CN103702800A

CN103702800A - 包括氮化硅磨粒的磨料制品

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Publication number: CN103702800A
Application number: CN201280036432.7A
Authority: CN
Inventors: G·王; V·K·布加瑞; Y·波桑特-洛克斯
Original assignee: Saint Gobain Industrial Ceramics Inc
Current assignee: Norwegian Fuwen Co.
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2012-06-30
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2032-06-30
Also published as: US20150128505A1; WO2013003830A2; CN108262695A; WO2013003830A3; CN103702800B; US9598620B2; US8986409B2; US20130000216A1

Abstract

磨料制品包括具有包含在粘结材料中的磨粒的主体。磨粒可以包括主要含量的氮化硅和少数含量的烧结材料，所述烧结材料包括至少两种稀土氧化物材料。在一个实施方案中，稀土氧化物材料可以包括Nd₂O₃和Y₂O₃。在一个特定的实施方案中，磨粒包括大于Y₂O₃含量(wt％)的Nd₂O₃含量(wt％)。

Description

包括氮化硅磨粒的磨料制品

背景

技术领域

本公开总体上涉及掺入磨粒的磨料制品，更特别地，涉及掺入氮化硅磨粒的磨料制品。

背景技术

磨料制品(诸如涂覆的磨料以及粘结的磨料)被用在不同的工业中以便诸如通过研磨或抛光来加工工件。利用磨料制品的机加工跨越了从光学行业、汽车补漆行业到金属制造行业的广阔工业范围。在这些实例的每一个中，制造设施使用磨料去除成块材料或影响产品的表面特性。例如，当研磨、抛光或精加工一些不同类型的工件包括例如金属、木材或石头时，可以使用磨料制品诸如磨料段。然而，工业上持续地要求磨料技术的改进。

发明内容

在一个方面中，磨料制品包括具有包含在粘结材料中的磨粒的主体。磨粒可以包括主要含量的氮化硅和少数含量的烧结材料，所述烧结材料包括至少两种稀土氧化物材料。在一个实施方案中，稀土氧化物材料可以包括Nd₂O₃和Y₂O₃。在一个特定的实施方案中，磨粒包括大于Y₂O₃含量(wt％)的Nd₂O₃含量(wt％)。

在另一个方面中，磨料制品包括单层粘结的磨料工具，所述磨料工具具有基底和覆盖在基底表面上的粘结材料的层。在一个实施方案中，单层粘结的磨料工具还可以包括粘附在粘结材料中并且附接至基底表面的磨粒。磨粒可以包括液相烧结氮化硅。

在另一个方面中，方法包括形成氮化硅、至少两种稀土元素以及至少一种烧结助剂的混合物。在一个实施方案中，至少两种稀土元素包括Nd₂O₃和Y₂O₃。方法还包括处理混合物以形成生粒子以及烧结生粒子以形成磨粒。

附图说明

通过参考附图可以更好地理解本公开，并且使其许多特征和优点对于本领域技术人员变得清楚。

图1包括示出了根据一个实施方案制备氮化硅磨粒的方法的流程图。

图2包括根据一个实施方案的氮化硅磨粒的一部分的第一扫描电子显微镜(SEM)图像。

图3包括根据一个实施方案的氮化硅磨粒的一部分的第二SEM图像。

图4包括根据一个实施方案的氮化硅磨粒的一部分的第三SEM图像。

图5包括根据一个实施方案的氮化硅磨粒的一部分的SEM图像。

图6包括常规氮化硅磨粒的一部分的SEM图像。

图7-12包括根据一个实施方案的包括磨粒材料的成形的磨粒的图示。

图13包括根据一个实施方案的磨粒的透示图示。

图14包括图13的磨粒的一部分的横截面图示。

图15包括掺入根据一个实施方案的氮化硅磨粒的粘结的磨料轮的透视视图；

图16包括掺入根据一个实施方案的氮化硅磨粒的另一个粘结的磨料轮的透视视图；

图17包括掺入根据一个实施方案的氮化硅磨粒的又一个粘结的磨料轮的透视视图；

图18包括示出了在研磨白口铸铁工件过程中各种粘结的磨料研磨轮的G-比率的第一条形图；

图19包括示出了在研磨钛合金工件过程中各种粘结的磨料研磨轮的G-比率的第二条形图。

图20包括示出了在研磨钛合金工件过程中另外的粘结的磨料研磨轮的G-比率的第三条形图；

图21包括示出了在研磨白口铸铁工件过程中另外的粘结的磨料研磨轮的G-比率的第四条形图。

在不同附图中使用相同的附图标记来表示类似或相同的项目。

具体实施方式

首先参照图1，示出了制备氮化硅磨粒的方法，其通常命名为100。方法100通过在混合器中形成包括氮化硅、至少一种稀土元素以及至少一种烧结助剂的干混合物开始于102。

在一个特定的实施方案中，稀土元素可以包括稀土氧化物。例如，稀土氧化物可以选自Y₂O₃、Nd₂O₃、La₂O₃及其组合。此外，稀土氧化物可以包括至少两种不同稀土氧化物组分。例如，混合物可以包括稀土氧化物Y₂O₃和Nd₂O₃。特别地可以基本上由Y₂O₃和Nd₂O₃组成。

烧结助剂可以包括氧化物材料。例如，烧结助剂可以包括Al₂O₃、MgO、TiO₂及其组合。

在一个实施方案中，混合物可以包括其他材料诸如AlN和TiC，其有助于氮化硅磨粒的形成。在一些情况下，AlN可以作为另外的烧结助剂，TiC可以助于增强磨粒。

将理解的是烧结助剂可以是粉末烧结助剂。在一个实施方案中，烧结助剂的平均粒径可以为至少约0.8微米、至少约2微米或至少约5微米。在另一个实施方案中，烧结助剂的平均粒径可以不大于约12微米、不大于约10微米或不大于约7微米。将理解的是烧结助剂的平均粒径可以在上述任何最小与最大值之间或者包括端值的范围内。

此外，可以以粉末形式提供氮化硅。在一个实施方案中，氮化硅的平均粒径可以为至少约0.4微米、至少约1.1微米或至少约1.7微米。在另一个实施方案中，氮化硅的平均粒径可以不大于约5.5微米、不大于约3.9微米或不大于约2.5微米。将理解的是氮化硅的平均粒径可以在上述任何最小与最大尺寸之间或者包括端值的范围内。在一个特定的示例性实施方案中，氮化硅的平均粒径可以在约0.4微米至约2微米的范围内。此外，氮化硅的比表面积可以在约9m²／g至约13m²／g的范围内。在一些情况下，氮化硅粉末可以包括杂质，诸如氧、碳、氯、铁、铝和钙。杂质可以以痕量存在。

在一个实施方案中，混合物可以包括混合物总重量的至少约80wt％的氮化硅粉末、混合物总重量的至少约83wt％的氮化硅粉末或混合物总重量的至少约86wt％的氮化硅粉末。在另一个实施方案中，混合物可以包括混合物总重量的不大于约93wt％、混合物总重量的不大于约91wt％或混合物总重量的不大于约88wt％。将理解的是混合物中氮化硅粉末的含量可以在上述任何最小与最大尺寸之间或者包括端值的范围内。

在一些情况下，混合物可以包括混合物总重量的至少约0.5wt％的稀土氧化物、混合物总重量的至少约3.1wt％的稀土氧化物或混合物总重量的至少约5.8wt％的稀土氧化物。在其他情况下，混合物可以包括混合物总重量的不大于约15.8wt％的稀土氧化物、混合物总重量的不大于约12.7wt％的稀土氧化物、混合物总重量的不大于约9.3wt％的稀土氧化物或混合物总重量的不大于约7.6wt％的稀土氧化物。将理解的是混合物中稀土氧化物的含量可以在上述任何最小与最大值之间或者包括端值的范围内。

在一些情况下，混合物可以包括混合物总重量的至少约0.3wt％的烧结助剂、混合物总重量的至少约2.6wt％的烧结助剂或混合物总重量的至少约5.2wt％的烧结助剂。在其他情况下，混合物可以包括混合物总重量的不大于约13.2wt％的烧结助剂、混合物总重量的不大于约10.4wt％的烧结助剂或混合物总重量的不大于约7.7wt％的烧结助剂。将理解的是混合物中烧结助剂的含量可以在上述任何最小与最大值之间或者包括端值的范围内。

在一些实施方案中，混合物中总烧结助剂内容物可以包括一种或更多种前述的烧结助剂诸如Al₂O₃、MgO、TiO₂，一种或更多种稀土氧化物，AlN或其组合。在一个特定的实施方案中，混合物可以包括混合物总重量的至少约0.7wt％、混合物总重量的至少约4.6wt％或混合物总重量的至少约7.2wt％的总烧结助剂内容物。在其他情况下，混合物可以包括混合物总重量的不大于约16.4wt％、混合物总重量的不大于约13.8wt％、混合物总重量的不大于约9.3wt％或混合物总重量的不大于约7.6wt％的总烧结助剂内容物。将理解的是混合物中总烧结助剂含量可以在上述任何最小与最大值之间或者包括端值的范围内。在一个特定的示例性实施方案中，混合物的总烧结助剂内容物可以为混合物总重量的约8wt％至约13wt％。

在104，方法100可以包括改变包括氮化硅、稀土元素、烧结助剂以及任何其他另外的材料的混合物。可以通过在研磨机中将混合物和液体载体一起研磨来改变氮化硅、稀土元素和烧结助剂的混合物。

液体载体可以包括有机或无机材料。例如，在一个实施方案中，液体载体可以包括水(H₂O)。液体载体也可以包括醇，诸如异丙醇(IPA)。具体地，在一个实施方案中，液体载体可以包括混合物总体积的至少70vol％的H₂O、至少75vol％的H₂O或甚至至少80vol％的H₂O。此外，液体载体可以包括不大于95vol％的H₂O、不大于90vol％的H₂O或不大于85vol％的H₂O。将理解的是H₂O的量可以在上述任何最小与最大百分比之间或者包括端值的范围内。

液体载体可以包括混合物总体积的至少5vol％的IPA、至少10vol％的IPA、至少15vol％的IPA或甚至至少20vol％的IPA。液体载体可以包括不大于30vol％的IPA或不大于25vol％的IPA。将理解的是IPA的量可以在上述任何最小与最大百分比之间或者包括端值的范围内。

可以将混合物研磨以实现特定的粒径。例如，可以进行研磨直到经研磨的混合物的平均粒径为至少约0.4微米、至少约0.6微米或至少约0.8微米。此外，经研磨的混合物的平均粒径可以不大于约1.4微米、不大于约1.1微米或不大于约0.9微米。将理解的是平均粒径可以在上述任何最小与最大尺寸之间或者包括端值的范围内。

在一个实施方案中，可以将混合物研磨以实现粒子的比表面积为约8.8m²／g、至少约10.4m²／g或至少约12.5m²／g。也可以将混合物研磨以实现粒子的比表面积不大于约15.3m²／g、不大于约13.9m²／g或不大于约12.8m²／g。将理解的是混合物的粒子的比表面积可以在上述任何最小与最大值之间或者包括端值的范围内。

在一些情况下，在研磨过程前可以将AlN添加至混合物以便将AlN与混合物的其他材料一起研磨。在其他情况下，可以将AlN添加至经研磨的混合物。

转到106，方法100可以包括处理经研磨的混合物以产生生粒子。例如，处理经研磨的混合物可以包括温度的施加、压力的施加、化学品的施加或其组合以促进经研磨的混合物中的变化。温度的施加可以包括冷却过程或加热过程。此外，处理经研磨的混合物可以包括烧结。然而，根据一个特定的实施方案，处理经研磨的混合物可以包括冷冻干燥经研磨的混合物。

在一个实施方案中，冷冻干燥可以在至少约-60℃、至少约-57℃或至少约-55℃的温度下进行。在其他情况下，冷冻干燥可以在不大于约-30℃、不大于约-38℃或不大于约-45℃的温度下进行。将理解的是冷冻干燥过程可以在上述任何最小与最大值之间或者包括端值的范围内进行。在一个示例性实施方案中，冷冻干燥操作可以在约-55℃至约-45℃的温度下进行。

在另外的实施方案中，冷冻干燥过程可以在不大于约18％、不大于约14％、不大于约8％或不大于约4％的相对湿度下进行。

此外，冷冻干燥过程的持续时间可以为至少约1.2小时、至少约1.5小时或至少约1.8小时。在其他情况下，冷冻干燥过程的持续时间可以不大于约2.8小时、不大于约2.3时或不大于约2.0小时。将理解的是冷冻干燥过程的持续时间可以在上述任何最小与最大值之间或者包括端值的范围内。

可以理解的是冷冻干燥经研磨的混合物可以得到具有特定形态的粒子。例如，粒子可以是细长的或基本上针状的(即，针形的)。粒子的长度∶宽度的纵横比可以为至少约1.3、至少约2∶1、至少约5∶1或至少约10∶1。然而，在一些情况下，纵横比可以不大于约65∶1、不大于约40∶1、不大于约20∶1、不大于约15∶1或不大于约12∶1。将理解的是纵横比可以在上述任何最小与最大比值之间或者包括端值的范围内。

在一些情况下，经冷冻干燥的粒子的长度可以为至少约0.1微米、至少约1.2微米或至少约2.3微米。此外，经冷冻干燥的粒子的长度可以不大于约5.7微米、不大于约3.9微米或不大于约3.1微米。将理解的是经冷冻干燥的粒子的长度可以在上述任何最小与最大尺寸之间或者包括端值的范围内。在一个特定的示例性实施方案中，经冷冻干燥的粒子的平均长度可以在约0.8微米至约1.4微米的范围内。

在一些实施方案中，经冷冻干燥的粒子的宽度可以为至少约0.06微米、至少约0.2微米或至少约0.6微米。此外，经冷冻干燥的粒子的宽度可以不大于约1.4微米、不大于约1.1微米或不大于约0.8微米。将理解的是经冷冻干燥的粒子的宽度可以在上述任何最小与最大尺寸之间或者包括端值的范围内。在一个特定的示例性实施方案中，经冷冻干燥的粒子的平均宽度可以在约0.15微米至约0.40微米的范围内。

在106的处理过程之后，方法100可以继续到108，其中方法100可以包括将生粒子分类。在108进行的分类过程可以包括将生粒子通过尺寸、形状或其组合分类。此外，分类过程可以包括筛分生粒子。

在一个实施方案中，可以使用一种或更多种网筛将生粒子过筛以便将生粒子分类成一种或更多种不同的磨料粒度。在一些方面中，过筛过程可以提供具有至少约220微米、至少约300微米或至少约370微米的平均粒径的生粒子。在其他方面中，过筛过程可以提供具有不大于约580微米、不大于约510微米或不大于约440微米的平均粒径的生粒子。将理解的是过筛的生粒子的平均粒径可以在上述任何最小与最大值之间或者包括端值的范围内。在一个特定的示例性实施方案中，过筛的生粒子的平均粒径可以在约545微米至约400微米的范围内。在另一个特定的示例性实施方案中，过筛的生粒子的平均粒径可以在约250微米至约400微米的范围内。

在110，方法100可以包括处理生粒子以产生磨粒。例如，处理生粒子可以包括温度的施加、压力的施加、化学品的施加或其组合以促进生粒子中的物理变化。在一个特定的实施方案中，处理生粒子可以包括烧结生粒子。烧结可以包括施加升高的温度以影响生粒子中的致密度和颗粒生长来产生烧结的磨粒的过程。在一些情况下，烧结过程可以包括无压烧结过程。

可以在至少约1600℃、至少约1650℃或至少约1700℃的温度下烧结生粒子。此外，可以在大于不大于约1825℃、不大于约1780℃或不大于约1750℃的温度下烧结生粒子。将理解的是烧结温度可以在上述任何最小与最大温度之间或者包括端值的范围内。

在一个实施方案中，可以将生粒子烧结至少约75分钟、至少约82分钟或至少约90分钟的持续时间。在另一个实施方案中，可以将生粒子烧结不大于约105分钟、不大于约98分钟或不大于约93分钟的持续时间。将理解的是烧结操作的持续时间可以在上述任何最小与最大温度之间或者包括端值的范围内。

可以在特定的烧结气氛中烧结生粒子。例如，烧结气氛可以包括惰性气体包括，例如，稀有气体诸如氖气或氩气，或者可选地惰性物质诸如氮气。可以使用这些气体的组合。在其他情况下，烧结气氛可以包括还原性气体。

在另一个实施方案中，处理过程更特别是烧结过程也可以包括施加升高的压力至生粒子。例如，可以通过热等静压(HIPing)来处理生粒子。可以在至少约1730℃、至少约1750℃或至少约1780℃的温度下热等静压生粒子。此外，可以在不大于约1870℃、不大于约1840℃或不大于约1800℃的温度下热等静压生粒子。将理解的是热等静压温度可以在上述任何最小与最大温度之间或者包括端值的范围内。

此外，根据一个实施方案，生粒子的热等静压可以进行至少约1.3小时、至少约1.6小时或甚至至少约1.8小时的持续时间。在另一个实施方案中，生粒子的热等静压可以进行不大于约2.6小时、不大于约2.3小时或甚至不大于约2.0小时的持续时间。将理解的是热等静压持续时间可以在上述任何最小与最大时间之间或者包括端值的范围内。

根据一个实施方案，生粒子可以在特定的压力下经受热等静压以促进根据本文的实施方案的磨粒的形成。例如可以在至少约100MPa、至少约145MPa或至少约180MPa的压力下热等静压生粒子。此外，可以在不大于约260MPa、不大于约225MPa或不大于约205MPa的压力下热等静压生粒子。将理解的是压力可以在上述任何最小与最大压力之间或者包括端值的范围内。

在112，方法100可以包括改变磨粒。可以通过在研磨机中研磨混合物来改变磨粒。在一些实施方案中，研磨过程中可以包括喷射研磨、粉碎操作或其组合。

在112改变磨粒之后，方法100可以继续到114，其中方法100可以包括将磨粒分类。在114进行的分类过程可以包括将磨粒通过尺寸、形状或其组合分类。此外，分类过程可以包括筛分氮化硅磨粒。

在一个实施方案中，可以使用一种或更多种网筛将磨粒过筛以便将磨粒分类成一种或更多种不同的磨料粒度。

磨粒的平均粒径可以为至少约5微米、至少约18微米或至少约32微米。此外，磨粒的平均粒径可以为不大于约300微米、不大于约135微米、不大于约75微米、不大于约63微米或不大于约54微米。将理解的是平均粒径可以在上述任何最小与最大尺寸之间或者包括端值的范围内。

在一些情况下，磨粒的理论密度可以为至少约85％、至少约89％或至少约94％。在其他情况下，磨粒的理论密度可以不大于约99.5％、不大于约98％或不大于约96％。将理解的是磨粒的理论密度可以在上述任何最小与最大值之间或者包括端值的范围内。

图2至图5分别包括磨粒200、磨粒300、磨粒400和磨粒500的一部分的各种SEM图像的图示。特别地，根据本文所描述的实施方案从比表面积在约8m²／g至约12m²／g范围内的氮化硅粉末形成图2的磨粒200。使氮化硅粉末经受无压烧结和热等静压。磨粒200的理论密度为至少约98％。此外，根据本文所描述的实施方案形成图3的磨粒300。特别地，从比表面积在约8m²／g至约12m²／g范围内的氮化硅粉末形成磨粒300。使氮化硅粉末经受无压烧结并且不经受热等静压过程。此外，根据本文所描述的实施方案使用比表面积在约4m²／g至约6m²／g范围内的氮化硅粉末形成图4的磨粒400。使氮化硅粉末经受无压烧结并且不经受热等静压过程。

磨粒200、300、400可以包括分散在粘结材料中的多个细长的或针状的颗粒。图2至图5表明，细长的颗粒的平均粒径可以为至少约0.1微米、至少约0.2微米、至少约0.5微米或至少约0.8微米。此外，细长的颗粒的平均粒径可以不大于约1.5微米、不大于约1.2微米、不大于约1.1微米，或甚至不大于约1微米。将理解的是平均粒径可以在上述任何最小与最大尺寸之间或者包括端值的范围内。

此外，如图2至图5所描绘的，细长的颗粒的长度∶宽度的纵横比可以为至少约2∶1、至少约5∶1或至少约10∶1。此外，纵横比可以不大于约65∶1、不大于约20∶1、不大于约15∶1或不大于约12∶1。将理解的是纵横比可以在上述任何最小与最大比值之间或者包括端值的范围内。

图6包括常规氮化硅磨粒600的一部分的SEM图像。氮化硅磨粒600包括若干空隙，诸如空隙602。

在一些实施方案中，可以使磨粒形成以具有特定形状或轮廓。合适的成形技术可以包括挤出、模塑、丝网印刷、铸造、冲压、模压、挤压、切割及其组合。例如，磨粒可以具有特定的轮廓，诸如多面体形状，包括例如，三角形、矩形、五边形、六边形、圆锥形、螺旋形、椭圆形和细长的形状。磨粒可以包括这些形状的组合。在一个特定的实施方案中，可以由具有复杂的三维几何形状的主体来形成磨粒，所述三维几何形状包括在由纵向轴线、横向轴线和垂直轴线限定的三个相互垂直的平面中的三重对称。

图7-12包括具有特定的轮廓并且限定成形的磨粒的示例性磨粒材料，其可以包括本文所描述的组分。如图7所示，成形的磨粒700可以包括主体701，其是具有第一端面702和第二端面704的大体上棱柱形的。此外，成形的磨粒700可以包括在第一端面702和第二端面704之间延伸的第一侧面710。第二侧面712可以在第一端面702和与第一侧面710相邻的第二端面704之间延伸。如图所示，成形的磨粒700还可以包括在第一端面702和第二端面704之间延伸的第三侧面714，所述第二端面704与第二侧面712及第一侧面710相邻。

如图7所描绘的，成形的磨粒700还可以包括在第一侧面710和第二侧面712之间的第一边缘720。成形的磨粒700还可以包括在第二侧面712和第三侧面714之间的第二边缘722。此外，成形的磨粒700可以包括在第三侧面714和第一侧面712之间的第三边缘724。

如图所示，成形的磨粒700的每个端面702、704在形状上可以是大体上三角形的。每个侧面710、712、714在形状上可以是大体上矩形的。此外，成形的磨粒700在平行于端面702、704的平面中的横截面可以是大体上三角形的。将理解的是虽然成形的磨粒700通过平行于端面702、704的平面的横截面形状被示出为大体上三角形的，其他形状也是可能的，包括任何多面体形状，例如四边形、五边形、六边形、七边形、八边形、九边形、十边形等。此外，成形的磨粒的横截面形状可以是凸的、非凸的、凹的或非凹的。

图8包括根据另一个实施方案的成形的磨粒的图示。如所描绘的，成形的磨粒800可以包括主体801，其可以包括沿纵向轴线804延伸的中心部分802。第一径向臂806可以从中心部分802沿中心部分802的长度方向向外延伸。第二径向臂808可以从中心部分802沿中心部分802的长度方向向外延伸。第三径向臂810可以从中心部分802沿中心部分802的长度方向向外延伸。此外，第四径向臂812可以从中心部分802沿中心部分802的长度方向向外延伸。径向臂806、808、810、812可以等间隔围绕成形的磨粒800的中心部分802。

如图8所示，第一径向臂806可以包括大体上箭头形的远端820。第二径向臂808可以包括大体上箭头形的远端822。第三径向臂810可以包括大体上箭头形的远端824。此外，第四径向臂812可以包括大体上箭头形的远端826。

图8还表明可以使成形的磨粒800形成为具有在第一径向臂806和第二径向臂808之间的第一空隙830。可以在第二径向臂808和第三径向臂810之间形成第二空隙832。也可以在第三径向臂810和第四径向臂812之间形成第三空隙834。此外，可以在第四径向臂812和第一径向臂806之间形成第四空隙836。

如图8所示，成形的磨粒800可以包括长度840、高度842和宽度844。在一个特定的方面中，长度840大于高度842，高度842大于宽度844。在一个特定的方面中，成形的磨粒800可以限定为长度840与高度842之比(长度∶宽度)的初级纵横比。此外，成形的磨粒800可以限定为高度842与宽度844之比(宽度∶高度)的次级纵横比。最后，成形的磨粒800可以限定为长度840与宽度842之比(长度∶高度)的第三纵横比。

根据一个实施方案，成形的磨粒的初级纵横比可以为至少约1∶1，诸如至少约1.1∶1、至少约1.5∶1、至少约2∶1、至少约2.5∶1、至少约3∶1、至少约3.5∶1、至少4∶1、至少约4.5∶1、至少约5∶1、至少约6∶1、至少约7∶1、至少约8∶1或甚至至少约10∶1。

在另一情况下，可以使成形的磨粒形成使得主体的次级纵横比为至少约0.5∶1，诸如至少约0.8∶1、至少约1∶1、至少约1.5∶1、至少约2∶1、至少约2.5∶1、至少约3∶1、至少约3.5∶1、至少4∶1、至少约4.5∶1、至少约5∶1、至少约6∶1、至少约7∶1、至少约8∶1或甚至至少约10∶1。

此外，一些成形的磨粒的第三纵横比可以为至少约1∶1，诸如至少约1.5∶1、至少约2∶1、至少约2.5∶1、至少约3∶1、至少约3.5∶1、至少4∶1、至少约4.5∶1、至少约5∶1、至少约6∶1、至少约7∶1、至少约8∶1或甚至至少约10∶1。

成形的磨粒800的一些实施方案可以具有对应于大体上矩形(例如，平的或弯曲的)的初级纵横比的形状。成形的磨粒800对应于次级纵横比的形状可以是任何多面体形状，例如，三角形、正方形、矩形、五边形等。成形的磨粒800对应于次级纵横比的形状也可以是任何字母数字字符的形状，例如，1、2、3等，A、B、C等。此外，成形的磨粒800对应于次级纵横比的轮廓可以是选自希腊字母、现代拉丁字母、古代拉丁字母、俄文字母、任何其他字母或其任意组合的字符。此外，成形的磨粒800对应于次级纵横比的形状可以是汉字字符。

图9-10描绘了通常被命名为900的成形的磨粒的另一个实施方案。如图所示，成形的磨粒900可以包括具有大体上立方体形状的主体901。将理解的是可以使成形的磨粒形成以具有其他多面体形状。主体901可以具有第一端面902和第二端面904、在第一端面902和第二端面904之间延伸的第一侧面906、在第一端面902和第二端面904之间延伸的第二侧面908。此外，主体901可以具有在第一端面902和第二端面904之间延伸的第三侧面910，以及在第一端面902和第二端面904之间延伸的第四侧面912。

如图所示，第一端面902和第二端面904可以彼此平行，可以通过侧面906、908、910和912分隔，赋予主体类似立方体的结构。然而，在一个特定的方面中，第一端面902可以相对于第二端面904旋转以建立扭转角914。主体901的扭转可以沿一个或更多个轴，其限定特定类型的扭转角。例如，如在图10中主体的俯视图所示，俯视纵向轴线980限定了主体901在端面902上的长度，所述端面902平行于由沿主体901的宽度维度延伸的横向轴线981和沿主体901的高度维度延伸的垂直轴线982限定的平面。根据一个实施方案，主体901可以具有限定了主体901中围绕纵向轴线的扭转的纵向扭转角914，使得端面902和904相对于彼此旋转。如图10中所示，扭转角914可以作为第一边缘922和第二边缘924的切线之间的角来测量，其中第一边缘922和第二边缘924由共同边缘926连接并共用共同边缘926，所述共同边缘926在两个侧面(910和912)之间纵向地延伸。将理解的是可以使其他成形的磨粒形成以具有相对于横向轴线、垂直轴线及其组合的扭转角。任何这样的扭转角的值可以如本文所述。

在一个特定的方面中，扭转角914为至少约1°。在其他情况下，扭转角可以更大，诸如至少约2°、至少约5°、至少约8°、至少约10°、至少约12°、至少约15°、至少约18°、至少约20°、至少约25°、至少约30°、至少约40°、至少约50°、至少约60°、至少约70°、至少约80°或甚至至少约90°。然而，根据一些实施方案，扭转角914可以不大于约360°，诸如不大于约330°、诸如不大于约300°、不大于约270°、不大于约230°、不大于约200°、或甚至不大于约180°。将理解的是一些成形的磨粒的扭转角可以在上述任何最小与最大角度之间。

此外，主体可以包括沿纵向轴线、横向轴线或垂直轴线之一延伸穿过主体的整个内部的开口。

图11包括成形的磨粒的另一个实施方案的图示。如图所示，成形的磨粒1100可以包括具有带有大体上三角形形状的底面1102的大体上棱锥形的主体1101。主体还可以包括相互相连并与底面1102连接的侧面1116、1117和1118。将理解的是如本文所描述虽然主体1101被示出为具有棱锥形的多面体形状，但是其他形状也是可以的。

根据一个实施方案，可以使成形的磨粒1100形成为具有孔1104(即，和开口)，其可以延伸通过主体1101的至少一部分，更特别地，可以延伸通过主体1101的整个体积。在一个特定的方面中，孔1104可以限定穿过孔1104中心的中心轴1106。此外，成形的磨粒1100还可以限定穿过成形的磨粒1100的中心1130的中心轴1108。可以理解的是在成形的磨粒1100中可以使孔1104形成，以使得孔1104的中心轴1106以距离1100从中心轴1108间隔开。因此，可以将成形的磨粒1100的质心移动至成形的磨粒1100的几何中点1130的下面，其中几何中点1130可以由纵向轴线1109、垂直轴线1111和中心轴线(即横向轴线)1108的交叉来限定。当落下或以其他方式沉积在背衬上时，将质心移动至成形的磨粒的几何中点1130的下面可以增加成形的磨粒1100以相同表面例如底面1102着陆的可能性，使得成形的磨粒1100具有预定的竖直方向。

在一个特定的实施方案中，使质心沿限定高度的主体1102的垂直轴线1110以可以为至少约0.05高度(h)的距离偏离几何中点1130。在另一个实施方案中，可以使质心以至少约0.1(h)，诸如至少约0.15(h)、至少约0.18(h)、至少约0.2(h)、至少约0.22(h)、至少约0.25(h)、至少约0.27(h)、至少约0.3(h)、至少约0.32(h)、至少约0.35(h)或甚至至少约0.38(h)的距离偏离几何中点1130。然而，可以使主体1101的质心以不大于0.5(h)，诸如不大于0.49(h)、不大于0.48(h)、不大于0.45(h)、不大于0.43(h)、不大于0.40(h)、不大于0.39(h)或甚至不大于0.38(h)的距离偏离几何中点830。将理解的是质心和几何中点之间的位移可以在上述任何最小与最大值之间。

在特定的情况下，当成形的磨粒1100处于如图11所示的竖直方向时，可以使质心偏离几何中点1130，以使得质心更接近于主体1101的底部例如底面1102，而不是主体1101的顶部。

在另一个实施方案中，可以使质心沿限定宽度的主体1101的横向轴线1108以至少约0.05宽度(w)的距离偏离几何中点1130。在另一个方面中，可以使质心以至少约0.1(w)，诸如至少约0.15(w)、至少约0.18(w)、至少约0.2(w)、至少约0.22(w)、至少约0.25(w)、至少约0.27(w)、至少约0.3(w)或甚至至少约0.35(w)的距离偏离几何中点1130。然而，在一个实施方案中，可以使质心以不大于0.5(w)，诸如不大于0.49(w)、不大于0.45(w)、不大于0.43(w)、不大于0.40(w)或甚至不大于0.38(w)的距离偏离几何中点1130。

在另一个实施方案中，可以使质心沿纵向轴线1109以主体1101的至少约0.05长度(l)的距离(D₁)偏离几何中点1130。根据一个特定的实施方案，可以使质心以至少约0.1(l)，诸如至少约0.15(l)、至少约0.18(l)、至少约0.2(l)、至少约0.25(l)、至少约0.3(l)、至少约0.35(l)或甚至至少约0.38(l)的距离偏离几何中点。然而，对于一些磨粒，可以使质心偏离不大于约0.5(l)，诸如不大于约0.45(l)或者甚至不大于约0.40(l)的距离。

图12包括根据一个实施方案的成形的磨粒的图示。成形的磨粒1200可以包括主体1201，所述主体1201包括通过一个或更多个侧表面1210、1212和1214彼此分开的基表面1202和上表面1204。根据一个特定的实施方案，可以使主体1201形成以使得基表面1202的平面形状不同于上表面1204的平面形状，其中在各自的表面所限定的平面中观察平面形状。例如，如图12的实施方案中所示，主体1201可以具有通常具有圆形形状的基表面1202和具有大体上三角形形状的上表面1204。将理解的是其他变化是可行的，包括在基表面1202和上表面1204上的形状的任意组合。

此外，成形的磨粒的主体可以具有特定的二维形状。例如，在由长度和宽度所限定的平面上观察时，主体所具有的二维形状可以为多面体形状、椭圆形形状、数字、希腊字母字符、拉丁字母字符、俄文字母字符、利用多面体形状的组合的复杂形状及其组合。特定的多边形形状包括三角形、矩形、四边形、五边形、六边形、七边形、八边形、九边形、十边形、其任意组合。

图13包括根据一个实施方案的磨粒的透示图示。此外，图14包括图13的磨粒的一部分的横截面图示。主体1301包括上表面1303、与上表面1303相对的底部主表面1304。上表面1303和底表面1304可以通过侧表面1305、1306和1307彼此分开。如图所示，在主体1301的长度(l)和宽度(w)所限定的上表面1303的平面中观察时，成形的磨粒1300的主体1301可以具有大体上三角形的形状。特别地，主体1301可以具有延伸通过主体1301的中点1381的长度(l)、宽度(w)。

根据一个实施方案，成形的磨粒的主体1301在由角1313所限定的主体的第一端可以具有第一高度(h1)。值得注意的是，角1313可以表示在主体1301上最大高度的点。可以将角限定为在主体1301上由上表面1303和两个侧表面1305和1307的连接处所限定的点或区域。主体1301还可以包括彼此间隔开的其他角，包括例如角1311和角1312。如图进一步所示，主体1301可以包括由角1311、1312和1313彼此分开的边缘1314、1315和1316。可以由上表面1303与侧表面1306的交叉来限定边缘1314。可以由上表面1303和侧表面1305的交叉来限定边缘1315，所述侧表面1305在角1311和1313之间。可以由上表面1303和侧表面1307的交叉来限定边缘1316，所述侧表面1307在角1312和1313之间。

如图进一步所示，主体1301可以包括在主体1301的第二端的第二高度(h2)，其由边缘1314所限定，并且进一步地与由角1313所限定的第一端相对。轴1350可以在主体1301的两个端部之间延伸。图14是主体1301沿轴线1350的横截面图示，其可以沿主体1301的端部之间的宽度(w)维度延伸通过主体的中点1381。

根据一个实施方案，包括例如图13和14的磨粒的本文的实施方案的成形的磨粒可以具有高度的平均差异，其为h1和h2之间的差异的度量。更特别地，可以基于来自样品的多个成形的磨粒来计算高度的平均差异。样品可以包括代表性数量的成形的磨粒诸如至少8个粒子或甚至至少10个粒子，其可以从一个批次中随机选择。一个批次可以是在单一成形过程，更特别是在相同的单一成形过程中制备的一组成形的磨粒。平均差异可以通过使用STIL(Sciences et Techniques Industrielles de la Lumiere-France)微测量3D表面轮廓仪(Micro Measure3D Surface Profilometer)(白光(LED)色差技术)进行测量。

在特定的情况下，高度的平均差异[h1-h2](其中h1更大)可以为至少约50微米。在其他情况下，高度的平均差异可以为至少约60微米，诸如至少约65微米、至少约70微米、至少约75微米、至少约80微米、至少约90微米或甚至至少约100微米。在一个非限制性实施方案中，高度的平均差异可以不大于约300微米，诸如不大于约250微米、不大于约220微米或甚至不大于约180微米。将理解的是高度的平均差异可以在上述任何最小与最大值之间。

此外，包括例如图13和14的粒子的本文的成形的磨粒，可以具有至少约0.04的轮廓比率，所述轮廓比率为成形的磨粒的高度的平均差异[h1-h2]与轮廓长度(l_p)之比，其定义为[(h1-h2)／(l_p)]。将理解的是主体的轮廓长度可以为用于产生主体的相对端之间的h1和h2的数据的跨越主体的扫描的长度。此外，轮廓长度可以是从所测量的多个粒子的样品计算的平均轮廓长度。在一些情况下，轮廓长度(l_p)可以与本文的实施方案中所描述的宽度相同。根据一个特定的实施方案，轮廓比率可以为至少约0.05、至少约0.06、至少约0.07、至少约0.08或甚至至少约0.09。然而，在一个非限制性实施方案中，轮廓比率可以不大于约0.3，诸如不大于约0.2、不大于约0.18、不大于约0.16或甚至不大于约0.14。将理解的是轮廓比率可以在上述任何最小与最大值之间。

此外，本文的实施方案的成形的磨粒包括例如图13和14的粒子的主体1301，可以具有限定底面积(A_b)的底表面1304。在特定情况下底表面1304可以为主体1301的最大表面。底表面可以具有定义为底面积(A_b)的表面积，其大于上表面1303的表面积。此外，主体1301可以具有限定垂直于底面区域并且延伸通过粒子的中点1381的平面的面积的横截面中点面积(A_m)。在一些情况下，主体1301的底面积与中点面积的面积比率(A_b／A_m)不大于约6。在更特定的情况下，面积比率可以不大于约5.5，诸如不大于约5、不大于约4.5、不大于约4、不大于约3.5或甚至不大于约3。然而，在一个非限制性实施方案中，面积比率可以为至少约1.1，诸如至少约1.3或甚至至少约1.8。将理解的是面积比率可以在上述任何最小与最大值之间。

根据一个实施方案，包括例如图13和14的粒子的本文的实施方案的成形的磨粒归一化高度差异可以为至少约40。可以由式[(h1-h2)／(h1／h2)]来限定归一化高度差异，其中h1大于h2。在其他实施方案中，归一化高度差异可以为至少约43、至少约46、至少约50、至少约53、至少约56、至少约60、至少约63或甚至至少约66。然而，在一个特定的实施方案中，归一化高度差异可以不大于约200，诸如不大于约180、不大于约140或甚至不大于约110。

在另一个实施方案中，包括例如图13和14的粒子的本文的成形的磨粒可以具有高度变化。不希望受缚于特定的理论，认为成形的磨粒之间一定的高度变化可以改进多种切割表面，可以改进掺入本文的成形的磨粒的磨料制品的研磨性能。高度变化可以作为成形的磨粒的样品的高度差异的标准偏差来计算。在一个特定的实施方案中，样品的高度变化可以为至少约20。对于其他实施方案，高度变化可以更大，诸如至少约22、至少约24、至少约26、至少约28、至少约30、至少约32或甚至至少约34。然而，在一个非限制性实施方案中，高度变化可以不大于约180，诸如不大于约150或甚至不大于约120。将理解的是高度变化可以在上述任何最小与最大值之间。

根据另一个实施方案，包括例如图13和14的粒子的本文的成形的磨粒在主体1301的上表面1303中可以具有椭圆形区域1317。可以由可以围绕上表面1303延伸并且限定椭圆形区域1317的沟槽区域1318来限定椭圆形区域1317。椭圆形区域1317可以覆盖中点1381。此外，根据本文所描述的方法，认为在上表面中限定的椭圆形区域1317可以是在成形过程中的后生物，其可以是作为在成形的磨粒的形成过程中施加在混合物上的压力的结果而形成。

此外，根据本文的其他实施方案中描述的前角可以适用于主体1301。同样地，本文所描述的其他所有特征，诸如侧表面、上表面和底表面的轮廓线、竖直方向的概率、初级纵横比、次级纵横比、第三纵横比及组成，可以适用于图13和14中所示的示例性成形的磨粒。

而前述的高度差异、高度变化和归一化高度差异的特征已经参照图13和14的磨粒进行了描述，将理解的是这些特征可以应用到本文所描述的任何其他成形的磨粒，包括例如具有大体上梯形的二维形状的磨粒。

本文的实施方案的成形的磨粒可以包括掺杂剂材料，其可以包括元素或化合物诸如碱金属元素、碱土金属元素、稀土元素、铪、锆、铌、钽、钼、钒或其组合。在一个特定的实施方案中，掺杂剂材料包含包括以下的元素的元素或化合物：诸如锂、钠、钾、镁、钙、锶、钡、钪、钇、镧、铯、镨、铌、铪、锆、钽、钼、钒、铬、钴、铁、锗、锰、镍、钛、锌及其组合。

在一些情况下，可以使成形的磨粒形成以具有特定含量的掺杂剂材料。例如，成形的磨粒的主体可以占主体总重量的不大于约12wt％。在其他情况下，掺杂剂材料的量可以更少，诸如以主体总重量计不大于约11wt％、不大于约10wt％、不大于约9wt％、不大于约8wt％、不大于约7wt％、不大于约6wt％或者甚至不大于约5wt％。在至少一个非限制性实施方案中，掺杂剂材料的量可以为主体总重量的至少约0.5wt％，诸如至少约1wt％、至少约1.3wt％、至少约1.8wt％、至少约2wt％、至少约2.3wt％、至少约2.8wt％或甚至至少约3wt％。将理解的是成形的磨粒的主体内掺杂剂材料的量可以在上述任何最小或最大百分比之间。

参照图15，示出了粘结的磨料轮，其通常被命名为1500。如图所示，粘结的磨料轮1500可以包括大体上圆柱形的粘结的磨料主体5102。可以理解的是粘结的磨料轮1500可以包括任何几何形状。粘结的磨料主体1502可以包括单层磨料工具，其包括基底1504和用粘结材料1508的层附接至基底1504的磨粒1506的单层。磨粒可以是根据本文所描述的一个或更多个实施方案的氮化硅磨粒。

在一个特定的实施方案中，可以将粘结材料1508的层布置在磨粒1506的层和基底1504之间。此外，磨粒1506的一部分可以通过粘结材料1508的层与基底1504接触。在另一个方面中，磨粒1506的少部分可以被粘结材料1508覆盖。

此外，磨粒1506的一部分可以从粘结材料1508突出，其可以与位于粘结材料1508下的基底1504接触。特别地，磨粒1506的大部分可以从粘结材料1508突出，其可以与位于粘结材料1508下的基底1504接触。

在一个实施方案中，粘结材料1508可以包括有机材料。特别地，粘结材料可以包括树脂。此外，粘接材料1508可以包括酚醛树脂。粘结材料1508可以基本上由酚醛树脂组成。

在另一个实施方案中，粘结材料1508可以包括无机材料。例如，粘结材料1508可以包括可以选自金属、金属合金、氧化物及其组合的材料。粘结材料1508还可以包括玻璃相材料。具体地，粘结材料1508可以包括氧化物，氧化物可以包括选自Si、Al、Na、Mg、Ca、K、B、P及其组合的元素。在另一个方面中，粘结材料1508可以包括混合粘结剂，其可以包括有机材料和无机材料。

在另一个方面中，磨粒1506可以包括主要含量的氮化硅和少数含量的烧结材料，所述烧结材料包括Nd₂O₃和Y₂O₃，其中磨粒1506包括大于Y₂O₃含量(wt％)的Nd₂O₃含量(wt％)。此外，磨粒1506可以包括大于氧化铝含量的稀土氧化物总含量。磨粒1506可以包括小于稀土氧化物组分含量(wt％)的氧化铝含量(wt％)。磨粒1506可以包括小于Y₂O₃含量(wt％)的氧化铝含量(wt％)。此外，磨粒1506可以包括小于Nd₂O₃含量(wt％)的氧化铝含量(wt％)。

具体地，磨粒1506的氧化铝含量(wt％)可以为稀土氧化物组分含量(wt％)的约0.3至约0.7。磨粒1506的氧化铝含量(wt％)可以为Nd₂O₃含量(wt％)的约0.3至约0.7。在另一个方面中，磨粒1506可以是基本上不含选自以下的材料：La₂O₃、MgO、ZrO₂、HfO₂、SiO₂、Fe₂O₃、Gd₂O₃、Lu₂O₃、Fe、W、Mo、Cu和元素Si。

在另一个实施方案中，按磨粒总重量计，磨粒1506可以包括不大于约13wt％的稀土氧化物、不大于约10wt％的稀土氧化物、不大于约8.5wt％的稀土氧化物或甚至不大于约8.2wt％的稀土氧化物。按磨粒总重量计，磨粒506可以包括至少约2wt％的稀土氧化物、至少约5wt％的稀土氧化物、至少约6.5wt％的稀土氧化物或至少约7.8wt％的稀土氧化物。将理解的是每个磨粒的稀土氧化物的量可以在上述任何最小与最大百分比之间或者包括端值的范围内。

按磨粒总重量计，磨粒1506可以包括不大于约5wt％的Y₂O₃、不大于约4.5wt％的Y₂O₃、不大于约4wt％的Y₂O₃、不大于约3.5wt％的Y₂O₃或不大于约3.2wt％的Y₂O₃。此外，按磨粒总重量计，磨粒506可以包括至少约1wt％的Y₂O₃、至少约1.5wt％的Y₂O₃、至少约2wt％的Y₂O₃或至少约2.8wt％的Y₂O₃。将理解的是每个磨粒的Y₂O₃的量可以在上述任何最小与最大百分比之间或者包括端值的范围内。

在另一个方面中，按磨粒总重量计，磨粒1506可以包括不大于约7wt％的Nd₂O₃、不大于约6.5wt％的Nd₂O₃、约不大于6wt％的Nd₂O₃、不大于约5.5wt％Nd₂O₃或甚至不大于约5.1wt％的Nd₂O₃。此外，按磨粒总重量计，磨粒506可以包括至少约3wt％的Nd₂O₃、至少约3.5wt％的Nd₂O₃、至少约4wt％的Nd₂O₃或至少约4.8wt％的Nd₂O₃。将理解的是每个磨粒的Nd₂O₃的量可以在上述任何最小与最大百分比之间或者包括端值的范围内。

在又一个方面中，磨粒1506可以包括AlN。具体地，按磨粒总重量计，磨粒1506可以包括不大于约3wt％的AlN、不大于约2.5wt％的AlN、不大于约2wt％的AlN、不大于约1.5wt％的AlN或甚至不大于约大于1wt％的AlN。此外，按磨粒总重量计，磨粒506可以包括至少约0.05wt％的AlN、至少约0.1wt％的AlN、至少约0.3wt％的AlN或至少约0.5wt％的AlN。将理解的是每个磨粒的AlN的量可以在上述任何最小与最大百分比之间或者包括端值的范围内。

在另一个实施方案中，磨粒1506可以包括Ti。此外，磨粒1506可以包括TiC。按磨粒总重量计，磨粒506可以包括不大于约3wt％的TiC、不大于约2.5wt％的TiC、不大于约2wt％的TiC、不大于约1.5wt％的TiC或甚至不大于约1wt％的TiC。此外，按磨粒总重量计，磨粒506可以包括至少约0.05wt％的TiC、至少约0.1wt％的AlN、至少约0.2wt％的TiC或至少约0.4wt％的TiC。将理解的是每个磨粒的TiC的量可以在上述任何最小与最大百分比之间或者包括端值的范围内。

在另一个方面中，磨粒1506可以基本上由氮化硅和包括氧化物的烧结相组成。此外，磨粒506可以包括液相烧结氮化硅。

在另一实施方案中，磨粒1506可以包括β-相氮化硅。特别地，磨粒1506可以包括主要含量(＞50wt％)的β-相氮化硅。此外，磨粒1506可以基本上由β-相氮化硅组成。

应理解的是磨粒1506可以包括具有细长形状的磨粒。细长的颗粒的长度∶宽度的纵横比可以为至少约1.5∶1、至少约5∶1或至少约10∶1。此外，纵横比可以不大于约65∶1、不大于约45∶1、不大于约20∶1、不大于约15∶1或不大于约12∶1。将理解的是纵横比可以在上述任何最小与最大比值之间或者包括端值的范围内。

图16示出另一种磨料制品1600。磨料制品1600可以包括主体1602。主体1602可以包括包含在粘结材料中的磨粒的单层，所述粘结材料包括有机材料。在这样一个实施方案中，磨粒可以包括主要含量的氮化硅和少数含量的烧结材料，其可以包括至少两种稀土氧化物材料。在一个实施方案中，包含在主体1602的粘结材料中的磨粒可以具有基本上与图15中所示的主体1502的磨粒1506和粘结材料1508相同的组成。

图17示出了又一种磨料制品1700。如图17中所示，磨料制品1700可以是单层粘结的磨料工具，其包括基底1702和可以覆盖基底1702的表面的粘结材料1704的层。可以将磨粒1706粘附在粘结材料1704中并附接至基底1702的表面。磨粒1706可以包括液相烧结氮化硅。在一个实施方案中，包含在磨料制品1700的粘结材料1704中的磨粒1706可以具有基本上与图15所示的主体1502的磨粒1506和粘结材料1508相同的组成。

根据本文的实施方案，主体可以包括磨粒，所述磨粒可以包括包含在粘结材料中的氮化硅。对于在至少约50英尺／分钟的速度下进行的研磨操作，在金属工件上切削至少约0.0002英寸[5.08μm]的深度，主体的G-比率可以为至少约250，其中G-比率为从工件去除的材料的重量相对于从主体损失的材料的重量的度量。在一些情况下，粘结材料可以包括有机材料。

对于本文所描述的任何实施方案，对于在至少约60转／分钟的速度下进行的研磨操作，在轴承钢工件上切削至少约0.0002英寸[5.08μm]的深度，G-比率可以为至少约275、至少约280、至少约290或甚至至少约300。

此外，对于本文的任何实施方案，对于在至少约60转／分钟的速度下进行的研磨操作，在钛合金工件上切削至少约0.0005英寸[12.7μm]的深度，G-比率可以为至少约275、至少约300、至少约400、至少约500、至少约600、至少约900或至少约1000。

此外，对于本文的任何实施方案，对于在至少约60转／分钟的速度下进行的研磨操作，在304不锈钢工件上切削至少约0.0005英寸[12.7μm]的深度，G-比率可以为至少约125、至少约140、至少约160、至少约170或至少约180。

此外，对于在至少约60转／分钟的速度下进行的研磨操作，在304不锈钢工件上切削至少约0.0015英寸[38.1μm]的深度，本文的任何实施方案的G-比率可以为至少约110、至少约115或至少约120。

此外，对于本文的任何实施方案，对于在至少约60转／分钟的速度下进行的研磨操作，在白口铸铁工件上切削至少约0.0015英寸[12.7μm]的深度，G-比率可以为至少约500、至少约800、至少约1300、至少约1700、至少约2100、至少约2400或至少约2750。

可以理解的是可以使用本文的实施方案来研磨或抛光工件。例如，工件可以包括选自铁、钢、钛、钛合金、镍、镍合金及其组合的金属。工件可以基本上由钢组成。可选地，工件可以基本上由白口铸铁组成。此外，工件可以基本上由钛合金(6Al-4V级别5)组成。

实施例

通过提供具有以下组分的混合物来形成实施例1的研磨轮的磨粒：

88.02wt％的氮化硅粉末

3.07wt％的Y₂O₃粉末

2.55wt％的Al₂O₃粉末

0.9wt％的AlN粉末

4.96wt％的Nd₂O₃粉末

0.5wt％的TiC粉末

在包括80％H₂O和20％IPA的水性介质中将混合物研磨成表面积为约12.5m²／g和平均粒径为约0.8微米。将经研磨的粉末冷冻干燥并且随后过筛。在氮气环境下、在1750℃下将过筛的粉末烧结90分钟随后在30Ksi、1800℃下热等静压处理2小时。将致密化的粒子研磨和筛分成36和54目的两种不同粒度，用于制备单层研磨轮以评价研磨。

针对放置在Okamoto Corporation以型号6·18DX出售的2-轴液压表面磨床上的湿钛合金工件和干白口铸铁工件测试研磨轮。在约0.0005英寸的横向进给(即，切削深度)下研磨机的工作台速度为60英尺／分钟。进行研磨测试直到磨粒耗尽并且研磨轮停止从工件上去除材料。相对具有SiC磨料的研磨轮测试根据实施例1形成的具有硅化氮粒子的研磨轮。测试结果示于图18和图19中。

图18包括条形图1800，其示出了用来研磨白口铸铁工件的各种粘结的磨料研磨轮的G-比率。第一研磨轮包括在粘结材料中的得自Saint-Gobain Corporation的

碳化硅磨粒。第二研磨轮包括包含在粘结材料中的实施例1的氮化硅粒子。第三研磨轮包括包含在粘结材料中的根据本文的一个实施方案的氮化硅粒子。第一、第二和第三研磨轮各自含有36目粒度的粒子。第一、第二和第三研磨轮的粘结组分基本上是相同的。

第四研磨轮包括在粘结材料中的得自Saint-Gobain Corporation的

碳化硅磨粒。第五研磨轮包括包含在粘结材料中的实施例1的氮化硅粒子。第六研磨轮包括包含在粘结材料中的根据本文的一个实施方案的氮化硅粒子。第四、第五和第六研磨轮各自含有54目粒度的粒子。第四、第五和第六磨料轮的粘结组分基本上是相同的。

通过测量在前述测试条件下相对于从磨料轮损失的重量的工件材料去除的速率来确定磨料轮的G-比率。如图所示，第一研磨轮的G-比率为约122。第二研磨轮的G-比率为约1714。第三研磨轮的G-比率为约1000。第四研磨轮的G-比率为约100。第五研磨轮的G-比率为约2089。最后，第六研磨轮的G-比率为约2090。

图19包括条形图1900，其示出了用来在前述测试条件下研磨钛合金工件的各种粘结的磨料研磨轮的G-比率。第一研磨轮包括在粘结材料中的得自Saint-Gobain Corporation的

碳化硅磨粒。第二研磨轮包括包含在粘结材料中的实施例1的氮化硅粒子。第三研磨轮包括包含在粘结材料中的根据本文的一个实施方案的氮化硅粒子。第一、第二和第三研磨轮各自含有36目粒度的粒子。

第四研磨轮包括包含在粘结材料中的得自Saint-Gobain Corporation的

碳化硅磨粒。第五研磨轮包括包含在粘结材料中的实施例1的氮化硅粒子。第六研磨轮包括包含在粘结材料中的根据本文的一个实施方案的氮化硅粒子。第四、第五和第六研磨轮各自含有54目粒度的粒子。

如图所示，第一研磨轮的G-比率为约105。第二研磨轮的G-比率为约975。第三研磨轮G-比率为约1000。第四研磨轮的G-比率为约101。第五研磨轮的G-比率为约940。最后，第六研磨轮的G-比率为约940。

使用放置在Okamoto Corporation以型号6·18DX出售的2-轴液压表面磨床上的湿钛合金工件和干白口铸铁工件来进行另外的测试。对于钛合金工件在约0.0005英寸的横向进给(即，切削深度)下和对于白口铸铁工件在约0.0015英寸的横向进给下，研磨机的工作台速度为60英尺／分钟。图20包括条形图2000，其示出了用于湿法研磨钛合金工件的三种研磨轮的相对性能比。图21包括条形图2100，其示出了用于干法研磨白口铸铁工件的三种研磨轮的相对性能比。进行研磨操作直到磨粒被基本上耗尽并且轮较长地切削。相对性能比在本文中也被称为G-比率，其是通过测量在测试过程中相对于从研磨轮损失的重量的工件材料去除的速率来确定的。

用具有氮化硅磨粒的研磨轮进行研磨操作。样品1轮的磨粒包括根据常规方法形成的氮化硅颗粒。样品2轮和样品3轮的磨粒包括根据本文的实施方案中所描述的过程形成的氮化硅颗粒。用于制备样品2磨粒的过程与用于制备样品3磨粒的过程的不同在于当制备样品3磨粒时未将AlN与氮化硅粉末和其他干混合物材料共研磨，但是在研磨干混合物后单独添加AlN。用于制备样品1-3轮的磨粒的氮化硅粉末的平均粒径为约235微米至约450微米。

在图20中示出的样品1研磨轮的相对性能比为约146.67，而样品2研磨轮的相对性能比为约1118.22，样本3研磨轮的相对性能比为约1373.78。如图21中所示，样品1研磨轮的相对性能比为约40.16，样品2研磨轮的相对性能比为约1697.58，样品3研磨轮的相对性能比为约2689.52。

样品2和3的研磨轮与样品1研磨轮的结果相比表现出显著的和意想不到的结果。特别地，关于钛合金工件的研磨，样品2和样品3研磨轮的相对性能比具有至少7.5倍于来自样品1研磨轮的结果的改进。此外，关于白口铸铁工件的研磨，样品2和样品3研磨轮的相对性能比具有至少约40倍于来自样品1的研磨轮的结果的改进。

前述实施方案是针对代表了与现有技术的偏离的磨粒，其包括具有相对于常规氮化硅磨料和其他常规磨粒(诸如碳化硅磨粒)的改进的性能的氮化硅磨粒。如在本申请中所描述的那样，氮化硅磨粒具有促进改进的研磨性能的特征的组合。特别地，当与常规氮化硅磨粒相比时，本文所描述的氮化硅磨粒具有提供更高的理论密度和更少的空隙的组成。例如，如图6中所示，根据常规方法形成的磨粒中空隙的数量远远高于根据本文所描述的实施方案形成的磨粒中空隙的数量，其示于图2、图3、图4和图5中。将理解的是图3中所示的磨粒300对应于包含在样品2研磨轮中的磨粒，图5中所示的磨粒500对应于包含在样品3研磨轮中的磨粒。不受缚于特定的理论，使用如本文所描述而形成的氮化硅磨粒的工具的改进的研磨性能可以归因于改进的致密度和韧性，所述致密度和韧性由于根据本文的实施方案形成的氮化硅磨粒的特征的特定组合而实现。根据本文所描述的实施方案形成的氮化硅磨粒的细长性质也有助于相对常规氮化硅磨粒的改进的研磨性能。此外，用于形成本文的实施方案中所描述氮化硅磨粒的过程代表与现有技术的过程的偏离。特别地，常规的氮化硅磨粒的过程一直无法有效地烧结氮化硅粉末以实现合适的研磨性能所需的致密度和韧性。然而，本文所描述的液相烧结过程可以用于制备具有不仅相对于其他氮化硅磨粒而且相对于其他常规磨粒的改进的性能的氮化硅磨粒。

Claims

1.一种磨料制品，所述磨料制品包括：

包括包含在粘结材料中的磨粒的主体，所述磨粒包括主要含量的氮化硅和少数含量的烧结材料，所述烧结材料包括Nd₂O₃和Y₂O₃，其中所述磨粒包括大于Y₂O₃含量(wt％)的Nd₂O₃含量(wt％)。

2.一种磨料制品，所述磨料制品包括：

包括磨粒的单层的主体，所述磨粒包含在粘结材料中，所述粘结材料包括有机材料，所述磨粒包括主要含量的氮化硅和少数含量的烧结材料，所述烧结材料包括至少两种稀土氧化物材料。

3.一种磨料制品，所述磨料制品包括：

单层粘结的磨料工具，其包括：

基底；

覆盖基底表面的粘结材料的层；以及

粘附在粘结材料中并且附接至基底表面的磨粒，所述磨粒包括液相烧结氮化硅。

4.根据权利要求1、2或3所述的磨料制品，其中所述主体包括单层磨料工具，所述单层磨料工具具有用粘结材料的层附接至基底的磨粒的单层。

5.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中将所述粘结材料布置在所述磨粒和所述基底之间。

6.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中所述磨粒的一部分通过所述粘结材料的层与所述基底接触。

7.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中所述磨粒的少部分被所述粘结材料覆盖。

8.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中所述磨粒的一部分从所述粘结材料突出并与位于所述粘结材料下的所述基底接触。

9.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中所述磨粒的大部分从所述粘结材料突出并与位于所述粘结材料下的所述基底接触。

10.根据权利要求1或3所述的磨料制品，其中所述粘结材料包括有机材料。

11.根据权利要求2或10所述的磨料制品，其中所述粘结材料包括树脂。

12.根据权利要求2、10或11所述的磨料制品，其中所述粘结材料包括酚醛树脂。

13.根据权利要求2、10、11或12所述的磨料制品，其中所述粘结材料基本上由酚醛树脂组成。

14.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中所述粘结材料包括无机材料。

15.根据权利要求14所述的磨料制品，其中所述粘结材料包括选自金属、金属合金、氧化物及其组合的材料。

16.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中所述粘结材料包括玻璃相材料。

17.根据权利要求16所述的磨料制品，其中所述粘结材料包括氧化物，其中所述氧化物包括选自Si、Al、Na、Mg、Ca、K、B、P及其组合的元素。

18.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中所述粘结材料包括混合粘结剂，所述混合粘结剂包括有机材料和无机材料。

19.根据权利要求1或2所述的磨料制品，其中所述磨粒包括大于氧化铝含量的稀土氧化物总含量。

20.根据权利要求1或2所述的磨料制品，其中所述磨粒包括小于稀土氧化物组分含量(wt％)的氧化铝含量(wt％)。

21.根据权利要求1、2、19或20所述的磨料制品，其中所述磨粒包括小于Y₂O₃含量(wt％)的氧化铝含量(wt％)。

22.根据权利要求1、2、19、20或21所述的磨料制品，其中所述磨粒包括小于Nd₂O₃含量(wt％)的氧化铝含量(wt％)。

23.根据权利要求1、2和19-22中任一项所述的磨料制品，其中所述磨粒的氧化铝含量(wt％)在稀土氧化物组分含量(wt％)的约0.3至约0.7之间。

24.根据权利要求23所述的磨料制品，其中所述磨粒的氧化铝含量(wt％)在Nd₂O₃含量(wt％)的约0.3至约0.7之间。

25.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中所述磨粒基本上不含选自以下的材料：MgO、ZrO₂、HfO₂、SiO₂、Fe₂O₃、Gd₂O₃、Lu₂O₃、Fe、W、Mo、Cu和元素Si。

26.根据权利要求1、2和19-24中任一项所述的磨料制品，其中按所述粒子总重量计，所述磨粒包括不大于约10wt％的稀土氧化物，不大于约9wt％的稀土氧化物，不大于约8.5wt％的稀土氧化物，不大于约8.2wt％的稀土氧化物。

27.根据权利要求1、2、19-24和26中任一项所述的磨料制品，其中按所述粒子总重量计，所述磨粒包括至少约6wt％的稀土氧化物，至少约6.5wt％的稀土氧化物，至少约7wt％的稀土氧化物，至少约7.8wt％的稀土氧化物。

28.根据权利要求的1、2、19-24、26和27中任一项所述的磨料制品，其中按所述磨粒总重量计，所述磨粒包括不大于约5wt％的Y₂O₃，不大于约4.5wt％的Y₂O₃，不大于约4wt％的Y₂O₃，不大于约3.5wt％的Y₂O₃，不大于约3.2wt％的Y₂O₃。

29.根据权利要求1、2、19-24和26-28中任一项所述的磨料制品，其中按所述磨粒总重量计，所述磨粒包括至少约1wt％的Y₂O₃，至少约1.5wt％的Y₂O₃，至少约2wt％的Y₂O₃，至少约2.8wt％的Y₂O₃。

30.根据权利要求1、2、19-24和26-29中任一项所述的磨料制品，其中按所述磨粒总重量计，所述磨粒包括不大于约7wt％的Nd₂O₃，不大于约6.5wt％的Nd₂O₃，约不大于6wt％的Nd₂O₃，不大于约5.5wt％Nd₂O₃，不大于约5.1wt％的Nd₂O₃。

31.根据权利要求1、2、19-24和26-30中任一项所述的磨料制品，其中按所述磨粒总重量计，所述磨粒包括至少约3wt％的Nd₂O₃，至少约3.5wt％的Nd₂O₃，至少约4wt％的Nd₂O₃，至少约4.8wt％的Nd₂O₃。

32.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中所述磨粒包括AlN。

33.根据权利要求32所述的磨料制品，其中按所述磨粒总重量计，所述磨粒包括不大于约3wt％的AlN，不大于约2.5wt％的AlN，不大于约2wt％的AlN，不大于约1.5wt％的AlN，不大于约大于1wt％的AlN。

34.根据权利要求32或33所述的磨料制品，其中按所述磨粒总重量计，所述磨粒包括至少约0.05wt％的AlN，至少约0.1wt％的AlN，至少约0.3wt％的AlN，至少约0.5wt％的AlN。

35.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中所述磨粒包括Ti。

36.根据权利要求35所述的磨料制品，其中所述磨粒包括TiC。

37.根据权利要求35或36所述的磨料制品，其中按所述磨粒总重量计，所述磨粒包括不大于约3wt％的TiC，不大于约2.5wt％的TiC，不大于约2wt％的TiC，不大于约1.5wt％的TiC，不大于约1wt％的TiC。

38.根据权利要求35、36或37所述的磨料制品，其中按所述磨粒总重量计，所述磨粒包括至少约0.05wt％的TiC，至少约0.1wt％的AlN，至少约0.2wt％的TiC，至少约0.4wt％的TiC。

39.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中所述磨粒基本上由氮化硅和包括氧化物的烧结相组成。

40.根据权利要求1、2、19-24和26-31中任一项所述的磨料制品，其中所述磨粒包括液相烧结氮化硅。

41.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中所述磨粒的平均粒径不大于约2000微米，不大于约1500微米，不大于约1000微米，不大于约500微米。

42.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中所述磨粒的平均粒径为至少约10微米，至少约50微米，至少约100微米，至少约250微米。

43.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中所述磨粒包括β-相氮化硅。

44.根据权利要求43所述的磨料制品，其中所述磨粒包括主要含量(＞50wt％)的β-相氮化硅。

45.根据权利要求43或44所述的磨料制品，其中所述磨粒基本上由β-相氮化硅组成。

46.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中所述磨粒包括具有细长形状的磨粒。

47.根据权利要求46所述的磨料制品，其中所述细长的颗粒的长度_∶宽度的纵横比为至少约2∶1。

48.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中按所述主体总体积计，所述主体包括至少约5vol％的磨粒，至少约10vol％的磨粒或至少约15vol％的磨粒。

49.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中按所述主体总体积计，所述主体包括不大于约30vol％的磨粒、不大于约25vol％的磨粒或不大于约20vol％的磨粒。

50.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中按所述主体总体积计所述主体包括至少约3vol％的粘结材料，至少约4vol％的粘结材料，至少约5vol％的粘结材料。

51.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中按所述主体总体积计，所述主体包括不大于约10vol％的粘结材料，不大于约9vol％的粘结材料，不大于约8vol％的粘结材料，不大于约7vol％的粘结材料。

52.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中按所述主体总体积计，所述主体包括至少约1vol％的空隙，至少约2vol％的空隙或至少约3vol％的空隙。

53.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品，其中所述主体包括不大于约5vol％的空隙或不大于约4vol％的空隙。

54.一种磨料制品，所述磨料制品包括：

包括磨粒的主体，所述磨粒包括包含在粘结材料中的氮化硅；以及

其中对于在至少约60英尺／秒的速度下进行的研磨操作，在金属工件上切削至少约0.0002英寸[5.08μm]的深度，所述主体的G-比率为至少约250，其中所述G-比率为从所述工件去除的材料的重量相对于从所述主体损失的材料的重量的度量。

55.根据权利要求55所述的磨料制品，其中对于在轴承钢工件上进行的研磨操作，所述G-比率为至少约275，至少约280，至少约290或甚至至少约300。

56.根据权利要求54或55所述的磨料制品，其中对于在钛合金工件上进行的研磨操作，所述G-比率为至少约275，至少约300，至少约400，至少约500，至少约600，至少约900，至少约1000。

57.根据权利要求54、55或56所述的磨料制品，其中对于在304不锈钢工件上进行的研磨操作，所述G-比率为至少约125，至少约140，至少约160，至少约170，至少约180。

58.根据权利要求54-57中任一项所述的磨料制品，其中对于在白口铸铁工件上进行的研磨操作，所述Q-比率为至少约250，至少约700，至少约1500。

59.根据权利要求54-58中任一项所述的磨料制品，其中所述磨粒包括稀土元素。

60.根据权利要求59所述的磨料制品，其中所述磨粒包括稀土氧化物。

61.根据权利要求60所述的磨料制品，其中所述磨粒包括选自Y₂O₃、Nd₂O₃、La₂O₃及其组合的稀土氧化物。

62.根据权利要求59、60或61所述的磨料制品，其中所述磨粒包括至少两种不同的稀土氧化物组分。

63.根据权利要求59-62中任一项所述的磨料制品，其中所述磨粒包括Y₂O₃和Nd₂O₃。

64.根据权利要求63所述的磨料制品，其中所述磨粒包括比Y₂O₃含量(wt％)大的Nd₂O₃含量(wt％)。

65.根据权利要求54所述的磨料制品，其中所述工件包括选自铁、钢、钛、钛合金、镍、镍合金及其组合的金属。

66.根据权利要求65所述的磨料制品，其中所述工件基本上由钢组成。

67.根据权利要求65所述的磨料制品，其中所述工件基本上由白口铸铁组成。

68.根据权利要求65所述的磨料制品，其中所述工件基本上由钛合金组成。

69.一种方法，所述方法包括：

形成氮化硅、至少两种稀土元素、以及至少一种烧结助剂的混合物，所述至少两种稀土元素包括Nd₂O₃和Y₂O₃；

处理所述混合物以形成生粒子；

烧结所述生粒子以形成磨粒。

70.根据权利要求69所述的方法，其中处理所述混合物以形成生粒子包括使所述混合物经受冷冻干燥操作。

71.根据权利要求69或70所述的方法，所述方法还包括研磨所述混合物。

72.根据权利要求71所述的方法，所述方法还包括将AlN添加至所述混合物。

73.根据权利要求72所述的方法，其中在研磨所述混合物之后将AlN添加至所述混合物。

74.根据前述权利要求中任一项所述的磨料制品或方法，其中所述磨粒的至少一部分包括成形的磨粒。