CN1662626A - 改进的涂覆磨料 - Google Patents

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Abstract

包含研磨团聚颗粒的新型涂覆磨料，其特征在于高孔隙率和低固体体积：标称体积比提供了在中等至低压条件下格外有用的研磨特性。

Description

改进的涂覆磨料
发明领域
本发明涉及涂覆磨料，特别涉及研磨产品，在中等至低压研磨条件下，这些产品可以改进的方式使用。
生产涂覆磨料时，需要在背衬材料上施加初始接合涂层，并在涂层上沉积磨粒，然后使粘合剂至少部分固化。其中背衬材料可以经过处理，以改善吸收性质，而初始接合涂层含有可固化粘结剂树脂。然后在磨粒上沉积含有可固化粘结剂的胶结涂层，以确保颗粒粘牢在背衬上。
在用涂覆磨料研磨工件时，在表面平面上的磨粒的尖端与工件接触，开始研磨操作。这样与工件接触的颗粒受到极大的应力，如果胶结涂层不能充分把握颗粒，则颗粒在完成研磨之前就有可能被从表面上拔出来。所以颗粒与胶结涂层之间的结合力应当将颗粒牢牢的粘住。随着研磨的继续，颗粒被抛光，在这种情况下将产生大量的摩擦热，而对工件的磨除却很少。此外，随着应力进一步积聚，颗粒最终要么被完全拔出，要么破裂，以至大部损失。但颗粒破裂后会产生新的尖锐边缘，使研磨得以恢复。理想的情况是，破裂的颗粒应尽可能小，这样每个颗粒将维持较长的时间。使用溶胶-凝胶氧化铝磨粒可以实现这一点，因为每个溶胶-凝胶氧化铝磨粒包含微米级或更小的微晶，这些微晶在研磨条件下将折断，露出新的切削边缘。但这种情况只在中等至较高的研磨压力下才能发生，而在压力较低的研磨条件下，只有少量自锐化情况发生。因此，需要一种高效磨粒，它能在中等至低压研磨条件下非常有效地工作。
经过研究，一种可能的方法是采用团聚磨粒，其中由许多精细磨粒构成的磨粒借助粘结材料聚集在一起，这些粘结材料可以是有机材料或天然玻璃质材料。由于这种粘结材料通常比磨粒更脆，在抛光或引起磨粒整体破裂的研磨条件下，粘结材料也发生破裂。
对于团聚磨粒，可以使用较小的颗粒(粗砂)(粒度)可以获得与较大的磨料粒度一样的研磨效率。据报道，团聚磨粒也能提高研磨效率。
Jackson的美国专利A-2194472介绍了由团聚物和涂层或粘结型磨具中常用的粘结剂制备的涂层磨具，其中团聚物由许多较细的磨粒组成。用有机粘结剂将团聚物粘着到涂覆磨料的背衬上。团聚物赋予使用较细的颗粒制成的涂覆磨料具有开放涂层面。用团聚物而不是单个磨粒制成的磨料的特征是，切削较快，使用寿命长，适合为工件制备抛光质量较高的精细表面。
Benner的美国专利A-2216728介绍了用任意类型的粘结剂制备的磨料颗粒/粘结团聚物。团聚物的目标是获得非常致密的轮结构，以便在研磨操作中保持住金刚砂或CBN颗粒。如果制备的团聚物有多孔结构，则它可满足这样的目的，即让团聚物之间的粘结材料流进团聚物的孔中，在焙烧过程中使之充分致密。团聚物使得精细磨粒可以得到利用，而不致在生产过程中损失。
Hurst的美国专利A-3048482介绍了团聚磨粒和有机粘结材料的成形研磨微片段，其形状有棱锥形或其他锥形。成形研磨微片段粘着到纤维背衬上，用于制造涂覆磨料，给薄磨轮表面作衬垫。该发明的特点是，与不含团聚磨粒微片段的工具相比，它制备的工具具有更长的切削寿命，可控制弹性，强度高，速度安全，回弹力好，切削效率高。
Elbel的美国专利A-3982359介绍了树脂粘结剂和磨粒团聚物的形成，其中磨粒团聚物的硬度高于在磨具中用来粘结团聚物的树脂粘结剂的硬度。含团聚物的橡胶粘结轮具有较快的研磨速率和更长的使用寿命。
Heyer的美国专利A-4355489介绍了由波浪形细丝基体(matrix)和研磨团聚物制成的研磨制品(轮、盘、带、片、块等)，空隙率约为70-97％，其中波浪形细丝在手动接触点上粘结在一起。团聚物可由玻璃粘结剂或树脂粘结剂和任何磨粒制成。
Bitzer的美国专利A-4364746介绍了包含强度不同的研磨团聚物的磨具。所述团聚物由磨粒和树脂粘结剂制成，可包含其他材料，如短切纤维，目的是增加强度或硬度。
Eisenberg等的美国专利A-4393021介绍了由磨粒和树脂粘结剂制备研磨团聚物的方法，该方法用筛网将颗粒和粘结剂组成的糊状物滚出，形成蚯蚓状挤出物。加热使挤出物硬化，然后破碎成团聚物。
Bloecher的美国专利A-4799939介绍了磨粒、空心体和有机粘结剂组成的可腐蚀团聚物，以及这些团聚物在涂覆磨料和粘结磨料中的用途。据称，包含这样的团聚物的研磨制品具有较高的切削量、更长的使用寿命，并可用于湿磨条件下。团聚物的最大尺寸宜为150-3000微米。为制备团聚物，将空心体、颗粒、粘结剂和水混合成浆料，通过加热或辐照除去水，使浆料固化，然后在颚式或辊式破碎机中破碎该固体混合物，并过筛。
Wetscher的美国专利A-5129189介绍了含有树脂粘结基体的磨具，所述树脂粘结基体包含磨粒和树脂的聚结物以及填料如冰晶石。
Benguerel的美国专利A-5651 729介绍了含有芯子和研磨边的磨轮，它由树脂粘结剂和破碎团聚物制备，其中团聚物由金刚石或CBN磨粒借助金属或陶瓷粘结剂形成。据介绍，用这种团聚物制备的磨轮的好处包括高切削间隙、高耐磨性、自锐特性、高力阻，并可直接将研磨边粘结到磨轮的芯子上。在一种实施方式中，可将用过的金刚石或CBN的粘结的研磨边破碎成0.2-3mm大小，形成团聚物。
Kressner的美国专利A-4311498介绍了由精细(≤200微米)磨粒和冰晶石组成的团聚物，它们任选用硅酸盐粘结剂粘结，还介绍了它们在制备涂层磨具中的应用。
Rostoker的美国专利A-451842介绍了用磨粒的团聚物和泡沫材料制备的涂覆磨料和磨轮，其中泡沫材料由玻璃粘结材料和其他原料，如碳黑或碳酸盐组成的混合物制备，适合在焙烧团聚物的过程中发泡。团聚“小球”中粘结剂的体积百分含量高于颗粒的体积百分含量。用于制备磨轮的小球在900℃烧结(至密度为70磅/立方英尺；1.134g/cc)，用于制备磨轮的玻璃粘结剂在880℃焙烧。用16vol％小球制备的磨轮的研磨效率类似于用46vol％磨粒制备的比较轮。小球在玻璃粘结基体中包含开放孔，开放孔周边簇集的磨粒相对较小。该专利提到，用旋转窑焙烧泡沫团聚物坯料。
美国专利5975988介绍了包含磨粒的传统研磨团聚物，其中磨粒分散在粘结基体中，但以成形颗粒按精确顺序沉积并粘结在背衬上的形式。
美国专利6319108介绍了一种刚性背衬，它通过金属涂层粘着了许多研磨复合物，包含许多分散在多孔陶瓷基体中的磨粒。
原来开发的这些技术都没有提到用本发明所称的多孔团聚磨粒和粘结剂生产的涂覆磨料。它们也没有提到用磨粒制备的产品，其中磨粒用相对少量的粘结剂粘结在一起，这样颗粒粘结剂相就是不连续的。本发明的方法和工具通过使用这种团聚磨粒得到了新的结构和优点，但它们在控制设计和生产广泛的研磨制品结构时比较复杂，这些结构的优点是具有有利的连通孔。这些连通孔提高了磨具在大接触面积、精确研磨操作和一般中等至低压条件下的研磨应用中的研磨性能。
发明概述
本发明提供了涂敷磨具，它包含背衬材料和通过粘结材料粘着在背衬材料上的研磨团聚颗粒，其特点是，制备涂覆磨料的颗粒包含许多磨粒，它们粘着在一起形成三维结构，该结构中的每个磨粒通过团聚物中的微粒粘结材料至少与一个相邻的微粒连接，粘结材料以不连续相存在于团聚颗粒中，并且几乎完全以粘结柱的形式连接相邻微粒，这样，团聚物的疏松堆积体积比研磨微粒一个个单独存在时至少低2％。
在本申请中，术语“颗粒”仍保留，指由许多研磨“微粒”组成的团聚物。因此，颗粒具有上述多孔特性，而微粒的孔隙率几乎为0。此外，将微粒粘结在一起的粘结剂定义为“微粒粘结剂”，可与将颗粒粘结到背衬材料上的粘结剂相同，或者更一般的情况是不同。
团聚颗粒中的微粒粘结剂几乎完全以粘结柱的形式存在，这意味着至少70％，宜超过80％的粘结剂用于形成连接相邻微粒的粘结柱。当微粒粘结剂处于流体状态时，粘结柱就在形成团聚物的条件下形成，它首先涂覆微粒，然后流到相邻微粒的接触点上或最靠近的地方，再跟与这些相邻微粒相连的粘结剂合并。如果温度降低，粘结剂固化，则粘结剂在微粒之间形成固体接触，称作“粘结柱”。自然地，每个粘结柱也连接到与之相连的微粒表面上，但根据这里的叙述方式，可认为连接二者的粘结剂是粘结柱的一部分。这不排除少量粘结剂以涂层形式至少存在于没有与粘结柱相连的部分微粒表面上。但最好不要发生这种情况，即微粒像传统聚集磨粒中那样包埋在粘结剂基体中。从图5-7中可以看出，构成团聚颗粒的单个研磨微粒是可单独区分的，实际上几乎全是本发明的典型团聚颗粒中可以看到的那种颗粒。因此，可以说微粒是“团聚在一起的”，表明它们连接在一起，而不是包埋在基体中，使得基体填充了微粒间的大部分空间。自然地，当大量微粒团聚在一起时，团聚物中的某些单个微粒就难以看见，但假使能够截取剖面，则仍将能够看清单个微粒。
显然，当团聚的微粒增多，此团聚物中势必产生相当大的孔隙体积，可占到团聚颗粒总表观体积的70％。但是，当团聚微粒比较少，如为个位数的时候，“孔隙率”的概念在描述团聚物上就没有太大作用。显示这种结构的相关团聚物的例子示于图5-7。
因此，可以采用术语“疏松堆积体积”(LPV)。LPV值可以这样得到，即用固体体积(即磨粒或微粒中固体的实际总体积，包括粘结组分)除以团聚颗粒的表观体积。可能的最高数值是不发生任何团聚时这些微粒本身的体积。团聚的微粒越多，偏离最大值越多。因此，尽管这种差异可以低至2％，但当大量微粒以本发明所述方式团聚在一起时，这种差异可达到40％甚至更高。
LPV的计算可以下列数据为例说明，这些数据代表实际团聚物的情况，它以60号晶种溶胶-凝胶氧化铝微粒为研磨微粒，用适于这种微粒的常用玻璃粘结剂，利用下面实施例2所述方法制造。
产品以根据团聚物粒粒度标识，示于每栏的栏头。每种情况都根据团聚磨粒的固定体积进行测定，这里称作“表观体积”。
 60号微粒     -40+45   -30+35     -25+30   -20+25
    重量   25.1     23.1   19.73     18.3   16
  密度(固体)*   3.9     3.759   3.759     3.759   3.759
 微粒+粘结剂的体积   6.436     6.145   5.249     4.868   4.256
  表观体积   12.797     12.797   12.797     12.797   12.797
    LPV   0.503     0.480   0.410     0.380   0.333
*根据混合物规则估算的密度。
从上表可以看出，团聚颗粒越大，其LPV与未团聚微粒相比就越小。与60号微粒的LPV相比，最小颗粒的LPV下降了4.6％，而最大(-20+25)颗粒的LPV则下降了近乎34％。
团聚颗粒的直径(定义为使颗粒留在筛上的最粗的(系列标准筛的)筛孔尺寸)通常至少为其中所包含的单个研磨微粒直径的两倍。团聚磨粒的形状并不重要，它们可以是任意块状，更宜为有些拉长的形状。它们也可以具有强制形状，这在某些应用中常常是有利的。
本发明团聚物中存在的研磨微粒包括已知用于磨具的一种或多种磨料，如各种氧化铝，包括热解氧化铝、烧结和溶胶凝胶烧结氧化铝、烧结矾土等，碳化硅，氧化铝-氧化锆，石榴石，燧石，金刚石(包括天然和合成金刚石)，立方氮化硼(CBN)，以及它们的组合。任何尺寸或形状的磨粒都可以采用。例如，所述颗粒可包括长形烧结溶胶-凝胶氧化铝微粒，其长径比为美国专利5129919所述类型，或者美国专利5009676所述细丝状研磨微粒。
研磨微粒可包含各种不同质量的磨料的混合物，因为在一流微粒中掺入少量较差的微粒时，其性能只受到很小的影响。研磨微粒中也可以混入少量非研磨材料，如研磨助剂、成孔剂和传统填料。
此处适用的微粒尺寸从普通的磨料粒度(例如60-7000微米)到微磨料粒度(例如2-60微米)，以及这些尺寸的组合。对于任意指定的研磨操作，一般宜采用粒度小于这种研磨操作通常选用的常规磨粒(未团聚)粒度的团聚颗粒。例如，当采用团聚颗粒时，可用80号团聚颗粒代替54号常规磨料，用100号团聚颗粒代替60号常规磨料，用120号团聚颗粒代替80号常规磨料，等等。
团聚物中的磨粒通过金属、有机或玻璃粘结材料粘结在一起，这些粘结剂通称为“微粒粘结剂”。
适合制备团聚物的微粒粘结剂包括玻璃材料(这里的定义既包括传统玻璃材料，也包括玻璃-陶瓷材料)，宜为在玻璃粘结磨具中用作粘结体系的那种材料。它们可以是研成粉末(玻璃粉)的预焙烧的玻璃，或各种原料的混合物，如粘土、长石、石灰、硼砂和苏打，或者烧结材料和原料的组合。这种材料在约500-1400℃范围内熔融形成液体玻璃相，润湿研磨微粒表面，流到相邻微粒靠得最近的地方，冷却后形成粘结柱，从而在复合结构中保持住研磨微粒。微粒粘结剂以粉末形式使用，并可加入到液体介质，以确保在生产团聚颗粒过程中，涂料与研磨微粒形成均匀混合物。
在烧结或未烧结的无机粉末涂料组分中宜加入临时有机粘结剂，作为成型或加工助剂。这些粘结剂可包括糊精、淀粉、动物蛋白胶或其他类型的胶质；液体组分如水或乙二醇、粘度或pH改性剂；以及混合助剂。使用这种临时有机粘结剂可提高团聚物的均一性和预烧或生团聚物的结构质量。由于有机粘结剂在团聚颗粒焙烧期间烧掉了，所以它们不会成为最终颗粒的组成部分。
可在混合物中加入无机促粘剂，如磷酸，以提高微粒粘结剂对研磨微粒所需的粘着力。当微粒粘结剂包含烧结玻璃时，在氧化铝颗粒中加入磷酸极大地提高了混合质量。在制备团聚颗粒的过程中加入无机促粘剂时，可以加入无机微粒粘结剂，也可以不加入。
优选的微粒粘结剂是无机材料，如玻璃粘结材料。这相对于有机微粒粘结剂来说，具有显著的优点，因为它可以使团聚颗粒通过UP技术沉积在基底上，形成涂覆磨料。当用金属粘结剂将微粒粘结在一起时，UP沉积技术也非常适用。由于这种方法比重力沉积技术多少更加有效，更容易控制，所以与用有机树脂粘结剂基体制备的传统团聚颗粒相比，这代表了明显的进步。
微粒粘结剂也可以是有机粘结剂，如热固性树脂，例如酚醛树脂、环氧树脂、脲/甲醛树脂，或可辐照固化的树脂，如丙烯酸酯类树脂、氨基甲酸酯/丙烯酸酯树脂、环氧化物-丙烯酸酯树脂、聚酯-丙烯酸酯树脂等。一般地，宜用热固性树脂作为有机粘结剂。
以微粒与粘结剂的总体积计，微粒粘结剂的含量约为2-25vol％，更宜为3-15vol％，最好为3-10vol％。
也可预见，如果以受控方式将磨粒烧结在一起，则微粒粘结剂组分可一起消除，这样，通过接触微粒之间材料的输送，粘结柱将自动产生。或者，如果磨粒是氧化铝，则微粒粘结剂可与少量α氧化铝前体如勃姆石的溶胶混合。在焙烧时，氧化铝前体将转化为α相，并连接相邻微粒，起到与粘结柱同样的作用。
本发明涉及含有团聚磨粒的涂覆磨料，其中，所述颗粒通过包括如下步骤的方法制备：
a)以受控进料速度，在旋转煅烧窑中装入研磨微粒和微粒粘结材料，所述微粒粘结材料选自玻璃化粘结材料、玻璃化材料、陶瓷材料、无机粘结剂、有机粘结剂、水、溶剂及其组合；
b)以受控速度旋转窑；
c)将混合物加热到约145-1300℃，加热速率由进料速度和转窑速度决定；
d)振摇窑中的微粒和微粒粘结剂，直到粘结剂粘着到微粒上，并且许多微粒粘着在一起，产生烧结的团聚颗粒；
e)从窑中收集烧结的团聚物，
从而使烧结团聚颗粒具有初步的三维形状，疏松堆积体积至少比组分微粒的相应疏松堆积体积低2％，并且包含许多研磨微粒。
本发明还涉及含有烧结研磨团聚颗粒的涂覆磨料，其中所述颗粒通过包括如下步骤的方法制备：
a)以受控进料速度在旋转煅烧窑中装入研磨微粒和微粒粘结材料；
b)以受控速度旋转窑；
c)将混合物加热到约145-1300℃，加热速率由进料速度和转窑速度决定；
d)振摇窑中的微粒和微粒粘结剂，直到粘结剂粘着到微粒上，并且许多微粒粘着在一起，产生烧结团聚颗粒；
e)从窑中收集烧结的团聚物，
从而使烧结团聚颗粒具有初步的三维形状，包含许多微粒，其疏松堆积体积至少比组分微粒的相应疏松堆积体积低2％。
附图简述
图1是可用于制备本发明团聚物的旋转窑装置；
图2所示为根据实施例1制备的四个磨盘的金属切削量图；
图3所示为根据实施例2制备的四个磨盘的金属切削量图；
图4所示为根据实施例3制备的四个磨盘的金属切削量图；
图5-7所示为用于制备本发明涂覆磨料的团聚物的放大照片。
发明详述
这个部分研究了研磨团聚颗粒和由这种颗粒制备的涂覆磨料的性质和制备方法，并借助几个实施例进行了阐释，结果表明，用磨料团聚颗粒作涂覆磨料的组分可极大地提高涂覆磨料的性质。
研磨团聚物的制备
可采用各种技术形成各种尺寸和形状的团聚颗粒。这些技术可在焙烧颗粒和微粒粘结剂初始混合物(“坯料”)之前或之后使用。加热混合物，使微粒粘结剂熔化、流动，从而粘着到颗粒上，使颗粒聚成团聚物形式，这一步骤就称作焙烧、煅烧或烧结。本领域中使微粒混合物发生团聚的任何已知方法都可用于制备研磨团聚颗粒。
在本发明团聚颗粒制备方法的第一种实施方式中，微粒和微粒粘结剂的初始混合物在焙烧之前发生团聚，从而产生较弱的机械结构，称作“生团聚物”或“预烧团聚物”。
在第一种实施方式中，可用各种技术，例如在盘型造粒机中使研磨微粒和无机微粒粘结剂以生料态团聚在一起，然后送入旋转窑装置进行烧结。生团聚物也可以放在托盘或架子上，以连续或批量形式在炉子中焙烧，无需振摇。
在另一个方法中，将研磨微粒送入流化床，然后用含有微粒粘结剂的液体润湿，使粘结剂粘着到微粒表面上，筛分团聚物尺寸，然后在炉子或煅烧装置中焙烧。
盘型造粒通常这样进行，将微粒加入搅拌钵中，将含有微粒粘结剂的液体组分(例如水或有机粘结剂和水)定量加到颗粒上，混合，使颗粒团聚在一起。或者，将微粒粘结剂的分散液，在任选加入有机粘结剂的情况下，喷洒到微粒上，然后混合涂敷微粒，形成团聚物。
可用低压挤出装置，将微粒和微粒粘结剂的浆料挤成所需尺寸和形状，然后干燥形成团聚颗粒。浆料可由微粒粘结剂和微粒及任选的临时有机粘结剂制成，用美国专利4393021所述装置和方法挤成长形微粒。
在干造粒过程中，由研磨微粒埋入微粒粘结剂的分散体或浆状物中形成的片或块可先行干燥，然后用辊压机破碎，形成团聚颗粒的前体。
在制备生团聚颗粒或前体团聚颗粒的另一种方法中，将微粒粘结剂和微粒的混合物加入到成形装置，将混合物成形为所需形状和大小，例如采用美国专利6217413所述方法。
在适合制备团聚颗粒的另一种实施方式中，将研磨微粒、微粒粘结剂和临时有机粘结剂体系组成的混合物送入炉子，无需预团聚或加热。将此混合物加热到足够高的温度，使微粒粘结剂熔化、流动并粘着到微粒上，然后冷却混合物，制成组合物。破碎此组合物，过筛，形成烧结团聚颗粒。
也可以先将微粒和粘结剂放入一定形状的空穴中，然后烧结团聚物，这样所得团聚物就有特定的形状，如四棱锥。所形成的形状不必太准确和地道，因为微粒粘结剂的量较少，成形体的边往往比较粗糙。但是，这种团聚颗粒在制备涂覆磨料的过程中极其有用，这种涂覆磨料在非常剧烈的研磨操作中能够产生非常均匀的表面。
研磨团聚物的优选制法
在制备团聚物的一个优选方法中，将由微粒和无机微粒粘结剂(任选含临时有机粘结剂)组成的简单混合物送入图1所示类型的旋转煅烧窑中。在加热下，以预定rpm沿预定倾斜度振摇混合物。随着微粒粘结剂受热、熔化、流动并粘着到微粒上，形成团聚颗粒。控制速度、进料体积和加热程度，同时进行焙烧和团聚步骤。设定进料速度，一般使流体约占旋转煅烧装置中管子容积的8-12％。选定装置内的最大温度，要使液态微粒粘结剂的粘度保持在至少约1000泊。这可避免过量的微粒粘结剂流到管子表面上，减少研磨微粒表面上的损失。
图1所示类型的旋转煅烧装置可用来在单一步骤中实施团聚，并焙烧团聚物。如图1所示，含有微粒粘结剂和研磨微粒组成的原料混合物(11)的进料斗(10)将原料送入装置(12)，以便使混合物定量进入空心加热管(13)。管子(13)设置成约为0.5-5.0度的倾角(14)，使原料(11)可借助重力进入空心管(13)。同时，空心管(13)沿箭头(a)的方向以控制的速度旋转()，在原料(11)和受热混合物(18)沿空心管长达通过过程中得到振摇。
加热空心管(13)的一部分。在一种实施方式中，加受热部分可包含3个加热区(15、16、17)，加热区长度(d1)为60英寸(152mm)，空心管(13)的长度(d2)为120英寸(305mm)。操作人员可利用加热区控制加工温度，并根据需要调整温度，从而烧结团聚颗粒。在其他型号的装置中，空心管可以只包含1个或2个加热区，也可以包含3个以上的加热区。虽然在图1中没有示出，该装置显然配有加热设备和机械、电子、温控及传感设备，用于完成加热过程。从空心管(13)的横截面图可以看出，原料(11)在管子中转化成了热混合物(18)，它从管子中出来后收集为团聚颗粒(19)。空心管壁内径(d3)为5.5-30英寸(14-76mm)，直径(d4)为6-36英寸(15-91mm)，取决于用来制备空心管的材料型号和种类(例如难熔金属合金、不锈钢、耐火砖、碳化硅、多铝红柱石)。制备管子所选材料在很大程度上取决于所要达到的温度。温度要达到1000℃时，通常适合采用不锈钢管，但超过此温度后，往往优选采用碳化硅管。
管子的倾角为0.5-5.0度，管子的旋转速度为0.5-10rpm。小型旋转窑的进料速度约为5-10kg/h，工业规模的进料速度约为227-910kg/h。旋转窑可加热到800-1400℃的烧结温度，在原料进入加热区时，可以200℃/min的速度加热进料。冷却发生在管子的后端，这时物料从加热区进入非加热区。用水冷却系统等将产物冷却到室温，收集产物。
合适的旋转窑机器可购自Harper International，Buffalo，New York，或购自Alstom Power，Inc.，Applied Test Systems，Inc.，以及其他设备生产商。这些装置任选装配电子、过程控制和检测设备、冷却系统、各种结构的进料装置和其他任选设备。
涂覆磨料的制备
本发明涂覆磨料的形式可以是研磨带、研磨片、单个磨盘或具有任何结构或形式的复合磨料。因此，粘着有研磨团聚颗粒的基底可以是膜、纸、织物、纤维(无纺织物形式或高级纤维结构)，甚至可以是泡沫材料。这里所用术语“涂覆磨料”既包括传统的研磨产品，如平面基底由传统材料制备的研磨带或磨盘，也包括其他产品，其中本发明的研磨团聚物粘着到高级纤维结构上，这种磨料常常称为“复合磨料”，还包括这样一些产品，其中本发明的研磨团聚物分散并粘着在开孔泡沫结构的表面层中。
本发明的涂覆磨料可用原有的任何传统技术形成。这些技术包括在基底上施涂初始接合涂层()，然后沉积胶结涂层，还包括在基底上沉积研磨团聚颗粒，这些颗粒分散在合适的可固化粘结剂中。可固化粘结剂可在施涂的同时进行固化，也可以用已知技术处理表面，以获得所需的表面结构。
类似地，用本领域已知的方法可以获得这样的涂覆磨料，其中研磨团聚颗粒沉积在高级纤维结构上，或者至少沉积在聚合物泡沫材料的表面层上。
涂覆磨料可以这样形成，即将研磨团聚颗粒沉积在已经用传统方法施涂了初始接合涂层的基底上。在这种情况下，沉积可借助重力进行，或者利用UP方法。当用玻璃微粒粘结剂形成团聚物时，就可以用UP沉积技术，这种技术一般适用于涂覆磨料。此技术不太适合沉积用有机树脂作微粒粘结剂制备的团聚物，因为这种颗粒在静电场影响下突起情况不太好。
研磨团聚颗粒可以单独沉积，也可以与其他传统磨粒一起沉积。就施涂程度而言，可以形成封闭涂层(施涂颗粒的基底表面积达到100％)，也可以形成开放涂层，根据“开放程度”，颗粒之间隔开一定距离。有时候需要在已经预沉积了另一种磨料的层上施涂研磨团聚颗粒，以对研磨团聚颗粒提供更好的支撑。
当用初始接合涂层和胶结涂层来固定团聚颗粒的传统方法形成涂覆磨料时，施涂的胶结涂层往往不能显著减小研磨团聚颗粒的孔隙率。胶结涂层通常是较容易固化的流体树脂配剂，当在一定的压力下施涂这种胶结涂层时，例如使用辊涂技术时，将把可固化配剂压入颗粒的孔中，从而削弱了研磨团聚颗粒的一个重要性质。因此，胶结涂层宜用非接触技术施涂，例如喷涂法。此外，或者，宜通过添加填料如氧化硅等方法对胶结涂层树脂性质进行改进，以提高粘度，减小树脂渗入颗粒结构的倾向。其粘度宜调节到至少为1000厘泊，更宜至少为1500厘泊或更高。当用粘结剂作为承载团聚颗粒的基体，同时将它粘着到背衬上的时候，宜进行类似的粘度调节。
用初始接合涂料制备涂覆磨料时，颗粒没有浸没在初始接合涂料中，初始接合涂料在任何情况下都会部分固化，因而它在接触研磨团聚物时流动性不是很好。但是，胶结涂料通常施涂在团聚颗粒上，因而渗透到团聚物结构中的机会大得多。虽然包含许多微粒的团聚结构的开放过度损失的不需要的，但对团聚物结构的少量渗透未必是件坏事情，因为这会增加颗粒与胶结涂料接触的表面积，从而增强胶结涂料对颗粒的咬合力。
涂覆磨料也可以这样形成，将包含研磨团聚颗粒的浆料施涂在合适的背衬材料上，其中所述研磨团聚颗粒分散在可固化粘结剂中。在这种情况下，也可以对粘结剂进行处理，以减少渗透到研磨团聚颗粒结构中的粘结剂树脂。浆料的施涂可在两个或多个步骤中完成，任选在连续沉积过程中使用不同的配剂。这样就可以在一定程度上灵活改变涂覆磨料磨损时的研磨作用。
本发明的涂敷研磨带在使用前可能需要进行弯折，就像将粘结剂树脂涂在刚性层上制备的带所要求的那样。此外，研磨表面在使用前往往需要进行修饰，以确保一开始就具有均匀的高切削速率。
本发明的高级纤维结构可以这样制备，例如，用粘结材料处理高级纤维垫，通常用喷涂技术，然后在上面沉积研磨团聚颗粒，再固化粘结树脂。本发明这种形式产品特别适用于对金属表面进行抛光和修饰。
实施例
下面通过实施例进一步阐述本发明，这些实施例旨在显示本发明产品的惊人优点。
玻璃粘结研磨团聚颗粒的制备
在以下实施例中评价的团聚颗粒根据上面“研磨团聚物的优选制法”部分所述方法，用图1所示设备进行制备。
前面6个实施例阐述了本发明所用研磨团聚物的制备方法。将这样制备的团聚颗粒嵌入涂覆磨料，并通过与传统高质量商业磨粒相比较来进行测评。其结果在实施例7-9中进行详细论述，这些实施例只是为了说明，而不是起限制作用。
实施例1
在旋转煅烧装置(电焙烧型#HOU-5D34-RT-28，最高温度为1200℃，输入功率为30kW，配有72英寸(183cm)长、内径5.5英寸(14cm)的难熔金属管，生产商为Harper International，Buffalo，New York)中制备一系列团聚磨粒样品。用相同尺寸的碳化硅管代替难熔金属管，将设备改为在1550℃的最大温度下工作。团聚过程在常压条件下进行，热区温度控制在1180℃，设备管的旋转速度为9rpm，管子倾角为2.5-3度，进料速度为6-10kg/h。所用设备基本上与图1所示设备基本相同。以焙烧前的原料总重计，有用的自由流动颗粒(定义为-12目至筛上颗粒)的产率为60-90％。
团聚物样品由表1-1所示研磨微粒和水的简单混合物制备。用来制备样品的玻璃粘结微粒粘结剂列于表2。样品由三种类型的研磨微粒制备：氧化铝38A、热解氧化铝32A和烧结溶胶凝胶α氧化铝Norton SG颗粒，购自Saint-GobainCeramics & Plastics，Inc.，Worcester，MA，USA，其粒度列于表1。
在旋转煅烧装置中团聚后，将团聚磨粒样品过筛，测定其疏松堆积密度(LPD)、粒度分布和团聚物强度。这些结果示于表1。
                                                    表1-1 团聚颗粒的特征
   样品号颗粒液体微粒粘结剂   混合物重量磅(kg)   粘结材料重量％(基于颗粒)  粘结材料体积％     LPDg/cc-12/筛上   平均粒径分布微米   平均粒径分布目   平均相对密度％ 破碎50％所需压力MPa
     160号38A水A粘结剂 30.00(13.6)0.60(0.3)0.64(0.3)     2.0     3.18     1.46     334   -40/+50     41.0     0.6±0.1
     290号38A水E粘结剂 30.00(13.6)0.90(0.4)1.99(0.9)     6.0     8.94     1.21     318   -45/+50     37.0     0.5±0.1
     3120号38A水C粘结剂 30.00(13.6)1.20(0.5)3.41(1.5)     10.0     13.92     0.83     782   -20/+25     22.3     2.6±0.2
     4120号32A水A粘结剂 30.00(13.6)0.90(0.4)1.91(0.9)     6.0     8.94     1.13     259   -50/+60     31.3     0.3±0.1
     560号32A水E粘结剂 30.00(13.6)1.20(0.5)3.31(1.5)     10.0     14.04     1.33     603   -25/+30     37.0     3.7±0.2
     690号32A水C粘结剂 30.00(13.6)0.60(0.3)0.68(0.3)     2.0     3.13     1.03     423   -40/+45     28.4     0.7±0.1
     790号SG水A粘结剂 30.00(13.6)1.20(0.5)3.18(1.4)     10.0     14.05     1.20     355   -45/+50     36.7     0.5±0.1
     8120号SG水E粘结剂 30.00(13.6)0.60(0.3)0.66(0.3)     2.0     3.15     1.38     120   -120/+140     39.1     -
     960号SG水C粘结剂 30.00(13.6)0.90(0.4)2.05(0.9)     6.0     8.87     1.03     973   -18/+20     27.6     -
a.粘结剂体积％是灼烧后颗粒(即粘结材料和微粒)中固体材料的百分比，不包括体积％的孔隙率。
焙烧的团聚颗粒中粘结剂体积％用粘结剂原料的平均LOI(烧失量)计算。
烧结团聚颗粒的尺寸用安装在振动筛分装置(Ro-Tap；型号RX-29；W.S.Tyler Inc.Mentor，OH)上的美国标准实验筛确定。筛目大小为18-140目，适合不同的样品。烧结团聚颗粒的疏松堆积密度(LPD)用测定磨粒堆积密度的美国国家标准程序测定。
初始平均相对密度用百分数表示，以LPD(ρ)除以团聚颗粒的理论密度(ρ0)计算，假定孔隙率为0。理论密度根据混合物的体积规则，用团聚物中所含微粒粘结剂和研磨微粒的重量百分数和比重计算。
团聚颗粒的强度通过压实实验测定。压实实验用Instron通用实验机(型号MTS 1125，20000磅(9072kg)上直径为1英寸(2.54cm)的润滑的钢模进行，团聚颗粒样品量为5g。将团聚颗粒样品倒进模子，轻敲模子外侧，使样品稍稍堆起。插入冲头，将十字头降低，直到在记录仪上观察到力的作用(“初始位置”)。以恒定速率(2mm/min)对样品增加压力，至最大压力为180MPa。团聚颗粒样品的体积(样品的压实的LPD)由十字头的位移反映(张力)，记作相对密度，它是所加压力的对数函数。然后筛分剩余材料，以确定破碎百分数。测定不同压力，以建立外加压力的对数和破碎百分数之间的关系图。所得结果是团聚颗粒样品的破碎百分数等于50wt％时的压力对数，列于表1。破碎分数是破碎颗粒通过较小筛网的重量与样品初始重量之比。
最终的烧结团聚物具有三维形状，包括三角形、球形、立方形、矩形和其他几何形状。由许多单个研磨微粒(例如2-20号)组成的团聚物通过玻璃粘结材料在颗粒接触点上粘结在一起。
微粒粘结剂含量在3-20wt％之间时，团聚颗粒尺寸随着团聚颗粒中粘结材料量的增加而增加。
样品1-9全部具有足够的压实强度，表明玻璃微粒粘结剂均熟化并充分流动，在团聚颗粒中的研磨微粒之间形成了有效粘结。由10wt％的微粒粘结剂制备的团聚颗粒比由2wt％或6wt％的微粒粘结剂制备的团聚颗粒具有更高的压实强度。
低LPD值是聚集程度较高的标志。团聚颗粒的LPD随着微粒粘结剂wt％的增加和研磨微粒尺寸的减小而下降。与6wt％和10wt％的微粒粘结剂之间较小的差异相比，2wt％和6wt％的微粒粘结剂之间的差异较大，表明微粒粘结剂的wt％小于2wt％时，足以形成团聚颗粒。在较高重量百分数下，即高于6wt％时，加入更多的微粒粘结剂未必有利于制备更大或更强的团聚颗粒。
团聚颗粒尺寸的测定结果表明，在团聚温度下具有最低熔融玻璃粘度的微粒粘结剂C样品，它在三种微粒粘结剂中具有最低的LPD。磨料的类型对LPD没有显著影响。
表2团聚物中所用微粒粘结剂
  焙烧组合物的组分b     微粒粘结剂Awt％(A-1微粒粘结剂)a   微粒粘结剂Bwt％     微粒粘结剂Cwt％     微粒粘结剂Dwt％     微粒粘结剂Ewt％    微粒粘结剂Fwt％
  氧化铝   15(11)     10     14     10     18     16
  玻璃成型剂(SiO2+B2O3)   69(72)     69     71     73     64     68
  碱土金属(CaO，MgO)   5-6(7-8)     ＜0.5     ＜0.5     1-2     6-7     5-6
  碱金属(Na2O，K2O，Li2O)   9-10(10)     20     13     15     11     10
  比重g/cc   2.40     2.38     2.42     2.45     2.40     2.40
  预计1180℃时粘度(泊)   25590     30     345     850     55300     7800
a.括号中所列A-1微粒粘结剂的变化值用于实施例2中样品。
b.杂质(例如Fe2O3和TiO2)量约为0.1-2％。
实施例2
用其他各种加工实施方式和原料制备了其他团聚颗粒样品。
用旋转煅烧装置(型号#HOU-D60-RTA-28，配有120英寸(305cm)长、内径5.75英寸(15.6cm)、厚3/8英寸(0.95cm)的多铝红柱石管，三温度控制区的加热长度为60英寸(152cm)。该装置生产商为Harper International，Buffalo，NewYork)，在1100-1250℃范围内的不同烧结温度下形成一系列团聚颗粒(样品10-13)。用带有可控体积进料速度装置的Brabender进料单元向旋转煅烧装置的加热管定量加入研磨微粒和微粒粘结剂混合物。团聚过程在常压条件下进行，装置管旋转速度为4rpm，管子倾角为2.5度，进料速度为8kg/h。所用装置与图1所示装置基本上相同。用于制备这些团聚物的温度选项和其他参数列于表2-1。
所有的样品包含89.86wt％研磨微粒(60号38A氧化铝，购自Saint-GobainCeramics & Plastics，Inc.)和10.16wt％临时粘结剂混合物(6.3wt％AR30液体蛋白粘结剂，1.0％Carbowax3350 PEG和2.86％微粒粘结剂A)组成的混合物。此混合物在烧结团聚颗粒中产生4.77vol％微粒粘结剂和95.23vol％研磨微粒。团聚颗粒的理论计算密度(假定没有孔)为3.852g/cc。
将混合物送入进料单元之前，生团聚颗粒用模拟挤出过程形成。为制备挤出团聚颗粒，加热液体蛋白临时粘结剂，溶解Carbowax3350 PEG。然后边搅拌混合物，边加入微粒粘结剂。在高剪切混合器(直径为44英寸(112cm))中加入研磨微粒，将所得微粒粘结剂缓慢加到混合器中的微粒中。将所得合并物搅拌3分钟。通过12目盒筛(美国标准筛尺寸)将混合物湿筛到托盘中，最大层厚为1英寸(2.5cm)，形成湿的挤出团聚颗粒坯料(未焙烧)。挤出团聚颗粒层在炉子中于90℃干燥24小时。干燥后，用12-16目(美国标准筛尺寸)盒筛再次筛分团聚颗粒。
在旋转煅烧过程中观察到，由坯料制备的团聚颗粒受热后出现破碎，然后从旋转煅烧管加热部分的出口端滚出来的时候又重新成形。用肉眼对样品进行检查，可以明显看出由坯料制备的团聚颗粒的尺寸大于焙烧后团聚颗粒的尺寸。
焙烧后可以看到，团聚颗粒的尺寸足够均匀，可以满足商业目的，其粒度分布在500-1200微米之间。粒度分布的测定结果列于表2-2。
                                              表2-1
  样品编号   烧结温度a℃  -12目的产率％ 平均粒径μm   -12目的LPDg/cc  破碎50％时压力MPa  -16/+35目的产率％  平均团聚物粒度μm  -16/+35目的LPDg/cc
  10   1100   无b   无   无     无     无     536     无
  11   1150   97.10   650   1.20     13±1     76.20     632     0.95
  12   1200   96.20   750   1.20     9±1     87.00     682     1.04
  13   1250   96.60   675   1.25     8±1     85.20     641     1.04
a.旋转煅烧炉控制器设定的温度(3个加热区都一样)。
b.“无”指没有进行测定。
                表2-2：焙烧后的团聚颗粒的粒度分布
  筛号#ASTM-E   筛号#ISO565μm                     筛上wt％
  样品编号     10     11   12   13
    -35     -500     41.05     17.49   11.57   14.31
    35     500     22.69     17.86   14.56   17.69
    30     600     18.30     24.34   21.27   26.01
    25     725     12.57     21.53   24.89   23.06
    20     850     3.43     13.25   16.17   12.43
    18     1000     1.80     4.58   10.09   5.97
    16     1180     0.16     0.95   1.44   0.54
实施例3
按实施例2所述方法制备团聚颗粒(样品14-23)，不同之处在于温度稳定在1000℃，采用型号为#KOU-8D48-RTA-20、配有108英寸(274cm)长、内径8英寸(20cm)的热解氧化硅管，三个温度控制区的长度为48英寸(122cm)。该装置由Harper International，Buffalo，New York制造。检验了用各种方法制备研磨微粒和微粒粘结剂材料的预烧混合物。团聚过程在常压条件下进行，装置管旋转速度为4rpm，管子倾角为2.5度，进料速度为8-10kg/h。所用装置与图1所示装置基本上相同。
所有样品都包含30磅(13.6kg)研磨微粒(与实施例2中使用的一样，只有样品16包含25磅(11.3kg)70号Norton SG溶胶-凝胶氧化铝，购自Saint-GobainCeramics & Plastics，Inc.)和0.9磅(0.41kg)微粒粘结剂A(在烧结团聚颗粒中产生4.89vol％微粒粘结材料)。微粒粘结材料在加入研磨微粒之前分散在不同的临时粘结体系中。某些样品采用实施例2中的临时粘结体系(“粘结剂2”)，其他样品用AR30液体蛋白临时粘结剂(“粘结剂3”)制备，所用重量百分数列于表3。借助实施例2中的模拟挤出方法，用样品20制备未焙烧的团聚颗粒坯料。
所测参数和测试结果列于表3。
                表3：对坯料阶段的粘结剂的处理
  样品编号   混合处理   粘结剂wt％(占颗粒重量的％) -12目筛产率％     LPDg/cc
    14   粘结剂3     2.0     100     1.45
    15   粘结剂3     1.0     100     1.48
    16   粘结剂3；SG颗粒     4.0     92     1.38
    17   粘结剂3     4.0     98     1.44
    18   粘结剂2     6.3     90     1.35
    19   粘结剂3     8.0     93     1.30
    20   粘结剂2模拟挤出     6.3     100     1.37
    21   粘结剂3     3.0     100     1.40
    22   粘结剂3     6.0     94     1.44
    23   粘结剂2     4.0     97     1.54
这些结果证实，坯料阶段的团聚过程不需要形成质量和产率都可接受的烧结团聚颗粒(比较样品18和20)。随着初始混合物中粘结剂3的wt％从1％增加到8％，LPD显示稍有下降的趋势，表明使用粘结剂对团聚过程具有好的影响，但不是关键因素。因此，让人颇感意外的是，在放到旋转煅烧炉中烧结之前，团聚颗粒似乎并不需要预成形要求的形状或大小。只要将团聚物组分的湿混合物送入旋转煅烧炉，在混合物通过装置的加热区时进行振摇，就能得到相同的LPD。
实施例4
按实施例2所述方法制备团聚颗粒(样品24-29)，不同之处在于温度稳定在1200℃，检验了制备研磨微粒和微粒粘结剂材料的预烧混合物的各种方法。除样品28-29以外的所有样品都包含300磅(136.4kg)研磨微粒(与实施例2中一样：60号38A氧化铝)和9.0磅(4.1kg)微粒粘结剂A(在烧结团聚颗粒中产生4.89vol％微粒粘结材料)。
样品28(组成与实施例2相同)包含44.9磅(20.4kg)研磨微粒和1.43磅(0.6kg)临时粘结剂A。将粘结剂与液体粘结剂混合物(37.8wt％(3.1磅)AR30粘结剂的水溶液)合并，然后将4.98磅此合并物加入到研磨微粒。液体合并物在22℃的粘度为784CP(Brookfield LVF粘度计)。
样品29(组成与实施例2相同)包含28.6磅(13kg)研磨微粒和0.92磅(0.4kg)微粒粘结剂A(在烧结团聚颗粒中产生4.89vol％的微粒粘结剂)。将微粒粘结剂与临时液体粘结剂混合物(54.7wt％(0.48磅)Duramax树脂B1052和30.1wt％(1.456磅)Duramax树脂B1051树脂的水溶液)合并，将此合并物加入到研磨微粒。Duramax树脂购自Rohm & Haas，Philadelphia，PA。
团聚过程在常压条件下进行，装置管旋转速度为4rpm，管子倾角为2.5度，进料速度为8-12kg/h。所用装置与图1所示装置基本上相同。
样品28煅烧前在流化床中预团聚，流化床由Niro Inc.，Columbia，Maryland制造(型号为MP-2/3多处理器TM，配有MP-1大锥形管(最宽的地方直径为3英尺(0.3m)))。以下操作参数是用流化床处理样品时所选用的：
进口空气温度64-70℃
进口空气流速100-300m3/h
粒化液体流速440g/min
床深(初始装料3-4kg)约10cm
空气压1巴
双流外混合喷嘴孔口800μm
将研磨微粒装入装置底部，将空气向上通入流化床扩散板，使之进入微粒。同时，将微粒粘结剂和临时粘结剂的液体混合物用泵打入外混合喷嘴，然后从喷嘴喷射通过扩散板到微粒中，从而涂敷各微粒。在干燥微粒粘结剂和粘结混合物的过程中，形成团聚颗粒坯料。
样品29煅烧前在低压挤出过程中预团聚，采用LCI Corporation，Charlotte，North Carolina制造的Benchtop造粒机TM(配有孔径为0.5mm的“篮筐”)。用手工将研磨微粒、微粒粘结剂和临时粘结剂的混合物送入“蓝筐”(挤出网)，旋转刀片迫使混合物通过网挤出，然后收集在接收盘中。挤出的预团聚颗粒在90℃炉子中干燥24小时，用作旋转煅烧过程的原料。
所测参数和测试结果列于表4-1和4-2。这些测试证实也可以在较高的灼烧温度(1200℃而不是1000℃)下得到实施例3的结果。这些测试还表明，低压挤塑和流化床预团聚可用来制备团聚颗粒，但制备本发明的团聚物时不需要在旋转煅烧前进行团聚。
                          表4-1 团聚物特征
  样品编号   混合处理    粘结剂wt％(占颗粒重量的％)    -12目筛产率％  平均粒度μm     LPDg/cc
  24 粘结剂3     1.0     71.25     576     1.30
  25 粘结剂3     4.0     95.01     575     1.30
  26 粘结剂3     8.0     82.63     568     1.32
  27 粘结剂2     7.2     95.51     595     1.35
  28 粘结剂3     7.2     90.39     无     无
  29 Duramax树脂     7.2     76.17     600     1.27
                      表4-2：团聚颗粒的粒度分布
筛号#ASTM-E  筛号#ISO565μm                              筛上wt％
样品编号   24   25   26   27   28   29
    -40     -425   17.16   11.80   11.50   11.50   无   11.10
    40     425   11.90   13.50   14.00   12.50   无   12.20
    35     500   17.30   20.70   22.70   19.60   无   18.90
    30     600   20.10   25.20   26.30   23.80   无   23.70
    25     725   17.60   19.00   17.20   18.40   无   19.20
    20     850   10.80   8.10   6.40   9.30   无   10.30
    18     1000   3.90   1.70   1.60   3.20   无   3.60
    16     1180   0.80   0.10   0.30   1.60   无   1.10
实施例5
按实施例3所述方法制备其他团聚颗粒(样品30-37)，不同之处在于烧结在1180℃下进行，测定了不同类型的研磨微粒，30磅(13.6kg)研磨微粒与1.91磅(0.9kg)微粒粘结剂A混合(在烧结团聚颗粒中产生8.94vol％微粒粘结剂)。作为坯料阶段团聚的临时粘结剂，比较了实施例3中的粘结剂3和水。样品30-34用0.9磅(0.4kg)水作临时粘结剂。样品35-37用0.72磅(0.3kg)粘结剂3。所测参数列于表5。
团聚过程在常压条件下进行，装置管旋转速度为8.5-9.5rpm，管子倾角为2.5度，进料速度为5-8kg/h。所用装置与图1所示装置基本上相同。
团聚后，将团聚磨粒样品过筛，测定它们的疏松堆积密度(LPD)、粒度分布和团聚强度。这些结果列于表5。
                                             表5
  样品编号     研磨微粒   临时粘结剂 微粒中粘结剂wt％  平均粒径μm     LPDg/cc   破碎50％时压力MPa
  30     60号57A氧化铝   水     3.0     479     1.39   1.2±0.1
  31     60号55A氧化铝   水     3.0     574     1.27   2.5±0.1
  32     80号XG氧化铝   水     3.0     344     1.18   0.4±0.1
  33     70号Targa溶胶-凝胶氧化铝   水     3.0     852     1.54   17±1.0
  34     70/30wt％60号38A/60号Norton SG氧化铝   水     3.0     464     1.31   1.1±0.1
  35     60号38A氧化铝 粘结剂3     2.4     无     无     无
  36     60号Norton SG氧化铝 粘结剂3     2.4     无     无     无
  37     60/25/15wt％6038A/120号Norton SG/320号57A 粘结剂3     2.4     无     无     无
这些结果再次表明，在用旋转煅烧法制备团聚颗粒的工艺中，水可以用作临时粘结剂。此外，不同类型的颗粒混合物和不同大小的颗粒混合物，或者不同类型、不同大小的颗粒混合物都可以用本发明工艺进行团聚，这些团聚物可以在旋转煅烧炉中，在1180℃的温度下进行涂敷。当用高长径比(即≥4∶1)的长形磨粒制备团聚颗粒(样品33)时，团聚颗粒的抗破碎强度明显增加。
实施例6
按实施例3所述方法制备另一个系列的团聚颗粒(样品38-45)，不同之处在于采用不同的烧结温度，测试了不同类型的研磨微粒的粒度和不同的微粒粘结剂。在某些进料混合物中，用胡桃壳作为有机诱孔填料(胡桃壳购自CompositionMaterials Co.，Inc.，Fairfield，Connecticut，美国筛尺寸40/60)。所测参数列于表6。所有样品包含30磅(13.6kg)研磨微粒和2.5wt％粘结剂3(基于颗粒重量)的混合物，各种微粒粘结剂的量列于表6。
团聚过程在常压条件下进行，装置管旋转速度为8.5-9.5rpm，管子倾角为2.5度，进料速度为5-8kg/h。所用装置与图1所示装置基本上相同。
团聚完成后，将团聚磨粒样品过筛，测定它们的疏松堆积密度(LPD)、粒度分布和团聚强度(见表6)。所有团聚颗粒的性质都适用于制备涂覆磨料。这些数据似乎表明，用有机诱孔剂，即胡桃壳对团聚物的特点没有显著影响。
                                          表6
  样品编号  混合物中磨料部分wt％粒度/类型   粘结材料   焙烧微粒粘结剂vol％a 焙烧诱孔剂vol％    LPDg/cc   破碎50％时压力MPa
    38     90/10wt％60号38A/70号Targa溶胶-凝胶氧化铝     F     5.18     0   1.14     11.5±0.5
    39      ””     C     7.88     2   1.00     11.5±0.5
    40     90/10wt％80号38A/70号Targa溶胶-凝胶氧化铝     F     5.18     2   1.02     10.5±0.5
    41     ””     C     7.88     0   0.92     无
    42     50/50wt％60号38A/60号32AC     F     5.18     2   1.16     11.5±0.5
    43     ””     C     7.88     0   1.06     无
    44     50/50vol％80号38A/60号32A     F     5.18     0   1.08     8.5±0.5
    45     ””     C     7.88     2   1.07     11.5±0.5
a.vol％，基于所有固体(颗粒、粘结材料和成孔剂)，不包括团聚物中的孔隙率。
38A和32A是热解氧化铝研磨材料。
实施例7
此实施例中，比较了用本发明研磨团聚物制备的17.8cm(7英寸)磨盘和用传统材料及磨粒制备的商业磨盘的性能。
本发明的磨盘用包含粒度为90的加晶种的溶胶-凝胶氧化铝磨粒的研磨团聚颗粒制备，所述加晶种溶胶-凝胶氧化铝磨粒购自Saint-Gobain Ceramics &Plastics，Inc.。用上面实施例1中制备样品7的方法将这些微粒形成研磨团聚颗粒。对颗粒分级，留下-28+40级部分备用。
用传统初始接合涂层/胶结涂层技术将这些研磨团聚颗粒沉积在传统纤维盘形基底上，形成涂敷磨盘。用来形成初始接合涂层和胶结涂层的树脂是传统酚醛树脂。初始接合涂料的施涂量为0.12kg/m2(8.3磅/令)，研磨团聚颗粒用UP技术沉积，沉积量为0.28kg/m2(19磅/令)。胶结涂料用喷涂技术施涂，喷涂量为0.49kg/m2(33磅/令)，它是粘度为800cps的标准酚醛树脂，通过加入CabotCorporation生产的Cab-O-sil氧化硅进行改性至2000cps粘度。在每种情况下，“令”指砂纸制造商使用的令，对应于330平方英尺或30.7平方米。
用本发明的磨盘研磨1008扁条钢。磨盘与扁条钢接触30秒，接触压力为13磅/平方英寸，每次接触之后测定扁条钢的重量，确定每次接触所磨去的金属量。将结果绘成曲线图，如图2所示。
为作比较，对三个尺寸相同的竞争性商业磨盘进行同样的测试，结果同样绘于图2。所测磨盘是：
984C，3M公司销售的纤维衬底、44涂层、加晶种溶胶-凝胶氧化铝80号磨粒；
987C，类似于984C，不同之处在于磨粒是80“321 Cubitron”，磨盘受到超大尺寸处理。此盘也由3M公司销售；
983C，与984C相同，只是颗粒为80号MgO改性的溶胶-凝胶氧化铝，并通过100％UP方法施涂。此盘同样由3M公司销售。
从图2可以看出，尽管所有磨盘几乎同时开始切削，本发明的磨盘比任何3M比较盘都切削得更长、更好。
实施例8
此实施例研究了使用改性胶结涂层的效果。用实施例1中制备“本发明”磨盘的方法制备另两个相同的磨盘，但使用不同的胶结涂层。在第一个样品中，磨盘与实施例1中的“本发明”样品完全相同，而第二个样品除了使用未改性胶结涂层外，也完全相同。测试程序与实施例1所述相同，所得结果示于图3。
可以清楚地看到，尽管其性能仍然要优于现有技术产品，但不及使用粘度经过改性的胶结涂料的产品。这证明了这样一个观点，胶结涂料的粘度降低至一定程度后，削弱了研磨团聚颗粒的孔隙率带来的好处。
实施例9
此实施例比较了本发明两个磨盘的性能，每个盘都含有标准(未经改性，即没有像实施例8所测试的盘那样增加粘度)胶结涂料。在这种情况下，两个磨盘的唯一差别是用来将研磨微粒粘结在一起形成研磨团聚颗粒的粘结剂。在记作“烧结SCA标准胶结涂料”的样品中，粘结剂是玻璃质的，样品是上述实施例8中所测试的样品。在记作“有机SCA标准胶结涂料”的样品中，粘结剂是有机粘结剂，团聚物中加晶种的溶胶-凝胶氧化铝研磨微粒要粗一些，粒度为80号。但是，它们的孔隙率基本上相同。用前述实施例中所用测试程序得到的比较数据绘成图，如图4所示。
从图中可以看出，玻璃粘结团聚物的性能稍好于有机粘结团聚物，虽然有机SCA标准胶结涂层盘中较粗的颗粒预计有更高的金属切削速率。在磨盘的使用后期，这种差异变得更加明显。
从上述数据可以清楚看到，使用研磨团聚颗粒在现有技术磨盘的基础上有明显改进，特别是当使团聚颗粒聚集在一起的粘结剂是玻璃质粘结剂，且胶结涂料的粘度高于用团聚物制备涂覆磨料时常用来抑制孔隙率损失的粘度时。

Claims (39)

1.一种涂覆磨具，它包含背衬材料和通过粘结材料粘着在背衬材料上的研磨团聚颗粒，其特征在于使用的团聚颗粒包含许多研磨微粒，它们粘着在一起形成三维结构，该结构中的每个微粒通过团聚物中的微粒粘结材料至少与一个相邻的微粒连接，粘结材料以不连续相存在于团聚颗粒在中，并且几乎完全以粘结柱的形式连接相邻微粒，这样，团聚物的疏松堆积体积比研磨微粒一个个单独存在时至少低2％。
2.权利要求1所述涂覆磨料，其特征在于研磨团聚颗粒包含研磨微粒，它们通过基于团聚物总固体体积的5-25vol％的微粒粘结剂粘着在一起，所述粘结剂选自玻璃质、玻璃-陶瓷、有机和金属微粒粘结材料。
3.权利要求2所述涂覆磨料，其特征在于微粒粘结剂是玻璃质粘结材料。
4.权利要求1所述涂覆磨料，其特征在于将颗粒粘着到背衬上的粘结剂是有机树脂。
5.权利要求4所述涂覆磨料，其特征在于粘结剂是粘度至少为1500泊的有机树脂。
6.权利要求5所述涂覆磨料，其特征在于粘结剂的粘度用填料进行调节。
7.权利要求1所述涂覆磨料，其特征在于，在制备团聚颗粒的过程中，研磨微粒以和少部分非研磨微粒的掺混物使用，所述非研磨微粒选自研磨助剂、填料和成孔剂。
8.权利要求1所述涂覆磨料，其特征在于研磨微粒选自研磨质量不同的研磨微粒、大小不同的研磨微粒以及它们的混合物。
9.权利要求1所述涂覆磨料，其特征在于团聚颗粒包含选自玻璃质和金属粘结材料的微粒粘结剂，团聚颗粒用UP法沉积在背衬上。
10.权利要求1所述涂覆磨料，其特征在于团聚颗粒分散在粘结剂基体中。
11.权利要求5所述涂覆磨料，其特征在于团聚颗粒分散在粘结剂基体中。
12.权利要求5所述涂覆磨料，其特征在于涂覆磨料的表面是经过加工的、包含许多独立形状的表面。
13.权利要求1所述涂覆磨料，其特征在于团聚磨粒是以规则排列沉积在背衬上的成形结构形式。
14.一种涂覆磨料，包含背衬和通过粘结材料粘着在背衬材料上的研磨团聚颗粒，所述颗粒通过包括如下步骤的方法制备：
a)以受控进料速度在旋转煅烧窑中装入研磨微粒和微粒粘结材料，所述微粒粘结材料选自玻璃化粘结材料、玻璃化材料、陶瓷材料、无机粘结剂、有机粘结剂、水、溶剂及其组合；
b)以受控速度旋转窑；
c)将混合物加热到约145-1300℃，加热速率由进料速度和转窑速度决定；
d)振摇窑中的微粒和微粒粘结剂，直到粘结剂粘着到微粒上，并且许多微粒粘着在一起，产生烧结团聚颗粒；
e)从窑中收集烧结团聚物，其中烧结团聚颗粒具有初步的三维形状，疏松堆积体积至少比组分微粒的相应疏松堆积体积低2％。
15.权利要求14所述涂覆磨料，其特征在于研磨团聚颗粒包含研磨微粒，它们通过基于团聚物总固体体积的5-25vol％的微粒粘结剂粘着在一起，所述粘结剂选自玻璃质、玻璃-陶瓷、有机和金属微粒粘结材料。
16.权利要求15所述涂覆磨料，其特征在于微粒粘结剂是玻璃质粘结材料。
17.权利要求14所述涂覆磨料，其特征在于将颗粒粘着到背衬上的粘结剂是有机树脂。
18.权利要求17所述涂覆磨料，其特征在于粘结剂是粘度至少为1500泊的有机树脂。
19.权利要求18所述涂覆磨料，其特征在于粘结剂的粘度用填料进行调节。
20.权利要求14所述涂覆磨料，其特征在于，在制备团聚颗粒的过程中，研磨微粒以和少部分非研磨微粒的掺混物使用，所述非研磨微粒选自研磨助剂、填料和成孔剂。
21.权利要求14所述涂覆磨料，其特征在于研磨微粒选自研磨质量不同的研磨微粒、大小不同的研磨微粒以及它们的混合物。
22.权利要求14所述涂覆磨料，其特征在于团聚颗粒包含选自玻璃质和金属粘结材料的微粒粘结剂，团聚颗粒用UP法沉积在背衬上。
23.权利要求14所述涂覆磨料，其特征在于团聚颗粒分散在粘结剂基体中。
24.权利要求18所述涂覆磨料，其特征在于团聚颗粒分散在粘结剂基体中。
25.权利要求18所述涂覆磨料，其特征在于涂覆磨料的表面是经过加工的、包含许多独立形状的表面。
26.权利要求14所述涂覆磨料，其特征在于团聚磨粒是以规则排列沉积在背衬上的成形结构形式。
27.一种涂覆磨料，包含背衬和通过粘结材料粘着在背衬材料上的研磨团聚颗粒，所述颗粒通过包括如下步骤的方法制备：
a)以受控进料速度在旋转煅烧窑中装入研磨微粒和微粒粘结材料；
b)以受控速度旋转窑；
c)将混合物加热到约145-1300℃，加热速率由进料速度和转窑速度决定；
d)振摇窑中的微粒和微粒粘结剂，直到粘结剂粘着到微粒上，并且许多微粒粘着在一起，产生烧结团聚颗粒，所述颗粒具有三维形状和疏松堆积体积至少比组分微粒的相应疏松堆积体积低2％；
e)从窑中收集烧结团聚物。
28.权利要求27所述涂覆磨料，其特征在于研磨团聚颗粒包含研磨微粒，它们通过基于团聚物总固体体积的5-25vol％的微粒粘结剂粘着在一起，所述粘结剂选自玻璃质、玻璃-陶瓷、有机和金属微粒粘结材料。
29.权利要求28所述涂覆磨料，其特征在于微粒粘结剂是玻璃质粘结材料。
30.权利要求27所述涂覆磨料，其特征在于将颗粒粘着到背衬上的粘结剂是有机树脂。
31.权利要求30所述涂覆磨料，其特征在于粘结剂是粘度至少为1500泊的有机树脂。
32.权利要求31所述涂覆磨料，其特征在于粘结剂的粘度用填料进行调节。
33.权利要求26所述涂覆磨料，其特征在于团聚颗粒分散在粘结剂基体中。
34.权利要求31所述涂覆磨料，其特征在于团聚颗粒分散在粘结剂基体中。
35.权利要求27所述涂覆磨料，其特征在于在制备团聚颗粒的过程中，研磨微粒以和少部分非研磨微粒的掺混物使用，所述非研磨微粒选自研磨助剂、填料和成孔剂。。
36.权利要求27所述涂覆磨料，其特征在于研磨微粒选自研磨质量不同的研磨微粒、大小不同的研磨微粒以及它们的混合物。
37.权利要求27所述涂覆磨料，其特征在于团聚颗粒包含选自玻璃质和金属粘结材料的微粒粘结剂，团聚颗粒用UP法沉积在背衬上。
38.权利要求33所述涂覆磨料，其特征在于涂覆磨料的表面是经过加工的、包含许多独立形状的表面。
39.权利要求27所述涂覆磨料，其特征在于团聚磨粒是以规则排列沉积在背衬上的成形结构形式。
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