成形磨料顆粒、制備方法及包含其的磨料制品的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開廣義地涉及基于氧化鋁的磨料顆粒、制備它們的方法及包含它們的磨料制 品。
【背景技術(shù)】
[0002] 因?yàn)槠涑杀?、良好?dǎo)熱性、強(qiáng)度、韌性和化學(xué)惰性的平衡使得其在涂覆和粘結(jié)磨料 中具有優(yōu)異的磨削特性，因此氧化鋁（即，Al 2O3)是磨料工業(yè)已知的最重要的磨料礦石之 一。人們?cè)缫阎溃⒔Y(jié)構(gòu)細(xì)化將帶來磨料特性的改善。因此，開發(fā)了經(jīng)由化學(xué)溶膠-凝膠 途徑生產(chǎn)并產(chǎn)生具有極細(xì)小的微結(jié)構(gòu)（〈0.5微米）的完全致密燒結(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)質(zhì)氧化鋁晶粒 (例如，參見美國(guó)專利4, 314, 827 (Leitheiser等人））并引入到磨料市場(chǎng)中。由溶膠-凝膠 衍生的α氧化鋁形成的成形磨料顆粒的引入已徹底改變磨料工業(yè)。在研磨應(yīng)用中，這些磨 料顆粒通常優(yōu)于由相同的材料制成的對(duì)應(yīng)破碎顆粒。然而，此類溶膠-凝膠衍生的磨料顆 粒僅可以小于約20目（美國(guó)目尺寸）的尺寸獲得。由于在干燥過程中移除大量揮發(fā)性物 質(zhì)的需要所伴隨的破裂，故使用溶膠-凝膠技術(shù)生產(chǎn)較大磨料顆粒的嘗試通常不成功。
[0003] 因此，期望提供粉末衍生的氧化鋁磨料而無砂礫尺寸限制并具有與溶膠-凝膠 晶粒相似或比其更好的磨削特性。雖然粉末衍生的Al 2O3磨料也可得到（例如，以CCC晶 粒得自?shī)W地利菲拉赫的 Treibacher Schleifmittel 公司（Treibacher Schleifmittel AG, Villach, Austria)或以燒結(jié)氧化錯(cuò)得自日本東京的昭和電工株式會(huì)社（ShowaDenko KK，Tokyo, Japan))，但它們的實(shí)用性由于通常伴隨粉末燒結(jié)方法的較粗微結(jié)構(gòu)而受限。
[0004] α氧化鋁的機(jī)械性能常常受雜質(zhì)存在的影響。特別地，廣為人知的是，雜質(zhì)諸如鈉 在由氧化鋁前體形成α氧化鋁中存在有害影響。例如，氧化鈉的存在將導(dǎo)致燒結(jié)后α氧 化鋁晶粒尺寸的增大，從而導(dǎo)致降低的硬度和/或燒結(jié)過程中的開裂。目前，磨料工業(yè)中認(rèn) 為，顯著高于約1-2微米結(jié)晶α氧化鋁晶粒尺寸范圍的微結(jié)構(gòu)粗化對(duì)于用于涂覆磨料和精 密磨削應(yīng)用中的磨料顆粒中的使用來說是不實(shí)用的。
[0005] 因此，商業(yè)上在成形α氧化鋁磨料顆粒的生產(chǎn)中使用高純度α氧化鋁前體。這 些前體相應(yīng)地昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 在一個(gè)方面，本公開提供了一種制造磨料顆粒的方法，所述方法包括：
[0007] 提供包含非膠態(tài)固體顆粒和液體載體的漿液，其中所述非膠態(tài)固體顆粒中的至少 一些包含α氧化鋁或α氧化鋁前體中的至少一者，并且其中所述非膠態(tài)固體顆粒占所述 漿液的體積的至少30% ;
[0008] 將所述漿液的至少一部分形成為接觸基板的成形體，其中所述成形體基本上根據(jù) 預(yù)定形狀形成；
[0009] 至少部分地干燥所述成形體以提供成形磨料前體顆粒；
[0010] 將所述成形磨料前體顆粒的至少一部分從所述基板分離；以及 toon] 將所述成形磨料前體顆粒的至少一部分轉(zhuǎn)化為成形磨料顆粒，其中所述成形磨料 顆粒包含α氧化鋁，其中所述α氧化鋁具有0.8至8微米的平均晶粒尺寸，其中所述α 氧化鋁具有為真密度的至少92%的表觀密度，并且其中每個(gè)成形磨料顆粒各自具有包括多 個(gè)側(cè)面和至少四個(gè)頂點(diǎn)的表面，并且其中所述成形磨料顆粒符合標(biāo)稱的預(yù)定形狀。
[0012] 在另一個(gè)方面，本公開提供了根據(jù)上述方法制得的成形磨料顆粒。
[0013] 在又一個(gè)方面，本公開提供了包含α氧化鋁的成形磨料顆粒，其中所述α氧化鋁 具有0.8至8微米的平均晶粒尺寸，其中所述α氧化鋁具有為真密度的至少92%的表觀密 度，其中每個(gè)成形磨料顆粒各自具有包括多個(gè)側(cè)面和至少四個(gè)頂點(diǎn)的表面，并且其中所述 成形磨料顆粒符合標(biāo)稱的預(yù)定形狀。
[0014] 根據(jù)本公開的成形磨料顆?？捎糜诶缒チ现破罚ɡ纾扛材チ?、粘結(jié)磨料、磨 刷和/或非織造磨料）的制造中。
[0015] 因此，在又一個(gè)方面，本公開提供了一種磨料制品，包括保持在粘結(jié)劑中的成形磨 料顆粒，其中所述成形磨料顆粒包含α氧化鋁，其中所述α氧化鋁具有0.8至8微米的平 均晶粒尺寸，其中所述α氧化鋁具有為真密度的至少92%的表觀密度，并且其中所述成形 磨料顆粒符合標(biāo)稱的預(yù)定形狀。
[0016] 根據(jù)本公開的磨料顆粒和磨料制品可用于例如研磨工件。
[0017] 在又一個(gè)方面，本公開提供了一種研磨工件的方法，所述方法包括：使根據(jù)本公開 的磨料制品中包含的至少一個(gè)成形磨料顆粒與工件接觸，并使磨料制品或工件中的至少一 者相對(duì)于另一者移動(dòng)來研磨所述工件的至少一部分。
[0018] 如本文所用：
[0019] 術(shù)語"表觀密度"指材料的質(zhì)量除以其表觀體積（即，包括內(nèi)部空隙空間的體積）；
[0020] 術(shù)語"膠體"指其中尺寸大約10至10, 000埃的細(xì)分顆粒以防止其容易地過濾或 快速地沉降的方式分散于連續(xù)液體介質(zhì)內(nèi)的體系；
[0021] 術(shù)語"晶粒"指單個(gè)晶體或單晶材料中的單獨(dú)的晶體，其中所述單獨(dú)的晶體的晶格 是連續(xù)的并且直到其邊緣都不間斷，并且無內(nèi)部晶界；
[0022] 術(shù)語"晶界"指晶粒的晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷，所述缺陷在多晶材料中兩個(gè)晶?；蛭⒕?之間形成界面；
[0023] 除非另外指明，否則提及顆粒尺寸時(shí)用到的術(shù)語"目"指美國(guó)目尺寸，
[0024] 術(shù)語"非膠態(tài)"指不具有膠體的特征。
[0025] 術(shù)語"成形"指該形狀是制造過程中根據(jù)預(yù)定形狀有意成形的結(jié)果；
[0026] 提及表面時(shí)用到的術(shù)語"光滑"指除因用來制造其的制造過程所致的不規(guī)則引起 的那些外，該表面無不規(guī)則部分、粗糙或突出；
[0027] 術(shù)語"真密度"指排除材料中任何內(nèi)部空隙體積外給定材料在給定的壓力和溫度 (例如，一個(gè)大氣壓力和25°C的溫度）下確定的密度。
[0028] 表述"其中所述成形磨料顆粒符合標(biāo)稱的預(yù)定形狀"指成形磨料顆粒的形狀與預(yù) 期的（預(yù)定）標(biāo)稱形狀基本上對(duì)應(yīng)，這由其制備方法（例如，由模制、擠出或絲網(wǎng)印刷）決 定，從而允許在干燥、煅燒和燒結(jié)的過程中收縮以及由于過程變異性而可能發(fā)生的隨機(jī)偏 差（例如，輕微的翹曲或缺陷）。
[0029] 有利地，當(dāng)引入到例如呈盤和/或帶的形式的涂覆、粘結(jié)和/或非織造磨料中時(shí)， 根據(jù)本公開的成形磨料顆?？杀憩F(xiàn)出優(yōu)異的研磨特性。另外，甚至當(dāng)成形磨料顆粒內(nèi)的氧 化鋁微結(jié)構(gòu)（即，晶粒尺寸）粗化到顯著高于約1-2微米范圍（技術(shù)中公認(rèn)的作為可用于 涂覆磨料和精密磨削應(yīng)用的邊界的晶粒尺寸水平）時(shí)，成形磨料顆粒的磨削特性也將基本 上保持。這與市售溶膠-凝膠衍生的成形磨料顆粒中的氧化鋁微結(jié)構(gòu)形成對(duì)比。
[0030] 有利地，根據(jù)本公開的磨料顆?？墒褂帽鹊湫偷娜苣z-凝膠方法中使用的較便宜 的起始材料，同時(shí)取得基本上等同（或更好）的磨削性能。
[0031] 在考慮【具體實(shí)施方式】以及所附權(quán)利要求書之后，將進(jìn)一步理解本公開的特征和優(yōu) 點(diǎn)。
【附圖說明】
[0032] 圖1為根據(jù)本公開的示例性成形磨料顆粒100的示意性透視圖。
[0033] 圖2為根據(jù)本公開的示例性帶涂層磨料制品200的示意性側(cè)視圖。
[0034] 圖3為根據(jù)本公開的另一示例性帶涂層磨料制品300的示意性側(cè)視圖。
[0035] 圖4為根據(jù)本公開的示例性磨削輪400的示意性透視圖。
[0036] 圖5為根據(jù)本公開的示例性非織造磨料制品500的放大約100倍的示意圖。
[0037] 圖6為實(shí)例5的成形磨料顆粒的斷裂面的掃描電子顯微鏡（SEM)顯微照片。
[0038] 圖7為在1550°C下燒制的實(shí)例6成形磨料晶粒的拐角的SEM顯微照片。
[0039] 圖8為在1575°C下燒制的實(shí)例6成形磨料晶粒的邊緣的SEM顯微照片。
[0040] 圖9為實(shí)例8c的成形磨料顆粒的斷裂面的SEM顯微照片。
[0041] 圖10為實(shí)例8e的成形磨料顆粒的斷裂面的SEM顯微照片。
[0042] 盡管上述附圖示出了本公開的若干實(shí)施例，但是例如如討論中所指出，還可以想 到其他實(shí)施例。在所有情況下，本公開都以示例性而非限制性方式展示。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域 的技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)出大量其他修改和實(shí)施例，這些修改和實(shí)施例也在本公開的原理的范 圍和實(shí)質(zhì)內(nèi)。附圖可未按比例繪制。在所有附圖中，相同參考標(biāo)號(hào)可以用來表示相同部件。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 根據(jù)本公開的成形磨料顆?？筛鶕?jù)多步方法使用包含非膠態(tài)固體顆粒和液體載 體的漿液來制備。通常，非膠態(tài)固體顆粒被懸浮在液體載體中；然而，具有一些非膠態(tài)固體 顆粒的沉降也是可接受的。非膠態(tài)固體顆粒中的至少一些包含α氧化鋁或其前體中的至 少一者。在一些實(shí)施例中，非膠態(tài)固體顆粒包含α氧化鋁顆粒、α氧化鋁前體顆粒或它們 的組合。在一些實(shí)施例中，基本上全部（例如，至少95重量％或至少99重量％ )或全部的 非膠態(tài)固體顆粒包含α氧化鋁顆粒、α氧化鋁前體顆粒或它們的組合。
[0044] α氧化鋁顆粒和非膠態(tài)α氧化鋁前體顆粒單獨(dú)地或兩者都存在的話總共地可占 漿液的至少30體積％、35體積％、40體積％、50體積％或甚至至少55體積％。漿液可還包 含一種或多種任選的添加劑諸如一種或多種增稠劑、一種或多種觸變劑、一種或多種分散 劑、一種或多種潤(rùn)濕劑、一種或多種消泡劑、一種或多種偶聯(lián)劑、一種或多種改性劑或一種 或多種其前體、一種或多種成核劑、一種或多種膠溶劑和/或一種或多種脫模劑?？捎玫脑?稠劑包括：一種或多種有機(jī)增稠劑，例如瓜爾膠、羧甲基纖維素鈉和/或卡波姆；和無機(jī)增 稠劑，例如膠態(tài)勃姆石。
[0045] 改性添加劑可用于增強(qiáng)磨料顆粒的某些所需性質(zhì)或提高后續(xù)燒結(jié)步驟的效果。改 性添加劑或改性添加劑的前體可呈微米尺度和亞微米尺度微粒、納米膠體（即，納米尺度 膠體）、可溶鹽（通常水可溶鹽）和不可溶鹽的形式。它們通常由含金屬的化合物構(gòu)成，并 且可以是鎂、鋅、鐵、娃、鈷、鎳、錯(cuò)、鉿、絡(luò)、?乙、鐠、釤、鐿、釹、鑭、札、鋪、鏑、鉺、鈦的氧化物的 前體，以及上述項(xiàng)的混合物。此類添加劑的具體用量水平的確定在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的 能力范圍內(nèi)。
[0046] 適于包含在漿液中的成核劑可包括例如α氧化鋁、α氧化鐵或其前體、鈦氧化物 和鈦酸鹽、鉻氧化物的細(xì)粒，或?qū)⑹顾鲛D(zhuǎn)化成核的任何其它材料。如果使用，成核劑的量 通常應(yīng)足以實(shí)現(xiàn)α氧化鋁的轉(zhuǎn)化。使α氧化鋁前體分散體成核的方法公布于美國(guó)專利 4, 744, 802 (Schwabel)中。
[0047] 如果漿液中包含膠態(tài)勃姆石增稠劑，則膠溶劑可用于提供穩(wěn)定性。合適的膠溶劑 包括單質(zhì)子酸或酸化合物，諸如乙酸、鹽酸、甲酸和硝酸。也可使用多質(zhì)子酸，但它們可能使 漿液迅速膠凝，使得難以處理或難以將附加組分引到其中。
[0048] 在一些實(shí)施例中，非膠態(tài)固體顆粒包含α氧化鋁顆粒。所述α氧化鋁顆粒可為 例如破碎的或成形的。如本文所用，術(shù)語"α氧化鋁顆粒"指包含α氧化鋁的顆粒。在一 些實(shí)施例中，α氧化鋁顆粒包含至少95重量％或至少99重量％的α氧化鋁。在一些實(shí) 施例中，α氧化鋁顆粒由α氧化鋁組成?？捎玫摩裂趸X顆粒可包含鋁離子之外的金屬 離子（例如，F(xiàn)e 3+離子）。合適的α氧化鋁的實(shí)例包括α氧化鋁白剛玉和棕剛玉。
[0049] 在一些實(shí)施例中，非膠態(tài)固體顆粒包含α氧化鋁前體顆粒。如本文所用，術(shù)語 "α氧化鋁前體"指通過充分加熱能夠至少部分地（例如，完全地）轉(zhuǎn)化為α氧化鋁的除 α氧化鋁之外的材料。合適的α氧化鋁前體的實(shí)例包括勃姆石（γ-ΑΙΟ(ΟΗ))、水鋁石 (α-ΑΙΟ(ΟΗ))、三羥鋁石（即，Ci-Al(OH) 3)和水鋁礦及其多晶型物（例如，督三水鋁石和諾 三水鋁石）。
[0050] 所述非膠態(tài)固體顆粒可以是單峰或多峰（例如，雙峰）的。例如，非膠態(tài)固體顆粒 可具有雙峰分布，其中約95%的非膠態(tài)固體顆?？删哂屑s0. 7微米的峰并且約5%的非膠 態(tài)固體顆粒具有約2-3微米的峰。
[0051] 與其中甚至適度水平的鈉離子也往往顯著地降低含鈉離子的磨料顆粒的磨削性 能的傳統(tǒng)溶膠-凝膠方法相比，有利地，根據(jù)本公開的方法和成形磨料顆粒耐受漿液組分 和所得成形磨料顆粒中適度水平的鈉離子。例如，基于成形磨