磨料颗粒和包括磨料颗粒的磨料制品可在产品制造过程中用于研磨、抛光或磨削多种材料和表面。因此，一直存在对磨料颗粒或磨料制品的成本、性能或寿命进行改善的需求。
技术实现要素：
所公开的各种实施方案涉及具有成形部分和不规则部分的部分成形磨料颗粒，其中成形部分被工程化成具有多边形形状。成形部分连接到不规则部分，从而形成单个部分成形磨料颗粒。
所公开的各种其它实施方案涉及一种制造部分成形磨料颗粒的方法。该方法包括将磨料颗粒前体组合物布置在适形于部分成形磨料颗粒的成形部分的负像的模具腔中。该方法还包括干燥磨料颗粒前体以形成部分成形磨料颗粒。在一些实施方案中，磨料颗粒可任选地经焙烧工艺处理。
所公开的各种其它实施方案涉及一种包含部分成形磨料颗粒的磨料制品。该磨料制品包括背衬。磨料制品还包括附接到背衬的成形磨料颗粒。
所公开的各种其它实施方案涉及一种制造磨料制品的方法。该方法包括将部分成形磨料颗粒粘附到背衬，使得部分成形磨料颗粒的成形部分背对背衬。
使用本文所述的部分成形磨料颗粒和包括该部分成形磨料颗粒的制品有许多原因，包括以下非限制性原因。与常规的精确成形磨料颗粒相比，本文所述的至少一些实施方案显示出改善的耐剥落性。本文所述的至少一些实施方案举例说明了用于切割的具有暴露更多的精确成形颗粒的磨料制品。另外，本文所述的一些实施方案具有改善的矿物生产。磨料制品的制造也可通过本文所述的至少一些实施方案来改善，从而通过更容易的滴涂制造来降低成本。不规则部分的存在有助于确保磨料颗粒的精确成形研磨部分的正确取向。此外，由于表面上存在更多精确成形研磨部分，因此掺入此类磨料颗粒的制品具有更长的使用寿命。另外，部分成形磨料颗粒可能更易于被覆，因为磨料颗粒的成形部分暴露更多。
附图说明
附图通常以举例的方式示出，但不受限于本文档中讨论的各种实施方案。
图1A至图1C示出了根据本发明的实施方案的部分成形磨料颗粒的示例。
图2示出了根据本发明的实施方案制备部分成形磨料颗粒的一种示例性方法。
图3示出了根据本发明的实施方案掺入部分成形磨料颗粒的一个示例性制品。
图4A至图4B示出了与根据本发明的实施方案的示例性磨料制品相比的现有技术磨料制品。
图5A至图5D示出了根据本发明的另一个实施方案的另一个示例性部分成形磨料颗粒。
图6示出了根据本发明的另一个实施方案制备部分成形磨料颗粒的另一种示例性方法。
图7至图12示出了根据本文所述的实施方案制造的部分成形磨料颗粒的示例。
具体实施方式
现在将详细参照本发明所公开主题的特定实施方案，其示例在附图中部分说明。虽然本发明所公开的主题将结合所列举的权利要求来描述，但应当理解，示例性主题不旨在将权利要求限制于本发明所公开的主题。
在整个该文档中，以一个范围格式表达的值应当以灵活的方式解释为不仅包括作为范围的极限明确列举的数值而且还包括涵盖在该范围内的所有单个数值或子范围，如同明确列举了每个数值和子范围一样。例如，范围“约0.1％至约5％”或“约0.1％至5％”应当解释为不仅包括约0.1％至约5％，而且还包括在指示范围内的单个值(例如，1％、2％、3％和4％)和子范围(例如，0.1％至0.5％、1.1％至2.2％、3.3％至4.4％)。除非另外指明，否则表述“约X至Y”具有与“约X至约Y”相同的含义。同样，除非另外指明，否则表述“约X、Y或约Z”具有与“约X、约Y或约Z”相同的含义。
在该文档中，除非上下文清楚地指明，否则术语“一个”、“一种”或“该/所述”用于包括一个(种)或多于一个(种)。除非另外指明，否则术语“或”用于指非排他性的“或”。表述“A和B中的至少一者”具有与“A、B或者A和B”相同的含义。此外，应当理解，本文所用且未以其它方式定义的措辞或术语仅出于说明的目的而不具有限制性。部分标题的任何使用均旨在有助于文档的理解且不应当解释为是限制性的；与部分标题相关的信息可在该特定部分内或外出现。
在本文所述的方法中，除了明确列举了时间或操作序列之外，可以任何顺序进行各种行为而不脱离本发明原理。此外，规定的行为可同时进行，除非明确的权利要求语言暗示它们单独地进行。例如，进行X的受权利要求保护的行为和进行Y的受权利要求保护的行为可在单一操作中同时进行，并且所得的过程将落入受权利要求保护的过程的字面范围内。
如本文所用，术语“约”可允许例如数值或范围的一定程度的可变性，例如在所述值或所述范围极限的10％内、5％内或1％内，并且包括确切表述的值或范围。
如本文所用，术语“基本上”是指大部分或大多数，如至少约50％、60％、70％、80％、90％、95％、96％、97％、98％、99％、99.5％、99.9％、99.99％、或至少约99.999％或更多、或100％。
如本文所用，术语“成形磨料颗粒”意指其中磨料颗粒的至少一部分具有预定形状的磨料颗粒，该预定形状由用于形成成形前体磨料颗粒的模具腔复制而得。除了在磨料碎片(例如，如美国专利申请公布2009/0169816和2009/0165394中所述)的情况下，成形磨粒将通常具有基本上复制了用来形成成形磨粒的模具腔体的预定几何形状。如本文所用，成型磨料颗粒不包括通过机械粉碎操作获得的磨料颗粒。
“部分成形磨料颗粒”意指具有连接到非成形部分的成形磨料颗粒部分的磨料颗粒。例如，非成形部分可在粉碎操作期间形成。在一些实施方案中，“连接”是指使用粘合剂的机械连接。然而，在其它实施方案中，“连接”意指成形部分和非成形(不规则)部分同时形成为一个整体件。
部分成形磨料颗粒
根据本公开的各种实施方案，成形磨料颗粒提供优于常规粉碎磨料的改善性能。控制磨料颗粒的形状可控制掺入所述颗粒的磨料制品的所得性能。然而，成形磨料颗粒的表面通常比粉碎颗粒上的表面更光滑，这导致矿物层与粘合剂层之间的较少机械锁定。这可导致剥落，其是指磨料颗粒过早地从结合系统释放的现象。结合系统旨在在磨料颗粒的整个使用寿命期间保持磨料颗粒。术语“剥落”可能是基于在玉米穗经历剥落操作时释放玉米籽粒的类似行为而产生的。虽然存在一些例外情况，但通常磨料颗粒从磨料制品剥落是不希望的，因为随着研磨表面减少这降低了制品的效率。由剥落表示的效率损失出现在所有磨料产品中，包括粘结磨料产品(诸如磨轮)、非织造磨料产品和带涂层磨料产品。因为基本上所有磨料颗粒都通过结合系统保持在背衬上，所以在带涂层磨料空间中损失特别明显。带涂层磨料上的基本上每个磨料颗粒是暴露的或几乎暴露的。剥落造成的磨料颗粒损失导致磨料制品上出现非研磨区域，从而降低了研磨效率，并且可导致不均匀的表面光洁度。
用于高原料移除应用的磨料产品必须能够承受高压和高旋转速度，同时仍然提供足够的磨切。在此类情况下，剥落可能是显著的。
与精确成形磨料颗粒相比，常规粉碎矿物剥落较少，因为粉碎矿物颗粒的粗糙表面为粘合剂提供多个锁定位点，从而在磨削应用期间牢固地保持磨料颗粒。
本文公开了一种新型磨料颗粒，其既结合了成形磨料颗粒的较高切削性能也结合了粉碎矿物的较好粘附性和较低剥落速率。在一些实施方案中，每个颗粒的至少15％是精确成形的。在一些实施方案中，每个颗粒的至少30％是精确成形的。优选地，每个颗粒的50体积％至95体积％是精确成形的。
与常规的精确成形磨料颗粒相比，本文所述的至少一些实施方案显示出改善的耐剥落性。本文所述的至少一些实施方案举例说明了用于切割的具有暴露更多的精确成形颗粒的磨料制品。不规则部分的存在有助于确保磨料颗粒的精确成形研磨部分的正确取向。此外，由于表面上存在更多精确成形研磨部分，因此掺入此类磨料颗粒的制品具有更长的使用寿命。另外，部分成形磨料颗粒可能更易于被覆，因为磨料颗粒的成形部分暴露更多。
图1A至图1C示出了根据本发明的实施方案的部分成形磨料颗粒的示例。根据本文所述的不同实施方案，部分成形磨料颗粒100可被工程化成具有与不规则成形部分组合的期望成形部分。
图1A示出了根据本文所述的实施方案的部分成形磨料颗粒的一个示例。部分成形磨料颗粒110具有成形部分112(被示出为四面体)和不规则部分114。
图1B所示的部分成形磨料颗粒120是根据本文所述的实施方案的部分成形磨料颗粒的另一个示例。部分成形磨料颗粒120具有成形部分122和不规则部分124。成形部分122是具有两个面的成形磨料颗粒，两个面均为三角形，由厚度t隔开。图1B所示的两个面中的每个面均为等腰三角形。
图1C所示的部分成形磨料颗粒130是另一个实施方案。部分成形磨料颗粒130具有成形部分132和不规则部分134。成形部分132是具有两个面的成形磨料颗粒，两个面均为三角形，由厚度t隔开。图1C所示的两个面中的每个面均为不等边三角形。
图1A至图1C仅表示成形磨料颗粒部分112、122和132的可能形状的一些示例。例如，虽然成形部分112示出了四面体，但也设想了其它锥体结构，包括具有4条边、5条边或更多条边的基部的那些。另外，虽然成形部分112示出了具有四个基本上相同的面的四面体，但也设想了其它四面体形状也是可能的，包括仅具有两个相同的面、三个相同的面或没有基本上相同的面的那些。
另外，虽然图1B和图1C示出了一些示例性三角形成形研磨部分122和132，但也设想了其它多边形形状可以用于磨料颗粒的成形部分的一个或多个面，包括具有四个、五个或更多个侧面的多边形。
本发明的部分成形磨料颗粒各自具有基本上精确成形的三维形状的成形部分。通常，每个颗粒的成形部分一般具有预定的几何形状，例如基本上复制用于形成部分成形磨料颗粒的模具腔的成形部分的几何形状。
具有可形成部分成形磨料颗粒的成形部分的三维形状的基础的几何形状的合适示例包括多边形(包括等边、等角、星形、规则和不规则的多边形)、透镜形状、半月形形状、圆形形状、半圆形形状、椭圆形形状、扇形、圆弓形、水滴形状和内摆线(例如超椭圆形)。
出于本发明的目的，几何形状还旨在包括规则或不规则多边形或星形，其中一条或多条边(面的边缘部分)可为弓形(朝向内部或朝向外部，其中第一替代形式为优选的)。三角形形状还包括其中一个或多个边(面的边缘部分)可为弓形的三边多边形，即，三角形的定义扩大到球面三角形并且四边形的定义扩大到超椭圆形。第二侧面可具有(并且优选地为)第二面。第二面可具有第二几何形状的边缘。
另外，虽然成形部分112、122和132全部被示出为具有平滑面，但也设想了在至少一些实施方案中，部分成形磨料颗粒具有带另外特征的成形部分。例如，成形研磨部分的一个或多个面可具有沟槽或脊。在另一个示例中，一个或多个面可为凹形的或凸形的。
用于制备具有至少一个倾斜侧壁的成形磨料颗粒的方法例如在美国专利申请公布2009/0165394中有所描述。用于制备具有开口的成形磨粒的方法例如在美国专利申请公布2010/0151201和2009/0165394中有所描述。用于制备至在少一个侧面上具有沟槽的成形磨粒的方法例如在美国专利申请公布2010/0146867中有所描述。用于制备碟形磨粒的方法例如在美国专利申请公布2010/0151195和2009/0165394中有所描述。用于制备具有低圆度系数的成形磨粒的方法例如在美国专利申请公布2010/0319269中有所描述。用于制备具有至少一个破碎表面的成形磨粒的方法例如在美国专利申请公布2009/0169816和2009/0165394中有所描述。用于制备其中第二侧面具有顶点(例如，双楔形磨料颗粒)或脊线(例如，屋顶形颗粒)的磨料颗粒的方法例如在WO 2011/068714中有所描述。
部分成形磨料颗粒的组成
部分成形磨料颗粒100可由多种合适的材料或材料的组合形成。例如，部分成形磨料颗粒100可为陶瓷材料或聚合物材料。如果部分成形磨料颗粒100由陶瓷材料制成，则该陶瓷材料可包括α氧化铝、来源于溶胶-凝胶法的α氧化铝或它们的混合物。其它合适的材料包括熔融氧化铝、热处理的氧化铝、陶瓷氧化铝、烧结的氧化铝、碳化硅材料、二硼化钛、碳化硼、碳化钨、碳化钛、金刚石、立方氮化硼、石榴石、熔融氧化铝-氧化锆、氧化铈、氧化锆、氧化钛或它们的组合。另外，如下文结合图5至图6更详细地讨论，还明确设想了在一些实施方案中，部分成形磨料颗粒100的成形部分是与不规则部分不同的材料。
包含聚合物材料的部分成形磨料颗粒100可表征为软磨料颗粒。本文所述的软成形磨料颗粒可包括任何合适的材料或材料的组合。例如，软成形磨料颗粒可包括包含一种或多种可聚合树脂的可聚合混合物的反应产物。该一种或多种可聚合树脂选自酚醛树脂、脲醛树脂、氨基甲酸乙酯树脂、三聚氰胺树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、乙烯基醚树脂、氨基塑料树脂(其可包括侧链α、β不饱和羰基)、丙烯酸酯树脂、丙烯酸酯化异氰脲酸酯树脂、异氰脲酸酯树脂、丙烯酸酯化聚氨酯树脂、丙烯酸改性环氧树脂、烷基树脂、聚酯树脂、干性油或它们的混合物。可聚合混合物可包括附加组分，诸如增塑剂、酸催化剂、交联剂、表面活性剂、柔和磨料、颜料、催化剂和抗菌剂。
在可聚合混合物中存在多种组分的情况下，这些组分可占混合物的任何合适的重量百分比。例如，可聚合树脂可在可聚合混合物的约35重量％至约99.9重量％、约40重量％至约95重量％的范围内，或者可小于、等于或大于约35重量％、40重量％、41重量％、42重量％、43重量％、44重量％、45重量％、46重量％、47重量％、48重量％、49重量％、50重量％、51重量％、52重量％、53重量％、54重量％、55重量％、56重量％、57重量％、58重量％、59重量％、60重量％、61重量％、62重量％、63重量％、64重量％、65重量％、66重量％、67重量％、68重量％、69重量％、70重量％、71重量％、72重量％、73重量％、74重量％、75重量％、76重量％、77重量％、78重量％、79重量％、80重量％、81重量％、82重量％、83重量％、84重量％、85重量％、86重量％、87重量％、88重量％、89重量％、90重量％、91重量％、92重量％、93重量％、94重量％、95重量％、96重量％、97重量％、98重量％或约99.9重量％。
如果存在交联剂的话，则该交联剂可在可聚合混合物的约2重量％至约60重量％、约5重量％至约10重量％的范围内，或者可小于、等于或大于约2重量％、3重量％、4重量％、5重量％、6重量％、7重量％、8重量％、9重量％、10重量％、11重量％、12重量％、13重量％、14重量％或约15重量％。合适的交联剂的示例包括以商品名CYMEL 303LF购自美国佐治亚州阿尔法利塔的湛新美国股份有限公司(Allnex USA Inc.,Alpharetta,Georgia,USA)的交联剂；或以商品名CYMEL 385购自美国佐治亚州阿尔法利塔的湛新美国股份有限公司的交联剂。
如果存在柔和磨料的话，则该柔和磨料可在可聚合混合物的约5重量％至约65重量％、约10重量％至约20重量％的范围内，或者可小于、等于或大于约5重量％、6重量％、7重量％、8重量％、9重量％、10重量％、11重量％、12重量％、13重量％、14重量％、15重量％、16重量％、17重量％、18重量％、19重量％、20重量％、21重量％、22重量％、23重量％、24重量％、25重量％、26重量％、27重量％、28重量％、29重量％、30重量％、31重量％、32重量％、33重量％、34重量％、35重量％、36重量％、37重量％、38重量％、39重量％、40重量％、41重量％、42重量％、43重量％、44重量％、45重量％、46重量％、47重量％、48重量％、49重量％、50重量％、51重量％、52重量％、53重量％、54重量％、55重量％、56重量％、57重量％、58重量％、59重量％、60重量％、61重量％、62重量％、63重量％、64重量％或约65重量％。合适的柔和磨料的示例包括以商品名MINSTRON 353TALC购自美国蒙大拿州斯里福克斯的英格瓷滑石美国公司(Imerys Talc America,Inc.,Three Forks,Montana,USA)的柔和磨料；以商品名USG TERRA ALBA NO.1CALCIUM SULFATE购自美国伊利诺伊州芝加哥的USG公司(USG Corporation,Chicago,Illinois,USA)的柔和磨料；购自美国宾夕法尼亚州哈特菲尔德的ESCA工业有限公司(ESCA Industries,Ltd.,Hatfield,Pennsylvania,USA)的回收玻璃(40-70号砂)、二氧化硅、方解石、霞石、正长岩、碳酸钙或它们的混合物。
如果存在增塑剂的话，则该增塑剂可在可聚合混合物的约5重量％至约40重量％、约10重量％至约15重量％的范围内，或者小于、等于或大于约5重量％、6重量％、7重量％、8重量％、9重量％、10重量％、11重量％、12重量％、13重量％、14重量％、15重量％、16重量％、17重量％、18重量％、19重量％、20重量％、21重量％、22重量％、23重量％、24重量％、25重量％、26重量％、27重量％、28重量％、29重量％、30重量％、31重量％、32重量％、33重量％、34重量％、35重量％、36重量％、37重量％、38重量％、39重量％或40重量％。合适的增塑剂的示例包括丙烯酸类树脂或苯乙烯丁二烯树脂。丙烯酸类树脂的示例包括以商品名RHOPLEX GL-618购自美国密歇根州米德兰的陶氏化学公司(DOW Chemical Company,Midland,Michigan,USA)的丙烯酸类树脂；以商品名HYCAR 2679购自美国俄亥俄州威克利夫的路博润公司(Lubrizol Corporation,Wickliffe,Ohio,USA)的丙烯酸类树脂；以商品名HYCAR26796购自美国俄亥俄州威克利夫的路博润公司的丙烯酸类树脂；以商品名ARCOL LG-650购自美国密歇根州米德兰的陶氏化学公司的聚醚多元醇；或以商品名HYCAR 26315购自美国俄亥俄州威克利夫的路博润公司的丙烯酸类树脂。苯乙烯丁二烯树脂的示例包括以商品名ROVENE 5900购自美国北卡罗来纳州夏洛特的马拉德克里科聚合物公司(Mallard Creek Polymers,Inc.,Charlotte,North Carolina,USA)的树脂。
如果存在酸催化剂的话，则该酸催化剂可在可聚合混合物的1重量％至约20重量％、约5重量％至约10重量％的范围内，或者可小于、等于或大于约1重量％、2重量％、3重量％、4重量％、5重量％、6重量％、7重量％、8重量％、9重量％、10重量％、11重量％、12重量％、13重量％、14重量％、15重量％、16重量％、17重量％、18重量％、19重量％或约20重量％。合适的酸催化剂的示例包括氯化铝溶液或氯化铵溶液。
如果存在表面活性剂的话，则该表面活性剂可在可聚合混合物的约0.001重量％至约15重量％、约5重量％至约10重量％的范围内，或者可小于、等于或大于约0.001重量％、0.01重量％、0.5重量％、1重量％、2重量％、3重量％、4重量％、5重量％、6重量％、7重量％、8重量％、9重量％、10重量％、11重量％、12重量％、13重量％、14重量％或约15重量％。合适的表面活性剂的示例包括以商品名GEMTEX SC-85-P购自美国北卡罗来纳州索尔兹伯里的Innospec功能化学品公司(Innospec Performance Chemicals,Salisbury,North Carolina,USA)的表面活性剂；以商品名DYNOL 604购自美国宾夕法尼亚州阿伦敦的空气化工产品有限公司(Air Products and Chemicals,Inc.,Allentown,Pennsylvania,USA)的表面活性剂；以商品名ACRYSOL RM-8W购自美国密歇根州米德兰的陶氏化学公司的表面活性剂；或以商品名XIAMETER AFE 1520购自美国密歇根州米德兰的陶氏化学公司的表面活性剂。
如果存在抗微生物剂的话，则该抗微生物剂可在可聚合混合物的0.5重量％至约20重量％、约10重量％至约15重量％的范围内，或者可小于、等于或大于约0.5重量％、1重量％、2重量％、3重量％、4重量％、5重量％、6重量％、7重量％、8重量％、9重量％、10重量％、11重量％、12重量％、13重量％、14重量％、15重量％、16重量％、17重量％、18重量％、19重量％或约20重量％。合适的抗微生物剂的示例包括吡啶硫酮锌。
如果存在颜料的话，则该颜料可在可聚合混合物的约0.1重量％至约10重量％、约3重量％至约5重量％的范围内，或者可小于、等于或大于约0.1重量％、0.2重量％、0.4重量％、0.6重量％、0.8重量％、1重量％、1.5重量％、2重量％、2.5重量％、3重量％、3.5重量％、4重量％、4.5重量％、5重量％、5.5重量％、6重量％、6.5重量％、7重量％、7.5重量％、8重量％、8.5重量％、9重量％、9.5重量％或10重量％。合适的颜料的示例包括以商品名SUNSPERSE BLUE 15购自美国新泽西州帕西帕尼的太阳化学有限公司(Sun Chemical Corporation,Parsippany,New Jersey,USA)的颜料分散体；以商品名SUNSPERSE VIOLET 23购自美国新泽西州帕西帕尼的太阳化学有限公司的颜料分散体；以商品名SUN BLACK购自美国新泽西州帕西帕尼的太阳化学有限公司的颜料分散体；或以商品名BLUE PIGMENT B2G购自美国北卡罗来纳州夏洛特的科莱恩有限公司(Clariant Ltd.,Charlotte,North Carolina,USA)的颜料分散体。
除了已经描述的材料之外，可将至少一种磁性材料包含在成形磨料颗粒100内或被覆到该成形磨料颗粒上。磁性材料的示例包括铁；钴；镍；销售为各种等级的坡莫合金(Permalloy)的各种镍和铁的合金；销售为铁镍钴合金(Fernico)、科瓦铁镍钴合金(Kovar)、铁镍钴合金I(FerNiCo I)或铁镍钴合金II(FerNiCo II)的各种铁、镍和钴的合金；销售为各种等级的铝镍钴合金(Alnico)的各种铁、铝、镍、钴以及(有时还有)铜和/或钛的合金；销售为铁铝硅合金的铁、硅和铝(按重量计约85:9:6)的合金；赫斯勒合金(例如，Cu2MnSn)；锰铋化物(也称为铋化锰(Bismanol))；稀土可磁化材料，诸如钆、镝、钬、铕氧化物、钕、铁和硼的合金(例如，Nd2Fe14B)以及钐和钴的合金(例如，SmCo5)；MnSb；MnOFe2O3；Y3Fe5O12；CrO2；MnAs；铁氧体，诸如铁氧体、磁铁矿；锌铁氧体；镍铁氧体；钴铁氧体、镁铁氧体、钡铁氧体以及锶铁氧体；钇铁石榴石；以及前述的组合。在一些实施方案中，可磁化材料是含有8重量％至12重量％的铝、15重量％至26重量％的镍、5重量％至24重量％的钴、高达6重量％的铜、至多1重量％的钛的合金，其中总计达100重量％的材料的余量为铁。在一些其它实施方案中，使用气相沉积技术诸如例如物理气相沉积(PVD)，包括磁控溅射，可在磨料颗粒100上沉积可磁化涂层。包含这些可磁化材料可允许部分成形磨料颗粒100对磁场有响应。部分成形磨料颗粒100中的任一者可包含相同的材料或包含不同的材料。
然而，在一些实施方案中，部分成形磨料颗粒不含添加的可磁化材料。可能不需要添加可磁化材料来确保颗粒在背衬上的适当放置。在部分成形磨料颗粒中掺入不规则部分可通过改变其重心而导致颗粒自取向，使得不规则成形部分面向背衬并且部分成形部分背对背衬。例如，在部分成形磨料颗粒中掺入不规则部分导致重心位于不规则成形端上，这可导致颗粒自取向，使得不规则成形部分面向背衬并且部分成形部分背对背衬。
制造部分成形磨料颗粒的方法
部分成形磨料颗粒100可以许多合适的方式形成，例如，部分成形磨料颗粒100可根据多操作方法制成，诸如下文例如参照图2所讨论的方法。该方法可以使用任何材料或前体分散体材料进行。简而言之，对于其中部分成形磨料颗粒100是单片陶瓷颗粒的实施方案，该方法可包括以下操作：制备可被转变为对应物的有晶种或无晶种的前体分散体(例如，可转变为α氧化铝的勃姆石溶胶-凝胶)；用前体分散体填充适形于磨料颗粒100的部分成形部分的负像的一个或多个模具腔；干燥前体分散体以形成成形磨料颗粒前体；从模具腔中移除部分成形磨料颗粒100前体，从而形成每个磨料颗粒的不规则部分；煅烧部分成形磨料颗粒100前体以形成已煅烧的部分成形磨料颗粒100前体；然后烧结已煅烧的部分成形磨料颗粒100前体以形成成形磨料颗粒100。现在，将在含α-氧化铝的部分成形磨料颗粒100的上下文中对该方法进行更详细地描述。在其它实施方案中，模具腔可填充有三聚氰胺以形成三聚氰胺部分成形磨料颗粒。另外，在图2所示的方法的上下文中也可使用其它前体材料，以便形成其它合适的部分成形磨料颗粒。
该方法可包括提供能够转化为陶瓷的有晶种或无晶种的前体分散体的操作。在对前体加晶种的示例中，前体可引入晶种铁氧化物(例如，FeO)。前体分散体可包含作为挥发性组分的液体。在一个示例中，该挥发性组分是水。分散体可包含足量的液体，以使分散体的粘度足够低，从而能够填充模具腔并且复制模具表面，但是液体的量不能太多，因为会导致随后将液体从模具腔中移除的成本过高。在一个示例中，前体分散体包含2重量％至90重量％的能够转化为陶瓷的颗粒诸如一水合氧化铝(勃姆石)颗粒，以及至少10重量％、或50重量％至70重量％、或50重量％至60重量％的挥发性组分诸如水。反之，在一些实施方案中，前体分散体包含30重量％至50重量％或40重量％至50重量％的固体。
图2示出了根据本发明的实施方案制备部分成形磨料颗粒的一种示例性方法。在一个实施方案中，方法200可用于形成基于α氧化铝的部分成形磨料颗粒。然而，也可使用其它材料。
在步骤210中，用前体浆液212填充具有部分成形的腔204的模具202。如图所示，前体浆液212基本上完全填充部分成形的腔204。延伸到模具202中的腔204中的每个腔具有将形成部分成形磨料颗粒的成形部分的基础的形状。例如，在部分成形磨料颗粒110的上下文中，部分成形的腔204将为四面体，而在部分成形磨料颗粒120的上下文中，部分成形的腔204将为三棱柱。然而，对于部分成形的腔204也设想了其它形状。
在步骤220中，前体浆液212经历干燥阶段，从而在模具202内产生干燥附聚物222。
然后在步骤230中，干燥附聚物220经历粉碎阶段，得到部分成形磨料颗粒250，然后在步骤240中，从模具202中移除部分成形磨料颗粒。
如图所示，部分成形磨料颗粒250具有成形部分252和不规则部分254。
合适的前体分散体的示例包括氧化锆溶胶、氧化钒溶胶、氧化铈溶胶、氧化铝溶胶以及它们的组合。合适的氧化铝分散体包括例如勃姆石分散体以及其它氧化铝水合物分散体。勃姆石可通过已知的技术来制备或者可商购获得。市售勃姆石的示例包括均购自沙索尔北美有限公司(Sasol North America,Inc.)的商品名为“DISPERAL”和“DISPAL”的产品，或购自BASF公司的商品名为“HIQ-40”的产品。这些一水合氧化铝是相对纯的；即，它们除了一水合物外只包含相对较少的(如果有的话)其它水合物相，并且具有高表面积。
所得部分成形磨料颗粒100的物理特性可能通常可取决于前体分散体中所用材料的类型。如本文所用，“凝胶”是分散在液体中的固体的三维网络。
前体分散体可包含改性添加剂或改性添加剂的前体。改性添加剂可用于增强磨料颗粒的某些所需特性，或者提高后续烧结步骤的效率。改性添加剂或改性添加剂的前体可呈可溶性盐的形式，诸如水溶性盐。它们可包括含金属的化合物，并且可以是镁、锌、铁、硅、钴、镍、锆、铪、铬、钇、镨、钐、镱、钕、镧、钆、铈、镝、铒、钛的氧化物的前体，以及它们的混合物。可存在于前体分散体中的这些添加剂的具体浓度可以变化。
引入改性添加剂或改性添加剂前体可导致前体分散体胶凝。也可以通过以下方式使前体分散体胶凝：在一定时期内进行加热，从而通过蒸发来减少分散体中的液体含量。前体分散体还可包含成核剂。适用于本公开的成核剂可以包括α氧化铝、α氧化铁或其前体、二氧化钛和钛酸盐、氧化铬的细粒，或者使所述转化成核的任何其它物质。如果使用成核剂的话，则其量应当足够多，以对α-氧化铝进行转化。
可将胶溶剂添加到前体分散体中以制备更稳定的水溶胶或胶态前体分散体。合适的胶溶剂为单质子酸或酸性化合物，诸如乙酸、盐酸、甲酸和硝酸。也可使用多质子酸，但是它们可能使前体分散体快速胶凝，从而使得难以对其进行处理或难以引入附加组分。某些商业来源的勃姆石包含有助于形成稳定前体分散体的酸滴度(例如，所吸收的甲酸或硝酸)。
前体分散体可通过任何合适的手段形成；例如，就溶胶-凝胶氧化铝前体而言，其可通过将氧化铝一水合物与含有胶溶剂的水简单地混合，或者通过形成添加有胶溶剂的氧化铝一水合物浆液而形成。
可添加消泡剂或其它合适的化学品，以降低混合时形成气泡或夹带空气的倾向。如果需要，可添加其它化学品，诸如润湿剂、醇类或偶联剂。
进一步操作可包括提供模具，该模具具有至少一个模具腔，或形成于模具的至少一个主表面中的多个腔。在一些示例中，模具被形成为生产工具，其可以是例如带、片、连续纤维网、轮转凹辊等涂布辊、安装在涂布辊上的套筒或者模头。在一个示例中，生产工具可包含聚合物材料。合适的聚合物材料的示例包括热塑性塑料，诸如聚酯、聚碳酸酯、聚(醚砜)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚氨酯、聚氯乙烯、聚烯烃、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯或它们的组合，或热固性材料。在一个示例中，整个模具由聚合物材料或热塑性材料制成。在另一个示例中，在干燥前体分散体时与前体分散体接触的模具的表面(诸如多个腔的表面)包含聚合物材料或热塑性材料，并且该模具的其它部分可以由其它材料制成。以举例的方式，可将合适的聚合物涂层施加到金属模具以改变其表面张力特性。
聚合物型或热塑性生产工具可以由金属母模工具复制而成。母模工具可具有生产工具所需的反向图案。母模工具可以与生产工具相同的方式制成。在一个示例中，母模工具由金属(例如镍)制成，并且经过金刚石车削。在一个示例中，母模工具至少部分地使用立体光照型技术形成。可将聚合物片状材料连同母模工具一起加热，使得通过将二者压制在一起而在聚合物材料上压印出母模工具图案。也可将聚合物或热塑性材料挤出或浇铸到母模工具上，并且然后对其进行压制。冷却热塑性材料以使其硬化，从而制得生产工具。如果利用热塑性生产工具，则应当注意不要产生过多热量，这些热量可使热塑性生产工具变形，从而限制其寿命。
从模具的顶部表面或底部表面中的开口均可进入腔中。在一些示例中，腔可延伸过模具的整个厚度。另选地，腔可仅延伸至模具的厚度的一部分。在一个示例中，顶部表面基本上平行于模具的底部表面，其中腔具有基本上均匀的深度。模具的至少一个侧面，即在其中形成腔的那一侧面可以在去除挥发性组分的步骤中保持暴露于周围大气环境。
腔204具有指定的三维形状，以制备部分成形磨料颗粒100的成形部分。给定腔204的深度可为均匀的，或者可沿其长度和/或宽度变化。给定模具的腔可具有相同的形状或不同的形状。另外，取决于部分成形磨料颗粒100的不规则部分的所需尺寸，腔204可间隔得更靠近或更远离。应当理解，模具202可能在图2中未按比例绘制。腔204也可具有平滑的壁，或者它们可具有向部分成形磨料颗粒100的成形部分赋予纹理的纹理化壁。腔204也可被成形为将一个或多个凹面或凸面赋予部分成形磨料颗粒100的成形部分。
另外的操作涉及用前体分散体填充腔204(例如，通过常规技术)，例如如步骤210所示。在一些示例中，可使用刀辊涂布机或真空槽模涂布机。如果需要，可使用脱模剂以有助于从模具移除颗粒。脱模剂的示例包括油类(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。一般来讲，将在液体诸如水或醇中的脱模剂诸如花生油施加到与前体分散体接触的生产模具的表面，使得当需要脱模时，每单位面积模具上存在约0.1mg/in2(0.6mg/cm2)至约3.0mg/in2(20mg/cm2)，或约0.1mg/in2(0.6mg/cm2)至约5.0mg/in2(30mg/cm2)的脱模剂。在一些实施方案中，模具的顶部表面被覆有前体分散体。前体分散体可以被抽吸到该顶部表面上。
在另外的操作中，可使用刮刀或平整棒将前体分散体完全压入模具202的腔204中。可将未进入腔204中的前体分散体的剩余部分从模具202的顶部表面去除并回收利用。在一些示例中，前体分散体的一小部分可以保留在顶部表面上，并且在其它示例中，顶部表面基本上不含分散体。刮刀或平整棒施加的压力可小于100psi(0.6MPa)、或小于50psi(0.3MPa)、或甚至小于10psi(60kPa)。在一些示例中，前体分散体的暴露表面基本上不会延伸超过顶部表面。
在期望使用腔的暴露表面形成成形陶瓷磨料颗粒的平面的那些示例中，可能需要使腔装填过满(例如，使用微喷嘴阵列)，并且使前体分散体缓慢地干燥。
另外的操作涉及去除挥发性组分，以干燥分散体。挥发性组分可以通过快速蒸发速率去除。在一些示例中，通过蒸发去除挥发性组分在高于挥发性组分的沸点的温度下进行。干燥温度的上限通常取决于制成模具的材料。就聚丙烯模具而言，温度应低于该塑料的熔点。在一个示例中，就含约40％至50％固体的水分散体以及聚丙烯模具而言，干燥温度可为约90℃至约165℃，或约105℃至约150℃，或约105℃至约120℃。更高的温度可导致改善的生产速度，但是也可导致聚丙烯模具的降解，从而限制其作为模具的使用寿命。
在干燥期间，前体分散体收缩，从而通常导致从腔壁回缩。例如，如果腔具有平面壁，则所得的部分成形磨料颗粒100可能趋于具有至少三个凹形主侧面。目前发现，通过使腔壁成凹形(由此，腔容积增加)，可获得具有至少三个基本上平面主侧面的部分成形磨料颗粒100。凹陷程度一般取决于前体分散体的固含量。
另外的操作涉及从腔204中移除所得的部分成形磨料颗粒100前体。可通过对模具202单独或组合地使用下列方法从腔204中移除部分成形磨料颗粒100前体：重力、振动、超声振动、真空或加压空气，以从腔204中移除颗粒100。
部分成形磨料颗粒100前体可在模具202外进一步干燥。如果在模具202中将前体分散体干燥至所需程度，则该附加干燥步骤不是必要的。然而，在一些情况下，采用该附加干燥步骤来使前体分散体在模具202中的停留时间最小化可能是经济的。部分成形磨料颗粒100前体将在50℃至160℃、或120℃至150℃的温度下干燥10分钟至480分钟、或120分钟至400分钟。
另外的操作涉及煅烧部分成形磨料颗粒100前体。在锻烧期间，基本上所有挥发性物质都被去除，并且存在于前体分散体中的各种组分均转化成金属氧化物。通常，将部分成形磨料颗粒100前体加热到400℃至800℃的温度，并且将其保持在该温度范围内，直至去除游离水和90重量％以上的任何结合的挥发性物质为止。在任选步骤中，可能期望通过浸渍方法引入改性添加剂。水溶性盐可通过将其注入到已煅烧的部分成形磨料颗粒100前体的孔中来引入。然后再次预烧部分成形磨料颗粒100前体。
另外的操作可涉及烧结已煅烧的部分成形磨料颗粒100前体，以形成部分成形颗粒100。然而，在前体包含稀土金属的一些示例中，烧结可能并非必要。在烧结之前，已煅烧的部分成形磨料颗粒100前体并未完全致密化，因此缺乏用作部分成形磨料颗粒100的所需硬度。通过使已煅烧的部分成形磨料颗粒100前体加热到1000℃至1650℃的温度来进行烧结。为实现这种转化程度，已煅烧的成形磨料颗粒100前体在烧结温度下可暴露的时间长度取决于多种因素，但可为五秒至48小时。
在另一个实施方案中，烧结步骤的持续时间在一分钟至90分钟的范围内。烧结之后，成形磨料颗粒14可具有10GPa(吉帕斯卡)、16GPa、18GPa、20GPa或更大的维氏硬度。
可以使用附加操作来修改所述方法，该操作例如将材料从煅烧温度快速加热至烧结温度，并且对前体分散体进行离心以去除淤渣和/或废物。此外，如果需要，则可以通过组合这些方法步骤中的两个或更多个来修改该方法。
为了形成软部分成形磨料颗粒100，可将本文所述的可聚合混合物沉积在腔中。腔可具有与所需的部分成形磨料颗粒100的阴印模相对应的形状。在将腔填充至所需程度之后，使可聚合混合物在腔中固化。固化可在室温(例如，约25℃)下或在高于室温的任何温度下发生。固化也可通过使可聚合混合物暴露于电磁辐射源或紫外线辐射源来实现。
部分成形磨料颗粒100可根据磨料行业公认的规定标称等级独立地按尺寸分类。磨料行业公认的分级标准包括由ANSI(美国国家标准学会)、FEPA(欧洲磨料制造者联盟)和JIS(日本工业标准)颁布的那些标准。ANSI等级标号(即规定的标称等级)包括例如：ANSI 4、ANSI 6、ANSI 8、ANSI 16、ANSI 24、ANSI 36、ANSI 46、ANSI 54、ANSI 60、ANSI 70、ANSI 80、ANSI 90、ANSI 100、ANSI 120、ANSI 150、ANSI 180、ANSI 220、ANSI 240、ANSI 280、ANSI 320、ANSI 360、ANSI 400和ANSI 600。FEPA等级标号包括F4、F5、F6、F7、F8、F10、F12、F14、F16、F18、F20、F22、F24、F30、F36、F40、F46、F54、F60、F70、F80、F90、F100、F120、F150、F180、F220、F230、F240、F280、F320、F360、F400、F500、F600、F800、F1000、F1200、F1500和F2000。JIS等级标号包括：JIS8、JIS12、JIS16、JIS24、JIS36、JIS46、JIS54、JIS60、JIS80、JIS100、JIS150、JIS180、JIS220、JIS240、JIS280、JIS320、JIS360、JIS400、JIS600、JIS800、JIS1000、JIS1500、JIS2500、JIS4000、JIS6000、JIS8000和JIS10,000。
包含部分成形磨料颗粒的磨料制品
根据本公开的各种实施方案，公开了一种磨料制品。该磨料制品可选自许多不同的磨料制品，诸如磨带、磨片或磨盘。在一个实施方案中，磨料制品可为带涂层磨料制品，其中部分成形磨料颗粒被施加到背衬并且用一个或多个涂层固定在适当位置。
成形磨料颗粒100可占任何磨料制品中的磨料颗粒的100重量％。另选地，成形磨料颗粒100可为分布在背衬上的磨料颗粒的共混物的一部分。如果作为共混物的一部分存在，则成形磨料颗粒100可在共混物的约5重量％至约95重量％、约10重量％至约80重量％、约30重量％至约50重量％的范围内，或者小于、等于或大于共混物的约5重量％、10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％、45重量％、50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％或约95重量％。在共混物中，磨料颗粒的剩余部分可包含常规的粉碎磨料颗粒。粉碎磨料颗粒通常通过机械粉碎操作形成并且不具有复制的形状。磨料颗粒的剩余部分也可包括其它成形磨料颗粒。
图3示出了根据本发明的实施方案掺入部分成形磨料颗粒的一个示例性制品。根据本发明的一个实施方案，带涂层磨料制品300作为掺入了部分成形磨料颗粒330的磨料制品的一个示例呈现。然而，还明确地设想了其它形式的磨料制品。例如，在一些实施方案中，成形磨料颗粒100可包括在随机轨道式砂光机或振动式砂光机中。
在一个实施方案中，磨料制品300具有背衬310，该背衬上施加有第一粘结材料层，例如底胶层320。将部分成形磨料颗粒330放置在背衬310上，使得它们附接或部分地嵌入底胶层320内。希望部分成形磨料颗粒330中的基本上全部或至少大部分定位在底胶层内，使得不规则部分370面向背衬310并且成形部分360背对背衬310。与成形部分被取向成背对背衬的具有较少或不具有部分成形颗粒的对应磨料制品相比，这可增加磨料制品300的切削量。
背衬310可以是柔性的或刚性的。用于形成柔性背衬的合适材料的示例包括聚合物膜、金属箔、织造织物、针织织物、纸材、硫化纤维、短纤维、连续纤维、非织造布、泡沫、筛网、层压物以及它们的组合。背衬310还可包含各种添加剂。合适的添加剂的示例包括着色剂、加工助剂、增强纤维、热稳定剂、紫外线稳定剂和抗氧化剂。可用的填料的示例包括粘土、碳酸钙、玻璃珠、滑石粉、黏土、云母、木屑和炭黑。
背衬300可成形为允许带涂层磨料制品300呈片、盘、带、垫或卷的形式。在一些实施方案中，背衬310可为足够柔性的以允许磨料制品300成形为环，以制备可在合适的磨削设备上运行的磨带。
任何磨料制品300可包括底胶层320，以将部分成形磨料颗粒100或部分成形磨料颗粒100和粉碎磨料颗粒的共混物粘附到背衬310。磨料制品300还可包括将成形磨料颗粒粘附到底胶层320的复胶层340。底胶层320将部分成形磨料颗粒330固定到背衬310。复胶层340可有助于增强部分成形磨料颗粒330。
底胶层320、复胶层340或这两者可包含树脂粘合剂。树脂粘合剂为任何合适的树脂，诸如酚醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂、丙烯酸酯树脂、氨基塑料树脂、三聚氰胺甲醛树脂、丙烯酸改性环氧树脂、氨基甲酸乙酯树脂或它们的混合物。另外，底胶层320、复胶层340或这两者可包含填料、助磨剂、润湿剂、表面活性剂、染料、颜料、偶联剂、增粘剂或它们的混合物。填料的示例可包括碳酸钙、二氧化硅、滑石、粘土、偏硅酸钙、白云石、硫酸铝或它们的混合物。除树脂粘合剂之外，底胶层44或复胶层46或这两层还可以包含本领域已知的添加剂，诸如例如填料、助磨剂、润湿剂、表面活性剂、染料、颜料、偶联剂、粘合增进剂以及它们的组合。填料的示例包括碳酸钙、硅石、滑石、粘土、偏硅酸钙、白云石、硫酸铝以及它们的组合。
助磨剂可被施加到带涂层磨料制品。助磨剂被定义为颗粒物质，所述颗粒物质的加入显著地影响研磨的化学和物理过程，从而导致性能提高。助磨剂涵盖各种各样不同的材料，并且可以为无机物或有机物。助磨剂的化学基团的示例包括蜡、有机卤化物、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期间分解，并且释放卤酸或气态卤化物。此类材料的示例包括氯化蜡，例如四氯萘、五氯萘；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、氟化硅、氯化钾、氯化镁。金属的示例包括锡、铅、铋、钴、锑、镉、铁和钛。其它助磨剂包括硫、有机硫化合物、石墨和金属硫化物。本发明还涵盖使用不同助磨剂的组合；在某些情况下，这可产生协同增强效应。在一个实施方案中，助磨剂为冰晶石或四氟硼酸钾。可对此类添加剂的量进行调整，以赋予所需性质。本发明还涵盖顶胶层350的应用。顶胶层通常包含粘结剂和助磨剂。粘结剂可由如下材料形成：诸如酚醛树脂、丙烯酸酯树脂、环氧树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、氨基甲酸乙酯树脂以及它们的组合。
如果存在复胶层340的话，则可在第二固化站处至少部分地固化该复胶层，任选地进一步固化至少部分固化的底胶层前体。在一些实施方案中，在至少部分固化的复胶层前体上设置顶胶层(图3中未示出)。
虽然图3示出了三棱柱形状的部分成形磨料颗粒330，但这仅旨在作为示例。还明确设想了其它形状，包括其它多边形形状、具有凸面或凹面的部分成形磨料颗粒和/或具有倾斜侧壁的部分成形磨料颗粒。还明确地设想了其它构造。
另外，虽然图3示出了带涂层磨料制品300，但部分成形磨料颗粒330也可用于制造其它磨料制品，例如用于制造非织造磨料制品或粘结磨料制品。然而，应当注意，如上文参照部分成形磨料颗粒100所述，部分成形磨料颗粒330在用作带涂层磨料制品300的一部分时提供令人惊讶的有益效果。
图4A至图4B示出了与根据本发明的实施方案的示例性磨料制品相比的现有技术磨料制品。在现有技术磨料制品450和磨料制品460之间的比较中，可以看到部分成形磨料颗粒456的有益效果。
图4A示出了用美国专利5366523中描述的成形磨料颗粒456制成的磨料制品450。成形磨料颗粒456嵌入背衬452上的底胶层454内。复胶层458可选地施加在成形磨料颗粒456上。
图4B示出了使用部分成形磨料颗粒456制成的磨料制品460，其可类似于部分成形磨料制品330和/或类似于部分成形磨料制品100，并且可以与关于方法200所讨论的方式类似的方式制成。为了易于与成形磨料颗粒456进行比较，示出了三角形成形部分472。然而，明确设想了成形部分472也可采用其它形状，包括但不限于具有或不具有表面特征(诸如沟槽、凸面或凹面)的其它多边形形状。
部分成形磨料颗粒456通过部分成形部分472和不规则部分474两者提供一些有益效果。不规则部分474增大了部分成形磨料颗粒456对剥落的抵抗力。据推测，增大的抵抗力至少部分地归因于不规则部分474嵌入底胶层464和复胶层468内。不规则部分474的粗糙表面提供多个锁定位点，从而在磨削应用期间将部分成形磨料颗粒牢固地保持在适当位置。
另外，至少部分地由于成形切割刃，成形部分472提供优于常规粉碎磨料的有益效果。然而，如图4B与图4A的比较所示，部分成形磨料颗粒也为磨料制品460提供比磨料制品450更长的使用寿命，因为与现有技术的颗粒456相比，底胶层464上存在更多成形部分472。
此外，与磨料制品450相比，部分成形磨料颗粒节省成本并且易于制造磨料制品460。包括不规则部分474可允许更容易地取向部分成形磨料颗粒460，使得成形部分472被取向成背对背衬462，而不需要另外的精确放置技术。相比之下，成形磨料颗粒456不太容易放置，例如一个面被放置成平行于而非垂直于背衬452。相比之下，不规则部分474的存在可确保更多部分成形磨料颗粒456被放置成成形部分472面向外，如图4B所示。本文所述的实施方案带来的额外成本节约可来自于更容易被覆部分成形磨料颗粒456的能力，因为更多成形部分472暴露。
根据各种实施方案，使用磨料制品诸如制品300或460的方法包括使部分成形磨料颗粒诸如颗粒100、330或460与工件或基底接触。工件或基底可包含许多不同的材料，诸如钢、钢合金、铝、塑料、木材或它们的组合。在接触时，磨料制品和工件中的一者相对于彼此移动，并且工件的一部分被移除。
图5A至图5B示出了根据本发明的另一个实施方案的另一个示例性部分成形磨料颗粒。虽然到目前为止的讨论设想了由单一材料构成的部分成形磨料颗粒，然而，明确设想了部分成形磨料颗粒可由多种材料制成，例如使得成形部分是与不规则部分不同的材料。图5A至图5B示出了具有不同组成的部分成形磨料颗粒的示例。
图5A示出了具有包含氧化锆氧化铝(ZrO2)沉淀物530的成形部分510的部分成形磨料颗粒500(未必按比例示出)。制造氧化锆增强磨料颗粒的方法可见于美国专利9212302中。氧化锆颗粒530可增强部分成形磨料颗粒500的研磨行为。掺入此类颗粒的磨料制品可具有更好的磨削特性。
在一个实施方案中，氧化锆含量为至少约0.05重量％。在一个实施方案中，氧化锆含量小于或等于约40重量％。在一个实施方案中，氧化锆含量为约0.1重量％、0.2重量％、0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％、1重量％、2重量％、3重量％、4重量％、5重量％、6重量％、7重量％、8重量％、9重量％、10重量％、11重量％、12重量％、13重量％、14重量％、15重量％、16重量％、17重量％、18重量％、19重量％、20重量％、21重量％、22重量％、23重量％、24重量％、25重量％、26重量％、27重量％、28重量％、29重量％、30重量％、31重量％、32重量％、33重量％、34重量％、35重量％、36重量％、37重量％、38重量％、39重量％或40重量％ZrO2。在一个实施方案中，不规则部分520还可包含氧化锆氧化铝沉淀物530。在另一个实施方案中，如图5A所示，不规则部分520基本上不含氧化锆氧化铝沉淀物。
图5B示出了具有包含氧化锆氧化铝沉淀物的成形部分560的部分成形磨料颗粒550(未必按比例示出)。图5B示出了其中存在多种粒度的氧化锆颗粒564的实施方案。在成形部分560的中心区域中示出的那些对于磨料颗粒的总体断裂强度可能是有用的。位于部分560的拐角区域内的氧化锆沉淀物566增强了颗粒的研磨行为。在一个实施方案中，不规则部分562还可包含氧化锆氧化铝沉淀物564。在另一个实施方案中，如图5B所示，不规则部分562基本上不含氧化锆氧化铝沉淀物。
图5C示出了具有成形部分575和不规则部分576的部分成形磨料颗粒570。成形部分575包含两个离散的材料相，例如α氧化铝相572和氧化锆氧化铝相574。两个相572和574可在单个过程中形成，例如通过首先将氧化锆氧化铝前体材料施加到模具，然后将α氧化铝前体材料施加到模具，之后对不规则部分576施加前体材料。不规则部分576可为α氧化铝或氧化锆氧化铝或另一种材料。
图5D示出了具有成形部分582(带有开口584)和不规则部分582的部分成形磨料颗粒580。带有开口的成形磨料颗粒以及制造方法在美国专利8142532中有所描述，该专利以引用方式并入本文。
图6示出了根据本发明的另一个实施方案制备部分成形磨料颗粒的另一种示例性方法。方法600可用于制备部分成形磨料颗粒650，其中成形部分652的组成不同于不规则部分654。方法600类似于上述方法200。在适当的情况下并且为了简洁起见，关于方法200提出的类似细节被认为也适用于方法600。
在步骤610中，用氧化铝氧化锆前体浆液612填充具有多个部分成形的腔604的模具602。如图所示，可添加氧化铝氧化锆前体浆液610以填充模具602的腔。在步骤620中，添加另外的前体浆液，即氧化铝前体浆液622，以填充部分成形的腔604的剩余部分。在步骤630中，前体颗粒彼此分离。在步骤640中，从模具中移除部分成形磨料颗粒650。
方法600不同于方法200，即在步骤620中，添加第二前体浆液。然而，虽然方法600是在两种前体浆液(具有氧化锆的浆液612和不具有氧化锆的浆液622)的上下文中描述的，但也明确设想了在一些实施方案中，两种前体浆液均包含一定浓度的氧化锆，其中前体612包含高于前体622的浓度。
使用包含部分成形磨料颗粒的磨料制品的方法
此外，本发明涉及用于研磨工件的方法，该方法包括使根据本发明的磨料制品的至少一部分与工件的表面摩擦接触；以及使工件或磨具制品中的至少一个移动(在接触时)以研磨该工件的表面的至少一部分。
实施例
通过参考以举例说明的方式提供的以下实施例，可更好地理解本公开的各种实施方案。本公开不限于本文给出的实施例。
图7至图10示出了根据以下实施例制备的所制造的部分成形磨料颗粒的示例。
除非另有说明，否则实施例及本说明书其余部分中的所有份数、百分比、比等均以重量计。除非另外说明，否则所有其它试剂均得自或购自精细化学品供应商诸如密苏里州圣路易斯的西格玛奥德里奇公司(Sigma-Aldrich Company,St.Louis,Missouri)，或者可通过已知的方法合成。
实施例中所用的单位缩写：
℃：摄氏度
cm：厘米
IN：英寸
g：克
g/m2：克/平方米
rpm：每分钟转数
mm：毫米
wt％：重量％。
示例中所使用的材料在表1中进行描述：
表1
实施例1
借助刷子用RA溶液预处理一片生产工具(9×11英寸)，然后在使用前在50摄氏度下干燥10分钟。用油灰刀将溶胶-凝胶前体预混物分散到模具腔中，以完全填充工具的成形腔，从而形成颗粒的成形部分。然后将溶胶-凝胶前体预混物均匀地铺展到成形部分的表面上，以形成部分成形颗粒的基层。成形部分与不规则基部部分的厚度比为约2:1。在75摄氏度和低于15％的相对湿度下，将工具与溶胶-凝胶前体一起干燥5分钟。由于基部部分的干燥速度快于成形部分的干燥速度并且凝胶体积在干燥过程中收缩，因此基部部分的凝胶破碎成小片。然后使生产工具与干燥或部分干燥的凝胶一起通过0.5cm直径的杆以使基部部分成曲柄状。借助超声振动从工具中释放部分成形前体颗粒，得到图7所示的部分成形前体颗粒。图7是部分成形磨料颗粒的图像，该图像用Z20:X30镜头拍摄。可采用美国专利8142531中描述的焙烧和烧结工艺将部分成形前体颗粒进一步转化为磨料颗粒。
实施例2
使用与实施例1相同的工序形成第二部分成形磨粒，不同的是颗粒的成形部分由含2％氧化锆的掺杂的溶胶-凝胶前体预混物制成并且基部部分由溶胶-凝胶前体预混物制成。
图8呈现了在实施例2中制备的部分成形前体颗粒的光学图像。如图8所示，颗粒500或550包含氧化铝-氧化锆共混物，并且不规则部分是基本上不含氧化锆的氧化铝。
图9呈现了部分成形前体颗粒在被破碎成单个颗粒之前(图9A)和之后(图9B)的光学图像。成形部分包含氧化锆，并且不规则部分是含很少氧化锆或不含氧化锆的氧化铝。
图10呈现了从含氧化锆的成形部分(图10A)和不含氧化锆的不规则基部部分(图10B)拍摄的SEM图像。图10A示出了部分成形磨料颗粒的成形部分的微结构1000。氧化锆纳米颗粒1010以所示比例可见。图10B示出了部分成形磨料颗粒的不规则部分的微结构1050。
实施例3
使用与实施例1相同的工序形成第三部分成形磨粒，不同的是用浆液前体预混物制成颗粒的成形部分。
图11A和11B呈现了在实施例3中制备的部分成形前体颗粒的光学图像。
实施例4
使用与实施例3相同的工序形成第四部分成形磨粒，不同的是使用刀用浆液前体预混物填充成形腔并且用刷子施加浆液前体预混物的基部部分。图12呈现了在实施例4中制备的部分成形前体颗粒的光学图像。
附加实施方案
本发明提供了以下示例性实施方案，其编号不应当被解释为指定重要程度：
实施方案1包括一种部分成形磨料颗粒。该部分成形磨料颗粒包括成形部分和不规则部分，其中成形部分被工程化成具有多边形形状。不规则部分连接到成形部分的基部，从而形成单个部分成形磨料颗粒。
实施方案2包括根据实施方案1所述的特征，然而成形部分和不规则部分为单个整体件。
实施方案3包括根据实施方案1或2所述的特征，然而成形部分和不规则部分由基本上相同的材料构成。
实施方案4包括实施方案1至3中任一项所述的特征，然而成形部分包含与不规则部分不同的材料。
实施方案5包括根据实施方案1至4中任一项所述的特征，然而成形部分包含氧化铝。
实施方案6包括根据实施方案1至5中任一项所述的特征，然而成形部分包含氧化锆。
实施方案7包括根据实施方案6所述的特征，然而氧化锆作为氧化锆纳米颗粒存在。
实施方案8包括根据实施方案6或7所述的特征，然而成形部分包含至少2重量％的氧化锆。
实施方案9包括根据实施方案6至8中任一项所述的特征，然而成形部分包含小于或等于40重量％的氧化锆。
实施方案10包括根据实施方案1至9中任一项所述的特征，然而不规则部分包含氧化铝。
实施方案11包括根据实施方案1至10中任一项所述的特征，然而成形部分占颗粒的至少15％。
实施方案12包括根据实施方案1至11中任一项所述的特征，然而成形部分占颗粒的至少30％。
实施方案13包括根据实施方案1至12中任一项所述的特征，然而成形部分占颗粒的50重量％至90重量％。
实施方案14包括根据实施方案1至13中任一项所述的特征，然而不规则部分占颗粒的10重量％至50重量％。
实施方案15包括根据实施方案1至14中任一项所述的特征，然而成形部分包括至少一个三角形形状的表面。
实施方案16包括根据实施方案15所述的特征，然而三角形选自由以下组成的组中：等边三角形、等腰三角形和不等边三角形。
实施方案17包括根据实施方案1至16中任一项所述的特征，然而成形部分包括至少一个四边形形状的表面。
实施方案18包括根据实施方案1至17中任一项所述的特征，然而成形部分包括四面体。
实施方案19包括根据实施方案1至18中任一项所述的特征，然而成形部分包括尺寸基本上相同的两个面。
实施方案20包括根据实施方案1至19中任一项所述的特征，然而成形部分包括至少一个形状特征，该至少一个形状特征包括：开口、凹表面、凸表面、沟槽、脊、断裂表面、倾斜侧壁、低圆度系数或包括具有尖锐顶端的一个或多个拐角点的边缘。
实施方案21包括根据实施方案1至20中任一项所述的特征，然而部分成形磨料颗粒是陶瓷部分成形磨料颗粒。
实施方案22包括根据实施方案21所述的特征，然而成形磨料颗粒包含α氧化铝、来源于溶胶-凝胶法的α氧化铝或它们的混合物。
实施方案23包括根据实施方案22所述的特征，然而成形磨料颗粒包含熔融氧化铝、热处理的氧化铝、陶瓷氧化铝、烧结的氧化铝、碳化硅材料、二硼化钛、碳化硼、碳化钨、碳化钛、金刚石、立方氮化硼、石榴石、熔融氧化铝-氧化锆、氧化铈、氧化锆、氧化钛或它们的组合。
实施方案24包括根据实施方案1至23中任一项所述的特征，然而成形部分或不规则部分中的一者对磁场有响应。
实施方案25包括根据实施方案1至24中任一项所述的特征，然而成形部分或不规则部分包含磁性材料。
实施方案26包括根据实施方案25所述的特征，然而磁性材料至少部分地被覆成形磨料颗粒。
实施方案27包括一种磨料制品，该磨料制品具有背衬和根据实施方案1至26中任一项所述的多个部分成形磨料颗粒。该多个部分成形磨料颗粒附接到背衬。
实施方案28包括根据实施方案27所述的特征，然而制品包括部分成形磨料颗粒和粉碎磨料颗粒的共混物。
实施方案29包括根据实施方案27或28中任一项所述的特征，然而成形磨料颗粒和粉碎磨料颗粒包含相同的材料或材料的混合物。
实施方案30包括根据实施方案27至29中任一项所述的特征，然而磨料制品包括带、盘或片。
实施方案31包括根据实施方案27至30中任一项所述的特征，然而其还包括将成形磨料颗粒粘附到背衬的底胶层。
实施方案32包括根据实施方案31所述的特征，然而其还包括将成形磨料颗粒粘附到底胶层的复胶层。
实施方案33包括根据实施方案32所述的特征，然而底胶层和复胶层中的至少一者包含酚醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂、丙烯酸酯树脂、氨基塑料树脂、三聚氰胺树脂、丙烯酸改性环氧树脂、氨基甲酸乙酯树脂或它们的混合物。
实施方案34包括根据实施方案32或33中任一项所述的特征，然而底胶层和复胶层中的至少一者包含填料、助磨剂、润湿剂、表面活性剂、染料、颜料、偶联剂、增粘剂或它们的混合物。
实施方案35包括根据实施方案34所述的特征，然而填料包括碳酸钙、二氧化硅、滑石、粘土、偏硅酸钙、白云石、硫酸铝或它们的混合物。
实施方案36包括根据实施方案27至35中任一项所述的特征，然而背衬包含柔性材料。
实施方案37包括根据实施方案27至36中任一项所述的特征，然而背衬选自由以下组成的组中：聚合物膜、金属箔、织造织物、针织织物、纸材、硫化纤维、非织造物、泡沫、筛网、层合物。
实施方案38包括根据实施方案27至37中任一项所述的特征，然而背衬包含选自由以下组成的组中：着色剂、加工助剂、增强纤维、热稳定剂、UV稳定剂和抗氧化剂的添加剂。
实施方案39包括根据实施方案27至38中任一项所述的特征，然而其还包括面涂层。
实施方案40包括根据实施方案27至39中任一项所述的特征，然而多个部分成形颗粒中的大部分被定位成使得不规则侧面面向背衬。
实施方案41包括根据实施方案27至39中任一项所述的特征，然而多个部分成形颗粒中的基本上全部被定位成使得不规则侧面面向背衬。
实施方案42包括根据实施方案27至41中任一项所述的特征，然而该磨料制品与具有类似尺寸的成形磨料颗粒但不具有不规则部分的磨料制品相比具有更长的工作寿命。
实施方案43包括根据实施方案27至42中任一项所述的特征，然而该磨料制品与具有类似尺寸的成形磨料颗粒但不具有不规则部分的磨料制品相比剥落减少。
实施方案44是一种制备根据实施方案1至26中任一项所述的部分成形颗粒的方法。该方法包括用前体溶液填充模具，其中模具包括被构造成赋予成形部分形状的部分成形的腔。该方法还包括干燥前体溶液以形成前体颗粒。该方法还包括从模具中移除前体颗粒，从而形成不规则部分。
实施方案45包括根据实施方案44所述的特征，然而移除前体颗粒包括粉碎步骤。
实施方案46包括根据实施方案44或45中任一项所述的特征，然而移除前体颗粒包括移除多个颗粒的附聚物并将多个颗粒的附聚物破碎成多个颗粒，从而形成不规则部分。
实施方案47包括根据实施方案44至46中任一项所述的特征，然而前体溶液是第一前体溶液，并且还包括用第二前体溶液填充模具的步骤。
实施方案48包括根据实施方案47所述的特征，然而用第一前体溶液填充模具包括用第一前体溶液填充部分成形的腔的内部的多个腔，并且用第二前体溶液填充模具包括用第二前体溶液填充部分成形的腔的其余部分。
实施方案49包括根据实施方案48所述的特征，然而第一前体溶液包含氧化锆。
实施方案50包括实施方案44至49中任一项所述的特征，然而其还包括煅烧前体颗粒。
实施方案51包括根据实施方案50所述的特征，然而其还包括烧结已煅烧的前体颗粒。
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