用于高速磨削操作的磨料物品的制作方法
【专利摘要】一种磨料物品可以包括一个粘结的磨料本体，该本体具有包含在一种粘结剂材料中的、包括微晶氧化铝(MCA)的磨料颗粒。在一个实施例中，该粘结的磨料本体具有占该粘结的磨料本体总体积的至少约42vo1％的孔隙率。另外，在一个实施例中，该粘结的磨料本体能够在至少约60m/s的速度下以至少约0.4in3/min/in(258mm3/min/mm)的材料去除速率来磨削一种包含金属的工件。
【专利说明】用于高速磨削操作的磨料物品
【技术领域】
[0001]以下内容是针对磨料物品，并且具体地是适合用于进行高速磨削操作的粘结的磨料物品。
【背景技术】
[0002]磨削工具一般被形成为具有包含在一种粘结剂材料内的磨料粒子用于材料去除的应用。在这类磨削工具中可以采用超级磨料粒子(例如，金刚石或立方氮化硼(CBN))或加晶种的(或甚至未加晶种的)烧结的溶胶凝胶氧化铝磨料粒子(又被称为α-微晶氧化铝(MCA)磨料粒子)。该粘结剂材料可以是有机材料类，如树脂；或一种无机材料，如玻璃或玻璃化的材料。具体地说，使用玻璃化粘结剂材料并且含有MCA粒子或超级磨料粒子的粘结的磨削工具对磨削是商业上有用的。
[0003]某些粘结的磨削工具(特别是利用了玻璃化粘结剂材料的那些)要求高温成形工艺(时常近似于1100°c或更大)，这会对具有MCA的磨料粒子产生不利的影响。事实上，已经认识到，在形成磨削工具必要的这种升高的温度下，该粘结剂材料可以与这些磨料粒子(具体是MCA晶粒)进行反应、并且损害磨料的完整性，从而降低粒子的锐度和性能特性。其结果是，业界已经转向于降低形成该粘结剂材料必要的形成温度，以便抑制成形工艺过程中的这些磨料粒子的高温降解。
[0004]例如，为了减小MCA粒子与玻璃化粘结剂之间的反应的量，美国专利号4，543，107披露了一种适合于在低达约900°C的温度下进行烧制的粘结剂组合物。在一种替代的途径中，美国专利号4，898，597披露了包含至少40%的制成玻璃料的材料、适合于在低达约900°C的温度下进行烧制的一种粘结剂组合物。其他利用了能够在低于1000°C的温度下形成的粘结剂材料的此类粘结的磨料物品包括美国专利号5，203，886;美国专利号5，401，284 ;美国专利号5，536，283 ;以及美国专利号6，702，867。然而，业界继续要求这类粘结的磨料物品的改进的性能。
[0005]以上这些玻璃体粘结剂材料不一定适合于高速磨削操作。典型地，高速磨削操作要求在超过1100°c的烧结温度下形成的玻璃体粘结的磨料物品，这样使得该磨料物品可以经受住在高速磨削操作过程中施加的力。工业上继续要求改进的粘结的磨料物品。
[0006]概述
[0007]根据一方面，一种磨料物品包括一个粘结的磨料本体，该本体具有包含在一种粘结剂材料内的、包括微晶氧化铝(MCA)的磨料颗粒，该粘结剂材料是由不大于约20wt%的氧化硼(B2O3)形成的、具有不大于约3.2(按重量百分比计)的硅石重量百分比(SiO2):氧化铝重量百分比(Al2O3)之比以及不大于约3.0wt%的氧化磷(P2O5)。该粘结的磨料本体具有占该粘结的磨料本体总体积的至少约42vol %的孔隙率，并且该粘结的磨料本体能够在至少约60m/s的速度下磨削一种包含金属的工件。
[0008]根据另一方面，一种磨料物品具有一个粘结的磨料本体，该本体具有包含在一种单相玻璃体粘结剂材料内的、包括微晶氧化铝(MCA)的磨料颗粒，该粘结剂材料是由不大于约20wt%的氧化硼(B2O3)形成、具有的硅石(SiO2)重量百分比:氧化铝(Al2O3)重量百分比之比是不大于约3.2 (按重量百分比计)。该粘结的磨料本体具有占该粘结的磨料本体总体积的至少约42ν01%的孔隙率，并且该粘结的磨料本体能够在至少约60m/s的速度下磨削一种包含金属的工件。
[0009]在又另一个方面，一种磨料物品包括一个粘结的磨料本体，该本体具有包含在一种粘结剂材料内的、包括微晶氧化铝(MCA)的磨料颗粒，其中该粘结的磨料本体具有占该粘结的磨料本体总体积的至少约42vol%的孔隙率。该粘结的磨料本体能够在至少约60m/s的速度下磨削一种包含金属的工件、并且在1.8的切削深度下具有不大于约0.07英寸(1.78mm)的转角保持因子。
[0010]在另一个方面，一种磨料物品包括一个粘结的磨料本体，该本体具有包含在一种粘结剂材料内的、包括微晶氧化铝(MCA)的磨料颗粒，其中该粘结的磨料本体具有占该粘结的磨料本体总体积的至少约42vol%的孔隙率。该粘结的磨料本体能够在至少约60m/s的速度下、在不大于约IOHp的最大功率下、并且以至少约0.4in3/min/in(258mmVmin/mm)的材料去除速率来磨削一种包含金属的工件。
[0011]根据又另一个方面，一种磨料物品包括一个粘结的磨料本体，该本体具有包含在一种粘结剂材料内的、包括微晶氧化铝(MCA)的磨料颗粒，其中该粘结的磨料本体具有占该粘结的磨料本体总体积的至少约42vol %的孔隙率。该粘结的磨料本体能够在至少约60m/s的速度下、在至少约0.003英寸(0.076mm)的切削深度下、并且以至少约0.4in3/min/in(258mm3/min/mm)的材料去除速率来磨削一种包含金属的工件。
[0012]在另一个方面，一种磨料物品包括一个粘结的磨料本体，该本体具有包含在一种粘结剂材料内的、包括微晶氧化铝(MCA)的磨料颗粒，其中该粘结的磨料本体具有占该粘结的磨料本体总体积的至少约42vol%的孔隙率。该粘结的磨料本体能够在至少约60m/s的速度下以至少约0.4in3/min/in(258mmVmin/mm)的材料去除速率来磨削一种包含金属的工件。
[0013]附图简要说明
[0014]通过参见附图可以更好地理解本披露，并且使其许多特征和优点对于本领域的普通技术人员变得清楚。
[0015]图1包括针对现有技术的粘结的磨料主体和根据在此的实施例的粘结的磨料主体的孔隙率百分数、磨料百分数、以及粘结剂百分数的一个简图。
[0016]图2包括对于常规的粘结的磨料物品以及根据在此多个实施例的粘结的磨料物品而言，MOR对比MOE的一个图。
[0017]图3包括对于常规的粘结的磨料物品与根据在此的一个实施例的粘结的磨料物品相比较而言材料去除速率对比切削深度的一个图表。
[0018]图4包括对于常规的粘结的磨料物品以及根据一个实施例的粘结的磨料物品而言材料去除速率对比切削深度的一个图表。
[0019]图5包括对于常规的粘结的磨料物品以及根据在此多个实施例的粘结的磨料物品而言最大功率对比材料去除速率的一个曲线图。
[0020]图6包括对于常规的粘结的磨料物品以及根据多个实施例的粘结的磨料物品而言最大功率对比材料去除速率的一个曲线图。[0021]图7包括对于常规的粘结的磨料物品以及根据一个实施例的粘结的磨料物品而言最大功率对比材料去除速率的一个曲线图。
[0022]图8包括对于常规的粘结的磨料物品以及根据一个实施例的粘结的磨料物品而言半径变化对比切削深度(Zw)(证明了转角保持因子)的一个曲线图。
[0023]图9包括一系列照片，展示了对于常规的粘结的磨料物品以及根据一个实施例的粘结的磨料物品而言的转角保持因子。
[0024]图10包括一系列照片，展示了对于常规的粘结的磨料物品对比根据一个实施例的粘结的磨料物品而言的转角保持因子。
[0025]图11包括一系列照片，展示了对于常规的粘结的磨料物品对比根据一个实施例的粘结的磨料物品而言的转角保持因子。
[0026]在不同的图中使用相同的参考符号指示相似或相同的物件。
[0027]详细说明
[0028]以下内容是针对粘结的磨料物品，这些粘结的磨料物品可以适合用于对工件进行磨削和成形。值得注意地，在此的实施例的粘结的磨料物品可以将磨料颗粒结合在玻璃体粘结剂材料内。用于使用在此的实施例的粘结的磨料物品的适合的应用包括磨削操作，这些磨削操作包括，例如无心磨削、外圆磨削、曲轴磨削、各种表面磨削操作、轴承和齿轮磨削操作、缓进给磨削、以及各种工具室应用。
[0029]根据一个实施例，形成一个实施例的粘结的磨料物品的方法可以通过形成适合的化合物与组分的混合物从而形成一种粘结剂材料来开始。该粘结剂可以由无机材料的化合物(如氧化合物(oxide compound))形成。例如，一种适合的氧化物材料可以包括氧化硅(SiO2)。根据一个实施例，该粘结剂材料可以由对于该粘结剂材料的总重量而言为不大于约55?〖％的氧化硅形成。在其他实施例中，氧化硅的含量可以是更少的，如不大于约54wt%、不大于约53wt%、不 大于约52wt%、或甚至不大于约51wt%。然而,在某些实施例中，该粘结剂材料可以由对于该粘结剂材料的总重量而言为至少约45wt%，如至少约46wt%、近似于至少约47wt%、至少约48wt%、或甚至于至少约49￥丨％的氧化硅形成。将了解的是，氧化硅的量可以在以上指出的任何最小与最大百分比之间的范围内。
[0030]该粘结剂材料还可以结合一定含量的氧化铝(Al2O3)15例如，该粘结剂材料可以包括对于该粘结剂材料的总重量而言为至少约12wt%的氧化铝。在其他实施例中，氧化铝的量可以是至少约14wt%、至少约15wt%、或甚至于至少约16wt%。在某些例子中，该粘结剂材料包括的氧化铝的量对于该粘结剂的总重量而言可以为不大于约23wt%、不大于约21wt%、不大于约20wt%、不大于约19wt%、或甚至不大于约18wt%。将了解的是，氧化铝的量可以在以上指出的任何最小与最大百分比之间的范围内。
[0031]在某些例子中，该粘结剂材料可以由以重量百分比测量的氧化硅的量与以重量百分比测量的氧化铝的量之间的一个特定比率形成。例如，硅石对氧化铝的比率可以通过把粘结剂材料内的氧化硅的重量百分比除以氧化铝的重量百分比来描述。根据一个实施例，氧化硅对氧化铝的比率可以是不大于约3.2。在其他例子中，粘结剂材料内的氧化硅对氧化铝的比率可以是不大于约3.1、不大于约3.0、或甚至不大于约2.9。然而，在某些例子中，该粘结剂材料可以形成为使得氧化硅的重量百分比对氧化铝的重量百分比的比率是至少约
2.2，如至少约2.3、如近似于至少约2.4、至少约2.5、至少约2.6、或甚至于至少约2.7。将了解的是，氧化铝和氧化硅的总量可以在以上指出的任何最小与最大值之间的范围内。
[0032]根据一个实施例，该粘结剂材料可以由一定含量的氧化硼(B2O3)形成。例如，该粘结剂材料可以结合对于该粘结剂材料的总重量而言为不大于约20wt%的氧化硼。在其他例子中，氧化硼的量可以是更少的，如不大于约19wt%、不大于约18wt%、不大于约17wt%、或甚至不大于约16wt%。然而，该粘结剂材料可以由对于该粘结剂材料的总重量而言为至少约IIwt如至少约12wt%、至少约13wt%、或甚至于至少约14wt%的氧化硼形成。将了解的是，氧化硼的量可以在以上指出的任何最小与最大百分比之间的范围内。
[0033]根据一个实施例，该粘结剂材料可以形成为使得该粘结剂材料内的氧化硼的重量百分比和氧化硅的重量百分比的总含量(即，总和)可以是对于该粘结剂材料的总重量而言为不大于约70wt%。在其他例子中，氧化硅和氧化硼的总含量可以是不大于约69wt%，如不大于约68wt%、不大于约67wt%、或甚至不大于约66wt%。根据一个具体实施例,氧化硅和氧化硼的总重量百分比含量可以是对于该粘结剂材料的总重量而言为至少约55wt%，如至少约58wt%、至少约60wt%、至少约62wt%、至少约63wt%、至少约64wt%、或甚至于至少约65wt%。将了解的是，该粘结剂材料内的氧化硅和氧化硼的总重量百分比可以在以上指出的任何最小与最大百分比之间的范围内。
[0034]此外，在具体例子中，如以重量百分比测量的，粘结剂材料内的氧化硅的量可以大于氧化硼的量。值得注意地，氧化硅的量可以比氧化硼的量大至少约1.5倍、大至少约1.7倍、大至少约1.8倍、大至少约1.9倍、大至少约2.0倍、或甚至大至少约2.5倍。然而，在一个实施例中，该粘结剂材料包括的氧化硅的量可以为大不大于约5倍，如大不多于约4倍、大不多于约3.8倍、或甚至大不多于约3.5倍。将了解的是，氧化硅的量与氧化硼的量相比的差值可以在以上指出的任何最小与最大值之间的范围内。
[0035]根据一个实施例，该粘结剂材料可以由至少一种碱金属氧化合物(R2O)形成，其中R代表选自元素周期表中的第IA族元素的一种金属。例如，该粘结剂材料可以由来自以下化合物组的一种碱金属氧化合物(R2O)形成，该化合物组包括:氧化锂(Li2O)、氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)、及氧化铯(Cs2O)、以及它们的组合。
[0036]根据一个实施例，该粘结剂材料可以由总含量对于该粘结剂材料的总重量而言为不大于约20wt%的碱金属氧化合物形成。对于根据在此的实施例的其他粘结的磨料物品，碱金属氧化合物的总含量可以是不大于约19wt%、不大于约18wt%、不大于约17wt%、不大于约16wt%、或甚至不大于约15wt%。然而,在一个实施例中，粘结剂材料内的碱金属氧化合物的总含量可以是至少约IOwt%，如至少约12wt%、至少约13wt%、或甚至于至少约14wt%。将了解的是，该粘结剂材料包括的碱金属氧化合物的总含量可以在以上指出的任何最小与最大百分比之间的范围内。
[0037]根据一个具体实施例，该粘结剂材料可以由如以上指出的不大于约3种单独的碱金属氧化合物(R2O)形成。事实上，某些粘结剂材料可以将不大于约2种的碱金属氧化合物结合在该粘结剂材料内。
[0038]此外，该粘结剂材料可以形成为使得该粘结剂材料内的任何这些碱金属氧化合物的单独含量不大于碱金属氧化合物的总含量(以重量百分比计)的一半。此外，根据一个具体实施例，氧化钠的量可以大于氧化锂或氧化钾的含量(重量百分比)。在更具体的例子中，以重量百分比测量的氧化钠的总含量可以大于以重量百分比测量的氧化锂和氧化钾的含量的总和。此外，在一个实施例中，氧化锂的量可以大于氧化钾的含量。
[0039]根据一个实施例，以重量百分比测量的形成该粘结剂材料的碱金属氧化合物的总量可以小于该粘结剂材料内的氧化硼的量(以重量百分比测量)。事实上，在某些情况下，与该粘结剂材料内的氧化硼的总重量百分比相比，多种碱金属氧化合物的总重量百分比可以是在约0.9至约1.5之间的范围内，如在约0.9与约1.3之间的范围内、或甚至在约0.9与约1.1之间的范围内。
[0040]该粘结剂材料可以由一定量的碱土金属化合物(RO)形成，其中R代表来自元素周期表的第IIA族的元素。例如，该粘结剂材料可以结合碱土金属氧化合物，如氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化钡(BaO)、或甚至氧化锶(SrO)。根据一个实施例，该粘结剂材料可以包含对于该粘结剂材料的总重量而言为不大于约3.0wt %的碱土金属氧化合物。在再其他的例子中，该粘结剂材料可以包含更少的碱土金属氧化合物，如近似于不大于约2.8wt%、不大于约2.2wt%、不大于约2.0wt%、或不大于约1.8wt% ο然而，根据一个实施例，该粘结剂材料包含的一种或多种碱土金属氧化合物的含量对于该粘结剂材料的总重量而言可以为至少约0.5wt%,如至少约0.8wt%、至少约1.0wt%、或甚至于至少约1.4wt%。将了解的是，该粘结剂材料内的碱土金属氧化合物的量可以在以上指出的任何最小与最大百分比之间的范围内。
[0041]根据一个实施例，该粘结剂材料可以由不大于约3种的不同碱土金属氧化合物形成。事实上，该粘结剂材料可以包含不大于2种的不同碱土金属氧化合物。在一个具体例子中，该粘结剂材料可以由2种碱土金属氧化合物形成，这些碱土金属氧化合物由氧化钙和氧化镁组成。
[0042]在一个实施例中，该粘结剂材料包括的氧化钙的量可以大于氧化镁的量。此外，粘结剂材料内的氧化钙的量可以大于在该粘结剂材料内存在的任何其他碱土金属氧化合物
的含量。
[0043]该粘结剂材料可以由碱金属氧化合物与碱土金属氧化合物的一种组合来形成，这样使得总含量对于该粘结剂材料的总重量而言为不大于约20wt%。在其他实施例中，该粘结剂材料内的碱金属氧化合物和碱土金属氧化合物的总含量可以是不大于约19wt%，如不大于约18wt%、或甚至不大于约17wt%。然而，在某些实施例中，在该粘结剂材料内存在的碱金属氧化合物和碱土金属化合物的总含量可以为至少约12wt%，如至少约13wt%，如至少约14wt%、至少约15wt%、或甚至于至少约16wt%。将了解的是,该粘结剂材料具有的碱金属氧化合物和碱土金属氧化合物的总含量可以在以上指出的任何最小与最大百分比之间的范围内。
[0044]根据一个实施例，该粘结剂材料可以形成为使得在该粘结剂材料内存在的碱金属氧化合物的含量大于碱土金属氧化合物的总含量。在一个具体实施例中，该粘结剂材料可以形成为使得碱金属氧化合物的总含量(以重量百分比计)与碱土金属氧化合物的总重量百分比相比的比率(R2O:R0)是在约5:1与约15:1之间的范围内。在其他实施例中，在该粘结剂材料内存在的碱金属氧化合物的总重量百分比对碱土金属氧化合物的总重量百分比的比率可以是在约6:1与约14:1之间的范围内，如在约7:1与约12:1之间的范围内、或甚至在约8:1与约10:1之间的范围内。
[0045]根据一个实施例，该粘结剂材料可以由对于该粘结剂材料总重量而言不大于约3wt%的氧化磷形成。在某些其他例子中，该粘结剂材料可以包含对于该粘结剂材料的总重量而言为不大于约2.5wt%,如不大于约2.0wt%、不大于约1.5wt%、不大于约1.0wt%、不大于约0.8wt%、不大于约0.5wt%、或甚至不大于约0.2wt%的氧化磷。事实上,在某些例子中，该粘结剂材料可以基本上不含有氧化磷。适合含量的氧化磷可以促进如在此所描述的某些特征和磨削性能特性。
[0046]根据一个实施例，该粘结剂材料可以由不大于一种的组合物形成，该组合物包含不大于约Iwt %的某些氧化合物,这些氧化合物包括例如像Mn02、ZrSiO2> CoA1204、以及MgO的氧化合物。事实上，在具体实施例中，该粘结剂材料可以基本上不含有以上认定的氧化合物。
[0047]除了置于混合物内的粘结剂材料之外，形成粘结的磨料物品的方法可以进一步包括结合一定类型的磨料颗粒。根据一个实施例，这些磨料颗粒可以包括微晶氧化铝(MCA)。事实上，在某些例子中，这些磨料颗粒可以主要由微晶氧化铝组成。
[0048]这些磨料颗粒可以具有不大于约1050微米的平均粒径。在其他实施例中，这些磨料颗粒的平均粒径可以是更小的，如近似于不大于800微米、不大于约600微米、不大于约400微米、不大于约250微米、不大于约225微米、不大于约200微米、不大于约175微米、不大于约150微米、或甚至不大于约100微米。然而，这些磨料颗粒的平均粒径可以是至少约I微米，如至少约5微米、至少约10微米、至少约20微米、至少约30微米、或甚至于至少约50微米、至少约60微米、至少约70微米、或甚至于至少约80微米。将了解的是，这些磨料颗粒的平均粒径可以在以上指出的任何最小与最大值之间的范围内。
[0049]进一步提及利用了微晶氧化铝的磨料颗粒，将了解的是微晶氧化铝可以由具有被设定成亚微米大小的平均粒子大小的粒子组成。事实上，微晶氧化铝的平均粒子大小可以是不大于约I微米，如不大于约0.5微米、不大于约0.2微米、不大于约0.1微米、不大于约0.08微米、不大于约0.05微米、或甚至不大于约0.02微米。
[0050]此外，这种包括磨料颗粒和粘结剂材料的混合物的形成可以进一步包括添加其他的组分，如填充剂、成孔物、以及适合于形成最终形成的粘结的磨料物品的材料。成孔材料的一些适合的实例可以包括但不限于:空心氧化招(bubble alumina);空心莫来石(bubble mullite);空心球,包括空心玻璃球、空心陶瓷球、或空心聚合物球；聚合物或塑料材料；有机化合物；纤维材料，包括玻璃、陶瓷、或聚合物的绳股和/或纤维。其他适合的成孔材料可以包括:萘、PDB、贝壳、木材，等等。在再另一个实施例中，填充剂可以包括一种或多种无机材料(包括例如氧化物)，并且具体地可以包括结晶相或非晶相的氧化锆、二氧化硅、二氧化钛、以及它们的组合。
[0051]在适合地形成混合物之后，可以使该混合物成形。适合的成形方法可以包括压制操作和/或模制操作以及它们的组合。例如，在一个实施例中，可以通过在一个模具内冷压该混合物以便形成生坯来使该混合物成形。
[0052]在适合地形成该生坯之后，可以在一个特定温度下烧结该生坯以便促进形成具有一种玻璃相粘结剂材料的磨料物品。值得注意地，该烧结操作可以在小于约1000°c的烧结温度下进行。在具体实施例中，该烧结温度可以小于约980°c，如小于约950°C、并且特别地是在约800°C与950°C之间的范围内。将会了解的是，对于以上提及的粘结剂组分可以使用特别低的烧结温度，这样避免了过高的温度并且因此限制了该形成过程中这些磨料颗粒的降解。
[0053]根据一个具体实施例，粘结的磨料本体包含具有一种玻璃相材料的一种粘结剂材料。在具体例子中，该粘结剂材料可以是一种单相玻璃体材料。
[0054]最终形成的粘结的磨料本体可以具有特定含量的粘结剂材料、磨料颗粒、以及孔隙率。值得注意地，粘结的磨料物品的本体可以具有对于该粘结的磨料本体的总体积而言为至少约42ν01%的孔隙率。在其他实施例中，孔隙率的量可以是更大的，如对于该粘结的磨料本体的总体积而言为至少约43vol%,如至少约44vol%、至少约45vol%、至少约46vol%、至少约48νο1%、或甚至于至少约50νο1%。根据一个实施例,该粘结的磨料本体可以具有不大于约70vol %，如不大于约65vol %、不大于约62vol %、不大于约60vol %、不大于约56vol%、不大于约52vol%、或甚至不大于约50vol%的孔隙率。将了解的是,该粘结的磨料本体可以具有在以上指出的任何最小与最大百分比之间的范围内的孔隙率。
[0055]根据一个实施例，该粘结的磨料本体可以具有对于该粘结的磨料本体的总体积而言为至少约35ν01%的磨料颗粒。在其他实施例中，磨料颗粒的总含量可以是更大的，如至少约37vol%、或甚至于至少约39vol%。根据一个具体实施例,该粘结的磨料本体可以形成为使得它具有对于该粘结的磨料本体的总体积而言为不大于约50vol %的磨料颗粒，如不大于约48vol%、或甚至不大于约46vol%。将了解的是,该粘结的磨料本体内的磨料颗粒的含量可以在以上指出的任何最小与最大百分比之间的范围内。
[0056]在具体例子中，该粘结的磨料本体被形成为使得它包含与孔隙率和磨料颗粒的含量相比最小含量(V01%)的粘结剂材料。例如，该粘结的磨料本体可以具有对于该粘结的磨料本体的总体积而言为不大于约15vol%的粘结剂材料。在其他例子中，该粘结的磨料本体可以形成为使得它包含对于该粘结的磨料本体的总体积而言不大于约14Vol%、不大于约13vol%、或甚至不大于约12vol%的粘结剂材料。在一个具体例子中，该粘结的磨料本体可以形成为使得它包含对于该粘结的磨料本体的总体积而言为至少约7vol %，如至少约8vol%、近似于至少约9νο1%、或甚至于至少约IOvol %的粘结剂材料。
[0057]图1包括根据一个实施例存在于一种特定的粘结的磨料物品中的多个相的简图。图1包括粘结剂的vol%、磨料颗粒的Vol%、以及孔隙率的Vol%。阴影区域101代表一种适合于高速磨削应用的常规的粘结的磨料物品，而阴影区103代表根据在此的实施例的一种粘结的磨料物品的相含量，也适合于高速磨削应用。高速磨削应用典型地被认为是以60m/s或更大的操作速度进行的磨削。
[0058]值得注意地，这些常规的高速粘结的磨料物品的相含量(即，阴影区域101)与一个实施例的粘结的磨料物品的相含量显著不同。值得注意地，常规的高速粘结的磨料物品典型地具有在大致40vol %与51vol %之间的范围内的最大孔隙率、大致42vol %至50vol%的磨料颗粒含量、以及大致9至20vol%的粘结剂含量。常规的粘结的磨料物品典型地具有50Vol%或更小的最大孔隙率含量，因为高速磨削应用要求一种粘结的磨料本体具有足够的强度来应对在高速磨削过程中遇到的过度的力，并且高度多孔粘结的磨料本体之前并不能经受住所述力。
[0059]根据一个实施例，一种粘结的磨料物品可以具有比常规的高速粘结的磨料物品显著更大的孔隙率。例如，一个实施例的一种粘结的磨料物品可以具有对于该粘结的磨料本体的总体积而言在约51vol%与约58vol%之间的范围内的孔隙率含量。此外，如在图1中所展示的，一个实施例的粘结的磨料物品可以具有对于该粘结的磨料物品的总体积而言在约40vol%与约42vol%之间的范围内的磨料颗粒含量,和在大约2vol%与约9vol%之间的范围内的特别低的粘结剂含量。
[0060]值得注意地，在此的实施例的粘结的磨料本体可以具有不同于常规的粘结的磨料本体的特别特征。具体地，这里这些粘结的磨料物品可以具有特定含量的孔隙率、磨料颗粒和粘结剂，同时展现出特别的机械特征使得它们适合于特定的应用，如高速磨削应用。例如，在一个实施例中，该粘结的磨料本体可以具有一个特定的断裂模量(MOR)，该断裂模量可以对应于一个特定的弹性模量(MOE)。例如，对于至少约40GPa的Μ0Ε，该粘结的磨料本体可以具有至少45MPa的M0R。在一个实施例中，对于40GPa的MOE，MOR可以是至少约46MPa，如至少约47MPa、至少约48MPa、至少约49MPa、或甚至于至少约50MPa。然而，对于40GPa的Μ0Ε，该粘结的磨料本体可以具有不大于约70MPa，如不大于约65MPa、或不大于约60MPa的MOR0将了解的是，MOR可以在以上给出的任何最小与最大值之间的范围内。
[0061]MOR可以在尺寸为4”X1”X0.5”的样品上使用标准的3点弯曲试验来测量，其中在I” Χ0.5”平面上施加荷载，除了样品尺寸外，总体上是按照ASTM D790。可以记录失效载荷并且使用标准方程计算M0R。可以通过使用GrindoSonic仪器或类似设备、按照磨料磨轮工业中的标准规程对复合物的固有频率进行测量来计算Μ0Ε。
[0062]在另一个实施例中，对于具有45GPa的MOE的某些粘结的磨料本体，MOR可以是至少约45MPa。事实上，对于具有45GPa的MOE的某些粘结的磨料本体，MOR可以是至少约46MPa,如至少约47MPa、至少约48MPa、至少约49MPa、或甚至于至少约50MPa。然而，对于45GPa的MOE，MOR可以是不大于约70MPa、不大于约65MPa、或不大于约60MPa。将了解的是，MOR可以在以上给出的任何最小与最大值之间的范围内。
[0063]在一个实施例中，该粘结的磨料本体可以具有一个强度比，该强度比是MOR除以MOE的度量。在具体例子中，一个具体的粘结的磨料本体的强度比(M0R/M0E)可以是至少约0.8。在其他例子中，该强度比可以是至少约0.9，如至少约1.0、至少约1.05、至少约1.10。然而，该强度比可以是不大于约3.00，如不大于约2.50、不大于约2.00、不大于约1.70、不大于约1.50、不大于约1.40、或不大于约1.30。将了解的是，这些粘结的磨料本体的强度比可以在以上指出的任何最小与最大值之间的范围内。
[0064]根据一个实施例，该粘结的磨料本体可以适合在特定的磨削操作中使用。例如，已经发现这里的实施例的粘结的磨料本体适合于要求高速操作的磨削操作中。事实上，这些粘结的磨料本体可以在特别高的速度下使用而不损害工件并且提供适当的或改进的磨削性能。根据一个实施例，该粘结的磨料本体能够在至少约60m/s的速度下磨削一种包含金属的工件。在其他情况下，该粘结的磨料本体的运行速度可以更大，如至少约65m/s、至少约70m/s、或者甚至于至少约80m/s。在某些情况下,该粘结的磨料本体可以能够在不大于约150m/s、例如不大于约125m/s的速度下磨削工件。将了解的是本申请的粘结的磨料本体可以在以上指出的任何最小与最大值之间的范围内的运行速度下磨削工件。
[0065]在此关于该粘结的磨料本体的磨削能力可以涉及多种磨削操作，如无心磨削、夕卜圆磨削、曲轴磨削、各种表面磨削操作、轴承和齿轮磨削操作、缓进给磨削、以及各种工具室磨削过程。此外，用于这些磨削操作的适合的工件可以包括无机或有机材料。在具体例子中，该工件可以包括一种金属、金属合金、塑料、或天然材料。在一个实施例中，该工件可以包括一种铁金属、非铁金属、金属合金、金属超级合金、以及它们的组合。在另一个实施例中，该工件可以包括一种有机材料，该有机材料包括，例如一种聚合物材料。在再其他的例子中，该工件可以是一种天然材料，该天然材料包括，例如木材。
[0066]在具体情况下，已经注意到该粘结的磨料本体能够在高速运行下并且以特别高的去除速率来磨削工件。例如，在一个实施例中，该粘结的磨料本体可以在至少约0.4英寸3/分钟/英寸(in3/min/in) (258mm3/min/mm)的材料去除速率下进行磨削操作。在其他实施例中，该材料去除速率可以是至少约0.45英寸3/分钟/英寸(290mm3/min/mm),如至少约0.5英寸3/分钟/英寸(322mm3/min/mm)、至少约0.55英寸3/分钟/英寸(354mmVmin/mm)、或甚至于至少约0.6英寸3/分钟/英寸(387mm3/min/mm)。然而,对于某些粘结的磨料本体，材料去除速率可以是不大于约1.5英寸3/分钟/英寸(967mm3/min/mm),如不大于约1.2英寸3/分钟/英寸(774mm3/min/mm)、不大于约1.0英寸3/分钟/英寸(645mm3/min/mm)、或甚至不大于约0.9英寸3/分钟/英寸(580mm3/min/mm)。将了解的是,本申请的粘结的磨料本体可以在处于以上指出的任何最小与最大值之间的范围内的材料去除速率下对工件进行磨削。
[0067]在某些磨削操作过程中，已经注意到本申请的粘结的磨料本体可以在高速下在特定的切削深度(DOC)下进行磨削。例如，该粘结的磨料本体所达到的切削深度可以是至少约0.003英寸(0.0762毫米)。在其他情况下，该粘结的磨料本体能够在高速磨削操作过程中实现至少约0.004英寸(0.102毫米)的切削深度，如至少约0.0045英寸(0.114毫米)、至少约0.005英寸(0.127毫米)、或甚至于至少约0.006英寸(0.152毫米)。将会了解的是，使用这里的粘结的磨料本体进行的高速磨削操作的切削深度可以是不大于约0.01英寸(0.254毫米)、或不大于约0.009英寸(0.229毫米)。将了解的是，该切削深度可以在以上指出的任何最小与最大值之间的范围内。
[0068]在其他实施例中，已指出该粘结的磨料本体可以在不超过约IOHp (7.5kW)的最大功率下对工件进行磨削，同时利用了以上指出的磨削参数。在其他实施例中，高速磨削操作过程中的最大功率可以是不大于约9Hp(6.8kW)，如不大于约8Hp(6.0kff)、或甚至不大于约
7.5Hp (5.6kff)。
[0069]根据另一个实施例，在高速磨削操作过程中，已经注意到了这里这些实施例的粘结的磨料物品具有优越的转角保持能力，特别是与常规的高速粘结的磨料物品相比的话。事实上，该粘结的磨料本体可以在至少约1.8的切削深度(Zw)下具有不大于约0.07英寸的转角保持因子，该切削深度对应于0.00255英寸/秒，弧度。值得注意地，如在此所使用的，1.0的切削深度对应于0.00142英寸/秒，弧度，并且1.4的切削深度(Zw)对应于0.00198英寸/秒，弧度。将了解的是，该转角保持因子是在特定切削深度下、对4330V的工件(该工件是NiCrMoV硬化且回火的高强度钢合金)进行5次磨削之后以英寸计的半径变化的度量。在某些其他实施例中，粘结的磨料物品显示出对于至少约1.80的切削深度而言，不大于约0.06英寸，如不大于约0.05英寸、不大于约0.04英寸的转角保持因子。
[0070]实例
[0071]实例I
[0072]图2包括对于根据在此多个实施例的粘结的磨料物品以及常规的粘结的磨料物品而言破裂模量(MOR)对比弹性模量(MOE)的一个曲线图。曲线201代表一系列根据在此的多个实施例形成的粘结的磨料物品的MOR和Μ0Ε。这个系列的每个样品被制造为具有在下表I中提供的粘结剂组成(以被％计)。这些样品具有大致42vol%至大致56vol%的孔隙率范围、在约42vol%与约52vol%之间范围内的磨料颗粒含量范围(即，微晶氧化铝颗粒)、以及在约6vol%与约14vol%之间范围内的粘结剂材料含量范围。每个样品被冷压而形成棒并在大致900。C至1250。C的烧结温度下烧结。
[0073]表I
[0074]
【权利要求】
1.一种磨料物品,包括: 一个粘结的磨料本体，该本体具有包含在一种粘结剂材料中的、包括微晶氧化铝(MCA)的磨料颗粒，其中该粘结的磨料本体具有占该粘结的磨料本体总体积的至少约42vol%的孔隙率，该粘结的磨料本体能够在至少约60m/s的速度下以至少约0.4in3/min/in (258mm3/min/mm)的材料去除速率来磨削一种包含金属的工件。
2.—种磨料物品,包括: 一个粘结的磨料本体，该本体具有包含在一种粘结剂材料中的、包括微晶氧化铝(MCA)的磨料颗粒，其中该粘结的磨料本体具有占该粘结的磨料本体总体积的至少约42vol%的孔隙率，该粘结的磨料本体能够在至少约60m/s的速度下、在不大于约IOHp的最大功率下、并且以至少约0.4in3/min/in(258mm3/min/mm)的材料去除速率来磨削一种包含金属的工件。
3.一种磨料物品，包括: 一个粘结的磨料本体，该本体具有包含在一种粘结剂材料中的、包括微晶氧化铝(MCA)的磨料颗粒，其中该粘结的磨料本体具有占该粘结的磨料本体总体积的至少约42vol%的孔隙率，该粘结的磨料本体能够在至少约60m/s的速度下、在至少约0.003英寸(0.076mm)的切削深度下、并且以至少约0.4in3/min/in(258mm3/min/mm)的材料去除速率来磨削一种包含金属的工件。
4.一种磨料物品，包括: 一个粘结的磨料本体，该本体具有包含在一种粘结剂材料中的、包括微晶氧化铝(MCA)的磨料颗粒，其中该粘结的磨料本体具有占该粘结的磨料本体总体积的至少约42vol%的孔隙率，该粘结的磨料本体能够在至少约60m/s的速度下磨削一种包含金属的工件、并且在1.8的切削深度下具有不大 于约0.07英寸(1.78mm)的转角保持因子。
5.如权利要求4所述的磨料物品，其中该粘结的磨料本体能够具有0.4in3/min/in(258mm3/min/mm)的材料去除速率。
6.如权利要求1至3以及5中任一项所述的磨料物品，其中该材料去除速率是至少约0.45in3/min/in (290mm3/min/mm)。
7.如权利要求1至3、5、以及6中任一项所述的磨料物品，其中该材料去除速率是至少约 0.Sin3Zmin/in (323mm3/min/mm)。
8.如权利要求1至3、以及5至7中任一项所述的磨料物品，其中该材料去除速率是至少约 0.55in3/min/in (355mm3/min/mm)。
9.如权利要求1至3、以及5至8中任一项所述的磨料物品，其中该材料去除速率是至少约 0.Bin3Zmin/in (387mm3/min/mm)。
10.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结剂材料是由对于该粘结剂材料的总重量而言不大于约20wt%的氧化硼(B2O3)形成的。
11.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结剂材料包含的氧化硅(SiO2)重量百分比:氧化铝(Al2O3)重量百分比之比是不大于约3.2。
12.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结剂材料是由不大于约3.0wt%的氧化磷(P2O5)形成的。
13.—种磨料物品，包括:一个粘结的磨料本体，该本体具有包含在一种粘结剂材料中的、包括微晶氧化铝(MCA)的磨料颗粒，该粘结剂材料由不大于约2( 1:%的氧化硼(B2O3)和不大于约3.0wt%的氧化磷(P2O5)形成、具有的硅石重量百分比(SiO2):氧化铝重量百分比(Al2O3)之比是不大于约.3.2 (按重量百分比计)，其中该粘结的磨料本体具有占该粘结的磨料本体总体积的至少约.42vol %的孔隙率,并且该粘结的磨料本体能够在至少约60m/s的速度下磨削一种包含金属的工件。
14.如权利要求12或13所述的磨料物品，其中该粘结剂材料基本上不含氧化磷(P2O5)。
15.—种磨料物品,包括: 一个粘结的磨料本体，该本体具有包含在一种单相玻璃体粘结剂材料中的、包括微晶氧化招(MCA)的磨料颗粒,该单相玻璃体粘结剂材料由不大于约2 1:%的氧化硼(B2O3)形成、具有的硅石重量百分比(SiO2):氧化铝重量百分比(Al2O3)之比是不大于约3.2(按重量百分比计)，其中该粘结的磨料本体具有占该粘结的磨料本体总体积的至少约42vol%的孔隙率，并且该粘结的磨料本体能够在至少约60m/s的速度下磨削一种包含金属的工件。
16.如权利要求1以及3至15中任一项所述的磨料物品，其中该粘结的磨料本体能够在不大于约IOHp的最大功率下磨削该工件。
17.如权利要求2或16所述的磨料物品，其中该最大功率是不大于约9Hp。
18.如权利要求2、16和17中任一项所述的磨料物品，其中该最大功率是不大于约.8Hp。
19.如权利要求1、2、以及4至18中任一项所述的磨料物品，其中该粘结的磨料本体能够在至少约0.003英寸(0.076mm)的切削深度下进行磨削。
20.如权利要求3或19所述的磨料物品，其中该切削深度是至少约0.004英寸(0.101 mm)。
21.如权利要求3、19、和20中任一项所述的磨料物品，其中该切削深度是至少约.0.0045 英寸(0.114mm)。
22.如权利要求1至3、以及5至21中任一项所述的磨料物品，其中该粘结的磨料本体在1.8的切削深度下包含不大于约0.07英寸的转角保持因子。
23.如权利要求4或22所述的磨料物品，其中该粘结的磨料本体在1.8的切削深度下包含不大于约0.06英寸(1.52mm)的转角保持因子。
24.如权利要求4、22、和23中任一项所述的磨料物品，其中该粘结的磨料本体在1.8的切削深度下包含不大于约0.05英寸(1.27mm)的转角保持因子。
25.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该工件在至少约0.4in3/min/in (258mm3/min/mm)的材料去除速率下没有展现出可见的烧毁证据。
26.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该工件包括选自以下金属组的一种金属，该金属组由以下各项组成:金属、金属合金、塑料、天然材料、以及它们的组合。
27.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结的磨料本体能够在至少约.65m/s的速度下磨削该工件。
28.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结的磨料本体能够在至少约.70m/s的速度下磨削该工件。
29.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结的磨料本体能够在至少约80m/s的速度下磨削该工件。
30.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中这些磨料颗粒主要由微晶氧化铝组成。
31.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中这些磨料颗粒具有不大于约250微米的平均粒径。
32.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中这些微晶氧化铝包括具有不大于约I微米的平均粒子尺寸的粒子。
33.如权利要求1至14以及16至31中任一项所述的磨料物品，其中该粘结剂材料包含一种单相玻璃体材料。
34.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结的磨料本体包含占该粘结的磨料本体总体积的至少约43vol%的孔隙率。
35.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结的磨料本体包含不大于约70vol%的孔隙率。
36.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结的磨料本体包含占该粘结的磨料本体总体积的至少约35vol%的磨料颗粒。·
37.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结的磨料本体包含占该粘结的磨料本体总体积的不大于约15vol %的粘结剂材料。
38.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结剂材料是由一种碱土金属氧化合物(RO)形成的。
39.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中在该粘结剂材料中存在的碱土金属氧化合物(RO)的总量是不大于约3.0wt%。
40.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结剂材料是由不大于约3种的不同碱土金属氧化合物(RO)形成的，这些碱土金属氧化合物选自下组:氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化钡(BaO)、氧化银(SrO)。
41.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结剂材料包含选自以下化合物组的一种碱金属氧化合物(R2O),该化合物组由以下各项组成:氧化锂(Li2O)、氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)、和氧化铯(Cs2O)、以及它们的组合。
42.>如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结剂材料是由总量不大于约20wt%的碱金属氧化合物(R2O)形成的。
43.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结剂材料包含不大于约3种的碱金属氧化合物(R2O)。
44.如权利要求42 所述的磨料物品，其中在该粘结剂材料内存在的任何碱金属氧化合物的含量(wt% )是不大于碱金属氧化物的总含量(wt% )的一半。
45.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结剂材料是由不大于约55界1:%的氧化娃(SiO2)形成的。
46.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结剂材料是由至少约12wt%的氧化铝(Al2O3)形成的。
47.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结剂材料是由至少一种碱金属氧化合物(R2O)以及至少一种碱土金属氧化合物(RO)形成的，其中该碱金属氧化合物和该碱土金属氧化合物的总含量是不大于约20wt%。
48.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结剂是由氧化硼(B2O3)和氧化硅(SiO2)形成的，并且其中氧化硼和氧化硅的总含量是不大于约70wt%。
49.如权利要求47所述的磨料物品，其中氧化硅(SiO2)的含量比氧化硼的含量大。
50.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结剂是由一种组合物形成的，该组合物包含不大于约lwt%的选自下组的氧化合物，该组由以下各项组成:Mn02、ZrSiO2,CoA1204、以及 MgO。
51.如权利要求49所述的磨料物品，其中该粘结剂是由基本上不含有选自下组的氧化合物的一种组合物形成，该组由以下各项组成:Mn02、ZrSiO2> CoA1204、以及MgO。
52.如以上权利要求中任一项所述的磨料物品，其中该粘结的磨料本体是在不大于约1000°C的温度 下烧结的。
【文档编号】C09C1/68GK103442851SQ201280014709
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2012年3月30日 优先权日:2011年3月31日
【发明者】N·萨兰基, R·菲克斯, S·伍兹, J·加夫尼, J·坎帕尼尔罗, J·R·贝西, S·E·福克斯 申请人:圣戈班磨料磨具有限公司, 法国圣戈班磨料磨具公司