CN102015211A - 使用了涂覆磨料颗粒的固定磨料物品 - Google Patents

使用了涂覆磨料颗粒的固定磨料物品 Download PDF

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Abstract

在此提供了一种固定的磨料物品，它包括一种基体材料以及包埋在该基体材料中的多个磨料颗粒。这些磨料颗粒具有一种核壳结构，该核壳结构包括一个多晶α氧化铝核以及覆盖该多晶α氧化铝核的一个壳层。该壳层包括选自硅氧化物和锆氧化物构成的组中的一种材料。同样地，该多晶α氧化铝核包括具有的平均粒度不大于约500nm的多个粒料。

Description

使用了涂覆磨料颗粒的固定磨料物品
技术领域
本发明是关于固定的磨料，具体是掺入了涂覆磨料颗粒的固定的磨料。
背景技术
磨料通常用在抛光和准备表面的过程中。使用磨料的应用差别很大，包括例如在浆料中使用游离磨料用于抛光应用，如半导体工业中的化学机械抛光(CMP)。可替代地，磨料可以用在固定的磨料物品中，如粘合的以及涂覆的磨料，这可以包括多种装置，如研磨砂轮、带、滚筒、盘等。
固定的磨料一般不同于游离磨料之处在于固定的磨料在一种材料基体内利用研磨粒料或砂砾，该材料基体固定了这些研磨粒料相对于彼此的位置。一种常见的固定的研磨砂砾典型地是氧化铝。因为氧化铝是非常坚硬并且大量可得的，因此它被使用了一段时间并且众所周知是一种有效的磨料。然而，已经认识到具有较细尺寸(通常是亚微米尺寸)的氧化铝粒料可以改进研磨性能，特别是在希望精确的、光滑的、抛光的表面的应用中。然而，细粒氧化铝的使用(特别是在固定的磨料的背景下)已经造成了独特的障碍，包括例如细粒氧化铝的形成/来源、细粒氧化铝与其他材料在固定的磨料内的形成和相容性、连同使用此类细粒料的固定的研磨装置的机械以及化学稳定性。
改进的氧化铝研磨材料的先前尝试包括多种途径，诸如在U.S.6,258,141和U.S.5,131,923中披露的。U.S.6,258,141参考文件披露了在一种氧化铝粒料上由一种基于盐的前体溶液形成一个涂层。这样一个基于盐的涂层在粘合的磨料物品的形成过程中保护这些研磨粒料，其中些氧化铝粒料与一种玻璃质材料(典型地一种硅石玻璃材料)被加热，该玻璃质材料可能在高温下渗透这些氧化铝粒料。值得注意地，优选使用该涂层来防止与低温玻璃质粘合材料相关联的变色，这些材料时常在这些氧化铝粒料上留下碳的残余物，从而造成粘合的磨料产品的变色。类似地，U.S.5,13 1,923参考文件披露了一种研磨粒料的形成，该粒料具有一个富含硅石的表面用于与具有高硅石含量的一种玻璃质粘合基体的改进的粘合。然而，U.S.6,258,141和U.S.5,131,923所传授的途径的效力是有限的。
因此，工业界持续需要具有改进特性的固定的磨料。所感兴趣的特性包括：化学和机械稳定性、可操作寿命、以及能够提供与常规装置相同的研磨性能(如果不是改进的研磨性能)的固定的研磨装置。
发明的披露
根据一个方面，提供了一种形成固定的磨料的方法，该方法包括将α氧化铝微粒与一种壳形成材料相结合，并且将该α氧化铝与该壳形成材料进行烧制以形成磨料颗粒。这些磨料颗粒具有一种核壳结构，该核壳结构包括一个多晶α氧化铝核以及覆盖该多晶α氧化铝核的一个壳层。该壳层包括选自硅氧化物和锆氧化物构成的组中的一种多晶材料。此外，该多晶α氧化铝核是由具有的平均粒度不大于约500nm的多个粒料形成。该方法还包括将这些磨料颗粒固定在一种基体材料中以形成一种固定的磨料。
根据另一个方面，提供了一种固定的磨料，该磨料包括一种基体材料以及包埋在该基体材料中的多个磨料颗粒。这些磨料颗粒具有一种核壳结构，该核壳结构包括一个多晶α氧化铝核以及覆盖该多晶α氧化铝核的一个壳层。该壳层包括选自硅氧化物和锆氧化物构成的组中的一种多晶材料，并且该多晶α氧化铝核是由具有的平均粒度不大于约500nm的多个粒料形成。
附图简要说明
通过参照附图可以更好地理解本披露，并且使其许多特征和优点对于本领域技术人员变得清楚。
图1是一个流程图，展示了用于形成根据一个实施方案的固定的研磨装置的方法。
图2是根据一个实施方案的涂覆的研磨粒料的图示。
图3是根据一个实施方案的涂覆的磨料物品的一个截面的图示。
图4是根据一个实施方案的粘合的磨料物品的一个截面的图示。
图5是固定的研磨装置中所掺入的常规氧化铝粒料内存在的元素的一个曲线图。
图6是根据一个实施方案形成的固定的研磨装置中所掺入的氧化铝粒料内存在的元素的一个曲线图。
图7是固定的磨料物品中所掺入的常规氧化铝粒料内存在的元素的一个曲线图。
图8是根据一个实施方案形成的固定的研磨装置中所掺入的氧化铝粒料内存在的元素的一个曲线图。
图9是横跨常规的粘合磨料物品的一个区域的元素线扫描的一个曲线图。
图10是横跨根据一个实施方案所形成的粘合磨料物品的一个区域的元素线扫描的一个曲线图。
在不同的图中使用相同的参考符号表示相似的或相同的事项。
优选实施方案的说明
参见图1，提供了一个流程图，展示了根据一个实施方案形成固定的磨料的一种方法。该方法是通过将α氧化铝微粒与一种壳形成材料相结合而开始，101。根据一个具体实施方案，该α氧化铝微粒可以通过一种加入晶种的溶胶凝胶氧化铝处理途径(可以包括多个相转变)来形成。
因此，该加入晶种的溶胶凝胶氧化铝处理途径是通过在悬浮液中使用一种α氧化铝前体材料(如水合的氧化铝)开始。总体上，该悬浮液的液体介质是水。然后将晶种掺入该悬浮液中以提供成核中心，用于α氧化铝粒料的形成。一般，这些晶种是亚微米尺寸的α氧化铝颗粒，以不大于约10wt％、如不大于约5.0wt％或甚至不大于约3.0wt％的量值提供。接着通过在约100℃与200℃之间的温度下进行干燥从该悬浮液中去除水。然后将剩余的α氧化铝前体材料和α氧化铝晶种加热至一个足以诱发该前体材料转化为α氧化铝颗粒的温度(煅烧的)。总体上，该加热温度为大于约200℃，如在大于约400℃并且在约600℃与1500℃之间的温度下。可能存在于转化的α氧化铝中的杂质(如其他氧化物种类)可以通过离子交换法来去除。
该α氧化铝前体材料可以是氧化铝的一种水合形式，如勃姆石。虽然该α氧化铝可以通过一种加入晶种的处理途径进行处理，但是该勃姆石材料也可以通过一种加入晶种的处理途径形成。术语“勃姆石”概括地在此用来表示氧化铝水合物，包括矿物勃姆石，典型地是Al2O3·H2O并且具有15％等级的水含量；连同假勃姆石，具有高于15％的水含量，如按重量计20％-38％。
总体上，通过一种加入晶种的处理途径形成勃姆石与通过一种加入晶种的处理途径形成α氧化铝微粒是类似的。该勃姆石是在一种悬浮液中提供并且被加热。加热可以在自生的环境中进行，即在一个高压釜中，使得在处理的过程中产生升高的压力。这些晶种颗粒典型是以勃姆石前体(作为Al2O3计算)的按重量计大于约1.0％的量值存在的，并且加热是在大于约120℃的温度(如大于约125℃、或者甚至大于约130℃)下并且在自生地产生的、典型地在30psi左右的压力下进行。
此外，可以对该悬浮液的酸度进行控制以形成具有所希望的形状以及尺寸的勃姆石晶种。该悬浮液的pH总体上是选自小于7或大于8的一个值，并且该勃姆石晶种材料具有比约0.5微米更细的粒度。在该勃姆石微粒材料的处理过程中可以修改几个变量以实现所希望的形态。这些变量值得注意地包括重量比(即勃姆石前体与勃姆石晶种之比)、在处理过程中使用的酸或碱的具体类型或种类(连同相关的pH水平)、以及该系统的温度(它与一种自生的水热环境中的压力成正比)。
该勃姆石微粒材料向α氧化铝的转化可以通过煅烧(如以上所指出的)来进行。该煅烧温度一部分取决于勃姆石微粒材料的种类以及将该勃姆石微粒材料转化为α氧化铝相所必需的时间。总体上，煅烧温度是不小于约1100℃。其他多个实施方案使用的煅烧温度是不小于约1200℃、1300℃、或者甚至1400℃。典型地，该煅烧温度是在约1250℃至约1500℃的范围内。
用于煅烧的合适时间部分地取决于该勃姆石微粒材料以及该α氧化铝材料的所希望的构成。典型地，煅烧并不进行大于约5小时，通常是在约1至4小时、或者约1至3小时的范围内。此外，煅烧可以在不同的环境中进行，包括受控的气体和压力环境。因为通常进行煅烧来在勃姆石微粒材料中实现相变化而不是化学反应，并且因为得到的材料主要是一种氧化物，所以除了在构成和形态学上最受控的氧化铝终端产物之外不需要应用专门的气态和压力环境。
关于α氧化铝，一般来说，这些α氧化铝颗粒通常具有细的一次粒度，具体是亚微米。根据一个实施方案，α氧化铝具有的一次粒度为不大于约500nm、不大于约300nm、或者甚至不大于约250nm。再而，其他多个实施方案使用了具有的一次粒度不大于约200nm、或者甚至不大于约150nm的α氧化铝。在另一个实施方案中，该α氧化铝微粒的平均一次粒度是不大于约100nm、或者还不大于约75nm。
再次参见图1，将α氧化铝微粒与壳形成材料相结合，101。总体上，该壳形成材料包括用于形成该壳层的一个种类，并且更确切地说包括硅或锆。根据一个具体实施方案，该壳形成材料包含这样的种类的金属氧化物，即硅氧化物以及锆氧化物。
可将该α氧化铝与该壳形成材料以一种混合物的形式进行结合。根据一个实施方案，该混合物是一种包含水性媒介物的湿混合物。将理解的是取决于所希望的混合方法，它是湿的或干的，该混合可以结合另外的方法，例如像一种研磨法。在此类使用湿混合物的实施方案中，可以将α氧化铝微粒与一种水性溶剂形成为一种浆料或悬浮液。可替代地，在其他多个实施方案中，该溶剂是非水性的，如一种有机化合物。
具体地，可以将α氧化铝微粒与壳形成材料结合为一种胶态分散体，该胶态分散体可以包括壳形成材料作为胶体悬浮于一种液体介质中。这样，这些胶体可以包含一种金属氧化物种类用于形成壳层，并且具体地可以包括硅氧化物或锆氧化物，这包括硅石以及氧化锆。在一个实施方案中，这些胶体是由不小于约90％的硅氧化物或锆氧化物构成。在另一个实施方案中，这些胶体基本上完全是硅氧化物或锆氧化物。
关于液体媒介物，该胶态分散体可以使用一种水性液体媒介物。可替代地，该胶体的液体媒介物可以是一种有机化合物，并且具体地可以包括乙酸酯。除这些胶体和液体媒介物之外，该胶态分散体还可以包含添加剂类，如其他无机化合物、有机化合物、稳定剂类、pH改性剂类、或粘合剂类。此类添加剂典型地包括基于该分散体的总固体含量的不大约15wt％。根据其他多个实施方案，此类添加剂的量值是不大于约10wt％、或不大于约5wt％。
为了使用壳形成材料来协助胶态分散体的形成，这些胶体的一次粒度是小的，总体上是亚微米。根据一个实施方案，这些胶体具有的平均一次粒度为不大于约200nm，如不大于约150nm，或者甚至不大于约100nm。
根据一个实施方案，与壳形成材料相结合的α氧化铝微粒的量值是基于α氧化铝以及壳形成材料的总固体含量为不小于约80wt％。在另一个实施方案中，α氧化铝的量值是不小于约90wt％并且在某些情况下不小于约95wt％。因此，与该α氧化铝结合的壳形成材料的量值是基于α氧化铝以及壳形成材料的总固体含量为不大于约20wt％。再而，壳形成材料的量可以更少，这样它不大于约10wt％、或者不大于约5.0wt％、或者甚至不大于约3.0wt％。典型地，壳形成材料的量是不小于约0.25wt％。
在将α氧化铝微粒和壳形成材料结合之后，可以将该混合物干燥。干燥温度总体上是在适合于从该混合物中放出和蒸发出组分(特别是有机组分以及其他组分)的范围内。根据一个实施方案，将该混合物在大于约室温即不小于约25℃的温度下进行干燥。根据另一个实施方案，干燥是在不小于约35℃、不小于约40℃、或者甚至不小于约50℃的温度下完成的。根据一个具体实施方案，干燥可以在约25℃与约100℃之间的范围内的温度下进行。
将壳形成材料与α氧化铝微粒进行结合可以使用多种替代的方法进行。例如可以使用一种沉积方法将壳形成材料与α氧化铝微粒相结合。根据一个实施方案，可以通过气相沉积方法将该壳形成材料进行沉积，该方法包括例如化学气相沉积CVD、等离子体气相沉积PVD、或者金属有机化学气相沉积MOCVD。在此类使用气相沉积法的实施方案中，该壳形成材料可以作为一种前体材料来提供。该前体材料可以包括壳形成材料或该壳形成材料的一种衍生物，这样当该前体材料在沉积过程中起反应或者分解时，它形成一个壳层，具体是一个包括硅氧化物或锆氧化物的壳层。根据一个实施方案，该前体材料包括硅，并且具体是四乙基原硅酸盐(TEOS)。
在将这些组分组合之后，可以将这个组合进行烧制以形成磨料颗粒，103。烧制这些组分有助于壳形成材料转化为一个壳层，覆盖该多晶α氧化铝核。具体地，该壳形成材料可以被转化为一种高温化合物，如一种金属氧化物化合物，它可以是一种多晶的形式。总体上，这些组分的烧制是在不小于约800℃的温度下完成。再而，根据一个实施方案，烧制温度是不小于约1000℃，但典型地不大于约1400℃。在一个具体的实施方案中，该烧制温度是在约800℃与约1200℃之间的范围内。
这些组分的烧制总体上有助于在壳层与氧化铝核之间形成一种结合。这种结合可以是一种初级结合，具体地该壳层可以通过一种初级结合机制与该氧化铝核结合(如共价键合)。此外，烧制有助于磨料颗粒的致密化以及一个粘在一起的并且多晶的壳层的形成。
关于这些磨料颗粒，就整体而言(即核和壳)，将理解的是在烧制之后可以将这些磨料颗粒过筛目进行筛选以得到具有特定大小和/或分布的磨料颗粒，是粗的、细的、或它们的一种混合物。这些磨料颗粒的最终尺寸部分地是由初始α氧化铝微粒的尺寸和分布决定，并且此外，将理解的是这些α氧化铝颗粒的尺寸的控制和产生提供了对最终磨料颗粒的尺寸的控制。因此，与形成核的这些α氧化铝的亚微米结晶粒料相比，这些磨料颗粒可能是更大的颗粒。总体上，这些磨料颗粒在烧制之后的尺寸是不大于约1.7mm。在一个实施方案中，这些磨料颗粒具有的平均粒度为不大于约1.0mm，如不大于约500微米、或甚至不大于约400微米。
在烧制103之后，可以将这些磨料颗粒固定至一种基体材料以形成固定的磨料，105。概括地，一种固定的磨料在此被定义为一种部件，其中磨料颗粒或研磨粒料被固定在位，一般是相对于彼此(粘合的磨料)被固定在位、或者相对于彼此并且相对于一个背衬构件(涂覆的磨料)被固定在位。该固定的磨料的实际构型可以依赖于应用而广泛改变。例如，涂覆的磨料可以使用纸、布、缝制结合的布、纤维或薄膜背衬，并且该涂覆的磨料可以采用几种不同的几何形式，包括带、盘、片、内衬的套筒、滚筒、页盘(flap disc)、页轮(flap wheel)、以及其他几何构型。另一方面，粘合的磨料典型地是处于实心的一体化结构的形式，如处于研磨砂轮、圆柱形砂轮、杯形砂轮、碟形砂轮、扇段、锥形件、安装式砂轮、以及尖角、块、以及棍的形式。
参见图2，描绘了根据一个实施方案的磨料颗粒的截面图示。如在此说明的并且根据一个实施方案，该磨料颗粒具有包括一个核203(由多个α氧化铝粒料205形成)的一种核壳结构。总体上，核203包括不小于约95％的α氧化铝，或不小于约98％的α氧化铝。再而，在一个具体的实施方案中，核203基本是由α氧化铝形成。
多晶核203包括多个α氧化铝晶粒，这些晶粒相当小并且总体上具有亚微米的粒度。在一个实施方案中，这些α氧化铝粒料具有的平均尺寸为不大于约500nm，如不大于约400nm，或者甚至不大于约300nm。根据另一个实施方案，核203包括具有的平均粒度不大于约200nm、如不大于约150nm、并且在某些情况下不大于约100nm的粒料205。
进一步关于这些磨料颗粒的核203，总体上核203的平均尺寸是不大于约1.7mm，如不大于约750微米，或者甚至不大于约600微米。根据一个具体实施方案，这些磨料颗粒的平均核尺寸是不大于约500微米，或者甚至不大约200微米。特别地，该平均核尺寸是在约0.5微米与约1.7mm之间的范围内。
如图2中所展示，壳层201包括覆盖核203的一种多晶材料。总体上，壳层201可以是不小于约90vol％的多晶材料、并且更典型地可以包括不小于约98vol％的多晶材料。根据一个实施方案，壳层201完全由一种多晶材料组成。
典型地，壳层201实质性地包入了α氧化铝核203，使得壳层201覆盖了核203的外表面的不小于约90％。再而，在其他多个实施方案中，壳层201可以包入核203的更多，使得核203的外表面的不小于约95％被壳层201覆盖。然而在另一个实施方案中，壳层201覆盖了核203的外表面的不小于约98％。在一个具体的实施方案中，壳层201实质性地包入了α氧化铝核203，使得核203的外表面基本上全部都被壳层201覆盖。
壳层201覆盖核203并且根据一个实施方案，壳层201具有的平均厚度为不大于约10微米。再而，该壳层可以更薄，并且在另一个实施方案中，壳层201具有的平均厚度为不大于约8.0微米，如不大于约5.0微米。在一个具体的实施方案中，壳层201具有的平均厚度为不大于约3.0微米。
壳层201是一个总体上坚牢的层并且可以是这些磨料颗粒的总重量的重要部分。根据一个实施方案，壳层201不小于该颗粒的总重量的约0.5wt％。在另一个实施方案中，壳层201可以是不小于该磨料颗粒的整体重量的约1wt％，如不小于约3wt％、或者甚至不小于约5wt％。根据一个具体的实施方案，壳层201是一个坚牢的层，是该磨料颗粒的重要部分，这样具有的重量是在该磨料颗粒的总重量的约1wt％与约10wt％之间的范围内。
进一步关于壳层201，总体上壳层201是一个特别致密的层，具有很小的孔隙并且这些孔隙总体上是封闭的孔隙。根据一个实施方案，壳层201具有的孔隙率为不大于约30vol％。根据另一个实施方案，壳层201具有的孔隙率为不大于约20vol％，如不大于约15vo1％、或者不大于约10vol％。再而，在一个具体的实施方案中，壳层201的孔隙率为不大于约5.0vol％。
如前面所说明，壳层201包括壳形成材料并且具体包括锆氧化物或硅氧化物的一种金属氧化物化合物。锆氧化物和硅氧化物包括锆或硅的氧化物例如像氧化锆或硅石，或硅和锆的复合氧化物(可能包括与在下面的氧化铝核的反应产物)。根据一个实施方案，这些磨料颗粒具有一个壳层201，该壳层包括不小于约90％的锆氧化物，如不小于约95％的锆氧化物、并且还在某些情况下不小于约98％的锆氧化物。再而，在一个具体的实施方案中，壳层201完全是由锆氧化物形成的。
关于使用了一个锆氧化物壳层的实施方案，总体上，该锆氧化物壳层是多晶的。此外，根据一个实施方案，锆氧化物的晶相是一种不稳定的形式。具体地，使用一个完全由锆氧化物形成的壳层201的实施方案使用了氧化锆的一种不稳定形式，并且因此该氧化锆可以具有一种单斜晶的晶体结构。再而，其他实施方案可以使用一个包括具有四方或立方晶体结构的氧化锆的壳层201。
根据其他多个实施方案，壳层201可以包括硅氧化物，并且具体是硅氧化物的一种多晶形式。总体上，壳层201包括不小于约90％的硅氧化物。在另一个实施方案中，壳层201包括不小于约95％的硅氧化物，如不小于约98％的硅氧化物。再而，壳层201可以包括更多的硅氧化物，这样壳层201完全是由硅氧化物形成。
参见图3，展示了涂覆的磨料物品的一个截面。如所示，该涂覆的磨料包括一个背衬构件301、具有第一层303和第二层305的一种基体材料302、以及具有核307以及覆盖核307的壳层309的多个磨料颗粒306。总体上，如对大多数涂覆的磨料物品而言，背衬材料301是邻近于并且覆盖基体材料302的一种平面材料，该材料提供了一个表面用于保持基体材料302以及还有这些磨料颗粒306。背衬材料301一般掺入了一种能够经受研磨或抛光应用的特殊机械要求的柔性然而强韧的材料。根据一个实施方案，背衬材料301包括多种材料，如陶瓷、聚合物、金属、合成纤维、以及天然纤维，如纸或棉花，或它们的一种组合。根据另一个实施方案，该背衬材料是一种合成材料，如一种聚合物，像聚酯、尼龙、或人造纤维。此外，背衬材料301可以包括一种织造材料，它可以包括一种合成的织造材料、天然织造的材料、或两者的一种组合。此外，此类织造材料可以通过一种树脂或聚合的化合物保持在一起。再而，其他多个实施方案使用了一种薄膜(如一种聚酯薄膜)来形成背衬材料301。
再次关于该涂覆的磨料的基体材料302，总体上基体材料302是邻近于并且覆盖背衬层301的，并且提供了一个表面，可以将这些颗粒306附着在该表面上。在一个实施方案中，基体材料302包括多个层，这些层一般是粘合剂层，如在图3中展示的第一层303以及第二层305。一般，第一层303被称为“制作涂层”并且有助于将这些研磨粒料相对于背衬材料301固定在位。根据一个实施方案，第一层303可以包括一种树脂或一种粘合剂、或者两者。术语树脂是指固化的、并且可以包括一种天然的或合成材料的一种合成化合物。根据一个实施方案，第一层包括多种树脂，如脲甲醛树脂和酚醛树脂、或它们的一种组合。第一层303之中存在的树脂和粘合剂的构成和百分比有助于对该层的刚度的控制，这将按需要依赖于所希望的应用而决定。然后在第一层303的材料硬化或固化之前，将磨料颗粒306固定在该第一涂层内可以将这些磨料颗粒以一种特定安排或图型对齐或者固定在第一层303之内。
除了第一层303之外，基体材料302还可以包括第二层305，该第二层如图3中所示出的覆盖了这些磨料颗粒306以及第一层303。一般，第二层305可以被称为“胶料涂层”并且协助将这些磨料颗粒306相对于彼此固定在第一层303内。因此，第二层305可以包括一种树脂以及粘合剂，这些可以包括聚合的化合物，包括例如脲甲醛树脂或酚醛树脂。
除树脂性的以及粘性的化合物之外，第二层305还可以包括另外的化合物，如填充剂类。填充剂类可以包括另外的性能增强化合物，如一种固体润滑剂。根据一个实施方案，第二层305包括一种卤素化合物，并且更具体地是一种氟化合物。在一个具体的实施方案中，该填充剂包括一种含钠、铝、以及氟的化合物(例如，
Figure BPA00001251864300091
)。此类含卤素(如氟)的填充剂材料是腐蚀性的、并且在高温(在研磨操作过程中是普遍的)下可以是特别腐蚀性的，这可以改进固定的研磨装置的研磨性能、但也同时腐蚀并且改变了这些研磨粒料。
根据一个具体的实施方案，该涂覆的磨料是一种封闭的涂层物品，该物品具有的磨料颗粒覆盖了该涂覆的磨料的可用表面的不小于约75％。再而，该封闭的涂层物品可以具有跨越该表面的更高密度的研磨粒料，如覆盖了该涂覆的磨料的可用表面的不小于约80％、或者甚至不小于约90％的研磨粒料。可替代地，在其他实施方案中，该涂覆的磨料物品是一种开放的涂层物品，该物品具有的磨料颗粒覆盖了该涂覆的磨料的可用表面的小于约75％。在一个实施方案中，该涂覆的磨料是一种开放的涂层磨料，该磨料具有的磨料颗粒覆盖了该涂覆的磨料的可用表面的小于约65％、如小于约55％、或者甚至小于约45％。总体上，该开放的涂层磨料物品有大部分的可用表面被磨料颗粒所覆盖，如在约50％与约75％之间的范围内。
现在参见其他的固定的磨料物品，图4是根据一个实施方案的粘合的磨料物品的一个截面图示。如所展示，该粘合的磨料包括基体材料401，该材料具有包埋在其中的磨料颗粒406。所展示的这些磨料颗粒406包括的颗粒具有一个核403以及覆盖核403的一个壳层405。
关于该粘合的磨料的基体材料401，通常该基体材料包括适合于将这些磨料颗粒406相对于彼此保持在位的一种材料。根据一个实施方案，基体材料401包括以下材料，如陶瓷、金属、聚合物、和/或天然材料，如橡胶。在一个实施方案中，基体材料401可以包括一种合成材料，如一种树脂，该树脂可以包括一种酚类材料。根据另一个实施方案，该基体材料包括一种陶瓷，如一种玻璃质或玻璃化的陶瓷材料。根据一个具体实施方案，该玻璃化的基体材料包括硅石，一般量值为不小于约10wt％、如不小于约30wt％、或者仍不小于约60wt％的硅石。
总体上，具有一种玻璃化陶瓷基体材料的粘合的磨料是通过采用以下步骤制成：将磨料颗粒、玻璃质的或陶瓷的结合前体成分(例如，玻璃料、氧化物以及硅酸盐)以及一种临时粘合剂混合在一起，然后将这样一种混合物放入一个模具中并且在该模具中将该混合物压制为近似于所希望的尺寸和形状。该方法从所压制的物件中提取出挥发物，通常是通过在一个最终烧制步骤之前将该压制的物件在一个相对低的温度下进行加热(例如200℃至300℃)来释放出任何挥发物(例如，水和/或有机材料)以减少该粘合的磨料物品的膨胀以及炉衬膨胀。
在初始的压制和加热之后，将该粘合的磨料从该模具中移除并接着在相对高的温度下(例如500℃至1200℃)在一个加热炉烧制以形成玻璃状质的结合，以便协助这些磨料颗粒与基体材料的粘合。该经过压制的、临时粘合的(即，未成熟的)物件的烧制通常是在不小于约500℃的温度、如不小于约700℃下、或者甚至不小于约900℃、并且一般在约500℃至约1200℃之间的范围内的温度下完成。在这个高温烧制过程中，发生了不同的物理和/或化学转换，从而导致一种玻璃质或陶瓷基体的形成，该基体将这些研磨粒料与该基体材料粘合在一起。
粘合的磨料物品(特别是使用了一种玻璃化的陶瓷基体材料的粘合的磨料)的基体材料401包括基于该粘合的磨料物品的总重量不小于约30wt％的基体材料。根据另一个实施方案，基体材料401包括该粘合的磨料物品的整体重量的不小于约40wt％、或不小于约50wt％、或者在某些情况下不小于约60wt％。
关于如在固定的磨料物品中使用的磨料颗粒，图5展示了固定在一个涂覆的磨料物品内的常规氧化铝颗粒内存在的元素的一个曲线图。具体地，该涂覆的磨料包括具有钠(Na)和氟(F)作为主要组分的一种填充剂材料(例如，)。此外，该涂覆的磨料内的氧化铝粒料具有的平均晶体尺寸为小于约500纳米。参见图5，这些氧化铝粒料包含高量值的铝505(如所期望的)，并且除这一铝含量之外，这些氧化铝粒料还展现了高量值的氟503以及钠501。如所提及的，这样的元素存在于该涂覆的磨料的基体材料内的填充剂材料之中，并且如图5所证实的，这些元素已经渗透这些氧化铝粒料。
为了比较的目的，图6展示了已掺入根据在此的实施方案的涂覆的磨料之中的磨料颗粒内存在的元素的一个曲线图。具体地，图6中展示的磨料颗粒具有一种核壳结构，包括一个α氧化铝核以及含氧化锆的一个壳层。这些颗粒在1000℃下被烧制了五分钟。像在图5中评估的涂覆的磨料，图6的涂覆的磨料物品在该基体材料的第二层中掺入了相同的填充剂材料(即主要由钠和氟构成的一种填充剂)。尽管图6中提供的磨料颗粒的氧化铝核包含了如预期的高含量的铝603，但是该氧化铝核展现了非常小量值的氟或钠或没有，如在区域601中指出的。与图5对比，图6表明该填充剂中存在的元素没有渗透这些磨料颗粒的氧化铝核。
进一步关于这些研磨粒料的具体特征，图7展示了掺入粘合的磨料物品中的一个传统氧化铝粒料内存在的元素的一个曲线图。通过比较，图8展示了具有一种壳核结构并且被掺入根据在此的实施方案的粘合的磨料之中的一个研磨粒料内存在的元素的一个曲线图。具体地，图8的磨料颗粒包括一个多晶α氧化铝核，该核具有平均粒度小于约500nm的多个氧化铝粒料以及包括氧化锆的一个壳层。这些磨料颗粒是通过在1250℃下烧制四小时而形成。在图7和图8中展示的两个样品都掺入了具有一种含硅石的玻璃化基体材料的一种粘合的磨料。图7展示，除预期的高含量的铝701之外，这些氧化铝颗粒还含有高含量的硅703，表明来自基体材料的硅石的元素硅渗透了该研磨粒料。通过比较，图8的磨料颗粒展示了如所预期的高含量的铝801，但是α氧化铝核内的硅803的含量减小了并且证明较少的硅穿透进了使用了核壳结构的磨料颗粒之中。
进一步关于在此提供的磨料颗粒的特征，图9展示了一种常规的粘合磨料的一部分的元素线扫描，该磨料在具有高含量的硅石的玻璃化基体材料内利用了氧化铝裸粒料。区域901和903代表粘合磨料的、是氧化铝研磨粒料的区域，而区域902代表该粘合磨料的、是含硅石的玻璃化基体材料的区域。因此，线907代表每个区域内硅的量并且线905代表每个区域内铝的量。如所展示的，区域901和903(由氧化铝磨料粒料所代表的区域)内铝的量是高于硅的量，但从区域901(一个氧化铝粒料)移动至区域902(基体材料)、并且再至区域903(一个氧化铝粒料)硅的量仅仅轻微改变。
通过比较，图10展示了具有相同的掺入了硅石的玻璃化基体材料、并且还掺入了具有核壳结构的研磨粒料的粘合的磨料一个类似扫描。值得注意地，这些研磨粒料包括一个多晶α氧化铝核以及一个氧化锆壳层。如同图9，图10提供了区域1001以及1003，它们是研磨粒料的区域，并且区域1002代表基体材料的区域。因此，线1007代表每个区域内硅的量并且线1005代表每个区域内铝的量。值得注意地，研磨粒料的区域1001和1003内硅的量1007从基体材料的区域1002引人注目地下降。此外，通过与图9比较，图10的这些研磨粒料内存在的硅的量1007(值得注意地是区域1001和1004内)比图9的研磨粒料(区域901和903)包含更少的硅。
进一步关于如在此的实施方案中提供的固定的磨料物品的性能，以下提供的表1证明了磨料颗粒在一个单层试验中的研磨性能。该单层试验是一种表面研磨试验，它作为一种模拟试验被用来测定粘合的磨料以及涂覆的磨料对抗所选金属工件的性能。具体地，表1测量了就G-比率而言的研磨性能，测量磨料物品(典型地一个研磨砂轮)的研磨性能的一种标准化方法，它是对与从研磨砂轮中去除的材料的体积相比从一个样品中去除的材料的体积的测量。以下提供的各个结果是作为对比标准氧化铝1样品的研磨性能的百分比来测量，该样品还被用作玻璃化基体材料内的标准的氧化铝磨料颗粒。
表1
Figure BPA00001251864300121
用于该测试的这些研磨砂轮包括一个金属轮，该金属轮直径为5英寸并且0.25英寸厚、具有使用酚醛树脂材料作为粘合剂而附着在该金属轮的表面上的一个单层的磨料颗粒。将表1中的所有磨料颗粒样品进行筛选并且收集，使得这些磨料颗粒的粒度是在250微米与425微米之间(在标准的60与40筛目尺寸之间)的范围内。这些磨料颗粒的差异在于标准氧化铝1、标准氧化铝2、以及标准氧化铝3样品使用了常规的氧化铝裸粒料。样品S1-S6使用了具有如在此的实施方案中说明的核壳结构的磨料颗粒。
在相同的条件下对每个样品进行测试，包括使用一个4140碳钢工件、在一个恒定速率下以0.0001英寸恒定进给以及65英尺/分钟的工作台速度进行进料。在测试过程中，研磨条件还包括干式的、横动式的、以及在345W至350W的停止功率下(stopped power)。
关于具体的对比样品，样品S1掺入的磨料颗粒使用了与标准氧化铝2样品的类似的氧化铝粒料、但是包括一个由硅石形成的覆盖这些氧化铝粒料的壳层。具体地，该壳层是通过将0.5wt％硅石(基于总固体含量)混入一种α氧化铝微粒中并且将该混合物在1000℃下烧制而形成。如所展示的，样品S1证明了改进的研磨性能，具有超过标准氧化铝1样品19％、并且超过标准氧化铝2样品30％的改进的G-比率此外，样品S1展示了超过标准氧化铝3样品中的每一个的改进的研磨性能。
关于接下来的对比样品，样品S2掺入的磨料颗粒使用了与标准氧化铝2样品的类似的氧化铝粒料、但是包括一个由硅石形成的覆盖这些氧化铝粒料的壳层。具体地，样品S2的这些磨料颗粒是通过将α氧化铝与作为壳形成材料的1.0wt％(基于总固体含量)的硅石相结合并且将该混合物在1000℃的温度下烧制而形成。如所展示的，样品S2还证明了超过这些标准氧化铝样品中的每一个的改进的研磨性能。
像对比样品S1和S2一样，样品S3是掺入了具有核壳结构的研磨粒料的一种粘合的磨料。值得注意地，样品S3包括的研磨粒料具有一个多晶α氧化铝核以及覆盖该多晶的核的一个壳层的。这些磨料颗粒是通过将α氧化铝微粒与作为壳形成材料的0.5wt％(基于总固体含量)的硅石进行结合而制成。这个组合在1200℃的温度下被烧制。如所展示的，样品S3的性能显示了超过标准氧化铝1和2样品的一种改进、以及比得上标准氧化铝3样品的性能。
同样地，样品S4显示了超过所有标准氧化铝样品的研磨性能上的改进。样品S4是一种粘合的磨料，包括的研磨粒料具有一个氧化铝核以及覆盖该氧化铝核的一个硅石壳层。这些磨料颗粒是通过将α氧化铝微粒与作为壳形成材料的1.0wt％(基于总固体含量)的硅石进行结合而制成。这些颗粒在1200℃的温度下被烧制。如就结合了核壳结构的以上样品而言，显示了超过了这些标准氧化铝样品中的每一个的研磨性能上的改进。
关于样品S5，这个样品在粘合的磨料内使用了与标准氧化铝3样品相同类型的氧化铝粒料，然而，这些研磨粒料包括一个覆盖氧化铝核的硅石壳层。具体地，样品S5的这些磨料颗粒是通过将α氧化铝微粒与作为壳形成材料的1.0wt％(基于总固体含量)的硅石相结合而形成。该组合在1200℃的温度下被烧制。如所展示的，样品S5显示了超过标准氧化铝3样品的改进的研磨性能。样品S5还证明了超过标准氧化铝1和2样品的改进的研磨性能。
相应地，样品6也使用了与标准氧化铝3样品相同类型的氧化铝粒料，但这些研磨粒料使用了一个覆盖氧化铝核的硅石壳层。具体地，这些磨料颗粒是通过将α氧化铝微粒与0.5wt％(基于总固体含量)的硅石相结合并且将该组合在1200℃的温度下烧制而形成。再次，样品S6显示了超过该标准粘合磨料样品(标准氧化铝3)的改进的研磨性能。样品S6还显示了超过标准氧化铝1和2样品的改进的研磨性能。尽管这些样品展示了在此的多个实施方案中提供的磨料颗粒的改进的研磨性能，具体地是使用了硅石壳层的磨料颗粒的改进的研磨性能，但是使用类似的壳层并且包括氧化锆的磨料颗粒已经证明了相同的改进的研磨性能。
根据在此的多个实施方案，提供了固定的磨料物品，它们具有改进的特性，如增强的研磨性能、与基体材料以及填充剂的相容性、以及延长的寿命。尽管诸位发明人承认某些具有表面改性的结构的磨料颗粒的存在，如在U.S.6,258,141和U.S.5,131,923中所披露的，但是现在所披露的磨料物品是优越的。关于U.S.6,258,141，尽管该参考文件披露了使用由一种基于盐的前体形成的涂层，但是所披露的涂层在粘合的磨料物品的形成过程中为氧化铝粒料提供了保护，优选是在该粘合材料是一种低温玻璃质材料时。此外，尽管U.S.6,258,141概括地陈述这些氧化铝磨料颗粒可以涂覆有一种陶瓷氧化物，但是该参考文件继续陈述一种“陶瓷氧化物”被理解为是指在超过1500℃的温度下是稳定的一种金属氧化物，主要是氧化镁、二氧化钛、氧化钴、氧化镍、以及氧化铬。此外，这些陶瓷氧化物涂层不是坚牢的，因为它们是该颗粒的总重量的至多1wt％、并且典型地大大更小。在U.S.6,258,141中披露的这些陶瓷氧化物涂层并不意欲是坚牢的涂层，相反地它们是薄的材料涂层、经常与这些氧化铝颗粒进行反应而创造一种铝酸盐化合物，以减少这些磨料颗粒的表面积，由此减少了供碳残余物沉降的区域，这在研磨过程中可以导致工件的变色。
关于U.S.5,131,923，该参考文件披露将一种含硅的材料与氧化铝磨料颗粒进行混合以创造具有富含硅石的表面的氧化铝颗粒。然而，这些富含硅石的表面并不是粘着的硅石涂层，因为它们是通过将这些磨料颗粒与一种含硅的化合物相混合而简单形成的，这进而在磨料颗粒的表面上形成了非晶相硅石的一个薄膜。这些磨料颗粒的富含硅石的表面在形成最终产品(即，一种玻璃质的粘合磨料)之前是未处理的并且因此是非晶相的并且脆性的，对于由摩擦产生的磨损敏感，尤其是在这些组分的混合过程中，并且因此在形成最终的粘合磨料产品之前损坏。因此，由于一个脆弱的、非晶相的涂层以及在形成最终磨料物品之前对这些颗粒的处理相结合，应理解的是这些涂层不是正形的并且在最终形成的磨料产品中并没有实质性地将这些颗粒包入。此外，这些非晶相的富含硅石的表面的形成起的作用仅仅是帮助将这些磨料颗粒粘合在含硅石的基体材料中。因此，此类颗粒在其使用中受到限制，特别是受限于具有高含量硅石的玻璃质粘合磨料。
值得注意地，这些目前的实施方案的固定磨料物品使用的固定的磨料具有以下特征的组合：包括例如，亚微米的粒度、构成、以及一种工程化的核壳结构。值得注意地，此类要素的组合提供了一种工程化的结构，该结构是设计来提供对研磨过程中存在的特定化学品的耐受性以及设计来减轻脱壳效应的一个实质性涂层(即具体设计来防止α氧化铝粒料破裂的一个牺牲层)两者。此外，多个实施方案在此提供了用于形成一个覆盖核的坚牢的多晶壳的方法，它与其他特征相结合提供了改进的研磨性能、机械稳定性、以及化学耐受性。因此，在研磨和抛光的特定背景下，使用掺入了在此提供的特定研磨粒料的固定研磨装置、与特定的基体材料以及附随的填充剂材料相结合，使得固定的研磨装置能够具有改进的机械稳定性、化学稳定性、以及研磨性能。
虽然已经在具体实施方案的背景中展示并说明了本发明，它并非旨在受限于所示出的细节，因为无需以任何方式背离本发明的范围即可以进行不同的变更和代换。例如，可以提供附加的或等效的替代物并且可以使用附加的或等效的生产步骤。这样，本领域的普通技术人员仅使用常规的实验就可以想到对于在此披露的本发明的进一步的变更以及等效物，并且应当认为所有的此类变更和等效物都是在由以下权利要求所定义的本发明的范围之内。

Claims (15)

1.一种固定的磨料物品，包括：
一种基体材料；以及
包埋在该基体材料中的多个磨料颗粒，这些磨料颗粒具有一种核壳结构，该核壳结构包括一个多晶α氧化铝核以及一个壳层，该壳层覆盖该多晶α氧化铝核并且包括选自硅氧化物和锆氧化物构成的组中的一种多晶材料，该多晶α氧化铝核包括具有的平均粒度不大于约500nm的多个粒料。
2.如权利要求1所述的固定的磨料物品，其中，该固定的磨料物品是一种涂覆的磨料。
3.如权利要求2所述的固定的磨料物品，其中，该基体材料包括一个第一粘合剂层以及一个第二磨料层，该第一粘合剂层覆盖背衬材料并且与其相接触，该第二粘合剂层覆盖该第一粘合剂层。
4.如权利要求3所述的固定的磨料物品，其中，该第二粘合剂层进一步包括一种含一种卤素化合物的填充剂材料。
5.如权利要求1所述的固定的磨料物品，其中，该固定的磨料是一种粘合的磨料，该粘合的磨料包括一种含一种玻璃化陶瓷材料的基体材料。
6.如权利要求1、2、以及5中任何一项所述的固定的磨料物品，其中，该多晶α氧化铝核具有的平均粒度为不大于约300nm。
7.如权利要求1、2、5、以及6中任何一项所述的固定的磨料物品，其中，该壳层主要地由一种多晶材料组成并且实质性地包入了该α氧化铝核。
8.如权利要求1、2、5、6、以及7中任何一项所述的固定的磨料物品，其中，该壳层具有的平均厚度为不大于约10微米。
9.如权利要求1、2、5、6、7以及8中任何一项所述的固定的磨料物品，其中，该壳层具有的孔隙率为不大于约30vol％。
10.如权利要求1、2、5、6、7、8、以及9中任何一项所述的固定的磨料物品，其中，该壳层包括锆氧化物。
11.一种形成固定的磨料的方法，该方法包括：
将α氧化铝微粒与一种壳形成材料相结合；
将该α氧化铝与该壳形成材料烧制形成包括一种核壳结构的磨料颗粒，该核壳结构包括一个多晶α氧化铝核以及一个壳层，该壳层覆盖该多晶α氧化铝核并且包括选自硅氧化物和锆氧化物构成的组中的一种多晶材料，该多晶α氧化铝核包括多个粒料并且具有的平均粒度为不大于约500nm；并且
将这些磨料颗粒固定在一种基体材料中以形成一种固定的磨料。
12.如权利要求11所述的方法，其中，该壳形成材料包括一种胶态分散体，该胶态分散体包含悬浮在一种液体介质中的多个胶体，该液体介质包括一种有机化合物。
13.如权利要求12所述的方法，其中，这些胶体具有的平均一次粒度为不大于约200nm。
14.如权利要求11所述的方法，其中，结合包括将该壳形成材料沉积在该多晶α氧化铝核上。
15.如权利要求14所述的方法，其中，沉积该壳形成层是通过一种气相沉积法进行，包括分解一种前体材料。
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