包含微晶立方氮化硼(CBN)的多晶立方氮化硼(PCBN)及其制备方法技术

多晶立方氮化硼压块包括在粘结剂材料基体中具有烧结微晶立方氮化硼的本体。所述微晶立方氮化硼颗粒的尺寸为2微米至50微米。所述微晶立方氮化硼颗粒包括多个亚晶粒，各亚晶粒的尺寸为0.1微米至2微米。所述压块以高压‑高温(HPHT)烧结方法制造。该压块在引入磨损后会出现晶间缺陷形成。亚晶粒基于微碎裂而不是解理机理来促进裂纹扩展，并且在烧结体中，裂纹在晶间扩展而不是在晶粒内扩展，与单晶立方氮化硼相比导致了增加的韧性和改善的磨损特性。所述压块适用于研磨工具。

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.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用无
和工业实用性本公开内容主要涉及多晶立方氮化硼(PcBN)。具体地，本公开内容涉及制备多晶立方氮化硼粉末以及将这种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现出多晶晶粒结构，其中多晶立方氮化硼颗粒各自含有许多亚晶粒，并且用这种多晶立方氮化硼粉末制成的研磨工具保留了多晶晶粒结构。背景在下面的讨论中，参考某些结构和/或方法。但是，以下参考不应解释为承认这些结构和/或方法构成现有技术。申请人明确保留了证明这种结构和/或方法不符合本专利技术的现有技术的权利。立方形式的氮化硼(立方氮化硼(cBN))可用作研磨材料。一种这样的用途是使用粘结系统将颗粒聚集在一起以形成研磨工具例如砂轮。为了应用为研磨材料，特别是在切削工具中，理想的是立方氮化硼改善磨耗、磨损和碎裂(chipping)性能，或至少不会有害地影响这些性能。其它用途包括珩磨、切割和抛光。加工需要切削工具具有高磨耗性能，低磨损和碎裂，以及长的使用寿命。理想地，工具失效模式仅是磨耗磨损，而不是通过微裂纹或宏观裂纹的扩展而引起的粘结剂和/或立方氮化硼进料中的任何断裂。常规的立方氮化硼基工具使用单晶立方氮化硼粉末，其中各立方氮化硼颗粒是单晶粒。单晶粒结构影响由单晶立方氮化硼进料制成的工具的失效模式，因为裂纹扩展，微裂纹和宏观裂纹两者不仅可能发生为粘结剂中的断裂，而且可能发生单晶立方氮化硼晶粒的解理。这两种失效机制是由单晶立方氮化硼粉末制成的研磨工具性能降低的原因之一。烧结立方氮化硼涉及高压高温(HPHT)方法，但是烧结这种类型的材料的技术改进主要集中在研究粘结相，几乎没有研究立方氮化硼进料以及进料中的立方氮化硼粉末如何影响烧结和烧结产品的最终性能，特别是在加工应用中。对立方氮化硼基研磨工具来说有益的是确定立方氮化硼材料的有助于提高磨耗性能和冲击韧性的改进。专利技术概述立方氮化硼可作为微晶网或微米颗粒被合成，其由晶界分离的微米或亚微米(微米)尺寸的多个亚晶粒组成，所以被称为微晶立方氮化硼。参见例如美国专利号2,947,617和5,985,228，其全部内容通过引用的方式并入本文。微晶立方氮化硼比单晶立方氮化硼具有更高的韧性。微晶立方氮化硼的其它有利特性可包括i)不含残余金属催化剂和/或杂质的立方氮化硼颗粒的纯度提高；ii)比标准单晶立方氮化硼粉末韧性高；iii)基于微碎裂而不是解理机制的裂纹扩展模式；iv)在烧结体中，裂纹在晶间扩展而不是在晶粒内扩展；以及v)具有粗糙表面纹理的块状晶体形状。具有包括多晶立方氮化硼晶粒的微观结构的研磨工具包含许多由晶界分离的亚晶粒，其赋予改善的磨耗性能和冲击韧性。在一个实施方式中，多晶立方氮化硼压块包括在粘结剂材料的基体中具有烧结的微晶立方氮化硼的本体。微晶立方氮化硼颗粒的尺寸为2微米至50微米。微晶立方氮化硼的颗粒包括多个亚晶粒，各亚晶粒的尺寸为0.1微米至2微米。在另一个实施方式中，制造多晶立方氮化硼压块的方法包括在可控气氛下将微晶立方氮化硼颗粒与粘结剂材料混合以形成粉末共混物，将该共混物装配成用于高压-高温(HPHT)烧结方法的单元结构，并通过向装配件施加高压和高温烧结所述共混物以形成多晶立方氮化硼压块。所述多晶立方氮化硼压块包括本体，其包括在粘结剂材料基体中的烧结微晶立方氮化硼。微晶立方氮化硼是尺寸为2微米至50微米的颗粒。微晶立方氮化硼的颗粒包括多个亚晶粒，各亚晶粒具有小于0.1微米至2微米的尺寸。附图说明当结合附图阅读时，将更好地理解上述概要以及实施方式的以下详细描述。应当理解，所描绘的实施方式不限于所示的精确布置和手段。图1A和1B是微晶立方氮化硼颗粒的示例性实施方式的扫描电子显微镜(SEM)显微照片。图2A和2B是单晶立方氮化硼颗粒的扫描电子显微镜(SEM)显微照片。图3A和3B示出了结合多晶立方氮化硼颗粒的烧结体的支撑压块和非支撑压块的示例几何形状。图4A是示出了由微晶立方氮化硼颗粒制成的样品压块的微观结构的扫描电子显微镜(SEM)显微照片。图4B是示出了由单晶立方氮化硼颗粒制成的样品压块的微观结构的扫描电子显微镜(SEM)显微照片。图5A和5B分别为图4A和4B所示的微观结构的放大的扫描电子显微镜(SEM)显微照片。专利技术详述图1A和1B是多晶立方氮化硼颗粒的示例性实施方式的扫描电子显微镜(SEM)显微照片。图1A示出了2000倍放大倍数的多个微晶立方氮化硼颗粒10。微晶立方氮化硼颗粒具有粒径为18微米的D50值。微晶立方氮化硼颗粒10的X射线荧光光谱分析(XRF)表明它们具有基本上为硼和氮化物的组合物，杂质含量为Co(8ppm)、Cr(10ppm)、Fe(69ppm)、Ni(25ppm)和Si(19ppm)。在用于制造这种微晶颗粒的研磨过程中，这些杂质由研磨介质引入到立方氮化硼颗粒中。微晶立方氮化硼颗粒可作为网或微米颗粒被合成，其由微米或亚微米(微米)尺寸的多个亚晶粒组成并由晶界分离。参见例如美国专利号2,947,617和5,985,228，其全部内容通过引用的方式并入本文。微晶立方氮化硼颗粒10具有不规则形状和非常粗糙的表面纹理。这种表面纹理在图1B中更容易看出，其是在5000倍放大倍数下的微晶立方氮化硼颗粒的SEM显微照片(具体是在图1A的显微照片的左下角的微晶立方氮化硼颗粒10)。在图1B中，微晶立方氮化硼颗粒10是不规则的，具有非线性边缘和多个高度变化，两者都指示多晶体(即，微晶体)，并且其与微晶体中的单晶体晶粒的表面终止状态相关。各微晶颗粒的表面纹理的高度由暴露在颗粒表面上的亚晶粒的晶粒尺寸的1/2来确定。作为与微晶立方氮化硼颗粒10的比较，在扫描电子显微镜下观察单晶立方氮化硼颗粒。图2A和2B是单晶立方氮化硼颗粒的示例性实施方式的扫描电子显微镜(SEM)显微照片。图2A示出了2500倍放大倍数的多个单晶立方氮化硼颗粒20。所述单晶立方氮化硼颗粒具有18微米的D50值。所述单晶立方氮化硼颗粒20具有指示沿着单晶结构的晶面断裂的表面的平滑和刻面表面纹理。这种表面纹理在图2B中更容易看出，其是4000倍放大倍数的单晶立方氮化硼颗粒20的SEM显微照片，并且还示出了区域25中的晶面的分层。微晶颗粒具有非常粗糙的外表和块状形状，具有相对较少的直的晶棱，而单晶颗粒显示出混合粗糙和平滑的外表以及具有直的边缘的角形状。可使用微晶立方氮化硼颗粒作为用于制造或者是作为支撑压块或者是作为非支撑压块的烧结多晶立方氮化硼压块的进料。在示例性的制造方法中，微晶立方氮化硼颗粒在受控气氛例如惰性气氛下与粘结剂材料共混以形成粉末共混物。微晶立方氮化硼颗粒的范围可在1微米至50微米，或者2微米至20微米，或者约18微米，其中尺寸报告为粒度的D50值。粉末共混物的组合物可包括0至50重量％(wt％)的粘结剂，或者10至40重量％。合适的粘结剂材料包括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。然后将粉末共混物装配成单元结构，用于本领域已知的高温-高压(HPHT)烧结过程。参见例如美国专利号3,767,371，其全部内容通过引用的方式并入本文。作为HPHT烧结方法的一个实例，粉末共混物可任选地分布成本文档来自技高网...

【技术保护点】
多晶立方氮化硼压块，其包括：本体，其包含在粘结剂材料基体中的烧结微晶立方氮化硼，其中微晶立方氮化硼是尺寸为2微米至50微米的颗粒，以及其中微晶立方氮化硼的颗粒包括多个亚晶粒，各亚晶粒的尺寸为0.1微米至2微米。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.31 US 62/099,1421.多晶立方氮化硼压块，其包括：本体，其包含在粘结剂材料基体中的烧结微晶立方氮化硼，其中微晶立方氮化硼是尺寸为2微米至50微米的颗粒，以及其中微晶立方氮化硼的颗粒包括多个亚晶粒，各亚晶粒的尺寸为0.1微米至2微米。2.根据权利要求1所述的多晶立方氮化硼压块，其还包括基材，其中所述本体与所述基材一体地结合。3.根据权利要求1或2所述的多晶立方氮化硼压块，其中各亚晶粒的尺寸为0.5微米至1.5微米。4.根据权利要求1或2所述的多晶立方氮化硼压块，其中所述微晶立方氮化硼颗粒含有约10至约5000个亚晶粒。5.根据权利要求1或2所述的多晶立方氮化硼压块，其中所述本体的组合物包含至多50wt％的粘结剂材料。6.根据权利要求5所述的多晶立方氮化硼压块，其中所述粘结剂材料选自Ti、Al、Zr、Co、Al的氮化物、碳化物以及碳氮化物及其混合物。7.根据权利要求1或2所述的多晶立方氮化硼压块，其中所述多晶立方氮化硼压块包含具有生长的表面孔隙或凹坑的微晶cBN颗粒以及维度大约为亚晶粒尺寸的一半的表面纹理。8.制造多晶立方氮化硼压块的方法，该方法包括：在可控气氛下将微晶立方氮化硼颗粒与粘结剂材料混合以形成粉末共混物；将该共混物装配成用于高压-高温(HPHT)烧结方法的单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凯，苏赖斯·维加拉利，
申请(专利权)人：戴蒙得创新股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US