專利名稱：磨料制品、組合物及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磨料制品及其制備方法以及用于制備該磨料制品的組合物。具體地說，本發(fā)明涉及含有超硬磨粒的固結(jié)磨具。
背景技術(shù)：
術(shù)語“超硬磨料”通常是指特別硬的研磨材料。一般而言，“常規(guī)”磨料(例如氧化鋁和碳化硅)的硬度在2000-2500kg/mm2的范圍內(nèi)，而對于立方氮化硼(cBN)和金剛石這樣的“超硬磨料”，它們的硬度分別在4500kg/mm2和8000kg/mm2的數(shù)量級上。
有多種含有超硬磨粒(例如金剛石和立方氮化硼)的固結(jié)磨料制品。這類磨料制品的例子包括鏜磨油石、磨光棒、鋸條、切削棒、磨頭、粗砂輪、砂輪修整工具、杯形砂輪、鈸形砂輪、磨輪和翼片砂輪。
磨輪通常包括輪轂和工作輪緣，該工作輪緣被固定在輪轂的外圍。所述輪轂可由金屬、樹脂塑料或其組合物制成，并且通常具有便于將其安裝到研磨機(jī)上的裝置。所述的工作輪緣可能是單個環(huán)狀的部件，也可能是由多段構(gòu)成的。該工作輪緣通常含有超硬磨粒，這些超硬磨粒分散在金屬基質(zhì)、玻璃基質(zhì)或者熱固性樹脂(例如酚醛樹脂、脲醛樹脂或三聚氰胺甲醛樹脂)中。使用熱固性樹脂是因?yàn)樗鼈兡軌蚪?jīng)受住磨輪操作過程中產(chǎn)生的高溫，并且這還因?yàn)樵S多熱固性樹脂所具有的脆性能夠使它們在研磨過程中破碎。
使用熱固性樹脂制造固結(jié)磨料制品(例如磨輪)的生產(chǎn)過程通常是繁冗而緩慢的。通常，這些制品是通過壓鑄模法或定容模制法(constant volume molding)制成的，其中，模具中填充有精確體積的顆粒狀的磨料填料和粘結(jié)劑。粘結(jié)劑的形式可以是粉末狀、液體或其組合。模具的容積必須被非常精確地填滿，使得填充物的頂部和底部與模具壁齊平，因?yàn)榧訜崾峭ㄟ^傳導(dǎo)來進(jìn)行的，而這種加熱取決于模具和熱壓板之間的表面的充分接觸。模制材料的導(dǎo)熱性通常都較差，因此，可能必須將粉末混合物加熱數(shù)小時，以確保磨料制品整體都充分固化。模制過程還會產(chǎn)生排放物，這些排放物不僅令人感覺不舒服，而且會造成不利的環(huán)境后果。
人們已經(jīng)提出了采用注射成型法來制造樹脂固結(jié)磨料制品。
例如，專利文獻(xiàn)EP 0551714公開了這樣一種磨料制品，其包含模制成的研磨體，該研磨體是用均勻地散布有研磨材料和次級填料的聚合物材料經(jīng)注射成型而制成的，并且該研磨體包含1-20體積％的金剛石硬質(zhì)磨粒、5-80體積％的次級填料、以及5-90體積％的可熱成型的聚合物，該聚合物選自其軟化點(diǎn)溫度大于100℃而小于250℃的熱塑性聚合物材料、以及熱固性聚合物。含有這種熱塑性聚合物材料的樹脂固結(jié)磨料制品的熱性質(zhì)并不適合于所有的應(yīng)用。
人們還提出了使用軟化點(diǎn)溫度較高的熱塑性聚合物作為粘結(jié)劑樹脂來制造樹脂固結(jié)磨料制品。例如，美國專利No.5,314,512公開了一種制備注射成型的鋸片刀頭的方法，該方法包括以下步驟(a)在約280-400℃下、在注射成型機(jī)的機(jī)筒內(nèi)將分散在無孔的熱塑性聚合物基質(zhì)中的大量超硬磨粒加熱，其中，該鋸片刀頭中的磨料含量為至少4體積％；(b)在約70-150MPa的壓力下將步驟(a)中所述的加熱的產(chǎn)物注射到模具中；以及(c)將步驟(b)中所述的注射的產(chǎn)物在約35MPa到約75MPa的壓力下、在所述模具中保持至少約2秒到約10秒。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個方面是提供一種組合物，該組合物包含超硬磨粒；熱塑性聚合物，其加工溫度為至少280℃；以及填料，其中，所述熱塑性聚合物的量足以粘結(jié)所述組合物，所述填料包括球狀顆粒，該球狀顆粒的量占所述組合物的體積的至少40％。
本發(fā)明的第二個方面是提供一種由上述組合物制成的固結(jié)磨料制品，該固結(jié)磨料制品包含多個磨粒，所述磨粒被粘結(jié)介質(zhì)粘結(jié)在一起而形成成型體。
本發(fā)明的另一個方面是提供一種制備固結(jié)磨料制品的方法，該方法包括在280℃到小于等于400℃的溫度范圍內(nèi)加熱上述組合物，從而得到加熱的組合物；將所述的加熱的組合物注射到模具中；以及將所述的加熱的組合物冷卻，從而得到固結(jié)磨料制品。
在注射之前，可在至少150℃到小于等于250℃的溫度范圍內(nèi)方便地加熱所述模具。注射壓力一般在至少70MPa到小于等于210MPa的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的上下文中所用的術(shù)語“超硬磨?！笔侵赣捕却笥?000kg/mm2的磨粒。
根據(jù)本發(fā)明，用于制造固結(jié)磨料制品的組合物包含超硬磨粒、以及結(jié)晶熔點(diǎn)相對較高的熱塑性聚合物，通過加入用量相對較高的球狀顆粒作為填料可以使該組合物在以下方面得到改善不會很困難就可以將該組合物注射成型，并且就工件材料去除量來說，所得到的磨料制品通常表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是平均粒徑為至少10微米到小于等于2000微米的球狀填料可以的量占所述組合物的體積的至少40％到小于等于70％(或者甚至更高)的高填料含量來使用，所述球狀填料使所述組合物具有適合于注射成型的粘度。很多常規(guī)填料是不規(guī)則形狀的顆?；蛘哚槧畹念w粒。在注射成型的過程中，填料顆粒必須彼此相對流動，而不規(guī)則形狀的顆粒之間的摩擦力較大并阻礙流動，因此會使組合物的粘度增大。與此形成對比的是，球狀顆粒易于彼此相對流動，并且使得由顆粒間的摩擦力所造成的粘度增大顯著降低，因此可以順利地使用較高的填料含量進(jìn)行注射成型。


圖1是被各個例子中的研磨輪所去除掉(切削)的瓷磚的質(zhì)量的條形圖；圖2是各個例子中的研磨輪的質(zhì)量損失的條形圖；以及圖3是各個例子中的研磨輪的金剛石效率指數(shù)的條形圖。
發(fā)明詳述適合用于本發(fā)明的球狀填料顆粒包括玻璃球、陶瓷球及其混合物。優(yōu)選的填料顆粒包括鈉鈣硼硅酸鹽(soda-lime borosilicate)玻璃球、碳酸鈣球和二氧化硅-氧化鋁陶瓷球。填料顆粒的平均粒徑一般為至少10微米到小于等于2000微米(或者更大)，優(yōu)選為至少10微米到小于等于400微米。平均粒徑為至少25微米到小于等于50微米的顆粒是特別有用的。
球狀顆粒的量占組合物的體積的至少40％、45％或50％到小于等于60％、65％或70％；例如，占組合物的體積的至少45％到小于等于65％，優(yōu)選為占組合物的體積的至少50％到小于等于60％。
本發(fā)明的組合物可以含有少量其它填料，例如碳化硅、氧化鋁、銅粉、鋁粉、二氧化硅、玻璃纖維等，只要這些其它填料不會對該組合物的熔體粘度產(chǎn)生不利影響以至于阻礙注射成型即可。
通常根據(jù)磨料制品最終使用時可能產(chǎn)生的溫度來選擇熱塑性聚合物。熱塑性聚合物的加工溫度為至少280℃，一般為280-420℃，優(yōu)選為280-400℃。加工溫度是聚合物在壓力下產(chǎn)生流動從而使其適合于注射成型時的溫度。熱塑性聚合物的加工溫度在文獻(xiàn)中被廣泛引用。
熱塑性聚合物通常選自工程熱塑性塑料，例如聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚芳醚酮、聚芳醚醚酮、聚(酰胺-酰亞胺)(PAI)、聚苯硫醚(PPS)、聚亞芳基硫醚(PAS)、聚醚砜(PES)、聚醚酰亞胺(PEI)和液晶聚合物(LCP)。這類材料是市售易得的。例如，PEEK可購自英國Victrex plc公司，商品名為“VICTREX”；PPS可購自美國Fortron Industries公司，商品名為“FORTRON”。
在聚合物基質(zhì)中可以同時使用兩種或多種聚合物，以利用每一種聚合物的有利特性。例如，可以將液晶聚合物(LCP)與聚醚醚酮(PEEK)結(jié)合使用，這樣，LCP的較低的熔體粘度可有助于粘度相對較高的PEEK獲得自由流動性。
熱塑性聚合物的量足以粘結(jié)組合物，其含量通常占組合物的體積的至少20％、30％或35％到小于等于45％、50％或59％或更多；例如，占組合物的體積的至少30％到小于等于50％，優(yōu)選為占組合物的體積的至少35％到小于等于45％。
本發(fā)明所用的超硬磨粒一般選自金剛石、立方氮化硼及其混合物。超硬磨粒的平均粒徑為至少30微米到小于等于300微米或更大，通常為至少50微米到小于等于150微米，優(yōu)選為至少90微米到小于等于105微米。超硬磨粒通常占組合物的體積的至少2.5％到小于等于20％，優(yōu)選為占組合物的體積的5％左右。
可以使用的金剛石的實(shí)例是樹脂粘結(jié)型級別200/230，可為商品名為“EDA 2021”的產(chǎn)品；樹脂粘結(jié)型級別140/170，可為商品名為“SYN GREEN”和“SYN BLACK”的產(chǎn)品；以及金屬粘結(jié)型級別140/170，可為商品名為“EDA2050”的產(chǎn)品，上述這些產(chǎn)品均購自位于英國倫敦市的Edel Industrial Diamond(EID)公司。各種金剛石級別的粒徑是200/230＝63-75微米；140/170＝90-105微米。LGD10120/140(105-125微米)和LGD 10 100/120(125-150微米)可購自位于美國加利福利亞州San Jose市的Longer公司。
可以使用金剛石團(tuán)塊顆粒，其中團(tuán)塊的粒徑大于360微米。
“金屬粘結(jié)型”和“樹脂粘結(jié)型”的金剛石是超硬磨料工業(yè)領(lǐng)域所認(rèn)可的兩種名稱，這是指它們常被用于其中的配制物類型?！敖饘僬辰Y(jié)型”金剛石通常用于主要由金屬構(gòu)成的超硬磨料制品中，而“樹脂粘結(jié)型”金剛石通常用于主要由有機(jī)樹脂構(gòu)成的超硬磨料制品中?！敖饘僬辰Y(jié)型”金剛石與“樹脂粘結(jié)型”金剛石二者的不同之處在于金屬粘結(jié)型金剛石通常在外觀上顯得更接近塊狀、并且更有韌性。因?yàn)榻饘僬辰Y(jié)應(yīng)用比樹脂粘結(jié)應(yīng)用更費(fèi)力，使得金屬粘結(jié)型金剛石必須能經(jīng)受得住環(huán)境的苛刻性，所以對金屬粘結(jié)型金剛石要求更高的韌性。另一方面，樹脂粘結(jié)型金剛石通常更脆并且不太成塊狀，這樣設(shè)計(jì)是為了使之破碎并且“自銳”，從而使得未用過的金剛石不斷地暴露在切削界面處。“塊狀”是指金剛石顆粒的形狀，其反過來又作為金剛石性能的指標(biāo)。成塊狀的金剛石的形狀接近立方八面體的幾何形狀，并且得到韌性極高的耐磨的金剛石；而不太成塊狀的金剛石接近針狀，通過“自銳”機(jī)理而破碎，形成碎片。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是偶聯(lián)劑、特別是顆粒狀的偶聯(lián)劑的存在，可以通過降低組合物的熔體粘度來改善其成型性能。據(jù)推測，偶聯(lián)劑可以變成與帶電荷的填料和/或磨粒結(jié)合在一起的狀態(tài)，這樣就易于減少顆粒之間的接觸，從而降低注射成型過程中顆粒之間的摩擦阻力。合適的偶聯(lián)劑包括有機(jī)硅、鋯鋁酸酯(zircoaluminate)、鋯酸酯和鈦酸酯。通常偶聯(lián)劑的量為填料的重量的至少0.1％到小于等于2％。可以將偶聯(lián)劑直接施加到由粘結(jié)介質(zhì)、磨粒和填料構(gòu)成的混合物中?？晒┻x用的另一種方式是，可以用偶聯(lián)劑對磨粒和/或填料進(jìn)行預(yù)處理。
可以采用常規(guī)設(shè)備進(jìn)行注射成型加工。合適的注射模具結(jié)構(gòu)或型腔是根據(jù)磨料制品所需的形狀而準(zhǔn)備的。將磨料組合物的各組分混合并在一定的溫度下加熱，從而達(dá)到適合于注射成型的粘度。所述溫度通常取決于熱塑性材料的熔體粘度、填充度以及是否存在偶聯(lián)劑等因素。一般，該溫度為至少280℃到小于等于400℃。通常在至少70MPa到小于等于210MPa的注射壓力下將加熱的組合物注射到模具中?？蓪⒛＞哳A(yù)熱(例如，在至少150℃到小于等于250℃的溫度下預(yù)熱)以便于對組合物進(jìn)行注射。然后，將模具冷卻以使磨料組合物固化，并且取下成型的制品。
成型的磨料制品可以具有任何所需的形式。優(yōu)選的形式是磨輪。磨輪的直徑通常為至少約0.1cm到至多約2米，更通常的是至少1cm到至多約2米。通常，磨輪的厚度為至少約0.001cm到至多約1米，更通常的是至少約0.01cm到至多約0.5米。但是，磨料制品也可采取其它形式，包括鏜磨油石、磨光棒、鋸條、切削棒、磨頭、粗砂輪、砂輪修整工具、杯形砂輪、鏜磨油石、切斷輪、鈸形砂輪、翼片砂輪等。
本發(fā)明將通過以下各個例子來進(jìn)行說明，這些例子公開了金剛石研磨輪的制備過程，該研磨輪適用于對陶瓷或玻璃類型的材料進(jìn)行磨邊或類似的操作(arising)；所述材料包括瓷磚、玻璃以及其它脆性的硬質(zhì)材料。研磨輪包括工作輪緣，該工作輪緣是通過對磨料組合物進(jìn)行注射成型而制成的。該工作輪緣的外徑為150mm，內(nèi)徑為90mm，厚度為8mm。
試驗(yàn)方法使用Thibaut機(jī)器(ref.T110S)對研磨輪的瓷磚磨邊的性能進(jìn)行評價，該機(jī)器是一種旋轉(zhuǎn)式的研磨/拋光機(jī)器，可得自Thibaut S.A.公司(地址rue de Caen，14500 Vire，F(xiàn)rance)。
瓷磚是“KEOPE GRANITI”30cm×30cm的瓷制品，由KeopeS.p.a公司(地址Via Statale 467，21-42013，Casalgrande(RE)Italy)生產(chǎn)。
試驗(yàn)步驟如下1.記錄未用過的干瓷磚的質(zhì)量；2.記錄未用過的研磨輪的質(zhì)量；3.將瓷磚裝到Thibaut機(jī)器上并固定在一定的位置中；4.將研磨輪裝到Thibaut機(jī)器上的一定的位置中；5.開動Thibaut機(jī)器，使水流過Thibaut機(jī)器的機(jī)頭；6.一旦所有的裝置都浸在冷卻水中時，將旋轉(zhuǎn)的研磨輪和瓷磚的邊緣表面接合在一起；7.以控制的速度、沿著瓷磚的邊緣、在80psi(0.6MPa)的壓力下用手前后橫向移動Thibaut機(jī)器的機(jī)頭，總共持續(xù)60秒；8.將研磨輪和瓷磚邊緣分開，并關(guān)閉Thibaut機(jī)器；9.從Thibaut機(jī)器的機(jī)床上取下瓷磚；10.采用以下方法干燥瓷磚使用吸水紙，再用壓縮空氣吹干，并將瓷磚置于105℃的烘箱中加熱5分鐘，以確保已經(jīng)除去了所有的殘留水分；11.從烘箱中取出瓷磚并稱重，記錄其質(zhì)量損失；
12.將瓷磚再裝到Thibaut機(jī)器的機(jī)床上，并對瓷磚剩下的3條邊進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)(步驟4-11)；13.當(dāng)瓷磚的4條邊都被研磨后，從Thibaut機(jī)器上卸下研磨輪，并采用以下方法干燥研磨輪使用吸水紙，再用壓縮空氣吹干，并將研磨輪置于105℃的烘箱中加熱30分鐘，以確保已經(jīng)除去了所有的殘留水分；14.記錄干燥的研磨輪的質(zhì)量損失；15.對總共5塊瓷磚重復(fù)步驟1-14；16.將5塊瓷磚的總質(zhì)量損失(單位為克)的結(jié)果表示為“總切削量”。
“總切削量”的定義總切削量是在Thibaut機(jī)器處理5塊瓷磚(20條邊)的過程中被研磨輪去除掉的瓷磚質(zhì)量的總和。
“研磨輪的總質(zhì)量損失”的定義研磨輪的總質(zhì)量損失是對20條瓷磚邊緣(一共是5塊瓷磚)進(jìn)行研磨之后，研磨輪的質(zhì)量損失的總和。
“金剛石效率指數(shù)”的定義按以下方式計(jì)算金剛石效率指數(shù)金剛石效率指數(shù)＝α×瓷磚的質(zhì)量損失/研磨輪的質(zhì)量損失；其中α＝起始配制物中金剛石所占的質(zhì)量比例。
因?yàn)楦鱾€配制物中的金剛石的體積比例是已知的，那么由于已經(jīng)測出了研磨輪的總質(zhì)量損失，所以由已知的密度以及其它組分的比例可以計(jì)算出金剛石的質(zhì)量損失。然后，用上述試驗(yàn)中的瓷磚的質(zhì)量損失除以上述試驗(yàn)中的金剛石的質(zhì)量損失，來計(jì)算金剛石效率指數(shù)。假設(shè)的是在注射成型過程中，金剛石均勻分布在結(jié)構(gòu)體中。
材料各個例子中使用以下材料玻璃泡商品名為“3M SCOTCHLITE GLASS BUBBLESS60/10000”，可得自位于美國明尼蘇達(dá)州圣保羅市的3M公司。該玻璃泡的平均直徑為30微米，并且80體積％都在15-55微米之間，最大尺寸為65微米。
微球商品名為“3M ZEEOSPHERES TM G-850”，可得自3M公司。該微球的平均直徑為40微米，并且80體積％都在12-100微米之間，最大尺寸為200微米。
微珠商品名為“MB300/400”的實(shí)心玻璃球，可得自位于瑞士Brugg市的Microbeads AG公司。該玻璃球的平均尺寸為300-400微米。
CaCO3球商品名為“SPHERICARB”的碳酸鈣球(其最大顆粒尺寸為2000微米)，可得自位于英國Staffordshire市的LawrenceIndustries有限公司。
PEEK商品名為“150PF”的聚芳醚醚酮，可購自位于英國Lancashire市的Victrex plc公司。
PPS商品名為“FORTRON 0020A9”的聚苯硫醚，可購自位于德國Frankfurt am Main的Ticona股份有限公司的Fortron Industries公司歐洲客戶服務(wù)中心。
KR135SP/H商品名為“CAPOW KR135SP/H”的單烷氧基鈦酸酯偶聯(lián)劑，可購自位于美國新澤西州Bayonne市的KenrichPetrochemicals公司。
KR12/H商品名為“CAPOW KR12/H”的鈦酸酯偶聯(lián)劑，可購自Kenrich Petrochemicals公司。
PTS商品名為“DYNASILAN 9165”的苯基三甲氧基硅烷，可購自位于德國Frankfurt am Main的Degussa AG公司的Aerosil &Silanes部。
DL 70商品名為“SILAN 9116 DL 70 DRY LIQUID”的粉末狀乙烯基硅烷，可購自Degussa AG公司的Aerosil & Silanes部。
金剛石1商品名為“SYN BLACK”的樹脂粘結(jié)型級別140/170，可購自位于英國倫敦市的Edel Industrial Diamond(EID)公司。
金剛石2360/120陶瓷金剛石團(tuán)塊，可購自位于美國密歇根州Chesterfield市的National Research公司。360/120是指立方體尺寸為360微米的玻璃內(nèi)封裝著120微米的金剛石。
例子使用表1所示的組合物(其中各數(shù)字是占組合物的體積百分?jǐn)?shù))、通過注射成型來制備研磨輪的工作輪緣。表中的數(shù)字采用體積百分?jǐn)?shù)是因?yàn)橛捎诿芏鹊淖兓?，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)會造成誤導(dǎo)，這是因?yàn)樘盍项w粒表面積影響了注射成型的困難程度，填料顆粒的表面積則取決于顆粒存在的數(shù)量(以及粒徑)-體積百分?jǐn)?shù)是以標(biāo)準(zhǔn)化的“公平競爭條件(level playing field)”來表示配制物的組成的。例如，以體積百分?jǐn)?shù)計(jì)，所有的配制物都含有等量的金剛石，但是如果把結(jié)果轉(zhuǎn)化成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，則金剛石不是以相等的比例示出的，因此看起來好像是各個配制物中的金剛石含量在變化，而實(shí)際上它們都是相等的。
表1 T＝痕量用所得到的研磨輪進(jìn)行上述試驗(yàn)。結(jié)果示于表2中。
表2

“標(biāo)準(zhǔn)物”是指標(biāo)準(zhǔn)酚醛樹脂配制物研磨輪3M 6700J，可得自3M公司(地址3M Center，St.Paul，Minnesota 55144-1000，USA)
這些試驗(yàn)的結(jié)果記錄在圖1-3中，其中圖1是被各個例子中的研磨輪所去除掉(切削)的瓷磚的質(zhì)量的條形圖；圖2是各個例子中的研磨輪的質(zhì)量損失的條形圖；以及圖3是各個例子中的研磨輪的金剛石效率指數(shù)的條形圖。
參照圖1，該圖示出了各個研磨輪的總切削量，應(yīng)該指出的是例1(含有PEEK的被測配制物)表現(xiàn)出最低的切削量，這是由于該配制物中沒有破壞穩(wěn)定性的球狀填料。因此，堅(jiān)韌的PEEK基質(zhì)的穩(wěn)定性沒有受到破壞，以至于不能促進(jìn)該基質(zhì)破碎而使未使用過的金剛石暴露出來。
關(guān)于兩種含有PPS的被測配制物(例2和9)，由圖1可見二者的總切削量很接近，但是圖2表明例9產(chǎn)生了稍微較高的研磨輪損失量。例9含有偶聯(lián)劑而例2不含偶聯(lián)劑。所觀察到的總切削量的相似性表明偶聯(lián)劑不會增強(qiáng)PPS配制物中的金剛石的保持力。但是，含有偶聯(lián)劑的PPS配制物產(chǎn)生了更高的研磨輪損失，這表明該偶聯(lián)劑沒有與球狀的S60填料牢固地結(jié)合，使得該填料在使用過程中損失掉。
可以看出例6比例5表現(xiàn)出更高的切削量，例6的PEEK含量比例5的低，而且由于微球的存在起到了削弱PEEK基質(zhì)的作用，所以例6比例5更容易破碎。
觀察到含有PTS作為添加劑的配制物所表現(xiàn)出的相反的效果。在此可見PEEK含量較高的樣品(例3)比例4表現(xiàn)出更高的切削量。在試驗(yàn)過程中，冷卻液呈現(xiàn)出深暗混濁的灰色外觀，這表明研磨輪發(fā)生了破碎，并且損失了微球填料。這是因?yàn)镻EEK是灰白色的、而微球填料是深灰色的，所以可以推斷出以上結(jié)果。由此可以作出以下推論例3中PEEK的穩(wěn)定性受到破壞，這可能是由于硅烷化的填料沒有與PEEK樹脂結(jié)合在一起，這在效果上與多孔性情況的效果相似。
比較例6與例8，結(jié)果表明含有偶聯(lián)劑的配制物(例6)表現(xiàn)出更高的總切削量。這表明在PEEK配制物中，偶聯(lián)劑除了起到加工助劑的作用以外，還有助于金剛石的保持。
圖2所示的結(jié)果與圖1所示的結(jié)果成正比例，這是由于配制物要表現(xiàn)出高的工件材料去除量，其本身必須要破碎，從而使未使用過的金剛石連續(xù)暴露出來。
例1表現(xiàn)出較低程度的研磨輪損失，這是因?yàn)闆]有球狀填料來削弱PEEK基質(zhì)。因此其總切削量(圖1)也低。
與例1相似，例10也表現(xiàn)出較低的研磨輪損失值，這可能是由于玻璃泡(其為較小的中空的玻璃球)產(chǎn)生較低程度的穩(wěn)定性破壞作用。該推論還可以由以下事實(shí)來支持據(jù)觀察，所有含有較大的微球的例子都表現(xiàn)出較高的研磨輪損失量。此外還可看出例7(含有微珠，其平均粒徑略大于微球的平均粒徑)比例5(其PEEK含量與例7相等)表現(xiàn)出稍微較高的研磨輪損失量(相應(yīng)的是，總切削量也稍微較高)。這還表明球狀填料的尺寸對PEEK基質(zhì)的穩(wěn)定性破壞起著重要的作用。
在例3和4(采用PTS作為偶聯(lián)劑)的情況中，出現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象例3的PEEK的比例高于例4的PEEK的比例，但是例3產(chǎn)生了更高的研磨輪損失量。如之前所述，據(jù)推論P(yáng)TS與微球相結(jié)合而沒有與PEEK基質(zhì)相結(jié)合。這導(dǎo)致了在使用過程中的微球的損失，這會使研磨輪的磨損速度加快。推論得出微球沒有與PEEK基質(zhì)相結(jié)合，而這在效果上相當(dāng)于研磨輪中存在多孔性的情況。
雖然從性能來看，工件材料去除量和研磨輪的質(zhì)量損失是非常重要的參數(shù)，但是為了對研磨輪的性能獲得更佳的、可以定量的認(rèn)識，所以對“金剛石效率指數(shù)”進(jìn)行了評價。
簡而言之，金剛石效率指數(shù)是每一當(dāng)量克重的金剛石所去除掉的瓷磚的質(zhì)量，該指數(shù)是基于各個配制物中的金剛石的已知濃度而計(jì)算出來的。
僅知道工件材料去除量或研磨輪本身的損失量是不足以描述配制物的性能的，這是因?yàn)榻?jīng)常出現(xiàn)這樣的情況一種配制物表現(xiàn)出較高的去除速度，但其本身也受到較高程度的磨損或質(zhì)量損失。
與此相似，研磨輪損失指數(shù)較低的配制物通常表現(xiàn)出較低的工件材料去除量，因此雖然該制品確實(shí)可以持續(xù)使用很長時間，但是它不可能滿足工件材料去除量的要求。
由圖3可見，例1表現(xiàn)出較高的金剛石效率指數(shù)，但是當(dāng)把該數(shù)據(jù)與圖1和2中的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起的時候，結(jié)果表明金剛石效率指數(shù)較高是因?yàn)槠涔ぜ牧先コ康汀⒍移溲心ポ喌膿p失量也低。這種情況與例4相似。
例6、5和7都具有相對較高的金剛石效率指數(shù)，通過對圖1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明它們都表現(xiàn)出相對較高的工件材料去除量。
例3和4的性能大不相同，這是因?yàn)殡m然例4具有較高的金剛石效率指數(shù)，但是它還產(chǎn)生較低的工件材料去除量。與此形成對比的是，雖然例3產(chǎn)生較高的工件材料去除量，但這是以研磨輪的質(zhì)量損失為代價的，這一點(diǎn)可以由其金剛石效率指數(shù)較低來證明。
顯然，與標(biāo)準(zhǔn)物相比而言，例1-13已經(jīng)提高了金剛石效率指數(shù)，因此金剛石的使用效率較高。
權(quán)利要求
1.一種組合物，該組合物包含超硬磨粒；熱塑性聚合物，其加工溫度為至少280℃；以及填料，其中，所述熱塑性聚合物的量足以粘結(jié)所述組合物，所述填料包括球狀顆粒，該球狀顆粒的量占所述組合物的體積的至少40％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述超硬磨粒選自金剛石、立方氮化硼及其混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的組合物，其中所述超硬磨粒的平均粒徑為至少50微米到小于等于150微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的組合物，其中所述超硬磨粒的平均粒徑為至少90微米到小于等于105微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述超硬磨粒包括金剛石團(tuán)塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述超硬磨粒的量占所述組合物的體積的至少2.5％到小于等于20％。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的組合物，其中所述超硬磨粒的量占所述組合物的體積的約5％。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述熱塑性聚合物選自聚醚醚酮、聚醚酮、聚芳醚酮、聚芳醚醚酮、聚(酰胺-酰亞胺)、聚苯硫醚、液晶聚合物、聚醚酰亞胺、聚酰亞胺及其混合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的組合物，其中所述熱塑性聚合物是聚醚醚酮。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述熱塑性聚合物的量占所述組合物的體積的至少20％。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的組合物，其中所述熱塑性聚合物的量占所述組合物的體積的至少30％。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述熱塑性聚合物的量占所述組合物的體積的至少35％。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述球狀填料顆粒的量占所述組合物的體積的至少45％。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的組合物，其中所述球狀填料顆粒的量占所述組合物的體積的至少50％。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述球狀填料顆粒選自玻璃球、陶瓷球、碳酸鈣球及其混合物。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的組合物，其中所述球狀填料顆粒包括鈉鈣硼硅酸鹽玻璃球。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的組合物，其中所述球狀填料顆粒包括二氧化硅-氧化鋁陶瓷球。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述球狀填料顆粒的平均粒徑為至少10微米。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述球狀填料顆粒的平均粒徑為10微米到2000微米。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的組合物，其中所述球狀填料顆粒的平均粒徑為25微米到50微米。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，所述組合物還包含偶聯(lián)劑，該偶聯(lián)劑選自有機(jī)硅烷、鋯鋁酸酯、鋯酸酯和鈦酸酯。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的組合物，其中所述偶聯(lián)劑的量為所述填料的重量的至少0.1％到小于等于2％。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的組合物，其中所述偶聯(lián)劑是顆粒狀的固體形式。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物，該組合物適合于在至少280℃到小于等于400℃的溫度下進(jìn)行注射成型。
25.一種由以上的權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的組合物制成的固結(jié)磨料制品，該制品包含多個磨粒，所述磨粒被粘結(jié)介質(zhì)粘結(jié)在一起而形成成型體。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的固結(jié)磨料制品，該制品是鏜磨油石、磨光棒、鋸條、切削棒、磨頭、粗砂輪、砂輪修整工具、杯形砂輪、鈸形砂輪、磨輪或翼片砂輪之中的一種形式。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的固結(jié)磨料制品，該制品是磨輪的形式。
28.一種制備固結(jié)磨料制品的方法，該方法包括以下步驟提供根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合物；在280℃到小于等于400℃的溫度范圍內(nèi)加熱所述組合物，從而得到加熱的組合物；將所述的加熱的組合物注射到模具中；以及將所述的加熱的組合物冷卻，從而得到所述的固結(jié)磨料制品。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的制備固結(jié)磨料制品的方法，所述方法還包括在注射之前，在至少150℃到小于等于250℃的溫度范圍內(nèi)加熱所述模具的步驟。
30.根據(jù)權(quán)利要求28或29所述的制備固結(jié)磨料制品的方法，其中注射壓力為至少70MPa到小于等于210MPa。
全文摘要
本發(fā)明提供一種含有超硬磨粒、加工溫度為至少280℃的熱塑性聚合物以及填料的組合物，及其制備方法。該組合物可用于制備磨料制品。
文檔編號B23D61/18GK1942284SQ200580011476
公開日2007年4月4日 申請日期2005年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月14日
發(fā)明者菲利普·西蒙·希爾 申請人:3M創(chuàng)新有限公司