包括氮化矽磨粒的磨料製品的製作方法

2023-05-29 22:33:16

包括氮化矽磨粒的磨料製品的製作方法
【專利摘要】磨料製品包括具有包含在粘結材料中的磨粒的主體。磨粒可以包括主要含量的氮化矽和少數含量的燒結材料，所述燒結材料包括至少兩種稀土氧化物材料。在一個實施方案中，稀土氧化物材料可以包括Nd2O3和Y2O3。在一個特定的實施方案中，磨粒包括大於Y2O3含量(wt％)的Nd2O3含量(wt％)。
【專利說明】包括氮化矽磨粒的磨料製品
[0001]背景【技術領域】
[0002]本公開總體上涉及摻入磨粒的磨料製品，更特別地，涉及摻入氮化矽磨粒的磨料製品。
【背景技術】
[0003]磨料製品(諸如塗覆的磨料以及粘結的磨料)被用在不同的工業中以便諸如通過研磨或拋光來加工工件。利用磨料製品的機加工跨越了從光學行業、汽車補漆行業到金屬製造行業的廣闊工業範圍。在這些實例的每一個中，製造設施使用磨料去除成塊材料或影響產品的表面特性。例如，當研磨、拋光或精加工一些不同類型的工件包括例如金屬、木材或石頭時，可以使用磨料製品諸如磨料段。然而，工業上持續地要求磨料技術的改進。

【發明內容】

[0004]在一個方面中，磨料製品包括具有包含在粘結材料中的磨粒的主體。磨粒可以包括主要含量的氮化矽和少數含量的燒結材料，所述燒結材料包括至少兩種稀土氧化物材料。在一個實施方案中，稀土氧化物材料可以包括Nd2O3和￥203。在一個特定的實施方案中，磨粒包括大於Y2O3含量(wt % )的Nd2O3含量(wt % ) O
[0005]在另一個方面中，磨料製品包括單層粘結的磨料工具，所述磨料工具具有基底和覆蓋在基底表面上的粘結材料的層。在一個實施方案中，單層粘結的磨料工具還可以包括粘附在粘結材料中並且附 接至基底表面的磨粒。磨粒可以包括液相燒結氮化矽。
[0006]在另一個方面中，方法包括形成氮化矽、至少兩種稀土元素以及至少一種燒結助劑的混合物。在一個實施方案中，至少兩種稀土元素包括Nd2O3和Y203。方法還包括處理混合物以形成生粒子以及燒結生粒子以形成磨粒。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]通過參考附圖可以更好地理解本公開，並且使其許多特徵和優點對於本領域技術
人員變得清楚。
[0008]圖1包括示出了根據一個實施方案製備氮化矽磨粒的方法的流程圖。
[0009]圖2包括根據一個實施方案的氮化矽磨粒的一部分的第一掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
[0010]圖3包括根據一個實施方案的氮化矽磨粒的一部分的第二 SEM圖像。
[0011]圖4包括根據一個實施方案的氮化矽磨粒的一部分的第三SEM圖像。
[0012]圖5包括根據一個實施方案的氮化矽磨粒的一部分的SEM圖像。
[0013]圖6包括常規氮化矽磨粒的一部分的SEM圖像。
[0014]圖7-12包括根據一個實施方案的包括磨粒材料的成形的磨粒的圖示。[0015]圖13包括根據一個實施方案的磨粒的透示圖示。
[0016]圖14包括圖13的磨粒的一部分的橫截面圖示。
[0017]圖15包括摻入根據一個實施方案的氮化矽磨粒的粘結的磨料輪的透視視圖；
[0018]圖16包括摻入根據一個實施方案的氮化矽磨粒的另一個粘結的磨料輪的透視視圖；
[0019]圖17包括摻入根據一個實施方案的氮化矽磨粒的又一個粘結的磨料輪的透視視圖；
[0020]圖18包括示出了在研磨白口鑄鐵工件過程中各種粘結的磨料研磨輪的G-比率的第一條形圖；
[0021]圖19包括示出了在研磨鈦合金工件過程中各種粘結的磨料研磨輪的G-比率的第二條形圖。
[0022]圖20包括示出了在研磨鈦合金工件過程中另外的粘結的磨料研磨輪的G-比率的第三條形圖；
[0023]圖21包括示出了在研磨白口鑄鐵工件過程中另外的粘結的磨料研磨輪的G-比率的第四條形圖。
[0024]在不同附圖中使用相同的附圖標記來表示類似或相同的項目。
【具體實施方式】
[0025]首先參照圖1，示出了製備氮化矽磨粒的方法，其通常命名為100。方法100通過在混合器中形成包括氮化矽、至少一種稀土元素以及至少一種燒結助劑的幹混合物開始於102。
[0026]在一個特定的實施方案中，稀土元素可以包括稀土氧化物。例如，稀土氧化物可以選自Y203、Nd203、La203及其組合。此外，稀土氧化物可以包括至少兩種不同稀土氧化物組分。例如，混合物可以包括稀土氧化物Y2O3和Nd203。特別地可以基本上由Y2O3和Nd2O3組成。
[0027]燒結助劑可以包括氧化物材料。例如，燒結助劑可以包括A1203、MgO、TiO2及其組
八
口 ο
[0028]在一個實施方案中，混合物可以包括其他材料諸如AlN和TiC，其有助於氮化矽磨粒的形成。在一些情況下，AlN可以作為另外的燒結助劑，TiC可以助於增強磨粒。
[0029]將理解的是燒結助劑可以是粉末燒結助劑。在一個實施方案中,燒結助劑的平均粒徑可以為至少約0.8微米、至少約2微米或至少約5微米。在另一個實施方案中，燒結助劑的平均粒徑可以不大於約12微米、不大於約10微米或不大於約7微米。將理解的是燒結助劑的平均粒徑可以在上述任何最小與最大值之間或者包括端值的範圍內。
[0030]此外，可以以粉末形式提供氮化矽。在一個實施方案中，氮化矽的平均粒徑可以為至少約0.4微米、至少約1.1微米或至少約1.7微米。在另一個實施方案中，氮化矽的平均粒徑可以不大於約5.5微米、不大於約3.9微米或不大於約2.5微米。將理解的是氮化矽的平均粒徑可以在上述任何最小與最大尺寸之間或者包括端值的範圍內。在一個特定的示例性實施方案中，氮化矽的平均粒徑可以在約0.4微米至約2微米的範圍內。此外，氮化矽的比表面積可以在約9m2 / g至約13m2 / g的範圍內。在一些情況下，氮化矽粉末可以包括雜質，諸如氧、碳、氯、鐵、鋁和鈣。雜質可以以痕量存在。[0031]在一個實施方案中，混合物可以包括混合物總重量的至少約80wt%的氮化矽粉末、混合物總重量的至少約83wt%的氮化矽粉末或混合物總重量的至少約86wt%的氮化矽粉末。在另一個實施方案中，混合物可以包括混合物總重量的不大於約93wt%、混合物總重量的不大於約91wt%或混合物總重量的不大於約88wt%。將理解的是混合物中氮化矽粉末的含量可以在上述任何最小與最大尺寸之間或者包括端值的範圍內。
[0032]在一些情況下，混合物可以包括混合物總重量的至少約0.5wt%的稀土氧化物、混合物總重量的至少約3.1wt %的稀土氧化物或混合物總重量的至少約5.8wt%的稀土氧化物。在其他情況下，混合物可以包括混合物總重量的不大於約15.Swt%的稀土氧化物、混合物總重量的不大於約12.7wt%的稀土氧化物、混合物總重量的不大於約9.3￥丨％的稀土氧化物或混合物總重量的不大於約7.6?〖％的稀土氧化物。將理解的是混合物中稀土氧化物的含量可以在上述任何最小與最大值之間或者包括端值的範圍內。
[0033]在一些情況下，混合物可以包括混合物總重量的至少約0.3wt%的燒結助劑、混合物總重量的至少約2.6￥丨％的燒結助劑或混合物總重量的至少約5.2wt%的燒結助劑。在其他情況下，混合物可以包括混合物總重量的不大於約13.2wt%的燒結助劑、混合物總重量的不大於約10.4wt%的燒結助劑或混合物總重量的不大於約7.7wt%的燒結助劑。將理解的是混合物中燒結助劑的含量可以在上述任何最小與最大值之間或者包括端值的範圍內。
[0034]在一些實施方案中，混合物中總燒結助劑內容物可以包括一種或更多種前述的燒結助劑諸如A1203、MgO、TiO2, 一種或更多種稀土氧化物，AlN或其組合。在一個特定的實施方案中，混合物可以 包括混合物總重量的至少約0.7wt%、混合物總重量的至少約4.6wt%或混合物總重量的至少約7.2wt%的總燒結助劑內容物。在其他情況下，混合物可以包括混合物總重量的不大於約16.4wt%、混合物總重量的不大於約13.8wt%、混合物總重量的不大於約9.3wt%或混合物總重量的不大於約7.6￥丨％的總燒結助劑內容物。將理解的是混合物中總燒結助劑含量可以在上述任何最小與最大值之間或者包括端值的範圍內。在一個特定的示例性實施方案中，混合物的總燒結助劑內容物可以為混合物總重量的約8wt %至約 13wt% ο
[0035]在104，方法100可以包括改變包括氮化矽、稀土元素、燒結助劑以及任何其他另外的材料的混合物。可以通過在研磨機中將混合物和液體載體一起研磨來改變氮化矽、稀土元素和燒結助劑的混合物。
[0036]液體載體可以包括有機或無機材料。例如，在一個實施方案中，液體載體可以包括水(H2O)。液體載體也可以包括醇，諸如異丙醇(IPA)。具體地，在一個實施方案中，液體載體可以包括混合物總體積的至少70vol %的H20、至少75vol %的H2O或甚至至少80vol %的H20。此外，液體載體可以包括不大於95vol %的H20、不大於90vol %的H2O或不大於85vol %的H20。將理解的是H2O的量可以在上述任何最小與最大百分比之間或者包括端值的範圍內。
[0037]液體載體可以包括混合物總體積的至少5vol %的IPA、至少IOvol %的IPA、至少15vol%的IPA或甚至至少20vol%的IPA。液體載體可以包括不大於30vol%的IPA或不大於25vol%的IPA。將理解的是IPA的量可以在上述任何最小與最大百分比之間或者包括端值的範圍內。[0038]可以將混合物研磨以實現特定的粒徑。例如，可以進行研磨直到經研磨的混合物的平均粒徑為至少約0.4微米、至少約0.6微米或至少約0.8微米。此外，經研磨的混合物的平均粒徑可以不大於約1.4微米、不大於約1.1微米或不大於約0.9微米。將理解的是平均粒徑可以在上述任何最小與最大尺寸之間或者包括端值的範圍內。
[0039]在一個實施方案中，可以將混合物研磨以實現粒子的比表面積為約8.8m2 / g、至少約10.4m2 / g或至少約12.5m2 / g。也可以將混合物研磨以實現粒子的比表面積不大於約15.3m2 / g、不大於約13.9m2 / g或不大於約12.8m2 / g。將理解的是混合物的粒子的比表面積可以在上述任何最小與最大值之間或者包括端值的範圍內。
[0040]在一些情況下，在研磨過程前可以將AlN添加至混合物以便將AlN與混合物的其他材料一起研磨。在其他情況下，可以將AlN添加至經研磨的混合物。
[0041]轉到106，方法100可以包括處理經研磨的混合物以產生生粒子。例如，處理經研磨的混合物可以包括溫度的施加、壓力的施加、化學品的施加或其組合以促進經研磨的混合物中的變化。溫度的施加可以包括冷卻過程或加熱過程。此外，處理經研磨的混合物可以包括燒結。然而，根據一個特定的實施方案，處理經研磨的混合物可以包括冷凍乾燥經研磨的混合物。
[0042]在一個實施方案中，冷凍乾燥可以在至少約_60°C、至少約-57°C或至少約-55°C的溫度下進行。在其他情況下，冷凍乾燥可以在不大於約-30°C、不大於約-38°C或不大於約_45°C的溫度下進行。將理解的是冷凍乾燥過程可以在上述任何最小與最大值之間或者包括端值的範圍內進行。在一個示例性實施方案中，冷凍乾燥操作可以在約_55°C至約-45 °C的溫度下進行。
[0043]在另外的實施方案中，冷凍乾燥過程可以在不大於約18%、不大於約14%、不大於約8%或不大於約4%的相對溼度下進行。
[0044]此外，冷凍乾燥過程的持續時間可以為至少約1.2小時、至少約1.5小時或至少約1.8小時。在其他情況下，冷凍乾燥過程的持續時間可以不大於約2.8小時、不大於約2.3時或不大於約2.0小時。將理解的是冷凍乾燥過程的持續時間可以在上述任何最小與最大值之間或者包括端值的範圍內。
[0045]可以理解的是冷凍乾燥經研磨的混合物可以得到具有特定形態的粒子。例如，粒子可以是細長的或基本上針狀的(即，針形的)。粒子的長度:寬度的縱橫比可以為至少約
1.3、至少約2: 1、至少約5: I或至少約10: I。然而，在一些情況下，縱橫比可以不大於約65: 1、不大於約40: 1、不大於約20: 1、不大於約15: I或不大於約12: I。將理解的是縱橫比可以在上述任何最小與最大比值之間或者包括端值的範圍內。
[0046]在一些情況下，經冷凍乾燥的粒子的長度可以為至少約0.1微米、至少約1.2微米或至少約2.3微米。此外，經冷凍乾燥的粒子的長度可以不大於約5.7微米、不大於約3.9微米或不大於約3.1微米。將理解的是經冷凍乾燥的粒子的長度可以在上述任何最小與最大尺寸之間或者包括端值的範圍內。在一個特定的示例性實施方案中，經冷凍乾燥的粒子的平均長度可以在約0.8微米至約1.4微米的範圍內。
[0047]在一些實施方案中，經冷凍乾燥的粒子的寬度可以為至少約0.06微米、至少約
0.2微米或至少約0.6微米。此外，經冷凍乾燥的粒子的寬度可以不大於約1.4微米、不大於約1.1微米或不大於約0.8微米。將理解的是經冷凍乾燥的粒子的寬度可以在上述任何最小與最大尺寸之間或者包括端值的範圍內。在一個特定的示例性實施方案中，經冷凍乾燥的粒子的平均寬度可以在約0.15微米至約0.40微米的範圍內。
[0048]在106的處理過程之後，方法100可以繼續到108，其中方法100可以包括將生粒子分類。在108進行的分類過程可以包括將生粒子通過尺寸、形狀或其組合分類。此外，分類過程可以包括篩分生粒子。
[0049]在一個實施方案中，可以使用一種或更多種網篩將生粒子過篩以便將生粒子分類成一種或更多種不同的磨料粒度。在一些方面中，過篩過程可以提供具有至少約220微米、至少約300微米或至少約370微米的平均粒徑的生粒子。在其他方面中，過篩過程可以提供具有不大於約580微米、不大於約510微米或不大於約440微米的平均粒徑的生粒子。將理解的是過篩的生粒子的平均粒徑可以在上述任何最小與最大值之間或者包括端值的範圍內。在一個特定的示例性實施方案中，過篩的生粒子的平均粒徑可以在約545微米至約400微米的範圍內。在另一個特定的示例性實施方案中，過篩的生粒子的平均粒徑可以在約250微米至約400微米的範圍內。
[0050]在110，方法100可以包括處理生粒子以產生磨粒。例如，處理生粒子可以包括溫度的施加、壓力的施加、化學品的施加或其組合以促進生粒子中的物理變化。在一個特定的實施方案中，處理生粒子可以包括燒結生粒子。燒結可以包括施加升高的溫度以影響生粒子中的緻密度和顆粒生長來產生燒結的磨粒的過程。在一些情況下，燒結過程可以包括無壓燒結過程。
[0051]可以在至少約1600°C、至少約1650°C或至少約1700°C的溫度下燒結生粒子。此夕卜，可以在大於不大於約1825°C、不大於約1780°C或不大於約1750°C的溫度下燒結生粒子。將理解的是燒結溫度可以在上述任何最小與最大溫度之間或者包括端值的範圍內。
[0052]在一個實施方案中，可以將生粒子燒結至少約75分鐘、至少約82分鐘或至少約90分鐘的持續時間。在另一個實施方案中，可以將生粒子燒結不大於約105分鐘、不大於約98分鐘或不大於約93分鐘的持續時間。將理解的是燒結操作的持續時間可以在上述任何最小與最大溫度之間或者包括端值的範圍內。
[0053]可以在特定的燒結氣氛中燒結生粒子。例如，燒結氣氛可以包括惰性氣體包括，例如，稀有氣體諸如氖氣或氬氣，或者可選地惰性物質諸如氮氣。可以使用這些氣體的組合。在其他情況下，燒結氣氛可以包括還原性氣體。
[0054]在另一個實施方案中，處理過程更特別是燒結過程也可以包括施加升高的壓力至生粒子。例如，可以通過熱等靜壓(HIPing)來處理生粒子。可以在至少約1730°C、至少約1750°C或至少約1780°C的溫度下熱等靜壓生粒子。此外，可以在不大於約1870°C、不大於約1840°C或不大於約1800°C的溫度下熱等靜壓生粒子。將理解的是熱等靜壓溫度可以在上述任何最小與最大溫度之間或者包括端值的範圍內。
[0055]此外，根據一個實施方案，生粒子的熱等靜壓可以進行至少約1.3小時、至少約
1.6小時或甚至至少約1.8小時的持續時間。在另一個實施方案中，生粒子的熱等靜壓可以進行不大於約2.6小時、不大於約2.3小時或甚至不大於約2.0小時的持續時間。將理解的是熱等靜壓持續時間可以在上述任何最小與最大時間之間或者包括端值的範圍內。
[0056]根據一個實施方案，生粒子可以在特定的壓力下經受熱等靜壓以促進根據本文的實施方案的磨粒的形成。例如可以在至少約lOOMPa、至少約145MPa或至少約180MPa的壓力下熱等靜壓生粒子。此外，可以在不大於約260MPa、不大於約225MPa或不大於約205MPa的壓力下熱等靜壓生粒子。將理解的是壓力可以在上述任何最小與最大壓力之間或者包括端值的範圍內。
[0057]在112，方法100可以包括改變磨粒。可以通過在研磨機中研磨混合物來改變磨粒。在一些實施方案中，研磨過程中可以包括噴射研磨、粉碎操作或其組合。
[0058]在112改變磨粒之後，方法100可以繼續到114，其中方法100可以包括將磨粒分類。在114進行的分類過程可以包括將磨粒通過尺寸、形狀或其組合分類。此外，分類過程可以包括篩分氮化矽磨粒。
[0059]在一個實施方案中，可以使用一種或更多種網篩將磨粒過篩以便將磨粒分類成一種或更多種不同的磨料粒度。
[0060]磨粒的平均粒徑可以為至少約5微米、至少約18微米或至少約32微米。此外，磨粒的平均粒徑可以為不大於約300微米、不大於約135微米、不大於約75微米、不大於約63微米或不大於約54微米。將理解的是平均粒徑可以在上述任何最小與最大尺寸之間或者包括端值的範圍內。
[0061]在一些情況下，磨粒的理論密度可以為至少約85%、至少約89%或至少約94%。在其他情況下，磨粒的理論密度可以不大於約99.5%、不大於約98%或不大於約96%。將理解的是磨粒的理論密度可以在上述任何最小與最大值之間或者包括端值的範圍內。
[0062]圖2至圖5分別包括磨粒200、磨粒300、磨粒400和磨粒500的一部分的各種SEM圖像的圖示。特別地，根據本文所描述的實施方案從比表面積在約8m2 / g至約12m2 / g範圍內的氮化矽粉末形成圖2的磨粒200。使氮化矽粉末經受無壓燒結和熱等靜壓。磨粒200的理論密度為至少約98%。此外，根據本文所描述的實施方案形成圖3的磨粒300。特別地，從比表面積在約8m2 / g至約12m2 / g範圍內的氮化矽粉末形成磨粒300。使氮化矽粉末經受無壓燒結並且不經受熱等靜壓過程。此外，根據本文所描述的實施方案使用比表面積在約4m2 / g至約6m2 / g範圍內的氮化矽粉末形成圖4的磨粒400。使氮化矽粉末經受無壓燒結並且不經受熱等靜壓過程。
[0063]磨粒200、300、400可以包括分散在粘結材料中的多個細長的或針狀的顆粒。圖2至圖5表明，細長的顆粒的平均粒徑可以為至少約0.1微米、至少約0.2微米、至少約0.5微米或至少約0.8微米。此外，細長的顆粒的平均粒徑可以不大於約1.5微米、不大於約1.2微米、不大於約1.1微米，或甚至不大於約I微米。將理解的是平均粒徑可以在上述任何最小與最大尺寸之間或者包括端值的範圍內。
[0064]此外，如圖2至圖5所描繪的，細長的顆粒的長度:寬度的縱橫比可以為至少約2: 1、至少約5: I或至少約10: I。此外，縱橫比可以不大於約65: 1、不大於約20: 1、不大於約15: I或不大於約12: I。將理解的是縱橫比可以在上述任何最小與最大比值之間或者包括端值的範圍內。
[0065]圖6包括常規氮化矽磨粒600的一部分的SEM圖像。氮化矽磨粒600包括若干空隙，諸如空隙602。
[0066]在一些實施方案中，可以使磨粒形成以具有特定形狀或輪廓。合適的成形技術可以包括擠出、模塑、絲網印刷、鑄造、衝壓、模壓、擠壓、切割及其組合。例如，磨粒可以具有特定的輪廓，諸如多面體形狀，包括例如，三角形、矩形、五邊形、六邊形、圓錐形、螺旋形、橢圓形和細長的形狀。磨粒可以包括這些形狀的組合。在一個特定的實施方案中，可以由具有複雜的三維幾何形狀的主體來形成磨粒，所述三維幾何形狀包括在由縱向軸線、橫向軸線和垂直軸線限定的三個相互垂直的平面中的三重對稱。
[0067]圖7-12包括具有特定的輪廓並且限定成形的磨粒的示例性磨粒材料，其可以包括本文所描述的組分。如圖7所示，成形的磨粒700可以包括主體701，其是具有第一端面702和第二端面704的大體上稜柱形的。此外，成形的磨粒700可以包括在第一端面702和第二端面704之間延伸的第一側面710。第二側面712可以在第一端面702和與第一側面710相鄰的第二端面704之間延伸。如圖所示，成形的磨粒700還可以包括在第一端面702和第二端面704之間延伸的第三側面714，所述第二端面704與第二側面712及第一側面710相鄰。
[0068]如圖7所描繪的，成形的磨粒700還可以包括在第一側面710和第二側面712之間的第一邊緣720。成形的磨粒700還可以包括在第二側面712和第三側面714之間的第二邊緣722。此外，成形的磨粒700可以包括在第三側面714和第一側面712之間的第三邊緣 724。
[0069]如圖所示，成形的磨粒700的每個端面702、704在形狀上可以是大體上三角形的。每個側面710、712、714在形狀上可以是大體上矩形的。此外，成形的磨粒700在平行於端面702、704的平面中的橫截面可以是大體上三角形的。將理解的是雖然成形的磨粒700通過平行於端面702、704的平面的橫截面形狀被示出為大體上三角形的，其他形狀也是可能的，包括任何多面體形狀，例如四邊形、五邊形、六邊形、七邊形、八邊形、九邊形、十邊形等。此外，成形的磨粒的橫截面形狀可以是凸的、非凸的、凹的或非凹的。
[0070]圖8包括根據另一個實施方案的成形的磨粒的圖示。如所描繪的，成形的磨粒800可以包括主體801，其可以包括沿縱向軸線804延伸的中心部分802。第一徑向臂806可以從中心部分802沿中心部分802的長度方向向外延伸。第二徑向臂808可以從中心部分802沿中心部分802的長度方向向外延伸。第三徑向臂810可以從中心部分802沿中心部分802的長度方向向外延伸。此外，第四徑向臂812可以從中心部分802沿中心部分802的長度方向向外延伸。徑向臂806、808、810、812可以等間隔圍繞成形的磨粒800的中心部分 802。
[0071]如圖8所示，第一徑向臂806可以包括大體上箭頭形的遠端820。第二徑向臂808可以包括大體上箭頭形的遠端822。第三徑向臂810可以包括大體上箭頭形的遠端824。此夕卜，第四徑向臂812可以包括大體上箭頭形的遠端826。
[0072]圖8還表明可以使成形的磨粒800形成為具有在第一徑向臂806和第二徑向臂808之間的第一空隙830。可以在第二徑向臂808和第三徑向臂810之間形成第二空隙832。也可以在第三徑向臂810和第四徑向臂812之間形成第三空隙834。此外，可以在第四徑向臂812和第一徑向臂806之間形成第四空隙836。
[0073]如圖8所示，成形的磨粒800可以包括長度840、高度842和寬度844。在一個特定的方面中，長度840大於高度842，高度842大於寬度844。在一個特定的方面中，成形的磨粒800可以限定為長度840與高度842之比(長度:寬度)的初級縱橫比。此外，成形的磨粒800可以限定為高度842與寬度844之比(寬度:高度)的次級縱橫比。最後，成形的磨粒800可以限定為長度840與寬度842之比(長度:高度)的第三縱橫比。[0074]根據一個實施方案，成形的磨粒的初級縱橫比可以為至少約1: 1，諸如至少約1.1: 1、至少約1.5: 1、至少約2: 1、至少約2.5: 1、至少約3: 1、至少約3.5: 1、至少4: 1、至少約4.5: 1、至少約5: 1、至少約6: 1、至少約7: 1、至少約8: I或甚至至少約10:1。
[0075]在另一情況下，可以使成形的磨粒形成使得主體的次級縱橫比為至少約0.5: 1，諸如至少約0.8: 1、至少約1: 1、至少約1.5: 1、至少約2: 1、至少約2.5: 1、至少約3: 1、至少約3.5: 1、至少4: 1、至少約4.5: 1、至少約5: 1、至少約6: 1、至少約7: 1、至少約8: I或甚至至少約10: I。
[0076]此外，一些成形的磨粒的第三縱橫比可以為至少約1: 1，諸如至少約1.5: 1、至少約2: 1、至少約2.5: 1、至少約3: 1、至少約3.5: 1、至少4: 1、至少約4.5: 1、至少約5: 1、至少約6: 1、至少約7: 1、至少約8: I或甚至至少約10: I。
[0077]成形的磨粒800的一些實施方案可以具有對應於大體上矩形(例如，平的或彎曲的)的初級縱橫比的形狀。成形的磨粒800對應於次級縱橫比的形狀可以是任何多面體形狀，例如，三角形、正方形、矩形、五邊形等。成形的磨粒800對應於次級縱橫比的形狀也可以是任何字母數字字符的形狀，例如，1、2、3等，A、B、C等。此外，成形的磨粒800對應於次級縱橫比的輪廓可以是選自希臘字母、現代拉丁字母、古代拉丁字母、俄文字母、任何其他字母或其任意組合的字符。此外，成形的磨粒800對應於次級縱橫比的形狀可以是漢字字符。
[0078]圖9-10描繪了通常被命名為900的成形的磨粒的另一個實施方案。如圖所示，成形的磨粒900可以包括具有大體上立方體形狀的主體901。將理解的是可以使成形的磨粒形成以具有其他多面體形狀。主體901可以具有第一端面902和第二端面904、在第一端面902和第二端面904之間延伸的第一側面906、在第一端面902和第二端面904之間延伸的第二側面908。此外，主體901可以具有在第一端面902和第二端面904之間延伸的第三側面910，以及在第一端面902和第二端面904之間延伸的第四側面912。
[0079]如圖所示，第一端面902和第二端面904可以彼此平行，可以通過側面906、908、910和912分隔，賦予主體類似立方體的結構。然而，在一個特定的方面中，第一端面902可以相對於第二端面904旋轉以建立扭轉角914。主體901的扭轉可以沿一個或更多個軸，其限定特定類型的扭轉角。例如，如在圖10中主體的俯視圖所示，俯視縱向軸線980限定了主體901在端面902上的長度，所述端面902平行於由沿主體901的寬度維度延伸的橫向軸線981和沿主體901的高度維度延伸的垂直軸線982限定的平面。根據一個實施方案，主體901可以具有限定了主體901中圍繞縱向軸線的扭轉的縱向扭轉角914，使得端面902和904相對於彼此旋轉。如圖10中所示，扭轉角914可以作為第一邊緣922和第二邊緣924的切線之間的角來測量，其中第一邊緣922和第二邊緣924由共同邊緣926連接並共用共同邊緣926，所述共同邊緣926在兩個側面(910和912)之間縱向地延伸。將理解的是可以使其他成形的磨粒形成以具有相對於橫向軸線、垂直軸線及其組合的扭轉角。任何這樣的扭轉角的值可以如本文所述。
[0080]在一個特定的方面中，扭轉角914為至少約1°。在其他情況下，扭轉角可以更大，諸如至少約2°、至少約5°、至少約8°、至少約10°、至少約12°、至少約15°、至少約18°、至少約20°、至少約25°、至少約30°、至少約40°、至少約50°、至少約60°、至少約70°、至少約80°或甚至至少約90°。然而，根據一些實施方案，扭轉角914可以不大於約360°，諸如不大於約330°、諸如不大於約300°、不大於約270°、不大於約230°、不大於約200°、或甚至不大於約180°。將理解的是一些成形的磨粒的扭轉角可以在上述任何最小與最大角度之間。
[0081]此外，主體可以包括沿縱向軸線、橫向軸線或垂直軸線之一延伸穿過主體的整個內部的開口。
[0082]圖11包括成形的磨粒的另一個實施方案的圖示。如圖所示，成形的磨粒1100可以包括具有帶有大體上三角形形狀的底面1102的大體上稜錐形的主體1101。主體還可以包括相互相連並與底面1102連接的側面1116、1117和1118。將理解的是如本文所描述雖然主體1101被示出為具有稜錐形的多面體形狀，但是其他形狀也是可以的。
[0083]根據一個實施方案，可以使成形的磨粒1100形成為具有孔1104(即，和開口)，其可以延伸通過主體1101的至少一部分，更特別地，可以延伸通過主體1101的整個體積。在一個特定的方面中，孔1104可以限定穿過孔1104中心的中心軸1106。此外，成形的磨粒1100還可以限定穿過成形的磨粒1100的中心1130的中心軸1108。可以理解的是在成形的磨粒1100中可以使孔1104形成，以使得孔1104的中心軸1106以距離1100從中心軸1108間隔開。因此，可以將成形的磨粒1100的質心移動至成形的磨粒1100的幾何中點1130的下面，其中幾何中點1130可以由縱向軸線1109、垂直軸線1111和中心軸線(即橫向軸線)1108的交叉來限定。當落下或以其他方式沉積在背襯上時，將質心移動至成形的磨粒的幾何中點1130的下面可以增加成形的磨粒1100以相同表面例如底面1102著陸的可能性，使得成形的磨粒1100具有預定的豎直方向。
[0084]在一個特定的實施方案中，使質心沿限定高度的主體1102的垂直軸線1110以可以為至少約0.05高度(h)的距離偏離幾何中點1130。在另一個實施方案中，可以使質心以至少約0.1(h)，諸如至少約0.15(h)、至少約0.18(h)、至少約0.2(h)、至少約0.22(h)、至少約0.25 (h)、至少約0.27 (h)、至少約0.3 (h)、至少約0.32 (h)、至少約0.35 (h)或甚至至少約0.38(h)的距離偏離幾何中點1130。然而，可以使主體1101的質心以不大於0.5(h)，諸如不大於0.49 (h)、不大於0.48 (h)、不大於0.45(h)、不大於0.43(h)、不大於0.40 (h)、不大於0.39(h)或甚至不大於0.38(h)的距離偏離幾何中點830。將理解的是質心和幾何中點之間的位移可以在上述任何最小與最大值之間。
[0085]在特定的情況下，當成形的磨粒1100處於如圖11所示的豎直方向時，可以使質心偏離幾何中點1130，以使得質心更接近於主體1101的底部例如底面1102，而不是主體1101的頂部。
[0086]在另一個實施方案中，可以使質心沿限定寬度的主體1101的橫向軸線1108以至少約0.05寬度(W)的距離偏離幾何中點1130。在另一個方面中，可以使質心以至少約0.1 (w),諸如至少約0.15 (w)、至少約0.18 (w)、至少約0.2 (w)、至少約0.22 (w)、至少約0.25 (w)、至少約0.27 (w)、至少約0.3 (w)或甚至至少約0.35 (w)的距離偏離幾何中點1130。然而,在一個實施方案中，可以使質心以不大於0.5(w)，諸如不大於0.49(w)、不大於0.45 (w)、不大於0.43 (w)、不大於0.40 (w)或甚至不大於0.38 (w)的距離偏離幾何中點1130。
[0087]在另一個實施方案中，可以使質心沿縱向軸線1109以主體1101的至少約0.05長度(I)的距離(D1)偏離幾何中點1130。根據一個特定的實施方案，可以使質心以至少約0.1(1)，諸如至少約0.15(1)、至少約0.18(1)、至少約0.2 (I)、至少約0.25(1)、至少約0.3(1)、至少約0.35(1)或甚至至少約0.38(1)的距離偏離幾何中點。然而，對於一些磨粒，可以使質心偏離不大於約0.5(1)，諸如不大於約0.45(1)或者甚至不大於約0.40 (I)的距離。
[0088]圖12包括根據一個實施方案的成形的磨粒的圖示。成形的磨粒1200可以包括主體1201，所述主體1201包括通過一個或更多個側表面1210、1212和1214彼此分開的基表面1202和上表面1204。根據一個特定的實施方案，可以使主體1201形成以使得基表面1202的平面形狀不同於上表面1204的平面形狀，其中在各自的表面所限定的平面中觀察平面形狀。例如，如圖12的實施方案中所示，主體1201可以具有通常具有圓形形狀的基表面1202和具有大體上三角形形狀的上表面1204。將理解的是其他變化是可行的，包括在基表面1202和上表面1204上的形狀的任意組合。
[0089]此外，成形的磨粒的主體可以具有特定的二維形狀。例如，在由長度和寬度所限定的平面上觀察時，主體所具有的二維形狀可以為多面體形狀、橢圓形形狀、數字、希臘字母字符、拉丁字母字符、俄文字母字符、利用多面體形狀的組合的複雜形狀及其組合。特定的多邊形形狀包括三角形、矩形、四邊形、五邊形、六邊形、七邊形、八邊形、九邊形、十邊形、其任意組合。
[0090]圖13包括根據一個實施方案的磨粒的透示圖示。此外，圖14包括圖13的磨粒的一部分的橫截面圖示。主體1301包括上表面1303、與上表面1303相對的底部主表面1304。上表面1303和底表面1304可以通過側表面1305、1306和1307彼此分開。如圖所示，在主體1301的長度(I)和寬度(w)所限定的上表面1303的平面中觀察時，成形的磨粒1300的主體1301可以具有大體上三角形的形狀。特別地，主體1301可以具有延伸通過主體1301的中點1381的長度(I)、寬度(w)。
[0091]根據一個實施方案，成形的磨粒的主體1301在由角1313所限定的主體的第一端可以具有第一聞度(hi)。值得注意的是，角1313可以表不在主體1301上最大聞度的點。可以將角限定為在主體1301上由上表面1303和兩個側表面1305和1307的連接處所限定的點或區域。主體1301還可以包括彼此間隔開的其他角，包括例如角1311和角1312。如圖進一步所示，主體1301可以包括由角1311、1312和1313彼此分開的邊緣1314、1315和1316。可以由上表面1303與側表面1306的交叉來限定邊緣1314。可以由上表面1303和側表面1305的交叉來限定邊緣1315，所述側表面1305在角1311和1313之間。可以由上表面1303和側表面1307的交叉來限定邊緣1316，所述側表面1307在角1312和1313之間。
[0092]如圖進一步所示，主體1301可以包括在主體1301的第二端的第二高度(h2)，其由邊緣1314所限定，並且進一步地與由角1313所限定的第一端相對。軸1350可以在主體1301的兩個端部之間延伸。圖14是主體1301沿軸線1350的橫截面圖示，其可以沿主體1301的端部之間的寬度(w)維度延伸通過主體的中點1381。
[0093]根據一個實施方案，包括例如圖13和14的磨粒的本文的實施方案的成形的磨粒可以具有高度的平均差異，其為hi和h2之間的差異的度量。更特別地，可以基於來自樣品的多個成形的磨粒來計算高度的平均差異。樣品可以包括代表性數量的成形的磨粒諸如至少8個粒子或甚至至少10個粒子，其可以從一個批次中隨機選擇。一個批次可以是在單一成形過程，更特別是在相同的單一成形過程中製備的一組成形的磨粒。平均差異可以通過使用 STIL(Sciences et Techniques Industrielles de la Lumiere-France)微測量3D表面輪廓儀(Micro Measure3D Surface Profilometer)(白光(LED)色差技術)進行測量。
[0094]在特定的情況下，高度的平均差異[hl_h2](其中hi更大)可以為至少約50微米。在其他情況下，高度的平均差異可以為至少約60微米，諸如至少約65微米、至少約70微米、至少約75微米、至少約80微米、至少約90微米或甚至至少約100微米。在一個非限制性實施方案中，高度的平均差異可以不大於約300微米，諸如不大於約250微米、不大於約220微米或甚至不大於約180微米。將理解的是高度的平均差異可以在上述任何最小與最大值之間。
[0095]此外，包括例如圖13和14的粒子的本文的成形的磨粒，可以具有至少約0.04的輪廓比率，所述輪廓比率為成形的磨粒的高度的平均差異[hl-h2]與輪廓長度(Ip)之比，其定義為[(hl_h2) / (Ip)]。將理解的是主體的輪廓長度可以為用於產生主體的相對端之間的hi和h2的數據的跨越主體的掃描的長度。此外，輪廓長度可以是從所測量的多個粒子的樣品計算的平均輪廓長度。在一些情況下，輪廓長度(Ip)可以與本文的實施方案中所描述的寬度相同。根據一個特定的實施方案，輪廓比率可以為至少約0.05、至少約0.06、至少約0.07、至少約0.08或甚至至少約0.09。然而，在一個非限制性實施方案中，輪廓比率可以不大於約0.3，諸如不大於約0.2、不大於約0.18、不大於約0.16或甚至不大於約0.14。將理解的是輪廓比率可以在上述任何最小與最大值之間。
[0096]此外，本文的實施方案的成形的磨粒包括例如圖13和14的粒子的主體1301，可以具有限定底面積(Ab)的底表面1304。在特定情況下底表面1304可以為主體1301的最大表面。底表面可以具有定義為底面積(Ab)的表面積，其大於上表面1303的表面積。此外，主體1301可以具有限定垂直於底面區域並且延伸通過粒子的中點1381的平面的面積的橫截面中點面積(Am)。在一些情況下，主體1301的底面積與中點面積的面積比率(Ab / Am)不大於約6。在更特定的情況下，面積比率可以不大於約5.5，諸如不大於約5、不大於約4.5、不大於約4、不大於約3.5或甚至不大於約3。然而，在一個非限制性實施方案中，面積比率可以為至少約1.1，諸如至少約1.3或甚至至少約1.8。將理解的是面積比率可以在上述任何最小與最大值之間。
[0097]根據一個實施方案，包括例如圖13和14的粒子的本文的實施方案的成形的磨粒歸一化高度差異可以為至少約40。可以由式[(hl-h2) / (hi / h2)]來限定歸一化高度差異，其中hi大於h2。在其他實施方案中，歸一化高度差異可以為至少約43、至少約46、至少約50、至少約53、至少約56、至少約60、至少約63或甚至至少約66。然而,在一個特定的實施方案中，歸一化高度差異可以不大於約200，諸如不大於約180、不大於約140或甚至不大於約110。
[0098]在另一個實施方案中，包括例如圖13和14的粒子的本文的成形的磨粒可以具有高度變化。不希望受縛於特定的理論，認為成形的磨粒之間一定的高度變化可以改進多種切割表面，可以改進摻入本文的成形的磨粒的磨料製品的研磨性能。高度變化可以作為成形的磨粒的樣品的高度差異的標準偏差來計算。在一個特定的實施方案中，樣品的高度變化可以為至少約20。對於其他實施方案，高度變化可以更大，諸如至少約22、至少約24、至少約26、至少約28、至少約30、至少約32或甚至至少約34。然而，在一個非限制性實施方案中，高度變化可以不大於約180，諸如不大於約150或甚至不大於約120。將理解的是高度變化可以在上述任何最小與最大值之間。
[0099]根據另一個實施方案，包括例如圖13和14的粒子的本文的成形的磨粒在主體1301的上表面1303中可以具有橢圓形區域1317。可以由可以圍繞上表面1303延伸並且限定橢圓形區域1317的溝槽區域1318來限定橢圓形區域1317。橢圓形區域1317可以覆蓋中點1381。此外，根據本文所描述的方法，認為在上表面中限定的橢圓形區域1317可以是在成形過程中的後生物，其可以是作為在成形的磨粒的形成過程中施加在混合物上的壓力的結果而形成。
[0100]此外，根據本文的其他實施方案中描述的前角可以適用於主體1301。同樣地，本文所描述的其他所有特徵，諸如側表面、上表面和底表面的輪廓線、豎直方向的概率、初級縱橫比、次級縱橫比、第三縱橫比及組成，可以適用於圖13和14中所示的示例性成形的磨粒。
[0101]而前述的高度差異、高度變化和歸一化高度差異的特徵已經參照圖13和14的磨粒進行了描述，將理解的是這些特徵可以應用到本文所描述的任何其他成形的磨粒，包括例如具有大體上梯形的二維形狀的磨粒。
[0102]本文的實施方案的成形的磨粒可以包括摻雜劑材料，其可以包括元素或化合物諸如鹼金屬元素、鹼土金屬元素、稀土元素、鉿、鋯、鈮、鉭、鑰、釩或其組合。在一個特定的實施方案中，摻雜劑材料包含包括以下的元素的元素或化合物:諸如鋰、鈉、鉀、鎂、鈣、鍶、鋇、鈧、乾、鑭、銫、鐠、銀、鉿、錯、鉭、鑰、銀、鉻、鈷、鐵、鍺、猛、鎳、鈦、鋅及其組合。
[0103]在一些情況下，可以使成形的磨粒形成以具有特定含量的摻雜劑材料。例如，成形的磨粒的主體可以佔主體總重量的不大於約12wt%。在其他情況下，摻雜劑材料的量可以更少，諸如以主體總重量計不大於約llwt%、不大於約10wt%、不大於約9wt%、不大於約8wt%、不大於約7wt%、不大於約6wt%或者甚至不大於約5wt%。在至少一個非限制性實施方案中，摻雜劑材料的量可以為主體總重量的至少約0.5wt%，諸如至少約lwt%、至少約1.3wt%、至少約1.8wt%、至少約2wt%、至少約2.3wt%、至少約2.8wt%或甚至至少約3wt%。將理解的是成形的磨粒的主體內摻雜劑材料的量可以在上述任何最小或最大百分比之間。
[0104]參照圖15，示出了粘結的磨料輪，其通常被命名為1500。如圖所示，粘結的磨料輪1500可以包括大體上圓柱形的粘結的磨料主體5102。可以理解的是粘結的磨料輪1500可以包括任何幾何形狀。粘結的磨料主體1502可以包括單層磨料工具，其包括基底1504和用粘結材料1508的層附接至基底1504的磨粒1506的單層。磨粒可以是根據本文所描述的一個或更多個實施方案的氮化矽磨粒。
[0105]在一個特定的實施方案中，可以將粘結材料1508的層布置在磨粒1506的層和基底1504之間。此外，磨粒1506的一部分可以通過粘結材料1508的層與基底1504接觸。在另一個方面中，磨粒1506的少部分可以被粘結材料1508覆蓋。
[0106]此外，磨粒1506的一部分可以從粘結材料1508突出，其可以與位於粘結材料1508下的基底1504接觸。特別地，磨粒1506的大部分可以從粘結材料1508突出，其可以與位於粘結材料1508下的基底1504接觸。
[0107]在一個實施方案中，粘結材料1508可以包括有機材料。特別地，粘結材料可以包括樹脂。此外，粘接材料1508可以包括酚醛樹脂。粘結材料1508可以基本上由酚醛樹脂組成。
[0108]在另一個實施方案中，粘結材料1508可以包括無機材料。例如，粘結材料1508可以包括可以選自金屬、金屬合金、氧化物及其組合的材料。粘結材料1508還可以包括玻璃相材料。具體地，粘結材料1508可以包括氧化物，氧化物可以包括選自S1、Al、Na、Mg、Ca、K、B、P及其組合的元素。在另一個方面中，粘結材料1508可以包括混合粘結劑，其可以包括有機材料和無機材料。
[0109]在另一個方面中，磨粒1506可以包括主要含量的氮化矽和少數含量的燒結材料，所述燒結材料包括Nd2O3和Y2O3，其中磨粒1506包括大於Y2O3含量(wt % )的Nd2O3含量(wt% )。此外，磨粒1506可以包括大於氧化鋁含量的稀土氧化物總含量。磨粒1506可以包括小於稀土氧化物組分含量(wt% )的氧化招含量(wt% )。磨粒1506可以包括小於Y2O3含量(wt% )的氧化招含量(wt% ) ο此外，磨粒1506可以包括小於Nd2O3含量(wt% )的氧化招含量(wt% )。
[0110]具體地，磨粒1506的氧化鋁含量(wt% )可以為稀土氧化物組分含量(wt% )的約0.3至約0.7。磨粒1506的氧化鋁含量(wt% )可以為Nd2O3含量)的約0.3至約0.7。在另一個方面中，磨粒1506可以是基本上不含選自以下的材料:La203、Mg0、ZrO2,HfO2、SiO2, Fe2O3、Gd2O3、Lu2O3、Fe、W、Mo、Cu 和元素 Si。
[0111]在另一個實施方案中，按磨粒總重量計，磨粒1506可以包括不大於約13wt%的稀土氧化物、不大於約IOwt %的稀土氧化物、不大於約8.5wt%的稀土氧化物或甚至不大於約8.2?1:%的稀土氧化物。按磨粒總重量計，磨粒506可以包括至少約2wt%的稀土氧化物、至少約5wt%的稀土氧化物、至少約6.5￥丨％的稀土氧化物或至少約7.8￥丨％的稀土氧化物。將理解的是每個磨粒的稀土 氧化物的量可以在上述任何最小與最大百分比之間或者包括端值的範圍內。
[0112]按磨粒總重量計，磨粒1506可以包括不大於約5wt%的Y203、不大於約4.5wt%的Y2O3、不大於約4?1:%的Y2O3、不大於約3.5?1:%的Y2O3或不大於約3.2?1:%的Y203。此外,按磨粒總重量計，磨粒506可以包括至少約Iwt %的Y2O3、至少約1.5wt%的Y2O3、至少約2wt%的Y2O3或至少約2.8wt%的Y203。將理解的是每個磨粒的Y2O3的量可以在上述任何最小與最大百分比之間或者包括端值的範圍內。
[0113]在另一個方面中，按磨粒總重量計,磨粒1506可以包括不大於約7wt %的Nd2O3、不大於約6.5wt%的Nd2O3、約不大於6wt%的Nd2O3、不大於約5.5wt% Nd2O3或甚至不大於約
5.lwt%的Nd203。此外，按磨粒總重量計,磨粒506可以包括至少約3wt%的Nd2O3、至少約
3.5wt%的Nd2O3、至少約4wt%的Nd2O3或至少約4.8wt%的Nd203。將理解的是每個磨粒的Nd2O3的量可以在上述任何最小與最大百分比之間或者包括端值的範圍內。
[0114]在又一個方面中，磨粒1506可以包括A1N。具體地,按磨粒總重量計，磨粒1506可以包括不大於約3wt%的A1N、不大於約2.5wt%的A1N、不大於約2wt%的A1N、不大於約
1.5wt%的AlN或甚至不大於約大於lwt%的A1N。此外,按磨粒總重量計,磨粒506可以包括至少約0.05wt%的A1N、至少約0.1wt %的A1N、至少約0.3wt%的AlN或至少約0.5wt%的A1N。將理解的是每個磨粒的AlN的量可以在上述任何最小與最大百分比之間或者包括端值的範圍內。[0115]在另一個實施方案中，磨粒1506可以包括Ti。此外，磨粒1506可以包括TiC。按磨粒總重量計，磨粒506可以包括不大於約3wt%的TiC、不大於約2.5wt%的TiC、不大於約2wt%的TiC、不大於約1.5wt%的TiC或甚至不大於約Iwt %的TiC。此外，按磨粒總重量計，磨粒506可以包括至少約0.05wt%的TiC、至少約0.lwt%的A1N、至少約0.2wt%的TiC或至少約0.4被％的TiC。將理解的是每個磨粒的TiC的量可以在上述任何最小與最大百分比之間或者包括端值的範圍內。
[0116]在另一個方面中，磨粒1506可以基本上由氮化矽和包括氧化物的燒結相組成。此夕卜，磨粒506可以包括液相燒結氮化矽。
[0117]在另一實施方案中，磨粒1506可以包括β-相氮化矽。特別地，磨粒1506可以包括主要含量(>50wt%)的β-相氮化矽。此外，磨粒1506可以基本上由β-相氮化矽組成。
[0118]應理解的是磨粒1506可以包括具有細長形狀的磨粒。細長的顆粒的長度:寬度的縱橫比可以為至少約1.5: 1、至少約5: I或至少約10: I。此外，縱橫比可以不大於約65: 1、不大於約45: 1、不大於約20: 1、不大於約15: I或不大於約12: I。將理解的是縱橫比可以在上述任何最小與最大比值之間或者包括端值的範圍內。
[0119]圖16示出另一種磨料製品1600。磨料製品1600可以包括主體1602。主體1602可以包括包含在粘結材料中的磨粒的單層，所述粘結材料包括有機材料。在這樣一個實施方案中，磨粒可以包括主要含量的氮化矽和少數含量的燒結材料，其可以包括至少兩種稀土氧化物材料。在一個實施方案中，包含在主體1602的粘結材料中的磨粒可以具有基本上與圖15中所示的主體1502的磨粒1506和粘結材料1508相同的組成。
[0120]圖17示出了又一種磨料製品1700。如圖17中所示，磨料製品1700可以是單層粘結的磨料工具，其包括基底1702和可以覆蓋基底1702的表面的粘結材料1704的層。可以將磨粒1706粘附在粘結材料1704中並附接至基底1702的表面。磨粒1706可以包括液相燒結氮化矽。在一個實施方案中，包含在磨料製品1700的粘結材料1704中的磨粒1706可以具有基本上與圖15所示的主體1502的磨粒1506和粘結材料1508相同的組成。
[0121]根據本文的實施方案，主體可以包括磨粒，所述磨粒可以包括包含在粘結材料中的氮化矽。對於在至少約50英尺/分鐘的速度下進行的研磨操作，在金屬工件上切削至少約0.0002英寸[5.08 μ m]的深度，主體的G-比率可以為至少約250，其中G-比率為從工件去除的材料的重量相對於從主體損失的材料的重量的度量。在一些情況下，粘結材料可以包括有機材料。
[0122]對於本文所描述的任何實施方案，對於在至少約60轉/分鐘的速度下進行的研磨操作，在軸承鋼工件上切削至少約0.0002英寸[5.08 μ m]的深度，G-比率可以為至少約275、至少約280、至少約290或甚至至少約300。
[0123]此外，對於本文的任何實施方案，對於在至少約60轉/分鐘的速度下進行的研磨操作，在鈦合金工件上切削至少約0.0005英寸[12.7μπι]的深度，G-比率可以為至少約275、至少約300、至少約400、至少約500、至少約600、至少約900或至少約1000。
[0124]此外，對於本文的任何實施方案，對於在至少約60轉/分鐘的速度下進行的研磨操作，在304不鏽鋼工件上切削至少約0.0005英寸[12.7 μ m]的深度，G-比率可以為至少約125、至少約140、至少約160、至少約170或至少約180。[0125]此外，對於在至少約60轉/分鐘的速度下進行的研磨操作，在304不鏽鋼工件上切削至少約0.0015英寸[38.1 μ m]的深度，本文的任何實施方案的G-比率可以為至少約110、至少約115或至少約120。
[0126]此外，對於本文的任何實施方案，對於在至少約60轉/分鐘的速度下進行的研磨操作，在白口鑄鐵工件上切削至少約0.0015英寸[12.7μπι]的深度，G-比率可以為至少約500、至少約800、至少約1300、至少約1700、至少約2100、至少約2400或至少約2750。
[0127]可以理解的是可以使用本文的實施方案來研磨或拋光工件。例如，工件可以包括選自鐵、鋼、鈦、鈦合金、鎳、鎳合金及其組合的金屬。工件可以基本上由鋼組成。可選地，工件可以基本上由白口鑄鐵組成。此外，工件可以基本上由鈦合金(6A1-4V級別5)組成。
[0128]實施例
[0129]通過提供具有以下組分的混合物來形成實施例1的研磨輪的磨粒:
[0130]88.02wt %的氮化矽粉末
[0131]3.07界七％的丫203粉末
[0132]2.55wt % 的 Al2O3 粉末
[0133]0.9界1:%的六^粉末
[0134]4.96wt % 的 Nd2O3 粉末
[0135]0.5界1:%的11(:粉末
[0136]在包括80% H2O和20% IPA的水性介質中將混合物研磨成表面積為約12.5m2 /g和平均粒徑為約0.8微米。將經研磨的粉末冷凍乾燥並且隨後過篩。在氮氣環境下、在1750°C下將過篩的粉末燒結90分鐘隨後在30Ks1、1800°C下熱等靜壓處理2小時。將緻密化的粒子研磨和篩分成36和54目的兩種不同粒度，用於製備單層研磨輪以評價研磨。
[0137]針對放置在Okamoto Corporation以型號6.18DX出售的2_軸液壓表面磨床上的溼鈦合金工件和幹白口鑄鐵工件測試研磨輪。在約0.0005英寸的橫向進給(即，切削深度)下研磨機的工作檯速度為60英尺/分鐘。進行研磨測試直到磨粒耗盡並且研磨輪停止從工件上去除材料。相對具有SiC磨料的研磨輪測試根據實施例1形成的具有矽化氮粒子的研磨輪。測試結果示於圖18和圖19中。
[0138]圖18包括條形圖1800，其示出了用來研磨白口鑄鐵工件的各種粘結的磨料研磨輪的G-比率。第一研磨輪包括在粘結材料中的得自Saint-Gobain Corporation的Fiexoloy?碳化矽磨粒。第二研磨輪包括包含在粘結材料中的實施例1的氮化矽粒子。第三研磨輪包括包含在粘結材料中的根據本文的一個實施方案的氮化矽粒子。第一、第二和第三研磨輪各自含有36目粒度的粒子。第一、第二和第三研磨輪的粘結組分基本上是相同的。
[0139]第四研磨輪包括在粘結材料中的得自Saint-Gobain Corporation的Hexoloy?碳化矽磨粒。第五研磨輪包括包含在粘結材料中的實施例1的氮化矽粒子。第六研磨輪包括包含在粘結材料中的根據本文的一個實施方案的氮化矽粒子。第四、第五和第六研磨輪各自含有54目粒度的粒子。第四、第五和第六磨料輪的粘結組分基本上是相同的。
[0140]通過測量在前述測試條件下相對於從磨料輪損失的重量的工件材料去除的速率來確定磨料輪的G-比率。如圖所示，第一研磨輪的G-比率為約122。第二研磨輪的G-比率為約1714。第三研磨輪的G-比率為約1000。第四研磨輪的G-比率為約100。第五研磨輪的G-比率為約2089。最後，第六研磨輪的G-比率為約2090。
[0141]圖19包括條形圖1900，其示出了用來在前述測試條件下研磨鈦合金工件的各種粘結的磨料研磨輪的G-比率。第一研磨輪包括在粘結材料中的得自Saint-GobainCorporation的Hexoloy?碳化矽磨粒。第二研磨輪包括包含在粘結材料中的實施例1的氮化矽粒子。第三研磨輪包括包含在粘結材料中的根據本文的一個實施方案的氮化矽粒子。第一、第二和第三研磨輪各自含有36目粒度的粒子。
[0142]第四研磨輪包括包含在粘結材料中的得自Saint-Gobain Corporation的Hexoloy?碳化矽磨粒。第五研磨輪包括包含在粘結材料中的實施例1的氮化矽粒子。第六研磨輪包括包含在粘結材料中的根據本文的一個實施方案的氮化矽粒子。第四、第五和第六研磨輪各自含有54目粒度的粒子。
[0143]如圖所示，第一研磨輪的G-比率為約105。第二研磨輪的G-比率為約975。第三研磨輪G-比率為約1000。第四研磨輪的G-比率為約101。第五研磨輪的G-比率為約940。最後，第六研磨輪的G-比率為約940。
[0144]使用放置在Okamoto Corporation以型號6.18DX出售的2_軸液壓表面磨床上的溼鈦合金工件和幹白口鑄鐵工件來進行另外的測試。對於鈦合金工件在約0.0005英寸的橫向進給(即，切削深度)下和對於白口鑄鐵工件在約0.0015英寸的橫向進給下，研磨機的工作檯速度為60英尺/分鐘。圖20包括條形圖2000，其示出了用於溼法研磨鈦合金工件的三種研磨輪的相對性能比。圖21包括條形圖2100，其示出了用於幹法研磨白口鑄鐵工件的三種研磨輪的相對性能比。進行研磨操作直到磨粒被基本上耗盡並且輪較長地切肖IJ。相對性能比在本文中也被稱為G-比率，其是通過測量在測試過程中相對於從研磨輪損失的重量的工件材料去除的速率來確定的。
[0145]用具有氮化矽磨粒的研磨輪進行研磨操作。樣品I輪的磨粒包括根據常規方法形成的氮化矽顆粒。樣品2輪和樣品3輪的磨粒包括根據本文的實施方案中所描述的過程形成的氮化矽顆粒。用於製備樣品2磨粒的過程與用於製備樣品3磨粒的過程的不同在於當製備樣品3磨粒時未將AlN與氮化矽粉末和其他幹混合物材料共研磨，但是在研磨幹混合物後單獨添加A1N。用於製備樣品1-3輪的磨粒的氮化矽粉末的平均粒徑為約235微米至約450微米。
[0146]在圖20中示出的樣品I研磨輪的相對性能比為約146.67，而樣品2研磨輪的相對性能比為約1118.22，樣本3研磨輪的相對性能比為約1373.78。如圖21中所示，樣品I研磨輪的相對性能比為約40.16，樣品2研磨輪的相對性能比為約1697.58，樣品3研磨輪的相對性能比為約2689.52。
[0147]樣品2和3的研磨輪與樣品I研磨輪的結果相比表現出顯著的和意想不到的結果。特別地，關於鈦合金工件的研磨，樣品2和樣品3研磨輪的相對性能比具有至少7.5倍於來自樣品I研磨輪的結果的改進。此外，關於白口鑄鐵工件的研磨，樣品2和樣品3研磨輪的相對性能比具有至少約40倍於來自樣品I的研磨輪的結果的改進。
[0148]前述實施方案是針對代表了與現有技術的偏離的磨粒，其包括具有相對於常規氮化矽磨料和其他常規磨粒(諸如碳化矽磨粒)的改進的性能的氮化矽磨粒。如在本申請中所描述的那樣，氮化矽磨粒具有促進改進的研磨性能的特徵的組合。特別地，當與常規氮化矽磨粒相比時，本文所描述的氮化矽磨粒具有提供更高的理論密度和更少的空隙的組成。例如，如圖6中所示，根據常規方法形成的磨粒中空隙的數量遠遠高於根據本文所描述的實施方案形成的磨粒中空隙的數量，其示於圖2、圖3、圖4和圖5中。將理解的是圖3中所示的磨粒300對應於包含在樣品2研磨輪中的磨粒，圖5中所示的磨粒500對應於包含在樣品3研磨輪中的磨粒。不受縛於特定的理論，使用如本文所描述而形成的氮化矽磨粒的工具的改進的研磨性能可以歸因於改進的緻密度和韌性，所述緻密度和韌性由於根據本文的實施方案形成的氮化矽磨粒的特徵的特定組合而實現。根據本文所描述的實施方案形成的氮化矽磨粒的細長性質也有助於相對常規氮化矽磨粒的改進的研磨性能。此外，用於形成本文的實施方案中所描述氮化矽磨粒的過程代表與現有技術的過程的偏離。特別地，常規的氮化矽磨粒的過程一直無法有效地燒結氮化矽粉末以實現合適的研磨性能所需的緻密度和韌性。然而，本文所描述的液相燒結過程可以用於製備具有不僅相對於其他氮化矽磨粒而且相對於其他常規磨粒的改進的性能的氮化矽磨粒。
【權利要求】
1.一種磨料製品,所述磨料製品包括: 包括包含在粘結材料中的磨粒的主體，所述磨粒包括主要含量的氮化娃和少數含量的燒結材料，所述燒結材料包括Nd2O3和Y2O3，其中所述磨粒包括大於Y2O3含量(Wt % )的Nd2O3含量(Wt % ) O
2.—種磨料製品，所述磨料製品包括: 包括磨粒的單層的主體，所述磨粒包含在粘結材料中，所述粘結材料包括有機材料，所述磨粒包括主要含量的氮化矽和少數含量的燒結材料，所述燒結材料包括至少兩種稀土氧化物材料。
3.—種磨料製品，所述磨料製品包括: 單層粘結的磨料工具，其包括: 基底； 覆蓋基底表面的粘結材料的層；以及 粘附在粘結材料中並且附接至基底表面的磨粒，所述磨粒包括液相燒結氮化矽。
4.根據權利要求1、2或3所述的磨料製品，其中所述主體包括單層磨料工具，所述單層磨料工具具有用粘結材料的層附接至基底的磨粒的單層。
5.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中將所述粘結材料布置在所述磨粒和所述基底之間。
6.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中所述磨粒的一部分通過所述粘結材料的層與所述基底接觸。
7.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中所述磨粒的少部分被所述粘結材料覆蓋。
8.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中所述磨粒的一部分從所述粘結材料突出並與位於所述粘結材料下的所述基底接觸。
9.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中所述磨粒的大部分從所述粘結材料突出並與位於所述粘結材料下的所述基底接觸。
10.根據權利要求1或3所述的磨料製品，其中所述粘結材料包括有機材料。
11.根據權利要求2或10所述的磨料製品，其中所述粘結材料包括樹脂。
12.根據權利要求2、10或11所述的磨料製品，其中所述粘結材料包括酚醛樹脂。
13.根據權利要求2、10、11或12所述的磨料製品，其中所述粘結材料基本上由酚醛樹脂組成。
14.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中所述粘結材料包括無機材料。
15.根據權利要求14所述的磨料製品，其中所述粘結材料包括選自金屬、金屬合金、氧化物及其組合的材料。
16.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中所述粘結材料包括玻璃相材料。
17.根據權利要求16所述的磨料製品，其中所述粘結材料包括氧化物，其中所述氧化物包括選自S1、Al、Na、Mg、Ca、K、B、P及其組合的元素。
18.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中所述粘結材料包括混合粘結劑，所述混合粘結劑包括有機材料和無機材料。
19.根據權利要求1或2所述的磨料製品，其中所述磨粒包括大於氧化鋁含量的稀土氧化物總含量。
20.根據權利要求1或2所述的磨料製品，其中所述磨粒包括小於稀土氧化物組分含量(wt% )的氧化招含量(wt % ) ο
21.根據權利要求1、2、19或20所述的磨料製品，其中所述磨粒包括小於Y2O3含量(wt% )的氧化招含量(wt % ) ο
22.根據權利要求1、2、19、20或21所述的磨料製品，其中所述磨粒包括小於Nd2O3含量(wt% )的氧化招含量(wt% )。
23.根據權利要求1、2和19-22中任一項所述的磨料製品，其中所述磨粒的氧化鋁含量(wt% )在稀土氧化物組分含量(wt% )的約0.3至約0.7之間。
24.根據權利要求23所述的磨料製品，其中所述磨粒的氧化鋁含量(wt%)在Nd2O3含量(wt% )的約0.3至約0.7之間。
25.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中所述磨粒基本上不含選自以下的材料:MgO、ZrO2, HfO2, SiO2, Fe2O3' Gd2O3' Lu2O3' Fe、W、Mo、Cu 和元素 Si。
26.根據權利要求1、2和19-24中任一項所述的磨料製品，其中按所述粒子總重量計，所述磨粒包括不大於約10wt%的稀土氧化物,不大於約9wt%的稀土氧化物,不大於約 8.5wt%的稀土氧化物，不大於約8.2wt%的稀土氧化物。
27.根據權利要求1、2、19-24和26中任一項所述的磨料製品，其中按所述粒子總重量計，所述磨粒包括至少約6wt%的稀土氧化物,至少約6.5wt%的稀土氧化物,至少約7wt%的稀土氧化物，至少約7.8wt%的稀土氧化物。
28.根據權利要求的1、2、19-24、26和27中任一項所述的磨料製品，其中按所述磨粒總重量計，所述磨粒包括不大於約5?1:%的Y2O3,不大於約4.5?1:%的Y2O3,不大於約4?1:%的Y2O3，不大於約3.5wt%的Y2O3，不大於約3.2wt_ Y203。
29.根據權利要求1、2、19-24和26-28中任一項所述的磨料製品，其中按所述磨粒總重量計，所述磨粒包括至少約Iwt %的Y2O3,至少約1.5wt%的Y2O3,至少約2wt%的Y2O3,至少約2.8界七％的Y2O3。
30.根據權利要求1、2、19-24和26-29中任一項所述的磨料製品，其中按所述磨粒總重量計，所述磨粒包括不大於約7?1:%的Nd2O3,不大於約6.5wt%的Nd2O3,約不大於6?1:%的Nd2O3,不大於約 5.5wt % Nd2O3,不大於約 5.1wt % 的 Nd203。
31.根據權利要求1、2、19-24和26-30中任一項所述的磨料製品，其中按所述磨粒總重量計，所述磨粒包括至少約3wt%的Nd2O3,至少約3.5wt%的Nd2O3,至少約4wt%的Nd2O3,至少約 4.8wt% 的 Nd2O3。
32.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中所述磨粒包括A1N。
33.根據權利要求32所述的磨料製品，其中按所述磨粒總重量計，所述磨粒包括不大於約3wt %的AlN,不大於約2.5wt %的AlN,不大於約2wt %的AlN,不大於約1.5wt %的AlN,不大於約大於lwt%的A1N。
34.根據權利要求32或33所述的磨料製品，其中按所述磨粒總重量計，所述磨粒包括至少約0.05wt %的AlN,至少約0.1wt %的AlN,至少約0.3wt %的AlN,至少約0.5wt %的A1N。
35.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中所述磨粒包括Ti。
36.根據權利要求35所述的磨料製品，其中所述磨粒包括TiC。
37.根據權利要求35或36所述的磨料製品，其中按所述磨粒總重量計，所述磨粒包括不大於約3wt%的TiC,不大於約2.5wt%的TiC,不大於約2wt%的TiC,不大於約1.5wt%的TiC，不大於約Iwt %的TiC。
38.根據權利要求35、36或37所述的磨料製品，其中按所述磨粒總重量計，所述磨粒包括至少約0.05wt%的TiC,至少約0.1wt %的AlN,至少約0.2wt%的TiC,至少約0.4wt%的TiC。
39.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中所述磨粒基本上由氮化矽和包括氧化物的燒結相組成。
40.根據權利要求1、2、19-24和26-31中任一項所述的磨料製品，其中所述磨粒包括液相燒結氮化娃。
41.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中所述磨粒的平均粒徑不大於約2000微米，不大於約1500微米，不大於約1000微米，不大於約500微米。
42.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中所述磨粒的平均粒徑為至少約10微米，至少約50微米，至少約100微米，至少約250微米。
43.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中所述磨粒包括β-相氮化矽。
44.根據權利要求43所述的磨料製品，其中所述磨粒包括主要含量(>50wt% )的β-相氮化矽。
45.根據權利要求43或44所述的磨`料製品，其中所述磨粒基本上由β-相氮化矽組成。
46.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中所述磨粒包括具有細長形狀的磨粒。
47.根據權利要求46所述的磨料製品，其中所述細長的顆粒的長度:寬度的縱橫比為至少約2: I。
48.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中按所述主體總體積計，所述主體包括至少約5vol %的磨粒,至少約IOvol %的磨粒或至少約15vol%的磨粒。
49.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中按所述主體總體積計，所述主體包括不大於約30vol%的磨粒、不大於約25vol%的磨粒或不大於約20vol%的磨粒。
50.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中按所述主體總體積計所述主體包括至少約3vol%的粘結材料,至少約4vol%的粘結材料,至少約5vol%的粘結材料。
51.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中按所述主體總體積計，所述主體包括不大於約IOvol %的粘結材料,不大於約9vol %的粘結材料,不大於約8vol%的粘結材料，不大於約7vol%的粘結材料。
52.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中按所述主體總體積計，所述主體包括至少約Ivol %的空隙,至少約2vol%的空隙或至少約3vol%的空隙。
53.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品，其中所述主體包括不大於約5Vol%的空隙或不大於約4Vol%的空隙。
54.—種磨料製品,所述磨料製品包括: 包括磨粒的主體，所述磨粒包括包含在粘結材料中的氮化娃;以及其中對於在至少約60英尺/秒的速度下進行的研磨操作，在金屬工件上切削至少約.0.0002英寸[5.08 μ m]的深度，所述主體的G-比率為至少約250，其中所述G-比率為從所述工件去除的材料的重量相對於從所述主體損失的材料的重量的度量。
55.根據權利要求55所述的磨料製品，其中對於在軸承鋼工件上進行的研磨操作，所述G-比率為至少約275，至少約280，至少約290或甚至至少約300。
56.根據權利要求54或55所述的磨料製品，其中對於在鈦合金工件上進行的研磨操作，所述G-比率為至少約275，至少約300，至少約400，至少約500，至少約600，至少約900，至少約1000。
57.根據權利要求54、55或56所述的磨料製品，其中對於在304不鏽鋼工件上進行的研磨操作，所述G-比率為至少約125，至少約140，至少約160，至少約170，至少約180。
58.根據權利要求54-57中任一項所述的磨料製品，其中對於在白口鑄鐵工件上進行的研磨操作，所述Q-比率為至少約250，至少約700，至少約1500。
59.根據權利要求54-58中任一項所述的磨料製品，其中所述磨粒包括稀土元素。
60.根據權利要求59所述的磨料製品，其中所述磨粒包括稀土氧化物。
61.根據權利要求60所述的磨料製品， 其中所述磨粒包括選自Y2O3、Nd2O3、La2O3及其組合的稀土氧化物。
62.根據權利要求59、60或61所述的磨料製品，其中所述磨粒包括至少兩種不同的稀土氧化物組分。
63.根據權利要求59-62中任一項所述的磨料製品，其中所述磨粒包括Y2O3和Nd203。
64.根據權利要求63所述的磨料製品，其中所述磨粒包括比Y2O3含量(wt%)大的Nd2O3 含量(wt % )。
65.根據權利要求54所述的磨料製品，其中所述工件包括選自鐵、鋼、鈦、鈦合金、鎳、鎳合金及其組合的金屬。
66.根據權利要求65所述的磨料製品，其中所述工件基本上由鋼組成。
67.根據權利要求65所述的磨料製品，其中所述工件基本上由白口鑄鐵組成。
68.根據權利要求65所述的磨料製品，其中所述工件基本上由鈦合金組成。
69.—種方法,所述方法包括: 形成氮化矽、至少兩種稀土元素、以及至少一種燒結助劑的混合物，所述至少兩種稀土元素包括Nd2O3和Y2O3 ； 處理所述混合物以形成生粒子； 燒結所述生粒子以形成磨粒。
70.根據權利要求69所述的方法，其中處理所述混合物以形成生粒子包括使所述混合物經受冷凍乾燥操作。
71.根據權利要求69或70所述的方法，所述方法還包括研磨所述混合物。
72.根據權利要求71所述的方法，所述方法還包括將AlN添加至所述混合物。
73.根據權利要求72所述的方法，其中在研磨所述混合物之後將AlN添加至所述混合物。
74.根據前述權利要求中任一項所述的磨料製品或方法，其中所述磨粒的至少一部分包括成形的磨粒。
【文檔編號】B24D3/02GK103702800SQ201280036432
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年6月30日 優先權日:2011年6月30日
【發明者】G·王, V·K·布加瑞, Y·波桑特-洛克斯 申請人:聖戈本陶瓷及塑料股份有限公司