CN1906266A - 氧化铝－氧化钇颗粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了熔凝多晶磨粒及其制备方法和使用方法。例如，根据本发明的熔凝多晶磨粒可用作磨具制品中的磨粒。

Description

氧化铝-氧化钇颗粒及其制备方法
背景技术
本领域中已知有多种磨粒(例如金刚石颗粒、立方氮化硼颗粒、熔凝磨粒和烧结陶瓷磨粒(包括溶胶-凝胶衍生的磨粒))。在一些研磨应用中，磨粒以松散的形式使用，而在其它应用中，颗粒则被结合到磨料产品(例如涂附磨具产品、固结磨具产品、非织造磨具产品和磨刷)中。选择用于具体研磨应用的磨粒的标准包括：研磨寿命、切削速度、基底表面光洁度、研磨效率和产品成本。
从约20世纪到约20世纪80年代中期，研磨应用(如利用涂附磨具产品和固结磨具产品的那些)通用的磨粒通常为熔凝磨粒。有两种常用类型的熔凝磨粒：(1)熔凝α-氧化铝磨粒(参见例如，美国专利No.1,161,620(Coulter)、1,192,709(Tone)、1,247,337(Saunders等人)、1,268,533(Allen)和2,424,645(Baumann等人))，和(2)熔凝(有时也称为“共熔”)氧化铝-氧化锆磨粒(参见例如，美国专利No.3,891,408(Rowse等人)、3,781,172(Pett等人)、3,893,826(Quinan等人)、4,126,429(Watson)、4,457,767(Poon等人)和5,143,522(Gibson等人))(还参见例如，美国专利No.5,023,212(Dubots等人)和5,336,280(Dubots等人)，其报导了某些熔凝氧氮化物磨粒)。熔凝氧化铝磨粒通常通过如下方法生产：向炉子中装入氧化铝源(如铝矿或铝土矿)以及其它附带的杂质和所需的添加剂，加热材料到其熔点之上，将熔融物冷却以得到固化物，将固化物粉碎为颗粒，然后将颗粒过筛和分级以得到所需的磨粒粒度分布。熔凝氧化铝-氧化锆磨粒通常以类似的方式生产，不同之处在于向炉子中装入氧化铝源、氧化锆源以及可任选的稳定用氧化物(如氧化钇、氧化铈、氧化镁、稀土氧化物和二氧化钛)，并且其熔融物比用于生产熔凝氧化铝磨粒的熔融物冷却速度更快。对于熔凝氧化铝-氧化锆磨粒，氧化铝源的量通常为约15-85重量％，氧化锆源的量为约85-15重量％。用于生产熔凝氧化铝和熔凝氧化铝磨粒的方法通常包括在冷却步骤之前从熔融物中除去杂质。残留的杂质(例如二氧化硅、二氧化钛和铁的氧化物)通常富集在晶体和共晶团的边界。晶体和/或共晶团边界处的杂质可以以结晶态和/或玻璃态存在，和/或以在例如氧化铝和/或氧化锆的晶体结构中的溶解状态存在。通过电弧熔融方法生产的熔凝氧化铝-氧化锆陶瓷中常见的杂质为碳。虽然不受限于理论，但是普遍认为如果将这种陶瓷在氧化气氛中充分加热(例如通常超过约350℃)，则碳对氧化铝-氧化锆陶瓷产生不利的影响。
通常，冷却速度影响包含共晶叠层结构的共晶团的形态(例如尺寸)和共晶层的间距(即，层的厚度)是已知的。另外，一般来说，较高的冷却速度通常产生较小的共晶团和较薄的共晶层也是已知的。此外，一般来说，冷却速度会影响所得到的陶瓷的相的构成也是已知的。例如，较高的冷却速度通常优先产生更多的四方(立方)晶型的氧化锆。通常，在没有任何稳定剂(例如氧化钇、氧化镁等)的情况下，较小的四方晶型的氧化锆晶体更稳定，不易向单斜结晶相转化。另外，如果从熔融物中除去热是以定向方式进行(例如，在铰接式金属模(book molds)的情况中)的，则包含共晶结构的共晶团可以在除热方向上不对称地生长(即，共晶团生长会变得被定向或被拉长)。通常，较小的共晶团尺寸更合乎需要。
熔凝磨粒领域中的最新进展包括在例如以下PCT申请公开中报导的那些：2001年8月9日公开的WO01/56945、WO01/56946、WO01/56947、WO01/56948、WO01/56949、WO01/56950和2002年1月31日公开的WO02/08143、WO02/08144、WO02/08145、WO02/08146。
虽然熔凝α-氧化铝磨粒和熔凝氧化铝-氧化锆磨粒仍然被广泛应用于研磨应用(包括利用涂附磨具产品和固结磨具产品的那些)中，但是自从约20世纪80年代中期以来，用于许多研磨应用的首要的磨粒为溶胶-凝胶衍生的α-氧化铝颗粒(参见例如，美国专利No.4,314,827(Leitheise等人)、4,518,397(Leitheiser等人)、4,623,364(Cottringer等人)、4,744,802(Schwabel)、4,770,671(Monroe等人)、4,881,951(Wood等人)、4,960,441(Pellow等人)、5,139,978(Wood)、5,201,916(Berg等人)、5,366,523(Rowenhorst等人)、5,429,647(Larmie)、5,547,479(Conwell等人)、5,498,269(Larmie)、5,551,963(Larmie)以及5,725,162(Garg等人))。
溶胶-凝胶衍生的α-氧化铝磨粒可具有由非常细的α-氧化铝晶粒构成的微观结构，无论存在或不存在附加二次相。在通过例如由溶胶-凝胶衍生的磨粒制成的磨料产品的寿命对该磨粒在金属上的研磨性能进行测定时，其寿命显著地比由许多常规的熔凝氧化铝磨粒制成的产品更长。
本领域中已知有多种磨料产品(也称为“磨具制品”)。通常，磨料产品包括粘结剂和被粘结剂固定在磨料产品内的磨粒。磨料产品的例子包括：涂附磨具产品、固结磨具产品、非织造磨具产品和磨刷。
固结磨具产品的例子包括：砂轮、切割轮和镗磨油石。用于生产固结磨具产品的固结体系的主要类型为：树脂固结型、陶瓷固结型和金属固结型。树脂固结磨具利用有机粘结剂体系(例如酚醛树脂的粘结剂体系)将磨粒结合在一起以形成具有一定形状的块体(参见例如，美国专利No.4,741,743(Narayanan等人)、4,800,685(Haynes等人)、5,038,453(Narayanan等人)和5,110,332(Narayanan等人))。另一个主要的类型为陶瓷砂轮，其中使用玻璃粘结剂体系将磨粒结合在一起形成块体(参见例如，美国专利No.4,543,107(Rue)、4,898,587(Hay等人)、4,997,461(Markhoff Matheny等人)和5,863,308(Qi等人))。这些玻璃固结物通常在900℃到1300℃之间的温度烧成。现在，陶瓷砂轮既利用熔凝氧化铝磨粒又利用溶胶-凝胶衍生的磨粒。金属固结磨具产品通常利用烧结金属或电镀金属以结合磨粒。
磨料工业仍然需要新型的磨粒和磨具制品及其生产方法。
发明概述
一方面，本发明提供一种包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶材料(如，颗粒或多个颗粒)，其中所述Al2O3中的至少一部分为过渡型Al2O3(例如γ-Al2O3)，并且其中所述Al2O3和所述Y2O3中的至少一部分作为复合Al2O3·Y2O3存在。在一些实施方案中，所述复合Al2O3·Y2O3表现出以下结构中的至少一种：(i)石榴石型晶体结构，(ii)钙钛矿型晶体结构，或(iii)包含枝蔓晶体的微观结构(例如，平均尺寸小于2微米的枝蔓晶体，或在一些实施方案中，平均尺寸为1到2微米的枝蔓晶体)。在一些实施方案中，熔凝多晶材料分别包含占各熔凝多晶材料总重量的至少50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％，或者甚至是至少90重量％的Al2O3。在一些实施方案中，熔凝多晶材料包含占熔凝多晶材料总重量的35重量％到90重量％(在一些实施方案中为40重量％到90重量％、45重量％到90重量％、50重量％到90重量％、55重量％到90重量％、60重量％到90重量％，甚至65重量％到90重量％)的Al2O3以及占熔凝多晶材料总重量的65重量％到15重量％(在一些实施方案中为60重量％到15重量％、55重量％到15重量％、50重量％到10重量％、45重量％到10重量％、40重量％到10重量％、甚至35重量％到10重量％)的Y2O3。
一方面，本发明提供一种制备根据本发明的熔凝多晶材料的方法，该方法包括：
提供包含Al2O3和Y2O3的熔融物(例如，火焰形成的包含Al2O3和Y2O3的熔融物)；和
将该熔融物冷却以直接得到包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶材料，其中所述Al2O3中的至少一部分为过渡型Al2O3(例如γ-Al2O3)，并且其中所述Al2O3和所述Y2O3中的至少一部分作为复合Al2O3·Y2O3存在。在一些实施方案中，所述复合Al2O3·Y2O3表现出以下结构中的至少一种：(i)石榴石型晶体结构，(ii)钙钛矿型晶体结构，或(iii)包含枝蔓晶体的微观结构。在一些实施方案中，将所述材料粉碎以得到颗粒。在一些实施方案中，熔融物的冷却操作中的至少一部分过程包括将该熔融物浸入流体(例如水)中的步骤。
一方面，本发明提供一种制备根据本发明的熔凝多晶颗粒的方法，该方法包括：
提供包含Al2O3和Y2O3的熔融物(例如，火焰形成的包含Al2O3和Y2O3的熔融物)；
将所述熔融物成形为前体颗粒；和
将所述前体颗粒冷却以直接得到包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶颗粒，其中所述Al2O3中的至少一部分为过渡型Al2O3(例如γ-Al2O3)，并且其中所述Al2O3和所述Y2O3中的至少一部分作为复合Al2O3·Y2O3存在。在一些实施方案中，所述复合Al2O3·Y2O3表现出以下结构中的至少一种：(i)石榴石型晶体结构，(ii)钙钛矿型晶体结构，或(iii)包含枝蔓晶体的微观结构。在一些实施方案中，熔融物的冷却操作中的至少一部分过程包括将该熔融物浸入流体(例如水)中的步骤。
一方面，本发明提供一种熔凝多晶材料(例如，颗粒(或多个颗粒)，在一些实施方案中为磨粒(或多个磨粒))，该熔凝多晶材料包含(a)平均晶粒尺寸为1到10微米(在一些实施方案中为1到9微米、1到8微米、1到7微米、1到6微米、1到5微米，或者甚至是5到10微米)的α-氧化铝，和(b)作为独立结晶相存在的复合Y2O3·金属氧化物。在一些实施方案中，熔凝多晶材料包含占熔凝多晶材料总重量的至少50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％，或者甚至是至少90重量％的Al2O3。在一些实施方案中，熔凝多晶材料包含占熔凝多晶材料总重量的35重量％到90重量％(在一些实施方案中为40重量％到90重量％、45重量％到90重量％、50重量％到90重量％、55重量％到90重量％、60重量％到90重量％，或者甚至65重量％到90重量％)的Al2O3以及占熔凝多晶材料总重量的65重量％到10重量％(在一些实施方案中为60重量％到10重量％、55重量％到10重量％、50重量％到10重量％、45重量％到10重量％、40重量％到10重量％，或者甚至35重量％到10重量％)的Y2O3。
一方面，本发明提供一种制备熔凝多晶材料(例如，颗粒(或多个颗粒)，在一些实施方案中为磨粒(或多个磨粒))的方法，该熔凝多晶材料包含(a)平均晶粒尺寸为1到10微米的α-氧化铝，和(b)作为独立结晶相存在的复合Y2O3·金属氧化物，该方法包括：
提供包含Al2O3和Y2O3的熔融物；和
将所述熔融物冷却以直接得到熔凝多晶材料。
一方面，本发明提供一种制备熔凝多晶材料(例如，颗粒(或多个颗粒)，在一些实施方案中为磨粒(或多个磨粒))的方法，该熔凝多晶材料包含(a)平均晶粒尺寸为1到10微米的α-氧化铝，和(b)作为独立结晶相存在的复合Y2O3·金属氧化物，该方法包括：
加热包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶材料(例如，颗粒(或多个颗粒))，其中所述Al2O3中的至少一部分为过渡型Al2O3(例如γ-Al2O3)，并且其中所述Al2O3和所述Y2O3中的至少一部分作为复合Al2O3·Y2O3存在。在一些实施方案中，所述复合Al2O3·Y2O3表现出以下结构中的至少一种：(i)石榴石型晶体结构，(ii)钙钛矿型晶体结构，或(iii)包含枝蔓晶体的微观结构。在一些实施方案中，在加热之前将包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶材料粉碎。在一些实施方案中，将包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶材料加热，从而将所述过渡型氧化铝(如γ-氧化铝)中的至少一部分转化为α-氧化铝(在一些实施方案中，占所述过渡型氧化铝(如γ-氧化铝)在加热前的总体积的至少50体积％、60体积％、75体积％、90体积％、96体积％、99体积％，或者甚至为100体积％的过渡型氧化铝(如γ-氧化铝)被转化为α-氧化铝)。
在本申请中：
“复合金属氧化物”指的是包含两种或多种不同金属元素和氧的金属氧化物(例如CeAl11O18、Dy3Al5O12、MgAl2O4和Y3Al5O12)；
“复合Al2O3·金属氧化物”指的是以理论氧化物为基础计算包含Al2O3和一种或多种不同于Al的金属元素的复合金属氧化物(例如CeAl11O18、Dy3Al5O12、MgAl2O4和Y3Al5O12)；
“复合Al2O3·Y2O3”指的是以理论氧化物为基础计算包含Al2O3和Y2O3的复合金属氧化物(例如Y3Al5O12)；
“复合Al2O3·REO”指的是以理论氧化物为基础计算包含Al2O3和稀土氧化物的复合金属氧化物(例如CeAl11O18和Dy3Al5O12)；
“独立结晶相”指与具有另一种独立结晶相的固态溶液中存在的、不能被X射线衍射检测到的某一相态相反，可以被X射线衍射检测到的结晶相(例如，已知诸如Y2O3或CeO2之类的氧化物可能存在于具有结晶态ZrO2的固态溶液中并且起到相稳定剂的作用，但在这种情况中的Y2O3或CeO2就不是独立结晶相)；
“熔凝”物质是指直接从熔融物冷却而得到的晶体材料和通过对直接从熔融物冷却得到的结晶物质进行热处理而制成的晶体材料(例如，通过对直接从熔融物冷却得到的过渡型氧化铝进行热处理而制成的α-氧化铝)；
“稀土氧化物”是指氧化铈(如CeO2)、氧化镝(如Dy2O3)、氧化铒(如Er2O3)、氧化铕(如Eu2O3)、氧化钆(如Gd2O3)、氧化钬(如Ho2O3)、氧化镧(如La2O3)、氧化镥(如Lu2O3)、氧化钕(如Nd2O3)、氧化镨(如Pr6O11)、氧化钐(如Sm2O3)、氧化铽(例如Tb2O3)、氧化钍(如Th4O7)、氧化铥(如Tm2O3)、氧化镱(如Yb2O3)、及其组合；以及
“REO”是指稀土氧化物。
根据本发明的熔凝多晶磨粒可以被结合到磨具制品中或以松散的形式使用。磨粒在使用前通常按给定粒度分布进行分级。这样的分布通常具有一定范围的粒度，即从粗颗粒到细颗粒，在磨料领域中，这个范围有时指“粗”、“控制”和“细”级别。根据磨料工业上认可的分级标准分级的磨粒是将每个标称级别的粒度分布指定在数字界限内。这种工业上认可的分级标准(即规定标称级别)包括如下公知的标准：美国国家标准协会(ANSI)的标准、欧洲磨料产品生产商联合会(FEPA)的标准和日本工业标准(JIS)的标准。
一方面，本发明提供具有规定标称级别的多个磨粒，其中所述多个磨粒中的至少一部分是根据本发明的熔凝多晶磨粒。在一些实施方案中，根据本发明的熔凝多晶磨粒占所述多个磨粒的总重量的至少5重量％、10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％、45重量％、50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、95重量％，或者甚至100重量％。
对于根据本发明的方法的一些实施方案，该方法还包括将根据本发明的熔凝多晶磨粒进行分级的步骤，以提供具有规定标称级别的多个颗粒。在一些实施方案中，在分级之前将熔凝多晶磨粒粉碎或通过其它方法减小其尺寸。
另一方面，本发明提供包含粘结剂和多个磨粒的磨具制品，其中所述磨粒中的至少一部分为根据本发明的熔凝多晶磨粒。示例性的磨料产品包括涂附磨具制品、固结磨具制品(例如砂轮)、非织造磨具制品和磨刷。涂附磨具制品通常包含具有相背的第一主表面和第二主表面的背衬，并且其中，所述粘结剂和所述多个磨粒在所述第一主表面中的至少一部分上形成磨料层。
在一些实施方案中，在磨具制品中，根据本发明的熔凝多晶磨粒占该磨具制品中的磨粒的总重量的至少5重量％、10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％、45重量％、50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、95重量％，或者甚至100重量％。
本发明还提供研磨表面的方法，该方法包括：
将根据本发明的熔凝多晶磨粒与工件表面相接触；以及
移动根据本发明的熔凝多晶磨粒或者被接触的表面中的至少一者，以用根据本发明的至少一个熔凝多晶磨粒来研磨所述表面中的至少一部分。
附图说明
图1为带有用于焰熔装置的粉末加料器组件的装置的示例性实施方案的侧视图。
图2为图1所示装置的剖视图。
图3为图1所示装置的分解剖视图。
图4为图1所示粉末加料器组件的一部分的侧视图。
图5为图1所示粉末加料器组件的一部分的立体图。
图6为图1所示粉末加料器组件的一部分的剖视图。
图7为包含根据本发明的熔凝多晶磨粒的涂附磨具制品的一部分的剖示图。
图8为包含根据本发明的熔凝多晶磨粒的固结磨具制品的立体图。
图9为包含根据本发明的熔凝多晶磨粒的非织造磨具制品的一部分的放大示意图。
图10为根据实施例1制成的熔凝多晶材料的电子显微照片。
图11为根据实施例4制成的熔凝多晶材料的电子显微照片。
发明详述
本发明提供熔凝多晶磨粒及其制备和使用方法。用于形成熔凝多晶材料和熔融物的原料包括以下这些。
Al2O3(以理论氧化物为基础计算)的来源(包括商业来源)包括铝土矿(包括天然产生的铝土矿和合成制备的铝土矿)、高铝矾土熟料、水合氧化铝(例如勃姆石和水铝矿)、铝、拜耳法氧化铝、铝矿、γ-氧化铝、α-氧化铝、铝盐、硝酸铝及其组合。所述Al2O3来源可以仅仅提供Al2O3。其它可供选用的方式是，所述Al2O3来源可以提供Al2O3及不同于Al2O3的一种或多种金属氧化物(包括：复合Al2O3·金属氧化物(例如Dy3Al5O12、Y3Al5O12、CeAl11O18等)材料或含有这样的复合Al2O3·金属氧化物的材料)。Al2O3来源还可以包含例如少量的二氧化硅、氧化铁、二氧化钛和碳。
稀土氧化物的来源(包括商业来源)包括稀土氧化物粉末、稀土金属、含稀土的矿物(例如氟碳铈镧矿和独居石)、稀土盐、稀土硝酸盐和稀土碳酸盐。所述稀土氧化物源可以包含(或者仅仅提供)稀土氧化物。其它可供选用的方式是，所述稀土氧化物源可以包含(或者提供)稀土氧化物及不同于稀土氧化物的一种或多种金属氧化物(包括：复合稀土氧化物·其它金属氧化物(例如Dy3Al5O12、CeAl11O18等)材料或含有这样的复合稀土氧化物·其它金属氧化物的材料)。
Y2O3(以理论氧化物为基础计算)的来源(包括商业来源)包括氧化钇粉末、钇、含钇的矿石和钇盐(例如，碳酸钇、硝酸钇、氯化钇、氢氧化钇、及其组合)。所述Y2O3源可以包含(或者仅仅提供)Y2O3。其它可供选用的方式是，所述Y2O3源可以包含(或者提供)Y2O3以及不同于Y2O3的一种或多种金属氧化物(包括：复合Y2O3·金属氧化物(例如Y3Al5O12)材料或含有这样的复合Y2O3·金属氧化物的材料)。
其它有用的金属氧化物还可以包括BaO、CaO、Cr2O3、CoO、Fe2O3、GeO2、HfO2、Li2O、MgO、MnO、NiO、Na2O、Sc2O3、SrO、TiO2、ZnO、ZrO2及其组合(以理论氧化物为基础计算)。这些金属氧化物的来源(包括商业来源)包括所述氧化物本身、金属粉末、复合氧化物、矿物、碳酸盐、醋酸盐、硝酸盐、氯化物、氢氧化物等。
ZrO2(以理论氧化物为基础计算)的来源(包括商业来源)包括氧化锆粉末、锆砂、锆、含锆矿石和锆盐(例如碳酸锆、醋酸锆、硝酸锆、氯化锆、氢氧化锆、及其组合)。其它的或者是替代的ZrO2来源可以包含(或者提供)ZrO2以及其它金属氧化物(例如氧化铪)。HfO2(以理论氧化物为基础计算)的来源(包括商业来源)包括氧化铪粉末、铪、含铪矿石和铪盐。其它的或者是替代的HfO2来源可以包含(或者提供)HfO2以及其它金属氧化物(如ZrO2)。在一些实施方案中，氧化锆可为被稳定的二氧化锆。用于氧化锆的典型稳定剂包括氧化钇、氧化钙、氧化镁、氧化铈或其它稀土氧化物。
对于包含ZrO2和HfO2的实施方案，ZrO2与HfO2的重量份数关系可以在100份比0份(即所有都为ZrO2；不含有HfO2)到0份比100份的范围内，并且为，例如至少大约99份、98份、97份、96份、95份、90份、85份、80份、75份、70份、65份、60份、55份、50份、45份、40份、35份、30份、25份、20份、15份、10份和5份(按重量计)的ZrO2和相应量的HfO2(例如至少大约99份(按重量计)的ZrO2和不多于1份的HfO2)；至少大约99份、98份、97份、96份、95份、90份、85份、80份、75份、70份、65份、60份、55份、50份、45份、40份、35份、30份、25份、20份、15份、10份和5份的HfO2和相应量的ZrO2。
在一些实施方案中，有利的是，通过加入颗粒金属材料或以其它方式将颗粒金属材料与其它原料混合来获得金属氧化物源中的至少一部分(在一些实施方案中，该部分占金属氧化物源的10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％、45重量％、50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、95重量％，或者甚至100重量％)，所述金属材料包含在氧化物形成中具有负焓的金属M(例如Al、Ca、Cu、Cr、Fe、Li、Mg、Ni、Ag、Ti、Zr及其组合)或其合金中的至少一种。虽然不受限于理论，但是普遍认为，与金属氧化相关的放热反应中产生的热量对形成均匀的熔融物和由此得到的熔凝多晶材料是十分有益的。例如，普遍认为在原料(通常为进料颗粒)中由氧化反应产生的额外的热量能够使不充足的热量转移消除、最小化或者至少降低，因此有利于所得到的熔融物的形成和均匀化。普遍还认为额外热量可有助于促使各种化学反应和物理过程(例如致密化过程和球化过程)完成。另外，普遍认为，在一些实施方案中，由氧化反应产生的额外热量的存在实际上能够使熔融物形成，否则，由于材料的高熔点，形成熔融物是很难的或不切实际的。在形成熔凝多晶材料时包含颗粒金属材料的另一个优点是很多化学过程和物理过程(例如，熔化过程、致密化过程和球化过程)可以在很短的时间内完成。
通常选择具有粒度的颗粒原料，使得能够很快达到形成均匀的进料颗粒从而很快达到形成均匀的熔融物。为了这个目的，通常使用平均粒度较小的原料。例如，那些平均粒度在大约5纳米到大约50微米的范围内(在一些实施方案中，在大约10纳米到大约20微米的范围内，或者甚至在大约15纳米到大约1微米的范围内)的原料，其中颗粒中的至少90重量％(在一些实施方案中为95重量％或者甚至为100重量％)是原料，但是也可以使用在这些尺寸以外的尺寸。尺寸小于5纳米的颗粒原料往往难以处理(例如，由于这些进料颗粒的流动性往往较差，所以进料颗粒的流动性往往会不令人满意)。在典型的火焰形成工艺中使用尺寸大于约50微米的颗粒原料往往会更难以获得均匀的熔融物和熔凝多晶材料和/或所需的组合物。在一些实施方案中，火焰形成工艺在最高为2500℃的温度下(在一些实施方案中，在1900℃到2500℃的范围内，或者甚至在2000℃到2500℃的范围内)实施。
另外，在一些情况下，例如当进料颗粒被加入到火焰中以形成熔融物时，可能需要提供具有一定粒度范围的颗粒原料。虽然不受限于理论，但是普遍认为这样有助于进料颗粒的装填密度和强度。另外，例如在火焰形成过程中，太粗的进料颗粒往往会在进料颗粒中产生热应力和机械应力。这种情况的最终结果通常是，进料颗粒碎裂成更小的碎块，组成的均匀性下降，产率降低，或者甚至熔化不彻底，这是因为这些碎块通常在远离热源的多个方向上改变它们的轨迹(changetheir traiectories)的缘故。
一方面，将进料颗粒(进料颗粒可以包含例如预熔凝多晶材料，或者进料颗粒可以是例如预熔凝多晶材料)独立地加入到火焰中以形成熔融混合物。另一方面，进料颗粒可以包含与其它颗粒原料混合在一起的预熔融材料。本发明的范围还包括将预熔融材料加入到火焰中，而将其它原料独立地加入到火焰中以形成熔融混合物。在后一种情况中，各组分的混合被认为是通过熔滴在火焰中聚结而发生的。
在一些实施方案中，例如，在熔化之前将原料组合或者混合在一起以形成进料。可以用任何合适的和已知的方式组合所述原料以形成基本上均匀的混合物。这些组合技术包括球磨、混合、滚磨等。在球磨机中的研磨介质可以是例如金属球、陶瓷球等。例如，所述的陶瓷研磨介质可以是氧化铝、氧化锆、二氧化硅、氧化镁等。在含水的环境中或在基于溶剂(例如异丙醇)的环境中，球磨过程中可能存在干燥过程。如果原料批料含有金属粉末，那么在研磨的过程中通常需要使用溶剂。这种溶剂可以是具有适宜闪点并且能够分散原料的任何合适的材料。研磨时间可以从几分钟到几天，通常为几小时到24小时之间。在一个潮湿或者基于溶剂的研磨体系中，通常通过干燥和/或过滤将液态介质除去，使得所得到的混合物通常是均匀的，并且基本上不含水和/或溶剂。如果使用基于溶剂的研磨体系，则在干燥过程中可以使用溶剂回收系统以循环使用该溶剂。干燥后，所得到的混合物可以为“干饼”的形式。随后在熔化前可以将这个饼状的混合物打碎或者粉碎成例如所需要的粒度。其它可供选用的方式是，例如，可以使用喷雾干燥技术。所述的喷雾干燥技术通常提供所需氧化物混合物的球型颗粒。进料也可以通过湿化学法(包括沉淀法和溶胶-凝胶法)制备。如果需要纯度和均匀性极高的产物，使用这些方法是十分有益的。
进料颗粒是烧结材料也包括在本发明的范围内。使用烧结材料可能是有利的，例如，这是因为在烧结过程中除去了任何挥发物，并且在烧结过程中还发生了前体原料到相应氧化物的转化。
进料颗粒的尺寸通常可为最大1000微米(在一些实施方案中为最大500微米、250微米、100微米或甚至为最大50微米)，并且可以具有较窄的或较宽的粒度分布。通常，根据最后希望得到的熔凝多晶材料的尺寸(分布)决定所用进料颗粒的粒度特征。虽然不受限于理论，但是普遍认为例如由于一些熔融颗粒在火焰中的聚结，所得到的熔凝多晶材料的平均尺寸有可能大于相应的进料颗粒的平均粒度。另外，普遍还认为例如由于进料颗粒在火焰中的致密化和破裂，熔凝多晶材料的平均尺寸还有可能基本上小于相应的进料颗粒。通常，期望进料颗粒的尺寸大于最大的颗粒原料粉末，以便于多种组分以所需的比例混合。此外，进料颗粒的任何组合物通常都存在粒度上限。这种粒度上限取决于许多参数，例如各种组分和整个组合物的导热率、热容等。另外，进料颗粒的孔隙度、火焰的类型和热含量、进料颗粒在火焰中的停留时间以及组分之间化学反应的发生和类型都影响可容许的最大进料颗粒粒度。
本发明的范围涵盖了提供其形式不同于颗粒形式的一个或多个进料(即，起始物料)组分，包括例如前体盐(例如硝酸盐、醋酸盐等)的形式、聚合物形式(例如硅烷)或有机金属化合物(例如醇盐)的形式。在将前体盐、聚合物或有机金属化合物加入到火焰中之前，可先将其溶解或分散在适宜的溶剂(如水、丙酮、醚、醇和烃(例如环己烷))中。另外，在将进料颗粒加入到火焰中之前，可先将其分散在例如溶剂(例如水、丙酮、醚、醇和烃(如环己烷))中。如果将进料颗粒分散在溶剂中，则期望控制分散液滴在火焰中的尺寸。如果进料分散液滴太大，则溶剂挥发往往不完全，并且可能不会发生进料颗粒向熔滴的转化。
通常期望通过例如使用螺旋加料器、振动加料器等技术将进料颗粒以没有聚集(或者称为“结块”)的方式加入到火焰中。不合需要的进料颗粒的聚集和/或结块可能引起颗粒熔融不完全或不均匀或产生高孔隙度的最终产品。在某些情况中，可将进料颗粒与胶体(例如蒸气沉积的二氧化硅和蒸气沉积的氧化铝)或润滑剂(例如硬脂酸)粉末混合，从而使进料颗粒保持单分散态，并且有助于均匀地加入到火焰中。
根据本发明的熔凝多晶材料可以通过如下方式来制备，例如在火焰中加热适宜的金属氧化物源以形成熔融物(最好是均匀熔融物)，然后将该熔融物迅速冷却以得到熔凝多晶材料。熔凝多晶材料的一些实施方案可通过在例如任何合适的炉子(例如感应加热炉或者电阻加热炉、燃气炉或等离子体熔炉)中使金属氧化物源熔融而制成。通常期望将熔融物加热到比其熔化温度高20℃到200℃的温度，以降低熔融物的粘度并促进组分混合更完全。
熔凝多晶材料通常是通过相对较快地冷却熔融材料(即熔融物)而得到的。用于获得熔凝多晶材料的淬火速度(即，冷却速度)取决于多种因素，包括熔凝多晶材料的化学成分、熔融物和所得到的熔凝多晶材料的热性能、工艺技术、所得到的熔凝多晶材料的尺寸和质量及冷却技术。
普遍认为冷却速度影响熔凝多晶材料的性质。例如，晶体的密度、平均晶粒尺寸、形状；结晶相组成；和/或熔凝多晶材料的其它性质通常随着冷却速度而改变化。通常，冷却速度越快，则所得到的晶体尺寸越小，但是如果冷却速度太快，则所得到的材料可能是无定形的。虽然不受限于理论，但是普遍认为在生产熔凝多晶材料时所达到的冷却速度通常高于102℃/秒(即从熔融态温度降低100℃所用的时间小于1秒)；通常高于103℃/秒(即从熔融态温度降低1000℃所用的时间小于1秒)。冷却所述熔融物的技术包括将熔融物排放到冷却介质(例如，高速空气射流、液体(例如冷水)、金属板(包括冷却的金属板)、金属辊(包括冷却的金属辊)、金属球(包括冷却的金属球)等)中。本领域中已知的其它冷却技术包括辊冷法。例如，可以通过在通常高于熔点20℃到200℃的温度下熔化金属氧化物源，然后在高压(例如，用气体如空气、氩气、氮气等)下将熔融物喷射到高速旋转的辊子上，来进行辊冷。通常辊子是由金属制造的，并且经水冷却过。铰接式金属模也可用于对熔融物进行冷却。在一些实施方案中，将铰接式金属模和/或辊等浸在水中。
虽然不受限于理论，但是在根据本发明的熔凝多晶材料的一些实施方案中通常所具有的α-氧化铝相对于过渡型氧化铝相的相对分数被认为是至少部分受到冷却速度的影响。虽然不受限于理论，但是普遍认为较快的冷却速度通常有利于γ型或其它过渡型氧化铝相的形成，而较低的冷却速度有利于α-氧化铝的形成。在根据本发明的熔凝多晶磨料材料中，α-氧化铝和过渡型氧化铝的所需量取决于例如预定应用。对于需要高速去除材料的磨料应用，通常期望较高百分比的α-氧化铝。另一方面，如果需要低速去除材料(例如在抛光过程中)，则可能期望较高百分比的过渡型氧化铝。
在一些实施方案中，本发明提供这样的熔凝多晶材料，该熔凝多晶材料包含(a)平均晶粒尺寸为1到10微米的α-氧化铝，和(b)作为独立结晶相存在的复合Y2O3·金属氧化物。在一些实施方案中，本发明提供包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶材料，其中所述Al2O3中的至少一部分为过渡型Al2O3，并且其中所述Al2O3和所述Y2O3中的至少一部分作为复合Al2O3·Y2O3存在。
在一些实施方案中，包含(a)平均晶粒尺寸为1到10微米的α-氧化铝和(b)作为独立结晶相存在的复合Y2O3·金属氧化物的熔凝多晶材料可通过以下方法得到：加热(加热温度通常超过900℃，但是也可使用较低的温度)包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶材料，其中所述Al2O3中的至少一部分为过渡型Al2O3，并且其中所述Al2O3和所述Y2O3中的至少一部分作为复合Al2O3·Y2O3存在，使得至少一部分过渡型Al2O3(例如γ-Al2O3)被转化成α-Al2O3(在一些实施方案中，转化的部分占加热之前的过渡型Al2O3(例如γ-Al2O3)的总体积的至少50体积％、60体积％、75体积％、90体积％、96体积％、99体积％或甚至100体积％)。通常期望加热温度不超过1600℃。较高的温度可能由于晶粒生长而导致熔凝多晶材料快速产生不合需要的劣化。通常，加热温度越高，则实现过渡型氧化铝(例如γ-氧化铝)转化成α-氧化铝所需要的加热时间就越短。对于较低的温度，可能需要较长的加热时间。最典型的加热是在1000℃到1300℃的温度范围内加热约5分钟到3小时(在一些实施方案中，加热10分钟到1小时)。本领域中已知的各种炉子中的任何一种(包括箱式炉和旋转炉)都可以用于加热。另一方面，炉子可为例如电阻加热炉或感应加热炉。
在冷却过程中，也可以在受控的气氛(例如还原、中性或氧化的环境)下进行快速冷却，以维持和/或影响所需的氧化态等和相组成。这样的气氛也可以通过影响过冷液体的结晶动力学或结晶机理来影响晶体的形成。例如，已经报导，与在空气中相比，在氩气中更多过冷的Al2O3熔融物没有结晶。
在一种方法中，例如可以使用火焰形成方法将具有所需组份的进料(例如，所述的进料可含有将要被再熔融的熔凝多晶材料和/或含有玻璃的陶瓷颗粒，或者所述的进料就是将要被再熔融的熔凝多晶材料和/或含有玻璃的陶瓷颗粒)转化为熔融物，然后将所述的熔融物冷却以形成熔凝多晶材料。示例性的焰熔方法在例如美国专利No.6,254,981(Castle)中有所报导。在这种方法中，金属氧化物源被(例如以颗粒(有时称作“进料颗粒”)的形式)直接加入到燃烧炉中(例如，沼气空气燃烧炉、乙炔氧气燃烧炉、氢氧燃烧炉等)。
生产熔凝多晶材料的其它技术包括：带有自由下落冷却的激光旋转熔化(laser spin melting with free fall cooling)、泰勒导丝技术(Taylorwire technique)、等离子管技术(plasmatron technique)、锤和砧技术(hammer and anvil technique)、离心淬火、气枪液滴冷却(air gun splatcooling)、单辊和双辊淬火、滚筒板淬火和悬滴熔融提取(pendant dropmelt extraction)(例如，参见Brockway等人撰写的陶瓷快速凝固(由位于美国俄亥俄州哥伦布市的防御信息分析中心的金属和陶瓷信息中心部于1984年1月出版))。熔凝多晶材料的一些实施方案也可以通过其它技术获得，例如合适前体的热分解(包括以火焰、激光或者等离子辅助的方式进行热分解)、金属前体的物理气相合成法(PVS)和机械化学处理法。另外，用于生产熔融物和熔凝多晶材料的其它技术还包括等离子体喷射、熔融提取以及气体雾化或离心雾化。
另一种示例性的粉末加料器装置在图1-6中示出。粉末加料器组件1000容纳粉末1110并将其输送到焰熔装置1500中。焰熔装置1500包括用于接收粉末1110的粉末接收部1510，以将所述的粉末1110熔融并转化为别的材料(如本文所公开的那些材料)。通过粉末加料器组件1000的排放口1130将粉末1110输送到粉末接收部1510。连接管1900位于排放口1130和粉末接收部1510之间。另外，将漏斗1300设置在排放口1130的附近，以用于在粉末1110离开排放口1130之后接收和引导粉末1110流。
粉末加料器组件1000包括用于容纳粉末1110的料斗1100。通常，料斗1100包括由圆柱状壁所限定的主体1120，但是也有可能是其它主体形状。此外，料斗1100可以由整块或多块材料制成。在所示的示例性实施方案中，料斗1100还包括顶盖部1200。顶盖部1200包括用于将粉末1110加入到料斗1100中的开口1710。可使用任何市售的输送装置(例如螺旋加料器、振动加料器或刷式加料器)将粉末1110填入料斗1100中。顶盖部1200还可以包括具有容纳轴的开口1422(如图6所示)的部件1415。
刷组件1400被置于料斗1100的主体1120之内。刷组件1400被相连到用于使刷组件1400旋转的装置(例如电动机1800)上。电动机1800还可以与调节电动机1800速度的装置(例如电动机调速器1850)相连。所使用的刷组件是产品编号为74715T61的尼龙排刷(Nylon Strip Brush)(总高为1英寸(2.5cm)，刷毛长度为5/16英寸(0.8cm)，直径为0.020英寸(5毫米)，得自位于美国伊利诺伊州芝加哥市的McMaster-Carr公司)。所述刷组件与轴相连，而所述轴又与直流齿轮电动机(130伏，减速比为60∶1，扭矩为22磅·英寸，可得自位于美国伊利诺伊州芝加哥市的Bodine Electric公司)相连并由其驱动。使用818型号的FPM型调速PM电动机控制器(Type-FPMAdjustable Speed PM Motor Control)(也得自Bodine Electric公司)控制电动机的速度。
刷组件1400包括具有远端1411和近端1412的刷毛元件1410。在将粉末1110置于用于将粉末输送到焰熔装置1500的料斗1100中时，刷组件1400在料斗1100内旋转。当刷组件1400旋转时，刷毛元件1410推动料斗1100中的粉末1110通过筛分元件1600。通过调节刷组件1400的转速，可以控制粉末1110通过筛分元件1600的加料速度。
刷组件1400与筛分元件1600联合起来将具有所需性质的粉末1110从排放口1130输送到焰熔装置1500的粉末接收部1510。将刷毛1410的远端1411设置在筛分元件1600的邻近处。虽然在刷毛1410的远端1411与筛分元件1600之间可以使用小间隙，但是通常要将所述间隙保持在与粉末粒度相同的数量级，然而，本领域普通技术人员应该理解，根据被处理的粉末的具体性质，所述间隙可以大得多。此外，可以将刷毛1410的远端1411设置成与筛分元件1600齐平或被设置成伸到筛分元件1600的筛孔1610中并延伸通过其中。为了使刷毛1410伸出通过筛孔1610，刷毛1410中的至少一部分必须具有小于筛孔尺寸的直径。刷毛元件1410可以包含直径和长度不同的刷毛的组合，并且任何具体的组合方式将取决于所需的操作条件。
刷毛1410的末端1411延伸到筛孔1610中并通过筛孔1610使得刷毛1410可以将任何在筛孔1610上形成架桥的颗粒分开。另外，刷毛1410往往会将在粉末进料时通常可能发生的其它类型的堵塞分散开。刷毛元件1410可以是整片的，或者也可以是由多个刷毛部分形成的。另外，如果期望刷毛元件延伸到筛孔中和/或通过筛孔，则所选刷毛1410的尺寸必须小于最小的筛孔1610。
参照图3，在如图所示的示例性实施方案中，料斗1100可以包括限定圆柱状主体1120的壁。这种形状便于提供对称性，所述的对称性使得从排放口1130出来的粉末具有更受控制的流速。另外，圆柱状的形状很适合于与旋转的刷组件1400一起使用，这是因为刷毛元件1410可以延伸到所述的壁，所以在筛分元件上几乎没有留下可以使粉末聚集的区域。但是如具体的使用条件所定，也有可能使用其它的几何形状。
料斗1100还包括顶盖部1200。顶盖部1200具有用于从料斗加料器组件1700接收粉末1110的开口1710。顶盖部1200与主体1120结合起来形成粉末室1160。顶盖1200上的开口1710也可以省略，或者将开口1710密封，从而使得气体如氮气、氩气或氦气可以被输入到料斗1100上的气体输入管线1150中，以用于中和气氛或辅助将粉末或颗粒输送到焰熔装置中。此外，可以在系统中使用气体以控制包围粉末或颗粒的气氛。此外，可以将气体输入管线1910置于排放口1130之后，例如将其置于连接管1900上。
可以振动整个粉末加料器组件1000以进一步辅助粉末输送。可任选的是，可以振动筛分元件以辅助将粉末输送通过粉末加料器组件1000。本领域的普通技术人员可认识到，取决于具体的使用条件，可以使用其它可行的振动装置，并且有大量市售可得的振动系统和装置。
参照图6，当料斗1100包括顶盖1200和主体1120时，可移动的顶盖1200使得便于进入粉末室1160，以清洁或更换筛分元件1600。此外，可以将刷组件1400设置成在刷毛元件1410和筛分元件1600之间形成所需的配合。当刷组件与旋转轴1420相连时，轴1420可以伸到顶盖1200中的开口1422之外，从而例如通过电动机1800来驱动轴1420。刷组件1400的速度可以通过装置(如调速器1850)进行控制。有关这种示例性的粉末加料装置的进一步细节可以在与本申请同日提交的共同待审的美国专利申请No.10/739233中找到。
根据本发明的方法的实施方案通常比常规的熔凝工艺更简单、更灵活，并且所需资金更少。另外，根据本发明的方法的实施方案可以使颗粒组成和粒度受到更多控制，并且提供制备具有所需粒度分布的颗粒(例如制备规定标称级别的颗粒)的能力。
辊和表面等可由多种材料制成，包括金属(如钢(包括不锈钢和合金钢)、铜、黄铜、铝和铝合金以及镍)或石墨。通常，适宜的材料具有高导热率、防止温度快速变化的良好热稳定性以及防止机械振动的良好稳定性。在一些实施方案中，各种表面可以采用衬里以便于(例如)成本上更有效地进行表面维护和/或对表面进行初步设计并得到表面。例如，表面的中心可能是一种材料，而衬里可能是另一种具有所需的热性能、化学性能和机械性能的材料。衬里的价格可能比中心贵或者便宜，并且可能比中心更容易加工等。另外，衬里在一次或多次使用之后可以被更换。为了改善辊和表面等的除热能力，可以例如通过循环液(例如水)将其冷却，和/或通过向辊上和表面上等吹冷却气体(例如空气、氮气和氩气)将其冷却，以及将辊浸在冷却介质(例如水)以进行冷却。
辊和表面可具有多种尺寸，这取决于(例如)操作规模、所需的颗粒量、待加工的熔融物的量和/或熔融物的流速。辊和/或表面的移动速度可能取决于(例如)所需的冷却速度和工艺的材料产量等。
如果期望粒度减小和/或颗粒形状改变，则这种减小和/或颗粒形状的改变可以(例如)使用本领域中已知的破碎和/或粉碎技术实现。用本领域已知的破碎和/或粉碎技术(包括辊式破碎、颚式破碎、锤磨、球磨、气流粉碎、冲击破碎等)可以将这种颗粒转化成更小块和/或不同的形状。在一些实例中，需要两个或多个破碎步骤。第一个破碎步骤可能涉及破碎这些质量较大或“大块”的颗粒以形成较小的块。可以用锤磨、冲击式破碎机或者颚式破碎机来完成对这些大块的破碎。这些较小的块随后被破碎成以得到所需粒度分布。为了得到所需粒度分布(有时指的是磨料粒度或级别)，可能必需执行多个破碎步骤。一般来说破碎条件被最优化以获得所需的颗粒形状和粒度分布。所得到的颗粒不具有所需的尺寸时，如果太大可以被重新破碎。另一方面，如果所得到的颗粒不具有所需的尺寸，则可以将其用作原料重新熔化。
例如，根据本发明的熔凝多晶磨粒的形状可以取决于陶瓷的组成和/或微观结构、被冷却时的几何形状及破碎陶瓷的方式(即所用的破碎技术)。一般来说，如果优选“块状的”形状，可能会耗费更多的能量来获得这样的形状。相反，如果优选“有棱角的”形状，可能会耗费较少的能量来获得这样的形状。所述的破碎技术也可以被改变以获得所需的不同形状。对于某些颗粒来说，通常所需的的平均长径比在1∶1到5∶1的范围内，在一些实施方案中，该长径比在1.25∶1到3∶1的范围内，或者甚至在1.5∶1到2.5∶1的范围内。
加入某些金属氧化物可以改变根据本发明的熔凝多晶材料的性能和/或晶体结构或微观结构。
对用于制备根据本发明的熔凝多晶磨粒的金属氧化物源和其它添加剂的具体选择，通常考虑如下因素：例如用于制备陶瓷的所需的组合物、微观结构、结晶度、物理性质(例如硬度或韧度)、不利的杂质的存在、具体工艺中所需的或者必需的特征(包括设备、在熔化和/或凝固之前和/或期间对原料的任何纯化)。
在有些情况下，可能期望结合限量的金属氧化物，所述的金属氧化物选自：BaO、CaO、Cr2O3、CoO、CuO、Fe2O3、GeO2、HfO2、Li2O、MgO、MnO、NiO、Na2O、Sc2O3、SrO、TiO2、Y2O3、稀土氧化物、ZnO、ZrO2、及其组合。所述金属氧化物的来源(包括商业来源)包括氧化物本身、复合氧化物、元素粉末、矿物、碳酸盐、醋酸盐、硝酸盐、氯化物、氢氧化物等。如果加入的改性用金属氧化物为挥发物的形式，则需要在火焰形成过程之前将挥发性的物质转化为相应的氧化物，或者通过适当的热处理(如煅烧或烧结)除去挥发物。如果在火焰形成过程之前没有除去挥发性物质，则残留的挥发性物质通常会在所得到的陶瓷中形成显著的多孔结构(即，气泡)。其它可供选用的方式是，可以将根据本发明所得到的多孔性熔凝多晶材料加入通过火焰多次，从而使气体逸出并使根据本发明的熔凝多晶材料的密度增大。
当使用这些金属氧化物时，这些金属氧化物的加入总量通常占熔凝多晶材料的大于0到49重量％(在一些实施方案中为大于0到40重量％、大于0到30重量％、大于0到25重量％、大于0到20重量％、大于0到15重量％、大于0到10重量％、大于0到5重量％，或者甚至大于0到2重量％)。
可以将一些已知能够稳定四方(立方)晶型氧化锆的金属氧化物(如氧化钇、氧化钙、氧化镁、氧化铈和稀土氧化物)，通过使用经稳定的二氧化锆粉末而加入组合物中，或者可以将上述金属氧化物作为进料的一部分而独立地加入组合物中。稳定用氧化物往往会使根据本发明所得到的的熔凝多晶磨粒的四方(立方)晶型氧化锆的百分含量提高。在一些实施方案中，氧化物添加剂(如氧化钇、氧化钙、氧化镁、氧化铈和稀土氧化物)可能有助于形成三元共晶体或甚至更高元共晶体。三元或更高元的共晶体的微观结构特点一般与二元共晶体的相似，但是它们的物理性质可能明显不同。
一些金属氧化物添加剂或这些金属氧化物添加剂与氧化铝、氧化锆或其它金属氧化物添加剂的反应产物可能会从熔融物中沉淀出来，并在熔凝多晶材料的基质内形成不同的晶体。氧化物的沉淀物可能具有各种形状(等轴的、多面体的或非多面体的棱柱形或树枝形)和尺寸。在一些实施方案中，氧化物晶体小于10微米、5微米、3微米、2微米，或甚至小于1微米。金属氧化物晶体可以将所需性质赋予根据本发明的熔凝多晶磨粒，例如使硬度增大或有利地影响微观结构(如改善共晶团的尺寸)。如果氧化物添加剂的密度明显低于氧化铝-氧化锆(即，如果金属氧化物添加剂以很高的体积百分数存在)，则根据本发明的熔凝多晶磨粒可能会作为把金属氧化物添加剂晶体分开的互连膜(interconnected film)而存在，并且可能不会存在共晶团。
根据本发明的熔凝多晶磨粒可包含少量(通常低于约10重量％(或甚至低于5重量％、4重量％、3重量％、2重量％，或甚至小于1重量％(并且在一些实施方案为零)))无定形/玻璃态的材料。
在一些实施方案中，在根据本发明的熔凝多晶材料中可能存在的碳杂质占材料总重量的百分比不超过1重量％(在一些实施方案中不超过0.5重量％，或者甚至不超过0.25重量％)。其它可能存在于熔凝多晶材料中的杂质包括二氧化硅、铁的氧化物、二氧化钛、及其反应产物。
材料的微观结构或相组成可以使用例如电子显微镜和x射线衍射(XRD)进行测定。当使用粉末x射线衍射XRD(例如，使用从位于美国新泽西州Mahwah市的飞利浦公司获得的商品名为“PHILLIPSXRG 3100”的x射线衍射仪，其中，铜Kα1射线为1.54050埃)时，可以通过将结晶材料XRD曲线中存在的峰与JCPDS(粉末衍射标准联合委员会)数据库中提供的结晶相XRD图案进行比较来确定材料中存在的相，该结晶相XRD图案由国际衍射数据中心出版。可在由本发明提供的熔凝多晶磨粒中存在的结晶相的例子包括：Al2O3(例如α-氧化铝和过渡型氧化铝)、ZrO2(例如，立方晶型ZrO2和四方晶型ZrO2)、REO、Y2O3、MgO、BaO、CaO、Cr2O3、CoO、Fe2O3、GeO2、Li2O、MnO、NiO、Na2O、P2O5、Sc2O3、SiO2、SrO、TeO2、TiO2、V2O5、ZnO、HfO2，以及“复合金属氧化物”(包括复合Al2O3·金属氧化物(例如复合Al2O3·REO))、复合Al2O3·金属氧化物(例如复合Al2O3·REO(如ReAlO3(如GdAlO3、LaAlO3)、ReAl11O18(如LaAl11O18)和Re3Al5O12(如Dy3Al5O12))、复合Al2O3·Y2O3(如Y3Al5O12)和复合ZrO2·REO(如La2Zr2O7))及其组合。
用其它阳离子代替复合Al2O3·金属氧化物(例如复合Al2O3·REO和/或复合Al2O3·Y2O3(例如表现出石榴石型晶体结构的铝酸钇))中的部分铝阳离子也在本发明的范围之内。例如，复合Al2O3·Y2O3中的部分Al阳离子可以被选自Cr、Ti、Sc、Fe、Mg、Ca、Si、Co及其组合中的至少一种元素的阳离子代替。例如，复合Al2O3·Y2O3中的部分Y阳离子可以被选自Ce、Dy、Er、Eu、Gd、Ho、La、Lu、Nd、Pr、Sm、Th、Tm、Yb、Fe、Ti、Mn、V、Cr、Co、Ni、Cu、Mg、Ca、Sr及其组合中的至少一种元素的阳离子代替。另外，例如，复合Al2O3·REO中的部分稀土阳离子可以被选自Y、Fe、Ti、Mn、V、Cr、Co、Ni、Cu、Mg、Ca、Sr及其组合中的至少一种元素的阳离子代替。上述阳离子的替代可以影响根据本发明的熔凝多晶磨粒的性质(例如硬度、韧度、强度和导热率等)。
平均晶体尺寸的测定可按照ASTM标准E 112-96的“确定晶粒平均尺寸的标准试验方法”(“Standard Test Methods for DeterminingAverage Grain Size”)采用样线截取法进行。通常，用镶样树脂(例如，得自位于美国伊利诺伊州Lake Bluff市的Buehler公司，商品名称为“TRANSOPTIC POWDER”)将样品镶在直径约2.5cm、高约1.9cm的圆柱状树脂上。采用传统抛光技术用抛光机(例如，得自位于美国伊利诺伊州Lake Bluff市的Buehler公司，商品名称为“ECOMET 3”)对镶样部分抛光。样品用含有125微米金刚石的金刚石砂轮抛光约3分钟，再用45微米、30微米、15微米、9微米、3微米和1微米的抛光浆分别抛光5分钟。对被镶嵌并被抛光的样品溅射金-钯薄层，并用扫描电镜(例如，得自位于美国马萨诸塞州皮博迪市的JEOL公司，型号为JSM 840A)观察。将在样品中找到的微观结构的典型背散射电子(BSE)显微照片按下述过程来测定平均晶粒尺寸。数出与显微照片上随机画出的单位长度的直线相交的晶粒数量(NL)。由此数量按下面的方程确定平均晶粒尺寸：
平均晶粒尺寸＝1.5/(NLM)，
其中，NL是与单位长度直线相交的晶粒数量，M是显微照片的放大倍数。
例如取决于精确组成、淬火速度和/或进料的性质，根据本发明的熔凝多晶材料表现出多种微观结构。例如，接近共晶的组合物通常表现出包括氧化铝和复合Al2O3·Y2O3的共晶叠层结构的微观结构。不同于共晶组合物的组合物通常包括氧化铝和复合Al2O3·Y2O3的初晶。初晶可以有多种形式，包括树枝状、多面体状、球状等。通常，初晶的尺寸由冷却速度决定。在一些根据本发明的熔凝多晶材料中存在的初晶具有小于10微米、5微米、3微米、2微米，或者甚至小于1微米的尺寸。通常，初晶的尺寸为1微米到10微米(在一些实施方案中为1微米到5微米、1微米到3微米，或者甚至至少为1微米到2微米)。
可如下所述测定根据本发明的熔凝多晶磨粒的平均硬度。通常，用镶样树脂(得自位于美国伊利诺伊州Lake Bluff市的Buehler公司，商品名称为“TRANSOPTIC POWDER”)将部分材料镶在直径约2.5cm、高约1.9cm的圆柱状树脂上。采用传统抛光技术用抛光机(例如，得自位于美国伊利诺伊州Lake Bluff市的Buehler公司，商品名称为“ECOMET 3”)对镶样部分抛光。样品用含有125微米金刚石的金刚石砂轮抛光约3分钟，再用45微米、30微米、15微米、9微米、3微米和1微米的抛光浆分别抛光5分钟。使用传统的显微硬度测试仪(例如，得自位于日本东京的株式会社三丰，商品名称为“MITUTOYOMVK-VL”)测量显微硬度，该显微硬度测试仪上装有维氏压头，并使用100克压入载荷。显微硬度的测量按照ASTM测试方法E384“材料显微硬度试验方法”(“Test Methods for Microhardness ofMaterials”)(1991)中所述的准则进行。平均硬度是10次测量结果的平均值。
根据本发明的熔凝多晶材料的平均硬度为至少15GPa。
根据本发明的熔凝多晶材料的密度一般为理论密度的至少75％(在一些实施方案中为至少80％、85％、90％、92％、95％、96％、97％、98％、99％、99.5％，或者甚至100％)。
使用本领域公知的技术对根据本发明的熔凝多晶磨粒进行筛分和分级，包括使用工业认可的分级标准，例如ANSI(美国国家标准协会)、FEPA(欧洲磨料产品生产商联合会)以及JIS(日本工业标准)。但是，因为制成的熔凝多晶磨粒可能已经具有较窄的粒度分布(例如，基本上所有的颗粒都具有相同的尺寸)，所以可能不必分级来得到所需的粒度分布。
磨粒可以在较宽的粒度范围内使用，典型的尺寸范围为约0.1到约5000微米，为约1到约2000微米，为约5到约1500微米，或者在一些实施方案中甚至为约50到约1000微米，为约100到约1000微米。
在给定的粒度分布中，存在一定范围的粒度，即从粗颗粒到细颗粒。在磨料领域中，这个范围有时是指“粗”、“控制”和“细”级别。按照磨料工业认可的分级标准分级的磨粒是将每个标称级别的粒度分布指定在数字界限内。这些工业认可的分级标准包括如下公知的标准：美国国家标准协会(ANSI)的标准、欧洲磨料产品生产商联合会(FEPA)的标准和日本工业标准(JIS)的标准。ANSI粒级规格(即，规定标称级别)包括：ANSI 4、ANSI 6、ANSI 8、ANSI 16、ANSI 24、ANSI 36、ANSI40、ANSI 50、ANSI 60、ANSI 80、ANSI 100、ANSI 120、ANSI 150、ANSI 180、ANSI 220、ANSI 240、ANSI 280、ANSI 320、ANSI 360、ANSI 400和ANSI 600。FEPA粒级规格包括：P8、P12、P16、P24、P36、P40、P50、P60、P80、P100、P120、P150、P180、P220、P320、P400、P500、P600、P800、P1000和P1200。JIS粒级规格包括：JIS8、JIS12、JIS16、JIS24、JIS36、JIS46、JIS54、JIS60、JIS80、JIS100、JIS150、JIS180、JIS220、JIS240、JIS280、JIS320、JIS360、JIS400、JIS600、JIS800、JIS 1000、JIS 1500、JIS2500、JIS4000、JIS6000、JIS8000和JIS10000。
在筛分后，通常存在很多不同的磨粒粒度分布或粒级。在特定的时期这些大量的粒级可能不能符合生产商或者供应商的要求。为了使存货最少，可能将不需要级别的磨粒重新循环成熔融物以根据本发明制成熔凝多晶材料。这个循环可以发生在破碎步骤之后，这里颗粒是没有被筛分成具有特定分布的大块或者较小块(有时称作“细屑”)。
另一方面，本发明提供磨粒团块，每个团块包含用粘结剂结合在一起的根据本发明的多个熔凝多晶磨粒。另一方面，本发明提供包含粘结剂和多个磨粒的磨具制品(例如，涂附磨具制品、固结磨具制品(包括用陶瓷粘结剂、树脂和金属结合的砂轮、切割轮、镶嵌块和镗磨油石)、非织造磨具制品和磨刷)，其中至少一部分磨粒是根据本发明的熔凝多晶磨粒(包括成团块的磨粒)。制造这些磨具制品以及使用这些磨具制品的方法是本领域技术人员公知的。并且，根据本发明的熔凝多晶磨粒可以应用于使用磨粒的磨料应用中，例如研磨剂(如抛光剂)的浆、研磨介质、喷砂介质、振动球磨介质，等等。
涂附磨具制品一般包括背衬、磨粒以及至少一种粘结剂，粘结剂用于将磨粒保持在背衬上。背衬可以是任何适合的材料，包括布、聚合物薄膜、纤维、无纺布片、纸及其组合以及它们经处理的制品。适合的粘结剂包括无机或有机的粘结剂(包括热固化型脂和辐射固化型脂)。磨粒可存在于涂附磨具制品的一层或两层中。
涂附磨具制品的一个例子表示在图7中，参照图7，涂附磨具制品1具有背衬(基底)2和磨料层3。磨料层3包括根据本发明的熔凝多晶磨粒4，磨粒4通过粘结剂底漆涂层(make coat)5和粘结剂面漆涂层(size coat)6固定在背衬的主表面。在有些情况下，使用粘结剂上部面漆涂层(supersize coat)(未示出)。
固结磨具制品通常包括通过有机粘结剂、金属粘结剂或陶瓷粘结剂保持在一起的磨粒成形块体。这种成形块体可以是(例如)轮的形式，如砂轮或切割轮。砂轮的直径通常为约1cm到1m以上，切割轮的直径为约1cm到80cm以上(更通常是3cm到约50cm)。切割轮的厚度通常为约0.5mm到约5cm，更通常是约0.5mm到约2cm。成形块体也可以是(例如)镗磨油石、节块、镶嵌块、盘状物(例如双碟研磨机)或其它传统固结磨具的形状。固结磨具通常包含的粘结材料的体积占固结磨具制品总体积的约3％-50％，磨粒(或者磨粒混合物)的体积占固结磨具制品总体积的约30％-90％，添加剂(包括助磨剂)的体积不超过固结磨具制品总体积的50％，孔隙的体积不超过固结磨具制品总体积的70％。
代表性的砂轮在图8中示出。参照图8，其表示砂轮10，砂轮10包括根据本发明的熔凝多晶磨粒11，将其模制为轮状并安装在毂盘12上。
非织造磨具制品通常包括聚合物纤维的开孔蓬松结构，该结构具有根据本发明的熔凝多晶磨粒，所述磨粒分布在整个结构中并通过有机粘结剂粘附性地结合在其中。所述纤维的例子包括聚酯纤维、聚酰胺纤维和芳族聚酰胺纤维。代表性的非织造磨具制品在图9中示出。参照图9，其示出放大约100倍的一个示意图，示出一种典型的非织造磨具制品，该非织造磨具制品具有作为基底的纤维垫50，根据本发明的磨粒52通过粘结剂54粘结在该纤维垫上。
有用的磨刷包括具有多个刷毛单元和背衬的那些制品(参见(例如)美国专利No.5,427,595(Pihl等人)、5,443,906(Pihl等人)、5,679,067(Johnson等人)以及5,903,951(Ionta等人))。优选这些磨刷是通过使聚合物和磨粒的混合物注射成型而制造的。
制造磨具制品的适合的有机粘结剂包括热固性有机聚合物。适合的热固性有机聚合物的例子包括酚醛树脂、脲甲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸酯树脂、聚酯树脂、具有α，β-不饱和侧羰基的氨基塑料树脂、环氧树脂、丙烯酸改性的聚氨酯、丙烯酸改性的环氧树脂及其组合。粘结剂和/或磨具制品还可以包括添加剂，例如纤维、润滑剂、润湿剂、触变剂、表面活性剂、颜料、染料、抗静电剂(例如，炭黑、氧化钒、石墨，等等)、偶联剂(例如，硅烷、钛酸盐、锆铝酸盐，等等)、增塑剂、悬浮剂，等等。选择这些可任选助剂的含量以得到所需性能。偶联剂能提高对磨粒和/或填料的粘附力。粘结剂的化学组成可以热固化、辐射固化或以这些不同方式的组合进行固化。关于粘结剂化学组成的其它细节可以在美国专利No.4,588,419(Caul等人)、4,751,138(Tumey等人)以及5,436,063(Follett等人)中找到。
对于陶瓷固结磨具更具体地说，表现为无定形结构并且通常很硬的陶瓷粘结材料是本领域公知的。在一些情况下，陶瓷粘结材料包括结晶相。根据本发明的粘结瓷化的磨具制品可以是轮(包括切割轮)、镗磨油石、镶嵌块的形状或其它传统固结磨具形状。在一些实施方案中，根据本发明的陶瓷固结磨具制品是砂轮的形式。
用于形成陶瓷粘结材料的金属氧化物的例子包括：二氧化硅、硅酸盐、氧化铝、碳酸钠、氧化钙、氧化钾、氧化钛、氧化铁、氧化锌、氧化锂、氧化镁、氧化硼、硅酸铝、硼硅酸盐玻璃、硅酸锂铝以及它们的组合，等等。通常，陶瓷粘结材料可以由含有10％到100％的玻璃粉的组合物制成，但更通常的是，组合物包含20％到80％的玻璃粉，或者30％到70％的玻璃粉。陶瓷粘结材料的其余部分可以是非玻璃粉材料。其它可供选用的方式是，陶瓷固结物可以从不含玻璃粉的组合物得到。陶瓷粘结材料的烧成温度一般在约700℃到约1500℃的范围内，通常在约800℃到约1300℃的范围内，有时在约900℃到约1200℃的范围内，甚至在约950℃到约1100℃的范围内。固结物进行烧成的实际温度取决于(例如)具体的固结物化学组成。
在一些实施方案中，陶瓷粘结材料包括那些含有二氧化硅、氧化铝(优选的氧化铝重量百分数至少为10％)，以及氧化硼(优选的氧化硼重量百分数至少为10％)的材料。在大多数情况下，陶瓷粘结材料还包含碱金属氧化物(例如，Na2O和K2O)(在一些情况下，碱金属氧化物的重量百分数至少为10％)。
粘结剂材料也可以含有填料或助磨剂，通常为颗粒材料的形式。通常，颗粒材料是无机材料。本发明可用的填料的例子包括：金属碳酸盐(例如碳酸钙(例如白垩、方解石、泥灰岩、石灰华、大理石和石灰石)、碳酸钙镁、碳酸钠、碳酸镁)、二氧化硅(例如石英、玻璃小珠、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)、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、木屑、三水合铝、炭黑、金属氧化物(例如氧化钙(石灰)、氧化铝、二氧化钛)以及金属亚硫酸盐(例如亚硫酸钙)。
一般来说，添加助磨剂会延长磨具制品的使用寿命。助磨剂是对研磨的化学过程和物理过程有明显作用的物质，其可使性能提高。虽然不受理论束缚，但普遍认为，助磨剂将起到以下作用：(a)减小磨粒与被研磨工件之间的摩擦力；(b)防止磨粒被“封堵”(即，防止金属颗粒焊到磨粒顶部)，或者至少减小磨粒被封堵的可能性；(c)减小磨粒与工件之间的界面温度；或者(d)减小研磨力。
助磨剂包括很多不同的材料并且可以是无机物系的或有机物系的材料。助磨剂的化学组成的例子包括：蜡、有机卤化物、卤化物盐和金属及其合金。有机卤化物通常在研磨过程中分解并释放出氢卤酸或气态卤化物。这类材料的例子包括氯化蜡，如四氯萘、五氯萘和聚氯乙烯。卤化物盐的例子包括氯化钠、钾冰晶石、钠冰晶石、铵冰晶石、四氟硼酸钾、四氟硼酸钠、氟化硅、氯化钾以及氯化镁。金属的例子包括：锡、铅、铋、钴、锑、镉、铁和钛。其它各种各样的助磨剂包括：硫磺、有机硫化合物、石墨和金属硫化物。使用不同助磨剂的组合也在本发明范围内，并且在一些情况下这样可以产生增强效应。
助磨剂在涂附磨具和固结磨具制品中特别有用。在涂附磨具制品中，助磨剂通常应用于粘结剂上部面漆涂层，将其施加于磨粒表面。但有时，也将助磨剂加到粘结剂面漆涂层中。通常，涂附磨具中掺入的助磨剂的量为约50-300g/m2(优选的是约80-160g/m2)。在陶瓷固结磨具制品中，助磨剂通常浸渍到该制品的孔隙中。
磨具制品可以含有100％的根据本发明的熔凝多晶磨粒，或者包含该磨粒与其它磨粒和/或稀释剂颗粒的混合物。但是，在磨具制品中磨粒的至少约2重量％、优选至少约5重量％、更优选约30-100重量％是根据本发明的熔凝多晶磨粒。在一些情况下，根据本发明的磨粒可以与其它磨粒和/或稀释剂颗粒混合，重量比为5％∶95％，约25％∶75％，约40％∶60％，或者约50％∶50％(即，重量相等)。适合的传统磨粒的例子包括熔凝氧化铝(包括白刚玉、热处理氧化铝和棕刚玉)、碳化硅、碳化硼、碳化钛、金刚石、立方氮化硼、石榴石、熔凝氧化铝-氧化锆以及溶胶-凝胶衍生的磨粒，等等。溶胶-凝胶衍生的磨粒可以是有晶种的或无晶种的。同样，溶胶-凝胶衍生的磨粒可以是随机形状的或具有与其相关的形状，例如棒状或三角形。溶胶-凝胶磨粒的例子包括以下专利中所描述的那些：美国专利No.4,314,827(Leitheiser等人)、4,518,397(Leitheiser等人)、4,623,364(Cottringer等人)、4,744,802(Schwabel)、4,770,671(Monroe等人)、4,881,951(Wood等人)、5,011,508(Wald等人)、5,090,968(Pellow)、5,139,978(Wood)、5,201,916(Berg等人)、5,227,104(Bauer)、5,366,523(Rowenhorst等人)、5,429,647(Larmie)、5,498,269(Larmie)和5,551,963(Larmie)。使用氧化铝粉作为原料来源制造烧结氧化铝磨粒的其它细节可见于(例如)美国专利No.5,259,147(Falz)、5,593,467(Monroe)和5,665,127(Moltgen)。与熔凝磨粒有关的其它细节可见于(例如)美国专利No.1,161,620(Coulter)、1,192,709(Tone)、1,247,337(Saunders等人)、1,268,533(Allen)和2,424,645(Baumann等人)、3,891,408(Rowse等人)、3,781,172(Pett等人)、3,893,826(Quinan等人)、4,126,429(Watson)、4,457,767(Poon等人)、5,023,212(Dubots等人)、5,143,522(Gibson等人)以及5,336,280(Dubots等人)，以及：都在2000年2月2日提交的美国专利申请No.09/495,978、09/496,422、09/496,638以及09/496,713；都在2000年7月19日提交的09/618,876、09/618,879、09/619,106、09/619,191、09/619,192、09/619,215、09/619,289、09/619,563、09/619,729、09/619,744和09/620,262；2000年11月2日提交的09/704,843；以及2001年1月30日提交的09/772,730。与陶瓷磨粒有关的其它细节可见于(例如)：都在2001年8月2日提交的美国专利申请No.09/922,526、09/922,527、09/922,528以及09/922,530，现在都已经作废；都在2002年8月2日提交的10/211,597、10/211,638、10/211,629、10/211,598、10/211,630、10/211,639、10/211,034、10/211,044、10/211,628、10/211,491、10/211,640和10/211,684；以及都在2003年2月5日提交的10/358,772、10/358,765、10/358,910、10/358,855和10/358,708。在一些情况下，与包含100％任一种磨粒的磨具制品相比，用磨粒的混合物可以得到研磨性能提高的磨具制品。
如果存在磨粒的混合物，则形成混合物的磨粒类型可以粒度相同。其它可供选用的方式是，磨粒类型可以具有不同粒度。例如，较大粒度的磨粒可以是根据本发明的熔凝多晶磨粒，较小粒度的颗粒可以是另一种磨粒类型。相反，(例如)较小粒度的磨粒可以是根据本发明的熔凝多晶磨粒，而较大粒度的颗粒可以是另一种磨粒类型。
适合的稀释剂颗粒的例子包括：大理石、石膏、燧石、二氧化硅、氧化铁、硅酸铝、玻璃(包括玻璃泡和玻璃小珠)、氧化铝泡、氧化铝小珠和稀释剂团块。
根据本发明的熔凝多晶磨粒也可以结合在磨料团块中或与之混合。磨料团块颗粒通常包括多个磨粒、粘结剂和可任选的添加剂。粘结剂可以是有机和/或无机的。磨料团块可以是随机形状或具有与其相关的预定形状。该形状可以是块状、圆柱形、锥形、硬币形、正方形，等等。磨料团块颗粒通常的粒度范围为约100到约5000微米，通常约250到约2500微米。与磨料团块颗粒有关的其它细节可见于(例如)：美国专利No.4,311,489(Kressner)、4,652,275(Bloecher等人)、4,799,939(Bloecher等人)、5,549,962(Holmes等人)、5,975,988(Christianson)；以及美国专利申请No.09/688,444和09/688,484(每个都在2000年10月16日提交)；09/688,444、09/688,484和09/688,486(每个都在2000年10月16日提交)；以及09/971,899、09/972,315和09/972,316(每个都在2001年10月5日提交)。
磨粒可以均匀分布在磨具制品中，或者聚集在磨具制品上选定的区域或部分。例如，在涂附磨具中可以有两层磨粒。第一层包含除了根据本发明的熔凝多晶磨粒以外的磨粒，第二(最外)层包含根据本发明的熔凝多晶磨粒。同样，在固结磨具中，砂轮可以有两个明显不同的部分。最外部分可以包含根据本发明的磨粒，而最内部分没有根据本发明的磨粒。其它可供选用的方式是，根据本发明的熔凝多晶磨粒可以均匀分布在整个固结磨具制品中。
与涂附磨具制品有关的进一步细节可见于(例如)：美国专利No.4,734,104(Broberg)、4,737,163(Larkey)、5,203,884(Buchanan等人)、5,152,917(Pieper等人)、5,378,251(Culler等人)、5,417,726(Stout等人)、5,436,063(Follett等人)、5,496,386(Broberg等人)、5,609,706(Benedict等人)、5,520,711(Helmin)、5,954,844(Law等人)、5,961,674(Gagliardi等人)和5,975,988(Christianson)。与固结磨具制品有关的进一步细节可见于(例如)：美国专利No.4,543,107(Rue)、4,741,743(Narayanan等人)、4,800,685(Haynes等人)、4,898,597(Hay等人)、4,997,461(Markhoff-Matheny等人)、5,037,453(Narayanan等人)、5,110,332(Narayanan等人)和5,863,308(Qi等人)。与陶瓷固结磨具有关的进一步细节可见于(例如)：美国专利No.4,543,107(Rue)、4,898,597(Hay等人)、4,997,461(Markhoff-Matheny等人)、5,094,672(Giles Jr.等人)、5,118,326(Sheldon等人)、5,131,926(Sheldon等人)、5,203,886(Sheldon等人)、5,282,875(Wood等人)、5,738,696(Wu等人)和5,863,308(Qi)。与非织造磨具制品有关的进一步细节可见于(例如)美国专利No.2,958,593(Hoover等人)。
本发明提供一种研磨表面的方法，所述方法包括将根据本发明的至少一个熔凝多晶磨粒与工件表面接触；以及移动熔凝多晶磨粒或者接触表面中的至少一者，以用磨粒研磨所述表面中的至少一部分。使用根据本发明的熔凝多晶磨粒研磨的方法包括从荒磨(snagging)(即，高压大量去除)到抛光(例如，用砂带来抛光医用植入物)的各类方法，其中后者通常使用较细粒级(例如，ANSI 220以及更细)的磨粒进行。熔凝多晶磨粒也可以用于精密研磨应用，例如用陶瓷固结砂轮研磨凸轮轴。用于具体研磨应用的磨粒尺寸对于本领域技术人员是显而易见的。
使用根据本发明的熔凝多晶磨粒研磨可以在干或湿的方式下进行。对于湿研磨，所用的液体可以按薄雾到完全浇注的方式提供。常用的液体的例子包括：水、水溶性油、有机润滑剂和乳状液。液体可以用于减少研磨产生的热量和/或作为润滑剂。液体中可以含有少量的添加剂，例如杀菌剂、消泡剂，等等。
例如，根据本发明的熔凝多晶磨粒可以应用于研磨工件，例如金属铝、碳钢、低碳钢、工具钢、不锈钢、硬化钢、钛、玻璃、陶瓷、木材、类木材材料(例如，胶合板和颗粒板)、涂料、涂覆的表面、有机涂层表面，等等。在研磨过程中施加的力通常在约1kg到约100kg的范围内。
将通过以下非限定性的例子进一步解释本发明的优点和实施方案，但这些例子中使用的具体材料和含量，以及其它的条件和细节，不构成对本发明的过度限制。除非另作说明，所有的份数和百分数都是以重量计的。
实施例1
向250毫升的聚乙烯瓶(直径为7.3cm)中加入64克的氧化铝粉末(得自位于美国阿肯色州Bauxite市的Alcoa Industrial Chemicals公司，商品名称为“A16SG”)、36克的氧化钇粉末(得自位于美国加利福尼亚州Brea市的Molycorp公司)、100克的异丙醇和200克的氧化铝研磨介质(圆柱状，高度和直径都是0.635cm；99.9％的氧化铝；得自位于美国科罗拉多州Golden市的Coors公司)。将聚乙烯瓶内的容纳物在60转/分钟(rpm)下研磨16小时。在研磨之后，除去研磨介质并将浆料倾倒在热(约75℃)玻璃(“PYREX”)盘上形成层，并使其冷却和干燥。由于较薄的浆料材料层(即，约3mm厚)和热盘的缘故，所以浆料在5分钟内形成料饼并在约30分钟内干燥。在漆刷的辅助下，经筛分通过30目的筛网(600微米的开孔尺寸)将干燥的混合物粉碎，并在电加热炉(得自位于美国新泽西州Bloomfield市的CM Furnaces公司，商品名称为“Rapid Temp Furnace”)中，在1325℃的空气中预烧结二小时。
将烧结混合物分级，保留目数为-80+100的部分(即，开孔尺寸为180微米和开孔尺寸为150微米的筛网之间的收集部分，平均粒度为约165微米)。在5标准升/分钟(SLPM)的氮气气氛下，将所得到的过筛颗粒通过与粉末加料器相连的漏斗慢慢地(约0.5克/分钟)加入到氢气/氧气炬焰中使颗粒熔融，并将颗粒直接载携到19升(5加仑)的矩形容器中(41厘米(cm)×53cm×18cm高)，以使熔滴迅速淬火，该矩形容器中装有呈湍流状态的连续循环水(20℃)。粉末加料器包括其底部具有70目筛网(开孔尺寸为212微米)的罐(8cm的直径)。如上所述，具体使用的粉末加料器在图1-6中示出，其中筛网由不锈钢(得自位于美国俄亥俄州Mentor市的W.S.Tyler公司)制成。将粉末填充到罐中并使用旋转刷推动粉末通过筛网的开孔。所述的氢气/氧气炬为B型伯利恒台式燃烧炉(Bethlehem bench burner)PM2D，得自位于美国宾夕法尼亚州Hellertown市的Bethlehem Apparatus公司。该火炬具有中心进料口(内径为0.475cm(3/16英寸))，通过该中心进料口将进料颗粒引入到火焰中。该火炬所用的氢气和氧气流速如下。氢气流速为42标准升/分种(SLPM)，氧气流速为18SLPM。火焰接触水的角度为约90°，燃烧炉到水面的火焰长度为约38厘米(cm)。将所得到(经过淬火)的颗粒收集在盘中，并在电加热炉中在110℃下加热直到干燥(约30分钟)。颗粒为球状，并且尺寸在100微米到最大180微米之间变化，平均粒度为约145微米。
从所得到的火焰形成的小珠计算晶粒收率百分数。如下所述进行测定。将一层小珠在玻璃载玻片上铺开。使用光学显微镜在32倍的放大倍数下观察小珠。使用光学显微镜目镜中的十字线作为指导，将与十字线在水平方向一致沿着直线放置的小珠按照它们的光学透明性计数为透明的或不透明的(即，结晶的)。总共数出500个小珠，通过用不透明小珠的数目除以所数小珠的总数并乘以100就确定了晶粒收率百分数。颗粒主要为不透明的(数值＞90％)。
使用粉末X射线衍射XRD(使用X射线衍射仪(得自位于美国新泽西州Mahwah市的飞利浦公司，商品名为“PHILLIPS XRG 3100”)，其中，铜Kα1射线为1.54050埃)测定在实施例1的结晶颗粒中存在的相。通过将结晶材料XRD曲线中存在的峰与JCPDS数据库中提供的结晶相XRD图案比较来确定相，该结晶相XRD图案由国际衍射数据中心出版。所确定的实施例1的材料的结晶相是表现出石榴石型晶体结构的氧化钇·氧化铝晶体(YAG)以及α-Al2O3相与γ-Al2O3相的混合物。
在以下方法中制备用于微观结构分析的样品。将约1克的实施例1颗粒镶在镶样树脂(得自位于美国伊利诺伊州Lake Bluff市的Buehler公司，商品名称为“TRANSOPTIC POWDER”)上。所得到的树脂柱体直径为约2.5cm，高度为约1.9cm。采用传统抛光技术用抛光机(例如，得自位于美国伊利诺伊州Lake Bluff市的Buehler公司，商品名称为“ECOMET 3”)对镶样部分进行处理。样品用含有125微米金刚石的金刚石砂轮抛光约3分钟，再用45微米、30微米、15微米、9微米、3微米和1微米的抛光浆分别抛光5分钟。将被镶嵌并被抛光的样品包覆一层金-钯薄层，并用JEOL SEM(JSM 840A型)观察。
图10为实施例1材料的抛光部分的扫描电镜(SEM)的电子显微照片。观察到实施例1材料的微观结构由基质氧化铝103中的YAG晶体101的树枝状生长组成。当在12,000倍的放大倍数下观察时，在基质内没有观察到共晶结构的证据。通过样线截取法测定树枝状YAG晶体的平均尺寸。使用微观结构的背散射电子(BSE)显微照片按下述过程来测定平均晶粒尺寸。数出与显微照片上随机画出的单位长度的直线相交的晶粒数量(NL)。由此数量按下面的方程确定平均晶粒尺寸：
平均晶粒尺寸＝1.5/(NLM)，
其中，NL是与单位长度直线相交的晶粒数量，M是显微照片的放大倍数。树枝状YAG晶体的平均直径为约1.5微米。
如下所述测定实施例1的结晶颗粒的平均硬度。使用与微观结构评价所描述的方法相同的方法，将约1克的小珠镶嵌并抛光。用传统的显微硬度测试仪(得自位于日本东京的株式会社三丰，商品名称为“MITUTOYO MVK-VL”)测量显微硬度，该显微硬度测试仪上装有维氏压头，并使用200克压入载荷。显微硬度的测量按照ASTM测试方法E384“材料显微硬度试验方法”(1991)中所述的准则进行，其内容在此以引用方式并入本文。实施例1材料的平均显微硬度(10次测量的平均值)为9.8GPa。
实施例2
如实施例1所述制备实施例2颗粒，不同之处在于使用的原料量为50克的氧化铝颗粒(“Al6SG”)、50克的氧化钇颗粒(得自Molycorp公司)、100克的异丙醇和200克的氧化铝研磨介质(圆柱状，高度和直径都是0.635cm；99.9％的氧化铝；得自Coors公司)。另外，经分级的进料颗粒在火焰形成操作之前不经过预烧结。对于火焰形成过程，进料颗粒具有-45+60目的尺寸(即，开孔尺寸为250微米和开孔尺寸为355微米的筛网之间的收集部分，平均粒度为约300微米)。
火焰形成的颗粒为球状，并且尺寸在约210微米到最大约300微米之间变化，其平均粒度为约250微米。
如实施例1所述，通过XRD测定实施例2材料的结晶相含量。所确定的实施例2材料的结晶相为YAG以及γ-Al2O3相(痕量)和α-Al2O3相的混合物。
如实施例1所述，使用SEM分析实施例2材料的微观结构。观察到材料的微观结构由共晶基质(包括氧化铝和YAG)中的YAG初晶形成。YAG初晶表现为棒状或等轴性更高的形状，并且排列成树枝状生长图案。YAG初晶之间的微观结构是没有可辨别共晶团的特征共晶结构。
如实施例1所述测定硬度，实施例2材料的硬度为8.9GPa。
实施例3
如实施例2所述制备实施例3颗粒，不同之处在于使用的原料量为66克的氧化铝颗粒(“AL6SG”)、34克的氧化钇颗粒(得自Molycorp公司)、100克的异丙醇和200克的氧化铝研磨介质(圆柱状，高度和直径都是0.635cm；99.9％的氧化铝；得自Coors公司)。
火焰形成的颗粒为球状，并且尺寸在约210微米到最大约300微米之间变化，其平均粒度为约250微米。
如实施例1所述，通过XRD测定实施例3材料的结晶相含量。所确定的实施例3材料的结晶相为YAG以及γ-Al2O3相(痕量)和α-Al2O3相的混合物。
如实施例1所述，使用SEM分析实施例3材料的微观结构。观察到材料的微观结构由共晶基质(包括氧化铝和YAG)中的氧化铝初晶形成。氧化铝初晶为等轴多面体晶型。通过样线截取法测定，该氧化铝初晶的平均尺寸为约3微米。氧化铝初晶之间的微观结构是没有可辨别共晶团的特征共晶结构。
如实施例1所述测定硬度，实施例3材料的硬度为11.7GPa。
实施例4
如实施例2所述制备实施例4颗粒，不同之处在于使用的原料量为80克的氧化铝颗粒(“Al6SG”)、20克的氧化钇颗粒(得自Molycorp公司)、100克的异丙醇和200克的氧化铝研磨介质(圆柱状，高度和直径都是0.635cm；99.9％的氧化铝；得自Coors公司)。
火焰形成的颗粒为球状，并且尺寸在约210微米到最大约300微米之间变化，其平均粒度为约250微米。
如实施例1所述，通过XRD测定实施例4材料的结晶相含量。所确定的实施例4材料的结晶相为YAG和α-Al2O3相。
如实施例1所述，使用SEM分析实施例4材料的微观结构。图11为实施例4材料的抛光部分的扫描电镜(SEM)的电子显微照片。观察到样品的微观结构由共晶基质113(包括氧化铝和YAG)中的Al2O3的初晶111形成。氧化铝初晶为等轴多面体晶型。通过样线截取法测定，氧化铝初晶的平均尺寸为约4微米。氧化铝初晶之间的微观结构为没有可辨别共晶团的特征共晶结构。
如实施例1所述测定硬度，实施例4材料的硬度为13.2GPa。
对于本领域的技术人员来说，显而易见的是，在不脱离本发明的范围和实质的情况下，对本发明可以进行各种修改和改变，并且应该明白，本发明不被过度地局限于本文所阐述的示例性实施方案。

Claims (58)

1.一种包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶材料，其中所述Al2O3中的至少一部分为过渡型Al2O3，并且其中所述Al2O3和所述Y2O3中的至少一部分作为复合Al2O3·Y2O3存在。
2.根据权利要求1所述的熔凝多晶材料，其中所述的复合Al2O3·Y2O3表现出石榴石型晶体结构。
3.根据权利要求1所述的熔凝多晶材料，其中所述的复合Al2O3·Y2O3表现出钙钛矿型晶体结构。
4.根据权利要求1所述的熔凝多晶材料，其中所述的复合Al2O3·Y2O3表现出包括枝蔓晶体的微观结构。
5.根据权利要求4所述的熔凝多晶材料，其中所述的枝蔓晶体的平均尺寸小于2微米。
6.根据权利要求1所述的熔凝多晶材料，该材料包含至少50重量％的Al2O3。
7.根据权利要求6所述的熔凝多晶材料，其中所述的复合Al2O3·Y2O3表现出石榴石型晶体结构。
8.根据权利要求6所述的熔凝多晶材料，其中所述的复合Al2O3·Y2O3表现出钙钛矿型晶体结构。
9.根据权利要求6所述的熔凝多晶材料，其中所述的复合Al2O3·Y2O3表现出包括枝蔓晶体的微观结构。
10.根据权利要求9所述的熔凝多晶材料，其中所述的枝蔓晶体的平均尺寸小于2微米。
11.一种包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶颗粒，其中所述Al2O3中的至少一部分为过渡型Al2O3，并且其中所述Al2O3和所述Y2O3中的至少一部分作为复合Al2O3·Y2O3存在。
12.根据权利要求11所述的熔凝多晶颗粒，其中所述的复合Al2O3·Y2O3表现出石榴石型晶体结构。
13.根据权利要求11所述的熔凝多晶颗粒，其中所述的复合Al2O3·Y2O3表现出钙钛矿型晶体结构。
14.根据权利要求11所述的熔凝多晶颗粒，其中所述的复合Al2O3·Y2O3表现出包括枝蔓晶体的微观结构。
15.多个根据权利要求11所述的熔凝多晶颗粒。
16.根据权利要求15所述的多个熔凝多晶颗粒，所述的多个熔凝多晶颗粒分别包含占该颗粒的总重量的至少50重量％的Al2O3。
17.具有规定标称级别的多个颗粒，其中所述的多个颗粒中的至少一部分为根据权利要求16所述的颗粒。
18.根据权利要求17所述的具有规定标称级别的多个颗粒，其中所述的复合Al2O3·Y2O3表现出石榴石型晶体结构。
19.根据权利要求17所述的具有规定标称级别的多个颗粒，其中所述的复合Al2O3·Y2O3表现出钙钛矿型晶体结构。
20.根据权利要求17所述的具有规定标称级别的多个颗粒，其中所述的复合Al2O3·Y2O3表现出包括枝蔓晶体的微观结构。
21.根据权利要求20所述的具有规定标称级别的多个颗粒，其中所述的枝蔓晶体的平均尺寸小于2微米。
22.根据权利要求17所述的具有规定标称级别的多个颗粒，其中所述的规定标称级别为ANSI、FEPA或JIS标准中的至少一种。
23.根据权利要求16所述的多个熔凝多晶颗粒，所述的多个熔凝多晶颗粒分别包含占该熔凝多晶颗粒的总重量的至少75重量％的Al2O3。
24.根据权利要求16所述的多个熔凝多晶颗粒，所述的多个熔凝多晶颗粒分别包含占该熔凝多晶颗粒的总重量的至少85重量％的Al2O3。
25.根据权利要求16所述的多个熔凝多晶颗粒，所述的多个熔凝多晶颗粒分别包含占该熔凝多晶颗粒的总重量的40重量％到90重量％的Al2O3，以及占该熔凝多晶颗粒的总重量的60重量％到10重量％的Y2O3。
26.一种熔凝多晶材料，其包含(a)平均晶粒尺寸为1微米到10微米的α-氧化铝，和(b)作为独立结晶相存在的复合Y2O3·金属氧化物。
27.根据权利要求26所述的熔凝多晶材料，其包含至少50重量％的Al2O3。
28.一种制备熔凝多晶材料的方法，该方法包括：
加热包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶材料以得到根据权利要求26所述的熔凝多晶材料，对于所述的包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶材料，其中所述Al2O3中的至少一部分为过渡型Al2O3，并且其中所述Al2O3和所述Y2O3中的至少一部分作为复合Al2O3·Y2O3存在。
29.一种制备根据权利要求26所述的熔凝多晶材料的方法，该方法包括：
提供包含Al2O3和Y2O3的熔融物；
将该熔融物冷却以直接得到熔凝多晶材料。
30.一种熔凝多晶磨粒，其包含(a)平均晶粒尺寸为1微米到10微米的α-氧化铝，和(b)作为独立结晶相存在的复合Y2O3·金属氧化物。
31.多个根据权利要求30所述的熔凝多晶磨粒。
32.具有规定标称级别的多个磨粒，其中所述的多个磨粒中的至少一部分为根据权利要求31所述的熔凝多晶磨粒。
33.根据权利要求32所述的多个磨粒，其中所述的多个熔凝多晶磨粒中的至少一部分的平均晶粒尺寸为1微米到8微米。
34.根据权利要求32所述的多个磨粒，其中所述的多个熔凝多晶磨粒中的至少一部分的平均晶粒尺寸为1微米到5微米。
35.根据权利要求32所述的多个磨粒，其中所述的多个熔凝多晶磨粒中的至少一部分熔凝多晶磨粒分别包含占该熔凝多晶磨粒的总重量的至少50重量％的Al2O3。
36.根据权利要求32所述的多个磨粒，其中所述的多个熔凝多晶磨粒中的至少一部分熔凝多晶磨粒分别包含占该熔凝多晶磨粒的总重量的至少75重量％的Al2O3。
37.根据权利要求32所述的多个磨粒，其中所述的多个熔凝多晶磨粒中的至少一部分熔凝多晶磨粒分别包含占该熔凝多晶磨粒的总重量的至少85重量％的Al2O3。
38.根据权利要求32所述的多个磨粒，其中所述的多个熔凝多晶磨粒中的至少一部分熔凝多晶磨粒分别包含占该熔凝多晶磨粒的总重量的40重量％到90重量％的Al2O3，以及占该熔凝多晶磨粒的总重量的60重量％到10重量％的Y2O3。
39.根据权利要求32所述的多个磨粒，其中所述的规定标称级别为ANSI、FEPA或JIS标准中的至少一种。
40.根据权利要求31所述的多个熔凝多晶磨粒，所述的多个熔凝多晶磨粒分别包含占该熔凝多晶磨粒的总重量的至少50重量％的Al2O3。
41.根据权利要求31所述的多个熔凝多晶磨粒，所述的多个熔凝多晶磨粒分别包含占该熔凝多晶磨粒的总重量的至少75重量％的Al2O3。
42.根据权利要求31所述的多个熔凝多晶磨粒，所述的多个熔凝多晶磨粒分别包含占该熔凝多晶磨粒的总重量的至少85重量％的Al2O3。
43.根据权利要求31所述的多个熔凝多晶磨粒，所述的多个熔凝多晶磨粒分别包含占该熔凝多晶磨粒的总重量的40重量％到90重量％的Al2O3，以及占该熔凝多晶磨粒的总重量的60重量％到10重量％的Y2O3。
44.一种包含粘结剂和磨粒的磨具制品，其中所述磨粒中的至少一部分为根据权利要求31所述的熔凝多晶磨粒。
45.根据权利要求44所述的磨具制品，其中所述磨具制品选自固结磨具制品、涂附磨具制品和非织造磨具制品。
46.根据权利要求44所述的磨具制品，其中所述熔凝多晶磨粒分别包含占该熔凝多晶磨粒的总重量的至少75重量％的Al2O3。
47.根据权利要求44所述的磨具制品，其中所述熔凝多晶磨粒分别包含占该熔凝多晶磨粒的总重量的至少85重量％的Al2O3。
48.根据权利要求44所述的磨具制品，其中所述熔凝多晶磨粒分别包含占该熔凝多晶磨粒的总重量的40重量％到90重量％的Al2O3，以及占该熔凝多晶磨粒的总重量的60重量％到10重量％的Y2O3。
49.一种制备熔凝多晶磨粒的方法，该方法包括：
加热多个包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶颗粒以得到根据权利要求31所述的熔凝多晶磨粒，对于所述的包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶颗粒，其中所述Al2O3中的至少一部分为过渡型Al2O3，并且其中所述Al2O3和所述Y2O3中的至少一部分作为复合Al2O3·Y2O3存在。
50.根据权利要求49所述的方法，其中所述的熔凝多晶磨粒分别包含占该熔凝多晶磨粒的总重量的至少75重量％的Al2O3。
51.根据权利要求49所述的方法，其中所述的熔凝多晶磨粒分别包含占该熔凝多晶磨粒的总重量的至少85重量％的Al2O3。
52.根据权利要求49的方法，其中所述的熔凝多晶磨粒分别包含占该熔凝多晶磨粒的总重量的40重量％到90重量％的Al2O3，以及占该熔凝多晶磨粒的总重量的60重量％到10重量％的Y2O3。
53.一种制备根据权利要求31所述的熔凝多晶磨粒的方法，该方法包括：
提供包含Al2O3和Y2O3的熔融物；
将该熔融物成形为前体颗粒；
将该前体颗粒冷却以直接得到包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶颗粒，其中所述Al2O3中的至少一部分为过渡型Al2O3，并且其中所述Al2O3和所述Y2O3中的至少一部分作为复合Al2O3·Y2O3存在；以及
加热所述的包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶颗粒以得到根据权利要求31所述的熔凝多晶磨粒。
54.根据权利要求53的方法，该方法还包括将所述的熔凝多晶磨粒分级的步骤以得到具有规定标称级别的熔凝多晶磨粒。
55.一种制备熔凝多晶磨粒的方法，该方法包括：
提供包含Al2O3和Y2O3的熔融物；
将该熔融物冷却以得到包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶材料，其中所述Al2O3中的至少一部分为过渡型Al2O3，并且其中所述Al2O3和所述Y2O3中的至少一部分作为复合Al2O3·Y2O3存在；
将所述的包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶材料粉碎以得到包含Al2O3和Y2O3的颗粒；以及
加热该颗粒以得到根据权利要求31所述的熔凝多晶磨粒。
56.根据权利要求55所述的方法，该方法还包括将所述的熔凝多晶磨粒分级的步骤以得到具有规定标称级别的熔凝多晶磨粒。
57.根据权利要求55的方法，该方法还包括在加热之前将所述的包含Al2O3和Y2O3的熔凝多晶颗粒分级的步骤以得到所述的规定标称。
58.一种研磨表面的方法，该方法包括：
使至少一个根据权利要求26所述的熔凝多晶磨粒与工件表面接触；以及
移动所述熔凝多晶磨粒或所述的被接触的表面中的至少一者，从而用所述熔凝多晶磨粒研磨所述表面的至少一部分。
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