CN101910354B - 制造包封的超硬材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种形成包含涂覆有包封材料的超硬(超级硬)芯材的丸粒的方法，该方法包括与转盘和/或流化床设备依次结合的利用带铲转筒的步骤。本发明教导了以下步骤：提供超硬材料源，提供包含合适的粘结剂、溶剂或流体介质及期望的涂覆或包封层的混合物，在带铲转筒中组合超硬材料和混合物，以使得超硬材料被混合物包封的适当速率旋转该转子以便形成丸粒，将所述丸粒引入到旋转容器或流化床造粒设备中，以及使丸粒与包封材料接触以形成比引入到容器内的丸粒质量更大的丸粒。

Description

制造包封的超硬材料的方法
引言
本发明涉及制造包封的超硬(超级硬)(研磨)材料的方法。特别地，本发明涉及制造选自金刚石和cBN的超硬材料的方法，该方法包括与第二技术相结合的采用带铲转筒(shovel rotor)的步骤。
发明背景
US4770907(Kimura，Fuji Paudal，1988)，US5143523(Matarrese，GE，1992)和US5405573(Clark等人，GE，1995)均描述了流化床涂覆颗粒的用途。在该方法中，在腔室内的气流中悬浮超硬芯材例如金刚石籽晶，向该腔室内喷涂粘结剂、溶剂和粒状材料(例如金属粉末，包封材料)的细悬浮体。作为替代，可用单独的粉末添加物喷涂粘结剂-溶剂。出现的丸粒的体积增加与在腔室内的驻留时间成比例(非线性)。该方法的优点是流化床允许芯材籽晶的良好分离，从而确保在每个丸粒中含有单个芯材(金刚石籽晶)，同时以合理的速率沉积涂覆材料。这种技术的缺点是最大沉积速率相对慢，且当采用高密度粒状涂覆材料如Mb、W和WC时，就装置维持悬浮的能力而言，丸粒质量难以增加。这可通过增加装置容量解决，但这是昂贵的，并且影响生产大量材料的商业可行性。另外，当用不同密度、颗粒形状和尺寸的粉末混合物进行涂覆时，流化床型涂覆是不理想的，因为该材料在流化床中趋于分层，从而不能均匀地获得期望的组合物。
GB1014295(Norton，1965)和EP0012631(Tomlinson，DeBeers，1983)中描述的“转盘”法涉及在旋转的倾斜盘、滚筒或任何其它旋转容器中引入超硬芯材例如金刚石籽晶，在该方法中能通过如下方式形成丸粒：1)在旋转的金刚石籽晶上方喷涂包含金属粉末、粘结剂和溶剂(包封材料)的浆料和/或2)在旋转的金刚石籽晶上方单独喷涂粘结剂和溶剂，然后“喷撒”金属粉末。盘的旋转将涂覆的金刚石籽晶(出现的丸粒)分离并且留有时间从喷涂的材料中去除溶剂以形成包封材料的同心外壳，该同心外壳随着过程进行而体积增加。就沉积包封材料从而快速增加丸粒质量方面而言，该技术是有效的。然而，该方法的困难在于，在方法的初始阶段芯材和/或早期丸粒易于团聚。沉积速率必须很慢以避免团聚，而这增加总处理时间并降低了该方法的生产量。在出现的丸粒达到临界尺寸后，团聚显著降低。团聚的结果是最终的丸粒可能具有大的尺寸分布，并且每个丸粒可能含有多于一个芯材。这增加了处理时间和成本。
ZA2006/06674(Flynn等人，E6，2006)通过采用两阶段方法快速形成丸粒部分地克服了该问题。本质上，上述问题的解决方案是将两种本领域已知的技术结合为单个工艺设计。因此，该方法的初始阶段包括流化床方法以使只包含一个芯材颗粒如金刚石籽晶的丸粒的产率最大化。丸粒在保持于流体悬浮物中时可以增大到临界尺寸体积(V临 界)。当丸粒达到该临界尺寸时，将丸粒转移到转盘中，在转盘中这些丸粒形成了最终丸粒过程的(子)芯材。如此生产的丸粒具有显著大于引入状态的丸粒的体积，而且由于在表面上的层更快地吸收喷涂液，团聚的风险大为降低，从而可增加沉积速率。另外，由于喷涂液的表面张力，较重的颗粒不易保持在一起。然而，结合两种技术需要两套基本的设备，并且就从一个机器向另一机器转移材料而言需要停机期。
因此，需要开发能克服上述技术困难的技术，并提供一种生产包封的磨料的更成本有效的解决方法。优选地，当与“盘旋转”或“流化”方法一起组合使用时，这样的技术提供优势。
通过引用将申请人的南非专利申请No.2007/06077(于2007年7月23日提交)和要求其优先权的所有申请的内容并入本文。
发明概述
根据本发明，提供了一种形成包含超硬(超级硬)芯材的丸粒的方法，该芯材涂覆有包封材料，所述方法包括与转盘和/或流化床设备依次结合的利用带铲转筒的步骤。
在本发明的优选实施方案中，该方法包括：
-提供超硬材料源，
-提供包含合适的粘结剂、溶剂或流体介质及期望的涂覆或包封层的混合物，
-在带铲转筒中组合超硬材料和混合物，该带铲转筒包含包括转子的容器，该容器适于接收气体流，
-以使得超硬材料被混合物包封的适当速率旋转该转子以便形成丸粒，
-将所述丸粒引入到旋转容器中，
-使丸粒与包封材料接触以便形成比引入到旋转容器内的丸粒质量更大的丸粒。
优选地，所述旋转容器是盘或滚筒。
DE19750042、US6449869和US6354728中描述了带铲转筒设备，通过引用其内容而并入本文。
超硬材料可以选自金刚石、立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、碳化物、氧化物或硅化物、Si3N4、SiC、Al2O3、AlC、SiO2和/或上述材料的任意组合(cluster)。最优选的超硬材料是金刚石。金刚石可以是天然的或合成的。合成金刚石可以通过化学气相沉积或高压高温(HPHT)技术合成。
超硬材料优选以颗粒形式存在。超硬颗粒的直径优选至少约0.01μm，优选至少约0.1μm，更优选至少约1μm。超硬颗粒的直径优选不大于约5mm，优选不大于约4mm，更优选不大于约3mm。颗粒优选具有从约1μm至约1.5mm的尺寸，跨颗粒的最大尺度测得。在该尺寸范围，颗粒被称为微米磨粒(grit)或单晶。
颗粒可以是预涂覆的或包覆的颗粒和/或颗粒可以为来自采用相同或不同处理技术的较早处理步骤的部分包封的颗粒。颗粒(未涂覆的、涂覆的、包覆的或包封的)可以称为籽晶颗粒。
定义：
包封的颗粒
包封的颗粒例如研磨磨粒，是已经被包封在壳层内的颗粒，该壳层包含大量粒状材料例如金属、金属合金、陶瓷和/或金属陶瓷粉末或其组合，通过包括使用不同粘结剂将粒状材料保持在一起的任何方法进行。典型的粘结剂是有机材料。粘结剂随后可被去除，并且粒状材料可部分或完全烧结。
涂覆的/包覆的颗粒
涂覆的颗粒可被描述为具有芯材，该芯材包含至少一个所述的颗粒，该颗粒被物理或化学地结合到颗粒表面的一层或多层材料所全部或部分包围。在本发明中，涂层不同于包覆层之处在于，生产涂层的方法不依赖于在沉积后立刻将粒状材料保持在一起的粘结剂材料。涂层可以完全或部分覆盖(一个或多个)芯材颗粒的表面。生产涂层的方法包括：化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、其它等效的热的或冷的方法、镀覆、溶胶-凝胶或使用聚合物前体生产的陶瓷涂层。涂层厚度可以是从单原子层一直到几百微米的任意厚度，但是典型地为0.1μm-5μm。在涂层厚度相对于研磨颗粒的尺寸为大的情况下(例如，当涂层的厚度比芯材颗粒的直径大约5％时)，则该涂层可进一步归类为包覆层。对于包覆层的情况，优选的沉积方法包括无电沉积和电解沉积。
实质上，本发明的该方面是将带铲转筒涂覆、制粒或包封颗粒与转盘法两种技术结合为单个方法设计。照此，该方法的初始阶段包括带铲转筒方法以使包含仅一个芯材颗粒如金刚石籽晶的丸粒的产率最大化。丸粒在保持于悬浮物中的同时可以增大到临界尺寸体积(V临界)。当丸粒达到该临界尺寸时，将丸粒从带铲转筒取出并转移到转盘中，在该转盘中这些丸粒形成最终丸粒过程的(子)芯材。如此生产的丸粒具有显著大于刚引入丸粒的体积，并且团聚的风险大为降低。
在本方法的优选实施方案中，通过带铲转筒法进行的材料涂覆持续足够的时间以使每个芯材上构建涂层从而达到预定临界尺寸(V临 界)。每个丸粒的平均直径尺寸可以为超硬芯材平均直径尺寸的高达但不大于约4倍，优选不大于3倍，更优选不大于2倍。
带铲转筒的优点是可产生不同特性的丸粒，例如较弱的丸粒和不太压实的丸粒。
然后将制得状态的丸粒引入转盘(优选倾斜盘)内，在其中通过如下方式进一步构建丸粒：1)将含有金属粉末、粘结剂和溶剂(涂覆组合物)的浆料喷涂在旋转的金刚石籽晶上方和/或2)在旋转的金刚石籽晶上方单独喷涂粘结剂和溶剂，然后“喷撒”金属粉末。盘的旋转留有时间从喷涂的材料中去除溶剂以形成涂覆材料的同心外壳，该同心外壳随着过程进行而体积增加。
相比于单独使用盘方法，根据本发明的方法导致盘方法的增长速率显著提高。
根据本发明，丸粒的直径可按高达50微米/小时、优选100微米/小时、更优选150微米/小时、更优选200微米/小时、更优选250微米/小时、更优选300微米/小时、更优选350微米/小时、更优选400微米/小时、最优选450微米/小时增加。这导致盘式涂覆器中的处理时间降低很多和随之处理成本降低。
该优点通过如下方式得以实现：确保来自带铲转筒造粒机的丸粒具有足够体积(V临界)以保证在初始阶段中转盘式涂覆器中最小程度的团聚，从而允许较快的增加速率。
制粒材料具有宽范围的适用性，包括200-1500微米的金刚石籽晶与粒状金属(包括但不限于Co、Fe、Ni、W、Mn、Cu和Sn)，陶瓷，碳化钨粉末和/或它们的团聚体的制粒。
根据本发明的方法就丸粒的生产成本而言提供了显著优点并且使得能够以商业上可行的生产方法使用致密的金属粉末。
根据本发明的第二实施方案，提供了形成包含涂覆有包封材料的超硬(超级硬)芯材的丸粒的方法，该方法包括：
-将超硬芯材悬浮在气流中；
-使该超硬芯材与包封材料接触以形成丸粒，
-提供包含合适的粘结剂、溶剂或流体介质及期望的涂覆或包封层的混合物，
-在带铲转筒中组合丸粒和混合物，该带铲转筒包含包括转子的容器，该容器适于接收气体流以形成包封的丸粒，
-以适当速度旋转转子使得丸粒被混合物所包封。
超硬材料可以选自立方氮化硼和金刚石(包括天然和合成金刚石，合成金刚石包括高压高温(HPHT)和化学气相沉积(CVD)合成的金刚石，以及涂覆或包覆的金刚石)。
优选将超硬芯材悬浮在腔室或加工容器中，该腔室或加工容器可以是流化床造粒/包封设备。优选地，所述加工容器是这样类型的流化床造粒/包封设备，该类型设备具有材料加工区域、位于该加工区域正下方的可旋转穿孔板和用于将气态流体输送通过所述加工区域使其中的装料流化循环的装置，其中对造粒设备进行操作以整体地使加工区域内的超硬芯材单独流化。
涂覆材料可以包含金属粉末、粘结剂和溶剂。所述金属粉末可以是钴、铜、铁、青铜、碳化钨、镍、钨金属、钼、锌、黄铜、银或者它们中两种或更多种的混合物，而颗粒尺寸优选大于约0.1微米且小于约300微米。优选聚乙二醇、液体石蜡、甘油、虫胶、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、纤维素或硬脂酸作为粘结剂，溶剂可以是水或有机溶剂，优选乙醇或三氯乙烯或IPA。金属粉末应占金属粉末、粘结剂和溶剂混合物(浆料)的不大于约80重量％、优选不大于约70重量％、优选不大于约60重量％、优选不大于约50重量％，粘结剂应占金属粉末重量的不大于约30％、优选不大于约25％、优选不大于约20％、优选不大于约15％、优选不大于约10％、优选不大于约5％。
此外，可以将硬质相加入到金属粉末中以改善涂覆材料自身的抗磨损性。这种硬质相可以是金刚石、cBN、碳化钨(WC)、WC-钴金属陶瓷颗粒或任何常规的陶瓷硬质相例如碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)、氧化铝(Al2O3)等，或者这些中任一些的混合物。这些硬质相的尺寸可为0.1微米-300微米。
在本发明的优选实施方案中，将涂覆材料的喷涂持续足够时间以在每个芯材上构建涂层从而获得预定临界尺寸(V临界)。每个丸粒的平均直径尺度可以为超硬芯材平均直径尺度的高达但不大于约4倍，优选不大于3倍，更优选不大于2倍。在造粒操作的整个过程中优选地旋转流化床造粒设备的穿孔板以在芯材流化期间使材料加工区域内的超硬材料循环流动。
然后，在带铲转筒中组合丸粒和混合物，该带铲转筒包含包括转子的容器，该容器适于接收气体流以形成包封的丸粒，所述混合物包含合适的粘结剂、溶剂或流体介质及期望的涂覆或包封层。
现将参照下面非限制性实施例对本发明进行描述。
实施例1
下面给出了金刚石芯材和结合剂类型的细节：
金刚石芯材：SDB1125尺寸25/35美制筛目，标称662微米，其预涂覆有碳化钛层。
结合剂材料：WC/Co/Cu：65/25/10，以重量计。
结合剂密度：12.7g/cc。
浆料组成：在乙醇溶剂中50重量％的结合剂粉末，其中加入以金属结合剂粉末3重量％水平的粘结剂材料(在该情形中为聚乙二醇)。在两种方法中使用该浆料配制剂。
阶段1
使用来自Dr.Fritsch的V17-785结合剂(约65％WC、5％Cu、30％Co)在具有标称360mm直径的腔室的带铲转筒上进行试验。所用的金刚石是预涂覆有厚约0.5-1.0μm的碳化钨层(Element Six的SDB1100+TC，25/35美制筛目)的粗的、高品级金刚石。
该双处理包括在带铲转筒设备中以上述粘结剂和溶剂的配制剂开始制粒处理，其中碳化钛涂覆有美制筛目尺寸为2535的高品质金刚石磨粒，该磨粒的直径为标称662微米。允许该处理进行至芯材晶体的直径增加到约772微米的直径，其由结合剂材料的“壳层”构成。选取材料样品并且对颗粒进行计数以确立团聚(2个或更多个颗粒接合在一起)的水平。此外，取样100个颗粒并且将其压碎以确定含有仅单个芯材的丸粒的百分数。
阶段2
然后将来自初始带铲转筒阶段的全部批料转移到转盘设备并且重新开始处理。因为目前丸粒在被引入到转盘之前已获得临界尺寸，团聚倾向得到显著降低。此外，丸粒表面目前更加易于提高结合剂沉积的速率。丸粒直径的增加速率与表面积成比例且因此增长速率随颗粒半径的增加以2次方关系即(r^2)增加，因而含有悬浮结合材料的浆料的沉积速率可得到提高而团聚水平无显著提高。再次地，停止该处理并且对丸粒进行取样以确定团聚水平和确保每个丸粒存在一个金刚石芯材。在下表1和2中给出了该分析的结果。此外，结合不同团聚水平和“单个芯材”的评价就各种技术给出了平均沉积速率。
双处理技术的益处是：
阶段1)带铲转筒法：确保每个丸粒一个芯材并且在丸粒增加的早期阶段中允许低水平的团聚，从而允许以高水平的单个芯材的丸粒和低水平的团聚获得起始丸粒尺寸。
阶段2)转盘法：允许丸粒快速增加至最终尺寸并同时保持每个丸粒单个芯材和可获得大的丸粒尺寸，这是因为对于在丸粒尺寸/质量增加时变得困难的气态/流体悬浮液维持不存在依赖。
相比于孤立使用的其它方法，该双处理产生最小水平的团聚且兼具有含单个芯材的丸粒的显著改善并同时允许最大增长速率。
表1
Figure GSB00000471684700081
(*从带铲转筒转移到滚盘)
实施例2
在双阶段法中使用两种制造丸粒的方法
1)流化床；和
2)带铲转筒。
下面给出了金刚石芯材和结合剂类型的细节：
金刚石芯材：SDB1125尺寸2535#标称662微米，其预涂覆有碳化钛层。
结合剂材料：WC/Co/Cu：65/25/10，以重量计。
结合剂密度：12.7g/cc。
浆料组成：在乙醇溶剂中50重量％的结合剂粉末，其中加入以金属结合剂粉末3重量％水平的粘结剂材料(在该情形中为聚乙二醇)。在两种方法中使用该浆料配制剂。
阶段1
使流化床设备装填有3000crt的金刚石粉末(尺寸为2535#)。对该粉末已进行了预处理以确保在每个晶体周围存在钛涂层。所述表指示了每种处理单独产生包封金刚石的能力以及与通过每种所述方法的关于丸粒生产的特性。重要因数是：
i)团聚水平，和
ii)含有单个芯材颗粒的丸粒的百分数。
该双处理使含有单个芯材的丸粒的总数最大化，并同时使团聚丸粒(即接合在一起的两个或更多个丸粒)的发生率最小化。于是能够实现丸粒的快速增加而不伤及团聚和单个芯材总数。
该双处理包括在流化床设备中以上述粘结剂和溶剂的配制剂开始制粒过程，其中碳化钛涂覆有美制筛目尺寸为2535的高品质金刚石磨粒，该磨粒的直径为标称662微米。允许将该处理进行至芯材晶体的直径增加到约772微米的直径，其由结合剂材料的“壳层”构成。选取材料样品并且对颗粒进行计数以确立团聚(2个或更多个颗粒接合在一起)的水平。此外，取样100个颗粒并且将其压碎以确定含有仅单个芯材的丸粒的百分数。
阶段2
然后，将来自初始流化床的全部批料转移到带铲转筒并且重新开始处理。因为目前丸粒在被引入到带铲转筒之前已获得临界尺寸，所以团聚的倾向显著降低。此外，丸粒表面目前更加易于提高结合剂沉积速率。再次地，停止该处理并且对丸粒进行取样以确定团聚水平和确保每个丸粒存在一个金刚石芯材。
该双处理技术的益处是，在阶段1(流化床方法)中确保了每个丸粒一个芯材并且允许在丸粒增加的早期阶段中的低水平团聚，从而允许以高水平的单个芯材的丸粒和低水平的团聚获得起始丸粒尺寸。相比于孤立使用的其它方法，该双处理产生了最小水平的团聚且兼具有含单个芯材丸粒的显著改善并同时允许最大增长速率。

Claims (12)

1.一种形成包含涂覆有包封材料的超硬芯材的丸粒的方法，该方法包括步骤：
i.提供超硬材料源，
ii.提供包含合适的粘结剂、溶剂或流体介质及期望的涂覆或包封层的混合物，
iii.在带铲转筒中组合超硬材料和混合物，该带铲转筒包含包括转子的容器，该容器适于接收气体流，
iv.以使得超硬材料被混合物包封的适当速率旋转该转子从而形成丸粒，
v.将所述丸粒引入到旋转容器中，
vi.使丸粒与包封材料接触以形成比引入到旋转容器内的丸粒质量更大的丸粒，
其中所述超硬材料选自金刚石、立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、碳化物、氧化物、硅化物、和/或上述材料的任意组合。
2.根据权利要求1的方法，其中所述旋转容器是盘或滚筒。
3.根据权利要求1的方法，其中所述超硬材料以颗粒形式存在。
4.根据权利要求1的方法，其中在带铲转筒中将材料的涂覆持续足够时间以便使在每个芯材上构建涂层从而获得预定临界尺寸。
5.一种形成包含涂覆有包封材料的超硬芯材的丸粒的方法，该方法包括步骤：
i.将超硬芯材悬浮在气流中；
ii.使该超硬芯材与包封材料接触以形成丸粒，
iii.提供包含合适的粘结剂、溶剂或流体介质及期望的涂覆或包封层的混合物，
iv.在带铲转筒中组合丸粒和混合物，该带铲转筒包含包括转子的容器，该容器适于接收气体流以形成包封的丸粒，
v.以使得所述丸粒被混合物包封的适当速度旋转转子，
其中所述超硬材料选自金刚石、立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、碳化物、氧化物、硅化物、和/或上述材料的任意组合。
6.如权利要求5所述的方法，其中将超硬芯材悬浮在腔室或加工容器中，所述腔室或加工容器是流化床造粒/包封设备。
7.根据权利要求5的方法，其中所述涂覆材料包含金属粉末、粘结剂和溶剂。
8.根据权利要求7的方法，其中所述金属粉末是钴、铜、铁、青铜、碳化钨、镍、钨金属、钼、锌、黄铜、银或者它们中的两种或更多种的混合物。
9.根据权利要求7的方法，其中所述粘结剂是聚乙二醇、液体石蜡、甘油、虫胶、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、纤维素、硬脂酸或它们的混合物。
10.根据权利要求7的方法，其中所述溶剂是水或者选自乙醇、三氯乙烯和/或IPA的有机溶剂。
11.根据权利要求7的方法，其中所述金属粉末占金属粉末、粘结剂和溶剂混合物重量的不大于80％。
12.根据权利要求7的方法，其中将硬质相加入到金属粉末中以改善涂覆材料自身的抗磨损性，所述硬质相选自金刚石、cBN、碳化钨、WC-钴金属陶瓷颗粒或任何常规的陶瓷硬质相，该常规的陶瓷硬质相包括碳化硅、氮化硅、氧化铝或这些中任何的混合物。
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