技术领域
本发明涉及磨料颗粒及其制备方法。该磨料颗粒可掺入到多种磨料制品中，包括粘结磨料、涂覆磨料、非织造磨料和磨刷。
背景技术
α-氧化铝广泛用作磨料工业中的磨料。它可以纯的形式或更优选地以含有增强其研磨性能的添加剂的形式使用。许多在商业上重要的α-氧化铝磨料颗粒衍生自溶胶-凝胶前体。它们通过以下方式制造：制备包含水、α-氧化铝前体(诸如一水合氧化铝(勃姆石))和任选的胶溶剂(例如酸，如硝酸)的分散体(例如溶胶)，然后使分散体胶凝化，干燥胶凝化的分散体，将干燥的分散体压碎成颗粒，将颗粒煅烧以除去挥发物，以及在低于α-氧化铝熔点的温度下烧结经煅烧的颗粒。很多情况下，分散体还包括一种或多种氧化物改性剂(例如稀土氧化物(REO)、Cr2O3、CoO、Fe2O3、Li2O、MgO、MnO、Na2O、NiO、SiO2、SnO2、TiO2、ZnO和ZrO2)，晶种颗粒(例如α-氧化铝晶种颗粒和α-Fe2O3晶种颗粒)和/或其前体。此类添加通常用于改变或以其他方式改性烧结磨料颗粒的物理特性和/或微观结构。此外或另选地，此类氧化物改性剂、成核剂和/或其前体可以掺入到经干燥的或煅烧的材料(通常是经煅烧的颗粒)中。最有用的氧化物改性剂是REO，诸如例如氧化镧、氧化钕、氧化钇、氧化铈、氧化铕、二氧化铪、氧化铒、氧化钐、氧化镱、氧化钆和氧化镨。例如，REO改性剂通常用于溶胶-凝胶氧化铝研磨剂中以用于研磨不锈钢。最近几年来，REO的可用性对于所有行业来讲都成了主要的问题，从而限制了供应并提高了成本。
溶胶-凝胶衍生的基于α-氧化铝的烧结磨料颗粒已用于多种多样的磨料产品(例如，粘结磨料、涂覆磨料和磨刷)以及磨削应用(包括低压和高压研磨应用两者)。
发明内容
在一个方面，本公开提供了磨料颗粒，其中磨料颗粒包含以下组分：
a)0.50重量％至5.00重量％的α-氧化铝形成物的晶种颗粒，其选自α-Fe2O3晶种颗粒、α-Al2O3晶种颗粒，以及它们的组合；
b)0.50重量％至5.00重量％的MgO；
c)0.02重量％至0.40重量％的Li2O或一定摩尔当量的至少一种碱金属氧化物，其选自：Na2O；K2O；Na2O和Li2O的组合；K2O和Li2O的组合；Na2O和K2O的组合；以及Li2O、Na2O和K2O的组合；以及
d)91.08重量％至99.48重量％的Al2O3。
在另一方面，本公开提供了一种研磨工件的方法，该方法包括：
将根据本公开的磨料颗粒与工件的表面进行摩擦接触，以及
使磨料颗粒和工件的表面中的至少一者相对于另一者移动，以研磨工件的表面的至少一部分。
在另一方面，本公开提供了一种根据本公开的磨料制品，其中将粘结剂材料设置在衬底上。
在另一方面，本公开提供了一种制备磨料颗粒的方法，该方法包括：
i)提供分散体，所述分散体包含：
α-氧化铝前体；
碱金属阳离子，其选自Li+、Na+、K+，以及它们的组合；
氧化镁或其前体；以及
晶种颗粒，其选自α-Fe2O3晶种颗粒和α-Al2O3晶种颗粒，或其前体，其中在烧结时，晶种颗粒有利于氧化铝前体材料转化成α-氧化铝；
ii)将分散体转化成磨料前体颗粒；以及
iii)烧结磨料前体颗粒以提供磨料颗粒，其中磨料颗粒包含以下组分：
a)0.50重量％至5.00重量％的所述晶种颗粒；
b)0.50重量％至5.00重量％的MgO；
c)0.02重量％至0.40重量％的Li2O或一定摩尔当量的至少一种碱金属氧化物，其选自：Na2O；K2O；Na2O和Li2O的组合；K2O和Li2O的组合；Na2O和K2O的组合；以及Li2O、Na2O和K2O的组合；以及
d)91.08重量％至99.48重量％的Al2O3。
有利地且相当出人意料的是，根据本公开的磨料颗粒相比于常规α-氧化铝磨料颗粒通常表现出一种或多种优异的磨料性能特性。它们甚至可表现出与含有昂贵且难以获得的稀土氧化物的商业α-氧化铝磨料颗粒(其通常为例如用于磨削不锈钢的性能最好的基于氧化铝的磨料)相当或甚至更优异的一种或多种磨料性能特性。
此外，在通过加晶种的基于α-氧化铝的颗粒的情况下，有益效果显著时，看出能与之相比的通过未加晶种的基于α-氧化铝的磨料颗粒的微不足道的或相反效应。
在考虑具体实施方式及所附权利要求书之后，将进一步理解本公开的特征和优点。
附图说明
图1是包含根据本公开的磨料颗粒的示例性带涂层的磨料制品的示意性剖视图；
图2是包含根据本公开的磨料颗粒的另一个示例性带涂层的磨料制品的示意性剖视图；
图3是包含根据本公开的磨料颗粒的示例性粘结磨料制品的示意性透视图；并且
图4为包含根据本公开的磨料制品的非织造磨料制品的放大示意图。
尽管以上指示的附图示出了本发明的若干实施例，但例如如讨论中所述，还可以想到其他的实施例。在所有情况下，本公开均以示例性而非限制性方式展示。应当理解，本领域的技术人员可设计出落入本公开原理的范围和实质内的许多其他的修改形式和实施方案。附图可能未按比例绘制。在所有附图中，类似的参考标号可以用来表示类似的部件。
具体实施方式
根据本公开的磨料颗粒可通过以分散在分散介质中的包含一种或多种α-氧化铝前体(例如，在干燥，任选地煅烧以及烧结形成α-氧化铝之后的材料)的初始分散体开始的工艺来制备。如本文所用，术语“分散体”是指由分散介质中的分散相组成的体系，例如诸如胶体或溶胶。分散介质为液体，通常为水，但诸如低级醇(通常为C1-C6醇)、己烷或庚烷的有机溶剂也可用作液体介质。水可以为例如自来水、蒸馏水或去离子水。
合适的α-氧化铝前体的示例包括例如勃姆石。勃姆石可以DISPERAL从南非约翰尼斯堡的萨索尔公司(Sasol Limited,Johannesburg,South Africa)商购获得；以DISPAL 23N480和CATAPAL D从德克萨斯州休斯敦的沙索北美公司(Sasol North America,Houston,Texas)商购获得；并且以商品名HiQ(例如，HiQ-10、HiQ-20、HiQ-30和HiQ-40)从新泽西州伊瑟林的巴斯夫公司的催化剂部门(BASF,Catalysts Division,Iselin,New Jersey)商购获得。这些勃姆石或一水合氧化铝为α-形式，并包含相对少(如果有的话)的一水合物之外的水合相。
其它α-氧化铝来源和前体的示例包括碱性羧酸铝(例如甲酰乙酸铝、硝基甲酰乙酸铝)、部分水解的铝醇盐、氢氧化铝、铝复合物和铝盐(例如碱性硝酸铝)，以及它们的组合。就碱性羧酸铝而言，它们具有通式Al(OH)y(羧酸盐)3-y，其中y介于1和2之间，在一些实施例中介于1和1.5之间，并且羧酸根抗衡离子选自甲酸根、乙酸根、丙酸根和草酸根，或这些羧酸根的组合。这些材料例如通过将铝金属在羧酸溶液中消化而制备，如美国专利3,957,598(Merkl)中所述。碱性硝酸铝也可例如通过在硝酸溶液中煮解铝金属来制备，如在美国专利3,340,205(Hayes等人)或英国专利1,193,258(Fletcher等人)中所述，或者通过硝酸铝的热分解来制备，如在美国专利2,127,504(Derr等人)中所述。这些材料也可例如通过将铝盐用碱部分地中和而制备。碱性硝酸铝具有通式Al(OH)z(NO3)3-z，其中z为约0.5至约2.5。
任选且通常地，将分散体用胶溶剂处理。合适的胶溶剂一般为可溶性离子化合物，该化合物据信会使颗粒或胶体的表面在液体介质(例如水)中均匀地带上电荷。在一些实施例中，胶溶剂为酸或酸化合物。典型的酸的示例包括单质子酸和酸化合物，诸如乙酸、盐酸、甲酸和硝酸，其中硝酸是优选的。所用的酸的量取决于(例如)粒状氧化铝来源的分散性、分散体的固体百分比、分散体的组分、分散体组分的量或相对量、分散体组分的粒度和/或分散体组分的粒度分布。分散体通常包含至少0.1重量％至20重量％的酸，并且在一些实施例中1重量％至10重量％的酸，或甚至3重量％至8重量％的酸，所述重量％是基于分散体中氧化铝来源(例如勃姆石和/或氧化铝前体)的总重量计算的。
合适的胶溶剂一般为可溶性离子化合物，据信该化合物会使颗粒或胶体的表面在液体介质(例如水)中均匀地带上电荷。在一些实施例中，胶溶剂为酸或酸化合物。典型的酸的示例包括单质子酸和酸化合物，诸如乙酸、盐酸、甲酸和硝酸，其中硝酸是优选的。所用的酸的量通常将取决于(例如)粒状氧化铝来源的分散性、分散体的固体百分比、分散体的组分、分散体组分的量或相对量、分散体组分的粒度和/或分散体组分的粒度分布。分散体通常包含至少0.1重量％至20重量％，并在一些实施例中1重量％至10重量％的酸，或甚至3重量％至8重量％的酸，所述重量％是基于分散体中氧化铝来源的总重量计算的。在一些实施例中，可在与水混合之前将酸施加到勃姆石颗粒的表面上。酸表面处理可提供勃姆石在水中改善的分散性。
初始分散体为通过合适的晶种颗粒(也称为成核剂)诸如α-氧化铝晶种颗粒或氧化铁晶种颗粒(例如，α-氧化铁)及其前体加晶种的或成核的，所述晶种颗粒用于改性α-氧化铝结晶相的粒度。晶种颗粒优选具有小尺寸(例如，小于5微米，优选小于1微米，并且更优选小于0.2微米)。添加晶种颗粒在烧结后在所得的磨料颗粒中导致更小的α-氧化铝微晶或晶胞，从而产生更耐久的磨粒。
镁、锂、钠和/或钾可存在于初始分散体的其它成分中，并且/或者它们可单独添加。例如，它们可以硝酸盐或乙酸盐(或一些其他溶解性盐)被添加和/或其次优选以它们的氧化物或氢化物形式添加。
调节α-氧化铝形成物及其前体的晶种颗粒的量，使得所得磨料颗粒具有晶种颗粒的0.50重量％至5.00重量％，优选1.00重量％至5.00重量％，并且更优选1.00重量％至3.00重量％。
调节镁的含量使得所得磨料颗粒具有为MgO形式(即，基于理论氧化物计，其中所有镁以MgO形式存在)的0.50重量％至5.00重量％，优选1.00重量％至3.00重量％，并且更优选1.50重量％至2.50重量％的镁。
调节锂、钠和/钾的含量使得所得磨料颗粒具有0.02重量％至0.40重量％，优选0.02重量％至0.30重量％，更优选0.02重量％至0.20重量％的Li2O(即，以理论氧化物计，其中所有锂以Li2O形式存在)或一定摩尔当量的至少一种碱性金属氧化物(即，以理论氧化物计，假定以氧化物形式存在)选自：Na2O；K2O；Na2O和Li2O的组合；K2O和Li2O的组合；Na2O和K2O的组合；以及Li2O、Na2O和K2O的组合。
氧化铝含量通常主要由前述成分的含量所测定。在一些实施方案中，氧化铝含量(即，以理论氧化物计，其中所有氧化铝以Al2O3形式存在)为至少91.59重量％、92.00重量％、93.00重量％或94.00重量％并且可为至多96.00重量％、97.00重量％、98.00重量％、99.00重量％和/或99.48重量％的为Al2O3形式的氧化铝。
初始分散体(和/或如果使用的浸渍组合物，如下文所述)还可包含除镁、钠、锂、钾、水合氧化铝(例如勃姆石)之外的另外的金属氧化物前体/来源(即，能够通过合适的加热条件转化成金属氧化物的材料)和晶种颗粒。此类材料在本文称为金属氧化物改性剂。此类金属氧化物改性剂可改变所得磨料颗粒的物理特性和/或化学特性。掺入到初始分散体和/或浸渍组合物(如果使用的话)中的这些其他金属氧化物改性剂的量可取决于(例如)所得的烧结磨料颗粒的所需组成和/或特性，以及取决于添加剂可能对用于制造磨料颗粒的工艺的影响或在用于制造磨料颗粒的工艺中所发挥的作用。
金属氧化物改性剂可为金属氧化物(例如，作为胶态悬浮液或溶胶)和/或作为金属氧化物前体(例如，金属盐，诸如金属硝酸盐(例如硝酸镁和硝酸锌)、金属乙酸盐、金属柠檬酸盐、金属甲酸盐和金属氯化物盐)。对于金属氧化物颗粒，金属氧化物颗粒的尺寸通常少于5微米，或甚至少于1微米。胶态金属氧化物为无定形的或结晶的金属氧化物的不连续的细分颗粒，该无定形的或结晶的金属氧化物的一个或多个维度在约3纳米至约1微米的范围内。胶态金属氧化物溶胶通常为胶体颗粒(在一些实施中，在pH少于6.5的液体介质中)的稳定(即，溶胶或分散体中的金属氧化物固体在不受干扰静置约2小时时通过视觉检查在外观上不开始胶凝化、分离或沉降)悬浮液。此类其他金属氧化物改性剂的示例包括：氧化铝、三氧化二铬、二氧化铪、氧化铈和/或二氧化硅。
可用的金属氧化物前体的示例包括金属盐(例如金属硝酸盐、金属乙酸盐、金属柠檬酸盐、金属甲酸盐和金属氯化物盐)。金属硝酸盐、乙酸盐、柠檬酸盐、甲酸盐和氯化物盐可通过本领域已知的技术制造，或获自商业来源，诸如马萨诸塞州沃德希尔的阿尔法化工公司(Alfa Chemicals,Ward Hill,Massachusetts)和肯塔基州巴黎的马林克罗公司(Mallinckrodt Chemicals,Paris,Kentucky)。硝酸盐的示例包括硝酸锰、硝酸铬、硝酸镝、硝酸铒、硝酸镱、硝酸钇、硝酸镨、硝酸钕、硝酸镧和硝酸铁。金属乙酸盐的示例包括乙酸盐、乙酸锰、乙酸铬、乙酸镝、乙酸镧、乙酸钕、乙酸镨、乙酸钐、乙酸镱、乙酸钇、乙酸镱。柠檬酸盐的示例包括柠檬酸锰。甲酸盐的示例包括甲酸锂和甲酸锰。
有利地，根据本公开的磨料颗粒可在不含具有如上所述的相关问题的稀土氧化物的情况下表现出优异的研磨特性。因此，磨料颗粒可包含少于1重量％、0.5重量％、0.4重量％、0.3重量％、0.2重量％、0.1重量％或甚至少于0.01重量％的作为整体的一种或多种稀土氧化物。
关于金属氧化物(和/或其前体)在勃姆石分散体中的包含的其他细节参见例如美国专利4,314,827(Leitheiser等人)、4,770,671(Monroe等人)、4,881,951(Wood等人)、5,429,647(Larmie)、5,498,269(Larmie)和5,551,963(Larmie)。
本公开的实践中所使用的分散体(例如基于勃姆石的分散体)通常包含以分散体的总重量计大于15重量％(一般大于20重量％至约80重量％；通常大于30重量％至约80重量％)的固体(或者勃姆石)。然而，在一些实施方案中，分散体包含以分散体的总重量计35重量％或更多、45重量％或更多、50重量％或更多、55重量％或更多、60重量％或更多、或65重量％或更多的固体(或者勃姆石)。高于约80重量％的固体和勃姆石的重量百分比也是可用的，但往往更难以加工来制造根据本公开的方法所提供的磨料颗粒。
用于制备基于α-氧化铝的磨料颗粒的一般步骤公开于例如美国专利4,518,397(Leitheiser等人)；4,770,671(Monroe)；4,744,802(Schwabel)；5,139,978(Wood)；5,219,006(Wood)；和5,593,647(Monroe)中。
(初始)分散体通常通过添加各种组成性组分然后将它们混合在一起以提供均匀混合物而制备。例如，可将勃姆石添加到已与硝酸混合的水中。可在添加氧化铝前体(例如勃姆石)之前、期间或之后添加其他组分。
通常通过逐渐添加液体组分至不溶解于该液体组分的组分中，同时混合或翻滚后者，来制备高固体分散体。例如，可将含有水、硝酸和金属盐的液体逐渐添加到勃姆石中，同时混合后者使得该液体更容易地分布在整个勃姆石中。
合适的搅拌器包括桶式搅拌器、弓刀搅拌器、球磨机和高剪切搅拌器。其他合适的混合机可得自伊利诺伊州格尼市的爱立许机械有限公司(Eirich Machines,Inc.Gurnee,Illinois)；明尼苏达州明尼阿波利斯的Hosokawa-Bepex公司(Hosokawa-Bepex Corp.,Minneapolis,Minnesota)(包括可以商品名“SCHUGI FLEX-O-MIX”获得的FX-160型混合机)；以及肯塔基州佛罗伦斯的利特福德有限公司(Littleford-Day,Inc.,Florence,Kentucky)。
可对基于勃姆石的分散体加热以增加α-一水合氧化铝的分散性、其他颗粒物质的分散性，和/或以形成均匀的分散体。温度可便利地变化，例如温度可在约20℃至80℃的范围内，通常在25℃和75℃之间。此外或另选地，例如，可将分散体在1.5至130个大气压范围内的压力下加热。
基于勃姆石的分散体通常在干燥之前或在干燥期间胶凝。大部分改性剂的添加可导致分散体胶凝加快。另选地，可添加乙酸铵或其他离子物质以引起分散体胶凝。分散体的pH和凝胶中的离子浓度通常决定分散体的胶凝有多快。通常，分散体的pH在约1.5至约5的范围内。
可将分散体挤出。可能优选挤出分散体(通常，其中至少50重量％的氧化铝含量由颗粒(例如，勃姆石)提供的分散体)，在本文中包括胶凝分散体，或甚至部分去液化的分散体。可将挤出的分散体(称为挤出物)挤出成伸长的前体材料(例如，棒状物(包括圆柱形棒状物和椭圆形棒状物))。在焙烧后，棒状物可具有1.5至10，在一些实施方案中2至6的纵横比。另选地，挤出物可为非常薄的片材的形式，参见例如美国专利4,848,041(Kruschke)。合适的挤出机的示例包括柱塞式挤出机，单螺杆、双螺杆和分段螺杆挤出机。
可将分散体例如在挤出之前或在挤出过程中压实(其中挤出步骤本身可涉及分散体的压实)。在压实分散体时，应当理解，分散体经受压力或力，诸如例如在制粒机或模压机(包括机械式、液压式和气动式压机或压力机)或挤出机中所经历的压力或力(即，所有或基本上所有的分散体经历指定的压力)。一般来讲，压实分散体减少分散体中夹带的空气或气体的量，继而通常产生更少孔的微观结构。另外，压实步骤可导致挤出机连续进料的方式更简单，并因而可节省劳力。
将分散体转化成磨料前体颗粒(即，可例如通过干燥和烧结而转化成磨料颗粒的颗粒)。一般来讲，干燥分散体的技术在本领域是已知的，包括加热以促进液体介质的蒸发或只是在空气中干燥。干燥步骤通常涉及从分散体去除大部分液体介质；然而，仍然可能有小部分(例如约10％或更少重量百分比)的液体介质存在于干燥的分散体中。典型的干燥条件包括约室温至高于约200℃范围内的、更典型地介于50℃和150℃之间的温度，但这不是必要条件。时间范围可在约30分钟至数天以上。为了最大程度减少盐分迁移，可能优选的是将分散体在低温下干燥。
干燥后，可将干燥的分散体转化成磨料前体颗粒。产生这些磨料前体颗粒的一种典型方式是使用压碎技术。可以采用各种压碎或粉碎技术，诸如辊式破碎机、颚式破碎机、锤磨机、球磨机等。可对较粗的颗粒进行再次压碎以得到较细的颗粒。在一些实施例中，将干燥的分散体压碎，因为通常而言压碎干燥的凝胶比压碎根据本公开的经烧结的基于α-氧化铝的磨料颗粒更容易。
另选地，例如，可将混合物在干燥前转化成磨料前体颗粒。这可例如在将混合物加工成优选的颗粒形状和粒度分布时进行。例如，可将分散体挤成棒状物，随后切成优选的长度，然后干燥。另选地，例如，可将混合物模塑成三角形颗粒，然后干燥。关于三角形成型颗粒的另外细节可见于美国专利5,201,916(Berg等人)中。通过溶胶-凝胶模塑工艺形成的磨料颗粒的另外其他形状在例如美国专利8,142,891B2(Culler等人)、8,034,137 B2(Erickson等人)、8,142,532 B2(Erickson等人)、8,142,531 B2(Adefris等人)和8,123,828 A(Culler等人)，以及美国专利申请公布2010/0146867 A1(Boden等人)和PCT国际专利申请公布WO 2011/109188 A2(Givot等人)中有所描述。
在另一个实施方案中，例如，可将干燥的混合物(例如分散体)成型为具有高挥发性组分含量的团块，然后通过将团块直接喂入温度保持在高于350℃(通常在介于600℃和900℃之间)的加热炉中而爆炸式粉碎。
使金属氧化物改性剂源(通常为金属氧化物前体)浸入干燥的和/或煅烧的磨料前体颗粒也在本公开的范围内。通常，金属氧化物前体为金属盐的形式。示例性可用的金属氧化物前体和金属盐在上文针对初始分散体进行了描述。
浸渍衍生自溶胶-凝胶的干燥的和/或煅烧的颗粒的方法一般例如在美国专利5,164,348(Wood)中有所描述。一般来讲，陶瓷前体材料(即，干燥的基于氧化铝的混合物(或干燥的陶瓷前体材料)或煅烧的基于氧化铝的混合物(或煅烧的陶瓷前体材料))为多孔的。例如，煅烧的陶瓷前体材料通常具有从外表面延伸至其内部的直径约2至15纳米的孔。存在此类孔使得包含含有液体介质(通常为水)和合适金属前体的混合物的浸渍组合物可进入陶瓷前体材料。可将金属盐材料溶于液体中，并将所得的溶液与多孔陶瓷前体颗粒材料混合。据认为，浸渍过程通过毛细管作用而发生。
如果优选浸渍金属盐，则用于浸渍组合物的液体可以为例如水(包括去离子水)、有机溶剂及其混合物，按理论金属氧化计，金属盐在液体介质中的浓度通常在约5％至约40％溶解固体的范围内。在一些实施例中，添加至少50毫升(ml)的溶液以实现对100克(g)的多孔前体颗粒物质的浸渍，并例如在一些实施例中，添加至少约60ml的溶液以实现对100g的前体颗粒物质的浸渍。
通常，将磨料前体颗粒在烧结前煅烧，但煅烧步骤不是必要条件。一般来讲，用于煅烧磨料前体颗粒的技术在本领域中是已知的，其中基本上所有的挥发物都得以除去，并且存在于分散体中的各种组分转化为氧化物。此类技术包括使用转炉或定炉在约400℃至1000℃(通常约450℃至800℃)范围内的温度下加热干燥的混合物，直到游离水并通常直到至少约90重量％的任何结合的挥发物被除去。
在形成磨料前体颗粒并任选地煅烧后，对磨料前体颗粒进行烧结以提供基于α-氧化铝的磨料颗粒。一般来讲，用于烧结磨料前体颗粒的技术在本领域中是已知的，包括在能有效使过渡性氧化铝转化为α-氧化铝的温度下加热，从而使所有的金属氧化物前体或与氧化铝反应或形成金属氧化物，并增加陶瓷材料的密度。磨料前体颗粒可通过加热而烧结(例如使用电阻、微波、等离子体、激光或气体燃烧，以分批方式或连续方式)。烧结温度的范围通常在约1200℃至约1650℃；通常约1200℃至约1500℃；更通常小于1450℃。磨料前体颗粒暴露于烧结温度的时长取决于(例如)粒度、颗粒的组成和烧结温度。通常，烧结时间在几秒钟至约60分钟(在一些实施例中，在约3至30分钟内)的范围内。烧结通常在氧化气氛中完成，但也可以使用惰性或还原性气氛。
根据本公开的磨料颗粒的最长维度通常为至少约一微米，但也可以更小。本文所述的磨料颗粒可容易地制成具有大于约50微米的长度，并且也可容易地制造更大的磨料颗粒(例如，大于约一毫米或甚至大于约5毫米)。在一些实施例中，磨料颗粒具有在约0.1至约5毫米的范围内(通常在约0.1至约3毫米的范围内)的一个或多个长度，但其他尺寸也是可用的，甚至对某些应用可能更优选。在另一个方面，根据本公开的磨料颗粒通常为至少1.2:1或甚至1.5:1、有时至少2:1或者至少2.5:1的纵横比。
通常使用本领域已知的技术，对在根据本公开方法的过程中或通过根据本公开的方法所提供的干燥、煅烧和/烧结材料进行过筛和分级。例如，可将干燥的颗粒在煅烧前过筛到优选的尺寸。通常在用于磨料应用前或掺入磨料制品前对烧结的磨料颗粒进行过筛和分级。
再循环利用未使用的(通常为尺寸太小而不能提供烧结磨料颗粒的优选尺寸的颗粒)去液化混合物(通常为分散体)材料也在本公开的范围内，如一般例如在美国专利4,314,827(Leitheiser等人)中有所描述。例如，可如上所述制备、干燥、压碎并过筛第一分散体，然后通过合并例如液体介质(例如，含水的)、勃姆石和得自第一分散体的去液化材料以及任选的金属氧化物和/或金属氧化物前体而制备第二分散体。以理论金属氧化物计，再循环利用的材料可提供例如至少10％、至少30％、至少50％或甚至至多(并包括)100％的分散体的理论Al2O3含量，所述分散体去液化并转化(包括煅烧和烧结)以提供烧结的磨料颗粒。
还涵盖在本公开范围内的是使用在例如美国专利1,910,440(Nicholson)；3,041,156(Rowse)；5,009,675(Kunz等人)；4,997,461(Markhoff-Matheny等人)；5,042,991(Kunz等人)；5,011,508(Wald等人)；以及5,213,591(Celikkaya等人)中所述的表面涂层来涂覆磨料颗粒。
在一些实施方案中，根据本公开的磨料颗粒(例如，烧结的基于α-氧化铝的磨料颗粒)还包括氧化铝涂层。虽然不想受到理论的限制，但是据信，此类涂覆的磨料颗粒尤其可用于利用玻璃化粘结的粘结磨料，因为涂层为磨料颗粒的表面增添纹理，从而增强磨料颗粒与玻璃化粘结剂的机械粘附力。另外，据信，此类涂层避免磨料颗粒与玻璃化粘结剂反应以及弱化磨料颗粒。
此类氧化锆涂层可例如通过上述浸渍方法施加，其中氧化锆源为例如硝酸氧锆和/或羟基硝酸锆。
通常，根据本公开的磨料颗粒具有在0.05微米至20微米的范围内，并在一些实施例中，在0.1微米至1.0微米的范围内的平均α-氧化铝微晶尺寸，但这不是必要条件。
根据本公开制造的磨料颗粒可具有多种密度，通常取决于工艺条件(例如烧结条件)。可用的密度通常将取决于预期的最终用途。在一些实施例中，根据本公开的磨料颗粒具有至少3.7、3.75、3.8、3.85、3.9或甚至至少3.95g/cm3的密度(即，真密度)，但也可以使用其他密度。
根据本公开的磨料颗粒可表现出优异的硬度。因此，在一些实施例中，它们可具有至少19、20或甚至至少21吉帕斯卡(GPa)的平均硬度。
本公开的材料的平均硬度可如下方式测定。将部分材料安装在安装树脂(可以商品名TRANSOPTIC POWDER获自伊利诺伊州布勒夫的湖标乐公司(Buehler,Lake Bluff,Illinois))中，通常为直径约2.5cm且高度约1.9cm的圆柱体树脂。采用抛光机(诸如以商品名ECOMET 3获自伊利诺伊州布勒夫的湖标乐公司(Buehler,Lake Bluff,Illinois))利用常规抛光技术对安装的部分进行准备。利用70微米金刚石砂轮抛光样本约3分钟，之后用45、30、15、9、3和1微米的浆料分别抛光5分钟。可利用配有维氏压头(例如使用500克的压入负荷)的常规微硬度测试仪(诸如以商品名MITUTOYO MVK-VL获自日本东京的三丰株式会社(Mitutoyo Corporation,Tokyo,Japan))测量微硬度。根据ASTM Test Method E384Test Methods for Microhardness of Materials(1991)(ASTM测试方法E384：材料微硬度测试方法)中所述的指导原则测量微硬度。
不受理论的束缚，拒信根据本公开的磨料颗粒包含α-氧化铝结晶相和β-氧化铝结晶相。
使某些稀土氧化物和二价金属阳离子与氧化铝反应以形成由式LnMAl11O19表示的稀土氧化铝，其中Ln为三价金属阳离子诸如La3+、Nd3+、Ce3+、Pr3+、Sm3+、Gd3+、Er3+或Eu3+，并且M为二价金属阳离子诸如Mg2+、Mn2+、Ni2+、Zn2+、Sr2+、Ca2+或Co2+。此类铝酸盐(通常为薄片的形式)具有六方晶体结构并在本领域中称为磁铅矿。
在一些实施方案中，根据本公开的磨料颗粒有利地基本上不含(包含小于0.01重量％的)稀土氧化物(REO)和REO磁铅矿结晶相域。因此，所述磨料颗粒包含少于1重量％(例如少于0.9重量％、0.8重量％、0.7重量％、0.6重量％、0.5重量％、0.4重量％、0.3重量％、0.2重量％、0.1重量％或甚至少于0.005重量％或无)的具有磁铅矿结晶相的材料。
可例如将根据本公开的磨料颗粒压碎或成型。
根据本公开的磨料颗粒尤其是压碎的磨料颗粒可用本领域熟知的技术过筛并分级，包括使用磨料工业公认的分级标准，诸如ANSI(美国国家标准协会)、FEPA(欧洲磨料生产联合会)和JIS(日本工业标准)。根据本公开的磨料颗粒可以宽泛的粒度范围使用，通常粒度在约0.1至约5000微米的范围内，更通常在约一至约2000微米的范围内；优选地在约5至约1500微米的范围内，更优选地在约100至约1500微米的范围内。
ANSI粒级标号包括：ANSI 4、ANSI 6、ANSI 8、ANSI 16、ANSI 24、ANSI 36、ANSI 40、ANSI 50、ANSI 60、ANSI 80、ANSI 100、ANSI 120、ANSI 150、ANSI 180、ANSI 220、ANSI 240、ANSI 280、ANSI 320、ANSI 360、ANSI 400和ANSI 600。FEPA粒级标号包括：P8、P12、P16、P24、P36、P40、P50、P60、P80、P100、P120、P150、P180、P220、P320、P400、P500、P600、P800、P1000和P1200。JIS粒级标号包括：JIS8、JIS12、JIS16、JIS24、JIS36、JIS46、JIS54、JIS60、JIS80、JIS100、JIS150、JIS180、JIS220、JIS240、JIS280、JIS320、JIS360、JIS400、JIS400、JIS600、JIS800、JIS1000、JIS1500、JIS2500、JIS4000、JIS6000、JIS8000和JIS10,000。
根据本公开的成型磨料颗粒具有非随机形状，通常由用于形成它们的方法所赋予。例如，可将成型磨料颗粒成型为锥体、截锥体、棒状物或圆锥体。成型的磨料颗粒可通过挤出或丝网印刷溶胶-凝胶混合物(例如，如美国专利6,054,093(Torre,Jr.等人)所述)或通过利用生产工具(即模具)的溶胶-凝胶模塑工艺而制成(如例如美国专利申请公布2010/0146867 A1(Boden等人)；2010/0151195A1(Culler等人)；2010/0151196 A1(Adefris等人)；2009/0165394 A1(Culler等人)；以及2010/0151201A1(Erickson等人)中所述。在这些方法中，可能期望的是，在初始分散体中包含脱模化合物，或将脱模剂涂布到模具表面上，以有助于根据需要从模具中去除颗粒。典型的脱模剂包括油类诸如花生油或矿物油、鱼油、有机硅、聚四氟乙烯、硬脂酸锌和石墨。
在另一方面，本公开提供了团聚体磨料颗粒，每一者包含经由粘结剂粘结在一起的多个根据本发明的磨料颗粒。
在另一方面，本公开提供包含粘结剂和多个磨料颗粒的磨料制品(例如，涂覆磨料制品、粘结磨料制品(包括玻璃化的、树脂状的和金属粘结的磨轮、切割轮、磨头和珩磨石)、非织造磨料制品和磨刷)，其中磨料颗粒的至少一部分为根据本公开的磨料颗粒(包括其中磨料颗粒为凝聚的)。制造此类磨料制品和使用磨料制品的方法是本领域技术人员熟知的。此外，根据本公开的磨料颗粒可用于利用磨料颗粒的磨料应用，诸如研磨化合物(例如抛光化合物)的浆料、研磨介质、喷丸介质、振动研磨介质等。
涂覆磨料制品通常包括背衬、磨料颗粒以及将磨料颗粒固定到背衬上的至少一种粘结剂。合适的背衬材料的示例包括织造织物、聚合物膜、硫化纤维、非织造织物、针织织物、纸材、它们的组合及其经过处理的型式。粘结剂可以是任何合适的粘结剂，包括无机或有机粘结剂(包括热固化性树脂和辐射固化性树脂)。磨料颗粒可存在于带涂层的磨料制品的一个层中或两个层中。
根据本公开的带涂层的磨料制品的示例性实施例在图1中示出。参见图1，带涂层的磨料制品100具有背衬120和磨料层130。磨料层130包含通过底胶层150和复胶层160固定到背衬120(衬底)的主表面170的根据本公开的磨料颗粒140。如果需要，还可以包括另外的层，例如诸如叠加在复胶层上的任选的顶胶层(未示出)，或背衬抗静电处理层(未示出)。
根据本公开的另一示例性带涂层的磨料制品在图2中示出。参见图2，示例性带涂层的磨料制品200具有背衬(衬底)220和结构化磨料层230。结构化磨料层230包含多个成型的磨料复合体235，这些复合体包含分散在固定到背衬220的主表面270的粘结剂材料250中的根据本公开的磨料颗粒240。
如果需要，根据本公开的涂覆磨料颗粒可包含另外的层，诸如例如叠加在磨料层上的任选的顶胶层，或如果需要也可以包含背衬抗静电处理层。
关于带涂层磨料制品的另外细节可见于例如以下美国专利中：4,734,104(Broberg)、4,737,163(Larkey)、5,203,884(Buchanan等人)、5,152,917(Pieper等人)、5,378,251(Culler等人)、5,436,063(Follett等人)、5,496,386(Broberg等人)、5,609,706(Benedict等人)、5,520,711(Helmin)、5,961,674(Gagliardi等人)和5,975,988(Christianson)。
粘结磨料制品通常包括成型的磨料颗粒块体，这些磨料颗粒通过有机粘结剂、金属粘结剂或玻璃化粘结剂而保持在一起。此类成型块体可以为例如轮的形式，诸如磨削轮或切割轮。磨削轮的直径通常为约1cm至超过1m；切割轮的直径为约1cm至超过80cm(更通常为3cm至约50cm)。切割轮的厚度通常为约0.5mm至约5cm，更通常为约0.5mm至约2cm。成型块体还可以为例如珩磨石、砂瓦、磨头、圆盘(例如，双盘磨床)或其他常规粘结磨料形状的形式。粘结磨料制品通常包含约3体积％至50体积％的粘结材料，约30体积％至90体积％的磨料颗粒(或磨料颗粒共混物)，至多50体积％的添加剂(包括助磨剂)，和至多70体积％的孔隙，所述体积％是基于粘结磨料制品的总体积计的。
示例性形式为磨削轮。参见图3，根据本公开的磨削轮300包含通过粘结剂材料330保持、模塑成轮状并安装在轮毂320上的根据本公开的磨料颗粒340。
关于粘结磨料制品的另外细节可见于例如以下美国专利中：4,543,107(Rue)、4,741,743(Narayanan等人)、4,800,685(Haynes等人)、4,898,597(Hay等人)、4,997,461(Markhoff-Matheny等人)、5,037,453(Narayanan等人)和5,863,308(Qi等人)。
非织造磨料制品通常包括开孔式的、多孔的膨松有弹性的聚合物长丝结构，其中根据本公开的磨料颗粒分布在整个结构中并且通过有机粘结剂粘附性地粘结在其中。长丝的示例包括聚酯纤维、聚酰胺纤维和聚芳族聚酰胺纤维。在图4中，提供了一种根据本公开的示例性非织造磨料制品400的放大约100倍的示意图。根据本公开的这种非织造磨料制品包含膨松有弹性的开孔式非织造纤维网450(衬底)，根据本公开的磨料颗粒440通过粘结剂材料460粘附到衬底上。
关于非织造磨料制品的另外细节可见于例如以下美国专利中：2,958,593(Hoover等人)、4,227,350(Fitzer)、4,991,362(Heyer等人)、5,712,210(Windisch等人)、5,591,239(Edblom等人)、5,681,361(Sanders)、5,858,140(Berger等人)、5,928,070(Lux)和6,017,831(Beardsley等人)。
可用的研磨刷包括具有与背衬成一体的多根刷毛的那些研磨刷(参见例如美国专利5,443,906(Pihl等人)、5,679,067(Johnson等人)，以及5,903,951(Ionta等人)。优选地，通过注塑聚合物和磨料颗粒的混合物来制造此类刷。
合适的粘结剂材料包括有机粘结剂，诸如例如热固性有机聚合物。合适的热固性有机聚合物的示例包括：酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树酯、聚氨酯树脂、丙烯酸酯树脂、聚酯树脂、带α,β-不饱和羰基基团侧基的氨基塑料树脂、环氧树脂、丙烯酸酯化聚氨酯、丙烯酸改性环氧树脂、以及它们的组合。粘结剂和/或磨料制品还可以包括添加剂，诸如纤维、润滑剂、润湿剂、触变材料、表面活性剂、颜料、染料、抗静电剂(例如，炭黑、氧化钒和/或石墨等)、偶联剂(例如，硅烷、钛酸盐和/或锆铝酸盐等)、增塑剂、助悬剂等。对这些任选添加剂的量进行选择，以提供优选的特性。偶联剂可以提高对磨料颗粒和/或填料的粘附力。粘结剂化学品可以是热固化的、辐射固化的或它们的组合。关于粘结剂化学性质的另外细节可见于美国专利4,588,419(Caul等人)、4,751,138(Tumey等人)、以及5,436,063(Follett等人)。
更具体地，对于玻璃化粘结磨料，表现出非晶态结构并且通常较硬的玻璃化粘结材料在本领域中为人们所熟知。在一些情况下，玻璃化粘结材料包括结晶相。根据本公开制造的粘结的玻璃化磨料颗粒可以是轮(包括切割轮)、珩磨石、磨头的形状或其他常规粘结磨料形状。根据本公开的示例性玻璃化粘结磨料制品为磨轮。
用于形成玻璃化粘结材料的金属氧化物的示例包括：二氧化硅、硅酸盐、氧化铝、苏打、氧化钙、氧化钾、二氧化钛、氧化铁、氧化锌、氧化锂、氧化镁、氧化硼、硅酸铝、硼硅玻璃、硅酸铝钾、它们的组合等。通常，玻璃化粘结材料可以用包含10％至100％的玻璃料的组合物制成，但更通常地，包含20％至80％的玻璃料、或30％至70％的玻璃料的组合物。玻璃化粘结材料的其余部分可为非玻璃料材料。另选地，玻璃化粘结剂可来源于自不含有玻璃料的组合物。通常使玻璃化粘结材料在以下温度范围内成熟：约700℃至约1500℃范围内，通常约800℃至约1300℃范围内，有时约900℃至约1200℃范围内，或甚至约950℃至约1100℃范围内。使粘结成熟的实际温度取决于例如特定的粘结化学性质。
在一些实施例中，玻璃化粘结材料可包括含有二氧化硅、氧化铝(优选地，至少10重量％的氧化铝)和氧化硼(优选地，至少10重量％的氧化硼)的那些材料。在大多数情况下，玻璃化粘结材料还包含一种或多种碱金属氧化物(例如，Na2O和K2O)(在一些情况下，至少10重量％的一种或多种碱金属氧化物)。
粘结剂材料也可含有填充材料或助磨剂，通常以颗粒物质的形式存在。通常，颗粒物质为无机材料。可用于本公开的填料的示例包括：金属碳酸盐(例如，碳酸钙(例如白垩、方解石、泥灰土、石灰华、大理石和石灰石)、碳酸钙镁、碳酸钠、碳酸镁)、二氧化硅(例如，石英、玻璃珠、玻璃泡和玻璃纤维)硅酸盐(例如，滑石、粘土、(蒙脱石)长石、云母、硅酸钙、偏硅酸钙、铝酸钠、硅酸钠)金属硫酸盐(例如，硫酸钙、硫酸钡、硫酸钠、硫酸铝钠，硫酸铝)、石膏、蛭石、木粉、三水合铝、碳黑、金属氧化物(例如，氧化钙(石灰)、氧化铝、二氧化钛)和金属亚硫酸盐(例如，亚硫酸钙)。
一般来讲，助磨剂的添加可增加磨料制品的使用寿命。助磨剂是一种显著影响研磨的化学过程和物理过程、使性能得到改善的材料。助磨剂涵盖众多不同的材料，并且可以是基于无机的或基于有机的。助磨剂的化学基团的示例包括蜡、有机卤化物化合物、卤化物盐、金属以及它们的合金。有机卤化物化合物将通常在研磨过程中分解，并且释放卤酸或气态卤化物。此类材料的示例包括氯化石蜡，例如四氯化萘、五氯化萘、和聚氯乙烯。卤化物盐的示例包括氯化钠、钾冰晶石、钠冰晶石、铵冰晶石、四氟硼酸钾、四氟硼酸钠、四氟化硅、氯化钾和氯化镁。金属的示例包括锡、铅、铋、钴、锑、镉和铁钛。其他杂项助磨剂包括硫、有机硫化合物、石墨和金属硫化物。可以使用不同助磨剂的组合，并在一些情况下，这可产生协同增强作用。
助磨剂可特别用于带涂层的磨料制品和粘结的磨料制品。在带涂层的磨料制品中，助磨剂通常用于顶胶涂层，该顶胶涂层是施加在磨料颗粒的表面上的。然而，有时将助磨剂添加到复胶涂层。通常，掺入带涂层的磨料制品中的助磨剂的量为约50至300g/m2(优选地，约80至160g/m2)。在玻璃化粘结的磨料制品中，助磨剂通常浸渍到制品的孔中。
磨料制品可含有100％的根据本公开的磨料颗粒，或此类磨料颗粒与其他磨料颗粒和/或稀释剂颗粒的共混物。然而，磨料制品中至少约2重量％、优选至少约5重量％并且更优选约30重量％至100重量％的磨料颗粒应为根据本公开的磨料颗粒。
在一些情况下，根据本公开的磨料颗粒可以介于5重量％和75重量％之间、约25重量％至75重量％、约40重量％至60重量％，或约50重量％至50重量％(即，以相等的重量)的比率与另外的磨料颗粒和/或稀释剂颗粒共混。
合适的常规磨料颗粒的示例包括：熔融氧化铝(包括白熔融氧化铝、热处理氧化铝和棕色氧化铝)、碳化硅、碳化硼、碳化钛、金刚石、立方氮化硼、石榴石、熔融氧化铝-氧化锆、和溶胶-凝胶衍生的磨料颗粒。常规的溶胶-凝胶衍生的磨料颗粒可有晶种或无晶种。同样，它们可随机成型或具有与之相关的形状，诸如棒状或三角形。在一些情况下，与包含100％任一类型的磨料颗粒的磨料制品相比，磨料颗粒的共混物可产生表现出改善的研磨性能的磨料制品。
如果存在磨料颗粒的共混物，则形成共混物的磨料颗粒类型可具有相同的尺寸。另选地，这些磨料颗粒类型可具有不同的粒度。例如，尺寸较大的磨料颗粒可以是根据本公开的磨料颗粒，而尺寸较小的磨料颗粒是另一种磨料颗粒类型。相反地，例如，尺寸较小的磨料颗粒可以是根据本公开的磨料颗粒，而尺寸较大的磨料颗粒是另一种磨料颗粒类型。
合适的稀释剂颗粒的示例包括大理石、石膏、燧石、二氧化硅、氧化铁、硅酸铝、玻璃(包括玻璃泡和玻璃小珠)、氧化铝泡、氧化铝小珠和稀释剂凝聚物。
根据本公开的磨料颗粒也可合并在磨料凝聚物中或与磨料凝聚物合并。磨料凝聚物颗粒通常包含多个磨料颗粒、粘结剂和任选的添加剂。粘结剂可以为有机粘结剂和/或无机粘结剂。磨料凝聚物可以为随机形状或具有与之相关的预先确定的形状。该形状可以为例如方块、圆柱体、锥体、硬币形或方形。磨料凝聚物颗粒通常具有在约100至约5000微米、通常约250至约2500微米的范围内的粒度。
磨料颗粒可均匀分布在磨料制品中，或集中在磨料制品的所选择的区域或部分中。例如，在带涂层磨料中，可以存在两层磨料颗粒。第一层包含不是根据本公开的磨料颗粒的磨料颗粒，而第二(最外侧)层包含根据本公开的磨料颗粒。同样，在粘结磨料中，磨削轮可以有两个不同的部分。最外侧部分可包含根据本公开的磨料颗粒，而最内侧部分不含根据本公开的磨料颗粒。另选地，根据本公开的磨料颗粒可均匀分布在整个粘结磨料制品中。
本公开提供研磨工件的方法。所述方法包括：将根据本公开的磨料颗粒与工件的表面进行摩擦接触，以及使磨料颗粒和工件的表面中的至少一者相对于另一者移动，以研磨工件的表面的至少一部分。用根据本公开的磨料颗粒进行研磨的方法包括例如荒磨(即，高压高切削)到抛光(例如，用涂覆磨带抛光医用植入物)，其中后者通常采用更细等级(例如，ANSI 220及更细)的磨料颗粒来完成。磨料颗粒还可用于精密研磨应用，诸如用玻璃化粘结轮磨削凸轮轴。用于特定研磨应用的磨料颗粒的尺寸对于本领域的技术人员将是显而易见的。
研磨可以干法或湿法进行。对于湿法研磨，所引入的液体可以按轻雾到完全水流的形式提供。常用液体的示例包括：水、水溶性油、有机润滑剂和乳液。这些液体可用来减少与研磨相关的热和/或作为润滑剂使用。液体可含有微量添加剂，诸如杀菌剂、消泡剂等。
工件的示例包括铝金属、碳钢、低碳钢(例如1018低碳钢和1045低碳钢)、工具钢、不锈钢、硬化钢、钛、玻璃、陶瓷、木材、木材类材料(例如胶合板和刨花板)、油漆、涂漆面、有机物涂覆表面等。在研磨期间施加的力通常在约1至约100千克(kg)的范围内，但也可以使用其他压力。
本公开的精选实施方案
在第一实施方案中，本公开提供了磨料颗粒，其中所述磨料颗粒包含以下组分：
a)0.50重量％至5.00重量％的α-氧化铝形成物的晶种颗粒，其选自α-Fe2O3晶种颗粒、α-Al2O3晶种颗粒，以及它们的组合；
b)0.50重量％至5.00重量％的MgO；
c)0.02重量％至0.40重量％的Li2O或一定摩尔当量的至少一种碱金属氧化物，其选自：Na2O；K2O；Na2O和Li2O的组合；K2O和Li2O的组合；Na2O和K2O的组合；以及Li2O、Na2O和K2O的组合；以及
d)91.08重量％至99.48重量％的Al2O3。
在第二实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案所述的磨料颗粒，其中所述磨料颗粒由组分a)、b)、c)和d)组成。
在第三实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案或第二实施方案所述的磨料颗粒，其中组分c)包含0.03重量％至0.70重量％的Na2O。
在第四实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案或第二实施方案所述的磨料颗粒，其中组分c)包含0.05重量％至1.00重量％的K2O。
在第五实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案至第四实施方案中任一项所述的磨料颗粒，其中所述磨料颗粒包含α-氧化铝结晶相和0.25重量％至20重量％的β-氧化铝结晶相。
在第六实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案至第五实施方案中任一项所述的磨料颗粒，其中所述磨料颗粒包含小于10重量％的磁铅矿结晶相。
在第七实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案至第六实施方案中任一项所述的磨料颗粒，其中所述磨料颗粒具有至少3.7g/cm3的密度和至少19GPa的硬度。
在第八实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案至第七实施方案中任一项所述的磨料颗粒，其中所述磨料颗粒符合磨料行业指定的标称等级。
在第九实施方案中，本公开提供了根据第八实施方案所述的磨料颗粒，其中所述磨料行业指定的标称等级选自ANSI 4、ANSI 6、ANSI 8、ANSI 16、ANSI 24、ANSI 36、ANSI 40、ANSI 50、ANSI 60、ANSI 80、ANSI 100、ANSI 120、ANSI 150、ANSI 180、ANSI 220、ANSI 240、ANSI 280、ANSI 320、ANSI 360、ANSI 400和ANSI 600。
在第十实施方案中，本公开提供了根据第八实施方案所述的磨料颗粒，其中所述磨料行业指定的标称等级选自P8、P12、P16、P24、P36、P40、P50、P60、P80、P100、P120、P150、P180、P220、P320、P400、P500、P600、P800、P1000和P1200。
在第十一实施方案中，本公开提供了根据第八实施方案所述的磨料颗粒，其中所述磨料行业指定的标称等级选自JIS8、JIS12、JIS16、JIS24、JIS36、JIS46、JIS54、JIS60、JIS80、JIS100、JIS150、JIS180、JIS220、JIS240、JIS280、JIS320、JIS360、JIS400、JIS400、JIS600、JIS800、JIS1000、JIS1500、JIS2500、JIS4000、JIS6000、JIS8000和JIS10,000。
在第十二实施方案中，本公开提供了一种研磨工件的方法，所述方法包括：
使根据权利要求1至11中任一项所述的磨料颗粒与所述工件的表面摩擦接触，以及
使磨料颗粒和工件的表面中的至少一者相对于另一者移动，以研磨工件的表面的至少一部分。
在第十三实施方案中，本公开提供了一种根据第十二实施方案所述的方法，其中所述工件包含不锈钢。
在第十四实施方案中，本公开提供了一种磨料制品，所述磨料制品包含被保持在粘结剂材料中的根据第一实施方案至第十一实施方案中任一项所述的磨料颗粒。
在第十五实施方案中，本公开提供了一种根据第十四实施方案所述的磨料制品，其中将粘结剂材料设置在衬底上。
在第十六实施方案中，本公开提供了一种根据第十五实施方案所述的磨料制品，其中所述磨料制品包括磨料层，所述磨料层包含固定到背衬的主表面的磨料颗粒和粘结剂材料，并且其中所述磨料层包含底胶层和复胶层。
在第十七实施方案中，本公开提供了一种根据第十五实施方案所述的磨料制品，其中所述磨料制品包括磨料层，所述磨料层包含固定到背衬的主表面的磨料颗粒和粘结剂材料，并且其中所述磨料层包含多个成型的磨料复合体。
在第十八实施方案中，本公开提供了一种根据第十五实施方案所述的磨料制品，其中所述衬底包括膨松有弹性的开孔式非织造纤维网。
在第十九实施方案中，本公开提供了一种根据第十四实施方案所述的磨料制品，其中所述磨料制品包括粘结的磨料制品。
在第二十实施方案中，本公开提供了一种制备磨料颗粒的方法，所述方法包括：
i)提供分散体，所述分散体包含：
α-氧化铝前体；
碱金属阳离子，其选自Li+、Na+、K+，以及它们的组合；
氧化镁或其前体；以及
晶种颗粒，其选自α-Fe2O3晶种颗粒和α-Al2O3晶种颗粒，或其前体，其中在烧结时，晶种颗粒有利于氧化铝前体材料转化成α-氧化铝；
ii)将分散体转化成磨料前体颗粒；以及
iii)烧结磨料前体颗粒以提供磨料颗粒，其中磨料颗粒包含以下组分：
a)0.50重量％至5.00重量％的所述晶种颗粒；
b)0.50重量％至5.00重量％的MgO；
c)0.02重量％至0.40重量％的Li2O或一定摩尔当量的至少一种碱金属氧化物，其选自：Na2O；K2O；Na2O和Li2O的组合；K2O和Li2O的组合；Na2O和K2O的组合；以及Li2O、Na2O和K2O的组合；以及
d)91.08重量％至99.48重量％的Al2O3。
在第二十一实施方案中，本公开提供了一种根据第二十实施方案所述的方法，其中所述磨料颗粒由组分a)、b)、c)和d)组成。
在第二十二实施方案中，本公开提供了一种根据第二十实施方案或第二十一实施方案所述的方法，其中组分c)包含0.03重量％至0.70重量％的Na2O。
在第二十三实施方案中，本公开提供了一种根据第二十实施方案或第二十一实施方案所述的方法，其中组分c)包含0.05重量％至1.00重量％的K2O。
在第二十四实施方案中，本公开提供了一种根据第二十实施方案至第二十三实施方案中任一项所述的方法，其中基于合并的所述α-氧化铝结晶相和所述β-氧化铝结晶相的总重量计，所述磨料颗粒包含α-氧化铝结晶相和0.25重量％至20重量％的β-氧化铝结晶相。
在第二十五实施方案中，本公开提供了一种根据第二十实施方案至第二十四实施方案中任一项所述的方法，其中所述磨料颗粒中的每个包含小于10重量％的磁铅矿结晶相。
在第二十五实施方案中，本公开提供了一种根据第二十实施方案至第二十五实施方案中任一项所述的方法，其中所述将所述分散体转化成所述磨料前体颗粒包括干燥步骤。
在第二十七实施方案中，本公开提供了一种根据第二十实施方案所述的方法，其中所述将所述分散体转化成所述磨料前体颗粒包括干燥步骤之后进行煅烧步骤。
在第二十八实施方案中，本公开提供了一种根据第二十实施方案至第二十七实施方案中任一项所述的方法，其中所述晶种颗粒包含α-氧化铝、Fe2O3或其前体中的至少一种。
通过以下非限制性实施例，进一步说明了本公开的目的和优点，但是这些实施例中引用的具体材料和量以及其它条件和细节不应被视为是对本公开的不当限制。
实施例
除非另外指明，否则在实施例和本说明书的其余部分中的所有份数、百分数、比率等均按重量计。在以下实施例中，术语“NA”意指不适用，并且术语“NM”意指未测量的。
用于制备实施例的各种原料的概述在下表1中提供。
表1
实施例1的磨料颗粒通过使用以下配方制备勃姆石溶胶-凝胶而制成：通过使用4升WARING Blender(斯坦福的Conair公司(Conair Corporation,Stamford CT))高剪切混合含有水(1480重量份)和70％硝酸水溶液(38重量份)以及115g 7.2％氧化铁晶种浆液的分散体1分钟而分散DISPERAL一水合氧化铝粉末(700重量份，得自沙索北美公司(Sasol North America))。将所得的溶胶均匀地倾注到22cm×33cm×5cm的PYREX托盘中，并在95℃的鼓风烘箱中干燥约24小时。
将所得的干燥材料使用在钢板之间具有1.1mm间隙的Braun型UD粉碎机压碎以形成颗粒。对颗粒过筛以提供0.125至1mm尺寸的颗粒。
使用常规回转煅烧机将过筛的颗粒在约700℃下煅烧，所述常规回转煅烧机为具有2.9米热区的23cm直径、4.3米长的不锈钢管，所述管在2.4度下相对于水平面倾斜并以7rpm旋转，以提供约10分钟的停留时间。煅烧机具有350℃的热区晶种端部温度和700℃的退出端部温度。
将所得的煅烧颗粒冷却至室温，并然后用浸渍溶液进行浸渍。将约180ml的浸渍溶液与约300克的煅烧颗粒合并。通过毛细管作用将浸渍溶液和煅烧颗粒完全混合在一起以使溶液浸渍到煅烧颗粒中。浸渍溶液通过加入足量的硝酸钠和硝酸镁以提供经焙烧的、烧结的具有表2所示的组合物的磨料颗粒来制备。
使磨料颗粒干燥，然后在650℃下再次煅烧磨料颗粒，并在大约1400℃下烧结。煅烧和烧结均使用回转管式炉进行。所得的烧结磨料颗粒从炉中退出进入室温空气，其中将磨料颗粒收集在金属容器中并使之冷却至室温。
除了如表2所示改变改性剂组成和晶种含量外，以与实施例1相同的方式来制备所有实施例和比较例。
使用乔治亚州诺克罗斯的麦克仪器公司(Micromeritics,Norcross,Georgia)ACCUPYC 1330氦比重瓶测定了焙烧、烧结的磨料颗粒的密度。结果报告于表3中。
使用具有金刚石压头的常规显微硬度计(可以MINILOAD 2显微硬度计从德国韦茨拉尔的恩斯特·莱茨公司(E.Leitz GmbH,Wetzlar,Germany)商购获得)测量了磨粒的维氏微硬度。使压头(高度抛光的尖四方锥体金刚石，面角为136度)与待测量的样本逐渐且平滑地接触。预先确定的负荷为500克。对表3中的每个样本报告10次测量的平均值。
磨盘制备方法
将厚度为0.83mm(33密耳)的硫化纤维背衬的具有7英寸(17.8cm)直径和7/8英寸(2.2cm)直径心轴孔的圆盘(以DYNOS硫化纤维获自德国特罗斯多夫的DYNOS股份有限公司(DYNOS GmbH,Troisdorf,Germany))用3.5克/圆盘(g/圆盘)的底胶组合物涂覆，所述组合物由49.15重量份的甲阶酚醛树脂、40.56重量份的填料、0.1份的表面活性剂1和10.19重量份的水组成。然后将圆盘用18.0g/圆盘的磨料颗粒进行静电涂覆，再用15.0g/圆盘的复胶组合物涂覆，所述组合物由29.42重量份的甲阶酚醛树脂、50.65重量份的助磨剂1、1.81重量份的表面活性剂1和18.12重量份的水组成。然后将圆盘在90℃下加热90分钟。然后将部分固化的圆盘进一步用9克的顶胶涂层涂覆，所述顶胶涂层由30.96重量份的环氧树脂、56.34重量份的助磨剂2、0.78份的表面活性剂2、0.36份的固化剂、0.04份的消泡剂和11.52重量份的水组成。在102℃下固化12小时后，将所得的磨盘挠曲。
磨削测试
采用以下工序测试磨盘：将待评估的磨盘(直径为7英寸(17.8cm))连接到配有7英寸(17.8cm)有棱纹的磨盘垫面板(获自明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St.Paul,Minnesota)的80514EXTRA HARD RED)的转台磨床。然后启动磨床，并使磨床在12磅(5.5kg)的负荷下抵靠0.75英寸×0.75英寸(1.9cm×1.9cm)的预称重的304不锈钢条的端面。磨床在该负荷下紧靠该工件的所得旋转速度为5000rpm。使工件在这些条件下研磨总共二十五(25)个12秒的磨削间隔(循环)。每12秒间隔后，使工件冷却至室温并称重，以确定研磨操作的切削量。
测试结果以总切割(至少三个磨盘的平均值)进行报告并且切割表达为对照盘的百分比(对照物的百分比)，所述对照盘与测试盘以相同方式制成，不同的是实验磨料颗粒用3M CERAMIC ABRASIVE GRAIN 321(可从明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M,Saint Paul,Minnesota)商购获得)替代。
表3
以上获得专利证书的专利申请中所有引证的参考文献、专利或专利申请以一致的方式全文以引用方式并入本文中。在并入的参考文献部分与本专利申请之间存在不一致或矛盾的情况下，应以前述具体实施方式中的信息为准。为了使本领域的技术人员能够实现受权利要求书保护的本发明而给定的前述说明不应理解为是对本公开范围的限制，本公开的范围由权利要求书及其所有等同形式限定。