CN104768710A - 成形磨料颗粒、制备方法及包含其的磨料制品 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种制备磨料颗粒的方法，包括：提供包含非胶态固体颗粒和液体载体的浆液；将所述浆液的至少一部分形成为接触基板的成形体；至少部分地干燥所述成形体以提供成形磨料前体颗粒；将所述成形磨料前体颗粒的至少一部分从所述基板分离；以及将所述成形磨料前体颗粒的至少一部分转化为成形磨料颗粒。所述成形磨料颗粒包含α氧化铝，所述α氧化铝具有0.8至8微米的平均晶粒尺寸和为真密度的至少92％的表观密度。每个成形磨料颗粒各自具有包括形成至少四个顶点的多个光滑侧面的表面。本公开还公开了成形磨料颗粒、包括它们的磨料制品及使用的方法。

Description

成形磨料颗粒、制备方法及包含其的磨料制品
技术领域
本公开广义地涉及基于氧化铝的磨料颗粒、制备它们的方法及包含它们的磨料制品。
背景技术
因为其成本、良好导热性、强度、韧性和化学惰性的平衡使得其在涂覆和粘结磨料中具有优异的磨削特性，因此氧化铝(即，Al2O3)是磨料工业已知的最重要的磨料矿石之一。人们早已知道，微结构细化将带来磨料特性的改善。因此，开发了经由化学溶胶-凝胶途径生产并产生具有极细小的微结构(<0.5微米)的完全致密烧结结构的优质氧化铝晶粒(例如，参见美国专利4,314,827(Leitheiser等人))并引入到磨料市场中。由溶胶-凝胶衍生的α氧化铝形成的成形磨料颗粒的引入已彻底改变磨料工业。在研磨应用中，这些磨料颗粒通常优于由相同的材料制成的对应破碎颗粒。然而，此类溶胶-凝胶衍生的磨料颗粒仅可以小于约20目(美国目尺寸)的尺寸获得。由于在干燥过程中移除大量挥发性物质的需要所伴随的破裂，故使用溶胶-凝胶技术生产较大磨料颗粒的尝试通常不成功。
因此，期望提供粉末衍生的氧化铝磨料而无砂砾尺寸限制并具有与溶胶-凝胶晶粒相似或比其更好的磨削特性。虽然粉末衍生的Al2O3磨料也可得到(例如，以CCC晶粒得自奥地利菲拉赫的Treibacher Schleifmittel公司(Treibacher Schleifmittel AG,Villach,Austria)或以烧结氧化铝得自日本东京的昭和电工株式会社(ShowaDenko KK,Tokyo,Japan))，但它们的实用性由于通常伴随粉末烧结方法的较粗微结构而受限。
α氧化铝的机械性能常常受杂质存在的影响。特别地，广为人知的是，杂质诸如钠在由氧化铝前体形成α氧化铝中存在有害影响。例如，氧化钠的存在将导致烧结后α氧化铝晶粒尺寸的增大，从而导致降低的硬度和/或烧结过程中的开裂。目前，磨料工业中认为，显著高于约1-2微米结晶α氧化铝晶粒尺寸范围的微结构粗化对于用于涂覆磨料和精密磨削应用中的磨料颗粒中的使用来说是不实用的。
因此，商业上在成形α氧化铝磨料颗粒的生产中使用高纯度α氧化铝前体。这些前体相应地昂贵。
发明内容
在一个方面，本公开提供了一种制造磨料颗粒的方法，所述方法包括：
提供包含非胶态固体颗粒和液体载体的浆液，其中所述非胶态固体颗粒中的至少一些包含α氧化铝或α氧化铝前体中的至少一者，并且其中所述非胶态固体颗粒占所述浆液的体积的至少30％；
将所述浆液的至少一部分形成为接触基板的成形体，其中所述成形体基本上根据预定形状形成；
至少部分地干燥所述成形体以提供成形磨料前体颗粒；
将所述成形磨料前体颗粒的至少一部分从所述基板分离；以及
将所述成形磨料前体颗粒的至少一部分转化为成形磨料颗粒，其中所述成形磨料颗粒包含α氧化铝，其中所述α氧化铝具有0.8至8微米的平均晶粒尺寸，其中所述α氧化铝具有为真密度的至少92％的表观密度，并且其中每个成形磨料颗粒各自具有包括多个侧面和至少四个顶点的表面，并且其中所述成形磨料颗粒符合标称的预定形状。
在另一个方面，本公开提供了根据上述方法制得的成形磨料颗粒。
在又一个方面，本公开提供了包含α氧化铝的成形磨料颗粒，其中所述α氧化铝具有0.8至8微米的平均晶粒尺寸，其中所述α氧化铝具有为真密度的至少92％的表观密度，其中每个成形磨料颗粒各自具有包括多个侧面和至少四个顶点的表面，并且其中所述成形磨料颗粒符合标称的预定形状。
根据本公开的成形磨料颗粒可用于例如磨料制品(例如，涂覆磨料、粘结磨料、磨刷和/或非织造磨料)的制造中。
因此，在又一个方面，本公开提供了一种磨料制品，包括保持在粘结剂中的成形磨料颗粒，其中所述成形磨料颗粒包含α氧化铝，其中所述α氧化铝具有0.8至8微米的平均晶粒尺寸，其中所述α氧化铝具有为真密度的至少92％的表观密度，并且其中所述成形磨料颗粒符合标称的预定形状。
根据本公开的磨料颗粒和磨料制品可用于例如研磨工件。
在又一个方面，本公开提供了一种研磨工件的方法，所述方法包括：使根据本公开的磨料制品中包含的至少一个成形磨料颗粒与工件接触，并使磨料制品或工件中的至少一者相对于另一者移动来研磨所述工件的至少一部分。
如本文所用：
术语“表观密度”指材料的质量除以其表观体积(即，包括内部空隙空间的体积)；
术语“胶体”指其中尺寸大约10至10,000埃的细分颗粒以防止其容易地过滤或快速地沉降的方式分散于连续液体介质内的体系；
术语“晶粒”指单个晶体或单晶材料中的单独的晶体，其中所述单独的晶体的晶格是连续的并且直到其边缘都不间断，并且无内部晶界；
术语“晶界”指晶粒的晶体结构中的缺陷，所述缺陷在多晶材料中两个晶粒或微晶之间形成界面；
除非另外指明，否则提及颗粒尺寸时用到的术语“目”指美国目尺寸，
术语“非胶态”指不具有胶体的特征。
术语“成形”指该形状是制造过程中根据预定形状有意成形的结果；
提及表面时用到的术语“光滑”指除因用来制造其的制造过程所致的不规则引起的那些外，该表面无不规则部分、粗糙或突出；
术语“真密度”指排除材料中任何内部空隙体积外给定材料在给定的压力和温度(例如，一个大气压力和25℃的温度)下确定的密度。
表述“其中所述成形磨料颗粒符合标称的预定形状”指成形磨料颗粒的形状与预期的(预定)标称形状基本上对应，这由其制备方法(例如，由模制、挤出或丝网印刷)决定，从而允许在干燥、煅烧和烧结的过程中收缩以及由于过程变异性而可能发生的随机偏差(例如，轻微的翘曲或缺陷)。
有利地，当引入到例如呈盘和/或带的形式的涂覆、粘结和/或非织造磨料中时，根据本公开的成形磨料颗粒可表现出优异的研磨特性。另外，甚至当成形磨料颗粒内的氧化铝微结构(即，晶粒尺寸)粗化到显著高于约1-2微米范围(技术中公认的作为可用于涂覆磨料和精密磨削应用的边界的晶粒尺寸水平)时，成形磨料颗粒的磨削特性也将基本上保持。这与市售溶胶-凝胶衍生的成形磨料颗粒中的氧化铝微结构形成对比。
有利地，根据本公开的磨料颗粒可使用比典型的溶胶-凝胶方法中使用的较便宜的起始材料，同时取得基本上等同(或更好)的磨削性能。
在考虑具体实施方式以及所附权利要求书之后，将进一步理解本公开的特征和优点。
附图说明
图1为根据本公开的示例性成形磨料颗粒100的示意性透视图。
图2为根据本公开的示例性带涂层磨料制品200的示意性侧视图。
图3为根据本公开的另一示例性带涂层磨料制品300的示意性侧视图。
图4为根据本公开的示例性磨削轮400的示意性透视图。
图5为根据本公开的示例性非织造磨料制品500的放大约100倍的示意图。
图6为实例5的成形磨料颗粒的断裂面的扫描电子显微镜(SEM)显微照片。
图7为在1550℃下烧制的实例6成形磨料晶粒的拐角的SEM显微照片。
图8为在1575℃下烧制的实例6成形磨料晶粒的边缘的SEM显微照片。
图9为实例8c的成形磨料颗粒的断裂面的SEM显微照片。
图10为实例8e的成形磨料颗粒的断裂面的SEM显微照片。
尽管上述附图示出了本公开的若干实施例，但是例如如讨论中所指出，还可以想到其他实施例。在所有情况下，本公开都以示例性而非限制性方式展示。应当理解，本领域的技术人员可以设计出大量其他修改和实施例，这些修改和实施例也在本公开的原理的范围和实质内。附图可未按比例绘制。在所有附图中，相同参考标号可以用来表示相同部件。
具体实施方式
根据本公开的成形磨料颗粒可根据多步方法使用包含非胶态固体颗粒和液体载体的浆液来制备。通常，非胶态固体颗粒被悬浮在液体载体中；然而，具有一些非胶态固体颗粒的沉降也是可接受的。非胶态固体颗粒中的至少一些包含α氧化铝或其前体中的至少一者。在一些实施例中，非胶态固体颗粒包含α氧化铝颗粒、α氧化铝前体颗粒或它们的组合。在一些实施例中，基本上全部(例如，至少95重量％或至少99重量％)或全部的非胶态固体颗粒包含α氧化铝颗粒、α氧化铝前体颗粒或它们的组合。
α氧化铝颗粒和非胶态α氧化铝前体颗粒单独地或两者都存在的话总共地可占浆液的至少30体积％、35体积％、40体积％、50体积％或甚至至少55体积％。浆液可还包含一种或多种任选的添加剂诸如一种或多种增稠剂、一种或多种触变剂、一种或多种分散剂、一种或多种润湿剂、一种或多种消泡剂、一种或多种偶联剂、一种或多种改性剂或一种或多种其前体、一种或多种成核剂、一种或多种胶溶剂和/或一种或多种脱模剂。可用的增稠剂包括：一种或多种有机增稠剂，例如瓜尔胶、羧甲基纤维素钠和/或卡波姆；和无机增稠剂，例如胶态勃姆石。
改性添加剂可用于增强磨料颗粒的某些所需性质或提高后续烧结步骤的效果。改性添加剂或改性添加剂的前体可呈微米尺度和亚微米尺度微粒、纳米胶体(即，纳米尺度胶体)、可溶盐(通常水可溶盐)和不可溶盐的形式。它们通常由含金属的化合物构成，并且可以是镁、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，以及上述项的混合物。此类添加剂的具体用量水平的确定在本领域普通技术人员的能力范围内。
适于包含在浆液中的成核剂可包括例如α氧化铝、α氧化铁或其前体、钛氧化物和钛酸盐、铬氧化物的细粒，或将使所述转化成核的任何其它材料。如果使用，成核剂的量通常应足以实现α氧化铝的转化。使α氧化铝前体分散体成核的方法公布于美国专利4,744,802(Schwabel)中。
如果浆液中包含胶态勃姆石增稠剂，则胶溶剂可用于提供稳定性。合适的胶溶剂包括单质子酸或酸化合物，诸如乙酸、盐酸、甲酸和硝酸。也可使用多质子酸，但它们可能使浆液迅速胶凝，使得难以处理或难以将附加组分引到其中。
在一些实施例中，非胶态固体颗粒包含α氧化铝颗粒。所述α氧化铝颗粒可为例如破碎的或成形的。如本文所用，术语“α氧化铝颗粒”指包含α氧化铝的颗粒。在一些实施例中，α氧化铝颗粒包含至少95重量％或至少99重量％的α氧化铝。在一些实施例中，α氧化铝颗粒由α氧化铝组成。可用的α氧化铝颗粒可包含铝离子之外的金属离子(例如，Fe3+离子)。合适的α氧化铝的实例包括α氧化铝白刚玉和棕刚玉。
在一些实施例中，非胶态固体颗粒包含α氧化铝前体颗粒。如本文所用，术语“α氧化铝前体”指通过充分加热能够至少部分地(例如，完全地)转化为α氧化铝的除α氧化铝之外的材料。合适的α氧化铝前体的实例包括勃姆石(γ-AlO(OH))、水铝石(α-AlO(OH))、三羟铝石(即，α-Al(OH)3)和水铝矿及其多晶型物(例如，督三水铝石和诺三水铝石)。
所述非胶态固体颗粒可以是单峰或多峰(例如，双峰)的。例如，非胶态固体颗粒可具有双峰分布，其中约95％的非胶态固体颗粒可具有约0.7微米的峰并且约5％的非胶态固体颗粒具有约2-3微米的峰。
与其中甚至适度水平的钠离子也往往显著地降低含钠离子的磨料颗粒的磨削性能的传统溶胶-凝胶方法相比，有利地，根据本公开的方法和成形磨料颗粒耐受浆液组分和所得成形磨料颗粒中适度水平的钠离子。例如，基于成形磨料颗粒的总重量，即使当成形磨料颗粒包含以当量计至多约2.5重量％的氧化钠、优选0.03重量％至2.5重量％的氧化钠、更优选0.05重量％至2.5重量％的氧化钠时，也可获得良好的磨削性能。在一些实施例中，基于成形磨料颗粒的总重量，成形磨料颗粒包含以当量计0.05重量％至0.5重量％的氧化钠。
液体载体可包含水和/或有机溶剂。液体载体以液体载体的至少50重量％、60重量％、70重量％、80重量％、90重量％或甚至至少95重量％的量包含水。优选地，液体载体中的任何有机溶剂是水溶的，更优选可与水混溶的。实例包括低级醇(例如，甲醇、乙醇、丙醇)、醚(例如，甘醇二甲醚和二甘醇二甲醚)和内酰胺(例如，2-吡咯烷酮)。
优选地，浆液中包含的α氧化铝和/或α氧化铝前体的颗粒具有在0.4至2.0微米的范围内、更优选0.4至0.8微米的范围内的平均粒度，但这不是必要条件。在一些实施例中，双峰或甚至三峰粒度分布是可用的。在这种情况下，除细颗粒外，还可能存在尺寸显著较大的那些(例如，0.7的平均粒度辅以百分之几的2-5微米颗粒)。
接下来使浆液的至少一部分与基板接触以形成成形体。这可至少以若干方式实现。
例如，也可通常根据针对溶胶-凝胶分散体开发的工艺通过使用生产工具(即，模具)模制浆液来制备成形体，不同的是使用浆液代替溶胶-凝胶。在此方法中，(例如，使用刮刀涂布机、刮棒涂布机或刮浆刀)将浆液推到基板主表面上的精确成形的模具腔中，例如，如美国专利申请公开2010/0146867 A1(Boden等人)、2010/0151195 A1(Culler等人)、2010/0151196 A1(Adefris等人)、2009/0165394 A1(Culler等人)和2010/0151201A1(Erickson等人)中所述。在这种情况下，理想的是成形体基本上保持模具腔的形状，从而允许在干燥过程中收缩。
合适的生产工具可为例如带、片材、连续幅材、涂布辊(诸如轮转凹版辊)、安装在涂布辊上的套管、或冲模。在一个实施例中，所述生产工具包含聚合物材料。适合的聚合物材料的实例包括例如聚酯、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等热塑性材料，或者热固性材料。在一个实施例中，整个生产工具由聚合物材料或热塑性材料制成。
聚合物型或热塑性生产工具可以由金属母模工具复制而成。母模工具将具有生产模具所需的反向图案。母模工具可以采用与生产模具相同的方式制成。在一个实施例中，母模工具由金属(例如，镍)制成，并且经过金刚石车削。在一个实施例中，母模工具至少部分地使用立体光照型技术形成。可以将聚合物片材料与母模工具一起加热，使得通过将二者按压在一起而对聚合物材料压印出母模工具图案。还可以将聚合物材料或热塑性材料挤出或浇注到母模工具上，然后对其进行压制。冷却热塑性材料以使其硬化，从而制得生产模具。如果利用热塑性生产模具，那么应当注意不要产生过多热量，因为这些热量可以使热塑性生产模具变形，从而限制其寿命。关于生产模具或母模工具的设计和制造的更多信息可见于美国专利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)。
可使用刮刀或矫平棒来迫使浆液完全进入生产工具中的腔中。未进入腔的浆液剩余部分可从生产工具的顶表面移除并再循环。在一些实施例中，浆液的一小部分可保留在生产工具的顶表面上，而在其它实施例中，顶表面基本上无分散体。由刮刀或矫平棒施加的压力通常小于100psi(0.6MPa)、小于50psi(0.3MPa)，或者甚至小于10psi(60kPa)。在一些实施例中，浆液不向外延伸到顶表面之外。在其中需要使腔的暴露表面形成成形磨料颗粒的平面的那些实施例中，可能需要过度填充腔(例如，使用微喷嘴阵列)并缓慢地干燥浆液。
可从模具的顶表面或底表面中的开口进入生产工具中的腔中。在某些情况下，腔可以延伸模具的整个厚度。或者，腔可以仅延伸模具的厚度的一部分。在一个实施例中，模具的顶表面大体平行于底表面，其中模具腔具有大体均匀的深度。模具的至少一侧，即，形成腔的那一侧可以在移除挥发性组分的步骤中保持暴露于周围大气环境。
腔具有特定三维形状，以便制备陶瓷成形磨料颗粒。该深度尺寸等于从顶表面到底表面的垂直距离。给定腔的深度可以是均匀的，或者可以沿其长度和/或宽度而发生变化。给定模具的腔可以具有相同形状或者不同形状。
或者，可推送浆液通过丝网或穿孔基板中的开口(例如，通过丝网印刷)。在这种情况下，理想的是浆液具有足够的粘度使得成形体在干燥过程中基本上保持其形状(允许收缩)。
在这些方法中的任一者中，如果需要，可能理想的是在浆液中包含脱模剂或向模具表面上涂布脱模剂以有助于从基板移除成形磨料前体颗粒。典型的脱模剂包括油(诸如花生油或矿物油)、鱼油、有机硅、聚四氟乙烯(PTFE)、硬脂酸锌和石墨。一般来说，将在液体(诸如水或醇)中的脱模剂(诸如花生油)施加到生产工具的与浆液接触的表面，使得当需要脱模时，存在介于约0.1mg/in2(0.6mg/cm2)至约3.0mg/in2(20mg/cm2)之间或介于约0.1mg/in2(0.6mg/cm2)至约5.0mg/in2(30mg/cm2)之间的脱模剂。
基板可例如呈片材、辊、带、幅材、带、片材、连续幅材、涂布辊(诸如轮转凹版辊)或安装在涂布辊上的套管的形式。基板可包含金属(例如，在带或辊的情况下)或有机增稠剂(例如，聚乙烯或聚丙烯)。
在将浆液形成为成形体后，使成形体至少部分地干燥以提供成形磨料前体颗粒。这可例如使用烘箱、受热台板、热风枪或红外加热器实现。如本文所用，术语“干燥”指移除至少一部分液体载体，其可或可不专门指移除水。
有利地，将液体载体以快速蒸发速率移除。在一些实施例中，通过蒸发移除液体载体在高于液体载体的沸点的温度下进行。干燥温度的上限可取决于制造模具的材料。对于聚丙烯模具，温度应通常低于聚丙烯的熔点，优选低于软化点。
在干燥过程中，浆液收缩，这可能导致从腔壁的回缩。例如，如果腔具有平坦的壁，那么所得陶瓷成形磨料颗粒就可能具有至少三个凹陷的主侧面。通过使腔壁成凹形(由此，腔体积增大)，可以获得具有至少三个大体平坦的主侧面的成形磨料颗粒。所需的凹度通常取决于浆液的固体含量。
接下来，从基板分离成形磨料前体颗粒的至少一部分。通常，这可例如通过重力、真空、压缩空气或机械方法诸如振动(例如，超声振动)、挠曲和/或敲打实现，但也可使用其它方法。
在从基板分离后，可将成形磨料前体颗粒的至少一部分转化为成形磨料颗粒。
在从基板分离后，可在外面进一步干燥成形磨料前体颗粒。如果在模具中将浆液干燥到了所需的水平，则此附加的干燥步骤不是必要的。然而，在一些情况下，采用此附加的干燥步骤来使浆液在模具中的停留时间最小化可能是经济的。通常，将成形磨料前体颗粒在50℃至160℃、或在120℃至150℃的温度下干燥10至480分钟、或120至400分钟。
任选但优选地，然后煅烧成形磨料前体颗粒。在锻烧过程中，基本上所有的挥发性物质都被除去，并且存在于浆液中的各种组分被转化为金属氧化物。通常将成形磨料前体颗粒加热到400℃至800℃的温度，并保持在此温度范围内直到游离水和90重量％以上的任何键合态挥发性物质被移除为止。在一个可选的步骤中，可能需要通过浸渍工艺引入改性添加剂。可通过浸渍向已煅烧的成形磨料前体颗粒的孔隙中引入水溶性盐。然后再次预烧制成形磨料前体颗粒。该可选步骤在美国专利5,164,348(Wood)中进行了进一步描述。
无论煅烧与否，成形磨料前体颗粒(或已煅烧的成形磨料前体颗粒)均被烧结以形成包含α氧化铝的成形磨料颗粒。成形磨料颗粒在烧结后通常是陶瓷的。在烧结之前，(任选煅烧的)成形磨料前体颗粒并未完全致密化并因此缺乏用作陶瓷成形磨料颗粒所需的硬度。烧结通常通过将(任选已煅烧的)成形磨料前体颗粒加热到1000℃至1650℃的温度来进行。实现致密化所需的加热时间取决于各种因素，但五秒至48小时的时间是典型的。
在另一个实施例中，烧结步骤的持续时间在1分钟到90分钟的范围内。烧结之后，陶瓷成形磨料颗粒可以具有10GPa(吉帕斯卡)、16GPa、18GPa、20GPa或更大的维氏硬度。
可使用其它步骤来改变所述工艺，所述步骤例如：将材料从煅烧温度快速加热至烧结温度或对浆液进行离心以移除淤渣和/或垃圾。此外，如果需要，那么可以通过组合这些工艺步骤中的两者或更多者来改变该工艺。可以用于改变本公开的工艺的常规工序在美国专利4,314,827(Leitheiser)中进行了更完整的描述。
根据本公开制备的成形磨料颗粒包含α氧化铝，所述α氧化铝具有0.8至8微米(优选0.8至6微米、更优选0.8至5微米)的平均晶粒尺寸和为真密度(例如，α氧化铝在25℃下的真密度＝3.97g/cm3)的至少92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或甚至至少99％的表观密度。
根据本公开的成形磨料颗粒可以宽泛的粒度范围使用，尺寸通常在约10至约10000微米、优选地约100至约10000微米、更优选地约500至约10000微米的范围内，但这不是必要条件。在一些实施例中，成形磨料颗粒具有至少20美国目(即，≥约840微米)的平均粒度。根据本公开的成形磨料颗粒可使用本领域熟知的技术过筛并分级，包括使用磨料工业公认的分级标准如ANSI(美国国家标准协会)、FEPA(欧洲磨料生产联合会)和JIS(日本工业标准)。ANSI粒级标号包括：ANSI 4、ANSI 6、ANSI8、ANSI 16、ANSI 24、ANSI 36、ANSI 40、ANSI 50、ANSI 60、ANSI80、ANSI 100、ANSI 120、ANSI 150、ANSI 180、ANSI 220、ANSI 240、ANSI 280、ANSI 320、ANSI 360、ANSI 400和ANSI 600。FEPA粒级标号包括：P8、P12、P16、P24、P36、P40、P50、P60、P80、P100、P120、P150、P180、P220、P320、P400、P500、P600、P800、P1000和P1200。JIS粒级标号包括：JIS8、JIS12、JIS16、JIS24、JIS36、JIS46、JIS54、JIS60、JIS80、JIS100、JIS150、JIS180、JIS220、JIS240、JIS280、JIS320、JIS360、JIS400、JIS400、JIS600、JIS800、JIS1000、JIS1500、JIS2500、JIS4000、JIS6000、JIS8000和JIS10,000。
根据本公开的成形磨料颗粒具有非随机形状，通常由用于形成它们的方法所赋予。例如，可将成形磨料颗粒成形为锥体、截锥体、棒状物或圆锥体。在一些实施例中，成形磨料颗粒具有包括多个侧壁的外表面，所述侧壁形成至少四个顶点。侧壁通常是基本光滑或光滑的，但这不是必要条件。
在一些实施例中，每个成形磨料颗粒可包括邻接多个侧壁的底表面，其中所述底表面包括至少三个顶点。
在一些实施例中，每个成形磨料颗粒各自可还包括邻接所述多个侧壁的顶表面，其中所述顶表面和所述底表面不彼此接触。在一些实施例中，所述侧壁从所述底表面向内渐缩。
现在参见图1，根据本公开的示例性成形磨料颗粒100包括截顶三角锥，具有顶点110、侧壁120、边缘130、底表面140和顶表面150(其不与底表面140接触)。侧壁120从顶表面140向内渐缩。相邻的侧壁在边缘130和至少两个顶点110处彼此接触。
在另一个方面，本公开提供了包含粘结剂和保持在所述粘结剂中的根据本公开的成形磨料颗粒的磨料制品(例如，带涂层磨料制品、粘结磨料制品(包括玻璃化的、树脂状的和金属粘结的磨轮、切割轮、磨头和珩磨石)、非织造磨料制品和磨刷)。制造此类磨料制品和使用磨料制品的方法是本领域技术人员熟知的。此外，根据本公开的成形磨料颗粒可用于利用磨料颗粒的磨料应用中，诸如研磨复合物(例如抛光复合物)的浆液、研磨介质、喷丸介质、振动研磨介质等。
带涂层磨料制品通常包括背衬、磨料颗粒以及将磨料颗粒保持在背衬上的至少一种粘结剂。合适的背衬材料的实例包括织造织物、聚合物膜、硫化纤维、非织造织物、针织织物、纸材，它们的组合及它们的经处理的型式。粘结剂可以是任何合适的粘结剂，包括无机或有机粘结剂(包括热固化性树脂和辐射固化性树脂)。磨料颗粒可存在于带涂层磨料制品中的一个层中或两个层中。
图2中示出了根据本公开的带涂层磨料制品的一个示例性实施例。参见图2，带涂层磨料制品200具有背衬220和磨料层230。磨料层230包含通过底胶250和复胶260固定到背衬220(基板)的主表面270的根据本公开的成形磨料颗粒240。成形磨料颗粒240与底胶250接触。复胶260设置在底胶250的至少一部分和成形磨料颗粒240的至少一部分上。底胶250和复胶260中的每一者都各自包含粘结剂，所述粘结剂可相同或不同。
图3中示出了根据本公开的另一个示例性带涂层磨料制品。参见图3，示例性带涂层磨料制品300具有背衬320(基板)和结构化磨料层330。结构化磨料层330包含多个成形磨料复合体335，所述复合体包含分散在固定到背衬320的主表面370的粘结剂350中的根据本公开的成形磨料颗粒340。
如果需要，根据本公开的带涂层磨料制品可包括另外的层，例如叠加在磨料层上的任选的顶胶层，或者也可在背衬上与磨料层相背对地设置抗静电处理剂和/或层。
关于带涂层磨料制品及其制造方法的详情可见于例如美国专利4,734,104(Broberg)、4,737,163(Larkey)、5,203,884(Buchanan等人)、5,152,917(Pieper等人)；5,378,251(Culler等人)、5,436,063(Follett等人)、5,496,386(Broberg等人)、5,609,706(Benedict等人)、5,520,711(Helmin)、第5,961,674(Gagliardi等人)和5,975,988(Christianson)中。
粘结磨料制品通常包括由有机、金属或玻璃化粘结剂保持在一起的磨料颗粒(其包含根据本公开的成形磨料颗粒和任选地破碎的磨料颗粒)的成形团块。此类成形团块可呈例如轮的形式，诸如磨轮或切割轮。磨轮的直径通常为约1cm至1m以上；切割轮的直径为约1cm至80cm以上(更通常为3cm至约50cm)。切割轮的厚度通常为约0.5mm至约5cm，更通常为约0.5mm至约2cm。成形团块还可呈例如珩磨石、砂瓦、磨头、圆盘(例如，双盘磨床)或其他常规粘结磨料形状的形式。基于粘结磨料制品的总体积计，粘结磨料制品通常包含约3体积％至50体积％的粘结材料，约30体积％至90体积％的磨料颗粒(或磨料颗粒共混物)，至多50体积％的添加剂(包括助磨剂)，和至多70体积％的孔隙。
示例性形式为磨轮。参见图4，根据本公开的磨轮400包括由粘结剂430保持、模塑成轮并安装在轮毂420上的根据本公开的成形磨料颗粒440。
有关粘结磨料制品的进一步细节可见于例如美国专利4,543,107(Rue)、美国专利4,741,743(Narayanan等人)、美国专利4,800,685(Haynes等人)、美国专利4,898,597(Hay等人)、4,997,461(Markhoff-Matheny等人)、5,037,453(Narayanan等人)和美国专利5,863,308(Qi等人)。
非织造磨料制品通常包括开放式的、多孔的膨松有弹性的聚合物长丝结构，其中根据本公开的磨料颗粒分布在整个结构中并且通过有机粘结剂粘附性地粘结在其中。长丝结构的实例包括聚酯纤维、聚酰胺纤维和芳族聚酰胺纤维。图5中提供了根据本公开的示例性非织造磨料制品500的放大约100倍的示意图。根据本公开的此类非织造磨料制品包含膨松有弹性的开放式非织造纤维网550(基板)，根据本公开的成形磨料颗粒540通过粘结剂材料560粘附于其上。
关于非织造磨料制品及其制造方法的详情可见于例如美国专利2,958,593(Hoover等人)、4,227,350(Fitzer)、4,991,362(Heyer等人)、5,712,210(Windisch等人)、5,591,239(Edblom等人)、5,681,361(Sanders)、5,858,140(Berger等人)、5,928,070(Lux)、和美国专利6,017,831(Beardsley等人)中。
关于磨刷及其制造方法的详情可查阅，例如，磨刷包括具有与背衬成整体的多根刷毛的那些(参见例如美国专利5,443,906(Pihl等人)、5,679,067(Johnson等人)和5,903,951(Ionta等人))。优选地，通过注塑聚合物和磨料颗粒的混合物来制造此类刷。
合适的粘结剂(即，粘结剂材料)包括有机粘结剂诸如热固性有机粘结剂。合适的热固性有机粘结剂的实例包括：酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树酯、聚氨酯树脂、丙烯酸酯树脂、聚酯树脂、具有α,β-不饱和羰基侧基的氨基塑料树脂、环氧树脂、丙烯酸酯化聚氨酯、丙烯酸酯化环氧树脂以及它们的组合。粘结剂和/或磨料制品还可包含添加剂诸如纤维、润滑剂、润湿剂、触变材料、表面活性剂、颜料、染料、抗静电剂(例如，炭黑、氧化钒或石墨)、偶联剂(例如，硅烷、钛酸盐或锆铝酸盐)、增塑剂、悬浮剂等。对这些任选添加剂的量进行选择，以提供优选的特性。偶联剂可以提高对磨料颗粒和/或填料的粘附力。粘结剂化学性质可以是热固化的、辐射固化的或它们的组合。有关粘结剂化学的另外细节可见于美国专利4,588,419(Caul等人)、美国专利4,751,138(Tumey等人)和美国专利5,436,063(Follett等人)。
更具体地，关于玻璃化粘结磨料，表现出非晶结构并且通常较硬的玻璃质粘结材料是本领域熟知的。在一些情况下，玻璃质粘结材料包括结晶相。根据本公开的粘结的玻璃化磨料制品可呈轮、珩磨石、磨头的形状或其它常规的粘结磨料形状。根据本公开的示例性玻璃化粘结磨料制品为磨轮。
用于形成玻璃质粘结材料的金属氧化物的实例包括：二氧化硅、硅酸盐、氧化铝、苏打、氧化钙、氢氧化钾、二氧化钛、氧化铁、氧化锌、氧化锂、氧化镁、氧化硼、硅酸铝、硼硅酸盐玻璃、硅酸铝钾和它们的组合物等。通常，玻璃质粘结材料可由包含10至100重量％玻璃粉的组合物形成，但更通常所述组合物包含20至80重量％的玻璃粉或30至70重量％的玻璃粉。玻璃质粘结材料的其余部分可以是非玻璃料材料。另选地，玻璃化粘结材料可衍生自含非玻璃料的组合物。通常使玻璃化粘结材料在以下温度范围内成熟：约700℃至约1500℃，通常约800℃至约1300℃，有时约900℃至约1200℃，或甚至约950℃至约1100℃。使粘结成熟的实际温度取决于例如特定的粘结化学性质。
在一些实施例中，玻璃化粘结材料可包括含有二氧化硅、氧化铝(优选地，至少10重量％的氧化铝)和氧化硼(优选地，至少10重量％的氧化硼)的那些材料。在大多数情况下，玻璃化粘结材料还包含一种或多种碱金属氧化物(例如，Na2O和K2O)(在一些情况下，至少10重量％的一种或多种碱金属氧化物)。
粘结剂材料也可包含填充材料或助磨剂，通常呈颗粒物质的形式。通常，颗粒物质为无机材料。本公开可用的填料的实例包括：金属碳酸盐(例如，碳酸钙(例如白垩、方解石、泥灰土、石灰华、大理石和石灰石)、碳酸钙镁、碳酸钠、碳酸镁)、二氧化硅(例如，石英、玻璃小珠、玻璃泡和玻璃纤维)、硅酸盐(例如，滑石粉、粘土、(蒙脱石)长石、云母、硅酸钙、偏硅酸钙、硅铝酸钠、硅酸钠)、金属硫酸盐(例如，硫酸钙、硫酸钡、硫酸钠、硫酸铝钠、硫酸铝)、石膏、蛭石、木粉、三水合铝、炭黑、金属氧化物(例如，氧化钙(石灰)、氧化铝和二氧化钛)以及金属亚硫酸盐(例如，亚硫酸钙)。
通常，助磨剂的添加增加磨料制品的使用寿命。助磨剂是一种对研磨的化学和/或物理过程具有显著影响的材料，从而使性能得到改善。助磨剂涵盖众多不同的材料，并且可以是无机基或有机基的。助磨剂的化学群组的实例包括石蜡、有机卤化物、卤化物盐和金属以及它们的合金。有机卤化物通常在研磨过程中分解，并且释放卤氢酸或气态卤化物。此类材料的实例包括氯化石蜡，例如四氯化萘、五氯化萘、和聚氯乙烯。卤化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、四氟化硅、氯化钾和氯化镁。金属的实例包括锡、铅、铋、钴、锑、镉、和铁钛。其他杂项助磨剂包括硫、有机硫化合物、石墨和金属硫化物。可以使用不同助磨剂的组合，并在一些情况下，这可产生协同增强效应。
助磨剂可特别用于带涂层磨料制品和粘结的磨料制品。在带涂层磨料制品中，助磨剂通常用于顶胶涂层，该顶胶涂层施加在磨料颗粒的表面上。然而，有时将助磨剂加入到复胶中。通常，引入到带涂层磨料制品中的助磨剂的量为约50至300克每平方米(g/m2)，优选约80至160g/m2。在玻璃化粘结的磨料制品中，助磨剂通常浸渍入制品的孔隙中。
磨料制品可包含100％的根据本公开的成形磨料颗粒，或此类磨料颗粒与其它磨料颗粒和/或稀释剂颗粒的共混物。然而，磨料制品中至少约2重量％、优选至少约5重量％、更优选约30至100重量％的磨料颗粒应为根据本公开的成形磨料颗粒。
在一些情况下，根据本公开的成形磨料颗粒可以介于5重量％和75重量％之间、约25重量％至75重量％、约40重量％至60重量％、或约50重量％至50重量％(即，以相等的重量)的比率与其它磨料颗粒和/或稀释剂颗粒共混。
合适的常规磨料颗粒的实例包括：熔融氧化铝(包括白熔融氧化铝、热处理氧化铝和棕色氧化铝)、碳化硅、碳化硼、碳化钛、金刚石、立方氮化硼、石榴石、熔融氧化铝-氧化锆，和溶胶-凝胶衍生的磨料颗粒等。常规的溶胶-凝胶衍生的磨料颗粒可有晶种或无晶种。同样，它们可随机成形或具有与之相关的形状，诸如棒状或三角形。在一些情况下，与包含100％任一类型的磨料颗粒的磨料制品相比，磨料颗粒的共混物可产生表现出改善的磨削性能的磨料制品。
如果存在磨料颗粒的共混物，则形成共混物的磨料颗粒类型可具有相同的尺寸。另选地，这些磨料颗粒类型可具有不同的粒度。例如，尺寸较大的磨料颗粒可以是根据本公开的磨料颗粒，而尺寸较小的磨料颗粒是另一种磨料颗粒类型。相反地，例如，尺寸较小的磨料颗粒可以是根据本公开的磨料颗粒，而尺寸较大的磨料颗粒是另一种磨料颗粒类型。
合适的稀释剂颗粒的实例包括大理石、石膏、燧石、二氧化硅、氧化铁、硅酸铝、玻璃(包括玻璃泡和玻璃小珠)、氧化铝泡、氧化铝小珠和稀释剂团聚体。
根据本公开的成形磨料颗粒也可合并在磨料团聚体中或与磨料团聚体合并。磨料团聚体颗粒通常包含多个磨料颗粒、粘结剂和任选的添加剂。粘结剂可以是有机的和/或无机的。磨料团聚体可为无规形状的，或者具有与它们相关的预定形状。该形状可以为例如方块、圆柱体、锥体、硬币形或方形。磨料团聚体颗粒通常具有在约100至约5000微米、通常约250至约2500微米的范围内的粒度。
磨料颗粒可均匀分布在磨料制品中，或集中在磨料制品的所选择的区域或部分中。例如，在带涂层磨料中，可以存在两层磨料颗粒。第一层包含不是根据本公开的成形磨料颗粒的磨料颗粒，而第二(最外)层包含根据本公开的成形磨料颗粒。同样，在粘结磨料中，磨削轮可以有两个不同的部分。最外部分可包含根据本公开的成形磨料颗粒，而最内部分不包含。或者，根据本公开的成形磨料颗粒可均匀地分布在整个粘结磨料制品中。
本公开提供研磨工件的方法。所述方法包括：将根据本公开的磨料颗粒与工件的表面进行摩擦接触，以及使磨料颗粒和工件的表面中的至少一个相对于另一个移动，以研磨工件的表面的至少一部分。利用根据本公开的磨料颗粒进行研磨的方法包括例如荒磨(即，高压高切削)到抛光(例如，利用涂覆磨带抛光医用植入物)，其中后者通常采用更细等级(例如，ANSI 220及更细)的磨料颗粒来完成。磨料颗粒还可用于精密研磨应用，诸如利用玻璃化粘结轮磨削凸轮轴。用于特定研磨应用的磨料颗粒的大小对于本领域的技术人员将是显而易见的。
研磨可以干法或湿法进行。对于湿法研磨，可以轻雾或完全水流的形式提供供应引入液体。常用液体的实例包括：水、水溶性油、有机润滑剂和乳液。这些液体可以帮助减少与研磨相关的热和/或作为润滑剂使用。所述液体可包含微量添加剂，诸如杀菌剂、消泡剂等。
工件的实例包括铝金属、碳钢、低碳钢(例如1018低碳钢和1045低碳钢)、工具钢、不锈钢、硬化钢、钛、玻璃、陶瓷、木材、木材类材料(例如胶合板和刨花板)、油漆、涂漆面、有机物涂覆表面等。在研磨期间施加的力通常在约1至约100千克(kg)的范围内，但也可以使用其他压力。
本公开的精选实施例
在第一个实施例中，本公开提供了一种制备磨料颗粒的方法，所述方法包括：
提供包含非胶态固体颗粒和液体载体的浆液，其中所述非胶态固体颗粒中的至少一些包含α氧化铝或α氧化铝前体中的至少一者，并且其中所述非胶态固体颗粒占所述浆液的体积的至少30％；
将所述浆液的至少一部分形成为接触基板的成形体，其中所述成形体基本上根据预定形状形成；
至少部分地干燥所述成形体以提供成形磨料前体颗粒；
将所述成形磨料前体颗粒的至少一部分从所述基板分离；以及
将所述成形磨料前体颗粒的至少一部分转化为成形磨料颗粒，其中所述成形磨料颗粒包含α氧化铝，其中所述α氧化铝具有0.8至8微米的平均晶粒尺寸和为真密度的至少92％的表观密度，并且其中每个成形磨料颗粒各自具有包括多个侧面和至少四个顶点的表面。
在第二个实施例中，本公开提供了根据第一个实施例所述的方法，其中所述基板在其表面上具有腔，并且其中所述将浆液形成为接触基板的成形磨料前体颗粒包括将所述浆液推入所述腔的至少一部分中。
在第三个实施例中，本公开提供了根据第一或第二个实施例所述的方法，其中所述成形所述浆液包括将所述浆液穿过丝网推到基板上。
在第四个实施例中，本公开提供了根据第一至第三个实施例中任一项所述的方法，其中基于成形磨料前体颗粒的总重量，所述非胶态α氧化铝前体颗粒含以当量计至少0.03重量％的氧化钠。
在第五个实施例中，本公开提供了根据第一至第四个实施例中任一项所述的方法，其中所述将成形磨料前体颗粒的至少一部分转化为成形磨料颗粒包括：
烧结所述成形磨料前体颗粒以提供成形磨料颗粒。
在第六个实施例中，本公开提供了根据第一至第四个实施例中任一项所述的方法，其中所述将成形磨料前体颗粒的至少一部分转化为成形磨料颗粒包括：
煅烧所述成形磨料前体颗粒以提供已煅烧的成形磨料前体颗粒；以及
烧结所述已煅烧的成形磨料前体颗粒以提供成形磨料颗粒。
在第七个实施例中，本公开提供了根据第一至第六个实施例中任一项所述的方法，其中所述将成形磨料前体颗粒的至少一部分转化为成形磨料颗粒包括：
利用金属盐溶液浸渍所述成形磨料前体颗粒以提供已浸渍的成形磨料前体颗粒；以及
烧结所述已浸渍的成形磨料前体颗粒以提供成形磨料颗粒。
在第八个实施例中，本公开提供了根据第一至第六个实施例中任一项所述的方法，其中所述将成形磨料前体颗粒的至少一部分转化为成形磨料颗粒包括：
煅烧所述成形磨料前体颗粒以提供已煅烧的成形磨料前体颗粒；
利用金属盐溶液浸渍所述已煅烧的成形磨料前体颗粒以提供已浸渍且煅烧的成形磨料前体颗粒；以及
烧结所述已浸渍且煅烧的成形磨料前体颗粒以提供成形磨料颗粒。
在第九个实施例中，本公开提供了根据第一至第八个实施例中任一项所述的方法，其中所述非胶态α氧化铝前体颗粒包含氧化铝粉末。
在第十个实施例中，本公开提供了根据第一至第九个实施例中任一项所述的方法，其中所述非胶态α氧化铝前体颗粒包含已研磨的三水合铝颗粒。
在第十一个实施例中，本公开提供了根据第一至第十个实施例中任一项所述的方法，其中基于成形磨料前体颗粒的总重量，所述非胶态α氧化铝前体颗粒含以当量计0.03％至0.25％的氧化钠。
在第十二个实施例中，本公开提供了根据第一至第十一个实施例中任一项所述的方法，其中所述非胶态α氧化铝前体颗粒具有至少0.2微米的平均粒径。
在第十三个实施例中，本公开提供了根据第一至第十二个实施例中任一项所述的方法，其中所述浆液还包含增稠剂。
在第十四个实施例中，本公开提供了根据第十二个实施例所述的方法，其中所述增稠剂包括胶态勃姆石。
在第十五个实施例中，本公开提供了根据第十二个实施例所述的方法，其中所述增稠剂包括有机增稠剂。
在第十六个实施例中，本公开提供了根据第一至第十五个实施例中任一项所述的方法，其中所述成形磨料颗粒具有大于20目的平均粒度。
在第十七个实施例中，本公开提供了根据第一至第十六个实施例中任一项所述的方法，其中所述非胶态α氧化铝前体颗粒占所述浆液的体积的至少40％。
在第十八个实施例中，本公开提供了根据第一至第十七个实施例中任一项所述的方法制备的成形磨料颗粒。
在第十九个实施例中，本公开提供了一种磨料制品，所述磨料制品包含保持在粘结剂中的根据第十八个实施例所述的成形磨料颗粒，其中所述成形磨料颗粒包含α氧化铝，其中所述α氧化铝具有0.8至8微米的平均晶粒尺寸，其中所述α氧化铝具有为真密度的至少92％的表观密度，并且其中所述成形磨料颗粒符合标称的预定形状。
在第二十个实施例中，本公开提供了根据第十九个实施例所述的磨料制品，其中所述磨料制品还包括：
背衬；
底胶，所述底胶固定到所述背衬的主表面，其中所述成形磨料颗粒接触所述底胶；和
复胶，所述复胶设置在所述底胶的至少一部分和所述成形磨料颗粒的至少一部分上。
在第二十一个实施例中，本公开提供了根据第十九或第二十个实施例所述的包含成形磨料颗粒的磨料制品，其中所述磨料制品还包括背衬和与所述背衬的主表面接触的磨料层，其中所述磨料层包括粘结剂和成形磨料颗粒。
在第二十二个实施例中，本公开提供了根据第十九个实施例所述的包含成形磨料颗粒的磨料制品，其中所述磨料制品还包括膨松有弹性的开放式纤维网。
在第二十三个实施例中，本公开提供了根据第十九个实施例所述的包含成形磨料颗粒的磨料制品，其中所述磨料制品包括粘结磨轮。
在第二十四个实施例中，本公开提供了一种研磨工件的方法，所述方法包括：使根据第十九至第二十三个实施例中任一项所述的磨料制品中包含的至少一个成形磨料颗粒与工件接触，并使磨料制品或工件中的至少一者相对于另一者移动来研磨所述工件的至少一部分。
在第二十五个实施例中，本公开提供了包含α氧化铝的成形磨料颗粒，其中所述α氧化铝具有0.8至8微米的平均晶粒尺寸，其中所述α氧化铝具有为真密度的至少92％的表观密度，其中每个成形磨料颗粒各自具有包括多个侧面和至少四个顶点表面，并且其中所述成形磨料颗粒符合标称的预定形状。
在第二十六个实施例中，本公开提供了根据第二十五个实施例所述的成形磨料颗粒，其中每个各自的表面还包括至少四个边缘，其中每个边缘的平均宽度在约5至20微米的范围内并且每个边缘的平均宽度与平均晶粒尺寸的比率在1至25的范围内。
在第二十七个实施例中，本公开提供了根据第二十五或第二十六个实施例所述的成形磨料颗粒，其中每个所述成形磨料颗粒分别包括邻接多个侧壁的底表面，其中所述底表面包括至少三个顶点。
在第二十八个实施例中，本公开提供了根据第二十七个实施例所述的成形磨料颗粒，其中每个所述成形磨料颗粒各自还包括邻接所述多个侧壁的顶表面，其中所述顶表面和所述底表面不彼此接触。
在第二十九个实施例中，本公开提供了根据第二十七或第二十八个实施例所述的成形磨料颗粒，其中所述侧壁从所述底表面向内渐缩。
在第三十个实施例中，本公开提供了根据第二十五至第二十九个实施例中任一项所述的成形磨料颗粒，其中基于所述成形磨料颗粒的总重量，所述成形磨料颗粒包含以当量计至少0.03重量％的氧化钠。
在第三十一个实施例中，本公开提供了根据第二十五至第二十九个实施例中任一项所述的成形磨料颗粒，其中基于所述成形磨料颗粒的总重量，所述成形磨料颗粒包含0.03％至0.25％的氧化钠。
在第三十二个实施例中，本公开提供了根据第二十九至第三十一个实施例中任一项所述的成形磨料颗粒，其中所述成形磨料颗粒具有符合美国目尺寸的介于6至80的范围内的平均粒度。
在第三十三个实施例中，本公开提供了一种磨料制品，所述磨料制品包含保持在粘结剂中的成形磨料颗粒，其中所述成形磨料颗粒包含α氧化铝，其中所述α氧化铝具有0.8至8微米的平均晶粒尺寸，其中所述α氧化铝具有为真密度的至少92％的表观密度，并且其中所述成形磨料颗粒符合标称的预定形状。
在第三十四个实施例中，本公开提供了根据第三十三个实施例所述的磨料制品，其中所述磨料制品还包括：
背衬；
底胶，固定到所述背衬的主表面，其中所述成形磨料颗粒接触所述底胶；和
复胶，设置在所述底胶的至少一部分和所述成形磨料颗粒的至少一部分上。
在第三十五个实施例中，本公开提供了根据第三十三个实施例所述的磨料制品，其中所述磨料制品还包括背衬和与所述背衬的主表面接触的磨料层，其中所述磨料层包含粘结剂和成形磨料颗粒。
在第三十六个实施例中，本公开提供了根据第三十三个实施例所述的磨料制品，其中所述磨料制品还包括膨松有弹性的开放式纤维网。
在第三十七个实施例中，本公开提供了根据第三十三个实施例所述的磨料制品，其中所述磨料制品包括粘结磨轮。
在第三十八个实施例中，本公开提供了一种研磨工件的方法，所述方法包括：使根据第三十三至第三十七个实施例中任一项所述的磨料制品与工件接触，并使磨料制品或工件中的至少一者相对于另一者移动来研磨所述工件的至少一部分。
通过以下非限制性实例进一步说明本公开的目的和优点，但这些实例中所述的具体材料及其用量，以及其它条件和细节不应视为对本公开进行不当限定。
实例
除非另有说明，否则在实例中的所有份数、百分比、比率等均按重量计。
实例1至实例7
向聚乙烯衬里的球磨罐中装入100克(g)去离子水、0.5g柠檬酸铵分散剂、400g各种氧化铝粉末(如表1中所给出，原料来源在表2中给出)。向瓶中加入约700克氧化铝研磨介质(直径10mm；99.9％氧化铝；得自俄亥俄州阿克伦的联合工艺公司(Union Process,Akron,Ohio))，并将混合物于120rpm下研磨24小时。研磨后，移除研磨介质，并通过将浆液置于干燥器罐中并使用机械泵施加真空(保持在真空下约10分钟)来对浆液进行脱气。将所得浆液倒到包含截顶三角锥的复制图案的聚乙烯片材上，所述图案边长约0.4mm、高0.1mm，具有通过从5重量％乙醇溶液干燥而沉积的局部矿物油涂层。使用橡皮刮板让浆液铺展以覆盖片材的大约400cm2区域。然后在热风枪下干燥该包含陶瓷浆液的片材。干燥后剧烈摇动片材以使现在呈截顶三角锥形状的所得成形磨料前体颗粒脱落。
通过将其放置在氧化铝坩埚中并在空气中加热到700℃(加热速率10℃/分钟)来煅烧此成形磨料前体颗粒。不施加等温保持。此步骤后颗粒保持为锥形并且强度足以承受另外的操作。
将约300g煅烧的成形磨料前体颗粒置于氧化铝坩埚中并在来自加利福尼亚州皮克里维拉的Keith炉公司(Keith Furnaces,Pico Rivera,California)的KKSK-666-3100型电加热炉中烧结，该烧结使用25℃/分钟的加热速率并在表1中示出的最终温度下保持45分钟的时间。
使用来自乔治亚州诺克罗斯的麦克仪器公司(Micromeritics InstrumentCorporation,Norcross,Georgia)的ACCUPYC II 1330根据标准操作程序测量所得烧结的成形磨料颗粒的密度。结果记录在表1中。
根据测试方法ASTM E112-96“Standard Test Methods for DeterminingAverage Grain Size(测定平均晶粒尺寸的标准测试方法)”通过截线法确定平均晶体尺寸。将大约5g成形磨料颗粒置于塑料袋中并利用锤破碎以产生断裂的颗粒。将所得断裂和非断裂成形磨料颗粒的混合物装到载台上，涂覆以金-钯的薄层并使用JEOL 7600F型扫描电子显微镜(SEM)观察。使用样品中找到的微结构的典型SEM显微照片来如下确定平均晶体尺寸(例如，参见图6，其示出了实例5的成形磨料颗粒的断裂面的SEM显微照片)。数出与每单位长度(NL)的横截显微照片绘制的随机直线相交的晶体数目。利用以下公式从该数目计算平均晶体尺寸：
其中NL为每单位长度相交的晶体数目，M为显微照片的放大倍数。样品中的平均晶体尺寸在下表1中给出。
表1
表2
实例1-7和比较例A-C的磨削性能
将约17克所得成形磨料颗粒引入到涂覆磨盘中。涂覆磨盘根据常规程序制造。使用常规的碳酸钙填充酚醛底胶树脂(48％甲阶酚醛树脂，52％碳酸钙，利用水和乙二醇醚稀释至81％固体)和常规的冰晶石填充酚醛复胶树脂(32％甲阶酚醛树脂，2％氧化铁，66％冰晶石，利用水和乙二醇醚稀释至78％固体)将成形磨料颗粒粘结到17.8cm直径、0.8mm厚的硫化橡胶背衬(具有2.2cm直径的中心孔)。湿底胶树脂重约185g/m2。在施加底胶后立即静电涂覆成形磨料颗粒。将底胶树脂在88℃下加热120分钟。然后，在底胶和磨料颗粒上涂覆冰晶石填充酚醛复胶。湿复胶重约850g/m2。将复胶树脂在99℃下加热12小时。测试前挠曲该涂覆磨盘。
如针对实例1(上面)所述制备比较例A涂覆磨盘，不同的是使用热处理的刚玉磨料颗粒(以ALODUR BFRPL 36级得自奥地利菲拉赫的Treibacher公司(Treibacher,Villach,Austria))代替实例1成形磨料颗粒。
如针对实例6(上面)所述制备比较例B涂覆磨盘，不同的是使用36级氧化铝-氧化锆磨料颗粒(具有60％Al2O3和39％ZrO2的共晶成分；以NORZON得自马萨诸塞州伍斯特的诺顿公司(Norton Company,Worcester,Massachusetts))代替实例1成形磨料颗粒。
如上面所述制备比较例C涂覆磨盘，不同的是使用常规地破碎的溶胶-凝胶衍生的磨料颗粒(以3M CERAMIC ABRASIVE GRAIN 321出售自明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St.Paul,Minnesota))代替实例1成形磨料颗粒。
如上面所述制备比较例D涂覆磨盘，不同的是使用通过实例1材料的浆液的浅盘干燥、烧结和破碎以提供36级切削量而制得的无规形状磨料颗粒代替实例1成形磨料颗粒。
如下评估实例1-7和比较例A-D涂覆磨盘的磨削性能。将每个涂覆磨盘安装在斜面铝支撑垫上，并用来磨削预称重的1.25cm×18cm×10cm1018低碳钢工件。盘在5,000转每分钟(rpm)下驱动，同时盘的覆盖支撑垫的斜面边缘的部分在8.6千克的负载下接触工件。使用每个盘来依次磨削单独的工件，间隔一分钟。总切削量为整个测试期间从工件移除的材料的量之和。下表3中给出了12分钟的磨削后每一种样品的总切削量，其中给出了来自两个盘的平均切削量。
表3
实例 总切削量，克
1 998
2 1050
3 1075
4 1067
5 1113
6 1078
7 977
比较例A 226
比较例B 496
比较例C 515
比较例D 456
实例8A到8F
如实例2中所述制备实例8a-8e的成形磨料颗粒，不同的是重复程序若干次以产生较大量的材料。使烧结的成形颗粒随后经受诱导晶粒生长的热处理，该热处理包括从室温到最高烧制温度(在表4中给出)的25℃/分钟的升温速率。实例8a到8e材料的不同在于热处理所用的最高烧制温度。
如实例2中所述制备实例8f材料，不同的是水和氧化铝粉末的比例分别改变为100g和200g。此改变产生更流动的浆液，当在复制片材上干燥时，其产生具有边缘较不尖锐的成形磨料颗粒。如针对实例2所述分析平均晶粒尺寸和磨削特性。
对这些实例中产生的所有成形磨料颗粒测量边缘微结构锐度(EMS)。此参数可使用标准SEM观察结果根据如下程序获得。将大约1克成形磨料颗粒装到载台上，涂覆以金-钯的薄层并使用JEOL 7600F型扫描电子显微镜(SEM)观察。图7和8中分别示出了成形磨料颗粒拐角和边缘的典型SEM显微照片。
如上所述获得材料的晶粒尺寸(也参见图9和10)。参见图7，边缘宽度为12.8微米，并且平均晶粒尺寸为约7.5微米。EMS在本文中定义为平均边缘宽度相对于边缘处平均晶粒尺寸的比率。因此，边缘微结构锐度为约1.7。
表4中示出了来自实例7的成形磨料颗粒的EMS，其中给出了六个沿边缘的测量的平均值。参见表4，良好的磨削特性通常与较高的EMS数相关，除非初始边缘宽度太高。与晶粒尺寸无关，初始边缘宽度在其中向三角图案中复制浆液的加工程序过程中设定。对于实例8a-8e中的每一个，初始边缘宽度测得为约9.3微米。然而，在实例8f中，初始边缘宽度为约13.8微米，从而导致磨削特性的降低。最后，为获得良好的磨削性能，成形磨料颗粒应具有小于约15-20微米、优选小到12、10或甚至8微米的边缘宽度并且EMS参数应高于1、优选高于1.5或甚至2。
表4
实例 最高烧制温度，℃ 平均晶粒尺寸，微米 EMS 总切削量，克
8A 1505 3.6 2.58 967
8B 1515 3.9 2.42 899
8C 1530 4.9 1.99 843
8D 1550 6.7 1.87 711
8E 1650 9.8 1.2 103
8F 1495 3.4 4.05 565
实例9-13
如实例1中所述制备实例9-13，不同的是引入烧结添加剂来促进较低温度下的致密化。下表5中汇总了烧结添加剂和实现96％理论密度所必要的最低烧制温度。
表5
实例14
向特氟隆衬里的立式球磨罐中装入250g去离子水、4g硝酸(70％浓度)、190g氢氧化铝SH-20(得自瑞士洛桑的Dadco铝和化学品公司(Dadco Aluminium and Chemicals,Lausanne,Switzerland))。此粉末包含约0.25重量％的Na2O。向罐中加入约700克氧化铝研磨介质(直径5mm；99.9％氧化铝；得自联合工艺公司(Union Process))，并将混合物于500rpm下研磨24小时。研磨后，移除研磨介质，向浆液中加入31g六水合硝酸镁(Mg(NO3)2·6H2O，来自密苏里州圣路易斯的西格玛-奥德里奇公司(Sigma-Aldrich Co.,Saint Louis,Missouri))，并在气动搅拌装置的帮助下均质化。将所得浆液倒到包含截顶三角锥的复制图案的聚乙烯片材上，所述图案边长约0.4mm、深0.1mm，具有通过自5重量％乙醇溶液干燥而沉积的局部矿物油涂层，并且使用橡皮刮板让浆液铺展以覆盖片材的大约400cm2区域。然后在热风枪下干燥该包含浆液的片材。干燥后剧烈摇动幅材以使现在呈截顶三角锥形状的干燥的成形磨料前体颗粒脱落。
通过将其放置在氧化铝坩埚中并在空气中加热到800℃(加热速率10℃/分钟)来煅烧该成形磨料前体颗粒。不施加等温保持。此步骤后颗粒保持为锥形并且强度足以承受另外的操作。
将约100g已煅烧的成形磨料前体颗粒置于氧化铝坩埚中并在来自Keith炉公司的KKSK-666-3100型电加热炉中烧结，该烧结使用25℃/分钟的加热速率并在1500℃的最终温度下保持45分钟的时间。如实例1中所述测定密度和晶粒尺寸，并分别为97.5％和2.87微米。如实例1中所述评估其磨削性能。获得965g的总切削量。
在不脱离本公开的实质和范围的情况下，本领域普通技术人员可以实践本公开的其他修改和变型，本公开的实质和范围在附随的权利要求书中有更具体地示出。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。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公开而给定的前述说明不应理解为是对本公开的范围的限制，本公开的范围由权利要求书及其所有等同形式所限定。

Claims (38)

1.一种制备磨料颗粒的方法，所述方法包括：
提供包含非胶态固体颗粒和液体载体的浆液，其中所述非胶态固体颗粒中的至少一些包含α氧化铝或α氧化铝前体中的至少一者，并且其中所述非胶态固体颗粒占所述浆液的体积的至少30％；
将所述浆液的至少一部分形成为接触基板的成形体，其中所述成形体基本上根据预定形状形成；
至少部分地干燥所述成形体以提供成形磨料前体颗粒；
将所述成形磨料前体颗粒的至少一部分从所述基板分离；以及
将所述成形磨料前体颗粒的至少一部分转化为成形磨料颗粒，其中所述成形磨料颗粒包含α氧化铝，其中所述α氧化铝具有0.8至8微米的平均晶粒尺寸和为真密度的至少92％的表观密度，并且其中每个所述成形磨料颗粒各自具有包括多个侧面和至少四个顶点的表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述基板在其表面上具有腔，并且其中所述将所述浆液形成为接触所述基板的成形磨料前体颗粒包括将所述浆液推入所述腔的至少一部分中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述成形所述浆液包括将所述浆液穿过丝网推到所述基板上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中基于所述成形磨料前体颗粒的总重量，所述非胶态α氧化铝前体颗粒包含以当量计至少0.03重量％的氧化钠。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述将所述成形磨料前体颗粒的至少一部分转化为所述成形磨料颗粒包括：
烧结所述成形磨料前体颗粒以提供所述成形磨料颗粒。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述将所述成形磨料前体颗粒的至少一部分转化为所述成形磨料颗粒包括：
煅烧所述成形磨料前体颗粒以提供已煅烧的成形磨料前体颗粒；以及
烧结所述已煅烧的成形磨料前体颗粒以提供所述成形磨料颗粒。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述将所述成形磨料前体颗粒的至少一部分转化为所述成形磨料颗粒包括：
利用金属盐溶液浸渍所述成形磨料前体颗粒以提供已浸渍的成形磨料前体颗粒；以及
烧结所述已浸渍的成形磨料前体颗粒以提供所述成形磨料颗粒。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述将所述成形磨料前体颗粒的至少一部分转化为所述成形磨料颗粒包括：
煅烧所述成形磨料前体颗粒以提供已煅烧的成形磨料前体颗粒；
利用金属盐溶液浸渍所述已煅烧的成形磨料前体颗粒以提供已浸渍且煅烧的成形磨料前体颗粒；以及
烧结所述已浸渍且煅烧的成形磨料前体颗粒以提供所述成形磨料颗粒。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述非胶态α氧化铝前体颗粒包含氧化铝粉末。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述非胶态α氧化铝前体颗粒包含已研磨的三水合铝颗粒。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中基于所述成形磨料前体颗粒的总重量，所述非胶态α氧化铝前体颗粒包含以当量计0.03％至0.25％的氧化钠。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述非胶态α氧化铝前体颗粒具有至少0.2微米的平均粒径。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中所述浆液还包含增稠剂。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述增稠剂包括胶态勃姆石。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述增稠剂包括有机增稠剂。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中所述成形磨料颗粒具有大于20目的平均粒度。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中所述非胶态α氧化铝前体颗粒占所述浆液的体积的至少40％。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法制备的成形磨料颗粒。
19.一种磨料制品，包括保持在粘结剂中的根据权利要求18所述的成形磨料颗粒，其中所述成形磨料颗粒包含α氧化铝，其中所述α氧化铝具有0.8至8微米的平均晶粒尺寸，其中所述α氧化铝具有为真密度的至少92％的表观密度，并且其中所述成形磨料颗粒符合标称的预定形状。
20.根据权利要求19所述的磨料制品，其中所述磨料制品还包括：
背衬；
底胶，所述底胶固定到所述背衬的主表面，其中所述成形磨料颗粒接触所述底胶；和
复胶，所述复胶设置在所述底胶的至少一部分和所述成形磨料颗粒的至少一部分上。
21.根据权利要求19或20所述的磨料制品，其中所述磨料制品还包括背衬和与所述背衬的主表面接触的磨料层，其中所述磨料层包括所述粘结剂和所述成形磨料颗粒。
22.根据权利要求19所述的磨料制品，其中所述磨料制品，其中所述磨料制品还包括膨松有弹性的开放式纤维网。
23.根据权利要求19所述的磨料制品，其中所述磨料制品包括粘结磨轮。
24.一种研磨工件的方法，所述方法包括使包含在根据权利要求19至23中任一项所述的磨料制品中的至少一个成形磨料颗粒与工件接触，并且使磨料制品或所述工件中的至少一者相对于另一者移动来研磨所述工件的至少一部分。
25.成形磨料颗粒，包含α氧化铝，其中所述α氧化铝具有0.8至8微米的平均晶粒尺寸，其中所述α氧化铝具有为真密度的至少92％的表观密度，其中每个所述成形磨料颗粒各自具有包括多个侧面和至少四个顶点的表面，并且其中所述成形磨料颗粒符合标称的预定形状。
26.根据权利要求25所述的成形磨料颗粒，其中每个各自的表面还包括至少四个边缘，其中每个边缘的平均宽度在约5至20微米的范围内，并且每个边缘的平均宽度与平均晶粒尺寸的比率在1至25的范围内。
27.根据权利要求25或26所述的成形磨料颗粒，其中每个所述成形磨料颗粒分别包括邻接多个侧壁的底表面，其中所述底表面包括至少三个顶点。
28.根据权利要求27所述的成形磨料颗粒，其中每个所述成形磨料颗粒各自还包括邻接所述多个侧壁的顶表面，其中所述顶表面和所述底表面不彼此接触。
29.根据权利要求27或28所述的成形磨料颗粒，其中所述侧壁从所述底表面向内渐缩。
30.根据权利要求25至29中任一项所述的成形磨料颗粒，其中基于所述成形磨料颗粒的总重量，所述成形磨料颗粒包含以当量计至少0.03重量％的氧化钠。
31.根据权利要求25至29中任一项所述的成形磨料颗粒，其中基于所述成形磨料颗粒的总重量，所述成形磨料颗粒包含0.03％至0.25％的氧化钠。
32.根据权利要求25至31中任一项所述的成形磨料颗粒，其中所述成形磨料颗粒具有符合美国目尺寸的介于6至80的范围内的平均粒度。
33.一种磨料制品，包括保持在粘结剂中的成形磨料颗粒，其中所述成形磨料颗粒包含α氧化铝，其中所述α氧化铝具有0.8至8微米的平均晶粒尺寸，其中所述α氧化铝具有为真密度的至少92％的表观密度，并且其中所述成形磨料颗粒符合标称的预定形状。
34.根据权利要求33所述的磨料制品，其中所述磨料制品还包括：
背衬；
底胶，所述底胶固定到所述背衬的主表面，其中所述成形磨料颗粒接触所述底胶；和
复胶，所述复胶设置在所述底胶的至少一部分和所述成形磨料颗粒的至少一部分上。
35.根据权利要求33所述的磨料制品，其中所述磨料制品还包括背衬和与所述背衬的主表面接触的磨料层，其中所述磨料层包括所述粘结剂和所述成形磨料颗粒。
36.根据权利要求33所述的磨料制品，其中所述磨料制品，其中所述磨料制品还包括膨松有弹性的开放式纤维网。
37.根据权利要求33所述的磨料制品，其中所述磨料制品包括粘结磨轮。
38.一种研磨工件的方法，所述方法包括使根据权利要求33至37中任一项所述的磨料制品与所述工件接触，并且使磨料制品或所述工件中的至少一者相对于另一者移动来研磨所述工件的至少一部分。
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