专利名称：经涂敷的研磨材料中的溶胶-凝胶法氧化铝磨粒混合物的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及经涂覆的研磨材料和从中制得的制品。更具体地说，本发明涉及包括磨粒组合物，更具体地是包括溶胶-凝胶法氧化铝磨粒和共熔氧化铝-氧化锆组合物的涂层研磨材料。
经涂覆的研磨材料一般包括较柔韧的支持件(背衬)，其前表面(正面)涂上一粘合层，即所谓的“接合涂层”，当它仍是湿的时候，接着在接合涂层上施加一磨粒层。然后将接合涂层部分固化至一硬化层，在这之后，施加另一粘合层，即“胶料涂层”，然后将粘合层充分固化，接着将经涂覆的研磨材料成型为各种产品，例如砂纸、磨盘、环带等，这在某种程度上取决于制造的经涂覆的研磨材料的特定组分和其处理方式。
用作任何特定经涂覆的研磨材料中的磨粒的材料的有效性不仅取决于具体的研磨条件，而且取决于被研磨的特定材料或工件。例如，发现与其他磨粒相比，某些磨粒在以高的金属去除速率下研磨不锈钢和低碳钢方面更有效。在较低速研磨应用中，已发现某些其他磨粒比另外一些磨粒更有效。通常，人们不太清楚对于一种给定的研磨材料，在不同研磨应用中具有不同效能的原因。然而，看来这至少关系到和取决于研磨材料的化学组成、其显微结构、研磨材料的有关物理性能，诸如硬度、断裂韧性、冲击强度和热性能。这种知识的缺乏自然地使得对用于特定研磨应用的给定研磨材料或磨粒的有效性的预测-变得困难(如果没有事先经验的话)。因此，在确定一种磨粒是否对任何特定应用有效或这种有效性的程度时，常常取决于拼凑法。
六十年代前期之前，用于涂层研磨材料的磨粒通常是燧石、金刚砂、石榴石、氧化铝或碳化硅，后两种磨粒是根据众所周知的方法在电炉中人工制得的。所谓的“熔融氧化铝”通常提供了一种比碳化硅更结实和更富韧性的磨粒。多年来，发现它特别适用于对高强度材料诸如高碳钢、合金钢、韧青铜和某些硬木的研磨操作。当打算作为一种用于木工的涂层磨粒时，对原料的破碎工艺可以改变，以制得一种比通常用于重金属加工的磨粒更尖锐一些的磨粒。碳化硅的硬度和锐度一直使它成为理想的用于研磨低强度金属、玻璃、塑料、纤维木材、皮革、搪瓷和其他较软材料的涂层磨粒。然而，现在知道，这些磨粒的最合适的应用是通过多年来花费的时间和努力才被发现的，这是因为这些研磨材料首先是在对磨粒在不同应用和在不同研磨条件下进行评价和试验中制得的。
然而，在60年代前期，包括熔融合金型氧化铝-氧化锆(或“氧化锆-氧化铝”)组成物的磨粒成为商业上可购到的产品。在美国专利第3，181，939;3，891，408和3，893，826号中揭示了这些研磨材料，所有这些专利都转让给诺顿公司，即本申请的受让人。这些专利的全部揭示在此作为参考结合入本文。如后两篇批准的专利中所揭示的那样，发现其中揭示的共熔融氧化铝-氧化锆磨粒在用于以高金属去除率研磨304不锈钢和低碳钢的经涂覆的研磨材料中很有效，但在较慢研磨条件下，与熔融氧化铝相比，该研磨材料被认为是不太有效。然而，自从第一次介绍开始，由经验发现，氧化铝-氧化锆磨粒是一种在任何用途中都比熔融氧化铝好的在涂层磨料中的万能磨料。然而，与只包含熔融氧化铝磨粒的经涂覆的研磨材料的成本相比，该更广泛的使用使成本额外增加。
最近，出现了另一种用于制造经涂覆的研磨材料的磨粒。该新颖磨粒简单地说是通过将也包含变化量的添加剂(诸如Mg O和Zr O2)的水合氧化铝凝胶干燥并烧结而获得的。经干燥的材料一般在烧结前或后进行粉碎，从而获得在所需尺寸范围内的不规则的块状多晶体磨粒或粒屑(硬磨料)。然后可将磨粒结合入研磨产品，诸如涂层磨盘或带。
揭示该研磨材料的现有技术例子是美国专利第4，623，364号，它于1986年11月18日批准，授予诺顿公司，即本申请的受让人。该专利的全部揭示是通过参考结合入本文中的。揭示溶胶凝胶法(即非熔融)氧化铝研磨材料和含有该磨粒的研磨产品的其他专利是美国专利第4，314，827;4，543，107;4，741，743;4，744，802和4，800，685号。其中美国专利第4，543，107和4，741，743号都转让给诺顿公司，其全部揭示通过参考结合入本文中。
授予Ceitheiser等的美国专利第4，314，827号揭示了由溶胶凝胶法制得的磨粒，其中烧结磨粒是由具有基本上是无规取向α-Al2O3晶体微晶结构的无钙离子和无碱金属离子的致密氧化铝基研磨材料以及氧化铝为显著连续相的改性组份获得的。所揭示的全部矿物具有极细的晶体尺寸。
美国专利第4，543，107号揭示了一种具有含有亚微尺寸α-氧化铝晶体的烧结溶胶凝胶含铝土磨料的玻璃质陶瓷粘合剂的砂轮。与现有技术中烧结的凝胶型氧化铝或熔融氧化铝相反，发现在陶瓷轮中采用该专利揭示的磨料对砂轮的着火(烧成)温度特别敏感。结果，发现控制粘合剂的粘度和/或着火(烧成)温度是必要的，从而可防止粘合剂和磨料之间的反应。
美国专利第4，623，364号揭示了一种用于制造具有增强性能的含铝土磨料以及除磨料之外的产物(诸如涂层、薄膜、纤维、棒或小成型部件)的溶胶凝胶法。在该专利中，揭示了通过将晶种材料在干燥前导入凝胶或凝胶母体来促进水合氧化铝向α-氧化铝的转变。为制造磨料，须将晶种凝胶干燥、破碎和烧结。由此产生的磨料可用于诸如涂层磨盘和磨轮等产品的制造。
溶胶凝胶研磨材料，特别是美国专利第4，623，364号中揭示的晶种溶胶凝胶含铝土磨料，自数年前采用以来，在某些涂层磨料应用中，它们已表现出优于其他磨料(即使是高级的磨料诸如氧化铝-氧化锆)的优点。然而，与氧化铝-氧化锆磨料相比，发现溶胶-凝胶法氧化铝磨料在涂层磨料应用中在其性能方面更具选择性。因此，业已发现，与氧化铝-氧化锆磨料相比，仅在某些金属研磨应用中，它能提供优越的性能，例如在高应力领域，诸如超合金和飞机合金，例如耐腐蚀镍和铬合金，诸如“因科镍合金”以及其他高镍金属，以及工具钢等。然而，在某些低碳钢应用中，发现其性能仅等价于或稍优于氧化铝-氧化锆研磨材料。通常，与氧化铝-氧化锆颗粒相比，仅在高压、高应力和高速研磨应用中发现在经涂覆的研磨材料中采用溶胶凝胶法氧化铝磨粒而引起的低碳钢研磨应用的改善。该磨粒比氧化铝-氧化锆磨料成本高得多，由于这个原因，它一般不用于任何得不到真正效能利益的场合。然而，在不锈钢、钛研磨中以及在一些木工应用中，发现在经涂覆的研磨材料中，溶胶凝胶法氧化铝磨料的效能甚至比氧化铝-氧化锆研磨材料低。
尽管与上述早期采用的稍“差”的矿物磨料诸如氧化铝、碳化硅等相比，发现氧化铝-氧化锆磨粒和那些溶胶凝胶法氧化铝在各种广泛的应用中在经涂覆的研磨材料中能提供优越的性能，但在经涂覆的研磨材料中采用所述磨料却使成本额外增加。因此，人们继续努力来满足上述希求并提供采用这些优良磨粒的经涂覆的研磨材料，从而利用它们的优越性能特征，并使成本降低。
为了各种原因，例如为获得一种用于特定场合的较便宜的磨料产物，已将经涂覆的研磨材料中的两种不同的磨料矿物的磨粒进行组合，以提供不同的或改进的性能特性，并改善在特定场合下的切割性能等。另外，已以涂层磨料制造中将磨料组合，从而提供一种改进的制造方法或减少所制造的经涂覆的研磨材料的全部成本。涂层磨料产品中不同磨粒的组合是通过各种制造过程进行，某种程度下这取决于所要求的具体性能或其他结果。在有些情况下，在单一磨粒层中提供不同化学组成物磨粒的混合物。其他情况下，在分隔式磨粒层中提供不同的磨粒，即在经涂覆的研磨材料中提供两种接合涂层和两种磨粒涂层。其他经涂覆的研磨材料可有一接合层和两磨粒层，底部上有较细级别的磨粒，在顶部有较粗的粒子。揭示该经涂覆的研磨材料的现有技术例子是美国专利第3，007，560;3，606，764;3，891，408;3，893，826;4，314，827;4，409，791;4，741，743;4，744，802;和4，800，685号。然而，一般来说，只要存在有各种不同组成物磨粒的组合以降低经涂覆的研磨材料的成本，就会存在有一些次要性能的牺牲。当与工件接触的磨粒层(即双磨粒层中的顶层)是不同化学组成物磨粒的组合时就更是如此。
授予诺顿公司的美国专利第3，007，560号揭示了用于经涂覆的研磨材料的磨料聚集体，它包括泡沫玻璃基体和包于晶胞壁中的磨料粒子。所述磨料可以是共熔氧化铝-氧化锆、碳化硅或氧化铝磨粒或其混合物。然而，一般来说，由该聚集体获得的成品不如那些由仅单独用一种磨粒UP静电常规涂覆的经涂覆的研磨材料获得的产品。
美国专利第3，606，764号揭示了包括结合于载体件上的烧结硬金属碳化物(例如碳化钨)颗粒和硬质材料(诸如氧化铝、氧化铝-氧化锆、天然金刚砂、碳化硅或金刚砂的经涂覆的研磨材料。该经涂覆的研磨材料较佳是呈盘或环带状，它特别用于研磨金属基体，特别是钢。
转让给诺顿公司(即本申请的受让人)的美国专利第3，891，408和3，893，826号各揭示了采用双磨粒涂层的经涂覆的研磨材料。因此，在美国专利3，891，408号中被揭示了经涂覆的研磨材料，其第一接合涂层具有高纯度氧化铝磨粒的第一层，在其第二接合涂层中具有氧化铝-氧化锆磨粒的顶层。当对A-6钢和304不锈钢进行评价时，发现该磨料产品的工作性能优于各层中仅包含常规高纯度氧化铝磨粒的双涂层磨料产品。然而，在该专利没有揭示在经涂覆的研磨材料中的氧化铝-氧化锆磨粒与其他磨料的混合物。
在美国专利第3，893，826号，专利权人在其中揭示了将一种磨粒与其他不同形状的磨粒和/或组成物混合的一个原因是增强该磨粒上的力。因此，为了增强在具有较低氧化锆含量的某些氧化铝-氧化锆磨粒上的力，专利权人揭示了一种双涂层产品，如在美国专利3，891，408中所揭示的。另外，在对1018高碳钢和304不锈钢进行评价中，发现包含一层熔融氧化铝磨粒和一层氧化铝-氧化锆磨粒的双涂层磨料产品的工作性能优于仅包含熔融氧化铝磨粒的涂层研磨材料。然而，没有揭示在单一层中的氧化铝-氧化锆磨粒与其他磨粒的混合物。
早些时候公开并于1982年2月9日授权的美国专利第4，314，827号，在其实例44-46中揭示了对1018冷轧钢进行评估的用于无纺磨料产物的不同比例的溶胶凝胶法氧化铝和熔融氧化铝磨粒混合物。试验结果表明，与包含50%或更多的熔融氧化铝的磨料产品相比，包含所有或大量非熔融磨粒的无纺磨料产品在开始2分钟运转中去除了多得多的材料，并在全部8分钟运转中去除了更大量的材料。根据专利权人，在相同的试验中，熔融氧化铝的工作性能优于氧化铝-氧化锆。在该专利中没有揭示或建议溶胶凝胶法氧化铝颗粒和氧化铝-氧化锆颗粒的混合物。
美国专利第4，409，791号揭示了经涂覆的研磨材料，它包括涂覆于柔韧支持件(背衬)上的在粘合剂中的磨粒分散体。合适的磨料是燧石、石榴石、氧化铝或氧化铝与氧化锆的混合物、碳化硅、金刚石等。该浆状涂层磨料混合物的性能被认为总不如可由常规UP涂层磨粒获得的产品那么理想，这至少部分是由于采用较细颗粒度的磨粒所致。
转让给诺顿公司的1988年5月3日授权的美国专利第4，741，743号揭示了用于砂轮制造的溶胶凝胶法氧化铝磨粒和共熔融氧化铝-氧化锆磨粒的混合物。如该专利所述，在中等研磨速度下，由该混合物得到的砂轮的工作性能比采用单独一种该研磨材料的砂轮好。不仅发现了该磨粒混合物在粘合砂轮中多少有点有限的应用，而且当该磨粒用于经涂覆的研磨材料中时，磨料在粘合磨料应用中的工作性能历来不作为可达到何种工作性能方式的预报者。
在1988年5月17日授权的涉及可用于经涂覆的研磨材料制造中的晶种溶胶凝胶法氧化铝的美国专利第4，744，802中，揭示了该磨粒最好与较便宜的常规磨粒诸如熔融氧化铝、碳化硅、石榴石和熔融氧化铝-氧化锆混合。然而，即使该专利权人揭示了许多例子，但仍认为该专利没有一个揭示磨粒混合物的单独例子，更不用说包括溶胶凝胶氧化铝和另一种磨料的例子了。
1989年1月31日授权的美国专利第4，800，685号揭示了溶胶凝胶氧化铝磨粒与常规熔融氧化铝磨粒和碳化硅颗粒的混合物。根据专利权人，发现与包含单独一种磨粒的砂轮相比，这种组合在铸铁研磨(一种非常特定的应用)用的砂轮中能提供优越的工作性能。然而，该专利没有建议该磨料混合物适用于经涂覆的研磨材料，或该混合物在任何应用时在经涂覆的研磨材料中能提供改进的工作性能。该专利也没有揭示溶胶凝胶氧化铝磨粒和氧化铝-氧化锆颗粒的混合物。因此，可以看出，该专利中揭示的磨料混合物被试图作为用于该场合的仅包括氧化铝-氧化锆颗粒的砂轮的一种更经济的替代。
诺顿公司，即本申请的受让人，已在这之前将涂层磨料产品推出上市，其中磨料层包括熔融氧化铝颗粒和共熔融氧化铝-氧化锆颗粒的混合物。一般来说，该磨料产品不能提供象100%氧化铝-氧化锆颗粒涂层磨料产品那样好的切割性能。然而，与仅有熔融氧化铝颗粒的产品相比，该磨料混合物确实产生了工作性能改良的经涂覆的研磨材料。最近，市场上出现了一种呈常规纤维盘状的经涂覆的研磨材料，其磨料层中具有溶胶凝胶氧化铝磨粒和熔融氧化铝颗粒的混合物。发现在至少某些情况下，例如在对平焊缝研磨时，这些涂层磨盘的工作性能比其中只有氧化铝-氧化锆磨粒的经涂覆研磨材料好。配和在这些磨盘中的磨粒看来至少为溶胶凝胶氧化铝磨粒的50%(重量)。在美国专利第4，734，104和4，737，163中揭示了该溶胶凝胶氧化铝混合物涂层磨料产品。如这些专利中所述，将一种优越的磨粒(例如氧化锆-氧化铝或溶胶凝胶法氧化铝中的一种)用来取代全品级劣等磨粒诸如熔融氧化铝中的粗组分，或取代其至少一部分。如果需要，如所述最后一个专利中更详细揭示的那样，可将磨粒施加于两层中，粗颗粒施加于第二层或顶层中。
在欧洲专利申请第0，318，168号(于1989年5月31日公布)中，揭示了片晶状的溶胶凝胶法氧化铝磨粒。根据其揭示，可将这些磨粒片晶与其他材料的磨料混合，磨料产物中磨粒的至少15%(重量)、较佳为50至100%(重量)是片晶状磨粒。
本发明的目的是提供一种采用溶胶凝胶法氧化铝和氧化铝-氧化锆磨粒新颖组合的经涂覆的研磨材料。
其另一个目的是提供一种单一层中具有溶胶凝胶法氧化铝磨粒和氧化铝-氧化锆颗粒经涂覆的研磨材料。
其又一个目的是提供一种具有溶胶法氧化铝和氧化铝-氧化锆磨粒混合物的能在某些研磨应用中提供优越工作性能(与只有单独一种矿物磨料的经涂覆研磨材料的工作性能相比)的经涂覆的研磨材料。
本发明的又一个目的是提供一种具有溶胶凝胶氧化铝磨粒和氧化铝-氧化锆磨料混合物的具有各个单独磨粒的最佳特性的经涂覆的研磨材料。
尽管可能已发现迄今为止已知的我们知道的磨粒的所有各种组合，在某些应用中能提供优越的工作性能或其他所希望的特性，但可以认为，它们中没有一个能预言本申请中揭示的已发现的发明。其原因之一是溶胶凝胶法氧化铝和氧化铝-氧化锆研磨材料以及由这两种材料获得的磨粒具有显然不同的微观结构和材料性能，由此使得磨粒以不同方式断裂或破裂。另外，在任何具体应用中，磨料中的应力和所引起的断裂类型受特定涂层磨料产物中磨粒上施加的压力和颗粒尺寸分布级别的影响。因此，根据在任何特定应用中过去的工作性能不可能预测任何该磨粒混合物中的未来工作性能。特别是不能预测某些涂层研磨材料中非熔融溶胶凝胶法含铝土磨粒和熔融氧化铝-氧化锆磨粒的混合物在此后将更详细揭示的某些应用中会提供比单独一种磨粒的经涂覆的研磨材料更优良的工作性能。
很有利的是，根据本发明，可提供包含溶胶凝胶法(非熔融)氧化铝磨粒和熔融氧化铝-氧化锆磨粒混合物的经涂覆的研磨材料，除因科镍合金钢的研磨之外，在迄今为止试验的所有应用中，所述经涂覆的研磨材料的工作性能与纯淬溶胶凝胶研磨材料基本相同或比之更好。
另一个优点是根据本发明，可提供一种经涂覆的研磨材料，其工作性能出人意料地比只有氧化铝-氧化锆磨粒的经涂覆研磨材料好，但对于不锈钢除外，在不锈钢应用中，其工作性能基本上与该涂层研磨材料相同。
这导致产生了另一个优点，即本发明提供了一种经涂覆层研磨材料，尽管它不适用于所有应用中的最佳工作性能，然而它具有这样的经济优点，即减少了需要用来包罗相当大的应用范围和操作条件的经涂覆的研磨材料的种类变化。因此，某种程度上减少了制造大量涂层研磨材料的需要，从而使必须由制造者和使用者手头保留存货的减少，这进一步使全部成本降低。
本发明经涂覆的研磨材料的制造大部分可由该领域技术人员众所周知的常规工艺完成。所述支持件(背衬)可以是现在通常用于涂层磨料制造的任何材料。这些材料包括纸、薄膜、织布和缝编织物，诸如人造纤维、斜纹布和劳动布，尼龙和聚酯、织物组合物，例如尼龙填料和聚酯经纱、硬化纸板、尺寸稳定聚酯薄膜等，根据通常的工艺用各种材料对其预处理或上胶，这在某种程度上取决于经涂覆的研磨材料的最终用途。如果采用的话，用作支持件的上胶和填充材料可以是淀粉、胶，或另外需要的话，它们可由树脂材料诸如酚醛充填。
初始结合层或接合涂层可以是常规树脂材料的任何一种，例如酚醛、环氧树脂等。如果需要，在施加磨粒层之后，可施加一砂胶料涂层。象通常提供的那样，该涂层的组成可与接合涂层的组成相同或不同。例如，当所述砂胶料涂层是一种热硬化树脂材料时，根据需要，所述接合涂层既可以是(动物)胶，也可以是树脂材料。常用树脂接合粘合剂的例子包括含有48%苯酚-甲醛树脂固体和52%碳酸钙填料的水溶液。
在支持件上涂覆上接合涂层后，然后根据通常的工艺，将磨粒施加于湿的接合涂层上，在大多数情况下，向上静电推进或喷射是较佳的。然而，在某些情况下，象通常那样，可由重力涂覆来施加所述磨粒。接合涂层如果是苯酚-甲醛树脂组成物的话，可按通常方式在例如从约175°F升至约235°F的温度下(这取决于配方)将其部分地固化90分钟。然后接着施加胶料涂层或粘合剂，它的一个例子是常规的更稀的含有48%苯酚-甲醛树脂和52%碳酸钙填料的水溶液。然后进一步将经涂覆的研磨材料从常规方式加热以干燥胶料涂层，并通过在约135分钟期间内从约165加热至约235°F而将该层部分固化。然后将涂层研磨材料从炉子轨道上取下并卷成常规尺寸的薄板卷，此后再通常在约225-235°F温度下将其进一步固化6-8小时，从而将接合涂层和胶料涂层中的树脂固化至所需硬度。接着，根据支持件，可将经涂覆的研磨材料在控制的湿度(例如50%相对湿度)和70°F下保持过夜。然后根据常规的该领域技术人员熟知的工艺，可将该经涂覆的研磨材料随时加工成各种研磨产品，例如磨盘、磨带等。
如果需要，也可在任何或全部布料盖层或粘合层上采用用于经涂覆的研磨材料制造中的常规可辐射固化(E-束或UV)的树脂和及组成物。
一般来说，其支持件上粘合涂层的涂覆是根据涂层磨料制造领域众所周知的常规涂覆工艺进行的，例如滚涂、照相凹板涂覆等。
接合涂层和胶料涂层的干燥和固化可在常规的浮花干燥炉或其他装置中完成，这对于经涂覆的研磨材料制造领域的技术人员来说是众所周知的。如以前揭示的那样，该炉中的温度和停留时间将取决于所含的具体组成，按需要可根据众知的工艺来提供该种条件。
较佳的是，本发明的经涂覆的研磨材料中的磨料，包括溶胶凝胶法氧化铝磨粒与氧化铝-氧化锆磨粒的混合物。试验结果表明，当使用的磨料混合物的比例(体积)为至少约15%、较佳为约25%至75%(体积，以溶胶凝胶法氧化铝为基准)时，可导致本发明经涂覆的研磨材料的工作性能改善或基本上等价。然而，严格地说，为了达到最佳工作性能，溶胶凝胶法氧化铝颗粒和氧化铝-氧化锆颗粒的磨料混合物应是一种每一磨粒均为约50%(体积)的混合物。然而，在有些研磨应用中，可提供两个磨粒层，而不是单一磨粒层。这种双磨粒层可根据迄今为止所知的常规制造工艺来提供。如果需要，根据通常的方式，即两个磨粒层和一个接合涂层，或在其他情况下为双接合涂层和磨粒层，从而可在一分离涂层中提供所述双磨粒层。在该经涂覆的研磨材料中，第一磨粒层可以是任何迄今使用的研磨材料，例如氧化铝、碳化硅、石榴石等。根据本发明，磨粒顶层(即接触工件的那层)将一直是氧化铝-氧化锆和溶胶凝胶氧化铝颗粒的混合物，其体积比如上所述。当使用两个接合涂层时，根据需要，两个接合涂层中的接合层组成可以是相同的或不同的。
较佳的溶胶凝胶氧化铝磨粒是晶种溶胶凝胶氧化铝磨料，诸如上述美国专利4，623，364中所揭示的。该专利揭示的研磨材料包括亚微尺寸α-氧化铝晶体，并具有大于16GPa的硬度，其密度大于90%理论值。然而，也可以现任何上述专利中揭示的其他溶胶凝胶法氧化铝研磨材料可适用于某些应用。
在前面所述的美国专利3，181，939中概括地揭示了适用于本发明的氧化铝-氧化锆研磨材料。美国专利3，891，408所述的具有接近氧化铝-氧化锆低共熔组成(约35至约50%，较佳为约38至约43(重量)%氧化锆)的磨料是优选的。较佳的研磨材料的初级数均晶体尺寸为小于约50微米，其共晶群体尺寸为小于约65微米。在研磨材料组成物中呈四方晶型的氧化锆较佳为至少约25%，更好为约45%，然而，也可发现其他此类共熔融研磨材料适用于某些应用。
所述磨粒可具有任何通常用于制造经涂覆的研磨材料的颗粒度尺寸，例如16至400。然而，象通常那样，对于某些研磨应用来说，将发现某些粒度尺寸的工作性能比其他更有效。磨粒的形状最好是涂层磨料领域中技术人员熟知的弱形颗粒。这种形状是由常规破碎手段获得的。
下列例子是用于阐述本发明的某些具体实施例，然而，这些例子只是为了更好地阐述这里揭示的本发明，而不应理解为对本发明的必要限定(除非表明是关键的)。
例1包含溶胶-凝胶法氧化铝颗粒和熔融氧化铝-氧化锆磨粒混合物经涂覆的研磨材料的制造在该例子中，在各种研磨应用中对包括如下表1所示的溶胶凝胶(S.G.)法氧化铝磨粒和氧化铝氧化锆(A.Z.)磨粒的各种磨粒混合物的涂层研磨纤维盘进行评价。根据前面提到的转让给诺顿公司(即本申请的受让人)的美国专利第4，623，364号中的揭示来获得溶液凝胶法氧化铝(在该情况下为“晶种溶胶凝胶”)磨粒。该专利的全部揭示在此通过参考结合入本文中。根据常规工艺将研磨材料双辊破碎，然而按常规方式过筛以提供50粒度磨粒。所述研磨材料是下列标准组成组份 重量百分数Al2O399.58SiO20.12Fe2O30.03TiO20.20CaO 0.04MgO 0.02Na2O 0.01其他性能密度3.89(水比重计)，3.88(氦比重计);硬度20.7(GPa)，平均晶粒度0.17微米。
根据前面提到的美国专利3，891，408中的揭示来获得氧化铝氧化锆研磨材料。用于该例子的磨粒是通过结合许多试样组来获得的，它具有下列近似组成，共晶团尺寸为小于约65微米，初级数均晶体尺寸为小于约50微米。
组份 重量百分数Na2O 0.01SiO20.29ZrO239.15TiO20.31Fe2O30.05CaO 0.10MgO 0.01Hf 0.7Al2O359.1根据常规工艺将制得的大块研磨材料冲击破碎。此后，将这些块以常规方式双辊破碎并过筛，从而获得50粒度的磨粒。
当过筛进，各磨粒组成物磨粒满足了规定的50粒度的磨粒的标准(以标准砂为其准)，在ANSI(美国国家标准院，Inc)公报B74.18-1984中规定，即正偏差+2+10，筛屑+11-17。
根据常规工艺在一常规颗粒混合机中将溶胶凝胶法氧化铝磨粒和氧化铝-氧化锆磨粒混合在一起，以获得如下表1所述的所需体积百分数的颗粒混合物。
采用常规步骤，用常规0.030″硬化纸板背衬和常规碳酸钙填充的可溶酚醛树脂接合液层(48%树脂，52%填料)和胶料涂层(48%树脂，52%填料)来分别制造涂层磨盘(7″直径，7/8″中心孔)。所述接合涂层树脂，在仍湿润时施加磨粒后，在225°F下将其部分地固化5小时，接着在施布胶粒涂层后，在225°F下最后干燥和固化10小时。采用常规滚涂工艺，在单道操作中于强制空气炉中固化，从而完成涂覆过程。树脂涂层重量(湿态基)如下接合涂层，15＃/Rm;胶料涂层，23＃/Rm。一令(“Rm”)等于330平方英寸涂覆面积。采用静电向上喷涂，根据常规工艺来对磨粒涂覆。用于各种试验盘的磨粒的涂层重量如下表1所示表1纤维(刚纸)盘磨粒混合物重量盘号 磨粒或混合物类型 磨料重量(1bs(磅)/Rm)1 100%A.Z. 442 75%A.Z.-25%S.G.1443 50%A.Z.-50%S.G. 444 25%A.Z.-75%S.G. 445 100%S.G. 441.本发明混合物中各磨粒材料的百分数是体积百分数。S.G颗粒密度为3.95gms/cc，A.Z.颗粒密度为4.60gms/cc，因此，S.G.颗粒10＃试样的体积等于氧化铝-氧化锆颗粒(10＃＊1.16)或11.6＃。
在50% R.H.70°F下调节后，采用橡胶滚动揉曲机(疲劳试验机)将固化的盘以常规方式0°-90°揉曲，以达到使硬树脂胶层(接合涂层和胶料涂层)可控制地龟裂，然后根据常规工艺将其卷曲校正此后，它们被用于通常用于评价纤维(刚纸)盘的试验中，进行低压(112D5ⅠⅠⅠ)和高压(112Dsh，112Dss)钝化。通常，该试验包括将磨盘装在中等硬度的橡胶支承台上，再将支承台装在安装于底座上的水平旋转的电动机驱动的轴组件上，后者在无摩擦轴承上可自由地以水平方向向内来回地沿液压驱动试样握持器移动。所述试样握持器被调节至能接纳1″×1″×9 3/4″-1/8″角或3″×3/16″×15″长平板，并以与轴成90°的方向水平移动，在预定的距离上以预定的速度来回运动。将试验装置装于基本上是钢的平板支承上，从而在操作中提供稳定性。通过在附着于装有驱动轴(盘)的可动底座上的牵拉系统上挂一静负载来施加研磨力。所述盘与试样握持器的平行方向成10°角度。
表2溶胶凝胶法氧化铝磨粒和熔融氧化铝-氧化锆磨粒混合物的切割(磨削)性能的相对结果磨料混合物组成 112DsH 112Dss 112Ds ⅠⅠⅠ1020钢 304不锈钢 3″板100%A.Z.(对照) 100% 100% 100%75%A.Z.-25%S.G. 124 98 13950%A.Z.-50%S.G. 192 102 15925%A.Z.-75%S.G 156 98 155100%S.G. 167 98 166试验112DsH是一高压(10磅，力-50粒度磨粒，12磅，力-36粒度磨粒，由支承台保持与工件相贴靠)钝化试验，其中采用纤维(刚纸)盘来研磨1″×1″×9 3/4″-1018或1020碳钢结构角钢(1/8″)的1/8″厚边。首先对角形工件称量，然后装在以8 1/2行程/分钟的速度和7英尺/分钟线速度下在9 3/4英寸距离上往复运动的试样握持器上。所述磨盘以3450rpm速度运动，研磨周期为两分钟，其后移出角钢试样，记录重量损失。用按需要插入的新的角钢试样重复该循环，直到达到10克/分钟的最小研磨速度。记录的数据是每两分钟间隔去除的克数(gms)、试验结束时间隔的次数以及由试验的盘去除的总切除量(gms)。试验结果通常是以对照盘的百分数来表示的，如此记录如上。
试验112Dss-该试验与试验112DsH相同，不同之处在于所用的试样是304不锈钢角钢，而不是碳钢角钢，研磨间隔是1分钟，试验结束是10次间隔，另外，研磨力是7磅(50grit)和10磅(36grit盘)。
试验112DsⅠⅠⅠ该试验与试验112Ds H相似，不同之处在于它是一低压试验(10磅力)，试样是3″×3/16″×15″长冷拔碳钢板，安装中调节其至纤维(刚纸)盘研磨板的3″表面，所述研磨间隔为1分钟，当切割速率达到小于3g克/分时试验结束。
上表2中的数据令人惊讶地表明，对于1020碳钢(高压试验)来说，含50%(体积)氧化铝-氧化锆磨粒和50%(体积)溶胶凝胶法氧化铝磨粒的磨粒混合物切割了仅包含氧化铝氧化锆的对照盘的切割量的192%。根据对照盘，切割量看来随着磨料混合物中溶胶凝胶颗粒量的不断增加而增加，直到50%水平，在这之后则切割量降低。然而，在50/50水平上，总切割量显著地大于采用只含有一种磨粒的盘的切割量。另外，即使所述磨料混合物只包含75%溶胶凝胶颗粒，其切割性能仍与当磨盘为100%溶胶凝胶磨粒时差不多。
在低压试验(112DsⅠⅠⅠ)情况下，不管磨粒混合物是50/50，还是磨盘中磨粒是100%溶胶凝胶磨料，其切割结果看来都差不多。然而，当所述磨料混合物仅是约25%(体积)溶胶凝胶磨料时，总切割量显著大于当纤维(钢纸)盘仅是氧化铝-氧化锆磨粒的情况。
然而，不管采用磨料混合物，还是所述纤维(刚纸)盘仅包含氧化锆-氧化铝颗粒，它们对不锈钢的切割性能(112Dss高压试验)都差不多。然而，通常来说，与氧化铝-氧化锆颗粒相双，在研磨不锈钢时，发现仅包含溶胶凝胶氧化铝颗粒的经涂覆的研磨材料的工作性能稍差些。
因此，根据上述结果，采用替换的溶胶凝胶氧化铝磨料与氧化铝-氧化锆磨粒的磨料混合物来制造涂层研磨材料，该材料可用于过去溶胶凝胶氧化铝颗粒已表现出最佳工作性能的某些场合，并达到了至少等价的工作性能，在某些情况，达到了更好的工作性能。这样，在某些情况下，包含该优越溶胶凝胶磨料的涂层研磨产品的全部制造成本可被显著降低，而不会使工作性能有任何实质性牺牲。另外，在过去发现的氧化铝-氧化锆磨料最有效的涂层磨料应用中，采用该磨粒与溶胶凝胶法氧化铝磨粒的磨料混合物会提供更好的工作性能。由于目前只含有溶胶凝胶磨粒的经涂覆的研磨材料比只包含氧化铝-氧化锆磨粒的材料更贵，涂层磨粒制造中两种磨粒的混合会使所述经涂覆的研磨材料的成本/性能有效性超过了那些单独包含溶胶凝胶磨料或氧化铝-氧化锆的材料。
例2具有粒度为36的溶胶凝胶氧化铝和氧化铝-氧化锆磨粒的经涂覆的研磨材料象例1那样制造纤维(刚纸)盘，不同之处在于所用磨粒的粒度为36，所述分级符合前述的粒度为36的标准。即正偏差+2+10，筛屑+14-14，前述进行的试验的结果如下表3所示。
例3溶胶凝胶法氧化铝磨粒与溶融氧化铝-氧化锆和熔融氧化铝混合物的切割性能的相对结果磨粒混合物组成 112DsH 112Dss 112DsⅠⅠⅠ1020钢 304不锈钢 3″平板100%A.Z.(对照) 100% 100% 100%50%A.Z.-50%S.G. 125 94 220100%S.G. 116 94 417象例1中那样，该数据表明，与仅单独包含混合磨粒中的一种磨粒的涂层研磨盘相比，溶胶凝胶法氧化铝和氧化铝-氧化锆磨粒的50/50混合物(体积)在对1020钢的总切割量方面提供了改进的工作性能。
当采用50/50混合物时，切割不锈钢的工作性能基本上与单独采用混合磨粒中的一种所得结果差不多。然而，令人惊奇的是，采用粒度36的磨粒的低压试验不能证实例1中的结果。该例子中的试验数据表明，与氧化铝-氧化锆颗粒相比，象前面那样，采用50/50混合物能使工作性能改善。然而，它也表明，该混合物的工作性能比只有溶胶凝胶磨粒的纤维(刚纸)盘差得多。然而，即使这样，由于该经涂覆的研磨材料具有优良的性能，在某些应用中，它能作为过去采用的氧化铝-氧化锆研磨材料的经济的替代物。
例3具有双磨粒层且顶层含有磨粒混合物的经涂覆的研磨材料的评价在该例子中，所评价的经涂覆的研磨材料是所谓的“分离涂层”，即研磨材料具有两磨粒层，经涂覆的研磨材料所要求的磨粒按重量被分成两层，第一层或底层中为40%，顶层中为60%。然而，所述经涂覆的研磨材料只有一接合涂层。
溶胶凝胶法氧化铝磨粒具有以上例1规定的典型组成和特性。氧化铝-氧化锆磨粒的组成为大约42-43%氧化锆和相应的较少量的氧化铝(与例1的组成相比)，剩下来配料的量基本上相同。该磨粒组成物中呈四方晶型的氧化锆大于约55%。以与用于混合物的磨粒组成相同的同类似方法制造(不同之处在于所用的经涂覆的研磨材料只包含溶胶凝胶法氧化铝)的所涉及的特殊粒度的经涂覆的研磨材料对比，对粒度为36和50的磨粒混合物在下述试验中进行评价，性能结果如表3所示。对各个情况下的磨粒分级以符合前面揭示的标准。磨粒的混合是通过在一常规颗粒混合机中将颗粒混合来完成的。
采用通常的工艺，通过在常规织物聚酯支持件上涂覆常规的碳酸钙填充的可溶酚醛树脂接合组成，可制得各种情况下的经涂覆的研磨材料，从而提供每令砂纸接合层(令“Rm”如前例1所述)约19膀，(28磅-36粒度)的添加重量，上述接合组成具有约75%固体，固体包括约43.6%苯酚一甲醛树脂、约54.5%碳酸钙、约1.6%水和约0.25%硅烷。此后，当接合涂层仍是湿润时，根据通常的工艺，由重力涂覆将第一层常规高纯度棕色氧化铝(粒度36-23.8磅/令，粒度50-16.2磅/令)施加于各个接合涂层基底(背衬)。接着根据常规向上推进静电工艺，以下列近似量(粒度36-35.7磅/令;粒度50-24.4磅/令)施加溶胶凝胶法氧化铝磨粒和氧化铝-氧化锆颗粒的50/50混合物(体积)。在对照研磨材料中，只有溶胶凝胶氧化铝磨粒被施加于上层中(粒度36-35.7磅/令;粒度50-24.4磅/令)。
然后，在各种情况下将接合涂层干燥，并根据常规工艺，通过在由约175°F升至约235°F的温度下将各个涂层材料常规加热约90分钟而将其部分地固化。接着，以每令砂纸接合层约28-36磅的数量(根据操作者的视觉经验)将常规冰晶石填充的可溶酚酚树脂胶料涂层组合物施加于各个磨粒层上，该组成包括约75%固体，在粒度为50的磨粒情况下，它包括约39.1%苯酚甲醛树脂、48.4%的冰晶石、10.2%水、2.0%颜料以及0.25%有机硅烷。在粒度为36的研磨材料情况下，胶料涂层组成包括(以固体为基准)约40.5%苯酚甲醛树脂、50.1%冰晶石填料、7%水、2.0%颜料和0.25%有机硅烷粘合促进剂。然后根据常规工艺，将各个情况下的经涂覆的研磨材料在约165-235°F的温度下放置135分钟，以将胶料涂层干燥并部分地固化。此后，将经涂覆的研磨材料取下成薄板卷，并通过以常规方式将其在235°F下加热12小时而使其进一步固化。
因此，本发明提供了这样的经涂覆的研磨材料，其中常规氧化铝磨粒的第一研磨层约是总磨粒重量的50%，第二或顶磨粒层是由50%(体积)溶胶凝胶法氧化铝磨粒和50%(体积)常规氧化铝-氧化锆磨粒的混合物。结果，经涂覆的研磨材料中的磨粒矿物只包含约30%(体积)更贵的溶胶凝胶磨粒。
然后根据常规工艺，将上面制造的研磨材料转变成研磨带。然后在下表4中表明的试验中对研磨带进行评价，结果如表所示。
表4具有双磨料层(顶层是溶胶凝胶法氧化铝和氧化铝-氧化锆磨粒的混合物)的经涂覆的研磨材料研磨带的磨削性能相对结果带的类型 高压力带切入试验 常规带试验Setco Setco 112Ds 102Ds 102Dss200PSI 200PSI 80PSI 4140钢 304不锈钢1″SQ 1″SQ 1″SQ4142钢 304不锈钢 1018钢粒度50磨粒对照 100% 100% 100% 100% 100%50/50混合物 81 112 121 95 130粒度36磨粒对照 100% 100% 100% 100% 100%50/50混合物 108 134 74 112 1751.对照带-溶胶凝胶氧化铝磨粒2.50/50溶胶凝胶氧化铝和氧化铝-氧化锆高压力切入研磨试验Setco/KLK-该试验的装置由Setco Floor LatheBelt研磨机构成，并配有一由50HP电驱动器驱动的直径24″的尿烷(聚氨酯)包覆的90肖氏A硬度计支承轮。轮速为906rpm，使得带速为5700SFPM。带的尺寸为3″×132″。
将特殊安装用具(夹具)直接装在支承轮前，以支承和使试验与涂层研磨带接触。当将空气压加到4″孔径的空压圆柱体上时，以一定方式将1″×1″×36″金属试验棒装到安装用具上，使得棒的1″方形表面被插入涂层研磨带的表面。自动计时器施加3秒钟压力，撤出的试验棒30秒时间(冷却期)，并再施加压力。试验一般进行30次循环，或直到达到最小切削速度为10克/分钟。这于该种评价来说，在试验棒上施加200磅力。如表4所述的试样棒是4141钢和304不锈钢。
给上述装置装上仪表以读出和记录去除的金属量和在研磨循环中消耗的HP量。
在进行的试验中，采用上述过程对100%溶胶凝胶磨粒进行试验，并用作对照物。然后采用50/50混合物带重复试验。表中报道的结果是以“对照例的百分数”表示的。
122Ds切入研磨试验-该试验是用来评价切入研磨构型涂层研磨带在中等压力范围下的研磨性能，试验过程基本上与上述的相同。
所用装置由Setco Floor Lathe带研磨机构成，研磨机经改进以采用2 1/2″×60″长环形研磨带。
直径为7″的由固态尿烷(聚氨酯)包覆的90肖氏A硬度计支承轮是由一可变速度的25HP电驱动器驱动的，带速为5000SFPM。
将一特殊安装用具(夹具)直接安装到支承轮前，以支承和将试样棒的1″方形表面置于涂层研磨领域技术人员已知的切入研磨构型涂层研磨带中。所述压力是由一套机械负载产生的，将机械负载自动地施加和移去，从而获得3秒研磨和30秒冷却循环。记录各个研磨循环中去除的金属量和总循环运行次数以及去除的金属量。当达到每次循环磨削速率为10克/分钟时，试验结束。
对该评价过程来说，施加80磅负载，试验棒为1018钢。报道的结果以“对照例百分数”表示。
常规带试验试验程序120D是对常规研磨构型涂层研磨带的钝化/寿命性能评价。
所述设备是由安装在校准的无摩擦轴承上的底座组件构成的，由此当施加附着的机械负载力时，它可自由地沿水平方向移动。装于该底座上的是一电动机驱动的垂直安装的轴，该轴支承一直径为7″的、做成3/8″齿刃和凹槽锯齿状的、由尿烷(聚氨酯)包覆的55肖氏A硬度计支承轮以及构造成能接纳与地面平行的水平安装的2/1/2″×60″涂层研磨带的卷取装置。
在该构造中，以常规的来回研磨方法将1/2″×3″×9 3/4″长的金属试样棒的1/2″表面研磨一段控制的时间。使试样棒冷却，记录研磨循环中去除的金属量，并重复循环。
将金属试样棒装到支承试样棒的振荡的安装用具(夹具)上，使得1/2″表面朝向研磨带。所述安装用具以每分钟7英尺的速率振荡，带速为5000SFPM。
在该试验过程中，研磨时间为2分钟，试验金属为4140钢和304不锈钢。施加于带的压力为15＃(对粒度为36的带)和12＃(对粒度为50的带)。将金属试棒装于振荡的安装用具上，将对照带装于水平的底座上，开始试验。机械负载将水平底座提出，从而涂层研磨带开始与试样棒的1/2″表面接触，同时当计时器自动地将带撤离试样棒时，试样棒水平前后移动2分钟。去除所述棒，并记录重量损失。重复循环，直到达到每次循环切削(磨削)率为10克/分钟(或在不锈钢情况下，已完成了10-2分钟循环)。
然后采用相同的过程对试样带进行试验，记录磨削结果，以“对照例百分数”表示。
如以上表中的性能数据所示，在某些情况下，具有50/50(体积)溶胶凝胶氧化铝磨粒和氧化铝-氧化锆颗粒磨料混合物的分离涂层的经涂覆的研磨材料的工作性能比100%溶胶凝胶磨粒带明显地好。例如，在对1018钢试验中，在50粒度磨粒情况下，与全部是溶胶凝胶磨粒的带相比，其切削(磨削)性能明显改善。并且，结果表明了显著的改善，特别是粒度为36时(对不锈钢来说)。
因此，如本申请中的各种上述例子所示，在某些应用中，溶胶凝胶法氧化铝磨粒与氧化铝-氧化锆磨粒的混合产生了明显地比各个分别涂覆的磨粒优越的经涂覆的研磨材料。另外，在某些其他应用中，混合的磨粒产生了结合有各单独矿物的最佳特性的经涂覆的研磨材料。
由于这些试验，发现可提供一种具有溶胶凝胶法氧化铝磨粒和氧化铝-氧化锆磨粒混合物的、适用于许多应用中过去只有在具有单种溶胶凝胶氧化铝磨粒的经涂覆的研磨材料中才会发现最佳工作性能的经涂覆的研磨材料。该发现还伴随着经涂覆的研磨材料中磨粒成本的显著减少(与类似的只有溶胶凝胶氧化铝磨粒的这类材料相比)。
上述详细描述仅仅只是为了清楚地理解本发明，而不是对其作不必要的限定。本发明并不限于所示的细节，在不脱离下列权项所述的本发明精神和范围前提下，对该领域的熟练人员来说还存在明显的改进和变化。
权利要求
1.一种具有支持件(背衬)和粘着其上的涂层磨料层的经涂覆的研磨材料，它包括(a)至少一层接合涂层；(b)由所述接合涂层粘附到所述支持件上的至少一层磨粒层；以及(c)在所述至少一层磨粒层上面的胶料涂层，所述至少一层磨粒层包括至少约15%至约75%(体积)溶胶凝胶法氧化铝磨粒与不超过约85%至约25%(体积)氧化铝-氧化锆磨粒的混合物。
2.如权利要求1所述的经涂覆的研磨材料，其特征在于所述溶胶凝胶法氧化铝磨粒是一种晶种溶胶凝胶组合物。
3.如权利要求1所述的经涂覆的研磨材料，其特征在于所述氧化铝-氧化锆磨粒是一包括含约35%至约50%氧化锆的近共晶组合物的磨粒配方。
4.如权利要求1所述的经涂覆的研磨材料，其特征在于所述涂层磨粒层具有磨粒的单一层。
5.如权利要求4所述的经涂覆的研磨材料，其特征在于所述磨粒层是溶胶凝胶法氧化铝和氧化铝-氧化锆磨粒的混合物，并且混合物中的磨粒体积比为约50/50。
6.如权利要求5所述的经涂覆的研磨材料，其特征在于所述溶胶凝胶氧化铝磨粒是晶种溶胶凝胶组合物。
7.如权利要求6所述的经涂覆的研磨材料，其特征在于所述混合物中磨粒的粒度为50。
8.如权利要求1所述的经涂覆的研磨材料，其特征在于所述至少一层磨粒层包括第一磨粒层和位于所述第一层上面的第二磨粒层，两磨粒层都由所述接合涂层粘附到所述支持件上，并且所述胶料涂层位于所述第二磨粒层上方，所述第二磨粒层包括溶胶凝胶法氧化铝磨粒和氧化铝-氧化锆磨粒的混合物，其中溶胶凝胶磨粒的数量为至少15%(体积)。
9.如权利要求8所述的经涂覆的研磨材料，其特征在于所述第一磨粒层是熔融氧化铝。
10.如权利要求9所述的经涂覆的研磨材料，其特征在于所述各层中的磨粒的粒度为36。
11.一种特别适用于高压研磨应用的经涂覆的研磨材料，其特征在于它包括一层粘附到支持件上的磨粒层，所述磨粒层包括磨粒的混合物，所述混合物包括约15%至约75%(体积)溶胶凝胶法氧化铝磨粒和约85%至约25%熔融氧化铝-氧化锆组合物磨粒。
12.如权利要求11所述的经涂覆的研磨材料，其特征在于所述溶胶凝胶磨粒是晶种凝胶组合物，所述氧化铝-氧化锆磨粒是包括一种共晶组合物的配方，并且所述磨粒的体积比为50/50。
全文摘要
本发明涉及一种具有溶胶凝胶法氧化铝和氧化铝-氧化锆磨粒混合物的经涂敷的研磨材料(其体积比为至少15％溶胶凝胶磨粒)，与只有单独一种磨粒的这类产品相比，在某些研磨应用中，它提供了改进的工作性能，并且它提供了用于更广泛的研磨应用的更通用的涂层研磨制品。
文档编号B24D3/00GK1053571SQ9010894
公开日1991年8月7日 申请日期1990年11月3日 优先权日1989年11月3日
发明者罗伯特G·凯利, 伯那德T·劳赫林, 威廉F·麦克特森 申请人:诺顿公司