[发明专利]具有极低堆积密度的陶瓷磨料及其制造方法和用途

说明书

发明背景

本发明涉及具有极低堆积密度的陶瓷磨料的制造以及从各种已知磨料材料如熔融氧化铝、共熔的氧化铝-氧化锆或烧结的溶胶凝胶氧化铝制备具有极低堆积密度的陶瓷磨料的方法，所述各种已知磨料材料可以包含或不包含各种辅助氧化物。

通常的研磨粒子可以由双头锥体来表示，借以将所述锥体的一端粘结至磨料产品基底并将另一端与钢工件接触。当从锥体的尖端向后对所述锥体进行磨损时，在两个方向增加了磨损平面，因此，磨损平面面积增长率作为向后磨损(wear back)的平方函数的增加而增加。

为了用于研磨应用，以块状形式来制造上述磨料材料并将其粉碎成期望的磨料大小以用于涂覆型或粘结型的磨料产品。可以通过在电弧炉中对铝土矿进行精炼或者在电弧炉中对拜耳型氧化铝进行熔融并将其倾入到大型的冷却用模具中来制备氧化铝磨料。然后将粗品粉碎成期望的磨料大小。对共熔的氧化铝-氧化锆磨料也进行电弧炉处理，但是将其倾入到引起非常快速冷却的模具中。这种模具可以是其间具有小间距(约1/4″)的钢板或者是包含钢球从而使熔体流入孔隙空间的模具。然后将这种粗品粉碎成期望的磨料大小。在水基系统中制造溶胶凝胶氧化铝，将其挤出、干燥、粉碎成期望的磨料大小、煅烧并烧制成磨料粒子。

在所有上述中，块状材料的粉碎产生了具有三维形状的粒子，借以使在磨粒(grain)的三个轴上的粒子尺寸相等或几乎相等。期望用于重型粘结型应用的磨料具有相等的轴，所述相等的轴表示“块状(blocky)”材料并且象征是具有高堆积密度的材料。期望用于纸和布应用的磨料具有不相等的轴，所述不相等的轴表示“尖锐”的材料并且象征是具有较低堆积密度的材料。下表说明了各种粘结型或涂覆型磨料粒子的典型堆积密度。

表I

共熔的氧化铝-氧化锆粒子与熔融的氧化铝和烧结的溶胶凝胶粒子具有类似的形状。与熔融氧化铝和溶胶凝胶氧化铝的真比重3.94-3.92相比，氧化铝-氧化锆的更高的真比重(4.55)导致更高的堆积密度。

一般来说，当如由较低的堆积密度所表示的磨料粒子较尖锐时，在粗材料的初始粉碎期间，将用于涂覆型应用的涂料取出。通常通过研磨或撞击来对用于一些粘结型应用的磨料进行进一步加工，从而使粒子更加块状化，如较高堆积密度所表示的。另外，一些粘结型应用确实需要较低的堆积密度或较尖锐的磨料。

特别感兴趣的是涂覆型磨料材料的堆积密度以及它们仅略低于粘结型磨料材料的堆积密度。涂覆型磨料堆积密度是从将块状材料粉碎成磨料而固有的。与上表I中所示的堆积密度相比，用于涂覆型磨料应用的更低堆积密度的材料是希望的，但是利用从块状粗材料至磨料的典型粉碎不能获得所述材料。较低堆积密度的磨料可能与在涂覆型应用中提供寿命更长的磨料产品即直至切削率不能接受的更高的总金属切削(切除)有关。

当研磨操作员认为磨盘或磨带已经变钝时，将其丢弃，所述变钝是指金属切削率已经降低至初始金属切削率的约10-20％。金属切削率是磨料粒子渗透进入钢工件的函数。粒子渗透进入钢进一步取决于磨料施加到钢工件上的压力。磨料在钢工件上的压力由研磨粒子在钢上的力除以粒子的磨损平面面积来定义。随着磨料粒子的磨损平面面积增大，施加到钢工件上的磨料压力降低，磨料渗透降低且所导致的金属切削率降低。当丢弃磨盘或磨带时，磨损平面面积非常小，每平方英寸的磨料材料，磨损平面面积为0.002平方英寸至0.004平方英寸，取决于被研磨的钢的类型和形状以及施加到磨料产品上的力。

磨料粒子的磨损平面面积取决于在研磨期间粒子的磨损(向后磨损)。随着向后磨损的增加，磨损平面面积增加。为了提高涂覆型磨料产品的有效切削寿命，必须降低磨料磨损平面增长率。这可能通过耐磨性更高的磨粒来完成，所述磨粒导致较慢的向后磨损增长率和由此引起的更慢的磨损平面增长率。第二，可以改变磨料粒子形状，从而导致随着粒子向后磨损，磨损平面增长率更慢。第三，可以改变磨料粒子的形状和一致性，从而使得具有末端磨损平面面积的磨料粒子可以使磨损平面脱落并露出新的研磨表面，或者使得粒子可以在研磨界面下方断开从而也除去末端磨损平面。这种脱落或断开现象可以被称作自修整(self dressing)。将末端磨损平面面积定义为防止磨料粒子在特殊的施加力下明显地渗透钢表面的面积。