具有高度腐蚀的粒子表面和高韧性指数的立方氮化硼粒子群

背景技术

本发明涉及立方氮化硼(CBN)粒子，更特别地涉及同时具有高度腐蚀(etched)的表面和高韧性指数(TI)的CBN粒子群。

在许多CBN应用中，期望的是具有高度腐蚀的(即，粗糙的)粒子表面。这样的腐蚀表面能够在粘结体系中提供更好的粒子保持性和/或导致在使用期间自锐化的粒子。尽管存在腐蚀的CBN粒子群，但它们通常具有低的TI。该低的TI导致它们在特定应用中的性能差。因此，期望提供一种不会遭致低TI的、腐蚀的CBN粒子群。

发明内容

本发明实现了上述目的，即提供了同时具有高度腐蚀的表面和高TI的CBN粒子群。所述表面的特征在于大约一微米尺寸和亚微米尺寸的蚀坑(pits)，并且该表面特征一致地存在于几乎所有CBN粒子面(facet)上。然而，所述CBN粒子群的TI仅比具有相同化学组成、晶体结构和形状的典型的平滑化的(即，未腐蚀、非粗糙的)CBN粒子群低约10～20分(points)。

本发明的CBN粒子群是通过形成或得到多个CBN粒子来制造的。将反应性金属粉末与所述多个CBN粒子共混以形成共混的混合物，并且将共混的混合物压缩以形成压缩混合物。使压缩混合物经受温度和压力，其中控制所述温度以通过使CBN与反应性金属粉末反应来引起所述多个CBN粒子的腐蚀，从而形成多个腐蚀的CBN粒子。另外，控制所述温度和压力以使氮化硼保持为立方相。其后，从所述压缩混合物中回收所述多个腐蚀的CBN粒子以形成粒子群。优选地，所述粒子群不包含六方氮化硼(HBN)。

本发明的其它目的、特征和优点将由下文其优选实施方式的结合附图的详细描述而变得更易于显而易见，所述附图中多个图中相同的附图标记指代共同的部分。

附图说明

图1是显示根据本发明的制造CBN粒子群的方法的流程图。

图2是源自扫描电子显微镜(SEM)的图像，显示了腐蚀前的多个CBN粒子。

图3是源自SEM的图像，显示了已经经受了本发明的腐蚀工序之后的图2的CBN粒子之一。

图4是源自SEM的另一个图像，显示了已经经受了本发明的腐蚀工序之后的CBN粒子。

图5是针对图4的图像的由蚀坑和凹槽覆盖的面积百分比的保守阈值分析(conservative threshold analysis)。

图6是针对图4的图像的由蚀坑和凹槽覆盖的面积百分比的中等阈值分析(moderate threshold analysis)。

图7是针对图4的图像的由蚀坑和凹槽覆盖的面积百分比的积极阈值分析(aggressive threshold analysis)。

图8是图4的图像中的蚀坑和凹槽的尺寸分析。

图9是源自SEM的图像，显示了在第一实验的腐蚀工序之前的多个CBN粒子。

图10是源自SEM的图像，显示了在第一实验的腐蚀工序之后的多个CBN粒子。

图11是源自SEM的图像，显示了在第二实验的腐蚀工序之后的多个CBN粒子。

图12是源自SEM的图像，显示了在第三实验的腐蚀工序之前的多个CBN粒子。

图13是源自SEM的图像，显示了在第三实验的腐蚀工序之后的多个CBN粒子。

图14是针对多种不同的CBN粒子群的表面粗糙度vs TI的图。

具体实施方式

下文公开了本发明的详细实施方式。然而，应当理解，所公开的实施方式仅仅是本发明的示例，其可以以各种替代形式来实施。附图不一定按比例绘制，并且一些特征可能被放大或缩小以显示特定成分的细节。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为教导本领域技术人员采用本发明的代表性基础。

另外，如本文中所使用的，术语“约”是指正与其一起使用的数字的数值的±10％。因此，约50％是指在45％～55％的范围内。术语“粒子”是指离散的物体。粒子也被认为是晶体或晶粒。

用于本发明中的CBN粒子可以使用催化剂体系如碱金属和碱土金属的氮化物由HBN在高压和高温下以足以形成立方结构的时间段来制造。反应物料保持在热力学上有利于CBN晶体形成的压力和温度条件下。然后使用水、酸性溶液或苛性化学物的组合，使用回收方法从反应物料中回收CBN。应当注意，其它制造CBN的方法是已知的，例如CBN也可以通过温度梯度法或冲击波法来制备。

可以使用任何组合的起始成分，所述起始成分提供HBN和催化剂两者。起始反应混合物的实施方式可以含有硼源、氮源和催化剂金属源。所述硼源可以为单质硼、HBN或诸如在反应条件下能够分解为单质硼的一种氢化硼的材料。所述氮源可以为HBN或能够在反应条件下提供氮源的催化剂金属的含氮化合物。所述催化剂金属可以作为单质金属或作为在反应条件下能够分解为催化剂金属或催化剂金属氮化物的催化剂化合物来使用。

所述方法不限于仅涉及一种催化剂材料的HBN向CBN的催化转化。因此，可以使用两种以上催化剂材料的混合物。那些混合物可以包含一种以上催化剂金属、一种以上催化剂氮化物、或者金属和氮化物的一种以上组合。所述混合物可以包含：抑制反应的催化剂如氮化硅或氮化铝；和促进反应的催化剂如碱金属和碱土金属的氮化物。另外，合金也可以用于本发明的实践中。这些合金包括多于一种催化剂金属的合金以及催化剂金属和非催化剂金属的合金。其它原材料组合也是可行的。

所述方法可以在能够产生用于制造超硬磨料的压力和温度的任何类型的设备中实施。在美国专利2,941,241号和2,941,248号中描述了能够使用的设备，通过参考将其并入本文中。其它设备的实例包括带式压机、立方压机(cubic press)和裂球压机(split-sphere press)。所述设备包含反应体积，所述反应体积中提供可控的温度和压力并保持期望的时间段。在前述专利中公开的设备是一种插入液压机的压板之间的高压装置。所述高压装置包含：环形构件，其限定了大致圆筒形的反应区域；以及两个圆锥形的活塞型构件或冲头，其被设计为从环形构件的任一侧装配到大致圆筒形的反应区域中。可以通过所述两个活塞构件将装配到所述环形构件中的反应容器进行压缩，以达到制造CBN粒子所期望的压力。通过合适的手段，例如通过感应加热、直接或间接电阻加热或其它方法获得期望的温度。

在本发明中，在通过上述方法形成之后，腐蚀CBN粒子以得到粗糙表面。所述方法使用氮化物形成性金属如钛、镁、锆、铝或锂作为与CBN的反应金属。例如，在高温下，CBN与锆反应并形成氮化锆和硼化锆。该反应在CBN的表面上产生蚀坑和凹槽。在反应发生之后，可以将氮化锆和硼化锆除去，从而显示了其中产生了许多复杂的口袋(pocket)或腐蚀坑的明显粗糙化的CBN表面。与典型的CBN粒子上所存在的相比，这种纹理在粒子上提供了许多更锋利的切削刃。结果，在利用本发明的CBN粒子的应用中，工具性能得以改善。这些应用包括精密研磨，其中将CBN粒子引入树脂、金属或玻璃化粘结体系(vitrified bond system)中。本发明的CBN粒子还改善了珩磨和超精加工的性能，特别是在粘结材料包含树脂、金属或玻璃配合料的情况下更是如此。另外，本发明的CBN粒子在粒子被电镀或电铸到工具上的情况下或在粒子被共沉积入涂层内时改善了工具的性能。

可以利用不同形式的CBN(包括单晶和多晶CBN在内)来使用本发明的方法，但是优选利用单晶CBN来使用本发明的方法。本发明适用于从直径几百微米到微米尺寸的粉末的宽范围CBN尺寸。在一个示例性实施方式中，使用尺寸小于约100μm的CBN粒子。然而，也可以使用尺寸超过约100μm的CBN粒子。在一个示例性实施方式中，CBN粒子的尺寸在约10μm～约1000μm的范围内。

通常，如图1所示，根据本发明的制造CBN粒子群的方法包括：在步骤100中形成或得到多个CBN粒子；在步骤105中将由诸如锂、铍、钙、锶、镁、钛、锆、铝、镓、铟、钨、铪、铬、钴、镍、钒、钽、铌和铁材料制成的反应性金属粉末与所述CBN粒子共混；在步骤110中将共混的混合物进行压缩；在步骤115中使所述压缩混合物经受高压和高温；和在步骤120中回收腐蚀的CBN粒子。所述CBN粒子优选为单晶CBN粒子。所述反应性金属粉末可以为例如锆。例如，反应性金属粉末对CBN粒子的比可以为1:10～10:1。由于该方法，CBN粒子经受的平均重量损失可以为大于约5％。在步骤115中，温度可以为约1300℃以上，并且压力可以为约3吉帕斯卡(GPa)以上。

更具体地，为了产生本发明的腐蚀的CBN粒子，使用实现均匀混合物的任何合适的混合方法将约10～约80重量％的CBN粒子和约20～约90重量％的锆粒子进行混合。例如，可以将所称量的锆部分和CBN粒子部分放入罐(jar)中，密封，并插入混合装置中至少约1小时，或约30分钟～约1小时。可以在混合之前将粘结剂任选地添加到混合物中。粘结剂为粒子表面提供润滑性，从而能够使填充更致密并使金属粉末与CBN之间接触更紧密。粘结剂还有助于将压制体作为生坯保持在一起。

然后将混合物压缩以产生CBN粒子和锆粒子的紧密混合物。可以使用任何方法来压缩CBN粒子和锆粒子，只要它们形成紧密的混合物并且粒子彼此非常紧密地接触即可。用于压缩所述混合物的一种方法可以是将混合物放入设置在压机上的固定模具中。在模具压制中，使混合物经受约5000～约50000psi之间、约10000～约40000psi之间或约15000～约30000psi之间的压力以形成球粒。具有可变形工具(deformable tooling)的等静压也能够用于实现紧密接触。或者，可以通过例如通过高压压实辊或压块辊将混合物压成几毫米至几英寸厚的薄片来压缩混合物。然后可以将形成的片切成更小的部分以进行进一步处理。压缩锆和CBN粒子的混合物的另一种方法包括在压力下混合并挤出混合物。经由造粒机将CBN和锆粒子的混合物造粒或在翻滚设备中翻滚混合物也是可以用于压缩混合物的替代方法。压缩锆和CBN粒子的混合物的其它方法包括注射成型、将混合物压入容器中和流延成型。然后通过这些方法形成的球粒、砖块、压块或饼块可以按如下所述进行进一步处理。或者，只要锆和CBN粒子彼此紧密接触，则可以通过离子注入、溅射、喷雾干燥、电解涂布、无电镀涂布或任何其它适用的方法用金属粒子涂布单个CBN粒子。

在压缩CBN和锆粒子的混合物之后，将可以是球粒、聚集体或其它压缩形式的压缩混合物放入炉中，并在氢气气氛、真空气氛或惰性气体气氛中，加热到约900℃～约2300℃的温度范围内。例如，可以使用约1000℃～约1400℃、约1100℃～约1400℃或约1300℃的温度。可以将压缩混合物加热约五分钟至约五小时范围内的时间段。例如，可以使用约三十分钟至约两个小时或约一个小时至约两个小时范围内的时间段。

与现有的腐蚀工序不同，在该加热期间压缩混合物还经受了高压。例如，所述压缩混合物可以经受在约3～约6GPa范围内的压力。其原因与氮化硼的热力学性质有关。CBN在正常大气温度和压力条件下热力学不稳定。相反，它被动力学地捕集在CBN相中。当在现有的腐蚀工序期间加热时，至少一些CBN能够相变为HBN(在这种条件下，其为氮化硼的热力学优选相)，从而明显降低了CBN粒子群的TI。具体地，在这种工序中所得的TI减少量通常为约30。在本发明中，在腐蚀期间使用高压防止了CBN相变为HBN，因为在选定的温度和压力条件下CBN是氮化硼的热力学优选相。这减少了由腐蚀工序引起的TI降低，但不能完全消除它，因为腐蚀本身降低了CBN粒子群的TI。具体地，本发明的腐蚀工序中的TI减少量仅为约10～20。结果，本发明能够提供具有高TI的腐蚀的CBN粒子群。

尽管已经提供了特定的示例性的温度和压力，但是可以使用满足如下两个目标的任何温度和压力组合。首先，温度应足够高以通过CBN与氮化物形成性金属的反应而引起期望的CBN粒子的腐蚀。其次，应选择温度和压力以确保氮化硼保持为CBN相，并且不会重新进入HBN相(或进入第三相)。换句话说，应选择温度和压力以使氮化硼保持为CBN相。优选地，在整个腐蚀工序中都满足该第二目标，以防止任何CBN转化为HBN。

在腐蚀完成并且CBN和反应性金属粒子的压缩混合物已经冷却之后，通过将所述压缩混合物溶解在普通酸中来回收腐蚀的CBN粒子。可以使用的酸包括盐酸、氢氟酸、硝酸及其特定组合。以酸对压缩混合物的比为100:1～1000:1(以体积计)的量添加所述酸。然后将混合物加热至例如约100℃～约120℃之间约6小时～约8小时的时间。接下来，将溶液冷却，释放的CBN粒子沉降，并倾析溶液。重复这些回收步骤，直到基本上所有的反应性金属、金属氮化物和金属硼化物都被消化为止。

根据所选择的炉条件，在金属与CBN之间能够或多或少地发生反应。金属粉末腐蚀入CBN的越多，形成的氮化物和硼化物越多，由此CBN损失的重量越多。为了完全溶解氮化物和硼化物，可以使用更大量的酸或其它溶解处理。然后例如在水中洗涤CBN粒子，以除去酸和残余物。随后，将CBN粒子在烘箱中干燥，风干，进行微波干燥或本领域已知的其它干燥方法。

本发明的CBN粒子可用于许多应用中，包括磨光、研磨、切割、抛光、切块、烧结磨料或磨料压块(abrasive compact)、用于线锯的线、和珩磨。通常，CBN粒子的粗糙化表面有助于将粒子保留在工具或树脂粘结体系内。粗糙化表面还能够提供更高的材料去除率和更好的自由切割能力。在特定的示例性实施方式中，例如将CBN粒子引入到工具如砂轮、固定的磨料丝、珩磨工具、切割刀片、抛光膜、化学机械抛光(CMP)垫修整器、抛光剂和复合CBN耐磨涂层中。

图2和3是CBN粒子的SEM图像。图2显示了腐蚀之前的多个CBN粒子，而图3显示了经过本发明的腐蚀工序之后的这些CBN粒子中的一个粒子。特别地，在图2中能够看到多个CBN粒子200，各个CBN粒子200包含多个面205。面205的表面是光滑的。然而，在腐蚀之后，这样的表面显示出具有蚀坑和凹槽。例如，在图3中，腐蚀的CBN粒子300包含具有多个蚀坑310和多个凹槽315的面305。在本发明中，这些表面特征是微米级和亚微米级的。即，蚀坑310的宽度通常为约500nm～约1.5μm之间，而通常凹槽315的宽度为约500nm并且长度为约5μm～约30μm之间。蚀坑和凹槽两者的深度为约100nm～1μm之间。

类似于图3，图4是本发明的腐蚀的CBN粒子表面的高放大倍率(5000倍)SEM图像。在该图像中，暗区比亮区更深入粒子中。再次，表面的特征在于蚀坑400和凹槽405。孤立的蚀坑400和凹槽405是可见的。对图4中腐蚀的CBN粒子的分析提供了关于被蚀坑400或凹槽405覆盖的粒子的百分比的估计。保守的估计是，被蚀坑400或凹槽405覆盖了粒子表面的20％，而中等估计为41％，而积极估计为60％。这在图5～7中直观地表示出来，其分别对应于保守估计、中等估计和积极估计。所述分析还提供了蚀坑400和凹槽405的尺寸信息。蚀坑400和凹槽405的宽度均小于约1μm，并且凹槽405的长度高达约6μm，如图8所示。初步的横截面扫描电子显微镜分析表明，蚀坑400和凹槽405的深度都小于约1μm。通常，制造多个腐蚀的立方氮化硼粒子，其中各个立方氮化硼粒子包含多个蚀坑和多个凹槽，并且粒子群的韧性指数比具有相同化学组成、晶体结构和形状的未腐蚀、非粗糙的立方氮化硼粒子群低约10～约20分。

实验

在本发明的开发中，制造了多种不同的CBN粒子群。这些不同的粒子群有助于说明本发明提供的益处。

在第一实验中，制造了具有积极腐蚀的表面和低TI的CBN粒子群。尽管因腐蚀的表面而使得该粒子群在研磨期间表现出优异的润湿行为和良好的晶体保持性，但认为TI太低。图9和图10分别显示了腐蚀之前和之后的第一实验的CBN粒子群。

在第二实验中，制造了具有积极腐蚀的表面和中等TI的CBN粒子群。同样，因腐蚀的表面而使得该粒子群在研磨期间表现出优异的润湿行为和良好的晶体保持性。然而，仍然认为TI太低。图11显示了腐蚀后第二实验的CBN粒子群。

在第三实验中，制造了具有轻度腐蚀的表面和相对高TI的CBN粒子群。该粒子群在研磨期间表现出尚可的润湿行为、晶体保持性，以及TI。图12和13分别显示了在腐蚀之前和之后第三实验的CBN粒子群。

在前三种实验的各实验中，腐蚀在大气压下进行。在第四实验中，根据本发明在高压下进行腐蚀。制造的CBN粒子群具有积极腐蚀的表面，同时具有均匀的亚微米表面图案和高的TI。

将这些实验的结果绘制在图14中，将实验1～4分别标记为EXP1～4。此外，绘制了两个未腐蚀的CBN粒子群，分别标记为CBN-400和CBN-500。如图14所能看出的，表面粗糙度和TI通常成反相关。一个离群点是本发明的CBN粒子群，其同时显示了粗糙的表面和高的TI。

基于上述，应该容易显而易见的是，本发明提供了同时具有高TI和高度腐蚀表面的CBN粒子群。尽管已经阐述了本发明的特定优选实施方式，但是应当理解，在不背离本发明的主旨的条件下可进行各种改变或修改。例如，氧化物或金属如镍或钛可以覆盖粒子、或者可以用玻璃层涂布粒子，其中玻璃重量的百分比优选小于粒子重量的10％。通常，本发明仅旨在由所附权利要求书的范围限制。