CN102497959A - 具有受控的孔隙率分布的研磨工具 - Google Patents

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Abstract

一种研磨工具，该研磨工具具有一个本体，该本体包括一个磨料部分，该磨料部分具有包含在一种基体材料中的磨料颗粒以及孔隙率，该孔隙率的特征在于一个双峰的孔分布，该双峰的孔分布包括具有平均大孔径(P1)的大孔以及具有平均小孔径(Ps)的小孔，其中P1＞Ps。该研磨工具的本体进一步包括包含在该磨料部分内的一个第一增强构件、以及在25℃至450℃的温度范围内不大于约0.7％的热膨胀百分比。

Description

具有受控的孔隙率分布的研磨工具
技术领域
以下内容是针对一种研磨工具、并且具体地针对一种具有特殊孔隙率分布的研磨工具。
背景技术
研磨轮典型地用于不同材料如除其他材料之外的，石头、金属、玻璃、塑料的切削、磨削、以及成型。一般，研磨轮可以具有不同的材料相，包括磨料颗粒、粘结剂、以及某种孔隙率。取决于预期的应用，研磨轮可以具有不同的设计和构型。例如，对于针对金属进行精加工和切削的应用而言，某些研磨轮的形状被做成为使得它们具有特别薄的轮廓以便有效的切削。
然而，考虑到此类研磨轮的应用，这些磨料物品会经受疲劳和失效。事实上，取决于使用的频率，这些研磨轮可能具有小于一天的有限使用时间。因此，工业上继续要求能够具有改进的性能的研磨轮。
发明内容
据一个方面，一种具有一个本体的研磨工具，该本体包括一个磨料部分以及孔隙率，该磨料部分具有包含在一种基体材料中的磨料颗粒，并且该孔隙率的特征在于一个双峰的孔分布，该双峰的孔分布包括具有平均大孔径(P1)的大孔以及具有平均小孔径(Ps)的小孔，其中P1＞Ps。该研磨工具的本体进一步包括包含在该磨料部分内的一个第一增强构件、以及在25℃至450℃的温度范围内不大于约0.7％的一个热膨胀百分比。
根据另一个方面，一种包括一个本体的研磨工具，该本体具有一个磨料部分以及孔隙率，该磨料部分包括包含在一种基体材料中的磨料颗粒，并且该孔隙率的特征在于一个双峰的孔径分布，该双峰的孔径分布包括具有平均大孔径(P1)的大孔以及具有平均小孔径(Ps)的小孔，其中P1＞Ps。该研磨工具的本体进一步包括一个包含在该磨料部分中的第一增强构件，其中该本体具有被定义为直径与厚度之间的比率的为至少约10∶1的长径比。
在又另一个方面，一种研磨工具包括一个本体，该本体具有一个磨料部分，该磨料部分包括包含在一种基体材料中的磨料颗粒，其中该磨料部分包括一个双峰的孔分布，该双峰的孔分布包括具有平均大孔径(P1)的大孔以及具有平均小孔径(Ps)的小孔，其中P1＞Ps，并且其中该基体材料包括至少约60vol％的有机材料。该本体进一步包括一个在该磨料部分内的第一增强构件。
根据另一个方面，一种研磨工具具有一个本体，该本体包括一个磨料部分、大孔以及小孔，该磨料部分包括包含在一种基体材料中的磨料颗粒，其中这些大孔具有平均大孔径(P1)并且这些小孔具有平均小孔径(Ps)，并且在该平均大孔径(P1)与平均小孔径(Ps)之间的差值百分比是基于等式((P1-Ps)/P1)×100)为至少25％，其中P1＞Ps。该研磨工具的本体进一步包括一个包含在该磨料部分中的第一增强构件，以及一个超过常规的研磨工具至少约15％的G比率增大百分比，其中该增大百分比是基于等式((GN-GC)/GC)×100)，其中GN代表具有大孔以及小孔的研磨工具的G比率，并且GC代表一种常规的研磨工具的G比率。
附图说明
通过参见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的普通技术人员变得清楚。
图1包括根据一个实施方案的一种研磨工具的图示。
图2包括根据一个实施方案的一种研磨工具的一部分的截面图示。
图3包括根据一个实施方案的一种研磨工具的一部分的截面图示。
图4包括根据一个实施方案的一种研磨工具的一部分的扩大的照片。
图5包括一种常规的研磨工具以及一个实施方案的研磨工具的G比率曲线图。
图6包括一种常规的研磨工具以及一个实施方案的研磨工具的线性热膨胀的曲线图。
图7包括根据一个实施方案的研磨工具的孔径分布的曲线图。
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。
具体实施方式
以下内容是针对多种研磨工具，这些研磨工具使用了包含在一种基体材料中的磨料颗粒的磨料部分，用于对工件进行切削、磨削和精加工。此处的某些实施方案是针对大直径的研磨轮，这些研磨轮在其工具本体内结合了一个或多个增强构件，这些工具特别适合于对金属进行切削和/或成型。
图1包括根据一个实施方案的一种研磨工具的图示。值得注意的是，该研磨工具100包括一个本体101，该本体具有在两个维度中观看时为基本上圆形的形状。将理解的是在三维尺度中，该工具具有某个厚度，使得本体101具有一种盘状或圆柱形的形状。如所示的，该本体可以具有穿过该工具中心而延伸的一个外径103，该外径可以特别大，具有至少约45cm的尺寸。在其他应用中，本体101可以具有如在至少约60厘米、至少约75厘米、或甚至至少100厘米的等级上的一个外径103。特殊的研磨工具使用了具有的外径103在45厘米与约200厘米之间的范围内的本体101，如在45cm与约175cm之间，并且更特别地是在约45厘米与约150厘米之间。
如进一步展示的，研磨工具100可以包括由一个内部圆形表面102围绕本体101的中心所限定的一个中央开口105。该中央开口105可以贯穿本体101的整个厚度而延伸，使得研磨工具100可以在操作过程中被安装在一个转轴或用于研磨工具100转动的其他机器上。
图2包括根据一个实施方案的一种研磨工具的一部分的截面图示。磨料本体201可以是包括不同类型的材料的多个部分的组合的一种复合物品。具体而言，本体201可以包括磨料部分204、206、208、和210以及增强构件205、207、和209。可以将研磨工具200设计为使得增强构件205、207、和209能被置于其本体内，使得它们彼此间隔开并且在其中将每个磨料部分204、206、208、和210彼此分开。即，可以将研磨工具200形成为使得增强构件205、207、和209穿过本体201的厚度212而彼此横向地间隔开并且被磨料部分206和208所分开。如将会了解的，在这样一种设计中，磨料部分206和208可以被置于增强构件205、207、和209之间。
如进一步展示的，增强构件205、207、和209可以是具有第一平的面和第二平的面的基本上平面的构件。例如，可以将增强构件205形成为使得它是具有一个第一主表面215和一个第二主表面216的一个平面构件。此外，本体201可以具有一种设计，使得磨料部分204、206、208、和210可以覆盖在增强构件205、207、和209的主表面上。例如，磨料部分204可以覆盖在增强构件205的第一主表面215上，并且磨料部分206覆盖在增强构件205的第二主表面216上。在具体情况下，可以将本体201形成为使得磨料部分204和206基本上分别覆盖了第一主表面215和第二主表面216的整个表面区域。因此，磨料部分204和206可以在第一和第二主表面215和216处在任一侧上直接接触(即，邻接)该增强构件205。
值得注意的是，可以将磨料本体201设计为使得增强构件205、207、和209可以穿过本体201的直径103的大部分而延伸。在具体情况下，可以将增强构件205、207、和209形成为使得它们穿过本体201的直径103的至少约75％，如至少约80％、或甚至整个直径而延伸。
根据一个实施方案，本体201被形成为使得它可以具有一个平均厚度212，该平均厚度是在平行于穿过中央开口105的中心而延伸的轴向轴线250的一个方向上测量的。本体201的平均厚度212可以特别薄，使得它适合于切削金属工件。例如，本体201的平均厚度可以是不大于约3厘米。在其他实施方案中，本体201的平均厚度212可以是不大于约2.5厘米，如不大于约2厘米、或甚至不大于约1.5厘米。然而，某些实施方案可以利用在约0.5厘米与约3厘米之间，例如在约0.5厘米与约2厘米之间的范围内的平均厚度212。
此处这些实施方案的磨料物品可以具有特殊的长径比，它被定义为本体201的外径103与平均厚度212之间的比值。根据某些设计，该长径比是至少约10∶1，如至少约20∶1、甚至约50∶1、或至少约75∶1。某些实施方案利用了在约10∶1与约125∶1之间、如在约20∶1与约125∶1之间的范围内的长径比。
进一步关于增强构件205、207、和209，此类构件是用一种有机材料、无机材料、以及它们的组合制成的。例如，增强构件205、207、和209可以用一种无机材料制造，如陶瓷、玻璃、石英、或以及它们的组合。特别适合用作增强构件205、207、和209的材料可以包括玻璃材料、结合的玻璃材料的纤维(incorporating fibers of glass materials)，它们可以包括基于氧化物的玻璃材料。
用于增强构件205、207、和209中的特别合适的有机材料可以包括：酚醛树脂、聚酰亚胺类、聚酰胺类、聚酯类、芳族聚酰胺类、以及它们的组合。例如，在一个具体的实施方案中，增强构件205、207、和209可以包括KevlarTM，一种特殊类型的芳族聚酰胺。
另外，这些增强构件205、207、和209可以包括一种纤维材料，该纤维材料具有覆盖并且直接粘结在纤维的外表面上的一个涂层。该涂层可以是一种有机材料、无机材料、或它们的组合。某些研磨工具可以使用那些利用了具有一个有机材料涂层的纤维的增强构件205、207、和209，该有机材料可以是一种天然的有机材料或合成的有机材料，如聚合物，它可以辅助该增强构件与该磨料部分之间的结合。一些适当的有机涂层材料可以包括树脂，这些树脂可以是热固性材料、热塑性材料、或它们的组合。特别适合的树脂可以包括：酚醛树脂类、环氧树脂类、聚酯类、氰酸酯类、虫胶类、聚氨酯类，以及它们的组合。在一种具体情况下，该研磨工具结合了一个含酚醛树脂涂覆的玻璃纤维的增强构件。
增强构件205、207、和209可以包括多个纺织在一起的纤维。这些纤维可以按多种方式纺织或缝合在一起。在某些情况下，这些增强构件可以被纺织在一起，使得形成了包括主要在两个垂直方向上延伸的纤维的一种图案。
增强构件205、207、和209可以具有一个平均厚度218，这个厚度被定义为该增强构件205的第一主表面215与第二主表面216之间的距离。该平均厚度218可以是小于0.6厘米，例如小于0.6厘米，或甚至小于0.4厘米。
以相对百分比计，取决于该磨料物品的设计，这些增强构件可以被形成为具有某些尺寸，使得它们构成该本体的总平均厚度的某个百分比。例如，增强构件205可以具有占本体201的总平均厚度212的至少约3％的一个平均厚度218。在其他情况下，增强构件205可以具有占本体201的总平均厚度212的至少约5％、如至少约8％、或甚至至少约10％的一个平均厚度218。某些增强构件可以具有占本体201的总平均厚度212的在约3％与约15％之间的范围内的一个平均厚度218。
根据此处的实施方案，研磨工具200被形成为使得本体201包括磨料部分204、206、208和210。在下面的段落中将提及磨料部分204，但会了解的是所有标识的磨料部分可以包括相同的特征。磨料部分204可以是一种复合材料，该复合材料具有包含在一种基体材料内的磨料颗粒并且进一步包括一种特殊的组成和类型的孔隙率。
这些磨料颗粒可以包括一种适合于磨削和材料去除应用的特别硬的材料。例如，这些磨料颗粒可以具有至少约5GPa的维氏硬度。这些磨料颗粒的硬度在某些工具中可以更大，使得这些磨料颗粒具有至少约10GPa、至少约20GPa、至少约30GPa、或甚至至少约50GPa的维氏硬度。
这些磨料颗粒可以包括一种无机材料。某些适合的无机材料可以包括：氧化物类、碳化物类、硼化物类、氮化物类、以及它们的组合。例如，磨料部分204可以被形成为包括基本上由氧化物组成的磨料颗粒。特别合适的氧化物可以包括：氧化铝、氧化锆、硅石、以及它们的组合。某些设计可以利用基本上由氧化铝组成的磨料颗粒。其他设计可以利用结合了氧化铝和/或氧化铝-氧化锆合金的组合的磨料颗粒，然而，在这样的配制品中，氧化铝材料比氧化铝-氧化锆合金材料可以形成一个更大百分比的磨料颗粒。
此外，某些研磨工具可以利用超级磨料材料作为磨料颗粒。超级磨料材料可以包括：金刚石、立方氮化硼、以及它们的组合。在某一实施方案中，这些磨料颗粒主要由金刚石组成。
磨料部分204、206、208和210可以被形成为使得这些磨料颗粒被包含在一种基体材料中并且被其包围，以便将磨料颗粒固定在位，用于切削和研磨操作。总体上，磨料部分204、206、208和210可以被形成为使得该磨料部分总体积的至少约40vol％包括磨料颗粒。在其他实施方案中，磨料部分内的磨料颗粒含量可以更高，如在该磨料部分总体积的至少约44vol％的等级上，如至少约50vol％、或甚至至少约54vol％。特殊的实施方案利用了具有在约40vol％与60vol％之间、更具体地在约40vol％与约54vol％之间的磨料颗粒的一个磨料部分。事实上，在一种情况下，该磨料部分是由在对应磨料部分的总体积的约42vol％与约50vol％之间的磨料颗粒构成。
总体上，磨料部分204被形成为使得该磨料部分的总体积百分比的至少约30vol％是基体材料。在其他实施方案中，磨料部分204包括更大含量的基体材料，如在至少约40vol％，至少约42vol％，至少约4445vol％，或者甚至至少约46vol％的等级上。然而，此处的实施方案可以利用量值在约30vol％与约56vol％之间的范围内的基体材料，如在约30vol％与约50vol％之间、或在约40vol％与约48vol％之间的等级上。
此处的实施方案可以利用一种基体材料，这种基体材料可以包括能起主要粘结组分作用的有机材料。此类有机材料可以包括：天然的有机材料、合成的有机材料、以及它们的组合。在具体的情况下，该有机材料可以由一种树脂形成，该树脂可以是：热固性材料、热塑性材料、或它们的组合。例如，一些适当的树脂可以包括酚醛树脂类、环氧树脂类、聚酯类、氰酸酯类，虫胶类、聚氨酯类、橡胶以及它们的一个组合。酯类
在具体情况下，该基体材料可以被形成为使得它包括大部分量值的有机材料。例如，基体材料总体积的至少约65vol％可以由有机粘结剂材料形成。在其他磨料部分中，该基体材料内的有机材料含量可以更大，例如至少约70vol％、或甚至至少约75vol％。然而，某些实施方案利用了具有的有机粘结剂材料含量在约60vol％与约85vol％之间、如在约65vol％与约80vol％之间的范围内的一种基体材料。
此处这些磨料部分还可以包括结合在该磨料部分中的填充剂材料。某些填充剂材料可以作为预期与正在被成型的表面进行反应的化学反应性试剂来掺入。其他填充剂材料可以包括吸湿剂、黏合剂、以及有助于该形成过程的不同的其他材料。根据一个实施方案，该填充剂材料可以是一种成孔材料，如有助于在最终形成的磨料物品内形成某些类型的孔隙率的微球。
如图2中进一步展示的，该本体可以被形成为使得它结合这些增强构件202和203，这些增强构件围绕该中央开口105邻接了磨料部分204和210的外表面。在某些设计中，增强构件202和203可以延伸达外径103的一部分，如磨料本体201的外径103的一半。围绕中央开口105来提供增强构件202和203有助于在预期将该研磨工具200固定到转轴或机器上的位置处增强该本体201。如将会了解的，增强构件202和203可以具有与增强构件205、207和209相同的特征。
图3包括根据一个实施方案的一种研磨工具的一部分的截面图示。所展示的研磨工具300的一部分包括根据一个实施方案的研磨工具的外圆周。具体地，该研磨工具300的一部分可以具有一个包括如之前描述的磨料部分204、206、208、和210的本体201。此外，该研磨工具201包括增强构件205、207、和209，它们被布置在如之前描述的磨料部分204、206、208、和210之间。
值得注意的是，本体201被形成为使得它具有一个邻近研磨轮中心并且包围该中央开口105的一个平坦区域301、以及在本体201的外边缘处的一个楔形区域303。如所展示的，楔形区域303被形成为使得它具有一个在本体201的外径处测量的平均厚度312，这个厚度显著大于本体201在平坦区域301内的平均厚度311。形成该楔形区域303是通过将该磨料部分210的楔形边缘305的延伸部分来辅助的，该延伸部分与该磨料部分210的平坦区域310的外表面308成一个角度延伸。楔形区域303进一步由磨料部分204的一个楔形表面306限定，这个楔形表面与磨料部分204的表面310成一个角度延伸。如所展示的，楔形区域303可以围绕研磨轮的外径形成一个轮缘，其中楔形表面305和306分别从表面308和310以一个角度轴向向外延伸。楔形表面305和306可以与一条从本体的中心延伸的、基本上平行于表面308和310的半径成一个角度而延伸，并且此外，楔形表面305和306可以与一条延伸穿过本体201的中心的轴向轴线250成一个角度延伸。
根据一些实施方案，楔形区域303可以围绕本体201的外周的一部分环圆周地延伸。某些设计可以利用一个贯穿本体201的整个圆周延伸的楔形区域303。尽管在此参照结合了楔形区域303的磨料物品，将会了解的是对于某些磨料物品而言，楔形区域303可能不必存在。
如所展示的，楔形区域303可以从本体201的平坦区域301径向延伸。此处的实施方案可以形成一个具有长度330的楔形区域303，这个长度是在平行于从本体201的中心延伸的一条半径的方向上测量的、可以是本体201的外径103的尺寸的一个特定百分比。例如，楔形区域303可以具有占外径103的尺寸的至少约5％的一个长度330。在其他情况下，取决于预期的应用，该本体201具有一个楔形区域303，该楔形区域具有的长度330是该外径103的尺寸的至少约10％，例如至少约15％，至少约20％，至少约30％，或甚至至少约35％。具体的实施方案可以利用一个楔形区域303，其中其长度330是在该外径103的约5％与约50％之间的范围内，并且特别是在约5％与约35％之间，或者甚至更特别地是在约5％至约20％之间。
在其他方面，该楔形区域的长度330可以是至少约10厘米。在一些实施方案中，楔形区域303的长度330可以更大，如至少约13厘米、至少约15厘米、或甚至至少约20厘米。然而，此处的特定实施方案可以利用具有的长度330在约10厘米与约30厘米之间、如在约10厘米与约20厘米之间的范围内的一个楔形区域303。
图4包括根据一个实施方案的研磨工具的磨料部分的一个放大的图像。如图4所展示的，该磨料部分包括在基体材料405中包含的磨料颗粒403。此外，该研磨工具包括一个磨料部分，该部分具有一个双峰的孔分布，该双峰的孔分布包括具有平均大孔径(P1)的大孔401以及具有平均小孔径(Ps)的小孔402，其中P1＞Ps。在此提及一个双峰的孔分布是指一种连续分布，这种连续分布具有沿着曲线的、彼此分开的两个不同的峰或局部最大值。尽管一种双峰分布的某些严格定义可以要求每种模式的手段与通常的标准偏差相差至少两倍，然而对于此处的实施方案而言，这可以不必是此种情况，并且此类实施方案可以是两个单峰分布的一种混合。因此，代表根据此处的实施方案的孔分布的曲线可以具有两个(或更多)不同的峰，其中每个不同的峰与一种类型的孔隙率的平均孔径有关。图7包括根据此处的一个实施方案的磨料物品产生的孔径分布曲线的图。值得注意地，该孔径分布表现了根据此处的实施方案的两个不同的最大值以及一个双峰的孔径分布。
此处的研磨工具可以利用多个磨料部分，其中该平均大孔径(P1)与平均小孔径(Ps)之间的差值百分比是基于等式(P1-Ps)/P1)×100)为至少25％，其中P1＞Ps。在其他实施方案中，该平均大孔径(P1)与平均小孔径(Ps)之间的差值百分比更大，例如在至少30％，至少约50％，至少75％，或甚至至少约90％的等级上。根据此处的实施方案的某些研磨工具可以利用的该平均大孔径与平均小孔径之间的差值百分比是在约75％与约99％之间的范围内，例如在约90％与约99％之间。在以上内容中注意到的特征是基于从使用根据实施方案的研磨工具微结构的扩大的截面图像所获取的测量结果产生的经验数据。具体地，该孔径通过随机地选择多个孔并且测量在截面上观察到的孔的最大尺寸而测量。
用来对在此处的实施方案进行限定的孔隙率的测量使用了作为ImageJ免费来源软件可得的成像软件来进行，该软件能够将孔隙率与该本体内的其他相区分开，对该研磨工具的截面的扩大的图像进行分析，并且对于一个特定照相区域的孔隙率的量进行计算。分析该研磨工具的孔隙率的方法，以及更特别是确定大孔与小孔的百分比以及它们的平均尺寸的方法可以使用一个或多个图像完成。在一个提供了该研磨工具的放大的截面的单个图像中，这些大孔可以通过对该图像中的小孔进行数字掩蔽并且运行该软件而进行分析。使用同一图像，小孔可以通过对大孔进行数字掩蔽并且在掩蔽了的图像上运行该软件而进行分析。这样，对于一个给定的截面图像，该软件可以对该本体内存在的大孔和小孔进行计算和分析。
在其他方面，该平均大孔径(P1)与平均小孔径(Ps)之间的差值可以是至少一个数量级。即，例如，该平均大孔径与平均小孔径之间的差值可以是至少两个数量级，并且更特别是在一个数量级与三个数量级之间。
这些小孔402可以具有不大于约0.70mm的平均小孔径(Ps)。例如，该平均小孔径可以是不大于约0.65mm，如，不大于约0.60mm，或者甚至不大于约0.50mm。具体实施方案可以利用具有的平均小孔径在约0.01mm与约0.70mm之间，如在约0.01mm与约0.65mm之间、并且更具体是在约0.01mm与约0.60mm之间的范围内的小孔。
实际上，该双峰的孔径分布可以被控制为使得至少约80％的这些小孔具有在约0.01mm与约0.70mm之间的范围内的孔径。在其他例子下，至少约90％的小孔具有的孔径是在约0.01mm与约0.70mm之间的范围内，并且更特别是至少约95％的小孔具有的孔径是在约0.01mm与约0.70mm之间的范围内。具体的研磨工具可以被形成为使得基本上所有的这些小孔具有在约0.01mm与约0.70mm之间的范围内的孔径。
这些小孔402可以使用成孔剂在该基体材料405中形成。适合的成孔材料可以包括有机和/或无机材料。例如，某种材料(例如聚合物材料、玻璃材料、或陶瓷材料)的珠粒或微球可以被结合到该初始混合物中，其一部分可以在处理过程中挥发从而在最终形成的磨料物品中留下孔。这样，大多数的小孔具有圆形的截面形状。实际上，在某些实施方案中，基本上所有的这些小孔具有圆形的截面形状。大孔401可以是在该成形过程中可以生产的天然孔隙率的结果。
此外，根据此处的实施方案，这些大孔可以具有至少约0.75mm的平均大孔径(P1)。在其他实施方案中，这些大孔可以具有的平均大孔径为至少约0.80mm，如至少约0.90mm，至少约1mm，或甚至至少约5mm。然而，此处的实施方案典型地利用具有的平均大孔径(P1)在0.75mm与约10mm之间，如在0.75mm与约8mm之间、并且更特别是在约0.8mm与约5mm之间的范围内的大孔。
这些大孔401的特征可以进一步在于以下事实：即，至少80％的这些大孔具有在约0.75mm与约10mm之间的范围内的孔径。例如，在更具体的情况下，至少约90％的大孔具有的孔径是在0.75mm与约10mm之间的范围内，例如至少95％的等级上的大孔具有的孔径是在约0.75mm与约10mm之间的范围内。实际上，在某些实施方案中，基本上所有的这些大孔具有在约0.75mm与约10mm之间的范围内的孔径。
总体上，此处的研磨工具的磨料部分可以具有的平均总孔隙率是该磨料部分的总体积的至少0.5vol％。在其他情况下，该磨料部分内的孔隙率百分比可以是更大，例如至少约1vol％、如至少约5vol％、至少约8vol％、至少约10vol％、至少约12vol％、至少约15vol％、或甚至于至少约20vol％。具体的实施方案利用了具有的孔隙率百分比在约0.5vol％与30vol％之间，例如在约5vol％与约30vol％之间，并且特别是在约8vol％与25vol％之间范围内的磨料部分。
在此描述的研磨工具可以具有使得该研磨工具适合于改进研磨和/或切割应用的特殊特征。值得注意的是，这些研磨工具的热膨胀百分比可以被最小化。例如，此处的实施方案的这些磨料物品展示了在25℃至450℃的范围上与常规磨料物品相比一个改进的热膨胀百分比。值得注意的是，出于比较的目的，这些常规的磨料物品包括具有该磨料部分和增强构件的、具有相同设计的磨料。根据经验的证明，此处的实施方案的这些研磨工具展示了在热膨胀百分比方面超过常规研磨工具至少约5％的下降百分比。这个下降百分比是基于等式((TEC-TEN)/TEC)×100％)，其中TEN代表根据此处的实施方案的一种研磨工具的热膨胀，并且TEC代表一种常规的研磨工具的热膨胀。在其他的实施方案中，热膨胀百分比的下降百分比为至少约10％，如至少约20％、至少约50％、至少约75％、或甚至至少约100％。具体的实施方案表现了热膨胀的下降百分比是在约5％与约150％之间的范围内，更具体是在约5％与约100％之间，并且甚至更具体是在约5％与约75％之间。此种区别使用标准的热机械分析(TMA)证明。
在更具体的方面，对于此处的研磨工具，在25℃至450℃的范围内的热膨胀百分比是不大于约0.7％。将会了解的是该热膨胀百分比是对研磨工具的线性热膨胀的一种度量，这是通过获取该研磨工具(包括所有其组成的磨料部分和增强构件)的一个截面样品而测量的。在某些其他的实施方案中，该热膨胀百分比是不大于约0.65％，如不大于约0.6％、或甚至不大于约0.55％。某些实施方案可以具有在约0.3％与约0.7％之间的范围内的热膨胀百分比，如在0.3％与约0.65％之间、或甚至更具体地在约0.4％与约0.65％之间。
另外，此处描述的研磨工具已经证实了改进的研磨和切削特征。例如，此处的实施方案的磨料物品证明了超过常规磨料物品的改进的G比率，这个比率这是对原料去除的立方体积除以磨料物品的磨损的立方体积的一种度量。值得注意的是，出于比较的目的，这些常规的磨料物品包括具有该磨料部分和增强构件的、具有相同设计的磨料。根据经验证据，此处的实施方案的研磨工具表现了一个超过常规的研磨工具至少约15％的G比率增大百分比，其中该增大百分比是基于等式((GN-GC)/GC)×100％)，其中GN代表具有大孔以及小孔的研磨工具的G比率，并且GC代表一种常规的研磨工具的G比率。在其他实施方案中，G比率的增大百分比为至少约20％，如至少约25％、至少约30％、至少约35％、或甚至至少约40％。具体的实施方案展示了在约15％与约200％之间的范围内的G比率增大百分比，如在约15％与约150％之间的范围内、并且更特别地在约15％与约100％之间、并且甚至更特别地在约15％与约75％之间。
实例
形成了两种类型的磨料物品并进行测试以便比较某些性能参数：常规样品(CS1)以及根据此处实施方案的新样品(NS1)。这些CS1样品是通过形成一个磨料部分而生产的，该磨料部分包括65.31wt％的氧化铝和氧化铝-氧化锆合金颗粒的磨料颗粒与34.7wt％的基体材料的混合。该基体材料是由一种混合物形成，该混合物具有大致57.3vol％的酚醛树脂以及包括黄铁矿填充剂、铝氟化物(aluminofluoride)填充剂材料以及吸湿填充剂材料(用于辅助形成最终形成的磨料物品)的一种混合物的其余量值。然后将该混合物与多层涂覆的玻璃纤维增强构件(从IPAC可商购)在一个成形室中合并而形成一个磨料预成型件。然后在该成形室中以1.6吨/平方英寸的压力在室温下压制该磨料预成型件以形成最终形成的磨料物品。
这些NS1样品是通过形成一个磨料部分而生产的，该磨料部分包括62.2wt％的氧化铝磨料颗粒与31.5wt％的基体材料的混合。该基体材料是由一种混合物形成的，该混合物具有大致72.8vol％的酚醛树脂以及包括黄铁矿填充剂、铝氟化物填充剂材料、以及吸湿填充剂材料的一种混合物的其余量值。然后将该混合物与多层涂覆的玻璃纤维增强构件(从IPAC可商购)在一个成形室中合并而生产出一个磨料预成型件。在该成形室中以0.64吨/平方英寸的压力在室温下压制该磨料预成型件以形成最终形成的磨料物品。
两种类型的样品被形成为具有20英寸的直径(51cm)以及约0.335英寸(0.85cm)的平均厚度。然后对这些CS1和NS1样品进行性能测试以通过G比率来比较它们的磨削性能。这个G比率测试是使用一个Braun切断锯以120HP和20000表面英尺每分钟的研磨轮速度进行操作来进行。工件为1.5英寸的1018碳钢棒料，以大致0.21英寸每秒的速率进料，并且通过一次对一个棒切割总共200个切口来进行测试。对每种样品类型(CS1和NS1)测试并评估三个研磨轮。
图5包括一个对CS1和NS1样品的G比率进行比较的曲线图的图示。如所展示的，CS1样品的平均G比率展示了比NS1样品的平均G比率显著更低的G比率。事实上，这些样品之间基于平均G比率差值的G比率增大百分比是NS1样品高出CS1样品约30％。因此，根据此处实施方案形成的样品证明了超过常规磨料物品的改进的并且更有效的研磨能力。
对CS1和NS1样品的线性热膨胀百分比也进行了测试，作为衡量在高温下使用该物品过程中的预期热膨胀的方式。使用来自精工公司(SeikoCorporation)的TMA-120机器将这两个样品均在25℃至450℃之间的温度范围上加热。将这些样品以10℃/min的速率进行加热。
图6包括一个对CS1和NS1样品的线性热膨胀百分比进行比较的曲线图的图示。如所展示的，CS1样品的平均热膨胀百分比显著高于NS1样品的线性热膨胀百分比。事实上，这些CS1样品在平均线性热膨胀百分比方面展现了超过NS1样品的几乎30％的增大。因此，这些NS1样品具有显著更低的热膨胀，这使得它们适合于产生显著温度并且更可能避免在高温下操作的过程中的热诱导应力和失效的侵蚀性磨料应用，特别是在材料部件之间的界面处。
此外，如所描述的，图7包括样品NS1的孔径分布的一个图。如所展示的，NS1样品表现了一个双峰的孔径分布，具有在310微米处代表平均小孔径的最大值以及另一个在4.61mm处代表平均大孔径的不同的最大值。
此处披露的这些方法和磨料物品代表了与现有技术的偏离。此处的磨料物品可以利用多种特征的组合，这些特征包括多个磨料部分，这些磨料部分具有某些利用了磨料颗粒和基体材料的磨料部分，用于形成具有特殊的直径与厚度的长径比的磨料结构。此外，此处的实施方案的磨料物品可以具有受控的孔隙率分布，特别是一个双峰的孔径分布，包括大孔以及小孔，它们被认为至少部分地对改进的性能特征负责。大孔可以通过磨料物品的结构以及气体的释放经由天然成孔的路径形成，而小孔可以经由成孔材料形成，从而有助于控制该孔隙率。此外，这些实施方案的磨料物品可以利用其它特征，如可以包括不同特征的增强构件。
以上披露的主题应当被认为是说明性的、而非限制性的，并且所附权利要求是旨在涵盖落在本发明的真正范围内的所有此类变更、增强以及其他实施方案。因此，在法律所允许的最大程度上，本发明的范围应由对以下权利要求和它们的等效物可容许的最宽解释来确定，并且不应受以上的详细的说明的约束或限制。
披露的摘要是遵循专利权法而提供的，并且按以下理解而提交，即，它将不被用于解释或者限制权利要求书的范围或含义。另外，在附图的以上详细说明中，为了使披露精简而可能将不同的特征集合在一起或者在一个单独的实施方案中描述。本披露不得被解释为反映了一种意图，即，提出要求的实施方案要求的特征多于在每一项权利要求中清楚引述的特征。相反，如以下的权利要求所反映，发明主题可以是针对少于任何披露的实施方案的全部特征。因此，以下的权利要求被结合在附图的详细说明之中，而每一项权利要求自身独立地限定了分别提出权利要求的主题。

Claims (104)

1.一种研磨工具，包括：
一个本体，该本体包括：
一个磨料部分，该磨料部分具有包含在一种基体材料中的磨料颗粒以及孔隙率，该孔隙率的特征在于一个双峰的孔分布，该双峰的孔分布包括具有平均大孔径(P1)的大孔以及具有平均小孔径(Ps)的小孔，其中P1＞Ps；
一个包含在该磨料部分内的第一增强构件；以及
一个在25℃至450℃的温度范围内不大于约0.7％的热膨胀百分比。
2.如权利要求1所述的研磨工具，其中该热膨胀百分比是不大于约0.65％。
3.如权利要求2所述的研磨工具，其中该热膨胀百分比是不大于约0.6％。
4.如权利要求3所述的研磨工具，其中该热膨胀百分比是不大于约0.55％。
5.如权利要求1和2中的任一项所述的研磨工具，其中该热膨胀百分比是在约0.3％与约0.7％之间的范围内。
6.如权利要求5所述的研磨工具，其中该热膨胀百分比是在约0.3％与约0.65％之间的范围内。
7.如权利要求1、2、和5中的任一项所述的研磨工具，进一步包括在该平均大孔径(P1)与平均小孔径(Ps)之间的差值百分比是基于等式((P1-Ps)/P1)×100)为至少25％，其中P1＞Ps。
8.如权利要求7所述的研磨工具，其中在该平均大孔径与平均小孔径之间的差值百分比是至少约30％。
9.如权利要求8所述的研磨工具，其中在该平均大孔径与平均小孔径之间的差值百分比是至少约50％。
10.如权利要求9所述的研磨工具，其中在该平均大孔径与平均小孔径之间的差值百分比是至少约75％。
11.如权利要求10所述的研磨工具，其中在该平均大孔径与平均小孔径之间的差值百分比是至少约90％。
12.如权利要求7所述的研磨工具，其中在该平均大孔径与平均小孔径之间的差值百分比是在约75％与约99％之间的范围内。
13.如权利要求12所述的研磨工具，其中在该平均大孔径与平均小孔径之间的差值百分比是在约90％与约99％之间的范围内。
14.如权利要求1、2、5、和7中的任一项所述的研磨工具，其中在该平均大孔径与平均小孔径之间的差值是至少一个数量级。
15.如权利要求14所述的研磨工具，其中在该平均大孔径与平均小孔径之间的差值是在约1个数量级与3个数量级之间的范围内。
16.如权利要求1、2、5、7、和14中的任一项所述的研磨工具，其中这些小孔具有不大于约0.70mm的平均小孔径(Ps)。
17.如权利要求16所述的研磨工具，其中这些小孔具有不大于约0.65mm的平均小孔径(Ps)。
18.如权利要求17所述的研磨工具，其中这些小孔具有不大于约0.60mm的平均小孔径(Ps)。
19.如权利要求1、2、5、7、14、和16中的任一项所述的研磨工具，其中这些小孔具有在约0.01mm与约0.70mm之间的范围内的平均小孔径(Ps)。
20.如权利要求19所述的研磨工具，其中这些小孔具有在约0.01mm与约0.65mm之间的范围内的平均小孔径(Ps)。
21.如权利要求20所述的研磨工具，其中这些小孔具有在约0.01mm与约0.60mm之间的范围内的平均小孔径(Ps)。
22.如权利要求1、2、5、7、14、16、和19中的任一项所述的研磨工具，其中这些大孔具有至少约0.75mm的平均大孔径(Ps)。
23.如权利要求22所述的研磨工具，其中这些大孔具有至少约0.80mm的平均大孔径(P1)。
24.如权利要求23所述的研磨工具，其中这些大孔具有至少约0.90mm的平均大孔径(P1)。
25.如权利要求24所述的研磨工具，其中这些大孔具有至少约1mm的平均大孔径(P1)。
26.如权利要求22所述的研磨工具，其中这些大孔具有在约0.75mm与约10mm之间的范围内的平均大孔径(P1)。
27.如权利要求26所述的研磨工具，其中这些大孔具有在约0.75mm与约8mm之间的范围内的平均大孔径(P1)。
28.如权利要求27所述的研磨工具，其中这些大孔具有在约0.8mm与约5mm之间的范围内的平均大孔径(P1)。
29.如权利要求1、2、5、7、14、16、19、和22中的任一项所述的研磨工具，其中该本体具有被定义为直径与厚度之间的比率的为至少约10∶1的长径比。
30.如权利要求29所述的研磨工具，其中该长径比是至少约20∶1。
31.如权利要求30所述的研磨工具，其中该长径比是在约10∶1与约100∶1之间的范围内。
32.一种研磨工具，包括：
一个本体，该本体包括：
一个磨料部分，该磨料部分具有包含在一种基体材料中的磨料颗粒以及孔隙率，该孔隙率的特征在于一个双峰的孔径分布，该双峰的孔径分布包括具有平均大孔径(P1)的大孔以及具有平均小孔径(Ps)的小孔，其中P1＞Ps；
一个包含在该磨料部分内的第一增强构件；并且
其中该本体具有被定义为直径与厚度之间的比率的为至少约10∶1的长径比。
33.如权利要求32所述的研磨工具，其中这些小孔具有不大于约0.70mm的平均小孔径(Ps)。
34.如权利要求33所述的研磨工具，其中至少约80％的这些小孔具有在约0.01mm与约0.70mm之间的范围内的孔径。
35.如权利要求34所述的研磨工具，其中至少约90％的这些小孔具有在约0.01mm与约0.70mm之间的范围内的孔径。
36.如权利要求35所述的研磨工具，其中至少约95％的这些小孔具有在约0.01mm与约0.70mm之间的范围内的孔径。
37.如权利要求36所述的研磨工具，其中基本上所有的这些小孔具有在约0.01mm与约0.70mm之间的范围内的孔径。
38.如权利要求32、和33中的任一项所述的研磨工具，其中这些大孔具有至少约0.75mm的平均大孔径(P1)。
39.如权利要求38所述的研磨工具，其中至少约80％的这些大孔具有在约0.75mm与约10mm之间的范围内的孔径。
40.如权利要求39所述的研磨工具，其中至少约90％的这些大孔具有在约0.75mm与约10mm之间的范围内的孔径。
41.如权利要求40所述的研磨工具，其中至少约95％的这些大孔具有在约0.75mm与约10mm之间的范围内的孔径。
42.如权利要求41所述的研磨工具，其中基本上所有的这些大孔具有在约0.75mm与约10mm之间的范围内的孔径。
43.如权利要求32、33、和38中的任一项所述的研磨工具，其中大多数的这些小孔具有圆形的截面形状。
44.根据权利要求43所述的研磨工具，其中基本上所有的这些小孔具有圆形的截面形状。
45.一种研磨工具，包括：
一个本体，该本体包括：
一个磨料部分，该磨料部分具有包含在一种基体材料中的磨料颗粒以及孔隙率，其中该磨料部分包括一个双峰的孔分布，该双峰的孔分布包括具有平均大孔径(P1)的大孔以及具有平均小孔径(Ps)的小孔，其中P1＞Ps，并且其中该基体材料包括至少约60vol％的有机材料；以及
一个包含在该磨料部分内的第一增强构件。
46.如权利要求45所述的研磨工具，其中该本体包括一个圆柱形的形状。
47.如权利要求45和46中的任一项所述的研磨工具，其中该本体包括至少约45cm的外径。
48.如权利要求45、46、和47中的任一项所述的研磨工具，其中该本体包括不大于约3cm的平均厚度。
49.如权利要求48所述的研磨工具，其中该平均厚度在约0.5cm与约2cm之间的范围内。
50.如权利要求45、46、47、和48中的任一项所述的研磨工具，其中该本体包括一个楔形区域，该楔形区域围绕该本体的外周的一部分环圆周地延伸。
51.如权利要求50所述的研磨工具，其中该楔形区域贯穿该本体的整个圆周而延伸。
52.如权利要求50所述的研磨工具，其中该楔形区域从该本体的一个平坦区域径向延伸。
53.如权利要求52所述的研磨工具，其中该本体的楔形区域包括的平均厚度大于该本体的平坦区域的平均厚度。
54.如权利要求45、46、47、48、和50中的任一项所述的研磨工具，其中该本体包括穿过该本体的厚度延伸的一个中央开口。
55.如权利要求45、46、47、48、50、和54中的任一项所述的研磨工具，其中该基体材料包括一种有机材料。
56.如权利要求55所述的研磨工具，其中该基体材料包括选自以下材料的组的一种材料，该材料的组由以下各项组成：天然的有机物质、合成的有机物质、以及它们的一种组合。
57.如权利要求56所述的研磨工具，其中该基体材料包括一种树脂。
58.如权利要求45、46、47、48、50、54、和55中的任一项所述的研磨工具，其中该基体材料包括一种选自下组的树脂材料，该组由以下各项组成：聚酰亚胺类、聚酯类、聚苯并咪唑类、聚氨酯类、虫胶类、酚醛树脂类、环氧树脂类、氰酸酯类、以及它们的一种组合。
59.如权利要求45、46、47、48、50、54、55、和58中的任一项所述的研磨工具，其中该磨料部分包括占该磨料部分的总体积至少约30vol％的基体材料。
60.如权利要求59所述的研磨工具，其中该磨料部分包括占该磨料部分的总体积至少约40vol％的基体材料。
61.如权利要求60所述的研磨工具，其中该磨料部分包括占该磨料部分的总体积至少约42vol％的基体材料。
62.如权利要求59所述的研磨工具，其中该磨料部分包括占该磨料部分的总体积约30vol％与约56vol％之间的基体材料。
63.如权利要求62所述的研磨工具，其中该磨料部分包括占该磨料部分的总体积约30vol％与约50vol％之间的基体材料。
64.如权利要求63所述的研磨工具，其中该磨料部分包括占该磨料部分的总体积约40vol％与约48vol％之间的基体材料。
65.如权利要求45、46、47、48、50、54、55、58、和59中的任一项所述的研磨工具，其中该基体材料包括占该基体材料的总体积的至少约65vol％的有机材料。
66.如权利要求65所述的研磨工具，其中该基体材料包括占该基体材料的总体积至少约70vol％的有机材料。
67.如权利要求45、46、47、48、50、54、55、58、59、和64中的任一项所述的研磨工具，其中该基体材料包括占该基体材料的总体积的约60vol％与约85vol％之间的有机材料。
68.如权利要求67所述的研磨工具，其中该基体材料包括占该基体材料的总体积约65vol％与约80vol％之间的有机材料。
69.一种研磨工具，包括：
一个本体，该本体包括：
一个磨料部分，该磨料部分包括包含在一种基体材料中的磨料颗粒、大孔以及小孔，其中这些大孔具有平均大孔径(P1)并且这些小孔具有平均小孔径(Ps)，并且在该平均大孔径(P1)与平均小孔径(Ps)之间的差值百分比是基于等式((P1-Ps)/P1)×100)为至少25％，其中P1＞Ps；
一个包含在该磨料部分内的第一增强构件；以及
一个超过常规的研磨工具至少约15％的G比率增大百分比，其中该增大百分比是基于等式((GN-GC)/GC)×100)，其中GN代表具有大孔以及小孔的研磨工具的G比率，并且GC代表一种常规的研磨工具的G比率。
70.如权利要求69所述的研磨工具，其中该G比率增大百分比是至少约20％。
71.如权利要求70所述的研磨工具，其中该G比率增大百分比是至少约25％。
72.如权利要求71所述的研磨工具，其中该G比率增大百分比是至少约30％。
73.如权利要求72所述的研磨工具，其中该G比率增大百分比是至少约35％。
74.如权利要求69所述的研磨工具，其中该G比率增大百分比是在约15％与约200％之间的范围内。
75.如权利要求74所述的研磨工具，其中该G比率增大百分比是在约15％与约150％之间的范围内。
76.如权利要求75所述的研磨工具，其中该G比率增大百分比是在约15％与约100％之间的范围内。
77.如权利要求69和70中的任一项所述的研磨工具，其中这些磨料颗粒包括一种无机材料。
78.如权利要求77所述的研磨工具，其中这些磨料颗粒包括选自以下材料的组的一种材料，该材料的组由以下各项组成：氧化物类、碳化物类、硼化物类、氮化物类、以及它们的组合。
79.如权利要求78所述的研磨工具，其中这些磨料颗粒主要由氧化物构成。
80.如权利要求78所述的研磨工具，其中这些磨料颗粒包含选自以下氧化物的组的一种氧化物材料，该氧化物的组由以下各项组成：氧化铝、氧化锆、硅石、以及它们的组合。
81.如权利要求69、70、和77中的任一项所述的研磨工具，其中这些磨料颗粒由超级磨料材料组成。
82.如权利要求81所述的研磨工具，其中这些超级磨料颗粒包含选自下组的一种材料，该组由以下各项组成：金刚石、立方氮化硼、以及它们的组合。
83.如权利要求81所述的研磨工具，其中这些磨料颗粒主要由金刚石构成。
84.如权利要求69、70、77、和81中的任一项所述的研磨工具，其中该第一增强构件是一种纺织的构件。
85.如权利要求84所述的研磨工具，其中该第一增强构件包括一种有机材料。
86.如权利要求85所述的研磨工具，其中该第一增强构件包括：聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯、芳族聚酰胺、以及它们的组合。
87.如权利要求69、70、77、81、和84中的任一项所述的研磨工具，其中该第一增强构件包括一种无机材料。
88.如权利要求87所述的研磨工具，其中该第一增强构件包括选自以下材料的组的一种无机材料，该材料的组由以下各项组成：陶瓷材料、玻璃材料、玻璃陶瓷材料、以及它们的组合。
89.如权利要求88所述的研磨工具，其中该第一增强构件包括一种玻璃纤维。
90.如权利要求89所述的研磨工具，其中该第一增强构件包括酚醛树脂涂覆的玻璃纤维。
91.如权利要求69、70、77、81、84、和87中的任一项所述的研磨工具，其中该第一增强构件穿过该本体的整个直径而延伸。
92.如权利要求91所述的研磨工具，其中该第一增强构件是一种包括一个第一主表面以及一个第二主表面的平面构件，并且其中该磨料部分覆盖在该第一主表面上。
93.如权利要求92所述的研磨工具，其中该磨料部分覆盖在该第二主表面上。
94.如权利要求92所述的研磨工具，其中该磨料部分是与该第一主表面以及第二主表面直接接触的。
95.如权利要求92所述的研磨工具，其中该磨料部分基本上覆盖了该整个第一主表面以及第二主表面。
96.如权利要求69、70、77、81、84、87、和91中的任一项所述的研磨工具，其中该本体包括一个平均厚度，并且至少约3％的平均厚度包括该第一增强构件。
97.如权利要求69、70、77、81、84、87、91、和96中的任一项所述的研磨工具，其中该本体进一步包括在该磨料部分内的一个第二增强构件。
98.如权利要求97所述的研磨工具，其中该第一增强构件以及第二增强构件是彼此间隔开的。
99.如权利要求98所述的研磨工具，其中该磨料部分的一部分是布置在该第一增强构件与该第二增强构件之间的。
100.如权利要求69、70、77、81、84、87、91、96、和97中的任一项所述的研磨工具，其中该磨料部分包括占该磨料部分的总体积至少约40vol％的磨料颗粒。
101.如权利要求100所述的研磨工具，其中该磨料部分包括占该磨料部分的总体积至少约44vol％的磨料颗粒。
102.如权利要求100所述的研磨工具，其中该磨料部分包括占该磨料部分的总体积约40vol％与约60vol％之间的磨料颗粒。
103.如权利要求102所述的研磨工具，其中该磨料部分包括占该磨料部分的总体积约40vol％与约54vol％之间的磨料颗粒。
104.如权利要求103所述的研磨工具，其中该磨料部分包括占该磨料部分的总体积约42vol％与约50vol％之间的磨料颗粒。
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