CN1774488A - 磨粒、磨料制品及其制造和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供包含α－氧化铝、Gd2O3和ZnO的烧结α－氧化铝基磨粒及其制造方法。所述磨粒可掺入(例如)各种磨料制品(包括固结磨具、涂附磨具、非织造磨具和磨刷)中。

Description

磨粒、磨料制品及其制造和使用方法
技术领域
本发明涉及磨粒及其制造方法。所述磨粒可掺入各种磨料制品(包括固结磨具、涂附磨具、非织造磨具和磨刷)中。
背景技术
在20世纪80年代早期，一种新的和显著改进的氧化铝磨粒被商业化，它通常称为“溶胶-凝胶”或“溶胶-凝胶衍生的”磨粒。这种新型的α-氧化铝磨粒具有由非常细小的α-氧化铝晶粒形成的微观结构。这种新磨粒对金属的研磨性能由(例如)该磨粒制成的磨料制品的寿命来测评，其寿命明显长于由传统熔融氧化铝磨粒制成的类似制品的寿命。
一般来说，溶胶-凝胶磨粒的制备方法通常如下：制备包含水、一水合氧化铝(勃姆石)和可任选的胶溶剂(例如，诸如硝酸的酸类)的分散体或溶胶，使该分散体凝胶化，干燥该胶化分散体，将干燥的分散体粉碎成颗粒，将所述颗粒煅烧去除挥发物，以及在氧化铝熔点以下的温度烧结所煅烧的颗粒。通常，上述分散体还包括一种或多种氧化物改性剂(例如，CeO2、Cr2O3、CoO、Dy2O3、Er2O3、Eu2O3、Fe2O3、Gd2O3、HfO2、La2O3、Li2O、MgO、MnO、Na2O、Nd2O3、NiO、Pr2O3、Sm2O3、SiO2、SnO2、TiO2、Y2O3、Yb2O3、ZnO和ZrO2)、成核剂(例如，α-Al2O3、α-Cr2O3和α-Fe2O3)和/或其前体。这些添加剂通常用于调节或者改变烧结磨粒的物理性能和/或微观结构。另外，或者作为选择，这些氧化物改性剂、成核剂和/或其前体可以掺入干燥的或煅烧的材料(通常是煅烧颗粒)中。
某些优选的α-氧化铝基磨粒致密度高(即，大于理论密度的95％)，并具有细小(例如，亚微米)、均匀的α-氧化铝微观结构。此外，一些优选的α-氧化铝基磨粒包括氧化物改性剂(如上所述)，在一些情况下也可以包括除α-氧化铝以外的亚微米氧化物，其中α-氧化铝可以是或者可以不是亚微米的。α-氧化铝和其它氧化物的晶粒尺寸、磨粒中的氧化物相以及物理性质(例如，密度、硬度和韧性)或特性可以取决于(例如)特定成分和/或用于制造磨粒的工艺(包括烧结时间和温度)。例如，较长的烧结时间和较高的温度有助于获得较高密度的磨粒。但是，较长的烧结时间和较高的温度也加剧晶粒长大，这是不希望看到的。
溶胶-凝胶衍生的α-氧化铝基烧结磨粒已经应用于广泛多样的磨料制品(例如，固结磨具、涂附磨具和磨刷)以及研磨应用(包括低压和高压研磨应用)。
即使已有多种公知的磨粒，这包括大量溶胶-凝胶衍生的磨粒，但磨料工业仍然需要可以在一种或多种应用中具有性能优势的其它磨粒。
发明概述
在一个方面，本发明提供了一种烧结α-氧化铝基磨粒，该磨粒包括α-氧化铝(在一些实施方案中，其重量占所述磨粒的金属氧化物总量的55％到97％，乃至是55％到93％)、Gd2O3和ZnO，并且Gd2O3的重量占所述磨粒的金属氧化物总量的1％到15％(在一些实施方案中，为2％到8％)，ZnO的重量占所述磨粒的金属氧化物总量的0.2％到8％(在一些实施方案中，为1％到5％)，并且Gd2O3与ZnO的摩尔比为2∶1到1∶5(在一些实施方案中，为1∶2到1∶4，乃至是1∶2到1∶3)，其中烧结α-氧化铝基磨粒中低于0.05体积％(在一些实施方案中，低于0.025％，乃至低于0.01％)的α-氧化铝是用成核剂(即，具有与α-氧化铝相同或大致相同的晶体结构的材料，或者性能类似于α-氧化铝的材料)本身(例如，α-氧化铝晶种、α-Fe2O3晶种或α-Cr2O3晶种)或其前体成核的；其它成核剂可以包括Ti2O3(具有三方晶体结构)、MnO2(具有斜方晶体结构)、Li2O(具有立方晶体结构)和钛酸盐(例如，钛酸镁和钛酸镍)。
在另一方面，本发明提供了一种制造本发明烧结α-氧化铝基磨粒的方法，所述方法包括：
通过混合几种成分制备分散体，所述成分包括液体介质、胶溶剂、勃姆石、Gd2O3源(例如，钆盐)和ZnO源(例如，锌盐)；
将所述分散体转换成颗粒状α-氧化铝基磨粒前体材料；以及
烧结所述颗粒状α-氧化铝基磨粒前体材料，以得到所述的烧结α-氧化铝基磨粒。
在另一方面，本发明提供了一种制造本发明烧结α氧化铝基磨粒的方法，所述方法包括：
通过混合几种成分制备分散体，所述成分包括液体介质、胶溶剂和勃姆石；
将所述分散体转换成颗粒状α-氧化铝基磨粒前体材料；
煅烧所述颗粒状α-氧化铝基磨粒前体材料，以得到第一煅烧α-氧化铝基磨粒前体颗粒；
用包含液体介质的浸渍剂组合物浸渍所述第一煅烧颗粒，以得到浸渍的α-氧化铝基磨粒前体颗粒；
煅烧所述浸渍的α-氧化铝基磨粒前体颗粒，以得到第二煅烧α-氧化铝基磨粒前体颗粒；以及
烧结所述第二煅烧颗粒，以得到所述的烧结α-氧化铝基磨粒，其中所述分散体或所述浸渍剂组合物中至少一者包含Gd2O3源(例如，钆盐)和ZnO源(例如，锌盐)。
在本申请中：
“勃姆石”是指一水合α-氧化铝以及在本技术领域通常被称为“假”勃姆石(即，Al2O3·xH2O，其中x＝1到2)的勃姆石。
“α-氧化铝基磨粒前体”、“磨粒前体”或者“未烧结磨粒”是指干燥的氧化铝基分散体(即，“干燥的磨粒前体”)或者煅烧的氧化铝基分散体(即，“煅烧的磨粒前体”)，通常是颗粒状的，其密度小于理论密度的80％(通常小于60％)，并能通过烧结或者通过用浸渍剂组合物浸渍而后烧结，以得到烧结α-氧化铝基磨粒。
这里使用的“烧结α氧化铝基磨粒”是指α-磨粒的密度已经烧结到理论密度的至少85％(优选至少90％，以及更优选至少95％)，并且含有占理论氧化物至少60重量％的Al2O3。
“分散体”或“溶胶”是指固体在液体中的两相系统，其中一相包括分布在液体中的细小的颗粒(在胶体尺寸范围内)。“稳定分散体”或“稳定溶胶”是指这样一种分散体或溶胶：在不搅动的情况下在约2小时内，通过肉眼不会观察到其中的固体开始胶凝、分离或沉降。
“浸渍剂组合物”是指液体介质与通常能浸渍到磨粒前体中的金属氧化物源的分散体或溶液。
“浸渍的磨粒前体”是指密度小于理论密度的80％(通常小于60％)、并且已经用浸渍剂组合物浸渍的干燥氧化铝基分散体(即，“浸渍的干燥磨粒前体”)或煅烧的氧化铝基分散体(即，“浸渍的煅烧磨粒前体”)，并且包括浸渍的干燥颗粒和浸渍的煅烧颗粒。
“烧结”是指在材料熔点以下的温度下加热的过程，材料受热后达到致密化并且晶粒长大，以得到坚韧的、硬的和化学稳定的陶瓷材料。本发明的烧结α-氧化铝基磨粒不是通过在材料熔点以上的温度进行加热的熔融过程制备的。
本发明的磨粒可以以(例如)松散形式使用，或者掺入磨料制品使用。本发明的磨料制品包含粘合剂和多个磨粒，其中所述磨粒的至少一部分是本发明的磨粒。示例性的磨料制品包括涂附磨具制品、固结磨具制品(如，砂轮)、非织造磨具制品和磨刷。涂附磨具制品通常包括具有第一和第二相反主表面的背衬，并且其中粘合剂和多个磨粒在第一主表面的至少一部分上形成磨料层。
在一些优选实施例中，占磨料制品中磨粒总重量的至少5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％乃至100％的磨粒是本发明的磨粒。
磨粒在使用前通常按给定粒度分布进行分级。这些分布通常具有一定范围的粒度，即从粗颗粒到细颗粒。在磨料领域中，这个范围有时称为“粗”、“控制”和“细”级别。按照工业认可的分级标准分级的磨粒是将每个标称级别的粒度分布指定在数字界限内。这些工业认可的分级标准(即，规定标称级别)包括如下公知的标准：美国国家标准协会(ANSI)的标准、欧洲磨料产品生产商联合会(Federationof European Producers of Abrasive Products)(FEPA)的标准和日本工业标准(JIS)的标准。在一个方面，本发明提供了具有规定标称级别的多个磨粒，其中多个磨粒的至少一部分是本发明的磨粒。在一些优选的实施例中，多个磨粒的总重量的至少5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％乃至100％是本发明的磨粒。
在另一方面，本发明提供了一种研磨表面的方法，所述方法包括：
提供包含粘合剂和多个磨粒的磨料制品，其中所述磨粒的至少一部分是本发明的磨粒；
使本发明的至少一个磨粒与工件表面接触；以及
移动被接触的本发明的磨粒或者被接触的表面中的至少一者，以用被接触的本发明的磨粒来研磨所述表面的至少一部分。
附图说明
图1是包含本发明磨粒的涂附磨具制品的部分剖视示意图；
图2是包含本发明磨粒的固结磨具制品的透视图；
图3是包含本发明磨粒的非织造磨具制品的放大示意图；
图4到6是可用于本发明的方法的挤出机立视平面图，其中图5是挤出机加料口的放大顶视图；
图7是实施例26磨粒微观结构的背散射模式的扫描电镜照片；
图8是比较例LII磨粒微观结构的背散射模式的扫描电镜照片；
图9是含有ZnO和MgO的几种稀土阳离子的密度对离子半径的关系图；
图10是图7的另一种表示方式，用于确定实施例26磨粒中片状物的平均尺寸。
发明详述
适合用于制备分散体的氧化铝源包括勃姆石，它可以购自：位于德国汉堡市的Condea GmbH公司，商品名称为“DISPERAL”；位于美国得克萨斯州休斯顿市的Condea Vista公司，商品名称为“DISPAL 23N480”和“CATAPAL D”；以及Alcoa IndustrialChemicals公司，商品名称为“HIQ”(例如，“HIP-10”、“HIQ-20”、“HIQ-30”和“HIQ-40”)。这些勃姆石或一水合氧化铝是α型的，并且除了一水合物以外，包括相当少的水合物相(如果存在的话)(但在一些商品级勃姆石中存在非常少的三水合物杂质也是可以容许的)。它们在水中的溶解性很低，并且有较高的表面积(通常至少约180m2/g)。在一些实施方案中，希望分散的勃姆石的平均晶粒尺寸小于约20nm(更希望的是，小于12nm)。在本申请中，“晶粒尺寸”是通过120和031X射线反射确定的。
在一些实施方案中，液体介质通常是水，但有机溶剂，如低分子量醇类(通常为C1-6醇)、己烷或庚烷，也可以用作液体介质。水可以是自来水、蒸馏水或去离子水。
适合的胶溶剂一般是可溶解的离子化合物，可以使颗粒或胶体表面在液体介质(例如，水)中均匀带电。在一些实施方案中，胶溶剂是酸或酸性化合物。常见酸的例子包括一元酸及酸性化合物，例如乙酸、盐酸、甲酸和硝酸，其中硝酸是优选的。酸的用量取决于(例如)颗粒状氧化铝源的分散性、分散体的固含量、分散体的成分、分散体成分的含量或相对含量、分散体成分的粒度和/或分散体成分的粒度分布。分散体通常含有的酸的重量占分散体中勃姆石的重量的至少0.1％到20％，在一些实施方案中占1％到10％，乃至3％到8％。
在一些情况下，酸可以在勃姆石颗粒与水混合之前施加到勃姆石颗粒表面。酸表面处理法可以改进勃姆石在水中的分散性。
可以任选的是，分散体还可以包括其它的氧化铝源，例如α-氧化铝粉、γ-氧化铝粉、甲醛乙酸铝(aluminum formoacetate)、硝基甲醛乙酸铝(aluminum nitroformoacetate)以及铝盐。可以作为其它氧化铝前体的适合的铝化合物的例子包括碱性羧酸铝、碱性硝酸铝、部分水解的烷氧基铝或其它铝盐和络合物。在一些实施方案中，碱性铝盐包括具有羧酸根或硝酸根平衡离子的盐或这些盐的混合物。对于碱性羧酸铝，其通式为Al(OH)y(羧酸根)3-y，其中y在1到2之间，在一些实施方案中在1到1.5之间，并且羧酸根平衡离子选自：甲酸盐、乙酸盐、丙酸盐和草酸盐或这些羧酸盐的组合物。这些材料的制备是通过(例如)将金属铝溶解在羧酸溶液中进行的，参见美国专利No.3957598(Merkl)，其所公开的内容以引用方式并入本文。碱性硝酸铝的制备也可以通过(例如)将金属铝溶解在硝酸溶液中进行，参见美国专利No.3340205(Hayes等人)或者英国专利1193258(1966年6月9日公开)，或通过将硝酸铝的热分解进行，参见美国专利No.2127504(Derr等人)，上述专利文献所公开的内容以引用方式并入本文。这些材料的制备也可以通过(例如)用碱部分中和铝盐进行。碱性硝酸铝的通式为Al(OH)z(NO3)3-z其中z在约0.5到2.5之间。
Gd2O3源和ZnO源包括诸如金属盐(例如，金属硝酸盐和金属乙酸盐)的前体。金属硝酸盐和金属乙酸盐可以按本领域内公知的技术制备，或者通过商业途径获得，例如从位于美国麻萨诸塞州WardHill市的Alfa Chemicals公司和位于美国肯塔基州Paris市的Mallinckrodt Chemicals公司获得。硝酸盐的例子包括硝酸钆(Gd(NO3)3·5H2O)和硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)。金属乙酸盐的例子包括乙酸钆。
对初始分散体中的、和/或由可任选的浸渍剂组合物提供的Al2O3源、Gd2O3源、ZnO源的含量进行选择，以在烧结磨粒中生成所需的重量百分数，但对于利用浸渍的方法，这些来源也可以，或者可供选择地存在于浸渍剂组合物中。
初始分散体和/或浸渍剂组合物，如果使用的话，还可以包括其它金属氧化物源(即，使用适当加热条件能转换成金属氧化物的材料)，有时称其为金属氧化物改性剂。这些金属氧化物改性剂可以改变得到的磨粒的物理性质和/或化学性质。初始混合物和/或浸渍剂组合物中掺入的这些其它金属氧化物的含量，可以取决于(例如)烧结磨粒的所需成分和/或特性，以及这些添加剂在用于制备磨粒的工艺中所具有的影响或所起到的作用。
其它金属氧化物可以以金属氧化物(例如，胶体悬浮液或溶胶)和/或以前体(例如，金属盐，如金属硝酸盐、金属乙酸盐、金属柠檬酸盐、金属甲酸盐和金属氯化物盐)的形式加入到初始分散体中。对于金属氧化物颗粒，金属氧化物颗粒的大小一般小于5微米，乃至小于1微米。胶体金属氧化物是无定形的或结晶的金属氧化物的分散的极细颗粒，通常其一个或多个方向上的尺寸在约3纳米到约1微米的范围内。“胶体金属氧化物溶胶”通常是稳定的(即，溶胶或分散体中的金属氧化物固体是这样一种固体：在不搅动的情况下在约2小时内通过肉眼不会观察到其开始胶凝、分离或沉降)胶体颗粒悬浮液(在一些实施方案中，液体介质的pH值小于6.5)。
这些其它金属氧化物的例子包括氧化铬、氧化钴、氧化铁、氧化铪、氧化锂、氧化镁、氧化锰、氧化镍、氧化钛、氧化钇、氧化锆、氧化镝、氧化铒、氧化镨、氧化钕、氧化钐、氧化镱、氧化镧、氧化钠、氧化铕和/或二氧化硅。
金属氧化物前体包括金属盐(例如，金属硝酸盐、金属乙酸盐、金属柠檬酸盐、金属甲酸盐和金属氯化物盐)。金属硝酸盐、金属乙酸盐、金属柠檬酸盐、金属甲酸盐和金属氯化物盐可以通过本领域的公知技术制备，或者通过商业途径获得，例如从位于美国麻萨诸塞州Ward Hill市的Alfa Chemicals公司和位于美国肯塔基州Paris市的Mallinckrodt Chemicals公司获得。硝酸盐的例子包括硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)、硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)、硝酸锂(LiNO3)、硝酸镁(Mg(NO3)2·6H2O)、硝酸锰(Mn(NO3)2·4H2O)、硝酸铬(Cr(NO3)3·9H2O)、硝酸镝(Dy(NO3)2·5H2O)、硝酸铒(Er(NO3)3·5H2O)、(Sm(NO3)3·6H2O)、硝酸镱(Yb(NO3)3·6H2O)、硝酸钇(Y(NO3)3·6H2O)、硝酸镨(Pr(NO3)3·6H2O)、硝酸钕(Nd(NO3)3·6H2O)、硝酸镧(La(NO3)3·6H2O)、硝酸铕(Eu(NO3)3·6H2O)和硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)。金属乙酸盐的例子包括乙酸钴、乙酸镍、乙酸锂、乙酸镁、乙酸锰、乙酸铬、乙酸镝、乙酸镧、乙酸钕、乙酸镨、乙酸钐、乙酸镱、乙酸钇、乙酸镱。柠檬酸盐的例子包括柠檬酸钴、柠檬酸锂、柠檬酸镁和柠檬酸锰。甲酸盐的例子包括甲酸钴、甲酸锂、甲酸镁、甲酸锰和甲酸镍。
可以加进初始分散体的二氧化硅的示例性来源是胶体溶胶。胶体二氧化硅包括无定形的或结晶的二氧化硅的极细颗粒，通常其一个或多个方向上的尺寸在约3纳米到约1微米的范围内。胶体中平均二氧化硅粒度通常小于约150纳米，小于约100纳米，乃至小于约50纳米。在大多数情况下，二氧化硅颗粒的数量级约为3-15纳米。在大多数情况下，胶体二氧化硅包含一定粒度分布或粒度范围的金属氧化物。硅溶胶可得自(例如)位于美国伊利诺伊州Naperville市的Nalco公司，以及位于美国佐治亚州Augusta市的Eka Nobel公司。硅溶胶包括：位于美国伊利诺伊州Naperville市的Nalco Products，Inc.公司出品的商品名称为“NALCO 1115”、“NALCO 1130”，“NALCO2326”、“NALCO 1034A”和“NALCOAG 1056”的产品，其中后两个是酸性硅溶胶的例子；以及从Eka Nobel公司出品的商品名称为“NYACOL 215”的产品。对于硅溶胶的其它信息参见(例如)美国专利No.5611829(Monroe等人)以及5645619(Erickson等人)，其所公开的内容以引用方式并入本文。
示例性氧化锆源包括锆盐和氧化锆溶胶，但浸渍剂组合物中的氧化锆源通常是在液体介质中形成溶液的锆盐。锆盐的例子包括乙酸氧锆(ZrO(CH3COO)2)、硝酸氧锆(ZrO(NO3)2·xH2O)，其中x是2到6(在一些实施方案中是5到6)、碱式硝酸锆、甲酸锆和乙酰基丙酮化锆、锆的醇盐(丁醇盐、乙醇盐、丙醇盐、叔丁醇盐)、氯化锆、硝酸锆、氨络合物、四氯化锆、八水合二氯氧化锆。氧化锆溶胶包括无定形的或结晶的氧化锆的极细颗粒，通常其一个或多个方向上的尺寸在约3纳米到约250纳米的范围内。胶体氧化锆中的氧化锆平均粒度通常小于约150纳米，小于约100纳米，乃至小于约50纳米。在一些情况下，氧化锆颗粒的数量级约为3-10纳米。在大多数情况下，胶体氧化锆包括一定粒度分布或粒度范围的氧化锆。氧化锆溶胶包括从位于美国麻萨诸塞州Ashland市的Nyacol Products公司出品的商品名称为“ZR10/20”和“ZR100/20”的产品。关于氧化锆溶胶的更多信息参见(例如)美国专利No.5498269(Larmie)和5551963(Larmie)，其所公开的内容以引用方式并入本文。
某些金属氧化物可以与氧化铝反应形成具有α-氧化铝的反应产物和/或形成晶相，在研磨应用中使用磨粒时α-氧化铝是有益的。因此，金属氧化物的选择和含量将部分取决于处理条件和所需的磨粒研磨性能。
钴、镍、锌和镁的氧化物(例如)通常与氧化铝反应形成尖晶石，而氧化锆和氧化铪通常不与氧化铝反应。作为选择的是(例如)氧化镝和氧化钆与氧化铝的反应产物一般是石榴石。氧化镨、氧化镱、氧化铒和氧化钐与氧化铝的反应产物一般具有钙钛矿型和/或石榴石型结构。氧化钇也与氧化铝反应，形成具有石榴石型晶体结构的Y3Al5O12。
某些稀土氧化物和二价金属阳离子与氧化铝反应，形成稀土铝酸盐，由分子式LnMAl11O19表示，其中Ln是三价金属离子，例如La3+、Nd3+、Ce3+、Pr3+、Sm3+、Gd3+、Er3+或Eu3+，M是二价金属阳离子，例如Mg2+、Mn2+、Ni2+、Zn2+或Co2+。这些铝酸盐通常是片状物形状，具有六方晶体结构，也称为磁铅石。
对于有关勃姆石分散体中金属氧化物(和/或其前体)掺杂物的其它细节参见(例如)美国专利No.4314827(Leitheiser等人)、4770671(Monroe等人)、4881951(Wood等人)、5429647(Larmie)、5498269(Larmie)和5551963(Larmie)，其所公开的内容以引用方式并入本文。
在实施本发明时，所用的氧化铝基分散体(例如，勃姆石基分散体)，通常包含的固体(或者也可以是勃姆石)占分散体总重量的重量百分数大于15％(一般重量百分数从大于20％到约80％；通常从大于30％到约80％)。但在一些实施方案中，分散体包含的固体(或者也可以是勃姆石)占分散体总重量的重量百分数等于或大于35％，等于或大于45％，等于或大于50％，等于或大于55％，等于或大于60％，等于或大于65％。也可以使用重量百分数超过约80重量％的固体或勃姆石，但其更加难以由本发明方法进行制备磨粒。
制备烧结α-氧化铝基磨粒的一般过程披露于(例如)美国专利No.4518397(Leitheiser等人)、4770671(Monroe)、4744802(Schwabel)、5139978(Wood)、5219006(Wood)和5593647(Monroe)，其所公开的内容以引用方式并入本文。
(初始)分散体的制备通常是通过加入各种成分并将它们混合在一起形成均匀的混合物来进行的。例如，通常将勃姆石加入已经混入硝酸的水中。在加入勃姆石之前、加入过程中或加入之后添加其它成分。
较高固含量的分散体通常是通过将液体成分逐渐加入到在该液体成分中不溶解的成分中、同时搅拌或翻动后者制备的。例如，可以将含有水、硝酸和金属盐的液体逐渐加入勃姆石中，同时搅拌后者，使液体更加容易地分布在整个勃姆石中。
适合的搅拌器包括桶式搅拌器、Sigma叶片式搅拌器、球磨机和高剪切搅拌器。其它适合的搅拌器可以得自：位于美国伊利诺伊州Gurnee市的Eirich Machines，Inc.公司、位于美国明尼苏达州Minneapolis市的Hosokawa-Bepex公司(包括商品名称为“SCHUGIFLEX-O-MIX”型号FX-160的搅拌器)以及位于美国肯塔基州Florence市的Littleford-Day，Inc.公司。
可以将勃姆石基分散体加热，以增大一水合α-氧化铝和其它颗粒材料的分散性，并/或制得均匀的分散体。温度可以方便地改变(例如)温度可以在约20℃到80℃之间，通常在25℃到75℃之间。另外，或者可以选择的是(例如)分散体可以在1.5到130个大气压的压力下加热。
勃姆石基分散体通常在干燥之前或干燥过程中胶凝。加入的大多数改性剂可以导致分散体较快地胶凝。另外，可以加入乙酸铵或其它离子种类，诱发分散体凝胶化。分散体的pH值和凝胶的离子浓度通常决定分散体凝胶的速度。通常，分散体的pH值在约1.5到约5的范围内。
分散体可以进行挤出。通常，可优选挤出这样的分散体，其中挤出氧化铝量的至少50重量％由颗粒(例如，勃姆石)提供，该分散体包括本申请中的胶化分散体，乃至是部分脱水的分散体。挤出的分散体称为挤出物，可以挤出成长条的前体材料(例如，棒(包括圆柱棒和椭圆棒))。焙烧后，棒的长宽比可以在1.5到10之间，在一些实施方案中为2到6。另外，挤出物可以是非常薄的薄片形状参见(例如)美国专利No.4848041(Kruschke)，其所公开的内容以引用方式并入本文。适合的挤出机的例子包括柱塞式挤出机，单螺杆、双螺杆和分段螺杆挤出机。例如，适合的挤出机可以得自：位于美国宾夕法尼亚州Levitown市的Loomis Products公司、位于美国俄亥俄州Uniontown市的Bonnot公司和位于美国明尼苏达州Minneapolis市的Hosokawa-Bepex公司(其提供(例如)商品名称为“EXTRUD-O-MIX”(型号EM-6)的挤出机)。
分散体可以(例如)在挤出之前或者在挤出过程中压紧(其中挤出步骤本身包括分散体的压紧)。在压紧分散体时，可以理解的是，分散体受到压力或力(例如)像在造球机或模压机(包括机械式、液压式和气压式压机)或者挤出机中经受的一样(即，所有的或几乎所有的分散体经受了指定压力)。一般来说，压紧分散体将减小分散体中包裹的空气或气体，从而基本上得到孔隙较少的微观结构，这是更加希望得到的。另外，压紧步骤获得一种挤出机连续喂料的简便方式，从而可以节约制造磨粒的工耗。
如果长条状前体材料是棒状物，就会有一定的直径，这将使烧结磨粒的直径为(例如)约150-5000微米，并且在一些情况下，其长宽比(即，长度与宽度之比)为至少2.5∶1、至少4∶1，乃至至少5∶1。该棒状物可以具有任意的横截面形状，包括圆形、椭圆形、星形、管状等等。棒状磨粒也可以是弧形的。
压紧分散体(胶凝的或未胶凝的)一个示例性设备表示在图4-6中。改进的分段螺杆挤出机40具有加料口41和位于桶44中心的螺旋推运器42。图5是从加料口41看到的挤出机40的内部图。桶44具有沿其长度平行延伸的沟槽(未示出，一般称为“槽脊”)。销48沿中心伸入桶44中。并且，螺旋片46沿螺旋推运器42的纵向延伸。螺旋片46不是沿螺旋推运器42的纵向一直延续的，而是截断的，从而螺旋推运器42上的螺旋片46不接触销48。
分散体(包括本申请中的胶化分散体)(未示出)输送到加料口41。压料螺杆43将分散体朝螺旋推运器42推进，从而分散体被螺旋推运器42压紧并通过模具49挤出。模具49具有多个小口或孔(包括单孔或多孔)。模具孔可以是任意的横截面形状，包括圆形或多边形(例如，正方形、星形、菱形、梯形或三角形)。模具孔可以是任意的尺寸，但通常在约0.5mm(0.02英寸)到1.27cm(0.5英寸)之间，更典型的是在约0.1cm(0.04英寸)到约0.8cm(0.3英寸)之间。
挤出的分散体可以分割或切片(例如)以得到个别颗粒，和/或具有更加均匀长度的颗粒。切割(或切片)分散体的方法的例子包括圆盘刀、刀片切割器和钢丝钳。压紧的分散体也可以被撕碎和/或磨碎。
一般来说，干燥分散体的技术是本领域公知的，包括加热促进液体介质蒸发，或者简单地风干。干燥步骤一般从分散体中去除了大部分液体介质，但是，在干燥的分散体中仍有少量(例如，重量百分数约10％或小于10％)的液体介质。典型的干燥条件包括，温度从室温到约200℃以上，通常在50℃到150℃之间。时间可以从约30分钟到数天。为了将盐的迁移降低到最小程度，在低温下干燥分散体是优选的。
干燥后，干燥的混合物(例如，分散体)可以转换成前体颗粒。一种典型的生成这些前体颗粒的方法措施是利用破碎技术。可以使用不同的破碎或粉碎技术，例如滚式破碎机、颚式破碎机、锤式破碎机、球磨机等等。较粗的颗粒可以二次破碎，以得到更细的颗粒。在一些实施方案中，将干燥的分散体破碎，因为(例如)破碎干燥的凝胶一般比破碎烧结α-氧化铝基磨粒更容易。
或者，例如可以在干燥前将该混合物转换成前体颗粒。例如，如果将该混合物加工成所需的颗粒形状和粒度分布，就可以执行上述过程。例如，可以将分散体挤出成棒，随后再切成所需长度，然后干燥。或者，例如混合物可以模制成为三角形颗粒，然后干燥。与三角形颗粒有关的其它细节请参见美国专利No.5201916(Berg等人)，其所公开的内容以引用方式并入本文。
或者，例如可以用较高挥发性成分将干燥的混合物(例如，分散体)制成块状物，然后将块状物直接装入温度保持在约350℃以上的炉子中进行爆炸粉碎，炉子温度通常保持在600℃到900℃之间。
虽然煅烧步骤不总是必需的，但通常在烧结前将干燥的混合物煅烧。一般来说，煅烧干燥混合物或陶瓷前体材料的技术是本领域公知的，这些技术本质上去除所有挥发物，并且分散体中存在的各种成分转变成氧化物。这些技术包括使用回转炉或静止炉在约400-1000℃(通常是约450-800℃)的温度范围内加热干燥的混合物，直到去除游离的水，并通常直到去除任何结合的挥发物的至少约90重量％。
将金属氧化物改性剂源(通常是金属氧化物前体)浸渍到煅烧前体颗粒中，也在本发明的范围内，并且是本发明中至少一种方法的一部分。例如，在根据本发明的至少一种方法中，可以将至少一部分氧化锌源(例如，锌盐)和/或至少一部分Gd2O3源(例如，钆盐)浸渍到前体材料中。通常，金属氧化物前体是金属盐的形式。这些金属氧化物前体和金属盐已经在有关初始混合物的上文中进行了说明。
浸渍溶胶-凝胶衍生的颗粒的方法的一般性说明参见(例如)美国专利No.5164348(Wood)，其所公开的内容以引用方式并入本文。一般来说，陶瓷前体材料(即，干燥的氧化铝基混合物(或干燥的陶瓷前体材料)，或者煅烧氧化铝基混合物(或煅烧的陶瓷前体材料))是多孔的。例如，煅烧陶瓷前体材料通常具有直径约2-15纳米的孔隙，其从该前体内延伸到外表面。这些孔隙的存在允许包含液体介质(通常是水)和适当金属前体的混合物的浸渍剂组合物进入陶瓷前体材料。金属盐材料溶解在液体中，并将得到的溶液与多孔陶瓷前体颗粒材料混合。浸渍过程认为是通过毛细管作用进行的。
浸渍剂组合物所用的液体可以是(例如)水(包括去离子水)、有机溶剂及其混合物。如果需要浸渍金属盐，则金属盐在液体介质中的浓度，基于理论金属氧化物，通常为溶解固体的约5％到约40％的范围内。在一些实施方案中，在浸渍100克多孔前体颗粒材料时加入至少50ml溶液(例如)在一些实施方案中，对于100克前体颗粒材料加入至少60ml溶液。
浸渍后，通常在烧结前煅烧所得到的浸渍的前体颗粒，以去除任何的挥发物。此煅烧步骤的条件如上所述。
当前体颗粒成形后或者可任选地被煅烧后，将前体颗粒烧结，以得到致密的、陶瓷α-氧化铝基磨粒。一般来说，烧结前体材料的技术是本领域公知的，其中包括在足以将中间态氧化铝转变成α-氧化铝的温度下进行加热，使所有金属氧化物前体或者与氧化铝反应，或者形成金属氧化物，并且增大陶瓷材料的密度。前体材料可以通过加热(例如，根据分批生产或者连续生产，使用电阻、微波、等离子、激光或气体燃烧方式来加热)进行烧结。烧结温度通常从约1200℃到约1650℃，典型的是从约1200℃到约1500℃，更典型的是小于1400℃。在烧结温度下加热前体材料的时间长短取决于(例如)粒度、颗粒成分和烧结温度。通常，烧结时间从几秒到约60分钟(在一些实施方案中，在约3-30分钟范围内)。烧结通常在氧化气氛中进行，但也可以使用惰性或还原气氛。
α-氧化铝基磨粒通常最长为至少约1微米。本文所述的磨粒可以容易地做到长度大于约50微米，更大的磨粒(例如，大于约1000微米或甚至大于约5000微米)也容易制造。在一些实施方案中，磨粒的长度在约100到约5000微米范围内(通常在约100到约3000微米范围内)。但其它尺寸也是可以的，并且对于某些应用甚至是优选的。在另一方面，本发明的磨粒的长宽比，通常是至少1.2∶1或甚至1.5∶1，有时至少2∶1，并且也可以是至少2.5∶1。
在用本发明方法制造过程中得到的或者根据本发明方法得到的干燥、煅烧和/或烧结的材料，通常使用本领域公知的技术进行筛分和分级。例如，干燥的颗粒通常在煅烧前筛分成所需尺寸。烧结磨粒通常在应用于磨料用途或掺入到磨料制品之前进行筛分和分级。
回收利用未用的(通常是尺寸太小而不能提供烧结磨粒所需尺寸的颗粒)脱水混合物(通常是分散体)材料也在本发明的范围内，其一般说明参见(例如)美国专利No.4314827(Leitheiser等人)，其所公开的内容以引用方式并入本文。例如，如上所述制备、干燥、破碎和筛分第一分散体，接着通过混合(例如)液体介质(例如，水溶液)、勃姆石和第一分散体的脱水材料以及可任选的金属氧化物和/或金属氧化物前体制备第二分散体。基于理论金属氧化物，回收利用材料(例如)可以是分散体的理论Al2O3含量的至少10％，至少30％，至少50％，乃至达到(并且包括)100％，所述分散体经脱水和转化(包括煅烧和烧结)成为烧结磨粒。
在本发明的一些实施例中，将磨粒加工使其“尖锐”。术语尖锐对磨粒领域的一般技术人员是公知的。一般来说，尖锐的磨粒是长条形的(例如，针状的)。描述尖锐的磨粒的另一种方式是颗粒可以是条片或碎片状的。尖锐的磨粒没有与其相关的块状。尖锐的磨粒具有“非常尖的”末端(即，形成磨粒末端的表面汇聚成一点)通常是优选的。另外，通常优选的是，尖锐的磨粒具有角状表面。
有几种技术用于测量磨粒的锐度，包括容积密度和长宽比。磨粒容积密度的测量(例如)可按照1992年11月公布的ANSI标准B74.4-1992进行，其所公开的内容以引用方式并入本文。
通常，并且需要的是，本发明磨粒的(真实)密度是理论密度的至少90％(在一些实施方案中，是至少95％、96％、97％、98％甚至是99％)。
长宽比也是锐度的一个表示，其定义为磨粒长度除以横截面宽度。通常，尖锐的磨粒的长宽比至少是1∶1，在一些实施方案中，至少是约1.5∶1，至少是约2∶1，甚至是大于3∶1。
用表面涂料涂覆本发明的磨粒也在本发明范围内，例如美国专利No.1910440(Nicholson)、3041156(Rowse)、5009675(Kunz等人)、4997461(Markhoff-Matheny等人)、5042991(Kunz等人)、5011508(Wald等人)和5213591(Celikkaya等人)中所描述的内容，其所公开的内容以引用方式并入本文。
在一些实施方案中，本发明的烧结α-氧化铝基磨粒还包括氧化锆涂层。虽然不想被理论束缚，但可以认为这些用涂料涂覆的磨粒特别适用于利用陶瓷粘合剂的固结磨具，因为涂层在磨粒表面增加纹理，从而增大磨粒与陶瓷粘合剂的机械附着力。此外，可以认为这种涂层避免磨粒与陶瓷粘合剂反应，防止了磨粒弱化。
这种氧化锆涂层的施加可以(例如)通过上述浸渍法进行，其中氧化锆源是(例如)硝酸氧锆((ZrO(NO3)2·xH2O)，其中x是2到6)和/或碱式硝酸锆(ZrO(OH)NO3)。
通常，本发明的烧结α-氧化铝基磨粒的平均α-氧化铝晶粒尺寸在1微米到40微米范围内，在一些实施方案中，在1微米到10微米的范围内。
平均晶粒尺寸的测定按照ASTM标准E112-96的“确定晶粒平均尺寸的标准试验方法”(“Standard Test Methods for DeterminingAverage Grain Size”)采用样线截取法进行的。用镶样树脂(例如，得自位于美国伊利诺伊州Lake Bluff市的Buehler公司，商品名称为“TRANSOPTIC POWDER”)将样品镶在直径约2.5cm、高约1.9cm的圆柱状树脂上。采用传统抛光技术用抛光机(例如，得自位于美国伊利诺伊州Lake Bluff市的Buehler公司，商品名称为“ECOMET 3”)对镶样部分抛光。样品用70微米钻石砂轮抛光约3分钟，再用45微米、30微米、15微米、9微米、3微米和1微米的抛光浆分别抛光5分钟。将镶样的和抛光的样品溅射到金-钯薄层，并用扫描电镜(例如，JEOL SEM，型号JSM840A)观察。将样品微观结构的典型背散射电子(BSE)显微照片按下述过程用于测定平均晶粒尺寸。数出与显微照片上随机画出的单位长度的直线相交的晶粒数量(NL)。由此数量按下面的方程确定平均晶粒尺寸：
平均晶粒尺寸＝1.5/(NLM)
其中，NL是与单位长度直线相交的晶粒数量，M是显微照片的放大倍数。
在另一方面，本发明的烧结α-氧化铝基磨粒具有的稀土氧化物的至少一部分以磁铅石片状物存在。在一些实施方案中，磁铅石片状物的平均纵向尺寸在0.5微米到5微米范围内，乃至为0.8微米到2微米，并且它们的平均横截面厚度在0.005微米到0.2微米范围内，乃至0.1微米到0.15微米，其中颗粒纵向尺寸是颗粒的最长尺寸。
磁铅石片状物的平均纵向尺寸和平均横截面厚度是从扫描电镜照片上确定的。样品的制备如同上述与测定晶粒尺寸一样。背散射模式的扫描电镜照片是在10000倍下拍摄的，以得到约120mm长、90mm宽的打印图像。将此图像分成12个方块，每块约30mm×30mm。用肉眼观察每个方块，在每个方块中选出两个代表性片状物用于测量(即，长度和厚度)。只有那些具有两个可辨认末端的片状物用于测量。如果方块上这种片状物多于两个，则方块中选出用于测定平均尺寸的两个片状物，它们是与方块中具有两个可辨认末端的片状物的尺寸平均值最接近的两个片状物。测量24个片状物并将测量值平均，以得到记录的平均长度值和平均厚度值。并且，所记录的片状物尺寸仅仅用于边缘表面，因为据认为抛光的表面和随机的片状物取向不能对较宽片状物表面给出可靠的见解。
本发明磨粒的平均硬度至少为15GPa，在一些实施方案中，至少为16GPa，或者至少为17GPa。
本发明材料的平均硬度测定如下所述。用镶样树脂(例如，得自位于美国伊利诺伊州Lake Bluff市的Buehler公司，商品名称为“TRANSOPTIC POWDER”)将部分材料镶在通常直径约2.5cm、高约1.9cm的圆柱状树脂上。采用传统抛光技术用抛光机(例如，得自位于美国伊利诺伊州Lake Bluff市的Buehler公司，商品名称为“ECOMET 3”)对镶样部分抛光。样品用70微米钻石砂轮抛光约3分钟，再用45微米、30微米、15微米、9微米、3微米和1微米的抛光浆分别抛光5分钟。显微硬度的测量使用传统的显微硬度测试仪(例如，得自位于日本东京的Mitutoyo公司，商品名称为“MITUTOYO MVK-VL”)，上面装有维氏压头，并使用500克压入载荷。显微硬度的测量按照ASTM测试方法E384“材料显微硬度试验方法”(“Test Methods for Microhardness of Materials”)(1991)中所述的准则进行，其所公开的内容以引用方式并入本文。
使用本领域公知的技术对本发明的磨粒筛分和分级，包括使用工业认可的分级标准，例如ANSI(美国国家标准协会)、FEPA(欧洲磨料产品生产商联合会)以及JIS(日本工业标准)。本发明的磨粒可以在较宽的粒度范围内使用，典型的尺寸范围为约0.1到约5000微米，更典型地为约1到约2000微米，优选为约5到约1500微米，更优选为约100到约1500微米。
ANSI粒级规格包括：ANSI 4、ANSI 6、ANSI 8、ANSI 16、ANSI24、ANSI 36、ANSI 40、ANSI 50、ANSI 60、ANSI 80、ANSI 100、ANSI 120、ANSI 150、ANSI 180、ANSI 220、ANSI 240、ANSI 280、ANSI 320、ANSI 360、ANSI 400和ANSI 600。FEPA粒级规格包括：P8、P12、P16、P24、P36、P40、P50、P60、P80、P100、P120、P150、P180、P220、P320、P400、P500、P600、P800、P1000和P1200。JIS粒级规格包括：JIS8、JIS12、JIS16、JIS24、JIS36、JIS46、JIS54、JIS60、JIS80、JIS100、JIS150、JIS180、JIS220、JIS240、JIS280、JIS320、JIS360、JIS400、JIS600、JIS800、JIS1000、JIS1500、JIS2500、JIS4000、JIS6000、JIS8000和JIS 10000。
在另一个方面，本发明提供磨粒团块，每个团块包含用粘合剂结合在一起的本发明的多个磨粒。在另一个方面，本发明提供包含粘合剂和多个磨粒的磨料制品(例如，涂附磨具、固结磨具(包括用陶瓷粘合剂、树脂和金属结合的砂轮、切割轮、镶嵌块和镗磨油石)、非织造磨具和磨刷)，其中至少一部分磨粒是本发明的磨粒(包括成团块的磨粒)。制造这些磨料制品以及使用这些磨料制品的方法是本领域技术人员公知的。并且，本发明的磨粒可以应用于使用磨粒的磨料应用中，例如研磨剂(如抛光剂)的浆、研磨介质、喷砂介质、振动球磨介质，等等。
涂附磨具制品一般包括背衬、磨粒以及至少一种粘合剂，粘合剂用于将磨粒保持在背衬上。背衬可以是任何适合的材料，包括布、聚合物薄膜、纤维、无纺布网、纸及其组合以及它们经处理的制品。粘合剂可以是任何适合的粘合剂，包括无机或有机的粘合剂(包括热固化树脂和辐射固化树脂)。磨粒存在于涂附磨具的一层或两层中。
本发明涂附磨具制品的一个例子表示在图1中。参看图1，本发明涂附磨具制品1具有背衬(基底)2和磨料层3。磨料层3包括本发明的磨粒4，磨粒4通过粘合剂底漆(make coat)5和粘合剂面漆(size coat)6固定在背衬2的主要表面。在一些情况下，使用粘合剂超面漆(supersize coat)(未示出)。
固结磨具制品通常包括通过有机粘合剂、金属粘合剂或陶瓷粘合剂保持在一起的磨粒成形块体。这种成形块体可以是(例如)轮的形式，如砂轮或切割轮。砂轮的直径通常约1cm到1m以上，切割轮的直径为约1cm到80cm以上(更典型的是3cm到约50cm)。切割轮的厚度通常为约0.5mm到约5cm，更典型的是约0.5mm到约2cm。成形块体也可以是(例如)镗磨油石、节块、镶嵌块、盘状物(如，双碟研磨机)或其它传统固结磨具的形状。固结磨具通常包含的粘合材料的体积占固结磨具制品总体积的约3％-50％，磨粒(或者磨粒混合物)的体积占固结磨具制品总体积的约30％-90％，添加剂(包括助磨剂)的体积不超过固结磨具制品总体积的50％，孔隙的体积不超过固结磨具制品总体积的70％。
一个示例性的形式是砂轮。参看图2，其表示本发明的砂轮10，它包括本发明的磨粒11，其模制为轮并装在毂盘12上。
非织造磨具制品通常包括具有本发明的磨粒的开孔的高级聚合物丝结构，本发明的磨粒分布在整个结构中并通过有机粘合剂粘附地结合在其中。所述丝的例子包括聚酯纤维、聚酰胺纤维、芳族聚酰胺纤维。图3是放大约100倍的一个示意图，表示本发明的一种典型的非织造磨具。本发明的这种非织造磨具制品具有作为基底的纤维垫50，本发明的磨粒52通过粘合剂54粘结在上面。
有用的磨刷包括具有多个硬毛单元和背衬的那些制品(参见(例如)美国专利No.5427595(Pihl等人)、5443906(Pihl等人)、5679067(Johnson等人)以及5903951(Inota等人)，这些文献所公开的内容以引用方式并入本文)。优选这些磨刷是通过使聚合物和磨粒的混合物注射成形而制造的。
制造磨料制品的适合的有机粘合剂包括热固性有机聚合物。适合的热固性有机聚合物包括酚醛树脂、尿素甲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸酯树脂、聚酯树脂、具有侧α，β-不饱和羰基的氨基塑料树脂、环氧树脂、丙烯酸聚氨酯、丙烯酸环氧树脂及其组合。粘合剂和/或磨料制品还可以包括添加剂，例如纤维、润滑剂、润湿剂、触变剂、表面活性剂、颜料、染料、抗静电剂(例如，炭黑、氧化钒、石墨，等等)、偶联剂(例如，硅烷、钛酸盐、锆铝酸盐，等等)、增塑剂、悬浮剂，等等。选择这些可任选助剂的含量以提供所需性能。偶联剂能提高对磨粒和/或填料的粘附力。粘合剂的化学组成可以热固化、放射固化或这些不同方式的组合。关于粘合剂化学组成的其它细节请参见美国专利No.4588419(Caul等人)、4751138(Tumey等人)以及5436063(Follett等人)，其所公开的内容以引用方式并入本文。
对于陶瓷固结磨具更具体地说，表现为无定形结构并且通常很硬的陶瓷粘合材料是本领域公知的。在一些情况下，陶瓷粘合材料包括晶相。本发明粘合瓷化的磨料制品可以是轮(包括切割轮)、镗磨油石、镶嵌块的形状或其它传统固结磨具形状。一种示例性的本发明陶瓷固结磨具制品是砂轮。
用于形成陶瓷粘合材料的金属氧化物的例子包括：二氧化硅、硅酸盐、氧化铝、碳酸钠、氧化钙、氧化钾、氧化钛、氧化铁、氧化锌、氧化锂、氧化镁、氧化硼、硅酸铝、硼硅酸盐玻璃、硅酸锂铝以及它们的组合，等等。通常，陶瓷粘合材料可以由含有10％到100％的玻璃粉的组合物制成，但更典型的组合物包括20％到80％的玻璃粉，或者30％到70％的玻璃粉。陶瓷粘合材料的其余部分可为非玻璃粉材料。另外，陶瓷粘合剂可以从不含玻璃粉的组合物得到。陶瓷粘合材料烧成温度一般在约700℃到约1500℃的范围内，通常在约800℃到约1300℃的范围内，有时在约900℃到约1200℃的范围内，乃至在约950℃到约1100℃的范围内。粘合料烧成的实际温度取决于(例如)具体的粘合料化学组成。
在一些实施方案中，陶瓷粘合材料包括那些含有二氧化硅、氧化铝(优选的氧化铝重量百分数至少为10％)，以及氧化硼(优选的氧化硼重量百分数至少为10％)的材料。在大多数情况下，陶瓷粘合材料还包括碱金属氧化物(例如，Na2O或K2O)(在一些情况下，碱金属氧化物的重量百分数至少为10％)。
粘合剂材料也可以含有填料或助磨剂，通常为颗粒材料的形式。通常，颗粒材料是无机材料。本发明使用的填料的例子包括：金属碳酸盐(如，碳酸钙(如，白垩、方解石、泥灰岩、石灰华、大理石和石灰石)、碳酸钙镁、碳酸钠、碳酸镁)、二氧化硅(如，石英、玻璃珠、玻璃泡和玻璃纤维)、硅酸盐(如，滑石、粘土(蒙脱石)、长石、云母、硅酸钙、偏硅酸钙、铝硅酸钠、硅酸钠)、金属硫酸盐(如，硫酸钙、硫酸钡、硫酸钠、硫酸铝钠、硫酸铝)、石膏、蛭石、木屑、三水合铝、炭黑、金属氧化物(如，氧化钙(石灰)、氧化铝、二氧化钛)以及金属亚硫酸盐(如，亚硫酸钙)。
一般来说，添加助磨剂增加磨料制品使用寿命。助磨剂是对研磨的化学和物理过程有明显作用的物质，其可使性能提高。虽然不想被理论束缚，但可以相信，助磨剂将起到以下作用：(a)减小磨粒与被研磨工件之间的摩擦力；(b)防止磨粒被“封堵”(即，防止金属颗粒焊到磨粒顶部)，或者至少减小磨粒被封堵的可能性；(c)减小磨粒与工件之间的界面温度；或者(d)减小研磨力。
助磨剂包括很多不同的物质并且可以是无机物基的或有机物基的。助磨剂的化学组成的例子包括：蜡、有机卤化物、卤化物盐和金属及其合金。有机卤化物通常在研磨过程中分解并释放出氢卤酸或气态卤化物。这类材料的例子包括氯化蜡，如四氯萘、五氯萘和聚氯乙烯。卤化物盐的例子包括氯化钠、钾冰晶石、钠冰晶石、铵冰晶石、四氟硼酸钾、四氟硼酸钠、氟化硅、氯化钾以及氯化镁。金属的例子包括：锡、铅、铋、钴、锑、镉、铁和钛。其它各种各样的助磨剂包括：硫磺、有机硫化合物、石墨和金属硫化物。使用不同助磨剂的组合也在本发明范围内，并且在一些情况下这可以得到增强效应。优选的助磨剂是冰晶石，最优选的助磨剂是四氟硼酸钾。
助磨剂在涂附磨具和固结磨具制品中特别有用。在涂附磨具制品中，助磨剂通常应用于粘合剂超面漆，其施加于磨粒表面。但有时，助磨剂也加到粘合剂面漆中。通常，涂附磨具中掺入的助磨剂的量为约50-300g/m2(优选的是约80-160g/m2)。在陶瓷固结磨具制品中，助磨剂通常浸渍到该制品的孔隙中。
磨料制品可以含有100％的本发明磨粒，或者将该磨粒与其它磨粒和/或稀释剂颗粒混合。但是，在磨料制品中磨粒的至少约2重量％、优选至少约5重量％、更优选约30-100重量％是本发明的磨粒。在一些情况下，本发明的磨粒可以与其它磨粒和/或稀释剂颗粒混合，重量比为5％∶75％，约25％∶75％，约40％∶60％，或者约50％∶50％(即，重量相等)。适合的传统磨粒的例子包括熔融氧化铝(包括白刚玉、热处理氧化铝和棕刚玉)、碳化硅、碳化硼、碳化钛、金刚石、立方氮化硼、石榴石、熔融氧化铝-氧化锆以及溶胶-凝胶衍生的磨粒，等等。溶胶-凝胶衍生的磨粒可以是有晶种的或无晶种的。同样，溶胶-凝胶衍生的磨粒可以是随机形状或具有与其相关的形状，例如棒状或三角形。溶胶-凝胶磨粒的例子包括以下专利中所描述的：美国专利No.4314827(Leitheiser等人)、4518397(Leitheiser等人)、4623364(Cottringer等人)、4744802(Schwabel)、4770671(Monroe等人)、4881951(Wood等人)、5011508(Wald等人)、5090968(Pellow)、5139978(Wood)、5201916(Berg等人)、5227104(Bauer)、5366523(Rowenhorst等人)、5429647(Larmie)、5498269(Larmie)和5551963(Larmie)，其所公开的内容以引用方式并入本文。使用氧化铝粉作为原料来源制造烧结氧化铝磨粒的其它细节可以参见(例如)美国专利No.5259147(Falz)、5593467(Monroe)和5665127(Moltgen)，其所公开的内容以引用方式并入本文。与熔融磨粒有关的其它细节请参见(例如)美国专利No.1161620(Coulter)、1192709(Tone)、1247337(Saunders等人)、1268533(Allen)和2424645(Baumann等人)、3891408(Rowse等人)、3781172(Pett等人)、3893826(Quinan等人)、4126429(Watson)、4457767(Poon等人)、5023212(Dubots等人)、5143522(Gibson等人)以及5336280(Dubots等人)，以及美国专利申请No.09/495978、09/496422、09/496638以及09/496713，每个都在2000年2月2日提交，以及09/618876、09/618879、09/619106、09/619191、09/619192、09/619215、09/619289、09/619563、09/619729、09/619744和09/620262，每个都在2000年7月19日提交，以及2001年1月30日提交的09/772730，其所公开的内容以引用方式并入本文。在一些情况下，与包含100％任一种磨粒的磨料制品相比，用磨粒的混合物可以得到研磨性能提高的磨料制品。
如果存在磨粒的混合物，则形成混合物的磨粒类型可以粒度相同。或者，磨粒类型可以具有不同粒度。例如，较大粒度的磨粒可以是本发明的磨粒，较小粒度的颗粒可以是另一种磨粒类型。相反，(例如)较小粒度的磨粒可以是本发明的磨粒，而较大粒度的颗粒可以是另一种磨粒类型。
适合的稀释剂颗粒的例子包括：大理石、石膏、燧石、二氧化硅、氧化铁、硅酸铝、玻璃(包括玻璃泡和玻璃珠)、氧化铝泡、氧化铝珠和稀释剂团粒。本发明的磨粒也可以结合在磨料团块中或与之混合。磨料团块颗粒通常包括多个磨粒、粘合剂和可任选的添加剂。粘合剂可以是有机和/或无机的。磨粒团块可以是随机形状或具有与其相关的预定形状。该形状可以是块状、圆柱形、锥形、硬币形、正方形，等等。磨料团块颗粒通常的粒度范围为约100到约5000微米，通常约250到约2500微米。与磨料团块颗粒有关的其它细节可以参见(例如)美国专利No.4311489(Kressner)、4652275(Bloecher等人)、4799939(Bloecher等人)、5549962(Holmes等人)、5975988(Christianson)，以及美国专利申请No.09/688444和09/688484(在2000年10月16日提交)，其所公开的内容以引用方式并入本文。
磨粒可以均匀分布在磨料制品中，或者聚集在磨料制品上选定的区域或部分。例如，在涂附磨具中可以有两层磨粒。第一层包括除了本发明的磨粒以外的磨粒，第二(最外)层包括本发明的磨粒。同样，在固结磨具中，砂轮可以有两个明显不同部分。最外部分可以包括本发明的磨粒，而最内部分没有。或者，本发明的磨粒可以均匀分布在整个固结磨具中。
与涂附磨具制品有关的进一步细节请参见(例如)美国专利No.4734104(Broberg)、4737163(Larkey)、5203884(Buchanan等人)、5152917(Pieper等人)、5378251(Culler等人)、5417726(Stout等人)、5436063(Follett等人)、5496386(Broberg等人)、5609706(Benedict等人)、5520711(Helmin)、5954844(Law等人)、5961674(Gagliardi等人)以及5975988(Christianson)，其所公开的内容以引用方式并入本文。与固结磨具制品有关的进一步细节请参见(例如)美国专利No.4543107(Rue)、4741743(Narayanan等人)、4800685(Haynes等人)、4898597(Hay等人)、4997461(Markhoff-Matheny等人)、5037453(Narayanan等人)、5110332(Narayanan等人)以及5863308(Qi等人)，其所公开的内容以引用方式并入本文。与陶瓷固结磨具有关的进一步细节请参见(例如)美国专利No.4543107(Rue)、4898597(Hay等人)、4997461(Markhoff-Matheny等人)、5094672(Giles Jr.等人)、5118326(Sheldon等人)、5131926(Sheldon等人)、5203886(Sheldon等人)、5282875(Wood等人)、5738696(Wu等人)以及5863308(Qi)，其所公开的内容以引用方式并入本文。与非织造磨具制品有关的进一步细节请参见(例如)美国专利No.2958593(Hoover等人)，其所公开的内容以引用方式并入本文。
本发明提供一种研磨表面的方法，所述方法包括将本发明的至少一个磨粒与工件表面接触；以及移动磨粒或者接触表面中的至少一者，以用磨粒研磨所述表面的至少一部分。使用本发明的磨粒研磨的方法包括从荒磨(snagging)(即，高压大量去除)到抛光(例如，用砂带来抛光医用植入物)的各类方法，其中后者通常使用较细粒级(例如，小于ANSI 220并更细)的磨粒进行。磨粒也可以用于精密研磨应用，例如用陶瓷粘合砂轮研磨凸轮轴。用于具体研磨应用的磨粒尺寸，对于本领域技术人员是显而易见的。
使用本发明的磨粒研磨可以在干或湿的方式下进行。对于湿研磨，所用的液体可以按薄雾到完全浇注的方式提供。常用的液体的例子包括：水、水溶性油、有机润滑剂和乳状液。液体可以用于减少研磨产生的热量和/或作为润滑剂。液体中可以含有少量的添加剂，例如杀菌剂、消泡剂，等等。
本发明的磨粒可以应用于研磨工件，例如金属铝、碳钢、低碳钢(例如，1018低碳钢和1045低碳钢)、工具钢、不锈钢、硬化钢、钛、玻璃、陶瓷、木材、类木材材料(例如，胶合板和颗粒板)、涂料、涂覆的表面、有机涂层表面，等等。在研磨过程中施加的力通常在约1kg到约100kg的范围内。
将通过以下的例子进一步解释本发明的优点和实施方案，但这些例子中使用的具体材料和数量，以及其它的条件和细节，不构成对本发明的过度限制。除非另作说明，所有的份数和百分数都是以重量计的。磨粒中的氧化物是相对于理论元素氧化物，而不考虑其存在的相。测试中的实验误差约为±5％。
任何涉及到以下实施例中使用的分散体的固含量百分数是大致的固含量，因为其中未考虑勃姆石表面通常存在2-6％的水，也未考虑任何非勃姆石添加剂的固体。
实施例
制备实施例所用的各种原料总结在下面的表1中。
表1
原料   溶液中的氧化物，wt％
  硝酸钇，水溶液Y(NO3)3·6H2O   23.8％Y2O3  位于美国加利福尼亚州Mountain Pass市的Molycorp Inc.公司
  硝酸镨，水溶液Pr(NO3)3·6H2O   22.5％Pr2O3  Molycorp Inc.
  硝酸钐，水溶液Sm(NO3)3·6H2O   16.6％Sm2O3  Molycorp Inc.
  硝酸钕，水溶液Nd(NO3)3·6H2O   23％Nd2O3  Molycorp Inc.
  硝酸镧，水溶液La(NO3)3·6H2O   28.5％La2O3  Molycorp Inc.
  硝酸钆，水溶液Gd(NO3)3·5H2O   26.6％Gd2O3  Molycorp Inc.
  硝酸镝，水溶液Dy(NO3)3·5H2O   15％Dy2O3  Molycorp Inc.
  硝酸铒，水溶液Er(NO3)3·5H2O   22.5％Er2O3  Molycorp Inc.
  硝酸镱，水溶液Yb(NO3)3·6H2O   22.5％Yb2O3  Molycorp Inc.
  硝酸镁，水溶液Mg(NO3)2·6H2O   11％MgO  位于美国新泽西州Phillipsburg市的Mallinckrodt Laboratory Chemicals公司
  硝酸锌，水溶液Zn(NO3)2·6H2O   21.4％ZnO  位于美国北卡罗莱纳州Charlotte市的Mineral Research and Development公司
  针铁矿(α-FeOOH)   4.5％α-FeOOH  羟基氧化铁的水基悬浮液(α-FeOOH)，针状颗粒，平均粒度约0.08μm，表面积约104.5m2
例1-21和比较例A-C
例1的制备是往18.9升的聚乙烯内衬钢容器装料并且连续混合形成分散体：约60℃的6640份去离子水，160份16N分析纯试剂级硝酸，3200份一水合α-氧化铝(可以购自位于南非Johannesburg的Sasol Limited公司，商品名称为“DISPERAL”)。
使用Gifford-Wood匀质混合器(Homogenizer Mixer)(得自位于美国新罕布什尔州Hudson市的Greeco公司)将得到的混合物高速分散3到4分钟。将得到的溶胶均匀地倒到四个22cm×33cm×5cmPYREX托盘中，在强制通风炉中在100℃干燥约24小时。
将得到的干燥材料用“Braun”型UD粉碎机破碎，其钢板之间的间隙为1.1mm，以形成颗粒。将颗粒筛分得到0.125到1mm大小的颗粒。
用传统回转煅烧炉将筛分所得颗粒在约700℃煅烧，回转煅烧炉是直径23cm、长4.3m的不锈钢管，它具有2.9m的加热区，管相对水平倾斜2.4度，转速7rpm，使颗粒在其中存留时间为约10分钟。煅烧炉的加热区加料端温度为350℃，出料端温度700℃。
将得到的煅烧颗粒用浸渍溶液浸渍。将约180ml的浸渍溶液与约300g煅烧颗粒混合。将浸渍溶液和煅烧颗粒彻底混合在一起，以使溶液通过毛细管作用浸渍到煅烧颗粒中。浸渍溶液的制备是通过添加足够量的硝酸锌、硝酸钆和硝酸钇进行的，从而得到具有下面表2所示成分的焙烧、烧结的磨粒。
                                   表2
  例子   ZnO，wt％  Gd2O3，wt％   Y2O3，wt％   烧结密度，g/cm3
  1   2.4   2.6   1.2   3.95
  2   3.2   3.5   1.2   4.01
  3   3.2   3.5   0   3.99
  4   2.0   2.2   1.0   3.90
  5   3.6   2.2   1.0   3.96
  6   2.0   4.0   1.0   3.96
  7   3.6   4.0   1.0   4.02
  8   2.0   2.2   1.8   3.92
  9   3.6   2.2   1.8   3.98
  10   2.0   4.0   1.8   3.97
  11   3.6   4.0   1.8   4.04
  12   2.8   3.1   1.4   3.97
  13   2.0   3.5   1.5   3.96
  14   3.0   3.5   1.5   4.01
  15   2.0   5.5   1.5   4.01
  16   3.0   5.5   1.5   4.08
  17   2.0   3.5   3.5   3.98
  18   3.0   3.5   3.5   4.02
  19   2.0   5.5   3.5   4.04
  20   3.0   5.5   3.5   4.07
  21   2.5   4.5   2.5   4.02
  比较例I-A比较例I-B比较例I-C   0   0   0   3.903.923.92
将得到的浸渍颗粒干燥，使浸渍颗粒表面摸起来比较干燥，然后如上所述进行煅烧。
将煅烧的、浸渍的颗粒通过1406℃的回转窑输送。窑包括直径8.9cm、长1.22m、与水平面夹角4.4度的碳化硅管。窑的加热区约33cm。管的转速6rpm，以使在窑内存留时间为约5分钟。将得到的烧结磨粒从窑中输出并收集在金属容器中，在室温空气中冷却到室温。
例2-21和比较例I-A、I-B、I-C的制备如例1所述，但成分调节如上述表2所示。并且，对于比较例I(批次I-A、I-B和I-C)，浸渍溶液配制成使磨粒具有1.2％的MgO、2.4％的La2O3和1.2％的Y2O3。
使用Micromeritics公司(位于美国佐治亚州Norcross市)的AccuPyc 1330氦比重瓶测定煅烧的、烧结的磨粒。结果列在上面的表2中。
使用传统涂附磨料制备过程，将几个例子中一部分烧结磨粒结合到涂附磨具盘上。将烧结磨粒分级到接近ANSI 36级或FEPA P36级。选择ANSI或FEPA级是根据粉碎和初始筛分步骤的颗粒产量确定的。ANSI 36级大致是：通过25目美国标准筛但留在30目美国标准筛上的磨粒占16重量％，通过30目美国标准筛但留在35目美国标准筛上的磨粒占50重量％，通过35目美国标准筛但留在40目美国标准筛上的其余磨粒占34重量％。使用传统的由碳酸钙填充的酚醛底漆树脂(make resin)和传统的由冰晶石填充的酚醛面漆树脂(sizeresin)，将分级的烧结磨粒结合到硫化纤维背衬上。纤维盘在测试前是弯曲的。
如果固化的磨料纤维盘是通过研磨不锈钢进行测试的，则在粘合剂面漆上应用粘合剂超面漆。粘合剂超面漆包括：29.6份的可以从水中涂覆的双酚A二缩水甘油醚环氧树脂(可以购自位于美国肯塔基州Jeffersontown市的Rhone-Poulenc公司，商品名称为“CMD35201”)，0.035份的2-乙基-4-甲基咪唑固化剂(可以购自Air Products公司，商品名称为“EMI-24”)，以及12份水，55份四氟硼酸钾，2.3份氧化铁(着色剂)和0.78份润湿剂。将粘合剂超面漆涂层的纤维盘加热，使环氧树脂固化。对于有关粘合剂超面漆的其它细节请参见同时待审的申请：美国专利No.5556437(Lee等人)，由于其教导了制备此粘合剂超面漆的原理，其所公开的内容以引用方式并入本文。
将涂附磨具盘装在成斜面角的铝支撑垫上，并用于研磨1.25cm×18cm的1018钢件表面，以显示在不同基底上的性能。驱动该盘到5200rpm的转速，同时与支撑垫倾斜边缘重叠的部分盘与工件接触，根据不同例子，接触力为约6.0kg、8.2kg或10.0kg。每个盘以一分钟时间段研磨独立的工件。总切削量是对于每个一分钟时间段研磨测试所去除的工件量之和。初始切削量是在第一分钟研磨去除的金属量。最终切削量是在测试最后一分钟去除的金属量。每个例子测试两个盘。结果列于下面的表3、4和5中。
                                 表3
  例子           1018钢/6.0kg载荷/20分钟            1045钢/6.0kg载荷/20分钟
  总切削量，占比较例I-A的百分数   最终切削量，占比较例I-A的百分数   总切削量，占比较例I-A的百分数   最终切削量，占比较例I-A的百分数
  1   112   145   105   100
  2   111   126   107   112
  3   99   103   102   101
  比较例I-A 100 100 100 100
                                         表4
  例子          1018钢/10.0kg载荷/12分钟          1018钢/6.0kg载荷/20分钟
  初始切削量，g   最终切削量，g   总切削量，g   初始切削量，g   最终切削量，g   总切削量，g
  4   127   65   1245   84   48   1577
  5   139   86   1503   84   39   1543
  6   130   20   1189   89   45   1713
  7   142   80   1582   86   59   1826
  8   142   60   1490   89   31   1450
  9   143   94   1679   88   50   1783
  10   152   126   1870   93   65   1981
  11   147   89   1704   90   71   2042
  12   159   83   1666   90   34   1638
  比较例I-B   145   62   1476   87   55   1854
                                                  表5
例子         1045钢/10.0kg载荷/P36/12分钟         1018钢/10.0kg载荷/12分钟        1018钢/10.0kg载荷/P36/20分钟
  初始切削量，g   最终切削量，g   总切削量，g   初始切削量，g   最终切削量，g   总切削量，g   初始切削量，g   最终切削量，g   总切削量，g
  13   103   49   774   138   110   1522   81   79   1875
  14   95   40   706   140   93   1531   86   58   1709
  15   100   44   768   140   87   1534   88   58   1778
  16   100   40   782   140   106   1587   84   54   1754
  17   96   42   736   130   105   1448   81   45   1550
  18   93   52   789   127   88   1424   82   67   1673
  19   94   42   737   129   70   1349   89   54   1672
  20   99   53   807   138   98   1496   87   77   1842
  21   98   34   684   145   65   1500   85   74   1823
  比较例I-C 95 38 698 140 69 1348 84 54 1614
例22和比较例II-XVI
例22和比较例II-XVI是用几个镧系元素、MgO和/或ZnO配方制备的，用于对比煅烧密度。所用成分的摩尔比是基于于3M公司销售的商品名称为“CUBITRON 321”的磨粒的，按重量百分数计，“CUBITRON 321”含有1.2％MgO，2.4％La2O3，1.2％Y2O3和95.2％Al2O3。氧化物的摩尔比是0.030摩尔MgO或ZnO∶0.0074摩尔REO∶0.0053摩尔Y2O3∶0.934摩尔Al2O3。
除了列在下面表6中的成分不同之外，例22和比较例II-XVI是按例1所述制备的，并测量其密度。调节各稀土氧化物的重量百分数，以得到与MgO和ZnO等摩尔数的成分。
                                                   表6
  例子   REO                         重量百分数   稀土元素离子半径， 密度，g/cm3
REO MgO ZnO Y2O3 Al2O3
  比较例II   La2O3   2.40   1.20   0   1.20   95.20   1.016   3.90
  比较例III   La2O3   2.37   0   2.39   1.19   94.05   1.016   3.89
  比较例IV   Pr2O3   2.43   1.20   0   1.20   95.17   1.013   3.90
  比较例V   Pr2O3   2.40   0   2.39   1.19   94.02   1.013   3.89
  比较例VI   Nd2O3   2.48   1.20   0   1.20   95.12   0.995   3.90
  比较例VII   Nd2O3   2.45   0   2.39   1.18   93.98   0.995   3.91
  比较例VIII   Sm2O3   2.57   1.20   0   1.20   95.03   0.964   3.91
  比较例IX   Sm2O3   2.53   0   2.39   1.18   93.89   0.964   3.94
  比较例X   Dy2O3   2.74   1.20   0   1.20   94.86   0.950   3.90
  比较例XI   Dy2O3   2.71   0   2.38   1.18   93.73   0.950   3.94
  比较例XII   Gd2O3   2.66   1.20   0   1.20   94.94   0.936   3.91
  22   Gd2O3   2.63   0   2.38   1.18   93.81   0.936   3.96
  比较例XIII   Er2O3   2.81   1.19   0   1.19   94.81   0.936   3.91
  比较例XIV   Er2O3   2.77   0   2.38   1.18   93.67   0.881   3.94
  比较例XV   Yb2O3   2.89   1.19   0   1.19   94.73   0.858   3.91
  比较例XVI   Yb2O3   2.85   0   2.38   1.18   93.59   0.858   3.93
参看图9，对于每个例子，绘出密度与含有ZnO和MgO的各种稀土氧化物(REO)的离子半径的关系图。
例23和比较例XVII-XXXIII
对于例23和比较例XVII-XXXIII，制备具有不同摩尔数的ZnO/MgO和REO的磨粒。成分和密度列于下面的表7中。
                                       表7
例子  除Al2O3以外的氧化物总摩尔百分数                             重量百分数   密度，g/cm3
  MgO   ZnO   La2O3   Yb2O3   Gd2O3   Al2O3
  比较例XVII  1％   0.29   0   0.87   0   0   98.84   3.663
  比较例XVIII  1％   0   0.58   0.86   0   0   98.56   3.716
  比较例XIX  1％   0.29   0   0   1.06   0   98.65   3.538
  比较例XX  1％   0   0.58   0   1.04   0   98.38   3.589
  比较例XXI  1％   0.29   0   0   0   0.96   98.75   3.594
  比较例XXII  1％   0   0.58   0   0   0.95   98.47   3.651
  比较例XXIII  8％   2.3   0   7   0   0   90.7   3.698
  比较例XXIV  8％   0   4.6   6.9   0   0   88.5   3.776
  比较例XXV  8％   2.3   0   0   8.5   0   89.2   4.038
  比较例XXVI  8％   0   4.6   0   8.4   0   87   4.124
  比较例XXVIIA 8％ 2.3 0 0 0 7.7 90 4.06
  23  8％   0   4.6   0   0   7.5   87.9   4.149
  比较例XXVIII 15％ 4.3 0 13.2 0 0 82.5 3.758
  比较例XXIX  15％   0   8.6   12.8   0   0   78.6   4.048
  比较例XXX  15％   4.3   0   0   15.9   0   79.8   4.195
  比较例XXXI  15％   0   8.6   0   15.4   0   76   4.36
  比较例XXXII 15％ 4.3 0 0 0 14.4 81.3 3.999
  比较例XXXIII 15％ 0 8.6 0 0 14 77.4 4.06
例24和比较例XXXIV-LI
对于例24和比较例XXXIV-LI，制备具有不同REO与ZnO/MgO摩尔比的磨粒，同时保持REO重量百分数恒定在5％。成分和密度列于下面的表8中。
                                         表8
例子   REO：ZnO/MgO摩尔比                         重量百分数   密度，g/cm3
  MgO   ZnO   La2O3   Yb2O3   Gd2O3   Al2O3
 比较例XXXIV   1∶2   1.24   0   5   0   0   93.76   3.87
 比较例XXXV   --   0   2.5   5   0   0   92.5   3.85
 比较例XXXVI   --   1.02   0   0   5   0   93.98   3.91
 比较例XXXVIII   --   0   2.06   0   5   0   92.94   3.95
 比较例XXXIX   --   1.11   0   0   0   5   93.89   3.97
 24   --   0   2.24   0   0   5   92.76   4.01
 比较例XXXX   1∶5   3.1   0   5   0   0   91.9   3.87
 比较例XXXXI   --   0   6.25   5   0   0   88.75   3.93
 比较例XXXXIII   --   2.55   0   0   5   0   92.45   3.96
 比较例XXXXIV   --   0   5.15   0   5   0   89.85   4.05
 比较例XXXXV   --   2.78   0   0   0   5   92.22   3.98
 25   --   0   5.6   0   0   5   89.4   4.10
 比较例XXXXVI   1∶8   4.94   0   5   0   0   90.06   3.78
 比较例XXXXVII -- 0 9.98 5 0 0 85.02 3.90
 比较例XXXXVIII -- 4.09 0 0 5 0 90.91 3.96
 比较例XXXXIX   --   0   8.25   0   5   0   86.75   4.12
 比较例L   --   4.44   0   0   0   5   90.56   3.97
 比较例LI   --   0   8.97   0   0   5   86.03   4.12
例26和27和比较例LII-LXXXXVIII
除了成分如下面的表9所示外，例26和27和比较例LII-LXXXXVIII是按照例1所述制备的。其中一些例子的REO与MgO或ZnO摩尔比为1∶2.7，一些例子的REO与MgO或ZnO摩尔比为1∶8，一个例子的REO与MgO摩尔比为1∶4，一个例子的REO与ZnO摩尔比为1∶2.2。例26和27和比较例LII-LXXXXVIII的密度测量如例1所述。结果列于下面的表9中。
   表9
例子 REO REO：MgO/ZnO 重量百分数   稀土元素离子半径， 密度，g/cm3
REO MgO ZnO Y2O3 Al2O3
  比较例LII   La2O3   1∶2.7   3.56   1.19   0   1.19   94.06   1.016   3.92
  比较例LIII   La2O3   1∶2.7   3.51   0   2.36   1.18   92.95   1.016   3.91
  比较例LIV   Pr2O3   1∶2.7   3.60   1.19   0   1.19   94.02   1.013   3.92
  比较例LV   Pr2O3   1∶2.7   3.56   0   2.36   1.18   92.90   1.013   3.90
  比较例LVI   Nd2O3   1∶2.7   3.57   1.19   0   1.19   93.95   0.995   3.94
  比较例LVII   Nd2O3   1∶2.7   3.63   0   2.36   1.17   92.84   0.995   3.94
  比较例LVIII   Sm2O3   1∶2.7   3.81   1.18   0   1.18   93.83   0.964   3.95
  比较例LIX   Sm2O3   1∶2.7   3.75   0   2.36   1.17   92.72   0.964   3.98
  比较例LX   Dy2O3   1∶2.7   4.05   1.18   0   1.18   93.59   0.908   3.94
  比较例LXI   Dy2O3   1∶2.7   4.01   0   2.35   1.16   92.48   0.908   3.98
  比较例LXII   Gd2O3   1∶2.7   3.94   1.18   0   1.18   93.70   0.936   3.95
  26   Gd2O3   1∶2.7   3.89   0   2.35   1.17   92.59   0.936   4.00
  比较例LXIII   Er2O3   1∶2.7   4.16   1.17   0   1.17   93.50   0.881   3.95
  比较例LXIV   Er2O3   1∶2.7   4.10   0   2.35   1.16   92.39   0.881   3.98
  比较例LXV   Yb2O3   1∶2.7   4.34   1.17   0   1.17   93.32   0.858   3.95
  比较例LXVI   Yb2O3   1∶2.7   4.21   0   2.35   1.16   92.28   0.858   3.98
  比较例LXVII La2O3 1∶8 1.2 1.2 0 1.2 96.4 1.016 3.86
例子 REO REO：MgO/ZnO 重量百分数   稀土元素离子半径， 密度，g/cm3
REO MgO ZnO Y2O3 Al2O3
  比较例LXVIII La2O3 1∶8 1.19 0 2.39 1.19 95.23 1.016 3.88
  比较例LXIX   Pr2O3   1∶8   1.22   1.2   0   1.2   96.38   1.013   3.86
  比较例LXX   Pr2O3   1∶8   1.2   0   2.39   1.19   95.22   1.013   3.88
  比较例LXXI   Nd2O3   1∶8   1.25   1.2   0   1.2   96.36   0.995   3.86
  比较例LXXII Nd2O3 1∶8 1.23 0 2.39 1.18 95.2 0.995 3.88
  比较例LXXIII Sm2O3 1∶8 1.29 1.2 0 1.2 96.31 0.964 3.87
  比较例LXXIV Sm2O3 1∶8 1.27 0 2.39 1.18 95.15 0.964 3.88
  比较例LXXV Dy2O3 1∶8 1.37 1.2 0 1.2 96.23 0.908 3.86
  比较例LXXVI Dy2O3 1∶8 1.36 0 2.38 1.18 95.08 0.908 3.87
  比较例LXXVII Gd2O3 1∶8 1.33 1.2 0 1.2 96.27 0.936 3.87
  比较例LXXVIII Gd2O3 1∶8 1.32 0 2.38 1.18 95.12 0.936 3.90
  比较例LXXIX Er2O3 1∶8 1.41 1.19 0 1.19 96.21 0.881 3.86
  比较例LXXX Er2O3 1∶8 1.39 0 2.38 1.18 95.05 0.881 3.86
  比较例LXXXI Yb2O3 1∶8 1.45 1.19 0 1.19 96.17 0.858 3.86
  比较例LXXXII Yb2O3 1∶8 1.43 0 2.38 1.18 95.01 0.858 3.85
例子 REO REO：MgO/ZnO 重量百分数   稀土元素离子半径， 密度，g/cm3
REO MgO ZnO Y2O3 Al2O3
  比较例LXXXIII La2O3 1∶2.7 3.56 1.19 0 0 95.25 1.016 3.85
  比较例LXXXIV La2O3 1∶2.7 3.51 0 2.36 0 94.13 1.016 3.84
  比较例LXXXV Pr2O3 1∶2.7 3.6 1.19 0 0 95.21 1.013 3.87
  比较例LXXXVI Pr2O3 1∶2.7 3.56 0 2.36 0 94.08 1.013 3.86
  比较例LXXXVII Nd2O3 1∶2.7 3.67 1.19 0 0 95.14 0.995 3.89
  比较例LXXXVIII Nd2O3 1∶2.7 3.63 0 2.36 0 94.01 0.995 3.89
  比较例LXXXIX Sm2O3 1∶2.7 3.81 1.18 0 0 95.01 0.964 3.93
  比较例LXXXX Sm2O3 1∶2.7 3.75 0 2.36 0 93.89 0.964 3.94
  比较例LXXXXI Dy2O3 1∶2.7 4.05 1.18 0 0 94.77 0.908 3.92
  比较例LXXXXII Dy2O3 1∶2.7 4.01 0 2.35 0 93.64 0.908 3.95
  比较例LXXXXIII Gd2O3 1∶2.7 3.94 1.18 0 0 94.88 0.936 3.93
  27   Gd2O3   1∶2.7   3.89   0   2.35   0   93.76   0.936   3.99
  比较例LXXXXIV Er2O3 1∶2.7 4.16 1.17 0 0 94.67 0.881 3.92
  比较例LXXXXV Er2O3 1∶2.7 4.1 0 2.35 0 93.55 0.881 3.94
例子 REO REO：MgO/ZnO                   重量百分数   稀土元素离子半径， 密度，g/cm3
REO MgO ZnO Y2O3 Al2O3
 比较例LXXXXVI Yb2O3 1∶2.7 4.34 1.17 0 0 94.49 0.858 3.91
 比较例LXXXXVII Yb2O3 1∶2.7 4.21 0 2.35 0 93.44 0.858 3.91
 比较例LXXXXVIII La2O3 1∶4 2.4 1.2 0 1.2 95.2 1.016 3.91
 28   Gd2O3   1∶2.2   4.2   0   2.1   1.9   91.8   0.936   3.98
图7和8分别是例26和比较例LII磨粒的抛光横截面的扫描电镜照片。这些抛光样品的制备是通过用镶样树脂(得自位于美国伊利诺伊州Lake Bluff市的Buehler公司，商品名称为“TRANSOPTICPOWDER”)将磨粒镶在直径约2.5cm、高约1.9cm的圆柱状树脂上。采用传统抛光技术用抛光机(得自位于美国伊利诺伊州Lake Bluff市的Buehler公司，商品名称为“ECOMET 3”)对镶样部分抛光。样品用70微米钻石砂轮抛光约3分钟，再用45微米、30微米、15微米、9微米、3微米和1微米的抛光浆分别抛光5分钟。将镶样和抛光的样品溅射金-铂薄层，并用扫描电镜(JEOL SEM型号JSM840A)观察。图像是在10000倍下拍摄的，并且打印得到约120mm长、90mm宽的显微照片。
将此图像分成12个方块，每块约30mm×30mm。对于例26，参见图10。用肉眼观察每个方块，在每个方块中选择两个代表性片状物用于测量(即，长度和厚度)。对于图10中的一个方块，使用了片状物“a”和“b”。只有那些具有两个可辨认末端的片状物用于测量。如果方块上这种片状物多于两个，则在方块中选出用于测定平均尺寸的两个片状物，其尺寸与方块中具有两个可辨认末端的片状物的平均值最接近。测量24个片状物并将测量值平均，以得到记录的平均长度和厚度值。并且，所记录的片状物尺寸仅仅用于边缘表面，因为据认为抛光表面和随机片状物取向不能对较宽片状物表面给出可靠的见解。使用X射线粉末衍射确定例26的片状物包括GdZnAl11O19磁铅石，而比较例LII包括LaMgAl11O19磁铅石。
虽然含有相同摩尔百分数的磁铅石，但从图7和8中容易看出，与比较例LII相比，例26的片状物大得多，而且数量较少。例26样品的片状物的平均值为约0.12微米×1.12微米，而比较例LII的平均值为约0.09微米×0.69微米。
镶样的样品还用于测定例26和比较例LII磨粒的平均显微硬度。显微硬度的测量使用传统的显微硬度测试仪(得自位于日本东京的Mitutoyo公司，商品名称为“MITUTOYO MVK-VL”)，上面装有维氏压头，并使用500克压入载荷。显微硬度的测量按照ASTM测试方法E384“材料显微硬度试验方法”(1991)中所述的准则进行，其所公开的内容以引用方式并入本文。例26和比较例LII磨粒的平均硬度分别是17.2GPa和18.4GPa。
按例1-21和比较例A-1所述，用1018低碳钢在6.0kg和8.2kg载荷下评估例28和比较例LXXXXVIII的研磨性能。研磨结果列于下面的表10中。
                                          表10
 例子          1018钢/6.0kg载荷/20分钟          1018钢/8.2kg载荷/15分钟
  初始切削量，g   最终切削量，g   总切削量，g   初始切削量，g   最终切削量，g   总切削量，g
 比较例LXXXXVIII 68 58 1506 91 69 1360
 28   89   88   1985   113   97   1809
比较例LXXXXIX-CVI
除了使用针铁矿成核剂以及成分如下表11所示以外，按例1所述来制备比较例LXXXXIX-CVI，并测量密度，其中针铁矿成核剂的含量如Fe2O3所示。
                                            表11
例子   Fe2O3，重量百分数   La2O3，重量百分数   Gd2O3，重量百分数   MgO，重量百分数   ZnO，重量百分数   Y2O3，重量百分数   Al2O3，重量百分数 密度，g/cm3
  比较例LXXXXIX 1.4 2.4 0 1.2 0 1.2 93.8 3.95
  比较例C   1.4   0   2.6   0   2.4   1.2   92.4   4.03
  比较例CI   1.4   0   2.6   1.2   0   1.2   93.6   4.02
  比较例CII   1.4   2.4   0   0   2.4   1.2   92.6   3.95
  比较例CIII   1.4   2.4   0   1.2   0   0   95.0   3.97
  比较例CIV   1.4   0   2.6   0   2.4   0   93.6   4.01
  比较例CV   1.4   0   2.6   1.2   0   0   94.8   4.00
  比较例CVI   1.4   2.4   0   0   2.4   0   93.8   4.03
例29和30
除了成分如下表12所示以外，按例1所述制备例29和30，并测量密度。
表12
  例子  Dy2O3，重量百分数  Gd2O3，重量百分数  MgO，重量百分数  ZnO，重量百分数  Y2O3，重量百分数  Al2O3，重量百分数  密度，g/cm3
  29  1.36  1.32  0  2.38  1.20  93.74  3.95
  30  0  2.65  0  2.40  1.20  93.75  3.96
例31和比较例CVII
除了成分和烧结温度如下表13所示之外，按例1所述制备例31和比较例CVII，并测量密度。
                                          表13
例子   烧结温度，℃                           重量百分数   密度，g/cm3
  La2O3   Gd2O3   MgO   ZnO   Y2O3   Al2O3
  比较例CVII   14151400138013701360135013401330   2.4   0   1.2   0   1.2   95.2   3.923.923.91*3.883.80
  31   14151400138013701360135013401330   0   4.2   0   2.1   1.9   91.8   3.993.993.993.993.983.98*3.963.92
*表示未观察到密度进一步变化。
对于本领域技术人员来说，可以容易地对上述实施方案进行多种修改和变化，而不偏离本发明的范围和精神，而且应该理解，本发明并不限于本文给出的说明性实施方案。

Claims (36)

1.一种烧结α-氧化铝基磨粒，该磨粒包括α-氧化铝、Gd2O3和ZnO，所述Gd2O3的重量占所述磨粒的金属氧化物总量的1重量％到15重量％，所述ZnO的重量占所述磨粒的金属氧化物总量的0.2重量％到8重量％，并且Gd2O3与ZnO的摩尔比为2∶1到1∶5，其中所述烧结α-氧化铝基磨粒中的所述α-氧化铝中低于0.05体积％的α-氧化铝是由成核剂成核的。
2.如权利要求1所述的烧结α-氧化铝基磨粒，其中所述的Gd2O3与ZnO的摩尔比为1∶2到1∶4。
3.如权利要求2所述的烧结α-氧化铝基磨粒，其中所述烧结α-氧化铝基磨粒中的所述α-氧化铝中低于0.025体积％的α-氧化铝是由成核剂成核的。
4.如权利要求1所述的烧结α-氧化铝基磨粒，其中所述Gd2O3的重量占所述磨粒的金属氧化物总量的2重量％到8重量％，所述ZnO的重量占所述磨粒的金属氧化物总量的1重量％到5重量％。
5.如权利要求4所述的烧结α-氧化铝基磨粒，其中所述烧结α-氧化铝基磨粒中的所述α-氧化铝中低于0.025体积％的α-氧化铝是由成核剂成核的。
6.如权利要求4所述的烧结α-氧化铝基磨粒，其中所述的Gd2O3与ZnO的摩尔比为1∶2到1∶4。
7.如权利要求6所述的烧结α-氧化铝基磨粒，其中所述烧结α-氧化铝基磨粒中的所述α-氧化铝中低于0.025体积％的α-氧化铝是由成核剂成核的。
8.如权利要求4所述的烧结α-氧化铝基磨粒，其中Al2O3的重量占所述磨粒的金属氧化物总量的55重量％到97重量％。
9.如权利要求8所述的烧结α-氧化铝基磨粒，其中所述烧结α-氧化铝基磨粒中的所述α-氧化铝中低于0.025体积％的α-氧化铝是由成核剂成核的。
10.如权利要求1所述的烧结α-氧化铝基磨粒，其中所述磨粒中的所述α-氧化铝的平均晶粒尺寸在1微米到10微米的范围内。
11.如权利要求1所述的烧结α-氧化铝基磨粒，其中所述稀土氧化物的至少一部分以磁铅石片状物存在，所述片状物的平均纵向尺寸在0.8微米到2微米范围内，所述片状物的平均横截面厚度在0.1微米到0.15微米范围内。
12.如权利要求1所述的烧结α-氧化铝基磨粒，其还包含选自氧化铬、氧化钴、氧化铁、氧化铪、氧化锂、氧化镁、氧化锰、氧化镍、氧化钛、氧化钇、氧化锆及其组合的金属氧化物。
13.如权利要求1所述的烧结α-氧化铝基磨粒，其中所述烧结α-氧化铝基磨粒中的所述α-氧化铝中低于0.025体积％的α-氧化铝是由成核剂成核的。
14.具有磨料工业规定标称级别的多个磨粒，其中所述多个磨粒的至少一部分是如权利要求13所述的磨粒。
15.一种磨料制品，该制品包含粘合剂以及多个如权利要求13所述的磨粒，所述磨粒由所述粘合剂固定在所述制品中。
16.具有磨料工业规定标称级别的多个磨粒，其中所述多个磨粒的至少一部分是如权利要求1所述的磨粒。
17.如权利要求16所述的多个磨粒，其中所述磨料工业规定标称级别选自：ANSI4、ANSI6、ANSI8、ANSI16、ANSI24、ANSI36、ANSI40、ANSI50、ANSI60、ANSI80、ANSI100、ANSI120、ANSI150、ANSI180、ANSI220、ANSI240、ANSI280、ANSI320、ANSI360、ANSI400和ANSI600。
18.如权利要求16所述的多个磨粒，其中所述磨料工业规定标称级另选自：P8、P12、P16、P24、P36、P40、P50、P60、P80、P100、P120、P150、P180、P220、P320、P400、P500、P600、P800、P1000和P1200。
19.如权利要求16所述的多个磨粒，其中所述磨料工业规定标称级别选自：JIS8、JIS12、JIS16、JIS24、JIS36、JIS46、JIS54、JIS60、JIS80、JIS100、JIS150、JIS180、JIS220、JIS240、JIS280、JIS320、JIS360、JIS400、JIS600、JIS800、JIS1000、JIS1500、JIS2500、JIS4000、JIS6000、JIS8000和JIS10000。
20.如权利要求1所述的烧结α-氧化铝基磨粒，其中所述Al2O3的重量占所述磨粒的金属氧化物总量的55重量％到97重量％。
21.如权利要求20所述的烧结α-氧化铝基磨粒，其中所述烧结α-氧化铝基磨粒中的所述α-氧化铝中低于0.025体积％的α-氧化铝是由成核剂成核的。
22.一种磨料制品，该制品包含粘合剂以及多个如权利要求1所述的磨粒，所述磨粒由所述粘合剂固定在所述制品中。
23.如权利要求22所述的磨料制品，其中所述磨料制品是固结磨具制品、非织造磨具制品、涂附磨具制品或磨刷。
24.如权利要求22所述的磨料制品，其中所述磨料制品是砂轮。
25.一种制造烧结α-氧化铝基磨粒的方法，所述方法包括以下步骤：
通过混合几种成分制备分散体，所述成分包括液体介质、胶溶剂、勃姆石、Gd2O3源和ZnO源；
将所述分散体转换成颗粒状α-氧化铝基磨粒前体材料；以及
烧结所述颗粒状α-氧化铝基磨粒前体材料，以得到如权利要求1所述的烧结α-氧化铝基磨粒。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述Gd2O3源是钆盐，所述ZnO源包括锌盐。
27.一种制造烧结α-氧化铝基磨粒的方法，所述方法包括以下步骤：
通过混合几种成分制备分散体，所述成分包括液体介质、胶溶剂和勃姆石；
将所述分散体转换成颗粒状α-氧化铝基磨粒前体材料；
煅烧所述颗粒状α-氧化铝基磨粒前体材料，以得到第一煅烧α-氧化铝基磨粒前体颗粒；
用包含液体介质的浸渍剂组合物浸渍所述第一煅烧颗粒，以得到浸渍的α-氧化铝基磨粒前体颗粒；
煅烧所述浸渍的α-氧化铝基磨粒前体颗粒，以得到第二煅烧α-氧化铝基磨粒前体颗粒；以及
烧结所述第二煅烧颗粒，以得到如权利要求1所述的烧结α-氧化铝基磨粒，
其中所述分散体或所述浸渍剂组合物中至少一者包含Gd2O3源和ZnO源。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述Gd2O3源是钆盐，所述ZnO源包括锌盐。
29.一种制备磨料制品的方法，所述方法包括以下步骤：
通过混合几种成分制备分散体，所述成分包括液体介质、胶溶剂、勃姆石、Gd2O3源和ZnO源；
将所述分散体转换成颗粒状α-氧化铝基磨粒前体材料；
烧结所述前体材料，以得到如权利要求1所述的烧结α-氧化铝基磨粒；以及
将至少多个所述烧结α-氧化铝基磨粒与粘合剂结合，以得到一种磨料制品。
30.如权利要求29所述的方法，其中将至少多个所述α-氧化铝基陶瓷磨粒与粘合剂结合的步骤包括将熔融氧化铝磨粒与所述粘合剂结合。
31.一种制备磨料制品的方法，所述方法包括以下步骤：
通过混合几种成分制备分散体，所述成分包括液体介质、胶溶剂和勃姆石；
将所述分散体转换成颗粒状α-氧化铝基磨粒前体材料；
煅烧所述颗粒状α-氧化铝基磨粒前体材料，以得到第一煅烧α-氧化铝基磨粒前体颗粒；
用包含液体介质的浸渍剂组合物浸渍所述第一煅烧颗粒，以得到浸渍的α-氧化铝基磨粒前体颗粒；
煅烧所述浸渍的α-氧化铝基磨粒前体颗粒，以得到第二煅烧α-氧化铝基磨粒前体颗粒；
烧结所述第二煅烧颗粒，以得到如权利要求1所述的烧结α-氧化铝基磨粒；以及
将至少多个所述烧结α-氧化铝基磨粒与粘合剂结合，以得到一种磨料制品，
其中所述分散体或所述浸渍剂组合物的至少一者包括Gd2O3源和ZnO源。
32.如权利要求31所述的方法，其中将至少多个所述α-氧化铝基陶瓷磨粒与粘合剂结合的步骤包括将熔融氧化铝磨粒与所述粘合剂结合。
33.一种研磨表面的方法，所述方法包括以下步骤：
提供包含粘合剂和多个磨粒的磨料制品，其中所述磨粒的至少一部分是如权利要求1所述的磨粒；
使包含所述α-氧化铝、所述Gd2O3和所述ZnO的所述磨粒中的至少一个与工件表面接触；以及
移动所述被接触的包含所述α-氧化铝、所述Gd2O3和所述ZnO的磨粒或者所述被接触的表面中的至少一者，以用所述被接触的包含所述α-氧化铝、所述Gd2O3和所述ZnO的磨粒来研磨所述表面的至少一部分。
34.如权利要求33所述的方法，其中所述表面选自以下金属：铝、碳钢、低碳钢、工具钢、不锈钢、硬化钢、钛，以及木材。
35.如权利要求33所述的方法，其中所述表面选自以下金属：铝、1018低碳钢和1045低碳钢。
36.如权利要求1所述的烧结α-氧化铝基磨粒，其中所述烧结α氧化铝基磨粒中的所述α氧化铝中低于0.01体积％的α氧化铝是由成核剂成核的。
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