(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
研削または研磨用砥石車に用いられる研磨用固形成型部材であって、
部分的に失透しているシリカガラス単体で形成されており、
前記シリカガラス単体は、非晶質シリカガラスおよび失透した結晶化シリカガラスから本質的になり、かつ、前記失透した結晶化シリカガラス部分が、前記非晶質シリカガラス部分内に分散した粒子の形態で存在している、研磨用固形成型部材。
【請求項２】
複数の空隙を備えていることを特徴とする請求項１に記載の成型部材。
【請求項３】
前記空隙が内部に実質的に均一に分散していることを特徴とする請求項２に記載の成型部材。
【請求項４】
前記空隙が少なくとも表面層内に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の成型部材。
【請求項５】
前記空隙が前記表面層に露出し、これによって、前記表面に鋭利な縁がもたらされていることを特徴とする請求項４に記載の成型部材。
【請求項６】
前記失透している結晶化シリカガラス部分の体積は、約２０％から約８０％の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の成型部材。
【請求項７】
前記成形部材の自由面に複数の結晶化シリカガラスの領域を備えていることを特徴とする請求項１に記載の成型部材。
【請求項８】
前記失透している結晶化シリカガラス部分は、針状形態を有する少なくとも一部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の成型部材。
【請求項９】
前記シリカガラス単体は、研削砥石または研磨砥石として用いられるのに適する円板の形状にあることを特徴とする請求項１に記載の成型部材。
【請求項１０】
前記円板の破砕を防ぐために配置された少なくとも１つの支持部材を備えていることを特徴とする請求項９に記載の成型部材。
【請求項１１】
前記支持部材は、前記円板に埋設された少なくとも一部を有していることを特徴とする請求項１０に記載の成型部材。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載の成型部材を備えている研削または研磨用砥石車。
【請求項１３】
各々が円板または円板状構造のセグメントの形状にある複数の成型部材を備え、前記セグメントが相互に連結され形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の砥石車。
【請求項１４】
前記セグメントは、ハブ部材によって相互に連結されていることを特徴とする請求項１３に記載の砥石車。
【請求項１５】
円板の形状にあることを特徴とする請求項１３に記載の砥石車。
【請求項１６】
研削または研磨用砥石車に用いられる研磨用固形成型部材を形成する方法において、
複数の破砕されたシリカガラスカレットを用意するステップと、
前記シリカガラスカレットを熱処理することによって、前記シリカガラスカレットの少なくとも一部を融解させるステップと、それに続いて、
前記シリカガラスカレットを冷却することによって、前記シリカガラスカレットに部分的な失透をもたらし、失透した結晶化シリカガラス部分が、非晶質シリカガラス部分内に分散した粒子の形態で存在している固形成型部材を形成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
複数の前記シリカガラスカレットを用意する前記ステップは、前記熱処理中の熱分解によって気泡を生じ前記固形成型部材に複数の空隙をもたらす複数の充填材料の破片を用意することをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記シリカガラスカレットの破片は、約４ｍｍ以下、約４ｍｍから約２ｍｍ、約３ｍｍから約１ｍｍ、約１．５ｍｍから０．７５ｍｍ、約１．５ｍｍから５００μｍ、および約１００μｍ以下から選択される範囲内の平均的な大きさを有していることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記熱処理は、約７００℃から約１１００℃の範囲内の温度に加熱するステップを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記シリカガラスカレットの破片を型内に入れるステップを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記シリカガラスカレットの破片を前記型内において圧密するステップを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記充填材料は、植物材料の殻、砕かれた卵殻、およびポリマー材料から選択される少なくとも１つを含み、前記シリカガラスカレットの破片と前記複数の充填材料の破片を混合して型内に入れるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料処理媒体、および処理媒体を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大量生産された物品のバリを除去し、それらの物品の表面を滑らかにするために、材料処理媒体を用いることが知られている。バリは、種々の理由から、物品に存在していることがある。特に、金属の鋳造、機械加工、および一般的な加工によって作製された部品の表面は、最終製品では許容されないバリおよび粗さを有していることが多い。
【０００３】
物品の仕上げ処理として、該物品のバリの除去および該物品の表面粗さの低減が挙げられる。
【０００４】
場合によっては、仕上げ処理されるべき物品が、仕上げ処理媒体の要素と一緒に、バレル研磨装置または転がし研磨装置、振動樋または振動ボウル、遠心分離仕上げ機またはドラグ仕上げ機のような振動仕上げ処理装置内に入れられることもある。研磨剤または脱脂剤が添加されることもある。
【０００５】
物品をバリ取りする場合、仕上げ処理媒体は、典型的には、比較的粗い面を有しているが、物品を研磨する場合、仕上げ処理媒体は、典型的には、比較的滑らかな面を有している。
【０００６】
前述した仕上げ処理プロセス中、仕上げ処理媒体は、撹拌され、該媒体の要素が仕上げ処理されるべき物品に衝突することになる。一種以上のコンパウンド、例えば、液状せっけん、脱脂剤、艶出し剤、などが、仕上げ媒体と一緒に供給されることもある。
【０００７】
多くの異なる形式の仕上げ処理装置が知られている。このような１つの形式として、タンブリングミルが挙げられる。タンブリングミルは、物品上における仕上げ処理媒体の要素の「転がし（tumbling）」作用によって、物品を仕上げ処理するように構成されている。
【０００８】
仕上げ処理媒体自体が、鋭利な尖端または鋭利な隅部を有している場合がある。代替的または追加的に、媒体が埋設された研磨材料の粒子を有していることもある。一部の仕上げ処理材料は、酸化アルミニウム粒子が埋設された焼成陶土の形態にある。プラスチック材料の形態にある仕上げ処理材料の場合、石英粒子が含まれていることもある。
【０００９】
仕上げ処理プロセス中、媒体の表面に露出している鋭利な尖端または鋭利な隅部および／または埋設粒子は、物品の溝および隙間内に入り込み、これによって、物品を平滑化することになる。場合によっては、仕上げ処理媒体は、平滑化効果に代わってまたは加えて、清浄化効果を有することもある。
【００１０】
仕上げ処理プロセス中に、仕上げ処理媒体の要素の鋭利な尖端、鋭利な縁、または鋭利な隅部が急速に磨滅かつ摩耗するという問題が存在する。その結果として、これらの要素は、もはや、物品を効率的に仕上げ処理するために、溝および隙間内に達することができないことになる。
【００１１】
特許文献１は、貫通して形成された開口を有する三角形状または星形状の板の形態にある仕上げ処理用タンブリング媒体を開示している。開口は、板の頂点近くに形成されている。仕上げ処理を促進するために、鋭利な縁が、媒体の頂点に設けられている。仕上げ処理媒体の有用寿命を延ばすために、該媒体は、使用中、所定の程度まで摩耗したときに破砕するように構成されている。媒体は、開口の領域において破砕し、これによって、仕上げ処理用の新たな鋭利な縁をもたらすように、構成されている。
【００１２】
実質的に１００％の無機セラミック、またはセラミック研磨粒子と該粒子を一緒に結合するガラス質結合剤または可塑性樹脂結合剤との組合せ、のいずれかから形成された媒体が開示されている。
【００１３】
セラミック媒体は、製造コストが高く、切削作用をもたらすために研磨剤を添加する必要があるという欠点を有している。
【００１４】
特許文献２は、星形状断面および該星形状断面の最大直径よりも大きい長さを有する物品の形態にある仕上げ処理媒体を開示している。この媒体は、亜鉛基ダイカスト材料、鋼、アルミニウム、真鍮、またはセラミック材料のいずれかから形成されている、と開示されている。
【００１５】
セラミック材料は、いったん摩耗すると、このような材料を再利用することが容易ではないので、廃棄されねばならないという欠点を有している。一方、金属材料は、多くの場合、溶解または再鋳造によって再形成されることが可能である。
【００１６】
しかし、金属製仕上げ処理媒体が金属加工品を仕上げ処理するのに用いられると、この媒体は、その鋭利な縁をセラミックのようなより硬質の材料と比べて比較的早く失いがちである。その結果、金属製振動仕上げ処理媒体は、炭化物基とされる傾向がある。炭化物基材料は、製造コストが比較的高いという欠点を有している。
【００１７】
金属製仕上げ処理媒体のさらなる欠点として、このような媒体は、機械加工によって大量生産することが比較的困難であるという事実が挙げられる。また、これらの材料は、湿式処理環境において、特に、酸化合物が用いられる環境において、急速に腐食する傾向にある。
【００１８】
その結果、場合によっては、仕上げ処理媒体が全く役に立たないことがある。むしろ、部品は、「自己処理（self-processing）」状態下に置かれることになる。換言すれば、これらの部品は、振動仕上げ処理環境において、どのような仕上げ処理媒体も添加されていない状態で、それら自体が互いに対して運動することになる。このような状態は、通常、デフラッシュ（deflashing）、すなわち、バリ取りを殆ど必要としない大量の低品質部品の場合にのみ利用されている。自己仕上げ処理プロセスは、その仕上げ処理プロセス中に、部品を損傷させることがある。
【００１９】
特許文献３は、微細に分割された金属が充填されている熱可塑加工可能なポリマー粒からなるブラスト加工媒体を開示している。金属粒子は、付着促進剤によって被覆されている。ポリマー製振動媒体は、無視できない「カーボンフットプリント（carbon footprint）」をもたらし、製造が比較的困難であり、かつリサイクルが容易ではないという欠点を有している。
【００２０】
特許文献４は、Ａｌ2Ｏ3およびＳｉＯ2を含んでなる、ガラスおよびガラス―セラミックを製造する方法を開示しており、ガラス−セラミック粒子が研磨粒子として有用であることを開示している。この文献は、ガラス−セラミック粒子を母材に埋設させ、研磨砥石のような研磨物品を形成する方法を開示している。一実施形態では、粒子は、結合剤によって、基板上に設けられた繊維マットに結合されている。
【００２１】
さらに、仕上げ媒体要素は、（前述の）特許文献４の繊維マットのような素地によって支持される必要のない個別の構成要素として形成されていてもよい。
【００２２】
物品を仕上げ処理するために、研磨砥石を用いることも知られている。場合によっては、物品が、回転している研磨砥石に押し付けられることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】米国特許第３，３７５，６１５号明細書
【特許文献２】英国特許第１１３０９２３号明細書
【特許文献３】米国特許第５，３７３，０４７号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００４／０１４８９６６号明細書
【発明の概要】
【００２４】
本発明の第１の態様では、少なくとも部分的に失透しているガラス材料から本質的になる研磨要素が提供されている。
【００２５】
「ガラス材料」という用語は、非晶質材料またはガラス質材料から形成された部分を意味している。
【００２６】
要素が本質的または排他的にガラス材料から形成されている実施形態は、特に、酸化アルミニウムなどのような研磨粒子が埋設されている素地要素からなる従来技術の媒体を上回る利点を有している。これは、先行技術による要素は、使用中にそれらの研磨粒子が脱落し、研磨粒子、素地要素、および仕上げ処理されるべき物品からの削り屑からなるスラリーを形成する傾向にあるからである。このスラリーは、一部の研磨粒子の場合、環境問題を引き起こすことがあり、このスラリーを廃棄する前に、さらなる高価な処理を必要とする場合がある。対照的に、本発明の実施形態は、ガラス粒子のみが脱落し、これらのガラス粒子は、容易に廃棄またはリサイクルされることが可能である。
【００２７】
「失透（devitrified）」という用語は、結晶組織を有している材料であって、元は非晶質（ガラス質）組織を有していた材料を意味している。「非晶質組織」という用語は、Ｘ線回折によって測定されるような長領域の結晶組織を有していない材料を意味している。「ガラスまたはガラス質」という用語は、ガラス遷移温度を示す非晶質材料を意味している。
【００２８】
本発明による（本明細書では、「仕上げ処理媒体」とも呼ばれる）「研磨媒体」は、比較的低コストの出発材料から比較的低コストの方法によって製造することができるという利点を有している。本発明の１つまたは複数の実施形態による（「仕上げ処理媒体要素」と呼ばれることもある）「研磨要素」は、リサイクルされたガラス材料から製造することもできる。
【００２９】
（陶土のような）セラミックを得るための原材料は、通常、採掘作業によって得られ、その結果、この材料の使用に関して、環境問題が存在する。しかし、リサイクルされた材料の使用は、採掘作業による景観の破壊を必要としないという利点がある。
【００３０】
特に、緑色（または灰色）ガラスは、通常、リサイクルされない。従って、本発明の実施形態は、埋立地または他の投棄施設に廃棄されるこの材料の優れた利用をもたらすことになる。
【００３１】
要素は、実質的に非晶質材料を含む部分を有していてもよい。
【００３２】
非晶質ガラスの存在は、要素の靱性を高める効果を有することになる。換言すれば、非晶質ガラス材料の存在は、材料が破砕する傾向を減少させることができる。
【００３３】
好ましくは、要素は、例えば、気泡、好ましくは、空気の泡によって生じた複数の空隙を含んでいるかまたは取り込んでいる。
【００３４】
空隙は、要素の表面領域上に露出していると、切断、バリ取り、および仕上げ処理にとって良好な大きさを有する鋭利な縁をもたらすことになる。露出した空隙は、振動仕上げ処理プロセスに用いられる流体仕上げ処理媒体のためのリザーバとしても機能することができる。
【００３５】
空隙は、好ましくは、要素内に実質的に均一に分散している。
【００３６】
さらに好ましくは、空隙は、少なくとも要素の表面内に設けられている。
【００３７】
さらに一層好ましくは、空隙は、表面層に露出し、これによって、表面に鋭利な縁をもたらすようになっている。
【００３８】
空隙は、表面に露出し、これによって、仕上げ処理プロセスに用いられる流体仕上げ処理媒体のためのリザーバをもたらすようになっていてもよい。
【００３９】
好ましくは、空隙は、約５０ｎｍから約５ｍｍ、好ましくは、約１μｍから約１ｍｍ、さらに好ましくは、約１０μｍから約５００μｍ、さらに一層好ましくは、約１００μｍから約５００μｍの範囲内の公称直径を有している。
【００４０】
失透材料の形態にある要素の体積は、約１％から約１００％の範囲内にあってもよい。
【００４１】
失透材料の形態にある要素の体積は、約２０％から約８０％の範囲内、任意選択的に、約５０％であってもよい。
【００４２】
好ましくは、要素は、約５ｍｍから約８０ｍｍの範囲内の最長寸法を有している。
【００４３】
要素は、約５ｍｍから約５０ｍｍの範囲内の最長寸法を有していてもよい。
【００４４】
これらの範囲内の寸法を有する要素は、種々の大きさの範囲にわたる物品を仕上げ処理するのに特に適していることが見出されている。さらに、要素の大きさは、該要素が、物品の凹部、隙間、または他の特徴部内にとどまることなく、物品の全ての必要な表面に衝突することができるように選択されていてもよい。
【００４５】
好ましくは、要素は、約１０ｍｍから約４０ｍｍの範囲内の最小寸法を有している。
【００４６】
要素は、要素の自由面において複数の結晶材料の領域を備えていてもよい。
【００４７】
要素は、好ましくは、非晶質ガラス材料および結晶化ガラス材料から本質的になる。
【００４８】
要素は、非晶質ガラス材料および結晶化ガラス材料から本質的になっていてもよい。
【００４９】
結晶化ガラス材料は、非晶質ガラス材料内に分散した粒子の形態で設けられていてもよい。
【００５０】
非晶質ガラス材料は、結晶化ガラス材料内に分散した粒子の形態で設けられていてもよい。
【００５１】
好ましくは、要素は、少なくとも部分的に失透した材料、好ましくは、失透ガラス材料から本質的になる。
【００５２】
失透材料は、針状形態を有する少なくとも一部を備えていてもよい。
【００５３】
要素は、シリカを含んでいてもよい。
【００５４】
要素は、モースケールで約５．５の硬度値を有していてもよい。
【００５５】
もし硬度が高すぎる場合、仕上げ処理要素は、使用中に破砕するおそれがある。もし柔らかすぎた場合、要素は、該要素の縁が丸められることによって、その有効性を失うおそれがある。
【００５６】
要素の形状は、立方体、楕円体、角柱、円錐、４面体、角錐、多面体、球、三角構造、円板または円板状構造、および円板および円板状構造のセグメントから選択される少なくとも１つであってもよい。
【００５７】
要素は、研削砥石または研磨砥石として用いられるのに適する円板の形状で設けられていてもよい。
【００５８】
要素は、円板の破砕を防ぐように配置された少なくとも１つの支持要素を備えていてもよい。
【００５９】
支持要素は、円板内に埋設された少なくとも一部を有していてもよい。
【００６０】
本発明の第２の態様では、本発明の第１の態様による要素を備えている研削砥石または研磨砥石が提供されている。
【００６１】
好ましくは、砥石は、複数の要素であって、各々が円板または円板状構造のセグメントの形状にある、複数の要素を有しており、これらの要素は、一緒に連結され、これによって、砥石を形成するようになっている。
【００６２】
これらの要素は、ハブ要素によって、一緒に連結されていてもよい。
【００６３】
本発明の第３の態様では、研磨要素を形成する方法において、複数のガラス材料の破片を設けるステップと、複数のガラス材料の破片に熱処理を施し、これによって、失透材料を含む少なくとも一部を有する固形成型部材を形成するステップと、を含む、方法が提供されている。
【００６４】
好ましくは、成型部材は、複数の空隙を含むように形成されている。
【００６５】
本方法は、ガラス材料の破片を型内に入れるステップを含んでいてもよい。
【００６６】
本方法は、ガラス材料の破片を型内に注入するステップをさらに含んでいてもよい。
【００６７】
本方法は、ガラス材料の破片を型内において圧密するステップを含んでいてもよい。
【００６８】
複数のガラス材料の破片を設けるステップは、前記熱処理中に熱分解し、これによって、複数の空隙をもたらすように配置された複数の充填材料の破片を設けることをさらに含んでいてもよい。
【００６９】
好ましくは、充填剤は、植物材料の殻、砕かれた卵殻、およびポリマー材料から選択される少なくとも１つを含む。
【００７０】
充填剤の破片は、約５００μｍ以下、任意選択的に、約２５０μｍ以下の範囲内の大きさを有していてもよい。
【００７１】
本方法は、複数のガラス材料の破片と複数の充填材料の破片とを混合するステップを含んでいてもよい。
【００７２】
本方法は、ガラス材料の破片および充填材料を型内に入れるステップをさらに含んでいてもよい。
【００７３】
好ましくは、ガラス材料の破片は、ガラス屑であるかまたはガラス屑を含む。
【００７４】
好ましくは、複数の材料の破片は、約４ｍｍ以下、約４ｍｍから約２ｍｍ、約３ｍｍから約１ｍｍ、約１．５ｍｍから約０．７５ｍｍ、約１．５ｍｍから約５００μｍ、および約１００μｍ以下から選択される範囲内の平均寸法を有している。
【００７５】
一般的に、仕上げ処理要素が作製される破片の平均的な大きさが小さいほど、仕上げ処理された物品の表面がより滑らかになることが分かっている。上記の範囲の下端における平均値を有する破片から作製された要素は、仕上げ処理された物品が比較的低い表面粗さを有するように物品を仕上げ処理するのに特に適している。
【００７６】
成型部材は、好ましくは、非晶質ガラス材料を含む。
【００７７】
本方法は、成型部材を切断し、これによって、複数の仕上げ処理媒体要素を形成するステップをさらに含んでいてもよい。
【００７８】
本発明は、立方体、楕円体、角柱、円錐、４面体、角錐、多面体、球、および円板または円板状の形状から選択される少なくとも１つである形状を有するように、成型部材を形成するステップを含んでいてもよい。
【００７９】
好ましくは、研磨要素は、約３０°から１２０°の範囲内の円錐角を有する円錐の形状に形成されている。
【００８０】
好ましくは、研磨要素は、３０°，６０°，９０°，１２０°から選択される１つの円錐角を有するように形成されている。
【００８１】
研磨要素は、円板または円板状形状を有するように形成されていてもよく、該要素内に埋設された少なくとも一部を有する支持部材を備えていてもよい。
【００８２】
支持部材は、円板が破砕されるのを防ぐように配置されていてもよい。
【００８３】
熱処理は、約７００℃から約１１００℃、任意選択的に、約７５０℃から約９５０℃の範囲内の温度に加熱するステップを含んでいてもよい。
【００８４】
熱処理は、約８００℃から約１０００℃の範囲内の温度、任意選択的に、約９７５℃に加熱するステップをさらに含んでいてもよい。
【００８５】
好ましくは、熱処理は、約８５０℃から約９５０℃、好ましくは、約９００℃から約９２０℃の範囲内の温度、さらに好ましくは、約９００℃に加熱するステップを含む。
【００８６】
熱処理は、約１時間から約３時間の間、約７００℃から約１１００℃、好ましくは、約７００℃から約９５０℃、さらに好ましくは、約９００℃から約９２０℃の範囲内の温度、さらに一層好ましくは、約９００℃に加熱するステップを含んでいてもよい。
【００８７】
熱処理は、約２時間の間、約７００℃から約１１００℃、好ましくは、約７００℃から約９５０℃、さらに好ましくは、約９００℃から約９２０℃の範囲内の温度、さらに一層好ましくは、約９００℃に加熱するステップを含んでいてもよい。
【００８８】
熱処理は、少なくとも１つの破片を熱処理し、これによって、前記少なくとも１つの破片の少なくとも一部を融解し、続いて、失透材料を含む少なくとも一部を有する固形成型部材を形成するために冷却するステップを含んでいてもよい。
【００８９】
本方法は、約５．５モースの硬度値を有する研磨要素をもたらすように構成されていてもよい。
【００９０】
本発明の第５の態様では、少なくとも１つの研磨要素を再形成する方法において、第１の態様による少なくとも１つの研磨要素を設けるステップと、熱処理を行うステップと、続いて、失透材料を含む固形成型部材を形成するために冷却するステップと、を含む、方法が提供されている。
【００９１】
これは、使い尽くされた仕上げ処理要素が再形成され、新しい仕上げ処理要素を作製することができるという利点を有している。従って、使い尽くされた仕上げ処理要素を埋立地または他の投棄施設に廃棄する必要がない。
【００９２】
少なくとも１つの研磨要素を設けるステップは、少なくとも１つの研磨要素を破砕し、これによって、複数の材料の破片を形成するステップをさらに含む。
【００９３】
好ましくは、少なくとも１つの研磨要素を破砕するステップに続いて、破砕された要素の複数の破片を型内に入れるステップが行われるようになっている。
【００９４】
本発明の第７の態様では、脱脂剤および／または研磨剤と組み合わされた本発明の第１の態様による研磨要素が提供されている。
【００９５】
本発明の第８の態様では、物品を仕上げ処理する方法において、第１の態様による複数の仕上げ処理媒体を設けるステップと、該研磨要素を物品に衝突させ、これによって、物品の表面粗さを低減させるステップと、を含む、方法が提供されている。
【００９６】
本方法は、脱脂剤、洗浄剤、または研磨剤から選択される少なくとも１つを設け、これによって、物品の表面粗さの低減を高めるステップをさらに含んでいてもよい。
【００９７】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第１の実施形態および第２の実施形態による熱処理のための時間の関数としての温度のプロットである。
【図２】本発明の第１の実施形態による角柱形状の仕上げ処理媒体要素を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による実質的に円錐形状の仕上げ処理媒体要素を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による複数の仕上げ処理媒体要素を形成するのに適する型を示す図である。
【図５】約１５°から約９０°の範囲内の円錐角を有する円錐形状の複数の仕上げ処理媒体を示す図である。
【図６】気泡構造を有する仕上げ処理要素の断面図である。
【図７】要素の自由表面における結晶質材料（失透材料）の存在を示す仕上げ処理要素の断面図である。
【図８】本発明の実施形態による研削砥石または研磨砥石の斜視図（８ａ）、および正面図（ｉ）および側面図（ｉｉ）によって研磨砥石のコアに設けられるように構成されたハブ要素を示す図（８ｂ）である。
【図９】円板形状の研磨要素内に埋設された支持要素を有する本発明の実施形態による研削砥石または研磨砥石を示す図である。
【図１０】円板のセグメントの形態にある研磨材料を有する本発明の実施形態による研削砥石または研磨砥石を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００９９】
本発明の第１の実施形態によれば、研磨要素（または「仕上げ処理媒体要素」）は、部分的に再結晶化されたシリカガラス材料から形成されている。他のガラス材料も、有用である。
【０１００】
非晶質シリカガラスは、金属材料と比較して比較的安価な日用品材料として広く利用されている。例えば、非晶質シリカガラスは、リサイクル飲料ボトルおよび他のリサイクル物品の形態で利用されている。
【０１０１】
本発明の一実施形態では、非晶質シリカガラスの形態にある出発原料は、細片に破砕されるようになっている。本発明のいくつかの実施形態では、これらの破片は、約４ｍｍの直径を有している。「直径」という用語は、材料の破片の最大直径を意味している。他の大きさも、有用である。
【０１０２】
いくつかの実施形態では、約４ｍｍの最大直径の破片を含む勾配混合ガラス屑（cullet）が用いられている。
【０１０３】
いくつかの実施形態では、より大きい直径を有する破片が用いられている。例えば、約５ｍｍまでの直径を有する破片が用いられていてもよい。
【０１０４】
いくつかの実施形態では、数μｍから約５ｍｍの直径を有する破片が用いられている。
【０１０５】
第１の実施形態によれば、破片は、型内に入れられ、熱処理が施される。熱処理は、破片を少なくとも部分的に融解し、その後、失透シリカ材料を含む少なくとも一部を有する（「成型部材（cast member）」とも呼ばれる）材料を形成するために冷却される。失透シリカは、比較的硬く、擦過による摩耗に対して耐性があるという特性を有している。
【０１０６】
破片には、成型部材の空隙率を低下させるために、型内において圧密プロセスが施されるとよい。空隙率の低下によって、成型部材内の空隙の数および／または大きさが低減されることになる。
【０１０７】
圧密の例として、型の動揺および／または破片への圧力の印加が挙げられる。他の圧密プロセスも、有用である。
【０１０８】
冷却された材料は、非晶質材料の領域と、失透した、すなわち、結晶化したシリカ材料の領域と、の両方の領域を有している。一方、出発原料の破砕ガラスは、典型的には、殆ど全てが非晶質シリカ材料から構成されている。
【０１０９】
本発明の実施形態による熱処理プロセスのための時間の関数としての温度のプロットが、図１に概略的に示されている。
【０１１０】
破片は、約７００°から１４００°の温度Ｔ１に加熱される。破片は、この温度で、約１時間から６時間の範囲内にある時間ｔ１の間保持される。
【０１１１】
本発明の好ましい実施形態では、破片は、約９００℃の温度Ｔ１で約２時間の期間ｔ１にわたって加熱されている。いくつかの実施形態では、破片は、約９２５℃の温度Ｔ１に加熱されている。
【０１１２】
高温Ｔ１からの冷却中にガラス材料に生じる再結晶化の程度によって、得られる仕上げ処理媒体の硬度の実質的な範囲が決定されることになる。用いられる時間ｔ１および温度Ｔ１が、仕上げ処理媒体内に含まれる結晶質材料の比率に影響を与えることになる。より高比率の結晶質材料は、通常、より高硬度の仕上げ処理媒体をもたらすことが見出されている。
【０１１３】
また、より高比率の結晶質材料を含む研磨媒体は、より高い脆弱性を示し、使用中に破砕を生じることがある。従って、仕上げ処理プロセス中に過度に高率の摩耗を生じさせないのに十分な硬度を有すると共に過度に容易な破砕を生じさせないのに十分な靱性を有する研磨要素を得るために、非晶質材料と結晶質材料との相対的な配合比の間に許容される均衡が達成されねばならない。
【０１１４】
いくつかの実施形態では、要素は、約７５−８０体積％までの結晶質材料を含む。
【０１１５】
いったん部分的に再結晶化したガラス材料が、室温に冷却されると、該材料は、切断され、仕上げ処理媒体として用いられるのに適する形状および大きさの要素が形成されることになる。切断は、一般的に、従来のダイヤモンドチップ付き丸鋸刃を用いて行われる。
【０１１６】
本発明のいくつかの実施形態では、切断は、水噴射またはレーザによって行われている。他の切断手段も、有用である。
【０１１７】
本発明の一実施形態によれば、材料は、図２において１１０で総称的に示されているような振動仕上げ処理プロセスに用いられるのに適する角柱形状の仕上げ処理媒体を形成するように、切断されている。一実施形態によれば、各角柱の基部の側辺の長さは、約５ｍｍから約５０ｍｍの範囲内にある。いくつかの実施形態では、この範囲は、約１０■から
約４０ｍｍの間である。
【０１１８】
媒体の大きさは、仕上げ処理されるべき物品の大きさおよび形状によって選択される。大きさは、仕上げ処理されるべき物品の凹部または他の構造内に仕上げ処理媒体要素が詰まる問題を避けるように、選択されている。
【０１１９】
本発明の一実施形態によれば、仕上げ処理媒体は、部分的に失透した材料のブロックから切断することによって形成された固形角柱片の形態にある。
【０１２０】
代替的実施形態では、材料は、種々の形状、例えば、立方体、平行六面体、楕円体、星型形状の形態にある断面または他の部分を有する形状体、または任意の他の適切な形状を形成するように、切断されている。
【０１２１】
本発明のさらに他の実施形態によれば、仕上げ処理媒体は、実質的に必要な最終形状の仕上げ処理媒体を直接形成するために、個々の型内において破砕されたシリカガラスの粒子を融解することによって、形成されている。従って、仕上げ処理媒体要素を形成するために、凝固した融解物を切断する必要がない。
【０１２２】
図３は、型から直接形成された実質的に円錐形状を有する仕上げ処理媒体要素２１０の概略図である。このような要素２１０を形成するための適切な型が、図４に示されている。型には、円錐形状の仕上げ処理媒体要素２１０の形状に対応する形状を有する複数の井戸要素３１０が設けられている。
【０１２３】
円錐形状の仕上げ処理媒体は、いったん成型材料が冷却されると、容易に離型可能であるという利点を有している。従って、これらの仕上げ処理媒体要素は、迅速かつ便利に作製可能である。
【０１２４】
いくつかの実施形態では、型は、型材料の中実ブロックから材料の一部を除去することによって、形成されている。
【０１２５】
型を用いることによって、種々の複雑な形状の研磨要素を比較的迅速かつ効率的に形成することができる。この理由の少なくとも一部として、融解物が冷却された後に切断作業を行なう必要がないことが挙げられる。
【０１２６】
本発明の実施形態による仕上げ処理媒体要素が使い尽くされた時点で、例えば、有効性がもはや許容できない程度まで、該媒体要素の大きさが摩耗または減少した時点で、これらの媒体要素は、新しい仕上げ処理媒体要素を形成するために、リサイクルされることが可能であることを理解されたい。
【０１２７】
このようにして、使い尽くされた要素は、加熱および冷却され、新しい研磨要素を形成することができる。いくつかの実施形態では、使い尽くされた要素は、破砕されて粒子を形成し、これらの粒子が熱処理されるようになっている。いくつかの実施形態では、これらの粒子は、図４に示されているような型内に入れられ、前述したのと同様の熱処理が施されることになる。
【０１２８】
使い捨てられた要素のリサイクルは、材料の廃棄を少なくし、これによって、研磨要素を用いるプロセスの投棄施設への負担を低減させるという利点を有している。仕上げ処理要素を形成するための原料が最初の段階でリサイクルされたシリカガラス材料から得られているという事実も、プロセスの環境影響を低減させる上で著しい利点を有していることになる。
【０１２９】
図５は、約１５°から約９０°の範囲内の円錐角を有する本発明の実施形態による一連の仕上げ処理媒体要素を示している。約１２０°までの円錐角も、有用である。
【０１３０】
図６は、多孔構造または気泡構造を有するように形成された要素４１０の内部構造を示している。すなわち、要素４１０は、複数の細孔または空隙４５０を備えている。このような構造は、複数の鋭利な縁４１５が存在している自由面４１１を有する要素４１０が、粒子を素地に結合させることなく、便利に得られるという利点を有している。さらに、研磨要素が使用中に摩耗すると、新しい空隙が自由面に露出することを理解されたい。従って、要素が摩耗すると、新しい鋭利な表面が露出することになる。
【０１３１】
さらに、要素が摩耗すると、該要素から砕けたどのような材料の破片も、該要素自体の大きさと比べて、比較的小さい大きさを有している。従って、破片がフィルターおよび振動仕上げ処理工具のような関連する流体処理装置を詰まらせるおそれが、一部の周知の仕上げ処理媒体要素および研磨材料と比較して、少なくなる。
【０１３２】
気泡構造は、ガラス片の圧密が成型部材を形成するために加熱の前に行われる程度を変化させることによって、制御されてもよい。破片がより強く圧密されると、成型部材の空隙率がより小さくなる。さらに、いくつかの実施形態では、すり潰された小麦の殻または他の有機材料のような充填媒体の粒子が用いられてもよいし、砕かれた卵の殻が用いられてもよい。他の充填材料も、有用である。
【０１３３】
圧密は、破片が入れられている型を動揺させることによって、および／または破片に圧力を加えることによって、行われるとよい。
【０１３４】
本発明のいくつかの実施形態では、仕上げ処理媒体要素は、仕上げ処理されるべき物品に対して研磨面をもたらす要素の表面に露出した結晶質材料を備えている。いくつかの実施形態では、要素の結晶質材料は、要素の外面から突出する細長の結晶の形態にある。図７は、自由面５１１を有する仕上げ処理要素５１０の一部の断面図である。結晶質（失透）材料５２０，５２５が、自由面５１１に存在している。いくつかの実施形態では、結晶質材料のいくつかは、自由面５１１から突出する細長の結晶５２０の形態にある。また、空隙（または細孔）５５０が、要素５１０内に存在していることもある。
【０１３５】
仕上げ処理要素内に存在している結晶の大きさは、出発材料のガラスに加えられる熱処理に依存していることを理解されたい。高温におけるより長い焼きなましによって、通常、より大きい結晶が生成されることになる。
【０１３６】
いくつかの実施形態では、失透した材料は、結晶質材料５２０，５２５がガラス質材料５３０内に効率的に「埋設される」ように、ガラス質材料５３０の素地と組み合わさって存在していることをさらに理解されたい。このように、ガラスを熱処理するプロセスによって、別々の材料源からの粒子と素地材料とを混合することなく、粒子／素地構造が形成されることになる。これによって、製造プロセスのコストおよび複雑さが、著しく簡素化されている。
【０１３７】
従って、本発明のいくつかの実施形態では、研磨要素の少なくとも３つの特徴が、要素と接触する物品の磨滅または研磨に関係することになる。これらは、（ｉ）研磨要素を形成するのに用いられるガラス屑の大きさ、（ｉｉ）ガラス屑に施される熱処理の時間／温度プロフィルによって決定される要素内に存在する材料の結晶の大きさ、および（ｉｉｉ）要素が内部に形成された細孔を有する程度である。
【０１３８】
ガラス屑のより大きい破片が型内に注入され、次いで、熱処理され、これによって、ガラス屑が焼成され、研磨要素を形成し、少なくとも部分的に失透させることによって、ガラス屑のより小さい破片を用いる場合におけるよりも、より粗い表面形態を有する要素が得られることが見出されている。従って、ガラス屑のより大きい破片は、一般的に、ガラス屑のより小さい破片よりも、より粗い表面仕上げ面を有する要素をもたらすことになる。
【０１３９】
従って、ガラス屑のより大きい破片を用いることによって、より粒状の構造がもたらされ、この要素の表面は、ガラス屑のより小さい破片が用いられる場合よりも長い規模の凹凸を有している。
【０１４０】
研磨要素内に存在している材料の結晶の大きさは、所定の熱処理の温度プロフィル（すなわち、熱処理中の時間の関数としての要素の温度）に大きく依存している。研磨要素の自由面上に露出しているより大きな結晶は、典型的には、より小さい結晶が自由面に露出している要素におけるよりも粗い表面形態を有する要素をもたらすことを理解されたい。
【０１４１】
いくつかの実施形態では、研磨要素は、研削砥石または研磨砥石の形態で提供されている。図８（ａ）は、砥石要素６１０であるこのような要素を示している。砥石要素６１０は、砥石要素６１０の内周面６１２によって画定されている開口６１１を有しており、内周面６１２は、要素６１０の回転軸と同心になっている。
【０１４２】
図８（ｂ）は、砥石要素６１０の開口６１１内に設けられるように構成された要素であるハブ要素６２０を示している。いくつかの実施形態では、砥石要素６１０は、ハブ要素６２０の周囲に形成されるように構成されている。すなわち、ガラス屑を加熱して成型部材を形成する熱処理は、ハブ要素６２０を用いて、現場で行われるようになっている。いくつかの実施形態では、ハブ要素６２０は、砥石要素が熱処理され、成型部材を形成した後、砥石要素６１０に連結されるようになっている。
【０１４３】
いくつかの実施形態では、ハブ要素６２０は、凹状の外周面６２２を有するように形作られている。この凹状の外周面６２２は、砥石要素６１０およびハブ要素６２０が互いから切り離されるおそれを低減させるために、砥石要素６１０の対応する内周面と連携するように構成されている。外周面６２２の他の形状も、有用である。
【０１４４】
図９は、砥石要素７１０内に埋設された（点線で示されている）支持部材７３０を有する本発明の実施形態による砥石要素７１０を示している。支持部材７３０は、砥石要素７１０の破砕に対する耐性を高めるために、配置されている。いくつかの実施形態では、支持部材７３０は、砥石要素７１０の外側に設けられている。すなわち、支持部材７３０は、砥石要素７１０内に埋設されていない。いくつかの実施形態では、支持部材７３０は、砥石要素７１０内に部分的に埋設されている。
【０１４５】
図９の実施形態では、支持部材７３０は、複数の半径方向スポーク要素７３１および１つまたは複数の同心リング要素７３２を備えている。いくつかの実施形態では、スポーク要素７３１または１つまたは複数のリング要素７３２のいずれかが設けられている。他の支持部材の構成も、有用である。
【０１４６】
図１０は、砥石要素８１０が複数の均一な厚みの実質的に楔状のセグメント８１５を備えている実施形態を示している。他の構成も、有用である。セグメント８１５は、接着剤によって互いに連結されているとよい。代替的または付加的に、セグメント８１５は、１つまたは複数の連結要素によって互いに連結されていてもよい。
【０１４７】
いくつかの実施形態では、砥石要素は、ガラス屑または破砕された研磨要素（例えば、廃棄されたまたは使用済み要素）を約８５０℃の温度で約４時間加熱することによって、形成されている。
【０１４８】
本明細書の説明および請求項の全体を通して、「〜を備えている（comprise）」および「〜を含む（contain）」およびこれらの用語の変形、例えば、「comprising」および「comprises」は、「〜を備えているが、〜に制限されるものではない」ことを意味し、他の部分、付加物、構成要素、完全体、または段階を排除しようとするものではなく（かつ排除するものではない）ことを意味している。
【０１４９】
本明細書の記載および請求項の全体にわたって、単数形は、文脈が他の解釈を要求していない限り、複数形も含んでいる。特に、限定されていない物品が用いられる場合、文脈が他の解釈を要求していない限り、本明細書は、単数形のみならず複数形も考慮していることを理解されたい。
【０１５０】
本発明の特定の態様、実施形態、または実施例と関連して記載されている特徴、完全体、特性、化合物、化学部分または化学基は、矛盾しない限り、本明細書に記載されているどのような他の態様、実施形態、または実施例にも適用可能であることを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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