专利名称：：磨料组合物以及由其形成的制品的制作方法
技术领域：
：本发明涉及磨料制品、用于制备这类制品的组合物、以及制备这类制品的方法。
背景技术：
：在制备磨料制品(例如砂轮)的过程中，烧制制品以熔融一些组分从而形成最终制品。这种熔融增加了制品的强度，并不利地使结构变得固结，从而导致制品收縮。通常期望通过使砂轮具有更加疏松的结构(这里指磨料所占百分比更低)来降低砂轮产生的磨削力。然而，低百分比的磨料将进一步增加烧制期间结构的固结度。这种额外的收縮减小了磨料制品的体积，从而导致最终制品中的磨料百分比远高于"生坯"制品中的磨料百分比，并因而使降低磨料用量的目的落空。因此，一直在不断寻找降低收縮的方法。短效孔诱导剂(例如胡桃壳)广泛地用来促进疏松的结构，但是这些短效孔诱导剂在烧尽或蒸发后会留下空隙。然后，这种空隙在烧结收縮过程中部分地坍塌。这种局部缺陷使采用孔诱导剂的目的为之落空。除一次磨料之外，提供二次磨料将会降低烧结收縮。然而，这种方法增加了以下缺点磨料填充剂将导致使用期间磨削力增大，因为二次磨料填充剂不像较软的填充剂那样会被磨掉。因此，这种方法再次使目的落空。因此，仍然需要能降低烧结磨料制品收縮而不增加最终制品不良特性的方法。
发明内容一种磨料组合物，包含玻化粘结材料磨料；以及尺寸稳定添加剂(DSA)，其含量为磨料组合物的约1体积％至约40体积％，其中该尺寸稳定添加剂与粘结材料不反应，并且其莫氏硬度为4至9，并且其中该磨料组合物不包含中空球体填充剂。一种形成磨料制品的方法，该方法包括如下步骤形成磨料组合物，该磨料组合物包含玻化粘结材料；磨料；以及尺寸稳定添加剂(DSA)，其含量为磨料组合物的约1体积％至约40体积％，其中该尺寸稳定添加剂与玻化粘结材料不反应，并且其莫氏硬度为4至9，并且其中该磨料组合物不包含中空球体填充剂；在模具中压实所述磨料组合物；以及加热该压实的组合物，以熔凝玻化粘结材料、磨料和尺寸稳定添加剂，从而形成磨料制品，其中尺寸稳定添加剂以物理方式混入玻化粘结材料中。一种磨料制品，其通过压实包括下列物质的组合物而形成玻化粘结材料；磨料；以及尺寸稳定添加剂(DSA)，其中磨料组合物不包含中空球体填充剂，并且其中在压实和加热后，制品的体积减少不超过10%。具体实施例方式应当理解，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，可以设想并实施本文所提及实施例以外的实施例。因此，并不会局限于以下采用的具体实施方式。除非另外指明，否则本文所用的所有科技术语具有本领域中通常使用的含义。本文所提供的定义是为了方便理解某些本文经常使用的术语，并非旨在限定本发明的范围。除非另外指明，否则在所有情况下，说明书和权利要求书中用来表述特征尺寸、数量和物理特性的所有数字均应理解为由术语"约"来修饰。因此，除非有相反的指示，否则在前述的说明书和所附权利要求中提及的数值参数均为近似值，这些近似值可以根据本领域技术人员利用本文所公开的教导内容进行査找获得的所需特性而有所不同。由端点表述的数值范围包括归入该范围内的所有数值(如，1至5包括l、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及在此范围内的任何范围。除非所述内容明确指出，否则本说明书和所附权利要求中使用的单数形式"一"、"一个"和"该"涵盖了具有多个指代物的具体情况。除非本文中有明确的另外规定，否则本说明书和所附权利要求书中使用的术语"或"通常在其含义中包括"和/或"。本文公开了一种磨料组合物。磨料组合物包含玻化粘结材料、磨料以及尺寸稳定添加剂(DSA)。在一个实施例中，磨料组合物不包含中空球体填充剂。本文所公开的磨料组合物包含玻化粘结材料。该玻化粘结材料是加热时形成磨料制品的玻化基质的材料。玻化粘结材料也起到将磨料制品中的磨料粘结在一起的作用。玻化粘结材料在本领域内也称为玻化相、玻化粘结剂、玻化基质、陶瓷粘结剂、或玻璃粘结剂。在一个实施例中，玻化粘结材料可包括在形成玻化磨料制品时本领域的技术人员常用的任何材料。在一个实施例中，玻化粘结材料可包括玻璃颗粒、玻璃前体粉末、或它们的组合。在一个实施例中，如果将玻璃颗粒用作玻化粘结材料，则该玻璃颗粒为(例如)-200或-325目的细研磨粒。在一个实施例中，如果使用玻璃前体粉末，则可以使用长石、滑石、硼砂、苏打、金属氧化物、以及它们的组合。在一个实施例中，玻化粘结材料可为氧化物和硅酸盐的混合物，该混合物加热到高温后反应形成玻璃基质。玻化粘结材料也可包括玻璃料，该玻璃料在加热到高温时熔融和/或熔凝，从而形成磨料制品的玻化基质。这种玻璃料一般可通过制备氧化物和硅酸盐的组合物制成，该组合物的制备方法如下将组合物加热到高温以形成玻璃，然后冷却玻璃并使其破碎成为微粒。这种玻璃料可以商购方式广泛获得，例如得自Ferro公司(Cleveland,OH)。在一个实施例中，玻璃料的粒度与磨料的粒度有关。在另一个实施例中，玻璃料的平均粒度小于磨粒的平均粒度。在一个实施例中，典型的玻化粘结材料包含约70_90%的Si02+B203、1-20%的碱性氧化物、卜20%的碱土氧化物、以及1-20%的过渡金属氧化物。在另一个实施例中，玻化粘结材料由约82重量％的Si02+B203、5%的碱性氧化物、5%的过渡系列氧化物、4%的A1203、以及4%的碱土氧化物组成。在另一个实施例中，将含有约20%的B203、60%的二氧化硅、2%的苏打和4%的氧化镁的玻璃料用作玻化粘结材料。本领域的技术人员将会理解，6可部分地选取特定的组分以及这些组分的用量，从而得到由组合物形成的最终磨料制品的特定性质。在一个实施例中，玻化粘结材料的含量为磨料组合物的10体积%至40体积％。在另一个实施例中，玻化粘结材料的含量为磨料组合物的15体积％至35体积％。在又一个实施例中，玻化粘结材料的含量为磨料组合物的18体积％至26体积％。本文所公开的磨料组合物也包含磨料。磨料起到将其磨料性质赋予磨料制品的作用。可用于本文所公开磨料组合物的磨料包括那些通常为本领域的技术人员熟知并用来制造磨料制品的材料。在一个实施例中，磨料可包括一种或多种氧化铝，其包括熔凝的氧化铝、被烧结的溶胶-凝胶氧化铝、溶胶-凝胶氮化铝/氧氮化铝、被烧结的铝砜土；碳化硅；氧化铝-氧化锆；氧氮化铝；二氧化铈；低价氧化硼；石榴石；燧石；金刚石，其包括天然和合成金刚石；以及立方氮化硼(c丽)。在一个实施例中，磨料可包括立方氮化硼(cBN)、金刚石、氧化铝、碳化硅、或它们的组合。在一个实施例中，磨料为立方氮化硼(cBN)、金刚石、或它们的组合。要使用的磨料的粒度可至少部分地取决于由磨料组合物形成的磨料制品的最终用途。在一个实施例中，可使用平均粒度为2微米0im)至lOOOpm的磨料。在另一个实施例中，可使用平均粒度为10pm至500nm的磨料。在又一个实施例中，可使用平均粒度为40)tim至25(^m的磨料。在一个实施例中，可使用60至325目(美国标准筛分粒度)的磨料。在另一个实施例中，可使用100至200目尺寸的磨料。本领域的技术人员也将理解，在一种磨料组合物中可使用不同粒度的相同或不同种类的磨料。磨料组合物中磨料的量可至少部分地取决于由该磨料组合物形成的磨料制品的最终用途。在一个实施例中，本文所公开的磨料组合物可包含10体积％至55体积％的磨料。在另一个实施例中，本文所公开的磨料组合物可包含15体积％至50体积％的磨料。在又一个实施例中，本文所公开的磨料组合物可包含25体积。/。至45体积％的磨料。本领域中已阅读过本说明书的技术人员将会理解，使用本文所公开组合物形成的制品，其所需孔隙率水平至少部分地既取决于磨料粒度又取决于组合物中磨料的量。当磨料的量增加时，可达到的孔隙率降低。本文所公开的磨料组合物也包含尺寸稳定添加剂(本文也称之为"DSA")。DSA的作用是降低由本文所公开磨料组合物制成的制品的收縮。在DSA在起降低收縮作用的同时，仍然可以制备能够形成低磨削力的制品(即具有疏松结构的制品)。在一个实施例中，DSA是与玻化粘结材料不反应的材料或材料组合。所谓"以物理方式不与玻化粘结材料反应"是指DSA与玻化粘结材料不发生化学反应，甚至在玻化粘结材料液化时也不反应。在一个实施例中，DSA的莫氏硬度为4至9。矿物硬度的莫氏矿物硬度表通过较硬材料刮擦较软材料的能力来表征各种矿物的耐刮擦性。低强度(即莫氏硬度低于4)的材料不会起到与DSA相同的用途，因为包含这种填充剂的最终制品的强度会很低。在一个实施例中，DSA为相对较软的无机填充剂，其硬度足以保持由本文所公开磨料组合物制成的被烧结磨料制品的强度，但不会硬到使制品产生高磨削力的程度。在一个实施例中，DSA为压碎的耐火砖。在一个实施例中，DSA为熟料。熟料可指多种材料，包括耐火粘土。熟料可从多种来源商购获得，包括(但不限于)MarylandRefractories公司(Irondale,OH);禾口ChristyMinerals(St.Louis，MO)。可使用得自MarylandRefractories的多种熟料，包括(但不限于)95%硅石熟料、90%氧化铝熟料和高级熟料。在一个实施例中，使用得自MarylandRefractories的称为高级熟料的熟料。通常将熟料筛分为具有己知的粒度。在一个实施例中，使用粒度为10pm至20(Vm的熟料。在另一个实施例中，使用粒度为3C^m至20(^m的熟料。在又一个实施例中，使用粒度为45pm至150inm的熟料。在另一个实施例中，DSA可为氧化铈、红柱石、硅线石、硅锌矿、或它们的组合。在使用这类材料的实施例中，粒度可为1(^m至20(Vm。在另一个实施例中，粒度可为30)tim至20(Him。在又一个实施例中，粒度可为45(xm至150,8本文所公开的磨料组合物通常包含一定量的DSA，该DSA的量足以形成这样的制品，该制品具有保持所需磨削力的疏松结构。在一个实施例中，DSA含量为总磨料组合物的1体积％至40体积％。在另一个实施例中，DSA含量为总磨料组合物的2体积％至30体积％。在又一个实施例中，DSA含量为总磨料组合物的8体积％至20体积％。本文所公开的磨料组合物也可包含玻化粘结材料、磨料和DSA之外的组分。使用其他组分来促进和/或改善制备制品的便利性，或用于改变制品的特性或性能，这通常为本领域的技术人员所熟知。这类可选的添加剂的实例包括(但不限于)润滑剂、极压剂、石蜡、助磨剂(例如蓝晶石、冰晶石和正长石)和临时粘结剂。这类添加剂可以以通常为本领域的技术人员已知的量添加。在一个实施例中，将临时粘结剂加入到磨料组合物中。临时粘结剂起到将磨料组合物的各组分充分粘结到一起的作用，以使得形成的制品在烧制前自支承。临时粘结剂可为无机或有机材料或它们的组合。在一个实施例中，临时粘结剂为有机化合物。常用的有机临时粘结剂包括聚合物材料或聚合物形成材料。示例性的有机粘结剂包括(但不限于)酚醛树脂。还应该指出的是，在制品要在模具中进行烧制的情况下，使用临时粘结剂就不大重要或者根本没必要，并且没必要必须使预烧制制品(生坯制品)保持其自身的形状。本文所公开磨料组合物的一个实施例不包含中空球体填充剂。通常使用中空球体填充剂来保持疏松结构的孔隙率縮减程度。然而，由于中空球体固有的缺陷，因此加入中空球体填充剂会弱化制品的最终结构。此外，某些中空球体填充剂会与玻化粘结材料反应，并会导致磨料制品在烧结过程中溶胀，这是由于球体和液化的玻化粘结材料反应所释放出的气体物质引起的。虽然这会形成疏松结构，但是该结构的强度一般很低，从而很难确保持续制备具有可重复密度的制品。在磨料组合物将最终形成(例如)砂轮的实施例中，玻化粘结材料、磨料和DSA的选择和用量一般根据如下原则加以选取使所制备的砂轮份数最大化，同时使材料移除过程中产生的磨削力最小化。砂轮的"使结构疏松"是指降低磨料的总体积百分比；原则上，这会导致磨削力因具有较少的切割点和更少的与工件材料摩擦的粘结材料而降低。然而，实际上，在烧结过程中，降低固体(即磨料)的体积百分比会导致更多的收縮，因为烧结过程中固相的相互作用抑制了固结作用。这种额外的收縮减小了磨料制品的体积，从而导致"烧制"产品中的磨料百分比远高于"生坯"状态中的磨料百分比，因而使降低磨料用量的目的落空。已经发现的是，将合适的(例如)压碎耐火陶瓷加入玻化组合物中，可显著降低烧结收縮，从而能够以有效的低磨料含量来制备强效磨料制品。这类制品研磨时磨削力低，因而受无法容忍高磨削力条件的用户的青睐，例如内部磨削、或高度加工硬化材料(例如超合金和不锈钢)的磨削。本文所公开的磨料组合物可用来形成磨料制品。这种方法包括形成磨料组合物的步骤。形成磨料组合物通常可采用对本领域的技术人员而言已知的常规混合技术、条件和设备。玻化粘结材料、磨料、DSA和任何可选的添加剂可以以任意次序结合，以制备组合物。在一个实施例中，磨料可与DSA结合，接着这两种组分可与玻化粘结材料混合，然后添加要加入到组合物中的任何可选的材料，例如临时粘结剂。在一些实施例中，最后加入临时粘结剂可能有利(如果要使用临时粘结剂)，尤其是如果要使用的临时粘结剂是挥发性的。一旦形成了磨料组合物，就在模具中将其压实。在一个实施例中，将已测量用量的磨料组合物放入限定磨料制品所需形状和总体尺寸的模具中。模具的类型和形状为本领域的技术人员所熟知。然后，在模具内压实组合物。制品一旦压实就称为"生坯"制品或"预烧制"制品。加热步骤使玻化粘结材料、磨料和DSA形成磨料制品，其中DSA以物理方式混入玻化粘结材料中。所谓"以物理方式混入玻化粘结材料中"是指DSA基本上被封装在玻化粘结材料中，而不是位于玻化粘结材料的空隙中。玻化粘结材料在加热步骤期间熔融。玻化粘结材料的这种熔融通过如下方法增大了最终磨料制品的强度使玻化相大致连续，从而可将磨粒粘结成所需的形状和结构。正是在此加热步骤期间，玻化粘结材料的熔融引发了产品的固结作用，从而进一步减小其刚压制好的"生坯"体积。这种固结作用是消除玻化粘结材料之间空隙的结果，并且其受以下因素的热力学驱动粒子因液体材料表面张力的作用而聚结时，表面积减少；或者同时施加压力。在一些实施例中，压实和加热步骤可同时进行或在至少一定程度上同时进行。在其他实施例中，压实步骤在加热步骤之前进行。在一些实施例中，进行加热步骤之前，可将压实的组合物从模具中移除。在一个实施例中，加热步骤可在不止一个阶段进行，例如加热的初始阶段，此阶段的温度小于熔融玻化粘结材料必需的温度；以及加热的后期阶段，此阶段的温度足够高，以熔融玻化粘结材料。在一些实施例中，初始加热阶段的温度可为390下至570下。该初始加热阶段可用于充分粘结组合物的各组分，以制备自支承但未烧制的制品，本文称为生坯制品。加热的后期阶段、或者加热(如果不是阶段性加热)一般可在1000。F至2000°F下进行。在另一个实施例中，加热的后期阶段或加热(如果不是阶段性加热)一般可在1300。F至1800。F下进行。可采用本领域技术人员已知的方法(包括上述方法)将磨料组合物成型为磨料制品。这样形成的制品通常为玻化磨料制品，并可用于多种应用，包括(但不限于)砂轮和细磨刀石。在一个实施例中，由本文所公开的组合物形成的制品在压实和加热后，体积减少小于或等于10%。在另一个实施例中，由本文所公开的组合物形成的制品在压实和加热后，体积减少小于或等于8%。在又一个实施例中，由本文所公开的组合物形成的制品在压实和加热后，体积减少小于或等于4%。雄现将结合以下实例对本公开的内容作进一步的补充。这些实例示出了各种具体实施例，并非旨在限制本发明的范围。使用下面提供的组合物制备一系列破裂模量(MOR)试验棒。组合物通过将磨料与指定量的DSA(如果有)混合来制备。所用的磨料是尺寸为80/100目(美国标准)和325/400目(美国标准)的立方氮化硼(cBN)磨料。DSA材料是得自MarylandRefractories(Irondale，Ohio)的高级熟料。向所得混合物中加入玻化粘结材料以及由20%的B203、60%的二氧化硅、2%的苏打和4%的氧化镁(可购自Ferro公司(Cleveland,OH))组成的-200目尺寸的硼硅酸盐玻璃。比较例E和F包含中空玻璃微球，具体地讲，包含得自3M的Zeospheres⑤中空玻璃微球。表l实例<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>接着，测量所得组合物并将其放入模具。将1.5X.375X.200〃的试验棒在370MPa的液压机中压实5秒，然后在87(TC的流动空气中烧结。记录烧结前("生坯")和烧结后("烧制")的尺寸，然后计算收縮的体积%。然后采用Chatillon机械式试验机以三点弯曲法测量每种组合物的M0R。下表2示出了这些实例的收縮数据。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>权利要求1.一种磨料组合物，包含玻化粘结材料；磨料；以及尺寸稳定添加剂(DSA)，其含量为所述磨料组合物的约1体积％至约40体积％，其中所述尺寸稳定添加剂与所述粘结材料不反应，所述尺寸稳定添加剂的莫氏硬度为4至9，并且其中所述磨料组合物不包含中空球体填充剂。2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述玻化粘结材料为玻璃料。3.根据权利要求1所述的组合物，其中所述玻化粘结材料为选自由下列物质组成的组的玻璃前体长石、高岭土、硼砂、石英、以及它们的组合。4.根据权利要求1所述的磨料组合物，其中所述玻化粘结材料的含量为所述磨料组合物的约10体积％至约40体积％。5.根据权利要求1所述的磨料组合物，其中所述磨料为立方氮化硼(cBN)、金刚石、氧化铝、碳化硅、或它们的组合。6.根据权利要求1所述的磨料组合物，其中所述磨料的粒度为2pm至1000|im。7.根据权利要求1所述的磨料组合物，其中所述磨料的含量为所述磨料组合物的约10体积％至约55体积％。8.根据权利要求1所述的磨料组合物，其中所述尺寸稳定添加剂为压碎的耐火砖。9.根据权利要求1所述的磨料组合物，其中所述尺寸稳定添加剂为氧化钸、红柱石、硅线石、硅锌矿、或它们的组合。10.根据权利要求1所述的磨料组合物，其中所述尺寸稳定添加剂的含量为所述磨料组合物的约8体积％至约20体积％。11.根据权利要求1所述的磨料组合物，还包含临时粘结剂。12.—种由根据权利要求1所述组合物形成的制品。13.—种形成磨料制品的方法，包括以下步骤a)形成磨料组合物，其包含i.玻化粘结材料；ii.磨料；以及iii.尺寸稳定添加剂(DSA)，其含量为所述磨料组合物的约1体积°/。至约40体积％，其中所述尺寸稳定添加剂与所述玻化粘结材料不反应，所述尺寸稳定添加剂的莫氏硬度为4至9，并且其中所述磨料组合物不包含中空球体填充剂；b)在模具中压实所述磨料组合物；以及c)加热所述压实的组合物，以熔凝所述玻化粘结材料、磨料和尺寸稳定添加剂，从而形成磨料制品，其中所述尺寸稳定添加剂以物理方式混入所述玻化粘结材料中。14.根据权利要求13所述的方法，其中所述压实步骤在所述加热步骤之前进行。15.根据权利要求13所述的方法，其中所述压实步骤和所述加热步骤基本上同时进行。16.根据权利要求13所述的方法，其中加热包括在约130(TF至约1800。F的温度下烧制所述组合物。17.根据权利要求13所述的方法，还包括在所述加热步骤之前从所述模具中移除所述压实的组合物。18.根据权利要求14所述的方法，其中所述混合物还包含临时粘结剂。19.一种根据权利要求13所述的方法形成的磨料制品。20.—种通过压实组合物而形成的磨料制品，所述组合物包含a)玻化粘结材料；b)磨料；以及c)尺寸稳定添加剂(DSA)，其中所述磨料组合物不包含中空球体填充剂，其中在压实和加热后，所述制品的体积减少不超过10%。全文摘要一种磨料组合物，包含玻化粘结材料；磨料；以及尺寸稳定添加剂(DSA)，其含量为所述磨料组合物的约1体积％至约40体积％，其中所述尺寸稳定添加剂与所述粘结材料不反应，并且其莫氏硬度为4至9，并且其中所述磨料组合物不包含中空球体填充剂。本发明还涉及制备磨料制品的方法、由所述方法形成的制品、以及由所述磨料组合物形成的制品。文档编号B24D3/14GK101636249SQ200880007851公开日2010年1月27日申请日期2008年2月6日优先权日2007年3月13日发明者加里·M·胡齐纳克,威廉·F·科瓦尔申请人:3M创新有限公司