專利名稱：Al的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及Al2O3-稀土元素氧化物-ZrO2/HfO2(包括無定形材料(包括玻璃)、結(jié)晶陶瓷和玻璃陶瓷)以及其制造方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在已知大量的無定形(包括玻璃)和玻璃陶瓷組合物。大部分的氧化物玻璃系統(tǒng)使用熟知的玻璃形成物質(zhì)，如SiO2、B2O3、P2O5、GeO2、TeO2、As2O3和V2O5，以幫助玻璃的形成。一些使用這些玻璃形成物質(zhì)形成的玻璃組合物可通過熱處理來形成玻璃陶瓷。由這些玻璃形成物質(zhì)形成的玻璃和玻璃陶瓷的使用溫度的上限通常小于1200℃，一般約為700-800℃。玻璃陶瓷與形成它們的玻璃相比更耐高溫。
另外，已知的玻璃和玻璃陶瓷的許多性能都受到玻璃形成物質(zhì)本身的性能限制。例如，對SiO2、B2O3和P2O5系玻璃和玻璃陶瓷而言，楊式模量、硬度和強度都受到這些玻璃形成物質(zhì)的限制。與例如Al2O3或ZrO2相比，這些玻璃和玻璃陶瓷的機械性能較差。需要具有與Al2O3或ZrO2機械性能類似的玻璃陶瓷。
雖然已知一些非常規(guī)的玻璃，如稀土氧化物-氧化鋁系玻璃(參見，例如公布于2001年4月19日，公布號為WO 01/27046的PCT申請，以及公布于2000年2月15日的日本文獻JP 2000-045129)，但是仍需要其它新的玻璃和玻璃陶瓷，以及已知的和新的玻璃和玻璃陶瓷的應(yīng)用。
另一方面，本領(lǐng)域中已知許多磨粒，例如，金剛石磨粒、立方氮化硼顆粒、熔凝磨粒、和燒結(jié)的陶瓷磨粒(包括得自溶膠-凝膠的磨粒)。在一些研磨應(yīng)用中，磨粒以松散的形式使用，而在其它應(yīng)用中，是將顆粒裝入磨具(例如，涂布磨具、粘合磨具、非織造磨具和研磨刷)中。在特殊研磨應(yīng)用中選用磨粒的標(biāo)準(zhǔn)包括研磨壽命、磨削速率、基材表面光潔度、研磨效率和生產(chǎn)成本。
從約1900年到20世紀(jì)80年代中期，研磨應(yīng)用(如使用涂布的、粘合磨具的那些應(yīng)用)中，主要使用的磨粒一般是熔凝磨粒。主要有兩種類型的熔凝磨粒(1)熔凝的α-氧化鋁磨粒(參見，例如美國專利No.1,161,620(Coulter)、No.1,192,709(Tone)、No.1,247,337(Saunders等人)、No.1,268,533(Allen)和No.2,424,645(Baumann等人))；(2)熔凝的(有時稱為“共熔凝的”)氧化鋁-氧化鋯磨粒(參見，例如美國專利No.3,891,408(Rowse等人)、No.3,781,172(Pett等人)、No.3,893,826(Quinan等人)、No.4,126,429(Watson)、No.4,457,767(Poon等人)和No.5,143,522(Gibson等人))(還可參閱報道了某些熔凝氮氧化合物磨粒的美國專利No.5,023,212(Dubots等人)和No.5,336,280(Dubots等人))。熔凝氧化鋁磨粒一般通過如下步驟制得將氧化鋁源(例如氧化鋁礦或鋁土礦)以及其它所需的添加劑裝入熔爐中，在高于其熔點的溫度加熱材料，冷卻熔體以得到固化的物質(zhì)，將固化的物質(zhì)粉碎成顆粒，然后研磨顆粒得到所需的磨粒尺寸分布。熔凝氧化鋁-氧化鋯磨粒一般用類似的方法制得，除了在熔爐中同時加入氧化鋁源和氧化鋯源，比冷卻用來制造熔凝氧化鋁磨粒的熔體更快的速度冷卻熔體。對熔凝氧化鋁-氧化鋯磨粒而言，氧化鋁源的量一般約為50-80重量％，氧化鋯的量為50-20重量％。制造熔凝氧化鋁和熔凝氧化鋁磨粒的方法可以包括在冷卻步驟前從熔體中除去雜質(zhì)。
雖然熔凝氧化鋁磨粒和熔凝氧化鋁-氧化鋯磨粒依然廣泛地用于研磨應(yīng)用(包括使用涂布的、粘合的磨具的那些應(yīng)用，從約20世紀(jì)80年代中期開始，許多研磨應(yīng)用中主要使用的磨粒得自溶膠-凝膠的α-氧化鋁磨粒(參見美國專利No.4,314,827(Leitheiser等人)、No.4,518,397(Leitheiser等人)、No.4,623,364(Cottringer等人)、No.4,744,802(Schwabel)、No.4,770,671(Monroe等人)、No.4,881,951(Wood等人)、No.4,960,441(Pellow等人)、No.5,139,978(Wood)、No.5,201,916(Berg等人)、No.5,366,523(Rowenhorst等人)、No.5,429,647(Larmie)、No.5,547,479(Conwell等人)、No.5,498,269(Larmie)、No.5,551,963(Larmie)和No.5,725,162(Garg等人))。
所述得自溶膠-凝膠的α-氧化鋁磨粒可以具有一個由非常細小的α-氧化鋁晶粒構(gòu)成的顯微結(jié)構(gòu)，可以存在也可以不存在添加的第二相。得自溶膠-凝膠的磨粒對金屬的研磨性能，例如通過測定由磨粒制得的磨具的壽命，比由常規(guī)的熔凝氧化鋁磨粒制得的產(chǎn)品要長得多。
一般地，制造得自溶膠-凝膠的磨粒的方法要比制造常規(guī)的熔凝磨粒的方法復(fù)雜，且成本更高。一般而言，得自溶膠-凝膠的α-氧化鋁磨粒一般通過以下步驟制得制備包含水、一水氧化鋁(勃姆石)、以及可加的膠溶劑(例如，酸，如硝酸)的分散液或溶膠，使分散液凝膠化，干燥凝膠化的分散液，將干燥的分散液粉碎成顆粒，篩選顆粒得到所需的過篩的顆粒，煅燒顆粒除去揮發(fā)物質(zhì)，在低于氧化鋁的熔點的溫度燒結(jié)煅燒過的顆粒，并將顆粒篩選并分級以得到所需的磨粒尺寸分布。經(jīng)常地，將金屬氧化物改性劑加入燒結(jié)的磨粒中，從而改變或以其它方式改變燒結(jié)的磨粒的物理性質(zhì)和/或顯微結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)有技術(shù)中已知有許多磨具。一般地，磨具包括粘合劑和用粘合劑固定在磨具內(nèi)的磨粒。磨具的例子包括涂布磨具、粘合磨具、非織造磨具和研磨刷。
粘合磨具的例子包括砂輪、切割輪和鏜磨油石。用于制造粘合磨具的粘合劑系的主要類型有合成樹脂、玻璃質(zhì)金屬。用合成樹脂粘合的磨具利用有機粘合劑體系(例如，酚粘合劑體系)，將磨粒粘合在一起形成一形體(參見，例如美國專利No.4,741,743(Narayanan等人)、No.4,800,685(Haynes等人)、No.5,037,453(Narayanan等人)和No.5,110,332(Narayanan等人))。另一種主要的類型是玻璃質(zhì)砂輪，其中，使用玻璃粘合劑體系將磨粒粘合成一形體(參見美國專利No.4,543,107(Rue)、No.4,898,587(Hay等人)、No.4,997,461(Markhoff-Matheny等人)和No.5,863,308(Qi等人))。這些玻璃粘合劑通常在900-1300℃的溫度之間固化?，F(xiàn)今，玻璃質(zhì)砂輪利用熔凝氧化鋁和得自溶膠-凝膠的磨粒。但是，部分地由于氧化鋁-氧化鋯的熱穩(wěn)定性的緣故，熔凝氧化鋁通常無法加入玻璃質(zhì)砂輪中。在固化玻璃粘合劑的升高的溫度下，氧化鋁-氧化鋯的物理性能下降，導(dǎo)致其研磨性能的顯著下降。
研磨工業(yè)一直以來需求容易制造、成本低、和/或性能優(yōu)于常規(guī)的磨粒和磨具的磨粒和磨具。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了陶瓷，它包含(基于理論氧化物，例如可以作為反應(yīng)產(chǎn)物(例如CeAl11O18)存在)Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，包括玻璃、結(jié)晶陶瓷(例如金屬氧化物復(fù)合物(例如Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)和玻璃陶瓷材料，其中，在不具有Tg的無定形材料中，某些較佳實施方式具有互相垂直的x、y和z尺寸，x、y和z尺寸各自至少為5mm(在一些實施方式中至少為10mm)，所述x、y和z尺寸至少為30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、75μm、100μm、150μm、200μm、250μm、500μm、1000μm、2000μm、2500μm、1mm、5mm或者甚至至少10mm。材料的x、y和z尺寸或者通過目測，或者使用顯微鏡，依據(jù)尺寸的大小確定。報道的z尺寸為，例如球的直徑、涂層的厚度或者棱鏡形狀的最長長度。
一些本發(fā)明的陶瓷材料的實施方式可以包含，例如小于40(35、30、25、20、15、10、5、3、2、1或者甚至0)重量％的常規(guī)的玻璃形成物質(zhì)，如SiO2、As2O3、B2O3、P2O5、GeO2、TeO2、V2O5和/或它們的組合，以陶瓷的總重量計。本發(fā)明的陶瓷可以包含，例如1、2、3、5、10、15、20、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或者甚至100體積％的無定形材料。一些本發(fā)明的陶瓷的實施方式可以包含，例如至少1、2、3、5、10、15、20、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100體積％的結(jié)晶陶瓷，以陶瓷的總體積計。
一般地，本發(fā)明的陶瓷包含至少30重量％的Al2O3，以陶瓷的總重量計。更一般地，本發(fā)明的陶瓷包含至少30(理想地，在約30-60的范圍內(nèi))重量％的Al2O3，至少20(約為20-65)重量％的REO、以及至少5(約為5-30)重量％的ZrO2和/或HfO2，以陶瓷的總重量計。ZrO2∶HfO2的重量比可以為1∶0(即，全部為ZrO2，沒有HfO2)至0∶1，以及，例如至少約99、98、97、96、95、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、35、30、25、20、20、15、10和5重量份的ZrO2及相應(yīng)量的HfO2(例如，至少約99重量份的ZrO2和不超過約1重量份的HfO2)，以及例如至少約99、98、97、96、95、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、35、30、25、20、20、15、10和5重量份的HfO2及相應(yīng)量的ZrO2。本發(fā)明的陶瓷還可包含Y2O3。
對本發(fā)明的包含結(jié)晶陶瓷的陶瓷而言，在一些實施方式中，陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，它包含平均晶粒尺寸小于1μm(一般地，小于500nm、甚至小于300、200或150nm；在一些實施方式中，小于100、75、50、25或20nm)的晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)；(b)沒有至少一種共晶顯微結(jié)構(gòu)特征(即，沒有群集和層狀結(jié)構(gòu))或者非蜂窩顯微結(jié)構(gòu)。一些實施方式，其具有至少一種在規(guī)定的平均晶粒值內(nèi)的晶相和至少一種(不同的)在規(guī)定的平均晶粒值外的晶相，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的一些實施方式包括無定形材料，所述無定形材料包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其中，占總重量的至少80(85、90、95、97、98、99或者甚至100)重量％的無定形材料集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種。
本發(fā)明的一些實施方式包括無定形材料，所述無定形材料包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其中，占總重量的至少60(65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100)重量％的無定形材料集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于20(較佳地，小于15、10、5或者甚至0)重量％的SiO2和小于20(較佳地，小于15、10、5或者甚至0)重量％的B2O3。
本發(fā)明的一些實施方式包括無定形材料，所述無定形材料包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其中，占總重量的至少60(65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100)重量％的無定形材料集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于40(較佳地，小于35、30、25、20、15、10、5或者甚至0)重量％的SiO2、B2O3和P2O5。
本發(fā)明的一些實施方式包括包含無定形材料(例如，至少5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100體積％的無定形材料)的陶瓷，所述無定形材料包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其中，占總重量的至少80(85、90、95、97、98、99或者甚至100)重量％的無定形材料集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種。
本發(fā)明的一些實施方式包括包含無定形材料(例如，至少5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100體積％的玻璃)的陶瓷，所述無定形材料包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其中，占總重量的至少60(65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100)重量％的無定形材料集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于20(較佳地，小于15、10、5或者甚至0)重量％的SiO2和小于20(較佳地，小于15、10、5或者甚至0)重量％的B2O3。所述陶瓷還包括結(jié)晶陶瓷(例如，至少95、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、35、30、25、20、15、10、5、3、2或者1體積％的結(jié)晶陶瓷)。
本發(fā)明的一些實施方式包括包含無定形材料(例如，至少5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100體積％的玻璃)的陶瓷，所述無定形材料包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其中，占總重量的至少60(65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100)重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于40(較佳地，小于35、30、25、20、15、10、5或者甚至0)重量％的SiO2、B2O3和P2O5。所述陶瓷還包括結(jié)晶陶瓷(例如，至少95、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、35、30、25、20、15、10、5、3、2或者1體積％的結(jié)晶陶瓷)。
本發(fā)明的一些實施方式包括包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃陶瓷，其中，占總重量的至少80(85、90、95、97、98、99或者甚至100)重量％的玻璃陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種。所述玻璃陶瓷可以包含，例如至少1、2、3、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90或95體積％的玻璃。所述玻璃陶瓷可以包含，例如至少99、98、97、95、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、35、30、25、20、15、10或5體積％的結(jié)晶陶瓷。
本發(fā)明的一些實施方式包括包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃陶瓷，其中，占總重量的至少60(65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100)重量％的玻璃陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于20(較佳地，小于15、10、5或者甚至0)重量％的SiO2和小于20(較佳地，小于15、10、5或者甚至0)重量％的B2O3。所述玻璃陶瓷可以包含，例如至少1、2、3、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90或95體積％的玻璃。所述玻璃陶瓷可以包含，例如至少99、98、97、95、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、35、30、25、20、15、10或5體積％的結(jié)晶陶瓷。
本發(fā)明的一些實施方式包括包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃陶瓷，其中，占總重量的至少60(65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100)重量％的玻璃陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于40(較佳地，小于35、30、25、20、15、10、5或者甚至0)重量％的SiO2、B2O3和P2O5。所述玻璃陶瓷可以包含，例如至少1、2、3、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90或95體積％的無定形材料。所述玻璃陶瓷可以包含，例如至少99、98、97、95、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、35、30、25、20、15、10或5體積％的結(jié)晶陶瓷。
本發(fā)明的一些實施方式包括包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃陶瓷，所述玻璃陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，它包含平均晶粒尺寸小于1μm(一般地，小于500nm、甚至小于300、200或150nm；在一些實施方式中，小于100、75、50、25或20nm)的晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)；(b)沒有共晶顯微結(jié)構(gòu)特征。本發(fā)明的一些實施方式包括包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃陶瓷，所述玻璃陶瓷(a)顯示一種非蜂窩狀顯微結(jié)構(gòu)，它包含平均晶粒尺寸小于1μm(一般地，小于500nm、甚至小于300、200或150nm；在一些實施方式中，小于100、75、50、25或20nm)的晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)。所述玻璃陶瓷可以包含，例如至少1、2、3、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90或95體積％的無定形材料。所述玻璃陶瓷可以包含，例如至少99、98、97、95、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、35、30、25、20、15、10或5體積％的結(jié)晶陶瓷。一些實施方式，其具有至少一種在規(guī)定的平均晶粒值內(nèi)的晶相和至少一種(不同的)在規(guī)定的平均晶粒值外的晶相，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的一些實施方式包括包含結(jié)晶陶瓷(例如，至少1、2、3、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100體積％的結(jié)晶陶瓷)的陶瓷，所述結(jié)晶陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其中，占所述結(jié)晶陶瓷總重量的至少80(85、90、95、97、98、99或者甚至100)重量％的結(jié)晶陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種。一些理想的實施方式包含這些結(jié)晶陶瓷，其中，所述陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，它包含平均晶粒尺寸小于1μm(一般地，小于500nm、甚至小于300、200或150nm；在一些實施方式中，小于100、75、50、25或20nm)的晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)；(b)沒有共晶顯微結(jié)構(gòu)特征。另一方面，一些理想的實施方式包含這些結(jié)晶陶瓷，其中，所述陶瓷(a)顯示一種非蜂窩狀顯微結(jié)構(gòu)，它包含平均晶粒尺寸小于1μm(一般地，小于500nm、甚至小于300、200或150nm；在一些實施方式中，小于100、75、50、25或20nm)的晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)。所述陶瓷可以包含，例如至少99、98、97、95、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、35、30、25、20、15、10、5、3、2或1體積％的玻璃。一些實施方式，其具有至少一種在規(guī)定的平均晶粒值內(nèi)的晶相和至少一種(不同的)在規(guī)定的平均晶粒值外的晶相，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的一些實施方式包括包含結(jié)晶陶瓷(例如，至少1、2、3、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100體積％的結(jié)晶陶瓷)的陶瓷，所述結(jié)晶陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其中，占所述結(jié)晶陶瓷總重量的至少60(65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100)重量％的結(jié)晶陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于20(較佳地，小于15、10、5或者甚至0)重量％的SiO2和小于20(較佳地，小于15、10、5或者甚至0)重量％的B2O3。一些理想的實施方式包含這些結(jié)晶陶瓷，其中，所述陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，它包含平均晶粒尺寸小于1μm(一般地，小于500nm、甚至小于300、200或150nm；在一些實施方式中，小于100、75、50、25或20nm)的晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)；(b)沒有共晶顯微結(jié)構(gòu)特征。本發(fā)明的一些的實施方式包含這些結(jié)晶陶瓷，其中，所述陶瓷(a)顯示一種非蜂窩狀顯微結(jié)構(gòu)，它包含平均晶粒尺寸小于1μm(一般地，小于500nm、甚至小于300、200或150nm；在一些實施方式中，小于100、75、50、25或20nm)的晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)。所述陶瓷可以包含，例如至少99、98、97、95、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、35、30、25、20、15、10、5、3、2或1體積％的無定形材料。一些實施方式，其具有至少一種在規(guī)定的平均晶粒值內(nèi)的晶相和至少一種(不同的)在規(guī)定的平均晶粒值外的晶相，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的一些實施方式包括包含結(jié)晶陶瓷(例如，至少1、2、3、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100體積％的結(jié)晶陶瓷)的陶瓷，所述結(jié)晶陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其中，占所述結(jié)晶陶瓷總重量的至少60(65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100)重量％的結(jié)晶陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于40(較佳地，小于35、30、25、20、15、10、5或者甚至0)重量％的SiO2、B2O3和P2O5。一些理想的實施方式包含這些結(jié)晶陶瓷，其中，所述陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，它包含平均晶粒尺寸小于1μm(一般地，小于500nm、甚至小于300、200或150nm；在一些實施方式中，小于100、75、50、25或20nm)的晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)；(b)沒有共晶顯微結(jié)構(gòu)特征。本發(fā)明的一些的實施方式包含這些結(jié)晶陶瓷，其中，所述陶瓷(a)顯示一種非蜂窩狀顯微結(jié)構(gòu)，它包含平均晶粒尺寸小于1μm(一般地，小于500nm、甚至小于300、200或150nm；在一些實施方式中，小于100、75、50、25或20nm)的晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)。所述陶瓷可以包含，例如至少99、98、97、95、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、35、30、25、20、15、10、5、3、2或1體積％的無定形材料。一些實施方式，其具有至少一種在規(guī)定的平均晶粒值內(nèi)的晶相和至少一種(不同的)在規(guī)定的平均晶粒值外的晶相，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的一些實施方式包括包含結(jié)晶陶瓷(例如，至少1、2、3、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100體積％的結(jié)晶陶瓷)的陶瓷，所述陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種。一些理想的實施方式包含這些結(jié)晶陶瓷，其中，所述陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，它包含平均晶粒尺寸小于1μm(一般地，小于500nm、甚至小于300、200或150nm；在一些實施方式中，小于100、75、50、25或20nm)的晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)；(b)沒有共晶顯微結(jié)構(gòu)特征。本發(fā)明的一些的實施方式包含這些結(jié)晶陶瓷，其中，所述陶瓷(a)顯示一種非蜂窩狀顯微結(jié)構(gòu)，它包含平均晶粒尺寸小于1μm(一般地，小于500nm、甚至小于300、200或150nm；在一些實施方式中，小于100、75、50、25或20nm)的晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)。所述陶瓷可以包含，例如至少99、98、97、95、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、35、30、25、20、15、10、5、3、2或1體積％的無定形材料。一些實施方式，其具有至少一種在規(guī)定的平均晶粒值內(nèi)的晶相和至少一種(不同的)在規(guī)定的平均晶粒值外的晶相，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的一些實施方式包括包含結(jié)晶陶瓷(例如，至少1、2、3、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100體積％的結(jié)晶陶瓷)的陶瓷，所述陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其中，占所述陶瓷總重量的至少80(85、90、95、97、98、99或者甚至100)重量％的陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種。一些理想的實施方式包括這些陶瓷，其中，所述陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，它包含平均晶粒尺寸小于1μm(一般地，小于500nm、甚至小于300、200或150nm；在一些實施方式中，小于100、75、50、25或20nm)的晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)；(b)沒有共晶顯微結(jié)構(gòu)特征。本發(fā)明的一些實施方式包括這些陶瓷，其中，所述陶瓷(a)顯示一種非蜂窩狀顯微結(jié)構(gòu)，它包含平均晶粒尺寸小于1μm(一般地，小于500nm、甚至小于300、200或150nm；在一些實施方式中，小于100、75、50、25或20nm)的晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)。所述陶瓷可以包含，例如至少99、98、97、95、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、35、30、25、20、15、10、5、3、2或1體積％的無定形材料。一些實施方式，其具有至少一種在規(guī)定的平均晶粒值內(nèi)的晶相和至少一種(不同的)在規(guī)定的平均晶粒值外的晶相，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的一些實施方式包括包含結(jié)晶陶瓷(例如，至少1、2、3、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100體積％的結(jié)晶陶瓷)的陶瓷，所述陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其中，占所述陶瓷總重量的至少60(65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100)重量％的陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于20(較佳地，小于15、10、5或者甚至0)重量％的SiO2和小于20(較佳地，小于15、10、5或者甚至0)重量％的B2O3。一些理想的實施方式包括這些陶瓷，其中，所述陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，它包含平均晶粒尺寸小于1μm(一般地，小于500nm、甚至小于300、200或150nm；在一些實施方式中，小于100、75、50、25或20nm)的晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)；(b)沒有共晶顯微結(jié)構(gòu)特征。本發(fā)明的一些實施方式包括這些陶瓷，其中，所述陶瓷(a)顯示一種非蜂窩狀顯微結(jié)構(gòu)，它包含平均晶粒尺寸小于1μm(一般地，小于500nm、甚至小于300、200或150nm；在一些實施方式中，小于100、75、50、25或20nm)的晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)。所述陶瓷可以包含，例如至少99、98、97、95、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、35、30、25、20、15、10、5、3、2或1體積％的玻璃。一些實施方式，其具有至少一種在規(guī)定的平均晶粒值內(nèi)的晶相和至少一種(不同的)在規(guī)定的平均晶粒值外的晶相，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的一些實施方式包括包含結(jié)晶陶瓷(例如，至少1、2、3、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100體積％的結(jié)晶陶瓷)的陶瓷，所述陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其中，占所述陶瓷總重量的至少60(65、70、75、80、85、90、95、97、98、99或者甚至100)重量％的陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于40(較佳地，小于35、30、25、20、15、10、5或者甚至0)重量％的SiO2、B2O3和P2O5。一些理想的實施方式包括這些陶瓷，其中，所述陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，它包含平均晶粒尺寸小于1μm(一般地，小于500nm、甚至小于300、200或150nm；在一些實施方式中，小于100、75、50、25或20nm)的晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)；(b)沒有共晶顯微結(jié)構(gòu)特征。本發(fā)明的一些實施方式包括這些陶瓷，其中，所述陶瓷(a)顯示一種非蜂窩狀顯微結(jié)構(gòu)，它包含平均晶粒尺寸小于1μm(一般地，小于500nm、甚至小于300、200或150nm；在一些實施方式中，小于100、75、50、25或20nm)的晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)。所述陶瓷可以包含，例如至少99、98、97、95、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、35、30、25、20、15、10、5、3、2或1體積％的無定形材料。一些實施方式，其具有至少一種在規(guī)定的平均晶粒值內(nèi)的晶相和至少一種(不同的)在規(guī)定的平均晶粒值外的晶相，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的一些實施方式包括包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃陶瓷，其中，所述玻璃陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，它包含平均晶粒尺寸小于200nm(150nm、100nm、75nm、或者甚至50nm)的晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)；(b)密度至少為理論密度的90％(95％、96％、97％、98％、99％、99.5％或100％)。本發(fā)明的一些實施方式可以沒有共晶顯微結(jié)構(gòu)特征和非蜂窩狀顯微結(jié)構(gòu)中的至少一種。一些實施方式，其具有至少一種在規(guī)定的平均晶粒值內(nèi)的晶相和至少一種(不同的)在規(guī)定的平均晶粒值外的晶相，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的一些實施方式包括包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃陶瓷，其中，所述玻璃陶瓷(a)顯示一種包含晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)的顯微結(jié)構(gòu)，其中，沒有晶粒的尺寸大于200nm(150nm、100nm、75nm、或者甚至50nm)；(b)密度至少為理論密度的90％(95％、96％、97％、98％、99％、99.5％或100％)。本發(fā)明的一些實施方式可以沒有共晶顯微結(jié)構(gòu)特征和非蜂窩狀顯微結(jié)構(gòu)中的至少一種。一些實施方式，其具有至少一種在規(guī)定的平均晶粒值內(nèi)的晶相和至少一種(不同的)在規(guī)定的平均晶粒值外的晶相，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的一些實施方式包括包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃陶瓷，其中，所述玻璃陶瓷(a)顯示一種包含晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)的顯微結(jié)構(gòu)，其中，至少一部分晶粒的尺寸不大于150nm(100nm、75nm、或者甚至50nm)；(b)密度至少為理論密度的90％(95％、96％、97％、98％、99％、99.5％或100％)。本發(fā)明的一些實施方式可以沒有共晶顯微結(jié)構(gòu)特征和非蜂窩狀顯微結(jié)構(gòu)中的至少一種。一些實施方式，其具有至少一種在規(guī)定的平均晶粒值內(nèi)的晶相和至少一種(不同的)在規(guī)定的平均晶粒值外的晶相，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的一些實施方式包括完全結(jié)晶的玻璃陶瓷，所述玻璃陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其中，所述玻璃陶瓷(a)顯示一種包含晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)的顯微結(jié)構(gòu)，所述晶粒的平均晶粒尺寸不大于1μm(500nm、300nm、200nm、150nm、100nm、75nm、或者甚至50nm)；(b)密度至少為理論密度的90％(95％、96％、97％、98％、99％、99.5％或100％)。本發(fā)明的一些實施方式可以沒有共晶顯微結(jié)構(gòu)特征和非蜂窩狀顯微結(jié)構(gòu)中的至少一種。一些實施方式，其具有至少一種在規(guī)定的平均晶粒值內(nèi)的晶相和至少一種(不同的)在規(guī)定的平均晶粒值外的晶相，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的陶瓷包含結(jié)晶陶瓷，一些實施方式包括那些包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的陶瓷，其中，所述陶瓷(a)顯示一種包含晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)的顯微結(jié)構(gòu)，所述晶粒的平均晶粒尺寸小于200nm(150nm、100nm、75nm、或者甚至50nm)；(b)密度至少為理論密度的90％(95％、96％、97％、98％、99％、99.5％或100％)。本發(fā)明的一些實施方式可以沒有共晶顯微結(jié)構(gòu)特征和非蜂窩狀顯微結(jié)構(gòu)中的至少一種。一些實施方式，其具有至少一種在規(guī)定的平均晶粒值內(nèi)的晶相和至少一種(不同的)在規(guī)定的平均晶粒值外的晶相，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的陶瓷包含結(jié)晶陶瓷，一些實施方式包括那些包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的陶瓷，其中，所述陶瓷(a)顯示一種包含晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)的顯微結(jié)構(gòu)，其中沒有晶粒的尺寸大于200nm(150nm、100nm、75nm、或者甚至50nm)；(b)密度至少為理論密度的90％(95％、96％、97％、98％、99％、99.5％或100％)。本發(fā)明的一些實施方式可以沒有共晶顯微結(jié)構(gòu)特征和非蜂窩狀顯微結(jié)構(gòu)中的至少一種。一些實施方式，其具有至少一種在規(guī)定的平均晶粒值內(nèi)的晶相和至少一種(不同的)在規(guī)定的平均晶粒值外的晶相，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的陶瓷包含結(jié)晶陶瓷，一些實施方式包括那些包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的陶瓷，其中，所述陶瓷(a)顯示一種包含晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)的顯微結(jié)構(gòu)，其中至少一部分晶粒的尺寸不大于150nm(100nm、75nm、或者甚至50nm)；(b)密度至少為理論密度的90％(95％、96％、97％、98％、99％、99.5％或100％)。本發(fā)明的一些實施方式可以沒有共晶顯微結(jié)構(gòu)特征和非蜂窩狀顯微結(jié)構(gòu)中的至少一種。一些實施方式，其具有至少一種在規(guī)定的平均晶粒值內(nèi)的晶相和至少一種(不同的)在規(guī)定的平均晶粒值外的晶相，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的陶瓷包含結(jié)晶陶瓷，一些實施方式包括那些包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的陶瓷，其中，所述陶瓷(a)顯示一種包含晶粒(例如，金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)和/或ZrO2的晶粒)的顯微結(jié)構(gòu)，所述晶粒的平均晶粒尺寸不大于1μm(500nm、300nm、200nm、150nm、100nm、75nm、或者甚至50nm)；(b)密度至少為理論密度的90％(95％、96％、97％、98％、99％、99.5％或100％)。本發(fā)明的一些實施方式可以沒有共晶顯微結(jié)構(gòu)特征和非蜂窩狀顯微結(jié)構(gòu)中的至少一種。一些實施方式，其具有至少一種在規(guī)定的平均晶粒值內(nèi)的晶相和至少一種(不同的)在規(guī)定的平均晶粒值外的晶相，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本發(fā)明的一些實施方式是包含α-Al2O3、結(jié)晶ZrO2和第一復(fù)合物Al2O3·REO的玻璃陶瓷，其中，α-Al2O3、結(jié)晶ZrO2和第一復(fù)合物Al2O3·REO中的至少一種的平均晶粒尺寸不大于150nm，并且所述磨粒的密度至少為理論密度的90％(在一些實施方式中，至少為95、96、97、98、99、99.5或者甚至100％)。在一些實施方式中，較佳地，至少75(80、85、90、95、97或者甚至至少99)數(shù)量％的晶粒尺寸不大于200nm。在一些實施方式中，較佳地，玻璃陶瓷還包含不同的第二復(fù)合物Al2O3·REO。在一些實施方式中，較佳地，玻璃陶瓷還包含復(fù)合物Al2O3·Y2O3。
本發(fā)明的一些實施方式是包含第一復(fù)合物Al2O3·REO、不同的第二復(fù)合物Al2O3·REO和結(jié)晶ZrO2的玻璃陶瓷，其中，第一復(fù)合物Al2O3·REO、第二復(fù)合物Al2O3·REO和結(jié)晶ZrO2中的至少一種的至少90(在一些實施方式中，較佳地，95或者甚至100)數(shù)量％的晶粒尺寸不大于200nm，并且所述磨粒的密度至少為理論密度的90％(在一些實施方式中，至少為95、96、97、98、99、99.5或者甚至100％)。在一些實施方式中，較佳地，玻璃陶瓷還包含復(fù)合物Al2O3·Y2O3。
本發(fā)明的一些實施方式是包含第一復(fù)合物Al2O3·REO、不同的第二復(fù)合物Al2O3·REO和結(jié)晶ZrO2的玻璃陶瓷，其中，第一復(fù)合物Al2O3·REO、不同的第二復(fù)合物Al2O3·REO和結(jié)晶ZrO2中的至少一種的平均晶粒尺寸不大于150nm，并且所述磨粒的密度至少為理論密度的90％(在一些實施方式中，至少為95、96、97、98、99、99.5或者甚至100％)。在一些實施方式中，較佳地，至少75(80、85、90、95、97或者甚至至少99)數(shù)量％的晶粒尺寸不大于200nm。在一些實施方式中，較佳地，玻璃陶瓷還包含不同的第二復(fù)合物Al2O3·REO。在一些實施方式中，較佳地，玻璃陶瓷還包含復(fù)合物Al2O3·Y2O3。
本發(fā)明的一些實施方式是包含一種玻璃陶瓷的磨粒，所述玻璃陶瓷包含第一復(fù)合物Al2O3·REO、不同的第二復(fù)合物Al2O3·REO和結(jié)晶ZrO2，其中，第一復(fù)合物Al2O3·REO、不同的第二復(fù)合物Al2O3·REO和結(jié)晶ZrO2中的至少一種的至少90(在一些實施方式中，較佳地，95或者甚至100)數(shù)量％的晶粒尺寸不大于200nm，并且所述磨粒的密度至少為理論密度的90％(在一些實施方式中，至少為95、96、97、98、99、99.5或者甚至100％)。在一些實施方式中，較佳地，玻璃陶瓷還包含復(fù)合物Al2O3·Y2O3。
另一方面，本發(fā)明提供了生產(chǎn)本發(fā)明陶瓷的方法。例如，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)本發(fā)明的包含無定形材料(例如，玻璃、或者包含玻璃陶瓷的玻璃和結(jié)晶陶瓷)的陶瓷的方法，它包括熔制包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的原料，以得到熔體；冷卻所述熔體以得到包含無定形材料的陶瓷。
熱處理某些無定形材料或者本文中所述的包含無定形材料的陶瓷，從而得到包含結(jié)晶陶瓷的材料(包括玻璃陶瓷)(即，使得至少一部分無定形材料轉(zhuǎn)化為玻璃陶瓷)，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
在本申請中“無定形材料”指得自熔體和/或氣相狀態(tài)的材料，它在測定的X射線衍射圖譜中沒有遠程結(jié)晶結(jié)構(gòu)和/或它在DTA(差熱分析)曲線中有一個對應(yīng)于無定形材料的結(jié)晶作用的放熱峰，所述DTA曲線是通過下述的“差熱分析”試驗測定的；“陶瓷”包括無定形材料、玻璃、結(jié)晶陶瓷、玻璃陶瓷、以及它們的組合；“金屬氧化物復(fù)合物”指包含兩種或多種不同的金屬元素和氧的金屬氧化物(例如，CeAl11O18、Dy3Al5O12、MgAl2O4和Y3Al5O12)；“Al2O3·金屬氧化物復(fù)合物”指理論上包含Al2O3和一種或多種Al以外的金屬元素的金屬氧化物復(fù)合物(例如，CeAl11O18、Dy3Al5O12、MgAl2O4和Y3Al5O12)；“復(fù)合物Al2O3·Y2O3”指理論上包含Al2O3和Y2O3的金屬氧化物復(fù)合物(例如，Y3Al5O12)；“Al2O3·REO復(fù)合物”指理論上包含Al2O3和稀土元素氧化物的金屬氧化物復(fù)合物(例如，CeAl11O18和Dy3Al5O12)；“玻璃”指具有玻璃轉(zhuǎn)變溫度的無定形材料；“玻璃陶瓷”指包含通過熱處理無定形材料形成的結(jié)晶的陶瓷；“Tg”指本文中稱為“差熱分析”的試驗測定的玻璃轉(zhuǎn)變溫度；“Tx”指本文中稱為“差熱分析”的試驗測定的結(jié)晶溫度。
“稀土元素氧化物”指氧化鈰(即CeO2)、氧化鏑(即Dy2O3)、氧化鉺(即Er2O3)、氧化銪(即Eu2O3)、氧化釓(即Gd2O3)、氧化鈥(即Ho2O3)、氧化鑭(即La2O3)、氧化镥(即(Lu2O3)、氧化釹(即Nd2O3)、氧化鐠(即Pr6O11)、氧化釤(即Sm2O3)、氧化鋱(即Tb2O3)、氧化釷(即Th4O7)、氧化銩(即Tm2O3)和氧化鐿(即Yb2O3)、以及它們的組合；“REO”指稀土元素氧化物。
此外，應(yīng)該明白，在本文中，例如在玻璃陶瓷中，除非特別說明金屬氧化物(如Al2O3、Al2O3·金屬氧化物復(fù)合物等)是結(jié)晶的，否則金屬氧化物可以是無定形的、結(jié)晶的或部分結(jié)晶部分無定形的。例如，如果玻璃陶瓷包含Al2O3和ZrO2，則Al2O3和ZrO2可以各自呈無定形狀態(tài)、結(jié)晶狀態(tài)或部分無定形部分結(jié)晶狀態(tài)，或者甚至作為與其它金屬氧化物的反應(yīng)產(chǎn)物(例如，除非特別說明，例如Al2O3以結(jié)晶Al2O3或特定結(jié)晶相的Al2O3(如α-Al2O3)存在，否則它可以是結(jié)晶Al2O3和/或作為一種或多種結(jié)晶Al2O3·金屬氧化物復(fù)合物的一部分)。
此外，應(yīng)該明白，通過加熱不顯示Tg的無定形材料形成的玻璃陶瓷實際上可以不包含玻璃，但是最好包括結(jié)晶和沒有Tg的無定形材料。
本發(fā)明的陶瓷可形成或轉(zhuǎn)化為玻璃珠(例如，直徑至少為1μm、5μm、10μm、25μm、50μm、100μm、150μm、250μm、500μm、750μm、1mm、5mm或者甚至至少10mm的玻璃珠)、制品(例如板)、纖維、顆粒、和涂層(例如薄涂層)。玻璃珠可用于，例如，反射裝置如逆反射板、數(shù)字面板、和路面標(biāo)線。顆粒和纖維可用作，例如絕熱材料、填料、或者復(fù)合物(例如，陶瓷、金屬或者聚合物基質(zhì)復(fù)合物)中的增強材料。薄涂層可用作，例如，包括磨損以及熱學(xué)操縱的應(yīng)用中的保護性涂層。本發(fā)明的制品的例子包括廚房用具(例如，盤子)、牙托、以及增強纖維、刀具襯套、研磨材料和燃氣發(fā)動機的結(jié)構(gòu)部件(例如，閥和軸承)。其它制品包括在物體的外部表面或其它表面上具有保護性涂層的制品。本發(fā)明的某些陶瓷顆粒特別可用作磨粒。磨?？杉尤肽ゾ咧?，或者以松散的形式使用。
本發(fā)明的磨具包含粘合劑和許多磨粒，其中至少部分磨粒是本發(fā)明的磨粒。可例舉的磨具包括涂布磨具、粘合磨具(例如砂輪)、非織造磨具和研磨刷。涂布磨具通常包括一個具有第一和相背的第二主表面的背襯，其中粘合劑和許多磨粒在第一主表面的至少部分上形成研磨層。
在一些實施方式中，較佳地，磨具中至少5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或者甚至100重量％的磨粒是本發(fā)明的磨粒，以磨具中磨粒的總重量計。
在使用之前，通常將磨粒分級，得到給定的粒徑分布。這些分布一般具有一個粒徑范圍，從粗顆粒到細顆粒。在研磨技術(shù)中，這種范圍有時稱作“粗”、“對照”和“細”級。按工業(yè)上接受的分級標(biāo)準(zhǔn)進行分級的磨粒規(guī)定了數(shù)字限定的范圍內(nèi)各個標(biāo)稱級別的粒徑分布。這些工業(yè)上接受的分級標(biāo)準(zhǔn)(即規(guī)定的標(biāo)稱級別)包括已知的美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究院(ANSI)標(biāo)準(zhǔn)、歐洲磨具生產(chǎn)聯(lián)合會(FEPA)標(biāo)準(zhǔn)、以及日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)。一方面，本發(fā)明提供了許多具有規(guī)定的標(biāo)稱級別的磨粒，其中至少部分磨粒是本發(fā)明的磨粒。在一些實施方式中，較佳地，至少5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或者甚至100重量％的磨粒是本發(fā)明的磨粒，以磨具中磨粒的總重量計。
本發(fā)明還提供了一種對表面研磨的方法，它包括使本發(fā)明的磨粒與工件的表面接觸；移動至少一個磨?；蚪佑|表面，用至少一個本發(fā)明的磨粒研磨至少一部分表面。


圖1是實施例1材料的X射線衍射圖。
圖2是比較例A材料的拋光截面的SEM顯微照片。
圖3是實施例2材料的光學(xué)顯微照片。
圖4是實施例6熱壓材料截面的光學(xué)顯微照片。
圖5是實施例6熱處理材料的拋光截面的SEM顯微照片。
圖6是實施例6材料的DTA曲線。
圖7是實施例43材料的拋光截面的SEM顯微照片。
圖8是實施例47材料的拋光截面的SEM顯微照片。
圖9是包括本發(fā)明磨粒的涂布磨具的分解截面示意圖。
圖10是包括本發(fā)明磨粒的粘合磨具的剖視圖。
圖11是包括本發(fā)明磨粒的非織造的磨具的放大的示意圖。
具體實施例方式
通常，本發(fā)明的陶瓷可以按如下方法制備加熱(包括置于火焰中)合適的金屬氧化物源以形成熔體，理想的是均勻的熔體，然后快速冷卻熔體以得到無定形材料或包含無定形材料的陶瓷。本發(fā)明的無定形材料和包含無定形材料的陶瓷可以這樣制備，例如，加熱(包括置于火焰中)合適的金屬氧化物源形成熔體，理想的是均勻的熔體，然后快速冷卻熔體以得到無定形材料。一些無定形材料的實施方式可以這樣制備，例如，在任何合適的熔爐(如感應(yīng)加熱爐、燃氣燃燒器或電爐)中或在等離子體中熔化金屬氧化物源。冷卻所得的熔體(如將熔體放入冷卻介質(zhì)(如高速空氣噴射流、液體、金屬板(包括急冷金屬板)、金屬輥(包括急冷金屬輥)、金屬球(包括急冷金屬球)等))中。
在一種方法中，利用火焰熔制(例如，在美國專利6,254,981(Castle)中所述)來制備本發(fā)明的無定形材料和包含無定形材料的陶瓷。在這種方法中，金屬氧化物源被直接裝入(例如，以顆粒的形式，有時候也稱為“進料顆?！?燃燒器(如甲烷-空氣燃燒器、乙炔-氧氣燃燒器、氫氣-氧氣燃燒器等)中，然后，例如在水、冷卻油、空氣等中淬冷?？赏ㄟ^研磨、聚集(如噴霧干燥)、熔化或燒結(jié)金屬氧化物源來制備進料顆粒。送入火焰中的進料顆粒的尺寸通常決定了所得的包含顆粒的無定形材料的尺寸。
一些無定形材料的實施方式也可通過其它工藝得到，如自由下落冷卻的激光旋轉(zhuǎn)熔化、泰勒線技術(shù)、等離子體管技術(shù)、錘砧技術(shù)、離心淬冷、空氣槍激冷、單輥和雙輥淬冷、輥-板淬冷和懸滴排熱(參見，例如《陶瓷的快速固化》，Brockway等人編，OH州Columbus的國防部信息分析中心的“金屬和陶瓷信息中心”于1984年1月出版)。一些無定形材料的實施方式還可通過其它工藝制得，如合適前體的熱(包括使用火焰或激光或等離子體)分解、金屬前體的物理氣相合成(PVS)、以及機械化學(xué)加工。
有用的Al2O3-REO-ZrO2/HfO2組合物包括共晶組合物或近似于共晶組合物的物質(zhì)(例如，三元共晶組合物)。除了本文中公開的Al2O3-REO-ZrO2/HfO2組合物以外，其它類似的組合物，包括四元及其它更多元的共晶組合物，在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了本申請后將是而言是顯而易見的。
Al2O3源(包括市售，基于理論氧化物)包括鋁土礦(包括天然形成的鋁土礦和人工合成的鋁土礦)、煅燒的鋁土礦、水合氧化鋁(如勃姆石和水鋁礦)、鋁、拜爾法氧化鋁、鋁礦石、γ-氧化鋁、α-氧化鋁、鋁鹽、硝酸鋁、以及它們的組合。所述氧化鋁源可以含有，或者僅提供Al2O3?；蛘?，所述氧化鋁源可以含有，或提供Al2O3以及一種或多種氧化鋁以外的金屬氧化物(包括Al2O3·金屬氧化物復(fù)合物材料或含有Al2O3·金屬氧化物的復(fù)合物材料(如Dy3Al5O12、Y3Al5O12、CeAl11O18等))。
稀土元素氧化物源(包括市售)包括稀土元素氧化物粉末、稀土元素金屬、含稀土元素的礦石(如氟碳鈰鑭礦和獨居石)、稀土元素鹽、稀土元素硝酸鹽和稀土元素碳酸鹽。稀土元素氧化物源可以含有，或者僅提供稀土元素氧化物。或者，所述稀土氧化物源可以含有，或者提供稀土元素氧化物以及一種或多種稀土元素氧化物之外的金屬氧化物(包括稀土元素氧化物·其它金屬氧化物復(fù)合物材料或者包含稀土元素氧化物·其它金屬氧化物復(fù)合物材料(如Dy3Al5O12、CeAl11O18等))。
ZrO2源(包括市售)(基于理論氧化物)包括氧化鋯粉末、鋯砂、鋯、含鋯的礦石、以及鋯鹽(如鋯的碳酸鹽、乙酸鹽、硝酸鹽、鹽酸鹽、氫氧化物、以及它們的組合)。ZrO2源可以含有或僅提供ZrO2，也可以含有并提供ZrO2以及其它金屬氧化物如二氧化鉿。HfO2源(包括市售)(基于理論氧化物)包括氧化鉿粉末、鉿、含鉿的礦石、以及鉿鹽。HfO2原料可以含有或僅提供HfO2，也可以含有并提供HfO2以及其它金屬氧化物如ZrO2。
本發(fā)明的陶瓷還可以包含其它金屬氧化物(例如，除Al2O3、稀土元素氧化物和ZrO2/HfO2以外的金屬氧化物)。其它有用的金屬氧化物還包括(基于理論氧化物)BaO、CaO、Cr2O3、CoO、Fe2O3、GeO2、Li2O、MgO、MnO、NiO、Na2O、Sc2O3、SrO、TiO2、ZnO、以及它們的組合。它們的源(包括市售)包括氧化物本身、復(fù)合氧化物、礦石、碳酸鹽、乙酸鹽、硝酸鹽、鹽酸鹽、氫氧化物等?？杉尤脒@些金屬氧化物來改變所得的陶瓷的物理性能和/或改進操作。根據(jù)，例如所需的性能，這些金屬氧化物的加入量通常為所述陶瓷材料的0-50重量％，在一些實施方式中，較佳的是0-25重量％，更好的是0-50重量％。
在一些實施方式中，對至少一部分金屬氧化物源(在一些實施方式中，優(yōu)選10、15、20、25、30、35、40、45、或者甚至50重量％)而言，通過將包括至少一種金屬M(如Al、Ca、Cu、Cr、Fe、Li、Mg、Ni、Ag、Ti、Zr、以及它們的組合)(其負氧化物形成焓是負的)或其合金的顆粒狀金屬材料，或者混有其它原料的金屬加入到熔體中來制得是有利的。盡管并不希望受到理論的限制，可以確信由金屬氧化的放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱有利于形成均勻的熔體和最終的無定形材料。例如，可以確信由原料的氧化反應(yīng)產(chǎn)生的額外熱量消除或減小了熱傳遞不充分的缺陷，因此容易形成熔體并且使熔體均勻，尤其在形成x、y和z尺寸大于150微米的無定形顆粒時。也可以確信利用額外的熱量有助于驅(qū)動各種化學(xué)反應(yīng)和物理過程(例如，致密化和球化)的完成。此外，可以確信對一些實施方式而言，實際上是由于氧化反應(yīng)產(chǎn)生的額外的熱量的存在使得熔體得以形成，否則對于高熔點材料來說這很難或根本就不可能實現(xiàn)。另外，實際上是由于氧化反應(yīng)產(chǎn)生的額外的熱量的存在使得無定形材料得以形成，否則它就無法形成，或者是無法以所需的尺寸形成。本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，在形成無定形材料的過程中，許多化學(xué)和物理過程(如熔凝、致密化和球化)能在短時間內(nèi)完成，這樣就可以得到非常高的淬冷速率。對于其它的細節(jié)，請參見共同申請的美國專利申請(專利代理人案卷號56931US007)，該申請的申請日與本申請相同，其公開的內(nèi)容引用作為參考。
加入某些的金屬氧化物可以改變本發(fā)明陶瓷的性質(zhì)和/或結(jié)晶結(jié)構(gòu)或顯微結(jié)構(gòu)，以及制造陶瓷過程中原料和中間體的加工方法。例如，觀察到加入如MgO、CaO、Li2O和Na2O這樣的氧化物改變了玻璃的Tg和Tx(其中Tx是結(jié)晶溫度)。盡管不希望受到理論的限制，但是可以確信加入這些物質(zhì)影響了玻璃的形成。此外，例如，加入這些氧化物可降低整個體系的熔制溫度(即，驅(qū)動體系在更低的溫度共熔)，并且使玻璃的形成方便。在多組分(雙組分等)體系中的復(fù)合共熔體可以產(chǎn)生更好的玻璃成形的能力。在其“工作”范圍內(nèi)液態(tài)熔體的粘度和玻璃的粘度也可通過加入除Al2O3、稀土元素氧化物、和ZrO2/HfO2之外的金屬氧化物(MgO、CaO、Li2O和Na2O)來調(diào)節(jié)。
一般地，本發(fā)明的無定形材料和玻璃陶瓷具有互相垂直的x、y和z尺寸，其中，x、y和z尺寸各自至少為10μm。在一些實施方式中，x、y和z尺寸至少為30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、75μm、100μm、150μm、200μm、250μm、500μm、1000μm、2000μm、2500μm、1mm、5mm、或者甚至至少10mm。材料的x、y和z尺寸或者通過目測，或者使用顯微鏡來確定，依據(jù)尺寸的大小確定。報道的z尺寸為，例如球的直徑、涂層的厚度或者棱鏡形體的最長長度。
無定形材料和包含無定形材料的陶瓷形成玻璃陶瓷的結(jié)晶化也受材料加入的影響。例如，某些金屬、金屬氧化物(如鈦酸鹽和鋯酸鹽)和氟化物可用作成核劑，產(chǎn)生有益的各種結(jié)晶的均勻成核作用。而且，加入這些氧化物可以改變亞穩(wěn)定相的性質(zhì)，所述亞穩(wěn)定相會在再加熱過程中使玻璃發(fā)生析晶。另一方面，對本發(fā)明的包含結(jié)晶ZrO2的陶瓷來說，需要加入金屬氧化物(如Y2O3、TiO2、CaO和MgO)，已知這些金屬氧化物可以穩(wěn)定ZrO2的正方晶系/立方晶系結(jié)構(gòu)。
具體選擇用來制備本發(fā)明陶瓷的金屬氧化物源和其它添加劑通常要考慮最終的含有結(jié)晶陶瓷的所需的組成和顯微結(jié)構(gòu)、所需的結(jié)晶度(如果有的話)、最終的陶瓷的所需的物理性質(zhì)(如硬度或粗糙度)、避免或減少不需要的雜質(zhì)的存在、最終的陶瓷的所需的特性、和/或用來制備所述陶瓷的具體方法(包括設(shè)備以及在熔化和/或固化之前和/或之時對原料的純化)。
在一些情況下，優(yōu)選加入限制量的選自Na2O、P2O5、SiO2、TeO2、V2O3、以及它們的組合的金屬氧化物。源(包括市售)包括氧化物本身、復(fù)合氧化物、礦石、碳酸鹽、乙酸鹽、硝酸鹽、鹽酸鹽、氫氧化物等。例如，可加入這些金屬氧化物來改變所得的磨粒的物理性能和/或改進操作。根據(jù)，例如所需的性能，這些金屬氧化物的加入量通常大于所述玻璃陶瓷的0-20重量％，較佳的是大于0-5重量％，更好的是大于0-2重量％。
所述金屬氧化物源和其它添加劑可以呈適合用來生產(chǎn)本發(fā)明陶瓷的方法和設(shè)備的任何形式。原料可以使用制備氧化物玻璃和無定形金屬的領(lǐng)域中已知的技術(shù)和設(shè)備來進行熔制和淬冷。理想的冷卻速率是50K/s或更高。在本領(lǐng)域中已知的冷卻技術(shù)包括輥淬冷。例如，輥淬冷可以是這樣進行的，即在通常高于熔點20-200℃的溫度下熔化金屬氧化物，然后在高壓下(例如，使用氣體如空氣、氬氣、氮氣等)將其噴射到高速旋轉(zhuǎn)的輥上進行冷卻/淬冷。通常，輥由金屬做成，是水冷卻的。金屬盒式模具也可用來冷卻/淬冷熔體。
其它用來形成熔體、冷卻/淬冷熔體、和/或以其它方式形成玻璃的技術(shù)包括蒸氣淬冷、等離子體噴射、熔融擠出、以及氣體或離心噴霧。例如，可通過濺射進行蒸氣相淬冷，此時用金屬合金或金屬氧化物源形成所使用的濺射靶。靶固定在濺射裝置中固定的位置上，要涂覆的基材置于與靶相對的位置。通常，氧氣和氬氣的壓力為10-3torr，在靶和基材之間產(chǎn)生放電，并且氬或氧離子撞擊靶引起濺射反應(yīng)，從而在基材上沉積一層組合物膜。有關(guān)等離子體噴射的其它細節(jié)，可參見，例如待批的美國專利申請(專利代理人案卷號57890US002)，該申請的申請日與本申請相同，將其公開的內(nèi)容引用作為參考。
氣體噴霧包括將原料顆粒熔化轉(zhuǎn)化為熔體。該熔體的細流通過與分裂性噴氣口接觸產(chǎn)生霧化(即，所述流體分為細小的液滴)。然后回收最終的基本離散的、大致為橢圓形的玻璃顆粒(即，玻璃珠)。玻璃珠的尺寸的例子包括直徑約為5μm-3mm?？梢园疵绹鴮＠?,605,870(Strom-Olsen等人)所述進行熔凝擠出。在制備本發(fā)明的玻璃時，可以使用利用激光束加熱的無容器玻璃形成技術(shù)，該技術(shù)公開在國際公開號為WO 01/27046 A1的PCT申請中。
認為冷卻速率會影響淬冷的無定形材料的性能。例如，玻璃的玻璃轉(zhuǎn)變溫度、密度和其它性能通常會隨著冷卻速率的改變而改變。
也可以在受控的氣氛(如還原性、中性、或氧化性氣氛)中進行快速冷卻，以便在冷卻過程中保持和/或影響所需的氧化狀態(tài)等。通過影響過冷液體的結(jié)晶動力學(xué)，氣氛也能影響玻璃的形成。例如，已經(jīng)報道了與在空氣中相比，在氬氣氛中對Al2O3熔體可進行更高程度的過度冷卻而不產(chǎn)生結(jié)晶。
材料的顯微結(jié)構(gòu)或相組成(玻璃質(zhì)的/無定形的/結(jié)晶的)可使用許多方法來測定。例如，各種信息可通過使用光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、差熱分析(DTA)和X射線衍射(XRD)來獲取。
如果使用光學(xué)顯微鏡，無定形材料通?；旧鲜峭该鞯模驗槠渲腥鄙俟馍⑸渲行?如晶粒間界)，而結(jié)晶材料表現(xiàn)出了一種結(jié)晶結(jié)構(gòu)，并且是不透明的，因為其中存在光散射效應(yīng)。
可以使用-100+120粒度級分(即，150μm和125um開口尺寸的兩個篩之間收集的級分)計算玻璃珠的無定形產(chǎn)率的百分比。按以下方法進行測定。將一單層玻璃珠散布在玻璃片上。使用光學(xué)顯微鏡觀察這些玻璃珠。使用光學(xué)顯微鏡目鏡中的十字準(zhǔn)線作為導(dǎo)向，根據(jù)玻璃珠的光學(xué)清晰度，統(tǒng)計沿直線排列的(無定形的或結(jié)晶的)玻璃珠的個數(shù)。統(tǒng)計出總共500個玻璃珠，并由無定形玻璃珠的量除以總的玻璃珠的量確定無定形產(chǎn)率的百分比。
使用DTA，如果材料的相應(yīng)DTA曲線包含結(jié)晶放熱現(xiàn)象(Tx)，那么該材料就歸類為無定形材料。如果相同的曲線在低于Tx的溫度還包含吸熱現(xiàn)象(Tg)，那么可以認為它是由玻璃相構(gòu)成的。如果材料的DTA曲線不包含這些現(xiàn)象，那么可以認為它包含結(jié)晶相。
可使用下述方法進行差熱分析(DTA)。DTA試驗可使用-140+170粒度級分(即，在105和90微米開口尺寸的兩個篩網(wǎng)間收集的級分)進行(使用一種儀器，例如商品名為“NETZSCH STA 409 DTA/TGA”，得自德國Selb的NetzschInstruments公司)。將一定量的各個過了篩的試樣(通常約400毫克(mg))放入100微升的Al2O3試樣容器中。以10℃/分鐘的速率，在靜態(tài)空氣中將各個試樣從室溫(約25℃)加熱到1100℃。
如果使用粉末X射線衍射XRD(使用X射線衍射儀，如得自NJ州Mahwah的Phillips公司的商品名為“PHILLIPS XRG 3100”的產(chǎn)品，其具有銅Kα1輻射/1.54050埃)，則可以通過比較結(jié)晶材料的XRD圖譜中的峰與JCPDS(粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合委員會)數(shù)據(jù)庫(衍射數(shù)據(jù)國際中心出版)中的結(jié)晶相的XRD圖形得到材料中存在的相。而且，XRD也可以用來定性地測定相的類型。寬漫射強度峰的存在說明材料的無定形性質(zhì)。寬峰以及清晰的峰的存在說明在無定形基質(zhì)中存在結(jié)晶物質(zhì)。初始形成的無定形材料或陶瓷(包括結(jié)晶之前的玻璃)的尺寸可大于所需的尺寸?？墒褂帽绢I(lǐng)域已知的粉碎和/或研磨技術(shù)(包括輥式破碎機破碎、金絲雀(canary)研磨、顎式破碎、錘碎、球磨、氣流研磨、沖擊式研磨等)將無定形材料或陶瓷轉(zhuǎn)變成較小的塊。在一些情況中，需要有兩步或多步粉碎步驟。例如，陶瓷形成(固化)后，其尺寸會大于所需的尺寸。第一粉碎步驟可包括粉碎這些較大的物質(zhì)或“大塊”，以形成較小的塊。這些大塊的粉碎可使用錘碎、沖擊式研磨或顎式破碎來完成。然后，粉碎這些較小的塊，以得到所需的粒徑分布。為了生產(chǎn)所需的粒徑分布(有時候稱為磨粒尺寸或等級)，必須進行多步粉碎步驟。通常，對粉碎條件進行最優(yōu)化以得到所需的顆粒形狀和粒徑分布。如果它們太大的話，可以將所得的具有所需尺寸的顆粒進行再粉碎，或者如果它們太小的話，可以“循環(huán)”用作再次熔制的原料。
例如，顆粒的形狀取決于陶瓷的組成和/或顯微結(jié)構(gòu)、冷卻時的幾何形式、以及陶瓷粉碎的方式(即，使用的粉碎方法)。通常，當(dāng)優(yōu)選“塊狀”的形狀時，可使用更多的能量來得到這種形狀。相反地，當(dāng)優(yōu)選“尖銳”形狀時，可使用較少的能量來得到這種形狀。也可使用不同的破碎技術(shù)來得到所需的不同形狀。對某些顆粒而言，通常需要1∶1-5∶1的平均長寬比，在一些實施方式中，為1.25∶1至3∶1，或者甚至1.5∶1至2.5∶1。
直接形成所需形狀的制品也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。例如，所需的制品可通過將熔體倒入模具中形成(包括模制)。
令人吃驚的是，發(fā)現(xiàn)可以制得沒有尺寸限制的本發(fā)明陶瓷?？梢栽诟哂诓ＡмD(zhuǎn)變溫度的溫度下進行聚結(jié)步驟。該聚結(jié)步驟主要是從兩個或多個較小的顆粒形成較大尺寸的物體。例如，從圖7可以明顯地看出，本發(fā)明的玻璃在發(fā)生明顯的結(jié)晶(Tx)之前經(jīng)歷了玻璃轉(zhuǎn)變(Tg)，這可通過吸熱溫度(Tg)低于放熱溫度(Tx)得到證明。例如，陶瓷(包括結(jié)晶之前的玻璃)也可以通過在高于Tg的溫度加熱包含無定形材料和/或纖維的顆粒，從而使這些顆粒等聚結(jié)成一形體，然后冷卻聚結(jié)的顆粒來得到。聚結(jié)所用的溫度和壓力，根據(jù)例如無定形材料的組成和所得材料所需的密度來確定。對玻璃而言，聚結(jié)溫度應(yīng)大于玻璃轉(zhuǎn)變溫度。在一些實施方式中，加熱可以在約850-1100℃(在一些實施方式中，優(yōu)選900-1000℃)中的至少一個溫度下進行。無定形材料通常在壓力(例如，大于0-1Gpa或更大)下聚結(jié)，這樣有助于無定形材料的聚結(jié)。在一個實施方式中，將顆粒等的料裝入模具，并在高于玻璃轉(zhuǎn)變溫度的溫度下進行熱壓，這樣玻璃的粘性流動就會使之聚結(jié)形成較大的制品。一般的聚結(jié)技術(shù)的例子包括熱壓、熱等靜壓、熱擠出等。例如，包含顆粒(例如通過粉碎得到)、纖維等的無定形材料(包括玻璃珠和微球)可形成為較大的粒徑。一般而言，總是優(yōu)選在進一步熱處理之前冷卻所得的聚結(jié)體。在熱處理之后，如果需要，可將聚結(jié)體粉碎成較小的粒徑或者所需的粒徑分布。
進行附加的熱處理以進一步改善材料所需的性能，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。例如，可進行熱等靜壓(例如，在約900-1400℃的溫度)除去殘余的孔隙，增加材料的密度。還可以對聚結(jié)的制品進行熱處理以得到玻璃陶瓷、結(jié)晶陶瓷、或包含結(jié)晶陶瓷的陶瓷。
無定形材料和/或玻璃陶瓷(例如，顆粒)的聚結(jié)可使用各種方法完成，包括無壓和有壓燒結(jié)(例如，燒結(jié)、等離子體輔助燒結(jié)、熱等靜壓、熱鍛、熱擠出等)。
可通過各種方法(包括現(xiàn)有技術(shù)已知的熱處理玻璃的方法)來進行熱處理，以提供玻璃陶瓷。例如，使用電阻、感應(yīng)或燃氣加熱爐批量地進行熱處理?；蛘?，例如使用旋轉(zhuǎn)爐連續(xù)進行熱處理。在使用旋轉(zhuǎn)爐的情況下，將材料直接送入在高溫下工作的旋轉(zhuǎn)爐中。在高溫中的時間范圍可以從幾秒鐘(在一些實施方式中，甚至小于5秒)到幾分鐘、幾小時。溫度范圍為900-1600℃，通常為1200-1500℃。以批量方式(如對于成核步驟)和其它連續(xù)方式(例如，用于結(jié)晶生長步驟并且為了達到所需的密度)進行一些熱處理，也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。對于成核步驟，溫度通常為約900-1100℃，在一些實施方式中，優(yōu)選的范圍為約925-1050℃。同樣地，對于致密步驟，溫度通常為約1100-1600℃，在一些實施方式中，優(yōu)選范圍為約1200-1500℃。例如，可直接把材料裝入處于高溫的爐子中來開始這種熱處理?；蛘?，例如，材料可裝入溫度較低(如室溫)的爐子中，然后以預(yù)定的加熱速率加熱到所需的溫度。在氣氛而不是空氣中進行熱處理也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在某些情況下，甚至需要在還原性氣氛中進行熱處理。而且，例如，需要在例如熱等靜壓或者氣體壓力爐中的氣體壓力下進行熱處理。將所得的制品或熱處理的制品轉(zhuǎn)化(例如，粉碎)為顆粒(例如，磨粒)，也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
熱處理無定形材料以至少部分地使所述無定形材料結(jié)晶，得到玻璃陶瓷。對某些玻璃進行熱處理形成玻璃陶瓷在本領(lǐng)域中是已知的。成核以及玻璃陶瓷中晶體生長的加熱條件對于許多玻璃來說是已知的?；蛘?，本領(lǐng)域技術(shù)人員可使用本領(lǐng)域已知的技術(shù)由對玻璃的時間-溫度-轉(zhuǎn)變(TTT)研究來確定適當(dāng)?shù)臈l件。在閱讀本發(fā)明的內(nèi)容后，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該能夠得到本發(fā)明玻璃的TTT曲線，確定適當(dāng)?shù)某珊撕?或結(jié)晶生長條件以得到本發(fā)明的玻璃陶瓷。
通常，玻璃陶瓷要強于形成它們的無定形材料。因此，材料的強度可通過，例如無定形材料轉(zhuǎn)變成結(jié)晶陶瓷相的程度來調(diào)節(jié)。兩者擇一地，或者另外地，也可以通過產(chǎn)生的成核點的數(shù)目(它用來依次影響結(jié)晶相中結(jié)晶的數(shù)量和尺寸)來影響材料的強度。關(guān)于形成玻璃陶瓷的其它細節(jié)，可參見，例如《玻璃-陶瓷》(P.W.McMillan，Academic出版公司，第二版，1979年)。
例如，在熱處理一些例舉的用來生產(chǎn)本發(fā)明的玻璃陶瓷的無定形材料的過程中，形成了一些相，如La2Zr2O7，并且，如果存在ZrO2，則能夠在高于約900℃的溫度觀察到立方晶系/四方晶系ZrO2(在某些條件下是單斜晶系ZrO2)。盡管并不希望受到理論的限制，但是可以認為，有關(guān)氧化鋯的相是從無定形材料成核的第一相。認為Al2O3、ReAlO3(其中Re是至少一種稀土元素陽離子)、ReAl11O18、Re3Al5O12、Y3Al5O12等相的形成通常發(fā)生在高于約925℃的溫度。一般地，成核步驟中的晶粒尺寸約幾納米。例如，可觀察到小至10-15納米的結(jié)晶。對至少一些實施方式而言，在約1300℃熱處理約1小時提供了完全的結(jié)晶化。一般而言，成核和結(jié)晶生長步驟各自的熱處理時間可以從幾秒鐘(在一些實施方式中，甚至小于5秒)到幾分鐘、1小時或更長。
存在于本發(fā)明陶瓷中的結(jié)晶相的例子包括Al2O3·金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物(如ReAlO3(如GdAlO3、LaAlO3)、ReAl11O18(如LaAl11O18)和Re3Al5O12(如Dy3Al5O12))、Al2O3·Y2O3復(fù)合物(如Y3Al5O12)和ZrO2·REO復(fù)合物(例如La2Zr2O7))、Al2O3(例如，α-Al2O3)和ZrO2(例如，立方ZrO2和四方ZrO2)。
用其它陽離子取代Al2O3·金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·Y2O3復(fù)合物(例如，鋁酸釔顯示石榴石的結(jié)晶結(jié)構(gòu)))中的一部分釔和/或鋁陽離子，也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，Al2O3·Y2O3復(fù)合物中的一部分鋁陽離子可用至少一種選自Cr、Ti、Sc、Fe、Mg、Ca、Si、Co、以及它們的組合的元素的陽離子取代。例如，Al2O3·Y2O3復(fù)合物中的一部分釔陽離子可用至少一種選自Ce、Dy、Er、Eu、Gd、Ho、La、Lu、Nd、Pr、Sm、Th、Tm、Yb、Fe、Ti、Mn、V、Cr、Co、Ni、Cu、Mg、Ca、Sr、以及它們的組合的元素的陽離子取代。類似地，取代氧化鋁中的一部分鋁陽離子也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。例如，Cr、Ti、Sc、Fe、Mg、Ca、Si和Co可以取代氧化鋁中的鋁。上述陽離子的取代會影響熔凝材料的性能(例如，硬度、韌度、強度、熱導(dǎo)率等)。
用其它陽離子取代Al2O3·金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物)中的一部分稀土元素和/或鋁陽離子，也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，Al2O3·REO復(fù)合物中的一部分鋁陽離子可用至少一種選自Cr、Ti、Sc、Fe、Mg、Ca、Si、Co、以及它們的組合的元素的陽離子取代。例如，Al2O3·REO復(fù)合物中的一部分Y陽離子可用至少一種選自Y、Fe、Ti、Mn、V、Cr、Co、Ni、Cu、Mg、Ca、Sr、以及它們的組合的元素的陽離子取代。類似地，取代氧化鋁中的一部分鋁陽離子也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。例如，Cr、Ti、Sc、Fe、Mg、Ca、Si和Co可以取代氧化鋁中的鋁。上述陽離子的取代會影響熔凝材料的性能(例如，硬度、韌度、強度、熱導(dǎo)率等)。
可以根據(jù)ASTM E 112-96“測定平均晶粒徑的標(biāo)準(zhǔn)測試方法”，通過直線截取法測定平均晶粒尺寸。將試樣鑲裝在通常位于直徑約2.5cm、高約1.9cm的樹脂圓塊中的鑲裝樹脂(如商品名為“TRANSOPTIC POWDER”，得自IL州Lake Bluff的Buehler公司)中。使用拋光機(如商品名為“ECOMET 3”，得自IL州Lake Bluff的Buehler公司)，用常規(guī)的拋光技術(shù)制備鑲裝截面。用金剛石砂輪拋光試樣約3分鐘，然后用45、30、15、9、3和1μm的漿液各自拋光5分鐘。用一薄層金-鈀噴濺鑲裝及拋了光的試樣，并用掃描電子顯微鏡(如JEOL SEM型號JSM 840A)觀察。試樣中所見的顯微結(jié)構(gòu)的一般背散射電子(BSE)顯微照片用來測定平均晶粒尺寸，具體如下。統(tǒng)計顯微照片上一隨機直線的每單元長度截取的晶粒數(shù)量(NL)。使用以下方程式從該數(shù)值中確定平均晶粒尺寸。
平均晶粒尺寸＝1.5/(NL·M)式中，NL是每單元長度截取的晶粒數(shù)目，M是顯微照片的放大倍數(shù)。
另一方面，本發(fā)明的陶瓷(包括玻璃陶瓷)可以包含至少1、2、3、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、97、98、99、或者甚至100體積％的晶粒，其中晶粒的平均尺寸小于1μm。另一方面，本發(fā)明的陶瓷(包括玻璃陶瓷)可以包含小于至少1、2、3、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、97、98、99、或者甚至100體積％的晶粒，其中晶粒的平均尺寸小于0.5μm。另一方面，本發(fā)明的陶瓷(包括玻璃陶瓷)可以包含小于至少1、2、3、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、97、98、99、或者甚至100體積％的晶粒，其中晶粒的平均尺寸小于0.3μm。另一方面，本發(fā)明的陶瓷(包括玻璃陶瓷)可以包含小于至少1、2、3、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、97、98、99、或者甚至100體積％的晶粒，其中晶粒的平均尺寸小于0.15μm。
可以存在于本發(fā)明的陶瓷中結(jié)晶相包括氧化鋁(例如，α-氧化鋁和過渡型氧化鋁)、REO、HfO2、ZrO2、以及例如一種或多種其它金屬氧化物，如BaO、CaO、Cr2O3、CoO、Fe2O3、GeO2、Li2O、MgO、MnO、NiO、Na2O、Sc2O3、SiO2、SrO、TeO2、TiO2、V2O3、Y2O3、ZnO、“金屬氧化物復(fù)合物(包括Al2O3·金屬氧化物復(fù)合物(例如，Al2O3·REO復(fù)合物))”、以及它們的組合。
關(guān)于包含Al2O3、Y2O3、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的陶瓷的其它細節(jié)，包括制法、用途和性質(zhì)，公開在2001年8月2日提交的美國專利申請09/922527、09/922528和09/922530，以及與本申請一起提交的美國專利申請(專利代理人案卷號56931US005、56931US006、56931US007、56931US008、56931US009、56931US010、57980US002和57981US002，將其公開的內(nèi)容引用作為參考。
通過熱處理無定形材料得到本發(fā)明的玻璃陶瓷而形成的結(jié)晶可以是，例如針狀、柱狀或類似于拉平板條的特征。
雖然本發(fā)明的無定形材料、玻璃陶瓷等可以是塊狀材料，但是包含本發(fā)明的無定形材料、玻璃陶瓷等的復(fù)合物也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。該復(fù)合物可以包含，例如一個相或纖維(連續(xù)的或不連續(xù)的)、或者顆粒(包括晶須)(例如，金屬氧化物顆粒、硼化物顆粒、碳化物顆粒、氮化物顆粒、金剛石顆粒、金屬顆粒、玻璃顆粒、以及它們的組合)，分散在本發(fā)明的無定形材料、玻璃陶瓷等中，或?qū)訝顝?fù)合物結(jié)構(gòu)(即，用來生產(chǎn)玻璃陶瓷和/或不同的玻璃陶瓷組合物層的玻璃陶瓷對于無定形材料的梯度)。
本發(fā)明的某些玻璃可以具有，例如約為750-860℃的Tg。本發(fā)明的某些玻璃可以具有，例如約為110-至少約150GPa的楊式模量，本發(fā)明的結(jié)晶陶瓷的楊式模量約為200-至少約300GPa，本發(fā)明的包含玻璃和結(jié)晶陶瓷的玻璃陶瓷或者陶瓷的楊式模量約為110-250GPa。本發(fā)明的某些玻璃可以具有，例如約為1-3Mpa*m1/2的平均韌度(即，耐破裂性)，本發(fā)明的結(jié)晶陶瓷具有約為3-5Mpa*m1/2的平均韌度，本發(fā)明的包含玻璃和結(jié)晶陶瓷的玻璃陶瓷或者陶瓷具有約為1-5Mpa*m1/2的平均韌度。
本發(fā)明材料的平均硬度可按如下方法確定。將材料的截面鑲裝在通常位于直徑約2.5cm、高約1.9cm的樹脂圓塊中的鑲裝樹脂(如商品名為“TRANSOPTICPOWDER”，得自IL州Lake Bluff的Buehler公司)中。使用拋光機(如商品名為“ECOMET 3”，得自IL州Lake Bluff的Buehler公司)，用常規(guī)的拋光技術(shù)制備鑲裝截面。用金剛石砂輪拋光試樣約3分鐘，然后用45、30、15、9、3和1μm的漿液各自拋光5分鐘。用配置了使用100g壓痕負重的維氏壓頭的常規(guī)顯微硬度測試儀(商品名為“MITUTOYO MVK-VL”，得自日本東京Mitutoyo公司)測定顯微硬度。顯微硬度的測定根據(jù)ASTM測試方法E384(材料的顯微硬度的測試方法)(1991)規(guī)定的規(guī)則進行。
本發(fā)明的某些玻璃的平均硬度至少為5Gpa(更理想地，至少6Gpa、7Gpa、8Gpa或9Gpa；通常約為5-10Gpa)，本發(fā)明的結(jié)晶陶瓷的平均硬度至少為5Gpa(更理想地，至少6Gpa、7Gpa、8Gpa、9Gpa、10Gpa、11Gpa、12Gpa、13Gpa、14Gpa、15Gpa、16Gpa、17Gpa或18Gpa；通常約為5-18Gpa)。本發(fā)明的包含玻璃和結(jié)晶陶瓷的玻璃陶瓷或者陶瓷的平均硬度至少為5Gpa(更理想地，至少6Gpa、7Gpa、8Gpa、9Gpa、10Gpa、11Gpa、12Gpa、13Gpa、14Gpa、15Gpa、16Gpa、17Gpa或18Gpa(或更大)；通常約為5-18Gpa)。本發(fā)明的磨粒的平均硬度至少為15Gpa，在一些實施方式中，較佳地，至少為16Gpa、17Gpa、或者甚至18Gpa。
在溫度為至少25℃至約900℃的范圍內(nèi)，本發(fā)明的某些玻璃的熱膨脹系數(shù)約為5×10-6/K至約11×10-6/K。
通常，理想的是，本發(fā)明陶瓷的(真)密度，有時稱為比重，一般至少為理論密度的70％。更理想地，本發(fā)明陶瓷的(真)密度至少為理論密度的75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％、99％、99.5％、或者甚至100％。本發(fā)明磨粒的密度至少為理論密度的85％、90％、92％、95％、96％、97％、98％、99％、99.5％、或者甚至100％。
可使用本發(fā)明的陶瓷生產(chǎn)制品，例如，填料、增強材料和/或基質(zhì)材料。例如，本發(fā)明的陶瓷可以呈顆粒和/或纖維的形式，適于用作復(fù)合物(陶瓷、金屬或聚合物(熱固性或熱塑性))中的增強材料。顆粒和/或纖維可以，例如增加基質(zhì)材料的模量、耐熱性、耐磨性和/或強度。雖然用來生產(chǎn)復(fù)合物的顆粒和/或纖維的量可以根據(jù)，例如具體的基質(zhì)材料及復(fù)合物的用途來確定，但是增強顆粒的尺寸一般約為0.1-1500μm，更一般的是1-500μm，理想的是2-100μm。用于聚合物的顆粒的量一般約為0.5-75重量％，更一般的是約1-50重量％。熱固性聚合物的例子包括苯酚、密胺樹脂、尿素甲醛、丙烯酸酯、環(huán)氧樹脂、聚氨酯聚合物等。熱塑性聚合物的例子包括尼龍、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚酯、聚酰胺等。
增強的聚合材料(即，分散在聚合物中的本發(fā)明的增強顆粒)的用途的例子包括保護性涂層，例如用于混凝土、家具、地板、公路、木材、類似木材的材料、涂層等，以及防打滑涂層和注模塑料部件和成分。
此外，例如，本發(fā)明的陶瓷可用作基質(zhì)材料。例如，本發(fā)明的陶瓷可用作陶瓷材料等，如金剛石、立方-BN、Al2O3、ZrO2、Si3N4和SiC的粘合劑。包含這些材料的有用的制品的例子包括復(fù)合物基材涂層、刀具襯套研磨聚集體和粘合磨具如玻璃質(zhì)砂輪。本發(fā)明的陶瓷可用作粘合劑，可增加復(fù)合物制品的模量、耐熱性、耐磨性和/或強度。
本發(fā)明的磨粒通常包含結(jié)晶陶瓷(例如，至少75、80、85、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、99.5或者甚至100體積％的結(jié)晶陶瓷)。另一方面，本發(fā)明提供了許多具有從細到粗的粒徑分布的顆粒，其中，至少一部分顆粒是本發(fā)明的磨粒。另一方面，本發(fā)明的磨粒的實施方式一般包含(例如，至少75、80、85、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、99.5或者甚至100體積％)結(jié)晶陶瓷。
可以使用現(xiàn)有技術(shù)中熟知的技術(shù)對本發(fā)明的磨粒進行篩選和分級，包括使用工業(yè)上接受的分級標(biāo)準(zhǔn)，如ANSI(美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究院)、FEPA(歐洲磨具生產(chǎn)聯(lián)合會)、和JIS(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))。本發(fā)明的磨?？梢詫挿秶牧绞褂茫话懔郊s為0.1-5000μm，更一般的約為1-2000μm，理想的約為5-1500μm，更理想的約為100-1500μm。
在一給定的粒徑分布中，具有一個粒徑范圍，從粗顆粒到細顆粒。在研磨技術(shù)中，這種范圍有時稱作“粗”、“對照”和“細”級。按工業(yè)上接受的分級標(biāo)準(zhǔn)進行分級的磨粒規(guī)定了數(shù)字限定的范圍內(nèi)各個標(biāo)稱級別的粒徑分布。這些工業(yè)上接受的分級標(biāo)準(zhǔn)(即規(guī)定的標(biāo)稱級別)包括已知的美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究院(ANSI)標(biāo)準(zhǔn)、歐洲磨具生產(chǎn)聯(lián)合會(FEPA)標(biāo)準(zhǔn)、以及日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)。ANSI級別名稱(即，規(guī)定的標(biāo)稱級別)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、ANSI180、ANSI 220、ANSI 240、ANSI 280、ANSI 320、ANSI 360、ANSI 400和ANSI600。優(yōu)選的包含本發(fā)明磨粒的ANSI級別是ANSI 8-220。FEPA級別名稱包括P8、P12、P16、P24、P36、P40、P50、P60、P80、P100、P120、P150、P180、P220、P320、P400、P500、P600、P800、P1000和P1200。優(yōu)選的包含本發(fā)明磨粒的FEPA級別為P12-P220。JIS級別名稱包括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JIS10000。優(yōu)選的包含本發(fā)明磨粒的JIS級別為JIS8-220。
在粉碎和過篩后，一般有許多不同的磨粒尺寸分布或級別。這許多級別也許在某個具體的時間不符合生產(chǎn)商或供應(yīng)商的需求。為了減少庫存，可以將不需要的級別返回熔體以形成玻璃。當(dāng)尚未篩選為具體分布的顆粒呈大塊或小塊(有時稱作“細塊”)時，這種再利用可以是在粉碎步驟以后。
另一方面，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)磨粒的方法，它包括熱處理本發(fā)明的玻璃顆?；蚝胁ＡУ念w粒，以得到包含本發(fā)明的玻璃陶瓷的磨粒。或者，例如，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)磨粒的方法，它包括熱處理本發(fā)明的玻璃，并且粉碎熱處理的材料以得到包含本發(fā)明的玻璃陶瓷的磨粒。在粉碎時，玻璃會形成尖的顆粒而不是粉碎程度很高的結(jié)晶玻璃陶瓷或結(jié)晶材料。
另一方面，本發(fā)明提供了聚集的磨粒，它們各自包含許多經(jīng)粘合劑粘合起來的本發(fā)明的磨粒。另一方面，本發(fā)明提供的磨具(例如，涂布磨具、粘合磨具(包括玻璃質(zhì)合成樹脂、以及金屬粘合的砂輪、切割輪、鑲裝點和鏜磨油石的金屬)、非織造磨具和研磨刷)包含粘合劑和許多磨粒，其中至少一部分磨粒是本發(fā)明的磨粒(包括聚集的磨粒)。生產(chǎn)這些磨粒的方法以及它們的用途是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的。此外，本發(fā)明的磨?？捎糜诶媚チ５挠猛荆缪心セ衔?例如，拋光化合物)的漿液、研磨介質(zhì)、噴砂介質(zhì)、振動研磨介質(zhì)等。
涂布磨具一般包括一個背襯、磨粒、以及至少一種粘合劑將磨粒保持在背襯上。上述背襯可以是任何適宜的材料，包括布料、聚合物膜、纖維、非織造布、紙、以及它們的組合，以及經(jīng)處理的這些材料。上述粘合劑可以是任何適宜的粘合劑，包括無機或有機粘合劑(包括熱固樹脂和輻射固化樹脂)。磨粒可以存在于涂布磨具的一層或兩層中。
圖9示出了一個涂布磨具的例子。參看圖9，涂布磨具1具有背襯(基片)2和研磨層3。研磨層3包括通過初始結(jié)合涂層5和膠結(jié)涂層6固定在背襯2的主表面上的本發(fā)明磨粒4。在一些實施方式中，使用了上膠結(jié)的涂層(未示出)。
粘合磨具通常是通過有機、金屬或玻璃質(zhì)粘合劑固定在一起的許多磨粒的成形塊。該成形塊可以，例如呈輪子的形式，如砂輪或切割輪。砂輪的直徑一般約為1cm至1m以上；切割輪的直徑約為1cm至80cm以上(更一般的是3cm至約50cm)。切割輪的厚度一般約為0.5mm至約5cm，更一般的是約0.5mm至約2cm。成形塊也呈，例如鏜磨油石、片段、鑲裝點、圓盤(例如，雙圓盤研磨機)的形式，或者其它常規(guī)的研磨形狀。粘合磨具一般包含約3-50體積％的粘合材料、約30-90體積％的磨粒(或者磨粒的混合物)、50體積％的添加劑(包括研磨助劑)、以及70體積％的孔隙，以粘合磨具的總體積計。
優(yōu)選的形式是砂輪。參看圖10，描述了砂輪10，它包括本發(fā)明的磨粒11，所述磨粒模制在砂輪中，砂輪則鑲裝在輪軸12上。
非織造磨具一般包括敞開多孔稀疏的聚合物纖維結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有遍布在結(jié)構(gòu)中并通過有機粘合劑附著在其中的本發(fā)明磨粒。纖維的例子包括聚酯纖維、聚酰胺纖維和芳族聚酸胺纖維。在圖11中，提供了擴大約100倍的典型非織造磨具的示意圖。該非織造磨具包含纖維墊50作為基片，本發(fā)明的磨粒52通過粘合劑54附著在其上。
有用的研磨刷包括與背襯一體的許多硬毛的那些研磨刷(參見，例如美國專利No.5,427,595(Pihl等人)、No.5,443,906(Pihl等人)、No.5,679,067(Johnson等人)和No.5,903,951(Ionta等人))。理想地，這些刷子通過聚合物和磨粒的模制成形制得。
用于生產(chǎn)磨具的適宜的有機粘合劑包括熱固性有機聚合物。適宜的熱固性有機聚合物的例子包括酚醛樹脂、尿素甲醛樹脂、密胺甲醛樹脂、聚氨酯樹脂、丙烯酸酯樹脂、聚酯樹脂、具有側(cè)位α，β-不飽和羰基的氨基塑料樹脂、環(huán)氧樹脂、丙烯酸化環(huán)氧樹脂、以及它們的組合。粘合劑和/或磨具還可以包括添加劑，如纖維、潤滑劑、濕潤劑、觸變材料、表面活性劑、顏料、染料、抗靜電劑(例如，碳黑、氧化釩、石墨等)、偶聯(lián)劑(例如，硅烷、鈦酸鹽、鋁酸鋯等)、增塑劑、懸浮劑等。選擇這些可用添加劑的用量以得到理想的性能。偶聯(lián)劑可以改善對磨粒和/或填料的粘合性。粘合劑的化學(xué)性質(zhì)可以是熱固化、輻射固化、或者兩者的組合。對粘合劑的化學(xué)性質(zhì)的其它詳細描述可在美國專利No.4,588,419(Caul等人)、No.4,751,138(Tumey等人)和No.5,436,063(Follett等人)中找到。
對玻璃質(zhì)粘合磨具、玻璃質(zhì)粘合材料的更具體的描述(它們顯示無定形結(jié)構(gòu)，并且通常是硬的)是本領(lǐng)域所熟知的。在某些情況下，玻璃質(zhì)粘合材料包括結(jié)晶相。本發(fā)明的玻璃質(zhì)粘合磨具可以呈輪子(包括切割輪)、鏜磨油石、鑲裝點的形狀或者其它常規(guī)粘合磨具的形狀。一個優(yōu)選的本發(fā)明的玻璃質(zhì)粘合磨具是研磨輪。
用來形成玻璃質(zhì)粘合材料的金屬氧化物的例子包括氧化硅、硅酸鹽、氧化鋁、蘇打、氧化鈣、氧化鉀、氧化鈦、氧化鐵、氧化鋅、氧化鋰、氧化鎂、氧化硼、硅酸鋁、硅酸硼玻璃、硅酸鋁鋰、以及它們的組合等。一般地，玻璃質(zhì)粘合材料可由包含10-100％的玻璃粉的組合物形成，雖然更一般的是該組合物包含20-80％的玻璃粉，或者30-70％的玻璃粉。該玻璃質(zhì)粘合材料的剩余部分可以是非粉末材料?；蛘撸摬Ａз|(zhì)粘合可以得自含有非玻璃料的組合物。玻璃質(zhì)粘合材料一般在約700-1500℃，通常約為800-1300℃，有時約為900-1200℃，或者甚至在約950-1100℃的溫度范圍內(nèi)固化。粘合固化的實際溫度根據(jù)，例如具體的粘合材料的化學(xué)性質(zhì)確定。
優(yōu)選的玻璃質(zhì)粘合材料可以包括包含氧化硅、氧化鋁(理想地，至少10重量％的氧化鋁)和氧化硼(理想地，至少10重量％的氧化硼)的那些材料。在大多數(shù)情況下，玻璃質(zhì)粘合材料還包含堿金屬氧化物(例如，Na2O和K2O)(在某些情況下，至少10重量％的堿金屬氧化物)。
粘合劑材料可以含有通常呈顆粒材料形式的填料或研磨助劑。一般地，顆粒材料是無機材料。本發(fā)明中使用的填料的例子包括金屬碳酸鹽(例如，碳酸鈣(例如，白堊、方解石、泥灰土、石灰華、大理石和石灰石)、碳酸鎂鈣、碳酸鈉、碳酸鎂)、氧化硅(例如，石英、玻璃珠、玻璃泡和玻璃纖維)、硅酸鹽(例如，滑石、粘土、(蒙脫石)長石、云母、硅酸鈣、偏硅酸鈣、硅酸鋁鈉、硅酸鈉)、金屬硫酸鹽(例如，硫酸鈣、硫酸鋇、硫酸鈉、硫酸鈉鋁、硫酸鋁)、石膏、蛭石、木材粉、三水合鋁、碳黑、金屬氧化物(例如，氧化鈣(石灰)、氧化鋁、二氧化鈦)、以及金屬亞硫酸鹽(例如，亞硫酸鈣)。
通常，研磨助劑的加入會增加磨具的使用壽命。研磨助劑是一種對研磨的化學(xué)和物理過程產(chǎn)生顯著影響的材料，導(dǎo)致性能的改善。雖然不想受到理論的限制，但是可以認為研磨助劑將(a)減小磨粒與被研磨的工件之間的摩擦力，(b)防止磨?！吧w帽”(即，防止金屬顆粒熔接在磨粒的頂部)，或者至少減少磨粒蓋帽的趨勢，(c)降低磨粒與工件之間的界面溫度，或者(d)減小研磨力。
研磨助劑可以是各種不同的材料，可以是無機的或有機的。研磨助劑的化學(xué)基團的例子包括蠟、有機鹵化物、鹵化物鹽、金屬及其合金。有機鹵化物一般在研磨過程中分解，釋放氫鹵酸或鹵化物氣體。這些材料的例子包括氯化的蠟，如四氯化萘、五氯化萘和聚氯乙烯。鹵化物鹽的例子包括氯化鈉、鉀冰晶石、鈉冰晶石、銨冰晶石、四氟硼酸鈉、氟化硅、氯化鉀和氯化鎂。金屬的例子包括錫、鉛、鉍、鈷、銻、鎘和鐵鈦。其它研磨助劑包括硫、有機硫化合物、石墨和金屬硫化物。使用不同研磨助劑的組合也在本發(fā)明的范圍內(nèi)，在某些情況下，這樣可以產(chǎn)生協(xié)同效果。優(yōu)選的研磨助劑是冰晶石；最優(yōu)選的研磨助劑是四氟硼酸鉀。
研磨助劑對涂布磨具和粘合磨具特別有用。在涂布磨具中，研磨助劑一般用在上膠結(jié)涂層中，該涂層施加在磨粒的表面上。但是，有時研磨助劑加入膠結(jié)涂層中。一般地，加入涂布磨具中的研磨助劑的量約為50-300g/m2(理想地，約為80-160g/m2)。在玻璃質(zhì)粘合磨具中，研磨助劑一般浸漬進磨具的孔隙中。
磨具可以含有100％的本發(fā)明的磨粒，或者這些磨粒與其它磨粒和/或稀釋顆粒的混合物。但是，所述磨具中至少約2重量％，理想的是至少約5重量％，更理想的是約30-100重量％的磨粒應(yīng)為本發(fā)明的磨粒。在某些情況下，本發(fā)明的磨?？膳c其它磨粒和/或稀釋顆粒以5-75重量％、約25-75重量％、約40-60重量％、或者約50-50重量％(即，以相等的重量)的比例混合。適宜的常規(guī)磨粒的例子包括熔凝氧化鋁(包括白色熔凝氧化鋁、熱處理氧化鋁和褐色氧化鋁)、碳化硅、碳化硼、碳化鈦、金剛石、立方氮化硼、熔凝氧化鋁-氧化鋯和得自溶膠-凝膠的磨粒等。得自溶膠-凝膠的磨粒可以是加了晶種或不加晶種的。同樣地，所述得自溶膠-凝膠的磨?？梢允腔靵y形狀的或者具有一定形狀，如桿形或三角形。溶膠-凝膠磨粒的例子包括描述在美國專利No.4,314,827(Leitheiser等人)、No.4,518,397(Leitheiser等人)、No.4,623,364(Cottringer等人)、No.4,744,802(Schwabel)、No.4,770,671(Monroe等人)、No.4,881,951(Wood等人)、No.5,011,508(Wald等人)、No.5,090,968(Pellow等人)、No.5,139,978(Wood)、No.5,201,916(Berg等人)、No.5,227,104(Bauer)、No.5,366,523(Rowenhorst等人)、No.5,429,647(Larmie)、No.5,498,269(Larmie)、No.5,551,963(Larmie)和No.5,551,963(Larmie)中的例子。有關(guān)通過使用氧化鋁粉末作為原料制備燒結(jié)的氧化鋁磨粒的其它細節(jié)可以在，例如美國專利No.5,259,147(Falz)、No.5,593,467(Monroe)和No.5,665,127(Moltgen)中找到。有關(guān)熔凝磨粒的其它細節(jié)可以在，例如美國專利No.1,161,620(Coulter)、No.1,192,709(Tone)、No.1,247,337(Saunders等人)、No.1,268,533(Allen)和No.2,424,645(Baumann等人)、No.3,891,408(Rowse等人)、No.3,781,172(Pett等人)、No.3,893,826(Quinan等人)、No.4,126,429(Watson)、No.4,457,767(Poon等人)、No.5,023,212(Dubots等人)、No.5,143,522(Gibson等人)和No.5,336,280(Dubots等人)，以及提交于2000年2月2日的美國專利申請No.09,495,978、09/496,422、09/496,638和09/496,713，提交于2000年7月19日的美國專利申請No.09/618,876、09/618,879、09/619,106、09/619,191、09/619,192、09/619,215、09/619,289、09/619,563、09/619,729、09/619,744和09/620,262，以及提交于2001年1月30日的美國專利申請No.09/772,730中找到。在某些情況下，磨粒的混合物可以導(dǎo)致磨具顯示與包含100％任一類型磨粒的磨具相比改善的研磨性能。
如果用磨粒的混合物，形成混合物的磨粒類型可以具有相同的尺寸。或者，不同類型磨?？梢跃哂胁煌某叽?。例如，較大尺寸的磨?？梢允潜景l(fā)明的磨粒，較小尺寸的磨粒可以是另一種磨粒類型。相反地，例如，較小尺寸的磨粒可以是本發(fā)明的磨粒，較大尺寸的磨粒可以是另一種磨粒類型。
適宜的稀釋顆粒的例子包括大理石、石膏、燧石、氧化硅、氧化鐵、硅酸鋁、玻璃(包括玻璃泡和玻璃珠)、氧化鋁泡、氧化鋁珠和稀釋的聚集體。本發(fā)明的磨粒也可以結(jié)合進入磨粒聚集體中或與之結(jié)合。磨粒聚集體顆粒一般包含許多磨粒、粘合劑和可用的添加劑。粘合劑可以是有機和/或無機的。磨粒聚集體可以是混亂形狀或具有一定形狀。形狀可以是塊狀、圓柱狀、棱形、錐形、正方柱形等。磨粒聚集體顆粒的粒徑一般約為100-5000μm，通常約為250-2500μm。有關(guān)磨粒聚集體顆粒的其它細節(jié)可以在，例如美國專利No.4,311,489(Kressner)、No.4,652,275(Bloecher等人)、No.4,799,939(Bloecher等人)、No.5,549,962(Holmes等人)和No.5,975,988(Christianson等人)，以及提交于2000年10月16日的美國專利申請No.09/688,444和No.09/688,484中找到。
磨?？梢跃鶆虻胤植荚谀ゾ咧谢蚣性谀ゾ叩倪x定區(qū)域或部分中。例如，在涂布磨具中，有兩層磨粒。第一層包含不是本發(fā)明磨粒的磨粒，第二層(外層)包含本發(fā)明磨粒。同樣地，在粘合磨具中，有兩個不同的砂輪截面。外部截面可以包含本發(fā)明的磨粒，而內(nèi)部截面不包含。或者，本發(fā)明的磨?？梢跃鶆虻乇椴荚谡麄€粘合磨具中。
有關(guān)涂布磨具的進一步的細節(jié)可以在，例如美國專利No.4,734,104(Broberg)、No.4,737,163(Larkey)、No.5,203,884(Buchanan等人)、No.5,152,917(Pieper等人)、No.5,378,251(Culler等人)、No.5,417,726(Stout等人)、No.5,436,063(Follett等人)、No.5,496,386(Broberg等人)、No.5,609,706(Benedict等人)、No.5,520,711(Helmin)、No.5,594,844(Law等人)、No.5,961,674(Gagliardi等人)和No.5,975,988(Christinason等人)中找到。有關(guān)粘合磨具的進一步的細節(jié)可以在，例如美國專利No.4,543,107(Rue)、No.4,741,743(Narayanan等人)、No.4,800,685(Haynes等人)、No.4,898,587(Hay等人)、No.4,997,461(Markhoff-Matheny等人)、No.5,037,453(Narayanan等人)、No.5,110,332(Narayanan等人)和No.5,863,308(Qi等人)中找到。有關(guān)玻璃質(zhì)粘合磨具的進一步的細節(jié)可以在，例如美國專利No.4,543,107(Rue)、No.4,898,597(Hay等人)、No.4,997,461(Markhoff-Matheny等人)、No.5,094,672(Giles Jr.等人)、No.5,118,326(Sheldon等人)、No.5,131,926(Sheldon等人)、No.5,203,886(Sheldon等人)、No.5,282,875(Wood等人)、No.5,738,696(Wu等人)和No.5,863,308(Qi等人)中找到。有關(guān)非織造磨具的進一步的細節(jié)可在，例如美國專利No.2,958,593(Hoover等人)中找到。
本發(fā)明提供了對表面研磨的方法，它包括將至少一種本發(fā)明的磨粒與工件的表面接觸；移動至少一種磨?；蚪佑|表面，用磨粒研磨至少一部分表面。用本發(fā)明的磨粒進行研磨的方法從打磨(即，高壓高磨削量)到拋光(即，用涂布研磨帶對醫(yī)學(xué)植入物進行拋光)，其中后者一般用較細級別(例如，小于ANSI 220及更細)的磨粒進行。磨具還可用于精密研磨用途，如用玻璃質(zhì)粘合砂輪對凸輪軸進行研磨。用于具體的研磨用途的磨粒的尺寸對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。
用本發(fā)明的磨?？梢赃M行干磨或濕磨。對濕磨而言，液體可以以輕噴霧直至完全溢流的形式引入，以形成完整的液流。普遍使用的液體的例子包括水、水溶性油、有機潤滑劑和乳液。所述液體可用來減少研磨產(chǎn)生的熱量，和/或作為潤滑劑。所述液體可以含有少量的添加劑，如殺菌劑、抗起泡劑等。
本發(fā)明的磨?？捎脕硌心スぜ玟X金屬、碳鋼、軟鋼、工具鋼、不銹鋼、硬化鋼、鈦、玻璃、陶瓷、木材、類似木材的材料、油漆、上漆的表面、有機涂布的表面等。在研磨過程中施加的力通常約為1-100kg。
本發(fā)明的優(yōu)點和實施方式將通過以下一些實施例進一步說明，但是這些實施例中所采用的具體的材料及其用量，以及其它條件和細節(jié)，不應(yīng)解釋為對本發(fā)明的不恰當(dāng)?shù)南拗啤３橇碛姓f明，所有的份和百分數(shù)是重量的。除非另有說明，所有實施例不包含大量的SiO2、B2O3、P2O5、GeO2、TeO2、As2O3和V2O5。
實施例實施例1在聚乙烯瓶中裝入132.36g氧化鋁顆粒(商品名為“APA-0.5”，得自AZ州Tucson的Condea Vista公司)、122.64g氧化鑭顆粒(得自Molycorp公司)、45g氧化鋯顆粒(標(biāo)稱組分為100重量％的ZrO2(+HfO2)，商品名為“DK-2”，得自GA州Marietta的Zirconia Sales公司)、以及150.6g蒸餾水。將約450g氧化鋁研磨介質(zhì)(直徑為10mm，99.9％的氧化鋁，得自O(shè)H州Akron的Union Process公司)加入瓶中，以120轉(zhuǎn)/分鐘(rpm)的轉(zhuǎn)速研磨混合物4小時以徹底混合所有成分。研磨之后，除去研磨介質(zhì)，將漿液傾倒在一玻璃(“PYREX”)板上，使用熱氣槍干燥。用研缽和研杵研磨干燥的混合物并用70目的篩網(wǎng)(212μm開口尺寸)過篩。
將少量干燥的顆粒在電弧爐(型號5T/A 39420，得自NH州Nashua的CentorrVacuum Industries公司)中熔化。將約1g干燥并過篩的顆粒放置在位于爐腔內(nèi)部的急冷銅板上。抽空爐腔，然后在13.8kPa(2磅/英寸(psi))的壓力下用氬氣回填。電弧在電極與銅板之間放電。電弧放電所產(chǎn)生的溫度高得足以快速熔化經(jīng)干燥并過篩的顆粒。熔化完成后，將材料保持在熔凝狀態(tài)約10秒鐘使熔體均勻。通過關(guān)閉電弧以及讓熔體自由冷卻，使所得的熔體快速冷卻?？焖倮鋮s是因為使用的試樣較少，用水冷卻的銅板的巨大的散熱能力來確保。在電弧爐的電源關(guān)閉之后，于1分鐘內(nèi)從爐中取出熔凝材料。雖然不想受到理論的限制，估計在水冷卻的銅板表面上熔體的冷卻速率超過100℃/秒。熔凝材料是透明的玻璃珠(測得玻璃珠的最大直徑為2.8mm)圖1是實施例1的玻璃珠的X射線衍射圖案。寬的擴散峰表示該材料的無定形性質(zhì)。
比較例A除了在聚乙烯瓶中裝入229.5g氧化鋁顆粒(商品名為“APA-0.5”)、40.5g氧化鑭顆粒(得自Molycorp公司)、30g氧化鋯顆粒(“DK-2”)、0.6g分散劑(“DURAMAXD-30005”)、以及150.6g蒸餾水之外，按實施例1所述制備比較例A的熔凝材料。
圖2是比較例A的熔凝材料的拋光截面(按實施例所述制備)掃描電子顯微照片。該顯微照片顯示了一個包含許多群集的共晶結(jié)晶的顯微結(jié)構(gòu)。群集的尺寸約為5-20μm。根據(jù)一部分比較例A材料的粉末X射線衍射，以及以背散射模式使用SEM對拋光試樣的觀察，可以認為顯微照片中的陰暗部分為結(jié)晶Al2O3，灰色部分為結(jié)晶LaAl11O18，白色部分為單斜ZrO2的結(jié)晶。
實施例2除了在聚乙烯瓶中裝入109g氧化鋁顆粒(商品名為“APA-0.5”)、101g氧化鑭顆粒(得自Molycorp公司)、9g氧化釔顆粒(得自MA州Newton的H.C.Starck公司)81g氧化鋯顆粒(“DK-2”)、0.6g分散劑(“DURAMAXD-30005”)、以及145g蒸餾水之外，按實施例1所述制備實施例2的熔凝材料。所得的熔凝材料是透明的青玻璃。
將若干實施例2的玻璃球放置在一爐子中，兩個Al2O3平板之間。使用總負載重量300g的重物施加在上面的板上。在空氣中于930℃加熱玻璃球1.5小時。經(jīng)熱處理后玻璃球變形，其兩個面上生成了巨大的平坦部分，表明玻璃球在受熱過程中發(fā)生了粘性流動。參看圖3，右邊是電弧熔制的樣品球，左邊是該樣品球經(jīng)受壓熱處理變形后的球。
實施例3除了在聚乙烯瓶中裝入20.49g氧化鋁顆粒(商品名為“APA-0.5”)、20.45g氧化鑭顆粒(得自Molycorp公司)、9.06g氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯顆粒(標(biāo)稱組分為94.6重量％的ZrO2(+HfO2)和5.4重量％的Y2O3，商品名為“HSY-3”，得自GA州Marietta的Zirconia Sales公司)、以及80g蒸餾水之外，按實施例1所述制備實施例3的熔凝材料。所得的熔凝材料是透明玻璃。
實施例4除了在聚乙烯瓶中裝入21.46g氧化鋁顆粒(商品名為“APA-0.5”)、21.03g氧化鈰(IV)(CeO2)顆粒(得自WI州Milwaukee的Aldrich化學(xué)品公司)、7.5g氧化鋯顆粒(“DK-2”)、以及145g蒸餾水之外，按實施例1所述制備實施例4的熔凝材料。所得的熔凝材料是暗褐色半透明的。
實施例5除了在聚乙烯瓶中裝入20.4g氧化鋁顆粒(商品名為“APA-0.5”)、22.1g氧化釔顆粒(得自WI州Milwaukee的Aldrich化學(xué)品公司)、7.5g氧化鋯顆粒(“DK-2”)、以及24.16g蒸餾水之外，按實施例1所述制備實施例5的熔凝材料。所得的熔凝材料是透明的。
實施例6除了用襯里為聚氨酯的磨代替聚乙烯瓶，并向其中裝入819.6g氧化鋁顆粒(“APA-0.5”)、818g氧化鑭顆粒(得自Molycorp公司)、362.4g氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯顆粒(標(biāo)稱組分為94.6重量％的ZrO2(+HfO2)和5.4重量％的Y2O3，商品名為“HSY-3”，得自GA州Marietta的Zirconia Sales公司)、1050g蒸餾水、以及約2000g氧化鋯研磨介質(zhì)(商品名為“YTZ”，得自NJ州Bound Brook區(qū)的Tosoh陶瓷公司)之外，按實施例1所述制備實施例6的材料。
在研磨和過篩之后，將一些顆粒輸入氫/氧火炬焰中。用來熔化顆粒生成的熔凝的玻璃珠的火炬是Bethlehem臺式燃燒器PM2D之型號B，得自PA州Hellertown的Bethlehem設(shè)備公司，以下列速率通入氫和氧。對內(nèi)環(huán)而言，氫氣的流量為8標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘(SLPM)，氧氣的流量為3SLPM。對外環(huán)而言，氫氣的流量為23SLPM，氧氣的流量為9.8SLPM。將干燥并過篩的顆粒直接放入火炬焰中熔化，并讓其輸送到傾斜的不銹鋼表面(約51cm(20英寸)寬，傾斜角為45°)，用冷水澆該表面(約8升/分鐘)以形成玻璃珠。
將約50g玻璃珠放置在石墨模中，用單軸壓機(商品名為“HP-50”，得自CA州Brea的熱技術(shù)公司)進行熱壓。熱壓在960℃、于氬氣氛和13.8MPa(2000磅/平方英寸(2ksi))的壓力下進行。熱壓得到的半透明圓盤直徑約48mm，厚約5mm。另外進行一些熱壓以試驗制得另外一些圓盤。圖4是熱壓材料的截取棒(2mm厚)的光學(xué)顯微照片，證明了其透明性。
使用阿基米德法測定所得的熱壓玻璃材料的密度，約為4.1-4.4g/cm3。使用超聲波測試系統(tǒng)(商品名為“NDT-140”，得自WA州Richland的Nortek公司)測定所得的熱壓玻璃材料的楊式模量(E)，約為130-150Gpa。
所得的熱壓材料的平均顯微硬度測定結(jié)果如下。熱壓材料塊(尺寸約為2-5mm)鑲裝在鑲裝樹脂(商品名為“EPOMET”，得自IL州Lake Bluff的Buehler有限公司)中。所得的樹脂圓塊的直徑約為2.5cm(1英寸)，高約1.9cm(0.75英寸)。使用常規(guī)的研磨機/拋光機(商品名為“EPOMET”，得自Buehler有限公司)和常規(guī)的金剛石漿液(使用1μm的金剛石漿液(商品名為“METADI”，得自Buehler有限公司)進行最后的拋光步驟)對鑲裝的試樣進行拋光，以得到試樣的拋光截面。
用配置了使用500g壓頭負重的維氏壓頭的常規(guī)顯微硬度測試儀(商品名為“MITUTOYO MVK-VL”，得自日本東京Mitutoyo公司)測定顯微硬度。顯微硬度的測定根據(jù)ASTM測試方法E384(材料的顯微硬度的測試方法)(1991)規(guī)定的規(guī)則進行。顯微硬度值為20次測定結(jié)果的平均值。所述熱壓材料的平均顯微硬度約為8.3Gpa。
熱壓材料的平均壓痕韌度通過使用顯微硬度測試儀(商品名為“MITUTOYOMVK-VL”，得自日本東京Mitutoyo公司)測定延伸自維氏壓痕的頂點的由500g負重導(dǎo)致的裂縫的長度來計算。壓痕韌度(KIC)根據(jù)以下方程式來計算KIC＝0.016(E/H)1/2(P/c)3/2式中E＝材料的楊式模量；H＝維氏硬度；P＝作用于壓頭的力(牛頓)；c＝從壓痕的中心到其末端的裂縫長度。
如同進行顯微硬度測試一樣，按上述方法制備韌度試樣。報道的壓痕韌度值為5次測定的平均值。裂縫(c)用數(shù)字測量儀測定，并使用掃描電子顯微鏡(“JEOLSEM”(型號JSM 6400))拍攝顯微照片。熱壓材料的平均壓痕韌度為1.4MPa·m1/2。
使用熱分析儀(商品名“PERKIN ELMER熱分析儀”，得自CT州Shelton的Perkin Elmer公司)測定熱壓材料的熱膨脹系數(shù)。平均熱膨脹系數(shù)為7.6×10-6/℃。
根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)“D 5470-95，測試方法A”(1995)測定熱壓材料的導(dǎo)熱系數(shù)。平均導(dǎo)熱系數(shù)為1.15W/m*K。
按如下方法在爐子(電子加熱爐(商品名為“型號KKSK-666-3100”，得自CA州Pico Rivera的Keith Furnaces公司))中對熱壓的La2O3-Al2O3-ZrO2玻璃的半透明圓盤進行熱處理。首先，以約10℃/min的速率將圓盤從室溫(約25℃)加熱至約900℃，并保持在900℃約1小時。接著，在切斷爐子電源冷卻回室溫前，以約10℃/min的速率將圓盤從約900℃加熱至約1300℃，并保持在1300℃約1小時。用同樣的熱處理程序另外進行處理，以制得另外的圓盤。
圖5是實施例6的經(jīng)熱處理的材料的拋光截面的掃描電子顯微鏡(SEM)照片，顯示了材料的細晶粒特性。該拋光截面是使用常規(guī)的鑲裝和拋光工藝制備的。使用一種拋光器(商品名“ECOMET 3型拋光器-研磨器”，得自IL州Lake Bluff的Buehler公司)進行拋光。使用金剛石砂輪拋光試樣約3分鐘，然后用45、30、15、9和3μm的金剛石漿液各拋光3分鐘。用一薄層金-鈀層涂覆該拋光試樣，并使用JEOL SEM(型號JSM 840A)進行觀察。
根據(jù)一部分實施例6的熱處理材料的粉末X射線衍射，以及以背散射模式使用SEM對拋光試樣的觀察，可以認為顯微照片中的陰暗部分為結(jié)晶LaAl11O18，灰色部分為結(jié)晶LaAlO3，白色部分為結(jié)晶立方/四方ZrO2。
使用阿基米德法測定熱處理材料的密度，約為5.18g/cm3。使用超聲波測試系統(tǒng)(商品名為“NDT-140”，得自WA州Richland的Nortek公司)測定熱處理材料的楊式模量(E)，約為260Gpa。按上述測定實施例6的玻璃珠的方法測定熱處理材料的平均顯微硬度，為18.3Gpa。按上述測定實施例6的熱壓材料的方法測定熱處理材料的平均斷裂韌度(Kic)，為3.3MPa*m1/2。
實施例7-40按實施例6所述制備實施例7-40的玻璃珠，不同的是使用下表1中列出的原材料及其含量，并且以120rpm在90ml異丙醇和200g氧化鋯磨介(商品名為“YTZ”，得自NJ州Bound Brook區(qū)的Tosoh陶瓷公司)研磨原材料24小時。使用的原材料的來源列于下表2中。
表1



表2

按以下方法測定一些實施例6-40材料的各種性能/特征。使用粉末X射線衍射(使用X射線衍射計(商品名為“PHILLIPS XRG 3100”，得自NJ州Mahwah的PHILLIPS公司)和銅K(1輻射/1.54050埃))定性地測定實施例材料中出現(xiàn)的相態(tài)。寬的擴散的強度峰的出現(xiàn)表示材料的玻璃特性。寬的峰和清晰的峰的共存表示玻璃基質(zhì)中存在結(jié)晶物質(zhì)。下表3列出了各個實施例中測得的相態(tài)。
表3

*玻璃，因為該實施例的樣品具有Tg
對差熱分析(DTA)而言，將材料進行過篩以保留尺寸為90-125μm的玻璃珠。運行DTA(使用商品名為“NETZSCH STA 409 DTA/TGA”，得自德國Selb的Netzsch儀器公司的儀器)。放置在一個100μl Al2O3試樣容器中的各個過篩試樣的量為400mg。在靜止的空氣中以10℃/分鐘的速率將各個試樣從室溫(約25℃)加熱至1200℃。
參看圖6，曲線801是實施例6材料的DTA數(shù)據(jù)圖。參看圖6中的曲線801，該材料在約840℃的溫度時顯示出吸熱現(xiàn)象，如曲線801中的向下彎曲所證明的?？梢哉J為這種現(xiàn)象是由該材料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)所產(chǎn)生的。在約934℃時，觀察到放熱現(xiàn)象，如曲線801中的尖峰所證明的。可以認為這種現(xiàn)象是由該材料的結(jié)晶溫度(Tx)所產(chǎn)生的。上表3中列出了其它實施例的Tg和Tx值。
各實施例中產(chǎn)生顯著的玻璃流動的熱壓溫度，如上述熱壓設(shè)備的位移控制單元所表示的，列在上表3中。
實施例41除了在聚乙烯瓶中裝入20.49g氧化鋁顆粒(“APA-0.5”)、20.45g氧化鑭顆粒(得自Molycorp公司)、9.06g氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯顆粒(標(biāo)稱組分為94.6重量％的ZrO2(+HfO2)和5.4重量％的Y2O3，商品名為“HSY-3”，得自GA州Marietta的Zirconia Sales公司)、以及80g蒸餾水之外，按實施例5所述制備實施例41的熔凝材料。
將所得的無定形玻璃珠以及約200g 2mm的氧化鋯研磨介質(zhì)(商品名為“YTZ”，得自NJ州Bound Brook區(qū)的Tosoh陶瓷公司)放置在聚乙烯瓶中。向瓶中加入300g蒸餾水，以120rpm研磨混合物24小時以將玻璃珠磨成粉末。使用熱氣槍干燥研磨的材料。按實施例6中所述，將15g干燥的顆粒放置在石墨模中，在960℃熱壓。所得的圓盤是半透明的。
實施例42按實施例5所述制備實施例42的熔凝無定形玻璃珠。除了石墨模的下模沖有2mm深的一些凹槽以外，按實施例5所述熱壓約15g玻璃珠。所得的材料復(fù)制了那些凹槽，表明在加熱過程中，在施加壓力作用下玻璃具有良好的流動性。
比較例B除了在聚乙烯瓶中裝入27g氧化鋁顆粒(“APA-0.5”)、23g氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯顆粒(標(biāo)稱組分為94.6重量％的ZrO2(+HfO2)和5.4重量％的Y2O3，商品名為“HSY-3”，得自GA州Marietta的Zirconia Sales公司)、以及80g蒸餾水之外，按實施例5所述制備比較例B的熔凝材料。本例中的組合物對應(yīng)于Al2O3-ZrO2二元體系中的共晶組合物。所得的100-150μm直徑的球是部分無定形的，具有相當(dāng)多的結(jié)晶部分，如X射線衍射分析所證明的。
實施例43將按實施例6中所述制備的無定形玻璃珠試樣(31.25g)和按比較例B中所述制備的18.75g玻璃珠放置在聚乙烯瓶中。在向瓶中加入80g蒸餾水和300g氧化鋯研磨介質(zhì)(商品名為“YTZ”，得自NJ州Bound Brook區(qū)的Tosoh陶瓷公司)之后，以120rpm對混合物研磨24小時。使用熱氣槍干燥研磨的材料。按實施例6中所述熱壓20g干燥的顆粒。圖7示出了實施例43材料拋光截面(按實施例6中所述制備)的SEM顯微照片。比較例B材料(陰暗區(qū)域)和實施例6材料(光亮區(qū)域)之間界面上出現(xiàn)的裂縫表明具有良好的粘結(jié)性。
實施例44-48除了使用各種添加劑(見下表4)代替比較例B的玻璃珠以外，按實施例43中所述(包括熱壓)制備實施例44-48的材料。下表5中列出了原材料的來源。
表4

表5

觀察到實施例44-48中得到的熱壓材料是強復(fù)合材料，如目測和處理所知的。圖8是實施例47材料的拋光截面的SEM顯微照片，證明金剛石和玻璃之間很好的粘合。
實施例49-53在空氣中熱處理15g實施例6玻璃珠的批料(溫度為1000-1300℃)60分鐘，制備實施例49-53的材料。在電爐中進行熱處理(商品名為“型號KKSK-666-3100”，得自CA州Pico Rivera的Keith Furnaces公司)。按實施例6-40中所述，使用粉末X射線衍射分析所得的熱處理材料。結(jié)果示于下表6。
按實施例6中所述測定實施例49-53的玻璃珠(尺寸約為125μm)的平均顯微硬度。
表6

實施例6和6A以及比較例C-E材料的研磨性能使用“Chipmunk”顎式粉碎機(類型VD，由CA州Burbank的BICO公司生產(chǎn))將實施例6的熱壓材料粉碎成為磨粒，并且分級以保留-25+30粒度級分(即，25μm和30um開口尺寸的篩之間收集的級分)和-30+35粒度級分(即，30μm和35um開口尺寸的兩個篩之間收集的級分)(美國標(biāo)準(zhǔn)試驗篩)。這兩個粒度級分結(jié)合起來提供一個50/50的混合物。按實施例6中所述熱處理該混合材料。將30g所得的玻璃陶瓷磨粒制成一個涂布研磨圓盤。該涂布研磨圓盤根據(jù)常規(guī)的工序制造。使用常規(guī)的充有碳酸鈣的酚醛樹脂(48％可溶性酚醛樹脂，52％碳酸鈣，用水和乙二醇醚稀釋為81％的固體)的初始接合涂層和常規(guī)的充有冰晶石的酚醛樹脂(32％可溶性酚醛樹脂，2％氧化鐵，66％冰晶石，用水和乙二醇醚稀釋為78％的固體)的膠結(jié)涂層，將玻璃陶瓷磨粒粘結(jié)在直徑為17.8cm、厚0.8mm的硫化纖維背襯上。潮濕樹脂初始接合涂層的重量約為185g/m2。在施加了初始接合涂層后，立即對玻璃陶瓷磨粒進行靜電涂布。在88℃預(yù)固化初始接合涂層樹脂120分鐘。然后，將充有冰晶石的酚醛樹脂涂布在初始接合涂層樹脂和磨粒上成為膠結(jié)涂層。潮濕膠結(jié)涂層的重量約為850g/m2。在99℃固化膠結(jié)涂層樹脂12小時。在試驗前對此涂布研磨圓盤進行彎曲。
按實施例6中所述制備實施例6A的涂布研磨圓盤，不同的是通過粉碎熱壓和熱處理的實施例6材料，而不是先粉碎后熱處理，得到實施例6A的磨粒。
除了使用熱處理的熔凝氧化鋁磨粒(商品名為“ALODUR BFRPL”，得自澳大利亞Villach的Triebacher公司)代替實施例的玻璃陶瓷磨粒以外，按實施例6中所述制備比較例C的涂布研磨圓盤。
除了使用氧化鋁-氧化鋯磨粒(具有53％Al2O3和47％ZrO2的共晶組成，商品名為“NORZON”，得自MA州Worcester的Norton公司)代替實施例的玻璃陶瓷磨粒以外，按實施例6中所述制備比較例D的涂布研磨圓盤。
除了用得自溶膠-凝膠的磨粒(商品名為“321 CUBITRON”，得自MN州St.Paul的3M公司)代替實施例6的玻璃陶瓷磨粒以外，按上述方法制備比較例E的涂布研磨圓盤。
按如下方法測定實施例6和比較例C-E的涂布的研磨圓盤的研磨性能。將各個涂布的研磨圓盤安裝在有斜面的鋁支撐墊上，用來研磨預(yù)稱重的1.25cm×18cm×10cm的1018軟鋼工件的表面。以5000rpm驅(qū)動圓盤，同時覆蓋支撐墊的有斜面的邊緣圓盤部分以8.6kg的負重與工件接觸。各個圓盤依次(間隔1分鐘)研磨一個工件?？偰ハ髁渴窃谠囼炿A段從工件上除去的材料量之和。下表6中列出了研磨了12分鐘后各個試樣的總磨削量以及第12分鐘時的磨削量(即，最終一次磨削量)。實施例6的結(jié)果是兩個圓盤的平均值，而每個圓盤都用于實施例6A和比較例C-E中的試驗。
表6

不偏離本發(fā)明的范圍和精神對本發(fā)明進行各種修改和改變對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的，應(yīng)當(dāng)明白，本發(fā)明不應(yīng)不恰當(dāng)?shù)叵薅ㄓ诒疚闹辛谐龅恼f明性的實施例。
權(quán)利要求
1.一種玻璃，它包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃總重量的85重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種。
2.如權(quán)利要求1所述的玻璃，其特征在于它集合地包含至少占所述玻璃總重量的80重量％的Al2O3、REO和ZrO2。
3.一種陶瓷，它包含權(quán)利要求1所述的玻璃。
4.一種生產(chǎn)包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃的方法，其特征在于至少占所述玻璃總重量的85重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，所述方法包括至少熔制Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，得到熔體；冷卻所述熔體，得到玻璃。
5.一種生產(chǎn)包含玻璃的陶瓷的方法，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃總重量的85重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，所述方法包括至少熔制Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，得到熔體；冷卻所述熔體，得到陶瓷。
6.一種生產(chǎn)包含玻璃的制品的方法，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃總重量的85重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，所述方法包括至少熔制Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，得到熔體；冷卻所述熔體，得到包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃珠，其中，至少占所述玻璃總重量的85重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，所述玻璃具有Tg；在高于Tg的溫度加熱所述玻璃珠，所述玻璃珠聚結(jié)成一形體；冷卻所述聚結(jié)成的形體，得到制品。
7.一種生產(chǎn)包含玻璃的制品的方法，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于15重量％的SiO2和小于15重量％的B2O3，所述方法包括至少熔制Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，得到熔體；冷卻所述熔體，得到包含含有Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃的玻璃珠，其中，至少占所述玻璃總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于15重量％的SiO2和小于15重量％的B2O3，所述玻璃具有Tg；在高于Tg的溫度加熱所述玻璃珠，所述玻璃珠聚結(jié)成一形體；冷卻所述聚結(jié)成的形體，得到制品。
8.一種生產(chǎn)包含玻璃的制品的方法，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于30重量％的SiO2、B2O3和P2O5，所述方法包括至少熔制Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，得到熔體；冷卻所述熔體，得到包含含有Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃的玻璃珠，其中，至少占所述玻璃總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于30重量％的SiO2、B2O3和P2O5，所述玻璃具有Tg；在高于Tg的溫度加熱所述玻璃珠，所述玻璃珠聚結(jié)成一形體；冷卻所述聚結(jié)成的形體，得到制品。
9.一種生產(chǎn)包含玻璃的制品的方法，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃總重量的85重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，所述方法包括至少熔制Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，得到熔體；冷卻所述熔體，得到包含含有Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃的玻璃珠，其中，至少占所述玻璃總重量的85重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，所述玻璃具有Tg；將玻璃珠轉(zhuǎn)化為玻璃粉末；在高于Tg的溫度加熱所述玻璃粉末，所述玻璃粉末聚結(jié)成一形體；冷卻所述聚結(jié)成的形體，得到制品。
10.一種生產(chǎn)包含玻璃的制品的方法，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于15重量％的SiO2和小于15重量％的B2O3，所述方法包括至少熔制Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，得到熔體；冷卻所述熔體，得到包含含有Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃的玻璃珠，其中，至少占所述玻璃總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于15重量％的SiO2和小于15重量％的B2O3，所述玻璃具有Tg；將玻璃珠轉(zhuǎn)化為玻璃粉末；在高于Tg的溫度加熱所述玻璃粉末，所述玻璃粉末聚結(jié)成一形體；冷卻所述聚結(jié)成的形體，得到制品。
11.一種生產(chǎn)包含玻璃的制品的方法，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于30重量％的SiO2、B2O3和P2O5，所述方法包括至少熔制Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，得到熔體；冷卻所述熔體，得到包含含有Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃的玻璃珠，其中，至少占所述玻璃總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于30重量％的SiO2、B2O3和P2O5，所述玻璃具有Tg；將玻璃珠轉(zhuǎn)化為玻璃粉末；在高于Tg的溫度加熱所述玻璃粉末，所述玻璃粉末聚結(jié)成一形體；冷卻所述聚結(jié)成的形體，得到制品。
12.一種陶瓷，它包含至少75體積％的玻璃，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃總重量的85重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種。
13.如權(quán)利要求12所述的陶瓷，其特征在于所述玻璃集合地包含至少占所述玻璃總重量的85重量％的Al2O3、REO和ZrO2。
14.一種玻璃陶瓷，它包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占總重量的85重量％的玻璃陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種。
15.如權(quán)利要求14所述的玻璃陶瓷，其特征在于它集合地包含至少占總重量的85重量％的Al2O3、REO和ZrO2。
16.一種玻璃陶瓷，它包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占總重量的70重量％的玻璃陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于15重量％的SiO2和小于15重量％的B2O3。
17.如權(quán)利要求16所述的玻璃陶瓷，其特征在于它集合地包含至少占總重量的70重量％的Al2O3、REO和ZrO2。
18.一種玻璃陶瓷，它包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占總重量的70重量％的玻璃陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于30重量％的SiO2、B2O3和P2O5。
19.如權(quán)利要求18所述的玻璃陶瓷，其特征在于它集合地包含至少占總重量的70重量％的Al2O3、REO和ZrO2。
20.一種玻璃陶瓷，它包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于所述陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，該顯微結(jié)構(gòu)包含平均晶粒尺寸小于1μm的晶粒，(b)沒有共熔體顯微結(jié)構(gòu)特征。
21.如權(quán)利要求20所述的玻璃陶瓷，其特征在于它包含Al2O3、REO和ZrO2。
22.一種生產(chǎn)包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃陶瓷的方法，其特征在于至少占總重量的85重量％的玻璃陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，所述方法包括熱處理包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃，其中，至少占所述玻璃總重量的85重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，得到玻璃陶瓷。
23.一種生產(chǎn)包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃陶瓷的方法，其特征在于至少占總重量的85重量％的玻璃陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，所述方法包括熱處理包含玻璃的陶瓷，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其中，至少占所述玻璃總重量的85重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，得到玻璃陶瓷。
24.一種生產(chǎn)包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃陶瓷的方法，其特征在于至少占總重量的70重量％的玻璃陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于15重量％的SiO2和小于15重量％的B2O3，所述方法包括熱處理包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃，其中，至少占所述玻璃總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于15重量％的SiO2和小于15重量％的B2O3，得到玻璃陶瓷。
25.一種生產(chǎn)包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃陶瓷的方法，其特征在于至少占總重量的70重量％的玻璃陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于15重量％的SiO2和小于15重量％的B2O3，所述方法包括熱處理包含玻璃的陶瓷，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其中，至少占所述玻璃總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于15重量％的SiO2和小于15重量％的B2O3，得到玻璃陶瓷。
26.一種生產(chǎn)包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃陶瓷的方法，其特征在于至少占總重量的70重量％的玻璃陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于30重量％的SiO2、B2O3和P2O5，所述方法包括熱處理包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃，其中，至少占所述玻璃總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于30重量％的SiO2、B2O3和P2O5，得到玻璃陶瓷。
27.一種生產(chǎn)包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃陶瓷的方法，其特征在于至少占總重量的70重量％的玻璃陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于30重量％的SiO2、B2O3和P2O5，所述方法包括熱處理包含玻璃的陶瓷，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其中，至少占所述玻璃總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于30重量％的SiO2、B2O3和P2O5，得到玻璃陶瓷。
28.一種生產(chǎn)包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃陶瓷的方法，所述方法包括熱處理包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃，得到玻璃陶瓷，其中，所述玻璃陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，該顯微結(jié)構(gòu)包含平均晶粒尺寸小于1μm的晶粒，(b)沒有共熔體顯微結(jié)構(gòu)特征。
29.一種生產(chǎn)包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃陶瓷的方法，所述方法包括熱處理包含玻璃的陶瓷，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，得到玻璃陶瓷，其中，所述玻璃陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，該顯微結(jié)構(gòu)包含平均晶粒尺寸小于1μm的晶粒，(b)沒有共熔體顯微結(jié)構(gòu)特征。
30.一種生產(chǎn)玻璃陶瓷制品的方法，它包括將玻璃轉(zhuǎn)化為玻璃粉末，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃總重量的85重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，所述玻璃具有Tg；在高于Tg的溫度加熱所述玻璃粉末，所述玻璃粉末聚結(jié)成一形體；冷卻所述聚結(jié)成的形體，得到玻璃制品；熱處理所述玻璃制品，得到玻璃陶瓷制品。
31.一種生產(chǎn)玻璃陶瓷制品的方法，它包括將玻璃轉(zhuǎn)化為玻璃粉末，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于15重量％的SiO2和小于15重量％的B2O3，所述玻璃具有Tg；在高于Tg的溫度加熱所述玻璃粉末，所述玻璃珠粉末聚結(jié)成一形體；冷卻所述聚結(jié)成的形體，得到玻璃制品；熱處理所述玻璃制品，得到玻璃陶瓷制品。
32.一種生產(chǎn)玻璃陶瓷制品的方法，它包括將玻璃轉(zhuǎn)化為玻璃粉末，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于30重量％的SiO2、B2O3和P2O5，所述玻璃具有Tg；在高于Tg的溫度加熱所述玻璃粉末，所述玻璃珠粉末聚結(jié)成一形體；冷卻所述聚結(jié)成的形體，得到玻璃制品；熱處理所述玻璃制品，得到玻璃陶瓷制品。
33.一種玻璃陶瓷，它包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于所述玻璃陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，該顯微結(jié)構(gòu)包含平均晶粒尺寸小于200nm的晶粒，(b)密度至少為理論密度的90％。
34.一種玻璃陶瓷，它包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于所述玻璃陶瓷(a)顯示一種包含晶粒的顯微結(jié)構(gòu)，其中沒有尺寸大于200nm的晶粒，(b)密度至少為理論密度的90％。
35.一種玻璃陶瓷，它包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于所述玻璃陶瓷(a)顯示一種包含晶粒的顯微結(jié)構(gòu)，其中至少部分晶粒的尺寸不大于150nm，(b)密度至少為理論密度的90％。
36.一種陶瓷，它包含至少75體積％的結(jié)晶陶瓷，所述結(jié)晶陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于所述陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，該顯微結(jié)構(gòu)包含平均晶粒尺寸小于200nm的晶粒，(b)密度至少為理論密度的90％。
37.一種陶瓷，它包含至少75體積％的結(jié)晶陶瓷，所述結(jié)晶陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于所述陶瓷(a)顯示一種包含晶粒的顯微結(jié)構(gòu)，其中沒有尺寸大于200nm的晶粒，(b)密度至少為理論密度的90％。
38.一種陶瓷，它包含至少75體積％的結(jié)晶陶瓷，所述結(jié)晶陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于所述陶瓷(a)顯示一種包含晶粒的顯微結(jié)構(gòu)，其中至少部分晶粒的尺寸不大于150nm，(b)密度至少為理論密度的90％。
39.一種陶瓷，它包含至少75體積％的結(jié)晶陶瓷，所述結(jié)晶陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于所述陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，該顯微結(jié)構(gòu)包含平均晶粒尺寸不大于200nm的晶粒，(b)密度至少為理論密度的90％。
40.如權(quán)利要求39所述的陶瓷，其特征在于所述結(jié)晶陶瓷集合地包含Al2O3、REO和ZrO2，以所述結(jié)晶陶瓷的總重量計。
41.一種包含玻璃陶瓷的磨粒，所述玻璃陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占總重量的85重量％的玻璃陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種。
42.一種包含玻璃陶瓷的磨粒，所述玻璃陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占總重量的70重量％的玻璃陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于15重量％的SiO2和小于15重量％的B2O3。
43.一種包含玻璃陶瓷的磨粒，所述玻璃陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占總重量的70重量％的玻璃陶瓷集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于30重量％的SiO2、B2O3和P2O5。
44.一種生產(chǎn)磨粒的方法，它包括熱處理玻璃顆粒以得到玻璃陶瓷磨粒，所述玻璃顆粒包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃顆?？傊亓康?5重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種。
45.一種生產(chǎn)磨粒的方法，它包括熱處理包含玻璃的顆粒以得到玻璃陶瓷磨粒，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃總重量的85重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種。
46.一種生產(chǎn)磨粒的方法，它包括熱處理包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃，得到玻璃陶瓷，其特征在于至少占所述玻璃總重量的85重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種；將所述玻璃陶瓷轉(zhuǎn)化為磨粒。
47.一種生產(chǎn)磨粒的方法，它包括熱處理包含玻璃的陶瓷以得到玻璃陶瓷，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃總重量的85重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種；將所述玻璃陶瓷轉(zhuǎn)化為磨粒。
48.一種生產(chǎn)磨粒的方法，它包括熱處理玻璃顆粒以得到玻璃陶瓷磨粒，所述玻璃顆粒包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃顆粒總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于15重量％的SiO2和小于15重量％的B2O3。
49.一種生產(chǎn)磨粒的方法，它包括熱處理包含玻璃的顆粒以得到玻璃陶瓷磨粒，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃顆?？傊亓康?0重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于15重量％的SiO2和小于15重量％的B2O3。
50.一種生產(chǎn)磨粒的方法，它包括熱處理包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃，得到玻璃陶瓷，其特征在于至少占所述玻璃總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于15重量％的SiO2和小于15重量％的B2O3；將所述玻璃陶瓷轉(zhuǎn)化為磨粒。
51.一種生產(chǎn)磨粒的方法，它包括熱處理包含玻璃的陶瓷以得到玻璃陶瓷，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于15重量％的SiO2和小于15重量％的B2O3；將所述玻璃陶瓷轉(zhuǎn)化為磨粒。
52.一種生產(chǎn)磨粒的方法，它包括熱處理玻璃顆粒以得到玻璃陶瓷磨粒，所述玻璃顆粒包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃顆粒總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于30重量％的SiO2、B2O3和P2O5。
53.一種生產(chǎn)磨粒的方法，它包括熱處理包含玻璃的顆粒以得到玻璃陶瓷磨粒，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃顆粒總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于30重量％的SiO2、B2O3和P2O5。
54.一種生產(chǎn)磨粒的方法，它包括熱處理包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃，得到玻璃陶瓷，其特征在于至少占所述玻璃總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于30重量％的SiO2、B2O3和P2O5；將所述玻璃陶瓷轉(zhuǎn)化為磨粒。
55.一種生產(chǎn)磨粒的方法，它包括熱處理包含玻璃的陶瓷以得到玻璃陶瓷，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于至少占所述玻璃總重量的70重量％的玻璃集合地包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，以及小于30重量％的SiO2、B2O3和P2O5；將所述玻璃陶瓷轉(zhuǎn)化為磨粒。
56.一種生產(chǎn)磨粒的方法，它包括熱處理包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃顆粒，得到玻璃陶瓷磨粒，其特征在于所述玻璃陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，該顯微結(jié)構(gòu)包含平均晶粒尺寸小于1μm的晶粒，(b)沒有共熔體顯微結(jié)構(gòu)特征。
57.一種生產(chǎn)磨粒的方法，它包括熱處理包含玻璃的顆粒以得到玻璃陶瓷磨粒，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于所述玻璃陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，該顯微結(jié)構(gòu)包含平均晶粒尺寸小于1μm的晶粒，(b)沒有共熔體顯微結(jié)構(gòu)特征。
58.一種生產(chǎn)磨粒的方法，它包括熱處理包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種的玻璃，得到玻璃陶瓷，其特征在于所述玻璃陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，該顯微結(jié)構(gòu)包含平均晶粒尺寸小于1μm的晶粒，(b)沒有共熔體顯微結(jié)構(gòu)特征；將所述玻璃陶瓷轉(zhuǎn)化為磨粒。
59.一種生產(chǎn)磨粒的方法，它包括熱處理包含玻璃的陶瓷以得到玻璃陶瓷，所述玻璃包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于所述玻璃陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，該顯微結(jié)構(gòu)包含平均晶粒尺寸小于1μm的晶粒，(b)沒有共熔體顯微結(jié)構(gòu)特征；將所述玻璃陶瓷轉(zhuǎn)化為磨粒。
60.一種包含玻璃陶瓷的磨粒，所述玻璃陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于所述玻璃陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，該顯微結(jié)構(gòu)包含平均晶粒尺寸小于200nm的晶粒，(b)密度至少為理論密度的90％。
61.如權(quán)利要求60所述的磨粒，其特征在于它包含至少占所述磨?？傮w積的90體積％的陶瓷。
62.一種包含玻璃陶瓷的磨粒，所述玻璃陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于所述玻璃陶瓷(a)顯示一種包含晶粒的顯微結(jié)構(gòu)，其中沒有尺寸大于200nm的晶粒(b)密度至少為理論密度的90％。
63.如權(quán)利要求62所述的磨粒，其特征在于它包含至少占所述磨?？傮w積的90體積％的陶瓷。
64.一種包含玻璃陶瓷的磨粒，所述玻璃陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于所述玻璃陶瓷(a)顯示一種包含晶粒的顯微結(jié)構(gòu)，其中至少部分晶粒的尺寸不大于150nm，(b)密度至少為理論密度的90％。
65.如權(quán)利要求64所述的磨粒，其特征在于它包含至少占所述磨?？傮w積的90體積％的陶瓷。
66.一種包含陶瓷的磨粒，所述陶瓷包含至少75體積％的結(jié)晶陶瓷，所述結(jié)晶陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于所述陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，該顯微結(jié)構(gòu)包含平均晶粒尺寸小于200nm的晶粒，(b)密度至少為理論密度的90％。
67.如權(quán)利要求66所述的磨粒，其特征在于它包含至少占所述磨?？傮w積的90體積％的陶瓷。
68.一種包含陶瓷的磨粒，所述陶瓷包含至少75體積％的結(jié)晶陶瓷，所述結(jié)晶陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于所述陶瓷(a)顯示一種包含晶粒的顯微結(jié)構(gòu)，其中沒有尺寸大于200nm的晶粒，(b)密度至少為理論密度的90％。
69.如權(quán)利要求68所述的磨粒，其特征在于它包含至少占所述磨?？傮w積的90體積％的陶瓷。
70.一種包含陶瓷的磨粒，所述陶瓷包含至少75體積％的結(jié)晶陶瓷，所述結(jié)晶陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于所述陶瓷(a)顯示一種包含晶粒的顯微結(jié)構(gòu)，其中至少部分晶粒的尺寸不大于150nm，(b)密度至少為理論密度的90％。
71.如權(quán)利要求70所述的磨粒，其特征在于它包含至少占所述磨粒總體積的90體積％的陶瓷。
72.一種包含陶瓷的磨粒，所述陶瓷包含至少75體積％的結(jié)晶陶瓷，所述結(jié)晶陶瓷包含Al2O3、REO、以及ZrO2和HfO2中的至少一種，其特征在于所述陶瓷(a)顯示一種顯微結(jié)構(gòu)，該顯微結(jié)構(gòu)包含平均晶粒尺寸不大于200nm的晶粒，(b)密度至少為理論密度的90％。
73.如權(quán)利要求72所述的磨粒，其特征在于它包含至少占所述磨?？傮w積的90體積％的陶瓷。
74.許多具有規(guī)定的標(biāo)稱級別的磨粒，其特征在于至少一部分磨粒包含α-Al2O3、結(jié)晶ZrO2和第一復(fù)合物Al2O3·REO，其中，α-Al2O3、結(jié)晶ZrO2和第一復(fù)合物Al2O3·REO中的至少一種的平均晶粒尺寸不大于150nm，并且這部分磨粒的密度至少為理論密度的90％。
75.一種磨具，它包含一種粘合劑和許多磨粒，其特征在于至少一部分磨粒包含α-Al2O3、結(jié)晶ZrO2和第一復(fù)合物Al2O3·REO，其中，α-Al2O3、結(jié)晶ZrO2和第一復(fù)合物Al2O3·REO中的至少一種的平均晶粒尺寸不大于150nm，并且這部分磨粒的密度至少為理論密度的90％。
76.一種研磨表面的方法，它包括提供一種磨具，它包含一種粘合劑和許多磨粒，其特征在于至少一部分磨粒包含α-Al2O3、結(jié)晶ZrO2和第一復(fù)合物Al2O3·REO，其中，α-Al2O3、結(jié)晶ZrO2和第一復(fù)合物Al2O3·REO中的至少一種的平均晶粒尺寸不大于150nm，并且這部分磨粒的密度至少為理論密度的90％；使至少一種包含α-Al2O3、結(jié)晶ZrO2和第一復(fù)合物Al2O3·REO的磨粒與工件的表面接觸；移動至少一種包含α-Al2O3、結(jié)晶ZrO2和第一復(fù)合物Al2O3·REO的接觸磨?；蚪佑|表面，用包含α-Al2O3、結(jié)晶ZrO2和第一復(fù)合物Al2O3·REO的接觸磨粒研磨至少一部分表面。
77.許多具有規(guī)定的標(biāo)稱級別的磨粒，其特征在于至少一部分磨粒包含第一復(fù)合物Al2O3·REO、不同的第二復(fù)合物Al2O3·REO和結(jié)晶ZrO2，其中，第一復(fù)合物Al2O3·REO、第二復(fù)合物Al2O3·REO和結(jié)晶ZrO2中的至少一種的至少90數(shù)量％的晶粒尺寸不大于200nm，并且這部分磨粒的密度至少為理論密度的90％。
78.一種磨具，它包含一種粘合劑和許多磨粒，其特征在于至少一部分磨粒包含第一復(fù)合物Al2O3·REO、不同的第二復(fù)合物Al2O3·REO和結(jié)晶ZrO2，其中，第一復(fù)合物Al2O3·REO、第二復(fù)合物Al2O3·REO和結(jié)晶ZrO2中的至少一種的至少90數(shù)量％的晶粒尺寸不大于200nm，并且這部分磨粒的密度至少為理論密度的90％。
79.一種研磨表面的方法，它包括提供一種磨具，它包含一種粘合劑和許多磨粒，其特征在于至少一部分磨粒包含第一復(fù)合物Al2O3·REO、不同的第二復(fù)合物Al2O3·REO和結(jié)晶ZrO2，其中，第一復(fù)合物Al2O3·REO、第二復(fù)合物Al2O3·REO和結(jié)晶ZrO2中的至少一種的至少90數(shù)量％的晶粒尺寸不大于200nm，并且這部分磨粒的密度至少為理論密度的90％；使至少一種包含第一復(fù)合物Al2O3·REO、第二復(fù)合物Al2O3·REO和結(jié)晶ZrO2的磨粒與工件的表面接觸；移動至少一種包含第一復(fù)合物Al2O3·REO、第二復(fù)合物Al2O3·REO和結(jié)晶ZrO2的接觸磨?；蚪佑|表面，用包含第一復(fù)合物Al2O3·REO、第二復(fù)合物Al2O3·REO和結(jié)晶ZrO2的接觸磨粒研磨至少一部分表面。
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公開日2004年10月13日 申請日期2002年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月2日
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