專利名稱：尤其用于涂覆和固結(jié)磨料、如用于消除合金鋼扁坯表面裂紋的砂輪的具有高氧化鋁含量 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造研磨工具的燒結(jié)磨粒的領(lǐng)域。它更具體地涉及固結(jié)磨料和涂覆磨料的領(lǐng)域。固結(jié)磨料用于制造其中磨粒分散在樹脂基結(jié)合劑中的產(chǎn)品，通常是砂輪。涂覆磨料通常是在載體(紙、織物、帶等)上沉積磨料粉末。
盡管本發(fā)明適用于所有類型的磨料，但其更特別地用于制造固結(jié)磨料，如用于制造砂輪的那些磨料，該砂輪用于鋼扁坯的消除表面裂紋處理，用于鑄件毛坯的消除毛刺處理或者金屬的磨削處理。下面將用這些固結(jié)磨料來說明本發(fā)明。
背景技術(shù)：
固結(jié)磨料和涂覆磨料由磨粒來制備，其根據(jù)情況可以通過粉碎由液體產(chǎn)物固化得到的塊狀產(chǎn)品所構(gòu)成的所謂“巖石”產(chǎn)品來獲得，例如電熔磨料如剛玉；或者通過燒結(jié)由其組成和幾何形狀有利于良好研磨性能的顆粒所構(gòu)成的粉末來獲得；或者通過使用例如美國專利4,574,003(3M)中描述的“溶膠-凝膠”法來獲得。
磨粒必須具有良好的機械性能如韌性或強度，以及良好的切割能力。
強度表征了顆粒在機械負荷作用下碎裂成碎片的傾向。進行測試的產(chǎn)品根據(jù)待測試的等級來校準(zhǔn)。在施加機械負荷(在裝填鋼球的轉(zhuǎn)鼓中旋轉(zhuǎn))之后，使樣品篩分經(jīng)過由幾個預(yù)定篩目的篩網(wǎng)組成的柱。向每個回收的級分分配特定的系數(shù)，這使得能夠?qū)⒁詮姸缺硎镜钠焚|(zhì)特征進行分級，其以與每個級分相關(guān)的含量的重心平均值來表示(以％表示)。強度越大，獲得的值應(yīng)當(dāng)越接近100。在本文的最后給出了用于確定等級為12的顆粒(也就是說，初始尺寸為1.7-2mm的顆粒)的強度的實例。
應(yīng)當(dāng)指出，硬度是與經(jīng)受壓痕的材料的塑性變形相關(guān)的性質(zhì)，其是當(dāng)然必要的標(biāo)準(zhǔn)，但不足以表征磨粒的強度。磨粒的硬度與其研磨性質(zhì)之間當(dāng)然存在某些關(guān)聯(lián)，但不是一一對應(yīng)的關(guān)系非常硬的顆?？赡苁谴嗟牟⑶移淦屏芽赡芫哂杏幸娴淖饔?例如出現(xiàn)新的尖銳邊緣)，但也可能具有不利影響(切割能力降低，差的精加工等)。另一方面，不太硬的顆?？赡懿惶嗖⑶绎@示出更加能夠“再生其邊緣”。
切割能力是顆粒保持切割角以及被破碎后提供新切割角的性質(zhì)。它可以由材料剖切(arrachement)性能來表征，該性能例如通過比率G＝(剖切的材料量)/(磨料的磨損量)來定量。
對于固結(jié)磨料的應(yīng)用來說，某些使用條件(例如合金鋼扁坯的消除表面裂紋處理)可能需要磨粒在非常高壓力(在極端條件下高達55daN/cm2)結(jié)合可達到1000℃的周圍溫度下賦予固結(jié)產(chǎn)品以大約200-2000kg/小時的切割性能。
市場上可獲得的各類磨料產(chǎn)品包括·電熔白剛玉或棕剛玉，其具有易碎的缺點；·電熔鋯剛玉，其是有韌性的，但在熱切割能力方面有局限；·燒結(jié)鋁土礦，其具有低的切割能力，但使得能夠進行良好的精加工(顆粒的形狀因素)；·由溶膠-凝膠法獲得的氧化鋁，其對于許多應(yīng)用來說太昂貴；·以及燒結(jié)氧化鋁，其只有在非常高燒結(jié)溫度下獲得時才具有可接受的強度和切割能力。
為了滿足當(dāng)希望在高壓和高溫(約1000℃)下以約200-2000kg/小時的流量除去材料時所遇到的極端條件，通常使用基于鋯剛玉(通常包含25％的ZrO2)的砂輪，但是這種砂輪不適用于精加工，以致必須連續(xù)地采用幾種類型的磨料才能良好地進行消除表面裂紋的操作。

發(fā)明內(nèi)容
本申請人因此尋求獲得其性質(zhì)(強度和切割能力)好于市售產(chǎn)品(通過溶膠-凝膠法獲得的顆粒除外)的磨料。目的是接近于通過溶膠-凝膠法獲得的顆粒的性質(zhì)，該顆粒當(dāng)然具有良好的強度和良好的切割能力，但其制造成本對于許多應(yīng)用來說是非常昂貴的。
本發(fā)明的目的是提供一種主要包含燒結(jié)氧化鋁的磨粒，其特征在于，它包含大于96重量％的氧化鋁、0.1-3重量％的二氧化鈦和0.1-3重量％的氧化錳(以MnO表示)，二氧化鈦+氧化錳的總量小于4重量％。優(yōu)選地，二氧化鈦和/或氧化錳的重量含量等于或高于0.5％。同樣優(yōu)選地，二氧化鈦和/或氧化錳的重量含量等于或低于1.3重量％。
這是因為，本申請人已發(fā)現(xiàn)，通過加入小比例的二氧化鈦和氧化錳，氧化鋁可在明顯低的溫度下燒結(jié)而具有相當(dāng)?shù)难心バ再|(zhì)。除了不可忽略的能量節(jié)約之外，根據(jù)本發(fā)明的方法具有的優(yōu)點是使得能夠使用現(xiàn)有的爐，例如迄今用于燒結(jié)鋁土礦的那些爐子。另一方面，本發(fā)明也可使用低燒結(jié)溫度，這使得能夠采用低投資、易于控制且能夠進行大流量處理的連續(xù)處理爐。這種爐例如是覆蓋有耐火材料并連續(xù)運行的旋轉(zhuǎn)爐。而且，燒結(jié)的持續(xù)時間相對短，在穩(wěn)定狀態(tài)下約為20分鐘，這涉及到一個完整循環(huán)(升溫-在燒結(jié)溫度下的穩(wěn)定狀態(tài)-冷卻)，包括從冷至冷的30-120分鐘，通常是90分鐘。
一般來說，添加不可忽略量的燒結(jié)添加劑會導(dǎo)致在晶界附近析出的相，所述相是磨料產(chǎn)品脆弱的原因。這就是為什么在實際中所述添加被限制在約0.2％含量(參見以下實施例2中的高溫?zé)Y(jié)氧化鋁，其包含0.2％的氧化鎂)的原因。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，本申請人已經(jīng)令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，以每種氧化物大于0.1％的顯著量加入二氧化鈦和一種或多種氧化錳可保持產(chǎn)品的性能，而不論其使用溫度是多少。
根據(jù)本發(fā)明，氧化錳和二氧化鈦存在于燒結(jié)氧化鋁粉末中的重量含量應(yīng)當(dāng)是這些類氧化物中的每一種氧化物為至少0.1重量％且至多3重量％，并且總共不大于4重量％。氧化錳可以為MnO或MnO2的形式。其重量含量以MnO來表示。優(yōu)選地，為了提高低溫下燒結(jié)的效率，二氧化鈦的重量含量大于或等于0.5重量％，和/或一種或多種氧化錳的重量含量(以MnO表示)大于或等于0.5重量％。優(yōu)選地，為了限制所得磨料產(chǎn)品的強度降低的風(fēng)險，二氧化鈦的重量含量為小于或等于1.3重量％，和/或一種或多種氧化錳的重量含量(以MnO表示)小于或等于1.3重量％。出于同樣的原因，優(yōu)選盡力將二氧化鈦和一種或多種氧化錳(以MnO表示)的重量含量限制為小于或等于2.6重量％的值。
優(yōu)選地，氧化錳的重量含量幾乎等于二氧化鈦的重量含量，通常的比例為0.8-1.2。氧化鋁的粒子優(yōu)選為α氧化鋁粒子，有利地源自中位直徑為約2μm的煅燒氧化鋁。
優(yōu)選地，燒結(jié)之后獲得的顆粒由約10μm，通常為5-20μm均勻尺寸的氧化鋁/一種或多種氧化錳/二氧化鈦化合物的粒子組成。
本發(fā)明的另一目的是制造磨粒的方法，其特征在于以下的相繼步驟a)制備混合物，該混合物包含a1)煅燒氧化鋁顆粒的粉末，該顆粒的微晶具有1μm，優(yōu)選1.5μm，至2.5μm，通常2μm的平均直徑(由D50表示)；a2)二氧化鈦(TiO2)粉末，其以0.1％-3％的重量比例被添加到該混合物中，其粒子的D50接近于氧化鋁粉末的D50，例如1-3μm，通常2μm；a3)氧化錳(MnO和/或MnO2)粉末，其以0.1-3％的重量比例被添加到該混合物中，其粒子的D50接近于氧化鋁粉末的D50，例如1-3μm，通常2μm；該混合物被機械均勻化，通常通過攪拌來進行；b)如此獲得的粉末的加壓成形(agglomération)，以獲得粗糊料體；c)干燥該粗糊料體；d)在小于1600℃的溫度下焙燒。
焙燒溫度為約1500℃，通常為1450℃-1550℃。該完整循環(huán)(升溫-在燒結(jié)溫度下的穩(wěn)定狀態(tài)-冷卻)是從冷至冷的30-120分鐘，通常是90分鐘。優(yōu)選地，所用爐為連續(xù)運行的旋轉(zhuǎn)爐。
如此獲得的磨粒的特征在于其密度、強度和剖切性能。其微觀組織的控制要使得在焙燒之后獲得大約10μm的均勻氧化鋁/一種或多種氧化錳/二氧化鈦化合物的粒子尺寸。
有利地，粉末的加壓成形是通過直接擠壓進行壓實，導(dǎo)致產(chǎn)生纖維，該纖維隨后被破碎，以便能夠獲得具有給定截面和給定高度的棱柱形的粗糊料體。
具體實施例方式
A.1燒結(jié)溫度對來摻雜氧化錳和二氧化鈦的燒結(jié)氧化鋁性能的影響表1示出了三種不同粒度的煅燒氧化鋁在1600℃和1650℃下燒結(jié)后獲得的強度值?？梢园l(fā)現(xiàn)，具有最細粒度的氧化鋁具有最好的強度值，然而這些值仍是不足的，目標(biāo)是超過75。
表1

A.2市場上可獲得的各種產(chǎn)品與本發(fā)明產(chǎn)品之間的比較表2示出了針對市場上可獲得的各種產(chǎn)品測量的強度值，并且在最后一列中是針對本發(fā)明產(chǎn)品所測量的強度值。所提供的強度值對應(yīng)于產(chǎn)品品質(zhì)的平均值，已知單個值通常相對于這些平均值的波動為±5。
高溫?zé)Y(jié)氧化鋁具有與以上出現(xiàn)的產(chǎn)品C類似的粒度，并包括氧化鎂類型的燒結(jié)劑。它在超過1600℃的溫度下進行燒結(jié)。
根據(jù)本發(fā)明摻雜有二氧化鈦和氧化錳的燒結(jié)氧化鋁包含1.2重量％的TiO2和以MnO表示的1.2重量％的氧化錳。它在1500℃下燒結(jié)。它具有比其它燒結(jié)氧化鋁明顯更高的強度。它具有的強度低于“溶膠-凝膠法”氧化鋁的強度，但是它的成本為后者的1/6。它同樣具有比鋯剛玉要低的強度，但是更適合于精加工磨削。
表2

A.3等級為12的磨粒粉末的強度系數(shù)的測定實例通過在兩個篩網(wǎng)(1.7和2mm篩目)之間篩分來選擇1.7-2mm的顆粒，從而校準(zhǔn)基本樣品。
通過機械負荷(通常在裝填鋼球的轉(zhuǎn)鼓中旋轉(zhuǎn))將其粉碎。所用的篩網(wǎng)柱包括以下篩網(wǎng)，這些篩網(wǎng)由它們的篩目1；0.5；0.25和0.125mm來定義。
回收與以下尺寸分級中的每個分級有關(guān)的粉末級分1φ顆粒＞1mm21mm＞φ顆粒＞0.5mm30.5mm＞φ顆粒＞0.25mm40.25mm＞φ顆粒＞0.125mm50.125mm＞φ顆粒如果用Ti來表示在尺寸分級i中回收的粉末級分的相對重量[也就是說(級分i的質(zhì)量)/(測試前樣品的初始質(zhì)量)之比]，則強度由以下關(guān)系式表示強度＝4×T1+2×T2+T3+0.5×T4+0.25×T5為了使初始粉末對應(yīng)于指數(shù)100，將前面的值除以加權(quán)系數(shù)之和。通過使用這個關(guān)系式可以看到，穿過最后篩網(wǎng)(在這種情況下為φ顆粒＜0.125mm)的量越大，所獲得的值越??；相應(yīng)磨料被非常大程度地粉碎，產(chǎn)生大量碎屑，因此具有較低的強度值。
權(quán)利要求
1.一種主要包含燒結(jié)氧化鋁的磨粒，其特征在于，它包含大于96重量％的氧化鋁、0.1-3重量％的二氧化鈦和0.1-3重量％的一種或多種氧化錳(以MnO表示)，二氧化鈦+氧化錳的總量小于4重量％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的磨粒，其特征在于，二氧化鈦的重量含量大于或等于0.5％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的磨粒，其特征在于，該一種或多種氧化錳(以MnO表示)的重量含量大于或等于0.5％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項的磨粒，其特征在于，二氧化鈦的重量含量小于或等于1.3％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項的磨粒，其特征在于，該一種或多種氧化錳(以MnO表示)的重量含量小于或等于1.3％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項的磨粒，其中氧化錳的重量含量與二氧化鈦的重量含量之比為0.8-1.2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項的磨粒，其中在氧化鋁/一種或多種氧化錳/二氧化鈦化合物的燒結(jié)之后的粒子具有約10μm，通常為5-20μm的均勻尺寸。
8.一種制造磨粒的方法，其特征在于以下的相繼步驟a)制備混合物，該混合物包含a1)煅燒氧化鋁顆粒的粉末，該顆粒的微晶具有1μm，優(yōu)選1.5μm，至2.5μm，通常2μm的平均直徑(由D50表示)；a2)二氧化鈦(TiO2)粉末，其以0.1％-3％的重量比例被添加到該混合物中，其粒子的D50接近于氧化鋁粉末的D50，例如1-3μm，通常2μm；a3)氧化錳(MnO和/或MnO2)粉末，其以0.1-3％的重量比例被添加到該混合物中，其粒子的D50接近于氧化鋁粉末的D50，例如1-3μm，通常2μm；該氧化鋁+二氧化鈦+一種或多種氧化錳的混合物被機械均勻化，通常通過攪拌來進行；b)如此獲得的粉末的加壓成形，以獲得粗糊料體；c)干燥該粗糊料體；d)在小于1600℃的溫度下焙燒。9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中焙燒溫度為約1500℃，通常為1450℃-1550℃。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的方法，其中完整循環(huán)(升溫-在燒結(jié)溫度下的穩(wěn)定狀態(tài)-冷卻)是從冷至冷的30-120分鐘，通常是90分鐘。
11.根據(jù)權(quán)利要求8-10中任一項的方法，其中所用爐為連續(xù)運行的旋轉(zhuǎn)爐。
12.根據(jù)權(quán)利要求8-11中任一項的方法，其中步驟b)的加壓成形是通過直接擠壓進行壓實，導(dǎo)致產(chǎn)生纖維，該纖維隨后被破碎，以便能夠獲得具有給定截面和給定高度的棱柱形的粗糊料體。
13.固結(jié)磨料產(chǎn)品，如通常用于鋼扁坯的消除表面裂紋處理的砂輪，其特征在于，它包括根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項的磨粒。
14.涂覆磨料產(chǎn)品，如研磨紙或研磨織物，其特征在于，它包括根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項的磨粒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種主要包含燒結(jié)氧化鋁的磨粒，其特征在于，它包含大于96重量％的氧化鋁、0.1－3重量％的二氧化鈦和0.1－3重量％的氧化錳，二氧化鈦+氧化錳的總量小于4重量％。優(yōu)選地，二氧化鈦和/或氧化錳的重量含量大于或等于0.5％。同樣優(yōu)選地，二氧化鈦和/或氧化錳的重量含量小于或等于1.3％。
文檔編號C09K3/14GK1989083SQ200580024427
公開日2007年6月27日 申請日期2005年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月23日
發(fā)明者A－L·皮奎特, J－M·馬德克 申請人:愛爾康陶瓷耐火磨料公司