专利名称：含有水合和非卤代无机研磨助剂的磨具的制作方法
用于研磨的工具通常包含粘合在或粘合到聚合物上的磨粒。一般来说，这种工具是粘合复合体的形式或用磨料组合物涂覆在柔韧基材上的形式。然而，在这两种情况下，有几种因素决定了磨具的磨损，所述因素例如包括要研磨的材料，施加到研磨表面上的力，磨粒的磨损率和用于粘合磨粒的聚合物的化学和物理性能。
此粘合复合体的研磨效率受粘合聚合物磨损、分解、液化或以其它方式损失的速率的影响。例如，若聚合物粘合剂损失得太快，则磨粒在其磨损充分耗尽其有效研磨能力之前就剥落掉了。相反，若聚合物粘合剂磨损得不够快，则磨粒在超过其使用寿命时仍留在磨具的表面上，从而阻止了下层新鲜颗粒的显露。这两种效果通常都会限制研磨效率。
业已采用了若干方法来改进磨具的使用寿命和其效率。一种这样的方法是使用“研磨助剂”。存在有许多种类的研磨助剂，认为它们可经不同的机理发生作用。按一个提出的机理，使用在研磨操作过程中会熔化或液化的研磨助剂会减小摩擦，即润滑研磨表面，这样就降低了研磨温度。在第二个机理中，研磨助剂与金属工件通过腐蚀新切割下来的金属碎片或细屑而发生反应，从而防止碎片与磨具再发生作用或碎片重焊到基体金属上。在第三个提出的机理中，研磨助剂与研磨的金属表面发生作用，形成润滑剂。第四个提出的机理包括研磨助剂与工件表面发生作用，促进应力腐蚀开裂，从而便于工件材料的去除。
本发明大体上涉及磨具。
在一个实施方案中，本发明的磨具是一种粘合磨具，它包含有机粘合剂基体，分散在有机粘合剂中的磨粒，和在研磨过程中可与来自有机粘合剂的自由基进行反应的无机非卤代填料。
在另一个实施方案中，本发明的磨具是一种粘合磨具，它包含有机粘合剂，分散在有机粘合剂中的磨粒，和在有机粘合剂中的水合填料。
在再一个实施方案中，本发明的磨具是一种涂覆磨具，它包含柔韧基材，在基材上的磨粒，和在柔韧基材上的含锑酸钠或氧化锑的有机粘合剂。
在再一个实施方案中，本发明的磨具是一种涂覆磨具，它包括柔韧基材，在柔韧基材上的磨粒，和在柔韧基材上含水合填料的有机粘合剂，其中水合填料选自下述物质氢氧化钙、氢氧化镁、水合硅酸钠、碱金属氢氧化物(alkalimetal hydrates)、水碳镁石、碱性碳酸镁、碳酸镁低水合物(magnesiumcarbonate subhydrate)和硼酸锌。
本发明有许多优点。例如，本发明含有水合填料作为研磨助剂的磨具实施方案能明显降低由于摩擦产生的高温。可以认为，该水合填料在研磨过程中在释放水时吸收热量就限制了温度升高，从而减缓粘合剂的损失。在本发明含有无机非卤代填料的磨具中，该无机非卤代填料在研磨过程中通过与从粘合剂释放出来的自由基发生反应减少了粘合剂的降解。在本发明磨具中加入的填料可以象阻燃剂那样减少粘合剂发生热降解的可能性。所有这些机理都能明显提高粘合磨具和涂覆磨具的使用寿命和效率。而且，与许多研磨助剂不同，在本发明磨具中所包含的研磨助剂在研磨过程中不会释放有潜在危害性的卤素。
下面将具体地说明本发明方法的特征和其它细节。应明白，这里是通过举例的方式来说明本发明的具体实施方案，它们并不是本发明的限制。在不偏离本发明范围的情况下，可以在各种实施方案中采用本发明的原理特征。
本发明的磨具含有有机粘合剂，磨粒和作为研磨助剂的水合填料和／或无机非卤代填料，研磨助剂在研磨过程中能有利地改变有机粘合剂的热和／或机械降解。在一个较好的实施例中，磨具是一种树脂粘合的磨轮。
磨具中的有机粘合剂是作为磨轮的基体材料，磨粒分散在其中。合适有机粘合剂的一个例子是热固性树脂。热固性树脂较好是环氧树脂或酚醛树脂。合适的热固性树脂的具体例子包括酚醛树脂(如线型酚醛树脂和可熔酚醛树脂)、环氧、不饱和聚酯、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、氰酸酯等。
一般来说，有机粘合剂占粘合磨具研磨组合物体积的约2-64％，其中将研磨组合物定义为包含粘合剂、磨粒、在粘合剂中的填料和在粘合剂中的孔隙。在本发明粘合磨具的研磨组合物中，有机粘合剂的体积较好约为20-60％，更好约为30-42％。
在适用于本发明的典型的涂覆磨具中，是将研磨组合物涂覆在柔韧基材上，所述基材例如是纸张、薄膜或者织造布或缝粘布。将树脂状粘合剂(也称为初始结合涂料)涂覆在柔韧基材上。然后通过静电技术或简单的重力加料法将磨粒施加到形成的初始结合涂层上，然后用酚醛树脂胶结涂层将所述磨粒固定在初始结合涂层上。也还可以在胶结涂层上施加一层上胶结涂层。研磨助剂一般包含在胶结涂层或上胶结涂层中。各涂层可以在聚合物如丙烯酸类聚合物的载体中加以施涂。在每一层施涂好后，一般要在约107℃的温度下进行固化。对适用于本发明的涂覆磨具的进一步描述可参见美国专利5，185，012、5，163，976、5，578，343和5，221，295，所有这些专利的全部内容都结合参考于此。在一个较好的实施方案中，合适的涂覆磨具的粘合剂或初始结合涂料是EbecrylTM3605(一种双环氧化双酚A和丙烯酸以1∶1的摩尔比进行反应的反应产物，它购自UCB Chemicals)。在一个较好的实施方案中，该粘合剂的用量与基材表面积的关系为30g／m2。
磨具的磨粒通常适用于研磨金属，或在某些情况下研磨陶瓷工件。合适的磨粒的例子是那些由氧化铝、金刚石、立方氮化硼、碳化硅等制成的颗粒。在本发明磨具中磨粒的尺寸通常约为4-240粒度(grit)(6，848-63微米)，较好为4-80粒度(6，848-266微米)。氧化铝磨粒的尺寸约为16-20粒度(1，660-1，340微米)是特别合适的。磨粒在粘合磨具研磨组合物中所占的体积一般约为研磨组合物的34-56％。在粘合磨轮中，磨粒所占的体积较好约为40-52％。在涂覆磨具的一个实施方案中，磨粒是180粒度的碳化硅，其用量与基材表面积的关系为188g／m2。
粘合磨具的研磨组合物通常是多孔的。研磨组合物的孔隙度即空隙率通常达到研磨组合物体积的大约52％，较好达到大约26％。
本发明磨具的研磨助剂是一种水合填料和／或无机非卤代填料。合适的水合填料是那些在金属工件的研磨过程中脱水时会释放出水的填料。合适的水合填料的例子包括以商品名FirebrakeTMZB(2ZnO 3B2O33．5H2O在293℃时脱水)或FirebrakeTM415(4ZnO B2O3H2O在415℃时脱水)购自U．S．Borax的硼酸锌；以商品名HydralTM710或PGA-SDTM购自Alcoa)的氢氧化铝(Al(OH)3；氢氧化钙(Ca(OH)2)；以商品名FR-20 MHRMTM23-2(氨基硅烷处理过的)、FR-20MHRMTM640(含有聚烯烃偶合剂)或FR-20 MHRMTM120(脂肪族表面处理过的)购自Ameribrom，Inc．的氢氧化镁(Mg(OH)2)；水合硅酸钠(Na2SiO39H2O)；碱金属氢氧化物；水碳镁石(MgCO3Mg(OH)23H2O)；碳酸镁低水合物(MgOCO2(0．96)H2O(0．30))等。
采用合适的水合填料能提供特别好的优点。一种特别好的水合填料是硼酸锌。硼酸锌在500-600℃时玻璃化，认为它能在有机粘合剂上形成硼酸盐型玻璃密封，从而防止有机粘合剂的热降解。认为另一种水合填料，即氢氧化铝在加热和脱水后会形成氧化铝(Al2O3)，而氧化铝是一种会帮助研磨过程的已知的磨料。较好的水合填料包括氢氧化铝和氢氧化镁。
磨具的另一个实施方案包含能减少有机粘合剂在研磨过程中降解的无机非卤代填料。本文所用的术语“减少降解”是指该无机非卤代填料能起保存有机粘合剂的作用，其机理并不是促使材料从被研磨工件上容易去除。例如使用二硫化铁(FeS2)作为研磨助剂时就是后一种情况，即二硫化铁通过氧化工件表面以及由此形成的碎片而促进材料的去除。合适的无机非卤代填料的例子包括氧化钼(Ⅵ)(MoO3，它购自Aldrich)、锑酸钠(NaSbO3，它以商品名ThermoguardTMFR购自Elf Atochem)、氧化锑(Sb2O3，它以商品名ThermoguardTMS购自Elf Atochem)等。在一个较好的实施方案中，无机非卤代填料是氧化锑。
在再一个实施方案中，研磨助剂采用水合填料和无机非卤代填料这两种物质。无论研磨助剂是水合填料还是无机非卤代填料，在粘合磨具中研磨助剂占粘合剂和填料构成的组合物体积的约10-50％，其中“填料”包括活性填料、孔隙诱发生成剂、用于吸收水的石灰等，但不包括磨粒。粘合磨具的研磨助剂较好占粘合剂和填料构成的组合物体积的大约20-40％，更好是占大约25％，尽管这个百分数视磨具的级别和结构而异。磨具中进一步还可以包含其它填料如附加研磨助剂(如与工件起作用的二硫化铁)和过程助剂(如湿润剂)。
上面列出的一些组分可以任何顺序组合构成本发明的磨具。在粘合磨具的一个较好的实施方案中，用液体树脂(如可熔酚醛树脂)先润湿磨粒。将研磨助剂(水合填料或无机非卤代填料)、其它填料、有机粘合剂的固体树脂前体(如线型酚醛树脂)和用于固化树脂的合适催化剂(如六亚甲基三胺)混合在一起，制成混合物。将经过润湿的磨粒与此混合物混合，制成前体组合物。然后将前体组合物放在模具中压制，然后固化。该组合物较好在约130-230℃的温度下固化。然后此研磨组合物就成为一种研磨或磨削工具，如粘合磨轮。研磨组合物也可以构成研磨或磨削工具的一个部件。也可以使用其它方法来制造本发明的研磨或磨削工具。
在本发明涂覆磨具的一个实施方案中，研磨组合物包括初始结合涂层、磨粒、胶结涂层，或者还可包括位于胶结涂层上面的上胶结涂层。研磨助剂一般包含在上胶结涂层(若存在的话)中或胶结涂层中。在此实施方案中，将研磨组合物涂覆在柔韧基材如片、带、盘等上面。当存在包含粘合剂和研磨助剂的上胶结涂层时，研磨助剂较好占粘合剂和研磨助剂固体总重量的约50％以上。在另一个较好的实施方案中，研磨助剂占粘合剂和研磨助剂固体总重量的约60-80％。
本发明的粘合磨轮可用于各种用途。这些用途的例子包括轨道研磨，此时是对铁路轨道进行研磨以除去圆度，还包括铸件研磨，此时是对铸造厂铸造出来的金属铸件进行研磨以消除毛头和其它铸造缺陷。本发明粘合磨轮的其它用途还包括，但不局限于“切断”操作和钢的修整。本发明的粘合磨具可以在许多工业用途如金属精加工中使用。
当使用粘合磨轮来研磨一种工件如轨道或铸件时，在有机粘合剂表面上的磨粒通过对工作表面的切割、挖掘或摩擦作用来研磨工件。这些研磨机理中的摩擦作用产生相当多的热量，这些热量会提高有机粘合剂分解、熔化或磨损的速度。结果，有机粘合剂的研磨表面层去掉，嵌在有机粘合剂基体中的磨粒日益暴露出来，直到它们最终从磨具上剥离下来。新的磨粒又随着有机粘合剂表面层的去掉而逐渐暴露出来，提供锐利的新研磨表面。
有机粘合剂表面层去掉时也会释放出其它组分，如在本发明磨具中所用的水合填料和／或无机非卤代填料。磨具中的水合填料在研磨过程中释放出水。认为水合填料的这种吸热脱水作用对研磨表面具有冷却效应。也可以认为，脱水时释放的水可以作为磨具和工件界面上的润滑剂，又可以通过其蒸发进一步吸收研磨表面上的热量。
可以认为，在磨具中的无机非卤代填料能降低有机粘合剂从研磨表面上损失的速度。本发明所用的无机非卤代填料能减少降解的一种机理，据信是用它来抑制有机粘合剂通常发生降解的化学途径。这种化学途径通常包括在研磨过程中有机粘合剂聚合物链的氧化，这种氧化会引发从聚合物链中释放自由基。这些自由基而后与有机粘合剂聚合物链上的其它点发生反应，使聚合物进一步降解并释放出另外的自由基。无机非卤代填料可以认为是通过抑制自由基引起的聚合物链断裂而减少降解。认为无机非卤代填料或无机非卤代填料的降解产物能与有机粘合剂释放出来的自由基结合(如与其反应)而减少有机粘合剂的降解。自由基一旦与无机非卤代填料或其降解产物结合后，就不能再参与有机粘合剂的降解。
现在本发明将用下述一些实施例作进一步和更详细的描述。
实施例1制造了若干个用于便携式磨床的便携式磨轮形式的本发明粘合磨具，其中包含几种不同水合填料或无机非卤代填料中的一种。又制造了“标准”磨轮(下面标为“1”)，在评价本发明磨轮的研磨性能时作为参照。在本发明的每个磨轮(下面标为2-7)中，填料是分散在整个有机粘合剂中的，其体积占粘合剂／填料组合物的大约25％。将用这些组合物制成的磨轮用来研磨外径为30．5厘米(12英寸)、内径为25．4厘米(10英寸)、长度为15．2厘米(6英寸)的1026碳钢环。研磨时使用6．8千克(15磅力)、9．1千克(20磅力)和11．3千克(25磅力)的负载。
各磨轮具有下表中的组成，所有的百分数均按体积计算，对于各种磨轮来说“可变活性填料”是不同的 下面用数字标出的各种磨轮中，“可变活性填料”分别具有下述组成1硫酸钾(K2SO4，购自Astro Chemicals，Inc．，Springfield，MA)(密度=2．66g／cc)2氢氧化铝(Al(OH)3，以HydralTM710购自Alcoa，Pittsburgh，PA)(密度=2．4g／cc)3氢氧化钙(Ca(OH)2，购自Aldrich，Milwaukee，WI)(密度=2．24g／cc)4氧化钼(Ⅵ)(MoO3，购自Aldrich，Milwaukee，WI)(密度=4．69g／cc)5氢氧化镁(Mg(OH)2，以FR-20 MHRM 640购自Ameribrom，Inc．，New York，NY)(密度=2．36g／cc)6硼酸锌(4ZnO B2O3H2O，以FirebrakeTM415购自U．S．Borax，Valencia，CA)(密度=3．70g／cc)7氧化锑(Sb2O3，以ThermoguardTMS购自Elf Atochem，Philadelphia，PA)(密度=5．67g／cc)w／Dechlorane PlusTM(六氯环戊二烯与1，5-环辛二烯的Diels-Alder二加成物，购自Occidental Chemical Corp．，Niagara Falls，NY)(密度=1．9g／cc)(体积比为1∶3)对所有的磨轮试验18分钟。磨轮的性能结果列于下列三张表中。在表中，MRR代表将金属从工件上去除的速度。WWR代表磨轮磨损的速度。g-比值是从工件上去除的金属体积与磨轮磨掉的体积之比。因此，对于操作和通常所需的研磨量来说，高的g-比值意味着磨轮的耐用程度高。
表1(6．8kg)
表2(9．1kg) 表3(11．3kg) 可以看出，在三种负载量情况下，各种水合和无机非卤代填料的g-比值都比标准参照磨轮(1)的高。在各种磨轮的试验中，由g-比值测量可知，含有硼酸锌作为活性填料的磨轮6具有最好的研磨效率。
实施例2在此实施例中，在轨道研磨的情况下进行试验，这是一种比实施例1所用的固定头便携式磨床研磨作用更强烈的操作。在轨道研磨中，磨轮寿命是评价磨轮性能的一个关键性因素。同样，选择包含各种无机非卤代填料以及水合填料的本发明磨轮进行试验。
在此试验中的各种磨轮具有下表中的基本组成，其中所有的百分数均以体积计，对每种磨轮来说，其中的“可变活性填料”是不同的 下面用数字标出的各种磨轮中，“可变活性填料”分别具有下述组成014-1硫酸钾(K2SO4，购自Astro Chemicals，Inc．，Springfield，MA)(密度=2．66g／cc)014-2氢氧化铝(Al(OH)3，以HydralTM710购自Alcoa，Pittsburgh，PA)(密度=2．4g／cc)014-3氢氧化镁(Mg(OH)2，以FR-20 MHRM 640购自Ameribrom，Inc．，NewYork，NY)(密度=2．36g／cc)014-4氢氧化钙(Ca(OH)2，购自Aldrich，Milwaukee，WI)(密度=2．24g／cc)
014-5硼酸锌(4ZnO B2O3H2O，以FirebrakeTM415购自U．S．Borax，Valencia，CA)(密度=3．70g／cc)同样，在试验过程中，以硫酸钾作为可变活性填料的磨轮(磨轮014-1)作为参照。
从表4-6所示的研磨数据中可以看出，经选择的研磨助剂能将磨轮的寿命提高到参照磨轮寿命的大约200％。Al(OH)3作为研磨助剂不能提高寿命，这可能是由于其比较低的脱水温度(约200℃)。
实施例2的结果列于下表4-6中。表4列出了功率为23．1kW研磨时间为5分钟的试验结果。表5列出了功率为17．2kW研磨时间为6分钟的试验结果。表6列出了功率为13．4kW研磨时间为15分钟的试验结果。下面列出的每个值均代表对不同磨轮进行2次试验所得结果的平均值。
表4
表5
表6
等同内容尽管对本发明业已使用其较好的实施方案作了详细阐明和描述，但本领域的技术熟练者应明白的是，在不偏离所附权利要求书限定的本发明范围的情况下，对其可作出各种形式和细节上的改变。
权利要求
1．一种粘合磨具，它包含a)有机粘合剂基体；b)分散在有机粘合剂中的磨粒，c)在研磨过程中可与从有机粘合剂中释放出来的自由基反应的无机非卤代填料。
2．如权利要求1所述的粘合磨具，其中无机非卤代填料是氧化锑。
3．如权利要求1所述的粘合磨具，其中磨粒包含陶瓷磨料组分。
4．如权利要求1所述的粘合磨具，其中有机粘合剂包括聚合物材料。
5．如权利要求1所述的粘合磨具，其中有机粘合剂包括热固性树脂。
6．如权利要求5所述的粘合磨具，其中有机粘合剂包括环氧树脂。
7．如权利要求5所述的粘合磨具，其中有机粘合剂包括酚醛树脂。
8．如权利要求1所述的粘合磨具，其中无机非卤代填料的浓度为占有机粘合剂和填料的体积大约10-50％。
9．如权利要求8所述的粘合磨具，其中无机非卤代填料的浓度为占有机粘合剂和填料的体积大约20-40％。
10．如权利要求1所述的粘合磨具，其中有机粘合剂的浓度为占研磨组合物体积大约20-60％，其中研磨组合物是有机粘合剂、磨粒、在粘合剂中的填料和孔隙。
11．如权利要求10所述的粘合磨具，其中有机粘合剂的浓度为占研磨组合物体积大约30-42％，其中研磨组合物是有机粘合剂、磨粒、在粘合剂中的填料和孔隙。
12．如权利要求1所述的粘合磨具，其中磨粒的尺寸大约为4-240粒度。
13．如权利要求12所述的粘合磨具，其中磨粒的尺寸大约为4-80粒度。
14．如权利要求1所述的粘合磨具，其中磨粒的浓度为占研磨组合物体积大约34-56％，其中研磨组合物是有机粘合剂、磨粒、在粘合剂中的填料和孔隙。
15．如权利要求14所述的粘合磨具，其中磨粒的浓度为占研磨组合物体积大约40-52％，其中研磨组合物是有机粘合剂、磨粒、在粘合剂中的填料和孔隙。
16．一种粘合磨具，它包含a)有机粘合剂基体；b)分散在有机粘合剂中的磨粒，c)在有机粘合剂中的水合填料，其中水合填料选自氢氧化铝、氢氧化钙、氢氧化镁、水合硅酸钠、碱金属氢氧化物、水碳镁石、碱性碳酸镁、碳酸镁低水合物和硼酸锌。
17．如权利要求16所述的粘合磨具，其中水合填料是硼酸锌。
18．如权利要求16所述的粘合磨具，其中水合填料是氢氧化铝。
19．如权利要求16所述的粘合磨具，其中水合填料是氢氧化镁。
20．如权利要求16所述的粘合磨具，其中磨粒包括陶瓷磨料组分。
21．如权利要求16所述的粘合磨具，其中有机粘合剂包括聚合物材料。
22．如权利要求16所述的粘合磨具，其中有机粘合剂包括热固性树脂。
23．如权利要求16所述的粘合磨具，其中有机粘合剂包括环氧树脂。
24．如权利要求16所述的粘合磨具，其中有机粘合剂包括酚醛树脂。
25．如权利要求16所述的粘合磨具，其中水合填料的浓度为占有机粘合剂和填料的体积大约10-50％。
26．如权利要求25所述的粘合磨具，其中水合填料的浓度为占有机粘合剂和填料的体积大约20-40％。
27．如权利要求16所述的粘合磨具，其中有机粘合剂的浓度为占研磨组合物体积大约20-60％，其中研磨组合物是有机粘合剂、磨粒、在粘合剂中的填料和孔隙。
28．如权利要求27所述的粘合磨具，其中有机粘合剂的浓度为占研磨组合物体积大约30-42％，其中研磨组合物是有机粘合剂、磨粒、在粘合剂中的填料和孔隙。
29．如权利要求16所述的粘合磨具，其中磨粒的尺寸约为4-240粒度。
30．如权利要求29所述的粘合磨具，其中磨粒的尺寸约为4-80粒度。
31．如权利要求16所述的粘合磨具，其中磨粒的浓度为占研磨组合物体积大约34-56％，其中研磨组合物是有机粘合剂、磨粒、在粘合剂中的填料和孔隙。
32．如权利要求31所述的粘合磨具，其中磨粒的浓度为占研磨组合物体积大约40-52％，其中研磨组合物是有机粘合剂、磨粒、在粘合剂中的填料和孔隙。
33．一种涂覆磨具，它包含a)柔韧基材；b)粘合到柔韧基材上的磨粒；c)含氧化锑的有机粘合剂，该有机粘合剂涂覆在柔韧基材上。
34．一种涂覆磨具，它包含a)柔韧基材；b)粘合到柔韧基材上的磨粒；c)含锑酸钠的有机粘合剂，该有机粘合剂涂覆在柔韧基材上。
35．一种涂覆磨具，它包含a)柔韧基材；b)粘合到柔韧基材上的磨粒；c)含水合填料的有机粘合剂，该有机粘合剂涂覆在柔韧基材上，该水合填料选自氢氧化钙、氢氧化镁、水合硅酸钠、碱金属氢氧化物、水碳镁石、碱性碳酸镁、碳酸镁低水合物和硼酸锌。
36．如权利要求35所述的涂覆磨具，其中水合填料是硼酸锌。
37．如权利要求35所述的涂覆磨具，其中水合填料是氢氧化镁。
全文摘要
一种粘合磨具,它包含有机粘合剂基体,分散在有机粘合剂中的磨粒和无机非卤代填料或水合填料形式的研磨助剂。无机非卤代填料在研磨过程中可与从有机粘合剂中释放出来的自由基反应。水合填料吸热时释放出水。一种涂覆磨具,它包括柔韧基材,粘合到柔韧基材上的磨粒和涂覆在基材上的含研磨助剂的有机粘合剂,所述研磨助剂包括无机非卤代填料或水合填料。
文档编号B24D3/02GK1292742SQ98814027
公开日2001年4月25日 申请日期1998年12月15日 优先权日1998年5月8日
发明者G·W·迈耶, P·E·约翰逊 申请人:诺顿公司