成形磨料颗粒、制备方法及包含其的磨料制品的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开广义地涉及基于氧化铝的磨料颗粒、制备它们的方法及包含它们的磨料制 品。
【背景技术】
[0002] 因为其成本、良好导热性、强度、韧性和化学惰性的平衡使得其在涂覆和粘结磨料 中具有优异的磨削特性，因此氧化铝（即，Al 2O3)是磨料工业已知的最重要的磨料矿石之 一。人们早已知道，微结构细化将带来磨料特性的改善。因此，开发了经由化学溶胶-凝胶 途径生产并产生具有极细小的微结构（〈0.5微米）的完全致密烧结结构的优质氧化铝晶粒 (例如，参见美国专利4, 314, 827 (Leitheiser等人））并引入到磨料市场中。由溶胶-凝胶 衍生的α氧化铝形成的成形磨料颗粒的引入已彻底改变磨料工业。在研磨应用中，这些磨 料颗粒通常优于由相同的材料制成的对应破碎颗粒。然而，此类溶胶-凝胶衍生的磨料颗 粒仅可以小于约20目（美国目尺寸）的尺寸获得。由于在干燥过程中移除大量挥发性物 质的需要所伴随的破裂，故使用溶胶-凝胶技术生产较大磨料颗粒的尝试通常不成功。
[0003] 因此，期望提供粉末衍生的氧化铝磨料而无砂砾尺寸限制并具有与溶胶-凝胶 晶粒相似或比其更好的磨削特性。虽然粉末衍生的Al 2O3磨料也可得到（例如，以CCC晶 粒得自奥地利菲拉赫的 Treibacher Schleifmittel 公司（Treibacher Schleifmittel AG, Villach, Austria)或以烧结氧化错得自日本东京的昭和电工株式会社（ShowaDenko KK，Tokyo, Japan))，但它们的实用性由于通常伴随粉末烧结方法的较粗微结构而受限。
[0004] α氧化铝的机械性能常常受杂质存在的影响。特别地，广为人知的是，杂质诸如钠 在由氧化铝前体形成α氧化铝中存在有害影响。例如，氧化钠的存在将导致烧结后α氧 化铝晶粒尺寸的增大，从而导致降低的硬度和/或烧结过程中的开裂。目前，磨料工业中认 为，显著高于约1-2微米结晶α氧化铝晶粒尺寸范围的微结构粗化对于用于涂覆磨料和精 密磨削应用中的磨料颗粒中的使用来说是不实用的。
[0005] 因此，商业上在成形α氧化铝磨料颗粒的生产中使用高纯度α氧化铝前体。这 些前体相应地昂贵。
【发明内容】
[0006] 在一个方面，本公开提供了一种制造磨料颗粒的方法，所述方法包括：
[0007] 提供包含非胶态固体颗粒和液体载体的浆液，其中所述非胶态固体颗粒中的至少 一些包含α氧化铝或α氧化铝前体中的至少一者，并且其中所述非胶态固体颗粒占所述 浆液的体积的至少30% ;
[0008] 将所述浆液的至少一部分形成为接触基板的成形体，其中所述成形体基本上根据 预定形状形成；
[0009] 至少部分地干燥所述成形体以提供成形磨料前体颗粒；
[0010] 将所述成形磨料前体颗粒的至少一部分从所述基板分离；以及 toon] 将所述成形磨料前体颗粒的至少一部分转化为成形磨料颗粒，其中所述成形磨料 颗粒包含α氧化铝，其中所述α氧化铝具有0.8至8微米的平均晶粒尺寸，其中所述α 氧化铝具有为真密度的至少92%的表观密度，并且其中每个成形磨料颗粒各自具有包括多 个侧面和至少四个顶点的表面，并且其中所述成形磨料颗粒符合标称的预定形状。
[0012] 在另一个方面，本公开提供了根据上述方法制得的成形磨料颗粒。
[0013] 在又一个方面，本公开提供了包含α氧化铝的成形磨料颗粒，其中所述α氧化铝 具有0.8至8微米的平均晶粒尺寸，其中所述α氧化铝具有为真密度的至少92%的表观密 度，其中每个成形磨料颗粒各自具有包括多个侧面和至少四个顶点的表面，并且其中所述 成形磨料颗粒符合标称的预定形状。
[0014] 根据本公开的成形磨料颗粒可用于例如磨料制品（例如，涂覆磨料、粘结磨料、磨 刷和/或非织造磨料）的制造中。
[0015] 因此，在又一个方面，本公开提供了一种磨料制品，包括保持在粘结剂中的成形磨 料颗粒，其中所述成形磨料颗粒包含α氧化铝，其中所述α氧化铝具有0.8至8微米的平 均晶粒尺寸，其中所述α氧化铝具有为真密度的至少92%的表观密度，并且其中所述成形 磨料颗粒符合标称的预定形状。
[0016] 根据本公开的磨料颗粒和磨料制品可用于例如研磨工件。
[0017] 在又一个方面，本公开提供了一种研磨工件的方法，所述方法包括：使根据本公开 的磨料制品中包含的至少一个成形磨料颗粒与工件接触，并使磨料制品或工件中的至少一 者相对于另一者移动来研磨所述工件的至少一部分。
[0018] 如本文所用：
[0019] 术语"表观密度"指材料的质量除以其表观体积（即，包括内部空隙空间的体积）；
[0020] 术语"胶体"指其中尺寸大约10至10, 000埃的细分颗粒以防止其容易地过滤或 快速地沉降的方式分散于连续液体介质内的体系；
[0021] 术语"晶粒"指单个晶体或单晶材料中的单独的晶体，其中所述单独的晶体的晶格 是连续的并且直到其边缘都不间断，并且无内部晶界；
[0022] 术语"晶界"指晶粒的晶体结构中的缺陷，所述缺陷在多晶材料中两个晶粒或微晶 之间形成界面；
[0023] 除非另外指明，否则提及颗粒尺寸时用到的术语"目"指美国目尺寸，
[0024] 术语"非胶态"指不具有胶体的特征。
[0025] 术语"成形"指该形状是制造过程中根据预定形状有意成形的结果；
[0026] 提及表面时用到的术语"光滑"指除因用来制造其的制造过程所致的不规则引起 的那些外，该表面无不规则部分、粗糙或突出；
[0027] 术语"真密度"指排除材料中任何内部空隙体积外给定材料在给定的压力和温度 (例如，一个大气压力和25°C的温度）下确定的密度。
[0028] 表述"其中所述成形磨料颗粒符合标称的预定形状"指成形磨料颗粒的形状与预 期的（预定）标称形状基本上对应，这由其制备方法（例如，由模制、挤出或丝网印刷）决 定，从而允许在干燥、煅烧和烧结的过程中收缩以及由于过程变异性而可能发生的随机偏 差（例如，轻微的翘曲或缺陷）。
[0029] 有利地，当引入到例如呈盘和/或带的形式的涂覆、粘结和/或非织造磨料中时， 根据本公开的成形磨料颗粒可表现出优异的研磨特性。另外，甚至当成形磨料颗粒内的氧 化铝微结构（即，晶粒尺寸）粗化到显著高于约1-2微米范围（技术中公认的作为可用于 涂覆磨料和精密磨削应用的边界的晶粒尺寸水平）时，成形磨料颗粒的磨削特性也将基本 上保持。这与市售溶胶-凝胶衍生的成形磨料颗粒中的氧化铝微结构形成对比。
[0030] 有利地，根据本公开的磨料颗粒可使用比典型的溶胶-凝胶方法中使用的较便宜 的起始材料，同时取得基本上等同（或更好）的磨削性能。
[0031] 在考虑【具体实施方式】以及所附权利要求书之后，将进一步理解本公开的特征和优 点。
【附图说明】
[0032] 图1为根据本公开的示例性成形磨料颗粒100的示意性透视图。
[0033] 图2为根据本公开的示例性带涂层磨料制品200的示意性侧视图。
[0034] 图3为根据本公开的另一示例性带涂层磨料制品300的示意性侧视图。
[0035] 图4为根据本公开的示例性磨削轮400的示意性透视图。
[0036] 图5为根据本公开的示例性非织造磨料制品500的放大约100倍的示意图。
[0037] 图6为实例5的成形磨料颗粒的断裂面的扫描电子显微镜（SEM)显微照片。
[0038] 图7为在1550°C下烧制的实例6成形磨料晶粒的拐角的SEM显微照片。
[0039] 图8为在1575°C下烧制的实例6成形磨料晶粒的边缘的SEM显微照片。
[0040] 图9为实例8c的成形磨料颗粒的断裂面的SEM显微照片。
[0041] 图10为实例8e的成形磨料颗粒的断裂面的SEM显微照片。
[0042] 尽管上述附图示出了本公开的若干实施例，但是例如如讨论中所指出，还可以想 到其他实施例。在所有情况下，本公开都以示例性而非限制性方式展示。应当理解，本领域 的技术人员可以设计出大量其他修改和实施例，这些修改和实施例也在本公开的原理的范 围和实质内。附图可未按比例绘制。在所有附图中，相同参考标号可以用来表示相同部件。
【具体实施方式】
[0043] 根据本公开的成形磨料颗粒可根据多步方法使用包含非胶态固体颗粒和液体载 体的浆液来制备。通常，非胶态固体颗粒被悬浮在液体载体中；然而，具有一些非胶态固体 颗粒的沉降也是可接受的。非胶态固体颗粒中的至少一些包含α氧化铝或其前体中的至 少一者。在一些实施例中，非胶态固体颗粒包含α氧化铝颗粒、α氧化铝前体颗粒或它们 的组合。在一些实施例中，基本上全部（例如，至少95重量％或至少99重量％ )或全部的 非胶态固体颗粒包含α氧化铝颗粒、α氧化铝前体颗粒或它们的组合。
[0044] α氧化铝颗粒和非胶态α氧化铝前体颗粒单独地或两者都存在的话总共地可占 浆液的至少30体积％、35体积％、40体积％、50体积％或甚至至少55体积％。浆液可还包 含一种或多种任选的添加剂诸如一种或多种增稠剂、一种或多种触变剂、一种或多种分散 剂、一种或多种润湿剂、一种或多种消泡剂、一种或多种偶联剂、一种或多种改性剂或一种 或多种其前体、一种或多种成核剂、一种或多种胶溶剂和/或一种或多种脱模剂。可用的增 稠剂包括：一种或多种有机增稠剂，例如瓜尔胶、羧甲基纤维素钠和/或卡波姆；和无机增 稠剂，例如胶态勃姆石。
[0045] 改性添加剂可用于增强磨料颗粒的某些所需性质或提高后续烧结步骤的效果。改 性添加剂或改性添加剂的前体可呈微米尺度和亚微米尺度微粒、纳米胶体（即，纳米尺度 胶体）、可溶盐（通常水可溶盐）和不可溶盐的形式。它们通常由含金属的化合物构成，并 且可以是镁、锌、铁、娃、钴、镍、错、铪、络、?乙、镨、钐、镱、钕、镧、札、铺、镝、铒、钛的氧化物的 前体，以及上述项的混合物。此类添加剂的具体用量水平的确定在本领域普通技术人员的 能力范围内。
[0046] 适于包含在浆液中的成核剂可包括例如α氧化铝、α氧化铁或其前体、钛氧化物 和钛酸盐、铬氧化物的细粒，或将使所述转化成核的任何其它材料。如果使用，成核剂的量 通常应足以实现α氧化铝的转化。使α氧化铝前体分散体成核的方法公布于美国专利 4, 744, 802 (Schwabel)中。
[0047] 如果浆液中包含胶态勃姆石增稠剂，则胶溶剂可用于提供稳定性。合适的胶溶剂 包括单质子酸或酸化合物，诸如乙酸、盐酸、甲酸和硝酸。也可使用多质子酸，但它们可能使 浆液迅速胶凝，使得难以处理或难以将附加组分引到其中。
[0048] 在一些实施例中，非胶态固体颗粒包含α氧化铝颗粒。所述α氧化铝颗粒可为 例如破碎的或成形的。如本文所用，术语"α氧化铝颗粒"指包含α氧化铝的颗粒。在一 些实施例中，α氧化铝颗粒包含至少95重量％或至少99重量％的α氧化铝。在一些实 施例中，α氧化铝颗粒由α氧化铝组成。可用的α氧化铝颗粒可包含铝离子之外的金属 离子（例如，Fe 3+离子）。合适的α氧化铝的实例包括α氧化铝白刚玉和棕刚玉。
[0049] 在一些实施例中，非胶态固体颗粒包含α氧化铝前体颗粒。如本文所用，术语 "α氧化铝前体"指通过充分加热能够至少部分地（例如，完全地）转化为α氧化铝的除 α氧化铝之外的材料。合适的α氧化铝前体的实例包括勃姆石（γ-ΑΙΟ(ΟΗ))、水铝石 (α-ΑΙΟ(ΟΗ))、三羟铝石（即，Ci-Al(OH) 3)和水铝矿及其多晶型物（例如，督三水铝石和诺 三水铝石）。
[0050] 所述非胶态固体颗粒可以是单峰或多峰（例如，双峰）的。例如，非胶态固体颗粒 可具有双峰分布，其中约95%的非胶态固体颗粒可具有约0. 7微米的峰并且约5%的非胶 态固体颗粒具有约2-3微米的峰。
[0051] 与其中甚至适度水平的钠离子也往往显著地降低含钠离子的磨料颗粒的磨削性 能的传统溶胶-凝胶方法相比，有利地，根据本公开的方法和成形磨料颗粒耐受浆液组分 和所得成形磨料颗粒中适度水平的钠离子。例如，基于成形磨