CN1226194A - 高渗透性磨轮 - Google Patents

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Abstract

一种具有至少应达到的流体渗透性程度的磨料制品,它包含约40—80体积%相互连接的孔隙度和研磨有效量的磨粒和粘合剂,适于进行软研磨和深磨削操作。其流体穿透的高渗透性和相互连接的孔隙形成的开口通道结构能在研磨过程中让流体通过磨料制品并从工件中除去碎屑。

Description

高渗透性磨轮
发明的背景
本发明涉及使用细长磨粒和具有细长形状其它材料制得的磨料制品，它具有适用于高性能研磨用途的高的渗透特性。所述磨料制品具有前所未有的渗透性、互相连接的孔隙度、开放度(openness)和研磨性能。
孔隙，尤其是磨具中相互连接的孔隙在两个方面起着关键的作用。孔隙为研磨流体(如冷却剂)提供通道来散发在研磨过程产生的热量，避免研磨环境的温度升高，并为润滑剂提供通道，降低运动的磨粒和工件表面之间的摩擦并提高磨削与摩损之比。该研磨流体和润滑剂使被磨削金属的损伤(如烧坏)减至最小并使磨具的寿命延长至最长。在大量材料沿一个深的研磨通道移动而不影响工件尺寸精度的深磨削和现代精确加工的高效研磨(如蠕动加料研磨)中，这一点尤为重要。因此，以对流体(空气，冷却剂。润滑剂等)的渗透性衡量的磨轮的结构开放度(即孔的相互连接)变得非常关键。
孔隙还向从被研磨物体上磨去的物质(如金属碎片和碎屑)提供容纳空间。当被研磨的工件材料是“难以磨削加工”的柔软材料或粘性材料(如铝或某些合金)时，或者当金属碎片较长并且在缺乏孔隙的相互连接时磨轮容易被填塞的情况下，碎屑的容纳空间是很重要的。
为了使磨具满足孔隙的这两个要求，近年来采取了一系列的方法。
Carman等的美国专利No.A-5,221,294公开了用一步法制得的孔体积为5-65％的磨轮，在该方法中用磨料淤浆浸渍有机成孔结构，随后加热烧去有机物产生网状的磨具结构。
Gotoh等的日本专利No.A-91-161293公开了具有大体积孔隙的磨料制品，各个孔隙的直径是制品中所用的磨粒平均直径的1-10倍。所述孔隙是使用固化过程中烧毁的材料制得的。
Satoh等的日本专利No.A-91-281174公开了具有大体积孔隙的磨料制品，各个孔隙的直径是制品中所用磨粒平均直径的至少10倍。在固化过程中烧去有机的孔隙形成材料，获得50％体积的孔隙度。
Gary等的美国专利No.A-5,037,452公开了决定形成多孔磨轮所需结构强度的参数。
Sheldon等的美国专利No.A-5,203,886公开了用于制造高孔隙度玻璃化粘结磨轮的有机孔隙形成剂(如胡桃壳)和封闭孔隙形成剂(如多孔氧化铝)的混合物。一种“天然的或残留的孔隙度”(计算值约28-53％)被描述为磨轮总孔隙度的一部分。
Rue等的美国专利No.A-5,244,477公开了将纤维状磨粒与成孔剂一起使用制造含0-73体积％孔隙的磨料制品。
Nelson的美国专利A-3,273,984报导了含有机粘合剂或树脂粘合剂和至少30体积％磨粒的磨料制品，该制品最多具有68％体积的孔隙度。
Wu的美国专利No.A-5,429,648公开了含有有机孔隙形成剂的玻璃化粘结的磨轮，它烧去该形成剂后能形成具有35-65体积％孔隙度的磨料制品。
这些和其它增加孔隙度的类似努力都难以在磨轮中形成足够的结构渗透性。因此，不能从磨轮的孔隙度可靠地预测磨轮的性能。
另外，当使用有机成孔介质(如胡桃壳或萘)形成高孔隙度的孔结构时，会附带产生一些问题。在烧成磨具的生坯时这些介质热分解，在所得的磨具中留下气泡或空隙。这种采用有机成孔介质方法的问题包括：在孔隙形成剂的储存过程中的水分吸收；混合不稳定和混合物分离，这部分是由于水分，部分是由于磨粒和孔隙形成剂的密度差异造成的；由于从模具中取出后在孔隙形成剂上与时间有关的应变松弛，使得压制生坯厚度的增大即“回弹”，导致磨具的尺寸不可控制；如果加热速率不是足够慢，或者玻璃化的粘合剂的软化点不是足够高，孔隙形成剂的烧去就不完全或烧成的磨料制品会发生“核化”或“黑化”现象；放热反应使加热速率、烧成和热解产物难以控制；当孔隙形成剂热分解时，热气体的排放物和气味将对环境产生不利影响。
将闭孔气泡(如通过多孔氧化铝)加入磨具中引发孔隙，不会有有机物烧除时所产生的问题。但是，由这种气泡产生的孔隙是内部的并且是闭孔的，因此这种孔隙结构不能渗透冷却剂和润滑剂。
为了克服这些缺点并最大限度地提高磨料制品的渗透性，本发明利用了磨具中采用长度与直径的长径比(L/D)至少为5∶1的细长即纤维状磨粒的优点，并利用了单独地或与纤维状磨粒组合在一起的经挑选的纤维状填料的优点。也可以在制造过程中通过加热磨料制品生坯以烧成或融化原本细长的物质(如有机纤维或玻璃纤维)，在生成的磨料制品中形成相互连接的细长敞开孔隙的网络，使磨具中形成渗透性。
由于在磨料制品组合物中含有细长的物质，所以能形成高孔隙度、高渗透性和高性能的磨具。
发明的概述
本发明公开了一种磨料制品，其中含有约55-80体积％相互连接的孔隙、研磨有效量的磨粒和粘合剂，它以毫升空气/秒/英寸水为单位的空气渗透性至少为磨粒截面宽度的0.44倍，其中相互连接的孔隙形成的敞开通道结构能在研磨过程中让流体或碎屑穿过磨料制品。
本发明还提供一种磨料制品，其中含有约40-54体积％相互连接的孔隙度，研磨有效量的磨粒和粘合剂，它以毫升空气/秒/英寸水为单位的空气渗透性至少为磨粒截面宽度的0.22倍，其中相互连接的孔隙形成的敞开通道结构能在研磨过程中让流体或碎屑穿过磨料制品。
所述磨料制品最好是玻璃质粘结的，并含有L/D比至少为5∶1的纤维状磨粒。所述磨粒可以是烧结的加晶种溶胶-凝胶法氧化铝纤维状颗粒。可加入或不加入孔隙形成剂来制造该磨料制品。可单独使用或与纤维状磨粒一起使用纤维状填料，以便在磨料制品中产生相互连接的孔隙。
发明的详细描述
本磨料制品包含研磨操作所需的有效量的磨粒和粘合剂，有时还包含填料、润滑剂或其它组分。该磨料制品最好含有能获得的最大体积的可渗透孔隙，同时保持足够的结构强度以承受研磨力。磨料制品包括研磨用具例如磨轮、磨石和磨轮片断以及其它用于研磨工件的粘结磨粒。磨料制品可包含约40-80体积％，较好55-80体积％，最好60-70体积％的相互连接的孔隙度。相互连接的孔隙是磨料制品中粘结的磨粒之间的空隙，并对流体流动是开口的。
其余体积(20-60％)是磨粒和粘合剂占据的，其中磨粒与粘合剂的比例约为20∶1-1∶1。这些量对研磨是有效的，对于较大的磨轮以及对于含有机粘合剂而非玻璃化粘合剂的配方，需要更高量的粘合剂和磨粒。与常规磨粒相比，在玻璃化粘合剂中的超级磨粒通常需要更多的粘合剂含量。在一个较好的实例中，磨料制品由玻璃化的粘合剂组成，包括15-43％磨粒和3-15％粘合剂。
为了显示观察到的磨轮寿命、研磨性能和工件表面质量的明显改进，本发明磨料制品必须至少具有能让流体透过磨料制品自由流动的渗透性能。在本文中，磨具的渗透性是Q/P，其中Q指以空气流毫升数表示的流量，P指压力差。Q/P是在流体(如空气)的一给定流量下，磨具结构和大气之间测得的压力差。这种相对渗透性Q/P与产品的孔隙体积和孔隙尺寸的平方成正比。较大的孔隙尺寸是较好的。孔隙的几何形状和磨粒的尺寸或粒度是影响Q/P的其它因素，较大的粒度形成较高的相对渗透性。Q/P用下面实施例6所述的仪器和方法测得。
因此，对于在玻璃化粘合剂中约含55-80％孔隙度并使用截面宽80-120粒度(132-194微米)的磨粒的磨具，空气渗透性至少需要40cc/秒/英寸水才能获得本发明的效果。对于大于80粒度(194微米)的磨粒，空气渗透性至少需要50cc/秒/英寸水。
对于55-80％孔隙度，渗透性与粒度之间的关系可用下列等式表示：最小渗透性=0.44×磨粒的截面宽度。截面宽度至少为220粒度(70微米)是较好的。对于在玻璃化粘合剂中约含40-55％孔隙度并使用80-120粒度(132-194微米)磨粒的磨具，空气渗透性至少需要29cc/秒/英寸水才能获得本发明的效果。对于大于80粒度(194微米)的磨粒，空气渗透性至少需要42cc/秒/英寸水。
对于40-55％孔隙度，渗透性与粒度之间的关系可用下列等式表示：最小渗透性=0.22×磨粒的截面宽度。
对于给定类型的磨料制品，专业人员可将这些关系和D’Arcy定律用于实验数据，以确定其它粒度、粘合剂类型和孔隙度情况下的这种相对渗透性极限。
在压制和烧成步骤中，较小截面宽度的磨粒需要使用纤维状间隔物(如多孔氧化铝)来保持渗透性。也可使用较大的粒度尺寸。增加粒度的唯一限制在于粒度必须与工件、研磨机械、磨轮组成和几何形状、表面光洁度以及专业人员根据具体的研磨操作需要所选择并执行的其它因素相适应。
本发明增强的渗透性和改进的研磨性能来自于形成由纤维状颗粒(“纤维”)所限定的独特的、稳定的、相互连接的孔隙。纤维可以是磨粒或填料或这两者混合物的纤维，可具有各种形状和几何构形。可以将纤维与粘合剂组分和磨具的其它组分相混合，随后压制、固化或烧成形成磨具。在另一个较好的实例中，是预先由纤维或者还加上其它磨具组分制成一个织物垫，或者再浸渍以其它组分，随后固化或烧成，在一个或多个步骤中制造磨具。
如果加入闭孔形成剂或有机孔隙形成剂，进一步将纤维隔开使其排列得更松散，则可获得更高的渗透性。烧成后，含有机颗粒的制品会收缩即尺寸减小，因为纤维必须相互连接使制品成为一个整体。磨具烧成后的最终尺寸和形成的最终渗透性是纤维的长径比L/D的函数。L/D越高，所得填充阵列结构的渗透性就越高。
可以使用任何磨料混合物配方制备本发明磨料制品，只要该混合物在压制成制品并烧成后能产生最小限度的渗透性能和相互连接的孔隙特性即可。
在一个较好的实例中，磨料制品包含混有烧结的溶胶凝胶法α-氧化铝基多晶研磨材料的纤维状磨粒，所述多晶研磨材料的晶体尺寸较好不超过1-2微米，最好小于0.4微米。合适的纤维状颗粒公开在Rue等的美国专利No.A-5,244,477、Kalinowski等的美国专利A-5,129,919、Kalinowski等的美国专利A-5,035,723和Rue等的美国专利A-5,009,676中。这些专利在此引为参考。可用于本发明中获得纤维状颗粒的晶粒较大的其它类型的多晶氧化铝磨粒公开在，例如Leitheisen等的美国专利No.A-4,3144705和Wood的A-5,431,705中，这些文献在此引为参考。由这些源材料获得的纤维状磨粒的L/D较好至少为5∶1。可使用各种纤维的形状，包括如直的、曲线的、螺旋的和弯的纤维。在一个较好的实例中，氧化铝纤维是空心的。
在一个较好的实例中，纤维状磨粒的粒度大于220粒度(即其直径大于79微米)。在又一个实例中，可以使用粒度为400-220粒度(23-79微米)的纤维状磨粒的团聚物，所述团聚物的平均直径大于79微米。在另一个较好的实例中，可将400-220粒度的纤维状磨粒与烧成过程中间隔这些纤维有效量的孔隙形成剂(有机物质或闭孔材料)一起使用，从而在最终磨轮中达到至少约40cc/秒/英寸水的渗透性。
在本发明制品中可使用任何磨粒，无论其是否是纤维状的，只要能保持至少应达到的渗透性即可。可使用粒度约0.5-5,000微米，较好约2-200微米的常规磨粒，包括(但不限于)氧化铝、碳化硅、氧化锆-氧化铝、石榴石和金刚砂。可使用粒度与常规磨粒相同的超级磨粒，包括(但不限于)金刚石、立方氮化硼和低氧化硼(如美国专利No.A-5,135,892所述，在此引为参考)。
尽管可使用常用于磨料制品中的粘合剂与纤维状颗粒一起形成粘结的磨料制品，但是出于结构强度的考虑，玻璃化的粘合剂是较好的。对于例如相互连接的孔隙度约为40-80％的制品，可将本领域已知的其它粘合剂(如有机的或树脂粘合剂)与合适的固化剂一起使用。
磨料制品中可含有其它添加剂，包括但不限于填料(最好是纤维状的、缠结或团聚的纤维状颗粒)、孔隙形成剂、润滑剂和加工助剂(如防静电剂和用于制品压制的临时粘结剂)。在本文中，术语“填料”不包括闭孔孔隙形成剂和有机物质型孔隙形成剂。本领域的普通技术人员不难决定研磨混合物中这些可加入的其它组分的合适量。
合适的填料包括次级磨料、固态润滑剂、金属粉末或颗粒、陶瓷粉末(如碳化硅)和其它本领域已知的填料。
可使用常规的技术和设备混合含有纤维状物质、粘合剂和其它组分的磨料混合物，然后加以成形。可通过冷压、温压或热压或本领域普通技术人员已知的其它方法来形成磨料制品。磨料制品可用本领域已知的常规烧成方法烧成，并可挑选粘合剂及其它组分的类型和用量。一般来说，若所需的孔隙含量较大，所用的烧成时间和温度较低。
形成磨料制品除了有常规方法外，本发明制品可使用一步法(例如公开在Carman等的美国专利A-5,221,294中的方法，该文献在此引为参考)制得。当使用一步法时，先要获得一种网状或泡沫状的多孔结构作为基质，其中含有相互连接的孔隙，该基质是有机(如聚酯)或无机(如玻璃)纤维或陶瓷纤维基质，或者是陶瓷或玻璃或有机物的蜂窝状基质或其混合物基质。随后让磨料和粘合剂渗入该基质，接着烧成，如有必要再修整，形成磨料制品。在一个较好的实例中，将许多层聚酯纤维织物排列成大致呈磨轮的形状，然后浸渍氧化铝淤浆，使淤浆涂覆在纤维上。将该结构在1510℃加热1小时烧结氧化铝并使聚酯纤维热分解，随后进一步加工(如浸渍其它组分)再烧成，形成磨料制品。合适的纤维基质包括购自Norton Company,Worcester,Massachusetts的聚酯尼龙纤维织物产品。
在另一个较好的实例中，将涂有树脂的玻璃纤维的若干层织物与含有磨粒、玻璃化的粘合剂组分及可能用的其它的组分一起置放在磨轮模具中。将这种结构的混合物用常规方法压制加工，形成磨轮，横穿其中的是较大的间隔孔隙通道。
用这些方法中任何一种方法制得的磨轮表现出改进的研磨性能。在湿法研磨操作中，这种磨轮与虽用相同磨料混合物制得，但具有较少相互连接的孔隙和较小渗透性和/或具有相同孔隙度但相互连接的孔隙较少并且渗透性较低的同样磨轮相比，具有较长的寿命，较大的G-比例(金属除去速度与磨轮损耗速度之比)和较低的功率消耗(power draw)。采用本发明磨具比常规磨具能获得更好、更光滑的工件表面。
实施例1
本实施例说明使用加晶种溶胶凝胶法氧化铝(TARGATM)颗粒(购自NortonCompany,Worcester,Massachusetts，其长径比很大，平均L/D为7.5)并不加入孔隙形成剂来制造磨轮。下表1列出了混合物的配方：
                           表1
                     磨轮1-3的原料组成
                              重    量    份组      分              (1)             (2)           (3)磨粒*                   100             100           100孔隙形成剂               0               0             0糊精                    3.0             3.0           3.0Aromer胶(动物胶)        4.3             2.8           1.8乙二醇                  0.3             0.2           0.2玻璃化的粘合剂         30.1            17.1           8.4
*(120粒度～132×132×990微米)
对于各个磨轮，根据上述配方和其顺序用Hobart混合机制得混合物。此时依次加入各个组分，并在每加一组分后将已加入的各组分混合约1-2分钟。混合后，将混合料装入7.6cm(3英寸)或12.7cm(5英寸)直径的钢模具中，用水压机冷压10-20秒，形成具有2.22cm(7/8英寸)孔，厚1.59cm(5/8英寸)的圆盘状磨轮。压制状态磨轮的总体积(直径、孔和厚度)和各组分的总重量是根据烧成后这种磨轮所需的最终计算密度和孔隙度预先确定的。从压制磨轮上撤去压力后，用手工将磨轮从模具中取出置于毡上干燥3-4小时，随后在炉窑中烧成，以50℃/小时的加热速率将温度由25℃提高至最高值900，磨轮在该温度保持8小时，然后自然冷却至室温。
测定烧成后磨轮的密度，观察其与计算密度的偏差。由密度测量值求出孔隙度，因为配料前磨粒和玻璃化粘合剂的密度的比例是已知的。所得三种磨料制品的孔隙度分别为51体积％、58体积％和62体积％。
实施例2
本实施例说明使用TARGATM颗粒(L/D为30)，不加入任何孔隙形成剂制造两种磨轮，获得孔隙度很高的磨轮。
下表2列出了混合物的配方。经过如实施例1所述的压制和烧成后，获得孔隙度为(4)77体积％和(5)80体积％的磨轮：
                       表2
                   磨轮4-5的原料组成
                              重    量    份
组    分                      (4)         (5)
磨粒*                         100         100
孔隙形成剂                     0           0
糊精                          2.7          2.7
Aromer胶(动物胶)              3.9          3.4
乙二醇                        0.3          0.2
玻璃化的粘合剂               38.7         24.2
*(120粒度～135×80×3600微米)
实施例3
本实施例说明本发明方法可以制造工业规模的磨具，即直径为500毫米(20英寸)的磨具。用平均L/D分别为6.14、5.85、7.6的TARGATM细长磨粒制造三种大型磨轮(20×1×8英寸即 500×25×200毫米)，不加入孔隙形成剂，获得工业规模的蠕动加料磨轮。
下表3列出了混合物配方。在压制步骤后，最大的回弹小于磨轮厚度的0.2％(或与磨粒厚度194微米相比为0.002英寸即50微米)，远低于含有孔隙形成剂的相同规格磨轮。各个部位的压制厚度非常均匀，其最大差异不超过0.4％(0.004英寸即100微米)。压制后，用环形空气囊在磨轮边缘位置把每个磨轮转移到毡上，在湿度控制的室内干燥过夜。在炉窑中烧成，加热速率稍低于50℃/小时，在900保温8小时。然后在炉窑中让磨轮自然冷却至室温。
烧成后，对三个玻璃化粘结的磨轮测得的孔隙度为：(6)54％体积、(7)54％体积和(8)58％体积。在磨轮中没有发现裂缝，从压制体积到烧成体积的收缩率等于或低于用多孔氧化铝制得的市售磨轮中观察到的数值，这就为该结构提供孔隙度。三个磨轮的最大重量差值(imbalance)分别为13.6克(0.48盎司)、7.38克(0.26盎司)和11.08克(0.39盎司)，即仅占磨轮总重量的0.1％-0.2％。此差值数据远低于平衡调节所需的上限。这些结果表明与常规磨轮相比，本发明方法具有在制造高孔隙度磨轮时质量一致性方面的显著优点。
                            表3
                      磨轮6-8的原料组成
                              重      量      份组     分                         (6)     (8)     (8)磨粒*                             100     100     100孔隙形成剂                         0       0       0糊精                              4.0     4.5     4.5Aroma胶(动物基)                   2.3     3.4     2.4乙二醇                            0.2     0.2     0.2玻璃化的粘结剂                   11.5    20.4    12.7
*(80粒度～194×194×[194×6.14]微米)
实施例4
(Ⅰ)用如下混合物在工业规模设备上制造具有相同体积百分数敞开孔隙度的磨轮，用以比较在自动压制设备上利用含孔隙形成剂的混合物和不含孔隙形成剂的本发明混合物的生产率。
                      磨轮9的混合物配方
                                   重    量    份
组     分                       (A)本发明    (B)常规
磨粒*                               100         100
孔隙形成剂(胡桃壳)                   0          8.0
糊精                                3.0         3.0
胶                                  0.77        5.97
乙二醇                               0          0.2
水                                  1.46         0
干燥剂                              0.53         0
玻璃化的粘结剂                     17.91       18.45
*(A)120粒度，132×132×990微米
(B)50％溶胶凝胶法氧化铝，80粒度/50％38A氧化铝，80粒度，从NortonCompany,Worcester,Massachustts得到的磨粒。
观察到本发明混合物的生产率(单位时间内压制过程中磨轮的生产量)是含有孔隙形成剂的常规混合物的生产率的5倍。本发明的混合物具有良好的自由流动特性，可以进行自动压制操作。因为本发明的混合物不含孔隙形成剂，所以它在压制后没有回弹，且在烧成后没有核化现象。本发明磨轮的渗透性为43毫升/秒/英寸水。
(Ⅱ)为比较含孔隙形成剂的混合物和本发明的混合物的烧成特性，用如下混合物制造具有相同体积百分数敞开孔隙度的磨轮。
                磨轮10的混合物配方
                              重      量      份
成      分                    (A)             (B)
                             本发明           常规
磨粒*                         100             100
孔隙形成剂(胡桃壳)             0              8.0
糊精                          2.0             2.0
胶                            1.83            2.7
动物胶                        4.1             5.75
乙二醇                         0              0.1
填充剂(Vinsol粉)               0              1.5
玻璃化的粘结剂               26.27           26.27
*(A)80粒度，194×194×1360微米
(B)50％溶胶凝胶法氧化铝，36粒度/50％38A氧化铝，36粒度，从NortonCompany,Worcester,Massachustts得到的磨粒。
烧成后，本发明的磨轮没有出现塌落、开裂或成核现象。烧成前，本发明的压制磨轮生坯的渗透性(22毫升/秒/英寸水)比用含孔隙形成剂常规混合物制成的压制磨轮生坯的渗透性(5毫升/秒/英寸水)高。可以认为，高的生坯渗透性在烧成过程中产生高的质量/热量传递速度，从而使本发明磨轮的传热能力高于常规磨轮。如果使用相同的烧成条件，在常规磨轮烧成所需的一半时间内就完成本发明磨轮的烧成。本发明烧成后的磨轮的渗透性为45毫升/秒/英寸水。
实施例5
本实施例说明使用预团聚的磨粒可制得高孔隙度的磨轮。预团聚的磨粒可在细长的溶胶凝胶法α-氧化铝磨粒的挤压过程中通过有控制地减小挤压速率而制得。在干燥挤出磨粒前，当物料被挤出挤压机模头时，减小挤压速率可形成团聚物。
如实施例1所述，由团聚的并且细长的TARGATM磨粒(团聚物中平均含有5-7个细长磨粒，各个团聚物的平均尺寸为194×194×(194×5.96)微米)，不使用孔隙形成剂制得高孔隙度的磨轮。标称长径比为5.96,LPD为0.99g/cc。下表5列出了混合物配方。压制烧成后，获得的玻璃化粘结磨轮的孔隙度为54％体积。
                  磨轮11的混合物配方
                                 重     量    份
成     分
磨粒*                                   100
孔隙形成剂                               0
糊精                                    2.7
Aromer胶                                3.2
乙二醇                                  2.2
玻璃化的粘结剂                         20.5
*(80粒度的团聚物，～194×194×1160微米)
实施例6
本实施例描述渗透性测量试验，并说明使用纤维状磨粒可极大地提高磨料制品的渗透性。
渗透性试验
根据流量和多孔介质上压力差之间相互关系的D’Arcy定律，用渗透性试验定量测定多孔基质的开放度来评价磨轮。建立的是一种非破坏性试验装置。该装置由气源装置、流量仪(测定入口空气流量Q)、压力表(测定磨轮不同部位的压力变化)和连接在气源装置上的喷嘴(将空气流导入磨轮上不同的表面位置)所组成。
在试验中使用的入口空气压力P0为1.76kg/cm2(25psi)，入口空气流量Q0为14m3/小时(500英尺3/小时)，探头喷嘴尺寸为2.2cm。取若干个数据点(每个磨轮8-16个点)(即每面上4-8个点)，获得准确的平均值。磨轮测量结果表4比较了各种磨轮的渗透性数据(Q/P，以cc/秒/英寸水为单位)。
                              表4
                           磨轮渗透性
   磨轮试样  孔隙度(％体积)         渗透性aQ/P  cc/秒/英寸水
   本发明    对照
   实施例1(1)(2)(3) 515862 457598 232831
   实施例2(4)(5) 7780 225280 n/an/a
   实施例3(6)(7)(8) 545458 7174106 303034
   实施例4(9)(10) 5047 4547 2228
   实施例5(11) 54 43 25
使用厚度至少为1/2英寸(1.27cm)，通常厚度为1英寸(2.54cm)的磨轮使数据标准化。不可能制得供实施例2用的对照磨轮，因为该混合物不能压制成本发明磨轮的高孔隙度(用另一种标准磨料混合物中的细长磨粒制得)。对照磨轮是用4∶1长径比的溶胶凝胶法氧化铝磨粒与1∶1长径比的溶胶凝胶法或38A氧化铝磨粒50/50体积百分数的混合物制得的，这些磨粒均购自Norton Company,Worcester,Massachusetts。
磨轮11含有团聚的细长磨粒，因此该数据不能直接与用非团聚细长磨粒制得的磨轮进行比较，也不能用等式：渗透性=0.44×磨粒截面宽度来进行其渗透性的描述。但是，本发明的这种含团聚细长颗粒的磨轮与对照磨轮相比较为优越，并且与含有在其它方面相同类型非团聚细长磨粒的磨轮所预测的渗透性几乎相等。
数据表明，用本发明方法制得的磨轮的渗透性比具有相同孔隙度的常规磨轮的渗透性高大约1-2倍。
实施例7
本实施例说明在蠕动进料的研磨方式中磨粒的长径比对研磨性能的影响。如表5所示，选择一组孔隙度为54％并具有等量磨粒和粘合剂的磨轮(NortonCompany制造厂制，直径50.8×2.54×20.32cm(20×1×8英寸))进行试验。
                                        表5
                                 磨轮间的性能差异
      磨粒a  对照磨粒混合物   对照磨粒   细长磨粒1   细长磨粒2
     (L/D)    50％4.2∶150％1∶1(体积)    4.2∶1    5.8∶1    7.6∶1
  孔隙形成剂种类   多孔氧化铝+胡桃壳  Piccotac      无      无
    空气渗透性(cc/秒/英寸水)      19.5     37.6     50.3     55.1
a所有磨粒均为120粒度加晶种溶胶凝胶法氧化铝，购自Norton Company,Worcester,Massachusetts。
试验这些磨轮的研磨性能。研磨是在20.32×10.66×5.33cm(8×4×2英寸)的4340钢(Rc48-52)块上进行的，在Blohm机器上沿钢块的最长尺寸进行下磨削，不连续打磨蠕动进料操作。磨轮的速度为30.5m/s(6000S.F.P.M.)，磨削深度为0.318cm(0.125英寸)，工作台行程速度以6.35cm/min(2.5英寸/分钟)的增量由19.05cm/min提高至工件烧坏为止。通过使用细长的Targa磨粒制造孔隙度为54％并且空气渗透性至少约为50cc/秒/英寸水的磨轮，可极大地改进研磨性能。表6概括了各种研磨性能的结果。除相互连接孔隙的优点外，研磨生产率(以除去金属的速度为特征)和研磨性能指数(G-比例除以比能量)均与磨粒的长径比有关：性能随L/D的增加而提高。
                                         表6
                              4个磨轮之间的研磨性能差异
      研磨参数  对照磨粒混合物  对照磨粒 细长的磨粒1 细长的磨粒2
 不致烧坏的最大工作台工作行程速度       17.5    22.5      25     32.5
  15英寸/分钟速度的G-比例       25.2    23.4     32.7     37.2
 25英寸/分钟速度的G-比例       烧坏    烧坏     24.2     31.6
  15英寸/分钟速度(马力/英寸)的功率        22    20.8     18.8     15.7
 25英寸/分钟速度(马力(HP)/英寸)的功率       烧坏    烧坏     30.6     24.4
 15英寸/分钟速度时的力Fv(磅力/英寸)       250    233     209     176
  25英寸/分钟速度时的力Fv(磅力/英寸)       烧坏    烧坏     338     258
  15英寸/分钟时的研磨性能指数       2.12    2.08     3.23     4.42
 25英寸/分钟时的研磨性能指数       烧坏    烧坏     2.43     4.00
以厘米/分钟为单位的速度等于2.54×以英寸/分钟为单位的速度。以kg/cm为单位的力等于5.59×以磅力/英寸为单位的力。
对于含80-120粒度磨粒的磨轮，可获得相同的研磨性能。对于更小的粒径，在渗透性至少约为40cc/秒/英寸水的磨轮上观察到研磨性能的明显改进。
实施例8
本实施例说明使用织物结构中可热分解的材料在固化的磨料制品中产生高的相互连接的孔隙度，制造可渗透的磨料制品。
使用下表所示的配方，如实施例1所述将组分混合，然后将混合物层铺在模具(5.0×0.53×0.875英寸)中，压制成磨轮。磨轮12和13中含有等距隔开的5层磨料混合物，期间为4层涂覆树脂的玻璃纤维织物(30重量％树脂涂覆在70重量％E玻璃纤维上，购自Industrial Polymer and Chemicals的产品#3321和#57)。磨轮12使用含1mm见方开口的细孔织物(#3321)，磨轮13使用含5mm见方开口的粗孔织物(#57)。用作对照的磨轮14不含玻璃纤维织物。
         磨轮12-14的原料组成
                         重        量       份组   分                     (12)      (13)     (14)磨粒*                       100       100       100纤维织物                    4层       4层        无糊精                        0.8       0.8       0.8胶(AR30)                    1.94      1.94      1.94玻璃化的粘合剂             13.56     13.56     13.56
*(80粒度，溶胶凝胶法α-氧化铝磨粒)
如实施例1所述，将磨轮生坯从压机中取出，干燥并烧成。烧成后，研磨磨轮的外周，使玻璃纤维织物分解形成的孔隙通道对外敞开。这些磨轮具有适于研磨操作的整体结构。拍摄X-射线照片，证实了在磨轮12和13中存在尺寸和位置与玻璃纤维织物的尺寸和位置大致相当的可让流体渗透的较大通道的内部网络，但磨轮14中无这种通道。因此，磨轮12和13适用于本发明。
实施例9
本实施例说明使用涂覆有氧化铝粉料的有机基质的非织造织物的层压物制造可渗透的磨料制品。对层压物先进行热处理烧结其中的氧化铝，随后将其用作基质制造可渗透的磨料制品。
氧化铝粉浆的制备，是先在高强度混合机(Premier Mill Corporation LaboretoryDisperator model)中以500rpm混合100g勃母石溶胶(Condea,Desperal溶胶10/2液体，购自Condea Chemie,GmbH)、0.15mlNalco消泡剂和300gα-氧化铝粉末(Ceralox-APA-0.5微米，含MgO，购自Ceralox Corporation)，混合时随着粘度增加将混合速度提高至2500-3000rpm。在安装在Red Devil油漆振摇器上的1000mlNalgene容器中，将所得混合物与99.97％纯度的氧化铝0.5英寸圆柱形研磨介质一起研磨15分钟，随后在10美国目Tyler筛网上过筛，得到氧化铝粉浆。
用该氧化铝粉浆涂覆6块(3.75×0.25英寸)聚酯/尼龙非织造纤维织物盘(购自Norton Company)。将这6块经涂覆的织物盘堆叠在覆盖有纸盘的氧化铝毡上，并在该堆叠物上再覆盖另一层纸盘和氧化铝毡，在该堆叠物的两侧放置两块1英寸高的铁块。向上面的氧化铝毡施加压力，将堆叠物压缩至与铁块等高。将堆叠的盘在室温干燥4小时，再在80℃的烘箱中干燥4小时。按照一个温度斜升规程直至最高温度1510℃，将此堆叠的涂覆织物盘烧成为氧化铝基质。
烧成后，用玻璃化粘合剂物质的分散液浸渍该氧化铝基质。该分散液是用与制造氧化铝粉浆相同的高强度混合机制得的，将混合机设定在500-700rpm，混合70g50℃的去离子水、0.3mlDarvan821A分散剂(购自R.T.Vanderbilt Co.,Inc)、0.15mlNalco消泡剂、30g玻璃料粘合剂粉末(将粘合剂混料熔融成玻璃、冷却、研磨、过筛，制成平均粒径为10-20微米的玻璃料)和1gGelloid C101聚合物(FMC C)。在恒速搅拌下将分散液的温度调节至40-45℃，以降低粘度便于浸渍氧化铝基质。将上面制成的氧化铝基质(含115g氧化铝)放入陪替氏培养皿中并用粘合剂分散液浸没之，将其置于真空室中抽真空至玻璃料粘合剂分散液完全渗入基质中。冷却后，粘合剂分散液形成凝胶，从氧化铝基质的外面刮去过量的凝胶。按照一个温度斜升规程直至最高温度900℃，将浸渍的氧化铝基质(含42.8g粘合剂)烧成，产生具有如美国专利5,035,723(在此引为参考)的实施例1所述粘合剂组成的磨料制品。该磨料制品是渗透性很高的整体结构，含70-80体积％的孔隙度，具有适用于研磨操作的强度。
实施例10
本实施例说明采用纤维状材料制备可渗透的磨料制品，所述纤维状材料中所含的纤维状磨粒与粘合剂的比例适用于制造固化的磨料制品。该纤维状材料是将体积比为5.75∶1.0的溶胶凝胶法α-氧化铝颗粒与玻璃化的粘合剂组分的淤浆混合物注射成形，然后烧结而成的。用此纤维状颗粒材料如实施例1所述制得磨轮(3英寸直径)，但使用如下的混合物配方：
               磨轮15混合物配方
                                 重量份
纤维状颗粒材料                    100
孔隙形成剂                         0
糊精                              3.17
Aromer胶                          8.32
乙二醇                            0.17
玻璃化的粘合剂                    8.28
所得磨轮的孔隙度为80体积％，空气渗透性为350cc/秒/英寸水，具有适用于软研磨操作的整体结构。

Claims (40)

1．一种磨料制品，它包括约55-80体积％相互连接的孔隙和研磨有效量的磨粒和粘合剂，它以毫升空气/秒/英寸水为单位的空气渗透性至少为磨粒截面宽度的0.44倍，其中相互连接的孔隙形成的开口通道结构能在研磨过程中让流体或碎屑穿过磨料制品。
2．如权利要求1所述的磨料制品，它包括60-70体积％相互连接的孔隙。
3．如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述粘合剂是玻璃化的粘合剂。
4．如权利要求3所述的磨料制品，其特征在于所述磨料制品包含3-15体积％玻璃化的粘合剂。
5．如权利要求1所述的磨料制品，它包含15-43体积％磨粒。
6．如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述相互连接的孔隙是由纤维状颗粒基质所限定的，该纤维颗粒长度与直径的长径比至少为5∶1。
7．如权利要求6所述的磨料制品，其特征在于所述磨料制品基本不含孔隙形成剂。
8．如权利要求6所述的磨料制品，其特征在于所述纤维状颗粒是由选自磨粒、填料、其混合物或其团聚物的物质组成的。
9．如权利要求8所述的磨料制品，其特征在于所述磨粒是烧结的长度与直径的长径比至少为5∶1的溶胶凝胶法α-氧化铝磨粒。
10．如权利要求8所述的磨料制品，其特征在于所述填料选自陶瓷纤维、玻璃纤维、有机纤维、其混合物或其团聚物。
11．如权利要求6所述的磨料制品，其特征在于对大于80粒度的磨粒，该制品的渗透性至少为50cc/秒/英寸水。
12．如权利要求6所述的磨料制品，其特征在于所述纤维状颗粒的长度与直径的长径比至少为6∶1。
13．如权利要求9所述的磨料制品，其特征在于所述磨料制品包含约16-34重量％磨粒。
14．如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述相互连接的孔隙是由至少一层结构的填料所限定的，所述填料选自玻璃织物、有机织物、陶瓷纤维织物和其混合物。
15．如权利要求14所述的磨料制品，其特征在于所述陶瓷纤维织物涂覆有玻璃化的粘合材料。
16．如权利要求14所述的磨料制品，其特征在于所述有机纤维织物是具有氧化铝淤浆涂层的聚酯纤维织物。
17．如权利要求16所述的磨料制品，其特征在于在形成磨料制品前将所述涂覆的织物加热至1500℃对氧化铝淤浆进行烧结。
18．如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述磨料制品包含约15-55体积％磨粒和约5-20体积％粘合剂。
19．如权利要求6所述的磨料制品，其特征在于所述纤维状颗粒包含研磨有效量的磨粒和粘合剂。
20．如权利要求19所述的磨料制品，其特征在于所述纤维状颗粒包含约16-34体积％磨粒和约3-15体积％粘合剂。
21．一种磨料制品，它包含约40-54体积％相互连接的孔隙和研磨有效量的磨粒和粘合剂，它以毫升空气/秒/英寸水为单位的空气渗透性至少为磨粒截面宽度的0.22倍，其中相互连接的孔隙形成的开口的通道结构能在研磨过程中让流体或碎屑穿过磨料制品。
22．如权利要求21所述的磨料制品，它包含50-54体积％相互连接的孔隙。
23．如权利要求21所述的磨料制品，其特征在于所述粘合剂是玻璃化的粘合剂。
24．如权利要求23所述的磨料制品，其特征在于所述磨料制品包含3-15体积％玻璃化的粘合剂。
25．如权利要求21所述的磨料制品，它包含31-57体积％磨粒。
26．如权利要求21所述的磨料制品，其特征在于所述相互连接的孔隙是由纤维颗粒基质所限定的，该纤维状颗粒长度与直径的长径比至少为5∶1。
27．如权利要求26所述的磨料制品，其特征在于所述磨料制品基本不含孔隙形成剂。
28．如权利要求26所述的磨料制品，其特征在于所述纤维状颗粒是由选自磨粒、填料、其混合物或其团聚物的物质组成的。
29．如权利要求28所述的磨料制品，其特征在于所述磨粒是烧结的长度与直径的长径比至少为5∶1的溶胶凝胶法α-氧化铝磨粒。
30．如权利要求28所述的磨料制品，其特征在于所述填料选自陶瓷纤维、玻璃纤维、有机纤维、其混合物或其团聚物。
31．如权利要求26所述的磨料制品，其特征在于对大于80粒度的磨粒，该制品的渗透性至少为50cc/秒/英寸水。
32．如权利要求26所述的磨料制品，其特征在于所述纤维状颗粒的长度与直径的长径比至少为6∶1。
33．如权利要求29所述的磨料制品，其特征在于所述磨料制品包含约31-57体积％磨粒。
34．如权利要求21所述的磨料制品，其特征在于所述相互连接的孔隙是由至少一层结构的填料所限定的，所述填料选自玻璃织物、有机织物、陶瓷纤维织物或其混合物。
35．如权利要求34所述的磨料制品，其特征在于所述陶瓷纤维织物涂覆有玻璃化的粘合材料。
36．如权利要求34所述的磨料制品，其特征在于所述有机纤维织物是具有氧化铝淤浆涂层的聚酯纤维织物。
37．如权利要求36所述的磨料制品，其特征在于在形成磨料制品前，将所述涂覆的织物加热至1500℃对氧化铝淤浆进行烧结。
38．如权利要求21所述的磨料制品，其特征在于所述磨料制品包含约15-55体积％磨粒和约5-20体积％粘合剂。
39．如权利要求26所述的磨料制品，其特征在于所述纤维颗粒包含研磨有效量的磨粒和粘合剂。
40．如权利要求39所述的磨料制品，其特征在于所述纤维状颗粒包含约16-34体积％磨粒和约3-15体积％粘合剂。
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