CN102317038A - 带凹槽的成形磨粒 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种磨粒，所述磨粒包括成形磨粒，所述成形磨粒各自具有侧壁，所述成形磨粒中的每一粒都包含α-氧化铝，并且具有第一面和第二面，所述第一面和所述第二面由侧壁分隔并且最大厚度为T；并且所述成形磨粒在所述第二面上还具有多个凹槽。

Description

带凹槽的成形磨粒
背景技术
磨粒和由磨粒制造的磨料制品可用于在产品制造过程中研磨、整理或磨削多种材料和表面。因此，一直存在对磨粒和/或磨料制品的成本、性能或寿命进行改善的需求。
授予Berg的美国专利5,201,916、授予Rowenhorst的美国专利5,366,523以及授予Berg的美国专利5,984,988中公开了三角形磨粒和采用三角形磨粒制造的磨料制品。在一个实施例中，这些磨粒的形状包括等边三角形。三角形磨粒可用于具有增大的切削速率的磨料制品。
发明内容
成形磨粒通常可具有优于随机粉碎的磨粒的性能。通过控制磨粒的形状可控制所得磨料制品的性能。本发明人已发现，通过制备成形磨粒的面之一上具有多个凹槽的成形磨粒，成形磨粒前体将更易于从用于模制成形磨粒、具有多个模腔的生产工具脱离。意外地是，即使模腔的总表面积因形成多个凹槽的多条脊而增加，具有多个凹槽的成形磨粒前体仍更易于从模腔移除。
本发明人还发现，与不具有凹槽的类似成形磨粒相比，成形磨粒上的凹槽可影响成形磨粒的磨削性能。具体地讲，当成形磨粒开始磨损，初始切削速率将降低，且切削速率趋于随时间的推移而增大。通常，磨粒的切削速率在磨粒的使用期内趋于降低。对于不包含凹槽的成形磨粒，可出现类似结果。因此，本发明人已发现使用不带凹槽的成形磨粒和带凹槽成形磨粒的共混物可调控由成形磨粒制成的磨料制品的切削速率曲线，以使磨料制品在其工作寿命内具有极其均一的切削速率。
从而在一个实施例中，本发明存在于包括成形磨粒的磨粒中，该成形磨粒各自具有侧壁，成形磨粒中的每一粒都包含α-氧化铝并具有由侧壁分隔的第一面和第二面，而且最大厚度为T；并且该成形磨粒在第二面上还具有多个凹槽。
在另一个实施例中，本发明存在于具有多个模腔的用于制备成形磨粒的生产工具中，该多个模腔具有模具底面、模具侧壁、和高度Hc；该模具底面和模具侧壁包含聚合物材料；并且其中该底面具有多条脊。
附图说明
本领域的普通技术人员应当了解，本发明的讨论仅是针对示例性实施例的描述，其并非旨在限制本发明的更广泛的方面，其中更广泛的方面体现在示例性构造中。
图1示出底面内具有多条脊的模腔的剖视图。
图1A和图1B示出图1所示脊的各种横截面实施例。
图2示出具有凹槽的成形磨粒的一个实施例的俯视图。
图2A示出图2所示成形磨粒的侧视图。
图3示出具有凹槽的成形磨粒的显微照片。
图4示出具有凹槽的成形磨粒的另一个实施例的显微照片。
图5示出具有凹槽的成形磨粒的另一个实施例。
图6A示出成形磨粒的一个实施例的俯视图。
图6B示出图6A所示成形磨粒的侧视图。
图6C示出由图6A所示成形磨粒制成的涂附磨料制品的侧视图。
图7示出成形磨粒的显微照片。
图8示出由图7所示成形磨粒制成的涂附磨料制品的顶面显微照片。
图9A示出成形磨粒的另一个实施例的俯视图。
图9B示出图9A所示成形磨粒的侧视图。
图9C示出由图9A所示成形磨粒制成的涂附磨料制品的侧视图。
图10A示出成形磨粒的另一个实施例的俯视图。
图10B示出图10A所示成形磨粒的侧视图。
图10C示出由图10A所示成形磨粒制成的涂附磨料制品的侧视图。
图11示出具有和不具有凹槽的成形磨粒的切削速率和累积切削量的曲线图。
图12示出具有不同拔模角的成形磨粒的切削速率与时间的曲线图。
图13示出具有不同拔模角的成形磨粒的总切削量与时间的曲线图。
图14示出根据美国专利No.5,366,523制备的现有技术磨粒的显微照片。
图15示出图14所示现有技术磨粒的横截面显微照片。
图16示出图14所示现有技术磨粒的横截面显微照片。
图17示出具有倾斜侧壁的成形磨粒的横截面显微照片。
在说明书和附图中重复使用的引用字符旨在表示本发明相同或类似的部件或元件。
定义
如本文所用，词语“包含”、“具有”和“包括”在法律上是具有等同含义的开放型术语。因此，除列举的元件、功能、步骤或限制之外，还可以有其它未列举的元件、功能、步骤或限制。
如本文所用，术语“磨料分散体”是指可转化为引入模腔中的α-氧化铝的α-氧化铝前体。该组合物称为磨料分散体，直到移除足量的挥发性组分使磨料分散体硬化为止。
如本文所用，术语“成形磨粒前体”是指通过从磨料分散体(当其位于模腔中时)移除足量的挥发性组分以形成硬化体的方式所产生的未烧结颗粒，该硬化体可从模腔移除，并且在后续处理操作中基本上保持其模制形状。
如本文所用，术语“成形磨粒”意指磨粒的至少一部分具有预定形状的陶瓷磨粒，该预定形状由用于形成成形磨粒前体的模腔复制而得。与磨料碎片的情况(如，美国临时申请61/016965中所述)不同，成形磨粒通常会具有基本上复制了用来形成成形磨粒的模腔的预定几何形状。如本文所用的成形磨粒不包括通过机械粉碎操作获得的磨粒。
具体实施方式
带凹槽的成形磨粒
参见图1，该图示出具有多个模腔102的生产工具100的一部分。为简明起见，示出单个模腔102。模腔102具有模具侧壁104和模具底面106，并且在一个实施例中，该模具底面和模具侧壁包含聚合物材料。形成模具底面周边的模具侧壁104的几何形状可以是变化的，并且在一个实施例中，该几何形状选择为当从生产工具中的每一个模腔的顶部观察时呈等边三角形，使得该模腔具有三个相对的模具侧壁。如本文随后所讨论，模腔可采用其它几何形状。模具侧壁104与模具底面106以预定的角度α相交。如本文随后所讨论，将角度α选择为介于约95度至约130度之间可改善成形磨粒20的磨削性能。然而，预定的角度α可为90度或甚至略小于90度，因为模腔102中形成的成形磨粒前体可在干燥过程中收缩，并因此仍可从模腔移除，而不会被限制在其中。
模具底面106包括多个从模具底面凸起、预定高度为Hr的脊108。在本发明的一个实施例中，与模腔的总高度Hc相比，该多条脊的高度Hr较小。如上文所述，多条脊108具有意想不到的有益效果，可使得成形磨粒前体在干燥后更易于从生产工具100的模腔102移除。即使模腔的总表面积由于多条脊的存在而增大(在这种情况下原本预计成形磨粒前体的移除会更加困难)，仍可出现该结果。成形磨粒前体易于从模腔102脱离的能力是在连续运行的生产线上制备成形磨粒的重要属性。当生产线的速度增大时，该有益效果尤为重要。生产工具中保留下来的成形磨粒前体将“堵塞”生产工具，从而不仅降低产量，而且在连续式烘箱中干燥磨料分散体前，尝试将磨料分散体以真空槽的方式涂覆到生产工具中时造成问题。
据信为实现改善的脱模性能，多条脊的高度Hr与模腔的总高度Hc相比应当较小。当高度Hr接近高度Hc时，模腔102将大致细分为若干更小的模腔，改善从模腔脱离的有益效果可能消失。在本发明的各种实施例中，多条脊108的度高Hr可为介于约1微米至约400微米之间。此外，脊高度与腔体高度的百分比比率Hr/Hc(表示为百分比)可为介于0.1％至约30％之间、或介于0.1％至约20％之间、或介于0.1％至约10％之间、或介于约0.5％至约5％之间。
另外，据信多条脊108的横截面几何形状对于改善脱模性能而言非常重要。参见图1A，在一个实施例中，每一条脊108都具有第一侧面110、第二侧面112和顶部114。第一侧面110和第二侧面112各以钝角从模具底面106凸起，使得脊的横截面几何形状朝顶部渐缩114，从而形成截头三角形。就这方面而言，脊的横截面几何形状也类似于齿轮齿或楔。
参见图1B，在另一个实施例中，每一条脊108都具有第一侧面110和第二侧面112。第一侧面110和第二侧面112各以钝角从模具底面106凸起，使得脊的横截面几何形状朝顶端渐缩，从而形成三角形。就这方面而言，脊的横截面几何形状也类似于齿轮齿或楔。在一个实施例中，每一条脊的高度Hr都为0.0127mm，并且介于三角形顶端第一侧面110与第二侧面112之间的夹角为45度。模腔的高度Hc为0.7112mm，脊高度与腔体高度的百分比比率Hr/Hc为1.79％。
据信通过使脊的横截面形成为截头三角形或三角形，每一条脊在干燥过程中都可充当楔，该楔可在成形磨粒前体干燥时趋于提升成形磨粒前体使其略微脱离模具底面106。在一些实施例中，据信成形磨粒前体在干燥过程中会略微收缩，从而，“楔”使成形磨粒前体从模具底面松开，从而使成形磨粒前体更易于从模腔移除。在其它实施例中，脊的横截面几何形状可为正方形、矩形、半球形、凸形、抛物线形或其它几何形状。
因为多条脊108的一个功能是提供改善的脱模性能，所以多条脊的间距和均匀度非常重要。具体地讲，模腔的模具底面106应该具有均匀的脊，以确保成形磨粒前体部分不会“粘”到底面。在一个实施例中，多条脊108为连续线条，使得多条脊从三角形模腔的一个模具侧壁到相对的模具侧壁完全横贯模具底面106延伸。多条脊具有如图1B所述的三角形横截面，并且具有间距为大约0.277mm的平行线。
在本发明的各种实施例中，每一条脊之间的百分比间距可为介于约1％至约50％、1％至40％、1％至30％、1％至20％或5％至20％的面尺寸(例如成形磨粒边缘中的一条的长度)。在一个实施例中，在模具底面106处的等边三角形的边长为2.54毫米，并且每个模腔具有间距为277微米的8条脊，每一条脊之间的百分比间距为10.9％。在本发明的其它实施例中，模具底面内的脊的数量可为介于1和约100之间、约2至约50或约4至约25。
设置到模具底面上的多条脊可为弧形线、直线、同心几何图形(例如嵌套三角形)或具有规则或不规则间距的交叉影线。多条脊可彼此平行或交叉。可使用各种图形的组合。
在本发明的其它实施例中，多条脊可采用沿底面间隔设置的不连续线段形式，使得多条脊不在介于相对的模具侧壁之间连续延伸。或者，线段形式的多条脊可相当短，使得底面具有多个在网格图形中均匀间隔的截棱锥，使得底面类似于华夫铁板。其它不连续的几何脊形状可设置到底面上，从而得到具有凹痕图形的表面，以改善其脱膜特性。
现在参见图2和图2A，该图示出由图1所示模腔102制成的具有多个凹槽116的成形磨粒20。制备带凹槽的成形磨粒20的材料包含α-氧化铝。α-氧化铝粒子可由氧化铝一水合物的分散体制成，如本文随后所讨论，该分散体被胶凝、模制成形、干燥定形、煅烧，再进行烧结。成形磨粒的形状被保留下来，而无需粘结剂以在粘结剂中形成包括磨粒(随后被形成为成形结构)的聚集体。
通常，具有凹槽116的成形磨粒20包括薄主体，该薄主体具有第一面24和第二面26，并且厚度为T。第一面24和第二面26通过侧壁22彼此连接，并且该侧壁可以成角度，以使用介于模具侧壁和模具底面之间的角度α为大于90度的模腔形成如本文随后所述的倾斜侧壁22。对于表面渐缩成薄边或点或侧壁较厚的成形磨粒，侧壁可被最小化。
在一些实施例中，第一面24大致为平面，第二面26大致为平面，或两面均大致为平面。或者，该面可为凹面或凸面，如提交于2008年12月17日的名称为“Dish-Shaped Abrasive Particles With A RecessedSurface”(带凹面的碟形磨粒)的共同待审的美国专利申请No.12/336,961(代理人档案号64716US002)中详细所述。另外，可存在穿过表面的开口或孔，如提交于2008年12月17日的名称为“ShapedAbrasive Particles With An Opening”(带开口的成形磨粒)的共同待审的美国专利申请No.12/337,112(代理人档案号64765US002)中详细所述。如参考专利申请中所讨论，已发现在成形磨粒中具有凹陷面或开口中的任一者都可显著提高磨削性能。
在一个实施例中，第一面24和第二面26基本上彼此平行。在其它实施例中，第一面24和第二面26可以不平行，使得一面相对于另一面倾斜，并且与每一个面相切的假想线将相交于一点。具有凹槽116的成形磨粒20的侧壁22可以是变化的，并且其一般形成第一面24和第二面26的周边29。在一个实施例中，第一面24和第二面26的周边29选择为具有几何形状，并且第一面24和第二面26选择为具有相同的几何形状，但它们的尺寸不同，即一个面的尺寸大于另一个面的尺寸。在一个实施例中，第一面24的周边29和第二面26的周边29为所示出的三角形。
参见图2A，可改变介于成形磨粒20的第二面26与侧壁22之间的拔模角α，以改变每一个面的相对尺寸。在本发明的各种实施例中，拔模角α可为90度、或介于大约95度至大约130度、或介于约95度至约125度、或介于约95度至约120度、或介于约95度至约115度、或介于约95度至约110度、或介于约95度至约105度、或介于约95度至约100度。如实例中将要示出，已发现拔模角α的具体范围可意想不到地增加由成形磨粒所制成涂附磨料制品的磨削性能。
具有凹槽的成形磨粒可用于制备本文随后所述的涂附磨料制品。如果具有凹槽116的成形磨粒20的拔模角α为大于90度(倾斜侧壁)，则多数具有凹槽的成形磨粒20在制备涂附磨料制品时将向一侧翻转或倾斜。本文随后所述，据信这将改善磨削性能。
为进一步优化倾斜取向，具有凹槽和倾斜侧壁的成形磨粒可涂覆在疏涂层磨料层中的背衬中。密涂层磨料层定义为可在单次穿过制备机时涂覆到磨料制品底胶层的最大重量的磨粒或磨粒共混物。疏涂层是一定量的磨粒或磨粒共混物，其重量小于可涂覆到涂附磨料制品底胶层的最大重量(以克为单位)。疏涂层磨料层将导致底胶层中磨粒的覆盖百分比小于100％，从而如图8所示在颗粒之间留下开放区域和可见树脂层。在本发明的各种实施例中，磨料层中的开放区域百分比可为介于约10％至约90％或介于约30％至约80％。
据信，如果太多具有凹槽和倾斜侧壁的成形磨粒涂覆到背衬，颗粒之间将出现间隔不足，以允许颗粒在底胶层和复胶层固化之前倾斜或翻转。在本发明的各种实施例中，具有疏涂层磨料层的涂附磨料制品中大于50％、60％、70％、80％或90％的成形磨粒是翻转或倾斜的。
现在参见图3，该图示出具有凹槽116和倾斜侧壁的成形磨粒20的显微照片。在图3中，拔模角α为大约98度，并且该成形磨粒具有等边三角形。在较大的第一面24的周边处测得每一个三角形的边长为大约1.6mm。如观察所见变化的侧壁厚度和成形磨粒主要搁置在三角形的顶端或拐角上的事实，碟形磨粒具有凹陷的第一面24。
现在参见图4，该图示出具有凹槽116的成形磨粒20的显微照片。在图4中，模具的拔模角α为98度，并且该成形磨粒具有等边三角形。在较大的第一面24的周边处测得每一个三角形的边长为大约1.6mm。碟形磨粒具有凹形第一面24和凸形第二面26(初始形成在模具底面上)。关于具有凹形的或者凹面中的任一者的碟形磨粒的更多信息在上述代理人档案号64716US002中有所公开。
第二面26上的凹槽116由模具底面上的多条脊108形成。因此，第二面26上的凹槽图形将复制上述所讨论用于脊的图形中的任何者。在一个实施例中，多个凹槽包括平行线，该平行线完全横贯第二面延伸，并以90度角与沿边缘的周边相交。凹槽横截面几何形状为三角形，或可为如上述的其它几何形状。
在本发明的各种实施例中，多个凹槽116的深度D可为介于约1微米和400微米之间。此外，凹槽深度D与成形磨粒的最大厚度T的百分比比率(D/T，表示为百分比)可为介于0.1％至约30％、或介于0.1％至约20％、或介于0.1％至约10％、或介于约0.5％至约5％。
意外地发现，因改善生产工具的脱模能力而设置到成形磨粒上的多个凹槽可影响所得带凹槽的成形磨粒的磨削性能。即使凹槽的深度D与成形磨粒的最大厚度T相比可能较小，也可出现该结果。尚未可知使用过程中成形磨粒沿凹槽断裂的增加(这种断裂可形成全新的锋利边缘)，或具有凹槽的成形磨粒磨穿而暴露出个别凹槽时，凹槽本身(成形磨粒无断裂)提供的新的锋利边缘以及稍微降低的磨平是否会使得该结果出现。因为每个成形磨粒存在多个凹槽，所以具有凹槽的成形磨粒有多个机会可使自身重新锋利。
如实例中将进行的详细讨论所述，在一个实施例中，多个凹槽趋于减小成形磨粒的初始切削速率，然后在磨料制品的使用过程中增大切削速率。不具有凹槽的相似尺寸的成形磨粒趋于具有较高的初始切削速率，然后在磨料制品的使用过程中降低切削速率。通过混合具有凹槽的成形磨粒和不具有凹槽的成形磨粒，可使磨料制品的切削速率在初始使用和随后的使用过程中更均一。通常，均一的切削速率对于磨料制品的消费者而言是非常重要的，以便抑制在制备标准化部件时因磨料磨损而不得不重新调整生产机械。在各种实施例中，至少5重量％、10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％、45重量％、50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、或95重量％的带凹槽的成形磨粒可与不带凹槽的成形磨粒混合。在一个实施例中，发现具有多个凹槽的等边三角形成形磨粒和不具有多个凹槽的等边三角形成形磨粒的50％-50％混合物可提供非常均一的切削速率时间比。在本发明的各种实施例中，成形磨粒的共混物可包含约40％至约60％的具有多个凹槽的成形磨粒和约40％至约60％的不具有多个凹槽的成形磨粒。
现在参见图5，该图示出第二面26上多个凹槽的另一个实施例。多个凹槽包括完全横贯第二面26延伸的由交叉平行线形成的网状图案。第一组17条平行线以90度角与周边的一条边缘相交，百分比间距为三角形边长的6.25％，第二组17条平行线以90度角与周边的第二边缘相交，百分比间距为6.25％，从而生成网状图案并在第二面内形成多个凸起的菱形。在各种实施例中，网状图案可采用交叉的平行线或非平行线、各种的线间百分比间距、弧形交叉线、或凹槽的各种横截面几何形状。
具有倾斜侧壁的成形磨粒
参见图6A、图6B、和图6C，该图示出具有倾斜侧壁22的示例性成形磨粒20。在以下讨论中，具有倾斜侧壁(拔模角α大于90度)的成形磨粒的任何实施例可与如上述所讨论的具有凹槽116的成形磨粒的实施例中的任何者相结合。制备具有倾斜侧壁22的成形磨粒20的材料包含α-氧化铝。α-氧化铝粒子可由氧化铝一水合物的分散体制成，如本文随后所讨论，该分散体被胶凝、模制成形、干燥定形、煅烧，再进行烧结。
通常，具有倾斜侧壁22的成形磨粒20包括薄主体，该薄主体具有第一面24和第二面26，并且厚度为t。第一面24和第二面26通过至少一个倾斜侧壁22彼此连接。在一些实施例中，可存在不止一个倾斜侧壁22，并且每一个倾斜侧壁22的倾斜度或角度可与图6A所示相同或与图9A所示不同。
在一些实施例中，第一面24大致为平面，第二面26大致为平面，或两面均大致为平面。或者，该面可为凹面或凸面，如提交于2008年12月17日的名称为“Dish-Shaped Abrasive Particles With A RecessedSurface”(带凹面的碟形磨粒)的共同待审的美国专利申请No.12/336,961(代理人档案号64716US002)中详细所述。另外，可存在穿过表面的开口或孔，如提交于2008年12月17日的名称为“ShapedAbrasive Particles With An Opening”(带开口的成形磨粒)的共同待审的美国专利申请No.12/337,112(代理人档案号64765US002)中详细所述。
在一个实施例中，第一面24和第二面26基本上彼此平行。在其它实施例中，第一面24和第二面26可以不平行，使得一面相对于另一面倾斜，并且与每一个面相切的假想线将相交于一点。具有倾斜侧壁22的成形磨粒20的倾斜侧壁22可以是变化的，并且其一般形成第一面24和第二面26的周边29。在一个实施例中，第一面24和第二面26的周边29选择为具有几何形状，并且第一面24和第二面26选择为具有相同的几何形状，但它们的尺寸不同，即一个面的尺寸大于另一个面的尺寸。在一个实施例中，第一面24的周边29和第二面26的周边29为所示出的三角形。
参见图6B和图6C，可改变介于成形磨粒20的第二面26和倾斜侧壁22之间的拔模角α，以改变每一个面的相对尺寸。在本发明的各种实施例中，拔模角α可为介于大约95度至大约130度、或介于约95度至约125度、或介于约95度至约120度、或介于约95度至约115度、或介于约95度至约110度、或介于约95度至约105度、或介于约95度至约100度。如实例中将要示出，已发现拔模角α的具体范围可出人意料地增加由具有倾斜侧壁的成形磨粒制成的涂附磨料制品的磨削性能。
现在参见图6C，该图示出涂附磨料制品40，所示涂附磨料制品背衬42的第一主表面41由磨料层覆盖。磨料层包括底胶层44、通过底胶层44附接到背衬42的多个具有倾斜侧壁22的成形磨粒20。涂覆复胶层46以进一步将具有倾斜侧壁22的成形磨粒20附接或粘附到背衬42。
如图所示，多数具有倾斜侧壁22的成形磨粒20向一侧翻转或倾斜。这导致多数具有倾斜侧壁22的成形磨粒20相对于背衬42的第一主表面41的取向角β为小于90度。该结果出人意料，因为涂覆具有倾斜侧壁的成形磨粒的静电涂覆法在首次将颗粒涂覆到背衬时，趋于使颗粒以90度的取向角β初始地取向。静电场将颗粒涂覆到位于具有倾斜侧壁的成形磨粒上方的背衬时，趋于垂直排列颗粒。此外，静电场趋于加速并驱使颗粒以90度取向进入底胶层中。在该料片翻转后的某个时间点，在涂覆复胶层46之前或之后，颗粒在重力或底胶层和/或复胶层的表面张力下趋于倾斜并逐渐搁置在倾斜侧壁22上。据信在制备涂附磨料制品的过程中，在底胶层和复胶层固化和变硬以抑制任何进一步旋转前，存在足够长的时间用于成形磨粒倾斜和通过倾斜侧壁22附接到底胶层。如图所示，一般来讲，一旦涂覆具有倾斜侧壁的成形磨粒并允许其倾斜，成形磨粒的尖端48就具有相同的高度h。
为进一步优化倾斜取向，将具有倾斜侧壁的成形磨粒涂覆在疏涂层磨料层中的背衬中。密涂层磨料层定义为可在单次穿过制备机时涂覆到磨料制品底胶层的最大重量的磨粒或磨粒共混物。疏涂层是一定量的磨粒或磨粒共混物，其重量小于可涂覆到涂附磨料制品底胶层的最大重量(以克为单位)。疏涂层磨料层将导致底胶层中磨粒的覆盖百分比小于100％，从而如图8最佳所示在颗粒之间留下开放区域和可见树脂层。在本发明的各种实施例中，磨料层中的开放区域百分比可为介于约10％至约90％或介于约30％至约80％。
据信如果将过多的具有倾斜侧壁的成形磨粒涂覆到背衬，则会造成颗粒之间空间不足，以允许磨粒在固化底胶层和复胶层之前发生倾斜或翻转。在本发明的各种实施例中，具有疏涂层磨料层的涂附磨料制品中大于50％、60％、70％、80％或90％的成形磨粒是翻转或倾斜的，取向角β为小于90度。
不期望受理论约束，据信小于90度的取向角β可提高具有倾斜侧壁的成形磨粒的切削性能。令人意外的是，此效果的产生与成形磨粒在涂附磨料制品内绕Z轴的旋转取向无关。虽然图6C理想地示出以相同方向排列的所有颗粒，但实际的涂覆磨盘将具有如图8最佳所示随机分布和旋转的颗粒。因为磨盘是旋转的并且成形磨粒是随机分布的，一些成形磨粒将以小于90度的取向角β被驱动到工件中，工件初始击打第二面26，同时相邻的成形磨粒将刚好旋转180度使工件击打成形磨粒的背面以及第一面24。伴随颗粒的随机分布和磨盘的旋转，少于一半的成形磨粒可使工件初始击打第二面26而非第一面24。然而，对于具有限定旋转方向和限定与工件的接触点的磨料带，可将具有倾斜侧壁的成形磨粒排列在该带上，以确保每一个成形磨粒以小于90度的取向角β运行并且工件首先如图6C的理想化所示被驱动到第二面26中。在本发明的各种实施例中，涂附磨料制品磨料层中至少多数具有倾斜侧壁的成形磨粒的取向角β可为介于约50度至约85度、或介于约55度至约85度、或介于约60度至约85度、或介于约65度至约85度、或介于约70度至约85度、或介于约75度至约85度、或介于约80度至约85度。
现在参见图7和图8，该图示出具有倾斜侧壁22的成形磨粒20的显微照片。在图7中，拔模角α为大约120度，并且该成形磨粒具有等边三角形。在较大的第一面24的周边处测得每一个三角形的边长为大约1.6mm。成形磨粒的厚度为大约0.38mm。由图7所示成形磨粒制成的涂覆磨盘的表面示于图8中。如图所示，多数成形磨粒搁置在倾斜侧壁中的一个上的底胶层中。图3中涂附磨料制品的磨料层中，多数具有倾斜侧壁的成形磨粒的取向角β为大约60度。
参见图9A-C，该图示出具有倾斜侧壁22的成形磨粒20的第二实施例。制备具有倾斜侧壁22的成形磨粒20的材料包含α-氧化铝。α-氧化铝粒子可由氧化铝一水合物的分散体制成，如本文随后所讨论，该分散体被胶凝、模制成形、干燥定形、煅烧，再进行烧结。
通常，具有倾斜侧壁22的成形磨粒20包括薄主体，该薄主体具有第一面24和第二面26，并且厚度为t。第一面24和第二面26通过具有第一拔模角52的至少第一倾斜侧壁50以及通过具有第二拔模角56(选择为与第一拔模角不同的值)的第二倾斜侧壁54彼此连接。在图示实施例中，第一面和第二面还通过具有第三拔模角60(与另外两个拔模角的值均不同)的第三倾斜侧壁58连接。
在图示实施例中，第一拔模角、第二拔模角和第三拔模角的值均互不相同。例如，第一拔模角52可为120度，第二拔模角56可为110度，第三拔模角60可为100度。如图9C所示，由具有三个不同拔模角的成形磨粒制成的涂附磨料制品40中位于三个不同倾斜侧壁中的每一个上的成形磨粒将趋于均匀分布。因此，涂附磨料制品中成形磨粒的顶端48到背衬将趋于具有三个不同高度。以最大拔模角与底胶层接触的第一倾斜侧壁50将具有最低的顶端高度h1，采用中值拔模角的第二倾斜侧壁54将具有中值顶端高度h2，具有最小拔模角的第三倾斜侧壁58将具有最高的顶端高度h3。因此，涂附磨料制品将具有相对于背衬具有三个不同取向角β和三个不同顶端高度的成形磨粒。据信，伴随因成形磨粒的未使用较短顶端在成形磨粒的较高顶端趋于磨损和钝化后开始接触工件而致使磨料制品逐渐磨损，此类涂附磨料制品将具有更均一的切削性能。
在一些实施例中，第一面24大致为平面，第二面26大致为平面，或两面均大致为平面。或者，该面可为凹面或凸面，如提交于2008年12月17日的名称为“Dish-Shaped Abrasive Particles With A RecessedSurface”(带凹面的碟形磨粒)的共同待审的美国专利申请No.12/336,961(代理人档案号64716US002)中详细所述。另外，可存在穿过表面的开口或孔，如提交于2008年12月17日的名称为“ShapedAbrasive Particles With An Opening”(带开口的成形磨粒)的共同待审的美国专利申请No.12/337,112(代理人档案号64765US002)中详细所述。
在一个实施例中，第一面24和第二面26基本上彼此平行。在其它实施例中，第一面24和第二面26可以不平行，使得一面相对于另一面倾斜，并且与每一个面相切的假想线将相交于一点。具有倾斜侧壁22的成形磨粒20的第一、第二和第三倾斜侧壁可以是变化的，并且它们一般形成第一面24和第二面26的周边29。在一个实施例中，第一面24和第二面26的周边29选择为具有几何形状，并且第一面24和第二面26选择为具有相同的几何形状，但它们的尺寸不同，即一个面的尺寸大于另一个面的尺寸。在一个实施例中，第一面24的周边29和第二面26的周边29为所示出的三角形。
参见图9B和图9C，介于成形磨粒20第二面26和各自的倾斜侧壁之间的第一拔模角、第二拔模角和第三拔模角可以变化，拔模角中的至少两个的值不同，并且期望所有三个值均不同。在本发明的各种实施例中，第一拔模角、第二拔模角和第三拔模角可为介于约95度至约130度、或介于约95度至约125度、或介于约95度至约120度、或介于约95度至约115度、或介于约95度至约110度、或介于约95度至约105度、或介于约95度至约100度。
现在参见图9C，该图示出涂附磨料制品40，所示涂附磨料制品背衬42的第一主表面41由磨料层覆盖。磨料层包括底胶层44、通过底胶层44附接到背衬42的具有第一倾斜侧壁、第二倾斜侧壁、或第三倾斜侧壁的多个成形磨粒20。涂覆复胶层46以进一步将具有倾斜侧壁22的成形磨粒20附接或粘附到背衬42。
如图所示，多数具有倾斜侧壁22的成形磨粒20向一侧翻转或倾斜。这导致多数具有倾斜侧壁22的成形磨粒20相对于背衬42的第一主表面41的取向角β小于90度，如上文第一实施例所讨论。
为进一步优化倾斜取向，将具有倾斜侧壁的成形磨粒涂覆在疏涂层磨料层中的背衬中。疏涂层磨料层将导致底胶层中磨粒的覆盖百分比小于100％，从而如图8所示在磨粒之间留下开放区域和可见树脂层。在本发明的各种实施例中，磨料层中的开放区域百分比可为介于约10％至约90％或介于约30％至约80％。
据信，如果太多具有倾斜侧壁的成形磨粒涂覆到背衬，则成形磨粒之间将出现间隔不足，以允许它们在底胶层和复胶层固化之前倾斜或翻转。在本发明的各种实施例中，具有疏涂层磨料层的涂附磨料制品中大于50％、60％、70％、80％或90％的成形磨粒是翻转或倾斜的，取向角β为小于90度。
不期望受理论约束，据信小于90度的取向角β可提高如前所述具有倾斜侧壁的成形磨粒的切削性能。在本发明的各种实施例中，涂附磨料制品磨料层中至少多数具有倾斜侧壁的成形磨粒的取向角β可为介于约50度至约85度、或介于约55度至约85度、或介于约60度至约85度、或介于约65度至约85度、或介于约70度至约85度、或介于约75度至约85度、或介于约80度至约85度。
现在参见图10A-B，该图示出本发明的第三实施例。在此实施例中，倾斜侧壁22由半径R限定，而非由如图6A-6C所示实施例的拔模角α限定。还发现，由半径R限定的倾斜侧壁22可导致成形磨粒20在形成如图10C所示涂附磨料制品时翻转或倾斜。磨削试验显示，包括等边三角形(在较大第一面24的周边处测得每一个三角形的边为大约1.6mm)并且厚度为大约0.38mm的成形磨粒具有相同的切削性能，拔模角为120度或半径R为0.51mm。在本发明的各种实施例中，半径R可为成形磨粒厚度t的介于约0.5至约2倍之间。
对于第二实施例，侧壁中的每一个的半径R可以不同，导致成形磨粒在涂附磨料制品中不同程度地倾斜或翻转。
据信，如果太多具有倾斜侧壁的成形磨粒涂覆到背衬，则成形磨粒之间将出现间隔不足，以允许它们在底胶层和复胶层固化之前倾斜或翻转。在本发明的各种实施例中，具有疏涂层磨料层的涂附磨料制品中大于50％、60％、70％、80％或90％的成形磨粒是翻转或倾斜的，取向角β为小于90度。
对于第一实施例、第二实施例、或第三实施例，具有倾斜侧壁22的成形磨粒20可具有各种三维形状。周边29的几何形状可为三角形、矩形、圆形、椭圆形、星形或其它规则或不规则的多边形。在一个实施例中，采用等边三角形，在另一个实施例中，采用等腰三角形。出于本公开的目的，大致为三角形的形状还包括三边多边形，其中该边中的一条或多条可为弧形和/或三角形的顶端可为弧形。
另外，成形磨粒的各种倾斜侧壁可具有相同拔模角或不同的拔模角。此外，只要侧壁之一是拔模角为约95度或更大的倾斜侧壁，那么可在一个或多个侧壁上采用90度拔模角。
具有倾斜侧壁的成形磨粒20可具有各种体积纵横比。体积纵横比定义为穿过体积重心的最大横截面积除以穿过该重心的最小横截面积比率。对于某些形状而言，最大或最小横截面可以是相对于该形状的外部几何形状倾斜、成角度或偏斜的平面。例如，球体的体积纵横比应当为1.000，而立方体的体积纵横比将为1.414。每一条边等于长度A、均一厚度等于A的等边三角形成形磨粒的体积纵横比将为1.54，如果均一厚度减小到0.25A，则其体积纵横比增大到2.64。据信体积纵横比较大的成形磨粒具有增强的切削性能。在本发明的各种实施例中，具有倾斜侧壁的成形磨粒的体积纵横比可为大于约1.15、或大于约1.50、或大于约2.0、或介于约1.15至约10.0之间、或介于约1.20至约5.0之间、或介于约1.30至约3.0之间。
具有倾斜侧壁的成形磨粒在成形磨粒的点或拐角处可具有非常小的曲率半径。授予Rowenhorst等人的美国5,366,523中所公开、并描绘于图14中的等边三角形成形磨粒，对于平均顶端半径，三角形的点的曲率半径(从点周围的一侧到相邻侧进行测定)为103.6微米。可以使用图象分析(例如与倒立式光学显微镜连接的Clemex图象分析程序或其它合适的图象分析软件)从第一面或第二面的磨光横截面测定曲率半径。将横截面放大100倍观察时，通过限定每一个顶点处的三点可估算每一个三角形顶点的曲率半径。将点设置在顶端曲线的起点(该处为从直边缘到曲线起点的转变)、顶端的顶点、以及从弯曲顶端到直边缘的转变处。然后图象分析软件将绘制由这三个点(曲线的起点、中点和终点)限定的弧，并计算曲率半径。测定了至少30个顶点的曲率半径，并计算它们的平均值以确定平均顶端半径。如对比图7与图14最佳所示，通过当前方法制成的成形磨粒制备得更加精确。因此，成形磨粒的平均顶端半径更小。已测得根据本发明制备的成形磨粒的平均顶端半径为小于19.2微米。在本发明的各种实施例中，平均顶端半径可为小于75微米、或小于50微米、或小于25微米。据信，更锋利的顶端可在使用过程中促进对成形磨粒的改善性断裂更有力的切削。
除具有更锋利的顶端外，成形磨粒还可具有更精确限定的侧壁。现在参见图15和图16，该图示出垂直通过图14所示现有技术成形磨粒的表面截取的磨光横截面的显微照片。如图所示，侧壁(顶面)往往为凹面或凸面并且为非均匀平面。根据横截面的截取位置，相同的侧壁可以从一种形状转变为另一种形状。参见图16，侧壁在前景中为凸面，而在背景中为凹面。
参见图17，该图示出垂直通过拔模角为98度、具有倾斜侧壁的成形磨粒表面截取的磨光横截面。第一面24(右方垂直表面)为如上述代理人档案号为64716US002的待审专利申请中所公开的凹面。据信凹面通过在使用过程中移除更多材料(类似于铲、勺或中空磨凿刀)以提高磨削性能。第二面26大致为平面(左方垂直表面)。最后，侧壁(顶面)为均匀平面。所谓“均匀平面”是指侧壁不具有从一面向另一面凸出的区域、或从一面凹向另一面的区域，并且侧壁表面的至少50％、或至少75％、或至少85％或更多为平面。如横截面中所示，当以90度角切削侧壁并磨光时，将出现基本线性的边缘(侧壁顶面与切削横截面的前表面在此处接合)。均匀的平面侧壁通常在沿侧壁长度方向的基本所有横截平面上具有基本线性的边缘。均匀的平面侧壁可提供更佳限定(更锋利)的边缘，侧壁在此处与第一面和第二面相交，并且据信这还可提高磨削性能。
根据本发明制备的具有倾斜侧壁22和/或凹槽116的成形磨粒20可掺入到磨料制品中，或以松散的形式使用。磨粒使用前通常按给定的粒度分布进行分级。此类分布通常具有一定范围的粒度，即从粗粒到细粒。在磨料领域中，此范围有时是指“粗”、“对照”和“细”级分。根据磨料行业公认的分级标准分级的磨粒将每一个标称等级的粒度分布规定在若干数值范围内。此类行业公认的分级标准(即磨料行业规定的标称等级)包括如下已知标准：美国国家标准协会(ANSI)的标准、欧洲研磨产品制造商联合会(FEPA)的标准以及日本工业标准(JIS)的标准。
ANSI等级标号(即规定的标称等级)包括：ANSI 4、ANSI 6、ANSI 8、ANSI 16、ANSI 24、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等级标号包括：P8、P12、P16、P24、P36、P40、P50、P60、P80、P100、P120、P150、P180、P220、P320、P400、P500、P600、P800、P1000、和P1200。JIS等级标号包括：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。
或者，可采用符合ASTM E-11“Standard Specification for WireCloth and Sieves for Testing Purposes”(试验用金属丝布和筛的标准规范)的美国标准试验筛将具有倾斜侧壁22和/或凹槽116的成形磨粒20按照标称筛分等级进行分级。ASTM E-11规定了对采用金属丝编织网介质的试验筛的设计和构造的要求，该金属丝编织网安装在机架内以按照指定的粒度对材料进行分级。典型标号可以表示为-18+20，其意指成形磨粒20可通过符合ASTM E-11规范的18目试验筛，并且保留在符合ASTM E-11规范的20目试验筛上。在一个实施例中，具有倾斜侧壁22的成形磨粒20具有这样的粒度：使得大多数磨粒可通过18目试验筛，并可保留在20目、25目、30目、35目、40目、45目、或50目试验筛上。在本发明的各种实施例中，具有倾斜侧壁22的成形磨粒20可具有的标称筛分等级包括：-18+20、-20+25、-25+30、-30+35、-35+40、-40+45、-45+50、-50+60、-60+70、-70+80、-80+100、-100+120、-120+140、-140+170、-170+200、-200+230、-230+270、-270+325、-325+400、-400+450、-450+500、或-500+635。
在一个方面，本发明提供了多个具有磨料行业规定的标称等级或标称筛分等级的成形磨粒，其中多个磨粒的至少一部分为具有倾斜侧壁22和/或凹槽116的成形磨粒20。在另一方面，本发明提供了一种方法，该方法包括对根据本发明制成的成形磨粒20进行分级，以提供多个具有磨料行业规定的标称等级或标称筛分等级的成形磨粒20。
如果需要，具有磨料行业规定的标称等级或标称筛分等级的成形磨粒20可与其它已知的磨粒或非磨粒混合。在一些实施例中，基于多个磨粒的总重量，至少5重量％、10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％、45重量％、50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、95重量％、或甚至100重量％的具有磨料行业规定的标称等级或标称筛分等级的多个磨粒为根据本发明制成的成形磨粒20。
适用于与具有倾斜侧壁22和/或凹槽116的成形磨粒20混合的颗粒包括常规磨粒、稀释剂颗粒或易侵蚀聚集体，例如美国专利No.4,799,939和No.5,078,753中所述的那些。常规磨粒的代表性实例包括熔融氧化铝、碳化硅、石榴石、熔融氧化铝-氧化锆、立方氮化硼、金刚石、等等。稀释剂颗粒的代表性实例包括大理石、石膏、和玻璃。不同的具有倾斜侧壁22(例如三角形和正方形)的成形磨粒20的共混物或具有不同拔模角的成形磨粒20的共混物(例如拔模角为98度的颗粒与拔模角为120度的颗粒混合)可用于本发明的制品中。
成形磨粒20还可以具有表面涂层。已知表面涂层可提高介于磨粒与磨料制品中粘结剂之间的粘附力，或可有助于成形磨粒20的静电沉积。此类表面涂层在美国专利No.5,213,591、No.5,011,508、No.1,910,444、No.3,041,156、No.5,009,675、No.5,085,671、No.4,997,461、和No.5,042,991中有所描述。另外，表面涂层可以抑制成形磨粒封堵。术语“封堵”用来描述来自正在研磨的工件的金属颗粒焊接到成形磨粒顶部的现象。发挥上述功能的表面涂层对本领域的技术人员而言是已知的。
具有带倾斜侧壁的成形磨粒的磨料制品
参见图1C、图4C和图5C，涂附磨料制品40包括具有第一粘结剂层(以下简称底胶层44，涂覆到背衬42的第一主表面41上)的背衬42。多个具有倾斜侧壁22和/或凹槽116的成形磨粒20附接到或部分嵌入底胶层44，从而形成磨料层。在具有倾斜侧壁22的成形磨粒20上方的是第二粘结剂层，以下简称复胶层46。底胶层44的目的是将具有倾斜侧壁22的成形磨粒20固定到背衬42，而复胶层46的目的是增强具有倾斜侧壁22的成形磨粒20。多数具有倾斜侧壁22的成形磨粒20被取向为使得顶端48或顶点远离背衬42并且成形磨粒搁置在倾斜侧壁22上并如图所示翻转或倾斜。
底胶层44和复胶层46包含树脂粘合剂。底胶层44的树脂粘合剂可与复胶层46的树脂粘合剂相同或不同。适用于这些涂层的树脂粘合剂的实例包括酚醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂、丙烯酸酯树脂、氨基塑料树脂、三聚氰胺树脂、丙烯酸改性环氧树脂、氨基甲酸乙酯树脂以及它们的组合。除树脂粘合剂之外，底胶层44或复胶层46或两者还可以包括本领域已知的添加剂，例如填料、助磨剂、润湿剂、表面活性剂、染料、颜料、偶联剂、粘合促进剂、以及它们的组合。填料的实例包括碳酸钙、二氧化硅、滑石、粘土、偏硅酸钙、白云石、硫酸铝以及它们的组合。
助磨剂可涂覆到涂附磨料制品。助磨剂被定义为颗粒物质，所述颗粒物质的加入显著地影响研磨的化学过程和物理过程，从而导致改善的性能。助磨剂涵盖各种各样不同的材料，并且可为无机物或有机物。助磨剂的化学组成的实例包括石蜡、有机卤化物、卤化物盐、金属以及它们的合金。有机卤化物通常在研磨过程中分解，并释放氢卤酸或气态卤化物。此类材料的实例包括氯化蜡，例如四氯萘、五氯萘；和聚氯乙烯。卤化物盐的实例包括氯化钠、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、氯化镁。金属的实例包括锡、铅、铋、钴、锑、镉、铁、和钛。其它助磨剂包括硫、有机硫化合物、石墨、和金属硫化物。本发明还涵盖使用不同助磨剂的组合；在某些情况下，这可产生协同增强效应。在一个实施例中，助磨剂为冰晶石或四氟硼酸钾。可对此类添加剂的量进行调整，以赋予所需性质。本发明还涵盖顶胶涂层的应用。顶胶涂层通常包含粘结剂和助磨剂。粘结剂可由如下材料形成：酚醛树脂、丙烯酸酯树脂、环氧树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、氨基甲酸乙酯树脂、以及它们的组合。
本发明还涵盖具有倾斜侧壁22和/或凹槽116的成形磨粒20可用于粘结磨料制品、非织造磨料制品或磨刷。粘结磨料可包括通过粘结剂粘结在一起以形成成形团块的多个成形磨粒20。用于粘结磨料的粘结剂可为金属粘结剂、有机粘结剂或玻璃质粘结剂。非织造磨料包括通过有机粘结剂粘结到纤维质非织造网中的多个成形磨粒20。
制备具有倾斜侧壁的成形磨粒的方法
第一步工序涉及提供有晶种或无晶种磨料分散体中的任一者，该分散体可转化为α-氧化铝。α-氧化铝前体组合物常常包含为挥发性组分的液体。在一个实施例中，该挥发性组分为水。磨料分散体应当包含足量的液体，以使磨料分散体的粘度足够低，以允许能够填充模腔并复制模具表面，但液体量不能太多，以致后续从模腔移除液体的成本过高。在一个实施例中，磨料分散体包含2重量％至90重量％的可转化为α-氧化铝的颗粒(例如氧化铝一水合物(水软铝石)的颗粒)以及至少10重量％、或50重量％至70重量％、或50重量％至60重量％的挥发性组分(例如水)。反之，一些实施例中的磨料分散体包含30重量％至50重量％、或40重量％至50重量％的固体。
也可使用除水软铝石之外的氧化铝水合物。水软铝石可通过已知的技术来制备或可商购获得。市售水软铝石的实例包括均得自SasolNorth America，Inc.的商标为“DISPERAL”和“DISPAL”的产品，或得自BASF Corporation的商标为“HiQ-40”的产品。这些氧化铝一水合物相对较纯，即它们除一水合物外只包括相对较少的(如果有的话)水合物相，并且具有高表面积。所得具有倾斜侧壁22的成形磨粒20的物理特性一般将取决于磨料分散体中所用材料的类型。
在一个实施例中，磨料分散体为凝胶态。如本文所用，“凝胶”为分散在液体中的固体三维网。磨料分散体可以包含改性添加剂或改性添加剂前体。改性添加剂的作用在于提高磨粒的某些所需性质、或提高后续烧结步骤的效率。改性添加剂或改性添加剂前体可为可溶性盐的形式，通常为水溶性盐。它们通常由含金属化合物构成，并且可为镁、锌、铁、硅、钴、镍、锆、铪、铬、钇、镨、钐、镱、钕、镧、钆、铈、镝、铒、钛的氧化物的前体、以及它们的混合物。可存在于磨料分散体中的这些添加剂的具体浓度可根据本领域的技术人员的要求而变。通常，引入改性添加剂或改性添加剂前体将引起磨料分散体胶凝。通过加热一段时间也可诱发磨料分散体胶凝。
磨料分散体也可包含成核剂，以促进水合氧化铝或煅烧氧化铝向α-氧化铝的转化。适用于本发明的成核剂包括α-氧化铝、α-氧化铁或其前体、二氧化钛和钛酸盐、氧化铬等的细粒，或使转化成核的任何其它物质。如果使用的话，则成核剂的量应当足够多，以对α-氧化铝进行转化。使此类磨料分散体成核的步骤在授予Schwabel的美国专利No.4,744,802中有所公开。
可将胶溶剂加到磨料分散体中，以生成更稳定的水溶胶或胶态的磨料分散体。合适的胶溶剂为单质子酸或酸性化合物，例如乙酸、盐酸、甲酸和硝酸。也可使用多质子酸，但其使磨料分散体迅速胶凝，从而使其不易处理并且难以向其中引入额外组分。某些商业来源的水软铝石具有有助于形成稳定磨料分散体的酸滴定度(例如吸收的甲酸或硝酸)。
可通过任何适当方式形成磨料分散体，例如为简单地将氧化铝一水合物与包含胶溶剂的水混合的方式，或通过形成氧化铝一水合物浆液，再向其中加入胶溶剂的方式。可加入去沫剂或其它合适的化学品，以减小混合时形成气泡或夹带空气的趋势。如果需要，可加入其它化学品，例如润湿剂、醇类、或偶联剂。α-氧化铝磨粒可以包含二氧化硅和氧化铁，如1997年7月8日授予Erickson等人的美国专利No.5,645,619中所公开。α-氧化铝磨粒可以包含氧化锆，如1996年9月3日授予Larmie的美国专利No.5,551,963中所公开。或者，α-氧化铝磨粒可具有微结构或添加剂，如2001年8月21日授予Castro的美国专利No.6,277,161中所公开。
第二步工序涉及提供具有至少一个模腔、优选具有多个腔体的模具。该模具可具有大致平坦的底面以及多个模腔。该多个腔体可在生产工具中形成。生产工具可为带状物、片状物、连续纤维网、涂布辊(例如轮转凹版辊)、安装在涂布辊上的套管、或模具。该生产工具包含聚合物材料。合适的聚合物材料的实例包括热塑性材料，例如聚酯、聚碳酸酯、聚醚砜、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚氨酯、聚氯乙烯、聚烯烃、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯或它们的组合、和热固性材料。在一个实施例中，整个模具由聚合物材料或热塑性材料制成。在另一个实施例中，在干燥时与溶胶-凝胶接触的模具表面，例如多个腔体的表面(模具底面和模具侧壁)，包含聚合物材料或热塑性材料，并且模具的其它部分可由其它材料制成。以举例的方式，合适的聚合物涂层可以涂覆到金属模具，以改变其表面张力性质。
聚合物型工具或热塑性工具可由金属母模复制而成。母模将具有生产工具所需的反转图案。母模可按照与生产工具相同的方式制成。在一个实施例中，母模由金属(如镍)制成，并且经金刚石车削。可将聚合物或热塑性片材连同母模一起加热，使得通过将两者压在一起来将母模图案压印到该材料。也可将聚合物或热塑性塑料材料挤出或浇注到母模上，然后对其进行压制。将热塑性材料冷却，以硬化并制备生产工具。如果利用热塑性生产工具，则应当注意不要产生过多热量，这些热量可能使热塑性生产工具变形，从而限制其寿命。关于生产工具或母模的设计和制造的更多信息可见于以下美国专利：5,152,917(Pieper等人)、5,435,816(Spurgeon等人)、5,672,097(Hoopman等人)、5,946,991(Hoopman等人)、5,975,987(Hoopman等人)和6,129,540(Hoopman等人)。
从模具顶面或底面的开口均可进入腔体。在某些情况下，腔体可延续模具的整个厚度。或者，腔体可仅延续模具厚度的一部分。在一个实施例中，模具的顶面基本上平行于底面，其中腔体具有基本均一的深度。模具的至少一侧，即形成腔体的一侧，在移除挥发性组分的步骤中可一直为暴露于围绕的大气环境。
腔体具有规定的三维形状。在一个实施例中，当从顶部观察时，腔体的形状可描述为三角形，其具有倾斜侧壁，使得腔体的底面略小于顶面内的开口。据信，倾斜侧壁可提高磨削性能并能够使磨粒前体更易于从模具移除。在另一个实施例中，模具包括多个三角形腔体。这些多个三角形腔体中的每一个均包括等边三角形。
或者，可使用其它腔体形状，例如圆形、矩形、正方形、六边形、星形、或它们的组合，所有形状均具有基本上均一的深度尺寸。该深度尺寸为等于从顶面到底面上的最低点的垂直距离。给定腔体的深度可为均一的或可沿其长度和/或宽度变化。给定模具的腔体的形状可以相同或不同。
第三步工序涉及通过任何常规技术来用磨料分散体填充模具中的腔体。在一些实施例中，可使用刀辊涂布机或真空槽模涂布机。如果需要，可使用脱模剂，以有助于从模具移除颗粒。通常的脱模剂包括油类(例如花生油或矿物油、鱼油)、有机硅、聚四氟乙烯、硬脂酸锌、和石墨。通常，在液体(例如水或酒精)中的介于约0.1重量％至约5重量％之间的脱模剂(例如花生油)被涂敷到接触溶胶-凝胶的生产工具表面，使得当需要脱模时，每单位面积模具上存在介于约0.1mg/in2至约3.0mg/in2之间、或介于约0.1mg/in2至约5.0mg/in2之间的脱模剂。在一个实施例中，模具的顶面涂覆有磨料分散体。磨料分散体可被泵送到顶面上。接下来，可使用刮刀或矫直棒将磨料分散体完全压入模具的腔体中。未进入腔体的剩下的磨料分散体部分可从模具的顶面移除并回收利用。在一些实施例中，小部分磨料分散体可保留在顶面上，而在其它实施例中，顶面基本上不含分散体。刮刀或矫直棒所施加的压力通常为小于100psi、或小于50psi、或小于10psi。在一些实施例中，磨料分散体无暴露表面大幅度延伸超过顶面，以保证所得成形磨粒20厚度的均匀度。
第四步工序涉及移除挥发性组分，以干燥分散体。有利地，以较快的蒸发速率移除挥发性组分。在一些实施例中，通过蒸发移除挥发性组分的操作在高于挥发性组分沸点的温度下进行。干燥温度的上限通常取决于制成模具的材料。就聚丙烯模具而言，温度应当为小于该塑料的熔点。
在一个实施例中，就固体含量在介于约40％至50％之间的水分散体和聚丙烯模具而言，干燥温度可为介于约90℃至约165℃之间、或介于约105℃至约150℃之间、或介于约105℃至约120℃之间。较高的温度可形成更大的开口，但也可使聚丙烯模具劣化，从而限制其作为模具的使用寿命。
在一个实施例中，水软铝石溶胶-凝胶样品采用以下方法制备：将商品名为“DISPERAL”的氧化铝一水合物粉末(1600份)通过高剪切混合方式在包含水(2400份)和70％硝酸水溶液(72份)的溶液中分散11分钟。使所得溶胶-凝胶在涂覆前老化至少1小时。迫使溶胶-凝胶进入具有三角形模腔的生产工具中，该三角形模腔深度为28密耳、每一边长度都为110密耳，介于模具侧壁和模具底面之间的预定拔模角α为98度。在生产工具的制造过程中，50％的模腔在模具底面上具有脊，从而形成图3和图4所示的成形磨粒，而另外50％的模腔具有平滑底面。
用油灰刀迫使溶胶-凝胶进入腔体中，从而生产工具的开口被完全填充。使用脱模剂、1％花生油甲醇溶液涂覆生产工具，使得约0.5mg/in2的花生油被涂覆到模具表面。将生产工具片置于空气对流烘箱中，在45℃下保持5分钟，移除过量的甲醇。将溶胶-凝胶涂覆的生产工具置于空气对流烘箱中，在45℃下干燥至少45分钟。通过使成形磨粒前体在超声波焊头的上方通过来将其从生产工具移除。可将这些成形磨粒前体进行烧制，以制备具有倾斜侧壁22和/或凹槽116的成形磨粒20。
第五步工序涉及从模腔移除具有倾斜侧壁的成形磨粒前体。通过对模具单独使用或结合使用以下方法可将具有倾斜侧壁的成形磨粒前体从腔体移除：通过重力、振动、超声振动、真空或增压空气将磨粒从模腔移除。
具有倾斜侧壁的磨粒前体可在模具的外部进一步干燥。如果在模具中将磨料分散体干燥至所需程度，则此额外的干燥步骤并非为必要的步骤。然而，在某些情况下采用此额外的干燥步骤来使磨料分散体在模具中的停留时间减至最小可能是经济的。通常将成形磨粒前体在50℃至160℃、或120℃至150℃的温度下干燥10分钟至480分钟、或120分钟至400分钟。
第六步工序涉及煅烧具有倾斜侧壁22的成形磨粒前体。在煅烧过程中，基本移除了所有的挥发性物质，并且磨料分散体中存在的各种组分均转化为金属氧化物。通常将成形磨粒前体从400℃加热至800℃的温度，并且保持在此温度范围内，直至移除游离水和90重量％以上的任何结合的挥发性物质为止。在任选步骤中，可能需要用注入法引入改性添加剂。水溶性盐可通过注入引入煅烧过的成形磨粒前体的孔中。然后再次预烧成形磨粒前体。此选项在欧洲专利申请No.293,163中有进一步的描述。
第七步工序涉及对煅烧过的成形磨粒前体进行烧结，以形成α-氧化铝颗粒。在烧结之前，煅烧过的成形磨粒前体并未完全致密化，因此缺乏用作成形磨粒所需的硬度。烧结按以下步骤进行：将煅烧过的成形磨粒前体从1,000℃加热至1,650℃的温度，并且保持在此温度范围内，直到基本上所有的氧化铝一水合物(或等同物质)均转化为α-氧化铝，并且孔隙度减小到小于15体积％为止。为了实现此转化程度，煅烧过的成形磨粒前体在烧结温度下必须暴露的时间长度取决于多种因素，但通常为5秒至48小时。在另一个实施例中，烧结步骤的持续时间为在1分钟到90分钟的范围内。烧结后，具有倾斜侧壁的成形磨粒的维氏硬度可为10GPa、16GPa、18GPa、20GPa、或更大。
可采用其它步骤来修改所述方法，例如将材料从锻烧温度迅速加热到烧结温度，将磨料分散体离心以移除淤渣、废料等。此外，如果需要，可通过合并两个或更多个工序来对本方法进行修改。可用来修改本发明方法的常规工序在授予Leitheiser的美国专利No.4,314,827中有更完全的描述。关于成形磨粒制备方法的更多信息在提交于2008年12月17日的名称为“Method Of Making Abrasive Shards，ShapedAbrasive Particles With An Opening，Or Dish-Shaped Abrasive Particles”(制备磨料碎片、带开口的成形磨粒或碟型磨粒的方法)的共同待审的美国专利申请No.12/337,001(代理人档案号63512US002)中有所公开。
实例
本发明的目的和优点通过下面的非限制性实例进一步说明。这些实例中所提到的具体材料及其量，以及其它条件和细节，均不应被解释为对本发明的不当限制。除非另外指明，否则实例以及说明书其余部分中的所有份数、百分数、比例等均按重量计。
制备掺杂REO的成形磨粒
使用以下方法制备水软铝石溶胶-凝胶样品：将商品名为“DISPERAL”的氧化铝一水合物粉末(1600份)通过高剪切混合方式在包含水(2400份)和70％硝酸水溶液(72份)的溶液中分散11分钟。使所得溶胶-凝胶在涂覆前老化至少1小时。迫使溶胶-凝胶进入具有三角形腔体的生产工具中，该腔体深度为28密耳、每一边长度都为110密耳。每一个生产工具的介于模具侧壁和模具底面之间的拔模角α不同。第一模具的拔模角α为90度，第二模具为98度，第三模具为120度，最后一个模具为135度。98度拔模角的生产工具被制造为使得其50％的模腔具有从腔体底面凸起的8条平行的脊，这些脊以90度的角度与三角形的一边相交，其余腔体具有平滑的底模表面。如上所述，这些平行的脊的间距为0.277mm，并且这些脊的横截面为三角形，该三角形的高为0.0127mm、在顶点处每一条脊的边之间的角度为45度。用油灰刀迫使溶胶-凝胶进入腔体中，从而生产工具的开口被完全填充。使用脱模剂、1％花生油甲醇溶液涂覆生产工具，约0.5mg/in2的花生油被涂覆到生产工具。将生产工具片置于空气对流烘箱中，在45℃下保持5分钟，移除过量的甲醇。将溶胶-凝胶涂覆的生产工具置于空气对流烘箱中，在45℃下干燥至少45分钟。通过使成形磨粒前体在超声波焊头的上方通过来将其从生产工具移除。在大约650℃下煅烧成形磨粒前体，然后用以下浓度(记录为氧化物)的混合硝酸盐溶液饱和：MgO、Y2O3、Nd2O3和La2O3中的每一个都为1.8％。移除过量的硝酸盐溶液，干燥饱和的带开口的成形磨粒前体，然后将该颗粒在650℃下再次煅烧并在大约1400℃下烧结。煅烧和烧结均使用管式回转炉进行。
在制备具有四个不同拔模角的带倾斜侧壁的成形磨粒后，制备涂覆磨盘。使用如表1所示的酚醛树脂底胶层和复胶层树脂将具有倾斜侧壁和/或凹槽116的成形磨粒静电涂覆到7英寸直径的纤维盘上，该纤维盘具有7/8英寸的中心洞。该酚醛树脂可在1％至5％氢氧化钾的催化下，由水溶性酚醛树脂(1.5∶1至2.1∶1(苯酚∶甲醛)冷凝物)制成。
表1：底胶层和复胶层配方
  成分   底胶层   复胶层
  酚醛树脂   49.15％   29.42％
  水   10.19％   18.12％
  碳酸钙   40.56％   0.0％
  冰晶石   0.0％   50.65％
  Emulon A(BASF)   0.10％   1.81％
  100.0％   100.0％
通过采用以下工序磨削1045中碳钢，评估具有倾斜侧壁和/或凹槽116的成形磨粒的磨削性能。将用于评估的7英寸(17.8cm)直径的磨盘附接到配有7英寸(17.8cm)有棱纹的盘垫面板(“80514 Extra HardRed”，可购自3M公司(St.Paul，Minnesota))的旋转研磨机上。然后启动研磨机，并且研磨机在12磅(5.4kg)的负载下紧靠0.75英寸×0.75英寸(1.9cm×1.9cm)、预称重的1045钢筋的端面放置。在此负载下并且紧靠此工件的研磨机的所得转速为5000rpm。在总共五十(50)个10秒磨削间隔(次数)的条件下对该工件进行研磨。每一个10秒间隔后，让工件冷却至室温并称重，以确定研磨操作的切削量。以每一个间隔的切削增量和移除的总切削量记录试验结果。如果需要，可采用合适的设备自动进行该试验。
参见图11，该图示出拔模角为98度、具有和不具有凹槽的成形磨粒的切削速率相对于时间和总切削速率的曲线图。如图所示，不具有凹槽的成形磨粒的初始切削速率大于具有凹槽的相同尺寸的成形磨粒的初始切削速率。不具有凹槽的成形磨粒的切削速率趋于随试验的进行而降低，而具有凹槽的成形磨粒的切削速率趋于随试验的进行而增加。
参见图12和图13，该图绘出切削速率相对于时间和总切削量相对于时间的曲线图。如图所示，具有倾斜侧壁并且拔模角大于90度的成形磨粒性能显著优于拔模角为90度的相似成形磨粒。当拔模角接近135度，具有倾斜侧壁的成形磨粒的性能开始快速劣化。当拔模角为135度的颗粒与拔模角为98度的颗粒相比时，初始切削速率大致相同，但其总切削量显著降低。出人意料的是，与拔模角为98度的颗粒相比，拔模角为120度的颗粒具有大约20％的初始切削量增量和大约相同的总切削量。更出人意料地是，仅仅将拔模角改变8度(从90度变至98度)，颗粒的性能即可得到显著提高。切削速率为大约两倍，并且切削速率在整个试验期间保持相对恒定，因为磨料制品为50％具有凹槽的成形磨粒和50％不具有凹槽的成形磨粒的共混物。
在不脱离所附权利要求书中更具体地示出的本发明的精神和范围的前提下，本领域的普通技术人员可以实践本发明的其它修改形式和变型形式。应当理解，多种实施例的方面可以整体地或部分地与多种实施例的其它方面互换或结合。以上获得专利证书的专利申请中所有引用的参考文献、专利或专利申请的全文通过一致的方式以引用方式并入本文中。在介于并入的参考文献部分与本专利申请之间存在不一致或矛盾的情况下，应以前述具体实施方式中的信息为准。为了使本领域的普通技术人员能够实践受权利要求书保护的本发明而给定的前述具体实施方式不应理解为是对本发明的范围的限制，本发明的范围由权利要求书及其所有等同形式所限定。

Claims (23)

1.一种磨粒，包括：
成形磨粒，所述成形磨粒各自具有侧壁，所述成形磨粒中的每一粒都包含α-氧化铝，并且具有由侧壁分隔的第一面和第二面，而且最大厚度为T；并且
所述成形磨粒在所述第二面上还具有多个凹槽。
2.根据权利要求1所述的磨粒，其中所述多个凹槽包括在所述第二面上的平行线。
3.根据权利要求2所述的磨粒，其中所述多个凹槽完全横贯所述第二面延伸，并以90度角与所述第二面的第一边缘相交。
4.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的磨粒，其中所述多个凹槽的横截面几何形状包括三角形或截头三角形。
5.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的磨粒，其中所述多个凹槽具有百分比间距，并且所述百分比间距为介于约1％至约50％之间。
6.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的磨粒，其中所述多个凹槽中的每一个均具有深度D，并且D/T的百分比比率为介于约0.1％至约30％之间。
7.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的磨粒，具有介于所述第二面和所述侧壁之间的拔模角α，并且所述拔模角α为介于约95度至约130度之间。
8.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的磨粒，其中所述第一面的周边和所述第二面的周边包括等边三角形。
9.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的磨粒，其中所述第一面为凹形的或者为凹面，而所述第二面大致为平面。
10.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的磨粒，其中所述第一面为凸面，所述第二面为凹面。
11.根据权利要求1所述的磨粒，其中所述多个凹槽具有由交叉线形成的网状图案。
12.根据权利要求1所述的磨粒，含有粘结剂而形成磨料制品，所述磨料制品选自：粘结磨料制品、涂附磨料制品、非织造磨料制品、和磨刷。
13.一种涂附磨料制品，含有：根据权利要求1所述的磨粒；底胶层，所述底胶层位于背衬的第一主表面上；和所述成形磨粒的共混物，所述成形磨粒通过所述侧壁粘附到所述底胶层，从而形成磨料层，所述磨料层涂覆有复胶层，并且其中所述成形磨粒的所述共混物包括多个具有所述多个凹槽的成形磨粒和多个不具有所述多个凹槽的成形磨粒。
14.根据权利要求13所述的磨料制品，其中所述成形磨粒的所述共混物包括大约40重量％至60重量％的具有所述多个凹槽的所述成形磨粒，以及大约40重量％至60重量％的不具有所述多个凹槽的所述成形磨粒。
15.一种具有多个模腔的用于制备成形磨粒的生产工具，所述多个模腔具有模具底面、模具侧壁、和高度Hc；所述模具底面和所述模具侧壁具有聚合物表面；并且其中所述模具底面具有多条脊。
16.根据权利要求15所述的生产工具，其中所述多条脊包括平行线。
17.根据权利要求16所述的生产工具，其中所述多条脊完全横贯所述模具底面延伸，并以90度角与所述模具侧壁相交。
18.根据权利要求15、权利要求16或权利要求17所述的生产工具，其中所述多条脊的横截面几何形状包括三角形或截头三角形。
19.根据权利要求15、权利要求16或权利要求17所述的生产工具，其中所述多条脊具有百分比间距，并且所述百分比间距为介于约1％至约50％之间。
20.根据权利要求15、权利要求16或权利要求17所述的生产工具，其中所述多条脊中的每一条均具有高度Hr，并且所述多个模腔具有高度Hc，并且Hr/Hc的百分比比率为介于约0.1％至约30％之间。
21.根据权利要求15、权利要求16或权利要求17所述的生产工具，具有介于所述模具底面和所述模具侧壁之间的拔模角α，并且所述拔模角α为介于约95度至约130度之间。
22.根据权利要求15、权利要求16或权利要求17所述的生产工具，其中所述模具底面的周边包括等边三角形。
23.根据权利要求15所述的生产工具，其中所述多条脊具有由交叉线形成的网状图案。
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