抗飛磨粒及其制備方法以及磨料產(chǎn)物的制作方法

專利名稱：抗飛磨粒及其制備方法以及磨料產(chǎn)物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及抗飛陶瓷磨粒及其制備方法以及含有這種磨粒的磨料產(chǎn)物。
飛粒是熟悉磨料工業(yè)、特別是涂覆的磨料工業(yè)的專業(yè)人員常用的術(shù)語，指的是這樣的現(xiàn)象，即磨粒過早地從粘合系統(tǒng)中脫落(所說的粘合系統(tǒng)典型地是用以在整個(gè)磨粒的使用壽命中固定磨粒)。當(dāng)初，采用術(shù)語“飛粒”也許是由于一些人認(rèn)為這種磨粒從粘合系統(tǒng)中脫落的現(xiàn)象與谷物去殼作業(yè)中谷物從谷穗中分離類似。盡管也有一些例外(例如磨料產(chǎn)物以磨粒來源形式供游漿使用時(shí))，但磨粒從磨料制品中飛粒是不希望的，因?yàn)樗哂薪档湍チ现破返男实淖饔?，這是由于失去磨料所致的損失了磨面以及以下說明的其它原因造成的。由飛粒造成的效率降低可在各類磨料制品中見到，例如粘合的磨料制品(象磨輪一類)和無紡磨料制品，但在涂覆的磨料制品中特別顯著。在這些制品中，基本上全部磨粒由粘合系統(tǒng)約束在片材上，其各顆粒一端典型地暴露或幾乎暴露出來。由于飛粒，磨粒從涂覆的磨料制品中遺失掉，在涂覆的磨料表面上提供了非磨料區(qū)，因而降低了磨料效率，而且還造成表面磨光不均勻。
用磨料制品去除嚴(yán)重毛坯的應(yīng)用場合下，飛粒問題特別顯著。在這種應(yīng)用中，磨料制品要能經(jīng)受住高的壓力和轉(zhuǎn)速，而且還要提供充分的磨削。例如，涂覆的磨盤可以每分鐘旋轉(zhuǎn)12，000轉(zhuǎn)，而且要經(jīng)受高達(dá)15kg/cm2的界面壓力。盡管這些苛刻的條件因通常會(huì)提高切削速度而受推薦，但它們會(huì)使磨粒和粘合系統(tǒng)之間的粘合力受到嚴(yán)重影響。如果這種粘合力失效，磨粒將以極高的速率從涂覆的磨料制品中射出(或剝離掉)，這可能會(huì)對損傷人員造成嚴(yán)重傷害，特別是當(dāng)磨粒是大粒度粗砂時(shí)。這種危害對磨料工業(yè)中的工作人員具有厲害關(guān)系，有時(shí)因可能的安全性問題使產(chǎn)品不能以其充分可能的潛力使用。
此外，許多磨料制品，特別是涂覆的磨料制品采用了濕敏的樹脂粘合系統(tǒng)，這些常用的粘合系統(tǒng)大多數(shù)含有酚醛樹脂。已經(jīng)知道，酚醛樹脂基粘合系統(tǒng)隨著研磨條件濕含量提高，磨料制品飛粒的可能性也就相應(yīng)提高。
已提出許多解決飛粒問題的方案，但這些方案或是因不能實(shí)施、費(fèi)用高而實(shí)用性很小，或是不特別適用于燒結(jié)陶瓷磨粒。
詳細(xì)涉及解決飛粒問題的最早公知的文獻(xiàn)是美國專利1，528，453(Hartmann)，該專利公開了一種處理晶體礦物的方法，包括刻痕和粗化顆粒表面，從而提高其粘合性。各種其它文獻(xiàn)公開了將小顆粒粘合到大顆粒的表面以提高表面積的方法，即利用粘合層或粘結(jié)助劑以得到表面粘合有更小的顆粒物質(zhì)的顆粒。例如，美國專利3，269，815(Koopman)公開了用細(xì)散的固體顆粒(如碳化物和氮化物)涂覆磨粒。方法是用薄層陶瓷膜(如玻璃)將這些細(xì)顆粒粘結(jié)到顆粒上。所述薄層陶瓷膜在低于磨?；蚬腆w物料的軟化或熔融溫度下軟化，從而將細(xì)散的顆粒粘結(jié)到磨粒上以促進(jìn)樹脂粘合和提高粘合的磨料制品中磨粒間的粘結(jié)強(qiáng)度。另外，美國專利4，472，173(Bruning等人)公開了金剛砂磨粒，這種磨粒涂有磨過的燒結(jié)物、粘合劑和高細(xì)顆粒磨料(用于改善磨粒在其加工中對樹脂粘合的磨料的粘結(jié)性)。
此外，某些文獻(xiàn)公開了形成更小顆粒緊密體的方法，所說的緊密體固有的表面粗度很高。例如，美國專利4，252，544(Takahashi)公開了用電熔融或高溫煅燒的氧化鋁粗晶粒和位于氧化鋁粗晶粒間的氧化鋁細(xì)晶粒構(gòu)成的氧化鋁磨粒。這些磨粒是按以下方法加工的，即形成特定類型的氧化鋁粗粉，形成特定類型的氧化鋁細(xì)粉，在水或(需要的話)伯胺粘合劑存在下將這兩種粗粉和細(xì)粉搓揉，利用機(jī)械擠壓機(jī)擠壓經(jīng)搓揉的物料，干燥擠壓過的物料，按預(yù)定長度切割擠壓過的物料，和在高于細(xì)粉狀氧化鋁煅燒溫度及低于1700℃的溫度下燒結(jié)干燥的和切成片的擠壓過的物料。
上述任何文獻(xiàn)都未指出，按其講述的方法能制備出具有要求的物理特性的二氧化鋁基陶瓷磨粒，條件是不加粘合層或粘結(jié)助劑改變或改性陶瓷磨粒。舉例來說，需要按本發(fā)明改進(jìn)的陶瓷磨粒的類型是美國專利4，744，802(Schuabel)介紹的類型。公開了制備這類氧化鋁基陶瓷磨粒的其它文獻(xiàn)包括美國專利4，314，827(Leitheiser等人)，4，518，397(Leitheiser等人)和4，574，003(Gerk)。
上述文獻(xiàn)沒有一篇介紹具有小的分離的顆粒無機(jī)材料體自粘結(jié)到其表面上的陶瓷顆粒材料，以得到抗飛粒的改進(jìn)的磨?；蚰チ现破?，如粘結(jié)的磨料制品、無紡磨料制品和涂覆的磨料制品(它們均含有顆粒無機(jī)材料體)。
本發(fā)明提供了改進(jìn)的磨粒，所說的磨粒是由小的分離的無機(jī)材料凸出體自粘結(jié)到其表面上的陶瓷材料構(gòu)成。術(shù)語“自粘結(jié)”意指在沒有任何類型的外部粘合介質(zhì)(如粘結(jié)助劑、玻璃質(zhì)粘合材料、有機(jī)粘合劑、玻璃等)的條件下，分離的小的表面體被粘結(jié)到各陶瓷顆粒的表面上。表面顆粒材料的粘結(jié)完全是由于形成磨粒材料的前體和形成無機(jī)體材料的前體之間無粘合劑粘結(jié)的結(jié)果，最終通過燒制這兩種前體材料，在它們之間形成永久結(jié)合，從而形成陶瓷材料。
已出乎意料地發(fā)現(xiàn)，在燒接作業(yè)中，無機(jī)表面體可在陶瓷磨粒上形成凸出體，而不有害地影響所得磨粒研磨特性。所得的磨粒具有由附著的突出體提供的鼓脹的表面，從而得到比傳統(tǒng)的無突出體的表面更抗飛粒的結(jié)構(gòu)，而且在某些情況下具有出乎意料的改進(jìn)的性能。
更具體地說，本發(fā)明提供了制備陶瓷磨粒的方法，這種方法制得的各磨粒的特征在于具有自粘結(jié)到磨粒表面上的眾多的小的分離的凸出的無機(jī)材料體，該方法包括以下步驟提供含α-氧化鋁前體物質(zhì)的第一種顆粒物，其各顆粒能燒結(jié)成α-氧化鋁基磨粒;將比第一種顆粒更細(xì)的第二種顆粒導(dǎo)入顆粒物中，所說的第二種顆粒在將第一種顆粒燒結(jié)成無機(jī)材料的硬的凸出體的條件下能自粘結(jié)到第一種顆粒的表面上;在燒結(jié)條件下加熱顆粒以燒結(jié)第一種顆粒并使第二種顆粒自粘結(jié)到每個(gè)第一種顆粒的表面上。
該方法考慮通過滾磨第一種顆粒(即轉(zhuǎn)鼓過程)，使第一種顆粒磨掉其表面而形成第二種顆粒的方法引入第二種顆粒。這樣做基本上不會(huì)對第一種顆粒的粒徑產(chǎn)生影響。持續(xù)滾磨，直至生成的第二種顆粒附著在第一種顆粒的各顆粒表面為止。該方法還考慮通過將第二種顆粒加到第一種顆粒中，引入與形成第一種顆粒的物質(zhì)組成不同的第二種顆粒。然后，將使第二種顆粒與第一種顆粒一起滾磨，使第二種顆粒附著到第一種顆粒的表面上。
優(yōu)選的方法涉及制備第一種顆粒，方法是提供氧化鋁水合物的水分散體混合物，使混合物膠化，干燥膠化的混合物以得到干燥的固體，和壓碎干燥的固體以得到第一種顆粒。
該方法可包括在將第二種顆粒引入第一種顆粒物料之前至少煅燒第一種顆粒的步驟，以基本上除去粘合的揮發(fā)物。
如前指出，本發(fā)明的磨粒含α-氧化鋁基陶瓷顆粒，這些陶瓷顆粒具有自粘結(jié)的無機(jī)材料體，以在各磨粒上提供多個(gè)表面突出體。本發(fā)明優(yōu)選的磨粒具有由以下一種物質(zhì)構(gòu)成的表面突出體，所述物質(zhì)選自氧化鋁，α-氧化鋁，氧化鋁氧化鋯，氧化鋯，氮化硅，稀土金屬氧化物，氧化釔，氧化鉻，氧化鈰，碳化鈦，硅鋁氧氮化物硅鋁氧碳化物，釔氧化鋁-石榴石，六方稀土鋁酸鹽，氧氮化鋁、鋅、鎂或鎳的氧化物和其混合物。
本發(fā)明的磨粒還考慮在α-氧化鋁基陶瓷中包括至少一種改性的添加劑。這種改性的添加劑最好是選自下述金屬的一種或多種金屬氧化物鎂、鋅、鋯、鉻、鈷、鎳、釔、鐠、釤、鐿、釹、
、釓、銫、鏑和鉺。
本發(fā)明還提供了用本發(fā)明的磨粒制成的磨料制品。這些磨料制品可以采用以下形式涂覆的磨料制品，粘合的磨料制品，如磨輪，搪磨石等(它們可包括玻璃質(zhì)或非玻璃質(zhì)的粘合劑，例如有機(jī)粘合劑)或無紡磨料制品。
本發(fā)明的陶瓷磨料的表面積得到提高，從而在磨料型制品中改善了對粘合系統(tǒng)的粘著力。通過改善粘著力，磨料制品可在高壓下使用，這便會(huì)提高去除毛坯的速率。另外，含本發(fā)明磨粒的磨料制品，與未經(jīng)本文所述的磨粒表面改進(jìn)制得的相應(yīng)的磨料制品相比，從工件上磨掉毛料的速度更快。
通過參考附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明，其中

圖1是本發(fā)明磨粒表面的700倍顯微照片，攝像用的是掃描電子顯微鏡;
圖2是市售陶瓷磨粒表面的700倍顯微照片，這種磨粒的組成與圖1的磨粒相同，只是未按照本發(fā)明進(jìn)行表面改進(jìn)。
本發(fā)明涉及α-氧化鋁基陶瓷磨粒，它們是通過干燥和在陶瓷熔融溫度以下燒制顆粒前體物料以使脫水的原料燒結(jié)而制備的。在加熱過程中，前體物料將轉(zhuǎn)化成脫水的金屬氧化物結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)隨加熱的持續(xù)而致密。最普通的α-氧化鋁基陶瓷可以用金屬(如鎂、鎳、鋅)氧化物、氧化釔、稀土氧化物、氧化鋯、氧化鉻等改性。制備陶瓷磨粒的優(yōu)選的方法是所謂凝膠法，此方法在以下美國專利中有介紹4，314，827;4，518，397;4，574，0034，623，364和4，744，802。
為制備凝膠α-氧化鋁基陶瓷磨粒，先形成一種含約2-約60wt%α-氧化鋁-水合物(如-水軟鋁石)的分散體。一水軟鋁石既可以用本技術(shù)領(lǐng)域公知的各種技術(shù)制備，也可以從大量的廠商購買。市售的這種物質(zhì)的例子有DSperalTM(Condea Chemie生產(chǎn))GMBH和CatapalTM(Vista化學(xué)公司生產(chǎn))。這些氧化鋁-水合物呈α-形式且相當(dāng)鈍(如果有的話，含相當(dāng)?shù)偷囊凰衔锍獾乃衔?，而且表面積很高。
這種分散體可含有一種改性添加劑的前體，加入這種改性添加劑是為了提高成品的所需特性或提高燒結(jié)步驟的效率。這些添加劑是水溶鹽形式，典型的是水溶性的，一般由含金屬的化合物構(gòu)成，它們可以是鎂、鋅、鈷、鎳、鋯、鉿、鎳、鋯、鉻、鈦、釔的氧化物、稀土氧化物及其混合物的前體。對本發(fā)明來說，這些組分在分散體中的確切比例并不嚴(yán)格，因此可方便地改變。
通常，將膠化劑添加到一水軟鋁石分散體中，以得到更穩(wěn)定的水溶膠或膠態(tài)分散體?？捎米髂z化劑的一元酸包括醋酸、鹽酸、甲酸和硝酸。硝酸是優(yōu)選的膠化劑。通常避免用多元酸，因?yàn)樗鼈冄杆偈狗稚Ⅲw膠化，使其難以處理或混合在另外的組分中。某些市售的一水軟鋁石含有某種酸附物(如吸附的甲酸或硝酸)，便于形成穩(wěn)定的分散體。
可采用任何合適的方法形成分散體，這些方法可簡單地使氧化鋁一水合物與含膠化劑的水混合，也可以通過形成加有膠化劑的氧化鋁一水合物淤漿實(shí)現(xiàn)。一旦形成了分散體，最好使其膠化，可通過任何傳統(tǒng)技術(shù)，如添加含改性添加劑的溶解的或分散的金屬(如硝酸鎂)，這類技術(shù)的某些組合，從分散體中除水，形成凝膠體。
分散體可含有成核劑，以提高α-氧化鋁轉(zhuǎn)變。合適的成核劑有α-氧化鋁、α-氧化鐵或其前體和任何其它能成核轉(zhuǎn)變的物質(zhì)的細(xì)顆粒。成核劑的用量應(yīng)足以引起核化。美國專利4，744，802介紹了這種分散體的成核方法。
一旦形成了凝膠體，可通過任何方法的方法，如壓制、模塑、涂覆或擠出將其成型，然后精心干燥以得到干燥的固體物料。
凝膠體可典型的在低于膠體起泡溫度下，擠出或簡單地分布成方便的形狀并干燥。可采用幾種脫水方法中任何一種，包括溶劑萃取法在內(nèi)，以除去凝膠體的游離水形成固體。
在凝膠體干燥后，可采用任何合適的裝置如錘磨機(jī)或球磨機(jī)或壓碎機(jī)壓碎或破碎干燥了的固體，形成磨粒前體顆粒(以下稱作前體顆粒)?？刹捎萌魏喂腆w造粒的方法，并采用術(shù)語“壓碎”來包括所有這些方法。
可通過滾磨未燒結(jié)的顆粒制備表面積提高了的本發(fā)明的陶瓷磨粒。未燒結(jié)的顆粒指的是已干燥、但未充分燒結(jié)的顆粒，在這種條件下，未燒結(jié)的顆粒典型的密度小于60%理論密度。煅燒過的未燒結(jié)的顆粒典型的密度約為50%理論密度。美國專利4，744，802(受權(quán)給未申請的專利轉(zhuǎn)讓者)介紹了制備未燒結(jié)的顆粒的優(yōu)選方法。滾磨未燒結(jié)的顆粒既可以在煅燒之前進(jìn)行，也可以在最終燒制(燒結(jié))之前進(jìn)行。未燒結(jié)的顆粒比較軟，當(dāng)它們在混合機(jī)中一起滾磨時(shí)，邊刃脫落，形成細(xì)顆粒，這些細(xì)顆粒借助于機(jī)械碰撞，隨著滾磨的持續(xù)重新沉積到磨粒的表面。在第一種方案中，未燒結(jié)的顆粒在混合機(jī)中滾磨，形成細(xì)顆粒物?？赏ㄟ^將定量的未燒結(jié)顆粒加到混合機(jī)中進(jìn)行滾磨。此時(shí)，在工藝中未燒結(jié)顆料相對較軟。滾磨會(huì)使形成細(xì)顆粒的未燒結(jié)的顆粒間接觸。
持續(xù)滾磨使細(xì)顆粒借助于機(jī)械碰撞重新沉積到未燒結(jié)的顆粒的表面上。在最終燒制的過程中，細(xì)顆粒與未燒結(jié)的顆粒燒結(jié)成磨粒。重新沉積的細(xì)顆粒在磨粒表面上形成分離的凸出體，從而提高了磨粒的表面積，由此改善了對粘合系統(tǒng)的附著力。
在第二種方案中，未燒結(jié)的顆粒在混合機(jī)中與加入的組成與未燒結(jié)的顆粒不同的細(xì)顆粒一起滾磨。這種細(xì)顆粒在磨粒表面上也形成無機(jī)材料的凸出體。這些顆粒與在滾磨過程中從未燒結(jié)的顆粒表面上破碎下來的未燒結(jié)的顆粒的細(xì)粒一起，在持續(xù)的滾磨過程中重新沉積到未燒結(jié)的顆粒的表面上。最終燒結(jié)使細(xì)顆粒(加入的細(xì)顆粒的產(chǎn)生的細(xì)顆粒)與未燒結(jié)的顆粒燒結(jié)成具有表面凸出體的磨粒。
為便于滾磨，將未燒結(jié)的顆粒以特定的重量比加到混合機(jī)中。一般來說，混合機(jī)全負(fù)荷的約10-70%、最好約20-50%(體積)應(yīng)是未燒結(jié)的顆粒。將未燒結(jié)的顆粒滾磨一段時(shí)間，以足以產(chǎn)生適量的細(xì)顆粒而又不會(huì)把未燒結(jié)的顆粒的邊刃不希望地弄圓，不會(huì)通過燒結(jié)制成具有不希望有的圓邊刃的磨粒，因?yàn)閳A邊刃的磨粒不如尖邊刃的磨粒磨光那樣好?？赡苄枰瞿承?shí)驗(yàn)以確定滾磨未燒結(jié)的顆粒所需的確切時(shí)間，因?yàn)闀r(shí)間是產(chǎn)生的能量的函數(shù)、預(yù)先燒制或煅燒的未燒結(jié)的顆粒需要更長的滾磨時(shí)間，因?yàn)檫@些顆粒比未煅燒過的顆粒更硬。本技術(shù)領(lǐng)域?qū)I(yè)人員可容易地確定滾磨時(shí)間。一般來說，給定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的能量越高，所需的滾磨時(shí)間就越少。此能量是由未燒結(jié)的顆粒相互間作用產(chǎn)生的機(jī)械能，而且還是混合機(jī)構(gòu)型的函數(shù)。也推薦用具有擋板或凸緣的混合機(jī)以提高產(chǎn)生的能量并由此降低滾磨時(shí)間。雖然可以使用任何類型的混合機(jī)，但推薦密閑式系統(tǒng)以避免細(xì)顆粒損失。并不是所有混合機(jī)構(gòu)型都能提供使細(xì)顆粒借助于機(jī)械碰撞粘著到未燒結(jié)的顆粒上所需的條件。例如，振動(dòng)磨機(jī)便不能提供使細(xì)顆粒碎裂并自己沉積到未燒結(jié)的顆粒上所需的顆粒間相互作用。優(yōu)選的混合機(jī)構(gòu)型是沒有磨料介質(zhì)的球磨機(jī)。典型的滾磨時(shí)間為5-180分鐘左右，最好是20-50分鐘。
在第一種方案中，未燒結(jié)的顆粒單獨(dú)滾磨以得到與未燒結(jié)的顆?；瘜W(xué)組成相同的細(xì)顆粒。在第二種方案中，未燒結(jié)的顆粒與加入的組成不同的細(xì)顆粒一起滾磨，得到這種細(xì)顆粒與由于滾磨未燒結(jié)的顆粒產(chǎn)生的相同化學(xué)組成的細(xì)顆粒的摻合物。第二種方案出乎意料的優(yōu)點(diǎn)在于，它通過選擇要與未燒結(jié)的顆粒一起滾磨的合適的細(xì)顆粒，能使磨粒表面的尺寸制得很合適。本技術(shù)領(lǐng)域?qū)I(yè)人員都知道，磨粒的表面在研磨應(yīng)用過程中具有重大作用。
在壓碎(和滾磨，此時(shí)如進(jìn)行的話)之后，將干燥的凝膠體顆粒煅燒以基本上除去全部揮發(fā)物并將磨粒的不同組分轉(zhuǎn)變成陶瓷。通常，在約400℃-800℃的溫度下加熱(煅燒)干燥的凝膠體顆粒并在此溫度范圍內(nèi)保溫直至除去游離水和90%(重量)以上的任何結(jié)合水為止。
既可以在煅燒之前滾磨，也可在煅燒之后滾磨，只要滾磨是在最終燒制步驟前進(jìn)行便可。推薦滾磨是在煅燒步驟前進(jìn)行，以易于處理。
然后，通過加熱到約1000℃-約1650℃并在此溫度范圍內(nèi)保溫直至差不多所有α-氧化鋁前體物料(如2-氧化鋁-水合物)轉(zhuǎn)變成α-氧化鋁為止，燒結(jié)煅燒的顆粒。當(dāng)然，陶瓷必須暴露此燒結(jié)溫度以達(dá)到這種轉(zhuǎn)化率所需的時(shí)間取決于多種因素，但通常約5-約30分鐘便足夠了。
在此工藝中可包括其它步驟，例如將物料從煅燒溫度迅速加熱到燒結(jié)溫度，將顆粒物分粒，離心分離分散體以除去廢渣等等。此外，如果需要，還可通過將兩個(gè)或多個(gè)所述單獨(dú)的步驟結(jié)合來改進(jìn)此工藝。
可以相鄰，陶瓷磨粒可經(jīng)過幾道高溫?zé)?。滾磨必須在最后一道燒制(或燒結(jié))之前進(jìn)行。滾磨工序不應(yīng)在燒結(jié)之后進(jìn)行，因?yàn)檫@會(huì)使部分磨粒碎裂，無法將它們燒結(jié)到磨粒表面上。
圖1示出了本發(fā)明的磨粒凸出的表面，相比之下，圖2示出了常用陶瓷磨粒非常光滑的表面。應(yīng)注意，本發(fā)明的磨粒提高了表面積，但也提高了磨粒的孔隙率。本發(fā)明的磨粒最好具有至少90%的理論密度。雖然多孔的磨粒往往具有大的表面積，但由于降低了強(qiáng)度和整體性，其性能大大下降。
表面積比可以是本發(fā)明的磨粒的一個(gè)特征。本發(fā)明的磨粒的表面積比至少為1.5，最好至少為2.0。表面積比是磨粒表面積是否提高的量度，它是用本發(fā)明的磨粒的表面積除以給定級配的標(biāo)準(zhǔn)未處理分級的磨料的表面積確定的。表面積比是一種表征表面積是否提高更有意義的方式，因?yàn)槊糠N磨粒都有不同的顆粒尺寸，由此具有不同的表面積。在美國國家標(biāo)準(zhǔn)所(ANSI)標(biāo)準(zhǔn)B74.18(1984)中可查到磨粒分級標(biāo)準(zhǔn);用粗的對照組分作為給定級配以計(jì)算表面積比。未處理的分級的標(biāo)準(zhǔn)磨?？蓮腗innesotaMining和St.Paul，Minnesota的Manufacturing(3M)公司以商品牌號Cubitron的磨粒購買。按照美國專利4，744，802講述的方法制備滾磨過的磨粒，所不同的是磨粒在預(yù)燒之前在不含磨劑或磨料介質(zhì)的球磨機(jī)中滾磨20分鐘。所用的球磨機(jī)長約1.82米，內(nèi)徑1.82米，轉(zhuǎn)速為16rpm。擋板(5.1cm高，5.1cm厚)以約46cm間隔配置在球磨機(jī)的內(nèi)周圍。其余步驟與美國專利4，744，802講述的相同。
下表給出了未處理的ANSI標(biāo)準(zhǔn)分級的磨粒和按本發(fā)明制得的滾磨過的磨粒的表面積以及計(jì)算的面積比。表面積是在Quantos-orb，ModelQS13表面積測定裝置(購于Quanthchr-me公司，Syusett，紐約)上測定的。在測定以前，試樣在氮?dú)庵形?0分鐘。
表面積測定級配ANSI磨粒滾磨過的磨粒比值(m2/g) (m2/g)360.0450.265.8500.0410.297.1800.190.402.11200.120.473.8細(xì)顆粒粘著到磨粒表面上形成的凸出的覆蓋層是不連續(xù)的，留下了磨粒的原始表面的暴露部分，具有細(xì)的無機(jī)顆粒的不規(guī)擇覆蓋層。這種不連續(xù)的覆蓋層的表面積要比連續(xù)覆蓋層的大，從而改善了對粘合系統(tǒng)的粘著力。
所選擇的細(xì)顆粒物料是能燒結(jié)成陶瓷的材料(典型的是以金屬氧化物、氮化物、氧氮化物或氧碳化物為基礎(chǔ))。典型加入的細(xì)顆粒的例子將燒結(jié)以下物質(zhì)氧化鋁，氧氮化鋁，鋅、鎂或鎳的金屬氧化物，2-氧化鋁，氧化鋁氧化鋯，氧化鋯，氮化硅，稀土氧化物，氧化釔，氧化銫，氧化鈦，氮化鈦、硅鋁氧氮化物，硅鋁氧碳化物，釔氧化鋁-石榴石和六方稀土鋁酸鹽。添加的細(xì)顆粒可以最終燒結(jié)的組合物的前體形式加入。添加的細(xì)顆粒最好以1份細(xì)顆粒比99份前體顆粒-30份細(xì)顆粒比70份前體顆粒的比率直接加到混合機(jī)中。添加的細(xì)顆?？梢苑勰罴拥交旌蠙C(jī)中。借助于掃描電子顯微鏡和能量分布X-射線分析法(EDAX)(用于元素分析)已證實(shí)，添加的細(xì)顆粒確實(shí)粘著到磨粒的表面上。
某些添加的細(xì)顆粒還可在燒結(jié)過程中共同與氧化鋁基磨粒反應(yīng)。例如，鈷、鎳、鋅和鎂的氧化物與氧化鋁典型的形成尖晶石結(jié)構(gòu)。氧化釔典型地與氧化鋁反應(yīng)生成3Y2O3-5AL2O3(石榴石晶體相)。鐠、鐿、釹、 、釓、銫、鏑、鉺和這些稀土金屬的兩種或多種的混合物典型地與氧化鋁反應(yīng)生成石榴石、β-氧化鋁、鈣鈦礦或六方稀土鋁酸鹽晶體結(jié)構(gòu)。
細(xì)顆粒的平均粒徑最初應(yīng)為約0.05-50微米。未燒結(jié)的顆粒的平均粒徑介于50微米-1200微米之間。對小粒徑的未燒結(jié)顆粒來說，大粒徑的細(xì)顆粒起的作用不如小顆粒那樣好。例如，粒徑為120微米的磨粒典型地具有0.2-5微米左右的細(xì)顆粒。同樣，粒徑為600微米的磨粒最好具有0.2-10微米左右的細(xì)顆粒。優(yōu)選加入的細(xì)顆粒的平均粒徑為0.1-15微米。如果細(xì)顆粒的粒徑太大，對磨粒表面的粘著力可能不充分。如果細(xì)顆粒的粒徑太小，則表面積提高很少或沒有提高。
本發(fā)明的陶瓷磨粒能方便地處理，并能按公知的技術(shù)加入到各種磨料制品中，例如制成涂覆的磨料制備、粘合的磨料制品和結(jié)實(shí)的無紡磨料制品。制備這類磨料制品的方法是本技術(shù)領(lǐng)域?qū)I(yè)人員公知的。
涂覆的磨料制品包括用例如紙、纖維、織物(如紡織或無紡織物如紙)形成的、并可用填充的粘合材料浸透的背材;聚合物薄膜，例如取向的熱硬化聚對苯二甲酸丙酯或聚對苯二甲酸乙酯薄膜(需要的話，這些薄膜可用底涂物質(zhì)先涂底層);或任何其它常用的背材。涂覆的磨料還包含粘合劑物質(zhì)，典型地是在涂層中(包括加工層，精加工層和特制層在內(nèi))。常用的粘合劑物質(zhì)是酚醛樹脂。
無紡磨料制品典型地包括一種開口多孔結(jié)實(shí)的聚合物絲狀結(jié)構(gòu)，陶瓷磨粒遍布這種結(jié)構(gòu)并由粘合劑物質(zhì)粘合。制備這種無紡磨料制品的方法是公知的。
粘合的磨料制品典型地是由有機(jī)或陶瓷粘合劑物質(zhì)固定的磨粒成型物體構(gòu)成。成型物體最好呈磨輪狀。推薦用于本發(fā)明的陶瓷磨粒的粘合劑物質(zhì)是有機(jī)粘合劑。陶瓷或玻璃質(zhì)粘合劑如果能在室溫和對本發(fā)明的陶瓷磨粒沒有不利影響的條件下固化，也可以使用。
粘合系統(tǒng)中最好有偶聯(lián)劑，特別是當(dāng)粘合系統(tǒng)用于高濕度或濕磨條件的部分涂覆的磨料時(shí)。偶聯(lián)劑的典型例子及其在磨料制品中的用量在美國專利申請132，485(申請日1987年12月14日)中可見。
實(shí)施例以下用非限制性實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
對照例和實(shí)施例1-3對照例和實(shí)施例1-3比較了滾磨對磨粒性能的影響。
對照例對照例是按常規(guī)方法、不與細(xì)顆粒一起滾磨制得的磨粒。
按照以下方法制備對照例的磨粒。在一個(gè)連續(xù)混合機(jī)中裝入12，000ml無離子水、282.5克11N分析試劑純硝酸、4780克α-氧化鋁-水合物粉末(固含量78%，商品牌號DisperalR)和761克α-氧化鐵前體水溶液(固含量10%)。將加料分散，直至得到均勻的溶液為止。制得的分散體和硝酸鎂水溶液〔Mg(NO3)2.6H2O〕計(jì)量地通過連續(xù)混合機(jī)中形成定量的膠體，在最終燒制后得到以下組成93.5α-氧化鋁，4.5%MgO和2%Fe2OS。然后，將得到的膠體在強(qiáng)制空氣循環(huán)的烘箱中于150℃干燥成易碎固體。
用沖擊式錘磨機(jī)和滾碎機(jī)壓碎所得干燥的物料。
通過把膠體放入煅燒爐的端處，將干燥、過篩、壓碎的膠體進(jìn)行煅燒。所述煅燒爐是直徑23cm、長4.3米的不銹鋼管，具有2.9米長的熱區(qū)，所述不銹鋼管相對于水平線傾斜2.4度，轉(zhuǎn)速為7rpm，從而提供約15分鐘的駐留時(shí)間。煅燒爐熱區(qū)進(jìn)料端溫度為350℃，出口端溫度為800℃。從煅燒爐取出的燒過的產(chǎn)物加到一個(gè)1390℃的爐子中，此爐子是直徑10.1厘米長1.53米的碳化硅管，相對于水平線傾斜4.4度并具有76厘米長的熱區(qū)，轉(zhuǎn)速為10rpm，從而提供約3.8分鐘的駐留時(shí)間。將磨粒從爐子中取出放入室溫的空氣中，并收集到金屬容器中使其冷卻到室溫。這種磨粒是常規(guī)級配36，平均粒徑為700微米。
磨盤的制備磨粒制備完畢后，用其制備涂覆的磨盤。磨盤是用傳統(tǒng)的涂覆磨盤的制備工序、常用的0.76mm硫化纖維背材和常用的碳酸鈣填充的酚醛制備的樹脂及常用的冰晶石填充的酚醛膠料樹脂制備的。平均制備顆粒重量為172克/平方米，平均尺寸顆粒重量為696克/平方米。將制備樹脂于88℃預(yù)固化90分鐘，膠料樹脂于88℃預(yù)固化90分鐘然后于100℃最終固化10小時(shí)。采用傳統(tǒng)技術(shù)涂覆，以一次往返操作(one-trip)和在強(qiáng)制空氣循環(huán)烘箱中固化。先按常規(guī)方法使固化的磨盤彎曲，以可控方式破碎變硬的粘合系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果列于表1飛粒試驗(yàn)和表2切割試驗(yàn)中。
飛粒試驗(yàn)設(shè)計(jì)飛粒試驗(yàn)是為了測定磨粒從涂覆的磨盤中剝離掉(飛粒)所用的時(shí)間。試驗(yàn)設(shè)備包括直徑17.8cm的試驗(yàn)用涂覆的磨盤，此磨盤具有2.22cm安裝孔，固定到直徑16.5cm、深1.57mm的硬酚醛支撐墊上，支撐墊再安裝到直徑15.2cm的鋼法蘭盤上。由此固定的試驗(yàn)?zāi)ケP以3550rpm逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。將1010號碳鋼磨盤工件(直徑25cm，與磨盤垂直的位置成18.5℃并以2rpm逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))的1.8mm圓周形邊刃在2.9kg負(fù)載下與磨盤的磨面接觸。試驗(yàn)終點(diǎn)為20分鐘或磨盤開始飛粒(即大部分磨粒從磨盤中飛出)，隨便哪個(gè)先發(fā)生。試驗(yàn)結(jié)束后，將工件稱重以測定從工件中切削掉(磨掉)的金屬量。在測定下表Ⅰ或表Ⅱ給定的濕含量之前，使磨盤潮濕1星期。
切割試驗(yàn)此切割試驗(yàn)中，具有2.22cm中心孔的直徑17.8cm的磨盤固定到具有斜邊的鋁上，用以磨2.5cm×18cm1018號中碳鋼工件的表面。磨盤以5，500rpm驅(qū)動(dòng)，同時(shí)重疊到支撐墊的斜邊上的磨盤部分以5.92kg壓力接觸工件，產(chǎn)生約140cm2的磨盤磨程。用各磨盤來磨單獨(dú)的工件各磨1分鐘，總時(shí)間12分鐘或者工件每段磨足1分鐘，直至在一分鐘內(nèi)磨掉的金屬碎屑不高于5克。
實(shí)施例1按照對照例的同樣的方法制備實(shí)施例1，并進(jìn)行試驗(yàn)，所不同的是磨粒在煅燒前進(jìn)行滾磨。將約1200千克干燥的膠體加到不含磨劑或粉碎介質(zhì)的球磨機(jī)中。此球磨機(jī)約1.82米寬，內(nèi)徑為1.82米，轉(zhuǎn)速為16rpm。擋板(5.1cm高，5.1cm厚)以46cm間隔在球磨機(jī)內(nèi)周圍分開放置。未燒結(jié)的干燥膠體顆粒滾磨10分鐘。滾磨后，其余步驟與對照例相同。
實(shí)施例2按實(shí)施例1同樣方式制備實(shí)施例2并進(jìn)行試驗(yàn)，不同的是滾磨時(shí)間為20分鐘。
從以上列舉的數(shù)據(jù)可以看出，在飛粒試驗(yàn)中性能得到顯著改進(jìn)，特別是在高濕度下，這表明與對照例相比，粘合系統(tǒng)和本發(fā)明實(shí)施例1和2的磨粒之間的粘著力得到改善。切割試驗(yàn)的結(jié)果表明，與對照例相比，實(shí)施例1和2中性能稍有改善(切割試驗(yàn)中粘合系統(tǒng)和磨粒間的粘著力并不關(guān)鍵)。
實(shí)施例3-5實(shí)施例3-5說明了本發(fā)明的第二種方案，其中加入的細(xì)顆粒與前體顆粒一起滾磨。所得的磨粒具有直接燒結(jié)到其表上的加入的細(xì)顆粒和由前體顆粒產(chǎn)生的細(xì)顆粒。
實(shí)施例3按照對照例同樣的方法制備實(shí)施例3的磨粒和涂覆的磨盤，所不同的是含氧化鋁和氧化鋯氧化物的細(xì)顆粒在煅燒之前與磨粒前體顆粒一起滾磨。按照美國專利4，314，827的實(shí)施例1的方法制備磨料細(xì)顆粒。將500克干燥膠體的前體顆粒和500克含氧化鋁和氧化鋯氧化物細(xì)顆粒裝入混合機(jī)中。細(xì)顆粒的尺寸范圍為0.25-3微米。混合機(jī)的容積為1.15立方米，且從Patterson-KellerCo.Inc.，EastStroudsburg.S.Mo-del＃P.K.232213牌號購買?；旌蠙C(jī)內(nèi)無任何擋板或凸緣。將細(xì)顆粒和干燥、過篩、粉碎的膠體前體顆粒滾磨1小時(shí)。制備磨粒和涂覆的磨盤的其余步驟與對照例相同。表Ⅲ列出了試驗(yàn)結(jié)果。
實(shí)施例4按實(shí)施例1同樣的方法制備實(shí)施例4的磨粒和涂覆的磨盤并進(jìn)行試驗(yàn)，不同的是細(xì)的無機(jī)顆粒是含氧化鋁、氧化釔和氧化鎂氧化物的磨料細(xì)顆粒。磨料細(xì)顆粒是按美國專利4，770，671的方法制備的，含有90%α-氧化鋁、8.5%氧化釔和1.5%氧化鎂。在最終燒制過程中，細(xì)顆粒中的鎂共同與磨料中的α-氧化鋁反應(yīng)，形成尖晶石。同時(shí)，氧化釔也與α-氧化鎂反應(yīng)，形成3Y2O3-5AL2O3。
實(shí)施例5按照對照例的同樣方法制備實(shí)施例5的磨粒和涂覆的磨盤并進(jìn)行試驗(yàn)，不同的是在煅燒之前，氮化硅細(xì)顆粒與磨粒前體顆粒一起滾磨。而且，實(shí)施例5處于氮化硅細(xì)顆粒所需的不同的煅燒和燒制條件。滾磨后，將所得涂覆的前體顆粒裝入5cm直徑、30cm長的氧化鋁管中，該鋁管再放入直徑7.5cm的固定式管型爐中，在氮?dú)夥障?保持在95%氮?dú)?5%氫氣氣氛)將其加熱到1050℃。在幾小時(shí)內(nèi)，將溫度提高到1350℃，保溫30分鐘以燒結(jié)磨粒，然后再用幾小時(shí)冷卻到室溫。
用磨粒制備磨盤，再用上述方法進(jìn)行試驗(yàn)。飛粒試驗(yàn)結(jié)果示于表Ⅲ。
從表Ⅲ所示的數(shù)據(jù)可以容易去看出，自粘結(jié)的添加的細(xì)顆粒提高了磨粒和粘合樹脂間的粘結(jié)力。
實(shí)施例6和7實(shí)施例6和7對煅燒前和煅燒后滾磨的磨粒做了比較。表Ⅳ列出了試驗(yàn)結(jié)果。
實(shí)施例6按實(shí)施例1的同樣方法制備實(shí)施例6并進(jìn)行試驗(yàn)，所不同的是用不同的球磨機(jī)滾磨磨粒。將約182克干燥的膠體加到不含磨劑或粉碎介質(zhì)中。球磨機(jī)的內(nèi)徑約為1.82米，寬為0.3米。擋板(5.1cm高，5.1cm厚)以46cm間隔分開配置在球磨機(jī)內(nèi)圓周。球磨機(jī)以16rpm的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。未燒結(jié)的顆粒滾磨20分鐘。滾磨后，其余步驟同實(shí)施例1。實(shí)施例6的未燒結(jié)的顆粒在滾磨前不煅燒。
實(shí)施例7按實(shí)施例6的同樣方法制備實(shí)施例7并進(jìn)行試驗(yàn)，不同的是未燒結(jié)的顆粒在滾磨前不煅燒。
從以上數(shù)據(jù)可以斷言，煅燒前或煅燒后都改善了涂覆的磨料制品的抗飛粒性。
盡管已根據(jù)具體實(shí)施例介紹了本發(fā)明，不用說本發(fā)明能進(jìn)一步改進(jìn)。所附權(quán)利要求旨在包括這些變體，本技術(shù)領(lǐng)域?qū)I(yè)人員能容易地識別出這些已描述的本發(fā)明的變體。
權(quán)利要求
1.一種制備陶瓷磨粒的方法，所述磨粒的特征在于具有自粘結(jié)到其表面上的無機(jī)材料的單獨(dú)的凸出體，所述方法包括以下步驟(a)提供第一種顆粒體，這種顆粒體含有α-氧化鋁前體物質(zhì)，其各顆粒能燒結(jié)成α-氧化鋁基磨粒；(b)導(dǎo)入遠(yuǎn)比所述第一種顆粒細(xì)的第二種顆粒導(dǎo)入第一種顆粒中，所述第二種顆粒在所述第一種顆粒的燒結(jié)條件下能自粘結(jié)到所述第一種顆粒的表面上；以及(c)在燒結(jié)條件下加熱所述顆粒，以燒結(jié)第一種顆粒并使所述第二種顆粒自粘結(jié)到所述第一種顆粒的各顆粒的表面上。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述第二種顆粒的導(dǎo)入是通過滾磨所述第一種顆粒以在基本不影響所述第一種顆粒的粒徑的條件下使所述第一種顆粒磨掉其表面形成所述第二種顆粒并使所述第二種顆粒粘著到各所述第一種顆粒的表面上而進(jìn)行的。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述導(dǎo)入是加入所述第二種顆粒且所述第二種顆粒是由與形成所述第一種顆粒的物質(zhì)組成不同的材料構(gòu)成。
4.權(quán)利要求3的方法，其中滾磨所述第二種顆粒和所述第一種顆粒以使所述第二種顆粒粘著到各所述第一種顆粒的表面上。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述第一種顆粒的制備如下(d)提供氧化鋁水合物的水分散體的混合物;(e)使混合物膠化;(f)干燥膠化的混合物以得到干燥的固體;和(g)壓碎干燥的固化以得到所述第一種顆粒。
6.權(quán)利要求1的方法，包括至少煅燒所述第一種顆粒以在步驟(b)前基本上除去粘合的揮發(fā)性物質(zhì)的另外步驟。
7.一種含有α-氧化鋁基陶瓷顆粒的磨粒，這種磨粒具有自粘結(jié)到其表面上的無機(jī)材料的分離的突出體。
8.一種含有磨粒的磨料制品，這種磨料制品中至少一部分磨粒是權(quán)利要求7的磨粒。
9.權(quán)利要求8的磨料制品為涂覆的缶，它是由具有自粘結(jié)到其至少一側(cè)的所述磨粒的背材構(gòu)成。
10.權(quán)利要求8的磨料制品為粘合的磨料制品，它包括所述磨粒的成型物。
11.權(quán)利要求10的磨料制品，其中所述的成型物呈磨輪狀形式。
12.權(quán)利要求8的磨料制品為結(jié)實(shí)的無紡磨料制品，它由張開的多孔結(jié)實(shí)的聚合物絲狀結(jié)構(gòu)材成，具有遍布的所述磨粒且用粘合材料粘合到所述結(jié)構(gòu)內(nèi)。
13.權(quán)利要求7的磨粒，其中各磨粒的表面積比基本上至少為1.5。
14.權(quán)利要求13的磨粒，其中所述的表面積比至少為2.0。
全文摘要
提供了表面積提高了的燒結(jié)陶瓷磨粒及其制備方法，加入這種磨粒可改善“抗飛”磨料制品，涂覆的磨料、磨輪和無紡磨料。陶瓷磨粒的制備方法如下提供由α-氧化鋁前體構(gòu)成的第一種顆粒；導(dǎo)入細(xì)顆粒，這種細(xì)顆粒在第一種顆粒的燒結(jié)條件下能直接燒結(jié)到第一種顆粒的表面上；在燒結(jié)條件下加熱混合物，使細(xì)顆粒自粘結(jié)到每一個(gè)第一種顆粒的表面上。
文檔編號C04B35/10GK1040814SQ8910784
公開日1990年3月28日 申請日期1989年10月13日 優(yōu)先權(quán)日1988年10月14日
發(fā)明者弗嫩·M·沃爾特, 羅伯特·S·科克 申請人:明尼蘇達(dá)州采礦制造公司