CN112566993B - 包括包含氮化物的填料的粘结磨料制品 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可包括本体的磨料制品，所述本体包括包含无机材料的粘结材料、磨料颗粒和包含氮化物的填料。所述包含氮化物的填料可补偿在烧结过程中的所述本体的收缩，同时保持所述本体的所需强度和磨损特性。

Description

包括包含氮化物的填料的粘结磨料制品
技术领域
以下涉及一种磨料制品，并且特别涉及一种粘结磨料制品，该粘结磨料制品包括包含无机材料的粘结材料、磨料颗粒和包含氮化物的填料。
背景技术
粘结磨料制品通常包含由粘结材料保持在一起的磨料颗粒。
本行业持续要求改进粘结磨料制品，该粘结磨料制品具有提供所期望的机械稳定性和强度的粘结化学特性。
附图说明
通过参考附图，可以更好地理解本公开，并且让本公开的众多特征和优点对于本领域的技术人员显而易见。
图1包括示出根据一个实施例的形成磨料制品的方法的流程图。
图2包括根据一个实施例的磨料制品的横截面的光学显微镜图像。
具体实施方式
提供结合附图的以下描述，以帮助理解本文所提供的教导内容。以下公开内容将集中于本教导内容的具体实施方式和实施例。提供该重点是为了帮助描述教导内容，并且不应该被解释为是对本教导内容的范围或适用性的限制。然而，在本申请中当然可以使用其他教导内容。
如本文所用，术语“包括/包含(comprises/comprising/includes/including)”、“具有(has/having)”或其任何其他变型都旨在涵盖非排他性的包括。例如，包含特征列表的方法、制品或装置不一定仅限于那些特征，而是可以包括未明确列出的或这种方法、制品或装置固有的其他特征。此外，除非有明确的相反的说明，否则“或”是指包括性的“或”而非排他性的“或”。例如，以下任何一项均可满足条件A或B：A为真(或存在的)而B为假(或不存在的)、A为假(或不存在的)而B为真(或存在的)，以及A和B两者都为真(或存在的)。
而且，使用“一个”或“一种”来描述本文所述的要素和组分。这样做仅是为了方便并且给出本发明范围的一般性意义。除非很明显地另指他意，否则这种描述应被理解为包括一个或至少一个，并且单数也包括复数，或反之亦然。例如，当在本文描述单个项时，可以使用多于一个项来代替单个项。类似地，在本文描述了多于一个项的情况下，单个项可以取代多于一个项。
除非另有定义，否则本文使用的所有技术术语和科技术语都与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。材料、方法和实例仅是说明性的而非限制性的。关于未描述的有关特定材料和加工方法的某些详细信息的方面，此类详细信息可以包括常规方法，其可以在制造领域的参考书及其他来源中找到。
本文所公开的实施例涉及具有本体的磨料制品，该本体包括包含无机材料的粘结材料、磨料颗粒和包含氮化物的填料。
图1示出了根据一个实施例的形成磨料制品的方法的流程图。在步骤101，可形成混合物，该混合物包括无机粘结材料、包括氮化物的填料和磨料颗粒。可利用合适的混合操作以实现各组分在混合物内均匀分散。
在形成混合物(101)后，可由具有所期望的形状的混合物(102)形成生坯。在下一步骤中，可对生坯进行烧结(103)。可在至少600℃的温度下进行烧结，以形成具有合适强度和密度的磨料本体。烧结温度的选择例如取决于如下因素：所用粘结材料的类型、强度、硬度和/或所期望的磨削性能。根据一个实施例，烧结温度可在包括至少600℃至不大于1300℃的范围内。
图2示出了根据一个实施例的本公开的磨料制品的本体(200)的横截面。本体(200)可包括磨料颗粒(202)、粘结材料(203)和包含氮化物的填料(204)。在某一方面，本体可包括孔隙(205)，并且在另一方面，本体可基本上不含孔隙。
本体200可结合至磨料制品中。应当理解，本体可具有本领域已知的任何合适的尺寸和形状，并且可结合至各种类型的磨料制品中以形成粘结磨料制品。例如，可将本体附接到基底诸如砂轮的轮毂，以有利于形成粘结磨料砂轮。
本体200的粘结材料203与填料204一起可具有特定的粘结化学特性，该特定的粘结化学特性可有利于改善本公开的磨料制品的制造和性能。
如果本体包含基于本体的总体积的小于50体积％(但不限于此)的磨料颗粒含量，则本公开的磨料制品可让人特别感兴趣。具有低于50体积％的磨料颗粒含量的磨料本体(例如，用于凸轮和曲轴磨削)可能存在关于烧结后的收缩和变形的问题，这可能引起本体开裂并且对于制造具有复杂形状的磨料本体而言可能存在问题。如下文进一步所述，已经令人惊讶地发现，将包含氮化物的填料添加至磨料本体组合物，可减少不期望的收缩，同时可基本上保持机械特性，诸如强度、磨损和硬度。
包含在本体200中的包含氮化物的填料204可不同于磨料颗粒202。在一个实施例中，填料的平均粒度(D50F)与磨料颗粒的平均粒度(D50AP)的粒度比(D50F/D50AP)可在至少0.01且小于1的范围内。在特定方面，填料与磨料粒度比(D50F/D50AP)可为至少0.02、或至少0.03、或至少0.04、或至少0.05、或至少0.06、或至少0.07、或至少0.08、或至少0.09、或至少0.1、或至少0.11、或至少0.12、或至少0.13、或至少0.15、或至少0.18、或至少0.2、或至少0.23、或至少0.25、或至少0.28、或至少0.3、或至少0.32、或至少0.35、或至少0.38、或至少0.4、或至少0.5、或至少0.6、或至少0.7、或至少0.8或至少0.9。在其他方面，填料与磨料粒度比(D50F/D50AP)可不大于0.99、或不大于0.98、或不大于0.95、或不大于0.93、或不大于0.9、或不大于0.88、或不大于0.85、或不大于0.83、或不大于0.8、或不大于0.78、或不大于0.75、或不大于0.73、或不大于0.7、或不大于0.68、或不大于0.65、或不大于0.63、或不大于0.6、或不大于0.58、或不大于0.55、或不大于0.53、或不大于0.5、或不大于0.48、或不大于0.45、或不大于0.43、或不大于0.4、或不大于0.38、或不大于0.35、或不大于0.33、或不大于0.3、或不大于0.28、或不大于0.25、或不大于0.23、或不大于0.2、或不大于0.18、或不大于0.15、或不大于0.13、或不大于0.1、或不大于0.08、或不大于0.05或不大于0.03。填料与磨料粒度比(D50F/D50AP)可以是介于上述任意最小值和最大值之间的值。在特定方面，填料与磨料粒度比(D50F/D50AP)可以是从至少0.01至不大于0.25，或从至少0.01至不大于0.15。
在另一实施例中，包含氮化物的填料(204)的平均粒度(D50F)可为至少1微米，诸如至少2微米、或至少3微米、或至少4微米、或至少5微米、或至少6微米、或至少7微米、或至少8微米、或至少9微米、或至少10微米或至少12微米。在另一方面，平均粒度(D50F)可不大于50微米，诸如不大于45微米、或不大于40微米、或不大于35微米、或不大于30微米、或不大于28微米、或不大于25微米、或不大于22微米、或不大于20微米、或不大于18微米、或不大于15微米、或不大于12微米或不大于10微米。包含氮化物的填料的平均粒度(D50F)可以是介于上述任意最小值和最大值之间的值，诸如从至少2微米至不大于50微米、从至少3微米至不大于30微米、或从至少5微米至不大于15微米。
在又一实施例中，包含氮化物的填料的粒度分布可进一步由D90-D10范围值限定。D90值可表示分布中包括90％的粒度的粒度值，使得在分布中少于10％的颗粒具有大于D90值的粒度。D10值可表示特定粒度值，其中在分布中仅10％的颗粒小于D10粒度值。D90-D10范围值描述了D90值与D10值之间的粒度分布的宽度。根据一个实施例，D90-D10范围值可以是至少1微米，诸如至少1.5微米、或至少2微米、或至少3微米、或至少5微米、或至少7微米、或至少10微米、或至少12微米、或至少15微米、或至少20微米、或至少25微米或至少30微米。另外，在另一实施例中，D90-D10范围值可不大于70微米，诸如不大于60微米、或不大于50微米或不大于40微米。D90-D10范围值可在包括上述任意最小值最大值的范围内，包括例如在至少1微米至不大于70微米或至少2微米至不大于30微米的范围内。
在再一实施例中，包含氮化物的填料的含量可在基于粘结材料和填料的总体积的至少1体积％至不大于35体积％的范围内。在一方面，填料的含量可以是基于粘结材料和填料的总体积的至少2体积％、或至少3体积％、或至少4体积％、或至少5体积％、或至少6体积％、或至少8体积％、或至少10体积％、或至少12体积％、或至少14体积％、或至少16体积％、或至少18体积％、或至少20体积％、或至少22体积％或至少25体积％。在另一方面，填料含量可不大于30体积％、或不大于28体积％、或不大于25体积％、或不大于22体积％、或不大于20体积％、或不大于18体积％、或不大于16体积％、或不大于14体积％、或不大于12体积％或不大于10体积％。磨料本体中的包含氮化物的填料的含量可在包括上述任意最小值最大值的范围内，诸如基于粘结材料和填料的总体积的从至少2体积％至不大于30体积％、从至少5体积％至不大于25体积％、或从至少7体积％至不大于20体积％。
在特定实施例中，包含在本公开的磨料制品的本体中的填料可包含氮化硼。在一个方面，大部分填料可包含氮化硼，例如，基于填料的总重量的至少55体积％的氮化硼、或至少60体积％的氮化硼、或至少70体积％的氮化硼、或至少80体积％的氮化硼、或至少90体积％的氮化硼、或至少95体积％的氮化硼或至少99体积％的氮化硼。在某一特定方面，填料可基本上由氮化硼组成。在又一特定方面，所有填料可由氮化硼组成并且可仅包含不可避免的杂质。基于氮化硼填料的总重量，不可避免的杂质的量可不大于0.1体积％。
在特定实施例中，填料的氮化硼材料可为立方氮化硼。在一个方面，填料可包括至少50％立方氮化硼、或至少60％立方氮化硼、或至少70％立方氮化硼、或至少80％立方氮化硼、或至少90％立方氮化硼、或至少95％立方氮化硼或至少99％立方氮化硼。在特定方面，填料可基本上由立方氮化硼组成。在又一特定方面，所有填料可由立方氮化硼组成并且可仅包含不可避免的杂质。基于立方氮化硼的总重量，立方氮化硼中的不可避免的杂质的量可不大于0.1体积％。
本体的粘结材料可包括至少一种选自由以下项组成的组的无机材料：玻璃质材料、金属、金属合金、陶瓷或它们的任意组合。在特定实施例中，粘结材料基本上由玻璃质材料组成。基本上由玻璃质材料组成的粘结材料在本文中意指至少99体积％的粘结材料为玻璃质材料。
除无机材料外，粘结材料还可包括有机粘结材料，后文也称为有机粘结剂。有机粘结材料可通过减小压制过程中的摩擦力以及通过在压制后向生坯提供强度来帮助形成生坯。在生坯的热处理过程中，有机粘结材料可分解并且可在烧结体中产生所期望的孔隙率。有机粘结材料可为天然材料、合成材料、树脂、环氧树脂、热固性材料、热塑性材料、弹性体或它们的任意组合。在特定的实施例中，有机粘结剂可包括酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯、聚酯、聚酰亚胺、聚苯并咪唑、芳香族聚酰胺、改性酚醛树脂(诸如：环氧改性和橡胶改性树脂，或与增塑剂共混的酚醛树脂)、玉米淀粉或它们的任意组合。在特定实施例中，包含在粘结材料中的有机材料可包括酚醛树脂。在特定实施例中，有机粘结材料可为选自ZUSOPLAST或CARBOWAX 20M的蜡。
在一个实施例中，有机粘结剂可在烧结(103)前通过热处理去除，并且可能由此引起本体内形成孔隙。在一个方面，可在使粘结剂分解的温度下(例如在650℃的温度下)，作为单次热处理在空气中加以进行。在脱脂后，可在非氧化环境中，例如在氮气下重新加热样品，并进行烧结(103)。在另一方面，可在一个热处理规范内进行脱脂和烧结，其中在脱脂后，通过进一步增加温度直至最大烧结温度来继续进行热处理。
粘结材料中有机材料的量可以是基于粘结材料的总体积的至少1体积％、或至少5体积％或至少15体积％。在另一方面，基于粘结材料的总体积，有机粘结材料的量可不大于50体积％，诸如不大于40体积％，或不大于30体积％、或不大于25体积％或不大于20体积％。
在一个实施例中，本公开的磨料制品的本体可具有基于本体的总体积的至少1体积％、或至少2体积％、或至少5体积％、或至少8体积％、或至少10体积％、或至少15体积％、或至少20体积％、或至少25体积％、或至少30体积％、或至少35体积％、或至少40体积％、或至少45体积％、或至少50体积％、或至少55体积％、或至少60体积％、或至少65体积％、或至少70体积％或至少75体积％的孔隙率。在再一实施例中，本体的孔隙率可为占本体的总体积的不大于85体积％、或不大于80体积％、或不大于75体积％、或不大于70体积％、或不大于65体积％、或不大于60体积％、或不大于55体积％、或不大于50体积％、或不大于45体积％、或不大于40体积％、或不大于35体积％、或不大于30体积％、或不大于25体积％、或不大于20体积％、或不大于15体积％、或不大于10体积％、或不大于5体积％、或不大于3体积％。本体的孔隙率可以是介于上述任意最小值和最大值之间的值，诸如在包括至少1体积％至不大于85体积％、或至少5体积％至不大于70体积％、或至少10体积％至不大于55体积％的范围内。在特定实施例中，本体的孔隙率可在至少30体积％至不大于50体积％的范围内。
在又一实施例中，本体可具有至少0.5微米、或至少1微米、至少5微米、或至少10微米、或至少15微米、或至少20微米、或至少30微米、或至少40微米、或至少50微米、或至少60微米、或至少80微米、或至少90微米、或至少100微米、或至少120微米、或至少140微米、或至少160微米、或至少180微米、或至少200微米、或至少220微米、或至少240微米、或至少260微米、或至少280微米的平均孔径(D50)。在再一实施例中，本体的平均孔径(D50)可不大于300微米、或不大于290微米、或不大于280微米、或不大于270微米、或不大于250微米、或不大于230微米、或不大于210微米、或不大于190微米、或不大于170微米、或不大于150微米、或不大于130微米、或不大于110微米、或不大于90微米、或不大于70微米、或不大于50微米、或不大于30微米或不大于20微米。平均孔径(D50)可以是介于上述任意最小值和最大值之间的值，诸如在包括至少5微米至不大于300微米、至少20微米至不大于200微米、或至少30微米至不大于150微米的范围内的值。
在另一实施例中，本体可具有孔径分布，其中孔径的第10百分位值(D10)与平均孔径(D50)之间的距离可在至少3微米至不大于50微米的范围内。
在又一实施例中，本体可具有孔径分布，其中孔径的第90百分位值(D90)与平均孔径(D50)之间的距离可在至少5微米至不大于80微米的范围内。
在一个实施例中，粘结材料的含量基于磨料制品的本体的总体积可以是至少5体积％，诸如至少10体积％、或至少15体积％、或至少20体积％、或至少25体积％、或至少30体积％、或至少32体积％、或至少35体积％、或至少38体积％、或至少40体积％、或至少42体积％、或至少45体积％、或至少48体积％或至少50体积％。在另一实施例中，基于本体的总体积，粘结材料的含量可不大于60体积％、或不大于55体积％、或不大于50体积％或不大于45体积％。粘结材料的含量可以是介于上述任意最小值和最大值之间的值，诸如基于本体的总体积的从5体积％至60体积％、或从20体积％至55体积％、从35体积％至50体积％、或从5体积％至20体积％。在特定实施例中，粘结材料可基本上由玻璃质材料(不可避免的杂质除外)组成，并且玻璃质材料的量可以是基于本体的总体积的至少10体积％且不大于19体积％。
包含在本体中的磨料颗粒可包含选自以下项的材料：氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、金刚石或它们的任意组合。在特定实施例中，磨料颗粒可包括氮化硼。在一个方面，磨料颗粒可基本上由氮化硼组成。氮化硼可为立方氮化硼(c-BN)、或六方氮化硼(h-BN)、或非晶态氮化硼(a-BN)或纤锌矿氮化硼(w-BN)。在特定方面，磨料颗粒可基本上由立方氮化硼组成。基本上由立方氮化硼组成在本文中意指磨料颗粒可不包含超过0.5体积％的不同类型的材料。
本公开的本体中的磨料颗粒的含量可以是基于本体的总体积的至少25体积％，诸如至少30体积％、或至少35体积％、或至少40体积％、或至少45体积％或至少50体积％。在另一实施例中，基于本体的总体积，磨料颗粒的含量可不大于80体积％，诸如不大于75体积％、或不大于70体积％、或不大于65体积％、或不大于60体积％、或不大于55体积％、或不大于50体积％、或不大于48体积％或不大于45体积％。本体中的磨料颗粒的含量可以是介于上述任意最小值和最大值之间的值。在特定实施例中，基于本体的总体积，磨料颗粒的含量可以是至少35体积％且不大于50体积％。
在一个实施例中，磨料颗粒可具有至少40微米，诸如至少45微米、至少50微米、至少60微米、至少70微米、至少80微米、至少90微米、或至少100微米、或至少130微米、或至少150微米、或至少200微米或至少240微米的平均粒度(D50AP)。在另一实施例中，磨料颗粒的平均粒度(D50AP)可不大于1000微米，诸如不大于900微米、不大于800微米、或不大于600微米、或不大于500微米、或不大于400微米或不大于300微米。磨料颗粒的平均粒度可以是介于上述任意最小值和最大值之间的值，诸如从40微米至500微米或从80微米至300微米。
在特定的实施例中，除氮化物外，粘结材料中包含的填料还可包括至少一种其它填充材料，例如，金属或金属合金(诸如镍、锌、黄铜)或无机矿物(诸如碳化物、氧化物或硼酸盐)。如本文所用，填料是具有以下特性的颗粒材料：在烧结过程中不与粘结材料熔融在一起，但在烧结后保持为独立的颗粒，并可通过光学显微镜在本体中识别出来。
根据另一实施例，磨料颗粒可包括未团聚的磨料颗粒、团聚的磨料颗粒或它们的组合。在特定实施例中，大部分磨料颗粒可为未团聚的磨料颗粒，或者更具体地，磨料颗粒可基本上由未团聚的磨料颗粒组成。
在特定实施例中，由本公开的粘结材料保持在一起的磨料颗粒可包括涂层。磨料颗粒的涂层可包括无机材料，诸如金属或金属合金，例如铜、镍、锌、黄铜。
在再一实施例中，1)包含氮化物的填料、2)磨料颗粒与3)粘结材料之间的热膨胀系数(CTE)之差可不超过1ppm/℃。在又一特定实施例中，包含氮化物的填料和磨料颗粒可具有相同的CTE。
在一个实施例中，磨料颗粒的材料和填料的材料可以是相同的。在特定方面，磨料颗粒的材料可为立方氮化硼，并且填料的材料可为立方氮化硼。
在又一特定方面，磨料颗粒的材料可为立方氮化硼且填料的材料可为立方氮化硼，并且填料的平均粒度与磨料颗粒的平均粒度之比(D50F/D50AP)可为从至少0.01至不大于0.3。
在另一特定方面，磨料颗粒的材料和填料的材料均可为立方氮化硼，并且立方氮化硼填料的平均粒度可为至少2微米且不大于30微米。
在再一特定实施例中，磨料颗粒的材料和填料的材料均可为立方氮化硼，并且本体中填料的含量可以是基于本体中粘结材料和填料的总体积的至少7体积％且不大于30体积％。
在又一特定实施例中，本体可基本上由以下项组成：磨料颗粒，该磨料颗粒的量是基于本体的总体积的至少30体积％且不大于50体积％；玻璃质粘结材料，该玻璃质粘结材料的量是基于本体的总体积的至少15体积％且不大于30体积％；以及包含氮化物的填料，该包含氮化物的填料的量是基于粘结材料和填料的总体积的至少5体积％且不大于35体积％，其中填料与磨料颗粒粒度比(D50F/D50AP)在至少0.03且不大于0.5的范围内，并且本体的孔隙率是基于本体的总体积的至少25体积％且不大于45体积％。在此实施例的一个方面，磨料颗粒可基本上由立方氮化硼(cBN)组成，并且填料可基本上由立方氮化硼(cBN)组成。
如实例中所进一步证明，包含氮化物的填料可补偿在烧结过程中磨料本体的不期望的收缩，同时可在很大程度上保持强度和磨损特性。不拘泥于理论，假设包含氮化物的填料在烧结过程中可有助于在磨料颗粒之间形成牢固的粘结结构。
在一个方面，与不包括本公开的包含氮化物的填料的本体的收缩率相比，烧结后的线性收缩率可减小至少10％，诸如至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、或至少80％、至少85％或至少90％。
在另一方面，烧结后的生坯的线性收缩率可不大于5％，诸如不大于3％、或不大于2.5％、或不大于2.3％、或不大于2.0％、或不大于1.8％、或不大于1.5％、或不大于1.3％或不大于1.0％。
在一个方面，本公开的本体的根据ASTM E18的洛氏硬度可为至少50HRL，诸如至少60HRL、至少70HRL、至少80HRL、至少90HRL、至少95HRL、至少100HRL或至少105HRL。在另一方面，洛氏硬度可不大于125HRL、或不大于120HRL或不大于110HRL。
在又一方面，本体的弯曲强度可为至少25MPa，诸如至少30MPa或至少40MPa。在另一方面，强度可不大于100MPa、或不大于90MPa或不大于80MPa。
许多不同的方面和实施例都是可能的。本文描述了这些方面和实施例中的一些。在阅读本说明书之后，本领域的技术人员会理解，那些方面和实施例仅是说明性的，并不限制本发明的范围。实施例可以根据下面列出的任何一个或多个实施例。
实施例1.一种磨料制品，其包含：本体，该本体包括包含无机材料的粘结材料；具有平均粒度(D50AP)的磨料颗粒；包含氮化物并具有平均粒度(D50F)的填料；以及在至少0.01且小于0.5的范围内的填料与磨料粒度比(D50F/D50AP)。
实施例2.一种磨料制品，其包含：本体，该本体包括包含无机材料的粘结材料；具有平均粒度(D50AP)的磨料颗粒；填料，该填料包含氮化物并具有在至少1微米至不大于50微米的范围内的平均粒度(D50F)。
实施例3.一种磨料制品，其包含：本体，该本体包括包含无机材料的粘结材料；具有平均粒度(D50AP)的磨料颗粒；包含氮化物的填料，并且其中本体包含的填料的含量在占粘结材料和填料的总体积的至少1体积％至不大于35体积％的范围内。
实施例4.一种磨料制品，其包含：本体，该本体包括包含无机材料的粘结材料；具有平均粒度(D50AP)的磨料颗粒；包含氮化物的填料；其中本体包含不大于0.050cc的平均磨损度。
实施例5.根据实施例2、3和4中任一项所述的磨料制品，其进一步包括在至少0.01且小于1的范围内的填料与磨料粒度比(D50F/D50AP)。
实施例6.根据实施例1和5中任一项所述的磨料制品，其中填料与磨料粒度比(D50F/D50AP)为至少0.02、或至少0.03、或至少0.04、或至少0.05、或至少0.06、或至少0.07、或至少0.08、或至少0.09、或至少0.1、或至少0.11、或至少0.12、或至少0.13、或至少0.15、或至少0.18、或至少0.2、或至少0.23、或至少0.25、或至少0.28、或至少0.3、或至少0.32、或至少0.35、或至少0.38、或至少0.4或至少0.45。
实施例7.根据实施例1和5中任一项所述的磨料制品，其中填料与磨料粒度比(D50F/D50AP)不大于0.45、或不大于0.40、或不大于0.35、或不大于0.33、或不大于0.3、或不大于0.28、或不大于0.25、或不大于0.23、或不大于0.2、或不大于0.18、或不大于0.15、或不大于0.13、或不大于0.1、或不大于0.08、或不大于0.05或不大于0.03。
实施例8.根据实施例1和5中任一项所述的磨料制品，其中填料与磨料粒度比(D50F/D50AP)在至少0.01至不大于0.25的范围内，或在至少0.05至不大于0.15的范围内。
实施例9.根据实施例1、3和4中任一项所述的磨料制品，其中填料包含氮化物并且具有在至少1微米至不大于50微米的范围内的平均粒度(D50F)。
实施例10.根据实施例2和9中任一项所述的磨料制品，其中填料包含不大于45微米、或不大于40微米、或不大于35微米、或不大于30微米、或不大于28微米、或不大于25微米、或不大于22微米、或不大于20微米、或不大于18微米、或不大于15微米、或不大于12微米或不大于10微米的平均粒度(D50F)。
实施例11.根据实施例2和9中任一项所述的磨料制品，其中填料包含至少2微米、或至少3微米、或至少4微米、或至少5微米、或至少6微米、或至少7微米、或至少8微米、或至少9微米、或至少10微米或至少12微米的平均粒度(D50F)。
实施例12.根据实施例1、2和4中任一项所述的磨料制品，其中本体包含的填料的含量在占粘结材料和填料的总体积的至少1体积％至不大于35体积％的范围内。
实施例13.根据实施例3和12中任一项所述的磨料制品，其中本体包含的填料的量基于粘结材料和填料的总体积不大于30体积％、或不大于28体积％、或不大于25体积％、或不大于22体积％、或不大于20体积％、或不大于18体积％、或不大于16体积％、或不大于14体积％、或不大于12体积％或不大于10体积％。
实施例14.根据实施例3和12中任一项所述的磨料制品，其中本体包含的填料的含量占粘结材料和填料的总体积的至少2体积％、或至少3体积％、或至少4体积％、或至少5体积％、或至少6体积％、或至少8体积％、或至少10体积％、或至少12体积％、或至少14体积％、或至少16体积％、或至少18体积％、或至少20体积％、或至少22体积％或至少25体积％。
实施例15.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中填料包含氮化硼。
实施例16.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中填料包含大部分含量的氮化硼。
实施例17.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中填料包含占填料的总重量的至少55体积％的氮化硼、或至少60体积％的氮化硼、或至少70体积％的氮化硼、或至少80体积％的氮化硼、或至少90体积％的氮化硼、或至少95体积％的氮化硼或至少99体积％的氮化硼。
实施例18.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中填料基本上由氮化硼组成。
实施例19.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中填料包含立方氮化硼。
实施例20.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中填料包含至少50体积％的立方氮化硼、或至少60体积％的立方氮化硼、或至少70体积％的立方氮化硼、或至少80体积％的立方氮化硼、或至少90体积％的立方氮化硼、或至少95体积％的立方氮化硼或至少99体积％的立方氮化硼。
实施例21.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中填料基本上由立方氮化硼组成。
实施例22.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中粘结材料包含至少一种选自以下项的材料：金属、金属合金、陶瓷、玻璃质材料或它们的任意组合。
实施例23.根据实施例22所述的磨料制品，其中粘结材料基本上由玻璃质材料组成。
实施例24.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中本体包含在占本体的总体积的至少5体积％至不大于60体积％的范围内的粘结材料含量。
实施例25.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中本体中的磨料颗粒的含量是基于本体的总体积的至少25体积％，诸如至少30体积％、或至少35体积％、或至少40体积％、或至少45体积％或至少50体积％。
实施例26.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中基于本体的总体积，本体中的磨料颗粒的含量不大于80体积％，诸如不大于70体积％、或不大于65体积％、或不大于60体积％、或不大于55体积％、或不大于50体积％或不大于45体积％。
实施例27.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中磨料颗粒包含选自由以下项组成的组的材料：氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、金刚石或它们的任意组合。
实施例28.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中磨料颗粒包含氮化硼。
实施例29.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中磨料颗粒基本上由氮化硼组成。
实施例30.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中磨料颗粒基本上由立方氮化硼组成。
实施例31.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中磨料颗粒包括包含无机材料的涂层。
实施例32.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中磨料颗粒包含在至少40微米至不大于1000微米的范围内的平均粒度(D50AP)。
实施例33.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中包含氮化物的填料、磨料颗粒与粘结材料之间的热膨胀系数(CTE)之差不大于1ppm/℃，诸如不大于0.5ppm/℃或不大于0.1ppm/℃。
实施例34.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中本体具有至少50HRL，诸如至少60HRL、或至少70HRL、或至少80HRL、或至少90HRL、或至少100HRL或至少105HRL的洛氏硬度。
实施例35.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中本体具有不大于125HRL、不大于120HRL或不大于110HRL的洛氏硬度。
实施例36.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中本体具有至少25MPa，诸如至少30MPa或至少40MPa的弯曲强度。
实施例37.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中本体具有不大于100MPa、或不大于90MPa或不大于80MPa的弯曲强度。
实施例38.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中本体具有基于本体的总体积的至少1体积％、或至少2体积％、或至少5体积％、或至少8体积％、或至少10体积％、或至少15体积％、或至少20体积％、或至少25体积％、或至少30体积％、或至少35体积％、或至少40体积％、或至少45体积％、或至少50体积％、或至少55体积％、或至少60体积％、或至少65体积％、或至少70体积％或至少75体积％的孔隙率。
实施例39.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中本体具有占本体的总体积的不大于85体积％、或不大于80体积％、或不大于75体积％、或不大于70体积％、或不大于65体积％、或不大于60体积％、或不大于55体积％、或不大于50体积％、或不大于45体积％、或不大于40体积％、或不大于35体积％、或不大于30体积％、或不大于25体积％、或不大于20体积％、或不大于15体积％、或不大于10体积％、或不大于5体积％或不大于3体积％的孔隙率。
实施例40.根据实施例38或39所述的磨料制品，其中本体具有至少30体积％且不大于50体积％的孔隙率。
实施例41.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中填料包括立方氮化硼，并且磨料颗粒包括立方氮化硼。
实施例42.根据实施例41所述的磨料制品，其中填料的量是基于粘结材料和填料的总体积的至少10体积％且不大于30体积％。
实施例43.根据实施例41所述的磨料制品，其中填料的平均粒度为至少2微米且不大于30微米。
实施例44.根据实施例41所述的磨料制品，其中填料与磨料粒度比(D50F/D50AP)在至少0.01至不大于0.3的范围内。
实施例45.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中本体基本上由以下项组成：磨料颗粒，该磨料颗粒的量是基于本体的总体积的至少30体积％且不大于50体积％；粘结材料，该粘结材料的量是基于本体的总体积的至少15体积％且不大于30体积％；以及包含氮化物的填料，该包含氮化物的填料的量是基于粘结材料和填料的总体积的至少5体积％且不大于35体积％，其中填料与磨料颗粒粒度比(D50F/D50AP)在至少0.03且不大于0.5的范围内；粘结材料为玻璃质粘结材料；并且本体的孔隙率是基于本体的总体积的至少25体积％且不大于45体积％。
实施例46.根据实施例45所述的磨料制品，其中磨料颗粒基本上由立方氮化硼(cBN)组成，并且填料基本上由立方氮化硼(cBN)组成。
实施例47.根据实施例1、2、3和4中任一项所述的磨料制品，其中本体中的粘结材料的含量是基于本体的总体积的至少5体积％且不大于20体积％。
实施例48.一种形成磨料制品的本体的方法，该方法包括：制备包含无机粘结材料、磨料颗粒和填料的混合物，其中填料包含氮化物；由混合物形成生坯；以及在至少600℃的温度下烧结生坯，其中烧结后生坯的线性收缩率不大于5％。
实施例49.根据实施例48所述的方法，其进一步包括通过热处理并在烧结前将有机粘结材料从生坯脱脂。
实施例50.根据实施例48所述的方法，其中线性收缩率不大于4％，或不大于3.0％、或不大于2.5％、或不大于2.3％、或不大于2.0％、或不大于1.8％、或不大于1.5％、或不大于1.3％或不大于1％。
实施例51.根据实施例48所述的方法，其中填料包含立方氮化硼(cBN)。
实施例52.根据实施例48所述的方法，其中磨料颗粒包含立方氮化硼(cBN)。
实施例53.根据实施例48所述的方法，其中填料与磨料粒度比(D50F/D50AP)在至少0.01且小于0.5的范围内。
实施例54.根据实施例48所述的方法，其中填料的平均粒度为至少2微米且不大于30微米。
实施例55.根据实施例48所述的方法，其中填料的量是基于粘结材料和填料的总体积的至少5体积％且不大于30体积％。
实施例56.根据实施例48所述的方法，其中与不包含填料的本体相比，该本体的线性收缩率可减小至少10％，诸如至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、或至少80％、至少85％或至少90％。
实例
实例1
磨料本体的制备
在声学混合器(acoustic mixer)中将磨料cBN颗粒、cBN填料、玻璃陶瓷玻璃质粘结材料(来自Saint-Gobain的N7)、有机粘结剂(来自Zschimmer&Schwarz的ZUSOPLAST WE8)和水结合来制备混合物。混合物在以下方面有所不同：cBN磨料颗粒的平均粒度，即53-63μm(B64)、106-125μm(B126)和150-180μm(B181)；cBN填料的含量(基于粘结材料和填料的总体积的9体积％、19体积％和50体积％)；玻璃质粘结材料的量(基于混合物的总体积的14.6体积％、13体积％和8体积％)，其用于调整cBN填料的不同的量；水的量(16-24体积％)；以及cBN填料的粒度(3-5μm；6-12μm；和12-22μm)，如同样在表1中所汇总的。所有混合物具有相同含量的41体积％的立方氮化硼磨料颗粒(砂粒浓度164)，以及相同含量的基于混合物的总体积的15.7体积％的有机粘结剂。
由每种所制备的混合物形成生坯，并且在惰性氮气气氛中依照热处理规范加以处理。应用以下热处理规范：在空气中在1小时内从25℃加热至550℃；在550℃保持该温度75分钟；在3小时内从550℃加热至995℃；在995℃保持该温度4小时；在2小时内从995℃冷却至550℃。在热处理过程中，温度高达约650℃时有机粘结剂分解，并且本体在995℃的最大温度下加以烧结。粘结剂耗尽后，环境从空气改变为氮气。
表1汇总了通过改变cBN磨料颗粒的粒度和cBN填料的粒度而产生的烧结体。
表1：
Figure BDA0002943478100000171
实例2
为了评估cBN填料对强度、硬度、磨损和收缩率的影响，测试了根据实例1的方法制备的具有不同含量的cBN填料和不同粒度的cBN填料的本体样品，以进行实验。
表2示出了通过实例1所述方法形成的烧结体的比较，其中粒度号为B126的磨料cBN颗粒的量是基于本体的总体积的41体积％，并且cBN填料的量是基于粘结材料和填料的总体积在0至50体积％的范围内变化。cBN填料的粒度范围为6-12微米。可以看出，cBN填料增加至高达19体积％引起收缩率减小，同时强度和硬度略微降低，并且磨损度略微增加。然而，cBN填料增加至基于粘结材料和填料的总体积的50体积％，引起磨损度的大幅增加，这无法由所进行的磨损测试加以测量(见下文磨损测试的描述)，并且硬度也大幅下降，尽管收缩率进一步降低。
表2：
Figure BDA0002943478100000181
表3比较了使用取决于cBN填料含量增加的三种不同粒度的cBN磨料颗粒而形成的本体的收缩率值。cBN填料粒度在所有实验中均为6-12μm。可以看出，与不包括cBN填料的本体相比，本体中cBN填料的存在降低了线性收缩率。与未使用cBN填料制得的磨料本体的收缩率相比，通过使本体中包括cBN填料，烧结后的收缩率减小幅度介于21％与41％之间，其中具有最小磨料平均粒度(53-63μm)的本体，其收缩率的减小百分比最大。
表3：
Figure BDA0002943478100000182
对于用较小粒度的3-5μm cBN填料形成的本体，与6-12μm cBN填料相比，收缩率的差异很小(收缩率减小百分比的差值不超过2％)。将用3-5μm cBN填料制得的本体和用6-12μm cBN填料制得的本体相比较，本体的磨损也非常类似。
线性收缩率(SL)通过测量生坯的长度(Lgb)和烧结体的长度(Lsb)加以确定，并且根据以下公式进行计算：SL＝(Lgb Lsb/Lgb)x 100％。
为了测试线性收缩率，通过将生坯混合物在6吨的压力下压入圆柱形模具中保压10秒来制备生坯，该模具的最长直径为1.25英寸并且高度为0.46英寸。如实例1所述，将从模具中脱模出来的生坯布置在陶瓷承烧板上，以用于脱脂和烧结。
为了测试弯曲强度、硬度和磨损，使用长度为2.64英寸，宽度为0.257英寸，并且高度为0.25英寸的矩形模具制备测试棒。用于填充模具所施加的压力也为6吨。从模具将生坯棒脱模出来后，依照实例1中所述的热处理规范对生坯棒加以处理，以用于脱脂和烧结。
根据修改的ASTM C1161对弯曲强度进行测量。在夹具跨距、支承直径和样品尺寸方面，针对ASTM C1161进行了改良。测试设置：通过4点弯曲加载荷方式，使用半铰接式夹具来测试弯曲强度，其中支架跨距为2英寸(支架跨距与载荷跨距之比为2∶1)，支承直径为5毫米，并且十字头速度为0.05英寸/分钟。根据ASTM C1161，测试棒符合零件的长度≥10倍厚度的要求，以确保用于计算弯曲应力的公式的准确性。
根据ASTM E18确定洛氏硬度。
为了测试磨损，将测试棒安装在一个支架上，并且安装在Struers Tegramin-25研磨抛光机的试样架上。试样架以150rpm的速度旋转，并且用30N的恒定力将样品推向以150rpm反向旋转的120目SiC碳化硅砂纸。每次测试均在不使用润滑液的情况下进行10秒的时间。
通过以下方式确定磨损：测量在测试前后测试棒的长度，测量该棒的横截面，并且计算一次运行中所消耗的材料体积。对每种本体类型重复进行磨损测试三至五次，并计算出平均值。
实例3
进行对比实验，通过与立方氮化硼填料进行比较，评估其他四种填料类型：莫来石、碳化硅(SiC)和氧化锆(ZrO2)。
对比实验所用的磨料本体是根据实例1所述的方法制得，但用不包括硝酸盐的不同填充材料替代cBN填料。
在所有对比实验中，使用了相同量的基于粘结材料和填料的总体积的19体积％的填料。磨料颗粒使用cBN填料，其粒度范围为106-125μm(粒度号B126)，其含量是基于本体的总体积的41体积％。
在烧结后，测试磨料本体的线性收缩率、磨损、强度和硬度。
所测得的数据汇总在表4中。可以看出，尽管其他填充材料也可减小烧结后的本体的收缩率，但与包含cBN填料的本体相比，其他测试填充材料的磨损增加程度更大，并且强度和/或硬度损失也大得多。
表4：
Figure BDA0002943478100000201
上面已经参考具体实施例描述了益处、其他优点及问题的解决方案。然而，益处、优点、问题的解决方案及可使任何益处、优点或解决方案被想到或变得更加显著的任何特征都不被认为是任何或所有权利要求的关键、所需或必要的特征。本文中提及的包括一种或多种组分的材料可以解释为包括至少一个实施例，在该实施例中所述材料基本上由所指定的一种或多种组分组成。术语“基本上由...组成”应解释为包括成分，该成分包括所指定的那些材料，并排除除不显著改变材料性质的少数含量(例如，杂质含量)材料之外的所有其他材料。此外或另选地，在某些非限制性实施例中，本文所指定的成分中的任一者可以基本上不含未明确公开的材料。本文的实施例包括材料内某些组分的含量范围，应当理解，给定材料内组分的含量总计为100％。
本文所述的实施例的说明书和图示旨在提供对各种实施例的结构的一般理解。说明书和图示并不旨在用作对使用了本文所述的结构或方法的装置和系统的所有元件和特征的详尽和全面的描述。单独的实施例也可在单个实施例中以组合的方式来提供，并且相反地，为简明起见而在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可单独地提供或以任何子组合的方式来提供。此外，对以范围表示的值的引用包括该范围内的每个值和所有各值。只有在阅读本说明书之后，许多其他实施例对于技术人员才是显而易见的。通过本公开内容可以利用和得到其他实施例，使得可在不脱离本公开的范围的情况下进行结构替换、逻辑替换或其他改变。因此，本公开应被视为说明性的而非限制性的。

Claims (14)

1.一种磨料制品，其包含：
本体，所述本体包括：
粘结材料，所述粘结材料包含玻璃质材料；
磨料颗粒，所述磨料颗粒具有在至少40微米至不大于1000微米的范围内的平均粒度(D50AP)；
填料，所述填料包含氮化物并具有在至少3微米至不大于30微米的范围内的平均粒度(D50F)；
填料与磨料粒度比(D50F/D50AP)，其在至少0.01且小于0.5的范围内；以及
其中所述本体具有至少5体积％且不大于55体积％的孔隙率。
2.根据权利要求1所述的磨料制品，其中基于磨料颗粒的总体积的至少90体积％的所述磨料颗粒包含氮化硼。
3.根据权利要求1所述的磨料制品，其中基于占所述填料的总体积的至少90体积％的所述填料包含氮化硼。
4.根据权利要求1、2或3中任一项所述的磨料制品，其中所述包含氮化物的填料、所述磨料颗粒与所述粘结材料之间的热膨胀系数(CTE)之差不大于1ppm/℃。
5.根据权利要求1、2或3所述的磨料制品，其中所述磨料颗粒和所述包含氮化物的填料基本上由立方氮化硼组成。
6.根据权利要求1、2或3中任一项所述的磨料制品，其中所述填料与磨料粒度比(D50F/D50AP)在至少0.02且小于0.3的范围内。
7.根据权利要求1、2或3中任一项所述的磨料制品，其中所述包含氮化物的填料的量在基于粘结材料和填料的总体积的至少5体积％且不大于30体积％的范围内。
8.根据权利要求1、2或3中任一项所述的磨料制品，其中所述本体中所述粘结材料的含量为基于所述本体的总体积的至少5体积％且不大于20体积％。
9.根据权利要求1、2或3中任一项所述的磨料制品，其中所述包含氮化物的填料的量在基于粘结材料和填料的总体积的至少5体积％且不大于30体积％的范围内，其中所述本体中所述粘结材料的含量为基于所述本体的总体积的至少5体积％且不大于20体积％，其中所述本体中所述磨料颗粒的含量为基于所述本体的总体积的至少25体积％且不大于50体积％。
10.根据权利要求1、2或3中任一项所述的磨料制品，其中所述本体具有至少30体积％且不大于55体积％的孔隙率。
11.一种形成磨料制品的本体的方法，其包括：
制备包含玻璃质粘结材料、磨料颗粒和填料的混合物，其中所述填料包含氮化物；
由所述混合物形成生坯；
在至少600℃的温度下烧结所述生坯，
其中烧结后所述生坯的线性收缩率不大于3％；
其中所述磨料颗粒具有在至少40微米至不大于1000微米的范围内的平均粒度(D50AP)；
其中包含氮化物的所述填料具有在至少3微米至不大于30微米的范围内的平均粒度(D50F)；
以及
其中所述本体具有至少5体积％且不大于55体积％的孔隙率。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述填料包含立方氮化硼(cBN)，并且所述磨料颗粒包含立方氮化硼(cBN)，并且填料与磨料粒度比(D50F/D50AP)在至少0.01且小于0.3的范围内。
13.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述磨料颗粒包含立方氮化硼。
14.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述填料与磨料粒度比(D50F/D50AP)在至少0.1且不大于0.23的范围内。
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