成形磨粒以及製備方法

2023-09-18 22:20:25

專利名稱：成形磨粒以及製備方法
成形磨粒以及製備方法背景技術
磨粒和由磨粒製造的磨料製品可用於在產品製造過程中研磨、磨光或磨削多種材料和表面。因此，一直存在對磨粒和/或磨料製品的成本、性能或壽命進行改善的需求。
三角形成形磨粒和使用三角形成形磨粒製造的磨料製品公開於授予Berg的第5，201,916號美國專利中；授予Rowenhorst的第5，366，523號美國專利中(Re.35，570)；以及授予Berg的第5，984，988號美國專利中。在一個實施例中，磨粒的形狀包括等邊三角形。三角形成形磨粒可用於製造能夠增大切削速率的磨料製品。發明內容
成形磨粒通常能夠具有優於隨機粉碎的磨粒的性能。通過控制磨粒的形狀，可以控制磨料製品的所得性能。為了在使用成形磨粒研磨工件時降低切削率並提高光潔度，需要尺寸較小的成形磨粒。為了在製造成形磨粒時經濟地進行大量生產，以商業數量製備的成形磨粒通常不是在爐中，而是在迴轉窯中煅燒和燒結的。迴轉窯通常具有相對於沿著迴轉窯的斜坡向下行進的磨粒而逆向流動的熱空氣流。當成形磨粒變得越來越小時，迴轉窯內的空氣流能夠阻止其穿過迴轉窯前進，從而減慢在迴轉窯內的正常停留時間，或甚至收集成形磨粒並使其與燒結過程中產生的氣體揮發物一起排出。當成形磨粒變得太小時，最終沒有任何成形磨粒離開迴轉窯，它們全都留在窯內，或者與氣體揮發物一起排出。
發明人已確定，要解決該問題，必須用易碎的支承體將成形磨粒彼此暫時連接起來，以便形成包含單獨形成的成形磨粒的較大磨片。由於它們的尺寸較大，所以這些較大磨片能夠容易地穿過迴轉窯，而不會有上述問題，然後可以通過機械操作將被燒結的磨片破碎成單獨的成形磨粒。易碎的支承體可以是基本上連續的包圍成形磨粒的薄纖維網或將每個成形磨粒連接到下一個成形磨粒的不連續的粘柱。通過控制易碎支承體的厚度，能夠控制它的斷裂韌度，從而能夠使被燒結的磨片破裂成單獨的成形磨粒。
因此，在一個實施例中，本發明屬於製備成形磨粒的方法，該方法包括:形成包括多個成形磨粒前體和易碎支承體的磨片，其中易碎支承體將成形磨粒前體連接在一起；輸送磨片穿過迴轉窯，以燒結磨片；以及將被燒結的磨片破碎成單獨的成形磨粒。
在另一個實施例中，本發明屬於包括多個成形磨粒和將成形磨粒連接在一起的易碎支承體的燒結的磨片。
在另一個實施例中，本發明屬於具有磨料行業指定的標稱等級或標稱篩分等級的多個成形磨粒，其中每個成形磨粒包括附接到成形磨粒上的易碎支承體的破裂表面。


本領域的普通技術人員應當了解，本發明的討論僅是針對示例性實施例的描述，其並不旨在限制本發明的更廣泛的方面，其中更廣泛的方面體現在示例性構造中。
圖1為包括成形磨粒和易碎支承體的燒結的磨片的顯微照片。
圖2為包括成形磨粒和易碎支承體的燒結的磨片的示意圖。
圖3為機械破碎易碎支承體之後擱置在篩網上的單獨的成形磨粒的照片。
圖4為成形磨粒的照片，其中易碎支承體的一部分保持附接到成形磨粒上。
圖5A和5B為成形磨粒的另一個實施例的示意圖。
在說明書和附圖中重複使用的參考標號旨在表示本發明相同或類似的特徵或元件。
定義
如本文所用，詞語「包含」、「具有」和「包括」在法律上是具有等同含義的開放型術語。因此，除了列舉的元件、功能、步驟或限制之外，還可以有其他未列舉的元件、功能、步驟或限制。
如本文所用，術語「磨料分散體」意指可轉化為引入到模具腔體中的α -氧化鋁的α-氧化鋁前體。可將該組合物稱為磨料分散體，直到足量的揮發性組分被移除進而使磨料分散體固化為止。
如本文所用，「磨片」是指通過易碎支承體連接在一起的多個成形磨粒前體的未燒結結構，而「燒結的磨片」是指燒結後包括通過易碎支承體連接在一起的多個成形磨粒的結構。
如本文所用，術語「成形磨粒前體」意指通過從磨料分散體(當其位於模具腔體中時)移除足量的揮發性組分以形成固化體的方式所產生的未燒結顆粒，該固化體能夠從模具腔體移除，並且在後續處理操作中基本上保持其模製形狀。
如本文所用，術語「成形磨粒」是指陶瓷磨粒，其中磨粒的至少一部分具有預定的形狀。通常該形狀由用於形成成形磨粒前體的模具腔體複製而成。除了磨料碎片(例如，如美國專利申請第12/336877號中所述的)的情形之外，成形磨粒通常會具有預定幾何形狀，該預定幾何形狀基本上複製了用來形成成形磨粒的模具腔體。模具腔體能駐留在壓花輥的表面上或被容納在柔性帶或製備模具內。或者，能夠通過用雷射束自乾燥的溶膠-凝膠的片材精確地切割出所需幾何形狀的成形磨粒。
具體實施方式
燒結的磨片
參見圖1，圖中示出了包括成形磨粒12和易碎支承體14的燒結的磨片10。燒結的磨片、成形磨粒和易碎支承體包括陶瓷。在一個實施例中，陶瓷能夠包括由羥基氧化鋁或鋁一水合物的分散體製成的α -氧化鋁顆粒，具體製備方式為將該分散體膠凝、模製成具體形狀，然後乾燥形成包括成形磨粒前體的磨片、煅燒並且燒結，如本文之後所述。
為了有效地通過迴轉窯處理磨片，燒結的磨片的最大尺寸應大於或等於0.50、0.60或0.70_。當磨片的尺寸變得較大時，更容易通過迴轉窯對其進行處理，而不會受窯內空氣流的過度影響或甚至不會由於磨片具有太小的質量而粘到窯的內部上。然而，大磨片易於發生溶膠-凝膠開裂(龜裂)，因此它們的最大尺寸具有一定程度的自限性。在一些實施例中，燒結的磨片具有2cm或更小的最大尺寸。在本發明的實施例中，燒結的磨片的尺寸可以使得它們不會穿過符合ASTM E-11、篩孔尺寸為18、16、14或更小尺寸網目的美國標準試驗篩並保留在篩內。
在本發明的其他實施例中，燒結的磨片的平均質量可以大於或等於7 X 10_3g、大於或等於9X 10_3g，或大於或等於11 X 10_3g。可以通過稱量100個單獨的燒結的磨片並取結果的平均值來確定燒結的磨片的平均質量。發明人已確定，當製備平均質量小於9X 10_3g的單獨的成形磨粒時，加工效率開始降低並且在迴轉窯中燒結時開始出現成形磨粒的損耗。
當與易碎支承體分離後的成形磨粒的總體尺寸(定義為穿過篩網的最小尺寸)小於或等於0.70,0.60或0.50mm並大於0.0mm時，通過迴轉窯加工磨片的方法尤其有效。當成形磨粒的尺寸變得較大時，無需將若干顆粒互連就能有效地在迴轉窯中燒結顆粒。一旦尺寸大到足以燒結單獨的顆粒，就更容易直接進行燒結，而不需要增加在燒結之前將成形磨粒前體互連以及在燒結之後分離成形磨粒的處理步驟。在本發明的實施例中，在分離之後，成形磨粒的尺寸適於穿過符合ASTM E-11、篩孔尺寸為18、20、25或更大尺寸網目的美國標準試驗篩，並且不會保留在篩內。
在本發明的其他實施例中，分離之後，成形磨粒的平均質量可以小於或等於5 X 10_3g、小於或等於7 X 10_3g，或小於或等於9 X 10_3g。可以通過稱量100個單獨的成形磨粒並取結果的平均值來確定成形磨粒的平均質量。在圖3和4所示的實施例中，成形磨粒具有9X10_5g的平均質量。
根據上述尺寸範圍，通常每個磨片或燒結的磨片將包含大約2至1000個、或5至100個、或5至50個用易碎支承體保持在一起的成形磨粒前體或成形磨粒。在多個實施例中，易碎支承體將包括將每個成形磨粒的邊緣連接到下一個上的連續纖維網或凸緣，如圖1中最佳所示。為了防止成形磨粒在燒結過程中分離，但仍允許顆粒在燒結後易於分離，應當控制連續纖維網的厚度。具體地講，連接各個成形磨粒前體或成形磨粒的連續纖維網的厚度應為0.03至0.15mm、或0.01至0.20mm、或0.005至0.25mm (在煅燒或燒結之前的未煅燒狀態下測得)，或在燒結後為2至150 μ m、5至100 μ m或10至50 μ m。如果厚度太小，那麼磨片會在處理過程中過早分離為成形磨粒前體。如果厚度太大，那麼在試圖將成形磨粒與連續纖維網分離時會使成形磨粒損壞或破碎，或者將極其難以使成形磨粒與易碎支承體分離。
在一些實施例中，易碎支承體將包括一個或多個粘柱16，粘柱將相鄰的成形磨粒12彼此連接，使得磨片10包括被多個粘柱彼此連接的多個成形磨粒，如圖2所示。雖然粘柱能夠位於成形磨粒上的任何地方，但通常它們將沿著成形磨粒的邊緣設置，而不在邊緣相交的頂點處，如圖2所示。將粘柱設置在頂點處會對磨削性能造成影響，因為使用過程中成形磨粒的頂點通常為初始切削點。因此，希望將此模製成具體的切削輪廓，並且在該位置處不存在不受控制的破裂表面。通常，燒結的磨片或磨片中的每個成形磨粒或成形磨粒前體將包括將成形磨粒連接到磨片中周圍的成形磨粒上的2至20個粘柱，或2至10個粘柱。
通常當毗鄰單獨顆粒的易碎支承體的面積減小時，粘柱的厚度將大於連續纖維網的厚度；然而，這不是必需的。當輸送通過窯爐時，離散粘柱位置處的較大粘柱厚度能夠有助於保持成形磨粒彼此附接。具體地講，粘柱的厚度能夠為0.03至0.15mm、或0.01至0.20mm、或0.005至0.25mm (在煅燒或燒結之前的未煅燒狀態下測得)，或在燒結後為2至150 μ m、5至100 μ m或10至50 μ m。如果厚度太小,那麼磨片會在處理過程中過早分離為成形磨粒前體。如果厚度太大，那麼在試圖將成形磨粒與粘柱分離時會使成形磨粒損壞或破碎。
粘柱沿著邊緣的寬度可以顯著不同，因為當它們變得較寬時，一個粘柱幾乎接觸下一個相鄰的粘柱，從而接近連續纖維網。然而，通常粘柱將具有等於或小於50%、40%、30%、20%或10%的覆蓋百分比(用所有粘柱沿著側邊的總距離除以側邊長度再乘以100計算而得)。減小單獨粘柱的寬度使得在燒結之後一旦將成形磨粒分離，就能夠獲得具有較小破裂表面積的更乾淨的邊緣。這通常將形成較為鋒利的成形磨粒。在一些實施例中，當製備非常小的成形磨粒並且粘柱沒有從成形磨粒的邊緣上乾淨地斷裂時，粘柱會妨礙光潔度。
成形磨粒
參見圖5A和5b，在一個實施例中，與易碎支承體分離後的成形磨粒可以包括具有第一主表面24和第二主表面26並具有厚度T的薄體。在一些實施例中，厚度T介於約5微米至約I毫米之間。成形磨粒可以具有均一的厚度，或者成形磨粒的厚度可以逐漸變小或有差別。在一些實施例中，第一主表面24和第二主表面26通過至少一個側壁22彼此相互連接，側壁22可以是斜側壁，其具有第二主表面26與側壁22之間的非90度的拔模角α。在一些實施例中，可能存在不止一個斜側壁22，並且每個斜側壁22的斜率或角度可以是相同或不同的，如2008年12月17日提交的編號為12/337,075的名稱為「Shaped AbrasiveParticles With A Sloping Sidewall」(具有傾斜側壁的成形磨粒)的待審美國專利申請中更詳盡的描述。在其他實施例中，側壁22可以與第一主表面24和第二主表面26以90度的角度相交。
第一和第二主表面(24，26)包括選定的幾何形狀，例如圓形、橢圓形、三角形、四邊形(矩形、正方形、梯形、菱形、長菱形、風箏形、超橢圓形)，或其他多邊的幾何形狀(五邊形、六邊形、八邊形等)。或者，第一和第二主表面(24，26)可包括不規則的、重複的形狀(由模具腔體複製)，或者將線段與弧形段結合起來以形成輪廓或周長的形狀。根據拔模角α，每個成形磨粒的第一和第二主表面的面積可以是相同或不同的。在多個實施例中，成形磨粒包括稜柱(90度的拔模角)或截稜錐(不等於90度的拔模角)，例如，暫舉幾例，三角形稜柱、截頂的三角形稜錐、菱形稜柱，或截頂的菱形稜錐。
在本發明的各種實施例中，拔模角α可介於約90度至約135度之間、或介於約95度至約130度之間、或介於約95度至約125度之間、或介於約95度至約120度之間、或介於約95度至約115度之間、或介於約95度至約110度之間、或介於約95度至約105度之間、或介於約95度至約100度之間。如提交於2008年12月17日的編號為12/337，075的名稱為 「Shaped Abrasive Particles With A Sloping Sidewall」(具有傾斜側壁的成形磨粒)的美國專利申請中所討論的，已發現，特定範圍的拔模角α使由具有傾斜側壁的成形磨粒製成的帶塗層磨料製品在磨削性能方面得到意想不到的提高。具體地講，已發現98度、120度或135度的拔模角與90度的拔模角相比具有改善的磨削性能。如見於編號為12/337，075的美國專利申請的圖6和圖7中，磨削性能的改善在98度或120度的拔模角中尤其顯著。
在本發明的多個實施例中，成形磨粒20可以包括另外的特徵。在一些實施例中，第一主表面24基本上是平坦的，第二主表面26基本上是平坦的，或二者都基本上是平坦的。或者，如提交於2008年12月17日的編號為12/336,961的名稱為「Dish-ShapedAbrasive Particles With A Recessed Surface」(具有凹面的碟形磨粒)的共同待審的美國專利申請中更詳細地討論的，一個側面可以是凹的或凹陷的。如在編號為12/336,961的美國專利申請中討論的，當溶膠-凝膠仍處於模具腔體中時，能夠選擇乾燥條件，使得傾向於將溶膠-凝膠的邊緣沿模具的側壁向上芯吸，形成彎液面，進而形成凹的或凹陷的表面。在一些應用中，類似於空邊鑿刀，凹面可有助於提高切削性能。
另夕卜，如提交於2008年12月17日的編號為12/337，112的名稱為「ShapedAbrasive Particles With An Opening」(帶開口的成形磨粒)的共同待審的美國專利申請中更詳細地討論的，在成形磨粒中可能存在穿過第一主表面24和第二主表面26的一個或多個開口。貫穿成形磨粒的開口可以減小成形磨粒的體積密度，從而在通常需要提高孔隙度的一些應用(例如砂輪)中提高所得研磨製品的孔隙度。或者，開口也可以通過將顆粒更牢固地錨入復膠層中來減少脫落，或者可以充當助磨劑的載體。可通過選擇乾燥條件以使得可加大上文所討論的彎液面現象來在成形磨粒中形成開口，或者通過製造一種模具來在成形磨粒中形成開口，該模具具有從該模具表面延伸出的一個或多個柱體。在編號為12/337，112的美國專利申請中討論了帶開口的成形磨粒的製作方法。
另外，如提交於2009年11月30日的編號為12/627，567的名稱為「ShapedAbrasive Particles With Grooves」(具有凹槽的成形磨粒)的共同待審的美國專利申請中所述，成形磨粒可以在第一或第二主表面上具有多個凹槽。所述凹槽由在模具腔體的表面中的多個脊形成，已發現該多個脊使得從模具中移除成形磨粒前體變得更容易。據信，具有三角形截面的脊充當在乾燥條件下將成形磨粒前體從模具底表面提離的楔條，所述乾燥條件促進溶膠-凝膠駐留在模具腔體中時的收縮。
另一種合適的成形磨粒公開於2009年12月2日提交的編號為61/266，000、名稱為「Dual Tapered Shaped Abrasive Particles」(雙維形成形磨粒)的美國臨時專利申請中。這些成形磨粒具有第一側面、第二側面、沿著縱向軸線的最大長度和橫向於縱向軸線的最大寬度。第一側面包括具有四條邊和四個頂點的四邊形，該四邊形選自菱形、長菱形、風箏形或超橢圓形。第二側面包括形成稜錐的頂點和四個面。最大長度與最大寬度的長寬比為1.3或更大。圖4中示出了此類成形磨粒的例子。
參見圖4，與易碎支承體分離後的成形磨粒具有破裂表面。在圖4所示的實施例中，破裂表面位於從成形磨粒邊緣延伸的凸緣或遮板上。為了防止成形磨粒在燒結過程中分離，但仍允許顆粒在燒結後易於分離，應當控制凸緣或遮板的厚度。具體地講，凸緣或遮板的厚度應當為0.03至0.15mm、或0.01至0.20mm、或0.005至0.25mm (在煅燒或燒結之前的未煅燒狀態下測得)，或在燒結後為2至150 μ m、5至100 μ m或10至50 μ m。
成形磨粒20還可以具有表面塗層。已知表面塗層可以用於改善磨料製品中拋光劑和粘結劑之間的粘附力，或可用於有助於成形磨粒20的靜電沉積。此類表面塗層在以下美國專利號: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。在一個實施例中，使用如編號為5，352，254的美國專利中所述的表面塗層，其中無機物的含量佔成形磨粒重量的0.1%至2%。另外，表面塗層可以防止成形磨粒封堵。「封堵」這一術語用來描述來自正在研磨的工件的金屬顆粒被焊接到成形磨粒頂部的現象。具有上述功能的表面塗層對本領域的技術人員而言是已知的。
在另一個實施例中，提供了具有磨料行業指定的標稱等級或標稱篩分等級的多個成形磨粒，其中每個成形磨粒包括附接到成形磨粒上的易碎支承體的破裂表面。可以將根據本發明製備的成形磨粒摻入到選自塗層磨具製品、粘結磨具製品、非織造磨料製品或研磨刷的磨料製品和聚集體中，或以鬆散形式使用(磨料漿液拋光)。使用前，磨粒通常按給定的粒度分布進行分級。此類分布通常涉及粒度大小的範圍，如從粗粒到細粒。在磨料領域中，此範圍有時是指「粗粒(coarse) 」、「基本粒(control) 」和「細粒(fine)」所佔比例。根據磨料行業公認的分級標準分級的磨粒將每一個標稱粒級的粒度分布規定在若干數值範圍內。此類行業公認的分級標準(即磨料行業規定的標稱粒級)包括如下已知標準:美國國家標準協會(ANSI)的標準、歐洲研磨產品製造商聯合會(FEPA)的標準，和日本工業標準(JIS)的標準。
ANSI 等級標號(即規定的標稱等級)包括:ANSI4、ANSI6、ANSI8、ANSI16、ANS124,ANS136, ANS140, ANS150, ANSI60、ANSI80、ANSI100、ANSI120、ANSI150、ANSI 180, ANSI220、ANS1240, ANS1280, ANSI320、ANSI360、ANS1400 和 ANSI600。FEPA 等級標號包括:P8、P12、P16、P24、P36、P40、P50、P60、P80、P100、P120、P150、P180、P220、P320、P400、P500、P600、P800、P1000 和 P1200。JIS 等級標號包括: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，可米用符合ASTM E-1l 「Standard Specification for Wire Cloth andSieves for Testing Purposes」(試驗用金屬絲布和篩的標準規範)的美國標準試驗篩將成形磨粒按照標稱篩分等級進行分級。ASTM E-1l規定了對採用金屬絲編織網介質的試驗篩的設計和構造的要求，該金屬絲編織網安裝在機架中，以用於按照指定的粒度對材料進行分級。-18+20即為典型的標號表示，其意指成形磨粒可通過符合ASTM E-1l規範的18號試驗篩，但可被符合ASTM E-1l規範的20號試驗篩阻擋。在一個實施例中，成形磨粒具有這樣的粒度:使得大多數該磨粒可通過14目試驗篩並且可保留在16目、18目、20目、25目、30目、35目、40目、45目或50目試驗篩上。在本發明的各種實施例中，成形磨粒可具有的標稱篩分等級包括:-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。或者，可以使用諸如-90+100的定製網篩孔尺寸。
製備磨片和成形磨粒的方法
可使用本發明的方法製成成形陶瓷物品的材料包括物理前體，例如，諸如α -氧化鋁、碳化矽、氧化鋁-氧化鋯和CBN等已知陶瓷材料的細分的顆粒。還包括化學和/或形態學前體，例如，三水合鋁、水軟鋁石、Y-氧化鋁和其他過渡型氧化鋁及鋁礬土。以上材料中最有用的是通常基於氧化鋁的材料及其物理或化學前體。然而應當理解，本發明不受此限制，而是能夠經調適而與多種不同前體材料一起使用。
已經發現，在製備基於氧化鋁的顆粒的某些情況下需要的其他組分包括:成核劑，例如，細分的α-氧化鋁、氧化鐵、氧化鉻以及能在前體形態轉化成α-氧化鋁形態的過程中起成核作用的其他材料；氧化鎂；二氧化鈦；氧化鋯；氧化釔；以及稀土金屬氧化物。此類添加劑通常充當晶體生長限制劑或邊界相改善劑。此類添加劑在前體中的量通常為小於約10重量％，並常常小於5重量％ (按固體重量計)。
也可以將少量細分的α -氧化鋁本身與有機化合物一起使用來代替α -氧化鋁的化學或形態學前體，其中有機化合物將α-氧化鋁保持懸浮狀態，並且在顆粒被燒製成基本上完全緻密的過程中充當臨時粘結劑。在這種情況下，通常可以在懸浮材料中加入在燒制時形成獨立相的材料，或者在乾燥和燒制過程中或燒制之後有助於保持成形顆粒結構完整性的材料。此類材料可以作為雜質存在。如果(例如)前體是細分的鋁礬土，則會存在小比例的玻璃體材料，這種材料在粉末顆粒燒結在一起形成成形顆粒之後將形成第二相。
本發明的方法中採用的分散體可以是陶瓷前體的任何分散體，例如，細分散的材料，在經受本發明的方法之後，該材料是成形陶瓷製品的形式。分散體可以是化學前體，例如水軟鋁石為α -氧化鋁的化學前體；Y -氧化鋁等形態學前體為α -氧化鋁的形態學前體；以及(或者)，物理前體的意義在於細分形式的α -氧化鋁可形成一定形狀並且經燒結以保持該形狀。
凡是分散體包含物理或形態學前體的，如本文所用的術語，該前體都是細分粉末顆粒的形式，當其燒結在一起時，這種顆粒形成陶瓷製品，例如在常規粘結磨具和塗層磨具應用中使用的磨粒。此類材料通常包括平均粒徑為小於約20微米、優選地小於約10微米、最優選地小於約I微米的粉末顆粒。
在優選方法中使用的分散體最好是水軟鋁石溶膠-凝膠。溶膠-凝膠可以是有晶種溶膠-凝膠或無晶種溶膠-凝膠，有晶種溶膠-凝膠包含細分散晶種粒子，細分散晶種粒子能夠在氧化鋁前體轉化成α -氧化鋁的過程中起成核作用，無晶種溶膠-凝膠在燒結時轉化成α -氧化鋁。
物理或形態學前體的分散體的固體含量優選為約40%至65%，但也可使用高達約80%的更高固體含量。有機化合物在很多情況下作為懸浮劑與此類分散體中的細分的晶粒一起使用，或可能作為臨時粘結劑，以在形成的顆粒充分乾燥之前保持製品的形狀。有機化合物可為通常用於該目的的任何已知有機化合物，例如聚乙二醇、山梨糖醇酯等等。
就經加熱後變成最終穩定陶瓷形態的前體的固體含量而言，可能需要考慮水分，該水分在乾燥和燒制以燒結磨粒的過程中從前體中釋放。在這種情況下，固體含量通常略低一些，例如約75%或更低，更優選地在約30%和約50%之間。就水軟鋁石溶膠-凝膠而言，可使用的最大固體含量為約60%或甚至40%，也可使用膠溶的最小固體含量為約20%的溶膠-凝膠。
由物理前體製成的磨粒的燒制溫度通常需要高於由有晶種化學前體製成的磨粒的溫度。例如，儘管有晶種水軟鋁石溶膠-凝膠的顆粒在約1250°C以下的溫度下形成基本上完全緻密的α-氧化鋁，但由無晶種水軟鋁石溶膠-凝膠製成的顆粒可能需要約1400°C以上的燒制溫度才能完全緻密。
在製備成形磨粒的一個實施例中，可以使用以下工序。第一步工序涉及提供有晶種或無晶種的磨料分散體中的任一者，該分散體可轉化為α -氧化招。α -氧化招前體組合物常常包含液體揮發性組分。在一個實施例中，該揮發性組分是水。磨料分散體應包含足量的液體，以使磨料分散體的粘度足夠低，以能夠填充模具腔體並複製模具表面，但液體量不能太多，因為這會引起後續從模具腔體移除液體的成本過高。在一個實施例中，磨料分散體包含2重量％至90重量％的可轉化為α -氧化招的顆粒(例如氧化招一水合物(水軟招石)的顆粒)以及至少10重量％、或50重量％至70重量％、或50重量％至60重量％的揮發性組分(例如水)。反之，一些實施例中的磨料分散體包含30重量％至50重量％、或40重量％至50重量％的固體。
還可使用除水軟鋁石之外的氧化鋁水合物。水軟鋁石可以通過已知的技術來製備或者可以從市場購得。市售水軟鋁石的例子包括均購自沙索北美有限公司(SasolNorth America, Inc.)的商標為「DISPERAL」和「DISPAL」的產品、或購自巴斯夫公司(BASFCorporation)的商標為「HiQ-40」的產品。這些氧化招一水合物相對較純，即它們除一水合物之外只包括相對較少的(如果有的話)其他水合物相，並且具有較大的表面積。所得成形磨粒20的物理特性將大致取決於磨料分散體中所用材料的類型。
在一個實施例中，磨料分散體為凝膠態。如本文所用，「凝膠」是分散在液體中的固體的三維網狀結構。磨料分散體可以包含改性添加劑或改性添加劑前體。改性添加劑可以用於增強磨粒的某些所需性質，或者提高後續燒結步驟的效率。改性添加劑或改性添加劑前體可以採用可溶性鹽的形式，通常為水溶性鹽。它們通常由含金屬的化合物構成，並且可以是鎂、鋅、鐵、娃、鈷、鎳、錯、鉿、鉻、乾、鐠、衫、鐿、釹、鑭、禮、鋪、鏑、鉺、鈦的氧化物的前體，以及上述項的混合物。可存在於磨料分散體中的這些添加劑的具體濃度可由本領域技術人員進行調整。通常，引入改性添加劑或改性添加劑前體會使磨料分散體膠凝。通過加熱一段時間也可誘發磨料分散體膠凝。
磨料分散體也可包含成核劑(種子)，以促進水合氧化鋁或煅燒氧化鋁向α -氧化鋁的轉化。適用於本發明的成核劑包括α -氧化鋁、α -氧化鐵或其前體、二氧化鈦和鈦酸鹽、氧化鉻、或在轉化中起成核作用的任何其他物質的細粒。如果使用，那麼成核劑的量應當足夠使α-氧化鋁的轉化得以實現。使此類磨料分散體成核公開於授予Schwabel的第4，744，802號美國專利中。
可將膠溶劑加入磨料分散體中，以生成更穩定的水溶膠或膠態的磨料分散體。合適的膠溶劑是單質子酸或酸性化合物，例如，乙酸、鹽酸、甲酸和硝酸。也可使用多質子酸，但其使磨料分散體迅速膠凝，使得對過程難以控制並且難以向其中引入附加組分。某些市面購得的水軟鋁石具有有助於形成穩定的磨料分散體的酸滴定度(例如吸收的甲酸或硝酸)。
可通過任何合適的方法來形成磨料分散體，例如，簡單地將氧化鋁一水合物與包含膠溶劑的水混合的方法，或者通過形成氧化鋁一水合物漿液再向其中加入膠溶劑的方法。可以加入去沫劑或其他合適的化學品，以降低混合時形成氣泡或夾帶空氣的可能性。如果需要，可以加入其他化學品，例如，潤溼劑、醇類或偶聯劑。α -氧化鋁磨粒可包含二氧化娃和氧化鐵，如1997年7月8日授予Erickson等人的第5，645, 619號美國專利中的公開內容。α-氧化鋁磨粒可包含氧化鋯，如1996年9月3日授予Larmie的第5，551，963號美國專利中的公開內容。或者，α-氧化鋁磨粒可具有微觀結構或添加劑，如2001年8月21日授予Castro的第6，277，161號美國專利中的公開內容。
第二步工序涉及提供具有至少一個模具腔體、優選具有多個腔體的模具。該腔體具有用於製造圖1至圖5中示出的成形磨粒的特定三維形狀。通常，與模具上表面相鄰的腔體的形狀形成第一主表面24的周邊。模具腔體底部的周邊形成第二主表面26的周邊。
該多個腔體可成形於生產工具中。生產工具可為帶狀物、片狀物、連續纖維網、塗布輥(例如輪轉凹版輥)、安裝在塗布輥上的套管、壓花輥或模具。在一個實施例中，所述生產工具包含聚合物材料。適合的聚合物材料的例子包括例如聚酯、聚碳酸酯、聚(醚碸)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚氨酯、聚氯乙烯、聚烯烴、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯或上述物質的組合等熱塑性材料，或者熱固性材料。在一個實施例中，整個工具由聚合物材料或熱塑性材料製成。在另一個實施例中，在乾燥時與溶膠-凝膠接觸的模具表面(例如所述多個腔體的表面)包含聚合物材料或熱塑性材料，並且該模具的其他部分可由其他材料製成。舉例而言，可將合適的聚合物塗層塗敷到金屬模具上，以改變其表面張力特性。
聚合物型工具或熱塑性工具可由金屬母模複製而成。母模將具有生產模具所需的反向圖案。母模可以採用與生產模具相同的方式製成。在一個實施例中，母模由金屬(例如，鎳)製成，並且經過金剛石車削。可以將聚合物片材與母模一起加熱，以便通過將二者按壓在一起而對聚合物材料壓印出母模圖案。還可以將聚合物材料或熱塑性材料擠出或澆注到母模上，然後對其進行壓制。冷卻熱塑性材料以使其硬化，從而製得生產模具。如果利用熱塑性生產模具，那麼應當注意不要產生過多熱量，因為這些熱量可以使熱塑性生產模具變形，從而限制其壽命。關於生產模具或母模的設計和製造的更多信息可見於以下美國專利: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)。
從頂部表面中的開口可進入腔體。在一個實施例中，模具的頂部表面大體平行於底部表面，其中模具腔體具有大體均勻的深度。模具的一側，即形成腔體的一側在移除揮發性組分的步驟中可保持暴露在周圍大氣環境下。
第三步工序涉及通過任何常規技術來用磨料分散體填充模具中的腔體。在一些實施例中，可使用刀輥塗布機或真空槽模頭塗布機。如果需要，那麼可以使用脫模劑來幫助將顆粒從模具中移除。典型的模具脫模劑包括油類(例如花生油或礦物油、魚油)、矽氧烷、聚四氟乙烯、硬脂酸鋅和石墨。通常，在液體(例如水或酒精)中的介於約0.1重量％至約5重量％之間的脫模劑(例如花生油)被塗敷到接觸溶膠-凝膠的生產模具表面，使得當需要脫模時，每單位面積模具上存在介於約0.lmg/in2至約3.0mg/in2之間，或介於約0.lmg/in2至約5.0mg/in2之間的脫模劑。在一個實施例中，模具的頂部表面塗覆有磨料分散體。磨料分散體可被噴塗或塗敷到頂部表面上。然後，可用刮刀或矯直棒迫使磨料分散體完全進入模具的腔體中。未進入腔體的磨料分散體的剩餘部分形成與相鄰成形磨粒毗連的易碎支承體。或者，可以用輥將磨料分散體或前體陶瓷材料的片材壓印或模製成用易碎支承體連接的多個成形結構，之後可以將其分離成成形磨粒。參見(例如)第3，859，407號美國專利(Blanding 等人)。
第四步工序涉及移除揮發性組分，以便對分散體進行乾燥。有利地，以較快蒸發速率移除揮發性組分。在一些實施例中，通過蒸發來移除揮發性組分是在高於揮發性組分的沸點的溫度下進行的。乾燥溫度的上限通常取決於製成模具的材料。就聚丙烯模具而言，溫度應當低於該塑料的熔點。
在一個實施例中，對於固體含量介於約40%至50%之間的水分散體和聚丙烯模具而言，乾燥溫度可為介於約90°C至約165°C之間、或介於約105°C至約150°C之間、或介於約105°C至約120°C之間。較高的溫度可導致生產速度提高，但也可導致聚丙烯模具劣化，從而限制了其作為模具的使用壽命。
可以通過在磨粒前體駐留於模具(其用於模製成形磨粒前體)中時使得溶膠-凝膠在室溫或高溫下乾燥來形成磨片。當溶膠-凝膠乾燥時，溶膠-凝膠易於破裂(龜裂，其類似於幹縮的泥水坑中形成的裂縫)並將在被模具支承時形成多種尺寸的多個磨片。或者，可以在溶膠-凝膠駐留在模具中時，在開始龜裂之前用旋轉模具切割機切割具體尺寸的磨片。
在另一個實施例中，可以用雷射將乾燥的溶膠-凝膠片切割成由易碎支承體連接在一起的多個成形磨粒前體。可以用雷射部分地切開形成成形磨粒前體邊緣的溶膠-凝膠厚度，或者雷射可以切斷成形磨粒前體，留下一個或多個將成形磨粒前體附接到一個或多個其他成形磨粒前體上的粘柱。用雷射切割並任選地進行乾燥之後，可以將片材破碎成合適尺寸的磨片，或者可以在選定區域用雷射完全切開片材，以形成離散的磨片，然後進行燒結。或者，可以在磨粒前體駐留在用於模製它們的模具中時用雷射切割合適尺寸的磨片。關於雷射切割成形磨粒的更多信息可見於與本專利申請同一天共同提交的代理人檔案號為 65473US002 且美國序列號為 61/408813、名稱為 「Laser Method For Making ShapedCeramic Abrasive Particles, Shaped Ceramic Abrasive Particles, And AbrasiveArticles」(製備成形陶瓷磨粒的雷射方法，成形陶瓷磨粒和磨料製品)的待審美國專利申請中。
第五步工序涉及從模具腔體中取出磨片和成形磨粒前體。通過對模具單獨使用或結合使用以下工藝可將磨片從腔體中取出:通過重力、振動、超聲振動、真空或壓縮空氣將這些顆粒從模具腔體中取出。
可以在模具外面進一步乾燥磨片和磨粒前體。如果在模具中能將磨料分散體乾燥至所需程度，則此附加的乾燥步驟並非必需。然而，在某些情況下採用此附加的乾燥步驟來使磨料分散體在模具中的停留時間最小化可能是經濟的。通常將成形磨粒前體在50°C至160°C、或120°C至150°C的溫度下乾燥10至480分鐘、或120至400分鐘。
第六步工序涉及在爐或迴轉窯中煅燒磨片。在鍛燒期間，基本上所有的揮發性物質都被移除，並且存在於磨料分散體中的各種組分均轉化成金屬氧化物。通常將磨片從400°C加熱至800°C的溫度，並且保持在此溫度範圍內，直至移除游離水和90重量％以上的任何結合的揮發性物質為止。在一個可選的步驟中，可能需要通過浸潰工藝引入改性添加齊U。水溶性鹽可通過浸潰引入煅燒過的磨片的孔中。然後再次煅燒磨片。在第293，163號歐洲專利申請中對這一步驟進行了進一步的描述。
第七步工序涉及在迴轉窯中燒結煅燒過的磨片，以形成α-氧化鋁顆粒。在燒結之前，煅燒過的磨片並不完全緻密，因此缺乏用作磨粒的所需硬度。燒結按以下步驟進行:將煅燒過的磨片加熱至1，000攝氏度至1，650攝氏度的溫度，並且保持在此溫度範圍內，直到基本上所有的α-氧化鋁一水合物(或等同物質)均轉化為α-氧化鋁，並且孔隙度減小到低於15體積％為止。為了實現此轉化程度，煅燒過的磨片在燒結溫度下必須暴露的時間長度取決於多種因素，但通常為5秒至48小時。在另一個實施例中，燒結步驟的持續時間在I分鐘到90分鐘的範圍內。燒結之後，成形磨粒的維氏硬度可為10GPa、16GPa、18GPa、20GPa或更大。
第八步工序涉及用機械方法將成形磨粒與燒結的磨片分離。合適的方法包括側輥破碎機，將燒結的磨片支承在支承表面上並讓滾筒從其上面滾過，讓燒結的磨片穿過兩個旋轉輥之間的輥隙，其中至少一個輥具有彈性可變形的覆蓋件或其他使燒結的磨片折曲(而不是破碎)以引起沿著易碎的支承體發生破裂的裝置。
本發明的目的和優點通過下面的非限制性實例進一步說明。這些實例中所提到的具體材料及其量以及其他條件和細節，均不應被解釋為對本發明的不當限制。除非另外指明，否則實例以及說明書其餘部分中的所有份數、百分數、比例等均按重量計。
將5%花生油的甲醇溶液刷到具有右斜方稜錐形腔體陣列的微複製型聚丙烯模具上。斜方底部具有大於2:1 (長軸:短軸)的長寬比。腔體尺寸被設計為產生可通過50目篩網但保留在60目篩網上的成形磨粒(即，尺寸介於250微米和350微米之間的顆粒)。隨後將大約30%固體含量的水軟鋁石溶膠-凝膠撒到聚丙烯模具上並用油灰刀迫使其進入腔體中。小心地確保腔體過充滿凝膠，以使得所得的成形磨粒前體在溶膠-凝膠乾燥後一直被易碎支承體(包括連續纖維網)相互連接。讓溶膠-凝膠風乾，從微複製型模具中搖落成形磨粒前體，這提供一批不同尺寸的磨片。在650攝氏度下煅燒磨片，用包含1.4%MgO、1.7%Y203、5.7%La203和0.07%Co0的稀土氧化物(REO)溶液進行浸潰，乾燥，在650攝氏度下再次煅燒，然後在1400攝氏度下燒結，從而獲得圖1所示的磨片。
然後將磨片的一部分放到玻璃載片上，使用塑料牆紙接縫壓輥通過在磨片的頂部滾動使其輕輕地分裂開，從而從磨片上分離各個成形磨粒。將成形磨粒過篩，以便將各個成形磨粒與磨片分離，所述磨片需要用牆紙壓輥進行進一步處理。圖3示出了+300微米篩網上收集的成形磨粒。用該方法製備的成形磨粒具有殘餘的易碎支承體，如圖4所示。
在不脫離本發明的精神和範圍的前提下，更具體地講，在不脫離所附權利要求書中所示出的精神和範圍的前提下，本領域的普通技術人員可以實踐本發明的其他修改形式和變型形式。應當理解，多種實施例的方面可以整體地或部分地與多種實施例的其他方面互換或結合。以上獲得專利證書的專利申請中所有引用的參考文獻、專利或專利申請的全文通過一致的方式以引用方式併入本文中。在併入的參考文獻部分與本專利申請之間存在不一致或矛盾的情況下，應以前述說明中的信息為準。為了使本領域的普通技術人員能夠實踐受權利要求書保護的本發明而給定的前述說明不應理解為是對本發明的範圍的限制，本發明的範圍由權利要求書及其所有等同形式所限定。
權利要求
1.一種製備成形磨粒的方法，其包括: 形成磨片，所述磨片包括多個成形磨粒前體和將所述成形磨粒前體連接在一起的易碎支承體； 輸送所述磨片通過迴轉窯，以燒結所述磨片；以及 將所述燒結的磨片破碎成單獨的成形磨粒。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述易碎支承體包括連續纖維網。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述磨片的連續纖維網具有0.005mm至0.25mm的厚度。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述磨片包括所述多個成形磨粒前體和多個將所述成形磨粒前體連接在一起的粘柱。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述成形磨粒前體包括側邊和頂點，並且所述粘柱沿著所述側邊設置且不位於所述頂點處。
6.根據權利要求4所述的方法，其中所述多個成形磨粒前體中的每個所述成形磨粒前體包括2至20個粘柱。
7.根據權利要求4所述的方法，其中所述磨片的粘柱具有厚度，並且所述厚度為0.005mm 至 0.25mm。
8.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述磨片具有最大尺寸，並且所述最大尺寸大於0.50mm。
9.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述磨片具有最大尺寸，並且所述最大尺寸大於0.70mm並小於2cm。
10.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述燒結的磨片包含2至1000個成形磨粒。
11.一種燒結的磨片，所述燒結的磨片包括多個成形磨粒和將所述成形磨粒連接在一起的易碎支承體。
12.根據權利要求11所述的燒結的磨片，其中所述易碎支承體包括連續纖維網。
13.根據權利要求12所述的燒結的磨片，其中所述連續纖維網具有2μ m至150 μ m的厚度。
14.根據權利要求11所述的燒結的磨片，其中所述燒結的磨片包括所述多個成形磨粒和多個將所述多個成形磨粒連接在一起的粘柱。
15.根據權利要求14所述的燒結的磨片，其中所述多個成形磨粒包括側邊和頂點，並且所述粘柱沿著所述側邊設置且不在所述頂點處。
16.根據權利要求14所述的燒結的磨片，其中所述多個成形磨粒中的每個所述成形磨粒包括2至20個粘柱。
17.根據權利要求14所述的燒結的磨片，其中所述粘柱具有厚度，並且所述厚度為2 μ m M 150 μ m。
18.根據權利要求11、12、13、14、15、16或17所述的燒結的磨片，其中所述燒結的磨片具有平均質量，並且所述平均質量 大於或等於9X 10_3克。
19.根據權利要求11、12、13、14、15、16、17或18所述的燒結的磨片，其中所述成形磨粒在分離之後通過篩孔尺寸為18的標準試驗篩。
20.根據權利要求11所述的燒結的磨片，其中所述燒結的磨片包含2至1000個成形磨粒。
21.具有磨料行業指定的標稱等級或標稱篩分等級的多個成形磨粒，每一個所述成形磨粒包括附接到所述成形磨粒上的易碎支承體的破裂表面。
22.根據權利要求21所述的多個成形磨粒，其中所述破裂表面存在於從所述成形磨粒延伸的遮板上。
23.根據權利要求22所述的多個成形磨粒，其中所述遮板具有2μ m至150 μ m的厚度。
24.所述多 個成形磨粒，其中所述磨料行業指定的標稱等級等於或小於ANSI60。
全文摘要
本發明公開了一種製備成形磨粒的方法，所述方法包括形成磨片，所述磨片包括多個成形磨粒前體和將所述成形磨粒前體連接在一起的易碎支承體；輸送所述磨片通過迴轉窯，以燒結所述磨片；以及將所述燒結的磨片破碎成單獨的成形磨粒。所述方法可用於製備質量不足以有效地在迴轉窯中單獨燒結的小成形磨粒，而不會將所述成形磨粒中的兩個或更多個連接在一起。
文檔編號C09K3/14GK103153544SQ201180048902
公開日2013年6月12日 申請日期2011年10月19日 優先權日2010年11月1日
發明者德懷特·D·埃裡克森 申請人:3M創新有限公司