有研磨作用的熔合颗粒的制作方法

专利名称：有研磨作用的熔合颗粒的制作方法
技术领域：
本发明涉及含有氧化镁的熔合颗粒。本发明还涉及包含根据本发明的颗粒的研磨工具；以及涉及根据本发明的颗粒的制备方法。
背景技术：
研磨工具通常根据构成它们的陶瓷颗粒的组成方式分为以下几类游离磨料，其用于没有支持物的喷雾或悬浮液中；涂附磨料，其中颗粒被粘附于纤维、纸质或聚合物薄膜型的支持物上；以及粘合磨料，其以圆砂轮、杆状物等形式出现。在粘合磨料的情况下，研磨颗粒和例如为酚醛树脂或玻璃状粘合剂的有机粘合剂压在一起，例如和含有氧化物的粘合剂，特别是和含有硅酸盐的粘合剂压在一起。这些颗粒必须自身具有良好的研磨机械性能，尤其是良好的不易磨损性和/或硬度，并且提供良好的与粘合剂的结合性(界面的强度)。目前已有能覆盖大量应用和性能的各种种类的研磨颗粒。在氧化铝颗粒族中，以下几种根据应用而被特别区别开来电铸氧化铝颗粒(刚玉)、电铸氧化铝-氧化锆颗粒以及用溶胶-凝胶法制备的氧化铝颗粒。通过熔化原材料而合成的颗粒，被称为“熔合颗粒”，其提供了出色的品质/制备成本平衡。在熔合颗粒范围中，US-A-3，181，939中公开了基于氧化铝和氧化锆的材料。这些颗粒一般包含10至60%的氧化锆、0至10%的添加剂，剩余部分是氧化铝。实际应用中，商业产品的氧化锆含量大约在25%左右，或者约为氧化铝/氧化锆低共晶体的值，其中氧化锆大约为42%左右，一般介于35至50%之间，如专利US-A-3，891，408中所描述的。从EP 1 613 709中可知包含2. 2%至6. 5%的氧化镁、剩余部分为Al2O3的颗粒。 这些铝的颗粒是通过熔化原材料制备的。这些熔化的液体接着被冷却，优选快速地进行冷却以利于形成精细的定向结构，例如通过如专利US-A-3，993，119中所述的用于在薄金属板间浇铸的装置进行冷却。冷却的材料最后被碾碎，例如通过辊轧机碾碎，接着被筛选并分类为一系列的粒度分布，或分为对应于精确标准如FEPA标准的“砂粒”。US 4，126,429描述了基于氧化铝和氧化锆的熔合研磨颗粒，其包含1至2%的 MgO0氧化锆含量介于22%和观％之间，且US 4，1 ，似9解释一旦氧化锆含量低于22%， 颗粒的性能就会降低。最佳的氧化锆含量被认为在25%左右。一种熔化的研磨颗粒必须具有适合其应用的硬度和冲击强度和断裂强度之间的平衡。此平衡具体取决于待研磨的材料和研磨条件。硬度对应于颗粒穿透入待研磨材料的能力，而冲击强度和断裂强度决定了通过微断裂达到颗粒研磨表面的重建的能力。因此就有对提供一方面的硬度和另一方面的冲击和断裂强度之间新的平衡且更具竞争力的研磨用颗粒的持久需求。本发明的一个目的即满足这种需求。

发明内容
本发明涉及熔合颗粒，其具有以下化学分析成分，其中重量百分数是基于氧化物计算获得Al2O3 调整总量至 100%Zr02+Hf02 :16-24% ；MgO 的量为(Zr02+HfO2) /MgO 重量比介于 25 至 65 ；其他种类0-2%。如在本说明书的剩余部分将更为详细描述的，根据本发明的颗粒同时具有良好的冲击和断裂强度以及良好的硬度。根据本发明的熔合颗粒可以同时具有以下一种或多种特征Zr02+Hf02的重量百分比含量优选地高于17.0%，优选高于18.0%和/或少于 23. 0%，优选少于22. 5%。在制备成本作为一个重要参数的实施方案中，Zr02+Hf02的含量优选地少于22. 0%，优选少于20. 0%。(Zr02+Hf02)/Mg0重量比优选高于观，优选高于30，更优选高于35，或甚至高于40 和/或少于60，少于55，少于50，或甚至少于47。 氧化镁的含量优选高于0. 35 %，优选高于0. 40 %和/或少于0. 95 %，少于 0. 90%，少于0. 85%，少于0. 80%，优选少于0. 70%，更优选少于0. 60%。“其他种类”的总含量优选少于1%，或甚至少于0. 5 %，或甚至少于0. 4%，优选地，其他种类仅为杂质。优选地，每种杂质的含量少于0. 1%。特别优选地，Na2O <0. 1%, 或甚至Na2O < 0. 05%o还优选地，Si02、Ca0、Ti02、Fi5203或Cr2O3的含量各分别少于0. 5%, 优选少于0. 3%。还优选地，碳残留少于1500ppm，少于1300ppm，或甚至少于800ppm。优选地，颗粒的大小大于150 μ m禾Π /或小于3. 35mm,或小于2mm。根据本发明的熔合颗粒可以以颗粒的混合物形式存在，特别是以可马上用做制备研磨工具的原材料的颗粒混合物形式存在，或者以颗粒之间是相互固定的形式存在，比如， 因为它们被粘结到纤维上或限制在一起以形成坚硬的块状物特别是形成一个粘合磨料。这样的颗粒混合物可以作为一种研磨介质，特别是在砂纸打磨应用中，或在将这种混合物喷射至要被清洁或剥除部分的应用中。因此本发明还涉及包含根据本发明的颗粒或甚至由其组成的颗粒混合物。本发明还涉及包含颗粒的研磨工具，所述颗粒被粘合剂粘合起来并结合成例如为砂轮的形式，或沉积于支持物上，例如沉积成柔性的支持物上的一层。这种工具的特征在于所述颗粒中的至少一部分或甚至全部是根据本发明的颗粒。研磨工具可以是，特别是，修整砂轮、精密砂轮、磨刀砂轮、切割砂轮、缓进给磨砂轮、补炉或粗加工砂轮、调节砂轮、便携式砂轮、铸造砂轮、钻头砂轮、安装砂轮、圆柱砂轮、 锥状砂轮、碟形砂轮或分段砂轮或任何其他类型的砂轮。最后，本发明涉及根据本发明的颗粒的制备方法，其包含以下连续步骤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体；c)通过冷淬冷却所述熔化的液体，优选地让熔化的液体在少于3分钟内完全固化，直至获得固体块状物；以及
d)碾碎所述固体块状物以得到颗粒混合物以及，可选地，将所述混合物进行粒度分类。选择所述原材料使得所述混合物的颗粒具有根据本发明的颗粒一致的化学组成。定义术语“熔合颗粒”被理解为通过冷却熔化的液体使其固化的方法而获得的颗粒。“熔化的液体”是液体物质，其为了维持其形状，必须保存在容器中。其可含有少量的固体颗粒，但固体颗粒的量不足以构成所述物质。术语“颗粒混合物”被理解为可流动的颗粒混合物，也就是说其不具有固有刚性。 对于小颗粒，通常使用术语“粉末”表述。颗粒的“大小”通常与所述颗粒可以通过的最小标准的网孔大小相一致。当参照砂砾标准或FEPA-F标准时，参照的是FEPA-F标准42GB-1984。颗粒的氧化物含量与每种相应的化学元素的总体含量相关，根据工业中的标准惯例，这些化学元素以最稳定的氧化物的形式表示。因此，其包括有低值氧化物以及任选地， 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属种类。当描述熔合颗粒的化学组成时，“其他种类”表示所有其他地方未明确提到的化合物，且特别是那些杂质。术语“杂质”被理解为随着原材料被非故意的且必须引入的不可避免的组成成分， 或者其产生自与这些成分的反应。这些杂质不是需要的成分，只是被容忍的成分。例如， 以下组的化合物是杂质钠和其他碱金属的金属种类、铁、钒和铬的氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化物、碳氧化物、碳氮化物。二氧化铪是天然存在于氧化锆源中的，其含量少于2 %，当所需产品必须含有氧化锆或氧化锆和二氧化铪时，其不被考虑为杂质。表述“ &02+Hf02”被理解为氧化锆和二氧化铪的混合物，其中二氧化铪的量与其在氧化锆源中天然存在的量相一致。“痕量”对应于按重量计少于存在的相的5%的量。本说明书和权利要求书中，除非有另外提及，所有的颗粒的成分都是以重量百分数给出，其是基于颗粒的氧化物计算而得。本发明的其他特征和优势将体现在以下详细的说明中。发明详述根据本发明的熔合颗粒可以根据任何制备氧化铝或氧化铝-氧化锆熔合颗粒的方法加以制备，特别是通过短弧炉的方法，其在浇铸之前的熔化能量达到每吨原材料至少 1500kWh，炉功率至少150Kw。熔化条件可使得颗粒的最高的碳含量1500ppm。基础颗粒可根据以下连续步骤加以特别地制备a)混合原材料；b)熔化所述混合的原材料直至获得熔化的液体，通常在一个电炉中进行；c)通过冷淬方法冷却所述熔化的液体，优选地使得熔化的液体在少于3分钟的时间内完全固体化，直至获得固体块状物；以及d)碾碎所述固体块状物以获得熔合颗粒以及，任选地将所述颗粒进行粒度分类。在步骤a)中，根据制备的熔合颗粒的期望组分，通过已知的方式选择原材料。优选地，确定氧化锆源以达到二氧化铪的量少于5%，优选少于2%。
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优选地，确定原材料的来源以达到颗粒杂质的总含量少于0. 5%和/或每种杂质的含量少于0.3%。特别是硅和钠氧化物为已知的熔合颗粒中的有害物质，且它们在熔合颗粒中各自的含量必须限制到痕量。它们是原材料中作为杂质被引入的。事实上，硅的存在导致了玻璃状相的形成，这改变了颗粒的研磨特性和硬度。钠氧化物的存在，即使很低含量，也导致了形成β-氧化铝。但是氧化铝的这种晶体结构形态降低了颗粒的研磨特性。优选地，Na2O < 0. 或甚至 Na2O < 0. 05%。因此，优选地选择原材料以达到颗粒中的Si02、CaO, TiO2, Fe2O3或Cr2O3的含量都少于0.5%，优选少于0.3%。在步骤b)中，熔化的条件优选达到颗粒具备最大的碳含量1500ppm、1300ppm或甚至 800ppm。特别地，熔化可以通过短弧方法进行，其在浇铸前具有熔化能量至少2000kWh每吨原材料，炉功率至少150kW。在步骤c)中，冷却是快速地，且可通过，例如如US 3，993，119中描述的，在冷却的薄板间浇铸而完成。根据本发明制备的颗粒的晶体结构分析并不能揭示存在尖晶石相，除非其为痕量。通过氦测比重术测量，颗粒的孔积率少于3%。步骤d)中，颗粒的粒度可根据目标应用而加以选择。优选地，根据本发明的颗粒具有砂砾大于Grit 6和/或小于Grit 220，小于Grit 80，或小于Grit 24。制备根据本发明的研磨工具的方法是众所周知的。粘合磨料工具可以通过压制研磨用颗粒混合物和粘合剂完成。根据本发明的一种研磨工具中，粘合剂可以是玻璃化的(例如，含有氧化物的粘合剂，本质为含硅粘合剂)或有机的。有机粘合剂尤其地合适。粘合剂可以特别是热固性树脂。其可选自以下树脂形成的组酚醛树脂、环氧树脂、丙烯酸酯、聚酯、聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚氨酯、苯氧、酚糖醛树脂、苯胺-甲醛树脂、尿素-甲醛、邻甲酚醛、间苯二酚醛、脲醛、三聚氰胺-甲醛、以及其混合物。粘合剂以混合物体积计算通常介于2%至60%，优选介于20%至40%之间。粘合剂还可加入有机或无机的填料，如水合无机填料(例如氢氧化铝或勃姆石) 或非水合无机填料(例如氧化钼)、冰晶石、一种卤素、氟石、硫化铁、硫化锌、氧化镁、碳化硅、氯化硅、氯化钾、二氯化镁、氟硼酸钾或锌、氟铝酸钾、氧化钙、硫酸钾、偏二氯乙烯/氯乙烯共聚物、聚偏二氯乙烯、聚氯乙烯、纤维、硫化物、氯化物、硫酸盐、氟化物及其混合物。 粘合剂还可以包含增强纤维如玻璃纤维。
具体实施例方式以下非限制性的实施例用于说明本发明。参照产品(“Ref”)是熔合的氧化铝-氧化锆颗粒，以Μ 的名字出售，且具有以下化学分析成分，以重量百分数给出=Al2O3 :75. 0%, Zr02+Hf02 : 24. 1%, TiO2 0. 1%, SiO2 < 0. 2%, MgO 0. 05%, CaO :0. 07%，其他< 0. 8%。晶体结构和微结构分析显示所有的氧化锆都和氧化铝以共晶形式结合在一起；氧化铝的剩余部分以α-氧化铝(刚玉)的形式被发现。其他待检测的产品用以下原材料生产-轻烧Bayer 氧化铝，其中氢氧化钠的含量少于0.3% ；-氧化锆粉末，其&02+HfO2含量高于98%；以及-石油焦。氧化镁通过纯材料提供，其中含有高于99%的镁MgO。产品根据本领域熟练技术人员熟知的常规方法准备。首先分析原材料以允许制备给定组成成分的颗粒。根据炉的状态，将最少(多至3% )的石油焦加入至这些原材料中，此重量百分数是基于原料计算获得。然后原料在Heroult型的单相电弧炉中被熔化，该炉使用石墨电极、炉容器直径 0. 8m、105V至150V电压、1800至2500A电流以及提供的特定的2. 0至2. 8kffh/kg的负载电功率。熔化的液体接着被快速冷却，冷却使用一种在薄金属板之间浇铸的设备进行，该设备例如为专利US-A-3，993，119中所描述的。熔合的颗粒接着被碾碎并根据它们的粒度进行分类。得到的颗粒用X-射线荧光进行化学表征。所有的化学分析数据在表格1中给出。 杂质的含量，除碳外，介于0.3%至之间。剩余部分为氧化铝的含量。为了证明颗粒的机械特性，进行以下描述的试验。试验A 确定冲击和断裂强度试验A的目的是确定给定粒度分布的薄片在钢铁碾磨罐中被加压后残余的颗粒的比例。此试验能够动态分析颗粒的断裂强度和脆性。在试验之前，首先在R0TAP 型的振动筛上筛选颗粒混合物，此步骤在工业中是标准的，以分离710/850 μ m大小的那部分，使其代表编号FM颗粒(Grit 24) 0接着使用磁选方法已分离的粒度分布部分进行除铁操作，以提取出因碾磨导致的金属铁污染。此试验使用Sodemi旋转碾磨机，其通常用于碾碎粉末以进行化学分析。这个碾磨机被悬挂安装在8个弹簧上，包含要被测试的颗粒的中空柱状罐、托盘和自由滑动的环被启动。由钢铁(Z160 C 12级)做成的柱状碾磨罐具有以下尺寸高，50mm;内径，139mm。托盘是一个用Z200C12级的钢铁制成的固体圆柱(直径75mm ；高45mm)，重1546克。圆柱环 (95/120mm内径/外径；45mm高)同样是用Z200C12级的钢铁制成的，重1464克。在一个样本上进行包含以下步骤的试验A 1.用压缩空气清洁罐；2.将25克要检测的产品的粒度分布部分引入碾磨罐的壁和托盘之间。打开 Sodemi碾磨机，以额定速度(HOOrpm)旋转4分钟。接着使用一个刷子(编号50)将碾磨的产品从碾磨罐中提取出来以分析粒度分布。然后将产品在ROTAP 筛的一系列使用以下的筛网Ti的70mm直径的筛子中进行筛选3分钟
权利要求
1.以基于氧化物的重量百分比计，具有以下化学分析成分的熔合颗粒Al2O3 调整总量至100% ；Zr02+Hf02 :16-24% ；MgO的量为使得(Zr02+HfO2)/MgO的重量比介于25至65之间；其他种类0-2 %。
2.如前一权利要求所述的熔合颗粒，其中(Zr02+Hf02)/Mg0的重量比少于55。
3.如前一权利要求所述的熔合颗粒，其中(Zr02+Hf02)/Mg0的重量比少于50。
4.如前述任一权利要求所述的熔合颗粒，其中(Zr02+Hf02)/Mg0的重量比高于观。
5.如前一权利要求所述的熔合颗粒，其中(Zr02+Hf02)/Mg0的重量比高于30。
6.如前述任一权利要求所述的熔合颗粒，其中以基于氧化物的重量百分比计， (Zr02+Hf02) < 22. 5%。
7.如前一权利要求所述的熔合颗粒，其中以基于氧化物的重量百分比计，(&02+Η 2) < 20. 0%。
8.如前述任一权利要求所述的熔合颗粒，其中以基于氧化物的重量百分比计，17.0% < (ZrO2+HfO2)。
9.如前述任一权利要求所述的熔合颗粒，其中以四方形式稳定存在的氧化锆为氧化锆的30%至70%之间。
10.如前述任一权利要求所述的熔合颗粒，所述颗粒的大小大于150μπι，且小于 3. 35mm0
11.一种研磨工具，该研磨工具包含用粘合剂粘结的颗粒、粘结到支持物上的颗粒或沉积在支持物上的颗粒，所述颗粒中的至少部分是根据前述权利要求中任一项所述的熔合颗粒。
12.根据权利要求1至10中任一所述的熔合颗粒用作研磨介质的用途。
全文摘要
本发明涉及被熔化的颗粒，该颗粒以氧化物的形式按重量百分比计具有以下化学组成成分Al2O3调整总量至100％；ZrO2+HfO216-24％；MgO的量为使得(ZrO2+HfO2)/MgO的重量比介于25至65；其他种类0-2％。该颗粒可用做研磨颗粒。
文档编号B24D3/00GK102176999SQ200980140388
公开日2011年9月7日 申请日期2009年10月9日 优先权日2008年10月9日
发明者S·珀蒂尼, 山木尔·马林 申请人:法商圣高拜欧洲实验及研究中心