专利名称：成形磨粒以及制备方法
成形磨粒以及制备方法背景技术
磨粒和由磨粒制造的磨料制品可用于在产品制造过程中研磨、磨光或磨削多种材料和表面。因此，一直存在对磨粒和/或磨料制品的成本、性能或寿命进行改善的需求。
三角形成形磨粒和使用三角形成形磨粒制造的磨料制品公开于授予Berg的第5，201,916号美国专利中；授予Rowenhorst的第5，366，523号美国专利中(Re.35，570)；以及授予Berg的第5，984，988号美国专利中。在一个实施例中，磨粒的形状包括等边三角形。三角形成形磨粒可用于制造能够增大切削速率的磨料制品。发明内容
成形磨粒通常能够具有优于随机粉碎的磨粒的性能。通过控制磨粒的形状，可以控制磨料制品的所得性能。为了在使用成形磨粒研磨工件时降低切削率并提高光洁度，需要尺寸较小的成形磨粒。为了在制造成形磨粒时经济地进行大量生产，以商业数量制备的成形磨粒通常不是在炉中，而是在回转窑中煅烧和烧结的。回转窑通常具有相对于沿着回转窑的斜坡向下行进的磨粒而逆向流动的热空气流。当成形磨粒变得越来越小时，回转窑内的空气流能够阻止其穿过回转窑前进，从而减慢在回转窑内的正常停留时间，或甚至收集成形磨粒并使其与烧结过程中产生的气体挥发物一起排出。当成形磨粒变得太小时，最终没有任何成形磨粒离开回转窑，它们全都留在窑内，或者与气体挥发物一起排出。
发明人已确定，要解决该问题，必须用易碎的支承体将成形磨粒彼此暂时连接起来，以便形成包含单独形成的成形磨粒的较大磨片。由于它们的尺寸较大，所以这些较大磨片能够容易地穿过回转窑，而不会有上述问题，然后可以通过机械操作将被烧结的磨片破碎成单独的成形磨粒。易碎的支承体可以是基本上连续的包围成形磨粒的薄纤维网或将每个成形磨粒连接到下一个成形磨粒的不连续的粘柱。通过控制易碎支承体的厚度，能够控制它的断裂韧度，从而能够使被烧结的磨片破裂成单独的成形磨粒。
因此，在一个实施例中，本发明属于制备成形磨粒的方法，该方法包括:形成包括多个成形磨粒前体和易碎支承体的磨片，其中易碎支承体将成形磨粒前体连接在一起；输送磨片穿过回转窑，以烧结磨片；以及将被烧结的磨片破碎成单独的成形磨粒。
在另一个实施例中，本发明属于包括多个成形磨粒和将成形磨粒连接在一起的易碎支承体的烧结的磨片。
在另一个实施例中，本发明属于具有磨料行业指定的标称等级或标称筛分等级的多个成形磨粒，其中每个成形磨粒包括附接到成形磨粒上的易碎支承体的破裂表面。
本领域的普通技术人员应当了解，本发明的讨论仅是针对示例性实施例的描述，其并不旨在限制本发明的更广泛的方面，其中更广泛的方面体现在示例性构造中。
图1为包括成形磨粒和易碎支承体的烧结的磨片的显微照片。
图2为包括成形磨粒和易碎支承体的烧结的磨片的示意图。
图3为机械破碎易碎支承体之后搁置在筛网上的单独的成形磨粒的照片。
图4为成形磨粒的照片，其中易碎支承体的一部分保持附接到成形磨粒上。
图5A和5B为成形磨粒的另一个实施例的示意图。
在说明书和附图中重复使用的参考标号旨在表示本发明相同或类似的特征或元件。
定义
如本文所用，词语“包含”、“具有”和“包括”在法律上是具有等同含义的开放型术语。因此，除了列举的元件、功能、步骤或限制之外，还可以有其他未列举的元件、功能、步骤或限制。
如本文所用，术语“磨料分散体”意指可转化为引入到模具腔体中的α -氧化铝的α-氧化铝前体。可将该组合物称为磨料分散体，直到足量的挥发性组分被移除进而使磨料分散体固化为止。
如本文所用，“磨片”是指通过易碎支承体连接在一起的多个成形磨粒前体的未烧结结构，而“烧结的磨片”是指烧结后包括通过易碎支承体连接在一起的多个成形磨粒的结构。
如本文所用，术语“成形磨粒前体”意指通过从磨料分散体(当其位于模具腔体中时)移除足量的挥发性组分以形成固化体的方式所产生的未烧结颗粒，该固化体能够从模具腔体移除，并且在后续处理操作中基本上保持其模制形状。
如本文所用，术语“成形磨粒”是指陶瓷磨粒，其中磨粒的至少一部分具有预定的形状。通常该形状由用于形成成形磨粒前体的模具腔体复制而成。除了磨料碎片(例如，如美国专利申请第12/336877号中所述的)的情形之外，成形磨粒通常会具有预定几何形状，该预定几何形状基本上复制了用来形成成形磨粒的模具腔体。模具腔体能驻留在压花辊的表面上或被容纳在柔性带或制备模具内。或者，能够通过用激光束自干燥的溶胶-凝胶的片材精确地切割出所需几何形状的成形磨粒。
具体实施方式
烧结的磨片
参见图1，图中示出了包括成形磨粒12和易碎支承体14的烧结的磨片10。烧结的磨片、成形磨粒和易碎支承体包括陶瓷。在一个实施例中，陶瓷能够包括由羟基氧化铝或铝一水合物的分散体制成的α -氧化铝颗粒，具体制备方式为将该分散体胶凝、模制成具体形状，然后干燥形成包括成形磨粒前体的磨片、煅烧并且烧结，如本文之后所述。
为了有效地通过回转窑处理磨片，烧结的磨片的最大尺寸应大于或等于0.50、0.60或0.70_。当磨片的尺寸变得较大时，更容易通过回转窑对其进行处理，而不会受窑内空气流的过度影响或甚至不会由于磨片具有太小的质量而粘到窑的内部上。然而，大磨片易于发生溶胶-凝胶开裂(龟裂)，因此它们的最大尺寸具有一定程度的自限性。在一些实施例中，烧结的磨片具有2cm或更小的最大尺寸。在本发明的实施例中，烧结的磨片的尺寸可以使得它们不会穿过符合ASTM E-11、筛孔尺寸为18、16、14或更小尺寸网目的美国标准试验筛并保留在筛内。
在本发明的其他实施例中，烧结的磨片的平均质量可以大于或等于7 X 10_3g、大于或等于9X 10_3g，或大于或等于11 X 10_3g。可以通过称量100个单独的烧结的磨片并取结果的平均值来确定烧结的磨片的平均质量。发明人已确定，当制备平均质量小于9X 10_3g的单独的成形磨粒时，加工效率开始降低并且在回转窑中烧结时开始出现成形磨粒的损耗。
当与易碎支承体分离后的成形磨粒的总体尺寸(定义为穿过筛网的最小尺寸)小于或等于0.70,0.60或0.50mm并大于0.0mm时，通过回转窑加工磨片的方法尤其有效。当成形磨粒的尺寸变得较大时，无需将若干颗粒互连就能有效地在回转窑中烧结颗粒。一旦尺寸大到足以烧结单独的颗粒，就更容易直接进行烧结，而不需要增加在烧结之前将成形磨粒前体互连以及在烧结之后分离成形磨粒的处理步骤。在本发明的实施例中，在分离之后，成形磨粒的尺寸适于穿过符合ASTM E-11、筛孔尺寸为18、20、25或更大尺寸网目的美国标准试验筛，并且不会保留在筛内。
在本发明的其他实施例中，分离之后，成形磨粒的平均质量可以小于或等于5 X 10_3g、小于或等于7 X 10_3g，或小于或等于9 X 10_3g。可以通过称量100个单独的成形磨粒并取结果的平均值来确定成形磨粒的平均质量。在图3和4所示的实施例中，成形磨粒具有9X10_5g的平均质量。
根据上述尺寸范围，通常每个磨片或烧结的磨片将包含大约2至1000个、或5至100个、或5至50个用易碎支承体保持在一起的成形磨粒前体或成形磨粒。在多个实施例中，易碎支承体将包括将每个成形磨粒的边缘连接到下一个上的连续纤维网或凸缘，如图1中最佳所示。为了防止成形磨粒在烧结过程中分离，但仍允许颗粒在烧结后易于分离，应当控制连续纤维网的厚度。具体地讲，连接各个成形磨粒前体或成形磨粒的连续纤维网的厚度应为0.03至0.15mm、或0.01至0.20mm、或0.005至0.25mm (在煅烧或烧结之前的未煅烧状态下测得)，或在烧结后为2至150 μ m、5至100 μ m或10至50 μ m。如果厚度太小，那么磨片会在处理过程中过早分离为成形磨粒前体。如果厚度太大，那么在试图将成形磨粒与连续纤维网分离时会使成形磨粒损坏或破碎，或者将极其难以使成形磨粒与易碎支承体分离。
在一些实施例中，易碎支承体将包括一个或多个粘柱16，粘柱将相邻的成形磨粒12彼此连接，使得磨片10包括被多个粘柱彼此连接的多个成形磨粒，如图2所示。虽然粘柱能够位于成形磨粒上的任何地方，但通常它们将沿着成形磨粒的边缘设置，而不在边缘相交的顶点处，如图2所示。将粘柱设置在顶点处会对磨削性能造成影响，因为使用过程中成形磨粒的顶点通常为初始切削点。因此，希望将此模制成具体的切削轮廓，并且在该位置处不存在不受控制的破裂表面。通常，烧结的磨片或磨片中的每个成形磨粒或成形磨粒前体将包括将成形磨粒连接到磨片中周围的成形磨粒上的2至20个粘柱，或2至10个粘柱。
通常当毗邻单独颗粒的易碎支承体的面积减小时，粘柱的厚度将大于连续纤维网的厚度；然而，这不是必需的。当输送通过窑炉时，离散粘柱位置处的较大粘柱厚度能够有助于保持成形磨粒彼此附接。具体地讲，粘柱的厚度能够为0.03至0.15mm、或0.01至0.20mm、或0.005至0.25mm (在煅烧或烧结之前的未煅烧状态下测得)，或在烧结后为2至150 μ m、5至100 μ m或10至50 μ m。如果厚度太小,那么磨片会在处理过程中过早分离为成形磨粒前体。如果厚度太大，那么在试图将成形磨粒与粘柱分离时会使成形磨粒损坏或破碎。
粘柱沿着边缘的宽度可以显著不同，因为当它们变得较宽时，一个粘柱几乎接触下一个相邻的粘柱，从而接近连续纤维网。然而，通常粘柱将具有等于或小于50%、40%、30%、20%或10%的覆盖百分比(用所有粘柱沿着侧边的总距离除以侧边长度再乘以100计算而得)。减小单独粘柱的宽度使得在烧结之后一旦将成形磨粒分离，就能够获得具有较小破裂表面积的更干净的边缘。这通常将形成较为锋利的成形磨粒。在一些实施例中，当制备非常小的成形磨粒并且粘柱没有从成形磨粒的边缘上干净地断裂时，粘柱会妨碍光洁度。
成形磨粒
参见图5A和5b，在一个实施例中，与易碎支承体分离后的成形磨粒可以包括具有第一主表面24和第二主表面26并具有厚度T的薄体。在一些实施例中，厚度T介于约5微米至约I毫米之间。成形磨粒可以具有均一的厚度，或者成形磨粒的厚度可以逐渐变小或有差别。在一些实施例中，第一主表面24和第二主表面26通过至少一个侧壁22彼此相互连接，侧壁22可以是斜侧壁，其具有第二主表面26与侧壁22之间的非90度的拔模角α。在一些实施例中，可能存在不止一个斜侧壁22，并且每个斜侧壁22的斜率或角度可以是相同或不同的，如2008年12月17日提交的编号为12/337,075的名称为“Shaped AbrasiveParticles With A Sloping Sidewall”(具有倾斜侧壁的成形磨粒)的待审美国专利申请中更详尽的描述。在其他实施例中，侧壁22可以与第一主表面24和第二主表面26以90度的角度相交。
第一和第二主表面(24，26)包括选定的几何形状，例如圆形、椭圆形、三角形、四边形(矩形、正方形、梯形、菱形、长菱形、风筝形、超椭圆形)，或其他多边的几何形状(五边形、六边形、八边形等)。或者，第一和第二主表面(24，26)可包括不规则的、重复的形状(由模具腔体复制)，或者将线段与弧形段结合起来以形成轮廓或周长的形状。根据拔模角α，每个成形磨粒的第一和第二主表面的面积可以是相同或不同的。在多个实施例中，成形磨粒包括棱柱(90度的拔模角)或截棱锥(不等于90度的拔模角)，例如，暂举几例，三角形棱柱、截顶的三角形棱锥、菱形棱柱，或截顶的菱形棱锥。
在本发明的各种实施例中，拔模角α可介于约90度至约135度之间、或介于约95度至约130度之间、或介于约95度至约125度之间、或介于约95度至约120度之间、或介于约95度至约115度之间、或介于约95度至约110度之间、或介于约95度至约105度之间、或介于约95度至约100度之间。如提交于2008年12月17日的编号为12/337，075的名称为 “Shaped Abrasive Particles With A Sloping Sidewall”(具有倾斜侧壁的成形磨粒)的美国专利申请中所讨论的，已发现，特定范围的拔模角α使由具有倾斜侧壁的成形磨粒制成的带涂层磨料制品在磨削性能方面得到意想不到的提高。具体地讲，已发现98度、120度或135度的拔模角与90度的拔模角相比具有改善的磨削性能。如见于编号为12/337，075的美国专利申请的图6和图7中，磨削性能的改善在98度或120度的拔模角中尤其显著。
在本发明的多个实施例中，成形磨粒20可以包括另外的特征。在一些实施例中，第一主表面24基本上是平坦的，第二主表面26基本上是平坦的，或二者都基本上是平坦的。或者，如提交于2008年12月17日的编号为12/336,961的名称为“Dish-ShapedAbrasive Particles With A Recessed Surface”(具有凹面的碟形磨粒)的共同待审的美国专利申请中更详细地讨论的，一个侧面可以是凹的或凹陷的。如在编号为12/336,961的美国专利申请中讨论的，当溶胶-凝胶仍处于模具腔体中时，能够选择干燥条件，使得倾向于将溶胶-凝胶的边缘沿模具的侧壁向上芯吸，形成弯液面，进而形成凹的或凹陷的表面。在一些应用中，类似于空边凿刀，凹面可有助于提高切削性能。
另夕卜，如提交于2008年12月17日的编号为12/337，112的名称为“ShapedAbrasive Particles With An Opening”(带开口的成形磨粒)的共同待审的美国专利申请中更详细地讨论的，在成形磨粒中可能存在穿过第一主表面24和第二主表面26的一个或多个开口。贯穿成形磨粒的开口可以减小成形磨粒的体积密度，从而在通常需要提高孔隙度的一些应用(例如砂轮)中提高所得研磨制品的孔隙度。或者，开口也可以通过将颗粒更牢固地锚入复胶层中来减少脱落，或者可以充当助磨剂的载体。可通过选择干燥条件以使得可加大上文所讨论的弯液面现象来在成形磨粒中形成开口，或者通过制造一种模具来在成形磨粒中形成开口，该模具具有从该模具表面延伸出的一个或多个柱体。在编号为12/337，112的美国专利申请中讨论了带开口的成形磨粒的制作方法。
另外，如提交于2009年11月30日的编号为12/627，567的名称为“ShapedAbrasive Particles With Grooves”(具有凹槽的成形磨粒)的共同待审的美国专利申请中所述，成形磨粒可以在第一或第二主表面上具有多个凹槽。所述凹槽由在模具腔体的表面中的多个脊形成，已发现该多个脊使得从模具中移除成形磨粒前体变得更容易。据信，具有三角形截面的脊充当在干燥条件下将成形磨粒前体从模具底表面提离的楔条，所述干燥条件促进溶胶-凝胶驻留在模具腔体中时的收缩。
另一种合适的成形磨粒公开于2009年12月2日提交的编号为61/266，000、名称为“Dual Tapered Shaped Abrasive Particles”(双维形成形磨粒)的美国临时专利申请中。这些成形磨粒具有第一侧面、第二侧面、沿着纵向轴线的最大长度和横向于纵向轴线的最大宽度。第一侧面包括具有四条边和四个顶点的四边形，该四边形选自菱形、长菱形、风筝形或超椭圆形。第二侧面包括形成棱锥的顶点和四个面。最大长度与最大宽度的长宽比为1.3或更大。图4中示出了此类成形磨粒的例子。
参见图4，与易碎支承体分离后的成形磨粒具有破裂表面。在图4所示的实施例中，破裂表面位于从成形磨粒边缘延伸的凸缘或遮板上。为了防止成形磨粒在烧结过程中分离，但仍允许颗粒在烧结后易于分离，应当控制凸缘或遮板的厚度。具体地讲，凸缘或遮板的厚度应当为0.03至0.15mm、或0.01至0.20mm、或0.005至0.25mm (在煅烧或烧结之前的未煅烧状态下测得)，或在烧结后为2至150 μ m、5至100 μ m或10至50 μ m。
成形磨粒20还可以具有表面涂层。已知表面涂层可以用于改善磨料制品中抛光剂和粘结剂之间的粘附力，或可用于有助于成形磨粒20的静电沉积。此类表面涂层在以下美国专利号:5，213，591,5, 011，508,1, 910，444,3, 041，156,5, 009，675,5, 085，671、4，997，461和5，042，991中有所描述。在一个实施例中，使用如编号为5，352，254的美国专利中所述的表面涂层，其中无机物的含量占成形磨粒重量的0.1%至2%。另外，表面涂层可以防止成形磨粒封堵。“封堵”这一术语用来描述来自正在研磨的工件的金属颗粒被焊接到成形磨粒顶部的现象。具有上述功能的表面涂层对本领域的技术人员而言是已知的。
在另一个实施例中，提供了具有磨料行业指定的标称等级或标称筛分等级的多个成形磨粒，其中每个成形磨粒包括附接到成形磨粒上的易碎支承体的破裂表面。可以将根据本发明制备的成形磨粒掺入到选自涂层磨具制品、粘结磨具制品、非织造磨料制品或研磨刷的磨料制品和聚集体中，或以松散形式使用(磨料浆液抛光)。使用前，磨粒通常按给定的粒度分布进行分级。此类分布通常涉及粒度大小的范围，如从粗粒到细粒。在磨料领域中，此范围有时是指“粗粒(coarse) ”、“基本粒(control) ”和“细粒(fine)”所占比例。根据磨料行业公认的分级标准分级的磨粒将每一个标称粒级的粒度分布规定在若干数值范围内。此类行业公认的分级标准(即磨料行业规定的标称粒级)包括如下已知标准:美国国家标准协会(ANSI)的标准、欧洲研磨产品制造商联合会(FEPA)的标准，和日本工业标准(JIS)的标准。
ANSI 等级标号(即规定的标称等级)包括:ANSI4、ANSI6、ANSI8、ANSI16、ANS124,ANS136, ANS140, ANS150, ANSI60、ANSI80、ANSI100、ANSI120、ANSI150、ANSI 180, ANSI220、ANS1240, ANS1280, ANSI320、ANSI360、ANS1400 和 ANSI600。FEPA 等级标号包括:P8、P12、P16、P24、P36、P40、P50、P60、P80、P100、P120、P150、P180、P220、P320、P400、P500、P600、P800、P1000 和 P1200。JIS 等级标号包括:JIS8、JIS12、JIS16、JIS24、JIS36、JIS46、JIS54、JIS60、JIS80、JIS100、JIS150、JIS180、JIS220、JIS240、JIS280、JIS320、JIS360、JIS400、JIS600、JIS800、JIS1000、JIS1500、JIS2500、JIS4000、JIS6000、JIS8000 和 JIS10, 000。
或者，可米用符合ASTM E-1l “Standard Specification for Wire Cloth andSieves for Testing Purposes”(试验用金属丝布和筛的标准规范)的美国标准试验筛将成形磨粒按照标称筛分等级进行分级。ASTM E-1l规定了对采用金属丝编织网介质的试验筛的设计和构造的要求，该金属丝编织网安装在机架中，以用于按照指定的粒度对材料进行分级。-18+20即为典型的标号表示，其意指成形磨粒可通过符合ASTM E-1l规范的18号试验筛，但可被符合ASTM E-1l规范的20号试验筛阻挡。在一个实施例中，成形磨粒具有这样的粒度:使得大多数该磨粒可通过14目试验筛并且可保留在16目、18目、20目、25目、30目、35目、40目、45目或50目试验筛上。在本发明的各种实施例中，成形磨粒可具有的标称筛分等级包括:-18+20、-20/+25,-25+30、-30+35、-35+40、-40+45、-45+50、-50+60、-60+70、-70/+80、-80+100、-100+120、-120+140、-140+170、-170+200、-200+230、-230+270、-270+325、-325+400、-400+450、-450+500或-500+635。或者，可以使用诸如-90+100的定制网筛孔尺寸。
制备磨片和成形磨粒的方法
可使用本发明的方法制成成形陶瓷物品的材料包括物理前体，例如，诸如α -氧化铝、碳化硅、氧化铝-氧化锆和CBN等已知陶瓷材料的细分的颗粒。还包括化学和/或形态学前体，例如，三水合铝、水软铝石、Y-氧化铝和其他过渡型氧化铝及铝矾土。以上材料中最有用的是通常基于氧化铝的材料及其物理或化学前体。然而应当理解，本发明不受此限制，而是能够经调适而与多种不同前体材料一起使用。
已经发现，在制备基于氧化铝的颗粒的某些情况下需要的其他组分包括:成核剂，例如，细分的α-氧化铝、氧化铁、氧化铬以及能在前体形态转化成α-氧化铝形态的过程中起成核作用的其他材料；氧化镁；二氧化钛；氧化锆；氧化钇；以及稀土金属氧化物。此类添加剂通常充当晶体生长限制剂或边界相改善剂。此类添加剂在前体中的量通常为小于约10重量％，并常常小于5重量％ (按固体重量计)。
也可以将少量细分的α -氧化铝本身与有机化合物一起使用来代替α -氧化铝的化学或形态学前体，其中有机化合物将α-氧化铝保持悬浮状态，并且在颗粒被烧制成基本上完全致密的过程中充当临时粘结剂。在这种情况下，通常可以在悬浮材料中加入在烧制时形成独立相的材料，或者在干燥和烧制过程中或烧制之后有助于保持成形颗粒结构完整性的材料。此类材料可以作为杂质存在。如果(例如)前体是细分的铝矾土，则会存在小比例的玻璃体材料，这种材料在粉末颗粒烧结在一起形成成形颗粒之后将形成第二相。
本发明的方法中采用的分散体可以是陶瓷前体的任何分散体，例如，细分散的材料，在经受本发明的方法之后，该材料是成形陶瓷制品的形式。分散体可以是化学前体，例如水软铝石为α -氧化铝的化学前体；Y -氧化铝等形态学前体为α -氧化铝的形态学前体；以及(或者)，物理前体的意义在于细分形式的α -氧化铝可形成一定形状并且经烧结以保持该形状。
凡是分散体包含物理或形态学前体的，如本文所用的术语，该前体都是细分粉末颗粒的形式，当其烧结在一起时，这种颗粒形成陶瓷制品，例如在常规粘结磨具和涂层磨具应用中使用的磨粒。此类材料通常包括平均粒径为小于约20微米、优选地小于约10微米、最优选地小于约I微米的粉末颗粒。
在优选方法中使用的分散体最好是水软铝石溶胶-凝胶。溶胶-凝胶可以是有晶种溶胶-凝胶或无晶种溶胶-凝胶，有晶种溶胶-凝胶包含细分散晶种粒子，细分散晶种粒子能够在氧化铝前体转化成α -氧化铝的过程中起成核作用，无晶种溶胶-凝胶在烧结时转化成α -氧化铝。
物理或形态学前体的分散体的固体含量优选为约40%至65%，但也可使用高达约80%的更高固体含量。有机化合物在很多情况下作为悬浮剂与此类分散体中的细分的晶粒一起使用，或可能作为临时粘结剂，以在形成的颗粒充分干燥之前保持制品的形状。有机化合物可为通常用于该目的的任何已知有机化合物，例如聚乙二醇、山梨糖醇酯等等。
就经加热后变成最终稳定陶瓷形态的前体的固体含量而言，可能需要考虑水分，该水分在干燥和烧制以烧结磨粒的过程中从前体中释放。在这种情况下，固体含量通常略低一些，例如约75%或更低，更优选地在约30%和约50%之间。就水软铝石溶胶-凝胶而言，可使用的最大固体含量为约60%或甚至40%，也可使用胶溶的最小固体含量为约20%的溶胶-凝胶。
由物理前体制成的磨粒的烧制温度通常需要高于由有晶种化学前体制成的磨粒的温度。例如，尽管有晶种水软铝石溶胶-凝胶的颗粒在约1250°C以下的温度下形成基本上完全致密的α-氧化铝，但由无晶种水软铝石溶胶-凝胶制成的颗粒可能需要约1400°C以上的烧制温度才能完全致密。
在制备成形磨粒的一个实施例中，可以使用以下工序。第一步工序涉及提供有晶种或无晶种的磨料分散体中的任一者，该分散体可转化为α -氧化招。α -氧化招前体组合物常常包含液体挥发性组分。在一个实施例中，该挥发性组分是水。磨料分散体应包含足量的液体，以使磨料分散体的粘度足够低，以能够填充模具腔体并复制模具表面，但液体量不能太多，因为这会引起后续从模具腔体移除液体的成本过高。在一个实施例中，磨料分散体包含2重量％至90重量％的可转化为α -氧化招的颗粒(例如氧化招一水合物(水软招石)的颗粒)以及至少10重量％、或50重量％至70重量％、或50重量％至60重量％的挥发性组分(例如水)。反之，一些实施例中的磨料分散体包含30重量％至50重量％、或40重量％至50重量％的固体。
还可使用除水软铝石之外的氧化铝水合物。水软铝石可以通过已知的技术来制备或者可以从市场购得。市售水软铝石的例子包括均购自沙索北美有限公司(SasolNorth America, Inc.)的商标为“DISPERAL”和“DISPAL”的产品、或购自巴斯夫公司(BASFCorporation)的商标为“HiQ-40”的产品。这些氧化招一水合物相对较纯，即它们除一水合物之外只包括相对较少的(如果有的话)其他水合物相，并且具有较大的表面积。所得成形磨粒20的物理特性将大致取决于磨料分散体中所用材料的类型。
在一个实施例中，磨料分散体为凝胶态。如本文所用，“凝胶”是分散在液体中的固体的三维网状结构。磨料分散体可以包含改性添加剂或改性添加剂前体。改性添加剂可以用于增强磨粒的某些所需性质，或者提高后续烧结步骤的效率。改性添加剂或改性添加剂前体可以采用可溶性盐的形式，通常为水溶性盐。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、铬、乾、镨、衫、镱、钕、镧、礼、铺、镝、铒、钛的氧化物的前体，以及上述项的混合物。可存在于磨料分散体中的这些添加剂的具体浓度可由本领域技术人员进行调整。通常，引入改性添加剂或改性添加剂前体会使磨料分散体胶凝。通过加热一段时间也可诱发磨料分散体胶凝。
磨料分散体也可包含成核剂(种子)，以促进水合氧化铝或煅烧氧化铝向α -氧化铝的转化。适用于本发明的成核剂包括α -氧化铝、α -氧化铁或其前体、二氧化钛和钛酸盐、氧化铬、或在转化中起成核作用的任何其他物质的细粒。如果使用，那么成核剂的量应当足够使α-氧化铝的转化得以实现。使此类磨料分散体成核公开于授予Schwabel的第4，744，802号美国专利中。
可将胶溶剂加入磨料分散体中，以生成更稳定的水溶胶或胶态的磨料分散体。合适的胶溶剂是单质子酸或酸性化合物，例如，乙酸、盐酸、甲酸和硝酸。也可使用多质子酸，但其使磨料分散体迅速胶凝，使得对过程难以控制并且难以向其中引入附加组分。某些市面购得的水软铝石具有有助于形成稳定的磨料分散体的酸滴定度(例如吸收的甲酸或硝酸)。
可通过任何合适的方法来形成磨料分散体，例如，简单地将氧化铝一水合物与包含胶溶剂的水混合的方法，或者通过形成氧化铝一水合物浆液再向其中加入胶溶剂的方法。可以加入去沫剂或其他合适的化学品，以降低混合时形成气泡或夹带空气的可能性。如果需要，可以加入其他化学品，例如，润湿剂、醇类或偶联剂。α -氧化铝磨粒可包含二氧化娃和氧化铁，如1997年7月8日授予Erickson等人的第5，645, 619号美国专利中的公开内容。α-氧化铝磨粒可包含氧化锆，如1996年9月3日授予Larmie的第5，551，963号美国专利中的公开内容。或者，α-氧化铝磨粒可具有微观结构或添加剂，如2001年8月21日授予Castro的第6，277，161号美国专利中的公开内容。
第二步工序涉及提供具有至少一个模具腔体、优选具有多个腔体的模具。该腔体具有用于制造图1至图5中示出的成形磨粒的特定三维形状。通常，与模具上表面相邻的腔体的形状形成第一主表面24的周边。模具腔体底部的周边形成第二主表面26的周边。
该多个腔体可成形于生产工具中。生产工具可为带状物、片状物、连续纤维网、涂布辊(例如轮转凹版辊)、安装在涂布辊上的套管、压花辊或模具。在一个实施例中，所述生产工具包含聚合物材料。适合的聚合物材料的例子包括例如聚酯、聚碳酸酯、聚(醚砜)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚氨酯、聚氯乙烯、聚烯烃、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯或上述物质的组合等热塑性材料，或者热固性材料。在一个实施例中，整个工具由聚合物材料或热塑性材料制成。在另一个实施例中，在干燥时与溶胶-凝胶接触的模具表面(例如所述多个腔体的表面)包含聚合物材料或热塑性材料，并且该模具的其他部分可由其他材料制成。举例而言，可将合适的聚合物涂层涂敷到金属模具上，以改变其表面张力特性。
聚合物型工具或热塑性工具可由金属母模复制而成。母模将具有生产模具所需的反向图案。母模可以采用与生产模具相同的方式制成。在一个实施例中，母模由金属(例如，镍)制成，并且经过金刚石车削。可以将聚合物片材与母模一起加热，以便通过将二者按压在一起而对聚合物材料压印出母模图案。还可以将聚合物材料或热塑性材料挤出或浇注到母模上，然后对其进行压制。冷却热塑性材料以使其硬化，从而制得生产模具。如果利用热塑性生产模具，那么应当注意不要产生过多热量，因为这些热量可以使热塑性生产模具变形，从而限制其寿命。关于生产模具或母模的设计和制造的更多信息可见于以下美国专利:5，152, 917 (Pieper 等人)、5，435, 816 (Spurgeon 等人)、5，672, 097 (Hoopman 等人)、5, 946, 991 (Hoopman 等人)、5，975，987 (Hoopman 等人)和 6，129，540 (Hoopman 等人)。
从顶部表面中的开口可进入腔体。在一个实施例中，模具的顶部表面大体平行于底部表面，其中模具腔体具有大体均匀的深度。模具的一侧，即形成腔体的一侧在移除挥发性组分的步骤中可保持暴露在周围大气环境下。
第三步工序涉及通过任何常规技术来用磨料分散体填充模具中的腔体。在一些实施例中，可使用刀辊涂布机或真空槽模头涂布机。如果需要，那么可以使用脱模剂来帮助将颗粒从模具中移除。典型的模具脱模剂包括油类(例如花生油或矿物油、鱼油)、硅氧烷、聚四氟乙烯、硬脂酸锌和石墨。通常，在液体(例如水或酒精)中的介于约0.1重量％至约5重量％之间的脱模剂(例如花生油)被涂敷到接触溶胶-凝胶的生产模具表面，使得当需要脱模时，每单位面积模具上存在介于约0.lmg/in2至约3.0mg/in2之间，或介于约0.lmg/in2至约5.0mg/in2之间的脱模剂。在一个实施例中，模具的顶部表面涂覆有磨料分散体。磨料分散体可被喷涂或涂敷到顶部表面上。然后，可用刮刀或矫直棒迫使磨料分散体完全进入模具的腔体中。未进入腔体的磨料分散体的剩余部分形成与相邻成形磨粒毗连的易碎支承体。或者，可以用辊将磨料分散体或前体陶瓷材料的片材压印或模制成用易碎支承体连接的多个成形结构，之后可以将其分离成成形磨粒。参见(例如)第3，859，407号美国专利(Blanding 等人)。
第四步工序涉及移除挥发性组分，以便对分散体进行干燥。有利地，以较快蒸发速率移除挥发性组分。在一些实施例中，通过蒸发来移除挥发性组分是在高于挥发性组分的沸点的温度下进行的。干燥温度的上限通常取决于制成模具的材料。就聚丙烯模具而言，温度应当低于该塑料的熔点。
在一个实施例中，对于固体含量介于约40%至50%之间的水分散体和聚丙烯模具而言，干燥温度可为介于约90°C至约165°C之间、或介于约105°C至约150°C之间、或介于约105°C至约120°C之间。较高的温度可导致生产速度提高，但也可导致聚丙烯模具劣化，从而限制了其作为模具的使用寿命。
可以通过在磨粒前体驻留于模具(其用于模制成形磨粒前体)中时使得溶胶-凝胶在室温或高温下干燥来形成磨片。当溶胶-凝胶干燥时，溶胶-凝胶易于破裂(龟裂，其类似于干缩的泥水坑中形成的裂缝)并将在被模具支承时形成多种尺寸的多个磨片。或者，可以在溶胶-凝胶驻留在模具中时，在开始龟裂之前用旋转模具切割机切割具体尺寸的磨片。
在另一个实施例中，可以用激光将干燥的溶胶-凝胶片切割成由易碎支承体连接在一起的多个成形磨粒前体。可以用激光部分地切开形成成形磨粒前体边缘的溶胶-凝胶厚度，或者激光可以切断成形磨粒前体，留下一个或多个将成形磨粒前体附接到一个或多个其他成形磨粒前体上的粘柱。用激光切割并任选地进行干燥之后，可以将片材破碎成合适尺寸的磨片，或者可以在选定区域用激光完全切开片材，以形成离散的磨片，然后进行烧结。或者，可以在磨粒前体驻留在用于模制它们的模具中时用激光切割合适尺寸的磨片。关于激光切割成形磨粒的更多信息可见于与本专利申请同一天共同提交的代理人档案号为 65473US002 且美国序列号为 61/408813、名称为 “Laser Method For Making ShapedCeramic Abrasive Particles, Shaped Ceramic Abrasive Particles, And AbrasiveArticles”(制备成形陶瓷磨粒的激光方法，成形陶瓷磨粒和磨料制品)的待审美国专利申请中。
第五步工序涉及从模具腔体中取出磨片和成形磨粒前体。通过对模具单独使用或结合使用以下工艺可将磨片从腔体中取出:通过重力、振动、超声振动、真空或压缩空气将这些颗粒从模具腔体中取出。
可以在模具外面进一步干燥磨片和磨粒前体。如果在模具中能将磨料分散体干燥至所需程度，则此附加的干燥步骤并非必需。然而，在某些情况下采用此附加的干燥步骤来使磨料分散体在模具中的停留时间最小化可能是经济的。通常将成形磨粒前体在50°C至160°C、或120°C至150°C的温度下干燥10至480分钟、或120至400分钟。
第六步工序涉及在炉或回转窑中煅烧磨片。在锻烧期间，基本上所有的挥发性物质都被移除，并且存在于磨料分散体中的各种组分均转化成金属氧化物。通常将磨片从400°C加热至800°C的温度，并且保持在此温度范围内，直至移除游离水和90重量％以上的任何结合的挥发性物质为止。在一个可选的步骤中，可能需要通过浸溃工艺引入改性添加齐U。水溶性盐可通过浸溃引入煅烧过的磨片的孔中。然后再次煅烧磨片。在第293，163号欧洲专利申请中对这一步骤进行了进一步的描述。
第七步工序涉及在回转窑中烧结煅烧过的磨片，以形成α-氧化铝颗粒。在烧结之前，煅烧过的磨片并不完全致密，因此缺乏用作磨粒的所需硬度。烧结按以下步骤进行:将煅烧过的磨片加热至1，000摄氏度至1，650摄氏度的温度，并且保持在此温度范围内，直到基本上所有的α-氧化铝一水合物(或等同物质)均转化为α-氧化铝，并且孔隙度减小到低于15体积％为止。为了实现此转化程度，煅烧过的磨片在烧结温度下必须暴露的时间长度取决于多种因素，但通常为5秒至48小时。在另一个实施例中，烧结步骤的持续时间在I分钟到90分钟的范围内。烧结之后，成形磨粒的维氏硬度可为10GPa、16GPa、18GPa、20GPa或更大。
第八步工序涉及用机械方法将成形磨粒与烧结的磨片分离。合适的方法包括侧辊破碎机，将烧结的磨片支承在支承表面上并让滚筒从其上面滚过，让烧结的磨片穿过两个旋转辊之间的辊隙，其中至少一个辊具有弹性可变形的覆盖件或其他使烧结的磨片折曲(而不是破碎)以引起沿着易碎的支承体发生破裂的装置。
本发明的目的和优点通过下面的非限制性实例进一步说明。这些实例中所提到的具体材料及其量以及其他条件和细节，均不应被解释为对本发明的不当限制。除非另外指明，否则实例以及说明书其余部分中的所有份数、百分数、比例等均按重量计。
将5%花生油的甲醇溶液刷到具有右斜方棱锥形腔体阵列的微复制型聚丙烯模具上。斜方底部具有大于2:1 (长轴:短轴)的长宽比。腔体尺寸被设计为产生可通过50目筛网但保留在60目筛网上的成形磨粒(即，尺寸介于250微米和350微米之间的颗粒)。随后将大约30%固体含量的水软铝石溶胶-凝胶撒到聚丙烯模具上并用油灰刀迫使其进入腔体中。小心地确保腔体过充满凝胶，以使得所得的成形磨粒前体在溶胶-凝胶干燥后一直被易碎支承体(包括连续纤维网)相互连接。让溶胶-凝胶风干，从微复制型模具中摇落成形磨粒前体，这提供一批不同尺寸的磨片。在650摄氏度下煅烧磨片，用包含1.4%MgO、1.7%Y203、5.7%La203和0.07%Co0的稀土氧化物(REO)溶液进行浸溃，干燥，在650摄氏度下再次煅烧，然后在1400摄氏度下烧结，从而获得图1所示的磨片。
然后将磨片的一部分放到玻璃载片上，使用塑料墙纸接缝压辊通过在磨片的顶部滚动使其轻轻地分裂开，从而从磨片上分离各个成形磨粒。将成形磨粒过筛，以便将各个成形磨粒与磨片分离，所述磨片需要用墙纸压辊进行进一步处理。图3示出了+300微米筛网上收集的成形磨粒。用该方法制备的成形磨粒具有残余的易碎支承体，如图4所示。
在不脱离本发明的精神和范围的前提下，更具体地讲，在不脱离所附权利要求书中所示出的精神和范围的前提下，本领域的普通技术人员可以实践本发明的其他修改形式和变型形式。应当理解，多种实施例的方面可以整体地或部分地与多种实施例的其他方面互换或结合。以上获得专利证书的专利申请中所有引用的参考文献、专利或专利申请的全文通过一致的方式以引用方式并入本文中。在并入的参考文献部分与本专利申请之间存在不一致或矛盾的情况下，应以前述说明中的信息为准。为了使本领域的普通技术人员能够实践受权利要求书保护的本发明而给定的前述说明不应理解为是对本发明的范围的限制，本发明的范围由权利要求书及其所有等同形式所限定。
权利要求
1.一种制备成形磨粒的方法，其包括: 形成磨片，所述磨片包括多个成形磨粒前体和将所述成形磨粒前体连接在一起的易碎支承体； 输送所述磨片通过回转窑，以烧结所述磨片；以及 将所述烧结的磨片破碎成单独的成形磨粒。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述易碎支承体包括连续纤维网。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述磨片的连续纤维网具有0.005mm至0.25mm的厚度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述磨片包括所述多个成形磨粒前体和多个将所述成形磨粒前体连接在一起的粘柱。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述成形磨粒前体包括侧边和顶点，并且所述粘柱沿着所述侧边设置且不位于所述顶点处。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述多个成形磨粒前体中的每个所述成形磨粒前体包括2至20个粘柱。
7.根据权利要求4所述的方法，其中所述磨片的粘柱具有厚度，并且所述厚度为0.005mm 至 0.25mm。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述磨片具有最大尺寸，并且所述最大尺寸大于0.50mm。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述磨片具有最大尺寸，并且所述最大尺寸大于0.70mm并小于2cm。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述烧结的磨片包含2至1000个成形磨粒。
11.一种烧结的磨片，所述烧结的磨片包括多个成形磨粒和将所述成形磨粒连接在一起的易碎支承体。
12.根据权利要求11所述的烧结的磨片，其中所述易碎支承体包括连续纤维网。
13.根据权利要求12所述的烧结的磨片，其中所述连续纤维网具有2μ m至150 μ m的厚度。
14.根据权利要求11所述的烧结的磨片，其中所述烧结的磨片包括所述多个成形磨粒和多个将所述多个成形磨粒连接在一起的粘柱。
15.根据权利要求14所述的烧结的磨片，其中所述多个成形磨粒包括侧边和顶点，并且所述粘柱沿着所述侧边设置且不在所述顶点处。
16.根据权利要求14所述的烧结的磨片，其中所述多个成形磨粒中的每个所述成形磨粒包括2至20个粘柱。
17.根据权利要求14所述的烧结的磨片，其中所述粘柱具有厚度，并且所述厚度为2 μ m M 150 μ m。
18.根据权利要求11、12、13、14、15、16或17所述的烧结的磨片，其中所述烧结的磨片具有平均质量，并且所述平均质量 大于或等于9X 10_3克。
19.根据权利要求11、12、13、14、15、16、17或18所述的烧结的磨片，其中所述成形磨粒在分离之后通过筛孔尺寸为18的标准试验筛。
20.根据权利要求11所述的烧结的磨片，其中所述烧结的磨片包含2至1000个成形磨粒。
21.具有磨料行业指定的标称等级或标称筛分等级的多个成形磨粒，每一个所述成形磨粒包括附接到所述成形磨粒上的易碎支承体的破裂表面。
22.根据权利要求21所述的多个成形磨粒，其中所述破裂表面存在于从所述成形磨粒延伸的遮板上。
23.根据权利要求22所述的多个成形磨粒，其中所述遮板具有2μ m至150 μ m的厚度。
24.所述多 个成形磨粒，其中所述磨料行业指定的标称等级等于或小于ANSI60。
全文摘要
本发明公开了一种制备成形磨粒的方法，所述方法包括形成磨片，所述磨片包括多个成形磨粒前体和将所述成形磨粒前体连接在一起的易碎支承体；输送所述磨片通过回转窑，以烧结所述磨片；以及将所述烧结的磨片破碎成单独的成形磨粒。所述方法可用于制备质量不足以有效地在回转窑中单独烧结的小成形磨粒，而不会将所述成形磨粒中的两个或更多个连接在一起。
文档编号C09K3/14GK103153544SQ201180048902
公开日2013年6月12日 申请日期2011年10月19日 优先权日2010年11月1日
发明者德怀特·D·埃里克森 申请人:3M创新有限公司