包含结合空心微球的聚集磨粒的制作方法

包含结合空心微球的聚集磨粒的制作方法
【专利摘要】本发明涉及由个体磨粒和空心体的混合物构成的聚集磨粒，其中通过铝硅酸盐和碱金属硅酸盐的粘合基质将磨粒和空心体保持在一起，并且所述聚集磨粒具有开放孔隙率和封闭孔隙率，在每种情况为5体积％至40体积％，其中所述聚集磨粒的总孔隙率小于50体积％。
【专利说明】包含结合空心微球的聚集磨粒
[0001] 本发明涉及包含如权利要求1前序中所述特征的聚集磨粒，以及其制造方法。
[0002] 聚集磨粒已在磨料工业中被长时间知晓，并且通常用于磨轮和磨带。这些是含有 预定平均磨料粒度的个体磨粒的聚集体，其中通过粘合基质将磨粒保持在一起。无机或有 机粘合剂可用作粘合试剂，其中酚醛树脂通常被用作有机粘合剂，而类玻璃或者陶瓷材料 被用作无机粘合剂。
[0003] 聚集磨粒的一大优势在于细碎的密实磨粒可以用作一次颗粒，由该一次颗粒形成 聚集磨粒，其与源粒相比相对大，其由多个个体粒子组成，并且在磨削加工期间，与具有可 比较尺寸的个体粒子相比，该聚集磨粒表现出完全不同的磨损机制。
[0004] 通常，尽管个体粒子根据在磨削加工期间的压力条件而被钝化或者破坏，然而可 以具体选择和施加聚集磨粒，使得个别磨损的一次磨粒从聚集磨粒的粘合基质中脱离，并 继而使用位于其下面的磨粒，从而继续露出新的切割刃。此类聚集磨粒因此具有长的寿命， 其特征在于冷切割并且对于整个寿命而言产生均匀一致的磨削表面图案。
[0005] 为了用磨料加工表面，根据有待加工的材料、使用的磨削方法和期望的表面品质， 对磨料有完全不同的要求。由不同材料（例如木材、金属、陶瓷、天然石材或者塑料等）制成 的表面的加工，例如因此也需要不同的磨削条件和磨料，它们必须分别适用于各自的应用。 [0006] 虽然在使用个体磨粒时仅能改变磨粒种类和磨粒尺寸，然而使用聚集磨粒为优化 各自应用中的聚集磨粒提供了许多另外的可能性。
[0007] EP 2 174 751 A1中描述了磨粒聚集体，其由通过基于铝硅酸盐的粘合剂由保持 在一起的细碎一次磨粒制成。施加的无机粘合剂在低于450°C的温度完全硬化，其中形成强 度格外高的磨粒聚集体，其对于许多应用具有大的优势，在难以用高压力磨削机器材料的 情形中。然而，由于它们的高强度，这些磨粒聚集体并不非常适用于轻度磨削条件。
[0008] US4, 799, 939描述了包括个体磨粒的可侵蚀聚集体，所述磨粒布置在粘合剂和空 心体的在可侵蚀基质中。优选地，空心体是空心球并且具有使粘合基质易于分解的功能。空 心球有小的直径，因此能够向粘合剂基质中尽可能多地纳入这些空心球。优选地，使用有机 化合物作为粘合试剂。
[0009] GB 2 021 626公开了一种磨粒粒状物，其中通过合成树脂粘合剂将磨粒和造孔 颗粒保持在一起。该粒状物具有420 μ m至2000 μ m的磨料粒度，其中个体磨粒具有小于 250 μ m的磨料粒度并且存在量为15到40体积％，而造孔颗粒的尺寸为44 μ m至297 μ m并 且存在量为2到75体积％。该粘合试剂具有10到50体积％的百分比。由于显然当提供 的粘合剂体积显著小于固体颗粒之间的体积时已经达到令人满意的结合，因此制成的聚集 体可表现出孔隙的网状结构，所述孔隙彼此相连。这种开放孔隙率可以达到该聚集体总体 积的50%。
[0010] 根据刚提到的两份文献，特别地，当优选使用合成树脂粘合试剂时，实现了非常适 用于轻度磨削条件的相对软的磨粒聚集体。
[0011] 然而，由于已提及的不同材料和磨削条件，对用于表面机加工的特定聚集磨粒仍 存在高的要求，已关于具体的磨削操作，还特别关于在不过高的压力下温和加工的材料，进 一步开发和优化所述磨粒。
[0012] 通过包含权利要求1所述特征的聚集磨粒解决该目标。根据本发明的聚集磨粒的 进一步发展和有利实施方案是从属权利要求的主题。
[0013] 试图开发和优化用于以温和方式机加工不同材料的聚集磨粒，当各自的聚集磨粒 在个体磨粒之间有相对强的结合并且从而同时具有一定部分的封闭和开放孔隙率时，明显 实现了特别好的结果。通过包含1:2至1:20的A1 203和Si02摩尔比的铝硅酸盐和碱金属 硅酸盐的粘合基质，实现了强的结合，其中该粘合基质在低于500°C的温度下硬化。可以优 选地通过添加空心体来在优选调节封闭孔隙率，在聚集磨粒的制造期间中将所述空心体与 各磨粒混合。主要通过所用粘合剂的量来实现开放孔隙率的调节。
[0014] 由于粘合基质的硬化发生在对于无机粘合剂而言极低的温度，因此也可以使用温 度敏感的个体磨粒，从而由此获得稳定的聚集磨粒。个体磨粒选自于刚玉、熔融刚玉、烧结 刚玉、氧化铝氧化锆、碳化硅、碳化硼、立方氮化硼、金刚石和它们的混合物。
[0015] 优选地，铝硅酸盐、碱式硅酸钠和水的混合物可用作粘合基底，其中偏高岭土、烟 道灰、炉渣、岩屑、细砂和活化粘土可用作铝硅酸盐，它们被极细地颗粒化从而具有足够活 性以便通过硅质成分和铝硅质成分在低于500°C温度下的缩聚反应形成铝硅质凝胶。
[0016] 然而，除了在发电期间作为副产物和废物形式大量产生以及来自原料制造的这些 原材料之外，也可以使用任何其它材料，所述其它材料包括以指定量并且以足够活性形式 的氧化铝和氧化硅，从而引发缩聚反应并且从而形成Si0 4和A104四面体的三维网状结构。 作为铝硅酸盐的替代，也可以与富Si02的硅酸钠一起使用活性的铝氧化物或氢氧化物。
[0017] 根据EP 2 174 751使用磨粒聚集体，很明显通过无机结合实现的磨粒聚集体的 高强度对于若干磨削操作具有不利影响。特别地在敏感材料的情形中，检测到表面缺陷，这 归因于如下事实：由于高强结合，个体的磨损磨粒从聚集磨粒的脱离不再关于特定的压力 比率而恰当地工作，这最终导致表面缺陷，例如当个体磨粒从粘合基质突出的时候。很明显 可以通过纳入空心体来补偿这些缺点，由此可以根据磨削加工的规格（specifications)特 别调节聚集磨粒的结构和硬度。随着空心体的量增加，聚集磨粒在使用时的作用更软，由此 出人意料地，聚集磨粒的压力耐受性并没有降低到相同程度，以至于仍然确保了聚集磨粒 的可加工性、可运输性能和足够的稳定性。
[0018] 此外，很明显，当除了通过纳入空心体获得的封闭孔隙率之外聚集磨粒还含有一 定部分的开放孔隙率（其由粘合试剂的量控制）时，可以达到更高的去除速率以及更低的 磨粒磨损。开放孔隙率和封闭孔隙率两者都应该具有5体积％至40体积％的份额。还明显 的是，聚集磨粒的总孔隙率应低于50体积％，因为当开放和封闭孔隙率的总和为50体积％ 以上时，聚集磨粒中的个体磨粒的结合明显是不稳定的。寻找开放孔隙率与封闭孔隙率的 最佳比率是未来测试的主题。
[0019] 在本工作的背景下，通过各自源材料的使用重量份数进行封闭孔隙率、磨粒和粘 合基质的体积百分比的测定，其中基于由压汞法测定的开放孔隙的体积百分数，通过所用 的数量和各自的比重，来计算源材料的体积百分数。通过抛光截面来检验以这种方式计算 的体积百分数的值。由此，可清楚计算的体积百分数与在抛光截面中光学确定的体积分布 之间的紧密一致性。
[0020] 图1说明了这样的抛光截面的一个实例。
[0021] 图1示出了根据本发明的聚集磨粒的抛光截面以100倍放大的扫描电子显微镜图 像。由氧化错氧化锫磨粒1(ZK 40 P180，Treibacher Schleifmittel)、玻璃球2和粘合剂 3构成的聚集磨粒具有大致球形的形状，其中氧化铝氧化锆磨粒1可被识别为明亮的不规 则物区域，玻璃球2可被识别为包括明亮边界的球形构造，粘合基质3可被识别为介于氧化 铝氧化锆磨粒1和玻璃球2之间的灰色区域，并且开放孔隙4可被识别为与氧化铝氧化锆 磨粒1和玻璃球2之间的灰色区域紧邻的深色区域。图1所示的聚集磨粒对应于根据实施 例4的组成，其中30体积％的磨粒被空心体替代。
[0022] 认为三种不同因素的最优组合是令人意外的良好磨削结果的解释。首先，已认为 无机结合的高强度具有附加优势，即在低温下达到该强度，使得特别地可以毫无问题地将 热稳定性较小的磨粒加工成包含高断裂强度的无机结合的聚集磨粒。通过纳入空心体补偿 了强结合的可能缺点，这稍微减小了再次作为整体的聚集磨粒的强度并且同时促进了自锐 化机制，其中在磨削加工期间由于空心体的破坏所产生的空隙额外促进了冷却润滑剂与材 料表面的直接接触，由此改善了被加工材料的表面品质。同时，为碎屑和去除的材料提供了 空间。来自于通过本发明聚集磨粒提供的开放孔隙的有利结果：粘合试剂可以通过开放孔 隙渗透聚集磨粒，从而将聚集磨粒嵌入磨料中，因此获得了聚集磨粒在磨料中的格外稳定 的纳入。这种效果对磨料性能具有非常积极的作用，因为高份额的磨料磨损通常可以归结 于整体磨粒脱离结合，特别是当与磨带一起工作时，没有显著参与磨削加工的磨粒，可以通 过聚集磨粒的强结合来阻止或至少减少这种脱离。
[0023] 通过本工作，显然开放孔隙率以及封闭孔隙率应当在5至40体积％的范围内，然 而开放孔隙率和封闭孔隙率的总和（总孔隙率）应当小于聚集磨粒的50体积％。有利地， 总孔隙率如此高，以至聚集磨粒的堆积密度小于1. Og/cm3,优选地小于0. 9g/cm3。
[0024] 可以使用任何材料的空心体作为封闭孔隙率的源材料。由于聚集磨粒中的结合的 期望高强度，优选使用基于氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化钛、氧化铈和/或它们的混合物的 无机空心体。在该背景下，在市场上可以廉价获得的不同尺寸的由玻璃制成的空心球已特 别证实了它们在本发明的聚集磨粒中的使用。由玻璃制成的空心球具有足够强度以确保聚 集磨粒的期望断裂强度。也可以通过基于铝硅酸盐和碱金属硅酸盐的无机粘合剂毫无问题 地将它们进一步纳入所述聚集磨粒。因此由玻璃制成的空心球的强度不是很高以至于聚集 磨粒的自锐化机制不会失效。
[0025] 依照本发明聚集磨粒的有利实施方案，所述聚集磨粒包含5重量％至30重量％的 粘合基质，60重量％至90重量％的磨粒，以及0. 5重量％至15重量％的空心体。按照体积 百分数表示，聚集磨粒的有利实施方案具有5体积％至40体积％的粘合基质，10体积％至 70体积％的磨粒，5体积％至40体积％的空心体和5体积％至40体积％的开放孔隙。
[0026] 在聚集磨粒中磨粒的体积百分数优选地大于空心体的体积百分数，其中磨粒对空 心体的体积比有利地为9:1至1. 5:1，特别有利地为6:1至2:1。当约30体积％的磨粒被 空心体替代时，发现了特别好的结果。
[0027] 尽管存在纳入的空心体和开放孔隙，但是由于使用的无机粘合剂，聚集磨粒的颗 粒断裂强度（根据科士达（V〇llst3dt )的CFF)相对高，并且据称为为10N至40N。通 过为金刚石的强度测试而开发的测试设备（V〇llSt3dt, Diatest SI)进行颗粒断裂 强度的相应测量。由此将磨粒压入活塞室，记录颗粒爆裂的最大力（Compressive Facture F〇rce = CFF)。使压力传感器适用于待测的聚集磨粒，用于0至200牛顿的测量范围。为了 制备样品，筛选在850μπι至710μπι( = 20目至24目）范围内的合适粒级，通过与颗粒形 状相关的振动台对其进一步分选。利用由此得到的测量粒级进行150至200次个体测量， 使得平均颗粒强度值的结果在统计学上足够可靠。高的CFF值保证了聚集磨粒的良好可加 工性以及可运输性。
[0028] 磨粒和空形体的颗粒直径在每种情形中包含在250 μ m至5 μ m的可比较范围内的 平均颗粒直径，其中磨粒平均颗粒直径与空心体平均颗粒直径的比例优选为2:1至1:2。根 据本发明的聚集磨粒的有利实施方案要求空心体的平均颗粒直径分别大于或者等于磨粒 的平均颗粒直径。
[0029] 磨粒的体积百分数或数目与空心体的体积百分数或数目的比例是聚集磨粒强度 的要素。根据应用，通过这个比例的简单改变，能够使聚集磨粒适用于各个预期目的，由此 在聚集磨粒中磨粒的体积百分数与空心体的体积百分数的比例优选为6:1至2:1。由于空 心体的平均颗粒直径优选大于或等于磨粒的平均颗粒直径，因此根据本发明的聚集磨粒的 优选实施方案提供的磨粒在数值方面多于聚集磨粒中存在的空心体。
[0030] 除了上述的改变和调节开放孔隙率的可能性，此外有可能通过改变粘合基质来改 变聚集磨粒的特性。在一个有利实施方案中，粘合基质因此含有约20重量％至60重量％ 的磷酸盐，基于粘合试剂的总重量。此外，粘合试剂可包含约2重量％至约15重量％的平 均颗粒尺寸为0. 35 μ m的细粒。在这种情形中，以证明使用选自刚玉、熔融刚玉、烧结刚玉、 氧化铝氧化锆、碳化硅、碳化硼、立方氮化硼、金刚石和/或它们的混合物的细粒是特别有 利的。由于特别地通过细颗粒来改变粘合基质，因此不必使用与各种所用磨粒相当的细粒 度。因此适合于使用熔融刚玉，该熔融刚玉能够以细粒形式在市场上大量廉价地获得。
[0031] 除了上面列出的组分之外，粘合剂还可以包含填料和/或助磨剂，对于该目的，可 以使用所有已知的填料和助磨剂，特别地选自如下组：硫化物、磷酸盐、碳酸盐和/或卤化 物和/或包含元素钠、硅、钾、镁、钙、铝、锰、铜、锌、铁、钛、锑和/或锡的含硫化物、磷酸盐、 碳酸盐和/或卤化物的络合物。
[0032] 根据本发明的聚集磨粒优选具有0. 05至3mm的平均直径，而在聚集磨粒中彼此连 接的个体磨粒的平均粒度优选为30 μ m至200 μ m。
[0033] 本发明的主题还在于一种制造聚集磨粒的方法，该聚集按体积在5至40体积％的 开放孔隙率，5至40体积％的封闭孔隙率，以及小于50体积％的总孔隙率。为此目的，将个 体磨粒（选自刚玉、熔融刚玉、烧结刚玉、氧化铝氧化锆、碳化硅、碳化硼、立方氮化硼、金刚 石和/或它们的混合物）与空心体（其为聚集磨粒提供封闭孔隙率）的混合物纳入基于铝 硅酸盐和碱金属硅酸盐（包含1:2至1:20的A1203与Si02的摩尔比）的粘合基质。该方 法包括步骤：
[0034] -将磨粒和空心体与铝硅酸盐、碱金属硅酸盐和水的粘合试剂混合；
[0035] -将如此获得的聚集磨粒生坯在80°C至150°C的温度下干燥；
[0036] -将干燥过的聚集磨粒生坯分级为限定的磨料粒度；和
[0037] -将分级的聚集磨粒在低于500°C的温度下硬化。
[0038] 根据 FEPA 标准（Federation of European Producers of Abrasives)实施聚集 磨粒的分级。
[0039] 下面将通过实施例对本发明进行另外的详细说明。
[0040] 实施例1 (比较）
[0041] 为了制造该比较实施例，将3kg的磨粒（ZK40 P180，Treibacher Schleifmittel)、 25g 的偏高岭土（OPACILITE，Imerys)和 33? 的刚玉微粒（ESK P1400F，Treibacher Schleifmittel)在强力混合机（型号R01，Eirich)中逆流混合5分钟。随后将用于颗粒制 造的一部分混合物放置于以200rpm和对应于8至9阶段的斜度的旋转造粒台（型号TR04， EIRICH)上，并然后用硅酸钠稀溶液（30%)喷涂。当连续加入颗粒混合物和硅酸钠时，形成 的颗粒由于重力而转移至盘式造粒机的边缘并且被收集。加入总量为500g的硅酸钠溶液。 将以这种方式获得的聚集磨粒生坯分级，其中将1180 μ m至850 μ m范围内的粒级分离，随 后在干燥室中用再循环的空气在125°C下干燥1小时，然后在回转窑中于450°C下煅烧。
[0042] 实施例2至5
[0043] 如实施例1那样进行实施例2至5的制造，但是其中每种情形中用空心球相 继替代10体积％的磨粒，这些空心球基于平均颗粒直径为80 μ m的氧化硅和氧化铝 (e-spheres，Erbsldtl )。在每种情形中用 34. 5g 的 e-spheres 替代 300g 的磨粒（ZK40 P180)。
[0044] 实施例7至9
[0045] 如实施例4那样进行样品的制造，但是其中通过不同数量的粘合剂来改变开放孔 隙的份额。对于实施例7仅使用250ml的硅酸钠稀溶液以及12. 5g的偏高岭土和166. 5g 的刚玉细粒作为粘合剂。对于实施例8或9使用分别为750ml或1000ml的硅酸钠稀溶液 以及分别为37. 5g或50g的偏高岭土以及分别为499. 5g或666g的ESK P1400F。
[0046] 实施例10和11
[0047] 类似于实施例4进行聚集磨粒的制造，但是其中在实施例10中使用有较低平均颗 粒直径的空心体，而在实施例11中使用有较大平均颗粒直径的空心体，而仍使用氧化铝氧 化锆ZK40 P180作为个体磨粒。
[0048] 磨削测试
[0049] 通过由平均粒度为约1mm的聚集磨粒制造的硫化纤维盘来磨蚀包含20mm直径的 钢棒1. 4301 (X5CrNil8-10 ;V2A)，所述聚集磨粒是依照上述实施例1至11而制造。在每种 情形中以30m/s轮转速，2700rpm和20N接触压力进行五次30秒磨削时段。除材料去除之 夕卜，还测量了颗粒磨损并由此计算G-比例。此外对表面进行光学评价，其中在非常好=完 全均匀的表面、良好=含有少许不规则物的均匀表面、中等=含有明显可见的不规则物的 基本均匀表面、以及差=不均匀表面之间进行分辨。
[0050] 下表1总结了实施例1至11的组成和一些物理数据。
[0051] 表 1
[0052]
【权利要求】
1. 一种聚集磨粒，其包含被纳入到粘合基质中的多个个体磨粒，其中 -所述磨粒选自刚玉、熔融刚玉、烧结刚玉、氧化铝氧化锆、碳化硅、碳化硼、立方氮化 硼、金刚石和/或它们的混合物； -所述粘合基质包含铝硅酸盐和碱金属硅酸盐，所述铝硅酸盐和碱金属硅酸盐具有 1:2到1:20的A1A与Si02的摩尔比； -所述粘合基质在低于500°C的温度下硬化；和 -所述聚集磨粒具有5到40体积％的开放孔隙率， 其特征在于 除磨粒之外，该聚集磨粒还包含空心体，该空心体被纳入粘合基质中并且为该聚集磨 粒提供封闭孔隙率，其中该空心体的体积百分数为5体积％到40体积％，其中封闭孔隙率 和开放孔隙率的总和小于聚集磨粒的50体积％。
2. 根据权利要求1的聚集磨粒，其特征在于 所述磨粒的体积百分数与所述空心体的体积百分数的比例为9:1至1. 5:1。
3. 根据权利要求2的聚集磨粒，其特征在于 所述磨粒的体积百分数与所述空心体的体积百分数的比例为6:1到2:1。
4. 根据权利要求1至3之一的聚集磨粒，其特征在于 该聚集磨粒含有10体积％至80体积％的磨粒，5体积％至40体积％的空心体，5体 积％至40体积％的粘合基质，以及5体积％至40体积％的开放孔隙。
5. 根据权利要求1到4之一的聚集磨粒，其特征在于 所述磨粒和空心体的平均颗粒直径在250 μ m至5 μ m的范围内，其中所述磨粒的平均 颗粒直径与所述空心体的平均颗粒直径的比例为2:1到1:2。
6. 根据权利要求1到5之一的聚集磨粒，其特征在于 所述空心体选自基于氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化钛、氧化铈和/或它们的混合物的 空心体。
7. 根据权利要求6的聚集磨粒，其特征在于 所述空心体是由玻璃制成的空心球。
8. 根据权利要求1到7之一的聚集磨粒，其特征在于 该聚集磨粒含有5重量％至30重量％的粘合基质,60重量％至95重量％的磨粒，以及 0. 3重量％至20重量％的空心体。
9. 根据权利要求1到8之一的聚集磨粒，其特征在于 该聚集磨粒具有10N到40N的根据V〇l 1 S t5dt的颗粒断裂强度（CFF)。
10. 制造根据权利要求1到7之一的聚集磨粒的方法，其中将个体磨粒和空心体的混合 物纳入铝硅酸盐和碱金属硅酸盐的粘合基质中，所述粘合基质具有1:2至1:20的范围内的 A1203和Si02的摩尔比，该方法包括步骤： -将磨粒和空心体与铝硅酸盐、碱金属硅酸盐和水的粘合试剂混合； -将以这种方式获得的聚集磨粒生坯在80°C到150°C的温度下进行干燥； -将干燥过的聚集磨粒生坯分级为限定的磨料粒度；和 -将干燥且分级的聚集磨粒在低于500°C的温度下硬化。
【文档编号】C04B18/02GK104066808SQ201380006318
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年9月11日 优先权日:2012年9月12日
【发明者】K·戈巴尔德特, G·P·吉尔卡 申请人:研磨剂与耐火品研究与开发中心C.A.R.R.D.有限公司