具有低圆度系数的成形磨粒的制作方法

专利名称：具有低圆度系数的成形磨粒的制作方法
具有低圆度系数的成形磨粒本专利申请要求于2009年6月22日提交的美国临时专利申请序列号No. 61/219，161的优先权，该临时专利申请要求于2009年9月提交的专利申请 No. 12/570，067的优先权，以上两个专利申请的公开内容全文以引用方式并入本文中。
背景技术：
磨粒和由磨粒制造的磨料制品可用于在产品制造过程中研磨、整理或磨削多种材料和表面。因此，一直存在对磨粒和/或磨料制品的成本、性能或寿命进行改善的需求。在授予Berg的美国专利5，201, 916、授予Rowenhorst的美国专利5，366，523 (Re 35，570)以及授予Berg的美国专利5，984，988中公开了三角形成形磨粒和使用三角形成形磨粒的磨料制品。在一个实施例中，该磨粒的形状包括等边三角形。三角形成形磨粒可用于制造具有增大的切削速率的磨料制品。

发明内容
成形磨粒通常可具有优于随机粉碎的磨粒的性能。通过控制磨粒的形状，可以控制磨料制品的所得性能。本发明人已经发现通过制备具有低圆度系数的成形磨粒的横截面形状，出现了改善的磨削性能。当成形磨粒用于磨削基底时，据信成形磨粒在使用过程中往往会断裂，沿着横向于成形磨粒的纵向轴线而取向的断裂平面裂开。这些断裂平面通常不与成形磨粒的纵向轴线取向成精确的90度角，成形磨粒的所述纵向轴线从成形磨粒的基部延伸至其磨削顶点。 由此，断裂平面往往为相对于成形磨粒的纵向轴线和基部倾斜的。倾斜的断裂平面往往会沿着断裂平面的最高部分的边缘集中磨削力。通常该边缘为成形磨粒的两个表面相接触的地方，诸如成形磨粒的横截断裂平面的拐角处。由于成形磨粒的断裂平面的最高拐角现在形成磨削平面，所以该最高拐角尽可能地尖锐是很重要的。或者，如果边缘的一部分形成磨削平面，则该边缘尽可能地平坦而光滑以类似于精确磨尖的凿刀刀片起作用是很重要的。据信拐角和边缘的尖锐程度可通过处理条件来改善，所述条件在成形磨粒位于用来形成成形磨粒的模具腔体中时提供其改善的填充物和减少的收缩。具体地讲，已经确定的是当增加干燥速率时，用来填充模具腔体以制备成形磨粒的溶胶凝胶的酸含量也应当增力口，从而产生断裂平面的更尖锐的拐角和边缘。没有预料到溶胶凝胶的酸含量将对成形磨粒的磨削性能和所得尖锐度具有显著的影响，因为在炉中烧制成形磨粒之后，用不同酸含量制备的成形磨粒具有基本上相同的硬度。可通过最小化在传送和处理过程中对成形磨粒前体的损坏对拐角尖锐度进行进一步的改善。从模具中移除的成形磨粒前体可在被输送和传送至炉中的时候使边缘变圆，成形磨粒在所述炉中被烧制成最终硬化状态。成形磨粒的磨削性能与平均圆度系数相关，具有较低平均圆度系数的成形磨粒具有改善的磨削性能。因此，在一个实施例中，本发明涉及包含α氧化铝和具有沿着成形磨粒的纵向轴线的横截面形状的成形磨粒，该横截面形状包括非圆形横截平面，并且该成形磨粒具有介于约15%至0%的平均圆度系数。页


本领域的普通技术人员应当了解，本发明的讨论仅是针对示例性实施例的描述， 其并不旨在限制本发明的更广泛的方面，其中更广泛的方面体现在示例性构造中。图1示出具有三角形形状的成形磨粒的俯视图。图2示出图1所示成形磨粒的侧视图。图3示出由图1所示成形磨粒制成的涂附磨粒制品。图4是图1所示三角形成形磨粒从4-4截取的横截平面的显微照片。图5示出图4所示三角形成形磨粒的横截平面的测量区域，该区域由相切于成形磨粒的每个表面的最高两个点而绘制的线所界定。图6示出存在于图5的切线和图4的成形磨粒的表面之间的区域。图7示出三角形成形磨粒的现有技术横截平面的测量区域。图8示出图7所示现有技术三角形成形磨粒的横截平面的切线和表面之间的区域。图9示出比较具有低平均圆度系数的成形磨粒与现有技术成形磨粒的磨削性能的曲线图。在说明书和附图中重复使用的引用字符旨在表示本发明相同或类似的部件或元件。^X如本文所用，词语“包含”、“具有”和“包括”在法律上是具有等同含义的开放型术语。因此，除了列举的元件、功能、步骤或限制之外，还可以有其他未列举的元件、功能、步骤或限制。如本文所用，术语“磨料分散体”意指可转化为引入模具腔体中的α-氧化铝的 α-氧化铝前体。该组合物称为磨料分散体，直到移除足量的挥发性组分使磨料分散体凝固为止。如本文所用，术语“成形磨粒前体”意指通过从磨料分散体(当其位于模具腔体中时)移除足量的挥发性组分以形成凝固体的方式所产生的未烧结粒子，该凝固体可从模具腔体移除，并且在后续处理操作中基本上保持其模制形状。如本文所用，术语“成形磨粒”意指磨粒的至少一部分具有预定形状的陶瓷磨粒， 该预定形状由用于形成成形磨粒前体的模具腔体复制而得。除了磨料碎片(例如如美国临时专利申请61/016965中所述)，成形磨粒通常会具有基本上复制了用来形成成形磨粒的模具腔体的预定几何形状。如本文所用的成形磨粒不包括通过机械粉碎操作获得的磨粒。
具体实施例方式具有较低圆度系数的成形磨粒参见图1和图2，示出了示例性的成形磨粒20。在一些实施例中，成形磨粒包括具有除了 90度以外角度的拔模角α的侧壁22 (在下文中称为倾斜侧壁)。制备成形磨粒20 的材料包括α氧化铝。α-氧化铝粒子可由氧化铝一水合物的分散体制成，如本文随后所讨论，该分散体被胶凝、模制成形、干燥定形、煅烧，再进行烧结。成形磨粒的形状得以保持，而无需粘结剂以在粘结剂中形成包括磨粒(随后形成为成形结构)的团聚物。通常，成形磨粒20包括薄主体，该薄主体具有第一面24和第二面26，并且厚度为 t。在一些实施例中，该厚度t在约25微米至约500微米的范围内。第一面24和第二面26 通过至少一个侧壁22而彼此连接，该侧壁22可为倾斜侧壁。在一些实施例中，可以存在不止一个倾斜侧壁22，并且如提交于2008年12月17日、名称为“具有倾斜侧壁的成形磨粒” 的待审美国专利申请序列号12/337075中更全面描述的，每个倾斜侧壁22的倾斜度或角度可为相同或不同的。在一些实施例中，第一面24基本上为平面，第二面26基本上为平面，或两面均基本上为平面。或者，如提交于2008年12月17日、名称为“具有凹面的碟形磨粒”并且代理人档案号为64716US002的共同待审的美国专利申请序列号12/336961中更详细讨论的，表面可为凹面或凸面。另外，如提交于2008年12月17日、名称为“具有开口的成形磨粒”并且代理人档案号为64765US002的共同待审的美国专利申请序列号12/337112中更详细讨论的，可存在穿过表面的开口或孔。在一个实施例中，第一面24和第二面26基本上彼此平行。在其他实施例中，第一面24和第二面26可以不平行，使得一个面相对于另一个面倾斜，并且与每一个面相切的假想线都将相交于一点。成形磨粒20的侧壁22可以是变化的并且其通常形成第一面24和第二面26的周边29。在一个实施例中，第一面24和第二面26的周边29被选择为具有一定几何形状，并且第一面24和第二面26被选择为具有相同的几何形状；但它们在尺寸上不同，一个面的尺寸大于另一个面。在一个实施例中，第一面24的周边29和第二面26的周边29为所示出的三角形形状。可改变介于成形磨粒20的第二面26与侧壁22之间的拔模角α，以改变每一个面的相对尺寸。在本发明的各种实施例中，拔模角α可为介于大约90度至大约130度、或介于大约95度至大约130度、或介于约95度至约125度、或介于约95度至约120度、或介于约95度至约115度、或介于约95度至约110度、或介于约95度至约105度、或介于约95度至约100度。如美国专利申请序列号12/337075中所讨论，已发现拔模角α的具体范围可出人意料地增加由具有倾斜侧壁的成形磨粒制成的涂附磨料制品的磨削性能。具体地讲， 已发现98度、120度或135度的拔模角与90度的拔模角相比具有改善的磨削性能。如见于美国专利申请序列号12/337075的图6和图7中，磨削性能改善在98度或120度的拔模角处尤其显著。参见图3，成形磨粒20可用于制备涂附磨料制品40，其中背衬42的第一主表面41 由磨料层覆盖。该磨料层包括位于第一主表面41上的底胶层44和多个通常通过侧壁22 附接到底胶层44的成形磨粒20。施加复胶层46以进一步将成形磨粒20附接或粘附至背衬42上。还可以施加本领域的技术人员所知的任选顶胶层。重新参考图1，成形磨粒20包括从基部52延伸至磨削顶端54的纵向轴线50。基部52的侧壁22通常通过底胶层44附接到涂附磨料制品40中的背衬42。为了测定圆度系数，与纵向轴线50成90度将成形磨粒10横向锯开。横向剖切，C，应当位于介于沿着纵向轴线在粒子的总长度的1/4处所绘制的第一横向线56与在粒子的总长度的3/4处所绘制的第二横向线58之间的位置，使得该横向剖切穿过粒子的总长度的中半位置。有利地，该横向剖切位于尽可能靠近纵向轴线50的中点60的位置。可使用硅片切锯来横向剖切成形磨粒20或者可将成形磨粒磨至适当的距离。该横向剖切应当为相当平滑的，使得所得横截平面的周边为挺括的和轮廓分明的。如有必要，可将所得横截平面抛光至均一的高度。成形磨粒20在切割之后通过其基部52固定到扫描电镜(SEM)短插芯上，使得横向剖切的横截平面为水平的。使用SEM中的背散射电子成像拍摄横截平面的显微照片。使用适当的放大，使得整个横截平面可被观察到，并且横截平面的尺寸被最大化以填充SEM 的视野。横截平面的代表性SEM图像示于图4中(放大100倍)。然后，如图5中所示，成形磨粒20的每个表面(侧壁22、第一面24和第二面26) 由相切于位于沿着该表面的任何位置的两个最高点而绘制的线62所界定，从而封闭了具有多边形形状的最大区域64。对于具有大致三角形横截面的成形磨粒，绘制三条线；对于具有大致矩形横截面的成形磨粒，绘制四条线；对于具有五边形横截面的成形磨粒，绘制五条线；以此类推。然后，使用诸如图像Jdmage J)(可得自国家卫生研究院)的图像分析软件，从由多边形界定的最大区域64中减去如图5中以黑色示出的横截平面的实际区域66以确定如图6中以黑色示出的缺失区域68。该缺失区域68表示由于成形磨粒20的圆角和不平的边缘而存在的面积量。据信最小化该缺失区域68可提高磨削性能，因为粒子往往会具有较尖锐的拐角和较平坦的边缘。使用图像分析软件或其他适当的测量技术，测定了图5中以黑色示出的由实际区域66所占据的面积和图6中以黑色示出的由缺失区域68所占据的面积。以百分比表示的圆度系数通过以缺失面积68 (图6中以黑色示出)除以实际面积66 (图5中以黑色示出) 并乘以100来计算。圆度系数％=缺失面积/实际面积*100。重复该过程，使得10个单独成形磨粒被锯开并测量。10个样品的平均圆度系数通过平均化该10个单独结果而确定。 圆度系数为百分之零将表明成形磨粒具有完全填充的拐角和完全线性的边缘。如果一个圆由接触各侧的正方形所界定，则圆度系数将为27. 3%，这意味着大约27. 3%的该圆面积需要用来填补该正方形的缺失拐角。现在参见图7 (实际区域66)和图8 (缺失区域68)，示出了根据授予Berg的美国专利5，201，916 ；授予Rowenhorst的美国专利5，366，523 (Re35, 570)；和授予Berg的美国专利5，984，988中公开的方法制备的三角形成形磨粒(Rowenhorst粒子)的典型横截平面。如图所见，由现有技术制备的三角形成形磨粒往往具有更多的圆角和更大的边缘起伏。下表1记录了当前发明与现有技术的成形磨粒的平均圆度系数对比。表1 平均圆度系数
平均圆度系数％ I标准偏差N =10 实例ι ΓδΣβ
实例 2θΓδδΓ3
现有技术(比较例) 2θΓθΠ现有技术Rowenhorst粒子的平均圆度系数为20. 0 %，其相当接近于由正方形界定的完美圆形所产生的圆度系数27.3%。因此，Rowenhorst粒子具有相当圆的横截平面。相比之下，当前发明的成形磨粒具有远没有那么圆的横截平面，其据信会导致显著改善的磨削性能，如图9中所示。在本发明的各种实施例中，成形磨粒的平均圆度系数可为介于约 15%至0%之间，或介于约13%至0%之间，或介于约12%至0%之间，或介于约12%至约 5%之间。成形磨粒20可具有各种三维形状。周边29的几何形状可以是三角形、矩形、圆形、 椭圆形、星形或其他规则或不规则的多边形形状。在一个实施例中，使用等边三角形周边； 而在另一个实施例中，使用等腰三角形周边。横向剖切成形磨粒所得的横截平面的几何形状也可以不同。在所有的实施例中， 使用非圆形横截面形状。圆形横截面形状是圆的，其据信为比较钝的。据信非圆形横截面形状具有改善的磨削性能，因为可提供一个或多个尖锐的拐角并且一个或多个侧面可为大致线性的(类似于凿刀刀片)。有利地，横截面形状为多边形形状，包括(但不限于)，三角形、矩形、梯形、或五边形。在一个实施例中，成形磨粒的周边为如图1中所见的三角形并且横截面形状为如图2和图4中所见的梯形。成形磨粒20可具有各种体积纵横比。体积纵横比被定义为穿过体积重心的最大横截面积除以穿过该重心的最小横截面积之比。对于某些形状而言，最大或最小横截面可以是相对于该形状的外部几何形状倾斜、成角度、或偏斜的平面。例如，球体的体积纵横比将为1. 000而立方体的体积纵横比将为1. 414。每侧边等于长度A并且均勻厚度等于A的等边三角形形式的成形磨粒的体积纵横比将为1. 54，而如果该均勻厚度减至0. 25A，则体积纵横比增加至2. 64。据信具有较大体积纵横比的成形磨粒具有增强的切削性能。在本发明的各种实施例中，成形磨粒的体积纵横比可为大于约1. 15、或大于约1.50、或大于约 2. 0，或介于约1. 15至约10. 0之间、或介于约1. 20至约5. 0之间、或介于约1. 30至约3. 0 之间。成形磨粒在位于第一面24上的成形磨粒的点或拐角处可具有小得多的曲率半径。在授予Berg的美国专禾Ij 5，201,916 ；授予Rowenhorst的美国专利5，366，523 (Re 35，570)；和授予Berg的美国专利5，984，988中公开的等边三角形成形磨粒，对于平均顶端半径，三角形的点的曲率半径(围绕着点从一侧至相邻侧进行测定)为103. 6微米。可使用图象分析(例如与倒立式光学显微镜连接的Clemex图象分析(Clemex Image Analysis) 程序或其他合适的图象分析软件)从第一面或第二面的抛光横截面测定曲率半径。将横截面放大100倍观察时，通过限定每一个顶点处的三点可估算每一个三角形顶点的曲率半径。将点设置在顶端曲线的起点(该处为从直边到曲线起点的过渡)、顶端的顶点处、和从弯曲顶端返回到直边的过渡处。然后图象分析软件将绘制由这三个点(曲线的起点、中点、 和终点)限定的弧，并计算曲率半径。测定了至少30个顶点的曲率半径，并计算它们的平均值以确定平均顶端半径。通过当前方法制备的成形磨粒是更加精确地制备的。由此，成形磨粒的平均顶端半径小得多。已测得根据本发明制备的成形磨粒的平均顶端半径为小于 19. 2微米。在本发明的各种实施例中，平均顶端半径可为小于75微米、或小于50微米、或小于25微米。据信，更尖锐的顶端可在使用过程中促进对成形磨粒的改善性断裂更有力的初始切削。根据本发明制成的成形磨粒20可掺入到磨料制品中、或以松散的形式使用。磨粒使用前通常按给定的粒度分布进行分级。此类分布通常具有一定范围的粒度，即从粗粒到细粒。在磨料领域中，此范围有时是指“粗”、“对照”和“细”粒度级。根据磨料行业公认的分级标准分级的磨粒将每一个标称等级的粒度分布规定在若干数值范围内。此类行业公认的分级标准(即磨料行业规定的标称等级)包括如下已知标准美国国家标准协会(ANSI) 的标准、欧洲研磨产品制造商联合会(FEPA)的标准、和日本工业标准(JIS)的标准。ANSI等级标号(即规定的标称等级)包括ANSI 4、ANSI 6、ANSI 8、ANSI 16、 ANSI 24、ANSI 36、ANSI 40、ANSI 50、ANSI 60、ANSI 80、ANSI 100、ANSI 120、ANSI 150、 ANSI 180、ANSI 220、ANSI 240、ANSI 280、ANSI 320、ANSI 360、ANSI 400、和 ANSI 600。 FEPA 等级标号包括P8、P12、P16、P24、P36、P40、P50、P60、P80、P100、P120、P150、P180、 P220、P320、P400、P500、P600、P800、P1000、和 P1200。JIS 等级标号包括JIS8、JIS12、 JIS16、JIS24、JIS36、JIS46、JIS54、JIS60、JIS80、JIS100、JIS150、JIS180、JIS220、JIS240、 JIS280、JIS320、JIS360、JIS400、JIS600、JIS800、JIS1000、JIS1500、JIS2500、JIS4000、 JIS6000、JIS8000、和 JIS10, 000。或者，可采用符合ASTM E-Il "Standard Specification for Wire Cloth and Sieves for Testing Purposes”(试验用金属丝布和筛的标准规范)的美国标准试验筛将成形磨粒20按照标称筛分等级进行分级。ASTM E-Il规定了对采用金属丝编织网介质的试验筛的设计和构造的要求，该金属丝编织网安装在机架中，以用于按照指定的粒度对材料进行分级。典型标号可以表示为-18+20，其意指成形磨粒20可通过符合ASTM E-Il规范的 18目试验筛，并且保留在符合ASTM E-Il规范的20目试验筛上。在一个实施例中，具有倾斜侧壁22的成形磨粒20具有这样的粒度使得大多数磨粒可通过18目试验筛，并可保留在20目、25目、30目、35目、40目、45目、或50目试验筛上。在本发明的各种实施例中，具有倾斜侧壁22的成形磨粒20可具有的标称筛分等级包括-18+20、-20+25、-25+30、-30+35 ,-35+40,-40+45,-45+50,-50+60,-60+70,-70+80,-80+100,-100+120,-120+140,-140+170,-170 +200、-200+230、-230+270、-270+325、-325+400、-400+450、-450+500、或-500+635。在一个方面，本发明提供具有磨料行业规定的标称等级或标称筛分等级的多个成形磨粒，其中这些多个磨粒的至少一部分为成形磨粒20。在另一方面，本发明提供一种方法，其包括对根据本发明制成的成形磨粒20进行分级，以得到具有磨料行业规定的标称等级或标称筛分等级的多个成形磨粒20。如果需要，具有磨料行业规定的标称等级或标称筛分等级的成形磨粒20可与其他已知的磨粒或非磨粒混合。在一些实施例中，基于多个磨粒的总重量，至少5重量％、10 重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％、45重量％、50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、95重量％、或甚至100重量％的具有磨料行业规定的标称等级或标称筛分等级的多个磨粒为根据本发明制成的成形磨粒20。适于与成形磨粒20混合的粒子包括常规磨粒、稀释剂粒子、或可侵蚀的团聚物， 例如在美国专利No. 4，799，939和No. 5，078，753中描述的那些。常规磨粒的代表性例子包括熔融氧化铝、碳化硅、石榴石、熔融氧化铝_氧化锆、立方晶型氮化硼、金刚石等。稀释剂粒子的代表性例子包括大理石、石膏、和玻璃。不同的成形磨粒20 (例如三角形和正方形) 的共混物或具有不同拔模角的倾斜侧壁的成形磨粒20的共混物(例如拔模角为98度的粒子与拔模角为120度的粒子混合)可用于本发明的制品中。
成形磨粒20还可以具有表面涂层。已知表面涂层用于改善磨料制品中磨粒和粘结剂之间的粘附力，或可用于辅助成形磨粒20的静电沉积。此类表面涂层在美国专利号 5，213，591 ；5，011，508 ；1，910，444 ；3，041，156 ；5，009，675 ；5，085，671 ；4，997，461 ；和 5，042，991中有所描述。另外，该表面涂层可防止成形磨粒封堵。“封堵”这一术语用来描述来自正在研磨的工件的金属粒子熔焊在成形磨粒顶部的现象。发挥上述功能的表面涂层对本领域的技术人员而言是已知的。‘棚晰碰白城聽来立白躺翻口口口参见图3，涂附磨料制品40包括背衬42，在背衬42的第一主表面41上涂覆有第一粘结剂层(下文称为底胶层44)。多个成形磨粒20附接到或部分嵌入到底胶层44中， 形成了磨料层。位于该成形磨粒20上方的是第二粘结剂层(下文称为复胶层46)。底胶层44的用途是将成形磨粒20固定至背衬42上，同时复胶层46的用途是加固成形磨粒20。 还可以施加本领域的技术人员已知的任选顶胶层。大多数的成形磨粒20这样取向使得远离背衬42和成形磨粒的顶端48 (图1中的磨削顶端54)或顶点位于侧壁22上。如果使用倾斜侧壁，成形磨粒20 —般为翻转或倾斜的，如图所示。为进一步优化倾斜取向，将具有倾斜侧壁的成形磨粒涂覆到疏涂层磨料层中的背衬中。密涂层磨料层定义为可在单次穿过制备机时涂覆到磨料制品底胶层的最大重量的磨粒或磨粒共混物。疏涂层是一定量的磨粒或磨粒共混物，其重量为小于可涂覆到涂附磨料制品底胶层的最大重量(以克为单位)。疏涂磨料层将导致具有磨粒的底胶层的覆盖百分比少于100%，从而在磨粒之间留下敞开区域和可见树脂层。在本发明的各种实施例中，磨料层开放区域的百分比可为介于约10%至约90%之间、或介于约30%至约80%之间、或介于约40%至约70%之间。据信如果将太多的具有倾斜侧壁的成形磨粒涂覆到背衬，粒子之间将出现空间不足，以允许粒子在固化底胶层和复胶层之前倾斜或翻转。在本发明的各种实施例中，具有疏涂层磨料层的涂附磨料制品中大于50%、60%、70%、80%或90%的成形磨粒是翻转或倾斜的，取向角β (图3)为小于90度。不期望受理论约束，据信小于90度的取向角β导致具有倾斜侧壁的成形磨粒的切削性能增强。令人意外的是，此效果的产生与成形磨粒在涂附磨料制品内绕Z轴的旋转取向无关。虽然图3理想地示出所有的粒子以相同的方向排列，但实际涂附磨盘的粒子会随机分布和旋转。由于磨盘在旋转并且成形磨粒为随机分布的，一些成形磨粒将会以小于 90度的取向角β被驱赶到工件中，且工件初始撞击第二面26，而相邻的成形磨粒会恰好旋转180度，且工件撞击该成形磨粒的背面和第一面24。由于粒子的随机分布和盘的旋转，小于一半的成形磨粒会使工件初始撞击第二面26而不是第一面24。然而，对于具有指定的旋转方向和指定的工件接触点的磨料带，可能可将具有倾斜侧壁的成形磨粒排列在带上以确保每个成形磨粒以小于90度的取向角β运行并且工件首先被推入第二面26 (如图3中理想化地示出)。在本发明的各种实施例中，在涂附磨料制品的磨料层中的至少大部分具有倾斜侧壁的成形磨粒的取向角β可为介于约50度至约85度之间、或介于约55度至约85 度之间、或介于约60度至约85度之间、或介于约65度至约85度之间、或介于约70度至约 85度之间、或介于约75度至约85度之间、或介于约80度至约85度之间。底胶层44和复胶层46包含树脂粘合剂。底胶层44与复胶层46的树脂粘合剂可CN 102459493 A说明书8/15 页
相同或不同。适用于这些涂层的树脂粘合剂的例子包括酚醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂、丙烯酸酯树脂、氨基塑料树脂、三聚氰胺树脂、丙烯酸改性环氧树脂、氨基甲酸乙酯树脂以及它们的组合。除树脂粘合剂之外，底胶层44或复胶层46、或这两者还可以包含本领域已知的添加剂，例如为填料、助磨齐 、润湿齐 、表面活性齐 、染料、颜料、偶联齐 、粘合促进剂、以及它们的组合。填料的例子包括碳酸钙、二氧化硅、滑石、粘土、偏硅酸钙、白云石、硫酸铝以及它们的组合。助磨剂可涂覆到涂附磨料制品。助磨剂被定义为颗粒物质，所述颗粒物质的加入显著地影响研磨的化学和物理过程，从而导致性能提高。助磨剂涵盖各种不同的材料，并且可为无机物或有机物。助磨剂的化学组成的实例包括石蜡、有机商化物、商化物盐、金属以及它们的合金。有机卤化物通常在研磨过程中分解，释放卤氢酸或气态卤化物。这些材料的例子包括氯化石蜡，例如四氯化萘、五氯化萘；和聚氯乙烯。卤化物盐的例子包括氯化钠、 钾冰晶石、钠冰晶石、铵冰晶石、四氟硼酸钾、四氟硼酸钠、氟化硅、氯化钾、氯化镁。金属的例子包括锡、铅、铋、钴、锑、镉、铁、和钛。其他助磨剂包括硫、有机硫化合物、石墨、和金属硫化物。本发明还涵盖使用不同助磨剂的组合；在某些情况下，这可产生协同增强效应。在一个实施例中，助磨剂为冰晶石或四氟硼酸钾。可对此类添加剂的量进行调整，以赋予所需的性质。本发明还涵盖顶胶层的应用。顶胶层通常包含粘结剂和助磨剂。粘合剂可由如下材料形成酚醛树脂、丙烯酸酯树脂、环氧树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、氨基甲酸乙酯树脂、 以及它们的组合。在一些实施例中，可使用包含热固性环氧树脂、固化剂、热塑性烃树脂、助磨剂、分散剂和颜料的顶胶层，如美国专利号5，441，549 (Helmin)中所公开。本发明还涵盖的是成形磨粒20可用于粘结磨料制品、非织造磨料制品或磨刷。粘结磨料可包括通过粘结剂粘结在一起以形成成形团块的多个成形磨粒20。用于粘结磨料的粘结剂可以是金属粘结剂、有机粘结剂、或玻璃质粘结剂。非织造磨料包括通过有机粘结剂粘结到纤维质非织造网中的多个成形磨粒20。第一步工序涉及提供有晶种或无晶种的磨料分散体中的任一者，该分散体可转化为α-氧化铝。α-氧化铝前体组合物常常包含为挥发性组分的液体。在一个实施例中，该挥发性组分为水。磨料分散体应包含足量的液体，以使磨料分散体的粘度足够低，以能够填充模具腔体并复制模具表面，但液体量不能太多，以引起后续从模具腔体移除液体的成本过高。在一个实施例中，磨料分散体包含2重量％至90重量％的可转化为α-氧化铝的粒子(例如氧化铝一水合物(水软铝石)的粒子)以及至少10重量％、或50重量％至70重量％、或50重量％至60重量％的挥发性组分(例如水)。反之，一些实施例中的磨料分散体包含30重量％至50重量％、或40重量％至50重量％的固体。还可使用除水软铝石之外的氧化铝水合物。水软铝石可通过已知的技术来制备或可商购获得。市售水软铝石的例子包括均得自Sasol North America, Inc.的商标为 “DISPERAL”和“DISPAL”的产品、或得自BASF公司的商标为“HiQ-40”的产品。这些氧化铝一水合物相对较纯，即它们除一水合物之外只包括相对较少的(如果有的话)水合物相，并且具有高表面积。所得成形磨粒20的物理特性将大致取决于磨料分散体中所用材料的类型。在一个实施例中，磨料分散体为凝胶态。如本文所用，“凝胶”为分散在液体中的固体的三维网状结构。磨料分散体可以包含改性添加剂或改性添加剂前体。改性添加剂的作用在于增强磨粒的某些所需性质、或提高后续烧结步骤的效率。改性添加剂或改性添加剂前体可为可溶性盐的形式，通常为水溶性盐。它们通常由包含金属的化合物构成，并且可为镁、锌、铁、硅、钴、镍、锆、铪、铬、钇、镨、钐、镱、钕、镧、钆、铈、镝、铒、钛的氧化物的前体、以及它们的混合物。可存在于磨料分散体中的这些添加剂的具体浓度可由本领域技术人员进行调整。通常，引入改性添加剂或改性添加剂前体会使磨料分散体胶凝。通过加热一段时间也可诱发磨料分散体胶凝。磨料分散体也可包含成核剂(种子)，以促进水合氧化铝或煅烧氧化铝向α -氧化铝的转化。适用于本发明的成核剂包括α-氧化铝、α-氧化铁或其前体、二氧化钛和钛酸盐、氧化铬等的细粒、或为在转化中起成核作用的任何其他物质。如果使用的话，则成核剂的量应足够多，以实现α-氧化铝的转化。使此类磨料分散体成核公开于授予Schwabel的美国专利No. 4，744，802中。可将胶溶剂加入磨料分散体中，以生成更稳定的水溶胶或胶态的磨料分散体。合适的胶溶剂为单质子酸或酸性化合物，例如乙酸、盐酸、甲酸、和硝酸。也可使用多质子酸， 但其使磨料分散体迅速胶凝，使得其不易处理并且难以向其中引入附加组分。某些商业来源的水软铝石具有有助于形成稳定磨料分散体的酸滴定度(例如吸收的甲酸或硝酸)。可通过任何合适的方法来形成磨料分散体，例如，简单地将氧化铝一水合物与包含胶溶剂的水混合的方法，或者通过形成氧化铝一水合物浆液再向其中加入胶溶剂的方法。可加入去沫剂或其他合适的化学品，以减小混合时形成气泡或夹带空气的趋势。如果需要，可加入其他化学品，例如润湿剂、醇类、或偶联剂。α -氧化铝磨粒可包含二氧化硅和氧化铁，如1997年7月8日授予Erickson等人的美国专利号5，645，619中所公开。α-氧化铝磨粒可包含氧化锆，如1996年9月3日授予Larmie的美国专利号5，551，963中所公开。或者，α “氧化铝磨粒可具有微观结构或添加剂，如2001年8月21日授予Castro的美国专利号6，277，161中所公开。第二步工序涉及提供具有至少一个模具腔体、优选具有多个腔体的模具。该模具可具有大致平坦的底面和多个模具腔体。该多个腔体可成形于生产工具中。生产工具可以是带状物、片状物、连续纤维网、涂布辊(例如轮转凹版辊)、安装在涂布辊上的套管、或模具。在一个实施例中，生产工具包括聚合物材料。适合的聚合物材料的实例包括热塑性材料，例如聚酯、聚碳酸酯、聚醚砜、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚氨酯、聚氯乙烯、聚烯烃、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯或它们的组合物、或热固性材料。在一个实施例中，整个模具由聚合物材料或热塑性材料制成。在另一个实施例中，在干燥时与溶胶-凝胶接触的模具表面(例如多个腔体的表面)包含聚合物材料或热塑性材料，并且该模具的其他部分可由其他材料制成。以举例的方式，合适的聚合物涂层可以涂覆到金属模具，以改变其表面张力性质。聚合物型工具或热塑性工具可由金属母模复制而成。母模将具有生产工具所需的反转图案。母模可以按照与生产工具相同的方式制得。在一个实施例中，母模由金属 (如镍)制成，并且经金刚石车削。可以将聚合物片状材料连同母模加热，使得通过将二者压在一起，在聚合物材料上压印出母模的图案。还可将聚合物材料或热塑性材料挤出或浇注到母模上，然后对其进行压制。将热塑性材料冷却，以硬化并且制备生产工具。如果利用热塑性生产工具，则应注意不要产生过多热量，这些热量可使热塑性生产工具变
11形，从而限制其寿命。关于生产模具或母模的设计和制造的更多信息可见于以下美国专利5，152，917 (Pieper 等人)、5，435，816 (Spurgeon 等人)、5，672，097 (Hoopman 等人)、 5, 946, 991 (Hoopman 等人)、5，975, 987 (Hoopman 等人)、和 6，129, 540 (Hoopman 等人)。从模具顶面或底面中的开口均可进入腔体。在某些情况下，腔体可延续至模具的整个厚度。或者，腔体可仅延续至模具的厚度的一部分。在一个实施例中，顶面基本上平行于模具的底面，其中该模具的腔体具有基本上均勻的深度。模具的至少一侧，即形成腔体的一侧在移除挥发性组分的步骤中可保持暴露在周围大气环境下。腔体具有规定的三维形状。在一个实施例中，当从顶部观察时，腔体的形状可描述为三角形，其具有倾斜侧壁，使得腔体的底面略小于顶面中的开口。据信，倾斜侧壁可提高磨削性能并能够使磨粒前体易于从模具移除。在另一个实施例中，该模具包括多个三角形腔体。该多个三角形腔体中的每一个均包括等边三角形。或者，可使用其它腔体形状，例如圆形、矩形、正方形、六边形、星形、或它们的组合，所有形状均具有基本上均勻的深度尺寸。该深度尺寸等于从顶面到底面上的最低点的垂直距离。给定腔体的深度可为均勻的或可沿其长度和/或宽度变化。给定模具的腔体的形状可以相同或不同。第三步工序涉及通过任何常规技术来用磨料分散体填充模具中的腔体。在一些实施例中，可使用刀辊涂布机或真空槽模涂布机。如果需要，可使用脱模剂以有助于从模具移除粒子。典型的模具脱模剂包括油类(例如花生油或矿物油、鱼油)、有机硅、聚四氟乙烯、 硬脂酸锌、和石墨。通常，在液体(例如水或酒精)中的介于约0.1重量％至约5重量％ 之间的脱模剂(例如花生油)被涂敷到接触溶胶-凝胶的生产模具表面，使得当需要脱模时，每单位面积模具上存在介于约0. lmg/in2至约3. Omg/in2之间、或介于约0. lmg/in2至约5. Omg/in2之间的脱模剂。在一个实施例中，模具的顶面涂覆有磨料分散体。磨料分散体可被泵送到顶面上。然后，可用刮刀或矫直棒迫使磨料分散体完全进入模具的腔体中。可将未进入腔体的磨料分散体的剩余部分从模具的顶面移除，并将其回收利用。在一些实施例中，磨料分散体的一小部分可保留在顶面上，并且在其他实施例中，顶面基本上不含分散体。刮刀或矫直棒所施加的压力通常为小于lOOpsi、或小于50psi、或小于lOpsi。在一些实施例中，磨料分散体无暴露表面大幅度延伸超过顶面，以确保所得的成形磨粒20厚度的均勻度。第四步工序涉及移除挥发性组分，以干燥分散体。期望以较快的蒸发速率移除挥发性组分。在一些实施例中，通过蒸发移除挥发性组分的操作在高于挥发性组分沸点的温度下进行。干燥温度的上限通常取决于制成模具的材料。就聚丙烯模具而言，温度应小于该塑料的熔点。在一个实施例中，对于固体含量介于约40%至50%之间的水分散体和聚丙烯模具而言，干燥温度可为介于约90°C至约165°C之间、或介于约105°C至约150°C之间、或介于约105°C至约120°C之间。较高的温度可导致生产速度提高，但也可导致聚丙烯模具劣化， 从而限制了其作为模具的使用寿命。在一个实施例中，使用以下方法制备水软铝石溶胶_凝胶样品通过高剪切混合 10分钟将商标名为“DISPERAL”的氧化铝一水合物粉末(40% )分散到1. 85%硝酸水溶液 (60%)中。在涂覆前将所得溶胶-凝胶老化至少24小时。迫使溶胶-凝胶进入具有三角形模具腔体的生产模具中，该腔体深度为28密耳、每一边长度都为110密耳。模具的侧壁和底部之间的拔模角α为98度。生产工具制造成这样100%的模具腔体具有从腔体底面爬升的8条平行的脊，这些脊以90度的角度与三角形的一边相交。平行脊的间距为 0. 277mm,并且脊的横截面为三角形形状，该三角形的高为0. 0127mm、在顶点处每一条脊的边之间的角度为45度，如下文提到的美国待审专利申请序列号61/138268 (代理人档案号 64792US002)中所述。用真空缝口模头涂布站将溶胶-凝胶压入腔体，从而使生产工具的所有开口都完全充满。使溶胶_凝胶涂覆的生产工具以17. 5英尺/分钟的速度穿过60英尺的空气对流烘箱，在20英尺的1区段中温度设置为240华氏度，空气流速设置为5000cfm ；在20英尺的2区段中温度设置为240华氏度，空气流速设置为4300cfm ；在20英尺的3区段中温度设置为225华氏度，空气流速设置为3500cfm。通过使成形磨粒前体穿过超声波焊头来将其从生产模具移除。第五步工序涉及从模具腔体去除成形磨粒前体。可这样从腔体中移除成形磨粒前体在模具上单独使用重力操作、振动、超声振动、真空操作或加压空气工艺或者使用这些工艺的组合从模具腔体中移除粒子。磨粒前体可在模具外进一步干燥。如果在模具中将磨料分散体干燥至所需程度， 则此附加的干燥步骤并不必要。然而，在某些情况下采用此附加的干燥步骤来使磨料分散体在模具中的停留时间最小化可能是经济的。通常将成形磨粒前体在50°C至160°C、或 120°C至150°C的温度下干燥10至480分钟、或120至400分钟。第六步工序涉及煅烧成形磨粒前体。在锻烧期间，基本上所有的挥发性物质都被除去，并且存在于磨料分散体中的各种组分均转化成金属氧化物。通常将成形磨粒前体加热至400°C至800°C的温度，并且保持在此温度范围内，直至移除游离水和90重量％以上的任何结合的挥发性物质。在一个任选的步骤中，用注入法引入改性添加剂可能是理想的。水溶性盐可通过注入引入煅烧过的成形磨粒前体的孔中。然后再次预烧成形磨粒前体。欧洲专利申请No. 293，163中对这一任选步骤作了进一步的说明。第七步工序涉及对煅烧过的成形磨粒前体进行烧结，以形成α -氧化铝粒子。在烧结之前，煅烧过的成形磨粒前体并未完全致密化，因此缺乏用作成形磨粒所需的硬度。烧结按以下步骤进行将煅烧过的成形磨粒前体加热至1，000°C至1，650°C的温度，并且保持在此温度范围内，直到基本上所有的α-氧化铝一水合物(或等同物质)均转化为α-氧化铝，并且孔隙度减小到小于15体积％为止。为了实现此转化程度，煅烧过的成形磨粒前体在烧结温度下必须暴露的时间长度取决于多种因素，但通常为5秒至48小时。在另一个实施例中，烧结步骤的持续时间在1分钟到90分钟的范围内。烧结后，具有倾斜侧壁的成形磨粒的维氏硬度为10GPa、16GPa、18GPa、20GPa、或更大。可采用其他步骤来修改所述方法，例如将材料从锻烧温度迅速加热到烧结温度， 将磨料分散体离心以移除淤渣、废料等。此外，如果需要，可通过合并该工序中的两个或更多个来对本方法进行修改。授予Leitheiser的美国专利No. 4，314，827中更全面地描述了可用来修改本发明方法的常规工序。另外，成形磨粒可在一个表面上具有凹槽，如提交于2008年12月17日、名称为 "Shaped Abrasive Particles With Grooves”(具有凹槽的成形磨粒)、代理人档案号为64792US002的共同待审的临时申请美国序列号61/138268中所述。所述凹槽由在模具腔体的底面中的多个脊形成，已发现该多个脊使从模具中移除成形磨粒前体变得更容易。关于制备成形磨粒方法的更多信息在提交于2008年12月17日的名称为“Method Of Making Abrasive Shards,337,001 Shaped Abrasive Particles With An Opening, Or Dish-Shaped Abrasive Particles”(制备磨料碎片、带开口的成形磨粒或碟形磨粒的方法)的美国专利申请序列号12/337，001 (代理人档案号63512US002)中公开。^M本发明的目的和优点通过下面的非限制性实例进一步说明。这些实例中所提到的具体材料及其量以及其他条件和细节，均不应被解释为对本发明的不当限制。除非另外指明，否则实例以及说明书其余部分中的所有份数、百分数、比例等均按重量计。实例1 制备掺杂REO的成形磨粒通过以下工序制备水软铝石凝胶通过连续混合将商标名为“DISPERAL”的氧化铝一水合物粉末(1，235份)分散在含有水(3，026份)和70%含水硝酸(71份)的溶液中。 然后将所得溶胶在连续烘干机中加热到大约125°C的温度，以产生固体含量为44%的分散体。将溶胶_凝胶用手分散并手动压入具有三角形腔体的生产模具中，该腔体具有深度为 28密耳、各边长度为110密耳的尺寸。模具的侧壁和底面之间的拔模角α为98度。该生产模具被制造成50 %的模具腔体具有从腔体底面凸起的8条平行脊，这些脊以90度的角度与三角形的一边相交，剩下的腔体具有平滑的底模表面。这些平行的脊的间距为0. 277mm, 并且这些脊的横截面为三角形，该三角形的高为0.0127mm、顶点处各脊的边之间的角度为 45度，如上述提到的共同待审的专利申请(代理人档案号64792US002)中所述。将花生油在甲醇中的分散体刷涂到生产工具上，以获得大约46. 5微克/平方厘米(0. 3毫克/平方英寸)的花生油脱模涂层。将溶胶-凝胶手动均勻地压入腔体，直到模具的所有开口均已完全填充满为止。将涂覆有溶胶-凝胶的生产模具置于温度设置为55°C 的空气对流烘箱中并干燥一小时，以在位于生产模具的腔体中时制备成形磨粒前体。通过使成形磨粒前体穿过超声波焊头来将其从生产模具移除。将成形磨粒前体在大约650°C 下煅烧，然后用以下浓度(记录为氧化物)的混合硝酸盐溶液浸透1.0%的Mg0、1.2%的 Y203、4. 0%的La2O3和0. 05%的CoO。除去过量的硝酸盐溶液，并使浸透的成形磨粒前体干燥，然后再次将颗粒在650°C下煅烧并且在大约1400°C下烧结。煅烧和烧结均采用管式回转炉。测量了实例1的成形磨粒的平均圆度系数并确定为7. 8%。实例2 制备掺杂REO的成形磨粒使用以下方法制备水软铝石溶胶凝胶样品通过高剪切混合10分钟将商标名为 “DISPERAL”的氧化铝一水合物粉末(40% )分散到1.85%硝酸水溶液(60% )中。在涂覆前将所得溶胶_凝胶老化至少24小时。迫使溶胶-凝胶进入具有三角形模具腔体的生产模具中，该腔体深度为28密耳、每一边长度都为110密耳。模具的侧壁和底部之间的拔模角α为98度。生产工具制造成这样100%的模具腔体具有从腔体底面爬升的8条平行的脊，这些脊以90度的角度与三角形的一边相交。平行脊的间距为0. 277mm，并且脊的横截面为三角形，该三角形的高为0. 0127mm、在顶点处每一条脊的边之间的角度为45度，如上述提到的美国待审的专利申请序列号61/138268 (代理人档案号64792US002)中所述。用真空缝口模头涂布站将溶胶_凝胶压入腔体，从而使生产模具的所有开口都完全充满。使溶胶-凝胶涂覆的生产模具以17. 5英尺/分钟的速度穿过60英尺的空气对流烘箱，在20英尺的1区段中温度设置为240华氏度，空气流速设置为5000cfm ；在20英尺的2区段中温度设置为240华氏度，空气流速设置为4300cfm ；在20英尺的3区段中温度设置为225华氏度，空气流速设置为3500cfm。通过使成形磨粒前体穿过超声波焊头来将其从生产模具移除。将成形磨粒前体在大约650摄氏度下煅烧(15分钟)，然后用以下浓度(记录为氧化物)的混合硝酸盐溶液浸透1. 0 %的MgO、1. 2 %的Y203、4. 0 %的La2O3和0. 05 %的CoO。 去除过量的硝酸盐溶液，并使浸透的成形磨粒前体干燥，然后在650摄氏度下再次煅烧磨粒(15分钟)，并在大约1400摄氏度下烧结(5分钟)。煅烧和烧结均采用管式回转炉来进行。测量了实例2的成形磨粒的平均圆度系数并确定为9. 5%。比较例制备现有技术成形粒子根据在授予Berg的美国专利5，201，916 ；授予Rowenhorst的美国专利 5，366，523 (Re 35，570)；和授予Berg的美国专利5，984，988中公开的方法制造成形磨粒。 所得成形磨粒与上述那些成形磨粒的尺寸和形状类似，但边缘和拐角轮廓不够分明。磨料制品制备在制造了本发明和比较例的成形磨粒之后，由每种方法的成形磨粒制备环状涂附磨料带。使用表2中所示的酚醛底胶层、复胶层和顶胶层树脂组合物以及表3中所示的磨料制品构造，通过本领域熟知的工序将成形磨粒静电涂覆到如美国专利号 6，843，815 (Thurber等人)(表1，背衬实例12)中所述的处理过的聚酯背衬上。该酚醛树脂可由可溶苯酚-甲醛树脂(由至5%的含水氢氧化钾催化的1.5 1至2. 1 1的 (苯酚甲醛)缩合物)制备。还在复胶层上涂覆了顶胶层。所用的顶胶层组合物是根据美国专利号5,441, 549 (Helmin)的实例26。
权利要求
1.一种成形磨粒，包含α氧化铝并具有沿着所述成形磨粒的纵向轴线的横截面形状， 所述横截面形状包括非圆形横截面，并且所述成形磨粒的平均圆度系数为约15%至0%。
2.根据权利要求1所述的成形磨粒，具有由侧壁连接彼此的第一面和第二面，所述第一面和所述第二面以厚度t分隔；以及在所述第二面和所述侧壁之间的拔模角α。
3.根据权利要求2所述的成形磨粒，其中所述第一面和所述第二面的周边包括大致三角形的形状。
4.根据权利要求1、2或3所述的成形磨粒，其中所述横截面形状包括矩形。
5.根据权利要求1、2或3所述的成形磨粒，其中所述横截面形状包括梯形。
6.根据权利要求5所述的成形磨粒，其中所述拔模角α介于约95度至约130度之间。
7.根据前述任一项权利要求所述的成形磨粒，具有体积纵横比，并且所述体积纵横比为大于约1. 15。
8.根据权利要求3所述的成形磨粒，具有平均顶端半径，并且所述平均顶端半径为小于75微米。
9.根据前述任一项权利要求所述的成形磨粒，其中所述平均圆度系数介于约12%至约5%之间。
10.根据前述任一项权利要求所述的成形磨粒，包括粘结剂而形成磨料制品，所述磨料制品选自粘结磨料制品、涂附磨料制品、非织造磨料制品、和磨刷。
11.一种涂附磨料制品，包括根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9所述的成形磨粒和底胶层，所述底胶层位于背衬的第一主表面上，并且大多数所述成形磨粒通过所述侧壁粘附到所述底胶层，所述成形磨粒形成磨料层，所述磨料层涂覆有复胶层，并且其中所述磨料层包含至少5重量％的所述成形磨粒。
12.根据权利要求11所述的涂附磨料制品，其中大多数所述成形磨粒通过所述侧壁粘附到所述底胶层，并且取向角β为介于约50度至约85度之间。
13.根据权利要求11或12所述的涂附磨料制品，其中所述磨料层为疏涂层磨料层，并且所述磨料层中的开放区域百分比为介于约40%至约70%之间。
14.根据权利要求13所述的涂附磨料制品，其中所述磨料层包含100重量％的所述成形磨粒。
15.根据权利要求13所述的涂附磨料制品，其中所述取向角β为介于约70度至约85 度之间。
全文摘要
本发明描述了一种成形磨粒，其包含α-氧化铝并具有沿着所述成形磨粒的纵向轴线的横截面，所述横截面包括非圆形横截面，并且所述成形磨粒的平均圆度系数介于约15％至0％之间。
文档编号C08J5/14GK102459493SQ201080026268
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月15日 优先权日2009年6月22日
发明者德怀特·D·埃里克森 申请人:3M创新有限公司