烧结磨料颗粒、其制备方法以及包含烧结磨料颗粒的磨料制品的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开广义地涉及磨料颗粒及其制备和使用方法。
【背景技术】
[0002] 烧结磨料颗粒和包含烧结磨料颗粒的磨料制品可在产品制造过程中用于研磨、整 理或磨削多种材料和表面。多种已知磨料颗粒、熔凝磨料颗粒（例如，包括熔凝氧化铝、经 热处理的熔凝氧化铝和熔凝氧化铝-氧化锆）和烧结陶瓷磨料颗粒（包括溶胶-凝胶衍生 的烧结陶瓷磨料颗粒）被广泛用于磨料领域。
[0003] α氧化铝磨料颗粒为用于磨料行业的主要类别的磨料颗粒。通常通过将氧化铝 源（诸如铝矿石或矾土）以及其他期望添加剂装入加热炉，将材料加热至高于其熔点，将熔 体冷却以提供硬化块体，将硬化块体压碾成颗粒，并且然后对颗粒进行筛选和分级以提供 期望的磨料粒度分布来制备熔凝α氧化铝磨料颗粒。尽管熔凝α氧化铝磨料颗粒和熔凝 氧化铝-氧化锆磨料颗粒仍然广泛用于研磨应用（包括采用带涂层磨料制品和粘结磨料 制品的那些），但自大约20世纪80年代中期以来，用于许多研磨应用的首要磨料颗粒为溶 胶-凝胶衍生的α氧化铝颗粒（也称作烧结陶瓷α氧化铝颗粒）。
[0004] 溶胶-凝胶衍生的α氧化铝磨料颗粒可具有由非常精细的α氧化铝微晶（也称 为"α氧化铝晶粒"）组成的微观结构，其中存在或不存在添加的辅助相。通常通过干燥α 氧化铝前体（通常是但不一定是勃姆石）的水溶胶或凝胶以去除凝胶的水分，将干燥凝胶 打碎成用于磨料粗碾粉的具有期望尺寸的颗粒；任选地煅烧颗粒（通常在约400°C -800°C 的温度下）以形成过渡氧化铝（例如，γ氧化铝），并且然后在足够高的温度下烧结干燥且 已任选煅烧的颗粒以将它们转化成α氧化铝形式，来产生溶胶-凝胶衍生的氧化铝磨料。
[0005] 在溶胶-凝胶过程的一个实施例中，α氧化铝前体"接种"晶体结构与α氧化铝 自身的那些晶体结构相同并且晶格参数尽可能接近α氧化铝自身的晶格参数的材料。"晶 种"（成核剂）以尽可能细分的形式添加并且在整个溶胶或凝胶中均匀分散。其可以在开 始时添加或在原位形成。晶种的功能为在低于不存在晶种时所需温度的温度下使得α型 的转化在整个前体中均匀发生。该接种过程产生微晶结构，在该微晶结构中单个α氧化铝 晶粒（即，具有基本上相同的晶体学取向的那些区域通过高角度晶界与相邻的晶体分开） 的尺寸非常均匀并且直径基本上全部为亚微米级。合适的晶种包括α氧化铝本身和其他 化合物诸如α氧化铁、低价氧化络、钛酸镍，以及晶格参数充分类似于α氧化铝的晶格参 数的其他化合物，从而在低于不存在此类晶种时正常发生转化的温度的温度下能有效地由 前体生成α氧化铝。
[0006] 类似地，一种或多种α氧化铝晶体粒径改性剂（例如，形成金属氧化物的尖晶石） 也可添加到溶胶-凝胶，或浸渍到干燥的溶胶-凝胶颗粒或已煅烧颗粒中，以控制所得α 氧化铝磨料颗粒中的氧化铝晶粒的尺寸。
[0007] 然而，晶种和/或α氧化铝晶体粒径改性剂的使用为溶胶-凝胶过程增加了复杂 性和成本。
【发明内容】
[0008] 在一个方面，本公开提供一种制备烧结磨料颗粒的方法，该方法包括：
[0009] 使前体颗粒在一定条件下通过火焰，使得前体颗粒转化成烧结磨料颗粒，其中前 体颗粒包含已煅烧的α氧化铝前体，并且其中前体颗粒具有小于或等于500微米的平均粒 度。
[0010] 在另一方面，本公开提供具有蜂窝状微观结构的烧结磨料颗粒，其包含α氧化铝 的α氧化铝晶粒，α氧化铝晶粒的最大尺寸小于约3微米，其中烧结磨料颗粒具有小于或 等于500微米的平均粒度，并且其中烧结磨料颗粒基本上不含晶种粒子和α氧化铝粒径改 性剂。
[0011] 根据本公开制备的α氧化铝磨料颗粒可用于磨料制品。因此，在另一方面，本公 开提供一种包含粘结剂和多个磨料颗粒的磨料制品，其中烧结磨料颗粒的至少一部分为根 据本公开的α氧化铝磨料颗粒。
[0012] 有利地，根据本公开的方法提供在不依赖晶种粒子或α氧化铝晶体粒径改性剂 的情况下经由溶胶-凝胶过程形成α氧化铝磨料颗粒的途径，以提供具有小α氧化铝粒 度的高密度α氧化铝颗粒。此外，该方法通常是迅速的。
[0013] 如本文所用，术语"已煅烧的"意为在足够长的时间内加热到低于熔点的高温（例 如，650Γ )，以去除所吸附的和化学结合的（如水合物）水和其他挥发性化合物。
[0014] 如本文所用，术语"基本上不含"意为，基于重量，最多包含微量（例如，小于 0. 1 %、小于0.01 %、小于0.001 %或者甚至小于0.0001 % )或完全不含。
[0015] 如本文所用，应用于颗粒的术语"成形"意为该颗粒具有通过用于制备它的方法所 赋予的非随机形状，并且明确排除机械压碎的颗粒和/或研磨的颗粒。
[0016] 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】
[0017] 图1为示出根据本公开制备磨料颗粒的示例性方法的过程流程图。
[0018] 图2为包含根据本公开的磨料颗粒的带涂层磨料制品的局部示意性剖视图。
[0019] 图3为包含根据本公开的磨料颗粒的粘结磨料制品的透视图。
[0020] 图4为包含根据本公开的磨料颗粒的无纺磨料制品的放大示意图。
[0021] 图5为在实例1中产生的烧结磨料颗粒的扫描电子显微图。
[0022] 图6为在比较例A中产生的烧结磨料颗粒的扫描电子显微图。
[0023] 图7至图12分别为在实例2至实例7中产生的烧结磨料颗粒的扫描电子显微图。
[0024] 图13为在比较例B中产生的烧结磨料颗粒的扫描电子显微图。
[0025] 图14和图15分别为用于实例8和实例9的图像分析的标本的扫描电子显微图。
[0026] 在说明书和附图中重复使用的参考符号旨在表示本公开相同或类似的特征或元 件。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，这些修改和实施例在 本公开原理的范围和实质内。附图可以不按比例绘制。
【具体实施方式】
[0027] 在本公开的一个实施例中，包含已煅烧的α氧化铝前体的前体颗粒在一定条件 下通过火焰，使得前体颗粒转化成烧结磨料颗粒。现在参考图1所示的示例性过程100,已 煅烧的前体颗粒110穿过喷嘴120落下，从而在开口 170处离开并进入火焰130中，其中发 生已煅烧前体颗粒110到磨料颗粒140的转化。烧结磨料颗粒140在密封容器160的底部 处被收集。火焰130通过燃料入口 132和氧气入口 134送入。氩气通过氩气入口 136引入 并且用于加快已煅烧前体颗粒110穿过喷嘴120的速度。
[0028] 所得的磨料颗粒具有由烧结α氧化铝晶粒形成的蜂窝状微观结构。尽管这并非 要求，但α氧化铝晶粒通常具有小尺寸。在一些实施例中，蜂窝状微观结构包含α氧化铝 晶粒，该α氧化铝晶粒的最大尺寸小于约3微米、小于约2. 5微米，甚至小于约2微米。
[0029] 即使本公开的方法通常涉及大约1秒或更短的火焰接触时间（这一点无要求），但 所得的烧结磨料颗粒可具有低孔隙率。例如，烧结磨料颗粒可具有包含α氧化铝的蜂窝状 微观结构，其中α氧化铝具有小于或等于5%的面积孔隙率，如在高倍放大（例如，10, 000 倍放大）的情况下使用烧结磨料颗粒的横截面的图像分析所测得。
[0030] 例如，烧结磨料颗粒可具有以下面积孔隙率：小于或等于4. 5%、小于或等于4%、 小于或等于3. 5 %、小于或等于3 %、小于或等于2. 5 %、小于或等于1 %、小于或等于0. 5 %、 或甚至小于或等于0.1%。这是意料之外的，因为由具有能与之相比的孔隙率的α氧化铝 前体颗粒形成α氧化铝基颗粒的常规过程通常涉及在几十分钟至几十个小时的范围内的 加热时间。
[0031] 面积孔隙率可使用常规技术进行确定，所述技术为诸如例如，使用可 购自马里兰州贝塞斯达的美国国家卫生研究院（u. S. National Institute of Health, Bethesda, Maryland)的 ImageJ 软件。使用高倍放大（例如，从 2, OOOX 至 10, OOOX 的放大倍数）下的场发射扫描电镜利用反散射电子，对烧结磨料颗粒的随机横截面进行独 立成像。由于相对高的放大倍数，因此在磨料颗粒的横截面表面中的每个上来选择随机区 域。随后使用ImageJ图像分析软件对图像进行分析。数据通过以下方式获得：手动测量各 个暴露空隙的面积并将这些单孔面积测量值合并以获得每个图像的总空隙面积，然后将该 值除以总视野区域面积，以获得面积孔隙率（即，基于面积确定的孔隙率）。可使用常规的 统计方法（例如，关于测量值和样品的数目）来确定孔隙率。
[0032] 前体颗粒包含已煅烧的α氧化铝前体。可煅烧的α氧化铝前体的示例包括：过 渡氧化铝（例如，勃姆石、水铝石、水铝矿、三羟铝石、新三水铝石）；铝盐和复合物，诸如例 如碱性羧酸铝（例如，具有通式Al (OH)y (羧酸盐）3 y的碱性羧酸铝，其中y在1至2之间， 优选地在1至1. 5之间，并且羧酸根抗衡离子选自以下各项组成的组：甲酸盐、乙酸盐、丙酸 盐和草酸盐，或这些羧酸盐、甲醛乙酸铝和硝基甲醛乙酸铝组合）；碱性硝酸铝；部分水解 铝醇盐；以及它们的组合。碱性羧酸铝可通过在羧酸溶液中煮解铝金属来制备，如在美国专 利3, 957, 598 (Merkl)中所述。碱性硝酸铝也可通过在硝酸溶液中煮解铝金属来制备，如在 美国专利3, 340, 205 (Hayes等人）或英国专利1，193, 258 (Fletcher等人）中所述，或者通 过硝酸铝的热分解来制备，如在美国专利2, 127, 504 (Derr等人）中所述。这些材料也可通 过将铝盐用碱部分中和而制备。碱性硝酸铝具有通式Al (OH) z(N03)3 z，其中z为约0. 5至 2. 5〇
[0033] 合适的勃姆石包括，例如可从新泽西州弗洛勒姆帕克的BASF公司 (BASF Corp. ,Florham Park, New Jersey)商购获得的商品名为 "HIQ"（例如， "HIQ-9015"）的那些，和可从德克萨斯州休斯敦市的萨索尔北美公司（Sasol North America, Houston, Texas)商购获得的商品名为 "DISPERAL"、"DISPAL" 和 "CATAPAL D" 的 那些。这些勃姆石或一水合氧化铝为α型，并且如果有的话，包括相对少的除一水合物之 外的水合相（尽管在一些商业等级的勃姆石中可存在非常少量的三水合物杂质，这是可以 容许的）。它们在水中具有低的溶解度并具有高的表面积（通常至少约180平方米/克）。 优选地勃姆石的平均微晶尺寸小于约20纳米（更优选地小于12纳米）。在该上下文中， "微晶尺寸"通过120和031χ射线反射来确定。
[0034] 前体颗粒可包含水和/或有机溶剂，特别是如果前体颗粒由溶胶或凝胶形成或者 包含在浆液内。有利地，挥发性组分（例如，水和/或有机溶剂）的含量被最小化，以便避免 挥发性组分的爆炸性挥发，爆炸性挥发在前体颗粒与火焰接触时导致其损坏或破坏。尽管 这并非要求，但此类挥发性组分在前体颗粒中的含量优选地小于前体颗粒的约10重量％、 小于约5重量％，或者甚至小于约1重量％。
[0035] 在一些实施例中，前体颗粒包含压碎的过渡氧化铝颗粒。在一些实施例中，前体颗 粒由包含α氧化铝前体的溶胶-凝胶组合物形成，例如，如上所述。例如可通过诸如挤压 (切割成一定长度）、丝网印刷到可剥离衬片上或填充模具腔体的工艺，将溶胶-凝胶组合 物形成为颗粒。其中，通常后者为优选的。如本文所用，术语"溶胶-凝胶组合物"是指固 体颗粒在液体中的胶态分散，该胶态分散在加热一段时间后形成固体颗粒的三维网络，或 者去除一些液体。在一些情况下，可通过添加多价金属离子来诱导凝胶形成。
[0036] 在涉及溶胶-凝胶组合物的