CN109702661A - 一种超硬颗粒表面沉积镀层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其中，包括步骤：将超硬颗粒装入设置有搅拌装置的料桶内，开启搅拌装置，使超硬颗粒在料桶里上下翻转；开启烘干系统，对料桶内的超硬颗粒进行烘干操作，并利用喷雾装置将镀层的前驱体溶液喷洒入料桶内，得到涂覆有镀层前驱体的超硬颗粒；根据不同的镀层前驱体材料对所述涂覆有镀层前驱体的超硬颗粒进行相应的加工处理，制得表面沉积有镀层的超硬颗粒。本发明可使形成的镀层均匀、有效地沉积超硬颗粒表面。

Description

一种超硬颗粒表面沉积镀层的方法

技术领域

本发明涉及超硬复合材料领域，尤其涉及一种超硬颗粒表面沉积镀层的方法。

背景技术

超硬颗粒可以是金刚石、立方氮化硼、碳化硅或氮化硅等。这些颗粒通常采用高温高压工艺，使颗粒之间彼此粘接，形成纯相多晶材料，如无粘接剂的PCD或者PCBN。或者使用第二相作为粘接剂，形成复相多晶材料，这些材料包含目前熟知的PCD和PCBN材料，它们通常包含铁、钴、镍等催化金属元素，也包含过度金属的碳化物、氮化物、硅化物、硼化物等。

在聚晶材料制造过程中，第二相的均匀分布和均匀渗透是获得好的烧结状态和均一组织结构必要条件。通常情况下，第二相的含量影响高温高压烧结过程，较少的第二相会导致烧结不充分，结合强度低；过多的第二相材料，则影响产品性能。因此，提前加入到超硬颗粒的第二相含量应该加以控制，避免在高温高压时，过多的催化材料进入到聚晶层中。

在以往的研究中，第二相材料通常是通过混粉、球磨、化学法、气相沉积等方式加入到超硬颗粒中。这些方法，通常都有一定的局限性，混粉法难以获得亚微米及纳米级的均一组织；球磨容易引入杂质，如硬质合金球磨罐中的碳化钨、钴等；化学法流程长，过程难控制且容易引入杂质离子，对环保及工艺控制带来更多不确定性；气相沉积方法成本高，普适应不高。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超硬颗粒表面沉积镀层的方法，旨在解决现有聚晶材料制造过程中无法快速、有效地将作为粘结剂的第二相材料分布在超硬颗粒表面的问题。

本发明的技术方案如下：

一种超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其中， 包括步骤：

将超硬颗粒装入设置有搅拌装置的料桶内，开启搅拌装置，使超硬颗粒在料桶里上下翻转；

开启烘干系统，对料桶内的超硬颗粒进行烘干操作，并利用喷雾装置将镀层前驱体溶液喷洒入料桶内，得到涂覆有镀层前驱体的超硬颗粒；

根据不同的镀层前驱体材料对所述涂覆有镀层前驱体的超硬颗粒进行相应的加工处理，制得表面沉积有镀层的超硬颗粒。

所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其中，所述超硬颗粒选自金刚石、立方氮化硼、碳化硅、氮化硅和氮化硼中的一种或多种。

所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其中，所述加工处理包括煅烧处理、氢气还原处理、氨气处理和碳化处理中的一种或多种。

所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其中，所述镀层前驱体选自铁、钴、镍和钛的单质、合金、氧化物、氮化物、碳化物、碳氧化物中的一种或多种。

所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其中，对所述涂覆有镀层前驱体的超硬颗粒进行相应的加工处理步骤之前，还包括：将涂覆有镀层前驱体的超硬颗粒置于真空或惰性气体中并进行温度控制加热。

所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其中，所述搅拌装置为立式螺带式搅拌装置。

所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其中，所述立式螺带式搅拌装置包括：竖直转动设置于圆柱状料桶中间的旋转棒及若干沿旋转棒均匀设置的螺带式搅拌叶；

所述螺带式搅拌叶包括：水平设置且一端与旋转棒的下端固定相接的第一搅拌部、与第一搅拌部的另一端相接且沿料桶侧壁螺旋向上设置的第二搅拌部、水平设置且连接第二搅拌部的上端与旋转棒的上端的第三搅拌部，旋转棒的顶部与电机相接，所述第一搅拌部、第二搅拌部及第三搅拌部均呈带状，且第一搅拌部及第三搅拌部与桶底的夹角小于90°，而第二搅拌部与桶侧壁方向的夹角大于90°。

所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其中，所述喷雾装置将镀层前驱体溶液于料桶顶部处喷洒在超硬颗粒上。

所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其中，喷雾压力在0.2-0.9 MPa。

所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其中，镀层前躯体预先处理均匀为微米、亚微米或者纳米粒径。

有益效果：本发明在利用搅拌装置搅拌超硬颗粒的同时，利用喷雾装置将目标镀层的前驱体溶液喷涂在高度旋转混合地超硬颗粒表面上，并利用烘干系统对超硬颗粒进行烘干，从而在超硬颗粒表面形成均一涂膜，然后进行相应地后续处理以将镀层前驱体转化为镀层，即可使形成的镀层均匀、有效地沉积超硬颗粒表面。

附图说明

图1为本发明所述超硬颗粒表面沉积镀层的方法较佳实施例流程图；

图2为本发明所述设置有搅拌装置的料桶的结构示意图；

图3为实施例1中所制得的表面涂覆钴微粉的金刚石扫描电镜图；

图4为实施例2中所所制得的表面涂覆TiC微粉的金刚石扫描电镜图。

具体实施方式

本发明提供一种超硬颗粒表面沉积镀层的方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，如图1所示，包括步骤：

S1、将超硬颗粒装入设置有搅拌装置的料桶内，开启搅拌装置，使超硬颗粒在料桶里上下翻转；

S2、开启烘干系统，对料桶内的超硬颗粒进行烘干操作，并利用喷雾装置将镀层的前驱体溶液喷洒入料桶内，得到涂覆有镀层前驱体的超硬颗粒；

S3、根据不同的镀层前驱体材料对所述涂覆有镀层前驱体的超硬颗粒进行相应的加工处理，制得表面沉积有镀层的超硬颗粒。

本发明通过搅拌装置的搅拌作用，对料桶内的超硬颗粒不断进行翻转，达到均一无死角混合，同时对料桶内的超硬材料进行烘干操作，并通过喷雾装置将形成镀层的前驱体（如催化材料或者金属盐）溶液喷洒在高速旋转混合的超硬颗粒微粉表面，因为烘干操作可以迅速将超硬材料颗粒表面涂覆的前驱体溶液中的溶剂去除，从而在超硬材料颗粒表面形成均匀涂覆的前驱体薄膜，再进行后续加工处理并将镀层前驱体转化为镀层材料，即可以在超硬颗粒表面形成均一分布的镀层，该过程操作简单且不会引入其他杂质成份；而后再通过该镀层将超硬颗粒进行烧结，镀层可以均匀渗入到聚晶层中，形成烧结状态良好、结合强度高且具有均一组织结构的聚晶材料，极大地提升了所制得的聚晶材料的性能。

优选地，在所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法中，搅拌装置为立式螺带式搅拌结构，使得所述搅拌装置的搅拌叶可沿料桶壁旋转，不断将四周的物料往中间推掉落到底部，而底部的物料通过所述立式螺带式搅拌结构不断上升，从而达到无死角混合物料。具体地，如图2所示，所述搅拌装置10包括竖直转动设置于圆柱状料桶20中间的旋转棒11及若干沿旋转棒11均匀设置的螺带式搅拌叶12；所述螺带式搅拌叶12包括：水平设置且一端与旋转棒11的下端固定相接的第一搅拌部121、与第一搅拌部121的另一端相接且沿料桶侧壁螺旋向上设置的第二搅拌部122、水平设置且连接第二搅拌部122的上端与旋转棒11的上端的第三搅拌部123，旋转棒的顶部与电机相接，所述第一搅拌部121、第二搅拌部122及第三搅拌部123均呈带状，且第一搅拌部121及第三搅拌部123与桶底的夹角小于90°，而第二搅拌部122与桶侧壁方向的夹角大于90°，从而使得所述搅拌叶可沿料桶壁旋转，不断将四周的物料往中间推掉落到底部，而底部的物料通过所述立式螺带式搅拌结构不断上升。

具体地，在实际操作中进行所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法时，可以根据不同参数要求，将喷雾装置30的喷头安装在不同的位置，而且喷头根据喷雾溶液的状态、粘稠度、喷射效果等做出不同的调整。优选地，将喷雾装置30设置在料桶20顶部处，这样可以通过喷雾装置将镀层的前驱体于料桶顶部处喷洒在超硬颗粒上，从而将前驱体溶液更均匀地喷洒在超硬颗粒表面。

更优选地，在所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，控制喷雾压力在0.2-0.9MPa，其中，喷雾压力随着喷雾溶液粘度的增加而增加，当溶液粘度为1 mPa.s时，选择0.3MPa压力。

所述步骤S1中，超硬颗粒选自金刚石、立方氮化硼、碳化硅、氮化硅、氮化硼。优选地，预先处理均匀涂覆前驱体颗粒，以使前驱体转化为无定型或者结晶的氧化物、氢氧化物或氧化氢氧化物。其中转化的前驱体为微米、亚微米或者纳米粒径的单质、合金、氧化物、氮化物、碳化物、碳氮化物、碳氧化物或其元素形式。

所述步骤S2中，需要预先配置目标镀层的前驱体溶液，所述前驱体选自有助于改善烧结的元素的单质、合金、氧化物、氮化物、碳化物、碳氧化物中的一种或多种。具体地，所述有助于改善烧结的元素为铁、钴、镍或钛等过渡金属元素，而前驱体溶液使用的溶剂为水等无机溶剂或乙醇等有机溶剂。

所述步骤S3中，所述后续处理包括煅烧处理、氢气还原处理、氨气处理和碳化处理中的一种或多种，具体需要根据所需镀层的成分确定，如镀钴，先焙烧生产氧化钴，随后进行氢气还原。若采用镀碳化钛，则先焙烧形成氧化钛，随后高温碳化形成碳化钛。

优选地，对所述涂覆有镀层前驱体的超硬颗粒进行相应的加工处理的步骤之前，还包括：将涂覆有镀层前驱体的超硬颗粒置于真空或惰性气体中并进行温度控制加热，以去除挥发和不需要的化学物质，实现更高质量的镀层。

下面结合具体实施例作更详尽地说明。

实施例1：

将20g Co(NO₃)₂·6H₂O溶解在200mL去离子水中，装入喷雾料桶备用；

将200g粒度为0.9-1.5um的金刚石微粉装入设置有搅拌装置的料桶内，开启搅拌装置，转速设定为200rpm，使金刚石微粉在料桶里上下翻转，开启烘干系统，温度设定为80°C，开启喷雾装置，硝酸钴溶液均一涂覆在金刚石微粉上；

取出已涂覆硝酸钴的金刚石微粉，300°C焙烧得到氧化钴涂覆金刚石微粉，随后，900°C氢气还原得到表面涂覆钴微粉的金刚石，其扫描电镜效果如图3所示。图3中，亮色颗粒为亚微米级别的钴颗粒，尺寸0.5um以下；暗色为金刚石微粉，钴颗粒均匀镀覆在微粉表面。可见通过本发明，实现了纳米钴颗粒均匀镀覆。

实施例2：

25g 钛酸四丁酯溶解在200mL无水乙醇中，装入喷雾料桶备用；

将500g平均粒度为10um的金刚石微粉装入设置有搅拌装置的料桶内，开启搅拌装置，转速设定250rpm，使金刚石微粉在料桶里上下翻转，开启烘干系统温度设定为60°C，开启喷雾装置，钛酸四丁酯溶液均一涂覆在金刚石颗粒上；

取出已涂覆硝酸钴的微粉，300°C焙烧得到氧化钛涂覆金刚石粉，随后在1000-1400°C真空处理，得到表面涂覆TiC微粉的金刚石，其扫描电镜效果如图4所示。图4中，灰色颗粒为金刚石微粉；亮色颗粒为TiC，尺寸1um左右，这些颗粒及其细小，且均匀镀附在金刚石颗粒上。

综上所述，本发明提供的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，在利用搅拌装置搅拌超硬颗粒的同时，利用喷雾装置将目标镀层的前驱体溶液喷涂在高度旋转混合地超硬颗粒表面上，并利用烘干系统对超硬颗粒进行烘干，从而在超硬颗粒表面形成均一涂膜，然后进行相应地后续处理以将镀层前驱体转化为镀层，即可使形成的镀层均匀、有效地沉积超硬颗粒表面，便于后续通过该镀层将超硬颗粒进行均匀烧结，形成烧结状态良好、结合强度高且具有均一组织结构的聚晶材料，极大地提升了所制得的聚晶材料的性能。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其特征在于， 包括步骤：

将超硬颗粒装入设置有搅拌装置的料桶内，开启搅拌装置，使超硬颗粒在料桶里上下翻转；

开启烘干系统，对料桶内的超硬颗粒进行烘干操作，并利用喷雾装置将镀层前驱体溶液喷洒入料桶内，得到涂覆有镀层前驱体的超硬颗粒；

根据不同的镀层前驱体材料对所述涂覆有镀层前驱体的超硬颗粒进行相应的加工处理，制得表面沉积有镀层的超硬颗粒。

2.根据权利要求1所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其特征在于，所述超硬颗粒选自金刚石、立方氮化硼、碳化硅、氮化硅和氮化硼中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其特征在于，所述加工处理包括煅烧处理、氢气还原处理、氨气处理和碳化处理中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其特征在于，所述镀层前驱体选自铁、钴、镍和钛的单质、合金、氧化物、氮化物、碳化物、碳氧化物中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其特征在于，对所述涂覆有镀层前驱体的超硬颗粒进行相应的加工处理步骤之前，还包括：将涂覆有镀层前驱体的超硬颗粒置于真空或惰性气体中并进行温度控制加热。

6.根据权利要求1所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其特征在于，所述搅拌装置为立式螺带式搅拌装置。

7.根据权利要求6所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其特征在于，所述立式螺带式搅拌装置包括：竖直转动设置于圆柱状料桶中间的旋转棒及若干沿旋转棒均匀设置的螺带式搅拌叶；

所述螺带式搅拌叶包括：水平设置且一端与旋转棒的下端固定相接的第一搅拌部、与第一搅拌部的另一端相接且沿料桶侧壁螺旋向上设置的第二搅拌部、水平设置且连接第二搅拌部的上端与旋转棒的上端的第三搅拌部，旋转棒的顶部与电机相接，所述第一搅拌部、第二搅拌部及第三搅拌部均呈带状，且第一搅拌部及第三搅拌部与桶底的夹角小于90°，而第二搅拌部与桶侧壁方向的夹角大于90°。

8.根据权利要求7所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其特征在于，所述喷雾装置将镀层前驱体溶液于料桶顶部处喷洒在超硬颗粒上。

9.根据权利要求8所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其特征在于，喷雾压力在0.2-0.9 MPa。

10.根据权利要求4所述的超硬颗粒表面沉积镀层的方法，其特征在于，镀层前躯体预先处理均匀为微米、亚微米或者纳米粒径。