(57)【要約】流体透過構造を持つ結合式研磨工具であって、複数の砥粒と、融点が500〜1400℃である結合材料とが焼結した構造であり、ルース充填密度が1.6g/cc以下で、三次元形状を持つ凝集体と；結合材と；互いにつながった気孔が少なくとも30体積％含まれた合計で約35〜80体積％の気孔とを含む結合式研磨工具。この焼結凝集体の製造方法（例えば図1）と、この焼結凝集体を含む研磨工具の製造方法が記載されている。
2005522339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体透過構造を持つ結合式研磨工具であって、
a）融点が500〜1400℃であることを特徴とする結合材料で保持された多数の砥粒を含み、この研磨工具を製造する前に三次元構造と初期サイズ分布を持っている約5〜75体積％の焼結凝集体と；
b）結合材と；
c）互いにつながった少なくとも30体積％の気孔を含む合計で約35〜80体積％の気孔とを含む結合式研磨工具において、
結合式研磨工具を製造した後に、この研磨工具内の焼結凝集体の少なくとも50重量％が、三次元構造をした多数の砥粒を保持していることを特徴とする結合式研磨工具。
【請求項２】
研磨工具を製造する前には、上記焼結凝集体のルース充填密度が結合材料によって互いに結合した多数の砥粒からなり、初期三次元形状を持ち、ルース充填密度が≦1.6g/ccである、請求項1に記載の結合式研磨工具。
【請求項３】
上記結合材がガラス質結合材である、請求項2に記載の結合式研磨工具。
【請求項４】
凝集体内部の気孔と、互いにつながった気孔の2種類の気孔が分布している、請求項3に記載の結合式研磨工具。
【請求項５】
研磨工具を製造した後に、焼結凝集体の少なくとも50重量％が、初期サイズ分布の範囲に収まるサイズを有する、請求項1に記載の結合式研磨工具。
【請求項６】
上記結合材料が、主として、セラミック材料、ガラス質材料、ガラス質結合材組成物、ならびにこれらの組み合わせからなるグループから選択した材料を含む、請求項1に記載の結合式研磨工具。
【請求項７】
上記結合材料の融点が約800〜1,300℃である、請求項6に記載の結合式研磨工具。
【請求項８】
上記結合材料が、71重量％のSiO2およびB2O3と、14重量％のAl2O3と、0.5重量％未満のアルカリ土類酸化物と、13重量％のアルカリ酸化物とを含む焼成酸化組成物を含有するガラス質結合材組成物である、請求項6に記載の結合式研磨具。
【請求項９】
上記結合材料がセラミック材料であり、そのセラミック材料の選択を、シリカ、アルカリケイ酸塩、アルカリ土類ケイ酸塩、アルカリケイ酸塩とアルカリ土類ケイ酸塩の混合物、ケイ酸アルミニウム、ケイ酸ジルコニウム、ケイ酸塩水和物、アルミン酸塩、酸化物、窒化物、オキシ窒化物、炭化物、オキシ炭化物、これらの組み合わせ、これらの誘導体の中から行なう、請求項5に記載の結合式研磨工具。
【請求項１０】
互いにつながった上記気孔が、研磨工具の製造中に気孔誘導媒体を使用せずに得られる、請求項1に記載の結合式研磨工具。
【請求項１１】
最大密度が2.2g/ccである、請求項1に記載の結合式研磨工具。
【請求項１２】
互いにつながった上記気孔の相対空気透過率（Q/P）（単位は水1インチ当たりのcc/秒）が、焼結凝集体なしで製造した比較用の結合式研磨工具のQ/Pよりも少なくとも10％大きい、請求項1に記載の結合式研磨工具。
【請求項１３】
上記焼結凝集体の平均サイズが、砥粒の平均サイズの2〜20倍の大きさである、請求項1に記載の結合式研磨工具。
【請求項１４】
上記焼結凝集体の初期サイズの幅が、平均直径にして200〜3,000ミクロンである、請求項13に記載の結合式研磨工具。
【請求項１５】
上記砥粒が微小砥粒であり、上記焼結凝集体の初期サイズの幅が、平均直径にして5〜180ミクロンである、請求項13に記載の結合式研磨工具。
【請求項１６】
上記焼結凝集体の平均直径が、互いにつながった上記気孔を最大開放状態で測定したときの平均サイズ以下である、請求項1に記載の結合式研磨工具。
【請求項１７】
焼結凝集体を35〜52体積％と、ガラス質結合材を3〜13体積％と、気孔を35〜70体積％含む、請求項2に記載の結合式研磨工具。
【請求項１８】
上記結合材を、有機結合材と金属結合材からなるグループから選択する、請求項17に記載の結合式研磨工具。
【請求項１９】
第2の砥粒、充填材料、研削助材、気孔誘導媒体、ならびにこれらの組み合わせからなるグループから選択した少なくとも1つの成分をさらに含む、請求項1に記載の結合式研磨工具。
【請求項２０】
流体透過構造を持つ結合式ビトリファイド研磨工具であって、
a）材料の融点における粘度がAであることを特徴とする結合材料で多数の砥粒を結合させた約5〜75体積％の焼結凝集体と；
b）上記結合材料の融点における粘度が粘度Aよりも少なくとも33％小さい粘度Bであることを特徴とするガラス質結合材と；
c）互いにつながった気孔が少なくとも30体積％含まれる約35〜80体積％の気孔とを含む結合式ビトリファイド研磨工具。
【請求項２１】
上記結合材料の粘度Aが、1180℃において345〜55,300ポアズである、請求項20に記載のビトリファイド研磨工具。
【請求項２２】
上記ガラス質結合材の粘度Bが、1180℃において30〜37,000ポアズである、請求項20に記載のビトリファイド研磨工具。
【請求項２３】
上記焼結凝集体が三次元構造と初期サイズ分布を持っており、この焼結凝集体を用いて研磨工具を製造した後に、この研磨工具内の少なくとも50重量％の焼結凝集体が、三次元構造を維持した多数の砥粒を保持し、少なくとも50重量％の焼結凝集体が、上記初期サイズ分布に収まるサイズを有する、請求項20に記載のビトリファイド研磨工具。
【請求項２４】
最大密度が2.2g/ccである、請求項20に記載のビトリファイド研磨工具。
【請求項２５】
上記結合材料が、主として、セラミック材料、ガラス質材料、ガラス質結合材組成物、ならびにこれらの組み合わせからなるグループから選択した材料を含む、請求項20に記載のビトリファイド研磨工具。
【請求項２６】
上記結合材料の融点が約800〜1,300℃である、請求項20に記載のビトリファイド研磨工具。
【請求項２７】
互いにつながった上記気孔が、研磨工具の製造中に気孔誘導媒体を使用せずに得られる、請求項20に記載のビトリファイド研磨工具。
【請求項２８】
互いにつながった上記気孔の相対空気透過率（Q/P）（単位は水1インチ当たりのcc/秒）が、焼結凝集体なしで製造した比較用の結合式研磨工具のQ/Pよりも少なくとも10％大きい、請求項20に記載のビトリファイド研磨工具。
【請求項２９】
研磨工具を製造する前には、上記焼結凝集体のルース充填密度が結合材料によって互いに結合した複数の砥粒からなり、初期三次元形状を持ち、ルース充填密度が≦1.6g/ccである、請求項20に記載のビトリファイド研磨工具。
【請求項３０】
流体透過構造を持つビトリファイド研磨工具であって、
a）融点がAであることを特徴とする結合材料で多数の砥粒を結合させた約5〜60体積％の焼結凝集体と；
b）融点Aよりも少なくとも150℃低い融点Bを持つことを特徴とするガラス質結合材と；
c）互いにつながった気孔が少なくとも30体積％含まれる約35〜80体積％の気孔とを含むビトリファイド研磨工具。
【請求項３１】
上記焼結凝集体が三次元構造と初期サイズ分布を持っており、この焼結凝集体を用いて研磨工具を製造した後に、この研磨工具内の少なくとも50重量％の焼結凝集体が、三次元構造を維持した多数の砥粒を保持し、少なくとも50重量％の焼結凝集体が、上記初期サイズ分布に収まるサイズを有する、請求項30に記載のビトリファイド研磨工具。
【請求項３２】
最大密度が2.2g/ccである、請求項30に記載のビトリファイド研磨工具。
【請求項３３】
上記結合材料が、主として、セラミック材料、ガラス質材料、ガラス質結合材組成物、ならびにこれらの組み合わせからなるグループから選択した材料を含む、請求項30に記載のビトリファイド研磨工具。
【請求項３４】
上記結合材料の融点Aが950〜1,300℃である、請求項30に記載のビトリファイド研磨工具。
【請求項３５】
互いにつながった上記気孔が、研磨工具の製造中に気孔誘導媒体を使用せずに得られる、請求項30に記載のビトリファイド研磨工具。
【請求項３６】
互いにつながった上記気孔の相対空気透過率（Q/P）（単位は水1インチ当たりのcc/秒）が、焼結凝集体なしで製造した比較用の結合式研磨工具のQ/Pよりも少なくとも10％大きい、請求項30に記載のビトリファイド研磨工具。
【請求項３７】
研磨工具を製造する前には、上記焼結凝集体のルース充填密度が≦1.6g/ccである、請求項30に記載のビトリファイド研磨工具。
【請求項３８】
流体透過構造を持つ結合式研磨工具であって、
a）約34〜56体積％の砥粒と；
b）約3〜25体積％の結合材と；
c）互いにつながった気孔が少なくとも30体積％含まれる約35〜80体積％の気孔とを含み、
互いにつながった上記気孔が、気孔誘導媒体を添加せず、長さと断面幅のアスペクト比が少なくとも5：1である細長い形状の材料も添加せずに形成されていることを特徴とする結合式研磨工具。
【請求項３９】
上記砥粒の5〜100体積％が、三次元形状の焼結凝集体の内部に保持された砥粒からなり、この焼結焼結凝集体が、多数の砥粒と、融点が500〜1400℃の結合材を含む、請求項38に記載の結合式研磨工具。
【請求項４０】
上記結合材がガラス質結合材である、請求項38に記載の結合式研磨工具。
【請求項４１】
上記結合材料が、主として、セラミック材料、ガラス質材料、ガラス質結合材組成物、ならびにこれらの組み合わせからなるグループから選択した材料を含む、請求項39に記載の結合式研磨工具。
【請求項４２】
互いにつながった上記気孔の相対空気透過率（Q/P）（単位は水1インチ当たりのcc/秒）が、焼結凝集体なしで製造した比較用の結合式研磨工具のQ/Pよりも少なくとも10％大きい、請求項38に記載の結合式研磨工具。
【請求項４３】
研磨工具を製造する前には、上記焼結凝集体のルース充填密度が≦1.6g/ccである、請求項39に記載の結合式研磨工具。
【請求項４４】
凝集体内部の気孔と、互いにつながった気孔の2種類の気孔が分布している、請求項39に記載の結合式研磨工具。
【請求項４５】
第2の砥粒、充填材料、研削助材、ならびにこれらの組み合わせからなるグループから選択した少なくとも1つの成分をさらに含む、請求項39に記載の結合式研磨工具。
【請求項４６】
上記焼結凝集体の初期サイズの幅が、平均直径にして200〜3,000ミクロンである、請求項39に記載の結合式研磨工具。
【請求項４７】
上記砥粒が微小砥粒であり、上記焼結凝集体の初期サイズの幅が、平均直径にして5〜180ミクロンである、請求項39に記載の結合式研磨工具。
【請求項４８】
上記焼結凝集体の平均直径が、互いにつながった上記気孔を最大開放状態で測定したときの平均サイズ以下である、請求項39に記載の結合式研磨工具。
【請求項４９】
最大密度が2.2g/ccである、請求項40に記載の結合式研磨工具。
【請求項５０】
5〜75体積％の砥粒凝集体を含む研磨工具であって、
a）砥粒と、ガラス質結合材料、ガラス質材料、セラミック材料、無機結合材、有機結合材、ならびにこれらの組み合わせから本質的になるグループから選択した結合材料とを制御された供給速度で焼成用ロータリーキルンに供給するステップと；
b）このキルンを制御された速度で回転させるステップと；
c）供給速度とキルンの回転速度によって決まる加熱速度でこの混合物を約145℃から1,300℃まで加熱するステップと；
d）キルン内でこの混合物を回転させることにより、結合材料を砥粒に接着させ、その結果として多数の砥粒を互いに接着させて多数の焼結凝集体を形成するステップと；
e）結合材料によって互いに結合した多数の砥粒からなり、初期三次元形状を持ち、ルース充填密度が≦1.6g/ccである焼結凝集体をキルンから回収するステップと；
f）焼結凝集体を鋳型に入れて成形された複合体にするステップと；
g）この成形された複合体を熱処理して研磨工具を作るステップを含む方法によって作られる研磨工具。
【請求項５１】
焼結凝集体を結合材料と混合して凝集体混合物を形成するステップをさらに含む、請求項50に記載の研磨工具。
【請求項５２】
上記結合材がガラス質結合材である、請求項51に記載の結合式研磨工具。
【請求項５３】
上記ガラス質結合材が、上記結合材料の融点よりも少なくとも150℃低い焼成温度を有する、請求項52に記載の結合式ビトリファイド研磨工具。
【請求項５４】
上記結合材料が、主として、セラミック材料、ガラス質材料、ガラス質結合材組成物、ならびにこれらの組み合わせからなるグループから選択した材料を含む、請求項50に記載の結合式研磨工具。
【請求項５５】
上記結合材料の融点が約800〜1,300℃である、請求項54に記載の結合式研磨工具。
【請求項５６】
上記結合材料の粘度が、この結合材料の融点において約30〜55,300ポアズである、請求項55に記載の結合式研磨工具。
【請求項５７】
上記結合材料が、71重量％のSiO2およびB2O3と、14重量％のAl2O3と、0.5重量％未満のアルカリ土類酸化物と、13重量％のアルカリ酸化物とを含む焼成酸化組成物を含有するガラス質結合材組成物である、請求項55に記載の結合式研磨工具。
【請求項５８】
上記結合材料がセラミック材料であり、そのセラミック材料の選択を、シリカ、アルカリケイ酸塩、アルカリ土類ケイ酸塩、アルカリケイ酸塩とアルカリ土類ケイ酸塩の混合物、ケイ酸アルミニウム、ケイ酸ジルコニウム、ケイ酸塩水和物、アルミン酸塩、酸化物、窒化物、オキシ窒化物、炭化物、オキシ炭化物、これらの組み合わせ、これらの誘導体の中から行なう、請求項54に記載の結合式研磨工具。
【請求項５９】
互いにつながった上記気孔が、研磨工具の製造中に気孔誘導媒体を使用せずに得られる、請求項50に記載の結合式研磨工具。
【請求項６０】
互いにつながった気孔が少なくとも30体積％含まれた約35〜80体積％の気孔をさらに含む、請求項50に記載の結合式研磨工具。
【請求項６１】
最大密度が2.2g/ccである、請求項52に記載の結合式研磨工具。
【請求項６２】
上記焼結凝集体の平均サイズが、砥粒の平均サイズの2〜20倍の大きさである、請求項50に記載の結合式研磨工具。
【請求項６３】
上記焼結凝集体の初期サイズの幅が、平均直径にして200〜3,000ミクロンである、請求項50に記載の結合式研磨工具。
【請求項６４】
上記砥粒が微小砥粒であり、上記焼結凝集体の初期サイズの幅が、平均直径にして5〜180ミクロンである、請求項50に記載の結合式研磨工具。
【請求項６５】
互いにつながった上記気孔の相対空気透過率（Q/P）（単位は水1インチ当たりのcc/秒）が、焼結凝集体なしで製造した比較用の結合式研磨工具のQ/Pよりも少なくとも10％大きい、請求項50に記載の結合式研磨工具。
【請求項６６】
35〜52体積％の焼結凝集体と、3〜13体積％のガラス質結合材と、35〜70体積％の気孔とを含む、請求項51に記載の結合式研磨工具。
【請求項６７】
第2の砥粒、充填材料、研削助材、気孔誘導媒体、ならびにこれらの組み合わせからなるグループから選択した少なくとも1つの成分をさらに含む、請求項50に記載の結合式研磨工具。
【請求項６８】
研削方法であって、
a）流体透過構造を持つ結合式研磨工具として、
1）融点が500〜1400℃である結合材料で保持された複数の砥粒を含む約5〜75体積％の焼結凝集体と；
2）結合材と；
3）互いにつながった少なくとも30体積％の気孔を含む合計で約35〜80体積％の気孔とを含み、
上記焼結凝集体は、この研磨工具を製造する前に三次元構造と初期サイズ分布を持っている結合式研磨工具において、
この結合式研磨工具を製造した後に、この研磨工具内の焼結凝集体の少なくとも50重量％が、三次元構造をした複数の砥粒を保持していることを特徴とする結合式研磨工具を用意するステップと；
b）この結合式研磨工具を工作物と接触させるステップと；
c）この工作物の表面をこの結合式研磨工具で研削するステップを含む研削方法。
【請求項６９】
a）流体透過構造を持つ結合式研磨工具であって、
1）約34〜56体積％の砥粒と；
2）約3〜25体積％の結合材と；
3）互いにつながった気孔が少なくとも30体積％含まれた、約35〜80体積％の気孔とを含む結合式研磨工具において、互いにつながった上記気孔が、気孔誘導媒体を添加せず、長さと断面幅のアスペクト比が少なくとも5：1である細長い形状の材料も添加せずに形成されている結合式研磨工具を用意するステップと；
b）この結合式研磨工具を工作物と接触させるステップと；
c）この工作物の表面をこの結合式研磨工具で研削するステップを含む研削方法。
【請求項７０】
砥粒を凝集させる方法であって、
a）砥粒と、ガラス質結合材料、ガラス質材料、セラミック材料、無機結合材、有機結合材、ならびにこれらの組み合わせから本質的になるグループから選択した結合材料とを制御された供給速度で焼成用ロータリーキルンに供給するステップと；
b）このキルンを制御された速度で回転させるステップと；
c）供給速度とキルンの回転速度によって決まる加熱速度でこの混合物を約145℃から1,300℃まで加熱するステップと；
d）キルン内でこの混合物を回転させることにより、結合材料を砥粒に接着させ、その結果として多数の砥粒を互いに接着させて多数の焼結凝集体を形成するステップと；
e）結合材料によって互いに結合した多数の砥粒からなり、初期三次元形状を持ち、ルース充填密度が≦1.6g/ccである焼結凝集体をキルンから回収するステップとを含む方法。
【請求項７１】
砥粒と結合材料の均一な混合物を作った後、その混合物を焼成用ロータリーキルンに供給するステップをさらに含む、請求項70に記載の方法。
【請求項７２】
上記混合物を上記加熱用キルンの中で約0.25〜2.0時間にわたって回転させる、請求項70に記載の方法。
【請求項７３】
上記焼結凝集体の平均サイズが、砥粒の平均サイズの2〜20倍の大きさである、請求項70に記載の方法。
【請求項７４】
上記キルンを約0.5〜5°傾ける、請求項70に記載の方法。
【請求項７５】
上記キルンを0.5〜10rpmの速度で回転させる、請求項70に記載の方法。
【請求項７６】
上記混合物をキルン内に約5〜910kg/時の供給速度で供給する、請求項71に記載の方法。
【請求項７７】
上記混合物の供給速度を、この混合物がキルンの容積の8〜12体積％を占めるように設定する、請求項71に記載の方法。
【請求項７８】
圧縮テストにおいて破砕率が50％のとき、上記焼結凝集体の最小破砕強度が0.5である、請求項70に記載の方法。
【請求項７９】
上記混合物が、第2の砥粒、充填材料、研削助材、気孔誘導媒体、ならびにこれらの組み合わせからなるグループから選択した少なくとも1つの成分をさらに含む、請求項71に記載の方法。
【請求項８０】
上記混合物が気孔誘導媒体をさらに含み、その気孔誘導媒体の選択を、中空ガラス球、粉砕したクルミの殻、プラスチック材料または有機化合物からなる中空球またはビーズ、泡入りガラス粒子、気泡ムライト、気泡アルミナ、ならびにこれらの組み合わせの中から行なう、請求項71に記載の方法。
【請求項８１】
上記砥粒と上記結合材料をキルン内で800〜1200℃まで加熱する、請求項70に記載の方法。
【請求項８２】
上記温度が、上記結合材料を融かして流動させるのに効果的な温度であり、この融けた結合材料の粘度が少なくとも300ポアズである、請求項81に記載の方法。
【請求項８３】
上記均一混合物が凝集体となって生の凝集体を形成し、この生の凝集体を上記焼成用ロータリーキルンに供給する、請求項71に記載の方法。
【請求項８４】
砥粒の焼結凝集体であって、
a）砥粒と結合材料を制御された供給速度で焼成用ロータリーキルンに供給するステップと；
b）このキルンを制御された速度で回転させるステップと；
c）供給速度とキルンの回転速度によって決まる加熱速度でこの混合物を約145℃から1,300℃まで加熱するステップと；
d）キルン内でこの混合物を回転させることにより、結合材料を砥粒に接着させ、その結果として多数の砥粒を互いに接着させて多数の焼結凝集体を形成するステップと；
e）焼結凝集体をキルンから回収するステップとを含む方法で製造することによって製造される、
初期三次元形状を持ち、ルース充填密度が≦1.6g/ccであり、かつ多数の砥粒を含む、焼結凝集体。
【請求項８５】
第2の砥粒、充填材料、研削助材、気孔誘導媒体、ならびにこれらの組み合わせからなるグループから選択した少なくとも1つの成分をさらに含む、請求項84に記載の焼結凝集体。
【請求項８６】
上記結合材料が、主として、ガラス質結合材料、ガラス質材料、セラミック材料、無機結合材、有機結合材、有機結合材料、金属結合材料、ならびにこれらの組み合わせからなるグループから選択した材料を含む、請求項84に記載の焼結凝集体。
【請求項８７】
砥粒と結合材料の均一混合物を作った後、この混合物を焼成用ロータリーキルンに供給するステップをさらに含む、請求項84に記載の焼結凝集体。
【請求項８８】
平均サイズが、砥粒の平均サイズの2〜20倍の大きさである、請求項84に記載の焼結凝集体。
【請求項８９】
初期サイズの幅が、平均直径にして200〜3,000ミクロンである、請求項84に記載の焼結凝集体。
【請求項９０】
上記砥粒が微小砥粒であり、上記焼結凝集体の初期サイズの幅が、平均直径にして5〜180ミクロンである、請求項84に記載の焼結凝集体。
【請求項９１】
気孔を約30〜88体積％含む、請求項84に記載の焼結凝集体。
【請求項９２】
気孔の75体積％までが互いにつながった気孔である、請求項91に記載の焼結凝集体。
【請求項９３】
流体置換法によって測定され、凝集体を作るのに用いた砥粒と結合材料の見かけの体積に対する凝集体の体積の比として表現される凝集体の相対密度の最大値が0.7である、請求項84に記載の焼結凝集体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ある種の砥粒凝集体を用いることによって多孔性にした結合された（結合式）研磨製品または研削工具と、砥粒の凝集体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
研磨工具は、複合砥粒マトリックス内で砥粒、結合材、気孔が占める体積の相対的な割合によって決まるさまざまなグレードと構造のものが作られている。多くの研削加工では、研磨工具の気孔率、中でも気孔の透過状態または相互接続状態により、研削加工の効率が改善され、研削する工作物の品質が向上する。気孔誘導材（例えば気泡アルミナやナフタレン）を研磨複合混合物に添加すると、多孔性非硬化研磨工具の加圧成形や処理が可能になり、最終的に得られる工具に含まれる気孔の体積が十分な割合になる。
【０００３】
砥粒と結合材粒子を加圧成形する間に生じる自然の気孔は、ある種の研削加工にとって望ましい気孔特性を実現するには不十分である。気孔誘導材を添加して気孔の割合を増やすことが行なわれてきたが、従来技術で知られている気孔誘導材（例えば中空セラミックやガラス球）を用いたのでは、開放通路または相互接続された気孔を実現することはできない。ある種の気孔誘導材は、研磨材マトリックス（例えばクルミの殻やナフタレン）を燃焼させて追い出す必要がある。そのため製造上の問題点がいろいろと発生する。さらに、気孔誘導材、結合材料、砥粒の密度は本当にさまざまであるため、処理や成形の間に研磨材混合物がしばしば層を形成し、そのことによって、最終的に得られる研磨工具の三次元構造の均質的が失われる。
【０００４】
互いにつながった気孔の体積率、あるいは流体透過性は、研磨工具の研削効率を決める上で単なる気孔の体積率よりも重要な因子であることがわかっている。Wuに付与されたアメリカ合衆国特許第5,738,696号には、アスペクト比が少なくとも5：1の細長い砥粒を用いた結合式研磨材の製造方法が開示されている。結合式研磨材からなる砥石車は、互いにつながった気孔が55〜80体積％である透過構造を有する。互いにつながった気孔により、研磨廃棄物（磨きかす）を除去することと、研削中に砥石車の中を研削液を通過させることが可能になる。互いにつながった気孔の存在は、制御された条件下で砥石車の空気流透過率を測定することによって確認される。結合材を用いてフィラメント状砥粒を凝集体にしたりコーティングしたりするのは、砥石車を組み立てた後である。Wuに付与されたアメリカ合衆国特許第5,738,697号には、互いにつながった大量（40〜80体積％）の気孔を有する、透過率の大きな砥石車が開示されている。この砥石車は、アスペクト比が少なくとも5：1のファイバー状砥粒からなるマトリックスから作られる。ファイバー状砥粒は、焼結したゾルゲルアルミナ砥粒でもよいし、通常の非ファイバー状砥粒をさまざまなファイバー状充填材料（例えばセラミック・ファイバー、ポリエステル・ファイバー、ガラス・ファイバー）と混合したものや、これらファイバー状充填材料の粒子で構成したマットや凝集体と混合したものでもよい。フィラメント状砥粒を凝集体にしたりコーティングしたりするのは、砥石車を組み立てた後である。
【０００５】
砥粒は、さまざまな目的で凝集体にされてきた。主な目的は、より小さな粒子（グリット）サイズの砥粒を用いてより大きなグリット・サイズの砥粒と同じ研削効率を実現できるようにすることである。多くの場合、砥粒は結合材を用いて凝集体にし、砥粒をより強力に結合させることで気孔がより少ない構造とより密な研磨工具を実現している。砥粒凝集体は、研磨工具の気孔の量または性質とはまったく関係のないメカニズムによって研削効率が向上していることが報告されている。
【０００６】
Jacksonに付与されたアメリカ合衆国特許第2,194,472号には、比較的細かい複数の砥粒からなる凝集体と、コーテッド研磨工具または結合式研磨工具で一般に使用されている任意の結合材を用いて作ったコーテッド研磨工具が開示されている。凝集体をコーテッド研磨工具の裏材に接着させるのに有機結合材が使用される。凝集体のおかげで、比較的細かい砥粒で作ったコーテッド研磨工具は開放被覆面を持つようになる。個々の砥粒の代わりに凝集体で作ったコーテッド研磨工具は、研削に要する時間が比較的短く、寿命が長く、表面を細かく仕上げた工作物を作るのに適しているという特徴を持つ。
【０００７】
Bennerに付与されたアメリカ合衆国特許第2,216,728号には、任意のタイプの結合材から作られた砥粒／結合材の凝集体が開示されている。凝集体の目的は、研削加工中にダイヤモンドまたはCBN粒子がうしなわれないようにするため非常に密な砥石車構造を実現することである。凝集体を気孔構造体にするのは、凝集体同士を結合する材料を凝集体の気孔に流入させ、焼成によって構造を十分に密なものにするためである。凝集体にすることにより、そうでなければ製造中に失われてしまう細かい砥粒を用いることができる。
【０００８】
Hurstに付与されたアメリカ合衆国特許第3,048,482号には、砥粒と有機結合材料からなる凝集体をピラミッド形などの先細形状に成形した砥粒微小片が開示されている。この成形砥粒微小片は、繊維状の裏材に接着させてコーテッド研磨材を作り、薄い砥石車の表面に並べるのに使用される。この発明は、凝集体になった砥粒微小片なしで作った研磨工具と比べ、研削寿命がより長くなり、研磨工具の柔軟性が増し、強度、高速での安全性、弾性、研削効率が高くなっていることを特徴とする。
【０００９】
Elbelに付与されたアメリカ合衆国特許第3,982,359号には、樹脂結合材と砥粒の凝集体を形成し、その硬度を、研磨工具の内部でその凝集体を結合させるのに用いる樹脂結合材の硬度よりも大きくすることが記載されている。この凝集体を含むゴム結合式砥石車では、研削速度がより大きく、寿命がより長くなる。
【００１０】
Heyerに付与されたアメリカ合衆国特許第4,355,489号には、手で互いに接合した波形フィラメントと砥粒凝集体からなるマトリックスで作られていて、気孔が約70〜97体積％である研磨工具（ホイール、ディスク、ベルト、シート、ブロックなど）が開示されている。凝集体は、ガラス質結合材または樹脂結合材と、任意の砥粒を用いて作ることができる。
【００１１】
Bitzerに付与されたアメリカ合衆国特許第4,364,746号には、強度の異なるさまざまな砥粒凝集体を含む研磨工具が開示されている。凝集体は、砥粒と樹脂結合材から作ることができる。凝集体には、強度または硬度を大きくするための他の材料（例えば切断した繊維）が含まれていてもよい。
【００１２】
Eisenbergらに付与されたアメリカ合衆国特許第4,393,021号には、砥粒と樹脂結合材から研磨材凝集体を製造する方法が開示されている。そのためには、篩となるウエブを用い、砥粒と樹脂結合材のローラーで塗ってこのウエブを通過させ、毛虫のような押し出し体を作る。この押し出し体は、加熱して硬化させた後、破砕して凝集体にする。
【００１３】
Bloecherに付与されたアメリカ合衆国特許第4,799,939号には、砥粒、中空体、有機結合材からなる摩耗可能な凝集体と、コーテッド研磨材や結合式研磨材におけるこの凝集体の使用法が記載されている。凝集体を含む研磨工具では、湿式研削条件下において削り屑がよりうまく除去され、寿命が長くなることが請求項に記載されている。凝集体は、最大サイズが150〜3,000ミクロンであることが好ましい。この凝集体を作るためには、中空体、砥粒、結合材、水を混合してスラリーにし、このスラリーを熱または照射線で加熱して水を除去し、得られた固体混合物をジョークラッシャーまたはロールクラッシャーの中で破砕した後、スクリーニングする。
【００１４】
Wetshcerに付与されたアメリカ合衆国特許第5,129,189号には、砥粒と樹脂からなる凝集体と充填材料（例えば氷晶石）を含む樹脂結合材マトリックスを有する研磨工具が開示されている。
【００１５】
Benguerelに付与されたアメリカ合衆国特許第5,651,729号には、コアと研磨リムを有する砥石車が記載されている。研磨リムは、樹脂結合材と、ダイヤモンドまたはCBN砥粒とを金属結合材またはセラミック結合材で結合させた凝集体を破砕したもので作られている。この凝集体を用いて作った砥石車の利点として、切り屑の排出スペースが大きいこと、耐摩耗性が優れていること、自生特性を持つこと、砥石車の機械的耐久性が大きいこと、研磨リムを砥石車のコアに直接結合させうることが挙げられている。一実施態様では、ダイヤモンドまたはCBNが結合した使用予定の研磨リムを破砕してサイズを0.2〜3mmにし、凝集体を形成する。
【００１６】
Kressnerに付与されたアメリカ合衆国特許第4,311,489号には、細かい（200ミクロン以下の）砥粒と氷晶石を含み、必要に応じてさらにケイ酸塩結合材を含む凝集体と、この凝集体を利用してコーテッド研磨工具を製造する方法が開示されている。
【００１７】
Rostokerに付与されたアメリカ合衆国特許第4,541,842号には、砥粒凝集体と気泡を用いて作ったコーテッド研磨材と砥石車が開示されている。なお気泡は、ガラス質結合材料と、凝集体を焼成している間に発泡させるのに適した他の原料（例えばカーボンブラック、炭酸塩）の混合物から作る。凝集体になった“ペレット”では、砥粒よりも結合材が大きな体積を占めている。砥石車の製造に用いるペレットは900℃で焼結させ（て密度を70ポンド/立方フィート；1.134g/ccにし）、砥石車を作るのに用いるガラス質結合材は880℃で焼成する。ペレットを16体積％含む砥石車は、砥粒を46体積％含む比較用砥石車と同様の研削効率を示した。ペレットは、ガラス質結合材のマトリックス内に開放セルを含んでおり、開放セルの周辺には相対的に小さな砥粒が集結している。あらかじめ凝集体にした生の凝集体を焼成するためのロータリーキルンが記載されている。この凝集体は、後で発泡させて焼結することにより、ペレットにする。
【００１８】
Christiansonに付与されたアメリカ合衆国特許第5,975,988号には、裏材と、有機結合材によって結合した研磨材層とを有するコーテッド研磨工具が開示されている。この研磨材層では、研磨材は、切頭四角錐または立方体の形状に成形された凝集体として存在している。凝集体は、熱膨張係数が砥粒と同じか実質的に同じである無機結合材を内部に結合した状態で含む超砥粒から作られる。
【００１９】
StoetzelらのWO 00/51788には、裏材と、硬い無機粒子を内部に分散させた有機結合材と、裏材に結合した砥粒凝集体とを含む研磨工具が開示されている。凝集体の中の砥粒と、有機結合材の中の硬い無機粒子は、実質的に同じサイズである。凝集体は、ランダムな形状でも厳密な形状でもよく、有機結合材を用いて作られる。硬い無機粒子としては、多数ある砥粒のうちの任意のものが可能である。
【００２０】
イマイらに付与されたアメリカ合衆国特許第6,086,467号には、砥粒と、砥粒よりもサイズの小さな充填粒子からなる粒子クラスターとを含む砥石車が開示されている。ガラス質結合材を使用することができ、充填粒子は酸化クロムにすることができる。粒子クラスターのサイズは、砥粒のサイズの1/3以上である。利点としては、結合材の摩耗を制御できること、超砥粒を用いた小さな力での研削（この場合、超砥粒を希釈して研削力が最小になるようにする必要がある）において砥粒が保持されることなどが挙げられる。充填粒子のクラスターは、ろうを用いて形成することができる。クラスターの焼結については開示されていない。
【００２１】
AdefrisらのWO 01/04227 A2には、堅固な裏材と、砥粒が内部に含まれた多孔性セラミック・マトリックスからなるセラミック-研磨材複合体とを含む研磨工具が開示されている。この複合体は、金属コーティング（例えば電気メッキした金属）によって裏材に取り付けられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
これまでに開発された上記のどの研磨工具でも、結合式研磨工具において気孔の割合と性質を制御するとともに、互いにつながった透過可能な気孔の形状になった気孔を維持することを目的として、多孔性砥粒凝集体と粒子状結合材を用いて研磨工具を製造することについては示唆されていない。研磨工具で使用するための多彩な砥粒凝集体を回転焼成法を利用して製造することについての示唆もない。本発明の方法と研磨工具により、既存の砥粒と結合材を組み合わせた凝集混合物から新しい構造が生まれる。本発明の方法と研磨工具が優れているのは、2種類の気孔があって、互いにつながった気孔を有するという有利な特性を有する多彩な構造の気孔を設計し製造できるからである。気孔に2種類があり、互いにつながった気孔を有することにより、研磨工具の性能が、特に接触面積が広い精密研削加工（例えばクリープフィード表面研削プロセス、内径研削プロセス、工具空間研削プロセス）において向上する。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、流体透過構造を持つ結合式研磨工具であって、
a）融点が500〜1400℃である結合材料内に保持された複数の砥粒を含む約5〜75体積％の焼結凝集体と；
b）結合材と；
c）互いにつながった少なくとも30体積％の気孔を含む合計で約35〜80体積％の気孔とを含み、
上記焼結凝集体は、この研磨工具を製造する前に三次元構造と初期サイズ分布を持っている結合式研磨工具において、
この結合式研磨工具を製造した後に、この研磨工具内の焼結凝集体の少なくとも50重量％が、三次元構造をした複数の砥粒を保持していることを特徴とする結合式研磨工具にある。
【００２４】
本発明の別の実施態様には、流体透過構造を持つ結合式ビトリファイド研磨工具であって、
a）融点における粘度がAである結合材料と複数の砥粒を焼結させた約5〜75体積％の焼結凝集体と；
b）上記結合材料の融点における粘度が粘度Aよりも少なくとも33％小さい粘度Bであるガラス質結合材と；
c）互いにつながった気孔が少なくとも30体積％含まれた約35〜80体積％の気孔とを含むビトリファイド研磨工具が含まれる。
【００２５】
本発明にはさらに、流体透過構造を持つビトリファイド研磨工具であって、
a）融点がAである結合材料と複数の砥粒を焼結させた約5〜60体積％の焼結凝集体と；
b）融点Aよりも少なくとも150℃低い融点Bを持つガラス質結合材と；
c）互いにつながった気孔が少なくとも30体積％含まれた約35〜80体積％の気孔とを含む結合式研磨工具も含まれる。
【００２６】
本発明の別の面によれば、研磨工具は、流体透過構造を持つ結合式研磨工具であって、
a）約34〜56体積％の砥粒と；
b）約3〜25体積％の結合材と；
c）互いにつながった気孔が少なくとも30体積％含まれた約35〜80体積％の気孔とを含む結合式研磨工具において、
互いにつながった上記気孔が、気孔誘導媒体を添加せず、長さと断面幅のアスペクト比が少なくとも5：1である細長い形状の材料も添加せずに形成されていることを特徴とする結合式研磨工具である。
【００２７】
本発明にはさらに、本発明の凝集体と研磨工具を製造する方法も含まれる。
【００２８】
本発明には、砥粒を凝集体にする方法であって、
a）主として、ガラス質結合材料、ガラス質材料、セラミック材料、無機結合材、有機結合材、ならびにこれらの組み合わせからなるグループから選択した結合材料と、砥粒とを、制御された供給速度で焼成用ロータリーキルンに供給するステップと；
b）このキルンを制御された速度で回転させるステップと；
c）供給速度とキルンの回転速度によって決まる加熱速度でこの混合物を約145℃から1,300℃まで加熱するステップと；
d）キルン内でこの混合物を回転させることにより、結合材料を砥粒に接着させ、その結果として複数の砥粒を互いに接着させて複数の焼結凝集体を形成するステップと；
e）結合材料によって互いに結合した複数の砥粒からなり、初期三次元形状を持ち、ルース充填密度（loose packing density）が≦1.6g/ccである焼結凝集体をキルンから回収するステップとを含む方法が含まれる。
【００２９】
本発明には、砥粒の焼結凝集体であって、
a）砥粒と結合材料を制御された供給速度で焼成用ロータリーキルンに供給するステップと；
b）このキルンを制御された速度で回転させるステップと；
c）供給速度とキルンの回転速度によって決まる加熱速度でこの混合物を約145℃から1,300℃まで加熱するステップと；
d）キルン内でこの混合物を回転させることにより、結合材料を砥粒に接着させ、その結果として複数の砥粒を互いに接着させて複数の焼結凝集体を形成するステップと；
e）焼結凝集体をキルンから回収するステップとを含む方法で製造することによって得られる、
初期三次元形状を持ち、ルース充填密度が≦1.6g/ccであり、複数の砥粒を含む焼結凝集体も含まれる。
【００３０】
この方法を用いると、約5〜75体積％の砥粒凝集体を含む研磨工具を、
a）主として、ガラス質結合材料、ガラス質材料、セラミック材料、無機結合材、有機結合材、ならびにこれらの組み合わせからなるグループから選択した結合材料と、砥粒とを、制御された供給速度で焼成用ロータリーキルンに供給するステップと；
b）このキルンを制御された速度で回転させるステップと；
c）供給速度とキルンの回転速度によって決まる加熱速度でこの混合物を約145℃から1,300℃まで加熱するステップと；
d）キルン内でこの混合物を回転させることにより、結合材料を砥粒に接着させ、その結果として複数の砥粒を互いに接着させて複数の焼結凝集体を形成するステップと；
e）結合材料によって互いに結合した複数の砥粒からなり、初期三次元形状を持ち、ルース充填密度が≦1.6g/ccである焼結凝集体をキルンから回収するステップと；
f）焼結凝集体を鋳型に入れて成形された複合体にするステップと；
g）この成形された複合体を熱処理して研磨工具を作るステップを含む方法によって製造することができる。
【００３１】
本発明の研磨工具を用いた研削法、中でも表面研削法も開示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明による砥粒凝集体は、砥粒と結合材料からなる焼結した多孔性複合体を含む三次元構造体または粒子になっている。この凝集体は、ルース充填密度（LPD）が1.6g/cc以下であり、平均サイズが砥粒のグリット・サイズの約2〜20倍の大きさであり、気孔率が約30〜88体積％である。砥粒凝集体は、破砕強度の最小値が0.2MPaであることが好ましい。
【００３３】
砥粒としては、研磨工具で使用することが知られている1種類以上の砥粒が挙げられる。具体的には、アルミナ粒子（溶融アルミナ、焼結アルミナ、焼結ゾルゲルアルミナ、焼結ボーキサイトなどが含まれる）、炭化ケイ素、アルミナ-ジルコニア、アルミノオキシ窒化物、セリア、亜酸化ホウ素、ガーネット、フリント、ダイヤモンド（天然ダイヤモンドと合成ダイヤモンドが含まれる）、立方晶窒化ホウ素（CBN）、ならびにこれらの組み合わせが挙げられる。任意のサイズまたは形状の砥粒を用いることができる。例えば砥粒としては、アメリカ合衆国特許第5,129,919号に開示されているタイプの大きなアスペクト比を有する細長い焼結ゾルゲルアルミナ粒子などが可能である。
【００３４】
本発明で用いるのに適した砥粒のサイズは、通常の砥粒のサイズ（例えば60ミクロンよりも大きく、7,000ミクロンまで）から微小砥粒のサイズ（例えば0.5〜60ミクロン）まで、あるいはこれらのサイズの混合である。ある研削加工を行なうとき、この研削加工のために通常選択される（凝集体になっていない）砥粒のグリット・サイズよりも小さなグリット・サイズの砥粒を凝集体にすることが望ましい。例えばグリット・サイズが80の砥粒を凝集体にする代わりにグリット・サイズが54の砥粒にしたり、グリット・サイズが100の砥粒を凝集体にする代わりにグリット・サイズが60の砥粒にしたり、グリット・サイズが120の砥粒を凝集体にする代わりにグリット・サイズが80の砥粒にしたりする。
【００３５】
典型的な砥粒焼結凝集体の好ましいサイズは、平均直径にして約200〜3,000ミクロンである。この値は、350〜2,000ミクロンであることが好ましく、425〜1,000ミクロンであることが最も好ましい。微小砥粒の場合には、焼結凝集体の好ましいサイズは、平均直径にして5〜180ミクロンである。この値は、20〜150ミクロンであることが好ましく、70〜120ミクロンであることが最も好ましい。
【００３６】
砥粒は、凝集体の中に約10〜65体積％存在している。この値は、35〜55体積％であることが好ましく、48〜52体積％であることが最も好ましい。
【００３７】
凝集体を作るのに役立つ結合材料としては、セラミック材料やガラス質材料が挙げられるが、結合式ビトリファイド研磨工具の結合材系として使用されるタイプのものが好ましい。ガラス質結合材料としては、予備焼成したガラスを粉砕した粉末（フリット）、さまざまな原料（例えば粘土、長石、ライム、ホウ砂、ソーダ）の混合物、あるいはフリットと原料の組み合わせが可能である。このような材料は、約500〜1400℃の温度で融けて液体ガラス相を形成することにより砥粒の表面を濡らし、冷却したときに結合の基点を形成するため、砥粒が複合構造の中に保持される。凝集体の中で使用するのに適した結合材料の具体例を下記の表2に示してある。好ましい結合材料は、1180℃における粘度が約345〜55,300ポアズであり、融点が約800〜1,300℃であることを特徴とする。
【００３８】
好ましい一実施態様では、結合材料は、71重量％のSiO2およびB2O3と、14重量％のAl2O3と、0.5重量％未満のアルカリ土類酸化物と、13重量％のアルカリ酸化物とからなる焼成酸化組成物を含むガラス質結合組成物である。
【００３９】
結合材料は、セラミック材料でもよい。具体的には、シリカ、アルカリケイ酸塩、アルカリ土類ケイ酸塩、アルカリケイ酸塩とアルカリ土類ケイ酸塩の混合物、ケイ酸アルミニウム、ケイ酸ジルコニウム、ケイ酸塩水和物、アルミン酸塩、酸化物、窒化物、オキシ窒化物、炭化物、オキシ炭化物、これらの組み合わせ、これらの誘導体などが挙げられるが、これですべてというわけではない。一般に、セラミック材料は、結晶構造を持つという点がガラス状材料またはガラス質材料とは異なっている。特に未精製状態のセラミック材料には、結晶構造以外にいくつかのガラス相が存在している可能性がある。生の状態のセラミック材料（例えば粘土、セメント、ミネラル）を本発明で使用することができる。本発明で使用するのに適した具体的なセラミック材料としては、シリカ、ケイ酸ナトリウム、ムライト、他のケイ酸アルミノ、ジルコニア-ムライト、アルミン酸マグネシウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸ジルコニウム、長石、他のアルカリ-アルミノ-ケイ酸塩、スピネル、アルミン酸カルシウム、アルミン酸マグネシウム、他のアルミン酸アルカリ、ジルコニア、イットリアで安定化させたジルコニア、マグネシア、カルシア、酸化セリウム、チタニア、他の希土類添加剤、タルク、酸化鉄、酸化アルミニウム、ボヘマイト、酸化ホウ素、アルミナ-オキシ窒化物、窒化ホウ素、窒化ケイ素、グラファイト、これらセラミック材料の組み合わせが挙げられるが、これですべてというわけではない。
【００４０】
結合材料は粉末形態で使用される。凝集体を製造している間に結合材料を液体ビヒクルに添加し、結合材料と砥粒の均一で均質な混合物が確実に形成されるようにすることができる。
【００４１】
有機結合材の分散液を成形助剤または処理助剤として粉末状の結合材料成分に添加することが好ましい。そのような結合材としては、デキストリン、デンプン、動物タンパク質性の膠、他のタイプの膠；液体成分（例えば、水、溶媒、粘性変更剤、pH変更剤）；混合助剤などが挙げられる。有機結合材を用いると、凝集体の均一性（特に砥粒表面における結合材料分散液の均一性）と、予備焼成した凝集体または生の凝集体の構造特性が向上するとともに、凝集体を含む焼成研磨工具の均一性が向上する。結合材は凝集体を焼成している間に燃損して除去されるため、最終的な凝集体の一部になることはなく、完成した研磨工具の一部になることもない。
【００４２】
混合物の品質を向上させる必要があるとき、無機接着促進剤を混合物に添加して砥粒に対する結合材料の接着性を改善することができる。無機接着促進剤は、凝集体を作るとき、有機結合材とともに使用してもよいし、有機結合材なしで使用してもよい。
【００４３】
本発明の凝集体では高温で融ける結合材料が好ましいとはいえ、結合材料は、他の無機結合材、有機結合材、有機結合材料、金属結合材料のいずれか、またはこれらの組み合わせも含んでいてよい。研磨工具産業において、有機結合式研磨材、コーテッド研磨材、金属結合式研磨材などの結合材として使用される結合材料が好ましい。
【００４４】
結合材料は、凝集体の約0.5〜15体積％存在している。この値は、1〜10体積％であることが好ましく、2〜8体積％であることが最も好ましい。
【００４５】
凝集体の内部に存在する気孔の好ましい体積％は、研磨工具を製造し、その研磨工具を用いて研削するのに必要な凝集体の機械的強度の限界内で技術的に可能なできるだけ大きい値である。気孔は、30〜88体積％の範囲が可能である。この値は、40〜80体積％であることが好ましく、50〜75体積％であることが最も好ましい。凝集体の内に存在する気孔の一部（例えば約75体積％まで）は、互いにつながった気孔として存在していること、あるいは流体（例えば液体（具体的には研削液や磨きかす）や空気）の流れが透過可能な気孔であることが好ましい。
【００４６】
凝集体の密度は、多くの方法で表現することができる。凝集体のバルク密度は、LPDとして表現することができる。凝集体の相対密度は、凝集体の内部に存在する互いにつながった気孔の体積を考慮に入れて、初期相対密度の％値として、すなわち凝集体を作るのに用いた成分に対する凝集体の相対密度の比として表現することができる。
【００４７】
％で表示した初期平均相対密度は、空隙率をゼロと仮定し、LPD（ρ）を凝集体の理論密度（ρ0）で割ることによって計算できる。理論密度は、混合物法の体積測定規則に従い、凝集体に含まれている結合材料と砥粒の重量％および比重から計算することができる。本発明の焼結凝集体については、％で表示した最大相対密度は50体積％であるが、この値は30体積％であることがより好ましい。
【００４８】
相対密度は、流体置換法によって測定することができる。すると互いにつながった気孔は含まれるが、閉鎖セル状態の気孔は除かれる。相対密度は、流体置換法で測定した焼結凝集体の体積を、凝集体を作るのに用いた材料の体積で割った値である。焼結凝集体を作るのに用いた材料の体積は、凝集体を作るのに用いた砥粒と結合材の量および充填密度に基づいた見かけの体積を示す1つの指標である。本発明による焼結凝集体に関しては、最大相対密度が0.7であることが好ましい。この値は、0.5であることがさらに好ましい。
【００４９】
凝集体は、さまざまな方法でいろいろなサイズと形状にすることができる。これらの方法は、砥粒と結合材料からなる初期（“生”）段階混合物を焼成する前、焼成している間、焼成した後のいずれの時期に実施してもよい。この混合物を加熱して結合材料を溶融・流動状態にすることによって結合材料を砥粒に接着させ、砥粒を凝集体の形状に固定するステップは、焼成、または假焼、または焼結と呼ばれる。砥粒凝集体を作るには、砥粒混合物を凝集体にするためのどの従来法を利用してもよい。
【００５０】
凝集体を作るための本発明による方法の第1の実施態様では、砥粒と結合材料の初期混合物を凝集体にした後、その混合物を焼成し、“生の凝集体”または“予備焼成した凝集体”と呼ばれる比較的弱い機械的構造を作る。
【００５１】
この第1の実施態様を実施するためには、多数の異なる方法によって（例えばパン・ペレタイザーの中で）砥粒と結合材料を生状態で凝集体にした後、焼結させるために回転焼成装置に入れるとよい。生の凝集体をトレイまたはラックの上に置き、炉の中で回転させることなく連続プロセスまたはバッチ・プロセスとして焼成するとよい。
【００５２】
砥粒は、流動床に搬入した後、結合材料を含む液体で湿らせてその結合材料を砥粒に接着させ、凝集体のサイズのスクリーニングを行ない、次いで炉または焼成装置の中で焼成するとよい。
【００５３】
パン・ペレット化は、砥粒を混合容器に入れ、結合材料を含む液体成分（例えば水、あるいは有機結合材と水）を計量して砥粒の上に供給し、混合しながら両者を凝集体にすることによって実現できる。結合材料に必要に応じて有機結合材を分散させた液体を砥粒の表面にスプレーし、次いでこのコーティングされた砥粒を混合して凝集体にするとよい。
【００５４】
低圧押し出し装置を用いて砥粒と結合材料からなるペーストを押し出すことによりさまざまなサイズと形状にし、それを乾燥させて凝集体にすることができる。アメリカ合衆国特許第4,393,021号に記載されている装置と方法を利用すると、結合材料と、有機結合材溶液に含まれた砥粒とからペーストを作り、そのペーストを押し出して細長い粒子にすることができる。
【００５５】
乾式粒子化プロセスでは、結合材料分散液または結合材料ペーストの中に埋め込まれた砥粒を用いて作ったシートまたはブロックを乾燥させた後、ロール圧縮装置を用いて砥粒と結合材料からなる複合体を破砕することができる。
【００５６】
生の凝集体または凝集前躯体を作るための別の方法では、例えばアメリカ合衆国特許第6,217,413号B1に記載されているようにして結合材料と砥粒の混合物を成形装置に入れて成形した後、その成形した混合物を正確な形状とサイズにすることができる。
【００５７】
凝集体を作るための本発明による方法の第2の実施態様では、砥粒と結合材料（と、必要に応じて有機結合材）の単純な混合物を図1に示したタイプの回転焼成装置に供給する。この混合物を加熱しながら所定の傾斜に沿って所定のrpmで回転させる。結合材料が加熱され、融け、流動状態になって砥粒に接着すると凝集体が形成される。焼成ステップと凝集体形成ステップは、速度、供給量、加熱を制御した状態で同時に実行される。供給速度は、一般に、回転焼成装置の管（すなわち炉の部分）の約8〜12体積％を占める流れが発生するように設定する。装置内の最高加熱温度は、液体状態になっている結合材料の粘性率が少なくとも約1,000を維持するように選択する。こうすることにより、結合材料が過度に管の表面に流れて砥粒の表面から結合材料が失われるのを避けることができる。
【００５８】
図1に示したタイプの回転焼成装置を利用すると、単一の処理ステップで凝集体を形成して焼成する凝集体形成プロセスを実行することができる。図1に示したように、供給ホッパー（10）に収容されている結合材料と砥粒の混合物である供給材料（11）が、この供給材料を計量して中空加熱管（13）に送るための手段（12）に供給される。中空加熱管（13）は傾斜角（14）が約0.5〜5.0°になっているため、供給材料（11）は重力によって中空加熱管（13）を通過することができる。そのとき中空加熱管（13）を矢印（a）の方向に制御された速度で回転させ、供給材料（11）と加熱された混合物（18）がこの中空加熱管の中を通過するときに両者を混合する。
【００５９】
中空加熱管（13）の一部を加熱する。一実施態様では、加熱部分は、長さ（d2）が120インチ（305mm）の中空加熱管（13）に沿って、長さ（d1）が60インチ（152mm）ある3つの加熱帯域（15、16、17）を備えている。加熱帯域があるため、操作者は、処理温度を制御して凝集体を焼結させるのに必要な温度にすることができる。別のタイプの装置では、中空管が加熱帯域を1つまたは2つしか備えていないようにすること、あるいは加熱帯域を4つ以上備えているようにすることができる。図1には示していないが、この装置は、熱処理を行なうため、加熱装置と、機械式、電気式の温度制御装置および温度感知装置を備えている。中空加熱管（13）の断面図からわかるように、供給材料（11）は、この中空加熱管の中で加熱された混合物（18）に変化してこの中空加熱管から出て行き、粒子凝集体（19）として回収される。中空加熱管の壁は、この中空加熱管のタイプと、製造に用いる材料の種類（例えば耐熱性金属合金、耐熱レンガ、炭化ケイ素、ムライト）に応じ、内径（d3）が5.5〜30インチ（14〜76mm）、直径（d4）が6〜36インチ（15〜91mm）である。
【００６０】
中空加熱管の傾斜角は0.5〜5.0°であり、中空加熱管の回転速度は、0.5〜10rpmにすることができる。小さな回転焼成装置への供給速度は、約5〜10kg/時の範囲が可能であり、工業的製造スケールでの供給速度は、約227〜910kg/時の範囲が可能である。回転焼成装置は、800〜1400℃という焼成温度まで加熱することができる。供給材料は、加熱帯域に入ると200℃/分までの速度で加熱することができる。冷却は、供給材料が加熱帯域から非加熱帯域に移動したときに中空加熱管の後端部で起こる。生成物は、例えば水冷システムを用いて室温まで冷却して回収する。
【００６１】
適切な回転焼成装置は、ハーパー・インターナショナル社（バッファロー、ニューヨーク州）、アルストーム・パワー社、アプライド・テスト・システムズ社、あるいは他の装置メーカーから入手することができる。この装置は、必要に応じ、電気式製造過程制御・検出装置、冷却システム、さまざまな設計の供給装置、これら以外のオプションの装置を備えることができる。
【００６２】
低温（例えば約145〜約500℃）で硬化する結合材料を用いて砥粒を凝集体にするとき、別のタイプの回転焼成装置を用いることができる。砥粒混合物を加熱し、結合材料を硬化させて砥粒に結合させるため、回転乾燥装置を取り付けて加熱した空気を中空加熱管の排出端に供給する。すると砥粒は、中空加熱管から回収するときに凝集体になっている。この明細書では、“回転焼成装置”という用語にこのような回転乾燥装置も含まれる。
【００６３】
凝集体を作るための本発明による方法の第3の実施態様では、砥粒、結合材料、有機結合材系からなる混合物を、あらかじめ凝集体にせず、加熱もしないで炉の中に供給する。この混合物を十分高温に加熱して結合材料を融かし、流動状態にして砥粒に接着させた後、冷却して複合体にする。この複合体を破砕し、スクリーニングして、焼結凝集体を得る。
【００６４】
第4の実施態様では、研磨工具を作った後に凝集体を焼結させる。つまり結合材料を用いて“生”の凝集体を成形して研磨工具の本体を形成し、この本体を焼成して研磨工具にする。この方法を実施するための好ましい1つの方法では、（融けたときに液体になる）粘性率の大きなガラス質結合材料を用い、生の状態の砥粒を凝集体にする。生の凝集体を炉で乾燥させ、粘性率がより小さいことが好ましい第2のガラス質結合組成物と混合し、成形して生の研磨工具の形態にする。粘性率の大きなガラス質結合材料を融かすが流動状態にはしない温度にて、この生の研磨工具を焼成する。焼成温度は、結合材料組成物を融かしてガラスにするのに十分な高温にする。すると砥粒が凝集体になり、結合組成物が流動し、凝集体が結合して研磨工具が形成される。この方法を実施する上で、粘性率の異なる材料を選択することや、融点が異なる材料を選択することは重要でない。生状態の凝集体から研磨工具を作るのに、従来技術で知られている結合材料や結合材の別の組み合わせをこの方法で利用することができる。
【００６５】
本発明による結合式研磨工具には、砥石車、セグメント砥石車、ディスク、ホーン、砥石、これら以外のモノリシックな研磨材複合体、セグメント式研磨材複合体、成形された研磨材複合体が含まれる。本発明の研磨工具は、砥粒凝集体を約5〜75体積％含んでいる。この値は、10〜60体積％であることが好ましく、20〜52体積％であることが最も好ましい。
【００６６】
好ましい一実施態様では、結合式ビトリファイド研磨工具は、結合材を約3〜25体積％含んでいる。この値は、4〜20体積％であることが好ましく、5〜19体積％であることが最も好ましい。研磨工具は、砥粒凝集体と結合材以外に、気孔を約35〜80体積％含んでいる。この気孔の中には、互いにつながった気孔が少なくとも30体積％含まれている。研磨工具は、気孔を55〜80体積％含んでいることが好ましく、この気孔の中には、互いにつながった気孔が少なくとも50体積％含まれていることが好ましい。結合式ビトリファイド研磨工具は、焼結凝集体を35〜52体積％と、ガラス質結合材を3〜13体積％と、気孔を35〜70体積％含むことができる。
【００６７】
互いにつながった気孔の量は、アメリカ合衆国特許第5,738,696号の方法に従って研磨工具の流体透過率を測定することにより明らかになる。この明細書では、Q/Pは、研磨工具の流体透過率である。ただしQはccの単位で表わした空気流の速度であり、Pは圧力差を表わす。Q/Pは、流体（例えば空気）の速度が所定の値であるときに研磨工具と大気圧の間で測定された圧力差を表わす。この相対透過率Q/Pは、(気孔の体積)×(気孔のサイズ)2に比例する。気孔のサイズは大きいほうが好ましい。気孔の幾何学的形状と砥粒のサイズはQ/Pに影響を与える別の因子であり、グリット・サイズが大きいほど相対透過率が大きくなる。
【００６８】
本発明の研磨工具は、従来技術による比較用研磨工具よりも流体透過率が大きいという特徴を持つ。この明細書では、“従来技術による比較用研磨工具”は、本発明の研磨工具と同じ砥粒と結合材を用い、気孔と結合材の体積％が同じになるように作った研磨工具を意味する。一般に、本発明の研磨工具は、流体透過率の値が、従来技術による比較用研磨工具よりも約30〜100％大きい。本発明の研磨工具は、流体透過率の値が、従来技術による比較用研磨工具よりも少なくとも10％大きいことが好ましく、少なくとも30％大きいことがさらに好ましい。
【００６９】
凝集体のサイズと形状、結合材の種類、気孔の量が具体的に与えられた場合の正確な相対流体透過率パラメータは、所定のタイプの研磨工具に関する経験的データにダーシーの法則を適用することによって明らかにすることができる。
【００７０】
砥石車内の気孔は、研磨工具の成分（特に砥粒凝集体）が天然状態で充填されることによって生まれる開放空間からと、場合によってはそれに加えて、従来から知られている気孔誘導媒体の添加によって生まれる開放空間から生じる。適切な気孔誘導媒体としては、中空ガラス球、粉砕したクルミの殻、プラスチック材料または有機化合物からなる中空球またはビーズ、泡入りガラス粒子、気泡ムライト、気泡アルミナ、ならびにこれらの組み合わせが挙げられるが、これがすべてではない。研磨工具は、開放セル型の気孔誘導材（例えばナフタレン・ビーズやそれ以外の有機粒子）を用いて作ることができる。気孔誘導材は、研磨工具を焼成している間に燃損してなくなるため、研磨工具のマトリックス内に空いた空間が残る。研磨工具は、閉鎖セル型の中空気孔誘導材（例えば中空ガラス球）を用いて作ることもできる。本発明による好ましい研磨工具は、添加した気孔誘導材を含んでいないか、添加した気孔誘導材をわずかな量含んでいる。後者の場合、気孔誘導材の量は、互いにつながった気孔を少なくとも30体積％有する研磨工具を作るのに有効な量である。
【００７１】
本発明の結合式研磨工具は、気孔構造を有する。この構造では、焼結凝集体の平均直径は、互いにつながった気孔を最大開放状態で測定したときの互いにつながった気孔の平均サイズよりも大きくはない。
【００７２】
完成した研磨工具は、必要に応じ、第2の砥粒、充填材、研削助材、気孔誘導材のいずれか、またはこれらの材料の組み合わせを含んでいる。研磨工具に含まれる砥粒の合計（砥粒凝集体と凝集体でない砥粒）は、研磨工具の約34〜約56体積％にすることができる。この値は、約36〜約54体積％であることがより好ましく、約36〜約46体積％であることが最も好ましい。結合式研磨工具は、密度が2.2g/cc未満であることが好ましい。
【００７３】
個別の砥粒を砥粒凝集体と組み合わせて用いる場合には、凝集体が、研磨工具の全砥粒の約5〜約100重量％を占めることが好ましい。この値は、約30〜約70体積％であることがより好ましい。このような第2の砥粒を用いる場合には、その砥粒が研磨工具の全砥粒の約0.1〜約95重量％を占めることが好ましい。この値は、約30〜約70体積％であることがより好ましい。適切な第2の砥粒としては、さまざまなアルミニウム酸化物、ゾルゲルアルミナ、焼結ボーキサイト、炭化ケイ素、アルミナ-ジルコニア、アルミノオキシ窒化物、セリア、亜酸化ホウ素、立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンド、フリント、ガーネットの粒子、ならびにこれらの組み合わせが挙げられるが、これがすべてではない。
【００７４】
本発明の研磨工具は、ガラス質結合材によって結合していることが好ましい。研磨工具を作るとき、従来技術で知られているさまざまな結合材のうちの任意のものを選択してこの明細書で使用することができる。適切な結合材の具体例は、アメリカ合衆国特許第4,543,107号、第4,898,597号、第5,203,886号、第5,401,284号、第5,536,283号、第5,095,665号、第5,863,308号、第5,094,672号の中に見いだすことができる。なお、これらの特許文献は、参照することによってこの明細書に書き込まれているものとする。
【００７５】
焼成後、ガラス質結合材組成物は、SiO2、Al2O3、Na2O、Li2O、B2O3という酸化物の組み合わせを含んでいることが好ましい。他の酸化物として、例えばK2O、ZnO、ZrO2や、アルカリ土類酸化物（例えばCaO、MgO、BaO）が存在していてもよい。結合材に色がついていることが望ましい場合には、酸化コバルト（CoO）やそれ以外の着色源も含まれていてよい。他の酸化物として、原料中に不純物として存在するFe2O3、TiO2、P2O5や、それ以外の化合物も結合材に含まれていてよい。生の（すなわち未焼成の）結合材に加えて、あるいは生の結合材の代わりに、フリットを用いることができる。結合材のための原料としては、粘土、カオリン、アルミナ、炭酸リチウム、ホウ砂五水和物またはホウ酸、ソーダ灰、フリント、ケイ灰石、ならびに従来技術で知られている同様の他の結合材が挙げられる。ガラス質結合材としては、ガラス材料またはセラミック材料が可能であり、アモルファス領域はあってもなくてもよい。
【００７６】
粉末状の結合材成分に対し、成形助材または処理助材として、フリット状態または生状態の有機結合材を添加することが好ましい。そのような結合材としては、デキストリン、デンプン、動物タンパク質性の膠、他のタイプの膠、液体成分（例えば、水、粘性変更剤、pH変更剤）、混合助剤などが挙げられる。結合材を用いると、砥石車の均一性と、予備焼成した砥石車または生の砥石車の構造特性と、焼成した砥石車の構造特性が向上する。結合材は凝集体を焼成している間に燃損して除去されるため、最終的な結合材の一部になることはなく、完成した研磨工具の一部になることもない。
【００７７】
混合プロセスおよび成形プロセスの間に必要に応じて無機接着促進材を混合物に添加し、ガラス質結合材が砥粒凝集体によりよく接着できるようにすることができる。無機接着促進材は、凝集体を作る際に、有機結合材とともに使用すること、あるいは有機結合材なしで使用することができる。
【００７８】
凝集体によっては、結合材を添加せずに研磨工具を作ることができる。ただしそのためには、十分な結合材料が研磨工具の中に存在していて、研磨工具を製造しているときや、研磨工具を研削加工で使用しているときに、研磨工具が適切な機械的強度を持つ状態になっていなければならない。例えば研磨工具は、少なくとも70体積％の凝集体を用いて構成することができる。結合材料の含有量は、凝集体の少なくとも5体積％である。
【００７９】
研磨工具の密度と硬度は、凝集体、結合材の種類、研磨工具を構成する他の成分、気孔の含有率、鋳型のサイズと種類、加圧法を選択することによって決まる。
【００８０】
砥石車は、従来技術で知られている任意の手段（例えば熱間プレス法や冷間プレス法）で成形と加圧を行なうことができる。生の砥石車を形成するための成形圧力を選択するときには、砥粒凝集体が過度に破砕される（例えば凝集体の50重量％超）のを避け、凝集体が三次元形状を保持できるようにするため、注意が必要である。本発明の砥石車を製造するために印加するのに適した最大圧力は、砥石車の形状、サイズ、厚さ、結合材成分に依存すると同時に、成形温度にも依存する。一般的な製造プロセスでは、最大圧力は3,100〜20,000ポンド/平方インチ（218〜1,406kg/cm2）の範囲である。成形と加圧は、約775〜1,550kg/cm2で実施することが好ましい。より好ましいのは、約465〜1,085kg/cm2で実施することである。本発明の凝集体は、研磨工具を製造するための一般的な製造プロセスにおいて実施される成形ステップと加圧ステップに十分に耐えられる強度を有する。
【００８１】
砥石車は、当業者に知られている方法で焼成することができる。焼成条件は、主として、実際に使用する結合材および研磨材と、砥粒凝集体に含まれる結合材料の種類によって決まる。選択した結合材の化学的組成に応じてガラス質結合材を600〜1250℃（好ましくは850〜1200℃）で焼成し、金属、セラミック、あるいはこれら以外の材料を研削するのに必要な機械的特性を与えることができる。ガラス質結合材で結合させた本体は、従来法で焼成した後、さらに研削助材（例えばイオウ）またはビヒクル（例えばエポキシ樹脂）に浸すことにより、研削助材を砥石車の気孔に入れることもできる。
【００８２】
適切なガラス質結合材の選択は、どの凝集体形成法を利用するかと、凝集体に含まれる結合材と結合材料で融点または粘性率の違いが維持されるかどうかによって異なることになろう。
【００８３】
結合式ビトリファイド砥石車またはそれ以外の研磨工具を砥粒凝集体から作るとき、いくつかある一般的な方法のうちの1つを選択することができる。まず最初に、比較的高い焼成温度（例えば約1,000℃での溶融）でガラス化する結合材料を用いて砥粒を凝集体にする。次に、焼成温度がより低く（例えば約650〜975℃での溶融）、粉末になった第2のガラス質結合材組成物を砥粒凝集体と混合し、研磨工具の形状に成形する。この生状態の研磨工具を第2の結合材のより低い焼成温度で焼成し、完成した研磨工具にする。好ましい一実施態様では、ガラス質結合材の焼成温度は、結合材料の融点よりも少なくとも150℃低い。
【００８４】
第2の方法では、融けて液体状態になっているガラス間の粘度の違いを利用し、凝集体の製造と砥石車の焼成を同じ温度で行なう。第1の焼成ステップでは、粘度の大きなガラス質結合材料を用いて砥粒を凝集体にする。次に、焼成したこの凝集体を、粘度がより小さい第2のガラス質結合材組成物と混合し、成形して生の研磨工具の形状にする。成形した研磨工具は、凝集体を作るのに利用した第1の焼成ステップの温度とほぼ同じ温度で焼成することができる。というのも、結合材料は、高温の液体状態では過度に薄くなることがなく、砥粒が剥がれることもないからである。したがって凝集体の元の三次元構造を維持することができる。
【００８５】
この方法の好ましい一実施態様では、結合材料の融点におけるガラス質結合材の粘度は、その結合材料の融点におけるその結合材料の粘度よりも少なくとも33％小さい。したがって結合材料の粘度が1180℃において345〜55,300ポアズであるならば、好ましいガラス質結合材は、1180℃における粘度が約30〜37,000ポアズであることを特徴とする。
【００８６】
第3の方法では、焼成温度が中間的な値（例えば約850〜975℃）の結合材料を用いて砥粒を凝集体にするが、凝集体は、結合材料の融点よりも高い温度（例えば約1000〜1200℃）で形成される。凝集体は、ガラス質結合材組成物として使用したのと同じ結合材料と混合し、この混合物を成形して生の研磨工具の形状にする。この生の研磨工具を、結合材料を融かすのに用いた温度よりも低い温度（例えば約850〜975℃）で焼成し、砥粒を凝集体にする。この低温は、凝集体を互いに結合させるのに有効である。この方法により、凝集体の三次元構造が維持される。というのも、結合材料の第1の層は研磨工具の焼成温度では流動しないからである。
【００８７】
第4の方法では、同じ組成物を砥石車用の結合材料および結合材として使用し、凝集体の形成と砥石車の形成を同じ温度で実施する。凝集体を形成する間に結合材料が融けて砥粒に接着するガラスを形成するため、結合材料の性質が変化していることが理論的にわかっている。したがって焼結凝集体の内部にある融けた結合材料は、融けていない結合材よりも高い温度で流動するため、砥石車を焼成するときに凝集体はその形状を保持する。好ましい一実施態様では、結合材料および結合材として使用する組成物は原料をいくらか含んでおり、フリット・ガラス組成物で構成されることはない。
【００８８】
ビトリファイド研磨工具を作るための第5の方法では、結合材を添加することなくこの研磨工具を作る。凝集体を研磨工具用の鋳型に充填し、加圧し、約500〜1400℃の範囲の温度で焼成すると、研磨工具が形成される。凝集体を作るのに使用する結合材料は、ガラス質結合材組成物を含んでおり、結合材料は、完成したビトリファイド研磨工具の中で凝集体を互いに結合するのに十分な量（例えば凝集体の約5〜15体積％）が凝集体の中に存在している。
【００８９】
凝集体は、結合式研磨工具の製造において知られているあらゆるタイプの結合材（例えば有機結合材、樹脂結合材、金属結合材）を用いて結合させることができる。ビトリファイド研磨工具で使用するのに適した凝集体の体積％の範囲は、金属結合材または有機結合材によって結合した研磨工具においても満足できるものである。金属結合材または有機結合材によって結合した研磨工具では、通常、結合式ビトリファイド研磨工具と比較して、結合材の体積％はより大きく、気孔の体積％はより小さくなっており、砥粒の含有量はより大きくすることができる。金属結合材または有機結合材によって結合した研磨工具は、さまざまな方法で、また従来技術で知られている砥粒または砥粒凝集体、結合材、気孔成分をさまざまな割合にして、混合し、成形し、硬化または焼結させることができる。本発明の凝集体は、単層金属結合式研磨工具で使用することも、多層三次元構造のモノリシック研磨工具で使用することも、従来技術で知られているセグメント化マトリックス式研磨工具で使用することもできる。
【００９０】
本発明の研磨工具には、砥石車、ディスク、ホーン、砥石、棒が含まれる。本発明の研磨工具は、研磨工具と工作物の接触面積が大きい研削において特に有効である。そのような用途または研削加工としては、クリープフィード表面研削またはそれ以外の精密表面研削、多孔性工具空間研削加工、内径研削加工、セラミックやそれ以外の脆い工作物の表面微細研削などが挙げられる。
【００９１】
ミクロンサイズまたはサブミクロンサイズの砥粒を用いた微細研削加工または微細研磨作業では、本発明の凝集体を用いて製造した研磨工具を用いることで利益がもたらされるであろう。超仕上げまたは研磨のための従来の工具およびシステムと比べると、細かいグリットの砥粒凝集体を用いて作った本発明の研磨工具は、より小さな力で摩耗するため、精密仕上げ作業（例えばガラス成分またはセラミック成分の表面を鏡面仕上げする）の間に工作物の表面にダメージが及ぶことはほとんど、あるいはまったくない。研磨工具の寿命は、凝集体構造のため、特に単層研磨工具において満足のゆく状態に留まるが、三次元マトリックス研磨工具やスラリー研磨工具でも満足のゆく状態に留まる。
【００９２】
輪郭を正確な形に精密研削する場合には、凝集体が壊れやすいために目直しサイクルの数がより少なくなる。互いにつながった気孔が研磨工具に存在しているため、研削液の供給と削り屑の除去が行ないやすく、その結果としてより低い温度で研削加工を行なうことができ、工作物への熱によるダメージがより少なくなり、研削盤の摩耗がより少なくなる。凝集体の状態では、そうでない場合よりも砥粒のグリット・サイズが小さいため、より大きなグリット・サイズの砥粒と同じ研削効率でありながらより滑らかな仕上げ表面が得られる。その結果、研削加工の品質が顕著に向上することがしばしばある。
【実施例】
【００９３】
以下の実施例は、本発明を説明するためのものであり、本発明を制限するためのものではない。
【００９４】
実施例１
回転焼成装置（ハーパー・インターナショナル社（バッファロー、ニューヨーク州）が製造した電気焼成モデル#HOU-5D34-RT-28。最高温度1200℃、入力30kW、長さ72インチ（183cm）で内径5.5インチ（14cm）の耐熱性金属管付き）の中で、一連の砥粒凝集体サンプルを作った。耐熱性金属管を同じサイズの炭化ケイ素管に置き換え、この装置が最高温度1,550℃で作動するように改造した。凝集体形成プロセスは、大気圧条件下において、加熱帯域の温度制御の設定温度を1,180℃、装置の管の回転速度を9rpm、管の傾斜角度を2.5〜3°、材料の供給速度を6〜10kg/時にして実施した。使用した装置は、図1に示したのと実質的に同じ装置であった。使用可能な自由流動砥粒（選別用の-12メッシュを通過した粒子として定義される）の収率は、焼成前の供給原料の総重量に対して60〜90％であった。
【００９５】
凝集体サンプルは、表1-1に示したように、砥粒、結合材料、水を単純に混合することによって作った。サンプルを作るのに使用したガラス質結合材料組成物を表2に示してある。サンプルは、3種類の砥粒から作った。すなわち、溶融アルミナ38A、溶融アルミナ32A、焼結ゾルゲル・α-アルミナ・ノートンSG粒子（サン-ゴバン・セラミックス＆プラスチックス社、ウースター、マサチューセッツ州、アメリカ合衆国から入手）が、表1-1に示したグリット・サイズになったものである。
【００９６】
回転焼成装置の中で凝集体にし、その結果得られた砥粒凝集体サンプルをスクリーニングし、ルース充填密度（LPD）、サイズ分布、凝集体の強度を調べた。その結果を表1-1に示してある。
【００９７】
【表１】
2005522339.tif 000003
【００９８】
焼成した凝集体に含まれる結合材料の体積％は、結合材料の原料の平均LOI（強熱減量）を用いて計算した。
【００９９】
焼結凝集体のサイズは、振動スクリーニング装置（Ro-Tap；モデルRX-29；W.S.タイラー社、メントル、オハイオ州）に取り付けたUS標準テスト篩を用いて測定した。スクリーニング用メッシュのサイズは、さまざまなサンプルに合うよう、18〜140であった。焼結凝集体のルース充填密度（LPD）は、砥粒のバルク密度を測定するためのアメリカ国家規格の手続きに従って測定した。
【０１００】
％で表示した初期平均相対密度は、空隙率をゼロと仮定し、LPD（ρ）を凝集体の理論密度（ρ0）で割ることによって計算した。理論密度は、混合物法の体積測定規則に従い、凝集体に含まれている結合材料と研磨粒子の重量％および比重から計算した。
【０１０１】
凝集体の強度は、圧縮テストによって測定した。圧縮テストは、インストロン（登録商標）汎用テスト機械（モデルMTS 1125、20,000ポンド（9072kg））に取り付けた直径が1インチ（2.54cm）の油を差した鋼鉄製ダイを用いて5gの凝集体サンプルに対して行なった。この凝集体サンプルをダイの中に入れ、ダイの外側を叩くことによってわずかに均した。トップ・パンチを挿入し、記録装置に力が観測されるまでクロスヘッドを下げた（“初期位置”）。一定速度（2mm/分）で大きくなる圧力をサンプルに印加し、最大値180MPaに到達させた。クロスヘッドの変位（ゆがみ）として観測される凝集体サンプルの体積（サンプルの圧縮されたLPD）を相対密度として記録し、印加圧力の対数の関数で表わした。次に、残った材料をスクリーニングし、破砕率を明らかにした。印加圧力の対数と破砕率の関係を示すグラフを得るため、異なる圧力での測定を行なった。結果を、破砕率が凝集体サンプルの50重量％に等しくなる圧力として表1-1に示してある。破砕率は、破砕されてより小さなスクリーンを通過する粒子の重量の、サンプルの初期重量に対する割合である。
【０１０２】
これらの凝集体は、LPD、サイズ分布、成形強度、粒子サイズ保持特性が、砥石車を工業的に製造する際に用いるのに適していた。完成した焼結凝集体は三次元的形状を持っていたが、その形状は、三角柱、球形、立方体、直方体、ならびに他の幾何学的形状とさまざまであった。凝集体は、砥粒と砥粒が接触する点においてガラス質結合材料によって結合した複数の個々の砥粒（例えば2〜20個の砥粒）で構成されていた。
【０１０３】
凝集体のサイズは、その凝集体に含まれる結合材料の量が3〜20重量％の範囲で増加するにつれて大きくなった。
【０１０４】
サンプル1〜9のすべてで十分な圧縮強度が観察された。これは、ガラス質結合材料が軟化して流動し、凝集体の内部で砥粒同士の間に効果的な結合が形成されたことを示している。結合材料を10重量％用いて作った凝集体は、結合材料を2重量％または6重量％用いて作った凝集体よりも圧縮強度が有意に大きかった。
【０１０５】
LPDは、その値が小さいほど凝集体が大きいことを示していた。凝集体のLPDは、結合材料の重量％が大きくなるにつれて、また砥粒のサイズが小さくなるにつれて、小さくなった。結合材料が6重量％の場合と10重量％の場合を比べると差は比較的小さかったのに対し、結合材料が2重量％の場合と6重量％の場合を比べると差は比較的大きかったということは、結合材料が2重量％未満では凝集体の形成が十分でないことを示している可能性がある。約6重量％を超える大きな値では、より多くの結合材料を添加してもそれ以上に有意に大きな凝集体あるいは有意に強力な凝集体を作る上で効果がない可能性がある。
【０１０６】
砥粒凝集体のサイズに関する結果からわかるように、凝集体形成温度における溶融ガラスの粘性率が最低である結合材料Cを用いたサンプルは、3つの結合材料のうちでLPDが最も小さかった。砥粒のタイプは、LPDに対して有意な効果をもたらさなかった。
【０１０７】
【表２】
2005522339.tif 000004
【０１０８】
実施例２
他のさまざまな処理法と供給材料を用い、凝集体に関する別のサンプルを作った。
【０１０９】
回転焼成装置（モデル#HOU-6D60-RTA-28。長さ120インチ（305cm）、内径5.75インチ（15.6cm）、厚さ3/8インチ（0.95cm）のムライト管付き。このムライト管には、3つの温度制御帯域を有する長さ60インチ（152cm）の加熱部分がある）を用い、1100〜1250℃の範囲のさまざまな焼成温度にて、一連の砥粒凝集体サンプル（サンプル番号10〜13）を作った。この装置は、ハーパー・インターナショナル社（バッファロー、ニューヨーク州）が製造したものである。供給速度を制御できるブラベンダー供給ユニットを用いて砥粒と結合材料の混合物を計量し、回転焼成装置の加熱管の中に入れた。凝集体形成プロセスは、大気圧条件下において、装置の管の回転速度を4rpm、管の傾斜角度を2.5°、材料の供給速度を8kg/時にして実施した。使用した装置は、図1に示したのと実質的に同じ装置であった。凝集体を形成するのに利用した温度とそれ以外の変数は、表2-1に示してある。
【０１１０】
すべてのサンプルが、89.86重量％の砥粒（サン-ゴバン・セラミックス＆プラスチックス社から入手した60グリットの38Aアルミナ粒子）と、10.16重量％の結合材混合物（AR30液体タンパク質結合材が6.3重量％、カーボワックス（登録商標）3350PEGが1.0重量％、結合材料Aが2.86重量％）からなる混合物を含んでいた。この混合物をもとにして得られた焼結凝集体の中には、4.77体積％の結合材料と95.23体積％の砥粒が含まれていた。計算による凝集体の粒子の理論密度は（気孔がないと仮定すると）3.852g/ccであった。
【０１１１】
この混合物を供給ユニットに入れる前に、シミュレーション押し出しによって生段階の凝集体を形成した。押し出された凝集体を作るため、液体タンパク質結合材を加熱してカーボワックス（登録商標）3350PEGに溶かした。次に、この混合物を撹拌しながら結合材料をゆっくりと添加した。砥粒を高剪断ミキサー（直径44インチ（112cm））に入れ、用意した結合材料-結合材混合物を混合装置内の砥粒にゆっくりと添加した。この混合物を3分間にわたって撹拌した。この混合物を12メッシュ・ボックス・スクリーン（US規格の篩サイズ）を用いて湿式スクリーニングしてトレイ上に最大で厚さ1インチ（2.5cm）の層にし、湿潤で生（未焼成）の押し出された凝集体を形成した。押し出されたこの層状の凝集体を炉で90℃にて24時間にわたって乾燥させた。乾燥後、12〜16メッシュ（US規格の篩サイズ）ボックス・スクリーンを用いて凝集体を再びスクリーニングした。
【０１１２】
回転焼成の間に加熱したとき、生の状態で作られた凝集体が割れているように見えたため、回転焼成装置の管の加熱部分の端部出口から取り出したときに形を整えた。生の状態で作られた砥粒凝集体のほうが、焼成後の砥粒凝集体よりもサイズが大きいことが、サンプルを目視検査したときにはっきりわかった。
【０１１３】
焼成後は、砥粒凝集体のサイズは、市販するのに十分なほど一様であり、サイズ分布は約500〜1200ミクロンの範囲であることが観察された。サイズ分布の測定結果を下記の表2-2に示してある。収率、サイズ、圧縮強度、LPDは、砥石車製造用として市販する上で許容できるものであった。
【０１１４】
【表３】
2005522339.tif 000005
【０１１５】
【表４】
2005522339.tif 000006
【０１１６】
実施例３
凝集体（サンプル番号14〜23）を実施例2と同様にして作った。ただし、温度を1000℃の一定値に維持し、長さが108インチ（274cm）で内径が8インチ（20cm）の溶融シリカ管を備えたモデル#KOU-8D48-RTA-20の回転焼成装置を使用した点が異なる。なお、溶融シリカ管は、長さが48インチ（122cm）ある3つの温度制御帯域を備えている。この装置は、ハーパー・インターナショナル社（バッファロー、ニューヨーク州）によって製造されたものである。砥粒と結合材料の予備焼成混合物を調製するため、さまざまな方法を試した。凝集体形成プロセスは、大気圧条件下において、装置の管の回転速度を3〜4rpm、管の傾斜角度を2.5°、材料の供給速度を8〜10kg/時にして実施した。使用した装置は、図1に示したのと実質的に同じ装置であった。
【０１１７】
サンプルはすべて、30ポンド（13.6kg）の砥粒（実施例2で使用したのと同じ砥粒。ただしサンプル16は、サン-ゴバン・セラミックス＆プラスチックス社から入手した70グリットのノートンSG（登録商標）ゾルゲルアルミナ粒子を含んでいた）と、0.9ポンド（0.41kg）の結合材料A（焼結凝集体の中で結合材料が4.89体積％を占める）を含んでいた。この結合材料をさまざまな結合材系に分散させた後、砥粒に添加した。いくつかのサンプルでは実施例2の結合材系（“結合材2”）を使用し、別のサンプルは、AR30液体タンパク質結合材（“結合材3”）を下記の表3に示した割合の重量％で用いて作った。サンプル20は、実施例2のシミュレーション押し出し法によって生で未焼成状態の凝集体を作るのに用いた。
【０１１８】
調べた変数とテストの結果を下記の表3にまとめてある。
【０１１９】
【表５】
2005522339.tif 000007
【０１２０】
この結果から、許容可能な品質と収率を持つ焼結凝集体状砥粒を形成するのに生段階の凝集体を形成する必要のないことが確認される（サンプル18とサンプル20を比較のこと）。初期混合物で使用する結合材3が1重量％から8重量％に増加すると、LPDはわずかに低下する傾向を示した。これは、結合材の使用が、凝集体形成プロセスに不可欠ではないが好ましい影響を与えることを示している。したがって、どちらかと言えば予想に反することだが、回転焼成装置の中で焼結させる前に望む形状またはサイズの砥粒凝集体をあらかじめ形成する必要はないように思われる。凝集体を構成する諸成分の湿潤混合物を回転焼成装置に供給し、その混合物がこの装置の加熱部分を通過するときにその混合物を回転させるだけで同じLPDが得られた。
【０１２１】
実施例４
凝集体（サンプル番号24〜29）を実施例2に記載したようにして調製した。ただし、温度を1200℃の一定値に維持し、砥粒と結合材料の予備焼成混合物を調製するためにさまざまな方法を試した点が異なっている。サンプルはすべて（ただしサンプル28、29は除く）、300ポンド（136.4kg）の砥粒（実施例2と同じ砥粒：60グリットの38Aアルミナ）と、9.0ポンド（4.1kg）の結合材料A（焼結凝集体の中で結合材料が4.89体積％を占める）を含んでいた。
【０１２２】
サンプル28（実施例2と同じ組成）は、44.9ポンド（20.4kg）の砥粒と、1.43ポンド（0.6kg）の結合材料Aを含んでいた。この結合材料を液体結合材混合物（水中にAR30結合材を37.8重量％（3.1ポンド）を含む）と組み合わせ、この組成物4.98ポンドを砥粒に添加した。この液体組成物の粘性率は22℃において784CPであった（ブルックフィールドLVF粘度計）。
【０１２３】
サンプル29（実施例2と同じ組成）は、28.6ポンド（13kg）の砥粒と、0.92ポンド（0.4kg）の結合材料A（焼結凝集体の中で結合材料が4.89体積％を占める）を含んでいた。この結合材料を液体結合材混合物（水の中に、54.7重量％（0.48ポンド）のデュラマックス（登録商標）樹脂B1052と、30.1重量％（1.456ポンド）のデュラマックス樹脂B1051を含む）と組み合わせ、この組成物を砥粒に添加した。デュラマックス樹脂は、ローム・アンド・ハアス社、フィラデルフィア、ペンシルヴェニア州から入手した。
【０１２４】
凝集体形成プロセスは、大気圧条件下において、装置の管の回転速度を4rpm、管の傾斜角度を2.5°、材料の供給速度を8〜12kg/時にして実施した。使用した装置は、図1に示したのと実質的に同じ装置であった。
【０１２５】
サンプル28は、焼成の前に流動床装置（ナイロ社、コロンビア、メリーランド州（モデルMP-2/3マルチ-プロセッサ（登録商標）。幅が最も広い位置における直径が3フィート（0.9m）であるMP-1サイズ・コーンが取り付けられている））の中であらかじめ凝集体にした。流動床で処理したサンプルでは以下のプロセス変数を選択した。
流入する空気の温度：64〜70℃
流入する空気流：100〜300立方メートル/時
粒状液体流の速度：440g/分
流動床の深さ（初期装填量が3〜4kg）：約10cm
空気圧：1バール
2流体外部混合ノズル：800ミクロンのオリフィス
【０１２６】
砥粒を装置の底部に装填し、流動床のプレート・ディフューザを通じて空気を砥粒の中に入れた。それと同時に、結合材料と結合材の液体混合物を外部混合物ノズルに吸引した後、ノズルからスプレーしてプレート・ディフューザを通じて砥粒の中に入れることにより、個々の砥粒をコーティングした。生段階の凝集体は、結合材料と結合材の混合物を乾燥させている間に形成された。
【０１２７】
サンプル29は、焼成前に、（直径が0.5mmある複数の穴を有する穴開きバスケットを備えた）LCI社（シャーロット、ノースカロライナ州）製のベンチトップ・グラニュレイター（登録商標）を用いて低圧押し出し法によってあらかじめ凝集体にした。砥粒、結合材料、結合材の混合物を手で穴開きバスケット（押し出し機のスクリーン）に入れ、刃を回転させることによってスクリーンを通過させ、受け皿で回収した。押し出された凝集体を炉で90℃にて24時間にわたって乾燥させ、回転焼成プロセスのための供給材料として使用した。
【０１２８】
調べた変数とテストの結果を下記の表4-1と表4-2にまとめてある。これらのテストにより、実施例3での結果がより高い焼成温度（1000℃ではなく1200℃）でも観察されることがわかる。これらのテストからは、低圧押し出しと流動床での凝集体予備形成を利用して砥粒凝集体を形成できること、しかし本発明の凝集体を形成するのに回転焼成を行なう前の凝集体形成ステップは必要ないこともわかる。
【０１２９】
【表６】
2005522339.tif 000008
【０１３０】
【表７】
2005522339.tif 000009
【０１３１】
実施例５
別の凝集体（サンプル番号30〜37）を実施例3に記載したようにして調製した。ただし、焼結を1180℃で行ない、さまざまなタイプの砥粒をテストし、30ポンド（13.6kg）の砥粒を1.91ポンド（0.9kg）の結合材料A（焼結凝集体の中で結合材料が8.94体積％を占める）と混合した点が異なっている。実施例3の結合材3を、生段階の凝集体用の結合材としての水と比較した。サンプル30〜34では、結合材として水を0.9ポンド（0.4kg）使用した。サンプル35〜37では、結合材3を0.72ポンド（0.3kg）使用した。調べた変数を下記の表5にまとめてある。
【０１３２】
凝集体形成プロセスは、大気圧条件下において、装置の管の回転速度を8.5〜9.5rpm、管の傾斜角度を2.5°、材料の供給速度を5〜8kg/時にして実施した。使用した装置は、図1に示したのと実質的に同じ装置であった。
【０１３３】
凝集体を形成した後、砥粒凝集体サンプルをスクリーニングし、ルース充填密度（LPD）、サイズ分布、凝集体の強度を調べた。その結果を表5に示してある。
【０１３４】
【表８】
2005522339.tif 000010
【０１３５】
これらの結果も、回転焼成プロセスにおいて水が凝集体の一時的結合材として有用であることを示している。さらに、さまざまな種類の砥粒の混合物、さまざまなサイズの砥粒の混合物、さまざまな種類とさまざまなサイズの砥粒の混合物を本発明の方法によって凝集体にすることができ、その凝集体には、回転焼成装置の内部で1180℃の温度にてコーティングを施すことができる。アスペクト比の大きな（すなわち4：1以上の）細長い砥粒を凝集体にしたとき（サンプル33）、破砕強度の顕著な増大が観察された。
【０１３６】
実施例６
さらに別の一連の凝集体（サンプル番号38〜45）を実施例3に記載したようにして調製した。ただし、異なる焼成温度を使用し、グリット・サイズがさまざまな砥粒の混合物をテストし、さまざまな結合材料をテストした点が異なっている。いくつかの供給混合物では、クルミの殻を有機気孔誘導充填材料として使用した（クルミの殻は、コンポジション・マテリアルズ社、フェアフィールド、コネティカット州からUS篩サイズ40/60のものを入手した）。調べた変数を表6にまとめてある。表6に示したように、サンプルはすべて、30ポンド（13.6kg）の砥粒と、砥粒の重量を基準にして2.5重量％の結合材3とからなる混合物と、さまざまな量の結合材料を含んでいた。
【０１３７】
凝集体形成プロセスは、大気圧条件下において、装置の管の回転速度を8.5〜9.5rpm、管の傾斜角度を2.5°、材料の供給速度を5〜8kg/時にして実施した。使用した装置は、図1に示したのと実質的に同じ装置であった。
【０１３８】
凝集体を形成した後、砥粒凝集体サンプルをスクリーニングし、ルース充填密度（LPD）、サイズ分布、凝集体の強度を調べた（表6を参照のこと）。すべての凝集体の性質は、砥石車の製造に用いる上で許容できるものであった。これらのデータは、有機気孔誘導材（すなわちクルミの殻）を使用しても凝集体の性質に有意な影響はないことを示しているように見える。
【０１３９】
【表９】
2005522339.tif 000011
【０１４０】
実施例７
実施例2に従って調製した凝集体サンプル10〜13と実施例4に従って調製した凝集体サンプル24〜27を使用し、砥石車（最終サイズ：20×1×8インチ；50.8×2.54×20.3cm）を製造した。これらの砥石車についてクリープフィード研削加工のテストを行ない、凝集体を含まないが気孔誘導充填材料は含む比較用砥石車と比較した。
【０１４１】
砥石車を製造するため、凝集体に加え、液体結合材と粉末状のガラス質結合材組成物（表1-2からの結合材料Cに対応）を混合装置に入れた。次に、市販されている砥石車を製造するための従来技術で知られている方法に従い、砥石車を成形し、乾燥させ、最高温度900℃で焼成し、選別し、仕上げをし、バランスさせ、検査した。
【０１４２】
砥石車の組成（例えば、焼成した砥石車に含まれる砥粒、結合材、気孔の体積％）、密度、弾性係数を表7-1に記載してある。砥石車は、ノートン社の硬度分類スケール上でDグレードとEグレードの間に入る標準的砥石車硬度グレードに対応する弾性係数となるように作った。予備テストにより、砥粒凝集体なしで作った比較用砥石車と体積％の構造（すなわち、合計100％に対する砥粒、結合材、気孔の体積％）が同じになるようにして砥粒凝集体から作った砥石車は、比較用砥石車と比較して実際に密度がかなり小さく、弾性係数が小さく、柔らかいことがわかっていた。したがって、砥粒凝集体を用いて作った砥石車の臨界硬度の指標として、計算による体積％構造ではなく密度と弾性係数を選択し、研削テストにおいて調べた。
【０１４３】
【表１０】
2005522339.tif 000012
【０１４４】
a）砥粒が37.50体積％のレベルでは、比較用砥石車は、砥粒凝集体、結合材料、凝集体内気孔を37.50体積％含む実験用砥石車よりも多い体積％の砥粒を含んでいた（すなわち1〜3体積％多い）。
b）流体（空気）透過率は、ノートン社に譲渡されたアメリカ合衆国特許第5,738,696号及び第5,738,697号に開示されているテスト方法によって測定した。相対空気透過率の値は、水1インチ当たりのcc/秒という単位で表示してある。
c）比較用砥石車サンプルは、サン-ゴバン・アブレイシヴズ社、ウースター、マサチューセッツ州から入手した市販商品であり、表7-1にそれぞれの名称が記載されている。
d）実験用砥石車に含まれる結合材の体積％の値には、凝集体を作るために砥粒で使用されるガラス質結合材料の体積％は含まれていない。結合材の体積％は、砥石車を作るために添加される材料だけを表わしている。
【０１４５】
砥石車をクリープフィード研削加工に関してテストし、クリープフィード研削加工で用いることが推奨されている市販の比較用砥石車と比較した（比較用砥石車は、表7-1と表7-2に記載されている）。比較用砥石車は、実験用砥石車とサイズが同じであり、硬度のグレードも同等であり、凝集体なしで製造されていることを除くと実験用砥石車と同じくらいクリープフィード研削加工に適していた。
【０１４６】
研削条件：
研削盤：ハウニ-ブローム・プロフィマット410
モード：スロット・クリープフィード研削
切れ込みの深さ：0.125インチ（0.318cm）
砥石車の速度：表面上を1分間に5500フィート（28m/秒）
テーブルの速度：2.5インチ/分（6.4cm/分）の増分で5インチ/分（12.7cm/分）から17.5インチ/分（44.4cm/分）まで、あるいは損傷が観察されるまで（工作物が燃損したり、研削盤または砥石車が損傷したりするまで）変化させる。
研削液：よくイオンを除去した水に10％の濃度で含まれるマスター・ケミカル社のトリムE210 200、95ガロン/分（360リットル/分）
工作物の材質：AISI 4340スチール、48〜50Rc硬度
目直しモード：回転ダイヤモンド、不連続
目直し補正：40マイクロインチ/回転（1ミクロン/回転）
径方向の目直し補正の合計値：0.02インチ/回転（0.5mm/回転）
速度比：+0.8
【０１４７】
研削加工においては、損傷が観察されるまでテーブルの速度を増大させた。損傷は、工作物が燃損したり、砥石車が過度に摩耗したりすることになって現われた。それは、パワーのデータ、砥石車の摩耗（WWR）測定、表面仕上げ状態の測定、研削面の目視によってわかる。損傷が起こったときの材料の除去速度（最大MRR）を記録した。
【０１４８】
下記の表7-2に示してあるように、研削テストにより、凝集体を含む実験用砥石車は、比較用砥石車よりも常に大きな最大材料除去速度を実現できることが明らかになった。実験用砥石車は、クリープフィード研削加工において観察した重要度の劣る他の研削パラメータ（すなわち、WWR、パワー、最大MRRにおける表面仕上げ状態）でも許容可能な値を示した。
【０１４９】
【表１１】
2005522339.tif 000013
【０１５０】
実施例８
砥粒凝集体サンプル（60）を、実施例1と図1に示したようにして、炭化ケイ素管を備える回転焼成装置の中で調製した。凝集体形成プロセスは、大気圧条件下において、1,350℃にて、装置の管の回転速度を9rpm、管の傾斜角度を3°、材料の供給速度を6〜10kg/時にして実施した。
【０１５１】
凝集体サンプルは、グリット・サイズが60の38Aアルミナ砥粒（実施例1、6で使用したのと同じもの）と、（砥粒の重量を基準にして）5.0重量％の結合材料Fと、水に溶かした2.5重量％の結合材3（砥粒の重量を基準にして重量比が50/50の混合物）から作った。
【０１５２】
回転焼成装置の中で焼成した後、砥粒凝集体をスクリーニングし、すでに説明した方法により、ルース充填密度（LPD）などの特性を調べた。使用可能な自由に流動する凝集体（選別用の-12メッシュを通過した粒子として定義される）の収率は、焼結前の供給材料の72.6％であった。凝集体のLPDは1.11g/ccであり、相対密度は28.9％であった。焼結凝集体を用い、最終サイズが16.25×0.75×5.00インチ（41.3×2.4×12.8cm）の砥石車を作った。
【０１５３】
砥石車を作るため、凝集体に加え、粉末状のガラス質結合材組成物（表1-2からの結合材料Cに対応）と液体結合材3を混合装置に入れ、混合物にした。次に、市販されている砥石車を製造するための従来技術で知られている方法に従い、この混合物から砥石車を成形し、乾燥させ、最高温度900℃で焼成し、選別し、仕上げをし、バランスさせ、検査した。砥石車は、ノートン社の硬度分類スケール上でEグレードの範囲に入る標準的砥石車硬度を持つ比較用砥石車と同等の弾性係数となるように作った。
【０１５４】
焼成した砥石車と市販されている比較用砥石車（サン-ゴバン・アブレイシヴズ社、ウースター、マサチューセッツ州から入手）の性質を下記の表8-1に示してある。
【０１５５】
【表１２】
2005522339.tif 000014
【０１５６】
表8-1に示した砥石車に関してクリープフィード研削テストを行なった。クリープフィード研削テストのパラメータは、以下の研削条件になるように設定した。
【０１５７】
研削条件：
研削盤：ハウニ-ブローム・プロフィマット410
モード：スロット・クリープフィード研削
切れ込みの深さ：0.125インチ（0.318cm）
砥石車の速度：表面上を1分間に5500フィート（28m/秒）
テーブルの速度：2.5インチ/分（6.4cm/分）の増分で5インチ/分（12.7cm/分）から15インチ/分（38.1cm/分）まで、あるいは損傷が観察されるまで（工作物が燃損したり、研削盤または砥石車が損傷したりするまで）変化させる。
研削液：よくイオンを除去した水に10％の濃度で含まれるマスター・ケミカル社のトリムE210 200、95ガロン/分（360リットル/分）
工作物の材質：AISI 4340スチール、48〜50Rc硬度
目直しモード：回転ダイヤモンド、不連続
目直し補正：40マイクロインチ/回転（1ミクロン/回転）
径方向の目直し補正の合計値：0.02インチ/回転（0.5mm/回転）
速度比：+0.8
【０１５８】
これらの研削テストにおいては、損傷が観察されるまでテーブルの速度を増大させた。損傷は、工作物が燃損したり、砥石車が過度に摩耗したりすることになって現われた。それは、パワーのデータ、砥石車の摩耗（WWR）測定、表面仕上げ状態の測定、研削面の目視によってわかる。損傷が起こったときの材料の除去速度（MRR）（すなわち損傷前の最大MRR）を記録した。表面の仕上げ状態の測定も行なった。
【０１５９】
下記の表8-2に示してあるように、研削テストにより、凝集体を含む実験用砥石車は、焼損が起こる前の最大材料除去速度を比較用砥石車よりも常に大きくできることが明らかになった。比較用砥石車の最大MRRは、テーブルの速度がほんの12.5インチ/分（5.29mm/秒）のときだったのに対し、実験用砥石車の最大MRRは、テーブルの速度が15インチ/分（6.35mm/秒）のときだった。
【０１６０】
実験用砥石車は、クリープフィード研削加工において、比較用砥石車で実現された最大MRRのときに観察された他の研削パラメータ（すなわち、テーブルの速度が5.29mm/秒のときのパワーと表面仕上げ状態）でも、比較用砥石車と同等で商品として許容可能な値を示した。
【０１６１】
【表１３】
2005522339.tif 000015
【０１６２】
実施例９
実施例5の凝集体サンプル35を用いて作った砥石車を、工具空間研削加工で利用される一般的な乾燥表面横送り研削法に関してテストした。このテストでは、市販されている比較用砥石車を本発明の砥石車と比較した。
【０１６３】
凝集体を含む砥石車を実施例8の方法で作り、最高温度900℃で焼成した。砥石車のサイズは7×0.5×1.25インチ（17.8×1.3×3.2cm）であった。焼成した砥石車は、凝集体を40体積％、ガラス質結合材を11〜12.1体積％、気孔を47.9〜49体積％含んでいた。本発明による砥石車の焼成条件と、焼成した砥石車および比較用砥石車の性質を表9-1に示してある。
【０１６４】
【表１４】
2005522339.tif 000016
【０１６５】
実験用砥石車で使用した凝集体に含まれる砥粒の体積％とガラス質結合材料の体積％を下記の表9-2に示してある。
【０１６６】
【表１５】
2005522339.tif 000017
【０１６７】
研削条件：
研削盤：ブラウン＆シャープ・サーフェス・グラインダ
モード：乾燥表面の研削
横送り：0.508mm
砥石車の速度：3500rpm；6500sfpm
テーブルの速度：50fpm（15240mm/分）
研削液：なし
工作物の材質：D3スチール、Rc60硬度
長さ203.2mm×幅47.8mm
目直しモード：単一点ダイヤモンド
目直し補正：0.025
目直しリード：254mm/分
【０１６８】
これらの研削テストにおいては、損傷が観察されるまでテーブルの速度を増大させた。表面工具空間研削加工では、クリープフィード研削加工におけるのと同様、最も重要な性能パラメータは、砥石車の最大材料除去速度（MRR）である。したがって、それぞれの砥石車について、損傷が起こる最大MRRを記録した。損傷は、工作物の焼損、過剰なパワー、過剰な砥石車摩耗速度（WWR）となって現われた。表面仕上げ状態の測定も行なった。
【０１６９】
下記の表9-3と表9-4に示してあるように、研削テストにより、凝集体を含む実験用砥石車は、砥石車が摩耗によって損傷する前の最大材料除去速度を比較用砥石車よりも常に大きくできることが明らかになった。さらに、表面の粗さの値を同等な状態に維持しながらより小さなパワーでより大きなMRRを実現できた。
【０１７０】
【表１６】
2005522339.tif 000018
【０１７１】
【表１７】
2005522339.tif 000019
【０１７２】
実施例１０
砥粒凝集体を用いて作った砥石車に関して内径（ID）研削テストを行なった。
【０１７３】
凝集体（サンプル61）を実施例2に記載したようにして調製した。ただし、温度を1170℃の一定値に維持した点が異なっている（サンプル61）。さらに、長さが108インチ（274cm）で内径が8インチ（20cm）の炭化ケイ素管を備えたモデル#KOU-8D48-RTA-20という回転焼成装置を使用した。なお炭化ケイ素管は、長さが48インチ（122cm）ある3つの温度制御帯域を備えている。この装置は、ハーパー・インターナショナル社（バッファロー、ニューヨーク州）によって製造されたものである。凝集体形成プロセスは、大気圧条件下において、装置の管の回転速度を6rpm、管の傾斜角度を2.5〜3.0°、材料の供給速度を8〜10kg/時にして実施した。使用した装置は、図1に示したのと実質的に同じ装置であった。
【０１７４】
サンプル61の凝集体は、30ポンド（13.63kg）の砥粒（サン-ゴバン・セラミックス＆プラスチックス社から入手した120グリットの32Aアルミナ粒子）と、1.91ポンド（0.87kg）の結合材料A（焼結凝集体の中で結合材料が6.36体積％を占める）を含んでいた。この結合材料を水（0.9ポンド；0.41kg）に分散させた後、砥粒に添加した。凝集体は、平均サイズが260ミクロン、ルース充填密度（LPD）が1.13g/ccであった。
【０１７５】
これらのテストにおいて、市販されている比較用砥石車を本発明の砥石車と比較した。比較用砥石車は、本発明の砥石車とサイズが同じであり、同じ砥粒で作られていたが、凝集体がない点が異なっていた。比較用砥石車は32A120-LVFLという商品名であり、サン-ゴバン・アブレイシヴズ社、ウースター、マサチューセッツ州から入手した。
【０１７６】
実験用砥石車を作るため、凝集体に加え、粉末状のガラス質結合材組成物と液体結合材3を混合装置に入れ、混合物にした。次に、市販されている砥石車を製造するための従来技術で知られている方法に従い、この混合物から砥石車を成形し、乾燥させ、最高温度900℃で焼成し、選別し、仕上げをし、バランスさせ、検査した。
【０１７７】
砥石車は、1Aタイプの砥石車であり、最終サイズが1.8×1.0×0.63インチ（4.57×2.54×1.60cm）であった。実験用砥石車と比較用砥石車の組成と性質を下記の表10-1に示してある。
【０１７８】
【表１８】
2005522339.tif 000020
【０１７９】
表10-1に示した砥石車に関して内径（ID）研削テストを行なった。ID研削テストのパラメータは、以下の研削条件になるように設定した。
【０１８０】
研削条件：
研削盤：オークマIDグラインダ
モード：湿式ID、プランジ研削、下向き研削
砥石車の速度：18000rpm
加工速度：600rpm
研削液：よくイオンを除去した水に5％の濃度で含まれるマスター・ケミカル社のトリムE210
工作物の材質：52100スチール、Rc60硬度
リング：2.225×0.50インチ（5.65×1.28cm）
目直しモード：回転単一点ダイヤモンド
目直し比：0.650
目直しリード：0.304mm/回転
【０１８１】
これらテストでは、一定の切れ込み速度で研削を3セット実施し、各セットにつき5回の研削を行なった。切れ込み速度により、各テストでの名目材料除去速度が決まる。ID研削加工における最も重要な性能パラメータは、G比（MRR/砥石車摩耗速度（WWR））と、設定した切れ込み速度での研削に必要な比エネルギーと、得られる仕上げ表面である。下記の表に示したデータは、切れ込み速度の異なる各セットについてのものである。表面仕上げのデータは、各セットの5回目の研削を終えた後の値を表わしている。
【０１８２】
下記の表10-2に示してあるように、研削テストにより、凝集体を含む実験用砥石車の性能が、G比（MRR/砥石車摩耗速度（WWR））、比研削エネルギー、表面仕上げに関し、比較用砥石車と同等またはそれ以上であることが明らかになった。この結果は、実験用砥石車に含まれる砥粒の体積％が顕著に少ないことを考慮すると驚くべきことである。通常の砥石車構造では、砥粒の体積％がG比を決める上で最も重要な変数である。他の変数がない場合、砥粒の含有量が増えるとそれに比例してG比も大きくなる。同じG比またはより大きなG比を実現するのに必要な砥粒の体積％が減るということは、研磨工具における大きな技術的改善である。
【０１８３】
【表１９】
2005522339.tif 000021
【０１８４】
実施例１１
本発明の砥粒凝集体を用いて大きな砥石車を製造し、気孔誘導材を使用せずにそのような砥石車を製造できることを確認した後、その砥石車を用いてクリープフィード研削を行なった。
【０１８５】
砥粒凝集体（サンプル62）を、実施例1と図1に示したようにして、炭化ケイ素管を備える回転焼成装置の中で調製した。凝集体形成プロセスは、大気圧条件下において、1,350℃にて、装置の管の回転速度を9rpm、管の傾斜角度を3°、材料の供給速度を6〜10kg/時にして実施した。
【０１８６】
砥粒凝集体サンプル62は、グリット・サイズが60の32Aアルミナ粒子と38Aアルミナ粒子の50/50混合物と、（砥粒の重量を基準にして）5.0重量％の結合材料Eと、2.5重量％の結合材3（砥粒の重量を基準にして水と50/50の割合で混合した混合物）から製造した。
【０１８７】
回転焼成装置の中で凝集体にした後、砥粒凝集体をスクリーニングし、すでに説明した方法により、ルース充填密度（LPD）などの特性を調べた。使用可能な自由に流動する凝集体（選別用の-12メッシュを通過した粒子として定義される）の収率は、焼結前の供給材料の全重量の74.1％であった。凝集体のLPDは1.14g/ccであり、相対密度は30.0％であった。
【０１８８】
焼結したこれらの凝集体を用いて比較的大きな（例えば直径20インチ（50.8cm）の）クリープフィード砥石車を作った。このサイズの比較用砥石車は、通常、構造を強化するため、また焼成中にガラス質結合材が融けて流れるときに砥石車の形状が崩れて歪まないようにするため、気泡アルミナ、あるいはそれ以外の固体セル式気孔誘導材または閉鎖セル式気孔誘導材を助材として用いて製造する。気泡アルミナは、崩壊を防ぐのに特に効果的であるが、閉鎖セル式気孔を生成させるため、研削の性能にとっては望ましくない。
【０１８９】
実験用砥石車を製造するため、凝集体に加え、粉末状のガラス質結合材組成物（表2からの結合材料Cに対応）と液体結合材3を混合装置に入れ、混合物にした。次に、市販されている砥石車を製造するための従来技術で知られている方法に従い、砥石車を成形し、乾燥させ、最高温度900℃で焼成し、選別し、仕上げをし、バランスさせ、検査した。次に、焼成した砥石車を仕上げ、20×1×8インチ（50.8×2.5×20.3cm）のサイズにした。実験用砥石車を焼成している間、中程度だが商品としては許容可能な程度の崩壊が観察された。
【０１９０】
砥石車は、組成（体積％）と密度が、ノートン社の硬度分類スケール上でCグレードとDグレードの間に入る標準的砥石車硬度を有する市販の比較用砥石車に対応するように設計した。
【０１９１】
完成した実験用砥石車と比較用砥石車の性質を下記の表11-1に示してある。砥石車の組成（体積％）と密度からは、砥石車の硬度の値が同等である砥石車が予測されたが、実際には弾性係数から、実験用砥石車が比較用砥石車よりも柔らかいグレードであることが確認された。空気透過率の値は、実験用砥石車の気孔が、比較用砥石車の気孔とは異なり、開放されていることを示している。そのため研削液を砥石車の中に自由に流入させることと、砥石車の研削面から削り屑を容易に除去することができる。
【０１９２】
【表２０】
2005522339.tif 000022
【０１９３】
これら砥石車と表11-2に記載した比較用クリープフィード砥石車に関し、実施例7に記載したクリープフィード研削加工のテストを行なった。比較用砥石車は、サン-ゴバン・アブレイシヴズ社、ウースター、マサチューセッツ州から入手した標準的な市販商品であった。比較用砥石車は、実験用砥石車とサイズが同じで、他の点でも実験用砥石車と同等であったが、気泡アルミナ充填材を用いて製造されていることと、砥粒凝集体がないことが異なっていた。
【０１９４】
【表２１】
2005522339.tif 000023
【０１９５】
これらの結果から、気泡アルミナなどの閉鎖式気孔充填材料を使用せずに、テストした大きさのクリープフィード砥石車を製造して使用できることがわかる。
【０１９６】
実施例１２
本発明の砥石車を成形する前後で凝集体のサイズ分布を比較し、砥石車製造プロセスにおける凝集体の完全さと強度を調べた。次に、凝集体のサイズ分布を、凝集体を作るのに用いた砥粒のサイズ分布と比較し、砥石車を成形した後も凝集体が複数の砥粒からなることを確認した。
【０１９７】
凝集体（サンプル番号63、64、65）を実施例2に記載したようにして調製した。ただし、温度を1200℃（サンプル63と64）または1300℃（サンプル65）という一定値に維持した点が異なっている。さらに、長さが120インチ（305cm）で内径が6.5インチ（16.5cm）ある特別な高温金属合金管を備えたアルストーム・パワー社（ネーパービル、イリノイ州）製の回転焼成装置（バートレット-スノウTMというモデル）を用いた。なおこの金属合金管は、長さが72インチ（183cm）ある4つの温度制御帯域を備えている。凝集体形成プロセスは、大気圧条件下において、装置の管の回転速度を9rpm、管の傾斜角度を2.5°、材料の供給速度を10〜14kg/時にして実施した。使用した装置は、図1に示したのと実質的に同じ装置であった。
【０１９８】
凝集体サンプル63、64、65は、サン-ゴバン・セラミックス＆プラスチックス社から入手した砥粒と、以下の表12-1に示したさまざまな結合材料を用いて作った。
【０１９９】
【表２２】
2005522339.tif 000024
【０２００】
粉末状のガラス質結合材組成物と液体結合材3を用いて実験用砥石車を混合し、成形して、実施例10に記載したサイズと形状にした。凝集体63または64を含む砥石車で使用した結合材組成物は、表2に示した結合材料Cに対応し、凝集体65を含む砥石車で使用した結合材組成物は、表2に示した結合材料Eに対応する。凝集体、結合材、気孔の体積％を下記の表12-2に示してある。
【０２０１】
加圧下で砥石車を成形して“生”の砥石車にした後で、しかもこの成形砥石車を焼成する前に、流水を用いて砥石車の結合材料を生の砥石車から洗い流し、凝集体と砥粒を回収した。回収した凝集体と砥粒のサイズは、一連のUS篩サイズ・メッシュ・スクリーンを用いてスクリーニングし、各スクリーンについて重量を測定することによって明らかにした。その結果を、3つの異なる仕様で製造した砥石車について、下記の表12-2に示してある。
【０２０２】
【表２３】
2005522339.tif 000025
【０２０３】
表12-2に示した焼結凝集体の平均サイズ（処理の前後）に関するデータから、砥粒が成形されて砥石車になった後にも複数の砥粒が焼結凝集体の中に保持されていることがわかる。凝集体の初期サイズからわずかに小さくなったが（例えばサンプル12-1では998μmから824μmへ。すなわち17％の減少）、凝集体の大部分は初期サイズを維持している。
【０２０４】
表12-1、表12-2、表12-3のサンプルをスクリーニングした後の重量分布を、それぞれ下記の表12-2a、表12-2b、表12-2cに示してある。
【０２０５】
【表２４】
2005522339.tif 000026
【０２０６】
表12-2aのデータは、グリット・サンプルの初期サイズ分布における独立した最も大きい砥粒のサイズが425μmであることを示している。凝集体の初期サイズ分布のデータは、すべての凝集体が425μmより大きいことを示している。成形して洗浄した後、保持された状態で加圧された凝集体はすべて300μmよりも大きく、凝集体の91.4重量％は、独立した最も大きい砥粒（425μm）よりも大きい。これは、凝集体を含む砥石車を成形した後に焼結凝集体の中に複数の砥粒が保持されていることを示している。
【０２０７】
【表２５】
2005522339.tif 000027
【０２０８】
表12-2bのデータは、グリット・サンプルの初期サイズ分布における独立した最も大きい砥粒のサイズが425μmであることを示している。凝集体の初期サイズ分布のデータは、凝集体の99.8重量％が425μmより大きいことを示している。成形して洗浄した後、保持された状態で加圧された凝集体はすべて300μmよりも大きく、凝集体の91.4重量％は、独立した最も大きい砥粒（425μm）よりも大きい。これは、成形した後に複数の砥粒が保持されていることを示している。
【０２０９】
【表２６】
2005522339.tif 000028
【０２１０】
表12-2cのデータは、グリット・サンプルの初期サイズ分布における独立した最も大きい砥粒のサイズが425μmであることを示している。凝集体の初期サイズ分布のデータは、凝集体の97.5重量％が425μmより大きいことを示している。成形して洗浄した後、保持された状態で加圧された凝集体はすべて300μmよりも大きく、凝集体の89.9重量％は、独立した最も大きい砥粒（425μm）よりも大きい。これは、成形した後に複数の砥粒が保持されていることを示している。
【０２１１】
これらの結果は、本発明に従って作った凝集体が、市販の砥石車を成形し処理する作業に十分に耐えられる強度を持っていることを示している。成形した砥石車に存在する砥粒は、初期の砥粒凝集体に特徴的な三次元構造を維持している。凝集体の多く（すなわち少なくとも85重量％）が、処理して成形した後に焼結凝集体の初期サイズとほぼ同じサイズの三次元形状になった複数の砥粒を保持している。
【０２１２】
実施例１３
走査電子顕微鏡を使用し、本発明の凝集体を用いて作った砥石車の構造を比較用砥石車の構造と比較した。比較用砥石車は凝集体なしで作ったが、本発明の砥石車と同じ砥粒と結合材を含んでおり、砥粒、結合材、気孔の体積％が本発明の砥石車と同じになっていた。
【０２１３】
凝集体（サンプル番号66）を実施例10に記載されているようにして調製した。ただし、温度を1150℃という一定値に維持した点が異なっている。
【０２１４】
凝集体サンプル66は、150ポンド（68.04kg）の砥粒（サン-ゴバン・セラミックス＆プラスチックス社から入手した80グリットの32Aアルミナ粒子）と、10.23ポンド（4.64kg）の結合材料C（焼結凝集体の中で結合材料が6.82体積％を占める）を含んでいた。この結合材料は、砥粒に添加する前に結合材3（3.75ポンド；1.701kg）の中に分散させた。
【０２１５】
実験用砥石車を実施例10に記載したようにして凝集体サンプル66から作った。32A80L8VFLという商品名でサン-ゴバン・アブレイシヴズ社から市販されている砥石車を比較用に選択した。
【０２１６】
各砥石車の断面の写真を40倍の倍率で撮影した。その写真を図2（凝集体を含む実験用砥石車）と図3（凝集体を含まない比較用砥石車）に示してある。凝集体と気孔は、形状とサイズが不規則かつランダムであることがわかる。比較用砥石車は、はるかに秩序のある規則的な構造である。凝集体を用いて作った砥石車では2種類の気孔を観察することができる。すなわち、凝集体内部の気孔と、それよりも大きく、凝集体相互間の明確なチャネルとして出現する凝集体間の気孔である。実験用砥石車の透過率テストから、凝集体間の気孔が互いに接続されていて、砥石車全体を流体が通過できるようになっていることがわかった。したがって本発明の砥石車には、互いにつながった気孔が多く含まれた（すなわちつながった気孔が少なくとも30体積％を占める）気孔が存在し、好ましくは2種類の気孔が分布している。本発明の砥石車は、従来の砥石車と比べて開放複合体構造がはるかに多いことを特徴とする。
【０２１７】
図2と図3からわかるように、凝集体間の気孔の最大サイズは、凝集体内部の気孔の最大サイズの約2〜20倍の大きさである。気孔のサイズの正確な比は、砥石車の組成によって異なる。2〜20倍という値は、約8〜10体積％の範囲の結合材と平均サイズが約260ミクロンの砥粒を用いて作った砥石車に当てはまる。一般に、本発明の砥石車では、結合材の体積％がこの範囲よりも多くなるにつれ、凝集体内部の気孔は小さくなるが、凝集体間の気孔の最大サイズは、凝集体に使用されている砥粒の最大サイズとほぼ同じ大きさに留まる。結合材の体積％がこの範囲よりも小さくなるにつれ、凝集体内部の気孔は相対的に大きくなるが、凝集体間の気孔の最大サイズは、凝集体に使用されている砥粒の最大サイズとほぼ同じ大きさに留まる。
【０２１８】
凝集体を用いて作った砥石車、中でも結合材料を少なくとも6重量％含む凝集体を用いて作った砥石車をさらに顕微鏡で調べると、添加する結合材料の重量％が増えると凝集体内部の気孔がはるかに小さな構造の砥石車になることが観察された。例えば結合材料の重量％と結合材の体積％を大きくすると、凝集体内部の気孔のサイズよりも凝集体間の気孔のサイズを約20〜200倍大きくすることができる。凝集体に添加する結合材は、砥石車を作るために混合、成形、熱処理を行なっている間に凝集体の隙間領域に引き込まれ、その結果として凝集体内部の気孔の一部が狭くなったりつぶれたりし、場合によっては2種類ある気孔分布が失われると考えられている。
【０２１９】
実施例１４
焼結凝集体を表14-1に示した材料からバッチ炉法で調製した。砥粒は、サン-ゴバン・セラミックス＆プラスチックス社（ウースター、マサチューセッツ州）から入手したグリット・サイズが100（0.173mm）の38Aアルミナ粒子であった。
【０２２０】
【表２７】
2005522339.tif 000029
【０２２１】
凝集体を形成する第1のステップにおいて、砥粒とクルミの殻の粒子をホバート（登録商標）混合装置（実験室モデルN-50）の中で混合した。次にこの混合物を有効量の有機液体結合材（動物の液体状膠40重量％と、粉末状のマレイン酸30重量％と、水30重量％の混合物）で湿らせ、結合材料を砥粒に接着させた。これらの粒子を湿らせた後、結合材料成分（“結合材料A”として上に示した焼成組成物を含むガラス質結合材組成物）を含む粉末混合物を添加し、混合した。結合材料が湿った粒子に接着するので、この混合物をセラミック製の焼成用断熱材の上にゆっくりと広げた。
【０２２２】
この混合物を電気炉の中で1230℃にて4時間にわたって焼成した。焼成後、焼成した混合物を乳鉢の中で乳棒を用いて破砕することにより、焼結凝集体を得た。焼結凝集体を、振動スクリーニング装置（Ro-Tap；モデルRX-29；W.S.タイラー社、メントル、オハイオ州）に取り付けたUS規格のテスト用篩を用いて3つのサイズに分類した。焼結凝集体のルース充填密度（LPD）は、砥粒のバルク密度を測定するのためのアメリカ国家規格の手続きによって測定した。
【０２２３】
サイジング後、焼結凝集体は三次元形状（三角柱、立方体、直方体、またはこれら以外のさまざまな幾何学的形状）を持っており、表14-2に示したサイズとLPDであった。
【０２２４】
【表２８】
2005522339.tif 000030
【０２２５】
この方法をわずかに変えて別の凝集体を作った。変更点は以下の通りである。調製した混合物をボックス・スクリーン（8〜12メッシュ）を用いて湿式スクリーニングすることによってトレイに載せた。次に、スクリーニング後の材料に空気を通し、炉で乾燥させた。この材料をセラミック製断熱材の中に装填した。材料を入れたセラミック製用断熱材を、1225〜1280℃の範囲の温度で30〜360分という焼成条件のもとで単独窯またはトンネルキルンの中で焼成した。焼成した材料をセラミック製用断熱材から取り出し、ロールクラッシャーを通過させて処理することにより、材料を凝集体にした。
【０２２６】
破砕した材料を、Ro-Tap装置を用いてサイジングし、望む範囲のサイズにした。
【０２２７】
砥石車
【０２２８】
完成した砥石車は、サイズが3.0×0.525×1.25インチ（7.6×1.34×3.2cm）であった。砥石車の組成（焼成した砥石車の体積％）、密度、弾性係数を表14-3に示してある。
【０２２９】
【表２９】
2005522339.tif 000031
【０２３０】
本発明による砥石車のサンプル1、2、3で使用した結合材は、表2に示した結合材料Bという焼成組成物を含むガラス質結合材であった。比較用砥石車のサンプルで使用した結合材は、表2に示した結合材料Aという焼成組成物を含むガラス質結合材であった。
【０２３１】
本発明によるサンプル1、2、3に含まれる凝集体と結合材の焼成混合物は、ホバート混合装置の中で乾燥混合し、鋳型に充填し、冷間プレスし、735℃という最高温度で4時間にわたって焼成することにより、砥石車にした。
【０２３２】
比較用砥石車は、ホバート混合装置の中でガラス質成分を砥粒と混合することによって作った。比較用砥石車で使用した砥粒は、サン-ゴバン・セラミックス＆プラスチックス社（ウースター、マサチューセッツ州）から入手したグリット・サイズ100（125μm）の38Aアルミナ粒子であった。混合後、得られた混合物を成形し、プレスし、1230℃にて4時間にわたって焼成することにより、砥石車にした。
【０２３３】
研削テスト14-A
本発明の砥石車と比較用砥石車に関して以下の条件で内径クリープフィード研削テストを行なった。
【０２３４】
研削条件：
研削盤：ヒールドCF, OD/IDグラインダ
モード：内径（ID）クリープフィード研削
砥石車の速度：6,319rpm；表面上を1分間に4,968フィート（25m/秒）
加工速度：20rpm
切れ込み速度：直径上で0.025インチ（0.64mm）/0.050インチ（1.27mm）
研削液：よくイオンを除去した水に5％の濃度で含まれるトリムE210、9ガロン/分（34リットル/分）
工作物の材質：52100スチール、4インチ（10.2cm）ID×0.250インチ（1cm）、Rc62.0硬度
回転目直し：AX1440、補正0.0005インチ、0.005インチのリード、2600rpm
【０２３５】
研削加工において、最初に工作物が燃損したとき（または最初に砥石車が損傷したとき）の材料除去速度（MRR）の最大値を測定し、結果を観察した。研削テストの結果を表14-4に示してある。
【０２３６】
【表３０】
2005522339.tif 000032
【０２３７】
これらの結果は、本発明に従って製造した砥石車が、それに最も近い比較用砥石車よりもMRRが優れていること、またその優れた性能によって工作物の表面に過剰なパワー（比エネルギー（W秒/mm3））が加えられたりダメージが与えられたりはしないことを示している。実験用砥石車は、G比と研削容易性の値も向上していた。さらに、本発明による砥石車の焼結凝集体で使用する砥粒のグリット・サイズは、比較用砥石車で使用する砥粒のグリット・サイズよりも小さかった。他のすべての変数が同じだと、グリット・サイズが小さいほどG比と研削容易性の値が低下する。したがって、本発明による砥石車の優れた性能は顕著であり、予想外のものである。
【０２３８】
研削テスト14-B
同じグループの砥石車サンプルを使用し、工作物として4340スチールを用いて以下の表面研削条件のもとで2回目のシリーズの研削を行なった。
【０２３９】
研削条件：
研削盤：ブラウン＆シャープ・ミク・ラ・サイズ・グラインダ
モード：表面クリープフィード研削
砥石車の速度：6,000rpm
テーブルの速度：0
ダウンフィード：1.270mm
切れ込み：1.270mm
研削液：トリムVHPE210とよくイオンを除去した水が1：20の比のもの、9ガロン/分（34リットル/分）
工作物の材質：4340スチール；51Rc硬度；長さ95.4mm；幅203.2mm
目直しモード：単一点ダイヤモンド工具、補正0.025mm、速度254mm/分
【０２４０】
【表３１】
2005522339.tif 000033
【０２４１】
これらの結果は、本発明に従って製造した砥石車が、それに最も近い比較用砥石車よりもG比と研削容易性の値が優れていること、またその優れた性能によって工作物の表面に過剰なパワーが加えられたりダメージが与えられたりはしないことを示している。
【０２４２】
実施例１５
実施例14の方法に従って調製した焼結凝集体から別の砥石車を作った。ただし、焼結凝集体においてさまざまな砥粒と結合材料を使用した点が実施例14とは異なっている。凝集体と砥石車の組成を表15-1に示してある。本発明の砥石車では、融点が、砥石車を作るのに用いた凝集体に含まれる結合材料よりも少なくとも150℃高いガラス質結合材を選択した。
【０２４３】
焼結凝集体はすべて、結合材料を3重量％と砥粒を97重量％含んでおり、スクリーニングにより粒子サイズが-20/+45メッシュ（US規格の篩サイズ）（355〜850μm）のものを選び出した。
【０２４４】
完成した砥石車は、サイズが7.0×0.50×1.25インチ（17.8×1.27×3.2cm）であった。砥石車の組成（焼成した砥石車の体積％）、密度、弾性係数を表15-1に示してある。
【０２４５】
実験用砥石車の結合材は、表2に示した結合材料Bという組成物を含んでいた。この結合材を用いて作った砥石車を735℃にて4時間にわたって焼成した。比較用砥石車は、表2に示した結合材料Cという組成物を含むガラス質結合材を用いて作った。この砥石車は、900℃にて8時間にわたって焼成した。焼結凝集体なしで作った砥石車は、砥粒を40体積％と、ガラス質結合材を10.25体積％（硬度がHグレードの場合）または6.41体積％（硬度がFグレードの場合）含んでいた。
【０２４６】
【表３２】
2005522339.tif 000034
【０２４７】
a）砥粒が40体積％のレベルでは、比較用砥石車は、砥粒凝集体、結合材料、凝集体内気孔を40体積％含む実験用砥石車よりも多い体積％の砥粒を含んでいた（すなわち2〜3体積％多い）。
b）流体（空気）透過率は、ノートン社に譲渡されたアメリカ合衆国特許第5,738,696号及び第5,738,697号に開示されているテスト方法によって測定した。相対空気透過率の値は、水1インチ当たりのcc/秒という単位で表示してある。（2.2サイズのノズルを使用した。）
【０２４８】
これら砥石車の性質から、中でも同じグレードに属する砥石車の透過率の値から、砥粒凝集体をもとにして製造した実験用砥石車の構造中には、砥粒と結合材を用いて同じ体積％の気孔と同じグレードになるように作った比較用砥石車よりも互いにつながった気孔が多いことがわかる。構造上のこの違いは、硬度のグレードが異なる砥石車でも、砥粒と結合材の種類が異なる砥石車でも、砥石車の成分の体積％が異なる砥石車でも観察された。
【図面の簡単な説明】
【０２４９】
【図１】本発明による砥粒凝集体の製造方法を実施するためのロータリーキルンの概略図である。
【図２】砥粒凝集体（写真の明るい部分）を用いて作った本発明による砥石車の断面の顕微鏡写真であり、この砥石車には、凝集体内部の気孔（写真の小さくて暗い部分）と、凝集体同士の間で互いにつながった気孔（写真の暗い部分）がある。
【図３】従来技術による比較用砥石車の断面の顕微鏡写真であり、この砥石車の構造中に砥粒凝集体はなく、互いにつながった大きな気孔もない。
【図１】
2005522339.tif 000035
【図２】
2005522339.tif 000036
【図３】
2005522339.tif 000037
【手続補正書】
【提出日】平成16年10月19日(2004.10.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体透過構造を持つ結合式研磨工具であって、
a）融点が500〜1400℃であることを特徴とする結合材料で保持された多数の砥粒を含み、この研磨工具を製造する前に三次元構造と初期サイズ分布を持っている5〜75体積％の焼結凝集体と；
b）結合材と；
c）互いにつながった少なくとも30体積％の気孔を含む合計で35〜80体積％の気孔とを含む結合式研磨工具において、
結合式研磨工具を製造した後に、この研磨工具内の焼結凝集体の少なくとも50重量％が、三次元構造をした多数の砥粒を保持していることを特徴とする結合式研磨工具。
【請求項２】
上記焼結凝集体の平均サイズが、砥粒の平均サイズの2〜20倍の大きさである、請求項1に記載の結合式研磨工具。
【請求項３】
流体透過構造を持つ結合式ビトリファイド研磨工具であって、
a）材料の融点における粘度がAであることを特徴とする結合材料で多数の砥粒を結合させた5〜75体積％の焼結凝集体と；
b）上記結合材料の融点における粘度が粘度Aよりも少なくとも33％小さい粘度Bであることを特徴とするガラス質結合材と；
c）互いにつながった気孔が少なくとも30体積％含まれる35〜80体積％の気孔とを含む結合式ビトリファイド研磨工具。
【請求項４】
上記結合材料の粘度Aが、1180℃において345〜55,300ポアズである、請求項3に記載のビトリファイド研磨工具。
【請求項５】
流体透過構造を持つビトリファイド研磨工具であって、
a）融点がAであることを特徴とする結合材料で多数の砥粒を結合させた5〜60体積％の焼結凝集体と；
b）融点Aよりも少なくとも150℃低い融点Bを持つことを特徴とするガラス質結合材と；
c）互いにつながった気孔が少なくとも30体積％含まれる35〜80体積％の気孔とを含むビトリファイド研磨工具。
【請求項６】
上記結合材料の融点Aが950〜1,300℃である、請求項5に記載のビトリファイド研磨工具。
【請求項７】
流体透過構造を持つ結合式研磨工具であって、
a）34〜56体積％の砥粒と；
b）3〜25体積％の結合材と；
c）互いにつながった気孔が少なくとも30体積％含まれる35〜80体積％の気孔とを含み、
上記工具が、気孔誘導媒体及び長さと断面幅のアスペクト比が少なくとも5：1である細長い形状の材料を実質的に有しないことを特徴とする結合式研磨工具。
【請求項８】
5〜75体積％の砥粒凝集体を含む研磨工具であって、
a）砥粒と、ガラス質結合材料、ガラス質材料、セラミック材料、無機結合材、有機結合材、ならびにこれらの組み合わせから本質的になるグループから選択した結合材料とを制御された供給速度で焼成用ロータリーキルンに供給するステップと；
b）このキルンを制御された速度で回転させるステップと；
c）供給速度とキルンの回転速度によって決まる加熱速度でこの混合物を145℃から1,300℃まで加熱するステップと；
d）キルン内でこの混合物を回転させることにより、結合材料を砥粒に接着させ、その結果として多数の砥粒を互いに接着させて多数の焼結凝集体を形成するステップと；
e）結合材料によって互いに結合した多数の砥粒からなり、初期三次元形状を持ち、ルース充填密度が≦1.6g/ccである焼結凝集体をキルンから回収するステップと；
f）焼結凝集体を鋳型に入れて成形された複合体にするステップと；
g）この成形された複合体を熱処理して研磨工具を作るステップを含む方法によって作られる研磨工具。
【請求項９】
焼結凝集体を結合材料と混合して凝集体混合物を形成するステップをさらに含む、請求項8に記載の研磨工具。
【請求項１０】
砥粒を凝集させる方法であって、
a）砥粒と、ガラス質結合材料、ガラス質材料、セラミック材料、無機結合材、有機結合材、ならびにこれらの組み合わせから本質的になるグループから選択した結合材料とを制御された供給速度で焼成用ロータリーキルンに供給するステップと；
b）このキルンを制御された速度で回転させるステップと；
c）供給速度とキルンの回転速度によって決まる加熱速度でこの混合物を145℃から1,300℃まで加熱するステップと；
d）キルン内でこの混合物を回転させることにより、結合材料を砥粒に接着させ、その結果として多数の砥粒を互いに接着させて多数の焼結凝集体を形成するステップと；
e）結合材料によって互いに結合した多数の砥粒からなり、初期三次元形状を持ち、ルース充填密度が≦1.6g/ccである焼結凝集体をキルンから回収するステップとを含む方法。
【請求項１１】
上記砥粒と上記結合材料を上記結合材料を融かして流動させるのに効果的な温度まで加熱し、この融けた結合材料の粘度が少なくとも300ポアズである、請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
砥粒と結合材料の均一な混合物を作る工程をさらに含み、かつ上記均一な混合物が凝集体となって生の凝集体を形成し、この生の凝集体を上記焼成用ロータリーキルンに供給する、請求項10に記載の方法。
【請求項１３】
砥粒の焼結凝集体であって、
a）砥粒と結合材料を制御された供給速度で焼成用ロータリーキルンに供給するステップと；
b）このキルンを制御された速度で回転させるステップと；
c）供給速度とキルンの回転速度によって決まる加熱速度でこの混合物を145℃から1,300℃まで加熱するステップと；
d）キルン内でこの混合物を回転させることにより、結合材料を砥粒に接着させ、その結果として多数の砥粒を互いに接着させて多数の焼結凝集体を形成するステップと；
e）焼結凝集体をキルンから回収するステップとを含む方法で製造することによって製造される、
初期三次元形状を持ち、ルース充填密度が≦1.6g/ccであり、かつ多数の砥粒を含む、焼結凝集体。
【請求項１４】
流体置換法によって測定され、凝集体を作るのに用いた砥粒と結合材料の見かけの体積に対する凝集体の体積の比として表現される凝集体の相対密度の最大値が0.7である、請求項13に記載の焼結凝集体。
【国際調査報告】
2005522339.tif 000038
2005522339.tif 000039