CN1359322A - 含多孔陶瓷磨料复合物的金属粘结的磨料制品和用其磨制工件的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种磨料制品(40),它包括具有第一主表面(44)和第二主表面(46)的刚性背衬(42);许多陶瓷磨料复合物(50),各个磨料复合物包括许多分布在整个多孔陶瓷基质(53)中的磨粒(51);至少一层金属镀层(52),最好一组金属镀层(48、52a、52b),它将陶瓷磨料复合物固定在背衬的一个主表面上。本发明还提供使用本发明磨料制品研磨工件的方法,它包括下列步骤:(a)使工件表面与本发明磨料制品接触;(b)在工件和磨料制品之间的界面上施加一液体;(c)相对移动工件和磨料制品。

Description

含多孔陶瓷磨料复合物的金属粘结 的磨料制品和用其磨制工件的方法
发明的领域
本发明涉及一种金属粘结的磨料制品，它包括背衬和固定在该背衬上的多孔陶瓷磨料复合物，并涉及使用该制品磨制工件的方法。
发明的背景
使用电沉积的金属将磨料颗粒固定在基材上是磨料领域广为接受的方法。常规的磨料电镀包括将金属沉积在基材上直至达到所需的厚度。随后将磨粒(如金刚石或立方氮化硼)加入电镀浴并沉积在电镀的金属上。再次电沉积金属将磨粒固定在基材上。作为这种电沉积方法的结果，电沉积的金属镀层将单层磨粒固定在基材上。
这种磨料制品的一个缺点是在磨制加工过程中，单层磨粒会变钝、被碎屑阻塞和/或从金属粘结涂层上脱落。结果，磨料制品的切削效率会明显下降。与这种磨料制品有关的第二个缺点是适用于这种类型磨料制品的磨粒的范围有限。具体地说，金属的沉积不很适合将很细微的磨粒(如约小于6微米)固定在基材上，因为金属的厚度会基本覆盖很细微的磨粒。在这种情况下，在磨制加工过程中金属镀层本身会与工件接触，导致不可控制地刮伤工件。
金属粘结的磨料制品的一个潜在的用途是抛光磁性记忆盘基材(例如，陶瓷或玻璃陶瓷基材)。为了制备可接受的磁性记忆盘，记忆盘基材必须具有精确受控的尺寸和精确受控的表面光洁度。通常，将记忆盘基材加工成所需的尺寸并使之具有所需的表面光洁度包括多个使用松散的磨料糊浆的步骤。该方法的第一步，将记忆盘基材加工成所需的尺寸使之具有所需的厚度和厚度一致性。尺寸加工后，打磨该圆盘使之具有所需的表面光洁度。
尽管松散的磨料糊浆广泛用于这些方法，但是松散的磨料糊浆存在许多与其有关的缺点。这些缺点包括，例如所需的大体积糊浆操作不方便、需要搅拌防止磨粒沉淀并确保磨粒在抛光界面上具有均匀的浓度、需要附加的设备来制备、操作、和处置(或回收和再生)松散的糊浆。另外，必须定期分析糊浆以确保其质量和分散稳定性。此外，与松散糊浆接触的糊浆供应设备的泵压头、阀门、进料管、研磨模和其它部件最终会产生不合需求的磨损。另外，使用糊浆的方法通常很脏，这是因为松散的磨料糊浆(它是粘性液体)容易溅出，难以包容。
鉴于上述问题，需要一种磨料制品，它具有比常规金属粘结的磨料制品更高的使用寿命。较好的是，这种磨料制品适合各种大小的磨粒规格(包括很细微级的磨粒)，并适合取代松散的磨料糊浆将玻璃陶瓷记忆盘加工至所需的尺寸和/或打磨之。
发明的概述
本发明提供一种金属粘结的磨料制品，它对各种工件(例如记忆盘基材)提供恒定的高的切削速率，同时提供很细的表面光洁度(例如25埃或更低)。该磨料制品包括具有第一和第二主表面的刚性背衬，和用至少一层金属镀层固定在背衬至少一个主表面上的许多陶瓷磨料复合物。
每个所述陶瓷磨料复合物包括分散在整个多孔陶瓷基质中的磨粒。在研磨过程中较好所述陶瓷磨料复合物发生消蚀，从而从磨料复合物中排弃用过的或变钝的磨粒，使新的磨粒与工件接触。在一个较好的实例中，所述磨料复合物包括约10-90重量份磨粒、90-10重量份陶瓷基质并且孔穴体积约为4-70％。较好的是，磨粒的粒径范围约为0.05-100微米并包括金刚石、立方氮化硼、熔凝氧化铝、陶瓷氧化铝、热处理的氧化铝、碳化硅、碳化硼、氧化铝氧化锆、氧化铁、氧化铈、石榴石及其混合物。最好的是，磨粒包括金刚石。
所述陶瓷磨料复合物是用至少一层金属镀层，较好用一组金属镀层固定在背衬上的。最好使用金属电沉积技术将一层或多层金属镀层施涂在背衬上。用作一层或多层金属镀层的较好的金属包括，例如镍、铜、黄铜、青铜、钢及其合金。在一个较好的实例中，一层或多层金属镀层合在一起的厚度较好占磨料制品中陶瓷磨料复合物高度的约5-50％，更好占10-30％。可任选地将一层有机上胶涂层施涂在一层或多层金属镀层和陶瓷磨料复合物上。较好的有机上胶涂层包括酚醛树脂、环氧树脂、氨基塑料树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、异氰脲酸酯树脂、丙烯酸化的异氰脲酸酯树脂、脲-醛树脂、丙烯酸化的环氧树脂、丙烯酸化的聚氨酯树脂或其混合物，可对该上胶涂层干燥、热固化或辐照(如紫外光辐照)固化。
本发明磨料制品较好的背衬材料是刚性的和光滑的，并适合电沉积(即电镀)金属镀层。较好的刚性背衬的刚性模量约为1×106磅/英寸2(7×104kg/cm2)或更高，更好约10×106磅/英寸2(7×105kg/cm2)或更高。背衬材料的例子包括例如金属、金属合金、金属基质复合物、金属化的塑料或聚合物基质增强的复合物。更好的是，背衬是青铜片，其厚度最好约0.3-10mm。
本发明还提供一种使用本发明磨料制品研磨工件的方法，该方法包括下列步骤：
(a)使工件表面与本发明磨料制品接触，从而使磨料制品的陶瓷磨料复合物与工件表面接触；
(b)在工件和磨料制品之间的界面上施加液体；
(c)使工件和磨料制品相对移动，使磨料制品研磨工件表面，形成表面粗糙度。
施加在磨料制品和工件之间界面上的较好的润滑剂包括，例如丙三醇和水的混合物，更好是20重量％丙三醇的水溶液。在一种较好的方法中，磨料制品和工件的接触压力约为0.5-45g/mm2。
在另一种较好的方法中，磨料制品是圆盘状的，其虚拟的中心轴与磨料制品的背衬垂直。在这种方法中，实施步骤(c)时使该圆盘沿其中心轴旋转。所述工件还可任选地与磨料制品作相对移动。
本发明磨料制品形成的表面粗糙度(Ra)小于约1.5微米，较好小于约1.0微米，更好小于约100埃，最好小于约25埃或更小。
附图简述
图1是本发明磨料制品一个实例的部分剖面图；
图1a是本发明磨料制品一个实例的部分剖面图；
图2是图1磨料制品的顶视图；
图3是本发明磨料制品一个实例的顶视图；
图4是本发明磨料制品一个实例的部分剖面图；
图5是详细描述磨料复合物的剖面图；
图6是用于形成陶瓷磨料复合物的制造工具或模具片断的透视图。
发明的详细描述
参见图1，该图显示本发明磨料制品10一个实例的剖面图。磨料制品10包括具有第一主表面14和第二主表面16的背衬12，和用金属粘结涂层20固定在背衬12正面14上的许多陶瓷磨料复合物18。所述磨料复合物18包括分散在整个陶瓷基质24中的许多磨粒22，所述陶瓷基质具有以许多孔穴或遍及基质的孔隙为特征的多孔结构(图中未表示)。
磨料复合物可具有精确的几何形状(例如锥台形)或者具有不规则(即不精确的或无规的)形状。在图1中，磨料复合物18是精确成形的锥台。磨料复合物的高度一般约为30-1000微米，较好约70-700微米。在磨料制品10中磨料复合物18的高度较好是恒定的，但是磨料复合物也可具有不同的高度。磨料复合物的宽度通常约30-1000微米，较好约70-700微米。参见图1a，磨料制品10a包括不规则形状的磨料复合物18a。磨料复合物18a可例如由陶瓷磨料复合物材料粉碎而成。可用常规的筛选技术(如过筛)来提供不规则形状的磨料复合物之间大致的尺寸一致性。
磨料复合物18单独地并相互间隔地位于背衬12上。单个磨料复合物可以非无规的图案排列在背衬上，或者它们可无规地排列。相邻的磨料复合物较好由背衬或结合区26相互隔开。在“湿”研磨加工过程中，这种隔开部分地使流体介质(如润滑剂)在磨料复合物之间自由流动。在研磨过程中，流体介质的这种自由流动能优化切削速率和表面光洁度。通常背衬12的约25-75％，较好约30-70％的表面积被陶瓷研磨复合物所覆盖。在本发明研磨制品中，可能需要提高陶瓷磨料复合物在背衬上的覆盖率(即面密度)，以提高磨料制品的切削速率。
图2是磨料制品10的顶视图，表示在背衬12上的陶瓷磨料复合物18。在图2中，背衬12的整个主表面14(不包括复合物之间的结合区)被复合物18所覆盖，复合物无规地分布在背衬12的主表面14上。
参见图3，它显示本发明磨料制品另一个实例的顶视图。在本实例中，磨料制品110包括用金属粘结涂层120固定在背衬112上的磨料复合物118。在本实例中，磨料复合物118无规地放置在背衬112上的涂覆区121中。在本实例中，涂覆区121具有三角形或馅饼的形状。涂覆区121之间是非涂覆区123。应理解涂覆区和非涂覆区可具有任何所需的形状，例如馅饼形、圆形、三角形、六边形、正方形、矩形、多边形等。还可设计磨料制品的涂覆区和未涂覆区的形状以便例如形成圆盘形的磨料制品，其以给定的半径沿圆周具有恒定的涂覆区。
还可在背衬的主表面上通过“贴瓷砖”的方法用多个较小的本发明磨料制品制得本发明具有涂覆区和未涂覆区的磨料制品(参见图2和图3)，同时至少在部分相邻的磨料制品之间留下空间。可用机械附着或粘合剂(如环氧粘合剂)粘附的方法将磨料制品块附着在背衬上。在这种实例中较好是挠性背衬以便磨料制品例如贴合在曲面的工件上。镶嵌抛光垫可参见WO 98/50201(Roberts等)。
现在来看图4，它显示本发明磨料制品的另一个实例的剖面图。磨料制品40包括具有第一主表面44和第二主表面46的刚性背衬42。在本实施例中，金属预涂层(preshoot coating)48施涂在背衬42的第一主表面44上。可将金属预涂层48施涂在背衬42上以便例如提高此后施涂的涂层的粘合力。金属预涂层48通常包括金属或金属合金，最好包括与背衬和随后施涂的金属粘结涂层相容的金属或金属合金。磨料制品40还包括由金属镀层52固定在背衬上的许多陶瓷磨料复合物50。陶瓷磨料复合物50包括分散在整个多孔陶瓷基质53中的许多磨粒51。金属镀层52可以是单层或者是一组依次施涂的层。在图4中，金属镀层52包括第一金属镀层52a和第二金属镀层52b。构成金属镀层52的单层52a和52b可包括相同的金属或金属合金，或者包括不同的金属或金属合金。在本实例中，有机上胶涂层54施涂在金属镀层52和陶瓷磨料复合物50上。有机上胶涂层54通常是热塑性树脂，例如酚醛树脂，用于提高陶瓷磨料复合物50的强度。
在某些实例中，要求陶瓷磨料复合物具有稍许锥形的形状，例如锥台或棱台。图5显示的陶瓷磨料复合物61在底63和侧壁66之间具有限定复合物61锥形的内角α。角α可为90°(即复合物无锥形)至约45°。角α较好为75-89.9°，更好为80-89.7°，最好为80-87°。相信在使用过程中锥形的复合物有助于磨料复合物61受控地断裂。锥形还有助于从用于成形复合物的模具中取出复合物。图5还显示半径r，它是侧壁66和顶面62的夹角的内半径，该角较好具有稍许圆弧或半径，因为圆角更容易充分填入材料并从模具中取出。图5中还显示陶瓷磨料复合物61的高度H，它是底61和顶面62之间的距离。
背衬材料
背衬材料用于作为基材用于附着陶瓷磨料复合物。较好的背衬能够镀覆(较好电镀)金属，并最好是刚性和光滑的。在本文中，术语“光滑”描述一种背衬，相对于附着在背衬上的磨料复合物的尺寸，该背衬的表面纹理或缺陷的大小是小的。在本文中，术语“刚性”描述一种背衬材料，它至少是可自我支承的，也就是在其本身重量下不会明显变形。合适的刚性背衬用于固定陶瓷磨料复合物相互间的相对位置和取向，并且在研磨加工过程中，固定相对于工件的位置和取向。术语“刚性”并不意味着背衬材料绝对是非挠性的。刚性背衬可例如在施加的负荷下变形或弯曲，但是可压缩性非常小。较好的刚性背衬包括刚性模量约1×106磅/英寸2(7×104kg/cm2)或更高、较好约10×106磅/英寸2(7×105kg/cm2)或更高的材料。作为例子，聚合物的刚性模量由低密度聚乙烯的约7×105磅/英寸2(4.9×104kg/cm2)至酚醛树脂的约1×106磅/英寸2(7×104kg/cm2)。金属的刚性模量由铝的约9.9×106磅/英寸2(6.96×105kg/cm2)至钢的约30×106磅/英寸2(2.1×106kg/cm2)。较好的黄铜背衬的刚性模量约为13×106磅/英寸2(9.14×105kg/cm2)至16×106磅/英寸2(1.13×106kg/cm2)。
当粘附在背衬上时，陶瓷磨料复合物从背衬上突起，在相邻的磨料复合物之间产生凹凸。相邻的磨料复合物之间的这种凹凸形成了液体流动通道和/或碎屑穿过在背衬和工件之间的磨料涂层移动的通道。合适的可镀覆背衬材料包括，例如金属、金属合金、金属基质复合物或聚合物基质增强的复合物。较好的是，背衬是金属片，厚度约0.3-10mm，较好是厚度约0.3-10mm的青铜片。
磨料复合物
本发明磨料制品包括许多多孔陶瓷磨料复合物。所述多孔陶瓷磨料复合物包括分散在多孔陶瓷基质中的各个磨粒。磨料复合物还可包括任选的添加剂，如填料、偶合剂、表面活性剂、消泡剂等。选择这些添加剂的加入量以提供所需的性能。在本文中，术语“陶瓷基质”包括陶瓷、玻璃陶瓷和玻璃。当考虑原子结构时，这些材料一般落在同一类型中。相邻原子间的键合是电子转移或共享电子的结果。或者，可存在正负电荷相吸导致的称为次级键的较弱的键合。结晶陶瓷、陶瓷和玻璃陶瓷具有离子键和共价键。离子键是由电子从一个原子转移至另一个原子而形成的。共价键是由价电子共享而形成的并具有高方向性。通过比较，将金属中的主要键称为金属键，它包括无方向性的共享电子。聚合物是共价键和次级键的结果。
结晶陶瓷还可再分为氧化硅基硅酸盐(如耐火土、多铝红柱石、瓷和Portland水泥)、非硅酸盐氧化物(如氧化铝、氧化镁、MgAl2O4和氧化锆)以及非氧化物陶瓷(如碳化物、氮化物和石墨)。
非结晶玻璃在原子组成上与结晶陶瓷相当。作为特殊加工技术的结果，这些材料不如结晶陶瓷那样具有大范围的有序排列。玻璃-陶瓷是通过受控热处理以制得超过90％的一种或多种结晶相并且剩余的是填入颗粒边界的非结晶相而得到的。玻璃陶瓷兼有陶瓷和玻璃的优点并提供高的机械和物理性能。
较好的陶瓷基质包括玻璃，该玻璃包括金属氧化物，例如氧化铝、氧化硼、氧化硅、氧化镁、氧化钠、氧化锰、氧化锌及其混合物。较好的陶瓷基质是氧化铝-硼硅酸盐玻璃，包括Si2O、B2O3和Al2O3。较好的氧化铝-硼硅酸盐玻璃包括约18％B2O3、8.5％Al2O3、2.8％BaO、1.1％CaO、2.1％Na2O、1.0％Li2O，其余为Si2O。这种氧化铝-硼硅酸盐玻璃可购自Specialty Glass Incorporated，OldsmarFlorida，其粒径小于约45mm。
本文中，术语“多孔”是指陶瓷基质的结构，其特征是在整个基质物质中分布有空穴或空隙。所述空穴可以在复合物外表面上开口或者是闭孔的。相信陶瓷基质中的空穴有助于控制陶瓷磨料复合物的断裂，导致从复合物中排弃用过的(即变钝的)磨粒。空穴还通过提供用于从磨料制品和工件之间的界面除去碎屑和用过的磨粒的通道而提高磨料制品的性能(如切削速率和表面光洁度)。通常，空隙占复合物体积的约4-70％，较好约占复合物体积的5-60％，更好占复合物体积的约6-60％。多孔陶瓷基质可由本领域众所周知的技术制得，例如，用受控烧制陶瓷基质前体或将成孔剂(如玻璃泡)包容在陶瓷基质前体中。
一般来说，陶瓷磨料复合物的平均粒径至少约为用于复合物的磨粒的平均粒径的3倍。适用于本发明的磨粒其平均粒径较好约为0.05-200微米，更好约0.1-120微米，最好约0.15-100微米。可选择所需的磨粒粒径以便例如提供所需的切削速率和/或所需的工件表面粗糙度。有时磨粒的粒径用“目”或“级”表示，这两种均是已知的磨粒筛选方法。磨粒的Mohs硬度较好至少为8，更好至少为9。合适的磨粒包括，例如金刚石、立方氮化硼、熔凝氧化铝、陶瓷氧化铝、热处理的氧化铝、碳化硅、碳化硼、氧化铝氧化锆、氧化铁、氧化铈、石榴石、及其混合物。较好的是，磨粒是金刚石。金刚石磨粒可以是天然的或合成的金刚石，并可考虑“树脂粘结的金刚石”、“锯刀级金刚石”或“金属粘结的金刚石”。单个的金刚石可具有块状的形状，具有清楚的与其相关的切割面，或者，它具有无规的形状。这些单个的金刚石颗粒可以是单晶或者多晶(如以Mypolex购自Mypodiamond Inc.的金刚石)。单个的金刚石颗粒可含有表面涂层，如金属镀层(镍、铝、铜等)、无机涂层(例如氧化硅)或有机涂层。陶瓷磨料复合物还可含有多于一种磨料的掺混物。例如，金刚石磨料可有利地与第二种较软的磨粒相混合。在这种情况下，第二种磨粒较好具有比金刚石磨粒更小的粒径。
磨料复合物可包括约10-90重量份磨粒和90-10重量份陶瓷基质，所述陶瓷基质包括填料和/或除磨粒以外的其它添加剂。由于金刚石磨粒费用的缘故，磨料复合物较好包括约15-85重量份磨粒及约85-15重量份陶瓷基质。更好的是，磨料复合物包括约20-80重量份磨粒和约80-20重量份陶瓷基质，最好的是，磨料复合物包括约25-75重量份磨粒和约75-25重量份陶瓷基质。
陶瓷磨料复合物可以是精确成形的或无规的(即非精确成形的)。如果具有无规的形状，则通常根据尺寸将磨料复合物分级以便在给定的磨料制品中形成相对均匀的磨料复合物尺寸。陶瓷磨料复合物较好具有精确的几何形状。起初，磨粒最好不突出陶瓷磨料复合物的表面。当用研磨磨料制品研磨工件时，陶瓷基质受损而露出新的磨粒。磨料复合物的形状可以是任何形状，并可选自多种几何形状，例如立方体、块状、圆柱体、棱柱、棱锥、锥台、圆锥、锥台、球、十字形或带有平顶面的柱。另一种形状是半球状，它描述在美国专利5,681,217中。最终磨料制品可以是不同形状和大小的磨料复合物的混合物，但是一般在给定的磨料制品中较好适用相同形状和尺寸的磨料复合物。可以预见底部的剖面形状可不同于顶面的剖面形状。例如，磨料复合物的底面可以是正方形的而顶面是圆形的。一般来说，磨料复合物的所有尺寸较好是大致相同的，例如是立方体。
陶瓷磨料复合物通常可如下制得：混合临时粘合剂、陶瓷基质前体、磨粒和足量的溶剂(通常是水)以湿润组分而形成可模塑的糊浆；随后将该可模塑的糊浆置于合适的模具中，空气干燥并取出固化的磨料复合物前体；从模具中取出后，使用筛网将复合物前体分离成单个的复合物；最后，烧制(通常在氧化性气氛(如空气)中)该复合物前体，制得多孔陶瓷磨料复合物。
一种制造精确成形磨料复合物的方法使用模具，该模具含有至少一个空腔，较好具有多个空腔。参见图6，模具70具有大致平面的表面72和多个空腔74。模具70可由刚性材料(如金属)制得或者由挠性材料(如聚合物膜)制得。模具可以是带状的、片状的、连续片即卷材、涂覆辊(如照相凹版辊)、安装在涂覆辊上的套筒或模头，并且可由金属(包括镀镍表面)、金属合金、陶瓷或聚合物组成。关于模具、制造方法、材料等的其它信息可参见美国专利5,152,917、5,435,816和EP0615816A。
空腔74负责产生陶瓷磨料复合物的形状，它具有特定的三维形状，一般为所需的磨料复合物形状和大小的翻版。空腔可具有任何几何形状，例如圆柱形、半球形、棱锥形、立方形、锥台、棱柱、圆锥、锥台或者顶面剖面是三角形、正方形、圆形、矩形、六角形、八角形的任何形状。选择空腔的尺寸和形状(将干燥过程中发生的收缩考虑在内)以获得所需的磨料复合物尺寸和形状。
可用任何常规技术(如口模涂覆、真空口模涂覆、喷涂、辊涂、转移涂覆、刮刀涂覆等)将糊浆涂覆在模具的空腔内。如果模具的空腔具有平的顶面或者相对直的侧壁，则在涂覆过程中较好采用真空以将夹杂的空气减至最少。可使用刮条或整平条将糊浆强制放入模具的空腔中。可除去未进入空腔的部分糊浆并重复使用之。
在将糊浆加入空腔前，可任选地将剥离涂层施涂在具有空腔74表面的模具70的表面上。剥离涂层的作用是容易从模具中取出干的糊浆。用于形成剥离涂层的常用材料包括低表面能材料，例如硅氧烷和含氟化合物。
在将糊浆加入模具空腔中以后，下一步是从糊浆中除去至少部分挥发性组分。较好的是，通过例如在室温、升温或其组合温度下的蒸发除去挥发性组分。升高的温度通常为约40-300℃。应避免高的干燥速率以免形成的磨料复合颗粒发生不合需求的开裂。必须从糊浆中除去足量的挥发性组分以便从模具中取出后它能保持其精确的形状。
接着，从模具空腔中取出磨料复合物前体。在干燥过程中的糊浆收缩使得用重力就可从模具中取出该复合物前体。可使用外部装置以帮助从模具中取出磨料复合物前体。这种外部装置的例子包括超声驱动的振动装置，将其与模具接触，它使模具振动以便松散颗粒前体。合适的超声装置可以BRANSON 902R购自Branson Ultrasonic Instructments，Danbury CT。
从模具中取出后，烧制形成的磨料复合物前体以烧去临时粘合剂，将陶瓷基质前体转化成多孔陶瓷基质。通常，在约350-550℃的温度下烧制约1-3小时可烧去临时粘合剂。较好的是，以约2℃/min的升温速率由大致室温升温至约450℃，随后在约450℃保温约1.5小时以烧去临时粘合剂。烧去临时粘合剂后，烧制磨料复合物前体以将陶瓷基质前体转化成陶瓷。通常是将磨料复合物前体在约600-950℃的温度下加热约1-3小时而进行所述烧制的。较好是较低的烧制温度(例如低于约750℃)和氧化性气氛。较好是较高的烧制温度(如高于约750℃)和惰性气氛(如氮气)。烧制的时间长短取决于各种因素，但是每200克磨料复合物前体约1小时烧制时间通常是足够的。较好的是，以连续的方法进行烧制步骤。在这种方法中，先烧去临时粘合剂，随后将温度升至所需的烧制温度。烧制使陶瓷基质前体转化成多孔陶瓷基质。烧制后，将多孔陶瓷基质复合物颗粒冷却至室温。
应理解本发明不限于所述用于形成陶瓷磨料复合物的技术。例如，可用成形模头挤出高粘度糊浆形成成形颗粒，随后将该颗粒切割成段。这种技术可例如参见欧洲专利申请0 615 816A(Broberg)。
使用无规(即非精确)形状的陶瓷磨料复合物也在本发明范围内。非精确成形的陶瓷磨料复合物可例如通过烧制糊浆料，随后粉碎形成的陶瓷磨料复合物块形成颗粒而制得。接着使用本领域已知的技术(如过筛)选择颗粒的大小以得到无规形状的陶瓷磨料复合物所需的粒径分布。
金属粘结涂层
在本发明磨料制品中，用一层或多层金属镀层将磨料复合物固定在背衬上。最好用电镀法将金属镀层施涂在背衬上。用于电镀的合适的金属包括，例如镍、铜、铜合金(例如黄铜或青铜)、钢及其合金。在某些实例中，需要在磨料制品中施涂一组金属粘结涂层(例如预涂层、构造涂层和上胶涂层)。
施涂一层或多层金属镀层的较好的电镀技术包括下列步骤：首先，将导电的背衬浸没在电镀液中并与电源连通。该电镀液含要电镀的金属的离子。例如当选用镍时，该电镀液可以是硫酸镍或氨基磺酸镍的溶液。电源还连接在要电沉积的金属棒或块上，它至少部分浸入该电镀液中。通过在背衬和金属棒或块之间施加电压差进行金属的电镀。在使得电镀液中存在的金属离子沉积在背衬上。为了将陶瓷磨料复合物固定在背衬上，在电沉积一层金属镀层或一组金属镀层前先将磨料复合物置于背衬上。
在一个较好的实例中，在加入陶瓷磨料复合物前先将一层薄的“预涂”层施涂在背衬上。一种较好的用作预涂层的电镀液是硫酸镍。施涂预涂层后，下一步是施加陶瓷磨料复合物并使用一层金属镀层或一组涂层将该复合物固定在背衬上。为了达到此目的，将陶瓷磨料复合物加至电镀液中。在电镀液中加入足够的复合物以便在背衬上形成所需的陶瓷磨料颗粒的面密度。通常，约25-75％的背衬涂覆面积，更好约30-70％的涂覆面积覆盖有陶瓷磨料复合物。较好的是，搅拌电镀液以在背衬上获得均匀的陶瓷磨料复合物涂层。复合物在电镀液中下沉并在背衬上着陆。在背衬上着陆后，金属电镀在陶瓷磨料复合物之间的背衬上，从而形成将陶瓷磨料复合物固定在背衬上的金属镀层。较好的是，金属镀层是由镍制成的并使用氨基磺酸镍溶液镀覆。任选地可在第一金属镀层上施涂第二金属镀层。第二金属镀层可以是与第一金属镀层相同的金属，或者是不同的金属。较好的是，这些镀层包括镍金属并使用硫酸镍电镀液施镀。
可任选地将一掩模置于背衬上以防止陶瓷磨料复合物固定在背衬的某些位置。这种技术可参见美国专利4,047,902(Wiand)。使用这种方法，可形成带图案的磨料涂层，在背衬上它具有清晰的无陶瓷磨料复合物的部分。
一层或多层金属镀层合并的厚度约1-200微米，通常占磨料制品中使用的陶瓷磨料复合物平均高度的约5-50％，较好约占10-30％。在本文中，陶瓷磨料复合物的高度是由复合物的底部(支承在背衬上的一侧)至复合物的顶部测定的，对于给定的复合物，它取决于复合物相对背衬的取向。作为例子，对于带高度为300微米的陶瓷磨料复合物的磨料制品，一层或多层金属镀层其合并的厚度通常约为15-150微米，较好约30-90微米。用这种方法，陶瓷磨料复合物突出在金属粘结镀层上，从而在研磨过程中，最外层金属镀层不与工件表面接触。相信该特征有助于防止不受控制地刮伤工件(如果在研磨过程中外层金属镀层与工件接触就会发生这种情况)。
有机上胶涂层
本发明磨料制品还可任选地包括有机上胶涂层，它施涂在陶瓷磨料复合物和金属镀层上。一般将有机上胶涂层描述成有机树脂或聚合物并且可任选地包括一种或多种填料、一种或多种湿润剂、一种或多种研磨助剂。有机上胶涂层较好施涂在磨料复合物和金属镀层上，用于增加磨料复合物的强度和/或磨料复合物与背衬材料的粘结强度。合适的有机上胶涂层包括热固性树脂，例如酚醛树脂、环氧树脂、氨基塑料树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、异氰脲酸酯树脂、丙烯酸化的异氰脲酸酯树脂、脲醛树脂、丙烯酸化的环氧树脂、丙烯酸化的聚氨酯树脂或其混合物。这些涂料可以是有机溶剂或水中的溶液，或者是100％固体。可使用任何常规的涂覆技术，包括例如辊涂、喷涂、刷涂或转移涂覆施涂该有机上胶涂料。典型的有机上胶涂层是热固化或干燥的，但是可辐照(如紫外光辐照)固化的树脂也在本发明范围内。有机上胶涂层的涂覆重量一般约为0.2-0.8g/cm2，较好约0.3-0.7g/cm2。
有机上胶涂层还可包括任选的添加剂，例如表面改性添加剂，偶合剂，填料，发泡剂、纤维、抗静电剂、固化剂、悬浮剂、光敏剂、润滑剂、湿润剂、表面活性剂、颜料、染料、紫外光稳定剂和抗氧剂。选择这些材料在磨料制品中的用量以提供所需的性能。
偶合剂的例子包括硅烷、钛酸盐、和锆铝酸盐。有机上胶涂层可含有约0-30％，较好0.1-25重量％的偶合剂。市售的偶合剂的例子包括购自OSiSpecialties，Danbury，CT的A174和A1230。市售的偶合剂的另一个例子是钛酸异丙酯三异硬脂酰(isosteroyl)，它以KR-TTS购自Kenrich Petrochemicals，Bayonne，NJ。
有机上胶剂还可包括填料。填料是一种颗粒材料，平均粒径一般为0.1-50微米，通常约1-30微米。适用于本发明的填料的例子包括：金属碳酸盐(例如碳酸钙-白垩、方解石、泥灰土、石灰华、大理石和石灰石；碳酸镁钙、碳酸钠和碳酸镁)，二氧化硅(例如石英、玻璃珠、玻璃泡和玻璃纤维)，硅酸盐(例如滑石、粘土-蒙脱石；长石，云母，硅酸钙，偏硅酸钙，铝硅酸钠，硅酸钠，硅酸锂和含水或无水硅酸钾)，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，氢氧化铝，炭黑，金属氧化物(例如氧化钙-石灰；氧化铝，氧化铈，氧化锡，二氧化锡，二氧化钛)和金属亚硫酸盐(例如亚硫酸钙)，热塑性颗粒(聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、聚酯、聚乙烯、聚砜、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚丙烯、缩醛聚合物、聚氨酯、尼龙颗粒)和热固性颗粒(例如酚醛泡、酚醛珠、聚氨酯泡沫颗粒)等。填料还可以是盐，例如卤化物盐。卤化物盐的例子包括氯化钠、冰晶石钾、冰晶石钠、冰晶石铵、三氟硼酸钾、四氟硼酸钠、氟化硅、氯化钾和氯化镁。金属填料的例子包括锡、铅、钼、钴、锑、镉、铁、钛。其它各种填料包括硫、有机硫化合物、石墨和金属硫化物。有机上胶涂层通常包括约40-60重量％填料，较好包括约45-60重量％填料，最好包括约50-60重量％填料。较好的填料包括偏硅酸钙、白色氧化铝、碳酸钙、氧化硅、氧化铈及其混合物。特别好的填料混合物是偏硅酸钙和白色氧化铝。
悬浮剂的一个例子是表面积小于150m2/g的无定形氧化硅颗粒，它以OX-50购自DeGussa Corp.，Ridgefield Park，NJ。加入悬浮剂可降低磨料糊浆的总粘度。悬浮剂的使用进一步描述在美国专利5,368,619中。
根据用于研磨工件所需的构造，磨料制品可转化成任何所需的形状或形态。典型的形状是直径约8英寸(20.3cm)的圆盘。可采用切割、冲切、激光切割。水流切割或任何合适的方法进行所述转化。
研磨工件的方法
本发明磨料制品用于研磨工件，例如，陶瓷、玻璃陶瓷和玻璃工件，它能令人惊奇地在相对短的时间内除去大量材料而仍能形成很光滑的表面。例如，本发明磨料制品能提供约1.5微米或更小，较好1.0微米或更小，更好100埃或更小，最好25埃或更小的表面粗糙度值(Ra)。Ra是磨料工业中常用的表面光洁度或粗糙度的尺度。一般来说，Ra值越低，表面光洁度越高。Ra定义为外形偏离一参考中心线的绝对值的算术平均值之和。可使用表面光度仪(例如以TAYLOR-HOBSONSURTRONIC 3购自Rank Taylor Hobson，Leicester，England的表面光度仪)测定Ra(表面粗糙度)。尽管不愿受理论的束缚，但是认为本发明磨料制品提供的精细的表面光洁度(即低Ra)归因于相邻的磨料复合物之间的凹陷以及陶瓷磨料复合物本身的空穴形成的高碎屑除去率。本发明磨料制品形成的精细的表面光洁度还归因于陶瓷磨料复合物和一层或多层金属镀层之间的空间关系，在研磨加工过程中它减少，最好消除了金属镀层与工件之间的接触。
在研磨过程中，磨料制品相对工件移动，并被紧压在工件上，施加的压力较好约为0.5-45g/mm2，更好为约0.7-40g/mm2。如果压力太高，则磨料制品不能修复刮痕深度，在某些情况下会增加刮痕深度。同样，如果压力太大，则磨料制品会过分磨损。相反，如果压力太低，磨料制品不能有效地从工件上除去材料。在某些用途中，可将工件压在磨料制品上。
如上所述，在研磨过程中，工件或磨料制品或两者可相对移动。这种移动可以是旋转运动、无规运动或直线运动。可将磨料制品附着在旋转的工具上形成旋转运动。工件和磨料制品可以相同的方向或相反的方向旋转，但是如果采用相同的方向，则应具有不同的旋转速度。在一种较好的方法中，磨料制品是圆盘状的，并沿其中心轴旋转。对于研磨机械，其转速最高可达约30000rpm，较好约10-25000rpm，更好约20-20000rpm，这取决于磨料制品。可采用无规的轨道机械实施无规的轨道运动，可采用连续的磨料带产生直线运动。工件和磨料制品之间的相对移动还取决于工件的尺寸。如果工件相对较大，在研磨过程中较好移动磨料制品，而使工件保持固定。
研磨或抛光工件的较好方法是使用液体或润滑剂的“湿”研磨法。润滑剂具有许多与其相关的优点。例如，在研磨过程中润滑剂存在下的研磨抑制了热的产生，并从磨料制品和工件之间的界面上除去碎屑。术语“碎屑”用于表示用磨料制品研磨除去的现行碎片。在某些情况下，碎屑会破坏研磨的工件表面。因此需要从界面上除去碎屑。在润滑剂存在下研磨还可在工件表面上形成更精细的光洁度。
合适的润滑剂包括含一种或多种下列物质的水基溶液：胺、矿物油、煤油、矿油精、油的水溶性乳液、聚氮丙啶、乙二醇、单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、丙二醇、硼酸胺、硼酸、羧酸胺、松油、吲哚、硫铵盐、酰胺、六氢-1，3，5-三乙基三嗪、羧酸、2-巯基苯并噻唑钠、异丙醇胺、三亚乙基二胺四乙酸、丙二醇甲醚、苯并三唑、吡啶硫醇-1-氧钠和己二醇。润滑剂还可包括腐蚀抑制剂、真菌抑制剂、稳定剂、表面活性剂和/或乳化剂。
市售的乳化剂包括，例如商品名为BUFF-O-MINT(购自AmeratronProducts)、CHALLENGE 300HT或605HT(购自Intersurface Dynamics)、CIMTECHGL2015、CIMTECH CX-417和CIMTECH 100(CIMTECH购自Cincinnati Milacron)、DIAMOND KOOL或HEAVY DUTY(购自Rhodes)、K-40(购自LOH Optical)、QUAKER101(购自Quaker State)、SYNTILO 9930(购自Castrol Industrial)、TIM HM(购自Master Chemical)、LONG-LIFE 20/20(购自NCH Corp)、BLASECUT 883(购自Blaser Swisslube)、ICF-31NF(购自Du Bois)、SPECTRA-COOL(购自Salem)、SURCOOL K-11(购自Texas Ntal)、AFG-T(购自Noritake)、SAFETY-COOL 130(购自Castrol Industrial)和RUSTLICK(购自Devoon)。
在某些液用途中，磨料制品是粘附在支承垫上的。支承垫可由泡沫(例如聚氨酯或橡胶泡沫)、橡胶、弹性体或任何其它合适的材料制造。选择支承垫材料的硬度和/或可压缩性以提供所需的研磨特性(切削速率、磨料制品产品寿命和工件表面光洁度)。
支承垫可具有连续的和相对平坦的表面以固定磨料制品。或者，支承垫可具有不连续的固定磨料制品的表面，该表面存在一系列突起的部分和凹陷的部分。在不连续的表面的情况下，磨料制品可仅固定在突起的部分上。相反，磨料制品可固定在多于一个突起部分上，使得磨料制品并非整体上被支承。可选择支承垫上的不连续表面以提供所需的润滑剂流量和所需的研磨特性(切削速率、磨料制品的产品寿命和工件表面光洁度)。
支承垫可具有任何形状，如圆形、矩形、正方形、椭圆形等。支承垫的尺寸(最长尺寸)可约为5-1500cm。
可用压敏粘合剂、钩-圈紧固件、机械紧固件或永久粘合剂将粘合剂制品固定在支承垫上。该附着装置应使磨料制品紧紧地固定在支承垫上并能经受玻璃研磨的严酷性(湿环境、产生热和压力)。
适用于本发明的压敏粘合剂的代表性例子包括胶乳绉纱、松香、丙烯酸聚合物和共聚物，例如，聚丙烯酸丁酯、聚丙烯酸酯，乙烯基醚，例如，聚乙烯基正丁醚，醇酸粘合剂，橡胶粘合剂，例如天然橡胶、合成橡胶、氯化橡胶及其混合物。
或者，磨料制品可包括钩-圈型附着体系以将磨料制品附着在支承垫上。圈织物可位于镀覆磨料的背面而钩则在支承垫上。或者，钩位于镀覆磨料的背面，而圈织物在支承垫上。这种钩-圈型附着体系可进一步参见美国专利4,609,581、5,254,194、5,505,747和PCT WO95/19242。
实施例
下列非限定性的实施例用于进一步说明本发明。除非另有说明，否则实施例中的所有份、百分数、比例等均是以重量计的。
实施例1
将64重量份糊精(以STANDEX 230购自A.E.Stanley Mfg.Co.，Decatur，IL)溶解在36重量份去离子水中制得临时粘合剂溶液。
用螺旋桨混合叶将含有108.0g临时粘合剂溶液、120.0g氧化铝-硼硅酸盐玻璃(包括18.0％B2O3、8.5％Al2O3、2.8％BaO、1.1％CaO、2.1％Na2O、2.9％K2O、1.0％Li2O和63.6％SiO2，购自Specialty Glass Inc.，Oldsmar，FL)、120.0g金刚石磨粒(名义粒径为6微米，购自American Boarts Crushing Inc.，Boca Raton，FL)充分搅拌5分钟，随后在超声波浴(Cole-Palmer 8852，购自Cole-Palmer Instrument Co.，Chicago，IL)中将频率设定在47kHz将其搅动30分钟。将形成的糊浆涂覆在聚丙烯模具的空腔中，用刮刀除去过量的糊浆。该模具是根据美国专利5,152,917(Pieper等)所述制得的。聚丙烯模具中的空腔是锥台状的，深356微米、开口处493微米×493微米，底部302微米×302微米。在室温将模具中的糊浆用空气干燥1小时，随后在75℃强制空气干燥1小时。干燥后，使模具底面与超声波驱动的振动钛条(以BRANSON 902R购自BransonUltrasonic Instruments，Danbury CT)接触从模具中推出干的磨料复合物前体。在耐火坩埚(购自Ipsen Ceramic，Pecatonica，IL)烧制该干的前体。以2℃/min将烧制温度由室温升至450℃，随后在450℃保温1.5小时以烧去临时粘合剂。随后以2℃/min的速率将前体加热至720℃并在空气中在720℃保温1.5小时。烧制后，以约2℃/min的速率将形成的多孔陶瓷磨料复合物冷却至室温。
使用测力计(FGV-50A型，购自Shimpo Instruments，Lincolnwood，IL)通过压缩测定形成的磨料复合物的强度。使陶瓷磨料复合物破裂的中位负荷约为12磅(5.5kg)。形成的多孔陶瓷磨料复合物的显微照片显示存在尺寸约为1-20微米的空穴。
用硫酸镍浴(包括约280g/l硫酸镍、60g/l氯化镍和44g/l硼酸)用309A/m2的电流密度在直径约8英寸(20.3cm)、厚0.060英寸(1.52cm)的圆盘形青铜背衬上镀覆镍预涂层5分钟。随后将镀覆镍的青铜背衬转移至氨基磺酸镍浴(包括约475g/l氨基磺酸镍、25g/l氯化镍和33g/l硼酸)。在氨基磺酸镍浴中的同时，将上述陶瓷磨料复合物加入该浴并在重力的作用下以无规的方式沉积在背衬表面上，沉积密度约为0.06g/cm2。在氨基磺酸镍浴中以247A/m2的电流密度电镀镍金属1.5小时，将磨料复合物固定在背衬上。
接着将固定有磨料复合物的背衬转移至硫酸镍浴(包括约280g/l硫酸镍、60g/l氯化镍和44g/l硼酸)中，以432A/m2的电流密度镀覆第二镍镀层100分钟。所有的沉积均是在3.5V电压下进行的。
在3英寸(7.62cm)×0.5英寸(1.27cm)的浮法玻璃盘(浮法玻璃购自BrinNorthweatern，Mpls，MN，并用水流切割成所需的尺寸)上测定除去(即切削)速率，评价实施例1的磨料制品的研磨性能。在变速抛光机上(以BUEHLER ECOMET抛光机购自Buehler Ltd，Lake Bluff，IL)磨料制品的转速为500rpm，接触压力为8.4psi(5900kg/m2)。在磨料制品的工件之间加入润滑剂，它含20重量％在水中的丙三醇(购自E.M.Science，Cherry Hill，NJ)，流量约为24.4英尺3/min(400cm3/min)。结果列于表1。
比较例A
比较例A是购自美国3M公司的一个金属粘结的6微米金刚石磨盘。比较例A包括一个8英寸(20.3cm)青铜圆盘，带有通过电镀的金属镀层固定在圆盘表面上的单层6微米金刚石磨粒。
在3英寸(7.62cm)×0.5英寸(1.27cm)的浮法玻璃盘(浮法玻璃购自BrinNorthweatern，Mpls，MN，并用水流切割成所需的尺寸)上测定除去(即切削)速率，评价比较例A的磨料制品的研磨性能。在变速抛光机上(以BUEHLER ECOMET抛光机购自Buehler Ltd，Lake Bluff，IL)磨料制品的转速为500rpm，接触压力为8.4psi(5900kg/m2)。在磨料制品的工件之间加入润滑剂，它含20重量％在水中的丙三醇(购自E.M.Science，Cherry Hill，NJ)，流量约为24.4英尺3/min(400cm3/min)。结果列于表1。
                               表  1
  时间(小时)     实施例1     比较例A
总切削(g) 切削速率(g/min) 总切削(g) 切削速率(g/min)
    0.1     0.53     0.156     0.01     0.002
    4.9     48.58     0.46475     0.01     0
    10.2     119.78     0.15575     0.01     0
    14.9     168.86     0.27775     0.01     0
    19.6     229.92     0.13175     0.01     0
    23.9     257.33     0.179449     0.01     0
实施例2
将64重量份糊精(以STANDEX 230购自A.E.Stanley Mfg.Co.，Decatur，IL)溶解在36重量份去离子水中制得临时粘合剂溶液。
用螺旋桨混合叶将含有81.0g临时粘合剂溶液、120.0g氧化铝-硼硅酸盐玻璃(包括18.0％ B2O3、8.5％ Al2O3、2.8％ BaO、1.1％ CaO、2.1％Na2O、2.9％ K2O、1.0％ Li2O和63.6％ SiO2，购自Specialty Glass Inc.，Oldsmar，FL)、60.0g金刚石磨粒(名义粒径为74微米，购自American Boarts Crushing Inc.，BocaRaton，FL)充分搅拌5分钟，随后在超声波浴(Cole-Palmer 8852，购自Cole-Palmer Instrument Co.，Chicago，IL)中将频率设定在47kHz将其搅动30分钟。将形成的糊浆涂覆在聚丙烯模具的空腔中，用刮刀除去过量的糊浆。该模具是根据美国专利5,152,917(Pieper等)所述制得的。聚丙烯模具中的空腔是锥台状的，深356微米、开口处493微米×493微米，底部302微米×302微米。在室温将模具中的糊浆用空气干燥1小时，随后在75℃强制空气干燥1小时。干燥后，用超声波驱动振动钛条(以BRANSON 902R购自Branson Ultrasonic Instruments，Danbury CT)从模具中推出干的磨料复合物前体。在耐火坩埚(购自Ipsen Ceramic，Pecatonica，IL)烧制该干的前体。以2℃/min将烧制温度由室温升至450℃，随后在450℃保温1.5小时以烧去临时粘合剂。随后以2℃/min的速率将前体加热至720℃并在空气中在720℃保温1.5小时。烧制后，以约2℃/min的速率将形成的多孔陶瓷磨料复合物冷却至室温。
使用测力计(FGV-50A型，购自Shimpo Instruments，Lincolnwood，IL)通过压缩测定形成的陶瓷磨料复合物的强度。使磨料复合物破裂的中位负荷约为12磅(5.5kg)。形成的多孔陶瓷磨料复合物的显微照片显示存在尺寸约为1-20微米的空穴。
用硫酸镍浴(包括约280g/l硫酸镍、60g/l氯化镍和44g/l硼酸)用309A/m2的电流密度在直径约8英寸(20.3cm)、厚0.060英寸(1.52cm)的圆盘形青铜背衬上镀覆镍预涂层5分钟。随后将镀覆镍的青铜背衬转移至氨基磺酸镍浴(包括约475g/l氨基磺酸镍、25g/l氯化镍和33g/l硼酸)。在氨基磺酸镍浴中的同时，将上述陶瓷磨料复合物加入该浴并在重力的作用下以无规的方式沉积在背衬表面上，沉积密度约为0.28g/cm2。在氨基磺酸镍浴中以247A/m2的电流密度电镀镍金属1.5小时，将磨料复合物固定在背衬上。
接着将固定有磨料复合物的背衬转移至硫酸镍浴(包括约280g/l硫酸镍、60g/l氯化镍和44g/l硼酸)中，以308A/m2的电流密度镀覆第二镍镀层60分钟。所有的沉积均是在3.5V电压下进行的。
在3英寸(7.62cm)×0.5英寸(1.27cm)的浮法玻璃盘(浮法玻璃购自BrinNorthweatern，Mpls，MN，并用水流切割成所需的尺寸)上测定除去(即切削)速率，评价实施例2的磨料制品的研磨性能。在变速抛光机(以BUEHLER ECOMET抛光机购自Buehler Ltd，Lake Bluff，IL)磨料制品的转速为500rpm，接触压力为8.4psi(5900kg/m2)。在磨料制品的工件之间加入润滑剂，它含20重量％在水中的丙三醇(购自E.M.Science，Cherry Hill，NJ)，流量约为24.4英尺3/min(400cm3/min)。结果列于表2。
比较例B
比较例B是购自美国3M公司的一个金属粘结的72微米金刚石磨盘。比较例B包括一个8英寸(20.3cm)青铜圆盘，带有通过电镀的金属镀层固定在青铜圆盘表面上的单层74微米金刚石磨粒。
在3英寸(7.62cm)×0.5英寸(1.27cm)的浮法玻璃盘(浮法玻璃购自BrinNorthweatern，Mpls，MN，并用水流切割成所需的尺寸)上测定除去(即切削)速率，评价比较例B的磨料制品的研磨性能。在变速抛光机(以BUEHLER ECOMET抛光机购自Buehler Ltd，Lake Bluff，IL)磨料制品的转速为500rpm，接触压力为8.4psi(5900kg/m2)。在磨料制品的工件之间加入润滑剂，它含20重量％在水中的丙三醇(购自E.M.Science，Cherry Hill，NJ)，流量约为24.4英尺3/min(400cm3/min)。结果列于表1。
               表  2
  时间(分钟)     总切削(g)
    实施例2     比较例B
    15     215.57     81.75
    25.5     375.89     131.23
    54     758.84     258.78
    67.3     913.99     314.23
使用表面光度计(以TAYLOR-HOBSON SURTRONIC 3购自Rank Taylor Hobson，Leicester，England)测定Ra(表面粗糙度)。用实施例1磨料制品研磨的工件的Ra为0.99-1.52微米。用比较例A磨料制品研磨的工件的Ra为1.72-2.12微米。
实施例3
将22.5重量份糊精(以STANDEX 230购自A.E.Stanley Mfg.Co.，Decatur，IL)溶解在67.5重量份去离子水中制得临时粘合剂溶液。用滤纸抽滤该临时粘合剂溶液以除去粗颗粒。
用螺旋桨混合叶将含有90.0g临时粘合剂溶液、90.0g氧化铝-硼硅酸盐玻璃(包括18.0％ B2O3、8.5％ Al2O3、2.8％ BaO、1.1％ CaO、2.1％ Na2O、2.9％ K2O、1.0％ Li2O和63.6％ SiO2，购自Specialty Glass Inc.，Oldsmar，FL)、30.0g金刚石磨粒(名义粒径为0.3微米，购自American Boarts Crushing Inc.，BocaRaton，FL)、1.2g Cyanasol AY50(购自American Cyanamid Co.，Parsippany，NJ)和0.4g Dow Additive 65(购自Dow Corning，Midland，MI)充分搅拌5分钟，随后在超声波浴(Cole-Palmer 8852，购自Cole-Palmer Instrument Co.，Chicago，IL)中将频率设定在47kHz将其搅拌30分钟。将形成的糊浆涂覆在聚丙烯模具的空腔中，用刮刀除去过量的糊浆。该模具是根据美国专利5,152,917(Pieper等)所述制得的。聚丙烯模具中的空腔是锥台状的，深356微米、开口处493微米×493微米，底部302微米×302微米。在室温将模具中的糊浆用空气干燥1小时，随后在75℃强制空气干燥1小时。干燥后，用超声波驱动振动钛条(以BRANSON902R购自Branson Ultrasonic Instruments，Danbury CT)从模具中推出干的磨料复合物前体。在耐火坩埚(购自Ipsen Ceramic，Pecatonica，IL)烧制该干的前体。以1.5℃/min将烧制温度由室温升至400℃，随后在400℃保温2.0小时以烧去临时粘合剂。随后以1.5℃/min的速率将前体加热至700℃并在空气中在700℃保温1.0小时。烧制后，以约2℃/min的速率将形成的多孔陶瓷磨料复合物冷却至室温。
使用测力计(FGV-50A型，购自Shimpo Instruments，Lincolnwood，IL)通过压缩测定形成的陶瓷磨料复合物的强度。使磨料复合物破裂的中位负荷约为12磅(5.5kg)。形成的多孔陶瓷磨料复合物的显微照片显示存在尺寸约为1-20微米的空穴。
用硫酸镍浴(包括约280g/l硫酸镍、60g/l氯化镍和44g/l硼酸)用309A/m2的电流密度在直径约8英寸(20.3cm)、厚0.060英寸(1.52cm)的圆盘形青铜背衬上镀覆镍预涂层5分钟。随后将镀覆镍的青铜背衬转移至氨基磺酸镍浴(包括约475g/l氨基磺酸镍、25g/l氯化镍和33g/l硼酸)。在氨基磺酸镍浴中的同时；将上述陶瓷磨料复合物加入该浴并在重力的作用下以无规的方式沉积在背衬表面上，沉积密度约为0.06g/cm2。在氨基磺酸镍浴中以247A/m2的电流密度电镀镍金属1.5小时，将磨料复合物固定在背衬上。
接着将固定有磨料复合物的背衬转移至硫酸镍浴(包括约280g/l硫酸镍、60g/l氯化镍和44g/l硼酸)中，以308A/m2的电流密度镀覆第二镍镀层60分钟。所有的沉积均是在3.5V电压下进行的。
在3英寸(7.62cm)AlTiC陶瓷圆盘工件(以ALTIC 310购自美国3M公司)上测定除去(即切削)速率，评价形成的磨料制品的研磨性能。在变速抛光机(以BUEHLER ECOMET抛光机购自Buehler Ltd，Lake Bluff，IL)磨料制品的转速为500rpm，接触压力为8.4psi(5900kg/m2)。在磨料制品的工件之间加入润滑剂，它含20重量％在水中的丙三醇(购自E.M.Science，Cherry Hill，NJ)，流量约为24.4英尺3/min(400cm3/min)。结果列于表3。
          表  3
    时间(分)     总切削(g)
    30     0.3419
    60     0.6414
    90     0.9101
    120     1.133
使用表面光度计(以TENCOR LONGSCAN PROFILOMETER MODEL P-2购自TencorInstrumrnts，Mountainview，CA)测定Ra(表面粗糙度)。用实施例3磨料制品研磨的工件的Ra为16-21埃。
实施例4
在如实施例1所述制得的磨料制品上涂覆一层有机上胶层。该有机上胶涂料液包括100g可溶酚醛树脂(该可溶酚醛树脂为78％在水中的固体，含0.75-1.8％游离甲醛和6-8％游离苯酚)、40g自来水、0.4g硅烷偶合剂(以A1000购自OSiSpecialties，Danbury CT)、0.4g湿润剂(以SIL WET L7604购自Union Carbide)、120g氧化铈抛光化合物(以OPALINE POLISHING COMPOUND购自Rhobe-Poulenc Co.，France)。将有机上胶涂料液的组分加入一个烧杯中并混合约30分钟。将该有机上胶涂料刷涂在实施例1所述的磨料制品的磨料涂层上。将该磨料制品在95℃的烘箱中放置1.5小时，在105℃放置8小时，随后在135℃放置3小时以固化该上胶涂层。有机上胶涂层的涂覆重量为0.07g/英寸2(0.45g/cm2)。

Claims (67)

1.一种磨料制品，它包括：
具有第一主表面和第二主表面的刚性背衬；
许多陶瓷磨料复合物，各个磨料复合物包括许多分布在整个多孔陶瓷基质中的磨粒；和
至少一层金属镀层，它将陶瓷磨料复合物固定在背衬的一个主表面上，所述金属镀层的厚度小于所述陶瓷磨料复合物的平均高度。
2.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述多孔陶瓷磨料复合物的空穴体积约占5-70％。
3.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述磨粒的Mohs硬度为9或更高。
4.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述磨粒选自金刚石、立方氮化硼、熔凝氧化铝、陶瓷氧化铝、热处理的氧化铝、碳化硅、碳化硼、氧化铝氧化锆、氧化铁、氧化铈、石榴石及其混合物。
5.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述磨粒的粒径约为0.05-100微米。
6.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述磨粒包括粒径约0.05-100微米的金刚石颗粒。
7.如权利要求1所述的磨料制品，它还包括施涂在陶瓷磨料复合物和金属镀层上的有机上胶涂层。
8.如权利要求7所述的磨料制品，其特征在于所述有机上胶涂层包括选自酚醛树脂、环氧树脂、氨基塑料树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、异氰脲酸酯树脂、丙烯酸化的异氰脲酸酯树脂、脲-醛树脂、丙烯酸化的环氧树脂、丙烯酸化的聚氨酯树脂或其混合物的热固性树脂。
9.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述多孔陶瓷基质包括含金属氧化物的玻璃，所述金属氧化物选自氧化铝、氧化硼、氧化硅、氧化镁、氧化钠、氧化锰、氧化锌及其混合物。
10.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述多孔陶瓷基质包括含Si2O、B2O3和Al2O3的氧化铝-硼硅酸盐玻璃。
11.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述背衬的刚性模量约为1×106磅/英寸2或更高。
12.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述背衬的刚性模量约为10×106磅/英寸2或更高。
13.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述背衬包括金属。
14.如权利要求13所述的磨料制品，其特征在于所述金属背衬选自铝、钢、镍、铜、锡、锌、铬及其合金。
15.如权利要求13所述的磨料制品，其特征在于所述金属背衬的厚度约0.3-10mm。
16.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述金属镀层包括选自镍、铜、黄铜、青铜、钢及其合金的金属。
17.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述金属镀层的厚度约为1-200微米。
18.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述金属镀层的厚度约为陶瓷磨料复合物平均高度的5-50％。
19.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述金属镀层的厚度约为陶瓷磨料复合物平均高度的10-30％。
20.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述金属镀层是用电镀法沉积在背衬上的。
21.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述金属镀层包括至少两层依次施加的金属层。
22.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述陶瓷磨料复合物具有精确的形状。
23.如权利要求22所述的磨料制品，其特征在于所述具有精确形状的陶瓷磨料复合物的形状选自立方体、块状、圆柱体、棱柱、棱锥、棱锥台、圆锥、圆锥台、十字形、半球形、球形、和带有平顶面的柱。
24.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述陶瓷磨料复合物的平均尺寸约为30-1000微米。
25.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述陶瓷磨料复合物包括约10-90重量份磨粒和90-10重量份陶瓷基质。
26.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述陶瓷磨料复合物无规分布在背衬的主表面上，并覆盖该主表面的约25-75％。
27.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述陶瓷磨料复合物在涂覆区无规分布在背衬的主表面上，所述涂覆区被非涂覆区相互隔开，在非涂覆区基本上无固定在背衬上的陶瓷磨料复合物。
28.如权利要求27所述的磨料制品，其特征在于所述涂覆区是馅饼状的、矩形的、圆形的、六边形的、三角形的、五边形的或其组合形的。
29.一种磨料制品，它包括固定在背衬一个主表面上的至少两种权利要求1所述的磨料制品。
30.一种研磨工件的方法，它包括下列步骤：
(a)使工件表面与权利要求1所述的磨料制品接触，使磨料制品的陶瓷磨料复合物与工件表面接触；
(b)在工件和磨料制品之间的界面上施加一液体；
(c)相对移动工件和磨料制品，使磨料制品研磨工件表面，形成一表面粗糙度。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述液体包括丙三醇和水的混合物。
32.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述工件包括玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于所述工件是浮法玻璃。
34.如权利要求32所述的方法，其特征在于所述工件是AlTiC。
35.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述磨料制品和工件的接触压力约为0.5-45g/mm2。
36.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述磨料制品的形状是圆盘状的，其中心轴与圆盘垂直，并且移动步骤是使该圆盘沿其中心轴旋转。
37.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述工件的表面粗糙度约为1.50微米或更小。
38.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述工件的表面粗糙度约为1.00微米或更小。
39.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述工件的表面粗糙度约为100埃或更小。
40.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述工件的表面粗糙度约25埃或更小。
41.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述多孔陶瓷磨料复合物的空穴体积约占5-70％。
42.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述磨粒的Mohs硬度为9或更高。
43.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述磨粒选自金刚石、立方氮化硼、熔凝氧化铝、陶瓷氧化铝、热处理的氧化铝、碳化硅、碳化硼、氧化铝氧化锆、氧化铁、氧化铈、石榴石及其混合物。
44.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述磨粒的粒径约为0.05-100微米。
45.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述磨粒包括粒径约0.05-100微米的金刚石颗粒。
46.如权利要求30所述的方法，它还包括施涂在陶瓷磨料复合物和金属镀层上的有机上胶涂层。
47.如权利要求46所述的方法，其特征在于所述有机上胶涂层包括选自酚醛树脂、环氧树脂、氨基塑料树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、异氰脲酸酯树脂、丙烯酸化的异氰脲酸酯树脂、脲-醛树脂、丙烯酸化的环氧树脂、丙烯酸化的聚氨酯树脂或其混合物的热固性树脂。
48.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述多孔陶瓷基质包括含金属氧化物的玻璃，所述金属氧化物选自氧化铝、氧化硼、氧化硅、氧化镁、氧化钠、氧化锰、氧化锌及其混合物。
49.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述多孔陶瓷基质包括含Si2O、B2O3和Al2O3的氧化铝-硼硅酸盐玻璃。
50.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述背衬的刚性模量约为1×106磅/英寸2或更高。
51.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述背衬的刚性模量约为10×106磅/英寸2或更高。
52.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述背衬包括金属。
53.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述金属背衬选自铝、钢、镍、铜、锡、锌、铬及其合金。
54.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述金属背衬的厚度约0.3-10mm。
55.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述金属镀层包括选自镍、铜、黄铜、青铜、钢及其合金的金属。
56.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述金属镀层的厚度约为1-200微米。
57.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述金属镀层的厚度约为陶瓷磨料复合物平均高度的5-50％。
58.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述金属镀层的厚度约为陶瓷磨料复合物平均高度的10-30％。
59.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述金属镀层是用电镀法沉积在背衬上的。
60.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述金属镀层包括至少两层依次施加的金属层。
61.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述陶瓷磨料复合物具有精确的形状。
62.如权利要求60所述的方法，其特征在于所述具有精确形状的陶瓷磨料复合物的形状选自立方体、块状、圆柱体、棱柱、棱锥、棱锥台、圆锥、圆锥台、十字形、半球形、球形、和带有平顶面的柱。
63.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述陶瓷磨料复合物的平均尺寸约为30-1000微米。
64.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述陶瓷磨料复合物包括约10-90重量份磨粒和90-10重量份陶瓷基质。
65.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述陶瓷磨料复合物无规分布在背衬的主表面上，并覆盖该主表面的约25-75％。
66.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述陶瓷磨料复合物在涂覆区无规分布在背衬的主表面上，所述涂覆区被非涂覆区相互隔开，在非涂覆区基本上无固定在背衬上的陶瓷磨料复合物。
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