成形磨粒及其形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 如下涉及成形磨粒，更特別地涉及一種形成成形磨粒的方法和所得粒子。
【背景技術(shù)】
[0002] 摻入磨粒的研磨制品可用于各種材料去除操作，包括碾磨、精整、拋光等。取決于 研磨材料的類型，這種磨?？捎糜谠谖锲分圃熘谐尚位蚰肽ジ鞣N材料。迄今為止已配制具 有特定幾何形狀的某些類型的磨粒（如三角形磨粒）以及摻入這種物體的研磨制品。參見 例如美國專利 No. 5, 201，916、No. 5, 366, 523 和 No. 5, 984, 988。
[0003] 之前，已使用三種基本技術(shù)來制備具有指定形狀的磨粒，所述基本技術(shù)為熔化、燒 結(jié)和化學(xué)陶瓷。在熔化過程中，磨?？捎衫鋮s輥、模具或散熱材料成形，所述冷卻輥的面 可為經(jīng)雕刻的或未經(jīng)雕刻的；將熔融材料倒入所述模具中；所述散熱材料浸入氧化鋁熔體 中。參見例如美國專利No. 3, 377, 660。在燒結(jié)過程中，磨?？捎闪６葹橹睆街炼?0微米的 耐火粉末形成?？蓪⒄辰Y(jié)劑連同潤滑劑和合適的溶劑添加至粉末中，以形成可成形為具有 各種長度和直徑的薄片或棒的混合物。參見例如美國專利No. 3, 079, 242?；瘜W(xué)陶瓷技術(shù)涉 及將膠體分散體或水溶膠（有時(shí)稱為溶膠）轉(zhuǎn)化為凝膠或抑制組分的移動(dòng)性的任何其他物 理狀態(tài)，干燥，并燒制以獲得陶瓷材料。參見例如美國專利No. 4, 744, 802和No. 4, 848, 041。
[0004] 基本（rudimentary)模制過程已公開為可能可用于形成受限形狀的磨粒，如公開 于美國專利 No. 5, 201，916、No. 5, 366, 523、No. 5, 584, 896 和美國專利公布 2010/0151195、 2010/0151195中的那些。已公開形成成形磨粒的其他過程，參見例如美國專利 No. 6, 054, 093、No. 6, 228, 134、No. 5, 009, 676、No. 5, 090, 968 和 No. 5, 409, 645。
[0005] 工業(yè)持續(xù)需要改進(jìn)的研磨材料和研磨制品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)一個(gè)方面，一種方法包括在施用區(qū)內(nèi)將混合物施用至成形組件中，在預(yù)定力 下引導(dǎo)所述成形組件中所述混合物的噴射材料、從所述成形組件中去除所述混合物，以及 形成前體成形磨粒。
[0007] 根據(jù)第二方面，一種方法包括在少于約18分鐘內(nèi)形成前體成形磨粒，其中形成包 括在施用區(qū)內(nèi)將混合物施用至成形組件中，以及從所述成形組件中去除所述混合物，以形 成前體成形磨粒。
[0008] 在另一方面，一種方法包括在施用區(qū)內(nèi)將粘度為至少約4xl03Pa S的混合物擠出 至成形組件中的開口中，以及通過將外力施加至所述混合物而從所述開口中去除所述混合 物，以形成前體成形磨粒。
[0009] 對于另一方面，一種用于形成成形磨粒的系統(tǒng)包括施用區(qū)和噴射區(qū)，所述施用區(qū) 包括成形組件、第一部分、第二部分；所述第一部分具有開口，并構(gòu)造為填充有混合物；所 述第二部分鄰接所述第一部分；所述噴射區(qū)包括噴射組件，所述噴射組件構(gòu)造為朝向所述 成形組件的第一部分中的開口引導(dǎo)噴射材料。
[0010] 根據(jù)另一方面，一種用于形成前體成形磨粒的系統(tǒng)可具有至少約〇. Ikg/min/m2 成形表面的批量生產(chǎn)率。
[0011] 在另一方面，一批成形磨?？砂ǖ谝徊糠?，所述第一部分包含具有彎曲輪廓的 成形磨粒。
[0012] 對于另一方面，一種成形磨粒包括具有彎曲輪廓的本體。
[0013] 在又一方面，一種成形磨粒具有包括箭頭形狀的本體。
【附圖說明】
[0014] 通過參照附圖，本公開可更好地得以理解，且本公開的許多特征和優(yōu)點(diǎn)對于本領(lǐng) 域技術(shù)人員而言是顯而易見的。
[0015] 圖1包括根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于形成成形磨粒的系統(tǒng)的示意圖。
[0016] 圖2包括根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的圖1的系統(tǒng)的一部分的圖示。
[0017] 圖3A-3C包括根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的成形磨粒的透視圖示。
[0018] 圖4包括含有根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的成形磨粒的涂布磨料。
[0019] 圖5包括含有根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的成形磨粒的粘結(jié)磨料。
[0020] 圖6包括根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的成形磨粒的側(cè)視圖圖像。
[0021] 圖7包括根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的成形磨粒的側(cè)視圖圖像。
[0022] 圖8包括根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的具有飛邊的成形磨粒的側(cè)視圖的圖示。
[0023] 圖9包括根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的成形磨粒的透視圖圖像。
[0024] 圖10包括根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的成形磨粒的俯視圖圖像。
[0025] 圖IlA包括根據(jù)一個(gè)實(shí)施例形成的成形磨粒的俯視圖圖像。
[0026] 圖IlB包括根據(jù)一個(gè)實(shí)施例形成的多個(gè)成形磨粒的俯視圖圖像。
[0027] 圖12包括對于常規(guī)樣品和代表一個(gè)實(shí)施例的樣品，比磨削能相對于累積的經(jīng)去 除的材料的圖。
[0028] 圖13包括根據(jù)一個(gè)實(shí)施例形成的多個(gè)成形磨粒的俯視圖圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 本文的系統(tǒng)和方法可用于形成成形磨粒。成形磨?？捎糜诟鞣N應(yīng)用中，包括例如 涂布磨料、粘結(jié)磨料、自由磨料，以及它們的組合。各種其他用途可衍生用于成形磨粒。
[0030] 圖1包括根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于形成成形磨粒的系統(tǒng)的圖示。如所示，系統(tǒng)100 還可包括沖模103,所述沖模103構(gòu)造為促進(jìn)包含于沖模103的貯存器102內(nèi)的混合物101 遞送至成形組件151。形成成形磨粒的過程可通過形成包含陶瓷材料和液體的混合物101 而開始。特別地，混合物101可為由陶瓷粉末材料和液體形成的凝膠，其中所述凝膠可特征 在于為即使在未處理（即未燒制或未干燥凝膠）狀態(tài)下也具有保持給定形狀的能力的形狀 穩(wěn)定材料。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，凝膠可由陶瓷粉末材料形成為分立粒子的整體網(wǎng)絡(luò)。
[0031] 混合物101可形成為具有固體材料（如陶瓷粉末材料）的特定含量。例如，在一 個(gè)實(shí)施例中，混合物101可具有高固體含量，包括例如以混合物101的總重量計(jì)，至少約 25wt %，如至少約35wt %，至少約42wt %，至少約44wt %，至少約46wt %，至少約48wt %，至 少約50wt%，或甚至至少約51wt%的固體含量。而且，在至少一個(gè)非限制性的實(shí)施例中，混 合物101的固體含量可不大于約80wt%，不大于約75wt%，如不大于約70wt%，不大于約 65wt %，不大于約60wt %，不大于約58wt %，不大于約56wt %，或甚至不大于約54wt %。應(yīng) 了解，混合物101中的固體材料的含量可在上述最小百分比和最大百分比中的任意者之間 的范圍內(nèi)。
[0032] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，陶瓷粉末材料可包括氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、碳氧化 物、氮氧化物以及它們的組合。應(yīng)了解，在某些可選擇的實(shí)施例中，可選擇使用陶瓷粉末材 料的前體代替陶瓷粉末材料。前體可為如下材料，所述材料可為粉末形式或不為粉末形式， 并構(gòu)造為在加工以形成陶瓷材料的過程中改變其組成或物理性質(zhì)的至少一部分。在特定情 況中，陶瓷材料可包括氧化鋁。更具體地，陶瓷材料可包括勃姆石材料，所述勃姆石材料可 為α氧化鋁的前體。術(shù)語"勃姆石"通常用于表示氧化鋁水合物，包括礦物勃姆石（通常 為八1203 420，并具有大約15%的水含量），以及擬薄水鋁石（具有高于15%的水含量，如 20-38重量％ )。應(yīng)注意，勃姆石（包括擬薄水鋁石）具有特定且可辨認(rèn)的晶體結(jié)構(gòu)，并因此 具有獨(dú)特的X射線衍射圖案，且同樣可區(qū)別于其他鋁質(zhì)材料，所述其他鋁質(zhì)材料包括其他 水合氧化鋁，如ATH(氫氧化鋁）（用于制造勃姆石顆粒材料的本文所用的常見前體材料）。
[0033] 此外，混合物101可形成為具有液體材料的特定含量。一些合適的液體可包括無 機(jī)材料（如水）或各種有機(jī)介質(zhì)（如醇等）。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，混合物101可形成為具有 小于混合物101的固體含量的液體含量。在更特定的情況中，混合物101可具有以混合物 101的總重量計(jì)至少約20wt%，如至少約25wt%的液體含量。在其他情況中，混合物101內(nèi) 的液體量可更大，如至少約35wt%，至少約40wt%，至少約42wt%，或甚至至少約44wt%。 而且，在至少一個(gè)非限制性的實(shí)施例中，混合物的液體含量可不大于約80wt %，如不大于約 65wt %，不大于約60wt %，不大于約55wt %，不大于約52wt %，不大于約49wt %。應(yīng)了解， 混合物101中的液體含量可在上述最小百分比和最大百分比中的任意者之間的范圍內(nèi)。
[0034] 此外，為了有利于加工和形成根據(jù)本文的實(shí)施例的成形磨粒，混合物101可具 有特定的儲(chǔ)能模量。例如，混合物101可具有至少約IxlO 4Pa,如至少約4xl04Pa，如至少 約4. 4xl04Pa，至少約5xl04Pa，至少約6xl04Pa，至少約8xl0 4Pa，至少約IOxlO4Pa,至少約 15xl04Pa，至少約20xl0 4Pa，至少約30xl04Pa，或甚至至少約40xl04Pa的儲(chǔ)能模量。在至少 一個(gè)非限制性的實(shí)施例中，混合物101可具有不大于約80xl0 4Pa，不大于約70xl04Pa，不大 于約65xl04Pa，或甚至不大于約60xl0 4Pa的儲(chǔ)能模量。應(yīng)了解，混合物101的儲(chǔ)能模量可 在上述最小值和最大值中的任意者之間的范圍內(nèi)?？墒褂镁哂蠵eltier板溫度控制系統(tǒng)的 ARES或AR-G2旋轉(zhuǎn)流變儀，經(jīng)由平行板系統(tǒng)測量儲(chǔ)能模量。對于測試，混合物101可在兩個(gè) 板之間的間隙內(nèi)擠出，所述兩個(gè)板設(shè)定為彼此分離大約8_。在將凝膠擠出至間隙中之后， 將限定間隙的兩個(gè)板之間的距離降低至2mm，直至混合物101完全填充板之間的間隙。在擦 去過量的混合物之后，間隙減小0. 1mm，開始測試。測試為使用25-mm平行板且每十進(jìn)位記 錄10個(gè)點(diǎn)，在6. 28rad/s(lHz)下使用0. 01%至100%之間的應(yīng)變范圍的儀器設(shè)置進(jìn)行的 振動(dòng)應(yīng)變掃描測試。在測試完成之后1小時(shí)內(nèi)，再次減小間隙0.1mm并重復(fù)測試。測試可 重復(fù)至少6次。第一測試可不同于第二和第三測試。僅應(yīng)該記錄每個(gè)試樣的來自第二和第 三測試的結(jié)果。
[0035] 此外，為了有利于加工和形成根據(jù)本文的實(shí)施例的成形磨粒，混合物101可具有 特定的粘度。例如，混合物101可具有至少約4xl0 3Pa s，至少約5xl03Pa s，至少約6xl03Pa s，至少約8xl03Pa s，至少約IOxlO3Pa s，至少約20xl03Pa s，至少約30xl03Pa s，至少約 40xl03Pa s，至少約50xl03Pa s，至少約60xl03Pa s，至少約65xl03Pa s的粘度。在至少一 個(gè)非限制性的實(shí)施例中，混合物101可具有不大于約IOOxlO3Pa s，不大于約95xl03Pa s，不 大于約90xl03Pa s，或甚至不大于約85xl03Pa s的粘度。應(yīng)了解，混合物101的粘度可在 上述最小值和最大值中的任意者之間的范圍內(nèi)。粘度可以以與如上所述的儲(chǔ)能模量相同的 方式進(jìn)行測量。
[0036] 在至少一個(gè)實(shí)施例中，為了有利于加工和形成根據(jù)本文的實(shí)施例的成形磨粒， 混合物101可具有特定的屈服應(yīng)力。例如，混合物101可具有至少約I. 5xl03Pa，至少 約4xl03Pa，至少約5xl03Pa，至少約6xl0 3Pa，至少約8xl03Pa，至少約10xl03Pa，至少約 12xl0 3Pa，至少約20xl03Pa，至少約30xl03Pa，至少約40xl0 3Pa，或甚至至少約65xl03Pa的 屈服應(yīng)力。在至少一個(gè)非限制性的實(shí)施例中，混合物101可具有不大于約l〇〇xl〇 3Pa，不大 于約80xl03Pa，不大于約60xl03Pa，或甚至不大于約50xl0 3Pa的屈服應(yīng)力。應(yīng)了解，混合物 101的屈服應(yīng)力可在上述最小值和最大值中的任意者之間的范圍內(nèi)。屈服應(yīng)力可以以與如 上所述的儲(chǔ)能模量相同的方式進(jìn)行測量。
[0037] 混合物101的流變學(xué)特性可不同于常規(guī)混合物和凝膠，如在某些參考文件中描述 的那些。此外，混合物101可形成為具有特定的一種或多種流變學(xué)特性（例如粘度、屈服應(yīng) 力、儲(chǔ)能模量等）之間的關(guān)系，以有利于成型。特別地，凝膠可顯著更"硬"，具有剪切變稀特 性，這可完全不同于在其他成型方法中所用的混合物。
[0038] 此外，混合物101可形成為具有特定含量的有機(jī)材料，以有利于加工和形成根據(jù) 本文的實(shí)施例的成形磨粒，所述有機(jī)材料包括例如可不同于液體的有機(jī)添加劑。一些合適 的有機(jī)添加劑可包括穩(wěn)定劑、粘結(jié)劑，如果糖、鹿糖、乳糖、葡萄糖、UV可固化樹脂等。應(yīng)了 解，混合物中所有材料的總含量（例如陶瓷粉末材料、水、添加劑等）總計(jì)達(dá)100%且不超過 100%〇
[0039] 特別地，本文的實(shí)施例可使用可不同于某些類型的漿料的混合物101。例如，相比 于混合物101內(nèi)的其他組分，混合物101內(nèi)的有機(jī)材料的含量，特別是上述有機(jī)添加劑中的 任意者的含量可為較小量。在至少一個(gè)實(shí)施例中，混合物101可形成為具有以混合物101 的總重量計(jì)不大于約30wt%的有機(jī)材料。在其他情況中，有機(jī)材料的量可更少，如不大于 約15wt %，不大于約IOwt %，或甚至不大于約5wt %。而且，在至少一個(gè)非限制性的實(shí)施例 中，混合物101內(nèi)的有機(jī)材料的量以混合物101的總重量計(jì)可為至少約0. 5wt%。應(yīng)了解， 混合物101中的有機(jī)材料的量可在上述最小值和最大值中的任意者之間的范圍內(nèi)。在至少 一個(gè)可選擇的方面，混合物101可基本上不含有機(jī)材料。
[0040] 此外，混合物101可形成為具有特定含量的不同于液體的酸或堿，以有利于加工 和形成根據(jù)本文的實(shí)施例的成形磨粒。一些合適的酸或堿可包括硝酸、硫酸、檸檬酸、鹽酸、 酒石酸、磷酸、硝酸銨，和/或檸檬酸銨。根據(jù)一個(gè)特定實(shí)施例，通過使用檸檬酸添加劑，混 合物101可具有小于約5,更特別地在至少約2至不大于約4之間的范圍內(nèi)的pH?；蛘?，酸 性凝膠的流變學(xué)可通過使用堿將酸性凝膠轉(zhuǎn)化為堿性凝膠而進(jìn)一步改變，所述堿例如氫氧 化銨、氫氧化鈉、有機(jī)胺（如六亞甲基四胺等）。
[0041] 參照圖1，混合物101可在沖模103的內(nèi)部內(nèi)提供，并配置為被擠出通過設(shè)置于沖 模103的一端的?？?105。如進(jìn)一步所示，擠出可包括在混合物101上施加力180 (或壓力）， 以有利于將混合物101擠出通過?？?105。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，可在擠出過程中使用特定壓 力。例如，壓力可為至少約10kPa，如至少約500kPa，至少約1，OOOkPa，至少約2, OOOkPa，或 甚至至少約3, OOOkPa。而且，在至少一個(gè)非限制性的實(shí)施例中，在擠出過程中所用的壓力可 不大于約10,000奸&，如不大于約8,0001^ &，或甚至不大于約6,0001^&。應(yīng)了解，用于擠出 混合物101的壓力可在上述最小值和最大值中的任意者之間的范圍內(nèi)。此外，在某些情況 中，?？诳删哂写蠹s3000至4000平方毫米的面積。
[0042] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，混合物101可具有至少約1800N的盤繞值（coil value)?？?使用質(zhì)量為30-60克的混合物的樣品，在由伊利諾斯州伊塔斯加的新寶儀器公司（Shimpo Instruments，Itasca Illinois)制造的稱為新寶壓縮測試機(jī)的儀器（其被手動(dòng)壓制成直 徑為2"的塑料/不銹鋼圓筒）上測量盤繞值。在圓筒的擠出端處，具有圓柱形孔的塑料插 入物設(shè)定直徑通常為2_的壓縮擠出物尺寸。活塞滑動(dòng)至圓筒中，當(dāng)測試開始時(shí)，一旦達(dá)到 閾值盤繞力（coil force)，則活塞將擠出凝膠。當(dāng)圓筒組件在適當(dāng)位置時(shí)，新寶壓縮測試機(jī) 以95-97mm/min的恒定速率朝向活塞下移力探針。當(dāng)達(dá)到閾值盤繞力時(shí)，凝膠被擠出插入 孔，輸出計(jì)產(chǎn)生峰值力，所述峰值力為盤繞值。在另一實(shí)施例中，盤繞值可為至少約1900N， 如至少約2000N，至少約2100N，至少約2200N，或甚至至少約2300N。在一個(gè)非限制性的實(shí) 施例中，盤繞值可不大于約8000N，如不大于約6000N，或甚至不大于約5000N。通常，用于在 常規(guī)絲網(wǎng)印刷和模制過程（如描述于美國專利No. 5, 201，916和No. 6, 054, 093中的過程） 中使用的混合物和凝膠的盤繞值小于約1700N，更通常為大約1000N。因此，相比于常規(guī)混 合物，根據(jù)本文的實(shí)施例的某些混合物可顯著更抗流動(dòng)。
[0043] 如圖1進(jìn)一步顯示，系統(tǒng)100可包括成形組件151。成形組件可包括第一部分152 和第二部分153。特別地，在施用區(qū)183內(nèi)，第一部分152可與第二部分153相鄰。在更特 定的情況中，在施用區(qū)183內(nèi)，第一部分152可與第二部分153的表面157鄰接。系統(tǒng)100 可設(shè)計(jì)為使得成形組件151的一部分（如第一部分152)可在輥之間平移。第一部分152 可以以環(huán)路操作，使得成型過程可連續(xù)進(jìn)行。
[0044] 如所示，系統(tǒng)100可包括施用區(qū)183,所述施用區(qū)183包括沖模103的模口 105。過 程還可包括將混合物101施用至成形組件151的至少一部分中。在特定情況中，施用混合物 101的過程可包括經(jīng)由諸如擠出、模制、澆鑄、印刷、噴霧和它們的組合的過程而沉積混合物 101。在特定情況中，例如圖1所示，混合物101可在方向188上擠出通過模口 105,并擠出 至成形組件151的至少一部分中。特別地，成形組件151的至少一部分可包括至少一個(gè)開 口 154。在特定情況中，例如圖1所示，成形組件151可包括具有開口 154的第一部分152， 所述開口 154構(gòu)造為從沖模103接收混合物101。
[0045] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，成形組件151可包括至少一個(gè)開口 154,所述至少一個(gè)開口 154 可由一個(gè)或多個(gè)表面（包括例如至少三個(gè)表面）限定。在特定情況中，開口 154可延伸通 過成形組件151的第一部分152的整個(gè)厚度。或者，開口 154可延伸通過成形組件151的 整個(gè)厚度。而且，在其他可選擇的實(shí)施例中，開口 154可延伸通過成形組件151的整個(gè)厚度 的一部分。
[0046] 簡略參照