(57)【要約】  シリケートを含むボンドマトリックス内の立方晶窒化ホウ素でできた砥粒を含むボンド研磨物品が提供される。ボンド研磨材は、砥粒とボンドマトリックスとの間の界面に、遷移金属窒化物を含む反応生成物をさらに含む。また、本発明は、遷移金属酸化物化合物を含むガラス粉末を提供し、ガラス粉末を、立方晶窒化ホウ素を含む砥粒と混合し、ガラス粉末および砥粒を形成して、未加工物品を形成し、未加工物品を転位温度で焼結して、ガラス状ボンドマトリックス中に砥粒を形成することを含む製造方法であって、転位温度により、遷移金属酸化物化合物を、遷移金属窒化物化合物へ、砥粒とガラス状ボンドマトリックスの界面で変化させる、方法に関する。
2010521327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリケートを含むボンドマトリックス内に立方晶窒化ホウ素を含む砥粒と、前記砥粒とボンドマトリックスとの間の界面に、遷移金属窒化物を含む反応生成物とを含むボンド研磨物品。
【請求項２】
前記遷移金属窒化物化合物が、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＺｒＮおよびＮｂＮからなる群から選択される請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項３】
前記遷移金属窒化物化合物が、ＴｉＮを含む請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項４】
前記ボンドマトリックスが、約１５モル％以下のＴｉＮを含む請求項３に記載のボンド研磨材。
【請求項５】
前記遷移金属窒化物化合物が、ＣｒＮを含む請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項６】
前記ボンドマトリックスが、約１５モル％以下のＣｒＮを含む請求項５に記載のボンド研磨材。
【請求項７】
約５０体積％以上の前記遷移金属窒化物が、前記砥粒と直接接触する請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項８】
約７５体積％以上の前記遷移金属窒化物化合物が、前記砥粒と直接接触する請求項７に記載のボンド研磨材。
【請求項９】
約９５体積％以上の前記遷移金属窒化物化合物が、前記砥粒と直接接触する請求項８に記載のボンド研磨材。
【請求項１０】
前記遷移金属窒化物が、前記砥粒の表面積約３０％以下をカバーする請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項１１】
前記反応生成物遷移金属窒化物が、前記砥粒の表面積の約５０％以上をカバーする請求項１０に記載のボンド研磨材。
【請求項１２】
前記反応生成物遷移金属窒化物が、前記砥粒の表面積の約７５％以上をカバーする請求項１１に記載のボンド研磨材。
【請求項１３】
前記ボンドマトリックスが、約８０モル％以下の酸化ケイ素を含む請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項１４】
前記ボンドマトリックスが、約１０モル％以下の酸化ケイ素を含む請求項１３に記載のボンド研磨材。
【請求項１５】
前記ボンドマトリックスが、約６０モル％以下の酸化アルミニウムを含む請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項１６】
前記ボンドマトリックスが、酸化リチウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化ホウ素、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化イットリウム、酸化鉄、酸化セシウム、酸化ランタンおよび酸化ビスマスからなる要素の群から選択される少なくとも１種類の要素をさらに含む請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項１７】
前記砥粒が、前記ボンド研磨物品の総体積の約２５体積％以上含まれる請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項１８】
前記ボンドマトリックスが、前記ボンド研磨物品の総体積の約６０体積％以下含まれる請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項１９】
前記ボンドマトリックスが、約５０体積％以上の多結晶セラミック相を含む請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項２０】
多結晶セラミック相が、約０．０５ミクロン以上の平均結晶子サイズを有する結晶子を含む請求項１９に記載のボンド研磨材。
【請求項２１】
前記ボンドマトリックスが、アモルファス相をさらに含む請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項２２】
ボンドマトリックスが、前記ボンドマトリックスの総体積の約１０体積％以下の量の泡を含む請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項２３】
前記ボンドマトリックスが、前記ボンドマトリックスの総体積の約５．０体積％以下の量の泡を含む請求項２２に記載のボンド研磨材。
【請求項２４】
前記ボンド研磨材が、約５．０体積％以上の気孔率を有する請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項２５】
前記気孔率が、前記ボンド研磨材の総体積の約２０体積％〜約５０体積％の範囲内である請求項２４に記載のボンド研磨材。
【請求項２６】
前記気孔率が、平均細孔径約５００ミクロン以下を有する請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項２７】
前記ボンド研磨材の破壊係数（ＭＯＲ）が、約２０ＭＰａ以上である請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項２８】
前記ボンド研磨材の弾性率（ＭＯＥ）が、約４０ＧＰａ以上である請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項２９】
遷移金属酸化物化合物を含むガラス粉末を提供し、
前記ガラス粉末を、立方晶窒化ホウ素を含む砥粒と混合し、
前記ガラス粉末および砥粒を形成して、未加工物品を形成し、
前記未加工物品を転位温度で焼結して、ガラス状ボンドマトリックス中に砥粒を形成することを含む方法であって、前記転位温度により、前記遷移金属酸化物化合物を、遷移金属窒化物化合物へ、前記砥粒と前記ガラス状ボンドマトリックスの界面で変化させる、方法。
【請求項３０】
前記遷移金属酸化物化合物が、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｖ２Ｏ５、ＺｒＯ２およびＮｂ２Ｏ５からなる群から選択される化合物を含む請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記粉末が、約４．０モル％以上のＴｉＯ２を含む請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記転位温度が、約８００℃以上である請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記転位温度の前記ガラス状ボンドマトリックスが、約５０体積％以上のアモルファス相を含む請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
前記転位温度の前記ガラス状ボンドマトリックスが、約８０体積％以上のアモルファス相を含む請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
焼結が、窒素から実質的になる雰囲気中で実施される請求項２９に記載の方法。
【請求項３６】
前記ガラス粉末が、一般式ａＭ２Ｏ−ｂＭＯ−ｃＭ２Ｏ３−ｄＭＯ２で示される金属酸化物化合物を含み、前記金属酸化物化合物の量（モル分率）が、０．３０≦ａ≦０、０．６０≦ｂ≦０、０．５０≦ｃ≦０および０．８０≦ｄ≦０．２０を有する請求項１に記載の方法。
【請求項３７】
０．１５≦ａ≦０、０．４５≦ｂ≦０、０．４０≦ｃ≦０および０．７５≦ｄ≦０．３０である請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
０．１０≦ａ≦０、０．３５≦ｂ≦０．１５、０．３０≦ｃ≦０．１０および０．６０≦ｄ≦０．４０である請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記金属酸化物化合物Ｍ２Ｏが、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２ＯおよびＣｓ２Ｏからなる群から選択される前記金属酸化物化合物のうち１つを含む請求項３６に記載の方法。
【請求項４０】
前記金属酸化物化合物ＭＯが、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯおよびＺｎＯからなる群から選択される前記金属酸化物化合物のうち１つを含む請求項３６に記載の方法。
【請求項４１】
前記金属酸化物化合物Ｍ２Ｏ３が、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３およびＬａ２Ｏ３からなる群から選択される前記金属酸化物化合物のうち１つを含む請求項３６に記載の方法。
【請求項４２】
前記金属酸化物化合物ｄＭＯ２が、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２およびＺｒＯ２からなる群から選択される前記金属酸化物化合物のうち１つを含む請求項３６に記載の方法。
【請求項４３】
前記方法が、約５０℃／分以下の速度で冷却することをさらに含む請求項２９に記載の方法。
【請求項４４】
冷却が、前記ボンドマトリックス材料のガラス転移温度より約１００℃以上高い結晶化温度で保持される請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
冷却が、前記ボンドマトリックス材料のガラス転移温度より約３００℃以上高い結晶化温度で保持される請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
保持が、約１０分以上の間にわたって結晶化温度で保持することを含む請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
前記粉末をミリングして、平均粒径が約１００ミクロン以下のガラス粉末を形成することをさらに含む請求項２９に記載の方法。
【請求項４８】
混合が、約６０体積％以下の砥粒を提供することを含む請求項２９に記載の方法。
【請求項４９】
混合が、約６０体積％以下のガラス粉末を提供することを含む請求項２９に記載の方法。
【請求項５０】
混合が、バインダーを提供することをさらに含む請求項２９に記載の方法。
【請求項５１】
前記バインダーが、グリコール、デキストリン、樹脂、ポリエチレン、エチレン、プロピレン、グルーおよびポリビニルアルコールからなる有機材料の群から選択される有機材料を含む請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記混合物が、約１５体積％以下のバインダーを含む請求項５０に記載の方法。
【請求項５３】
混合が、細孔形成剤を提供することをさらに含む請求項２９に記載の方法。
【請求項５４】
前記細孔形成剤が、有機材料を含む請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記有機材料が、ポリビニルブチレート、ポリ塩化ビニル、ワックス、植物種子、植物殻、ジアミルスルホコハク酸ナトリウム、メチルエチルケトン、ナフタレン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリルポリマーおよびｐ−ジクロロベンゼン、ポリエチレンワックスからなる群から選択される請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記混合物が、約３５体積％以下の細孔形成剤を含む請求項５３に記載の方法。
【請求項５７】
前記方法が、前記粉末および前記砥粒を含む未加工物品を形成することをさらに含む請求項２９に記載の方法。
【請求項５８】
形成が、鋳造、成型、押出しおよび加圧成型からなるプロセスの群から選択されるプロセスを含む請求項５７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の開示内容は、ボンド研磨物品に関し、特に、結晶ボンドマトリックスを有するボンド研磨物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
研磨材は、通常、精密研磨からバルク材料除去および切断に及ぶ様々な機械加工操作に利用される。例えば、粗い粒子で構成された自由研磨材は、半導体工業における化学機械研磨（ＣＭＰ）等の研磨用途のスラリーに用いられる。あるいは、研磨材は、砥石車、ベルト、ロール、ディスク等のデバイスをはじめとするボンドおよびコート研磨材等の固定研磨物品の形態でもよい。
【０００３】
固定研磨材は、通常、材料のマトリックス内で、固定研磨材は砥粒またはグリットを利用し、砥粒の位置を互いに固定するという点で、自由研磨材とは異なる。一般的な固定研磨グリットは、アルミナ、炭化ケイ素、様々な鉱物、例えば、ガーネット、ならびに超砥粒、例えば、ダイヤモンドおよび立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）を含む。特に、ボンド研磨物品については、研磨グリットは、ボンド材料において互いに固定されている。多くの異なるボンド材料を用いることができるが、ガラス状ボンド材料、例えば、アモルファス相ガラス材料が一般的である。しかしながら、従来のボンド研磨材、例えば、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、ダイヤモンドおよびガラス状ボンドを有する立方晶窒化ホウ素の性能特性は、ボンドの性質および砥粒の組成により制限されている。特に、ボンドマトリックスと砥粒との間のボンドが不十分で、研削中、砥粒がボンドマトリックスから容易に除去されて、研削または研磨プロセスの有効性が低下する可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
当該技術分野においては、特性の改善されたボンド研磨材が必要とされ続けている。その特性としては、機械的安定性、強度、使用可能な期間および改善された研削性能が挙げられる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の実施形態によれば、シリケートでできたボンドマトリックス内に立方晶窒化ホウ素を含む砥粒を含むボンド研磨物品が提供される。ボンド研磨材はまた、砥粒とボンドマトリックスとの間の界面に、遷移金属窒化物を含む反応生成物も含む。
【０００６】
第２の実施形態によれば、遷移金属酸化物化合物でできたガラス粉末を提供することを含むボンド研磨材の製造方法が提供される。本方法には、ガラス粉末を、立方晶窒化ホウ素を含む砥粒と混合し、ガラス粉末および砥粒を形成して未加工物品を形成することがさらに含まれる。本方法には、未加工物品を転位温度で焼結して、ガラス状ボンドマトリックス中に砥粒を形成して、転位温度で、遷移金属酸化物化合物が、砥粒とガラス状ボンドマトリックスの界面で遷移金属窒化物化合物に変換されるようにすることがさらに含まれる。
【０００７】
添付の図面を参照することにより、本発明の開示内容がより良く理解され、その多くの特徴および利点が当業者に明白となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態によるボンド研磨物品を形成するプロセスを示すフローチャートである。
【図２ａ】本実施形態により形成されたボンド研磨物品の一部を示す画像である。
【図２ｂ】従来の技術により形成されたボンド研磨物品の一部を示す画像である。
【図３】比較試料に比べた本実施形態により形成されたボンド研磨物品の弾性率（ＭＯＥ）を示すプロットである。
【図４】比較試料に比べた本実施形態により形成されたボンド研磨物品の破壊係数（ＭＯＲ）を示すプロットである。
【図５】比較試料に比べた本実施形態により形成されたボンド研磨物品の硬度を示すプロットである。
【０００９】
異なる図面で同じ参照番号を用いているのは同様または同一の項目を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、一実施形態によりボンド研磨材が形成されるプロセスを示すフローチャートである。プロセスはステップ１０１で開始され、遷移金属酸化物反応物を含むガラス粉末が提供される。粉末は、通常、ガラス状（アモルファス）で、ガラスの約８０体積％以上がアモルファス相である。特定の実施形態によれば、ガラス粉末は、アモルファス相をより多く含み、例えば、約９０体積％以上、さらには約９５体積％以上がアモルファス相である。通常、ガラス粉末の形成は、原材料を好適な比率で混合し、原材料の混合物を溶融して、高温でガラスを形成することにより完了する。ガラスの十分な溶融および混合の後、ガラスを冷却（急冷）し、粉末に粉砕する。
【００１１】
通常、ガラス粉末を、例えば、ミリングプロセスによりさらに処理して、好適な粒径分布を有するガラス粉末にしてもよい。典型的に、ガラス粉末の平均粒径は約１００ミクロン以下である。特定の実施形態において、ガラス粉末の平均粒径は７５ミクロン以下、例えば、約５０ミクロン以下、さらには約１０ミクロン以下である。しかしながら、ガラス粉末の平均粒径は、典型的に、約５．０ミクロン〜約７５ミクロンの範囲内である。
【００１２】
ガラス粉末の組成物は、式ａＭ２Ｏ−ｂＭＯ−ｃＭ２Ｏ３−ｄＭＯ２−ｅＭ２Ｏ５を用いて示すことができる。式に示されるとおり、ガラス粉末組成物には、金属酸化物、特に、２種類以上の金属酸化物が、酸化物が化合物酸化物材料として一緒に存在するようにして含まれる。特定の一実施形態において、ガラス粉末には、一価のカチオン（Ｍ１＋）を有する金属酸化物化合物、例えば、一般式Ｍ２Ｏにより表わされる金属酸化物化合物が含まれる。Ｍ２Ｏにより表わされる好適な金属酸化物組成物としては、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２ＯおよびＣｓ２Ｏ等の化合物を挙げることができる。
【００１３】
他の実施形態によれば、一般式で示されるとおり、ガラス粉末は他の金属酸化物化合物を含むことができる。特に、ガラス粉末は、二価のカチオン（Ｍ２＋）を有する金属酸化物化合物、例えば、一般式ＭＯで表わされる金属酸化物化合物を含むことができる。ＭＯで表わされる好適な金属酸化物組成物としては、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯおよびＺｎＯ等の化合物を挙げることができる。
【００１４】
さらに、ガラス粉末は、三価のカチオン（Ｍ３＋）を有する金属酸化物化合物、特に、一般式Ｍ２Ｏ３で表わされる金属酸化物化合物を含むことができる。Ｍ２Ｏ３で表わされる好適な金属酸化物組成物としては、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３およびＬａ２Ｏ３等の化合物を挙げることができる。
【００１５】
特に、上の一般式で示されるとおり、ガラス粉末は、ＭＯ２で表わされる、Ｍ４＋の原子価状態のカチオンを有する金属酸化物化合物を含むことができる。特に好適なＭＯ２組成物としては、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２およびＴｉＯ２が挙げられる。
【００１６】
さらに、ガラス粉末は、Ｍ５＋の原子価状態のカチオンを有する金属酸化物化合物、特に、一般式Ｍ２Ｏ５で表わされる金属酸化物化合物を含むことができる。Ｍ２Ｏ５で表わされる好適な金属酸化物組成物としては、Ｖ２Ｏ５およびＮｂ２Ｏ５等の化合物を挙げることができる。
【００１７】
一般式ａＭ２Ｏ−ｂＭＯ−ｃＭ２Ｏ３−ｄＭＯ２−ｅＭ２Ｏ５で示されるガラス粉末の組成物に関して、ガラス粉末内に存在し得る異なる種類の金属酸化物化合物（Ｍ２Ｏ、ＭＯ、Ｍ２Ｏ３、ＭＯ２およびＭ２Ｏ５）のそれぞれの量（モル％での）を示すための係数（ａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅ）が与えられる。このように、係数「ａ」は、通常、ガラス粉末内のＭ２Ｏ金属酸化物の総量を表わす。ガラス粉末内のＭ２Ｏ金属酸化物の総量（モル分率）は、通常、約０．３０≦ａ≦０の範囲内である。特定の実施形態によれば、ガラス粉末内のＭ２Ｏ金属酸化物化合物の量は、約０．１５≦ａ≦０の範囲内、特に、約０．１０≦ａ≦０の範囲内である。
【００１８】
二価のカチオンＭ２＋を含有するＭＯ金属酸化物化合物の存在に関して、かかる化合物の総量（モル分率）は、係数「ｂ」で定義することができる。通常、ガラス粉末内のＭＯ金属酸化物化合物の総量は、約０．６０≦ｂ≦０の範囲内である。特定の実施形態によれば、ＭＯ金属酸化物化合物の量は、約０．４５≦ｂ≦０の範囲内、特に、約０．３５≦ｂ≦０．１５の範囲内である。
【００１９】
また、ガラス粉末内の三価のカチオンＭ３＋を含有するＭ２Ｏ３金属酸化物化合物の量は、係数「ｃ」で表わされる。このように、Ｍ２Ｏ３金属酸化物化合物の総量（モル分率）は、通常、約０．６０≦ｃ≦０の範囲内である。ある特定の実施形態によれば、ガラス粉末内Ｍ２Ｏ３金属酸化物化合物の量は、約０．４０≦ｃ≦０の範囲内、特に、約０．３０≦ｃ≦０．１０の範囲内である。
【００２０】
一般式ａＭ２Ｏ−ｂＭＯ−ｃＭ２Ｏ３−ｄＭＯ２−ｅＭ２Ｏ５で示されるＭ４＋カチオンを含有するＭＯ２金属酸化物化合物の量は、係数「ｄ」で表わされる。通常、ガラス粉末内のＭＯ２酸化物化合物の総量（モル分率）は、約０．８０≦ｄ≦０．２０の範囲内である。ある特定の実施形態において、ガラス粉末内のＭＯ２金属酸化物化合物の量は、約０．７５≦ｄ≦０．３０の範囲内、特に、約０．６０≦ｄ≦０．４０の範囲内である。
【００２１】
一般式ａＭ２Ｏ−ｂＭＯ−ｃＭ２Ｏ３−ｄＭＯ２−ｅＭ２Ｏ５で示されるＭ５＋カチオンを含有するＭ２Ｏ５金属酸化物化合物の存在は、係数「ｅ」で表わされる。通常、ガラス粉末内のＭ２Ｏ５酸化物化合物の総量（モル分率）は、約０．２０≦ｄ≦０の範囲内である。ある特定の実施形態において、ガラス粉末内のＭ２Ｏ５金属酸化物化合物の量は、約０．１５≦ｄ≦０の範囲内、特に、約０．１０≦ｄ≦０．０１の範囲内である。
【００２２】
上述したＭＯ２金属酸化物化合物に関して、特に好ましいＭＯ２金属酸化物化合物は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）であり、ガラス粉末はシリケート系組成物となるものである。特に、ガラス粉末内の酸化ケイ素の存在のみに関して、典型的にガラス粉末は約８０％モル以下の酸化ケイ素を含む。他の実施形態によれば、ガラス粉末は、約７０モル％以下、さらに、約６０モル％以下の酸化ケイ素を含む。なお、特定の実施形態において、ガラス粉末中の酸化ケイ素の量は、約２０モル％以上である。このように、ガラス粉末中の酸化ケイ素の量は、通常、約３０モル％〜約７０モル％の範囲内、特に、約４０モル％〜約６０モル％の範囲内である。
【００２３】
特に、他の金属酸化物化合物に関して、ガラス粉末の特定の組成物としては、特に、酸化ケイ素に加えて、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が挙げられ、ガラス粉末はアルミニウムシリケートとなる。このように、酸化アルミニウムを利用する実施形態に関して、通常、ガラス粉末は、約６０モル％以下のＡｌ２Ｏ３を含む。他の実施形態において、ガラス粉末は、これより少ない量、例えば、約５０モル％以下、さらに約４０モル％以下の酸化アルミニウムを含むことができる。典型的に、ガラス粉末には、約５．０モル％〜約４０モル％の範囲内、特に、約１０モル％〜約３０モル％の範囲内で酸化アルミニウムが組み込まれる。
【００２４】
他の実施形態によれば、ガラス粉末は、特に、酸化ケイ素に加えて、さらに、酸化ケイ素および酸化アルミニウムに加えて、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）のうち少なくとも１つを含む。このように、ガラス粉末内の酸化マグネシウムの量は、通常、約４５モル％以下、例えば、４０モル％以下、さらに３５モル％以下である。典型的に、酸化マグネシウムを有するガラス粉末組成物は、約５．０モル％〜約４０モル％の範囲内、特に、約１５モル％〜約３５モル％の範囲内の量を利用する。マグネシウム含有アルミニウムシリケートガラスは、マグネシウムアルミニウムシリケート組成物を有するＭＡＳガラスと呼ばれる。
【００２５】
他の実施形態によれば、ガラス粉末は、特に、酸化ケイ素に加えて、さらに酸化アルミニウムおよび酸化ケイ素に加えて、酸化リチウムを含む。このように、ガラス粉末内の酸化リチウムの量は、通常、約４５モル％以下、例えば、３０モル％以下、さらに２０モル％以下である。典型的に、酸化リチウムを有するガラス粉末組成物は、約１．０モル％〜約２０モル％の範囲内、特に、約５．０モル％〜約１５モル％の範囲内の量を利用する。リチウム含有アルミニウムシリケートガラスは、リチウムアルミニウムシリケート組成物を有するＬＡＳガラスと呼ばれる。
【００２６】
他の実施形態において、ガラス粉末は、特に、酸化ケイ素に加えて、ある実施形態においては、酸化アルミニウムおよび酸化ケイ素を含有する系に加えて、特定量の酸化バリウム（ＢａＯ）を含む。このように、ガラス粉末内の酸化バリウムの量は、通常、約４５モル％以下、例えば、３０モル％以下、さらに、２０モル％以下である。典型的に、酸化バリウムを有するガラス粉末組成物は、約０．１モル％〜約２０モル％の範囲内、特に、約１．０モル％〜約１０モル％の範囲内の量を利用する。バリウム含有アルミニウムシリケートガラスは、バリウムアルミニウムシリケート組成物を有するＢＡＳガラスと呼ばれる。
【００２７】
他の実施形態において、ガラス粉末は、酸化ケイ素を含有するガラス粉末に加えて、特定の実施形態において、酸化アルミニウムおよび酸化ケイ素を含有するガラス粉末において、特定量の酸化カルシウム（ＣａＯ）を含む。このように、ガラス粉末内の酸化カルシウムの量は、通常、約４５モル％以下、例えば、３０モル％以下、さらに、２０モル％以下である。典型的に、酸化カルシウムを有するガラス粉末組成物は、約０．５モル％〜約２０モル％の範囲内、特に、約１．０モル％〜約１０モル％の範囲内の量を利用する。ある実施形態において、酸化カルシウムは、上述した他の金属酸化物化合物を利用する系において、特に、ＭＡＳまたはＢＡＳガラスと組み合わせて、存在する。このように、酸化カルシウムは、化合物酸化物、例えば、カルシウムマグネシウムアルミニウムシリケート（ＣＭＡＳ）またはカルシウムバリウムマグネシウムアルミニウムシリケート（ＣＢＡＳ）を形成することができる。
【００２８】
上述したとおり、ガラス組成物は、他の金属酸化物化合物を含むことができる。特定の実施形態によれば、ガラス粉末組成物は、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）を含む。通常、ガラス粉末内の酸化ホウ素の量は、約４５モル％以下、例えば、３０モル％以下、さらに２０モル％以下である。典型的に、酸化ホウ素を有するガラス粉末組成物は、約０．５モル％〜約２０モル％の範囲内、特に、約２．０モル％〜約１０モル％の範囲内の量を利用する。
【００２９】
特に、ガラス粉末内の遷移金属酸化物反応物に関して、本明細書で用いる「遷移金属酸化物反応物」とは、ガラス粉末に提供されて、ボンド研磨材の焼結中反応して、金属窒化物化合物を形成する遷移金属酸化物化合物の選択される群のことを指す。従って、好適な遷移金属酸化物反応物としては、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｖ２Ｏ５、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５およびこれらの組み合わせまたはこれらの錯体酸化物が挙げられる。
【００３０】
前述の記載は、ＭＯ、Ｍ２Ｏ、Ｍ２Ｏ３、Ｍ２Ｏ５およびＭＯ２等の一般的な酸化物化合物の存在に関するものであったが、以下の記載は、特に、上述した遷移金属酸化物反応物として用いられる金属酸化物化合物の存在に関する。通常、ガラス粉末内の遷移金属酸化物反応物の総量は、約２５モル％以下である。特定の実施形態によれば、ガラス粉末内の遷移金属酸化物反応物の総量はこれより少なく、例えば、約２０モル％以下、例えば、約１５モル％以下、さらに約１０モル％以下である。典型的に、遷移金属酸化物反応物の総量は、約１．０モル％〜約２０モル％の範囲内、特に、約２．０モル％〜約１５モル％の範囲内である。
【００３１】
特に、遷移金属酸化物反応物ＴｉＯ２に関して、この反応物は、他の酸化物に加えて、特に、酸化ケイ素に加えて、特に、酸化アルミニウムおよび酸化ケイ素に加えて存在し得る。通常、ガラス粉末は、約２０モル％以下の量の酸化チタンを含有する。他の実施形態によれば、ガラス粉末は、１５モル％以下のＴｉＯ２を含む。典型的に、遷移金属酸化物反応物ＴｉＯ２を有するガラス粉末組成物は、約１．０モル％〜約１５モル％の範囲内、特に、約２．０モル％〜約１０モル％の範囲内の量を利用する。
【００３２】
特に、遷移金属酸化物反応物Ｃｒ２Ｏ３に関して、この反応物は、他の酸化物に加えて、特に、酸化ケイ素に加えて、特に、酸化アルミニウムおよび酸化ケイ素に加えて存在し得る。通常、ガラス粉末中の酸化クロムの量は、約２０モル％以下である。さらに、ガラス粉末は、例えば、１５モル％以下のＣｒ２Ｏ３を含有する。典型的に、遷移金属酸化物反応物Ｃｒ２Ｏ３を有するガラス粉末組成物は、約１．０モル％〜約１５モル％の範囲内、特に、約２．０モル％〜約１０モル％の範囲内の量を利用する。
【００３３】
特に、遷移金属酸化物反応物Ｖ２Ｏ５に関して、通常、この反応物は、他の酸化物に加えて、特に、酸化ケイ素に加えて、特に、酸化アルミニウムおよび酸化ケイ素に加えて存在し得る。通常、ガラス粉末は、約２０モル％以下のＶ２Ｏ５を含有する。他の実施形態によれば、ガラス粉末は、１５モル％以下のＶ２Ｏ５を含む。典型的に、遷移金属酸化物反応物Ｖ２Ｏ５は、約１．０モル％〜約１５モル％の範囲内、特に、約２．０モル％〜約１０モル％の範囲内の量を利用する。
【００３４】
特に、ＺｒＯ２に関して、この反応物は、他の酸化物に加えて、特に、酸化ケイ素に加えて、特に、酸化アルミニウムおよび酸化ケイ素に加えて存在し得る。ガラス粉末中の遷移金属酸化物反応物として、通常、ガラス粉末は、約２０モル％以下のＺｒＯ２を含有する。他の実施形態によれば、ガラス粉末は、１５モル％以下のＺｒＯ２を含む。典型的に、遷移金属酸化物反応物ＺｒＯ２は、約１．０モル％〜約１５モル％の範囲内、特に、約２．０モル％〜約１０モル％の範囲内の量を利用する。
【００３５】
特に、遷移金属酸化物反応物Ｎｂ２Ｏ５に関して、この反応物は、他の酸化物に加えて、特に、酸化ケイ素に加えて、特に、酸化アルミニウムおよび酸化ケイ素に加えて存在し得る。通常、ガラス粉末は、約２０モル％以下の量のＮｂ２Ｏ５を含有する。他の実施形態によれば、ガラス粉末は、１５モル％以下のＮｂ２Ｏ５を含む。典型的に、遷移金属酸化物反応物Ｎｂ２Ｏ５を有するガラス粉末組成物は、約１．０モル％〜約１５モル％の範囲内、特に、約２．０モル％〜約１０モル％の範囲内の量を利用する。
【００３６】
ガラス粉末をステップ１０１で提供した後、プロセスをステップ１０３に続け、ガラス粉末を、立方晶窒化ホウ素を含む砥粒と混合して、混合物を形成する。混合物の組成物に関して、混合物は、通常、約２５体積％以上の砥粒を含む。特定の実施形態によれば、混合物は、約４０体積％以上の砥粒、例えば、約４５体積％以上、さらに約５０体積％以上の砥粒を含む。それでも、混合物が、通常、約６０体積％以下の砥粒を含むように砥粒の量は制限される。特に、混合物内の砥粒は、通常、約３０体積％〜約６０体積％の範囲内の量で存在する。
【００３７】
砥粒に関して、砥粒は、硬質研磨材を含む、特に、立方晶窒化ホウ素等の超砥粒材を含む。なお、特定の実施形態によれば、砥粒は、立方晶窒化ホウ素を含み、特に、砥粒は、立方晶窒化ホウ素から実質的になる。特定の実施形態において、通常、立方晶窒化ホウ素以外の砥粒の特定のパーセンテージを、代替砥粒、例えば、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化タングステンおよびケイ酸ジルコニウムに換えることができる。このように、代替砥粒の量は、通常、総砥粒の約４０体積％以下、例えば、約２５体積％以下、さらに約１０体積％以下である。
【００３８】
砥粒は、通常、約５００ミクロン以下の平均細孔径を有する。特に、砥粒の平均細孔径は、約２００ミクロン以下、さらに約１００ミクロン以下である。通常、平均細孔径は、約１．０ミクロン〜約２５０ミクロンの範囲内、特に、約３５ミクロン〜約１８０ミクロンの範囲内である。
【００３９】
混合物中の砥粒と混合したガラス粉末の量に関して、混合物は、約１０体積％以上のガラス粉末、例えば、約１５体積％以上のガラス粉末を含むことができる。それでも、混合物が約６０体積％以下のガラス粉末、例えば、約５０体積％以下のガラス粉末、さらに約４００体積％以下のガラス粉末を含むようにガラス粉末の量は制限される。特に、混合物は、通常、約１０体積％〜約３０体積％の範囲内の量のガラス粉末を含む。
【００４０】
混合プロセスには、乾式混合プロセスまたは湿式混合プロセスが含まれる。特に、混合プロセスは湿式混合プロセスで、少なくとも１種類の液体を添加して、ガラス粉末と砥粒の混合を促進する。特定の実施形態によれば、液体は水である。かかる実施形態において、水は、適切な混合を促進するのに好適な量で添加される。例えば、混合物は、通常、少なくとも約６．０体積％の水、例えば、少なくとも１０体積％含有する。それでも、混合物は、通常、約２０体積％以下の水、例えば、約１５体積％以下の水を含む。
【００４１】
混合物は、他の添加剤、例えば、バインダーを含むことができる。通常、バインダーは、有機材料である。好適なバインダー材料としては、グリコール（例えば、ポリエチレングリコール）、デキストリン、樹脂、グルーまたはアルコール（例えば、ポリビニルアルコール）またはこれらの組み合わせを含有する有機材料を挙げることができる。通常、混合物は、約１５体積％以下のバインダー、例えば、約１０体積％以下含む。ある特定の実施形態によれば、バインダーは、約２．０体積％〜約１０体積％の範囲内で混合物に提供される。
【００４２】
他の添加剤をさらに参照すると、混合物は、細孔形成剤または細孔誘導材料を含んでいて、多孔性の最終ボンド研磨材構造の形成を促進することができる。従って、細孔形成剤は、通常、無機または有機材料を含む。典型的に好適な有機材料としては、ポリビニルブチラート、ポリ塩化ビニル、ワックス（例えば、ポリエチレンワックス）、植物種子、植物殻、ジアミルスルホコハク酸ナトリウム、メチルエチルケトン、ナフタレン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリルポリマーおよびｐ−ジクロロベンゼンおよびこれらの組み合わせを挙げることができる。かかる細孔形成剤は、典型的に、微粒子形態で提供され、加熱の際に、微粒子材料が放出され、細孔が後に残るようなものである。従って、細孔形成剤の平均粒径は、約０．５ｍｍ以下、さらに約０．０５ｍｍ以下である。また、好適な無機材料としては、無機材料のビーズ、特に、ガラス、セラミックスまたはガラスセラミックスのような材料の中空球またはこれらの組み合わせを挙げることができる。
【００４３】
典型的に、混合物に提供される細孔形成剤の量は、約３５体積％以下である。他の実施形態において、混合物は、約３０体積％以下の細孔形成剤、例えば、約２０体積％以下、さらに約１５体積％以下の細孔形成剤を含む。特定の実施形態によれば、混合物は、約１．０体積％〜約３５体積％の範囲内、特に、約５．０体積％〜約２５体積％の範囲内の量の細孔形成剤を含む。
【００４４】
また、混合物は、砥粒、ガラス粉末およびその他添加剤の混合物の塊内に、「自然気孔率」または泡または細孔の存在を含むことができるものと考えられる。従って、この自然気孔率は、形成技術に応じて、最終ボンド研磨物品に維持できる。このように、特定の実施形態において、細孔形成剤は用いず、混合物内の自然気孔率を利用して、形成および焼結プロセス間中維持して、所望量の気孔率を有する最終ボンド研磨物品を形成する。通常、混合物の自然気孔率は約４０体積％以下である。ただし、特定の実施形態においては、混合物内の自然気孔率は、これより少ない、例えば、約２５体積％以下、または約１５体積％以下である。通常、混合物内の自然気孔率の量は、約５．０体積％〜約２５体積％の範囲内である。
【００４５】
混合工程は、ガラス粉末、砥粒およびその他上述した成分を混合することを含み得るが、特定の実施形態によれば、バインダーおよび砥粒をまず水中で混合してもよい。追加の成分（すなわち、砥粒およびバインダー）と共に水を、ガラス粉末、および存在する場合には、細孔形成剤と混合してもよい。
【００４６】
図１を再び参照すると、ガラス粉末を砥粒とステップ１０３で混合した後、方法をステップ１０５に続け、混合物を形成して、未加工物品を形成する。混合物を未加工物品へと形成するのに、未加工物品に所望の最終輪郭または実質的に所望の最終輪郭を与える形成プロセスが含まれる。本明細書で用いる「未加工物品」という用語は、完全に焼結されていないピースのことを指す。従って、形成プロセスには、鋳造、成型、押出しおよび加圧成型またはこれらの組み合わせ等のプロセスが含まれる。一実施形態によれば、形成プロセスは鋳造プロセスである。
【００４７】
未加工物品をステップ１０５で形成した後、プロセスをステップ１０７に続け、未加工物品を予備焼成する。通常、予備焼成ステップは、未加工物品を加熱して、揮発物質（例えば、水および／または有機材料または細孔形成剤）の放出を促す。このように、混合物の加熱には、通常、ほぼ室温（２２℃）を超える温度まで加熱することが含まれる。一実施形態によれば、予備焼成プロセスには、未加工物品を約１００℃以上の温度、例えば、約２００℃以上、さらに約３００℃以上まで加熱することが含まれる。特定の実施形態によれば、加熱は、約２２℃〜約８５０℃の温度の間で完了する。
【００４８】
未加工物品をステップ１０７で予備焼成した後、プロセスをステップ１０９に続け、未加工物品を転位温度で焼結して、ボンドマトリックス中の砥粒と、砥粒とボンドマトリックスの界面に反応生成物である遷移金属窒化物化合物とを含むボンド研磨物品を形成する。通常、転位温度は、ガラス粉末中に存在する遷移金属酸化物反応物の大部分を、遷移金属窒化物化合物へと変えるのに十分な温度である。従って、転位温度は、通常、約８００℃以上である。他の実施形態では、これより高い転位温度、例えば、約１０００℃以上、約１２００℃以上、さらに約１３００℃以上を利用する。転位温度は、通常、約１０００℃〜約１８００℃、特に約１１００℃〜約１５００℃の範囲内である。
【００４９】
焼結は、通常、制御された雰囲気中で実施される。一実施形態によれば、例えば、制御された雰囲気としては、非酸化雰囲気が挙げられる。非酸化雰囲気としては、不活性雰囲気、例えば、希ガスを用いるものを例示することができる。一実施形態によれば、雰囲気は、窒素、例えば、約９０体積％以上の窒素からなる。他の実施形態では、これより高い濃度の窒素、例えば、約９５体積％以上、さらに９９．９９体積％以上を利用して、雰囲気が窒素から実質的になるようなものである。一実施形態によれば、窒素雰囲気中での焼結プロセスは、周囲雰囲気の初期排気で始まり、約０．０５バール以下の減圧となる。特定の実施形態において、このプロセスを繰り返して、焼結チャンバが何回も排気されるようにする。排気後、焼結チャンバを酸素フリーの窒素ガスでパージすることができる。
【００５０】
焼結プロセスをさらに参照すると、例えば、プロセスは、特定の間にわたって実施される。通常、焼結は、約１０分以上の間にわたって実施される。他の実施形態によれば、焼結は、焼結温度で、約６０分以上、さらに約２４０分以上にわたって実施される。典型的に、焼結は、約２０分〜約４時間の間、特に、約３０分〜約２時間の間にわたって実施される。
【００５１】
さらに、転位温度での焼結中、ボンドマトリックスは、通常、高含量のアモルファス相、例えば、約５０体積％以上のアモルファスを有する。より典型的には、ボンドマトリックスは、これより高含量、例えば、約６０体積％以上、または約７０体積％以上、さらに約８０体積％以上のアモルファス相を有する。高含量のアモルファス相によって、砥粒とボンドマトリックスの界面での遷移金属酸化物反応物の遷移金属窒化物化合物への転位が促進される。
【００５２】
ステップ１０９での焼結後、ボンド研磨材に、ステップ１１１でさらに任意の処理を行うことができる。冷却操作して、多結晶セラミック相を有するボンドマトリックスを形成するものである。例えば、ボンド研磨材に制御された冷却および任意の制御された結晶化を行って、ボンドマトリックス材料の結晶化を促進することができる。かかる操作において、通常、焼結温度からの冷却速度は、約５０℃／分以下である。他の実施形態では、これより遅い傾斜速度、例えば、約４０℃／分以下、さらに約３０℃／分以下を利用する。特定の実施形態によれば、冷却は、約２０℃／分以下の速度で行われる。
【００５３】
さらに、制御された冷却および結晶化プロセスには、保持プロセスが含まれ、ボンド研磨物品を、ボンドマトリックス材料のガラス転移温度（Ｔｇ）より高い結晶化温度に保持する。典型的に、ボンド研磨物品は、Ｔｇより約１００℃以上高い、例えば、Ｔｇより約２００℃高い、さらにはＴｇより約３００℃以上高い温度まで冷却することができる。通常、結晶化温度は、約８００℃以上、例えば、約９００℃以上、さらには約１０００℃以上である。特に、結晶化温度は、約９００℃〜約１３００℃の範囲内、特に、約９５０℃〜約１２００℃の範囲内である。
【００５４】
ボンド研磨物品は、通常、約１０分以上の間、結晶化温度に保持される。一実施形態において、ボンド研磨物品は、約２０分以上、例えば、約６０分以上、さらには約２時間以上、結晶化温度に保持される。結晶化温度でボンド研磨材を保持する典型的な時間は、約３０〜約４時間の範囲内、特に、約１時間〜約２時間の範囲内である。この任意の冷却および結晶化プロセス中の雰囲気は、焼結プロセス中の雰囲気と同じであるため、制御された雰囲気、特に、酸素フリーの窒素リッチな雰囲気を含むものと考えられる。
【００５５】
冷却操作を利用するかかる実施形態において、ボンドマトリックスは、かなりの多結晶セラミック相を有しており、約５０体積％以上のボンドマトリックスが結晶である。特定の実施形態によれば、約６０体積％以上、約７５体積％以上、さらに約９０体積％以上のボンドマトリックスを結晶にしてもよい。
【００５６】
通常、多結晶セラミック相は、平均サイズが約０．０５ミクロン以上の複数の結晶子または結晶粒を含む。ある特定の実施形態において、平均結晶子サイズは、約１．０ミクロン以上、例えば、約１０ミクロン以上、さらに約２０ミクロン以上である。一方で、平均結晶子サイズは、通常、約１００ミクロン以下であり、平均結晶子サイズは、約１．０ミクロン〜１００ミクロンの範囲内である。
【００５７】
通常、多結晶セラミック相の結晶子の組成物には、酸化ケイ素、酸化アルミニウムまたは両者の組み合わせが含まれる。このように、多結晶セラミック相の結晶子には、ベータクォーツ等の結晶が含まれ、固溶体において、初期ガラス粉末中に組み込まれた他の金属酸化物を組み込むことができる。特に多結晶セラミック相は、アルミニウムシリケート相を含む。他の特定の実施形態によれば、多結晶セラミック相の結晶子は、化合物酸化物結晶、例えば、コーディエライト、エンスタタイト、サファーリン、灰長石、セルシアン、透輝石、スピネルおよびベータ−リシア輝石を含むことができ、ベータ−シリア輝石は、特に、固溶体に見られる。
【００５８】
また、ボンドマトリックスの一部には、アモルファス相が含まれていてもよい。アモルファス相は、多結晶セラミック相と同様に、酸化ケイ素および酸化アルミニウムならびに元のガラス粉末内に存在する追加の金属酸化物種を含むことができる。典型的に、アモルファス相は、ボンドマトリックスの総体積の約５０体積％以下の量で存在する。このように、アモルファス相は、通常、少量で存在し、約４０体積％以下、例えば、約３０体積％以下、例えば、約１５体積％以下の量で存在する。特定の実施形態によれば、アモルファス相は、約０体積％〜約４０体積％、特に、約５．０体積％〜約２０体積％の範囲内の量で存在する。
【００５９】
最終形成ボンド研磨物品において、砥粒は、通常、ボンド研磨物品の総体積の約２５体積％以上含まれる。実施形態によれば、砥粒は、通常、最終形成ボンド研磨物品の総体積の約３５体積％以上、例えば、約４５体積％以上、さらに、約５０体積％以上含まれる。ある特定の実施形態によれば、砥粒は、最終形成研磨物品の総体積の約３５体積％〜約６０体積％含まれる。
【００６０】
ボンド研磨物品は、通常、ボンド研磨物品の総体積の約５．０体積％以上程度の気孔率を有する。典型的に、気孔率はこれより多く、気孔率は、ボンド研磨材の総体積の約１０体積％以上、例えば、約１５体積％以上、約２０体積％以上、さらに約３０体積％以上である。一方で、気孔率の量は、気孔率が約７０体積％以下、例えば、約６０体積％以下、さらに約５０体積％以下となるように制限される。特定の実施形態によれば、ボンド研磨物品の気孔率は、約２０体積％〜約５０体積％の範囲内である。かかる気孔率は、通常、開放と密閉気孔率の組み合わせである。
【００６１】
ボンド研磨物品の気孔率をさらに参照すると、平均細孔径は、通常、約５００ミクロン以下である。一実施形態において、平均細孔径は、約２５０ミクロン以下、例えば、約１００ミクロン以下、さらに７５ミクロン以下である。特定の実施形態によれば、平均細孔径は、約１．０ミクロン〜約５００ミクロンの範囲内、特に、約１０ミクロン〜約２５０ミクロンの範囲内である。
【００６２】
通常、ボンドマトリックスは、最終形成ボンド研磨物品の総体積の約６０体積％以下の量で存在している。このように、ボンド研磨材は、通常、約５０体積％以下、例えば、約４０体積％以下、さらに約３０体積％以下のボンドマトリックスを含む。従って、ボンドマトリックスは、通常、最終形成ボンド研磨物品の総体積の約１０体積％〜約３０体積％の量の範囲内で存在している。
【００６３】
ボンドマトリックスには、遷移金属酸化物反応物を除き、初期のガラス粉末中に元々存在していた化合物が含まれるものと考えられる。すなわち、ボンドマトリックスは、ガラス粉末と実質的に同じ組成物を含む。特に、これには、上述した金属酸化物化合物、特に、錯体金属酸化物化合物、特に、シリケート系組成物、例えば、アルミニウムシリケート、ＭＡＳ、ＬＡＳ、ＢＡＳ、ＣＭＡＳまたはＣＢＡＳ組成物を含む。
【００６４】
上述したとおり、ボンドマトリックスは、焼結中に、イン・サイチュで、金属窒化物化合物へと転位した遷移金属酸化物反応物は除いて、初期のガラスと実質的に同じ金属酸化物化合物を含む。本明細書で用いる、遷移金属窒化物化合物としては、初期のガラス粉末に、遷移金属酸化物反応物として初期のガラス粉末に添加された化合物を含み、遷移金属窒化物として最終形成ボンド研磨材中に存在する。従って、遷移金属窒化物化合物としては、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＺｒＮおよびＮｂＮまたはこれらの組み合わせまたは錯体窒化物化合物が挙げられる。
【００６５】
特に、ボンド研磨材内の遷移金属窒化物化合物の総量は、通常、約２０モル％以下である。他の実施形態によれば、１種類以上の遷移金属窒化物化合物の総量は、約１５モル％以下、例えば、約１０モル％以下である。ボンド研磨材内の遷移金属窒化物化合物の総量は、典型的に、約１．０モル％〜約２０モル％の範囲内、特に、約４．０モル％〜約１５モル％の範囲内である。
【００６６】
ある特定の遷移金属窒化物化合物に関して、ボンド研磨材は、通常、約１５モル％以下のＴｉＮを含む。他の実施形態によれば、ボンド研磨材は、約１０モル％以下のＴｉＮ、例えば、約８．０モル％以下、さらに約６．０モル％以下のＴｉＮを含む。最終形成ボンド研磨材内のＴｉＮの含量は、通常、約１．０モル％〜約１５モル％の範囲内、特に、約４．０モル％〜約１０モル％の範囲内である。
【００６７】
最終形成ボンド研磨材物品は、他の遷移金属窒化物、例えば、ＣｒＮを含むことができる。通常、ボンド研磨材は、約１５モル％以下のＣｒＮを含む。他の実施形態によれば、ボンド研磨材は、約１０モル％以下のＣｒＮ、例えば、約８．０モル％以下、さらに約６．０モル％以下のＣｒＮを含む。最終形成ボンド研磨材内のＣｒＮの含量は、通常、約１．０モル％〜約１５モル％の範囲内、特に、約４．０モル％〜約１０モル％の範囲内である。
【００６８】
他の遷移金属窒化物、例えば、ＶＮを、ボンド研磨物品内に存在させることができ、通常、ボンド研磨材は、約１５モル％以下のＶＮを含む。他の実施形態によれば、ボンド研磨材は、約１０モル％以下のＶＮ、例えば、約８．０モル％以下、さらに約６．０モル％以下のＶＮを含む。最終形成ボンド研磨材内のＶＮの含量は、通常、約１．０モル％〜約１５モル％の範囲内、特に、約４．０モル％〜約１０モル％の範囲内である。
【００６９】
最終形成ボンド研磨材物品は、他の遷移金属窒化物、例えば、ＺｒＮを含むことができ、通常、ボンド研磨材は、約１５モル％以下のＺｒＮを含む。他の実施形態によれば、ボンド研磨材は、約１０モル％以下のＺｒＮ、例えば、約８．０モル％以下、さらに約６．０モル％以下のＺｒＮを含む。最終形成ボンド研磨材内のＺｒＮの含量は、通常、約１．０モル％〜約１５モル％の範囲内、特に、約４．０モル％〜約１０モル％の範囲内である。
【００７０】
他の遷移金属窒化物、例えば、ＮｂＮを、ボンド研磨物品内に存在させることができ、通常、ボンド研磨材は、約１５モル％以下のＮｂＮを含む。通常、ボンド研磨材は、約１５モル％以下のＮｂＮを含む。他の実施形態によれば、ボンド研磨材は、約１０モル％以下のＮｂＮ、例えば、約８．０モル％以下、さらに約６．０モル％以下のＮｂＮを含む。最終形成ボンド研磨材内のＮｂＮの含量は、通常、約１．０モル％〜約１５モル％の範囲内、特に、約４．０モル％〜約１０モル％の範囲内である。
【００７１】
さらに、ボンド研磨材内の遷移金属窒化物化合物の存在に関して、通常、窒化物化合物は、砥粒とボンドマトリックスとの間の界面にあり、砥粒と直接接触している。一実施形態によれば、ボンド研磨材中に存在している遷移金属窒化物化合物の総含量の約５０体積％以上が、砥粒と直接接触している。一方で、砥粒と直接接触している遷移金属窒化物化合物の量はこれより多く、例えば、ボンド研磨材内の遷移金属窒化物化合物の総体積の約６０体積％以上、約７５体積％以上、さらに約９５体積％以上である。
【００７２】
遷移金属窒化物化合物は、砥粒およびボンドマトリックスと直接接触して、界面に形成できるため、通常、遷移金属窒化物化合物は、砥粒の利用できる総表面積の約３０％以上をカバーする。他の実施形態によれば、遷移金属窒化物化合物は、大量の砥粒をカバーし、砥粒の利用できる総表面積の約４０％以上、約５０％以上、さらに約７５％以上をカバーする。
【００７３】
通常、ボンドマトリックスは、極めて均一な相であり、上述したとおり、アモルファス相、結晶相または両方の組み合わせのいずれかを有するが、特に、ボンドマトリックスは、制限された気孔率および泡を有する。典型的に、ボンドマトリックスは、ボンドマトリックスの総体積に比べて、約１０体積％以下の泡を有する。特定の実施形態によれば、約５．０体積％以下、例えば、約２．０体積％以下、さらに約１．０体積％以下のボンドマトリックスは泡である。
【００７４】
ボンドマトリックス材料の熱膨張係数は、典型的に低く、例えば、約８０×１０−７／Ｋ−１以下である。特定の実施形態によれば、ボンドマトリックスの熱膨張係数は、約６０×１０−７／Ｋ−１以下、例えば、約５０×１０−７／Ｋ−１以下、さらに約４０×１０−７／Ｋ−１以下である。このように、ボンドマトリックスの熱膨張係数は、典型的に、約１０×１０−７／Ｋ−１〜約８０×１０−７／Ｋ−１の範囲内である。
【００７５】
後焼結ボンドマトリックスの曲げ強度は、約８０ＭＰａ以上である。他の実施形態において、ボンドマトリックスの曲げ強度は、これより大きく、例えば、約９０ＭＰａ以上、約１００ＭＰａ以上、場合によっては、約１１０ＭＰａ以上である。特定の実施形態によれば、ボンドマトリックスの曲げ強度は、約９０ＭＰａ〜約１５０ＭＰａの範囲内である。
【００７６】
かかる特性に加えて、後焼結ボンドマトリックスの靭性は、通常、約０．８ＭＰａ  ｍ１／２以上である。他の実施形態において、ボンドマトリックスの靭性はこれより大きく、例えば、約１．５ＭＰａ  ｍ１／２以上、さらに約２．０ＭＰａ  ｍ１／２以上である。
【００７７】
ボンド研磨物品の特性に関して、通常、形成されたボンド研磨物品の破壊係数（ＭＯＲ）は約２０ＭＰａ以上である。しかしながら、ＭＯＲはこれより大きくすることができ、例えば、約４０ＭＰａ以上、約５０ＭＰａ以上、さらに約６０ＭＰａ以上である。ある特定の実施形態において、ボンド研磨物品のＭＯＲは、約７０ＭＰａ以上、典型的に、約５０ＭＰａ〜約１５０ＭＰａの範囲内である。
【００７８】
さらに、ボンド研磨物品の特性に関して、一実施形態によれば、研磨物品の弾性率（ＭＯＥ）は約４０ＧＰａ以上である。他の実施形態において、ＭＯＥは約８０ＧＰａ以上、例えば、約１００ＧＰａ以上、さらに約１４０ＧＰａ以上である。通常、ボンド研磨物品のＭＯＥは、約４０ＧＰａ〜約２００ＧＰａの範囲内、特に、約６０ＧＰａ〜約１４０ＧＰａの範囲内である。
【００７９】
実施例
図２を参照すると、第１の画像、図２ａに、本実施形態によるボンド研磨物品の一部を示す。図２ａに示すとおり、ボンド研磨材の一部は、ボンドマトリックス２０７内に砥粒２０５を含む。この試料には、マグネシウムアルミニウムシリケート組成物を有する多結晶セラミック相ボンドマトリックスを含む。図２ａに示す試料は、１３２０℃で６０分間、窒素雰囲気中で焼成され、３．０℃／分〜８．０℃／分間の速度で冷却された。第２の画像、図２ｂに、他のプロセスにより作製された、特に、ボンドマトリックス２１１内に砥粒２０９のある、ボンド研磨物品の一部を示す。この試料は、リチウムアルミニウムシリケートを含む部分結晶化ボンドマトリックスを有するボンド研磨物品である。図２ｂのボンド研磨材は、１０００℃で４時間、窒素中で焼成された。試料はそれぞれ、５０体積％の立方晶窒化ホウ素砥粒および１６体積％のガラス粉末を含んでいた。通常、混合物はそれぞれ、また、バインダーとして用いるために、１５体積％の水および５．０体積％のポリエチレングリコールの量で添加剤を含んでいた。混合物はまた、約１４体積％の自然気孔率を有していた。各試料は、約３４体積％の気孔率、１６体積％のボンドマトリックスおよび５０体積％の砥粒を有していた。
【００８０】
比較として、図２ｂのボンド研磨材のボンドマトリックス２１１に、特に、砥粒２０９間の高度の気孔率および発泡を示す。さらに、ボンドマトリックス２１１は、色が不均一で、異なる相の存在、特に、アモルファス相と結晶相が示されている。ボンドマトリックス２１１の砥粒２０９間の気孔率および発泡によって、ボンドマトリックス２１１内の応力集中の位置が定義されており、破断および破壊され易いボンドマトリックスが形成されているものと考えられる。比較すると、図２ａのボンドマトリックス２０７は、高度の結晶化度、低度の気孔率を有し、砥粒間に実質的に発泡がなく、砥粒２０５を効率的に濡らす、均一な材料を含む。
【００８１】
以下に、本明細書に示した実施形態により形成されたボンド研磨物品の特定の実施形態を、他のプロセスにより作製されたボンド研磨物品と比較して示す。以下の表２に、本明細書に記載した実施形態により形成された３つの試料（試料１〜３）のボンドマトリックス組成物以外のガラス粉末組成物（重量％）および他のプロセスにより形成されたガラス粉末組成物（比較例）を示す。
【００８２】
【表１】
2010521327.tif 000003
【００８３】
表１の試料についての記載に従って上述した同じプロセスを用いて、表２に示す試料の形成を形成した。各ガラス組成物を、平均粒径が約１２ミクロン、およそ少なくとも８０体積％の高アモルファス相含量を有する粉末へとミリングした。ガラス粉末を、平均粒径約１１５ミクロンの立方晶窒化ホウ素砥粒と混合した。混合物は、５０体積％の立方晶窒化ホウ素砥粒および１６体積％のガラス粉末を含んでいた。通常、各混合物は、バインダーとして用いるために、１５体積％の水と５．０体積％のポリエチレングリコールの量で添加剤も含有していた。混合物はまた、約１４体積％の自然気孔率も有していた。
【００８４】
圧縮成型を用いて混合物を成型することにより、試料を未加工物品へと形成した。形成後、未加工物品を約８５０℃の温度まで予備焼成し、有機物および低揮発性種を放出し、最終ボンド研磨物品を形成する補助とした。
【００８５】
予備焼成プロセス後、未加工物品を焼結した。試料１〜３を、典型的に、１３２０℃〜１３８０℃の高温で、６０分間にわたって、窒素リッチな雰囲気中で、約１．１ａｔｍで焼結した。試料１〜３を８．０℃／分〜１３℃／分の速度で冷却した。比較試料は、１０５０℃の温度で、約６０分間、窒素中で焼結した。試料は全て約３４体積％の気孔率、１６体積％のボンドマトリックスおよび５０体積％の砥粒を有していた。
【００８６】
図３を参照すると、試料１〜３および比較試料の弾性率を示すプロットがある。図３のプロットにより示されるとおり、試料１〜３は、比較試料に勝る改善された弾性率を示す。試料１〜３はそれぞれ、１００ＧＰａを超える、典型的に少なくとも１２０ＧＰａ、場合によっては、１４０ＧＰａを超える弾性率を示す。比較すると、比較試料の弾性率は、約６３ＧＰａである。
【００８７】
図４を参照すると、試料１〜３および比較試料の破壊係数のプロットを示す。通常、試料１〜３のボンド研磨物品は、比較試料に勝る改善された破壊係数を示す。特に、試料１〜３の破壊係数（ＭＯＲ）は約６０ＭＰａを超え、一方、比較試料のＭＯＲは２３ＭＰａである。特に、試料１および２のＭＯＲは７０を超え、特に、試料１のＭＯＲは約７５で、比較試料のほぼ４倍大きい。
【００８８】
図５を参照すると、ボンド研磨試料の硬度を示すプロットがある。特に、試料１〜３はそれぞれ、比較試料より大きな硬度を示す。試料１〜３は、９０を超える硬度を示し（ロックウェル硬さＨスケール）、典型的に、少なくとも約１００である。特に、試料２および３の硬度は１００を超え、試料３の硬度はほぼ１０５である。比較試料は、正確な測定では十分な硬度が得られなかったが、７０未満の硬度を有するものと予想される。
【００８９】
本実施形態によれば、改善された特性を有するボンド研磨物品が提供される。ある参考文献には、ガラス状ボンドマトリックスにおけるコート超砥粒の形成が開示されているが、かかる開示内容は、それらのボンドマトリックス組成物、コーティングプロセスおよび形成プロセスにより制限されている。従来のボンド研磨材は、典型的に、ボンドマトリックス組成物に、フラックスを加えて、必要な焼結温度を下げている。低い焼結温度だと、コスト、効率およびボンド研磨材成分、すなわち、砥粒の劣化を減少するのに有利であるとされる。さらに、従来のコート超砥粒は、典型的に、金属ボンドマトリックスを有する切削工具であり、研削用途のためのボンド研磨物品ではない。対照的に、本実施形態は、ボンドマトリックス組成物、焼結プロセス、イン・サイチュの反応および酸化物の窒化物への変換および結晶プロセスをはじめとする異なる特徴の組み合わせを利用している。さらに、最終形成ボンド研磨物品は、数多くの特徴、特に高気孔率、ボンドと砥粒との間の優れた濡れ性、低気孔率および泡を有する高強度ボンドマトリックス、および砥粒ボンドマトリックス間の界面に形成された反応生成物である遷移金属窒化物化合物を組み合わせている。
【００９０】
本発明を、特定の実施形態について示し、記載してきたが、本発明の範囲から決して逸脱することなく、様々な変形および代替を行うことができるため、示した詳細に限定されるものではない。例えば、追加または等価の代替物を提供し、追加または等価の製造ステップを用いることができる。このように、本明細書に開示された本発明のさらなる修正および等価物は、当業者であれば、単に通常の実験により得ることができ、かかる修正および等価物は全て、以下の請求項に定義される本発明の範囲内にあるものと考えられる。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年12月3日(2009.12.3)
【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】
シリケートを含むボンドマトリックス内に立方晶窒化ホウ素を含む砥粒と、前記砥粒とボンドマトリックスとの間の界面に、遷移金属窒化物を含む反応生成物とを含むボンド研磨物品。
【請求項２】
前記遷移金属窒化物化合物が、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＺｒＮおよびＮｂＮからなる群から選択される請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項３】
前記遷移金属窒化物化合物が、ＴｉＮを含む請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項４】
前記遷移金属窒化物化合物が、ＣｒＮを含む請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項５】
約５０体積％以上の前記遷移金属窒化物が、前記砥粒と直接接触する請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項６】
前記ボンドマトリックスが、酸化リチウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化ホウ素、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化イットリウム、酸化鉄、酸化セシウム、酸化ランタンおよび酸化ビスマスからなる要素の群から選択される少なくとも１種類の要素をさらに含む請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項７】
前記ボンドマトリックスが、約５０体積％以上の多結晶セラミック相を含む請求項１に記載のボンド研磨材。
【請求項８】
遷移金属酸化物化合物を含むガラス粉末を提供し、
前記ガラス粉末を、立方晶窒化ホウ素を含む砥粒と混合し、
前記ガラス粉末および砥粒を形成して、未加工物品を形成し、
前記未加工物品を転位温度で焼結して、ガラス状ボンドマトリックス中に砥粒を形成することを含む方法であって、前記転位温度により、前記遷移金属酸化物化合物が、遷移金属窒化物化合物へ、前記砥粒と前記ガラス状ボンドマトリックスの界面で変化する、方法。
【請求項９】
前記転位温度が、約８００℃以上である請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ガラス粉末が、一般式ａＭ２Ｏ−ｂＭＯ−ｃＭ２Ｏ３−ｄＭＯ２で示される金属酸化物化合物を含み、前記金属酸化物化合物の量（モル分率）が、０．３０≦ａ≦０、０．６０≦ｂ≦０、０．５０≦ｃ≦０および０．８０≦ｄ≦０．２０を有する請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記金属酸化物化合物Ｍ２Ｏが、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２ＯおよびＣｓ２Ｏからなる群から選択される前記金属酸化物化合物のうち１つを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記金属酸化物化合物ＭＯが、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯおよびＺｎＯからなる群から選択される前記金属酸化物化合物のうち１つを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記金属酸化物化合物Ｍ２Ｏ３が、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３およびＬａ２Ｏ３からなる群から選択される前記金属酸化物化合物のうち１つを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記金属酸化物化合物ｄＭＯ２が、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２およびＺｒＯ２からなる群から選択される前記金属酸化物化合物のうち１つを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記ボンドマトリックス材料のガラス転移温度より約１００℃以上高い結晶化温度で冷却保持されることをさらに含む請求項８に記載の方法。
【国際調査報告】
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