专利名称：用低氧化硼研磨的方法及低氧化硼制品和所使用的组合物的制作方法
本申请是申请号08/051，114的部分续展申请，申请号No.08/051，114是申请号07/920，357的部分续展申请，而申请号07/920，357又是美国专利5，135，892的部分续展申请，所有这些均参考结合入本文中。
本发明涉及使用一种含有低氧化硼组合物的研磨工具或粉末从表面除去物质的方法。
使用粘合磨料如研磨轮、涂敷磨料、松散磨料和研磨切割工具，可在例如金属、陶瓷、玻璃、塑料、木材等材料上进行研磨、精研、抛光和切割。研磨颗粒即研磨过程的切削工具是通常比其所切割的材料硬得多的天然材料或合成材料。粘合的、涂敷的和松散的磨料最常用的是石榴石、α-氧化铝、碳化硅、碳化硼、立方氮化硼和金刚石。这些材料的相对硬度可从下表看出材料 KHN100硬度石榴石1360α-氧化铝2100碳化硅2480碳化硼2750立方氮化硼4500金刚石(单晶)7000对磨料的选择通常取决于经济因素、所需光洁度、及被研磨的材料。上列的磨料是依硬度增加的顺序排列的，此顺序也与成本增加的顺序相符，石榴石是低廉的磨料而金刚石最昂贵。
出于对不同磨料的成本考虑，通常较软的磨料用于研磨较软的材料，而硬的磨料则研磨硬的材料。当然也有例外，如对于胶性材料，用软硬的材料切割实际上更为有效。而且，研磨颗粒越硬，每单位体积或重量的该磨料所去除的物质越多。超级磨料包括金刚石和立方氮化硼，金刚石是已知最硬的材料，而立方氮化硼是第二位。从事研磨工作的技术人员可以指望具有相似性质的研磨材料在许多种研磨用途中应其磨削性能彼此一致(例如，金刚石和立方氮化硼在研磨、精研和切割用途中，其磨削性能彼此相似)。
在文献中没有发现有关低氧化硼(BxO)用于研磨领域的记载。然而，如果低氧化硼被使用的话，可以预期其磨削性能会对应于其硬度的尚无研究人员报导过低氧化硼的KHN100值大于3600kg/mm2，硬度低于3600kg/mm2的低氧化硼应可预料具有硬度与相似的其它磨料相似的磨削性能。而且，在所有的粘合、涂敷和松散磨料的应用中，低氧化硼也会预期具有比较相同磨削性能。
一般来说，低氧化硼由于其硬度较低，过去并没有被考虑用于研磨用途。尽管在低氧化硼这一类中已知有许多化合物，但不清楚的是低氧化硼(BxO)在低于其退化温度时制造的物件中的应用情况如何，在低于其退化温度条件下低氧化硼(BxO)作为磨料已有了应用，以及在这些应用获得了极好的应用的性能如何出乎意料的效果。
本发明涉及的是一个从表面去除物质的方法，这个方法就是使用含低氧化硼(BxO)磨料组合物的研磨工具或粉末研磨一个表面，而在研磨过程中低氧化硼磨料组合物的退化达到尽可能小。低氧化硼(BxO)化合物类的磨料与质量最高的天然及合成金刚石颗粒相比，都展示了出乎意料的良好质量，其硬度大约是低氧化硼的二倍。
而且，本发明还包括低氧化硼(BxO)组合物在液体介质中即含低氧化硼(BxO)组合物的磨料浆液的用途、在低温粘合的粘合低氧化硼(BxO)制品的用途、涂敷以低氧化硼(BxO)的制品的用途，在低温制成的低氧化硼(BxO)研磨切割工具的用途，以及在此研磨方法中所用的低氧化硼(BxO)组合物的用途。
从一个表面去除物质的方法就是使用含有低氧化硼(BxO)磨料混合物的研磨工具或磨料粉末对该表面进行研磨，其时要通过已知技术将低氧化硼(BxO)磨料组合物在研磨过程中的退化作用减至最低。对表面进行研磨的这些过程即方法包括例如用松散磨料进行精研和抛光；用固定磨料进行精研和抛光；搪磨和超精加工；线金属磨料流动机械加工；超声机械加工；磨料喷射机械加工，磨料水喷射机械加工；低温涂敷磨料研磨和低温粘合磨料研磨。这些过程将在以后描述，它们能在低氧化硼(BxO)产生极好研磨效果的低温度下进行。然而，后面给出的那些实施例只起说明的作用并不起限制的作用。
硼通常具三价，与氧反应生成化学计量式B2O3的氧化硼。在适宜条件下，硼与氧能反应生成其化学价低于3的化合物。这些条件可包括温度、压力以及工艺中其它已知操作条件的变化。在本申请中，“低氧化硼”这个术语被定义为硼和氧的二元化合物，其中硼的价低于3。由于已有人报导了不同类别的低氧化硼，所以通常用化学式BxO来表示低氧化硼。
可以通过热压法、热等静压法、金属氧化物衍生法、硼酸衍生法、化学蒸气沉积法、溶胶-凝胶衍生法、等离子喷流衍生法、这些方法的任何组合以及此技术中的其它已知方法来生产用于本发明低氧化硼(BxO)磨料混合物中的低氧化硼(BxO)组合物。每一种这些方法都可制得不同物理形式的低氧化硼(BxO)组合物，它们可能还需进一步处理成松散低氧化硼(BxO)磨料粉末用于磨料组合物或混合物。前面给出的方法例子仅供说明而已，并不起限制作用。
制备低氧化硼(BxO)组合物的较好方法是用热压法。而且，按照下列方法制备热压低氧化硼(BxO)组合物更好。用一个特别设计的装置将元素硼粉和氧化硼粉的化学计量混合物进行热压制得本发明的这种新颖低氧化硼材料。氧化硼(B2O3)粉和硼粉最好应具有很高的纯度(如，99.9%纯)。
可以通过在约1800-2200℃的温度范围和约2，000-6，000psi的压力下，将如上准备的硼和氧化硼混合物封装在六方氮化硼或其它合适的组隔材料中进行热压5分钟至3小时，转化成新颖的低氧化硼材料。
以块或棒形式制得的这种整体的低氧化硼(BxO)，然后被粉碎成本发明的低氧化硼(BxO)粉末。这种低氧化硼的Knoop硬度(KHN100)大于约3000kg/mm2较好，大于约3100kg/mm2，3200kg/mm2，3300kg/mm2，3400kg/mm2，3500kg/mm2，3600kg/mm2，3700kg/mm2则依次更好；而大于约3800kg/mm2最好。
制得的低氧化硼(BxO)的化学组成较好的是有至少约70%(重量)低氧化硼(BxO)和多达约30%(重量)其它物质，例如硼、高硼相、或助烧结物如镁、铍、钙、锶、钡、钇或其它ⅡA族元素的氧化物，更好的是含有至少约95%(重量)低氧化硼和约5%(重量)其它物质，例如硼、富硼相、或助烧结物如镁、铍、钙、锶、钡、钇或其它ⅡA族元素的氧化物。
低氧化硼(BxO)组合物的粉碎后颗粒均是由许多细晶粒构成的，这些细晶粒的尺寸较好是约0.001-150微米、更好是约0.01-60微米，最好是约0.05-40微米。如果基本的低氧化硼(BxO)组合物被粉碎成例如40微米或更小的颗粒，那么显然每个颗粒就是一个单个晶粒或单个晶粒的碎片。
由于研磨质量与颗粒大小有关，当通过较好的热压方法制得低氧化硼(BxO)之后，粗粉碎的如18目(美国标准筛网系列，约1000微米)的低氧化硼材料还必须通过本技术中已知的方法进一步加工至适宜大小。
松散粉末形式的低氧化硼(BxO)组合物，其平均粒径约0.005-500微米较好，约0.05-200微米更好，约0.1-60微米最好。
低氧化硼可与其它磨料合起来，形成磨料混合物。作为研磨粉末的磨料混合物可仅为低氧化硼组合物，或低氧化硼组合物与至少一种其它磨料如熔融氧化铝、品种法氧化铝、烧结氧化铝、碳化硅、碳化硼、氮化硅、立方氮化硼、单晶或多晶金刚石、氧化锆、金属碳化物包括多种这些磨料联合使用。另外，其它助研磨剂例如润滑剂也可加入。低氧化硼组合物在低氧化硼(BxO)料混合物中占约5-100%(重量)为好，约10-90%(重量)较好，约20-80%(重量)更好，约20-60%(重量)最好。这些磨料混合物可以制成研磨工具的形式使用或以松散磨料粉末形式使用。
被研磨的表面是例如金属、玻璃、陶瓷、聚合物、木材的表面或这些材料的表面以及此领域技术人员所知的其它表面的任何组合。然而给出这些例子是作为说明，并不起限制作用。
研磨工具这个术语是指用于研磨的任何装置。研磨工具的实例包括研磨轮、切割轮、涂敷磨料、线锯、和搪磨杆。然而，给出这些实例也只是作为说明而非限制。
制造有些粘合研磨工具，例如制造玻璃化的粘合研磨轮，需要使其在制造过程中经受高温。而且，若高速使用粘合磨料和涂敷磨料，在研磨过程中温度通常会升高到显著超过室温，而以高速研磨金属时，金属和研磨轮间的温度会达到或接近金属的熔点。在温度提高的情况下，可发现低氧化硼(BxO)、低氧化硼(BxO)组合物和低氧化硼(BxO)混合物的退化。本申请中退化的定义是指低氧化硼化学性质和物理性质的变化。各种不同的因素包括低氧化硼(BxO)周围的温度都会影响退化。因此，用低氧化硼(BxO)制造的研磨工具必须在低于低氧化硼发生老化的温度、或其老化减至最低的温度、或在较高的温度但有诸如气氛等条件以防止低氧化硼(BxO)老化的情况下制造。能够通过氧化作用使低氧化硼(BxO)老化的常见氛围有例如较高温度下的空气、氧气和含氧的粘合剂或介质。然而给出这些例子仅作为说明而已，并不限于这些。
可将低氧化硼用于各种用途，只要在这些用途的研磨步骤中，低氧化硼(BxO)是保持在它不发生退化的温度或在研磨工具或粉末的寿命期间其退化减至最小的温度。退化减至最少的意见是在研磨工具或粉末的使用寿命期内，低氧化硼(BxO)中较好的是至少有60%(重量)在其化学和物理性质上保持不变，更好的是至少75%(重量)保持不变，最好的是至少90%(重量)保持不变。例如，用低氧化硼(BxO)研磨表面的过程或方法应不致便低氧化硼氧化，或虽有氧化但氧化速率很慢。尽管这些过程在每个工作参数下并不一定产生很好的研磨效果，但若对过程作一些调整以防止或最大限度地减少低氧化硼的退化，则会达到很好的效果。在空气气氛条件下为防止低氧化硼的退化，较好的是保持研磨工具或粉末中低氧化硼(BxO)的温度在研磨过程中低于600℃，低于550℃更好，低于500℃最好。
可用一种阻隔物质涂包在低氧化硼(BxO)组合物上，以防止低氧化硼(BxO)在用其制造研磨工具发生退化。阻隔物质的涂层可以通过已知的各种技术包括例如化学蒸汽沉积和物理蒸汽沉积方法进行。举出这些例子只是供说明而已，并不为它们所限。阻隔物质涂层可以是本领域的任何技术人员用来防止低氧化硼(BxO)老化的任何涂层。这些阻隔涂层的例子包括用SiC、金刚石、金属-金属氧化物混合物、金属、Si3N4以及其组合。而且，所举阻隔涂层所用物质的这些例子也仅供说明，不为其所限。
例如，为了防止因氧化引起的退化，所使用的阻隔物质涂层中的氧应不会氧化低氧化硼(BxO)，并且能防止氧在制造时的高温下扩散透过低氧化硼的阻隔物质涂层而引起氧化。
精研和抛光是在研磨表面时产生很好效果的两种研磨表面的工艺即方法。可用的精研方法有好几种，包括单边平面精研、双边平面精研和平面磨面间的圆柱精研，但不限于这几种。在本技术中有三种常见的抛光过程机械抛光，化学抛光，电抛光以及它们的组合。对材料进行精研可手工或用机械进行之。
使用粉末状的低氧化硼(BxO)磨料组合物或混合物进行精研或抛光，最好要用附有夹持和/或导引被精研或抛光工件的装置和至少一个精研板的设备。用水、油、水溶性油、或例如乙二醇和丁基溶纤剂等有机化合物组合的液体介质将松散的低氧化硼(BxO)磨料组合物粉末制成浆液，然后将此浆液持续地或间断地加在工件和精研板之间。在工件和精研板之间施加压力，精研板是旋转着的。用这个技术只能在工件上产生一个精确磨光的平面。当工件上需要有精确平行的两个平面时，则必须使用具有上精研板和下精研板以及工件的特别夹具的较为复杂的机器对工件的两面同时进行研磨，此时在上精研板和下工件的上表面之间，在下精研板和工件的下表面之间施加磨料浆液。工件的夹具一般是用一种链轮型的托架，它相对于下精研板是平面的，它用一个位于中央的驱动装置带动旋转。还有另一种精研-抛光方式，它是通常用平面精研板对圆柱形工件进行精研与抛光。
虽然精研磨时主要的要素是磨料，但通常还必须有一液体介质，其组成对精研工作的质量会有显著的影响。精研浆液的液体介质或复合液体介质的配制在某种程度上决定于磨料、精研设备、精研条件以及被精研磨的材料。并设有通用的液体，但所用液体大多由固定一组的基本物质所组成。该液体的主要成分是水、水/水溶性油、油或聚合物液体，在这些液体中分散有例如增稠剂、润滑剂、润湿剂、抗结块剂、消泡剂、杀菌剂或其它控制微生物的物质。而且，应该指出的是，有些可用的介质仅在精研磨压力下才成为液体。磨料和液体介质一起称为研磨浆液。
加入至液体中的磨料或就是低氧化硼(BxO)或是含低氧化硼的混合物，磨料加入呈较好的是整个浆液重量的约0.1-25%，最好约0.2-10%。前已指出，清研浆液的精碳组成，即液体介质中低氧化硼(BxO)和其它特定物质的具体用量以及它们的相对量是基本上由研磨条件、所用设备、被研磨材料以及所需效果所决定的，所有这些对本专业技术人员都是熟知的。例如，310不锈钢所用精研浆液中使用的液体最好是用按体积含25%聚二醇和75%乙二醇的液体。然而，适合的液体会随被精研磨材料的种类和精研的其它条件而异。
如前所述，本发明是基于低氧化硼(BxO)组合物在较低温度下被用作研磨工具或研磨粉末时其出乎意料的性能。通常，研磨技术的技术人员在各种研磨应用中是能够根据机械性质例如硬度来预期某一种磨粒会具有与别种磨粒相似的研磨性能，例如，在研磨与精研用途中金刚石和立方氮化硼都具有比较相似的性能，低氧化硼与其它磨料物质相比，其研磨性能的优劣并不总是一样的。实施例2表明，在研磨轮的应用中低氧化硼(BxO)的性能次于晶种法氧化铝、立方氮化硼和金刚石。表Ⅲ表示了低氧化硼(BxO)、晶种法氧化铝和立方氮化硼对钢和碳化钨研磨性能进行试验比较的结果，在研磨过程中，低氧化硼(BxO)因磨擦达到了会发生氧化的温度。低氧化硼(BxO)的性能次于晶种法氧化铝，并比立方氮化硼差得多。表Ⅳ表示了低氧化硼(BxO)与金刚石研磨性能相比的研磨试验结果，在研磨过程中低氧化硼(BxO)也达到了其氧化的温度。低氧化硼(BxO)的性能显著差于金刚石。另外，在几个锯条应用中也试验了低氧化硼(BxO)。在所有试验中，低氧化硼(BxO)都比晶种法氧化铝、立方氮化硼和金刚石差。低氧化硼对于切割作用贡献不大，而又容易损耗。
但与上述形成对照的是实施例3和4的对照试验显示，与氮化硼精研磨料和金刚石精研磨料相比，本发明低氧化硼(BxO)对于研磨各种材料表现了出乎意料的研磨效能。实施例3所示的结果中，低氧化硼(BxO)的表现与金刚石粉相比好得令人惊奇。物质去除量的比较，对于每种所试的磨料来说，都是基于相同的磨料浓度、液体介质、浆液施加速率和精研压力。用低氧化硼(BxO)精研时从样品表面去除物质的量稍少些，但与用金刚石所去除物质的量还是相近的。与在相同面积上金刚石粉所去除的物质量相比低氧化硼(BxO)的去除量竟出乎意料地对4140钢是75%，对12L14钢是88.2%对铝是94.5%。
实施例4中，试验数据清楚地显示了作为精研研磨剂使用时，低氧化硼(BxO)去除物质的量与单晶金刚石差不多。并且，对每种所比较的磨料而言，物质的去除量是基于相同的磨料浓度、液体介质、浆液施加速率和精研压力。与在相同精研面积上金刚石粉末的去除效果相比，低氧化硼(BxO)出乎意料地多去除了22%碳化硅，44%玻璃和74%4140钢。
与金刚石(KHN1007000kg/mm2相比，块状低氧化硼(BxO)(KHN1003800kg/mm2)的硬度预示了按物质去除量计，低氧化硼(BxO)的研磨性能将仅为金刚石的一半。实施例3和4的极好效果列于表Ⅴ和Ⅵ。低氧化硼(BxO)在研磨4140钢、碳化硅、和玻璃时的理论研磨性能是以根据这三种材料的Knoop硬度KHN100低氧化硼(BxO)应去除的物质量为基础的低氧化硼预计的理论研磨性能是基于其KHN100的预期研磨性能。其理论研磨性能是根据碳化硼和金刚石的理论研磨性能对于它们的相对硬度的曲线内插得到的。在所有情况下，低氧化硼(BxO)的预期理论性能比碳化硼的预期理论性能稍好些，但大大差于金刚石磨料粉末的理论效能。虽然碳化硼和金刚石的实际研磨性能与其预期性能是相符的，但低氧化硼预期的与实际的研磨效果的比较则是出人意料的，与金刚石相比，低氧化硼竟具有与其相似的效果。这些结果之所以出人意外，是因为低氧化硼(BxO)的性能已远远高于这三种材料的硬度所预料得到的性能。这些出乎意料的效果进一步在实施例5中得到了证实，在该实施例中，用一种较佳的介质，低氧化硼的去除量竟是单晶金刚石去除量的15倍以上。
用固定磨料进行精研是效果优异的对表面进行研磨的另一种方法。在达到相同的所需尺寸准确性和表面光洁度方面，与用松散的磨料进行精研相比，用固定磨料来精研是一种更有效的方法。在用固定磨料进行精研/抛光操作中，磨料颗粒如低氧化硼磨粒是粘合(或埋置)在粘合基质中的，磨粒的一部分突出露置于基质外面。磨粒露在外面的部分就作为切割点对移动的工件起作用，逐渐将物质去除掉，最终达到要求。由于磨粒是以这种方式被紧紧固定的，它不会象松散磨粒那样被带走。因此，它使用和消耗比松散磨料颗粒的情况更为有效，这就是意味着完成每一工件的成本降低。
若采用低压、低速和低功率的操作条件，在固定磨料精研时低氧化硼(BxO)氧化的温度增加的可能性就降低了，由此导致了低氧化硼比其它传统磨料相比较好的效果，使它成为比传统磨料如碳化硅、碳化硼等远为优异的精研磨料。除前面讨论的以外，对于用固定磨料进行各种材料工件的精研，低氧化硼也可以预料比金刚石优越。
在用固定磨料进行精研的操作中，用于固定磨料颗粒的粘合基质系统可以是玻璃态的、金属合金、或树脂/聚合物。在制造固定磨料产品时，必须小心防止低氧化硼(BxO)的氧化。在玻璃态粘合系统中，粘合基质可含有玻璃、玻璃软化剂、填料、和/或孔隙生成剂，但不限于这些物质。在金属粘合系统中，粘合基质是软金属合金(特别是以铜和/或银为基的)但不限于此。在树脂/聚合物粘合系统中，结合基质可以是PVA、聚尿烷、橡胶、树脂、乙烯膜、聚酯薄膜、聚酯、或其它天然和合成聚合物，但也不限于这些物质。
搪磨/超精加工是使用低氧化硼(BxO)或低氧化硼(BxO)与其它磨料的混合物对表面进行研磨能得到很好效果的另一种过程。搪磨/超精加工是一受控的、低速的尺寸加工和表面加工过程，其时是通过搪磨油石中被粘合磨粒的剪切作用研磨去除掉物质的。在搪磨/超精加工过程中，低氧化硼(BxO)的氧化可减至最小程度或受到控制。
搪磨床将嵌在圆柱体四周的一个或几个搪磨油石作用于工件的表面。在搪磨操作中，油石同时具有转动作用和往复移动作用以除去工件上的物质，从而达到所需的尺寸准确性和表面光洁特性。
搪磨油石中的低氧化硼颗粒(或单独或与其它磨料颗粒混合)可以是用玻璃热固、树脂或金属粘合在一起。油石中磨粒的尺寸典型的是500微米或更细，磨料浓度(体积)为10-80%。玻璃粘合系统主要含二氧化硅以及各种玻璃软化剂和/或其它填料。热固树脂粘合系统可以是任何天然或合成的树脂或聚合物。典型的金属粘合系统是软金属合金例如铜基合金或银基合金，但并不限于此。
线金属是使用低氧化硼(BxO)进行研磨也会产生很好效果的一种方法。线距是从块料切出薄片的切割过程。其方式是先令金属在一装有磨料浆液的容器中穿过，结结在线上覆有一层磨料颗粒。然后此线通过工件，研磨颗粒就磨损掉工件物质并在工件中割穿之。这是一个研磨颗粒的粘着涂覆和进行切割同时发生的连续过程。
在这种切割机理下，磨料与工件物质的相对硬度差异越大，则切割速率越快。因此，与碳化硅和碳化硼相比，低氧化硼(BxO)在这个用途中就表现了较佳的性能。
磨料流动机械加工是研磨表面的另一个方法，其研磨表面的效果也很好。磨料流动机械加工(即挤压搪磨)使用二个相对的圆柱体将半固态的磨料介质往复地挤压，使其通过由工件和工具之间形成的通道。通过重复地将介质从一个圆柱体挤压向一个圆柱体，当介质进入狭小通道并途经或穿过工件时则发生了研磨作用。其机械加工的作用与研磨或精研操作相似，在于研磨介质是较温和地对表面或边缘起抛光的作用。
这个过程仅在流动受到空间限制的挤压区域是有研磨作用的。当介质中的聚合物载体被挤压进入一受限1制的通道时，它的粘度暂时升高；这就使磨料颗粒刚性地保持在位。仅当载体处于较粘的状态时，磨粒才会对通道进行研磨。当研磨浆液出了受通道时，其粘度就恢复正常。
磨料流动机械加工可同时对工件上的许多难以进入的通道进行研磨，并同时能研磨好几个工件或一个工件的好几个部位。这个方法可用于去毛刺、抛光、或在表面或边缘上作倒圆加工。
磨料浆液由一柔韧的聚合物载体和一定浓度的磨料颗粒构成。该载体是一橡胶状聚合物和一种润滑液的混合物。通过改变这二种组分的比例，可连续地改变载体的粘度。磨料颗粒可以是单蚀的低氧化硼(BxO)或低氧化硼和其它磨料如碳化硅、氧化铝、或碳化硼等的混合物。磨料颗粒的典型粘度是10微米或更细。低氧化硼的硬度相当高，这就大大增加了工件物质的去除速率，并扩大了可被此工艺加工的工件材料的范围。
超声机械加工是使用低氧化硼(BxO)对表面进行研磨能产生很好效果的又一种方法。超声机械加工是一种在机械加工硬而脆的非金属材料时工具作超声(约20KHz)振动的工艺。这个工艺有两种方法1)超声撞击研磨，2)旋转超声机械加工。
在超声撞击研磨中，磨料浆液流经工件和一振动着的工具之间的间隙。当悬浮于浆液中的磨料颗粒在振动着的工具下行时撞击到工作表面，此时就发生物质的去除过程。当颗粒撞击到工件表面时磨料颗粒所获得的极快速度对工作表面产生了微切削和磨蚀作用。这个过程就在工件上形成一个与工具外形一致的空腔。磨料浆液典型的体积组成为约50%水和50%磨料颗粒。磨料可以纯粹是低氧化硼(BxO)或是低氧化硼(BxO)与其它磨料的混合物。典型的颗粒大小为75微米或更细。
旋转超声机械加工与用金刚石空心钻对玻璃和陶瓷所进行的常规钻孔类似，不同的是所用的旋转空心钻以20KHz超声频率进行振动。其加工工具的制法是将低氧化硼磨料颗粒通过电镀或钎焊覆于工具模子上。当该种工具与工件接触并对它切割时，令一种液体冷却剂(通常是水)通过管孔进行冷却并冲洗走去除的物质。
在这个过程中使用低氧化硼(BxO)的一个优点在于，与碳化硅、碳化硼和氧化铝相比，低氧化硼较高的硬度会大大提高对工件材料的去除速率。其很佳的硬度也扩大了能被此工艺机械加工的工件材料的可用范围。
磨料喷射机械加工是使用低氧化硼(BxO)对表面进行研磨也能产生很好效果的又一种方法。磨料喷射机械加工这个工艺是通过使用夹带于高速气流中的磨料颗粒从工件上去除物质的。在其过程中，磨料颗粒是碰撞到工件表面从而去除其物质的。它与常规喷砂处理的不同在于使用更小直径的磨料颗粒和更精密控制的传送系统。它一般用于切割、清洗、剥离、清理毛口、去毛边，或对玻璃、陶瓷、石材、或更质金属进行雕刻。所用磨料可以单单是低氧化硼(BxO)颗粒或是低氧化硼(BxO)与其它磨料的混合物。磨粒大小一般是75微米或更小。与用于此领域的其它磨料相比，低氧化硼较高的硬度将提高物质去除速率，从而提高生产率。
磨料水喷射机械加工是对表面进行研磨能产生很好效果的又一种方法。磨料水喷射机械加工使用含磨料的水喷射流作为切割工具的。在水喷射流中加入磨料颗粒大大扩大了可被此工艺加工的工件材料范围。超硬的低氧化硼颗粒可进而提高切割速率，并能切割更硬的材料。
为了使本专业技术人员更好地理解本发明，在下面给出一些实施例作为说明，但不受其限制。在此引用的文献和专利中，可以找到本技术领域的另一些背景资料，这些，文献和专利已参考结合于本文中。
实施例实施例1在一组实验中，对由NM086材料制得的磨粒进行了研磨试验。在第一个试验中，是用由NMO86材料磨料制成的树脂粘合研磨轮。
对D-2钢工件进行了湿研磨，其横向速度为600英寸/分，交叉进给0.05英寸。NM086材料和Al2O3(Norton SG)的结果列于表Ⅰ中。
表Ⅰ磨料(目)切割深度研磨比平均功率峰值(英寸)(瓦)NM086-60/+2000.000317.480018.5800Al2O3(Norton SG)-60/+2000.000321.759021.2640NM086-60/+2000.000513.41000
12.61160Al2O3(Norton SG)-60/+2000.000524.770024.6660使用NM086材料的另一种样品进行了类似的玻璃粘合研磨轮试验。在此试验中，工件是52100钢，进料速度为0.001英寸/秒。结果列于表Ⅱ。
表Ⅱ磨料(目)研磨比平均功率峰值(瓦)NM086-100/+2304.23160CBN-100/+2302842465(BZN-I)Al2O3(Norton SG)-100/+2302271704这些研磨试验结果表明，具有KHN100值至少约3800kg/mm2的B6O能够用作研磨颗粒。然而，表Ⅱ中的结果与CBN(立方氮化硼)和Al2O3(Norton SG)相比有些令人失望。较近期的试验表明，B6O有时次于CBN和Al2O3(NNorton SGTM)的原因在于B6O在高温时的氧化。
实施例2在D3钢上将浓度为200的磨料粒度为220的低氧化硼与晶种法Al2O3和CBN(相同的粒度和浓度)就其研磨性能进行了比较，因为低氧化硼的性能大大次于CBN，仅将它与晶种法Al2O3在4340钢和碳化钨的工件材料上进行了比较。在所有三种材料上，对物质去除速率0.080英寸3/分英寸的单位垂直进给都是0.5mils。
试验方法机械BrownandSharpe平面磨床轮速5000s.f.p.m.
工作台横向进给600i.p.m单位交叉进给50milsD3钢的硬度为Rc 60-63，4340钢的硬度为Rc 58-60。使用的冷却剂是含Master化学修整剂VHPE 300＠5%的城市用水用于钢的研磨，含W＆B E55＠2.5%的城市用水用于碳化物材料的研磨。
表ⅢG-比%G功率%P4340钢晶种法90100220100A12O3Bxo1213520236D3钢晶种法16100610100A12O3Bxo956860141CBN460287538062碳化钨晶种法0.39100900100A12O3Bxo0.2769180082
使用低氧化硼(BxO)和金刚石作为磨料在碳化钨材料上进行了研磨轮比较实验。尽管低氧化硼(BxO)对铁有某种反应活性，假定了这种反应活性不致于降低低氧化硼(BxO)对非铁材料的研磨性能。所使用的低氧化硼和金刚石均为100/120目，浓度为100。
试验条件机械NortonS-3B＆S平面磨床轮速5000s.f.p.m.
工作台横向进给600i.p.m单位垂直进给0.5mils总垂直进给50mils冷却剂W＆BE551∶40或效果相当的由于低氧化硼(BxO)研磨轮的损耗非常高(见表Ⅳ)，在初步预磨后就中止了试验。
表Ⅳ磨料轮损耗物质去除量功率峰值(瓦)金刚石3.6mils48.4mils760Bxo97.7mils0.7mils1440实施例3制备了两种精研浆液，一种是用本发明的低氧化硼(BxO)，另一种是用得自通用电器公司的GE300金刚石磨料粉。金刚石磨料粉的粒经范围为约2-5微米，低氧化硼(BxO)的粒径范围为1-10微米。在这两种浆液中磨料浓度用的是一种标准浓度，每100ml浆液中10克拉(2克)。这两种浆液中的液体介质都是80%(重量)乙二醇和20%(重量)丁基溶纤剂。浆液的粘度是40厘泊，由Broolfield粘度计使用21号心轴测量而得。
用运每一种浆液进行精研的材料是12L14钢、4140钢和铝。精研操作是使用一台Lapmaster12机床(Crane Manufacturing Company制造)，并用一块以60rpm旋转的硬化钢质精研板。使用蠕动泵以每分钟0.7ml的速率将磨料浆液旋加在精研板上。对所有的被精研材料都各用每种磨料进行精研8小时，精研的总面积为每一反向运动18.65平方英寸(0.0121m2)。精研压力在4140钢上是2.83psi(19.5×103Pa)，在12L14材料上是21.5psi(18.8×103Pa)，在铝上是1.28psi(8.8×103Pa)。对各种被精研材料所用的精研压力是不同的，但对一给定被精研材料的用所有这三种磨料时的精研压力却是相同的。结果列于表Ⅴ中。
表Ⅴ物质去除量(mg/cm2)12L14钢4140钢390铝金刚石2161.51982.61789.1低氧化硼1905.91489.71690.5对于一给定量的研磨剂，本发明的低氧化硼(BxO)精研粉比金刚石精研粉所去除的材料少一些。然而，已如上文所述，低氧化硼的研磨性质与金刚石还是相似的，尽管它们在硬度上有很大差异。
实施例4制备了三种精研浆液，第一种用本发明的低氧化硼(BxO)，第二种用得自通用电器公司的GE300金刚石磨料，第三种用碳化硼作为磨料。它们的粒径范围为均为2-5微米。在所有这三种浆液中磨料的浓度是标准浓度，为每100ml浆料10克拉(2克)。所有这三种浆液的液体介质为80%(重量)乙二醇和20%(重量)丁基纤溶剂。浆液的粘度为40厘泊，由Brookfield粘度计使用21号心轴测得。
用这每一种浆液进行精研的材料是4140钢、碳化硅材料和玻璃。精研操作是使用一台Lapmaster12机床(Crane Manufacturing Compang制造)，并用一块以60rpm旋转的硬化钢质磨光板。使用蠕动泵以每分钟0.7ml的速率将磨料浆液旋加在磨光板上。对所有的被精研材料都用每一种磨料精研8小时。对各种被精研材料，精研压力是不同的，但对一给定被精研材料，所用有这三种磨料时的精研压力都是相同的。在4140钢上的精研压力是2.83psi(19.5×103Pa)，在碳化硅上是1.28psi(8.8×103Pa)，在玻璃上是2.15psi(14.8×103Pa)。结果如下表Ⅵ物质去除量(mg/cm2)4140Sie玻璃金刚石90.272.2418.8碳化硼70.432.9301.8低氧化硼156.788.4590.3实施例5使用各种液体对低氧化硼(BxO)进行了试验以确定与低氧化硼(BxO)组合物和混合物使用的较好载体，并将其结果和这些载体与单晶金刚石使用时的结果相比较。用于310S钢的较好液体是含25%(体积)聚烷醇和75%(体积)乙二醇醚。浆液中的磨料浓度是每500毫升载体含4.8克(24克拉)低氧化硼(BxO)组合物或单晶金刚石。所有试验浆液的粘度都相同。所使用的低氧化硼(BxO)磨料和单晶金刚石，其粘径都为3-5微米。结果列于表Ⅶ中。
表Ⅶ数值低氧化金刚石低氧化金刚石硼硼压力6611(psi)结果表面粗糙度1.661.431.801.55(微英寸)表面粗糙度(最大值)8.597.489.427.77(微英寸)物料去除量3,239273157199(毫克/英寸2)物料去除比)11.85115.821实施例6对低氧化硼(BxO)与立方氧化硼(MBBZN550)在搪磨310不锈钢为工件材料时的研磨性能作了比较。立方氮化硼(CBN)油石从密苏里州圣路易斯的SunnenProductsCo.购得。
搪磨床/试验条件在手工操作的搪磨床上进行了搪座试验，搪磨床型号为MBB-1650C，由密苏里州圣路易斯的SunnenProductsCo.制造，使用的MB30搪磨油也由密苏里州圣路易斯的SunnerProductsCo.制造，其流速为每分钟1.43升，以800rpm进行12分钟试验。
搪磨油石所有的磨料是碎块状200/230目，所使用的粘合剂是含钴、铜、锡和银的标准常规粘合剂，低氧化硼和立方氮化硼的浓度分别是36和24。对搪磨油石用常规方法进一步成形和烧结制成它。
测得下列实验结果，如表Ⅷ所示表Ⅷ磨料类型物质去除量表面光洁度搪磨比*(英寸)(Ra)cBN.00501.29μm1200Bxo.00340.71μm1900*搪磨比是所去除的工件物质重量与磨料损失重量之比。
实施例7对低氧化硼(BxO)与立方氮化硼(BZN550)在搪磨4140钢作为工件材料时的研磨性能作了比较。cBN油石自密苏里州圣路易斯的SunnenProductsCo.购得。
搪磨床/试验条件在手工操作的搪磨床上进行了搪磨试验，搪磨床型号为MBB-1650C，由密苏里州圣路易斯的SunnenProductsCo.制造，使用的MB30搪磨油由密苏里州圣路易斯的SunnenProductsCo.生产，其流速为每分钟1.43升，以800rpm进行4分钟试验。
搪磨油石所有的磨料是碎块状，200/230目，所使用的粘合剂是含钴、铜、锡和银的标准常规粘合剂，低氧化硼和立方氮化硼的浓度分别是75和60。对搪磨油石用常规方法进一步成形和烧结制成之。
测得下列实验结果，列于表Ⅸ中磨料类型物质去除量表面光洁度(英寸)(Ra)cBN.00950.43μmBxo.00630.20μm实施例8
在超精加工的用途中低氧化硼(BxO)的使用性能很好。使用浓度为135含13μm低氧化硼磨粒，并在通常工业条件下烧结的玻璃粘结超精加工油、石商品显示了能够加工52100轴承钢。
诺顿公司开发了超精加工试验装置用来模拟超精加工的条件。工件的旋转速度为300rpm，振荡速度为每分钟1750个冲程，振幅2mm。
结果列于下列表Ⅹ中表Ⅹ压力物料去除量G-比25psi(最小值)5-6μm0.620psi(最大值)1μm1.5-14实施例9使用低氧化硼按下列的各种工艺制备了固定磨料产品。
a)将低氧化硼或低氧化硼与其它磨料如SiC的混合物与聚乙烯醇混合，发泡，然后令其固化成峰窝状的块。这种研磨板用于磨光铝盘、硅盘等。此产品中磨料含量是5-75%(体积)，磨粒粒度一般是150微米或更细。
这类产品的另一个例子是上述磨料剂与聚尿烷粘合剂物质的混合物。
b)将低氧化硼，或单独或与其它磨料颗粒混合，整齐地或混乱地撒放在一块柔韧的含有粘合树脂或聚合物的基底膜上。固化后，磨料就永久地固定在基材上。将涂覆了磨料的基材切割成不同外形，如盘、条、带等，以适合于任何需要的精研/抛光用途。磨料颗粒的典型尺寸是850微米或更细。
c)将纯的低氧化硼或低氧化硼与其它磨料的混合物与铜基合金粉混合，其中磨料浓度范围是5-75%(体积)。磨料颗粒的典型尺寸是500微米或更细。将该混合物加热至一较高温度使之形成致密的带、板或轮。这种板可以有衬垫内层，也可没有。这类金属粘合的产品可装在磨床或抛光机上对各种不同的工件材料如金属、陶瓷、玻璃、石材等进行精加工。
d)与c)相似，但粘合系统所含的大部分是玻璃。
很清楚，本专业技术人员不难看出本发明可有许多不同的变化和修改，而且可在不背离本发明的范围和主旨的情况下容易地作出这些变化和修改，因此不希望后面所附的权利要求书成为对前文所述说明书内容的限制，它是对本发明中所含有的具专利性的新颖特征的概括，包括本发明所涉及专业的技术人员认为是与这些新颖特征等价的所有特征。
权利要求
1.一种从表面去除物质的方法，其特征在于，它含有下列步骤使用含有低氧化硼(BxO)组合物的磨料粉末对表面进行研磨，在研磨步骤的过程中使低氧化硼(BxO)组合物的退化减至最低。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所用低氧化硼(BxO)组合物的KHN100大于3800kg/mm2。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所用低氧化硼(BxO)组合物粉末颗粒的平均粒径为0.005-500微米，而单个的颗粒由细于150微米的晶粒组成。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的低氧化硼(BxO)组合物含有至少70%(重量)低氧化硼(BxO)。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于低氧化硼(BxO)组合物包括高达约30%(重量)的选自铍、镁、钙、锶、钡、铱及其混合物的物质，这些物质以元素或其化合物形式存在于所述氧化硼中。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所用的低氧化硼(BxO)组合物是含有至少一种其它磨料的低氧化硼(BxO)磨料混合物。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于所用的其它磨料选自熔融氧化铝、晶种法氧化铝、烧结氧化铝、碳化硅、碳化硼、氮化硅、立方氮化硼、单晶或多晶金刚石、氧化锆、金属碳化物及它们的混合物。
8.一种从表面去除物质的方法，其特征在于，它含有下列步骤使用含有低氧化硼(BxO)组合物的磨料粉末对表面进行研磨，在研磨步骤的过程中使低氧化硼(BxO)组合物的退化减至最低。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所用低氧化硼(BxO)组合物的KHN100大于3800kg/mm2。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于所用低氧化硼(BxO)组合物粉末颗粒的平均粒径为0.005-500微米，而单个的颗粒由细于150微米的晶粒组成。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述的低氧化硼(BxO)组合物含有至少70%(重量)低氧化硼(BxO)。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于低氧化硼(BxO)组合物包括高达约30%(重量)的选自铍、镁、钙、锶、钡、铱及其混合物的物质，这些物质以元素或其化合物形式存在于所述氧化硼中。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于所用的低氧化硼(BxO)组合物是含有至少一种其它磨料的低氧化硼(BxO)磨料混合物。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于所用的其它磨料选自熔融氧化铝、晶种法氧化铝、烧结氧化铝、碳化硅、碳化硼、氮化硅、立方氮化硼、单昌或多晶金刚石、氧化锆、金属碳化物及它们的混合物。
15.一种研磨工具，其特征在于它含有其KHN100大于3800kg/mm2的低氧化硼组合物。
全文摘要
一种从表面去除物质的方法，其步骤是使用含低氧化硼(BxO)组合物的研磨工具或研磨粉末对表面进行研磨，此时低氧化硼(BxO)组合物保持在较低温度。属于低氧化硼(BxO)化合物类的这种磨料出乎意料地表现出了与金刚石类似的高研磨质量，而金刚石却具有本发明低氧化硼(BxO)双倍的硬度。而且，本发明还包括精研和抛光用粉末及精研用浆粹，其中粉末是由致密细晶粒的低氧化硼材料(其KHN100至少约2800kg/mm
文档编号C04B35/01GK1098975SQ9410403
公开日1995年2月22日 申请日期1994年4月19日 优先权日1993年4月21日
发明者C·艾办生-哈亚什, G·T·埃蒙德, 史叶国 申请人:诺顿公司