颗粒材料及其形成方法

颗粒材料及其形成方法
【技术领域】
[0001]如下涉及颗粒材料，如包括第一相和第二相的颗粒材料，以及涉及形成颗粒材料的方法。
【背景技术】
[0002]磨粒和由磨粒制得的研磨制品可用于各种材料去除操作，包括碾磨、精整和抛光。取决于研磨材料的类型，这种磨粒可用于在物品制造中成形或碾磨多种材料和表面。迄今为止已配制具有特定几何形状的某些类型的磨粒(如三角形磨粒)以及掺入这种物体的研磨制品。参见例如美国专利 N0.5，201，916、N0.5，366，523 和 N0.5，984，988。
[0003]已用于制备具有指定形状的磨粒的三种基本技术为(I)熔化、(2)烧结和(3)化学陶瓷。在熔化过程中，磨粒可由其面可为经雕刻的或未经雕刻的冷却辊、将熔融材料倒入其中的模具或浸入氧化铝熔体中的散热材料成形。参见例如美国专利N0.3，377，660，其公开了包括如下步骤的过程:使熔融研磨材料由炉中流动至冷的旋转浇铸滚筒上、快速固化所述材料以形成薄的半固体弯曲片材、使用压力辊使所述半固体材料致密化，然后通过使用快速驱动的经冷却的传送带将半固体材料的条带拉引离开滚筒而反转所述条带的曲率，从而使所述条带部分破裂。
[0004]在烧结过程中，磨粒可由粒度为至多10微米直径的耐火粉末形成。粘结剂连同润滑剂和合适的溶剂(例如水)可添加至粉末中。所得混合物、混合物或浆料可成形为具有各种长度和直径的薄片或棒。参见例如美国专利N0.3，079，242，其公开了一种由煅烧铝土矿材料制备磨粒的方法，所述方法包括如下步骤(I)将材料减小至细粉，(2)在正压下压实，并将所述粉末的细粒成型为晶粒尺寸的附聚物，和(3)在铝土矿的熔化温度以下的温度下烧结粒子的附聚物，以引起粒子的限制重结晶，由此直接产生目标尺寸的研磨晶粒。
[0005]化学陶瓷技术涉及将任选地在与其他金属氧化物前体的溶液的混合物中的胶体分散体或水溶胶(有时称为溶胶)转化为凝胶或抑制组分的流动性的其他物理状态，干燥，并烧制而获得陶瓷材料。参见例如美国专利N0.4，744，802和N0.4，848，041。
[0006]行业中仍然需要磨粒的改进性能、寿命和效率，以及使用磨粒的研磨制品。

【发明内容】

[0007]根据一个方面，一种制备颗粒材料的方法包括提供原料粉末，将添加剂包括于原料粉末中，以及形成具有本体的颗粒材料，所述本体包括包含氧化物的第一相和包含添加剂的元素(包括磷)和稀土元素的第二相，其中所述第二相基本上均匀地分布遍及本体中。
[0008]根据另一方面，一种颗粒材料包括本体，所述本体包括第一相和第二相，所述第一相具有以第一相的总重量计至少约70被％的氧化铝，所述第二相包含磷，其中所述本体包含以本体的总重量计至少约0.1?〖％的第二相，且其中所述第二相具有不大于约I微米的平均晶粒尺寸。
[0009]在另一方面，一种颗粒材料具有本体，所述本体包括包含氧化铝的第一相和包含磷和稀土元素的第二相，其中所述第二相不均匀地分散遍及所述本体，且其中所述第一相具有不大于约10微米的平均晶粒尺寸。
[0010]对于另一方面，一种材料包括本体，所述本体包括包含氧化铝的第一相和包含磷和稀土元素的第二相，其中所述第二相基本上均匀地分散遍及所述本体。
[0011]根据又一方面，一种研磨颗粒材料具有本体，所述本体包括包含α氧化铝的第一相和包含独居石(LaPO4)的第二相，其中所述独居石设置于氧化铝的晶粒之间，且其中所述第二相基本上均匀地分散遍及所述本体。
[0012]对于又一方面，颗粒材料的批料具有至少一个预定分类特性，其中所述批料的颗粒材料中的每一个具有本体，所述本体包括包含α氧化铝的第一相和包含磷的第二相。
[0013]在一个方面，一种成形磨粒具有包括第一相和第二相的本体，所述第二相包含独居石(LaPO4) ο
[0014]在一个特定方面，一种研磨制品包括粘合材料和研磨颗粒材料，所述研磨颗粒材料具有本体，所述本体包括包含氧化铝的第一相和包含磷的第二相，其中所述第二相基本上均匀地分散遍及所述本体。
[0015]而且，在又一方面，一种颗粒材料具有本体，所述本体包括第一相和包含独居石(LaPO4)的第二相，其中所述第二相设置于所述第一相的晶粒之间。
[0016]对于另一方面，一种颗粒材料具有本体，所述本体包括包含氧化铝的第一相和包含磷的第二相，其中所述第二相设置于所述第一相的域之间。
【附图说明】
[0017]通过参照附图，本公开可更好地得以理解，且本公开的许多特征和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。
[0018]图1包括示出了根据一个实施例的形成颗粒材料的方法的流程图。
[0019]图2Α包括根据一个实施例的颗粒材料的本体的图示，所述颗粒材料具有基本上均匀地分散于本体内的第二相。
[0020]图2Β包括根据一个实施例的颗粒材料的图示，所述颗粒材料具有不均匀分散于本体内的第二相。
[0021]图2C包括根据一个实施例的颗粒材料的图示，所述颗粒材料包括不均匀分散于本体内的第二相。
[0022]图3Α包括根据一个实施例的磨粒的透视图图示。
[0023]图3Β包括图3Α的磨粒的横截面图示。
[0024]图4包括根据一个实施例的成形磨粒的侧视图。
[0025]图5包括根据一个实施例的包括颗粒材料的研磨制品。
[0026]图6-11包括根据一个实施例的限定成形磨粒的示例性颗粒材料。
[0027]图12Α-12Β包括根据一个实施例的颗粒材料的SEM图片。
[0028]图13包括对于常规粒子和代表一个实施例的颗粒材料之间的对比研磨测试，比磨削能相对于去除的累积材料的图。
[0029]图14包括根据一个实施例的颗粒材料的SEM图片。
[0030]图15包括根据一个实施例的颗粒材料的SEM图片。
[0031]图16包括根据一个实施例的颗粒材料的SEM图片。
[0032]图17包括对于在代表本文的实施例的样品上的研磨测试，比磨削能相对于去除的累积材料的图。
【具体实施方式】
[0033]如下涉及形成具有某些组成的颗粒材料(包括磨粒、成形磨粒等的形式的颗粒材料)的方法。颗粒材料可用于各种制品中，包括例如研磨制品，包括例如固定磨料，如粘结研磨制品、涂布研磨制品等。
[0034]图1包括示出了根据一个实施例的形成颗粒材料的方法的流程图。如所示，方法可通过提供原料粉末而在步骤101处开始。在至少一个实施例中，原料粉末可为选自氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、碳氧化物、氮氧化物、硼氧化物和它们的组合的材料。在某些情况中，原料粉末可包括氧化物。此外，原料粉末可包括氧化铝，并可基本上由氧化铝组成。在一个实施例中，原料粉末可包括水合氧化铝。在另一实施例中，原料粉末可包括α氧化铝。
[0035]如本文所述，原料粉末可包括接种材料，如通过接种加工途径加工的材料。即，例如，原料可包括晶种材料，所述晶种材料可为构造为控制原料粉末内特定结晶相的生长的化合物、络合物或元素。接种原料粉末可包括少量的晶种材料，所述晶种材料可在原料粉末的进一步加工过程中促进特定结晶相的形成。本文描述一个非限制性的接种加工途径。在其他情况中，原料粉末可包括未接种材料，并可基本上不含晶种材料。
[0036]提供原料粉末可包括通过获得铝土原料而合成颗粒材料。尽管某些铝土原料可商业购得，但在其他情况中，可制得铝土原料。根据一个实施例，形成过程可包括诸如如下的过程:分散、混合、胶凝、接种、煅烧、成形、印刷、模制、挤出、压制、干燥、粉碎、筛分、分类和它们的组合。
[0037]如本文所述，可通过制造粉末，包括例如根据接种途径制造铝土原料而获得原料粉末。在一个实施例中，铝土原料可在悬浮体(或者溶胶或浆料)中包含勃姆石前体和勃姆石晶种，所述悬浮体(或者溶胶或浆料)可被热处理(或者通过水热处理)以将勃姆石前体转化为由粒子或微晶形成的勃姆石颗粒材料。术语“勃姆石”通常在本文用于表示氧化铝水合物，包括矿物勃姆石(通常为Α1203.Η20，并具有大约15%的水含量)，以及拟薄水铝石(具有高于15%的水含量，如20-38重量％ )。应注意，勃姆石(包括拟薄水铝石)具有特定且可辨认的晶体结构，并因此具有独特的X射线衍射图案，且同样区别于其他铝土材料，所述其他铝土材料包括其他水合氧化铝，如ATH(氢氧化铝)(用于制造勃姆石颗粒材料的本文所用的常见前体材料)。
[0038]在形成合适的勃姆石颗粒材料之后，可进行热处理过程以完成多晶转变，所述多晶转变去除水，并形成氧化铝材料。根据一方面，勃姆石颗粒材料可具有相对细长的形态，所述相对细长的形态在本文通常以第一(和第二和第三)纵横比描述，并在以下更详细地描述，且勃姆石的形态在原料颗粒材料中极大保持。
[0039]第一纵横比定义为最长尺寸与垂直于最长尺寸的下一最长尺寸的比例，并通常不小于2: 1，优选不小于3: 1、4:1或6:1。特别参照针状粒子，粒子还可特征在于第二纵横比，所述第二纵横比定义为第二最长尺寸与第三最长尺寸的比例。第二纵横比通常不大于3: 1，通常不大于2: 1，或甚至1.5: 1，时常约1:1。第二纵横比通常描述在垂直于最长尺寸的平面中的粒子的横截面几何形状。应注意，由于术语纵横比在本文用于表示最长尺寸与下一最长尺寸的比例，其可称为第一纵横比。
[0040]或者，勃姆石颗粒材料可具有板状或薄片状轮廓，通常具有细长结构，所述细长结构具有与针状粒子相关的上述第一纵横比。然而，薄片状粒子通常具有相对的主表面，所述相对的主表面通常为平面的，并通常彼此平行。另外，薄片状粒子可特征在于具有比针状粒子的第二纵横比更大的第二纵横比，其通常不小于约3: 1，如不小于约6: 1，或甚至不小于 10:1。
[0041]通过引晶过程而形成的勃姆石颗粒材料的形态可具有相对较细的粒子或微晶尺寸。通常，平均勃姆石材料粒度不大于约1000纳米，并落入约100至1000纳米的范围内。其他实施例具有甚至更细的平均粒度(如不大于约800纳米，750纳米，600纳米，500纳米，400纳米)，和甚至平均粒度小于300纳米的粒子(表示细颗粒材料)。如本文所用，与高纵横比勃姆石颗粒材料相关的“平均粒度”用于表示粒子的平均最长或长度尺寸。
[0042]除了勃姆石颗粒材料的纵横比和平均粒度之外，勃姆石颗粒材料的形态还可以比表面积表征。这里，可使用通常可得的BET技术来测量勃姆石颗粒材料的比表面积。根据本文的实施例，勃姆石颗粒材料可具有通常不小于约10m2/g，如不小于约50m2/g、70m2/g、或不小于约90m2/g的相对较高的比表面积。由于比表面积随粒子形态以及粒度而变化，通常实施例的比表面积小于约400m2/g，如小于约350或300m2/g。表面积的具体范围为约75m2/g 至 200m2/g。
[0043]转向可制备引晶的勃姆石颗粒材料的过程的细节，通常椭圆形、针状或薄片状勃姆石通过如上述共同所有的专利即美国专利4，797，139中通常描述的水热处理由勃姆石前体(通常为铝土材料，包括铁铝氧石矿物)形成。更具体地，勃姆石颗粒材料可通过如下方式形成:在悬浮体中组合勃姆石前体和勃姆石晶种，使所述悬浮体(或者溶胶或浆料)暴露于热处理以引起原料向勃姆石颗粒材料的转化，所述转化还受到悬浮体中提供的勃姆石晶种的影响。加热通常在自生环境中(即在高压釜中)进行，使得在加工过程中产生高压。悬浮体的PH通常选择为小于7或大于8的值，且勃姆石晶种材料可具有比约0.5微米更细的粒度。通常，晶种粒子以大于勃姆石前体(计算为Al2O3)的约I重量％的量存在，且加热在大于约120°C (如大于约125°C，或甚至大于约130°C )的温度下和自体产生的压力(通常大约30psi)下进行。
[0044]在热处理(如通过水热处理)和勃姆石转化之后，通常例如通过超滤过程或通过用以蒸发剩余液体的热处理而去除液体含量。之后，通常将所得块体压碎至例如100目。应注意，本文描述的粒度通常描述通过加工而形成的单独的粒子，而不是可在某些实施例中保留的聚集体(例如对于需要聚集的材料的那些产品)。
[0045]在勃姆石颗粒材料的形成过程中，可改变某些加工变量以获得所需的形态。这些变量包括重量比(即勃姆石前体与勃姆石晶种的比例)、在加工过程中所用的酸或碱的特定类型或物种(以及相对pH水平)、和体系的温度(其直接与自生水热环境中的压力成比例
[0046]合适的酸和碱包括无机酸(如硝酸)、有机酸(如甲酸)、氢卤酸(如盐酸)和酸式盐(如硝酸铝和硫酸镁)。有效的碱包括，例如，胺(包括氨)、碱金属氢氧化物(如氢氧化钾)、碱土金属氢氧化物(如氢氧化钙)、和碱式盐。
[0047]在形成可作为用于根据本文的实施例的之后的过程中的原料粉末的勃姆石颗粒材料之后，方法还可包括热处理所述勃姆石颗粒材料以形成铝土材料。根据一个特定实施例，热处理可包括在一定温度下煅烧勃姆石颗粒材料，所述温度足以引起向氧化铝的特定相(例如γ、δ、θ、α)或氧化铝的相的组合的转化，从而提供合适的铝土材料。为了阐明的目的，铝土材料为包含大多数含量(Wt%)的氧化铝(A1203)，优选包含至少约80wt%，至少90wt%，至少95wt%的氧化铝，或甚至基本上由氧化铝组成的材料。而且，勃姆石颗粒材料可在热处理之前用于其他过程，包括例如提供添加剂，这在本文更详细地描述。
[0048]再次参照图1，在步骤101并提供原料之后，方法可通过将添加剂包括于原料粉末中而在步骤103处继续。根据一个实施例，包括添加剂的过程可包括沉浸过程，所述沉浸过程可包括将添加剂提供至原料粉末的孔隙中。原料粉末的孔隙率可通过自然或人工过程获得。例如，原料粉末可首先通过其他技术(如煅烧)处理以促进多孔原料粉末的形成，之后，可将添加剂添加至原料粉末中以促进沉浸。而且，如本文将描述，在煅烧之前或之后可使用一种或多种过程来促进添加剂的包括。
[0049]在某些情况中，沉浸的过程可包括使用添加剂使原料粉末的孔隙饱和。饱和可包括用添加剂填充原料粉末的孔隙体积的至少一部分。而且，饱和过程可包括用添加剂填充孔隙的大部分，更特别地可包括用添加剂填充原料粉末的基本上全部的总孔隙体积。所述饱和过程(其还可包括过饱和过程)可使用包括但不限于如下的过程:浸泡、混合、搅拌、将压力增加至大气条件以上、将压力降低至大气条件以下、特定的大气条件(例如惰性气氛、还原气氛、氧化气氛)、加热、冷却以及它们的组合。在至少一个特定实施例中，包括的过程可包括在含有添加剂的溶液中浸泡原料粉末。
[0050]在某些情况中，添加剂可包含超过一种组分。例如，添加剂可包含第一组分和不同于所述第一组分的第二组分。根据一个实施例，第一组分可包含稀土元素，更特别地包含含有至少一种稀土元素的化合物。根据某些实施例，第一组分可包含盐，并可作为包含稀土元素的溶液存在。例如，第一组分可包含硝酸盐溶液。在一个特定实施例中，稀土元素可包括镧(La)，更特别地可包括硝酸镧。
[0051]如上所述，添加剂可包含不同于第一组分的第二组分。例如，第二组分可包含诸如磷的元素。另外，第二组分可作为包含磷的化合物存在。对于某些实施例，第二组分可包含含有磷的溶液。一些合适的溶液可包括PH可小于约7的酸、pH可大于约7的碱、或者中性溶液。在一个特定情况中，第二组分可包含氢，更特别地可作为磷酸(H3PO4)存在。
[0052]包括添加剂的过程可将第一组分和第二组分的特定组合包括于原料粉末中。例如，在一个实施例中，包括添加剂的过程可包括在第一时间提供第一组分和在第二时间提供第二组分。第一时间和第二时间可彼此相同，使得第一组分和第二组分可同时添加至原料粉末中。而且，在另一实施例中，第一组分和第二组分可在不同的时间添加至原料粉末中。例如，第一组分可在第二组分之前添加。或者，第一组分可在第二组分之后添加。
[0053]包括添加剂的过程可包括在将第一组分添加至原料粉末中与将第二组分添加至原料粉末中之间进行至少一个过程。例如，可在添加第一组分与第二组分之间进行的一些示例性过程可包括混合、干燥、加热、煅烧和它们的组合。在一个特定实施例中，包括添加剂的过程可包括将第一组分提供至原料粉末中、在将第一组分添加至原料粉末中之后加热原料粉末、以及在加热原料和第一组分之后将第二组分提供至原料粉末和第一组分中。应了解这种加热过程可包括煅烧过程。
[0054]煅烧过程可包括将原料粉末加热至适于去除特定挥发性组分，并促进多孔原料的形成的温度。在一个特定情况中，煅烧过程可在至少约300°C的温度下进行。在其他情况中，煅烧温度可更大，如至少约600°C，至少约700°C，或甚至至少约750°C。而且，煅烧过程可在不大于约1200°C，如不大于约1000°C，或甚至不大于约900°C的温度下进行。应了解，煅烧过程可在上述最小值和最大值中的任意者之间的范围内的温度下进行。
[0055]根据可选择的实施例，包括添加剂的过程可包括掺杂过程。掺杂可包括其中在进行某些过程(特别是原料粉末的煅烧)之前添加剂与原料粉末组合的过程。根据本文的实施例，掺杂过程也可使用包含第一组分和第二组分的添加剂。特别地，第一组分和第二组分均可在煅烧过程之前添加至原料粉末中。
[0056]再次参照图1，在完成步骤103处的将添加剂包括于原料粉末中的过程之后，方法可通过形成颗粒材料而在步骤105处继续。颗粒材料可包括本体，所述本体具有包含氧化物的第一相和包含添加剂的至少一种元素(包括例如磷、稀土元素和它们的组合)的第二相。
[0057]形成过程可包括组合添加剂的第一组分和第二组分，以形成存在于颗粒材料内的第二相的前体。在至少一个实施例中，形成过程可包括添加剂的反应，更特别地可包括添加剂的第一部分的至少一种元素与添加剂的第二部分的至少一种元素之间的化学反应，以形成第二相的前体的形式的化学产物。例如，在一个情况中，第二相的前体可包括水合化合物，更特别地包括包含磷和稀土元素的化合物，甚至更特别地，第二相的前体可包括磷稀土矿(La)PO4* (H2O),所述磷稀土矿(La)P04.(H2O)可包括包含至少一种稀土元素和磷酸盐的化合物的水合形式。
[0058]根据一个实施例，形成过程还可包括将第二相的前体转化为第二相。在一个实施例中，将第二相的前体转化为第二相的过程可包括应用或改变温度、压力、大气和它们的组合中的至少一者。将第二相的前体转化为第二相可包括某些物种(包括例如水)的挥发。此外，转化过程可包括结晶或第二相的前体的结晶结构的改变。在另一实施例中，转化过程可包括致密化。
[0059]根据一个特定实施例，将第二相的前体转化为第二相的过程可包括烧制原料和第二相的前体。烧制过程可包括烧结过程，包括材料的致密化和第一相的高温相(包括例如α氧化铝)的形成。烧制可在至少约500°C，如至少约700°C或甚至至少约800°C的温度下进行。而且，烧制可在不大于约1200°C，如不大于1100°C或甚至不大于约1000°C的温度下进行。应了解，烧制可在如上最小温度和最大温度中的任意者之间的范围内的温度下进行。
[0060]此外，应了解烧结可在特定气氛下进行特定时间。例如，烧结可在环境条件下进行至少约I分钟，或甚至至少约4分钟，至少约I小时，如至少约2小时，或甚至至少约3小时。此外，在烧结过程中所用的气氛可包括氧化气氛、还原气氛或惰性气氛。
[0061]根据一个实施例，在进行形成过程之后，颗粒材料可具有至少约95%理论密度的密度。在其他情况中，颗粒材料可具有更大的密度，如至少约96%或甚至至少约97%理论
Fth也/又。
[0062]在进行形成过程之后，颗粒材料可具有不大于约100m2/g的比表面积。在其他实施例中，颗粒材料的比表面积可不大于约90m2/g，如不大于80m2/g，或甚至不大于约1m2/g，或甚至不大于约lm2/g。而且，颗粒材料的比表面积可为至少约0.01m2/g，或甚至至少约0.05m2/go应了解，颗粒材料的比表面积可在如上最小值和最大值中的任意者之间的范围内。
[0063]在另一实施例中，颗粒材料可具有本体，所述本体具有可选自预定筛尺寸的组的平均粒度。例如，本体可具有不大于约5_，如不大于约3_，不大于约2_，不大于约1mm，或甚至不大于约0.8mm的平均粒度。而且，在另一实施例中