CN103826801A - 通过单轴热压而形成的粘结磨料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种特定方法，其包括单轴热压预成型体，以形成粘结磨料本体，所述预成型体包括在粘结材料中的磨粒。
Description
技术领域
本公开通常涉及粘结磨料，更特别地涉及通过单轴热压而形成粘结磨料制品。
背景技术
单轴压制通常局限于具有均匀横截面的本体，因为非均匀横截面对压力的施加的反应可能无法预期。施加于具有不均匀横截面的本体的压力可导致形状的变形和/或不均匀的密度。单轴热压也通常局限于具有均匀组成的本体，以避免由于可变的热膨胀系数而导致的不同的收缩量。不同的收缩量可产生部分非致密化材料的区域或增加应力的区域。
美国专利号4,153,666公开了在模具中抵靠预成型的部件而热压预成型的形状，所述预成型的形状有序变形成最终形状，所述预成型的部件具有与预成型体的表面恰好配合的表面。所述预成型的部件由粉末状组合物形成，所述粉末状组合物具有与所述预成型体相同的压缩比，以及基本上等于所述预成型体的热膨胀系数。
美国专利号6,306,325和6,508,964公开了在模具中热压陶瓷本体，其中所述陶瓷本体组成为均相的。
美国专利号3,467,745公开了通过如下方式热压具有成形腔体的耐火碳化物本体：对应于最终本体中所需的腔体的位置和尺寸以一定量并在一定位置引入水反应性碳化物。在热压之后，所述水反应性碳化物可用水浸出。
美国专利号5,250,130公开了通过如下方式相对于轴向方向热压具有非均匀组成横截面的生坯：在轴向方向上层合辅助材料与生坯，以获得在整个层合物上基本上相同的均匀收缩。在热压之后，从本体上剥离所述辅助材料。
发明内容
在一个特定实施例中，一种方法包括单轴热压预成型体，以形成粘结磨料本体，所述预成型体包括在粘结材料中的磨粒。
在另一实施例中，一种方法包括单轴热压包括磨粒的预成型体，以形成具有浮雕(relief)的本体，所述浮雕从平行于压制轴线的本体上的平面延伸。
在另一实施例中，一种形成粘结磨料本体的方法包括形成包括磨粒和粘结材料的生坯。所述方法还包括将所述生坯置于模具中，并单轴热压所述生坯以形成粘结磨料本体。
在另一实施例中，一种方法包括形成磨粒和粘结材料的混合物，使所述混合物成型为生坯，以及将所述生坯置于模具中。所述方法还包括单轴热压所述模具，以形成粘结磨料本体，所述粘结磨料本体具有围绕压制轴线不对称的近净形。
在另一实施例中，一种方法包括单轴热压生坯预成型体，以形成复合材料本体。压制包括液相烧结，且在压制过程中所述预成型体的几何形状显著改变。
附图说明
通过参照所附附图，本公开可得以更好地理解，且本公开的许多目的、特征和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。
图1包括示出了制备具有浮雕的磨具的方法的一个特定实施例的流程图。
图2a包括根据本文公开的一个实施例的预成型体的图示。
图2b包括图2a的示例性预成型体的俯视图图示。
图3a包括用于制备磨具的单个模具的一个特定实施例的图示。
图3b包括在用于制备磨具的模具包(mold pack)中使用的模具的一个特定实施例的图示。
图4包括在压制之前负载的模具的一个特定实施例的图示。
图5包括在压制之前负载的模具包的一个特定实施例的图示。
图6包括用以示出压制操作的一个特定实施例的横截面图。
图7包括在压制之后模具的一个特定实施例的图示。
图8包括在压制之后模具包的一个特定实施例的图示。
图9a包括具有浮雕的磨具的一个特定实施例的图示。
图9b包括图9a的示例性磨具的平面的图示。
图9c包括图9a和9b的示例性磨具的侧视图图示。
图10a、10b和10c包括具有可供选择的浮雕取向的磨具的多个示例性实施例的图示。
不同图中的相同附图标记的使用表示类似或相同的项目。
具体实施方式
根据本公开的一个方面，公开了一种方法，其包括单轴热压预成型体，以形成粘结磨料本体，所述预成型体包括在粘结材料中的磨粒。对于单轴热压，在基本上一个方向上或沿着单个轴线将力施加至本体，且同时将热量施加至本体，使得本体的几何形状显著改变。在单轴热压过程中施加力所沿的轴线在本文称为压制轴线。因此，根据本公开的一个方面，粘结磨料本体可通过沿着单个轴线(即压制轴线)热压预成型体(例如生坯或未烧结的本体)而形成。
图1包括根据一个实施例使用单轴热压过程制备磨具的方法100。方法100包括在步骤102中组合磨粒与粘结材料，以形成混合物。所述磨粒可包括无机材料，如氧化物，碳化物、氮化物、硼化物、氮氧化物、碳氧化物、或它们的组合。在一个特定情况中，磨粒可包括氧化铝、碳化硅、二氧化硅、二氧化钸、或它们的组合。特定的实施例可使用由超磨料材料制得的磨粒。合适的超磨料可包括金刚石、立方氮化硼(CBN)、或它们的组合。在一个特定实施例中，磨粒可基本上由金刚石组成。此外，在另一特定实施例中，磨粒可包括以3.5％vol％或更少的量存在的金刚石砂。
所述粘结材料可包括无机材料。在一个实施例中，粘结材料的主要含量(例如，大于50体积％、50重量％或50摩尔百分比)可包括无机材料。例如，粘结材料可为陶瓷，如玻璃质材料。
在另一例子中，粘结材料可包括金属或金属合金。例如，粘结材料可包括一种或多种过渡金属元素。合适的过渡金属元素可包括但不限于钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锡、锆、银、钼、钽、钨、或它们的组合。特别地，粘结材料可包括选自钴、铁、铜和镍的一种或多种过渡金属元素。在一个特定方面，粘结材料可包括电解铁粉、预合金青铜、镍基合金、或它们的组合。在一个示例性非限制性的实施例中，粘结材料可包括40wt％的电解铁粉(-315目)、48wt％的水雾化预合金青铜90/10(-200目)、和12wt％的镍基合金(53-75um)。
在另一例子中，粘结材料可包括有机材料。在一个实施例中，粘结材料的主要含量(例如，大于50体积％、50重量％或50摩尔百分比)可包括有机材料。示例性的有机材料可包括聚合物，如二醇、树脂、糊精、胶、聚乙烯、乙烯、丙烯、聚乙烯醇、或它们的组合。在一个特定情况中，粘结材料可为树脂。示例性的树脂可包括热固性材料、热塑性材料、或它们的组合。例如，树脂可包括酚醛塑料(如酚醛清漆和甲阶酚醛树脂)、环氧树脂、聚酯(如不饱和聚酯)、氰酸酯、紫胶、聚氯酯、橡胶、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、三聚氰胺、或它们的组合。
其他实施例可使用由复合材料制得的粘结材料，所述复合材料包括例如有机和无机材料的组合。例如，粘结材料可包括金属材料与聚合物材料(例如树脂)的组合。
除了磨粒和粘结材料之外，所述混合物可含有其他材料，如添加剂。应了解，添加剂可包含于混合物中，以促进最终磨料本体的适当形成。这种添加剂的例子可包括稳定剂、粘合剂、表面活性剂、造孔剂等。所述添加剂也可包括润滑剂，如石墨粉末润滑剂添加剂(50-150目)。在一个特定方面，这种润滑剂添加剂可以以小于或等于5.0vol％的量存在。
在形成包含磨粒和粘结材料的混合物之后，在步骤104中，可使所述混合物成型为预成型体。例如，图2a和2b显示了预成型体200的一个示例性实施例。在形成预成型体之后，在106中，可将所述预成型体置于模具中。所述模具可包括成形为容纳预成型体的开口，以及与所述开口相邻设置的一个或多个凹陷。作为一个示例性例子，图3a显示了用以容纳单个预成型体(例如，图2的预成型体200)的模具300的一个实施例，且图4显示了在压制之前负载的模具(例如，负载有图2的预成型体200的图3a的模具300)的一个示例性实施例。
在将预成型体置于模具中之后，在步骤108中，可通过在模具(例如图4的负载的模具)内单轴热压预成型体以形成最终成型的磨料本体，以继续所述过程。在根据本文的实施例的特定过程中，在单轴热压过程中，预成型体的几何形状可被显著改变，使得预成型体的几何形状可测定地改变，并形成最终成型的磨料本体，所述最终成型的磨料本体具有与预成型体的形状明显不同的几何形状。在一个实施例中，预成型体的几何形状可在单轴热压过程中改变，以形成具有浮雕的最终成型的磨料本体。如根据本文的实施例所述，浮雕的形状可取决于用于容纳预成型体的模具的形状。
如本文所述，图1示出了通过沿着单个轴线(即压制轴线)热压预成型体(例如生坯或未烧结的本体)而形成具有浮雕的粘结磨料本体的方法的一个特定实施例。可基于待形成的磨具的类型而选择特定预成型体的磨粒和粘结材料。
图2a和2b显示了预成型体200的一个示例性实施例。如图2a和2b所示，预成型体200可具有本体，所述本体由顶表面202和与顶表面202相对的底表面204限定。如所示，在特定情况中，顶表面202和底表面204可具有弯曲轮廓，特别地可分别限定凸状表面和凹状表面。预成型体200的本体也可由前表面225和后表面226限定，所述前表面225和后表面226为基本上彼此平行的基本上平面的表面。预成型体200的本体也可包括以一定角度(其可为基本上直角)延伸至前表面225和后表面226的侧表面227，所述侧表面227接合所述前表面225和后表面226。预成型体200的本体也可包括与侧表面227间隔本体的宽度(W)的侧表面228，所述本体的宽度(W)沿着水平轴线208限定。侧表面228可以以一定角度(其可为基本上直角)延伸至前表面225和后表面226，并接合所述前表面225和后表面228。
在另一方面，预成型体表面202、204中的一个或多个可不为波状外形，而是可为平坦的，沿着单个板延伸并限定单个板。这些表面202、204可在成型过程中变为波状外形，并可在成型过程之后保持波状外形。
如图2a进一步显示，预成型体200的本体可具有长度(L)、宽度(W)和厚度(T)，所述长度(L)定义为沿着纵向轴线206的最长尺寸，所述宽度(W)定义为沿着水平轴线208的与长度(L)正交的尺寸，所述厚度(T)定义为垂直于由前表面225和后表面226限定的平面的沿着侧表面227和228的尺寸。当在由长度(L)和厚度(T)限定的平面中观察时，预成型体200可具有围绕纵向轴线206对称的横截面形状。另外，如图2b所示，当在由宽度(W)和厚度(T)限定的平面中观察时，预成型体200可具有围绕水平轴线208对称的横截面形状。在图2a和2b所示的特定实施例中，预成型体200的厚度(t)可为均匀的。
在一个实施例中，预成型体200可为生坯。应了解，生坯可为未完成的制品，例如未烧结的材料。还应了解，生坯可为未完全致密化的本体，其可进行进一步的加工以进行晶粒生长和致密化。预成型体200可通过多种成型方法成型，包括压制(如热压或冷压)、模制、浇铸、挤出、或它们的组合。根据一个特定过程，生坯可通过冷压成型。
在特定情况中，成型过程可包括形成生坯，所述生坯具有缺少通过单轴热压形成的最终成型的磨料本体的至少一个设计特征的总体形状。示例性的设计特征可包括突起、凹陷、图案化特征等。
预成型体200可在生坯内包括特定含量的孔隙率、在生坯内包括特定含量的磨粒、以及在生坯内包括特定含量的粘结材料。此外，生坯内的孔隙率含量、生坯内的磨粒含量、以及生坯内的粘结材料含量可取决于多种因素。这些因素可包括但不限于预成型体200的尺寸、在加工过程中待施加至预成型体200上的压缩百分比(即预期的体积收缩量)、生坯内粘结材料的压实性、磨粒的压实性、和任何填料或添加剂的压实性等。
取决于某些加工参数，预成型体200的性质可在成型过程中改变。例如，孔隙中的至少一部分的尺寸可在成型过程中减小。此外，孔隙中的至少一部分可在成型过程中坍塌和消除。这样，预成型体200的孔隙率可在成型过程中降低，由预成型体形成的磨具的孔隙率可小于成型过程之前的预成型体200的孔隙率。在用以形成磨具的成型过程中，磨粒的浓度也可由于预成型体200的体积改变而改变。例如，由于预成型体200的体积在成型过程中减小，磨粒的浓度(当表示为总体积的百分比时)可增加。可将成型过程控制至精确的条件，使得可精确控制相(例如粘结材料、磨粒、填料、和甚至孔隙率)的总含量。
图3a显示了成形为容纳单个预成型体(例如图2的预成型体200)的模具300的一个示例性实施例。根据一个实施例，模具300可包括碳，并可由碳制得，使得模具300可为碳基组合物。应了解，“碳基”指包含至少50％的碳的组合物。在另一例子中，模具300可基本上为碳。此外，这种模具基本上由碳组成。例如，模具300可为石墨。
在图3a所示的实施例中，模具300可包括上部308和下部309，所述下部309与上部308分隔，并限定上部308与下部309之间的开口302。开口302可成形为接收预成型体200。特别地，上部308可具有表面318，所述表面318限定开口302的上边界，并构造为在压制过程中直接接触预成型体200的表面(例如下表面204)。特别地，上部306的表面318可具有与预成型体200的下表面204的曲率互补的曲率，以在压制过程中完全接触。下部309可具有表面319，所述表面319限定开口302的下边界，并构造为在压制过程中直接接触预成型体200的表面(例如上表面202)。特别地，所述下部的表面319可具有与预成型体200的上表面202的曲率互补的曲率，以在压制过程中完全接触。
如进一步所示，模具300可包括后部310。所述后部可构造为在压制过程中接合预成型体200的一部分，特别地，其可在压制过程中沿着后表面226的一部分接合预成型体200。根据一个实施例，模具300的后部310可包括凹陷304。凹陷304可为延伸至后部310的体积中的开口。凹陷304可与开口302相邻设置，并与开口302流体连通。凹陷304可具有对应于最终成型的磨料本体的设计特征(例如浮雕或浮雕图案)的形状。在一个示例性实施例中，凹陷304可包括表面314，所述表面314限定与后部310的前表面312间隔开的凹陷304的底表面。表面314可具有特定的轮廓，如平滑轮廓，或者具有由图案化特征或突起限定的粗糙表面。
在特定情况中，凹陷304可沿着侧表面333和334之间的后部310的整个宽度延伸，使得凹陷304与侧表面333和334相交。然而，在其他实施例中，凹陷304可延伸后部310的整个宽度的一部分。
根据一个特定实施例，凹陷304可具有特定的轮廓。例如，凹陷304的轮廓可类似于模具300的表面318或319的轮廓。特别地，凹陷304可具有限定凹状弧或凸状弧的曲线轮廓。
图3b包括一个可选择的实施例的图示。特别地，图3b示出了模具部分，更特别地示出了后部310的可选择的设计。图3b的后部310可由上部328和下部329制得，其中在上部328与下部329之间限定开口。上部329可具有凹陷324，所述凹陷324可具有与描述于本文实施例中的凹陷304相同的特征。开口322可成形为接收预成型体(例如预成型体200)。根据一个实施例，上部328和下部329可具有与如根据本文的实施例描述的上部和下部308和309相同的属性。将后部310分成上部和下部328和329可促进在模具包中加工多个预成型体，这将在本文更详细地描述。
图4包括根据一个实施例的负载的模具的图示。特别地，模具已在上部308与下部309之间负载有预成型体200。如图4所示，预成型体200的下表面204可与模具300的上部308的表面318直接接触，且预成型体200的下表面202可与模具300的下部309的表面319直接接触。更特别地，预成型体200的下表面204可沿着预成型体200的整个宽度直接接触上部308的表面318。另外，预成型体200的表面202可沿着预成型体200的整个宽度直接接触下部309的表面319。应了解，直接接触模具300指如下情况：在预成型体200与模具部分308和309之间不存在中间层。
此外，预成型体200的后表面226可与模具300的后部310的表面312直接接触。然而，特别地，后表面226的一部分可在凹陷304处与后部310间隔开，其中凹陷304包括限定凹陷304的底部的表面314，且表面314可与预成型体200的后表面226间隔开。在压制过程中，表面314与后表面226之间的空间可由预成型体200的材料填充。
图5包括根据一个实施例的模具包的图示。模具包500促进在单个单轴压制操作中加工和成形多个预成型体531和532。例如，模具包500可包括具有上部511和下部512的第一模具部分510，所述上部511和下部512对应于模具300的上部和下部308和309。第一预成型体531可设置于上部与下部511和512之间。然而，下部512可包括在其后表面515中形成的凹陷513，其中凹陷513延伸至下部512的体积中。凹陷513可具有本文实施例中描述的凹陷的任何特征。
模具包500可包括第二模具部分520，所述第二模具部分520包括上部521和下部522。上部和下部521和522可具有本文实施例中描述的模具部分的特征。特别地，上部521可具有在其前表面525中形成的凹陷523，其中凹陷523延伸至上部521的体积中。
特别地，模具包500可使用第一模具部分和第二模具部分510和520，所述第一模具部分和第二模具部分510和520相对于彼此取向以促进在单个压制操作中加工多个预成型体。特别地，在压制过程中，第一模具部分和第二模具部分510和520可以以相同的速率均匀地单轴压制和压缩，使得预成型体531和532被同时加工。特别地，凹陷513和523可相对于在相对的模具部分510和520中的预成型体531和532取向，以促进在压制过程中适当形成预成型体531和532中的特征(例如浮雕)。
尽管图5所示的示例性模具包500包括两个模具部分510和520，但可选择的实施例可包括超过两个模具部分。例如，模具包可包括至少三个模具。在另一例子中，模具包可包括至少四个模具。
图6为根据一个实施例的单轴热压过程的横截面图示。特别地，单轴热压构造包括负载有预成型体602的模具构造600，所述预成型体602可包括本文实施例中描述的任何预成型体。根据一个实施例，模具构造600可包括具有上部608和下部609的模具630，所述上部608和下部609具有本文实施例中描述的上部和下部的特征。模具构造600也可包括冲模部分660和661，并可在压制操作过程中沿着其侧面直接接触预成型体602的一部分，所述冲模部分660和661构造为含有模具构造600内的预成型体602的至少一部分。模具构造600还可包括上冲压机662，所述上冲压机662可设置于上部608之上，且特别地可在压制操作过程中直接接触上部608。模具构造600还可包括下冲压机663，所述下冲压机663可设置于下部609之下，且特别地可在压制操作过程中与下部609直接接触。
在单轴压制操作过程中，可沿着压制轴线(在图6中示为“A”)将力(在图6中示为“F”)施加至预成型体602。特别地，在压制操作过程中，可沿着单个压制轴线A将力F施加至上冲压机662，以压实上部与下部608和609之间的预成型体602。应了解，取决于预成型体602的横截面尺寸，施加至本体的力可转化为压力。或者，可从模具构造600的顶部和底部施加两个相对的力(如在上冲压机662和下冲压机663上的相等的相对的力)，以压实上部与下部608和609之间的预成型体602。仅为了说明的目的，一个预成型体602示为装载至模具630中。然而，应了解，模具630可制定为含有超过一个预成型体，如本文实施例中所述。在此情况中，多个磨料本体可在单个压制操作中由多个预成型体制得。
成型过程可包括特定的成型参数。例如，施加的压力可部分取决于多种因素，包括但不限于预成型体内的特定组分、预成型体内的相的含量、预成型体与最终成型的粘结磨料制品之间预期的收缩量、应用的温度、气氛等。
根据一个实施例，包括包含金属的粘结材料的预成型体602可在至少约4.9MPa(710psi)的压力下单轴热压。在其他实施例中，在单轴热压操作过程中施加的力可为至少约9.8MPa(1421psi)的在预成型体602上的压力，如至少约14.7MPa(2132psi)，或甚至至少约19.6MPa(2842psi)。而且，根据一个实施例，压力可不大于约44.1MPa(6398psi)，如不大于约39.2MPa(5685psi)，不大于约34.3MPa(4975psi)，或甚至不大于约29.4MPa(4264psi)。应了解，包括包含金属的粘结材料的预成型体602可在包括上述最小值和最大值中的任意者的范围内的压力下单轴热压。
单轴热压可在特定气氛中进行。例如，在根据一个实施例的一个过程中，预成型体602可在包含空气的气氛中单轴热压。在另一例子中，预成型体602可在惰性气氛中单轴热压。应了解，“惰性气氛”指不包含可在压制过程中与预成型体602的组分反应的气体的气氛。在另一例子中，预成型体602可在氧化气氛中单轴热压。可选择地，预成型体602可在还原气氛中单轴热压。
根据一个实施例，单轴热压可包括在施加单轴力的同时施加热量。成型过程可包括特定的成型温度，所述成型温度可部分取决于多种因素，包括但不限于预成型体内的特定组分、预成型体内的相的含量、预成型体与最终成型的粘结磨料制品之间预期的收缩量、应用的温度、气氛等。
例如，对于包括包含金属的粘结材料的预成型体602，单轴热压可在至少约600℃(1112°F)，如至少约650℃(1202°F)、至少约700℃(1292°F)、或甚至至少约750℃(1382°F)的温度下进行。在一个特定实施例中，温度可不大于约1100℃(2012°F)，如不大于约1000℃(1832°F)，不大于约900℃(1652°F)，或甚至不大于约800℃(1472°F)。应了解，单轴热压可在包括上述最小温度和最大温度中的任意者的范围内的温度下进行。
在压制操作过程中，可将预成型体602加热至使得预成型体602通过液相烧结过程成型的温度。应了解，液相烧结为一种烧结方法，其中预成型体602的一个相的至少一部分(例如粘结材料的一部分)熔融或变为液体。特别地，液相烧结也可包括将预成型体602致密化为最终成型的磨料制品。在一个实施例中，液相烧结可包括将预成型体602的粘结材料组成中的至少一部分变成液相，其中液体可在模具630内改变位置，并促进在压制操作过程中改变预成型体602的几何形状。在特定情况中，预成型体602的组成与压制操作的组合可经由毛细管作用而促进液相移动通过预成型体，以将未熔融的粒子重新排列成更有利的堆积设置。
特别地，在单轴热压过程中，预成型体602的粘结材料的一部分可软化或熔融，从而允许粘结材料的一部分和磨粒流动至模具630的一个或多个凹陷中，从而产生预成型体602的几何形状的显著改变。粘结材料的液相可将粘结材料的未熔融部分和未熔融的磨粒带入凹陷中。例如，预成型体602的至少一个表面的几何形状可在单轴热压过程中显著改变而包括从表面突出的浮雕。根据一个特定实施例，预成型体602的至少一部分可进行液相烧结，液体部分可流动至与在上部和下部之间形成的开口流体连通的凹陷(例如图3a的凹陷304)中，其中预成型体602设置于所述开口内。
以此方式，净形或近净形磨料本体可在单轴热压操作过程中形成。应了解，“净形”磨料本体为这样一种磨料本体，其几何形状与在压制操作完成时由模具630提供的预期形状基本上相同。“净形”磨料本体可不必需要进一步的形状改变加工。“近净形”磨料本体为这样一种磨料本体，其几何形状与在压制操作完成时由模具630提供的预期形状基本上相同，并且可能需要最终加工(即使是最小的最终加工)。
图7包括在单轴热压完成之后的模具700的一个示例性实施例，且最终成型的磨料本体根据一个实施例形成。特别地，模具700包括上部708、下部709、后部710和包含于模具700内的最终成型的磨料本体702的设置。如图7所示，根据一个实施例，在进行单轴热压操作之后，预成型体的几何尺寸已改变，使得最终成型的磨料制品可包括浮雕706，所述浮雕706设置于后部710的凹陷704中，且特别地，浮雕706可具有与凹陷704的形状互补的形状。因此，浮雕706可具有对应于凹陷704的形状的三维形状。
图8显示了在进行单轴热压操作之后负载的模具包800的一个示例性实施例。如可以理解的，负载的模具包800可包括多个模具810和820，所述多个模具810和820适于在单个单轴热压操作中将多个预成型体成型为最终成型的磨料制品831和832。如本文实施例所述，单轴热压操作可以以促进预成型体的几何形状改变的方式进行，使得最终成型的磨料制品831和832的至少一个几何尺寸不同于对应的预成型体的几何形状。特别地，如图8所示，最终成型的磨料制品831可具有浮雕806，所述浮雕806在凹陷812内形成，并具有与凹陷812互补的形状。最终成型的磨料制品832可具有浮雕807，所述浮雕807在凹陷813内形成，并具有与凹陷813互补的形状。
图9a包括根据一个实施例的磨料制品的图示。特别地，磨料制品可包括由顶表面902和与顶表面902相对的底表面904限定的磨料本体900，所述顶表面902与底表面904间隔磨料本体900的长度(L)。在特定情况中，顶表面902和底表面904可具有弯曲轮廓，特别地可分别限定凸状表面和凹状表面。磨料本体900也可包括以一定角度(其可为基本上直角)延伸至前表面925和后表面926的侧表面927，所述侧表面927接合所述前表面925和后表面926。磨料本体900也可包括侧表面928，所述侧表面928与侧表面927间隔本体900的宽度(W)。侧表面928可以以一定角度(其可为基本上直角)延伸至前表面925和后表面926，并接合所述前表面925和后表面926。
磨料本体900也可由前表面925和后表面926限定，所述前表面925和后表面926彼此间隔厚度(T)。特别地，磨料本体900可包括浮雕990，所述浮雕990为从前表面925延伸的突出的形式。在特定情况中，浮雕990可由第一表面991和第二表面992限定，所述第一表面991以一定角度从前表面925延伸，所述第二表面992以一定角度从前表面925延伸，并与第一表面991间隔第三表面993。如所示，第一角度995可在第一表面991与第三表面993之间限定。第一角度995可为锐角、钝角或基本上直角。根据图9a的所示实施例，第一角度995限定基本上直角。
还如所示，第二角度996可在第二表面992与第三表面993之间限定。第二角度996可为锐角、钝角或基本上直角。根据图9a的所示实施例，第二角度996限定基本上直角。
如可进一步了解，尽管浮雕990显示为具有特定的横截面多边形形状，使得角度在某些表面之间限定，但其他表面可用于限定其他特定的多边形形状。例如，浮雕900可具有作为三角形、四边形、五边形、六边形或任何其它多边形形状的横截面形状。此外，四边形浮雕可为平行四边形，如菱形、长菱形、矩形或方形。此外，四边形浮雕可为梯形(trapezoid)、不规则四边形(trapezium)或等腰梯形。在另一方面，浮雕990可由一个或多个曲线表面限定，从而使用半径或圆边，且浮雕990可具有半圆形的横截面形状。此外，浮雕可被成型为图案，所述图案可包括词语、字母、数字、符号、字母数字符号等。在一个特定方面，由浮雕形成的图案可用于辨认其中形成浮雕的部件。
根据一个实施例，浮雕990可在侧表面927和928之间延伸磨料本体900的宽度(W)的至少一部分。在另一实施例中，浮雕990可延伸本体900的宽度(W)的完全尺寸，使得浮雕990与侧表面927和928相交。此外，如所示，浮雕990可成型为使得表面991、992和993具有沿着磨料本体900的宽度(W)延伸的曲率。特别地，限定浮雕990的表面991、992和993可具有沿着宽度(W)的尺寸延伸的相同曲率，并限定与磨料本体900的顶表面和底表面902和904的曲率相同的弧。
图9b包括磨料本体900的透视图。如所示，磨料本体900可在平面950中具有不对称性，所述平面950由磨料本体900的长度(L)和厚度(T)的尺寸限定。特别地，浮雕990可以以一定角度从前表面925延伸，并限定对与压制轴线平行的平面的不对称性。更详细地，图9c包括沿着平面950的磨料本体900的横截面图。如所示，本体900可包括从前表面925(其为本体900的外表面)延伸的浮雕990，并限定平面951，所述平面951平行于在单轴热压操作过程中施加的力的轴线(A)。
在一个实施例中，浮雕990可在磨料本体900的表面上包括设计。例如，浮雕990可包括标记，包括例如标志，如公司标志、产品标志、产品号或序列号。在特定情况中，浮雕990可为标记，包括例如标志，如公司标志、产品标志、产品号或序列号。
图10a、10b和10c包括根据本文的实施例的磨料制品的图示。特别地，磨料制品包括显示根据实施例的可选择的设计的磨料本体。例如，图10a包括磨料制品的图示，所述磨料制品包括本体1000，所述本体1000具有以直角“R”(其相对于压制轴线A)从本体1000延伸的浮雕1090。即，图10a的浮雕1090可在第一表面1091与前表面1025之间限定直角R。
作为另一例子，图10b包括磨料制品的图示，所述磨料制品包括本体1051，所述本体1051具有以锐角“C”(相对于压制轴线A)从本体1051延伸的浮雕1090。即，图10b的浮雕1090可在第一表面1091与本体1051的前表面1025之间限定锐角C。因此，如所示，浮雕1090可朝向本体1051的顶表面1002向上延伸。
在另一例子中，图10c包括磨料制品的图示，所述磨料制品包括本体1052，所述本体1052具有以钝角“O”(相对于压制轴线A)从本体1052延伸的浮雕1090。即，图10c的浮雕1090可在浮雕1090的第一表面1091与本体1052的前表面1025之间限定钝角C。因此，如所示，浮雕1090可朝向本体1052的底表面1004向下延伸。
在一个特定实施例中，在成型过程之前，预成型体可包括特定含量的孔隙率。例如，对于预成型体的总体积，预成型体可包括至少约20vol％的孔隙率，如至少约25vol％的孔隙率，至少约30vol％的孔隙率，或甚至至少约35vol％的孔隙率。而且，对于预成型体的总体积，预成型体可包括不大于约60vol％的孔隙率，如不大于约55vol％的孔隙率，不大于约50vol％的孔隙率，或不大于约45vol％的孔隙率。应了解，预成型体可包括在包括上述最小值和最大值中的任意者的范围内的孔隙率含量。
根据另一特定实施例，当完成预成型体上的成型过程时，所得磨料本体可包括0vol％的孔隙率。在另一实施例中，本体可包括特定含量的孔隙率。例如，对于本体的总体积，本体可包括至少约1vol％的孔隙率，如至少约3vol％的孔隙率，至少约5vol％的孔隙率，或甚至至少约10vol％的孔隙率。而且，对于本体的总体积，本体可包括不大于约20vol％的孔隙率，如不大于约15vol％的孔隙率。应了解，本体可包括在包括上述最小值和最大值中的任意者的范围内的孔隙率含量。
根据另一实施例，当完成成型过程时，磨料本体可包括特定含量的粘结材料。例如，对于本体的总体积，本体可包括至少约10vol％的粘结材料。在某些其他情况中，本体可包括至少约15vol％的粘结材料，至少约20vol％的粘结材料，或甚至至少约25vol％的粘结材料。而且，对于本体的总体积，本体可包括不大于约70vol％的粘结材料，如不大于约65vol％的粘结材料。应了解，本体可包括在包括上述最小值和最大值中的任意者的范围内的粘结材料量。
实例
在一个特定实施例中，对于沿着预成型体的长度L的单轴热压，通过考虑例如包含预成型体的混合物的压实性和用于使预成型体成型的压实工具的预期寿命而选择长度L。预成型体的最终长度应选择为使得由预成型体混合物中的磨粒而导致的压实工具上的磨损有限，并同时提供足够的压实，使得预成型体充分坚固足以易于处理，且在置于模具中时不会破坏。对于包含30-100wt％的青铜和40-60wt％的铁和2-12.5vol％的最终磨料含量(如在最终磨料本体中所测得)的粘结材料，压实压力可在为约68.9MPa(10.0ksi)至约441.3MPa(64.0ksi)之间的范围和包括约68.9MPa(10.0ksi)至约441.3MPa(64.0ksi)的范围内，热压温度可在约600℃(1112°F)至约1100℃(2012°F)的范围内和包括约600℃(1112°F)至约1100℃(2012°F)的范围，热压压力可在约4.9MPa(710psi)至约44.1MPa(6398psi)的范围内和包括约4.9MPa(710psi)至约44.1MPa(6398psi)的范围。
在一个情况中，磨料本体包括预成型体混合物，所述预成型体混合物包含：
粘结材料，所述粘结材料具有40wt％的电解铁粉(-315目)、48wt％的水雾化预合金青铜90/10(-200目)、和12wt％的镍基合金(53-75μm)；
3.5vol％的金刚石砂磨粒；和
5.0vol％的石墨粉末润滑剂添加剂(50-150目)。
在约372MPa(54ksi)的压实压力下压实预成型体混合物，以形成预成型体，所述预成型体包括是最终磨料本体大约1.8倍大的长度。预成型体在约900℃(1652°F)的温度下和约19.6MPa(2842psi)的压力下热压，以形成磨料本体。
本文的实施例表示了对现有技术的偏离。通常，粘结磨料制品通过诸如冷压或热压的过程形成。在这些过程中，力在预成型体的整个表面上均匀施加，以形成最终成型的磨料本体。此外，对于单轴压制操作，这种过程在工业中保留用于具有均匀组成的那些材料。具有多相组成的材料被认为是具有不同的压实动力学，不同的压实动力学可在最终成型的本体内产生密度梯度，并因此产生较差成型的不合格的制品。然而，本发明的实施例涉及单轴热压包括磨粒和粘结材料的多相本体，以形成粘结磨料制品。本文的实施例使用特征的组合，这有利于成型过程和最终成型的粘结磨料本体的属性，所述特征包括但不限于预成型体的组成、预成型体的形状、模具的组成和形状、加工参数(包括压力、温度和气氛)、液相烧结、和预成型体与最终成型的磨料制品之间的几何形状的改变。
在上文中，对具体实施例和某些组件的连接的提及为示例性的。应了解，提及组件为联接或连接的旨在公开所述组件之间的直接连接或通过一个或多个中间组件的间接连接以进行本文所述的方法，如应了解的。同样，如上公开的主题被认为是说明性的而非限制性的，所附权利要求书旨在涵盖落入本发明的真实范围内的所有这种修改、增强和其他实施例。因此，在法律允许的最大程度内，本发明的范围将由如下权利要求和它们的等同形式的最广允许解释确定，不应由如上具体实施方式限制或限定。
在了解说明书摘要不用于解释或限定权利要求的范围或含义的情况下提交说明书摘要。另外，在如上具体实施方式中，为了简化本公开，各个特征可在单个实施例中组合在一起或进行描述。本公开不解释为反映如下意图：所要求保护的实施例需要除了在每个权利要求中明确记载之外的更多的特征。相反，如如下权利要求所反映，本发明的主题可涉及比所公开的实施例中的任意者的全部特征更少的特征。因此，如下权利要求引入具体实施方式，每个权利要求本身分别限定所要求保护的主题。
Claims (80)
1.一种形成粘结磨料本体的方法，所述方法包括：
单轴热压预成型体，以形成粘结磨料本体，所述预成型体包括在粘结材料中的磨粒。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在单轴热压过程中，所述预成型体的几何形状显著改变。
3.根据权利要求1所述的方法，其中单轴热压包括液相烧结。
4.根据权利要求1所述的方法，其还包括在约600℃(1112°F)至约1100℃(2012°F)的范围内的温度下单轴热压。
5.根据权利要求1所述的方法，其还包括在约4.9MPa(710psi)至约44.1MPa(6398psi)的范围内的压力下单轴热压。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述磨粒包括选自氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、氮氧化物、碳氧化物和它们的组合的材料。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述磨粒包括超磨料。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述超磨料包括金刚石。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述超磨料包括立方氮化硼(CBN)。
10.根据权利要求1所述的方法，其还包括在压制之前将所述预成型体置于模具中。
11.根据权利要求1或12所述的方法，其还包括同时压制至少两个预成型体。
13.根据权利要求1或14所述的方法，其中压制形成净形粘结磨料本体。
15.根据权利要求1或16所述的方法，其中压制形成近净形粘结磨料本体。
17.根据权利要求1或18所述的方法，其还包括使生坯预成型体成型，所述生坯预成型体包括磨粒和粘结材料。
19.根据权利要求17所述的方法，其中使所述生坯预成型体成型包括冷压所述磨粒和所述粘结材料的混合物。
20.根据权利要求1、21或22所述的方法，其中所述粘结磨料本体包括浮雕。
23.根据权利要求1、24或25所述的方法，其还包括形成从所述粘结磨料本体的表面突出的浮雕，其中所述浮雕以一定角度从平行于压制轴线延伸的平面延伸。
26.一种形成本体的方法，所述方法包括：
单轴热压包括磨粒的预成型体，以形成具有浮雕的本体，所述浮雕从平行于压制轴线延伸的平面延伸。
27.根据权利要求1、10、14或26所述的方法，其还包括形成本体，使得所述本体的最终形状围绕所述压制轴线不对称。
28.根据权利要求26所述的方法，其中所述平面限定所述本体的外表面。
29.根据权利要求26所述的方法，其中单轴热压包括在压制过程中在所述本体中形成浮雕，其中所述浮雕以相对于所述压制轴线的一定角度延伸。
30.根据权利要求29所述的方法，其还包括形成以相对于所述压制轴线的锐角延伸的浮雕。
31.根据权利要求29所述的方法，其还包括形成以相对于所述压制轴线的钝角延伸的浮雕。
32.根据权利要求29所述的方法，其中形成包括形成垂直于所述压制轴线延伸的浮雕。
33.根据权利要求26所述的方法，其还包括在压制过程中显著改变所述预成型体的几何形状。
34.根据权利要求26所述的方法，其中单轴热压包括液相烧结。
35.根据权利要求26所述的方法，其还包括在约600℃(1112°F)至约1100℃(2012°F)的范围内的温度下单轴热压。
36.根据权利要求26所述的方法，其还包括在约4.9MPa(710psi)至约44.1MPa(6398psi)的范围内的压力下单轴热压。
37.根据权利要求1、10、14或26所述的方法，其还包括在氧化气氛、还原气氛、或惰性气氛中的一者中单轴热压。
38.根据权利要求37所述的方法，其还包括在惰性气氛中单轴热压。
39.根据权利要求26所述的方法，其中所述本体包括复合材料。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述本体包括粘结材料。
41.根据权利要求1、10、14、18或40所述的方法，其中所述粘结材料包括无机材料。
42.根据权利要求41所述的方法，其中所述粘结材料包括陶瓷。
43.根据权利要求41所述的方法，其中所述粘结材料包括金属或金属合金。
44.根据权利要求43所述的方法，其中所述粘结材料包括过渡金属元素。
45.根据权利要求1、10、14、18或40所述的方法，其中所述粘结材料包括玻璃质材料。
46.根据权利要求1、10、14、18或40所述的方法，其中所述粘结材料包括有机材料。
47.根据权利要求1、10、14、18或40所述的方法，其中所述粘结材料包括聚合物。
48.根据权利要求1、10、14、18或40所述的方法，其中所述粘结材料包括选自树脂、二醇、糊精、聚乙烯、乙烯、丙烯、聚乙烯醇、和它们的组合的材料。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述粘结材料包括树脂。
50.根据权利要求39所述的方法，其中所述本体包括陶瓷。
51.根据权利要求39所述的方法，其中所述本体包括粘结磨料本体。
52.根据权利要求26所述的方法，其中所述磨粒包括超磨粒。
53.根据权利要求52所述的方法，其中所述磨粒包括选自氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、氮氧化物、碳氧化物、和它们的组合的材料。
54.根据权利要求52所述的方法，其中所述超磨料包括金刚石。
55.根据权利要求52所述的方法，其中所述超磨料包括立方氮化硼(CBN)。
56.根据权利要求26所述的方法，其还包括在压制之前将所述预成型体置于模具中。
57.根据权利要求26所述的方法，其还包括同时压制至少两个成型体。
58.根据权利要求26所述的方法，其中压制形成净形本体。
59.根据权利要求26所述的方法，其中压制形成近净形本体。
60.根据权利要求26所述的方法，其还包括使生坯预成型体成型，所述生坯预成型体包括磨粒和粘结材料。
61.根据权利要求60所述的方法，其中使所述生坯预成型体成型包括冷压所述磨粒和粘结材料。
62.根据权利要求1、10、14或26所述的方法，其中所述预成型体包括大约20-60vo1％的孔隙率。
63.根据权利要求1、10、14或26所述的方法，其中所述本体包括至多大约0-20vo1％的孔隙率。
64.一种形成粘结磨料本体的方法，所述方法包括：
形成包括磨粒和粘结材料的生坯；
将所述生坯置于模具中；以及
单轴热压所述生坯，以形成粘结磨料本体。
65.一种形成粘结磨料本体的方法，所述方法包括：
形成磨粒和粘结材料的混合物；
将所述混合物成型为生坯；
将所述生坯置于模具中；和
压制所述模具以形成具有近净形的粘结磨料本体，其中压制包括单轴热压，且其中所述粘结磨料本体具有围绕所述压制轴线不对称的形状。
66.一种形成复合材料本体的方法，所述方法包括：
单轴热压生坯预成型体以形成复合材料本体，其中压制包括液相烧结，且其中在压制过程中所述预成型体的几何形状显著改变。
67.根据权利要求66所述的方法，其中在压制过程中所述预成型体的表面的至少一个轮廓改变形状。
68.根据权利要求66所述的方法，其中在压制过程中形成从所述复合材料本体的表面突起的延伸部。
69.根据权利要求68所述的方法，其中所述延伸部以相对于压制轴线的一定角度从所述本体的表面延伸。
70.根据权利要求69所述的方法，其中所述角度为锐角。
71.根据权利要求69所述的方法，其中所述角度为钝角。
72.根据权利要求69所述的方法，其中所述角度垂直于所述压制轴线。
73.根据权利要求88所述的方法，其中压制包括在约600℃(1112°F)至约1100℃(2012°F)的范围内的温度下单轴热压。
74.根据权利要求66所述的方法，其还包括在约4.9MPa(710psi)至约44.1MPa(6398psi)的范围内的压力下压制。
75.根据权利要求66所述的方法，其还包括在氧化气氛、还原气氛或惰性气氛中的一者中压制。
76.根据权利要求75所述的方法，其还包括在惰性气氛中压制。
77.根据权利要求66所述的方法，其还包括在压制之前将所述生坯预成型体置于模具中。
78.根据权利要求1、21、48或77所述的方法，其中所述模具包括用于形成所述浮雕的凹陷。
79.根据权利要求1、21、48或77所述的方法，其中所述模具包括碳。
80.根据权利要求1、21、48或77所述的方法，其中所述模具为碳基的。
81.根据权利要求1、21、48或77所述的方法，其中所述模具基本上由碳组成。
82.根据权利要求1、21、48或77所述的方法，其中所述模具包括石墨。
83.根据权利要求1、21、48或77所述的方法，其中所述预成型体直接接触所述模具。
84.根据权利要求1、21、48或77所述的方法，其还包括在冲模内提供模具包，其中所述模具包包括多个模具和多个生坯预成型体。
85.根据权利要求84所述的方法，其中在冲模内提供模具包包括用所述多个生坯预成型体中的生坯预成型体装载所述多个模具中的模具。
86.根据权利要求84所述的方法，其还包括单轴热压所述模具包。
87.根据权利要求66所述的方法，其还包括同时压制至少两个生坯预成型体。
88.根据权利要求66所述的方法，其还包括使生坯预成型体成型，所述生坯预成型体包括磨粒和粘结材料的混合物。
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