CN101291779B - 团聚磨粒及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磨料团聚物，其包括多个用基本上连续且无孔的无机粘结剂以三维结构粘结在一起的磨粒，其中所述磨粒的平均粒度为约0.5微米到约1500微米，所述无机粘结剂占所述磨料团聚物的不到约75重量％，并且所述磨料团聚物的堆密度小于磨粒堆密度的约90％。

Description

团聚磨粒及其制造方法
技术领域
本发明涉及可用于多种磨料制品的磨料团聚物，其中所述磨料制品包括粘结磨具、涂附磨具、非织造磨具和研磨刷。
背景技术
磨料粒子或磨粒长期以来被用于磨料制品中，其中所述磨料制品包括涂附磨具、粘结磨具和非织造磨具。磨料粒子传统上包含诸如氧化铝、氧化铝-氧化锆、金刚石、立方氮化硼和溶胶-凝胶法制造的磨料颗粒之类的坚硬物质的细颗粒。用于评价具体研磨应用中的具体磨料颗粒的有效性而采用的标准通常包括研磨寿命、切削率、基质表面光洁度、研磨效率和产品成本。
这类传统的磨料粒子对于在短时间内从工件上除去一些物质是有效的，然而，许多磨料粒子在一段时间后会变光滑或被磨光，以至于几乎不能再除去额外的物质。当大量的磨料粒子变光滑时，磨料制品对工件的研磨效果通常会变差。此外，由于越来越多的磨料粒子随着时间的推移而变得光滑，所以磨料制品的切削率可能会变得不一致。
针对这种切削率随着时间的推移而不一致的情况，已经开发出了磨料团聚物。磨料团聚物具有多个由有机或无机粘结剂粘结在一起的磨料粒子。通常，粘结剂较磨料粒子更易碎，从而使得在磨料粒子变光滑或被磨光以前，粘结剂会发生破碎而释放掉已经磨损的磨料粒子，由此使新的磨料粒子与工件接触。
发明内容
在一个方面，本公开提供一种磨料团聚物，所述团聚物包括多个用基本上连续且无孔的无机粘结剂以三维结构粘结在一起的磨粒，其中所述磨粒的平均粒度在约0.5微米到约1500微米之间，所述无机粘结剂占磨料团聚物的不到约75重量％，并且所述团聚物的堆密度小于所述磨粒的堆密度的约90％。
在另一方面，本公开提供一种涂附磨具，所述涂附磨具包括：具有表面的背衬，以及多个通过粘结体系固定到所述表面上的磨料团聚物，其中多个磨料团聚物中的每一个磨料团聚物都包括多个用基本上连续且无孔的无机粘结剂以三维结构粘结在一起的磨粒，其中所述磨粒的平均粒度在约0.5微米到约1500微米之间，所述无机粘结剂少于所述磨料团聚物的约75重量％，并且所述团聚物的堆密度小于所述磨粒的堆密度的约90％。
在另一方面，本公开提供了一种制做磨料团聚物的方法，该方法包括以下步骤：提供多个玻璃体，每一个玻璃体都具有一定的形状，并且这些玻璃体都具有软化温度；提供多个磨粒；将多个玻璃体和多个磨粒混合从而形成混合物；加热该混合物至所述的软化温度从而使得玻璃体在软化的同时基本上保持所述一定的形状；将磨粒粘附到软化的玻璃体上从而形成多个磨料团聚物；以及冷却磨料团聚物从而使玻璃体硬化。
本公开的磨料团聚物一般来讲制造成本不高，并且通常具有得到改善的研磨寿命。
附图说明
图1是根据本公开的代表性磨料团聚物的透视图。
图2是根据本公开的磨料团聚物的显微照片，其中玻璃质粘结剂由纤维状玻璃体制成。
图3是根据本公开的磨料团聚物的显微照片，其中玻璃质粘结剂由用后再生的玻璃构成的玻璃体制成。
图4是根据本公开的磨料团聚物的显微照片，其中玻璃质粘结剂由玻璃纤维制成。
图5是用本公开的磨料团聚物制成的涂附磨料制品的示意性剖视图。
图6是用本公开的磨料团聚物制成的粘结磨料制品的透视图。
图7是用本公开的磨料团聚物制成的非织造磨料制品的放大示意图。
图8和9是显示使用根据本公开的多种磨料团聚物制成的涂附磨盘的研磨结果与使用传统的磨粒制造的涂附磨盘的研磨结果进行对比的线图。
具体实施方式
参见图1，根据本发明的磨料团聚物包括多个用基本上连续且无孔的无机粘结剂14以三维结构粘结在一起的磨粒，其中所述磨粒的平均粒度在约0.5微米到约1500微米之间，所述无机粘结剂14少于磨料团聚物的约75重量％，并且所述磨料团聚物的堆密度小于所述磨粒的堆密度的约90％。在本文中，“堆密度”是指大量颗粒(即，磨粒或磨料团聚物)被松散堆积时的堆密度值，即大量颗粒被松散堆积时单位体积的重量。
在一些实施例中，所述无机粘结剂是用廉价原料(例如由玻璃纤维短切原丝、绝缘玻璃纤维、用后再生的玻璃或一定粒度的玻璃粉颗粒制成的玻璃体)形成的玻璃质粘结剂。如以下所描述，本发明的方法使得可以用廉价原料作为用于形成磨料团聚物的粘结剂来制造廉价的磨料团聚物磨粒。
基本连续且无孔的意思是玻璃质粘结剂由单个的无孔玻璃体形成。在磨料团聚物的三维结构中，玻璃质粘结剂在该整个三维结构中几乎不中断。这种玻璃质粘结剂通常能够润湿磨粒而不形成间隙或气孔。在一些实施例中，玻璃质粘结剂由单个的无孔玻璃体形成。在一些实施例中，磨料团聚物具有与用于形成玻璃质粘结剂的玻璃体相同的总体形状。
在一些实施例中，磨料团聚物的粒度在约5微米到约10,000微米之间。在一些实施例中，磨料团聚物的粒度在10微米到100微米之间。然而，在另一些实施例中，磨料团聚物的粒度为约15微米。磨料团聚物的“粒度”是指磨料团聚物的最小线性尺寸。例如，图1中所示磨料团聚物的粒度是尺寸W。在另一个实施例中，磨料团聚物的纵横比大于1∶1。在一些实施例中，磨料团聚物的纵横比在约1∶1到约20∶1之间。而在另一些实施例中，磨料团聚物的纵横比在约2∶1到约5∶1之间。“纵横比”是指磨料团聚物的最长尺寸与最短尺寸之比。例如，在图1中，磨料团聚物的最长尺寸为长度L，最短尺寸为宽度W，这样，图1所示磨料团聚物的纵横比为L∶W(按图1所示为约3∶1)。
对于每一个磨料团聚物而言，其都应具有足够数量的磨粒以使得由磨料团聚物制成的磨料制品具有可接受的切削寿命，但是其磨粒数量不需要多于用来进行有效研磨所必需的磨粒量。在一些实施例中，每个磨料团聚物具有约3到约300个磨粒。在一些实施例中，每个磨料团聚物具有约3到约20个磨粒。在另一些实施例中，每个磨料团聚物具有约3到约15个磨粒。在一些实施例中，每克磨粒配有约0.05克到约0.5克的玻璃质粘结剂。在一些实施例中，每克磨粒配有约0.1克到约0.45克的玻璃质粘结剂。在另一些实施例中，在磨料团聚物中，每克磨粒配有约0.15克到约0.25克玻璃质粘结剂。
已经表明，本公开的磨料团聚物可以大幅度延长采用该磨料团聚物而非传统磨粒制成的磨料制品的研磨寿命。例如，参见比较例B(使用传统磨粒)中的磨盘和实例15中的磨盘(使用本发明的磨料团聚物)之间的对比结果。使用本发明的磨料团聚物制成的磨盘能够在8分钟内从1018钢工件上磨去共289克，然而传统的磨盘在相同的时间内只能磨去共约260克。而且，在另一个对比测试中，传统磨盘只能研磨约11分钟，而用所述磨料团聚物制成的磨盘在15分钟后仍然能够有效地研磨(见图8)。
在一些实施例中，磨粒基本上不被无机粘结剂包封。在本文中，术语“基本上不被包封”的意思是磨粒表面的一部分未与玻璃质粘结剂接触。在一些实施例中，每颗磨粒的大部分是暴露的，从而使得其没有被包封在玻璃质粘结剂中。在另一个实施例中，磨粒在玻璃质粘结剂上形成不连续的涂层，其中从玻璃质粘结剂的中心沿径向向外延伸的直线，如图1中所示的直线16，穿过不多于三个磨粒。在一些实施例中，磨粒在玻璃质粘结剂上形成不连续的涂层，其中从玻璃质粘结剂的中心沿径向向外延伸的直线，如图1中所示的直线，穿过不多于两个磨粒。在一些实施例中，磨粒在玻璃质粘结剂上形成不连续的单层，从而使得从团聚物中心沿径向向外延伸的直线穿过不多于一个磨粒。由于磨粒形成不连续的涂层，所以从团聚物中心向外延伸的直线，如图1所示的直线16b，也有可能不会延伸穿过任何磨粒。
选择适用于本公开的磨料团聚物的磨粒，以使磨料制品达到所需产生的切削率和表面光洁度。磨粒的粒度通常为约0.5微米到约1500微米。在一些实施例中，磨粒粒度在约1微米到约1300微米之间，其中磨粒的“粒度”指单个颗粒状磨粒的最短尺寸。
适于本公开的磨料团聚物的磨粒的实例包括由熔融氧化铝、陶瓷氧化铝、热处理氧化铝、白色熔融氧化铝、棕刚玉、单晶熔融氧化铝、二氧化硅、碳化硅、绿色碳化硅、碳化硼、碳化钛、氧化铝-氧化锆、熔融氧化铝-氧化锆、金刚石、二氧化铈、立方氮化硼(CBN)、B6O和B10O形式的氧化硼、石榴石、硅藻土、碳氮化硼、α-氧化铝基烧结磨料粒子、衍生自勃姆石的烧结氧化铝、以及它们的组合制成的颗粒。在一个实施例中，磨粒是3M公司(位于美国明尼苏达州的St.Paul市)以商品名“CUBITRON”出售的磨粒。
在一些实施例中，磨粒为或基本上包括硬度为至少约35GPa的“超级磨料”材料。在一些实施例中，磨粒为或基本上包括硬度为至少约40GPa的“超级磨料”材料，例如，金刚石、CBN或它们的组合。在本文中，“基本上包括超级磨料材料”被用来描述磨粒中至少含30％超级磨粒的情况下的实施例。在一些实施例中，磨粒中至少含50％的超级磨粒。在另一些实施例中，磨粒中至少含约75％的超级磨粒。
在一个实施例中，玻璃质粘结剂为基本连续且无孔的玻璃样物质，所述物质将磨粒粘结在一起从而形成磨料团聚物。这种玻璃质粘结剂应该足够强效，以便在磨料团聚物用于研磨工件时其能够将磨粒固定，但又要足够脆，以便在磨粒被过度磨光或太钝而不能有效磨削工件时其能够破碎。玻璃质粘结剂通常不到磨料团聚物的约75重量％。在一些实施例中，玻璃质粘结剂通常不到磨料团聚物的约60重量％。在另一些实施例中，玻璃质粘结剂不到磨料团聚物的50重量％。使用术语“玻璃质粘结剂”并非旨在将玻璃质粘结剂仅仅限定为完全玻璃态的非结晶物质。更确切地说，玻璃质粘结剂在磨料团聚物成品中可以为部分或完全结晶的材料。在一个实施例中，玻璃质粘结剂是由玻璃体制成的，这种玻璃体开始时为玻璃态的，但是在制造磨料团聚物的加热和冷却过程中则部分或完全结晶。
可用于玻璃质粘结剂的材料的实例包括硅酸盐、钠钙硅酸盐、硅酸钙、铝硅酸钙、硅酸钠、硅酸钾、硼硅酸盐、磷酸盐、硼玻璃、铝酸盐、玻璃陶瓷、含钛酸盐玻璃、稀土氧化物玻璃、氧化锆基玻璃、碎玻璃和被粉碎的用后再生的玻璃、或它们的组合。磨料团聚物中的玻璃质粘结剂可部分结晶或完全结晶。
在一些实施例中，玻璃质粘结剂由玻璃体制成，玻璃体可以作为用于形成磨料团聚物的廉价原料获得。玻璃体原料的实例包括可得自OwensCorning公司(位于美国俄亥俄州的Toledo市)或Saint-GobainVetrotex America公司(位于美国宾夕法尼亚州的Valley Forge市)的玻璃纤维短切原丝、可得自Johns Manville公司(位于美国科罗拉多州的Denver市)的绝缘玻璃纤维棉、可得自American Specialty Glass公司(位于美国尤他州的North Salt Lake City市)的再生玻璃细料、或可得自Ferro公司(位于美国俄亥俄州的Cleveland市)的玻璃粉块。在一个实施例中，玻璃体是在与磨粒混合以前可以被束在一起的玻璃纤维。在一些实施例中，玻璃体的尺寸比磨粒尺寸至少约大2倍。在一些实施例中，玻璃体的尺寸比磨粒尺寸至少约大3倍。在另一些实施例中，玻璃体的尺寸比磨粒尺寸至少约大5倍。在本文中，术语“比……大”的意思是指玻璃体的最长尺寸(即，图1中的长度L)大于磨粒的粒度。
制造多个磨料团聚物的方法包括以下步骤：提供由玻璃质粘结剂制成的多个玻璃体，其中每一个玻璃体都具有一定的形状，并且玻璃体都具有软化温度；提供多个磨粒；将多个玻璃体与多个磨粒混合在一起从而形成混合物；加热该混合物到玻璃体的软化温度，使得玻璃体在发生软化的同时基本上保持所述的一定的形状；将磨粒粘附到软化的玻璃体上，从而形成多个磨粒团聚物；以及冷却磨粒团聚物，使得玻璃体的玻璃质粘结剂硬化。
在一些实施例中，玻璃体是作为廉价前体提供的，所述前体例如有玻璃纤维短切原丝、多根玻璃纤维、或用后再生的玻璃颗粒。这些玻璃体具有有利于形成磨料团聚物的初始形状。在一些实施例中，玻璃体是长而细的玻璃纤维短切原丝，例如由Owens Corning公司出售的长度在约1/32英寸到约3/8英寸之间的玻璃纤维原丝。在一些实施例中，玻璃体的长度为约1/16英寸。在一些实施例中，玻璃体的宽度在约1/64英寸到约1/16英寸之间。在一些实施例中，玻璃体的宽度为约1/32英寸。在其它实施例中，所述玻璃体为粒度在约1/128英寸到约1/16英寸之间的用后再生的玻璃细料。在一些实施例中，再生玻璃细料的粒度可在约1/64英寸到约1/32英寸之间。在另一些实施例中，可使用粒度为约1/64英寸的再生玻璃细料。
在选定玻璃体后，将这种玻璃体与多个磨粒混合。在一些实施例中，在混合步骤中将过量的磨粒与玻璃体混合。“过量”的意思是指将比形成磨料团聚物所需的磨粒更多的磨粒与玻璃体混合。在一个实施例中，混合步骤包括(按体积计)以每份玻璃体至少约2份磨粒的量来提供过量的磨粒。在另一些实施例中，混合步骤包括(按体积计)以每份玻璃体至少约3份磨粒的量来提供过量的磨粒。在另一些实施例中，混合步骤包括(按体积计)以每份玻璃体至少约4份磨粒的量来提供过量的磨粒。在另一种方法中，按重量计，为每份玻璃体提供约2份到约200份的磨粒。在另一些实施例中，按重量计，为每份玻璃体提供约10份到约100份的磨粒。在另一些实施例中，按重量计，为每份玻璃体提供约10份到约25份的磨粒。(例如)用诸如市售混合器之类的传统混合装置，将玻璃体和磨粒所形成的混合物一起混合，直到玻璃体在磨粒中基本上均匀分布为止。
在一些实施例中，混合步骤包括将水或其它一些暂时性的液体粘结剂与玻璃体和磨粒混合，以使得磨粒和玻璃体保持均匀混合。在一些实施例中，向每100克的磨粒中加入约1克到约5克。在一些实施例中，向每100克的磨粒中加入约2克到约4克。在另一些实施例中，向每100克的磨粒中加入约3克的水。
混合后，将混合物加热到玻璃体的玻璃质粘结剂的软化温度。该混合物可以使用多种加热装置中的任何一种进行加热，所述加热装置包括加热炉和窑。在一种优选的方法中，将该混合物连续供入回转窑或立窑中，同时将形成的磨料团聚物从该窑中移出。
所述混合物至少要被加热到玻璃质粘结剂的软化温度，以使得玻璃体软化，从而允许磨粒粘附到玻璃体上。“软化温度”指这样的温度，在该温度下，玻璃质粘结剂的粘度变得足够低，从而使得玻璃质粘结剂可以充分变形，这样磨粒可以嵌入到玻璃质粘结剂中。虽然与玻璃体的初始原料状态相比，玻璃体在团聚后可能会表现出些许的变形、熔融或流动，但是每个玻璃体的形状基本上保持其本体形状并大致保持完好，从而形成磨料团聚物的骨架。
具体玻璃质粘结剂的软化温度取决于玻璃质粘结剂的组成。例如，可得自St.Gobain公司(位于美国宾夕法尼亚州的Valley Forge市)的一种玻璃纤维短切原丝是由其组成为52-62％的二氧化硅(SiO2)、16-30％的碱土金属氧化物(即，CaO或MgO)、0-10％的B2O3、11-16％的Al2O3、和少量(即，不多于3％)的碱性氧化物(即，Na2O或K2O)、TiO2、Fe2O3和F2的“E-玻璃”制成的，其软化温度为约1000℃，而用后再生的玻璃则具有不同的组成，其软化温度较低，为约800℃。具体玻璃质粘结剂的软化温度可由本领域的普通技术人员通过试误法方便地确定，在所述的试误法中，玻璃体和磨粒的混合物被加热到一个实验温度，然后对所得的磨料团聚物进行分析，以确定玻璃质粘结剂是否已经充分软化，以便可以使其适当地流动以润湿磨粒，从而使得磨粒足够牢固地粘结到玻璃体上。在一种方法中，软化温度被确定为这样的温度，在该温度下，玻璃体变得足够软，使得对于大多数的磨粒而言至少约5％的磨粒嵌入到玻璃质粘结剂中。在一些实施例中，软化温度被确定为这样的温度，在该温度下，玻璃体变得足够软，使得对于大多数的磨粒而言至少约10％的磨粒嵌入到玻璃质粘结剂中。在另一些实施例中，软化温度被确定为这样的温度，在该温度下，玻璃体变得足够软，使得对于大多数的磨粒而言至少约20％的磨粒嵌入到玻璃质粘结剂中。在一种方法中，所述混合物被加热到约300℃到约1500℃之间的温度。在一些实施例中，所述混合物被加热到约400℃到约1100℃之间的温度。在另一些实施例中，所述混合物被加热到约600℃到约1000℃之间的温度。
所述加热步骤还可包括将玻璃体和磨粒的混合物加热到高于玻璃质粘结剂软化温度的温度，从而使得玻璃质粘结剂稍微流动并润湿磨粒的表面。在一些实施例中，所述混合物被加热到比玻璃质粘结剂的软化温度高约1℃到约200℃的温度。在一些实施例中，所述混合物被加热到比玻璃质粘结剂的软化温度高约5℃到约50℃的温度。在另一些实施例中，所述混合物被加热到比玻璃质粘结剂的软化温度高约10℃的温度。混合物被加热到充分低于磨粒熔化温度的温度，从而使得磨粒保持其粒度和形状，并且使得磨粒不会熔化或相互附着。
玻璃体和磨粒被加热一段足以保证确定的所需数量的磨粒粘结到每个玻璃体上的时间。然而，混合物的加热时间不应该太长，因为那样会需要比形成磨料团聚物所需能量更多的能量。在一些实施例中，将玻璃体和磨粒加热约1/2小时到约4小时之间。在一些实施例中，将玻璃体和磨粒加热约1小时到约3小时之间。在另一些实施例中，将玻璃体和磨粒加热约2小时。然而，对玻璃体和磨粒的混合物的加热时间取决于混合物被加热所要达到的温度和玻璃质粘结剂的组成。如果使用回转窑加热混合物，则如以下所描述，将回转窑设计成在该回转窑受热部分中的停留时间为混合物所需的加热时间。在回转窑中，加热时间也可以短很多。在一些实施例中，在回转窑中的加热时间小于1小时。在一些实施例中，回转窑中的加热时间为约5到约15分钟。
在一些实施例中，使用回转窑加热玻璃质粘结剂和磨粒的混合物。在一些实施例中，回转窑具有一根长的金属圆柱形管以及加热该圆柱形管和其内容物的加热元件。回转窑圆柱形管可以是例如外径为约5英寸、内径为约4又1/2英寸、受热长度为约48英寸的因科镍管。这种回转窑可以是用碳化硅耐热元件加热的2区回转窑。在一些实施例中，回转窑与水平方向形成微小夹角，从而使得磨粒、由玻璃体制成的玻璃质粘结剂以及所形成的磨料团聚物可以在操作过程中从回转窑倾泻出来。在一些实施例中，回转窑管与水平方向的夹角在约2度到约30度之间。在一些实施例中，回转窑管与水平方向的夹角在约5度到约20度之间。旋转回转窑，以便使回转窑中的组分在加热过程中保持混合。在一种方法中，回转窑以每分钟约1到约10圈的速度旋转。在一些实施例中，回转窑以每分钟约2到约8圈的速度旋转。回转窑还可以具有一个重物，该重物以规则的间隔击打回转窑管，防止物料在回转窑的内壁上累积。出于同样目的，回转窑也可在其内部具有一个刮片。
在玻璃质粘结剂充分软化后，磨粒粘附到玻璃体上，从而形成受热的磨料团聚物。在一些实施例中，粘附到玻璃体上的磨粒部分嵌入到玻璃质粘结剂中，使得每个磨粒12的大部分被暴露出来，如图1所示。
在加热操作并且磨粒粘附到玻璃质粘结剂上以后，将磨料团聚物冷却，从而使得玻璃质粘结剂硬化，并且磨粒被固定，从而形成磨料团聚物。将磨料团聚物冷却到这样的温度，该温度足够低，从而使玻璃质粘结剂硬化为固体或基本上为固体的状态，由此防止磨粒从磨料团聚物上脱落。在玻璃体冷却并硬化以后，磨粒被粘结在玻璃体的外表面上。在一个实施例中，磨料团聚物被冷却到约20℃到约100℃之间。在一些实施例中，磨料团聚物被冷却到约25℃到约75℃之间。在另一些实施例中，磨料团聚物被冷却到“室温”，或约25℃。冷却操作可以通过以下方法完成：将已形成的磨料团聚物前体从加热炉或窑中移出，并允许它们“空气冷却”，或者磨料团聚物前体可以通过主动冷却操作进行冷却，所述主动冷却例如为采用可以冷却回转窑的一部分的水冷却***。在一些实施例中，冷却步骤后，玻璃体为基本连续且无孔的。
在另一个实施例中，可以包括一个对磨料团聚物进行热处理以使全部或部分玻璃质粘结剂发生结晶的步骤。热处理步骤可在磨料团聚物完全冷却之前或之后进行。
如以上所述，在一些实施例中，用于制作磨料团聚物的玻璃体与过量的磨粒混合，从而使得每一个玻璃体都被磨粒充分覆盖。因此，在一种方法中，包括将磨料团聚物与过量的磨粒分离的步骤。一种分离步骤包括：选择筛孔比磨料团聚物小、但比磨粒大的筛网；然后用该筛网将磨料团聚物从过量的磨粒中筛选出来。因为磨料团聚物可能以不同的粒度形成，所以在一些实施例中，使用其中每个筛网的筛孔逐步减小的一系列筛网来首先筛选出较大的磨料团聚物，然后筛选出较小的磨料团聚物，同时还筛除了过量的磨粒。
磨料团聚物可具有用于特定磨料制品中所需的特定的粒度。然而，在一些方法中，一些玻璃体的粒度可能比所需的团聚物的粒度更大，或者两个或更多个玻璃体可能在加热步骤中粘贴在一起，从而使得有些磨料团聚物可能会比所需要的磨料团聚物大。因此，在一种方法中，包括了将所形成的磨料团聚物破碎为具有较小粒度的磨料团聚物的步骤。破碎步骤可包括：在辊或其它破碎装置的作用下将磨料团聚物压碎；然后用筛网筛选出具有所需粒度的磨料团聚物从而将其移出，这样，仍然太大的磨料团聚物可以被再次破碎。在一个实施例中，最终磨料团聚物的粒度在约5微米到约10,000微米之间。
本发明的磨料团聚物可用于制造数种磨料制品，例如：涂附磨料制品30，如图5所示；粘结磨具，诸如图6所示的磨轮50；非织造磨料制品60，如图7所示；以及研磨刷。
参见图5，涂附磨料制品30被示出具有：带主表面34的背衬32，以及由粘结体系36固定到主表面34上的多个磨料团聚物10，其中每一个磨料团聚物10都包括用基本上连续且无孔的无机粘结剂以三维结构粘结在一起的多个磨粒，其中该磨粒的平均粒度为约0.5微米到约1500微米，所述无机粘结剂占磨料团聚物10的不到约75重量％，并且磨料团聚物10的堆密度小于磨粒堆密度的约90％。
粘结体系36将磨料团聚物10粘结到背衬32主表面34上，从而形成研磨层38。如本领域所公知的那样，粘结体系36可包括底胶层40和复胶层42，其中底胶层40被施加到主表面34上，并且每一个磨料团聚物10的一部分嵌入到底胶层40中。复胶层42被施加到底胶层40和磨料团聚物10上，从而增强磨料团聚物10对背衬32的附着性。还可以使用顶胶层(图中未示出)。
背衬可以是涂附磨具领域中已知的多种背衬中的一种，其中磨料层被涂布在背衬的一个主表面上。典型的背衬材料的实例包括聚合物薄膜、涂有底漆的聚合物薄膜、原坯布、布、纤维、纸、钢纸、非织造织物、聚合物/纤维复合材料以及这些材料处理后的形式和/或它们的组合。优选的背衬是由布制成的，例如美国专利5,975,988(Christianson)中描述的布背衬，该专利公开的内容以引用方式并入本文；或者是纤维背衬，例如美国专利申请公开2005/0032468(Hunt等人)中描述的纤维背衬，该专利申请公开的内容以引用方式并入本文。
在一些实施例中，粘结体系是有机类粘结体系，所述体系可包括例如至少两层粘接剂层，其中第一粘接剂层是底胶层，第二粘接剂层是复胶层。通常，底胶层和复胶层是由有机类粘结剂前体(例如，树脂)形成的。用于形成底胶层的前体可与用于形成复胶层的前体相同或不同。一旦暴露于诸如热能源或紫外线能源的合适的条件下，树脂就会聚合，从而形成交联的热固性聚合物或粘结剂。用于形成粘结体系的典型树脂的实例包括：酚醛树脂、带有α、β不饱和侧羰基的氨基塑料树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、烯键式不饱和树脂、丙烯酸改性异氰酸酯树脂、脲醛树脂、异氰脲酸酯树脂、丙烯酸改性聚氨酯树脂、丙烯酸改性环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氟改性环氧树脂及它们的混合物。优选的是环氧树脂和酚醛树脂。市售的酚醛树脂的实例包括已知商品名为DUREZ和VACRUM(可得自Occidental Chemicals公司)、商品名为RESINOX(可得自Monsanto公司)以及商品名为AROFENE和AROTAP(可得自Ashland Chemical公司)的那些树脂。
通常，在每个氨基塑料树脂的分子或低聚体中都具有至少一个α、β不饱和侧羰基。可用的氨基塑料树脂包括美国专利No.4,903,440(Larson等人)和No.5,236,472(Kirk等人)中所描述的那些，这些专利文献的内容以引用的方式并入本文。
环氧树脂具有环氧乙烷环，并且是通过开环聚合而形成的。合适的环氧树脂包括单体环氧树脂和聚合物环氧树脂，并且合适的环氧树脂可以具有不同的主链和取代基。一般来讲，主链可以是通常与环氧树脂相关的任何种类，例如，双酚A，而取代基可包括任何不具有在室温下可以与环氧乙烷环发生反应的活性氢原子的基团。合适的取代基的代表性实例包括：卤素、酯基、醚基、磺酸基、硅氧烷基、硝基和磷酸基。
优选的环氧树脂的实例包括2，2-双[4-(2，3-环氧丙氧基)-苯基]丙烷(一种双酚二缩水甘油醚)，以及市售的商品名为“Epon 828”、“Epon04”和“Epon 01F”(购自Shell Chemical公司)的材料和市售的商品名为“DER-331”、“DER-332”和“DER-334”(购自Dow Chemical公司)的材料。其它合适的环氧树脂包括甲阶酚醛树脂的缩水甘油醚，例如，可得自Dow Chemical公司的“DEN431”和“DEN428”。
烯键式不饱和树脂包括含有碳原子、氢原子、氧原子及可选的氮原子和卤素原子的单体和聚合的化合物。氧原子或氮原子或这两者通常存在于醚、酯、氨基甲酸酯、酰胺和脲基中。在一些实施例中，烯键式不饱和化合物的分子量低于约4,000，而且在一些实施例中，该烯键式不饱和化合物为由含有脂肪族单羟基基团或脂肪族多羟基基团的化合物与不饱和羧酸(例如丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、巴豆酸、异巴豆酸和马来酸)发生反应而生成的酯。
丙烯酸酯树脂的代表性实例包括：甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯-苯乙烯、二乙烯基苯、乙烯基甲苯，二丙烯酸乙二醇酯，乙二醇甲基丙烯酸酯，二丙烯酸己二醇酯，二丙烯酸三乙二醇酯，三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，三丙烯酸甘油酯，三丙烯酸季戊四醇酯，三甲基丙烯酸季戊四醇酯，四丙烯酸季戊四醇酯和四甲基丙烯酸季戊四醇酯。
其它烯键式不饱和树脂包括单烯丙酯、多烯丙酯和多甲基烯丙酯和羧酸酰胺，例如邻苯二甲酸二烯丙酯、己二酸二烯丙酯和N，N-二烯丙基己二酰二胺。其它合适的含氮化合物包括三(2-丙烯酰氧乙基)异氰脲酸酯、1，3，5-三(2-甲基丙烯酰氧乙基)-s-三嗪、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N-甲基丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮和N-乙烯基哌啶酮。
丙烯酸改性聚氨酯是羟基封端的NCO延伸的聚酯或聚醚的二丙烯酸酯。市售的丙烯酸改性聚氨酯的实例包括“UVITHANE 782”(可得自Morton Thiokol Chemical公司)以及“CMD 6600”、“CMD 8400”和“CMD 8805”(可得自Radcure Specialties公司)。
丙烯酸改性环氧树脂为环氧树脂的二丙烯酸酯，例如双酚A环氧树脂的二丙烯酸酯。市售的丙烯酸改性环氧树脂的实例包括“CMD 3500”、“UCMD 3600”和“CMD 3700”，可得自Radcure Specialties公司。
本发明的粘结体系36，例如底胶层40和/或复胶层42，还可包括可选的添加剂，例如，填充剂(包括助磨剂)、纤维、抗静电剂、润滑剂、润湿剂、表面活性剂、颜料、染料、偶联剂、增塑剂和悬浮剂。可以选择这些材料的量，以提供所需的特性。
可用于本发明的填充剂的实例包括：金属碳酸盐(例如，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、碳酸钠和碳酸镁)；二氧化硅(例如，石英、气相二氧化硅、玻璃珠、玻璃泡和玻璃纤维)；硅酸盐(例如，滑石、粘土(如，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(例如，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(例如，氧化钙(石灰)、氧化铝(矾土)和二氧化钛)；以及金属亚硫酸盐(例如，亚硫酸钙)。填充剂的平均粒度通常为约0.1微米到约100微米。在一些实施例中，填充剂的平均粒度为1微米到50微米。在另一些实施例中，填充剂的平均粒度为1微米到25微米。
合适的助磨剂包括颗粒物质，加入这种颗粒物质可显著地影响研磨的化学过程和物理过程，从而使性能得到提高。具体地讲，助磨剂可以起到以下作用：1)减小被研磨工件和磨粒之间的摩擦力；2)防止磨粒被“封堵”，即，防止金属颗粒焊到磨粒的顶部；3)降低磨粒和工件之间的界面温度；和/或4)减小研磨力。通常，加入助磨剂可延长涂附磨料制品的使用寿命。助磨剂包括种类广泛的不同的物质，可以是无机或有机类的。
助磨剂的实例包括：蜡、有机卤化化合物、卤化物盐和金属及其合金。有机卤化化合物通常在研磨过程中分解，并释放卤酸或气态卤化化合物。此类材料的实例包括氯化蜡(如四氯萘、五氯萘)和聚氯乙烯。卤化物盐的实例包括氯化钠、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、氯化钾和氯化镁。金属的实例包括锡、铅、铋、钴、锑、镉、铁和钛。其它助磨剂的实例包括硫磺、有机含硫化合物、石墨和金属硫化物。可以使用不同助磨剂的组合，如专利文献WO 95/24991(Gagliardi等人)中所描述的那些。以上提及的助磨剂的实例旨在示出助磨剂的代表，并非涵盖了所有的助磨剂。
抗静电剂的实例包括石墨、炭黑、氧化钒、湿润剂及类似物。这些抗静电剂在美国专利No.5,061,294(Harmer等人)、No.5,137,542(Buchanan等人)和No.5,203,884(Buchanan等人)中有所公开，这些专利的公开内容以引用方式并入本文。
粘结体系(包括底胶层和复胶层)的努普硬度值(KHN)(也可以用单位Kgf/mm2表示)通常为至少50KHN，典型地为至少约60KHN。在一些实施例中，粘结体系(包括底胶层和复胶层)的努普硬度值(KHN)通常为至少50KHN，典型地为至少约70KHN。在另一些实施例中，粘结体系(包括底胶层和复胶层)的努普硬度值(KHN)通常为至少50KHN，典型地至少为约80KHN。在另一些实施例中，粘结体系(包括底胶层和复胶层)的努普硬度值(KHN)通常为至少50KHN，典型地至少为约90KHN(该值是按照ASTM E384-89测量的)，以便能承受研磨力而不碎裂。
一般来讲，如果粘结体系包括底胶层和复胶层，则底胶层和复胶层中的至少一者可包括约5到95重量份(在一些实施例中，为30到70重量份)的粘结剂前体(例如热固性树脂)以及在约5到95重量份(在一些实施例中，为30到70重量份)之间的填充剂。如果粘结体系中包括研磨浆料，则粘结剂前体的量可以占研磨浆料的重量的5到95重量％，而填充剂的量可以占研磨浆料的重量的5到95重量％。
例如，粘结体系的优选的努普硬度值范围，即，在一些实施例中为至少70KHN，如上文所述可以通过加入填充剂颗粒达到。在另一些实施例中，粘结体系的优选的努普硬度值范围，即，至少80KHN，如上文所述可以通过加入填充剂颗粒达到。在另一些实施例中，粘结体系的优选的努普硬度值范围，即，至少90KHN，如上文所述可以通过加入填充剂颗粒达到。填充剂颗粒会使固化的热固性树脂硬化，并使粘结体系(例如，底胶层和复胶层)坚韧。填充剂颗粒的量和偶联剂的加入有助于控制粘结体系的努普硬度值。
为达到优选的努普硬度值的范围，可以向填充剂和/或磨料颗粒中加入偶联剂。偶联剂在粘结体系与填充剂和/或磨料颗粒之间提供桥联作用。合适的偶联剂的实例包括有机硅烷、锆铝酸盐和钛酸酯。偶联剂的加入量通常占填充剂和磨料团聚物的总重量的约0.1到5重量％，在一些实施例中，为0.5到3.0％。
磨料团聚物还可以用于粘结磨具中。粘结磨料制品通常包括用粘结剂将磨料颗粒粘结在一起而得到的成型体(在实施本公开的过程中，该成型体包括由玻璃质粘结剂粘结在一起从而形成磨料团聚物的磨粒)，其中所述粘结剂可以是有机粘结剂、金属粘结剂或玻璃化粘结剂。这种成型体可以为例如轮形，如切割轮或图6中所示的磨轮。磨轮的直径通常为约1厘米到1米以上；切割轮的直径为约1厘米到80厘米以上，更典型的是在约3厘米到约50厘米之间。切割轮的厚度典型地为约0.5毫米到约5厘米，更典型的是在约0.5毫米到约2厘米之间。成型体还可以是例如磨石、砂带、磨头、磨盘(例如，双端面磨床)或其它传统粘结磨具形状的形式。粘结磨料制品通常包括占粘结磨料制品总体积的约3-50体积％的粘结剂52、约30-90体积％的磨料、最多50体积％的添加剂(包括助磨剂)和最多70体积％的孔隙。通常，磨轮的孔隙率为至少10％或更高。对于一些研磨操作而言，需要高于50％的极高的孔隙率。粘结磨具的一个实例是图6中所示的磨轮50。磨轮50包括本发明的磨料团聚物，这些团聚物用粘结剂52以轮形模制在一起，其中粘结的轮被安装到毂54上。
适于制作粘结磨料制品的有机粘结剂包括热固性有机聚合物。合适的热固性有机聚合物的实例包括：酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树酯、聚氨酯树脂、丙烯酸酯树脂、聚酯树脂、带有α，β-不饱和侧羰基的氨基塑料树脂、环氧树脂、丙烯酸改性聚氨酯、丙烯酸改性环氧树脂以及它们的组合。粘结剂52和/或磨料制品还可以包括添加剂，例如，纤维、润滑剂、润湿剂、触变材料、表面活性剂、颜料、染料、抗静电剂(如，炭黑、氧化钒、石墨等)、偶联剂(例如，硅烷、钛酸酯、锆铝酸盐等)、增塑剂、悬浮剂及类似物。对这些可选的添加剂的量进行选择，以提供需要的特性。偶联剂可以提高对磨料颗粒和/或填充剂的粘附性。粘结剂的化学性质可允许热固化、辐射固化或它们的组合。关于粘结剂化学性质的更详细的描述可在美国专利No.4,588,419(Caul等人)、No.4,751,138(Tumey等人)和No.5,436,063(Follett等人)中找到，这些专利的公开内容以引用方式并入本文。
更具体地讲，对于玻璃化粘结磨具而言，具有非晶形结构并且通常坚硬的玻璃质粘结剂52在本领域中已为人们所公知。粘结的玻璃化磨料制品的形状可以是轮形、磨石形、磨头形或其它传统粘结磨具的形状。优选的玻璃化粘结磨料制品为磨轮。
用于形成玻璃质粘结剂52的金属氧化物的实例包括：二氧化硅、硅酸盐、氧化铝、苏打、氧化钙、氧化钾、二氧化钛、氧化铁、氧化锌、氧化锂、氧化镁、氧化硼、硅酸铝、硼硅玻璃、铝硅酸锂和它们的组合物、以及类似物。通常，玻璃质粘结剂52可以用包含10％到100％玻璃粉的组合物制成，但更为典型的是所述组合物包含20％到80％或30％到70％的玻璃粉。玻璃质粘结剂52的其余部分可以是玻璃粉以外的材料。作为选择，玻璃质粘结剂52可衍生自不含有玻璃粉的组合物。玻璃质粘结剂52典型地在约700℃到约1500℃的温度范围内熟化(mature)，通常在约800℃到约1300℃的温度范围内熟化，有时在约900℃到约1200℃的温度范围内熟化，或者甚至在约950℃到约1100℃的温度范围内熟化。粘结剂熟化的实际温度取决于，例如，具体粘结剂的化学性质。还可以对玻璃质粘结剂52进行热处理，从而使其部分或完全结晶。
玻璃化粘结剂可包括包含二氧化硅、氧化铝(在一些实施例中，含至少10重量％的氧化铝)和氧化硼(在一些实施例中，含至少10重量％的氧化硼)的那些。在大多数情况下，玻璃化粘结剂还包含碱金属氧化物(例如，Na2O和K2O)(在一些情况下，含至少10重量％的碱金属氧化物)。
粘结剂52也可以含有通常为颗粒状物质形式的填充材料或助磨剂。通常，颗粒状物质为无机物质。本发明可用的填充剂的实例包括：金属碳酸盐(例如，碳酸钙(如白垩、方解石、泥灰土、石灰华、大理石和石灰石)、碳酸钙镁、碳酸钠、碳酸镁)、二氧化硅(例如，石英、玻璃珠、玻璃泡和玻璃纤维)、硅酸盐(例如，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(例如，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(例如，氧化钙(石灰)、氧化铝和二氧化钛)和金属亚硫酸盐(例如，亚硫酸钙)。粘结磨轮成型后，也可在其孔隙中加入硫基助磨剂或蜡基助磨剂。
通常，加入助磨剂可延长磨料制品的使用寿命。助磨剂是一种能显著影响研磨的化学过程和物理过程并使性能得到改善的物质。虽然不想受到理论的限制，但据信，助磨剂可以起到以下作用：(a)减小研磨材料和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的顶部)，或至少可减缓磨粒被封堵的趋势；(c)降低磨粒和工件之间的界面温度；或(d)减小研磨力。
参见图7，本公开的非织造磨料制品包括开孔且蓬松的聚合物细丝结构，该结构具有分布于整个所述结构中并被有机粘结剂64粘结于其中的磨料团聚物。细丝的实例包括聚酯纤维、聚酰胺纤维和芳族聚酰胺纤维。图7中提供了一个典型非织造磨料制品60的被放大约100X的示意性图。这种非织造磨料制品包括纤维垫62作为基底，在其上具有用粘结剂64粘附的磨料团聚物。用于非织造磨料制品60的粘结剂64可以是与上文所述用于粘结磨具的有机粘结剂相同的一种有机粘结剂。
可用的研磨刷包括具有多根与背衬成一体的刷毛的那些(例如参见，美国专利No.5,427,595(Pihl等人)、No.5,443,906(Pihl等人)、No.5,679,067(Johnson等人)和No.5,903,951(Ionta等人)，这些专利的公开内容以引用的方式并入本文)。在一些实施例中，这种刷子是通过将由聚合物和磨料颗粒构成的混合物(在实施本发明的过程中，该混合物包括用玻璃质粘结剂以根据本公开的磨料团聚物的形式团聚在一起的磨粒)进行注塑成型而制成的。
不论是涂附磨具、粘结磨具、非织造磨具还是研磨刷，所述磨料制品都可以含有100％的根据本发明的磨料团聚物，或包含由磨料团聚物与其它磨料颗粒(其也可以被团聚在一起)和/或稀释性颗粒形成的共混物。然而，在所述的磨料制品中，至少约2重量％(在一些实施例中，至少约5重量％；在另一些实施例中，在约30重量％到约100重量％之间)的磨料颗粒为磨料团聚物。在某些情况下，磨料团聚物可以与其它磨料颗粒和/或稀释性颗粒以5重量％比75重量％、约25重量％比75重量％、约40重量％比60重量％、或约50重量％比50重量％(即，相等的重量)的比例共混。合适的磨料颗粒的实例包括但不限于：熔融氧化铝(包括白色熔融氧化铝、热处理氧化铝和棕刚玉)、碳化硅、氮化硅、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、溶胶-凝胶法制造的磨料颗粒以及类似物。溶胶-凝胶法制造的磨料颗粒可以是有晶种或无晶种的。同样，溶胶-凝胶法制成的磨料颗粒可以被随机成形或具有与其本身有关的形状，例如三角形或棒状。溶胶凝胶磨料颗粒的实例包括上述的那些。磨料团聚物可具有与稀释性颗粒基本相同的粒度，或与此不同的情况是，磨料团聚物的粒度可比稀释性颗粒更大或更小。
根据本发明的磨料团聚物也可以与其它磨料团聚物掺混。其它磨料团聚物所用的粘结剂可以是有机的和/或无机的。关于磨料团聚物的更详细的描述可在，例如，美国专利No.4,311,489(Kressner)、No.4,652,275(Bloecher等人)、No.4,799,939(Bloecher等人)、No.5,549,962(Holmes等人)、No.5,975,988(Christianson)、No.6,620,214(McArdle等人)、No.6,790,126(Wood等人)和No.6,881,483(McArdle等人)中找到，这些专利的公开内容以引用方式并入本文。
如果存在不同种类的磨料团聚物的共混物，或者存在磨料团聚物与其它磨料颗粒形成的共混物，则形成共混物的多种颗粒/团聚物可以具有相同的粒度。作为选择，所述多种颗粒/团聚物也可以具有不同的粒度。
合适的稀释性颗粒的实例包括大理石、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、氧化铝珠和稀释性团聚物。
本公开的磨料团聚物可以均匀地分布于磨料制品中，也可以集中在磨料制品的选定区域或部分中。例如，在涂附磨具中，可以具有两层磨料颗粒/磨粒，其中第一层除了包括根据本发明的磨料团聚物以外还包括磨料颗粒/磨粒，而第二层(最外层)包括磨料团聚物。同样，在粘结磨具中，磨轮可以有两个不同的部分，其中，最外面的部分可以包括根据本发明的磨料团聚物，而最里面的部分则不包括该磨料团聚物。作为选择，磨料团聚物可以均匀分布在整个粘结磨具中。
关于涂附磨料制品的更详细的描述可在，例如，美国专利No.4,734,104(Broberg)、No.4,737,163(Larkey)、No.5,203,884(Buchanan等人)、No.5,152,917(Pieper等人)、No.5,378,251(Culler等人)、No.5,417,726(Stout等人)、No.5,436,063(Follett等人)、No.5,496,386(Broberg等人)、No.5,609,706(Benedict等人)、No.5,520,711(Helmin)、No.5,954,844(Law等人)、No.5,961,674(Gagliardi等人)、No.5,975,988(Christinason)、No.6,620,214(McArdle等人)、No.6,790,126(Wood等人)和No.6,881,483(McArdle等人)中找到，这些专利的公开内容以引用方式并入本文。关于粘结磨料制品的更详细的描述可在，例如，美国专利No.4,543,107(Rue)、No.4,741,743(Narayanan等人)、No.4,800,685(Haynes等人)、No.4,898,597(Hay等人)、No.4,997,461(Markhoff Matheny等人)、No.5,038,453(Narayanan等人)、No.5,110,332(Narayanan等人)和No.5,863,308(Qi等人)中找到，这些专利的公开内容以引用方式并入本文。另外，关于玻璃质粘结磨具的更详细的描述可在，例如，美国专利No.4,543,107(Rue)、No.4,898,597(Hay)、No.4,997,461(Markhoff-Matheny等人)、No.5,094,672(Giles等人)、No.5,118,326(Sheldon等人)、No.5,131,926(Rostoker等人)、No.5,203,886(Sheldon等人)、No.5,282,875(Wood等人)、No.5,738,696(Wu等人)和No.5,863,308(Qi)中找到，这些专利的公开内容以引用方式并入本文。另外，关于非织造磨料制品的更详细的描述可在，例如，美国专利No.2,958,593(Hoover等人)中找到，该专利的公开内容以引用方式并入本文。
用根据本发明的优选磨料团聚物进行研磨的方法涵盖了从粗磨(即，高压高切削量)到抛光(即，用涂附砂带抛光医用植入材料)的范围，其中，抛光通常采用较细等级(例如ANSI 220和更细等级)的磨粒来完成。磨料团聚物也可用于精确研磨应用中，例如用玻璃化粘结磨轮研磨凸轮轴。在具体研磨应用中，所用磨料团聚物和构成这种团聚物的磨粒的粒度对于本领域的技术人员来说是显而易见的。
可以用磨料团聚物进行干法研磨或湿法研磨。对于湿法研磨而言，可以以薄雾到完全淹没的方式提供液体。常用液体的实例包括：水、水溶性油、有机润滑剂和乳液。这些液体可以帮助减少与研磨有关的热量和/或作为润滑剂使用。所述液体可含有微量添加剂，例如杀菌剂、消泡剂及类似物。
磨料团聚物可以用于研磨工件，例如：铝金属、碳钢、软钢、工具钢、不锈钢、硬化钢、钛、镍合金、钴合金、玻璃、陶瓷、木材、仿木材料、油漆、涂漆表面、经有机物涂敷的表面及类似物。研磨过程中所施加的力通常在约1到约100千克的范围内。
磨料团聚物还可以以松散的形式或以浆料形式使用，其中，团聚物磨粒分散在液体介质(例如，水)中。
以下实例将进一步说明本发明的具体实施例。本领域中的普通技术人员将意识到本发明还包括实例中所列实施方式的修改和更改形式，并且示例性实例不会限制本发明所要求保护的范围。
实例
实例1
将少量1/4英寸的玻璃纤维短切原丝(得自位于美国佛罗里达州WestPalm Beach市的US Composites公司)与过量很多的50等级的351CUBITRON磨粒(得自位于美国明尼苏达州St.Paul市的3M公司)在陶瓷坩埚中混合。将装有此混合物的坩埚放到马弗炉中；加热到1100℃并保持1小时，然后关闭该马弗炉并让其冷却。通过使内容物经过14目筛网来从过量的研磨砂粒中回收所形成的团聚物。回收得到长度为大约6毫米(1/4英寸)的棒状团聚物。对所述团聚物颗粒的SEM检测表明玻璃已充分流动并润湿了研磨砂粒。
实例2
将4体积份351 CUBITRON磨粒(得自位于美国明尼苏达州St.Paul市的3M公司)与1体积份1/4英寸的玻璃纤维短切原丝(得自位于美国佛罗里达州West Palm Beach市的US Composites公司)混合。将此混合物放到4个陶瓷坩埚中。将装有此混合物的坩埚放到马弗炉中；加热到1100℃并保持75分钟，然后关闭该马弗炉并让其冷却。将坩埚中的内容物用带有一套12、14和30目筛网的Rotap筛分机进行筛分。将+12目的材料用辊隙较大(约2-3毫米)的4英寸辊式粉碎机轻微粉碎。然后用与以上相同的一套筛网筛选粉碎后的材料。总产量为：+12目，84.8g；-12+14目，170.1g；-14+20目，236g；-20+30目，71.5g；-30目，1150g。-20+30目筛份由含有约3到8粒单个研磨砂粒的团聚物组成。-30目筛份绝大部分为单个的砂粒。
实例3-25
实例3-25的玻璃进料如下表1所示。
表1
  玻璃   来源
  Owens-CorningCS691A 1/8英寸   Owens Corning公司，位于美国俄亥俄州的Toledo市
  Owens-CorningCS691A 1/16英寸   Owens Corning公司，位于美国俄亥俄州的Toledo市
  St.GobainVetrotex短切原丝97D-A4 1/4英寸   Saint-Gobain Vetrotex America公司，位于美国宾夕法尼亚州Valley Forge市
  透明平板玻璃细料   American Specialty Glass公司，位于美国尤他州的North Salt Lake City市
  水晶样透明玻璃细料   American Specialty Glass公司，位于美国尤他州的North Salt Lake City市
  透明珠细料   American Specialty Glass公司，位于美国尤他州的North Salt Lake City市
  -30目二氧化硅砂替代品   American Specialty Glass公司，位于美国尤他州的North Salt Lake City市
  Ferro 3225   Ferro公司，位于美国俄亥俄州的Cleveland市
  Ferro 3226   Ferro公司，位于美国俄亥俄州的Cleveland市
  Ferro 3227   Ferro公司，位于美国俄亥俄州的Cleveland市
  Ferro XP150   Ferro公司，位于美国俄亥俄州的Cleveland市
  Johns Manville绝缘玻璃纤维棉(2英寸厚)   Johns Manville公司，位于美国科罗拉多州的Denver市
测试步骤
摇臂测试
将待评价的磨盘附着在一个20.3厘米的圆形垫板上，所述垫板为可购自3M公司的部件No.05114145192。然后用金属螺纹紧固件将垫板固定到测试装置上，所述测试装置得自位于美国明尼苏达州Centerville市的Reel Manufacturing公司，商品名为“SWING ARM TESTER”。对一个直径为30.5厘米、厚度为1.897毫米的盘状软钢工件进行称重，并用金属紧固件将其固定到测试装置上。在每一次测试中，都用39.2牛顿的力将所述软钢工件贴靠到所述磨料制品盘上。磨料制品盘以每分钟3500转(rpm)的速度旋转，并且将工件以7度的夹角紧贴磨盘放置8分钟，同时工件以2rpm的速度旋转。记录所除去的软钢的量(切削总量)和每一个磨盘的重量损失(即，脱落量)。
滑动测试
滑动测试被设计用于测量涂附磨盘的切削率。用待测磨盘研磨一个1.25厘米×18厘米的1018软钢工件的表面。所用研磨机为恒定载荷液压盘式研磨机。工件与磨盘之间的恒定载荷由载荷弹簧提供。研磨机所用垫片为铝质垫片，以约7度倾斜，并从边缘向中心延伸3.5厘米。用紧固螺母将磨盘固定到铝质垫片上，并以5,500rpm驱动。垫片、磨盘和工件之间的载荷为约6.8kg。用每一个涂附磨盘以60秒钟的时间间隔来研磨单个的工件。初始切削量为研磨过程中第一个60秒钟内除去的金属的量。除非另外指明，否则切削总量为测试期间所除去的金属的总量，并且该切削总量以克为单位进行报告。除非另外说明，否则研磨性能数据为基于三个磨盘的平均值。
比较例A和B
比较例A和B是“988CR 50级纤维盘，其为7英寸×7/8英寸”，得自位于美国明尼苏达州St.Paul市的3M公司。
实例3-8(纤维状玻璃源)
按照以下方法制备使用纤维状玻璃源的团聚物。将1500克50级CUBITRON 321(得自位于美国明尼苏达州St.Paul市的3M公司)与60克玻璃纤维短切原丝组合并用Hobart Food混合机(使用了平板搅拌器)在低速下将其一起混合达3分钟。向混合物中加入足量的水，使得当用手掌挤压时矿物/玻璃纤维的混合物会聚结成块。
将所得的混合物分成两等份，每一半混合物都被装入一个
Figure S2006800390237D00231
Figure S2006800390237D00232
的氧化铝匣钵中。将这两个匣钵以一个在另一个的上面的方式叠放，然后置于Fischer Scientific“IsoTemp”可编程马弗炉中并以5℃/min的升温速率烧制达到1000℃。一旦样品达到1000℃，便将其在此温度下均热2小时。2小时后，将炉关闭，并使样品逐渐冷却到室温。
烧制后，由玻璃纤维和磨料形成的团聚混合物形似鸟巢，将其从氧化铝匣钵中取出。将每种团聚混合物都放置在由10、18、20、25和30目筛网组成的美国标准测试筛层叠件的最上层筛网上。还在#10筛网上放入多个1/2英寸的氧化铝研磨介质圆柱体，这样有助于将“鸟巢”碎裂成单个的团聚物。将筛网层叠件置于振筛机(“Ro-Tap Model RX-29”，得自位于美国俄亥俄州Mentor市的W.S.Tyler公司的Particle Analysis部门的Filtration and Industrial Screening Products)中数分钟。然后回收各个筛份。
使用标准钙碳填充的底胶树脂和冰晶石填充的复胶树脂将从-18+20筛份中得到的团聚物静电涂布到纤维盘形背衬上。用相同的树脂将-20+25和-25+30筛份之比为50/50w/w的共混物静电涂布到另一批磨盘。
实例磨盘用摇臂测试进行测试。结果列于表2中。
实例9和10(纤维状玻璃源)
除用222Cubitron取代321Cubitron以外，实例9和10的制备方法与实例3-8相同。
实例11-14(回收玻璃源)
实例11-14使用再生玻璃源制备。用1500克50级Cubitron 321和50克再生玻璃的组合制备团聚物。将这两种组分用Hobart Food混合机(使用了平板搅拌器)在低速下一起混合3分钟。向混合物中加入足量的水，使得当用手掌挤压时矿物/玻璃纤维混合物会聚结成块。
将所得的混合物分成两等份，每一半混合物都被装入一个氧化铝匣钵中。将这两个匣钵以一个在另一个的上面的方式叠放，然后置于可编程Fischer Scientific Box窑中并以5℃/min的升温速率烧制到800℃。一旦样品达到800℃，便使其在此温度下均热2小时。2小时后，将窑关闭，并使烧制的团聚物逐渐冷却至室温。
将各实例中所得的产物分级，随后按照与上述实例3-8相同的方式涂布到纤维盘上。
实例磨盘用摇臂测试进行测试。结果列于表2中。
实例15-24(玻璃粉源)
用1500克50级CUBITRON 321和50克玻璃粉的组合制备团聚物。将这两种组分用Hobart Food混合机(使用了平板搅拌器)在低速下一起混合3分钟。向混合物中加入足量的水，使得当用手掌挤压时矿物/玻璃纤维的混合物会聚结成块。
将所得的混合物分成两等份，每一半混合物都被装入一个氧化铝匣钵中。将这两个匣钵以一个在另一个的上面的方式叠放，然后置于可编程Fischer Scientific Box窑中。将每一批混合物加热到比上文所定义的软化温度高50℃的温度。每个样品的升温速率是5℃/min。一旦样品达到温度，便使其在此温度下均热2小时。2小时后，将窑关闭，并使样品逐渐冷却到室温。
将各实例中所得的产物分级，然后按照与上述实例3-8相同的方式将其涂布到纤维盘上，其中对-18+20筛份采用滴涂而不是静电涂布。各实例的磨盘用摇臂测试进行测试。结果列于表2中。
实例15-24采用滑动测试进行测试。每一个磨盘都对1018软钢工件研磨15次，每次研磨1分钟。另外，用3M 988CR磨盘作为测试对照物。记录每一分钟间隔后除去的金属的量，并在图8和9中示出。
实例25
实例25的制备与制作烤宽面条非常类似。将绝缘玻璃纤维棉(开始时2英寸厚)撕成多个薄层。向每个
Figure S2006800390237D00251
的氧化铝匣钵底部，撒上一薄层氧化铝砂粒，然后撒上一层绝缘材料，然后再撒上一层氧化铝砂粒，然后再撒上一层绝缘材料。持续此过程，直到交替的层填满匣钵。在此过程中，定期在所述混合物上施加重物，以将混合物夯实，由此可以在匣钵中填入更多层。两个匣钵都填满后，将这两个匣钵以一个在另一个的上面的方式叠放，然后置于Fischer Scientific“IsoTemp”可编程马弗炉中并以5℃/min的升温速率烧制到700℃。一旦样品达到700℃，便使其在此温度下均热2小时。2小时后，将炉关闭，并使样品逐渐冷却到室温。
热处理后，混合物缩小到原来体积的约1/4。团聚后的“鸟巢”很脆，并且可以用手轻易地掰成小块，然后将其放到杵臼中进一步研磨成粉末。对此粉末进行手动筛分，使之通过100目美国标准测试筛，以保留-100目的筛份。用超声波精密筛分器进一步筛选-100筛份，使之通过66微米和25微米筛网。一张示出所述-66微米+25微米筛份的玻璃纤维团聚物的图片如图4中所示。
表2
 实例   玻璃源   颗粒   团聚物粒度   烧制温度   8分钟后切削总量(克)   8分钟后重量损失(克)
 比较例A(988CR)   无团聚物   50级Cubitron222   未能得知   127.0   5.9
 3   OwensCorningCS691A1/8英寸   50级Cubitron321   -18+20   1000   234.4   6.6
 4   OwensCorningCS691A1/8英寸   50级Cubitron321   50％-20+25，50％-25+30   1000   242.4   3.6
 5   OwensCorningCS691A1/16英寸   50级Cubi tron321   -18+20   1000   234.4   4.7
 6   OwensCorningCS691A1/16英寸   50级Cubitron321   50％-20+25，50％-25+30   1000   234.7   3.8
 7   St.Gobain短切原丝97D-A41/4英寸   50级Cubitron321   -18+20   1000   260.6   5.7
 8   St.Gobain短切原丝97D-A41/4英寸   50级Cubitron321   50％-20+25，50％-25+30   1000   258.3   3.8
 9   St.Gobain短切原丝97D-A41/4英寸   50级Cubitron222   -18+20   1000   231.9   6.4
 实例   玻璃源   颗粒   团聚物粒度   烧制温度   8分钟后切削总量(克)   8分钟后重量损失(克)
 10   St.Gobain短切原丝97D-A41/4英寸   50级Cubitron222   50％-20+25，50％-25+30   1000   251.1   3.5
 11   透明平板玻璃细料   50级Cubitron321   50％-20+25，50％-25+30   800   189.3   2.8
 12   水晶样透明玻璃细料   50级Cubitron321   50％-20+25，50％-25+30   800   200.0   2.6
 13   透明珠粉   50级Cubitron321   50％-20+25，50％-25+30   800   199.4   2.6
 14   -30目石英砂替代品   50级Cubitron321   50％-20+25，50％-25+30   800   190.0   2.8
 比较例B(988CR)   无团聚物   50级Cubitron222   ANSI G-50疏松磨粒   未能得知   262.3   3.2
 15   Ferro 3227   50级Cubitron321   -18+20   750   289.8   6.9
 16   Ferro 3227   50级Cubitron321   50％-20+25，50％-25+30   750   246.8   3.3
 17   Ferro 3227   50级Cubitron321   -18+20   700   275.0   6.3
 18   Ferro 3227   50级Cubitron321   50％-20+25，50％-25+30   700   231.5   3.5
 19   Ferro 3226   50级Cubitron321   -18+20   850   258.9   5.7
 20   Ferro 3226   50级Cubitron321   50％-20+25，50％-25+30   850   247.0   3.2
 20   Ferro 3225   50级Cubitron321   -18+20   950   281.1   6.8
  实例   玻璃源   颗粒   团聚物粒度   烧制温度   8分钟后切削总量(克)   8分钟后重量损失(克)
  22   Ferro 3225   50级Cubitron321   50％-20+25，50％-25+30   950   256.8   3.8
  23   FerroXF150   50级Cubitron321   -18+20   850   265.0   4.5
  24   FerroXF150   50级Cubitron321   50％-20+25，50％-25+30   850   234.1   3.0
  25   JohnsManville2英寸玻璃纤维棉   Treibacher G800半脆性氧化铝   -66微米+25微米   700   -   -

Claims (30)

1.一种磨料团聚物，其包括多个用基本上连续且无孔的无机粘结剂以三维结构粘结在一起的磨粒，其中所述磨粒的平均粒度为约0.5微米到约1500微米，所述无机粘结剂占所述磨料团聚物的不到约75重量％，并且其中所述磨料团聚物的堆密度小于所述磨粒堆密度的约90％；其中每个所述磨粒的大部分均是暴露的，而不是被包封在所述的无机粘结剂中；并且其中所述无机粘结剂为玻璃质粘结剂。
2.根据权利要求1所述的磨料团聚物，其中所述磨粒在所述无机粘结剂上形成不连续的涂层，其中从所述无机粘结剂的中心沿径向向外延伸的直线穿过不超过三个所述的磨粒。
3.根据权利要求2所述的磨料团聚物，其中所述直线穿过不超过两个所述的磨粒。
4.根据权利要求1所述的磨料团聚物，其中所述磨粒在所述无机粘结剂上形成不连续的单层。
5.根据权利要求1所述的磨料团聚物，其中所述磨料团聚物的纵横比大于1∶1。
6.根据权利要求1所述的磨料团聚物，其中所述磨料团聚物的纵横比为约1∶1到约20∶1。
7.根据权利要求1所述的磨料团聚物，其中所述磨粒选自：熔融氧化铝、陶瓷氧化铝、热处理氧化铝、二氧化硅、碳化硅、碳化硼、碳化钛、氧化铝-氧化锆、金刚石、二氧化铈、立方氮化硼、B6O和B10O形式的氧化硼、石榴石、硅藻土、碳氮化硼、α-氧化铝基烧结磨料颗粒、衍生自勃姆石的烧结氧化铝、以及它们的组合。
8.根据权利要求7所述的磨料团聚物，其中所述熔融氧化铝为白色熔融氧化铝、棕刚玉、或单晶熔融氧化铝。
9.根据权利要求7所述的磨料团聚物，其中所述碳化硅为绿色碳化硅。
10.根据权利要求7所述的磨料团聚物，其中所述氧化铝-氧化锆为熔融氧化铝-氧化锆。
11.根据权利要求1所述的磨料团聚物，其中所述玻璃质粘结剂部分或完全结晶。
12.根据权利要求1所述的磨料团聚物，其中所述无机粘结剂选自：硅酸盐、磷酸盐、硼玻璃、铝酸盐、玻璃陶瓷、含钛酸盐的玻璃、稀土氧化物玻璃、氧化锆基玻璃、碎玻璃和粉碎的用后再生的玻璃、以及它们的组合。
13.根据权利要求12所述的磨料团聚物，其中所述硅酸盐为钠钙硅酸盐、硅酸钙、铝硅酸钙、硅酸钠、硅酸钾、或硼硅酸盐。
14.根据权利要求1所述的磨料团聚物，其中所述磨料团聚物的粒度为约5微米到约10,000微米。
15.根据权利要求1所述的磨料团聚物，其中每个所述磨料团聚物中包括约3个到约300个磨粒。
16.根据权利要求1所述的磨料团聚物，其中每克所述磨粒配有约0.05克到约0.5克所述的玻璃质粘结剂。
17.多个根据权利要求1的磨料团聚物，其通过包括以下步骤的工艺制造：
提供多个玻璃体，每个玻璃体均具有一定的形状，并且所述玻璃体具有软化温度；
提供多个磨粒；
将所述多个玻璃体和所述多个磨粒混合从而形成混合物；
将所述混合物加热到所述软化温度，使得所述玻璃体在软化的同时，基本保持所述的一定的形状；
使磨粒粘附到所述软化的玻璃体上从而形成多个磨料团聚物；以及
冷却所述磨料团聚物，从而使得所述玻璃体硬化。
18.根据权利要求17所述的多个磨料团聚物，其中所述多个玻璃体包括多根玻璃纤维。
19.根据权利要求17所述的多个磨料团聚物，其中所述玻璃体在所述冷却步骤后基本上为连续且无孔的。
20.一种涂附磨具，包括：
背衬，其具有表面；以及
多个磨料团聚物，其被粘结体系固定到所述表面上，所述多个磨料团聚物中的每一个磨料团聚物均包括用基本上连续且无孔的无机粘结剂以三维结构粘结在一起的多个磨粒，其中所述磨粒的平均粒度为约0.5微米到约1500微米，所述无机粘结剂占所述磨料团聚物的不到约75重量％，并且所述磨料团聚物的堆密度小于所述磨粒堆密度的约90％；其中每个所述磨粒的大部分均是暴露的，而不是被包封在所述的无机粘结剂中；并且其中所述无机粘结剂为玻璃质粘结剂。
21.一种制做多个根据权利要求1的磨料团聚物的方法，包括：
提供多个玻璃体，每个玻璃体均具有一定的形状，并且所述玻璃体具有软化温度；
提供多个磨粒；
将所述多个玻璃体和所述多个磨粒混合从而形成混合物；
将所述混合物加热到所述软化温度，使得所述玻璃体在软化的同时，基本保持所述的一定的形状；
使磨粒粘附到所述软化的玻璃体上从而形成多个磨料团聚物；以及冷却所述磨料团聚物从而使得所述玻璃体硬化。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述玻璃体比所述磨粒至少约大2倍。
23.根据权利要求21所述的方法，其中提供所述多个磨粒的所述步骤包括提供过量的磨粒。
24.根据权利要求21所述的方法，其中提供所述多个磨粒的所述步骤包括为每1体积份的玻璃体提供至少约2体积份的磨粒。
25.根据权利要求21所述的方法，其中提供所述多个磨粒的所述步骤包括为每1体积份的玻璃体提供至少约4体积份的磨粒。
26.根据权利要求21所述的方法，其中所述加热步骤包括将所述混合物加热至约300℃到约1500℃之间的温度。
27.根据权利要求21所述的方法，其中所述加热步骤包括将所述混合物加热到所述软化温度并持续约1小时到约3小时。
28.根据权利要求21所述的方法，还包括将所述磨料团聚物与过量的磨粒分离的步骤。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述分离步骤包括选择开口小于所述磨料团聚物而大于所述磨粒的筛网，从而从所述过量磨粒中筛选出所述磨料团聚物。
30.根据权利要求21所述的方法，还包括将所述磨料团聚物破碎成较小尺寸的步骤。
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