包含微晶立方氮化硼(CBN)的多晶立方氮化硼(PCBN)及其制備方法技術

多晶立方氮化硼壓塊包括在粘結劑材料基體中具有燒結微晶立方氮化硼的本體。所述微晶立方氮化硼顆粒的尺寸為2微米至50微米。所述微晶立方氮化硼顆粒包括多個亞晶粒，各亞晶粒的尺寸為0.1微米至2微米。所述壓塊以高壓?高溫(HPHT)燒結方法制造。該壓塊在引入磨損后會出現晶間缺陷形成。亞晶粒基于微碎裂而不是解理機理來促進裂紋擴展，并且在燒結體中，裂紋在晶間擴展而不是在晶粒內擴展，與單晶立方氮化硼相比導致了增加的韌性和改善的磨損特性。所述壓塊適用于研磨工具。

Polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) containing microcrystalline cubic boron nitride (CBN) and preparation method thereof

Polycrystalline cubic boron nitride compacts are included in the binder matrix and have sintered microcrystalline cubic boron nitride bodies. The size of the microcrystalline cubic boron nitride particles is from 2 microns to 50 microns. The microcrystalline cubic boron nitride particles include a plurality of sub grains, each of which has a size of 0.1 microns to 2 microns. The pressing block with high pressure high temperature sintering (HPHT) manufacturing method. Intergranular defects are formed when the pressed block is introduced into the workpiece. Sub grain based on micro fragmentation rather than to promote the mechanism of cleavage crack propagation, and in the sintered body, cracks in the intergranular extension rather than expansion in grain, compared with single crystal cubic boron nitride has led to increased toughness and wear properties improved. The pressing block is suitable for grinding tools.

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】相關申請的交叉引用無
和工業實用性本公開內容主要涉及多晶立方氮化硼(PcBN)。具體地，本公開內容涉及制備多晶立方氮化硼粉末以及將這種多晶立方氮化硼粉末加工成研磨工具的方法。所述多晶立方氮化硼粉末表現出多晶晶粒結構，其中多晶立方氮化硼顆粒各自含有許多亞晶粒，并且用這種多晶立方氮化硼粉末制成的研磨工具保留了多晶晶粒結構。背景在下面的討論中，參考某些結構和/或方法。但是，以下參考不應解釋為承認這些結構和/或方法構成現有技術。申請人明確保留了證明這種結構和/或方法不符合本專利技術的現有技術的權利。立方形式的氮化硼(立方氮化硼(cBN))可用作研磨材料。一種這樣的用途是使用粘結系統將顆粒聚集在一起以形成研磨工具例如砂輪。為了應用為研磨材料，特別是在切削工具中，理想的是立方氮化硼改善磨耗、磨損和碎裂(chipping)性能，或至少不會有害地影響這些性能。其它用途包括珩磨、切割和拋光。加工需要切削工具具有高磨耗性能，低磨損和碎裂，以及長的使用壽命。理想地，工具失效模式僅是磨耗磨損，而不是通過微裂紋或宏觀裂紋的擴展而引起的粘結劑和/或立方氮化硼進料中的任何斷裂。常規的立方氮化硼基工具使用單晶立方氮化硼粉末，其中各立方氮化硼顆粒是單晶粒。單晶粒結構影響由單晶立方氮化硼進料制成的工具的失效模式，因為裂紋擴展，微裂紋和宏觀裂紋兩者不僅可能發生為粘結劑中的斷裂，而且可能發生單晶立方氮化硼晶粒的解理。這兩種失效機制是由單晶立方氮化硼粉末制成的研磨工具性能降低的原因之一。燒結立方氮化硼涉及高壓高溫(HPHT)方法，但是燒結這種類型的材料的技術改進主要集中在研究粘結相，幾乎沒有研究立方氮化硼進料以及進料中的立方氮化硼粉末如何影響燒結和燒結產品的最終性能，特別是在加工應用中。對立方氮化硼基研磨工具來說有益的是確定立方氮化硼材料的有助于提高磨耗性能和沖擊韌性的改進。專利技術概述立方氮化硼可作為微晶網或微米顆粒被合成，其由晶界分離的微米或亞微米(微米)尺寸的多個亞晶粒組成，所以被稱為微晶立方氮化硼。參見例如美國專利號2,947,617和5,985,228，其全部內容通過引用的方式并入本文。微晶立方氮化硼比單晶立方氮化硼具有更高的韌性。微晶立方氮化硼的其它有利特性可包括i)不含殘余金屬催化劑和/或雜質的立方氮化硼顆粒的純度提高；ii)比標準單晶立方氮化硼粉末韌性高；iii)基于微碎裂而不是解理機制的裂紋擴展模式；iv)在燒結體中，裂紋在晶間擴展而不是在晶粒內擴展；以及v)具有粗糙表面紋理的塊狀晶體形狀。具有包括多晶立方氮化硼晶粒的微觀結構的研磨工具包含許多由晶界分離的亞晶粒，其賦予改善的磨耗性能和沖擊韌性。在一個實施方式中，多晶立方氮化硼壓塊包括在粘結劑材料的基體中具有燒結的微晶立方氮化硼的本體。微晶立方氮化硼顆粒的尺寸為2微米至50微米。微晶立方氮化硼的顆粒包括多個亞晶粒，各亞晶粒的尺寸為0.1微米至2微米。在另一個實施方式中，制造多晶立方氮化硼壓塊的方法包括在可控氣氛下將微晶立方氮化硼顆粒與粘結劑材料混合以形成粉末共混物，將該共混物裝配成用于高壓-高溫(HPHT)燒結方法的單元結構，并通過向裝配件施加高壓和高溫燒結所述共混物以形成多晶立方氮化硼壓塊。所述多晶立方氮化硼壓塊包括本體，其包括在粘結劑材料基體中的燒結微晶立方氮化硼。微晶立方氮化硼是尺寸為2微米至50微米的顆粒。微晶立方氮化硼的顆粒包括多個亞晶粒，各亞晶粒具有小于0.1微米至2微米的尺寸。附圖說明當結合附圖閱讀時，將更好地理解上述概要以及實施方式的以下詳細描述。應當理解，所描繪的實施方式不限于所示的精確布置和手段。圖1A和1B是微晶立方氮化硼顆粒的示例性實施方式的掃描電子顯微鏡(SEM)顯微照片。圖2A和2B是單晶立方氮化硼顆粒的掃描電子顯微鏡(SEM)顯微照片。圖3A和3B示出了結合多晶立方氮化硼顆粒的燒結體的支撐壓塊和非支撐壓塊的示例幾何形狀。圖4A是示出了由微晶立方氮化硼顆粒制成的樣品壓塊的微觀結構的掃描電子顯微鏡(SEM)顯微照片。圖4B是示出了由單晶立方氮化硼顆粒制成的樣品壓塊的微觀結構的掃描電子顯微鏡(SEM)顯微照片。圖5A和5B分別為圖4A和4B所示的微觀結構的放大的掃描電子顯微鏡(SEM)顯微照片。專利技術詳述圖1A和1B是多晶立方氮化硼顆粒的示例性實施方式的掃描電子顯微鏡(SEM)顯微照片。圖1A示出了2000倍放大倍數的多個微晶立方氮化硼顆粒10。微晶立方氮化硼顆粒具有粒徑為18微米的D50值。微晶立方氮化硼顆粒10的X射線熒光光譜分析(XRF)表明它們具有基本上為硼和氮化物的組合物，雜質含量為Co(8ppm)、Cr(10ppm)、Fe(69ppm)、Ni(25ppm)和Si(19ppm)。在用于制造這種微晶顆粒的研磨過程中，這些雜質由研磨介質引入到立方氮化硼顆粒中。微晶立方氮化硼顆粒可作為網或微米顆粒被合成，其由微米或亞微米(微米)尺寸的多個亞晶粒組成并由晶界分離。參見例如美國專利號2,947,617和5,985,228，其全部內容通過引用的方式并入本文。微晶立方氮化硼顆粒10具有不規則形狀和非常粗糙的表面紋理。這種表面紋理在圖1B中更容易看出，其是在5000倍放大倍數下的微晶立方氮化硼顆粒的SEM顯微照片(具體是在圖1A的顯微照片的左下角的微晶立方氮化硼顆粒10)。在圖1B中，微晶立方氮化硼顆粒10是不規則的，具有非線性邊緣和多個高度變化，兩者都指示多晶體(即，微晶體)，并且其與微晶體中的單晶體晶粒的表面終止狀態相關。各微晶顆粒的表面紋理的高度由暴露在顆粒表面上的亞晶粒的晶粒尺寸的1/2來確定。作為與微晶立方氮化硼顆粒10的比較，在掃描電子顯微鏡下觀察單晶立方氮化硼顆粒。圖2A和2B是單晶立方氮化硼顆粒的示例性實施方式的掃描電子顯微鏡(SEM)顯微照片。圖2A示出了2500倍放大倍數的多個單晶立方氮化硼顆粒20。所述單晶立方氮化硼顆粒具有18微米的D50值。所述單晶立方氮化硼顆粒20具有指示沿著單晶結構的晶面斷裂的表面的平滑和刻面表面紋理。這種表面紋理在圖2B中更容易看出，其是4000倍放大倍數的單晶立方氮化硼顆粒20的SEM顯微照片，并且還示出了區域25中的晶面的分層。微晶顆粒具有非常粗糙的外表和塊狀形狀，具有相對較少的直的晶棱，而單晶顆粒顯示出混合粗糙和平滑的外表以及具有直的邊緣的角形狀。可使用微晶立方氮化硼顆粒作為用于制造或者是作為支撐壓塊或者是作為非支撐壓塊的燒結多晶立方氮化硼壓塊的進料。在示例性的制造方法中，微晶立方氮化硼顆粒在受控氣氛例如惰性氣氛下與粘結劑材料共混以形成粉末共混物。微晶立方氮化硼顆粒的范圍可在1微米至50微米，或者2微米至20微米，或者約18微米，其中尺寸報告為粒度的D50值。粉末共混物的組合物可包括0至50重量％(wt％)的粘結劑，或者10至40重量％。合適的粘結劑材料包括Ti、Al和Zr以及Co和Al的氮化物、碳化物和碳氮化物，例如TiN、TiC、Ti(C，N)、ZrN、AlN，及其混合物。然后將粉末共混物裝配成單元結構，用于本領域已知的高溫-高壓(HPHT)燒結過程。參見例如美國專利號3,767,371，其全部內容通過引用的方式并入本文。作為HPHT燒結方法的一個實例，粉末共混物可任選地分布成本文檔來自技高網...

【技術保護點】
多晶立方氮化硼壓塊，其包括：本體，其包含在粘結劑材料基體中的燒結微晶立方氮化硼，其中微晶立方氮化硼是尺寸為2微米至50微米的顆粒，以及其中微晶立方氮化硼的顆粒包括多個亞晶粒，各亞晶粒的尺寸為0.1微米至2微米。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.12.31 US 62/099,1421.多晶立方氮化硼壓塊，其包括：本體，其包含在粘結劑材料基體中的燒結微晶立方氮化硼，其中微晶立方氮化硼是尺寸為2微米至50微米的顆粒，以及其中微晶立方氮化硼的顆粒包括多個亞晶粒，各亞晶粒的尺寸為0.1微米至2微米。2.根據權利要求1所述的多晶立方氮化硼壓塊，其還包括基材，其中所述本體與所述基材一體地結合。3.根據權利要求1或2所述的多晶立方氮化硼壓塊，其中各亞晶粒的尺寸為0.5微米至1.5微米。4.根據權利要求1或2所述的多晶立方氮化硼壓塊，其中所述微晶立方氮化硼顆粒含有約10至約5000個亞晶粒。5.根據權利要求1或2所述的多晶立方氮化硼壓塊，其中所述本體的組合物包含至多50wt％的粘結劑材料。6.根據權利要求5所述的多晶立方氮化硼壓塊，其中所述粘結劑材料選自Ti、Al、Zr、Co、Al的氮化物、碳化物以及碳氮化物及其混合物。7.根據權利要求1或2所述的多晶立方氮化硼壓塊，其中所述多晶立方氮化硼壓塊包含具有生長的表面孔隙或凹坑的微晶cBN顆粒以及維度大約為亞晶粒尺寸的一半的表面紋理。8.制造多晶立方氮化硼壓塊的方法，該方法包括：在可控氣氛下將微晶立方氮化硼顆粒與粘結劑材料混合以形成粉末共混物；將該共混物裝配成用于高壓-高溫(HPHT)燒結方法的單元...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張凱，蘇賴斯·維加拉利，
申請(專利權)人：戴蒙得創新股份有限公司，
類型：發明
國別省市：美國;US