CN1026220C - 涂层的研磨材料中含溶胶-凝胶法氧化铝磨粒的混合物 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含溶胶凝胶法氧化铝和氧化铝-氧化锆的磨粒混合物(其体积比为至少15%溶胶凝胶磨粒)的涂层研磨材料，与只有其任一种磨粒的这类产品相比，这种研磨材料在某些研磨应用中工作性能有了改进，并且为范围甚广的研磨应用提供了更通用的涂层研磨产品。

Description

本发明总的来说涉及涂层研磨材料（藉涂覆制造的研磨材料），和由其制得的制品。更具体地说，本发明是涉及通过两种磨粒的组合物，更具体地是溶胶-凝胶法氧化铝磨粒和共熔氧化铝-氧化锆磨粒物构成的组合物的涂层研磨材料。

涂层研磨材料一般包括较柔韧的支持件（背衬），在其正面涂上一粘合层，即所谓的“接合涂层”，趁接合涂层仍是湿的时候，接着在其上施加一磨粒层。然后将接合涂层部分固化成一硬化层，在这之后，施加另一粘合层即“胶料涂层”，然后将粘合层充分固化。接着将此涂层研磨材料成形为各种产品，例如砂纸、磨盘、环形磨带等，这在某种程度上取决于所制造的涂层研磨材料有哪些具体组分和其处理方式。这样的方法在美国专利4，836，832中有描述。该专利阐述了涂层磨料的典型成份，特别是新的接合涂层组合物。

在任何特定涂层研磨材料中所用的磨粒材料的有效性不仅取决于具体的研磨条件，而且取决于被研磨的具体材料或工件。例如，发现某些磨粒与其他磨粒相比以高的金属去除速率研磨不锈钢和低碳钢更为有效。在较低速研磨应用中，已发现某些其他磨粒比另外一些磨粒更有效。时常，人们不太清楚对于一种给定的研磨材料，在不同研磨应用中具有不同效能的原因。然而，看来这至少关系到和取决于研磨材料的化学组成、其显微结构、研磨材料的有关物理性能，诸如硬度、断裂韧性、冲击强度和热性能。由于缺乏这方面的知识，自然地使得对于在任何具体研磨应用中一给定研磨材料或磨粒 的有效性进行预测变得困难（如果没有事先经验的话）。因此，在确定一种磨粒是否对任何特定应用有效或确定这种有效性的程度时，常常依靠试凑法。

六十年代前期之前，用于涂层研磨材料的磨粒通常是燧石、金刚砂、石榴石、氧化铝或碳化硅，后两种磨料是采用众所周知的方法在电炉中人工制得的。所谓的“熔融氧化铝”通常提供了一种比碳化硅更结实和更富韧性的磨粒。多年来，发现它特别适用于对高强度材料诸如高碳钢、合金钢、韧青铜和某些硬木的研磨操作。当打算作为一种用于木工的涂覆磨粒时，对原料的破碎工艺可以改变，以便制得一种比通常用于重金属加工的磨粒更尖锐一些的磨粒。碳化硅的硬度和锐度早已使它成为理想的用于研磨低强度金属、玻璃、塑料、纤维木材、皮革、搪瓷和其他较软材料的涂覆磨粒。然而，这些磨粒现知的合适应用是通过多年来花费不少时间和努力才发现的，这是因为这些研磨材料首先是在对磨粒在不同应用和在不同研磨条件下进行评价和试验中制得的。

然而，在60年代前期，包括熔融合金型氧化铝-氧化锆（即“氧化锆-氧化铝”）组合物的磨粒已成为商业上可购到的产品。在美国专利第3，181，939;3，891，408和3，893，826号中揭示了这些研磨材料，所有这些专利都转让给了诺顿公司即本申请的受让人。这些专利的合部揭示已作为参考结合入本文。如后来授权的两篇专利中所揭示的那样，发现其中揭示的共熔融氧化铝-氧化锆磨料在用于以高的金属去除速率研磨304不锈钢和低碳钢的涂层研磨材料中很有效，但在较慢研磨条件下，与熔融氧化铝相比，该研磨材料却被认为不太有效。然而，自从最初引用以来，据经验发现，氧化铝-氧化锆磨粒是一种在任何用途中都比熔融氧化铝好的在涂层磨料中的万能磨料。然而，与只包含熔融氧化铝磨粒的涂层研磨材料的成本相比，如此范围更广泛的使用却遇到成本的增加。

最近，出现了另一种用于制造涂层研磨材料的磨粒。该新颖磨料一般地说是将也可能含有变化量的添加剂（诸如MgO和ZrO₂）的水合氧化铝凝胶进行干燥并烧结而获得的。经干燥的材料一般在烧结前或之后进行粉碎以获得所需尺寸范围的不规则的块状多晶磨粒。然后可将磨粒结合入研磨产品，诸如涂层研磨盘或研磨带。

揭示该研磨材料的现有技术例子是美国专利第4，623，364号，它于1986年11月18日授予诺顿公司即本申请的受让人。该专利的全部揭示是通过参考结合入本文中的。揭示溶胶凝胶法（即非溶融法）氧化铝研磨材料和含有该磨粒的研磨产品的其他专利是美国专利第4，314，827;4，543，107;4，741，743;4，744，802和4，800，685号。其中美国专利第4，543，107和4，741，743号都转让给了诺顿公司，其全部揭示通过参考结合入本文中。

授予Ceitheiser等的美国专利第4，314，827号揭示了用溶胶凝胶法1制得的磨粒，其中烧结磨粒是由不含钙离子和碱金属离子并具有基本上是无规取向α-Al₂O₃晶体微晶结构的致密氧化铝基研磨材料以及一改性组份获得的，其中基本上以氧化铝为连续相。所揭示的矿物物质全部具有极细的晶体尺寸。

美国专利第4，543，107号揭示了一种含有亚微米尺寸α-氧化铝晶体的烧结溶胶凝胶铝土质磨粒粒的陶瓷结合磨轮。与现有技术中烧线的凝胶型氧化铝或熔融氧化铝相反，发现在陶瓷磨轮中采用该专利揭示的磨粒对砂轮的烧结温度特别敏感。结果，发现有必要控制粘合剂的粘度和/或烧结温度以防止粘合剂和磨粒之间的反应。

美国专利第4，623，364号揭示了一种用于制造具有增强性能的铝土质磨粒以及除磨粒之外的产品（诸如涂层、薄膜、纤维、棒材或小的成型部件）的溶胶凝胶法。在该专利中，揭示了通过将晶种材料在干燥前导入凝胶或凝胶前体物质来促进水合氧化铝向α-氧化铝的 转变。为制造磨粒，须将下了晶种的凝胶予以干燥、破碎和烧结。由此产生的磨粒可用于诸如涂层研磨盘和研磨轮等产品的制造。

溶胶凝胶研磨材料，特别是美国专利第4，623，364号中揭示的晶种溶胶凝胶铝土质磨料，自数年前采用以来，在某些涂层磨料应用中，它们已表现出优于其他磨料（即使是高级的磨料诸如氧化铝-氧化锆）的显著优点。然而，与氧化铝-氧化锆磨料相比，发现溶胶-凝胶法氧化铝磨料在涂层磨料应用中的性能更具有选择性。因此，业已发现，与氧化铝-氧化锆磨料相比，仅在某些金属研磨应用中，它能提供优越的性能，例如在高应力领域，诸如超合金和飞机合金，例如耐腐蚀的镍和铬合金，诸如“因科镍合金”和其他高镍合金，色及工具钢等。然而，在某些低碳钢应用中，发现其性能仅等价于或稍优于氧化铝-氧化锆研磨材料。通常，与氧化铝-氧化锆颗粒相比，仅在高压、高应力和高速研磨应用中，才发现涂层研磨材料中采用溶胶凝胶法氧化铝磨粒对研磨低碳钢有改善的作用。该种磨粒比氧化铝-氧化锆磨粒成本高得多，由于这个原因，它一般不用于任何得不到真正效能利益的场合。然而，在不锈钢、钛的研磨中以及在一些木工应用中，发现在涂层研磨材料中溶胶凝胶法氧化铝磨料的效能甚至比氧化铝-氧化锆磨料低。

尽管与上述早期采用的稍“差”的矿物质磨料诸如氧化铝、碳化硅等相比，发现氧化铝-氧化锆磨粒和溶胶凝胶法氧化铝磨粒在各种广泛的应用中能为涂层研磨材料提供优越的性能，但在涂层研磨材料中采用这种磨料却使成本有所增加。因此，人们在继续努力满足对采用这些优良磨粒的涂层研磨材料的需求并提供这类研磨材料，从而利用它们的优越性能特征，同时还要使成本降低。

由于种种原因，例如为获得一种用于特定场合的较便宜的磨料产品，早已在涂层研磨材料中采用了两种不同的磨料矿物的磨粒，以提供不同的或改进的性能特点，改善在特定应用中的切割性能 等。在其它情况下，在涂层磨料制造中已经采用不同磨料的组合，为的是提供一种改进的制造方法或减少所制涂层研磨材料的全部成本。涂层磨料产品中不同磨粒的组合是通过各种制造过程进行的，某种程度上取决于所要求的具体性能或其他结果。有些情况下，在单一磨粒层中提供不同化学组成磨粒的混合物。其他情况下，在不同磨粒层中提供不同的磨粒，即在涂层研磨材料中采用两个接合涂层和两个磨粒涂层。其他涂层研磨材料可有一接合层和两磨粒层，底部是较细级别的磨粒，顶部是较粗的磨粒。揭示这类涂层研磨材料的现有技术例子是美国专利第3，007，560;3，606，764;3，891，408;3，893，826;4，314，827;4，409，791;4，741，743;4，744，802和4，800，685号。然后，一般来说，只要用各种不同化学组成磨粒的组合以降低涂层研磨材料的成本，就会在某个次要性能上有所牺牲。当与工件接触的磨粒层（即双磨粒层中的顶层）是不同化学组成磨粒的组合时就更是如此。

授予诺顿公司的美国专利第3，007，560号揭示了用于涂层研磨材料的磨粒聚集物，它是由泡沫玻璃基体和包于其孔隙中的磨料颗粒构成的。所述磨粒可以是共熔氧化铝-氧化锆、碳化硅或氧化铝磨粒或它们的混合物。然而，一般来说，由该聚集物制成的研磨材料在研磨光洁度上不如那些仅单用该聚集体中任一种磨粒藉常规UP静电法涂覆的涂层研磨材料。

美国专利第3，606，764号揭示了将烧结硬金属碳化物（例如碳化钨）颗粒和硬质材料（例如氧化铝、氧化铝-氧化锆、天然金刚砂、碳化硅或金刚砂颗粒结合在支持件上构成的涂层研磨材料。该涂层研磨材料较佳是呈盘或环带状，特别用于研磨金属基体尤其是钢。

转让给诺顿公司（即本申请的受让人）的美国专利第3，891，408号和第3，893，826号均揭示了施加双磨粒涂层的涂层研磨材料。在美国专利第3，891，408号中揭示了一种涂层研磨材料，其第一接合 涂层中具有高纯度氧化铝磨粒的第一层，其第二接合涂层中具有氧化铝-氧化锆磨粒的顶层。当对A-6钢和304不锈钢进行评价试验时，发现该磨料产品的工作性能优于两层中仅含常规高纯度氧化铝磨粒的双涂层磨料产品。然而，该专利并没有揭示在涂层研磨材料中采用氧化铝-氧化锆磨粒与其他磨粒的混合物。

在美国专利第3，893，826号中，专利权人揭示了将一种磨粒与其他不同形状和/或组成的磨粒混合的一个原因是为了强化该磨粒上的力。因此，为了强化在具有较低氧化锆含量的某些氧化铝-氧化锆磨粒上的力，专利权人揭示了一种双涂层产品，如在美国专利3，891，408中所揭示的。在对1018高碳钢和304不锈钢进行评价试验中，再一次发现含有一层熔融氧化铝磨粒和一层氧化铝-氧化锆磨粒的双涂层磨料产品的工作性能优于仅含熔融氧化铝磨粒的涂层研磨材料。然而，也没有揭示在单一层采用氧化铝-氧化锆磨粒与其他磨粒的混合物。

早些时候公开的并于1982年2月9日授权的美国专利第4，314，827号，在其实例44-46中揭示了对1018冷轧钢曾进行研磨评估的用于无纺磨料产品的不同比例的溶胶凝胶法氧化铝和熔融氧化铝的磨粒混合物。这些评价试验结果表明，与含熔融氧化铝为50%或更多的磨料产品相比，其磨粒全是或大多是非熔融法氧化铝的无纺磨料产吕在开始2分钟运转中磨削去除的材料多得多，并在全部8分钟运转中磨削去除了更多的材料。专利权人指出，在相同的试验中，熔融氧化铝的工作性能优于氧化铝-氧化锆。在该专利中没有揭示，据认为也没有建议溶胶法氧化铝颗粒和氧化铝-氧化锆颗粒的混合物。

美国专利第4，409，791号揭示了一种涂层研磨材料，它包括涂覆于柔韧支持件（背衬）上磨粒在一种粘合剂中的分散体。合适的磨料是燧石、石榴石、氧化铝或氧化铝与氧化锆的混合物、碳化硅、金刚 石等。由该浆涂覆磨料混合物获得的性能据认为不如由常规UP涂覆磨粒获得的性能那么理想，这至少部分是由于采用较细粒度的磨粒所致。

转让给诺顿公司的1988年5月3日授权的美国专利第4，741，743号揭示了用于磨轮制造的溶胶凝胶法氧化铝磨粒和共熔氧化铝-氧化锆磨粒的混合物。如该专利所述，在中等研磨速度下，由该混合物制得的磨轮的工作性能比只单用该混合物中任一种研磨材料的磨轮好。不仅该磨粒混合物在粘合磨轮中的应用多少有点限制，而且磨粒在粘合磨料应用中的工作性能历来不能预测当该磨粒用于涂层研磨材料中时可达到工作性能的什么方式。

在1988年5月17日授权的针对可用于涂层研磨材料制造中的晶种溶胶凝胶法氧化铝的美国专利第4，744，802号中，揭示了该磨粒最好与较便宜的常规磨粒诸如熔融氧化铝、碳化硅、石榴石和熔融氧化铝-氧化锆混合。然而，即使该专利权人揭示了许多例子，但人们认为该专利并没有揭示磨粒混合物的一个例子，更不用说包括其所揭示的溶胶凝胶氧化铝和另一种磨料的例子了。

1989年1月31日授权的美国专利第4，800，685号揭示了溶胶凝胶氧化铝磨粒与常规熔融氧化铝磨粒和碳化硅颗粒的混合物。根据专利权人，发现与只含其单独任一种磨粒的磨轮相比，这种组合在铸铁研磨（一种非常特别的应用）用的磨轮中能提供优越的工作性能。然而，该专利没有建议该磨料混合物可适用于涂层研磨材料，或该混合物在任何应用中对涂层研磨材料能改进其工作性能。该专利也没有揭示溶胶凝胶氧化铝磨粒和氧化铝-氧化锆颗粒的混合物。事实上，看来该专利中所揭示的磨料混合物是试图在该种应用中更经济地代替仅含氧化铝-氧化锆颗粒的磨轮。

诺顿公司，即本申请的受让人，已在这之前将其磨料层含有溶瘌氧化铝颗粒和共熔氧化铝-氧化锆颗粒混合物的涂层磨料产品推 出上市。一般来说，该磨料产品不能提供象100%氧化铝-氧化锆颗粒涂层磨料产品那样好的切割性能。然而，与仅含熔融氧化铝颗粒的产品相比，由该磨料混合物确实获得了工作性能改良的涂层研磨材料。最近，市场上出现了一种呈常规纤维磨盘形式的涂层研磨材料，其磨料层中含有溶胶凝胶法氧化铝磨粒和熔融氧化铝磨粒的混合物。发现至少在某些情况下，例如在对平焊缝进行研磨时，这些涂层磨盘的工作性能比其中只有氧化铝-氧化锆磨粒的涂层研磨材料好。这些磨盘中的磨粒混合物看来至少含有50%（重量）的溶胶凝胶法氧化铝磨粒。在美国专利第4，734，104和4，737，163号中揭示了该溶胶凝胶法氧化铝混合物涂层磨料产品。如这些专利中所述，是将一种优越的磨粒（例如氧化锆-氧化铝或溶胶凝胶法氧化铝中的一种）用来取代全部粒级均为劣等磨粒诸如熔融氧化铝中的粗粒级，或至少取代粗粒级的一部分。如所述最后一个专利中更详细揭示的那样，如果需要，可将磨粒施加为两层，粗颗粒第二层即顶层施加粗颗粒。

在欧洲专利申请第0，318，168号（于1989年5月31日公布）中，揭示了呈小片状的溶胶凝胶法氧化铝磨粒。根据其揭示，可将这些小片状磨粒与其他材料的磨料混合，磨料产品中磨粒的至少15%（重量）、较佳为50至100%（重量）是小片状磨粒。

本发明一个目的是提供一种采用溶胶凝胶法氧化铝和氧化铝-氧化锆磨粒新颖组合的涂层研磨材料。

其另一个目的是提供一种其单一层中含有溶胶凝胶法氧化铝磨粒和氧化铝-氧化锆磨粒的涂层研磨材料。

其又一个目的是提供一种含有溶胶法氧化铝和氧化铝-氧化锆磨粒混合物，并在某些研磨应用中工作性能较优越（与只有该混合物中任一种磨料矿物质的相比）的涂层研磨材料。

本发明的再一个目的是提供一种含有溶胶凝胶法氧化铝磨粒和 氧化铝-氧化锆磨粒混合物，结合具有各单种磨粒最佳特性的涂层研磨材料。

尽管可能已经现迄今为止已知的并为我们知道的磨粒的所有各种组合，特别是上述的现有技术的专利所揭示的那些组合，在某些应用中能提供优越的工作性能或其他所希望的特性，但可以认为，它们中没有一个能预见到本申请中所揭示的已发现的发明。其原因之一是溶胶凝胶法氧化铝和氧化铝-氧化锆研磨材料以及由这两种材料获得的磨粒具有显然不同的微观结构和材料性能，因此使得磨粒以不同方式断裂或破裂。另外，在任何具体应用中，磨料中的应力和所引起的断裂类型受特定涂层磨料产品中磨料产品中磨粒上施加的压力和颗粒粒度分布（级别）的影响。因此，可以认为根据在任何特定应用中过去的工作性能，不可能预测该两种磨粒任何混合物的未来工作性能。特别是不能预测涂层研磨材料中某些非熔融的溶胶凝胶法铝土质磨粒和熔融氧化铝-氧化锆磨粒的混合物在下面将更详细揭示的某些应用中是否会提供比只含该混合物中任一种磨粒的涂层研磨材料更为优良的工作性能。

很有利的是，根据本发明，可以提供包含溶胶凝胶法（非熔融）氧化铝磨粒和熔融氧化铝-氧化锆磨粒混合物的涂层研磨材料，在迄今为止试验过的所有应用中（除因科镍合金风的研磨之外），其工作性能与纯粹溶胶凝胶法研磨材料基本相同或比之更好。

另一个优点是根据本发明，可提供一种涂层研磨材料，其工作性能出人意料地比只含氧化铝-氧化锆磨粒的涂层研磨材料好，但对于不锈钢除外，在不锈钢应用中，其工作性能基本上与只含氧化铝-氧化锆磨粒的涂层研磨材料相同。

这导致产生了另一个优点，即本发明提供了一种涂层研磨材料，尽管它并非在所有应用中具有最佳工作性能，然而它具有这样的经济优点，即减少了为满足相当大的应用和操作条件的范围所需 的涂层研磨材料的种类变化，因此，某种程度上减少了制造多种多样涂层研磨材料的需要，从而减少了制造者和使用者手头上必须保留的存货，进一步使全部成本降低。

本发明涂层研磨材料的制造，大部分可用该领域技术人员众所周知的常规工艺完成。所述支持件（背衬）可以是现在通常用于涂层磨料制造的任何材料。这些材料包括纸、薄膜、编织布和缝编织物，诸如人造纤维、斜纹布和劳动布，尼龙和聚酯、织物组合物，例如尼龙填料和聚酯经纱、硬化纸板、尺寸稳定聚酯薄膜等，根据通常的工艺用各种材料对其上胶或其它的预处理，某种程度上视涂层研磨材料的最终用途而异。用于支持件的胶料和填充材料（如果采用的话）可以是淀粉、动物胶，或另外需要的话，可以是树脂材料诸如酚醛。

第一结合层即接结合涂层可以是常规树脂材料的任何一种，例如酚醛、环氧树脂等。如果需要，在施加磨粒层之后，可施加一砂胶料涂层。象通常提供的那样，该涂层的组成可与接合涂层的组成相同或不同。例如，当所述砂胶料涂层是一种热硬化树脂材料时，根据需要，所述接合涂层既可以是动物胶，也可以是树脂材料。常用的树脂接合层粘合剂的一个例子是含有48%苯酚-甲醛树脂固体和52%碳酸钙填料的水溶液。

在支持件上涂覆了接合涂层后，然后根据通常的工艺，将磨料施加于湿的接合涂层上，在大多数情况下，用向上静电推进法或喷射法较佳。然而，在某些情况下，象通常那样，可用重力涂覆法来施加所述磨粒。接合涂层如果是苯酚-甲醛树脂组成物的话，可按通常方式在例如从约175°F至约235°F的温度下（取决于配方）将其部分地固化90分钟。然后接着施加胶料涂层即一粘合剂层，它的一个例子是常规的更稀的含有48%苯酚-甲醛树脂和52%碳酸钙填料的水溶液。然后进一步将涂层研磨材料按常规方式加热以干燥胶料涂层，并通过在约165°至约235°F加热约135分钟将该层部分固化。然后 将涂层研磨材料从炉子轨道上取下并卷成常规尺寸的薄板卷，此后通常在约225-235°F温度下再令其进一步固化6-8小时，从而将接合涂层和胶料涂层中的树脂固化至所需硬度。接着，根据支持件的情况，可将涂层研磨材料在控制的湿度（例如50%相对湿度）和70°F下保持过夜。然后根据该技术人员熟知的常规工艺，可将该涂层研磨材料进一步加工成各种研磨产品，例如磨盘、磨带等。

如果需要，也可在任何或全部抛光布层或粘合剂层上采用用于涂层研磨材料制造中的常规可辐射（电子束或紫外线）固化的一些树脂以及它们的组成物。

一般来说，在支持件上涂覆粘合涂层是根据涂层磨料制造领域众所周知的常规涂覆工艺进行的，例如滚涂、照相凹板涂覆等。

接合涂层和胶料涂层的干燥和固化可在常规的悬挂式干燥炉或其他装置中完成，这对于涂层研磨材料制造领域的技术人员来说是众所周知的。如以前揭示的那样，该炉中的温度和停留时间将取决于所涉及的具体组成物以及按需要根据众知的工艺可提供的条件。

较佳的是，本发明涂层研磨材料中的磨料是溶胶凝胶法氧化铝磨粒与氧化铝-氧化锆磨粒的混合物。试验结果表明，当使用的磨料混合物中比例（体积）为含溶胶凝胶法氧化铝至少约15%、较佳为约25%至75%时，可使本发明涂层研磨材料的工作性能获得改善或基本上等价。然而，严格地说，为了达到最佳工作性能，溶胶凝胶法氧化铝颗粒和氧化铝-氧化锆颗粒的磨料混合物应是每种磨粒均为约50%（体积）的混合物。然而，在有些研磨应用中，可提供两个磨粒层，而不是单一磨粒层。这种双磨粒层可根据迄今为止所知的常规制造工艺来提供。如果需要，可根据通常的方式，在一分层涂层中提供所述双磨粒层即两个磨粒层和一个接合涂层，或在其他情况下为双接合涂层和双磨粒层。在该涂层研磨材料中，第一磨粒层可是任何迄今使用的研磨材料，例如氧化铝、碳化硅、石榴石等。根据本 发明，磨粒顶层（即接触工件的那层）将总是氧化铝-氧化锆颗粒和溶胶凝胶氧化铝颗粒的混合物，其体积比已如上所述。当使用两个接合涂层时，这两个接合涂层的组成根据需要可以是相同的或不同的。

较佳的溶胶凝胶法氧化铝颗粒是晶种溶胶凝胶法氧化铝颗粒，诸如上述美国专利4，623，364中所揭示的。该专利揭示的研磨材料包括亚微米尺寸的α-氧化铝晶体，并具有大于16GPa的硬度，其密度大于90%理论值。然而，也可以发现任何上述专利中揭示的其他溶胶凝胶法氧化铝颗粒材料对某些应用是满意的。

在前面所述的美国专利3，181，939中概括地揭示了适用于本发明的氧化铝-氧化锆研磨材料。美国专利3，891，408所述的具有接近氧化铝-氧化锆低共熔组成（约35至约50%，较佳为约38至43%（重量）氧化锆）的磨料是优选的。较佳的研磨材料的数均初晶尺寸小于约50微米，其共晶聚集物尺寸为小于约65微米。在研磨材料组成物中的氧化锆较佳为至少约25%，更好为约45%，是呈四方晶型的，然而，也可以发现其他此类共熔融研磨材料对某些应用是适用的。

所述磨粒可具有任何通常用于制造涂层研磨材料的颗粒粒度，例如16至400。然而，象通常那样，对于某些研磨应用来说，将发现某些粒度的工作性能比其他更有效。磨粒的形状最好是涂层磨料领域中技术人员熟知的弱形颗粒。这种形状是用常规破碎手段获得的。

下列一些例子是用于阐述本发明的某些具体实施例，然而，这些例子只是为了更好阐述这里揭示的本发明，而不应理解为对本发明的必要限定（除非指出是关键的）。

例1

含溶胶-凝胶法氧化铝颗粒和熔融

氧化铝-氧化锆磨粒混合物涂层研磨材料的制造

在这个例子中，通过各种研磨应用对下面表1所示的溶胶凝胶（S.G.）法氧化铝颗粒和氧化铝-氧化锆（A.Z.）磨粒的各种磨粒混合物的涂层研磨纤维盘进行了评价试验。根据前面提到的转让给诺顿公司（即本申请的受让人）的美国专利第4，623，364号中的揭示获得溶液凝胶法氧化铝（在该情况下为“下了晶种的溶胶凝胶”）磨粒。该专利的全部揭示通过参考结合入本文中。根据常规工艺将研磨材料进行对比辊破碎，然后按常规方式过筛以提供50粒度的磨粒。所述研磨材料是下列标准组成：

组份    重量百分数

Al₂O₃99.58

SiO₂0.12

Fe₂O₃0.03

TiO₂0.20

CaO    0.04

MgO    0.02

Na₂O 0.01

其他性质：密度3.89（水比重计），3.88（氦比重计）;硬度20.7（GPa），平均晶粒度0.17微米。

根据前面揭到的美国专利3，891，408中的揭示获得氧化铝氧化锆研磨材料。用于此例子的磨粒是通过结合许多试样组获得的，它具有下列近似组成，共晶聚集物尺寸小于约65微米，数均初级晶尺寸小于约50微米。

组份    重量百分数

Na₂O 0.01

SiO₂0.29

ZrO₂39.15

TiO₂0.31

Fe₂O₃0.05

CaO    0.10

MgO    0.01

Hf    0.7

Al₂O₃59.1

根据常规工艺将制得的大块研磨材料冲击破碎。此后，将这些块以常规方式对辊破碎并过筛获得50粒度的磨粒。

过筛后，各磨粒组成物的磨粒符合ANSI（美国国家标准所，Inc）公报B74.18-1984中）基于标准砂为50粒度的磨粒提出的标准，即偏粗级分+2+10，偏细级分+11-17。

根据常规工艺在一常规颗粒混合机中将溶胶凝胶阖氧化铝磨粒和氧化铝-氧化锆磨粒混合在一起，以获得如下面表1所述的所需体积百分数的颗粒混合物。

采用常规步骤，用常规0.030″硬化纸板背衬和常规碳酸钙填充的可熔酚醛树脂接合涂层（48%树脂，52%填料）和胶料涂层（48%树脂，52%填料）制造了一些涂层磨盘（7″直径，7/8″中心孔）。在施加磨粒后，趁其仍湿时在225°F加热5小时对所述接合涂层进行部分硬化处理，接着施加胶料涂层，再在225°F下最后干燥和固化10小时。涂层的施加是采用常规滚涂工艺，与在一强制空气炉中的固化处理连成一单道过程。树脂涂层重量（以湿态为基）如下：接合涂层，15磅/令;胶料涂层，23磅/令。一令（“Rm”）相当于330平方英尺涂覆面积。根据常规工艺采用向上静电喷射法涂覆磨粒。对所试验的各种研磨盘施加的磨粒重量如下面表1所示：

表1

纤维盘磨粒混合物重量

盘号    磨粒或其混合物的类型    磨粒重量（磅/令）

1    100%A.Z.    44

2 75%A.Z.-25%S.G.¹44

3    50%A.Z.-50%S.G.    44

4    25%A.Z.-75%S.G.    44

5    100%.G.    44

1.本发明混合物中各磨粒材料的百分数是体积百分数。S.G.颗粒密度为3.95克/立方厘米，A.Z.颗粒密度为4.60克/立方厘米，因此，S.G.颗粒10^＃试样的体积等于氧化铝-氧化锆颗粒（10^＃×1.16）即11.6^＃试样的体积。

经固化的盘在50%相对湿度70°F下调湿后，采用橡胶辊挠曲试验机（橡胶辊疲劳试验机）以常规方式进行0°-90°的挠曲，使硬树脂结合层（接合涂层和胶料涂层）有控制地产生裂纹，然后根据常规工艺将其卷曲校正，此后对它们进行通常用于评价纤维盘的低压（112DsⅢ）和高压（112Dsh，112Dss）磨钝试验。通常，该试验是将磨盘装在中等硬度的橡胶支承垫上，再将支承垫安装在装于底座上水平放置的由电动机驱动的主轴组件上，底座藉无摩擦轴承可自由地沿水平方向朝向和离开液压驱动的试样握持器而移动。该试样握持器可调整至能安放一个1″×1″×9    3/4″-1/8″角钢或一块3″×3/16″×15″长的钢板试样，并在与主轴成90°的方向上水平地在预定的距离上以预定的速度来回运动。此套试验装置装于基本上是钢的平板支架上，从而在操作中保证稳定性。在装有主轴（因而装有磨盘）的可动底座上有一滑轮系统，在此滑轮系统上挂一静负载来施加研磨力。所述磨盘与试样握持器的平行方向成10°角度。

表2

溶胶凝胶法氧化铝磨粒和熔融氧化铝-

氧化锆磨粒混合物磨削性能的相对结果

磨粒混合物组成    112DsH    112Dss    112DsⅢ

1020钢    304不锈钢    3″板

100%A.Z.（对照）    100%    100%    100%

75%A.Z.-25%S.G.    124    98    139

50%A.Z.-50%S.G.    192    102    159

25%A.Z.-75%S.G.    156    98    155

100%S.G.    167    98    166

试验112DsH-该试验是一高压（10磅力-50粒度磨粒，12磅力-36粒度磨粒，以这个力通过支承垫使磨盘保持与试样工件顶住磨钝试验，此试验中采用纤维磨盘来研磨1″×1″×9    3/4″-1018或1020碳钢结构钢（1/8″）的1/18″厚的边。首先对角形工件称量，然后装在以8    1/2行程/分的速度和7英尺/分的线速度在9    3/4英寸距离上往复运动的试样握持器上。所述磨盘以3450转/分的速度转动。一个研磨循环为时两分钟，其后取出角钢试样，记录重量损失。按需要装上新的角钢试样，重复该循环，直到达到10克/分的最小研磨速度。这就结束了对该磨盘的试验记录的数据是每两分钟循环磨削去除的克数，到试验结束循环的次数以及由所试验的磨盘去除的总磨削量克数。试验结果通常是以对照盘的百分数来表示的，记录在上面的表1。

试验112Dss-该试验与试验112DsH相同，不同之处在于所用的试样是304不锈钢角钢，而不是碳钢角钢，研磨循环的时间是1分钟，试验结束是10次循环，而且，研磨力是7磅（50粒度的磨盘）和10磅（36粒度的磨盘）。

试验112DsⅢ-该试验与试验112DsH相似，不同之处在于它是一低压试验（10磅力），试样是3″×3/16″×15″长的冷拨碳钢板， 安装中调整到使纤维磨盘是对钢板的3″厚的表面进行研磨，所述研磨循环为1分钟，当磨削速率达到小于3克/分时试验结束。

上面表2中的数据令人惊讶地表明，对于1020碳钢（高压试验）来说，含50%（体积）氧化铝-氧化锆磨粒和50%（体积）溶胶凝胶法氧化铝磨粒的磨粒混合物的磨削量是仅含有氧化铝-氧化锆磨粒的对盘盘的磨削量的192%与对照盘相比较的磨削量看来随着磨料混合物中溶胶凝胶颗粒量的不断增加而增加，直到50%含量，在这之后磨前量则降低。然而，50/50含量的总磨削量显著地大于采用只含有该混合物中任一种磨粒的盘的磨削量。而且，即使所述磨料混合物只包含75%溶胶凝胶颗粒，其磨削性能仍与磨盘为100%溶胶凝胶磨粒的情况差不多。

在低压试验（112DsⅢ）情况下，不管磨盘中是磨粒混合物50/50，还是100%溶胶凝胶磨粒，可见其磨削结果都差不多。然而，当所述磨料混合物仅是约25%（体积）溶胶凝胶磨粒时，总磨削量显著大于当纤维磨盘仅是氧化铝-氧化锆磨粒的情况。

然而，不管纤维磨盘采用磨粒混合物，还是仅含氧化锆-氧化铝磨粒，它们对不锈钢的切割性能（112Dss高压试验）都差不多。然而，通常来说，在研磨不锈钢时与氧化铝-氧化锆磨粒的情况相比，发现仅含溶胶凝胶氧化铝磨粒的涂层研磨材料的工作性能差一些。

因此，根据上述结果，采用替换的溶胶凝胶氧化铝磨粒与氧化铝-氧化锆磨粒的磨料混合物来制造涂层研磨材料，该材料就可用于过去溶胶凝胶氧化铝颗粒已表现出非常好的工作性能的某些应用场合，并具有与后者至少相当的工作性能，在某些情况，其工作性能甚至更好。这样，在某些情况下，含有该优越溶胶凝胶法磨料的涂层研磨产品的总制造成本可显著降低，而工作性能不会有任何实质性牺牲。而且，在过去发现氧化铝-氧化锆磨粒非常有效的涂层磨料应用中，采用该磨粒与溶胶凝胶法氧化铝磨粒的磨料混合物会提 供更好的工作性能。由于目前只含有溶胶凝胶法磨粒的涂层研磨材料比只包含氧化铝-氧化锆磨粒的材料更贵，涂层磨料制造中两种磨粒的混合会使所述涂层研磨材料的成本/性能有效性超过那些单只包含溶胶凝胶法氧化铝或只含氧化铝-氧化锆的材料。

例2

具有粒度为36的溶胶凝胶法氧化铝和

氧化铝-氧化锆磨粒的涂层研磨材料

象例1那样制造了纤维磨盘，不同之处在于所用磨粒的粒度为36，所述分级符合前述的粒度为36的标准。即偏粗级分+2+10，偏细级分+14-14，如同前述进行的试验结果如下表3所示。

表3

溶胶凝胶法氧化铝磨粒与熔融氧化铝-氧化锆

和熔融氧化铝混合物磨削性能的相对结果

磨粒混合物组成    112DsH    112Dss    112DsⅢ

1020钢    304不锈钢    3″板

100%A.Z.（对照）    100%    100%    100%

50%A.Z.-50%S.G.    125    94    220

100%S.G.    116    94    417

象例1中那样，表3中数据表明，与仅仅含混合磨粒中任一种磨粒的涂层磨盘相比，溶胶凝胶法氧化铝磨粒和氧化铝-氧化锆磨粒的50/50混合物（体积）在对1020钢的总磨削量方面工作性能有所改善。

当采用50/50混合物时，其磨削不锈钢的工作性能基本上与仅采用混合磨粒中的任一种所得结果差不多。然而，令人惊奇的是，采用粒度36的磨粒的低压试验并没有证实例1中的结果。本例子中的试验数据表明，与氧化铝-氧化锆颗粒相比，象前面那样，采用50/50混合物能使工作性能改善。然而，它也表明，这种混合物的工作性能比只有溶胶凝胶法磨粒的纤维磨盘差得多。然而，即使这样， 由于此涂层研磨材料具有优良的性能，在某些应用中，它能作为迄今采用的氧化铝-氧化锆研磨材料的经济的替代物。

例3

具有双磨粒层且顶层是磨粒混合

物的涂层研磨材料的评价试验

在这个例子中，做评价试验的涂层研磨材料是所谓的“分层涂层”，即研磨材料有两个磨粒层，涂层研磨材料所要求的磨粒按重量被分成两层，第一层即底层为40%，顶层为60%，这种涂层研磨材料只有一个接合涂层。

溶胶凝胶法氧化铝磨粒具有前述例1规定的典型组成和特性。氧化铝-氧化锆磨粒的组成是大约42-43%的氧化锆和相应较少量的氧化铝（与例1的组成相比）其余添加物的量则基本上相同。该磨粒组成物中氧化锆呈四方晶型的大于约55%。对粒度为36和50的磨粒混合物在下述试验中进行了评价，性能结果如表3所示，并与按此特定粒度用类似方法制造的只含溶胶凝胶法氧化铝磨粒的涂层研磨材料相对比。对各个情况的磨粒进行了分级以符合前面揭示的标准。磨粒的混合是在一常规颗粒混合机中完成的。

这各种情况下的涂层研磨材料的制法是：先采用通常的工艺在常规编织聚酯支持件上涂覆常规的碳酸钙填充的可熔酚醛树脂接合组成物，每令砂纸接合层上（“令”的意义如前面例1所述）添加重量约19磅（28磅-36粒度）的此接合组成物具有约75%固体，此固体含约43.6%苯酚-甲醛树脂、约54.5%碳酸钙、约1.6%水和约0.25%硅烷。此后，趁接合涂层仍潮湿时，根据通常的工艺，用重力涂覆法将第一层常规高纯度棕色氧化铝（粒度36-23.8磅/令，粒度50-16.2磅/令）施加于各个接合涂层背衬上。接着根据常规的向上静电推进工艺，以下列近似量（粒度36-35.7磅/令;粒度50-24.4磅/令）施加溶胶凝胶法氧化铝磨粒和氧化铝-氧化锆磨粒 的50/50（体积）混合物。在对照研磨材料中，只有溶胶凝胶法氧化铝磨粒是作为上层施加的（粒度36-35.7磅/令;粒度50-24.4磅/令）。

然后，在各种情况下均根据常规工艺在约175°F约235°F的温度将各个涂层材料常规加热约90分钟令其干燥并部分地固化。接着，以每令砂纸接合层约28-36磅的数量（根据操作者的视觉经验）将常规冰晶石填充的可熔酚醛树脂胶料涂层组成物施加于磨粒层上，该组成物包括约75%固体，在粒度为50的磨粒情况下约39.1%苯酚甲醛树脂、48.4%的冰晶石、10.2%水、2.0%颜料以及0.25%有机硅烷。在粒度为36的研磨材料情况下，胶料涂层组成物包括（以固体为基准）约40.5%苯酚甲醛树脂、50.1%冰晶石填料、7%、2.0%颜料和0.25%有机硅烷粘合促进剂。然后根据常规工艺，将各个情况下的涂层研磨材料在约165-235°F的温度下放置135分钟，使胶料涂层干燥并部分地固化。此后，将涂层研磨材料取下成卷，并以常规方式将其在235°F下加热12小时使其进一步固化。

因此，本发明提供了这样的涂层研磨材料，其中常规氧化铝磨粒的第一研磨层约是总磨粒重量的50%，第二即顶部的磨粒层是由50%（体积）溶胶凝胶法氧化铝磨粒和50%（体积）常规氧化铝-氧化锆磨粒的混合物。结果，此涂层研磨材料中的磨粒矿物只包含约30%（体积）更贵的溶胶凝胶磨粒。

然后根据通常的工艺，将上述制造的研磨材料成形为研磨带。然后进行如下面表4所示的试验对研磨带进行评价试验，结果也列在此表中。

表4

具有双磨粒层（顶层是溶胶凝胶法氧化铝和

氧化铝-氧化锆磨粒的混合物）的涂层

研磨材料研磨带磨削性能的相对结果

带的类型    高压力压入式试验    常规的试验

SETCO    SETCO    122Ds    102Ds    102Dss

200磅/平方英寸  200磅/平方英寸  80磅/平方英寸  4140钢    304不锈钢

1″见方    1″见方    1″见方

4142钢    304不锈钢    1018钢

粒度50的磨粒

对照    100%    100%    100%    100%    100%

50/50混合物

81    112    121    95    130

粒度36的磨粒

对照    100%    100%    100%    100%    100%

50/50混合物    108    134    74    112    175

1.对照带-溶胶凝胶法氧化铝磨粒

2.50/50溶胶凝胶氧化铝和氧化铝-氧化锆高压力切入式研磨试验

SETCO/KLK-此试验的装置由SETCO    Floor    Lathe    Belt研磨机构成，配有一个由50马力电驱动的直径24″的尿烷包覆的90肖氏A硬度计支承轮。轮速为906rpm，使得带速为5700表面英尺/分。带的尺寸为3″×132″。

将一特殊夹具直接装在支承轮前供支承金属试验杆并可将试验杆与涂层研磨带接触之用。将一个1″×1″×36″金属试验杆装入夹具中，使得当空气压力加于4″孔径的空气压力气缸上时该试验杆的1″见方的表面被插入涂层研磨带的表面上。通过自动计时器施加3秒钟压力，将试验杆抽离，为时30秒（冷却期），然后再施加压力。试验一般进行30次这样的循环，或直到最小切削速度为10克/分为止。对于此种试验，在试验杆上施加200磅力。如表4所示，试验杆是4141钢和304不锈钢。

这个装置还配以仪表以便读出和记录磨削去除的金属量和在研磨循环中消耗的马力数。

在所进行的试验中，先采用上述步骤对100%溶胶凝胶法磨粒的涂层研磨带进行了试验，并用作对照。然后采用50/50混合物的涂层研磨带进行同样试验。表中报道的结果是以“对照的百分数”表示的。

122Ds切入式研磨试验-这个试验是用来评价涂层研磨带用上述切入式试验装置在中等压力范围下的研磨性能，试验步骤基本上与上述的相同。

所用装置由SETCO    Floor    Lathe    Belt研磨机构成，研磨机经改进以采用2    1/2″×60″长的环形研磨带。

一个直径为7″的用固态尿烷包覆的90肖氏A硬度计支承轮是由一可变速的25马力电动机驱动的，带速为5000表面英尺/分。

将一特殊夹具直接安装在支承轮前，以支承金属试验杆并可将试验杆的1″见方的表面置于涂层研磨带上，研磨带则装在研磨带领域技术人员已知的切入式研磨试验装置中。压力是由一套机械负重装置产生的，压力能自动地施加和卸去，以获得包括3秒研磨和30秒冷却的一个循环。记录各个研磨循环中磨削去除的金属量，进行的循环次数以及去除的总金属量。当达到一次循环的磨削速率为10克/分时，试验结束。

在这个评价试验中，施加80磅的负重，试验杆为1018钢。报道的结果以“对照的百分数”表示。

常规的研磨带试验：

试验程序120D是对在常规的研磨试验装置中对涂层研磨带进行磨钝/寿命性能的评价试验。

其设备是由安装在无摩擦轴承上的底座组件构成的，当所接的机械负重的力施加时，可自由地沿水平方向移动。在该底座上装有 一电动机驱动的垂直主轴，该主轴支承着一个直径为7″的、做成3/8″齿刃和凹槽锯齿状的、由尿烷包覆的55肖氏A硬度计支承轮和卷带装置，卷带装置构造成能卷纳与地面平行水平安装的2    1/2″×60″涂层研磨带。

在这个装置中，以常规的来回研磨方法对1/2″×3″×9    3/4″长的金属试验棒的1/2″厚的表面研磨一段控制的时间。令试验棒冷却，记录此研磨循环中磨削去除的金属量，然后重复研磨循环。

将金属试验棒安装在一个可往复运动的夹具上，使得1/2″厚的表面面向研磨带。此夹具以每分钟7英尺的速率往复运动，带速为5000表面英尺/分。

在此试验中，研磨时间为2分钟，试验金属为4140钢和304不锈钢。施加于带上的压力为15^＊（对粒度为36的带）和12^＊（对粒度为50的带）。将金属试验棒装于可往复运动夹具上，将对照带装于水平的底座上，开始试验。机械负重就将水平底座推出，使涂层研磨带与试样棒的1/2″表面接触，同时试验棒水平前后移动2分钟，然后计时器自动地将研磨带撤离试验棒。取下试验棒，记录其重量损失。重复研磨循环直到达到一次循环的磨削率为10克/分（或在不锈钢情况下，完成了10个2分钟循环之后）。

然后采用相同的步骤对试验带进行试验，记录磨削结果，以“对照的百分数”表示。

如上面的表中的性能数据所示，在某些情况下，其中一层是50/50（体积）溶胶凝胶法氧化铝磨粒和氧化铝-氧化锆磨粒混合物的双磨料层的涂层研磨材料的工作性能比100%溶胶凝胶法磨粒带明显地好些。例如，对1018钢的试验，在磨粒粒度为50的情况，与全部是溶胶凝胶法磨粒的研磨带相比，其磨削性能明显改善。并且，对不锈钢的结果表明了改善很显著，特别是当粒度为36时。

因此，如本专利申请中的各种上述例子所示，在某些应用中， 溶胶凝胶法氧化铝磨粒与氧化铝-氧化锆磨粒的混合产生了比分别涂覆任一种磨粒的情况明显优越的涂层研磨材料。而且，在某些其他应用中，混合的磨粒所产生的涂层研磨材料结合具有各单独物质的最佳特性。

由于这些试验，可以提供一种具有溶胶凝胶法氧化铝磨粒和氧化铝-氧化锆磨粒混合物的涂层研磨材料，可适用于许多过去只具有溶胶凝胶化氧化铝磨粒的涂层研磨材料中才会发现有最佳工作性能的应用，涂层研磨材料中磨粒的成本还有了显著降低（与类似的只有溶胶凝胶氧化铝磨粒的这类材料相比）。

作了上述详细描述仅仅只是为了清楚地阐述本发明，但必须理解，不能因此对其作不必要的限制。本发明并不限于所示和所描述的细节，因为在不背离下列权利要求所述的本发明精神和范围的前提下，对本领域的熟练人员来说，还存在明显的改进和变化的余地。

Claims (12)

1、一种涂层研磨材料，具有支持件，至少一层接合涂层，由所述接合涂层粘附到所述支持件上的至少一层磨粒和在所述至少一层磨粒层上面的胶料涂层，其特征在于：所述的至少一层磨粒层含有至少约15%至约75%(体积)溶胶凝胶法氧化铝磨粒与不超过约85%至约25%(体积)氧化铝-氧化锆磨粒的混合物。

2、如权利要求1所述的涂层研磨材料，其特征在于所述溶胶法凝胶氧化铝磨粒是一种晶种溶胶凝胶组合物。

3、如权利要求1所述的涂层研磨材料，其特征在于所述氧化铝-氧化锆磨粒的组成含约35%至约50%氧化锆，接近共晶组成物。

4、如权利要求1所述的涂层研磨材料，其特征在于所述涂覆的磨粒层是个磨粒的单层。

5、如权利要求4所述的涂层研磨材料，其特征在于所述磨粒层是溶胶凝胶法氧化铝磨粒和氧化铝-氧化锆磨粒的混合物，并且混合物中的磨粒体积比为约50/50。

6、如权利要求5所述的涂层研磨材料，其特征在于所述溶胶凝胶氧化铝磨粒是晶种溶胶凝胶组成物。

7、如权利要求6所述的涂层研磨材料，其特征在于所述混合物中磨粒的粒度为50。

8、如权利要求1所述的涂层研磨材料，其特征在于所述至少一层磨粒层包括第一磨粒层和位于所述第一层上面的第二磨粒层，两磨粒层都藉所述接合涂层附着在所述支持件上，并且所述胶料涂层位于所述第二磨粒层的上面，所述第二磨粒层包括溶胶凝胶法氧化铝磨粒和氧化铝-氧化锆磨粒的混合物，其中溶胶凝胶磨粒的量为至少15%（体积）。

9、如权利要求8所述的涂层研磨材料，其特征在于所述第一磨粒层是熔融氧化铝。

10、如权利要求9所述的涂层研磨材料，其特征在于所述每层中的磨粒的粒度为36。

11、一种特别适用于高压研磨应用的涂层研磨材料，具有一层附着在支持件上的磨粒层，其特征在于所述磨粒层包括磨粒的混合物，所述混合物包括约15%至约75%（体积）溶胶凝胶法氧化铝磨粒和约85%至约25%熔融氧化铝-氧化锆组合物磨粒。

12、如权利要求11所述的涂层研磨材料，其特征在于所述溶胶凝胶磨粒是晶种凝胶组合物，所述氧化铝-氧化锆磨粒的组成是一种共晶组合物，并且所述两种磨粒的体积比为50/50。