專利名稱:制造陶瓷磨料的方法及用此方法制成的材料的制作方法
本發(fā)明涉及磨料的一些制造方法。磨料是由一種母體金屬和氣狀態(tài)的氧化劑進行氧化反應(yīng)而生成，并粉碎成具有研磨能力的陶瓷或陶瓷復(fù)合材料的顆粒。本發(fā)明還涉及用此方法所生產(chǎn)的這些材料。
近年來，對磨料制造工藝的進展和制造高質(zhì)量及特種磨料的興趣日益增加。本發(fā)明的目的就是提供一種新型的性能良好的磨料。它的特點是脆性小，通過粉碎成一定粒度的顆粒后可用特定的方法制成由陶瓷或陶瓷復(fù)合體構(gòu)成的部件或板塊。
按照本發(fā)明提供的制造磨料方法的特點是從一種多晶陶瓷材料粉碎成磨料顆粒，而這種材料中主要含由一種母體金屬前體與氣相氧化劑進行氧化反應(yīng)所生成的物質(zhì)，以及一種或多種任選的金屬組分，例如一些未被氧化的母體金屬組分。根據(jù)需要，可將陶瓷復(fù)合物制成含有多晶陶瓷反應(yīng)生成物和加入的一種或多種填充物，以提高研磨性能或降低制造成本。下面將進行詳細介紹。
一般來說，按照本發(fā)明制造陶瓷磨料的方法中，將母體金屬在氣相氧化劑存在的環(huán)境中加熱到高于金屬熔點而低于氧化反應(yīng)生成物熔點的溫度，以形成一種熔融的母體金屬體。母體金屬熔化后，所形成的熔體與氣相氧化劑進行反應(yīng)而生成氧化反應(yīng)產(chǎn)物。這種氧化反應(yīng)產(chǎn)物至少部分保持與熔融的母體金屬及氣相氧化劑接觸并在它們之間擴散開。在操作溫度范圍內(nèi)，熔融的母體金屬將透過已形成的氧化生成物移向氣相氧化劑。當(dāng)熔融的母體金屬在氣相氧化劑與已生成的氧化產(chǎn)物之間的界面上與氣相氧化劑接觸時，它就會被氧化而使氧化產(chǎn)物層增長或發(fā)展較厚的氧化產(chǎn)物層或形成氧化產(chǎn)物體。這一過程將持續(xù)一段時間以滿足陶瓷體的生成。根據(jù)需要，取決于磨料的最終使用目的，可以使氧化反應(yīng)過程持續(xù)足夠的時間，基本上將母體金屬完全消耗，使陶瓷體中所含能互相連接的金屬減少到最低限度。這種陶瓷體可以用例如沖擊磨，輥磨，旋轉(zhuǎn)磨或根據(jù)磨料的最終用途選擇其它常用的粉碎技術(shù)粉碎到所需的顆粒度?；厥辗鬯楹蟮奶沾刹牧?。獲得的陶瓷材料中所含磨料顆粒主要組分為氧化反應(yīng)生成物和任選的一些金屬組分，例如母體金屬的未氧化組分。
在本發(fā)明一種優(yōu)選實施方案中，在制造陶瓷復(fù)合體時將一種可滲透的物料或由填料組成的集料放在母體金屬的附近或與母體金屬接觸處，這種物料可預(yù)先制成一種坯的形狀。這樣以使得母體金屬氧化時形成的生成物可以滲入并埋藏至少一部分填料。母體金屬也是按照前面描述的方法加熱。讓母體金屬與氣相氧化劑之間的氧化反應(yīng)持續(xù)足夠長時間，使氧化反應(yīng)生成物增長時能滲入或通過至少一部分填充物料。這樣就制成了以氧化生成物為陶瓷基體的復(fù)合物，它包含有填料，還有任選的一種或幾種金屬組分。制成的陶瓷復(fù)合物也是用按照上面討論過的常用方法粉碎成需要的粒度并進行回收。獲得的物料中含有的微復(fù)合磨粒顆粒主要由母體金屬與氣相氧化劑氧化反應(yīng)的生成物，填料及任選的一種或幾種金屬組分構(gòu)成。
陶瓷或陶瓷復(fù)合體按照前面所述方法制成后，先冷卻，再破碎或研磨以制成一種磨料顆粒。顆粒細度由制品的最終用途決定。因此，粉碎方法也是根據(jù)要求的顆粒細度以及陶瓷體的組成進行選擇。粉碎方法及粒度分級為大家所熟悉，本質(zhì)上，不屬于本發(fā)明的問題。一般設(shè)想是先用式破碎機或錘式破碎機將物體粗碎成約1/4英寸到1/2英寸(即6～13毫米)大小，然后在沖擊式粉碎機中粉碎到約8～100目(1.5～0.12毫米)細度或更細些。磨料還要用典型的方法進行篩分以獲得所要求的粒度等級。
制成的磨料特點是它的韌度，低脆性或高耐用性。用本發(fā)明的方法制成的一種優(yōu)選磨料反應(yīng)產(chǎn)物的微復(fù)合物，所以形成陶瓷體的粉碎狀態(tài)，因此制成的陶瓷體經(jīng)過壓碎或研磨，無論粒度上變得怎樣細，得出的磨料顆粒都含有作為整體結(jié)合材料的陶瓷基質(zhì)和填料組分。
本發(fā)明所制成的顆粒狀磨料可在任何一種研磨技術(shù)方面使用。例如作為松散的磨料用來拋光，研磨或噴砂等。如果需要的話，可將這種磨料作為涂層涂布在研磨工具上或結(jié)合在砂輪上使用。后一種用途中是將磨料顆粒用適合的膠粘劑，如樹脂，玻璃，金屬或其它種陶瓷粘結(jié)而制成例如砂輪。前一種則是將磨料顆粒與適當(dāng)?shù)母街鷦┗旌贤坎荚诶缋w維編織物，布料，紙版之類的底片或基體上。本發(fā)明制成的磨料可作為研磨工具的唯一磨料，也可與其它磨料或沒有研磨作用的物料相結(jié)合來改善其性能或降低制造成本。
按照本發(fā)明制造了幾種研磨材料，在脆性試驗方面與幾種用傳統(tǒng)方法制成的磨料進行了對比。脆性試驗是將每種磨料分別放在球磨中按通常采用的研磨技術(shù)進行。將每種磨料用篩準確分離出規(guī)定篩目的顆粒。稱量出10克試樣，和7個直徑1英寸的硬化的鋼球(200克，Abbe公司制造)一同放在鋼制球磨罐(Mijit型，Abbe公司制造)內(nèi)。將鋼罐封閉后放在轉(zhuǎn)動機上以92轉(zhuǎn)/分的速度研磨1小時。將得到的試料用同一篩目的篩進行篩分。收集篩上物進行稱量。磨料在脆性試驗中的性能定量地記作脆性指數(shù)，這些結(jié)果列于附表1中。脆性指數(shù)是經(jīng)過球磨后沒有被磨細的物料重量(磨料后在篩上存留的物料重量)除以原來的物料試樣的重量(10克)乘以100得出的數(shù)值。脆性指數(shù)越大說明物料脆性越小。
經(jīng)過試驗的9種物料中有3種是傳統(tǒng)磨料熔融氧化鋁(38 Alundum，Norton公司制造，粒度46目)，碳化硅(37 Crystolon，Norton公司制造，粒度14目)，用溶膠-凝膠法制成的氧化鋁-鋁酸鎂材料(3M公司制造的Cubitron，粒度20目及40目，兩者都作過試驗)，6種按照本發(fā)明制造的磨料。下面將作比較詳細的說明(磨料以字母A到F標明)。
磨料A的制造是將幾塊鋁合金380.1錠(取自一種Belment金屬，它的標定組成按重量計算含8～8.5%Si，2～3%Zn及0.1%Mg作為活性摻雜劑(下面還要詳細介紹)，還含3.5%Cu及Fe，Mn和Ni。有時Mg含量要高些，在0.17～0.18%范圍)放在氧化鋁顆粒(E1 Alundum，Norton公司制造，粒度90目)床中。該床裝在一個耐材料容器內(nèi)，每塊鋁錠都有一面直接暴露在空氣中。將整個裝置放進爐中，5小時內(nèi)加熱到1000℃。在這種條件下，暴露在空氣中的那個金屬表面上生成陶瓷體。而在被E1型剛玉顆粒圍繞的其它金屬表面無陶瓷體的生成。爐中溫度將保持1000℃經(jīng)過24小時，然后經(jīng)5小時冷卻到室溫。將物料從爐中取出。收集形成的陶瓷體，放在兩塊鋼板之間壓碎后進行篩分，選出粒度為46目的那部分。
磨料B的制造是將幾塊鋁合金6061錠(標定組成按重量計算為0.6%Si，1.0%MgO和0.25%Cu及Cr)如上述放在相同的氧化鋁顆粒(90目)料床中。該床裝在耐火材料容器內(nèi)，使每塊鋁錠有一面暴露在空氣中。并在暴露的金屬表面鋪上一薄層二氧化硅作為摻雜劑。整個裝置放入爐中在6小時內(nèi)加熱到1325℃。在這種情況下，形成的陶瓷體也是朝著空氣的方向增長而不進入底床物料中。將爐中溫度保持在1325℃約經(jīng)過160小時使陶瓷體內(nèi)的未氧化的金屬鋁基本上消耗盡。如前述將制成的陶瓷體壓碎并篩選出粒度為12目的顆粒部分。
磨料C的制造是將按重量計算含10%Si，3%Mg的鋁合金錠若干塊完全埋在裝在耐火材料容器內(nèi)的氧化鋁顆粒料(38 Alundun，Norton公司制造，粒度220目)中。將這一裝置放入爐中在6小時內(nèi)加熱到1250℃。在這種情況下，生成的陶瓷體由金屬表面擴展到周圍的物料床中，并將38型剛玉包裹在陶瓷復(fù)合體內(nèi)。爐溫保持在1250℃經(jīng)過120小時后，冷卻到室溫(約需6小時)。容器從爐中取出后，將得到的包括混有填料顆粒的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的陶瓷復(fù)合體收集起來按前面描述過的粉碎方法壓碎，進行篩分得出粒度12目的顆粒。
磨料D的制造是將與制造磨料C所用的相同的鋁合金錠若干塊埋藏在耐火容器中薄片狀氧化鋁填料床中(Alcoa公司制造，粒度60目)。將該裝置放進爐內(nèi)在6小時內(nèi)加熱到1250℃，反應(yīng)產(chǎn)物的生長進入圍繞在金屬周圍的填料顆粒中。在1250℃保溫144小時后冷卻到室溫(約需6小時)。得到的包括混有片狀填料的氧化反應(yīng)生成物的陶瓷復(fù)合體按前面所述的方法粉碎和篩分出粒度12目的顆粒部分。
磨料E的制造是將鋁合金308.1錠若干塊(與制造磨料A所使用的相同)埋藏在溶膠一凝膠法制成的氧化鋁-鋁酸鎂填料中(3M公司制造的Cubitron，粒度80目)該填料裝在耐火材料制成的容器內(nèi)。放在一爐中在5小時內(nèi)加熱到1000℃。在1000℃保溫4小時后冷卻到室溫(約需5小時)。將得到的包括混有溶膠-凝膠填料的氧化反應(yīng)物氧化鋁的陶瓷復(fù)合體按前面所描述的方法粉碎和篩分出粒度12目的物料。
磨料F的制造是分別將碳化硅顆粒床(37 Crystolon由Norton公司制造，粒度220目)及大約100克如前所用的380.1型合金加熱到1000℃。然后將熔融的鋁合金傾注在碳化硅填料。在1000℃保溫48小時后從爐中取出。得到的包括嵌有碳化硅填料的氧化反應(yīng)生產(chǎn)成氧化鋁的陶瓷復(fù)合體按前面描述的方法粉碎后篩分出粒度12目的物料。
將這些磨料進行前面所介紹的脆性試驗，并將結(jié)果列在下面的附表Ⅰ中。從表中可以看出，已證明按本發(fā)明生產(chǎn)的6種磨料中的5種的脆性都比在上述試驗條件下常規(guī)磨料的脆性低。盡管磨料A也是按照本發(fā)明的制造方法制成，它的脆性指數(shù)卻低于所檢查過的用傳統(tǒng)方法制成的磨料。這一結(jié)果表明了本發(fā)明所希望的一個特點，即能制成包括比較寬的脆性范圍的物料。這樣就可以適應(yīng)在不同的磨料使用方面所提出的不同的要求。
表Ⅰ磨料 篩目表 脆性指標氧化鋁 46 6.1(38 Alundum，Norton公司制造)碳化硅 14 9.1(37 Crystolon，Carborundum公司制造)溶膠-凝膠法氧化鋁-鋁酸鎂 20 13.1(Cubitron，3M公司制造)溶膠-凝膠法氧化鋁-鋁酸鎂 40 18.5(Cubitron，3M公司制造)磨料A 46 2.5磨料B 12 38.5磨料C 12 25.5磨料D 12 29.2磨料E 12 40.4磨料F 12 44.8
本說明及所附權(quán)利要求
中所用下列術(shù)語的定義如下“陶瓷”不應(yīng)局限于對傳統(tǒng)的陶瓷物體的解釋方法，即完全由非金屬及無機材料組成的物體。它是指這樣一種物體從組成及主要性能看是陶瓷占主要地位，但是物體中還可以含有少量或相當(dāng)數(shù)量的一種或幾種金屬組分。這些金屬組分可能從母體金屬帶來，也可能從摻雜物被還原而形成。按體積百分比計算，比較典型的是在約1～40%范圍內(nèi)。但是也可以含更多的金屬組分。
“氧化反應(yīng)產(chǎn)物”通常是指在任一氧化狀態(tài)下的一種或多種金屬，其中一種金屬將電子給予了另一種元素，或與另一種元素共同享用電子，化合物或它們的混合物。因此，在這一定義下，氧化反應(yīng)生成物包括一種或多種金屬與某種氧化劑，例如前面描述過的氧化劑所產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物。
“氧化劑”指一種或多種適合的電子接受體或電子共享體。在本發(fā)明采用的操作條件下它是一種氣體(或蒸汽)或氣體中的一個組分。
“母體金屬”指的是金屬(例如鋁)該金屬是形成氧化反應(yīng)生成的多晶體的前體，并包括比較純的金屬，或市場供應(yīng)的含雜質(zhì)或合金組分的金屬，或主要成分為形成多晶體所需的金屬前體的合金。如果已明確指定義一種特定金屬，例如鋁作為母體金屬，則在文中除非特別標明時，這種金屬就應(yīng)按這一定義理解。
“復(fù)合物”是指一種由兩種或兩種以上不同物質(zhì)組成的非均質(zhì)材料，物體或制品。其中這些物質(zhì)是緊密結(jié)合以使復(fù)合物顯示出所要求的性能。例如，兩種不同材料可以通過將一種物質(zhì)埋藏在由另一物質(zhì)中的方式緊密結(jié)合。陶瓷復(fù)合體結(jié)構(gòu)一般包括一種陶瓷基質(zhì)，該基質(zhì)中包含一種或多種不同的填料，例如顆粒狀，纖維狀，桿狀或其它形狀的填料。
按照本發(fā)明，提供了一種陶瓷或陶瓷復(fù)合體的粉碎狀的磨料，該陶瓷或陶瓷復(fù)合體是在金屬前體氧化時形成的。在陶瓷體的形成過程中，提供作為氧化反應(yīng)產(chǎn)物前體的母體金屬，它們可以具有不同的形狀如金錠，條，塊等，并將母體金屬放進裝在坩鍋或其它耐火容器中的惰性物料及/或填料構(gòu)成的料床內(nèi)。惰性物料是指在操作條件下基本上不被生長的氧化反應(yīng)生成物摻入。與惰性料床相反是用于生產(chǎn)復(fù)合體結(jié)構(gòu)的可滲透的填料床。通過填料氧化反應(yīng)產(chǎn)物的生長使填料嵌在形成的陶瓷基體中。這種惰性材料可以是粒狀的，它的作用是保持用于氧化和生長的熔融的母體金屬體進入周圍的空氣中或進入可滲透的填料中。
將所得到的包括母體金屬，惰性材料和/或填料的集體被放入適合的坩鍋或其它耐火容器中加熱到高于母體金屬的熔點但低于氧化產(chǎn)物的熔點的溫度，但是，應(yīng)該理解，操作溫度或優(yōu)選的溫度范圍不可能完全遍及母體金屬熔點與氧化生成物熔點之間的全部溫度范圍。在這一溫度下或這個溫度范圍內(nèi)，母體金屬會熔化成熔體或熔體池。當(dāng)它與氧化劑接觸時就會被氧化而形成一層氧化產(chǎn)物。當(dāng)熔融金屬繼續(xù)處在氧化環(huán)境中時，余下的金屬熔體會被逐漸吸引到氧化生成物層中并且通過氧化產(chǎn)物層朝著氧化劑的方向移動。這樣在陶瓷與氧化劑之間的界面上或接近這個界面處的多晶體物質(zhì)就會繼續(xù)生長而最終形成一個陶瓷體或陶瓷復(fù)合體。
如果有足夠的氧化劑在不斷更新，多晶氧化反應(yīng)生成物的生長幾乎是等速的(即在整個時間范圍內(nèi)，厚度的生長速度保持不變)。在空氣的情況下，氧化氣氛的更新可以容易通過爐子的通風(fēng)孔來提供。反應(yīng)產(chǎn)物的生長一直可持續(xù)到至少出現(xiàn)下列情況之一時為止(1)幾乎全部母體金屬消耗盡;(2)氧化劑消耗盡或用非氧化性氣氛代替了氧化性氣氛或?qū)t內(nèi)抽成真空;或(3)反應(yīng)溫度改變到較大地偏離應(yīng)保持的溫度范圍，即低于母體金屬的熔點。通常是降低爐溫以使物料冷卻，然后將物料從爐中取出。
得到的陶瓷產(chǎn)物基本由母體金屬與氧化劑反應(yīng)生成的氧化產(chǎn)物，以及任選一種或多種金屬組分，如母體金屬的未氧化組分組成。應(yīng)該明白生成的多晶材料中可能出現(xiàn)孔隙，它可能由金屬相的部分或幾乎全部取代所致。但是材料孔隙所占的體積百分比在很大程度上取決于操作條件，例如溫度，時間以及所用的母體金屬種類。多晶氧化反應(yīng)產(chǎn)物呈現(xiàn)微細晶粒的形狀，它們之間至少是部分互連的。雖然本發(fā)明在后面所介紹的仍然著重以鋁或鋁為主體的材料作為母體金屬。這只是為了舉例，應(yīng)該理解，別的金屬如硅，鈦，鉿，鋯等也可采用。它們可以符合或被納入本發(fā)明的技術(shù)范圍。
氣相氧化劑是在操作條件下為氣態(tài)或氣化狀態(tài)的物質(zhì)，用它來提供氧化性氣氛。典型的氣相氧化劑包括例如氧或含氧氣體，氮或含氮氣體，囟素，硫，磷，砷，碳，硼，硒，碲以及由這些元素的化合物或混合物，例如甲烷，氧氣，乙烷，丙烷，乙炔，乙烯，丙烯(這些碳氫化物可作為提供碳的原料)，混合氣體如空氣H2/H2O及CO/CO2。后面兩種混合物(H2/H2O及CO/CO2)可以用來降低環(huán)境中的氧活性。如果對某種氣相氧化劑作了特殊規(guī)定，如含某種確定的氣體或蒸汽。這就意味著，在這種氣相氧化劑中的確定氣體在所利用的氧化環(huán)境下獲得條件下為母體金屬的唯一氧化劑。因此，按照這一規(guī)定，空氣屬于“含氧氣體”氧化劑的定義之內(nèi)，而不屬于“含氮氣體”氧化劑之內(nèi)。在此和權(quán)項中所用的“含氮氣體”的一個例子為“混合氣體”。該氣體一般含有約96%(體積)的氮氣和約40%(體積)的氫氣。
某些母體金屬在特定的溫度和氧化性氣氛條件下可以添加特殊的添加劑或改性劑就能滿足本發(fā)明的氧化現(xiàn)象所必須的技術(shù)要求。而且與母體金屬結(jié)合使用的一些摻雜劑可以有利地影響和促進氧化反應(yīng)過程。不希望將這一現(xiàn)象與某種特殊理論相聯(lián)系或?qū)诫s劑的功能作一番解釋。可是當(dāng)母體金屬與其氧化反應(yīng)產(chǎn)物之間的表面能不存在故有的聯(lián)系時，加入一些摻雜劑似乎是有用的。因此，能夠降低固一液界面能的某些摻雜劑或它們混合物將傾向于促進或加速金屬氧化時形成的含有熔融金屬轉(zhuǎn)移通道的多晶結(jié)構(gòu)的發(fā)展。摻雜劑的另一種功能可能是激發(fā)陶瓷體的成長，雖然或是作為一種成核劑以幫助形成穩(wěn)定的氧化產(chǎn)物晶粒，或以某種方式破壞開始形成比較遲鈍的氧化產(chǎn)物層，或同時產(chǎn)生兩種作用。后面一種摻雜劑對于陶瓷體的生成可能是不必要;但是為了縮短陶瓷體成長前的保溫時間，以使用某種特定的母體金屬系統(tǒng)在保證時間上達到經(jīng)濟上合理的限度以內(nèi)，這種摻雜劑的作用還是十分重要的。
摻雜劑的某種功能或各種功能除物料本身以外還與一系列因素有關(guān)。這些因素包括例如特定的母體金屬，要求的最終產(chǎn)物，使用兩種或兩種以上的摻雜劑時，它們之間的結(jié)合情況，外部使用的摻雜劑與形成合金摻雜劑的結(jié)合，摻雜劑的濃度，氧化環(huán)境，工藝條件等。
對于鋁母體金屬，特別是以空氣作為氧化劑時，有用的摻雜劑包括例如金屬鎂和金屬鋅，兩者的相結(jié)合物或如與下面還要介紹的別的摻雜劑結(jié)合物?？蓪⑦@些金屬或其適當(dāng)來源物熔合到以鋁為基礎(chǔ)的母體金屬中，其每種摻雜劑的濃度按重量計算約在0.1～10%之間，以最后制成的加上摻雜劑的金屬總量為基數(shù)。任意一種摻雜劑的濃度范圍取決于這樣一些因素如幾種摻雜劑的結(jié)合方式以及操作溫度等。在這一濃度范圍似乎可激發(fā)陶瓷體的成長，促使金屬的遷移并對氧化產(chǎn)物的形態(tài)起優(yōu)良作用。
對于以鋁為基的母體金屬體系，能有效促進多晶氧化產(chǎn)物成長的其它摻雜劑，有例如硅，鍺，錫和鉛等，特別是將它們與鎂或鋅結(jié)合使用?？蓪⑦@些摻雜劑中的一種或多種或它們的適當(dāng)來源熔合到鋁母體金屬體系中制成合金，每種摻雜劑加入的量約在合金總量的0.5%到15%范圍;但以約在1～10%(按母體合金的總重量計算)的濃度范圍對陶瓷體的增長動力學(xué)及長成的形態(tài)方面更為有利。由于鉛在鋁中的溶解度比較低，作為摻雜劑加入到以鋁為基的母體金屬中制成合金時，一般至少在1000℃的溫度下操作才有可能達到所需的濃度范圍。但是如果同時加入錫之類的別的合金組分，就可以提高鉛的溶解度而在比較低的溫度制成合金。
如上述，使用一種或多種摻雜劑由操作的各種條件決定。例如以鋁為母體金屬和以空氣為氧化劑的情況下，特別有用的摻雜劑結(jié)合為摻雜劑(a)鎂及硅或(b)鎂，鋅及硅。在這種實例中，優(yōu)選鎂的濃度為約0.1～3%(重量)，優(yōu)選鋅的濃度為約1～6%，(重量)，優(yōu)選硅的濃度為約1～10%(重量)。
另外一些對以鋁為基的母體金屬有利的摻雜劑還有鈉，鋰，鈣，硼，磷，釔。取決于氧化劑及操作條件，它們可以單獨使用或與一種或多種其它摻雜劑結(jié)合使用。鈉和鋰可加入的量相當(dāng)小，約在百萬分之幾范圍，常見的是百萬分之100～200份。兩者可以單獨使用或同時使用或與別的摻雜劑(一種或幾種)結(jié)合使用。烯土因素如鈰、鑭、鐠、釹、釤等也是有用的摻雜劑，特別是將它們與別的摻雜劑相結(jié)合。
沒有必要將任何摻雜劑都與母體金屬制成合金。例如可有選擇地將一種或幾種摻雜劑在母體金屬的全部或部分表面上一薄層，就可使陶瓷體在母體金屬表面或表面上的某一部分局部生長，并可引導(dǎo)成長的多晶陶瓷體在選擇的部位摻入填料中。因此，在母體金屬表面上局部涂上一種摻雜劑可以控制多晶陶瓷材料的生長。施用的摻雜劑涂層的厚度與母體金屬本身對比是相當(dāng)薄的。氧化反應(yīng)產(chǎn)物的形成或生長將這超出摻雜劑層的范圍，也就是超出涂上的摻雜劑層的深度。這種摻雜劑層可通過涂布，浸漬，絲網(wǎng)印刷，蒸汽沉積等等方法施用。也可用液態(tài)或漿狀摻雜劑通過濺射或簡單將固體物沉積在母體金屬表面以形成薄層或薄膜。摻雜劑中可以含有(但不是必需的)有機或無機粘結(jié)劑，載體，溶劑及/或增稠劑。在母體金屬表面涂層的一種特別值得推薦的方法是將摻雜劑懸浮在水與有機粘結(jié)劑混合的液體中，用它噴灑在母體金屬表面以形成一層有一定附著力的有利于加工前摻雜的母體金屬的處理。
外部施用時，摻雜劑通常是在母體金屬表面的一部分涂上均勻的覆蓋層。相對于待施用的母體金屬的重量，摻雜劑量在很大范圍內(nèi)都是有效的。以鋁為例，還缺乏足夠的試驗數(shù)據(jù)來確定操作上的下限或上限。例如當(dāng)以二氧化硅的形式將硅作為摻雜劑外用在為鋁為基的母體金屬上并用空氣或氧作為氧化劑時，對于每1克母體金屬使用的硅可少到0.00003克，或按暴露的母體金屬表面每平方厘米計算約為0.0001克硅，與由提供的鎂及/或鋅來源的第二摻雜劑相結(jié)合就可促成多晶陶瓷的生長。還發(fā)現(xiàn)以鋁為基的母體金屬，空氣或氧為氧化劑時，用MgO或MgAl2O4為摻雜劑也可產(chǎn)生陶瓷結(jié)構(gòu)，用量稍大于按每平方厘米母體金屬表面計算的0.003克鎂或按每克待氧化的母體金屬計算的0.0008克鎂。
本發(fā)明的某些優(yōu)選的實施方案中，例如母體金屬包括鋁，硅，鋯，鉿或鈦。將它和作為填料的可滲透的物質(zhì)放在一起，互相靠緊。當(dāng)前面介紹過的氧化反應(yīng)生成物生長時，使它能朝著填料所在的方向發(fā)展并滲透到填料中而將部分或全部填料埋藏在其中。母體金屬與填料相互靠緊的這種布置法或排列方式可以通過簡單地將母體金屬塊埋藏在顆粒狀的填料床中，或?qū)⒛阁w金屬塊(一塊或幾塊)放在填料之間，上面或靠近填料床或其它來實現(xiàn)。填料包括例如片狀，球狀(實心或空心)的顆粒，粉末，或其它顆?；蚓奂w，耐火纖維，小管，晶須之類或由它們組成的混合物。在任種情況下，必須從氧化產(chǎn)物生成的方向考慮，將填料安排得使氧化產(chǎn)物能滲入或包圍至少一部分填料，并使生長的氧化反應(yīng)產(chǎn)物基體充滿填料顆?；蛑破分g的孔隙。
為了使氧化反應(yīng)產(chǎn)物能夠或容易在生長過程中滲透填料，要求用一種或多種摻雜劑時，摻雜劑可以加在母體金屬表面上和/或其它內(nèi)部。另外，也可以將摻雜劑用于填料上或由該填料來提供。因此，如上所述，一種或多種摻雜劑可以以母體金屬的合金組分來提供或?qū)⑵涫┯玫侥阁w金屬的至少一部分表面上，或可加在填料層或由部分填料層供給，或?qū)⑸鲜龅膸追N使用技術(shù)加以組合運用。采用將摻雜劑(一種或多種)加到填料中的操作方法時，也可以任何一種運用方式來實現(xiàn)，如將摻雜劑以細滴或粒狀分散在部分或全部填料中，最好是分散在與母體金屬靠近的部分填料床中。任何摻雜劑的使用也可通過將一種或多種摻雜劑作為薄層復(fù)蓋在填料層上及摻雜到填料床的內(nèi)部，包括任何內(nèi)部空隙，裂縫，毛細通道及夾層中來完成，以使填料具有一定的滲透能力。也可將含摻雜劑的一種固體物放在母體金屬與填料層之間并與它們接觸以提供摻雜劑源。例如在要求摻雜劑的情況下，可將一種含硅的玻璃薄片或類似的物料放在母體金屬表面上，母體金屬中可能已預(yù)先施有第二種摻雜劑。它上面蓋有含硅物料的母體金屬，在氧化性的環(huán)境(如鋁在空氣中的情況是由約850℃到1450℃，最好是900℃到1350℃)中熔化時，多晶陶瓷材料的生長將進入可滲透的填料中。在摻雜劑外部施到母體金屬的至少一部分表面時，多晶氧化物結(jié)構(gòu)一般在遠遠超出摻雜劑層的可滲透填料范圍內(nèi)生長(即超過所用的摻雜劑層的深度)。在任何情況下，都可將一種或多種添加劑外部施用到母體金屬的表面，和/或可滲透的填料床中此外，母體金屬內(nèi)合金化的摻雜劑和/或外部施用到母體金屬上的摻雜劑都可以通過施用到填料床中的摻雜劑來增添。而當(dāng)母體金屬中合金化摻雜劑的濃度和/或外部施用的摻雜劑濃度不足時，就可用在填料層中增加相應(yīng)的添加劑來補充或反過來也可以。
在用鋁或其合金作為母體金屬及用含氧氣體作為氧化劑來制造陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的情況下，如上所述，將適量的摻雜劑熔合到施用到母體金屬中，將母體金屬放進坩鍋或其它耐火容器內(nèi)，使金屬表面暴露于附近或周圍的可滲透的填料中并處于氧化性的氣氛中(常用的是常壓下的空氣)。然后將整個裝置放入爐中加熱，并將溫度升高到約850℃到1450℃范圍，或最好900℃到1350℃范圍。具體的溫度條件將取決于所用的填料，摻雜劑或摻雜劑濃度，或這些因素綜合。在這一溫度下，母體金屬開始發(fā)生移動并通過氧化膜，通常情況下這層氧化膜是用來保獲金屬鋁的。
母體金屬在持續(xù)的高溫中暴露在氧化劑下，就使得上述多晶的氧化反應(yīng)產(chǎn)物形成。當(dāng)用固態(tài)氧化劑來制造陶瓷復(fù)合體結(jié)構(gòu)時，則可以將它分散在填料層的全部體積中，也可只分散在與母體金屬靠近的部分填料內(nèi)。當(dāng)用液態(tài)氧化劑時，則可用適當(dāng)?shù)囊簯B(tài)氧化劑使全部填料包圍或浸漬填料。在任何情況下，不斷增長著的氧化反應(yīng)產(chǎn)物都將持續(xù)滲入或滲透與母體金屬靠近的具有互連氧化反應(yīng)產(chǎn)物基體的填料，這種基體材料還可能含有母體金屬的未被氧化的組分或可還原摻雜劑的金屬組分，由此形成一種緊密結(jié)合的復(fù)合體。多晶基體繼續(xù)增長時還會浸潤或滲透更多的填料。
可用于本發(fā)明的填料應(yīng)按母體金屬的種類和氧化系統(tǒng)加以選擇，它包括一種或多種氧化物，氮化物，硼化物或碳化物。其中例如氧化鋁、碳化硅、氧化硅、氧氮化鋁硅、氧化鋯、硼化鋯、氮化鈦、鈦酸鋇、氮化硼、氮化硅、金剛石、二硼化鈦、鋁鎂尖晶石以及上述物質(zhì)組成的混合物。但是別的適當(dāng)?shù)奶畛湮镆部梢栽诒景l(fā)明中使用。
下列實例還可說明本發(fā)明的某些特點。
按照本發(fā)明制造的一種磨料與用別的方法制成的氧化鋁磨料(38型剛玉，Norton公司制造，篩選出粒度14目的顆)進行對比，試驗其對市場供應(yīng)的一種鋼料的磨蝕能力。
微復(fù)合體顆粒的本發(fā)明的磨料包含基本由鋁合金與作為氣相氧化劑的空氣形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物和碳化硅填料組成。這種磨料是按前面介紹過的磨料F的制造程序制成，以及通過篩選得出粒度14目的顆粒。
上述常用的剛玉38型氧化鋁磨料20克及按本發(fā)明制造的氧化鋁-碳化硅復(fù)合磨料20克分別裝進不同的鋼罐中(Alle公司制造，Mijit型)。兩組由三根帶螺紋的鋼棒構(gòu)成的試樣準確稱量后每一鋼罐中放入一組。蓋嚴后同時放在每分鐘92轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)機上旋轉(zhuǎn)1.5小時。將鋼棒取出再稱重量并算出其重量損失。
用常規(guī)磨料處理過的鋼棒磨前重36.37克，磨后重36.32克。損失0.05克，相當(dāng)于在1.5小時內(nèi)磨去0.13%。用本發(fā)明制成的磨料處理過的鋼棒磨前重36.49克，磨后重36.44克。損失0.05克，相當(dāng)于在同一時間內(nèi)磨損0.14%
權(quán)利要求
1.一種磨料的生產(chǎn)方法，其特征在于其顆粒基本由(1)母體金屬與氣相氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物以及(2)任選的一種或多種未氧化的母體金屬的金屬組分組成，上述方法包括下列步驟(A)將上述母體金屬加熱到高于該母體金屬的熔點，而低于其氧化反應(yīng)產(chǎn)物的熔點的溫度以形成熔融金屬體，在這一溫度下，上述熔融金屬體與上述氣相氧化劑反應(yīng)形成上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物；氧化反應(yīng)產(chǎn)物必須至少有一部分保持與上述的熔融金屬及氧化劑相接觸，處于它們中間以使熔融金屬吸出通過氧化反應(yīng)產(chǎn)物向氧化劑移動，因此使得氧化反應(yīng)產(chǎn)物能繼續(xù)在氧化劑與已生成的氧化物界面上形成，任意選擇地留下分散在所形成的氧化物中的上述母體金屬的未氧化組分，使上述反應(yīng)持續(xù)足夠的時間以生產(chǎn)出一種陶瓷復(fù)合體，以及(B)將上述陶瓷復(fù)合體粉碎，以及(C)將粉碎后的陶瓷物料回收。
2.一種磨料的生產(chǎn)方法，其特征在于其顆?；居?1)母體金屬與氣相氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，(2)一種填料及(3)任選一種或多種金屬組分組成，該方法包括下列步驟(A)將上述母體金屬加熱到高于其熔點而低于其氧化反應(yīng)生產(chǎn)物的熔點的溫度以形成金屬熔融體，使填料的大部分區(qū)域與上述熔融體接觸，使上述熔融體與上述氣相氧化劑反應(yīng)形成上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物，以及保持至少一部分上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物與上述熔融體和上述氧化劑接觸并處于它們之間，以使熔融金屬逐漸向氧化劑和進入上述填料中，使氧化反應(yīng)產(chǎn)物在上述氧化劑和已形成的已滲入到上述填料的氧化反應(yīng)產(chǎn)物的界面處繼續(xù)形成，使上述氧化反應(yīng)持續(xù)足夠的時間，至少有一部分填料被氧化物滲透，從而形成一個陶瓷復(fù)合體，任選地在形成的氧化反應(yīng)產(chǎn)物中留下母體金屬的未氧化金屬組分，以及(B)將上述陶瓷復(fù)合體粉碎，以及(C)將粉碎后的陶瓷復(fù)合體回收。
3.如權(quán)利要求
1或2所述的方法，其中使上述粉碎的磨料與一種結(jié)合劑混合，再經(jīng)過模鑄成型和固化以制成研磨工具或部件。
4.如權(quán)利要求
1或2所述的方法，其中使上述粉碎的磨料與粘合劑混合，然后再涂布到一種底板上以制成研磨工具或部件。
5.如權(quán)利要求
2所述的方法，其中上述填料選自由氧化物、氮化物、硼化物、碳化物組成的一組物料中。
6.如權(quán)利要求
2所述的方法，其中上述填料選自由氧化鋁、碳化硅、氧化鋯、金剛石、二硼化鈦、氮化硼、碳化硼、鋁鎂尖晶石組成的一組物料中。
7.如權(quán)利要求
1、2、5或6所述的方法，其中上述母體金屬為鋁母體金屬，上述氧化劑為空氣以及上述氧化反應(yīng)產(chǎn)物是氧化鋁。
8.按照權(quán)利要求
1方法生產(chǎn)的陶瓷磨料。
9.按照權(quán)利要求
2的方法生產(chǎn)的研磨用陶瓷復(fù)合材料。
專利摘要
本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)陶瓷磨料以及陶瓷復(fù)合材料的方法，該材料其特征在于是從一種多晶陶瓷材料粉碎制成磨料顆粒。本發(fā)明的磨料顆粒基本由一種母體金屬前體與氣相氧化劑的氧化反應(yīng)產(chǎn)物及任選地一種或多種金屬組分，如母體金屬中未被氧化的組分組成。還提供了一種制造磨料顆粒的方法，該磨料顆粒還含有附加的一種或多種惰性填料。
文檔編號C04B35/65GK87105224SQ87105224
公開日1988年2月17日 申請日期1987年7月30日
發(fā)明者馬克·S·紐克爾克 申請人:蘭克西敦技術(shù)公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan