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    一種磨料物品包括一粘結的磨料，該磨料具有一由容納在複合粘結材料中的磨料顆粒製成的本體。該複合的粘結材料可以包括一有機材料和一金屬材料。該本體還可以包括一由超級磨料材料製成的填充劑材料。在一實施方式中，該填充劑材料可以具有的平均粒徑比該等磨料顆粒的平均粒徑小至少約10倍。
    公开号:TW201300199A
    申请号:TW101123337
    申请日:2012-06-28
    公开日:2013-01-01
    发明作者:Rachana Upadhyay；Srinivasan Ramanath
    申请人:Saint Gobain Abrasives Inc；Saint Gobain Abrasifs Sa；
    IPC主号:B24D3-00
    专利说明:
    磨料物品及製造方法
    以下內容係針對磨料物品，並且更具體地說是包括超級磨料的粘結的磨料物品。
    用於機加工應用的磨料典型地包括粘結的磨料物品以及塗覆的磨料物品。塗覆的磨料物品通常包括一分層的物品，該物品包括背襯和將磨料顆粒固定在背襯上的粘結劑塗層，其最常見的例子係砂紙。粘結的研磨工具由處於輪狀、盤狀、段狀、鑲嵌針狀(mounted point)、磨石狀以及其他工具形狀(它們可以被安裝在一機加工裝置上，例如一研磨或拋光裝置)的形式的硬的、並且典型是整體的、三維的磨料複合材料組成。
    粘結的研磨工具通常有三個相態，這三個相態包括磨料顆粒、粘結材料、以及孔隙，並且能以多種“等級”和“結構”來製作，該等等級摂和結構摂已經根據本領域的慣例藉由該磨料複合材料的相對硬度和密度(等級)並且藉由該複合材料中的磨料顆粒、粘結劑以及孔隙的體積百分比(結構)來定義。
    一些粘結的研磨工具可能特別有用於研磨和拋光硬質材料，如在電子和光學器件中使用的單晶材料以及用於工業應用如地層鑽孔中的超級磨料材料。例如，聚晶金剛石複合片(polycrystalline diamond compact)(PDC)切割元件典型地被固定到在石油和天然氣行業中用於地層鑽孔應用的鑽頭尖的頭部上。該等PDC切割元件包括一層超級磨料材料(例如金剛石)，該材料必須被研磨至特定的規格。使該等PDC切割元件成型的一方法係使用粘結的研磨工具，該等研磨工具典型地結合了包含在一有機粘結劑基質中的磨料顆粒。
    該行業繼續要求改進的能夠研磨超級磨料工件的方法及物品。
    根據一方面，一種磨料物品包括一粘結的磨料，該磨料具有一包括磨料顆粒的本體，該等磨料顆粒容納在一複合的粘結材料中，該粘結材料包括一有機材料和一金屬材料，其中該本體進一步包括一包含超級磨料材料的填充劑材料，該填充劑材料具有的平均直徑小於該等磨料顆粒的平均直徑至少約10倍。
    在另一方面，一種物品包括一包含磨料顆粒的本體，該等磨料顆粒容納在一複合的粘結材料中，該複合的粘結材料包括一有機材料和一金屬材料，其中該本體進一步包括一包含金屬塗覆的超級磨料材料的填充劑材料，其中該填充劑材料的平均直徑和該等磨料顆粒的平均直徑限定了一種雙峰的粒徑分佈。
    在又一方面，一種磨料物品包括一包含磨料顆粒的本體，該等磨料顆粒容納在一複合的粘結材料中，該複合的粘結材料包括一有機材料和一金屬材料，其中該本體進一步包括一包含鈦塗覆的金剛石顆粒的填充劑材料，其中該填充劑材料化學地結合到該複合粘結材料上。
    根據一方面，一種磨料物品包括一包含磨料顆粒的本體，該等磨料顆粒容納在一複合的粘結材料中，該複合的粘結材料包括一有機材料和一金屬材料，其中該複合的粘結材料包括不大於約0.25的有機材料(OM)與金屬材料(MM)比率(OM/MM)，並且其中該本體包括一包括金屬塗覆的超級磨料顆粒的填充劑材料。
    在仍另一方面，一種磨料物品包括一本體，該本體具有：在約45 vol%到約60 vol%之間的複合的粘結材料，該複合的粘結材料包括有機材料和金屬材料；在約35 vol%到約45 vol%之間的磨料顆粒，該等磨料顆粒包括一種超級磨料材料；以及殘餘含量的填充劑材料，該填充劑材料包括超級磨料顆粒並且該填充劑材料所具有的平均粒徑比該等磨料顆粒的平均粒徑小至少10倍。
    根據另一方面，一種用於形成磨料物品的方法包括：形成包括有機材料、金屬材料、磨料顆粒和填充劑材料的一種混合物，並且處理該混合物以形成一種磨料物品，該磨料物品具有一包括容納在複合的粘結材料中的磨料顆粒和填充劑材料的本體，該複合的粘結材料包括一有機材料和一金屬材料，其中該填充劑材料化學地結合到該複合的粘結材料上。 詳細說明
    以下內容總體上是針對磨料物品以及將此類磨料物品用於某些研磨操作中的方法。值得注意的是，以下實施方式可以包括可能適合於研磨包含超級磨料材料的工件的磨料物品，例如包括多晶金剛石複合片以及具有此類性質的其他材料。
    提及根據一實施方式的、形成粘結的磨料物品的方法，首先可以形成一混合物。這種混合物可以包括磨料顆粒、一粘結材料、以及一填充劑材料。根據一實施方式，該粘結材料可以是一複合的粘結材料，包括至少兩種不同類型的材料。例如，該複合的粘結材料可以包括一有機材料和一金屬材料。在具體的實例中，該混合物的形成可以包括將磨料顆粒與該複合的粘結材料的組分之一相結合，然後向該混合物中加入第二種組分。在一實施方式中，磨料顆粒可以首先與該該有機材料混合。
    該等磨料顆粒可以包括多種材料，如氧化物類、碳化物類、硼化物類、和氮化物類、以及它們的組合。在具體情況下，該等磨料顆粒可以包括超級磨料材料，如金剛石、立方氮化硼、以及它們的組合。某些實施方式可以利用基本上由金剛石組成的磨料顆粒。
    進一步關於該等磨料顆粒，該等磨料顆粒可以具有小於約400微米的平均粒徑。在其他實例中，磨料顆粒可以具有小於約300微米、如小於約275微米、或者甚至小於約250微米的平均粒徑。某些磨料物品可以採用具有至少約50微米、如至少約80微米、至少約90微米、或甚至至少約100微米平均粒徑的磨料顆粒。將瞭解的是，該等磨料顆粒具有的平均粒徑可以處於以上指出的任何最小與最大值之間的範圍內。例如，磨料顆粒的平均粒徑可以是處於在約50微米與約400微米之間的範圍內。
    該混合物可以利用多於一種類型的磨料顆粒。此外，該混合物可以使用具有多於一種平均粒徑的磨料顆粒。即，例如，可以使用包括大的和小的粒徑的磨料顆粒的一混合物。
    該混合物可以包含某一含量的磨料顆粒，使得最終形成的粘結的磨料本體包括占該本體總體積至少約5 vol%的磨料顆粒。應理解是對於其他示例性磨料物品，該本體內的磨料顆粒含量可以更大，如是該本體總體積的至少約10 vol%、至少約20 vol%、至少約30 vol%、或甚至至少約40 vol%。在一些磨料物品中，該混合物可以包含一個量值的磨料顆粒，使得最終形成的本體包含占該本體總體積約5 vol%與約60 vol%之間、並且更具體地在約5 vol%與50 vol%之間的磨料顆粒。
    根據一實施方式，該混合物還可以包括一填充劑材料。適當的填充劑材料可以包括超級磨料材料，它們在其形狀、尺寸、等級以及該等的組合方面與該等磨料顆粒不同。在一實例中，填充劑材料可以包括金剛石，並且可以基本由金剛石顆粒組成。
    在某些實例中，該填充劑材料可以是一微粒材料，其中每個顆粒具有一核以及一包裹該核的殼。該核可以包括超級磨料微粒材料，例如包括金剛石粗粒。根據一實施方式，該殼層可以包括至少一種金屬元素。適當的金屬元素可以包括過渡金屬元素。殼層可以包括一種單一的金屬元素或多種金屬元素的合金。根據一實施方式，該殼層可以包括鈦。在更具體的實例中，該殼層可以基本上由鈦組成。在一仍然更具體的實施方式中，該填充劑材料可以包括金屬塗覆的超級磨料顆粒，如鈦塗覆的金剛石顆粒。
    殼層可以包括與該粘結材料中所存在的金屬材料不同的至少一種金屬元素。具體而言，該粘結材料可以包括一金屬材料，並且該殼層可以由與該金屬材料的組成不同的一材料製造。更具體地，該殼層可以包括一金屬組合物，該金屬組合物係與該金屬材料組合物的組成完全不同且不相似的，從而使得該殼層和金屬材料不需要具有任何相同的元素組分。
    該填充劑材料可以具有的平均粒徑顯著地小於該等磨料顆粒的平均粒徑。例如，在一實施方式中，該填充劑材料可以具有的平均粒徑比該等磨料顆粒的平均粒徑小至少約10倍。在另一實施方式中，該填充劑材料可以具有的平均粒徑比該等磨料顆粒的平均粒徑小至少約12倍、如至少約14倍、或甚至至少約15倍。在仍其他實例中，該填充劑材料可以具有的平均粒徑係比該等磨料顆粒的平均粒徑小不超過約40倍、如不超過約35倍、或甚至不超過約30倍。將理解的是，該填充劑材料可以具有的平均粒徑相對於該等磨料顆粒的平均粒徑處於在上述任何值之間的範圍內。
    值得注意的是，該填充劑材料和該等磨料顆粒可以限定一種雙峰的粒徑分佈。也就是說，該填充劑材料可以具有的平均粒徑顯著地小於該等磨料顆粒的平均粒徑，在某些實例中，是小一個數量級，因此如在頻率對粒徑的圖上所繪製地限定了兩個不同的峰。也就是說，一與該填充劑材料的平均粒徑相關的第一峰係同一個由該等磨料顆粒的平均粒徑限定的第二峰不同且分離的。
    在更具體的實施方式中，該填充劑材料可以具有的平均粒徑為不大於約25微米。在其他實例中，該填充劑材料可以具有的平均粒徑不大於約22微米、不大於約20微米、不大於約18微米、或甚至不大於約16微米。而且，該填充劑材料可以具有的平均粒徑係至少約0.5微米、如至少約1微米、至少約2微米、至少約4微米、或甚至至少約6微米。將瞭解的是該填充劑材料具有的平均粒徑可以處於以上指出的任何最小與最大值之間的範圍內。
    此處的實施方式的該混合物和最終形成的磨料物品可以包括一定量的填充劑材料，這有助於改進研磨性能。例如，該混合物可以包括對於該本體的總體積而言至少約2 vol%的填充劑材料。在某些其他實例中，填充劑材料在混合物中的含量、並且因此在最終形成的磨料物品本體中的含量可以是更大的，如該本體總體積的至少約4 vol%、至少約6 vol%、或甚至至少約7 vol%。在某些磨料物品中，該混合物可以包含不超過約16 vol%的填充劑材料量、如不超過約14 vol%、不超過約12 vol%、或甚至不超過約10 vol%。將理解的是，該混合物、並且因此該最終成型的粘結的磨料本體可以具有的填充劑材料量處於上述任何最小與最大值之間的範圍內。
    該混合物、並且因此該磨料物體的最終成型的本體可以具有在磨料顆粒量與填充劑材料量之間的特定比率，該比率有助於改進研磨性能。例如，該混合物、並且因此該本體，可以具有不大於約0.30的填充劑材料與磨料顆粒比率(FM/AG)，其中FM係基於該本體的總體積的填充劑材料的體積百分比，而AG係基於該本體的總體積的磨料顆粒的體積百分比。在其他實例中，比率(FM/AG)可以是更小的，如不超過約0.25、或甚至不超過約0.24。在仍其他的實例中，填充劑材料與磨料顆粒的比率可以是至少約0.12、如至少約0.14、至少約0.16、或甚至至少約0.18。將瞭解的是該比率可以處於以上指出的任何最小與最大值之間的範圍內。
    該混合物、並且因此該磨料物品的最終成型本體可以具有特定的磨料顆粒和填充劑材料含量，如對於該本體的總體積至少約38 vol%。在一實施方式中，磨料顆粒和填充劑材料的含量可以是至少約40 vol%、至少約42 vol%、或甚至至少約44 vol%。而且，該磨料顆粒和填充劑材料的總含量可以是不超過約55 vol%、如不超過約52 vol%、不超過約50 vol%、或甚至不超過約48 vol%。將理解的是，該混合物、並且因此該最終成型的粘結的磨料本體可以具有的磨料顆粒和填充劑材料量處於上述任何最小與最大值之間的範圍內。
    關於該粘結材料的有機材料組分，一些適當的有機材料包括熱固性材料和熱塑性材料。具體而言，該粘結材料可以包括多種材料，諸如聚醯亞胺類、聚醯胺類、樹脂類、芳族聚醯胺類、環氧樹脂類、聚酯類、聚氨酯類、以及它們的一組合。根據一具體實施方式，該有機材料可以包括一種聚苯並咪唑(PBI)。另外，該粘結材料可以包括某一含量的樹脂材料，如酚醛樹脂。在此類利用了樹脂的實施方式中，該樹脂可以按較小的量值存在，並且可以與其他有機材料組合使用。
    該混合物可以包含某一含量的有機材料，使得最終形成的粘結的磨料本體包括占該粘結材料總體積不大於約20 vol%的有機材料。在其他實施方式中，該粘結材料內的有機材料的量值可以更小，例如不大於約18 vol%、如不大於約16 vol%、不大於約14 vol%、或者甚至不大於約10 vol%。在具體實例中，該本體可以被形成為使得該有機材料存在的量值係在約1 vol%與約20 vol%之間的範圍內，如在約1 vol%與約19 vol%之間、在約8 vol%與約15 vol%之間的範圍內或在約10 vol%與12 vol%的範圍內。
    在形成了有機材料與磨料顆粒的一混合物之後，可以加入一金屬材料以協助形成一複合粘結材料，其中該複合粘結材料包含該有機材料和金屬材料。在某些情況下，該金屬材料可以包括多種金屬或金屬合金。該金屬材料可以結合一或多種過渡金屬元素。根據一實施方式，該金屬材料可以包括銅、錫、以及它們的一組合。事實上，此處的實施方式可以利用基本上由青銅組成、並且包含的銅：錫之比係按重量計約60：40的一金屬材料。
    可以向該混合物中加入某一含量的金屬材料，使得該最終形成的粘結的磨料本體包含占該粘結材料總體積的至少約20 vol%的金屬材料。在其他情況下，該複合粘結材料內的金屬材料的量值可以更大，例如在至少約30 vol%、至少約40 vol%、至少約50 vol%、或者甚至至少約60 vol%的等級上。具體實施方式可以利用量值在該複合粘結材料總體積的約20 vol%與約99 vol%之間、如在約30 vol%與約95 vol%之間、或甚至在約50 vol%與約95 vol%之間的範圍內金屬材料。
    在形成該包含磨料顆粒、有機材料、以及金屬材料的混合物之後，可以將該混合物攪拌或混合一個足的時段以保證該等組分均勻分佈在彼此之中。在保證該混合物係適度混合的之後，可以藉由處理該混合物來繼續這個形成磨料物品的過程。
    根據一實施方式，處理該混合物可以包括一壓製過程。更具體地說，該壓製過程可以包括一熱壓過程，其中該混合物被同時加熱和壓製以給予該混合物一適當的形狀。該熱壓操作可以利用一模具，其中該混合物被放置在該模具中，並且在該熱壓操作的過程中，利用熱量和壓力的施加來將該混合物形成為該模具的輪廓並且給予該混合物一適當的、最終形成的形狀。
    根據一實施方式，該熱壓操作可以在不大於約600℃的壓製溫度下進行。該壓製溫度被認為是在熱壓的過程中用來協助該粘結材料的恰當形成的最大浸透溫度。根據另一實施方式，熱壓過程可以在不大於約550℃、如不大於500℃的壓製溫度下進行。在具體情況下，熱壓可以在約400℃與600℃之間的範圍內、並且更具體地在約400℃與490℃之間的範圍內的壓製溫度下完成。
    該壓製過程可以在一特定的壓力下進行，該壓力係施加在該混合物上適合於將該混合物形成至所希望的形狀的最大且持續的壓力。例如，該熱壓過程可以在不大於約10噸/英寸2的最大壓製壓力下進行。在其他實施方式中，該最大壓製壓力可以更小，如不大於約8噸/英寸2、不大於約6噸/英寸2。但是，某些熱壓過程可以利用在約0.5噸/英寸2與約10噸/英寸2之間的範圍內、如在0.5噸/英寸2與6噸/英寸2之間的範圍內的壓製壓力。
    根據一實施方式，可以進行該壓製過程，使得壓製壓力和壓製溫度保持至少約5分鐘的持續時間。在其他實施方式中，該持續時間可以更大，如至少約10分鐘、至少約20分鐘、或甚至至少30分鐘。
    總體上，該處理操作的過程中利用的氣氛可以是包括一惰性物質(如稀有氣體)的一惰性氣氛、或具有有限量的氧氣的一還原氣氛。在其他情況下，該壓製操作可以在一環境氣氛中進行。
    在完成該熱壓操作時，所得到的形式可以是包括多個包含在一複合粘結材料中的磨料顆粒的一磨料物品。
    圖1包括根據一實施方式的一種磨料物品。如所展示的，磨料物品100可以包括一粘結的磨料本體101，該本體具有一總體上環形的形狀並且限定了一軸向延伸穿過本體101的中心開口102。該粘結的磨料本體101可以包括多個包含在此處描述的複合粘結材料中的磨料顆粒。根據一實施方式，磨料物品100可以是具有一中心開口102的研磨輪，該中心開口輔助將該粘結的磨料本體聯接到適當的研磨機上，該研磨機被設計為使該磨料物品轉動以用於材料去除操作。此外，插入件103可以被放置在本體101的周圍並且限定該中心開口102，並且在具體情況下，該插入件103可以是能夠協助將本體101聯接到機器上的一金屬材料。
    該粘結的磨料本體101可以限定一在磨料物品100的邊緣周圍環圓周地延伸的磨料輪緣。即，本體101可以沿著插入件103的外周邊緣延伸，該插入件被固定(例如，使用緊固件、粘合劑以及它們的組合)至本體101上。
    本體101可以具有特定量的磨料顆粒、粘結材料、以及孔隙。本體101可以包括如在該混合物中描述的相同量值(vol%)的磨料顆粒。本體101還可以包括如以上相對於初始混合物描述的相同量值(vol%)的填充劑材料。另外，在該本體中的填充劑材料與磨料顆粒之間的比率、以及填充劑材料和磨料顆粒的總含量可以是與此處所描述的混合物中所存在的相同。
    本體101可以包括占本體總體積的至少約10 vol%的複合粘結材料。在其他情況下，本體101可以包括更大含量的複合粘結材料，例如占本體101的總體積的至少約20 vol%、至少約30 vol%、至少約40 vol%、或甚至至少約50 vol%。在其他情況下，本體101可以被形成為使得該複合粘結材料包括占本體101的總體積的約10 vol%與約80 vol%之間(如在約10 vol%與60 vol%之間、或甚至在約20 vol%與約60 vol%之間)的粘結材料。
    值得注意地，本體101可以被形成為具有基於包含在該複合粘結材料內的有機材料(OM)與金屬材料(MM)的體積百分比的一特定比率。例如，該複合粘結材料可以具有的按體積計的有機材料(OM)與按體積計的金屬材料(MM)之比(OM/MM)，該比值具有不大於約0.25的值。根據其他實施方式，該磨料物品可以被形成為使得該複合粘結材料的比值係不大於約0.23，如不大於約0.20、不大於約0.18、不大於約0.15、或甚至不大於約0.12。在具體情況下，該本體可以被形成為使得該複合粘結材料具有的有機材料與金屬材料之比(OM/MM)係在約0.02與0.25之間，如在約0.05與0.20之間、在約0.05與約0.18之間、在約0.05與約0.15之間、或甚至在約0.05與約0.12之間的範圍內。
    該磨料物品可以被形成為使得本體101包含某一含量的孔隙率。例如，本體101可以具有占本體101的總體積的不大於約10 vol%的孔隙率。在其他情況下，本體101可以具有的孔隙率係不大於約8 vol%，如不大於約5 vol%、或甚至不大於約3 vol%。但是，本體101可以被形成為使得該孔隙率係占本體101的總體積的0.5 vol%與10 vol%之間，如在約0.5 vol%與約8 vol%之間、在約0.5 vol%與約5 vol%之間、或甚至在約0.5 vol%與約3 vol%之間。該孔隙率的大部分可以是封閉的孔隙率，該封閉的孔隙率包括該粘結材料內的封閉的以及孤立的孔。事實上在某些情況下，本體101內基本上所有的孔隙率都可以是封閉的孔隙。
    除了在此描述的該等特徵之外，本體101可以被形成為使得它具有一複合粘結材料，其中本體101內的不小於約82%的磨料顆粒被包含在該複合粘結材料的金屬材料之內。例如，本體101可以被形成為使得本體101內的不小於85%(如不小於約87%、不小於約90%、或甚至不小於約92%)的磨料顆粒被包含在該複合粘結材料的金屬材料之內。本體101可以被形成為使得本體101內的約82%至約97%之間並且更具體地是85%至約95%之間的磨料顆粒可以被包含在該粘結材料的金屬材料之內。
    除了在此描述的該等特徵之外，本體101可以被形成為使得它具有一複合粘結材料，其中本體101內的不小於約82%的磨料顆粒被包含在該複合粘結材料的金屬材料之內。例如，本體101可以被形成為使得本體101內的不小於85%(如不小於約87%、不小於約90%、或甚至不小於約92%)的磨料顆粒被包含在該複合粘結材料的金屬材料之內。本體101可以被形成為使得本體101內的約82%至約97%之間並且更具體地是85%至約95%之間的磨料顆粒可以被包含在該粘結材料的金屬材料之內。
    此外，本體101可以被形成為，使得在本體101中不小於約82%的填充劑材料可以容納在該複合的粘結材料的金屬材料之內。例如，本體101可以被形成為使得本體101內的不小於85%、如不小於約87%、不小於約90%、或甚至不小於約92%的填充劑材料被包含在該複合粘結材料的金屬材料之內。本體101可以被形成為使得本體101內的約82%至約97%之間並且更具體地是85%至約95%之間的磨料顆粒可以被包含在該粘結材料的金屬材料之內。
    與其他特徵相結合地，如在此處的實施方式中描述的該填充劑材料可以協助改進研磨性能和粘結的磨料本體的耐用性。例如，該填充劑材料可以化學地結合到該複合的粘結材料上。在採用由金屬塗覆的超級磨料顆粒製成的填充劑材料的某些實施方式中，該塗層或殼層可以有助於在粘結材料、具體是該複合的粘結材料的金屬材料與該核(例如超級磨料顆粒)之間的化學結合。在根據此處的實施方式的某些形成方法中，該複合的粘結材料的金屬材料與該填充劑材料的殼層材料可以反應，從而有助於殼層材料與複合粘結物的金屬材料之間的相互擴散。在某些實施方式中，相互擴散可以有助於化學鍵的形成並且在核的外表面限定一活性區域(即超級磨料微粒)。
    該等實施方式的粘結的磨料物品可以利用一具有不大於3.0 MPa m0.5的斷裂韌度的複合粘結劑。事實上，某些粘結的磨料物品可以具有一粘結材料，該粘結材料具有的斷裂韌度為不大於約2.5 MPa m0.5，如不大於約2.0 MPa m0.5、或甚至不大於約1.8 MPa m0.5。某些粘結的磨料物品可以利用一複合粘結材料，該複合粘結材料具有的斷裂韌度在約1.5 MPa m0.5與約3.0 MPa m0.5之間，如在約1.5 MPa m0.5與約2.5 MPa m0.5之間的範圍內、並且甚至是在約1.5 MPa m0.5與約2.3 MPa m0.5之間的範圍內。
    在另一實施方式中，該本體可以具有不大於約0.25 mm的平均磨損。磨損可以是在一台司特爾(Streurs)拋光機，其中該本體的樣品處於一截面為0.257英寸×0.257英寸且長度約0.75英寸的輪形式。將樣品粘附到一鋁圓筒上，測量其直徑為1.25英寸且長1.5英寸。將鋁圓筒保持在機器固定物的一豎直位置中。樣品面向下並且與一研磨盤進行接觸。研磨盤包含100個碳化矽粗粒並且直徑為10英寸。鋁圓筒另一端的負載設定為50牛頓。研磨盤在150 rpm下旋轉，並且在研磨盤與樣品之間的接觸係在50牛頓負載下10秒鐘。樣品上的磨損按照測試進行後樣品厚度的減少來測量。在一實施方式中，本體的平均磨損可以是更低的，如不大於約0.2 mm，不大於約0.18 mm，不大於約0.13 mm，不大於約0.1 mm，或甚至不大於約0.08 mm。而且，平均磨損可以是至少約0.005 mm，或甚至至少約0.01 mm。將瞭解的是該本體磨損可以處於以上指出的任何最小與最大值之間的範圍內。
    對於某些實施方式，該本體可以具有的厚度係在羅式(Rockwell)B標度上至少約90，使用標準的1/16英寸鋼球在100 kg的負載下壓印該本體來測試。在其他實例中，該本體的硬度可以更大，如至少約95、至少約100、至少約105、至少約108、或甚至於至少約110。而且，該硬度可以是不大於約150。將瞭解的是該本體磨損可以處於以上指出的任何最小與最大值之間的範圍內。
    對於某些實施方式，該本體可以具有的G比率為至少約0.016，該比率係從工件去除的材料體積除以從粘結的磨料本體損失的材料體積的量度。值得注意的是，G比率可以藉由研磨一包括超級磨料材料的超硬工件來測量，其中在研磨之前和之後測量了該輪的直徑和寬度以確定所消耗的輪體積。在工件上進行類似的測量，從而對G比率進行計算值。在其他實例中，該本體的G比率可以更大，如至少約0.017、至少約0.018、至少約0.02、至少約0.025、至少約0.03、或甚至於至少約0.04。而且，本體的G比率可以是不大於約0.06、如不大於約0.055、或甚至不大於約0.05。將瞭解的是該本體G比率可以處於以上指出的任何最小與最大值之間的範圍內。
    在此該等磨料物品可能特別適合於從特殊工件上去除材料，如藉由一研磨過程。在具體實施方式中，在此的實施方式的粘結的磨料物品可以特別適合於對結合了超硬材料或超級磨料材料的工件進行研磨和精加工。即，該等工件可以具有5 GPa或更大的平均維氏硬度。事實上，某些工件(它可以藉由在此的實施方式的粘結的磨料物品來精加工)可以具有至少約10 GPa、如至少約15 GPa、或甚至至少約25 GPa的平均維氏硬度。
    事實上，在某些情況下，在此的該等粘結的磨料物品特別適合用於同樣在磨料應用中使用的材料的研磨。此類工件的一具體例子包括聚晶金剛石複合片(PDC)切割元件，該等元件可以被放置在石油和天然氣行業中使用的地層鑽孔用鑽頭尖的頭部上。總體上，PDC切割元件可以包括一複合材料，該複合材料具有覆蓋在一基底上的一磨料層。該基底可以是一金屬陶瓷的(陶瓷的/金屬的)材料。即，該基底可以包括某一含量的金屬，典型地是一合金或超級熱合金材料。例如，該基底可以具有一莫氏硬度為至少約8的金屬材料。該基底可以包括一金屬元素，該金屬元素可以包括一或多種過渡金屬元素。在更具體的情況下，該基底可以包括一碳化物材料，並且更具體地是碳化鎢，使得該基底可以基本上由碳化鎢組成。
    該工件的磨料層可以直接粘結到該基底的表面上。該磨料層可以包括硬質材料，如碳、球碳、碳化物、硼化物、以及它們的組合。在一具體情況下，該磨料層可以包括金剛石、並且更具體地可以是一種聚晶金剛石層。一些工件，並且具體是PDC切割元件，可以具有一基本上由金剛石組成的磨料層。根據至少一個實施方式，該磨料層可以由具有至少約9的莫氏硬度的一材料來形成。此外，該工件可以具有一總體上成圓柱形形狀的本體，具體是關於PDC切割元件而言。
    已經發現在此的該等實施方式的粘結的磨料物品特別適用於對結合了超硬材料(例如，金屬和金屬合金，如鎳基超級熱合金以及鈦基超級熱合金、碳化物、氮化物、硼化物、富勒烯、金剛石、以及它們的一組合)的工件進行研磨和/或精加工。在一材料去除(即，研磨)操作的過程中，可以使該粘結的磨料本體相對於該工件轉動以有助於從該工件上去除材料。
    圖2中展示了一這樣的材料去除過程。圖2包括根據一實施方式的一研磨操作的圖。具體地說，圖2展示了利用了處於研磨輪形式的、結合了粘結的磨料本體101的磨料物品100進行的一無心研磨操作。該無心研磨操作可以進一步包括一調整輪201，它能以特定的速度轉動以控制該研磨過程。如進一步展示的，對於一特定的無心研磨操作，工件203可以被佈置在研磨輪100與調整輪201之間。工件203可以被一支撐件205支撐在研磨輪100與調整輪201之間的一特定位置中，該支撐件被配置為在研磨的過程中維持工件203的位置。
    根據一實施方式，在無心研磨過程中，研磨輪100可以相對於工件203轉動，其中研磨輪100的轉動有助於粘結的磨料本體101相對於工件203的一特定表面(例如，圓柱形工件的一圓周側表面)的移動，並且因此有助於對工件203的表面的研磨。此外，調整輪201可以在研磨輪100轉動的同時進行轉動以控制工件203的轉動並且控制該研磨操作的某些參數。在某些情況下，調整輪201可以在與研磨輪100同一個方向上轉動。在其他研磨的過程中，調整輪201和研磨輪100可以在相對於彼此相反的方向上轉動。
    已經注意到，藉由利用在此的該等實施方式的粘結的磨料本體，該等材料去除方法能以與習知技術的產品和方法相比特別有效的方式來進行。例如，該粘結的磨料本體能以不大於約350 J/mm3的平均比研磨能(SGE)對一包含超級磨料材料的工件進行研磨。在其他實施方式中，該SGE可以更小，例如不大於約325 J/mm3，例如不大於約310 J/mm3、不大於約300 J/mm3、或甚至不大於約290 J/mm3。但是，對於某些研磨操作，該粘結的磨料材料能以在約50 J/mm3與約350 J/mm3之間的範圍內，如在約75 J/mm3與約325 J/mm3之間、或甚至在約75 J/mm3與約300 J/mm3之間的範圍內的一平均SGE來從該工件上去除材料。
    應指出的是某些研磨參數(例如，比研磨能)可以結合其他參數而實現，包括例如特定的材料去除率(MRR)。例如，該平均材料去除率可以是至少約8 mm3/sec。事實上，已實現了更大的材料去除率，如處於至少約10 mm3/sec，如至少約12 mm3/sec、至少約14 mm3/sec、至少約16 mm3/sec、或甚至至少約18 mm3/sec的等級上。根據具體實施方式，利用了在此的粘結的磨料本體的研磨操作可以實現的平均材料去除率係處於約8 mm3/sec與約40 mm3/sec之間，如在約14 mm3/sec與約40 mm3/sec之間、如在約18 mm3/sec與約40 mm3/sec之間、並且甚至在約20 mm3/sec與40 mm3/sec之間的範圍內。
    研磨操作(利用了在此的實施方式的該等粘結的磨料物品以及應該包含超級磨料材料的工件)能以不大於約150 W/mm的臨界功率來進行。值得注意地，針對該磨輪物品的接觸寬度將該臨界功率標準化。在其他實施方式中，研磨操作過程中的臨界功率可以更小，如不大於約140 W/mm、不大於約130 W/mm、不大於約110 W/mm、不大於約100 W/mm、不大於約90 W/mm、或甚至不大於約75 W/mm。某些研磨操作可以在約20 W/mm與約150 W/mm之間，如在約20 W/mm與約130 W/mm之間，如在約20 W/mm與110 W/mm之間、或甚至在20 W/mm與90 W/mm之間的範圍內的臨界功率下進行。
    某些研磨特性(例如，比研磨能、臨界功率、材料去除率等)可以結合該粘結的磨料以及研磨方法的具體方面(包括，例如，具體的磨輪的幾何形狀)來實現。例如，在此的該等研磨特性可以在形狀為研磨輪的磨料物品(見圖1)上實現，其中該等輪子具有的直徑係至少約5英寸、至少約7英寸、至少約10英寸、或甚至至少約20英寸。在某些情況下，該研磨輪可以具有的外徑係在約5英寸與約40英寸之間，如在約7英寸與約30英寸之間的範圍內。
    此處的該等研磨特性可以在形狀為研磨輪的磨料物品(見圖1)上實現，其中該等輪子可以具有一寬度，如跨過限定了該輪子的輪緣的磨料層寬度所測得的，該寬度為至少約0.5英寸、至少約1英寸、至少約1.5英寸、至少約2英寸、至少約4英寸、或甚至至少約5英寸。具體實施方式可以利用具有的寬度在約0.5英寸與約5英寸之間，如在約0.5英寸與約4英寸之間、或甚至在約1英寸與約2英寸之間的範圍內的研磨輪。
    在具體的情況下，該等材料去除操作包括一無心研磨操作，其中該研磨輪的速度係至少約900 m/min，如處於至少約1000 m/min、至少約1200 m/min、或甚至至少約1500 m/min的等級上。具體的方法可以利用在約1000 m/min與約3000 m/min之間，如在約1200 m/min與約2800 m/min之間、或甚至在約1500 m/min與約2500 m/min之間的範圍內的研磨輪速度。
    在具體的情況下，該等材料去除操作包括一無心研磨操作，其中該調整輪的速度係至少約5 m/min，如處於至少約10 m/min、至少約12 m/min、或甚至至少約20 m/min的等級上。具體的方法可以利用在約5 m/min與約50 m/min之間，如在約10 m/min與約40 m/min之間、或甚至在約20 m/min與約30 m/min之間的範圍內的調整輪速度。
    該研磨過程還可以在每次研磨操作時利用一特定的貫穿橫給進速率，這係對磨料物品與工件之間的接合作用的徑向深度的一度量。在具體情況下，該每次研磨的橫給進速率可以是至少約0.01 mm、至少約0.02 mm、並且甚至是至少約0.03 mm。而且，該研磨操作典型地被設定為使得該每次研磨的橫給進速率係在約0.01 mm與約0.5 mm之間、或甚至在約0.02 mm與約0.2 mm之間的範圍內。另外，可以這樣完成該研磨過程使得該等工件的貫穿給進速率係在約20 cm/min與約150 cm/min之間、並且更具體地是在約50 cm/min與約130 cm/min之間。
    將進一步理解的是在某些無心研磨操作中，可以使該調整輪相對於工件和研磨輪成角度以有助於該等工件的貫穿給進。在具體情況下，該調整輪的角度係不大於約10度，如不大於約8度、不大於約6度、並且甚至不大於約4度。對於某些無心研磨操作，可以使該調整輪相對於該工件和研磨輪成角度，該角度在約0.2度與約10度之間的範圍內，如在約0.5度與約5度之間、並且更具體地是在約1度與約3度之間的範圍內。 實例
    以下內容包括根據在此的一實施方式形成的一粘結的磨料本體(S1)與被設計為研磨超級磨料材料的一常規磨料材料(C1)相比的對比實例。
    樣品S1係藉由將磨料顆粒和填充劑材料的混合物進行組合而形成的，其中磨料顆粒係具有平均尺寸為美國篩目100/120的金剛石(即平均粒徑為125-150微米)並且填充劑材料具有1200/4800的美國篩目尺寸(即平均粒徑為2-12微米)。填充劑材料與磨料顆粒的比率係約0.21。
    將磨料顆粒和填充劑材料與一有機粘結材料混合，該粘結材料由從波德克塑膠公司(Boedeker Plastics Inc)可商購的聚苯並咪唑(PBI)組成。此後，將金屬粘結物加入到該混合物中。該金屬粘結材料係一青銅(60/40的Sn/Cu)組合物，從Connecticut Engineering Associates Corporation作為DA410可獲得的。
    將該混合物徹底混合並倒入一模具中。然後根據以下程式對該混合物進行熱壓。開始時，對該混合物施加60 psi的線壓力。接著將該混合物加熱至395℃。然後施加10噸/英寸2的全壓力並將該混合物加熱至450℃持續20分鐘、接著冷卻下來。
    將該最終形成的粘結的磨料物品形成為一研磨輪的形狀，該研磨輪具有8英寸的外徑以及約1英寸的輪寬度。該粘結的磨料物品具有約54 vol%的複合粘結材料，其中該粘結材料的90%係該金屬粘結材料並且該粘結材料的10%係該有機材料。樣品S1的粘結的磨料物品具有約46 vol%的磨料顆粒和填充劑材料。該粘結的磨料物品包括少量的孔隙，總體上小於1 vol%。
    該常規樣品(C1)係藉由將大的和小的金剛石顆粒的一混合物進行組合而形成的，其中該等小的金剛石顆粒具有美國篩目140/170的平均砂礫(即，150微米)並且大的金剛石顆粒具有美國篩目170/200的平均粒徑(即，181微米)。將金剛石顆粒的大的和小的混合物以相等份數進行混合。
    將大的和小的金剛石的混合物與一有機粘結材料進行混合，該粘結材料由樹脂和石灰組成，是從聖高拜磨料公司(Saint-Gobain Abrasives)作為DA69通常可獲得的。還向該混合物中加入一個量的SiC顆粒，其中該等SiC顆粒具有800美國篩目的平均粒徑、並且是從聖高拜磨料公司作為DA49 800 Grit可得的。另外，向該混合物中加入少量(即，3 vol%-4 vol%)的糠醛，它係從美國新澤西州的羅傑斯公司(Rogers Corporation)作為DA148可得到的。
    將該混合物徹底混合並倒入一模具中。然後根據以下程式對該混合物進行熱壓。開始時，將該混合物放入該模具中並將該混合物加熱至190℃。然後施加3噸/英寸2的全壓力持續15分鐘、接著冷卻下來。熱壓之後，所形成的磨料在210℃下經受持續16小時的成形後烘烤。
    樣品C1被形成為一研磨輪，該研磨輪與樣品S1的研磨輪基本上具有相同的尺寸。樣品C1具有約28 vol%的磨料顆粒、42 vol%的有機粘結材料(酚醛樹脂)、約25 ol%的SiC砂礫(美國篩目800)、以及約3 vol%-4 vol%的糠醛。樣品C1係從Norton Abrasives作為一PCD樹脂狀研磨輪可得到的。樣品C1與樣品S1輪具有相同的尺寸。
    在一無心研磨操作中將樣品C1和S1用來研磨超級磨料工件(即，具有碳化鎢基底以及聚晶金剛石磨料層的PDC切割元件)。
    圖3包括在此處揭露的磨損測試下測量的樣品S1和C1的平均磨損(英寸)的線條圖。如清晰展示的，樣品S1具有比樣品C1顯著更低的平均磨損。值得注意的是，並且相當出乎意料的是，樣品S1顯示了約0.002英寸(0.05 mm)的平均磨損，這比樣品C1的約0.015英寸(0.32 mm)的平均磨損低將近一個數量級。測試加過清晰地證明，與樣品C1相比，樣品S1遭受更少的磨損並且具有改進的耐用性和壽命。
    圖4包括對於樣品S1和C1在上述研磨操作下，使用此處描述的標準測試來測量的根據羅式B硬度標度的硬度值的線條圖。如清晰展示出的，樣品S1具有比樣品C1更大的硬度，這表明了改進的性能和耐用性。值得注意的是，樣品S1展現了約110的羅氏B硬度，而樣品C1具有的硬度為約80羅氏B。
    圖5包括對於樣品S1和C1在上述研磨條件下測量的G比率(即從工件去除的材料的體積除以磨料物品磨損的體積)的線條圖。如清晰展示出的，與樣品C1相比，樣品S1具有顯著更高的G比率，這表明了超過樣品C1的、改進的耐用性和研磨性能。
    在此的實施方式上述的粘結的磨料物品以及形成和使用此類粘結的磨料物品的方法代表了與習知技術的偏離。具體而言，該結結的磨料本體採用多種特性的組合，包括以具體量和比率、尺寸和形狀存在的磨料顆粒、填充劑材料和複合的粘結材料的一混合物，證明它具有改進的研磨性能，具體是在超硬和/或超級磨料工件的研磨方面。在某些方面，改進的研磨性能係相當出乎意料的，因為多種特性的組合被證明顯著地改進了專用於研磨超硬工件的常規粘結磨料物品。值得注意的是，不希望受具體理論的束縛，認為多種組分(即，磨料顆粒、填充劑材料和複合的粘結材料)的獨特組合有助於在組分與更硬、更強的磨料本體之間改進結合強度。此外，在此的該等實施方式、所描述的製造該粘結磨料物品的方法以及使用該粘結的磨料物品用於特定的研磨操作的方法，代表了與習知技術的偏離。注意到，在某些研磨操作中使用根據在此的實施方式的粘結的磨料物品允許了該粘結的磨料物品的更有效的研磨以及延長的壽命。
    在上文中，提及的多個具體的實施方式以及某些部件的連接物係說明性的。應當理解，提及的被聯接或者連接的多個部分係旨在揭露在所述部分之間的直接連接或者藉由一或多個插入部分的間接連接以便實施如在此討論的該等方法。這樣，以上揭露的主題應被認為是解說性的、而非限制性的，並且所附申請專利範圍旨在覆蓋落在本發明的真正範圍內的所有此類變體、改進、以及其他實施方式。因此，在法律所允許的最大程度上，本發明的範圍應由對以下申請專利範圍和它們的等效物可容許的最寬解釋來確定，並且不應受以上的詳細的說明的約束或限制。
    本揭露不得用於解釋或限制申請專利範圍的範圍或含義。另外，在上文中，說明中包括，為了使精簡揭露的目的而可能將不同的特徵集合在一起或者在一單獨的實施方式中描述。本揭露不得被解釋為反映了一種意圖，即提出申請專利範圍的實施方式要求的特徵多於在每一項申請專利範圍中清楚引述的特徵。相反，如以下的申請專利範圍反映出，發明主題可以是針對少於任何揭露的實施方式的全部特徵。
    100‧‧‧磨料物品
    101‧‧‧本體
    102‧‧‧中心開口
    103‧‧‧插入件
    201‧‧‧調整輪
    203‧‧‧工件
    205‧‧‧支撐件
    藉由參見附圖可以更好地理解本揭露，並且使其許多特徵和優點對於熟習該項技術者變得清楚。
    圖1包括根據一實施方式的一磨料物品的圖解。
    圖2包括根據一實施方式的一研磨操作的圖。
    圖3包括與代表常規磨料物品的一樣品相比，對於一根據在此的實施方式形成的樣品所測量的平均磨損(英寸)的線條圖。
    圖4包括與代表常規磨料物品的一樣品相比，對於一根據在此的實施方式形成的樣品所測量的硬度的線條圖。
    圖5包括與代表常規磨料物品的一樣品相比，對於一根據在此的實施方式形成的樣品所測量的G比率的線條圖。
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] 一種磨料物品，包括：一粘結的磨料，該磨料具有一包括磨料顆粒的本體，該等磨料顆粒容納在一複合的粘結材料中，該複合的粘結材料包括一有機材料和一金屬材料，其中該本體進一步包括一包含超級磨料材料的填充劑材料，該填充劑材料具有的平均直徑比該等磨料顆粒的平均直徑小至少約10倍。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之磨料物品，其中該填充劑材料的平均粒徑和該等磨料顆粒的平均粒徑限定了一種雙峰的粒徑分佈。
    [3] 一種磨料物品，包括：一包括磨料顆粒的本體，該等磨料顆粒包含在一複合的粘結材料中，該複合的粘結材料包括一有機材料和一金屬材料，其中該本體進一步包括一包含鈦塗覆的金剛石顆粒的填充劑材料，其中該填充劑材料係化學地結合到該複合粘結材料上的。
    [4] 如申請專利範圍第3項所述之磨料物品，其中該鈦係在該填充劑材料與該複合的粘結材料之間的介面上的一活性區域處化學地結合到該複合的粘結材料的金屬材料上的。
    [5] 如申請專利範圍第4項所述之磨料物品，其中該活性區域包括鈦與該複合的粘結材料的金屬材料的相互擴散，從而在該超級磨料顆粒的表面處限定了一結合區域。
    [6] 一種磨料物品，包括：一包括磨料顆粒的本體，該等磨料顆粒包含在一複合的粘結材料中，該複合的粘結材料包括一有機材料和一金屬材料，其中該複合的粘結材料包括不大於約0.25的有機材料(OM)與金屬材料(MM)比率(OM/MM)，並且其中該本體包括一包含金屬塗覆的超級磨料顆粒的填充劑材料。
    [7] 如申請專利範圍第1、3或6項所述之磨料物品，其中該有機材料包含對於該複合的粘結材料的總體積而言在約1 vol%與約20 vol%之間。
    [8] 如申請專利範圍第1、3或6項所述之磨料物品，其中該本體包括不大於約0.30的填充劑材料與磨料顆粒比率(FM/AG)，其中FM係基於該本體的總體積的填充劑材料的體積百分比，而AG係基於該本體的總體積的磨料顆粒的體積百分比。
    [9] 如申請專利範圍第1、3或6項所述之磨料物品，其中該本體包括在羅氏B標度上至少約90的硬度。
    [10] 如申請專利範圍第1、3或6項所述之磨料物品，其中該複合的粘結材料具有不大於約3.0 MPa m0.5的斷裂韌性。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    US201161503380P| true| 2011-06-30|2011-06-30||
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