專利名稱：：制造包封的超硬材料的方法制造包封的超硬材料的方法簡介本發(fā)明涉及制造包封的超硬(研磨)材料的方法。特別地，本發(fā)明涉及制造選自金剛石和cBN的超硬材料的方法，該方法包括采用帶鏟轉(zhuǎn)筒(shovelrotor)的步驟。
背景技術(shù)：
：US4770907(Kimura，F(xiàn)ujiPaudal，1988),US5143523(MatarreseGE，1992)和US5405573(Clark等人，GE，1995)都描述了采用流化床來涂覆顆粒。在該方法中，在腔室內(nèi)的氣流中懸浮超硬芯材例如金剛石籽晶，向該腔室內(nèi)噴射粘結(jié)劑、溶劑和粒狀材料(例如金屬粉末，包封材料)的細(xì)懸浮體。作為替代，可用單獨的粉末添加物噴涂粘結(jié)劑-溶劑。出現(xiàn)的丸粒的體積增加與腔室內(nèi)的駐留時間成比例(非線性)。該方法的優(yōu)點是流化床允許芯材籽晶的良好分離，從而確保在每個丸粒中含有單個芯材(金剛石籽晶)，同時以合理的速率沉積涂覆材料。這種技術(shù)的缺點是最大沉積速率相對慢，當(dāng)采用高密度粒狀涂覆材料如Mb、W和WC時，就裝置維持懸浮的能力而言，丸粒質(zhì)量難以增加。這可通過增加裝置容量解決，但這是昂貴的，并且影響生產(chǎn)大量材料的商業(yè)可行性。除此之外，當(dāng)用不同密度、顆粒形狀和尺寸的粉末混合物涂覆時，流化床型涂覆是不理想的，因為該材料在流化床中趨于分層，從而不能均勻地獲得期望的組合物。GB1014295(Norton,1965)和EP0012631(Tomlinson,DeBeers，1983)中描述的"轉(zhuǎn)盤"法涉及在旋轉(zhuǎn)的傾斜盤、滾筒或任何其它旋轉(zhuǎn)容器中引入超硬芯材例如金剛石籽晶，在該方法中能通過如下方式形成丸粒l)在旋轉(zhuǎn)的金剛石籽晶上噴涂包含金屬粉末、粘結(jié)劑和溶劑(包封材料)的漿料和/或2)在旋轉(zhuǎn)的金剛石籽晶上單獨噴涂粘結(jié)劑和溶劑，然后"噴撒"金屬粉末。盤的旋轉(zhuǎn)將涂覆的金剛石籽晶(出現(xiàn)的丸粒)分離并且留有時間從噴涂的材料中去除溶劑以形成包封材料的同心外殼，該同心外殼隨著過程進(jìn)行而體積增加。就沉積包封材料從而快速增加丸粒質(zhì)量方面而言，該技術(shù)是有效的。然而，該方法的困難在于，在方法的初始階段芯材和/或早期丸粒易于團(tuán)聚。沉積速率必須非常慢以避免團(tuán)聚，而這增加總處理時間并降低了該方法的生產(chǎn)率。在出現(xiàn)的丸粒達(dá)到臨界尺寸后，團(tuán)聚顯著降低。團(tuán)聚的結(jié)果是最終的丸?？赡芫哂写蟮某叽绶植迹⑶颐總€丸?？赡芎卸鄠€芯材。這增加了處理時間和成本。ZA2006/06674(Flynn等人，E6，2006)通過采用兩階段方法快速形成丸粒部分來克服該問題。本質(zhì)上，上述問題的解決方案是將兩種本領(lǐng)域已知的技術(shù)結(jié)合為一個工藝設(shè)計。因此，該方法的初始階段包括流化床方法以使只包含一個芯材顆粒如金剛石籽晶的丸粒的產(chǎn)率最大化。在保持于流體懸浮物中的同時丸?？梢栽龃蟮脚R界尺寸體積(Vcrit)。當(dāng)丸粒達(dá)到該臨界尺寸時，將丸粒轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)盤中，在轉(zhuǎn)盤中這些丸粒成為最終丸粒過程的(子)芯材。如此生產(chǎn)的丸粒具有顯著大于剛引入丸粒的體積，由于在表面上的層更快地吸收噴涂液，團(tuán)聚的風(fēng)險大為降低，從而可增加沉積速率。此外，由于噴涂液的表面張力，較重的顆粒不易保持在一起。然而，結(jié)合兩種技術(shù)需要兩套基本的設(shè)備，并且就從一個機(jī)器向另一個機(jī)器轉(zhuǎn)移材料而言需要停機(jī)期。因此，需要開發(fā)能克服上述技術(shù)困難的單獨技術(shù)，并提供一種生產(chǎn)封的研磨顆粒的更成本有效的解決方法。當(dāng)與"盤旋轉(zhuǎn)"或"流化"方法一起組合使用時，這種單獨技術(shù)優(yōu)選提供優(yōu)勢。發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的第一方面，挺供一種制造包封的超硬材料的方法，所述方法包括步驟1.提供超硬材料源，2.提供包含合適的粘結(jié)劑、溶劑或流體介質(zhì)及期望的涂覆或包封頁材料的混合物，3.在帶伊轉(zhuǎn)筒中組合超硬材料和混合物，該帶伊轉(zhuǎn)筒包含包括轉(zhuǎn)子(rotor)的容器，該容器適于接收氣體流；以及4.以超硬材料被混合物包封的速率旋轉(zhuǎn)該轉(zhuǎn)子。DE19750042、US6449869和US6354728中描述了帶妒轉(zhuǎn)筒設(shè)備，通過引用其內(nèi)容而并入本文。超硬材料可以選自金剛石、立方氮化硼、纖鋅礦型氮化硼、碳化物、氧化物或硅化物、Si3N4、SiC、A1203、A1C、Si02和/或上述材料的任意組合。超硬材料最優(yōu)選是金剛石。金剛石可以是天然的或合成的。合成金剛石可以采用化學(xué)氣相沉積或高壓高溫(HPHT)技術(shù)合成。超硬材料優(yōu)選以顆粒形式存在。超硬顆粒的直徑優(yōu)選至少約0.01jam，優(yōu)選至少約0.1iLim，更優(yōu)選至少約liam。超石更顆粒的直徑優(yōu)選不大于約5mm，優(yōu)選不大于約4mm，更優(yōu)選不大于約3mm。顆粒優(yōu)選具有從約liam到約1.5mm的尺寸，跨顆粒的最大尺度測量。在該尺寸范圍，顆粒被稱為微米磨粒(grit)或單晶。顆?？梢允穷A(yù)涂覆的或包覆的顆粒和/或顆?？梢詾閬碜杂诓捎孟嗤虿煌奶幚砑夹g(shù)的較早處理步驟的部分包封的顆粒。顆粒(未涂覆的、涂覆的、包覆的或包封的)可以稱為籽晶顆粒。定義包封的顆粒包封的顆粒例如研磨磨粒，是已經(jīng)被包封在殼層內(nèi)的顆粒，該殼層包含大量粒狀材料，例如金屬、金屬合金、陶瓷和/或金屬陶瓷粉末或其組合，通過包括使用不同粘結(jié)劑將粒狀材料保持在一起的任何方法進(jìn)行。典型的粘結(jié)劑是有機(jī)材料。粘結(jié)劑隨后可被去除，并且粒狀材料可部分或完全燒結(jié)。涂覆的/包覆的顆粒涂覆的顆?？梢员幻枋鰹榫哂行静?，該芯材包含至少一個所述的顆粒，該顆粒;故物理或化學(xué)地結(jié)合到顆粒表面的一層或多層材料所部分或全部包圍。在本發(fā)明中，涂層不同于包覆層之處在于，生產(chǎn)涂層的方法不依賴于在沉積后立刻將粒狀材料保持在一起的粘結(jié)劑材料。涂層可以完全或部分覆蓋(一個或多個)芯材顆粒的表面。生產(chǎn)涂層的方法包括化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、其它等效的熱的或冷的方法、鍍覆、溶膠-凝膠或用聚合物前體生產(chǎn)的陶瓷涂層。涂層厚度可以是從單原子層到幾百微米的任意厚度，但是典型的為0.1jam-5pm。在涂層厚度相對于研磨顆粒的尺寸為大的情況下(例如，當(dāng)涂層的厚度比芯材顆粒的直徑大約5%時)，那么該涂層可以進(jìn)一步歸類為包覆層。對于包覆層的情況，優(yōu)選的沉積方法為無電沉積和電解沉積。在本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案中，容器包括填充有適當(dāng)體積的籽晶顆粒的滾筒腔室，該籽晶顆?？捎扇缦陆M成(i)金剛石或其它超硬顆粒，和/或(ii)預(yù)涂覆或包覆的金剛石或其它超硬顆粒，和/或(iii)部分包封的金剛石或其它超硬顆粒，所述顆粒來自于采用相同或不同的處理技術(shù)例如流化床或轉(zhuǎn)盤造粒的較早處理步驟。籽晶顆粒構(gòu)造的示意圖如圖l所示。典型的籽晶顆粒具有50jam-2mm的尺寸。應(yīng)該理解，其它實施方案可以是從僅由超硬磨料(即金剛石或cBN)構(gòu)成然后用帶伊轉(zhuǎn)筒方法包封的籽晶顆粒，到圖l所示的構(gòu)造?；旌衔锟蔀闈{料形式。漿料可由如下構(gòu)成-粘結(jié)劑，選自聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、曱基纖維素和/或其它適合的通常為有機(jī)的粘結(jié)劑體系；-溶劑或流體介質(zhì)，選自水、去離子(DI)水和其它適合的有機(jī)溶劑；-粉狀固體(稱為源粉末)，選自石墨，金剛石或其它超硬顆粒和/或金屬粉末(包括但不限于鈷、鐵、鎳、鎢、銅、鉬)以及陶瓷(例如金屬碳化物)，由此形成期望的涂層或包封層；和任選的-選自消泡劑、潤濕劑以及改變漿料性能的粘度改性劑中的試劑。在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方案中，溶劑或流體介質(zhì)與粉狀固體預(yù)混合。在替代性的實施方案中，粉狀固體不與溶劑或流體介質(zhì)預(yù)混合，因此基本上是干的。在另外的替代性實施方案中，可以使用干粉末和濕粉末的一些組合。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，漿料為如下形式在水中的甲基纖維素和/或PVA，且具有選自消泡劑、潤濕劑和改變漿料性能的粘度改性劑的其它試劑以及具有合適組成的金屬粉末。優(yōu)選地，測量并控制漿料的粘度和溫度，以及固體含量和組成。粘度通常為0.5-2000mPa's,而漿料的溫度通常保持在接近于室溫的恒溫(15-25。C)，當(dāng)然在該溫度范圍內(nèi)的溫度下，溶劑或流體介質(zhì)是液態(tài)的。優(yōu)選地，該方法包括使溫?zé)峥諝饣蚱渌鼩怏w或氣態(tài)混合物(下文稱作"空氣，，)的流通過帶妒轉(zhuǎn)筒的腔室的步驟，優(yōu)選通過轉(zhuǎn)子和容器壁之間的縫隙以及任選地通過轉(zhuǎn)子自身中的縫隙構(gòu)造?？梢钥刂瓶諝饬鲃?、溫度和濕度以給出最優(yōu)的操作條件?？諝獾淖饔檬歉稍锶軇┗蛄黧w介質(zhì)，留下粘附于(包封)籽晶顆粒表面的粘結(jié)劑和粉狀固體。空氣流依賴于腔室的橫截面，但腔室中典型的平均速率為0.1-1m.s人空氣的入口溫度通常在室溫到200。C之間，同時入口空氣的相對濕度在0%到100%之間，但優(yōu)選小于50%且甚至更優(yōu)選小于20%。設(shè)置轉(zhuǎn)筒盤片以60-600rpm的速率旋轉(zhuǎn)，并且通過盤片和籽晶顆粒之間的接觸力傳遞角動量以便將籽晶顆粒帶到腔室周圍的氣流中。優(yōu)選地，容器壁包括固定在壁上的4產(chǎn)或擋板，這些鏟和擋板將籽晶顆粒帶動起來。這些伊為顆粒增加了額外的旋轉(zhuǎn)和移動，從而改善了粉末在丸粒(顆粒)上的沉積。這些伊也通過強迫丸粒遠(yuǎn)離豎直滾筒的側(cè)面來輔助混合丸粒。在旋轉(zhuǎn)期間，丸粒通過妒而連續(xù)改變位置和方向，確保了在顆粒(優(yōu)選金剛石)周圍的均勻丸粒殼體。漿料可以通過噴嘴噴入腔室，然后該漿料沉積并干燥在籽晶顆粒上?？諝饬?、顆粒軌跡和作用在顆粒上的機(jī)械力的組合確保了光滑、球形細(xì)粒的形成，8并且源粉末被粘結(jié)劑固定在籽晶顆粒周圍的均勻?qū)又?。?yōu)選持續(xù)該過程直至達(dá)到產(chǎn)品層體積的最大限度。在這個階段，可以停止該過程并從腔室中取出產(chǎn)品?？梢杂靡徊糠职獾念w粒重復(fù)該過程，所述包封的顆粒包含用于下一處理步驟的籽晶顆粒。在前段所述實施方案的替代性實施方案中，干粉末可以與漿料分別供入腔室中。漿料中可以包含粉末或者也可以不包含任何粉末。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了通過上述方法生產(chǎn)的包封的超硬材料。根據(jù)本發(fā)明，帶伊轉(zhuǎn)筒技術(shù)的使用兼具有高涂覆速率(由于旋轉(zhuǎn)的床的機(jī)械作用)和涂覆顆粒的最少團(tuán)聚(由于妒或擋板給予顆粒物質(zhì)的攪動)。結(jié)果是這樣的方法，該方法包括單一技術(shù)、與相似尺寸的盤式造粒器實現(xiàn)的涂覆速率相當(dāng)或更好的涂覆速率，兼具有非常低的團(tuán)聚發(fā)生率。采用帶4產(chǎn)轉(zhuǎn)筒可獲得的沉積或涂覆速率比采用現(xiàn)有技術(shù)中已知的傳統(tǒng)盤式旋轉(zhuǎn)器或流化床方法獲得的速率高得多。其它所有條件都相同，發(fā)現(xiàn)帶鏟轉(zhuǎn)筒以約1200g/小時的平均速率涂覆金剛石顆粒(25/35美制篩目)，盤式旋轉(zhuǎn)器為約80-200g/小時，而流化床為約10g/小時。粘結(jié)劑是帶伊轉(zhuǎn)筒的實施例中的粘結(jié)劑?，F(xiàn)在，將參照下述非限制性實施例對本發(fā)明進(jìn)行描述，參照圖1和圖2，其中圖l是籽晶顆粒的示意圖，其中l(wèi)是超硬(超硬研磨)顆粒，例如金剛石或cBN，2是涂層或包覆層且3是預(yù)包封層；以及圖2是如實施例1中所述的示意性分批處理。實施例1:單層包封的包含經(jīng)TiC涂覆的金剛石顆粒的籽晶顆粒涂覆尺寸為25/35的TC。在具有360mm名義直徑的腔室的帶鏟轉(zhuǎn)筒上，用包含約65。/。TiC和30。/。Co的粘結(jié)粉末進(jìn)行試驗。所用的金剛石為粗的、高等級金剛石，其預(yù)涂覆有厚度約0.5-1.0um的碳化鎢層(ElementSix的SDB1100+TC，25/35美制篩目)。目標(biāo)是要達(dá)200880019165.6到90%的檢驗量(從而提供100-25體積％的濃度，這等于100或4.4克拉/cm3)。處理分階段進(jìn)行。當(dāng)材料在滾筒中開始變重時，將該批次分開，并且使每個分開量相應(yīng)地增加到檢驗量(參見圖2示出的分批方法)。結(jié)果列在下表l中表1階段質(zhì)量(g)粘度(mPa)空氣流(m7hr)溫度rc)ra噴絲率(g/min)襯狄(rpra)出M量(g)15000400-50090-100100-11040-4570-80340-350函22828900110-12011035-4085-1003504320349901500100-115120-12540-50100-105300,438701250100-115110-12040-50130-150350990958746770100-11012035-45130-160350-4001533268767670105-12012030-4090-1203501535834001550100-115100-11040-50100-145350537185428900110-12011035-4090-1203501314298234670100-120120-12535-4590-9529712025109500800100-110120-12535-50150-160297175001115248740100-12012030-4080-10021721980在該試驗中，在14個小時的總時間內(nèi)25，000克拉得到包封。與相似技術(shù)比，這些高沉積速率是優(yōu)異的。具有最少的團(tuán)聚(1-2%)和高命中(hit)率(99-100%)。命中率定義為包含金剛石的丸粒的百分率。由于丸粒物料的攪動，漿料的低粘度，以及高的噴涂速率，SR360的命中率接近100%。產(chǎn)生的平均顆粒直徑為1.6mm并且檢驗量(assay)為90%。實施例2:用單層包封的包含棵金剛石顆粒的籽晶顆粒在具有360mm名義直徑腔室的帶4產(chǎn)轉(zhuǎn)筒內(nèi)，用包含約65。/。TiC和30%Co的粘結(jié)粉末進(jìn)行試驗。所用的金剛石為粗的、高等級的并且未涂覆的(ElementSix的SDBllOO，20/25美制篩目)。目標(biāo)是要達(dá)到90%的檢驗量。結(jié)果列在下表2中表2<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>在該試驗中，在總共15個小時的時間內(nèi)25，000克拉得到包封。實施例3:多層包封的包含經(jīng)TiC涂覆的金剛石顆粒的籽晶顆粒。在具有360匪名義直徑腔室的帶妒轉(zhuǎn)筒內(nèi)采用此前描述的粘結(jié)粉末進(jìn)行多層包封試驗。所用的金剛石為粗的、高等級的，且其預(yù)涂覆有厚度約0.5-1.Ojjm(ElementSix的SDBllOO+TC，25/35美制篩目)的碳化鵠。目標(biāo)是要達(dá)到90%的檢驗量。首先用粉末將25，000克拉包封至Q.2mm厚，隨后包封第二種粉末直到最終檢驗量。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表4<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>權(quán)利要求1.制造包封的超硬材料的方法，所述方法包括步驟·提供超硬材料源，·提供包含合適的粘結(jié)劑、溶劑或流體介質(zhì)及期望涂覆或包封材料的混合物，·在帶鏟轉(zhuǎn)筒中組合所述超硬材料和所述混合物，該帶鏟轉(zhuǎn)筒包含包括轉(zhuǎn)子的容器，該容器適于接收氣體流；以及·以超硬材料被混合物包封的速率旋轉(zhuǎn)該轉(zhuǎn)子。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中超硬材料選自金剛石、立方氮化硼、纖鋅礦型氮化硼、碳化物、氧化物或硅化物、Si晶、SiC、A1203、A1C、Si02和/或上述材料的任意組合。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中超硬材料以直徑至少約0.01Mm且不大于約5mm的顆粒形式存在。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項的方法，其中顆粒是預(yù)涂覆或包覆的顆粒和/或顆粒為來自于采用相同或不同的處理技術(shù)的較早處理步驟的部分包封的顆粒。5.根據(jù)在前任一權(quán)利要求的方法，其中容器包括填充有適當(dāng)體積的籽晶顆粒的轉(zhuǎn)筒腔室，該籽晶顆粒選自金剛石或其它超硬顆粒、預(yù)涂覆的或包覆的金剛石或其它超硬顆粒，和來自于釆用相同或不同的處理技術(shù)的較早處理步驟的部分包封的金剛石或其它超硬顆粒。6.根據(jù)在前任一權(quán)利要求的方法，其中混合物為漿料的形式。7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中漿料采用如下成分構(gòu)成粘結(jié)劑，選自聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇縮丁醛(PVB)、曱基纖維素和/或其它適合的通常為有機(jī)的粘結(jié)劑體系；溶劑或流體介質(zhì)，選自水、去離子(DI)水和其它適合的有機(jī)溶劑；粉狀固體，選自石墨，金剛石或其它超硬顆粒和包括鈷、鐵、鎳、鴒、銅、鉬的金屬粉末以及包括金屬碳化物的陶瓷，由此將形成期望的涂層或包封層；以及任選的，選自消泡劑、潤濕劑以及改變漿料性能的粘度改性劑中的試劑。8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中溶劑或流體介質(zhì)與粉狀固體預(yù)混合。9.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中粉狀固體不與溶劑或流體介質(zhì)預(yù)混合，且基本上是干的。10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項所述的方法，其中漿料的粘度通常為0.5一2000mPa.s。11.根據(jù)權(quán)利要求6至10中任一項所述的方法，其中漿料的溫度保持在接近室溫的恒溫(15-25°C)。12.根據(jù)在前任一權(quán)利要求的方法，包括使溫?zé)峥諝饣蚱渌鼩怏w或氣態(tài)的混合物的氣流通過帶伊轉(zhuǎn)筒的腔室的步驟。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中空氣的相對濕度小于50%。14.根據(jù)在前任一權(quán)利要求的方法，其中設(shè)置轉(zhuǎn)子盤片以60-600rpm的速率旋轉(zhuǎn)。15.通過上述方法生產(chǎn)的經(jīng)包封的超硬材料。全文摘要本發(fā)明涉及制造包封的超硬材料的方法，所述方法包括步驟提供超硬材料源，提供包含合適的粘結(jié)劑、溶劑或流體介質(zhì)及期望的涂層或包覆層材料的混合物，在帶鏟轉(zhuǎn)筒中組合超硬材料和混合物，該帶鏟轉(zhuǎn)筒包含包括轉(zhuǎn)子的容器，該容器適于接收氣體流；以及以超硬材料被混合物包封的速率旋轉(zhuǎn)該轉(zhuǎn)子。本發(fā)明還涉及通過上述方法生產(chǎn)的經(jīng)包封的超硬材料。文檔編號C09K3/14GK101679839SQ200880019165公開日2010年3月24日申請日期2008年7月23日優(yōu)先權(quán)日2007年7月23日發(fā)明者K·古施,M·G·芒迪,P·舒默克,S·凱利申請人:六號元素有限公司