CN1139949A - 具有烧结外表面的α氧化铝基磨粒 - Google Patents

Abstract

具有烧结外表面的α氧化铝基磨粒。该磨粒可以被结合到磨料制品如粘结磨料(如砂轮)、砂布和非织造磨料中。

Description

具有烧结外表面的α氧化铝基磨粒

发明的领域

本发明涉及具有烧结外表面的α氧化铝基磨粒。该磨粒可以被结合到磨料制品如粘结磨料(如砂轮)、砂布和非织造磨料中。

相关技术的描述

几世纪来，磨粒曾被用于磨料制品中。本世纪中的通用或常规磨粒曾是熔凝氧化铝。熔凝氧化铝一般用如下方法制成：将氧化铝原料加热到熔融状态后，迅速将熔融态材料冷却成熔凝氧化铝。然后将熔凝氧化铝粉碎并筛分得到所需的磨料粒度分布。在粘结磨料业中该分布称为“粒度”，在砂布业中它被称为“级数”。

在1980年初，一种新型的磨粒被商业化。这种磨粒是用包括烧结步骤的溶胶凝胶法制成，而不是用熔凝法制成。这种由溶胶凝胶制成的磨粒公布在如美国专利No.4,314,827和4,518,397(Lei-theiser等)中。Leitheiser等揭示的溶胶凝胶法包括如下步骤：(1)制备含一水合氧化铝和至少一种改性剂前体的悬浮液；(2)使悬浮液成凝胶；(3)干燥成凝胶的悬浮液；(4)将干燥的成凝胶悬浮液粉碎成颗粒；(5)煅烧所得颗粒；(6)例如在回转窑中将所得颗粒烧结成磨粒。Leitheiser等揭示迅速烧结磨粒是优选的。

虽然回转窑一般适合于烧结由溶胶凝胶形成的磨粒，但这种窑不能很好地适于烧结非常细小的磨粒(即粒度小于约30微米的磨粒)。当回转窑中烧结细小的磨粒前体时，这些磨粒前体会在烧结前被吸到窑的排气系统中。或者，一些细小的颗粒会淀积并最后粘接(或烧结)在窑壁和/或加热元件上。这种颗粒在窑壁上的淀积在烧结窑中造成不必要的阻塞。另外，在加热元件上的淀积会使比较贵重的加热元件老化或过早损坏。

解决这个制造烧结细小磨粒问题的方案曾是烧结粒度明显大于所需尺寸的磨粒，然后将烧结的磨粒粉碎成粒度更小的磨粒。

发明的概述

本发明提供一种规定标称级的磨粒，所述的磨粒的粒度分布为细到粗和中等粒度(即该分布的中等值位于平衡值左右)，所述的粒度小于40、(30、25、20、15或甚至10)微米。其中至少一部分规定标称级的磨粒是许多具有烧结外表面的烧结、多晶陶瓷、α氧化铝基磨粒。优选的有烧结外表面的α氧化铝基磨粒包括：

(a)α氧化铝晶体

(b)分布在α氧化铝晶体间的铝酸盐片晶(优选为磁性铝酸盐片晶)。

另一种优选的烧结、结晶陶瓷、α氧化铝基磨粒包括：

(a)α氧化铝结晶

(b)分布在α氧化铝晶体间的铝酸盐片晶(优选为磁性铝酸盐片晶)。其中外层区域(即接近于磨粒边缘表面的区域)包括平均尺寸比内层区域(即接近于磨粒中心的区域)片晶粒度更大的片晶。

一种制备本发明烧结磨粒的方法包括如下步骤：

(a)提供未烧结的磨粒前体；

(b)提供包括非回转窑的烧结设备，该非回转窑包括

确定烧结室内表面的壁装置(wall means)，所述内表面包括一般为平面支承面，所述的壁装置具有(i)通过壁装置和内表面将未烧结的磨粒前体送到烧结室中支承面的供料口，和(ii)通过壁装置将烧结的磨粒从烧结室中排出的卸料口。

有推进面的推板，

将推板安装在窑上的装置，以使该推板在与支承面分离的第一位置和推进面接近于卸料口的第二位置间作相对运动，当推板在第一位置和第二位置间移动时，所述的推进面沿支承面移动；

将推板从第一位置移动到第二位置的装置；

(c)将烧结室加热到约1000—1600℃(优选为1200—1500℃，更优选为1350—1450℃)的温度；

(d)通过供料口将大量未烧结的磨粒前体送到烧结室中的支承面上；

(e)让未烧结的磨粒前体在烧结室中加热至足以形成烧结磨粒的温度和时间；

(f)将推板从第一位置移动到第二位置，而使烧结的磨粒移动到卸料口，并从烧结室中排出烧结的磨粒。

该窑最好还包括一个适于关闭卸料口的闸门和将该闸门安装在窑上的装置，以使该闸门在关闭卸料口的关闭位置和远离卸料口的开启位置间移动。

优选的方法特别适合于制造粒度小于30、25、20、15或甚至10微米的烧结磨粒。另外，一般在烧结过程中会收缩的未烧结磨粒前体的粒度使得烧结时所产生的烧结磨粒具有所需的粒度。为了制成粒度小于30微米的烧结磨粒，未烧结磨粒前体的粒度最好小于30、25、20、15或10微米。

在该方法的步骤d和步骤e中，烧结室的温度变化较好小于±100℃(即烧结室的温度维持在±100℃之内)，更好小于±50℃，最好小于±25℃。另外，在步骤d、步骤e和步骤f中，烧结室的温度变化较好小于±100℃，更好小于±50℃，最好小于±25℃。

根据优选的方法，在将推板从第一位置移动到第二位置之前，移动步骤最好还包括如下附加的连续步骤：

(a)将推板从第一位置移动到第一位置和第二位置间的第一中间位置；

(b)将推板从第一中间位置返回在或接近于第一位置的第一返回位置；

(c)将推板从第一返回位置移动到介于第一中间位置和第一位置间的第二中间位置；

(d)将推板从第二中间位置返回在或接近于第一位置的第二返回位置；

在本发明更优选的方法中，在将推板从第一位置移动到第二位置之前，移动步骤最好还包括如下附加的连续步骤：

(a)将推板从第一位置移动到第一位置和第二位置间的第一中间位置；

(b)将推板从第一中间位置返回在或接近于第一位置的第一返回位置；

(c)将推板从第一返回位置移动到介于第一中间位置和第一位置间的第二中间位置；

(d)将推板从第二中间位置返回在或接近于第一位置的第二返回位置；

(e)将推板从第二返回位置移动到介于第一位置和第二中间位置间的第三中间位置；

(f)将推板从第三中间位置返回在或接近于第一位置的第三返回位置；

在本申请中：

“α氧化铝基磨粒”是指(烧结的)磨粒，以元素的氧化物为基准，该磨粒含至少50％(重量)的氧化铝(Al₂O₃)，其中氧化铝总量的至少35％(重量)为α氧化铝；

“氧化铝基磨粒前体”是指能被烧结成α氧化铝基磨粒的磨粒前体；

“氧化铝源”是指原始悬浮液或溶液中的氧化铝型原材料，如α氧化铝或α氧化铝前体〔如勃姆石、过渡氧化铝和铝盐(如甲酸铝和乙酸铝)〕。

“磨粒前体”是指这样一种材料(优选为干燥的氧化铝基悬浮液或溶液、或煅烧干燥的氧化铝基悬浮液或溶液)，虽然它可被烧结成烧结的磨粒，但它是多孔的，以致于能被浸渍组合物浸渍；

理论密度小于80％(一般小于60％)的“未烧结的磨粒前体”能被烧结成烧结磨粒的磨粒前体或部分磨粒前体；

“浸渍组合物”是指含液体介质(优选为水，更优选为去离子水)和金属氧化物及其前体(一般为可溶盐)的悬浮液或溶液(一般为溶液)，该悬浮液或溶液可被浸渍进磨粒前体；

“磨粒”或“烧结磨粒”是指已被烧结成密度至少为理论密度80％(优选大于90％，较优选大于93％，更优选大于95％，在某些情况下大于约97％)的未烧结磨粒前体；

“非回转窑”是指没有回绕轴旋转烧结室的窑；

“烧结外表面”是指在烧结过程中形成的(即烧结过程中暴露的表面)，且基本上没有碎裂的磨粒外表面；

“粒度”定义为磨粒最长的尺寸，且可用常规技术测量(如对于粒度达100微米的磨粒，可用粒度分析仪(如购自Coulter公司的商品名为“COULTER COUNTR，TA3型的粒度分析仪)测量)；

“过渡氧化铝”是指在加热除去结合水后，并转化成α氧化铝前存在的任何晶型的氧化铝(如η、θ、δ、χ、ι、κ、γ型氧化铝以及它们的任何中间混合物)；

“成核剂”是指加快过渡氧化铝转化成α氧化铝的物质；

“成核物质”是指成核剂或其前体。

在另一方面，优选的用于制备本发明磨粒的烧结装置包括非回转窑，该窑包括：

确定烧结室内表面的壁装置(wall means)，所述的内表面包括一般为平面支承面，所述的壁装置具有(i)通过壁装置和内表面将未烧结的磨粒前体送到烧结室中支承面的供料口，和(ii)通过壁装置将烧结的磨粒从烧结室中排出的卸料口。

有推进面的推板，

将推板安装在窑上的装置，以使该推板在与支承面分离的第一位置和推进面接近于卸料口的第二位置间作相对运动，当推板在第一位置和第二位置间移动时，所述的推进面沿支承面移动；

将推板从第一位置移动到第二位置的装置；

将烧结室加热到约1000—1600℃(优选为1200—1500℃，更优选为1350—1450℃)的温度；

部署供料口和烧结室，以将起始温度为25℃(在另一方面，小于50℃、100℃、200℃、300℃或400℃)的未烧结磨粒前体材料移进烧结室，并在3秒内将通过供料口送入烧结室的起始温度为25℃(在另一方面，小于50℃、100℃、200℃、300℃或400℃)的未烧结磨粒前体材料的表面暴露在烧结室温度下(即部署供料口和烧结室，以使未烧结磨粒前体材料的表面可以在3秒内从25℃加热到烧结装置的温度)(优选为2秒内，更优选为1秒内)。卸料口最好穿过支承面。该窑最好还包括一个闸门和将该闸门安装在该窑上的装置，以使该闸门在关闭卸料口的关闭位置和打开卸料口的开启位置间移动。

一个更优选的制备氧化铝基的磨粒前体的方法包括如下步骤：

(a)制备含液体介质和氧化铝源的悬浮液或溶液；

(b)将悬浮液或溶液转化成磨粒前体。

一个更优选的制备氧化铝基的磨粒前体的方法包括如下步骤：

(a)制备含液体介质和氧化铝源的悬浮液或溶液；

(b)将悬浮液或溶液干燥成干燥固体；

(c)任选地将干燥固体转化成颗粒；

(e)任选地将这些颗粒煅烧成磨粒前体。

任选地将氧化物改性剂和/或其它添加剂包括在悬浮液或溶液中。另外，磨粒前体可任选地用含液态介质和氧化物改性剂和/或其它添加剂的浸渍组合物浸渍。

氧化物改性剂包括氧化铁、氧化镁、氧化锰、氧化锌、氧化铈、氧化钴、氧化钛、氧化镍、氧化钇、氧化镨、氧化钐、氧化镱、氧化钕、氧化镧、氧化钆、氧化镝、氧化铒、氧化铕、二氧化硅、氧化铬、氧化钙、氧化锶、它们的前体和混合物。优选的氧化物改性剂是镁前体盐(precur-sor salt)(a)和金属前体盐(b)的混合物，所述的金属选自铈、镨、钐、镱、钕、钇、镧、钆、镝、铒及其混合物。其它氧化物包括氧化锆、氧化铪、它们的前体和混合物。

优选的基本上不含成核的(煅烧)磨粒前体是由含液体介质(优选的为去离子水)、氧化铝源(优选为勃姆石)和稀土氧化物或其前体(优选的为硝酸盐)的悬浮液制成。该磨粒前体最好在1350—1400℃间的温度下进行烧结。为了达到所需的致密度，所述的磨粒前体一般在烧结的最初阶段需要非常迅速地升温。

制备本发明磨粒的优选方法和优选烧结装置的使用提供了以非常快的速度将未烧结的磨粒前体升温至烧结温度的有效方法。根据化学原理，迅速升温可以产生密度较高的磨粒或降低氧化铝结晶粒度。密度较高的磨粒一般硬度较高，因此磨粒研磨性能更好。制备本发明磨粒的优选方法使用(非回转)烧结装置。例如与使用回转窑相比，该烧结装置提供了多种优点。该方法和烧结装置可用于迅速地将未烧结的磨粒前体加热至烧结温度，并高效地制备粒度小于30微米、甚至小于1微米的烧结磨粒，而无需使用烧结后粉碎或粒度减小技术，以得到更小的粒度。本发明磨粒的粒度优选为1—25微米。

另外，使用本发明方法和装置可以减少通过窑的排气系统排出或烧结到加热元件和/或窑壁上的细颗粒的量。

按上述方法制得的磨粒可以按工业上采用的分级标准进行分级，该分级标准说明每个数值范围内标称级的粒度分布。这种工业上采用的分级标准包括称为美国国家标准协会标准、欧洲磨料生产商联合会标准(FEPA)和日本工业标准(JIS)的分级标准。

至少30％(体积)(优选为50、75或甚至100％)的有规定标称级的磨粒优选在粒度中值的10微米内(即±10微米)(或5微米内)。在另一方面，每个规定的标称级优选包括至少15(优选为30、50、75或甚至100)％(重量)的规定α氧化铝基磨粒。

规定标称级还包括规定α氧化铝基磨粒以外的磨粒(如熔凝氧化铝(包括棕色氧化铝、热处理氧化铝和白色氧化铝)、其它用溶胶凝胶法制得的氧化铝陶瓷、绿色碳化硅、碳化硅、氧化铬、熔凝氧化铝—氧化锆、金刚石、二氧化铈、立方氮化硼、碳化硼、石榴石、二硼化钛、碳化钛及其混合物)。其它磨粒的平均粒度优选为小于本发明磨粒的平均粒度。

附图的简要说明

图1是用于制备本发明磨粒的优选烧结装置的总侧视图；

图2—3是用于制备本发明磨粒的优选烧结装置的横截面示意图；

图4是本发明磨粒烧结外表面放大10000倍的扫描电子显微照片；

图5是含本发明磨粒的砂布产品的局部横截面示意图；

图6是含本发明磨粒的粘结磨料制品的透视图；

图7是含本发明磨粒的非织造磨料制品放大后的局部示意图；

图8—10是用于制备本发明磨粒的烧结装置的横截面示意图。

优选实施方案的详细描述

未烧结的磨粒前体材料可用许多本行业中已知的技术制备。制备磨粒前体材料的优选方法包括悬浮液基的溶胶凝胶法或溶液基的溶胶凝胶法，在悬浮液基的溶胶凝胶法中氧化铝源优选为一水合氧化铝(勃姆石)，在悬浮液基的溶胶凝胶法中过渡氧化铝前体优选为羧酸铝或硝酸铝。第一种优选的氧化铝基悬浮液

优选的形成磨粒前体的悬浮液含有液体介质和α一水合氧化铝(勃姆石)。适用的勃姆石例如可购自德国汉堡Condea化学有限公司(商品名为“DISPERAL R”)或购自得克萨斯州休斯敦的Vista化学公司(商品名为DISPAL)。这些市售的一水合氧化铝是α型的，纯度较高(如有，包括较少的一水合物以外的水合物相)且有高的表面积。

许多液体介质(有机或无机的)都可用作悬浮液的液体。合适的液体包括水、醇(一般C₁—C₆醇)、己烷和庚烷。一般来说，水(最好为去离子水)是优选的、用得最广泛的液体介质，这主要由于使用方便和成本低廉。悬浮液一般含有至少10％(重量)的去离子水，优选为30—80％(重量)的去离子水。在悬浮液中可加入胶溶剂，以产生更稳定的水溶胶或胶态分散体。可用作胶溶剂的一元酸或酸化合物包括乙酸、盐酸、甲酸和硝酸。

使用消泡剂可有助于减少在研磨或搅拌过程中产生的泡沫。合适的消泡剂包括柠檬酸及其盐。消泡剂的用量一般相当于悬浮液或溶液中存在的氧化铝(以理论氧化物为基准)的1％(重量)。

另外，悬浮液包括其它添加剂如有机粘合剂(如购自UnionCarbide of Akron，OH的商品名为“CARBOWAX”的聚乙二醇)和有机溶剂(如甲苯和己烷)。选择这些物质的用量可以得到所需的性质(如易于加工、更方便地干燥固体、更好的生坯强度和减少泡沫)。

合适的混合悬浮液的方法包括球磨法、振动研磨法、碾碎研磨法、和/或高速剪切混合法(胶体磨)。高速剪切混合法是优选的混合方法。

在某些情况下，在干燥步骤前使悬浮液成凝胶。悬浮液的pH值和悬浮液中离子浓度是确定悬浮液成凝胶速度的关键因素。pH值一般在1.5—4之间。加入改性剂氧化物或其它添加剂也可以使悬浮液成凝胶。第二种适用的氧化铝基悬浮液

另一种适宜采用的悬浮液含有诸如α氧化铝颗粒、过渡型氧化铝颗粒、或这两者等氧化铝材料。

一种宜用的α氧化铝材料是日本Sumitomo Chemical公司的商品名称“AKP—50”。

适于制备第二种宜采用的氧化铝基悬浮液的各种过渡型氧化铝包括(但不限于)χ氧化铝、γ氧化铝、η氧化铝以及它们的混合物。含)χ氧化铝的一种适用的过渡型氧化铝，例如有Alcan corp.of Cleve-land，OH的商品名称“AA100W”。

形成悬浮液用的颗粒状氧化铝材料，其粒度分布最好是大于约2微米的颗粒不超过约0.5重量％，更好是大于1微米的颗粒不超过约5重量％，此处粒度系指直径或最长尺寸。粒度分布是小于约0.7微米的最好至少约有75重量％，更好有99重量％。这种粒度分布的颗粒材料一般不仅容易形成悬浮液，而且为所需的烧结产品提供适用的前体材料。符合上述粒度范围的材料可以是商品粉末材料，也可以例如将一种氧化铝源材料进行粉碎或球磨(湿法或干法)制备。

可以采用多种有机或非有机液体作为悬浮液的液态介质。适用的液体包括水、醇(一般是C₁-C₆醇)、己烷和庚烷。一般而言，水(最好用去离子水)是宜采用的，且广泛采用的液态介质，主要是因为其使用方便，且价格低廉。

一般而言，液态介质与氧化铝粉末的用量比例取决于后者的粒度分布，因为粉末材料的粒度分布与其表面积相关。若用水，通常可用的重量比是1∶6—15∶1(液体介质重量：粉末原材料)。虽然超出该范围也可采用，但一般应避免使用过量的液体，以尽可能减小随后的干燥能耗。但用液量又应足以使充分混合的悬浮液容易通过例如倾倒、虹吸、泵送或挤压进行输送或处理。

可以预见到，若氧化铝的比表面较高，例如约为200—300m²/g(例如Alcan公司的商品名称“AA100W”所规定的)，则水与粉末的重量比宜为5∶1至10∶1(6∶1—9∶1尤宜)。但若氧化铝的比表面较小，例如小于约20m²/g(例如Alcoa公司的商品名称“A16”规定的)，则上述重量比宜取1∶6至2∶1。

悬浮液中的固体(颗粒)含量应尽可能多，且分散均匀。由悬浮液干燥所得的材料中气孔的尺寸也应尽可能小。此外，该气孔尺寸的分布也应尽可能窄。

一般说来，应将液态介质，拟分散在其中的氧化铝和其它可用的添加剂混合成均匀的浆料或稳定的悬浮液。这种混合物有时称为“稳定浆料”，其中的固体颗粒经2小时静置后，一般不应出现开始肉眼观察到的分离或沉积现象，据信这是由于浆料的粘度所决定的。这种稳定的悬浮液的制法是将氧化铝、一种分散助剂、任何附加的原料和添加剂在液态介质中充分混合，并使悬浮液中的颗粒的粒径减小并/或将颗粒团聚物分散，直到所得的悬浮液很均匀，并且其中的单个氧化铝颗粒在粒径上基本均匀。适用的方法有球磨、振动球磨、空气搅拌、Coules溶解器、碾磨和/或高剪切混合(胶体磨)。磨介磨(例如球磨、振动球磨、碾磨)方法一般是很适用的，因为它容易将氧化铝原料的粒度减小。

按上述制备的悬浮液一般是触变性的。这里所讲的“触变性的”是指该浆料在无应力条件下是很粘的，但受到剪切作用时(例如混合时)，粘度却变小。该浆料通常是白垩浆状或乳浆状的液体，容易倾倒或搅拌，但静置时又足够粘稠，以致二小时内其中的固体不会沉积下来。按这里所述方法制得的悬浮液或浆料，其稠度和乳胶漆相近。若存在不宜有的块状物料或不均匀的混合物，这往往是混合不充分之故。

还可采用分散助剂来改善悬浮液或浆料的稠度或稳定性。分散助剂的作用是有助于分散大的团聚物，阻碍或减少沉积的产生，并改善浆料的均匀程度。

适用的分散助剂有强酸(如硝酸)和碱(如氢氧化铵)、多阴离子聚合物如羧酸官能的聚合物(例如，聚丙烯酸、聚丙烯酸共聚物、聚丙烯酸盐)、碱式铝盐(如碱式氯化铝、碱式硝酸铝)。适用的羧酸官能的聚合物，其商品名称例如有Iohnson Wax，Inc.，of Racine，WI的“JONCRYL”；B.F.Goodroch Co.of Cleveland，OH的“CAR-BOPOL”；ICI Resons US of Wilmington，MA的“NOECRYL”；Air Products and Chemicals，Inc.，of Allentown，PA的“VINAC”。

分散助剂的用量，一般认为与被分散颗粒的比表面有关。一般而言，随粒度减小即比表面增大，分散助剂的用量也增大。

一般而言，当采用强酸或碱作为悬浮液的分散剂时，应加入足够的量使pH值分别小于大约6(最好大约2～3)或者大约大于8(最好大约8～10)。

最适用的强酸分散剂一般是硝酸。用硝酸作为分散剂的悬浮液，宜含有2—15重量％硝酸(基于悬浮液中的固体总量)。这种悬浮液的稳定性还可通过热处理(例如在高压釜中热处理)改善之。

主要采用聚合物或碱式铝盐作为分散剂的悬浮液，该分散剂的用量宜约为0.1—4重量％(基于悬浮液中的固体总量)。

使用消泡剂会有助于减小起泡现象，否则在球磨式搅拌时是容易起泡沫的。适用的消泡剂有柠檬酸和其盐。消泡剂的一般用量为悬浮液或溶液中氧化铝(以理论氧化物为基准)的1重量％。

此外，悬浮液中还可有其它添加剂；如有机粘合剂(例如，聚乙二醇。如Union Carbide of Akron，OH的商品名称CABOWAX”)和有机溶剂(例如甲苯和己烷)。这些材料的选用量以产生所需的效果(例如，易于加工、改善固体的干燥性、提高生坯强度、减少起泡现象)为基准。一种适用的溶液基氧化铝溶胶

可以用本领域中已知的方法制备溶液基氧化铝溶胶。通常的制法包括将一种氧化铝基的盐或配合物溶解于水；或者将含一种氧化铝基的盐或复合物的溶液进行稀释或浓缩。该溶液基溶胶宜含有约5—45重量％α氧化铝前体。它宜含有一种可溶的铝盐或其它可溶的氧化铝基配合物。该溶液基溶胶-凝胶最好含有至少一种下列的α氧化铝前体：碱式羧酸铝、碱式硝酸铝、部分水解铝醇盐。

较好的溶液基溶胶是那些含有具羧酸根或硝酸根抗衡离子或这两者混合离子的碱式铝盐的溶胶。

较好的羧酸铝可用通式Al(OH)_yD_3－y表示，其中y的范围约为1至2(最好约1至1.5)，D(羧酸根抗衡离子)是甲酸根、醋酸根、丙酸根、草酸根等或它们的混合物。羧酸铝的制备可用已知的方法，包括美国专利3,957,598所述的方法(将金属铝反应溶解在羧酸溶液中)和美国专利4,798,814所述的方法(将金属铝溶解在热的含甲酸和乙酸混合物的水溶液中)。

较好的碱式硝酸铝可用通式Al(OH)_Z(NO₃)_3－Z表示，Z的范围约为0.5至2.5。碱式硝酸铝的制备是本领域中人们所知的，例如有美国专利3,340,205和英国专利1,139,258中所述的一些方法。这两个专利中都是将金属铝反应溶解于硝酸溶液。也可用将硝酸铝进行热分解的美国专利2,127,504的方法来制备碱式硝酸铝。

将铝盐加入到α氧化铝和/或α氧化铝前体的悬浮液中，和/或将α氧化铝和/或α氧化铝前体的悬浮液与溶液基氧化溶胶混合。由这样得到的悬浮液制备磨粒前体也属本发明范围。对悬浮液或溶液进行干燥

一般说来，在干燥(去水)之前，减少悬浮液或溶液中夹带的空气或气体量，就可减少起泡的可能性。悬浮液或溶液中较少地夹带气体就会使所得的微结构孔隙较少，而这是希望的。对悬浮液或溶液去气，例如可用真空处理的方法，真空度约为130cm Hg(25磅/英寸²)。

可用任何通常的方法进行干燥，最好是用加热方法。一旦有足够的水从氧化铝悬浮液或溶液中除去，所得的部分干燥的塑性物料即可用任何通常方法如压制、注塑或挤压等方法进行成形，然后仔细地干燥形成所需的形状，例如棒形、棱锥形、菱形或园锥形(见“悬浮液或溶液的可采用的成形”一节)。而且，不规则形状磨粒前体的简便成形方法可以是仅将悬浮液或溶液装在任一合适尺寸的干燥容器(如烘滤饼用的盘子)中，然后在低于悬浮液或溶液起泡温度以下的某一温度进行干燥。干燥能可以是仅用空气干燥，也可用已知的任何一种脱水方法来进行以获得固体，包括对悬浮液或溶液抽以真空。

干燥也可在一温度为50—200℃(更好为100—150℃)的强制通风烘箱中进行。其加热可以按批量法或连续法进行。这一干燥步骤一般从悬浮液或溶液中除去相当量的液体介质，但在所干燥生成的固体中仍有少量的液体介质存在。对悬浮液或溶液可采用的成形

当悬浮液或溶液脱去足量的液体，变得足够稠或半干后，它就可在干燥之前用某种常规的方法，例如压制、注塑、涂覆、挤压、切割、或这些步骤的某种组合成形，产生磨粒前体的一种形式。它可以分阶段进行，例如，先通过挤压形成部分干燥浆料的塑性物，然后用任一方便的方法将其成形，最后干燥成所需的形状，例如棒、棱锥、盘、菱形、三角形或园锥等形状。

若磨粒前体成形为棒形，该棒的纵横比应至少约0.5∶1，一般1∶1，较好至少2∶1，更好至少4∶1，最好至少5∶1。棒的截面可园形、矩形、三角形、六方形等。这些棒的制法可如美国专利5,090,968(Pellow)所述。另一种适用的形状是截面为三角形、矩形、园形或其它几何形的薄物体。这种薄的磨料体具有一前表面和后表面，两个表面的几何形状基本相同。这两个表面之间的间隔相当于颗粒的厚度。这种磨粒的最短面尺寸的长度与其厚度之比至少1∶1，较好至少2∶1，更好至少5∶1，最好至少6∶1。制造这种薄片形磨粒的方法如美国专利5,201,916(Berg等人)所述。将干燥固体转变为干燥固体颗粒

将干燥固体转变为干燥固体颗粒通常是通过破碎进行之。破碎-干燥固体比破碎经烧结致密化的磨粒容易得多，且需用的能量也少得多。这个破碎步骤可用任何方法如锤磨、辊式破碎、球磨来进行，形成干燥固体颗粒。可以采用任何一种将固体粉碎的方法，“破碎”这个词即用来包括所有这些方法。若干燥固体成形为一所需的尺寸和形状，则在成形过程中即发生这个转变步骤。因此，已成形的磨粒前体在干燥以后无需破碎，因为干燥固体颗粒已经形成。煅烧

经干燥的固体颗粒还可以进行煅烧。干燥物料的煅烧一般是在烧结前进行。在煅烧过程中，基本上所有的挥发物和有机添加剂经加热到大约400°～1200℃(最好500°～800℃)均从前体物质中除去。将物料保持在上述温度范围，直到游离水以及最好是90重量％的任何结合挥发物质均除去。可以在可采用的浸渍步骤之前或之后进行煅烧，也可在其前后都进行煅烧。一般而言，可取的办法是在邻近烧结之前即作为烧结前的最后一个步骤来进行煅烧。加入到悬浮液或溶液中的氧化物改性物质、成核剂和其它添加剂

氧化物改性物质、成核剂和其它添加剂质可以加入到悬浮液或溶液中，并/或浸渍到磨粒前体(即悬浮液或溶液经干燥或煅烧后的产物)中。

氧化物改性物质的加入到磨粒前体，可以是通过例如加入到氧化铝基的悬浮液或溶液中去的办法来实现。这种加入方式可包括将改性剂或添加剂的颗粒或溶胶直接加到悬浮液或溶液中。这种颗粒或溶胶中的颗粒的平均粒度宜小于1微米。氧化物改性剂和其它氧化物添加剂的合适前体包括其水合形式或盐。可采用各种不同的这些前体，包括硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐和氯化物。

最好是向磨粒前体中加入足量的氯化物改性剂和/或氧化物添加剂，使得烧结的磨粒含有达到约15重量％(较好是达到约10重量％，尤其好是大约1—8重量％)铁、镁、锰、锌、钴、钛、镍、钇、镨、钐、镱、钕、镧、钆、镝、铒、铈、铕、钙、锶、锆、铪、铬、硅的氧化物以及它们的混合物(均分别按Fe₂O₃、MgO、MnO、ZnO、CoO、TiO₂、NiO、Y₂O₃、Pr₂O₃、Sm₂O₃、Yb₂O₃、Nd₂O₃、La₂O₃、Gd₂O₃、Dy₂O₃、Er₂O₃、Ce₂O₃、Eu₂O₃、CaO、SrO、ZrO₂、HfO₂、Cr₂O₃、SiO₂这些理论氧化物计)。

例如，在具有国际公布号WO94/07970的国际申请PCT/US93/08987中叙述了适用于加入到悬浮液或溶液中的氧化铈溶胶。

金属氧化物和/或氧化硅能与氧化铝反应形成一种反应产物，或者金属氧化物会作为金属氧化物保留在其中。例如，钴、镍、锌、镁的氧化物会与氧化铝反应，形成尖晶石，而氧化锆与氧化铪不与氧化铝起反应。

还有，氧化镝与氧化钆和氧化铝的反应产物一般是石榴石。氧化镨、氧化镱、氧化锌、氧化钐和氧化铝的反应产物一般是可包括石榴石的钙钛矿。氧化钇能为氧化铝反应生成一种石榴石结构Y₃Al₅O₁₂。

应特别指出，某些稀土氧化物与二价金属阳离子同氧化铝会在烧结过程中反应生成下式表示的六方稀土铝酸盐：

LnMAl₁₁O₁₉

式中：Ln是一种镧系稀土、例如La³⁺、Nd³⁺、Ce³⁺、Pr³⁺、Sm³⁺、Gd³⁺、Eu³⁺；

M是一种两价金属阳离子，例如Mg²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺ 、Ni²⁺、Co^2＋d。

这类六方稀土铝酸盐一般称为磁铅石。磁铅石在所得烧结材料的显微结构中通常呈片晶状，一般长约0.5—3微米，厚约0.05—0.1微米。这些片晶一般与改善的韧性等效果有关。一般宜加入至少约1％(最好3—5％)(以理论氧化物计)的上述反应物，使得在最终的烧结磨粒中生成磁铅石。

烧结过程中会形成的另一种六方稀土铝酸盐可用下式表示：

Ca_1－xLn_xAl_12－xO_19－x

式中，La是一种镧系稀土，如La³⁺、Nd³⁺、Ce³⁺、Pr³⁺、Sm³⁺、Gd³⁺、Eu³⁺；x的范围为0至1。

在一个较佳实施方案中，磨粒外层区中的片晶尺寸比其内区的片晶尺寸平均要大些。

含有α氧化铝前体物质、成核剂(如α氧化铁、氧化铬、它们的前体以及α氧化铝)可以加入其中。

可以加入到悬浮液中并/或浸渍进入磨粒前体中的其它辅助剂或改性剂包括：氧化锆、氧化铬、氧化铪、它们的前体以及它们的组合。这些物质加入其中以形成最后烧结的陶瓷磨粒是由于以下的一种或多种理由：为了增加所得陶瓷磨粒的硬度、韧性、密度和/或改善其晶体结构而提高其磨削性能。

在例如具有国际公布号WO94/07809的国际申请PCT/US93/08988中叙述了适合于加入到悬浮液或溶液中的氧化锆溶胶。

适用的辅助剂或改性剂的前体包括水合形式的物质或盐类。可以使用各种各样的这些前体，包括硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐和氯化物。

关于磨粒前体制备的详情，可参见美国专利4,314,827(Lei-theiser等人)、4,770,671(Monroe等人)、4,744,802(Shwabel)、4,881,951(Wood等人)、国际申请PCT/US93/08987(国际公开号WO94/07970)、PCT/US93/08988(国际公开号WO94/07809)、PCT/US93/08986(国际公开号WO94/07969)。

关于成核剂的使用详情，可参见美国专利4,623,364(Cot-tringer等人)、4,744,802(Schwabel)、4,964,883(Morris等人)、5,139,978(Wood)、5,219,806(Wood)。磨粒前体用氧化物改性物质、成核物质以及其它可采用的辅助剂或改性剂进行的浸渍和表面涂覆

氧化物改性物质以及其它可用的辅助剂或改性剂(如上所述)可以加入到磨料中，这是在干燥之后，一般是在其随后进行的煅烧步骤之后。例如，可以通过浸渍将多种金属氧化物的前体加入到磨粒前体中。例如，由勃姆石生成的煅烧材料一般含有半径约30—40埃的气孔。这种浸渍可以例如是将含有金属氧化物前体(如盐)的液态溶液与磨粒前体材料混合。一般是将大约15ml或更多的液态介质，其中溶有金属氧化物前体后，与100克磨粒前体物质混合。溶有金属氧化物前体的液态介质的适宜体积与磨粒前体物质的气孔体积有关。对于每100克磨粒前体物质，溶有金属氧化物前体的液态介质一般用15—70ml。应使其中所溶的氧化物前体物质均浸渍进入磨粒前体物质。一般而言，当使用这个方法将改性物质前体掺入磨粒时，该改性物质是优先掺进磨粒的外层区域的。在许多情况下，可将不溶的改性剂或其前体物质混入原先形成的悬浮液，获得的公布更为均匀。若所用液态介质不含溶解磨料物质或使其软化，可在例如破碎之后，由悬浮液或溶液对干燥磨料直接进行浸渍。例如，若用于悬浮液或溶液的液态介质是水，则可用一种非极性有机溶剂作为干燥磨料浸渍用的液态介质。另一方面，特别当磨料在浸渍步骤之前经过了煅烧，可用而且较好地是用水作为液态介质。

关于多孔磨粒前体的浸渍详情，可见美国专利5,164,348(Wood)。

经浸渍之后的颗粒要进行干燥，使颗粒不致粘结在一起或附着在煅烧装置的投料管上。某些情况下，不需此干燥步骤。其后将颗粒煅烧以除去结合的挥发性物质。煅烧温度通常为400—1000℃，较好为500—800℃。关于煅烧的条件，在题为“煅烧”一节中已原本作了叙述。但第一次煅烧与第二次煅烧的工艺条件不同也属本发明范围。

再者，采用多次的浸渍步骤，也属本发明范围。多次浸渍步骤能够增加渗入气孔结构的浸渍溶液中金属氧化物的浓度。后几步的浸渍溶液也可以在固体的浓度上不同，和/或用不同物质的组合。例如，第一浸渍溶液可含某种金属盐，而第二浸渍溶液可含另一种金属盐。关于浸渍的进一步详情可见美国专利5,139,978(Wood)。

而且，也可以将氧化铝前体物质，如勃姆石、可溶性铝盐(例如，碱式羧酸铝、碱式硝酸铝、碱式氯化铝、部分水解铝醇盐以及它们的组合)以及它们的组合，浸渍进入磨粒前体中。

将无机颗粒加入浸渍溶液形成浸渍悬浮液也属本发明范围。这类无机颗粒的尺寸小于约20微米，一般小于约10微米，较好小于约5微米，也可小于约1微米。在浸渍时，那些粒度太大以致不能进入经煅烧的磨粒前体气孔中的无机颗粒只能停留在磨粒前体的表面上。烧结时，，这些无机颗粒会自动地结合在磨粒前体的表面上，使其表面积增加，这个步骤与所得的磨粒前体上的无机颗粒涂层可详见美国专利5,213,951(Celikkaya等人)。

本发明在磨粒上进行表面涂覆的另一方法是将许多无机的突起物(一般尺寸小于约25微米)与经干燥的或经煅烧的较大磨粒前体颗粒相接触。然后在烧结过程中，这些微小的无机突起物就自动地结合在磨粒表面上。这一方法与制得的磨粒在美国专利5,011,508(Wald等人)中有进一步描述。烧结设备

按本发明制造磨粒进行烧结的一种较佳设备的一般示意图见图1。该烧结设备有一将磨粒前体(图中未示)加入炉子17中投料系统11。投料系统11包括料斗12和投料机13。推进装置14使磨粒前体物质由投料机13进入供料槽15并在其中运动至料斗12，转而进入通向炉子17的投料管16。磨粒前体物质聚集在烧结室19(图2和图3)中。更好地，推板18应隔一定时间将磨粒前体物质的料堆推平一下。烧结结束时，推板18将已烧结的磨粒通过出料管21(图3)推出炉子17，收集在集料斗22中。有通常的排气系统31将炉中废气和可能逸出烧结设备的细小颗粒排出。

虽然磨粒前体物质可以直接地乃至手工地直接投入炉中，最好还是用一投料系统(通常包括一投料机、料斗和/或推进装置)。该系统最好能自动投料，一般能将未烧结的磨粒前体物质更为均匀地投向炉子或烧结室中。

适合的推进装置包括这类用途领域中人们所知的任何常规装置，包括输送机、螺旋投料机或振动投料机。所用的推进装置应有助于将一预定量的均匀磨粒前体物质的料流提供给烧结室。而且，为了要使烧结产品前后一致，应是将均匀的，预定量的磨粒前体物质投入到烧结室中。例如可用将有小斗的输送机将预定量的未烧结磨粒前体物质按预定时间投料。

虽然图示的投料系统包括投料机和料斗，但仅有一台投料机的投料系统也在本发明范围之内。此外，磨粒前体物质可以是连续地，也可以是批量地进入料斗，用的是任一常规方法，诸如重力投料、振动投料、泵送投料、气动投料、倾卸投料(即采用有放泄阀的投料机)。

适用的投料机或投料系统均有商品供应，例如Technetics In-dustries Inc.of St Paul，MN出品名称为“TECWEIGH VOLU-METRIC FEEDER”。最适用的投料机、料斗或投料系统的细节依赖于例如烧结设备其它部件的具体情况、烧结时间的温度、磨粒前体物质的组成以及所需的产量。

在选用投料机时应考虑的特点，包括投料机壁(可以有斜度，也可以笔直)、投料机的容量和料流速度以及是否有盖子。后者可最大限度地减少对投料机中的污染以及微细磨粒前体的逸出。为便于料流在投料机中的流动，投料机的壁一般是有斜度的。

此外，投料机中宜装有许多可动的供搅动或耙动用的叶片，这些叶片能连续地或在规定时间内对磨料前体物质进行搅动，并在料斗壁上进行刮耙；松动粘在壁上的前体物质，从而有助于连续地将料流由料斗提供给推进装置。供搅动或刮耙用的可动叶片的旋转速度可由一马达控制，该马达的位置应使其不与磨粒前体物料接触。可动叶片的转动速度取决于磨料前体物质的所需投料速度。

料斗可用人们所知的为此用途的任一种合适形式，包括由底和侧壁构成的料斗或料袋。

适用的料斗具有4个带斜度的侧壁，这4个侧壁朝其出口向内倾斜，使由料斗至投料管的磨粒前体料流流动方便并能增加其流量。带斜度侧壁的应用，也有助于减少磨粒前体物质在料斗壁上的粘附。

投料系统部件的所用材料应对其所使用的环境耐用。例如，结构部件与四壁宜用金属材料，如冷轧钢、镀锌钢或不锈钢。搅动或刮耙用的可动叶片宜用不锈钢。

此外，投料机的内壁(即与磨粒前体物质接触的壁面)最好用一种韧性的聚合物材料(如聚氨酯、乙烯树脂或聚酯)作内衬或涂覆，以改善磨粒前体物料的在其中的流动，并尽可能减少其在器壁上的粘附。

推进装置(如螺旋投料机)的一个重要功能就是连续而均匀地把磨料前体料流输送到炉中。推进装置的长度应使得当磨粒前体料源箱已经耗尽(即其中已无磨粒前体物质)时，在炉子与投料系统之间有足够的距离，免使投料系统受到热的损害。

一般用外置马达驱动的推进装置，最好是个螺旋投料装置，最好是个螺旋投料装置，它是个实心的园柱形棒，上面旋转着突起的螺纹。螺距的尺寸与角度决定着磨粒前体料的流动速率。而且，螺旋装置的尺寸选择一般应能限制或阻碍投料系统中过多热量的聚集。因为该螺旋投料机比较靠近炉子，其材料应用耐用的抗热材料，如不锈钢。

投料槽的尺寸取决于例如磨粒前体料进入炉内的投料速率以及烧结室的大小。因为投料槽也与炉子比较靠近，故也需用耐热材料如不锈钢制造。

未烧结的磨粒前体物质离开干燥装置或煅烧设备后，直接输入炉子或进入投料系统，这也属本发明范围。

磨粒前体物质宜通过重力由投料槽15进入料斗12通向投料管16。在图1中，投料管16藉端头套管29连接于料斗12。该投料管16伸入炉中，其间的空隙应最小，最好无空隙。在这种空隙中容易夹有磨粒前体物质(这是不好的)，而且热量也会由烧结室逸出。

投料管由耐热材料如莫来石、氧化铝、碳化硅或二氧化硅制造。投料管的内径对通过它的磨粒前体料流量有影响，一般大于约1.5cm，最好大于约2cm。

此外，投料管的长度宜至少长约8cm(15英寸)，至少长约45.5cm(18英寸)更佳，投料管的结构应使从炉子向推进装置、投料机或料斗的过度热传递尽量减小。

虽然可用多根投料管，但一般仍最好用一根，为的是减少热量从烧结室散失，也为的是减少投料管内的堵塞。若用多根投料管，它们均应由同一个投料槽供料。

图2和3中的烧结室19包括炉壁35A、35B、35C、35D，炉顶衬板32，炉床33。炉顶衬板32上有孔37，投料管16通过其中，磨粒前体物质进入烧结室19，落在炉床33上。构成燃烧室的炉壁、衬板和炉床均由适合的能经受炉子操作温度的常用耐火材料制成，宜用碳化硅。

在衬板32的上方和炉床33的下方分别有发热元件31A、31B、31C和30A、30B、30C、30D。另外炉子17的外层还有耐火材料41。发热元件的数目和安装位置应保证传热迅速而均匀。这里用的发热元件由电提供能量，而且用电是最适宜的。适用的电发热元件包括那些陶瓷工业用窑炉中常用的发热元件(如碳化硅或二硅化钼发热元件)。另外。炉子也可以用天然气燃烧器加热。

为使前体物质迅速受热，其进入烧结室的位置应靠近至少一个发热元件，较好是在两个发热元件之间，更好是与两个发热元件等距离，有助于迅速加热。

尽管如图所示，前体物质是通过烧结室的炉顶衬板进入的，通过炉壁或炉床加入前体物质也属本发明范围。例如，可用一个推杆将前体物质通过炉床加入。

发热元件的操作温度应足以使烧结室达到所需的烧结温度，一般为1000—1600℃，1200—1500℃较好，1350—1450℃更好。烧结室的一般设计应使通过炉壁的热损耗最小。

适用的炉子耐火材料在本技术领域中是人们熟知的，有A.P.Green Refractories Co.of Mexico，MO的“G—20”、“G—23”、“R—8023”、“R—8024”(其组成均为54—59重量％SiO₂，33—40重量％Al₂O₃，1—2重量％Fe₂O₃，1—2重量％Na₂O/K₂O)和GREENLite—28。

磨粒前体物质经投料管16加入到通常加热到烧结温度或其附近的烧结室中。投料管连同其中的磨粒前体物质是在两个相邻发热元件之间直接通过落到炉床上，因此单个的磨粒前体颗粒的加热速度很快。视磨粒前体物质的化学组成，这样所致的迅速烧结就会产生非常致密的陶瓷磨粒，其中含有非常细小的α氧化铝微晶。

当磨粒前体物质投入烧结室19落在炉床33上时，会形成料堆34。料堆现象一般有害，因为其中的磨粒前体物质受热不均匀。为改善炉床上磨粒前体物质的均匀性，将有推板18用来将料堆34推平。烧结后的平料堆34的厚度宜小于1.4cm(0.5英寸)，较好是小于1cm(0.375英寸)，最好是小于0.7cm(0.25英寸)。料层较薄，就可使热量传递给单粒的未烧结磨粒前体很均匀，就能一直产生均匀烧结的磨粒。

因为磨粒前体料是连续进入烧结室19的，就会有一部分落在推板18上面。推板18系穿过炉壁35D上的孔43和44推动的。推板18与孔44之间的距离很小，所以残留在推板上的磨粒前体料在推板18通过孔44推出炉子时会被刮除下来。磨粒前体料也可以是间歇地加入烧结室中。

推板18一般是液压驱动的。将有滚子45防止推板18下弯或翘曲。烧结时，推板18在烧结室19中的往复循环操作如下所述。在循环时间的第一段，推板18将磨粒前体料(和/或烧结磨粒料)推动一个距离x；在循环时间的第二段再推一个距离y；在循环时间的第三段再推一个距离z。距离x、y、z均由点36测量。这些距离的选定取决于烧结室的结构以及进料口和出料口的位置。距离x大于y，y大于z。例如一个实施方案的距离x、y、z各为40.6cm、33cm、25cm。

加入未烧结磨粒前体物质最好与推板的运动同步，使得当推板的位置在未烧结磨粒前体物质应落在的炉床支撑面部分的上方时不进料。

对于一给定往复循环的这几段，有一个时间延迟，约为数秒。在循环时间的第三段之后，推板18即完全后退，让磨粒前体物质留在烧结室中一段充分的时间，让磨粒前体物质烧结。当达到所需的烧结程度之后，推板18又移动，同时闸门40打开让已经烧结的磨粒由烧结室19排出烧结室进入出料管2。一个操作循环完成后，稍待一段时间(一般为数分钟)，再开始另一个操作循环。与这些循环有关的各个时间就一给定的烧结过程确定之，它随例如炉子操作温度、所需的烧结致密度，所需的产量、磨粒前体物质的化学组成而变化。烧结理论组成为95.2重量％Al₂O₃、1.2重量％La₂O₃、1.2重量％Nd₂O₃、1.2重量％Y₂O₃、1.2重量％MgO的磨粒，适宜的烧结温度约为1415℃，烧结约3.4分钟。

虽然关于烧结设备操作的上面叙述是将三段时间纳入烧结循环中，但一个循环采用一段、两段、或者三段以上的这种时间也属本发明范围。

闸门40一般是液压操纵的，它可避免烧结室19的热量散失。它用的材料是一种抗热的耐火材料，如碳化硅。

选用的推板材料应能适用于其作用的环境。它最好由两段构成(参见图3)。进入炉子17的第一段46例如是由金属如铬镍铁合金制成。第二段47例如可用不锈钢制成。这两段可用例如焊接连接之。推板的厚度取决于烧结设备的具体参数，大约宜为2.5cm(1英寸)。

尽管如图所示，推板只具有一个推动表面，但视烧结室的结构情况可以具有一个以上的推动表面。例如V字形的推板即有两个推动表面。

在图8、9、10中，分别用另外的颗粒物传送装置100、102、110将经过烧结的颗粒由烧结室排出。图8中，烧结颗粒先置于园柱体100的表面104上面。该园柱体100绕轴105旋转，从而将烧结颗粒倾卸，进入出料孔或排料管21。图9中，烧结颗粒先置于园柱体102的楔形腔106中。该园柱体102绕轴107旋转，从而将烧结颗粒倾卸，进入出料孔或排料管21。图10中，烧结颗粒先置于园柱体100的表面111、112、113或114上面。可转动的园柱体110绕轴115转动时，即将烧结颗粒倾卸，进入出料孔或排料管21。这几种颗粒物传送装置可用合适的耐火材料包括铂和铂/铑制造。烧结

未烧结的磨粒前体物质的烧结温度一般约为1000—1600℃(1200°—1500℃较好，1300°—1425℃更好)。

尽管，未烧结磨粒前体物质维持在烧结温度的时间视种种因素而异，例如其粒度、组成、烧结温度，但该时间一般应使烧结能在并应在数秒至大约120分钟(一般1至10分钟)内完成。用较短烧结时间和较低烧结温度为宜，以避免过度的晶粒长大并获得所要的显微结构。

烧结一般在大气压力下于氧化气氛(一般为空气)中进行。但用不同的烧结设备以便在中性或还原性气氛中进行烧结也属本发明范围。例如，当使用氧化铬成核剂物质时，烧结气氛应是中性或还原性的。经烧结的磨粒

按本发明方法制成的磨粒一般粒度大约为0.1—1500微米，通常约1—1000微米。按本发明方法制成的一种较好磨粒，其粒度小于30微米，甚至小于1微米。

用任何常规方法如水分级、空气分级或筛分可将烧结磨粒分级成一定的粒度分布。虽然粉碎一般不宜采用，但若必需，也可将磨粒粉碎至所需的粒度。

按照本发明方法所制的一种较佳磨粒含有氧化铝、一种二价金属氧化物和多种稀土金属氧化物。该二价金属氧化物可以是例如锰、镁或锌的氧化物。氧化铝、二价金属氧化物和稀土氧化物能反应生成一种六方稀土铝酸盐LnMAl₁₁O₁₉，后者又称为磁铅石，其中的M是二价金属阳离子，Ln是三价金属如La，Nd，Ce，Pr，Sm，Gd或Eu的离子。这种六方稀土铝酸盐在磨粒中具有优异的性质。因为一般有过量氧化铝存在，这种磁铅石就会形成，而过量氧化铝则形成α氧化铝。生成的显微结构包括α氧化铝微晶和位于其间的是磁铅石微片晶。典型的α氧化铝微晶小于1微米，一般大约0.1—0.4微米。这些α氧化铝微晶集合在一起形成一个区域。区域内的相邻α氧化铝微晶之间具有很小角度的晶界。而尺寸大约为2—5微米的这些邻近区域之间则形成大角度的晶界。磁铅石片晶的厚度一般为0.04—0.1微米，最好0.04—0.06微米。

在磨粒外层区域附近的片晶直径大于其内部区域的片晶直径。例如，外层区域附近的磁铅石片晶长度一般大于1微米，而中心区域的片晶长度小于1微米。

本发明另一种较好的α氧化铝基磨粒具有烧结的外表面，其粒度小于30微米。

具有烧结外表面晶粒的一个例子，其扫描电子显微镜照片(10,000X)示于图4。这种晶粒的组成(以理论氧化物计)是95.2重量％Al₂O₃，1.2重量％La₂O₃，1.2重量％Nd₂O₃，1.2重量％Y₂O₃，1.2重量％MgO。图4所示的晶粒中，α氧化铝微晶50对于相邻的微晶呈无序取向。在有些α氧化铝微晶50之间有磁铅石片晶52。片晶52的外形不规则，长宽比约3∶1至1∶1，其厚度约0.1微米。在烧结磨粒表面上进行涂覆

可对烧结磨粒进行处理，在其表面施加涂层，人们知道，表面涂层能改善磨粒制品中磨粒与粘合剂之间的粘附。这类表面涂层在例如美国专利5,011,508(Wald等人)、1,910,444(Nicholson)、3,041,156(Rowse等人)、5,009,675(Kunz等人)、4,997,461(Markhoff—Matheny等人)、5,213,951(Celkkaya等人)、5,085,671(Marton等人)、5,042,991(Kunz等人)中均有叙述。而且，附加表面涂层有时还会改善磨粒的研磨特性。磨粒制品

按本发明方法制造的磨粒可以以磨粒聚集物的形式使用。磨粒聚集物是许多单个的磨粒粘结形成的。其详情还可见例如美国专利4,311,489(Kressner)、4,652,275(Bloecher等人)、4,799,939(Bloecher等人)。

按本发明方法制造的磨粒可以用于涂覆磨料制品、粘合磨料制品(包括磨轮、薄片切割磨轮、镗磨油石)、非织造磨料制品、磨刷等。一般而言，磨料制品中有一种粘合剂和通过粘合剂固定在磨料制品内部的许多磨粒。此外，磨粒本身还可用于采用磨料浆或研磨(如抛光)化合物的研磨用途。

涂覆磨料制品一般由一层背衬、磨粒和将磨粒固着在背衬上的至少一种粘合剂组成。

涂覆磨料制品的一个例子示于图5，该制品以数字69表示。背衬(衬底)70上有磨料层72，该磨料层72是许多磨粒藉初始接合涂层77和胶结涂层78固着在背衬的主表面上。有时还可使用上胶结涂层(图中未表示)。

背衬可以用布、聚合物薄膜、纤维织物、非织造材料，纸张、它们的组合，而且这些材料可预处理。还可以用例如美国专利5,316,812(Stout等人)所述的增强塑料背衬。粘合剂可用无机或有机的，在磨料制品中磨粒可以是一层或二层。制造涂覆磨料制品的较好方法在美国专利4,734,104(Broberg)和4,737,163(Larkey)中有叙述。

涂覆磨料制品的背面上还可有一种连接装置，用来将该涂覆磨料制品固定在一支撑垫上。该连接装置可以是压敏粘接剂或者是用于钩环连接的环状织物。也可以是一种美国专利5,201,101(Rouser等人)所述的互相啮合连接系统。

磨料制品的背面上也可以有一层防滑即磨擦涂层。这种涂层的例子包括分散于粘接剂中的无机颗粒物质(如碳酸钙或石英)。

粘合磨料制品一般是用有机的、金属的或玻璃化的粘合剂将磨粒固着在一起而构成的成形体。它的式样可为轮，如包括薄片切割磨轮之类的磨轮，可以是镗磨油石或其它常用的粘合磨料制品形式，其很适用的形式是磨轮。在图6中，磨轮79是磨粒80注模制成的，安装在轮毂上。磨轮制造的进一步详情可见例如美国专利4,997,461(Markkoff—Matheny)。玻璃态粘合剂可以在较低温度(如低于1100℃)或较高温度(如高于1200℃)进行烧结。玻璃态粘合剂一般含有20％乃至100％玻璃料，含量虽然较低，但也可用。

非织造磨料制品一般是在由聚合物细丝制成的开孔膨松结构材料中有许多本发明磨粒均匀分布并由有机粘合剂粘结于其中而制成的。所用细丝的例子包括聚酯纤维、聚酰胺纤维，芳族聚酰胺纤维。图7是一种典型的非织造磨料制品的放大约100倍的示意图。该制品有纤维垫89作为衬垫，其上面用粘合剂94粘附着磨粒92。非织造磨料制品的进一步详情可见例如美国专利2,958,593(Hoven等人)。

磨料制品的粘合剂可以是热固性有机聚合物。有两大类热固性树脂，即缩聚固化的和加成聚合的。加成聚合树脂可藉阳离子机理或自由基机理聚合。视采用的能源情况和粘合剂前体的化学性能，有时还要用固化剂、引发剂或催化剂来促进聚合作用的引发。

典型的粘合剂例如包括酚醛树脂、脲甲醛树脂、密胺甲醛树脂、丙烯酸化聚氨酯树脂、丙烯酸化环氧、烯键不饱和化合物、具有侧位α、β不饱和羰基的氨基塑料衍生物、具有至少一个侧位丙烯酸酯基的异氰脲酸酯衍生物，具有至少一个侧位丙烯酸酯基的异氰脲酸酯衍生物，乙烯基醚、环氧树脂、以及它们的组合。

酚醛树脂广泛用作磨料制品的粘合剂，因其热性质优良，容易获得且成本低廉。有两种类型的酚醛树脂，即可溶性酚醛树脂和酚醛清漆树脂。前者的甲醛对苯酚之比大于或等于1∶1，一般为1.5∶1.0至3.0∶1.0。后者的甲醛对苯酚之比小于1∶1。

磨料制品和/或磨料与粘合剂的浆料还可含有其它添加剂，例如填料(包括助磨剂)、纤维、润滑剂、润湿剂、触变性材料、表面活性剂、颜料、染料、抗静电剂、偶合剂、增塑料、悬浮剂等，这些添加剂的选用量应能提供所需的性质。

适用的填料例如有金属碳酸盐(如碳酸钙(白垩、方解石、泥灰岩、石灰华、大理石、石灰石)、碳酸钙镁、碳酸钠、碳酸镁)，二氧化硅(如石英、玻璃珠、玻璃泡、玻璃纤维)，硅酸盐(如滑石、粘土、蒙脱石(长石)、云母、硅酸钙、偏硅酸钙、铝硅酸钠、硅酸钠)，金属硫酸盐(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，炭黑，金属氧化物如氧化钙(石灰)，氧化铝，二氧化钛，金属亚硫酸盐(如亚硫酸钙)等。

包括在磨料工业中的填料一词也称为助磨剂。助磨剂定义为其加入对于研磨的物理和化学过程有显著影响，能改善磨料制品性能的颗粒状物质。研磨剂化学类别的例子包括蜡、有机卤化物、卤盐、硫和硫化合物、金属及其合金。有机卤化物在研磨过程中一般会分解，释放氢卤酸或气态卤化物。这类材料例如包括氯化化合物如四氯萘、五氯萘和聚氯乙烯。卤盐例如有氯化钠、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。金属例如用锡、铝、铋、钴、锑、镉、铁、钛。其它杂类的助磨剂有硫、有机硫化合物、石墨、金属硫化物等。

抗静电剂例如包括石墨、炭黑、氧化钒、润湿剂。这些抗静电剂在美国专利5,061,294(Harmer等人)、5,137,542(Buchanan等人)、5,203,884(Buchanan等人)中有披露。

偶合剂可以在粘合剂前体同填料颗粒和磨粒之间提供缔合桥的作用。偶合剂例如有硅烷、钛酸盐和锆铝酸盐。

上述的磨料制品可以含有100％的本发明磨粒，也可以含有本发明磨粒与通常磨粒或稀释剂颗粒的混合物。磨料颗粒的莫氏硬度宜至少大约为8，大于9更佳。这种硬度的磨料颗粒包括熔凝氧化铝(包括棕色氧化铝-热处理氧化铝、白色氧化铝)；由溶胶凝胶法制的陶瓷氧化铝、绿色碳化硅、碳化硅、氧化铬、铝氧锆氧、金刚石、氧化铈、立方氮化硼、碳化硼、石榴石、二硼化钛、碳化钛、以及它们的组合。本发明的磨粒还可与稀释剂颗粒(如大理石、石膏、石灰石、燧石、氧化硅、玻璃泡、玻璃珠、氧化铁、硅酸铝、玻璃)混合使用。本发明的磨料还可与磨料团聚物混合使用。磨料团聚物的一种例子在美国专利4,652,275(Bloecher等人)中有叙述。但磨料制品的颗粒至少应有15重量％，最好是50—100重量％为本发明所述类型的磨粒。

对本领域的技术人员而言，在不偏离本发明的范围和精神条件下，可以对本发明进行种种修正和改动。须知本发明不受这里所举的说明性实施方案的限制。

Claims (28)

1.一种规定标称级的磨粒，其特征在于所述磨粒具有从细到粗的粒度分布和一个小于40微米的中位粒度，其中至少部分规定标称级的磨粒是许多具有烧结外表面的烧结、多晶陶瓷、α氧化铝基磨粒。

2.如权利要求1所述的规定标称级的磨粒，其特征在于至少30％(体积)的所述规定标称级的磨粒在所述中位粒度的10微米范围内。

3.如权利要求1所述的规定标称级的磨粒，其特征在于至少50％(体积)的所述规定标称级的磨粒在所述中位粒度的5微米范围内。

4.如权利要求1所述的规定标称级的磨粒，其特征在于所述规定标称级的磨粒具有小于30微米的粒度。

5.如权利要求1所述的规定标称级的磨粒，其特征在于所述规定标称级的磨粒具有1—25微米的粒度。

6.如权利要求1所述的规定标称级的磨粒，其特征在于所述规定标称级的磨粒具有小于25微米的粒度。

7.如权利要求1所述的规定标称级的磨粒，其特征在于所述规定标称级的磨粒具有小于20微米的粒度。

8.如权利要求1所述的规定标称级的磨粒，其特征在于所述规定标称级的磨粒具有小于15微米的粒度。

9.如权利要求1所述的规定标称级的磨粒，其特征在于烧结、多晶陶瓷、α氧化铝基磨粒包括选自如下的氧化物：氧化铁、氧化镁、氧化锰、氧化锌、氧化铈、氧化钴、氧化钛、氧化镍、氧化钇、氧化镨、氧化钐、氧化镱、氧化钕、氧化镧、氧化钆、氧化镝、氧化铒、氧化铕、二氧化硅、氧化铬、氧化钙、氧化锶、氧化锆、氧化铪、及其混合物。

10.如权利要求1所述的规定标称级的磨粒，其特征在于烧结、多晶陶瓷、α氧化铝基磨粒包括用成核剂成核的α氧化铝晶体。

11.如权利要求1所述的规定标称级的磨粒，其特征在于烧结、多晶陶瓷、α氧化铝基磨粒包括：

(a)α氧化铝晶体

(b)分布在α氧化铝晶体间的铝酸盐片晶

12.如权利要求11所述的规定标称级的磨粒，其特征在于所述的片晶是磁铅石片晶，所述的磁铅石片晶用如下通式表示：LnMAl₁₁O₁₉其中Ln是选自La³⁺、Nd³⁺、Ce³⁺、Pr³⁺、Sm³⁺、Gd³⁺和Eu³⁺的镧系稀土；M是选自Mg²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺和Co²⁺的二价金属阳离子。

13.如权利要求1所述的规定标称级的磨粒，其特征在于它包括含晶核和金属氧化物表面涂层的磨粒，所述的晶核是烧结、多晶陶瓷、α氧化铝基磨粒。

14.一种磨料制品，其特征在于它包括：

(a)粘合剂；

(b)用粘合剂固定在所述的磨料制品中的如权利要求1所述的规定标称级的磨粒。

15.如权利要求14所述的磨料制品，其特征在于所述的磨料制品是砂轮产品。

16.如权利要求14所述的磨料制品，其特征在于所述的磨料制品是非织造磨料产品。

17.一种砂布制品，其特征在于它包括：

(a)有一个主表面背衬；

(b)含用粘合剂固定在所述背衬主表面上的如权利要求1所述的规定标称级磨粒的磨料层。

18.如权利要求1所述的规定标称级的磨粒，其特征在于至少15％(重量)的所述磨粒是所述的α氧化铝基磨粒。

19.如权利要求1所述的规定标称级的磨粒，其特征在于至少30％(重量)的所述磨粒是所述的α氧化铝基磨粒。

20.如权利要求1所述的规定标称级的磨粒，其特征在于至少50％(重量)的所述磨粒是所述的α氧化铝基磨粒。

21.如权利要求1所述的规定标称级的磨粒，其特征在于至少75％(重量)的所述磨粒是所述的α氧化铝基磨粒。

22.如权利要求1所述的规定标称级的磨粒，其特征在于它基本上由所述的烧结、多晶陶瓷、α氧化铝基磨粒构成。

23.如权利要求1所述的规定标称级的磨粒，其特征在于它还包括所述α氧化铝基磨粒以外的磨粒，所述其它磨粒的平均粒度小于所述α氧化铝基磨粒的平均粒度。

24.如权利要求1所述的规定标称级的磨粒，其特征在于其中位粒度小于30微米。

25.一种磨料制品，其特征在于它包括：

(a)粘合剂；

(b)用粘合剂固定在所述的磨料制品中的如权利要求24所述的规定标称级的磨粒。

26.一种规定标称级的磨粒，其特征在于所述磨粒具有从细到粗的粒度分布和一个小于40微米的中位粒度，其中至少部分规定标称级的磨粒是许多粒度小于30微米的，具有烧结外表面的烧结、多晶陶瓷、α氧化铝基磨粒。

27.如权利要求26所述的规定标称级的磨粒，其特征在于其中位粒度小于30微米。

28.一种磨料制品，其特征在于它包括：

(a)粘合剂；

(b)用所述粘合剂固定在所述的磨料制品中的如权利要求26所述的规定标称级的磨粒。

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