成形的破碎磨粒、 使用其制造的磨料制品及其制造方法 本申请要求提交于 2007 年 12 月 27 日的名称为 “Shaped， Fractured Abrasive Particle， Abrasive Article Using Same And Method Of Making” ( 成形的破碎磨粒、 使 用其制造的磨料制品及其制造方法 ) 的美国临时申请 No.61/016965 的优先权， 其全文以引 用方式并入本文。背景技术
磨粒和由磨粒制造的磨料制品可用于在产品制造过程中研磨、 整理或磨削多种材 料和表面。因此， 一直存在对磨粒和 / 或磨料制品的成本、 性能或寿命进行改善的需求。
授予 Berg 的美国专利 5,201,916、 授予 Rowenhorst 的美国专利 5,366,523 以及 授予 Berg 的美国专利 5,984,988 中公开了三角形磨粒和采用三角形磨粒制造的磨料制品。 在一个实施例中， 这些磨粒的形状包括等边三角形。三角形磨粒可用于具有增大的切削速 率的磨料制品。 发明内容
成形磨粒通常可具有优于随机粉碎的磨粒的性能。 通过控制磨粒的形状可控制磨 料制品的所得性能。然而， 随着成形磨粒的尺寸减小， 制造成形磨粒变得更为困难。具有极 小腔体的模具难以用磨料分散体来填充， 并且所得磨粒前体难以从模具中移除。虽然可以 将成形磨粒粉碎至较小的粒度， 但是此类方法使所得粒度具有大的分布。 通常， 许多这些磨 粒会太小 ( 细粒 ) 而未被利用， 从而造成浪费并且增加了制造成本。因此， 需要一种不利用 粉碎便可制造较小成形磨粒并使所得粒度具有较小分布的方法。
发明人发现通过在模具中干燥磨粒前体， 以此方式引发大部分磨粒前体破碎， 便 可由具有较大腔体的模具制成较小磨粒。 由于本方法利用破裂或破碎在模具中形成较小的 磨粒前体， 所以产生的细粒显著减少， 从而造成更少的浪费。另外， 所得磨粒的破碎表面可 提高磨粒的锋利度和切削能力。
对模具中的磨粒前体进行干燥处理， 该处理使至少大部分磨粒前体破裂或破碎成 至少两块， 从而产生具有比制造其的模具腔体尺寸更小的磨料碎片。这些较小的磨料碎片 一旦形成， 就可像拼图块一样重新组合， 以复制制造其的模具的初始腔体形状。据信， 通过 确保如下情况， 可使磨粒前体发生破裂或破碎 ： 当磨料分散体在模具腔体内干燥时， 磨料分 散体对模具壁的表面张力大于磨料分散体内部引力。
从而， 在一个实施例中， 本发明属于一种磨料， 其包括具有磨料行业规定的标称等 级的多个 α- 氧化铝磨料碎片。这些多个 α- 氧化铝磨料碎片包括第一精确成形表面、 以 预定角 α 与第一精确成形表面相交的第二精确成形表面、 与第一精确成形表面相对的第 三表面、 以及破碎表面。
在另一个实施例中， 本发明属于一种方法， 包括 ： 提供具有多个腔体的模具 ； 用磨 料分散体填充这些多个腔体， 该磨料分散体包含在液体中的可转化为 α- 氧化铝的颗粒， 并且该液体包含挥发性组分。当磨料分散体位于多个腔体中时， 将挥发性组分的至少一部分从磨料分散体中除去， 从而形成具有预定尺寸的多个磨粒前体。当多个磨粒前体位于多 个腔体内时， 使多个磨粒前体的至少大部分破碎成至少两块， 从而形成破碎的多个磨粒前 体。 附图说明
本领域的普通技术人员应当了解， 本发明的讨论仅是针对示例性实施例的描述， 其并不旨在限制本发明的更广泛的方面， 其中更广泛的方面体现在示例性构造中。
图 1 示出了模具腔体中的磨粒前体的一个实施例的横截面。
图 2 示出了具有包含磨粒前体的多个腔体的模具的俯视图。
图 3 示出了图 2 中模具左侧的较大的完整磨粒。
图 4 示出了图 2 中模具右侧的较小的破碎磨料碎片。
图 5 示出了与图 4 中所示磨料碎片类似的代表性磨料碎片的扫描电子显微图。
图 6 示出了由图 4 的磨料碎片制成的磨料制品的横截面。
图 7 示出了若干试样中以所切除的金属克数计的切削量相对于测试循环的曲线 图。
在说明书和附图中重复使用的引用字符旨在表示本发明相同或类似的部件或元件。 定义
如本文所用， 词语 “包含” 、 “具有” 和 “包括” 在法律上是具有等同含义的开放型术 语。 因此， 除了列举的元件、 功能、 步骤或限制之外， 还可以有其他未列举的元件、 功能、 步骤 或限制。
如本文所用， 术语 “磨料分散体” 意指包含可转化为引入模具腔体的 α- 氧化铝的 颗粒的组合物。该组合物称为磨料分散体， 直到除去足量的挥发性组分使磨料分散体凝固 为止。
如本文所用， 术语 “磨粒前体” 意指通过从磨料分散体 ( 当其位于模具腔体中时 ) 中除去足量的挥发性组分以形成凝固体的方式所产生的未烧结颗粒， 该凝固体可从模具腔 体中移除， 并且在后续处理操作中基本上保持其模制形状。
如本文所用， 术语 “精确成形表面” 意指磨料分散体位于模具腔体中时对其至少部 分地进行干燥、 脱水或固化而形成的表面。
如本文所用， 术语 “磨料碎片” 意指通过本发明的方法制造的烧结的 α- 氧化铝磨 粒。
具体实施方式
磨料碎片
参见图 4 和图 5， 其中示出了磨粒 20。磨粒 20 包含成型为多个 α- 氧化铝磨料 碎片 21 的破碎的 α- 氧化铝磨粒。参见图 1， 其中示出了模具 34 中的磨粒前体 23。每个 α- 氧化铝磨料碎片 21 都包括至少第一精确成形表面 22、 以预定角 α 与第一精确成形表 面相交的第二精确成形表面 24、 与第一精确成形表面 22 相对的第三表面 26 以及破碎表面 28。第一精确成形表面 22 可通过与模具 34 中腔体 32 的底面 30 接触来形成。在图 1 中，横截面中仅显示了模具 34 中腔体 32 的一部分。通常， 模具 34 具有多个腔体， 以便经济地 制造 α- 氧化铝磨料碎片 21。第一精确成形表面 22 基本上复制了腔体 32 的底面 30 的表 面粗糙度和形状。
磨料碎片 21 的第二精确成形表面 24 可通过与模具 34 中腔体 32 的侧壁 36 接触 来形成。侧壁 36 被设计为以预定角 α 与底面 30 相交。第二精确成形表面 24 基本上复制 了腔体 32 的侧壁 36 的表面粗糙度和形状。第二精确成形表面 24 通过与腔体 32 的侧壁 36 接触来模制。因此， 使所得磨料碎片的至少两个表面 (22、 24) 精确成形， 并且两个表面之间 的相交角 α 为基于所选模具几何形状的预定角。
与第一精确成形表面 22 相对的磨料碎片 21 的第三表面 26 的外观可无规则地波 动或起伏， 因为其在用磨料分散体填充腔体 32 后与空气接触。第三表面 26 由于未通过与 腔体 32 接触来模制而未精确成形。通常， 通过刮削或刮除模具 34 的顶面 38 以从模具中除 去多余的磨料分散体来形成第三表面 26。刮除或刮削步骤对第三表面 26 造成经放大可见 的细微的波纹和不规则形状。因此， 第三表面 26 类似于通过挤出而形成的表面， 其也未精 确成形。在挤出方法中， 溶胶 - 凝胶从模具中挤出。因此， 溶胶 - 凝胶的表面呈现出因挤出 方法而造成的刮痕、 凿痕和 / 或划线。此类痕迹通过溶胶 - 凝胶和模具之间的相对运动而 形成。另外， 从模具中挤出的表面可通常为光滑平面。相比之下， 精确成形表面可复制正弦 表面或其他更复杂的几何表面， 这些几何表面具有沿其表面长度显著变化的高度。 当腔体深度相比底面 30 的面积相对较小时， 磨料碎片 21 的破碎表面 28 通常在第 一精确成形表面 22 和相对的第三表面 26 之间、 以及在腔体 32 的相对的侧壁之间扩展。破 碎表面 28 的特征在于锋利的、 锯齿状的点， 这些点是典型的脆性破碎特征。破碎表面 28 可 通过干燥处理形成， 该处理使至少大部分的成形磨粒前体在位于腔体 32 内时破裂或破碎 成至少两块。这产生了具有比制造其的模具腔体 32 尺寸更小的磨料碎片 21。这些磨料碎 片一旦形成， 就可像拼图块一样重新组合， 以复制制造其的模具的初始腔体形状。据信， 通 过确保如下情况， 可使磨粒前体发生破裂或破碎 ： 当磨料分散体在腔体内干燥时， 磨料分散 体对腔体 32 的壁的表面张力大于磨料分散体内部引力。
参见图 5， 就示出的磨料碎片 21 而言， 破碎表面 28 沿着磨料碎片的右侧呈现。第 二精确成形表面 24 沿着磨料碎片 21 的左侧倾斜表面呈现。 第三表面 26 面向前方并且具有 一些源于刮削操作的不规则形状和波纹。第一精确成形表面 22 面向后方而观察不到。图 5 中磨料碎片在三角形模具腔体中制造。三角形的其中一个角存在于磨料碎片的左下部分。
参见图 2， 破碎方法在各模具腔体中产生离散数量的破碎磨粒前体。通常， 每个腔 体 32 内产生约 2 至 4 个破碎磨粒前体。因此， 本发明方法产生很少的极小颗粒 ( 细粒 )， 从 而与采用粉碎操作来减小图 3 所示完整三角形颗粒的尺寸相比， 减少了浪费。由于破碎方 法， 各磨料碎片保持了其初始模制形状的一部分， 这不同于粉碎操作， 粉碎操作制造的磨粒 未保留任何精确成形表面。因此， 破碎磨粒前体的粒度分布相对较小并且比粉碎颗粒更均 匀。各腔体内产生的破碎磨粒前体的最终数量可以是变化的， 这取决于用于使模具内磨粒 前体破碎的腔体尺寸与形状、 干燥速率以及温度。 在本发明的多个实施例中， 每个模具腔体 内产生小于或等于约 10 个、 9 个、 8 个、 7 个、 6 个、 5 个、 4 个、 3 个或 2 个破碎磨粒前体。
由于以有意使磨粒前体破碎的方式对磨粒前体进行处理， 因此至少大部分 ( 大于 50％ ) 的磨粒前体在干燥时于模具腔体 32 内破碎成至少两块。在本发明的多个实施例中，
约 75％至 100％、 或约 90％至 100％、 或约 98％至 100％的磨粒前体在位于模具腔体时破碎 成至少两块。
由于有意使磨粒前体在位于模具中时破碎， 因此其保持了初始模制形状的侧壁和 底部的至少一部分。此特征可提供比粉碎颗粒更锋利的磨料碎片， 其具有更多的圆形和块 状形状。这些破碎磨粒前体可具有高纵横比和非常锋利的边缘， 在该边缘处， 破碎表面 28 与精确成形表面相交。因此， α- 氧化铝磨料碎片用于制造磨料制品时具有极佳的性能。
将破碎磨粒前体煅烧并烧结以形成 α- 氧化铝磨料碎片。α- 氧化铝磨料碎片可 以在较宽的粒度范围内制造， 这取决于模制腔体的尺寸以及通过本方法的破碎步骤所形成 的破碎块的数量。通常， α- 氧化铝磨料碎片的尺寸范围为 0.1 至 5000 微米、 1 至 2000 微 米、 5 至 1500 微米、 或甚至在一些实施例中为 50 至 1000 微米、 或甚至 100 至 1000 微米。
根据本发明制成的 α- 氧化铝磨料碎片可掺入到磨料制品中， 或以松散的形式使 用。磨粒使用前通常按给定的粒度分布进行分级。此类分布通常具有一定范围的粒度， 即 从粗颗粒到细颗粒。在磨料领域中， 此范围有时是指 “粗” 、 “对照” 和 “细” 粒度级。根据磨 料行业公认的分级标准分级的磨粒将每个标称等级的粒度分布规定在若干数值范围内。 此 类行业公认的分级标准 ( 即磨料行业规定的标称等级 ) 包括如下已知标准 ： 美国国家标准 协会 (ANSI) 的标准、 欧洲研磨产品制造商联合会 (FEPA) 的标准以及日本工业标准 (JIS) 的标准。 ANSI 等级标号 ( 即规定的标称等级 ) 包括 ： ANSI 4、 ANSI 6、 ANSI8、 ANSI 16、 ANSI 24、 ANSI 36、 ANSI 40、 ANSI 50、 ANSI 60、 ANSI80、 ANSI 100、 ANSI 120、 ANSI 150、 ANSI 180、 ANSI 220、 ANSI 240、 ANSI 280、 ANSI 320、 ANSI 360、 ANSI 400 和 ANSI 600。FEPA 等 级标号包括 ： P8、 P12、 P16、 P24、 P36、 P40、 P50、 P60、 P80、 P100、 P120、 P150、 P180、 P220、 P320、 P400、 P500、 P600、 P800、 P1000 和 P1200。JIS 等级标号包括 ： JIS8、 JIS12、 JIS16、 JIS24、 JIS36、 JIS46、 JIS54、 JIS60、 JIS80、 JIS100、 JIS150、 JIS180、 JIS220、 JIS240、 JIS280、 JIS320、 JIS360、 JIS400、 JIS600、 JIS800、 JIS1000、 JIS1500、 JIS2500、 JIS4000、 JIS6000、 JIS8000 和 JIS10,000。
或者， 可采用符合 ASTM E-11“Standard Specification for Wire Cloth and Sieves for Testing Purposes” ( 试验用金属丝布和筛的标准规范 ) 的美国标准试验筛将 α- 氧化铝磨料碎片按照标称筛分等级进行分级。 ASTM E-11 规定了对采用金属丝编织网介 质的试验筛的设计和构造的要求， 该金属丝编织网安装在支架上以按照指定的粒度对材料 进行分级。 典型标号可以表示为 -18+20， 其意指 α- 氧化铝磨料碎片可通过符合 18 目筛的 ASTM E-11 规范的试验筛， 并且保留在符合 20 目筛的 ASTM E-11 规范的试验筛上。在一个 实施例中， α- 氧化铝磨料碎片具有这样的粒度， 使得大多数 α- 氧化铝磨料碎片通过 18 目 试验筛并且可保留在 20 目、 25 目、 30 目、 35 目、 40 目、 45 目或 50 目试验筛上。 在本发明的多 个实施例中， α- 氧化铝磨料碎片可具有包括以下标称筛分等级的标称筛分等级 ： -18+20、 20+25、 -25+30、 -30+35、 -35+40、 -40+45、 -45+50、 -50+60、 -60+70、 -70+80、 -80+100、 -100+120、 -12 0+140、 -140+170、 -170+200、 -200+230、 -230+270、 -270+325、 -325+400、 -400+450、 -450+500 或 -500+635。
在一个方面， 本发明提供具有磨料行业规定的标称等级或标称筛分等级的多个磨 粒， 其中这些多个磨粒的至少一部分为 α- 氧化铝磨料碎片。在另一方面， 本发明提供一种
方法， 其包括对根据本发明制成的 α- 氧化铝磨料碎片进行分级， 以得到具有磨料行业规 定的标称等级或标称筛分等级的多个 α- 氧化铝磨料碎片。
如果需要， 具有磨料行业规定的标称等级或标称筛分等级的 α- 氧化铝磨料碎片 可与其他已知的磨粒混合。在一些实施例中， 基于多个磨粒的总重量， 至少 5 重量％、 10 重 量％、 15 重量％、 20 重量％、 25 重量％、 30 重量％、 35 重量％、 40 重量％、 45 重量％、 50 重 量％、 55 重量％、 60 重量％、 65 重量％、 70 重量％、 75 重量％、 80 重量％、 85 重量％、 90 重 量％、 95 重量％或甚至 100 重量％的具有磨料行业规定的标称等级或标称筛分等级的多个 磨粒为根据本发明制成的 α- 氧化铝磨料碎片。
为了改变磨料碎片或完整成形固体磨粒的性能， 预定角 α 可以是变化的， 如 2008 年 12 月 17 日提交的名称为 “Shaped Abrasive Particles With A Sloping Sidewall” (具 有倾斜侧壁的成形磨粒 )， 并且具有代理人档案号 64869US002 的共同待决的美国专利申请 No._______ 中所公开。 另外， 磨料碎片在第一精确成形表面 21 上可具有凹槽， 如 2008 年 12 月 17 日提交的名称为 “Shaped Abrasive Particles With Grooves” ( 具有凹槽的成形磨 粒 )， 并且具有代理人档案号 64792US002 的共同待决的美国专利申请 No._____ 中所公开。 这些凹槽由模具 34 的底面 30 中的多个脊形成， 已发现这些脊使得从模具中移除磨粒前体 变得更为容易。
制造 α- 氧化铝磨料碎片的方法
第一步工序涉及提供有晶种或无晶种的磨料分散体， 该分散体包含可转化为 α- 氧化铝的颗粒。 这些颗粒分散在包含挥发性组分的液体中。 在一个实施例中， 该挥发性 组分为水。 磨料分散体应包含足量的液体， 以使磨料分散体的粘度足够低， 从而能够填充模 具腔体并复制模具表面， 但是液体量不能太多， 以致随后从模具腔体中去除液体的成本过 高。磨料分散体包含 2 重量％至 90 重量％的可转化为 α- 氧化铝的颗粒 ( 例如氧化铝一 水合物 ( 水软铝石 ) 的颗粒 ) 以及至少 10 重量％、 或 50 重量％至 70 重量％、 或 50 重量％ 至 60 重量％的挥发性组分 ( 例如水 )。相反， 一些实施例中的磨料分散体包含 30 重量％至 50 重量％， 或 40 重量％至 50 重量％的固体。
还可使用除水软铝石之外的氧化铝水合物。水软铝石可通过已知的技术来制备 或者可商购获得。市售水软铝石的例子包括均得自 Sasol North America， Inc. 的商标为 “DISPERAL” 和 “DISPAL” 的产品， 或者得自 BASF 公司的商标为 “HiQ-40” 的产品。这些氧化 铝一水合物相对较纯， 即它们除了一水合物外只包括相对较少的 ( 如果有的话 ) 水合物相， 并且具有高表面积。所得磨料碎片的物理特性通常取决于磨料分散体中所用材料的类型。
在一个实施例中， 磨料分散体为凝胶态。如本文所用， “凝胶” 为分散在液体中的固 体的三维网状结构。磨料分散体可以包含改性添加剂或改性添加剂前体。改性添加剂的作 用在于增强磨料碎片的某些所需性质， 或提高随后烧结步骤的效率。改性添加剂或改性添 加剂前体可为可溶性盐的形式， 通常为水溶性盐。 它们通常由包含金属的化合物构成， 并且 可为镁、 锌、 铁、 硅、 钴、 镍、 锆、 铪、 铬、 钇、 镨、 钐、 镱、 钕、 镧、 钆、 铈、 镝、 铒、 钛等的氧化物的前 体以及它们的混合物。 可存在于磨料分散体中的这些添加剂的具体浓度可由本领域技术人 员进行调整。通常， 引入改性添加剂或改性添加剂前体会使磨料分散体胶凝。通过加热一 段时间也可诱发磨料分散体胶凝。
磨料分散体还可包含成核剂以促进水合氧化铝或煅烧氧化铝向 α- 氧化铝的转化。适用于本发明的成核剂包括 α- 氧化铝、 α- 氧化铁或其前体、 二氧化钛和钛酸盐、 氧 化铬等的细粒， 或者为在转化中起成核作用的任何其他物质。 如果使用的话， 则成核剂的量 应足够多， 以实现 α- 氧化铝的转化。使此类磨料分散体成核公开于授予 Schwabel 的美国 专利 No.4,744,802 中。
可将胶溶剂加入磨料分散体中， 以生成更稳定的水溶胶或胶态的磨料分散体。合 适的胶溶剂为单质子酸或酸性化合物， 例如乙酸、 盐酸、 甲酸和硝酸。 也可使用多质子酸， 但 是其使磨料分散体迅速胶凝， 使得其不易处理并且难以向其中引入附加组分。某些商业来 源的水软铝石具有有助于形成稳定磨料分散体的酸滴定度 ( 例如吸收的甲酸或硝酸 )。
可通过任何合适的方式产生或形成磨料分散体， 例如， 简单地将氧化铝一水合物 与包含胶溶剂的水混合的方式， 或者通过形成氧化铝一水合物浆液， 再向其中加入胶溶剂 的方式。 可加入去沫剂或其他合适的化学品， 以减小混合时形成气泡或夹带空气的趋势。 如 果需要， 可加入其他化学品， 例如润湿剂、 醇类或偶联剂。α- 氧化铝磨粒可以包含二氧化 硅和氧化铁， 如 1997 年 7 月 8 日授予 Eri ckson 等人的美国专利 No.5,645,619 中所公开。 α- 氧化铝磨粒可以包含氧化锆， 如 1996 年 9 月 3 日授予 Larmie 的美国专利 No.5,551,963 中所公开。或者， α- 氧化铝磨粒可具有微结构或添加剂， 如 2001 年 8 月 21 日授予 Castro 的美国专利 No.6,277,161 中所公开。 第二步工序涉及提供具有至少一个腔体 32、 优选具有多个腔体的模具 34。参见图 1 和图 2， 模具 34 具有大致平坦的底面 30 和多个腔体 32。这些多个腔体可成形于生产工具 中。生产工具可以是带状物、 片状物、 连续纤维网、 涂布辊 ( 如轮转凹版辊 )、 安装在涂布辊 上的套管或模具。生产工具可以由金属 ( 例如镍 )、 金属合金或塑料构成。金属生产工具可 以采用任何传统的技术制成， 所述技术例如为雕刻、 抛光、 电铸、 或金刚石车削。 生产工具可 包含聚合物材料。在一个实施例中， 整个模具由聚合物材料或热塑性材料制成。在另一个 实施例中， 在干燥时与溶胶 - 凝胶接触的模具表面 ( 例如多个腔体的表面 ( 模具底面和模 具侧壁 )) 包含聚合物材料或热塑性材料， 并且模具的其他部分可由其他材料制成。作为举 例， 合适的聚合物涂层可以涂覆到金属模具上改变其表面张力性质。
聚合物工具可由金属母模复制而成。母模应具有生产工具所需的反转图案。母模 可以按照与生产工具相同的方式制作。在一个实施例中， 母模由金属 ( 例如镍 ) 制成， 并且 经金刚石车削。可以将聚合物片状材料与母模一起加热， 使得通过将二者压在一起， 在聚 合物材料上压印出母模的图案。也可将聚合物材料挤出或浇注在母模上， 然后对其进行压 制。将聚合物材料冷却使其凝固， 然后会制造出生产工具。聚合物生产工具材料的例子包 括热塑性材料 ( 例如聚酯、 聚碳酸酯、 聚氯乙烯、 聚丙烯、 聚乙烯和它们的组合 ) 以及热固性 材料。 如果利用热塑性生产工具， 则应注意不要产生过多热量， 这些热量可使热塑性生产工 具变形， 从而限制其寿命。关于生产模具或母模的设计和制造的更多信息可见于以下专利 中： 美国专利 5,152,917(Pieper 等人 )、 5,435,816(Spurgeon 等人 )、 5,672,097(Hoopman 等人 )、 5,946,991(Hoopman 等人 )、 5,975,987(Hoopman 等人 ) 以及 6,129,540(Hoopman 等 人 )。
从顶面 38 中的开口、 从底面 30 中的开口 ( 未示出 ) 或从模具 34 两个表面中的开 口可进入腔体 32。在某些情况下， 腔体 32 可延续至模具 34 的整个厚度。或者， 腔体 32 可 仅延续至模具 34 的厚度的一部分。在一个实施例中， 顶面 38 基本上平行于模具 34 的底面
30， 其中该模具 34 的腔体具有基本上均匀的深度。模具 34 的至少一侧， 即形成腔体的一侧 在除去挥发性组分的步骤中可保持暴露在周围大气环境下。
腔体 32 具有规定的三维形状。在一个实施例中， 当从顶部观察时， 腔体的形状可 描述为三角形， 其具有倾斜侧壁 36， 使得腔体的底面 30 略小于顶面 38 中的开口。据信， 倾斜侧壁能够使磨粒前体易于从模具中移除。在本发明的多个实施例中， 预定角 α 可在 约 91 度至约 120 度之间， 或在约 95 度至约 100 度之间， 例如 98 度。在其他实施例中， 预 定角 α 可在约 95 度至约 130 度之间、 或在约 95 度至约 125 度之间、 或在约 95 度至约 120 度之间、 或在约 95 度至约 115 度之间、 或在约 95 度至约 110 度之间、 或在约 95 度至约 105 度之间、 或在约 95 度至约 100 度之间， 如上文提到的共同待决的专利申请 ( 代理人档案号 64869US002) 中所公开。在另一个实施例中， 模具 34 包括多个三角形腔体。这些多个三角 形腔体中的每个腔体均包括等边三角形。
或者， 可使用其他腔体形状， 例如圆形、 矩形、 正方形、 六边形、 星形或它们的组合， 所有形状均具有基本上均匀的深度尺寸。该深度尺寸等于从顶面 38 到底面 30 最低点的垂 直距离。此外， 腔体的形状可为其他几何形状的反转， 例如角锥形、 截头角锥形、 截球形、 截 椭球形、 圆锥形和截头圆锥形。给定腔体的深度可为均匀的或可沿其长度和 / 或宽度变化。 给定模具的腔体的形状可以相同或不同。 第三步工序涉及通过任何常规技术来用磨料分散体填充模具中的腔体。 在一些实 施例中， 可使用刀辊涂布机或真空缝形模头涂布机。在一个实施例中， 模具 34 的顶面 38 涂 覆有磨料分散体。磨料分散体可泵送到顶面 38 上。然后， 可用刮刀或矫直棒将磨料分散体 完全压入模具 34 的腔体 32 中。可将未进入腔体 32 中的磨料分散体的剩余部分从模具 34 的顶面 38 处去除， 并将其回收利用。在一些实施例中， 可使用刀辊涂布机。在一些实施例 中， 磨料分散体的一小部分可保留在顶面 38 上， 并且在其他实施例中， 顶面基本上不含分 散体。刮刀或矫直棒所施加的压力通常小于 100psi、 或小于 50psi、 或小于 10psi。在一些 实施例中， 磨料分散体无暴露表面大幅度延伸超过顶面 38， 以保证所得磨粒厚度的均匀度。
在一个实施例中， 包括侧壁 36 和底面 30 在内的腔体内表面不含脱模剂。典型的 脱模剂包括 ( 例如 ) 油类 ( 如花生油、 鱼油或矿物油 )、 有机硅、 聚四氟乙烯、 硬脂酸锌、 以及 石墨。不含脱模剂有助于在干燥磨料分散体时确保磨粒前体粘着在腔体壁上， 从而使模具 中至少大部分的磨粒前体破裂。
第四步工序涉及通过将液体的一部分 ( 即， 其挥发性组分 ) 从磨料分散体中除去 来有意使磨粒前体在位于模具内时破碎成至少两块。有利地， 挥发性组分通过迅速蒸发而 除去。 足量的挥发性组分必须迅速从磨料分散体中除去， 以使其迅速凝固， 从而形成破碎成 至少两块的多个磨粒前体。这些多个破碎磨粒前体与模具腔体的形状大致相似， 但被破碎 成两块或更多块。通常， 在此步骤中， 从磨料分散体中除去高达 40％的液体。
在一些实施例中， 通过蒸发除去挥发性组分的操作在高于挥发性组分沸点的温度 下进行。干燥温度的上限通常取决于制成模具的材料。就聚丙烯模具而言， 温度应小于该 塑料的熔点。可将金属模具加热至显著高于塑料模具的温度。使至少大部分的磨粒前体破 碎成至少两块或更多块的干燥温度还取决于磨料分散体的固体含量和该分散体中的挥发 性组分。
在一个实施例中， 就固体含量在约 40％至 50％之间的水分散体和聚丙烯模具而
言， 干燥温度可在约 90 摄氏度至约 165 摄氏度之间、 或约 105 摄氏度至约 150 摄氏度之间、 或约 105 摄氏度至约 120 摄氏度之间。较高的温度可使磨粒前体破碎得更快， 但也可使聚 丙烯模具劣化， 从而限制了其作为模具的使用寿命。
作为另外一种选择， 或结合迅速蒸发， 机械设备可用于使磨粒前体在位于模具腔 体内时破裂成至少两块。 例如， 可使用一对轧辊对模具施加法向力， 以使磨粒前体挠曲并破 裂。当模具横穿过辊隙时， 这对轧辊可包括紧靠顶面 38 装载的网纹轧辊或压花辊以及可紧 靠模具底面装载的弹性体辊。也可以使模具折曲或急剧弯曲， 以使磨粒前体在位于模具中 时破裂。
具体参见图 2， 其中示出了具有多个腔体 32 的模具。多个磨粒前体 23 包含在模 具腔体内。该模具由聚丙烯材料形成。各腔体均包括等边三角形， 当在顶面 38( 图 1) 处测 量时， 该等边三角形的各边的长度为大约 0.110 英寸 (2.8mm)。各腔体 32 被设计为使得侧 壁 36 以大约 98 度的预定角 α 与底面 30 相交。当从底面 30 到顶面 38 垂直测量时， 各腔 体 32 的深度大约为 0.028 英寸 (0.7112mm)。
模具左侧中各腔体 32 涂覆有用作脱模剂的一薄层含 0.1 ％花生油的甲醇。模 具右侧中各腔体不作处理并且不含任何脱模剂。经含 0.1％花生油的甲醇处理的聚丙烯 生产模具的表面能大约为 35 达因 / 厘米， 这导致产生很少的破碎磨粒前体。未使用任何 脱模剂的未处理过的模具的润湿张力大约为 32 达因 / 厘米， 这导致几乎所有的磨粒前体 破碎。有利地， 生产工具接触表面的润湿张力小于约 33 达因 / 厘米。润湿张力可采用 Enercon Industries 公司制造的润湿张力试验溶液来测量。使用棉签涂覆试验溶液， 根据 ASTM D2578-04a“Standard Test Method for Wetting Tension of Polyethylene and Polypropylene Films” ( 聚乙烯薄膜和聚丙烯薄膜润湿张力的标准试验方法 ) 将这些溶液 涂布到生产模具上。
用磨料分散体填充各腔体后， 将模具置于烘箱中并在大约 110 摄氏度的温度下加 热 45 分钟。图 2 中模具右侧的大约 99.7 重量％的磨粒前体被破碎成大约 2 至 4 块， 从而 在每个模具腔体内产生多个破碎磨粒前体。 将模具中的磨粒前体穿过超声波焊头从模具中 移除。将煅烧后所得磨料碎片筛分至 -35+40 的筛分粒度级， 然后拍照 ( 如图 4 所示 )。相 比之下， 当用花生油脱模剂处理并且在相同条件下干燥时， 图 2 中模具的左侧具有大约 18 重量％的破碎磨粒。
第五步工序涉及将破碎的多个磨粒前体从模具腔体中移除。当除去液体时， 磨料 分散体在磨粒前体形成期间发生收缩而使此步骤更为容易。例如， 通常磨粒前体体积为形 成其的磨料分散体体积的 80％或更少。 通过对模具单独使用或结合使用以下方法可将破碎 的多个磨粒前体从腔体中移除 ： 通过重力、 振动、 超声振动、 真空或压缩空气将这些颗粒从 模具中移除。 这些破碎磨粒前体一旦从腔体中移除， 就可像拼图块一样重新组合， 以具有与 形成其的模具腔体大致相同的形状。
破碎磨粒前体可在模具外进一步干燥。 如果在模具中将磨料分散体干燥至所需程 度， 则此附加的干燥步骤并不必要。 然而， 在某些情况下采用此附加的干燥步骤来使磨料分 散体在模具中的停留时间减至最小可能是经济的。通常将磨粒前体在 50 摄氏度至 160 摄 氏度、 或 120 摄氏度至 150 摄氏度的温度下干燥 10 至 480 分钟、 或 120 至 400 分钟。
第六步工序涉及煅烧破碎的多个磨粒前体。在锻烧期间， 基本上所有的挥发性物质都被除去， 并且存在于磨料分散体中的各种组分均转化成金属氧化物。通常将破碎磨粒 前体加热至 400 摄氏度至 800 摄氏度的温度， 并且保持在此温度范围内， 直到除去游离水和 90 重量％以上的任何所结合的挥发性物质为止。在一个任选的步骤中， 用浸渍法引入改性 添加剂可能是理想的。水溶性盐可通过浸渍引入煅烧过的破碎磨粒前体的孔中。然后将破 碎的多个磨粒前体再次预烧。欧洲专利申请 No.293,163 中对这一任选步骤作了进一步的 说明。
第七步工序涉及烧结煅烧过的破碎的多个磨粒前体以形成磨料碎片 21。在烧结 之前， 煅烧过的破碎的多个磨粒前体未完全致密化， 因此缺乏用作磨粒的硬度。 烧结按以下 步骤进行 ： 将煅烧过的破碎磨粒前体加热至 1,000 摄氏度至 1,650 摄氏度的温度， 并且保持 在此温度范围内， 直到基本上所有的 α- 氧化铝一水合物 ( 或等同物质 ) 均转化为 α- 氧 化铝， 并且孔隙度减小到低于 15 体积％为止。为了实现此转化程度， 煅烧过的破碎磨粒前 体在烧结温度下必须暴露的时间长度取决于多种因素， 但通常为 5 秒至 48 小时。在另一个 实施例中， 烧结步骤的持续时间在 1 分钟到 90 分钟的范围内。一旦烧结， 煅烧过的破碎的 多个磨粒前体就转化为多个 α- 氧化铝磨料碎片。烧结后， 这些磨料碎片的维氏硬度可为 10GPa、 16GPa、 18GPa、 20GPa 或更高。
可采用其他步骤来修改所述方法， 例如将材料从锻烧温度迅速加热到烧结温度， 将磨料分散体离心以除去淤渣、 废料等。此外， 如果需要， 可通过合并两个或更多个工序来 对本方法进行修改。授予 Leitheiser 的美国专利 No.4,314,827 中更全面地描述了可用来 修改本发明方法的常规工序。
磨料制品
在另一方面， 本发明提供一种包含粘合剂和多个磨粒的磨料制品， 其中磨粒的至 少一部分为根据本发明制成的 α- 氧化铝磨料碎片。示例性磨料制品包括涂覆磨料制品、 粘结磨料制品 ( 如砂轮 )、 非织造磨料制品和磨刷。涂覆磨料制品通常包括具有第一和第 二相对主表面的背衬， 并且其中粘合剂 ( 底胶 ) 和多个磨粒在第一主表面的至少一部分上 形成磨料层。在一些实施例中， 基于磨料制品中磨粒的总重量， 磨料制品中至少 5 重量％、 10 重量％、 15 重量％、 20 重量％、 25 重量％、 30 重量％、 35 重量％、 40 重量％、 45 重量％、 50 重量％、 55 重量％、 60 重量％、 65 重量％、 70 重量％、 75 重量％、 80 重量％、 85 重量％、 90 重 量％、 95 重量％、 或甚至 100 重量％的磨粒为根据本发明制成的 α- 氧化铝磨料碎片。
参见图 6， 涂覆磨料制品 40 包括具有涂覆到背衬 42 的第一主表面上的第一层底 胶 44( 粘合剂 ) 的背衬 42。多个 α- 氧化铝磨料碎片 21 部分嵌入底胶 44 中， 从而形成磨 料层。在磨料碎片 21 上方是第二层复胶 46。底胶 44 的用途是将磨料碎片 21 固定在背衬 42 上， 复胶 46 的用途是加固磨料碎片 21。在一些实施例中， 基于磨料层内磨粒的总重量， 磨料层中至少 5 重量％、 10 重量％、 15 重量％、 20 重量％、 25 重量％、 30 重量％、 35 重量％、 40 重量％、 45 重量％、 50 重量％、 55 重量％、 60 重量％、 65 重量％、 70 重量％、 75 重量％、 80 重量％、 85 重量％、 90 重量％、 95 重量％、 或甚至 100 重量％的磨粒为根据本发明制成的 α- 氧化铝磨料碎片。在一些实施例中， 磨料层中介于约 60 重量％至 100 重量％之间的磨 粒为 α- 氧化铝磨料碎片。在另一个实施例中， 磨料层中约 100 重量％的磨粒为 α- 氧化 铝磨料碎片。
在制造涂覆磨料制品期间， 通过静电涂布技术将 α- 氧化铝磨料碎片施加到底胶中。静电涂布使较高纵横比的 α- 氧化铝磨料碎片基本上为垂直取向。此取向方式使涂覆 磨料制品的性能得到改善。
该磨料制品可以包含 α- 氧化铝磨料碎片与常规磨粒、 稀释剂颗粒或可侵蚀的团 聚物的共混物， 例如美国专利 No.4,799,939 和 5,078,753 中所述的那些。常规磨粒的代表 性例子包括熔融氧化铝、 碳化硅、 石榴石、 熔融氧化铝 - 氧化锆、 立方氮化硼、 金刚石等。稀 释剂颗粒的代表性例子包括大理石、 石膏和玻璃。
α- 氧化铝磨料碎片还可具有表面涂层。已知表面涂层用于改善磨料制品中磨 粒和粘合剂之间的粘附力， 或用于辅助磨料碎片的静电沉积。此类表面涂层在美国专利 No.5,213,591、 5,011,508、 1,910,444、 3,041,156、 5,009,675、 5,085,671、 4,997,461 以 及 5,042,991 中有所描述。另外， 表面涂层可以防止磨料碎片盖顶。 “盖顶” 这一术语用来描 述来自正在研磨的工件的金属颗粒熔焊在磨粒顶部的现象。 发挥上述功能的表面涂层对本 领域的技术人员而言是已知的。
底胶和复胶包含树脂粘合剂。底胶与复胶的树脂粘合剂可相同或不同。适用于这 些涂层的树脂粘合剂的例子包括酚醛树脂、 环氧树脂、 脲醛树脂、 丙烯酸酯树脂、 氨基塑料 树脂、 三聚氰胺树脂、 丙烯酸酯改性环氧树脂、 氨基甲酸乙酯树脂以及它们的组合。
除了树脂粘合剂之外， 底胶或复胶或二者还可以包含本领域已知的添加剂， 例如 填料、 助磨剂、 润湿剂、 表面活性剂、 染料、 颜料、 偶联剂以及它们的组合。 填料的例子包括碳 酸钙、 二氧化硅、 滑石、 粘土、 偏硅酸钙、 白云石、 硫酸铝以及它们的组合。 助磨剂涵盖各种不 同的材料， 并且可为无机物或有机物。 助磨剂的例子包括蜡、 有机卤化物、 卤化物盐、 金属及 其合金。有机卤化物通常在研磨过程中分解， 并且释放出氢卤酸或气态卤化物。本发明还 涵盖顶胶涂层的使用。顶胶涂层通常包含粘合剂和助磨剂。粘合剂可由如下材料形成 ： 酚 醛树脂、 丙烯酸酯树脂、 环氧树脂、 脲醛树脂、 三聚氰胺树脂、 氨基甲酸乙酯树脂以及它们的 组合。
实例
本发明的目的和优点通过下面的非限制性实例进一步说明。 这些实例中所提到的 具体材料及其量， 以及其他条件和细节， 均不应被解释为对本发明的不当限制。 除非另外指 明， 否则实例以及说明书其余部分中的所有份数、 百分数、 比例等均按重量计。
水软铝石凝胶通过以下步骤来制备 ： 商标名称为 “DISPERAL” 的氧化铝一水合物 粉末 (1,235 份 ) 以连续混合方式分散在包含水 (3,026 份 ) 和 70 ％硝酸水溶液 (71 份 ) 的溶液中。然后将所得溶胶在连续烘干机中加热到大约 125℃， 以产生固体含量为 44％的 分散体。将溶胶 - 凝胶压入具有三角形腔体的生产模具中， 该腔体具有深度为 28 密耳、 各 边长度为 110 密耳的尺寸。模具的侧壁和底面之间的拔模角 α 为 98 度。该生产模具被制 造为使得其 50％的模具腔体具有从腔体底面升起的 8 条平行的脊， 这些脊以 90 度的角度 与三角形的一边相交， 其余腔体具有平滑的底模表面。这些平行的脊的间距为 0.277mm， 并 且这些脊的横截面为三角形， 该三角形的高为 0.0127mm、 顶点处各脊的边之间的角度为 45 度， 如上述提到的共同待决的专利申请 ( 代理人档案号 64792US002) 中所述。用油灰刀将 溶胶 - 凝胶压入腔体， 直到模具的所有开口均已完全填充满为止。生产模具上未使用脱模 剂， 将涂覆有溶胶 - 凝胶的生产模具置于温度设置在 110 摄氏度的空气对流烘箱中并干燥 40 分钟， 以使磨粒前体在位于生产模具的腔体中时破碎。通过使破碎磨粒前体穿过超声波焊头来将其从生产模具中移除。将破碎磨粒前体在大约 650 摄氏度下煅烧， 然后用以下浓 度 ( 记录为氧化物 ) 的混合硝酸盐溶液饱和 ： 各自均为 1.8％的 MgO、 Y2O3、 Nd2O3 以及 La2O3。 除去过量的硝酸盐溶液， 并使饱和的破碎磨粒前体干燥， 然后再次将颗粒在 650 摄氏度下 煅烧并且在大约 1400 摄氏度下烧结。煅烧和烧结均采用管式回转炉来进行。通过上述方 法制造的典型 α- 氧化铝磨料碎片如图 4 所示。
按上述类似的方式制造完整 α- 氧化铝三角形颗粒 ( 完整三角形磨粒 ) 的样品， 不同的是， 在这种情况下， 在填充前将由含 0.1％花生油的甲醇构成的脱模剂喷涂到生产模 具上。由本方法制造的典型 α- 氧化铝三角形磨料如图 3 所示。
也对按照授予 Rowenhorst 的美国专利 No.5,366,523 所公开的方法制造的 α- 氧 化铝三角形颗粒的样品进行评估。由 Rowenhorst 制造的三角形磨粒 (Rowenhorst 三角形 磨粒 ) 往往具有圆角和精确度较低的表面， 如专利 ‘523 的图 4 所示。如图所示， 这些三角 形磨粒由于采用了模铸技术和干燥方法而不具有直边或锐角。
使完整三角形磨粒、 Rowenhorst 三角形磨粒以及磨料碎片通过 USA 标准试验筛 进行分级， 以得到标称筛分等级的磨粒。使完整三角形磨粒和 Rowenhorst 三角形磨粒通 过 -18+20 目筛进行分级， 以除去任何有缺陷的颗粒。制造的 α- 氧化铝磨料碎片包括较多 较大的三角形碎片和较小的类似于细长条的碎片。 采用标准碳酸钙填充的酚醛底胶树脂和 冰晶石填充的酚醛复胶树脂将 -20+25、 -25+30 以及 -30+35 目筛的 α- 氧化铝磨料碎片涂 覆在盘状纤维背衬上。酚醛树脂充分固化后， 采用磨削试验对该盘进行评估。对照盘使用 标准随机粉碎的 321 CUBITRON α- 氧化铝磨粒 ( 得自 3M 公司 (St.Paul， MN))， 将该磨粒 分级为与实验盘中的 α- 氧化铝磨料碎片具有相同的筛分粒度。对照盘与实验盘在同一时 间以相同的方式制造。具有本专利图 4 所示的完整三角形磨粒和 Rowenhorst 三角形磨粒 的盘也以相同的方式制造。所有盘均采用磨削试验进行评估。
磨削试验
采用以下工序测试磨盘 ： 将用于评估的直径为 7 英寸 (17.8cm) 的磨盘连接到配 有 7 英寸 (17.8cm) 带筋圆盘垫面板 ( “80514Extra Hard Red” ， 可购自 3M 公司 (St.Paul， Minnesota)) 的回转磨床上。然后启动磨床， 并且磨床在 10 磅 (4.5kg) 的负载下紧靠 0.75 英寸 ×0.75 英寸 (1.9cm×1.9cm)、 预称重的 1045 钢筋的端面放置。在此负载下并且紧靠 此工件的磨床的净转速为 5000rpm。在总共三十六 (36) 个 20 秒磨削间隔 ( 次数 ) 的条件 下对该工件进行研磨。每 20 秒间隔后， 使工件冷却至室温并称重， 以确定研磨操作的切削 量。试验结果以各间隔的切削增量和切除的总切削量记录。如果需要， 可采用合适的设备 自动进行该试验。
图 7 描绘了各样品每个间隔的切削增量 ( 以克计 )。 表 1 示出了在试验期间切除的 总切削量 ( 以克计 )。 如所见， 各标称筛分粒度级的 α- 氧化铝磨料碎片的性能优于随机粉 碎的 α- 氧化铝磨粒和 Rowenhorst 三角形磨粒。 令人惊讶的是， 具有较小粒度的、 标称筛分 等级 -20+25 的磨料碎片的性能类似于 -18+20 等级的完整三角形磨粒， 并且更优于 -18+20 等级的 Rowenhorst 三角形磨粒。因此， 相比 Rowenhorst 三角形磨粒， α- 氧化铝磨料碎片 的相对锋利度得到显著提高。
表1： 总切削量
15101909823 A CN 101909829说粒度明书总切削量 (g) 393.1 728.9 478.9 418.9 693.0 464.5 633.8 438.2 597.112/12 页磨粒 321 CUBITRON 完整三角形磨粒 Rowenhorst 三角形磨粒 321 CUBITRON 磨料碎片 321 CUBITRON 磨料碎片 321 CUBITRON 磨料碎片
-18+20 -18+20 -18+20 -20+25 -20+25 -25+30 -25+30 -30+35 -30+35在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 更具体地讲， 在不脱离所附权利要求书 中所示出的精神和范围的情况下， 本领域的普通技术人员可以采用本发明的其他修改形式 和变型形式。应当理解， 多个实施例的各方面可以整体地或部分地与多个实施例的其他方 面互换， 或与多个实施例的其他方面相结合。以上获得专利证书的专利申请中所有引用的 参考文献、 专利或专利申请的全文通过一致的方式以引用方式并入本文中。如果包含的参 考文献的部分与本专利申请存在不一致或矛盾的地方， 以前面具体实施方式中的信息为 准。 为了使本领域的普通技术人员能够实践受权利要求书保护的本发明而给定的之前描述 的具体实施方式不应理解为是对本发明的范围的限制， 本发明的范围由权利要求书及其所 有等同形式所限定。