專利名稱：有研磨作用的熔合顆粒的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及含有氧化鎂的熔合顆粒。本發(fā)明還涉及包含根據(jù)本發(fā)明的顆粒的研磨工具；以及涉及根據(jù)本發(fā)明的顆粒的制備方法。
背景技術：
研磨工具通常根據(jù)構成它們的陶瓷顆粒的組成方式分為以下幾類游離磨料，其用于沒有支持物的噴霧或懸浮液中；涂附磨料，其中顆粒被粘附于纖維、紙質或聚合物薄膜型的支持物上；以及粘合磨料，其以圓砂輪、桿狀物等形式出現(xiàn)。在粘合磨料的情況下，研磨顆粒和例如為酚醛樹脂或玻璃狀粘合劑的有機粘合劑壓在一起，例如和含有氧化物的粘合劑，特別是和含有硅酸鹽的粘合劑壓在一起。這些顆粒必須自身具有良好的研磨機械性能，尤其是良好的不易磨損性和/或硬度，并且提供良好的與粘合劑的結合性(界面的強度)。目前已有能覆蓋大量應用和性能的各種種類的研磨顆粒。在氧化鋁顆粒族中，以下幾種根據(jù)應用而被特別區(qū)別開來電鑄氧化鋁顆粒(剛玉)、電鑄氧化鋁-氧化鋯顆粒以及用溶膠-凝膠法制備的氧化鋁顆粒。通過熔化原材料而合成的顆粒，被稱為“熔合顆?！?，其提供了出色的品質/制備成本平衡。在熔合顆粒范圍中，US-A-3，181，939中公開了基于氧化鋁和氧化鋯的材料。這些顆粒一般包含10至60%的氧化鋯、0至10%的添加劑，剩余部分是氧化鋁。實際應用中，商業(yè)產品的氧化鋯含量大約在25%左右，或者約為氧化鋁/氧化鋯低共晶體的值，其中氧化鋯大約為42%左右，一般介于35至50%之間，如專利US-A-3，891，408中所描述的。從EP 1 613 709中可知包含2. 2%至6. 5%的氧化鎂、剩余部分為Al2O3的顆粒。 這些鋁的顆粒是通過熔化原材料制備的。這些熔化的液體接著被冷卻，優(yōu)選快速地進行冷卻以利于形成精細的定向結構，例如通過如專利US-A-3，993，119中所述的用于在薄金屬板間澆鑄的裝置進行冷卻。冷卻的材料最后被碾碎，例如通過輥軋機碾碎，接著被篩選并分類為一系列的粒度分布，或分為對應于精確標準如FEPA標準的“砂粒”。US 4，126,429描述了基于氧化鋁和氧化鋯的熔合研磨顆粒，其包含1至2%的 MgO0氧化鋯含量介于22%和觀％之間，且US 4，1 ，似9解釋一旦氧化鋯含量低于22%， 顆粒的性能就會降低。最佳的氧化鋯含量被認為在25%左右。一種熔化的研磨顆粒必須具有適合其應用的硬度和沖擊強度和斷裂強度之間的平衡。此平衡具體取決于待研磨的材料和研磨條件。硬度對應于顆粒穿透入待研磨材料的能力，而沖擊強度和斷裂強度決定了通過微斷裂達到顆粒研磨表面的重建的能力。因此就有對提供一方面的硬度和另一方面的沖擊和斷裂強度之間新的平衡且更具競爭力的研磨用顆粒的持久需求。本發(fā)明的一個目的即滿足這種需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明涉及熔合顆粒，其具有以下化學分析成分，其中重量百分數(shù)是基于氧化物計算獲得Al2O3 調整總量至 100%Zr02+Hf02 :16-24% ；MgO 的量為(Zr02+HfO2) /MgO 重量比介于 25 至 65 ；其他種類0-2%。如在本說明書的剩余部分將更為詳細描述的，根據(jù)本發(fā)明的顆粒同時具有良好的沖擊和斷裂強度以及良好的硬度。根據(jù)本發(fā)明的熔合顆粒可以同時具有以下一種或多種特征Zr02+Hf02的重量百分比含量優(yōu)選地高于17.0%，優(yōu)選高于18.0%和/或少于 23. 0%，優(yōu)選少于22. 5%。在制備成本作為一個重要參數(shù)的實施方案中，Zr02+Hf02的含量優(yōu)選地少于22. 0%，優(yōu)選少于20. 0%。(Zr02+Hf02)/Mg0重量比優(yōu)選高于觀，優(yōu)選高于30，更優(yōu)選高于35，或甚至高于40 和/或少于60，少于55，少于50，或甚至少于47。 氧化鎂的含量優(yōu)選高于0. 35 %，優(yōu)選高于0. 40 %和/或少于0. 95 %，少于 0. 90%，少于0. 85%，少于0. 80%，優(yōu)選少于0. 70%，更優(yōu)選少于0. 60%?！捌渌N類”的總含量優(yōu)選少于1%，或甚至少于0. 5 %，或甚至少于0. 4%，優(yōu)選地，其他種類僅為雜質。優(yōu)選地，每種雜質的含量少于0. 1%。特別優(yōu)選地，Na2O <0. 1%, 或甚至Na2O < 0. 05%o還優(yōu)選地，Si02、Ca0、Ti02、Fi5203或Cr2O3的含量各分別少于0. 5%, 優(yōu)選少于0. 3%。還優(yōu)選地，碳殘留少于1500ppm，少于1300ppm，或甚至少于800ppm。優(yōu)選地，顆粒的大小大于150 μ m禾Π /或小于3. 35mm,或小于2mm。根據(jù)本發(fā)明的熔合顆粒可以以顆粒的混合物形式存在，特別是以可馬上用做制備研磨工具的原材料的顆?；旌衔镄问酱嬖?，或者以顆粒之間是相互固定的形式存在，比如， 因為它們被粘結到纖維上或限制在一起以形成堅硬的塊狀物特別是形成一個粘合磨料。這樣的顆粒混合物可以作為一種研磨介質，特別是在砂紙打磨應用中，或在將這種混合物噴射至要被清潔或剝除部分的應用中。因此本發(fā)明還涉及包含根據(jù)本發(fā)明的顆粒或甚至由其組成的顆?；旌衔?。本發(fā)明還涉及包含顆粒的研磨工具，所述顆粒被粘合劑粘合起來并結合成例如為砂輪的形式，或沉積于支持物上，例如沉積成柔性的支持物上的一層。這種工具的特征在于所述顆粒中的至少一部分或甚至全部是根據(jù)本發(fā)明的顆粒。研磨工具可以是，特別是，修整砂輪、精密砂輪、磨刀砂輪、切割砂輪、緩進給磨砂輪、補爐或粗加工砂輪、調節(jié)砂輪、便攜式砂輪、鑄造砂輪、鉆頭砂輪、安裝砂輪、圓柱砂輪、 錐狀砂輪、碟形砂輪或分段砂輪或任何其他類型的砂輪。最后，本發(fā)明涉及根據(jù)本發(fā)明的顆粒的制備方法，其包含以下連續(xù)步驟a)混合原材料；b)熔化所述已混合的原材料直至得到熔化的液體；c)通過冷淬冷卻所述熔化的液體，優(yōu)選地讓熔化的液體在少于3分鐘內完全固化，直至獲得固體塊狀物；以及
d)碾碎所述固體塊狀物以得到顆?；旌衔镆约?，可選地，將所述混合物進行粒度分類。選擇所述原材料使得所述混合物的顆粒具有根據(jù)本發(fā)明的顆粒一致的化學組成。定義術語“熔合顆?！北焕斫鉃橥ㄟ^冷卻熔化的液體使其固化的方法而獲得的顆粒。“熔化的液體”是液體物質，其為了維持其形狀，必須保存在容器中。其可含有少量的固體顆粒，但固體顆粒的量不足以構成所述物質。術語“顆粒混合物”被理解為可流動的顆?；旌衔?，也就是說其不具有固有剛性。 對于小顆粒，通常使用術語“粉末”表述。顆粒的“大小”通常與所述顆粒可以通過的最小標準的網(wǎng)孔大小相一致。當參照砂礫標準或FEPA-F標準時，參照的是FEPA-F標準42GB-1984。顆粒的氧化物含量與每種相應的化學元素的總體含量相關，根據(jù)工業(yè)中的標準慣例，這些化學元素以最穩(wěn)定的氧化物的形式表示。因此，其包括有低值氧化物以及任選地， 氮化物、氮氧化物、碳化物、碳氧化物、碳氮化物或甚至前述元素的金屬種類。當描述熔合顆粒的化學組成時，“其他種類”表示所有其他地方未明確提到的化合物，且特別是那些雜質。術語“雜質”被理解為隨著原材料被非故意的且必須引入的不可避免的組成成分， 或者其產生自與這些成分的反應。這些雜質不是需要的成分，只是被容忍的成分。例如， 以下組的化合物是雜質鈉和其他堿金屬的金屬種類、鐵、釩和鉻的氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化物、碳氧化物、碳氮化物。二氧化鉿是天然存在于氧化鋯源中的，其含量少于2 %，當所需產品必須含有氧化鋯或氧化鋯和二氧化鉿時，其不被考慮為雜質。表述“ &02+Hf02”被理解為氧化鋯和二氧化鉿的混合物，其中二氧化鉿的量與其在氧化鋯源中天然存在的量相一致。“痕量”對應于按重量計少于存在的相的5%的量。本說明書和權利要求書中，除非有另外提及，所有的顆粒的成分都是以重量百分數(shù)給出，其是基于顆粒的氧化物計算而得。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)勢將體現(xiàn)在以下詳細的說明中。發(fā)明詳述根據(jù)本發(fā)明的熔合顆?？梢愿鶕?jù)任何制備氧化鋁或氧化鋁-氧化鋯熔合顆粒的方法加以制備，特別是通過短弧爐的方法，其在澆鑄之前的熔化能量達到每噸原材料至少 1500kWh，爐功率至少150Kw。熔化條件可使得顆粒的最高的碳含量1500ppm?；A顆粒可根據(jù)以下連續(xù)步驟加以特別地制備a)混合原材料；b)熔化所述混合的原材料直至獲得熔化的液體，通常在一個電爐中進行；c)通過冷淬方法冷卻所述熔化的液體，優(yōu)選地使得熔化的液體在少于3分鐘的時間內完全固體化，直至獲得固體塊狀物；以及d)碾碎所述固體塊狀物以獲得熔合顆粒以及，任選地將所述顆粒進行粒度分類。在步驟a)中，根據(jù)制備的熔合顆粒的期望組分，通過已知的方式選擇原材料。優(yōu)選地，確定氧化鋯源以達到二氧化鉿的量少于5%，優(yōu)選少于2%。
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優(yōu)選地，確定原材料的來源以達到顆粒雜質的總含量少于0. 5%和/或每種雜質的含量少于0.3%。特別是硅和鈉氧化物為已知的熔合顆粒中的有害物質，且它們在熔合顆粒中各自的含量必須限制到痕量。它們是原材料中作為雜質被引入的。事實上，硅的存在導致了玻璃狀相的形成，這改變了顆粒的研磨特性和硬度。鈉氧化物的存在，即使很低含量，也導致了形成β-氧化鋁。但是氧化鋁的這種晶體結構形態(tài)降低了顆粒的研磨特性。優(yōu)選地，Na2O < 0. 或甚至 Na2O < 0. 05%。因此，優(yōu)選地選擇原材料以達到顆粒中的Si02、CaO, TiO2, Fe2O3或Cr2O3的含量都少于0.5%，優(yōu)選少于0.3%。在步驟b)中，熔化的條件優(yōu)選達到顆粒具備最大的碳含量1500ppm、1300ppm或甚至 800ppm。特別地，熔化可以通過短弧方法進行，其在澆鑄前具有熔化能量至少2000kWh每噸原材料，爐功率至少150kW。在步驟c)中，冷卻是快速地，且可通過，例如如US 3，993，119中描述的，在冷卻的薄板間澆鑄而完成。根據(jù)本發(fā)明制備的顆粒的晶體結構分析并不能揭示存在尖晶石相，除非其為痕量。通過氦測比重術測量，顆粒的孔積率少于3%。步驟d)中，顆粒的粒度可根據(jù)目標應用而加以選擇。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的顆粒具有砂礫大于Grit 6和/或小于Grit 220，小于Grit 80，或小于Grit 24。制備根據(jù)本發(fā)明的研磨工具的方法是眾所周知的。粘合磨料工具可以通過壓制研磨用顆粒混合物和粘合劑完成。根據(jù)本發(fā)明的一種研磨工具中，粘合劑可以是玻璃化的(例如，含有氧化物的粘合劑，本質為含硅粘合劑)或有機的。有機粘合劑尤其地合適。粘合劑可以特別是熱固性樹脂。其可選自以下樹脂形成的組酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯、聚酯、聚酰亞胺、聚苯并咪唑、聚氨酯、苯氧、酚糖醛樹脂、苯胺-甲醛樹脂、尿素-甲醛、鄰甲酚醛、間苯二酚醛、脲醛、三聚氰胺-甲醛、以及其混合物。粘合劑以混合物體積計算通常介于2%至60%，優(yōu)選介于20%至40%之間。粘合劑還可加入有機或無機的填料，如水合無機填料(例如氫氧化鋁或勃姆石) 或非水合無機填料(例如氧化鉬)、冰晶石、一種鹵素、氟石、硫化鐵、硫化鋅、氧化鎂、碳化硅、氯化硅、氯化鉀、二氯化鎂、氟硼酸鉀或鋅、氟鋁酸鉀、氧化鈣、硫酸鉀、偏二氯乙烯/氯乙烯共聚物、聚偏二氯乙烯、聚氯乙烯、纖維、硫化物、氯化物、硫酸鹽、氟化物及其混合物。 粘合劑還可以包含增強纖維如玻璃纖維。
具體實施例方式以下非限制性的實施例用于說明本發(fā)明。參照產品(“Ref”)是熔合的氧化鋁-氧化鋯顆粒，以Μ 的名字出售，且具有以下化學分析成分，以重量百分數(shù)給出=Al2O3 :75. 0%, Zr02+Hf02 : 24. 1%, TiO2 0. 1%, SiO2 < 0. 2%, MgO 0. 05%, CaO :0. 07%，其他< 0. 8%。晶體結構和微結構分析顯示所有的氧化鋯都和氧化鋁以共晶形式結合在一起；氧化鋁的剩余部分以α-氧化鋁(剛玉)的形式被發(fā)現(xiàn)。其他待檢測的產品用以下原材料生產-輕燒Bayer 氧化鋁，其中氫氧化鈉的含量少于0.3% ；-氧化鋯粉末，其&02+HfO2含量高于98%；以及-石油焦。氧化鎂通過純材料提供，其中含有高于99%的鎂MgO。產品根據(jù)本領域熟練技術人員熟知的常規(guī)方法準備。首先分析原材料以允許制備給定組成成分的顆粒。根據(jù)爐的狀態(tài)，將最少(多至3% )的石油焦加入至這些原材料中，此重量百分數(shù)是基于原料計算獲得。然后原料在Heroult型的單相電弧爐中被熔化，該爐使用石墨電極、爐容器直徑 0. 8m、105V至150V電壓、1800至2500A電流以及提供的特定的2. 0至2. 8kffh/kg的負載電功率。熔化的液體接著被快速冷卻，冷卻使用一種在薄金屬板之間澆鑄的設備進行，該設備例如為專利US-A-3，993，119中所描述的。熔合的顆粒接著被碾碎并根據(jù)它們的粒度進行分類。得到的顆粒用X-射線熒光進行化學表征。所有的化學分析數(shù)據(jù)在表格1中給出。 雜質的含量，除碳外，介于0.3%至之間。剩余部分為氧化鋁的含量。為了證明顆粒的機械特性，進行以下描述的試驗。試驗A 確定沖擊和斷裂強度試驗A的目的是確定給定粒度分布的薄片在鋼鐵碾磨罐中被加壓后殘余的顆粒的比例。此試驗能夠動態(tài)分析顆粒的斷裂強度和脆性。在試驗之前，首先在R0TAP 型的振動篩上篩選顆?；旌衔铮瞬襟E在工業(yè)中是標準的，以分離710/850 μ m大小的那部分，使其代表編號FM顆粒(Grit 24) 0接著使用磁選方法已分離的粒度分布部分進行除鐵操作，以提取出因碾磨導致的金屬鐵污染。此試驗使用Sodemi旋轉碾磨機，其通常用于碾碎粉末以進行化學分析。這個碾磨機被懸掛安裝在8個彈簧上，包含要被測試的顆粒的中空柱狀罐、托盤和自由滑動的環(huán)被啟動。由鋼鐵(Z160 C 12級)做成的柱狀碾磨罐具有以下尺寸高，50mm;內徑，139mm。托盤是一個用Z200C12級的鋼鐵制成的固體圓柱(直徑75mm ；高45mm)，重1546克。圓柱環(huán) (95/120mm內徑/外徑；45mm高)同樣是用Z200C12級的鋼鐵制成的，重1464克。在一個樣本上進行包含以下步驟的試驗A 1.用壓縮空氣清潔罐；2.將25克要檢測的產品的粒度分布部分引入碾磨罐的壁和托盤之間。打開 Sodemi碾磨機，以額定速度(HOOrpm)旋轉4分鐘。接著使用一個刷子(編號50)將碾磨的產品從碾磨罐中提取出來以分析粒度分布。然后將產品在ROTAP 篩的一系列使用以下的篩網(wǎng)Ti的70mm直徑的篩子中進行篩選3分鐘
權利要求
1.以基于氧化物的重量百分比計，具有以下化學分析成分的熔合顆粒Al2O3 調整總量至100% ；Zr02+Hf02 :16-24% ；MgO的量為使得(Zr02+HfO2)/MgO的重量比介于25至65之間；其他種類0-2 %。
2.如前一權利要求所述的熔合顆粒，其中(Zr02+Hf02)/Mg0的重量比少于55。
3.如前一權利要求所述的熔合顆粒，其中(Zr02+Hf02)/Mg0的重量比少于50。
4.如前述任一權利要求所述的熔合顆粒，其中(Zr02+Hf02)/Mg0的重量比高于觀。
5.如前一權利要求所述的熔合顆粒，其中(Zr02+Hf02)/Mg0的重量比高于30。
6.如前述任一權利要求所述的熔合顆粒，其中以基于氧化物的重量百分比計， (Zr02+Hf02) < 22. 5%。
7.如前一權利要求所述的熔合顆粒，其中以基于氧化物的重量百分比計，(&02+Η 2) < 20. 0%。
8.如前述任一權利要求所述的熔合顆粒，其中以基于氧化物的重量百分比計，17.0% < (ZrO2+HfO2)。
9.如前述任一權利要求所述的熔合顆粒，其中以四方形式穩(wěn)定存在的氧化鋯為氧化鋯的30%至70%之間。
10.如前述任一權利要求所述的熔合顆粒，所述顆粒的大小大于150μπι，且小于 3. 35mm0
11.一種研磨工具，該研磨工具包含用粘合劑粘結的顆粒、粘結到支持物上的顆?；虺练e在支持物上的顆粒，所述顆粒中的至少部分是根據(jù)前述權利要求中任一項所述的熔合顆粒。
12.根據(jù)權利要求1至10中任一所述的熔合顆粒用作研磨介質的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及被熔化的顆粒，該顆粒以氧化物的形式按重量百分比計具有以下化學組成成分Al2O3調整總量至100％；ZrO2+HfO216-24％；MgO的量為使得(ZrO2+HfO2)/MgO的重量比介于25至65；其他種類0-2％。該顆?？捎米鲅心ヮw粒。
文檔編號B24D3/00GK102176999SQ200980140388
公開日2011年9月7日 申請日期2009年10月9日 優(yōu)先權日2008年10月9日
發(fā)明者S·珀蒂尼, 山木爾·馬林 申請人:法商圣高拜歐洲實驗及研究中心