含有二氧化硅和氧化鐵的α氧化鋁基磨料顆粒的制作方法

專利名稱：含有二氧化硅和氧化鐵的α氧化鋁基磨料顆粒的制作方法
技術領域：
本發明是關于磨料顆粒、制備磨料顆粒的方法和使用該磨料顆粒的磨料產品(例如涂敷磨料、結合磨料和無紡磨料)。磨料顆粒中包含α氧化鋁、二氧化硅、氧化鐵以及可選性的其它金屬氧化物。
相關技術的說明長期以來一直將磨料顆粒用于磨料產品中。這些磨料產品包括結合磨料(例如砂輪)、涂敷磨料和無紡磨料。較好的高強磨料顆粒通常是堅韌和剛硬的，而且對待磨工件具有化學耐受性。“韌性”的磨料顆粒通常強度高而且抗粉碎。“硬性”磨料顆粒通常不會因研磨力而形變或鈍化。如果磨料顆粒形變或鈍化，通常會導致研磨性能降低。
高強磨料顆粒的常見類型之一，即熔凝氧化鋁是將氧化鋁原料加熱至熔融狀態，快速冷卻，然后粉碎制成的。這種類型的磨料顆粒硬性、韌性而且具有耐化學性。最近開發出的一種磨料顆粒常被稱為α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒。這種磨料顆粒可以利用溶膠-凝膠法來制造，例如干燥包含液體介質(通常是水)、一水合α氧化鋁和金屬氧化物前體之類(例如硝酸鎂)的可選性添加劑的分散體，將其粉碎、煅燒然后燒結。形成的陶瓷磨料顆粒通常比熔凝氧化鋁磨料顆粒更韌，而且研磨操作中的性能更好。
有些α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒是在溶膠-凝膠法中用成核物質制成的。成核物質(有時又稱為晶種物質)通常減小α氧化鋁晶粒的大小，由此提高形成的磨料顆粒的密度和硬度。成核物質和/或晶種物質的實例包括α-Al2O3、α-Fe2O3、α-Cr2O3和它們的前體。雖然已經有了許多利用成核和/或晶種溶膠-凝膠法制成的市售產品，但是仍然需要有強度和韌度更高的產品。
本發明綜述本發明提供了一種α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒，其中包含，按理論氧化物計，Al2O3、Fe2O3和SiO2，其中的Al2O3主要以α氧化鋁晶粒的形式存在。
本

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之一描述了一種α氧化鋁基陶瓷磨料，其中包含，按理論氧化物計，Al2O3、SiO2和至少約0.25重量百分比(wt.％)的Fe2O3，其中α氧化鋁晶粒的平均晶粒大小低于約0.5微米；該磨料顆粒的表面粗糙度高度大于約200納米，密度大于約3.5g/cm3。
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之二描述了一種α氧化鋁基陶瓷磨料，其中包含，按理論氧化物計，Al2O3、Fe2O3、SiO2和至少約0.05wt.％堿金屬氧化物，其中α氧化鋁晶粒的平均晶粒大小低于約0.5微米，密度大于約3.5g/cm3。
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之三提供了一種非透明的α氧化鋁基陶瓷磨料，其表明粗糙度高度大于約200納米，密度大于約3.5g/cm3，平均晶粒大小低于約0.5微米；根據磨料顆粒的總重量，該磨料顆粒含有，按理論氧化物計，約85.0wt.％-99.6wt.％Al2O3、約0.25wt.％-5.0wt.％Fe2O3、約0.1wt.％-5.0wt.％SiO2和約0.01wt.％-1.0wt.％堿金屬氧化物。
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之四提供了一種α氧化鋁基陶瓷磨料，它主要包含，按理論氧化物計，Al2O3、Fe2O3和SiO2，α氧化鋁晶粒的平均晶粒大小低于約0.5微米；該磨料顆粒的表面粗糙度高度大于約200納米，密度大于約3.5g/cm3。
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之五提供了一種磨料制品，其中包含粘合劑和大量通過粘合劑而固定于制品內的本發明磨料顆粒。這種磨料制品的形式可以是涂敷磨料產品、結合磨料產品(例如砂輪)或無紡磨料產品。
本發明還提供了一種由包含液體介質、勃姆石、氧化鐵源和二氧化硅源的分散體制備α氧化鋁基陶瓷磨料材料的方法。一種較好的方法包括以下步驟(a)制備包含液體介質、勃姆石、氧化鐵源和非晶形二氧化硅源的分散體；(b)將分散體轉化為磨料顆粒前體；和(c)將磨料顆粒前體燒結成α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒，其中包含，根據理論氧化物計，Al2O3、Fe2O3和SiO2。
另一種制備α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒的方法包括以下步驟(a)制備包含勃姆石、液體介質、氧化鐵源和非晶形二氧化硅源的分散體；(b)將分散體轉化為磨料顆粒前體；和(c)將磨料顆粒前體燒結成α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒，按理論元素氧化物計它包含Al2O3、Fe2O3和SiO2；其中，分散體中非晶形二氧化硅的含量足以使得該磨料顆粒中的α氧化鋁晶粒的平均晶粒體積小于以相同方法但不加非晶形二氧化硅制成的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒中α氧化鋁晶粒的平均晶粒體積。
制備α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒的另一種方法包括以下步驟
(a)制備包含液體介質、勃姆石和氧化鐵源的分散體；(b)將分散體轉化為多孔性磨料顆粒前體；和(c)將多孔性磨料顆粒前體浸漬在包含足量的非晶形二氧化硅的浸漬組合物中，可在步驟(d)和(e)之后使得該磨料顆粒中α氧化鋁晶粒的平均晶粒體積小于以相同方法但不加非晶形二氧化硅制成的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒中α氧化鋁晶粒的平均晶粒體積；(d)煅燒步驟(c)生成的磨料顆粒前體；和(e)加熱步驟(d)生成的煅燒磨料顆粒前體，生成α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒。
制備α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒的另一種方法包括以下步驟(a)制備包含液體介質、勃姆石、氧化鐵源和平均粒子大小低于約150納米的膠體二氧化硅源的分散體；(b)將分散體轉化為磨料顆粒前體；和(c)將磨料顆粒前體燒結成α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒，其中包含，按理論氧化物計，Al2O3、Fe2O3和SiO2。
“磨料顆粒前體”或“未燒結磨料顆粒”指干燥的氧化鋁基分散體(即“干燥磨料顆粒前體”)或煅燒后的氧化鋁基分散體(即“煅燒磨料顆粒”)，它們通常是顆粒形式的，密度低于80％(通常低于60％)理論密度，而且能夠被燒結成或在用浸漬組合物浸漬后燒結成α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒。
“α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒”“氧化鋁基磨料顆粒”或“磨料顆粒”在本文中指燒結至至少85％(以至少90％為佳，至少95％更好)理論密度、按理論氧化物計含有至少60wt.％Al2O3的燒結磨料顆粒，其中氧化鋁總量的至少50％以α氧化鋁形式存在。
“分散體”或“溶膠”指固-液兩相系統，其中一相包含分布在液相中的細分的顆粒(在膠體尺寸范圍內)。“穩定的分散體”或“穩定溶膠”指不受干擾地靜置約2小時后，其中目測看不見固體才膠凝、分離或沉淀的分散體。
“浸漬組合物”指包含液體介質、二氧化硅源、氧化鐵源、和/或其它可以浸漬到磨料顆粒前體內的金屬氧化物的溶液或分散體。
“浸漬過的磨料顆粒前體”指干燥的氧化鋁基分散體(即“浸漬過的干燥磨料顆粒前體”)或煅燒氧化鋁基分散體(即“浸漬過的煅燒磨料顆粒”)，密度通常低于理論密度的約80％(通常低于60％)，而且被浸漬組合物浸漬過，包括浸漬過的干燥顆粒和浸漬過的煅燒顆粒。
“非透明磨料顆粒”指當磨料顆粒與高對比影像(例如本段文本)直接接觸時，裸眼透過顆粒看不見影像。其中包括不透明磨料顆粒，但不限于此。
“成核物質”指促進過渡態氧化鋁向α氧化鋁轉化的物質。成核物質可以是成核劑本身或其前體。
“燒結”指在被加熱物質熔點以下加熱，使得發生致密和晶粒生長，由此形成韌性、硬性和耐化學性的陶瓷材料。本發明的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒不是通過在被加熱物質熔點以上加熱的熔融法制造的。
“溶液”指真溶液，即一種或多種溶質以分子或離子水平基本均勻分散在一種或多種溶劑中的分散混合物。


圖1是根據本發明所述，其上具有磨料顆粒的涂敷磨料產品的部分剖面圖。
圖2是根據本發明所述，其中包含磨料顆粒的結合磨料產品的透視圖。
圖3是本發明所述，使用磨料顆粒的無紡磨料產品的放大圖。
優選實施方式的詳細說明氧化鋁基分散體一水合α氧化鋁。利用溶膠-凝膠法制備本發明的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒，包括制備包含一水合α氧化鋁(即勃姆石)、二氧化硅源(以膠體二氧化硅為佳)和氧化鐵源(以氧化鐵顆粒前體為佳)的分散體。這可以用多種方法來進行。例如，可以先將二氧化硅和氧化鐵合并成分散體，然后加入粉末狀或分散體形式的勃姆石。
通常，在本文所述的其它系統中，即氧化鋁源不是勃姆石而是例如甲酰乙酸鋁(aluminum formoacetate)(“AFA”)、硝基甲酰乙酸鋁(aluminumniroformoacetate)(“ANFA”)和其它堿性鋁鹽，就很難制備出磨料粒度大于約100微米而且沒有裂紋的磨料顆粒。這種裂紋將導致總體性能下降，尤其是磨料顆粒的研磨性能。相反，利用本發明的勃姆石和/或利用本發明的方法可方便地制成磨料顆粒大小大于約100微米的磨料顆粒。
勃姆石可以用多種本領域已知的技術來制備或向多家供應商購買。例如，可向德國漢堡的Condea Chemie，GmbH購買商品名為“DISPERAL”的勃姆石，以及向德克薩斯州休斯頓的Vista Chemical Comany購買商品名為“DISPAL”的勃姆石。這些一水合氧化鋁是α形式的，可能包含極少量一水合物以外的其它水合形式(雖然在某些工業級的勃姆石中含有少量三水合物雜質，但這是允許的)。它們在水中的溶解度很低，但具有很高的表面積(通常至少為180m2/g)。用于制造本發明磨料顆粒的勃姆石最好具有小于約20納米(小于約12納米更好)的平均顆粒大小。“顆粒大小”在本文中指顆粒的最大直徑。
分散體還含有用于分散勃姆石的液體介質。這種液體介質可以是水或有機溶劑，例如低級醇(一般是C1-6醇)、己烷或庚烷。液體介質以水為佳，去離子水更好。按分散體總重計，用至少10wt.％(以約30-g0wt.％為佳)液體介質(最好是水)可制成勃姆石分散體，或視需要制成凝膠。
氧化鐵源。氧化鋁基分散體還包含某種氧化鐵源(或氧化鐵成核物質)，雖然不想受理論的約束，它被認為起著或提供一種成核劑的作用(即促進過渡態氧化鋁向α氧化鋁轉化的物質)。氧化鐵源包括赤鐵礦(即α-Fe2O3)及其前體(即針鐵礦(α-FeOOH)、纖鐵礦(γ-FeOOH)、磁鐵礦(Fe3O4)和磁赤鐵礦(γ-Fe2O3))。合適的氧化鐵前體包括任何一種在加熱后可轉化為α-Fe2O3的含鐵物質。
合適的氧化鐵源可以利用本領域多種已知方法來制備。例如，可以如E.Matijevic等在《膠體界面科學雜志》(J.Colliodal Interface Science)63，509-24(1978)和B.Voight等在《晶體研究技術》(Crystal Research Technology)21，1177-83(1986)中所述，通過熱處理硝酸鐵溶液來制備赤鐵礦(α-Fe2O3)分散體。例如，可以用NaNO2溶液氧化Fe(OH)2來制備纖鐵礦(γ-FeOOH)。例如，可以將γ-FeOOH真空脫水來制備磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)。例如，在空氣中加熱或研磨γ-FeOOH也可將γ-FeOOH轉化成α-Fe2O3。例如，空氣氧化氫氧化亞鐵或在高溫高pH下陳化氫氧化鐵分散體可以合成針鐵礦(α-FeOOH)。有關制備氧化鐵前體的其它信息可參見例如R.N.Sylva，《純應用化學綜述》(Rev.Pure Applied Chemistry)22，15(1972)和T.Misawa等，《腐蝕科學》(Corrosion Science)14，131(1974)。
用于制造本發明磨料顆粒的氧化鐵源類型可以各不相同。但是以晶體顆粒材料為佳。這些顆粒材料可以是圓球形的、針狀的或圓盤狀的，這取決于顆粒的結晶度和/或制備方法。不論顆粒材料的形狀如何，它最好具有至少約60m2/g的表面積(至少約80m2/g更好，至少約100m2/g最好)和小于約1微米(小于約0.5微米更好)的平均顆粒大小。在本文中，“顆粒大小”指顆粒的最大直徑。在較好的實施方式之一中，晶體顆粒呈長寬比至少約2∶1的針狀。特別好的材料之一是長約0.04-0.1微米、寬約0.01-0.02微米的針狀顆粒。可以向多家磁性介質顏料供應商購買針狀顆粒，例如Magnox Pulaski，Inc.，Pulaski，VA。
顆粒狀氧化鐵源的表面積可以用Quantachrome Corp.，Boynton Beach，FL的Quantasorb System OS-10通過氮氣吸收來測定。顆粒的大小可以利用多種技術測量顆粒的最大尺寸來確定。例如，可以利用透射電子顯微鏡(Transmission ElectronMicroscope)來測定顆粒大小，該方法按適當的放大比攝取一組顆粒的微照片，然后測定顆粒的大小。另一種測量技術是準彈性光散射(Quasi Elastic LightScattering)，該方法中，一束光被顆粒散射。通過數值分析被顆粒散射的光強的波動來測定顆粒大小。
存在很少量的Fe2O3(例如按理論氧化物計少至0.01wt.％)被認為有助于過渡態氧化鋁轉化到α氧化鋁時的成核。它還被認為有助于在一較低的溫度致密α氧化鋁，該溫度低于不加氧化鐵時的致密發生溫度(即以相同方法制造磨料顆粒但不加Fe2O3源)。
二氧化硅源。氧化鋁基分散體還可以包含某種二氧化硅源，以非晶形二氧化硅為佳。二氧化硅源包括膠體二氧化硅、膠體二氧化硅前體、以及非膠體二氧化硅前體。即，二氧化硅源可以是任何在充分加熱后形成SiO2的水溶性或水可分散的物質。合適的二氧化硅原料包括但不限于二氧化硅溶膠、霧化的二氧化硅(fumedsilica)、鹵化硅、烷氧基硅烷例如四乙氧基原硅烷以及硅氧烷聚合物和寡聚體。
膠體二氧化硅在此指分散的細分非晶形SiO2顆粒，其維度之一或多數在約3納米至1微米范圍內。膠體二氧化硅前體可以是例如在加熱后形成細分(1納米至1微米)SiO2聚合物或顆粒的水溶性二氧化硅。雖然膠體二氧化硅前體是能夠形成細分顆粒的物質，但是它不必在本文所述的反應條件下形成膠體二氧化硅。本文中的膠體二氧化硅一詞還包括包含硅和氧并呈膠態的化合物(例如膠態白土)。它還包括包被的膠體二氧化硅，例如氧化鋁包被的二氧化硅和氧化鋯包被的二氧化硅。以全部由SiO2構成的膠體二氧化硅為佳。
不論直接來自膠體二氧化硅還是來自前體形式或其它來源的膠體二氧化硅，膠體二氧化硅中的平均二氧化硅顆粒大小以小于約150納米為佳，小于約100納米更好，小于約50納米最好。有時，二氧化硅顆粒可小至約3-10納米。大多數情況下，膠體二氧化硅中包含多種二氧化硅顆粒大小的分布或范圍。小于約150納米的非晶形二氧化硅比顆粒較大的二氧化硅容易分散，這樣可以形成更均一的磨料顆粒。
通常，將二氧化硅源加入含有或不含氧化鐵源的液體介質中，然后與通常為分散體形式的勃姆石化合物合并。或者，可將含有或不含氧化鐵源的液體介質中的二氧化硅源作為浸漬組合物加入磨料顆粒前體，下文將對此進行詳細說明。此液體介質可以與勃姆石分散體中使用的液體介質相同或不同。通常液體介質是水(以去離子水為佳)。較好的是，用于分散二氧化硅源(和/或氧化鐵源)的液體介質和用于分散勃姆石的液體介質都是去離子水。如果直接加入分散于液體介質中的膠體二氧化硅(即以分散體的形式而不是前體溶液形式)，按膠體二氧化硅分散體總重計，膠體二氧化硅分散體中的固體含量百分比約為5-50％(以約15-30％為佳)。
膠體二氧化硅，尤其在含有很小的顆粒(例如小于約5納米)時，通常制備成由堿性Na+穩定化或NH4+穩定化的系統。堿性膠體二氧化硅的pH通常在約8.5至約11.5范圍內，通常約9至約11。也可以購到酸性膠體二氧化硅，但它們不如堿性膠體二氧化硅穩定。即，酸性膠體二氧化硅比堿性膠體二氧化硅更傾向于凝聚。所以，在本發明的某些實施方式中因其有較長的保存期而優選堿性膠體二氧化硅。這類市售堿性膠體二氧化硅的實例包括但不限于Nalco Products，Inc.，Napercille，IL的“NALCO 1115”“NALCO 1130”和“NALCO 2326”，和Eka Nobel Inc.，Augusta，GA的“NYACOL 215”。酸性膠體二氧化硅的實例包括但不限于Nalco Products，Inc.，Napercille，IL的“NALCO 1034A”和“NALCOAG 1056”。
在按照本發明制備氧化鋁基磨料顆粒的過程中，通常將膠體二氧化硅加入勃姆石的酸性分散體中或氧化鐵源的酸性分散體中。對于堿性膠體二氧化硅來說，這會導致不利的凝聚和二氧化硅絮凝體形成。所以，最好在與勃姆石或氧化鐵源混合前將堿性膠體二氧化硅與酸性源混合轉化成酸性膠體二氧化硅分散體(pH以約1至3為佳)。新鮮制備的酸性膠體二氧化硅分散體會形成較佳的磨料顆粒，例如與含有更多凝聚顆粒的“較陳舊的”酸性膠體二氧化硅分散體相比，其密度更高。
本發明磨料顆粒可由以下方法制備，它包括制備包含液體介質、勃姆石、氧化鐵源和二氧化硅源的分散體；將此分散體轉化為磨料顆粒前體；和將磨料顆粒前體燒結成α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒。在某些實施方式中，分散體的制備包括制備包含第一液體介質和勃姆石的第一分散體；將第二液體介質、二氧化硅源和氧化鐵源混合制備成第二分散體；和合并第一和第二分散體。
與用相同方法加Fe2O3源但不加SiO2源制成的磨料顆粒相比，存在很少量的SiO2(例如按理論氧化物計少至0.05wt.％SiO2)提高了燒結溫度并被認為減小了磨料顆粒中α氧化鋁的晶粒大小。存在很少量的SiO2(例如按理論氧化物計少至0.05wt.％SiO2)還被認為與用相同方法加Fe2O3源但不加SiO2源制成的磨料顆粒相比增加了磨料顆粒的穿晶碎裂(transgranular fracture)數量并提高磨料顆粒晶粒的晶胞維度之一。但是存在大量SiO2(例如8.0wt.％SiO2)傾向于導致大量富鋁紅柱石的形成和較差的研磨性能。
可選性添加劑。氧化鋁基分散體還可以包含氧化物改性劑和/或其它氧化物添加劑，它們的加入可以加強α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒的某些有利特性，或提高燒結步驟的效率。例如，加入金屬氧化物可以改變形成的磨料顆粒的化學或物理特性。通常，加入金屬氧化物改性劑會降低燒結磨料顆粒的孔隙率由此提高其密度。這類組分的確切比例根據要求的燒結磨料顆粒的特性而不同。
通常，這類改性劑和/或添加劑是金屬氧化物前體形式的(例如金屬硝酸鹽或金屬乙酸鹽之類的鹽)，它們會在加熱分解后轉化為金屬氧化物。或者，金屬氧化物改性劑和/或添加劑可以作為顆粒的水分散體加入氧化鋁基分散體。它們還可以以顆粒物質形式直接加入氧化鋁基分散體。在后一種方法中，顆粒物質的粒度以小于約5微米為佳，小于約1微米更好。
出乎意料的是，兩種此類改性劑是Na2O和K2O。通常，由于認為此類堿金屬氧化物對磨料顆粒的物理特性(例如硬度)不利而在陶瓷磨料顆粒的制造中避免使用。但是顯然，按照本發明在磨料顆粒的制造中使用某種堿金屬氧化物源(例如Na2O、K2O和Li2O)帶來了明顯的優點，尤其是，它被認為是加強致密作用的燒結助劑。出乎意料的是，這類堿金屬氧化物被發現提高了形成的磨料顆粒的研磨性能。所以，為了與用相同方法但不加堿金屬氧化物源制成的磨料顆粒相比提高磨料顆粒的密度，最好在氧化鋁基分散體中加入足量的堿金屬氧化物源。堿金屬氧化物源可以被包含在二氧化硅源中，例如在堿性Na+穩定化的膠體二氧化硅中，或者可以以鹽的形式加入氧化鋁基分散體中，例如乙酸鈉。較好的是，按理論氧化物計，在α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒中含有至少約0.01wt.％但不超約1.0wt.％金屬氧化物(例如Na2O)。最好的是，按理論氧化物計，在α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒中含有至少約0.05wt.％但不超約0.12wt.％金屬氧化物。
可以但非必須加入本發明磨料顆粒中的其它金屬氧化物實例包括氧化鎂(MgO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈷(CoO)、氧化鎳(NiO)、二氧化鋯(ZrO2)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鐵(Fe2O3)、氧化釔(Y2O3)、氧化錳(MnO)、氧化鐠(Pr2O3)、氧化釤(Sm2O3)、氧化鐿(Yb2O3)、氧化釹(Nd2O3)、氧化鑭(La2O3)、氧化釓(Ga2O3)、氧化鈰(Ce2O3)、氧化鏑(Dy2O3)、氧化鉺(Eu2O3)、氧化鉿(HfO2)、氧化鉻(Cr2O3)、氧化鍶(SrO)、氧化鈣(CaO)以及它們的混合物。以上金屬氧化物中某些會與氧化鋁反應形成含氧化鋁的反應產物，其它則保持金屬氧化物形式。例如，鈷、鋅、鎳和鎂的氧化物通常會與氧化鋁反應形成尖晶石，而氧化鋯和氧化鉿則不與氧化鋁反應。此外，氧化鏑和氧化釓與氧化鋁的反應產物通常是石榴石。氧化鐠、氧化鐿、氧化鉺和氧化釤與氧化鋁的反應產物通常具有鈣鈦石和/或石榴石的結構。氧化釔還可以與氧化鋁反應形成具有石榴石結構的Y3Al5O12。某些稀土氧化物和二價金屬陽離子會與氧化鋁反應性形成通式為LnMA11O19的稀土鋁酸鹽，其中的Ln是三價金屬離子例如La3+、Nd3+、Ce3+、Pr3+、Sm3+、Gd3+或Eu3+，M是二價金屬陽離子例如Mg2+、Mn2+、Ni2+、Zn2+或Co2+。這類鋁酸鹽具有六方晶體結構。有關氧化鋁基分散體中的金屬氧化物的其它文獻可參見例如美國專利4,314,827(Leitheiser等)，4,770,671(Monroe等)和4,881,951(Wood等)。
最好，以上金屬氧化物在磨料顆粒中的含量低于因勃姆石、氧化鐵源和/或二氧化硅源中少量污染物形成的含量。所以，較好的磨料顆粒實例基本上不含MgO之類的金屬氧化物。如果存在，按理論氧化物計，其在α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒中的含量以約0.01-25wt.％為佳(約0.01-10wt.％更好，約0.01-1.0wt.％最好)。這些金屬氧化物實際上并不可取，因為其中某些(例如硝酸鹽之類的可溶性鹽)會在干燥時遷移，形成組成不均一的磨料顆粒。雖然其中某些金屬氧化物例如MgO能夠增加穿晶碎裂的數量，但它們也可能降低磨料顆粒的硬度和韌度。但是，二氧化硅在按照本發明與Fe2O3混合使用時，將增加形成的磨料顆粒中的穿晶碎裂數量，同時保持甚至提高磨料顆粒的硬度和韌度以及研磨性能。
使用膠溶劑或稱分散劑來形成勃姆石分散體。合適的膠溶劑包括一元酸和酸性化合物，例如乙酸、鹽酸、甲酸和硝酸。硝酸是優選的膠溶劑。通常避免使用多元酸，因為它們常會使分散體迅速膠凝，從而難以處理或與其它組分混合。某些市售的勃姆石源為形成分散體可能含有酸度，例如吸收的甲酸或硝酸。
此外，氧化鋁基分散體還可以包含少量氧化鐵源之外的成核物質，例如α氧化鋁成核物質源。但是，取決于其它具體成核物質的存在，此類成核物質會對磨料顆粒的性能造成不良的影響。所以，加入第二種成核物質實際上并不一定可取。
通常，將液體介質、一水合α氧化鋁、二氧化硅源料和氧化鐵源混合，直至形成均勻的混合物。如果使用的是堿性膠體二氧化硅，最好先與酸性源混合以將其酸化。在實施方式之一中，二氧化硅源先在液體介質中與氧化鐵源混合，然后加入勃姆石中。可以用使用球磨機、空氣攪拌機、超聲波混合儀、膠磨機、連續螺桿式混合儀、麻花鉆等的常規技術中任何一種來混合或制備這種分散體。球磨機中可包含任何一種合適的研磨介質，例如α氧化鋁研磨介質、氧化鋯研磨介質等。
通常，在脫液前減少分散體中夾帶的空氣或氣體含量可降低起泡的可能性。夾帶氣體較少通常產生孔隙率較低的微結構，這是合乎要求的。脫氣可以通過例如在真空中制備分散體來進行。或者，可以視需要使用消泡劑。
分散體通常會在脫液前或其過程中膠凝。分散體的pH和凝膠中的離子濃度通常決定著分散體的膠凝速度。通常，分散體的pH在約1.5至約4范圍內。而且，大多數改性劑的加入會加速分散體的膠凝。或者，可以加入乙酸銨或其它離子來誘導分散體的膠凝。分散體脫液和形成干燥磨料顆粒前體可以用各種常規方法來使氧化鋁基分散體脫液。這些方法包括簡單地風干分散體。其它合適的方法包括本領域已知的用于去除分散體中的游離水形成干燥磨料顆粒前體的脫水方法。這類方法的實例包括離心或過濾。較好的是，利用促進蒸發的加熱來進行脫液。更好的是，在溫度約50至200℃(以約100至150℃為佳)的強制空氣烘箱中進行加熱。這樣的加熱可以分批進行，也可以連續進行。脫液步驟通常去除了絕大部分的液體介質，但在干燥磨料顆粒前體中仍然留有少量液體介質。
對于成型磨料顆粒，分散體被部分脫液，直至形成部分脫液的分散體的可塑體。這種部分脫液的可塑體可以利用各種常規技術成型，例如利用壓制、模制、切削或擠塑。然后再將其進一步脫液以形成要求的形狀(例如棒狀、棱錐形、三角片狀、鉆石形、圓錐形等)。如果成型磨料顆粒是棒狀的，其直徑可以是例如約20至1000微米，而其長寬比(即長度與寬度之比)至少為1，至少是2更好，最好至少是5。通常簡單地將分散體放在任意適當大小的干燥容器例如制塊盤形狀的容器中，并最好在分散體發泡溫度以下進行干燥來制成不規則形狀的磨料顆粒。
而且，本發明和/或按照本發明制造的磨料顆粒可以被制成例如具有三角形、圓形等幾何平面的薄片，和絲狀或棒狀。成型磨料顆粒的說明可參見美國專利5,090,968(Pellow)和5,201,916(Berg等)。
干燥磨料顆粒前體可以通過任何常規手段轉化成使用大小的固體物質，最好通過粉碎。這一粉碎步驟可以利用各種常規手段例如錘磨機、滾碎機或球磨機來進行。任何用于粉碎干燥磨料顆粒前體的方法均可使用。“粉碎”包括所有此類方法。粉碎干燥磨料顆粒前體比粉碎燒結磨料顆粒要方便得多，而且耗能明顯較少。如果干燥磨料顆粒前體被制成要求的大小和形狀，那么轉化步驟在成型過程中進行，就不再需要粉碎。煅燒干燥磨料顆粒前體可以進一步通過煅燒來加工脫液的(即干燥的)磨料顆粒。不論是僅僅干燥過的還是干燥并煅燒過的，這些物質在此都被稱為“磨料顆粒前體”或“未燒結的磨料顆粒”。在煅燒時，基本上所有的揮發性成份都被去除，分散體中的各種組分都被轉化成氧化物。通常將物質加熱至約400至1000℃的溫度(以約500至800℃為佳)，并在該溫度保溫，直至游離水和最好至少約90wt.％的任何結合的揮發性成份被去除。煅燒可以在浸漬(如果進行浸漬的話)之前或之后進行，或者在其前后都進行。較好的是，不論是否使用浸漬步驟，煅燒在緊接燒結之前進行。浸漬可在制造磨料顆粒的方法中可選性地使用浸漬步驟來在其中加入二氧化硅和/或其它金屬氧化物和添加劑。可以用包含二氧化硅源、氧化鐵源、金屬氧化物前體及它們的混合物和液體介質的浸漬組合物來浸漬干燥的或煅燒過的物質(即磨料顆粒前體)，形成浸漬磨料顆粒前體。在浸漬步驟之后，通常視需要干燥浸漬磨料顆粒前體，然后煅燒(一般，這是第二個煅燒步驟)成浸漬煅燒磨料顆粒前體。
雖然后文涉及浸漬粉碎的磨料顆粒前體，但應該理解，浸漬步驟可以在干燥和/或煅燒的磨料顆粒被粉碎或成型之前進行。但是對于無規或不規則形狀的磨料顆粒，是先粉碎干燥磨料顆粒前體，然后煅燒粉碎后的材料，再浸漬煅燒磨料顆粒前體。
通常，浸漬組合物(最好是溶液)包含某種浸漬液和一種或多種以下物質二氧化硅源、氧化鐵源、堿金屬氧化物或其它金屬氧化物源、和它們的混合物。浸漬液可以是水(以去離子水為佳)或有機溶劑(以非極性有機溶劑為佳)。如果在浸漬前煅燒磨料顆粒前體，最好以水為浸漬液。如果不在浸漬前煅燒磨料顆粒前體，浸漬液應是不會溶解或軟化磨料顆粒前體的液體。
為了促進滲透，金屬氧化物前體通常是可溶性鹽形式的例如金屬硝酸鹽或金屬乙酸鹽。能夠轉化為金屬氧化物的可溶性金屬鹽實例包括鎂、鋅、鈷、鎳、鋯、鋁、鈦、鐵、釔、鐠、釤、錳、鉻、鐿、釹、鑭、釓、鈰、鏑、鉺、鉿、鉻、鈣、鍶、錫、鈉、鉀、鋰的鹽和它們的混合物。如果通過浸漬來加入，為了促進物質向孔隙內的滲透，二氧化硅源也和氧化鐵源一樣通常是可溶物形式的，例如四乙氧基原硅烷。
來自勃姆石的煅燒磨料顆粒前體通常是多孔性的，通常具有半徑約30至40埃的孔隙。所以，可以將煅燒磨料顆粒前體與浸漬組合物混合來進行浸漬，浸漬組合物通過毛細作用滲透到孔隙中。如果浸漬組合物粘度較高，最好在此混合步驟中使用真空。通常，在煅燒磨料顆粒前體中加入足量的浸漬組合物，以便在形成的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒中含有，按理論氧化物計，所需含量的SiO2、Fe2O3、堿金屬氧化物或其它可選性金屬氧化物。
浸漬之后，干燥經浸漬物質使得單個顆粒不粘結在一起或粘附在煅燒爐的加料管上。有時不必進行該干燥步驟。然后，通常使用前文所述的條件煅燒該物質來去除結合的揮發性物質。但如果使用兩個煅燒步驟，條件不一定是一樣的。
使用一步以上浸漬步驟也屬于本發明范圍之內。多步浸漬可以提高浸漬組合物中的物質在孔隙中的濃度。后來的浸漬組合物也可以包含與第一種浸漬組合物不同濃度的固體和/或不同物質的混合物。例如，第一種組合物可以包含一種金屬鹽，而第二種組合物可包含一種不同的金屬鹽。
浸漬組合物可以另外包含很小的無機顆粒物質顆粒或塊體(例如小于約25微米)，例如膠體二氧化硅或固體氧化鐵源。通常，這種無機顆粒物質基本上不滲透到干燥或煅燒顆粒的孔隙中。燒結時，無機顆粒物質燒結并粘附在陶瓷磨料顆粒的表面，由此在燒結后的磨料顆粒表面形成一層覆蓋層。有關此類覆蓋層的其它信息可參見例如美國專利5,213,591(Celikkaya等)和5,011,508(Wald等)。燒結磨料顆粒前體的燒結通常在一定的溫度下進行，該溫度能夠將過渡態氧化鋁轉化為α氧化鋁，并使所有的金屬氧化物前體或者與氧化鋁反應或者形成金屬氧化物。在本文中，過渡態氧化鋁指存在于加熱去除水合氧化鋁的結合水之后至轉化成α氧化鋁之前的任意結晶形式(例如氧化鋁的η、θ、δ、χ、ι、κ和γ形式)。燒結溫度為約1200至1650℃(以約1300至1450℃為佳)。為了達到要求的轉化水平，磨料顆粒前體在燒結溫度的保溫時間取決于例如顆粒大小、顆粒組成和燒結溫度之類多種因素。但是，燒結通常可以在幾秒鐘至約60分鐘范圍的時間內完成。最好在約5至30分鐘內完成燒結。
燒結通常在常壓下進行，但也可以視需要在其它壓力下進行。燒結最好在氧化性氣氛中進行。在中性或還原性氣氛下進行燒結易于將+3的鐵價還原，由此降低晶種形成(即成核)效率。燒結可以在例如旋轉窯、分批窯(即靜止窯)，或美國專利5,489,204(Conwell等)所述的窯中進行。
燒結后，可以進一步加工磨料顆粒，例如通過篩選，或粉碎和篩選成要求的大小分布。磨料顆粒本發明和/或按照本發明制造的磨料顆粒宜為非半透明的，含有氧化鋁(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)和氧化鐵(Fe2O3)，以及存在于有些實施方式中的堿金屬氧化物。磨料顆粒大小(即磨料顆粒的最大維度)通常至少為約10微米。在此所述的磨料顆粒的粒度可以方便地被制成大于約100微米，但是也能夠方便地制得更大的磨料顆粒(例如大于約150微米或甚至大于約200微米的)。在此所述的磨料顆粒大小一般指平均磨料顆粒大小，但是對于指稱“大于”某具體磨料顆粒大小的樣品來說，基本上全部樣品顆粒都大于該值。
本發明和/或按照本發明制造的磨料顆粒通常具有超過約200納米的表面粗糙度高度(大于約300納米更好)，和低于約500納米(低于約250納米更好)的表面粗糙度周期(surface roughness periodicity)。這樣的粗糙度有助于磨料顆粒與例如磨料制品中的粘合劑粘合。測定表面粗糙度高度和周期的方法將在后文說明。
燒結后磨料顆粒的微結構可描述成無規取向的、多面的、等軸α氧化鋁晶粒，其平均直徑小于約0.5微米，小于約0.3微米更好。即，α氧化鋁中至少一部分以平均晶粒大小小于約0.5微米的α氧化鋁晶粒形式存在。一般沒有大于1微米的α氧化鋁晶粒，它們的大小通常在約0.1-0.4微米范圍內。在本文中，晶粒大小指晶粒的最大維度。通常可以通過求最大維度的立方來確定晶粒的體積。
本發明和/或按照本發明制造的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒具有至少約3.5g/m3的密度，至少約3.7g/m3更好，至少約3.8g/m3最好。通常，磨料顆粒既是硬性的(抗形變)又是韌性的(抗碎裂)。磨料顆粒通常具有至少約16GPa的平均硬度(即抗形變性)。平均硬度以至少約18GPa為佳，至少約20GPa更好，至少約22GPa最好。另一方面，燒結磨料顆粒通常具有至少約2.5MPa·m1/2的平均韌度，至少約3.5MPa·m1/2更好，至少約4.0MPa·m1/2最好。一種特別好的磨料顆粒具有至少23GPa的平均硬度和至少3.3MPa·m1/2的平均韌度。
雖然不想受理論約束，氧化鐵被認為有助于在過渡態氧化鋁向α氧化鋁轉化時的成核。氧化鐵還被認為有助于α氧化鋁在比不加氧化鐵時低的致密化溫度發生致密化，而二氧化硅則被認為有助于減少在燒結過程中α氧化鋁晶粒的生長，盡管它提高了燒結溫度。所以，使用一定量的氧化鐵和一定量的二氧化硅來有效地將過渡態氧化鋁轉化成α氧化鋁，同時減少α氧化鋁的晶粒生長。較好的是，氧化鋁基分散體中含有足量的氧化鐵源和足量的二氧化硅源，以生成平均α氧化鋁晶粒大小小于約0.5微米(小于約0.3微米更好)的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒。
通常，在燒結磨料顆粒前體的過程中，在很低的SiO2水平(例如0.05％)就可觀察到被減弱的晶粒生長。較好的是，磨料顆粒中的SiO2含量足以使得該磨料顆粒中α氧化鋁晶粒的平均晶粒體積小于以相同方法但不加二氧化硅制成的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒中α氧化鋁晶粒的平均晶粒體積。較好的是，平均晶粒體積至多為以相同方法但不加二氧化硅制成的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒中α氧化鋁晶粒的平均晶粒體積的一半(五分之一更好，十分之一最好，在特別好的實施例中達百分之一)。
在將磨料顆粒的“真實”密度燒結至理論密度的至少90％時，在此所述的略有或沒有玻璃相的磨料顆粒呈現穿晶碎裂而不是晶內碎裂(intergranularfracture)。高孔隙率磨料顆粒(例如具有連續孔隙的顆粒，即內部孔隙與外部孔隙連通，就象具有蛭石狀或多孔性非晶種微結構的材料中的那樣)具有很高的“表觀”密度和很高的穿晶碎裂數(例如高于約70％)。此時，由于多孔性材料傾向于以穿晶方式碎裂，穿晶碎裂數變得沒有意義。本領域技術人員應該懂得，本發明的磨料顆粒具有孔隙很少的有晶種致密微結構(正如后文用紅色染料測試和/或掃描電子顯微鏡測定的那樣，前者確定外部孔隙率，后者同時確定外部和內部孔隙率)。對于這種非多孔性磨料顆粒，測得的或“表觀”密度是“真實”密度。此時，高穿晶碎裂數通常表示這是一種具有較好研磨性能的更具韌性的磨料顆粒。
穿晶碎裂數可以如后文所述用掃描電子顯微鏡來測定。通常，在SiO2水平(例如0.05wt.％)很低時，可以觀察到穿晶碎裂；但是，穿晶碎裂、研磨性能和韌度隨SiO2含量的提高(例如0.1wt.％，特別是1-2％)而改善。所以，較之以相同方法制成但不加SiO2的磨料顆粒，磨料顆粒中SiO2含量宜足以提高磨料顆粒的穿晶碎裂數。更好的是，SiO2含量足以使磨料顆粒具有約30％的穿晶碎裂，至少約40％最好，在某些實施例中至少約50％。隨著穿晶碎裂數的提高，研磨性能通常也提高。
在氧化鋁陶瓷材料中加入Fe2O3時，它被認為使得α氧化鋁晶粒的晶胞膨脹。出乎意料的是，很低水平(例如，0.05％)SiO2的存在加強了這種膨脹作用。所以，磨料顆粒中最好含有足量SiO2的以使磨料顆粒與不加SiO2的磨料顆粒相比至少擴大晶胞一個維度的尺寸。與不加SiO2的磨料顆粒相比，SiO2的含量足以使得磨料顆粒至少在一個維度上具有至少約0.01％的膨脹率更好，至少約0.02％膨脹率最好。
在某些實施方式中，按理論氧化物計，磨料顆粒較好含有至少約0.1wt.％(至少約0.5wt.％更好，至少約1.0wt.％最好)SiO2。而且，按理論氧化物計，磨料顆粒最好含有不超過約20.0wt.％(不超過約5.0wt.％更好，不超過約2.0wt.％最好)的SiO2。
在某些實施方式中，按理論氧化物計，磨料顆粒較好含有至少約0.1wt.％(至少約0.25wt.％更好，至少約0.5wt.％最好，在某些實施例中至少約1.0wt.％)Fe2O3。而且，按理論氧化物計，磨料顆粒最好含有不超過約10.0wt.％(不超過約5.0wt.％更好，不超過約2.0wt.％最好)的Fe2O3。
通常，按理論氧化物計，本發明和/或按照本發明制造的磨料顆粒較好包含至少約70.0wt.％(至少約85.0wt.％更好)Al2O3。而且，按理論氧化物計，磨料顆粒較好包含不超過約99.9wt.％Al2O3(不超過約99.6wt.％更好，不超過約98.0wt.％最好)。
如前所述，本發明和/或按照本發明制造的氧化鋁基陶瓷磨料顆粒為了獲得某些優點可以包含堿金屬氧化物(例如，Na2O，K2O或Li2O)。但是，磨料顆粒通常主要包含Al2O3、Fe2O3和SiO2。磨料產品可將本發明和/或按照本發明制造的磨料顆粒用于常規磨料產品中，例如涂敷磨料產品、結合磨料產品(包括研磨輪、切割輪和磨石)、無紡磨料產品和磨刷。通常，磨料產品(即磨料制品)包含粘合劑和磨料顆粒，制品的至少一部分是本發明和/或按照本發明制造的磨料顆粒，這些顆粒通過粘合劑結合在磨料產品中。制造這類磨料產品的方法是本領域熟練技術人員所熟知的。而且，本發明和/或按照本發明制造的磨料顆粒還可以用在使用磨削化合物(例如拋光化合物)漿的磨料應用場合。
涂敷磨料產品通常包含襯料、磨料顆粒和至少一種將磨料顆粒固定在襯料上的粘合劑。襯料可以是任何合適的材料，包括布、聚合物薄膜、纖維、無紡布、紙張、以上的混合物及處理后形式。粘合劑可以是任何合適的粘合劑，包括無機或有機粘合劑。磨料顆粒可以存在于涂敷磨料產品的一層或兩層中。例如，美國專利4,734,104(Broberg)和4,737,163(Larkey)中說明了制造涂敷磨料產品的較好的方法。
涂敷磨料產品在其背面可以具有某種固定裝置，用以將涂敷磨料產品固定到支持片上。這類固定裝置可以是例如壓敏膠粘劑或用于鉤環固定的帶環織物。涂敷磨料產品的背面還可具有一層防滑或摩擦涂層。這類涂層的實例包括分散在某種膠粘劑中的無機顆粒物質(例如碳酸鈣或石英)。
圖1表示了一種涂敷磨料產品的實例。參照該圖，涂敷磨料產品10具有襯料(底基)12和磨料層13。磨料層13包含通過裝配涂層(make coat)15和浸潤涂層(sizecoat)16固定在襯料12的主表面上的磨料顆粒14。有時還使用上浸潤涂層(未顯示)。
結合磨料產品通常包含由有機、金屬或玻璃化的粘合劑結合在一起的磨料顆粒的成型體。這類成型體可以是輪狀的例如砂輪、切割輪等。它也可以是磨石形式或其它常規結合磨具形狀。其中以砂輪形式為佳。圖2表示了砂輪20，它包含磨料顆粒21，其中至少部分是本發明和/或按照本發明制造的磨料顆粒，它們被模制成輪狀并安裝在轂盤22上。有關結合磨料產品更詳細的說明可參見例如美國專利4,997,461(Markoff-Matheny等)。可用的較好的粘合劑可在不破壞本發明陶瓷磨料顆粒的溫度和條件下固化。
無紡磨料產品通常包含一開孔式高聚物長絲結構，磨料顆粒布滿在其中，并通過有機粘合劑粘合固定在其中。長絲的實例包括聚酯纖維、聚酰胺纖維和聚芳基酰胺(polyaramid)纖維。圖3顯示了一種典型無紡磨料產品的約100倍放大圖。這樣的無紡磨料產品包含作為底基的纖維叢30，其上是磨料顆粒32，其中至少部分是本發明和/或按照本發明制造的磨料顆粒，它們通過粘合劑34粘合。有關無紡磨料產品的更詳細的說明可參見美國專利2,958,593(Hoover等)。
對本發明磨料產品來說合適的有機粘合劑包括熱固性有機聚合物。合適的熱固性有機聚合物實例包括酚醛樹脂、脲-甲醛樹脂、三聚氰胺-甲醛樹脂、聚氨酯樹脂、丙烯酸酯樹脂、聚酯樹脂、具有α，β-不飽和羰基基團側鏈的氨基塑料樹脂、環氧樹脂和以上的混合物。粘合劑和/或磨料產品還可包含添加劑，例如纖維、潤滑劑、潤濕劑、觸變物質、表面活性劑、顏料、染料、抗靜電劑(例如碳黑、氧化釩、石墨等)、偶合劑(例如硅烷、鈦酸酯、鋯鋁酸鹽等)、增塑劑、懸浮劑等。根據要求的特性選擇這些可選性添加劑的用量。偶合劑可以加強與磨料顆粒和/或填料的粘合。
粘合劑還可以包含通常為顆粒物形式的填料或研磨助劑。通常，此類顆粒物是無機物。用作填料的顆粒物實例包括金屬碳酸鹽、二氧化硅、硅酸鹽、金屬硫酸鹽、金屬氧化物等。用作研磨助劑的顆粒物實例包括鹵鹽，例如氯化鈉、氯化鉀、鈉冰晶石和四氟硼酸鉀；金屬，例如錫、鉛、鉍、鈷、銻、鐵和鈦；有機鹵化物，例如聚氯乙烯和四氯代萘；硫和硫化合物；石墨；等。研磨助劑是對研磨的化學和物理過程具有顯著影響從而改善研磨性能的物質。在涂敷磨料產品中，研磨助劑通常用在涂于磨料顆粒上面的上浸潤涂層中，但它也可以加在浸潤涂層中。通常，在必要時，研磨助劑的用量為約50至300g/m2(以約80至160g/m2為佳)涂敷磨料產品。
本發明和/或按照本發明制造的磨料顆粒可以包含表面涂層。已知表面涂層能夠加強磨料顆粒和磨料產品中粘合劑的粘合，而且在某些情況下還改善磨料顆粒的研磨性能。這種表面涂層例如可參看美國專利5,011,508(Wald等)、5,009,675(Kunz等)、4,997,461(Markhoff-Matheny等)、5,213,951(Celikkaya等)、5,085,671(Martin等)和5,042,991(Kunz等)。
磨料產品可以包含100％本發明和/或按照本發明制造的磨料顆粒，或者可以包含本發明和/或按照本發明制造的磨料顆粒與常規磨料顆粒和/或稀釋顆粒的混合物。但是，磨料產品中至少約15wt.％的磨料顆粒必須是本發明的磨料顆粒，約50至100wt.％更好。合適的常規磨料顆粒的實例包括熔凝氧化鋁、碳化硅、石榴石、熔凝氧化鋁氧化鋯、其它溶膠-凝膠磨料顆粒等。合適的稀釋顆粒實例包括大理石、石膏、燧石、二氧化硅、氧化鐵、硅酸鋁、玻璃和稀釋劑凝聚物。還可以將本發明磨料顆粒混合在磨料凝聚物中。磨料凝聚物的實例可參見美國專利4,311,489(Kressner)、4,652,275(Bloecher等)和4,799,939(Bloecher等)。
實施例以下實施例將進一步說明本發明，但是其中的具體物質及其用量，以及其它條件和細節不應該被不當地理解為對本發明的限定。對本領域技術人員來說，本發明的許多修改和變化形式是顯而易見的。全部份數和百分數如果不另作說明都表示按重量計。
實施例中使用了以下標識AAMH以商品名“DISPERAL”購自Condea Chemie，漢堡，德國的一水合α氧化鋁(勃姆石)DWT 去離子水HNO3硝酸AMM 乙酸銨TEOS四乙氧基原硅烷ASMα氧化鋁晶種水分散體；在4L球磨機(內徑21cm)中，在約750ml水中，以60rpm研磨約5200g氧化鋁研磨介質(Coors of Golden，CO的氧化鋁棒，長0.25英寸(0.64cm)，直徑0.25英寸(0.64cm))約72小時制備而成。ASGα氧化鋁晶種，粒徑中值＝0.4微米，表面積＝8.2m2/g；購自Alcoa
Industrial Chemicals of Bauxite，AK，商品名“ALCOA A16SG”SAS α氧化鋁晶種溶膠，在裝有1/3體積柱狀氧化鋁研磨介質(包含等量的0.5英寸(1.3cm)球體，0.5英寸(1.3cm)柱體和0.75英寸(1.9cm)柱體)的氧化鋁球磨機中，將50.0g ASG，5ml濃HNO3和400ml DWT研磨約48小時制備而成IO-1 氧氫氧化鐵(γ-FeOOH)水分散體(pH＝5.0-5.5)，其中約90至95％是纖鐵礦針狀顆粒，平均顆粒大小約0.05至0.1微米，長徑比或長寬比約1∶1至2∶1，表面積約115.3m2/g。IO-2 氧氫氧化鐵(α-FeOOH)水分散體，針狀顆粒的平均粒度小于約0.1微米。IO-3 氧氫氧化鐵(α-FeOOH)水分散體，15％氧化鐵(根據理論氧化物Fe2O3計算)，由硫酸鐵和氫氧化銨制成，針狀顆粒長約0.4微米，寬約0.05微米，表面積約80m2/g。將該分散體陳化3年。IO-4 氧化鐵(α-Fe2O3)成核劑水分散體，按照美國專利3,267,041(MacCallum)中的實施例2制備，但Fe(NO3)3·9H2O、水和氨水的用量是MacCallum所述的5倍，平均顆粒大小約0.2-0.3微米的餅狀顆粒。IO-5 氧化鐵(α-Fe2O3)水分散體(pH＝1)，水熱處理氫氧化鐵而成，扁橢球體顆粒的平均顆粒大小約0.1微米IO-6 氧氫氧化鐵(α-FeOOH)水基糊劑，針狀顆粒的平均顆粒大小約0.08微米，表面積約104.5m2/g，購自Magnox Pulaski，Inc.，Pulaski，VA，商品名“Goethite A”IO-7 α-FeOOH分散體(平均長度約0.08微米的針狀顆粒，表面積約130.7m2/g，含固體1.4％，pH約8.7)，制備方法是將83.4gFeSO4·7H2O溶解在2000g DWT中，加熱溶液至40℃并鼓泡通入O2；加入NaOH溶液(30gNaOH溶于500g DWT)并在通O2的同時進行攪拌；保溫4小時；該懸浮液在2400rpm離心分離6小時，再將顆粒重懸在DWT中，重復3次；通宵沉淀。IO-8 氧氫氧化鐵(α-FeOOH)水分散體，15％氧化鐵(根據理論氧化物Fe2O3計算)，由硫酸鐵和氫氧化銨制成，針狀顆粒長約0.4微米，寬約0.05微米，表面積約80m2/g。該分散體與IO-3類似，但是新鮮制備的。IO-9α-FeOOH水分散體，23.4％氧化鐵(根據理論氧化物Fe2O3計算)，針狀顆粒長約40納米，表面積約200m2/g。CSl堿性膠體二氧化硅(15％固體，0.75％Na2O)，購自Eka Nobel，Inc.，Augusta，GA，商品名“NYACOL215”，平均顆粒大小5nm。CS2堿性膠體二氧化硅(15％固體，0.75％Na2O)，購自Nalco Products，Inc.，Naperville，IL，商品名“NALCO 1115”，平均顆粒大小5nm。CS3堿性膠體二氧化硅(15％固體，NH3+穩定化)，購自Nalco Products，Inc.，，商品名“NALCO 2326”，平均顆粒大小5nm。CS4堿性膠體二氧化硅(30％固體，0.65％Na2O)，購自Nalco Products，Inc.，商品名“NALCO 1130”，平均顆粒大小8nm。CS5酸性膠體二氧化硅(34wt.％固體)，購自Nalco Products，Inc.，商品名“NALCO 1034A”，平均顆粒大小20nm。CS6酸性氧化鋁包被的膠體二氧化硅(20％SiO2，4％Al2O3)，購自NalcoProducts，Inc.，商品名“NALCOAG 1SJ613”，平均顆粒大小20nm。CS7膠體二氧化硅(50wt.％固體)，購自Nyacol Products，Inc.，商品名“NYACOL 5050”，平均顆粒大小50nm。CS8膠體二氧化硅(50wt.％固體)，購自Nyacol Products，Inc.，商品名“NYACOL 9950”，平均顆粒大小99nm。實施例1至4和比較實施例A為實施例1至4和比較實施例A各制備一份氧化鋁基分散體。分散體均由500gAAMH，35g HNO3，60g含6.5％氧化鐵(根據理論氧化物Fe2O3計算)IO-1和1350g DWT混合而成。在實施例1至4的氧化鋁分散體中加入表一所列用量的膠體二氧化硅與其混合。
表I加入氧化鋁基分散體的膠體二氧化硅實施例 二氧化硅數量，g 氧化硅源1 38.5 CS22 38.5 CS33 19.0 CS44 38.5 CS1比較實施例A0.0 ---
將各份氧化鋁基分散體膠凝，裝入“PYREX”盤中，在約93℃(200°F)通宵干燥，形成易碎的固體。用鋼板間距1.1mm的“Braun”型UD粉碎機(購自BraunCorp.，Los Angeles，CA)將形成的干物質粉碎成磨料顆粒前體。粉碎后的磨料顆粒前體過篩至0.125至1mm篩目尺寸。滯留的磨料顆粒前體被送入煅燒窯生成煅燒磨料顆粒前體。煅燒窯是直徑15cm，長1.2m，具有0.3m熱區的不銹鋼管。鋼管與水平成2.4度傾斜。鋼管以約20rpm速度轉動，使得在煅燒窯內的停留時間約為4至5分鐘。煅燒窯的熱區溫度約為650℃。然后將煅燒磨料顆粒前體送入燒結窯。燒結窯是內徑8.9cm，長1.32m的碳化硅管，與水平成4.4度傾斜，熱區長31cm。通過SiC電熱元件管外加熱。燒結窯以2.8rpm的速度轉動，使得窯內停留時間約為25分鐘。
比較實施例A的α氧化鋁陶瓷磨料顆粒是在約1290℃燒結的，而實施例1至4的磨料顆粒是在1430℃燒結的。有二氧化硅存在的實施例1至4需要比比較實施例A的磨料顆粒高的燒結溫度。產物離開窯后在室溫下收集在金屬容器中，冷卻至室溫。
實施例1至4磨料顆粒的密度用商品名為“Micromeritics AccuPys”的氦氣比重計(購自Micromeritics Instruments Corp.，Norcross，GA)來測定。密度值以g/cm3為單位表示。
將松散的磨料顆粒鑲嵌在“EPOMET”鑲嵌樹脂(購自Buehler Ltd.，Lake Bluff，IL)中形成1英寸(2.5cm)直徑和0.75英寸(1.9cm)高的柱體，然后測定微硬度。用“METADI”金剛石漿(購自Buehler Ltd.)，用“EPOMET”研磨機/拋光機(購自Buehler Ltd.)拋光鑲嵌樣品。使用1微米的“METADI”金剛石漿進行最后的拋光步驟。使用配有Vickers壓針的“Mitutoyo MVK-VL”硬度測試儀(購自MitutoyoCorp.Tokyo，Japan)，用5g壓痕負荷測定硬度。按照材料微硬度的ASTM測試法E384(1991)中的指導來測定硬度。硬度值以GPa為單位表示。
測定了實施例1至4磨料顆粒的密度和硬度并列于下表2。
表2實施例Al2O3％ Fe2O3％ SiO2％ 密度，g/cm3硬度，GPa1 97.5 1.0 1.5 3.9123.92 97.5 1.0 1.5 3.8723.73 97.5 1.0 1.5 3.9123.84 97.5 1.0 1.5 3.9823.0
實施例1至4和比較實施例A的α氧化鋁陶瓷磨料顆粒被用在涂敷磨盤(abrasive disc)中，并測試后者的研磨性能。按照常規方法制備涂敷磨盤。磨料顆粒被篩選至約36級，其中100％的磨料顆粒都通過25目的篩(U.S.標準篩，開孔大小為0.707mm)，其中50％滯留在30目的篩(U.S.標準篩，開孔大小為0.595mm)上，50％透過30目的篩而滯留在35目的篩(U.S.標準篩，開孔大小為0.500mm)上。使用常規碳酸鈣充填的酚醛裝配樹脂(48％可溶酚醛樹脂，52％碳酸鈣，用水和乙二醇醚稀釋至81％固體含量)和常規冰晶石充填的酚醛浸潤樹脂(32％可溶酚醛樹脂，2％氧化鐵，66％冰晶石，用水和乙二醇醚稀釋至78％固體含量)將磨料顆粒粘合在直徑17.8cm(具有一直徑2.2cm的中孔)的硫化纖維襯料上。裝配樹脂在88℃預固化90分鐘，浸潤樹脂在88℃預固化90分鐘，然后在100℃最后固化10小時。
按照以下方法測試涂敷磨盤。將各涂敷磨盤固定在傾斜的鋁支持墊片上，將其用于研磨預先稱重的1.25cm×18cm的1018軟鋼工件的表面。磨盤以5,500rpm的速度旋轉，期間，盤上覆蓋在支持墊片斜邊上的部分以約6kg(13磅)的力與工件接觸。每個磨盤以1分鐘為間隔依次各研磨一個工件。總切削量是在測試時間內從工件上去除的材料量的總和。磨料顆粒的性能表示為相對對照值的百分比。即，對比樣品被去除材料的總量為100％，測試樣品的值為與100％的比值。每個實施例約測試4個盤。測試結果列于以下表3。
表3研磨數據(12分鐘的測試)實施例 相對比較實施例A的總切削量，％1128212531254135比較實施例A 100以上實施例表明，用勃姆石、氧化鐵源和二氧化硅源制成的磨料顆粒比用相同方法但不加二氧化硅源料制成的磨顆粒具有更好的研磨性能。實施例5至6
按照實施例1至4中的方法制造實施例5和6的磨料顆粒，但是實施例5的分散體含有1300g DWT，36g HNO3，47g CS1，234g含2.4％氧化鐵(根據理論氧化物Fe2O3計算)IO-1和600g AAMH，實施例6的分散體含有1450g DWT，36g HNO3，47g CS1，37g IO-1和600g AAMH。燒結溫度為1430℃。按照實施例1至4中所述方法測定形成的磨料顆粒的硬度和密度，結果列于以下表4。沒有測定研磨性能。
表4實施例Al2O3％ Fe2O3％ SiO2％ 密度，g/cm3硬度，GPa5 97.3 1.2 1.53.89 22.66 97.3 1.2 1.53.81 20.4以上實施例表明，不同的氧化鐵源可以產生具有相似特性的磨料顆粒。實施例7至10根據實施例1至4所述制備實施例7至10的磨料顆粒，但是除了以下表5中物質外各分散體還含有600g AAMH，36g HNO3和1300g DWT。
表5實施例 氧化鐵源 二氧化硅源7234gIO-1 47g CS1837gIO-3 47g CS19390g IO-1 31g CS110 62g IO-3 31g CS1*IO-1含有2.4％氧化鐵(根據理論氧化物Fe2O3計算)。
形成的凝膠在100℃通宵干燥，粉碎，煅燒，然后在1430℃燒結，其方式與實施例1至4中的相同。
用“紅色染料測試”來測定實施例8至10的磨料顆粒，該測試根據紅色染料向磨料顆粒表面和內部孔隙中的滲透來測定表面和內部孔隙率。具體地說，α氧化鋁陶瓷磨料顆粒樣品被放在含有紅色滲透染料(購自Uresco Androx，Cerritos，CA，商品名“P-303 A Penetrant”)的燒瓶中。充分混合磨料顆粒以確保其完全被紅色染料所覆蓋。倒出染料后用去離子水洗滌顆粒數次以去除殘留的染料。最終，磨料顆粒帶有染料的紅色表明是高孔隙率的磨料顆粒，而沒有紅色的磨料顆粒被認為只有很少或沒有與內部孔隙連通的表面孔隙。
實施例8和10的磨料顆粒在紅色染料測試中不合格(即磨料顆粒顯示明顯的紅色)，但是實施例7和9的磨料顆粒通過了紅色染料測試(即沒有外部孔隙)。實施例8和10的結果較差被認為是因為使用了制備于數年(約3年)以前的氧化鐵成核物質。實施例7和9的磨料顆粒的密度列于以下表6。
表6實施例Al2O3％ Fe2O3％ SiO2％ 密度，g/cm37 97.3 1.21.5 3.918 97.3 1.21.5 ---9 97.0 2.01.0 3.9410 97.0 2.01.0 ---以上實施例表明了以IO-1為例的較小的氧化鐵顆粒的優越性。實施例11和12以及比較實施例B按照實施例1至4制備實施例11和12的磨料顆粒，但是實施例11的分散體含有600g AAMH，36g HNO3，47g CS1，526g含1.0％氧化鐵(根據理論氧化物Fe2O3計算)的IO-1和950g DWT，實施例12的分散體含有600g AAMH，36gHNO3，47g CS1，501g IO-4和1000g DWT。如實施例1至4中所述，磨料顆粒在旋轉窯中在1440℃燒結。
比較實施例B的磨料顆粒是用在3M的“REGAL 983C”纖維盤中的陶瓷氧化鋁磨料顆粒，它是根據美國專利4,314,827(Leitheiser等)；4,744,802(Schwabel)；和4,964,883(Morris等)中的方法制造的。該磨料顆粒含有α氧化鋁、1.2％氧化鐵成核劑(根據Fe2O3計算)和4.5％MgO。
實施例11和12的磨料顆粒的硬度按實施例1至4中所述進行測定，并列于以下表7。
表7實施例Al2O3％ Fe2O3％ SiO2％ 密度，g/cm3硬度，GPa1197.31.21.53.91 20.61297.31.21.53.85 19.5將實施例11和12以及比較實施例B的磨料顆粒加入涂敷磨盤中，并如實施例1至4中所述進行處理。研磨測試結果列于以下表8。
表8研磨數據(12分鐘的測試)實施例 總切削量，g相對比較實施例B的切削量，％比較實施例B 960 100111183 123121193 124以上實施例表明了某些實施例與含有Al2O3、Fe2O3和MgO但不含SiO2的常規磨料顆粒相比的研磨性能改善。實施例13至17和比較實施例C按照實施例1至4中的方法制備實施例13至15的磨料顆粒，但是各分散體含有1200g AAMH，72g HNO3和93g CS1。而且，實施例13的分散體還含有264g含4.3％氧化鐵(根據理論氧化物Fe2O3計算)的IO-1和2986g DWT；實施例14的分散體還含有782g IO-7和2468g DWT；實施例15的分散體還含有1442g含0.8％氧化鐵(根據理論氧化物Fe2O3計算)的IO-6和1808g DWT。燒結溫度為1440℃。
按照實施例1至4中所述制備實施例16的磨料顆粒，但是分散體中含有600gAAMH，36g HNO3，1450g DWT，47g CS1和131g含4.3％氧化鐵(根據理論氧化物Fe2O3計算)的IO-1。燒結溫度為1430℃。
按照實施例1至4中所述制備實施例17的磨料顆粒，但是該分散體含有3500gAAMH，210g HNO3，7900g DWT，36g CS1和408kg含6.5％氧化鐵(根據理論氧化物Fe2O3計算)的IO-1。而且，分散體是用Gifford-Wood HomogenizerMixer，3117-210型(購自Dumore Co.，Racine，WI)在5加侖(19L)的桶中混合物料來制備。分散體在一45cm×75cm×5cm的鋁盤中在100℃干燥。燒結溫度為1430℃。
比較實施例C是根據美國專利5,201,916(Berg等)中實施例9制備的磨料顆粒，該專利在此引用參考。該三角形的磨料顆粒含有α氧化鋁和氧化鐵成核物質。
實施例13至15的磨料顆粒的密度和硬度按照實施例1至4來測定，但是使用300g的負荷。結果列于以下表9。
表9實施例 Al2O3％ Fe2O3％ SiO2％ 密度，g/cm3硬度，GPa13 97.3 1.21.5 3.9021.014 97.3 1.21.5 3.8821.115 97.3 1.21.5 3.7517.416 97.3 1.21.5 --- ---17 98.8 1.00.2 --- ---實施例13至15的磨料顆粒被加到涂敷磨盤中，如實施例1至4所述測試。結果列于表10。
表10實施例 總切削量，g相對實施例13的切削量，％13 187710014 18019615 154582利用掃描電子顯微鏡(SEM)將磨料顆粒表面放大6000倍或更大，測量放大后邊緣上觀察到的突出物的高度和間隔，由此測定實施例13和16，比較實施例C的磨料顆粒的表面粗糙度高度和間隔。為了獲得“粗糙度周期”，沿磨料顆粒顯微照片代表性部分的邊緣放置一直邊，對90,000埃長的磨料顆粒表面進行評價。計數90,000埃長直邊內的峰數。在磨料顆粒表面顯微照片的兩個其它區域重復該過程。粗糙度周期值是3個代表值的平均值，表示為峰之間的平均距離，以埃為單位。
為了獲得“表面粗糙度高度”，沿磨料顆粒顯微照片代表性部分的邊緣放置一直邊，使得該直邊正好觸及至少間隔50,000埃的兩個最高峰。在該50,000埃距離內，直邊到最深谷的最大距離即粗糙度高度。在磨料顆粒表面顯微照片的兩個其它區域重復該過程。粗糙度高度值是3個代表值的平均值，以埃為單位。表面粗糙度高度和周期的測量結果列于以下表11。
表11粗糙度高度周期實施例 埃 埃13 4227 737016 4667 7597比較實施例C2333 10125用襯有碳化鎢的研缽和研杵(SPEX目錄號32023，SPEX Industries，Edison，NJ)手工粉碎少量磨料顆粒(約10-25粒)，由此評價實施例13至15的α氧化鋁陶瓷磨料顆粒的穿晶碎裂數。導電性碳膠(carbon paste)將粉碎后的磨料顆粒固定在SEM樣品柱上，用再用“Anitech Hummer VI噴鍍系統”(Anitech Ltd.，Springfield，VA)噴鍍Au-Pd導電性涂層，并在“JEOL 840A”掃描電子顯微鏡下放大至10,000倍以上檢查，確定并拍攝碎裂磨料顆粒的表面。在樣品燒制截面(fired cross-section)放大15,000倍的SEM顯微照片(3.5英寸(8.9cm)×4.5英寸(11.4cm))上由左上角至右下角和左下角至右上角畫兩條長約14.5cm的對角線，由此定量計數穿晶碎裂。測定對角線穿過穿晶碎裂區的累計長度，將它除以對角線的長度，由此計算穿晶碎裂。表12中穿晶碎裂的百分比是分別由兩條對角線獲得的平均值。
表12實施例 穿晶碎裂，％13 6514 7015 9117 52比較實施例C 0以上實施例表明，與含有Al2O3和Fe2O3但是不含SiO2的常規磨料顆粒相比，本發明部分磨料顆粒實施例的穿晶碎裂數明顯增加。以上實施例還表明，與不含SiO2的磨料顆粒相比，含有SiO2的磨料顆粒其粗糙度高度增加而粗糙度周期減小。實施例18至20和比較實施例D按照實施例1至4所述制備實施例18至20的磨料顆粒，但是各分散體中含有600g AAMH，36g HNO3，1450g DWT和131g含4.3％氧化鐵(根據理論氧化物Fe2O3計算)的IO-1。而且，實施例18分散體還含有3.2g CS1；實施例19分散體含有47g CS1；實施例20分散體含有250g CS1。
此外，實施例18至20的煅燒磨料顆粒前體在CM Furnaces(Bloomfield，NJ)的“RAPID-TEMP”爐中在初設溫度1100℃燒結，而不是如實施例1至4中那樣在旋轉窯中燒結。對于實施例18，爐溫在5分鐘后由1100℃升至約1315℃，煅燒磨料顆粒前體在1315℃燒結20分鐘。對于實施例19，爐溫由1100℃升至1430℃，煅燒磨料顆粒前體燒結30分鐘。對實施例20的煅燒磨料顆粒前體，爐溫由1100℃升至1430℃，煅燒磨料顆粒燒結30分鐘。實施例18至20磨料顆粒的密度列于以下表13。
表13實施例Al2O3％ Fe2O3％ SiO2％ 密度，g/cm318 98.7 1.20.1 3.8819 98.3 1.21.5 3.8520 90.8 1.28.0 3.65比較實施例D是購自3M Company，St.Paul，MN的36級涂敷砂盤，商品名為“984C REGAL”砂盤。
在碳化硼研缽中手工粉碎實施例18至20和比較實施例D的樣品，并經200目的篩網過篩。用Philips垂直衍射儀，銅Kα輻射和散射光的比例探測器記錄來獲取X光衍射數據。衍射儀配備有自動發散狹縫、0.2mm的接收狹縫和石墨單色儀。為了進行晶相鑒定對每份樣品進行2Θ在5至80度范圍內的測量掃描。將各份樣品與標準參照物(NIST SRM 640b Si粉末)混合后在2Θ為80至100度范圍內重新掃描。通過查找二級導數峰(secondary derivative peak)來確定峰的位置，并利用硅內部標準的峰值位置來校正在2Θ峰值位置。粉末圖樣上進行標志，利用Philips“PCEXTEND”版的Appleman最小二乘晶胞精化程序來計算晶胞參數。“a”和“c”晶胞參數以埃為單位列于以下表14，并在括弧中列出誤差值。例如，比較實施例D的“a”參數可在4,7596至4.7598之間變動。
表14實施例相 a，埃c，埃比較實施例Dα氧化鋁 4.7597(1)12.9986(2)18 α氧化鋁 4.7607(1)13.0017(3)19 α氧化鋁 4.7610(1)13.0011(4)20 α氧化鋁和4.7619(1)13.0004(2)富鋁紅柱石以上實施例表明了在α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒中，在氧化鐵存在下二氧化硅引起的晶胞參數a和c膨脹。實施例21至25按照實施例1至4所述制備實施例21至25的磨料顆粒，但是各分散體除了以下表15所列的物質外還含有600g AAMH，131g含4.3％氧化鐵(根據理論氧化物Fe2O3計算)的IO-1，36g HNO3和1400g DWT。
表15實施例二氧化硅源 堿源21 47g CS1 ----22 23g CS4 ----23 23g CS4 0.12g NaOH24 23g CS4 0.25g NaOH25 23g CS4 0.57g KOH燒結溫度為1435℃。實施例21至25磨料顆粒的密度列于以下表16。而且，如實施例1至4中所述，將磨料顆粒加入涂敷磨盤中測定其研磨性能。
表16研磨數據(12分鐘的測試)實施例 Al2O3％Fe2O3％SiO2％ 相對實施例21的 密度，g/cm3切削量％21 98.3 1.2 1.5100 3.8922 98.3 1.2 1.5100 3.8623 98.3 1.2 1.5106 3.8824 98.3 1.2 1.5106 3.8925 98.3 1.2 1.5108 3.88以上實施例表明了在α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒中加入堿金屬鹽引起的SiO2作用加強。實施例26和27根據實施例1至4所述制備實施例26和27的磨料顆粒，但是各分散體含有600g AAMH，36g HNO3和1450g DWT。而且，實施例26分散體還含有137.6g含6.6％氧化鐵(根據理論氧化物Fe2O3計算)的IO-1和76.8g CSI；實施例27的分散體還含有202.8g含6.6％氧化鐵(根據理論氧化物Fe2O3計算)的IO-1和48.0gCSI。實施例26和27的燒結溫度分別為1430℃和1400℃。
將實施例26和27的磨料顆粒加入涂敷磨盤中如實施例1至4所述測定其研磨性能。實施例26和27磨料顆粒的總切削量分別為1629g和1688g。實施例26和27磨料顆粒的密度和硬度列于以下表17。作為比較，比較實施例B和C的硬度分別為21Gpa和25Gpa。
表17實施例Al2O3％ Fe2O3％ SiO2％ 密度，g/cm3硬度，GPa26 95.6 1.9 2.53.9125.227 95.6 2.9 1.53.9424.5測量“Leitz Miniload”微硬度測試儀以500g負荷產生的Vickers壓痕頂點延伸出去的裂紋長度來計算實施例26和27磨料顆粒的韌度。用以下公式計算碎裂韌度(KIC)KIC＝FN/(πc)3/2tan b(b＝68°；F＝壓針上力的牛頓數；c＝1/2以米為單位的裂紋長度)。每個值都是5次測定的平均值。實施例26和27磨料顆粒的碎裂韌度分別為3.3Mpa·m1/2和3.99Mpa·m1/2。比較實施例B和C的碎裂韌度分別為2.9Mpa·m1/2和2.5Mpa·m1/2。測定韌度的樣品的制備方法與實施例1至4中測定微硬度的樣品相同。
以上實施例表明與不含二氧化硅的常規磨料顆粒相比，本發明某些磨料顆粒實例的硬度和/或韌度被提高了。實施例28至30在實施例28中，在混料機(Waring 5011型，Waring Products Division，Dynamics Corporation of America，New Hartford，CN)中用850 DWT，加2滴濃HNO3，稀釋0.38g CS5的50.0ml DWT溶液。該分散體在制備后立即加入11.34gIO-9分散體中，同時快速攪拌。在該混合物中加入336.92g AAMH和11ml濃HNO3。形成的分散體在混料機中利用高速攪拌來分散。在混合分散體中加入4.6gAMM的10ml DWT溶液以引發膠凝。將溶膠倒入淺鋁盤中任其膠凝(約10分鐘)，然后在強制空氣爐中在95℃通宵干燥。干燥后的磨料顆粒前體在箱式爐(加熱腔為9180cm3，購自Lindberg，General Signal，Chicago，IL的分公司之一)中由100℃至600℃煅燒約1.5小時，粉碎，然后在“RAPID TEMP”爐中在1400℃燒結5分鐘。開始時的爐溫為室溫，然后在為500℃至1400℃范圍以100-125℃/分鐘的速度加熱至1400℃。
按照實施例28制備實施例29和30的磨料顆粒，但是CS5的量分別為0.75g和1.88g。
實施例28的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒(根據理論氧化物計算)含有98.95％Al2O3、1.0％Fe2O3和0.05％SiO2；實施例29，98.9％Al2O3、1.0％Fe2O3和0.1％SiO2；實施例30，98.75％Al2O3、1.0％Fe2O3和0.25％SiO2。
實施例28至30的磨料顆粒樣品用碳化鎢研缽研杵粉碎，用SEM檢查碎裂表面。實施例28至30樣品的平均晶粒大小據估計分別為0.8微米、0.5微米和0.2-0.3微米。以上實施例表明晶粒的大小隨二氧化硅水平的提高而減小。實施例31至34和比較實施例E實施例31至34和比較實施例E中，以下表18中所列的CS5用DWT稀釋至50ml總體積。
表18實施例 CS5，g31 1.1032 2.2133 5.5134 11.43比較實施例E 0快速攪拌下將該膠體分散體加入340.90g IO-8中。在加液過程中利用高速混合器(“OMNI 5000”混合器，OMNI Internatioanl，Waterbury，Connecticut)充分混合分散體。混合后，形成的分散體被靜置約4小時。然后，用高速混合器(Ross ME100L型混合器，Charles Ross & Son Co.，Hauppauge，NY)均質化1040gDWT和340.90g二氧化硅/α-FeOOH分散體，然后加入671.1g AAMH。在高速攪拌的同時加入26.0ml濃HNO3。充分混合后，邊快速攪拌邊加入90.0g AMM在100g DWT中形成的10ml溶液。將形成的溶膠倒入淺鋁盤(3.25cm)中靜置膠凝約10分鐘。膠凝后，將盤放在95℃的強制空氣爐中干燥。干燥的磨料顆粒前體在箱式爐中在1.5小時內加熱至650℃，然后在此溫度保溫30分鐘。如實施例1至4中所述粉碎煅燒后的磨料顆粒前體并過篩，然后如實施例28所述在1450℃燒結8分鐘，過篩后的另一樣品如實施例28所述在1430℃燒結8分鐘，并如實施例1至4所述加入磨料制品中。
實施例31的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒根據理論氧化物計算含有98.45％Al2O3、1.48％Fe2O3和0.07％SiO2；實施例32，98.38％Al2O3、1.48％Fe2O3和0.14％SiO2；實施例33，98.16％Al2O3、1.47％Fe2O3和0.37％SiO2；實施例34，97.8％Al2O3、1.47％Fe2O3和0.73％SiO2。
如實施例1至4所述測定實施例31至34各磨料顆粒的研磨性能。結果列于以下表19。
表19按總氧化物計的添 相對比較實施例E實施例成核物質加劑wt.％的總切削量％比較實施例EFeOOH 無(參照) 10031 FeOOH 0.075％SiO2-CS5 12132 FeOOH 0.15％SiO2-CS5 11933 FeOOH 0.37％SiO2-CS5 ---134 FeOOH 0.73％SiO2-CS5 9321該樣品由于孔隙率過高而無法測試。它不能通過前文所述的紅色染料測試。這被認為是因為沒有優化燒結條件。
2這些樣品被認為因沒有優化燒結條件而研磨性能較差。
于1450℃燒結的比較實施例E的SEM檢查顯示為完全致密的材料，平均晶粒大小為2至3微米。在1450℃燒結的實施例31至34磨料顆粒表現為完全致密，但構成晶粒要細得多。實施例31的表觀平均晶粒大小約為0.5微米，而實施例32至34的表觀平均晶粒大小在0.4微米或以下。
以上實施例表明少量二氧化硅能夠誘導晶粒的精細化，并提高氧化鐵成核的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒的研磨性能。實施例35至36實施例35至36顯示α-FeOOH成核物質用作氧化鋁前體中成核物質之前與可水解的烷氧基硅烷反應所產生的影響。烷氧基硅烷按以下方式與α-FeOOH成核物質反應。對于實施例35和36，在340.90g IO-8中利用快速攪拌分別加入2.8ml和7.0ml TEOS。在加液過程中利用高速混合器(“OMNI 5000”OMNIInternational，Waterbury，Connecticut)充分混合形成的分散體。在各分散體中邊攪拌邊加入3滴濃硝酸，令混合物反應約24小時，間或地再攪拌。如實施例31至34所述制備實施例35至36，但是在1450℃燒結5分鐘。
實施例35的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒根據理論氧化物計算含有98.38％Al2O3、1.48％Fe2O3和0.148％SiO2；實施例36根據理論氧化物計算含有98.16％Al2O3、1.47％Fe2O3和0.37％SiO2。
對實施例35和36的SEM檢查顯示為基本上致密，由平均直徑小于0.5微米的晶粒構成。但是比較實施例E的平均晶粒大小約為2至3微米。實施例35和36的穿晶碎裂百分比分別為49％和51％。
如實施例1至4所述測試實施例35和36的研磨性能。結果列于以下表20。
表20按總氧化物計的添 相對比較實施例H實施例成核物質 加劑wt.％ 的總切削量％35 FeOOH 0.15％SiO2-TEOS 94136 FeOOH 0.37％SiO2-TEOS 1101這些樣品被認為因沒有優化燒結條件而研磨性能較差。
以上實施例表明可水解有機硅烷在氧化鐵成核的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒中作為二氧化硅前體的用途。比較實施例F、G和H(氧化鋁-晶種磨料顆粒)在大燒杯中加入1360g DWT和20.2g SAS，制備比較實施例F。用高速混合器(Ross ME100L型混合器，Charles Ross & Son Co.，Hauppauge，NY)將該分散體均質化形成氧化鋁晶種溶膠。在該混合物中加入671.1g AAMH。邊高速攪拌，邊加入26.0ml HNO3。充分混合后，邊快速攪拌邊加入90.0g AMM在100g DWT中形成的10ml溶液。如實施例35和36所述干燥和粉碎該物料。
對于比較實施例G和H，100g如實施例F所述制備的氧化鋁晶種溶膠在快速攪拌下分別與1.42ml和15.6ml TEOS混合。這些混合物攪拌水解約20小時。如實施例F所述制備比較實施例G和H，但是分別使用20.44g和23.12gTEOS處理的氧化鋁晶種。
比較實施例F至H的SEM檢查顯示，在1450℃燒結5分鐘后，比較實施例F的磨料顆粒比比較實施例G和H更致密。比較實施例G和H由很細的晶粒構成，但同時表現為蛭石(即多孔性)或非晶種微結構。
比較實施例F至H的樣品被加入磨料制品中并如實施例1至4所述進行測定。研磨性能的結果列于以下表21。
表21按總氧化物計的添 相對比較實施例F實施例 成核物質或晶種加劑wt.％ 的總切削量％比較實施例FAl2O3無(參照)100比較實施例GAl2O30.015％-TEOS 43比較實施例HAl2O30.15％-TEOS59以上比較實施例表明，與氧化鐵成核的磨料顆粒相比，在α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒中加入二氧化硅降低了研磨性能。實施例37實施例37說明用二氧化硅前體浸漬多孔性煅燒磨料無機物前體將二氧化硅引入磨料顆粒中。按照比較實施例E制備煅燒磨料顆粒前體。如實施例31至34所述將煅燒磨料顆粒粉碎并過篩。
將6.0ml TEOS混合在含有3滴濃硝酸的75ml DWT中制備成水解TEOS浸漬溶液。在使用前，該溶液磁力攪拌約5小時。為了浸漬煅燒磨料顆粒前體，將部分水解的TEOS溶液加入162g煅燒磨料顆粒前體中，在小燒杯中用刮勺手工攪拌混合體。將浸漬后的氧化鋁基顆粒前體放在小罐中，用螺紋蓋密封，在85℃陳化12小時。打開蓋子，浸漬后的氧化鋁基顆粒前體在85℃的烘箱中干燥。如比較實施例E所述，將浸漬后的氧化鋁基顆粒前體煅燒至600℃，并在1430℃燒結8分鐘。實施例37的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒按理論氧化物計含有97.55％Al2O3、1.46％Fe2O3和0.99％SiO2。
將實施例37的磨料顆粒如實施例1至4所述加入磨盤中進行測試。實施例37磨料顆粒的總切削量為比較實施例F(100％)的123％。
該實施例表明可以用二氧化硅源浸漬煅燒磨料顆粒前體來加強形成的磨料顆粒的研磨性能。實施例38如比較實施例E所述制備實施例38的磨料顆粒，所不同的是用DWT稀釋1.87gCS6至5ml最終體積，并將其在加入AMM之前加入HNO3/AAMH/α-FeOOH溶膠混合物中。加入氧化鋁包被的膠體二氧化硅后，如比較實施例E所述加入AMM溶液誘導膠凝。實施例38的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒按理論氧化物計含有98.45％Al2O3、1.48％Fe2O3和0.07％SiO2。
如實施例1至4所述將實施例38的磨料顆粒加入涂敷磨料產品中并進行測試。實施例38磨料顆粒的總切削量為比較實施例F的120％。
以上實施例表明氧化鋁包被的膠體二氧化硅能夠被用于提高形成的磨料顆粒的研磨性能。實施例39至42根據實施例1至4所述制備實施例39至42，不同的是使用的是600g AAMH、36g HNO3、1300g DWT和234g含2.4％氧化鐵(按理論氧化物Fe2O3計)的IO-1。二氧化硅的用量和來源列于以下表22。磨料顆粒如實施例1至4所述在1440℃燒結。
表22實施例二氧化硅源39 47g CS140 14g CS741 14g CS842 42g CS8如實施例1至4所述將實施例39至42的磨料顆粒加入磨料制品中并進行測試。分別對每種磨料顆粒測試兩個磨盤。如實施例1至4所述獲取各磨料顆粒的密度、硬度和研磨性能數據。也在高壓研磨條件下如實施例1至4所述獲取各磨料顆粒的研磨性能數據，不同的是使用8kg的壓力。結果列于以下表23。
表23相對實施例41的相對實施例41的實施例 密度，g/cm3硬度，Gpa 低壓總切削量％ 高壓總切削量％393.91 20.8 100125403.90 20.6 103120413.88 21.7 99 130423.76 17.5 94 122以上實施例表明可使用不同大小的小顆粒二氧化硅(例如，小于約150微米)使研磨性能得到相似的提高。比較實施例I至K按照前文實施例13至17所述的方法，對3份據認為是按照美國專利4,623,364(Cottringer等)制備的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒測試了其穿晶碎裂。磨料顆粒樣品得自以下磨料制品，均購自Norton Company，Worcester，MA曲軸砂輪(crank abrasive wheel)；“F944”SG 50級砂盤；和含SG棒的砂盤。雖然不知道這些磨料顆粒是如何制備的，但是經能量色散X光微觀分析檢測，除Al和O之外沒有其它元素。以上樣品的穿晶碎裂均少于10％。
因為不知道以上樣品是如何制造的，所以重復美國專利4,623,363(Cottringer等)，以便測定存在于氧化鋁研磨介質中的二氧化硅和氧化鐵雜質引起的穿晶碎裂數。
根據Cottringer等的實施例II制備比較實施例I的磨料顆粒(規模縮小20倍)，使用1.135kg AAMH(“PURAL”微晶勃姆石)、11.25L DWT和0.675L 14％的HNO3(135ml濃HNO3與545ml DWT混合而成)。在大塑料混合容器中將“PURAL”與水混合，并加入酸，同時用Ross混合器(100L型，購自Charles Ross & Son Co.，Hauppauge，NY)混合。將混合物高速充分混合10至15分鐘。取一份該混合物(5-6L)轉移至含有Coors陶瓷粘合氧化鋁(0.5×0.5英寸棒狀研磨介質，以商品名“ABP”購自Coors Porcelain Co.)的Sweco振動拋光磨機(1/3HP)中。研磨介質含有89.3％Al2O3、6.7％SiO2、2.5％MgO和0.8％CaO。對介質的X光衍射顯示介質含有α氧化鋁、鎂鋁尖晶石(magnesia alumina spinel)和少量正長石和斜長石。所以，美國專利4,623,364(Cottringer等)使用的陶瓷粘合氧化鋁研磨介質中含有晶體含硅雜質。混合物在Sweco磨機中研磨2小時。將凝膠在玻璃盤中倒成6至7cm厚度，然后在200℃烘箱內干燥30小時。(最初，按照Cottringer等所述用鋁盤進行干燥，但是形成的磨料略帶粉紅色，而且與在玻璃盤中干燥的相比，密度較低，微結構較粗糙)。干燥后的固體在450℃煅燒16小時。煅燒凝膠在1400℃燒結1小時。形成的材料呈白色，其微結構有大量長達5微米的泡狀(lathe-like)晶體和少量微米以下細小晶體構成。
根據Cottringer等的實施例IV制備比較實施例J的磨料顆粒(規模縮小10倍)，使用的是1.36kg AAMH(“PURAL”微晶勃姆石)、13.6L DWT、0.41L 14％的HNO3(82ml濃HNO3與328ml DWT混合而成)和0.34g水合硝酸鎂的1.37L DWT溶液。在大塑料混合容器中將“PURAL”與水混合，并加入酸，同時用Ross混合器(100L型，購自Charles Ross&Son Co.，Hauppauge，NY)混合。然后邊混合邊加入硝酸鎂溶液。將混合物高速充分混合10至15分鐘。取一份該混合物(5-6L)轉移至上文比較實施例I中所述的含有Coors陶瓷粘合氧化鋁的Sweco振動拋光磨機(1/3HP)中。混合物在Sweco磨機中研磨2小時。將凝膠在玻璃盤中倒成6至7cm厚度，然后在200℃烘箱內干燥30小時。干燥后的固體在600℃煅燒0.5小時(升至該溫度的時間為1小時)。煅燒凝膠在1400℃燒結1分鐘。磨料顆粒呈白色，具有32％的穿晶碎裂。
根據Cottringer等的實施例X制備比較實施例K的磨料顆粒(規模縮小20倍)，使用的是0.68kg AAMH(“PURAL”微晶勃姆石)、6.8L DWT和0.205L 14％的HNO3(41.0ml濃HNO3與164.0ml DWT混合而成)。在大塑料混合容器中將“PURAL”與水混合，并加入酸，同時用Ross混合器(100L型，購自Charles Ross &Son Co.，Hauppauge，NY)混合。將混合物高速充分混合10至15分鐘。取一份該混合物(5-6L)轉移至上文比較實施例I中所述的含有Coors陶瓷粘合氧化鋁的Sweco振動拋光磨機(1/3HP)中。混合物在Sweco磨機中研磨2小時。將凝膠在玻璃盤中倒成6至7cm厚度，然后在200℃烘箱內干燥30小時。(最初，按照Cottringer等所述用鋁盤進行干燥，但是形成的磨料略帶粉紅色，而且與在玻璃盤中干燥的相比，微結構的密度較低)。干燥后的固體在450℃煅燒16小時。煅燒凝膠在1400℃燒結15分鐘。磨料顆粒呈白色，具有32％的穿晶碎裂。
利用ICP(感應偶合等離子體)分析對比較實施例I至K的材料進行元素分析。將磨料顆粒樣品(0.1g)與Li2B4O7(1g)熔混，溶解在100ml 5％硝酸中，用去離子水稀釋至250ml。用應用研究實驗室3580型感應偶合等離子體光度計(FisconInstrument Co.，Beverly，MA)進行分析。對比較實施例I和J分析的是α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒，但是對比較實施例K分析的是在450℃煅燒16小時后、但在燒結前獲得的材料。結果列于以下表24，以按理論氧化物計的重量百分比表示。
表34金屬氧化物 比較實施例I比較實施例J比較實施例KAl2O399.094.0 70.6BaO0.120.12 0.025CaO0.048 0.060＜0.03Fe2O30.024 ＜0.01 ＜0.01MgO0.145.05 0.007MnO20.019 ＜0.005＜0.005Na2O＜0.05 ＜0.05 ＜0.05SiO20.500.39 ＜0.03TiO20.140.12 0.069對本領域的熟練技術人員來說，在本發明范圍和精神內的各種修改和變動是顯而易見的。不應該認為本發明受以上說明性實施方式的限制。
權利要求
1.α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒，它包含，按理論氧化物計，Al2O3、SiO2和至少約0.25wt.％Fe2O3，其α氧化鋁晶粒的平均晶粒大小小于約0.5微米，所述的磨料顆粒的表面粗糙度高度大于約200納米，其密度大于約3.5g/cm3。
2.根據權利要求1所述的磨料顆粒，其中所述的SiO2含量足以使得所述磨料顆粒的穿晶碎裂數量高于相同但不含SiO2的磨料顆粒。
3.根據權利要求1所述的磨料顆粒，其中所述的SiO2含量足以使得所述磨料顆粒具有至少約50％穿晶碎裂。
4.根據權利要求1所述的磨料顆粒，其中還含有，根據理論氧化物計算，約0.01-1.0wt.％堿金屬氧化物。
5.根據權利要求1所述的磨料顆粒，其中所述的SiO2含量足以使得構成所述磨料顆粒的α氧化鋁晶粒的晶胞維度之一與不含SiO2的相同磨料顆粒相比提高至少約0.01％。
6.根據權利要求1所述的磨料顆粒，其中所述的SiO2含量足以使得所述磨料顆粒的晶胞維度之一與不含SiO2的相同磨料顆粒相比提高至少約0.02％。
7.根據權利要求1所述的磨料顆粒，其磨料顆粒大小大于約100微米。
8.根據權利要求1所述的磨料顆粒，它包含，根據理論氧化物計算，0.25-10.0wt.％Fe2O3和約0.1-20.0wt.％SiO2。
9.根據權利要求1所述的磨料顆粒，它包含，根據理論氧化物計算，約85.0-98.0wt.％Al2O3、約1.0-2.0wt.％Fe2O3和約1.0-2.0wt.％SiO2。
10.根據權利要求9所述的磨料顆粒，它還包含，根據理論氧化物計算，約0.01-0.12wt.％堿金屬氧化物。
11.根據權利要求1所述的磨料顆粒，它包含平均晶粒大小小于約0.3微米的α氧化鋁晶粒。
12.根據權利要求1所述的磨料顆粒，其平均硬度至少為約16GPa。
13.根據權利要求1所述的磨料顆粒，其平均韌度至少為約2.5MPa·m1/2。
14.根據權利要求1所述的磨料顆粒，它呈棒狀或三角片狀。
15.磨料制品(10，20，30)，其中包含(a)粘合劑(1 5，16，34)；和(b)許多如權利要求1所述的磨料顆粒(14，21，32)，它們通過所述粘合劑(15，16，34)固定在所述制品內。
16.根據權利要求15所述的磨料制品(10)，它是一種涂敷磨料產品。
17.根據權利要求15所述的磨料制品(20)，它是一種結合磨料產品。
18.根據權利要求17所述的磨料制品(20)，它是一種結合砂輪。
19.根據權利要求15所述的磨料制品(30)，它是一種無紡磨料產品。
20.α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒，它包含，根據理論氧化物計算，Al2O3、Fe2O3、SiO2和至少約0.05wt.％堿金屬氧化物，其α氧化鋁晶粒的平均晶粒大小小于約0.5微米，其密度大于約3.5g/cm3。
21.根據權利要求20所述的磨料顆粒，其表面粗糙度高度大于約200納米。
22.根據權利要求20所述的磨料顆粒，其中所述的磨料顆粒是非半透明的。
23.根據權利要求22所述的非半透明磨料顆粒，其中所述的SiO2含量足以使得所述磨料顆粒的至少一個晶胞維度與不含SiO2的相同磨料顆粒相比提高了至少約0.01％。
24.磨料制品(10，20，30)，其中包含(a)粘合劑(15，16，34)；和(b)許多如權利要求20所述的磨料顆粒(14，21，32)，它們通過所述粘合劑(15，16，34)固定在所述制品內。
25.根據權利要求24所述的磨料制品(10)，它是一種涂敷磨料產品。
26.根據權利要求24所述的磨料制品(20)，它是一種結合磨料產品。
27.根據權利要求26所述的磨料制品(20)，它是一種結合砂輪。
28.根據權利要求24所述的磨料制品(30)，它是一種無紡磨料產品。
29.一種非半透明的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒，其表面粗糙度高度大于約200納米，其密度大于約3.5g/cm3，其平均晶粒大小小于約0.5微米；所述的顆粒包含，根據理論氧化物計算并以所述磨料顆粒的總重量為基準，約85.0-99.6wt.％Al2O3、約0.25-5.0wt.％Fe2O3、約0.1-5.0wt.％SiO2和約0.01-1.0wt.％堿金屬氧化物。
30.根據權利要求29所述的非半透明磨料顆粒，它具有至少約50％的穿晶碎裂。
31.根據權利要求29所述的非半透明磨料顆粒，其平均硬度至少為約16GPa。
32.根據權利要求29所述的非半透明磨料顆粒，其平均韌度至少為約2.5MPa·m1/2。
33.根據權利要求29所述的非半透明磨料顆粒，它基本上不含MgO。
34.根據權利要求29所述的非半透明磨料顆粒，其中構成所述磨料顆粒的α氧化鋁晶粒的至少一個晶胞維度與不含SiO2的相同磨料顆粒相比提高了至少約0.01％。
35.磨料制品(10，20，30)，其中包含(a)粘合劑(15，16，34)；和(b)許多如權利要求29所述的磨料顆粒(14，21，32)，它們通過所述粘合劑(15，16，34)固定在所述制品內。
36.根據權利要求35所述的磨料制品(10)，它是一種涂敷磨料產品。
37.根據權利要求35所述的磨料制品(20)，它是一種結合磨料產品。
38.根據權利要求37所述的磨料制品(20)，它是一種結合砂輪。
39.根據權利要求35所述的磨料制品(30)，它是一種無紡磨料產品。
40.一種α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒，所述的顆粒主要包含，根據理論氧化物計算，Al2O3、Fe2O3和SiO2，其α氧化鋁晶粒的平均晶粒大小小于約0.5微米；其表面粗糙度高度大于約200納米，其密度大于約3.5g/cm3。
41.根據權利要求40所述的磨料顆粒，其中的Fe2O3含量按所述顆粒的總重計至少為約0.25wt.％。
42.根據權利要求41所述的磨料顆粒，其中的SiO2含量按所述顆粒的總重計至少為約0.5wt.％。
43.根據權利要求41所述的磨料顆粒，具有至少約50％穿晶碎裂。
44.磨料制品(10，20，30)，其中包含(a)粘合劑(15，16，34)；和(b)許多如權利要求40所述的磨料顆粒(14，21，32)，它們通過所述粘合劑(15，16，34)固定在所述制品內。
45.根據權利要求44所述的磨料制品(10)，它是一種涂敷磨料產品。
46.根據權利要求44所述的磨料制品(20)，它是一種結合磨料產品。
47.根據權利要求45所述的磨料制品(20)，它是一種結合砂輪。
48.根據權利要求44所述的磨料制品(30)，它是一種無紡磨料產品。
49.一種制備α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒的方法，該方法包括(a)制備包含液體介質、勃姆石、氧化鐵源和非晶形二氧化硅源的分散體；(b)將所述分散體轉化成磨料顆粒前體；和(c)燒結所述的磨料顆粒前體，形成按理論氧化物計包含Al2O3、Fe2O3和SiO2的磨料顆粒。
50.根據權利要求49所述的方法，其中所述的非晶形二氧化硅源包含膠體二氧化硅。
51.根據權利要求50所述的方法，其中所述的膠體二氧化硅主要包含SiO2。
52.根據權利要求50所述的方法，其中所述膠體二氧化硅的平均粒度小于約150納米。
53.根據權利要求49所述的方法，其中所述的二氧化硅源還包含堿金屬氧化物。
54.根據權利要求53所述的方法，其中所述的膠體二氧化硅是膠體二氧化硅的pH約為1-3的水分散體。
55.根據權利要求49所述的方法，其中的氧化鐵源包含某種氧化鐵前體。
56.根據權利要求49所述的方法，其中的氧化鐵源包含某種晶體顆粒物質。
57.根據權利要求56所述的方法，其中氧化鐵顆粒的平均粒度小于約1微米。
58.根據權利要求57所述的方法，其中所述氧化鐵顆粒是針狀的。
59.根據權利要求58所述的方法，其中所述針狀氧化鐵顆粒長約0.04-0.1微米，寬約0.01-0.02微米。
60.根據權利要求49所述的方法，其中所述的液體介質是水。
61.根據權利要求49所述的方法，其中所述的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒是非半透明的。
62.一種制備α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒的方法，該方法包括(a)制備包含勃姆石、液體介質、氧化鐵源和非晶形二氧化硅源的分散體；(b)將所述分散體轉化成磨料顆粒前體；和(c)燒結所述的磨料顆粒前體，形成α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒，其中包含，根據元素氧化物計算，Al2O3、Fe2O3和SiO2；其中所述非晶形二氧化硅源料在所述分散體中的含量足以使得所述α氧化鋁基磨料顆粒其平均晶粒體積小于以相同方法制造但不含所述非晶形二氧化硅源料的含α氧化鋁基磨料顆粒的平均晶粒體積。
63.根據權利要求62所述的方法，其中所述的非晶形二氧化硅源包含膠體二氧化硅。
64.根據權利要求63所述的方法，其中所述膠體二氧化硅的平均粒度小于約150納米。
65.根據權利要求62所述的方法，其中所述的二氧化硅源還包含堿金屬氧化物。
66.根據權利要求65所述的方法，其中所述的膠體二氧化硅是膠體二氧化硅的pH約為1-3的水分散體。
67.根據權利要求62所述的方法，其中的氧化鐵源包含某種氧化鐵前體。
68.根據權利要求62所述的方法，其中的氧化鐵源包含某種晶體顆粒物質。
69.根據權利要求68所述的方法，其中氧化鐵顆粒的平均粒度小于約1微米。
70.根據權利要求69所述的方法，其中所述氧化鐵顆粒是針狀的。
71.根據權利要求70所述的方法，其中所述針狀氧化鐵顆粒長約0.04-0.1微米，寬約0.01-0.02微米。
72.一種制備α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒的方法，它包含以下步驟(a)制備包含液體介質、勃姆石和氧化鐵源的分散體；(b)將分散體形成為多孔性磨料顆粒前體；和(c)將多孔性磨料顆粒前體浸漬在包含足量非晶形二氧化硅源的浸漬組合物中，使得在步驟(d)和(e)之后該α氧化鋁其磨料顆粒的平均晶粒體積小于以相同方法但不加非晶形二氧化硅制成的含α氧化鋁基磨料顆粒的平均晶粒體積；(d)煅燒步驟(c)生成的磨料顆粒前體；和(e)加熱步驟(d)生成的煅燒磨料顆粒前體，生成所述的α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒。
73.根據權利要求72所述的方法，其中將所述分散體形成多孔性磨料顆粒前體的步驟包含在所述浸漬步驟(c)之前煅燒所述的磨料顆粒前體。
74.根據權利要求72所述的方法，其中所述的二氧化硅源包含某種烷氧基硅烷。
75.一種制備α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒的方法，它包含以下步驟(a)制備包含液體介質、勃姆石、氧化鐵源和平均粒度小于約150納米的膠體二氧化硅源的分散體；(b)將分散體轉化為磨料顆粒前體；和(c)將磨料顆粒前體燒結成α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒，其中包含，根據理論氧化物計算，Al2O3、Fe2O3和SiO2。
76.根據權利要求75所述的方法，其中所述的膠體二氧化硅源包含平均顆粒大小小于約150納米的非晶形二氧化硅。
77.根據權利要求75所述的方法，其中所述膠體二氧化硅的平均顆粒大小小于約100納米。
78.根據權利要求75所述的方法，其中所述的二氧化硅源還包含堿金屬氧化物。
79.根據權利要求75所述的方法，其中所述的氧化鐵源包含某種氧化鐵前體。
80.根據權利要求75所述的方法，其中所述的氧化鐵源料包含晶體顆粒物質。
81.根據權利要求80所述的方法，其中所述氧化鐵顆粒的平均顆粒大小小于約1微米。
82.根據權利要求81所述的方法，其中所述氧化鐵顆粒是針狀的。
83.根據權利要求82所述的方法，其中所述的針狀氧化鐵顆粒長約0.04-0.1微米，寬約0.01-0.02微米。
全文摘要
本發明涉及一種α氧化鋁基陶瓷磨料顆粒,它包含,按理論氧化物計,Al
文檔編號C04B35/111GK1188465SQ96194956
公開日1998年7月22日 申請日期1996年5月14日 優先權日1996年5月14日
發明者L·D·門羅, D·D·埃里克森, D·M·威爾遜, T·E·伍德 申請人:美國3M公司