CN1646262A - 含磨粒团聚物的多孔磨具其制备磨粒团聚物的方法 - Google Patents
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Abstract
一种结粘磨具，它具有能渗透流体的结构。该磨具包含由许多磨粒和粘合材料组成的烧结团聚物，其中粘合材料的特征是熔点在500－1400℃之间，烧结团聚物的疏松堆积密度≤1.6g/cc，并具有三维形状；粘合材料；约35－80vol％的总孔隙率，其中包括至少30vol％的连通孔。还介绍了制备烧结团聚物和制备包含烧结团聚物的磨具的方法。
Description
发明领域
本发明涉及粘合磨具，它们使用一些磨粒团聚物面成为多孔；还涉及制备磨粒团聚物的方法。
发明背景
磨具一般制成多种级别或结构，这些级别或结构由复合磨粒基体中磨粒、粘合剂和孔隙的相对体积百分数确定。在许多研磨操作中，磨具的孔隙率，特别是渗透性或连通结构的孔隙率可提高研磨操作的效率和被研磨工件的质量。可在磨粒复合混合物中加入孔隙诱发剂，如发泡氧化铝和萘，以便加压模制并处理成多孔未固化磨具，在最终的磨具中产生足够体积百分数的孔隙率。
由磨粒和粘合剂颗粒在加压模制过程中堆积形成的天然孔隙率不足以得到某些研磨操作所需的孔隙特性。虽然可以通过加入生孔剂来提高孔隙百分数，但用本领域已知的生孔剂(例如空心陶瓷或玻璃球)无法得到开放孔道或连通孔隙。有些生孔剂(例如胡桃壳和萘)必须从研磨基体中烧掉，这给生产带来了诸多困难。此外，由于生孔剂、粘合材料和磨粒的密度相差甚远，常常引起研磨混合物在运送和模制过程中分层，这就会破坏最得磨具三维结构的均匀一性。
研究发现，对于磨具的研磨性能，连通孔的体积百分数或流体渗透率是比单纯的体积百分孔隙率更加重要的因素。Wu的美国专利A-5738696介绍了制备粘合磨具的方法，它采用长宽比至少为5∶1的长形磨粒。粘合磨轮的渗透性结构含55-80％(体积)的连通孔。在研磨过程中，利用连通孔可除去磨轮中的研磨废料(碎屑)，并使冷却液流通。连通孔的存在可通过测定磨轮在受控条件下对空气的渗透性而得到证实。该长形磨粒在形成磨轮之前没有发生团聚或以其他方式被粘合剂涂敷。Wu的美国专利A-5738697介绍了高渗透性磨轮，它们含有相当多的连通孔(40-80％，体积)。这些磨轮由长径比至少为5∶1的纤维状颗粒基体制备。纤维状颗粒可以是烧结的溶胶凝胶氧化铝磨粒或普通非纤维状磨粒，与各种纤维填料和垫子以及由纤维状颗粒形成的团聚物混合而成，其中所述纤维填料如陶瓷纤维、聚酯纤维和玻璃纤维。纤维状磨粒在形成磨轮之前没有发生团聚，也没有涂敷粘合剂。
使磨粒发生团聚是出于多种目的，其中主要的目的是用较小的粒径得到与较大粒径一样的研磨效率。在许多情况下，用粘合材料使磨粒发生团聚，得到孔较少的结构和密度较大的磨具，其中磨粒粘合更牢。据报道，磨粒团聚物能提高研磨效率，提高机理与磨具中孔隙的多少和性质完全无关。
Jackson的美国专利A-2194472介绍的涂覆磨具由许多较精细的磨粒和涂覆磨具或粘合磨具中常用的粘合剂形成的团聚物制备。可用有机粘合剂将团聚物粘着到涂覆磨具的背衬上。用团聚物而不是一个个磨粒制备的涂覆磨具的特征，是磨削较快、使用寿命长、适合在工件上产生精细的表面光洁度。
Benner的美国专利A-2216728介绍了由任何类型的粘合剂制备的磨粒/粘合剂团聚物。制备这种团聚物的目的是获得密度非常高的磨轮结构，以便在研磨操作中保留金刚石或CBN磨粒。如果制成的团聚物有多孔结构，则其目的是让团聚物之间的粘合材料流进团聚物的孔中，从而在烧结过程中充分增加该结构的密度。团聚物允许使用在通常的生产中容易流失的精细磨粒。
Hurst的美国专利A-3048482介绍了磨粒团聚物和有机粘合剂形成的成形研磨微小片段，其形状为棱锥或其他锥形。此成形研磨微小片段粘着到纤维质背衬上，用来制备涂覆磨具，并用来为薄磨轮的表面作为衬里。该发明的特征是，与不含磨粒团聚物的微小片段的磨具相比，它磨削寿命长，可控制磨具的柔性，强度和速度安全性高，具有回弹作用和高效磨削作用。
Elbel的美国专利A-3982359介绍了树脂粘合剂和磨粒的团聚物的制备，树脂粘合剂的硬度高于用来粘合磨具中的团聚物的树脂粘合剂。含团聚物的橡胶粘合磨轮具有更快的研磨速率和更长的使用寿命。
Heyer的美国专利A-4355489介绍了由波纹状纤维和磨粒团聚物制备的磨具(轮、盘、带、片、块等)，其空隙率约为70-97％，其中波纹状纤维在互相接触点粘合在一起。团聚物可用玻璃质或树脂粘合剂和任何磨粒制备。
Bitzer的美国专利A-4364746介绍了含强度不同的各种磨粒团聚物的磨具。团聚物由磨粒和树脂粘合剂制备，也可包含用来增加强度或硬度的其他材料，如短切纤维。
Eisenberg等人美国专利A-4393021介绍了用磨粒和树脂粘合剂制备磨粒团聚物的方法，它采用筛网，让磨粒和粘合剂的浆液轧过筛网，形成蠕虫状挤出物。通过加热使挤出物硬化后，再粉碎成团聚物。
Bloecher的美国专利A-4799939介绍了由磨粒、空心体和有机粘合剂构成的可磨蚀团聚物以及这些团聚物在涂覆磨具和粘合磨具上的应用。含有团聚物的磨具据称具有更高的磨削量、更长的寿命，并能用于湿研磨条件。团聚物的最大尺寸宜为150-3000微米。为制备团聚物，可将空心体、磨粒、粘合剂和水混合成浆液，通过加热或辐射固化此浆液除去水，在鄂式破碎机或滚碎机中粉碎此固体混合物并过筛。
Wetshcer的美国专利A-5129189介绍了含树脂粘合剂基体的磨具，该基体中包含磨粒、树脂和填料如冰晶石组成的聚结物。
Benguerel的美国专利A-5651729介绍了一种磨轮，它有一个芯子和研磨边缘，研磨边缘由树脂粘合剂和粉碎的团聚物制备，该团聚物由金刚石或CBN磨粒与金属粘合剂或陶瓷粘合剂构成。据介绍，由此团聚物制备的磨轮所具有的优点包括磨削间隙度高、耐磨损性高、轮抗机械性能高，具有自磨锐特征，并能直接将研磨边粘合到磨轮芯子上。在一种实施方式中，可将用过的金刚石或CBN粘合研磨边破碎成大小为0.2-3mm的团聚物。
Kressner的美国专利A-4311489介绍了由细(≤200微米)磨粒、冰晶石还或可由硅酸盐粘合剂组成的团聚物，还介绍了它们在制备涂覆磨具中的应用。
Rostoker的美国专利A-4541842介绍了涂覆磨具和磨轮，它们由磨粒泡沫材料组成的团聚物制备，所述泡沫材料由玻璃质粘合材料与其他适合在焙烧团聚物的过程中发泡的原料，如碳黑或碳酸盐制备。团聚“小球”比颗粒所含粘合剂的百分数(体积百分数)高。用来制备磨轮的小球在900℃烧结(至密度为70磅/立方英尺；1.134g/cc)，用来制备磨轮的玻璃质粘合剂在880℃烧结。由16vol％小球制备的磨轮的研磨效率类似于由46vol％磨粒制备的比较磨轮。在玻璃质粘合基体内的这些小球包含开放孔隙，较小的磨粒集中围绕在此开放孔隙周围。该专利提到用旋转窑焙烧预团聚的生团聚物，然后发泡、烧结成小球。
Christianson的美国专利5975988介绍了涂覆磨具，它包含一个背衬和有机粘合磨粒层，磨料层中的磨料以成形团聚物存在，其形状是截顶四棱锥或立方形。团聚物由粘合在无机粘合剂中的超磨粒制备，无机粘合剂的热膨胀系数等于或基本等于磨粒的热膨胀系数。
Stoetzel等人的WO 00/51788介绍了含背衬、有机粘合剂(其中分散有硬无机颗粒)和粘合在背衬上的磨粒团聚物的磨具。团聚物中的磨粒和无机粘合剂中的硬无机颗粒的尺寸基本上相同。团聚物可以具有任意形状或一定的精确形状，它们由有机粘合剂制备。硬无机颗粒可以是各种磨粒。
Imai等人的美国专利6086467介绍了磨轮，它包含磨粒和由尺寸小于磨粒的填料颗粒组成的颗粒簇。可以使用玻璃质粘合剂，填料颗粒可以是氧化铬。颗粒簇的尺寸是磨粒的1/3或更大。其优点包括可以控制粘合剂的腐蚀，包括用超磨粒在小力研磨用途中磨粒的保留性，其中超磨粒必须进行稀释，以使研磨力最小。填料颗粒簇可由石蜡形成。该专利没有提到填料颗粒簇的烧结现象。
Adefris等人的WO 01/04227 A2介绍的磨具包含一个刚性背衬和由磨粒在多孔陶瓷基体中制备的陶瓷研磨复合物。所述复合物通过金属涂层如电镀金属附着到背衬上。
这些原有技术没有一个提出在制备磨具的过程中使用多孔磨粒团聚物和粘合剂颗粒来控制孔隙百分数和孔隙特征，使粘合磨具中的孔隙保持为具有渗透性、连通形式的孔隙。没有一个专利提到用旋转焙烧炉生产各种用于磨具的磨粒团聚物。本发明的方法和磨具是用现有磨粒和粘合剂的团聚混合物制备新结构，它们的精妙之处在于有控制地设计和制备各种不同的磨具结构，它们具有有利的双模连通孔特征。这种双模连通孔提高了磨具的性能，特别是在大接触面、精密研磨操作，如缓进表面研磨、内径研磨和磨具间研磨过程中的性能。
发明概述
本发明涉及粘合磨具，它具有能渗透流体的结构。该磨具包括：
a)约5-75vol％烧结团聚物，它包含许多用粘合材料粘合在一起的磨粒，粘合材料的特征是熔点在500-1400℃之间，烧结团聚物在制成磨具之前具有三维形状和初始尺寸分布。
b)粘合剂；
c)约35-80vol％的总孔隙率，其中包括至少30vol％的连通孔；
其中，粘合磨具中至少有50wt％的烧结团聚物在制成磨具后保持三维形状。
在另一种实施方式中，本发明涉及玻璃质粘合磨具，它具有能渗透流体的结构。该磨具包括：
a)约5-75vol％烧结团聚物，它包含许多用粘合材料粘合在一起的磨粒，粘合材料的特征是在熔点下具有粘度A；
b)玻璃质粘合剂，其特征在于在粘合材料的熔点下具有粘度B，粘度B至少比粘度A小33％；
c)约35-80vol％的总孔隙率，其中包括至少30vol％的连通孔。
本发明还涉及玻璃质粘合磨具，它具有能渗透流体的结构。该磨具包括：
a)约5-60vol％烧结团聚物，它包含许多用粘合材料粘合在一起的磨粒，粘合材料的特征是具有熔点A；
b)玻璃质粘合剂，其特征在于具有熔点B，熔点B比熔点A至少低150℃；
c)约35-80vol％的总孔隙率，其中包括至少30vol％的连通孔。
另一方面，本发明的磨具是粘合磨具，它具有能渗透流体的结构。该磨具包括：
a)约34-56vol％磨粒；
b)约3-25vol％粘合剂；
c)约35-80vol％的总孔隙率，其中包括至少30vol％的连通孔；
其中，形成连通孔时没有加入生孔介质，也没有加入长度与截面宽度的长宽比至少为5∶1的长形材料。
本发明还涉及制备本发明团聚物和磨具的工艺。
本发明涉及使磨粒发生团聚的方法，它包括如下步骤：
a)在旋转焙烧窑中加入磨粒和粘合材料，控制加料速度，粘合材料选自玻璃质粘合材料、玻璃质材料、陶瓷材料、无机粘合剂、有机粘合剂、水、溶剂和它们的混合物；
b)让窑转动，控制转动速度；
c)加热混合物至约145-1300℃，加热速率由进料速度和转窑速度确定；
d)振摇窑中的磨粒和粘合材料，直到粘合材料粘着到磨粒上，众多磨粒粘合在一起产生许多烧结的团聚物；
e)从窑中取出那些烧结团聚物，
所得烧结团聚物具有初始三维形状和疏松堆积密度(≤1.6g/cc)，包含许多磨粒。
本发明还涉及磨粒的烧结团聚物，其制备方法包括如下步骤：
a)在旋转焙烧窑中加入颗粒和粘合材料，控制加料速度；
b)使窑转动，控制转动速度；
c)加热混合物至约145-1300℃，加热速率由进料速度和转窑速度确定；
d)振摇窑中的磨粒和粘合材料，直到粘合材料粘着到磨粒上，众多磨粒粘合在一起产生许多烧结的团聚物；
e)从窑中取出那些烧结团聚物，
所得烧结团聚物具有初始三维形状和疏松堆积密度(≤1.6g/cc)，包含许多磨粒。
利用这种工艺，可制备包含5-75vol％磨粒团聚物的磨具，其方法包括如下步骤：
a)在旋转焙烧窑中加入磨粒和粘合材料，控制加料速度，粘合材料选自玻璃质粘合材料、玻璃质材料、陶瓷材料、无机粘合剂、有机粘合剂、水、溶剂和它们的混合物；
b)使窑转动，控制转动速度；
c)加热混合物至约145-1300℃，加热速率由进料速度和转窑速度确定；
d)振摇窑中的磨粒和粘合材料，直到粘合材料粘着到磨粒上，众多磨粒粘合在一起产生许多烧结的团聚物；
e)从窑中取出那些烧结团聚物，这些烧结团聚物包含许多通过粘合材料粘合在一起的磨粒，具有初始三维形状和疏松堆积密度(≤1.6g/cc)；
f)将烧结团聚物模制成一个成形复合体；
g)对成形复合体进行热处理，形成磨具。
还介绍了用本发明磨具进行研磨的方法，特别是表面研磨的方法。
附图简述
图1是进行本发明磨粒团聚物制备过程的旋转窑的示意图。
图2是本发明磨轮截面的显微照片，它由团聚物颗粒制备(照片上较亮的区域)，具有团聚物颗粒内孔隙(照片上较小、较暗的区域)和团聚物颗粒间的连通孔隙(照片上较暗的区域)。
图3是用原有技术制备、用于比较的磨轮的截面显微照片，从照片可以看到，该磨轮结构中没有团聚物颗粒，也没有大的连通孔。
发明详述
本发明的磨粒团聚物是三维结构的团聚物，是磨粒和粘合材料的烧结多孔复合物。团聚物具有疏松堆积密度(≤1.6g/cc)，平均尺寸约为平均研磨粒度的2-20倍，孔隙率约为30-88vol％。磨粒团聚物的最小粉碎强度的值宜为0.2MPa。
磨粒可包含一种或多种已知用于磨具的磨粒，如氧化铝颗粒(包括熔凝氧化铝、烧结和溶胶凝胶烧结氧化铝、烧结矾土等)、碳化硅、氧化铝-氧化锆、铝氧氮、氧化铈、低价氧化硼、石榴石、燧石、金刚石(包括天然和合成金刚石)、立方氮化硼(CBN)和它们的混合物。可以采用任何尺寸或形状的磨粒。例如，磨粒可包括长形的烧结溶胶凝胶氧化铝颗粒，其长径比高，如美国专利5129919所述。
适用于本发明的磨粒尺寸在常规磨粒粒度(例如60-7000微米)到微磨粒粒度(例如0.5-60微米)之间，以及在此范围之间的混合尺寸。对于一给定研磨操作，可能需要加以团聚的磨粒的粒度小于通常为此研磨操作选定的磨粒(非团聚)粒度。例如，对粒度为80号的磨粒进行团聚可替代54号磨粒，对100号磨粒进行团聚可替代60号磨粒，对120号磨粒团聚可替代80号磨粒。
典型磨粒的优选烧结团聚物的平均直径约在200-3000微米之间，更宜在350-2000微米之间，最好在425-1000微米之间。对于微磨粒，优选烧结团聚物的平均直径约在5-180微米之间，更宜在20-150微米之间，最好在70-120微米之间。
磨粒占团聚物的比例约为10-65vol％，更宜为35-55vol％，最好为48-52vol％。
适用于制备团聚物的粘合材料包括陶瓷和玻璃质材料，宜为在玻璃质粘合磨具中用作粘合体系的材料。这些玻璃质粘合材料可以是研成粉末的预烧玻璃(玻璃料)，或者各种原料如粘土、长石、石灰、硼砂和苏打，或者玻璃料与原料的混合物。这些材料在约500-1400℃范围内熔化形成液态玻璃相，湿润磨粒的表面，冷却后产生粘合柱，从而将磨粒固定在复合结构中。适用于团聚物的粘合材料的例子列于下表2。优选粘合材料的特征是它们在1180℃时的粘度约为345-55300泊，熔点约为800-1300℃。
在一优选实施方式中，粘合材料是玻璃质粘合组合物，它包含煅烧过的氧化物组合物，组成为71wt％SiO2和B2O3、14wt％Al2O3、低于0.5wt％碱土金属氧化物和13wt％碱金属氧化物。
粘合材料也可以是陶瓷材料，包括(但不限于)氧化硅，碱金属硅酸盐、碱土金属硅酸盐、混合碱金属和碱土金属硅酸盐、硅酸铝、硅酸锆、水合硅酸盐、铝酸盐、氧化物、氮化物、氧氮化物、碳化物、氧碳化物和它们的混合物及衍生物。一般地说，陶瓷材料与玻璃材料或玻璃质材料的不同之处，是陶瓷材料为晶体结构。晶体结构中可能混有某些玻璃相，特别是在原始状态的陶瓷材料。原料状态的陶瓷材料，如粘土、水泥和矿物，都可用于本发明。适用于本发明的陶瓷材料的具体例子包括(但不限于)氧化硅、硅酸钠、多铝红柱石和其他铝硅酸盐、氧化锆-多铝红柱石、铝酸镁、硅酸镁、硅酸锆、长石和其他碱金属-铝硅酸盐、尖晶石、铝酸钙、铝酸镁和其他碱金属铝酸盐、氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆、氧化镁、氧化钙、氧化铈、氧化钛或其他稀土添加剂、滑石、氧化铁、氧化铝、勃姆石、氧化硼、氧化铈、氧化铝-氧氮化物、氮化硼、氮化硅、石墨和这些陶瓷材料的混合物。
粘合材料可以粉末形式使用，可加入液体介质，以确保在制备团聚物的过程中，粘合材料和磨粒形成均匀混合物。
在粉末粘合材料组分中较好加入有机粘合剂的分散凝，作为模制或加工助剂。这些粘合剂可包括糊精、淀粉、动物蛋白胶和其他类型的胶；液体组分，如水、溶剂、粘度改性剂或pH改性剂；混合助剂。用有机粘合剂可提高团聚物的均匀一性，特别是粘合材料在颗粒中分散的均匀一性，还可提高预烧或生团聚物的质量，以及含团聚物的烧结磨具的质量。因为粘合剂在烧结团聚物的过程中烧掉了，它们不构成最终团聚物或最终磨具的一部分。
因为要提高混合质量，可在混合物中加入无机粘合促进剂，以提高粘合材料与磨粒的粘着力。在制备团聚物的时候，不管用不用有机粘合剂，都可以采用无机粘合促进剂。
虽然在本发明的团聚物中宜使用高温熔合粘合材料，但粘合材料也可包含其他无机粘合剂、有机粘合剂、有机粘合材料、金属粘合材料和它们的混合物。粘合材料宜采用在磨具工业上用作有机粘合磨具、涂覆磨具、金属粘合磨具等的粘合剂的那些材料。
粘合材料在团聚物中的含量约为0.5-15vol％，更宜为1-10vol％，最好为2-8vol％。
只要生产磨具和用它进行研磨所需团聚物机械强度范围允许，团聚物的孔隙率(vol％)宜尽可能高。孔隙率可以为30-80vol％，宜为40-80vol％，最好为50-75vol％。团聚物内孔隙部分(例如约达75vol％)宜为连通孔或者允许流体渗透的孔，所述流体包括液体(例如研磨冷却剂和浆状物)和空气。
团聚物密度可用多种方式表达。团聚物的体密度可表达为LPD。团聚物的相对密度可表达为初始相对密度的百分数，或者团聚物的相对密度与用来制备团聚物的组分的相对密度之比，此时考虑到团聚物中连通孔的体积。
初始平均相对密度可用百分数表示，它是对LPD()除以假定孔隙率为0时的团聚物理论密度(ρ0)而计算得到的。理论密度可根据混合物体积规则，由团聚物中的粘合剂和磨粒的重量百分数和比重计算。对于本发明的烧结团聚物，最大百分数相对密度为50vol％，更宜为30vol％。
相对密度可利用流体置换体积技术测定，以便包括连通孔隙而排除密闭孔隙。相对密度是通过体积置换测定的烧结团聚物的体积与用来制备烧结团聚物的材料的体积之比。用来制备团聚物的材料体积是根据用来制备团聚物的磨粒和粘合材料的量和堆积密度的表观体积的一种衡量。对于本发明的烧结团聚物，其最大相对密度宜为0.7，更宜为0.5。
团聚物可用各种技术制成各种尺寸和形状。这些技术可在对磨粒和粘合材料的初始混合物(“生料”)进行焙烧之前、当中或之后进行。为使粘合材料熔化、流动，从而使粘合材料粘着到磨粒上，并将磨粒聚结成团聚物形式，可以采用对混合物加热的步骤，该步骤即称作焙烧或烧结。本领域中已知用来使颗粒发生团聚的任何方法都可用来制备磨粒团聚物。
在本发明制备团聚物工艺的第一种实施方式中，磨粒和粘合材料初始混合物对其焙烧之前使其发生团聚，生成机械强度较弱的结构，称作“生团聚物”或“预烧团聚物”。
为实现此第一实施方式，磨粒和粘合材料可以多种不同的技术以生料形式进行团聚，例如用造粒机，然后送入旋转窑进行烧结。生团聚物可放在托盘或架子上，然后放在炉子中以连续方式或批量方式焙烧，不需要振摇。
磨粒可送到流化床中，然后用含粘合材料的液体润湿，将粘合材料粘着到磨粒上，过筛，选择大小合适的团聚物，然后在炉子或焙烧设备中焙烧。
进行盘式造粒时，可将磨粒加入一混合碗中，将含粘合材料的液体组分(例如水或有机粘合剂和水)定量加到磨粒上，搅拌，使之团聚在一起。粘合材料的分散液可含有有机粘结剂可喷射到磨粒上，然后可混合此经涂覆的磨粒，形成团聚物。
可用低压挤出设备将磨粒和粘合材料的浆料挤出成一定尺寸和形状，然后干燥形成团聚物。粘合材料和磨粒的浆料可通过有机粘合剂溶液制成，用美国专利A-4393021所介绍的设备和方法出形挤成长的团聚物颗粒。
在干造粒过程中，将磨粒包埋在粘合材料的分散液或浆液中制备的片或块进行干燥，然后用轧辊压机破碎磨粒和粘合材料形成的复合物。
在另一种制备生团聚物或前体团聚物的方法中，可在模制装置中加入粘合材料和磨粒的混合物，然后将此混合物模制形成精确的形状和尺寸，模制方法如美国专利6217413 B1所述。
在本发明制备团聚物工艺的第二种实施方式中，将颗粒与粘合材料(可以有有机粘合剂)的简单混合物送入图1所示类型的旋转焙烧设备中。沿预定斜面以预定转速振摇混合物，同时加热。粘合材料混合物受热熔化、流动并粘着到颗粒上后，就形成了团聚物。控制进料的速度和体积以及加热的速率，同时实施焙烧和团聚步骤。进料速度一般这样设定，使流动料大约占据旋转焙烧设备的管道(即窑)体积的8-12％。设备中的最高温度要这样选择，使液态粘合材料的粘度保持在至少约1000泊。这可避免过多的粘合材料流到管道表面，并避免粘合材料从磨粒表面流失。
图1所示类型的旋转焙烧设备可用来完成团聚过程，使团聚并焙烧团聚物的过程一步完成。如图1所示，将加料斗(10)中粘合材料和磨粒的进料(11)送入定量加料磨具(12)，然后将混合物定量加入空心加热管(13)中。管(13)的倾角(14)约为0.5-5.0度，这样进料(11)可借助重力进到空心管(13)。同时，沿箭头(a)所示方向旋转空心管(13)，控制速率，使进料(11)和受热混合物(18)在通过空心管的时候得到振摇。
对空心管(13)的一部分加热。在一种实施方式中，加热部分可包含三个加热区(15，16，17)，其长度(d1)占空心管(13)120英寸(305mm)长度(d2)中的60英寸(152mm)。这三个加热区便于操作者控制加热温度，并根据焙烧团聚物的需要改变温度。在其他型号的设备中，空心管可只包含一两个加热区，也可以包含三个以上的加热区。尽管在图1中没有示出，该设备配有加热装置以及机械、电子和温度控制装置与传感装置，以用来完成加热过程。从空心管(13)的截面图可以看到，进料(11)在管子中转变为受热混合物(18)，它从管子出来后，收集到的是团聚物颗粒(19)。空心管壁的内径(d3)在5.5-30英寸(14-76mm)之间，外径(d4)在6-36英寸(15-91mm)之间，具体取决于用来制造空心管的材料型号和类型(例如难熔金属合金、耐火砖、碳化硅、富铝红柱石)。
管子的倾角可在0.5-5.0度之间，管子的旋转速度可为0.5-10rpm。小尺寸旋转焙烧炉的进料速度约为5-10kg/h，工业生产规模的进料速度约为227-910kg/h。旋转焙烧炉可加热到800-1400℃的烧结温度，进料进入加热区时可以200℃/min的速率加热。进料从加热区移动到处于管子最后一段的非加热区时，就发生冷却。所得产物可用诸如水冷却系统冷却到室温，然后收集起来。
合适的旋转焙烧设备可购于Harper International(Buffalo，New York)或Alstom Power，Inc.，Applied Test Systems，Inc.和其他设备生产商。该设备可以与电子过程控制装置和检测装置、冷却系统、各种加料装置和其他可用的装置连接。
当用低温(例如约145-500℃)固化粘合材料来使磨粒团聚时，可用这种旋转窑设备的一种替代形式。在该替代形式中，可在管子的卸料端配备一个旋转干燥器，提供热空气，加热磨粒混合物，使粘合材料固化，将其粘着到颗粒上，从而使磨粒发生团聚收集起来。这里所用术语“旋转焙烧窑”包括这种旋转干燥设备。
在本发明制备团聚物工艺的第三种实施方式中，将磨粒、粘合材料和有机粘合剂物系的混合物送入炉子，不需要预团聚，然后加热。将该混合物加热到足够高的温度，使粘合材料熔化、流动并粘着到颗粒上，然后冷却，形成复合物。粉碎此复合物，过筛，获得烧结团聚物。
在第四种实施方式中，团聚物在制成磨具之前不进行烧结，而是用粘合材料将“生”团聚物模制成一个磨具坯体，再烧结此坯体，形成磨具。在完成此过程的一种优选方法中，用高粘度(熔化形成液体时)玻璃质粘合材料将磨粒团聚成生料状态。在炉子中干燥此生团聚物，与第二种粘度宜较低的玻璃质粘合组合物混合，然后模制成生磨具生坯形式。焙烧此生坯磨具，温度既要能有效熔化高粘度玻璃质粘合材料，但又不致使其流动。所选烧结温度要足够高，使粘合材料组合物熔合成玻璃，从而使颗磨粒发生团聚，还要使粘合组合物流动，使团聚物粘合，最后形成磨具。在此工艺中，选用粘度不同的材料和熔合温度或熔点不同的材料并非必需。在用这种技术由生料团聚物制备磨具时，可采用本领域已知的粘合材料的其它混合物。
本发明的粘合磨具包括磨轮、分段式磨轮、磨盘、磨石和其他整体或分段成形的研磨复合体。本发明的磨具包含约5-75vol％的磨粒团聚物，宜含10-60vol％，最好含20-52vol％。
在一个优选实施方式中，玻璃质粘合磨具包含约3-25vol％，较好含4-20vol％，最好含5-19vol％的粘合剂。算上磨粒团聚物和粘合剂，这些磨具包含约35-80vol％的孔，其中包含至少30vol％的连通孔，宜含55-80vol％的孔，其中包含至少50vol％的连通孔。玻璃质粘合磨具可包含35-52vol％的烧结团聚物、3-13vol％的玻璃质粘合剂和35-70vol％的孔。
连通孔的量可根据美国专利A-5738696所述方法，通过测定磨具的流体渗透性来确定。在这里，Q/P＝磨具的流体渗透性，其中Q表示空气流量，单位为cc，P表示压力差。Q/P代表在某种流体(例如空气)的给定流量下，磨具结构与大气之间测出的压力差。此相对渗透性Q/P与孔隙率和孔径平方的乘积成正比。孔径越大越好。孔的几何形状和磨粒尺寸是影响Q/P的其他因素，粒度越大，相对渗透性越高。
本发明磨具的特征是比原有可比较磨具具有更高的流体渗透值。这里所说“原有可比较磨具”是用与本发明相同的磨粒和粘合材料制备的具有相同孔隙率和粘合剂体积百分数的磨具。一般地，本发明磨具的流体渗透值比原有可比较磨具的值高约30-100％。本发明磨具的流体渗透值较好比原有可比较磨具的值至少高10％，更好高30％。
对于特定的团聚物尺寸和形状、粘合剂类型和孔隙率，实际的相对流体渗透参数可通过将D’Arcy定律应用于给定类型的磨具的经验数据确定。
磨轮内的孔隙形成于磨具组分，特别是研磨团聚物的天然堆积密度提供的开放空间，并形成于或可加入的常规生孔介质。合适的生孔介质包括(但不限于)空心玻璃球、磨碎的胡桃壳、塑料或有机化合物的空心球或空心珠、泡沫玻璃颗粒、多铝红柱石泡和氧化铝泡以及它们的混合物。磨具可用开放孔生孔剂制备，如萘球或其他有机颗粒，它们在烧结磨具的过程中烧掉，在磨具基体中留下空隙。这些磨具也可以用闭孔空心生孔介质(例如空心玻璃球)制备。本发明的优选磨具要么不加生孔介质，要么加入少量生孔介质，用以有效产生孔隙率至少为30vol％(连通孔)的磨具。
本发明粘合磨具具有多孔结构。在此结构中，烧结团聚物的平均直径不大于连通孔的平均尺寸，该连通孔测定的是最大开口。
最后得到的磨具或可包含加入的次级磨粒、填料、研磨助剂和生孔介质以及这些物质的混合物。磨粒(团聚物颗粒和非团聚物的的磨粒)在磨具中的总体积百分数在约34-56vol％之间，宜在约36-54vol％之间，最好在约36-46vol％之间。粘合磨具的密度宜小于2.2g/cc。
当磨粒与磨粒团聚物同时使用时，团聚物宜约占磨具中磨粒总量的5-100vol％，更宜约占30-70vol％。当用到次级磨粒时，这些磨粒宜约占磨具中磨粒总量的0.1-95vol％，更宜约占30-70vol％。合适的次级磨粒包括(但不限于)各种氧化铝、溶胶凝胶氧化铝、烧结矾土、碳化硅、氧化铝-氧化锆、氧氮化铝、氧化铈、低氧化硼、立方氮化硼、金刚石、燧石和石榴石颗粒以及它们的混合物。
本发明磨具较好用玻璃质粘合剂粘合。本领域用于制备磨具的任何粘合剂均匀可选用于此。合适的粘合剂的例子见美国专利4543 107、4898597、5203886、5401284、5536283、5095665、5863308和5094672，它们参考结合于此。
焙烧之后，这些玻璃质粘合剂组合物较好包含(但不限于)以下氧化物的组合：SiO2、Al2O3、Na2O、Li2O和B2O3。也可存在其他氧化物如K2O、ZnO、ZrO2和碱土金属氧化物如CaO、MgO和BaO。如果需要粘合剂具有颜色，可添加氧化钴(CoO)或其他色源氧化物。在原料中作为杂质存在的其他氧化物，如Fe2O3、TiO2和P2O5和其他化合物可归入粘合剂中。除了粘合剂原料(或未焙烧的粘合材料)之外，可使用玻璃料，或者用后者替代前者。粘合剂原料包括粘土、高岭土、氧化铝、碳酸锂、五水合硼砂或硼酸、烧碱、燧石和钙硅石以及本领域已知的其他粘合材料。玻璃质粘合剂可以是玻璃材料或陶瓷材料，可含有无定形区，也可不含。
在粉末粘合组分中较好加入有机粘合剂，作为模制或加工助剂，其中粉末粘合组分可以是玻璃料或原料。这些粘合剂可包含糊精、淀粉、动物蛋白胶和其他类型的胶、液体组分如水、粘度调节剂或pH调节剂和混合助剂。采用粘合剂能提高磨轮的均匀性，也提高了预烧轮或压制轮生坯和烧结轮的结构质量。因为粘合剂在烧结过程中烧掉，它们不构成最终粘合磨具的一部分。
可在混合物中加入无机粘着促进剂，以促进玻璃粘合剂粘着到磨粒团聚物上，这是混合和模制过程所需要的。无机粘着促进剂可用来制备团聚物，此时可加入有机粘合剂，也可不加。
由某些团聚物，磨具可在不添加粘合材料的情况下制备，只要团聚物中存在的粘合材料足以提供合适的机械强度，适合于磨具的生产和磨具在研磨操作中的应用。例如，磨具可由至少70vol％的团聚物制备，团聚物中粘合材料的含量至少为5vol％。
磨具的密度和硬度由所选团聚物、粘合剂和其他磨具组分的类型、孔隙含量、模具大小和类型及所选压制工艺确定。
磨轮可用本领域已知的任何方法模制和压制，包括热压、温压和冷压技术。必须仔细选择形成生料轮的模制压力，以免过多压碎磨粒团聚物(例如超过50wt％的团聚物)，并保护团聚物的三维结构。制备本发明磨轮所需最大合适的压力取决于磨轮的形状、大小、厚度和粘合组分，还取决于模制温度。在普通生产过程中，最大压力范围约为3100-20000磅/英寸2(218-1406kg/cm2)。模制和压制较好在约775-1550kg/cm2，较好在465-1085kg/cm2下进行。本发明团聚物的机械强度足以抵抗在制备磨具的典型商业生产过程中所采用的模制和压制操作。
磨轮可通过本领域已知的方法烧结。烧结条件主要由实际所用粘合剂和研磨剂，以及磨粒团聚物中所含粘合材料类型确定。根据所选粘合剂的化学组成，若是玻璃质粘合剂可在600-1250℃烧结，较好在850-1200℃烧结，以提供对金属、陶瓷或其他材料研磨所需的机械性质。玻璃质粘合体用常规方法焙烧后，还可浸渍诸如硫磺的研磨助剂，或诸如环氧树脂的载体，使研磨助剂进入磨轮的孔中。
对合适的玻璃质粘合剂的选择取决于使用何种团聚工艺，粘合剂和团聚物中的粘合材料之间必须保持熔化或熔合温度差还是粘度差。
用磨粒团聚物制备玻璃质粘合磨轮或其他磨具的时候，可选用几种通用技术之一。第一种技术是，用烧结温度较高(例如在高于约1000℃熔合)的玻璃质粘合材料使颗粒发生团聚。然后用烧结温度较低(例如在低于650-975℃下熔合)的粉状玻璃质粘合组合物与磨粒团聚物混合，然后模制成磨具。生料阶段的磨具在第二种粘合材料的较低烧结温度下烧结，得到最终的磨具。在优选实施方式中，玻璃质粘合剂的粘合烧结温度比粘合材料的熔化或熔合温度至少低150℃。
第二种技术利用液态的熔化或熔合玻璃之间的粘度差，从而在制备团聚物和烧结磨轮时使用相同的温度。在第一个焙烧步骤中，可用高粘度玻璃质粘合材料使颗粒发生团聚。然后将焙烧过的团聚物与第二种低粘度玻璃质粘合组合物混合，模制成生料形式的磨具。模制磨具的烧结温度与制备团聚物的第一焙烧步骤所用温度大约相同，因为粘合材料处于炽热液态时，粘合材料不会因变得太稀薄而从颗粒上流掉。因此，团聚物的初始三维结构可得到保持。
在此技术的优选实施方式中，玻璃质粘合剂在粘合材料的熔点下的粘度比粘合材料在其熔点下的粘度至少低33％。因此，当粘合材料在1180℃下的粘度约为345-55300泊时，玻璃质粘合材料在1180℃的粘度约为30-37000泊。
在第三种技术中，可用其焙烧温度中等(例如约850-975℃)的粘合材料使磨粒发生团聚，但是是在高于粘合材料的熔合温度或熔点(例如1000-1200℃)的温度进行团聚。团聚物与用作玻璃质粘合组合物相同的粘合材料混合，将混合物模制成磨具生坯。磨具生坯在比熔化粘合材料使磨粒发生团聚的温度低的温度(例如约850-975℃)下烧结。较低的温度能使团聚物相互有效地粘合在一起。此工艺能保持团聚物的三维结构，因为第一层粘合材料在粘合磨具的烧结温度下不流动。
在第四种技术中，用相同的组合物作为磨轮的粘合材料和粘合剂，团聚过程和制备磨轮的过程在相同温度下完成。从理论上讲，因为粘合材料熔合成玻璃后，在团聚过程中粘着到磨粒上，粘合材料的性质已经发生改变。因此，烧结团聚物中的熔合粘合材料在比未熔合粘合材料高的温度下流动，团聚物在烧结磨轮的过程中保持形状不变。在一优选实施方式中，粘合材料和粘合剂用的组合物包含某些原料，不含烧结过的玻璃组合物。
在制备玻璃质磨具的第五种技术中，该磨具在不增加粘合材料的情况下制备。团聚物装到模具中，压制在约500-1400℃的温度范围内烧结，形成磨具。用于制备团聚物的粘合材料是玻璃质粘合组合物，粘合材料在团聚物中有足够的含量(例如约占团聚物的5-15vol％)，它们将玻璃质磨具成品中的团聚物粘合在一起。
团聚物可用粘合磨具生产行业已知的任何类型的粘合剂粘合在一起，如有机或树脂粘合剂和金属粘合剂。适用于玻璃质磨具的团聚物体积百分数范围也适用于金属和有机粘合磨具。有机和金属粘合磨具通常比玻璃质粘合磨具具有更高的粘合剂体积百分数，而具有更低的孔隙体积百分数，磨粒含量也更高。有机和金属粘合磨具可利用各种加工方法混合、模制和固化或烧结，磨粒或团聚物、粘合剂和孔隙组成的各种百分数与本领域所已知的相同。本发明的团聚物可用于单层金属粘合磨具中，也可用于多层三维结构整体磨具和分段式基体磨具中，如本领域已知的。
本发明磨具包括磨轮、磨盘、磨石和磨棒，它们特别适合用于磨具和工件之间接触面较大的研磨应用中。这种应用或研磨操作包括(但不限于)缓进研磨和其他精确表面研磨、多孔磨具间研磨操作、内径研磨操作和精细陶瓷及其他脆性工件的精细表面研磨。
用微米级或亚微米级磨粒进行的精细研磨或抛光操作将得益于由本发明团聚物制备的磨具的应用。相对于传统超精细加工工具或抛光磨具和系统，用这种细磨粒的团聚物制备的本发明磨具在较低研磨力下就能进行磨蚀，在精密光洁度操作(例如在玻璃和陶瓷组分上产生镜面磨光作用)中对工件很少产生或不会产生表面损伤。由于用了团聚物结构，特别是在单层磨具，同时也在三维基体和浆液磨具中的团聚结构，磨具使用寿命仍能使人满意。
在精密成形轮廓研磨中，团聚物的脆性可减少修整的循环次数。由于磨具中有连通孔，冷却剂的供给和碎屑的除去得到加强，使研磨操作在更低的温度下进行，从而对工件的热损伤更少，研磨机械的磨损也更少。因为在团聚物中的粒度较小的磨粒具有粒度较大的磨粒一样的研磨效率，但能得到更光滑的表面光洁度效果，所以工件的研磨质量常常得到显著提高。
以下一些实施例是为了说明本发明，而不是限制本发明。
实施例1
在旋转焙烧设备(电焙烧型，#HOU-5D34-RT-28，最高温度1200℃，输入功率30kW，配有长72”(183cm)、内径5.5”(14cm)的难熔金属管，由HarperInternational，Buffalo，New York生产)中制备一系列磨粒团聚物样品。用相同尺寸的碳化硅管取代难熔金属管，改进此设备，在1550℃的最高温度下操作。团聚过程在大气条件下进行，热区温度控制在设定的1180℃，设备管的旋转速率为9rpm，管子的倾角为2.5-3度，进料速率为6-10kg/h。所用设备基本上与图1所示设备相同。所得可用的自由流动的团聚物颗粒(-12目至留在筛盘上的颗粒)的产率为焙烧前进料总重的60-90％。团聚物样品由表1-1所示磨粒、粘合材料和水的简单混合物制备。用来制备样品的玻璃质粘合材料组合物列于表2。样品由三种类型的磨粒制备：熔凝氧化铝38A、熔凝氧化铝32A和烧结溶胶-凝胶α氧化铝Norton SG磨粒，购自Saint-Gobain Ceramics & Plastics，Inc.，Worcester，MA，USA，其粒度列于表。
在旋转焙烧设备中进行了团聚后，对磨粒团聚物样品过筛，测定疏松堆积密度(LPD)、粒径分布和团聚物强度。这些结果列于表1。
表1-1团聚物颗粒性质
| 样品号磨粒液体粘合材料 | 混合物重量磅(kg) | 粘合材料wt％(基于磨粒) | 粘合材料vol％a | LPD g/cc-12/筛盘 | 平均粒径分布微米 | 平均粒径分布目 | 平均相对密度％ | 粉碎50％时的压力MPa |
| 160号粒度38A水粘合材料A | 30.00(13.6)0.60(0.3)0.64(0.3) | 2.0 | 3.18 | 1.46 | 334 | -40/+50 | 41.0 | 0.6±0.1 |
| 290号粒度38A水粘合材料E | 30.00(13.6)0.90(0.4)1.99(0.9) | 6.0 | 8.94 | 1.21 | 318 | -45/+50 | 37.0 | 0.5±0.1 |
| 3120号粒度38A水粘合材料C | 30.00(13.6)0.2(0.5)3.41(1.5) | 10.0 | 13.92 | 0.83 | 782 | -20/+25 | 22.3 | 2.6±0.2 |
| 4120号粒度32A水粘合材料A | 30.00(13.6)0.90(0.4)1.91(0.9) | 6.0 | 8.94 | 1.13 | 259 | -50/+60 | 31.3 | 0.3±0.1 |
| 560号粒度32A水粘合材料E | 30.00(13.6)1.20(0.5)3.31(1.5) | 10.0 | 14.04 | 1.33 | 603 | -25/+30 | 37.0 | 3.7±0.2 |
| 690号粒度32A水粘合材料C | 30.00(13.6)0.60(0.3)0.68(0.3) | 2.0 | 3.13 | 1.03 | 423 | -40/+45 | 28.4 | 0.7±0.1 |
| 790号粒度SG水粘合材料A | 30.00(13.6)1.20(0.5)3.18(1.4) | 10.0 | 14.05 | 1.20 | 355 | -45/+50 | 36.7 | 0.5±0.1 |
| 8120号粒度SG水粘合材料E | 30.00(13.6)0.60(0.3)0.66(0.3) | 2.0 | 3.15 | 1.38 | 120 | -120/+140 | 39.1 | - |
| 960号粒度SG水粘合材料C | 30.00(13.6)0.90(0.4)2.05(0.9) | 6.0 | 8.87 | 1.03 | 973 | -18/+20 | 27.6 | - |
粘合材料Avol％是焙烧后团聚物颗粒(即粘合材料和颗粒)中固体材料的百分数，不包括孔的vol％。
焙烧团聚物中粘合材料vol％用粘合材料原料的平均LOI(焙烧损失)计算。
烧结团聚物用安装在振动筛分装置(Ro-Tap；型号RX-29；W.S.Tyler Inc.Mentor，OH)上的美国标准测试筛测定尺寸。网筛尺寸在18目-140目之间，适用于不同样品。烧结团聚物的疏松堆积密度(LPD)根据磨粒堆积密度的美国国家标准程序测定。
初始平均相对密度(用百分数表示)是对LPD(ρ)除以假定孔隙为零时的团聚物物理论密度(ρ0)计算。理论密度可根据混合物体积规则，由团聚物中的粘合剂和磨粒的重量百分数和比重计算。
团聚物的强度用加压测试测定。加压测试用位于Instron通用试验机(型号MTS 1125，20000磅(9072kg))上直径为1英寸(2.54cm)的润滑钢模进行，团聚物样品重5克。将团聚物样品装入模子，轻敲模子外壁，使样品表面稍稍变平。插入上冲头，放下十字头，直到记录仪上观察到一定的力(“初始位置”)。以恒定速率对样品增加压力(2mm/min)，直至得到180MPa的最大压力。团聚物样品的体积(样品的压缩LPD)从十字头的位移(应变)可以看出来，记作相对密度与外加压力对数的关系。然后对残余材料进行过筛，确定破碎部分的百分数。测定不同压力，建立外加压力的对数与破碎部分百分数之间的关系图。破碎部分等于团聚物样品的50wt％时的压力对数作为结果记录在表1中。破碎分数是通过较小网筛的破碎颗粒重量与样品初始重量之比。
这些团聚物具有适用于工业生产磨轮的LPD、粒径分布、模制强度和粒径保留特征。最终形成的烧结团聚物具有三维形状，包括三角形、立方形、矩形和其他几何形状。团聚物含有各种粒度的磨粒(例如粒度为2-20号)，它们通过玻璃粘合材料在磨粒与磨粒接触点部位粘合在一起。
团聚物粒径随着团聚物颗粒中粘合材料的增加而增加，粘合材料的范围在3-20wt％之间。
样品1-9均具有足够的耐压强度，表明玻璃粘合材料已经熟化并流动，在团聚物所含的磨粒之间产生有效粘合。由10wt％的粘合材料制备的团聚物比由2wt％或6wt％的粘合材料制备的团聚物明显具有更高的耐压强度。
LPD值越低，表明团聚程度越高。团聚物的LPD随着粘合材料wt％的增加和磨粒粒度的减小而减少。与6wt％和10wt％的粘合材料之间较小的差异相比，2wt％与6wt％的粘合材料之间的差异较大，表明少于2wt％的粘合材料不足以形成团聚物。在重量百分数较高，约高于6wt％时，再加入更多的粘合材料可能不利于得到明显更大或更强的团聚物。
如团聚物粒径结果所示，粘合材料C的样品在团聚温度下具有最低的熔化玻璃粘度，它在三种粘合材料中具有最低的LPD。磨粒类型对LPD没有显著影响。
表2用于团聚物的粘合材料
| 焙烧组合物成分b | 粘合材料Awt％(粘合材料A-1)a | 粘合材料Bwt％ | 粘合材料Cwt％ | 粘合材料Dwt％ | 粘合材料Ewt％ | 粘合材料Fwt％ |
| 玻璃形成剂(SiO2+B2O3) | 69(72) | 69 | 71 | 73 | 64 | 68 |
| Al2O3 | 15(11) | 10 | 14 | 10 | 18 | 16 |
| 碱土金属RO(CaO、MgO) | 5-6(7-8) | ＜0.5 | ＜0.5 | 1-2 | 6-7 | 5-6 |
| 碱金属R2O(Na2O、K2O、Li2O) | 9-10(10) | 20 | 13 | 15 | 11 | 10 |
| 比重g/cc | 2.40 | 2.38 | 2.42 | 2.45 | 2.40 | 2.40 |
| 1180℃时的估计粘度(泊) | 25590 | 30 | 345 | 850 | 55300 | 7800 |
a.括号中所列粘合材料A-1用于实施例2的样品。
b.存在约0.1-2％的杂质(例如Fe2O3和TiO2)。
实施例2
使用其他各种加工方式和原料制备了另一些团聚物样品。
利用旋转焙烧设备(型号HOU-5D34-RT-28，配有长120英寸(305cm)、内径5.75英寸(15.6cm)、厚3/8英寸(0.95cm)的多铝红柱石管，加热长度有60英寸(152cm)，分三个控温区。该装置由Harper International，Buffalo，New York生产)，在1100-1250℃范围内的不同烧结温度下制成一系列团聚物(样品10-13)。用可调节控制体积进料速率的Brabender进料装置向旋转焙烧设备的加热管计量送入磨粒和粘合材料的混合物。团聚过程在大气条件下进行，管子旋转速率为4rpm，管子的倾角为2.5度，进料速率为8kg/h。所用设备与图1所示设备基本上相同。制备这些团聚物的温度选择和所用其他参数列于表2-1。
所有样品包含89.86wt％的磨粒(60号粒度38A氧化铝颗粒，购自Saint-Gobain Ceramics & Plastics，Inc.)和10.16wt％的粘合剂混合物(6.3wt％AR30液体蛋白粘合剂、1.0wt％ Carbowax 3350 PEG和2.86wt％粘合材料A)组成的混合物。此混合物产生的烧结团聚物颗粒中含4.77vol％粘合材料和95.23vol％磨粒。团聚物颗粒的理论计算密度(假定没有孔隙)为3.852g/cc。
将混合物置于进料装置之前，通过模拟挤出过程形成生料团聚物。为制备此挤出团聚物，要加热液体蛋白粘合剂，溶解Carbowax 3350 PEG。然后在搅拌混合物的同时缓缓加入粘合材料。将磨粒加入一高剪切混合器中(直径44英寸(112cm))，将制备好的粘合材料-粘合剂混合物缓缓加入混合器中的磨粒里。搅拌合并的混合物3分钟。通过12目(美国标准筛尺寸)箱式筛将混合物湿筛到托盘上，形成最大深度为1英寸(2.5cm)的一层，得到湿的、生料(未焙烧)挤出团聚物。将挤出团聚物的层在90℃烘箱中干燥24小时。干燥后，用12-16目(美国标准筛尺寸)箱式筛再次将团聚物过筛。
在旋转焙烧过程中观察到，生料状态的团聚物受热时似乎发生破碎，然后翻滚出旋转焙烧管的加热部分出口时又重新形成。相对于焙烧后的团聚物颗粒，较大的生团聚物颗粒在目视检测样品时更容易看清楚。
焙烧后经观察，团聚物颗粒粒径非常均匀匀，足以满足商业目的，粒径分布在约500-1200微米之间。粒径分布的测定结果列于下面的表2-2。产率、尺寸、破碎强度和LPD均匀适合制备磨轮的商业用途。
表2-1
| 样品号 | 烧结温度a℃ | ％产率-12目 | 平均尺寸μm | LPDg/cc-12目 | 破碎50％时的压力MPa | ％产率-16/+35目 | 团聚物平均尺寸μm | LPDg/cc-16/+35目 |
| (10) | 1100 | n/ab | n/a | n/a | n/a | n/a | 536 | n/a |
| (11) | 1150 | 97.10 | 650 | 1.20 | 131 | 76.20 | 632 | 0.95 |
| (12) | 1200 | 96.20 | 750 | 1.20 | 91 | 87.00 | 682 | 1.04 |
| (13) | 1250 | 96.60 | 675 | 1.20 | 81 | 85.20 | 641 | 1.04 |
a.旋转焙烧炉控制器设定的温度(全部3个区域都一样)。
b.“n/a”指没有测定。
表2-2：焙烧团聚物的粒径分布
| 筛号#ASTM-E | 筛号#ISO 565μm | 筛上wt％ | |||
| 样品号 | 10 | 11 | 12 | 13 | |
| -35 | -500 | 41.05 | 17.49 | 11.57 | 14.31 |
| 35 | 500 | 22.69 | 17.86 | 14.56 | 17.69 |
| 30 | 600 | 18.30 | 24.34 | 21.27 | 26.01 |
| 25 | 725 | 12.57 | 21.53 | 24.89 | 23.06 |
| 20 | 850 | 3.43 | 13.25 | 16.17 | 12.43 |
| 18 | 1000 | 1.80 | 4.58 | 10.09 | 5.97 |
| 16 | 1180 | 0.16 | 0.95 | 1.44 | 0.54 |
实施例3
按实施例2所述过程制备团聚物(样品14-23)，不同之处在于温度始终保持在1000℃，采用型号为#KOU-8D48-RTA-20旋转焙烧设备，配有108英寸(274cm)长、8英寸(20cm)内径的熔凝二氧化硅管，加热长度为48英寸(122cm)，含三个温控区。该装置由Harper International，Buffalo，New York生产。试验了制备磨粒和粘合材料的预烧混合物的各种方法。团聚过程在大气条件下进行，管子旋转速率为3-4rpm，管子的倾角为2.5度，进料速率为8-10kg/h。所用设备与图1所示设备基本上相同。
所有样品包含30磅(13.6kg)磨粒(与实施例2中所用磨粒相同，不同的是样品16含25磅(11.3kg)粒度为70号的Norton SG溶胶凝胶氧化铝颗粒，购自Saint-Gobain Ceramics & Plastics，Inc.)和0.9磅(0.41kg)粘合材料A(在烧结团聚物中占4.89vol％)。粘合材料在加入磨粒之前分散在不同的粘合剂物系中。实施例2的粘合剂物系(“粘合剂2”)用于某些样品，其他样品则用AR30液体蛋白粘合剂(“粘合剂3”)，其重量百分数列于下面的表3。样品20用来制备生的团聚物，方法为实施例2中的模拟挤出法。
试验参数和试验结果总结于下面的表3。
表3：对生料粘合剂的处理
| 样品号 | 混合处理 | wt％粘合剂(占磨粒重量％) | ％产率-12目网筛 | LPDg/cc |
| 14 | 粘合剂3 | 2.0 | 100 | 1.45 |
| 15 | 粘合剂3 | 1.0 | 100 | 1.48 |
| 16 | 粘合剂3；SG颗粒 | 4.0 | 92 | 1.38 |
| 17 | 粘合剂3 | 6.3 | 98 | 1.44 |
| 18 | 粘合剂2 | 8.0 | 90 | 1.35 |
| 19 | 粘合剂3 | 6.3 | 93 | 1.30 |
| 20 | 粘合剂2；模拟挤出 | 3.0 | 100 | 1.37 |
| 21 | 粘合剂3 | 6.0 | 100 | 1.40 |
| 22 | 粘合剂3 | 4.0 | 94 | 1.44 |
| 23 | 粘合剂2 | 97 | 1.54 |
这些结果证实，要形成质量和产率符合要求的烧结团聚物颗粒(比较样品18和20)，不需要生料阶段的团聚过程。当初始混合物中粘合剂3的wt％从1％增加到8％时，LPD有中等程度下降的趋势，表明使用粘合剂对团聚过程具有有利影响，但不是关键影响。因此，出人意料的是，在旋转焙烧炉中烧结之前，似乎不必要使团聚物颗粒预形成所需形状或尺寸。只要将团聚物组分的湿混合物送入旋转焙烧炉，在混合物通过装置的加热区时振摇它，就能得到相同的LPD。
实施例4
按实施例2所述过程制备团聚物(样品24-29)，不同之处在于温度始终保持在1200℃，试验了制备磨粒和粘合材料混合物的各种方法。所有样品(除样品28-29之外)包含300磅(136.4kg)磨粒(与实施例2中所用颗粒相同：粒度为60号的38A氧化铝颗粒)和9.0磅(4.1kg)粘合材料A(在烧结团聚物中占4.89vol％)。
样品28(与实施例2具有相同组成)包含44.9磅(20.4kg)磨粒和1.43磅(0.6kg)粘合材料A。粘合材料与液体粘合剂混合物(37.8wt％(3.1磅)AR30粘合剂在水中的混合物)混合，将4.98磅混合物加入磨粒。液体混合物在22℃的粘度为784CP(Brookfield LVF粘度计)。
样品29(与实施例具有相同组成)包含28.6磅(13kg)磨粒和0.92磅(0.4kg)粘合材料A(在烧结团聚物中占4.89vol％)。将粘合材料与液体粘合剂混合物(54.7wt％(0.48磅)Duramax树脂B1052和30.1wt％(1.456磅)Duramax树脂B1051在水中的混合物)混合，将所得混合物加入磨粒。Duramax树脂购自Rohm& Haas，Philadelphia，PA。
团聚过程在大气条件下进行，管子旋转速率为4rpm，管子的倾角为2.5度，进料速率为8-12kg/h。所用设备与图1所示设备基本上相同。
样品28焙烧前在Niro，Inc.，Columbia，Maryland生产的流化床(型号MP-2/3Multi-ProcessorTM，配有MP-1尺寸的锥(最宽处直径为3英尺(0.9米)))上进行预团聚。流化床工艺样品试验选择以下过程参数：
进气温度64-70℃
进气流量100-300立方米/小时
粒化液体流量440g/min
床深(初始装料3-4kg)约10cm
气压1巴
两流体外部混合嘴800微米孔
将磨粒装入底部装置，使空气向上通过流化床板式扩散器，达到磨粒。同时，将粘合材料和粘合剂的液体混合物泵入外部混合物嘴，然后从嘴喷射到板式扩散器中，达到磨粒，从而涂敷各磨粒。生料阶段的团聚物在干燥粘合材料和粘合剂混合物的过程中形成。
样品29焙烧前用LCI公司，Charlotte，North Carolina(配有穿孔篮，孔径为0.5mm)生产的Benchtop GranulatorTM，以低压挤出过程进行预团聚。将颗粒、粘合材料和粘合剂的混合物手工加入穿孔篮(挤出机筛子)，通过旋转刀片挤过筛子，收集在一接收盘中。挤出的预团聚物在90℃烘箱中干燥24小时，用作旋转焙烧过程的原料。
试验参数和试验结果总结在下面的表4-1和4-2中。这些试验证实，实施例3所述结果在更高的焙烧温度(1200℃-1000℃)下同样能观测到。这些试验还表明，低压挤出和流化床的预团聚可用来制备团聚物颗粒，但制备本发明的团聚物无需旋转焙烧前的团聚步骤。
表4-1团聚物性质
| 样品号 | 混合处理 | wt％粘合剂(基于磨粒的wt％) | ％产率-12目网筛 | 平均粒径μm | LPDg/cc |
| 24 | 粘合剂3 | 1.0 | 71.25 | 576 | 1.30 |
| 25 | 粘合剂3 | 4.0 | 95.01 | 575 | 1.30 |
| 26 | 粘合剂3 | 8.0 | 82.63 | 568 | 1.32 |
| 27 | 粘合剂2 | 7.2 | 95.51 | 595 | 1.35 |
| 28 | 粘合剂3 | 7.2 | 90.39 | n/a | n/a |
| 29 | Duramax树脂 | 7.2 | 76.17 | 600 | 1.27 |
表4-2：团聚物的粒径分布
| 筛号#ASTM-E | 筛号#ISO 565μm | 筛上wt％ | |||||
| 样品号 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | |
| -40 | -425 | 17.16 | 11.80 | 11.50 | 11.50 | n/a | 11.10 |
| 40 | 425 | 11.90 | 13.50 | 14.00 | 12.50 | n/a | 12.20 |
| 35 | 500 | 17.30 | 20.70 | 22.70 | 19.60 | n/a | 18.90 |
| 30 | 600 | 20.10 | 25.20 | 26.30 | 23.80 | n/a | 23.70 |
| 25 | 725 | 17.60 | 19.00 | 17.20 | 18.40 | n/a | 19.20 |
| 20 | 850 | 10.80 | 8.10 | 6.40 | 9.30 | n/a | 10.30 |
| 18 | 1000 | 3.90 | 1.70 | 1.60 | 3.20 | n/a | 3.60 |
| 16 | 1180 | 0.80 | 0.10 | 0.30 | 1.60 | n/a | 1.10 |
实施例5
按实施例3所述方法制备另外一组团聚物(样品30-37)，不同之处是，焙烧在1180℃进行，验试了不同类型的磨粒，30磅(13.6kg)磨粒与1.91磅(0.9kg)粘合材料A混合(在烧结团聚物颗粒中占8.95vol％)。将实施例3中的粘合剂3与作为生料团聚物的粘合剂的水进行了比较。样品30-34用0.9磅(0.4kg)水作粘合剂。样品35-37采用0.72磅(0.3kg)粘合剂3。所测参数总结于表5。
团聚过程在大气条件下进行，管子旋转速率为8.5-9.5rpm，管子的倾角为2.5度，进料速率为5-8kg/h。所用设备与图1所示设备基本上相同。
团聚完成后，对磨粒团聚物样品过筛，并测定疏松堆积密度(LPD)、粒径分布和团聚物强度。这些结果示于表5。
表5
| 样品号 | 磨粒 | 粘合剂 | wt％粘合剂(基于磨粒wt％) | 平均粒径μm | LPDg/cc | 粉碎50％时压力MPa |
| 30 | 60号粒度的57A氧化铝 | 水 | 3.0 | 479 | 1.39 | 1.2±0.1 |
| 31 | 60号粒度的55A氧化铝 | 水 | 3.0 | 574 | 1.27 | 2.5±0.1 |
| 32 | 80号粒度的SG氧化铝 | 水 | 3.0 | 344 | 1.18 | 0.4±0.1 |
| 33 | 70号粒度的Targa溶胶凝胶氧化铝 | 水 | 3.0 | 852 | 1.54 | 17±1.0 |
| 34 | 70/30wt％60号粒度38A/60号粒度Norton SG氧化铝 | 水 | 3.0 | 464 | 1.31 | 1.1±0.1 |
| 35 | 60号粒度的38A氧化铝 | 粘合剂 | 2.4 | n/a | n/a | n/a |
| 36 | 60号粒度的NortonSG氧化铝 | 粘合剂 | 2.4 | n/a | n/a | n/a |
| 37 | 60/25/15wt％60号粒度38A/120号粒度Norton SG/320号粒度57A | 粘合剂 | 2.4 | n/a | n/a | n/a |
这些结果再次说明可以用水作为旋转焙烧过程中团聚物的临时粘合剂。此外，不同类型磨粒、不同尺寸磨粒或不同类型和不同尺寸磨粒的混合物可用本发明方法团聚，这些团聚物可在旋转焙烧炉中于1180℃进行涂敷。当在团聚物中使用高长径比(即≥4∶1)的长形磨粒时(样品33)，耐压强度明显增加。
实施例6
按实施例3所述方法制备另一个系列的团聚物(样品38-45)，不同之处在于采用不同的焙烧温度，测试了不同类型和粒度组合的磨粒、不同粘合材料。在某些进料混合物中，用胡桃壳作为有机生孔剂填料(胡桃壳得自CompositionMaterials Co.，Inc.，Fairfield，Connecticut，美国网筛尺寸40/60)。所测参数总结于下面的表6中。所有样品包含30磅(13.6kg)磨粒和2.5wt％粘合剂3(基于磨粒重量)的混合物，粘合材料的各种用量见表6。
团聚过程在大气条件下进行，管子旋转速率为8.5-9.5rpm，管子的倾角为2.5度，进料速率为5-8kg/h。所用设备与图1所示设备基本上相同。
团聚完成后，对团聚磨粒样品过筛，并测定疏松堆积密度(LPD)、粒径分布和团聚物强度(见表6)。所有团聚物的性质都适用于生产磨轮。这些数据似乎表明，用有机生孔剂，即胡桃壳对团聚物的性质没有显著影响。
表6
| 样品号 | 磨粒wt％混合物粒度磨粒类型 | 粘合材料 | Vol％焙烧粘合材料a | Vol％焙烧的生孔剂 | LPDg/cc | 粉碎50％时的压力MPa |
| 38 | 90/10wt％60号粒度38A氧化铝/70号粒度Targa溶胶凝胶氧化铝 | F | 5.18 | 0 | 1.14 | 11.5±0.5 |
| 39 | ““ | C | 7.88 | 2 | 1.00 | 11.5±0.5 |
| 40 | 90/10wt％80号粒度38A氧化铝/70号粒度Targa溶胶凝胶氧化铝 | F | 5.18 | 2 | 1.02 | 10.5±0.5 |
| 41 | ““ | C | 7.88 | 0 | 0.92 | n/a |
| 42 | 50/50wt％60号粒度38A氧化铝/60号粒度32A氧化铝 | F | 5.18 | 2 | 0.16 | 11.5±0.5 |
| 43 | ““ | C | 7.88 | 0 | 1.06 | n/a |
| 44 | 50/50vol％80号粒度38A氧化铝/60号粒度32A氧化铝 | F | 5.18 | 0 | 1.08 | 8.5±0.5 |
| 45 | ““ | C | 7.88 | 2 | 1.07 | 11.5±0.5 |
a.vol％基于所有固体(磨粒、粘合材料和生孔剂)，不包括团聚物的孔隙。
实施例7
分别用实施例2和4制备的团聚物样品10-13和24-27制备磨轮(最终尺寸：20×1×8英寸)(50.8×2.54×20.3cm)。这些磨轮在缓进研磨操作中测试，并与不含团聚物但含生孔剂填料的磨轮作比较。
为制备磨轮，在一搅拌器中加入团聚物、液体粘合剂和对应于表1-2中粘合材料C的粉状玻璃质粘合组合物。然后根据本领域生产商业磨轮的技术，对模制出轮子、干燥、在900℃的最高温度下烧结、硬度分级、光洁度、平衡并检测。
磨轮的组成(包括轮子烧结后的vol％研磨剂、粘合剂和孔隙率)、密度和模量性质列于表7-1。所制轮子的弹性模量对应于Norton公司硬度级别标度中D级和E级之间的标准磨轮硬度。初步测试表明，用vol％结构(即磨粒、粘合剂和孔隙在100％总量中所占体积百分数)等同于不含团聚物颗粒的比较轮的团聚物颗粒制备的磨轮实际上密度低得多，弹性模量也低，而且比比较轮软。因此，选择密度和弹性模量而不是计算出来的vol％结构作为用团聚物颗粒制备并在这些研磨研究中测试的磨轮的关键硬度指标。
表7-1磨轮性质
| 轮子(团聚物样品实施例2，5) | 轮子组成vol％团聚物a 粘合剂d 孔隙率 | 相对透气率b | 烧结后的密度g/cc | 弹性模量d/cm2×1010 | ||
| (10) | 37.50 | 5.70 | 56.80 | 81.8 | 1.62 | 10.7 |
| (11) | 37.50 | 5.70 | 56.80 | 84.1 | 1.61 | 10.6 |
| (12) | 37.50 | 5.70 | 56.80 | 87.8 | 1.60 | 11.1 |
| (12) | 37.50 | 5.70 | 56.80 | 89.5 | 1.60 | 10.2 |
| (13) | 37.50 | 5.70 | 56.80 | 79.2 | 1.61 | 11.4 |
| (27) | 37.50 | 8.40 | 54.10 | 90.3 | 1.66 | 13.9 |
| (26) | 37.50 | 8.40 | 54.10 | 90.6 | 1.65 | 14.8 |
| (26) | 37.50 | 8.40 | 54.10 | 80.1 | 1.65 | 15.4 |
| (25) | 37.50 | 8.40 | 54.10 | n/a | 1.66 | 15.6 |
| (24) | 37.50 | 8.40 | 54.10 | n/a | 1.69 | 17.6 |
| 比较样品c用非团聚物磨粒 | 磨粒vol％ | 粘合剂vol％ | 孔隙率vol％ | |||
| 38A60-D25VCF2 | 37.50a | 4.70 | 57.80 | 75.8 | 1.60 | 9.20 |
| 38A60-D25VCF2 | 37.50a | 4.70 | 57.80 | 75.8 | 1.69 | 9.60 |
| 38A60-D25VCF2 | 37.50a | 5.70 | 56.80 | 59.6 | 1.67 | 19.80 |
| 38A60-D28VCF2 | 37.50a | 4.70 | 59.30 | n/a | 1.64 | 15.50 |
a)磨粒占37.50vol％时，比较轮比用37.50vol％团聚物颗粒、粘合材料和团聚物内孔隙组成的本发明实验轮含有更多的vol％磨粒(即1-3vol％或更多)。
b)流体(空气)透过性根据Norton公司的美国专利5738696和5738697所介绍的试验方法测定。相对空气渗透值表达为cc/s/inch水单位。
c)比较轮样品是购自Saint-Gobain Abrasives，Inc.，Worcester，MA的商业产品，每个轮子的名称标记在表7-1中。
d)本发明实验轮vol％粘合剂的值不包括用在颗粒上制备团聚物的玻璃粘合材料(vol％)。Vol％粘合剂只表示为制备磨轮而加入的材料。
本发明实验轮在缓进研磨操作中测试，并与建议用于缓进研磨操作的商业比较轮(表7-1和7-2中所示的比较轮)作比较。比较轮具有相同的尺寸、可比较的硬度，另外在缓进研磨研究中还有可与本发明实验轮适合比较的其它方面，但它们不含团聚物。
研磨条件：
机械：Hauni-Blohm Profimat 410
模式：狭槽缓进研磨
磨削深度：0.125英寸(0.318cm)
轮的转动速度：5500英尺/分钟(28m/s)
研磨台速度：以2.5in/min(6.4cm/min)的速度从5in/min(12.7cm/min)逐步增加到17.5in/min(44.4cm/min)，或者直到无法研磨为止(工件烧毁，或者机械或磨轮无法工作)
冷却剂：Master Chemical Trim E210200，在去离子水中的浓度为10％，95加仑/分钟(360L/min)
工件材料：AISI 4340 钢 48-50Rc 硬度
研磨模式：旋转金刚石，非连续
研磨补偿：40微英寸/转(1微米/转)
总径向研磨补偿：0.02英寸/转(0.5毫米/转)
速比：+0.8
在这些研磨试验中，逐渐增加研磨台速度，直到无法工作为止。无法工作是指工件烧毁或磨轮过度磨损，从功率数据、磨轮磨损(WWR)测定值、表面光洁度测定值和目力检测研磨表面结果可以看出。记录无法继续研磨时材料的除去速率(最大MRR)。
如下面的表7-2所示，这些研磨测试结果表明，含有团聚物的实验磨轮总能比比较轮获得更高的最大材料除去速率。在缓进操作中，实验轮的其他次要研磨参数也能获得可接受值(即达到最大MRR时的WWR、功率和表面光洁度效果)。
表7-2：研磨试验结果
| 轮子(团聚物样品实施例2，5) | 轮子组成vol％团聚物a 粘合剂 孔隙率 | 最大MRRmm3/s/mm | WWRmm3/s/mm | 比研磨能量J/mm3 | 平均表面粗糙度μm | ||
| (10) | 37.50 | 5.70 | 56.80 | 16.4 | 0.27 | 45.1 | 1.07 |
| (11) | 37.50 | 5.70 | 56.80 | 13.6 | 0.14 | 45.8 | 1.04 |
| (12) | 37.50 | 5.70 | 56.80 | 16.3 | 0.43 | 44.0 | 1.40 |
| (12) | 37.50 | 5.70 | 56.80 | 13.8 | 0.14 | 44.8 | 1.05 |
| (13) | 37.50 | 5.70 | 56.80 | 13.6 | 0.24 | 45.8 | 1.03 |
| (27) | 37.50 | 8.40 | 54.10 | 16.3 | 0.21 | 47.3 | 0.97 |
| (26) | 37.50 | 8.40 | 54.10 | 13.7 | 0.17 | 50.3 | 0.86 |
| (26) | 37.50 | 8.40 | 54.10 | 11.0 | 0.09 | 54.4 | 0.80 |
| (25) | 37.50 | 8.40 | 54.10 | 13.5 | 0.12 | 52.4 | 0.89 |
| (24) | 37.50 | 8.40 | 54.10 | 10.9 | 0.08 | 54.6 | 0.77 |
| 比较样品c用非团聚物磨粒 | 磨粒vol％ | 粘合剂vol％ | 孔隙率vol％ | ||||
| JOHN0238A60-D25VCF2 | 37.50 | 4.70 | 57.80 | 8.3 | 0.12 | 46.7 | 1.28 |
| EB030-238A60-D25VCF2 | 37.50 | 4.70 | 57.80 | 10.8 | 0.14 | 46.5 | 1.16 |
| EB012-238A60-D25VCF2 | 37.50 | 54.70 | 56.80 | 11.0 | 0.07 | 58.5 | 0.67 |
| JOHN0138A60-D28VCF2 | 37.50 | 4.70 | 59.30 | 11.0 | 0.12 | 54.7 | 0.68 |
a)磨粒占37.50vol％时，比较轮比用37.50vol％团聚物颗粒、粘合材料和团聚物内孔隙组成的实验轮含有更多的vol％磨粒(即1-3vol％或更多)。
实施例8
在配有碳化硅管的旋转焙烧设备中制备磨粒团聚物样品(60)，如实施例1所述和图1所示。团聚过程在大气条件下进行，温度为1350℃，管子旋转速率为9rpm，管子的倾角为3度，进料速率为6-10kg/h。
团聚物样品由60号粒度(与实施例1和6所用颗粒相同)38A氧化铝磨粒、5.0wt％粘合材料F(基于磨粒的重量)和水中的2.5wt％粘合剂3(重量比为50/50的混合物，基于磨粒的重量)制备。
在旋转焙烧设备中团聚之后，对磨粒团聚物进行过筛，并用上述方法测定疏松堆积密度(LPD)和其他性质。可用自由流动团聚物(-12目至留在筛盘上的团聚物)的产率为烧结前进料的72.6％。团聚物的LPD为1.11g/cc，相对密度为28.9％。这些烧结团聚物用来制备最终尺寸为16.25×0.75×5.00英寸(41.3×2.4×12.8cm)的磨轮。
为制备磨轮，在一搅拌器中加入团聚物、粉状玻璃质粘合组合物(对应于表1-2中粘合材料C)和液体粘合剂3。然后根据本领域生产商业磨轮的技术，将此混合物模制成轮子，干燥、在900℃的最高温度下烧结、分类、光洁度、平衡并检测。所制轮子的弹性模量对应于Norton公司硬度级别标度中D级和E级之间的标准磨轮硬度。
烧结过的磨轮和购自Saint-Gobain Abrasives，Inc.，Worcester，MA的比较商业轮的性质列于下面的表8-1。
表8-1：磨轮
| 磨轮样品 | 轮子组成vol％团聚物a 粘合剂d 孔隙率vol％ vol％ vol％ | 透气率b | 烧结后的密度g/cc | 弹性模量d/cm2×1010 | ||
| 实验轮8-4 | 37.50 | 9.88 | 52.62 | 90.4 | 1.66 | 17.5 |
| 8-11 | 37.50 | 9.88 | 52.62 | 87.4 | 1.66 | 17.5 |
| 8-17 | 37.50 | 9.88 | 52.62 | 88.3 | 1.66 | 17.5 |
| 比较轮 | 磨粒vol％ | 粘合剂vol％ | 孔隙率vol％ | |||
| 38A605-D28VCF2 | 37.50 | 5.73 | 56.77 | 43.5 | 1.65 | 17.3 |
a)磨粒占37.50vol％时，比较轮比用37.50vol％团聚物颗粒、粘合材料和团聚物内孔隙组成的实验轮含有更多的vol％磨粒(即1-3vol％或更多)。
b)流体(空气)透过性根据Norton公司的美国专利5738696和5738697所介绍的实验方法测定。相对空气渗透值表达为cc/s/inch水单位。
c)vol％粘合剂的值不包括用于由磨粒制备团聚物的玻璃粘合材料(vol％)。Vol％粘合剂只表示为制备磨轮而加入的材料。
表8-1所示磨轮在缓进研磨操作中测试。缓进研磨测试参数经设定后，产生以下研磨条件。
研磨条件：
机械：Hauni-Blohm Profimat 410
模式：狭槽缓进研磨
磨削深度：0.125英寸(0.318cm)
轮的转动速度：5500英尺/分钟(28m/s)
研磨台速度：以2.5in/min(6.4cm/min)的速度从5in/min(12.7cm/min)逐步增加到17.5in/min(44.4cm/min)，或者直到无法研磨为止(工件烧毁，或者机械或磨轮无法工作)
冷却剂：Master Chemical Trim E210200，在去离子水中的浓度为10％，95加仑/分钟(360L/min)
工件材料：AISI 4340钢48-50Rc硬度
修整模式：旋转金刚石，非连续
修整补偿：40微英寸/转(1微米/转)
总径向修整补偿：0.02英寸/转(0.5毫米/转)
速比：+0.8
在这些研磨操作中，逐渐增加研磨台速度，直到无法工作为止。无法工作是指工件烧毁或磨轮过度磨损，从功率数据、磨轮磨损(WWR)测定值、表面光洁度测定值和目力检测研磨表面结果可以看出。记录无法继续研磨时材料的除去速率(MRR)(即无法工作前的最大MRR)。还测定了表面光洁度。
如表8-2所示，这些研磨测试结果表明，含团聚物的实验轮在烧毁工件前能稳定地达到较高的材料除去速率。比较轮的最大MRR在研磨台速度仅为12.5英寸/分钟(5.29mm/s)时达到，而实验轮的最大MRR在研磨台速度为15英寸/分钟(6.35mm/s)时达到。
在这种缓进操作中，实验轮在比较轮所能达到的最高MRR下，也具有其他可比较的、在商业上可接受的研磨参数(即研磨台速度为5.29mm/s时的功率和表面光洁度)。
表8-2：研磨试验结果
| 磨轮样品 | 研磨台速度mm/s | MRRmm3/s，mm | 功率W/mm | 平均粗糙度μm | 观察到的工件质量 |
| 实验轮 | |||||
| 8-4 | 3.18 | 10.00 | 403.1 | 0.80 | |
| 3.18 | 10.00 | 411.0 | 0.80 | ||
| 4.23 | 13.44 | 516.7 | 0.89 | ||
| 4.23 | 13.44 | 516.7 | 1.04 | ||
| 5.29 | 16.77 | 614.5 | 0.93 | ||
| 5.29 | 16.77 | 638.0 | 0.99 | ||
| 最大 | 6.35 | 19.89 | 712.5 | 0.88 | 出端轻度烧坏 |
| 8-11 | 3.18 | 10.00 | 403.1 | 0.90 | |
| 3.18 | 10.01 | 395.5 | 0.86 | ||
| 4.23 | 14.30 | 516.7 | 1.00 | ||
| 4.23 | 14.30 | 508.8 | 0.93 | ||
| 5.29 | 16.77 | 634.1 | 0.86 | ||
| 5.29 | 16.77 | 634.1 | 0.91 | ||
| 最大 | 6.35 | 19.89 | 724.3 | 0.97 | 出端轻度烧坏 |
| 8-17 | 3.18 | 10.00 | 411.0 | 0.99 | |
| 3.18 | 10.11 | 407.2 | 0.85 | ||
| 4.23 | 13.33 | 528.4 | 0.94 | ||
| 4.23 | 13.33 | 520.5 | 0.97 | ||
| 5.29 | 16.67 | 630.3 | 0.89 | ||
| 5.29 | 16.56 | 638.0 | 0.97 | ||
| 最大 | 6.35 | 20.00 | 716.3 | 0.99 | 出端轻度烧坏 |
| 比较轮 | 2.12 | 6.77 | 273.9 | 0.77 | |
| 3.18 | 9.89 | 391.3 | 0.79 | ||
| 3.18 | 10.00 | 395.5 | 0.95 | ||
| 3.18 | 10.00 | 399.3 | 0.93 | ||
| 4.23 | 13.33 | 508.8 | 0.88 | ||
| 4.23 | 13.44 | 516.7 | 0.79 | ||
| 5.29 | 16.67 | 598.9 | 0.91 | 进端严重烧坏 | |
| 5.29 | 16.77 | 618.6 | 0.83 | “ | |
| 最大 | 5.29 | 16.77 | 614.5 | 0.89 | “ |
实施例9
用实施例5中的团聚样品35制备的磨轮在工具间研磨操作常用的干表面横向进给研磨过程中测试。在此测试中，将用作比较的商业磨轮与本发明的磨轮进行了比较。
含团聚物的磨轮用实施例8所述方法制备，在最高900℃的温度下烧结，但轮子尺寸为7×0.5×1.25英寸(17.8×1.3×3.2cm)。烧结磨轮包含40％的团聚物、11-12.1％的玻璃质粘合剂和47.9-49％的孔(体积百分数)。烧结本发明磨轮的条件和以及烧结后的磨轮及和比较轮的性质列于表9-1。
表9-1：磨轮
| 磨轮(硬度级别H) | 磨轮组成 | 透气率b | 烧结密度g/cc | 弹性模量GPa | ||
| 实验轮实施例5的团聚物样品号 | 团聚物vol％ | 粘合剂cvol％ | 孔隙率vol％ | |||
| 35-1 | 40.0 | 11.1 | 48.9 | 41.0 | 1.85 | 27.2 |
| 35-2 | 40.0 | 12.1 | 47.9 | 31.1 | 1.91 | 30.8 |
| 35-3 | 40.0 | 11.1 | 48.9 | 58.1 | 1.80 | 22.7 |
| 比较轮a | 颗粒vol％ | 粘合剂vol％ | 孔隙率vol％ | |||
| 38A60-H12VBEP | 40.0 | 8.5 | 51.5 | 35.7 | 1.79 | 26.3 |
a)在磨粒占40vol％时，比较轮比含40vol％团聚物颗粒(包括粘合材料和团聚物内孔隙)的实验轮含有更多的vol％磨粒(见下面的表9-2)。
b)空气透过性根据Norton公司的美国专利5738696和5738697所介绍的测试方法测定。
c)vol％粘合剂值不包括用来由磨粒制备团聚物的玻璃粘合材料(vol％)。Vol％粘合剂只表示为制备磨轮而加入的材料。
实验轮所用团聚物中的磨粒体积百分数和玻璃粘合材料体积百分数列于下面的表9-2。
表9-2：为团聚物组分而调整的磨轮组成
| 样品号实施例5团聚物 | Vol％团聚物 | Vol％团聚物中粘合材料 | Vol％磨轮中的磨粒 | Vol％磨轮中的粘合剂(+粘合材料) | Vol％磨轮中的孔隙 |
| 实验轮 | |||||
| 35-1 | 40.0 | 8.92 | 36.4 | 14.7 | 48.9 |
| 35-2 | 40.0 | 8.92 | 36.4 | 15.7 | 47.9 |
| 35-3 | 40.0 | 4.67 | 38.1 | 13.0 | 48.9 |
| 比较轮a | - | - | 40.0 | 8.5 | 51.5 |
a)磨粒占40.0vol％时，比较轮比用40.0vol％团聚物颗粒、粘合材料和团聚物内孔隙组成的实验轮含有更多的vol％磨粒(即1-3vol％或更多)。
研磨条件：
机械：Brown & Sharpe Surface Grinder
模式：干表面研磨
交叉进给：0.508mm
轮转速度：3500rpm；6500sfpm
研磨台速度：50fpm(15240mm/min)
冷却剂：无
工件材料：D3钢Rc 60硬度
长203.2mm×宽47.8mm
修整模式：单点金刚石
修整补偿：0.025
修整前导：254mm/min
在这些研磨操作中，逐渐增加下进给量，直到无法工作为止。在表面磨具间研磨操作中，如同在缓进研磨操作中一样，最显著的性能参数是磨轮的最大材料除去速率(MRR)容量。因此，记录每个磨轮在无法研磨时的最大MRR，根据目测的工件烧毁情况、功率过大或磨轮磨损速率(WWR)过大判断来判断无法工作。还测定了表面光洁度。
从下面的表9-3和9-4所示，此研磨试验表明，包含团聚物的实验轮在磨坏之前总能达到更高的最大材料除去速率。此外，较低的功率能得到较高的MRR，同时能保持可比较的表明粗糙度值。
表9-3：研磨试验结果
| 磨轮样品 | 总横进给mm | MRRmm3/s，mm | G-比率MRR/WRR | 比能量W.s/mm3 | 表面光洁度Ra(μin) |
| 实验轮 | |||||
| 35-1 | 0.102 | 19.0 | 9.00 | 81.9 | 25 |
| 0.152 | 21.0 | 7.51 | 79.6 | 20 | |
| 0.203 | 26.1 | 7.95 | 64.5 | 24 | |
| 0.254 | 34.2 | 7.62 | 55.7 | 22 | |
| 0.305 | 42.9 | 6.85 | 44.4 | 29 | |
| 0.356 | 50.3 | 6.89 | 42.9 | 19 | |
| 0.406 | 51.0 | 6.39 | 41.4 | 30 | |
| 0.457 | 64.5 | 6.86 | 36.1 | 21 | |
| 0.559 | 69.4 | 5.75 | 35.9 | 28 | |
| 0.660 | 89.4 | 6.19 | 30.0 | 24 | |
| 35-2 | 0.102 | 17.1 | 12.82 | 86.6 | 23 |
| 0.203 | 28.1 | 9.24 | 62.8 | 26 | |
| 0.305 | 41.9 | 7.90 | 51.1 | 28 | |
| 0.406 | 56.8 | 6.95 | 40.2 | 32 | |
| 0.508 | 64.8 | 5.73 | 38.1 | 30 | |
| 0.610 | 83.5 | 5.61 | 35.1 | 33 | |
| 35-3 | 0.102 | 12.3 | 7.13 | 137.5 | 12 |
| 0.203 | 6.5 | 8.09 | 67.9 | 12 | |
| 0.305 | 41.3 | 7.68 | 47.7 | 16 | |
| 0.406 | 54.2 | 6.54 | 41.6 | 16 | |
| 0.508 | 67.1 | 5.84 | 34.7 | 23 | |
| 比较轮 | |||||
| 38A60-H12VBE | 0.102 | 16.5 | 9.48 | 98.6 | 11 |
| 0.203 | 27.4 | 8.55 | 60.9 | 15 | |
| 0.305 | 41.9 | 6.80 | 46.6 | 17 | |
| 0.406 | 51.9 | 5.92 | 39.7 | 18 | |
| 0.508 | 52.9 | 4.02 | 43.8 | 25 |
表9-4：研磨试验结果-磨轮磨损测定结果a
| 磨轮样品 | 总横进给mm | Amil | Bmil | Cmil | Dmil | 面积mm2 | ％磨轮表面磨损 |
| 实验轮 | |||||||
| 35-1 | 0.102 | 0.0033 | 0.0038 | 0.1115 | 0.1424 | 0.2932 | 53 |
| 0.660 | 0.0151 | 0.0148 | 0.2026 | 0.2283 | 2.0768 | 90 | |
| 35-2 | 0.102 | 0.0027 | 0.0029 | 0.0879 | 0.1149 | 0.0020 | 42 |
| 0.610 | 0.0146 | 0.0149 | 0.2161 | 0.2248 | 2.0982 | 90 | |
| 35-3 | 0.102 | 0.0031 | 0.0028 | 0.1083 | 0.1434 | 0.2378 | 53 |
| 0.508 | 0.0119 | 0.0117 | 0.1835 | 0.2402 | 1.6110 | 89 | |
| 38A60-H12VBE | 0.102 | 0.0035 | 0.0033 | 0.1117 | 0.1053 | 0.2382 | 43 |
| 0.508 | 0.0119 | 0.0115 | 0.2170 | 0.2701 | 1.8350 | 96 |
a)磨轮的磨损情况根据转让给Norton公司的美国专利5401284所述方法的一种变化形式(“角支撑(corner holding)测试”)测定。对于此表中的数据，数值A和D在轮缘沿轮研磨面测定，数值B和C在靠近轮研磨面中央的等距点测定。随着研磨的进行，从数值A和D相对于数值B和C的相对稳定性可以看出磨轮的耐磨性。“面积”指从磨轮上除去的材料量。％磨轮表面磨损值反映了磨轮研磨面中央的轮磨损宽度，靠近测定数值B和C的点。
实施例10
用磨粒团聚物制备的磨轮在内径(ID)研磨试验中测试。
如实施例2所述制备团聚物(样品61)，不同之处在于温度始终保持在1170℃(样品61)。此外，采用型号为#KOU-8D48-RTA-20旋转焙烧设备，配有长108英寸(274cm)、内径为8英寸(20cm)的碳化硅管，加热长度为48英寸(122cm)，有三个控温区。该设备由Harper International，Buffalo，New York生产。团聚过程在大气条件下进行，管子旋转速率为6rpm，管子的倾角为2.5-3.0度，进料速率为8-10kg/h。所用设备与图1所示设备基本上相同。
团聚物样品61用30磅(13.6kg)磨粒(粒度为120号的32A氧化铝颗粒，购自Saint-Gobain Ceramics & Plastics，Inc.)和1.91磅(0.87kg)粘合材料A(在烧结团聚物中占6.36vol％)。粘合材料在加入颗粒之前分散在水(0.9磅；0.41kg)中。团聚物的平均尺寸为260微米，疏松堆积密度(LPD)为1.13g/cc。
在此试验中，本发明的磨轮与商业磨轮进行了比较。比较轮具有相同的尺寸，由相同的磨粒制备，但没有团聚物。比较轮记为32A120-LVFL，购自Saint-Gobain Abrasives，Inc.，Worcester，MA 。
为制备磨轮，在搅拌器中加入团聚物、粉状玻璃质粘合组合物(对应于表1-2中粘合材料C)和液体粘合剂3。然后根据本领域生产商业磨轮的技术，将此混合物模制成轮子，干燥、在900℃的最高温度下烧结、硬度分级、光洁度、平衡并检测。
磨轮是1A型轮，最终尺寸为1.8×1.0×0.63英寸(4.57×2.54×1.60cm)。实验轮和比较轮的组成和性质列于下面的表10-1。
表10-1：磨轮
| 磨轮 | 磨轮组成团聚物 粘合剂c 孔隙率vol％ vol％ vol％ | 磨轮硬度级别 | 烧结密度g/cc | 弹性模量GPa | ||
| 实验轮 | ||||||
| 32A120 | 48 | 10.26 | 41.74 | L | 2.08 | 42.1 |
| 比较轮a，b | 磨粒vol％ | 粘合剂vol％ | 孔隙率vol％ | |||
| 32A120LVFL | 52 | 8.11 | 38.89 | L | 2.23 | 50.9 |
a)在磨粒占52vol％时，比较样品轮比本发明含48vol％团聚物颗粒与粘合材料的混合物的磨轮含有更多的vol％磨粒。减去粘合材料的百分含量之后，实验轮只含43.4vol％的颗粒，比同级别的比较标准轮少8.6vol％的磨粒。
b)磨粒粒度为120号，对应于142微米。
c)vol％粘合剂值不包括用来由磨粒制备团聚物的玻璃粘合材料(vol％)。Vol％粘合剂只表示为制备磨轮而加入的材料。
表10-1所示磨轮进行内径(ID)研磨试验。ID研磨试验参数经设定后，产生如下研磨条件。
研磨条件：
机械：Okuma ID磨床
模式：Wet ID，全面进给同向磨削
轮转速度：18000rpm
工作速度：600rpm
冷却剂：Master Chemical Trim E210，5％，在去离子水中
工件材料：52100钢Rc 60硬度
环：2.225×0.50英寸(5.65×1.28cm)
修整模式：旋转单点金刚石
修整比率：0.650
修整前导：0.304mm/rev
在这些试验中，在恒定横进给速率下进行三组研磨测定，每组进行五次研磨。横进给速率为每次试验设定了标称材料除去速率。在ID研磨操作中，最显著的性能参数是G-比率(MRR/轮子磨损速率(WWR))、在设定的横进给速率下研磨所需比能量和表面光洁度。下表中为每组横进给速率条件下所得的数据，表面光洁度数据表示每组样品第五次研磨后的数值。
从下面的表10-2可以看出，这些研磨试验说明含有团聚物的实验轮的性能在G-比率(MRR/轮子磨损速率(WWR))、比研磨能量和表面光洁度等方面与比较轮相当或更好。这些结果出人意料的地方是实验轮中磨粒的体积百分数明显低得多。在正常磨轮结构中，磨粒的体积百分数是影响G-比率的最显著的参数。不考虑其他因素，颗粒含量越高，G-比率也相应地越高。获得相同或更好G-比率所需颗粒的百分数下降代表了磨具领域的一个显著技术进步。
表10-2：研磨试验结果
| 磨轮样品 | 径向横进给率mm/min | MRRmm3/s，mm | G-比率MRR/WRR | 比研磨能量J/mm3 | 表面光洁度Ra |
| 比较轮 | |||||
| 32A120LVFL | 1.10 | 3.25 | 50.5 | 52.1 | 0.72 |
| 1.83 | 5.45 | 59.4 | 49.4 | 0.84 | |
| 2.54 | 7.66 | 42.5 | 49.1 | 1.19 | |
| 实验轮 | |||||
| 32A120 | 1.10 | 3.25 | 65.8(78.8) | 52.1 | 0.82 |
| 1.83 | 5.45 | 55.0(65.9) | 48.3 | 1.02 | |
| 2.54 | 7.66 | 42.9(51.4) | 45.9 | 1.18 |
a.对于实验轮，括号中的G-比率根据实验轮中磨粒较小的体积百分数调整后的数值。换句话说，实验轮中颗粒的体积百分数只有比较轮中颗粒体积百分数的83.46％。因此，括号中所示实验轮的G-比率值已经校正到比较轮中的颗粒百分数，目的是获得基于总磨粒用量的性能测定值。
实施例11
将本发明磨粒团聚物用来制备大磨轮，目的是证实在不加生孔剂的情况下生产这种磨轮的可能性和将这种磨轮用于缓进研磨的可能性。
在配有碳化硅管的旋转焙烧设备中制备磨粒团聚物样品(样品62)，如实施例1所述和图1所示。团聚过程在大气条件下进行，温度为1350℃，管子旋转速率为9rpm，管子的倾角为3度，进料速率为6-10kg/h。
团聚物颗粒样品62由32A和38A氧化铝磨粒的50/50混合物(粒度均匀为60号，与实施例1和6所用磨粒相同)、5.0wt％粘合材料E(基于磨粒的重量)和2.5wt％粘合剂3(在水中形成的重量比为50/50的混合物，基于磨粒的重量)制备。
在旋转焙烧设备中团聚之后，对团聚磨粒进行过筛，并用上述方法测定疏松堆积密度(LPD)和其他性质。可用的自由流动团聚物颗粒(-12目至留在筛盘上的颗粒)的产率为烧结前进料总重的74.1％。团聚物的LPD为1.14g/cc，相对密度为30.0％。
用这些烧结团聚物制备较大(例如直径为20英寸(50.8cm))的缓进磨轮。这种尺寸的比较轮一般用发泡氧化铝或其他实心或闭孔生孔剂作为助剂进行制备，以使结构变硬，防止在烧结过程中随着玻璃质粘合剂的熔化和流动，轮子因塌陷而变形。发泡氧化铝对防止塌陷特别有效，但对研磨性能有不利影响，因为它产生了闭孔。
为制备磨轮，在搅拌器中加入团聚物、粉状玻璃质粘合组合物(对应于表1-2中粘合材料C)和液体粘合剂3。然后根据本领域生产商业磨轮的技术，将此混合物模制成轮子，干燥、在900℃的最高温度下烧结、硬度分级、光洁度、平衡并检测。对烧结的磨轮进行光洁度，得到的尺寸为20×1×8英寸(50.8×2.5×20.3cm)。在烧结磨轮的过程中，观察到实验轮有中等程度的塌陷，但在商业上仍可接受。
所制备的磨轮在各组分的体积百分数和密度上对应于商业比较轮，比较轮的标准轮硬度级别在Norton公司硬度标度的C级和D级之间。
所得实验磨轮和比较磨轮的性质列于下面的表11-1。尽管从相同的组分百分含量和密度可以预测这些磨轮具有相当的轮硬度值，但实际上，弹性模量证实，实验轮与比较轮相比较软。透气率数值表明，与比较轮不同，实验轮的孔隙具有开放透过性，允许冷却剂在轮子中自由流动，并且容易从轮子的研磨面上除去研磨碎屑。
表11-1：磨轮
| 磨轮样品 | 轮子组成团聚物a 粘合剂 孔隙率vol％ vol％ vol％ | 相对透气率b | 烧结密度g/cc | 弹性模量d/cm2×1010 | ||
| 实验轮团聚物样品62 | 36.0 | 7.03 | 56.97 | 74.9 | 1.52 | 10.24 |
| 比较轮 | 磨粒vol％ | 粘合剂vol％ | 孔隙率vol％ | |||
| 32A605-D28VCF2 | 36.00 | 5.50 | 58.50 | 46.2 | 1.52 | 14.01 |
a)磨粒占36.0vol％时，比较样品轮比含36.0vol％团聚物颗粒和粘合材料组成的混合物的本发明实验轮含有更多的vol％磨粒(即1-2vol％或更多)。
b)流体(空气)透过性根据Norton公司的美国专利5738696和5738697所介绍的测试方法测定。相对空气渗透值表达为cc/s/inch水单位。
实验磨轮和表11-2所示比较缓进磨轮在实施例7所述缓进研磨操作中试验。比较轮是购自Saint-Gobain Abrasives，Inc.，Worcester，MA的标准商业产品。它与实验轮具有相同的尺寸，其他方面也相当，但是用发泡氧化铝填料制备的，不含磨粒团聚物。
表11-2：研磨试验结果
| 磨轮样品 | 研磨台速度mm/s | MRRmm3/s，mm | 比研磨能量J/mm3 |
| 比较轮 | 2.1 | 6.7 | 56.6 |
| 3.2 | 10.0 | 47.0 | |
| 5.3 | 16.5 | 39.2 | |
| 实验轮 | 2.1 | 6.7 | 55.7 |
| 3.2 | 10.0 | 46.5 | |
| 5.3 | 16.7 | 40.0 |
这些结果表明，不用诸如发泡氧化铝这样的闭孔填料，也可以生产和利用具有所测尺寸的缓进磨轮。
实施例12
比较了本发明磨轮在模制前后的团聚物尺寸分布，以检测团聚物在生产磨轮的过程中的整体性和强度。然后比较了所述团聚物尺寸分布与用来制备团聚物的磨粒的尺寸分布，以证实团聚物在磨轮模制之后仍包含许多磨粒。
如实施例2所述制备团聚物(样品63、64、65)，不同之处在于温度始终保持在1200℃(对于样品63和65)或1300℃(对于样品65)。此外，采用AlstomPower，Naperville，IL生产的旋转焙烧炉(型号：Bartlett-SnowTM)，配有长120英寸(305cm)、内径为6.5英寸(16.5cm)的专用高温合金管，加热长度为72英寸(183cm)，有四个控温区。团聚过程在大气条件下进行，管子旋转速率为9rpm，管子的倾角为2.5度，进料速率为10-14kg/h。所用设备与图1所示设备基本上相同。
团聚物样品63、64和65用购自Saint-Gobain Ceramics & Plastics，Inc.的磨粒和下表12-1所述不同的粘合材料制备。
表12-1：团聚物组成
| 样品号 | 磨粒wt％混合物粒度颗粒类型 | 粘合材料 | Wt％粘合材料 |
| 63 | 70/30wt％46号粒度86A氧化铝/46号粒度NortonSG溶胶凝胶氧化铝 | C | 4.5 |
| 64 | 50/50wt％46号粒度38A氧化铝/46号粒度NortonSG溶胶凝胶氧化铝 | C | 4.5 |
| 65 | 46号粒度55A氧化铝 | A | 4.5 |
将实验轮与粉状玻璃质粘合组合物和液体粘合剂3混合，模制成实施例10所述大小和形状。用于含团聚物63和64的磨轮的粘合组合物相当于粘合材料C，对于含团聚物65的磨轮则相当于粘合材料E，如表2所示。团聚物、粘合剂和孔隙的体积百分数列于下表12-2。
磨轮在压力作用下模制成“生料”轮之后，在烧结这些“生料”轮之前，在水流作用下冲洗掉生料轮结构中的粘合材料，回收团聚物和磨粒。测定回收的团聚物和磨粒的尺寸，方法是使它们通过一系列美国网筛，测量每个筛子上团聚物或磨粒的重量分数。对于所制备的三种不同规格的磨轮，其测定结果列于下表12-2。
表12-2：团聚物在磨轮模制之后的尺寸分布
| 磨轮样品 | Vol％团聚物 | Vol％粘合剂 | Vol％孔 | 平均初始磨粒尺寸μm | 平均初始团聚物尺寸μm | 团聚物初始尺寸分布范围μm | 模制和冲洗之后的团聚物平均尺寸μm | 模制团聚物的尺寸分布范围μm |
| 12-1 | 40 | 11.5 | 48.45 | 355 | 998 | 500-1700 | 824 | 355-1200 |
| 12-2 | 40 | 11.5 | 48.45 | 355 | 920 | 500-1700 | 767 | 355-1200 |
| 12-3 | 40 | 8.5 | 51.50 | 355 | 1035 | 500-1700 | 863 | 355-1200 |
从表12-2中烧结团聚物的平均尺寸数据(加工前后)可以看出，烧结团聚物在模制成磨轮之后，仍然保留了大量磨粒。虽然团聚物的初始尺寸有较小百分数的减小(例如样品12-1从998μm减小到824μm，或者说减小17％)，大多数团聚物保持了初始尺寸。
对每个样品过筛后，重量分数的分布列于表12-2a、12-2b和12-2c，分别对应于样品12-1、12-2和12-3。
表12-2a：样品12-1的粒径分布
| 筛#ASTM-E | 筛#ISO 565 | wt％(筛上) | ||
| 开口尺寸μm | 初始粒度分布 | 团聚物的初始尺寸分布 | 模制后团聚物的尺寸分布 | |
| 70 | 212 | 0 | ||
| 60 | 250 | 5 | ||
| 50 | 300 | 28 | ||
| 45 | 355 | 53 | 5.7 | |
| 40 | 425 | 14 | 2.9 | |
| 35 | 500 | 1.1 | 6.0 | |
| 30 | 600 | 0 | 3.4 | 11.1 |
| 25 | 725 | 8.7 | 15.8 | |
| 20 | 850 | 18.2 | 21.2 | |
| 18 | 1000 | 29.0 | 20.9 | |
| 16 | 1180 | 37.9 | 16.5 | |
| -10/+12 | 1700 | 0.9 | 0 | |
表12-2a中的数据表明，初始粒度分布中最大单磨粒的尺寸为425μm。初始团聚物尺寸分布数据表明，所有的团聚物都大于425μm。模制和冲洗之后，保留下来的压制团聚物颗粒都大于300μm，其中91.4wt％的团聚物比最大单磨粒(425μm)大，证明模制磨轮之后，烧结团聚物中保留了大量磨粒。
表12-2b：样品12-2的粒径分布
| 筛#ASTM-E | 筛#ISO 565 | wt％(筛上) | ||
| 开口尺寸μm | 初始粒度分布 | 团聚物的初始尺寸分布 | 模制后团聚物的尺寸分布 | |
| 70 | 212 | 0 | ||
| 60 | 250 | 5 | ||
| 50 | 300 | 28 | 0 | |
| 45 | 355 | 53 | 0 | 6.3 |
| 40 | 425 | 14 | 0.2 | 2.3 |
| 35 | 500 | 1.0 | 6.2 | |
| 30 | 600 | 0 | 5.4 | 14.1 |
| 25 | 725 | 15.1 | 21.9 | |
| 20 | 850 | 28.3 | 25.8 | |
| 18 | 1000 | 31.2 | 17.3 | |
| 16 | 1180 | 18.8 | 6.0 | |
| -10/+12 | 1700 | 0 | 0 | |
表12-2b中的数据表明，初始粒度分布中最大单磨粒的尺寸为425μm。初始团聚物尺寸分布数据表明，99.8wt％的团聚物大于425μm。模制和冲洗之后，保留下来的压制团聚物颗粒都大于300μm，其中91.4wt％的团聚物比最大单磨粒(425μm)大，证明模制之后保留了大量磨粒。
表12-2c：样品12-3的粒径分布
| 筛#ASTM-E | 筛#ISO 565 | wt％(筛上) | ||
| 开口尺寸μm | 初始粒度分布 | 团聚物的初始尺寸分布 | 模制后团聚物的尺寸分布 | |
| 70 | 212 | 0 | ||
| 60 | 250 | 5 | ||
| 50 | 300 | 28 | 0 | |
| 45 | 355 | 53 | 0 | 7.2 |
| 40 | 425 | 14 | 2.5 | 2.9 |
| 35 | 500 | 1.3 | 5.1 | |
| 30 | 600 | 0 | 2.7 | 8.5 |
| 25 | 725 | 5.8 | 11.8 | |
| 20 | 850 | 12.3 | 17.2 | |
| 18 | 1000 | 24.3 | 21.5 | |
| 16 | 1180 | 49.1 | 25.8 | |
| -10/+12 | 1700 | 1.9 | 0 | |
表12-2c中的数据表明，初始粒度分布中最大单磨粒的尺寸为425μm。初始团聚物尺寸分布数据表明，97.5wt％的团聚物大于425μm。模制和冲洗之后，保留下来的压制团聚物颗粒都大于300μm，其中89.9wt％的团聚物比最大单磨粒(425μm)大，证明模制之后保留了大量磨粒。
这些结果表明，根据本发明制备的团聚物的强度足以经受住商业磨轮的模制与加工操作。模制轮中的磨粒保持了初始磨粒团聚物的三维结构特征。在加工和模制之后，大部分(即至少85wt％)团聚物保留了许多保持着三维形状的磨粒，其大小与烧结团聚物的初始大小大致相同。
实施例13
利用扫描电镜，比较了用本发明团聚物制备的磨轮结构和比较磨轮的结构。比较轮在制备时没有使用团聚物，但包含与本发明磨轮相同的磨粒和粘合材料，其中磨粒粘结剂、孔隙的体积百分数也相同。
按实施例10所述制备团聚物(样品66)，不同之处在于温度始终保持在1150℃。
团聚物样品66用150磅(68.04kg)磨粒(粒度为80号的32A氧化铝颗粒，购自Saint-Gobain Ceramics & Plastics，Inc.)和10.23磅(4.64kg)粘合材料C(在烧结团聚物中占6.82vol％)。粘合材料在加入颗粒之前分散在粘合剂3(3.75磅；1.701kg)中。
按实施例10所述方法，由团聚物样品66制备实验轮。选用购自Saint-Gobain Abrasives，Inc.的商业磨轮作为比较样品，该商业磨轮标记为32A80L8VFL。
拍摄每个磨轮的截面照片，放大40倍。这些照片示于图2(含团聚物的实验轮)和3(不含团聚物的比较轮)。可以看到，团聚物和孔隙的形状和大小都是不规则的，是任意的。在用团聚物制备的磨轮中可以看出两种类型的孔：团聚物内的孔和较大的团聚物间孔，后者看上去是团聚物之间的分离孔道。对实验轮进行的渗透性试验表明，团聚物间的孔彼此连通，使整个磨轮可以渗透流体。因此，本发明磨轮所具有的孔以连通孔为主(即至少包含30vol％的连通孔)，还较好是双模孔径分布。本发明磨轮的一个特征是比传统磨轮具有许多更开放的复合结构。
从图2和3可以看出，团聚物间孔隙的最大尺寸比团聚物内孔隙的最大尺寸大2-20倍。实际孔径之比取决于磨轮的组成。如果磨轮包含约8-10vol％粘合剂，则孔径之比为2-20，磨粒的平均粒径约为260微米。一般地，对于本发明磨轮，随着粘合剂的体积百分数在此范围内增加，团聚物内孔隙变小，但团聚物间孔隙的最大尺寸仍大致等于团聚物中所含磨粒的最大尺寸。随着粘合剂体积百分数在此范围内的减少，团聚物内孔隙相对变大，但团聚物间孔隙的最大尺寸仍大致等于团聚物中所含磨粒的最大尺寸。
对用团聚物，特别是用包含至少6wt％的粘合材料的团聚物制备的磨轮进一步进行微观检查时发现，增加粘合材料的重量百分含量，将使研磨结构团聚物内孔隙小得多。例如，粘合材料的重量百分含量和粘合剂的体积百分含量越高，团聚物内孔径比团聚物间孔径约大20-200倍。据信，加入团聚物的粘合材料在混合、模制和热处理磨轮的过程中落入团聚物的间隙，从而使某些团聚物间的孔隙变小或封闭，最终损失了双模孔径分布。
实施例14
由表14-1所述材料用批量炉法制备烧结团聚物。磨粒为100号粒度(0.173mm)的38A氧化铝颗粒，购自Saint-Gobain Abrasives，Inc.，Worcester，MA。
表14-1：烧结团聚物组成
| 材料 | 预烧混合物的含量wt％ | 团聚物含量wt％ |
| 粘合材料A | 2.85 | 3.0 |
| 粘合剂 | 1.46 | 0.0 |
| 胡桃壳粒子 | 4.34 | 0.0 |
| 38A磨粒 | 91.35 | 97.0 |
| 总计 | 100.00 | 100.00 |
在形成团聚物颗粒的第一步，磨粒和胡桃壳颗粒在Hobart混合器(实验室型号N-50)中混合。随后用足够量的有机液体粘合剂(含40wt％液体动物胶、30wt％粉状马来酸和30wt％水的混合物)润湿此混合物，使粘合材料粉末粘着到颗粒上。这些颗粒润湿后，加入包含粘合材料组分的粉末混合物(含有上面称作“粘合材料A”的焙烧所组合物的玻璃质粘合组合物)并混合。粘合材料粘着到湿润的颗粒上，然后将此混合物疏松地铺展在陶瓷焙烧垫上。
将混合物在电窑中于1230℃焙烧4小时。焙烧后，在研钵中用杵捣碎，得到烧结团聚物。用安装在振动筛分设备上的美国标准实验筛(Ro-Tap；型号RX-29；W.S.Tyler Inc.Mentor，OH)将烧结团聚物分成三组尺寸。用美国国家标准关于磨粒堆积密度的试验程序测定烧结团聚物的疏松堆积密度(LPD)。
筛分之后，烧结团聚物具有三维形状(三角形、立方形、矩形和其他各种几何形状)，并具有表14-2所示尺寸和LPD。
表14-2筛分后的烧结团聚物
| 烧结团聚物样品 | 粒度 | 大约尺寸(mm)FEPA | LPDg/cc |
| 14-1 | -40/+50目(300-425μm) | 1.12(46) | 0.300-0.425 |
| 14-2 | -50/+60(250-300μm) | 1.33(54-60) | 0.250-0.300 |
| 14-33 | -30/+40(425-600μm) | 0.94(36) | 0.425-0.600 |
对此过程稍作改变，制备另一些团聚物。所作改变如下。将制备的混合物通过箱式筛网(8-12目)湿筛到托盘上。在空气或烘箱中干燥筛分的材料。将该材料装到陶瓷垫上。栽有该材料的陶瓷垫在间歇窑或隧道窑中焙烧，焙烧条件是：温度在1225-1280℃之间，时间在30-360分钟之间。从陶瓷垫上取下焙烧的材料，通过轧辊破碎机破碎成团聚物。
用Ro-Tap装置将破碎的材料筛分到所需尺寸范围。
磨轮
制成的磨轮大小为3.0×0.525×1.25英寸(7.6×1.34×3.2cm)。磨轮的组成(占烧结轮的体积百分数vol％)、密度、透气性、硬度级别和模量性质列于表14-3中。
表14-3：磨轮
| 磨轮样品(团聚物样品a) | 实施例1团聚物vol％ | 粘合剂vol％粘合剂B | 孔隙率vol％ | 相对透气率b | 焙烧密度g/cc | 弹性模量d/cm2×1010 | 硬度级别 |
| 14-1 | 36 | 6.4 | 57.6 | n/a | 1.577 | 14.3 | D |
| 14-2 | 36 | 6.4 | 57.6 | 51.0 | 1.673 | 20.7 | F |
| 14-3 | 40 | 6.4 | 53.6 | n/a | 1.831 | 28.4 | H |
| 比较样品14-C1 | 0.0 | 5.5 | 58.5 | 28.5 | 1.564 | 12.9 | D |
a.团聚物含97wt％100号粒度的38A氧化铝颗粒和3wt％粘合材料A，筛分成粒径为-40/+60目(250-425μm)。
b.流体(空气)透过性根据Norton公司的美国专利5738696和5738697所介绍的实验方法测定。相对空气渗透值表达为cc/s/inch水单位。(设备上用2.2号喷嘴。)
c.磨粒占36vol％时，比较轮比用36-40vol％团聚物颗粒、粘合材料和团聚物内孔隙组成的实验轮含有更多的vol％磨粒(即1-3vol％或更多)。
本发明磨轮样品1、2和3所用粘合剂是具有上面表2中粘合材料B的焙烧摩尔组成的玻璃质粘合材料。比较轮样品所用粘合剂具有表2中粘合材料A的焙烧摩尔组成。
本发明样品1、2、3的烧结团聚物和粘合剂的混合物在Hobart混合器中干混，装入模具，冷压，然后在最高735℃的温度下烧结4小时，形成磨轮。
比较轮样品通过在Hobart混合器中混合玻璃质粘合组分和磨粒来制备。用于比较样品的磨粒是38A氧化铝磨粒，粒度为100号(124μm)，购自Saint-Gobain Abrasives，Inc.，Worcester，MA。混合后，将混合物装模，压制并在1230℃烧结4小时，形成磨轮。
研磨试验14-A
本发明磨轮和比较轮通过内径缓进研磨试验测定，所用条件如下：
研磨条件：
机械：Heald CF，OD/ID Grinder
模式：内径(ID)缓进研磨
轮转速度：6319rpm 4968英尺/分钟(25M/s)
工作速度：20rpm
研磨类型：ID上升-全面进给
横进速率：0.025英寸(0.64mm)/0.050英寸(1.27mm)，沿直径
冷却剂：Trim E210，在去离子井水中的百分数为5％，9加仑/分钟(34L/min)
工件材料：52100钢4英寸(10.2cm)ID×0.250英寸(1cm)，Rc-62.0硬度
旋转修整：AX1440，补偿0.0005英寸，0.005英寸前导，2600rpm
在这些研磨操作中，测定了工件刚烧坏(或磨轮刚刚不能工作)时的最大材料除去速率(MRR)，记录结果。这些研磨试验的结果示于表14-4。
表14-4：研磨试验结果
| 样品 | MRRmm3/s，mm | G-比率MRR/WRR | 比能量W.s/mm3 | 可研磨性mm3/W.s |
| 比较轮 | 1.288 | 81.0 | 40 | 2.03 |
| 2.482 | 40.4 | 67 | 0.60 | |
| 4.544 | 24.3 | 113 | 0.22 | |
| 最大MRR | 5.662 | 2.9 | 123 | 0.02 |
| 14-1轮 | 1.247 | 90.9 | 42 | 2.16 |
| 2.534 | 85.5 | 69 | 1.24 | |
| 4.870 | 37.3 | 110 | 0.34 | |
| 最大MRR | 6.680 | 5.7 | 145 | 0.04 |
| 14-2轮 | 2.554 | 113.7 | 69 | 1.65 |
| 4.921 | 76.1 | 131 | 0.58 | |
| 8.061 | 34.1 | 208 | 0.16 | |
| 最大MRR | 11.116 | 10.9 | 265 | 0.04 |
| 14-3轮 | 2.483 | 122.3 | 78 | 1.57 |
| 5.111 | 79.4 | 132 | 0.60 | |
| 8.534 | 34.5 | 265 | 0.13 | |
| 最大MRR | 11.545 | 10.0 | 340 | 0.03 |
结果表明，根据本发明方法制备的磨轮在MMR方面优于最接近的比较磨轮，其优越的性能没有引起过多的功耗(比能量W.s/mm3)，也没有损坏工件表面。实验轮在G-比率和可研磨指数方面也有改进。此外，用于本发明磨轮的烧结团聚物中的磨粒粒度小于比较轮所用磨粒的粒度。在所有其他参数相同的情况下，粒度小所得G-比率和可研磨指数较差。因此，本发明磨轮的优越性能是很明显的，也是出人意料的。
研磨试验14-B
用同一组磨轮样品在以下表面研磨条件下进行第二系列的研磨试验，用4340钢作工件。
研磨条件：
机械：Brown & Sharp Micr-a-size Grinder
模式：表面缓进研磨
轮转速度：6000rpm
研磨台速度：0
下进给：1.270mm
横进给：1.270mm
冷却剂：Trim VHPE210，在去离子井水中的比率为1∶20，9加仑/分钟(34L/min)
工件材料：4340钢；51Rc硬度；95.4mm长；203.2mm宽
修整：单点金刚石磨具，补偿0.025mm，速度254mm/min
表14-5：研磨试验结果(多次试验的平均结果)
| 样品 | MRRmm3/s，mm | G-比率MRR/WRR | 比能W.s/mm3 | 可研磨性mm3/W.s |
| 14-C1比较轮 | ||||
| 1 | 3.032 | * | 49.46 | * |
| 2 | 4.500 | 54.1 | 41.3 | 1.311 |
| 3 | 7.597 | 10.5 | 72.53 | 0.144 |
| 14-1轮 | ||||
| 1 | 3.045 | 32.7 | 51.61 | 0.635 |
| 2 | 4.510 | 23.2 | 82.50 | 0.281 |
| 3 | 7.597 | 33.4 | 32.00 | 1.045 |
| 14-2轮 | ||||
| 1 | 2.987 | 160.8 | 57.86 | 2.780 |
| 2 | 4.548 | 163.9 | 40.53 | 4.043 |
| 3 | 7.597 | 83.4 | 30.34 | 2.750 |
| 14-3轮 | ||||
| 1 | 3.052 | 27.4 | 52.34 | 0.523 |
| 2 | 4.577 | 164.9 | 53.73 | 3.069 |
| 3 | 7.742 | 10.7 | 56.11 | 0.190 |
*此次试验无法测定G-比率和可研磨性。
结果表明，根据本发明方法制备的磨轮在G-比率和可研磨指数方面优于最接近的比较磨轮，其优越的性能没有引起过多的功耗(比能量W.s/mm3)，也没有损坏工件表面。
实施例15
用根据实施例14的方法制备的烧结团聚物制备另一些磨轮，不同的是在烧结团聚物样品中采用不同类型的磨粒和粘合材料。团聚物和磨轮的组成列于表15-1。在本发明磨轮中，所选玻璃质粘合材料的熔点比用来制备磨轮的团聚物中的粘合材料的熔点至少高150℃。
所有烧结团聚物包含3wt％的粘合材料和97wt％的颗粒，筛分到粒径为-20/+45目(美国标准筛尺寸)(355-850μm)。
制得的磨轮的尺寸为7.0×0.50×1.25英寸(17.8×1.27×3.2cm)。磨轮的组成(占烧结轮的体积百分数vol％)、密度、透气性、硬度级别和模量性质列于表15-1中。
实验轮的粘合剂具有表2中粘合材料B那样的摩尔组成，用这种粘合剂制备的磨轮在735℃烧结4小时。制备比较轮所用的玻璃质粘合剂具有表2中粘合材料C那样的摩尔组成，这些磨轮在900℃烧结8小时。不含烧结团聚物的比较轮包含40vol％的磨粒和10.26vol％(硬度级别为H)或6.41vol％(硬度级别为F)的玻璃质粘合剂。
表15-1：团聚物和磨轮
| 实验轮样品(硬度级别) | 团聚物磨粒粒度粘合材料 | 团聚物vol％ | 粘合剂vol％ | 孔隙率vol％ | 相对透气率b | 焙烧密度g/cc | 弹性模量d/cm2×1010 |
| 15-1(H) | 32A-II60号粘合材料A | 40 | 10.3 | 49.7 | 34.4 | 1.847 | 27.8 |
| 15-2(H) | Alomax60号粒度粘合材料A | 40 | 10.3 | 49.7 | 33.4 | 1.835 | 27.3 |
| 15-3(H) | Norton SG60号粒度粘合材料D | 40 | 10.3 | 49.7 | 23.3 | 1.850 | 29.6 |
| 15-4(F) | Norton SG60号粒度粘合材料D | 40 | 6.4 | 53.6 | 46.5 | 1.730 | 20.9 |
| 比较样品a磨粒＝40vol％ | 磨粒类型 | ||||||
| 15-C1(H) | Norton SG60号粒度 | 0.0 | 10.3 | 49.7 | 16.6 | 1.818 | 31.6 |
| 15-C2(F) | Norton SG60号粒度 | 0.0 | 6.4 | 53.6 | 35.1 | 1.715 | 22.1 |
| 15-C3(H) | Norton SG60号粒度 | 0.0 | 10.3 | 49.7 | 16.0 | 1.822 | 32.6 |
| 15-C4(F) | Norton SG60号粒度 | 0.0 | 6.4 | 53.6 | 41.9 | 1.736 | 23.1 |
| 15-C5(H) | 32A-II60号粒度 | 0.0 | 10.3 | 49.7 | 15.0 | 1.832 | 32.5 |
| 15-C6(H) | Alomax60号粒度 | 0.0 | 10.3 | 49.7 | 16.0 | 1.837 | 31.9 |
a.磨粒占40.0vol％时，比较轮比用40.0vol％团聚物颗粒、粘合材料和团聚物内孔隙组成的实验轮含有更多的vol％磨粒(即1-3vol％或更多)。
b.流体(空气)透过性根据Norton公司的美国专利5738696和5738697所介绍的实验方法测定。相对空气渗透率值表达为cc/s/inch水单位。(设备上用2.2号喷嘴)。
这些磨轮的性质，特别是同一硬度级别的磨轮的透气性表明，由磨粒团聚物制备的实验轮结构中孔隙的连通程度比孔隙率相同、硬度级别相同、包含同样的颗粒和粘合材料的比较轮中孔隙的连通程度高。对于不同硬度级别、含不同类型的颗粒和粘合剂，以及各组分体积百分含量不同的磨轮，都观察到这种结构差异。
Claims (93)
1.粘合磨具，它具有能渗透流体的结构，该磨具包括：
a)约5-75vol％烧结团聚物，它包含许多用粘合材料粘合在一起的磨粒，粘合材料的特征是熔点在500-1400℃之间，烧结团聚物在制成磨具之前具有三维形状和初始尺寸分布；
b)粘合剂；
c)约35-80vol％的总孔隙率，其中包括至少30vol％的连通孔；
所述粘合磨具中至少有50wt％的烧结团聚物在制成磨具后保留着许多保持三维形状的磨粒。
2.权利要求1所述粘合磨具，其特征在于所述在生产磨具之前烧结团结物的疏松堆积密度≤1.6g/cc。
3.权利要求1所述粘合磨具，其特征在于所述粘合剂是玻璃质粘合剂。
4.权利要求3所述玻璃质粘合磨具，其特征在于该磨具包含团聚物内孔和连通孔隙的双模孔径分布。
5.权利要求1所述粘合磨具，其特征在于在制成磨具后有至少50wt％的烧结团聚物的尺寸在初始尺寸分布范围之内。
6.权利要求1所述粘合磨具，其特征在于粘合材料包括选自陶瓷材料、玻璃质材料、玻璃质粘合组合物以及它们的混合物的材料。
7.权利要求6所述粘合磨具，其特征在于粘合材料的熔点约在800-1300℃之间。
8.权利要求6所述粘合磨具，其特征在于所述粘合材料是玻璃质粘合组合物，它包含焙烧过的氧化物组合物，组成为71wt％SiO2和B2O3、14wt％Al2O3、低于0.5wt％碱土金属氧化物和13wt％碱金属氧化物。
9.权利要求5所述粘合磨具，其特征在于所述粘合材料是一种陶瓷材料，选自氧化硅，碱金属硅酸盐、碱土金属硅酸盐、混合碱金属和碱土金属硅酸盐、硅酸铝、硅酸锆、水合硅酸盐、铝酸盐、氧化物、氮化物、氧氮化物、碳化物、氧碳化物和它们的混合物及衍生物。
10.权利要求1所述粘合磨具，其特征在于所述连通孔是在制备磨具的过程中不用生孔介质的情况得到的。
11.权利要求1所述粘合磨具，其特征在于粘合磨具的最大密度为2.2g/cc。
12.权利要求1所述粘合磨具，其中所述磨具的连通孔的特征是其以cc/s/inch水为单位的相对透气率Q/P比不用烧结团聚物制备的可比较的粘合磨具的Q/P至少高10％。
13.权利要求1所述粘合磨具，其特征在于烧结团结物的平均粒径比磨粒的平均粒径大2-20倍。
14.权利要求13所述粘合磨具，其特征在于烧结团聚物的初始平均直径范围为200-3000微米。
15.权利要求13所述粘合磨具，其特征在于磨粒是微细磨粒，烧结团聚物的初始平均粒径范围为5-180微米。
16.权利要求1所述粘合磨具，其特征在于当测定连通孔的最大开口作为其尺寸时，烧结团聚物的平均直径不大于连通孔的平均尺寸。
17.权利要求2所述粘合磨具，其特征在于所述磨具包含35-52vol％的烧结团聚物、3-13vol％的玻璃质粘合剂和35-70vol％的孔。
18.权利要求17所述粘合磨具，其特征在于粘合剂选自有机粘合剂和金属粘合剂。
19.权利要求1所述粘合磨具，其特征在于所述磨具还包含选自以下组分中的至少一种组分：次级磨粒、填料、研磨助剂、生孔剂及它们的混合物。
20.玻璃质粘合磨具，它具有能渗透流体的结构。该磨具包括：
a)约5-75vol％烧结团聚物，它包含许多用粘合材料粘合在一起的磨粒，粘合材料的特征是在熔点下具有粘度A；
b)玻璃质粘合剂，其特征在于在粘合材料的熔点下具有粘度B，粘度B至少比粘度A小33％；
c)约35-80vol％的孔隙率，其中包括至少30vol％的连通孔。
21.权利要求20所述玻璃质粘合磨具，其特征在于粘合材料在1180℃时的粘度A为345-55300泊。
22.权利要求20所述玻璃质粘合磨具，其特征在于玻璃质粘合材料在1180℃时的粘度B为30-37000泊。
23.权利要求20所述玻璃质粘合磨具，其特征在于烧结团结物具有初始三维形状和初始尺寸分布，并且制成磨具后，磨具中至少有50wt％的烧结团聚物保留了许多保持着三维形状的磨粒，至少有50wt％的烧结团聚物的尺寸在初始尺寸范围之内。
24.权利要求20所述粘合磨具，其特征在于磨具的最大密度为2.2g/cc。
25.权利要求20所述粘合磨具，其特征在于粘合材料包括选自陶瓷材料、玻璃质材料、玻璃质粘合组合物以及它们的混合物的材料。
26.权利要求20所述粘合磨具，其特征在于粘合材料的熔点约在800-1300℃之间。
27.权利要求20所述粘合磨具，其特征在于所述连通孔是在制备磨具的过程中不用生孔介质的情况得到的。
28.权利要求20所述粘合磨具，其中所述磨具的连通孔的特征是其以单位cc/s/inch水为单位的相对透气值Q/P比不用烧结团聚物制备的可比较粘合磨具的Q/P至少高10％。
29.权利要求20所述粘合磨具，其特征在于在制备磨具之前烧结团结物的疏松堆积密度≤1.6g/cc。
30.玻璃质粘合磨具，它具有能渗透流体的结构，该磨具包括：
a)约5-60vol％烧结团聚物，它包含许多用粘合材料粘合在一起的磨粒，粘合材料的特征是具有熔点A；
b)玻璃质粘合剂，其特征在于具有熔点B，熔点B比熔点A至少低150℃；
c)约35-80vol％的孔隙率，其中包括至少30vol％的连通孔。
31.权利要求30所述玻璃质粘合磨具，其特征在于烧结团结物具有初始三维形状和初始尺寸分布，并且制成磨具后，磨具中至少有50wt％的烧结团聚物保留了许多保着持三维形状的磨粒，至少有50wt％的烧结团聚物的尺寸在初始尺寸范围之内。
32.权利要求30所述粘合磨具，其特征在于磨具的最大密度为2.2g/cc。
33.权利要求30所述粘合磨具，其特征在于粘合材料包括选自陶瓷材料、玻璃质材料、玻璃质粘合组合物以及它们的混合物的材料。
34.权利要求30所述粘合磨具，其特征在于粘合材料的熔点约在950-1300℃之间。
35.权利要求30所述粘合磨具，其特征在于所述连通孔是在制备磨具的过程中不用生孔介质的情况得到的。
36.权利要求30所述粘合磨具，其中所述磨具连通孔的特征是其以单位cc/s/inch水为单位的相对透气率Q/P比不用烧结团聚物制备的可比较粘合磨具的Q/P至少高10％。
37.权利要求30所述粘合磨具，其特征在于在制备磨具之前烧结团结物的疏松堆积密度≤1.6g/cc。
38.粘合磨具，它具有能渗透流体的结构，该磨具包括：
a)约34-56vol％磨粒；
b)约3-25vol％粘合剂；
c)约35-80vol％的孔隙率，其中包括至少30vol％的连通孔；
其中，形成连通孔时没有加入生孔介质，也没有加入长度与截面宽度的纵横比至少为5∶1的长形材料。
39.权利要求38所述粘合磨具，其特征在于5-100vol％的磨粒由保留在三维烧结团聚物中的磨粒组成，烧结团聚物包含许多磨粒和一种粘合材料，所述粘合材料的特征是其熔点在500-1400℃之间。
40.权利要求38所述粘合磨具，其特征在于所述粘合剂是玻璃质粘合剂。
41.权利要求39所述粘合磨具，其特征在于粘合材料包括选自陶瓷材料、玻璃质材料、玻璃质粘合组合物以及它们的混合物的材料。
42.权利要求38所述粘合磨具，其中所述磨具的连通孔的特征是其以cc/s/inch水为单位的相对透气率Q/P比不用烧结团聚物制备的可比较粘合磨具的Q/P至少高10％。
43.权利要求39所述粘合磨具，其特征在于在制备磨具之前烧结团结物的疏松堆积密度≤1.6g/cc。
44.权利要求39所述玻璃质粘合磨具，其特征在于该磨具包含团聚物内孔隙和连通孔隙的双模孔径分布。
45.权利要求39所述粘合磨具，其特征在于所述磨具还包含选自以下组分中的至少一种组分：次级磨粒、填料、研磨助剂、生孔剂及它们的混合物。
46.权利要求39所述粘合磨具，其特征在于烧结团聚物的初始平均直径范围为200-3000微米。
47.权利要求39所述粘合磨具，其特征在于磨粒是微细磨粒，烧结团聚物的初始平均直径范围为5-180微米。
48.权利要求39所述粘合磨具，其特征在于当测定连通孔的最大开口作为其尺寸时，烧结团聚物的平均直径不大于连通孔的平均尺寸。
49.权利要求40所述粘合磨具，其特征在于磨具的最大密度为2.2g/cc。
50.包含5-75vol％磨粒团聚物的磨具，其制备方法包括如下步骤：
a)向旋转焙烧窑中加入磨粒和粘合材料，控制加料速度，其中粘合材料选自玻璃质粘合材料、玻璃质材料、陶瓷材料、无机粘合剂、有机粘合剂、水、溶剂和它们的混合物；
b)让窑转动，控制转动速度；
c)加热混合物至约145-1300℃，加热速率由进料速度和窑转动速度确定；
d)振摇窑中磨粒和粘合材料，直到粘合材料粘着到磨粒上，众多磨粒粘合在一起产生许多烧结的团聚物；
e)从窑中取出烧结团聚物，其中烧结团聚物包含许多通过粘合材料粘合在一起的磨粒，具有初始三维形状和≤1.6g/cc的疏松堆积密度；
f)将烧结团聚物模制成一成形复合体；
g)对成形复合体进行热处理，形成磨具。
51.权利要求50所述磨具，其特征在于所述制备方法还包括将烧结团聚物和粘合材料混合形成团聚物混合物的步骤。
52.权利要求51所述粘合磨具，其特征在于所述粘合材料是玻璃质粘合材料。
53.权利要求52所述玻璃质粘合磨具，其特征在于所述玻璃质粘合剂的粘合焙烧温度比粘合材料的熔点至少低150℃。
54.权利要求50所述粘合磨具，其特征在于粘合材料包括选自陶瓷材料、玻璃质材料、玻璃质粘合组合物以及它们的混合物的材料。
55.权利要求54所述粘合磨具，其特征在于粘合材料的熔点约在800-1300℃之间。
56.权利要求55所述玻璃质粘合磨具，其中粘合材料的特征是它在熔点下的粘度为345-55300泊。
57.权利要求55所述粘合磨具，其特征在于所述粘合材料是玻璃质粘合组合物，它包含焙烧过的氧化物组合物，组成为71wt％SiO2和B2O3、14wt％Al2O3、低于0.5wt％碱土金属氧化物和13wt％碱金属氧化物。
58.权利要求54所述粘合磨具，其特征在于所述粘合材料是陶瓷材料，选自氧化硅，碱金属硅酸盐、碱土金属硅酸盐、混合碱金属和碱土金属硅酸盐、硅酸铝、硅酸锆、水合硅酸盐、铝酸盐、氧化物、氮化物、氧氮化物、碳化物、氧碳化物和它们的混合物及衍生物。
59.权利要求50所述粘合磨具，其特征在于所述连通孔是在制备磨具的过程中不用生孔介质的情况得到的。
60.权利要求50所述粘合磨具，其特征在于所述磨具还包含约35-80vol％的总孔隙率，其中包括至少30vol％的连通孔。
61.权利要求52所述粘合磨具，其特征在于粘合磨具的最大密度为2.2g/cc。
62.权利要求50所述粘合磨具，其特征在于烧结团结物的平均粒径比磨粒平均粒径大2-20倍。
63.权利要求50所述粘合磨具，其特征在于烧结团聚物的初始平均直径范围为200-3000微米。
64.权利要求50所述粘合磨具，其特征在于磨粒是微细磨粒，烧结团聚物的初始平均直径范围为5-180微米。
65.权利要求60所述粘合磨具，其中所述磨具的连通孔的特征是其以cc/s/inch水为单位的相对透气率Q/P比不用烧结团聚物制备的可比较粘合磨具的Q/P至少高10％。
66.权利要求51所述粘合磨具，其特征在于所述磨具包含35-52vol％的烧结团聚物、3-13vol％的玻璃质粘合剂和35-70vol％的孔隙率。
67.权利要求50所述粘合磨具，其特征在于所述磨具还包含选自以下组分中的至少一种组分：次级磨粒、填料、研磨助剂、生孔剂及它们的混合物。
68.一种研磨方法，它包括以下步骤：
a)提供粘合磨具，它具有能渗透流体的结构，该磨具包括：
1)约5-75vol％烧结团聚物，它包含许多用粘合材料粘合在一起的磨粒，粘合材料的特征是熔点在500-1400℃之间，在制成磨具之前烧结团聚物具有三维形状和初始尺寸分布。
2)粘合剂；
3)约35-80vol％的总孔隙率，其中包括至少30vol％的连通孔；
所述粘合磨具中至少有50wt％的烧结团聚物在制成磨具后保留着许多保持三维形状的磨粒；
b)使粘合磨具与工件接触；
c)用粘合磨具对工件表面进行研磨。
69.一种研磨方法，它包括如下步骤：
a)提供粘合磨具，它具有能渗透流体的结构，该磨具包括：
1)约34-56vol％磨粒；
2)约3-25vol％粘合剂；
3)约35-80vol％的总孔隙率，其中包括至少30vol％的连通孔；
其中，形成连通孔时没有加入生孔介质，也没有加入长度与截面宽度的长宽比至少为5∶1的长形材料。
b)使粘合磨具与工件接触；
c)用粘合磨具对工件表面进行研磨。
70.使磨粒发生团聚的方法，它包括以下步骤：
a)在旋转焙烧窑中加入磨粒和粘合材料，控制加料速度，其中粘合剂选自玻璃质粘合材料、玻璃质材料、陶瓷材料、无机粘合剂、有机粘合剂、水、溶剂和它们的混合物；
b)让窑转动，控制转动速度；
c)加热混合物至约145-1300℃，加热速率由进料速度和窑转动速度确定；
d)振摇窑中的磨粒和粘合材料，直到粘合材料粘着到磨粒上，众多磨粒粘合在一起产生许多烧结的团聚物；
e)从窑中取出烧结团聚物，
所得烧结团聚物具有初始三维形状和≤1.6g/cc的疏松堆积密度，它包含许多磨粒。
71.权利要求70所述方法，其特征在于它还包括制备磨粒和粘合材料的均匀混合物，然后将混合物送入旋转焙烧窑的步骤。
72.权利要求70所述方法，其特征在于所述混合物在加热窑中振摇0.25-2.0小时。
73.权利要求70所述方法，其特征在于烧结团聚物的尺寸比比磨粒的尺寸大2-20倍。
74.权利要求70所述方法，其特征在于窑倾斜约0.5-5度。
75.权利要求70所述方法，其特征在于窑的旋转速度为0.5-10rpm。
76.权利要求71所述方法，其特征在于以约5-910kg/h的进料速率将混合物送入窑。
77.权利要求71所述方法，其特征在于混合物进料速率这样设定，使混合物占据窑体积的8-12vol％。
78.权利要求70所述方法，其特征在于烧结团聚物具有在加压试验中破碎50％时的0.5最小破碎强度。
79.权利要求71所述方法，其特征在于所述混合物还包含选自以下组分中的至少一种组分：次级磨粒、填料、研磨助剂、生孔剂及它们的混合物。
80.权利要求71所述方法，其特征在于所述混合物还包含生孔介质，选自空心玻璃球、磨碎的胡桃壳、塑料或有机化合物的空心球或空心珠、发泡玻璃粒子、多铝红柱石泡和氧化铝泡以及它们的混合物。
81.权利要求70所述方法，其特征在于磨粒和粘合材料在窑中加热到800-1200℃。
82.权利要求81所述方法，其特征在于该温度能有效地引起粘合材料熔化并流动，熔化的粘合材料的粘度至少为300泊。
83.权利要求71所述方法，其特征在于均匀匀混合物发生团聚，形成生团聚物，接着将生团聚物送入旋转焙烧窑。
84.磨粒的烧结团聚物，通过包括以下步骤的方法制备：
a)旋转焙烧窑中加入磨粒和粘合材料，控制加料速度；
b)让窑转动，控制转动速度；
c)加热混合物至约145-1300℃，加热速率由进料速度和窑转动速度确定；
d)振摇窑中颗粒和粘合材料，直到粘合材料粘着到颗粒上，众多磨粒粘合在一起产生许多烧结的团聚物；
e)从窑中取出烧结团聚物，
所得烧结团聚物具有初始三维形状和≤1.6g/cc的疏松堆积密度，它包含许多磨粒。
85.权利要求84所述烧结团聚物，其特征在于它还包含选自以下组分中的至少一种组分：次级磨粒、填料、研磨助剂、生孔剂及它们的混合物。
86.权利要求84所述烧结团聚物，其特征在于粘合材料包括选自玻璃质粘合材料、玻璃质材料、陶瓷材料、无机粘合剂、有机粘合剂、有机粘合材料、金属粘合材料和它们的混合物的材料。
87.权利要求84所述烧结团聚物，其特征在于它还包括制备磨粒和粘合材料的混合物，然后将混合物送入旋转焙烧窑的步骤。
88.权利要求84所述烧结团聚物，其特征在于烧结团聚物的尺寸比磨粒的尺寸大2-20倍。
89.权利要求84所述烧结团聚物，其特征在于烧结团聚物的初始平均直径范围为200-3000微米。
90.权利要求84所述烧结团聚物，其特征在于磨粒是微细磨粒，烧结团聚物的初始平均直径范围为5-180微米。
91.权利要求84所述烧结团聚物，其特征在于团聚物颗粒包含约30-88vol％的孔。
92.权利要求91所述烧结团聚物，其特征在于达75vol％的孔是连通孔。
93.权利要求84所述烧结团聚物，其特征在于团聚物的相对密度可采用流体置换体积技术测定，表达为团聚物的体积与用来制备团聚物的磨粒和粘合材料的表观体积之比，其最大值为0.7。
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