专利名称：磨粒聚集体，其制备方法及其用于制备磨料的用途的制作方法
磨粒聚集体，其制备方法及其用于制备磨料的用途本发明涉及磨粒聚集体，其基于选自常规磨粒组的磨粒以及选自超硬研磨剂组的磨粒和/或它们的混合物，所述常规磨粒例如刚玉、电熔刚玉、烧结刚玉、锆刚玉、碳化硅和碳化硼，所述超硬研磨剂例如立方氮化硼和金刚石，其中细粒的磨粒借助于无机粘结剂粘结成牢固的磨粒聚集体。本发明还涉及用于制备这类磨粒聚集体的方法及其在磨料中的应用。多种磨粒聚集体是长期已知的，且通常用在粘结的磨料例如研磨盘中，或者基底上的磨料例如研磨带中。磨粒聚集体通常由孤立的磨粒即初级粒子构成，其借助粘结剂聚集成磨粒聚集体。为此或者使用有机或者使用无机的粘结剂作为粘结剂，其中经常采用酚醛树脂作为有机的粘结剂，而使用玻璃类的或陶瓷的粘结材料作为无机的粘结剂。磨粒聚集体的很大优点在于，细粒的磨粒可以作为初级粒子使用，然后由其形成聚集体颗粒，其相比于具有可比大小的孤立颗粒在研磨过程中显示出完全不同的磨损机理。可比大小的孤立颗粒通常视研磨过程中的不同压力情况而变钝或者被毁坏，而磨粒聚集体的研磨条件可以根据目的如此选择，使得孤立的(磨损的)颗粒从复合体中脱离出来，从而总是不断形成新的切割边，并且聚集体颗粒因此一方面具有长使用期，另一方面显示冷研磨(Schliff)和均质的研磨显微照片(Schliffbild)。磨粒聚集体的另一优点在于，以这种方式细的磨粒可以用于研磨过程和研磨工具，否则由于其较小的粒度不适合于此。在DE 103 92 532 B4中描述了磨粒聚集体，其包括大量与粘结材料粘着在一起的磨粒，其中所述的粘结材料具有500°C至1400°C的熔融温度。在DE 103 92 532 B4中还描述了用于制备这类磨粒聚集体的方法，其中磨粒与粘结剂混合并随后在回转炉中在145°C 至1300°C的温度范围内进行热处理。所获得的磨粒聚集体具有35体积％至80体积％的总孔隙率，其中至少30体积％的孔是相互连结的。该制备方法中产生偏长形的聚集体，其显示长与宽(Querschnitt)的长度比为至少5 1。作为粘结剂使用玻璃类粘结材料、陶瓷材料、无机粘结剂和它们的组合。所获得的磨粒聚集体主要应该用于粘结的磨料中，以便控制磨料中的孔百分比和特性，及获得以通透的、相互连结的孔形式存在的多孔性。在DE 10 2005 007 661 Al中描述了研磨体，其由借助粘结剂材料决定的相互粘结的磨粒形成且具有至少接近球形的外轮廓，其中研磨体应具有至少35体积％的孔隙率。 该磨粒聚集体由粒度0. 05 μ m至10 μ m范围内的孤立磨粒形成，其然后组合成具有外直径 ΙΟμπι至150μπι范围内的聚集体。在研磨工具中这种聚集体以狭窄分类、在某种程度上恒定的磨料粒度使用。作为粘结剂优选采用有机的粘结剂，例如酚醛树脂、聚氨酯、环氧树脂、 脲树脂和聚乙烯醇缩丁醛。聚集体磨粒特别考虑在基底上的磨料中的应用，所述磨料用于工件表面的非常精细的研磨加工。磨粒聚集体的制备原则上相对并不复杂，通常仅基于将孤立的磨粒用粘结剂粘着在一起，成型为磨粒聚集体并随后热处理。根据所使用的粘结剂种类的不同，从而遵循非常不同的温度条件。
用无机粘结剂时通常使用显著高于500°C的温度，而用有机粘结剂的聚集体通常在相对低的200°C至300°C的温度固化。已知的无机粘结剂系统具有优点，用其可以产生十分牢固的粘结，但是这总是需要相对高的温度，所以无机粘结剂系统不能用于温度敏感性磨粒，例如共晶锆刚玉、立方氮化硼或金刚石。相比之下，有机粘结剂有另一方面的缺点，粘结本身不太牢固。此外，在使用有机粘结剂时存在的问题是，粘结剂和极细磨粒的混合物有粘着在设备边缘的趋向。这特别是在更换产品时导致高清洁耗费，因为在制备聚集体磨粒时通常必须保证，磨粒聚集体由具有窄粒度分布的磨粒构成。粗颗粒的污染例如在研磨操作时，在工件表面的精加工时尤为重要，例如装饰性漆层的加工，导致相当大的问题，因为通过这类粗颗粒的污染产生刮痕， 如果情况确实如此，之后仅可以通过非常巨大的工作量再来消除。使用有机粘结剂时，除了设备的污染还要提及环境问题，因为有机溶剂或粘结剂的采用通常与嗅觉干扰和健康风险相关。因而继续存在寻找一种不具有现有技术的缺陷的、用于磨粒聚集体的粘结剂系统的问题。这个任务通过具有权利要求1的特征的磨粒聚集体实现。本发明磨粒聚集体的优选的实施方案是相应从属权利要求的主题。本发明的任务还是，提供制备磨粒聚集体的方法。这个任务通过具有权利要求16 的特征的方法实现。早在1976 年，在出版物 J. Davidovits :“Solid phase synthesis of a minerAl blockpolymer by low temperature polycondensation of Aluminosilicate polymers，，。 I. U. P. A. C.国际大分子研讨会，斯德哥尔摩；1976年9月；主题III，“New polymers of high stability”(1976)中描述了一种新型的陶瓷材料，其后来以地质聚合物的概念为人熟知。一组铝硅酸盐材料被称作地质聚合物，其类似于有机聚合物，可以通过缩聚工艺制备，但是此处为纯无机性质并从而具有高的热稳定性和化学稳定性。地质聚合物的基本组成部分形成SiO4四面体和AlO4四面体，其在地质聚合作用下聚集成三维的网状物。在EP O 518 962 Bl中描述了基于地质聚合物的粘结剂，其除了硅酸盐类和铝酸盐类外还包含至少一种复合碱金属氟化物，其降低了地质聚合物的固化速度并由此控制缩聚作用。作为用于磨粒聚集体的粘结剂，地质聚合物至今仍不为专业人士考虑或使用，因为地质聚合物的形成需要高的固体浓度，其中干物质的浓度必须高于60重量％，由此缩聚作用得以成功进行。相反，在形成磨粒聚集体时，通常使用用水稀释的粘结剂，以便达到磨粒表面的均勻润湿，并使得在连接桥形成下使磨粒聚集化成为可能，其中应当避免磨粒牢固结合在基质中。通常为此使用稀释的工业水玻璃或胶体硅酸，其固体含量远远低于地质聚合物所需的60重量％。现在令人惊讶地发现，借助于包含反应性Al2O3和SiO2 (铝硅酸盐)的并用水稀释的粘结剂混合物达到，在低于450°C的温度获得极其牢固和稳定的聚集体。这是更加令人惊讶，因为在本发明的Al2O3与SiO2的比例为1 2至1 20时， 通常不能形成牢固和稠密的地质聚合物，而是形成纯的粘性的硅酸盐相，其不参与三维网状物并通常在加热时膨胀并形成气泡，以致于在高于300°C的温度一般产生多孔体，不能期待形成这样牢固的粘结。作为用于铝硅酸盐的起始物可以使用偏高岭土、烟道尘、冶炼渣、石粉、细砂和活性粘土。这些材料都是极其细粒的并具有足够的活性，以便通过硅酸盐和铝酸盐组分的缩聚反应形成铝硅酸盐凝胶。然而，除了这些大量作为能量生产并由基础工业产生的副产物和废品的原料，还可以使用任意含有足够量和足够反应性形式的氧化铝和氧化硅的其他材料，以便引发缩聚反应和形成由SiO4-四面体和AlO4-四面体构成的三维网状物。因此这显示了，代替铝硅酸盐还可以将反应性的氧化铝或者氢氧化铝与富含SiO2的水玻璃一起使用。除了铝硅酸盐(其优选以Al2O3与SiO2W摩尔量比例为1 2至1 20使用)，所述的粘结剂系统包含水玻璃、水和在优选的实施方案中包含至少一种复合碱金属氟化物。 在另一个优选的实施方案中，所述的粘结剂系统额外包含至少一种磷酸盐，从而，由此在这种情况下三维的网状物除了 SiO4-四面体和AlO4-四面体，还含有PO4-四面体。关于磨粒初级粒子，在此使用约1重量％至约15重量％的粘结剂，其中所述粘结剂的组成为约20重量％至约80重量％的水玻璃，约20重量％至约60重量％的水和约1重量％至约25重量％ 的铝硅酸盐，基于粘结剂的总重量计。额外有利地使用的复合碱金属氟化物选自由Na3AlF6、K2NaAlF6, K2SiF6, NaBF4和 KBF4组成的组。其中复合碱金属氟化物的重量份额有利地为约1重量％至约15重量％，基于粘结剂的总重量计。粘结剂混合物可以额外包含无机磷酸盐，其同样有利地以20重量％至60重量％ 的范围加入粘结剂中，基于粘结剂的总重量计。此处磷酸根阴离子作为PO4-四面体构建入三维的铝硅酸盐晶格中。除了上述的组成部分，粘结剂可以额外包含填料和/或研磨助剂。为了此目的，可以使用所有已知的填料和研磨助剂，选自元素钠的、硅的、钾的、镁的、钙的、铝的、锰的、铜的、锌的、铁的、钛的、锑的和/或锡的硫化物、磷酸盐、碳酸盐和/或卤化物和/或所述元素的含硫化物的，含磷酸盐的，含碳酸盐的和/或含卤化物的复合物。上述粘结剂的特别优点在于，其在低于450°C的温度可固化且仍然具有与已知无机粘结剂可比较的强度。本发明的磨粒聚集体具有的平均直径0.05mm至3mm，其中初级粒子的平均粒度 200μπι。磨粒聚集体的制备相对并不复杂，其中具有平均粒度30 μ m至200 μ m的磨粒初级粒子首先与粘结剂混合，其中初级粒子在持续混合下聚集成磨粒聚集体。通过改变磨粒大小、混合速度、粘结剂的量和混合时间，可以在广泛范围内影响聚集体的大小。但是也可以可替代地将粘结剂混合物的单个组份先后加入到磨粒，从而例如首先将铝硅酸盐与磨粒混合，随后添加水玻璃。所获得的磨粒聚集体生坯随后在100°C至150°C的温度干燥，然后将经干燥的磨粒聚集体在约200°C至约400°C的温度固化。本发明的磨粒聚集体具有约10体积％至约50体积％的孔隙率。此处，本发明的磨粒聚集体具有十分高的颗粒断裂强度，其依据Vol Is t3dt测量通常为 ο至60牛顿。
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断裂强度的测量使用测试仪器进行，该测试仪器是研制用于金刚石的强度研究 (VollStadt5Diatest Si)的。在该方法中，磨粒在冲头槽中被压碎并记录下磨粒被粉碎时最大力的值(压缩断裂力(Compressive Fracture Force) = CFF)。为此，压力传感器调适为0至200牛顿的测量范围。为了准备样品，筛分出850μπι至710μπι( = 20目至24 目)范围的级分，然后继续经由振动台依据颗粒形状分类。由此处获得的测量级分分别进行150至200次单独测量，以便对于平均颗粒强度获得统计学上充分确定的值。以下将依据实施例详细阐述本发明。实施例1 (样本制备)将各3kg磨粒与300g电熔刚玉(微粒d50 =IOym, 25g六氟硅酸钾(K2SiF6)，25g 偏高岭土(Opacilite购自Imerys)在强力混合器(型号R01，Eirich)中逆流混合5分钟。然后为了制粒将混合物的一部分预置于旋转的造球盘(型号TR04，Eirich)上，并用 40%的稀释的水玻璃溶液喷洒。此时向颗粒混合物逐渐加入水玻璃，而与此同时形成的颗粒由于重力的原因可以收集在造粒盘侧。在此总共加入500g钾水玻璃(42/43M5rsilH， Cognis) 0从所获得的颗粒中筛分出IlSOym至850μπι范围的级分并随后在100°C干燥1 小时，然后在回转炉中350°C煅烧。作为磨粒使用磨料粒度(K5rnung)Pi20(测试1)的锆刚玉(ZK40，Treibacher Schleifmittel)，作为颗粒混合物使用以1 3的比例的PlOO/ P150(测试2)，作为颗粒混合物使用以1 2的比例P120/P180(测试3)和作为颗粒混合物使用以1 2的比例P120/P220 (测试4)。此外，还使用磨料粒度P320的普通刚玉(测试5)。依据Vol Is t3dt所测量的断裂强度总结于下表1。表 权利要求
1.由大量磨粒构成且用无机粘结剂相互粘结的磨粒聚集体，其中所述的磨粒选自由刚玉、电熔刚玉、烧结刚玉、锆刚玉、碳化硅、碳化硼、立方氮化硼、金刚石和/或它们的混合物组成的组，其特征在于，所述粘结剂的基础包括-铝硅酸盐、-水玻璃和-水，其中粘结剂中Al2O3与SiO2的摩尔量比例为约1 2至约1 20。
2.根据权利要求1的磨粒聚集体，其特征在于，所述的粘结剂额外包含至少一种复合碱金属氟化物，其选自由Na3AlF6、K2NaAlF6、Na2SiF6、K2SiF6、NaBF4和KBF4组成的组，其中碱金属氟化物的重量份额为约1重量％至约15重量％，基于粘结剂的总重量计。
3.根据权利要求1的磨粒聚集体，其特征在于，所述的粘结剂额外包含具有重量比例为约20重量％至约60重量％的磷酸盐，基于粘结剂的总重量计。
4.根据权利要求1至3之一的磨粒聚集体，其特征在于，粘结剂的份额为约1至约15 重量％，基于相互粘结的磨粒计。
5.根据权利要求1至4之一的磨粒聚集体，其特征在于，所述的粘结剂由约20至约80 重量％的水玻璃、约20至约80重量％的水和约1至约25重量％的铝硅酸盐构成，分别基于粘结剂的总重量计。
6.根据权利要求1至5之一的磨粒聚集体，其特征在于，所述的铝硅酸盐选自由偏高岭土、烟道尘、冶炼渣、细砂和活性粘土组成的组。
7.根据权利要求1至6之一的磨粒聚集体，其特征在于，所述的铝硅酸盐为通过由反应性的Al2O3和SiO2的缩聚反应生成的由SiO4四面体和AlO4四面体构成的三维网状物。
8.根据权利要求3至7之一的磨粒聚集体，其特征在于，所述的三维网状物额外具有 PO4四面体。
9.根据权利要求1至8之一的磨粒聚集体，其特征在于，所述的粘结剂额外包含填料和 /或研磨助剂，选自元素钠的、锂的、钾的、镁的、韩的、招的、猛的、铜的、锡的，铁的、钛的、锑的和/或锌的硫化物、磷酸盐、碳酸盐和/或卤化物和/或所述元素的含硫化物的、含磷酸盐的、含碳酸盐的和/或含卤化物的复合化合物。
10.根据权利要求1至9之一的磨粒聚集体，其特征在于，所述的粘结剂具有选自由刚玉、电熔刚玉、烧结刚玉、锆刚玉、碳化硅、碳化硼、立方氮化硼、金刚石和/或它们的混合物组成的组作为填料的、约2重量％至约15重量％份额的细粒，其中所述细粒具有约0. 5 μ m 至约30 μ m的平均粒度。
11.根据权利要求1至10之一的磨粒聚集体，其特征在于，所述的初级磨粒具有双峰的颗粒分布，其中两个颗粒分布最大值的平均粒度之间的百分比差异约30%至约70%。
12.根据权利要求1至11之一的磨粒聚集体，其特征在于，所述的粘结剂在温度 (450°C时，优选200°C至400°C时可固化。
13.根据权利要求1至12之一的磨粒聚集体，其特征在于，初级粒子的平均粒度30μ m 至200 μ m且磨粒聚集体的平均直径为0. 05mm至3mm。
14.根据权利要求1至13之一的磨粒聚集体，其特征在于，磨粒聚集体的孔隙率为约 10体积％至约50体积％。
15.根据权利要求1至14之一的磨粒聚集体，其特征在于，所述的磨粒聚集体具有依据 Vol IstMdt至少10N，优选至少40N的颗粒断裂强度(CFF)。
16.用于制备由借助无机粘结剂相互粘结的大量磨粒构成的磨粒聚集体的方法，其中所述的磨粒选自由刚玉、电熔刚玉、烧结刚玉、锆刚玉、碳化硅、碳化硼、立方氮化硼、金刚石和/或它们的混合物组成的组，包括以下步骤-将磨粒与粘结剂混合；-在100°C至150°c的温度下，干燥所获得的磨粒聚集体生坯；及 -在约200°C至约450°C的温度下，固化经干燥的磨粒聚集体， 其特征在于，使用 -铝硅酸盐 -水玻璃和 -水作为粘结剂，其中Al2O3与SiO2在粘结剂中的摩尔量比例为约1 2至约1 20。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于，所述的粘结剂额外包含复合碱金属氟化物和/或磷酸盐。
18.根据权利要求1至15之一的磨粒聚集体用于制备基底上的磨料和粘结的磨料的用途。
全文摘要
本发明涉及细粒的初级磨粒的磨粒聚集体，其用以铝硅酸盐为基础的具有Al2O3与SiO2的摩尔比为1∶2至1∶20的粘结剂粘着在一起。这种磨粒聚集体的特别优点在于，所述的粘结剂在低于450℃，优选低于400℃，已经完全地固化，由此形成极其高强度的磨粒聚集体。
文档编号B24D3/18GK102177000SQ200980139795
公开日2011年9月7日 申请日期2009年10月1日 优先权日2008年10月10日
发明者K·葛布哈德 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