CN103600314B - 在超硬颗粒表面包覆粉末的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在超硬颗粒表面包覆粉末的装置及方法。该装置包括：网板，板面上均匀布置有若干个圆柱形通孔，每个所述通孔中放置一粒超硬颗粒；定位板，一面上设有若干个与所述网板上通孔相对应的圆柱形凸台，所述凸台直径与所述网板上的通孔孔径相配合，以用于支撑所述超硬颗粒在所述通孔的中心位置；以及挤压机构，设置于所述网板上并与所述定位板相对，用于将含有包覆用粉末的浆料挤压入所述网板的通孔中。本发明还公开了采用上述装置在超硬颗粒表面包覆粉末的方法。采用本发明的装置进行超硬颗粒的包覆，不受包覆用粉末的尺寸、形状和比重的限制，包覆丸粒粒度一致；合理选择网板的阵列孔数，可使包覆效率高、过程可控性好、成本低。

Description

在超硬颗粒表面包覆粉末的装置及方法

技术领域

本发明属于金刚石制品领域，涉及制备金刚石制品所需的金刚石颗粒的表面处理方法，具体而言涉及一种在金刚石、立方氮化硼等超硬颗粒表面包覆粉末的装置和方法。

背景技术

在超硬制品的生产工艺中，通常是将磨料颗粒与胎体粉末混合后压制烧结，但是由于磨料粒度和胎体粉的粒度差别大、比重又不同，从而造成磨料颗粒很难在胎体中均匀分布，烧结出来的制品在使用过程中容易产生磨料颗粒密集处脱粒，在稀疏处拉沟等情况，甚至引起制品裂纹或掉块，因此，常将磨料颗粒即超硬颗粒表面包覆一层粉末以改善上述缺陷。目前有流化床包覆技术和转盘法包覆技术。其中：

公开号为US4770907(Kimura,FujiPaudal,1988),US5143523(Matarrese,GE,1992)和US5405573(Clark等人，GE，1995)等专利描述了采用流化床来包覆颗粒。在这些方法中，都使用气流通过装有超硬颗粒的腔室中，使颗粒悬浮起来，然后向腔室中喷射粘接剂、溶剂和粉末状材料（如金属粉末包覆材料）。包覆颗粒体积的增加与在腔室中停留的时间成正比（非线性）。该方法的优点是流化床可以使包覆颗粒良好的分离，确保每个丸粒中含有单个超硬颗粒，同时以合理的速率包覆超硬颗粒。这种技术的缺点是最大包覆速率相对慢，并且当采用高密度粒状的包覆材料如Mo、W、WC、W2C时，专利所提及的装置很难保持超硬颗粒的悬浮能力，从而颗粒的包覆厚度增加难以实现。此外，当采用不同密度、粉末形状和尺寸的混合粉末时，流化床包覆方法是不理想的，混合粉末会在流化床中趋于分层，从而不能均匀地获得期望的包覆层。

GB1014295(Norton,1965)和EP0012631（Tomlinson,Debeers,1980）专利中描述了采用转盘法包覆颗粒如金刚石的方法，在该方法中通过如下方式成丸粒：1）在旋转的金刚石仔晶上喷涂包含金属粉末、粘结剂和溶剂的浆料和/或2）在旋转的金刚石仔晶上单独喷涂粘结剂和溶剂，然后“喷撒”金属粉末。转盘的旋转将包覆的金刚石仔晶分离，这个过程中溶剂挥发，粘结剂将包覆材料以仔晶为中心形成同心外壳，随着包覆过程进行外壳体积增加。此方法就快速增加包覆丸粒质量方法而言，是有效的。然而，该方法的不利之处在于，包覆初始阶段，金刚石仔晶和早期包覆形成的丸粒在粘接剂的作用下易于团聚，因此初期的包覆速度必须非常慢以避免团聚，因而增加了总处理时间并降低了该方法的生产效率。在出现的丸粒达到临界尺寸后，团聚率显著降低，包覆进入体积快速增大阶段后，最终的丸粒可能具有大的尺寸分布。在此过程中，包覆粉末有可能在粘结剂的作用下自形核并增大，形成内部无仔晶的丸粒。

公开号为US20120082786（KeithGUSH,shannon,IE）的专利将上述“流化”和“旋转盘”两种包覆技术结合起来，可实现在所描述的单一装置中完成超硬颗粒的均匀包覆，在包覆效率和降低成本方面有很大改进，但该方法在包覆过程中需要不断的进行包覆状态检验，另外需要在包覆过程中将包覆到一定厚度的丸粒进行分批包覆已达到更大包覆厚度的要求，这会带来不同批次包覆质量的偏差。

因此，需开发能够克服上述技术困难的单独技术，并提供一种包覆超硬颗粒更有效、成本更低的解决方法。

发明内容

针对现有技术中“流化”技术包覆效率低、包覆材料受其形状、尺寸、比重等影响，“旋转盘”技术包覆丸粒粒度分布大、需分批包覆等不足，本发明的目的在于提供一种在超硬颗粒表面包覆粉末的装置及方法。采用该装置包覆材料不受形状、尺寸、比重影响，包覆丸粒粒度一致，并且包覆效率高、过程可控性好。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种在超硬颗粒表面包覆粉末的装置，包括：

网板，板面上均匀布置有若干个圆柱形通孔，每个所述通孔中放置一粒超硬颗粒；

定位板，一面上设有若干个与所述网板上通孔相对应的圆柱形凸台，所述凸台直径与所述网板上的通孔孔径相配合，以用于支撑所述超硬颗粒在所述通孔的中心位置；以及

挤压机构，设置于所述网板上并与所述定位板相对，用于将含有包覆用粉末的浆料挤压入所述网板的通孔中。

在上述装置中，作为一种优选实施方式，所述装置还包括一组与网板上的通孔相配的若干针棒，用于将包覆好的超硬颗粒从通孔中推出。

在上述装置中，作为一种优选实施方式，所述定位板上的各圆柱形凸台的顶部具有倒置圆锥形凹槽，以用于将超硬颗粒固定于所述通孔的中心位置。

在上述装置中，所述网板的厚度h和所述通孔的孔径d可根据所述超硬颗粒需要包覆的增重量来计算，计算公式如下：

(V_通孔-V_金刚石)×ρ_包覆粉=M_包覆粉

其中：

V_通孔=π×(d/2)²×h

ρ_包覆粉——包覆粉末加入粘结剂干燥后的松装密度（即浆料干燥后的松装密度）；

M_包覆粉——包覆粉末的增重量（即超硬颗粒包覆前后的重量差，g）；

d——通孔的孔径(mm)；

h——网板的厚度(mm)；

PPC——每克拉金刚石颗粒数。

作为一种优选实施方式，所述网板的厚度h与所述网板上通孔的孔径d的差值即d-h在0.5mm以内，更优选在0.2mm以内。

在上述装置中，所述挤压机构可以是任何能够将所述浆料挤压入所述网板通孔中的设备，作为一种优选实施方式，所述挤压机构包括：容器，上下端均为开口端，其中一个开口端设置于所述网板上并与所述定位板相对，所述浆料经另一开口端置于所述容器内；挤压板，形状与所述容器的所述另一开口端形状相匹配，在受到力的挤压时可沿容器壁向下滑动，从而将所述浆料挤入所述网板的通孔内。

在上述装置中，作为一种优选方式，所述超硬颗粒的直径至少0.2mm且不大于3mm。

在上述装置中，所述网板的材质应该具有一定的刚性和耐磨性，作为一种优选方式，所述网板的材质为PCB板或不锈钢板。

在上述装置中，由于定位板加工精度高，因此，所述定位板的材质优选为不锈钢。

在上述装置中，所述若干个圆柱形通孔可以任何方式布置于所述网板上，但是为了使所述网板得到最大化的利用，所述若干个圆柱形通孔最好以矩形阵列的方式布置于所述网板上。

在上述装置中，所述超硬颗粒可以是超硬制品领域常用的任何一种或多种超硬颗粒，所述超硬颗粒可以是未经任何包覆的颗粒也可以是已经包覆有其他粉末的颗粒。作为一种优选方式，所述超硬颗粒选自金刚石、立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、Si₃N₄、SiC和SiO₂中的一种或多种。所述超硬颗粒最优选是金刚石，所述金刚石可以是天然的或合成的。

在上述装置中，所述包覆用的粉末可以是超硬制品领域常用的任何一种用于包覆超硬材料的粉末，在该装置中使用的包覆用粉末不受形状、尺寸和比重的限制，下面列举一些优选粉末，但本发明并不限于以下粉末，所述包覆用的粉末（或称为粉状固体）可以是石墨粉、金刚石粉、钴金属粉末、铁金属粉末、镍金属粉末、钨金属粉末、铜金属粉末、钼金属粉末、陶瓷粉（例如金属碳化钨）中的一种或多种。

一种在超硬颗粒表面包覆粉末的方法，采用上述装置来完成，所述方法包覆如下步骤：

步骤一，将超硬颗粒放置于位于网板通孔中的定位板凸台上，每个通孔中只含有一颗超硬颗粒；

步骤二，将包覆用粉末、粘结剂和溶剂混和均匀后形成具有一定粘度的浆料，然后采用挤压机构将浆料自与定位板相对的一面挤进含有超硬颗粒的通孔中；

步骤三，将经步骤二处理的网板和定位板一起进行第一次干燥后取下定位板，再采用挤压机构将浆料自原设置定位板的一面挤进含有超硬颗粒的网板通孔中，然后将网板进行第二次干燥，最后将通孔中包覆好的超硬颗粒推出，从而完成超硬颗粒的包覆。

在上述方法中，所述粘结剂可以是本领域常用的有机或无机粘结剂，比如聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯醇缩丁醛（PVB）、PVC粘结剂或甲基纤维素。

在上述方法中，所述溶剂可以是本领域常用的溶剂，比如所述溶剂为水或有机溶剂；所述有机溶剂可以是无水乙醇、异丙醇、丙酮等。

在上述方法中，作为一种优选实施方式，在所述浆料中，所述粘结剂的质量百分比浓度为1-5%，示例性地，浓度可以为1%、2%、3%、4%或5%。

在上述方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤三中，所述第一干燥的时间为10-60s，温度为60-90℃；所述第二次干燥的时间为10-60s，温度为60-90℃。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

采用本发明的装置进行超硬颗粒的包覆，不受包覆用粉末的尺寸、形状和比重的限制，包覆丸粒粒度一致；合理选择网板的阵列孔数，可使包覆效率高、过程可控性好、成本低。

附图说明

图1为本发明装置中网板的平面示意图；

图2为本发明装置的剖面示意图；

图3为实施例1得到的包覆粉末后的颗粒。

其中，附图标记说明如下：1-网板；11-通孔；2-定位板；21-凸台；3-挤压机构；31-容器；32-挤压板；4-浆料；5-超硬颗粒

具体实施方式

通过以下具体实施例能更清楚地理解本发明，但是下面给出的实施例是为了进行说明，而不构成对本发明的限制。

参见图1和图2，本发明实施例提供的在超硬颗粒表面包覆粉末的装置，包括：网板1、定位板2、挤压机构3、一组阵列针棒。下面结合附图对上述四个部件进行说明。

网板1，参见图1，板面上均匀布置有若干个圆柱形通孔11，在本实施例中，通孔11为矩形阵列方式布置在板面上并且贯穿于网板1的上下表面，每个通孔11中仅能放置一粒超硬颗粒5。网板1的厚度h和通孔11的孔径d可根据超硬颗粒5需要包覆的增重量来计算，在该实施例中，超硬颗粒5为金刚石颗粒，网板1的厚度h和通孔11的孔径d计算公式如下：

(V_通孔-V_金刚石)×ρ_包覆粉=M_包覆粉

其中：

V_通孔=π×(d/2)²×h

V_金刚石=1/(3.52×5×PPC×1000)(mm³)

ρ_包覆粉—包覆粉末加入粘结剂干燥后的松装密度（即浆料干燥后的松装密度）；

M_包覆粉—包覆粉末的增重量（即超硬颗粒包覆前后的重量差，g）；

d—通孔的孔径(mm)；

h—网板的厚度(mm)；

PPC—每克拉金刚石颗粒数。优选地，网板1的厚度h与通孔11的孔径d的差值即d-h在0.5mm以内，更优选在0.2mm以内。网板1的材质具有一定的刚性和耐磨性，可以采用PCB板或不锈钢板。

定位板2，一面上设有若干个与所述网板1上通孔11相对应的圆柱形凸台21，凸台21直径与网板1上的通孔11孔径相配合，也就是说，凸台21恰好放置于网板1的通孔11内，用于支撑超硬颗粒5在通孔11的中心位置处。在本实施例中，为了更好的将超硬颗粒5固定于通孔11的中心处，定位板2上的各圆柱形凸台21的顶部设置为具有倒置圆锥形凹槽。定位板2的材质可以采用铝合金、不锈钢。

挤压机构3，设置于网板1上并与定位板2相对，用于将含有包覆用粉末的浆料4挤压入网板1的通孔11中。也就是说，网板1的一面与定位板2结合，另外一面上设置挤压机构3。挤压机构3可以是任何能够将浆料4挤压入网板通孔11中的设备。在本实施例中，所述挤压机构包括：长方体形容器31，上下端均为开口端，其中一个开口端设置于网板1上，浆料4可经另一开口端置于容器31内；挤压板32，具有与容器31相匹配的形状即挤压板32的四个侧面均能与容器31的相应四个侧面接触，在受到力P的挤压时挤压板32可沿容器壁向下滑动，从而将浆料4挤入网板1的通孔11内。

一组与网板上的通孔相配的阵列针棒，用于将包覆好的超硬颗粒从通孔中推出，该组阵列针棒布置于一平板上。

在本发明实施例提供的装置中使用的超硬颗粒的直径至少0.2mm且不大于3mm。超硬颗粒可以是超硬制品领域常用的任何一种或多种超硬颗粒，超硬颗粒可以是未经任何包覆的颗粒也可以是已经包覆有其他粉末的颗粒，比如超硬颗粒选自金刚石、立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、Si₃N₄、SiC和SiO₂中的一种或多种。超硬颗粒最优选是金刚石，所述金刚石可以是天然的或合成的。包覆用的粉末可以是超硬制品领域常用的任何一种用于包覆超硬材料的粉末，在该装置中使用的包覆用粉末不受形状、尺寸和比重的限制，下面列举一些优选粉末，比如石墨粉、金刚石粉、钴金属粉末、铁金属粉末、镍金属粉末、钨金属粉末、铜金属粉末、钼金属粉末、陶瓷（例如金属碳化钨）中的一种或多种。

上述装置的使用方法如下：步骤一，将超硬颗粒放置于位于网板通孔中的定位板凸台上，每个通孔中只含有一颗超硬颗粒；步骤二，将包覆用粉末、粘结剂和溶剂混和均匀后形成具有一定粘度的浆料，然后采用挤压机构将浆料自与定位板相对的一面挤进含有超硬颗粒的通孔中；步骤三，将经步骤二处理的网板和定位板一起进行第一次干燥后取下定位板，再采用挤压机构将浆料自原设置定位板的一面挤进含有超硬颗粒的网板通孔中，然后将网板进行第二次干燥，最后将通孔中包覆好的超硬颗粒推出，从而完成超硬颗粒的包覆。

下面列举三个采用上述装置在超硬颗粒表面包覆粉末的方法实施例。

实施例1：

对18/20目粒度金刚石颗粒进行包覆，包覆用粉末为60%钴粉+40%WC。

网板为150×150个阵列孔网板，厚度为1.6mm，通孔直径为1.7mm。

具体包覆方法如下：

1）浆料的制备：将1000克包覆用粉末与200ml浓度为3wt%的PVC粘结剂（该3wt%的PVC粘结剂是通过将PVC粘结剂溶于丙酮和异丙醇的混合液中而得到的，其中丙酮和异丙醇的体积比为7:3）搅拌均匀以获得包覆用浆料，浆料干燥后的比重为2.5g/cm³；

2）将金刚石放入网板通孔中的定位板凸台上，每个通孔中布入一颗金刚石，采用挤压机构将浆料自与定位板相对的一面挤进通孔中，然后将网板和定位板一起在干燥器中于80℃干燥30s，取下定位板，再采用挤压机构将浆料自原设置定位板的一面挤进含有超硬颗粒的网板通孔中，然后将网板再次在干燥器中于80℃干燥30s，最后用与网板上网孔相对应的阵列针棒将包覆好的金刚石推出，即可制得22500粒包括包覆好的金刚石，每粒金刚石包覆后增重7.1倍（金刚石在包覆粉末中的体积浓度为140vol%）；18/20目粒度金刚石的SPC值（每克拉颗粒数）为150，按实施例1，16小时可实现72000克金刚石的包覆；实际包覆过程若网板数足够多，连续作业情况下，包覆量更多。本实施例包覆后的颗粒见图3。

实施例2：

对30/40目粒度金刚石颗粒进行包覆，包覆用粉末为60%钴粉+30%WC+10W₂C-80/120目。

网板为150×150个阵列孔网板，厚度为1.6mm，网孔直径为1.8mm。

具体包覆方法如下：

1）浆料的制备：将1000克包覆用粉末与200ml浓度为3wt%的PVC粘结剂（该3wt%的PVC粘结剂是通过将PVC粘结剂溶于丙酮和异丙醇的混合液中而得到的，其中丙酮和异丙醇的体积比为7:3）搅拌均匀获得包覆用浆料，浆料干燥后的比重为2.1g/cm³；

2）将金刚石放入网板通孔中，每个通孔中布入一颗金刚石，采用挤压机构将浆料自与定位板相对的一面挤进通孔中，然后将网板和定位板一起在干燥器中于80℃干燥30s，取下定位板，再采用挤压机构将浆料自原设置定位板的一面挤进含有超硬颗粒的网板通孔中，然后将网板再次在干燥器中于80℃干燥30s，最后用与网板上通孔相对应的阵列针棒将包覆好的金刚石推出，即可制得22500粒包括包覆好的金刚石，金刚石包覆后增重40倍（金刚石在包覆粉末中的浓度为33vol%）；30/40目粒度金刚石的SPC值（每克拉颗粒数）为660，按实施例2，16小时可实现16363克金刚石的包覆；实际包覆过程若网板数足够多，连续作业情况下，包覆量更多。

实施例3：

对60/70目粒度金刚石颗粒进行包覆，包覆用粉末为100%钴粉。

包覆网板为300×300个阵列孔网板，厚度为1.0mm，网孔直径为1.0mm。

具体包覆方法如下：

1）浆料的制备：先将1000克包覆粉末与200ml浓度为3wt%的PVC粘结剂（该3wt%的PVC粘结剂是通过将PVC粘结剂溶于丙酮和异丙醇的混合液中而得到的，其中丙酮和异丙醇的体积比为7:3）搅拌均匀获得包覆用浆料，浆料干燥后的比重为1.8g/cm³；

2）将金刚石放入网板通孔中，每个通孔中布入一颗金刚石，采用挤压机构将浆料自与定位板相对的一面挤进网孔中，然后将网板和定位板一起在干燥器中于80℃干燥30s，取下定位板，再采用挤压机构将浆料自原设置定位板的一面挤进含有超硬颗粒的网板通孔中，然后将网板再次在干燥器中于80℃干燥30s，最后用与300×300个阵列孔网板相对应的阵列针将包覆好的金刚石推出，即可制得90000粒包括包覆好的金刚石，金刚石包覆后增重48倍（金刚石在包覆粉末中的浓度为20vol%）；60/70目粒度金刚石的SPC值（每克拉颗粒数）为6800，按实施例3，则16小时可实现6352克金刚石的包覆；实际包覆过程若网板数足够多，连续作业情况下，包覆量更多。

应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在超硬颗粒表面包覆粉末的装置，其特征在于，包括：

网板，板面上均匀布置有若干个圆柱形通孔，每个所述通孔中放置一粒超硬颗粒；

定位板，一面上设有若干个与所述网板上通孔相对应的圆柱形凸台，所述凸台直径与所述网板上的通孔孔径相配合，以用于支撑所述超硬颗粒在所述通孔的中心位置；以及

挤压机构，设置于所述网板上并与所述定位板相对，用于将含有包覆用粉末的浆料挤压入所述网板的通孔中，所述挤压机构包括：容器，上下端均为开口端，其中一个开口端设置于所述网板上并与所述定位板相对，所述浆料经另一开口端置于长方体形的所述容器内；挤压板，形状与长方体形的所述容器的所述另一开口端形状相匹配，在受到力的挤压时可沿容器壁向下滑动，从而将所述浆料挤入所述网板的通孔内。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一组与网板上的通孔相配的若干针棒，用于将包覆好的超硬颗粒从通孔中推出。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述定位板上的各圆柱形凸台的顶部具有倒置圆锥形凹槽，以用于将超硬颗粒固定于所述通孔的中心位置。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述网板的厚度h和所述通孔的孔径d可根据所述超硬颗粒需要包覆的增重量来计算，计算公式如下：(V_通孔-V_金刚石)×ρ_包覆粉＝M_包覆粉

其中：

V_通孔＝π×(d/2)²×h

V_金刚石＝1/(3.52×5×PPC×1000)(mm³)

ρ_包覆粉—包覆粉末加入粘结剂干燥后的松装密度；

M_包覆粉—包覆粉末的增重量(g)；

d—通孔的孔径(mm)；

h—网板的厚度(mm)；

PPC—每克拉金刚石颗粒数；

所述网板的厚度h与所述网板上通孔的孔径d的差值d-h在0.5mm以内。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述网板的厚度h与所述网板上通孔的孔径d的差值d-h在0.2mm以内。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超硬颗粒的直径至少0.2mm且不大于3mm。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述网板的材质为PCB板或不锈钢板。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述若干个圆柱形通孔以矩形阵列的方式布置于所述网板上。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超硬颗粒选自金刚石、立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼、Si₃N₄、SiC、和SiO₂中的一种或多种；所述包覆用粉末是石墨粉、金刚石粉、钴金属粉末、铁金属粉末、镍金属粉末、钨金属粉末、铜金属粉末、钼金属粉末、陶瓷粉中的一种或多种。

10.一种在超硬颗粒表面包覆粉末的方法，采用权利要求1-9任一所述装置来完成，所述方法包覆如下步骤：

步骤一，将超硬颗粒放置于位于网板通孔中的定位板凸台上，每个通孔中只含有一颗超硬颗粒；

步骤二，将包覆用粉末、粘结剂和溶剂混和均匀后形成具有一定粘度的浆料，然后采用挤压机构将浆料自与定位板相对的一面挤进含有超硬颗粒的通孔中；

步骤三，将经步骤二处理的网板和定位板一起进行第一次干燥后取下定位板，再采用挤压机构将浆料自原设置定位板的一面挤进含有超硬颗粒的网板通孔中，然后将网板进行第二次干燥，最后将通孔中包覆好的超硬颗粒推出，从而完成超硬颗粒的包覆。