합물)로 전환하기 전에 수화의 물을 제거한 후 존재하는 알루미나의 임의의 결정학적 형태이다. 소결 온도는 약 1200-1650 ℃ (바람직하게는, 약 1300-1450 ℃)이다. 연마 입자 전구체를 소결 온도에 노출시켜 원하는 수준의 전환을 성취하는 시간의 길이는 다양한 인자, 예를 들어 입도, 입자의 조성 및 소결 온도에 의존한다. 그러나, 전형적으로 소결은 수초 내지 약 60분 범위의 기간내에 성취할 수 있다. 바람직하게는, 소결은 약 5-30분내에 성취된다.
필요하다면 다른 압력에서 행할 수 있지만, 소결은 전형적으로 대기압에서 수행한다. 바람직하게는, 소결은 산화 환경에서 성취된다. 중성 또는 환원 환경 중의 소결은 철을 +3으로부터 환원시키고 종 (즉, 유핵) 효율을 저해하는 경향이 있다. 소결은 예를 들어, 회전 화로, 배치 (즉, 정지) 화로, 또는 미국 특허 제5,489,204호 (Conwell et al.)에 기재된 바와 같은 화로에서 일어날 수 있다.
소결 후, 연마 입자는 스크리닝 또는 파쇄시키고 원하는 크기 분포로 스크리닝시킴으로써 추가로 가공시킬 수 있다.
연마 입자
본 발명에 따르고(거나) 본 발명에 따라 제조된 연마 입자는 바람직하게는 반투명이 아니고, 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 또는 산화철(α-Fe2O3) 뿐만 아니라 특정 실시태양의 알칼리 금속 산화물을 함유한다. 전형적으로, 이는 약 10 마이크로미터 이상의 연마 입자 크기 (즉, 연마 입자의 가장 긴 치수)을 갖는다. 본 명세서에 기재된 연마 입자는 약 100 마이크로미터 보다 큰 연마 입자 크기로 쉽게 제조할 수 있지만, 더 큰 연마 입자 (즉, 약 150 마이크로미터보다 크거나 약 200 마이크로미터 보다 큰)도 쉽게 제조할 수 있다. 바람직하게는 특정 연마 입자 크기 "보다 큰"으로 언급되는 시료의 경우 실질적으로 모든 시료의 연마 입자가 특정값 보다 크지만, 본 명세서에 언급된 연마 입자 크기는 전형적으로 평균 연마 입자 크기이다.
본 발명에 따르고(거나) 본 발명에 따라 제조된 연마 입자는 전형적으로, 약 200 나노미터 보다 큰 (바람직하게는, 약 300 나노미터 보다 큰) 표면 조도 높이 및 약 500 나노미터 미만 (바람직하게는, 약 250 나노미터 미만)의 표면 조도 주기성을 갖는다. 이 표면 조도는 예를 들어, 연마 입자 중의 결합제에 대한 연마 입자의 부착력에 기여한다. 표면 조도 높이 및 주기성을 측정할 수 있는 방법은 하기에 기재된다.
소결된 연마 입자의 미세 구조는 평균 직경이 약 0.5 마이크로미터 미만, 바람직하게는 약 0.3 마이크로미터 미만인 무질서하게 배향되고, 깎은 동일한 축으로 된, 알파 알루미나 미결정으로 기술할 수 있다. 즉, 알파 알루미나의 적어도 일부분이 평균 미결정 크기가 약 0.5 마이크로미터 미만인 알파 알루미나 미결정으로 존재한다. 일반적으로, 1 마이크로미터 보다 큰 알파 알루미나 미결정은 없고, 이들은 전형적으로 약 0.1-0.4 마이크로미터 크기의 범위이다. 본 명세서에 사용된 바와 같이 미결정 크기는 미결정의 가장 긴 치수이다. 전형적으로, 미결정 용적은 이 가장 긴 치수를 세제곱하여 결정할 수 있다.
본 발명에 따르고(거나) 본 발명에 따라 제조된 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자는 약 3.5 g/㎤ 이상, 더욱 바람직하게는 약 3.7 g/㎤, 가장 바람직하게는 약 3.8 g/㎤ 이상의 밀도를 갖는다. 일반적으로, 연마 입자는 경질이고 (즉, 변형에 대해 내성) 강인하다 (즉 파쇄에 대해 내성). 전형적으로, 연마 입자는 약 16 GPa 이상의 평균 경도 (즉, 변형에 대해 내성)를 갖는다. 바람직하게는, 평균 경도는 약 18 GPa 이상, 더욱 바람직하게는 약 20 GPa 이상, 가장 바람직하게는 약 22 GPa 이상이다. 다른 측면에서, 소결된 연마 입자는 전형적으로 약 2.5 MPa·m1/2이상의 평균 인성 (즉, 파쇄에 대해 내성)을 갖는다. 바람직하게는, 평균 인성은 약 3.0 MPa·m1/2이상, 더욱 바람직하게는 약 3.5 MPa·m1/2이상, 가장 바람직하게는 4.0 MPa·m1/2이상이다. 특히 바람직한 연마 입자는 약 23 GPa 이상의 평균 경도 및 약 3.3 MPa.m1/2이상의 평균 인성을 갖는다.
이론에 제한되려는 것은 아니지만, 산화철은 전이 알루미나(들)의 알파 알루미나로의 변환을 핵화시키는데 보조한다는 것으로 믿어진다. 또한, 산화철은 치밀화가 산화철없이 일어나는 경우 보다 더 낮은 온도에서 알파 알루미나를 치밀화시키는데 보조하는 것으로 믿어지는 반면, 실리카는 소결 온도를 증가시키지만 소결 동안 알파 알루미나 미결정 성장을 감소시키는데 보조하는 것으로 믿어진다. 따라서, 산화철의 양 및 실리카의 양은 전이 알루미나(들)을 알파 알루미나로 효과적으로 변환시키면서 알파 알루미나의 미결정 성장을 감소시키는데 사용된다. 바람직하게는, 알루미나 기제 분산액은 평균 미결정 크기가 약 0.5 마이크로미터 미만 (바람직하게는, 약 0.3 마이크로미터 미만)인 알파 알루미나 미결정을 갖는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 제조하기에 충분한 양의 산화철 공급원 및 충분한 양의 실리카 공급원을 함유한다.
일반적으로, 감소된 미결정 성장은 연마 입자 전구체를 소결시키는 동안 SiO2의 매우 낮은 수준 (예를 들어, 0.05 %)에서 관찰된다. 바람직하게는, SiO2는 실리카 공급원이 없는 것을 제외하고 동일한 방식으로 제조된 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자 중에 존재하는 알파 알루미나 미결정의 평균 미결정 용적 보다 더 작은 평균 미결정 용적의 알파 알루미나 미결정을 갖는 연마 입자를 제공하기에 충분한 양으로 연마 입자 중에 존재한다. 바람직하게는, 평균 미결정 용적은 실리카 공급원이 없는 것을 제외하고 동일한 방식으로 제조된 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자 중에 존재하는 알파 알루미나 미결정의 평균 미결정 용적의 1/2 이하 (더욱 바람직하게는, 1/5, 가장 바람직하게는 1/10, 특히 바람직한 실시태양에서 1/100)이다.
본 명세서에 기술된 거의 또는 전혀 유리 모양의 상이 없는 연마 입자는 연마 입자가 이론치의 90 % 이상의 "진" 밀도로 소결되는 경우 과립간 (intergranular) 파쇄와는 반대로 결정립내 파쇄를 나타낸다. 매우 다공성 연마 입자 (예를 들어, 구불구불하거나 다공성 비접종된 미세구조를 갖는 물질에서 발견되는 것과 같이 내부 및 외부 기공이 연결되는 연속적인 다공성을 갖는 연마 입자)는 매우 높은 "겉보기" 밀도 및 매우 높은 양의 (예를 들면, 약 70 %보다 큰) 결정립내 파쇄를 갖는다. 이 경우에서, 결정립내 파쇄량은 다공성 물질이 결정립내 방식으로 파쇄되는 경향이 있기 때문에 의미가 없다. 본 발명에 따른 연마 입자는 매우 작은 기공을 갖는 (하기에 기술된, 외부 다공성을 확인하는 레드 염료 시험(Red Dye Test) 및(또는) 외부 및 내부 다공성 둘다를 확인하는 주사 전자 현미경에 의해 측정하는 경우) 접종되고 치밀한 미세 구조를 갖는다는 것이 당업계의 숙련자에게 이해될 것이다. 이러한 비다공성 연마 입자의 경우, 측정 또는 "겉보기" 밀도는 "진" 밀도이다. 이 경우에서, 일반적으로 결정립내 파쇄의 높은 양은 일반적으로 양호한 분쇄 성능을 갖는 더 강한 연마 입자를 나타낸다.
결정립내 파쇄량은 주사 전자 현미경을 사용하여 하기에 기술된 바와 같이 측정할 수 있다. 일반적으로, 결정립내 파쇄는 SiO2의 매우 낮은 수준 (예를 들어, 0.05 중량%)에서 관찰되지만, 결정립내 파쇄, 분쇄 성능 및 인성은 SiO2의 더 높은 수준 (예를 들면, 0.1 중량%, 특히 약 1-2 중량%)으로 개선한다. 따라서, 바람직하게는, SiO2는, SiO2가 없는 것을 제외하고 동일한 방식으로 제조된 연마 입자과 비교하여 결정립내 파쇄의 양이 증가된 연마 입자를 제공하기에 충분한 양으로 연마 입자 중에 존재한다. 더욱 바람직하게는, SiO2는 약 30 % 이상의 결정립내 파쇄, 가장 바람직하게는 약 40 % 이상의 결정립내 파쇄, 특정 실시태양에서 약 50 % 이상의 결정립내 파쇄를 갖는 연마 입자를 제공하기에 충분한 양으로 존재한다. 결정립내 파쇄량으로 일반적으로 분쇄 성능을 결정한다.
Fe2O3을 알루미나 세라믹 물질에 혼입한 경우, 이는 알파 알루미나 미결정의 단위 격자 치수를 확장시키는 것으로 공지되어 있다. 놀랍게도, SiO2의 존재는 SiO2의 매우 낮은 수준 (예를 들면, 0.05 중량%)에서 이 확장 효과를 증강시킨다. 따라서, SiO2는, SiO2가 없는 연마 입자와 비교할 경우 하나 이상의 증가된 단위 격자 치수를 갖는 연마 입자를 제공하기에 충분한 양으로 연마 입자 중에 존재한다. 더욱 바람직하게는, SiO2는, SiO2가 없는 연마 입자와 비교할 경우 하나 이상의 단위 격자 치수의 약 0.01 중량% 이상의 확장, 가장 바람직하게는 약 0.02 중량% 이상의 확장을 갖는 연마 입자를 제공하기에 충분한 양으로 존재한다.
특정 실시태양에서, 바람직하게는 연마 입자는 이론적인 산화물을 기준으로, 약 0.1 중량% 이상 (더욱 바람직하게는, 약 0.5 중량% 이상, 가장 바람직하게는 약 1.0 중량% 이상)의 SiO2를 함유한다. 더욱이, 연마 입자는 바람직하게는 이론적인 산화물을 기준으로, 약 20.0 중량% 이하 (더욱 바람직하게는, 약 5.0 중량% 이하, 가장 바람직하게는 약 2.0 중량% 이하)의 SiO2를 포함한다.
특정 실시태양에서, 연마 입자는 바람직하게는 이론적인 산화물을 기준으로, 약 0.1 중량% 이상 (더욱 바람직하게는, 약 0.25 중량% 이상, 가장 바람직하게는 약 0.5 중량% 이상)의 Fe2O3를 함유한다. 더욱이, 연마 입자는 바람직하게는 이론적인 산화물을 기준으로, 약 10.0 중량% 이하 (더욱 바람직하게는, 약 5.0 중량% 이하, 가장 바람직하게는 약 2.0 중량% 이하)의 Fe2O3를 포함한다.
일반적으로, 본 발명에 따르고(거나) 본 발명에 따라 제조된 연마 입자는 바람직하게는 연마 입자의 총중량을 기준으로, 약 70.0 중량% 이상 (더욱 바람직하게는, 약 85.0 중량% 이상)의 Al2O3을 포함한다. 더욱이, 연마 입자는 바람직하게는 연마 입자의 총중량을 기준으로, 약 99.9 중량% 이하 (더욱 바람직하게는, 약 99.6 중량% 이하, 가장 바람직하게는 약 98.0 중량% 이하)의 Al2O3을 포함한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르고(거나) 본 발명에 따라 제조된 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자는 특정 이점을 위해 알칼리 금속 산화물 (예를 들면, Na2O, K2O, 또는 Li2O)을 포함할 수 있다. 그러나, 전형적으로 연마 입자는 Al2O3, Fe2O3및 SiO2를 주성분으로 한다.
연마용 제품
본 발명에 따르고(거나) 본 발명에 따라 제조된 연마 입자는 종래의 연마용 생산품, 예를 들어 연마 포지, 고정 연마 제품 (숫돌차, 절단 휠 및 숫돌 포함), 부직 연마 제품 및 연마용 솔에 사용할 수 있다. 전형적으로, 연마용 생산품 (즉,연마용 제품)은 결합제 및 결합제에 의해 연마용 생산품내에 고정된, 적어도 일부분이 본 발명에 따르고(거나) 본 발명에 따라 제조된 연마 입자인 연마 입자를 포함한다. 이러한 연마용 생산품을 제조하는 방법은 당업계에 잘 알려져 있다. 더욱이, 본 발명에 따르고(거나) 본 발명에 따라 제조된 연마 입자는 연마 화합물 (예를 들어, 광택 마무리 화합물)의 슬러리를 이용하는 연마용 응용품에 사용할 수 있다.
일반적으로, 연마 포지는 백킹, 연마 입자 및 백킹상에 연마 입자를 고정하기 위한 1종 이상의 결합제를 포함한다. 백킹은 천, 중합 필름, 섬유, 부직 웹, 종이, 그의 조합물 및 그의 처리된 개조물을 포함하는 임의의 적절한 물질일 수 있다. 결합제는 무기 또는 유기 결합제를 포함하는 임의의 적절한 결합제일 수 있다. 연마 입자는 1층 또는 2층의 연마 포지로 존재할 수 있다. 연마 포지를 제조하는 바람직한 방법은 예를 들어, 미국 특허 제4,734,104호 (Broberg) 및 제4,737,163호 (Larkey)에 기재되어 있다.
연마 포지는 그의 배면상에 접착 수단을 가져 연마 포지를 지지 패드 또는 백업 패드에 고정시킬 수 있다. 이러한 접착 수단은 예를 들어, 고리 및 루프 접착용 압력 민감 부착제 또는 루프 직물일 수 있다. 연마 포지는 배면은 또한 미끄럼 내성이거나 마찰용 코팅을 함유할 수 있다. 이러한 코팅의 예에는 부착제 중에 분산된 무기 미립자 물질 (예를 들어, 탄산 칼슘 또는 석영)이 포함된다.
연마 포지의 예는 도 1에 설명되어 있다. 이 도면에 관하여, 연마 포지 (10)은 백킹 (기재) (12) 및 연마층 (13)을 갖는다. 연마층 (13)은 메이크 피막 (15)및 사이즈 피막 (16)에 의해 백킹의 주표면에 고정된 연마 입자 (14)를 포함한다. 일부 경우에서, 초대형 피막 (보이지 않음)을 사용한다.
고정 연마 제품은 전형적으로 유기, 금속 또는 유리화된 결합제에 의해 함께 고정된 연마 입자의 형상을 포함한다. 이러한 형상체는 예를 들어 분쇄 휠 또는 절단 휠 등과 같은 휠의 형태로 존재할 수 있다. 또한, 이는 예를 들어, 숫돌 또는 다른 종래의 결합된 연마용 형상의 형태로 존재할 수 있다. 바람직하게는, 이는 분쇄 휠의 형태로 존재한다. 도 2에서, 적어도 일부분이 본 발명에 따르고(거나) 본 발명에 따라 제조된 연마 입자인 연마 입자 (21)을 포함하는, 휠내에 성형되고 중추 (22) 상에 탑재된 휠 (20)이 설명되어 있다. 고정 연마 제품에 관한 추가의 세부사항에 대해서는 예를 들어, 미국 특허 제4,997,461호 (Markhoff-Matheny et al.)를 참조하라. 사용할 수 있는 바람직한 결합제는 본 발명에 따른 세라믹 연마 입자에 악영향을 주지 않는 온도 및 조건하에서 경화시킬 수 있다.
부직 연마 제품은 전형적으로 구조물 전체에 분포되고 여기에 유기 결합제에 의해 접착적으로 결합된 연마 입자를 갖는 개방된 다공성 로프티(lofty) 중합체 필라멘트 구조물을 포함한다. 필라멘트의 예는 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유 및 폴리아라미드 섬유를 포함한다. 도 3에서, 전형적인 부직 연마 제품의 약 100배 확대된 도식표가 제공된다. 이러한 부직 연마 제품은 적어도 일부분이 본 발명에 따르고(거나) 본 발명에 따라 제조된 연마 입자인 연마 입자 (32)가 결합제 (34)에 의해 부착된 기재로 섬유성 매트 (30)을 포함한다. 부직 연마 제품에 관한 추가의 세부사항에 대해서는 예를 들어, 미국 특허 제2,958,593호 (Hoover et al.)을 참조하라.
본 발명에 따른 연마용 생산품에 적절한 유기 결합제는 열경화성 유기 중합체를 포함한다. 적절한 열경화성 유기 중합체의 예에는 페놀 수지, 우레아-포름알데히드 수지, 멜라민-포름알데히드 수지, 우레탄 수지, 아크릴레이트 수지, 폴리에스테르 수지, α,β-불포화 카르보닐기를 갖는 아미노플라스트 수지, 에폭시 수지 및 그의 조합물이 포함된다. 또한, 결합제 및(또는) 연마용 생산품에는 섬유, 윤활제, 습윤제, 요변성 물질, 계면활성제, 안료, 염료, 정전기 방지제 (예를 들어, 카본 블랙, 산화바나듐, 그래파이트 등), 커플링제 (예를 들어, 실란, 티타네이트, 지르코알루미네이트 등), 가소제 및 현탁제 등과 같은 첨가제를 포함된다. 이들 임의의 첨가제의 양은 원하는 특성을 제공하도록 선택한다. 케플링제는 연마 입자 및(또는) 충전제에 대한 부착력을 개선할 수 있다.
또한, 결합제는 전형적으로, 미립자 물질 형태의 충전제 물질 또는 분쇄 조제를 함유할 수 있다. 전형적으로, 미립자 물질은 무기 물질이다. 충전제로 작용하는 미립자 물질의 예에는 금속 탄산염, 실리카, 규산염, 금속 황산염 및 금속 산화물 등이 포함된다. 분쇄 조제로 작용하는 미립자 물질의 예에는 염화나트륨, 염화칼륨, 나트륨 크리올라이트 및 테트라플루오로붕산칼륨과 같은 할로겐화물 염; 주석 납, 비스무스, 코발트, 안티몬, 철 및 티타늄과 같은 금속; 폴리비닐 클로라이드 및 테트라클로로나프탈렌과 같은 유기 할로겐화물; 및 황 및 황 화합물; 및 그래파이트 등이 포함된다. 분쇄 조제는 화학적 및 물리적 분쇄 과정에 상당한 영향을 주는 물질이고, 이는 성능을 개선시킨다. 연마 포지에서, 분쇄 조제는 사이즈피막에 가해질 수 있지만, 전형적으로 연마 입자의 표면상에 도포된 초대형 사이즈 피막으로 사용된다. 전형적으로 필요하다면, 분쇄 조제는 연마 포지의 약 50-300 g/㎡ (바람직하게는, 약 80-160 g/㎡)의 양으로 사용한다.
본 발명에 따르고(거나) 본 발명에 따라 제조된 연마 입자는 표면 코팅을 포함할 수 있다. 표면 코팅은 연마용 생산품에서 연마 입자와 결합제 간의 부착력을 개선시키고, 일부 경우에서 연마 입자의 연마 특성을 개선시키는 것으로 공지되어 있다. 이러한 표면 코팅은 예를 들어, 미국 특허 제5,011,508호 (Wald et al.), 제 5,009,675호 (Kunz et al.), 제4,997,461호 (Markhoff-Matheny et al.), 제5,213,951호 (Celikkaya et al.), 제5,085,671호 (Martin et al.) 및 제5,042,991호 (Kunz et al.)에 기재되어 있다.
연마용 생산품은 본 발명에 따르고(거나) 본 발명에 따라 제조된 연마 입자 100 %를 함유할 수 있거나, 이들은 본 발명에 따른 연마 입자와 종래의 연마 입자 및(또는) 희석용 입자의 혼합물을 함유할 수 있다. 그러나, 연마용 생산품 중에 약 15 중량% 이상, 바람직하게는 약 50-100 중량%의 연마 입자가 본 발명에 따른 연마 입자이어야 한다. 적절한 종래의 연마 입자의 예에는 용융된 산화알루미늄, 규소 카바이드, 가르니트, 용융된 알루미나 지르코니아 및 다른 졸-겔 연마 입자 등이 포함된다. 적절한 희석용 입자의 예에는 대리석, 석고, 플린트, 실리카, 산화철, 규산 알루미늄, 유리 및 희석용 응집물이 포함된다. 본 발명에 따른 연마 입자는 연마용 응집물 중 또는 함께 배합할 수 있다. 연마용 응집물의 예는 미국 특허 제4,311,489호 (Kressner), 제4,652,275호 (Bloecher et al.) 및 제4,799,939호(Bloecher et al.)에 기재되어 있다.
본 발명은 하기 실시예에 의해 추가로 설명되지만, 이들 실시예에 인용된 특정 물질 및 그의 양 뿐만 아니라 다른 조건 및 세부사항이 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되면 안된다. 본 발명의 다양한 개조 및 변형이 당업계의 숙련자에게 분명할 것이다. 모든 부 및 퍼센트는 다른 지시가 없다면 중량에 의한다.
하기 약자는 실시예에서 사용된다.
AAMH 알파 알루미나 일수화물 (보에마이트) (Condea Chemie, 독일 함부르크 소재, 상표명 "디스퍼랄(DISPERAL)").
DWT 탈이온수
HNO3질산
AMM 암모늄 아세테이트
TEOS 테트라에톡시오르토실란
ASM 알파 알루미나 시드 수성 분산액; 4 리터의 볼 분쇄기 (내경 = 21 ㎝)에서 H2O 약 750 ㎖ 중에 알루미나 분쇄 매질 (길이 0.64 ㎝(0.25 인치) 및 직경 0.64 ㎝(0.25 인치) 알루미나 막대 (Coors, 미국 콜로라도주 골덴 소재) 대략 5200 g을 60 rpm에서 72 시간 동안 분쇄시킴으로써 제조.
ASG 알파 알루미나 시드, 중간 입도 = 0.4 마이크로미터, 표면적 = 8.2 ㎡/g (Alcoa Industrial Chemicals, 미국 알라스카주 보크사이트 소재, 상표명 "알코아(ALCOA) A16SG").
SAS 알파 알루미나 시드 졸; 원통형 알루미나 분쇄기 매질 (1.3 ㎝(0.5 인치)의 볼, 1.3 ㎝(0.5 인치)의 원통 및 1.9 ㎝(0.75 인치)의 원통의 등량으로 구성됨)의 그의 용적의 약 1/3까지 충전된 알루미나 볼 분쇄기에서 ASG 50.0 g, 진한 HNO35 ㎖ 및 DWT 400 ㎖를 약 48 시간 동안 분쇄시킴으로써 제조.
IO-1 90 내지 95 %가 레피도크로사이트인 옥시수산화철 (-FeOOH) 수성 분산액 (pH = 5.0-5.5), 평균 입도가 약 0.05 내지 0.1 마이크로미터이고, 길이 대 직경 또는 너비 비가 약 1:1 내지 2:1이며, 표면적이 약 115.3 ㎡/g인 침상 입자.
IO-2 옥시수산화철 (α-FeOOH) 수성 분산액, 입도가 0.1 마이크로미터 미만인 침상 입자.
IO-3 옥시수산화철 (α-FeOOH) 수성 분산액, 산화철 15 % (이론적인 산화물을 기준으로 Fe2O3로 계산됨), 황산철 및 수산화암모늄으로 제조, 길이가 대략 0.4 마이크로미터이고, 너비가 0.05 마이크로미터이며, 표면적이 약 80 ㎡/g인 침상 입자. 이 분산액은 약 3년 동안 노화된다.
IO-4 산화철 (α-Fe2O3) 핵제의 수성 분산액, Fe(NO3)3·H2O, 물 및 수성 암모니아를 각각 맥칼룸(MacCallum)에 의해 특정화된 것의 5배 양으로 사용하는 것을 제외하고 미국 특허 제3,267,041호의 실시예 2에 따라 제조, 평균 입도가 약 0.2-0.3 마이크로미터인 원반형 입자.
IO-5 산화철 (α-Fe2O3)의 수성 분산액 (pH=1), 히드록시 철 중합체의 열수작용 처리에 의해 제조, 평균 입도가 약 0.1 마이크로미터인 평면 타원 입자.
IO-6 옥시수산화철 (α-FeOOH)의 수성 페이스트, 평균 입도가 약 0.08 마이크로미터이고, 표면적이 약 104.5 ㎡/g인 침상 입자 (Magnox Pulaski, Inc., 미국 버지니아주 풀라스키 소재, 상표명 " 거타이트(Goethite) A").
IO-7 α-FeOOH 분산액 (평균 길이가 약 0.08 마이크로미터이고, 표면적이 약 130.7 ㎡/g인 침상 입자, 14 %의 고형, pH 대략 8.7), DWT 2000 g 중에 FeSO4·7H2O 83.4 g을 용해시키고, 용액을 40 ℃까지 가열하고, 여기에 O2를 버블링시키고, NaOH 용액 (DWT 500 g 중의 NaOH 30 g)을 가하고, 계속 O2를 버블링시키면서 교반시키고, 4시간 동안 온도를 유지시켜 제조하고, 이 현탁액을 2400 rpm에서 6분 동안 원심분리하고, 입자를 DWT 중에 재분산시키고, 3회 반복하여 밤새 방치하여 제조.
IO-8 옥시수산화철 (α-FeOOH) 수성 분산액, 산화철 15 % (이론적인 산화물을 기준으로 Fe2O3로 계산됨), 황산철 및 수산화암모늄으로 제조, 길이가 대략 0.4 마이크로미터이고, 너비가 0.05 마이크로미터이며, 표면적이 약 80 ㎡/g인 침상 입자. 이 물질은 IO-3과 유사하지만, 분산액은 새롭게 제조되었다.
IO-9 α-FeOOH 수성 분산액, 산화철 23.4 % (이론적인 산화물을 기준으로 계산된 Fe2O3), 길이가 대략 40 나노미터이고, 표면적이 약 200 ㎡/g인 침상 입자.
CSI 염기성 콜로이드 실리카 (15 % 고형, 0.75 %의 Na2O) (Eka Nobel, Inc.미국 조지아주 오거스타 소재, 상표명 "나이콜(NYACOL) 215"), 평균 입도 5㎚.
CS2 염기성 콜로이드 실리카 (15 % 고형, 0.75 %의 Na2O) (Nalco Products, Inc., 미국 일리노이주 내퍼빌 소재, 상표명 "날코(NALCO) 1115"), 평균 입도 5 ㎚.
CS3 염기성 콜로이드 실리카 (15 % 고형, NH3 +안정화됨) (Nalco Products, Inc., 미국 일리노이주 내퍼빌 소재, 상표명 "날코 2326"), 평균 입도 5 ㎚.
CS4 염기성 콜로이드 실리카 (30 % 고형, 0.65 %의 Na2O) (Nalco Products, Inc., 미국 일리노이주 내퍼빌 소재, 상표명 "날코 1130"), 평균 입도 8 ㎚.
CS5 산성 콜로이드 실리카 (34 중량% 고형) (Nalco Products, Inc., 미국 일리노이주 내퍼빌 소재, 상표명 "날코아그(NACOLAG) 1034A"), 평균 입도 20 ㎚.
CS6 산성 알루미나 피복된 콜로이드 실리카 (20 %의 SiO2, 4 %의 Al2O3) (Nalco Products, Inc., 미국 일리노이주 내퍼빌 소재, 상표명 "날코아그 1SJ613"), 평균 입도 20 ㎚.
CS7 콜로이드 실리카 (50 중량% 고형) (Nyacol Products, Inc. 상표명 "나이콜(Nyacol) 1034A"), 평균 입도 50 ㎚.
CS8 콜로이드 실리카 (50 중량% 고형) (Nyacol Products, Inc. 상표명 "나이콜 9950"), 평균 입도 99 ㎚.
실시예 1-4 및 비교예 A
알루미나 기제 분산액을 실시예 1-4 각각 및 비교예 A의 경우에 대해 제조하였다. 각 분산액을 AAMH 500 g, HNO335 g, 6.5 %의 산화철 (이론적인 산화물을 기준으로 Fe2O3로 계산됨)을 갖는 IO-1 60 g 및 DWT 1350 g과 함께 혼합하여 제조하였다. 콜로이드 실리카를 하기 표 1에 나타낸 양 및 형태로 실시예 1-4 각각의 알루미나 분산액 중에 혼합하였다.
알루미나 기제 분산액을 각각 겔화하고, "파이렉스(PYREX)" 트레이에 넣고, 대략 93 ℃(200 °F)에서 밤새 건조시켜 부스러지기 쉬운 고체를 얻었다. 생성된 건조 물질을 강판 사이 간격이 1.1 ㎜인 "브라운(Braun)"타입 UD 분쇄기 (Braun Corp., 미국 캘리포니아주 로스앤젤레스 소재)를 사용하여 파쇄시켰다. 파쇄된 연마 입자 전구체를 0.125 내지 1 ㎜의 스크린 크기에서 각각 스크리닝하였다. 잔류한 연마 입자 전구체를 각각 하소로에 공급하여 하소된 연마 입자 전구체를 형성하였다. 하소로는 직경 15 ㎝, 길이 1.2 미터의 고온 지대 0.3 미터를 갖는 스테인레스강 튜브였다. 튜브는 수평에 대해 2.4 도 각도로 기울어져 있다. 튜브를 약 20 rpm에서 회전시켜 하소로내의 체류 시간 약 4 내지 5분을 제공하였다. 하소로는 고온 지대 온도가 약 650 ℃이었다. 다음, 하소된 연마 입자 전구체를 소결로에 공급하였다. 소결로는 내경 8.9 ㎝, 길이 1.32 미터의 수평에 대해 4.4 도 각도로 기울어진 규소 카바이드 튜브이고, 고온 지대 31 ㎝를 가졌다. SiC 전기 가열 원소를 통하여 외부에서 열을 가하였다. 소결로를 약 2.8 rpm에서 회전시켜 소결로내의 체류 시간 약 25분을 제공하였다.
비교예 A의 알파 알루미나 세라믹 연마 입자는 약 1290 ℃의 온도에서 소결된 반면, 실시예 1-4의 연마 입자는 약 1430 ℃의 온도에서 소결되었다. 실시예 1-4에서 실리카의 존재는 비교예 A의 연마 입자에 필요한 온도보다 더 높은 소결 온도가 필요하였다. 생성물을 화로에서 실온 공기 중으로 배출시켜 금속 용기 중에 수거하고 실온까지 냉각시켰다.
실시예 1-4 각각의 연마 입자의 밀도를 헬륨 가스 비중병 (상표명 "마이크로메리틱스 아쿠피크(Micromeritics AccuPyc) 1330" (Micromeritics Instruments Corp., 미국 조지아주 노르크로스 소재)으로 측정하였다. 밀도 값은 g/㎤ 단위로 나타냈다.
미세경도를 "에포메트(EPOMET)" 탑재 수지 (Buehler Ltd., 미국 일리노이주 레이크 블루프 소재) 중에 연마 입자를 탑재시켜 직경 2.5 ㎝(1 인치) 및 높이 1.9 ㎝(0.75 인치)인 연마 입자를 함유하는 원통을 형성함으로써 측정하였다. 탑재된시료를 "메타디(METADI)" 다이아몬드 슬러리 (Buehler Ltd.)를 사용하는 "에포메트" 분쇄제/광택제 (Buehler Ltd.)를 사용하여 광택마무리시켜 광택마무리된 시료의 횡단면을 얻었다. 최종 광택마무리 단계는 1 마이크로미터의 "메타디" 다이아몬드 슬러리를 사용하였다. 경도 측정은 인덴트(indent) 충전량 500 g을 사용하는 빅커(Vicker) 인덴터가 장착된 "미투토요(Mitutoyo) MVK-VL" 경도 시험기 (Mitutoyo Corp., 일본 도꾜도 소재)를 사용하여 행하였다. 경도 측정은 물질의 미세경도에 대한 ASTM 시험 방법 E384 시험 방법 (1991)에 서술된 지시에 따라 행하였다. 경도 값은 GPa 단위로 나타냈다.
실시예 1-4의 연마 입자의 밀도 및 경도를 측정하여 하기 표 2에 나타냈다.
실시예 1-4 및 비교예 A의 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 피복된 연마용 디스크에 이용하여, 분쇄 성능을 시험하였다. 피복된 연마용 디스크는 통상적인 과정에 따라 제조하였다. 연마 입자를 스크리닝하여 대략 등급 36을 얻었는데, 연마 입자 100 %를 25 메시 스크린 (구멍 크기가 0.707 ㎜인 미국 표준 스크린)을 통과시키면, 50 %는 30 메시 스크린 (구멍 크기가 0.595 ㎜인 미국 표준 스크린) 상에 잔류하고, 50 %는 30 메시 스크린을 통과하며 35 메시 스크린 (구멍 크기가 0.500 ㎜인 미국 표준 스크린) 상에 잔류하였다. 통상적인 탄산칼슘 충전 페놀 메이크 수지 (레졸 페놀 수지 48 %, 탄산칼슘 52 %, 물 및 글리콜 에테르로 81 % 고형으로 희석됨) 및 통상적인 크리올라이트 충전 페놀 크기 수지 (레졸 페놀 수지 32 %, 산화철 2 %, 크리올라이트 66 %, 물 및 글리콜 에테르로 78 % 고형으로 희석됨)을 사용하여 직경 17.8 ㎝의 경화된 섬유 백킹 (중심 구멍의 직경이 2.2 ㎝임)에 연마 입자를 결합시켰다. 메이크 수지를 88 ℃에서 90분 동안 미리 경화시키고, 크기 수지를 88 ℃에서 90분 동안 미리 경화시킨 다음, 최종적으로 100 ℃에서 10시간 동안 경화시켰다.
피복된 연마용 디스크를 하기 시험 과정에 따라 시험하였다. 각 피복된 연마용 디스크를 비스듬히 자른 알루미나 백업 패드상에 탑재시키고, 미리 측량된 1.25 ㎝ x 18 ㎝의 1018 부드러운 강 제품의 측면을 분쇄시키는데 사용하였다. 디스크를 5,500 rpm으로 드라이빙시키면서 비스듬히 자른 백업 패드의 가장자리와 중복된 디스크의 일부분을 약 6 ㎏(13 파운드) 충전량으로 제품과 접촉시켰다. 각 디스크를 사용하여 1분 간격으로 순차적으로 각 제품을 분쇄시켰다. 총 절단량은 시험 기간 전체를 통하여 제품으로부터 제거된 물질의 양의 합이다. 연마 입자의 성능은 대조물의 퍼센트로 기술하였다. 즉, 대조 시료의 경우 제거된 금속의 총중량을 100 %로 하고, 시험 시료를 100 %에 대해 상대적으로 측정하였다. 시험된 예 당 대략 4개의 디스크가 있었다. 시험 결과를 하기 표 5에 나타냈다.
이들 실시예는 보에마이트, 산화철 공급원 및 실리카 공급원으로 제조된 연마 입자가 실리카 공급원이 없는 것을 제외하고 동일한 방식으로 제조된 연마 입자 보다 양호한 분쇄 성능을 갖는다는 것을 증명한다.
실시예 5-6
실시예 5 및 6의 연마 입자는 실시예 5의 분산액이 DWT 1300 g, HNO336 g, CS1 47 g, 산화철 2.4 % (이론적인 산화물을 기준으로 Fe2O3로 계산됨)를 갖는 IO-1 234 g 및 AAMH 600 g으로 구성되고, 실시예 6의 분산액이 DWT 1450 g, HNO336 g, CS1 47 g, IO-2 37 g 및 AAMH 600 g으로 구성되는 것을 제외하고, 실시예 1-4에 대해 상기 개략한 과정에 따라 제조하였다. 소결 온도는 1430 ℃이었다. 생성된 연마 입자의 경도 및 밀도를 실시예 1-4에 기재된 바와 같이 측정하여 하기 표 4에 나타냈다. 분쇄 성능은 측정하지 않았다.
이들 실시예는 대체 산화철 공급원이 유사한 특성을 갖는 연마 입자를 생성할 수 있다는 것을 증명한다.
실시예 7-10
실시예 7-10의 연마 입자는 각 분산액이 AAMH 600 g, HNO336 g 및 DWT 1300 g, 추가로 표 5에 나타난 물질을 갖는 것을 제외하고 실시예 1-4에 대해 상기 개략한 과정에 따라 제조하였다.
생성된 겔을 실시예 1-4에 기재된 방식으로 100 ℃에서 밤새 건조시키고, 파쇄시키고, 하소시키고 1430 ℃에서 소결시켰다.
실시예 8-10의 연마 입자를 "레드 염료 시험(Red Dye Test)"을 사용하여 평가하여, 연마 입자의 표면 및 내부 기공으로 레드 염료의 침투를 기준으로 하여 표면 및 내부 기공을 측정하였다. 더욱 구체적으로, 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자의 시료를 레드 침투 염료 (상표명 "P-303 A 페네트란트 (Penetrant)", Uresco Androx, 미국 캘리포니아주 세리토스 소재)를 함유하는 플라스크에 넣었다. 연마 입자를 철저하게 혼합하여 염료로 완전히 덮히도록 하였다. 염료를 따라 버리고, 입자를 탈이온수로 수회 헹구어 임의의 잔류 염료를 제거하였다. 염료로부터 연마 입자의 최종 레드 색깔은 매우 다공성 연마 입자를 나타내는 반면, 레드 색깔을 나타내지 않는 연마 입자는 연결 내부 기공에 개방된 표면 기공이 거의 또는 전혀 없는 것으로 간주되었다.
실시예 8 및 10의 연마 입자는 레드 염료 시험에 실패한 반면 (즉, 연마 입자는 상당한 레드 색깔을 나타냄), 실시예 7 및 9의 연마 입자는 레드 염료 시험을 통과하였다 (즉, 외부 기공이 없다는 것을 나타냄). 실시예 8 및 10의 연마 입자에 대한 불량한 결과는 사용되기 수년 (약 3년) 전에 제조된 산화철 유핵 물질의 결과인 것으로 믿어진다. 실시예 7 및 9의 연마 입자의 밀도를 하기 표 6에 나타냈다.
이들 실시예는 IO-1에 의해 예시되는 바와 같이 더 작은 산화철 입도가 유리하다는 것을 증명한다.
실시예 11 및 12 및 비교예 B
실시예 12 및 13의 연마 입자는 실시예 11의 분산액이 AAMH 600 g, HNO336 g, CS1 47 g, 산화철 1.0 % (이론적인 산화물을 기준으로 Fe2O3로 계산됨)를 갖는 IO-1 562 g 및 DWT 950 g으로 구성되고, 실시예 12의 분산액이 AAMH 600 g, HNO336 g, CS1 47 g, IO-4 501 g 및 DWT 1000 g으로 구성되는 것을 제외하고, 실시예 1-4에 대해 상기 개략한 과정에 따라 제조하였다. 연마 입자를 실시예 1-4에 기재된 회전로에서 1440 ℃에서 소결시켰다.
비교예 B의 연마 입자는 "리갈(REGAL) 938C" 섬유 디스크 (3M Company, 미국 특허 제4,314,827호 (Leitheiser et al.), 제4,744,802호 (Schwabel), 및 제4,964,883호 (Morris et al.)에 일반적인 교시에 따라 제조)에 사용된 세라믹 산화알루미늄 연마 입자였다. 이 연마 입자는 알파 알루미나, 1.2 %의 산화철 핵제(Fe2O3로 계산) 및 4.5 %의 MgO을 함유하였다.
실시예 11 및 12의 연마 입자의 밀도 및 경도를 실시예 1-4에 기재된 바와 같이 측정하였고, 하기 표 7에 나타냈다.
실시예 11 및 12 및 비교예 B의 연마 입자를 피복된 연마용 디스크 중에 혼입시키고, 실시예 1-4에 기재된 바와 같이 처리하였다. 분쇄 시험 결과를 하기 표 8에 나타냈다.
이들 실시예는 Al2O3, Fe2O3및 MgO을 함유하지만 SiO2는 없는 종래의 연마 입자에 비하여 본 명세서에 기재된 연마 입자의 특정 실시태양의 분쇄 성능이 개선되었다는 것을 증명한다.
실시예 13-17 및 비교예 C
실시예 13-15의 연마 입자는 각 분산액이 AAMH 1200 g, HNO372 g, CS1 93 g을 함유하는 것을 제외하고, 실시예 1-4에 대해 개략된 과정에 따라 제조하였다. 더욱이, 실시예 13의 분산액은 산화철 4.3 % (이론적인 산화물을 기준으로 Fe2O3로 계산됨)를 갖는 IO-1 264 g 및 DWT 2986 g을 또한 함유하고, 실시예 14의 분산액은 IO-7 782 g 및 DWT 2468 g을 또한 함유하며, 실시예 15의 분산액은 산화철 0.8 % (이론적인 산화물을 기준으로 Fe2O3로 계산됨)를 갖는 IO-6 1442 g 및 DWT 1808 g을 또한 함유하였다. 소결 온도는 1440 ℃이었다.
실시예 16의 연마 입자는 분산액이 AAMH 600 g, HNO336 g, DWT 1450 g, CS1 47 g 및 산화철 4.3 % (이론적인 산화물을 기준으로 Fe2O3로 계산됨)를 갖는 IO-1 131 g을 함유하는 것을 제외하고, 실시예 1-4에 대해 개략된 과정에 따라 제조하였다. 소결 온도는 1430 ℃이었다.
실시예 17의 연마 입자는 분산액이 AAMH 3.5 ㎏, HNO3210 g, DWT 7.9 ㎏, CS1 36 g 및 산화철 6.5 % (이론적인 산화물을 기준으로 Fe2O3로 계산됨)를 갖는 IO-1 408 ㎏을 함유하는 것을 제외하고 실시예 1-4에 대해 요약된 과정에 따라 제조하였다. 더욱이, 분산액은 19 리터 (5 갈론)의 용기 중에 물질을 기포드-우드 균질화기 혼합기 (Gifford-Wood Homogenizer Mixer) 모델 3117-210 (Dumore Co., 미국 위스콘신주 라신 소재)으로 혼합하여 제조하였다. 분산액을 45 ㎝ x 75 ㎝ x 5 ㎝의 알루미늄 트레이에서 100 ℃에서 건조시켰다. 소결 온도는 1430 ℃이었다.
비교예 C는 본 명세서에 참고로 채택된 미국 특허 제5,201,916호 (Berg et al.)에 따라 제조된 연마 입자였다. 삼각형 연마 입자는 알파 알루미나 및 산화철 유핵 물질을 포함하였다.
실시예 13-15의 연마 입자의 밀도 및 경도를 충전량이 300 g인 것을 제외하고, 실시예 1-4에 기재된 바와 같이 측정하였다. 결과를 하기 표 9에 나타냈다.
실시예 13-15의 연마 입자를 피복된 연마용 디스크 중에 혼입시키고, 실시예 1-4에 기재된 바와 같이 시험하였다. 결과를 하기 표 10에 나타냈다.
실시예 13 및 16 및 비교예 C의 연마 입자의 표면 조도 높이 및 주기성을 배율 6000x 이상의 확대로 주사 전자 현미경 (SEM)에 의해 얻은 연마 입자 표면의 확대된 가장자리 상에서 관찰된 돌출부의 높이 및 간격을 측정함으로써 결정하였다. "조도 주기"를 얻기 위해, 직선 가장자리를 연마 입자 표면의 광-현미경사진의 대표적인 부분의 가장자리를 따라 두었고, 연마 입자 표면의 길이 90,000 Å에서 평가하였다. 길이 90,000 Å에서 직선 가장자리에 의해 한정되는 선을 따라 피크 수를 카운트하였다. 이 과정을 연마 입자 표면의 광-현미경 사진의 다른 두 영역에서 반복하였다. 조도 주기 값은 피크 사이의 Å의 평균 거리로 표현되는 3개의 대표적인 값의 평균이었다.
"표면 조도 높이"를 얻기 위해, 직선 가장자리를 가장자리가 길이 50,000 Å로 적어도 2개의 가장 높은 피크가 접촉하도록 연마 입자 표면의 대표적인 부분의 가장자리를 따라 두었다. 이 길이 50,000 Å로 직선 가장자리에서 가장 깊은 골까지의 최대 거리가 조도 높이였다. 이 과정을 연마 입자 표면의 다른 두 영역에서 반복하였다. 조도 높이의 값은 Å로 표현되는 3개의 대표적인 값의 평균이었다. 표면 조도 높이 및 주기성 결과를 하기 표 11에 나타냈다.
실시예 13-15의 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자의 결정립내 파쇄량을 텅스텐 카바이드 라인 모르타르 및 페스틀 (SPEX 카탈로그 번호 3203, SPEX Industries, 미국 뉴저지주 에디슨 소재)을 사용하여 소수의 연마 입자 (대략 10-25)를 수동 파쇄시켜 평가하였다. 이어서, 파쇄된 연마 입자를 전도성 카본 페이스트를 사용하여 SEM 시료 토막에 고정시키고, "아니테크 후머 VI 스푸터링 시스템(Anitech Hummer VI Sputtering System)" (Anitech Ltd., 미국 펜실바니아주 스프링필드 소재)를 사용하여 Au-Pd로 전도 피복시키고, 10,000배 보다 큰 확대로 "제올(JEOL) 840A" 주사 전자 현미경 (JEOL USA, 미국 매사추세츠주 피보디 소재)하에 조사하여 파쇄된 연마 입자 표면을 확인하고 촬영하였다. 결정립내 파쇄는 15,000배 확대된 소부된 시료의 횡단면의 SEM 현미경 사진 (8.9 cm (3.5 인치)×11.4 cm (4.5 인치))을 가로질러 상좌측 모서리에서 하우측 모서리로 그리고 하조측 모서리에서 상우측 모서리로 각각 길이 대략 14.5 ㎝의 2개의 사선을 그려 정량하였다. 결정립내 파쇄는 결정립내 파쇄를 통과하는 사선의 누적 길이를 측정하고 이를 사선의 길이로 나누어 계산하였다. 표 12에 나타낸 결정립내 파쇄의 퍼센트는 각 사선에 대해 얻은 2개 값의 평균이었다.
이들 실시예는 Al2O3및 Fe2O3을 함유하지만 SiO2는 없는 종래의 연마 입자에 비하여 본 명세서에 기재된 연마 입자의 특정 실시태양의 결정립내 파쇄량이 개선되었다는 것을 증명한다. 또한, 이들 실시예는 SiO2를 함유하는 연마 입자가, SiO2가 없는 연마 입자에 비하여 조도 높이가 증가되었고 주기성이 감소되었다는 것을 증명한다.
실시예 18-20 및 비교예 D
실시예 18-20의 연마 입자는 각 분산액이 AAMH 600 g, HNO336 g, DWT 1450 g, 산화철 4.3 % (이론적인 산화물을 기준으로 Fe2O3로 계산됨)를 갖는 IO-1 131 g을 함유하는 것을 제외하고, 실시예 1-4에 대해 개시된 과정에 따라 제조하였다. 더욱이, 실시예 18의 분산액은 CS1 3.2 g을 또한 함유하고, 실시예 19의 분산액은CS1 47 g을 또한 함유하며, 실시예 20의 분산액은 CS1 250 g을 또한 함유하였다.
추가로, 실시예 18-20의 하소된 연마 입자 전구체를 실시예 1-4에 기재된 바와 같은 회전로에서 소결되는 것과 달리 먼저 1100 ℃의 온도에 조정된 "라피드-템프(RAPID-TEMP)" 화로 (CM Furnaces, 미국 뉴저지주 블롬필드 소재)에서 소결하였다. 실시예 18의 경우, 화로의 온도를 약 5분내에 1100 ℃에서 1315 ℃로 증가시키고, 하소된 연마 입자 전구체를 1315 ℃에서 20분 동안 소결시켰다. 실시예 19의 경우, 온도를 1100 ℃에서 1430 ℃로 증가시키고, 하소된 연마 입자 전구체를 30분 동안 소결시켰다. 실시예 20의 하소된 연마 입자 전구체의 경우, 온도를 1100 ℃에서 1430 ℃로 증가시키고, 하소된 연마 입자 전구체를 30분 동안 소결시켰다. 실시예 18-20의 연마 입자의 밀도는 하기 표 13에 나타냈다.
비교예 D는 등급 36 피복된 연마용 섬유 디스크 (3M Company, 미국 매사추세츠주 세인트 파울 소재, 상표명 "984C 리갈(REGAL)" 섬유 디스크)이었다.
실시예 18-20 및 비교예 D의 시료를 붕소 카르바이드 모르타르 중에 통상적으로 분쇄시키고, 200 메시 시브를 통과시켰다. X-선 회절 데이터를 필립스 수직 회절계, 구리 Kα조사 및 산란선의 비례적인 검출기 기록을 사용하여 얻었다. 회절계는 자동 방사 슬릿, 0.2 ㎜의 수용 슬릿 및 그래파이트 단색계가 장착되어 있다. 조사 주사를 결정상을 확인하기 위해 5-80 도 2Θ 범위내에서 각 시료에 행하였다. 각 시료의 일부분을 표준 대조 물질 (NIST SRM 640b Si 분말)과 혼합하고, 80-100 도 2Θ 범위내에서 재주사하였다. 피크 위치를 규소 내부 표준의 피크 위치를 사용하여 보정된 제2 유도 피크 및 2개의 쎄타 피크 위치를 사용하여 결정하였다. 생성된 분말 패턴을 인덱스하고, 단위 격자 변수를 애플만 리스트 스퀘어 (Appleman least square) 정련 프로그램의 필립스 "프섹스텐드(PCEXTEND)" 버전을 사용하여 계산하였다. 단위 격자 변수 "a" 및 "c"를 Å으로 괄호안에 나타낸 오차와 함께 하기 표 14에 나타냈다. 예를 들어, 비교예 D의 변수 "a"는 4.7596 Å 내지 4.7598 Å의 범위일 수 있다.
이들 실시예는 알파 알루미나 기제 연마용 세라믹 연마 입자 중에 산화철의 존재하에 실리카의 존재의 결과로 단위 격자 변수 a 및 c의 확장을 증명한다.
실시예 21-25
실시예 21-25의 연마 입자는 각 분산액이 AAMH 600 g, 산화철 4.3 % (이론적인 산화물을 기준으로 Fe2O3로 계산됨)를 갖는 IO-1 131 g, HNO336 g 및 DWT 1400 g, 추가로 하기 표 15에 나타낸 물질을 함유하는 것을 제외하고, 실시예 1-4에 대해 개시된 과정에 따라 제조하였다.
소결 온도는 1435 ℃이었다. 실시예 21-25의 연마 입자의 밀도는 하기 표 16에 나타냈다. 더욱이, 연마 입자를 피복된 연마용 디스크 중으로 혼입시키고, 실시예 1-4에 기재된 바와 같이 분쇄 성능을 시험하였다. 분쇄 시험 결과를 하기 표 16에 나타냈다.
이들 실시예는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자 중의 알칼리 금속 염의 혼입의 결과로 SiO2의 영향이 증가된다는 것을 증명한다.
실시예 26 및 27
실시예 26 및 27의 연마 입자는 각 이들 분산액이 AAMH 600 g, HNO336 g, 및 DWT 1450 g을 함유하는 것을 제외하고, 실시예 1-4에 대해 개시된 과정에 따라 제조하였다. 더욱이, 실시예 26의 분산액은 산화철 6.6 % (이론적인 산화물을 기준으로 Fe2O3로 계산됨)를 갖는 IO-1 137.6 g 및 CS1 76.8 g을 또한 함유하고, 실시예 27의 분산액은 산화철 6.6 % (이론적인 산화물을 기준으로 Fe2O3로 계산됨)를 갖는 IO-1 202.8 g 및 CS1 48.0 g을 또한 함유하였다. 실시예 26 및 27의 소결 온도는 각각 1430 ℃ 및 1400 ℃이었다.
실시예 26 및 27의 연마 입자를 피복된 연마용 디스크 중으로 혼입시키고,실시예 1-4에 기재된 바와 같이 분쇄 성능을 시험하였다. 실시예 26 및 27의 연마 입자는 총 절단량이 1629 g 및 1688 g이었다. 실시예 26 및 27의 연마 입자의 밀도 및 경도를 측정하여 하기 표 17에 나타냈다. 비교로, 비교예 B 및 C의 경도는 각각 21 GPa 및 25 GPa이었다.
실시예 26 및 27의 연마 입자의 인성을 "레이츠 미닐로드(Leitz Minilod)" 미세경도 시험기로 500 g 충전량을 사용하여 제조된 빅커 인덴트 (VIcker indent)의 정점으로부터 연장된 크랙킹 길이를 측정하여 계산하였다. 파쇄 인성 (KIC)을 방정식: KIC= FN/(πc)3/2tan b (b=68°; F=인덴터상의 힘(뉴톤); c=1/2 크랙킹 길이 (m))에 따라 계산하였다. 각 값은 5회 측정의 평균이었다. 실시예 26 및 27의 연마 입자의 파쇄 인성은 각각 3.3 MPa·m1/2및 3.99 MPa·m1/2이었다. 비교예 B 및 C의 연마 입자의 파쇄 인성은 각각 2.9 MPa·m1/2및 2.5 MPa·m1/2이었다. 인성용 시료를 실시예 1-4에 기재된 바와 같이 미세 경도에 대한 시료와 동일한 방식으로 제조하였다.
이들 실시예는 본 명세서에 기재된 특정 실시태양은 실리카를 함유하지 않은종래의 연마 입자에 비하여 경도 및(또는) 조도가 개선되었다는 것을 증명한다.
실시예 28-30
실시예 28의 경우, 콜로이드 실리카 분산액은 CS5 0.38 g을 DWT 850과 진한 HNO32적과 함께 배합기 (Waring Model 5011, Waring Products Division, Dynamics Corporation of America, 미국 캘리포니아주 뉴 하트포드 소재) 중의 DWT 50.0 ㎖로 희석시켜 제조하였다. 이 분산액을 제조 후 즉시 신속하게 교반하면서 IO-9 11.34 g의 분산액에 가하였다. 이 혼합물에 AAMH 336.92 g 및 진한 HNO311 ㎖를 가하였다. 생성된 분산액을 결합제 중에 높은 교반으로 분산시켰다. DWT 10 ㎖ 중에 용해된 AMM 4.6 g의 용액을 혼합된 분산액에 가하여 겔화를 유도하였다. 졸을 얕은 알루미늄 트레이 중으로 붓고, 겔화시킨 (대략 10분) 다음, 강제된 공기 화로에서 95 ℃에서 밤새 건조시켰다. 건조된 연마 입자 전구체를 박스 화로 (9180 ㎥의 가열 챔버가 장착됨, Lindberg, a Division of General Signal, 미국 일리노이주 시카코 소재)에서 100 ℃ 내지 600 ℃에서 1.5 시간에 걸쳐 가열하여 하소시키고, 파쇄시키고, 1400 ℃에서 "라피드-템프" 화로에서 5분 동안 소결시켰다. 먼저, 화로는 처음에 실온이었고, 500 ℃ 내지 1400 ℃의 온도 범위에서 약 100-125 ℃/분의 속도로 1400 ℃까지 가열하였다.
실시예 29 및 30의 연마 입자는 CS5의 양을 각각 0.75 g 및 1.88 g인 것을 제외하고 실시예 28의 경우에 기재된 바와 같이 제조하였다.
실시예 28의 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자는 이론적인 산화물을 기준으로 98.95 %의 Al2O3, 1.0 %의 Fe2O3및 0.05 %의 SiO2를 함유하였고, 실시예 29의 경우 98.9 %의 Al2O3, 1.0 %의 Fe2O3및 0.1 %의 SiO2를 함유하고, 실시예 30의 경우 98.75 %의 Al2O3, 1.0 %의 Fe2O3및 0.25 %의 SiO2를 함유하였다.
실시예 28-30의 연마 입자의 시료를 텡스텐 카바이드 모르타르 및 페스틀을 사용하여 파쇄시키고, 파쇄 표면을 SEM을 사용하여 조사하였다. 실시예 28-30의 시료의 평균 미결정 크기는 각각 0.8 마이크로미터, 0.5 마이크로미터 및 0.2-0.3 마이크로미터이었다. 이들 실시예는 미결정 크기가 실리카의 수준이 증가됨에 따라 감소한다는 것을 증명한다.
실시예 31-34 및 비교예 E
실시예 31-34 및 비교예 E의 경우에서, 하기 표 18에 나타낸 CS5의 양을 DWT로 총용적이 50 ㎖가 되게 희석하였다.
이 콜로이드 분산액을 신속하게 교반하면서 IO-8 340.90 g에 가하였다. 분산액을 고속 혼합기 ("OMNI 5000" 혼합기, OMNI International, 미국 코네티커스주워터버리 소재)를 사용하여 첨가하는 동안 잘 혼합하였다. 혼합 후, 생성된 분산액을 약 4 시간 동안 휘젓지 않고 방치하였다. 이어서, DWT 1040 g 및 실리카/α-FeOOH 분산액 340.90 g을 고속 혼합기 (Ross Model ME 100L 혼합기, Charles Ross & Son Co., 미국 뉴욕주 허퍼지 소재)를 사용하여 균질화한 후, AAMH 671.1 g을 가하였다. 고속으로 혼합하면서, 진한 HNO326.0 ㎖를 가하였다. 잘 혼합한 후, DWT 100 g 중에 AMM 90,0 g을 용해시켜 제조한 용액 10 ㎖를 신속하게 교반하면서 가하였다. 생성된 졸을 얕은 (3.25 ㎝) 알루미늄 트레이에 붓고, 대략 10분 동안 겔로 휘젓지 않고 방치하였다. 겔화된 후, 트레이를 95 ℃에서 강제된 공기 화로에 넣고 건조시켰다. 건조된 연마 입자 전구체를 65 ℃까지 1.5 시간에 걸쳐 박스 화로에서 소부시킨 다음, 30분 동안 이 온도를 유지하였다. 하소된 연마 입자 전구체를 파쇄하고, 실시예 1-4에 개략된 바와 같이 스크리닝하고, 실시예 28에 개략된 바와 같이 1450 ℃에서 8분 동안 소결시켰다. 스크리닝된 물질의 다른 시료를 실시예 28에 개략된 바와 같이 1430 ℃에서 8분 동안 소결시키고, 실시예 1-4에 기재된 바와 같이 연마용 제품에 혼입하였다.
실시예 31의 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자는 이론적인 산화물을 기준으로, 98.45 %의 Al2O3, 1.48 %의 Fe2O3및 0.07 %의 SiO2를 함유하고, 실시예 32의 경우 98.38 %의 Al2O3, 1.48 %의 Fe2O3및 0.14 %의 SiO2를 함유하며, 실시예 33의 경우 98.16 %의 Al2O3, 1.47 %의 Fe2O3및 0.37 %의 SiO2를 함유하고, 실시예 34의 경우 97.8 %의 Al2O3, 1.47 %의 Fe2O3및 0.73 %의 SiO2를 함유하였다.
실시예 31-34 각각의 연마 입자의 분쇄 성능을 실시예 1-4에 기재된 바와 같이 평가하다. 결과를 하기 표 19에 나타냈다.
1450 ℃에서 소결된 비교예 E의 SEM 조사는 평균 미결정 크기가 2-3 마이크로미터인 기본적으로 전체 치밀한 물질을 보여주었다. 1450 ℃에서 소결된 실시예 31-34의 연마 입자는 기본적으로 전체 치밀하지만 훨씬 미세한 미결정으로 이루어졌다. 실시예 31은 대략 0.5 마이크로미터의 겉보기 평균 미결정 크기를 가지며, 실시예 32-34 각각은 0.4 마이크로미터 미만의 겉보기 평균 미결정 크기를 가졌다.
이들 실시예는 소량의 실리카가 미결정 정련을 유도할 수 있고, 산화철 핵화된 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자의 분쇄 성능을 증강시킬 수 있다는 것을 증명한다.
실시예 35-36
실시예 35-36은 알루미나 전구체 중에 유핵 물질로 사용하기 전 αFeOOH 유핵 물질을 가수분해가능한 알콕시실란과 반응시키는 효과를 설명한다. 알콕시실란을 α-FeOOH 유핵 물질과 하기 방식으로 반응시켰다. 실시예 36 및 36에서, 각각 TESO 2.8 ㎖ 및 7.0 ㎖를 신속하게 교반하면서 IO-8 340.90 g에 가하였다. 생성된 분산액을 고속 혼합기 ("OMNI 5000" 혼합기, OMNI International, 미국 코네티커스주 워터버리 소재)를 사용하여 첨가 동안 잘 혼합하였다. 진한 HNO33적을 교반하면서 각 분산액에 가하고, 혼합물을 때때로 재혼합시키면서 약 24시간 동안 반응시켰다. 실시예 35-36을 1450 ℃에서 5분 동안 소결시키는 것을 제외하고, 실시예 31-34에 개시된 바와 같은 동일한 방식으로 제조하였다.
실시예 35의 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자는 이론적인 산화물을 기준으로, 98.38 %의 Al2O3, 1.48 %의 Fe2O3및 0.148 %의 SiO2를 함유하였고, 실시예 36의 경우 이론적인 산화물을 기준으로, 98.16 %의 Al2O3, 1.47 %의 Fe2O3및 0.37 %의 SiO2를 함유하였다.
SEM 조사는 실시예 35 및 36은 상당히 치밀하고, 0.5 마이크로미터 미만의 평균 직경을 갖는 미결정으로 이루어졌다는 것을 보여주었다. 그러나, 비교예 E는 약 2-3 마이크로미터의 평균 미결정 크기를 가졌다. 실시예 35 및 36의 결정립내파쇄의 퍼센트는 각각 49 % 및 51 %이었다.
실시예 35 및 36의 연마 입자의 분쇄 성능은 실시예 1-4에 기재된 바와 같이 평가하였다. 결과를 하기 표 20에 나타냈다.
이들 실시예는 산화철 핵화된 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자에서 실리카 전구체로서 가수분해가능한 유기실란의 용도를 증명한다.
비교예 F, G 및 H (알루미나 시드 연마 입자)
비교예 F를 큰 비이커에 DWT 1360 g 및 SAS 20.2 g을 충전시켜 제조하였다. 이 분산액을 고속 혼합기 (Ross 모델 ME 100L, Charles Ross & Son Co., 미국 뉴욕주 허퍼지 소재)를 사용하여 균질화시켜, 알루미나 시드 졸을 형성하였다. 이 혼합물에, AAMH 671.1 g을 첨가하였다. 고속으로 혼합하면서, HNO326.0 ㎖를 첨가하였다. 잘 혼합시킨 후, DWT 100 g 중에 AMM 90.0 g을 용해시켜 제조한 용액 10 ㎖을 신속하게 교반하면서 첨가하였다. 물질을 건조시키고, 실시예 35 및 36에 개략된 바와 같이 파쇄시켰다.
비교예 G 및 H 각각에 대해, 비교예 F에 기재된 바와 같이 제조된 알루미나 시드 졸 100g을 신속하게 교반하면서 각각 TEOS 1.42 ㎖ 및 15.6 ㎖과 배합하였다. 이들 혼합물을 약 20시간 동안 교반하면서 가수분해시켰다. 비교예 G 및 H를 각각 알루미나 시드로 처리된 TEOS 20.44 g 및 23.12 g을 사용한 것을 제외하고, 비교예 F와 동일한 방식으로 제조하였다.
비교예 F-H의 생성물을 SEM 조사는 1450℃에서 5분 동안 소결시킨 후, 비교예 F의 연마 입자가 비교예 G 또는 H 보다 더 치밀한 것으로 나타냈다. 매우 미세한 미결정으로 이루어진 비교예 G 및 H는 벌레먹은 모양(즉, 다공성) 또는 비접종된 미세구조의 증거를 나타냈다.
비교예 F 내지 H의 연마 입자의 시료를 연마용 제품에 혼입시키고, 실시예 1 내지 4에 설명한 바와 같이 시험하였다. 분쇄 성능 결과를 하기 표 21에 나타냈다.
이들 비교예는 산화철 핵화된 연마 입자와는 대조적으로 알파 알루미나 핵화된 연마 입자에 실리카의 혼입은 분쇄 성능을 감소시킨다는 것을 증명한다.
실시예 37
실시예 37은 다공성 하소된 연마 미네랄 전구체를 실리카 전구체로 함침시킴으로써 연마 입자로의 실리카의 도입을 설명한다. 하소된 연마 입자 전구체를 비교예 E에 설명한 바와 같이 제조하였다. 하소된 연마 입자 전구체를 파쇄시키고, 실시예 31-34에 설명한 바와 같이 스크리닝하였다.
가수분해된 TEOS 함침 용액은 진한 HNO33적을 함유하는 DWT 75 ㎖에 TEOS 6.0 ㎖를 혼합하여 제조하였다. 이 용액을 사용전에 약 5시간 동안 자기 교반하였다. 하소된 연마 입자 전구체를 함침시키기 위해, 부분적으로 가수분해된 TEOS 용액을 하소된 연마 입자 전구체 162 g에 첨가하고, 덩어리를 작은 비이커내에서 스파툴라를 사용하여 수동으로 혼합하였다. 함침된 알루미나 기제 연마 입자 전구체를 작은 용기에 넣고, 나사형 뚜껑으로 밀봉하고, 85℃에서 12시간 동안 숙성시켰다. 용기로부터 뚜껑을 제거하고, 함침된 알루미나 기제 연마 입자 전구체를 오븐내 85℃에서 건조시켰다. 함침된 알루미나 기제 연마 입자 전구체를 비교예 E에 설명한 바와 같이 600℃에서 하소시키고, 1430℃에서 8분 동안 소결시켰다. 실시예 37의 알파 알루미나 세라믹 연마 입자는 이론적인 산화물을 기준으로, 97.55 %의 Al2O3, 1.46 %의 Fe2O3, 및 0.99 %의 SiO2를 함유하였다.
실시예 37의 연마 입자를 피복된 연마용 디스크에 혼입시키고, 실시예 1 내지 4에 설명한 바와 같이 시험하였다. 비교예 37의 연마 입자의 총 절단량은 비교예 F (100 %)의 123 %였다.
이 실시예는 하소된 연마 입자 전구체를 실리카 공급원으로 함침시키면 생성된 연마 입자의 분쇄 성능을 증강시키기 위해 사용될 수 있다는 것을 증명한다.
실시예 38
실시예 38의 연마 입자를 CS6 1.87g을 DWT를 사용하여 5 ㎖의 최종 부피로 희석시키고, HNO3/AAMH/α-FeOOH 졸 혼합물에 첨가한 다음, AMM을 첨가하는 것을 제외하고, 비교예 E에 설명한 바와 같이 제조하였다. 알루미나 피복된 콜로이드 실리카를 첨가한 후, 겔화를 유도하기 위해 AMM 용액을 비교예 E에서와 같이 첨가하였다. 실시예 38의 알파 알루미나 세라믹 연마 입자는 이론적인 산화물을 기준으로 98.45 %의 Al2O3, 1.48 %의 Fe2O3, 및 0.07 %의 SiO2를 함유하였다.
실시예 38의 연마 입자를 피복된 연마 제품에 혼입시키고, 실시예 1 내지 4에 개략한 바와 같이 시험하였다. 비교예 38의 연마 입자의 총 절단량은 비교예 F의 120 %이었다.
이 실시예는 알루미나 피복된 콜로이드 실리카가 생성된 연마 입자의 분쇄 성능을 증강시키기 위해 사용될 수 있다는 것을 증명한다.
실시예 39 내지 42
실시예 39-42를 AAMH 600 g, HNO336 g, DWT 1300 g 및 2.4% 철 산화물을 갖는(이론적인 산화물을 기준으로 Fe2O3로서 계산함) IO-1 234 g을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1 내지 4에 개략한 바와 같은 과정에 따라 제조하였다. 사용된 실리카의 양 및 공급원을 하기 표 22에 나타냈다. 연마 입자를 실시예 1 내지 4에서와 같이 1440℃에서 소결시켰다.
실시예 39-42의 연마 입자를 피복된 연마 제품에 혼입시키고, 실시예 1 내지 4에 설명한 바와 같이 시험하였다. 각각의 연마 입자의 2개의 디스크를 시험하였다. 각각의 연마 입자에 대한 밀도, 경도 및 분쇄 데이터를 상기 실시예 1 내지 4에 설명한 바와 같이 얻었다. 각각의 연마 입자에 대한 분쇄 데이터를 또한 8㎏의 압력을 인가하는 것을 제외하고, 실시예 1 내지 4에 설명한 바와 같은 고압 분쇄 조건하에 얻었다. 결과를 하기 표 23에 나타냈다.
이들 실시예는 다양한 작은 입자 크기의 실리카(예를 들면, 약 150 나노미터미만)가 분쇄 성능을 유사하게 증강시키기 위해 사용될 수 있다는 것을 증명한다.
비교예 I-K
미국 특허 제 4,623,364호 (코트링거(Cottringer) et al.)에 따라 제조된 것으로 믿어지는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자의 3개의 별개 시료의 결정립내 파쇄를 상기 실시예 13-17에 설명한 과정에 따라 측정하였다. 연마 입자 시료를 106.7 ㎝(42 인치) 크랭크 분쇄 휠; "F944" SG 등급 50 섬유 디스크 및 SG 막대를 함유하는 섬유 디스크의 연마 입자 제품 (각각 Norton Company 미국 매사추세츠주 워세스터 소재)으로부터 얻었다. 이들 연마 입자의 제조 방법이 분명하지는 않지만, 에너지 분산 X-선 미세분석 (Energy Dispersive X-ray Microanalysis)에 의해 Al 및 O 이외의 원소가 검출되지는 않았다. 이들 시료의 각각은 10 % 미만의 결정립내 파쇄를 가졌다.
이들 시료를 제조하는 방법이 명백하지 않으므로, 미국 특허 제 4,623,364호(Cottringer et al.)의 실시예 Ⅱ, Ⅳ 및 Ⅹ를 반복하여, 알루미나 분쇄 매질 중의 실리카 및 산화철의 불순물에 의한 결정립내 파쇄의 양을 측정하였다.
비교예 I의 연마 입자를, AAMH 1.135 ㎏ ("푸랄(PURAL)" 미세결정성 보에마이트), DWT 11.25 ℓ 및 14 % HNO3(진한 HNO3135 ㎖를 DWT 545㎖와 혼합시켜 제조함) 0.675ℓ를 사용하여 코트링거 등의 실시예 Ⅱ의 절차에 따라서 제조하였다 (20 계수로 비율에 따라 감소시킴). "푸랄"을 큰 플라스틱 혼합 용기에서 물과 혼합하고, 로스 혼합기 (모델 ME 100L, Charles Ross & Son Co., 미국 뉴욕주 허퍼지 소재)로 혼합하면서 산을 첨가하였다. 혼합물을 고속으로 10 내지 15분 동안 잘 혼합하였다. 이 혼합물의 일부 (5-6ℓ)를 쿠어스(Coors) 세라믹 결합된 알루미나 (1.27 cm (0.5 인치)×1.27 cm (0.5 인치)) 막대형 매질, 상표명 "ABP", Coors Porcelain Co.)를 포함하는 스웨코(Sweco) 진동마감 분쇄기 (1/3 HP)에 옮겼다. 분쇄 매질은 89.3 %의 Al2O3, 6.7 %의 SiO2, 2.5 %의 MgO 및 0.8 %의 CaO를 함유하였다. 매질의 X-선 회절에 의해, 매질이 알파 알루미나, 마그네시아 알루미나 스피넬(spinel), 및 소량의 오르토클라스(orthoclase) 및 플라지오클라스(plagioclase)를 함유하는 것을 밝혀졌다. 따라서, 미국 특허 제 4,623,364호 (Cottringer et al.)에서는 결정 실리콘 함유 불순물을 포함하는 세라믹 결합된 알루미나 분쇄 매질의 용도를 개시하고 있다. 혼합물을 스웨코 분쇄기에서 2시간 동안 분쇄하였다. 겔을 유리 트레이에 6 내지 7㎝ 깊이로 붓고, 오븐내 200℃에서 30시간 동안 건조시켰다. (처음에, 코트링거 등에 의해 교시된 바와 같이 건조를 위해 알루미늄 트레이를 사용하였지만, 생성된 연마용 물질이 약간 분홍색이었고, 유리 트레이에서 건조된 때 보다 덜 치밀하고 더 거친 미세 구조를 가졌다.) 건조된 고체를 450℃에서 16시간 동안 하소시켰다. 하소된 겔을 1400℃에서 1시간 동안 소결시켰다. 생성된 물질은 백색이었고, 보다 소량의 마이크론 이하 결정과 함께 약 5 마이크로미터 미만의 길이의 큰 선반형 결정으로 이루어진 미세구조를 가졌다.
비교예 J의 연마 입자를, AAMH ("푸랄" 미세결정성 보에마이트) 1.36 ㎏,DWT 13.6 ℓ, 14 % HNO3(진한 HNO382 ㎖를 DWT 328 ㎖와 혼합시켜 제조함) 0.41ℓ 및 DWT 1.37ℓ에 용해된 질산마그네슘 수화물 0.34 ㎏을 사용하여 코트링거 등의 실시예 Ⅵ의 절차에 따라 제조하였다(10 인수로 비율에 따라 감소시킴). "푸랄"을 큰 플라스틱 혼합 용기에서 물과 혼합하고, 로스 혼합기(모델 ME 100L, Charles Ross & Son Co., 미국 뉴욕주 허퍼지 소재)로 혼합하면서 산을 첨가하였다. 이어서, 질산마그네슘 용액을 혼합하면서 첨가하였다. 혼합물을 고속으로 10 내지 15분 동안 잘 혼합하였다. 이 혼합물의 일부 (5-6 ℓ)를 상기 비교예 I에 설명한 쿠어스 세라믹 결합된 알루미나를 포함하는 스웨코 진동마감 분쇄기 (1/3 HP)에 옮겼다. 혼합물을 스웨코 분쇄기에서 2시간 동안 분쇄하였다. 겔을 알루미늄 트레이에 6 내지 7㎝ 깊이로 붓고, 오븐내 200℃에서 30시간 동안 건조시켰다. 건조된 고체를 600℃에서 0.5시간 동안 하소시켰다 (이 온도에서 램프(ramp) 시간 = 1시간). 하소된 겔을 1400℃에서 1시간 동안 소결시켰다. 연마 입자는 백색이었고, 32 %의 결정립내 파쇄를 가졌다.
비교예 K의 연마 입자를, AAMH ("푸랄" 미세결정성 보에마이트) 0.68 ㎏, DWT 6.8 ℓ 및 14 % HNO3(진한 HNO341.0 ㎖를 DWT 164.0 ㎖와 혼합시켜 제조함) 0.205ℓ를 사용하여 코트링거 등의 실시예 X의 절차에 따라 제조하였다 (20의 인수로 비율에 따라 감소시킴). "푸랄"을 큰 플라스틱 혼합 용기에서 물과 혼합하고, 로스 혼합기(모델 ME 100L, Charles Ross & Son Co., 미국 뉴욕주 허퍼지 소재)로 혼합하면서 산을 첨가하였다. 혼합물을 고속으로 10 내지 15분 동안 잘 혼합하였다. 이 혼합물의 일부 (5-6 ℓ)를 상기 비교예 I에 설명한 쿠어스 세라믹 결합된 알루미나를 포함하는 스웨코 진동마감 분쇄기 (1/3 HP)에 옮겼다. 혼합물을 스웨코 분쇄기에서 2시간 동안 분쇄하였다. 젤을 유리 트레이에 6-7㎝ 깊이로 붓고, 오븐내 200 ℃에서 30시간 동안 건조시켰다. (처음에, 코트링거 등에 의해 교시된 바와 같이 건조를 위해 알루미늄 트레이를 사용하였지만, 연마 입자가 약간 분홍색이었고, 유리 트레이에서 건조된 때 보다 덜 치밀한 미세구조를 가졌다.) 건조된 고체를 450 ℃에서 16시간 동안 하소시켰다. 하소된 겔을 1400 ℃에서 15분 동안 소결시켰다. 연마 입자는 백색이었고, 32 %의 결정립내 파쇄를 가졌다.
비교예 I-K의 물질의 원소 분석은 ICP 분석 (유도 결합된 플라스마, Inductively Coupled Plasma)에 의해 측정하였다. 연마 입자 시료 (0.1 g)을 Li2B4O7(1 g)과 용융시키고, 5 % 질산 100 ㎖ 중에 용해시키고, 탈이온수 250 ㎖로 희석하였다. 이들을 기기 (Applied Research Laboratories Inductively Coupled Plasma Spectrometer Model 3580, Fison Instrument Co., 미국 매사추세츠주 비버리 소재)로 분석하였다. 비교예 I 및 J의 분석물은 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자인 반면, 비교예 K의 분석물은 450 ℃에서 16시간 동안 가열하고 소결 전에 얻은 물질이었다. 이들 결과를 하기 표 24에 나타냈고, 이론적인 산화물을 기준으로 중량%로 나타냈다.
본 발명의 다양한 개질 및 변형이 본 발명의 범주 및 목적을 벗어나지 않고 당업계의 숙련자에게 분명할 것이다. 본 발명은 본 명세서에 개시된 실시예를 설명한 것으로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (10)

  1. 이론적인 산화물을 기준으로, Al2O3, 0.05 중량% 이상의 SiO2, 및 0.25 중량% 이상의 Fe2O3을 포함하고, 평균 미결정 크기가 0.5 마이크로미터 미만인 알파 알루미나 미결정을 가지며, 200 나노미터 보다 큰 표면 조도 높이 및 3.5 g/㎤보다 큰 밀도를 갖는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 SiO2가 50 % 이상의 결정립내 파쇄량을 갖는 상기 연마 입자를 제공하기에 충분한 양으로 존재하는 연마 입자.
  3. 이론적인 산화물을 기준으로, Al2O3, 0.01 중량% 이상의 Fe2O3, 0.05 중량% 이상의 SiO2, 및 0.05 중량% 이상의 알칼리 금속 산화물을 포함하고, 평균 미결정 크기가 0.5 마이크로미터 미만이고 밀도가 3.5 g/㎤보다 큰 알파 알루미나 미결정을 갖는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자.
  4. 200 나노미터 보다 큰 표면 조도 높이, 3.5 g/㎤보다 큰 밀도 및 0.5 마이크로미터 미만의 평균 미결정 크기를 가지며, 이론적인 산화물을 기준으로, 연마 입자의 총중량을 기준으로 하여, 85.0-99.6 중량%의 Al2O3, 0.25-5.0 중량%의 Fe2O3,0.1-5.0 중량%의 SiO2및 0.01-1.0 중량%의 알칼리 금속 산화물을 포함하는 반투명이 아닌 알루미나 기제 세라믹 연마 입자.
  5. 이론적인 산화물을 기준으로, Al2O3, 0.01 중량% 이상의 Fe2O3및 0.05 중량% 이상의 SiO2을 주성분으로 하고, 평균 미결정 크기가 0.5 마이크로미터 미만인 알파 알루미나 미결정을 가지며, 200 나노미터 보다 큰 표면 조도 높이 및 3.5 g/㎤보다 큰 밀도를 갖는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자.
  6. (a) 액상 매질, 보에마이트, 해교제(peptizing agent), 산화철의 공급원 및 비결정질 실리카의 공급원을 포함하는 분산액을 제조하고,
    (b) 상기 분산액을 연마 입자 전구체로 전환시키고,
    (c) 상기 연마 입자 전구체를 소결시켜 이론적인 산화물을 기준으로, Al2O3, 0.1 내지 10 중량%의 Fe2O3및 0.1-20 중량%의 SiO2을 포함하는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 제공하는 것을 포함하는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자의 제조 방법.
  7. (a) 보에마이트, 해교제, 액상 매질, 산화철의 공급원 및 비결정질 실리카의 공급원을 포함하는 분산액을 제조하고,
    (b) 상기 분산액을 연마 입자 전구체로 전환시키고,
    (c) 상기 연마 입자 전구체를 소결시켜 이론적인 산화물을 기준으로, Al2O3, Fe2O3및 SiO2을 포함하는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 제공하는 것을 포함하는,
    상기 비결정질 실리카의 공급원이 평균 미결정 용적을 1/2 이상 감소시키기에 충분한 양으로, 상기 분산액 중에 존재하는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자의 제조 방법.
  8. (a) 액상 매질, 보에마이트, 해교제 및 산화철의 공급원을 포함하는 분산액을 제조하고,
    (b) 상기 분산액을 다공성 연마 입자 전구체로 전환시키고,
    (c) 상기 다공성 연마 입자 전구체를, 단계 (d) 및 (e) 후 비결정질 실리카의 공급원이 없는 것을 제외하고 동일한 방식으로 제조된 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자 중에 존재하는 알파 알루미나 미결정의 평균 미결정 용적 보다 작은 평균 미결정 용적의 알파 알루미나 미결정을 갖는 연마 입자를 제공하기에 충분한 양의 비결정질 실리카 공급원을 포함하는 함침 조성물로 함침시키고,
    (d) 단계 (c)로부터 생성된 상기 연마 입자 전구체를 하소시키고,
    (e) 단계 (d)로부터 생성된 하소된 상기 연마 입자 전구체를 가열하여 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 제공하는 단계를 포함하는 알루미나 기제 세라믹 연마 입자의 제조 방법.
  9. (a) 액상 매질, 보에마이트, 해교제, 산화철의 공급원, 및 150 나노미터 미만의 평균 입도를 갖는 콜로이드 실리카의 공급원을 포함하는 분산액을 제조하고,
    (b) 상기 분산액을 다공성 연마 입자 전구체로 전환시키고
    (c) 상기 연마 입자 전구체를 소결시켜 이론적인 산화물을 기준으로, Al2O3, 0.01 중량% 이상의 Fe2O3및 0.05 중량% 이상의 SiO2을 포함하는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자를 제공하는 것을 포함하는 알파 알루미나 기제 세라믹 연마 입자의 제조 방법.
  10. 결합체 및 결합제에 의해 그 내부에 고정된 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 연마 입자를 다수 포함하는 연마용 제품.
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