涂覆磨料制品及其制备方法
【技术领域】
[0001 ]本公开广义地涉及涂覆磨料制品及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 涂覆磨料制品一般包括固定至背衬的磨料层。背衬通常在其相对侧上具有两个主 表面。磨料层一般包括由至少一个粘结剂基质保持的磨料颗粒。在一种特定类型的涂覆磨 料制品（也称为"结构化磨料制品"）中，磨料层包括多个成形磨料复合物。每个成形磨料复 合物(例如，锥体)包括保持在粘结剂基质中的磨料颗粒。
[0003] 在许多结构化磨料制品中，成形磨料复合物具有界限清晰的几何形状，诸如例如 三面锥体或截锥体，或四面柱或六面柱。这些类型的结构化磨料制品已经可商购获得多年； 例如以商品名"TRIZACT"购自明尼苏达州圣保罗市的3M公司（3M Company, Saint Paul, Minnesota)。这些结构化磨料制品通常通过以下方式制造:将磨料颗粒与可固化粘结剂基 质前体的浆液浇注到生产工具的腔中，之后将背衬层合到生产工具的模具表面，固化粘结 剂基质前体，以及将生产工具与所得结构化磨料制品分离。通过这种方法制得的磨料复合 物当在高放大率下观察时通常具有光滑表面，这是因为它们在固化之前被模制，并且一直 以来被称为"精确成形的"。因此，磨料颗粒被内埋在粘结剂基质内，从而导致初始切削率降 低，并且在实现最佳研磨性能之前通常需要磨合期。
[0004] 在一个方法中，在美国专利8,444,458(Culler等人）中描述的磨料制品，诸如结构 化磨料制品，可通过经受等离子体而被处理，由此使研磨表面能够被侵蚀，以暴露分散于交 联粘结剂内的磨料颗粒的至少一部分，从而形成磨料复合物。根据等离子体处理的工艺条 件，可以从研磨表面上仅侵蚀一小部分交联粘结剂或侵蚀基本上所有的交联粘结剂。由于 可以精确控制暴露磨料颗粒的暴露程度、高度或区域，磨料制品的初始切削率是可以控制 的。
[0005] 然而，等离子体蚀刻是相对复杂且昂贵的方法，并且当对卷状物品进行时其通常 最适合于均匀（即，无遮掩)暴露。仍然需要用于控制初始切削率的另选方法。
【发明内容】
[0006] 本公开提供一种用于影响结构化磨料制品的切削率的另选方法。该方法可在制造 期间、转换加工期间或转换加工之后，使用普遍可用的激光设备便利地进行，并且一般适用 于结构化磨料制品。
[0007] 在一个方面，本公开提供一种制备涂覆磨料制品的方法，该方法包括：
[0008] 提供结构化磨料制品，该结构化磨料制品包括：
[0009] 具有相对的第一主表面和第二主表面的背衬;和
[0010] 固定至背衬的第一主表面的磨料层，磨料层包括固定至背衬的第一主表面的磨料 复合物，磨料层具有与背衬的第二主表面相对的研磨表面，其中磨料复合物包括保持在粘 结剂基质中的磨料颗粒，并且其中研磨表面在背衬的第一主表面上具有第一投影面积；以 及
[0011]使研磨表面的一部分与激光束接触以在研磨表面中提供至少一个微孔表面区域， 其中微孔表面区域的大部分包括粘结剂基质，其中该至少一个微孔表面区域的表面粗糙度 大于研磨表面的紧邻该至少一个微孔表面区域的部分，其中该至少一个微孔表面区域沿垂 直于第一主表面的方向在第一主表面上的投影在背衬的第一主表面上具有第二投影面积， 并且其中第二投影面积与第一投影面积的比率为0.15至0.90,包括端值在内。
[0012] 在另一方面，本公开提供一种涂覆磨料制品，该涂覆磨料制品包括：
[0013] 具有相对的第一主表面和第二主表面的背衬；
[0014] 固定至背衬的第一主表面的磨料层，磨料层包括固定至背衬的第一主表面的磨料 复合物，磨料层具有与背衬的第二主表面相对的研磨表面，其中研磨表面沿垂直于第一主 表面的方向在第一主表面上的投影对应于背衬的第一主表面上的第一投影面积，其中磨料 复合物包括保持在粘结剂基质中的磨料颗粒;并且
[0015] 其中研磨表面包括至少一个微孔表面区域，其中微孔表面区域的大部分包括粘结 剂基质，其中该至少一个微孔表面区域的表面粗糙度大于研磨表面的紧邻该至少一个微孔 表面区域的部分，其中该至少一个微孔表面区域沿垂直于第一主表面的方向在第一主表面 上的投影在背衬的第一主表面上具有第二投影面积，并且其中第二投影面积与第一投影面 积的比率为〇. 15至0.90，包括端值在内。
[0016] 根据本公开制备的所得激光处理的涂覆磨料制品可以用于例如研磨工件，并且可 以表现出相比于未改进形式的相同研磨制品的改善的初始切削。
[0017] 如本文所用，关于成形磨料复合物的"紧密堆积的"意指除了在磨料层或模具的周 边这些显然不可能的地方外，每个成形(例如，锥形或截锥形)磨料复合物的底部(或用于制 备磨料复合物的生产工具中的每个对应腔的开口）沿其整个周长邻接相邻的成形磨料复合 物(或腔）。
[0018] 如本文所用，关于成形磨料复合物的"激光处理"意指成形磨料复合物已与适当波 长的激光束接触，该激光束的强度和持续时间足以移除成形磨料复合物的一部分(例如，通 过蒸发或就磨料颗粒而言通过喷射）。
[0019]如本文所用，术语"微孔表面区域"是指具有约0.5至20微米的尺寸的紧密堆积的 孔和/或裂缝的表面区域。
[0020] 如本文所用，"精确成形的磨料复合物"由置于模具腔中的研磨浆液形成，该研磨 浆液在从模具中取出之前被至少部分地固化。与制备成形磨料复合物的卷筒纸凹版印刷或 压印方法不同，模制/或部分固化方法制备的成形磨料复合物具有显著更好的形状保持性、 边缘轮廓以及具有大体上复制模具表面的表面或形状，通过成形磨料复合物在置于模具中 时被至少部分地固化来大体上复制模具表面。由于制造误差而具有形状缺陷(例如，包含气 泡)的成形磨料复合物也包括在此术语中。
[0021] 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】
[0022] 图IA是根据本公开的示例性涂覆磨料制品100的示意透视图；
[0023] 图IB是图IA中的区域IB的放大视图；
[0024] 图IC是涂覆磨料制品100沿平面1C-1C的剖视图；
[0025] 图ID是图IA中的区域ID的放大视图，其示出如何计算研磨表面及其粗糙部分的投 影面积；
[0026]图2是实例2的涂覆磨料制品在50X放大率下的显微照片；
[0027]图3是实例5的涂覆磨料制品在50X放大率下的显微照片；
[0028]图4是实例13的涂覆磨料制品在50X放大率下的显微照片；
[0029]图5是实例15的涂覆磨料制品在100X放大率下的显微照片；
[0030]图6是实例18的涂覆磨料制品在50X放大率下的显微照片；
[0031]图7是实例20的涂覆磨料制品在300X放大率下的显微照片；
[0032]图8是实例20的涂覆磨料制品在1000X放大率下的显微照片;并且 [0033]图9是实例20的涂覆磨料制品在1500X放大率下的显微照片。
[0034] 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设计出落入本公开原理的范围和实质内的许多其他修 改和实施例。附图可能未按比例绘制。
【具体实施方式】
[0035] 本公开涉及一种改善结构化磨料制品的初始切削特性的方法，该方法可易于进行 而不需要再形成磨料产品。简而言之，本发明人已发现，通过激光处理结构化磨料制品的大 部分表面，可以实现显著改善的初始切削（增加的材料移除）。
[0036] 根据该方法，激光束被引导到结构化磨料制品的研磨表面，该激光束的时间和强 度足以修改研磨层。通常，激光束的能量密度应足以使粘结剂基质蒸发和/或致使粘结剂基 质溶体流动。这继而导致不再由粘结剂基质牢固地保持的磨料颗粒的损失。通常该过程伴 有研磨表面处的材料的损失（即，材料移除）以及结构化磨料制品的对应重量损失。
[0037] 合适的激光器包括例如红外激光器、可见光激光器和紫外激光器。激光器可具有 可调谐的或固定的波长和/或脉冲或连续波(CW)。足够功率的红外激光器的示例包括二氧 化碳(CO 2)激光器。在红外波长范围内工作的其他激光器包括例如固态晶体激光器(例如， 红宝石、Nd/YAG)、化学激光器、一氧化碳激光器、纤维激光器和固态激光二极管。通常，脉冲 红外激光器(例如，包括超快脉冲激光器)为高效率的，因为它们通常比平均功率输出相同 的连续波红外激光器提供更高的峰值辐照度。CO 2激光器是继二极管激光器之后第二便宜 的红外激光光子源，并且其比另选的紫外激光器便宜很多。
[0038]为了提供快速处理，本公开的实施过程中使用的一个或多个红外激光束通常具有 至少60瓦特(W)的平均功率;例如70W、80W、90W或更高。同样，红外激光束在待被切削的基底 处的横截面（即，点尺寸)有利地非常小。例如，红外激光束可聚焦于点（红外激光束在该点 处与涂覆磨料制品接触），使得强度为平均光束强度至少一半的点的总共全部部分具有小 于或等于0.3平方毫米(mm 2)、小于约0.1 mm2或甚至小于0.Olmm2的面积，但也可以使用更小 或更大的点尺寸。使用上述条件，通常可以按至少10毫米/秒(mm/s)或甚至至少20mm/s的行 进速率（g卩，光束跨基底扫描的速率)实现良好的表面粗糙化以便制备微孔区域，但也可以 使用较慢的行进速率。
[0039] 可使用单一的激光束行进路线或多条重叠的行进路线来实现磨料层的激光处理。 可以同时或按顺序使用多个激光束。如果使用多个激光束，则它们可以具有相同或不同的 波长。在一个实施例中，用红外激光束按顺序移除涂覆磨料制品的各个部件，每个激光束被 调谐至相应部件(例如，背衬和磨料层)的吸收带。在另一个实施例中，用多个红外激光束同 时移除涂覆磨料制品的各个组件，其中每个激光束被调谐至涂覆磨料制品的相应组件(例 如，背衬和磨料层)的吸收带。
[0040] 例如，如果存在附加部件，则也可以使用附加红外激光器。如果使用多个红外激光 束，则它们的行进路线通常应是重叠的，以实现最大的有益效果，但这不是必要条件。
[0041]磨料层对激光束的吸收可涉及单光子吸收或多光子吸收（即，非线性吸收）。通常， 吸收为单光子吸收。
[0042]尽管并非必要，但优选的是支撑结构化磨料层的背衬对激光束不具有高度吸收 性，以使对背衬的损坏降到最低程度。这可以例如通过选择激光、选择背衬、在粘结剂基质 中包括一种或多种吸收剂或它们的组合来实现。
[0043] 激光束通常任选地被导向或扫描和调制，以形成微孔区域的所需图案。可以将激 光束导向通过一个或多个反射镜(例如旋转镜和/或扫描镜)和/或透镜的组合。另选地或除 此之外，可相对于激光束移动基底。在另一种构型中，聚焦元件可相对于幅材(例如，沿X、Y、 Ζ、α或Θ方向中的一者或多者)移动。激光束可以相对于磨料层的表面(例如上表面）的入射 角进行扫描。例如，入射角可以是90° (即，垂直于磨料层）、85°、83°、80°、70°、60°、50°、45° 或甚至更小。
[0044] 用于制备根据本公开的涂覆磨料制品的最佳激光操作条件可根据所选的结构化 磨料制品而改变(例如，矿物质负载和激光频率下的吸光度通常可改变），但可易于通过调 整激光束强度和/或行进速率针对给定的照射图案来确定最佳激光操作条件。
[0045] 为了使背衬寿命长并且防止背衬损坏，激光处理条件优选地被调整来提供用于在 研磨表面上产生一个或多个微孔表面区域的约最小量的能量。例如，磨料复合物高度的减 小可小于30%，优选地小于20%，并且更优选地小于10%，然而这不是必需的。
[0046] 用于转换加工磨料制品的激光器在一些实施例中是优选