包含結合空心微球的聚集磨粒的制作方法

包含結合空心微球的聚集磨粒的制作方法
【專利摘要】本發明涉及由個體磨粒和空心體的混合物構成的聚集磨粒，其中通過鋁硅酸鹽和堿金屬硅酸鹽的粘合基質將磨粒和空心體保持在一起，并且所述聚集磨粒具有開放孔隙率和封閉孔隙率，在每種情況為5體積％至40體積％，其中所述聚集磨粒的總孔隙率小于50體積％。
【專利說明】包含結合空心微球的聚集磨粒
[0001] 本發明涉及包含如權利要求1前序中所述特征的聚集磨粒，以及其制造方法。
[0002] 聚集磨粒已在磨料工業中被長時間知曉，并且通常用于磨輪和磨帶。這些是含有 預定平均磨料粒度的個體磨粒的聚集體，其中通過粘合基質將磨粒保持在一起。無機或有 機粘合劑可用作粘合試劑，其中酚醛樹脂通常被用作有機粘合劑，而類玻璃或者陶瓷材料 被用作無機粘合劑。
[0003] 聚集磨粒的一大優勢在于細碎的密實磨粒可以用作一次顆粒，由該一次顆粒形成 聚集磨粒，其與源粒相比相對大，其由多個個體粒子組成，并且在磨削加工期間，與具有可 比較尺寸的個體粒子相比，該聚集磨粒表現出完全不同的磨損機制。
[0004] 通常，盡管個體粒子根據在磨削加工期間的壓力條件而被鈍化或者破壞，然而可 以具體選擇和施加聚集磨粒，使得個別磨損的一次磨粒從聚集磨粒的粘合基質中脫離，并 繼而使用位于其下面的磨粒，從而繼續露出新的切割刃。此類聚集磨粒因此具有長的壽命， 其特征在于冷切割并且對于整個壽命而言產生均勻一致的磨削表面圖案。
[0005] 為了用磨料加工表面，根據有待加工的材料、使用的磨削方法和期望的表面品質， 對磨料有完全不同的要求。由不同材料（例如木材、金屬、陶瓷、天然石材或者塑料等）制成 的表面的加工，例如因此也需要不同的磨削條件和磨料，它們必須分別適用于各自的應用。 [0006] 雖然在使用個體磨粒時僅能改變磨粒種類和磨粒尺寸，然而使用聚集磨粒為優化 各自應用中的聚集磨粒提供了許多另外的可能性。
[0007] EP 2 174 751 A1中描述了磨粒聚集體，其由通過基于鋁硅酸鹽的粘合劑由保持 在一起的細碎一次磨粒制成。施加的無機粘合劑在低于450°C的溫度完全硬化，其中形成強 度格外高的磨粒聚集體，其對于許多應用具有大的優勢，在難以用高壓力磨削機器材料的 情形中。然而，由于它們的高強度，這些磨粒聚集體并不非常適用于輕度磨削條件。
[0008] US4, 799, 939描述了包括個體磨粒的可侵蝕聚集體，所述磨粒布置在粘合劑和空 心體的在可侵蝕基質中。優選地，空心體是空心球并且具有使粘合基質易于分解的功能。空 心球有小的直徑，因此能夠向粘合劑基質中盡可能多地納入這些空心球。優選地，使用有機 化合物作為粘合試劑。
[0009] GB 2 021 626公開了一種磨粒粒狀物，其中通過合成樹脂粘合劑將磨粒和造孔 顆粒保持在一起。該粒狀物具有420 μ m至2000 μ m的磨料粒度，其中個體磨粒具有小于 250 μ m的磨料粒度并且存在量為15到40體積％，而造孔顆粒的尺寸為44 μ m至297 μ m并 且存在量為2到75體積％。該粘合試劑具有10到50體積％的百分比。由于顯然當提供 的粘合劑體積顯著小于固體顆粒之間的體積時已經達到令人滿意的結合，因此制成的聚集 體可表現出孔隙的網狀結構，所述孔隙彼此相連。這種開放孔隙率可以達到該聚集體總體 積的50%。
[0010] 根據剛提到的兩份文獻，特別地，當優選使用合成樹脂粘合試劑時，實現了非常適 用于輕度磨削條件的相對軟的磨粒聚集體。
[0011] 然而，由于已提及的不同材料和磨削條件，對用于表面機加工的特定聚集磨粒仍 存在高的要求，已關于具體的磨削操作，還特別關于在不過高的壓力下溫和加工的材料，進 一步開發和優化所述磨粒。
[0012] 通過包含權利要求1所述特征的聚集磨粒解決該目標。根據本發明的聚集磨粒的 進一步發展和有利實施方案是從屬權利要求的主題。
[0013] 試圖開發和優化用于以溫和方式機加工不同材料的聚集磨粒，當各自的聚集磨粒 在個體磨粒之間有相對強的結合并且從而同時具有一定部分的封閉和開放孔隙率時，明顯 實現了特別好的結果。通過包含1:2至1:20的A1 203和Si02摩爾比的鋁硅酸鹽和堿金屬 硅酸鹽的粘合基質，實現了強的結合，其中該粘合基質在低于500°C的溫度下硬化。可以優 選地通過添加空心體來在優選調節封閉孔隙率，在聚集磨粒的制造期間中將所述空心體與 各磨粒混合。主要通過所用粘合劑的量來實現開放孔隙率的調節。
[0014] 由于粘合基質的硬化發生在對于無機粘合劑而言極低的溫度，因此也可以使用溫 度敏感的個體磨粒，從而由此獲得穩定的聚集磨粒。個體磨粒選自于剛玉、熔融剛玉、燒結 剛玉、氧化鋁氧化鋯、碳化硅、碳化硼、立方氮化硼、金剛石和它們的混合物。
[0015] 優選地，鋁硅酸鹽、堿式硅酸鈉和水的混合物可用作粘合基底，其中偏高嶺土、煙 道灰、爐渣、巖屑、細砂和活化粘土可用作鋁硅酸鹽，它們被極細地顆粒化從而具有足夠活 性以便通過硅質成分和鋁硅質成分在低于500°C溫度下的縮聚反應形成鋁硅質凝膠。
[0016] 然而，除了在發電期間作為副產物和廢物形式大量產生以及來自原料制造的這些 原材料之外，也可以使用任何其它材料，所述其它材料包括以指定量并且以足夠活性形式 的氧化鋁和氧化硅，從而引發縮聚反應并且從而形成Si0 4和A104四面體的三維網狀結構。 作為鋁硅酸鹽的替代，也可以與富Si02的硅酸鈉一起使用活性的鋁氧化物或氫氧化物。
[0017] 根據EP 2 174 751使用磨粒聚集體，很明顯通過無機結合實現的磨粒聚集體的 高強度對于若干磨削操作具有不利影響。特別地在敏感材料的情形中，檢測到表面缺陷，這 歸因于如下事實：由于高強結合，個體的磨損磨粒從聚集磨粒的脫離不再關于特定的壓力 比率而恰當地工作，這最終導致表面缺陷，例如當個體磨粒從粘合基質突出的時候。很明顯 可以通過納入空心體來補償這些缺點，由此可以根據磨削加工的規格（specifications)特 別調節聚集磨粒的結構和硬度。隨著空心體的量增加，聚集磨粒在使用時的作用更軟，由此 出人意料地，聚集磨粒的壓力耐受性并沒有降低到相同程度，以至于仍然確保了聚集磨粒 的可加工性、可運輸性能和足夠的穩定性。
[0018] 此外，很明顯，當除了通過納入空心體獲得的封閉孔隙率之外聚集磨粒還含有一 定部分的開放孔隙率（其由粘合試劑的量控制）時，可以達到更高的去除速率以及更低的 磨粒磨損。開放孔隙率和封閉孔隙率兩者都應該具有5體積％至40體積％的份額。還明顯 的是，聚集磨粒的總孔隙率應低于50體積％，因為當開放和封閉孔隙率的總和為50體積％ 以上時，聚集磨粒中的個體磨粒的結合明顯是不穩定的。尋找開放孔隙率與封閉孔隙率的 最佳比率是未來測試的主題。
[0019] 在本工作的背景下，通過各自源材料的使用重量份數進行封閉孔隙率、磨粒和粘 合基質的體積百分比的測定，其中基于由壓汞法測定的開放孔隙的體積百分數，通過所用 的數量和各自的比重，來計算源材料的體積百分數。通過拋光截面來檢驗以這種方式計算 的體積百分數的值。由此，可清楚計算的體積百分數與在拋光截面中光學確定的體積分布 之間的緊密一致性。
[0020] 圖1說明了這樣的拋光截面的一個實例。
[0021] 圖1示出了根據本發明的聚集磨粒的拋光截面以100倍放大的掃描電子顯微鏡圖 像。由氧化錯氧化锫磨粒1(ZK 40 P180，Treibacher Schleifmittel)、玻璃球2和粘合劑 3構成的聚集磨粒具有大致球形的形狀，其中氧化鋁氧化鋯磨粒1可被識別為明亮的不規 則物區域，玻璃球2可被識別為包括明亮邊界的球形構造，粘合基質3可被識別為介于氧化 鋁氧化鋯磨粒1和玻璃球2之間的灰色區域，并且開放孔隙4可被識別為與氧化鋁氧化鋯 磨粒1和玻璃球2之間的灰色區域緊鄰的深色區域。圖1所示的聚集磨粒對應于根據實施 例4的組成，其中30體積％的磨粒被空心體替代。
[0022] 認為三種不同因素的最優組合是令人意外的良好磨削結果的解釋。首先，已認為 無機結合的高強度具有附加優勢，即在低溫下達到該強度，使得特別地可以毫無問題地將 熱穩定性較小的磨粒加工成包含高斷裂強度的無機結合的聚集磨粒。通過納入空心體補償 了強結合的可能缺點，這稍微減小了再次作為整體的聚集磨粒的強度并且同時促進了自銳 化機制，其中在磨削加工期間由于空心體的破壞所產生的空隙額外促進了冷卻潤滑劑與材 料表面的直接接觸，由此改善了被加工材料的表面品質。同時，為碎屑和去除的材料提供了 空間。來自于通過本發明聚集磨粒提供的開放孔隙的有利結果：粘合試劑可以通過開放孔 隙滲透聚集磨粒，從而將聚集磨粒嵌入磨料中，因此獲得了聚集磨粒在磨料中的格外穩定 的納入。這種效果對磨料性能具有非常積極的作用，因為高份額的磨料磨損通常可以歸結 于整體磨粒脫離結合，特別是當與磨帶一起工作時，沒有顯著參與磨削加工的磨粒，可以通 過聚集磨粒的強結合來阻止或至少減少這種脫離。
[0023] 通過本工作，顯然開放孔隙率以及封閉孔隙率應當在5至40體積％的范圍內，然 而開放孔隙率和封閉孔隙率的總和（總孔隙率）應當小于聚集磨粒的50體積％。有利地， 總孔隙率如此高，以至聚集磨粒的堆積密度小于1. Og/cm3,優選地小于0. 9g/cm3。
[0024] 可以使用任何材料的空心體作為封閉孔隙率的源材料。由于聚集磨粒中的結合的 期望高強度，優選使用基于氧化鋁、氧化硅、氧化鋯、氧化鈦、氧化鈰和/或它們的混合物的 無機空心體。在該背景下，在市場上可以廉價獲得的不同尺寸的由玻璃制成的空心球已特 別證實了它們在本發明的聚集磨粒中的使用。由玻璃制成的空心球具有足夠強度以確保聚 集磨粒的期望斷裂強度。也可以通過基于鋁硅酸鹽和堿金屬硅酸鹽的無機粘合劑毫無問題 地將它們進一步納入所述聚集磨粒。因此由玻璃制成的空心球的強度不是很高以至于聚集 磨粒的自銳化機制不會失效。
[0025] 依照本發明聚集磨粒的有利實施方案，所述聚集磨粒包含5重量％至30重量％的 粘合基質，60重量％至90重量％的磨粒，以及0. 5重量％至15重量％的空心體。按照體積 百分數表示，聚集磨粒的有利實施方案具有5體積％至40體積％的粘合基質，10體積％至 70體積％的磨粒，5體積％至40體積％的空心體和5體積％至40體積％的開放孔隙。
[0026] 在聚集磨粒中磨粒的體積百分數優選地大于空心體的體積百分數，其中磨粒對空 心體的體積比有利地為9:1至1. 5:1，特別有利地為6:1至2:1。當約30體積％的磨粒被 空心體替代時，發現了特別好的結果。
[0027] 盡管存在納入的空心體和開放孔隙，但是由于使用的無機粘合劑，聚集磨粒的顆 粒斷裂強度（根據科士達（V〇llst3dt )的CFF)相對高，并且據稱為為10N至40N。通 過為金剛石的強度測試而開發的測試設備（V〇llSt3dt, Diatest SI)進行顆粒斷裂 強度的相應測量。由此將磨粒壓入活塞室，記錄顆粒爆裂的最大力（Compressive Facture F〇rce = CFF)。使壓力傳感器適用于待測的聚集磨粒，用于0至200牛頓的測量范圍。為了 制備樣品，篩選在850μπι至710μπι( = 20目至24目）范圍內的合適粒級，通過與顆粒形 狀相關的振動臺對其進一步分選。利用由此得到的測量粒級進行150至200次個體測量， 使得平均顆粒強度值的結果在統計學上足夠可靠。高的CFF值保證了聚集磨粒的良好可加 工性以及可運輸性。
[0028] 磨粒和空形體的顆粒直徑在每種情形中包含在250 μ m至5 μ m的可比較范圍內的 平均顆粒直徑，其中磨粒平均顆粒直徑與空心體平均顆粒直徑的比例優選為2:1至1:2。根 據本發明的聚集磨粒的有利實施方案要求空心體的平均顆粒直徑分別大于或者等于磨粒 的平均顆粒直徑。
[0029] 磨粒的體積百分數或數目與空心體的體積百分數或數目的比例是聚集磨粒強度 的要素。根據應用，通過這個比例的簡單改變，能夠使聚集磨粒適用于各個預期目的，由此 在聚集磨粒中磨粒的體積百分數與空心體的體積百分數的比例優選為6:1至2:1。由于空 心體的平均顆粒直徑優選大于或等于磨粒的平均顆粒直徑，因此根據本發明的聚集磨粒的 優選實施方案提供的磨粒在數值方面多于聚集磨粒中存在的空心體。
[0030] 除了上述的改變和調節開放孔隙率的可能性，此外有可能通過改變粘合基質來改 變聚集磨粒的特性。在一個有利實施方案中，粘合基質因此含有約20重量％至60重量％ 的磷酸鹽，基于粘合試劑的總重量。此外，粘合試劑可包含約2重量％至約15重量％的平 均顆粒尺寸為0. 35 μ m的細粒。在這種情形中，以證明使用選自剛玉、熔融剛玉、燒結剛玉、 氧化鋁氧化鋯、碳化硅、碳化硼、立方氮化硼、金剛石和/或它們的混合物的細粒是特別有 利的。由于特別地通過細顆粒來改變粘合基質，因此不必使用與各種所用磨粒相當的細粒 度。因此適合于使用熔融剛玉，該熔融剛玉能夠以細粒形式在市場上大量廉價地獲得。
[0031] 除了上面列出的組分之外，粘合劑還可以包含填料和/或助磨劑，對于該目的，可 以使用所有已知的填料和助磨劑，特別地選自如下組：硫化物、磷酸鹽、碳酸鹽和/或鹵化 物和/或包含元素鈉、硅、鉀、鎂、鈣、鋁、錳、銅、鋅、鐵、鈦、銻和/或錫的含硫化物、磷酸鹽、 碳酸鹽和/或鹵化物的絡合物。
[0032] 根據本發明的聚集磨粒優選具有0. 05至3mm的平均直徑，而在聚集磨粒中彼此連 接的個體磨粒的平均粒度優選為30 μ m至200 μ m。
[0033] 本發明的主題還在于一種制造聚集磨粒的方法，該聚集按體積在5至40體積％的 開放孔隙率，5至40體積％的封閉孔隙率，以及小于50體積％的總孔隙率。為此目的，將個 體磨粒（選自剛玉、熔融剛玉、燒結剛玉、氧化鋁氧化鋯、碳化硅、碳化硼、立方氮化硼、金剛 石和/或它們的混合物）與空心體（其為聚集磨粒提供封閉孔隙率）的混合物納入基于鋁 硅酸鹽和堿金屬硅酸鹽（包含1:2至1:20的A1203與Si02的摩爾比）的粘合基質。該方 法包括步驟：
[0034] -將磨粒和空心體與鋁硅酸鹽、堿金屬硅酸鹽和水的粘合試劑混合；
[0035] -將如此獲得的聚集磨粒生坯在80°C至150°C的溫度下干燥；
[0036] -將干燥過的聚集磨粒生坯分級為限定的磨料粒度；和
[0037] -將分級的聚集磨粒在低于500°C的溫度下硬化。
[0038] 根據 FEPA 標準（Federation of European Producers of Abrasives)實施聚集 磨粒的分級。
[0039] 下面將通過實施例對本發明進行另外的詳細說明。
[0040] 實施例1 (比較）
[0041] 為了制造該比較實施例，將3kg的磨粒（ZK40 P180，Treibacher Schleifmittel)、 25g 的偏高嶺土（OPACILITE，Imerys)和 33? 的剛玉微粒（ESK P1400F，Treibacher Schleifmittel)在強力混合機（型號R01，Eirich)中逆流混合5分鐘。隨后將用于顆粒制 造的一部分混合物放置于以200rpm和對應于8至9階段的斜度的旋轉造粒臺（型號TR04， EIRICH)上，并然后用硅酸鈉稀溶液（30%)噴涂。當連續加入顆粒混合物和硅酸鈉時，形成 的顆粒由于重力而轉移至盤式造粒機的邊緣并且被收集。加入總量為500g的硅酸鈉溶液。 將以這種方式獲得的聚集磨粒生坯分級，其中將1180 μ m至850 μ m范圍內的粒級分離，隨 后在干燥室中用再循環的空氣在125°C下干燥1小時，然后在回轉窯中于450°C下煅燒。
[0042] 實施例2至5
[0043] 如實施例1那樣進行實施例2至5的制造，但是其中每種情形中用空心球相 繼替代10體積％的磨粒，這些空心球基于平均顆粒直徑為80 μ m的氧化硅和氧化鋁 (e-spheres，Erbsldtl )。在每種情形中用 34. 5g 的 e-spheres 替代 300g 的磨粒（ZK40 P180)。
[0044] 實施例7至9
[0045] 如實施例4那樣進行樣品的制造，但是其中通過不同數量的粘合劑來改變開放孔 隙的份額。對于實施例7僅使用250ml的硅酸鈉稀溶液以及12. 5g的偏高嶺土和166. 5g 的剛玉細粒作為粘合劑。對于實施例8或9使用分別為750ml或1000ml的硅酸鈉稀溶液 以及分別為37. 5g或50g的偏高嶺土以及分別為499. 5g或666g的ESK P1400F。
[0046] 實施例10和11
[0047] 類似于實施例4進行聚集磨粒的制造，但是其中在實施例10中使用有較低平均顆 粒直徑的空心體，而在實施例11中使用有較大平均顆粒直徑的空心體，而仍使用氧化鋁氧 化鋯ZK40 P180作為個體磨粒。
[0048] 磨削測試
[0049] 通過由平均粒度為約1mm的聚集磨粒制造的硫化纖維盤來磨蝕包含20mm直徑的 鋼棒1. 4301 (X5CrNil8-10 ;V2A)，所述聚集磨粒是依照上述實施例1至11而制造。在每種 情形中以30m/s輪轉速，2700rpm和20N接觸壓力進行五次30秒磨削時段。除材料去除之 夕卜，還測量了顆粒磨損并由此計算G-比例。此外對表面進行光學評價，其中在非常好=完 全均勻的表面、良好=含有少許不規則物的均勻表面、中等=含有明顯可見的不規則物的 基本均勻表面、以及差=不均勻表面之間進行分辨。
[0050] 下表1總結了實施例1至11的組成和一些物理數據。
[0051] 表 1
[0052]
【權利要求】
1. 一種聚集磨粒，其包含被納入到粘合基質中的多個個體磨粒，其中 -所述磨粒選自剛玉、熔融剛玉、燒結剛玉、氧化鋁氧化鋯、碳化硅、碳化硼、立方氮化 硼、金剛石和/或它們的混合物； -所述粘合基質包含鋁硅酸鹽和堿金屬硅酸鹽，所述鋁硅酸鹽和堿金屬硅酸鹽具有 1:2到1:20的A1A與Si02的摩爾比； -所述粘合基質在低于500°C的溫度下硬化；和 -所述聚集磨粒具有5到40體積％的開放孔隙率， 其特征在于 除磨粒之外，該聚集磨粒還包含空心體，該空心體被納入粘合基質中并且為該聚集磨 粒提供封閉孔隙率，其中該空心體的體積百分數為5體積％到40體積％，其中封閉孔隙率 和開放孔隙率的總和小于聚集磨粒的50體積％。
2. 根據權利要求1的聚集磨粒，其特征在于 所述磨粒的體積百分數與所述空心體的體積百分數的比例為9:1至1. 5:1。
3. 根據權利要求2的聚集磨粒，其特征在于 所述磨粒的體積百分數與所述空心體的體積百分數的比例為6:1到2:1。
4. 根據權利要求1至3之一的聚集磨粒，其特征在于 該聚集磨粒含有10體積％至80體積％的磨粒，5體積％至40體積％的空心體，5體 積％至40體積％的粘合基質，以及5體積％至40體積％的開放孔隙。
5. 根據權利要求1到4之一的聚集磨粒，其特征在于 所述磨粒和空心體的平均顆粒直徑在250 μ m至5 μ m的范圍內，其中所述磨粒的平均 顆粒直徑與所述空心體的平均顆粒直徑的比例為2:1到1:2。
6. 根據權利要求1到5之一的聚集磨粒，其特征在于 所述空心體選自基于氧化鋁、氧化硅、氧化鋯、氧化鈦、氧化鈰和/或它們的混合物的 空心體。
7. 根據權利要求6的聚集磨粒，其特征在于 所述空心體是由玻璃制成的空心球。
8. 根據權利要求1到7之一的聚集磨粒，其特征在于 該聚集磨粒含有5重量％至30重量％的粘合基質,60重量％至95重量％的磨粒，以及 0. 3重量％至20重量％的空心體。
9. 根據權利要求1到8之一的聚集磨粒，其特征在于 該聚集磨粒具有10N到40N的根據V〇l 1 S t5dt的顆粒斷裂強度（CFF)。
10. 制造根據權利要求1到7之一的聚集磨粒的方法，其中將個體磨粒和空心體的混合 物納入鋁硅酸鹽和堿金屬硅酸鹽的粘合基質中，所述粘合基質具有1:2至1:20的范圍內的 A1203和Si02的摩爾比，該方法包括步驟： -將磨粒和空心體與鋁硅酸鹽、堿金屬硅酸鹽和水的粘合試劑混合； -將以這種方式獲得的聚集磨粒生坯在80°C到150°C的溫度下進行干燥； -將干燥過的聚集磨粒生坯分級為限定的磨料粒度；和 -將干燥且分級的聚集磨粒在低于500°C的溫度下硬化。
【文檔編號】C04B18/02GK104066808SQ201380006318
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年9月11日 優先權日:2012年9月12日
【發明者】K·戈巴爾德特, G·P·吉爾卡 申請人:研磨劑與耐火品研究與開發中心C.A.R.R.D.有限公司