CN102639296B - 粘结的磨料物品及形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种磨料物品，包括一个磨料本体，该磨料本体具有多个包含微晶氧化铝的磨料颗粒，这些磨料颗粒被包含在一种粘结材料中，其中该粘结材料具有至少约15mol%的氧化铝总含量。
Description
技术领域
以下内容是针对粘结的磨料并且具体地是结合了微晶氧化铝磨料颗粒的粘结的磨料物品。
背景技术
研磨工具一般被形成为具有包含在一种粘结剂材料内的磨料颗粒用于材料去除的应用。超级磨料颗粒（例如，金刚石或立方氮化硼（CBN））或加晶种的（或甚至未加晶种的）烧结溶胶凝胶氧化铝磨料颗粒，还被称为微晶α-氧化铝（MCA）磨料颗粒，可以用于这类研磨工具中并且已知其在多种材料上提供了优秀的研磨性能。该粘结剂材料可以是有机材料，如树脂，或一种无机材料，如玻璃或玻璃化的材料。具体的说，使用了一种玻璃化的粘结剂材料且包含了MCA颗粒或超级磨料颗粒的粘结的研磨工具商业上用于对精密的金属零件和其他要求一致且改进的研磨性能的工业部件进行研磨。
某些粘结的研磨工具，特别是使用了玻璃化的粘结剂材料的那些，要求高温成形工艺，这会对这些磨料颗粒产生不利的影响。事实上，已经认识到，在形成研磨工具必要的这种升高的温度下，该粘结剂材料可以与这些磨料颗粒（具体地MCA颗粒）发生反应，从而损害磨料的完整性，并且降低颗粒的锐度和性能特性。其结果是，业界已经转向于降低形成该粘结剂材料必要的形成温度，以便将抑制这些磨料颗粒在形成过程中的高温降解。
例如，为了减少MCA颗粒与玻璃化的粘结剂之间的反应量，美国专利号4,543,107披露了适用于在低至约900℃的温度下进行烧制的一种粘结剂组分。在一种替代途径中，美国专利号4,898,597披露了一种包含至少40%的玻璃料材料的、适用于在低烧制温度的玻璃质粘结剂。使用了能够在低于1100℃并且事实上低于1000℃的温度下成形的粘结剂材料的其他这类粘结的磨料物品，包括美国专利号5,203,886、美国专利号5,401,284、美国专利号5,536,283、以及美国专利号6,702,867。然而，业界继续要求这类粘结的磨料物品的改进的性能。
发明内容
根据一个方面，一种磨料物品包括一个磨料本体，该磨料本体具有多个包含微晶氧化铝的磨料颗粒，这些磨料颗粒被包含在一种粘结材料中，其中该粘结材料具有至少约15mol%的氧化铝总含量。
根据另一个方面，一种磨料物品包括一个磨料本体，该磨料本体具有多个由微晶氧化铝制成的磨料颗粒，这些磨料颗粒被包含在一种玻璃质粘结材料中，其中该玻璃质粘结材料包括以mol%计至少约15mol%的氧化铝总含量[CAl2O3]。该玻璃质粘结材料进一步包括以mol%计的硅石总含量[CSiO2]，该玻璃质粘结材料具有至少约0.2的[CAl2O3]/[CSiO2]比率。
在另一个方面，一种磨料物品包括一个磨料本体，该磨料本体具有多个由微晶氧化铝制成的磨料颗粒，这些磨料颗粒被包含在一个玻璃质粘结材料中，其中该玻璃质粘结材料包括至少约15mol%的氧化铝总含量[CAl2O3]，不超过约70mol%的硅石总含量[CSiO2]，不超过约15mol%的选自下组的碱金属氧化物化合物的总含量[Caoc]，该碱金属化合物组由氧化钾（K2O）、氧化钠（Na2O）和氧化锂（Li2O）组成。
根据仍另一个方面，一种磨料物品包括一个磨料本体，该磨料本体具有包括微晶氧化铝的多个磨料颗粒，这些磨料颗粒被包含在一种玻璃质粘结材料中，其中该玻璃质粘结材料包括不大于约1.0wt%的一个颗粒溶解度因子。
根据仍另一个方面，一种磨料物品包括一个磨料本体，该磨料本体具有包括微晶氧化铝的多个磨料颗粒，这些磨料颗粒被包含在一种玻璃质粘结材料中，其中该玻璃质粘结材料是由一种粉末粘结材料形成的，该粉末粘结材料具有足够量的氧化铝以便将这些磨料颗粒的溶解度降低不超过约15.0mol%，该溶解度是通过在该粉末粘结材料的氧化铝含量[PBMAl2O3]与该玻璃质粘结材料的总氧化铝含量[VBMAl2O3]之间的总氧化铝含量变化[ΔAl2O3]测量的、根据公式[ΔAl2O3]=[VBMAl2O3-PBMAl2O3]/[PBMAl2O3]计算的。
根据一个方面，一种形成磨料物品的方法包括将包括微晶氧化铝的磨料颗粒与粘结材料粉末混合，其中该粘结材料粉末包括至少约15mol%的氧化铝，并且将该混合物成形为一种生坯物品。该方法进一步包括加热该生坯物品到至少约800℃的一个烧制温度，以形成一种具有被包含在玻璃质粘结材料中的多个磨料颗粒的磨料物品。
附图说明
通过参见附图可以更好地理解本发明，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包括一个流程图，展示了根据一个实施方案来形成磨料物品的一种方法；
图2包括对于根据一个实施方案形成的样品以及常规样品，功率消耗相对于研磨周期数目的曲线图；
图3包括对于根据一个实施方案形成的样品以及常规样品，直度相对于研磨周期数目的曲线图。
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
以下内容总体上是针对一种磨料物品，并且具体地一种使用了被包含在粘结剂材料内的磨料颗粒的一种粘结的磨料物品。此类磨料物品在材料的去除应用中是有用的，如在不同行业中用于对工件进行精加工和/或研磨的那些。这些磨料物品的形状和尺寸可以被确定为制造不同的精加工工具，如轮、锥形件、杯状的物品、珩磨石、和/或石材。
图1包括一个流程图，展示了根据一个实施方案来形成磨料物品的一种方法。如所展示的，该方法在步骤101通过将磨料颗粒与一种粘结剂材料粉末进行混合而开始。根据一个实施方案，这些磨料颗粒可以包括一种无机材料，如一种氧化物。更具体地，这些磨料颗粒可以包括微晶氧化铝（MCA）颗粒。
这些MCA或溶胶凝胶氧化铝颗粒优选地通过一种加晶种的亦或未加晶种的溶胶-凝胶法来生产。如在此使用的，术语“溶胶凝胶氧化铝砂砾”是通过以下方法制造的氧化铝砂砾，包括将一种氧化铝一水合物的溶胶进行胶溶以便形成一种凝胶，将该凝胶进行干燥和烧制以便将其进行烧结，并且然后将该烧结的凝胶进行破碎、筛分、并且确定大小以便形成由α-氧化铝微晶（例如，至少约95%的氧化铝）制成的聚晶颗粒。除了这些α氧化铝微晶之外，该初始的溶胶可以进一步包括按重量计高达15%的尖晶石、莫来石、二氧化锰、二氧化钛、氧化镁、稀土金属的氧化物、氧化锆粉末或者氧化锆前体（它们可以按更大的量值来添加，例如40wt%或更多）或者其他相容的添加剂或其前体。这些添加剂经常被包括以便改性以下特性，如断裂韧性、硬度、脆性、断裂力学、以及干燥行为。烧结的溶胶凝胶α-氧化铝颗粒的制备在别处进行了更详细地说明。此类制备的细节可以在例如美国专利号4,623,364、4,314,827、以及5,863,308中找到，其内容通过引用结合在此。
术语MCA颗粒被定义为包括任何含至少60%的、具有至少95%的理论密度以及在500克下至少18GPa的维氏硬度（500克）α氧化铝微晶的颗粒。这种烧结的溶胶凝胶α氧化铝颗粒可以包含不同于分散在这些α氧化铝微晶之间的α氧化铝的材料片晶。总体上，这些α氧化铝颗粒以及这些片晶是亚微米级的，当它们以这种形式制造的话。MCA磨料颗粒制备和在本发明中有用的MCA磨料颗粒类型的另外细节可以在引用了在美国专利号4,623,364和4,314,827中披露的基本技术的众多其他专利和公开物的任何一个中找到。
用于在这些磨料颗粒中使用的微晶氧化铝可以具有小于1微米的平均微晶粒大小。事实上，在某些情况下，该微晶氧化铝具有的平均微晶粒大小可以是小于约0.5微米，并且特别地在约0.1与约0.2微米之间的范围内。
另外，将认识到，在此的多个实施方案的这些粘结的磨料物品可以使用一定含量的二次磨料颗粒。当使用二次磨料颗粒时，此类磨料颗粒可以提供该工具的总的磨料颗粒的从约0.1vol%到约97vol%并且优选的从约30vol%到约70vol%。这些可以使用的二次磨料颗粒包括但不限于：氧化铝、碳化硅、立方氮化硼、金刚石、燧石、以及石榴石颗粒、和它们的组合。这样，在此某些磨料物品可以使用磨料颗粒的混合物，使得该磨料物品包括由MCA制成的第一部分的磨料颗粒以及选自下材料组的第二部分的磨料颗粒，该组由以下各项组成：超级磨料颗粒、单晶氧化铝、以及它们的一种组合。
关于粘结剂材料粉末，可以使用无机材料，并且具体地有助于形成一种具有玻璃质粘结剂的最终形成的磨料物品的无机材料。即，这种最终形成的粘结的磨料物品可以具有一种玻璃质粘结剂，这种玻璃质粘结剂具有一定含量的非晶相。具体地说，在此的实施方案的最终形成的粘结的磨料物品可以具有一种实质上由非晶相组成的粘结剂材料。
在具体的情况下，该粘结剂材料粉末可以包括无机材料，如氧化物。值得注意地是，该粘结剂材料粉末可以包括一种适合于形成该最终形成的玻璃质粘结剂材料的玻璃料材料。一种玻璃料材料可以包括由一种玻璃形成的粉末材料，它是通过首先烧制到一个升高的温度（例如，1000℃或更高）、冷却、压碎、和确定尺寸以便产生一种成粉末的材料（“玻璃料”）而形成的。然后可以将该玻璃料在刚好低于用于由原材料（如硅石和粘土）制造该玻璃的初始烧制温度下的一个温度下熔化。
以下这些段落指出了某些成分以及某些组成，这些可以用于该粘结剂材料粉末之中、否则可以用于黏性组分的初始混合物。将会理解的是，在此提及了在形成该混合物中某些组分的某个量值，不一定会在磨料物品中形成具有初始粘结材料粉末的精确相同的组成的一种最终的玻璃质粘结材料。具体而言，在最终玻璃质粘结材料中存在的某个氧化物化合物的量可能与在初始粘结材料粉末中存在的同种氧化物化合物的的量不同，而其他氧化物组分的量可能基本保持不变。
在此的实施方案可以使用一种具有玻璃料材料的粘结剂材料粉末。该玻璃料材料可以由多种氧化物形成，如硅石、碱金属氧化合物、碱土金属氧化合物、以及它们的组合。该玻璃料材料有助于适当形成该最终形成的粘结的磨料中的一种玻璃化的粘结剂材料。该玻璃料材料能够以高达该粘结材料的100%的量来提供，这样使得该粘结材料粉末仅包括该玻璃料材料，然而，在具体情况下，该粘结材料粉末可以包括在该粘结材料粉末的总重量的约10wt%与约60wt%之间的玻璃料材料。
根据一个实施方案，该粘结剂材料粉末可以包括某一含量的硅石（SiO2）。例如，在此的实施方案可以使用一种由至少约35mol%的硅石形成的粘结剂材料粉末。在其他实施方案中，硅石的量值可以更大，如至少约40mol%、如至少约45mol%、并且具体地处于约35mol%与约60mol%之间范围内的硅石，如约40mol%与约55mol%之间。
该玻璃料材料还可以包含特别的材料含量，包括例如氧化铝（aluminumoxide）（即氧化铝（alumina））。提供一种具有特别的氧化铝含量的玻璃料材料可能有助于在热处理过程中形成一个第一液相，该第一液相富含氧化铝，这可能会限制这些磨料颗粒通过该第一液相的溶解。在该玻璃料材料中特别适合的氧化铝含量可以包括该玻璃料材料总摩尔数的至少约20mol%、如至少约25mol%、至少约30mol%、至少约40mol%、或甚至至少约50mol%。此外，氧化铝的总量可以被限制在例如在约20mol%与约75mol%之间的范围内，如在约20mol%与约65mol%之间、或甚至在约20mol%与约50mol%之间。
另外，这种最终形成的粘结剂材料可以由具有一定含量的碱金属氧化合物的粘结剂材料粉末形成。碱金属氧化合物是使用了如在周期表中第1A族元素表示的碱金属种类的氧化合物和/或络合物，如氧化锂（Li2O）、氧化钾（K2O）、氧化钠（Na2O）、氧化铯（Cs2O）、以及它们的一种组合。
根据一个实施方案，该粘结剂材料粉末可以由不大于约18mol%的总碱金属氧化合物形成。在其他情况下，该粘结材料粉末是由较少的碱金属氧化物化合物形成的，如在粘结材料粉末的总摩尔量的不超过约16mol%、不超过约15mol%、不超过约12mol%、不超过约10mol%、或甚至不超过约8.0mol%的数量级上。在此的特定实施方案可以形成一种粘结材料粉末，该粘结材料粉末具有的碱金属氧化物化合物总含量在约2.0mol%与约18mol%之间、如在约5.0mol%与约16mol%之间、在约8.0mol%与约15mol%之间、且甚至在约8.0mol%与约12mol%之间的范围内。
该粘结剂材料粉末可以含有一个特别低含量的氧化锂，这在某些低温粘结剂组分中可能是更普遍的。例如，在某些实施方案中，该粘结材料粉末可以由在粘结材料粉末的总摩尔量中低于8.0mol%的氧化锂形成，如低于约6.0mol%氧化锂、低于约5.0mol%氧化锂、且甚至低于约4.0mol%氧化锂。具体实施方案可以利用在约1.0mol%与约8.0mol%之间、如在约2.0mol%与约6.0mol%之间、或甚至在约3.0mol%与约6.0mol%之间的范围内的氧化锂的量。
该粘结材料粉末可以由特定含量的氧化钾形成，该含量可以小于以mol%测量的、任何其他碱金属氧化物材料的含量。实际上，某些粘结材料粉末组合物可以包含该粘结材料粉末的总摩尔量的不超过约6.0mol%、如在不超过约5.0mol%、不超过约4.0mol%、或甚至不超过约3.0mol%的数量级上。然而，该粘结材料粉末可以由在约0.01mol%与约6.0mol%之间、如在约0.1mol%与约5.0mol%之间、且甚至在约0.2mol%与约5.0mol%之间的范围内的氧化钾的量来形成。
该粘结剂材料粉末可以由一种特定含量的氧化钠形成。值得注意的是，氧化钠的量可以大于任何其他单独的碱金属氧化物化合物的量，如氧化钾或氧化锂。在某些粘结材料粉末组合物中，氧化钠的量是至少大于氧化钾或氧化锂的量的2倍。其他的粘结材料粉末组合物可以具有多于氧化钾或氧化锂至少约3倍、至少4倍、且具体是在约2倍和约5倍之间的量的氧化钠。
对于某些实施方案，该粘结材料粉末可以由该粘结材料粉末的总摩尔量的至少约6.0mol%的氧化钠形成。在其他情况下，该粘结材料粉末可以由至少约8.0mol%、至少约10mol%、至少约12mol%、或甚至至少约14mol%的氧化钠组成。某些粘结材料粉末包含在约6.0mol%与约18mol%之间、如在约8.0mol%与约16mol%之间、如在约10mol%与约15mol%之间的范围内的氧化钠的量。
该最终的玻璃质粘结剂材料可以由一种粘结剂材料粉末形成，它是由一定含量的碱土金属氧化合物形成的。碱土金属氧化合物是结合了自元素周期表中第2A族中存在的碱土金属元素的二价种类的氧化合物以及络合物。即，例如，适合的碱土金属氧化合物可以包括氧化镁（MgO）、氧化钙（CaO）、氧化锶（(SrO）、氧化钡（BaO）、以及它们是组合。
根据一个实施方案，所使用的粘结材料粉末可以由不多于该粘结材料粉末的总摩尔量的约15mol%的总碱土氧化物化合物形成。在其他情况下，该碱土氧化物化合物的含量是更少地，如在不大于约12mol%、不大于约10mol%、不大于约8.0mol%、不大于约6.0mol%、不大于约5.0mol%、或甚至不大于约4.0mol%的数量级上。在此的特定实施方案可以采用在约0.05mol%与约15mol%之间、如在约0.1mol%与约12mol%之间、在约0.1mol%与约10mol%之间、在约0.1mol%与约8.0mol%之间、且甚至在约0.5mol%与约5.0mol%之间的范围内的碱土氧化物化合物总含量。
对于某些粘结材料粉末组合物而言，在这些碱土金属氧化合物之中，氧化镁可以按与其他碱土金属氧化物化合物相比最大的含量来存在。例如，在该粘结材料粉末中的氧化镁的充分的量可以包括该粘结材料粉末的总摩尔量的至少约0.5mol%，如至少约1.0mol%、至少约1.5mol%的氧化镁，并且具体是在该粘结材料粉末的总摩尔量的约0.5mol%与约5.0mol%之间、或在约0.5mol%与约3.0mol%之间。此外，某些粘结材料粉末组合物可以是基本上不含氧化镁的。
该粘结剂材料粉末可以包括一定含量的氧化钙。具体而言，氧化钙的含量可以少于氧化镁的含量，但是并非对于所有的粘结材料粉末组合物都是必然如此。例如，在此的实施方案可以使用由该粘结材料粉末的总摩尔量的不大于约5.0mol%，如不大于约3.0mol%、不大于约2.0mol%、或者甚至不大于约1.0mol%的氧化钙形成的粘结剂材料粉末。粘结剂材料粉末的特殊混合物可以由在约0.01mol%与约5.0mol%之间的氧化钙形成，如在约0.05mol%与约3.0mol%之间并且甚至在约0.05mol%与约1.0mol%之间。在一些情况下，该粘结剂材料粉末可以基本上不含氧化钙。
该粘结剂材料粉末内氧化钡的量值会受到限制，并且具体地是小于氧化镁和/或氧化钙的含量。例如，在此的实施方案可以使用由该粘结材料粉末的总摩尔量的不大于约5.0mol%，如不大于约3.0mol%、不大于约2.0mol%、或者甚至不大于约1.0mol%的氧化钡形成的粘结剂材料粉末。值得注意地是，粘结剂材料粉末可以由在约0.01mol%与约5.0mol%之间的氧化钡形成，如在约0.05mol%与约3.0mol%之间、并且甚至在约0.05mol%与约1.0mol%之间。在一些情况下，该粘结剂材料粉末可以基本上不含氧化钡。
根据在此的实施方案，该最终的玻璃质粘结剂材料可以由一种粘结剂材料粉末形成，该粉末可以形成为具有一个特定含量的氧化铝（Al2O3）。值得注意的是，该粘结材料粉末可以由特别高含量的氧化铝组成，以便在形成过程中将该粘结材料饱和并且由该粘结材料降低颗粒溶解的热力学潜势。例如，在此的实施方案可以采用由至少约14mol%、如至少约14.5mol%、至少约15mol%、至少约15.5mol%、至少16mol%、至少约16.5mol%、至少约17mol%、至少约18mol%、至少约19mol%、或甚至至少约20mol%的量的氧化铝形成的一种粘结材料粉末。然而，氧化铝的量可以进行限制，如该粘结材料粉末组合物包含在约14mol%与约30mol%之间、在约14mol%与约25mol%之间、在约14mol%与约23mol%之间、在约14mol%与约20mol%之间、在约14mol%与约19mol%之间、在约14mol%与约18mol%之间、在约15mol%与约18mol%之间、或甚至在约16mol%与约18mol%之间的氧化铝。
除了以上提及的这些氧化物种类之外，该最终的玻璃质粘结剂可以由一种具有特定氧化磷（P2O5）含量的粘结剂材料粉末形成，这与某些低温粘结剂组分相比可以是一个特别小的量值。例如，该粘结剂材料粉末可以由小于1.0mol%的氧化磷形成。在其他实施方案中，该粘结剂材料粉末可以由小于约0.5mol%的氧化磷形成。在具体的例子中，该粘结剂材料粉末可以形成为使得它是基本上不含氧化磷的。
另外，该粘结剂材料粉末可以由特定含量的氧化硼（B2O3）形成。例如，该粘结剂材料粉末可以由至少约5.0mol%、至少约8.0mol%、至少约10mol%、至少约12mol%、或甚至至少约15mol%的氧化硼形成。在某些情况下，该粘结剂材料粉末可以由在约5.0mol%与约25mol%之间、如在约5.0mol%与约20mol%之间、在约10mol%与约20mol%之间、或甚至在约12mol%与约18mol%之间的氧化硼形成。
除了以上记录的特定物质之外，可以将额外的金属氧化物化合物加入到该化合物中以辅助形成最终的玻璃质粘结材料。一些适合的额外化合物可以包括过渡金属元素氧化物，包括例如但不限于：氧化锌、氧化铁、氧化锰、氧化钛、氧化铬、氧化锆、氧化铋、及其组合。这些额外的金属氧化物化合物中的每一个都可以按很少的量存在，如不超过约5.0mol%、不超过约3.0mol%、或甚至不超过约1.0mol%。
在制造磨料颗粒和粘结剂材料粉末的混合物之后，将认识到的是，可以将其他材料添加到该混合物之中。例如，某些有机化合物可以添加到该混合物之中，如粘合剂以及类似物，以便有助于该物品的形成。根据一个具体的实施方案，该混合物可以包含一定含量的聚乙二醇、动物胶黏剂、糊精、马来酸、胶乳、蜡乳液、PVA、CMC以及其他有机和/或无机的粘合剂。
另外，其他的添加剂也可以提供在该混合物之中以便有助于该最终形成的粘结的磨料物品的形成。例如，一些适当的添加剂可以包括多种成孔物，包括但不限于：空心玻璃球、研磨的核桃壳、塑料材料或有机化合物的小球、泡沫玻璃颗粒以及鼓泡氧化铝（bubblealumina）、长形的颗粒、纤维以及它们的组合。其他类型的填充剂材料可以包括无机材料，如能够为最终形成的磨料物品提供颜色的颜料和/染料。
在步骤101形成该混合物之后，该过程可以通过在步骤103通过将该混合物成形而形成一个生坯物品而继续。提及的一个生坯物品是一种未完成的物品，它可以不是充分热处理的以便完成致密化（即，充分烧结）。根据一个实施方案，成形该混合物的过程可以包括一个压制操作，其中将该混合物压成一个与该预期最终形成的粘结的磨料物品的形状相类似的特殊形状。一个压制操作可以作为一个冷压制操作来进行。适合的压力可以是处于约10与约300吨的范围内。
于在步骤103适当地成形该混合物之后，可以在步骤105通过加热该生坯物品而继续该方法，以形成具有包含在玻璃质粘结材料中的磨料颗粒的一种磨料物品。加热生坯物品的过程可以包括将该生坯物品在炉内加热到至少800℃的烧制温度，以形成该磨料物品。烧制通常是在适当的温度下进行的，以便形成一种玻璃质粘结材料，如在炉的设定点所测量的。在此的实施方案的成形过程可以采用高的烧制温度，如至少约825℃、至少约850℃、至少约875℃、至少约900℃、至少约910℃、至少约950℃、至少约、至少约1000℃、至少约1050℃、至少约1100℃、至少约1150℃、至少约1200℃、至少约1250℃、或甚至至少约1300℃。该烧制温度（用于形成在此的实施方案的粘结的磨料物品）可以是处于约800℃与约1400℃之间的范围内，如处于约800℃与约1300℃之间的范围内，如处于约900℃与约1400℃之间的范围内，如处于约900℃与约1300℃之间的范围内，或甚至约1100℃与约1400℃之间的范围内。
总体上，烧制可以在环境大气中进行，这样就包含了空气。总体上，用于烧制的峰值温度的持续时间可以是至少约1小时，并且具体地在约1小时到10小时之间的范围内。在将该物品充分加热形成一种粘结的磨料物品（该粘结的磨料物品具有包含在一种玻璃质粘结剂材料内的磨料颗粒）之后，将该物品冷却。在此的实施方案可以采用一种自然的和/或受控的冷却过程。
在此的实施方案的粘结的磨料物品可以包括含在一种粘结剂材料内的磨料颗粒，其中该粘结剂材料是一种具有非晶相的玻璃质材料。指出的是，特定含量的某些组分（例如，碱金属氧化合物、硅石、氧化铝、氧化硼、等）在该高温的成形过程中会发生变化，使得该最终形成的粘结的磨料物品具有与该初始混合物内此类组分的含量相比不同含量的此类组分。在此的实施方案的粘结的磨料颗粒被形成为，使得该最终的磨料物品的粘结材料具有特定成分的特定含量，并且具体是一个氧化铝含量以及特定组分的具体比率，以便协助形成该磨料物品。
我们现在提及该最终形成的磨料物品中玻璃质粘结材料的某些方面。如将理解的，该最终形成的磨料物品的粘结材料可以包含显著量的非晶相，这样使得该粘结材料的主要部分包括非晶相。实际上，基本上所有的粘结材料都可以包含非晶相材料，这样使得该粘结材料实质上是由非晶相组成的。另外，应理解的是，该粘结材料可以包含一定量的晶相，然而，这种晶相的量一般是少量的（即，少于该磨料物品的总体积的约50vol%）。
该玻璃质粘结材料可以具有特定量的硅石。根据一个实施方案，该最终形成的粘结材料可以包含不超过该粘结材料中的材料总摩尔量的约70mol%的硅石。其他实施方案可以在最终的玻璃质粘结材料中包含不同量的硅石，如不超过约65mol%、如不超过约60mol%、不超过约55mol%、或甚至不超过约50mol%。另外，在某些实施方案中，该粘结材料可以具有在约30mol%与约70mol%之间、在约35mol%与约65mol%之间、在约35mol%与约60mol%之间、且甚至在约40mol%与约50mol%之间的硅石。
在此的实施方案的最终形成的粘结剂材料可以具有一个特定含量的氧化硼。例如，该最终形成的粘结剂材料可以具有该粘结材料总摩尔量的至少约5.0mol%的氧化硼。在其他情况下，该粘结剂材料可以包含至少约8.0mol%、如至少约10mol%、如至少约15mol%的氧化硼。在某些实施方案中，该粘结剂材料具有的氧化硼含量是处于约5.0mol%与约30mol%之间的范围内，如约10mol%与约25mol%之间、或者甚至约12mol%与约18mol%之间。
最终形成的粘结材料可以展现出用于形成在此的实施方案的高温粘结的磨料物品的、特定量的氧化铝（Al2O3）。例如，在该玻璃质粘结材料中尤其适合的氧化铝总含量可以是至少约15mol%、如至少约15.5mol%、至少约16mol%、至少约16.5mol%、或甚至至少约17mol%。某些磨料物品在该玻璃质粘结材料中可以具有在约15mol%与约25mol%之间、如在约15.5mol%与约22mol%之间、且在约16mol%与约20mol%之间的范围内的氧化铝总含量。
值得注意的是，该玻璃质粘结材料可以具有特别的、氧化铝与该粘结材料中其他物质相比的比率，包括例如但不限于与硅石的比率。该玻璃质粘结材料可以具有以mol%计的氧化铝总含量[CAl2O3]与以mol%计的硅石总含量的[CSiO2]的比率，其中该比率[CAl2O3]/[CSiO2]是至少约0.2。在某些其他的实施方案中，该比率[CAl2O3]/[CSiO2]可以是至少约0.3、如至少约0.35、至少约0.4、至少约0.5、或甚至至少约0.6。在具体的实例中，比率[CAl2O3]/[CSiO2]可以是处于约0.2与约1之间、如约0.3与约0.9之间、如约0.4与约0.8之间、如约0.3与约0.7之间、并且甚至约0.3与约0.6之间的范围内。
而且，该玻璃质粘结材料可以包含氧化铝的量与氧化硼的量之间的一个特别的比率。例如，该玻璃质粘结材料可以具有在以mol%计的氧化铝总含量[CAl2O3]与以mol%计的氧化硼总含量[CB2O3]之间的一个比率，描述为[CAl2O3]/[CB2O3]，它可以处于在约0.2与约2之间的范围内。在其他情况下，比率[CAl2O3]/[CB2O3]可以是处于约0.5与约2之间、如约0.5与约1.5之间、如约0.8与约1.5之间、如约0.8与约1.3之间、并且甚至约0.9与约1.2之间的范围内。
根据在此的某些实施方案，该磨料物品的玻璃质粘结材料可以由一种特别的组合物形成，以便在成形过程中减弱磨料颗粒的溶解。具体而言，该玻璃质粘结材料可以由一种具有足够量氧化铝的粉末粘结材料形成，以降低磨料颗粒向粘结材料中的溶解。溶解程度可以通过在该粉末粘结材料的铝含量[PBMAl2O3]与该玻璃质粘结材料的总铝含量[VBMAl2O3]之间的总铝含量变化[ΔAl2O3]而测量。根据此处的实施方案的某些磨料物品可以具有不超过约15.0mol%的总铝含量变化，如根据公式[ΔAl2O3]＝([VBMAl2O3-PBMAl2O3]/[PBMAl2O3]计算的。在其他实施方案中，总铝含量的变化可以更小，如不超过约12.0mol%、不超过约10.0mol%、不超过约8.0mol%、不超过约6.0mol%、不超过约5.0mol%、不超过约3.0mol%、或甚至不超过约1.0mol%。根据至少一个实施方案，总铝含量的变化时在约0.01mol%与约15.0mol%之间、如在约0.5mol%与约12mol%之间、在约1.0mol%与约12.0mol%之间、在约1.0mol%与约10.0mol%之间、且甚至在约1.0mol%与约8.0mol%之间的范围内。
此处的实施方案的磨料物品具有在该粘结材料中的碱金属氧化物化合物的总含量。即，该最终的粘结剂材料内的碱金属氧化合物[Caoc]的总量值可以是不大于约15mol%。具体而言，碱金属氧化物化合物的总含量可以是不大于约12mol%、不大于约11mol%、不大于约10mol%、不大于约8.0mol%、不大于约6.0mol%、或甚至不大于约5.0mol%。在某些情况下，在此的这些磨料物品被形成为，使得该粘结剂材料具有的碱金属氧化物化合物的总含量是在约1.0mol%与约15mol%之间、如在约1.0mol%与约15mol%之间、在约2.0mol%与约10mol%之间、在约2.0mol%与约8.0mol%之间、或甚至在约2.0mol%与约5.0mol%之间的范围内。
如以上指出的，用于形成该最终的玻璃质粘结材料的粘结材料粉末的初始混合物可以包含特别的量的特定碱金属氧化物化合物，如氧化钠。于是，该磨料物品的玻璃质粘结材料可以具有至少约2.0mol%的氧化钠。在其他粘结材料中，氧化钠的量可以是至少约5.0mol%、至少约6.0mol%、至少约8.0mol%，并且具体是在约2.0mol%与约20mol%之间、在约4.0mol%与约18mol%之间、在至少约6.0mol%与约16mol%之间、在至少约8.0mol%与约15mol%之间的范围内。值得注意的是，在该最终的玻璃质粘结材料中的氧化钠的量可以是大于任何其他的碱金属氧化物化合物，如氧化钾或氧化锂。实际上，某些玻璃质粘结材料可能具有的氧化钠的量大于氧化钾和氧化锂相结合的总含量。
该玻璃质粘结材料可以具有以少量存在的氧化钾。例如，该玻璃质粘结材料可以包括不大于约5.0mol%的氧化钾，如不大于约3.0mol%的氧化钾、不大于约2.5mol%的氧化钾、或甚至不大于约2.0mol%的氧化钾。某些实施方案可以采用在约0.01mol%与约5.0mol%、如在约0.1mol%与约3.0mol%之间的范围内的氧化钾的量。值得注意地是，在一些实施方案中，该磨料物品的最终形成的粘结剂材料可以实质上不含氧化钾。
该玻璃质粘结材料可以具有较低的氧化锂量，特别是低于氧化钠或氧化钾的量。例如，该玻璃质粘结材料可以包括不大于约5.0mol%的氧化锂，如不大于约3.0mol%的氧化锂、不大于约2.5mol%的氧化锂、或甚至不大于约2.0mol%的氧化锂。某些实施方案可以采用在约0.01mol%与约5.0mol%、如在约0.1mol%与约3.0mol%之间的范围内的氧化锂的量。值得注意地是，在一些实施方案中，该磨料物品的最终形成的粘结剂材料可以实质上不含氧化锂。
而且，该玻璃质粘结材料可以包含氧化铝的量与碱金属氧化物化合物的总量之间的一个特别的比率。例如，该玻璃质粘结材料可以具有在以mol%计的氧化铝总含量[CAl2O3]与以mol%计的碱金属氧化物化合物总含量[Caoc]之间的一个比率，描述为[CAl2O3]/[Caoc]，它可以是至少约0.8。在其他实施方案中，该比率的值可以更大，如至少约0.85、至少约0.9、至少约1.0、至少约1.05、或甚至于至少约1.1。具体的实施方案可以采用具有在约0.8与约2.5之间、如在约0.8与约2.2之间、在约0.8与约2.0之间、在约0.9与约1.8之间、在约0.8与约1.5之间、在约0.9与约1.4之间的、在约0.95与约1.35之间、在约1.0与约1.3之间、或甚至在约1.1与约1.25之间范围内的值的一个比率。
另外，该最终形成的粘结剂材料可以包含一定含量的碱土金属氧化合物[Caeoc]。在具体的情况下，该磨料物品可以形成为，使该玻璃质粘结材料能够含有不大于约15mol%、如不大于约12mol%、不大于约10mol%、不大于约8.0mol%、不大于约5.0mol%、或甚至不大于约3.0mol%的数量级的碱土氧化物化合物。根据某些实施方案，该粘结材料可以具有的碱土金属氧化合物的总含量是在约0.5mol%与约15mol%之间、在约1.0mol%与约10mol%之间、在约1.0mol%与约8.0mol%之间、并且甚至在约1.0mol%与约5.0mol%之间的碱土金属氧化物化合物。
该玻璃质粘结材料可以包含特定量的碱土氧化物化合物。例如该玻璃质粘结材料可以包含比氧化钡更大量的氧化镁。实际上，在玻璃质粘结材料中，氧化镁的含量可以大于氧化钙的含量。更具体地，氧化镁的量可以大于氧化钡与氧化钙相结合的含量。特定的玻璃质粘结材料可以包含在约0.2mol%与约5.0mol%之间、如在约0.5mol%与约3.0mol%之间、如在约0.5mol%与约2.0mol%之间的范围内的氧化镁的量。某些玻璃质粘结材料可以实质上不含氧化钙和/或氧化钡。
该粘结剂可以包含少量的其他材料，具体地是氧化物化合物，如氧化磷。例如，这种最终形成的粘结剂材料可以具有小于约1.0mol%的氧化磷，如小于约0.5mol%的氧化磷。具体地说，该磨料物品的最终形成的粘结剂材料可以基本上不含氧化磷。
根据此处的实施方案的磨料物品可以包含该磨料本体的总体积的至少约34vol%的总磨料颗粒含量。例如，该磨料颗粒本体中的磨料颗粒含量可以是至少约38vol%、至少约40vol%、至少约42vol%、至少约44vol%、至少约46vol%、或甚至至少约50vol%。在具体的实例中，该磨料颗粒的含量可以是在该磨料物品总体积的约34vol%与约60vol%之间、如在约34vol%与约56vol%之间、在约40vol%与约54vol%之间、并且尤其在约44vol%与约52vol%之间的范围内。该MCA磨料可以占该磨料物品中总磨料颗粒的约1vol%到100vol%，如该磨料物品中磨料颗粒的总体积的约10vol%与80vol%之间或在约vol%与约70vol%之间。此外，一些磨料物品可以包括0.1vol%到60vol%的一种或多种二次磨料颗粒、填充剂、和/或添加剂。
此处的实施方案的磨料物品可以包括对磨料本体的总体积而言至少约4vol%的玻璃质粘结材料。在具体的情况下，该磨料本体可以包含至少约5vol%的结合剂、至少约6vol%的结合剂、至少约7vol%的结合剂、或甚至至少约8vol%的结合剂。在某些磨料物品中，该磨料本体可以包含在约4vol%与约30vol%之间的粘结材料、如在约4vol%与约25vol%之间的粘结材料、在约5vol%与约20vol%之间的粘结材料、且甚至在约6vol%与约12vol%之间的粘结材料。
当大部分的研磨工具可以具有不同的孔隙度时，根据在此的实施方案形成的一些磨料本体可以展示出一定含量的孔隙率。例如，该磨料本体可以具有的孔隙率是该磨料物品的总体积的至少约30vol%。在其他情况下，这种孔隙率可以更大，如至少约35vol%，至少约40vol%，或甚至至少约45vol%。特定的磨料物品可以具有在约30vol%与约50vol%之间、如在约30vol%与约45vol%之间、并且更特别在约35vol%与约45vol%之间的范围内的孔隙率含量。
此处的实施方案的磨料物品展示了适当的磨料颗粒完整性水平，如在成形过程中通过该粘结材料对磨料颗粒的攻击而测量的。对根据此处的实施方案形成的磨料物品进行了磨料颗粒溶解的研究，这是在大致48vol%的微晶氧化铝磨料颗粒、大致10vol%的粘结材料和大致42vol%的孔隙的样品上测量的。该磨料颗粒溶解度基于该粘结剂的初始的和最终的氧化铝含量之间的差而重新计算。使用一台从CAMECA公司可获得的SX50机器进行微探针分析来测量该最终粘结组合物。在该粘结剂中至少10个分析点（具有10微米的点径）的平均值用于每次测量，随后将其对每个样品进行平均。
此处的实施方案的磨料物品展示了不大于约1.5wt%的颗粒溶解因子，如根据以上提供的测试条件测量的。此处的实施方案的某些磨料物品展示了不大于约1.2wt%、不大于约1.1wt%、不大于约1.0wt%、不大于约0.9wt%、如不大于约0.8wt%、不大于约0.7wt%、不大于约0.5wt%、或甚至不大于约0.4wt%的颗粒溶解因子。另外，某些实施方案展示出了在约0.01wt%与约1.5wt%之间、如在约0.01wt%与约1.3wt%之间、在约0.01wt%与约1.2wt%之间、在约0.01wt%与约1.1wt%之间、在约0.01wt%与约1.0wt%之间、在约0.01wt%与约0.9wt%之间、在约0.05wt%与约0.8wt%之间、或甚至在约0.1wt%与约0.8wt%之间的范围内的颗粒溶解因子。
实例
实例1
制备了一系列样品，包括5个根据此处的实施方案形成的样品（样品S1、S2、S3、S4和S5）以及5个具有常规粘结剂的常规样品（样品CS1、CS2、CS3和CS4）。对于每个样品测试了颗粒溶解因子并如下进行。
通过将80wt%-90wt%的磨料颗粒与9wt%-15wt%的初始粘结材料初始地进行结合以便形成该S1-S5样品，这些样品具有下表1中表示的氧化铝量。首先将样品S1-S5冷压以形成一个生坯物品，并且此后在约950℃、1000℃或1050℃的烧制温度下进行烧结，以便形成一种最终的粘结的磨料物品，该最终的粘结的磨料物品具有大致46vol%-50vol%的磨料颗粒、7vol%-12vol%的玻璃质粘结材料，并且剩余量是孔隙率。在粘结材料之中的最终氧化铝含量是使用可以从CAMECA公司获得的一台SX50机器通过微探头分析测量的。
根据与样品S1-S5相同的过程形成常规样品CS1-CS4，每个常规样品的粘结剂之中的氧化铝含量提供在下面的表1中。在粘结材料之中的最终氧化铝含量是使用可以从CAMECA公司获得的一台SX50机器通过微探头分析测量的。
在形成所有这些样品之后，基于下面提供的公式对每个样品测量颗粒溶解因子，其中各个变量在表1中表示（例如mGi）。应当指出的是，为了进行计算，假设所有的氧化铝的富集都来自氧化铝的颗粒溶解。于是，氧化铝的富集量作为颗粒损失以wt％重新计算，其中考虑进了氧化铝颗粒的密度、和初始粘结剂的密度（这是通过氦比重术测量的）。
如下面表1的数据所显示，每个样品S1-S5具有如以重量计的氧化铝颗粒损失值所示出的、显著低于常规样品CS1-CS4的颗粒溶解因子的一个颗粒溶解因子。每个样品S1-S5展示出了更大的初始氧化铝含量，以及显著小于常规样品CS1-CS4的、在初始氧化铝含量与最终氧化铝含量之间的氧化铝含量变化。虽然其机理尚未完全明了，但这些数据表明，在初始粘结材料中的某个氧化铝含量可以限制颗粒溶解。而且，在不希望受具体理论限制的情况下，所猜测的是，其他因素也可能有助于限制颗粒溶解，包括例如某些化合物的含量，如氧化硼、碱金属氧化物化合物、碱土金属氧化物化合物、等等。
表1
实例2
形成了两个样品。样品S6是根据此处的实施方案形成的。样品CS5是具有与实例1的样品CS1相同特征的一个常规样品。值得注意的是，样品S6和CS5具有与实例1的样品相同的结构，然而，这些样品在915℃烧制。
样品S6具有26.94wt%（18.59mol%）的起始氧化铝重量百分比以及28.7wt%（19.25mol%）的最终氧化铝含量，因此展现出根据在此披露的方法测量的、0.33wt%的氧化铝颗粒溶解度。样品CS5具有16.05wt%（10.13mol%）的起始氧化铝重量百分比以及25.5wt%（17.02mol%）的最终氧化铝含量，因此展现出根据在此披露的方法测量的、1.70wt%的氧化铝颗粒溶解度。于是，样品S6展现出在成形过程中显著更低的氧化铝颗粒溶解度。
使样品S6和CS5经受一个内径研磨操作，以便确定这些粘结的磨料物品在每个研磨周期的功率消耗，并且还有样品S6和CS5在研磨程序之后的直度。这些研磨条件归纳在下表2中。
表2
图2和图3概述了这些测试结果。图2包括这些样品（即，S6和CS5）中每个的功率相对于研磨周期数的曲线。图3的数据表明，如与样品CS5相比较，样品S6的整个研磨周期使用了更小的功率，并且因此对于每个研磨周期而言更低的平均功率消耗，从而表明了样品S6具有改进的磨料颗粒完整性。
另外，图3包括直度相对于研磨周期数的曲线，它是对在由粘结的磨料物品进行研磨操作之后在工件中产生的表面的直线性的测量。所产生的部分的直度可以是与这些边缘和本体区域中轮磨损的均匀性相关联的。直度测量通过圆形仪表（来自马尔联邦公司（MahrFederal）的Formscan260）的帮助来进行，并且沿着该工件的表面产生了多个线性轮廓。在每个部分上进行了四个这样的测量，并且它们的平均值报告为直度值。这种测试方式是根据标准ASMEY14.5M“尺寸确定和公差确定（DimensioningandTolerancing）”。如所展示的，样品S6显示出与样品CS5相比在直度上大致相同程度的变化。于是，与图2的数据相结合，样品S6能够提供相同品质的研磨性能，而同时使用更少的功率，因此提供了与样品CS5相比更有效的研磨过程。
在此的这些实施方案是针对将微晶氧化铝颗粒结合在高温的粘结的磨料物品中的磨料物品，其中这些微晶氧化铝颗粒展示了改进的完整性以及最小化的溶解和降解。总体上，利用了MCA颗粒的现有技术的粘结的磨料物品已经针对的是在低于1000℃下的温度形成的低温玻璃化的粘结剂的形成和使用。然而，此处的实施方案针对的是被形成为在该粘结材料粉末中包括某些材料含量（例如比率）的一种粘结磨料物品，以便形成能够在高温下形成并同时减弱含MCA的磨料颗粒在成形过程中的降解和/或溶解的玻璃质粘结组合物。此处的实施方案可以采用多个特征的一个或多个组合，包括特别的粘结组合物，在该粘结剂中具体的化合物比率，包括但不限于：在氧化铝与硅石之间的比率、在氧化铝与氧化硼之间的比率、在氧化铝与碱金属氧化物化合物之间的比率、以及在其他组分（包括氧化硼、碱土金属氧化物、碱金属氧化物化合物）之间的比率等等。以上内容描述了多种特征的一种组合，这些特征可以用不同的方式进行组合来描述并且限定这些实施方案的粘结的磨料物品。本说明并非旨在列出多种特征的一种层次、而是列出了可以按一种或多种方式进行组合的不同特征来限定本发明。
在上文中，提及的多个具体的实施方案以及某些组分的连接物是说明性的。应当理解，提及的被联接或者连接的多个部件是旨在披露在所述部件之间的直接连接或者通过如所理解的一个或多个插入部件进行的间接连接以便实施如在此讨论的这些方法。这样，以上披露的主题应被认为是解说性的、而非限制性的，并且所附权利要求旨在覆盖落在本发明的真正范围内的所有此类变体、增进、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。
本发明内容的摘要是在以下理解下提出的，即它不是用来解释或限制权利要求的范围或含义。另外，在以上的详细说明中，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。本发明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，发明的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 (20)
1.一种磨料物品，包括：
一个磨料本体，该磨料本体具有多个由微晶氧化铝制成的磨料颗粒，这些磨料颗粒被包含在一个玻璃质粘结材料中，其中该玻璃质粘结材料包括约18mol％以上的总氧化铝含量[CAl2O3]，至少约5.0mol％的总氧化硼总含量[C B2O3 ]、不超过约70mol％的总硅石含量[CSiO2]，不超过约15mol％的选自下组的碱金属氧化物化合物的总含量[Caoc]，该碱金属氧化物化合物组由氧化钾(K2O)、氧化钠(Na2O)和氧化锂(Li2O)组成。
2.如权利要求1所述的磨料物品，其中硅石的总含量是不超过约65mol％。
3.如权利要求1和2中任一项所述的磨料物品或方法，其中该碱金属氧化物化合物的总含量是不超过约12mol％。
4.如权利要求1和2中任一项所述的磨料物品，其中该碱金属氧化物化合物的总含量是在约1.0mol％与约15mol％之间的范围内。
5.如权利要求1和2中任一项所述的磨料物品，其中氧化钠的含量是大于结合在一起的氧化钾和氧化锂的总含量。
6.如权利要求1所述的磨料物品，其中该玻璃质粘结材料包括氧化铝总含量[CAl2O3]与氧化硼总含量[CB2O3]之间的一个比率，描述为[CAl2O3]/[CB2O3]，该比率处于在约0.2与约2之间的范围内。
7.如权利要求1和2中任一项所述的磨料物品，其中该玻璃质粘结材料包括一种选自下组的碱土金属氧化物材料，该组由氧化钙(CaO)、氧化钡(BaO)、氧化镁(MgO)及其组合组成。
8.如权利要求5所述的磨料物品，其中氧化钾的总含量是小于氧化锂的总含量与氧化钠的总含量中的任何一个的总含量。
9.如权利要求5所述的磨料物品，其中氧化钾的总含量是不超过约5.0mol％。
10.如权利要求7所述的磨料物品，其中该玻璃质粘结材料包括不大于约15mol％的碱土金属氧化物材料的总含量。
11.如权利要求7所述的磨料物品，其中该玻璃质粘结材料包括比氧化钡含量更大的氧化镁含量。
12.如权利要求7所述的磨料物品，其中该玻璃质粘结材料包括比氧化钙含量更大的氧化镁含量。
13.如权利要求7所述的磨料物品，其中该玻璃质粘结材料包括比合并的氧化钡和氧化钙的总含量更大的氧化镁含量。
14.如权利要求1所述的磨料物品，其中该玻璃质粘结材料包括不大于约1.5wt％的颗粒溶解因子。
15.如权利要求1所述的磨料物品，其中该粘结材料实质上不含氧化磷(P2O5)。
16.如权利要求1所述的磨料物品，其中该磨料本体包括至少约30vol％的孔隙率。
17.如权利要求1所述的磨料物品，其中该粘结材料包括非晶相。
18.如权利要求17所述的磨料物品，其中该粘结材料实质上由非晶相组成。
19.如权利要求1所述的磨料物品，其中这些磨料颗粒实质上由微晶氧化铝组成。
20.如权利要求1所述的磨料物品，其中该微晶氧化铝包括具有小于约1微米的平均微晶粒大小的微晶体。
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