CN103328157A - 具有旋转对齐的成形陶瓷磨粒的带涂层磨料制品及制备方法 - Google Patents

具有旋转对齐的成形陶瓷磨粒的带涂层磨料制品及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有多个成形陶瓷磨粒的带涂层磨料制品，所述多个成形陶瓷磨粒的每个都具有表面特征结构。所述多个成形陶瓷磨粒由包含树脂性粘合剂的底胶层附接到柔性背衬而形成磨料层。所述表面特征结构具有指定的z-方向旋转取向，并且所述磨料层中所述指定的z-方向旋转取向比表面特征结构的随机z-方向旋转取向发生得更频繁。

Description

具有旋转对齐的成形陶瓷磨粒的带涂层磨料制品及制备方法
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、磨光（finish）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。
三角形成型磨粒和使用三角形成型磨粒制造的磨料制品公开于授予Berg的第5,201,916号美国专利、授予Rowenhorst的第5,366,523号美国专利以及授予Berg的第5,984,988号美国专利中。在一个实施例中，磨粒的形状包括等边三角形。三角形成型磨粒可用于制造能够增大切削速率的磨料制品。
发明内容
成型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，可以控制磨料制品的所得性能。本发明人已发现，通过进一步控制成型磨粒的z-方向旋转取向，可改变所得带涂层磨料制品的切削量和光洁度。
带涂层磨料制品常规通过向背衬上的底胶层上静电涂覆（电涂）磨粒或是向底胶层上滴涂磨粒来制成。如美国专利第2,370,636号中所示使用常规的静电沉积方法通过使用静电场来抵抗重力作用而将磨粒垂直地推进到底胶层上从而直立地施加磨粒不可能控制带涂层磨料制品中磨粒的z-方向旋转取向。粘附到底胶层的磨粒将具有随机的z-方向旋转取向，因为在通过静电场从传送带移除粒子时粒子的旋转是随机且不受控制的。相似地，在滴涂的带涂层磨料制品中，颗粒的z-方向旋转取向是随机的，因为颗粒从料斗进给并在重力的作用下落到底胶层上。
在刚性研磨工具的制造过程中，采用金属结合剂和金刚石磨粒，可使用丝网来向刚性支承物如金属盘以特定的图案或网格施加金刚石磨粒。然而，金刚石通常不取向为具有任何特定的z-方向旋转取向，并且筛孔使得金刚石在被置于筛孔中时可在任何方向上自由旋转。有时金刚石相对于其最大硬度的内部结晶学方向取向，如U.S.5,453,106中所讨论；但迄今为止，参照粒子的表面特征结构旋转对齐成形陶瓷磨粒以增大切削量或改变所得光洁度并未得到认识。
本发明人已发现，使用具有精确地间隔开并对齐的非圆形孔以固持各个磨粒于固定位置中的精密丝网可以旋转对齐磨粒的表面特征结构于特定的z-方向旋转取向。表面特征结构的对齐可用来增强表面特征结构的切削作用或改变工件上因所述表面特征结构而产生的光洁度。
此外，精密丝网可用来通过使磨料层中的磨粒产生预定的图案来控制磨粒的密度而无需任何特定的旋转取向。与静电涂覆方法可获得的相比，这些图案可在带涂层背衬上获得显著更多的三角形成形磨粒“顶点朝上”的布置；尤其是在带涂层背衬上较高的成形磨粒密度下。
另外，可构建具有预定图案的工程磨料层，其中x和y方向上的间距连同磨粒关于穿过背衬和磨粒的z-轴的z-方向旋转取向一起得到控制。
因此，在一个实施例中，本发明涉及一种带涂层磨料制品，其包含：多个成形陶瓷磨粒，每个都具有表面特征结构；所述多个成形陶瓷磨粒由包含树脂性粘合剂的底胶层附接到柔性背衬而形成磨料层；所述表面特征结构具有指定的z-方向旋转取向；并且其中所述磨料层中所述指定的z-方向旋转取向比表面特征结构的随机z-方向旋转取向发生得更频繁。
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，其并不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1A和1B示意了成型磨粒的一个实施例的顶视图和侧视图。
图1C示意了带涂层磨料制品的侧视图。
图2A和2B为带涂层磨料制品的一个实施例的顶视图，该带涂层磨料制品具有z-方向旋转对齐的图1A和1B的成型磨粒。
图2C为用来制造图2A的带涂层磨料制品的丝网的一部分的顶视图，该丝网具有多个旋转对齐的孔。
图3A和3B为带涂层磨料制品的另一个实施例的顶视图，该带涂层磨料制品具有z-方向旋转对齐的图1A和1B的成型磨粒。
图3C为用来制造图3A的带涂层磨料制品的丝网的一部分的顶视图，该丝网具有多个旋转对齐的孔。
图4A和4B为带涂层磨料制品的另一个实施例的顶视图，该带涂层磨料制品具有z-方向旋转对齐的图1A和1B的成型磨粒。
图4C为用来制造图4A的带涂层磨料制品的丝网的一部分的顶视图，该丝网具有多个旋转对齐的孔。
图5A和5B为带涂层磨料制品的另一个实施例的顶视图，该带涂层磨料制品具有z-方向旋转对齐的图1A和1B的成型磨粒。
图5C为用来制造图5A的带涂层磨料制品的丝网的一部分的顶视图，该丝网具有多个旋转对齐的孔。
图6和7为本发明的各个实例的磨削性能的曲线图。
图8为形成带涂层磨料制品的两种不同方法的切削量对密涂层密度百分数的曲线图。
在说明书和附图中重复使用的参考标号旨在表示本发明相同或类似的特征或元件。
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，除了列举的元件、功能、步骤或限制之外，还可以有其他未列举的元件、功能、步骤或限制。
如本文所用，术语“磨料分散体”意指可转化为引入到模具腔体中的α-氧化铝的α-氧化铝前体。可将该组合物称为磨料分散体，直到足量的挥发性组分被移除进而使磨料分散体凝固为止。
如本文所用，“成形陶瓷磨粒”意指具有至少部分地复制的形状的陶瓷磨粒。制备成形磨粒的非限制性工艺包括：在具有预定形状的模具中使前体磨粒成形；通过具有预定形状的孔口挤出所述前体磨粒；通过在具有预定形状的印刷丝网中的开口印刷所述前体磨粒；或者将所述前体磨粒压印为预定形状或图案。成形陶瓷磨粒的非限制性例子包括在模具中形成的成型磨粒，例如如美国专利第RE35,570号、第5,201,916号和第5,984,998号中所公开的三角形板；或者由圣戈班磨料公司（Saint-Gobain Abrasives）生产的通常具有圆形横截面的挤出细长陶瓷棒/细丝，其例子在美国专利第5,372,620中有公开。本文使用的成形磨粒不包括通过机械压碎操作获得的随机大小的磨粒。
如本文所用，术语“成型磨粒前体”意指通过从磨料分散体（当其位于模具腔体中时）移除足量的挥发性组分以形成凝固体的方式所产生的未熔结颗粒，该凝固体可从模具腔体移除，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“成型磨粒”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型磨粒前体的模具腔体复制而成。除了在磨料碎片（例如，如美国专利公布US2009/0169816中所述）的情况下，成型磨粒通常会具有基本上复制了用来形成成型磨粒的模具腔体的预定几何形状。本文使用的成型磨粒不包括通过机械压碎操作获得的随机大小的磨粒。
如本文所用，“z-方向旋转取向”意指当粒子由底胶层附接到背衬时粒子关于以相对于背衬成90度的角穿过粒子和穿过背衬的z-轴的角旋转。
具体实施方式
具有倾斜侧壁的成形磨粒
参见图1A、图1B、和图1C，该图示出具有倾斜侧壁22的示例性成形磨粒20。自具有倾斜侧壁22的成型磨粒20所制备的材料包括陶瓷，具体地，在一个实施例中包括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，该分散体被胶凝、模制成型、干燥定型、煅烧并然后烧结。成形磨粒的形状得以保持，而无需粘结剂以在粘结剂中形成包括磨粒（随后形成为成形结构）的团聚物。
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并且每个倾斜侧壁22的倾斜度或角度可与图1A中示出的相同或不同。
在一些实施例中，第一面24基本上为平面，第二面26基本上为平面，或两面均基本上为平面。或者，如提交于2008年12月17日的名称为“Dish-Shaped Abrasive Particles With A Recessed Surface”（具有凹进表面的盘形磨粒）的美国专利公布第2010/0151195号中更详细地讨论的，面可以是凹的或凸的。另外，如提交于2008年12月17日的名称为“ShapedAbrasive Particles With An Opening”（具有开口的成型磨粒）的美国专利公布第2010/0151201号中更详细地讨论的，可存在穿过面的开口或孔。
在一个实施例中，第一面24和第二面26基本上彼此平行。在其他实施例中，第一面24和第二面26可以不平行，使得一个面相对于另一个面倾斜，并且与每一个面相切的假想线都将相交于一点。具有倾斜侧壁22的成型磨粒20的倾斜侧壁22可不同并且其通常形成第一面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选择为具有一定的几何形状，并且第一面24和第二面26选择为具有相同的几何形状，但它们在尺寸上不同，一个面的尺寸大于另一个面。在一个实施例中，第一面24的周边29和第二面26的周边29为所示出的三角形形状。
参见图1B和图1C，可以改变介于成形磨粒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可介于约90度至约130度之间、或介于约95度至约130度之间、或介于约95度至约125度之间、或介于约95度至约120度之间、或介于约95度至约115度之间、或介于约95度至约110度之间、或介于约95度至约105度之间、或介于约95度至约100度之间。如提交于2008年12月17日的名称为“Shaped Abrasive Particles With A Sloping Sidewall”（具有倾斜侧壁的成型磨粒）的美国专利公布第2010/0151196号中所讨论的，已发现，拔模角α的特定范围使由具有倾斜侧壁的成型磨粒制成的带涂层磨料制品的磨削性能产生意想不到的提高。
现在参见图1C，该图示出带涂层磨料制品40，所示带涂层磨料制品背衬42的第一主表面41由磨料层覆盖。该磨料层包含底胶层44和多个具有倾斜侧壁22的成型磨粒20，倾斜侧壁22由底胶层44附接到背衬42。施加复胶层46以进一步将具有倾斜侧壁22的成型磨粒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的成型磨粒20相对于背衬42的第一主表面41的取向角β小于90度。如图所示，在施加具有倾斜侧壁的成型磨粒并让其倾斜到倾斜侧壁上后，成型磨粒的尖端48通常就具有相同的高度h。
为进一步优化倾斜取向，具有倾斜侧壁的成型磨粒可在疏涂层磨料层中施加到背衬。在静电施加系统中，密涂层磨料层为可在单次穿过制备机时施加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，其重量为小于可涂覆到带涂层磨料制品的底胶层的最大重量（以克为单位）。疏涂磨料层将导致具有磨粒的底胶层的覆盖百分比少于100%，从而在磨粒之间留下敞开区域和可见树脂层。
据信如果向背衬施加太多的具有倾斜侧壁的成型磨粒，则粒子之间存在的空间将不足以允许粒子在固化底胶层和复胶层之前倾斜或翻转。在本发明的各种实施例中，具有疏涂层磨料层或密涂层磨料层的带涂层磨料制品中超过50%、60%、70%、80%或90%的成型磨粒是翻转或倾斜的，取向角β小于90度。可使用精密孔丝网来均匀地隔开成型磨粒，同时在接近或等于密涂层密度的显著较高的磨料层磨粒密度下仍允许它们翻转或倾斜。
不期望受理论约束，据信小于90度的取向角β导致具有倾斜侧壁的成形磨粒的切削性能增强。在本发明的各种实施例中，带涂层磨料制品的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度之间、或介于约55度至约85度之间、或介于约60度至约85度之间、或介于约65度至约85度之间、或介于约70度至约85度之间、或介于约75度至约85度之间、或介于约80度至约85度之间。
具有倾斜侧壁的成形磨粒20可具有各种体积纵横比。体积长宽比被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之比。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，球体的体积长宽比将为1.000而立方体的体积长宽比将为1.414。每侧边等于长度A并且均匀厚度等于A的等边三角形形式的成形磨粒的体积长宽比将为1.54，而如果该均匀厚度减至0.25A，则体积长宽比增加至2.64。据信具有较大体积纵横比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。
其他合适的成型磨粒在美国专利公布第2009/0169816号、美国专利公布第2010/0146867号、美国专利公布第2010/0319269号、提交于2009年12月2日的名称为“Dual tapered Shaped Abrasive Particles”（双锥形成型磨粒）的美国专利申请第61/266,000号、提交于2010年4月27日的名称为“Ceramic Shaped Abrasive Particles,Method Of Making The Same,AndAbrasive Articles Containing The Same”（陶瓷成型磨粒、其制备方法及包含其的磨料制品）的美国专利申请第61/328,482号以及提交于2010年8月4日的名称为“Intersecting Plate Shaped Abrasive Particles”（相交板成型磨粒）的美国专利申请第61/370,497号中有公开。
可制成成形陶瓷磨粒的材料包括物理前体，例如已知陶瓷材料如α-氧化铝、碳化硅、氧化铝/氧化锆和碳化硼的细碎粒子。还包括化学和/或形态学前体，例如，三水合铝、水软铝石、γ-氧化铝和其他过渡型氧化铝及铝矾土。以上材料中最有用的是通常基于氧化铝的材料及其物理或化学前体。然而应当理解，本发明不受此限制，而是能够适合与多种不同的前体陶瓷材料一起使用。
用于制备成形陶瓷磨粒的合适方法在提交于2008年12月17日的名称为“Method Of Making Abrasive Shards,Shaped Abrasive Particles With AnOpening,Or Dish-shaped Abrasive Particles”（制备磨料碎片、具有开口的成型磨粒或盘形磨粒的方法）的美国专利公布第2009/0165394号、提交于2009年12月22日的名称为“Transfer Assisted Screen Printing Method OfMaking Shaped Abrasive Particles And The Resulting Shaped AbrasiveParticles”（制备成型磨粒的辅助转移丝网印刷方法及所得成型磨粒）的美国专利申请序列号61/289,188以及成形陶瓷磨粒的定义中所提及的专利中有公开。
适合与具有倾斜侧壁22的成型磨粒20混合的粒子包括常规磨粒、稀释颗粒、或可侵蚀的团聚物，例如在美国专利第4,799,939号和第5,078,753号中描述的那些。常规磨粒的代表性例子包括熔融氧化铝、碳化硅、石榴石、熔融氧化铝-氧化锆、立方晶型氮化硼、金刚石等。稀释颗粒的代表性例子包括大理石、石膏和玻璃。不同形状的具有倾斜侧壁22的磨粒20（例如，三角形和正方形）的共混物或具有不同拔模角的成型磨粒20的共混物（例如拔模角为98度的粒子与拔模角为120度的粒子混合）可用于磨料制品中。
具有倾斜侧壁22的成形磨粒20还可以具有表面涂层。已知表面涂层可以用于改善磨料制品中抛光剂和粘结剂之间的粘附力，或可用于有助于成形磨粒20的静电沉积。此类表面涂层在美国专利第5,213,591号、第5,011,508号、第1,910,444号、第3,041,156号、第5,009,675号、第5,085,671号、第4,997,461号和第5,042,991号中有所描述。另外，该表面涂层可以防止成形磨粒封堵。“封堵”这一术语用来描述来自正在研磨的工件的金属颗粒被焊接到成形磨粒顶部的现象。具有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z-方向旋转对齐的磨粒的带涂层磨料制品
参见图1C，带涂层磨料制品40包含背衬42，在背衬42的第一主表面41上施加有第一粘结剂层，下文称为底胶层44。多个成形陶瓷磨粒附接或部分嵌入在底胶层44中，所述成形陶瓷磨粒在一个实施例中包含形成磨料层的具有倾斜侧壁22的成型磨粒20。具有倾斜侧壁22的成型磨粒20上方为第二粘结剂层，下文称为复胶层46。底胶层44的目的是固定具有倾斜侧壁22的成型磨粒20到背衬42，复胶层46的目的是增强具有倾斜侧壁22的成型磨粒20。多数具有倾斜侧壁22的成型磨粒20取向为使得尖端48或顶点远离背衬42并且成型磨粒靠在倾斜侧壁22上并如图所示翻转或倾斜。
多个成形陶瓷磨粒中的每一个可关于以相对于背衬成90度的角穿过成形陶瓷磨粒和穿过背衬42的z-轴具有指定的z-方向旋转取向，如图1C中所示。成形磨粒以表面特征结构如第一面24或第二面26的大体平的表面旋转到关于z-轴的指定角位置中来取向。在形成磨料层时因成形磨粒的静电涂覆或滴涂，所述带涂层磨料制品中指定的z-方向旋转取向比表面特征结构的随机z-方向旋转取向发生得更频繁。因此，通过控制显著大量的成形陶瓷磨粒的z-方向旋转取向，带涂层磨料制品的切削速率、光洁度或二者可与使用静电涂覆方法制造的那些不同。在本发明的各种实施例中，磨料层中至少50%、51%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%或99%的成形陶瓷磨粒可具有指定的z-方向旋转取向，所述取向不随机发生并且对于所有对齐的粒子来说可以是大体相同的。在其他实施例中，约50%的成形陶瓷磨粒可在第一方向上对齐并且约50%的成形陶瓷磨粒可在第二方向上对齐（图5A、5B）。在一个实施例中，第一方向与第二方向基本正交。
表面特征结构在模制、挤出、丝网印刷或成型成形陶瓷磨粒的其他工艺过程中形成。非限制性的表面特征结构可包括：大体平的表面；具有三角形、矩形、六边形或多边形周边的大体平的表面；凹的表面；凸的表面；顶点；孔；脊；线或多条线；凸起；或凹陷。表面特征结构常选择为改变切削速率、减少成形磨粒的磨损或改变所得光洁度。通常，表面特征结构为边缘、平面或点并且磨料层中该特征的z-方向旋转取向的选择应考虑到磨料层的运动、工件的运动以及磨削过程中磨料层相对于工件表面的角度。
现在参见图2A、2B到5A、5B；其中示出了带涂层磨盘、片或带的磨料层中成形陶瓷磨粒的各种图案。示意的是具有多个如图1A、B中所示的成型磨粒的磨料层的顶视图。为简单起见，每个单独的成型磨粒以短线段表示，短线段表示了附接到底胶层的成型磨粒的基底（倾斜侧壁）的位置。在表示片或带的示意图中，绘制了纵轴50以供参考。还给出了指示当置于磨削工具上时盘或带的行进方向的箭头。
现在参见图2A、2B，带涂层磨料制品可包括盘52或片54或带54。在图2A中，带涂层磨料制品为盘，指定的z-方向旋转取向使大体平的表面56周向地定位，并且由多个成形陶瓷磨粒产生的图案包含多个同心圆。在图2B中，带涂层磨料制品为片54或带54，指定的z-方向旋转取向使大体平的表面56相对带或片的纵轴50以大约0度的角度定位，并且由多个成形陶瓷磨粒产生的图案包含多条平行线。参见图2C，其中示出了在制造图2A中的盘时用以精确地布置和旋转对齐成形磨粒的精密开孔丝网58。
现在参见图3A、3B，带涂层磨料制品可包括盘52或片54或带54。在图3A中，带涂层磨料制品为盘52，指定的z-方向旋转取向使大体平的表面56径向地定位并且由多个成形陶瓷磨粒产生的图案包含多个同心圆。在图3B中，带涂层磨料制品为片54或带54，指定的z-方向旋转取向使大体平的表面56相对带或片的纵轴50以大约90度的角度定位，并且由多个成形陶瓷磨粒产生的图案包含多条平行线。参见图3C，其中示出了在制造图3A中的盘时用以精确地布置和旋转对齐成形磨粒的精密开孔丝网58。
现在参见图4A、4B，带涂层磨料制品可包括盘52或片54或带54。在图4A中，带涂层磨料制品为盘52，指定的z-方向旋转取向使大体平的表面56相对盘的直径60以大约45度的角度定位，并且由多个成形陶瓷磨粒产生的图案包含多条平行线。在图4B中，带涂层磨料制品为片54或带54，指定的z-方向旋转取向使大体平的表面56相对带或片的纵轴50以大约45度的角度定位，并且由多个成形陶瓷磨粒产生的图案包含多条平行线。参见图4C，其中示出了在制造图4A中的盘时用以精确地布置和旋转对齐成形磨粒的精密开孔丝网58。在其他实施例中，大体平的表面可以0度和90度之间的任何角度定位，例如5度、10度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度、55度、60度、65度、70度、75度、80度和85度。通过选择所列值中的任何两个来产生上限和下限，前述角旋转的范围将是可能的。
现在参见图5A、5B，带涂层磨料制品可包括盘52或片54或带54。在图5A中，带涂层磨料制品为盘52，指定的z-方向旋转取向使大约50%的成形磨粒定位为使大体平的表面56以大约0度排列、大约50%的成形磨粒定位为使大体平的表面56以大约90度的角度排列并且由多个成形陶瓷磨粒产生的图案包含多条正交的线。在图5B中，带涂层磨料制品为片54或带54，指定的z-方向旋转取向使大约50%的成形磨粒定位为使大体平的表面56相对纵轴50以大约0度排列、大约50%的成形磨粒定位为使大体平的表面56相对纵轴50以大约90度的角度排列并且由多个成形陶瓷磨粒产生的图案包含多条正交的线。参见图5C，其中示出了在制造图5A中的盘时用以精确地布置和旋转对齐成形磨粒的精密开孔丝网58。
底胶层44和复胶层46包含树脂粘合剂。底胶层44与复胶层46的树脂粘合剂可相同或不同。适用于这些涂层的树脂粘合剂的例子包括酚醛树脂、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、或这两者还可以包含本领域已知的添加剂，例如为填料、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。填充剂的例子包括碳酸钙、硅石、滑石、粘土、偏硅酸钙、白云石、硫酸铝以及它们的组合。
合适的柔性背衬包括聚合物膜、金属箔、织造织物、针织织物、纸、硫化纤维、非织造物、泡沫、丝网、层合物以及它们的组合。具有柔性背衬的带涂层磨料制品可呈片、盘、带、垫或卷的形式。在一些实施例中，背衬应是足够柔性的以允许带涂层磨料制品形成为环以制造可在合适的磨削设备上运行的磨带。
助磨剂可施加到带涂层磨料制品上。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和物理过程，从而引起性能提高。助磨剂涵盖各种不同的材料，并且可为无机物或有机物。助磨剂的化学组成的实例包括蜡、有机卤化物、卤化盐、金属以及它们的合金。有机卤化物通常在研磨过程中分解，释放卤氢酸或气态卤化物。此类材料的实例包括氯化蜡，例如四氯化萘、五氯化萘；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、氯化镁。金属的例子包括锡、铅、铋、钴、锑、镉、铁和钛。其他助磨剂包括硫、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，这可以产生协同增强效应。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，以赋予所需的性质。
在复胶涂层上使用顶胶涂层也在本发明的范围内。顶胶涂层通常包含粘结剂和助磨剂。粘合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。
制造具有z-方向旋转对齐的磨粒的带涂层磨料制品的方法
可使用各种方法来制造本发明的带涂层磨料制品。在一个实施例中，如提交于2011年2月16日、名称为“Electrostatic Abrasive Particle CoatingApparatus and Method”（静电磨粒涂覆装置和方法）、具有美国专利申请序列号61/443399的共同待审专利申请中所述，可采用静电涂覆方法。在此特别的方法中，可使用带静电荷的振动给料器来将成形磨粒推下给料表面并推向位于带涂层背衬后的传导性构件。在一些实施例中，给料表面是基本水平的并且带涂层背衬基本垂直地行进。令人惊奇地发现，改变给料表面与和背衬接触的传导性构件之间的间隙将使包含薄三角形板的成形磨粒的z-方向旋转取向从主要横向对齐的板改变为主要纵向对齐的板，如该专利申请的图8和9中所见。
实现成形磨粒的z-方向旋转取向的另一方法可采用精密开孔的丝网，所述丝网将成形磨粒定位于特定的z-方向旋转取向中，使得成形磨粒可仅以少许特定的取向例如少于或等于4、3、2或1个取向而装配到精密开孔的丝网中。例如，仅比包含矩形板的成形磨粒的横截面略大的矩形开口将使成形磨粒取向为两种可能的180度对立的z-方向旋转取向中之一。精密开孔的丝网可设计为使得成形磨粒在定位于丝网的孔中的同时可关于其z-轴（当成形磨粒定位于孔中时，垂直于丝网的表面）旋转小于或等于约30度、20度、10度、5度、2度或1度的角度。
具有多个选择以在z-方向上取向成形磨粒以形成图案的孔的精密开孔丝网可在具有匹配的孔图案的第二精密开孔丝网上具有保持构件如粘合胶带、用来固持粒子于第一精密丝网中的静电场或机械锁如具有匹配的孔图案的两个精密开孔丝网以相反的方向扭曲以夹紧粒子于孔内。第一精密孔丝网充满成形磨粒，保持构件用来使成形磨粒保持就位于孔中。在一个实施例中，与第一精密孔丝网以层叠方式对齐的第二精密孔丝网的表面上的粘合胶带使成形磨粒停留在粘着于胶带表面的第一精密丝网的孔中，所述胶带暴露在第二精密孔丝网的孔中。
将具有底胶层的带涂层背衬与含有多个成形磨粒的第一精密孔丝网表面平行地定位，使底胶层面对孔中的成形磨粒。其后，使带涂层背衬和第一精密孔丝网接触以粘附成形磨粒到底胶层。释放保持构件，例如移除具有胶带覆盖表面的第二精密孔丝网、解开两个精密孔丝网或是消除静电场。然后移除第一精密孔丝网，从而在带涂层磨料制品上留下具有指定的z-方向旋转取向的成形磨粒以进行进一步的常规加工如施加复胶层及固化底胶层和复胶层。
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他条件和细节，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。
实例1至4
根据美国专利公布2010/0151196的公开内容制备成型磨粒。通过在边长0.068英寸（1.73mm）、模具深度0.012英寸（0.3mm）的等边三角形形状聚丙烯模具腔体中模制氧化铝溶胶凝胶来制备成型磨粒。干燥和焙烧后，所得成型磨粒类似于图1A，不同的是拔模角α为大约98度。经焙烧的成型磨粒为约0.8mm（边长）×0.2mm厚并将通过30目的筛。
自伊利诺伊州芝加哥的Fotofab公司（Fotofab Inc.,Chicago IL）获得8英寸直径乘10密耳厚（20.3cm×0.254mm）的圆形精密开孔金属丝网。该精密孔丝网通过光刻化学蚀刻产生。各个孔自矩形光刻特征蚀刻得到。由于蚀刻过程，实际特征具有倒圆的转角并且在前表面和后表面上孔比片中心处大。每个孔的最大表面尺寸为大约0.39mm宽乘0.8mm长。每个孔的最窄部分处的尺寸为大约0.34mm宽乘0.7mm长。
产生四种不同的丝网图案，每种具有相同的孔密度。第一丝网，图3C（实例1），具有孔的同心环，其中每个孔的长维度相对于圆形精密孔丝网径向地取向。第二丝网，图2C（实例2），具有孔的同心环，其中每个孔的长维度相对于圆形精密孔丝网周向地取向。在第三丝网中，图4C（实例3），孔呈同心环，孔在前两个丝网间的半道的角度下取向，即从径向取向或周向取向错开45度。第四丝网，图5C（实例4），制成为孔呈矩形阵列，每行中具有交替的垂直和水平孔的重复图案，相继的行彼此错开，使得每个水平孔由四个垂直孔所包围并且每个垂直孔由四个水平孔所包围，丝网的外圆边缘处除外，可在这里切下图案。
为适当地约束和取向丝网孔中的成型磨粒，需要在彼此之上层叠两个精密孔丝网，使所有的孔对齐。使两个相同的精密孔丝网保持对齐并用丝网边缘处箔带的小突舌固定。然后用掩盖胶带（“SCOTCH233+”，53/4英寸宽，明尼苏达州圣保罗的3M公司（3M Co.St Paul,MN））覆盖该加标（indexed）丝网层叠体的一个丝网的一个面。该加标丝网层叠体即已就绪，可以接收成型磨粒了。
成型磨粒的尺寸使得仅三角形板的顶点将装配到丝网孔中，并且仅当其取向为与孔的长轴平行时，成型磨粒的顶点才可与底部丝网上的孔的底部处的胶带粘合表面接触。
向该加标丝网层叠体的与覆盖了胶带的底部丝网表面相背对的表面施加一定量的成型磨粒并从底部轻轻敲打该加标丝网层叠体。加标孔很快被成型磨粒填充，该成型磨粒保持顶点朝下、基底朝上，并且在孔的长维度方向上取向。以此方式施加另外的成型磨粒，直至超过90%的孔含有成型磨粒，这些成型磨粒在其顶点处由暴露的掩盖胶带粘合剂固定。
制备底胶树脂的做法是：混合22.3份环氧树脂（“HELOXY48”，德克萨斯州休斯顿的瀚森特种化工公司（Hexion Specialty Chemicals,Houston,TX））、6.2份丙烯酸酯单体（“TMPTA”，佐治亚州萨凡纳的UCBRadcure公司（UCB Radcure,Savannah,GA））并加入1.2份光引发剂（“IRGACURE651”，纽约州霍所恩的汽巴精化公司（Ciba SpecialtyChemicals,Hawthorne,NY）），加热直至光引发剂溶解。混合下加入51份甲阶酚醛树脂（来自1.5:1至2.1:1摩尔比的苯酚：甲醛的碱催化缩合物）、73份碳酸钙（HUBERCARB，伊利诺伊州昆西的邱博工程材料公司（Huber Engineered Materials,Quincy,IL））和8份水。然后经由刷子向具有0.875英寸（2.22cm）中心孔的7英寸（17.8cm）直径×0.83mm厚硫化纤维幅材（“DYNOS Vulcanized Fibre”，德国特罗斯多夫的DYNOS公司（DYNOS GmbH,Troisdorf,Germany））施加4.5克该混合物。然后使带涂层磨盘以20ft/min（6.1m/min）在UV灯下通过以使涂层胶凝。
从填充了成型磨粒的加标丝网层叠体移除连接两个精密孔丝网的箔带突舌。孔中的成型磨粒自身足以标记两个丝网。将涂覆了底胶树脂的纤维盘放置在平坦的表面上，底胶树脂侧朝上。将填充了成型磨粒的加标丝网层叠体居中在纤维盘上并将加载了矿物的面放置为与底胶树脂接触。在使组件保持固定的同时，从含有成型磨粒的底部精密孔丝网小心地分离具有覆盖了胶带的表面的顶部精密孔丝网，从而释放成型磨粒。然后从纤维盘的底胶树脂表面小心地提升底部精密孔丝网。这使得成型磨粒转移到底胶树脂，它们的顶点朝上，同时大大保持丝网的孔所创建的z-方向旋转取向。转移到每个盘的成型磨粒的重量为3.5克。使底胶树脂热固化（90摄氏度下90分钟，然后105摄氏度下3小时）。然后对每个盘涂覆以常规的含冰晶石的酚醛复胶树脂并固化（90摄氏度下90分钟，然后105摄氏度下16小时）。
测试前让成品带图层磨盘在环境湿度下平衡1周、然后在50%RH下平衡2天。
比较例A
与实例1-4相同地制备比较例A，不同的是经由静电涂覆施加成型磨粒并因此具有随机的z-方向旋转取向。
磨削测试方法
通过使用如下程序磨削1018低碳钢来评价各个盘的磨削性能。将用于评价的7英寸（17.8cm）直径的磨盘附接到装配有7英寸（17.8cm）光滑盘垫面板的回转磨床（“821197Hard Black”，得自明尼苏达州圣保罗的3M公司（3M Company,St.Paul,Minnesota））。然后启动磨床并使磨床在12磅（5.4kg）的载荷下抵住0.75英寸×0.75英寸（1.9cm×1.9cm）、预称重的1018钢筋的端面。磨床在该载荷下紧靠该工件的所得旋转速度为5000rpm。在这些条件下以10秒磨削间隔（通过）研磨工件。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。当切削量跌到初始切削量值的20%以下时，确定为测试终点。在8磅（3.6kg）载荷下对所有实例重复测试。如果需要，可采用合适的设备自动进行该试验。
Figure BDA00003510644000161
测试结果示于表1中。图6绘制了各种实例盘和电涂对照盘在12磅载荷下的切削量结果，图7绘制了各种实例盘和电涂对照盘在8磅载荷下的切削量结果。如图可见，改变大体平的表面的z-方向旋转取向显著地影响了各种实例盘的切削速率。
实例5
在实例5中，使用开孔丝网来控制丝网涂覆磨盘中三角形成型磨粒的顶点朝上取向并与静电涂覆（电涂）对照磨盘比较在不锈钢上的总切削量。改变置于开孔丝网中的三角形成型磨粒的重量并与各种重量的三角形成型磨粒的电涂对照盘加以比较。在此实例中，使用简单的28目织造金属丝筛网来在适宜的顶点朝上取向上对齐三角形成型磨粒。三角形成型粒子通过自边长110密耳、模具深度28密耳、拔模角为98度的等边三角形形状聚丙烯模具腔体成型氧化铝溶胶凝胶来制备。干燥和焙烧后，所得三角形成型磨粒具有约0.110"（2.8mm）的边长、约0.012"（0.3mm）的厚度和-20+26目筛的大小。
对于这些丝网涂覆磨盘，三角形成型磨粒的旋转对齐不受控制，丝网的孔允许随机的z-方向旋转取向。然而，开孔丝网确保了磨料层中大约100%的三角形成型磨粒的顶点指离背衬。随着电涂样品密涂层密度百分数的增加，越来越多的三角形成型磨粒将通过其顶点附接在磨料层中，从而相对于待研磨的工件呈现出水平表面。如图8中所见，丝网涂覆盘在大于75%的密涂层密度百分数下具有显著较高的切削量。在本发明的各种实施例中，丝网涂覆盘可具有约75%至约100%或约80%至约98%的密涂层密度百分数。在这些密度下，显著更多的包含三角形板的成型磨粒通过三角形的基底附接到底胶层，其中顶点指离底胶层，从而显著增大带涂层磨料制品的总切削量。
在不脱离本发明的精神和范围的前提下，更具体地讲，在不脱离所附权利要求书中所示出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他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他方面互换或结合。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，应以前述说明中的信息为准。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说明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 (16)

1.一种带涂层磨料制品，所述带涂层磨料制品包含：
多个成形陶瓷磨粒，所述多个成形陶瓷磨粒每个具有表面特征结构；
所述多个成形陶瓷磨粒由包含树脂性粘合剂的底胶层附接到柔性背衬而形成磨料层；
所述表面特征结构具有指定的z-方向旋转取向；和
其中所述磨料层中所述指定的z-方向旋转取向比所述表面特征结构的随机z-方向旋转取向发生得更频繁。
2.根据权利要求1所述的带涂层磨料制品，所述带涂层磨料制品包含施加在附接到所述柔性背衬的所述多个成形陶瓷磨粒上的复胶层。
3.根据权利要求1所述的带涂层磨料制品，其中所述表面特征结构包括大体平的表面。
4.根据权利要求3所述的带涂层磨料制品，其中所述带涂层磨料制品包括盘，所述指定的z-方向旋转取向使所述大体平的表面周向地定位，并且由所述多个成形陶瓷磨粒产生的图案包含多个同心圆。
5.根据权利要求3所述的带涂层磨料制品，其中所述带涂层磨料制品包括片或带，所述指定的z-方向旋转取向使所述大体平的表面相对所述带或所述片的纵轴以大约0度的角度定位，并且由所述多个成形陶瓷磨粒产生的图案包含多条平行线。
6.根据权利要求3所述的带涂层磨料制品，其中所述带涂层磨料制品包括盘，所述指定的z-方向旋转取向使所述大体平的表面径向地定位，并且由所述多个成形陶瓷磨粒产生的图案包含多个同心圆。
7.根据权利要求3所述的带涂层磨料制品，其中所述带涂层磨料制品包括片或带，所述指定的z-方向旋转取向使所述大体平的表面相对所述带或所述片的纵轴以大约90度的角度定位，并且由所述多个成形陶瓷磨粒产生的图案包含多条平行线。
8.根据权利要求3所述的带涂层磨料制品，其中所述带涂层磨料制品包括盘，所述指定的z-方向旋转取向使所述大体平的表面相对所述盘的直径以大约45度的角度定位，并且由所述多个成形陶瓷磨粒产生的图案包含多条平行线。
9.根据权利要求3所述的带涂层磨料制品，其中所述带涂层磨料制品包括片或带，所述指定的z-方向旋转取向使所述大体平的表面相对所述带或所述片的纵轴以大约45度的角度定位，并且由所述多个成形陶瓷磨粒产生的图案包含多条平行线。
10.根据权利要求3所述的带涂层磨料制品，其中所述带涂层磨料制品包括盘，所述指定的z-方向旋转取向使大约50%的所述成形磨粒定位为使所述大体平的表面以大约0度排列、大约50%的所述成形磨粒定位为使所述大体平的表面以大约90度的角度排列，并且由所述多个成形陶瓷磨粒产生的图案包含多条正交的线。
11.根据权利要求3所述的带涂层磨料制品，其中所述带涂层磨料制品包括片或带，所述指定的z-方向旋转取向使大约50%的所述成形磨粒定位为使所述大体平的表面相对纵轴以大约0度排列、大约50%的所述成形磨粒定位为使所述大体平的表面相对所述纵轴以大约90度的角度排列，并且由所述多个成形陶瓷磨粒产生的图案包含多条正交的线。
12.根据权利要求1所述的带涂层磨料制品，其中至少50%的所述成形陶瓷磨粒具有所述指定的z-方向旋转取向。
13.根据权利要求1所述的带涂层磨料制品，其中至少80%的所述成形陶瓷磨粒具有所述指定的z-方向旋转取向。
14.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或13所述的带涂层磨料制品，其中所述成形陶瓷磨粒包含具有两个相背对的大体平的表面的板。
15.根据权利要求14所述的带涂层磨料制品，其中所述相背对的大体平的表面各具有三角形周边。
16.根据权利要求1所述的带涂层磨料制品，其中所述表面特征结构选自：凹的表面、凸的表面、顶点、孔、脊、线或多条线、凸起、或凹陷。
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