含有磨粒混合物的磨料制品的制作方法

专利名称：含有磨粒混合物的磨料制品的制作方法
发明的背景本发明涉及一种带有两种不同磨粒混合物的磨料制品，尤其是磨轮。第一种磨粒包括加晶种的或有晶核的α-氧化铝，尤其是加氧化铁晶种的α-氧化铝，第二种磨粒包括稀土氧化物改性的α-氧化铝。
在研磨中使用熔凝法氧化铝磨粒已有近100年历史。熔凝法氧化铝磨粒是将氧化铝源物质加热至高于其熔点的温度，骤冷，随后粉碎形成氧化铝磨粒而制得的。在80年代初期，市场上推出了一种新的、完全改进型的氧化铝磨粒，通常称之为“溶胶凝胶”法磨粒或“溶胶凝胶产生的”磨粒。溶胶凝胶法磨粒是用烧结法而非熔凝法制得的。一般来说，溶胶凝胶法磨粒是这样制得的，即制备含水和氧化铝单水合物(勃姆石)的分散液或溶胶，胶凝该分散液，干燥该胶凝的分散液，将干燥产物粉碎成颗粒，煅烧该颗粒并在低于氧化铝熔点的温度下烧结经煅烧的颗粒。通常，该分散液还包含一种或多种氧化物改性剂、成核剂和/或其前体。溶胶凝胶法磨粒及其制造方法的进一步详细描述可参见美国专利4,314,827(Leitheiser等)、4,623,364(Cottringer等)、4,744,802(Schwabel)、4,881,951(Wood等)、5,011,508(Wald等)、5,090,968(Pellow)、5,201,916(Berg等)、5,213,591(Celikkaya等)和5,366,523(Rowenhorst等)。
常将溶胶凝胶法磨粒混入磨料制品(如涂覆磨料制品、非织造磨料制品和粘结磨料制品)中。粘结磨料制品包括磨轮、磨石(Stones)、油石(hones)和切割磨轮。用于将磨粒保持或粘结在磨轮中的粘结剂通常是树脂或有机聚合物，但也可以是无机材料，如陶瓷或玻璃(即玻璃质粘合剂)。
切割磨轮通常是小而薄的磨轮，一般用于切割加工。该磨轮的直径一般为数英寸，厚数厘米。它们的操作转速约为1000-50,000RPM，用于例如将金属或玻璃切割至名义长度。切割磨轮也称为“工业切割锯片”，在某些场合也称为“砍锯”。
市售的切割磨轮的例子包括购自美国3M公司名为“通用切割磨轮”的产品。这些3M公司的切割磨轮使用熔凝法氧化铝磨粒。其它市售的切割磨轮包括购自United Abrasive Inc.，of Vulcan，MI名为Vulcan的磨轮和购自Spedecut ofAdelanto，CA的磨轮。这些例子的磨轮均使用基本100％的褐色熔凝法氧化铝作为磨粒。切割磨轮(如上述磨轮)通常用于切割较软的工件，如低碳钢(如1018MS)和玻璃。
为改进切割磨轮的切割性能并降低成本，厂家还制造了含有两种或多种磨粒混合物的磨轮。在某些情况下，用低质量、低成本的磨粒部分地代替优质、高成本的磨粒。例如，美国专利3,867,795(Howard)公开了一种切割磨轮及其制造方法。这些切割磨轮含有熔凝氧化铝和熔凝氧化铝-氧化锆磨粒的混合物。氧化铝-氧化锆是中等价格的磨粒，尤其适用于切割镍合金或不锈钢材料。以GREEN CORPS的商品名购自美国3M公司的磨轮使用等量熔凝氧化铝磨粒和加氧化铁晶种的陶瓷磨粒的混合物，所述陶瓷磨粒含有约4.5％氧化镁。Norton Company，ofWorcester，MA制造的切割磨轮含有等量的褐色熔凝氧化铝和熔凝氧化铝-氧化锆磨粒。购自Norton公司的Medallion切割磨轮含有等量的熔凝氧化铝-氧化锆磨粒和加晶种的陶瓷氧化铝磨粒(该陶瓷氧化铝磨粒可以SG的商品名购自Norton公司，为松散的磨粒)。
用溶胶凝胶法制得的陶瓷氧化铝磨粒尤其适用于切割碳钢制品。通过将优质磨粒与低质量磨粒混合在一起，可降低磨轮总成本中磨粒所占的成本。然而，使用低质量的磨粒也会降低磨轮的切割性能。
在磨料工业中一直在研究使用已知的优质磨粒来改进磨轮的性能，同时仍保持良好的产品性能并将成本控制在可接受范围内的方法。要求制备一种磨轮，它能很好地加工各种制品，同时仍具有合理的价格。
发明的概述本发明提供一种磨料制品，它包含第一种磨粒和第二种磨粒，所述第一种磨粒含有加晶种的或有晶核的α-氧化铝，所述第二种磨粒包含α-氧化铝和稀土氧化物。第二种磨粒可基本不含晶种或成核剂。用一种合适的粘合剂将第一种磨粒和第二种磨粒粘合在一起形成磨料制品。
磨料制品较好是粘结磨料制品，尤其是磨轮。一个较好的例子是常称为切割磨轮的薄磨轮。切割磨轮是一种薄磨轮，一般1-8mm(0.0035-0.315英寸)厚，直径为2.5-50cm(1-20英寸)。切割磨轮用于一般的切割加工。
附图简述

图1是本发明切割磨轮的透视图；图2是图1切割磨轮沿2-2线的剖面图。
较好实例的详细描述图1是根据本发明一个实施方案制得的切割磨轮10的透视图。切割磨轮10的厚度为T(如图2所示)，它明显小于切割磨轮10的直径D。切割磨轮的厚度一般为1-16mm(0.035-0.63英寸)厚，较好为1-8mm(0.315英寸)厚，直径约为2.5-100cm(1-40英寸)，一般约为7-13cm(3-5英寸)，尽管已知该直径可大至100cm(40英寸)。中央孔12用于将切割磨轮连接在例如动力驱动的机床上。中央孔的直径一般约0.5-2.5cm。
本发明切割磨轮具有用粘合剂25粘结在一起的第一种磨粒20(加晶种的或有晶核的氧化铝磨粒)和第二种磨粒21(稀土氧化物改性的氧化铝磨粒)。粘合剂或粘结介质可以是有机粘合剂或无机粘合剂。典型的无机粘合剂包括玻璃质(也称为玻璃)粘合剂、陶瓷粘合剂和金属粘合剂。
本发明切割磨轮一般是通过模制法制得的。在模制过程中，将粘合剂或粘结介质(液态有机的、粉末无机的或粉末有机的)与磨粒混合在一起。在某些情况下，先将液态介质(树脂或溶剂)施加至磨粒中以润湿磨粒的外表面，随后将湿润的磨粒与粉末介质混合。本发明切割磨轮可通过模压法、注塑法、转递模塑法等制得。模压可以是热压或冷压，或者可以使用本领域已知的其它合适方法。
酚醛树脂是最常用的有机粘合剂，可以粉末状和液体状使用。尽管常用酚醛树脂，但是使用其它有机粘合剂也包括在本发明范围内。这些粘合剂包括环氧树脂、脲醛树脂、橡胶、紫胶、丙烯酸酯官能的粘合剂等。还可用其它粘合剂材料对酚醛粘合剂进行改性，以改进或改变酚醛树脂的性能。例如，可使用橡胶改性酚醛树脂，以改进整个粘合剂的韧性。
玻璃质粘合剂或玻璃粘合剂可由各种金属氧化物的混合物制得。这些金属氧化物玻璃质粘合剂的例子包括氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁、氧化钛、氧化镁、氧化钠、氧化钾、氧化锂、氧化锰、氧化硼、氧化磷等。玻璃质粘合剂的具体例子包括(以重量计)47.61％SiO2、16.65％Al2O3、0.38％Fe2O3、0.35％TiO2、1.58％CaO、0.10％MgO、9.63％Na2O、2.86％K2O、1.77％Li2O、19.03％B2O3、0.02％MnO2、0.22％P2O5和63％氧化硅、12％氧化铝、1.2％氧化钙、6.3％氧化钠、7.5％氧化钾、10％氧化硼。玻璃质粘合剂的另一个例子(按摩尔百分数计)包括3.77％SiO2、0.58％Al2O3、0.01％Fe2O3、0.03％TiO2、0.21％CaO、0.25％MgO、0.47％Na2O、0.07％K2O。在制造玻璃质粘结的磨料制品时，可将粉末状的玻璃质粘合剂与一种临时粘合剂(通常是有机粘合剂)混合。玻璃质粘合剂也可由玻璃料，如约1-100％玻璃料，但一般为20-100％玻璃料制得。用于玻璃料粘合剂中的常用材料的一些例子包括长石、硼砂、石英、苏打灰、红铅、氧化锌、白粉、三氧化锑、二氧化钛、硅氟化钠、燧石冰晶石、硼酸及其混合物。这些材料通常以粉末状混合在一起。将混合物加热直至熔融，随后冷却凝固之。对冷凝的混合物进行粉碎然后过筛，得到很细的粉末用作玻璃料粘合剂。这些玻璃料粘结的温度取决于其化学组成，但是一般约在600-1800℃。
金属粘合剂的例子包括锡、铜、铝、镍及其混合物。
在大多数情况下，在切割磨轮中加入一种稀松织物作为增强材料，以改进其旋转破裂强度，即磨轮承受使用过程中旋转产生的离心力的能力。使用稀松织物增强材料还能改进磨轮的抗磨损性或抗热性。图2是图1磨轮沿2-2线的剖面图，显示出第一种磨粒20、第二种磨粒21和粘合剂25。切割磨轮具有第一层稀松织物15和第二层稀松织物16，它们位于切割磨轮10的外表面上。一般来说，一层稀松增强材料位于磨轮的每一外表面上。或者，磨轮中可包括一层或多层稀松增强材料以增加强度。稀松织物可用任何合适的材料制成。例如，该稀松织物可以是编织布或针织布。稀松织物中的纤维最好由玻璃纤维制成。在某些情况下，稀松织物可经偶合剂(如硅烷偶合剂)处理。稀松织物还可含有有机纤维，如聚酰胺、聚酯或聚芳酰胺。在某些情况下，在粘结介质中最好含有增强作用的短纤维，该纤维应均匀地分布在整个切割磨轮中。
本发明磨轮中采用两种磨粒。两种均为α-氧化铝基磨粒。一种磨粒加有晶种或用合适的成核剂(如α-氧化铝晶种颗粒、氧化铁或其前体、氧化铬、氧化锰、氧化钛等)成核，另一种磨粒至少含有0.01％，最好含有0.1-10％稀土氧化物改性剂(按其理论氧化物占磨粒的氧化物总量计)。所述第一和第二种磨粒可用烧结法，较好由其溶胶凝胶经烧结制得。当用于磨料制品，尤其是切割磨轮中时，与其它磨粒或磨粒混合物相比，这两种磨粒(即加晶种的磨粒和稀土氧化物改性的磨粒)的组合提供了改进的性能。令人惊奇的是这两种不同溶胶凝胶法磨粒的混合产生了协同效应。
一般来说，溶胶凝胶法磨粒是如下制得的制备包括含挥发性组分、胶溶剂和单水合氧化铝(勃姆石)的液体(通常是水)的分散液或溶胶，胶凝该分散液、干燥胶凝的分散液，将干燥产物粉碎成前体颗粒，煅烧该前体颗粒并在低于氧化铝熔点的温度下烧结经煅烧的颗粒。通常，该分散液还包括一种或多种氧化物改性剂、晶种或成核剂和/或其前体。可加入金属氧化物(有时称为金属氧化物改性剂)改变形成的磨粒的物理性能和/或晶体微结构。
可混入本发明磨粒中的金属氧化物(它不是必需的)的例子，包括氧化镁(MgO)、氧化锌(ZnO)、氧化钴(CoO)、氧化镍(NiO)、氧化锆(ZrO2)、氧化钛(TiO2)、氧化铁(Fe2O3)、氧化钇(Y2O3)、氧化锰(MnO)、氧化镨(Pr2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化钕(Nd2O3)、氧化镧(La2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化铈(Ce2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化铒(Er2O3)、氧化铕(Eu2O3)、氧化铪(HfO2)、氧化铬(Cr2O3)、氧化锶(SrO)、氧化钙(CaO)、氧化钠(Na2O)及其混合物。这些金属氧化物中的有些可与氧化铝反应，形成含氧化铝的反应产物，而其它仍保持金属氧化物状态。例如，钴、镍、锌和镁的氧化物通常会与氧化铝反应，形成尖晶石，而氧化锆和氧化铪不与氧化铝反应。而氧化镝和氧化轧与氧化铝的反应产物一般是石榴石。氧化谱、氧化镱、氧化铒和氧化钐与氧化铝的反应产物一般具有钙钛矿和/或石榴石结构。氧化钇也可与氧化铝反应形成具有石榴石晶体结构的Y3Al5O12。某些稀土氧化物和二价金属阳离子与氧化铝反应，形成用通式LnMAl11O19表示的铝酸稀土盐，其中Ln是三价金属离子，如La3+、Nd3+、Ce3+、Pr3+、Sm3+、Gd3+、Er3+或Eu3+，M是二价金属阳离子，如Mg2+、Mn2+、Ni2+、Zn2+或Co2+。这种铝酸盐具有六边形晶体结构。
所述分散液可含有晶种或成核剂，也可含有能促进α-氧化铝前体(α-氧化铝单水合物)向α-氧化铝转化的物质。这些合适的物质包括α-氧化铝细颗粒或α-氧化铁、氧化铬、钛酸盐以及能成为α氧化铝转化核心的任何其它物质的细颗粒或前体。加入晶种或成核剂可使形成的氧化铝磨粒中具有细小的微晶或晶胞，形成更耐久的磨粒。
制得溶胶或分散液以后，将其干燥，如在强制空气对流的烘箱中将其干燥成多孔固体。干燥后，通常将经干燥的凝胶粉碎成不规则的前体颗粒，随后煅烧之。还可以在将凝胶、经干燥的凝胶或前体颗粒煅烧以前对其成形。煅烧(有时称为预烧)除去基本上所有粘结的挥发性物质，通常在约400-800℃的温度下进行。接着在低于氧化铝熔点的温度下进行烧结(也称为烧制)。烧结温度通常为约1100-1650℃，较好约1250-1400℃。
溶胶凝胶法磨粒和这种类型磨粒的一般制造方法的其它细节公开在例如美国专利4,314,827(Leitheiser等)、4,744,802(Schwabel)和4,881,951(Wood等)中。
加α-氧化铝晶种的磨粒通常，加α-氧化铝晶种的磨粒包含α-氧化铝，或者还包含任何添加剂。加α-氧化铝晶种的磨粒及其制造方法的细节公开在例如美国专利4,623,364(Cottringer等)和4,744,802(Schwabel)中。
α-氧化铝晶种的用量可有很大的差异。按氧化铝磨粒的总重量计，晶种的合适量约为0.01-50重量％，尽管也可使用该范围外的用量，但是，约小于2％，通常小于约1％的用量是最佳的用量。α-氧化铝颗粒的粒径也有很大的差异，发现约为80-700nm粒径的颗粒是适用的。
α-氧化铝晶种颗粒的来源相对并不重要。市售的颗粒包括购自SumitomoChemical Co.，Ltd.名为AKP-50的商品。或者，α-氧化铝晶种颗粒可以例如在α-氧化铝陶瓷容器中球磨分散液或用α-氧化铝磨球进行球磨而原位产生。
通常，加α-氧化铝晶种的氧化铝磨粒含有高密度的亚微米等轴氧化铝晶体、非蜂窝状的微结构，并具有至少约16Gpa的硬度。
氧化铁成核的磨粒通常，在理论氧化物的基础上按磨粒的氧化物总含量计，氧化铁成核的磨粒包含约0.1-5重量％的氧化铁。氧化铁成核的磨粒及其制造方法的细节公开在例如美国专利4,744,802(Schwabel)和4,964,883(Morris等)。
用于制造磨粒的氧化铁源物质可具有不同的种类。在某些情况下作为成核剂或形成作为成核剂的物质的氧化铁源物质包括赤铁矿(α-Fe2O3)及其前体(针铁矿(α-FeOOH)、纤铁矿(γ-FeOOH)、磁铁矿(Fe3O4)和磁赤铁矿(γ-Fe2O3))。合适的氧化铁前体包括加热时会转化成α-Fe2O3的含铁物质。氧化铁源物质较好是晶体颗粒物质。这种颗粒物质可以是球状的、针状的或片状的，取决于颗粒的结晶度和/或制造方法。无论何种形状的颗粒材料，其表面积较好至少约60m2/g(更好至少约80m2/g，最好至少约100m2/g)，并且平均粒径小于约1微米(最好小于约0.5微米)。在本文中，“粒径”定义为孤立的单个颗粒或磨粒的最长尺寸。在较好的实施方案中，晶体颗粒是针状的，长径比至少约2∶1。一种较好的材料是针状的颗粒，长约0.04-0.1微米，宽约0.01-0.02微米。这种颗粒可从不同磁性介质颜料的生产商(如Magnox Pulaski，Inc.，Pulaski，VA，它出售例如氢氧化正铁(α-FeOOH)水基淤浆，一种名为GOETHITE A的针状颗粒，平均粒径约为0.08微米，表面积约为104.5m2/g)获得。
氧化铁源颗粒物质的表面积通常是用购自Quantachrome Corp.of BoyntonBrach，FL的Quantasorb System OS-10采用氮吸收法测得的。可使用各种技术测得颗粒的最大尺寸来决定粒径。例如，可使用发射电子显微镜测定粒径，此时拍摄出一批颗粒的适当放大倍数显微照片，随后测定各颗粒的尺寸。另一种粒径测定技术是准弹性光散射，其中光束被颗粒所散射。对颗粒所散射的光强波动进行数值分析来测定粒径。
通常，氧化铁成核的氧化铝磨粒的微结构与加α-氧化铝晶种的磨粒相似，即含高密度的亚微米等轴氧化铝晶体、非蜂窝状微结构，并且硬度至少约为16Gpa。一般来说，铁以固溶体的形式存在于氧化铝中，或者以铁-氧化铝尖晶石的形态存在。
向溶胶或前体中加入铁源物质的其它细节报道在例如美国专利5,611,829(Monroe等)和5,645,619(Erickson等)中。
稀土氧化物改性的磨粒第二种磨粒是稀土氧化物或氧化钇改性的氧化铝磨粒。第二种磨粒可包含1)仅一种稀土氧化物改性剂，2)仅氧化钇改性剂，无其它稀土氧化物改性剂，3)一种稀土氧化物改性剂和氧化钇，4)两种或多种稀土氧化物改性剂，或者5)两种或多种稀土氧化物改性剂和氧化钇。一般来说，较好的第二种磨粒包含镧和钕稀土氧化物和氧化钇。
按理论氧化物计，本发明稀土氧化物或氧化钇改性的氧化铝磨粒包含至少0.01重量％(较好至少为0.1-约10重量％，最好约0.5-10重量％)的至少一种稀土金属氧化物或氧化钇(按磨粒的理论金属氧化物总量计)。稀土金属氧化物是镧系元素的氧化物。稀土金属氧化物包括铈、镨、钕、钐、铕、钆、镝、铒、镱和镧的氧化物。
加入磨粒中的稀土金属氧化物可以是能加热分解成金属氧化物的稀土金属氧化物前体(例如盐，如金属硝酸盐、金属乙酸盐、金属柠檬酸盐或金属甲酸盐)，和/或以颗粒状加入氧化铝基溶胶中的金属氧化物颗粒(其粒径(即最长尺寸)小于约5微米，最好小于约1微米)和/或加入的金属氧化物溶胶。
将稀土氧化物和/或氧化钇加入磨粒中，是通过将前体物质加入溶胶中，或者用稀土氧化物或其前体浸渍经干燥的磨粒前体颗粒或经锻烧的磨粒前体颗粒而实现的。总体上，将改性剂加入溶胶中的方法报道在例如美国专利4,881,951(Wood等)和5,498,269(Larmie)和1996年9月18日提交的美国专利申请08/715,672(Wood)中。浸渍前体颗粒的方法描述在例如5,164,348(Wood)和1997年1月9日提交的美国专利申请08/781,558(Wood)中。美国专利4,770,671(Monroe等)报道了关于稀土氧化物和氧化钇改性磨粒的其它信息。
稀土氧化物和氧化钇会与氧化铝反应形成反应产物，一般是石榴石。例如，氧化镝和氧化钆与氧化铝的反应产物一般是石榴石。氧化谱、氧化镱、氧化铒和氧化钐与氧化铝的反应产物一般具有钙钛矿和/或石榴石结构。氧化钇也会与氧化铝反应形成具有石榴石晶体结构的Y3Al5O12。某些稀土氧化物和二价金属阳离子与氧化铝反应，形成用通式LnMAl11O19表示的铝酸稀土盐，其中Ln是三价金属离子，如La3+、Nd3+、Ce3+、Pr3+、Sm3+、Gd3+、Er3+或Eu3+，M是二价金属阳离子，如Mg2+、Mn2+、Ni2+、Zn2+或Co2+。这种铝酸盐具有六方晶体结构。
稀土氧化物和氧化钇改性的磨粒可任选地含有晶种或成核剂。这些晶种和成核剂如上所述。有时第二种磨粒(即稀土氧化物或氧化钇改性的氧化铝磨粒)较好基本上不含晶种或成核剂。
第一和第二种磨粒可以任何比例混合，例如，以90/10-10/90的重量比混合，较好以30/70-70/30的重量比混合。最好两种磨粒的重量基本上相同，即约50/50。但是任何一种磨粒占多数的60/40的重量比也是较好的。根据要切割的制品，其它比例也可能是较好的。在某些情况下，可能需要加入第三种磨粒。第三种磨粒的用量可以任意，但是要求本发明制品中至少50％的磨粒是加晶种的或有晶核的磨粒与稀土氧化物改性的磨粒的混合物。
磨粒的粒径一般约为0.1-1500微米，通常为10-1000微米，较好为180-800微米，尽管也可使用较大和较小的磨粒。一般来说，用于切割磨轮的磨粒的平均粒径约为500-700微米，这分别大约相当于ANSI36级和24级。
一种磨粒(如加晶种的或有晶核的磨粒)的平均粒径大于另一种磨粒(如稀土氧化物改性的磨粒)的平均粒径，也在本发明的范围内。稀土氧化物改性的磨粒也可以具有较大的平均粒径。一般来说，最好是磨粒混合物以及任何填料颗粒中较大的颗粒起切割作用。在本发明中，两种磨粒是协同地提供高的切削性能。术语“协同地”是指与各自的单种磨粒相比，两种磨粒的组合能提供更好的工作性能。第一磨粒和第二磨粒较好具有大致相同的粒径，虽然不是必需的。
用于本发明的这两种磨粒或其任一种，其形状可以是不规则的或规则的。形状不规则的磨粒是例如将前体颗粒粉碎，随后烧结成最终磨粒而制得的。规则形状的磨粒包括棒形(具有任意截面积)、棱锥形和具有多边形表面的光面(faced)薄磨粒。；形状规则的磨粒及其制造方法报道在例如美国专利5,090.968(Pellow)和5,201,916(Berg等)。形状规则的磨粒的其它制造方法报道在Wood于1996年9月18日提交的美国专利申请08/715,672中。
本发明切割磨轮中的磨粒也可以是团聚状的，即磨粒粘合在一起形成磨料团聚物。磨料团聚物更详细地描述在美国专利4,311,489(Kressner)、4,652,275(Bloecher等)、4,799,939(Bloecher等)、5,039,311(Bloecher)和5,500,273(Holmes等)。
还可对两种磨粒中的一种或者两种进行表面涂覆。表面涂覆的作用是增加与粘合剂的粘着，改变磨粒的研磨特性或其它作用。表面涂覆的例子描述在美国专利4,997,461(Markhoff-Matheny等)、5,011,508(Wald等)、5,131,926(Rostoker)、5,213,591(Celikkaya等)和5,474,583(Celikkaya)。一种较好的涂层描述在美国专利5,213,591(Celikkaya等)中。
磨粒可分布在整个磨轮中，或者集中在中部(即离开磨轮外表面的部分)。磨粒也可仅分布在切割磨轮的外缘(即外周)上。在另一种情况中，第一种磨粒在磨轮的一侧，而第二种磨粒在磨轮的另一侧。在另一个实施方案中，一种磨粒(如加晶种或有晶核的第一种磨粒)主要在磨轮的一个表面上，而另一种磨粒(即稀土氧化物或氧化钇改性的磨粒)在磨轮的另一个表面上。或者一种磨粒在切割磨轮的外缘(即外周)上，而另一种磨粒在接近磨轮中央孔12的中心部位上。但是，两种磨粒(即稀土氧化物改性的磨粒和带晶种或有晶核的磨粒)最好相互之间均匀分布，因为这种情况容易制造，并且当两种磨粒的位置相互靠近时，协同的切割效果最佳。
可以预料，本发明切割磨轮还可含有其它磨粒，如熔凝氧化铝(包括熔凝氧化铝-氧化锆)、褐色氧化铝、蓝色氧化铝、碳化硅(包括绿色碳化硅)、石榴石、金刚石、立方氮化硼、碳化硼、氧化铬、氧化铈及其混合物。但是，切割磨轮中至少约50重量％、较好约80重量％、最好约100重量％是加晶种的磨粒与稀土氧化物改性的磨粒的混合物。
其它添加剂本发明切割磨轮一般含有填料颗粒。在切割磨轮中加入填料颗粒以占据空间和/或形成孔隙。孔隙能使切割磨轮“剥落”，即使用过的或磨损的磨粒脱落，露出新的即未用过的磨粒。这种剥落特性在很大程度上取决于切割磨轮的配方，包括磨粒、粘合剂或粘合介质和添加剂。孔隙的含量对切削磨轮的剥落特性也有很大的影响。切割磨轮可具有任何孔隙度，例如约1-50体积％，通常约1-40体积％。在切割磨轮中产生孔隙的方法包括使用多孔体、稀释剂、填料或其它软颗粒。用于切割磨轮中的填料的例子包括，但不限于，空心球或小球(如玻璃、陶瓷(氧化铝)、粘土、聚合物、金属)、软木、石膏、大理石、石灰石、燧石、氧化硅和硅酸铝。空心球和软木是常用的孔隙来源。引入孔隙的另一种方法是向制品中加入膨胀剂。在加热有机或无机粘结剂介质的过程中发生分解的过渡物质一般会留下孔隙。这些过渡材料通常更多用于玻璃化(即无机)材料中而不用在树脂粘结的材料中。这种过渡材料的例子包括核桃壳、糖、苯二酸烃类和热塑性颗粒。
还可向磨轮中加入研磨助剂颗粒，如冰晶石、氯化钠、FeS2(二硫化铁)或KBF4。加入研磨助剂对磨轮切割性能的改进，一般是通过降低切割界面的温度而实现的。研磨助剂可以是单个颗粒形式，也可以是研磨助剂颗粒的团聚物的形式。形状规则的研磨助剂颗粒的例子报道在1996年9月11日提交的PCT申请US96/14570(Culler)中。
切割磨轮的使用方法本发明切割磨轮可用于各种直角磨具中，如购自Ingersoll-Rand，Sioux，Milwaukee和Dotco的磨具。该磨具可以是电动的或气动的，转速一般约为1000-50,000RPM。可在干或湿的状态下使用切割磨轮。在湿研磨过程中，磨轮与水、油基润滑剂或水基润滑剂一起使用。
本发明切割磨轮尤其适用于各种工件材料，如碳钢片或条块。常规的切割磨轮被设计成对较硬的或稀有金属(即不锈钢、钛等)和对较软的高铁含量金属(低碳钢、低合金钢、铸铁等)中的一种或两种均具有良好的性能。
切割磨轮的效率常用其切割能力来衡量。这种衡量通常称为“G-比例”，它是用除去的工件材料的体积除以磨料制品的磨耗体积而算得的。较大的G-比例(磨料制品能以较小的磨耗体积除去工件的较大体积)要好于较小的G-比例。
尽管本发明着眼于粘结磨轮，尤其是切割磨轮，但是加晶种的或有晶核的磨粒和稀土氧化物改性的磨粒的混合物适用于其它磨料制品，例如涂覆的、淤浆涂覆的、有结构的和非织造的磨料制品。
涂覆磨料制品通常包括一层挠性背衬，上面粘结有“初始结合”涂层(即第一粘合剂层)。在初始结合涂层上嵌入磨粒，随后在磨粒上覆盖一层“胶结”涂层(即第二粘合剂层)。在胶结涂层上还可施涂一层任选的第二胶结涂层，称为“上胶结涂层”。通常，上胶结涂层包含研磨助剂材料或抗负载添加剂。研磨助剂将在下面进一步描述。背衬可以是任何合适的材料，包括布、聚合物薄膜、硬化纸板、非织造板材、纸、它们的结合物，这些材料也可以是经处理的。粘合剂可以是任何合适的粘合剂，包括无机或有机粘合剂。磨粒的混合物可存在于一层涂覆磨料制品中或可以存在于两层涂覆磨料制品中。制造涂覆磨料制品的较好方法描述在例如美国专利4,734,104(Broberg)、4,751,138(Tumey等)、5,496,386(Broberg等)和5,573,619(Benedict等)中。
在涂覆磨料制品的背面上可具有一个连接装置，以便将涂覆磨料制品固定在支承垫上或承载垫上。这种连接装置可以是例如一层压敏粘合剂或一层毛圈织物，后者用于钩圈连接。涂覆磨料制品的背面还可含有防滑或摩擦涂层。这种涂层的例子包括分散在粘合剂中的无机颗粒材料(如碳酸钙或石英)。涂覆磨料制品可制成一些常规形状，如带、片或圆盘。
磨料制品的另一个例子是淤浆涂覆的磨料制品。它是如下制得的将磨粒、粘合剂前体(一般是合适的粘合剂材料)和任选的添加剂混合成均匀的淤浆，将液体状态的该淤浆施涂至背衬上，形成均匀的磨粒层，随后固化。用于搭接磨料制品的常见涂覆技术的例子，包括刮刀涂覆机、口模涂覆机、真空模头、帘流涂覆机和凹槽辊涂覆机。当使用凹槽辊涂覆机时，常在磨料涂层上形成纹理，当淤浆固化后该纹理仍留在涂层上。这种纹理或结构的涂层是不规则的，并且是不精确的。
有结构的磨料制品上有许多研磨复合体，这些研磨复合体含有磨粒和粘合剂，粘合剂将复合体粘结在背衬上。复合体可具有精确的形状。一般希望的是每个研磨复合体都有精确的形状。该精确的形状具有确切的可分辨的边界。这些边界构成精确形状的外形或轮廓，并在某种程度上使一个研磨复合体与另一个研磨复合体隔开。这种复合体通常是如下制得的用含磨粒和粘合剂前体的磨料淤浆填充一个模具中的空腔，接着在模具中固化粘合剂前体，使固化的复合体具有与空腔相反的形状。为形成含形状不规则复合体的带纹理的磨料制品，在粘合剂前体进行固化前从模具中将成形的个体取出。这会导致淤浆体边缘的塌落，固化后形成形状不精确的复合体。有结构的磨料制品及其制造方法的其它细节公开在例如美国专利5,152,917(Pieper等)、5,435,816(Spurgeon等)、5,489,235(gagliardi等)和PCT专利公布No.WO 95/07797中。
可使用本发明磨粒混合物的另一种磨料制品是非织造的磨料制品。非织造磨料制品通常是具有开口孔隙的蓬松聚合物长丝结构，磨粒分布并用有机粘合剂粘结在整个结构中。长丝的例子包括聚酯纤维、聚酰胺纤维和聚芳酰胺纤维。非织造磨料制品的细节可参见例如美国专利2,958,593(Hoover等)。
在松散的磨料淤浆中使用磨粒也在本发明范围内。这些磨料淤浆通常是磨粒和液体的混合物。这种液体一般是水，有时是有机溶剂。有时所述液体是水和其它添加剂(如防锈剂、消泡剂、抗菌化合物等)的混合物。松散的磨料淤浆可以湿或干的状态使用，例如用于喷砂加工中。或者，松散的磨料淤浆可用在抛光垫上用于抛光用途。
用于本发明上述磨料制品的合适的有机粘合剂包括热固性有机聚合物。合适的热固性有机聚合物的例子包括酚醛树脂、脲醛树脂、蜜胺-甲醛树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸酯树脂、聚酯树脂、具有侧接的α，β-不饱和羰基的氨基塑料树脂、环氧树脂及其混合物。粘合剂和/或磨料制品中还可包含添加剂，如纤维、润滑剂、润湿剂、触变材料、表面活性剂、颜料、染料、抗静电剂(如炭黑、氧化钒、石墨等)、偶合剂(如硅烷、钛酸盐、铝锆酸盐等)、增塑剂、悬浮剂等。这些添加剂的用量应选择获得所需的性能。偶合剂可改进对于磨粒和/或填料的粘着。
粘合剂还可含有通常是颗粒状的填料或研磨助剂。通常，所述颗粒物质是无机物质。起填料作用的颗粒物质的例子包括金属碳酸盐、氧化硅、金属硅酸盐、金属氧化物等。起研磨助剂作用的颗粒物质的例子包括卤化物，如氯化钠、氯化钾、钠冰晶石和四氟硼酸钾；金属如锡、铅、铋、钴、锑、铁和钛；有机卤化物如聚氯乙烯和四氯代萘；硫和含硫化合物；石墨等。研磨助剂是一种物质，它能在化学和物理的研磨过程中起很大作用，使性能改进。在涂覆研磨产品中，研磨助剂通常用在施加在磨粒表面上的上胶结涂层中，尽管它也可以施加在胶结涂层中。如果使用的话，研磨助剂的用量通常约占磨料制品的50-300g/m2(较好约80-160g/m2)。
下列一些实施例将进一步说明本发明目的和优点，但是在这些实施例中的具体物质和用量以及其它条件和细节不应视为对本发明的限制。除非另有说明，所有份和重量均是按重量计算的。
实施例制备切割磨轮的一般方法根据下述一般方法制备切割磨轮。
在一叶片混合器中将69.31份磨粒和4.95份液态酚醛树脂混合。同时，将13.96份干粉状的酚醛树脂和11.88份冰晶石混合在一起。将树脂和磨粒的湿混合物缓慢地加入该干粉混合物中并搅拌。形成的均匀颗粒混合物含有69.31重量％磨粒、18.81重量％树脂和11.88重量％冰晶石研磨助剂，将其过筛得到均匀颗粒。将其装入水压机料斗中。在水压机中装入一模头，其大小相当于要成形的切割磨轮的尺寸(10cm直径，0.16cm厚，具有0.95cm直径的中央孔(4”×0.0625”×0.375”))。在模头底部插入一层玻璃纤维稀松织物，加入足够的上述混合物填充模头，并在该混合物上放置第二层稀松织物。随后用约1410-2110kg/cm2(10-15psi)的压力进行压制，形成磨轮粗坯。将形成的粗坯置于钢板和特氟隆涂覆的垫子之间。这样堆叠15层并施加约7kg/cm2(100psi)的压力。仍保持压力，将堆叠物置于烘箱中，在约16小时加热至185℃，在该温度保持约16小时，冷却。总的加热和冷却时间为40小时。从烘箱中取出磨轮，将中心轴孔修扩至标准尺寸。
根据制备切割磨轮的一般方法制得实施例1和实施例2磨轮试样。此时将加氧化铁晶核的溶胶凝胶法磨粒(94.3％Al2O3、4.5％MgO、1.2％Fe2O3)和等量的根据美国专利5,213,591(Celikkaya等)所述的方法制得的稀土氧化物改性的溶胶凝胶法磨粒进行混合。
对于实施例1，加氧化铁晶核的磨粒和稀土氧化物改性的磨粒均为ANSI36级。
如实施例1那样制得比较例A的试样，但是比较例A仅使用ANSI 36级稀土氧化物改性的磨粒，不使用加氧化铁晶核的磨粒。
在1018低碳钢(20号(gauge))和304不锈钢工件上，试验实施例1和比较例A的试样。将切割磨轮安装在以11,950RPM旋转的电动马达上。以0.635cm/sec(0.250英寸/秒)的恒定移动速度，在工件上形成4条长61cm(24英寸)、深1.27cm(0.50英寸)的直割线。将相对切割性能与测得的磨耗特性进行比较。磨轮的磨耗由其重量损耗算得。对列举的磨轮，算得的切割效率列于表1“G-比例”一栏。
对于实施例2，使用等量的加氧化铁晶种的磨粒和稀土氧化物改性的磨粒。这些磨粒都是等量的ANSI36、50和60级的混合物。
如实施例2所述，制得比较例B试样，但是仅使用数量相同的三个级别的稀土氧化物改性的磨粒，不使用加氧化铁晶种的磨粒。
如实施例2所述，制得比较例C试样，但是比较例C仅使用ANSI36级加氧化铁晶核的磨粒并使用经热处理的熔凝氧化铝磨粒，其ANSI50和60级的比例为60/40。
如比较例C所述，制得比较例D，但是比较例D仅使用ANSI36级熔凝氧化铝，不使用加氧化铁晶核的磨粒。
如前面所述，在1018低碳钢和304不锈钢工件上试验实施例2和比较例B-D的试样。结果列于表1。
如实施例1所述，制得实施例3试样，但是加氧化铁晶核的磨粒和稀土氧化物改性的磨粒均为ANSI30级而非36级。
如实施例3所述，制得比较例E，但是比较例E仅使用稀土氧化物改性的磨粒，不使用加氧化铁晶核的磨粒。
如实施例3所述，制得比较例F的试样，但是比较例F仅使用加氧化铁晶核的磨粒，不使用稀土氧化物改性的磨粒。
如比较例F所述，制得比较例G的试样，但是磨粒是ANSI36级而非30级。
如实施例3所述，制得比较例H的试样，但是比较例H使用等量的ANSI30级加氧化铁晶核的磨粒和比较例C所述的熔凝氧化铝磨粒，后者的ANSI40级和60级之比为60/40。
如比较例H所述，制得比较例I的试样，但是加氧化铁晶核的磨粒是ANSI36级，熔凝氧化铝磨粒是60/40的ANSI50级与60级的混合物。
如前面所述，在1018低碳钢和304不锈钢工件上试验实施例3和比较例E-I的试样。结果列于表1。
如实施例1所述，制得实施例4的试样，但是加氧化铁晶核的磨粒和稀土氧化物改性的磨粒均为ANSI24级而非36级，切割磨轮的厚度为0.317cm(0.125英寸)。
如实施例4所述，制得实施例5的试样，但是两种磨粒均为ANSI30级而非24级。
如实施例4所述制得比较例J的试样，但是不使用稀土氧化物改性的磨粒。
如实施例5所述制得比较例K的试样，但是不使用稀土氧化物改性的磨粒。
如实施例4所述制得比较例L的试样，但是使用熔凝氧化铝磨粒而非稀土氧化物改性的磨粒。
如比较例L所述制得比较例M的试样，但是所述熔凝氧化铝磨粒是60/40的ANSI36级和50级的混合物。
如前面所述在1018低碳钢上试验实施例4-5和比较例J-M的试样。结果列于表1。
根据实施例1所述的方法制备实施例6的试样。
根据实施例6的方法制得比较例N的试样，但是不使用加氧化铁晶核的磨粒。
根据实施例6所述的方法制得比较例O，但是不使用稀土氧化物改性的磨粒。
根据实施例6所述的方法制得比较例P的试样，但是使用熔凝氧化铝磨粒而非稀土氧化物改性的磨粒、所述熔凝氧化铝改性的磨粒是60/40的ANSI50级和60级的混合物。
如前面所述在1018低碳钢和304不锈钢工件上试验实施例6和比较例N-P的试样。结果列于表1。
表1
>-未试验
权利要求
1.一种磨料制品，它包含含有加晶种即有晶核的α-氧化铝的第一种磨粒和含有稀土氧化物或氧化钇改性的α-氧化铝的第二种磨粒。
2.如权利要求1所述的磨料制品，其特征在于所述第一种磨粒是加氧化铁晶种的，所述第二种磨粒基本不加晶种或成核剂。
3.如权利要求1或2所述的磨料制品，其特征在于它是切割磨轮。
4.如权利要求1或2所述的磨料制品，其特征在于按磨粒的理论金属氧化物总量计，所述稀土氧化物改性的磨粒含有0.1-10重量％稀土氧化物改性剂。
5.如权利要求1或2所述的磨料制品，其特征在于所述第一种磨粒和第二种磨粒的重量比为40/60-60/40。
6.如权利要求1或2所述的磨料制品，其特征在于所述第一种磨粒和第二种磨粒基本等量。
7.如权利要求1或2所述的磨料制品，其特征在于所述稀土氧化物改性的磨粒是圆棒状的。
8.如权利要求1或2所述的磨料制品，其特征在于它还包含熔凝氧化铝磨粒。
9.如权利要求1或2所述的磨料制品，其特征在于它还包含填料。
10.如权利要求1或2所述的磨料制品，其特征在于所述第一种和第二种磨粒通过有机粘合剂粘合在一起。
11.如权利要求1或2所述的磨料制品，其特征在于所述有机粘合剂是酚醛粘合剂。
12.如权利要求1或2所述的磨料制品，其特征在于它还包含研磨助剂。
全文摘要
本发明提供一种研磨制品,具体是切割磨轮,它含有稀土氧化物改性的磨粒和加晶种即晶核的α－氧化铝磨粒。较好的是,按理论氧化物计,稀土氧化物占磨粒的约0.1—10重量%。在一个实施方案中,稀土氧化物改性的磨粒是棒状的。
文档编号B24D3/00GK1265699SQ98807826
公开日2000年9月6日 申请日期1998年6月24日 优先权日1997年8月1日
发明者G·R·亚伯拉罕森 申请人:美国3M公司