CN1130888A - 磨料制品及其制造和使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种磨料制品，包括具有正面和背面的衬底和粘接在衬底正面的磨料敷层，该磨料敷层是许多磨料颗粒、粘合剂和研磨助剂的均匀混合物，粘合剂还起着将磨料敷层粘接在衬底上的作用，研磨助剂含量至少为磨料敷层的1重量％，但不大于50重量％。磨料敷层最好基本上由许多具有确切形状的研磨复合体组成，本发明还提供磨料制品的制造和使用方法。

Description

磨料制品及其制造和使用方法
使用磨料制品对工作件表面进行研磨和抛光已有一百年历史了。这些应用的范围涉及高切削量的高压金属研磨工艺直至眼镜透镜的精抛光。磨料制品一般包括将许多磨粒粘合在一起(例如粘合磨料、磨轮)或者将磨粒粘结于一衬底(例如砂带)的制品。典型的砂带上有一层磨粒，但有些砂带上有两层磨粒。一旦这些磨粒被磨损掉，则砂带基本上不能再用了，通常弃去。
下述美国专利4,652,275、4,799,939和5,039,311描述了这种单层磨粒的一种技术方案。在这些文献中公开了的砂带有一个衬底，其上面粘附有大量磨粒团聚物。磨粒团聚物是一有形物，它包含磨粒、粘合剂，视需要，还包含研磨助剂和其它添加剂。这些磨粒团聚物基本上构成了三维的磨料敷层。
另一种三维磨料敷层是精研膜。如在美国专利4,644,703、4,773,920和5,015,266中所公开的精研磨膜主要是含有磨粒和粘合剂的磨粉浆粘接在衬底上。这些精研磨膜曾在抛光方面具有广泛的商业应用价值，被用于在工件上需要精细表面光洁度的场合。然而，这些研磨膜在其他许多应用方面并非总具有所需要的切削速度。
美国专利5,152,917(Pieper等)公开了一种增加精研膜的切削速度的方法。
Pieper揭示了一种具有较高切削速度和能在工件表面上产生较精细光洁度的结构磨料制品。这种结构磨料是许多有序的、具有确切形状的研磨复合体粘接在衬底上。
Pieper在磨料技术，尤其是在研磨漆表面方面取得了显著进步。然而，在研磨金属工件方面仍然存在一些有待改进的地方。
本发明涉及一种磨料制品及其制造和使用方法。
在本发明的第一部分中，提供一种磨料制品，它包含：
a.一个具有正面和背面的衬底；和
b.一层粘接在衬底正面的磨料敷层，所述磨料敷层是许多磨粒、粘合剂和研磨助剂的均匀混合物；所述粘合剂系用来将磨料敷层粘接在衬底上，所述研磨助剂占磨料敷层重量的至少1％，但不超过50％(最好不超过30％)。
关于本发明的第一部分，较佳的是，磨料敷层主要包含许多具有确切形状的研磨料复合体。这些研磨料复合体具有边界清晰可见的确切形状。这些复合体可以是形状有序的，也可以是形状混乱的。
在本发明的第二部分中，提供一种制造本发明第一部分所述磨料制品的方法，该方法包括：
a.制造含许多磨粒、粘合剂前体和研磨助剂的浆料；
b.提供一种具有正面和背面的衬底；
c.将浆料涂敷在衬底的至少正面上；
d.使浆料置于足使粘合剂前体固化的条件下，以形成粘合剂，待固化后，浆料即转变成磨料敷层，所述磨料敷层含有至少1重量％，但不大于50重量％(最好不大于30重量％)的研磨助剂，所述粘合剂还起着将磨料敷层粘接在衬底上的作用。
在本发明的第三和第四部分描述第二部分中的两个较佳方法。
作为第三部分，该方法包括
a.制造含许多磨粒、粘合剂前体和研磨助剂的浆料；
b.提供一种具有正面和背面的衬底；
c.提供一种具有许多空穴即模腔的模具；
d.将浆料涂敷在模具上的许多模腔中，使浆料流入模腔里面；
e.使衬底的正面与模具接触，使浆料湿润衬底；
f.将浆料置于足使粘合剂前体固化的条件下，以形成粘合剂，待固化后，浆料即转变成许多具有边界清晰可见的确切形状的研磨复合体，所述研磨复合体含至少1％，但不大于50％(最好不大于30％)的研磨助剂。
作为本发明的第四部分，该方法包括：
a.制造含许多磨粒、粘合剂前体和研磨助剂的浆料；
b.提供一种具有正面和背面的衬底；
c.将浆料涂敷在衬底的正面上，以形成用浆料涂敷的衬底；
d.使浆料涂敷的衬底与具有许多模腔的模具接触，使浆料流入模腔中；
e.将浆料置于足使粘合剂前体固化的条件下，以形成粘合剂，待固化后，浆料即转变成许多研磨复合体，所述研磨料复合体含至少1％，但不大于50％(最好不大于30重量％)的研磨助剂。
本发明中适用的浆料中含有许多磨粒、粘合剂前体和研磨助剂。“粘合剂前体”一词是指一种液状的、尚未聚合即固化的组合物。由于是液体状态，浆料就可流动或涂敷在衬底上，且当衬底上有孔时，就可流入孔中。然后使浆料受能源的辐照，使粘合剂前体固化即聚合，以形成粘合剂。该聚合过程还可使浆料转变成磨料敷层。能源可以是热能或辐射能(例如电子束、紫外光或可见光)。
本发明的第五部分是一种研磨工件金属表面的方法，该方法包括下述步骤：
a.使金属表面与磨料制品摩擦接触，所述磨料制品包括：
i)一种具有正面和背面的衬底；
ii)一层至少与衬底正面粘接的磨料敷层，所述磨料敷层是许多磨料、粘合剂和研磨助剂的均匀混合物；所述粘合剂还起着将磨料敷层粘接在衬底上的作用，所述磨料敷层含至少1％，但不大于50％的研磨助剂，并且，在摩擦接触的同时，令磨料制品和金属表面作相对运动，不断改变两者间的相互位置，以除去工件金属表面的一部分。
磨料敷层宜含至少1重量％，较佳的是至少5重量％，更佳的是至少10重量％，最佳的是至少20重量％的研磨助剂，但其量不应大于50％，最好不大于30％。研磨助剂的最佳重量百分比视工件和研磨助剂的种类而定，宜采用的研磨助剂为冰晶石和四氟硼酸钾(KBF4)。
“均匀混合物”一词表示磨粒/粘合剂/研磨助剂是最佳均匀地存在于整个磨料敷层中或每个研磨复合物中。应该明白，磨粒或粘合剂、研磨助剂在磨料敷层或研磨复合物的某个区域可能会有稍高的浓度，但研磨助剂在一个区域具有显著的高浓度则是不宜的。
图1是本发明一磨料制品实施方案的剖面放大图；
图2是本发明另一磨料制品实施方案的剖面放大图；
图3是制造图2所示磨料制品的工艺示意图；
图4是制造图2所示磨料制品的另一工艺示意图。
图1中，本发明的磨料制品10具有衬底11和至少与衬底正面17粘接的磨料敷层16。磨料敷层16是许多磨粒13、粘合剂14和研磨助剂15的均匀混合物。粘合剂14还用于将磨料敷层16粘接在衬底11的正面17上。磨粒基本上均匀地分布在整个粘合剂和研磨助剂的混合物中。图1中放大表示的磨料制品通常是通过在衬底上刮涂浆料制成的，应该明白，其他涂敷方法，如照相凹板式涂敷，也可以制成形貌更为多样的表面。衬底
本发明的衬底具有正面和背面，可以是任何常用的衬底。有用的衬底的例子包括聚合物膜、涂上了底漆的聚合物膜、布、纸、硬化纸板、无纺布和它们的组合。其他有用的衬底包括纤维增强热塑性衬底和无接缝的环形衬底带。还可以对衬底进行一种或多种处理，对衬底上的孔进行密封处理和/或改变衬底的某些物理性能。这些处理在本领域中是公知的。
砂皮衬底的背面上还可以有一种连接装置，使制成的砂皮能固定在一支撑垫上。该连接装置可以是压敏粘接剂、钩环连接系统的一个表面，或带螺纹的凸块。也可以用一个美国专利5,201,101所述的啮合连接系统。
磨料制品的背面还可以有一层防止滑动作用的磨擦性敷层。这类敷层的例子如分散在粘接剂中的无机颗粒(例如碳酸钙或石英)。磨料敷层磨料颗粒(磨料)
磨粒的典型粒径范围为约0.1—1500微米，通常为约0.1—400微米，较佳的为0.1—100微米，最佳的为0.1—50微米。磨粒的莫氏硬度应不小于8，最好大于9。这类磨粒的例子包括熔融法氧化铝(它包括褐色氧化铝、热处理法氧化铝和白色氧化铝)、陶瓷氧化铝、绿色碳化硅、黑色碳化硅、氧化铬、氧化铝-氧化锆、金刚石、氧化铁、铈土、立方氮化硼、一碳化六硼、石榴石及它们的组合。
当许多单个的磨粒粘合在一起形成磨粒团聚物时，“磨粒”一词还包括这些磨粒团聚物。美国专利4,311,489、4,652,275和4,799,939对其作了进一步的描述。
在表面上有涂层的磨粒同样属于本发明的范围。磨粒表面上的涂层可具有许多不同的功能。在某些情况下，此表面涂层可增强磨粒与粘合剂的粘接作用，改变磨粒的研磨特性，等等。表面涂层的例子包括偶合剂、卤化物盐、包括二氧化硅的金属氧化物、难熔金属氮化物、难熔金属碳化物，等等。
研磨复合体中还可有稀释剂颗粒。这些稀释剂颗粒可以是与磨粒同数量级大小的。这类稀释剂颗粒的例子包括石膏、大理石、石灰石、燧石、硅石、玻璃小泡、玻璃珠、硅酸铝、等等。粘合剂
磨粒分散在有机粘合剂中以形成研磨复合体。粘合剂是由作为可聚合的有机树脂的粘合剂前体转变而来。在本发明磨料的制造过程中，使粘合剂前体接受能源的辐照，以帮助聚合即固化过程的引发。所用能源的例子包括热能和辐射能，后者包括电子束、紫外光和可见光。在该聚合过程中，树脂发生聚合，粘合剂前体转化成固化的粘合剂。等粘合剂前体固化后，即形成了磨料敷层。磨料敷层中的粘合剂一般还起将磨料敷层粘接在衬底上的作用。
对于本发明的用途，宜采用两类树脂：缩合固化性树脂和加成聚性的树脂。较佳的粘合剂前体是加成聚合性树脂，因为使这些树脂接受辐射能的照射时，就很容易使其固化。加成聚合性树脂可通过阳离子机理或游离基机理聚合。视使用的能源和粘合剂前体的化学组成情况，有时还宜采用固化剂、引发剂或催化剂以引发聚合。
较佳典型的有机树脂的例子包括酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、丙烯酸酯化氨基甲酸酯、丙烯酸酯化环氧树脂、烯键不饱和化合物、含不饱和羰基侧基的氨基塑料衍生物、含至少一个丙烯酸酯基侧基的异氰脲酯酯衍生物、含至少一个丙烯酸酯侧基的异氰酸酯衍生物、乙烯基醚、环氧树脂、它们的混合物和组合。“丙烯酸酯”一词包含丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯。
由于酚醛树脂的热性能良好、易于取得和成本较低，它在磨料粘合剂中得到广泛的应用。酚醛树脂有两种：酚醛树脂A和酚醛清漆树脂。酚醛树脂A中，甲醛与苯酚的摩尔比大于或等于1，通常为1.5∶1.0至3.0∶1.0。酚醛清漆树脂中，甲醛与苯酚的摩尔比小于1。市场上有售的酚醛树脂的例子包括商品名称为“Durez”和“Var-cum”(均为Occidental化学公司产品)、“Resinox”(Monsanto公司产品)以及“Aerofene”和“Aerotap”(均为Ashland化学公司产品)的产品。
丙烯酸酯化氨基甲酸酯为具有羟基端基的、异氰酸酯NCO伸展的聚酯或聚醚的二丙烯酸酯。市场上有售的丙烯酸酯化氨基甲酸酯的例子包括商品名称为“UVITHANE 782”(Morton Thiokol化学公司产品)和“CMD 660”、“CMD 8400”及“CMD 8805”(均为Rad-cure特种制品公司产品)的产品。
丙烯酸酯化环氧树脂为环氧树脂的二丙烯酸酯，例如双酚A环氧树脂的二丙烯酸酯。市场上有售的丙烯酸酯化环氧树脂的例子包括商品名称为“CMD 3500”、“CMD 3600”和“CMD3700”(均为Rad-cure特种制品公司产品)的产品。
烯键不饱和树脂包括含碳、氢和氧原子，还或可含氮和卤原子的单体化合物和聚合化合物。氧原子或氮原子或它们两者一般存在于醚、酯、氨基甲酸酯、酰胺和尿素基团中。
烯键不饱和化合物的分子量宜在约4000以下，其酯最好由含脂族单羟基或脂族多羟基的化合物与不饱和羧酸(如丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、巴豆酸、异巴豆酸和马来酸等)反应制成。丙烯酸酯树脂的代表性例子包括甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯-苯乙烯、二乙烯基苯、乙烯基甲苯、乙二醇二丙烯酸酯、乙二醇甲基丙烯酸酯、己二醇二丙烯酸酯、三乙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、丙三醇三丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇甲基丙烯酸酯和季戊四醇四丙烯酸酯。其他烯键不饱和树脂包括羧酸的一烯丙酯、多烯丙酯、聚甲代烯丙酯和酰胺，例如邻苯二甲酸二烯丙酯、己二酸二烯丙酯和N，N-二烯丙基己二酰二胺。其他含氮化合物还包括三(2-丙烯酰氧乙基)异氰脲酸酯、1，3，5-三(2-甲基丙烯氧乙基)三嗪、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N-甲基丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮和N-乙烯基哌啶酮。
氨基塑料树脂的每一分子或低聚物中含至少一个α，β-不饱和羰基侧基。这些不饱和羰基可以是丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯或丙烯酰胺型基团。这类物质的例子有N-(羟甲基)丙酰胺、N，N′-氧基二亚甲基二丙烯酰胺、邻或对丙烯酰氨甲基化苯酚、丙烯酰氨甲基化酚醛清漆树脂和它们的组合。美国专利4,903,440和5,236,472对这些物质作了进一步的描述。
具有至少一个丙烯酸酯基侧基的异氰脲酸酯衍生物和具有至少一个丙烯酸酯基侧基的异氰酸酯衍生物在美国专利4,652,274中有进一步的叙述(该专利参考结合于本发明中)。三(羟乙基)异氰脲酸酯是宜采用的异氰脲酸酯。
环氧树脂含有环氧乙烷，它通过开环进行聚合。这类环氧树脂包括单体环氧树脂和低聚物环氧树脂。一些较佳的环氧树脂的例子包括2，2-双[4-(2，3-环氧丙氧基)苯基丙烷](双酚的二缩水甘油醚)和市场上有售的、商品名为“Epon 828”、“Epon 1004”和“Epon 101F”(均为shell化学公司产品)以及“DER-311”、“DER-332”和“DER-334”(均为Dow化学公司产品)的产品。其他合适的环氧树脂包括酚醛清漆树脂的缩水甘油醚(例如Dow化学公司产品“DEN-431”和“DEN-428”)。
本发明的环氧树脂可用合适的阳离子固化剂，通过阳离子机理聚合。阳离子固化剂能产生酸源物质，从而引发环氧树脂的聚合。这些阳离子固化剂可包括盐，所述盐具有鎓阳离子和含卤素的金属或准金属配阴离子。其他阳离子固化剂包括具有有机金属配阳离子和含卤素的金属或准金属配阴离子的盐，如美国专利4,751,138进一步所述。另一个例子是有机金属盐，美国专利4,985,340以及均于1989年3月8日公布的欧洲专利申请306,161和306,162描述了一种鎓盐。其它阳离子固化剂还包括有机金属配合物的离子性盐，所述金属选自周期表IVB、VB、VIB、VIIB和VIIIB族元素，如1983年11月21日公布的欧洲专利申请109,581中所描述的。
对于游离基固化的树脂，在某些情况下，磨粒浆料中最好还含有游离基固化剂。然而，在使用电子束作为能源时，由于电子束本身会产生游离基，因此，并不一定需要固化剂。
游离基热引发剂的例子包括过氧化物，例如过氧化苯甲酰、偶氮化合物、二苯甲酮类和醌类化合物。使用紫外光或可见光作为能源时，有时，称这种引发剂为光引发剂。当受到紫外光照射时会产生游离基源物质的引发剂的例子包括(但并不限于)下述物质：有机过氧化物、偶氮化合物、醌类化合物、二苯甲酮类化合物、亚硝基化合物、丙烯基卤、腙类化合物(hydrozones)、硫醇类化合物、吡喃鎓化合物、三丙烯基咪唑类化合物、二咪唑类化合物、氯烷基三嗪类化合物、苯偶姻醚、二苯基乙二酮缩醇、噻吨酮类化合物、乙酰苯类衍生物及它们的混合物。受可见光辐照时会产生游离基源物质的引发剂的例子可参见本文引用的标题为“含三元光引发剂系统的涂敷磨料粘合剂”的美国专利4,735,632。在可见光下使用的较佳引发剂是CibaGeigy公司生产的“Irgacure 369”。研磨助剂
研磨助剂的定义为一种加在磨料中可显著改善研磨的化学和物理过程的物质，最好是一种颗料物质。研磨助剂通常并最好以颗粒形态加入浆料中，但也可以以液态加入浆料中。与不含研磨助剂的磨料制品相比，研磨助剂的存在将改善相应磨料制品的研磨效率即磨削速率(以除去的工件重量/磨料制品失去的重量来定义)。尤其是，本领域的技术人员相信，研磨助剂会1)减少磨料粒子与被研磨工件间的摩擦，2)防止磨料粒子被“封顶”，即，防止金属颗粒(金属工件的场合)焊接在磨料粒子的顶端，3)减少磨料粒子与工件界面的温度，4)减少所要求的研磨力，或5)防止金属工件氧化。一般而言，加入研磨助剂，可增加磨料的使用寿命。
在本发明中适用的研磨助剂包括大范围的各种物质，可以是有机物质或无机物质。研磨助剂化学类别的例子包括蜡、有机卤化物、卤化物盐和金属及它们的合金。有机卤化物通常会在研磨过程中破碎，释放出氢卤酸或气态卤化物。这类物质的例子包括氯化蜡(如四氯萘、五氯萘)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。其他杂类研磨助剂包括硫、有机硫化合物、石墨和金属硫化物。组合使用不同的研磨助剂同样地属于本发明的范围，在某些情况下，这种使用会产生增效作用。
列举上述研磨助剂的例子仅是作为代表而已，一种本发明中较宜采用的研磨助剂是冰晶石，最佳的则是四氟硼酸钾(KBF4)。
研磨助剂被认为是非磨料，这是因为研磨助剂的莫氏硬度小于8。研磨助剂还可能含有杂质；这此杂质不应产生与磨料明显相反的作用。
研磨助剂的粒径范围宜为0.1—100微米，较佳的为10—70微米。一般而言，研磨助剂的粒径宜等于或小于磨粒的粒径。
磨料敷层中研磨助剂的含量一般为至少1重量％，通常至少约2.5重量％，较佳的为至少约5重量％，更好的为至少10重量％，最好为至少20重量％。研磨助剂含量大于50重量％可能是有害的，因为在理论上，研磨作用会因此而降低(因为存在的磨粒少)。但令人惊奇的是，当研磨助剂的量增加时，以磨削速率作衡量的相对研磨效果却变大。这是未曾料到的，因为磨料敷层中研磨助剂量增加，则磨粒的相对量减少。而对工件表面进行磨削起作用的是磨粒，而不是研磨助剂。一般而言，磨料敷层包含5—90重量％，最好为20—80重量％的磨粒；5—80重量％，最好为5—40重量％的粘合剂；5—60重量％，最好为10—40重量％的研磨助剂。或可采用的添加剂
用于本发明的浆料还可能含有一些添加剂，例如填充剂、纤维、润滑剂、湿润剂、触变性物质、表面活性剂、色素、染料、抗静电剂、偶合剂、增塑剂和悬浮剂。这些物质的用量应以产生需要的性能为准。但使用这些物质可能会影响磨料复合体的侵蚀性能。在某些情况下，可有目的地加入某种添加剂，使磨料复合物更容易侵蚀，从而除去已变钝的磨粒，使新的磨粒显露出来。
用于本发明的抗静电剂的例子包括石墨、碳黑、氧化钒、湿润剂、等等。这些抗静电剂公开在美国专利5,061,294、5,137,542和5,203,884中。
偶合剂可在粘合剂前体和填充剂颗料或磨粒之间提供联系的桥梁。可使用的偶合剂的例子包括硅烷、钛酸盐和锆铝酸盐。可使用的浆料宜含约0.01—3重量％的偶合剂。
用于本发明悬浮剂的一个例子是表面积小于150平方米/克的无定形硅胶颗粒，由DeGussa公司生产，商品名是“OX-50”含有研磨复合体的磨料敷层
本发明的一个较佳实施方案是磨料敷层采用许多研磨料复合体粘接在衬底上的形式。一般而言，各研磨料复合体宜具有确切形状。各复合体的确切形状由清晰可见的边界所限定。当在显微镜(如扫描式电子显微镜)下查看这些磨料的剖面时，可容易和清楚地看到这些清晰可见的边界。相比之下，在包含没有确切形状的复合体的磨料敷层中，其边界是不明确的并可能是难以辨认的。这些清晰可见的边界形成了确切形状的外形轮廓。这些边界使得研磨复合体之间在某种程度上是互相隔开的，并且还使研磨复合物互相区别。
图2所示的磨料制品20上有着许多由边界面所分隔的研磨复合体22。复合物形状的边界面使得一个研磨复合体与其相邻的另一个研磨料复合体在某种程度上分隔着。为形成单独的研磨复合体，构成该研磨复合体形状边界的一部分通必须与别的复合体边界的一部分隔开。注意在图2中，研磨复合体的基部即研磨复合体与衬底最接近的部分可与其邻近的研磨料复合体邻接。(注意：“邻近的”并不一定表示“相邻的”。)研磨复合体22是许多磨粒24分散在粘合剂23和研磨助剂26中。其中的一部分研磨复合体邻接在一起，而另一些研磨复合体之间存在相隔的空间，这种情况同样属于本发明的范围，
在某些情况下，构成形状的边界是平面。在具有平面的形状中，至少存在三个平面。一个给定形状的平面数可视所需的几何形状而不同。例如，平面数的范围可为3至20以上。一般而言，存在3—10个平面，较佳的是3—6个平面。这些平面相交形成所需的形状，这些平面相交的角度则决定着形体的尺寸。
在本发明的另一部分中，一部分研磨复合体，其相邻的研磨复合体尺寸不同。在本发明的该部分中，至少10％，较佳的是至少30％，更佳的是至少50％，最佳的是至少60％的研磨复合体，其相邻的研磨复合体是尺寸不同的。这里所谓的不同尺寸可指研磨复合体形状、其平面界面间的角度或边长大小。邻近的研磨复合体的这些不同尺寸，使磨料可在被研磨或精磨的工件上产生较精细的表面光洁度。
研磨复合体的形状可以是任何形状，但以几何形状为宜，例如矩形、圆锥形、半圆形、圆形、三角形、正方形、六角形、角锥形、八角形等。形状最好是角锥形，角锥形的底部可以是三角或四角的。同样最好的是，研磨复合体的横截面积应随着其与衬底的距离的增大而减少，即沿着其高度而减小。这种可变的表面积导致使用过程中研磨复合体承受的压力会改变。另外，在磨料制品的制造过程中，这种横截面积由底部至尖端而减小使研磨复合体更易从模具中脱卸出来。一般而言，每平方厘米上至少要有5个研磨料复合体。在某些情况下，每平方厘米上可有至少500个研磨料复合体制造磨料制品的方法
制造本发明任一磨料制品的一个必要步骤是制备浆料。浆料是用任何合适的混合方法将粘合剂前体、研磨助剂、磨粒和或许采用的添加剂混合制成。混合方法例如用低剪切混合和高剪切混合，以高剪切混合为宜。也可以将超声与混合步骤结合使用，以降低磨粒浆料的粘度。通常，是将磨粒和研磨助剂逐渐加入粘合剂前体中。在混合步骤中抽真空，可使浆料中的气泡产生量减至最小。在某些情况下，宜加热浆料，一般30—70℃间，以降低其粘度。浆料要有合适的流变性是很重要的，以使浆料涂敷良好，并且，磨粒和研磨助剂不会从浆料中沉积出来。
在本发明的第四部分中，在衬底的至少正面涂敷浆料，涂敷可采用辊涂、照相凹版式涂敷、刮涂、喷涂、移膜涂饰、真空口模式涂敷等任何现有技术来进行。能源
在将浆料涂敷在衬底上后，使浆料接受能源的照射，以引发粘合剂前体中树脂的聚合。能源的例子包括热能和辐射能。所用的能量多少视粘合剂前体化学组成、磨粒浆料的多少、磨粒的量和类型以及可采用的添加剂的量和类型而定。若使用热能，温度可在约30—150℃间，一般为40—120℃。保温时间可为约5分钟至24小时以上。
合适的辐射能包括电子束、紫外光或可见光。所用的电子束辐射(也称为致电离辐射)剂量可约0.1—10兆拉德，最好约1—10兆拉德。紫外辐射是指波长范围约200—400nm，宜约250—400nm的非粒子辐射。可见光辐射是指波长范围约400—800nm，宜约400—550nm的非粒子辐射。最好使用300—600瓦特/英寸的可见光。
待粘合剂前体的聚合过程结束后，转变成粘合剂，浆料即转变成磨料敷层。所生成的磨料制品一般即可供使用。然而，在某些情况下，还需要其他处理，如增湿或弯曲处理。在使用之前，可将磨料制品进一步加工制成任何需要的形状，如圆锥状、环形带状、片状、圆盘状等。模具
至于本发明的第三和第四部分，在某些情况下，磨料敷层最好就用具有确切形状的研磨料复合体。为制造这类磨料制品，一般需要一种模具。
模具中会有许许多多模腔。这些模腔基本上是研磨复合体的反形，它们起着产生研磨复合体形状的作用。应按研磨复合体所需形状的尺寸来选择模腔的尺寸。如果模腔的形状或尺寸制造得到不恰当，则制成的模具将不能提供所需尺寸的研磨料复合体。
模腔在模具中可以呈点状分布，相邻的模腔之间存在间隔空间，相邻模腔也可以互相对接，以互相对接为宜。另外，应选择模腔的形状，以使研磨复合体的横截面面积随着与衬底的距离的增加而减小。
模具的形式可以是带、片、连续片即材幅、涂辊(如轮转凹版印刷辊)、装在涂辊上的套筒或印模。模具可以是由金属(例如镍)、合金或塑料制成的。制造金属模具可使用任何常规方法，如雕刻、切压制模法、电铸、金刚石刀具车削等，以金刚石刀具车削为宜。
热塑性材料的模具可由一金属母模复制。该模具有与所需的模具相反的构型。母模可按与生产模具相同的方式制造。母模最好用金属(例如镍)制成，并用金刚石刀具车削。在使用金属母模的情况下，系将热塑性片材进行加热，有时对金属母模也加热，以便将两者的表面压在一起，使得热塑性片材表面压印出金属母模表面的反象。也可以将热塑性材料在母模上挤压成形或浇铸，然后互相紧压。热塑性材料然后冷却使其固化，形成模具。适用的热塑性模具材料的例子包括聚酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯它们的组合。如使用热塑性材料模具，则不可使其受热过度，以免其变形。
模具表面上还可有一层脱模剂敷层。以使磨料更容易地从模具上脱出。这种金属模具上的脱模剂敷层例如用很硬的碳化物、氮化物或硼化物敷层。用于热塑性材料的脱模剂敷层的例子有硅氧烷和氟化学材料。
图3描述了一种制造图2所示的本发明磨料制品的方法。衬底41离开退绕筒42，与此同时，模具46离开退绕筒45。浆料通过涂敷装置44涂敷到模具46中。可在涂敷前加热浆料和/或用超声波振荡浆料，以降低其粘度。涂敷装置可以是任何常规的涂敷装置，例如落模式、刮刀式、幕式、真空印模式或印模式。在涂敷过程中，应将气泡的形成控制在最小程度。优选的涂敷技术是真空流体轴承印模式涂敷技术，例如在美国专利3,594,865、4,959,265和5,077,870中所公开的。将模具涂上浆料后，采用任一种方法使衬底与浆料接触，以使浆料湿润衬底正面。图3中，用接触夹紧辊47使浆料与衬底接触。而且，接触夹紧辊47还将涂有浆料的模具与衬底接触生成的结构紧压在支承转筒43上。然后，能源48(最好是可见光源)向浆料传输能量，其量应足以至少部分固化粘合剂前体。“部分固化”一词表示粘合剂前体聚合至浆料不会从一倒置的试管中流出的状态。粘合剂前体一旦从模具中卸去之后，可用任何能源使其完全固化。然后，将模具重新绕在卷筒49上，供以后再用。另外，磨料制品21则绕在卷筒121上。如粘合剂前体尚未完全固化，则可通过时间和/或受能源的照射完全固化之。制造形状混乱不同的研磨复合体，可用模腔形状混乱不同的模具。
最好用辐射能固化粘合剂前体。可以通过模具将辐射能透过去，只要模具吸收辐射能很少。另外，辐射能对模具应基本上不起降解作用。最好使用热塑性材料的模具，并用紫外光或可见光。
在本发明的第四部分中，可将浆料涂敷在衬底上而不是涂入模具的模腔中。然后使涂敷在衬底上的浆料与模具接触，使浆料流入模具的模腔中。以后磨料制品的其余制造步骤与上述的相同。
图4所示的是另一种方法。衬底51离开退绕筒52，浆料54通过涂敷装置53涂入模具55的模腔中。浆料可用落模式、辊式、刮刀式、幕式、真空印模式或印模式涂敷等许多涂敷装置中的一种涂敷在模具上。在涂敷前，同样可加热浆料和/或用超声波振荡浆料以降低粘度。在涂敷过程中应将气泡的形成控制在最小程度。然后，用夹紧辊56使衬底和装有磨粒浆料的模具接触，以使浆料湿润衬底的正面。再后，将浆料中的粘合剂前体置于能源57的幅照下，使其至少部分固化。经此至少部分的固化后，浆料即变成粘附在衬底上的研磨复合体59。用夹紧辊58将生成的磨料制品从模具中脱出，然后绕在重绕筒60上。在本方法中，能源可以是热能或辐射能。如能源是紫外光或可见光，则衬底应能通过紫外光或可见光。这类衬底例如有聚酯衬底
在本发明的第四部分中，可将浆料直接涂敷在衬底的正面上。然后将涂敷在衬底上的浆料与模具接触，使浆料湿润模具并进入其中模腔中。磨料制品制造的其后步骤与上述相同。对工件表面进行研磨的方法
本发明的第五部分涉及研磨金属表面的方法。该方法包括使本发明磨料制品与具有金属表面的工件摩擦接触。“研磨”一词表示金属工件的一部分被磨料制品磨削除去。另外，经过研磨过程后，工件表面的光洁度通常就提高了。表面粗糙度的一般衡量是Ra。Ra是测出的算术平均表面粗糙度，一般用微英寸或微米为单位。表面粗糙度可用轮廓仪(例如Perthmeter或Surtronic)测定。工件
金属工件可以是任何类型的金属，如低碳钢、不锈钢、钛、合金、稀有金属合金等。工件可以是平的或具有一定的外形即轮廓。
视用途而异，研磨界面上力的范围可以约0.1kg至1000kg以上，一般在1—500kg之间。研磨过程中可以有液体存在。同样也视用途而异。该液体可以是水和/或有机化合物。典型的有机化合物的例子包括润滑剂、油类、乳化了的有机化合物、磨削液、皂类等。这些液体也可含其他添加剂，如去泡剂、去脂剂、侵蚀抑止剂等。磨料制品在其用于磨削时，也可沿研磨界面进行振荡运动。在某些情况下，这种振荡运动可在被研磨的工件上形成更精细的表面。
本发明的磨料制品可人工使用，也可采用机器。在研磨过程中，磨料和工件中的至少一个或两者应作相对移动。磨料制品可进一步制作成带状、带卷、盘、片等。若要制作环形带，将一磨料制品带的二个末端连接起来，形成一个接头。使用无接头的环形带同样地属于本发明的范围。环形带一般是套在至少一空转辊和一压磨板或接触轮上。调节压磨板或接触轮的硬度，以获得所需的磨削速率和工件表面光洁度。研磨带的速度视所需磨削速率和表面光洁度而定。带的尺寸范围可为约5—1000mm宽、5—10000mm长。研磨带是有连续长度的磨料制品。宽度范围可为约1—1000mm，一般在5—250mm间。研磨带在使用时通常先退绕展开，置于一支承垫上，该支承垫将带压紧贴于工件上，研磨后被重新卷绕。研磨带可通过研磨界面连续地喂给并可换档。研磨轮的直径范围可为约50—1000mm。通常，研磨轮是用一个连接装置固定在支承垫上。这些研磨的转速为每分钟100—20000转，通常为每分钟100—15000转。
实施例
下述的一些非限定性实施例将进一步描述本发明。除非另有说明，实施例中所有份数、百分比和比例均为重量。在下面全部使用下述缩略词：TMPTA           三羟甲基丙烷三丙烯酸酯；TATHEIC         三羟乙基异氰脲酸酯的三丙烯酸酯；PH2             2-苄基-2-N，N-二甲基氨基-1-(4-吗啉基苯
            基)-1-丁酮，Ciba Geigy公司产品，商品名
           “Irgacure 369”；ASF             无定形硅胶填充剂，DeGussa公司产品，商品
            名“DX-50”；
CAO            按美国专利4,881,951制得的P320级氧化铝
           陶瓷；FAO            热处理法P320级熔凝氧化铝；SCA            硅烷偶合剂，3-甲基丙烯氧基丙基三甲氧硅烷，
           Union Carbide公司产品，商品名“A-174”；CRY            合成冰晶石，Washington Mills公司产品；KBF            纯度98％的微粉状四氟硼酸钾，其中的至少95
           重量％通过325目筛，100重量％通过200目
           筛。
         制造磨料的一般方法I
将磨粒、粘合剂前体和任选的形成磨粒浆料的其他物质混合制备磨粒浆料。用高剪切混合器以1200rpm混合浆料20分钟。衬底为J重人造丝衬底。该衬底的正面经过胶乳/酚醛树脂填孔处理(以固化的树脂计，胶乳/酚醛树脂的份数比为85/15)。对衬底进行了填孔处理后，加热至基本除去挥发性物质并使酚醛树脂凝胶化。
用图3所示装置制成磨料制品。模具的材料为聚丙烯，由具有锥体形图案的，用金刚石刀具车削制成的镍制母模压印而成。母模上的角锥体之间应放置成它们的底部互相对接。角锥体底部宽约180微米，角锥体高约180微米。在模具的模腔中用刮刀涂入磨粒浆料(涂敷宽度约15cm)。刮刀缝隙约为76微米(3密耳)。辐射源为一可见光灯(60瓦/英寸)。所用方法为一以约15米/分(50英尺/分)的速度运行的连续工艺。模具与衬底间的夹紧辊压力约为40磅。从图3所示装置将磨料制品脱卸出来后，在115℃加热12小时，以使胶乳/酚醛树脂衬底充分固化。在试验前，不对磨料制品进行弯曲处理。
                  制造磨料的一般方法II
除使用一种不同的、制造随机结构表面的模具外，一般方法II与一般方法I基本相同。
                    试验法I
将制成的涂敷磨料制品制作成7.6cm×335cm的环形带，然后在一恒负载平面磨床上试验。将预秤重过的、304不锈钢工件(2.5cm×5cm×18cm)固定在夹具上。垂直放置工件，使其2.5cm×18cm的面与直径约36cm的肖氏硬度A65的表面为锯齿状的橡胶接触轮接触，该轮子表面上有一一搭接的齿刃，要试验的环形磨料带则套装在该橡胶接触轮上。然后令工件在18cm的垂直距离上以每分钟20个来回的速度作往复运动，此时，由一弹簧加载式柱塞以4.5千克(10磅)的力将工件压紧在研磨带上，该研磨带此时以每分钟约1500秒的速率运动。研磨1分钟后，将装有工件的夹具取下，再秤重，从原始重量减去研磨后的重量，算出磨掉的物料重量，再将新的、预秤重过的工件和夹具固定在设备上。仅在研磨的第1分钟时，30秒钟后取下装有工件的夹具，安装第二个工件连同夹具，在剩余30秒钟里进行磨削。研磨30秒钟后，记下初始磨削量和初始表面光洁度。另外，还对工件的表面光洁度(Ra)进行测定，其方法将在下面说明。研磨试验终点是研磨满10分钟或工件开始灼热之时。
                     试验法II
除工件为1018低碳钢外，试验法II与试验法I基本相同。
                       Ra
Ra是磨料工业中常用的一种表面粗糙度测量方法。Ra的定义是粗糙轮廓线与平均线的偏离(距离)的算术平均值。Ra用轮廓仪的探针(一种金刚石顶尖的触针)测定。一般而言，Ra值越小，工件表面光洁度越光滑即越佳。其结果用微米记录。使用的轮廓仪是PerthenM4P。
            实施例1—4和比较例A—D
本组实施例比较本发明磨料制品和一种常规的磨料制品。所得的磨料制品按试验法I进行试验，试验结果列于表2。
实施例1—6和比较例C—D按前述的制造磨料制品的一般方法I制成。磨粒浆料的配方见表1，表中量用的单位是千克。
                                            表1
                                        磨粒浆料配方
   1     2     3     4    5     6     C     D
    TMPTA  1.22  1.22  1.22  1.22  1.22  1.22   1.22  1.22
    TATHEIC  0.52  0.52  0.52  0.52  0.52  0.52   0.52  0.52
    PH2 .017 .017 .017 .017 .017 .017  .017 .017
    ASF  0.06  0.06  0.06  0.06  0.06  0.06   0.06  0.06
    SCA  0.06  0.06  0.06  0.06  0.06  0.06   0.06  0.06
    FAO     0     0  3.84  3.84  1.92  1.92     0  3.84
    CAO  3.84  3.84     0     0  1.92  1.92  3.84     0
    CRY   0.3     0   0.3     0   0.3    0     0     0
    KBF     0   0.3     0   0.3     0   0.3     0     0
比较例A用的是P320级别的JE-VF涂敷磨料制品，其衬底是使用3M 201E Three—Mite树脂粘合的布，由位于明尼苏达州圣波尔市的3M公司生产。比较例B用的是商品名为“KK511J”的VSM公司产品，P320级别。
                                表2
                               试验法I
实施例 初始磨削量(克) 初始Ra 总磨削量(克)
    1     8.6     31     59.6
    2     8.2     30     72.7
    3     9.1     46     67.1
    4     10.7     42     83.1
    5     12.1     34     64.7
    6     10.4     39     78.9
    A     9.4     41     68.9
    B     7.8     26     52.9
    C     7.5     32     61.5
    D     7.2     33     58.1
              实施例7—11和比较例A—B
本组实施例比较本发明磨料制品和一种常规的磨料制品。所得的磨料制品按试验法I进行试验，试验结果列于表4。
实施例7—1按制造磨料制品的一般方法II制成。磨粒浆料的配方见表1，表中量用的单位是克。
另外，由实施例8、11和比较例A制成的研磨带按试验法II进行试验。试验数据见表5。
                                 表3
                               磨粉浆配方
   7    8    9   10   11
    TMPTA  1218  1218  1218   1218
    TATHEIC  522  522   522   522    522
    PH2  17.4  17.4  17.4   17.4   17.4
    ASF    60    60    60     60     60
    SCA    60    60    60     60     60
    FAO  2940  3240  3540   3840   3990
    KBF  1200   900   600    300    150
                               表4
                              试验法I
实施例 初始磨削量(克) 初始Ra 总磨削量(克)
    7     9.7     39     135.2
    8     10.4     49     131.6
    9     10.6     50     116.3
    10     10.5     44     92.0
    11     9.8     43     71.4
    A     9.2     34     68.9
    B     6.7     22     52.7
                                表5
                               试验法II
实施例 初始磨削量(克) 初始Ra 总磨削量(克)
    8     10.7     42.3     233.2
    11     12.3     42.6     278.9
    A     16.6     35     142.8
很显然，本领域的技术人员在不偏离下述权利要求的范围条件下可以对本发明进行各种修改和替换，应该明白，上述说明性的实施例对本发明不起限定作用。

Claims (20)

1.一种磨料制品，包括
a.具有正面和背面的衬底；
b.粘合在衬底正面的磨料敷层，该磨料敷层是许多磨料颗粒、粘合剂和研磨助剂的均匀混合物，其中的粘合剂用于将磨料敷层粘接在衬底上，
其特征在于，研磨助剂至少为磨料敷层的1重量％，但不大于50重量％。
2.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于，所述研磨助剂含量不大于所述磨料敷层的30重量％。
3.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于，所述研磨助剂是冰晶石。
4.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于，所述研磨助剂是四氟硼酸钾。
5.一种磨料制品的制造方法，该方法包括：
a.制备一种包含许多磨料颗粒、粘合剂前体和研磨助剂的浆料；
b.提供一种具有正面和背面的衬底；
c.至少在衬底正面涂敷浆料；
d.将浆料处于足以使粘合剂前体固化成粘合剂的条件下，待固化后，浆料即变成磨料敷层，磨料敷层的特征在于其中的研磨助剂含量不小于1重量％，但不大于50重量％，粘合剂同时起着将磨料敷层粘接在衬底上的作用。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述研磨助剂含量不超过磨料敷层的30重量％。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述研磨助剂是冰晶石。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述研磨助剂是四氟硼酸钾。
9.一种磨料制品的制造方法，该方法包括：
a.制备一种包含许多磨粒、粘合剂前体和研磨助剂的浆料；
b.提供一种具有正面和背面的衬底；
c.提供一种具有许多模腔的模具；
d.将浆料涂敷在模具上，并使浆料流入其许多模腔里；
e.使衬底正面与模具接触，以使浆料湿润衬底正面；
f.将浆料置于足以使粘合剂前体固化成粘合剂的条件下，待固化后，浆料即变成许多由清晰可见边界限定的确切形状的研磨复合体，这些研磨复合体的特征在于，含有至少1重量％，但不大于50重量％的研磨助剂。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述研磨助剂含量不超过磨料敷层的30重量％。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述研磨助剂是冰晶石。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述研磨助剂是四氟硼酸钾。
13.一种磨料制品的制造方法，该方法包括：
a.制备一种包含许多磨料、粘合剂前体和研磨助剂的浆料；
b.提供一种具有正面和背面的衬底；
c.将浆料涂敷在衬底的正面以形成浆料涂敷的衬底；
d.使浆料涂敷的衬底与具有许多模腔的模具接触，以使浆料流入模腔中；
e.将浆料置于足以使粘合剂前体固化成粘合剂的条件下，待固化后，浆料即变成许多研磨料复合体，这些复合体的特征在于，含有至少1重量％，但不大于50重量％的研磨助剂。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述研磨助剂含量不超过磨料敷层的30重量％。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述研磨助剂是冰晶石。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述研磨助剂是四氟硼酸钾。
17.一种金属工件表面的研磨方法，包括步骤：
a.使金属表面与磨料制品摩擦接触，所述磨料制品包括
i)具有正面和背面的衬底
ii)至少粘接于衬底正面的磨料敷层，所述磨料敷层是许多磨料颗粒、粘合剂和研磨助剂的均匀混合物；所述粘合剂还起着将磨料敷层粘接在衬底上的作用，该磨料敷层的特征在于，含有至少1重量％，但不大于50重量％的研磨助剂，在摩擦接触过程中，磨料制品或金属表面中的至少一个移动，以除去工件金属表面的一部分。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述研磨助剂含量不超过磨料敷层的30重量％。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述研磨助剂是冰晶石。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述研磨助剂是四氟硼酸钾。
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