CN101980836B

CN101980836B - 形成用于生产研磨或切割工具的聚集体研磨颗粒的方法和装置

Info

Publication number: CN101980836B
Application number: CN200980111099.XA
Authority: CN
Inventors: 塞德里克·谢里登
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: EP2596911B1; CA2717570A1; WO2009118381A3; US8568497B2; CN101980836A; WO2009118381A2; EP2105256A1; US20110056142A1; EP2276610A2; EP2276610B1; EP2596911A1; US20140053471A1; CA2717570C

Abstract

一种形成用于生产研磨或切割工具的聚集体研磨颗粒的方法，该方法包括提供研磨核心颗粒；用粘合剂涂覆这些颗粒，所述粘合剂包括粘结剂和用于粘结剂的溶剂；将粘合剂涂覆的核心颗粒分开降落到研磨外围颗粒的层上并使用另外的外围颗粒覆盖降落的核心颗粒，以这种方式以便形成聚集体颗粒，每个聚集体颗粒都包括具有附着至其上的外围颗粒的核心颗粒；通过使溶剂蒸发，即通过使粘合剂凝固而固化聚集体颗粒。

Description

形成用于生产研磨或切割工具的聚集体研磨颗粒的方法和装置

技术领域

本发明总体涉及一种形成用于生产研磨或切割工具的聚集体研磨颗粒(aggregate abrasive grain)的方法。在下面，“聚集体研磨颗粒”或“聚集体颗粒”是指研磨或超研磨颗粒(“核心颗粒(core particle)”)，其上通过化学键或机械地附着有另外的研磨或超研磨颗粒(“外围颗粒(peripheral particle)”)。这样的聚集体颗粒是有用的，特别是用于促进研磨或切割工具如钻头、用于钻头的插件或切割元件等的生产，以及用于改进这种工具的质量。

背景技术

用于切割和/或研磨的工具通常由合适的基体材料和埋置在基体材料内的微小研磨颗粒如金刚石制造。基本上，这种工具通过传统的粉末冶金技术形成，其中研磨颗粒最初与以粉末形式的基体材料(如，金属、合金、金属碳化物等，以及它们的混合物)和粘结剂混合，此后，将混合物压制成型以粘结并使混合物成形为所需工具。在所谓的热压方法中，将混合物放置在具有待形成研磨工具形状的模具中并在高压和高温下压制以引起可烧结材料的烧结。根据“冷压和烧结”技术，将混合物首先在高压下压制成所需工具形状，其后在炉子中在高温下烧制以烧结成工具。作为这些压制技术的替换，例如从文献EP 0 754 106 B1已知，提供软的且易于变形的以浆料或糊剂形式的预制品(preform)，该浆料或糊剂包含以粉末形式的基体材料、研磨颗粒和某些液体粘结剂相。随后将软的且易于变形的预制品烧结和/或渗透。以这些或类似方式制造的工具通常称为金属粘结的研磨或切割工具。

研磨或切割工具的效率和寿命尤其由工具表面或体内研磨颗粒分布的均匀性程度和在周围基体材料内研磨颗粒的保持强度确定。在根据任何上述技术制造的工具中，研磨颗粒是随机分布的，这意味着其中某些研磨颗粒可以彼此靠近，可能彼此接触，而工具的某些区域可能仅具有小密度的研磨颗粒。实际上，这消极地影响工具的切割或研磨性能。

在基体材料内均匀分布研磨颗粒的重要步骤是美国专利3,779,726中教导的方法。该文献提出了在有可烧结材料粉末和粘结剂存在的情况下翻滚研磨颗粒，同时其上喷射有控制量的水。以这种方式，使每个研磨颗粒单独地涂覆有可烧结微粒体，以这样的方式形成了颗粒，即所谓的“球粒”。随后将这些颗粒可能在与微粒状金属粉末混合之后在高压(每平方英寸35吨，即，约500MPa)下压制成所需形状。本领域技术人员意识到将颗粒与金属粉末混合可以引起金属粉末与微球之间的偏析(segregation)的问题。另一种用于单独涂覆研磨颗粒的方法在美国专利4,770,907中公开。这种方法开始于制备所选金属粉末和以预定的相对浓度溶解在有机溶剂中的粘结剂的浆料。然后将研磨颗粒核心在工作容器中流化，且将浆料在流化过程中喷涂到研磨颗粒核心上，从而在每个研磨颗粒上形成通常均匀的浆料涂层并干燥。在颗粒分布方面的进一步改进已经用WO 2008/025838 A1的方法实现，根据该方法形成了软的、易于变形的糊剂，该糊剂具有分散在其中的超研磨颗粒，这些颗粒中的每一个都被单独地包壳在预烧结材料的涂层内。预烧结的涂层使超研磨颗粒彼此保持至少为涂层厚度两倍的距离。这些涂层也防止超研磨颗粒和模具或挤出/注射成型系统的壁之间的直接接触。

美国专利申请2008/0017421 A1公开了包封的颗粒，其包封(“壳体”)包括可烧结基体材料和研磨颗粒。基体的成分以及壳体中研磨颗粒的类型、尺寸和密度可以根据研磨或切割工具的规范进行选择。为了单独生产具有类似量的壳体材料和近似相同尺寸的包封颗粒，US 2008/0017421 A1建议在传统的混合机器中混合待包封的颗粒、用于壳体的基体粉末和研磨颗粒，并使用制粒机处理最终混合物，其中将混合物挤出成短“腊肠”形状，然后将其辊压成球(颗粒)并干燥。作为替换，该文献提出了使用所谓的Fuji-Paudal造粒机，如US 4,770,907中公开的。关于“腊肠”方法，所形成的颗粒是不均匀的，因此，需要选择基本上相同尺寸的颗粒的步骤。该方法具有进一步的缺点，即，所形成的每个颗粒不是必需地包含一个(且仅一个)核心颗粒，且该核心颗粒不是必需地定位在壳体内的中心。因此，2008/0017421 A1不能生产在中心具有单个研磨颗粒的粒料。

US 4,770,907和US 3,779,726都没有公开允许用壳体颗粒涂覆核心颗粒的方法，该壳体颗粒的尺寸接近核心颗粒的尺寸：壳体颗粒的平均直径与核心颗粒的平均直径的比率不应该超过1/7。然而，在比率超过1/11时，利用上述方法已经遇到严重问题。如果待涂覆的研磨颗粒和用作包裹材料的颗粒表现出非常不同的密度(如，金刚石：3.5g/cm³，粗WC：15.8g/cm³，熔融WC：16.4g/cm³)，会产生另一个问题，因为颗粒易于偏析。由密度差异引起的困难在Fuji-Paudal方法中特别突出。而且，所获得的结果质量取决于所涉及颗粒的形状。

发明内容

技术问题

本发明的一个目的是提供了聚集体研磨颗粒，其中外围颗粒的直径可以更接近于核心颗粒的直径。

应当指出，无论这里提到颗粒尺寸或颗粒直径，应当理解为“平均尺寸”或“平均直径”，如通过筛分所确定的。如研磨颗粒领域的一般惯例，我们将颗粒尺寸或直径表示为筛目尺寸的范围(使用ASTM标准)，如-20/+30目(其对应于约600到约850μm的颗粒直径)。还应当指出，使用术语直径不是为了表示出任何具体颗粒形状(除非另外规定)。

发明的一般描述

根据本发明的第一方面，提出了一种形成用于生产研磨或切割工具的聚集体研磨颗粒的方法，该方法包括以下步骤：

提供想要作为聚集体研磨颗粒的核心颗粒的研磨颗粒(在下文中，为简单起见，将这些颗粒称为核心颗粒)；

使用粘合剂涂覆这些颗粒，粘合剂包括粘结剂和用于粘结剂的溶剂；

将粘合剂涂覆的核心颗粒分开地降落(drop)到想要作为外围颗粒(在下文中，为了简单起见，将这些颗粒称为外围颗粒)的研磨颗粒的层上和使用另外的这种颗粒覆盖降落的核心颗粒，以这种方式以便形成聚集体颗粒，每个聚集体颗粒都包括核心颗粒，该核心颗粒具有附着于其上的外围颗粒；

通过使溶剂蒸发，即通过使粘合剂凝固而固化聚集体颗粒。

本领域技术人员将理解，为了附着有外围颗粒，本发明方法不需要混合或流化步骤，在混合或流化步骤中，聚集体颗粒将受到相对强的机械力，最终引起聚集体颗粒在粘合剂已变得充分干燥之前崩解(破碎)。相比之下，优选注意尽可能轻地处理聚集体颗粒，只要其还没有被固化。这可以例如通过简单地使粘合剂涂覆的核心颗粒降落到具有外围颗粒的粉末中，然后使另外的外围颗粒降落到核心颗粒上，然后加热整个物料以使溶剂蒸发，同时在这些步骤过程中尽可能多地避免在核心颗粒和外围颗粒之间的任何剪切力来完成。因此，本方法使得比前面讨论的技术更大的外围颗粒(尺寸达到核心颗粒尺寸)能够附着。而且，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在核心颗粒和外围颗粒之间可能的密度差异不影响本方法的适用性。最后但并非最不重要，根据本发明第一方面的方法对于颗粒形状的敏感性还远低于上面讨论的传统方法。

优选地，使用粘合剂涂覆核心颗粒是通过将粘合剂喷射到核心颗粒上来实现的，同时使核心颗粒降落在包括研磨颗粒的粉末中，即，同时核心颗粒降落。这具有的优点在于，单个核心颗粒所有侧面都涂覆有粘合剂，且在已施加粘合剂之后几乎立即使核心颗粒与外围颗粒接触。因为核心颗粒是分开降落的，所以还可以确保核心颗粒不团聚，即，每个聚集体颗粒在其中心包含单个核心颗粒。

聚集体颗粒的固化优选是通过加热聚集体颗粒实现的(如，在炉子中或在IR光下)，这引起溶剂蒸发并因而使粘合剂凝固。如已在上面所述的，聚集体颗粒优选与粉末的任何非附着颗粒一起加热。

最优选地，该方法包括从非附着外围颗粒中回收固化的聚集体颗粒的步骤。传统的从非附着研磨颗粒中回收固化的聚集体颗粒的方法是筛分。然而，如果使用的材料与其相容，则也可以使用其他分离方法。

本领域技术人员应当理解，可以使用各种类型的研磨颗粒作为核心颗粒，如超研磨颗粒，如天然或合成金刚石、CVD涂覆的金刚石、多晶金刚石、氮化硼颗粒等，或“正常”研磨颗粒，如碳化钨(WC)颗粒、钨(W)颗粒、烧结的碳化钨/钴(WC-Co)颗粒、铸成的(cast)碳化钨颗粒等，或包括这些材料任何组合的研磨颗粒。核心颗粒也可以是聚集体颗粒，如使用可烧结涂层包裹或包壳在预烧结材料涂层内或预烧结材料内的超研磨颗粒，如在WO2008/025838A1或WO 2008/025836A1中公开的。使用具有包含可烧结或预烧结材料的涂层的研磨颗粒作为核心颗粒具有这样的优点，最内部的研磨颗粒不与外围颗粒直接接触。

还可以使用用于核心颗粒的各种颗粒用于外围颗粒，其中核心颗粒和外围颗粒可以具有相同或不同类型。如果外围颗粒每个都包括研磨颗粒，对于所需应用该研磨颗粒互相不接触，则可以使用聚集体颗粒作为外围颗粒。那么，这样的外围颗粒的涂层可以防止其研磨核心互相接触。

本发明方法中使用的粘合剂可以包括，例如，纤维素醚(如甲基纤维素或乙基纤维素)作为粘结剂和相容溶剂(如(乙)醇、(乙)缩醛(acetale)、环亚甲基甘油醚、四氧杂十一烷(tetraoxaundecane))。本领域技术人员会知道适用于本发明第一方面的方法的其他粘合剂。优选地，选择粘合剂使得其成分可以在随后烧结处理中消失，而之后不会在最终工具中留下任何有机残留物。

优选地，回收的聚集体颗粒利用可烧结微粒体包裹，如包括可烧结材料的颗粒(如，WC、W₂C、黄铜、青铜、Ni、Fe、Co、Cu、CuMn、CuTi、或这些材料的混合物的颗粒)、粘结剂以及粘结剂的溶剂。粘结剂和溶剂对于粘合剂来说可以是相同，但也可以选择不同的物质。用可烧结微粒体包裹的这样的聚集体颗粒可以在该方法的进一步的(可选的)步骤中烧结。以这样的方式获得了预烧结壳，该预烧结壳用作保护层(促进存储和运输)，且其在模制工具时防止了邻近聚集体颗粒的外围研磨颗粒之间的直接接触。预烧结壳也避免在研磨颗粒和模具或挤出/注射成型系统的壁之间的直接接触。这样的预烧结颗粒也可以通过与预烧结聚集体颗粒、粘结剂、溶剂和可烧结基体材料按适当比例一起混合而用于形成WO2008/025838A1中所述类型的软的、易变形的糊剂。

根据本发明第一方面的优选的实施方式，核心颗粒以及外围颗粒是金刚石颗粒(天然或合成的颗粒，可以是CVD涂覆的，单晶或多晶的)，而固化的聚集体颗粒在与非附着颗粒分离之后经受高压和高温(HPHT)处理，以便在核心颗粒和外围颗粒之间产生金刚石-金刚石键。可以适合于本发明的用于生产合成金刚石的传统的HPHT工艺在US 2,947,608中公开，或用于制造多晶金刚石片的传统的HPHT工艺在US 2005/0019114A1中公开。通常，以这样的HPHT工艺，压力从5到10GPa变化，且温度从1200到2000℃变化。优选地，在HPHT处理之前，回收的聚集体颗粒利用包括用于形成金刚石-金刚石键的催化剂颗粒(如Fe、Co、Ni或Ta颗粒；这样的催化剂是本领域中是熟知的，且进一步的实例可以在例如US 2,947,608中找到)和/或含碳颗粒(如，石墨、煤炭、焦炭、木炭、纳米金刚石等)的微粒体包裹。应该指出，对于某些应用，包括催化剂颗粒的微粒体也可以不含或基本上不含含碳材料。

原则上，核心颗粒可以具有高达几毫米的直径(而这甚至不是严格的限制)。优选地，核心颗粒的尺寸范围从14目到60目(总是按照ASTM标准)。外围颗粒优选的尺寸范围从16目到400目(更优选从25目到400目)。有利地，外围颗粒的尺寸比核心颗粒更小。

本发明的第二方面涉及实施上述方法的装置。这样的装置可以包括用于将涂覆有粘合剂的核心颗粒分开降落到研磨颗粒的层上的第一斜槽(chute)；适合于设置用于在核心颗粒从第一斜槽降落时用粘合剂涂覆核心颗粒的一个或多个喷嘴；用于在第一斜槽下方携带外围颗粒的层使得核心颗粒可以降落到该层上的传送带；适合于相对于第一斜槽设置的第二斜槽，用于使用另外的外围颗粒覆盖降落到外围颗粒的层上的核心颗粒，使得聚集体颗粒每个都包括核心颗粒，所述核心颗粒具有附着于其上的外围颗粒；以及所述传送带携带聚集体颗粒通过其中用于使粘合剂凝固的加热室。

本发明的第三方面涉及一种聚集体颗粒，该聚集体颗粒包括尺寸在14目到60目之间的核心金刚石和尺寸在25目到400目之间的多个外围金刚石，外围金刚石的尺寸与核心金刚石的尺寸的比率包括在1/2到1/31的范围内，更优选在1/2到1/15的范围内，外围金刚石包裹核心金刚石并且利用金刚石-金刚石键附着于核心金刚石上。最优选地，围绕核心金刚石设置的外围金刚石具有基本上均一的尺寸。这样的聚集体颗粒在下文中被称为“金刚石聚集体颗粒”，以便更好地与这里讨论的其他聚集体颗粒区分。由于其“类刺猬”形状，金刚石聚集体颗粒可以比类似尺寸的正常金刚石(标准金刚石，normal diamond)更好地固定在烧结材料的基体内。因此，这样的金刚石聚集体颗粒特别适合用于暴露在高摩擦力的研磨或切割工具(如钻头、用于钻头的插件等)。

在本发明的前提下，当提到具有基本上均一尺寸的颗粒如金刚石时，规定为是指这些颗粒根据FEPA标准属于相同的类别。“窄”或“单一”类别对应于-14/+16目、-16/+18目、-18/+20目、-20/+25目、-25/+30目、-30/+35目、-35/+40目、-40/+50目、-50/+60目、-60/+70目、-70/+80目、-80/+100目、-100/+120目、-120/+140目、-140/+170目、-170/+200目、-200/+230目、-230/+270目、-270/+325目、和-325/+400目。“宽”或“双重”类别对应于-16/+20目、-20/+30目、-30/+40目、-40/+50目等。优选地，核心金刚石属于单一或双重类别，而外围金刚石属于单一类别。

根据本发明第三方面的金刚石聚集体颗粒优选使用这里公开的方法制造：提供具有上面规定尺寸的金刚石颗粒(天然或合成的颗粒，可能是CVD涂覆的，单晶或多晶的)作为核心颗粒和外围颗粒。在固化聚集体颗粒之后，这些颗粒使用微粒体包裹，该微粒体包括含碳颗粒(如石墨、煤炭、焦炭、木炭、纳米金刚石等的颗粒)，并且可选地还包括用于形成金刚石-金刚石键的催化剂颗粒(如Fe、Co、Ni或Ta颗粒)。然后，使如此制备的聚集体颗粒经受HPHT金刚石合成工艺，以便在核心颗粒与外围颗粒之间产生金刚石-金刚石键。最优选地，含碳颗粒包括具有尺寸小于100nm、优选小于50nm以及还更优选小于10nm的纳米金刚石(如爆震起源的纳米金刚石)。

然而，如本领域技术人员所理解的，根据本发明第三方面的金刚石聚集体颗粒还可以使用另一种方法生产(如，通过在核心金刚石上手动胶粘外围金刚石，并在加入含碳材料的情况下使如此获得的原始聚集体颗粒经受HPHT金刚石合成工艺)。

优选地，核心金刚石和外围金刚石是单晶金刚石。根据本发明第三方面的金刚石聚集体颗粒可以是金刚石网络，即，用金刚石-金刚石键彼此附着的金刚石的一部分。这样的金刚石网络可以是多晶金刚石(PCD)紧凑件(压块，compact)，如PCD刀具的PCD片。为了生产这样的PCD紧凑件，提供金刚石颗粒(天然或合成的颗粒，可能是CVD涂覆的、单晶或多晶的)作为核心颗粒和外围颗粒，优选地经受如作为本发明的第一方面在上文中公开的用于生产固化颗粒的方法。在固化聚集体颗粒之后，这些颗粒使用微粒体包裹，该微粒体包括含碳颗粒(如，石墨、煤炭、焦炭、木炭、纳米金刚石颗粒等的颗粒)，并且可选地还有用于形成金刚石-金刚石键的催化剂颗粒(如Fe、Co、Ni或Ta颗粒)。然后使如此制备的聚集体颗粒限制在金刚石压力机的容器中并经受HPHT金刚石合成工艺，以便在核心颗粒、外围颗粒和周围的含碳材料之间产生金刚石-金刚石键，因而形成了金刚石网络。最优选地，含碳颗粒包括具有小于100nm、优选小于50nm以及还更优选小于10nm尺寸的纳米金刚石(如爆震起源的纳米金刚石)。

PCD刀具通常包括粘结到通常是烧结的金属-碳化物的基质材料上的PCD紧凑件以形成通常为圆柱形的切割结构。根据用于形成PCD的传统技术，将胶合的碳化物基质(如由碳化钨制成)置于压力机的容器中。将金刚石颗粒或金刚石颗粒与催化剂粘结剂(如，Fe、Co、Ni或Ta颗粒)的混合物置于基质的顶部并经受HPHT条件以形成金刚石-金刚石键。在HPHT工艺中，基质的金属粘结剂迁移到金刚石区，从而金刚石层(“金刚石切平面(或台，table)”)变得粘结到基质。由于催化剂粘结剂和金属从基质扩散，所以根据该传统方法生产的PCD紧凑件通常包括粘结在一起的金刚石颗粒基体内的相当量的金属(通常为Co)。通常使用PCD刀具作为钻头上的研磨插件，其中由于岩层(rock formation)上金刚石切平面(table)的摩擦PCD刀具通常处于高温。由于催化剂粘结剂和金刚石的热膨胀系数中的显著差异，包封在金刚石基体中的催化剂粘结剂以比金刚石更高的速率膨胀，这可以导致金刚石结构中产生裂缝并且导致PCD片的劣化。在过去，该问题已经部分地通过在HPHT工艺后，使用强酸，通常为硝酸或几种强酸的组合(如硝酸和氢氟酸)从金刚石结构浸出催化剂粘结剂而克服。

减小该问题的另一个方式是通过纳米金刚石(如爆震起源的纳米金刚石)取代催化剂金属颗粒。因此，具有根据本发明第三方面的金刚石聚集体颗粒的金刚石网络优选不合或基本上不含催化剂金属。优选地，PCD刀具包括粘结到基质材料，如烧结的金属-碳化物的PCD紧凑件，以形成通常为圆柱形的切割结构，PCD紧凑件包括具有根据本发明第三方面的金刚石聚集体颗粒的金刚石网络。为了生产这样的PCD刀具，将基质(由碳化钨制成)置于压力机的容器中，并且固化的聚集体颗粒的混合物(由外围金刚石包裹的金刚石核心颗粒)优选根据本发明第一方面的方法生产，将包括纳米金刚石的含碳材料置于基质的顶部并经受HPHT条件以形成金刚石-金刚石键。应当指出，在制造这样的PCD刀具过程中，PCT紧凑件到基质的粘结通过从基质迁移到金刚石网络中的金属粘结剂来保证。然而，与传统的PCD刀具不同，金属内含物被限制在靠近基质的区域中。更优选地，基质还具有分散在其中的金刚石聚集体颗粒。

本申请人明确地保留根据本发明第三方面的金刚石聚集体颗粒和/或由这样的聚集体颗粒独立地根据用于其生产的任何特定方法制成的金刚石网络的要求专利保护的权利，其包括在基于本申请的可能的分案申请、继续申请或部分继续申请之内。

附图说明

参照附图根据下面几个非限制性实施方式的详细描述，本发明不同方面的进一步细节和优点将显而易见，在附图中：

图1是示出了形成第一类型的聚集体研磨颗粒的示意图；

图2是示出了形成第二类型的聚集体研磨颗粒的示意图；

图3是示出了形成第三类型的聚集体研磨颗粒的示意图；

图4是用于实施形成聚集体研磨颗粒的方法的装置的示意图；

图5是根据本发明第三方面的金刚石聚集体颗粒的示意图；

图6是包括金刚石聚集体颗粒的金刚石网络的示意图；

图7是包括如图6所示的金刚石网络作为PCD紧凑件的钻头插件的示意图。

具体实施方式

图1-3示出了根据本发明第一方面的方法形成聚集体研磨颗粒10、20、30。首先，提供核心颗粒12。这些核心颗粒12优选为超研磨颗粒，如天然或合成的金刚石、CVD涂覆的金刚石、多晶金刚石、氮化硼颗粒。可替换地，可以选择研磨颗粒，如碳化钨(WC)颗粒、钨(W)颗粒、烧结的碳化钨/钴(WC-Co)颗粒、铸成的碳化钨颗粒、以及相似颗粒。图2示出了核心颗粒12，该核心颗粒12包括包壳在预烧结材料涂层12b内的超研磨颗粒12a。为了生产这样的颗粒，参考WO 2008/025836A1和WO 2008/025838A1。核心颗粒12(包括其可能的涂层)优选具有在14目到60目之间的基本上均一的尺寸，如-20/+30目，-20/+25目、-25/+35目、-30/+40目、-40/+50目等。

在接着的步骤中，将想要变成聚集体颗粒的核心颗粒的颗粒12使用液体粘合剂14(如通过混合乙基纤维素、甲基纤维素或聚乙烯醇缩丁醛与适当的溶剂如(乙)醇、(乙)缩醛、2，5，7，10-四氧杂十一烷、环亚甲基甘油醚、丙酮等而获得的)进行涂覆。选择粘合剂14的组成使得在溶剂蒸发之后，留下足够的粘结剂从而将颗粒保持在一起。

然后，将粘合剂涂覆的核心颗粒用外围研磨颗粒16包裹。为此，将粘合剂涂覆的核心颗粒降落到想要变成外围颗粒的研磨颗粒的层中，并且另外的这样的颗粒遍布在粘合剂涂覆的核心颗粒上。在使外围颗粒与粘合剂涂层14接触之后，小心处理原始聚集体颗粒以便尽可能多地避免核心颗粒12和外围颗粒16之间的任何相对运动。作为外围颗粒16，可以选择与核心颗粒12相同类型或不同类型的颗粒。可能的组合是，例如，金刚石颗粒作为核心颗粒，而较小的金刚石颗粒、铸成的碳化钨颗粒或熔融碳化钨颗粒作为外围颗粒。优选地，外围颗粒16具有基本上均一的尺寸，该尺寸在60 目到400目之间，如-60/+80目、-80/+120目、-100/+170目、-120/+200目、-140/+230目、-170/+325目、-230/+400目、-325/+400目等。为了尽可能均匀地用外围颗粒包裹核心颗粒，外围颗粒应当具有与核心颗粒的直径相比较小的(inferior)直径。

下面的步骤包括：(a)通过使粘合剂的溶剂蒸发而固化原始聚集体颗粒和(b)将固化的聚集体颗粒与未使用的颗粒(即，没有附着于核心颗粒的那些颗粒)分离，优选通过使用筛子。有尖端的固化的聚集体颗粒10可以例如通过将其混合到可烧结材料或糊剂中因而用于研磨或切割工具的生产。具体地，如果外围颗粒具有牢固地粘结至周围的基体材料的可烧结材料，如钴、镍或青铜，则可以完成该目的。

然而，优选地，聚集体颗粒用可烧结微粒体涂覆并预烧结，使得获得具有相对硬的壳18的颗粒，如图2所示。对于可烧结微粒体的应用，再次参考WO 2008/025836 A1和WO 2008/025838 A1。优先选择外壳的厚度使得聚集体颗粒的尖峰(spikiness)得以保持。外壳18(以及如果存在的可能的内壳12b)优选包含化学键合到核心颗粒12和/或外围颗粒16的颗粒(如，在金刚石颗粒情况下为CuMn和CuTi)。

图3示出了本发明的特别优选的实施方式。在该实施方式中，提供金刚石颗粒(天然或合成的颗粒，可能是CVD涂覆的、单晶或多晶的)作为核心颗粒和外围颗粒。在固化聚集体颗粒之后，这些聚集体颗粒使用微粒体32包裹，该微粒体32包括含碳颗粒(如，石墨、煤炭、焦炭、木炭等的颗粒)，并且还可能包括用于形成金刚石-金刚石键的催化剂颗粒(如，Fe、Co、Ni或Ta颗粒)。然后，使如此制备的聚集体颗粒30经受HPHT处理，以便在核心颗粒和外围颗粒之间产生金刚石-金刚石键。最优选地，含碳颗粒包括具有小于100nm，优选小于50nm，以及还更优选小于10nm尺寸的纳米金刚石(如，爆震起源的纳米金刚石)。

图4示出了用于实施形成聚集体研磨颗粒10(为了附图清晰起见，图4中聚集体研磨颗粒10的尺寸被完全放大)的方法的装置40的示意图。经由第一斜槽42提供核心颗粒，该第一斜槽42具有在其下端的开口，该开口使核心颗粒彼此分开单独地通过。在核心颗粒从斜槽42自由下落过程中，利用通过喷嘴44提供的液体粘合剂喷涂各个核心颗粒。使核心颗粒分开降落到外围颗粒的层上。在传送带46上外围颗粒的层轻轻地(gently)向前移动，传送带46携带降落的粘合剂涂覆的核心颗粒通过从第二斜槽50下落的另外的外围颗粒的幕帘(curtain)48，其确保外围颗粒分布在核心颗粒的几乎整个外表面。然后，传送带46携带颗粒通过加热室52，在加热室52中使粘合剂的溶剂蒸发并固化聚集体颗粒。加热可以例如通过电阻加热、IR光和/或热空气实现。选择加热室52的温度足够高以允许颗粒在室52中的停留时间过程中使溶剂有效蒸发，但也要足够低从而不能引起粘结剂崩解。然后，使用筛子54使固化的聚集体颗粒与剩余的颗粒分开。如箭头56和58所示，没有附着于核心颗粒的颗粒返回到传送带46的开始处和提供外围颗粒幕帘48的第二斜槽50。

图5是根据本发明第三方面的金刚石聚集体颗粒60的示图。金刚石聚集体颗粒60包括具有在14目到60目之间尺寸的核心金刚石62和具有在50目到400目之间尺寸的多个外围金刚石64。

图6是具有埋置在多晶金刚石基体68内的金刚石聚集体颗粒60的金刚石网络66的示图。

图7是包括底座72的插件70(用于钻头的PCD刀具)和PCD紧凑件74的示图，该底座72由烧结的金属碳化物(如WC、W₂C、铸成的碳化钨、它们的混合物等)和金属粘结剂(青铜、Co、Cu、这样的金属的混合物等)制成。如通过放大所示，PCD紧凑件由金刚石网络68组成。(由于金刚石聚集体颗粒60的“类刺猬”形状)，可以在PCD基体中固定比现有技术可以固定的大得多的金刚石。而且，使用金刚石聚集体颗粒，可以实现粗颗粒在金刚石片中更好的分布。如可以理解的，由于存在粗颗粒而引起片的粗糙加工表面相对于传统的片改善了穿透率(ROP)。包括金刚石聚集体颗粒的PCD片的另一个优点是更好地控制金刚石片在切割非常硬石头/材料如硬石英岩时的破碎。具有金刚石聚集体颗粒的PCD片非常适合于在不同切割模式下操作：在软土中“切屑”和在硬土中“研磨”。这在钻进夹层结构中时是特别有利的。

实施例1

根据上述方法使用金刚石颗粒(MBS 960，-20/+25目)作为核心颗粒和直径从75到150μm的铸型(cast)碳化钨颗粒作为外围颗粒形成聚集体研磨颗粒。使用由溶解在甲醇中的聚乙烯醇缩丁醛组成的粘合剂喷涂金刚石。粘合剂通过每100g聚乙烯醇缩丁醛使用425ml甲醇而获得。在使金刚石降落到铸型碳化钨颗粒的层中并用另外的这样的颗粒覆盖之后，在60℃下干燥20分钟。然后通过筛分使固化的聚集体颗粒与过量的碳化钨颗粒分离。

实施例2

在该实施例中，使用SDB 1100，-30/+40目金刚石作为核心颗粒，以及使用SDB 1100，-50/+60目金刚石作为外围颗粒。使用由溶解在甲醇中的聚乙烯醇缩丁醛组成的粘合剂喷涂核心颗粒。粘合剂通过每57g聚乙烯醇缩丁醛使用1100ml的甲醇而获得。将聚集体颗粒在60℃下固化20分钟，并与过量的-50/+60目金刚石分离。

其后将固化的聚集体颗粒装入旋转的混合容器中，其中选择聚集体颗粒的量和混合容器的旋转速度使得聚集体颗粒在重力作用下自己滚动。然后将含碳材料的粉末和粘结剂的混合物逐步筛分到聚集体颗粒上，同时使用喷嘴将用于后面的粘结剂的溶剂的精细喷雾引导到其上。在该实施例中含碳材料的粉末由40wt％的纯化的片状石墨和60wt％的羰基铁粉末(来自BASF的CN型)组成。以相对于含碳材料的粉末为0.2wt％的量使用甲基纤维素(来自DowChemical的Methocel^TM A4M)作为粘结剂。使用环亚甲基甘油醚作为用于粘结剂的溶剂。选择引入到混合容器中的混合物和溶剂的比率，使得混合物粘附到聚集体颗粒上而基本上没有形成废颗粒，即，不含有聚集体颗粒的这样的颗粒。以标识号30，图3示意地示出了具有含碳材料涂层的聚集体研磨颗粒的外观。

将如此获得的可延展颗粒在200℃的炉子内在氮气/氢气气氛中干燥45分钟。

干燥的颗粒可以用于生产多晶金刚石(PCD)元件，如PCD片。为此，可以使干燥的颗粒压实为所需形状并经受导致在现有的金刚石之间形成金刚石-金刚石键的HPHT处理、以及从含碳材料合成新金刚石晶畴。

下表提供了将ASTM筛目尺寸转换为近似的颗粒直径：

参考标号列表：

10、20、30 聚集体颗粒

12 核心颗粒

12a 超研磨颗粒

12b 预烧结材料的涂层

14 粘合剂

16 外围颗粒

18 壳

32 包括含碳颗粒的微粒体

40 装置

42 第一斜槽

44 喷嘴

46 传送带

48 外围颗粒幕帘

50 第二斜槽

52 加热室

54 筛子

56、58 箭头

60 金刚石聚集体颗粒

62 核心金刚石

64 外围金刚石

66 金刚石网络

68 多晶金刚石基体

70 用于钻头的插件

72 底座

74 PCD紧凑件。

Claims

1.一种形成用于生产研磨或切割工具的聚集体研磨颗粒的方法，每个所述聚集体研磨颗粒包括研磨核心颗粒和设置在所述核心颗粒周围的数个研磨外围颗粒，其中，所述方法包括：

提供尺寸在14目到60目之间的核心金刚石作为所述核心颗粒和尺寸在25目到400目之间的外围金刚石作为所述外围颗粒，所述外围金刚石的尺寸与所述核心金刚石的尺寸的比率包括在1/2到1/31的范围内；

所述方法特征在于：

使用粘合剂涂覆所述核心颗粒，所述粘合剂包括粘结剂和用于所述粘结剂的溶剂；

将涂覆有粘合剂的所述核心颗粒分开降落到所述外围颗粒的层上并使用另外的外围颗粒覆盖所述降落的核心颗粒，以这种方式以便形成聚集体颗粒，每个聚集体颗粒包括核心颗粒，所述核心颗粒具有附着于其上的外围颗粒；

通过使所述溶剂蒸发而固化所述聚集体颗粒；

从非附着的外围颗粒中回收固化的所述聚集体颗粒；

使用包括含碳颗粒的微粒体包裹固化的所述聚集体颗粒以及使如此制备的固化的聚集体颗粒经受HPHT金刚石合成工艺，以便在所述核心颗粒与所述外围颗粒之间产生金刚石-金刚石键。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，使用所述粘合剂涂覆所述核心颗粒是通过将所述粘合剂喷射到所述核心颗粒上实现的，同时所述核心颗粒朝向包括研磨颗粒的粉末降落。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过加热所述聚集体颗粒而使所述溶剂蒸发。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述核心金刚石是CVD涂覆的金刚石颗粒。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述外围颗粒是CVD涂覆的金刚石颗粒。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述含碳颗粒包括具有尺寸小于100nm的纳米金刚石。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微粒体包括用于形成金刚石-金刚石键的催化剂颗粒。

8.一种聚集体颗粒，包括：

核心金刚石，具有在14目到60目之间的尺寸；以及多个外围金刚石，具有在25目到400目之间的尺寸，

其中，所述外围金刚石的尺寸与所述核心金刚石的尺寸的比率包括在1/2到1/31的范围内，并且其中，所述外围金刚石设置在所述核心金刚石的周围并且其特征在于利用金刚石-金刚石键使所述外围金刚石附着于所述核心金刚石。

9.根据权利要求8所述的聚集体颗粒，其中，所述核心金刚石是单晶金刚石。

10.根据权利要求8所述的聚集体颗粒，其中，所述外围金刚石是单晶金刚石。

11.根据权利要求8所述的聚集体颗粒，其中，设置在所述核心金刚石周围的所有所述外围金刚石属于-25/+30目、-30/+35目、-35/+40目、-40/+50目、-50/+60目、-60/+70目、-70/+80目、-80/+100目、-100/+120目、-120/+140目、-140/+170目、-170/+200目、-200/+230目、-230/+270目、-270/+325目和-325/+400目中的具体类别。

12.金刚石网络，包括根据权利要求8所述的聚集体颗粒。

13.PCD刀具，包括根据权利要求8所述的聚集体颗粒。

14.PCD刀具，包括基质和粘结至所述基质的PCD片，其中，所述PCD片包括根据权利要求12所述的金刚石网络。

15.PCD刀具，包括基质和粘结至所述基质的PCD片，其中，所述基质包含根据权利要求8所述的聚集体颗粒。