磨粒及其制造和使用方法 【发明领域】
本发明是关于磨粒以及其制造方法。磨粒可用于各种各样磨具，包括粘接型磨具、涂覆型磨具、非织造型磨具，以及研磨刷。
相关领域说明
许多种无定形材料(包括玻璃)和玻璃陶瓷组分已为人们所知。大多数氧化物玻璃体系利用已知的玻璃形成物质，诸如SiO2，B2O3，P2O5，GeO2，TeO2，As2O3和V2O5有助于玻璃的形成。由这些玻璃形成物质形成的玻璃组合物可经热处理生成玻璃陶瓷。玻璃和这类玻璃形成物质生成的玻璃陶瓷的使用温度上限通常低于1200℃，一般在700-800℃。玻璃陶瓷要比制成它的玻璃往往更耐温。
此外，已知玻璃和玻璃陶瓷的许多性质受玻璃形成物质本身性质的限制。例如，对于SiO2，B2O3和B2O5基的玻璃和玻璃陶瓷，其杨氏模量、硬度和强度就受这类玻璃形成物质的限制。这类玻璃和玻璃陶瓷与诸如Al2O3或ZrO2比较，它们的机械性能较差。具有类似于Al2O3或ZrO2的机械性能的玻璃陶瓷较为理想。
虽然一些非常规的基于稀土氧化物-铝氧化物的玻璃(如，参见2001年4月19日发表的PCT申请，公开号No.WO 01/27046 Al，以及2000年2月15日发表的日本专利JP 2000-045129)已为人们所知，但其它新颖玻璃和玻璃陶瓷，以及已知与新颖的玻璃和玻璃陶瓷的用途是人们所需要的。
在一个方面，各种各样磨粒(如，金刚石颗粒，立方氮化硼颗粒，熔凝磨粒，以及烧结陶瓷磨粒(包括溶胶-凝胶法磨粒))在本领域已为所知。在有些研磨应用中，磨粒以疏散方式使用，而在另一些应用中颗粒则用于磨具中(如涂覆型磨具，粘接型磨具，非织造型磨具以及研磨刷)。在具体研磨应用中，选用磨粒中采用的标准包括：研磨寿命，磨削速率，基材表面光洁度，研磨效率及磨具成本。
大致从1900年到1980年代中期，研磨应用中的涂覆型和粘接型磨具的主要磨粒通常为熔凝磨粒。熔凝磨粒一般有两类：(1)熔凝α-氧化铝磨粒(如，参见US Pat.No.1,161,620(Coulter)，1,192,709(Tone)，1,247,337(Saunders等人)，1,268,533(Allen)，以及2,424,645(Baumann等人)和(2)熔凝(有时也称之为“共熔凝”)铝-锆复合氧化物磨粒(如，参见USPat.No.3,891,408(Rowse等人)，3,781,172(Pett等人)，3,893,826(Quinan等人)，4,126,429(Watson)，4,457,767(Poon等人)，以及5,143,522(Gibson等人)(也可参见US Pat，No.5,023,212(Dubots等人)和5,336,280(Dubots等人)，这些专利报导了某些熔凝氧氮化物的磨粒。熔凝氧化铝磨粒通常是将诸如铝矿石或铝矾土等氧化铝原料，以及其它合适添加剂一起装入炉内，将炉料加热到其熔点之上，冷却熔体得到固化熔体。再将其破碎成颗粒，然后将颗粒过筛分级成具有所需的磨粒粒度分布。熔凝氧化铝-氧化锆磨粒通常采用类似方式制造。不同的是炉子中装入氧化铝原料与氧化锆原料，熔体冷却速率比制造熔凝氧化铝研磨颗料的熔体要快些。对于熔凝氧化铝-氧化锆磨粒，其中氧化铝原料通常用50-80重量％，氧化锆占50-20重量％，制造熔凝氧化铝和熔凝氧化铝磨粒的工艺可以包括熔体在冷却之前的杂质去除。
尽管熔凝α-氧化铝磨粒和熔凝氧化铝-氧化锆磨粒仍广泛用于研磨行业(包括那些利用涂覆型和粘接型地磨具)，在1980年代中期以后，许多研磨应用中的主要磨粒为溶胶-凝胶法制得α-氧化铝颗粒(如，参见参见USPat.No.4,314,827(Leitheiser等人)，4,518,397(Leitheiser等人)，4,623,364(Cottringer等人)，4,744,802(Schwabel)，4,770,671(Monroe等人)，4,881,951(Wood等人)，4,960,441(Pellow等人)，5,139,978(Wood)，5,201,916(Berg等人)，5,366,523(Rowenhorst等人)，5,429,647(Larmie)，5,547,479(Conwell等人)，5,498,269(Larmie)，5,551,963(Larmie)以及5,725,162(Garg等人))。
溶胶-凝胶法制得的α-氧化铝颗粒可具有有非常细小的α-氧化铝晶粒组成的显微结构，或有或没有添加的第二相存在。在金属上的研磨性能，经测量，由溶胶-凝胶法磨粒制成的磨具寿命大大高于那些采用常规熔凝氧化铝磨粒而成的磨具。通常，制造溶胶-凝胶法磨粒的工艺要比制造常规熔凝研磨颗料的工艺复杂，成本高。一般说来，溶胶-凝胶法磨粒通常通过制备含有水，一水氧化铝(一水软铝石)的分散液或溶胶，以及选择性加入溶胶剂(如硝酸一类溶液)，使分散液凝胶化，凝胶化后干燥，然后破碎成颗粒，将颗粒过筛成为符合要求的粒度颗粒，再煅烧除去挥发性物质，然后在低于氧化铝熔点温度以下的温度烧结，再将颗粒过筛分级成符合粒度分布要求的所需颗粒。经常将金属氧化物修饰剂加入到烧结的磨粒中，用以改变或修改烧结磨粒的物理性质和/或显微结构。
本领域所知有各种各样磨具。通常，磨具包括粘接剂和通过粘接剂牢牢粘结在磨具中的磨粒。磨具的实例，包括涂覆型磨具，粘结型磨具，非织造型磨具，以及研磨刷。
粘接型磨具的实例包括：磨轮，切割轮和镗磨石。用于制造粘接型磨具的主要粘接体系为：香树脂，玻璃质粘接剂以及金属粘接剂。香树脂粘接磨具利用有机粘接体系(如，酚醛类粘接剂)将磨粒粘接成一个形体，(如，参见US Pat.No.4,741,743(Narayanan等人)，4,800,685(Haynes等人)，5,037,453(Narayanan等人)，以及5,110,332(Narayanan等人))。另一主要类型为玻璃质粘结磨轮，其中玻璃粘结剂体系用来将磨粒粘接成一形体。(如，参见US Pat.No.4,543,107(Rue)，4,898,587(Hay等人)，4,997,461(Markhoff-Matheny等人)，以及5,863,308(Qi等人)。这些玻璃质粘接通常在900-1300℃之间温度下固化。今天玻璃质粘接磨轮采用的是熔凝氧化铝和溶胶-凝胶法的研磨颗料。然而，熔凝氧化铝-氧化锆通常不用作玻璃质粘接磨轮，这部分是由于氧化锆的热稳定性问题。玻璃质粘接剂在高温度下固化，氧化铝-氧化锆的物理性能下降，导致研磨性能明显下降。金属粘接磨具通常采用烧结或电镀的金属来粘接磨粒。
研磨工业继续要求磨粒和磨具的制造方法要简单，制造成本要低和/或它们的性能要优于常规磨粒及其产品。
发明综述
本发明提供的磨粒含有陶瓷(包括：无定形材料，玻璃，结晶陶瓷(如，结晶复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO))，和玻璃陶瓷)，其中含有基于理论氧化物的反应产物(如CeAl11O18)，Al2O3与至少一种其它金属氧化物(如，REO，以及REO与至少ZrO2或HfO2中之一)的反应产物。在一个实施例中，本发明磨粒通常具有一定平均硬度(即，抗变形能力，也称之为“显微硬度”)，按下面详细说明的测量至少为15GPa，16GPa，17GPa或甚至至少18GPa以上。在另一个方面，包括有本发明磨粒的陶瓷可包含常规玻璃形成物质如SiO2，B2O3，P2O5，GeO2，TeO2和/或它们的结合物少于占陶瓷总量的40重量％(35，30，25，20，15，10，5，3，2，1甚至0重量％)。在另一方面，包括本发明磨粒的陶瓷通常包含0体积％(至少低于25，20，15，10，5，4，3，2，或1体积％)的无定形材料。在另一方面，包括本发明磨粒的陶瓷通常包含至少75，80，85，90，95，97，98，99，或甚至100体积％结晶陶瓷。
在有些实施方式中，包括本发明磨粒的陶瓷包含占陶瓷总量至少30重量％(较理想30-60重量％)的Al2O3。在另一方面，有些实施方式中，包括本发明磨粒的陶瓷包含结晶陶瓷，有些实施方式中，该陶瓷(a)具有含晶粒的显微结构(如复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO)的晶粒)，晶粒平均尺寸＜1μm(通常，＜500nm，甚至＜300nm或150nm；在一些实施例中，＜20nm)；(b)不含共晶相结构(即无晶集和层状结构)或非蜂窝状结构中之一。本发明的一个内容，是在具有平均晶粒参数值范围之内的至少一种晶相，且在指定平均晶粒参数值范围之外的一种(不同)晶相。
根据本发明的实施方式，磨粒含有包含Al2O3与至少一种其它金属氧化物(如，REO，以及REO与至少ZrO2或HfO2中之一)。其中Al2O3与至少一种其它金属氧化物的合量占玻璃陶瓷总量的至少80重量％(85，90。95，97，98，99，或甚至100重量％)。玻璃陶瓷可以包含例如至少1，2，3，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，或95体积％的无定形材料。玻璃陶瓷还可以包含例如至少99，98，97，95，90，85，80，75，70，65，60，55，50，45，40，35，30，25，20，15，10，或5体积％的结晶陶瓷。
根据本发明的实施方式，磨粒所包含的玻璃陶瓷中，含有Al2O3与至少一种其它金属氧化物(如，REO，以及REO与至少ZrO2或HfO2中之一)，其中Al2O3与至少一种其它金属氧化物的合量占玻璃陶瓷总量至少60重量％(65，70，75，80，85，90，95，97，98，99或甚至100重量％)，该玻璃陶瓷含有少于占玻璃陶瓷总量的20重量％(15，10，5或甚至0重量％)SiO2，以及少于占玻璃陶瓷总量的20重量％(15，10，5或甚至0重量％)B2O3。该玻璃陶瓷可以包含例如至少1，2，3，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，或95体积％的无定形材料。该玻璃陶瓷可以包含例如至少99，98，97，95，90，85，80，75，70，65，60，55，50，45，40，35，30，25，20，15，10，或5体积％的结晶陶瓷。
根据本发明的有些实施方式，磨粒含有包含Al2O3与至少一种其它金属氧化物(如，REO，以及REO与至少ZrO2或HfO2中之一)，其中玻璃陶瓷含有Al2O3与至少一种其它金属氧化物的合量占玻璃陶瓷总量的至少60重量％(65，70，75，80，85，90，95，97，98，99，或甚至100重量％)，和合量少于占玻璃陶瓷总量的40重量％(35，30，20，15，10，5或甚至0重量％)SiO2，B2O3和P2O5。玻璃陶瓷可以包含如至少1，2，3，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，或95体积％的无定形材料。玻璃陶瓷可以包含如至少99，98，97，95，90，85，80，75，70，65，60，55，50，45，40，35，30，25，20，15，10，或5体积％的结晶陶瓷。
有些实施方式本发明的磨粒包含玻璃陶瓷，该玻璃陶瓷包含Al2O3与至少一种其它金属氧化物(如，REO，以及REO与至少ZrO2或HfO2中之一)，其中的玻璃陶瓷(a)呈含晶粒的显微结构(如，复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO))，晶粒平均尺寸＜1μm(通常＜500nmm，甚至＜300nm或150nm；在一些实施例中，＜20nm)；(b)不含共晶相结构。有些实施方式本发明的磨粒包含玻璃陶瓷，该玻璃陶瓷包含Al2O3与至少一种其它金属氧化物(如，REO，以及REO与至少ZrO2或HfO2中之一)，该玻璃陶瓷(a)呈非蜂窝状结构，其包含的晶粒(如复合金属氧化物(如Al2O3·REO)的晶粒)的平均尺寸＜1μm(通常，＜500nmm，甚至＜300nm或150nm；在一些实施例中＜20nm)。玻璃陶瓷可以包含例如至少1，2，3，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，或95体积％的无定形材料。玻璃陶瓷可以包含如至少99，98，97，95，90，85，80，75，70，65，60，55，50，45，40，35，30，25，20，15，10，或5体积％的结晶陶瓷。本发明实施方式的一个内容是具有在指定平均晶粒参数值范围之内的至少有一种晶相，且在指定平均晶粒参数值范围之外的一种(不同)晶相。
根据本发明的有些实施方式，磨粒含有至少1，2，3，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，或95体积％的结晶陶瓷。结晶陶瓷含有包含Al2O3与至少一种其它金属氧化物(如，REO，以及REO与至少ZrO2或HfO2中之一)，其中Al2O3与至少一种其它金属氧化物的合量占结晶陶瓷总量的至少80重量％(85，90，95，97，98，99或甚至100重量％)。较为理想的实施方式包含的陶瓷(a)呈含晶粒的显微结构(如，复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO)的晶粒)，晶粒平均尺寸＜1μm(通常，＜500nmm，甚至＜300nm或150nm；在一些实施例中，＜20nm)；(b)不含共晶相结构(即无晶集和层状结构)或非蜂窝状结构中之一。本发明一些实施方式的磨粒包含的陶瓷(a)呈含晶粒的非蜂窝状结构，其包含的晶粒(如，复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO)的晶粒)的平均尺寸＜1μm(通常，＜500nmm，甚至＜300nm或150nm；在一些实施例中，＜20nm)。陶瓷还可以包含至少99，98，97，95，90，85，80，75，70，65，60，55，50，45，40，35，30，25，20，15，10，5，3，2，或1体积％的无定形材料。本发明实施方式的一个内容是具有在指定平均晶粒参数值范围之内至少有一种晶相，且在指定平均晶粒参数值范围之外的一种(不同)晶相。
根据本发明的有些实施方式，磨粒包含的陶瓷，含有例如至少1，2，3，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，97，98，99或100体积％的结晶陶瓷。结晶陶瓷包含Al2O3与至少一种其它金属氧化物(如REO以及REO与至少ZrO2或HfO2中之一)，其中含有Al2O3与至少一种其它金属氧化物的合量占结晶陶瓷总量至少60重量％(65，70，75，80，85，90，95，97，98，99，或甚至100重量％)，以及少于占结晶陶瓷总量的20重量％(15，10，5，或甚至0重量％)SiO2，以及少于占结晶陶瓷总量的20重量％(15，10，5，或甚至0重量％)B2O3。较为理想的实施方式包含的陶瓷(a)呈含晶粒显微结构(如，复合金属氧化物(如，复合Al2O3·REO)的晶粒)，晶粒平均尺寸＜1μm(通常，＜500nmm，甚至＜300nm或150nm；在一些实施例中＜20nm；(b)不含共晶相结构。本发明一些实施方式中的磨粒包含的陶瓷(a)呈非蜂窝状结构，其包含的晶粒(如，复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO)的晶粒)的平均尺寸＜1μm(通常，＜500nmm，甚至＜300nm或150nm；在一些实施方式中，＜20nm)。陶瓷可以包含至少99，98，97，95，90，85，80，75，70，65，60，55，50，45，40，35，30，25，20，15，10，5，3，2，或1体积％的无定形材料。本发明实施方式的一个内容是具有在指定平均晶粒参数值范围之内至少有一种晶相，且在指定平均晶粒参数值范围之外的一种(不同)晶相。
根据本发明的有些实施方式，磨粒包含的陶瓷，含有例如至少1，2，3，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，或95体积％的结晶陶瓷。结晶陶瓷含有Al2O3与至少一种其它金属氧化物(如REO以及REO与至少ZrO2或HfO2中之一)，其中含有Al2O3与至少一种其它金属氧化物的合量占结晶陶瓷总量至少60重量％(65，70，75，80，85，90，95，97，98，99，或甚至100重量％)，以及合量不超过占结晶陶瓷总量的40重量％(较佳35，30，25，20，15，10，5，或甚至0重量％)SiO2，B2O3和P2O5。较为理想的实施方式包含的陶瓷，(a)呈含晶粒的显微结构(如，复合金属氧化物(如，复合Al2O3·REO)的晶粒)，晶粒平均尺寸＜1μm(通常，＜500nmm，甚至＜300nm或150nm；在一些实施例中，＜20nm；(b)不含共晶相结构。本发明一些实施方式中的磨粒包含的陶瓷(a)呈含晶粒的非蜂窝状结构，其包含的晶粒(如，复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO)的晶粒)的平均尺寸＜1μm(通常，＜500nmm，甚至＜300nm或150nm；在一些实施例中，＜20nm)。陶瓷可以包含例如至少99，98，97，95，90，85，80，75，70，65，60，55，50，45，40，35，30，25，20，15，10，5，3，2，或1体积％的无定形材料。本发明实施方式的一个内容是具有在指定平均晶粒参数值范围之内至少有一种晶相，且在指定平均晶粒参数值范围之外的一种(不同)晶相。
根据本发明的有些实施方式，磨粒包含的陶瓷，含有至少1，2，3，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，97，98，99，或100体积％的结晶陶瓷。结晶陶瓷包含Al2O3与至少一种其它金属氧化物(如，REO，以及REO与至少ZrO2或HfO2中之一)。较为理想的实施方式包含的陶瓷(a)呈含晶粒的显微结构(如，复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO)的晶粒)，晶粒平均尺寸＜1μm(通常，＜500nmm，甚至＜300nm或150nm；在一些实施例中，＜20nm)；(b)不含共晶相结构。本发明一些实施方式中的磨粒包含的陶瓷(a)呈含晶粒的非蜂窝状结构，其包含的晶粒(如，复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO)的晶粒)的平均尺寸＜1μm(通常，＜500nmm，甚至＜300nm或150nm；在一些实施例中，＜20nm)。陶瓷还可以包含例如至少99，98，97，95，90，85，80，75，70，65，60，55，50，45，40，35，30，25，20，15，10，5，3，2，或1体积％的无定形材料。本发明实施方式的一个内容是具有在指定平均晶粒参数值范围之内至少有一种晶相，且在指定平均晶粒参数值范围之外的一种(不同)晶相。
根据本发明的有些实施方式，磨粒包含的陶瓷，含有至少1，2，3，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，97，98，99，或100体积％的结晶陶瓷。该陶瓷包含Al2O3与至少一种其它金属氧化物(如，REO，以及REO与ZrO2或HfO2中至少之一)。较为理想的实施方式包含的陶瓷(a)呈含晶粒的显微结构(如，复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO)的晶粒)，晶粒平均尺寸＜1μm(通常，＜500nmm，甚至＜300nm或150nm；在一些实施例中，＜20nm)；(b)不含共晶相结构。本发明一些实施方式的磨粒包含的陶瓷(a)呈含晶粒的非蜂窝状结构，其包含的晶粒(如，复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO)的晶粒)的平均尺寸＜1μm(通常，＜500nmm，甚至＜300nm或150nm；在一些实施例中，＜20nm)。陶瓷可以包含例如至少99，98，97，95，90，85，80，75，70，65， 60，55，50，45，40，35，30，25，20，15，10，5，3，2，或1体积％的无定形材料。本发明实施方式的一个内容是具有在指定平均晶粒参数值范围之内的至少有一种晶相，且在指定平均晶粒参数值范围之外的一种(不同)晶相。
根据本发明的有些实施方式，磨粒包含的陶瓷含有至少1，2，3，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，97，98，99，或100体积％的结晶陶瓷。该陶瓷包含Al2O3与至少一种其它金属氧化物(如REO以及REO与至少ZrO2或HfO2中之一)，其中Al2O3与至少一种其它金属氧化物的合量占陶瓷总量至少60重量％(65，70，75，80，85，90，95，97，98，99，或甚至100重量％)，以及少于陶瓷总量的20重量％(15，10，5或甚至0重量％)SiO2，以及不超过陶瓷总量的20重量％(15，10，5，或甚至0重量％)B2O3。较为理想的有些实施方式包含的陶瓷(a)呈含晶粒的显微结构(如，复合金属氧化物(如，复合Al2O3·REO)的晶粒)，晶粒平均尺寸＜1μm(通常，＜500nmm，甚至＜300nm或150nm；在一些实施例中，＜20nm)；(b)不含共晶相结构。本发明一些实施方式中的磨粒包含的陶瓷(a)呈含晶粒的非蜂窝状结构，其包含的晶粒(如，复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO)的晶粒)的平均尺寸＜1μm(通常，＜500nmm，甚至＜300nm或150nm；在一些实施例中，＜20nm)。陶瓷可以包含例如至少99，98，97，95，90，85，80，75，70，65，60，55，50，45，40，35，30，25，20，15，10，5，3，2，或1体积％的无定形材料。本发明实施方式的一个内容是具有在指定平均晶粒参数值范围之内的至少一种晶相，且在指定平均晶粒参数值范围之外的一种(不同)晶相。
根据本发明的有些实施方式，磨粒包含的陶瓷含有至少1，2，3，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，97，98，99或100体积％的结晶陶瓷。该陶瓷包含Al2O3与至少一种其它金属氧化物(如REO以及REO与至少ZrO2或HfO2中之一)，其中Al2O3与至少一种其它金属氧化物的合量占陶瓷总量的至少60重量％(65，70，75，80，85，90，95，97，98，99，或甚至100重量％)，以及合量不超过占陶瓷总量的40(较佳35，30，25，20，15，10，5，或甚至0重量％)SiO2，B2O3和P2O5。较为理想的实施方式包含的陶瓷(a)呈含晶粒显微结构(如复合金属氧化物(如，复合Al2O3·REO)的晶粒)的平均尺寸＜1μm(通常，＜500nmm，甚至＜300nm或150nm；在一些实施例中，＜20nm)；(b)不含共晶相的结构。本发明一些实施方式中的磨粒包含的陶瓷(a)呈含晶粒的非蜂窝状结构，其包含的晶粒(如，复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO)的晶粒)的平均尺寸＜1μm(通常，＜500nmm，甚至＜300nm或150nm；在一些实施例中，＜20nm)。陶瓷可以包含例如至少99，98，97，95，90，85，80，75，70，65，60，55，50，45，40，35，30，25，20，15，10，5，3，2，或1体积％的无定形材料。本发明实施方式的一个内容具有在指定平均晶粒参数值范围之内的至少一种晶相，且在指定平均晶粒参数值范围之外的一种(不同)晶相。
有些实施方式的本发明磨粒含有的玻璃陶瓷包含Al2O3与REO，其中该玻璃陶瓷(a)呈含晶粒的显微结构(如，复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO)的晶粒)，晶粒平均尺寸＜200nmm，(150nm，100nm，75nm，或甚至50nm)；(b)具有的密度为理论密度的至少90％(95％，96％，97％，98％，99％，99.5％，或100％)。本发明实施方式的一个内容是具有在指定平均晶粒参数值范围之内的至少一种晶相，且在指定平均晶粒参数值范围之外的一种(不同)晶相。
有些实施方式的本发明磨粒含有的玻璃陶瓷包含Al2O3与REO，其中该玻璃陶瓷(a)呈含晶粒的显微结构(如，复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO)的晶粒)，其中没有任何一个晶粒尺寸＞200nm，(150nm，100nm，75nm，或甚至50nm)；(b)具有的密度为理论密度至少90％(95％，96％，97％，98％，99％，99.5％，或100％)。有些实施方式没有共晶相结构或非蜂窝状结构中之一。本发明实施方式的一个内容是具有在指定平均晶粒参数值范围之内的至少一种晶相，且在指定平均晶粒参数值范围之外的一种(不同)晶相。
有些实施方式的本发明磨粒含有的玻璃陶瓷包含Al2O3与REO，其中该玻璃陶瓷(a)呈含晶粒的显微结构(如，复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO)的晶粒)，其中至少部分晶粒尺寸不大于150nm(100nm，75nm，或甚至50nm)；(b)具有的密度为理论密度的至少90％(95％，96％，97％，98％，99％，99.5％，或100％)。一些实施方式没有共晶相结构或非蜂窝状结构中之一。本发明实施方式的一个内容是具有在指定平均晶粒参数值范围之内的至少一种晶相，且在指定平均晶粒参数值范围之外的一种(不同)晶相。
有些实施方式的本发明磨粒所含有的玻璃陶瓷包含Al2O3与REO，其中该玻璃陶瓷(a)呈含晶粒的显微结构(如，复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO)的晶粒)，其中平均晶粒尺寸不大于1μm(500nm，300nm，200nm，150nm，100nm，75nm，或甚至50nm)；(b)具有的密度为理论密度的至少90％(95％，96％，97％，98％，99％，99.5％或100％)。一些实施方式没有共晶相结构或非蜂窝状结构中之一。本发明实施方式的一个内容是具有在指定平均晶粒参数值范围之内的至少一种晶相，且在指定平均晶粒参数值范围之外的一种(不同)晶相。
有些实施方式的本发明磨粒所含的玻璃陶瓷含有Al2O3与REO，其中该玻璃陶瓷(a)呈含晶粒的显微结构(如，复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO)的晶粒)，其中平均晶粒尺寸＜200nm(150nm，100nm，75nm或甚至50nm)；(b)具有的密度为理论密度的至少90％(95％，96％，97％，98％，99％，99.5％或100％。一些实施方式没有共晶相结构或非蜂窝状结构中之一。本发明实施方式的一个内容是具有在指定平均晶粒参数值范围之内的至少一种晶相，且在指定平均晶粒参数值范围之外的一种(不同)晶相。
有些实施方式的本发明磨粒所包含的陶瓷含有Al2O3与REO，其中该陶瓷(a)呈含晶粒的显微结构(如，复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO)的晶粒)，其中至少部分晶粒的尺寸不大于150nm(100nm，75nm，或甚至50nm)；(b)具有的密度为理论密度的至少90％(95％，96％，97％，98％，99％，99.5％，或100％。一些实施方式没有共晶晶相结构或非蜂窝状结构中之一。本发明实施方式的一个内容是具有在指定平均晶粒参数值范围之内的至少一种晶相，且在指定平均晶粒参数值范围之外的一种(不同)晶相。
有些实施方式的本发明磨粒包含的陶瓷含有Al2O3与REO，其中该陶瓷包含Al2O3与REO，且(a)呈含晶粒的显微结构(如，复合金属氧化物(如复合Al2O3·REO)的晶粒)，其中平均晶粒尺寸不大于1μm(500nm，300nm，200nm，150nm，100nm，75nm，或甚至50nm)；(b)具有的密度为理论密度的至少90％(95％，96％，97％，98％，99％，99.5％，或100％。一些实施方式没有共晶晶相结构或非蜂窝状结构中之一。本发明实施方式的一个内容是具有在指定平均晶粒参数值范围之内的至少一种晶相，且在指定平均晶粒参数值范围之外的一种(不同)晶相。
本发明采用的术语：
“无定形材料”是指由熔体和/或气相生成的材料，它没有采用X-射线衍射法测得的远程晶体结构和/或差示热分析法(DTA)测得的无定形材料结晶时的放热峰，后一测定方法在“差示热分析法”一节中叙述。
“陶瓷”包括无定形材料、玻璃、结晶陶瓷、玻璃陶瓷，以及它们的结合。
“复合金属氧化物”是指包含两种或两种以上不同的金属元素和氧的金属氧化物(如，CeAl11O18，Dy3Al5O12，MgAl2O4和Y3Al5O12)。
“复合Al2O3·金属氧化物”是指基于理论氧化物，它包含氧化铝以及一种或一种以上除铝之外的其它金属元素形成的复合金属氧化物(如，CeAl11O18，Dy3Al5O12，MgAl2O4和Y3Al5O12)。
“复合Al2O3·Y2O3氧化物”是指基于理论氧化物，它包含氧化铝和Y2O3的复合金属氧化物(如，Y3Al5O12)
“复合Al2O3·REO氧化物”是指基于理论氧化物，它包含氧化铝和稀土氧化物的复合氧化物(如，CeAl11O18和Dy3Al5O12)。
“玻璃”是指为呈现一种玻璃转变温度的无定形材料。
“玻璃陶瓷”是指无定形材料经热处理形成的包含结晶的陶瓷。
“Tg”是指玻璃转变温度，采用“差示热分析”一节所述方法测定。
“Tx”是指结晶温度，采用“差示热分析”一节所述方法测定。
“稀土氧化物”是指氧化铈(CeO2)，氧化镝(Dy2O3)，氧化铒(Er2O3)，氧化铕(Eu2O3)，氧化钆(Gd2O3)，氧化钬(Ho2O3)，氧化镧(La2O3)，氧化镥(La2O3)，氧化钕(Nd2O3)，氧化镨(Pr6O11)，氧化钐(Sm2O3)，氧化铽(Tb2O3)，氧化钍(Th4O7)，氧化铥(Tm2O3)，氧化镱(Yb2O3)，和它们的结合；
“REO”是指稀土氧化物。
此外，除非指出，例如在玻璃陶瓷中的金属氧化物(如Al2O3，复合Al2O3·金属氧化物等)是结晶的，它可以是无定形，结晶，或部分无定形部分结晶。例如，如果玻璃陶瓷包含Al2O3和Zr2O3，则Al2O3和Zr2O3可以各自为无定形态，结晶，或部分无定形态部分结晶，或甚至作为与其它金属氧化物的反应产物(除非指出，例如Al2O3为结晶Al2O3，或为特种结晶Al2O3(如α-Al2O3)，它可以是结晶Al2O3和/或作为部分一种或多种结晶复合Al2O3·金属氧化物。
而且，不言而喻，不呈现Tg的无定形材料经加热而成玻璃陶瓷，事实上可不包含玻璃，而是可包含结晶材料和不呈现Tg的无定形材料。
根据本发明的磨具包含粘结剂和众多磨粒，其中至少部分磨粒为本发明磨粒。磨具的实例包括涂覆型磨具，粘结型磨具(如磨轮)，非织造型磨具以及研磨刷。涂覆型研磨料通常包含有相互背对的第一和第二主面的背衬，粘结剂和众多磨粒在背衬的至少一部分第一主面上形成研磨层。
根据本发明一些实施方式，磨具的磨粒总量的至少5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，甚至100重量％为本发明的磨粒。
使用前，磨粒通常分级成指定颗粒粒度分布。这类粒度分布包括颗粒大小从粗到细的范围。在研磨领域中，有时候这种粒度范围称之为“粗”“中”“细”三部分。根据业界接受的分级标准而分级的磨粒，规定了每个标称粒级的粒度分布的数值范围。这类业界接受的粒级标准(即规定的标称粒级)包括所知的美国国家标准学会(ANSI)的标准，欧洲磨具制造商联合会(FEPA)的标准，以及日本工业标准局(JIS)的标准。在本发明的一个实施例中，众多磨粒具有规定标称粒级，其中众多磨粒中至少一部分为本发明的磨粒。在一个实施方式中，本发明的磨粒占众多磨粒总量至少5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，甚至100重量％。
本发明的磨粒可用于各种各样磨具，诸如，涂覆型磨具，粘结型磨具，非织造型磨具和研磨刷，以及可以松形式使用。
本发明也提供研磨某一表面的方法，它包括：
使本发明的磨粒与一工件表面接触；
移动至少本发明的磨粒或接触面中的一个，研磨至少一部分表面。
附图简要说明
图1是包含本发明磨粒的涂覆型磨具的部分横截面示意图；
图2是包含本发明磨粒的粘结型磨具的部分横截面透视图；
图3是包含本发明磨粒的非织造型磨具的放大示意图；
图4是实施例1材料的DTA曲线；
图5-8分别是实施例2，6，7，8，17材料的SEM图，材料在1300℃热处理了1小时。
详细说明
本发明的磨粒，可以通过无定形材料或含无定形材料的陶瓷结晶成为玻璃陶瓷而制造。一方面，制造本发明磨粒的无定形材料，其中包含Al2O3与至少一种其它金属氧化物(如REO，以及REO与至少ZrO2或HfO2中之一)，其中含有Al2O3与至少一种其它金属氧化物的合量占无定形材料总量至少80重量％(85，90，95，97，98，99，或甚至100重量％)。
另一方面，制造本发明磨粒的无定形材料，其中包含Al2O3与至少一种其它金属氧化物(如REO，以及REO与至少ZrO2或HfO2中之一)，其中含有Al2O3与至少一种其它金属氧化物的合量占无定形材料总量的至少60重量％(65，70，75，80，85，90，95，97，98，99，或甚至100重量％)，以及包含不超过占无定形材料总量的20重量％(15，10，5，或甚至0重量％)SiO2，以及包含不超过占无定形材料总量的20重量％(15，10，5，或甚至0重量％)B2O3。
另一方面，制造本发明磨粒的无定形材料，其中包含Al2O3与至少一种其它金属氧化物(如REO，以及REO与至少ZrO2或HfO2中之一)，其中含有Al2O3与至少一种其它金属氧化物的合量占无定形材料总量至少60重量％(65，70，75，80，85，90，95，97，98，99，或甚至100重量％)，以及合量不超过占无定形材料总量的40重量％(35，30，25，20，15，10，5，或甚至0重量％)SiO2，B2O3和P2O5。
无定形材料或含无定形材料的陶瓷，其制造可以是加热合适金属氧化物原料形成熔体，理想的是均匀熔体，然后快速冷却成无定形材料。例如，无定形材料可以通过加热(包括在火焰中)合适金属氧化物原料成为熔体，理想的是均匀熔体，然后快速冷却成无定形材料而制造。一些实施方式的无定形材料通过在任何合适炉内(如，感应炉，煤气炉或电炉)熔融金属氧化物原料或等离子体加热熔融而制得，随后将该熔体冷却(如，投入冷却介质如高速喷雾气流，液体，金属板(包括急冷金属板)，金属滚筒(包括急冷金属滚筒)，金属球(包括急冷金属球)等中)。在一方法中，无定形材料和含无定形材料的陶瓷可以采用美国专利US Pat No.6,254,981(Castle)所公开的火焰熔融法制备。在该方法中，金属氧化物原料(以颗粒形式，有时称之为“进料颗粒”)直接送入一燃烧器(如，甲烷-空气燃烧器，乙炔-氧燃烧器，氢氧燃烧器之类)，然后在例如水、冷却油、空气之类介质中淬冷。进料颗粒可以经研磨、聚集(如喷雾干燥法)、熔化或烧结金属氧化物而制成，进料颗粒的粒度决定了生成含有该无定形材料颗粒的粒度。
一些实施方式的无定形材料也可以采用其它技术得到，诸如激光旋转熔融自由落体式冷却，泰勒线技术，等离子体管技术，锤击技术，离心淬冷，气枪急冷，单滚和双滚淬冷，滚板淬冷和悬滴排热法(参见Brockway等人编撰的陶瓷的快速固化(《Rapid Solidification of Ceramics》)一书，金属和陶瓷信息中心，俄亥俄州Columbus的国防信息分析中心部，1984年1月)。无定形材料也可以通过其它诸如合适前驱体的热解(包括火焰或激光或等离子体辅助热解技术)，金属前驱体的物理气相合成(PVS)，以及机械化学工艺获得。
有用的无定形材料组合物包括那些共熔或接近共熔组成(如，二元和三元共熔组成)的组合物。除了本发明所揭示的组合物，其它包括四元和多元共熔组合物对见过本发明公开内容并熟悉此技术的人士来说也是显而易见的。
包括通过商业渠道购得的Al2O3(基于理论氧化物)的源，包括铝矾土(包括天然铝矾土和人工合成的铝矾土)，煅烧铝矾土，水合氧化铝(一水软铝石，三水铝矿)，铝，拜耳法氧化铝，铝矿，γ-氧化铝，α-氧化铝，铝盐，硝酸铝以及它们的混合物。Al2O3前驱体含有或仅仅提供Al2O3，也可以含有一种或多种除Al2O3之外的其它金属氧化物(包括复合Al2O3·金属氧化物材料(如，Dy3Al5O12，Y3Al5O12，CeAl11O18等)或含有它的材料)。
稀土氧化物的源及其商业来源包括稀土氧化物粉末，稀土金属，含稀土矿石，(如氟碳铈矿，独居石)，稀土盐类，稀土硝酸盐和稀土碳酸盐。稀土氧化物原料可以只有或稀土氧化物。稀土氧化物原料也可以仅含有和提供一种或多种除稀土氧化物之外的其它氧化物(包括稀土与其它金属的复合氧化物(如，Dy3Al5O12，CeAl11O18等)或含有该复合氧化物的材料)。
Y2O3的来源及其商业来源包括氧化钇粉末，钇，含钇矿石，钇盐(如，碳酸钇，硝酸钇，氯化钇，氢氧化钇，和它们的混合物)。Y2O3原料可以仅提供Y2O3，也可以还提供一种或多种除钇之外的其它氧化物(包括钇与其它金属的复合氧化物(如，Y3Al5O12)或会此复合氧化物的材料)。
包括通过商业渠道购得ZrO2(基于理论氧化物)的来源包括氧化锆粉，锆砂，锆，锆矿和锆盐(如碳酸盐，醋酸盐，硝酸盐，氯化物)，氢氧化物，以及它们的混合物。此外，ZrO2原料可以含有或提供ZrO2，也可以还含有如氧化铪等其它氧化物。HfO2的商业来源包括氧化铪粉末，铪，含铪矿石和铪盐。此外，HfO2原料含有或提供HfO2，以及诸如ZrO2等其它金属氧化物。
其它有用的金属氧化物也包括基于理论氧化物的BaO，CaO，Cr2O3，CoO，Fe2O3，GeO2，Li2O，MgO，MnO，NiO，Na2O，Sc2O3，SrO，TiO2，ZnO以及它们的混合物。它们的原料包括商业渠道原料包括其氧化物自身，复合氧化物，矿物，碳酸盐，醋酸盐，硝酸盐，氯化物，氢氧化物等等。
在一些实施方式中，有益的是通过加入颗粒状金属材料，它至少含有一种金属M(如，Al，Ca，Cu，Cr，Fe，Li，Mg，Ni，Ag，Ti，Zr，以及它们的组合物)；进入熔体或以其它方式对其它原料进行金属化，而获得至少一部分金属氧化物原料(在一些实施方式中，最好占原料的10，15，20，25，30，35，40，45，或甚至50重量％)，M的氧化物生成焓为负值。尽管不愿受理论的束缚，可以认为，金属氧化时因放热反应产生的热有利于生成均相熔体和形成无定形材料。例如，可以认为，原材料内因氧化反应产生额外的热可消除或减少热传递的不足，进而促进熔体的形成和均匀化，特别当生成的无定形颗粒的X，Y，Z尺寸超过150μm更为如此。还可以认为，额外热量有助于各种化学反应和物理过程(如致密化和球粒化过程)的完成。而且，可以认为，对于有些实施方式，氧化反应产生额外的热量对那些由于其熔点高，很难熔融而无法使用的材料也能够生成熔体。还可以认为，氧化反应产生的额外热量能够生成无定形材料，否则就不可能制得该无定形材料或所需尺寸范围的无定形材料。
本发明的另一优点在于，在生成无定形材料时，许多化学与物理过程，如熔化、致密化和球化过程在很短时间内完成，因此淬冷速率可以极高。若要了解更详细情况，请参见待批美国申请序列号＿＿＿＿＿(Attorney DocketNo.56931US007)，它与本申请于同一日期提交。
根据本发明，添加某些金属氧化物会改变含磨粒的陶瓷的性质和/或结晶结构或显微结构，以及制备陶瓷原料和中间体的加工工艺。例如，添加诸如MgO，CaO，Li2O，和Na2O已经发现能改变玻璃的Tg和Tx(其中Tx为结晶温度)。尽管不希望受理论的束缚，可以认为，添加这类材料会影响玻璃的生成。而且，添加这些氧化物会降低整个体系的熔点(即驱使体系朝向共熔组成)，以及便于玻璃的形成。在多元体系中(四元体系等)复合共熔物具有形成更好的玻璃生成能力。熔体态和玻璃态在有效范围内的粘度也受所添加诸如MgO，CaO，Li2O，和Na2O一类氧化物的影响。
一般来说，根据本发明的无定形材料或玻璃陶瓷具有X，Y和Z尺寸，它们互成垂直，其中X，Y和Z尺寸至少10μm(在一些实施方式中，最好至少30μm，35μm，40μm，45μm，50μm，75μm，100μm，150μm，200μm，250μm，500μm，1000μm，2000μm，2500μm，1mm，5mm，或甚至10mm)。材料的X，Y和Z尺寸的大小可以或目测或用显微镜测量，取决于尺寸的范围。报道的Z尺寸例如为球粒的直径、棱形体的长径、涂层的厚度。
无定形材料和包含无定形材料的陶瓷的晶化，也受添加某些材料的影响。例如，某些金属，金属氧化物(如钛酸盐和锆酸盐)和氟化物可以起成核剂的作用，有利于形成异相晶核。另外，添加有些氧化物会改变无定形材料在重新加热时析晶作用的亚稳态性质。另一方面，对于含结晶ZrO2的陶瓷，最好添加一些金属氧化物(如，Y2O3，TiO2，CaO，以及MgO)，它们能稳定ZrO2的四方/立方晶形。
根据本发明制造陶瓷时，通常要考虑金属氧化物原料和其他添加剂的选择，例如，所得陶瓷的所需组成和含陶瓷晶粒的显微结构，晶化程度(如果有结晶的话)以及所需的物理性质(如硬度或韧性)，避免或减少杂质的出现，和/或包括制造陶瓷时采用的工艺(包括熔化和/或固化前/和/或期间，原料的纯化及其设备)。
在有些情况下，最好添加选自下列一组有限量的金属氧化物：Na2O，P2O5，SiO2，TeO2，V2O3，以及它们的混合物。它们的源包括商业渠道的源包括它们的氧化物本身，复合氧化物，矿物，碳酸盐，醋酸盐，硝酸盐，氯化物，氢氧化物等等。加入这些氧化物用以修改所生成磨粒的物理性质和/或改善工艺。这些氧化物的用量通常大于占玻璃陶瓷重量0-20％，较佳0-5％，最佳0-2％。
金属氧化物原料和其它添加剂可以为任何形式，只要适合本发明制备含磨粒的陶瓷的工艺与设备即可。原料可以采用本领域用来制备氧化物玻璃和无定形金属的技术和设备进行熔化并进行淬冷。所需的冷却速率大于50K/S。本领域已知的冷却技术有轧辊激冷。轧辊激冷可以将金属氧化物原料通常在高于其熔点20-200℃的温度熔化，然后将熔体在高压下(采用诸如空气，氮气，氩气一类气体)喷射到高速旋转的辊子上冷却/淬冷。通常辊子由金属制成，并用水冷却。金属叠箱模子也可用于熔体的冷却/淬冷。
生成熔体，熔体的冷却/淬冷，和/或形成无定形材料的其它技术，包括蒸气相淬冷法，等离子体喷雾法，熔体排热法，和/或气体或离心喷雾法。可以通过溅射法进行蒸气相淬冷，此时将金属合金或金属氧化物原料形成在所采用的溅射靶内。该溅射靶固定于溅射装置内一予定位置，被喷涂的基片置于面对靶心的位置上。通常氧和氩气的压力在10-3乇。在靶子和基片之间产生放电。氩离子或氧离子与靶撞击，产生溅射，在基片上沉积一组合物薄膜。关于等离子体喷雾技术，请参阅待批美国申请序列号＿＿＿＿(AttorneyDocket No.57980US002)，它与本申请同一日期提交。
气体喷雾化涉及到将进料颗粒熔化，将其转变成熔体。将其细的熔体流与爆破式空气流接触而形成细小雾滴。回收到的是基本上分散并呈椭球状的玻璃颗粒(如珠)。珠粒的大小从5μm-3mm不等。可以按照美国专利US.No.5,605,870(Strom-Olsen等人)所公开的方法进行熔体排热法。在2001年4月4日出版的公开号为WO 01/27046 A1的PCT申请中，揭示的采用激光束加热的无模玻璃生成技术，也可用于本发明玻璃的制备。
冷却速率会影响被淬冷无定形材料的性质。例如，玻璃转变温度，密度和玻璃的其它性质通常会随冷却速率而改变。
快冷也可在受控气氛下，如还原性，中性或氧化性气氛中进行，可以维持和/或影响冷却期间所要求的氧化状态。气氛也可以通过影响冷液体的结晶动力学而影响玻璃的生成。例如，与在空气中冷却相比，有报道在氩气气氛下Al2O3熔体可以达到更低的过冷度，而无晶化现象。
有多种方法可以测定材料的显微结构或相组成(玻璃态/无定形/结晶)，例如采用光学显微镜，电子显微镜，差示热分析(DTA)和X-射线衍射法(XRD)获取各种各样信息。
在光学显微镜观察下，无定形材料通常主要呈透明状，这是由于没有晶界一类光散射中心所致，而结晶材料因含晶粒显微结构，由于光的散射效应而呈不透明状。
对于珠粒可计算无定形百分产率，采用-100+120目级分(即网眼为150μm和125μm两个筛子间收集的级分)计算获得。按如下方式进行测量。在玻璃板上舖上一单层珠粒，用光学显微镜进行观察。以光学显微镜目镜上的十字准线为导向，然后根据它们光学透明度，对沿直线上的珠粒的无定形或结晶颗粒计数。总计数量为500，测得的无定形珠粒除以总计数为测得的无定形百分产率。
采用DTA，如果材料对应的DTA曲线中含有放热结晶峰(Tx)则归类为无定形。如果同一曲线也含有吸热峰(Tg)，其温度低于Tx，则认为它含有玻璃相。如果材料TDA曲线中没有这些峰，则认为含有结晶相。
按如下方法进行差示热分析(DTA)。DTA采用德国Selb的Netzsch仪器公司，其商品名为“NETZSCH STA 409 DTA/TGA”的仪器进行。采用-140+170目级分(即网眼为150μm和125μm两个筛的之间收集的级分)。将每次过筛过样品(通常为400mg)置于100μl Al2O3样品管内，每个样品在静止空气中加热，加热速率从室温(约为25℃)到1,100℃为10℃/分钟。
采用粉末X-射线衍射即XRD(新泽西州Mahwah的菲利普公司的商品名为“PHILLIPS XRG3100”，采用1.54050的Cu Kα1线)，测得材料的衍射峰，经与粉末衍射标准联合委员会(JCPDS)数据库提供的结晶材料的XRD晶相衍射图上的衍射峰(国际衍射数据中心出版)进行比较。而且，测得的XRD衍射图可对相的类型进行定性分析。如果有较宽强度弥散的峰，说明它为无定形材料。如果有明显峰，说明无定形基体中有结晶物质。最初形成的无定形材料或陶瓷(包括结晶之前的玻璃)，其尺寸可比所要求的大。采用本领域已知的粉碎和/或研磨技术，可将无定形材料或陶瓷颗粒变小，包括辊压粉碎，canary磨，颚式破碎，锤式研磨，球磨，气流磨，撞击破碎一类技术。在一些实施例中，要求二次或多次粉碎步骤。例如，生成陶瓷后(固化后)，颗粒可能比要求的大。第一步先将其中稍大，质量相对较大的颗粒破碎成小块。可以采用锤式研磨机，撞击破碎机或颚式破碎机完成。然后将较小颗粒研磨成所要求颗粒分布的粉体。为了达到所要求粒度分布(有时也称之为磨粒尺寸或粒级)，必要时采用多次粉碎。通常粉碎条件最佳化可获得所要求的颗粒形状与粒度分布。如果颗粒太大，可以重磨。如果他们太细的话，可以回收作原料重熔。
磨粒的形状取决于陶瓷组成和/或显微结构，冷却时的几何形式，以及陶瓷颗粒粉碎的方式(即所采用的粉碎技术)。通常，凡块状颗粒较称心的话，则要消耗更多的能量才能获得该形状。相反地，尖状颗粒消耗的能量较少。改变粉碎技术可获得不同形状要求的粉粒。对有些颗粒，平均长短径之比范围从1∶1-5∶1，通常在1.25∶1-3∶1，或甚至较佳在1.5∶1-2.5∶1之间。
本发明另一个内容为直接形成所要求形状的磨粒(包括结晶前的玻璃)。例如，磨粒可通过将熔体浇到模子中形成(包括模制)。
本发明另一个内容是例如凝结而成为陶瓷(包括结晶前的玻璃)。凝结的实质是两个或两个以上小颗粒形成较大尺寸的物体。例如，包括颗粒(如由破碎而得到)(包括珠粒和微球)，纤维等无定形材料可以形成较大颗粒。例如，将含无定形材料的颗粒和/或纤维加热到Tg温度之上，使得颗粒等凝结成大的形体，再冷却此聚结的形体，就可以得到陶瓷(包括结晶前的玻璃)。凝结的温度和压力取决于无定形材料的组成和生成材料所要求的密度。温度应低于玻璃结晶温度，并且对于玻璃而言，要高于玻璃转变温度。在一些实施方式中，加热温度在850°-1100℃之间(在一些实施方式中，最好在900-1000℃之间)。通常在0-1GPa或更高压力下进行凝结，这样有助于无定形材料的凝结。在一个实施方式中，将颗粒料装在模子中热压，温度高于玻璃转变温度，此时玻璃的粘滞流动导致其凝结成相对较大的部件。典型凝结技术的实施例，包括热压，热等静压，热挤压一类。通常产生的凝结体，要在进一步热处理之前先将其冷却。热处理后，可将凝结体破碎成较小颗粒或所需的粒度分布，如有此要求的话。
根据本发明，将玻璃或含玻璃(包括珠粒，微球，以及粉末(经破碎而成)和纤维等)的颗粒加热到Tg温度之上，使得含玻璃等的颗粒凝结成一形体，再冷却，可以制得制造磨粒的玻璃。在一些实施方式中，加热温度在85°-1100℃之间。通常在压力下凝结，这样有助于玻璃的凝结。在一个实施方式中，将玻璃颗粒置于模子中热压，热压温度高于玻璃转变温度，此时玻璃的粘滞流动导致其凝结成相对较大的部件。本发明又一个内容是进行额外热处理，进一步改善材料所要求的性质。例如，可以进行热等静压(如，在温度900°-1400℃下进行)，去除残存孔隙，提高材料密度。本发明的还有一个内容是通过热等静压进行玻璃颗粒的凝结。也可选择对生成的凝结体进行热处理提供玻璃陶瓷，结晶陶瓷或直接含结晶陶瓷的陶瓷。
本发明又一个内容是进行额外热处理进一步改善材料所要求的性质。例如，热等静压(如，在温度900°-1400℃下进行)，去除残存孔隙，提高材料密度。也可以对生成的凝结体进行热处理，提供玻璃陶瓷，结晶陶瓷或含结晶陶瓷的陶瓷。
也可采用各种方法使无定形材料和/或玻璃陶瓷发生凝结，包括无压或加压烧结(如，烧结，等离子体辅助烧结，热压，等静压，热煅，热挤压等)。
可以任何方式进行热处理，包括本领域已知对玻璃进行热处理玻璃陶瓷的方法。例如，热处理可按批量进行，可以采用电阻，感应或燃气加热炉。热处理也可以连续式，如采用回转窑进行。采用回转窑情况时，材料在直接送入的高温度回转窑。在最高温度逗留时间从数秒(在一些实施方式中，甚至少于5秒)到数分钟，数小时。温度为900-1600℃，典型在1200°-1500℃。本发明的内容也包括批量热处理(如，成核阶段)和连续热处理(如，成晶阶段，以及为达到所要求密度)。对于成核阶段，温度范围通常在900-1100℃之间，在一些实施方式中，较佳在925-1050℃。同样，在致密阶段，温度通常在1100-1600℃之间，在一些实施方式中，较佳在1200-1500℃之间。物料直接送入高温的炉内，进行热处理。另外，物料也可送入较低温度(如室温)的入炉内，然后，按预定升温速率加热到所要求温度。本发明的另一内容是在空气以外的其它气氛下进行热处理。在一些场合下，要求在还原性气氛下进行热处理或许更理想。有时候要求在一定压力下，如热等静压，或在气体压力炉中进行热处理更为理想。本发明的范围包括将生成的制品或经热处理的制品转换(如，破碎)成颗粒(如，磨粒)。
无定形材料经热处理，使至少其部分结晶成为玻璃陶瓷。本领域已知某些玻璃经热处理后可生成玻璃陶瓷。对于各种各样玻璃加热成核条件和玻璃陶瓷中晶粒成长的条件已为人所知。此外，本领域熟练人员能够采用本领域已知技术从玻璃时间-温度-转变(TTT)研究中决定合适条件。本领域熟练人员在阅读本发明公开技术后，能够为本发明玻璃求出TTT曲线，决定合适的成核和/或晶体成长条件，提供本发明的玻璃陶瓷。
通常，玻璃陶瓷强度大于由它生成的无定形材料。因此，材料强度可以通过无定形材料转变成结晶陶瓷相的程度进行调整。取代前者，或此外，从产生的成核数目影响材料的强度，它反过来再用来影响结晶相晶粒的数目和尺寸。详情请参阅P.W.McMillan编写的玻璃陶瓷(Glass-Ceramics，1979年第二版Academic出版社)关于生成玻璃陶瓷一节内容。
例如，在热处理某些无定形材料来制造本发明的玻璃陶瓷时，会生成La2Zr2O7相，如果ZrO2存在的话，且当温度高于900℃时，可观察到立方/四方ZrO2，有些场合下还可见到单斜ZrO2。尽管不愿受理论束缚，可以认为，与氧化锆相关的相是从无定形材料成核的第一批相。通常认为当温度高于925℃时，形成Al2O3，ReAlO3(这里Re至少为一种稀土离子)，ReAl11O18，Re3Al5O12，Y3Al5O12等相。一般说来，成核阶段中晶粒大小为纳米级。例如，观察到的晶粒可以小到10-15nm。至少在有些实施方式中，在约1300℃热处理时，时间长达1小时，可以发生完全的结晶。一般说来，成核阶段或晶体长长阶段时，热处理时间可从数秒(在一些实施方式中，甚至少于5秒)到数分钟，或一小时以上。
本发明陶瓷中可出现的结晶相的例子包括复合Al2O3金属氧化物(如，复合Al2O3REO(如，ReAlO3(如GdAlO3，LaAlO3)，ReAl11O18(如LaAl11O18)，和Re3Al5O12(如Dy3Al5O12))，复合Al2O3·Y2O3(如Y3Al5O12)，和复合ZrO2·REO(如，La2Zr2O7))，Al2O3(如α-Al2O3)，以及ZrO2(如立方ZrO2和四方ZrO2)。
本发明的另一内容，是用其它阳离子替换复合Al2O3·金属氧化物(如复合Al2O3·Y2O3，铝酸钇，呈现石榴石结晶结构)中部分的Y离子和铝离子。例如，复合Al2O3·Y2O3中部分Al离子可被选自下列一组元素中的一种离子替换：Cr，Ti，Sc，Fe，Mg，Ca，Si，Co及其它们的混合物。例如，复合Al2O3·Y2O3中部分Y离子可被下列一组元素中至少一种离子：Ce，Dy，Er，Eu，Gd，Ho，La，Lu，Nd，Pr，Sm，Th，Tm，Yb，Fe，Ti，Mn，V，Cr，Co，Ni，Cu，Mg，Ca，Sr以及它们的混合物替换。类似地，本发明一个内容，将氧化铝中铝的部分替换。例如Cr，Ti，Sc，Fe，Mg，Ca，Si和Co可替换氧化铝中的铝。上述阳离子的替换也会影响熔凝材料的性质(如硬度，韧性，强度，导热性等)。
本发明的另一内容，用其它离子替换复合Al2O3金属氧化物(如复合Al2O3.REO)部分的稀土和/或铝离子。例如，复合Al2O3.REO中部分的铝被至少下列一组元素：Cr，Ti，Sc，Fe，Mg，Ca，Si，Co以及它们的混合物中一个离子所替换。例如，复合Al2O3.REO中的Y可被至少下列一组元素：Y，Fe，Ti，Mn，V，Cr，Co，Ni，Cu，Mg，Ca，Sr以及它们的混合物中一个离子所替换。类似地，本发明的另一内容，用其它离子替换氧化铝中部分的铝。例如，Cr，Ti，Sc，Fe，Mg，Ca，Si和Co可以替换氧化铝中铝。上述阳离子的替换会影响熔凝材料的物理性质(如硬度，韧性，强度，导热性等)。
根据美国材料试验学会(ASTM)的标准E112-96《测定平均晶粒粒度的标准试验方法》中的截取法测定晶粒平均尺寸。将样品镶入镶装树脂(购自伊利诺斯州Lake Bluff的Buehler公司，商品名为“TRANSOPTIC POWDER”中，得的是直径2.5cm，高为1.9cm的树脂块，采用常规抛光技术和抛光机(购自伊利诺斯州Lake Bluff的Buehler公司，商品名为“ECOMET3”)制备样品截面。样品用金刚石轮抛光3分钟，再每次用45，30，15，9，3，以及1μm磨粒的浆料抛光5分钟。镶装和抛光的样品上溅射一层金-钯，然后用扫描电镜(如JEOL公司的JSM840A型扫描电镜)观察。通常用样品中观察到的显微结构背散射电镜照片(BSE)按照如下方法，测定平均晶粒大小。对横贯照片上任意一根直线单位长度(NL)上截取的晶粒计数。由该数目按如下公式计算求得平均晶粒粒径为：
其中，NL为单位长度上截得的晶粒数，M为显微镜放大倍数。包括磨粒的本发明陶瓷包含至少1，2，3，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，97，98，99，或甚至100体积％的晶粒，其中晶粒的平均粒径＜1μm。在另一个实施例中，包括磨粒的陶瓷包含至少1，2，3，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，97，98，99，或甚至100体积％的晶粒，其中晶粒的平均粒径＜0.5μm。在另一实施例中，包括磨粒的陶瓷包含至少1，2，3，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，97，98，99，或甚至100体积％的晶粒，其中晶粒的平均粒径＜0.3μm。在另一实施例中，包括磨粒的陶瓷包含至少1，2，3，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，97，98，99，或甚至100体积％的晶粒，其中晶粒的平均粒径＜0.15μm。
本发明陶瓷中可能存在的结晶，包括Al2O3(如α-Al2O3和过渡Al2O3)，REO，HfO2，ZrO2以及一种以上下列其它金属氧化物BaO，CaO，Cr2O3，CoO，Fe2O3，GeO2，Li2O，MgO，MnO，NiO，Na2O，P2O5，Sc2O3，SiO2，SrO，TeO2，TiO2，V2O3，Y2O3，ZnO，“复合金属氧化物”(包括复合Al2O3·金属氧化物(如，复合Al2O3·REO))和它们的混合物。
通常，本发明的陶瓷的(真)密度，有时也称比重，一般至少为理论值的70％，较理想至少为75％，80％，85％，90％，95％，96％，97％，98％，99％，99.5％，或甚至100％的理论值。
关于含有Al2O3，至少REO或Y2O3中之一，以及ZrO2或HfO2中之一的陶瓷，包括它们的制造，使用和性质等其它资料，可参阅于2001年8月2日提交的美国专利申请序列号US Serial No.09/922,526，09/922,527和09/922,530，以及与本发明同一天提交的申请序列号US SerialNo.＿＿＿＿＿(Attorney Docket号：56931US005，56931US006，56931US007，56931US008，56931US009，56931US010，57980US002，以及57981US002。
生成本发明的玻璃陶瓷时，对无定形材料进行热处理形成的结晶可以是等轴晶，柱状晶或片状晶。
根据本发明，尽管无定形材料，玻璃陶瓷等可以是块形材料，本发明的一个内容就是提供含有无定形材料，玻璃陶瓷等的复合材料。这种复合材料中可以包含一个相，或多根纤维(连续或不连续)或颗粒(包括晶须)(如，金属氧化物颗粒，硼化物颗粒，碳化物颗粒，氮化物颗粒，金刚石颗粒，金属颗粒，玻璃颗粒以及它们的混合物)分散于无定形材料，玻璃陶瓷中或层状复合结构(如，从玻璃陶瓷到用来制造该玻璃陶瓷的无定形材料的浓度梯度和/或玻璃陶瓷不同组合物的许多层)。
根据本发明的磨粒通常含有如，75，80，85，90，91，92，93，94，95，96，97，98，99，99.5，或甚至100体积％的结晶陶瓷。在另一方面，本发明提供的颗粒粒度分布从细到粗的众多颗粒，其中至少一部分众多颗粒是本发明的磨粒。在另一方面，磨粒通常含有例如，75，80，85，90，91，92，93，94，95，96，97，98，99，99.5，或甚至100体积％的玻璃陶瓷。
本发明材料的平均硬度按下步序测定。将样品镶入镶装标本树脂(购自伊利诺斯州Lake Bluff的Buehler公司，商品名为“TRANSOPTIC POWDER”，得的是直径2.5cm，高为1.9cm树脂块，采用常规抛光技术和抛光机(伊利诺斯州Lake Bluff的Buehler公司，商品名为“ECOMET3”)制备样品截面。样品用金刚石轮抛光3分钟，再每次用45，30，15，9，3以及1μm磨粒浆料抛光5分钟，采用常规显微硬度测试仪测定显微硬度(日本东京的Mitutoyo公司产商品名为MITUTOYO MVK-VL)，采用100g压痕负载的维氏压头，按照ASTM E384材料显微硬度测试方法(1991年)进行显微硬度测试。
根据本发明的研磨颗料可采用本领域已知技术进行筛分分级，包括使用工业界认定的分级标准，如美国国家标准学会(ANSI)，欧洲磨具制造商联合会(FEPA)和日本工业标准(JIS)。根据本发明的磨粒粒径的范围较宽，通常在0.1-5000μm之间，较佳在1-2000μm之间，理想的在5-1500μm之间，更理想的在100-1500μm之间。
在给定颗粒粒度分布范围内，颗粒大小范围从大到小。有时被称之为“粗”，“中”和“细”三段。根据业界接受的分级标准而分级的磨粒规定了每个标称粒级的颗粒粒度分布在数值范围之内。这类业界接受的粒级标准(即规定的标称粒级)包括所知的美国国家标准学会(ANSI)的标准，欧洲磨具制造商联合会(FEPA)的标准，以及日本工业标准局(JIS)标准。ANSI的粒级规定有：ANSI4，ANSI6，ANSI8，ANSI16，ANSI24，ANSI36，ANSI40，ANSI50，ANSI60，ANSI80，ANSI100，ANSI120，ANSI150，ANSI180，ANSI220，ANSI240，ANSI280，ANSI320，ANSI360，ANSI400，和ANSI600。根据本发明的磨粒的较佳粒级规定为ANSI8-220。FEPA的粒级规定有P8，P12，P16，P24，P36，P40，P50，P60，P80，100，P120，P150，P180，P220，P320，P400，P500，P600，P800，P1000，和P1200。根据本发明的磨粒的较佳粒级规定为P12-220。JIS的粒级规定有JIS8，JIS12，JIS16，JIS24，JIS36，JIS46，JIS54，JIS60，JIS80，JIS100，JIS150，JIS180，JIS220，JIS240，JIS280，JIS320，JIS360，JIS400，JIS500，JIS600，JIS800，JIS1000，JIS1500，JIS2500，JIS4000，JIS6000，JIS8000，和JIS10,000。根据本发明的研磨颗料的较佳粒级规定为JIS8-220。
破碎与过筛后，通常得到多种不同粒度分布与级别的磨粒。这些级别也许一时无法满足制造商或供应商的需要。为了减少库存，有可能将不符合要求的颗粒重新回收熔化，生成玻璃。可在破碎阶段后进行回收，将大颗粒或过细颗粒(有时称之为细粉)，没有筛成具体粒度分布内的物料回收。
在另一方面，本发明提供了磨粒的制造方法。该方法包括将玻璃颗粒经热处理提供含有本发明玻璃陶瓷的磨粒。本发明也可提供磨粒的制造方法。该方法包括将玻璃颗粒经热处理提供含有本发明玻璃陶瓷的磨粒，再将热处理后的材料进行破碎，提供的是含本发明陶瓷-玻璃的磨粒。比明显结晶的玻璃陶瓷或结晶材料的破碎，玻璃破碎时更易生成较尖锐状的颗粒。
在另一方面，本发明提供磨粒的聚集物，它包括本发明众多用粘结剂粘结的磨粒。在另一方面，本发明提供的磨具(如涂覆型磨具，粘结型磨具，包括玻璃质粘结的、香树脂粘结的和金属粘结的磨轮和切割轮，工具镶装尖和镗磨石，非织造磨具和研磨刷)包含粘结剂与众多磨粒。其中至少部分磨粒为本发明磨粒(包括磨粒的聚集物)。本领域熟练人员已经知道制备与使用磨粒的方法。而且，本发明的磨粒可以用于磨具用途，如将磨粒作研磨化合物(先抛光化合物)的浆料，磨介，喷丸介质，振动磨介等一类。
涂覆型磨具通常包括一个背衬，磨粒以及至少一种将磨粒粘结到背衬上的粘结剂。背衬可以为任何一种合适的材料，如布，聚合物膜，纤维，非织造布，纸，以及它们的结合和经处理的材料。粘结剂可以是任一种粘结剂，包括无机粘结剂，有机粘结剂(包括热固树脂和其它辐射固化树脂)。磨粒可存在于涂覆磨具的一面或两面上。
图1所示为涂覆型磨具的实例。参见该图，本发明的涂覆型磨具1具有背衬(基片)2和研磨层3。研磨层3包括本发明的磨粒4，它被初始结合涂层5和胶结涂层6固定在背衬2的一个主面上。在有些情况下，还采用上胶结涂层(并未显示)。
粘结型磨具通常包括磨粒通过有机粘结剂，金属粘结剂或玻璃质粘结剂粘结成的一定形体。这类形体，例如，可以是轮如磨轮或切割轮。磨轮直径通常为1cm-超过1m，切割轮直径在1cm-超过80cm之间(较典型在3cm-50cm之间)。切割轮的厚度通常在0.5mm-5cm，(较典型在0.5mm-2cm之间)。该形体也可以是镗磨石，片段，工具镶装尖，圆盘(如双盘磨)或其它常规粘结型磨具。粘结型磨具通常含有约占其总体积的3-50体积％的粘结材料，约30-90体积％磨粒(或磨粒混合料)，高达50体积％的添加剂(包括研磨助剂)和高达70体积％的孔隙。
较佳形状为磨轮。参见图2，图中所述的是根据本发明的磨轮10。它包括本发明的磨粒11，模制成轮状，装在轮毂12上。
本发明的非织造型磨具通常包括本发明分布在敞开多孔疏松的纤维结构上的磨粒，通过有机粘结剂固定在其上，该纤维丝例子包括聚酯纤维，聚酰胺纤维和聚芳酰胺纤维。图3为放大约100倍的典型非织造型磨具的示意图。根据本发明这种非织造型磨具中，纤维层50作基片，通过粘接剂54将本发明磨粒52粘结在其上。
有用的研磨刷包括那些具有众多硬毛与背衬成一整体的研磨刷，如参见美国专利US Pat.No.5,427,595(Pihl等人)，5,443,906(Pihl等人)，5,679,067(Johnson等人)，以及5,903,951(Ionta等人)，这里参考结合之。较理想的是这些研磨刷由聚合物与磨粒的混合物经注射成型而制得。
制备磨具用的合适有机粘结剂为热固型有机聚合物。它们的例子包括酚醛树脂，脲醛树脂，密胺甲缩醛树脂，聚氨酯树脂，丙烯酸酯树脂，聚脂树脂，接有α，β-不饱和羰基侧基的氨基塑料树脂，环氧树脂，丙烯酸化聚氨酯，丙烯酸化环氧化物，以及它们的混合物。粘结剂和/或磨具还可以包含诸如纤维，润滑剂，增湿剂，触变剂，表面活性剂，颜料，染料，抗静电剂(如碳黑，氧化钒，石墨等)，偶合剂(如硅烷，钛酸盐，锆铝酸盐等)，增塑剂，悬浮剂一类添加剂。这些可用的添加剂的用量经选择使其达到理想的性质。偶合剂可改善磨粒和/或填料的粘性。粘结剂可以是热固的，辐照固化的，或两者兼而有之。有关粘结化学请参阅美国专利US Pat.No 4,588,419(Caul等人)，4,751,138(Tumey等人)，以及5,436,063(Follett等人)。
更具体有关玻璃质粘接磨具，玻璃质粘结材料，其呈现无定形结构，通常很硬，这一事实早为本领域所熟知。在一些场合下，玻璃质粘结材料包含晶粒相。根据本发明的玻璃质粘结磨具可以是轮子(包括切割轮)，镗磨石，工具装类或其它常规的粘结磨具。根据本发明，较佳玻璃质粘结磨具为磨轮。
用来形成玻璃质粘结材料的金属氧化物例子包括：二氧化硅，硅酸盐，氧化铝，苏打，氧化钙，氧化钾，二氧化钛，氧化铁，氧化锌，氧化锂，氧化镁，三氧化二硼，硅酸铝，硼硅酸盐玻璃，硅酸锂铝，以及它们的混合物。通常玻璃质粘结材料可以包含10-100％的玻璃料，较典型的为20-80％的玻璃料，或30-70％的玻璃料。剩余部分可以为非玻璃料。玻璃质粘结还可以从非玻璃料组合物形成。玻璃质粘接材料在700-1500℃温度范围内固化，通常在800-1300℃之间，有时候在900-1200℃之间，或甚至在950-1100℃之间固化。固化的实际温度取决于具体粘结材料的要求。
较佳的玻璃质粘结材料，可包含二氧化硅，氧化铝(较理想的是至少10重量％的氧化铝)和三氧化二硼(较理想的是至少10重量％的氧化硼)。大多数场合下，玻璃质粘结材料还包含碱金属氧化物(如，Na2O和K2O)(有时候至少10重量％的碱金属氧化物)。
粘结剂材料也可以含有填料或研磨助剂，通常为颗粒状。一般说来，这些颗粒物料为无机材料。合适的填料包括：金属碳酸盐(如，碳酸钙(如，白垩，方解石，灰泥，钙华，大理石和石灰石)，碳酸钙镁，碳酸钠，碳酸镁，二氧化硅(如，石英，玻璃珠，玻璃泡和玻璃纤维)，硅酸盐(如，滑石，粘土，蒙脱土，长石，云母，硅酸钙，偏硅酸钙，铝硅酸钠，硅酸钠)，金属硫酸盐(如，硫酸钙，硫酸钡，硫酸钠，硫酸铝钠，硫酸铝)，石膏，蛭石，木屑，三水合铝，碳黑，金属氧化物(如，氧化钙(石灰)，氧化铝，二氧化钛)以及金属亚硫酸盐(如，亚硫酸钙)。
通常添加研磨助剂可增加磨具的使用寿命。研磨助剂是一种具有明显影响研磨化学与物理过程的材料，能改善研磨性能。尽管不愿受理论束缚，可以认为，研磨助剂会(a)降低磨粒与被研磨工件之间的磨擦力，(b)防止磨粒“封盖”(即，阻止金属颗粒焊接在磨粒的顶部)，或至少降低磨粒被“封盖”的机会，(c)降低磨粒与工件之间界面温度，或(d)降低研磨力。
研磨助剂包括众多不同材料，可以为无机材料，也可以是有机材料，研磨助剂的例子包括：石蜡，有机卤化物，卤化物，金属和它们的合金。有机卤化物在研磨期间会分解，会放出氢卤酸或卤化物气体。这类材料的例子有氯化的腊，如四氯萘，五氯萘，以及聚氯乙烯。卤盐有氯化钠，钾冰晶石，钠冰晶石，氨冰晶石，四氟硼酸钾，四氟硼酸钠，四氟化硅，氯化钾和氯化镁。金属包括锡，铅，铋，钴，锑，镉和铁，钛。其它各种研磨助剂有硫，有机硫化合物，石墨，金属硫化物。本发明一个内容是使用各种研磨助剂的混合物，有些场合会产生协同效应。较佳的辅料为冰晶石，最佳为四氟硼酸钾。
研磨助剂在涂覆型和粘结型磨具中特别有用。在涂覆型磨具，研磨助剂通常用在上胶结涂层中，这种涂层覆盖于磨粒的表面。然而有时候研磨助剂加入胶结涂层中。通常研磨助剂的加入量为50-300g/m2(较理想为80-160g/m2)。在玻璃质粘结磨具中，研磨助剂通常浸渍进入在磨具的空隙内。
本发明的磨具可以含有100％磨粒，或该磨粒与其它磨粒和/或稀释颗粒的混合物。然而，本发明磨粒至少占磨具重量的2％，理想的为5％，更理想的为30-100％。在一些实施例中，本发明磨粒可以与其它磨粒和/或稀释颗粒以5-75重量％，25-75重量％，40-60重量％，或50-50重量％(即重量相等)的比例混合。合适的常规的磨粒例子为熔凝氧化铝(包括白色熔凝氧化铝，热处理氧化铝和棕色氧化铝)，碳化硅，碳化硼，碳化钛，金刚石，立方氮化硼，石榴石，熔凝铝-锆复合氧化物和溶胶-凝胶法的磨粒之类。溶胶-凝胶法的磨粒可以加入晶种，也可以不加入晶种；同样溶胶-凝胶法磨粒可以是随机形状，或可以一定形状，诸如棒状或三角体状。溶胶-凝胶法磨粒的例子包括那些在美国专利US Pat.No.4,314,827(Leitheiser等人)，4,518,397(Leitheiser等人)，4,623,364(Cottringer等人)，4,744,802(Schwabel等人)，4,770,671(Monroe等人)，4,881,951(Wood等人)，5,011,508(Wald等人)，5,090,968(Pellow)，5,139,978(Wood)，5,201,916(Berg等人)，5,227,104(Bauer)，5,366,523(Rowenhorst等人)，5,429,647(Larmie)，5,498,269(Larmie)，以及5,551,963(Larmie)上所述的。关于由氧化铝作原料制成的烧结氧化铝磨粒作为原料的其它资料可参阅USPat.No.5,259,147(Falz)，5,593,467(Monroe)，以及5,665,127(Moltgen)。关于熔凝磨粒的资料可参阅US Pat.No.1,161,620(Coulter)，192,709(Tone)，1,247,337(Saunders等人)，1,268,533(Allen)，和2,424,645(Baumann等人)，3,891,408(Rowse等人)，3,781,172(Pett等人)，3,893,826(Quinan等人)，4,126,429(Watson)，4,457,767(Poon等人)，5,023,212(Dubots等人)，5,143,522(Gibson等人)，以及5,336,280(Dubots等人)，以及在2000年2月2日提交的美国申请序列号US SerialNo.09,495,978,09/496,422，09/496,638，和09/496,713，以及在2000年7月19日提交的09/618,876，09/618,879，09/619,106，09/619,191，09/619,192，09/619,215，09/619,289，09/619,563，09/619,729，09/619,744和09/620,262和在2001年1月30日提交的09/772,730。在一些情况下，混合磨粒制成的磨具与含100％某种磨粒的磨具相比，研磨性能有所改善。
如果采用混合磨粒，则形成混合物的各种磨粒大小可以相同，也可以不同，例如，本发明的某种磨粒较大，而另一种磨粒可较小。相反地，本发明的某种磨粒较小，而另一种磨粒可较大。
合适稀释颗粒的例子包括大理石，石墨，燧石，二氧化硅，氧化铁，硅酸铝，玻璃(包括玻璃泡，玻璃珠)，氧化铝泡，氧化铝珠和稀释颗粒聚集物。本发明磨粒也可以与磨粒聚集物结合使用，磨粒聚集物通常包含众多磨粒，粘结剂和可用的添加剂。粘结剂可以是有机的和无机的。磨粒聚集物可以是随机形状，也可以有一定形状。形状可以是块状，圆柱状，棱锥状，圆片状，四方体状等。磨粒聚集物的大小通常在100-5000μm之间，典型在250-2500μm之间。有关磨粒聚集物的详细资料请参阅美国专利US Pat.No.4,311,489(Kressner)，4,652,275(Bloecher等人)，4,799,939(Bloecher等人)，5,549,962(Holmes等人)，以及5,975,988(Christianson)，以及2000年10月16日提交的专利申请序列号US Serial No.09/688,444和09/688,484。
磨粒在磨具内可以均匀分布，或集中在某一选定区域或位置。例如，涂覆型磨具可以有两层磨粒。第一层含有本发明磨粒之外的其它磨粒，第二层(最外层)含有本发明的磨粒。同样，在粘结型磨具中，磨轮可以有明显不同的两个部分，最外面是本发明磨粒，而里面就不含本发明磨粒。本发明磨粒也可以均匀分布在整个粘结型磨具中。
有关涂覆型磨具的详细情况请参阅US Pat.No.4,734,104(Broberg)，4,737,163(Larkey)，5,203,884(Buchanan等人)，5,152,917(Pieper等人)，5,378,251(Culler等人)，5,417,726(Stout等人)，5,436,063(Follett等人)，5,496,386(Broberg等人)，5,609,706(Benedict等人)，5,520,711(Helmin)，5,954,844(Law等人)，5,961,674(Gagliardi等人)，以及5,975,988(Christinason)。关于粘结型磨具的进一步详细情况请参阅美国专利US Pat.No.4,543,107(Rue)，4,741,743(Narayanan等人)，4,800,685(Haynes等人)，4,898,597(Hay等人)，4,997,461(Markhoff-Matheny等人)，5,037,453(Narayanan等人)，5,110,332(Narayanan等人)，以及5,863,308(Qi等人)。关于玻璃质粘接磨具的详细情况请参阅美国专利US Pat.No.4,543,107(Rue)，4,898,597(Hay等人)，4,997,461(Markhoff-Matheny等人)，5,094,672(Giles Jr.等人)，5,118,326(Sheldon等人)，5,131,926(Sheldon等人)，5,203,886(Sheldon等人)，5,282,875(Wood等人)，5,738,696(Wu等人)，以及5,863,308(Qi)。关于非织造磨具的详细情况请参阅美国专利US Pat.No.2,958,593(Hoover等人)。
本发明提供一种研磨一个表面的方法。根据本发明，该方法包括使本发明的至少一个磨粒与工件的一个表面接触；且移动该至少一个磨粒或被接触面到另一位置，用该磨粒研磨至少所述表面的一个部分。根据本发明，用磨粒研磨的方法从打磨(即高压高磨削率)到抛光(如用涂覆型研磨条对医学植入体体进行光)，其中后者通常采用较细(如比ANSI220和更细)的磨粒。磨粒也可用于精密研磨，如用玻璃质粘接磨轮研磨凸轮轴。本领域技术人员很清楚具体研磨用途的磨粒的大小。
使用本发明的磨粒可以进行干磨或湿磨。对于湿磨，液体以细雾状直至溢流的方式引入。常采用的液体例子有水，水溶性油，有机润滑剂和乳化液。液体可以降低研磨产生的热量和/或起润滑剂作用。液体可以含有微量添加剂，如杀菌剂，去泡剂一类物质。
采用本发明的磨粒可以研磨例如：金属铝，碳钢，软钢，工具钢，不锈钢，硬化钢，钛，玻璃，陶瓷，木材，类木材料，漆，漆面，有机涂面等。研磨时施力通常为1-100kg。
本发明的磨粒也可用作复合材料如，陶瓷，金属，或聚合物(热固类或热塑类)中的填料/增强材料。它可以提高基质材料的弹性模量，耐热性，耐磨性，和/或强度。虽然用于制造复合材料的颗粒的大小，性状，以及用量取决于基质材料的种类和该复合材料的用途，但增强型颗粒的大小通常在0.1-1500μm，更典型在1-500μm，较为理想的在2-100μm。用于聚合物用途的颗粒的用量通常在0.5-70重量％，更典型在1-50重量％。热固性聚合物例子有：酚类，密胺，脲醛，丙烯酸酯，环氧，聚氨酯聚合物等。热塑性聚合物的例子有：尼龙，聚乙烯，聚丙烯，聚氨酯，聚脂，聚酰胺等。
用于本发明的增强聚合物材料(即分散于聚合物内的本发明的磨粒)的例子包括例如混凝土，家具，地面，道路，木材，类木材料，陶瓷等的保护涂层以及抗滑涂层和注塑部件。
下面一些实施例进一步说明本发明的优点和实施方式，但实施例中应用的具体材料和它们的用量，以及其它条件和细节不应理解成对本发明的不当限制。除非另有说明，所有份数和百分率均以重量计。除非另有说明，所有实施例均不含SiO2，B2O3，P2O5，GeO2，TeO2，As2O3，和V2O5的明显数量。
实施例
实施例1
在一聚乙烯瓶内装入819.6g氧化铝颗粒(亚利桑那州Tucson的CondeaVista公司，商品名为“APA-0.5”)，818g氧化镧颗粒(美国鉬公司)颗粒，362.4g钇稳定氧化锆颗粒(GA Marietta的锆销售公司，品名“HSY-3”)，1050g蒸馏水。瓶内加入2000g二氧化锆磨介(新泽西州Bound Brook分部的TOSOH工厂，品名“YTZ”)，在转速为120rpm下研磨24小时，使物料充分混合。研磨后取出磨介，将浆料倒到一玻璃盘(派力克斯)上，用热吹风机干燥。经干燥的物料用研钵研磨，过70目的筛子(212μm网眼)。
研磨与过筛后，将一些物料颗粒送入氢/氧炬焰。用于熔化物料颗粒，产生熔滴的炬是Bethlehem台式燃烧器，PM2D B型(PA州Hellertown的Bethlehem公司)。氢氧气体流量如下：对于内环，氢的流量为8标准升/分(8SLPM)，氧的流量为3SLPM。对于外环，氢的流量为23SLPM，氧的流量为9.8SLPM。经干燥分级的颗粒输入炬焰中熔化，然后并倒到倾斜度为45°，表面用水冷却(约8L/分)的不锈钢板(约51cm宽)上，形成熔珠。
实施例2-25
按实施例1所述的方法制备实施例2-25的熔珠，不同的是采用的原材料及其用量列在下面表1中，原材料与90ml异丙醇和约200g二氧化锆磨介(新泽西州Bound Brook分部的TOSOH工厂，品名“YTZ”)一起在聚乙烯瓶内以120转/分研磨24小时。
表1 实施例 各组分重量百分数 批料量，g 2* La2O3：48 Al2O3：52 La2O3：240 Al2O3：260 3 La2O3：43 Al2O3：32 ZrO2：12 SiO2：13 La2O3：21.5 Al2O3：16 ZrO2：6 SiO2：6.5 4 La2O3：45.06 Al2O3：34.98 ZrO2：19.96 La2O3：22.53 Al2O3：17.49 ZrO2：9.98 5 La2O3：38.65 Al2O3：38.73 ZrO2：22.62 La2O3：19.33 Al2O3：19.37 ZrO2：11.31 6 La2O3：32.58 Al2O3：52.98 ZrO2：14.44 La2O3：16.2 Al2O3：26.49 ZrO2：7.22 7 CeO2：41.4 Al2O3：40.6 ZrO2：18 CeO2：20.7 Al2O3：20.3 ZrO2：9.00 8 Al2O3：41.0 ZrO2：18.0 Gd2O3：41.0 Al2O3：20.5 ZrO2：9.0 Gd2O3：20.5 9 Al2O3：40.9 Er2O3：40.9 ZrO2：18.2 Al2O3：20.45 Er2O3：20.45 ZrO2：9.1 10 La2O3：35.0 Al2O3：40.98 ZrO2：18.12 Nd2O3：5.0 La2O3：17.5 Al2O3：20.49 ZrO2：9.06 Nd2O3：2.50
11 La2O3：35.0 Al2O3：40.98 ZrO2：18.12 CeO2：5.0 La2O3：17.5 Al2O3：20.49 ZrO2：9.06 CeO2：2.50 12 HfO2：35.5 Al2O3：32.5 La2O3：32.5 HfO2：17.75 Al2O3：16.25 La2O3：16.25 13 La2O3：41.7 Al2O3：35.4 ZrO2：16.9 MgO：6.0 La2O3：20.85 Al2O3：17.7 ZrO2：8.45 MgO：3.0 14 La2O3：43.02 Al2O3：36.5 ZrO2：17.46 Li2CO3：3.0 La2O3：21.51 Al2O3：18.25 ZrO2：8.73 Li2CO3：1.50 15 La2O3：38.8 Al2O3：40.7 ZrO2：17.5 Li2CO3：6 La2O3：19.4 Al2O3：20.35 ZrO2：8.75 Li2CO3：3 16 La2O3：43.02 Al2O3：36.5 ZrO2：17.46 TiO2：3.0％ La2O3：21.51 Al2O3：18.25 ZrO2：8.73 TiO2：1.50 17 Y2O3：45.06 Al2O3：34.98 ZrO2：19.96 Y2O3：14.35 Al2O3：26.35 ZrO2：9.3 18 Y2O3：27.6 Al2O3：57.5 ZrO2：14.9 Y2O3：13.8 Al2O3：23.75 ZrO2：7.45
19 Y2O3：27.44 Al2O3：57.14 ZrO2：15.43 Y2O3：13.72 Al2O3：28.57 ZrO2：7.71 20 Y2O3：28.7 Al2O3：55.7 ZrO2：15.5 Y2O3：14.35 Al2O3：27.85 ZrO2：7.75 21 Y2O3：19 Al2O3：51 ZrO2：17.9 La2O3：12.1 Y2O3：9.5 Al2O3：25.5 ZrO2：8.95 La2O3：6.05 22 Y2O3：19.3 Al2O3：50.5 ZrO2：17.8 Nd2O3：12.4 Y2O3：9.65 Al2O3：25.25 ZrO2：8.9 Nd2O3：6.2 23 Y2O3：27.4 Al2O3：50.3 ZrO2：17.8 Li2CO3：4.5 Y2O3：13.7 Al2O3：25.15 ZrO2：8.9 Li2CO3：2.25 24 HfO2：20.08 Al2O3：46.55 Y2O3：25.37 HfO2：14.04 Al2O3：23.27 Y2O3：12.67 25 Y2O3：27.4 Al2O3：50.3 ZrO2：17.8 MgO：4.5 Y2O3：13.7 Al2O3：25.15 ZrO2：8.9 MgO：2.25
*此实施例的研磨步骤与实施1采用的相同。
表2原料来源氧化铝颗粒(Al2O3)亚利桑那州Tucson的Condea Vista公司，品名为“APA-0.5”氧化钙颗粒(CaO)MA Ward Hill的Alfa Aesar公司氧化铈颗粒(CeO2)法国罗纳普朗克公司氧化铒颗粒(Er2O3)怀俄明州密尔沃基的Aldrich化学公司氧化钆颗粒(Gd2O3)美国钼公司氧化铪颗粒(HfO2)俄勒冈州Teledyne Wah Chang Albany公司氧化镧颗粒(La2O3)美国钼公司碳酸锂颗粒(Li2CO3)Aldrich化学公司氧化镁颗粒(MgO)Aldrich化学公司氧化钕颗粒(Nd2O3)美国钼公司二氧化硅颗粒(SiO2)Alfa Aesar公司碳酸氢钠颗粒(NaHCO3)Aldrich化学公司二氧化钛颗粒(TiO2)GA Savannah的Kemira公司钇稳定氧化锆(Y-PSZ)颗粒GA Marietta的锆销售公司，品名“HSY-3”氧化钇颗粒(Y2O3)MA Newtown的H.C.Stark公司
如下测定实施例1-25材料的各种性质与特征。采用粉末X-射线衍射法(新泽西州Mahwah的菲利普公司的商品名为PHILLIPS XRG3100)进行分析，采用波长1.54050的Cu Kα1线，测得实施例中材料的相结构。如果有较宽强度弥散的峰，说明它为无定形材料。如果有明显的峰说明无定形基质中有结晶物质。各种实施例物料的相结构列在下面表3。
表3 实施例 X-射线衍射法 测得相结构 颜色 Tg，℃ Tx，℃ 热压温 度，℃ 1 无定形* 透明 834 937 960 2 无定形* 透明 840 925 960 3 无定形* 透明 837 1001 -- 4 无定形* 透明 837 936 -- 5 无定形* 透明 850 923 -- 6 无定形*和结晶 透明/浑浊 858 914 965 7 无定形*和结晶 棕色 838 908 960 8 无定形* 透明 886 933 985 9 无定形* 强粉红色 858 914 -- 10 无定形* 蓝/紫色 836 930 965 11 无定形* 黄色 831 934 965 12 无定形* 透明/浅绿 828 937 960 13 无定形* 透明 795 901 950 14 无定形* 透明 816 942 950 15 无定形* 透明 808 940 950 16 无定形* 透明/浅绿 834 935 950 17 无定形*和结晶 透明/浑浊 865 941 980 18 无定形*和结晶 透明/浑浊 871 934 -- 19 无定形*和结晶 透明/浑浊 874 937 -- 20 无定形*和结晶 透明/浑浊 870 942 -- 21 无定形* 透明 843 938 970 22 无定形* 蓝色/粉红 848 934 970 23 无定形* 透明 852 941 970 24 无定形*和结晶 透明/浅绿 867 948 -- 25 无定形*和结晶 透明/浑浊 869 934 --
*玻璃，因实施例具有Tg值
为进行差示热分析(DTA)(采用德国Selb的Netzsch仪器公司，商品名为NETZSCH STA 409 DTA/TGA的仪器进行)，样品经过筛后其珠粒粒度控制在90-125μm。将400mg的过筛样品置于100μl Al2O3样品管内。每个样品在静止空气中加热，加热速率从室温(约为25℃)到1,200℃为10℃/分钟。
参见图4，线123是实施例1物料的DTA曲线。图4上的线123在834℃附近有一个向下的吸热峰，可以认为该峰由材料发生玻璃转变(Tg)时产生的。在线123的937℃处呈现一锐的放热峰，可以认为该峰是在材料发生结晶时(Tx)产生的。其它实施例的Tg和Tx值列在上面表3。
将来自实施例1-25约25g珠粒装入石墨模子内，用单向压机(加州Brea的热技术公司，品名“HP-50”)进行热压。在氩气气氛中，压力为13.8MPa(2000psi或2ksi)下进行热压。表3列出了各种实施例物料的热压温度，在热压温度下玻璃显著流动，该流动由上述热压机的位移装置指示。约400g实施例1的珠粒样品和200g实施例2珠粒样品进行热压。
实施例1-25熔珠粒在炉(加州Pico Rivera的Keith公司，品名KKSK-666-3100型)内按如下操作进行热处理。该珠粒先从室温(约25℃)以10℃/分速率升至1300℃，并在1300℃保温1小时，然后关闭电炉，冷却至室温。
图5-9是实施例2，6，7，8，和17的经热处理物料抛光截面的扫描电镜照片，采用常规的样品镶装和抛光技术制备抛光截面。采用抛光机抛光(伊利诺州Lake Bluff的Buehler公司产，品名为“ECOMET3型POLISHER-GRINDER”)。样品用金刚石轮抛光3分钟，再每次用45，30，15，9，以及3μm磨料的浆料研磨3分钟。在抛光后样品上溅射一层金-钯，然后用扫描电镜(如JEOL公司产JSM840A型扫描电镜)观察。
按上述粉末X-射线衍射技术分析热处理后物料的相结构。测量结果列于下表4。
表4 实施例 经X-射线衍射检测到的相 硬度，GPa 1 立方/四方ZrO2 α-Al2O3 LaAI11O18 LaAlO3 16.4±0.3 2 LaAl11O18 LaAlO3 16.0±0.4 6 立方/四方ZrO2 α-Al2O3 LaAl11O18 LaAlO3 16.7±0.2 8 立方/四方ZrO2 GdAl2O3 α-Al2O3 16.9±0.1 17 立方/四方ZrO2 Y3Al5O12 α-Al2O3 17.4±0.4 21 立方/四方ZrO2 Y3Al5O12 LaAlO3 α-Al2O3 23 立方/四方ZrO2 Y3Al5O12 α-Al2O3 16.9±0.3
将选定的一些实施例的珠粒经热处理后，将松散珠粒镶装在镶装树脂中测量珠粒的平均显微硬度。(伊利诺州Lake Bluff的Buehler公司产，品名为“EPOMET”)。得到的树脂体直径为2.5cm，高度为1.9cm。用常规研磨机/抛光机(伊利诺州Lake Bluff的Buehler公司产，品名为“EPOMET”)，采用常规的金刚石浆料抛光，最后用1μm金刚石浆料(Buehler公司产，品名为“METADI”)进行抛光。得到抛光的样品截面。
然后用常规显微硬度计(日本东京的Misutoyo公司，产品名为“MITUTOYOMVK-VL”)测定显微硬度。维氏压头的负载量为500g。按照ASTM测试方法E384所述的显微硬度的测试方法(1991年)进行测试。平均显微硬度值列于上面的表4中(20次测量的平均值)。
实施例1，1A，和2与比较例A-C的研磨性能
用“Chipmunk”颚式破碎机(加州Burbank的BICO公司，VD型)将实施例1和2的热压材料破碎成磨粒，分级保留-25+30目(即25μm-30μm网眼)的级分和-30+35目(即30μm-35μm网眼)(USA标准筛)的级分。将这两种级分按50/50混合。混合料在1300℃下进行热处理1小时。将30g生成的玻璃陶瓷磨粒制入涂覆磨料盘。按常规方法制造此涂覆研磨盘。将玻璃陶瓷研磨粒粘结到直径为17.8cm，0.8mm厚硫化处理的纤维背衬上(中间有个2.2cm直径的孔)。采用常规的碳酸钙填充的酚醛(48％酚醛树脂，52％碳酸钙，用水和乙二醇醚稀释成含固量为81％)作初始结合涂层树脂，用常规冰晶石填充的酚醛树脂(32％酚醛树脂，2％氧化铁，66％冰晶石，用水和乙二醇醚稀释成含固量为78％)作为胶结涂层树脂。湿的初始结合涂层制造树脂量约为185g/m2。施涂后，立即静电涂覆玻璃陶瓷研磨粒。将初始结合涂层树脂在88℃固化120分钟，然后将冰晶石填充的酚醛胶结涂层涂覆在初始结合涂层与研磨粒之上。湿法胶结涂层量为850g/m2，将胶结涂层树脂在99℃固化12小时。测试前，先将涂覆磨具圆盘进行弯曲。
实施例1A的涂覆磨具圆盘按实施例1所述方法制造，不同的是实施例1A的磨粒通过实施例1物料经热压与热处理后破碎而制得。
比较例A的涂覆磨具圆盘按实施6所述方法制造，不同的是采用了热处理熔凝氧化铝磨粒(奥地利Villach的Triebacher公司，品名“ALODUR BFRPL”)代替实施例1中的玻璃陶瓷磨粒。
比较例B的涂覆磨具圆盘按实施6所述方法制造，不同的是采用了氧化铝锆磨粒(共熔组成为53％Al2O3和47％ZrO2，MA Worcester的Norton公司，商品名“NORZON”)代替实施例1中的玻璃陶瓷磨粒。
比较例C的涂覆磨具圆盘按上面所述方法制造，不同的是采用了溶胶-凝胶法磨粒(明尼苏达州圣保罗的3M公司，商品名“321 CUBITRON”)，代替实施例1中的玻璃陶瓷磨粒。
按如下方法检验实施例1，1A，和2与比较例A-C的涂覆研磨圆盘的研磨性能。将每片涂覆磨具圆盘置于一倾斜铝背垫上，用来研磨预先称重的尺寸为1.25cm×18cm×10cm的1018#软钢板工件的表面。圆盘转速为5000rpm，而圆盘覆盖在背垫的倾斜边缘的部分与工件接触，负载力为8.6kg。每片圆盘用来研磨一个工件，每次间隔1分钟，整个试验周期中，总磨削量为从工件上被去除材料的总量。下面表6列出了每个样品12分钟研磨后的总磨削量以及第12次磨削量(即最后一次磨削量)。实施例1是二个圆盘的平均量，而实施例1A，比较例A，B和C仅试验了一个圆盘。
表6 实施例 总磨削量，g 最后一次磨削量，g 1 1163 91 1A 1197 92 2 1094 91 比较例A 514 28 比较例B 689 53 比较例C 1067 89
在不偏离本发明的范围与精神前提下，对本发明进行各种修改与变换是显而易见的。对熟悉本领域的技术人士来说，可以理解本发明不仅仅限于这里所指的叙述性实施方式。