專利名稱：：用于生產(chǎn)研磨或切割工具的聚集體研磨顆粒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明總體涉及一種形成用于生產(chǎn)研磨或切割工具的聚集體研磨顆粒(aggregateabrasivegrain)的方法。在下面，“聚集體研磨顆?！被颉熬奂w顆?！笔侵秆心セ虺心ヮw粒(“核心顆粒(cor印article)”)，其上通過化學(xué)鍵或機(jī)械地附著有另外的研磨或超研磨顆粒(“外圍顆粒(peripheralparticle)”)。這樣的聚集體顆粒是有用的，特別是用于促進(jìn)研磨或切割工具如鉆頭、用于鉆頭的插件或切割元件等的生產(chǎn)，以及用于改進(jìn)這種工具的質(zhì)量。
背景技術(shù)：
：用于切割和/或研磨的工具通常由合適的基體材料和埋置在基體材料內(nèi)的微小研磨顆粒如金剛石制造。基本上，這種工具通過傳統(tǒng)的粉末冶金技術(shù)形成，其中研磨顆粒最初與以粉末形式的基體材料(如，金屬、合金、金屬碳化物等，以及它們的混合物)和粘結(jié)劑混合，此后，將混合物壓制成型以粘結(jié)并使混合物成形為所需工具。在所謂的熱壓方法中，將混合物放置在具有待形成研磨工具形狀的模具中并在高壓和高溫下壓制以引起可燒結(jié)材料的燒結(jié)。根據(jù)“冷壓和燒結(jié)”技術(shù)，將混合物首先在高壓下壓制成所需工具形狀，其后在爐子中在高溫下燒制以燒結(jié)成工具。作為這些壓制技術(shù)的替換，例如從文獻(xiàn)EP0754106Bl已知，提供軟的且易于變形的以漿料或糊劑形式的預(yù)制品(preform)，該漿料或糊劑包含以粉末形式的基體材料、研磨顆粒和某些液體粘結(jié)劑相。隨后將軟的且易于變形的預(yù)制品燒結(jié)和/或滲透。以這些或類似方式制造的工具通常稱為金屬粘結(jié)的研磨或切割工具。研磨或切割工具的效率和壽命尤其由工具表面或體內(nèi)研磨顆粒分布的均勻性程度和在周圍基體材料內(nèi)研磨顆粒的保持強(qiáng)度確定。在根據(jù)任何上述技術(shù)制造的工具中，研磨顆粒是隨機(jī)分布的，這意味著其中某些研磨顆?？梢员舜丝拷赡鼙舜私佑|，而工具的某些區(qū)域可能僅具有小密度的研磨顆粒。實(shí)際上，這消極地影響工具的切割或研磨性能。在基體材料內(nèi)均勻分布研磨顆粒的重要步驟是美國(guó)專利3，779，726中教導(dǎo)的方法。該文獻(xiàn)提出了在有可燒結(jié)材料粉末和粘結(jié)劑存在的情況下翻滾研磨顆粒，同時(shí)其上噴射有控制量的水。以這種方式，使每個(gè)研磨顆粒單獨(dú)地涂覆有可燒結(jié)微粒體，以這樣的方式形成了顆粒，即所謂的“球?！?。隨后將這些顆粒可能在與微粒狀金屬粉末混合之后在高壓(每平方英寸35噸，S卩，約500MPa)下壓制成所需形狀。本領(lǐng)域技術(shù)人員意識(shí)到將顆粒與金屬粉末混合可以引起金屬粉末與微球之間的偏析(segregation)的問題。另一種用于單獨(dú)涂覆研磨顆粒的方法在美國(guó)專利4，770，907中公開。這種方法開始于制備所選金屬粉末和以預(yù)定的相對(duì)濃度溶解在有機(jī)溶劑中的粘結(jié)劑的漿料。然后將研磨顆粒核心在工作容器中流化，且將漿料在流化過程中噴涂到研磨顆粒核心上，從而在每個(gè)研磨顆粒上形成通常均勻的漿料涂層并干燥。在顆粒分布方面的進(jìn)一步改進(jìn)已經(jīng)用WO2008/025838Al的方法實(shí)現(xiàn)，根據(jù)該方法形成了軟的、易于變形的糊劑，該糊劑具有分散在其中的超研磨顆粒，這些顆粒中的每一個(gè)都被單獨(dú)地包殼在預(yù)燒結(jié)材料的涂層內(nèi)。預(yù)燒結(jié)的涂層使超研磨顆粒彼此保持至少為涂層厚度兩倍的距離。這些涂層也防止超研磨顆粒和模具或擠出/注射成型系統(tǒng)的壁之間的直接接觸。美國(guó)專利申請(qǐng)2008/0017421Al公開了包封的顆粒，其包封(“殼體”)包括可燒結(jié)基體材料和研磨顆粒?；w的成分以及殼體中研磨顆粒的類型、尺寸和密度可以根據(jù)研磨或切割工具的規(guī)范進(jìn)行選擇。為了單獨(dú)生產(chǎn)具有類似量的殼體材料和近似相同尺寸的包封顆粒，US2008/0017421Al建議在傳統(tǒng)的混合機(jī)器中混合待包封的顆粒、用于殼體的基體粉末和研磨顆粒，并使用制粒機(jī)處理最終混合物，其中將混合物擠出成短“臘腸”形狀，然后將其輥壓成球(顆粒)并干燥。作為替換，該文獻(xiàn)提出了使用所謂的Fuji-Paudal造粒機(jī)，如US4，770，907中公開的。關(guān)于“臘腸”方法，所形成的顆粒是不均勻的，因此，需要選擇基本上相同尺寸的顆粒的步驟。該方法具有進(jìn)一步的缺點(diǎn)，即，所形成的每個(gè)顆粒不是必需地包含一個(gè)(且僅一個(gè))核心顆粒，且該核心顆粒不是必需地定位在殼體內(nèi)的中心。因此，2008/0017421Al不能生產(chǎn)在中心具有單個(gè)研磨顆粒的粒料。US4，770，907和US3，779，726都沒有公開允許用殼體顆粒涂覆核心顆粒的方法，該殼體顆粒的尺寸接近核心顆粒的尺寸殼體顆粒的平均直徑與核心顆粒的平均直徑的比率不應(yīng)該超過1/7。然而，在比率超過1/11時(shí)，利用上述方法已經(jīng)遇到嚴(yán)重問題。如果待涂覆的研磨顆粒和用作包裹材料的顆粒表現(xiàn)出非常不同的密度(如，金剛石3.5g/cm3,粗WC15.8g/cm3，熔融WC16.4g/cm3)，會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)問題，因?yàn)轭w粒易于偏析。由密度差異引起的困難在Fuji-Paudal方法中特別突出。而且，所獲得的結(jié)果質(zhì)量取決于所涉及顆粒的形狀。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本發(fā)明的一個(gè)目的是提供了聚集體研磨顆粒，其中外圍顆粒的直徑可以更接近于核心顆粒的直徑。應(yīng)當(dāng)指出，無(wú)論這里提到顆粒尺寸或顆粒直徑，應(yīng)當(dāng)理解為“平均尺寸”或“平均直徑”，如通過篩分所確定的。如研磨顆粒領(lǐng)域的一般慣例，我們將顆粒尺寸或直徑表示為篩目尺寸的范圍(使用ASTM標(biāo)準(zhǔn))，如-20/+30目(其對(duì)應(yīng)于約600到約850μm的顆粒直徑)。還應(yīng)當(dāng)指出，使用術(shù)語(yǔ)直徑不是為了表示出任何具體顆粒形狀(除非另外規(guī)定)。發(fā)明的一般描述根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提出了一種形成用于生產(chǎn)研磨或切割工具的聚集體研磨顆粒的方法，該方法包括以下步驟提供想要作為聚集體研磨顆粒的核心顆粒的研磨顆粒(在下文中，為簡(jiǎn)單起見，將這些顆粒稱為核心顆粒)；使用粘合劑涂覆這些顆粒，粘合劑包括粘結(jié)劑和用于粘結(jié)劑的溶劑；將粘合劑涂覆的核心顆粒分開地降落(drop)到想要作為外圍顆粒(在下文中，為了簡(jiǎn)單起見，將這些顆粒稱為外圍顆粒)的研磨顆粒的層上和使用另外的這種顆粒覆蓋降落的核心顆粒，以這種方式以便形成聚集體顆粒，每個(gè)聚集體顆粒都包括核心顆粒，該核心顆粒具有附著于其上的外圍顆粒；通過使溶劑蒸發(fā)，即通過使粘合劑凝固而固化聚集體顆粒。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，為了附著有外圍顆粒，本發(fā)明方法不需要混合或流化步5，聚集體顆粒將受到相對(duì)強(qiáng)的機(jī)械力，最終引起聚集體顆粒在粘合劑已變得充分干燥之前崩解(破碎)。相比之下，優(yōu)選注意盡可能輕地處理聚集體顆粒，只要其還沒有被固化。這可以例如通過簡(jiǎn)單地使粘合劑涂覆的核心顆粒降落到具有外圍顆粒的粉末中，然后使另外的外圍顆粒降落到核心顆粒上，然后加熱整個(gè)物料以使溶劑蒸發(fā)，同時(shí)在這些步驟過程中盡可能多地避免在核心顆粒和外圍顆粒之間的任何剪切力來(lái)完成。因此，本方法使得比前面討論的技術(shù)更大的外圍顆粒(尺寸達(dá)到核心顆粒尺寸)能夠附著。而且，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見的是，在核心顆粒和外圍顆粒之間可能的密度差異不影響本方法的適用性。最后但并非最不重要，根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法對(duì)于顆粒形狀的敏感性還遠(yuǎn)低于上面討論的傳統(tǒng)方法。優(yōu)選地，使用粘合劑涂覆核心顆粒是通過將粘合劑噴射到核心顆粒上來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)使核心顆粒降落在包括研磨顆粒的粉末中，即，同時(shí)核心顆粒降落。這具有的優(yōu)點(diǎn)在于，單個(gè)核心顆粒所有側(cè)面都涂覆有粘合劑，且在已施加粘合劑之后幾乎立即使核心顆粒與外圍顆粒接觸。因?yàn)楹诵念w粒是分開降落的，所以還可以確保核心顆粒不團(tuán)聚，即，每個(gè)聚集體顆粒在其中心包含單個(gè)核心顆粒。聚集體顆粒的固化優(yōu)選是通過加熱聚集體顆粒實(shí)現(xiàn)的(如，在爐子中或在IR光下)，這引起溶劑蒸發(fā)并因而使粘合劑凝固。如已在上面所述的，聚集體顆粒優(yōu)選與粉末的任何非附著顆粒一起加熱。最優(yōu)選地，該方法包括從非附著外圍顆粒中回收固化的聚集體顆粒的步驟。傳統(tǒng)的從非附著研磨顆粒中回收固化的聚集體顆粒的方法是篩分。然而，如果使用的材料與其相容，則也可以使用其他分離方法。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以使用各種類型的研磨顆粒作為核心顆粒，如超研磨顆粒，如天然或合成金剛石、CVD涂覆的金剛石、多晶金剛石、氮化硼顆粒等，或“正?！毖心ヮw粒，如碳化鎢(WC)顆粒、鎢(W)顆粒、燒結(jié)的碳化鎢/鈷(WC-Co)顆粒、鑄成的(cast)碳化鎢顆粒等，或包括這些材料任何組合的研磨顆粒。核心顆粒也可以是聚集體顆粒，如使用可燒結(jié)涂層包裹或包殼在預(yù)燒結(jié)材料涂層內(nèi)或預(yù)燒結(jié)材料內(nèi)的超研磨顆粒，如在W02008/025838A1或WO2008/025836A1中公開的。使用具有包含可燒結(jié)或預(yù)燒結(jié)材料的涂層的研磨顆粒作為核心顆粒具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，最內(nèi)部的研磨顆粒不與外圍顆粒直接接觸。還可以使用用于核心顆粒的各種顆粒用于外圍顆粒，其中核心顆粒和外圍顆?？梢跃哂邢嗤虿煌愋?。如果外圍顆粒每個(gè)都包括研磨顆粒，對(duì)于所需應(yīng)用該研磨顆?；ハ嗖唤佑|，則可以使用聚集體顆粒作為外圍顆粒。那么，這樣的外圍顆粒的涂層可以防止其研磨核心互相接觸。本發(fā)明方法中使用的粘合劑可以包括，例如，纖維素醚(如甲基纖維素或乙基纖維素)作為粘結(jié)劑和相容溶劑(如(乙)醇、(乙)縮醛(acetale)、環(huán)亞甲基甘油醚、四氧雜i^一烷(tetraoxaimdecane))。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)知道適用于本發(fā)明第一方面的方法的其他粘合劑。優(yōu)選地，選擇粘合劑使得其成分可以在隨后燒結(jié)處理中消失，而之后不會(huì)在最終工具中留下任何有機(jī)殘留物。優(yōu)選地，回收的聚集體顆粒利用可燒結(jié)微粒體包裹，如包括可燒結(jié)材料的顆粒(如，WC、W2C、黃銅、青銅、Ni、Fe、Co、Cu、CuMn,CuTi、或這些材料的混合物的顆粒)、粘結(jié)劑以及粘結(jié)劑的溶劑。粘結(jié)劑和溶劑對(duì)于粘合劑來(lái)說(shuō)可以是相同，但也可以選擇不同的物6質(zhì)。用可燒結(jié)微粒體包裹的這樣的聚集體顆?？梢栽谠摲椒ǖ倪M(jìn)一步的(可選的)步驟中燒結(jié)。以這樣的方式獲得了預(yù)燒結(jié)殼，該預(yù)燒結(jié)殼用作保護(hù)層(促進(jìn)存儲(chǔ)和運(yùn)輸)，且其在模制工具時(shí)防止了鄰近聚集體顆粒的外圍研磨顆粒之間的直接接觸。預(yù)燒結(jié)殼也避免在研磨顆粒和模具或擠出/注射成型系統(tǒng)的壁之間的直接接觸。這樣的預(yù)燒結(jié)顆粒也可以通過與預(yù)燒結(jié)聚集體顆粒、粘結(jié)劑、溶劑和可燒結(jié)基體材料按適當(dāng)比例一起混合而用于形成W02008/025838A1中所述類型的軟的、易變形的糊劑。根據(jù)本發(fā)明第一方面的優(yōu)選的實(shí)施方式，核心顆粒以及外圍顆粒是金剛石顆粒(天然或合成的顆粒，可以是CVD涂覆的，單晶或多晶的)，而固化的聚集體顆粒在與非附著顆粒分離之后經(jīng)受高壓和高溫(HPHT)處理，以便在核心顆粒和外圍顆粒之間產(chǎn)生金剛石_金剛石鍵?？梢赃m合于本發(fā)明的用于生產(chǎn)合成金剛石的傳統(tǒng)的HPHT工藝在US2，947，608中公開，或用于制造多晶金剛石片的傳統(tǒng)的HPHT工藝在US2005/0019114A1中公開。通常，以這樣的HPHT工藝，壓力從5到IOGPa變化，且溫度從1200到2000°C變化。優(yōu)選地，在HPHT處理之前，回收的聚集體顆粒利用包括用于形成金剛石_金剛石鍵的催化劑顆粒(如Fe、Co、Ni或Ta顆粒；這樣的催化劑是本領(lǐng)域中是熟知的，且進(jìn)一步的實(shí)例可以在例如US2，947，608中找到)和/或含碳顆粒(如，石墨、煤炭、焦炭、木炭、納米金剛石等)的微粒體包裹。應(yīng)該指出，對(duì)于某些應(yīng)用，包括催化劑顆粒的微粒體也可以不含或基本上不含含碳材料。原則上，核心顆?？梢跃哂懈哌_(dá)幾毫米的直徑(而這甚至不是嚴(yán)格的限制)。優(yōu)選地，核心顆粒的尺寸范圍從14目到60目(總是按照ASTM標(biāo)準(zhǔn))。外圍顆粒優(yōu)選的尺寸范圍從16目到400目(更優(yōu)選從25目到400目)。有利地，外圍顆粒的尺寸比核心顆粒更本發(fā)明的第二方面涉及實(shí)施上述方法的裝置。這樣的裝置可以包括用于將涂覆有粘合劑的核心顆粒分開降落到研磨顆粒的層上的第一斜槽(chute)；適合于設(shè)置用于在核心顆粒從第一斜槽降落時(shí)用粘合劑涂覆核心顆粒的一個(gè)或多個(gè)噴嘴；用于在第一斜槽下方攜帶外圍顆粒的層使得核心顆?？梢越德涞皆搶由系膫魉蛶?；適合于相對(duì)于第一斜槽設(shè)置的第二斜槽，用于使用另外的外圍顆粒覆蓋降落到外圍顆粒的層上的核心顆粒，使得聚集體顆粒每個(gè)都包括核心顆粒，所述核心顆粒具有附著于其上的外圍顆粒；以及所述傳送帶攜帶聚集體顆粒通過其中用于使粘合劑凝固的加熱室。本發(fā)明的第三方面涉及一種聚集體顆粒，該聚集體顆粒包括尺寸在14目到60目之間的核心金剛石和尺寸在25目到400目之間的多個(gè)外圍金剛石，外圍金剛石的尺寸與核心金剛石的尺寸的比率包括在1/2到1/31的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在1/2到1/15的范圍內(nèi)，外圍金剛石包裹核心金剛石并且利用金剛石_金剛石鍵附著于核心金剛石上。最優(yōu)選地，圍繞核心金剛石設(shè)置的外圍金剛石具有基本上均一的尺寸。這樣的聚集體顆粒在下文中被稱為“金剛石聚集體顆粒”，以便更好地與這里討論的其他聚集體顆粒區(qū)分。由于其“類刺猬”形狀，金剛石聚集體顆粒可以比類似尺寸的正常金剛石(標(biāo)準(zhǔn)金剛石，normaldiamond)更好地固定在燒結(jié)材料的基體內(nèi)。因此，這樣的金剛石聚集體顆粒特別適合用于暴露在高摩擦力的研磨或切割工具(如鉆頭、用于鉆頭的插件等)。在本發(fā)明的前提下，當(dāng)提到具有基本上均一尺寸的顆粒如金剛石時(shí)，規(guī)定為是指這些顆粒根據(jù)FEPA標(biāo)準(zhǔn)屬于相同的類別。“窄”或“單一”類別對(duì)應(yīng)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?！皩挕被颉半p重”類別對(duì)應(yīng)于-16/+20目、-20/+30目、-30/+40目、-40/+50目等。優(yōu)選地，核心金剛石屬于單一或雙重類別，而外圍金剛石屬于單一類別。根據(jù)本發(fā)明第三方面的金剛石聚集體顆粒優(yōu)選使用這里公開的方法制造提供具有上面規(guī)定尺寸的金剛石顆粒(天然或合成的顆粒，可能是CVD涂覆的，單晶或多晶的)作為核心顆粒和外圍顆粒。在固化聚集體顆粒之后，這些顆粒使用微粒體包裹，該微粒體包括含碳顆粒(如石墨、煤炭、焦炭、木炭、納米金剛石等的顆粒)，并且可選地還包括用于形成金剛石-金剛石鍵的催化劑顆粒(如Fe、Co、Ni或Ta顆粒)。然后，使如此制備的聚集體顆粒經(jīng)受HPHT金剛石合成工藝，以便在核心顆粒與外圍顆粒之間產(chǎn)生金剛石_金剛石鍵。最優(yōu)選地，含碳顆粒包括具有尺寸小于lOOnm、優(yōu)選小于50nm以及還更優(yōu)選小于IOnm的納米金剛石(如爆震起源的納米金剛石)。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，根據(jù)本發(fā)明第三方面的金剛石聚集體顆粒還可以使用另一種方法生產(chǎn)(如，通過在核心金剛石上手動(dòng)膠粘外圍金剛石，并在加入含碳材料的情況下使如此獲得的原始聚集體顆粒經(jīng)受HPHT金剛石合成工藝)。優(yōu)選地，核心金剛石和外圍金剛石是單晶金剛石。根據(jù)本發(fā)明第三方面的金剛石聚集體顆粒可以是金剛石網(wǎng)絡(luò)，即，用金剛石-金剛石鍵彼此附著的金剛石的一部分。這樣的金剛石網(wǎng)絡(luò)可以是多晶金剛石(P⑶)緊湊件(壓塊，compact)，如P⑶刀具的P⑶片。為了生產(chǎn)這樣的PCD緊湊件，提供金剛石顆粒(天然或合成的顆粒，可能是CVD涂覆的、單晶或多晶的)作為核心顆粒和外圍顆粒，優(yōu)選地經(jīng)受如作為本發(fā)明的第一方面在上文中公開的用于生產(chǎn)固化顆粒的方法。在固化聚集體顆粒之后，這些顆粒使用微粒體包裹，該微粒體包括含碳顆粒(如，石墨、煤炭、焦炭、木炭、納米金剛石顆粒等的顆粒)，并且可選地還有用于形成金剛石_金剛石鍵的催化劑顆粒(如Fe、Co、Ni或Ta顆粒)。然后使如此制備的聚集體顆粒限制在金剛石壓力機(jī)的容器中并經(jīng)受HPHT金剛石合成工藝，以便在核心顆粒、外圍顆粒和周圍的含碳材料之間產(chǎn)生金剛石-金剛石鍵，因而形成了金剛石網(wǎng)絡(luò)。最優(yōu)選地，含碳顆粒包括具有小于lOOnm、優(yōu)選小于50nm以及還更優(yōu)選小于IOnm尺寸的納米金剛石(如爆震起源的納米金剛石)。P⑶刀具通常包括粘結(jié)到通常是燒結(jié)的金屬_碳化物的基質(zhì)材料上的P⑶緊湊件以形成通常為圓柱形的切割結(jié)構(gòu)。根據(jù)用于形成PCD的傳統(tǒng)技術(shù)，將膠合的碳化物基質(zhì)(如由碳化鎢制成)置于壓力機(jī)的容器中。將金剛石顆?；蚪饎偸w粒與催化劑粘結(jié)劑(如，F(xiàn)e、Co、Ni或Ta顆粒)的混合物置于基質(zhì)的頂部并經(jīng)受HPHT條件以形成金剛石-金剛石鍵。在HPHT工藝中，基質(zhì)的金屬粘結(jié)劑遷移到金剛石區(qū)，從而金剛石層(“金剛石切平面(或臺(tái)，table)”)變得粘結(jié)到基質(zhì)。由于催化劑粘結(jié)劑和金屬?gòu)幕|(zhì)擴(kuò)散，所以根據(jù)該傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的PCD緊湊件通常包括粘結(jié)在一起的金剛石顆粒基體內(nèi)的相當(dāng)量的金屬(通常為Co)。通常使用POT刀具作為鉆頭上的研磨插件，其中由于巖層(rockformation)上金剛石切平面(table)的摩擦PCD刀具通常處于高溫。由于催化劑粘結(jié)劑和金剛石的熱膨脹系數(shù)中的顯著差異，包封在金剛石基體中的催化劑粘結(jié)劑以比金剛石更高的速率膨脹，這可以導(dǎo)致金剛石結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生裂縫并且導(dǎo)致P⑶片的劣化。在過去，該問題已經(jīng)部分地通過在HPHT工藝后，使用強(qiáng)酸，通常為硝酸或幾種強(qiáng)酸的組合(如硝酸和氫氟酸)從金剛石結(jié)構(gòu)浸出催化劑粘結(jié)劑而克服。減小該問題的另一個(gè)方式是通過納米金剛石(如爆震起源的納米金剛石)取代催化劑金屬顆粒。因此，具有根據(jù)本發(fā)明第三方面的金剛石聚集體顆粒的金剛石網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選不合或基本上不含催化劑金屬。優(yōu)選地，PCD刀具包括粘結(jié)到基質(zhì)材料，如燒結(jié)的金屬-碳化物的PCD緊湊件，以形成通常為圓柱形的切割結(jié)構(gòu)，PCD緊湊件包括具有根據(jù)本發(fā)明第三方面的金剛石聚集體顆粒的金剛石網(wǎng)絡(luò)。為了生產(chǎn)這樣的PCD刀具，將基質(zhì)(由碳化鎢制成)置于壓力機(jī)的容器中，并且固化的聚集體顆粒的混合物(由外圍金剛石包裹的金剛石核心顆粒)優(yōu)選根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法生產(chǎn)，將包括納米金剛石的含碳材料置于基質(zhì)的頂部并經(jīng)受HPHT條件以形成金剛石_金剛石鍵。應(yīng)當(dāng)指出，在制造這樣的PCD刀具過程中，PCT緊湊件到基質(zhì)的粘結(jié)通過從基質(zhì)遷移到金剛石網(wǎng)絡(luò)中的金屬粘結(jié)劑來(lái)保證。然而，與傳統(tǒng)的PCD刀具不同，金屬內(nèi)含物被限制在靠近基質(zhì)的區(qū)域中。更優(yōu)選地，基質(zhì)還具有分散在其中的金剛石聚集體顆粒。本申請(qǐng)人明確地保留根據(jù)本發(fā)明第三方面的金剛石聚集體顆粒和/或由這樣的聚集體顆粒獨(dú)立地根據(jù)用于其生產(chǎn)的任何特定方法制成的金剛石網(wǎng)絡(luò)的要求專利保護(hù)的權(quán)利，其包括在基于本申請(qǐng)的可能的分案申請(qǐng)、繼續(xù)申請(qǐng)或部分繼續(xù)申請(qǐng)之內(nèi)。參照附圖根據(jù)下面幾個(gè)非限制性實(shí)施方式的詳細(xì)描述，本發(fā)明不同方面的進(jìn)一步細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見，在附圖中圖1是示出了形成第一類型的聚集體研磨顆粒的示意圖；圖2是示出了形成第二類型的聚集體研磨顆粒的示意圖；圖3是示出了形成第三類型的聚集體研磨顆粒的示意圖；圖4是用于實(shí)施形成聚集體研磨顆粒的方法的裝置的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明第三方面的金剛石聚集體顆粒的示意圖；圖6是包括金剛石聚集體顆粒的金剛石網(wǎng)絡(luò)的示意圖；圖7是包括如圖6所示的金剛石網(wǎng)絡(luò)作為P⑶緊湊件的鉆頭插件的示意圖。具體實(shí)施例方式圖1-3示出了根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法形成聚集體研磨顆粒10、20、30。首先，提供核心顆粒12。這些核心顆粒12優(yōu)選為超研磨顆粒，如天然或合成的金剛石、CVD涂覆的金剛石、多晶金剛石、氮化硼顆粒。可替換地，可以選擇研磨顆粒，如碳化鎢(WC)顆粒、鎢(W)顆粒、燒結(jié)的碳化鎢/鈷(WC-Co)顆粒、鑄成的碳化鎢顆粒、以及相似顆粒。圖2示出了核心顆粒12，該核心顆粒12包括包殼在預(yù)燒結(jié)材料涂層12b內(nèi)的超研磨顆粒12a。為了生產(chǎn)這樣的顆粒，參考WO2008/025836A1和WO2008/025838A1。核心顆粒12(包括其可能的涂層)優(yōu)選具有在14目到60目之間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。在接著的步驟中，將想要變成聚集體顆粒的核心顆粒的顆粒12使用液體粘合劑14(如通過混合乙基纖維素、甲基纖維素或聚乙烯醇縮丁醛與適當(dāng)?shù)娜軇┤?乙)醇、(乙)9縮醛、2，5，7，10-四氧雜十一烷、環(huán)亞甲基甘油醚、丙酮等而獲得的)進(jìn)行涂覆。選擇粘合劑14的組成使得在溶劑蒸發(fā)之后，留下足夠的粘結(jié)劑從而將顆粒保持在一起。然后，將粘合劑涂覆的核心顆粒用外圍研磨顆粒16包裹。為此，將粘合劑涂覆的核心顆粒降落到想要變成外圍顆粒的研磨顆粒的層中，并且另外的這樣的顆粒遍布在粘合劑涂覆的核心顆粒上。在使外圍顆粒與粘合劑涂層14接觸之后，小心處理原始聚集體顆粒以便盡可能多地避免核心顆粒12和外圍顆粒16之間的任何相對(duì)運(yùn)動(dòng)。作為外圍顆粒16，可以選擇與核心顆粒12相同類型或不同類型的顆粒?？赡艿慕M合是，例如，金剛石顆粒作為核心顆粒，而較小的金剛石顆粒、鑄成的碳化鎢顆?；蛉廴谔蓟u顆粒作為外圍顆粒。優(yōu)選地，外圍顆粒16具有基本上均一的尺寸，該尺寸在60目到400目之間，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。為了盡可能均勻地用外圍顆粒包裹核心顆粒，外圍顆粒應(yīng)當(dāng)具有與核心顆粒的直徑相比較小的(inferior)直徑。下面的步驟包括(a)通過使粘合劑的溶劑蒸發(fā)而固化原始聚集體顆粒和(b)將固化的聚集體顆粒與未使用的顆粒(即，沒有附著于核心顆粒的那些顆粒)分離，優(yōu)選通過使用篩子。有尖端的固化的聚集體顆粒10可以例如通過將其混合到可燒結(jié)材料或糊劑中因而用于研磨或切割工具的生產(chǎn)。具體地，如果外圍顆粒具有牢固地粘結(jié)至周圍的基體材料的可燒結(jié)材料，如鈷、鎳或青銅，則可以完成該目的。然而，優(yōu)選地，聚集體顆粒用可燒結(jié)微粒體涂覆并預(yù)燒結(jié)，使得獲得具有相對(duì)硬的殼18的顆粒，如圖2所示。對(duì)于可燒結(jié)微粒體的應(yīng)用，再次參考WO2008/025836Al和WO2008/025838Al。優(yōu)先選擇外殼的厚度使得聚集體顆粒的尖峰(spikiness)得以保持。外殼18(以及如果存在的可能的內(nèi)殼12b)優(yōu)選包含化學(xué)鍵合到核心顆粒12和/或外圍顆粒16的顆粒(如，在金剛石顆粒情況下為CuMn和CuTi)。圖3示出了本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施方式。在該實(shí)施方式中，提供金剛石顆粒(天然或合成的顆粒，可能是CVD涂覆的、單晶或多晶的)作為核心顆粒和外圍顆粒。在固化聚集體顆粒之后，這些聚集體顆粒使用微粒體32包裹，該微粒體32包括含碳顆粒(如，石墨、煤炭、焦炭、木炭等的顆粒)，并且還可能包括用于形成金剛石_金剛石鍵的催化劑顆粒(如，F(xiàn)e、Co、Ni或Ta顆粒)。然后，使如此制備的聚集體顆粒30經(jīng)受HPHT處理，以便在核心顆粒和外圍顆粒之間產(chǎn)生金剛石-金剛石鍵。最優(yōu)選地，含碳顆粒包括具有小于lOOnm，優(yōu)選小于50nm，以及還更優(yōu)選小于IOnm尺寸的納米金剛石(如，爆震起源的納米金剛石)。圖4示出了用于實(shí)施形成聚集體研磨顆粒10(為了附圖清晰起見，圖4中聚集體研磨顆粒10的尺寸被完全放大)的方法的裝置40的示意圖。經(jīng)由第一斜槽42提供核心顆粒，該第一斜槽42具有在其下端的開口，該開口使核心顆粒彼此分開單獨(dú)地通過。在核心顆粒從斜槽42自由下落過程中，利用通過噴嘴44提供的液體粘合劑噴涂各個(gè)核心顆粒。使核心顆粒分開降落到外圍顆粒的層上。在傳送帶46上外圍顆粒的層輕輕地(gently)向前移動(dòng)，傳送帶46攜帶降落的粘合劑涂覆的核心顆粒通過從第二斜槽50下落的另外的外圍顆粒的幕簾(curtain)48，其確保外圍顆粒分布在核心顆粒的幾乎整個(gè)外表面。然后，傳送帶46攜帶顆粒通過加熱室52，在加熱室52中使粘合劑的溶劑蒸發(fā)并固化聚集體顆粒。加熱可以例如通過電阻加熱、IR光和/或熱空氣實(shí)現(xiàn)。選擇加熱室52的溫度足夠高以允許顆粒在室52中的停留時(shí)間過程中使溶劑有效蒸發(fā)，但也要足夠低從而不能引起粘結(jié)劑崩解。然后，使用篩子54使固化的聚集體顆粒與剩余的顆粒分開。如箭頭56和58所示，沒有附著于核心顆粒的顆粒返回到傳送帶46的開始處和提供外圍顆粒幕簾48的第二斜槽50。圖5是根據(jù)本發(fā)明第三方面的金剛石聚集體顆粒60的示圖。金剛石聚集體顆粒60包括具有在14目到60目之間尺寸的核心金剛石62和具有在50目到400目之間尺寸的多個(gè)外圍金剛石64。圖6是具有埋置在多晶金剛石基體68內(nèi)的金剛石聚集體顆粒60的金剛石網(wǎng)絡(luò)66的示圖。圖7是包括底座72的插件70(用于鉆頭的P⑶刀具)和P⑶緊湊件74的示圖，該底座72由燒結(jié)的金屬碳化物(如WC、W2C、鑄成的碳化鎢、它們的混合物等)和金屬粘結(jié)劑(青銅、Co、Cu、這樣的金屬的混合物等)制成。如通過放大所示，PCD緊湊件由金剛石網(wǎng)絡(luò)68組成。(由于金剛石聚集體顆粒60的“類刺猬”形狀)，可以在PCD基體中固定比現(xiàn)有技術(shù)可以固定的大得多的金剛石。而且，使用金剛石聚集體顆粒，可以實(shí)現(xiàn)粗顆粒在金剛石片中更好的分布。如可以理解的，由于存在粗顆粒而引起片的粗糙加工表面相對(duì)于傳統(tǒng)的片改善了穿透率(ROP)。包括金剛石聚集體顆粒的PCD片的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是更好地控制金剛石片在切割非常硬石頭/材料如硬石英巖時(shí)的破碎。具有金剛石聚集體顆粒的PCD片非常適合于在不同切割模式下操作在軟土中“切屑”和在硬土中“研磨”。這在鉆進(jìn)夾層結(jié)構(gòu)中時(shí)是特別有利的。實(shí)施例1根據(jù)上述方法使用金剛石顆粒(MBS960，_20/+25目)作為核心顆粒和直徑從75到150μπι的鑄型(cast)碳化鎢顆粒作為外圍顆粒形成聚集體研磨顆粒。使用由溶解在甲醇中的聚乙烯醇縮丁醛組成的粘合劑噴涂金剛石。粘合劑通過每IOOg聚乙烯醇縮丁醛使用425ml甲醇而獲得。在使金剛石降落到鑄型碳化鎢顆粒的層中并用另外的這樣的顆粒覆蓋之后，在60°C下干燥20分鐘。然后通過篩分使固化的聚集體顆粒與過量的碳化鎢顆粒分罔。實(shí)施例2在該實(shí)施例中，使用SDB1100，-30/+40目金剛石作為核心顆粒，以及使用SDB1100，-50/+60目金剛石作為外圍顆粒。使用由溶解在甲醇中的聚乙烯醇縮丁醛組成的粘合劑噴涂核心顆粒。粘合劑通過每57g聚乙烯醇縮丁醛使用IlOOml的甲醇而獲得。將聚集體顆粒在60°C下固化20分鐘，并與過量的-50/+60目金剛石分離。其后將固化的聚集體顆粒裝入旋轉(zhuǎn)的混合容器中，其中選擇聚集體顆粒的量和混合容器的旋轉(zhuǎn)速度使得聚集體顆粒在重力作用下自己滾動(dòng)。然后將含碳材料的粉末和粘結(jié)劑的混合物逐步篩分到聚集體顆粒上，同時(shí)使用噴嘴將用于后面的粘結(jié)劑的溶劑的精細(xì)噴霧引導(dǎo)到其上。在該實(shí)施例中含碳材料的粉末由40wt%的純化的片狀石墨和60wt%的羰基鐵粉末(來(lái)自BASF的CN型)組成。以相對(duì)于含碳材料的粉末為0.2wt%的量使用甲基纖維素(來(lái)自DowChemical的MethocelA4M)作為粘結(jié)劑。使用環(huán)亞甲基甘油醚作為用于粘結(jié)劑的溶劑。選擇引入到混合容器中的混合物和溶劑的比率，使得混合物粘附到聚集體顆粒上而基本上沒有形成廢顆粒，即，不含有聚集體顆粒的這樣的顆粒。以標(biāo)識(shí)號(hào)30，圖3示意地示出了具有含碳材料涂層的聚集體研磨顆粒的外觀。將如此獲得的可延展顆粒在200°C的爐子內(nèi)在氮?dú)?氫氣氣氛中干燥45分鐘。干燥的顆?？梢杂糜谏a(chǎn)多晶金剛石(P⑶)元件，如P⑶片。為此，可以使干燥的顆粒壓實(shí)為所需形狀并經(jīng)受導(dǎo)致在現(xiàn)有的金剛石之間形成金剛石_金剛石鍵的HPHT處理、以及從含碳材料合成新金剛石晶疇。下表提供了將ASTM篩目尺寸轉(zhuǎn)換為近似的顆粒直徑權(quán)利要求一種形成用于生產(chǎn)研磨或切割工具的聚集體研磨顆粒的方法，每個(gè)所述聚集體研磨顆粒包括研磨核心顆粒和設(shè)置在所述核心顆粒周圍的數(shù)個(gè)研磨外圍顆粒，其中，所述方法包括使用粘合劑涂覆所述核心顆粒，所述粘合劑包括粘結(jié)劑和用于所述粘結(jié)劑的溶劑；將涂覆有粘合劑的所述核心顆粒分開降落到所述外圍顆粒的層上并使用另外的外圍顆粒覆蓋所述降落的核心顆粒，以這種方式以便形成聚集體顆粒，每個(gè)聚集體顆粒包括核心顆粒，所述核心顆粒具有附著于其上的外圍顆粒；通過使所述溶劑蒸發(fā)而固化所述聚集體顆粒。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括例如通過篩分從非附著的外圍顆粒中回收所述固化的聚集體顆粒。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，使用所述粘合劑涂覆所述核心顆粒是通過將所述粘合劑噴射到所述核心顆粒上實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)所述核心顆粒朝向包括研磨顆粒的粉末降落。4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其中，通過加熱所述聚集體顆粒而使所述溶劑蒸發(fā)。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，包括使用可燒結(jié)微粒體包裹回收的聚集體顆粒。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，包括燒結(jié)包裹的聚集體顆粒。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述核心顆粒和/或所述研磨顆粒包括碳化鎢顆粒。8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述核心顆粒是超研磨顆粒，如金剛石或氮化硼顆粒。9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中，每個(gè)所述核心顆粒包括超研磨顆粒，所述超研磨顆粒單獨(dú)地包殼在預(yù)燒結(jié)材料的涂層之內(nèi)或單獨(dú)地涂覆有可燒結(jié)微粒體。10.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述核心顆粒是金剛石顆粒，可能是CVD涂覆的金剛石顆粒。11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述外圍顆粒是金剛石顆粒，可能是CVD涂覆的金剛石顆粒。12.根據(jù)權(quán)利要求10和11所述的方法，包括使用微粒體包裹所述回收的聚集體顆粒，所述微粒體包括含碳顆粒，諸如例如石墨顆粒。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述微粒體包括用于形成金剛石_金剛石鍵的催化劑顆粒，諸如例如Fe、Co或M顆粒。14.根據(jù)權(quán)利要求10和11所述的方法，包括使用微粒體包裹所述回收的聚集體顆粒，所述微粒體包括用于形成金剛石_金剛石鍵的催化劑顆粒，諸如例如Fe、Co或Ni顆粒。15.根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述的方法，包括使所述回收的聚集體顆粒經(jīng)受高壓和高溫處理，以便在所述核心顆粒與所述研磨顆粒之間產(chǎn)生金剛石_金剛石鍵。16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述核心顆粒的尺寸范圍從14目到60目。17.根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述外圍顆粒的尺寸范圍從16目到400目。18.一種形成用于生產(chǎn)研磨或切割工具的聚集體研磨顆粒的裝置，每個(gè)所述聚集體研磨顆粒包括研磨核心顆粒和設(shè)置在所述核心顆粒周圍的數(shù)個(gè)研磨外圍顆粒，其中，所述裝置包括第一斜槽，用于將涂覆有粘合劑的核心顆粒分開降落到研磨顆粒的層上；至少一個(gè)噴嘴，適合于設(shè)置用于在所述核心顆粒從所述第一斜槽降落時(shí)用粘合劑涂覆所述核心顆粒；傳送帶，用于在所述第一斜槽下方攜帶外圍顆粒的層，使得所述核心顆?？梢越德涞剿鐾鈬w粒的層上；適合于相對(duì)于所述第一斜槽設(shè)置的第二斜槽，用于使用另外的外圍顆粒覆蓋降落到所述外圍顆粒的層上的所述核心顆粒，以這樣的方式以便形成聚集體顆粒，每個(gè)聚集體顆粒都包括核心顆粒，所述核心顆粒具有附著于其上的外圍顆粒；加熱室，所述傳送帶攜帶所述聚集體顆粒通過所述加熱室中用于使所述溶劑蒸發(fā)。19.一種聚集體顆粒，包括核心金剛石，具有在14目到60目之間的尺寸；以及多個(gè)外圍金剛石，具有在25目到400目之間的尺寸，其中，所述外圍金剛石的尺寸與所述核心金剛石的尺寸的比率包括在1/2到1/31的范圍內(nèi)，優(yōu)選在1/2到1/15的范圍內(nèi)，并且其中，所述外圍金剛石設(shè)置在所述核心金剛石的周圍并利用金剛石_金剛石鍵附著于所述核心金剛石。20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的聚集體顆粒，其中，所述核心金剛石是單晶金剛石。21.根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的聚集體顆粒，其中，所述外圍金剛石是單晶金剛石。22.根據(jù)權(quán)利要求19至21中任一項(xiàng)所述的聚集體顆粒，其中，設(shè)置在所述核心金剛石周圍的所有所述外圍金剛石屬于-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目中的具體類別。23.金剛石網(wǎng)絡(luò)，包括根據(jù)權(quán)利要求19至22中任一項(xiàng)所述的聚集體顆粒。24.P⑶刀具，包括根據(jù)權(quán)利要求19至22中任一項(xiàng)所述的聚集體顆粒。25.PCD刀具，包括基質(zhì)和粘結(jié)至所述基質(zhì)的PCD片，其中，所述PCD片包括根據(jù)權(quán)利要求23所述的金剛石網(wǎng)絡(luò)。26.P⑶刀具，包括基質(zhì)和粘結(jié)至所述基質(zhì)的P⑶片，其中，所述基質(zhì)包含根據(jù)權(quán)利要求19至22中任一項(xiàng)所述的聚集體顆粒。全文摘要一種形成用于生產(chǎn)研磨或切割工具的聚集體研磨顆粒的方法，該方法包括提供研磨核心顆粒；用粘合劑涂覆這些顆粒，所述粘合劑包括粘結(jié)劑和用于粘結(jié)劑的溶劑；將粘合劑涂覆的核心顆粒分開降落到研磨外圍顆粒的層上并使用另外的外圍顆粒覆蓋降落的核心顆粒，以這種方式以便形成聚集體顆粒，每個(gè)聚集體顆粒都包括具有附著至其上的外圍顆粒的核心顆粒；通過使溶劑蒸發(fā)，即通過使粘合劑凝固而固化聚集體顆粒。文檔編號(hào)B24D18/00GK101980836SQ200980111099公開日2011年2月23日申請(qǐng)日期2009年3月26日優(yōu)先權(quán)日2008年3月28日發(fā)明者塞德里克·謝里登申請(qǐng)人:塞德里克·謝里登