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CN112512749B - 磨料制品及其形成方法 - Google Patents

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CN112512749B
CN112512749B CN201980049041.0A CN201980049041A CN112512749B CN 112512749 B CN112512749 B CN 112512749B CN 201980049041 A CN201980049041 A CN 201980049041A CN 112512749 B CN112512749 B CN 112512749B
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abrasive
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露西·弗雷夏尔
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Saint Gobain Abrasifs SA
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Saint Gobain Abrasifs SA
Saint Gobain Abrasives Inc
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Abstract

本发明提供一种磨料制品，其包括：基底；第一粘结材料，所述第一粘结材料包括覆盖在所述基底上的金属；磨料颗粒，所述磨料颗粒覆盖在所述基底上并且耦接至所述第一粘结材料；以及第二粘结材料，所述第二粘结材料包括金属和磷，覆盖在所述第一粘结材料的至少一部分上。

Description

磨料制品及其形成方法
技术领域
以下涉及磨料制品，并且具体地涉及包括第一粘结材料和第二粘结材料的磨料制品。
背景技术
磨料制品诸如研磨轮可用于对各种材料进行切割、研磨或成形。本行业持续要求具有改善的性能的改善的磨料制品。
附图说明
通过参考附图，可以更好地理解本公开，并且让本公开的众多特征和优点对于本领域的技术人员显而易见。
图1包括示出根据一个实施例的形成磨料制品的过程的流程图。
图2A包括根据一个实施例的磨料制品的一部分的横截面图示的图示。
图2B包括根据另一实施例的磨料制品的一部分的图示或横截面图示。
图3是根据一个实施例的磨料制品的横切的光学显微镜图像。
图4包括示出了不同材料的磨损测试结果的曲线图。
图5包括示出了根据一个实施例的磨料制品的和对比磨料制品的在大温度范围内的差示扫描量热法(DSC)测试的曲线图。
图6A包括示出了在根据一个实施例的EN-MSL轮中与MSL轮相比在研磨期间的温度升高的曲线图。
图6B包括示出了在根据一个实施例的EN-MSL轮中与MSL轮相比在研磨期间的温度升高的曲线图。
图7A包括示出了根据一个实施例的磨料制品和对比磨料制品的研磨性能的曲线图。
图7B包括示出了根据一个实施例的磨料制品的一部分的横截面的图。
图7C包括示出了对比磨料制品的磨料制品的横截面或一部分的图示。
具体实施方式
提供结合附图的以下描述，以帮助理解本文所提供的教导内容。以下公开内容将集中于本教导内容的具体实施方式和实施例。提供该重点是为了帮助描述教导内容，并且不应该被解释为是对本教导内容的范围或适用性的限制。然而，在本申请中当然可以使用其他教导内容。
如本文所用，术语“包含”、“由…组成”、“包括”、“含有”、“具有”、“有”或其任何其他变型旨在涵盖非排他性的包括之意。例如，包含特征列表的方法、制品或装置不一定仅限于那些特征，而是可以包括未明确列出的或这种方法、制品或装置固有的其他特征。另外，除非另有明确说明，否则“或”是指包括性的“或”而非排他性的“或”。例如，以下任何一项均可满足条件A或B：A为真(或存在的)而B为假(或不存在的)、A为假(或不存在的)而B为真(或存在的)，以及A和B两者都为真(或存在的)。
而且，使用“一个”或“一种”来描述本文所述的元件和组分。这样做仅是为了方便并且给出本发明范围的一般性意义。除非很明显地另指他意，否则这种描述应被理解为包括一个或至少一个，并且单数也包括复数，或反之亦然。例如，当在本文描述单个项时，可以使用多于一个项来代替单个项。类似地，在本文描述了多于一个项的情况下，单个项可以取代多于一个项。
除非另有定义，否则本文使用的所有技术术语和科技术语都与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。材料、方法和实例仅是说明性的而非限制性的。关于未描述的有关特定材料和加工方法的某些详细信息的方面，此类详细信息可以包括常规方法，其可以在制造领域的参考书及其他来源中找到。
以下涉及适用于材料去除操作的磨料制品。值得注意的是，本文实施例的磨料制品可适用于铸造应用，包括金属材料的切割和研磨。
图1包括提供了根据一个实施例的用于形成磨料制品的过程的流程图。该过程开始于在步骤101处，在基底上方形成第一粘结材料。基底可包括无机材料，诸如金属或金属合金。在一个特定实施例中，基底可由金属或金属合金组成。基底可具有用于在其上容纳磨料颗粒的任何合适的形状，包括但不限于盘、线材、杆或甚至具有多个不同曲率的复杂形状的基底。
第一粘结材料可由可沉积在基底上的第一粘结前体混合物形成。第一粘结前体混合物可为干混合物或湿混合物。第一粘结前体混合物可为浆料、膏、带等形式。第一粘结前体混合物可选择性地沉积在基底的某些部分上，在最终形成的磨料制品中需要磨料颗粒。第一粘结前体混合物可为覆盖在基底的一个或多个表面上的单个连续材料层的形式。在替代实施例中，第一粘结前体混合物可沉积在由间隙隔开的多个离散区域中，在该多个离散区域中，下面的基底暴露并且不含第一粘结前体混合物。多个离散区域可限定第一粘结前体混合物的不连续层。
第一粘结前体混合物可包括液体媒介物中所包含的一种或多种粉末的混合物。一种或多种粉末可包括适于形成最终形成的第一粘结材料的预期组成的金属或金属合金的颗粒。液体媒介物可为适于在混合物中适当地包含一种或多种粉末的有机或无机材料。在至少一个实施例中，液体媒介物可包括粘结剂诸如水基有机粘结剂，例如碱性凝胶，其包括黄原胶、半乳甘露聚糖胶、甘油、三丙二醇、合成聚合物或它们的任何组合。
在一个实施例中，第一粘结前体材料可包含至少一种过渡金属元素。例如，第一粘结前体材料可包括选自由以下项组成的组的至少一种金属：铜、锡、银、钨、铁、钛、镍、铬或它们的任何组合。在一个特定实施例中，第一粘结前体材料可包括粉末材料，该粉末材料包括锡、铜和钛。粉末材料可包括单个预合金颗粒，该单个预合金颗粒包括锡、铜和钛。另选地，粉末材料可包括以期望量混合在一起的三种不同的锡粉末、铜粉末和钛粉末。在一个特定实施例中，第一粘结前体材料可为钎料。在一个方面，第一粘结前体材料可为钎焊膏，其包括预合金铜-锡粉末和氢化钛粉末。在本文更详细地提供了关于最终形成的第一粘结材料的各方面的细节。
在步骤101处在基底上沉积第一粘结材料之后，该过程可在步骤102处通过在第一粘结材料上沉积磨料颗粒而继续进行。磨料颗粒可包括氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、超硬磨料或它们的任何组合。在一个实施例中，磨料颗粒可包括超硬磨料，例如金刚石颗粒或立方氮化硼颗粒。在更特定实施例中，磨料颗粒可基本上由金刚石组成。
磨料颗粒可具有一定尺寸，该一定尺寸可有利于在某些应用中使用磨料制品。此外，金刚石的平均尺寸可与第一粘结材料和第二粘结材料有关，以便形成合适的粘结以包含较大尺寸的磨料颗粒。在一个实施例中，磨料颗粒可具有至少500微米，诸如至少525微米、或至少550微米、或至少575微米、或至少600微米、或至少625微米、或至少650微米、或至少675微米、或至少700微米、或至少750微米、或至少800微米的平均粒度(D50)。另外，在另一非限制性实施例中，磨料颗粒可具有不大于5mm、或不大于4mm、或不大于3mm、或不大于2mm、或不大于1.5mm，、或不大于1.2mm，、或不大于1.0mm的平均粒度(D50)。磨料颗粒的平均粒度(D50)可在包括上文提到的任何最小值和最大值的范围内。
第一粘结材料前体可包括一种或多种填料。填料可以是在磨料颗粒沉积期间包括的任选的添加剂。另选地，可将填料包括在第一粘结材料前体的混合物中。填料可为颗粒、纤维、无机材料或它们的组合。在一种情况下，填料可包括耐磨颗粒。在另一实施例中，填料可包括选自由以下项组成的组的材料：钨、铁、钛、金刚石、碳化物、氮化物、硼化物、氧化物或它们的任何组合。
填料可具有相对于磨料颗粒的平均粒度的特定平均粒度。例如，填料的平均粒度(D50f)可小于磨料颗粒的平均粒度(D50)。更具体地，填料和磨料颗粒可彼此具有一定关系，其可被限定为比率[(D50f)/(D50)]。在至少一种情况下，比率[(D50f)/(D50)]可为不大于0.99，诸如不大于0.9、或不大于0.8、或不大于0.7、或不大于0.6、或不大于0.5、或不大于0.4、或不大于0.3、或不大于0.2、或不大于0.1、或不大于0.08、或不大于0.05、或不大于0.02。另外，在一个非限制性实施例中，比率[(D50f)/(D50)]可为至少0.005、或至少0.008、或至少0.01、或至少0.012、或至少0.015、或至少0.018、或至少0.02、或至少0.025、或至少0.03、或至少0.035、或至少0.04、或至少0.05、或至少0.06、或至少0.07、或至少0.08、或至少0.09、或至少0.1、或至少0.15、或至少0.2、或至少0.25。比率[(D50f)/(D50)]可在包括上文提到的任何最小值和最大值之间的范围内。
根据一个方面，填料可具有不大于10微米，诸如不大于8微米、或不大于6微米、或不大于4微米、或不大于2微米、或不大于1微米、或不大于0.8微米、或不大于0.5微米的平均粒度(D50f)。在其他情况下，填料可具有至少0.01微米、或至少0.05微米、或至少0.08微米、或至少0.1微米、或至少0.2微米、或至少0.5微米、或至少0.8微米、或至少1微米、或至少2微米、或至少3微米、或至少5微米的平均粒度(D50f)。填料的平均粒度(D50f)可在包括上文提到的任何最小值和最大值的范围内。
在步骤102处在第一粘结材料前体上沉积磨料颗粒之后，该过程可在步骤103处通过处理第一粘结材料前体而继续进行。第一粘结材料前体的处理可包括干燥、加热、熔融或它们的任何组合。
例如，在一个实施例中，处理可包括干燥第一粘结材料前体。干燥可在湿度控制环境中进行1至24小时之间的持续时间。干燥可在高于室温但低于第一粘结材料前体的熔融温度的温度下进行。
在一个实施例中，处理可包括在合适的温度下处理第一粘结材料前体，以有利于将第一粘结材料前体熔融至在磨料颗粒周围流动并将它们固定到基底的状态。这种处可在任选的干燥过程之后进行。在一个实施例中，处理可包括将包括钎料的第一粘结材料前体钎焊到基底。钎焊过程可利用钎焊温度来适当地熔融钎焊材料并将磨料颗粒固定在钎料中并且固定到基底。例如，合适的钎焊温度可为至少680℃、或至少700℃、或至少720℃、或至少750℃。在另一非限制性实施例中，钎焊温度可不大于1000℃，诸如不大于950℃、或不大于900℃、或不大于880℃、或不大于850℃。应当理解，钎焊温度可在包括上文提到的任何最小值和最大值的范围内。
应当理解，钎焊温度是指用于使第一粘结材料前体在磨料颗粒周围流动的最高温度。某些实施例可能不一定使用钎焊材料，但钎焊温度仍然可以表示用于将第一粘结材料前体形成为第一粘结材料的最高温度。
可在特定气氛中进行第一粘结材料前体的处理以形成第一粘结材料。例如，可在惰性气氛或非氧化性气氛中进行处理，该惰性气氛或非氧化性气氛可包含合适量的气体，诸如氩气、氮气、真空等。
在步骤103处处理第一粘结材料前体之后，该过程可在步骤104处继续进行，其中在第一粘结材料和磨料颗粒上方化学镀第二粘结材料。根据一个实施例，化学镀可包括经由化学镀施加第二粘结材料作为层。化学镀可包括诸如镍、铂、金、铬、铜、银、铑、锌、锡或镉的金属的安置。一方面，第二粘结材料可为镍-磷或镍-硼合金。
在完成步骤104的处理之后，形成磨料制品。根据一个方面，磨料制品可包括：基底；第一粘结材料，该第一粘结材料包括覆盖在基底上的金属；磨料颗粒，该磨料颗粒覆盖在基底上并且耦接至第一粘结材料；以及第二粘结材料，该第二粘结材料包括金属和磷，覆盖在磨料颗粒和第一粘结材料上。在另一方面，磨料制品可包括：基底；第一粘结材料，该第一粘结材料包括覆盖在基底上的金属；磨料颗粒，该磨料颗粒覆盖在基底上并且耦接至第一粘结材料，其中磨料颗粒具有至少500微米的平均粒度；以及第二粘结材料，该第二粘结材料包括金属并且覆盖在磨料颗粒和第一粘结材料上。在再一方面，磨料制品可包括：基底；第一粘结材料，该第一粘结材料包括覆盖在基底上的钎料；磨料颗粒，该磨料颗粒覆盖在基底上并且耦接至第一粘结材料；以及第二粘结材料，该第二粘结材料包括化学镀材料并且覆盖在磨料颗粒和第一粘结材料上。
图2A包括根据一个实施例的磨料制品的横截面图示。如图所示，磨料制品200包括：基底201；第一粘结材料202，该第一粘结材料覆盖在基底201的至少一部分上；磨料颗粒203，该磨料颗粒包含在第一粘结材料中；以及第二粘结材料204，该第二粘结材料覆盖在第一粘结材料202的至少部分上。第二粘结材料204可覆盖在第一粘结材料202的至少一部分和磨料颗粒203的至少一部分上。
基底201可具有本文描述的实施例的任何特征。虽然图2A包括展示了第一粘结材料202和磨料颗粒203附着到平坦表面的横截面图示，但应当理解，第一粘结材料202也可被施加到基底201的弯曲表面。
如图2A所示，第一粘结层202可为覆盖在基底201的至少一部分上的连续材料层的形式。第一粘结层202可直接附着到基底201的外表面。根据一个实施例，第一粘结层202可覆盖在基底201的外表面的至少50％上，诸如基底201的外表面的至少60％、或至少70％、或至少80％、或至少90％上。在特定实施例中，第一粘结层202可为单个连续层，其覆盖在基底201的外表面的基本上全部上。
第一粘结材料202可由第一粘结材料前体形成，并且包括如本文实施例中所限定的第一粘结材料前体的组成。例如，第一粘结材料202可包括金属或金属合金。第一粘结材料202可包含至少一种过渡金属元素。在某些情况下，第一粘结材料202可包括选自由以下项组成的组的至少一种金属：铜、锡、银、钨、铁、钛、镍、铬或它们的任何组合。在一个实施例中，第一粘结材料202可包括锡、铜和钛，并且在更特定实施例中，可基本上由锡、铜和钛组成。根据特定实例，第一粘结材料为钎料。
根据一个实施例，第一粘结材料202可包含至少为0.1的比率[C(Sn)/C(Cu)]，其中C(Sn)为锡占第一粘结材料202的总重量的重量百分比并且C(Cu)为铜占第一粘结材料202的总重量的重量百分比。例如，比率[C(Sn)/C(Cu)]可为至少0.13，诸如至少0.15、或至少0.18、或至少0.2、或至少0.23、或至少0.25、或至少0.28、或至少0.3、或至少0.33、或至少0.35、或至少0.38、或至少0-4、或至少0.43、或至少0.45、或至少0.48、或至少0.5、或至少0.53。另外，在另一实施例中，比率[C(Sn)/C(Cu)]可不大于1，诸如不大于0.9、不大于0.8、或不大于0.7、或不大于0.6、或不大于0.5、或不大于0.4、或不大于0.35、或不大于0.3或不大于0.25。应当理解，比率[C(Sn)/C(Cu)]可在包括上文指出的任何最小值和最大值的范围内。
在另一实施例中，第一粘结材料202可具有至少0.1的特定比率[C(Ti)/C(Sn)]，其中C(Ti)为钛占第一粘结材料202的总重量的重量百分比并且C(Sn)为锡占第一粘结材料202的总重量的重量百分比。例如，比率[C(Ti)/C(Sn)]可为至少0.13，诸如至少0.15、或至少0.18、或至少0.2、或至少0.23、或至少0.25、或至少0.28、或至少0.3、或至少0.33、或至少0.35、或至少0.38、或至少0.4、或至少0.43、或至少0.45、或至少0.48、或至少0.5、或至少0.53、或至少0.55、或至少0.6、或至少0.65、或至少0.7、或至少0.75、或至少0.8、或至少0.9。另外，在一个非限制性实施例中，比率[C(Ti)/C(Sn)]可不大于1，诸如不大于0.9、不大于0.8、或不大于0.7、或不大于0.6、或不大于0.5、或不大于0.4、或不大于0.35、或不大于0.3或不大于0.25。应当理解，比率[C(Ti)/C(Sn)]可在包括上文指出的任何最小值和最大值的范围内。
在又一方面，第一粘结材料202可具有至少0.01的比率[C(Ti)/C(Cu)]，其中C(Ti)为钛占第一粘结材料202的总重量的重量百分比并且C(Cu)为铜占第一粘结材料202的总重量的重量百分比。例如，比率[C(Ti)/C(Cu)]可为至少0.02，诸如至少0.05、或至少0.08、或至少0.1、或至少0.12、或至少0.15、或至少0.18、或至少0.2、或至少0.25或至少0.3。另外，在另一非限制性实施例中，比率[C(Ti)/C(Cu)]可不大于1，诸如不大于0.9、或不大于0.8、或不大于0.7、或不大于0.6、或不大于0.5、或不大于0.4、或不大于0.35、或不大于0.3、或不大于0.25、或不大于0.2、或不大于0.18、或不大于0.15、或不大于0.12或不大于0.1。应当理解，比率[C(Ti)/C(Cu)]可在包括上文指出的任何最小值和最大值的范围内。
在另一实施例中，第一粘结材料202可包含特定铜含量，该特定铜含量可有利于改善形成和性能。例如，第一粘结材料202可具有占第一粘结材料202的总重量的至少30重量％，诸如至少40重量％、或至少50重量％、或至少60重量％、或至少70重量％、或至少80重量％的铜含量。另外，在另一非限制性实施例中，第一粘结材料202可具有占第一粘结材料202的总重量的不大于99重量％，诸如不大于95重量％、或不大于93重量％、或不大于90重量％、或不大于85重量％、或不大于80重量％、或不大于75重量％、或不大于70重量％、或不大于65重量％、或不大于60重量％、或不大于55重量％的铜含量。应当理解，第一粘结材料202中的铜含量可在包括上文提到的任何最小值和最大值的范围内。
在另一实施例中，第一粘结材料202可包含特定锡含量，该特定锡含量可有利于改善形成和性能。例如，第一粘结材料202可具有占第一粘结材料202的总重量的至少5重量％，诸如至少8重量％、或至少10重量％、或至少12重量％、或至少15重量％、或至少18重量％、或至少20重量％、或至少22重量％、或至少25重量％、或至少27重量％或至少30重量％的锡含量。另外，在另一非限制性实施例中，第一粘结材料202可具有占第一粘结材料202的总重量的不大于50重量％，诸如不大于40重量％、或不大于35重量％、或不大于30重量％、或不大于28重量％、或不大于25重量％、或不大于22重量％、或不大于20重量％、或不大于18重量％、或不大于15重量％、或不大于12重量％的锡含量。应当理解，第一粘结材料202中的锡含量可在包括上文提到的任何最小值和最大值的范围内。
在另一实施例中，第一粘结材料202可包含特定钛含量，该特定钛含量可有利于改善形成和性能。例如，第一粘结材料202可具有占第一粘结材料202的总重量的至少0.5重量％，诸如至少0.8重量％、或至少1重量％、或至少2重量％、或至少6重量％、或至少8重量％、或至少10重量％、或至少12重量％、或至少15重量％、或至少18重量％或至少20重量％的钛含量。另外，在另一非限制性实施例中，第一粘结材料202可具有占第一粘结材料202的总重量的不大于30重量％，诸如不大于20重量％、或不大于18重量％、或不大于15重量％、或不大于12重量％、或不大于10重量％、或不大于8重量％、或不大于6重量％的钛含量。应当理解，第一粘结材料202中的钛含量可在包括上文提到的任何最小值和最大值的范围内。
最终形成的磨料制品200的磨料颗粒203可具有本文实施例的任何特征，包括但不限于平均粒度(D50)、组成、相对于填料的相对尺寸等。具体地，第一粘结材料202可具有相对于磨料颗粒203的平均粒度的特定平均厚度，该特定平均厚度可有助于改善磨料制品200的形成和操作。例如，第一粘结材料202可具有磨料颗粒203的平均粒度(D50)的不大于50％，诸如磨料颗粒203的平均粒度(D50)的不大于45％、或不大于40％、或不大于35％、或不大于30％、或不大于25％、或不大于20％、或不大于10％的平均厚度。另外，在一个非限制性实施例中，第一粘结材料202可具有磨料颗粒203的平均粒度(D50)的至少10％，诸如磨料颗粒203的平均粒度(D50)的至少20％、或至少30％、或至少40％、或至少50％的平均厚度。第一粘结材料202的平均厚度可通过以适当的放大倍率(例如，50倍)拍摄至少三个随机选择的光学显微镜图像来测量。可使用诸如ImageJ的合适的成像分析程序来评估每个图像中的第一粘结材料202的面积。将第一粘结材料202的总面积除以图像中第一粘结材料的长度，以计算第一粘结材料202的平均厚度。
应当理解，本文实施例中描述的填料可任选地包括在第一粘结材料202或第二粘结材料204或者第一粘结材料202和第二粘结材料204两者中。
如本文实施例中所提到的，第二粘结材料204可为化学镀材料。根据一个实施例，第二粘结材料204可为薄的保形层的形式，其覆盖在第一粘结材料202的部分和磨料颗粒203的部分上。第二粘结材料204可能没有完全掩埋磨料颗粒203的大部分尖端，使得磨料颗粒203在第二粘结材料204的上表面上方充分暴露以获得合适的研磨能力。
根据一个实施例，第二粘结材料204可包含至少一种金属元素和磷。第二粘结材料204可具有特定磷含量，该特定磷含量有利于改善磨料制品的形成和操作。例如，第二粘结材料204可具有占第二粘结材料204的总重量的不大于10重量％，或占第二粘结材料204的总重量的不大于9重量％、或不大于8重量％、或不大于7重量％、或不大于6重量％、或不大于5重量％、或不大于4重量％、或不大于3重量％、或不大于2重量％、或不大于1重量％的磷含量。在另一非限制性实施例中，第二粘结材料204可具有占第二粘结材料204的总重量的至少0.1重量％、或至少1重量％、或至少2重量％、或至少3重量％、或至少4重量％、或至少5重量％、或至少6重量％、或至少7重量％、或至少8重量％的磷含量。在特定实施例中，磷含量可为至少5重量％且不大于9重量％。第二粘结材料204中的磷含量可在包括上文提到的任何最小值和最大值的范围内。
第二粘结材料204的至少一种金属元素可包括至少一种过渡金属元素。例如，第二粘结材料204可包括镍。在更特定情况下，第二粘结材料204可包括特定镍含量，该特定镍含量可有利于改善磨料制品的形成和性能。在某些情况下，第二粘结材料204可包含占第二粘结材料204的总重量的至少50重量％，诸如占第二粘结材料204的总重量的至少60重量％、或至少70重量％、或至少80重量％、或至少90重量％、或至少95重量％的镍。根据另一非限制性实施例，第二粘结材料204可包含占第二粘结材料204的总重量的不大于99重量％，诸如占第二粘结材料204的总重量的不大于95重量％、或不大于93重量％、或不大于90重量％的镍。第二粘结材料204中的镍含量可在包括上文提到的任何最小值和最大值的范围内。
根据另一方面，第二粘结材料204可具有相对于第一粘结材料202的特定平均厚度，该特定平均厚度可有利于改善磨料制品200的形成和操作。例如，第二粘结材料204的平均厚度可不大于第一粘结材料202的平均厚度。
在其他情况下，第二粘结材料204可具有相对于磨料颗粒203的平均粒度(D50)的特定平均厚度，该特定平均厚度可有利于改善磨料制品200的形成和操作。例如，第二粘结材料204可具有磨料颗粒的平均粒度(D50)的不大于40％，诸如磨料颗粒203的平均粒度(D50)的不大于35％、或不大于30％、或不大于25％、或不大于20％、或不大于15％、或不大于12％、或不大于10％的平均厚度。另外，在一个非限制性实施例中，第二粘结材料204可具有磨料颗粒203的平均粒度(D50)的至少1％，诸如磨料颗粒203的平均粒度(D50)的至少3％、或至少5％、或至少8％、或至少10％、或至少15％、或至少20％、或至少25％、或至少30％的平均厚度。第二粘结材料204的平均厚度可通过以适当的放大倍率(例如，50倍)拍摄至少三个随机选择的光学显微镜图像来测量。可使用诸如ImageJ的合适的成像分析程序来评估每个图像中的第二粘结材料204的面积。将第二粘结材料204的总面积除以图像中第二粘结材料204的长度，以计算第二粘结材料204的平均厚度。
在一个实施例中，第二粘结材料的平均厚度可为至少10微米，诸如至少15微米、至少20微米、至少30微米、至少40微米、或至少50微米。在另一实施例中，第二粘结材料的平均厚度可不大于500微米，诸如不大于300微米、或不大于250微米、或不大于200微米、或不大于150微米、或不大于100微米、或不大于80微米、或不大于60微米、或不大于50微米、或不大于40微米、或不大于35微米。第二粘结材料的平均厚度可在包括上文提到的任何最小值和最大值的范围内。在特定实施例中，EN层的厚度可为至少20微米且不大于55微米。
粘结材料的平均总厚度可根据第一粘结材料202的平均厚度和第二粘结材料204的平均厚度的总和来计算。平均总厚度可相对于磨料颗粒的平均粒度(D50)具有一定关系，该一定关系可有利于改善磨料制品的形成和操作。例如，组合的第一粘结材料和第二粘结材料的平均总厚度可为磨料颗粒203的平均粒度(D50)的不大于80％，诸如磨料颗粒203的平均粒度(D50)的不大于75％、不大于70％、或不大于65％、或不大于60％、或不大于55％、或不大于50％、或不大于47％、或不大于45％。另外，在一个实施例中，该平均总厚度可为磨料颗粒的平均粒度(D50)的至少30％，诸如磨料颗粒203的平均粒度(D50)的至少40％、或至少50％、或至少60％、或至少70％。在特定方面，组合的粘结材料的平均总厚度基于磨料颗粒的平均粒度(D50)计可为至少30％且不大于50％。粘结材料的平均总厚度可在包括上文提到的任何最小百分比和最大百分比的范围内。
在一个特定实施例中，第一粘结材料和第二粘结材料的总和的平均总厚度可不大于500微米、或不大于450微米、或不大于400微米、或不大于350微米、或不大于300微米、或不大于250微米。根据另一非限制性实施例，粘结材料的平均总厚度可为至少100微米、至少200微米、或至少250微米、或至少300微米、或至少350微米。粘结材料的平均总厚度可在包括上文提到的任何最小值和最大值的范围内。
在特定实施例中，第二粘结材料可为化学镀镍层，该化学镀镍层具有至少5.50GPa诸如至少5.8GPa、或至少6.0GPa、或至少6.2GPa、或至少6.4GPa、或至少6.5GPa的维氏硬度。
在另一个特定实施例中，第二粘结材料可为化学镀镍层，该化学镀镍层具有至少10微米且不大于60微米的厚度以及至少6GPa的维氏硬度。
图2B包括根据替代实施例的磨料制品的横截面图示。如图所示，磨料制品250包括：基底201；第一粘结材料252，该第一粘结材料覆盖在基底201的至少一部分上；磨料颗粒203，该磨料颗粒包含在第一粘结材料252中；以及第二粘结材料204，该第二粘结材料覆盖在第一粘结材料252的至少部分上。第二粘结材料204可覆盖在第一粘结材料252的至少一部分和磨料颗粒203的至少一部分上。值得注意的是，第一粘结材料252可为不连续层，其具有由间隙区域253隔开的第一粘结材料252的离散区域。间隙区域253可不含第一粘结材料252和磨料颗粒203。间隙区域253可任选地包括与基底201直接接触的第二粘结材料204。然而，应当理解，在某些情况下，间隙区域253可不含任何粘结材料并且限定了基底201被暴露的区域。
如实例中进一步示出的，可通过将金刚石颗粒经由第一粘结层附着到钢载体并用薄的化学镀镍层覆盖第一粘结层和金刚石颗粒来生产具有惊人的高使用寿命和研磨性能的磨料制品。不受理论的束缚，优异的研磨性能的原因可能是通过两个粘结层的组合将金刚石颗粒牢固地粘结到载体，这可允许用于研磨操作的高晶粒暴露。化学镀镍(EN)层可非常均匀地施加在第一粘结层和磨料颗粒的顶部，并且EN层可提供出色的隔热和抗氧化保护，厚度仅为50微米或更小。
实施例
实施例1.一种磨料制品，所述磨料制品包括：基底；第一粘结材料，所述第一粘结材料包括覆盖在所述基底上的金属；磨料颗粒，所述磨料颗粒覆盖在所述基底上并且耦接至所述第一粘结材料；以及第二粘结材料，所述第二粘结材料包括金属和磷，覆盖在所述第一粘结材料的至少一部分上。
实施例2.一种磨料制品，所述磨料制品包括：基底；第一粘结材料，所述第一粘结材料包括覆盖在所述基底上的金属；磨料颗粒，所述磨料颗粒覆盖在所述基底上并且耦接至所述第一粘结材料，其中所述磨料颗粒具有至少500微米的平均粒度；以及第二粘结材料，所述第二粘结材料包括金属并且覆盖在所述第一粘结材料的至少一部分上。
实施例3.一种磨料制品，所述磨料制品包括：基底；第一粘结材料，所述第一粘结材料包括覆盖在所述基底上的钎料；磨料颗粒，所述磨料颗粒覆盖在所述基底上并且耦接至所述第一粘结材料；以及第二粘结材料，所述第二粘结材料包括化学镀材料并且覆盖在所述第一粘结材料的至少一部分上。
实施例4.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述基底包括无机材料。
实施例5.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述基底包括金属或金属合金。
实施例6.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述基底由金属或金属合金组成。
实施例7.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料为覆盖在所述基底的外表面上的层的形式。
实施例8.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料覆盖在所述基底的所述外表面的至少50％、或至少60％、或至少70％、或至少80％、或至少90％上。
实施例9.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料为单个连续层，其覆盖在所述基底的所述外表面的基本上全部上。
实施例10.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包括金属合金。
实施例11.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包含至少一种过渡金属元素。
实施例12.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包括选自由以下项组成的组中的至少一种金属：铜、锡、银、钨、铁、钛、镍、铬或它们的任何组合。
实施例13.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包括锡、铜和钛。
实施例14.根据实施例13所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包含至少0.1的比率[C(Sn)/C(Cu)]，其中C(Sn)为所述锡占所述第一粘结材料的总重量的重量百分比并且C(Cu)为铜占所述第一粘结材料的总重量的重量百分比，其中所述比率[C(Sn)/C(Cu)]为至少0.13、或至少0.15、或至少0.18、或至少0.2、或至少0.23、或至少0.25、或至少0.28、或至少0.3、或至少0.33、或至少0.35、或至少0.38、或至少0.4、或至少0.43、或至少0.45、或至少0.48、或至少0.5、或至少0.53。
实施例15.根据实施例13所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包含不大于1、或不大于0.9、或不大于0.8、或不大于0.7、或不大于0.6、或不大于0.5、或不大于0.4、或不大于0.35、或不大于0.3、或不大于0.25的比率[C(Sn)/C(Cu)]。
实施例16.根据实施例13所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包含至少0.1的比率[C(Ti)/C(Sn)]，其中C(Ti)为钛占所述第一粘结材料的总重量的重量百分比并且C(Sn)为锡占所述第一粘结材料的总重量的重量百分比，其中所述比率[C(Ti)/C(Sn)]为至少0.13、或至少0.15、或至少0.18、或至少0.2、或至少0.23、或至少0.25、或至少0.28、或至少0.3、或至少0.33、或至少0.35、或至少0.38、或至少0.4、或至少0.43、或至少0.45、或至少0.48、或至少0.5、或至少0.53、或至少0.55、或至少0.6、或至少0.65、或至少0.7、或至少0.75、或至少0.8、或至少0.9。
实施例17.根据实施例13所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包含不大于1、或不大于0.9、或不大于0.8、或不大于0.7、或不大于0.6、或不大于0.5、或不大于0.4、或不大于0.35、或不大于0.3、或不大于0.25的比率[C(Ti)/C(Sn)]。
实施例18.根据实施例13所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包含至少0.01的比率[C(Ti)/C(Cu)]，其中C(Ti)为钛占所述第一粘结材料的总重量的重量百分比并且C(Cu)为铜占所述第一粘结材料的总重量的重量百分比，其中所述比率[C(Ti)/C(Cu)]为至少0.02、或至少0.05、或至少0.08、或至少0.1、或至少0.12、或至少0.15、或至少0.18、或至少0.2、或至少0.25、或至少0.3。
实施例19.根据实施例13所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包含不大于1、或不大于0.9、或不大于0.8、或不大于0.7、或不大于0.6、或不大于0.5、或不大于0.4、或不大于0.35、或不大于0.3、或不大于0.25、或不大于0.2、或不大于0.18、或不大于0.15、或不大于0.12、或不大于0.1的比率[C(Ti)/C(Cu)]。
实施例20.根据实施例13所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包含占所述第一粘结材料的总重量的至少30重量％、或至少40重量％、或至少50重量％、或至少60重量％、或至少70重量％或至少80重量％的铜含量。
实施例21.根据实施例13所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包含占所述第一粘结材料的总重量的不大于99重量％、或不大于95重量％、或不大于93重量％、或不大于90重量％、或不大于85重量％、或不大于80重量％、或不大于75重量％、或不大于70重量％、或不大于65重量％、不大于60重量％、或不大于55重量％的铜含量。
实施例22.根据实施例13所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包含占所述第一粘结材料的总重量的至少5重量％、或至少8重量％、或至少10重量％、或至少12重量％、或至少15重量％、或至少18重量％、或至少20重量％、或至少22重量％、或至少25重量％、或至少27重量％或至少30重量％的锡含量。
实施例23.根据实施例13所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包含占所述第一粘结材料的总重量的不大于50重量％、或不大于40重量％、或不大于35重量％、或不大于30重量％、或不大于28重量％、或不大于25重量％、或不大于22重量％、或不大于20重量％、或不大于18重量％、或不大于15重量％、或不大于12重量％的锡含量。
实施例24.根据实施例13所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包含占所述第一粘结材料的总重量的至少0.5重量％、或至少0.8重量％、或至少1重量％、或至少2重量％、或至少6重量％、或至少8重量％、或至少10重量％、或至少12重量％、或至少15重量％、或至少18重量％或至少20重量％的钛含量。
实施例25.根据实施例13所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包含占所述第一粘结材料的总重量的不大于30重量％、或不大于20重量％、或不大于18重量％、或不大于15重量％、或不大于12重量％、或不大于10重量％、不大于8重量％、或不大于6重量％的钛含量。
实施例26.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料为钎料。
实施例27.根据实施例1和3中任一项所述的磨料制品，其中所述磨料颗粒具有至少500微米的平均粒度(D50)。
实施例28.根据实施例2和27中任一项所述的磨料制品，其中所述磨料颗粒具有至少525微米、或至少550微米、或至少575微米、或至少600微米、或至少625微米、或至少650微米、或或至少675微米、或至少700微米、或至少750微米、或至少800微米的平均粒度(D50)。
实施例29.根据实施例2和27中任一项所述的磨料制品，其中所述磨料颗粒具有不大于5mm、或不大于4mm、或不大于3mm、或不大于2mm、或不大于1.5mm或1.2mm或1.0mm的平均粒度(D50)。
实施例30.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述磨料颗粒包括以下至少一项：氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、超硬磨料或它们的任何组合。
实施例31.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述磨料颗粒包括金刚石。
实施例32.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述磨料颗粒基本上由金刚石组成。
实施例33.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包括选自由以下项组成的组的填料：颗粒、纤维、无机材料或它们的任何组合。
实施例34.根据实施例33所述的磨料制品，其中所述填料包括耐磨颗粒。
实施例35.根据实施例33所述的磨料制品，其中所述填料包括选自由以下项组成的组的材料：钨、铁、钛、金刚石、碳化物、氮化物、硼化物、氧化物或它们的任何组合。
实施例36.根据实施例33所述的磨料制品，其中所述填料的平均粒度(D50f)小于所述磨料颗粒的所述平均粒度(D50)。
实施例37.根据实施例36所述的磨料制品，其还包括不大于0.99、或不大于0.9、或不大于0.8、或不大于0.7、或不大于0.6、或不大于0.5、或不大于0.4、或不大于0.3、或不大于0.2、或不大于0.1、或不大于0.08、或不大于0.05、或不大于0.02的比率[(D50f)/(D50)]。
实施例38.根据实施例37所述的磨料制品，其中所述比率[(D50f)/(D50)]为至少0.005、或至少0.008、或至少0.01、或至少0.012、或至少0.015、或至少0.018、或至少0.02、或至少0.025、或至少0.03、或至少0.035、或至少0.04、或至少0.05、或至少0.06、或至少0.07、或至少0.08、或至少0.09、或至少0.1、或至少0.15、或至少0.2、或至少0.25。
实施例39.根据实施例33所述的磨料制品，其中所述填料包含不大于10微米、或不大于8微米、或不大于6微米、或不大于4微米、或不大于2微米、或不大于1微米、或不大于0.8微米、或不大于0.5微米的平均粒度(D50f)。
实施例40.根据实施例33所述的磨料制品，其中所述填料包含至少0.01微米、或至少0.05微米、或至少0.08微米、或至少0.1微米、或至少0.2微米、或至少0.5微米、或至少0.8微米、或至少1微米、或至少2微米、或至少3微米、或至少5微米的平均粒度(D50f)。
实施例41.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包含所述磨料颗粒的所述平均粒度(D50)的不大于50％、或不大于45％、或不大于40％、或不大于35％、或不大于30％、或不大于25％、或不大于20％、或不大于10％的平均厚度。
实施例42.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料包含所述磨料颗粒的所述平均粒度(D50)的至少10％、或至少20％、或至少30％、或至少40％、或至少50％的平均厚度。
实施例43.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述第二粘结材料包括金属和磷。
实施例44.根据实施例1和43中任一项所述的磨料制品，其中所述第二粘结材料包含占所述第二粘结材料的总重量的不大于10重量％、或不大于9重量％、或不大于8重量％、或不大于7重量％、或不大于6重量％、或不大于5重量％、或不大于4重量％、或不大于3重量％、或不大于2重量％、或不大于1重量％的磷含量。
实施例45.根据实施例1和43中任一项所述的磨料制品，其中所述第二粘结材料包含占所述第二粘结材料的总重量的至少0.1重量％、或至少1重量％、或至少2重量％、或至少3重量％、或至少4重量％、或至少5重量％、或至少6重量％、或至少7重量％、或至少8重量％的磷含量。
实施例46.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述第二粘结材料包含过渡金属元素。
实施例47.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述第二粘结材料包含镍。
实施例48.根据实施例47所述的磨料制品，其中所述第二粘结材料包含占所述第二粘结材料的总重量的至少50重量％、或至少60重量％、或至少70重量％、或至少80重量％、或至少90重量％或至少95重量％的镍。
实施例49.根据实施例47所述的磨料制品，其中所述第二粘结材料包含不大于99重量％、或不大于95重量％、或不大于93重量％、或不大于90重量％的镍。
实施例50.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述第二粘结材料包含所述磨料颗粒的所述平均粒度(D50)的不大于40％、或不大于35％、或不大于30％、或不大于25％、或不大于20％、或不大于15％、或不大于12％、或不大于10％的平均厚度。
实施例51.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述第二粘结材料包含所述磨料颗粒的所述平均粒度(D50)的至少5％、或至少8％、或至少10％、或至少15％、或至少20％、或至少25％、或至少30％的平均厚度。
实施例52.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述第二粘结材料的平均厚度不大于所述第一粘结材料的平均厚度。
实施例53.根据实施例1、2和3中任一项所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料的平均厚度与所述第二粘结材料的平均厚度的总和限定平均总厚度，并且其中所述平均总厚度为所述磨料颗粒的所述平均粒度(D50)的不大于80％、或不大于75％、或不大于70％、或不大于65％、或不大于60％、或不大于55％、或不大于50％、或不大于45％、或不大于40％、或不大于35％。
实施例54.根据实施例53所述的磨料制品，其中所述平均总厚度为所述磨料颗粒的所述平均粒度(D50)的至少25％、、或至少30％、或至少35％、或至少40％、或至少50％、或至少60％、或至少70％。
实施例55.根据实施例53所述的磨料制品，其中所述平均总厚度不大于500微米、或不大于450微米、或不大于400微米、或不大于350微米、或不大于300微米、或不大于250微米。
实施例56.根据实施例53所述的磨料制品，其中所述平均总厚度为至少100微米、或至少200微米、或至少250微米、或至少300微米、或至少350微米。
实施例57.根据实施例1和2中任一项所述的磨料制品，其中所述第二粘结材料包括覆盖在所述磨料颗粒和所述第一粘结材料上的化学镀材料。
实施例58.根据实施例57所述的磨料制品，其中所述第二粘结材料为化学镀镍层，该化学镀镍层具有至少10微米、或至少15微米、或至少20微米、或至少30微米、或至少40微米、或至少50微米的厚度。
实施例59.根据实施例57所述的磨料制品，其中所述第二粘结材料为化学镀镍层，该化学镀镍层具有不大于150微米、或不大于100微米、或不大于80微米、或不大于60微米、或不大于50微米的厚度。
实施例60.根据实施例57所述的磨料制品，其中所述第二粘结材料为化学镀镍层，该化学镀镍层具有至少5.50GPa诸如至少5.8GPa、或至少6.0GPa、或至少6.2GPa、或至少6.4GPa、或至少6.5GPa的维氏硬度。
实施例61.一种形成磨料制品的方法，所述方法包括：在基底的外表面上沉积第一粘结前体混合物的层；将磨料颗粒沉积到所述第一粘结前体混合物的层上；通过将所述第一粘结前体混合物钎焊到所述基底来形成第一粘结材料；以及在所述第一粘结材料和所述磨料颗粒的至少部分上方化学镀第二粘结材料。
实施例62.根据实施例61所述的方法，其中钎焊包括加热到至少400℃、或至少500℃、或至少600℃、或至少700℃、或至少800℃的钎焊温度。
实施例63.根据实施例61所述的方法，其中钎焊包括加热到不大于1000℃、或不大于950℃、或不大于900℃、或不大于850℃的钎焊温度。
实施例64.根据实施例61所述的方法，其中所述钎焊材料为包含金属颗粒的膏或带。
实施例65.根据实施例61所述的方法，其中化学镀包括沉积镍、铂、金、铬、铜、银、铑、锌、锡、镉。
实施例66.根据实施例61所述的方法，其中化学镀包括化学镀镍。
实施例67.根据实施例61所述的方法，其中所述化学镀镍的镀浴包含镍盐、亚磷酸盐和还原剂。
实施例68.根据实施例61至67中任一项所述的方法，其中所述第二粘结材料包括镍和磷，并且所述磷的量基于所述第二粘结材料的总重量计为至少4重量％且不大于10重量％。
实施例69.根据实施例61至68中任一项所述的方法，其中形成所述第一粘结材料包括提供钎焊膏，其中所述钎焊膏包括预合金铜-锡粉末和氢化钛粉末。
实例
实例1
制备钎焊膏。
将尺寸为m2325/+400目的预合金铜锡钎料粉末(77重量％Cu-23重量％Sn)以2182g(72.7重量％)的量与218g(7.3重量％)的氢化钛粉末(其也具有m2325的目尺寸)一起混合在塑料容器中。
在不锈钢容器中，通过将90g(3重量％)的三丙二醇和510g(17重量％)的Vita-Gel粘结剂搅拌在一起来制备粘结剂。此后，将粉末混合物与粘结剂混合，并在旋转的油漆搅拌器中混合约20分钟。将钎焊膏填充到6盎司滤筒中，并保持气密，以防止干燥直至使用。
实例2
制造研磨轮。
通过喷砂对直径为150cm的圆形钢基底进行表面预处理，并用丙酮清洗。之后，将1mm厚的实例1的钎焊膏层均匀地施加在钢基底的经预处理的表面上。在车床缓慢车削的同时，通过填充基底表面内的空间和位于基底表面上方的钎焊模板，将钎焊膏(在本文也称为第一粘结前体混合物)施加到钢基底的上表面，该钎焊模板的高度与要施加的钎料的厚度相对应。
此后，移除钎焊模板，并且在缓慢旋转轮的同时，将平均粒度为852微米且粒径分布在601微米至1001微米之间的粗金刚石颗粒(戴比尔斯集团的元素6)均匀地沉积在所施加的钎焊膏层上。沉积在钎焊膏上的金刚石颗粒的量为0.14g/cm2。将所施加的钎焊膏(即，第一粘结前体混合物)在20℃至23℃的温度下干燥约12小时。
干燥后，将轮在真空(非氧化条件)下在熔炉中进行热处理，如表1所示。
在热处理过程中(钎焊)，钎焊膏的金属填料部分地熔融并致密化，从而将金刚石颗粒粘附到钢表面。
在热处理之后，清除掉轮表面的任何残留颗粒。
如本文所用，磨料制品，其如上所述包含金属载体、钎焊层和经由钎焊层附着到金属载体的金刚石颗粒，被称为MSL(金属单层)粘结制品。
表1：钎焊期间的温度状况
目标[℃] 斜坡速度和保持时间
保持时间 71 0：00：20
斜坡速度 177 5.6
保持时间 177 0：20：00
斜坡速度 443 5.5
保持时间 443 0：00：30
斜坡速度 471 0.6
保持时间 471 0：00：30
斜坡速度 700 8.8
保持时间 700 0：20：00
斜坡速度 865 8.7
保持时间 865 0.041
斜坡速度 82 43.5
保持时间 82 0：00：30
阶梯状 49 自然冷却
保持时间 49 0：01：00
钎焊后，通过化学镀镍在第一粘结材料和金刚石颗粒(MSL轮)上方施加第二粘结材料。通过在钎焊后将轮置于镀浴中来进行化学镀镍，该镀浴包含镍盐、亚磷酸盐和还原剂(来自MetalChem的MetaPlate 6000)。镀浴的温度为约90℃，并且化学镀进行了约120分钟，以便在钎焊层和金刚石颗粒的顶部沉积厚度为约50微米且磷含量为7-8重量％的镍层。
所制造的研磨轮的50倍放大的横切的光学显微镜图像可在图3中看到。第一粘结材料(301)的平均厚度为约300微米，并且第二粘结材料(302)的厚度为约55微米，其对应于层(301)和层(302)的所计算的平均总厚度，其为金刚石颗粒(852微米)的平均尺寸的41.5％。金刚石颗粒(303)牢固地固定到钢载体(304)，并被第一粘结材料(301)和第二粘结材料(302)部分地包围。化学镀镍的MSL轮在下文称为EN-MSL轮。
实例3
磨损性能。
根据ASTM G133-05(2016)，使用plint试验机(TE 77高频摩擦试验机)在环境温度(22±3℃)下测量不同类型的表面层的磨损性能，而在变化的力载荷下无需润滑。样品1(S1)为沉积在2mm厚钢板上的100微米厚的化学镀镍层，其磷含量为约8重量％；样品2(S2)为钎焊在2mm厚钢板上的250微米厚的青铜层，并且样品3(S3)为钎焊在2mm厚钢板上的250微米厚的青铜层，其中S3的青铜层通过在烘箱中(在正常空气下)在600℃下处理1小时而进一步经受氧化条件。
测试结果在图4中示出。可以看出，化学镀镍层(S1)具有比青铜层(S2)或氧化青铜层(S3)高得多的耐磨性。在10牛顿到30牛顿之间的载荷下，几乎损失任何化学镀镍，而在50牛顿的载荷下，磨损暴露期间的材料损失保持在5μm3以下。对于样品S2和S3，可以观察到，材料损失要高得多，并且相应地耐磨性也低得多。
实例4
在大温度范围内进行差示扫描量热法(DSC)测试。
在25℃至900℃的温度范围内，以20℃/min的温度升高和100ml/分钟的气流对实例2中制得的EN-MSL轮样品进行DSC测试。如图5所示，可以看出，在800℃和900℃之间的熔融峰之前，EN-MSL样品没有失去任何重量，这表明化学镀镍层(EN)很好地保护了下面的MSL材料相比之下，如果对无EN层的MSL轮样品进行相同的DSC测试，则从约150℃的温度开始观察到材料损失，并且在650℃和800℃之间达到最高损失。EN-MSL样品和MSL样品的DSC比较表明，化学镀镍层可很好地保护下面的MSL层，从而降低研磨期间暴露于热量时MSL的氧化和降解程度。
实例5
研磨期间的传热模拟。
进行了传热模拟，以研究覆盖EN-MSL轮中MSL层的化学镀镍(EN)层对研磨操作期间MSL防热的影响。对于模拟，使用了“ANSYS Fluent”软件，并执行了标准成形及精磨热量分配规则，以确定在轮和工件交界处生成的热量以及进入不同材料类型的焊剂量，如Milton C.Shaw于1996年在《牛津先进制造系列》上的“磨料加工原理”中所述。对于化学镀镍层和MSL层，通过实验确定了热溢出率(热溢出率引导工件和轮表面之间的热量分配)。工件的热溢出率值是从文献中获得的。
所作假设如下：12英寸直径的轮，由铸铁制成；转速为5000RPM；MSL层，100微米厚；化学镀镍(EN)层，磷含量为8重量％；以及工件材料为铸铁。针对EN层的以下4种不同厚度进行了模拟：40微米、30微米、20微米和10微米。
图6A和图6B示出了与无保护性上覆EN层的MSL层的温度升高相比，EN-MSL轮的层(具体地，MSL层和EN层)的温度随研磨时间的升高。图6A和图6B所示的温度变化(y方向上的变化)对应于轮旋转一次期间的温度变化(Tmin至Tmax)。
在图6A中，EN层的厚度为40微米，并且在图6B中，EN层的厚度减少了50％，达到20微米。
可以看出，对于40微米和20微米厚的EN层，EN层都为下面的MSL层提供了良好的隔热保护。相比之下，不包含保护性EN层的轮中的MSL层随研磨时间而具有更高的温度升高。在图6A和图6B中，未以图形示出温度范围的某些微小重叠。为了展示每层温度差的精确比较，表2和表3给出了在4秒研磨时间和7秒研磨时间的Tmin-Tmax的数据。
表2：
Figure BDA0002911018690000241
表3：
Figure BDA0002911018690000242
表2和表3中的数据表明，所有EN层都可向下面的MSL层提供较大的隔热。毫不意外，40微米厚的EN层提供了最佳的热保护，然而，即使在EN层的厚度为10微米时，受EN保护的MSL层(EN-MSL中的MSL)的温度仍然比无保护性EN层的对应MSL层(MSL-无EN)中的温度低约100℃。进一步进行了模拟，以评估与形成电镀镍层(EP)相比，可如何均匀地应用EN层。该模拟假设在钢载体上的100微米厚的MSL层上沉积了40微米厚的镍层。对于化学镀镍层(EN)，层厚度的标准偏差为±2.8微米，而电镀镍层(EP)的标准偏差为±11.6微米。EP层厚度的大得多的标准偏差是由EP过程的性质引起的。EP过程取决于待涂覆零件的局部电流密度，该电流密度随零件几何形状、到阳极的距离和镍离子流而变化。
实例6
干法研磨性能。
外径为14英寸的EN-MSL研磨轮以与实例2中类似的方式制备，用于以10,000至14,000SFPM的轮转速和31IPM的进给速率对球墨铸铁零件进行干法研磨。将EN-MSL轮的研磨性能与电镀镍的商用研磨轮的性能进行比较，其中金刚石颗粒通过电镀镍层(EP-Comp)附着到钢载体。如图7A所示，EN-MSL轮能够研磨约22,000个零件，而对比研磨轮在其使用寿命期间仅能研磨约11,000个零件(所有零件均经过相同类型的研磨/材料去除)。
在受限于理论的情况下，EN-MSL轮具有高研磨性能的一个解释可能是，有较大面积的晶粒可供研磨。钎焊层和薄的化学镀镍层相结合的结构使得金刚石颗粒具有很强的保持力，同时磨料金刚石颗粒的暴露量更大。
实例6中使用的两个轮结构在图7B和7C中示出。图7B示出了EN-MSL轮的横截面，其中磨料颗粒(701)通过钎焊层(703)和化学镀镍层(704)附着到钢载体(702)，并且金刚石磨料颗粒的大部分暴露出来，并且可供用于研磨操作。在研磨操作期间，可很容易去除具有薄的EN涂层(704)的磨料颗粒的暴露部分的至少部分涂层。在图7C中，金刚石颗粒(701)的主要部分嵌入电镀镍层(705)中，其中电镀镍层将磨料颗粒(701)机械地保持到钢载体(702)
与电镀镍层(EP)相比，EN层的另一个优点是可通过EN镀层实现高硬度。虽然EN层(在EN-MSL中)的测试的维氏硬度为6.56±0.30GPa，但EP层的硬度通常较低，并且在样品中测量为介于4.95GPa和5.29GPa之间。根据ASTM E92-17测量维氏硬度。
前述实施例涉及粘结磨料产品，特别是砂轮，其代表了与现有技术的不同之处。
上面已经参考具体实施例描述了益处、其他优点及问题的解决方案。然而，益处、优点、问题的解决方案及可使任何益处、优点或解决方案被想到或变得更加显著的任何特征都不被认为是任何或所有权利要求的关键、所需或必要的特征。本文中提及的包括一种或多种组分的材料可以解释为包括至少一个实施例，在该实施例中所述材料基本上由所指定的一种或多种组分组成。术语“基本上由…组成”应解释为包括成分，该成分包括所指定的那些材料，并排除除不显著改变材料性质的少数含量(例如，杂质含量)材料之外的所有其他材料。此外或另选地，在某些非限制性实施例中，本文所指定的成分中的任一者可以基本上不含未明确公开的材料。本文的实施例包括材料内某些组分的含量范围，应当理解，给定材料内组分的含量总计为100％。
本文所述的实施例的说明书和图示旨在提供对各种实施例的结构的一般理解。说明书和图示并不旨在用作对使用了本文所述的结构或方法的装置和系统的所有元件和特征的详尽和全面的描述。单独的实施例也可在单个实施例中以组合的方式来提供，并且相反地，为简明起见而在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可单独地提供或以任何子组合的方式来提供。此外，对以范围表示的值的引用包括该范围内的每个值和所有各值。只有在阅读本说明书之后，许多其他实施例对于技术人员才是显而易见的。通过本公开内容可以利用和得到其他实施例，使得可在不脱离本公开的范围的情况下进行结构替换、逻辑替换或其他改变。因此，本公开应被视为说明性的而非限制性的。

Claims (14)

1.一种磨料制品，其包括：
基底；
第一粘结材料，所述第一粘结材料包括覆盖在所述基底上的金属；磨料颗粒，所述磨料颗粒覆盖在所述基底上并且耦接至所述第一粘结材料；以及
第二粘结材料，所述第二粘结材料包括金属和磷并且覆盖在所述第一粘结材料的至少一部分上，
其中所述第一粘结材料为钎料，及其中所述第一粘结材料的平均厚度与所述第二粘结材料的平均厚度的总和限定平均总厚度，并且其中所述平均总厚度为所述磨料颗粒的所述平均粒度的至少25％且不大于60％。
2.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述第一粘结材料为覆盖在所述基底的外表面上的层的形式。
3.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述钎料包含锡、铜和钛。
4.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述磨料颗粒具有至少500微米的平均粒度(D50)。
5.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述磨料颗粒包括氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、金刚石或它们的任何组合。
6.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述磨料颗粒基本上由金刚石组成。
7.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述第二粘结材料包括包含镍和磷的化学镀材料。
8.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述第二粘结材料中的磷含量基于所述第二粘结材料的总重量计为至少1重量％且不大于10重量％。
9.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述第二粘结材料的平均厚度为至少10微米且不大于80微米。
10.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述第二粘结材料为化学镀镍层，所述化学镀镍层具有至少5.80GPa的维氏硬度。
11.一种形成磨料制品的方法，所述方法包括：
在基底的外表面上沉积第一粘结前体混合物的层；
将磨料颗粒沉积到所述第一粘结前体混合物的层上；
通过将所述第一粘结前体混合物钎焊到所述基底来形成第一粘结材料；以及
在所述第一粘结材料和所述磨料颗粒的至少部分上方化学镀第二粘结材料，其中所述第一粘结材料的平均厚度与所述第二粘结材料的平均厚度的总和限定平均总厚度，并且其中所述平均总厚度为所述磨料颗粒的所述平均粒度的至少25％且不大于60％。
12.根据权利要求11所述的方法，其中钎焊包括加热到至少400℃且不大于1000℃的钎焊温度。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中化学镀所述第二粘结材料包括形成化学镀镍层。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一粘结前体混合物包括钎焊膏，所述钎焊膏包括预合金铜-锡粉末和氢化钛粉末。
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