燒結磨料顆粒、其制備方法以及包含燒結磨料顆粒的磨料制品的制作方法
【技術領域】
[0001] 本公開廣義地涉及磨料顆粒及其制備和使用方法。
【背景技術】
[0002] 燒結磨料顆粒和包含燒結磨料顆粒的磨料制品可在產品制造過程中用于研磨、整 理或磨削多種材料和表面。多種已知磨料顆粒、熔凝磨料顆粒（例如，包括熔凝氧化鋁、經 熱處理的熔凝氧化鋁和熔凝氧化鋁-氧化鋯）和燒結陶瓷磨料顆粒（包括溶膠-凝膠衍生 的燒結陶瓷磨料顆粒）被廣泛用于磨料領域。
[0003] α氧化鋁磨料顆粒為用于磨料行業的主要類別的磨料顆粒。通常通過將氧化鋁 源（諸如鋁礦石或礬土）以及其他期望添加劑裝入加熱爐，將材料加熱至高于其熔點，將熔 體冷卻以提供硬化塊體，將硬化塊體壓碾成顆粒，并且然后對顆粒進行篩選和分級以提供 期望的磨料粒度分布來制備熔凝α氧化鋁磨料顆粒。盡管熔凝α氧化鋁磨料顆粒和熔凝 氧化鋁-氧化鋯磨料顆粒仍然廣泛用于研磨應用（包括采用帶涂層磨料制品和粘結磨料 制品的那些），但自大約20世紀80年代中期以來，用于許多研磨應用的首要磨料顆粒為溶 膠-凝膠衍生的α氧化鋁顆粒（也稱作燒結陶瓷α氧化鋁顆粒）。
[0004] 溶膠-凝膠衍生的α氧化鋁磨料顆粒可具有由非常精細的α氧化鋁微晶（也稱 為"α氧化鋁晶粒"）組成的微觀結構，其中存在或不存在添加的輔助相。通常通過干燥α 氧化鋁前體（通常是但不一定是勃姆石）的水溶膠或凝膠以去除凝膠的水分，將干燥凝膠 打碎成用于磨料粗碾粉的具有期望尺寸的顆粒；任選地煅燒顆粒（通常在約400°C -800°C 的溫度下）以形成過渡氧化鋁（例如，γ氧化鋁），并且然后在足夠高的溫度下燒結干燥且 已任選煅燒的顆粒以將它們轉化成α氧化鋁形式，來產生溶膠-凝膠衍生的氧化鋁磨料。
[0005] 在溶膠-凝膠過程的一個實施例中，α氧化鋁前體"接種"晶體結構與α氧化鋁 自身的那些晶體結構相同并且晶格參數盡可能接近α氧化鋁自身的晶格參數的材料。"晶 種"（成核劑）以盡可能細分的形式添加并且在整個溶膠或凝膠中均勻分散。其可以在開 始時添加或在原位形成。晶種的功能為在低于不存在晶種時所需溫度的溫度下使得α型 的轉化在整個前體中均勻發生。該接種過程產生微晶結構，在該微晶結構中單個α氧化鋁 晶粒（即，具有基本上相同的晶體學取向的那些區域通過高角度晶界與相鄰的晶體分開） 的尺寸非常均勻并且直徑基本上全部為亞微米級。合適的晶種包括α氧化鋁本身和其他 化合物諸如α氧化鐵、低價氧化絡、鈦酸鎳，以及晶格參數充分類似于α氧化鋁的晶格參 數的其他化合物，從而在低于不存在此類晶種時正常發生轉化的溫度的溫度下能有效地由 前體生成α氧化鋁。
[0006] 類似地，一種或多種α氧化鋁晶體粒徑改性劑（例如，形成金屬氧化物的尖晶石） 也可添加到溶膠-凝膠，或浸漬到干燥的溶膠-凝膠顆粒或已煅燒顆粒中，以控制所得α 氧化鋁磨料顆粒中的氧化鋁晶粒的尺寸。
[0007] 然而，晶種和/或α氧化鋁晶體粒徑改性劑的使用為溶膠-凝膠過程增加了復雜 性和成本。
【發明內容】
[0008] 在一個方面，本公開提供一種制備燒結磨料顆粒的方法，該方法包括：
[0009] 使前體顆粒在一定條件下通過火焰，使得前體顆粒轉化成燒結磨料顆粒，其中前 體顆粒包含已煅燒的α氧化鋁前體，并且其中前體顆粒具有小于或等于500微米的平均粒 度。
[0010] 在另一方面，本公開提供具有蜂窩狀微觀結構的燒結磨料顆粒，其包含α氧化鋁 的α氧化鋁晶粒，α氧化鋁晶粒的最大尺寸小于約3微米，其中燒結磨料顆粒具有小于或 等于500微米的平均粒度，并且其中燒結磨料顆粒基本上不含晶種粒子和α氧化鋁粒徑改 性劑。
[0011] 根據本公開制備的α氧化鋁磨料顆粒可用于磨料制品。因此，在另一方面，本公 開提供一種包含粘結劑和多個磨料顆粒的磨料制品，其中燒結磨料顆粒的至少一部分為根 據本公開的α氧化鋁磨料顆粒。
[0012] 有利地，根據本公開的方法提供在不依賴晶種粒子或α氧化鋁晶體粒徑改性劑 的情況下經由溶膠-凝膠過程形成α氧化鋁磨料顆粒的途徑，以提供具有小α氧化鋁粒 度的高密度α氧化鋁顆粒。此外，該方法通常是迅速的。
[0013] 如本文所用，術語"已煅燒的"意為在足夠長的時間內加熱到低于熔點的高溫（例 如，650Γ )，以去除所吸附的和化學結合的（如水合物）水和其他揮發性化合物。
[0014] 如本文所用，術語"基本上不含"意為，基于重量，最多包含微量（例如，小于 0. 1 %、小于0.01 %、小于0.001 %或者甚至小于0.0001 % )或完全不含。
[0015] 如本文所用，應用于顆粒的術語"成形"意為該顆粒具有通過用于制備它的方法所 賦予的非隨機形狀，并且明確排除機械壓碎的顆粒和/或研磨的顆粒。
[0016] 在考慮【具體實施方式】以及所附權利要求書之后，將進一步理解本公開的特征和優 點。
【附圖說明】
[0017] 圖1為示出根據本公開制備磨料顆粒的示例性方法的過程流程圖。
[0018] 圖2為包含根據本公開的磨料顆粒的帶涂層磨料制品的局部示意性剖視圖。
[0019] 圖3為包含根據本公開的磨料顆粒的粘結磨料制品的透視圖。
[0020] 圖4為包含根據本公開的磨料顆粒的無紡磨料制品的放大示意圖。
[0021] 圖5為在實例1中產生的燒結磨料顆粒的掃描電子顯微圖。
[0022] 圖6為在比較例A中產生的燒結磨料顆粒的掃描電子顯微圖。
[0023] 圖7至圖12分別為在實例2至實例7中產生的燒結磨料顆粒的掃描電子顯微圖。
[0024] 圖13為在比較例B中產生的燒結磨料顆粒的掃描電子顯微圖。
[0025] 圖14和圖15分別為用于實例8和實例9的圖像分析的標本的掃描電子顯微圖。
[0026] 在說明書和附圖中重復使用的參考符號旨在表示本公開相同或類似的特征或元 件。應當理解，本領域的技術人員可以設計出大量其他修改和實施例，這些修改和實施例在 本公開原理的范圍和實質內。附圖可以不按比例繪制。
【具體實施方式】
[0027] 在本公開的一個實施例中，包含已煅燒的α氧化鋁前體的前體顆粒在一定條件 下通過火焰，使得前體顆粒轉化成燒結磨料顆粒。現在參考圖1所示的示例性過程100,已 煅燒的前體顆粒110穿過噴嘴120落下，從而在開口 170處離開并進入火焰130中，其中發 生已煅燒前體顆粒110到磨料顆粒140的轉化。燒結磨料顆粒140在密封容器160的底部 處被收集。火焰130通過燃料入口 132和氧氣入口 134送入。氬氣通過氬氣入口 136引入 并且用于加快已煅燒前體顆粒110穿過噴嘴120的速度。
[0028] 所得的磨料顆粒具有由燒結α氧化鋁晶粒形成的蜂窩狀微觀結構。盡管這并非 要求，但α氧化鋁晶粒通常具有小尺寸。在一些實施例中，蜂窩狀微觀結構包含α氧化鋁 晶粒，該α氧化鋁晶粒的最大尺寸小于約3微米、小于約2. 5微米，甚至小于約2微米。
[0029] 即使本公開的方法通常涉及大約1秒或更短的火焰接觸時間（這一點無要求），但 所得的燒結磨料顆粒可具有低孔隙率。例如，燒結磨料顆粒可具有包含α氧化鋁的蜂窩狀 微觀結構，其中α氧化鋁具有小于或等于5%的面積孔隙率，如在高倍放大（例如，10, 000 倍放大）的情況下使用燒結磨料顆粒的橫截面的圖像分析所測得。
[0030] 例如，燒結磨料顆粒可具有以下面積孔隙率：小于或等于4. 5%、小于或等于4%、 小于或等于3. 5 %、小于或等于3 %、小于或等于2. 5 %、小于或等于1 %、小于或等于0. 5 %、 或甚至小于或等于0.1%。這是意料之外的，因為由具有能與之相比的孔隙率的α氧化鋁 前體顆粒形成α氧化鋁基顆粒的常規過程通常涉及在幾十分鐘至幾十個小時的范圍內的 加熱時間。
[0031] 面積孔隙率可使用常規技術進行確定，所述技術為諸如例如，使用可 購自馬里蘭州貝塞斯達的美國國家衛生研究院（u. S. National Institute of Health, Bethesda, Maryland)的 ImageJ 軟件。使用高倍放大（例如，從 2, OOOX 至 10, OOOX 的放大倍數）下的場發射掃描電鏡利用反散射電子，對燒結磨料顆粒的隨機橫截面進行獨 立成像。由于相對高的放大倍數，因此在磨料顆粒的橫截面表面中的每個上來選擇隨機區 域。隨后使用ImageJ圖像分析軟件對圖像進行分析。數據通過以下方式獲得：手動測量各 個暴露空隙的面積并將這些單孔面積測量值合并以獲得每個圖像的總空隙面積，然后將該 值除以總視野區域面積，以獲得面積孔隙率（即，基于面積確定的孔隙率）。可使用常規的 統計方法（例如，關于測量值和樣品的數目）來確定孔隙率。
[0032] 前體顆粒包含已煅燒的α氧化鋁前體。可煅燒的α氧化鋁前體的示例包括：過 渡氧化鋁（例如，勃姆石、水鋁石、水鋁礦、三羥鋁石、新三水鋁石）；鋁鹽和復合物，諸如例 如堿性羧酸鋁（例如，具有通式Al (OH)y (羧酸鹽）3 y的堿性羧酸鋁，其中y在1至2之間， 優選地在1至1. 5之間，并且羧酸根抗衡離子選自以下各項組成的組：甲酸鹽、乙酸鹽、丙酸 鹽和草酸鹽，或這些羧酸鹽、甲醛乙酸鋁和硝基甲醛乙酸鋁組合）；堿性硝酸鋁；部分水解 鋁醇鹽；以及它們的組合。堿性羧酸鋁可通過在羧酸溶液中煮解鋁金屬來制備，如在美國專 利3, 957, 598 (Merkl)中所述。堿性硝酸鋁也可通過在硝酸溶液中煮解鋁金屬來制備，如在 美國專利3, 340, 205 (Hayes等人）或英國專利1，193, 258 (Fletcher等人）中所述，或者通 過硝酸鋁的熱分解來制備，如在美國專利2, 127, 504 (Derr等人）中所述。這些材料也可通 過將鋁鹽用堿部分中和而制備。堿性硝酸鋁具有通式Al (OH) z(N03)3 z，其中z為約0. 5至 2. 5〇
[0033] 合適的勃姆石包括，例如可從新澤西州弗洛勒姆帕克的BASF公司 (BASF Corp. ,Florham Park, New Jersey)商購獲得的商品名為 "HIQ"（例如， "HIQ-9015"）的那些，和可從德克薩斯州休斯敦市的薩索爾北美公司（Sasol North America, Houston, Texas)商購獲得的商品名為 "DISPERAL"、"DISPAL" 和 "CATAPAL D" 的 那些。這些勃姆石或一水合氧化鋁為α型，并且如果有的話，包括相對少的除一水合物之 外的水合相（盡管在一些商業等級的勃姆石中可存在非常少量的三水合物雜質，這是可以 容許的）。它們在水中具有低的溶解度并具有高的表面積（通常至少約180平方米/克）。 優選地勃姆石的平均微晶尺寸小于約20納米（更優選地小于12納米）。在該上下文中， "微晶尺寸"通過120和031χ射線反射來確定。
[0034] 前體顆粒可包含水和/或有機溶劑，特別是如果前體顆粒由溶膠或凝膠形成或者 包含在漿液內。有利地，揮發性組分（例如，水和/或有機溶劑）的含量被最小化，以便避免 揮發性組分的爆炸性揮發，爆炸性揮發在前體顆粒與火焰接觸時導致其損壞或破壞。盡管 這并非要求，但此類揮發性組分在前體顆粒中的含量優選地小于前體顆粒的約10重量％、 小于約5重量％，或者甚至小于約1重量％。
[0035] 在一些實施例中，前體顆粒包含壓碎的過渡氧化鋁顆粒。在一些實施例中，前體顆 粒由包含α氧化鋁前體的溶膠-凝膠組合物形成，例如，如上所述。例如可通過諸如擠壓 (切割成一定長度）、絲網印刷到可剝離襯片上或填充模具腔體的工藝，將溶膠-凝膠組合 物形成為顆粒。其中，通常后者為優選的。如本文所用，術語"溶膠-凝膠組合物"是指固 體顆粒在液體中的膠態分散，該膠態分散在加熱一段時間后形成固體顆粒的三維網絡，或 者去除一些液體。在一些情況下，可通過添加多價金屬離子來誘導凝膠形成。
[0036] 在涉及溶膠-凝膠組合物的