CN108430700A - 经烧结的、多晶的、扁平构造的、几何图形结构化的陶瓷研磨元件，其制造方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及经烧结的、多晶的、扁平构造的、几何图形结构化的陶瓷研磨元件，其用于合成树脂粘结的砂轮片特别是切割片中的使用。本发明还涉及用于制造这种扁平构造、几何图形结构化的陶瓷研磨元件的方法和其用途。

Description

经烧结的、多晶的、扁平构造的、几何图形结构化的陶瓷研磨 元件，其制造方法和用途

技术领域

本发明涉及用于合成树脂粘结的砂轮片(特别是切割片)的经烧结的、多晶的、扁平构造的、几何图形结构化的陶瓷研磨元件(Schleifelement)。本发明还涉及用于制造这种经烧结的、多晶的、扁平构造的、几何图形结构化的陶瓷研磨元件的方法及其用途。

发明背景

合成树脂粘结的砂轮片的一种特殊形式是合成树脂粘结的切割片，其在本申请的范围内用作为合成树脂粘结的砂轮片的实例，但并不意味着本发明局限于切割片。事实上，在现有工作中证明原本设计用于切割片的根据本发明的研磨元件一般性地适用于合成树脂粘结的砂轮片。

切割片是扁平圆片，其主要用于切分金属型材。针对各种待加工的材料，例如金属、不锈钢、天然石块、水泥或沥青，使用不同的切割片，就此所述切割片分为两个主要类别，即合成树脂粘结的切割片和钻石切割片。用于制造合成树脂粘结的切割片将研磨颗粒，例如刚玉或碳化硅，与填充剂、粉末树脂和液体树脂混合成物料，然后在特殊机器中以各种厚度和直径压制成切割片。在此，所述磨料被包埋入由玻璃纤维构成的组织中，从而在切割片的使用中能够承受住所产生的巨大离心力。在钻石切割片的情况下，其几乎仅用于天然石块、水泥或沥青，借助各种方法，例如烧结、软焊或激光焊接，将钻石片段(Diamantsegmente)涂覆到钢制主片上。

磨料工业常年坚持寻求改良切割片功效的途径，其中特别专注于高级研磨颗粒的使用。就此EP 1 007 599 B1描述了一种切割片，其具有作为研磨颗粒的不同溶胶-凝胶-刚玉的混合物。EP 0 620 082 B1描述了一种切割片，其除了高研磨性组分，例如立方氮化硼或钻石、具有一致取向的微晶丝状氧化铝颗粒，其中所述磨料以被涂覆到金属主片上的片段(Segmenten)的形式存在。

根据US专利申请号2013/0040537 A1，通过溶胶-凝胶-法获得的四面体和棱锥体形状的陶瓷研磨颗粒以与其它高级研磨颗粒的混合物被用于合成树脂粘结的切割片中。类似的合成树脂粘结的切割片被描述于US专利申请号2013/0203328 A1中，其中通过溶胶-凝胶-法获得的三角小片、棱镜体(Prismen)或截顶棱锥体(kegelstumpfartigen Pyramiden)形状的陶瓷研磨颗粒与其它高级研磨颗粒被用于与酚树脂、研磨助剂、填料和其它添加剂的混合物中。

借助于这种研磨颗粒混合物，其中研磨颗粒以经定义的形状使用，不仅可以在合成树脂粘结的切割片中，还一般性地在合成树脂粘结的砂轮片中，相比具有高级研磨颗粒的砂轮片以未定义的切割，达到了出乎意料高的功效提升。

发明描述

受到这种结果的鼓舞，磨料工业还进一步寻求合成树脂粘结的砂轮片(特别是切割片)的功效改良。

由此本发明的任务在于，提供用于合成树脂粘结的砂轮片(特别是切割片)的、相比现有技术具有优点的磨料。

该任务是通过经烧结的、多晶的、扁平构造的、几何图形结构化的陶瓷研磨元件完成的，其意图用于替代研磨颗粒构入合成树脂粘结的砂轮片(特别是切割片)。

本发明的任务还在于提供用于制造在合成树脂粘结的砂轮片中使用的经烧结的、多晶的、扁平构造的、几何图形结构化的陶瓷研磨元件的方法。

该任务是通过可成形的陶瓷前体材料的形成完成的，由所述前体材料成型用于经烧结的、多晶的、扁平构造的、几何图形结构化的陶瓷研磨元件的扁平构造的、几何图形结构化的前体，然后烧结成多晶的、扁平构造的、几何图形结构化的陶瓷研磨元件。

本发明进一步的任务在于，提供改良的合成树脂粘结的砂轮片(特别是切割片)。

该任务是通过使用经烧结的、多晶的、扁平构造的、几何图形结构化的研磨元件作为替代合成树脂粘结的砂轮片(特别是切割片)中的研磨颗粒而完成的。

所述经烧结的、多晶的、扁平构造的、几何图形结构化的研磨元件涉及具有均质微结构、在所述研磨元件的整个区域上均一构成的化学组成和统一的几何图形结构的经烧结的成型体。所述烧结体具有第一表面和与第一表面相对并与其平行设置的第二表面。这两个表面通过厚度介于50μm和2000μm之间的侧壁彼此相隔。所述研磨元件的直径与厚度的比大于30，优选大于50。构造所述均质微结构的晶体的中值直径小于10μm，优选小于5μm。

优选所述经烧结的、多晶的、扁平构造的、几何图形结构化的陶瓷研磨元件的化学组成基于氧化铝和/或其它化合物，所述化合物选自下组：选自Al、B、Si、Ti和Zr的至少一种的碳化物、氧化物、氮化物、碳氧化物、氧氮化物和碳氮化物。

所述经烧结的、多晶的、扁平构造的、几何图形结构化的研磨元件优选具有维氏硬度Hv为至少15GPa，特别优选至少18GPa。

在本发明优选的实施形式中，所述经烧结的、多晶的、扁平构造的、几何图形结构化的研磨元件的密度为理论密度的至少95％，优选理论密度的至少97.5％。

优选所述研磨元件是圆片或圆形片段(Kreissegmente)，就直径和厚度而言其适合于由其形成的切割片。

在优选的实施形式中，根据本发明的研磨元件被构造成穿孔的、设计有空隙的陶瓷体。在此，陶瓷体的所述穿孔或空隙有利地显示为具有成几何图形的开口或空隙的均一的几何图形结构。在此优选研磨元件的开口与实心部分(den massiven Anteilen)的体积比在研磨元件的整个可使用直径上是恒定的，其中对于可使用直径的理解是在使用研磨元件工作时研磨元件的区域。

在本发明另一个有利的实施形式中，所述经烧结的、多晶的、扁平构造的、几何图形结构化的陶瓷研磨元件是多孔的陶瓷体，其本身具有足够的孔隙度以确保砂轮片所需要的孔隙度，或者是额外穿洞的或具有空隙，然而其中所述穿洞或空隙则是被较低强度地铸造的。在本发明的意义中，作为多孔的陶瓷体是用或多或少的小孔穿透的这种陶瓷体，而上述穿洞和空隙是大体积并优选是成几何图形结构化的。

在本发明的优选实施形式中，研磨元件的化学组成的基础是氧化铝，其中所述化学组成优选包含至少50重量％的氧化铝和可选的选自下组的氧化物的一种或多种：SiO₂、MgO、TiO₂、Cr₂O₃、MnO₂、Co₂O₃、Fe₂O₃、NiO、Cu₂O、ZnO、ZrO₂和稀土氧化物。此外，基于选自元素Al、B、Si、Ti、和Zr的氧化物、碳化物、氮化物、碳氧化物、氧氮化物和碳氮化物的其它化合物，适宜的材料也适用于制造根据本发明的陶瓷研磨元件。

根据本发明的研磨元件的制造可根据不同的方法进行，其中在所有情况下首先制造一个可成形的陶瓷物料，由其形成用于陶瓷研磨元件的扁平构造、几何图形结构化的前体，所述前体被烧结成多晶的、扁平构造的几何图形结构化的陶瓷研磨元件。

由此可以例如通过湿法在球磨机中在分散剂的存在下研磨具有中值粒度优选小于1μm的α-氧化铝并随即向所述分散液添加有机粘结剂和任选的增塑剂和/或消泡剂获得陶瓷物料或陶瓷前体材料。所述分散液被混合数小时，直至形成稳定的胶状分散液，其通过流延成膜加工成具有层厚直至3mm的层。所述流延膜层被干燥并剪切出扁平构造、几何图形结构化的研磨元件的前体，所述前体然后被煅烧和烧结。

此外，所有获得可成形的陶瓷物料的方法都是适宜的，从中然后形成相应的研磨元件并随即可被烧结。

由此例如溶胶-凝胶-法也非常好地适用于制造可成形的陶瓷物料，其中所述溶胶-凝胶-组成包含液态载体，在所述液态载体中溶解或分散可转化成陶瓷材料的陶瓷前体材料，例如α-氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化锆或它们的混合物。许多这种用于制造陶瓷的基于氧化铝的适宜的溶胶可以勃姆石溶胶在商标名“Dispal”、“Disperal”、“Pural”或“Catapal”下商购可得。

所述溶胶-凝胶-组成可包含改性添加剂或改性添加剂的前体。这种添加剂具有改善经烧结的、扁平构造、几何图形结构化的陶瓷研磨元件的所希望特性的功能。典型的改性添加剂或改性添加剂的前体是镁、锌、铁、硅、钴、镍、锆、铪和稀土的氧化物、碳化物、氮化物、碳氧化物、氧氮化物、碳氮化物或水溶性盐。

额外的或可选的，所述溶胶-凝胶-组成可含有晶种，以加速水合氧化铝或煅烧氧化铝到α-氧化铝的转化，并由此限制晶体生长。对此适宜的晶种包括细α-氧化铝颗粒、细粒的α-氧化铁或其前体、氧化钛和钛酸盐、氧化铬或其它能够有利于转化成α-氧化铝的化合物。

所述溶胶-凝胶-法的特别优点在于，以这种方式可获得具有特别细晶结构、高硬度和不寻常的韧度的研磨元件。在所述溶胶-凝胶-法的情况下还构造出之后被干燥的层。由所述经干燥的层剪切出所述扁平构造、几何图形结构化的研磨元件的前体并随即烧结。可选地，以溶胶-凝胶-法获得的凝胶还可以直接提供相应的形状，随即干燥并之后烧结。

用于制造扁平构造、几何图形结构化的研磨元件的其它适宜方法是注塑、压制、冷弯成型(das Rollformen)和快速成型(die schnelle Prototypenentwicklung)或增材制造(additive Fertigung)，例如3D-打印、立体光刻成型和LOM-法(分层实体制造)。

附图简述

本发明借助附图进一步阐述。就此展示

图1至8不同几何图形结构化的研磨元件的二维俯视图

图9不同几何图形的空隙的总览

图10a-10c图示不同切削角

在上述附图所展示的几何图形结构的选择中是不受限制的。除了所展示的结构，许多其它结构是可能的并且是有意义的，从而完成根据本发明的任务。

优选实施形式的描述

图1展示辐射形构造的圆形研磨元件，在其中央可见圆形空隙1，其与装入该研磨元件的砂轮片装置相应。所述研磨元件的主体2是星形构造的，其中辐射条3的末段垂直于圆形空隙1并形成圆，其直径与为该研磨元件设计的砂轮片直径相应。辐射条3之间是空隙4，其适于提供给该砂轮片所要求的孔隙度。如此定制所述空隙4的尺寸，即空隙4与研磨元件的实心区域的体积比在研磨过程中所使用的研磨元件的直径上是恒定的。以这种方式确保所述砂轮片的径向损耗不改变砂轮片的孔隙度并由此不改变整个研磨过程中的研磨条件。在图1中，该关系通过于特定的片直径处与周长U或U’相关的间距A/B和A’/B’的比例加以说明。

图2和3同样展示辐射状构造的研磨元件的俯视图，其中图2的辐射条3与圆形空隙1形成角度。在图3中，辐射条3还是弯曲的。即便在此，空隙4再次是这样定制尺寸的，即所述空隙与研磨元件的实心区域的体积比在研磨过程中该研磨元件所使用的直径上是恒定的，其同样再次通过与周长相关的间距A/B和A’/B’的比例加以说明。

用于表征所述扁平构造、几何图形结构化的陶瓷研磨元件的其它特征是切削角γ，其相应于夹紧面(切入面)相对垂直于该轮片切线的参照面的倾斜度。三种不同类型的可能切削角是：正、负和刚好为零。正切削角γ有助于减弱切削力和由此减小切削时的能量需要，而负切削角γ提高研磨元件或砂轮片的刀刃强度和寿命。所述切削角γ还依照图3、4、8、10a、10b和10c阐明。

根据图3的研磨元件具有正切削角γ为18°。在研磨过程期间，该切削角γ随着砂轮片磨损的增加(减小的半径)减小到零。

图4展示圆片形构造的研磨元件，其主体2具有与该砂轮片的装置相应的圆形空隙1。该砂轮片的孔隙度在该情况下由圆形洞4保证，其随着该轮片半径的增加而变大，从而在此空隙4与该研磨元件的实心区域的体积比在研磨过程中该研磨元件所使用的直径上也是恒定的，其再次通过与周长相关的间距A/B和A’/B’的比例加以说明。所述研磨元件的切削角γ以+29°开始并随着减小的砂轮片半径在经过零之后进入负值区域向下直至-90°。在下一列圆洞4，所述切削角开始于+90°，降至零并随即进入负值区域向下直至-90°。该过程则反复于每个开始的洞列。

图5至图8同样展示圆片形构造的研磨元件，其以其它几何图形形式具有孔洞4。在图5中是梯形孔洞4，在图6中是菱形孔洞4，在图7中是六边形的、蜂窝形的孔洞4和在图8中是三角形孔洞4。在所有情况中空隙4与该研磨元件的实心区域的体积比在研磨过程中该研磨元件所使用的直径上是恒定的，其再次通过与周长相关的间距A/B和A’/B’的比例加以说明。研磨元件的切削角γ根据图8位32°并在整个研磨过程期间保持恒定。

依据图10a至10c一般性阐明切削角γ，其中图10a展示正切削角γ，根据图10b的切削角γ为零且图10c展示负的切削角γ。在切削时，研磨元件7在工件5上产生碎片6，其中正切削角γ减小切削力并由此减小切削时的能量需求，而负的切削角γ提高研磨元件7的刀刃强度和寿命。

如在文端所提及的，在图1至8中所展示的研磨元件的实施形式涉及任意的选择，其中没有限制意图。在图9中可见其它几何平面的实例，其展示空隙或孔洞的可能形状。在该总览中也没有限制意图。

除了在图1至8中展现的完全圆形的元件当然也可能制造和使用具有相同几何图形结构的圆形片段。所述圆形片段的优点在于，其制造和操作简便并且在加工时研磨元件断裂的危险更小。作为实用的圆形片段适宜的是，特别是完整圆形研磨元件的二分之一、三分之一、四分之一和八分之一部分。

最后，研磨元件的所述几何图形构造基本上取决于砂轮片的引用领域，其中专业人员选择能最佳调节所希望的研磨条件和此外最容易制造的几何图形。

实施例

具有中值粒度D₅₀为0.144μm的80％浓度的α-氧化铝-混悬液通过湿法研磨具有中值粒度小于1μm的α-氧化铝-起始粉末获得。在此将所述混悬液通过添加0.75重量％的聚甲基丙烯酸酯(KV5182，Zschimmer&Schwarz)稳定化。之后添加Latex-粘结剂(B-1000，DowChemicals)给所述稳定化的混悬液。

随即为了提高粘度，向液态混悬液添加5重量％的1.25％浓度的纤维素水溶液(Methocel K15M)。用如此制备的具有72.6重量％含量的氧化铝和1300mPa*s的粘度的陶瓷预备物，浇铸出具有介于200μm和500μm之间不同强度的膜，由其冲裁出相应于图1至8的扁平构造的、几何图形结构化的陶瓷研磨元件的前体。

研磨元件的所述前体被干燥，其中由于高氧化铝含量仅证实有很小的体积收缩且无裂纹。所述经干燥的前体以1℃/分钟的加热速率加热到600℃，从而去除粘结剂，然后以5℃/分钟的加热速率直至最高温度1600℃进行烧结。于1600℃维持30分钟。如此获得的扁平构造的、几何图形结构化的研磨元件具有3.94g/cm³的密度(98.3％的理论密度)、18.4GPa的维氏硬度Hv和小于2μm的晶体粒度。

切割测试

用于制备具有125mm直径的合成树脂粘结的切割片使用根据图1具有300μm强度的星形扁平构造的、几何图形结构化的研磨元件。为了确保轮片的稳定性，混入作为填充剂的树脂刚玉。作为标准采用具有粒度为F46/60的单晶刚玉(TSCTSK，Imerys Fused Minerals)的对比轮片。

使用具有直径为20mm的Cr-Ni-不锈钢-圆棒作为工件并用6000μm/s的切割速率在轮片转速为8800转/分钟下加工，对此分别进行3个初切段和进一步的12个切断。之后依据轮片的直径缩减测定轮片损耗。由材料损失和轮片损耗的商测定G-比值。

结果总结于下表1：

表1

以上进行的实施例说明根据本发明的研磨元件的潜力。通过几何图形结构、研磨元件的强度和固有孔隙度的变化，可对于不同应用提供定制的研磨元件。具有高的固有孔隙度的研磨原件例如是多孔的氧化物陶瓷，其孔隙度借助已知陶瓷技术可设置为介于10％和90％之间的孔体积。

另一个优化潜力是多个研磨元件的使用，其在一个砂轮片中可彼此平行地使用，其中有利地是还彼此错列研磨元件的孔洞模式，从而使得砂轮片宽度上的孔隙度具有优化的均匀分布。这种轮片的实例是双层错列的切割片，其具有两个扁平构造的、几何图形结构化的研磨元件，封闭具有150μm的强度。

此外可通过搀杂来改变研磨元件的物理特性。就此可例如通过添加氧化锆改善研磨元件的韧度和抗断裂性。原材料和制备方法的选择为根据本发明的研磨元件提供了进一步的变化可能性和优化方案。就此可以例如通过溶胶-凝胶-法以已知技术制造特别是细晶研磨元件，其具有在100nm的范围内的中值晶粒度。这类陶瓷材料具有不寻常的韧度和硬度并特别良好地适用于加工高合金钢。

根据本发明的研磨元件的特别关注的应用领域是具有介于100μm和200μm之间的强度和介于1cm和4cm之间的小直径的薄的合成树脂粘结的轮片，如其在牙医领域所使用的。

Claims (12)

1.经烧结的、多晶的、扁平构造的、几何图形结构化的陶瓷研磨元件，其由经烧结的成型体组成，所述成型体具有

-均质微结构，

-在整个研磨元件上均一构成的化学组成和

-统一的几何图形结构，

其中所述烧结体具有第一表面和与第一表面相对并与其平行设置的第二表面，其中这两个表面通过厚度介于50μm和2000μm之间的侧壁彼此相隔，并且所述研磨元件的直径与厚度的比大于30，

其特征在于，

构造所述均质微结构的晶体的中值直径小于10μm。

2.根据权利要求1的研磨元件，

其特征在于，

所述研磨元件的化学组成基于氧化铝和/或其它化合物，所述化合物选自下组：选自Al、B、Si、Zr和Ti的至少一种的碳化物、氧化物、氮化物、碳氧化物、氧氮化物和碳氮化物。

3.根据权利要求1或2的研磨元件，其特征在于，所述研磨元件是圆片或圆形片段。

4.根据权利要求1至3任一项的研磨元件，其特征在于，所述研磨元件是穿孔的陶瓷体。

5.根据权利要求4的研磨元件，其特征在于，所述陶瓷体的穿孔具有均一几何图形结构，其具有几何图形形状的开口。

6.根据权利要求1至5任一项的研磨元件，其特征在于，

所述研磨元件是多孔陶瓷体。

7.根据权利要求1至6任一项的研磨元件，其特征在于，

所述研磨元件的开口与实心部分的体积比在研磨元件的整个可使用直径上是恒定的。

8.根据权利要求1至7任一项的研磨元件，其特征在于，

所述研磨元件的化学组成包含至少50重量％的氧化铝和任选的一种或多种选自下组的氧化物：SiO₂、MgO、TiO₂、Cr₂O₃、MnO₂、Co₂O₃、Fe₂O₃、NiO、Cu₂O、ZnO、ZrO₂和稀土氧化物。

9.制造根据权利要求1至7任一项的扁平构造、几何图形结构化的陶瓷研磨元件的方法，其包括以下步骤：

-制备陶瓷前体材料的可成形物料；

-由所述可成形物料成型用于扁平构造的、几何图形结构化的研磨元件的前体；和

-煅烧并烧结所述前体，以获得扁平构造、几何图形结构化的陶瓷研磨元件。

10.根据权利要求9的方法，

其特征额外在于以下步骤：

-在分散剂的存在下通过湿法研磨具有中值粒度小于1μm的α-氧化铝制备α-氧化铝在水中的分散液；

-向所述分散液添加有机粘结剂和任选的增塑剂和/或消泡剂；

-混合所述分散液数小时，以获得稳定的胶状分散液；

-将所述稳定的胶状分散液流延成膜层，厚度为直至3mm；

-干燥所述流延膜层；

-冲裁形成扁平构造、几何图形结构化的陶瓷研磨元件的前体；和

-煅烧和烧结所述前体，以获得扁平构造、几何图形结构化的陶瓷研磨元件。

11.根据权利要求1至7任一项的扁平构造、几何图形结构化的陶瓷研磨元件的用途，其用于制造合成树脂粘结的砂轮片。

12.包含根据权利要求1至7任一项的扁平构造、几何图形结构化的陶瓷研磨元件的切割片。