CN101228004A - 包含磨粒的复合颗粒 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合颗粒，该复合颗粒含有磨粒，并且在该磨粒上具有陶瓷材料。所述复合颗粒可被加入到例如多种磨料制品中。

Description

包含磨粒的复合颗粒
背景技术
固结的(通常为金属固结的、树脂固结的和陶瓷固结的)磨料制品(例如，砂轮)通常被用于研磨工件的表面(例如，金属、塑料和陶瓷)。这些固结的磨料制品使用多种磨料颗粒制成，其中所述颗粒包括有时被称为“超级磨料”(例如，立方氮化硼(CBN)和金刚石)颗粒或磨粒的极其坚硬的磨料颗粒。这种超硬磨料颗粒具有相对较高的导热率(通常为至少约0.03卡/秒/厘米/℃)。因此，超硬磨料颗粒被有利地用于需要将加工过程中产生的热由工件界面导走的研磨加工中。虽然这种特性具有明显的益处，但是其也使得热能经传导颗粒被传递至固结的材料中。这种热传递由于会使颗粒界面处的粘结剂软化或降解而导致固结失效，从而缩短该固结的磨料制品的使用寿命。人们期望防止或至少减少在所述种类的固结磨料制品中这种由热引起的性能劣化。
发明概述
在一个方面中，本发明提供了一种复合颗粒，该复合颗粒包含：单颗的磨粒，该磨粒具有外表面；以及陶瓷(通常为结晶陶瓷以及玻璃陶瓷)，该陶瓷基本上覆盖所述的外表面，其中所述磨粒在400℃的导热率至少为0.03卡/秒/厘米/℃，其中所述陶瓷在400℃至1600℃范围内的导热率比所述磨粒的所述导热率低至少50％，并且其中所述陶瓷的厚度为10nm至1000nm。在本申请中，磨粒的平均硬度至少为15GPa；在一些实施方案中，平均硬度至少为16GPa、17GPa、18GPa、19GPa、或甚至至少为20GPa。示例性的单颗的磨粒包括：氮化硼磨粒、金刚石磨粒、碳氮化硼(BNC)磨粒、多晶金刚石磨粒、以及多晶立方氮化硼磨粒。示例性的陶瓷包括晶态金属氧化物和晶态金属碳化物。
在另一个方面中，本发明提供了一种用于制备本发明的复合颗粒的方法，该方法包括：
提供具有外表面的磨粒，其中所述磨粒在400℃的导热率至少为0.03卡/秒/厘米/℃；以及
施加陶瓷，使得其基本上覆盖所述的外表面，从而形成复合颗粒。
磨料颗粒在使用前通常按给定的粒度分布进行分级。这些分布通常具有一定范围的粒度，即从粗颗粒到细颗粒。在磨料领域中，这个范围有时称为“粗”、“控制”和“细”级别。按照工业认可的分级标准分级的磨料颗粒是将每个标称级别的粒度分布指定在数字界限内。这些工业认可的分级标准(即，规定标称级别)包括如下已知的标准：美国国家标准协会(ANSI)的标准、欧洲磨料产品生产商联合会(Federation of European Producers of Abrasive Products)(FEPA)的标准和日本工业标准(JIS)的标准。在一个方面中，本发明提供了具有规定标称级别的多个磨料颗粒，其中所述多个磨料颗粒中的至少一部分为本发明的磨料颗粒。在另一方面中，本发明提供了具有规定标称级别的多个磨粒，其中至少一部分所述磨粒为多个本发明的复合颗粒或者为本发明复合颗粒中的单颗的磨粒。
本发明的复合颗粒可以用于(例如)磨料制品中。本发明的磨料制品包含粘结剂和多个磨料颗粒，其中至少一部分所述磨料颗粒是本发明的复合颗粒。示例性的磨料产品包括经涂敷的磨料制品、固结的磨料制品(例如，砂轮)、非织造磨料制品和磨刷。经涂敷的磨料制品通常包括具有第一和第二相背主表面的背衬，并且其中粘结剂和多个磨料颗粒在第一主表面的至少一部分上形成磨料层。
在一些优选实施方案中，占磨料制品中磨料颗粒总重量的至少5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％乃至100％的磨料颗粒是本发明的复合颗粒。
在另一方面中，本发明提供了用于制备磨料制品的方法。例如，一种方法包括：将含有分散于粘结剂前体中的多个本发明复合颗粒的浆料施加于背衬的主表面，从而形成浆料层；并将粘结剂前体固化，从而形成磨料制品。另一方法包括：将底漆层(make layer)施加到背衬的主表面上；将多个本发明的复合颗粒至少部分地嵌入到底漆层中；使底漆层至少部分固化；施加面漆层(size layer)，从而使其至少部分地覆盖固化后的底漆层；以及使面漆层固化，从而形成磨料制品。
在另一方面中，本发明提供了一种研磨表面的方法，该方法包括：
提供包含粘结剂和多个磨料颗粒的磨料制品，其中至少一部分所述磨料颗粒是多个本发明的复合颗粒；
使至少一个所述复合颗粒与工件表面接触；以及
移动处于接触状态的复合颗粒或者处于接触状态的表面中的至少一者，以用处于接触状态的复合颗粒来研磨所述表面的至少一部分。
已经发现多种实施方案中的包含本发明复合颗粒的磨料制品表现出研磨寿命增长以及脱落减少。还发现多种实施方案中的包含本发明复合颗粒的磨料制品表现出由热相关性损害而导致的固结位置过早破坏的现象有所减少。
附图说明
图1为包含本发明的示例性复合颗粒的示例性经涂敷的磨料制品的部分剖视示意图。
图2为包含本发明的示例性复合颗粒的示例性固结的磨料制品的立体图。
发明详述
在一些实施方案中，磨粒的导热率至少为0.3卡/秒/厘米/℃、至少为0.35卡/秒/厘米/℃、0.4卡/秒/厘米/℃、0.45卡/秒/厘米/℃、0.5卡/秒/厘米/℃、0.75卡/秒/厘米/℃、1卡/秒/厘米/℃、1.5卡/秒/厘米/℃、或者甚至至少为2卡/秒/厘米/℃。用于制备本发明复合颗粒的示例性磨粒包括：氮化硼磨粒、金刚石磨粒、碳氮化硼(BNC)磨粒、多晶金刚石磨粒、以及多晶立方氮化硼磨粒。通常，单颗的磨粒的平均粒度为0.1微米至1000微米；在一些实施方案中，为1微米至500微米；在其它实施方案中，为20微米至400微米。
基本上覆盖磨粒外表面(即，磨粒面积的至少80％(在一些实施方案中，至少为85％、90％、95％，甚至在一些实施方案中为约100％)被覆盖)的示例性陶瓷在400℃至1600℃范围内的导热率不超过0.02卡/秒/厘米/℃、0.01卡/秒/厘米/℃、0.005卡/秒/厘米/℃、0.001卡/秒/厘米/℃、0.0005卡/秒/厘米/℃、或者甚至不超过0.0001卡/秒/厘米/℃。基本上覆盖磨粒外表面的示例性陶瓷包括晶态金属氧化物和晶态金属碳化物。基本上覆盖磨粒外表面的具体的示例性陶瓷包括Al2O3、瓷、ZrO2和MgO。
在一些实施方案中，陶瓷的平均厚度为10nm至500nm、10nm至200nm、10nm至100nm、10nm至50nm、10nm至25nm。在一些实施方案中，陶瓷的含量不超过单颗的磨粒的重量的5重量％(在一些实施方案中，不超过4重量％、3重量％、或者甚至不超过2重量％)。
可使用本领域已知的技术将陶瓷施加到磨粒的外表面上，所述技术例如有：等离子喷涂、流化床涂敷、溅射涂敷、真空蒸镀、和/或物理沉积(例如，通过施加陶瓷前体的浆料、干燥、和烧制来将该陶瓷前体转化为陶瓷)。
可使用本领域公知的技术来对本发明的磨粒和复合颗粒进行筛选和分级，所述技术包括使用工业上认可的分级标准，例如ANSI(美国国家标准学会)、FEPA(欧洲磨料产品生产商联合会)以及JIS(日本工业标准)。
ANSI粒级规格包括：ANSI 4、ANSI 6、ANSI 8、ANSI 16、ANSI24、ANSI 36、ANSI 40、ANSI 50、ANSI 60、ANSI 80、ANSI 100、ANSI 120、ANSI 150、ANSI 180、ANSI 220、ANSI 240、ANSI 280、ANSI 320、ANSI 360、ANSI 400和ANSI 600。FEPA粒级规格包括：P8、P12、P16、P24、P36、P40、P50、P60、P80、P100、P120、P150、P180、P220、P320、P400、P500、P600、P800、P1000和P1200。JIS粒级规格包括：JIS8、JIS12、JIS16、JIS24、JIS36、JIS46、JIS54、JIS60、JIS80、JIS100、JIS150、JIS180、JIS220、JIS240、JIS280、JIS320、JIS360、JIS400、JIS600、JIS800、JIS1000、JIS1500、JIS2500、JIS4000、JIS6000、JIS8000和JIS10,000。
可任选的是，可使用本领域已知的技术将本发明的复合磨料颗粒制成团块。
在另一个方面中，本发明提供了包含粘结剂和多个磨料颗粒的磨料制品(例如，经涂敷的磨料制品、固结的磨料制品(包括陶瓷固结的、树脂状物固结的和金属固结的砂轮、切割轮、镶嵌块和镗磨油石)、非织造磨料制品和磨刷)，其中至少一部分所述磨料颗粒是本发明的复合颗粒(包括形成团块的复合颗粒)。制备这些磨料制品的方法以及使用这些磨料制品的方法是本领域的技术人员所公知的。
经涂敷的磨料制品一般包括背衬、磨料颗粒以及至少一种粘结剂，粘结剂用于将复合颗粒保持在背衬上。背衬可以是任何适合的材料，包括布、聚合物薄膜、纤维、无纺布网、纸及其组合以及它们经处理的制品。粘结剂可以是任何适合的粘结剂，包括无机或有机的粘结剂(包括热固化型树脂和辐射固化型树脂)。复合颗粒可存在于经涂敷的磨料制品的一层或多层(例如，两层)中。
本发明的经涂敷的磨料制品的例子示于图1中。参见图1，本发明的经涂敷的磨料制品1具有背衬(基底)2和磨料层3。磨料层3包括本发明的复合颗粒4，复合颗粒4通过底漆涂层5和面漆涂层6固定在背衬2的主表面上。在一些情况下，使用超面漆涂层(supersizecoat)(图中未示出)。
固结的磨料制品通常包括通过有机粘结剂、金属粘结剂或陶瓷粘结剂保持在一起的复合颗粒成形块体。这种成形块体可以是(例如)轮的形式，例如砂轮或切割轮。砂轮的直径通常为约1cm到1m以上；切割轮的直径为约1cm到80cm以上(更通常的是3cm到约50cm)。砂轮的厚度通常为约1mm到约10cm，更通常为约2mm到约5cm。切割轮的厚度通常为约0.015mm到约5cm，更通常的是约0.025mm到约2cm。成形块体也可以是(例如)镗磨油石、节块、镶嵌块、盘状物(例如，双碟研磨机)或其它传统固结磨具的形状。通常，固结磨料制品包含的固结材料的体积占固结的磨料制品总体积的约5％至40％，复合颗粒(或者复合颗粒/磨料颗粒共混物)的体积占固结磨料制品总体积的约12％至80％，添加剂(包括助磨剂)的体积不超过固结磨料制品总体积的50％，孔隙的体积不超过固结磨料制品总体积的40％。
磨料制品中的磨料颗粒可以为100％的本发明的复合颗粒，或者为由该磨料颗粒与其它(第二)磨料颗粒和/或稀释剂颗粒形成的共混物。但是，有利的是，在磨料制品中约25重量％至100重量％的磨料颗粒应该是本发明的复合颗粒。在一些情况下，本发明的复合颗粒可以与其它磨料颗粒和/或稀释剂颗粒共混，重量比为5％∶75％，约25％∶75％，约40％∶60％，或者约50％∶50％(即，重量相等)。适合的传统磨料颗粒的例子包括熔融氧化铝(包括白刚玉、热处理氧化铝和棕刚玉)、碳化硅、碳化硼、碳化钛、金刚石、立方氮化硼、石榴石、熔融氧化铝-氧化锆以及溶胶-凝胶衍生的磨料颗粒，等等。溶胶-凝胶衍生的磨料颗粒可以是有晶种的或无晶种的。同样，溶胶-凝胶衍生的磨料颗粒可以是随机形状或具有与其相关的形状，例如棒状或三角形。溶胶-凝胶磨料颗粒的例子包括以下专利中所描述的：美国专利No.4,314,827(Leitheiser等人)、4,518,397(Leitheiser等人)、4,623,364(Cottringer等人)、4,744,802(Schwabel)、4,770,671(Monroe等人)、4,881,951(Wood等人)、5,011,508(Wald等人)、5,090,968(Pellow)、5,139,978(Wood)、5,201,916(Berg等人)、5,227,104(Bauer)、5,366,523(Rowenhorst等人)、5,429,647(Larmie)、5,498,269(Larmie)和5,551,963(Larmie)。使用氧化铝粉作为原料来源制造烧结氧化铝磨料颗粒的其它细节还可以参见(例如)美国专利No.5,259,147(Falz)、5,593,467(Monroe)和5,665,127(Moltgen)。与熔融磨料颗粒有关的其它细节请参见(例如)美国专利No.1,161,620(Coulter)、1,192,709(Tone)、1,247,337(Saunders等人)、1,268,533(Allen)和2,424,645(Baumann等人)、3,891,408(Rowse等人)、3,781,172(Pett等人)、3,893,826(Quinan等人)、4,126,429(Watson)、4,457,767(Poon等人)、5,023,212(Dubots等人)、5,143,522(Gibson等人)以及5,336,280(Dubots等人)、6,706,083(Rosenflanz)、6,666,750(Rosenflanz)、6,596,041(Rosenflanz)、6,589,305(Rosenflanz)、6,583,080(Rosenflanz)、6,582,488(Rosenflanz)、6,458,731(Rosenflanz)、6,454,822(Rosenflanz)、6,451,077(Rosenflanz)、6,592,640(Rosenflanz等人)、6,607,570(Rosenflanz等人)以及6,669,749(Rosenflanz等人)。在一些情况下，与包含100％任一种磨料颗粒的磨料制品相比，用磨料颗粒的共混物可以得到研磨性能提高的磨料制品。
一个示例性的形式是砂轮。参见图2，其表示本发明的砂轮10，它包括本发明的复合颗粒11，其模制为轮并装在毂盘12上。
非织造磨料制品通常包括具有本发明复合颗粒的稀疏而蓬松的多孔性聚合物丝结构，本发明的复合颗粒分布在整个所述结构中并通过有机粘结剂粘附地结合在其中。所述丝的例子包括聚酯纤维、聚酰胺纤维、芳族聚酰胺纤维。
有用的磨刷包括具有多个硬毛单元和背衬的那些制品(参见(例如)美国专利No.5,427,595(Pihl等人)、5,443,906(Pihl等人)、5,679,067(Johnson等人)以及5,903,951(Inota等人)。优选这些磨刷是通过把由聚合物和复合颗粒形成的混合物注塑成型而制造的。
用于制造磨料制品的适合的有机粘结剂包括热固性有机聚合物。适合的热固性有机聚合物包括：酚醛树脂、尿素甲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸酯树脂、聚酯树脂、具有α，β-不饱和侧羰基的氨基塑料树脂、环氧树脂、丙烯酸聚氨酯、丙烯酸环氧树脂及其组合。粘结剂和/或磨料制品还可以包括添加剂，例如纤维、润滑剂、润湿剂、触变剂、表面活性剂、颜料、染料、抗静电剂(例如，炭黑、氧化钒、石墨，等等)、偶联剂(例如，硅烷、钛酸盐、锆铝酸盐，等等)、增塑剂、悬浮剂，等等。选择这些可任选的添加剂的含量以提供所需性能。偶联剂能提高对复合颗粒(其它附加磨料颗粒)和/或填料的粘附性。粘结剂的化学组成可以热固化、辐射固化或为这些不同形式的组合。关于粘结剂化学组成的其它细节请参见美国专利No.4,588,419(Caul等人)、4,751,138(Tumey等人)以及5,436,063(Follett等人)。
更具体地针对陶瓷固结的磨料来说，表现为无定形结构并且通常很硬的陶瓷粘合材料是本领域公知的。在一些情况下，陶瓷粘合材料包括晶相。本发明的陶瓷固结的磨料制品可以是轮(包括切割轮)、镗磨油石、镶嵌块的形状或其它传统的固结磨料的形状。一种示例性的本发明的陶瓷固结的磨料制品是砂轮。
用于形成陶瓷粘合材料的金属氧化物的例子包括：二氧化硅、硅酸盐、氧化铝、碳酸钠、氧化钙、氧化钾、氧化钛、氧化铁、氧化锌、氧化锂、氧化镁、氧化硼、硅酸铝、硼硅酸盐玻璃、硅酸锂铝以及它们的组合，等等。通常，陶瓷粘合材料可以由含有10％到100％的玻璃粉的组合物制成，但更典型的组合物包括20％到80％的玻璃粉，或者30％到70％的玻璃粉。陶瓷粘合材料的其余部分可为非玻璃粉材料。可供选用的其它方式为，陶瓷粘结剂可以从不含玻璃粉的组合物得到。陶瓷粘合材料的烧成温度一般在约700℃到约1500℃的范围内，通常在约800℃到约1300℃的范围内，有时在约900℃到约1200℃的范围内，乃至在约950℃到约1100℃的范围内。粘合料烧成的实际温度取决于(例如)具体的粘合料化学组成。
在一些实施方案中，陶瓷粘合材料可以包括那些含有二氧化硅、氧化铝(优选的氧化铝重量百分数至少为10％)、以及氧化硼(优选的氧化硼重量百分数至少为10％)的材料。在大多数情况下，陶瓷粘合材料还包括碱金属氧化物(例如，Na2O或K2O)(在一些情况下，碱金属氧化物的重量百分数至少为10％)。
粘结剂材料也可以含有填料或助磨剂，通常为颗粒材料的形式。通常，颗粒材料是无机材料。本发明使用的填料的例子包括：金属碳酸盐(例如，碳酸钙(如，白垩、方解石、泥灰岩、石灰华、大理石和石灰石)、碳酸钙镁、碳酸钠、碳酸镁)、二氧化硅(例如，石英、玻璃珠、玻璃泡和玻璃纤维)、硅酸盐(例如，滑石、粘土(蒙脱石)、长石、云母、硅酸钙、偏硅酸钙、铝硅酸钠、硅酸钠)、金属硫酸盐(例如，硫酸钙、硫酸钡、硫酸钠、硫酸铝钠、硫酸铝)、石膏、蛭石、木屑、三水合铝、炭黑、金属氧化物(例如，氧化钙(石灰)、氧化铝、二氧化钛)以及金属亚硫酸盐(例如，亚硫酸钙)。
一般来说，添加助磨剂会延长磨料制品使用寿命。助磨剂是对研磨操作的化学和物理过程有明显作用的物质，其可使性能提高。虽然不想被理论束缚，但据信，助磨剂将起到以下作用：(a)减小复合颗粒(和其它附加磨料颗粒)与被研磨工件之间的摩擦力；(b)防止复合颗粒(和其它附加磨料颗粒)被“封堵”(即，防止金属颗粒焊到复合颗粒(和其它附加磨料颗粒)的顶部)，或者至少减小复合颗粒(和其它附加磨料颗粒)被封堵的可能性；(c)降低复合颗粒(和其它附加磨料颗粒)与工件之间的界面温度；或者(d)减小研磨力。
助磨剂包括很多不同的物质并且可以是无机物类的或有机物类的。助磨剂的化学组成的例子包括：蜡、有机卤化化合物、卤化物盐和金属及其合金。有机卤化化合物通常在研磨过程中分解并释放出氢卤酸或气态卤化化合物。这类物质的例子包括氯化蜡，例如四氯萘、五氯萘和聚氯乙烯。卤化物盐的例子包括氯化钠、钾冰晶石、钠冰晶石、铵冰晶石、四氟硼酸钾、四氟硼酸钠、氟化硅、氯化钾以及氯化镁。金属的例子包括：锡、铅、铋、钴、锑、镉、铁和钛。其它各种各样的助磨剂包括：硫磺、有机硫化化合物、石墨和金属硫化物。使用不同助磨剂的组合也在本发明范围内，并且在一些情况下这可以得到增强效应。有利的助磨剂包括冰晶石和四氟硼酸钾。
助磨剂在经涂敷的磨料制品和固结的磨料制品中特别有用。在经涂敷的磨料制品中，助磨剂通常应用于超面漆涂层中，其施加于复合颗粒(和其它附加磨料颗粒)表面。但有时，助磨剂也加到面漆涂层中。通常，经涂敷的磨料制品中掺入的助磨剂的量为约50g/m2至300g/m2(优选的是约80g/m2至160g/m2)。在陶瓷固结的磨料制品中，助磨剂通常浸渍到该制品的孔隙中。
如果存在磨料颗粒的共混物，则形成共混物的多种磨料颗粒可以具有相同的粒度。可供选用的其它方式是，所述多种磨料颗粒可以具有不同的粒度。例如，较大粒度的磨料颗粒可以是本发明的复合颗粒，较小粒度的颗粒可以是另一种磨料颗粒类型。相反，(例如)较小粒度的磨料颗粒可以是本发明的复合颗粒，而较大粒度的颗粒可以是另一种磨料颗粒类型。
适合的稀释剂颗粒的例子包括：大理石、石膏、燧石、二氧化硅、氧化铁、硅酸铝、玻璃(包括玻璃泡和玻璃珠)、氧化铝泡、氧化铝珠和稀释剂团粒。本发明的复合颗粒也可以结合在磨料团块中或与之混合。磨料团块颗粒通常包括多个磨料颗粒、粘结剂和可任选的添加剂。粘结剂可以是有机和/或无机的。磨粒团块可以是随机形状或具有与其相关的预定形状。该形状可以是块状、圆柱形、锥形、硬币形、正方形，等等。磨料团块颗粒通常的粒度范围为约100微米到约5000微米，通常约250微米到约2500微米。与磨料团块颗粒有关的其它细节可以参见(例如)美国专利No.4,311,489(Kressner)、4,652,275(Bloecher等人)、4,799,939(Bloecher等人)、5,549,962(Holmes等人)、5,975,988(Christianson)、6,521,004(Culler等人)以及6,620,214(McArdle等人)。
复合颗粒/磨料颗粒可以均匀分布在磨料制品中，或者聚集在磨料制品上选定的区域或部分。例如，在经涂敷的磨料制品中可以有两层磨料颗粒。第一层包括除了本发明的复合颗粒以外的磨料颗粒，第二(最外)层包括本发明的复合颗粒。同样，在固结磨具中，砂轮可以有两个明显不同的部分。例如，最外部分可以包含本发明的复合颗粒，而最内部分没有。可供选用的其它方式是，例如，本发明的复合颗粒可以均匀分布在整个固结的磨料制品中。
与经涂敷的磨料制品有关的进一步细节请参见(例如)美国专利No.4,734,104(Broberg)、4,737,163(Larkey)、5,203,884(Buchanan等人)、5,152,917(Pieper等人)、5,378,25 1(Culler等人)、5,417,726(Stout等人)、5,436,063(Follett等人)、5,496,386(Broberg等人)、5,609,706(Benedict等人)、5,520,711(Helmin)、5,954,844(Law等人)、5,961,674(Gagliardi等人)以及5,975,988(Christianson)。与固结的磨料制品有关的进一步细节请参见(例如)美国专利No.4,543,107(Rue)、4,741,743(Narayanan等人)、4,800,685(Haynes等人)、4,898,597(Hay等人)、4,997,461(Markhoff-Matheny等人)、5,037,453(Narayanan等人)、5,110,332(Narayanan等人)以及5,863,308(Qi等人)。与陶瓷固结的磨料有关的进一步细节请参见(例如)美国专利No.4,543,107(Rue)、4,898,597(Hay等人)、4,997,461(Markhoff-Matheny等人)、5,094,672(Giles Jr.等人)、5,118,326(Sheldon等人)、5,131,926(Sheldon等人)、5,203,886(Sheldon等人)、5,282,875(Wood等人)、5,738,696(Wu等人)以及5,863,308(Qi)。与非织造磨料制品有关的进一步细节请参见(例如)美国专利No.2,958,593(Hoover等人)。
本发明提供一种研磨表面的方法，该方法包括：将至少一个本发明的复合颗粒与工件表面接触；以及移动复合颗粒或者接触表面中的至少一者，以用复合颗粒研磨所述表面的至少一部分。使用本发明的复合颗粒的研磨方法包括从荒磨(snagging)(即，高压大量去除)到抛光(例如，用砂带来抛光医用植入物)的各类方法，其中后者通常使用较细粒级(例如，小于ANSI 220和更细)的磨料颗粒进行。复合颗粒也可以用于精密工业和/或电子研磨应用，例如用陶瓷固结的砂轮研磨凸轮轴。也可使用复合颗粒来精加工诸如陶瓷之类的坚硬基底(例如，蓝色刚玉、碳化钨、以及氧化锆)。用于具体研磨应用的复合颗粒的尺寸，对于本领域技术人员是显而易见的。
使用本发明的复合颗粒进行的研磨可以在干态(通常用于低能量应用，例如磨光)或湿态(通常用于高能量应用)下实施。对于湿研磨，所用的液体可以按薄雾到完全浇注的方式提供。常用的液体的例子包括：水、水溶性油、有机润滑剂和乳状液。液体可以用于减少研磨产生的热量和/或作为润滑剂。液体中可以含有少量的添加剂，例如杀菌剂、消泡剂，等等。
本发明的复合颗粒非常适合研磨较硬的工件(例如，淬硬钢、工具钢、镍基超合金)，但这些复合颗粒也可用于研磨以下工件的应用中，所述工件例如有：金属铝、碳钢、低碳钢(例如，1018低碳钢和1045低碳钢)、工具钢、不锈钢、淬硬钢、钛、玻璃、陶瓷、木材、类木材材料(例如，胶合板和颗粒板)、涂料、涂覆的表面、有机涂层表面，等等。本发明的复合颗粒还可用于研磨这样的复合物，该复合物具有分散于软质基体(或硬质基体)中的坚硬颗粒。也可使用本发明的复合颗粒对双组分材料(例如，铝发动机组中铝基体内的铸铁衬板)进行有效的研磨。研磨过程中所施加的力通常为约1千克力到约100千克力。
将通过以下的例子进一步解释本发明的优点和实施方案，但这些例子中使用的具体材料和数量，以及其它的条件和细节，不应该构成对本发明的过度限制。除非另作说明，否则所有的份数和百分数都是以重量计的。磨料颗粒中的氧化物是基于理论上的元素氧化物而言的，而不考虑其存在的相。测试中的实验误差通常约为±5％。
例子
实施例1
将200/230目(根据ASTM(美国材料与试验协会)E11-04标准)的立方氮化硼(cBN)颗粒(得自位于美国佛罗里达州Boca Raton市的American Boarts Crushing公司)提供给位于俄罗斯的圣彼得斯堡技术学院(Technical Institute of St.Petersburg)，以将其封装于Al2O3中。约四十克的cBN被封装于Al2O3中。每个cBN颗粒上的Al2O3的标称厚度约为200纳米。
由涂有Al2O3的cBN颗粒制得两个陶瓷固结的砂轮。该陶瓷固结的砂轮是通过首先制作出这样的砂轮而制得的，其中所述砂轮包含：约36体积％的涂有Al2O3的cBN颗粒、约16体积％的玻璃粉(铝硼硅酸盐，得自位于美国俄亥俄州Westerville市的SuperAbrasiveTechniques公司，商品名为“NON-LEADED GLASS FG2349”)、约14体积％的空心陶瓷珠(得自位于美国宾夕法尼亚州Valley Forge市的PQ公司，商品名为“SL-150”)、5体积％的临时粘结剂、以及约29体积％的孔隙。通过将涂有Al2O3的cBN颗粒、玻璃粉、空心陶瓷珠以及苯酚-芳烷基六(亚甲基四)胺树脂(phenol-aralkylhexamine resin)(得自SuperAbrasive Techniques公司，商品名为“SAT-939P RESIN BOND”)混合而制得砂轮。将所述混合物充分混合，并在圆形模具中进行模制从而形成砂轮。在约316kg/cm2(4500psi)的压力、约162℃下，将临时粘结剂固化约30分钟。
随后，将砂轮从模具中取出，并放入耐火箱(得自位于美国伊利诺伊州Pecatonica市的Ipsen Ceramic公司)中，再置于常规箱式炉(得自位于美国衣阿华州Dubuque市的Thermolyne公司，商品名为“THERMOLYN 30400”)中烧制。将箱式炉由室温(约30℃)以约1.5℃/分钟的速度升温至约870℃；在约870℃保持约3小时；随后以约2℃/分钟的速度降至室温(约30℃)。经烧制的砂轮的标称尺寸如下：外径、内径和厚度分别为约38.6mm、31.8mm和10.2mm(即，分别为1.52英寸、1.25英寸和0.4英寸)。随后，使用环氧粘合剂(得自位于美国明尼苏达州St.Paul市的3M公司，商品名为“DP460”)将砂轮固定在芯材上。该芯材的外径为约31.8mm(1.25英寸)、厚度为约10.16mm(0.4英寸)。该芯材由玻璃纤维增强的酚醛树脂粒料(得自位于美国伊利诺伊州Skokie市的ResinoidEngineering公司，商品名为“LUBRICATED GLASS FILLEDPHENOLIC MOLDING COMPOUND”)制成。该芯材通过以下方法制得，所述方法为将芯材原料放置于具有空腔(外径为31.8mm(1.25英寸)、内径为9.53mm(0.375英寸)、厚度为10.16mm(0.4英寸))的钢模中，在约141kg/cm2(2000psi)的压力下将钢模在约177℃(350)下加热约30分钟。
实施例2
按照实施例1所描述的方法制备两个实施例2的陶瓷固结的砂轮，不同之处在于每个cBN颗粒上的Al2O3的标称厚度约为100纳米。
实施例3
按照实施例1所描述的方法制备两个实施例3的陶瓷固结的砂轮，不同之处在于施加TiO2涂层而非Al2O3涂层。
比较例A
按照实施例1所描述的方法制备两个比较例A的陶瓷固结的砂轮，不同之处在于未使用Al2O3封装cBN。
使用外圆磨床(得自位于美国俄亥俄州Cincinnati市的TheCincinnati Milling Machine公司，商品名为“CINCINNATI FILMATIC10”UNIVERSAL GRINDING MACHINE，MODEL DH”)，在被硬化至约60HRc的4140钢上对实施例1和比较例A的砂轮的研磨性能进行评价。对磨床进行设定，使其横进给率为约7.6微米/转(0.0003英寸/转)，工件速率为约185rpm，砂轮速率为约2200rpm，横进刀为约8.89mm(0.35英寸)。进行研磨，直至工件直径方向上的横向进给总量为约2.79mm(0.11英寸)。在前十次横向进给循环中，每横向进给0.254mm(0.010英寸)就对工件和砂轮的直径进行测量。
再次对实施例1和比较例A的砂轮进行测试，不同之处在于将尺寸测量间隔增至0.762mm(0.03英寸)，以获得更显著(可测量)的磨损值。对实施例2和3的砂轮也进行测试。
每次测试之后，测量测试砂轮和工件的直径，通过将工件体积损失除以测试砂轮体积损失而计算出G比值。所有这些测量都是使用得自位于美国伊利诺伊Aurora市American Mitutoyo公司的数字测微器进行的。
采用横向进给距离每达到0.254mm(0.01英寸)就测量一次的尺寸测量间隔所得到的测试结果记录在下表1中。
表1
  横向进给距离，mm(英寸)     砂轮磨损，mm(英寸)
    实施例1     比较例A
    0.254(0.01)   0.005(0.0002)   0.015(0.0006)
    0.508(0.02)   0.005(0.0002)   0.030(0.0012)
    0.762(0.03)   0   0.046(0.0018)
    1.016(0.04)   0   0.191(0.0075)
    1.270(0.05)   0   0.258(0.0102)
    1.524(0.06)   0.003(0.0001)   0.274(0.0108)
    1.778(0.07)   0.005(0.0002)   0.274(0.0108)
    2.032(0.08)   0   0.386(0.0108)
    2.794(0.11)   0.005(0.0002)   0.030(0.0012)
使用表面轮廓仪(得自位于美国纽约州Thornwood市的CarlZeiss公司，商品名为“TSK ZEISS SURFCOM 30A”)对针对实施例1和比较例A进行的研磨评价之后的工件进行表面光洁度测量。针对实施例1和比较例A，Ra分别为约0.57微米(22.42微英寸)和约3.44微米(135.45微英寸)；并且针对实施例1和比较例A，Rt分别为约6.29微米(247.54微英寸)和约31.88微米(1254.95微英寸)。
采用横向进给距离每达到0.762mm(0.03英寸)就测量一次的尺寸测量间隔所得到的针对实施例1、2和3以及比较例A的除去量被记录于下表3中。
表3
    除去量，立方毫米
横向进给量(mm)   实施例1   实施例2   实施例3   比较例A
    0.76200     2126     1648     2668     2118
    1.52400     2064     1611     1578     1474
    2.28600     2004     1573     1155     964
    3.81000     1860     2595     1721     1427
    总计     8053     7427     7122     5983
实施例1、2和3以及比较例A的砂轮磨损(直径的尺寸变化)被记录于下表4中。这些测试是在横向进给增量为约762微米(0.03英寸)的条件下进行的。
表4
    砂轮磨损，mm
横向进给量   实施例1   实施例2   实施例3   比较例A
    0.762     0.001     0.023     0.053     0.210
    1.524     0.010     0.045     0.104     0.133
    2.286     0.017     0.032     0.163     0.379
    3.810     0.031     0.065     0.169     0.131
实施例1、2和3以及比较例A中的砂轮体积磨损量被记录于下表5中。这些测试是在横向进给增量为约762微米(0.03英寸)的条件下进行的。
表5
    砂轮磨损，立方毫米
横向进给量   实施例1   实施例2   实施例3   比较例A
    0.762     0.362     12.943     30.536     114.573
    1.524     5.790     25.526     59.254     72.910
    2.286     9.410     17.976     93.061     207.273
    3.810     17.733     37.031     96.696     71.521
    总计     33.295     93.476     279.547     466.278
针对实施例1、2和3以及比较例A的G比值(研磨率)被记录于下表6中。这些测试是在横向进给增量为762微米(0.03英寸)的条件下进行的。G比值由工件体积损失除以测试砂轮体积损失而计算得到。所有这些测量都是使用得自American Mitutoyo公司的数字测微器完成的。
表6
    G比值
  横向进给量 实施例1 实施例2 实施例3 比较例A
0.762     5875     127     87     28
1.524     356     63     27     20
2.286     213     88     12     5
3.810     105     70     18     20
总体上的G比值     242     79     25     13
在不脱离本发明的范围和实质的情况下对本发明做出多种修改和改变对于本领域的技术人员来说是显而易见的，而且应该理解，本发明不应该被本文所给出的示意性实施方案不适当的限定。

Claims (21)

1.一种复合颗粒，该复合颗粒包含：单颗的磨粒，该磨粒具有外表面；以及陶瓷，该陶瓷基本上覆盖所述的外表面，其中所述磨粒在400℃的导热率至少为0.03卡/秒/厘米/℃，其中所述陶瓷在400℃至1600℃范围内的导热率比所述磨粒的所述导热率低至少50％，并且其中所述陶瓷的平均厚度为10nm至1000nm。
2.根据权利要求1所述的复合颗粒，其中所述的单颗的磨粒选自：氮化硼磨粒、金刚石磨粒、碳氮化硼磨粒、多晶金刚石磨粒、以及多晶立方氮化硼磨粒。
3.根据权利要求1所述的复合颗粒，其中所述的单颗的磨粒为金刚石磨粒或立方氮化硼磨粒中的一种。
4.根据权利要求1所述的复合颗粒，其中所述陶瓷为晶态金属氧化物和晶态金属碳化物中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的复合颗粒，其中所述的单颗的磨粒为金刚石磨粒或立方氮化硼磨粒中的一种，其中所述陶瓷为晶态金属氧化物和晶态金属碳化物中的至少一种，并且其中所述陶瓷的量不超过所述单颗的磨粒的重量的5重量％。
6.根据权利要求1所述的复合颗粒，其中所述陶瓷在400℃至1600℃范围内的导热率不超过0.02卡/秒/厘米/℃。
7.根据权利要求1所述的复合颗粒，其中所述陶瓷的厚度为10nm至200nm。
8.根据权利要求1所述的复合颗粒，其中所述磨粒的导热率至少为0.3卡/秒/厘米/℃。
9.根据权利要求1所述的复合颗粒，其中所述陶瓷的量不超过所述单颗的磨粒的重量的5重量％。
10.多个根据权利要求1所述的复合颗粒。
11.多个具有规定标称级别的磨粒，其中至少一部分所述磨粒是多个根据权利要求1所述的复合颗粒。
12.根据权利要求11所述的复合颗粒，其中所述陶瓷的量不超过所述单颗的磨粒的重量的5重量％。
13.一种磨料制品，该磨料制品包含：粘结剂；和多个根据权利要求1所述的复合颗粒，该复合颗粒通过所述的粘结剂而被固定于所述的制品中。
14.根据权利要求13所述的磨料制品，其中所述陶瓷的量不超过所述单颗的磨粒的重量的5重量％。
15.一种用于制备多个根据权利要求1所述的复合颗粒的方法，该方法包括以下步骤：
提供具有外表面的磨粒，其中所述磨粒在400℃的导热率至少为0.03卡/秒/厘米/℃；以及
施加陶瓷，使得其基本上覆盖所述的外表面，从而形成复合颗粒。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述的将所述陶瓷施加到所述磨粒外表面的步骤包括：等离子喷涂、流化床涂敷、溅射涂敷、真空蒸镀或者物理沉积中的至少一种。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述的单颗的磨粒选自：氮化硼磨粒、金刚石磨粒、碳氮化硼磨粒、多晶金刚石磨粒以及多晶立方氮化硼磨粒，并且其中所述陶瓷选自晶态金属氧化物和晶态金属碳化物中的至少一种。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述陶瓷在400℃至1600℃范围内的导热率不超过0.02卡/秒/厘米/℃。
19.一种磨料制品的制备方法，该方法包括：
将浆料施加于背衬的主表面上，从而形成浆料层，其中所述浆料含有分散于粘结剂前体中的多个根据权利要求1所述的复合颗粒；以及
将所述的粘结剂前体固化，从而形成所述的磨料制品。
20.一种磨料制品的制备方法，该方法包括：
将底漆层施加到背衬的主表面上；
将多个根据权利要求1所述的复合颗粒至少部分地嵌入到所述的底漆层中；
使所述的底漆层至少部分固化；
施加面漆层，从而使其至少部分地覆盖所述的固化后的底漆层；以及
使所述的面漆层固化，从而形成所述的磨料制品。
21.一种研磨表面的方法，该方法包括：
提供包含粘结剂和多个磨料颗粒的磨料制品，其中至少一部分所述磨料颗粒是多个根据权利要求1所述的复合颗粒；
使至少一个所述的复合颗粒与工件的表面接触；以及
移动处于接触状态的所述复合颗粒或者处于接触状态的所述表面这二者中的至少一者，以用处于接触状态的所述复合颗粒来研磨所述表面的至少一部分。
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