專利名稱：含磨粒團(tuán)聚物的多孔磨具其制備磨粒團(tuán)聚物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及粘合磨具，它們使用一些磨粒團(tuán)聚物面成為多孔；還涉及制備磨粒團(tuán)聚物的方法。
背景技術(shù)：
磨具一般制成多種級別或結(jié)構(gòu)，這些級別或結(jié)構(gòu)由復(fù)合磨粒基體中磨粒、粘合劑和孔隙的相對體積百分?jǐn)?shù)確定。在許多研磨操作中，磨具的孔隙率，特別是滲透性或連通結(jié)構(gòu)的孔隙率可提高研磨操作的效率和被研磨工件的質(zhì)量?？稍谀チ?fù)合混合物中加入孔隙誘發(fā)劑，如發(fā)泡氧化鋁和萘，以便加壓模制并處理成多孔未固化磨具，在最終的磨具中產(chǎn)生足夠體積百分?jǐn)?shù)的孔隙率。
由磨粒和粘合劑顆粒在加壓模制過程中堆積形成的天然孔隙率不足以得到某些研磨操作所需的孔隙特性。雖然可以通過加入生孔劑來提高孔隙百分?jǐn)?shù)，但用本領(lǐng)域已知的生孔劑(例如空心陶瓷或玻璃球)無法得到開放孔道或連通孔隙。有些生孔劑(例如胡桃殼和萘)必須從研磨基體中燒掉，這給生產(chǎn)帶來了諸多困難。此外，由于生孔劑、粘合材料和磨粒的密度相差甚遠(yuǎn)，常常引起研磨混合物在運(yùn)送和模制過程中分層，這就會破壞最得磨具三維結(jié)構(gòu)的均勻一性。
研究發(fā)現(xiàn)，對于磨具的研磨性能，連通孔的體積百分?jǐn)?shù)或流體滲透率是比單純的體積百分孔隙率更加重要的因素。Wu的美國專利A-5738696介紹了制備粘合磨具的方法，它采用長寬比至少為5∶1的長形磨粒。粘合磨輪的滲透性結(jié)構(gòu)含55-80％(體積)的連通孔。在研磨過程中，利用連通孔可除去磨輪中的研磨廢料(碎屑)，并使冷卻液流通。連通孔的存在可通過測定磨輪在受控條件下對空氣的滲透性而得到證實(shí)。該長形磨粒在形成磨輪之前沒有發(fā)生團(tuán)聚或以其他方式被粘合劑涂敷。Wu的美國專利A-5738697介紹了高滲透性磨輪，它們含有相當(dāng)多的連通孔(40-80％，體積)。這些磨輪由長徑比至少為5∶1的纖維狀顆?；w制備。纖維狀顆?？梢允菬Y(jié)的溶膠凝膠氧化鋁磨?；蚱胀ǚ抢w維狀磨粒，與各種纖維填料和墊子以及由纖維狀顆粒形成的團(tuán)聚物混合而成，其中所述纖維填料如陶瓷纖維、聚酯纖維和玻璃纖維。纖維狀磨粒在形成磨輪之前沒有發(fā)生團(tuán)聚，也沒有涂敷粘合劑。
使磨粒發(fā)生團(tuán)聚是出于多種目的，其中主要的目的是用較小的粒徑得到與較大粒徑一樣的研磨效率。在許多情況下，用粘合材料使磨粒發(fā)生團(tuán)聚，得到孔較少的結(jié)構(gòu)和密度較大的磨具，其中磨粒粘合更牢。據(jù)報道，磨粒團(tuán)聚物能提高研磨效率，提高機(jī)理與磨具中孔隙的多少和性質(zhì)完全無關(guān)。
Jackson的美國專利A-2194472介紹的涂覆磨具由許多較精細(xì)的磨粒和涂覆磨具或粘合磨具中常用的粘合劑形成的團(tuán)聚物制備?？捎糜袡C(jī)粘合劑將團(tuán)聚物粘著到涂覆磨具的背襯上。用團(tuán)聚物而不是一個個磨粒制備的涂覆磨具的特征，是磨削較快、使用壽命長、適合在工件上產(chǎn)生精細(xì)的表面光潔度。
Benner的美國專利A-2216728介紹了由任何類型的粘合劑制備的磨粒/粘合劑團(tuán)聚物。制備這種團(tuán)聚物的目的是獲得密度非常高的磨輪結(jié)構(gòu)，以便在研磨操作中保留金剛石或CBN磨粒。如果制成的團(tuán)聚物有多孔結(jié)構(gòu)，則其目的是讓團(tuán)聚物之間的粘合材料流進(jìn)團(tuán)聚物的孔中，從而在燒結(jié)過程中充分增加該結(jié)構(gòu)的密度。團(tuán)聚物允許使用在通常的生產(chǎn)中容易流失的精細(xì)磨粒。
Hurst的美國專利A-3048482介紹了磨粒團(tuán)聚物和有機(jī)粘合劑形成的成形研磨微小片段，其形狀為棱錐或其他錐形。此成形研磨微小片段粘著到纖維質(zhì)背襯上，用來制備涂覆磨具，并用來為薄磨輪的表面作為襯里。該發(fā)明的特征是，與不含磨粒團(tuán)聚物的微小片段的磨具相比，它磨削壽命長，可控制磨具的柔性，強(qiáng)度和速度安全性高，具有回彈作用和高效磨削作用。
Elbel的美國專利A-3982359介紹了樹脂粘合劑和磨粒的團(tuán)聚物的制備，樹脂粘合劑的硬度高于用來粘合磨具中的團(tuán)聚物的樹脂粘合劑。含團(tuán)聚物的橡膠粘合磨輪具有更快的研磨速率和更長的使用壽命。
Heyer的美國專利A-4355489介紹了由波紋狀纖維和磨粒團(tuán)聚物制備的磨具(輪、盤、帶、片、塊等)，其空隙率約為70-97％，其中波紋狀纖維在互相接觸點(diǎn)粘合在一起。團(tuán)聚物可用玻璃質(zhì)或樹脂粘合劑和任何磨粒制備。
Bitzer的美國專利A-4364746介紹了含強(qiáng)度不同的各種磨粒團(tuán)聚物的磨具。團(tuán)聚物由磨粒和樹脂粘合劑制備，也可包含用來增加強(qiáng)度或硬度的其他材料，如短切纖維。
Eisenberg等人美國專利A-4393021介紹了用磨粒和樹脂粘合劑制備磨粒團(tuán)聚物的方法，它采用篩網(wǎng)，讓磨粒和粘合劑的漿液軋過篩網(wǎng)，形成蠕蟲狀擠出物。通過加熱使擠出物硬化后，再粉碎成團(tuán)聚物。
Bloecher的美國專利A-4799939介紹了由磨粒、空心體和有機(jī)粘合劑構(gòu)成的可磨蝕團(tuán)聚物以及這些團(tuán)聚物在涂覆磨具和粘合磨具上的應(yīng)用。含有團(tuán)聚物的磨具據(jù)稱具有更高的磨削量、更長的壽命，并能用于濕研磨條件。團(tuán)聚物的最大尺寸宜為150-3000微米。為制備團(tuán)聚物，可將空心體、磨粒、粘合劑和水混合成漿液，通過加熱或輻射固化此漿液除去水，在鄂式破碎機(jī)或滾碎機(jī)中粉碎此固體混合物并過篩。
Wetshcer的美國專利A-5129189介紹了含樹脂粘合劑基體的磨具，該基體中包含磨粒、樹脂和填料如冰晶石組成的聚結(jié)物。
Benguerel的美國專利A-5651729介紹了一種磨輪，它有一個芯子和研磨邊緣，研磨邊緣由樹脂粘合劑和粉碎的團(tuán)聚物制備，該團(tuán)聚物由金剛石或CBN磨粒與金屬粘合劑或陶瓷粘合劑構(gòu)成。據(jù)介紹，由此團(tuán)聚物制備的磨輪所具有的優(yōu)點(diǎn)包括磨削間隙度高、耐磨損性高、輪抗機(jī)械性能高，具有自磨銳特征，并能直接將研磨邊粘合到磨輪芯子上。在一種實(shí)施方式中，可將用過的金剛石或CBN粘合研磨邊破碎成大小為0.2-3mm的團(tuán)聚物。
Kressner的美國專利A-4311489介紹了由細(xì)(≤200微米)磨粒、冰晶石還或可由硅酸鹽粘合劑組成的團(tuán)聚物，還介紹了它們在制備涂覆磨具中的應(yīng)用。
Rostoker的美國專利A-4541842介紹了涂覆磨具和磨輪，它們由磨粒泡沫材料組成的團(tuán)聚物制備，所述泡沫材料由玻璃質(zhì)粘合材料與其他適合在焙燒團(tuán)聚物的過程中發(fā)泡的原料，如碳黑或碳酸鹽制備。團(tuán)聚“小球”比顆粒所含粘合劑的百分?jǐn)?shù)(體積百分?jǐn)?shù))高。用來制備磨輪的小球在900℃燒結(jié)(至密度為70磅/立方英尺；1.134g/cc)，用來制備磨輪的玻璃質(zhì)粘合劑在880℃燒結(jié)。由16vol％小球制備的磨輪的研磨效率類似于由46vol％磨粒制備的比較磨輪。在玻璃質(zhì)粘合基體內(nèi)的這些小球包含開放孔隙，較小的磨粒集中圍繞在此開放孔隙周圍。該專利提到用旋轉(zhuǎn)窯焙燒預(yù)團(tuán)聚的生團(tuán)聚物，然后發(fā)泡、燒結(jié)成小球。
Christianson的美國專利5975988介紹了涂覆磨具，它包含一個背襯和有機(jī)粘合磨粒層，磨料層中的磨料以成形團(tuán)聚物存在，其形狀是截頂四棱錐或立方形。團(tuán)聚物由粘合在無機(jī)粘合劑中的超磨粒制備，無機(jī)粘合劑的熱膨脹系數(shù)等于或基本等于磨粒的熱膨脹系數(shù)。
Stoetzel等人的WO 00/51788介紹了含背襯、有機(jī)粘合劑(其中分散有硬無機(jī)顆粒)和粘合在背襯上的磨粒團(tuán)聚物的磨具。團(tuán)聚物中的磨粒和無機(jī)粘合劑中的硬無機(jī)顆粒的尺寸基本上相同。團(tuán)聚物可以具有任意形狀或一定的精確形狀，它們由有機(jī)粘合劑制備。硬無機(jī)顆?？梢允歉鞣N磨粒。
Imai等人的美國專利6086467介紹了磨輪，它包含磨粒和由尺寸小于磨粒的填料顆粒組成的顆粒簇?？梢允褂貌Ａз|(zhì)粘合劑，填料顆?？梢允茄趸t。顆粒簇的尺寸是磨粒的1/3或更大。其優(yōu)點(diǎn)包括可以控制粘合劑的腐蝕，包括用超磨粒在小力研磨用途中磨粒的保留性，其中超磨粒必須進(jìn)行稀釋，以使研磨力最小。填料顆粒簇可由石蠟形成。該專利沒有提到填料顆粒簇的燒結(jié)現(xiàn)象。
Adefris等人的WO 01/04227 A2介紹的磨具包含一個剛性背襯和由磨粒在多孔陶瓷基體中制備的陶瓷研磨復(fù)合物。所述復(fù)合物通過金屬涂層如電鍍金屬附著到背襯上。
這些原有技術(shù)沒有一個提出在制備磨具的過程中使用多孔磨粒團(tuán)聚物和粘合劑顆粒來控制孔隙百分?jǐn)?shù)和孔隙特征，使粘合磨具中的孔隙保持為具有滲透性、連通形式的孔隙。沒有一個專利提到用旋轉(zhuǎn)焙燒爐生產(chǎn)各種用于磨具的磨粒團(tuán)聚物。本發(fā)明的方法和磨具是用現(xiàn)有磨粒和粘合劑的團(tuán)聚混合物制備新結(jié)構(gòu)，它們的精妙之處在于有控制地設(shè)計和制備各種不同的磨具結(jié)構(gòu)，它們具有有利的雙模連通孔特征。這種雙模連通孔提高了磨具的性能，特別是在大接觸面、精密研磨操作，如緩進(jìn)表面研磨、內(nèi)徑研磨和磨具間研磨過程中的性能。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及粘合磨具，它具有能滲透流體的結(jié)構(gòu)。該磨具包括a)約5-75vol％燒結(jié)團(tuán)聚物，它包含許多用粘合材料粘合在一起的磨粒，粘合材料的特征是熔點(diǎn)在500-1400℃之間，燒結(jié)團(tuán)聚物在制成磨具之前具有三維形狀和初始尺寸分布。
b)粘合劑；c)約35-80vol％的總孔隙率，其中包括至少30vol％的連通孔；其中，粘合磨具中至少有50wt％的燒結(jié)團(tuán)聚物在制成磨具后保持三維形狀。
在另一種實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及玻璃質(zhì)粘合磨具，它具有能滲透流體的結(jié)構(gòu)。該磨具包括a)約5-75vol％燒結(jié)團(tuán)聚物，它包含許多用粘合材料粘合在一起的磨粒，粘合材料的特征是在熔點(diǎn)下具有粘度A；b)玻璃質(zhì)粘合劑，其特征在于在粘合材料的熔點(diǎn)下具有粘度B，粘度B至少比粘度A小33％；c)約35-80vol％的總孔隙率，其中包括至少30vol％的連通孔。
本發(fā)明還涉及玻璃質(zhì)粘合磨具，它具有能滲透流體的結(jié)構(gòu)。該磨具包括a)約5-60vol％燒結(jié)團(tuán)聚物，它包含許多用粘合材料粘合在一起的磨粒，粘合材料的特征是具有熔點(diǎn)A；b)玻璃質(zhì)粘合劑，其特征在于具有熔點(diǎn)B，熔點(diǎn)B比熔點(diǎn)A至少低150℃；c)約35-80vol％的總孔隙率，其中包括至少30vol％的連通孔。
另一方面，本發(fā)明的磨具是粘合磨具，它具有能滲透流體的結(jié)構(gòu)。該磨具包括a)約34-56vol％磨粒；b)約3-25vol％粘合劑；c)約35-80vol％的總孔隙率，其中包括至少30vol％的連通孔；其中，形成連通孔時沒有加入生孔介質(zhì)，也沒有加入長度與截面寬度的長寬比至少為5∶1的長形材料。
本發(fā)明還涉及制備本發(fā)明團(tuán)聚物和磨具的工藝。
本發(fā)明涉及使磨粒發(fā)生團(tuán)聚的方法，它包括如下步驟a)在旋轉(zhuǎn)焙燒窯中加入磨粒和粘合材料，控制加料速度，粘合材料選自玻璃質(zhì)粘合材料、玻璃質(zhì)材料、陶瓷材料、無機(jī)粘合劑、有機(jī)粘合劑、水、溶劑和它們的混合物；b)讓窯轉(zhuǎn)動，控制轉(zhuǎn)動速度；c)加熱混合物至約145-1300℃，加熱速率由進(jìn)料速度和轉(zhuǎn)窯速度確定；d)振搖窯中的磨粒和粘合材料，直到粘合材料粘著到磨粒上，眾多磨粒粘合在一起產(chǎn)生許多燒結(jié)的團(tuán)聚物；e)從窯中取出那些燒結(jié)團(tuán)聚物，所得燒結(jié)團(tuán)聚物具有初始三維形狀和疏松堆積密度(≤1.6g/cc)，包含許多磨粒。
本發(fā)明還涉及磨粒的燒結(jié)團(tuán)聚物，其制備方法包括如下步驟a)在旋轉(zhuǎn)焙燒窯中加入顆粒和粘合材料，控制加料速度；b)使窯轉(zhuǎn)動，控制轉(zhuǎn)動速度；c)加熱混合物至約145-1300℃，加熱速率由進(jìn)料速度和轉(zhuǎn)窯速度確定；d)振搖窯中的磨粒和粘合材料，直到粘合材料粘著到磨粒上，眾多磨粒粘合在一起產(chǎn)生許多燒結(jié)的團(tuán)聚物；e)從窯中取出那些燒結(jié)團(tuán)聚物，所得燒結(jié)團(tuán)聚物具有初始三維形狀和疏松堆積密度(≤1.6g/cc)，包含許多磨粒。
利用這種工藝，可制備包含5-75vol％磨粒團(tuán)聚物的磨具，其方法包括如下步驟a)在旋轉(zhuǎn)焙燒窯中加入磨粒和粘合材料，控制加料速度，粘合材料選自玻璃質(zhì)粘合材料、玻璃質(zhì)材料、陶瓷材料、無機(jī)粘合劑、有機(jī)粘合劑、水、溶劑和它們的混合物；b)使窯轉(zhuǎn)動，控制轉(zhuǎn)動速度；c)加熱混合物至約145-1300℃，加熱速率由進(jìn)料速度和轉(zhuǎn)窯速度確定；d)振搖窯中的磨粒和粘合材料，直到粘合材料粘著到磨粒上，眾多磨粒粘合在一起產(chǎn)生許多燒結(jié)的團(tuán)聚物；e)從窯中取出那些燒結(jié)團(tuán)聚物，這些燒結(jié)團(tuán)聚物包含許多通過粘合材料粘合在一起的磨粒，具有初始三維形狀和疏松堆積密度(≤1.6g/cc)；f)將燒結(jié)團(tuán)聚物模制成一個成形復(fù)合體；g)對成形復(fù)合體進(jìn)行熱處理，形成磨具。
還介紹了用本發(fā)明磨具進(jìn)行研磨的方法，特別是表面研磨的方法。
附圖簡述

圖1是進(jìn)行本發(fā)明磨粒團(tuán)聚物制備過程的旋轉(zhuǎn)窯的示意圖。
圖2是本發(fā)明磨輪截面的顯微照片，它由團(tuán)聚物顆粒制備(照片上較亮的區(qū)域)，具有團(tuán)聚物顆粒內(nèi)孔隙(照片上較小、較暗的區(qū)域)和團(tuán)聚物顆粒間的連通孔隙(照片上較暗的區(qū)域)。
圖3是用原有技術(shù)制備、用于比較的磨輪的截面顯微照片，從照片可以看到，該磨輪結(jié)構(gòu)中沒有團(tuán)聚物顆粒，也沒有大的連通孔。
發(fā)明詳述本發(fā)明的磨粒團(tuán)聚物是三維結(jié)構(gòu)的團(tuán)聚物，是磨粒和粘合材料的燒結(jié)多孔復(fù)合物。團(tuán)聚物具有疏松堆積密度(≤1.6g/cc)，平均尺寸約為平均研磨粒度的2-20倍，孔隙率約為30-88vol％。磨粒團(tuán)聚物的最小粉碎強(qiáng)度的值宜為0.2MPa。
磨粒可包含一種或多種已知用于磨具的磨粒，如氧化鋁顆粒(包括熔凝氧化鋁、燒結(jié)和溶膠凝膠燒結(jié)氧化鋁、燒結(jié)礬土等)、碳化硅、氧化鋁-氧化鋯、鋁氧氮、氧化鈰、低價氧化硼、石榴石、燧石、金剛石(包括天然和合成金剛石)、立方氮化硼(CBN)和它們的混合物?？梢圆捎萌魏纬叽缁蛐螤畹哪チ?。例如，磨?？砂ㄩL形的燒結(jié)溶膠凝膠氧化鋁顆粒，其長徑比高，如美國專利5129919所述。
適用于本發(fā)明的磨粒尺寸在常規(guī)磨粒粒度(例如60-7000微米)到微磨粒粒度(例如0.5-60微米)之間，以及在此范圍之間的混合尺寸。對于一給定研磨操作，可能需要加以團(tuán)聚的磨粒的粒度小于通常為此研磨操作選定的磨粒(非團(tuán)聚)粒度。例如，對粒度為80號的磨粒進(jìn)行團(tuán)聚可替代54號磨粒，對100號磨粒進(jìn)行團(tuán)聚可替代60號磨粒，對120號磨粒團(tuán)聚可替代80號磨粒。
典型磨粒的優(yōu)選燒結(jié)團(tuán)聚物的平均直徑約在200-3000微米之間，更宜在350-2000微米之間，最好在425-1000微米之間。對于微磨粒，優(yōu)選燒結(jié)團(tuán)聚物的平均直徑約在5-180微米之間，更宜在20-150微米之間，最好在70-120微米之間。
磨粒占團(tuán)聚物的比例約為10-65vol％，更宜為35-55vol％，最好為48-52vol％。
適用于制備團(tuán)聚物的粘合材料包括陶瓷和玻璃質(zhì)材料，宜為在玻璃質(zhì)粘合磨具中用作粘合體系的材料。這些玻璃質(zhì)粘合材料可以是研成粉末的預(yù)燒玻璃(玻璃料)，或者各種原料如粘土、長石、石灰、硼砂和蘇打，或者玻璃料與原料的混合物。這些材料在約500-1400℃范圍內(nèi)熔化形成液態(tài)玻璃相，濕潤磨粒的表面，冷卻后產(chǎn)生粘合柱，從而將磨粒固定在復(fù)合結(jié)構(gòu)中。適用于團(tuán)聚物的粘合材料的例子列于下表2。優(yōu)選粘合材料的特征是它們在1180℃時的粘度約為345-55300泊，熔點(diǎn)約為800-1300℃。
在一優(yōu)選實(shí)施方式中，粘合材料是玻璃質(zhì)粘合組合物，它包含煅燒過的氧化物組合物，組成為71wt％SiO2和B2O3、14wt％Al2O3、低于0.5wt％堿土金屬氧化物和13wt％堿金屬氧化物。
粘合材料也可以是陶瓷材料，包括(但不限于)氧化硅，堿金屬硅酸鹽、堿土金屬硅酸鹽、混合堿金屬和堿土金屬硅酸鹽、硅酸鋁、硅酸鋯、水合硅酸鹽、鋁酸鹽、氧化物、氮化物、氧氮化物、碳化物、氧碳化物和它們的混合物及衍生物。一般地說，陶瓷材料與玻璃材料或玻璃質(zhì)材料的不同之處，是陶瓷材料為晶體結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)中可能混有某些玻璃相，特別是在原始狀態(tài)的陶瓷材料。原料狀態(tài)的陶瓷材料，如粘土、水泥和礦物，都可用于本發(fā)明。適用于本發(fā)明的陶瓷材料的具體例子包括(但不限于)氧化硅、硅酸鈉、多鋁紅柱石和其他鋁硅酸鹽、氧化鋯-多鋁紅柱石、鋁酸鎂、硅酸鎂、硅酸鋯、長石和其他堿金屬-鋁硅酸鹽、尖晶石、鋁酸鈣、鋁酸鎂和其他堿金屬鋁酸鹽、氧化鋯、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鎂、氧化鈣、氧化鈰、氧化鈦或其他稀土添加劑、滑石、氧化鐵、氧化鋁、勃姆石、氧化硼、氧化鈰、氧化鋁-氧氮化物、氮化硼、氮化硅、石墨和這些陶瓷材料的混合物。
粘合材料可以粉末形式使用，可加入液體介質(zhì)，以確保在制備團(tuán)聚物的過程中，粘合材料和磨粒形成均勻混合物。
在粉末粘合材料組分中較好加入有機(jī)粘合劑的分散凝，作為模制或加工助劑。這些粘合劑可包括糊精、淀粉、動物蛋白膠和其他類型的膠；液體組分，如水、溶劑、粘度改性劑或pH改性劑；混合助劑。用有機(jī)粘合劑可提高團(tuán)聚物的均勻一性，特別是粘合材料在顆粒中分散的均勻一性，還可提高預(yù)燒或生團(tuán)聚物的質(zhì)量，以及含團(tuán)聚物的燒結(jié)磨具的質(zhì)量。因?yàn)檎澈蟿┰跓Y(jié)團(tuán)聚物的過程中燒掉了，它們不構(gòu)成最終團(tuán)聚物或最終磨具的一部分。
因?yàn)橐岣呋旌腺|(zhì)量，可在混合物中加入無機(jī)粘合促進(jìn)劑，以提高粘合材料與磨粒的粘著力。在制備團(tuán)聚物的時候，不管用不用有機(jī)粘合劑，都可以采用無機(jī)粘合促進(jìn)劑。
雖然在本發(fā)明的團(tuán)聚物中宜使用高溫熔合粘合材料，但粘合材料也可包含其他無機(jī)粘合劑、有機(jī)粘合劑、有機(jī)粘合材料、金屬粘合材料和它們的混合物。粘合材料宜采用在磨具工業(yè)上用作有機(jī)粘合磨具、涂覆磨具、金屬粘合磨具等的粘合劑的那些材料。
粘合材料在團(tuán)聚物中的含量約為0.5-15vol％，更宜為1-10vol％，最好為2-8vol％。
只要生產(chǎn)磨具和用它進(jìn)行研磨所需團(tuán)聚物機(jī)械強(qiáng)度范圍允許，團(tuán)聚物的孔隙率(vol％)宜盡可能高。孔隙率可以為30-80vol％，宜為40-80vol％，最好為50-75vol％。團(tuán)聚物內(nèi)孔隙部分(例如約達(dá)75vol％)宜為連通孔或者允許流體滲透的孔，所述流體包括液體(例如研磨冷卻劑和漿狀物)和空氣。
團(tuán)聚物密度可用多種方式表達(dá)。團(tuán)聚物的體密度可表達(dá)為LPD。團(tuán)聚物的相對密度可表達(dá)為初始相對密度的百分?jǐn)?shù)，或者團(tuán)聚物的相對密度與用來制備團(tuán)聚物的組分的相對密度之比，此時考慮到團(tuán)聚物中連通孔的體積。
初始平均相對密度可用百分?jǐn)?shù)表示，它是對LPD()除以假定孔隙率為0時的團(tuán)聚物理論密度(ρ0)而計算得到的。理論密度可根據(jù)混合物體積規(guī)則，由團(tuán)聚物中的粘合劑和磨粒的重量百分?jǐn)?shù)和比重計算。對于本發(fā)明的燒結(jié)團(tuán)聚物，最大百分?jǐn)?shù)相對密度為50vol％，更宜為30vol％。
相對密度可利用流體置換體積技術(shù)測定，以便包括連通孔隙而排除密閉孔隙。相對密度是通過體積置換測定的燒結(jié)團(tuán)聚物的體積與用來制備燒結(jié)團(tuán)聚物的材料的體積之比。用來制備團(tuán)聚物的材料體積是根據(jù)用來制備團(tuán)聚物的磨粒和粘合材料的量和堆積密度的表觀體積的一種衡量。對于本發(fā)明的燒結(jié)團(tuán)聚物，其最大相對密度宜為0.7，更宜為0.5。
團(tuán)聚物可用各種技術(shù)制成各種尺寸和形狀。這些技術(shù)可在對磨粒和粘合材料的初始混合物(“生料”)進(jìn)行焙燒之前、當(dāng)中或之后進(jìn)行。為使粘合材料熔化、流動，從而使粘合材料粘著到磨粒上，并將磨粒聚結(jié)成團(tuán)聚物形式，可以采用對混合物加熱的步驟，該步驟即稱作焙燒或燒結(jié)。本領(lǐng)域中已知用來使顆粒發(fā)生團(tuán)聚的任何方法都可用來制備磨粒團(tuán)聚物。
在本發(fā)明制備團(tuán)聚物工藝的第一種實(shí)施方式中，磨粒和粘合材料初始混合物對其焙燒之前使其發(fā)生團(tuán)聚，生成機(jī)械強(qiáng)度較弱的結(jié)構(gòu)，稱作“生團(tuán)聚物”或“預(yù)燒團(tuán)聚物”。
為實(shí)現(xiàn)此第一實(shí)施方式，磨粒和粘合材料可以多種不同的技術(shù)以生料形式進(jìn)行團(tuán)聚，例如用造粒機(jī)，然后送入旋轉(zhuǎn)窯進(jìn)行燒結(jié)。生團(tuán)聚物可放在托盤或架子上，然后放在爐子中以連續(xù)方式或批量方式焙燒，不需要振搖。
磨?？伤偷搅骰仓?，然后用含粘合材料的液體潤濕，將粘合材料粘著到磨粒上，過篩，選擇大小合適的團(tuán)聚物，然后在爐子或焙燒設(shè)備中焙燒。
進(jìn)行盤式造粒時，可將磨粒加入一混合碗中，將含粘合材料的液體組分(例如水或有機(jī)粘合劑和水)定量加到磨粒上，攪拌，使之團(tuán)聚在一起。粘合材料的分散液可含有有機(jī)粘結(jié)劑可噴射到磨粒上，然后可混合此經(jīng)涂覆的磨粒，形成團(tuán)聚物。
可用低壓擠出設(shè)備將磨粒和粘合材料的漿料擠出成一定尺寸和形狀，然后干燥形成團(tuán)聚物。粘合材料和磨粒的漿料可通過有機(jī)粘合劑溶液制成，用美國專利A-4393021所介紹的設(shè)備和方法出形擠成長的團(tuán)聚物顆粒。
在干造粒過程中，將磨粒包埋在粘合材料的分散液或漿液中制備的片或塊進(jìn)行干燥，然后用軋輥壓機(jī)破碎磨粒和粘合材料形成的復(fù)合物。
在另一種制備生團(tuán)聚物或前體團(tuán)聚物的方法中，可在模制裝置中加入粘合材料和磨粒的混合物，然后將此混合物模制形成精確的形狀和尺寸，模制方法如美國專利6217413 B1所述。
在本發(fā)明制備團(tuán)聚物工藝的第二種實(shí)施方式中，將顆粒與粘合材料(可以有有機(jī)粘合劑)的簡單混合物送入圖1所示類型的旋轉(zhuǎn)焙燒設(shè)備中。沿預(yù)定斜面以預(yù)定轉(zhuǎn)速振搖混合物，同時加熱。粘合材料混合物受熱熔化、流動并粘著到顆粒上后，就形成了團(tuán)聚物?？刂七M(jìn)料的速度和體積以及加熱的速率，同時實(shí)施焙燒和團(tuán)聚步驟。進(jìn)料速度一般這樣設(shè)定，使流動料大約占據(jù)旋轉(zhuǎn)焙燒設(shè)備的管道(即窯)體積的8-12％。設(shè)備中的最高溫度要這樣選擇，使液態(tài)粘合材料的粘度保持在至少約1000泊。這可避免過多的粘合材料流到管道表面，并避免粘合材料從磨粒表面流失。
圖1所示類型的旋轉(zhuǎn)焙燒設(shè)備可用來完成團(tuán)聚過程，使團(tuán)聚并焙燒團(tuán)聚物的過程一步完成。如圖1所示，將加料斗(10)中粘合材料和磨粒的進(jìn)料(11)送入定量加料磨具(12)，然后將混合物定量加入空心加熱管(13)中。管(13)的傾角(14)約為0.5-5.0度，這樣進(jìn)料(11)可借助重力進(jìn)到空心管(13)。同時，沿箭頭(a)所示方向旋轉(zhuǎn)空心管(13)，控制速率，使進(jìn)料(11)和受熱混合物(18)在通過空心管的時候得到振搖。
對空心管(13)的一部分加熱。在一種實(shí)施方式中，加熱部分可包含三個加熱區(qū)(15，16，17)，其長度(d1)占空心管(13)120英寸(305mm)長度(d2)中的60英寸(152mm)。這三個加熱區(qū)便于操作者控制加熱溫度，并根據(jù)焙燒團(tuán)聚物的需要改變溫度。在其他型號的設(shè)備中，空心管可只包含一兩個加熱區(qū)，也可以包含三個以上的加熱區(qū)。盡管在圖1中沒有示出，該設(shè)備配有加熱裝置以及機(jī)械、電子和溫度控制裝置與傳感裝置，以用來完成加熱過程。從空心管(13)的截面圖可以看到，進(jìn)料(11)在管子中轉(zhuǎn)變?yōu)槭軣峄旌衔?18)，它從管子出來后，收集到的是團(tuán)聚物顆粒(19)?？招墓鼙诘膬?nèi)徑(d3)在5.5-30英寸(14-76mm)之間，外徑(d4)在6-36英寸(15-91mm)之間，具體取決于用來制造空心管的材料型號和類型(例如難熔金屬合金、耐火磚、碳化硅、富鋁紅柱石)。
管子的傾角可在0.5-5.0度之間，管子的旋轉(zhuǎn)速度可為0.5-10rpm。小尺寸旋轉(zhuǎn)焙燒爐的進(jìn)料速度約為5-10kg/h，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的進(jìn)料速度約為227-910kg/h。旋轉(zhuǎn)焙燒爐可加熱到800-1400℃的燒結(jié)溫度，進(jìn)料進(jìn)入加熱區(qū)時可以200℃/min的速率加熱。進(jìn)料從加熱區(qū)移動到處于管子最后一段的非加熱區(qū)時，就發(fā)生冷卻。所得產(chǎn)物可用諸如水冷卻系統(tǒng)冷卻到室溫，然后收集起來。
合適的旋轉(zhuǎn)焙燒設(shè)備可購于Harper International(Buffalo，New York)或Alstom Power，Inc.，Applied Test Systems，Inc.和其他設(shè)備生產(chǎn)商。該設(shè)備可以與電子過程控制裝置和檢測裝置、冷卻系統(tǒng)、各種加料裝置和其他可用的裝置連接。
當(dāng)用低溫(例如約145-500℃)固化粘合材料來使磨粒團(tuán)聚時，可用這種旋轉(zhuǎn)窯設(shè)備的一種替代形式。在該替代形式中，可在管子的卸料端配備一個旋轉(zhuǎn)干燥器，提供熱空氣，加熱磨?；旌衔?，使粘合材料固化，將其粘著到顆粒上，從而使磨粒發(fā)生團(tuán)聚收集起來。這里所用術(shù)語“旋轉(zhuǎn)焙燒窯”包括這種旋轉(zhuǎn)干燥設(shè)備。
在本發(fā)明制備團(tuán)聚物工藝的第三種實(shí)施方式中，將磨粒、粘合材料和有機(jī)粘合劑物系的混合物送入爐子，不需要預(yù)團(tuán)聚，然后加熱。將該混合物加熱到足夠高的溫度，使粘合材料熔化、流動并粘著到顆粒上，然后冷卻，形成復(fù)合物。粉碎此復(fù)合物，過篩，獲得燒結(jié)團(tuán)聚物。
在第四種實(shí)施方式中，團(tuán)聚物在制成磨具之前不進(jìn)行燒結(jié)，而是用粘合材料將“生”團(tuán)聚物模制成一個磨具坯體，再燒結(jié)此坯體，形成磨具。在完成此過程的一種優(yōu)選方法中，用高粘度(熔化形成液體時)玻璃質(zhì)粘合材料將磨粒團(tuán)聚成生料狀態(tài)。在爐子中干燥此生團(tuán)聚物，與第二種粘度宜較低的玻璃質(zhì)粘合組合物混合，然后模制成生磨具生坯形式。焙燒此生坯磨具，溫度既要能有效熔化高粘度玻璃質(zhì)粘合材料，但又不致使其流動。所選燒結(jié)溫度要足夠高，使粘合材料組合物熔合成玻璃，從而使顆磨粒發(fā)生團(tuán)聚，還要使粘合組合物流動，使團(tuán)聚物粘合，最后形成磨具。在此工藝中，選用粘度不同的材料和熔合溫度或熔點(diǎn)不同的材料并非必需。在用這種技術(shù)由生料團(tuán)聚物制備磨具時，可采用本領(lǐng)域已知的粘合材料的其它混合物。
本發(fā)明的粘合磨具包括磨輪、分段式磨輪、磨盤、磨石和其他整體或分段成形的研磨復(fù)合體。本發(fā)明的磨具包含約5-75vol％的磨粒團(tuán)聚物，宜含10-60vol％，最好含20-52vol％。
在一個優(yōu)選實(shí)施方式中，玻璃質(zhì)粘合磨具包含約3-25vol％，較好含4-20vol％，最好含5-19vol％的粘合劑。算上磨粒團(tuán)聚物和粘合劑，這些磨具包含約35-80vol％的孔，其中包含至少30vol％的連通孔，宜含55-80vol％的孔，其中包含至少50vol％的連通孔。玻璃質(zhì)粘合磨具可包含35-52vol％的燒結(jié)團(tuán)聚物、3-13vol％的玻璃質(zhì)粘合劑和35-70vol％的孔。
連通孔的量可根據(jù)美國專利A-5738696所述方法，通過測定磨具的流體滲透性來確定。在這里，Q/P＝磨具的流體滲透性，其中Q表示空氣流量，單位為cc，P表示壓力差。Q/P代表在某種流體(例如空氣)的給定流量下，磨具結(jié)構(gòu)與大氣之間測出的壓力差。此相對滲透性Q/P與孔隙率和孔徑平方的乘積成正比?？讖皆酱笤胶?。孔的幾何形狀和磨粒尺寸是影響Q/P的其他因素，粒度越大，相對滲透性越高。
本發(fā)明磨具的特征是比原有可比較磨具具有更高的流體滲透值。這里所說“原有可比較磨具”是用與本發(fā)明相同的磨粒和粘合材料制備的具有相同孔隙率和粘合劑體積百分?jǐn)?shù)的磨具。一般地，本發(fā)明磨具的流體滲透值比原有可比較磨具的值高約30-100％。本發(fā)明磨具的流體滲透值較好比原有可比較磨具的值至少高10％，更好高30％。
對于特定的團(tuán)聚物尺寸和形狀、粘合劑類型和孔隙率，實(shí)際的相對流體滲透參數(shù)可通過將D’Arcy定律應(yīng)用于給定類型的磨具的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。
磨輪內(nèi)的孔隙形成于磨具組分，特別是研磨團(tuán)聚物的天然堆積密度提供的開放空間，并形成于或可加入的常規(guī)生孔介質(zhì)。合適的生孔介質(zhì)包括(但不限于)空心玻璃球、磨碎的胡桃殼、塑料或有機(jī)化合物的空心球或空心珠、泡沫玻璃顆粒、多鋁紅柱石泡和氧化鋁泡以及它們的混合物。磨具可用開放孔生孔劑制備，如萘球或其他有機(jī)顆粒，它們在燒結(jié)磨具的過程中燒掉，在磨具基體中留下空隙。這些磨具也可以用閉孔空心生孔介質(zhì)(例如空心玻璃球)制備。本發(fā)明的優(yōu)選磨具要么不加生孔介質(zhì)，要么加入少量生孔介質(zhì)，用以有效產(chǎn)生孔隙率至少為30vol％(連通孔)的磨具。
本發(fā)明粘合磨具具有多孔結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)中，燒結(jié)團(tuán)聚物的平均直徑不大于連通孔的平均尺寸，該連通孔測定的是最大開口。
最后得到的磨具或可包含加入的次級磨粒、填料、研磨助劑和生孔介質(zhì)以及這些物質(zhì)的混合物。磨粒(團(tuán)聚物顆粒和非團(tuán)聚物的的磨粒)在磨具中的總體積百分?jǐn)?shù)在約34-56vol％之間，宜在約36-54vol％之間，最好在約36-46vol％之間。粘合磨具的密度宜小于2.2g/cc。
當(dāng)磨粒與磨粒團(tuán)聚物同時使用時，團(tuán)聚物宜約占磨具中磨?？偭康?-100vol％，更宜約占30-70vol％。當(dāng)用到次級磨粒時，這些磨粒宜約占磨具中磨粒總量的0.1-95vol％，更宜約占30-70vol％。合適的次級磨粒包括(但不限于)各種氧化鋁、溶膠凝膠氧化鋁、燒結(jié)礬土、碳化硅、氧化鋁-氧化鋯、氧氮化鋁、氧化鈰、低氧化硼、立方氮化硼、金剛石、燧石和石榴石顆粒以及它們的混合物。
本發(fā)明磨具較好用玻璃質(zhì)粘合劑粘合。本領(lǐng)域用于制備磨具的任何粘合劑均勻可選用于此。合適的粘合劑的例子見美國專利4543 107、4898597、5203886、5401284、5536283、5095665、5863308和5094672，它們參考結(jié)合于此。
焙燒之后，這些玻璃質(zhì)粘合劑組合物較好包含(但不限于)以下氧化物的組合SiO2、Al2O3、Na2O、Li2O和B2O3。也可存在其他氧化物如K2O、ZnO、ZrO2和堿土金屬氧化物如CaO、MgO和BaO。如果需要粘合劑具有顏色，可添加氧化鈷(CoO)或其他色源氧化物。在原料中作為雜質(zhì)存在的其他氧化物，如Fe2O3、TiO2和P2O5和其他化合物可歸入粘合劑中。除了粘合劑原料(或未焙燒的粘合材料)之外，可使用玻璃料，或者用后者替代前者。粘合劑原料包括粘土、高嶺土、氧化鋁、碳酸鋰、五水合硼砂或硼酸、燒堿、燧石和鈣硅石以及本領(lǐng)域已知的其他粘合材料。玻璃質(zhì)粘合劑可以是玻璃材料或陶瓷材料，可含有無定形區(qū)，也可不含。
在粉末粘合組分中較好加入有機(jī)粘合劑，作為模制或加工助劑，其中粉末粘合組分可以是玻璃料或原料。這些粘合劑可包含糊精、淀粉、動物蛋白膠和其他類型的膠、液體組分如水、粘度調(diào)節(jié)劑或pH調(diào)節(jié)劑和混合助劑。采用粘合劑能提高磨輪的均勻性，也提高了預(yù)燒輪或壓制輪生坯和燒結(jié)輪的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。因?yàn)檎澈蟿┰跓Y(jié)過程中燒掉，它們不構(gòu)成最終粘合磨具的一部分。
可在混合物中加入無機(jī)粘著促進(jìn)劑，以促進(jìn)玻璃粘合劑粘著到磨粒團(tuán)聚物上，這是混合和模制過程所需要的。無機(jī)粘著促進(jìn)劑可用來制備團(tuán)聚物，此時可加入有機(jī)粘合劑，也可不加。
由某些團(tuán)聚物，磨具可在不添加粘合材料的情況下制備，只要團(tuán)聚物中存在的粘合材料足以提供合適的機(jī)械強(qiáng)度，適合于磨具的生產(chǎn)和磨具在研磨操作中的應(yīng)用。例如，磨具可由至少70vol％的團(tuán)聚物制備，團(tuán)聚物中粘合材料的含量至少為5vol％。
磨具的密度和硬度由所選團(tuán)聚物、粘合劑和其他磨具組分的類型、孔隙含量、模具大小和類型及所選壓制工藝確定。
磨輪可用本領(lǐng)域已知的任何方法模制和壓制，包括熱壓、溫壓和冷壓技術(shù)。必須仔細(xì)選擇形成生料輪的模制壓力，以免過多壓碎磨粒團(tuán)聚物(例如超過50wt％的團(tuán)聚物)，并保護(hù)團(tuán)聚物的三維結(jié)構(gòu)。制備本發(fā)明磨輪所需最大合適的壓力取決于磨輪的形狀、大小、厚度和粘合組分，還取決于模制溫度。在普通生產(chǎn)過程中，最大壓力范圍約為3100-20000磅/英寸2(218-1406kg/cm2)。模制和壓制較好在約775-1550kg/cm2，較好在465-1085kg/cm2下進(jìn)行。本發(fā)明團(tuán)聚物的機(jī)械強(qiáng)度足以抵抗在制備磨具的典型商業(yè)生產(chǎn)過程中所采用的模制和壓制操作。
磨輪可通過本領(lǐng)域已知的方法燒結(jié)。燒結(jié)條件主要由實(shí)際所用粘合劑和研磨劑，以及磨粒團(tuán)聚物中所含粘合材料類型確定。根據(jù)所選粘合劑的化學(xué)組成，若是玻璃質(zhì)粘合劑可在600-1250℃燒結(jié)，較好在850-1200℃燒結(jié)，以提供對金屬、陶瓷或其他材料研磨所需的機(jī)械性質(zhì)。玻璃質(zhì)粘合體用常規(guī)方法焙燒后，還可浸漬諸如硫磺的研磨助劑，或諸如環(huán)氧樹脂的載體，使研磨助劑進(jìn)入磨輪的孔中。
對合適的玻璃質(zhì)粘合劑的選擇取決于使用何種團(tuán)聚工藝，粘合劑和團(tuán)聚物中的粘合材料之間必須保持熔化或熔合溫度差還是粘度差。
用磨粒團(tuán)聚物制備玻璃質(zhì)粘合磨輪或其他磨具的時候，可選用幾種通用技術(shù)之一。第一種技術(shù)是，用燒結(jié)溫度較高(例如在高于約1000℃熔合)的玻璃質(zhì)粘合材料使顆粒發(fā)生團(tuán)聚。然后用燒結(jié)溫度較低(例如在低于650-975℃下熔合)的粉狀玻璃質(zhì)粘合組合物與磨粒團(tuán)聚物混合，然后模制成磨具。生料階段的磨具在第二種粘合材料的較低燒結(jié)溫度下燒結(jié)，得到最終的磨具。在優(yōu)選實(shí)施方式中，玻璃質(zhì)粘合劑的粘合燒結(jié)溫度比粘合材料的熔化或熔合溫度至少低150℃。
第二種技術(shù)利用液態(tài)的熔化或熔合玻璃之間的粘度差，從而在制備團(tuán)聚物和燒結(jié)磨輪時使用相同的溫度。在第一個焙燒步驟中，可用高粘度玻璃質(zhì)粘合材料使顆粒發(fā)生團(tuán)聚。然后將焙燒過的團(tuán)聚物與第二種低粘度玻璃質(zhì)粘合組合物混合，模制成生料形式的磨具。模制磨具的燒結(jié)溫度與制備團(tuán)聚物的第一焙燒步驟所用溫度大約相同，因?yàn)檎澈喜牧咸幱跓霟嵋簯B(tài)時，粘合材料不會因變得太稀薄而從顆粒上流掉。因此，團(tuán)聚物的初始三維結(jié)構(gòu)可得到保持。
在此技術(shù)的優(yōu)選實(shí)施方式中，玻璃質(zhì)粘合劑在粘合材料的熔點(diǎn)下的粘度比粘合材料在其熔點(diǎn)下的粘度至少低33％。因此，當(dāng)粘合材料在1180℃下的粘度約為345-55300泊時，玻璃質(zhì)粘合材料在1180℃的粘度約為30-37000泊。
在第三種技術(shù)中，可用其焙燒溫度中等(例如約850-975℃)的粘合材料使磨粒發(fā)生團(tuán)聚，但是是在高于粘合材料的熔合溫度或熔點(diǎn)(例如1000-1200℃)的溫度進(jìn)行團(tuán)聚。團(tuán)聚物與用作玻璃質(zhì)粘合組合物相同的粘合材料混合，將混合物模制成磨具生坯。磨具生坯在比熔化粘合材料使磨粒發(fā)生團(tuán)聚的溫度低的溫度(例如約850-975℃)下燒結(jié)。較低的溫度能使團(tuán)聚物相互有效地粘合在一起。此工藝能保持團(tuán)聚物的三維結(jié)構(gòu)，因?yàn)榈谝粚诱澈喜牧显谡澈夏ゾ叩臒Y(jié)溫度下不流動。
在第四種技術(shù)中，用相同的組合物作為磨輪的粘合材料和粘合劑，團(tuán)聚過程和制備磨輪的過程在相同溫度下完成。從理論上講，因?yàn)檎澈喜牧先酆铣刹ＡШ螅趫F(tuán)聚過程中粘著到磨粒上，粘合材料的性質(zhì)已經(jīng)發(fā)生改變。因此，燒結(jié)團(tuán)聚物中的熔合粘合材料在比未熔合粘合材料高的溫度下流動，團(tuán)聚物在燒結(jié)磨輪的過程中保持形狀不變。在一優(yōu)選實(shí)施方式中，粘合材料和粘合劑用的組合物包含某些原料，不含燒結(jié)過的玻璃組合物。
在制備玻璃質(zhì)磨具的第五種技術(shù)中，該磨具在不增加粘合材料的情況下制備。團(tuán)聚物裝到模具中，壓制在約500-1400℃的溫度范圍內(nèi)燒結(jié)，形成磨具。用于制備團(tuán)聚物的粘合材料是玻璃質(zhì)粘合組合物，粘合材料在團(tuán)聚物中有足夠的含量(例如約占團(tuán)聚物的5-15vol％)，它們將玻璃質(zhì)磨具成品中的團(tuán)聚物粘合在一起。
團(tuán)聚物可用粘合磨具生產(chǎn)行業(yè)已知的任何類型的粘合劑粘合在一起，如有機(jī)或樹脂粘合劑和金屬粘合劑。適用于玻璃質(zhì)磨具的團(tuán)聚物體積百分?jǐn)?shù)范圍也適用于金屬和有機(jī)粘合磨具。有機(jī)和金屬粘合磨具通常比玻璃質(zhì)粘合磨具具有更高的粘合劑體積百分?jǐn)?shù)，而具有更低的孔隙體積百分?jǐn)?shù)，磨粒含量也更高。有機(jī)和金屬粘合磨具可利用各種加工方法混合、模制和固化或燒結(jié)，磨?；驁F(tuán)聚物、粘合劑和孔隙組成的各種百分?jǐn)?shù)與本領(lǐng)域所已知的相同。本發(fā)明的團(tuán)聚物可用于單層金屬粘合磨具中，也可用于多層三維結(jié)構(gòu)整體磨具和分段式基體磨具中，如本領(lǐng)域已知的。
本發(fā)明磨具包括磨輪、磨盤、磨石和磨棒，它們特別適合用于磨具和工件之間接觸面較大的研磨應(yīng)用中。這種應(yīng)用或研磨操作包括(但不限于)緩進(jìn)研磨和其他精確表面研磨、多孔磨具間研磨操作、內(nèi)徑研磨操作和精細(xì)陶瓷及其他脆性工件的精細(xì)表面研磨。
用微米級或亞微米級磨粒進(jìn)行的精細(xì)研磨或拋光操作將得益于由本發(fā)明團(tuán)聚物制備的磨具的應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)超精細(xì)加工工具或拋光磨具和系統(tǒng)，用這種細(xì)磨粒的團(tuán)聚物制備的本發(fā)明磨具在較低研磨力下就能進(jìn)行磨蝕，在精密光潔度操作(例如在玻璃和陶瓷組分上產(chǎn)生鏡面磨光作用)中對工件很少產(chǎn)生或不會產(chǎn)生表面損傷。由于用了團(tuán)聚物結(jié)構(gòu)，特別是在單層磨具，同時也在三維基體和漿液磨具中的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，磨具使用壽命仍能使人滿意。
在精密成形輪廓研磨中，團(tuán)聚物的脆性可減少修整的循環(huán)次數(shù)。由于磨具中有連通孔，冷卻劑的供給和碎屑的除去得到加強(qiáng)，使研磨操作在更低的溫度下進(jìn)行，從而對工件的熱損傷更少，研磨機(jī)械的磨損也更少。因?yàn)樵趫F(tuán)聚物中的粒度較小的磨粒具有粒度較大的磨粒一樣的研磨效率，但能得到更光滑的表面光潔度效果，所以工件的研磨質(zhì)量常常得到顯著提高。
以下一些實(shí)施例是為了說明本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明。
實(shí)施例1在旋轉(zhuǎn)焙燒設(shè)備(電焙燒型，#HOU-5D34-RT-28，最高溫度1200℃，輸入功率30kW，配有長72”(183cm)、內(nèi)徑5.5”(14cm)的難熔金屬管，由HarperInternational，Buffalo，New York生產(chǎn))中制備一系列磨粒團(tuán)聚物樣品。用相同尺寸的碳化硅管取代難熔金屬管，改進(jìn)此設(shè)備，在1550℃的最高溫度下操作。團(tuán)聚過程在大氣條件下進(jìn)行，熱區(qū)溫度控制在設(shè)定的1180℃，設(shè)備管的旋轉(zhuǎn)速率為9rpm，管子的傾角為2.5-3度，進(jìn)料速率為6-10kg/h。所用設(shè)備基本上與圖1所示設(shè)備相同。所得可用的自由流動的團(tuán)聚物顆粒(-12目至留在篩盤上的顆粒)的產(chǎn)率為焙燒前進(jìn)料總重的60-90％。團(tuán)聚物樣品由表1-1所示磨粒、粘合材料和水的簡單混合物制備。用來制備樣品的玻璃質(zhì)粘合材料組合物列于表2。樣品由三種類型的磨粒制備熔凝氧化鋁38A、熔凝氧化鋁32A和燒結(jié)溶膠-凝膠α氧化鋁Norton SG磨粒，購自Saint-Gobain Ceramics & Plastics，Inc.，Worcester，MA，USA，其粒度列于表。
在旋轉(zhuǎn)焙燒設(shè)備中進(jìn)行了團(tuán)聚后，對磨粒團(tuán)聚物樣品過篩，測定疏松堆積密度(LPD)、粒徑分布和團(tuán)聚物強(qiáng)度。這些結(jié)果列于表1。
表1-1團(tuán)聚物顆粒性質(zhì)
粘合材料Avol％是焙燒后團(tuán)聚物顆粒(即粘合材料和顆粒)中固體材料的百分?jǐn)?shù)，不包括孔的vol％。
焙燒團(tuán)聚物中粘合材料vol％用粘合材料原料的平均LOI(焙燒損失)計算。
燒結(jié)團(tuán)聚物用安裝在振動篩分裝置(Ro-Tap；型號RX-29；W.S.Tyler Inc.Mentor，OH)上的美國標(biāo)準(zhǔn)測試篩測定尺寸。網(wǎng)篩尺寸在18目-140目之間，適用于不同樣品。燒結(jié)團(tuán)聚物的疏松堆積密度(LPD)根據(jù)磨粒堆積密度的美國國家標(biāo)準(zhǔn)程序測定。
初始平均相對密度(用百分?jǐn)?shù)表示)是對LPD(ρ)除以假定孔隙為零時的團(tuán)聚物物理論密度(ρ0)計算。理論密度可根據(jù)混合物體積規(guī)則，由團(tuán)聚物中的粘合劑和磨粒的重量百分?jǐn)?shù)和比重計算。
團(tuán)聚物的強(qiáng)度用加壓測試測定。加壓測試用位于Instron通用試驗(yàn)機(jī)(型號MTS 1125，20000磅(9072kg))上直徑為1英寸(2.54cm)的潤滑鋼模進(jìn)行，團(tuán)聚物樣品重5克。將團(tuán)聚物樣品裝入模子，輕敲模子外壁，使樣品表面稍稍變平。插入上沖頭，放下十字頭，直到記錄儀上觀察到一定的力(“初始位置”)。以恒定速率對樣品增加壓力(2mm/min)，直至得到180MPa的最大壓力。團(tuán)聚物樣品的體積(樣品的壓縮LPD)從十字頭的位移(應(yīng)變)可以看出來，記作相對密度與外加壓力對數(shù)的關(guān)系。然后對殘余材料進(jìn)行過篩，確定破碎部分的百分?jǐn)?shù)。測定不同壓力，建立外加壓力的對數(shù)與破碎部分百分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系圖。破碎部分等于團(tuán)聚物樣品的50wt％時的壓力對數(shù)作為結(jié)果記錄在表1中。破碎分?jǐn)?shù)是通過較小網(wǎng)篩的破碎顆粒重量與樣品初始重量之比。
這些團(tuán)聚物具有適用于工業(yè)生產(chǎn)磨輪的LPD、粒徑分布、模制強(qiáng)度和粒徑保留特征。最終形成的燒結(jié)團(tuán)聚物具有三維形狀，包括三角形、立方形、矩形和其他幾何形狀。團(tuán)聚物含有各種粒度的磨粒(例如粒度為2-20號)，它們通過玻璃粘合材料在磨粒與磨粒接觸點(diǎn)部位粘合在一起。
團(tuán)聚物粒徑隨著團(tuán)聚物顆粒中粘合材料的增加而增加，粘合材料的范圍在3-20wt％之間。
樣品1-9均具有足夠的耐壓強(qiáng)度，表明玻璃粘合材料已經(jīng)熟化并流動，在團(tuán)聚物所含的磨粒之間產(chǎn)生有效粘合。由10wt％的粘合材料制備的團(tuán)聚物比由2wt％或6wt％的粘合材料制備的團(tuán)聚物明顯具有更高的耐壓強(qiáng)度。
LPD值越低，表明團(tuán)聚程度越高。團(tuán)聚物的LPD隨著粘合材料wt％的增加和磨粒粒度的減小而減少。與6wt％和10wt％的粘合材料之間較小的差異相比，2wt％與6wt％的粘合材料之間的差異較大，表明少于2wt％的粘合材料不足以形成團(tuán)聚物。在重量百分?jǐn)?shù)較高，約高于6wt％時，再加入更多的粘合材料可能不利于得到明顯更大或更強(qiáng)的團(tuán)聚物。
如團(tuán)聚物粒徑結(jié)果所示，粘合材料C的樣品在團(tuán)聚溫度下具有最低的熔化玻璃粘度，它在三種粘合材料中具有最低的LPD。磨粒類型對LPD沒有顯著影響。
表2用于團(tuán)聚物的粘合材料
a.括號中所列粘合材料A-1用于實(shí)施例2的樣品。
b.存在約0.1-2％的雜質(zhì)(例如Fe2O3和TiO2)。
實(shí)施例2使用其他各種加工方式和原料制備了另一些團(tuán)聚物樣品。
利用旋轉(zhuǎn)焙燒設(shè)備(型號HOU-5D34-RT-28，配有長120英寸(305cm)、內(nèi)徑5.75英寸(15.6cm)、厚3/8英寸(0.95cm)的多鋁紅柱石管，加熱長度有60英寸(152cm)，分三個控溫區(qū)。該裝置由Harper International，Buffalo，New York生產(chǎn))，在1100-1250℃范圍內(nèi)的不同燒結(jié)溫度下制成一系列團(tuán)聚物(樣品10-13)。用可調(diào)節(jié)控制體積進(jìn)料速率的Brabender進(jìn)料裝置向旋轉(zhuǎn)焙燒設(shè)備的加熱管計量送入磨粒和粘合材料的混合物。團(tuán)聚過程在大氣條件下進(jìn)行，管子旋轉(zhuǎn)速率為4rpm，管子的傾角為2.5度，進(jìn)料速率為8kg/h。所用設(shè)備與圖1所示設(shè)備基本上相同。制備這些團(tuán)聚物的溫度選擇和所用其他參數(shù)列于表2-1。
所有樣品包含89.86wt％的磨粒(60號粒度38A氧化鋁顆粒，購自Saint-Gobain Ceramics & Plastics，Inc.)和10.16wt％的粘合劑混合物(6.3wt％AR30液體蛋白粘合劑、1.0wt％ Carbowax 3350 PEG和2.86wt％粘合材料A)組成的混合物。此混合物產(chǎn)生的燒結(jié)團(tuán)聚物顆粒中含4.77vol％粘合材料和95.23vol％磨粒。團(tuán)聚物顆粒的理論計算密度(假定沒有孔隙)為3.852g/cc。
將混合物置于進(jìn)料裝置之前，通過模擬擠出過程形成生料團(tuán)聚物。為制備此擠出團(tuán)聚物，要加熱液體蛋白粘合劑，溶解Carbowax 3350 PEG。然后在攪拌混合物的同時緩緩加入粘合材料。將磨粒加入一高剪切混合器中(直徑44英寸(112cm))，將制備好的粘合材料-粘合劑混合物緩緩加入混合器中的磨粒里。攪拌合并的混合物3分鐘。通過12目(美國標(biāo)準(zhǔn)篩尺寸)箱式篩將混合物濕篩到托盤上，形成最大深度為1英寸(2.5cm)的一層，得到濕的、生料(未焙燒)擠出團(tuán)聚物。將擠出團(tuán)聚物的層在90℃烘箱中干燥24小時。干燥后，用12-16目(美國標(biāo)準(zhǔn)篩尺寸)箱式篩再次將團(tuán)聚物過篩。
在旋轉(zhuǎn)焙燒過程中觀察到，生料狀態(tài)的團(tuán)聚物受熱時似乎發(fā)生破碎，然后翻滾出旋轉(zhuǎn)焙燒管的加熱部分出口時又重新形成。相對于焙燒后的團(tuán)聚物顆粒，較大的生團(tuán)聚物顆粒在目視檢測樣品時更容易看清楚。
焙燒后經(jīng)觀察，團(tuán)聚物顆粒粒徑非常均勻勻，足以滿足商業(yè)目的，粒徑分布在約500-1200微米之間。粒徑分布的測定結(jié)果列于下面的表2-2。產(chǎn)率、尺寸、破碎強(qiáng)度和LPD均勻適合制備磨輪的商業(yè)用途。
表2-1
a.旋轉(zhuǎn)焙燒爐控制器設(shè)定的溫度(全部3個區(qū)域都一樣)。
b.“n/a”指沒有測定。
表2-2焙燒團(tuán)聚物的粒徑分布
實(shí)施例3按實(shí)施例2所述過程制備團(tuán)聚物(樣品14-23)，不同之處在于溫度始終保持在1000℃，采用型號為#KOU-8D48-RTA-20旋轉(zhuǎn)焙燒設(shè)備，配有108英寸(274cm)長、8英寸(20cm)內(nèi)徑的熔凝二氧化硅管，加熱長度為48英寸(122cm)，含三個溫控區(qū)。該裝置由Harper International，Buffalo，New York生產(chǎn)。試驗(yàn)了制備磨粒和粘合材料的預(yù)燒混合物的各種方法。團(tuán)聚過程在大氣條件下進(jìn)行，管子旋轉(zhuǎn)速率為3-4rpm，管子的傾角為2.5度，進(jìn)料速率為8-10kg/h。所用設(shè)備與圖1所示設(shè)備基本上相同。
所有樣品包含30磅(13.6kg)磨粒(與實(shí)施例2中所用磨粒相同，不同的是樣品16含25磅(11.3kg)粒度為70號的Norton SG溶膠凝膠氧化鋁顆粒，購自Saint-Gobain Ceramics & Plastics，Inc.)和0.9磅(0.41kg)粘合材料A(在燒結(jié)團(tuán)聚物中占4.89vol％)。粘合材料在加入磨粒之前分散在不同的粘合劑物系中。實(shí)施例2的粘合劑物系(“粘合劑2”)用于某些樣品，其他樣品則用AR30液體蛋白粘合劑(“粘合劑3”)，其重量百分?jǐn)?shù)列于下面的表3。樣品20用來制備生的團(tuán)聚物，方法為實(shí)施例2中的模擬擠出法。
試驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)于下面的表3。
表3對生料粘合劑的處理
這些結(jié)果證實(shí)，要形成質(zhì)量和產(chǎn)率符合要求的燒結(jié)團(tuán)聚物顆粒(比較樣品18和20)，不需要生料階段的團(tuán)聚過程。當(dāng)初始混合物中粘合劑3的wt％從1％增加到8％時，LPD有中等程度下降的趨勢，表明使用粘合劑對團(tuán)聚過程具有有利影響，但不是關(guān)鍵影響。因此，出人意料的是，在旋轉(zhuǎn)焙燒爐中燒結(jié)之前，似乎不必要使團(tuán)聚物顆粒預(yù)形成所需形狀或尺寸。只要將團(tuán)聚物組分的濕混合物送入旋轉(zhuǎn)焙燒爐，在混合物通過裝置的加熱區(qū)時振搖它，就能得到相同的LPD。
實(shí)施例4按實(shí)施例2所述過程制備團(tuán)聚物(樣品24-29)，不同之處在于溫度始終保持在1200℃，試驗(yàn)了制備磨粒和粘合材料混合物的各種方法。所有樣品(除樣品28-29之外)包含300磅(136.4kg)磨粒(與實(shí)施例2中所用顆粒相同粒度為60號的38A氧化鋁顆粒)和9.0磅(4.1kg)粘合材料A(在燒結(jié)團(tuán)聚物中占4.89vol％)。
樣品28(與實(shí)施例2具有相同組成)包含44.9磅(20.4kg)磨粒和1.43磅(0.6kg)粘合材料A。粘合材料與液體粘合劑混合物(37.8wt％(3.1磅)AR30粘合劑在水中的混合物)混合，將4.98磅混合物加入磨粒。液體混合物在22℃的粘度為784CP(Brookfield LVF粘度計)。
樣品29(與實(shí)施例具有相同組成)包含28.6磅(13kg)磨粒和0.92磅(0.4kg)粘合材料A(在燒結(jié)團(tuán)聚物中占4.89vol％)。將粘合材料與液體粘合劑混合物(54.7wt％(0.48磅)Duramax樹脂B1052和30.1wt％(1.456磅)Duramax樹脂B1051在水中的混合物)混合，將所得混合物加入磨粒。Duramax樹脂購自Rohm& Haas，Philadelphia，PA。
團(tuán)聚過程在大氣條件下進(jìn)行，管子旋轉(zhuǎn)速率為4rpm，管子的傾角為2.5度，進(jìn)料速率為8-12kg/h。所用設(shè)備與圖1所示設(shè)備基本上相同。
樣品28焙燒前在Niro，Inc.，Columbia，Maryland生產(chǎn)的流化床(型號MP-2/3Multi-ProcessorTM，配有MP-1尺寸的錐(最寬處直徑為3英尺(0.9米)))上進(jìn)行預(yù)團(tuán)聚。流化床工藝樣品試驗(yàn)選擇以下過程參數(shù)進(jìn)氣溫度64-70℃進(jìn)氣流量100-300立方米/小時粒化液體流量440g/min床深(初始裝料3-4kg)約10cm氣壓1巴兩流體外部混合嘴800微米孔將磨粒裝入底部裝置，使空氣向上通過流化床板式擴(kuò)散器，達(dá)到磨粒。同時，將粘合材料和粘合劑的液體混合物泵入外部混合物嘴，然后從嘴噴射到板式擴(kuò)散器中，達(dá)到磨粒，從而涂敷各磨粒。生料階段的團(tuán)聚物在干燥粘合材料和粘合劑混合物的過程中形成。
樣品29焙燒前用LCI公司，Charlotte，North Carolina(配有穿孔籃，孔徑為0.5mm)生產(chǎn)的Benchtop GranulatorTM，以低壓擠出過程進(jìn)行預(yù)團(tuán)聚。將顆粒、粘合材料和粘合劑的混合物手工加入穿孔籃(擠出機(jī)篩子)，通過旋轉(zhuǎn)刀片擠過篩子，收集在一接收盤中。擠出的預(yù)團(tuán)聚物在90℃烘箱中干燥24小時，用作旋轉(zhuǎn)焙燒過程的原料。
試驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)在下面的表4-1和4-2中。這些試驗(yàn)證實(shí)，實(shí)施例3所述結(jié)果在更高的焙燒溫度(1200℃-1000℃)下同樣能觀測到。這些試驗(yàn)還表明，低壓擠出和流化床的預(yù)團(tuán)聚可用來制備團(tuán)聚物顆粒，但制備本發(fā)明的團(tuán)聚物無需旋轉(zhuǎn)焙燒前的團(tuán)聚步驟。
表4-1團(tuán)聚物性質(zhì)
表4-2團(tuán)聚物的粒徑分布
實(shí)施例5按實(shí)施例3所述方法制備另外一組團(tuán)聚物(樣品30-37)，不同之處是，焙燒在1180℃進(jìn)行，驗(yàn)試了不同類型的磨粒，30磅(13.6kg)磨粒與1.91磅(0.9kg)粘合材料A混合(在燒結(jié)團(tuán)聚物顆粒中占8.95vol％)。將實(shí)施例3中的粘合劑3
a.G-比值/研磨劑體積％分?jǐn)?shù)是磨輪中磨粒研磨性能的量度。這種計算方法考慮到實(shí)驗(yàn)?zāi)ポ喓蛯Ρ饶ポ喼g磨粒體積％的明顯差別，對研磨性能進(jìn)行了歸一化。很容易看到，實(shí)驗(yàn)?zāi)ポ喼械哪チＴ隗w積分?jǐn)?shù)基準(zhǔn)上產(chǎn)生明顯更好的研磨效率(即只需要較少的顆粒就能產(chǎn)生相同的研磨效率)。
結(jié)果表明，本發(fā)明制造的磨輪在相同比研磨能量下具有更長的磨輪壽命(WWR)，或者在相同磨輪壽命的情況下，比研磨能量更低。因?yàn)檩^低的比研磨能量與較低的燃燒勢相關(guān)，所以預(yù)計本發(fā)明的磨輪比對比磨輪具有更小的工件燒傷傾向。
而且，與對比磨輪相比，實(shí)驗(yàn)?zāi)ポ喣茉谀チｓw積分?jǐn)?shù)基準(zhǔn)上產(chǎn)生明顯更好的研磨效率(即只需要較少的磨粒就能產(chǎn)生相同的研磨效率)。這個結(jié)論不同于粘合研磨技術(shù)領(lǐng)域的下述傳統(tǒng)看法，即磨輪等級越高，所含磨粒越多，就更耐磨，能產(chǎn)生比較低(較軟)等級磨輪更好的磨輪壽命和研磨效率。
因此，本發(fā)明所制造的實(shí)驗(yàn)?zāi)ポ喚哂猩虡I(yè)上可以接受的足夠機(jī)械強(qiáng)度，但其可測量硬度等級較低，連通孔隙率較高，這些連通孔隙成為存在于磨輪研磨基質(zhì)中的連續(xù)相。
實(shí)施例9磨輪使用團(tuán)聚物樣品A6制造6型杯狀磨輪(最終尺寸5.0×2.0×0.625-1.5英寸輪緣)(12.7×5.08×1.59-3.81厘米輪緣)。按照上述實(shí)施例7的方法制造實(shí)驗(yàn)?zāi)ポ?。按照工業(yè)速度試驗(yàn)對最終磨輪進(jìn)行安全測試，要保證磨輪在被固定于磨床上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度以及足以進(jìn)行研磨操作的機(jī)械強(qiáng)度。所有實(shí)驗(yàn)?zāi)ポ喍纪ㄟ^了6308轉(zhuǎn)/分的速度測試，因此其機(jī)械強(qiáng)度足以進(jìn)行表面研磨操作。
團(tuán)聚過程在大氣條件下進(jìn)行，管子旋轉(zhuǎn)速率為8.5-9.5rpm，管子的傾角為2.5度，進(jìn)料速率為5-8kg/h。所用設(shè)備與圖1所示設(shè)備基本上相同。
團(tuán)聚完成后，對團(tuán)聚磨粒樣品過篩，并測定疏松堆積密度(LPD)、粒徑分布和團(tuán)聚物強(qiáng)度(見表6)。所有團(tuán)聚物的性質(zhì)都適用于生產(chǎn)磨輪。這些數(shù)據(jù)似乎表明，用有機(jī)生孔劑，即胡桃殼對團(tuán)聚物的性質(zhì)沒有顯著影響。
表6
a.vol％基于所有固體(磨粒、粘合材料和生孔劑)，不包括團(tuán)聚物的孔隙。
實(shí)施例7分別用實(shí)施例2和4制備的團(tuán)聚物樣品10-13和24-27制備磨輪(最終尺寸20×1×8英寸)(50.8×2.54×20.3cm)。這些磨輪在緩進(jìn)研磨操作中測試，并與不含團(tuán)聚物但含生孔劑填料的磨輪作比較。
為制備磨輪，在一攪拌器中加入團(tuán)聚物、液體粘合劑和對應(yīng)于表1-2中粘合材料C的粉狀玻璃質(zhì)粘合組合物。然后根據(jù)本領(lǐng)域生產(chǎn)商業(yè)磨輪的技術(shù)，對模制出輪子、干燥、在900℃的最高溫度下燒結(jié)、硬度分級、光潔度、平衡并檢測。
磨輪的組成(包括輪子燒結(jié)后的vol％研磨劑、粘合劑和孔隙率)、密度和模量性質(zhì)列于表7-1。所制輪子的彈性模量對應(yīng)于Norton公司硬度級別標(biāo)度中D級和E級之間的標(biāo)準(zhǔn)磨輪硬度。初步測試表明，用vol％結(jié)構(gòu)(即磨粒、粘合劑和孔隙在100％總量中所占體積百分?jǐn)?shù))等同于不含團(tuán)聚物顆粒的比較輪的團(tuán)聚物顆粒制備的磨輪實(shí)際上密度低得多，彈性模量也低，而且比比較輪軟。因此，選擇密度和彈性模量而不是計算出來的vol％結(jié)構(gòu)作為用團(tuán)聚物顆粒制備并在這些研磨研究中測試的磨輪的關(guān)鍵硬度指標(biāo)。
表7-1磨輪性質(zhì)
a)磨粒占37.50vol％時，比較輪比用37.50vol％團(tuán)聚物顆粒、粘合材料和團(tuán)聚物內(nèi)孔隙組成的本發(fā)明實(shí)驗(yàn)輪含有更多的vol％磨粒(即1-3vol％或更多)。
b)流體(空氣)透過性根據(jù)Norton公司的美國專利5738696和5738697所介紹的試驗(yàn)方法測定。相對空氣滲透值表達(dá)為cc/s/inch水單位。
c)比較輪樣品是購自Saint-Gobain Abrasives，Inc.，Worcester，MA的商業(yè)產(chǎn)品，每個輪子的名稱標(biāo)記在表7-1中。
d)本發(fā)明實(shí)驗(yàn)輪vol％粘合劑的值不包括用在顆粒上制備團(tuán)聚物的玻璃粘合材料(vol％)。Vol％粘合劑只表示為制備磨輪而加入的材料。
本發(fā)明實(shí)驗(yàn)輪在緩進(jìn)研磨操作中測試，并與建議用于緩進(jìn)研磨操作的商業(yè)比較輪(表7-1和7-2中所示的比較輪)作比較。比較輪具有相同的尺寸、可比較的硬度，另外在緩進(jìn)研磨研究中還有可與本發(fā)明實(shí)驗(yàn)輪適合比較的其它方面，但它們不含團(tuán)聚物。
研磨條件機(jī)械Hauni-Blohm Profimat 410模式狹槽緩進(jìn)研磨磨削深度0.125英寸(0.318cm)輪的轉(zhuǎn)動速度5500英尺/分鐘(28m/s)研磨臺速度以2.5in/min(6.4cm/min)的速度從5in/min(12.7cm/min)逐步增加到17.5in/min(44.4cm/min)，或者直到無法研磨為止(工件燒毀，或者機(jī)械或磨輪無法工作)冷卻劑Master Chemical Trim E210200，在去離子水中的濃度為10％，95加侖/分鐘(360L/min)工件材料AISI 4340 鋼 48-50Rc 硬度研磨模式旋轉(zhuǎn)金剛石，非連續(xù)研磨補(bǔ)償40微英寸/轉(zhuǎn)(1微米/轉(zhuǎn))總徑向研磨補(bǔ)償0.02英寸/轉(zhuǎn)(0.5毫米/轉(zhuǎn))速比+0.8在這些研磨試驗(yàn)中，逐漸增加研磨臺速度，直到無法工作為止。無法工作是指工件燒毀或磨輪過度磨損，從功率數(shù)據(jù)、磨輪磨損(WWR)測定值、表面光潔度測定值和目力檢測研磨表面結(jié)果可以看出。記錄無法繼續(xù)研磨時材料的除去速率(最大MRR)。
如下面的表7-2所示，這些研磨測試結(jié)果表明，含有團(tuán)聚物的實(shí)驗(yàn)?zāi)ポ喛偰鼙缺容^輪獲得更高的最大材料除去速率。在緩進(jìn)操作中，實(shí)驗(yàn)輪的其他次要研磨參數(shù)也能獲得可接受值(即達(dá)到最大MRR時的WWR、功率和表面光潔度效果)。
表7-2研磨試驗(yàn)結(jié)果
a)磨粒占37.50vol％時，比較輪比用37.50vol％團(tuán)聚物顆粒、粘合材料和團(tuán)聚物內(nèi)孔隙組成的實(shí)驗(yàn)輪含有更多的vol％磨粒(即1-3vol％或更多)。
實(shí)施例8在配有碳化硅管的旋轉(zhuǎn)焙燒設(shè)備中制備磨粒團(tuán)聚物樣品(60)，如實(shí)施例1所述和圖1所示。團(tuán)聚過程在大氣條件下進(jìn)行，溫度為1350℃，管子旋轉(zhuǎn)速率為9rpm，管子的傾角為3度，進(jìn)料速率為6-10kg/h。
團(tuán)聚物樣品由60號粒度(與實(shí)施例1和6所用顆粒相同)38A氧化鋁磨粒、5.0wt％粘合材料F(基于磨粒的重量)和水中的2.5wt％粘合劑3(重量比為50/50的混合物，基于磨粒的重量)制備。
在旋轉(zhuǎn)焙燒設(shè)備中團(tuán)聚之后，對磨粒團(tuán)聚物進(jìn)行過篩，并用上述方法測定疏松堆積密度(LPD)和其他性質(zhì)。可用自由流動團(tuán)聚物(-12目至留在篩盤上的團(tuán)聚物)的產(chǎn)率為燒結(jié)前進(jìn)料的72.6％。團(tuán)聚物的LPD為1.11g/cc，相對密度為28.9％。這些燒結(jié)團(tuán)聚物用來制備最終尺寸為16.25×0.75×5.00英寸(41.3×2.4×12.8cm)的磨輪。
為制備磨輪，在一攪拌器中加入團(tuán)聚物、粉狀玻璃質(zhì)粘合組合物(對應(yīng)于表1-2中粘合材料C)和液體粘合劑3。然后根據(jù)本領(lǐng)域生產(chǎn)商業(yè)磨輪的技術(shù)，將此混合物模制成輪子，干燥、在900℃的最高溫度下燒結(jié)、分類、光潔度、平衡并檢測。所制輪子的彈性模量對應(yīng)于Norton公司硬度級別標(biāo)度中D級和E級之間的標(biāo)準(zhǔn)磨輪硬度。
燒結(jié)過的磨輪和購自Saint-Gobain Abrasives，Inc.，Worcester，MA的比較商業(yè)輪的性質(zhì)列于下面的表8-1。
表8-1磨輪
a)磨粒占37.50vol％時，比較輪比用37.50vol％團(tuán)聚物顆粒、粘合材料和團(tuán)聚物內(nèi)孔隙組成的實(shí)驗(yàn)輪含有更多的vol％磨粒(即1-3vol％或更多)。
b)流體(空氣)透過性根據(jù)Norton公司的美國專利5738696和5738697所介紹的實(shí)驗(yàn)方法測定。相對空氣滲透值表達(dá)為cc/s/inch水單位。
c)vol％粘合劑的值不包括用于由磨粒制備團(tuán)聚物的玻璃粘合材料(vol％)。Vol％粘合劑只表示為制備磨輪而加入的材料。
表8-1所示磨輪在緩進(jìn)研磨操作中測試。緩進(jìn)研磨測試參數(shù)經(jīng)設(shè)定后，產(chǎn)生以下研磨條件。
研磨條件機(jī)械Hauni-Blohm Profimat 410模式狹槽緩進(jìn)研磨磨削深度0.125英寸(0.318cm)輪的轉(zhuǎn)動速度5500英尺/分鐘(28m/s)研磨臺速度以2.5in/min(6.4cm/min)的速度從5in/min(12.7cm/min)逐步增加到17.5in/min(44.4cm/min)，或者直到無法研磨為止(工件燒毀，或者機(jī)械或磨輪無法工作)冷卻劑Master Chemical Trim E210200，在去離子水中的濃度為10％，95加侖/分鐘(360L/min)工件材料AISI 4340鋼48-50Rc硬度修整模式旋轉(zhuǎn)金剛石，非連續(xù)修整補(bǔ)償40微英寸/轉(zhuǎn)(1微米/轉(zhuǎn))總徑向修整補(bǔ)償0.02英寸/轉(zhuǎn)(0.5毫米/轉(zhuǎn))速比+0.8在這些研磨操作中，逐漸增加研磨臺速度，直到無法工作為止。無法工作是指工件燒毀或磨輪過度磨損，從功率數(shù)據(jù)、磨輪磨損(WWR)測定值、表面光潔度測定值和目力檢測研磨表面結(jié)果可以看出。記錄無法繼續(xù)研磨時材料的除去速率(MRR)(即無法工作前的最大MRR)。還測定了表面光潔度。
如表8-2所示，這些研磨測試結(jié)果表明，含團(tuán)聚物的實(shí)驗(yàn)輪在燒毀工件前能穩(wěn)定地達(dá)到較高的材料除去速率。比較輪的最大MRR在研磨臺速度僅為12.5英寸/分鐘(5.29mm/s)時達(dá)到，而實(shí)驗(yàn)輪的最大MRR在研磨臺速度為15英寸/分鐘(6.35mm/s)時達(dá)到。
在這種緩進(jìn)操作中，實(shí)驗(yàn)輪在比較輪所能達(dá)到的最高M(jìn)RR下，也具有其他可比較的、在商業(yè)上可接受的研磨參數(shù)(即研磨臺速度為5.29mm/s時的功率和表面光潔度)。
表8-2研磨試驗(yàn)結(jié)果
實(shí)施例9用實(shí)施例5中的團(tuán)聚樣品35制備的磨輪在工具間研磨操作常用的干表面橫向進(jìn)給研磨過程中測試。在此測試中，將用作比較的商業(yè)磨輪與本發(fā)明的磨輪進(jìn)行了比較。
含團(tuán)聚物的磨輪用實(shí)施例8所述方法制備，在最高900℃的溫度下燒結(jié)，但輪子尺寸為7×0.5×1.25英寸(17.8×1.3×3.2cm)。燒結(jié)磨輪包含40％的團(tuán)聚物、11-12.1％的玻璃質(zhì)粘合劑和47.9-49％的孔(體積百分?jǐn)?shù))。燒結(jié)本發(fā)明磨輪的條件和以及燒結(jié)后的磨輪及和比較輪的性質(zhì)列于表9-1。
表9-1磨輪
a)在磨粒占40vol％時，比較輪比含40vol％團(tuán)聚物顆粒(包括粘合材料和團(tuán)聚物內(nèi)孔隙)的實(shí)驗(yàn)輪含有更多的vol％磨粒(見下面的表9-2)。
b)空氣透過性根據(jù)Norton公司的美國專利5738696和5738697所介紹的測試方法測定。
c)vol％粘合劑值不包括用來由磨粒制備團(tuán)聚物的玻璃粘合材料(vol％)。Vol％粘合劑只表示為制備磨輪而加入的材料。
實(shí)驗(yàn)輪所用團(tuán)聚物中的磨粒體積百分?jǐn)?shù)和玻璃粘合材料體積百分?jǐn)?shù)列于下面的表9-2。
表9-2為團(tuán)聚物組分而調(diào)整的磨輪組成
a)磨粒占40.0vol％時，比較輪比用40.0vol％團(tuán)聚物顆粒、粘合材料和團(tuán)聚物內(nèi)孔隙組成的實(shí)驗(yàn)輪含有更多的vol％磨粒(即1-3vol％或更多)。
研磨條件機(jī)械Brown & Sharpe Surface Grinder模式干表面研磨交叉進(jìn)給0.508mm輪轉(zhuǎn)速度3500rpm；6500sfpm研磨臺速度50fpm(15240mm/min)冷卻劑無工件材料D3鋼Rc 60硬度長203.2mm×寬47.8mm修整模式單點(diǎn)金剛石修整補(bǔ)償0.025修整前導(dǎo)254mm/min在這些研磨操作中，逐漸增加下進(jìn)給量，直到無法工作為止。在表面磨具間研磨操作中，如同在緩進(jìn)研磨操作中一樣，最顯著的性能參數(shù)是磨輪的最大材料除去速率(MRR)容量。因此，記錄每個磨輪在無法研磨時的最大MRR，根據(jù)目測的工件燒毀情況、功率過大或磨輪磨損速率(WWR)過大判斷來判斷無法工作。還測定了表面光潔度。
從下面的表9-3和9-4所示，此研磨試驗(yàn)表明，包含團(tuán)聚物的實(shí)驗(yàn)輪在磨壞之前總能達(dá)到更高的最大材料除去速率。此外，較低的功率能得到較高的MRR，同時能保持可比較的表明粗糙度值。
表9-3研磨試驗(yàn)結(jié)果
表9-4研磨試驗(yàn)結(jié)果-磨輪磨損測定結(jié)果a
a)磨輪的磨損情況根據(jù)轉(zhuǎn)讓給Norton公司的美國專利5401284所述方法的一種變化形式(“角支撐(corner holding)測試”)測定。對于此表中的數(shù)據(jù)，數(shù)值A(chǔ)和D在輪緣沿輪研磨面測定，數(shù)值B和C在靠近輪研磨面中央的等距點(diǎn)測定。隨著研磨的進(jìn)行，從數(shù)值A(chǔ)和D相對于數(shù)值B和C的相對穩(wěn)定性可以看出磨輪的耐磨性?！懊娣e”指從磨輪上除去的材料量。％磨輪表面磨損值反映了磨輪研磨面中央的輪磨損寬度，靠近測定數(shù)值B和C的點(diǎn)。
實(shí)施例10用磨粒團(tuán)聚物制備的磨輪在內(nèi)徑(ID)研磨試驗(yàn)中測試。
如實(shí)施例2所述制備團(tuán)聚物(樣品61)，不同之處在于溫度始終保持在1170℃(樣品61)。此外，采用型號為#KOU-8D48-RTA-20旋轉(zhuǎn)焙燒設(shè)備，配有長108英寸(274cm)、內(nèi)徑為8英寸(20cm)的碳化硅管，加熱長度為48英寸(122cm)，有三個控溫區(qū)。該設(shè)備由Harper International，Buffalo，New York生產(chǎn)。團(tuán)聚過程在大氣條件下進(jìn)行，管子旋轉(zhuǎn)速率為6rpm，管子的傾角為2.5-3.0度，進(jìn)料速率為8-10kg/h。所用設(shè)備與圖1所示設(shè)備基本上相同。
團(tuán)聚物樣品61用30磅(13.6kg)磨粒(粒度為120號的32A氧化鋁顆粒，購自Saint-Gobain Ceramics & Plastics，Inc.)和1.91磅(0.87kg)粘合材料A(在燒結(jié)團(tuán)聚物中占6.36vol％)。粘合材料在加入顆粒之前分散在水(0.9磅；0.41kg)中。團(tuán)聚物的平均尺寸為260微米，疏松堆積密度(LPD)為1.13g/cc。
在此試驗(yàn)中，本發(fā)明的磨輪與商業(yè)磨輪進(jìn)行了比較。比較輪具有相同的尺寸，由相同的磨粒制備，但沒有團(tuán)聚物。比較輪記為32A120-LVFL，購自Saint-Gobain Abrasives，Inc.，Worcester，MA 。
為制備磨輪，在攪拌器中加入團(tuán)聚物、粉狀玻璃質(zhì)粘合組合物(對應(yīng)于表1-2中粘合材料C)和液體粘合劑3。然后根據(jù)本領(lǐng)域生產(chǎn)商業(yè)磨輪的技術(shù)，將此混合物模制成輪子，干燥、在900℃的最高溫度下燒結(jié)、硬度分級、光潔度、平衡并檢測。
磨輪是1A型輪，最終尺寸為1.8×1.0×0.63英寸(4.57×2.54×1.60cm)。實(shí)驗(yàn)輪和比較輪的組成和性質(zhì)列于下面的表10-1。
表10-1磨輪
a)在磨粒占52vol％時，比較樣品輪比本發(fā)明含48vol％團(tuán)聚物顆粒與粘合材料的混合物的磨輪含有更多的vol％磨粒。減去粘合材料的百分含量之后，實(shí)驗(yàn)輪只含43.4vol％的顆粒，比同級別的比較標(biāo)準(zhǔn)輪少8.6vol％的磨粒。
b)磨粒粒度為120號，對應(yīng)于142微米。
c)vol％粘合劑值不包括用來由磨粒制備團(tuán)聚物的玻璃粘合材料(vol％)。Vol％粘合劑只表示為制備磨輪而加入的材料。
表10-1所示磨輪進(jìn)行內(nèi)徑(ID)研磨試驗(yàn)。ID研磨試驗(yàn)參數(shù)經(jīng)設(shè)定后，產(chǎn)生如下研磨條件。
研磨條件機(jī)械Okuma ID磨床模式Wet ID，全面進(jìn)給同向磨削輪轉(zhuǎn)速度18000rpm工作速度600rpm冷卻劑Master Chemical Trim E210，5％，在去離子水中工件材料52100鋼Rc 60硬度環(huán)2.225×0.50英寸(5.65×1.28cm)修整模式旋轉(zhuǎn)單點(diǎn)金剛石修整比率0.650修整前導(dǎo)0.304mm/rev在這些試驗(yàn)中，在恒定橫進(jìn)給速率下進(jìn)行三組研磨測定，每組進(jìn)行五次研磨。橫進(jìn)給速率為每次試驗(yàn)設(shè)定了標(biāo)稱材料除去速率。在ID研磨操作中，最顯著的性能參數(shù)是G-比率(MRR/輪子磨損速率(WWR))、在設(shè)定的橫進(jìn)給速率下研磨所需比能量和表面光潔度。下表中為每組橫進(jìn)給速率條件下所得的數(shù)據(jù)，表面光潔度數(shù)據(jù)表示每組樣品第五次研磨后的數(shù)值。
從下面的表10-2可以看出，這些研磨試驗(yàn)說明含有團(tuán)聚物的實(shí)驗(yàn)輪的性能在G-比率(MRR/輪子磨損速率(WWR))、比研磨能量和表面光潔度等方面與比較輪相當(dāng)或更好。這些結(jié)果出人意料的地方是實(shí)驗(yàn)輪中磨粒的體積百分?jǐn)?shù)明顯低得多。在正常磨輪結(jié)構(gòu)中，磨粒的體積百分?jǐn)?shù)是影響G-比率的最顯著的參數(shù)。不考慮其他因素，顆粒含量越高，G-比率也相應(yīng)地越高。獲得相同或更好G-比率所需顆粒的百分?jǐn)?shù)下降代表了磨具領(lǐng)域的一個顯著技術(shù)進(jìn)步。
表10-2研磨試驗(yàn)結(jié)果
a.對于實(shí)驗(yàn)輪，括號中的G-比率根據(jù)實(shí)驗(yàn)輪中磨粒較小的體積百分?jǐn)?shù)調(diào)整后的數(shù)值。換句話說，實(shí)驗(yàn)輪中顆粒的體積百分?jǐn)?shù)只有比較輪中顆粒體積百分?jǐn)?shù)的83.46％。因此，括號中所示實(shí)驗(yàn)輪的G-比率值已經(jīng)校正到比較輪中的顆粒百分?jǐn)?shù)，目的是獲得基于總磨粒用量的性能測定值。
實(shí)施例11將本發(fā)明磨粒團(tuán)聚物用來制備大磨輪，目的是證實(shí)在不加生孔劑的情況下生產(chǎn)這種磨輪的可能性和將這種磨輪用于緩進(jìn)研磨的可能性。
在配有碳化硅管的旋轉(zhuǎn)焙燒設(shè)備中制備磨粒團(tuán)聚物樣品(樣品62)，如實(shí)施例1所述和圖1所示。團(tuán)聚過程在大氣條件下進(jìn)行，溫度為1350℃，管子旋轉(zhuǎn)速率為9rpm，管子的傾角為3度，進(jìn)料速率為6-10kg/h。
團(tuán)聚物顆粒樣品62由32A和38A氧化鋁磨粒的50/50混合物(粒度均勻?yàn)?0號，與實(shí)施例1和6所用磨粒相同)、5.0wt％粘合材料E(基于磨粒的重量)和2.5wt％粘合劑3(在水中形成的重量比為50/50的混合物，基于磨粒的重量)制備。
在旋轉(zhuǎn)焙燒設(shè)備中團(tuán)聚之后，對團(tuán)聚磨粒進(jìn)行過篩，并用上述方法測定疏松堆積密度(LPD)和其他性質(zhì)?？捎玫淖杂闪鲃訄F(tuán)聚物顆粒(-12目至留在篩盤上的顆粒)的產(chǎn)率為燒結(jié)前進(jìn)料總重的74.1％。團(tuán)聚物的LPD為1.14g/cc，相對密度為30.0％。
用這些燒結(jié)團(tuán)聚物制備較大(例如直徑為20英寸(50.8cm))的緩進(jìn)磨輪。這種尺寸的比較輪一般用發(fā)泡氧化鋁或其他實(shí)心或閉孔生孔劑作為助劑進(jìn)行制備，以使結(jié)構(gòu)變硬，防止在燒結(jié)過程中隨著玻璃質(zhì)粘合劑的熔化和流動，輪子因塌陷而變形。發(fā)泡氧化鋁對防止塌陷特別有效，但對研磨性能有不利影響，因?yàn)樗a(chǎn)生了閉孔。
為制備磨輪，在攪拌器中加入團(tuán)聚物、粉狀玻璃質(zhì)粘合組合物(對應(yīng)于表1-2中粘合材料C)和液體粘合劑3。然后根據(jù)本領(lǐng)域生產(chǎn)商業(yè)磨輪的技術(shù)，將此混合物模制成輪子，干燥、在900℃的最高溫度下燒結(jié)、硬度分級、光潔度、平衡并檢測。對燒結(jié)的磨輪進(jìn)行光潔度，得到的尺寸為20×1×8英寸(50.8×2.5×20.3cm)。在燒結(jié)磨輪的過程中，觀察到實(shí)驗(yàn)輪有中等程度的塌陷，但在商業(yè)上仍可接受。
所制備的磨輪在各組分的體積百分?jǐn)?shù)和密度上對應(yīng)于商業(yè)比較輪，比較輪的標(biāo)準(zhǔn)輪硬度級別在Norton公司硬度標(biāo)度的C級和D級之間。
所得實(shí)驗(yàn)?zāi)ポ喓捅容^磨輪的性質(zhì)列于下面的表11-1。盡管從相同的組分百分含量和密度可以預(yù)測這些磨輪具有相當(dāng)?shù)妮営捕戎担珜?shí)際上，彈性模量證實(shí)，實(shí)驗(yàn)輪與比較輪相比較軟。透氣率數(shù)值表明，與比較輪不同，實(shí)驗(yàn)輪的孔隙具有開放透過性，允許冷卻劑在輪子中自由流動，并且容易從輪子的研磨面上除去研磨碎屑。
表11-1磨輪
a)磨粒占36.0vol％時，比較樣品輪比含36.0vol％團(tuán)聚物顆粒和粘合材料組成的混合物的本發(fā)明實(shí)驗(yàn)輪含有更多的vol％磨粒(即1-2vol％或更多)。
b)流體(空氣)透過性根據(jù)Norton公司的美國專利5738696和5738697所介紹的測試方法測定。相對空氣滲透值表達(dá)為cc/s/inch水單位。
實(shí)驗(yàn)?zāi)ポ喓捅?1-2所示比較緩進(jìn)磨輪在實(shí)施例7所述緩進(jìn)研磨操作中試驗(yàn)。比較輪是購自Saint-Gobain Abrasives，Inc.，Worcester，MA的標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)產(chǎn)品。它與實(shí)驗(yàn)輪具有相同的尺寸，其他方面也相當(dāng)，但是用發(fā)泡氧化鋁填料制備的，不含磨粒團(tuán)聚物。
表11-2研磨試驗(yàn)結(jié)果
這些結(jié)果表明，不用諸如發(fā)泡氧化鋁這樣的閉孔填料，也可以生產(chǎn)和利用具有所測尺寸的緩進(jìn)磨輪。
實(shí)施例12比較了本發(fā)明磨輪在模制前后的團(tuán)聚物尺寸分布，以檢測團(tuán)聚物在生產(chǎn)磨輪的過程中的整體性和強(qiáng)度。然后比較了所述團(tuán)聚物尺寸分布與用來制備團(tuán)聚物的磨粒的尺寸分布，以證實(shí)團(tuán)聚物在磨輪模制之后仍包含許多磨粒。
如實(shí)施例2所述制備團(tuán)聚物(樣品63、64、65)，不同之處在于溫度始終保持在1200℃(對于樣品63和65)或1300℃(對于樣品65)。此外，采用AlstomPower，Naperville，IL生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)焙燒爐(型號Bartlett-SnowTM)，配有長120英寸(305cm)、內(nèi)徑為6.5英寸(16.5cm)的專用高溫合金管，加熱長度為72英寸(183cm)，有四個控溫區(qū)。團(tuán)聚過程在大氣條件下進(jìn)行，管子旋轉(zhuǎn)速率為9rpm，管子的傾角為2.5度，進(jìn)料速率為10-14kg/h。所用設(shè)備與圖1所示設(shè)備基本上相同。
團(tuán)聚物樣品63、64和65用購自Saint-Gobain Ceramics & Plastics，Inc.的磨粒和下表12-1所述不同的粘合材料制備。
表12-1團(tuán)聚物組成
將實(shí)驗(yàn)輪與粉狀玻璃質(zhì)粘合組合物和液體粘合劑3混合，模制成實(shí)施例10所述大小和形狀。用于含團(tuán)聚物63和64的磨輪的粘合組合物相當(dāng)于粘合材料C，對于含團(tuán)聚物65的磨輪則相當(dāng)于粘合材料E，如表2所示。團(tuán)聚物、粘合劑和孔隙的體積百分?jǐn)?shù)列于下表12-2。
磨輪在壓力作用下模制成“生料”輪之后，在燒結(jié)這些“生料”輪之前，在水流作用下沖洗掉生料輪結(jié)構(gòu)中的粘合材料，回收團(tuán)聚物和磨粒。測定回收的團(tuán)聚物和磨粒的尺寸，方法是使它們通過一系列美國網(wǎng)篩，測量每個篩子上團(tuán)聚物或磨粒的重量分?jǐn)?shù)。對于所制備的三種不同規(guī)格的磨輪，其測定結(jié)果列于下表12-2。
表12-2團(tuán)聚物在磨輪模制之后的尺寸分布
從表12-2中燒結(jié)團(tuán)聚物的平均尺寸數(shù)據(jù)(加工前后)可以看出，燒結(jié)團(tuán)聚物在模制成磨輪之后，仍然保留了大量磨粒。雖然團(tuán)聚物的初始尺寸有較小百分?jǐn)?shù)的減小(例如樣品12-1從998μm減小到824μm，或者說減小17％)，大多數(shù)團(tuán)聚物保持了初始尺寸。
對每個樣品過篩后，重量分?jǐn)?shù)的分布列于表12-2a、12-2b和12-2c，分別對應(yīng)于樣品12-1、12-2和12-3。
表12-2a樣品12-1的粒徑分布
表12-2a中的數(shù)據(jù)表明，初始粒度分布中最大單磨粒的尺寸為425μm。初始團(tuán)聚物尺寸分布數(shù)據(jù)表明，所有的團(tuán)聚物都大于425μm。模制和沖洗之后，保留下來的壓制團(tuán)聚物顆粒都大于300μm，其中91.4wt％的團(tuán)聚物比最大單磨粒(425μm)大，證明模制磨輪之后，燒結(jié)團(tuán)聚物中保留了大量磨粒。
表12-2b樣品12-2的粒徑分布
表12-2b中的數(shù)據(jù)表明，初始粒度分布中最大單磨粒的尺寸為425μm。初始團(tuán)聚物尺寸分布數(shù)據(jù)表明，99.8wt％的團(tuán)聚物大于425μm。模制和沖洗之后，保留下來的壓制團(tuán)聚物顆粒都大于300μm，其中91.4wt％的團(tuán)聚物比最大單磨粒(425μm)大，證明模制之后保留了大量磨粒。
表12-2c樣品12-3的粒徑分布
表12-2c中的數(shù)據(jù)表明，初始粒度分布中最大單磨粒的尺寸為425μm。初始團(tuán)聚物尺寸分布數(shù)據(jù)表明，97.5wt％的團(tuán)聚物大于425μm。模制和沖洗之后，保留下來的壓制團(tuán)聚物顆粒都大于300μm，其中89.9wt％的團(tuán)聚物比最大單磨粒(425μm)大，證明模制之后保留了大量磨粒。
這些結(jié)果表明，根據(jù)本發(fā)明制備的團(tuán)聚物的強(qiáng)度足以經(jīng)受住商業(yè)磨輪的模制與加工操作。模制輪中的磨粒保持了初始磨粒團(tuán)聚物的三維結(jié)構(gòu)特征。在加工和模制之后，大部分(即至少85wt％)團(tuán)聚物保留了許多保持著三維形狀的磨粒，其大小與燒結(jié)團(tuán)聚物的初始大小大致相同。
實(shí)施例13利用掃描電鏡，比較了用本發(fā)明團(tuán)聚物制備的磨輪結(jié)構(gòu)和比較磨輪的結(jié)構(gòu)。比較輪在制備時沒有使用團(tuán)聚物，但包含與本發(fā)明磨輪相同的磨粒和粘合材料，其中磨粒粘結(jié)劑、孔隙的體積百分?jǐn)?shù)也相同。
按實(shí)施例10所述制備團(tuán)聚物(樣品66)，不同之處在于溫度始終保持在1150℃。
團(tuán)聚物樣品66用150磅(68.04kg)磨粒(粒度為80號的32A氧化鋁顆粒，購自Saint-Gobain Ceramics & Plastics，Inc.)和10.23磅(4.64kg)粘合材料C(在燒結(jié)團(tuán)聚物中占6.82vol％)。粘合材料在加入顆粒之前分散在粘合劑3(3.75磅；1.701kg)中。
按實(shí)施例10所述方法，由團(tuán)聚物樣品66制備實(shí)驗(yàn)輪。選用購自Saint-Gobain Abrasives，Inc.的商業(yè)磨輪作為比較樣品，該商業(yè)磨輪標(biāo)記為32A80L8VFL。
拍攝每個磨輪的截面照片，放大40倍。這些照片示于圖2(含團(tuán)聚物的實(shí)驗(yàn)輪)和3(不含團(tuán)聚物的比較輪)。可以看到，團(tuán)聚物和孔隙的形狀和大小都是不規(guī)則的，是任意的。在用團(tuán)聚物制備的磨輪中可以看出兩種類型的孔團(tuán)聚物內(nèi)的孔和較大的團(tuán)聚物間孔，后者看上去是團(tuán)聚物之間的分離孔道。對實(shí)驗(yàn)輪進(jìn)行的滲透性試驗(yàn)表明，團(tuán)聚物間的孔彼此連通，使整個磨輪可以滲透流體。因此，本發(fā)明磨輪所具有的孔以連通孔為主(即至少包含30vol％的連通孔)，還較好是雙?？讖椒植?。本發(fā)明磨輪的一個特征是比傳統(tǒng)磨輪具有許多更開放的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
從圖2和3可以看出，團(tuán)聚物間孔隙的最大尺寸比團(tuán)聚物內(nèi)孔隙的最大尺寸大2-20倍。實(shí)際孔徑之比取決于磨輪的組成。如果磨輪包含約8-10vol％粘合劑，則孔徑之比為2-20，磨粒的平均粒徑約為260微米。一般地，對于本發(fā)明磨輪，隨著粘合劑的體積百分?jǐn)?shù)在此范圍內(nèi)增加，團(tuán)聚物內(nèi)孔隙變小，但團(tuán)聚物間孔隙的最大尺寸仍大致等于團(tuán)聚物中所含磨粒的最大尺寸。隨著粘合劑體積百分?jǐn)?shù)在此范圍內(nèi)的減少，團(tuán)聚物內(nèi)孔隙相對變大，但團(tuán)聚物間孔隙的最大尺寸仍大致等于團(tuán)聚物中所含磨粒的最大尺寸。
對用團(tuán)聚物，特別是用包含至少6wt％的粘合材料的團(tuán)聚物制備的磨輪進(jìn)一步進(jìn)行微觀檢查時發(fā)現(xiàn)，增加粘合材料的重量百分含量，將使研磨結(jié)構(gòu)團(tuán)聚物內(nèi)孔隙小得多。例如，粘合材料的重量百分含量和粘合劑的體積百分含量越高，團(tuán)聚物內(nèi)孔徑比團(tuán)聚物間孔徑約大20-200倍。據(jù)信，加入團(tuán)聚物的粘合材料在混合、模制和熱處理磨輪的過程中落入團(tuán)聚物的間隙，從而使某些團(tuán)聚物間的孔隙變小或封閉，最終損失了雙模孔徑分布。
實(shí)施例14由表14-1所述材料用批量爐法制備燒結(jié)團(tuán)聚物。磨粒為100號粒度(0.173mm)的38A氧化鋁顆粒，購自Saint-Gobain Abrasives，Inc.，Worcester，MA。
表14-1燒結(jié)團(tuán)聚物組成
在形成團(tuán)聚物顆粒的第一步，磨粒和胡桃殼顆粒在Hobart混合器(實(shí)驗(yàn)室型號N-50)中混合。隨后用足夠量的有機(jī)液體粘合劑(含40wt％液體動物膠、30wt％粉狀馬來酸和30wt％水的混合物)潤濕此混合物，使粘合材料粉末粘著到顆粒上。這些顆粒潤濕后，加入包含粘合材料組分的粉末混合物(含有上面稱作“粘合材料A”的焙燒所組合物的玻璃質(zhì)粘合組合物)并混合。粘合材料粘著到濕潤的顆粒上，然后將此混合物疏松地鋪展在陶瓷焙燒墊上。
將混合物在電窯中于1230℃焙燒4小時。焙燒后，在研缽中用杵搗碎，得到燒結(jié)團(tuán)聚物。用安裝在振動篩分設(shè)備上的美國標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)篩(Ro-Tap；型號RX-29；W.S.Tyler Inc.Mentor，OH)將燒結(jié)團(tuán)聚物分成三組尺寸。用美國國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于磨粒堆積密度的試驗(yàn)程序測定燒結(jié)團(tuán)聚物的疏松堆積密度(LPD)。
篩分之后，燒結(jié)團(tuán)聚物具有三維形狀(三角形、立方形、矩形和其他各種幾何形狀)，并具有表14-2所示尺寸和LPD。
表14-2篩分后的燒結(jié)團(tuán)聚物
對此過程稍作改變，制備另一些團(tuán)聚物。所作改變?nèi)缦?。將制備的混合物通過箱式篩網(wǎng)(8-12目)濕篩到托盤上。在空氣或烘箱中干燥篩分的材料。將該材料裝到陶瓷墊上。栽有該材料的陶瓷墊在間歇窯或隧道窯中焙燒，焙燒條件是溫度在1225-1280℃之間，時間在30-360分鐘之間。從陶瓷墊上取下焙燒的材料，通過軋輥破碎機(jī)破碎成團(tuán)聚物。
用Ro-Tap裝置將破碎的材料篩分到所需尺寸范圍。
磨輪制成的磨輪大小為3.0×0.525×1.25英寸(7.6×1.34×3.2cm)。磨輪的組成(占燒結(jié)輪的體積百分?jǐn)?shù)vol％)、密度、透氣性、硬度級別和模量性質(zhì)列于表14-3中。
表14-3磨輪
a.團(tuán)聚物含97wt％100號粒度的38A氧化鋁顆粒和3wt％粘合材料A，篩分成粒徑為-40/+60目(250-425μm)。
b.流體(空氣)透過性根據(jù)Norton公司的美國專利5738696和5738697所介紹的實(shí)驗(yàn)方法測定。相對空氣滲透值表達(dá)為cc/s/inch水單位。(設(shè)備上用2.2號噴嘴。)c.磨粒占36vol％時，比較輪比用36-40vol％團(tuán)聚物顆粒、粘合材料和團(tuán)聚物內(nèi)孔隙組成的實(shí)驗(yàn)輪含有更多的vol％磨粒(即1-3vol％或更多)。
本發(fā)明磨輪樣品1、2和3所用粘合劑是具有上面表2中粘合材料B的焙燒摩爾組成的玻璃質(zhì)粘合材料。比較輪樣品所用粘合劑具有表2中粘合材料A的焙燒摩爾組成。
本發(fā)明樣品1、2、3的燒結(jié)團(tuán)聚物和粘合劑的混合物在Hobart混合器中干混，裝入模具，冷壓，然后在最高735℃的溫度下燒結(jié)4小時，形成磨輪。
比較輪樣品通過在Hobart混合器中混合玻璃質(zhì)粘合組分和磨粒來制備。用于比較樣品的磨粒是38A氧化鋁磨粒，粒度為100號(124μm)，購自Saint-Gobain Abrasives，Inc.，Worcester，MA?；旌虾?，將混合物裝模，壓制并在1230℃燒結(jié)4小時，形成磨輪。
研磨試驗(yàn)14-A本發(fā)明磨輪和比較輪通過內(nèi)徑緩進(jìn)研磨試驗(yàn)測定，所用條件如下研磨條件機(jī)械Heald CF，OD/ID Grinder模式內(nèi)徑(ID)緩進(jìn)研磨輪轉(zhuǎn)速度6319rpm 4968英尺/分鐘(25M/s)工作速度20rpm研磨類型ID上升-全面進(jìn)給橫進(jìn)速率0.025英寸(0.64mm)/0.050英寸(1.27mm)，沿直徑冷卻劑Trim E210，在去離子井水中的百分?jǐn)?shù)為5％，9加侖/分鐘(34L/min)工件材料52100鋼4英寸(10.2cm)ID×0.250英寸(1cm)，Rc-62.0硬度旋轉(zhuǎn)修整AX1440，補(bǔ)償0.0005英寸，0.005英寸前導(dǎo)，2600rpm在這些研磨操作中，測定了工件剛燒壞(或磨輪剛剛不能工作)時的最大材料除去速率(MRR)，記錄結(jié)果。這些研磨試驗(yàn)的結(jié)果示于表14-4。
表14-4研磨試驗(yàn)結(jié)果
結(jié)果表明，根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨輪在MMR方面優(yōu)于最接近的比較磨輪，其優(yōu)越的性能沒有引起過多的功耗(比能量W.s/mm3)，也沒有損壞工件表面。實(shí)驗(yàn)輪在G-比率和可研磨指數(shù)方面也有改進(jìn)。此外，用于本發(fā)明磨輪的燒結(jié)團(tuán)聚物中的磨粒粒度小于比較輪所用磨粒的粒度。在所有其他參數(shù)相同的情況下，粒度小所得G-比率和可研磨指數(shù)較差。因此，本發(fā)明磨輪的優(yōu)越性能是很明顯的，也是出人意料的。
表4(SET測試)
實(shí)施例3僅在上部夾盤壁上有壓痕的罐端(即在埋頭孔處沒有)被卷邊接合到罐體上，然后加壓。操作1到8在接片后有一個約為40°到50°的圓弧的壓痕。操作1-1到8-8在+/-90°處有一個50°的圓弧的壓痕。其平均結(jié)果全部給出。頂點(diǎn)位置指示了頂點(diǎn)在控制零件上的出現(xiàn)率。間距部分說明了夾盤壁中壓痕的程度。
表5(SET測試)
<p>結(jié)果表明，根據(jù)本發(fā)明方法制備的磨輪在G-比率和可研磨指數(shù)方面優(yōu)于最接近的比較磨輪，其優(yōu)越的性能沒有引起過多的功耗(比能量W.s/mm3)，也沒有損壞工件表面。
實(shí)施例15用根據(jù)實(shí)施例14的方法制備的燒結(jié)團(tuán)聚物制備另一些磨輪，不同的是在燒結(jié)團(tuán)聚物樣品中采用不同類型的磨粒和粘合材料。團(tuán)聚物和磨輪的組成列于表15-1。在本發(fā)明磨輪中，所選玻璃質(zhì)粘合材料的熔點(diǎn)比用來制備磨輪的團(tuán)聚物中的粘合材料的熔點(diǎn)至少高150℃。
所有燒結(jié)團(tuán)聚物包含3wt％的粘合材料和97wt％的顆粒，篩分到粒徑為-20/+45目(美國標(biāo)準(zhǔn)篩尺寸)(355-850μm)。
制得的磨輪的尺寸為7.0×0.50×1.25英寸(17.8×1.27×3.2cm)。磨輪的組成(占燒結(jié)輪的體積百分?jǐn)?shù)vol％)、密度、透氣性、硬度級別和模量性質(zhì)列于表15-1中。
實(shí)驗(yàn)輪的粘合劑具有表2中粘合材料B那樣的摩爾組成，用這種粘合劑制備的磨輪在735℃燒結(jié)4小時。制備比較輪所用的玻璃質(zhì)粘合劑具有表2中粘合材料C那樣的摩爾組成，這些磨輪在900℃燒結(jié)8小時。不含燒結(jié)團(tuán)聚物的比較輪包含40vol％的磨粒和10.26vol％(硬度級別為H)或6.41vol％(硬度級別為F)的玻璃質(zhì)粘合劑。
表15-1團(tuán)聚物和磨輪
a.磨粒占40.0vol％時，比較輪比用40.0vol％團(tuán)聚物顆粒、粘合材料和團(tuán)聚物內(nèi)孔隙組成的實(shí)驗(yàn)輪含有更多的vol％磨粒(即1-3vol％或更多)。
b.流體(空氣)透過性根據(jù)Norton公司的美國專利5738696和5738697所介紹的實(shí)驗(yàn)方法測定。相對空氣滲透率值表達(dá)為cc/s/inch水單位。(設(shè)備上用2.2號噴嘴)。
這些磨輪的性質(zhì)，特別是同一硬度級別的磨輪的透氣性表明，由磨粒團(tuán)聚物制備的實(shí)驗(yàn)輪結(jié)構(gòu)中孔隙的連通程度比孔隙率相同、硬度級別相同、包含同樣的顆粒和粘合材料的比較輪中孔隙的連通程度高。對于不同硬度級別、含不同類型的顆粒和粘合劑，以及各組分體積百分含量不同的磨輪，都觀察到這種結(jié)構(gòu)差異。
權(quán)利要求
1.粘合磨具，它具有能滲透流體的結(jié)構(gòu)，該磨具包括a)約5-75vol％燒結(jié)團(tuán)聚物，它包含許多用粘合材料粘合在一起的磨粒，粘合材料的特征是熔點(diǎn)在500-1400℃之間，燒結(jié)團(tuán)聚物在制成磨具之前具有三維形狀和初始尺寸分布；b)粘合劑；c)約35-80vol％的總孔隙率，其中包括至少30vol％的連通孔；所述粘合磨具中至少有50wt％的燒結(jié)團(tuán)聚物在制成磨具后保留著許多保持三維形狀的磨粒。
2.權(quán)利要求1所述粘合磨具，其特征在于所述在生產(chǎn)磨具之前燒結(jié)團(tuán)結(jié)物的疏松堆積密度≤1.6g/cc。
3.權(quán)利要求1所述粘合磨具，其特征在于所述粘合劑是玻璃質(zhì)粘合劑。
4.權(quán)利要求3所述玻璃質(zhì)粘合磨具，其特征在于該磨具包含團(tuán)聚物內(nèi)孔和連通孔隙的雙模孔徑分布。
5.權(quán)利要求1所述粘合磨具，其特征在于在制成磨具后有至少50wt％的燒結(jié)團(tuán)聚物的尺寸在初始尺寸分布范圍之內(nèi)。
6.權(quán)利要求1所述粘合磨具，其特征在于粘合材料包括選自陶瓷材料、玻璃質(zhì)材料、玻璃質(zhì)粘合組合物以及它們的混合物的材料。
7.權(quán)利要求6所述粘合磨具，其特征在于粘合材料的熔點(diǎn)約在800-1300℃之間。
8.權(quán)利要求6所述粘合磨具，其特征在于所述粘合材料是玻璃質(zhì)粘合組合物，它包含焙燒過的氧化物組合物，組成為71wt％SiO2和B2O3、14wt％Al2O3、低于0.5wt％堿土金屬氧化物和13wt％堿金屬氧化物。
9.權(quán)利要求5所述粘合磨具，其特征在于所述粘合材料是一種陶瓷材料，選自氧化硅，堿金屬硅酸鹽、堿土金屬硅酸鹽、混合堿金屬和堿土金屬硅酸鹽、硅酸鋁、硅酸鋯、水合硅酸鹽、鋁酸鹽、氧化物、氮化物、氧氮化物、碳化物、氧碳化物和它們的混合物及衍生物。
10.權(quán)利要求1所述粘合磨具，其特征在于所述連通孔是在制備磨具的過程中不用生孔介質(zhì)的情況得到的。
11.權(quán)利要求1所述粘合磨具，其特征在于粘合磨具的最大密度為2.2g/cc。
12.權(quán)利要求1所述粘合磨具，其中所述磨具的連通孔的特征是其以cc/s/inch水為單位的相對透氣率Q/P比不用燒結(jié)團(tuán)聚物制備的可比較的粘合磨具的Q/P至少高10％。
13.權(quán)利要求1所述粘合磨具，其特征在于燒結(jié)團(tuán)結(jié)物的平均粒徑比磨粒的平均粒徑大2-20倍。
14.權(quán)利要求13所述粘合磨具，其特征在于燒結(jié)團(tuán)聚物的初始平均直徑范圍為200-3000微米。
15.權(quán)利要求13所述粘合磨具，其特征在于磨粒是微細(xì)磨粒，燒結(jié)團(tuán)聚物的初始平均粒徑范圍為5-180微米。
16.權(quán)利要求1所述粘合磨具，其特征在于當(dāng)測定連通孔的最大開口作為其尺寸時，燒結(jié)團(tuán)聚物的平均直徑不大于連通孔的平均尺寸。
17.權(quán)利要求2所述粘合磨具，其特征在于所述磨具包含35-52vol％的燒結(jié)團(tuán)聚物、3-13vol％的玻璃質(zhì)粘合劑和35-70vol％的孔。
18.權(quán)利要求17所述粘合磨具，其特征在于粘合劑選自有機(jī)粘合劑和金屬粘合劑。
19.權(quán)利要求1所述粘合磨具，其特征在于所述磨具還包含選自以下組分中的至少一種組分次級磨粒、填料、研磨助劑、生孔劑及它們的混合物。
20.玻璃質(zhì)粘合磨具，它具有能滲透流體的結(jié)構(gòu)。該磨具包括a)約5-75vol％燒結(jié)團(tuán)聚物，它包含許多用粘合材料粘合在一起的磨粒，粘合材料的特征是在熔點(diǎn)下具有粘度A；b)玻璃質(zhì)粘合劑，其特征在于在粘合材料的熔點(diǎn)下具有粘度B，粘度B至少比粘度A小33％；c)約35-80vol％的孔隙率，其中包括至少30vol％的連通孔。
21.權(quán)利要求20所述玻璃質(zhì)粘合磨具，其特征在于粘合材料在1180℃時的粘度A為345-55300泊。
22.權(quán)利要求20所述玻璃質(zhì)粘合磨具，其特征在于玻璃質(zhì)粘合材料在1180℃時的粘度B為30-37000泊。
23.權(quán)利要求20所述玻璃質(zhì)粘合磨具，其特征在于燒結(jié)團(tuán)結(jié)物具有初始三維形狀和初始尺寸分布，并且制成磨具后，磨具中至少有50wt％的燒結(jié)團(tuán)聚物保留了許多保持著三維形狀的磨粒，至少有50wt％的燒結(jié)團(tuán)聚物的尺寸在初始尺寸范圍之內(nèi)。
24.權(quán)利要求20所述粘合磨具，其特征在于磨具的最大密度為2.2g/cc。
25.權(quán)利要求20所述粘合磨具，其特征在于粘合材料包括選自陶瓷材料、玻璃質(zhì)材料、玻璃質(zhì)粘合組合物以及它們的混合物的材料。
26.權(quán)利要求20所述粘合磨具，其特征在于粘合材料的熔點(diǎn)約在800-1300℃之間。
27.權(quán)利要求20所述粘合磨具，其特征在于所述連通孔是在制備磨具的過程中不用生孔介質(zhì)的情況得到的。
28.權(quán)利要求20所述粘合磨具，其中所述磨具的連通孔的特征是其以單位cc/s/inch水為單位的相對透氣值Q/P比不用燒結(jié)團(tuán)聚物制備的可比較粘合磨具的Q/P至少高10％。
29.權(quán)利要求20所述粘合磨具，其特征在于在制備磨具之前燒結(jié)團(tuán)結(jié)物的疏松堆積密度≤1.6g/cc。
30.玻璃質(zhì)粘合磨具，它具有能滲透流體的結(jié)構(gòu)，該磨具包括a)約5-60vol％燒結(jié)團(tuán)聚物，它包含許多用粘合材料粘合在一起的磨粒，粘合材料的特征是具有熔點(diǎn)A；b)玻璃質(zhì)粘合劑，其特征在于具有熔點(diǎn)B，熔點(diǎn)B比熔點(diǎn)A至少低150℃；c)約35-80vol％的孔隙率，其中包括至少30vol％的連通孔。
31.權(quán)利要求30所述玻璃質(zhì)粘合磨具，其特征在于燒結(jié)團(tuán)結(jié)物具有初始三維形狀和初始尺寸分布，并且制成磨具后，磨具中至少有50wt％的燒結(jié)團(tuán)聚物保留了許多保著持三維形狀的磨粒，至少有50wt％的燒結(jié)團(tuán)聚物的尺寸在初始尺寸范圍之內(nèi)。
32.權(quán)利要求30所述粘合磨具，其特征在于磨具的最大密度為2.2g/cc。
33.權(quán)利要求30所述粘合磨具，其特征在于粘合材料包括選自陶瓷材料、玻璃質(zhì)材料、玻璃質(zhì)粘合組合物以及它們的混合物的材料。
34.權(quán)利要求30所述粘合磨具，其特征在于粘合材料的熔點(diǎn)約在950-1300℃之間。
35.權(quán)利要求30所述粘合磨具，其特征在于所述連通孔是在制備磨具的過程中不用生孔介質(zhì)的情況得到的。
36.權(quán)利要求30所述粘合磨具，其中所述磨具連通孔的特征是其以單位cc/s/inch水為單位的相對透氣率Q/P比不用燒結(jié)團(tuán)聚物制備的可比較粘合磨具的Q/P至少高10％。
37.權(quán)利要求30所述粘合磨具，其特征在于在制備磨具之前燒結(jié)團(tuán)結(jié)物的疏松堆積密度≤1.6g/cc。
38.粘合磨具，它具有能滲透流體的結(jié)構(gòu)，該磨具包括a)約34-56vol％磨粒；b)約3-25vol％粘合劑；c)約35-80vol％的孔隙率，其中包括至少30vol％的連通孔；其中，形成連通孔時沒有加入生孔介質(zhì)，也沒有加入長度與截面寬度的縱橫比至少為5∶1的長形材料。
39.權(quán)利要求38所述粘合磨具，其特征在于5-100vol％的磨粒由保留在三維燒結(jié)團(tuán)聚物中的磨粒組成，燒結(jié)團(tuán)聚物包含許多磨粒和一種粘合材料，所述粘合材料的特征是其熔點(diǎn)在500-1400℃之間。
40.權(quán)利要求38所述粘合磨具，其特征在于所述粘合劑是玻璃質(zhì)粘合劑。
41.權(quán)利要求39所述粘合磨具，其特征在于粘合材料包括選自陶瓷材料、玻璃質(zhì)材料、玻璃質(zhì)粘合組合物以及它們的混合物的材料。
42.權(quán)利要求38所述粘合磨具，其中所述磨具的連通孔的特征是其以cc/s/inch水為單位的相對透氣率Q/P比不用燒結(jié)團(tuán)聚物制備的可比較粘合磨具的Q/P至少高10％。
43.權(quán)利要求39所述粘合磨具，其特征在于在制備磨具之前燒結(jié)團(tuán)結(jié)物的疏松堆積密度≤1.6g/cc。
44.權(quán)利要求39所述玻璃質(zhì)粘合磨具，其特征在于該磨具包含團(tuán)聚物內(nèi)孔隙和連通孔隙的雙?？讖椒植?。
45.權(quán)利要求39所述粘合磨具，其特征在于所述磨具還包含選自以下組分中的至少一種組分次級磨粒、填料、研磨助劑、生孔劑及它們的混合物。
46.權(quán)利要求39所述粘合磨具，其特征在于燒結(jié)團(tuán)聚物的初始平均直徑范圍為200-3000微米。
47.權(quán)利要求39所述粘合磨具，其特征在于磨粒是微細(xì)磨粒，燒結(jié)團(tuán)聚物的初始平均直徑范圍為5-180微米。
48.權(quán)利要求39所述粘合磨具，其特征在于當(dāng)測定連通孔的最大開口作為其尺寸時，燒結(jié)團(tuán)聚物的平均直徑不大于連通孔的平均尺寸。
49.權(quán)利要求40所述粘合磨具，其特征在于磨具的最大密度為2.2g/cc。
50.包含5-75vol％磨粒團(tuán)聚物的磨具，其制備方法包括如下步驟a)向旋轉(zhuǎn)焙燒窯中加入磨粒和粘合材料，控制加料速度，其中粘合材料選自玻璃質(zhì)粘合材料、玻璃質(zhì)材料、陶瓷材料、無機(jī)粘合劑、有機(jī)粘合劑、水、溶劑和它們的混合物；b)讓窯轉(zhuǎn)動，控制轉(zhuǎn)動速度；c)加熱混合物至約145-1300℃，加熱速率由進(jìn)料速度和窯轉(zhuǎn)動速度確定；d)振搖窯中磨粒和粘合材料，直到粘合材料粘著到磨粒上，眾多磨粒粘合在一起產(chǎn)生許多燒結(jié)的團(tuán)聚物；e)從窯中取出燒結(jié)團(tuán)聚物，其中燒結(jié)團(tuán)聚物包含許多通過粘合材料粘合在一起的磨粒，具有初始三維形狀和≤1.6g/cc的疏松堆積密度；f)將燒結(jié)團(tuán)聚物模制成一成形復(fù)合體；g)對成形復(fù)合體進(jìn)行熱處理，形成磨具。
51.權(quán)利要求50所述磨具，其特征在于所述制備方法還包括將燒結(jié)團(tuán)聚物和粘合材料混合形成團(tuán)聚物混合物的步驟。
52.權(quán)利要求51所述粘合磨具，其特征在于所述粘合材料是玻璃質(zhì)粘合材料。
53.權(quán)利要求52所述玻璃質(zhì)粘合磨具，其特征在于所述玻璃質(zhì)粘合劑的粘合焙燒溫度比粘合材料的熔點(diǎn)至少低150℃。
54.權(quán)利要求50所述粘合磨具，其特征在于粘合材料包括選自陶瓷材料、玻璃質(zhì)材料、玻璃質(zhì)粘合組合物以及它們的混合物的材料。
55.權(quán)利要求54所述粘合磨具，其特征在于粘合材料的熔點(diǎn)約在800-1300℃之間。
56.權(quán)利要求55所述玻璃質(zhì)粘合磨具，其中粘合材料的特征是它在熔點(diǎn)下的粘度為345-55300泊。
57.權(quán)利要求55所述粘合磨具，其特征在于所述粘合材料是玻璃質(zhì)粘合組合物，它包含焙燒過的氧化物組合物，組成為71wt％SiO2和B2O3、14wt％Al2O3、低于0.5wt％堿土金屬氧化物和13wt％堿金屬氧化物。
58.權(quán)利要求54所述粘合磨具，其特征在于所述粘合材料是陶瓷材料，選自氧化硅，堿金屬硅酸鹽、堿土金屬硅酸鹽、混合堿金屬和堿土金屬硅酸鹽、硅酸鋁、硅酸鋯、水合硅酸鹽、鋁酸鹽、氧化物、氮化物、氧氮化物、碳化物、氧碳化物和它們的混合物及衍生物。
59.權(quán)利要求50所述粘合磨具，其特征在于所述連通孔是在制備磨具的過程中不用生孔介質(zhì)的情況得到的。
60.權(quán)利要求50所述粘合磨具，其特征在于所述磨具還包含約35-80vol％的總孔隙率，其中包括至少30vol％的連通孔。
61.權(quán)利要求52所述粘合磨具，其特征在于粘合磨具的最大密度為2.2g/cc。
62.權(quán)利要求50所述粘合磨具，其特征在于燒結(jié)團(tuán)結(jié)物的平均粒徑比磨粒平均粒徑大2-20倍。
63.權(quán)利要求50所述粘合磨具，其特征在于燒結(jié)團(tuán)聚物的初始平均直徑范圍為200-3000微米。
64.權(quán)利要求50所述粘合磨具，其特征在于磨粒是微細(xì)磨粒，燒結(jié)團(tuán)聚物的初始平均直徑范圍為5-180微米。
65.權(quán)利要求60所述粘合磨具，其中所述磨具的連通孔的特征是其以cc/s/inch水為單位的相對透氣率Q/P比不用燒結(jié)團(tuán)聚物制備的可比較粘合磨具的Q/P至少高10％。
66.權(quán)利要求51所述粘合磨具，其特征在于所述磨具包含35-52vol％的燒結(jié)團(tuán)聚物、3-13vol％的玻璃質(zhì)粘合劑和35-70vol％的孔隙率。
67.權(quán)利要求50所述粘合磨具，其特征在于所述磨具還包含選自以下組分中的至少一種組分次級磨粒、填料、研磨助劑、生孔劑及它們的混合物。
68.一種研磨方法，它包括以下步驟a)提供粘合磨具，它具有能滲透流體的結(jié)構(gòu)，該磨具包括1)約5-75vol％燒結(jié)團(tuán)聚物，它包含許多用粘合材料粘合在一起的磨粒，粘合材料的特征是熔點(diǎn)在500-1400℃之間，在制成磨具之前燒結(jié)團(tuán)聚物具有三維形狀和初始尺寸分布。2)粘合劑；3)約35-80vol％的總孔隙率，其中包括至少30vol％的連通孔；所述粘合磨具中至少有50wt％的燒結(jié)團(tuán)聚物在制成磨具后保留著許多保持三維形狀的磨粒；b)使粘合磨具與工件接觸；c)用粘合磨具對工件表面進(jìn)行研磨。
69.一種研磨方法，它包括如下步驟a)提供粘合磨具，它具有能滲透流體的結(jié)構(gòu)，該磨具包括1)約34-56vol％磨粒；2)約3-25vol％粘合劑；3)約35-80vol％的總孔隙率，其中包括至少30vol％的連通孔；其中，形成連通孔時沒有加入生孔介質(zhì)，也沒有加入長度與截面寬度的長寬比至少為5∶1的長形材料。b)使粘合磨具與工件接觸；c)用粘合磨具對工件表面進(jìn)行研磨。
70.使磨粒發(fā)生團(tuán)聚的方法，它包括以下步驟a)在旋轉(zhuǎn)焙燒窯中加入磨粒和粘合材料，控制加料速度，其中粘合劑選自玻璃質(zhì)粘合材料、玻璃質(zhì)材料、陶瓷材料、無機(jī)粘合劑、有機(jī)粘合劑、水、溶劑和它們的混合物；b)讓窯轉(zhuǎn)動，控制轉(zhuǎn)動速度；c)加熱混合物至約145-1300℃，加熱速率由進(jìn)料速度和窯轉(zhuǎn)動速度確定；d)振搖窯中的磨粒和粘合材料，直到粘合材料粘著到磨粒上，眾多磨粒粘合在一起產(chǎn)生許多燒結(jié)的團(tuán)聚物；e)從窯中取出燒結(jié)團(tuán)聚物，所得燒結(jié)團(tuán)聚物具有初始三維形狀和≤1.6g/cc的疏松堆積密度，它包含許多磨粒。
71.權(quán)利要求70所述方法，其特征在于它還包括制備磨粒和粘合材料的均勻混合物，然后將混合物送入旋轉(zhuǎn)焙燒窯的步驟。
72.權(quán)利要求70所述方法，其特征在于所述混合物在加熱窯中振搖0.25-2.0小時。
73.權(quán)利要求70所述方法，其特征在于燒結(jié)團(tuán)聚物的尺寸比比磨粒的尺寸大2-20倍。
74.權(quán)利要求70所述方法，其特征在于窯傾斜約0.5-5度。
75.權(quán)利要求70所述方法，其特征在于窯的旋轉(zhuǎn)速度為0.5-10rpm。
76.權(quán)利要求71所述方法，其特征在于以約5-910kg/h的進(jìn)料速率將混合物送入窯。
77.權(quán)利要求71所述方法，其特征在于混合物進(jìn)料速率這樣設(shè)定，使混合物占據(jù)窯體積的8-12vol％。
78.權(quán)利要求70所述方法，其特征在于燒結(jié)團(tuán)聚物具有在加壓試驗(yàn)中破碎50％時的0.5最小破碎強(qiáng)度。
79.權(quán)利要求71所述方法，其特征在于所述混合物還包含選自以下組分中的至少一種組分次級磨粒、填料、研磨助劑、生孔劑及它們的混合物。
80.權(quán)利要求71所述方法，其特征在于所述混合物還包含生孔介質(zhì)，選自空心玻璃球、磨碎的胡桃殼、塑料或有機(jī)化合物的空心球或空心珠、發(fā)泡玻璃粒子、多鋁紅柱石泡和氧化鋁泡以及它們的混合物。
81.權(quán)利要求70所述方法，其特征在于磨粒和粘合材料在窯中加熱到800-1200℃。
82.權(quán)利要求81所述方法，其特征在于該溫度能有效地引起粘合材料熔化并流動，熔化的粘合材料的粘度至少為300泊。
83.權(quán)利要求71所述方法，其特征在于均勻勻混合物發(fā)生團(tuán)聚，形成生團(tuán)聚物，接著將生團(tuán)聚物送入旋轉(zhuǎn)焙燒窯。
84.磨粒的燒結(jié)團(tuán)聚物，通過包括以下步驟的方法制備a)旋轉(zhuǎn)焙燒窯中加入磨粒和粘合材料，控制加料速度；b)讓窯轉(zhuǎn)動，控制轉(zhuǎn)動速度；c)加熱混合物至約145-1300℃，加熱速率由進(jìn)料速度和窯轉(zhuǎn)動速度確定；d)振搖窯中顆粒和粘合材料，直到粘合材料粘著到顆粒上，眾多磨粒粘合在一起產(chǎn)生許多燒結(jié)的團(tuán)聚物；e)從窯中取出燒結(jié)團(tuán)聚物，所得燒結(jié)團(tuán)聚物具有初始三維形狀和≤1.6g/cc的疏松堆積密度，它包含許多磨粒。
85.權(quán)利要求84所述燒結(jié)團(tuán)聚物，其特征在于它還包含選自以下組分中的至少一種組分次級磨粒、填料、研磨助劑、生孔劑及它們的混合物。
86.權(quán)利要求84所述燒結(jié)團(tuán)聚物，其特征在于粘合材料包括選自玻璃質(zhì)粘合材料、玻璃質(zhì)材料、陶瓷材料、無機(jī)粘合劑、有機(jī)粘合劑、有機(jī)粘合材料、金屬粘合材料和它們的混合物的材料。
87.權(quán)利要求84所述燒結(jié)團(tuán)聚物，其特征在于它還包括制備磨粒和粘合材料的混合物，然后將混合物送入旋轉(zhuǎn)焙燒窯的步驟。
88.權(quán)利要求84所述燒結(jié)團(tuán)聚物，其特征在于燒結(jié)團(tuán)聚物的尺寸比磨粒的尺寸大2-20倍。
89.權(quán)利要求84所述燒結(jié)團(tuán)聚物，其特征在于燒結(jié)團(tuán)聚物的初始平均直徑范圍為200-3000微米。
90.權(quán)利要求84所述燒結(jié)團(tuán)聚物，其特征在于磨粒是微細(xì)磨粒，燒結(jié)團(tuán)聚物的初始平均直徑范圍為5-180微米。
91.權(quán)利要求84所述燒結(jié)團(tuán)聚物，其特征在于團(tuán)聚物顆粒包含約30-88vol％的孔。
92.權(quán)利要求91所述燒結(jié)團(tuán)聚物，其特征在于達(dá)75vol％的孔是連通孔。
93.權(quán)利要求84所述燒結(jié)團(tuán)聚物，其特征在于團(tuán)聚物的相對密度可采用流體置換體積技術(shù)測定，表達(dá)為團(tuán)聚物的體積與用來制備團(tuán)聚物的磨粒和粘合材料的表觀體積之比，其最大值為0.7。
全文摘要
一種結(jié)粘磨具，它具有能滲透流體的結(jié)構(gòu)。該磨具包含由許多磨粒和粘合材料組成的燒結(jié)團(tuán)聚物，其中粘合材料的特征是熔點(diǎn)在500－1400℃之間，燒結(jié)團(tuán)聚物的疏松堆積密度≤1.6g/cc，并具有三維形狀；粘合材料；約35－80vol％的總孔隙率，其中包括至少30vol％的連通孔。還介紹了制備燒結(jié)團(tuán)聚物和制備包含燒結(jié)團(tuán)聚物的磨具的方法。
文檔編號B24D3/26GK1646262SQ03808046
公開日2005年7月27日 申請日期2003年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月11日
發(fā)明者E·布賴特, M·吳 申請人:圣戈本磨料股份有限公司