DE60129836T2

DE60129836T2 - Verbundschleifteilchen und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60129836T2
Application number: DE60129836T
Authority: DE
Inventors: Negus B. Saint Paul ADEFRIS; Kathleen A. Saint Paul WAGLE-PETERSON; William D. Saint Paul JOSEPH
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2021-11-09
Also published as: CN1481296A; US20020090891A1; DE60129836D1; CN1213835C; HK1059242A1; BR0115202A; KR100808731B1; CA2426586A1; JP2008274293A; JP2004513218A; BR0115202B1; TWI248969B; AU2723502A; KR20030097790A; WO2002038338A2; ATE369233T1; US6645624B2; JP4163947B2; EP1339531A2; EP1339531B1

Description

Erfindungsgebiet
Diese Erfindung betrifft Verbundschleifteilchen, die auch als Agglomerate bekannt sind, und ihre Anwendungen. Insbesondere offenbart die Erfindung Schleifagglomerate, die Schleifteilchen und eine kristalline Matrix umfassen, Schleifkörper, welche die Agglomerate umfassen, Verfahren zur Herstellung derartiger Schleifagglomerate und Körper und Verfahren zur Anwendung derartiger Schleifkörper. In EP-A-6015 wird ein Körper und ein Verfahren zur Herstellung desselben gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 offenbart.
Allgemeiner Stand der Technik
Schleifkörper, die Schleifteilchen umfassen, werden verwendet, um in einer großen Vielfalt von Anwendungen die Oberfläche einer großen Vielfalt von Materialien, die gewöhnlich als Werkstücke bezeichnet werden, abzuschleifen und/oder zu verändern. Diese Anwendungen reichen vom Hochdruck-Starkabschleifen metallischer Schmiedeteile bis zum Polieren von Brillengläsern. Es gibt eine Vielfalt von Schleifteilchen (z.B. Diamantteilchen, kubische Bornitridteilchen, Schmelzschleifteilchen (einschließlich des Schmelzkorunds, des wärmebehandelten Schmelzkorunds, des Schmelzkorund-Zirkons und dergleichen) und gesinterte keramische Schleifteilchen (einschließlich der Schleifteilchen aus dem Sol-Gel-Verfahren), die vom Stand der Technik her bekannt sind. In einigen Schleifverfahren werden die Schleifteilchen in einer losen Form verwendet (eine Aufschlämmung), während in anderen die Teilchen in die Schleiferzeugnisse eingebettet sind (einschließlich der gebundenen Schleifmittel, der beschichteten Schleifmittel und der Faservliesschleifmittel). Die gebundenen Schleifmittel enthalten üblicherweise mehrere Schleifteilchen, die miteinander verbunden sind, so dass sie eine geformte Masse bilden. Die beschichteten Schleifmittel enthalten üblicherweise mehrere Schleifteilchen, die an eine Unterlage gebunden sind. Die Faservliesschleifmittel enthalten üblicherweise mehrere Schleifteilchen, die auf und in einem voluminösen, porösen Faservliessubstrat gebunden sind. Die typischen Bindungsmaterialien für die gebundenen Schleifmittel sind organische Bindemittel, glasartige Bindemittel und metallische Bindemittel, während es für die beschichteten und die Faservliesschleifmittel üblicherweise organische Bindemittel sind. Die Kriterien, die bei der Auswahl der Schleifteilchen zum Einsatz bei einer speziellen Schleifanwendung herangezogen werden, umfassen üblicherweise: Schleifbetriebsdauer, Abtragerate, Oberflächengüte des Substrats, Leistungsfähigkeit des Schleifens und Herstellungskosten.
Schleifteilchen weisen eine breite Palette von Eigenschaften auf, die zu ihrer Anwendung in der Schleifmittelindustrie beitragen. Die Auswahl eines speziellen Schleifteilchentyps hängt im Allgemeinen von den physikalischen Eigenschaften der Teilchen, dem abzuschleifenden Werkstück, dem resultierenden Soll-Oberflächenzustand, den Funktionseigenschaften der Schleifteilchen und den wirtschaftlichen Erwägungen bei der Auswahl eines speziellen Schleifteilchens für eine spezielle Anwendung ab.
Aluminiumoxid oder Tonerde gehört zu den am weitesten verbreiteten Schleifteilchen, die bei der Herstellung von beschichteten Schleifmitteln, z.B. Sandpapier, verwendet werden. Aluminiumoxid wird für viele Anwendungen, wie z.B. Lackschmirgeln, Schleifen von Metall und Kunststoffpolieren, eingesetzt. Von Siliziumkarbid, das ebenfalls ein weit verbreitetes Schleifmittel ist, ist allgemein bekannt, dass es ein schärferes Mineral als Aluminiumoxid ist, und es wird hauptsächlich bei der Holzbearbeitung, der Lackierung und bei Glasschleifanwendungen eingesetzt. Diamant und kubisches Bornitrid, die gewöhnlich als "Superschleifmittel" bezeichnet werden, werden eingesetzt, um sehr harte Werkstücke, wie z.B. gehärteten Stahl, Keramik, Gusseisen, Siliziumwafer und Stein, zu schleifen. Diamant wird üblicherweise für Nichteisenmaterialien eingesetzt, während das kubische Bornitrid üblicherweise für Eisenmaterialien, wie gehärteten Stahl, verwendet wird. Superschleifmittel, wie z.B. Diamant und kubisches Bornitrid, können jedoch bis zu 1000 mal mehr kosten als die herkömmlichen Schleifteilchen, d.h. Aluminiumoxid und Siliziumkarbid. Deshalb ist es erwünscht, die Superschleifmittel in ihrem vollen Umfang auszunutzen.
Agglomerate sind Verbundteilchen aus mehreren Schleifteilchen, die aneinander durch eine Bindemittelmatrix gebunden sind. Während des Einsatzes kommt es normalerweise zu einer Erosion oder Auflösung der Agglomerate, wobei verbrauchte einzelne Schleifteilchen abgestoßen werden, um neue Schleifteilchen freizulegen. Agglomerate können in Schleifkörpern, wie z.B. in beschichteten Schleifmitteln, Faservliesschleifmitteln und Schleifscheiben, eingesetzt werden und ermöglichen eine lange Nutzungsdauer des Schleifkörpers und einen effizienten Einsatz der Schleifteilchen.
Agglomerate wurden entwickelt, um im Zeitverlauf ungleichmäßigen Abtrageraten zu begegnen (siehe z.B. die US-Patentschriften Nr. 3,928,949 (Wagner), 4,132,533 (Lohmer), 4,311,489 (Kressner), 4,393,021 (Eisenberg), 4,562,275 (Bloecher u.a.), 4,799,939 (Bloecher u.a.), 5,318,604 (Gorsuch), 5,550,723 (Holmes u.a.) und 5,975,988 (Christiansen). In dem Fall von beschichteten Schleifmitteln werden diese Agglomerate an die Unterlage gebunden, um einen Schleifkörper auszubilden.
In der US-Patentschrift Nr. 4,311,489 von Kressner wird ein beschichteter Schleifkörper offenbart, der Schleifteilchen aufweist, die durch Träger- und Leimbeschichtungen an einer flexiblen Unterlage befestigt sind, wobei jedes Schleifteilchen im Wesentlichen aus einem Agglomerat feiner Schleifkörner mit einem mittleren Durchmesser von weniger als circa 200 Mikrometern und einer anorganischen, spröden Matrix besteht.
In der US-Patentschrift Nr. 3,916,584 von Howard u.a. werden Verbundschleifkörnchen offenbart, in denen feine, harte Schleifkörner überall in einer vergleichsweise weicheren Metalloxidmatrix verteilt sind.
In der US-Patentschrift Nr. 4,918,874 von Tiefenbach wird ein Verfahren zum Herstellen von Schleifkörpern offenbart, die eine verbesserte Homogenität und verbesserte Zerlegungseigenschaften aufweisen.
In der US-Patentschrift Nr. 5,975,988 von Christianson wird ein beschichtetes Schleifmittel offenbart, das eine Unterlage und eine auf der ersten Hauptfläche der Unterlage aufgezogene Schleifschicht aufweist, wobei ein Querschnitt der Schleifschicht senkrecht zur Dicke und an einem mittleren Punkt der Dicke eine Gesamtquerschnittsfläche der Schleifagglomerate aufweist, welche im Wesentlichen die gleiche ist wie die an einem Punkt längs der Dicke, der bei 75 % eines Abstandes liegt, die gleiche wie die an einem Punkt an der Kontaktseite; ein beschichteter Schleifkörper, der ein Bindungssystem mit einer Knoop-Härtezahl von mindestens 70 aufweist. EP-A-0601594 offenbart einen Vorgang zum Herstellen kristalliner Mikroblasen, der das Zerstäuben einer Lösung oder Dispersion mit einem anorganischen Material oder seiner Vorstufe, die in einem flüssigen Medium gelöst oder dispergiert ist, einschließt, um Tröpfchen der Lösung oder Dispersion auszubilden, die Tröpfchen einer Hochtemperaturatmosphäre zuzuführen, so dass das flüssige Medium schnell verdampft und das anorganische Material oder seine Vorstufe sintert oder verschmilzt, um kristalline Mikrobläschen des anorganischen Materials auszubilden, und zum Rückgewinnen der dadurch gebildeten Mikrobläschen.
Gewünscht ist ein Agglomerat und ein Verfahren zur Herstellung des Agglomerats, das bei allen Schleifanwendungen ein gutes Schleifleistungsverhalten (z.B. lange Betriebsdauer, hohe Abtrageraten, gleichmäßige Abtrageraten, gleichmäßige Oberflächengüte und dergleichen) ermöglicht. Für die Agglomerate ist erwünscht, dass sie im Verlauf der Agglomeratbetriebsdauer der Arbeitsfläche frische Schleifteilchen zuliefern. Zusätzlich ist es erwünscht, die Agglomerate auf einem solchen Wege herzustellen, dass die Porosität des Agglomerats gesteuert wird.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Agglomerat nach Anspruch 4.
Die vorliegende Erfindung offenbart darüber hinaus nach Anspruch 1 ein Verfahren zur Herstellung des Agglomerats.
Die vorliegende Erfindung offenbart darüber hinaus nach Anspruch 7 ein Verfahren zum Einsatz der Agglomerate gemäß vorliegender Erfindung.
In dieser Anmeldung:
bedeutet "Agglomerat" ohne Einschränkung Verbundschleifagglomerate aus gebrannten Rohwaren-Agglomeraten. Die Agglomerate enthalten Schleifteilchen in einer Matrix, wie hier beschrieben wird;
bedeutet "normierte Raumdichte" die Raumdichtemessung geteilt durch die theoretische Dichte. Die theoretische Dichte wird durch Aufsummieren des Volumenanteils der Dichten einer jeden Komponente berechnet. Ein Fachmann auf dem Gebiet der Probenentnahme ist in der Lage, eine Probe zu nehmen, ohne das Ergebnis zu beeinflussen.
Agglomerate gemäß vorliegender Erfindung können in verschiedenartige Schleifkörper eingebettet werden, wie z.B. in beschichtete Schleifmittel, gebundene Schleifmittel (einschließlich verglaster und kunstharzgebundener Schleifscheiben) und in dreidimensional fixierte Schleifmittel. Die Schleifkörper enthalten normalerweise Agglomerate gemäß vorliegender Erfindung und Bindemittel.
Normalerweise sind die Agglomerate gemäß vorliegender Erfindung hinreichend porös, um es vorteilhaft zu ermöglichen, dass ein Bindemittel in sie eindringt. Die Porosität hilft auch bei der Beseitigung von Abrieb, was zur Leistungsfähigkeit eines Schleifkörpers beiträgt. "Abrieb" bedeutet das von einem Werkstück abgeschliffene Material. Diese Fähigkeit ist besonders vorteilhaft für beschichtete, gebundene und dreidimensional fixierte Schleifkörper. Darüber hinaus können die Schleifagglomerate gemäß vorliegender Erfindung eine lange Schleifbetriebsdauer und eine relativ gleichmäßige Abtragerate aufweisen. In einer anderen Ausbildung können die Ausführungsformen des Agglomerats gemäß vorliegender Erfindung so hergestellt werden, dass sie einen gewünschten Grad an Porosität und/oder Bindungsstärke zwischen den Schleifteilchen aufweisen, um eine Vorzugsabnutzung des Agglomerats bereitzustellen. Die gewünschte Porosität des Matrixmaterials maximiert die Erosionsfähigkeit der Schleifteilchen, wenn sie einmal stumpf geworden sind, wobei jedoch noch genug Matrixmaterial vorliegt, um die Schleifteilchen als ein Agglomerat zusammenzuhalten. Eine derartige Vorzugsabnutzung des Agglomerats kann insbesondere für gebundene Schleifkörper erwünscht sein. Schleifkörper, die aus dem erfindungsgemäßen Agglomerat hergestellt sind, könne sowohl in Nass- als auch in Trockenverfahren verwendet werden. In Nassschleifverfahren trägt die Porosität der Schleifagglomerate zusätzlich zu einem Transport von Schmier- und Kühlmittel zur Grenzschicht von Schleif- und Arbeitsfläche bei.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Agglomerate
Details hinsichtlich der Schleifagglomerate können zum Beispiel in den US-Patentschriften Nr. 4,311,489 (Kressner), 4,652,275 (Bloecher u.a.), 4,799,939 (Bloecher u.a.), 5,549,962 (Holmes u.a.) und 5,975,988 (Christianson) gefunden werden.
Das Agglomerat der vorliegenden Erfindung umfasst eine kristalline Matrix. Die kristalline Matrix liegt in einem kristallinen, nicht verglasten Zustand vor. Der kristalline Zustand kann polykristallin sein. Im Allgemeinen ist die kristalline Matrix zu mindestens circa 80 % kristallin. In speziellen Ausführungsformen ist die kristalline Matrix zu 100 % kristallin. Die kristalline Matrix kann aus einem beliebigen Metalloxid ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die kristalline Matrix aus Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Zinkoxid, Titanoxid und deren Kombinationen ausgebildet sein. In bestimmten Ausführungsformen ist die kristalline Matrix kristallines Siliziumoxid.
Das erfindungsgemäße Agglomerat kann auch Schleifteilchen umfassen, die in der kristallinen Matrix dispergiert sind. In bestimmten Ausführungsformen sind die Schleifteilchen über die kristalline Matrix hinweg gleichmäßig verteilt. Die Schleifteilchen können aus beliebigen Schleifteilchen ausgewählt sein. Zum Beispiel kann das Schleifteilchen Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Borkarbid, Ceroxid, Zirkonoxid ebenso wie auch andere Schleifteilchen und Kombinationen daraus enthalten. Die Schleifteilchen umfassen in speziellen Ausführungsformen Schleifteilchen mit einer Mohs-Härte größer als 5. In ausgewählten Ausführungsformen sind die Schleifteilchen harte Schleifteilchen, die als Superschleifmittel bekannt sind. Zum Beispiel kann das Schleifteilchen Diamant oder ein kubisches Bornitrid sein. In speziellen Ausführungsformen ist das Schleifteilchen Diamant. Bestimmte Schleifteilchen weisen eine mittlere Größe auf, die nicht größer als circa 15 Mikrometer ist. Spezielle Schleifteilchen weisen eine mittlere Größe auf, die nicht größer als circa 10 Mikrometer ist, zum Beispiel nicht größer als circa 7 Mikrometer. In Abhängigkeit von der vorgesehenen Anwendung können die Schleifteilchen einen mittleren Durchmesser aufweisen, der nicht größer als 1 Mikrometer ist. Wird mehr als ein Schleifteilchen verwendet, dann können die einzelnen Schleifteilchen die gleiche mittlere Teilchengröße aufweisen, oder sie können unterschiedliche mittlere Teilchengrößen haben.
In einigen Ausführungsformen ist die kristalline Matrix ausreichend schleiffähig, um die Schleifanforderungen für einen speziellen Einsatz zu erfüllen. Im Allgemeinen nimmt die kristalline Matrix circa 40 % bis zu circa 100 % des Feststoffvolumens im Agglomerat ein (ohne das Porenvolumen). In bestimmten Ausführungsformen nimmt die kristalline Matrix circa 50 % bis zu circa 80 % des Feststoffvolumens, zum Beispiel circa 55 % bis zu circa 70 % des Feststoffvolumens ein. In anderen Beispielen nimmt die kristalline Matrix circa 80 % bis zu circa 100 % des Feststoffvolumens ein. Die Schleifteilchen nehmen circa 0 % bis zu circa 60 % des Feststoffvolumens des Agglomerats ein. In bestimmten Ausführungsformen nehmen die Schleifteilchen circa 20 % bis zu circa 50 % des Feststoffvolumens, zum Beispiel circa 30 % bis zu circa 45 % des Feststoffvolumens ein.
Die Agglomerate der vorliegenden Erfindung weisen eine normierte Raumdichte von weniger als circa 0,38 auf. In bestimmten Ausführungsformen liegt die normierte Raumdichte zwischen circa 0,19 und circa 0,35. In speziellen Ausführungsformen ist die normierte Raumdichte circa 0,25 bis zu circa 0,31. Die Messung der normierten Raumdichte zeigt, dass das Agglomerat eine hohe Porosität innerhalb der kristallinen Matrix aufweist. Die Porosität der Matrix ermöglicht es, dass die Schleifteilchen aus dem Agglomerat erodieren, nachdem ihre Nutzungsdauer beendet ist.
Die Agglomerate der vorliegenden Erfindung können eine beliebige Gestalt aufweisen. In speziellen Ausführungsformen können die Agglomerate kugelförmig sein. In derartigen Ausführungsformen weisen die kugelförmigen Agglomerate einen Durchmesser auf, der nicht größer als circa 80 Mikrometer ist. In speziellen Ausführungsformen weisen die kugelförmigen Agglomerate einen Durchmesser von circa 5 Mikrometer bis zu circa 60 Mikrometer auf.
Herstellungsverfahren
Die vorliegende Erfindung stellt die Herstellung der oben beschriebenen Schleifagglomerate bereit.
Herstellung der Agglomerate
Das Agglomerat wird gebildet, indem ein Gemisch ausgebildet wird, das ein Schleifteilchen mit einem Sol umfasst, welches eine Dispersion eines Oxids, wie z.B. Siliziumoxid, in Wasser aufweist. Das Gemisch wird zum Beispiel in einem Zentrifugalzerstäuber Mobile Miner 2000, der von der Niro Corporation of Soeborg, Dänemark, erhältlich ist, sprühgetrocknet, um Schleifagglomerate auszubilden. Die losen Agglomerate werden dann gebrannt, um beliebige Zusatzflüssigkeiten auszutreiben.
Ausgangsmaterialien
1. Kristallines Matrixmaterial
Die kristalline Matrix wird durch ein kristallines Matrixmaterial ausgebildet. Ein derartiges Material kann ein wässriges Sol sein. In bestimmten Ausführungsformen ist das Sol eine Suspension eines Oxids in Wasser. Beispiele für Oxide, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, schließen Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Chromoxid, Antimonpentoxid, Vanadiumoxid, Ceroxid oder Titanoxid ein. In speziellen Ausführungsformen ist das Oxid Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Titanoxid oder Zinkoxid. Das kristalline Matrixmaterial kann auch eine Kombination aus mehr als einem Oxid sein. Alkalimetalloxide sind im Allgemeinen für die vorliegende Erfindung nicht brauchbar. In speziellen Ausführungsformen ist das Sol eine Suspension von Siliziumoxid in Wasser. Es kann eine beliebige Art wässriger Siliziumoxidsuspensionen, wie z.B. eine wässrige Suspension aus gefälltem Siliziumoxid, eine kolloidale Siliziumoxidsuspension (gewöhnlich als Silica-Sol bezeichnet) oder eine wässrige Suspension von Siliziumoxidverbindungen verwendet werden, die überwiegend Siliziumoxid enthält.
Wenn die Oxidteilchen in Wasser fein verteilt werden, dann werden die Teilchen durch die üblichen elektrischen Ladungen auf der Oberfläche eines jeden Teilchens stabilisiert, was in der Tendenz eher die Dispersion als die Zusammenballung fördert. Die Teilchen gleicher Ladung stoßen einander ab, wodurch die Anhäufung der Teilchen minimiert wird.
Kolloidale Siliziumoxide, die für diese Erfindung geeignet sind, sind handelsüblich unter solchen Handelsnamen wie "LUDOX" (E.I. Dupont de Nemours and Co., Inc. Wilmington, Del.), "NYACOL" (Nyacol Co., Ashland, Mass.) und "NALCO" (Nalco Chem. Co., Oak Brook, Ill.). Nichtwässrige Silica-Sole (die auch als Silica-Organosole bezeichnet werden) sind auch handelsüblich unter solchen Handelsnamen wie „"NALCO 1057" (ein Silica-Sol in 2-Propoxyethanol, Nalco Chemical Co.) und "MA-ST", "IP-ST" und "EG-ST" (Nissan Chemical Industries, Tokio, Japan). Sole anderer Oxide sind auch handelsüblich, z.B. die Aluminiumoxid-Sole "NALCO-ISJ-614" und "NALCO ISJ-613" und das Zirkonoxid-Sol "NYACOL 10/50". Diese kolloidalen Sole können eine beliebige Menge im Bereich von circa 10 bis 85 Gew.-% Wasser, gewöhnlich 25 bis 60 Gew.-% Wasser, enthalten. Es können auch zwei oder mehr unterschiedliche kolloidale Siliziumoxide verwendet werden.
2. Schleifteilchen
Bestimmte Ausführungsformen der Agglomerate der vorliegenden Erfindung umfassen Schleifteilchen. Die Schleifteilchen wurden oben bei der Beschreibung der Agglomerate genau beschrieben. Die Schleifteilchen sind im Allgemeinen derart beständig gegenüber dem flüssigen Medium, zum Beispiel dem Wasser in dem wässrigen Sol, dass sich ihre physikalischen Eigenschaften nicht wesentlich verschlechtern, wenn sie dem flüssigen Medium ausgesetzt sind. Geeignete Schleifteilchen sind gewöhnlich anorganische Schleifteilchen.
3. Optionale Zusatzstoffe
Das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich bestimmte optionale Zusatzstoffe umfassen. Solche Zusatzstoffe können Porenbildner, Schleifhilfen und Polierhilfen umfassen. Porenbildner können beliebige temporäre Polymere mit einer ausreichenden Steifigkeit sein, um die Poren an einem Zusammenfallen zu hindern. Der Porenbildner kann zum Beispiel Polyvinylbutyrat, Polyvinylchlorid, Wachs, Natrium-Diamyl-Sulfosuccinat und Kombinationen daraus sein. In bestimmten Ausführungsformen ist der Porenbildner-Zusatzstoff ein Natrium-Diamyl-Sulfosuccinat in Methyl-Ethyl-Keton.
In bestimmten Ausführungsformen sind die Ausgangsmaterialien weitgehend frei von einem Material, welches das Fließen der kristallinen Matrix fördert, zum Beispiel Lithiumfluorid.
Vermischen
Die Ausgangsmaterialien werden vermischt, um ein Gemisch auszubilden. Das Vermischen kann in irgendeiner aus einer Auswahl unterschiedlicher Vorrichtungen stattfinden, die eine physikalische Anregung liefern. Die physikalische Anregung kann mit mechanischen, elektrischen oder magnetischen (akustischen) Verfahren ausgeführt werden. Zum Beispiel kann das Gemisch in einem aerodynamischen oder elektrischen Kreiselmischer, einer Kugelmühle oder einem Ultraschallmischer ausgebildet werden. Es kann jedoch eine beliebige Mischvorrichtung verwendet werden.
In speziellen Ausführungsformen werden die Ausgangsmaterialien in einem Ultraschallbad mindestens circa 20 Minuten, speziell zwischen circa 25 und circa 35 Minuten, gemischt. In bestimmten Ausführungsformen, wie z.B. der Ausführungsform mit Siliziumoxid und Diamant, die in den Beispielen dargestellt ist, werden die Ausgangsmaterialien circa 30 Minuten lang gemischt. Fachleute werden anerkennen, dass die Mischungszeiten für verschiedene Ausführungsformen angepasst werden können. Derartige Anpassungen gehören zu den Fertigkeiten der Fachleute.
Trocknen
Das Gemisch wird dann einem Trocknungsschritt unterworfen. In der vorliegenden Erfindung wird der Trocknungsschritt in einem Sprühtrockner ausgeführt, der mit einer Zerstäubungsvorrichtung ausgerüstet ist, um Tröpfchen des Gemischs zu erzeugen. Der Sprühtrockner der vorliegenden Erfindung kann zum Beispiel ein Zentrifugalzerstäuber oder ein Dualdüsenzerstäuber sein. Ein Beispiel für einen Zentrifugalzerstäuber-Sprühtrockner ist ein Zentrifugalzerstäuber Mobile Miner 2000, der von der Niro Corporation of Soeborg, Dänemark, bezogen werden kann. Das Zentrifugalzerstäuberrad kann mit einer Nenndrehzahl von circa 25000 bis zu circa 45000 Umdrehungen/min angetrieben werden. In speziellen Ausführungsformen wird das Zerstäuberrad mit circa 37500 Umdrehungen/min angetrieben. Dann wird in den Sprühtrockner Heißluft mit einer Temperatur von mindestens circa 200 °C eingeleitet. In bestimmten Ausführungsformen weist die Heißluft zwischen circa 200 °C und circa 350 °C auf. In speziellen Ausführungsformen wird die Heißluft dann bei einer Temperatur von circa 200 °C dem Gemisch ausgesetzt. Der Sprühtrockner kann im Mitstrom oder im Gegenstrom vorliegen. In einem Mitstrom-Sprühtrockner strömen die Luft und das Gemisch in die gleiche Richtung. In einem Gegenstrom-Sprühtrockner strömen die Luft und das Gemisch in entgegengesetzte Richtungen. Die Auslasstemperatur, die am Ausgang der Zerstäubungskammer gemessen wird, kann auf circa 95 °C gehalten werden. Der Zuführungsdurchfluss des Gemischs war circa 50 ml/min bis circa 70 ml/min, und er wird verwendet, um die Temperatur im Inneren des Sprühtrockners zu steuern. Ist die Auslasstemperatur zu hoch, dann wird ein höherer Durchfluss des Gemisches eingestellt, um die Temperatur im Sprühtrockner zu verringern. Ist die Temperatur zu niedrig, dann wird der Durchfluss des Gemisches verringert. Fachleute werden anerkennen, dass die offenbarten Einstellungen, wie z.B. die Umdrehungszahl des Zerstäuberrades, die Heißlufttemperatur, die Auslasstemperatur und der Zuführungsdurchfluss für verschiedene Ausführungsformen angepasst werden können. Derartige Anpassungen gehören zu den Fertigkeiten der Fachleute.
Brennen
Das getrocknete Gemisch wird aus dem Sprühtrockner unter Verwendung eines Gefäßes entnommen, das an einer Wirbelkammer an einem Ort außerhalb der Stelle angebracht ist, an der die Auslasstemperatur gemessen wird. An diesem Ort liegt das Gemisch in der Form loser Rohwarenagglomerate vor. Die Rohwarenagglomerate werden nach der Entnahme aus dem Sprühtrockner gebrannt, solange sie lose (d.h. nicht komprimiert) sind.
In bestimmten Ausführungsformen, wie z.B. in der in den Beispielen dargestellten Ausführungsform mit Siliziumoxid und Diamant, wird die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 1,5 °C/min erhöht, bis die Temperatur bei mindestens circa 350 °C liegt. Die Rohwarenagglomerate werden circa 1 Stunde lang auf dieser Temperatur gehalten. Die Temperatur wird dann weiter mit einer Geschwindigkeit von 1,5 °C/min erhöht, bis die Temperatur bei mindestens circa 500 °C liegt. Die Rohwarenagglomerate werden ungefähr 1 zusätzliche Stunde auf dieser Temperatur gehalten. Fachleute werden anerkennen, dass die Brenntemperaturen und die Zeiten für verschiedene Ausführungsformen angepasst werden können. Derartige Anpassungen gehören zu den Fertigkeiten der Fachleute. Nach der Brennstufe werden die Rohwarenagglomerate zu Agglomeraten.
Schleifkörper
Die Agglomerate sind bei der Herstellung von Schleifkörpern brauchbar. Die oben beschriebenen Agglomerate sind auch bei der Herstellung von dreidimensional fixierten Schleifmitteln und beschichteten Schleifmitteln brauchbar. Beispiele für derartige Schleifprodukte sind in der US-Patentschrift Nr. 5,958,794 von Bruxvoort u.a. offenbart.
Gebundene Schleifkörper
Gebundene Schleifmittel sind in der Struktur dreidimensional. Das ideale gebundene Schleifmittel schleift das Werkstück ab, und wenn die Schleifteilchen abgenutzt und stumpf sind, dann werden diese Schleifteilchen von dem gebundenen Schleifmittel abgestoßen, um neue, frisch schneidende Schleifteilchen freizulegen. Eine unangemessene Adhäsion zwischen den Schleifteilchen und dem Bindungsmaterial kann zu einer vorzeitigen Ablösung der Schleifteilchen vom Schleifkörper führen. Werden die Schleifteilchen vorzeitig abgelöst, so ist die resultierende Nutzungsdauer der gebundenen Schleifmittel gewöhnlich geringer als erwünscht. In der Industrie ist ein gebundenes Schleifmittel erwünscht, das eine gute Adhäsion zwischen den Schleifteilchen und dem Bindungsmaterial aufweist.
Dreidimensional fixierte Schleifkörper
Der dreidimensional fixierte Schleifkörper ist im Allgemeinen langlebig, z.B. sollte der Schleifkörper in der Lage sein, mindestens zwei, zum Beispiel mindestens 5 oder mindestens 20 und in bestimmten Ausführungsformen mindestens 30 Arbeitsabläufe auszuführen. Der Schleifkörper sollte eine gute Abtragerate liefern. Die Materialien, die gewünschte Textur und der zum Herstellen des Schleifkörpers verwendete Arbeitsablauf haben alle einen Einfluss darauf, ob diese Kriterien erfüllt werden oder nicht.
Der fixierte Schleifkörper kann eine Unterlage umfassen. Im Allgemeinen sind die Schleifteilchen in einem Bindemittel dispergiert, um eine Schleifbeschichtung und/oder Schleifverbünde auszubilden, die an eine Unterlage gebunden sind. In bestimmten Ausführungsformen sind die Schleifverbünde Pyramiden. Zwischen benachbarten Schleifverbünden liegen Vertiefungen oder Gräben vor. Es ist auch mehr als eine Reihe von pyramidenförmigen Schleifverbünden dargestellt, wobei die zweite Reihe von Schleifverbünden gegenüber der ersten Reihe versetzt ist. Schleifverbünde umfassen mehrere Schleifagglomerate, die in dem Bindemittel fein verteilt sind. Optional müssen die fixierten Schleifkörper keine separate Unterlage aufweisen.
Der Begriff "dreidimensional" wird so verwendet, dass mindestens über einen Dickenbereich des Schleifkörpers hinweg zahlreiche Schleifteilchen vorhanden sind. Die dreidimensionale Beschaffenheit sorgt für einen langlebigen Schleifkörper, da eine Menge von Schleifteilchen vorhanden ist, um einen beliebigen Arbeitsablauf auszuführen.
Der Schleifkörper weist auch eine ihm zugeordnete "Textur" auf; d.h., er ist ein "texturierter" Schleifkörper. Zum Beispiel sind die pyramidenförmigen Verbünde die vorstehenden Teilbereiche, und die Gräben zwischen den Pyramiden sind die vertieften Teilbereiche.
Im Allgemeinen ist der Schleifkörper erosionsfähig, d.h. er ist in der Lage, beim Einsatz kontrollierbar abgetragen zu werden. Die Erosionsfähigkeit ist erwünscht, da sie dazu führt, dass die abgenutzten Schleifteilchen vom Schleifkörper abgelöst werden, um neue Schleifteilchen freizulegen. Ist die Schleifbeschichtung nicht erosionsfähig, dann können die abgenutzten Schleifteilchen nicht richtig vom Schleifkörper abgestoßen werden, wodurch die frischen Schleifteilchen nicht freigelegt werden. Ist die Schleifbeschichtung zu stark erosionsfähig, dann können die Schleifteilchen zu schnell abgestoßen werden, was einen Schleifkörper mit einer kürzeren als der gewünschten Produktlebensdauer zur Folge haben kann.
Der Grad der Erosionsfähigkeit ist auch eine Funktion der Oberflächentextur, der Zusammensetzung der Schleifbeschichtung, der Verarbeitungsbedingungen und der Zusammensetzung des Werkstücks. Wie nachfolgend beschrieben wird, gibt es viele Wege, ein Produkt mit einer Erosionsfähigkeit auszustatten. Der erfindungsgemäße Schleifkörper kann viele Formen aufweisen, zum Beispiel kreisförmige Platten, Schleifbandwalzen oder Schleifbänder.
Ein dreidimensionaler texturierter fixierter Schleifkörper wird im Allgemeinen durch Ausbilden einer Aufschlämmung präpariert, die ein Gemisch aus einem Bindemittelvormaterial und mehreren Schleifteilchen oder den oben beschriebenen Schleifagglomeraten enthält. Die Aufschlämmung wird auf ein Produktionswerkzeug aufgebracht, das Hohlräume aufweist, welche das Negativ der gewünschten Form der texturierten Oberfläche sind. Eine Unterlage wird derart mit der freiliegenden Oberfläche des Produktionswerkzeuges in Kontakt gebracht, dass die Aufschlämmung die Oberfläche der Unterlage benetzt. Dann kann das Bindemittel zumindest teilweise verfestigt, ausgehärtet oder geliert werden. Der Schleifkörper wird dann vom Produktionswerkzeug abgenommen und vollständig ausgehärtet, wenn er im vorherigen Schritt nicht vollständig ausgehärtet worden ist. Alternativ kann die Aufschlämmung auf die Oberfläche der Unterlage aufgetragen werden, und das Produktionswerkzeug kann dann mit der Aufschlämmung auf der Unterlage in Kontakt gebracht werden. Die Schleifbeschichtung umfasst somit mehrere Schleif-"Verbünde" auf einer Unterlage.
Der dreidimensionale texturierte fixierte Schleifkörper kann auch durch Aufschichten der Aufschlämmung auf einer Unterlage ausgebildet werden, die eine Kontur aufweist, welche weitgehend der gewünschten Form der texturierten Oberfläche entspricht. Die Aufschlämmung wird auf eine solche Weise ausgehärtet, dass die ausgehärtete Schleifbeschichtung eine texturierte Oberfläche aufweist, die weitgehend der Kontur der Unterlage entspricht. In einer Ausbildung dieses Verfahrens ist eine geprägte Unterlage vorgesehen, um den Schleifkörper herzustellen.
In dem dreidimensionalen texturierten fixierten Schleifkörper können bestimmte Abänderungen ausgeführt werden, um das Leistungsvermögen zu verbessern oder auf andere Weise zu verändern. Zum Beispiel kann der Schleifkörper durchbrochen sein, um Öffnungen durch die Schleifschicht und/oder die Unterlage hindurch zu schaffen, so dass der Durchgang von Fluiden vor, während oder nach dem Einsatz ermöglicht wird.
Beschichtete Schleifkörper
Beschichtete Schleifmittel umfassen mehrere Schleifteilchen, die an eine Unterlage gebunden sind. Bestimmte beschichtete Schleifmittel enthalten Schleifagglomerate, die an eine Unterlage gebunden sind. Faservliesschleifmittel enthalten gewöhnlich mehrere Schleifteilchen, die auf und in einem voluminösen, porösen Faservliessubstrat gebunden sind. Gewöhnlich sind die Agglomerate mit der Unterlage unter Verwendung eines Bindemittels, zum Beispiel organischer Bindemittel, glasartiger Bindemittel und metallischer Bindemittel, verbunden. Die Kriterien, die bei der Auswahl der Schleifteilchen zum Einsatz bei einer speziellen Schleifanwendung herangezogen werden, umfassen üblicherweise: die Schleifbetriebsdauer, Abtragerate, Oberflächengüte des Substrats, Leistungsfähigkeit des Schleifens und Herstellungskosten.
Beschichtete Schleifmittel sind tendenziell "flexibler" als gebundene Schleifmittel; somit werden die beschichteten Schleifmittel in großem Umfange dort verwendet, wo der Schleifkörper sich an die Oberfläche des Werkstücks anpassen muss. Beschichtete Schleifmittel tendieren dazu, eine oder mehrere Schleifteilchenschichten aufzuweisen. Im Allgemeinen sind diese Schleifteilchen darauf ausgerichtet, dass ihr Schneidvermögen verstärkt ist. In einigen Fällen jedoch ergeben die beschichteten Schleifmittel beim Beginn des Schleifens verhältnismäßig sehr hohe Abtrageraten. Mit der Zeit nimmt die Abtragerate ab, bis das beschichtete Schleifmittel nicht mehr akzeptable Abtrageraten liefert.
Ein beschichtetes Schleifprodukt umfasst gewöhnlich ein flexibles Unterlagenmaterial, das mit einer Schleifschicht beschichtet ist, die aus Schleifteilchen und einem ausgehärteten Bindemittelmaterial aufgebaut ist. Es ist üblich, einige beschichtete Schleifmittel herzustellen, indem ein Beschichtungserzeuger oder Beschichtungsbildner aus einem Bindemittelvormaterial auf der Unterlage aufgetragen wird, die Schleifteilchen auf den Beschichtungsbildner aufgebracht werden, solange er ausreichend klebrig ist, um die Schleifteilchen festzuhalten, und der Beschichtungsbildner, der die Schleifteilchen enthält, dann mit einer Leimbeschichtung überschichtet wird. Der Schichtbildner kann vor dem Aufbringen der Leimbeschichtung zum Teil ausgehärtet werden, aber sobald die Leimbeschichtung aufgebracht ist, ist es üblich, sowohl den Schichtbildner als auch die Leimbeschichtung vollständig auszuhärten, so dass das resultierende beschichtete Schleifprodukt als ein Schleifmaterial verwendet werden kann. Anschließend wird das beschichtete Schleifmaterial zu verschiedenen Schleifprodukten hin verarbeitet, indem das Material in die gewünschte Form geschnitten wird.
Bei der Herstellung der beschichteten Schleifprodukte ist eine Anzahl von Unterlagematerialien brauchbar. Die Auswahl der Unterlagenmaterials beruht gewöhnlich auf der beabsichtigten Verwendung des Produkts. Es wurden Materialien, wie z.B. Papier, Fasern (entweder Vlies oder gewebt), Kunststofffilm, oder Kombinationen dieser Materialien verwendet.
Schleifkörperbestandteile
A. Bindemittel
1. Organische Bindemittel
Organische Bindemittel für die Schleifkörper gemäß dieser Erfindung werden aus einem organischen Bindemittelvormaterial gebildet. Das organische Bindemittelvormaterial liegt gewöhnlich in einem fließfähigen Zustand vor. Das Bindemittel liegt gewöhnlich in einem festen, nicht fließfähigen Zustand vor. Das Bindemittel kann aus einem thermoplastischen Material gebildet werden. Alternativ kann das Bindemittel aus einem Material gebildet werden, dass zum Vernetzen geeignet ist. Es liegt auch im Gültigkeitsbereich dieser Erfindung, dass ein Gemisch aus einem thermoplastischen Bindemittel und einem vernetzten Bindemittel genommen wird. Während des Prozesses zur Herstellung des Schleifkörpers wird das Bindemittelvormaterial den geeigneten Bedingungen ausgesetzt, um das Bindemittel zu verfestigen. Für vernetzbare Bindemittelvormaterialien wird das Bindemittelvormaterial der geeigneten Energiequelle ausgesetzt, um die Polymerisation oder Aushärtung einzuleiten und das Bindemittel zu bilden.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Bindemittelvormaterial ein organisches Material, das zum Vernetzen in der Lage ist. Bindemittelvormaterialien können entweder ein kondensationshärtbares Harz oder ein additionspolymerisierbares Harz sein. Die additionspolymerisierbaren Harze können ethylenisch ungesättigte Monomere und/oder Oligomere sein. Beispiele für verwendbare vernetzbare Materialien schließen Phenolharze, Bismaleimid-Bindemittel, Vinyletherharze, Aminoplastharze mit angehängten alpha-, beta-ungesättigten Carbonylgruppen, Urethanharze, Epoxidharze, Acrylatharze, acrylierte Isocyanuratharze, Urea-Formaldehydharze, Isocyanuratharze, acrylierte Urethanharze, acrylierte Epoxidharze und deren Gemische ein. In speziellen Ausführungsformen ist das Bindemittel ein Urethan-Phenoxyharzsystem. In derartigen Ausführungsformen kann das Bindemittel durch Isocyanat vernetzt werden.
2. Kondensationshärtbare Bindemittel
Phenolharze werden als Bindemittel für Schleifkörper wegen ihrer thermischen Eigenschaften, Verfügbarkeit, Kosten und Anwenderfreundlichkeit in großem Umfange verwendet. Es gibt zwei Typen von Phenolharzen, Resole und Novolac. Die Resole-Phenolharze weisen ein Molverhältnis von Formaldehyd zu Phenol von größer als oder gleich eins, üblicherweise zwischen 1,5:1,0 bis 3,0:1,0 auf. Novolac-Harze weisen ein Molverhältnis von Formaldehyd zu Phenol von weniger als eins zu eins auf. Derartige Phenolharze können gemischt werden mit Latexharzen, zum Beispiel Acrylnitril-Butadien-Emulsionen, Acrylemulsionen, Butadienemulsionen, Butadien-Styrol-Emulsionen und deren Kombinationen.
3. Epoxidharze
Epoxidharze weisen eine Oxiran-Gruppe auf und werden durch die Ringöffnung polymerisiert. Derartige Epoxidharze umfassen die monomeren Epoxidharze und die polymeren Epoxidharze. Diese Harze können sich in der Beschaffenheit ihrer Hauptketten und ihrer Substituentengruppen stark unterscheiden. Zum Beispiel kann die Hauptkette von einem beliebigen Typ sein, der den Epoxidharzen zugeordnet ist, und die Substituentengruppen daran können eine beliebige Gruppe sein, die frei ist von einem aktiven Wasserstoffatom, das bei Raumtemperatur mit einem Oxiran-Ring reagiert. Repräsentative Beispiele für akzeptable Substituentengruppen schließen Halogene, Estergruppen, Ethergruppen, Sulfonatgruppen, Siloxangruppen, Nitrogruppen und Phosphatgruppen ein. Beispiele für einige Epoxidharze schließen 2,2-Bis[4-(2,3-epoxypropoxy)-phenyl)propan(bisphenol-A-diglycidylether)] ein. Andere geeignete Epoxidharze schließen die Glycidylether des Phenol-Formaldehyd Novolac ein.
4. Ethylenisch ungesättigte Bindemittelvormaterialien
Beispiele für ethylenisch ungesättigte Bindemittelvormaterialien schließen Aminoplast-Monomere oder -Oligomere mit angehängten alpha-, beta- ungesättigten Carbonylgruppen, ethylenisch ungesättigte Monomere oder Oligomere, acrylierte Isocyanurat-Monomere, acrylierte Urethan-Oligomere, acrylierte Epoxid-Monomere oder -Oligomere, ethylenisch ungesättigte Monomere oder Verdünner, Acrylatdispersionen oder deren Gemische ein.
Die Aminoplast-Bindemittelvormaterialien weisen mindestens eine angehängte alpha-, beta-ungesättigte Carbonylgruppe pro Molekül oder Oligomer auf. Diese Materialien werden ferner in den US-Patentschriften Nr. 4,903,440 und 5,236,472 beschrieben.
Die ethylenisch ungesättigten Monomere oder Oligomere können monofunktional, difunktional, trifunktional, tetrafunktional oder sogar von einer höheren Funktionalität sein. Der Begriff Acrylat schließt sowohl Acrylate als auch Methacrylate ein. Ethylenisch ungesättigte Bindemittelvormaterialien schließen sowohl monomere als auch polymere Verbindungen ein, die Atome von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff und optional Stickstoff sowie den Halogenen enthalten. In den Ether-, Ester-, Urethan-, Amid- und Urea-Gruppen liegen im Allgemeinen Sauerstoff- oder Stickstoffatome oder beide vor. Die ethylenisch ungesättigten Verbindungen weisen im Allgemeinen ein Molekulargewicht von weniger als circa 4000 auf und können Ester sein, die aus der Reaktion von Verbindungen erhalten wurden, welche aliphatische Monohydroxygruppen oder aliphatische Polyhydroxygruppen und ungesättigte Carbonsäuren, wie z.B. Acrylsäure, Methacrylsäure, Itaconsäure, Crotonsäure, Isocrotonsäure, Maleinsäure und dergleichen, enthalten. Repräsentative Beispiele für ethylenisch ungesättigten Monomeren schließen Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Styrol, Divinylbenzen, Hydroxyethylacrylat, Hydroxyethylmethacrylat, Hydroxypropylacrylat, Hydroxypropylmethacrylat, Hydroxybutylacrylat, Hydroxybutylmethacrylat, Vinyltoluol, Ethylenglycoldiacrylat, Polyethylenglycoldiacrylat, Ethylenglycoldimethacrylat, Hexandioldiacrylat, Triethylenglycoldiacrylat, Trimethylolpropandiacrylat, Glyceroltriacrylat, Pentaerythritoltriacrylat, Pentaerythritoltrimethacrylat, Pentaerythritoltetraacrylat und Pentaerythritoltetramethacrylat ein. Andere ethylenisch ungesättigte Harze schließen Monoallyl-, Polyallyl- und Polymethallyl-Ester und -Amide von Carbonsäuren, wie z.B. Diallylphthalat, Diallyladipat und N,N-Diallyladipamid ein. Noch weitere Stickstoff enthaltende Verbindungen schließen Tris(2-acryloxyethyl)-isocyanurat, 1,3,5-Tri(2-methylacryloxyethyl)-s-triazin, Acrylamid, Methylacrylamid, N-Methylacrylamid, N,N-Dimethylacrylamid, N-Vinylpyrrolidon und N-Vinylpiperidon ein.
Ferner werden in der US-Patentschrift Nr. 4,652,274 Isocyanurat-Derivate, die mindestens eine angehängte Acrylatgruppe aufweisen, und Isocyanat-Derivate, die mindestens eine angehängte Acrylatgruppe aufweisen, beschrieben. Ein Beispiel für ein Isocyanurat-Material ist ein Triacrylat von Tris(hydroxyethyl)isocyanurat.
Acrylierte Urethane sind Diacrylat-Ester von hydroxyterminierten isocyanatgestreckten Polyestern oder Polyethern. Acrylierte Epoxide sind Diacrylat-Ester von Epoxidharzen, wie z.B. die Diacrylat-Ester von Bisphenol-A-Epoxidharz.
Acrylierte Urethane sind Diacrylat-Ester von hydroxyterminierten NCO-gestreckten Polyestern oder Polyethern. Acrylierte Epoxide sind Diacrylat-Ester von Epoxidharzen, wie z.B. die Diacrylat-Ester von Bisphenol-A-Epoxidharz.
Beispiele für ethylenisch ungesättigte Verdünner oder Monomere können in USSN 08/5,236,472 (Kirk u.a.) und USSN 08/144,199 (Larson u.a.) gefunden werden. In einigen Fällen sind diese ethylenisch ungesättigten Verdünner nützlich, da sie in der Tendenz mit Wasser verträglich sind.
Zusätzliche Details hinsichtlich der Acrylatdispersionen können in der US-Patentschrift Nr. 5,378,252 (Follensbee) gefunden werden.
Es liegt auch im Umfang dieser Erfindung, dass in dem Bindemittelvormaterial ein teilweise polymerisiertes ethylenisch ungesättigtes Polymer verwendet wird. Zum Beispiel kann ein Acrylat-Monomer teilweise polymerisiert und in die Schleifaufschlämmung einbezogen werden. Der Grad der Teilpolymerisation sollte derart gesteuert werden, dass das entstehende teilweise polymerisierte ethylenisch ungesättigte Monomer keine übermäßig hohe Viskosität aufweist, so dass die entstehende Schleifaufschlämmung aufgeschichtet werden kann, um den Schleifkörper auszubilden. Ein Beispiel für ein Acrylat-Monomer, das teilweise polymerisiert werden kann, ist Isooctylacrylat. Es liegt auch im Umfang dieser Erfindung, eine Kombination aus einem teilweise polymerisierten ethylenisch ungesättigten Monomer mit einem weiteren ethylenisch ungesättigten Monomer und/oder einem kondensationshärtbaren Bindemittel zu verwenden.
C. Zusatzstoffe
Die Schleifbeschichtung nach dieser Erfindung kann ferner optional Zusatzstoffe, wie z.B. Zusatzstoffe zur Veränderung der Schleifteilchenoberfläche, Kopplungsmittel, Weichmacher, Füllstoffe, Blähmittel, Fasern, Antistatikmittel, Initiatoren, Suspensionsmittel, Fotosensibilisatoren, Schmiermittel, Benetzungsmittel, oberflächenaktive Substanzen, Pigmente, Farbstoffe, UV-Stabilisatoren und -Suspensionsmittel. Die Mengen dieser Materialien werden so ausgewählt, dass die gewünschten Eigenschaften erzeugt werden. Zusatzstoffe können auch in das Bindemittel einbezogen, als eine separate Beschichtung angebracht, innerhalb der Poren des Agglomerats festgehalten oder in Kombinationen aus dem oben genannten eingesetzt werden.
1. Weichmacher
Die Schleifbeschichtung kann ferner einen Weichmacher umfassen. Das Hinzufügen eines Weichmachers wird im Allgemeinen die Erosionsfähigkeit der Schleifbeschichtung erhöhen und das Gesamtbindemittel aufweichen. Der Weichmacher sollte im Allgemeinen derart mit dem Bindemittel verträglich sein, dass es keine Phasentrennung gibt. Beispiele für Weichmacher schließen Polyvinylchlorid, Dibutylphthalat, Alkylbenzylphthalat, Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Zelluloseester, Phthalat, Silikonöle, Adipat- und Sebacat-Ester, Polyol, Polyolderivate, t-Butylphenyl-Diphenylphosphat, Tricresylphosphat, Castoröl, Kombinationen daraus und dergleichen ein.
2. Füllstoffe
Die Schleifbeschichtung kann ferner optional einen Füllstoff enthalten. Füllstoffe können der Beschichtung Haltbarkeit und Festigkeit geben. Umgekehrt kann der Füllstoff in einigen Fällen bei geeignetem Füllstoff und geeigneter Menge die Erosionsfähigkeit der Schleifbeschichtung erhöhen. Ein Füllstoff ist ein teilchenförmiges Material und weist einen mittleren Teilchengrößenbereich zwischen 0,1 bis 50 Mikrometer, gewöhnlich zwischen 1 und 30 Mikrometer auf. Füllstoffe können in einer Polierflüssigkeit, die in Verbindung mit dem Schleifkörper verwendet wird, löslich, nicht löslich oder quellfähig sein. Im Allgemeinen sind die Füllstoffe in einer solchen Polierflüssigkeit nicht löslich. Beispiele für Füllstoffe, die für diese Erfindung brauchbar sind, schließen ein: Metallcarbonate (wie z.B. Calciumcarbonat (Kreide, Calcit, Mergel, Travertin, Marmor und Kalkstein), Calcium-Magnesiumcarbonat, Natriumcarbonat, Magnesiumcarbonat), Siliziumoxid (wie z.B. Quarz, Glasperlen, Glasbläschen und Glasfasern), Silikate (wie z.B. Talkum, Tonerden, (Montmorillonit) Feldspat, Glimmer, Calciumsilikat, Calciummetasilikat, Natriumaluminosilikat, Natriumsilikat), Metallsulfate (wie z.B. Calciumsulfat, Bariumsulfat, Natriumsulfat, Aluminiumnatriumsulfat, Aluminiumsulfat), Gips, Vermikulit, Holzmehl, Aluminiumtrihydrat, Carbon Black, Metalloxide (wie z.B. Calciumoxid (Kalk), Aluminiumoxid, Zinnoxid, (z.B. Stannooxid), Titandioxid), und Metallsulfite (wie z.B. Calciumsulfit), thermoplastische Teilchen (Polycarbonat, Polyetherimid, Polyester, Polyethylen, Polysulfon, Polystyrol, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Blockcopolymer, Polypropylen, Acetalpolymere, Polyurethane, Nylon-Teilchen) und wärmehärtende Teilchen (wie z.B. Phenolbläschen, Phenolperlen, Polyurethanschaumteilchen und dergleichen). Der Füllstoff kann auch ein Salz, wie z.B. ein Halogenidsalz, sein. Beispiele für Metall-Füllstoffe schließen Zinn, Blei, Wismut, Kobalt, Antimon, Cadmium, Eisentitan ein. Andere vermischte Füllstoffe schließen Schwefel, organische Schwefelverbindungen, Grafit und metallische Sulfide ein. Die oben erwähnten Beispiele für Füllstoffe sind dazu gedacht, eine repräsentativen Überblick über die Füllstoffe zu geben, und sind nicht dazu gedacht, alle Füllstoffe zu umfassen.
3. Antistatikmittel
Beispiele für Antistatikmittel schließen Grafit, Carbon Black, Vanadiumoxid, leitfähige Polymere, Befeuchtungsmittel und dergleichen ein. Diese Antistatikmittel sind in den US-Patentschriften Nr. 5,061,294 ; 5,137,542 und 5,203,884 offenbart.
4. Aushärtemittel
Das Bindemittelvormaterial kann ferner ein Aushärtemittel enthalten. Ein Aushärtemittel ist ein Material, welches hilft, die Polymerisation oder den Vernetzungsprozess derart einzuleiten und abzuschließen, dass das Bindemittelvormaterial in ein Bindemittel umgewandelt wird. Der Begriff Aushärtemittel umfasst Initiatoren, Fotoinitiatoren, Katalysatoren und Aktivatoren. Die Menge und der Typ des Aushärtemittels hängt stark von der Chemie des Bindemittelvormaterials ab.
5. Oberflächenzusatzstoffe
In einigen Fällen ist ein Zusatzstoff enthalten, der die Oberfläche der Schleifteilchen oder des Agglomerats verändert. Diese Zusatzstoffe können die Verteilbarkeit der Schleifteilchen oder des Agglomerats im Bindemittelvormaterial verbessern und/oder die Adhäsion zum Bindemittelvormaterial und/oder Bindemittel verbessern. Die Oberflächenbehandlung kann auch die Schneidcharakteristiken der entstehenden Schleifteilchen oder Agglomerate verändern und verbessern. Die Oberflächenbehandlung kann auch die Viskosität der Aufschlämmung, die zum Präparieren der Schleifteilchen verwendet wird, wesentlich verringern, wodurch ein einfacherer Herstellungsprozess erreicht wird. Die geringere Viskosität ermöglicht es auch, dass höhere Prozentanteile von Schleifteilchen oder Agglomeraten in eine Aufschlämmung einbezogen werden.
Beispiele für geeignete Zusatzstoffe zur Oberflächenveränderung schließen Befeuchtungsmittel (die manchmal auch als oberflächenaktive Substanzen bezeichnet werden) und Kopplungsmittel ein. Ein Kopplungsmittel kann eine Verbindungsbrücke zwischen dem Bindemittel und den Schleifteilchen oder Agglomeraten schaffen. Das Kopplungsmittel kann auch eine Verbindungsbrücke zwischen dem Bindemittel und dem Füllmittelteichen (bis zum vorliegenden Umfang) schaffen. Beispiele für geeignete Kopplungsmittel schließen Silane, Titanate und Zirkonaluminate ein.
Oberflächenaktive Substanzen können auch als ein Zusatzstoff verwendet werden. Beispiele für oberflächenaktive Substanzen schließen Metall-Alkoxide, Polyalkylenoxide, Salze von langkettigen Fettsäuren und dergleichen ein. Die oberflächenaktiven Substanzen können kationisch, anionisch, amphoter oder nicht ionisch sein, solange die oberflächenaktive Substanz sowohl mit dem Schleifteilchen oder Agglomerat als auch dem Bindemittelvormaterial verträglich ist.
Die Schleifteilchen oder Agglomerate können eine Oberflächenbeschichtung umfassen, um die Schleifcharakteristiken des resultierenden Schleifmittels zu verändern. Geeignete Beispiele derartiger Oberflächenbeschichtungen sind zum Beispiel in den US-Patentschriften Nr. 5,011,508 (Wald u.a.),; 1,910,444 (Nicholson):; 3,041,156 (Rowse u.a.); 5,009,675 (Kunz u.a.); 4,997,461 (Markhoff-Matheny u.a.); 5,213,591 (Celikkaya u.a.); 5,085,671 (Martin u.a.) und 5,042,991 (Kunz u.a.) beschrieben. Die Schleifteilchen können auch mehrere Beschichtungen umfassen.
D. Unterlage
Der Schleifkörper kann eine Unterlage aufweisen, die mit einer Schleifbeschichtung versehen ist. Im Allgemeinen sind die Unterlagen von Schleifkörpern in der Dicke sehr gleichmäßig. Ein beliebiges aus einer Vielfalt von Unterlagenmaterialien ist für diesen Zweck geeignet, einschließlich sowohl flexibler Unterlagen als auch der Unterlagen, die steifer sind.
Beispiele für typische flexible Schleifmittelunterlagen schließen Polymerfilm, grundierten Polymerfilm, Metallfolie, Stoff, Papier, Vulkanfiber, Vliesstoffe und deren bearbeitete Ausführungen sowie Kombinationen daraus ein. Ein Unterlagentyp ist ein Polymerfilm. Beispiele für derartige Filme schließen Polyesterfilme, Polyester- und Copolyesterfilme, Polyesterfilme mit Mikrolöchern, Polyimidfilme, Polyamidfilme, Polyvinylalkoholfilme, Polypropylenfilm, Polyethylenfilm, Polyethylenterephthalat und dergleichen ein. Die Dicke der Polymerfilmunterlage liegt im Allgemeinen im Bereich zwischen circa 20 und 1000 Mikrometern, zum Beispiel zwischen 50 und 500 Mikrometern und zwischen 60 und 200 Mikrometern.
Es sollte auch eine gute Adhäsion zwischen der Polymerfilmunterlage und der Schleifbeschichtung vorliegen. In vielen Fällen ist die Beschichtungsfläche des Polymerfilms grundiert, um die Adhäsion zu verbessern. Die Grundierung kann eine Oberflächenveränderung oder die Anwendung einer Grundierung chemischer Art einschließen. Beispiele für Oberflächenveränderungen schließen die Koronabehandlung, UV-Behandlung, Elektronenstrahlbehandlung, Flammenbehandlung und das Verkratzen ein, um den Oberflächenbereich zu vergrößern. Beispiele für Grundierungen chemischer Art schließen Ethylenacrylsäure-Copolymer, wie in der US-Patentschrift Nr. 3,188,265 offenbart ist, eine Kolloiddispersion, wie in der US-Patentschrift Nr. 4,906,523 dargelegt ist, Materialien vom Aziridin-Typ, wie in der US-Patentschrift Nr. 4,749,617 offenbart ist, und durch Strahlung aufgepfropfte Grundierungen ein, wie in den US-Patentschriften Nr. 4,563,388 und Nr. 4,933,234 offenbart ist.
Beispiele für steifere Unterlagen schließen Metallplatten, Keramikplatten und dergleichen ein. Ein weiteres Beispiel für eine geeignete Unterlage ist in der US-Patentschrift Nr. 5,417,726 (Stout u.a.) beschrieben. Die Unterlage kann auch aus zwei oder mehreren aufeinander laminierten Unterlagen wie auch aus Verstärkungsfasern bestehen, die in ein Polymermaterial eingebettet sind, wie in der PCT-Veröffentlichung WO 93/12911 (Benedict u.a.) offenbart ist.
Geeignet sind auch Unterlagen in der Form eines geprägten Polymerfilms (z.B. ein Polyester-, Polyurethan-, Polycarbonat-, Polyamid-, Polypropylen- oder Polethylen-Film) oder geprägte Zelluloseunterlagen (z.B. Papier oder ein anderes Vlieszellulosematerial). Das geprägte Material kann auch auf ein nicht geprägtes Material laminiert sein, um die Unterlage auszubilden.
Die Unterlage kann auch eine Behandlung aufweisen, um ihre physikalischen Eigenschaften zu verändern. Diese Behandlungsschichten sind in der Schleiftechnik gut bekannt und schließen die Acrylatbasis-Behandlungsschichten, Phenol-Behandlungsschichten und Phenol/Latex-Behandlungsschichten ein.
Die Unterlage kann auch eine Schaumstoffunterlage sein, z.B. ein Polymerschaumstoff, wie z.B. ein Polyurethanschaumstoff.
Auf die Nichtschleifseite der Unterlage kann ein Haftklebstoff aufgeschichtet werden. Desgleichen kann ein Schaumsubstrat auf die Unterlage aufgeschichtet werden. An der Unterlage kann auch ein Teil eines mechanischen Befestigungssystems angebracht werden.
In einigen Fällen kann die Rückseite oder die hintere Fläche der Unterlage eine Reibungsbeschichtung aufweisen. Diese Reibungsbeschichtung kann mehrere Reibteilchen umfassen, die an die Unterlage mittels eines Reibungsschichtbindemittels gebunden sind. Reibteilchen können ein beliebiges Material sein, das den gewünschten Reibungskoeffizienten erzeugt. Beispiele für geeignete Reibteilchen schließen sowohl anorganische Teilchen als auch organische Teilchen, z.B. Schleifteilchen und/oder Füllstoffteilchen, ein. Alternativ kann die Reibungsbeschichtung eine Beschichtung in der Art einer Urethanbeschichtung oder einer rauen organischen Beschichtung umfassen.
E. Andere Zusatzstoffe
Die Aufschlämmung kann ferner Zusatzstoffe umfassen, wie z.B. Zusatzstoffe zur Veränderung der Schleifteilchenoberfläche, Kopplungsmittel, Füllstoffe, Blähmittel, Fasern, Antistatikmittel, Initiatoren, Suspensionsmittel, Schmiermittel, Benetzungsmittel, oberflächenaktive Substanzen, Pigmente, Farbstoffe, UV-Stabilisatoren, Komplexbildner, Kettenübertragungsmittel, Beschleuniger, Katalysatoren und Aktivierungsmittel. Die Mengen dieser Materialien werden ausgewählt, um die gewünschten Eigenschaften bereitzustellen.
Blähmittel können einbezogen werden, um die Erosionsfähigkeit des Schleifkörpers zu erhöhen. Das Blähmittel kann ein beliebiges Material sein, welches das Volumen der Schleifbeschichtung vergrößert. Wird ein Blähmittel verwendet, dann ist die mittlere Teilchengröße der Schleifteilchen im Allgemeinen kleiner als 30 Mikrometer.
Beispiele für geeignete Blähmittel schließen Dampf, aufblähende Lösungsmittel, Stickstoffgas, Kohlendioxidgas, Luft als ein Gas, Pentan, Hexan, Heptan, Buten, CFCl₃, C₂F₃Cl₃, Vermikulit, Toluoldiisocyanat, 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat, Hexamethylendiisocyanat oder Polyurethan-Vorpolymer ein, das mit Wasser reagiert hat, um Kohlendioxidgas zu bilden. Andere geeignete Blähmittel schließen ein Blähmittel vom Zersetzungstyp ein, wie z.B. Ammoniumcarbonat, Ammoniumbicarbonat, Natriumbicarbonat, Dinitropentamethylentetramin, Azodicarbonamid, Azobisisobutyronitril, Hydrazinverbindungen, wie z.B. Maleinsäurehydrazid, Oxalsäurehydrazid, Benzensulfonylhydrazid, Toluolsulfonylhydrazid, p,p'-Hydroxybis(benzensulfonylhydrazid) und t-Alkylhydrazoniumsalz. Zwei oder mehr Blähmittel können in Kombination miteinander verwendet werden. Andere werden in der US-Patentschrift Nr. 5,203,884 beschrieben.
Beispiele für geeignete Schmiermittel schließen Metallsalze von Fettsäuren (z.B. Zinkstearat, Calciumstearat und Lithiumstearat), Grafit, Wachse, Glycoläther, Glyzerin, Siliziumverbindungen, Kombinationen davon und dergleichen ein. Es können auch gekapselte Schmiermittel verwendet werden, wie z.B. in der US-Patentschrift Nr. 3,502,453 (Baratto) beschrieben ist.
Beispiele für Kettenübertragungsmittel schließen Kohlenstofftetrabromid und andere Kettenübertragungsmittel ein.
Beispiele für Komplexbildner schließen Ammoniumsalze, wie z.B. NH₄HCO₃, Gerbsäure, Katechol, Ce(OH)(NO₃), Ce(SO₄)₂, Phthalsäure, Salizylsäure und dergleichen, ein. Diese Komplexbildner können in der Form von Partikeln vorliegen, welche zur Aufschlämmung hinzugefügt werden können.
Der Aufschlämmung kann Wasser und/oder organisches Lösungsmittel zugesetzt werden. Die Menge des Wassers und/oder organischen Lösungsmittels wird so ausgewählt, dass die gewünschte Beschichtungsviskosität erreicht wird. Im Allgemeinen sollte das Wasser und/oder organische Lösungsmittel mit dem Bindemittelvormaterial verträglich sein. Das Wasser und/oder organische Lösungsmittel kann im Anschluss an die Polymerisation des Vormaterials beseitigt werden, oder es kann in dem Bindemittel verbleiben. Es können auch wasserlösliche und/oder wasserempfindliche Zusatzstoffe, wie z.B. Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Teilchen auf Zellulosebasis und dergleichen, einbezogen werden, um die Erosionsfähigkeit der Schleifmitteloberfläche zu erhöhen.
Anwendungsverfahren
Die vorliegende Erfindung kann eingesetzt werden, um einen breiten Bereich von Werkstückoberflächen abzuschleifen und/oder zu polieren. Diese Werkstückoberflächen umfassen Metall, Metalllegierungen, Sondermetalllegierungen, Keramiken, Glas, Holz, holzähnliche Materialien, Verbundstoffe, lackierte Oberfläche, Kunststoffe (einschließlich Thermoplaste und verstärkte Thermoplaste), Steine, Glasflächen einschließlich von Fernsehschirmen aus Glas, optische Komponenten, wie z.B. faseroptische Verbinder, Fenster, Glasregalablagen und Spiegel. Der Schleifkörper kann auch verwendet werden, um Flächen zu reinigen, wie z.B. Haushaltsgegenstände, Möbel, Wände, Waschbecken, Badewannen, Duschen und Fußböden. In speziellen Fällen kann die Werkstückoberfläche Karbide, Keramiken, Nitride und Ferrit enthalten. Insbesondere weist das Werkstück eine Aluminiumtitankarbid- und eine Wolframkarbidoberfläche auf, wie in der US-Patentschrift Nr. 6,171,224 beschrieben ist. In bestimmten Ausführungsformen ist das Werkstück ein Rechner-Festplattenlaufwerkkopf, der auch als Slider bezeichnet wird. Ein derartiges Verfahren ist in der US-Patentschrift Nr. 5,733,178 von Ohishi offenbart.
Wie Fachleuten bekannt ist, werden Plattenlaufwerkköpfe auf einem Keramikwafer in einer geschichteten Konstruktion hergestellt. Die geschichtete Konstruktion wird gesägt oder geschnitten, und die gesägte Fläche enthält das Lese/Schreibelement. Das Lese/Schreibelement wird geläppt, um die Spaltgeometrie und die Spitzenaussparung einzustellen. Jedes Läppwerkzeug, das ein bei der Operation verwendeter Körper ist, kann einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen, üblich sind annähernd circa 16 Inch im Durchmesser. Eine Reihe von Köpfen wird dem Läppfilm vorgelegt, wobei gewöhnlich eine Einspannvorrichtung verwendet wird, um die Kopfgeometrie festzulegen. Das Lese/Schreibelement wird dann auf eine vorgegebene Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit geläppt. Die Körper der vorliegenden Erfindung können mindestens im ersten Schritt eines Mehrschrittprozesses zum Polieren der oben erwähnten Festplattenlaufwerkköpfe verwendet werden. Es wird auch in Betracht gezogen, dass die erfindungsgemäßen Körper auch in einem beliebigen von mehreren Schritten in dem Mehrschritt-Endbehandlungsprozess verwendet werden könnten.
Das Werkstück kann flach sein oder es kann eine zugehörige Form oder Kontur aufweisen. Beispiele für spezielle Werkstücke schließen Brillenlinsen, Fernsehschirme aus Glas, metallische Maschinenbauteile (einschließlich von Nockenwellen, Kurbelwellen, Motorblöcken und dergleichen), metallische Schmiedeteile von Handwerkzeugen, faseroptische Komponenten, Kassetten, Möbel, Holzgehäuse, Turbinenschaufeln, lackierte Autoteile, Badewannen, Duschen, Waschbecken und dergleichen ein.
In einem speziellen Beispiel kann der Schleifkörper beim Polieren optischer Bauteile verwendbar sein. Ein optisches Bauteil ist definiert als ein beliebiger Teil eines optischen Gerätes, das die Eigenschaften eines eintreffenden optischen Signals ändert, das Signal umlenkt oder überträgt. Beispiele für optische Bauteile schließen Linsen, Kollimatoren, Gradientenindexlinsen, optische Fasern, eine Anordnung optischer Fasern, Koppler, Wellenleiter, Polarisatoren, Faraday-Rotatoren, Fasergitter, Polarisationskristalle, Granatkristalle, Crossconnectoren und Strahlteiler ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Ein optisches Gerät ist ein beliebiges Gerät, in dem ein oder mehr optische Komponenten kombiniert sind, um die Eigenschaften des optischen Signals zu ändern, das Signal umzulenken oder zu übertragen. Zum Beispiel sind nach dieser Definition faseroptische Verbinder, Emitter, Transmitter, Zwischenverstärker, Empfänger, Modulatoren, Dämpfungsglieder, Koppler, Isolatoren, Verstärker, Wellenleiter, Multiplexer, Demultiplexer, Router und Schalter alles optische Geräte. Beispiele für andere optische Bauteile und optische Geräte können in The Photonics Buyers' Guide, Buch 2, Ausgabe 2001, Laurin Publishing, Pittsfield, MA, gefunden werden.
Optische Bauteile können aus vielen unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Zum Beispiel kann das optische Bauteil Silizium, ein dotiertes Siliziumoxidmaterial oder Quarzglas sein. Das optische Bauteil kann auch ein dotiertes Siliziumoxid, zum Beispiel ein mit Seltenen Erden dotiertes Siliziumoxid, mit Erbium dotiertes Siliziumoxid, mit Germanium dotiertes Siliziumoxid oder mit Erbium-Ytterbium dotiertes Siliziumoxid sein. Andere Beispiele schließen Galliumarsenid, Indium-Gallium-Arsenid, Germanium, Indium-Gallium-Arsenidphosphid, Fluorzirkonat, Indiumphosphid, elektrooptisches Schaltmaterial, wie z.B. Lithiumniobat und Kaliumdihydrogenphosphat, Festkörperlasermaterialien, wie z.B. Rubin und Alexandrit, Calcit, Granat, mit Seltenen Erden dotierten Granat, ein. Einige optische Geräte werden aus Keramikflächen, einschließlich Calciumtitanat, Cer-Zirkonoxiden oder Aluminiumoxynitrid, ausgebildet.
Der Schleifkörper wird zwischen einem Auflager und der Werkstückoberfläche angeordnet, und durch das Auflager wird ein Druck ausgeübt, so dass ein Kontakt zwischen dem Schleifbauteil und der Werkstückoberfläche hergestellt wird. Das Auflager kann eine beliebige bekannte Maschine zum Läppen, einseitigen Flachläppen oder Polieren sein. Das Auflager kann ein weiches Stützkissen mit einem Härtemaß von circa 40 bis zu circa 90 Shore A sein. In anderen Ausführungsformen kann das Auflager eine harte Unterlage aufweisen, wie z.B. Materialien mit einem Härtemaß von über 100 Shore A, zum Beispiel Glas, Kunststoff oder Metall. Der ausgeübte Druck liegt im Allgemeinen zwischen circa 2 und circa 250 Gramm/mm². Der Schleifkörper und die Werkstückoberfläche werden mit Bezug aufeinander bewegt, um die Oberfläche endzubearbeiten. Das Schleifmittel kann entweder auf der Werkstückoberfläche rotieren oder über die Werkstückoberfläche hin und her schwingen oder beides. Im Allgemeinen bewegt sich das Schleifmittel über das Werkstück zwischen circa 20 und circa 300 mal pro Minute, um eine Solloberfläche zu erzielen. Die Solloberfläche kann eine bestimmte Sollform sein, wie z.B. eine flache Oberfläche oder ein Krümmungsradius. Die Solloberfläche kann auch eine Solloberflächengüte sein. In einem Beispiel, einer Lithiumniobatpolitur, erscheint die Solloberflächengüte dem menschlichen Auge bei einer 100-fachen Vergrößerung kratzfrei.
In einigen Ausführungsformen kann das Schleifmittel vor der Verwendung aufbereitet werden. In einem Aufbereitungsschritt werden die Deckschichten des Schleifkörpers, gewöhnlich die Bindemittel, entfernt. Um dieses Ziel zu erreichen, muss das Schleifmittel in Kontakt mit einem Aufbereitungskissen, wie z.B. einem zusätzlichen Schleifkörper, gebracht werden, das sich gegenüber dem Schleifmittel bewegt und eine Schicht auf der Oberfläche entfernt. Im Aufbereitungsschritt werden die Schleifteilchen freigelegt, so dass das Polieren beginnt, sobald der Schleifkörper in Kontakt mit dem Werkstück kommt.
In Abhängigkeit von der Anwendung kann eine Polierflüssigkeit an der Berührungsfläche zwischen dem Schleifkörper und dem Werkstück vorliegen. Diese Flüssigkeit kann Wasser und/oder ein organisches Lösungsmittel sein. Die Polierflüssigkeit kann ferner Zusatzstoffe enthalten, wie z.B. Schmiermittel, Öle, emulgierte organische Verbindungen, Schneidfluide, Seifen und dergleichen. Der Schleifkörper kann während des Einsatzes an der Polierberührungsfläche schwingen.
Der erfindungsgemäße Schleifkörper kann von Hand oder in Kombination mit einer Maschine eingesetzt werden. Zum Beispiel kann der Schleifkörper an einem Exzenterwerkzeug oder einem Rotationswerkzeug befestigt sein. Der Schleifkörper und das Werkstück werden zumindest einzeln oder beide mit Bezug aufeinander bewegt.
Beispiele
Materialien

Ludox LS: Kolloidales Silicasol, das 30 Gew.-% in Wasser suspendiertes Siliziumoxid enthält, vertrieben von der Sigma-Aldrich Corporation aus St. Louis, MO.
Diamant: Diamantpulver von 1 Mikrometer, bezogen von der American Boarts Crushing Co. Inc. aus Boca Raton, F1.
SDS: Natriumdiamylsulfosuccinat, erhältlich unter dem Handelsnamen CYANSOL AY von Cytec Industries aus West Paterson, NJ.
MEK: Methylethylketon.

Beispiel 1
Die Schleifkörper wurden durch Mischen von 1200 g Ludox LS (bezogen von der Sigma-Aldrich Corporation aus St. Louis, MO) mit 180 g Diamant mit einer mittleren Größe von 1 Mikrometer (bezogen von American Boarts Crushing Co. Inc. aus Boca Raton, F1.) präpariert. Das Gemisch wird gründlich 30 Minuten lang in einem Ultraschallbad gemischt. Die entstandene Zuführung wird in einen Zentrifugalzerstäuber Mobile Miner 2000 gepumpt, der von der Niro Corporation aus Soeborg, Dänemark, bezogen wurde. Das Zerstäuberrad wurde bei einer Nenndrehzahl von 37500 Umdrehungen/min betrieben. Zum Trocknen der Teilchen wurde Heißluft bei einer Temperatur von 200 °C verwendet. Die am Ausgang aus der Zerstäuberkammer gemessene Auslasstemperatur wurde auf 95 °C gehalten. Zur Temperaturregelung wurde der Zuführungsduchfluss verwendet. Die Teilchen wurden bei einer Temperatur von 500 °C gebrannt. Die nominelle Raum- und Klopfdichte der Agglomerate ist in Tabelle 2 angegeben.
Beispiel 2
Es wurde ein Schleifkörper wie in Beispiel 1 präpariert, außer dass die Aufschlämmung 1200 g Ludox LS, 180 g Diamant mit einer Nenngröße von 1 Mikrometer, 1,8 g Natriumdiamylsulfosuccinat, das von Cytec Industries aus West Paterson, NJ, bezogen wurde, und 1,8 g Methylethylketon enthielt. Die nominelle Raum- und Klopfdichte der erhaltenen Agglomerate ist in Tabelle 2 angegeben.
Beispiel 3
Es wurde ein Schleifkörper wie in Beispiel 1 präpariert, außer dass die Aufschlämmung 1200 g Ludox LS, 180 g Diamant mit einer Nenngröße von 1 Mikrometer, 3,6 g Natriumdiamylsulfosuccinat, das von Cytec Industries aus West Paterson, NJ, bezogen wurde, und 3,6 g Methylethylketon enthielt. Die nominelle Raum- und Klopfdichte der erhaltenen Agglomerate ist in Tabelle 2 angegeben.
Beispiel 4
Es wurde ein Schleifkörper wie in Beispiel 1 präpariert, außer dass die Aufschlämmung 1200 g Ludox LS, 180 g Diamant mit einer Nenngröße von 1 Mikrometer, 5,4 g Natriumdiamylsulfosuccinat, das von Cytec Industries aus West Paterson, NJ, bezogen wurde, und 5,4 g Methylethylketon enthielt. Die nominelle Raum- und Klopfdichte der erhaltenen Agglomerate ist in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 1

Probe Ludox LS 1-Mikrometer-Diamant SDS MEK

Beispiel 1 1200 g 180 g 0 g 0 g

Beispiel 2 1200 g 180 g 1,8 g 1,8 g

Beispiel 3 1200 g 180 g 3,6 g 3,6 g

Beispiel 4 1200 g 180 g 5,4 g 5,4 g
Die Beispiele wurden bezüglich der Raumdichte getestet. Die Raumdichte wird durch Messung des Gewichtes eines gegebenen Agglomeratvolumens bestimmt. Die Beispiele wurden auch bezüglich der Klopfdichte getestet. Die Klopfdichte wird seinerseits gemessen, indem ein gegebenes Agglomeratgewicht auf sein Minimalvolumen verdichtet wird. Die Verdichtung wurde in einem 10ml-Messzylinder unter Verwendung eines Syntron Jogger (Modell J-1B) vorgenommen, der von der FMC Corporation aus Homercity PA bezogen wurde. Alle Proben zeigten nach 4 Vibrationsminuten keine Veränderung im Volumen. Sowohl die Raumdichtemessungen als auch die Klopfdichtemessungen sind durch Division des Gewichtes durch das Volumen erhalten worden. Die Raumdichte und die Klopfdichte sind in Tabelle 2 angegeben.
355 g MEK, 4,0 g SDS (verdünnt auf 50 % Feststoff in MEK), 6,0 g Pylam Liquid Purple Oil LX 11096 (im Handel erhältlich von Pylam Products Co, Inc., Tempe, AZ) und 3,0 g Pylam Automate Blue (im Handel erhältlich von Pylam Products Co., Inc., Tempe, AZ) wurden in einem Gefäß aus rostfreiem Stahl gemischt. Die Mischung wurde 10 Minuten lang unter Ultraschallbedingungen gemischt. Zu der Mischung wurden 500 g der oben genau beschriebenen Agglomerate hinzugefügt und verrührt. Dann wurden 818 g Phenoxy-YP-50S (verdünnt auf 28 % Feststoffanteil in MEK, im Handel erhältlich von Tohto Kasai Co., Japan), 47 g Toluol, 280 g eines Neopentylglycol, Polyepsiloncaprolacton und 4'-Diphenylmethandiisocyanat enthaltenden Polyurethanharzes (verdünnt auf 35 % Feststoffanteil in MEK), 40 g eines phosphorylierten Polyalkoxypolyol ("POCA")-Dispergiermittels gemäß der Beschreibung in der US-Patentschrift Nr. 5,028,483 von Chernega u.a. (verdünnt auf 75 % Feststoffanteil in MEK) und 142 g Polyisocyanat-Vorpolymer MRS (im Handel erhältlich von der Bayer Corp., Pittsburgh, PA) zu der Mischung der Reihe nach hinzugefügt und nach jedem Hinzufügen 10 Minuten lang gemischt, um eine Aufschlämmung zu erhalten.
Die Aufschlämmung wurde auf einen Polyethylenterephthalat-Film von 5 Mil (127 Mikrometer) aufgeschichtet, der mit einer Aziridin enthaltenden Schicht grundiert war, wie in der US-Patentschrift Nr. 5,057,371 von Canty u.a. beschrieben ist. Das abschließende Beschichtungsgewicht der getrockneten Lösung ist 12–15 mg pro Quadratinch oder ein Bereich von circa 25,4 bis zu circa 30,4 Mikrometer Dicke der getrockneten Lösung. Das beschichtete Schleifmittel wurde dann in einem Ofen circa 24 Stunden lang bei circa 118 °C ausgehärtet. Das Schleifblatt wurde dann zu Schleifkörperquadraten (10 cm × 10 cm) verarbeitet.
Das Testen des aufgeschichteten Schleifmittels wurde durch Abschleifen eines Wolframkarbidwerkstücks mit dem Läppfilm ausgeführt. Für diesen Testvorgang wurde eine intern entworfene Rotationsflachläppmaschine verwendet. Ein Stück Schleifmittel von 4 Inch × 4 Inch wurde auf der Basis der Maschine befestigt, und ein Werkstück aus Wolframkarbid wurde in Kontakt mit dem Schleifmittel befestigt. Auf das Werkstück wurde ein Druck von 38 lb/in² (262 kPa) ausgeübt, und der Testzyklus lief bei einer Drehzahl von 300 Umdrehungen/min. über 5000 Umdrehungen. Das Schmiermittel für den Schleifvorgang war Wasser. Der gesamte Stoffabtrag am Werkstück ist in Tabelle 2 angegeben.
Vergleichsbeispiel C1
Die Agglomerate wurden wie im Beispiel 8 der US-Patentschrift Nr. 3,916,584 von Howard hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Diamant im Vergleichsbeispiel C1 ein 1-Mikrometer-Diamant war. Diese Agglomerate wurden dann hinsichtlich der Raumdichte und der Klopfdichte getestet. Die Agglomerate wurden wie in den Beispielen 1–4 in die Form eines Schleifkörpers gebracht. Der Stoffabtrag wurde dann für mehrfach beschichtete Schleifmittel gemessen und ein Bereich wurde angezeigt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 dargestellt.
Normierte Raumdichte
Die normierte Raumdichte wurde berechnet, indem die Raumdichtemessung durch die theoretische Dichte dividiert wurde. Die theoretische Dichte wurde aus der Mischungsregel errechnet
wobei ρ_i die Dichte der Komponente i, v_i das Volumen der Komponente i und V das Gesamtvolumen des Agglomerats ist.

Für die Dichte des Diamant wurde 3,5 g/cm³ verwendet. Für die Dichte des Siliziumoxids wurde 2,5 g/cm³ verwendet. In dem fertiggestellten Agglomerat lagen keine weiteren Materialien vor. Die theoretische Raumdichte für alle Beispielteilchen ergibt sich zu 2,75 g/cm³. Tabelle 2

Probe	Raumdichte	Klopfdichte	Gesamter Stoffabtrag	Normierte Raumdichte
Beispiel ¹	0,832 g/cm³	0,967 g/cm³	196 mg	0,305
Beispiel 2	0,618 g/cm³	0,772 g/cm³	154 mg	0,225
Beispiel 3	0,579 g/cm³	0,697 g/cm³	135 mg	0,211
Beispiel 4	0,541 g/cm³	0,677 g/cm³	125 mg	0,197
C1	1,046 g/cm³	1,189 g/cm³	120–169 mg	0,380

Es war überraschend und unerwartet zu finden, dass die geringere normierte Raumdichte in den Beispielen dieser Erfindung einen äquivalenten oder besseren Stoffabtrag ergibt. Außerdem war es überraschend zu erkennen, dass die erfindungsgemäßen Körper maßgeschneidert werden können, um die Anforderungen an den Stoffabtrag eines gegebenen Prozesses zu erfüllen.
Beispiel 5
Die Agglomerate wurden wie im Beispiel 1 hergestellt. 355 g MEK, 4,0 g SDS (verdünnt auf 50 % Feststoff in MEK), 6,0 g Pylam Liquid Purple Oil LX 11096 (im Handel erhältlich von Pylam Products Co., Inc., Tempe, AZ) und 3,0 g Pylam Automate Blue (im Handel erhältlich von Pylam Products Co., Inc., Tempe, AZ) wurden in einem Gefäß aus rostfreiem Stahl gemischt. Die Mischung wurde 10 Minuten lang unter Ultraschallbedingungen gemischt. Zu der Mischung wurden 500 g der Agglomerate hinzugefügt und verrührt. Dann wurden 818 g Phenoxy-YP-50S (verdünnt auf 28 % Feststoffanteil in MEK, im Handel erhältlich von Tohto Kasai Co., Japan), 47 g Toluol, 280 g eines Neopentylglycol, Polyepsiloncaprolacton und 4'-Diphenylmethandiisocyanat enthaltenden Polyurethanharzes (verdünnt auf 35 % Feststoffanteil in MEK), 40 g eines phosphorylierten Polyalkoxypolyol ("POCA")-Dispergiermittels gemäß der Beschreibung in der US-Patentschrift Nr. 5,028,483 von Chernega u.a. (verdünnt auf 75 % Feststoffanteil in MEK) und 142 g Polyisocyanat-Vorpolymer MRS (im Handel erhältlich von der Bayer Corp., Pittsburgh, PA) zu der Mischung der Reihe nach hinzugefügt und nach jedem Hinzufügen 10 Minuten lang gemischt, um eine Aufschlämmung zu erhalten.
Die Aufschlämmung wurde auf einen Polyethylenterephthalat-Film von 5 Mil (127 Mikrometer) aufgeschichtet, der mit einer Aziridin enthaltenden Schicht grundiert war, wie in der US-Patentschrift Nr. 5,057,371 von Canty u.a. beschrieben ist. Die Aufschlämmung wurde mit 40 Fuß/min. (12 Meter/Minute) auf 1,7 Mil (43 Mikrometer) aufgeschichtet und in einem Umluftofen über eine Gradientenaushärtung zwischen 180 °F (82 °C) bis zu einem Maximum von 245 °F (118 °C) in einer Gesamtzeit von 4 Minuten ausgehärtet. Das entstehende Schleifblatt wurde dann bei 165 °F (74 °C) über 24 Stunden nachgehärtet. Das Schleifblatt wurde dann zu Schleifkörperscheiben mit einem Durchmesser von 11 cm verarbeitet.
Mit der Schleifkörperscheibe wurden zuvor gewogene optische Verbinder (ST-Modell) (im Handel erhältlich unter dem Handelsnamen 3M ST CONNECTOR TYPE OFNR, 2,5 mm Hülse, von der 3M Company, Saint Paul, MN) 46 Minuten lang poliert, wobei eine Seiko OFL 12 verwendet wurde (im Handel erhältlich von Seiko Instruments USA, Inc., Torrance, CA), die mit einem 60-Duromaß-Stützkissen und einer Druckeinstellung 1 ausgerüstet ist. Als ein Schmiermittel wurde entionisiertes Wasser verwendet. Wie in Tabelle 3 ausführlich dargestellt ist, wurde das Polieren zu bestimmten Zeiten unterbrochen. Die faseroptischen Verbinder wurden trockengewischt, mit Isopropylalkohol abgewischt, mit einem faserfreien Tuch getrocknet und erneut gewogen. Die Gesamtmenge des abgetragenen Materials ist in Tabelle 3 dargestellt.
Vergleichsbeispiele C2–C4

Der Vorgang wurde für die folgenden handelsüblichen Läppfilme wiederholt:
Vergleichsbeispiel C2 ist der Diamantläppfilm 3M 1 Mikrometer 662XW TH IMPERIAL (im Handel erhältlich von der 3M Company, Saint Paul, MN); Vergleichsbeispiel C3 ist der Diamantläppfilm Myco 1 Mikrometer ULTRALAP (im Handel erhältlich von MYCO Precision Abrasive, Inc., Montgomeryville, PA); und Vergleichsbeispiel C4 ist der Diamantläppfilm ANGSTROMLAP 1 Mikrometer D1 (im Handel erhältlich vom Fiber Optic Center, New Redford, MA). Die Gesamtmenge des. abgetragenen Materials ist in Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3

Zeit (Minuten)	Beispiel 5	Vergleichsbeispiel C2	Vergleichsbeispiel C3	Vergleichsbeispiel C4
0	0 mg	0 mg	0 mg	0 mg
3	1,4 mg	1,7 mg	1,1 mg	1,4 mg
6	2,9 mg	2,9 mg	2,4 mg	2,1 mg
9	4,7 mg	3,7 mg	3,5 mg	2,8 mg
15	8,3 mg	4,9 mg	5,5 mg	3,4 mg
21	12,1 mg	6 mg	7,1 mg	3,8 mg
27	16,5 mg	6,8 mg	8,4 mg	3,9 mg
33	21,5 mg	6,9 mg	9,4 mg	nicht geprüft
39	26,1 mg	nicht geprüft	10,7 mg	nicht geprüft
45	30,5 mg	nicht geprüft	12 mg	nicht geprüft

Die Tabelle 3 zeigt, dass der Schleifkörper der vorliegenden Erfindung für längere Zeiten eine gleichmäßigere Abtragerate aufweist als die handelsüblichen Schleifkörper.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Agglomerats, umfassend: a) Ausbilden eines Gemisches, das ein Schleifteilchen mit einem Sol umfasst, wobei das Sol ein Oxid und Wasser umfasst; b) Einführen des Gemischs in einen Sprühtrockner; c) Trocknen des Gemischs im Sprühtrockner, um lose Rohwarenagglomerate auszubilden, dadurch gekennzeichnet, dass d) die Rohwarenagglomerate gebrannt werden, wobei die Agglomerate Schleifteilchen, die in einer kristallinen Matrix des Oxids festgehalten werden, umfassen und eine normierte Raumdichte von weniger als etwa 0,38 aufweisen.
Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Schleifkörpers, umfassend: Ausbilden der Agglomerate nach Anspruch 1; Mischen der Agglomerate mit einem Bindemittelvormaterial, um eine Aufschlämmung auszubilden; Aufschichten der Aufschlämmung auf eine Hauptfläche einer Unterlage; und Aushärten des Bindemittelvormaterials.
Verfahren zum Herstellen eines dreidimensional fixierten Schleifkörpers, umfassend: Ausbilden der Agglomerate nach Anspruch 1; Mischen der Agglomerate mit einem Bindemittelvormaterial, um eine Aufschlämmung auszubilden; Aufbringen der Aufschlämmung auf ein Produktionswerkzeug, das Hohlräume umfasst; und Aushärten des Bindemittelvormaterials.
Agglomeratteilchen, umfassend: Schleifteilchen, die in einer kristallinen Matrix festgehalten werden; und eine normierte Raumdichte von weniger als etwa 0,38.
Beschichteter Schleifkörper, der das Agglomerat von Anspruch 4 umfasst.
Dreidimensional fixierter Schleifkörper, der das Agglomerat von Anspruch 4 umfasst.
Verfahren zum Polieren eines Werkstücks, umfassend: Bereitstellen eines Werkstücks; In-Kontakt-Bringen des Werkstücks mit dem beschichteten Schleifkörper nach Anspruch 5; und Bewegen des Werkstücks und des beschichteten Schleifkörpers relativ zueinander.