立方氮化硼多晶体、切削工具、耐磨工具、研磨工具、和制造立方氮化硼多晶体的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种立方氮化硼多晶体、切削工具、耐磨工具、研磨工具和制造立方氮 化硼多晶体的方法；特别是这样的立方氮化硼多晶体、切削工具、耐磨工具、研磨工具和制 造所述立方氮化硼多晶体的方法，它们适用作铁基材料的切削工具、耐磨工具和研磨工具。
【背景技术】
[0002] 立方氮化硼（以下也称作"cBN"）具有仅次于钻石的硬度，且其热稳定性与化学稳 定性优异。此外，相对于铁基材料，立方氮化硼比钻石更稳定，因此cBN烧结体已经被用于 铁系材料的加工工具。
[0003] 然而，cBN烧结体包含约10体积％至40体积％的粘合剂，并且该粘合剂造成烧结 体的强度、耐热性和热扩散性降低。因此，特别是在高速切削铁系材料时，热负荷增大且切 削刃容易崩裂和产生裂纹，从而缩短工具寿命。
[0004] 作为解决该问题的方法，有使用催化剂而不使用粘合剂来制造 cBN烧结体的方 法。在该方法中，通过使用六方氮化硼（hBN)作为原材料并使用氮硼化镁（Mg3BN3)或其类 似物作为催化剂来进行反应烧结。通过该方法得到的cBN烧结体不包含粘合剂，因此cBN 晶粒彼此强烈结合且导热率更高。因此，该cBN烧结体用作散热器材料，或TAB (卷带自动 结合）结合工具或它们的类似物。然而，由于少量催化剂残留在烧结体中，因此当烧结体受 热时，由于催化剂与cBN之间的热膨胀差异，容易产生细裂纹，因而该cBN烧结体并不适用 于切削工具。此外，由于晶粒尺寸大，具体而言，为约10 μ m，因此虽然其导热率高，但其强度 低，因此该cBN烧结体无法适用于涉及大负荷或类似情况的切削。
[0005] 另一方面，cBN烧结体也可以这样得到：在超高压力和高温下，不用催化剂而直接 将hBN等常压型BN(氮化硼）转化成cBN，并同时将其烧结（直接转化烧结法）。例如，日 本专利公开No. 47-034099和日本专利公开No. 03-159964中均描述了在超高压力和高温下 将hBN转化为cBN而得到cBN烧结体的方法。此外，有使用热解氮化硼（pBN)作为原材料 来获得cBN烧结体的方法。这种方法在例如日本专利公开No. 54-033510和日本专利公开 No. 08-047801中说明。在该方法中，需要诸如7GPa且不小于2100°C的条件。
[0006] 日本已审查专利公布No. 49-27518和日本专利公开No. 11-246271中均描述了在 不如上述条件那样苛刻的条件下获得cBN烧结体的方法。
【发明内容】
[0007] 日本已审查专利公布No. 49-027518中公开了在（例如）6GPa的压力和IKKTC的 条件下获得cBN烧结体的方法。在这种方法中，由于作为原材料的hBN晶粒不超过3 μ m，所 以该hBN含有若干质量％的氧化硼杂质和吸附气体。因此，由于杂质和吸附气体的影响，烧 结将不能充分进行，并且硬度、强度和耐热性因氧化物的存在而降低，这使得cBN烧结体无 法用作切削工具、耐磨工具等。
[0008] 为了解决以上问题，日本专利公开No. 11-246271公开了通过在6GPa至7GPa、和 1550Γ至2KKTC的条件下使用低结晶性六方氮化硼作为原材料，从而进行合成的方法。此 外，其还公开了通过这种方法合成的cBN多晶体的晶粒尺寸为约0. 1 μπι至1 μπι。
[0009] 然而，当使烧结温度较低以获得适用于精加工、精密加工等的小晶粒尺寸的cBN 多晶体时，可烧结性变低，从而导致多晶体的强度降低。此外，小晶粒尺寸导致低韧性，从而 使得工具容易产生不利的崩裂。
[0010] 考虑到以上问题，本发明的一个目的是提供一种具有韧性的小晶粒尺寸的立方氮 化硼多晶体。
[0011] 根据本发明中一个实施方案的立方氮化硼多晶体包含立方氮化硼，所述立方氮化 硼的平均晶粒尺寸不大于150nm，在23°C ±5°C以及4.9N的测试负荷下的努氏硬度测量中， 比值b/a不大于0. 085,所述比值b/a为努氏压痕的较长对角线的长度a和较短对角线的长 度b的比值。
[0012] 此外，根据本发明中一个实施方案的制造立方氮化硼多晶体的方法包括以下步 骤：
[0013] 制备晶粒尺寸不大于0. 5 μπι的六方氮化硼粉末作为起始原料；以及
[0014] 将所述六方氮化硼粉末转化为立方氮化硼和纤锌矿型氮化硼，并在满足以下条件 的温度和压力下烧结所述立方氮化硼和所述纤锌矿型氮化硼：
[0015] P 彡 0· 0000122Τ2-0· 0531Τ+65. 846，
[0016] T 彡 2200,并且
[0017] P ^ 25,
[0018] 其中所述压力表示为P(GPa)且所述温度表示为T(°C )。
[0019] 结合附图和以下有关本发明的具体描述，本发明的上述以及其他目的、特征、方面 和优点将会更加明显。
[0020] 附图简要说明
[0021] 图1示出了努氏压痕。
[0022] 优选实施方式的说明
[0023][本申请的发明的【具体实施方式】的说明]
[0024] 首先，以下描述了本发明的实施方案。
[0025] 本发明人为解决上述问题进行了深入研究，结果发现通过在高压和高温下，将晶 粒尺寸不大于〇. 5 μ m的六方氮化硼粉末转化为立方氮化硼，可以得到具有微细结构和韧 性的立方氮化硼多晶体。
[0026] [ 1 ]具体而言，根据本发明中一个实施方案的立方氮化硼多晶体包含立方氮化硼， 所述立方氮化硼的平均晶粒尺寸不大于150nm，在23°C ±5°C以及4. 9N的测试负荷下的努 氏硬度测量中，比值b/a不大于0. 085,所述比值b/a为努氏压痕的较长对角线的长度a和 较短对角线的长度b的比值。
[0027] [2]所述立方氮化硼的平均晶粒尺寸优选为不大于100nm。通过以这种方式进一 步降低平均晶粒尺寸，所述立方氮化硼多晶体更加适用于需要小晶粒尺寸的应用。
[0028] [3]所述立方氮化硼多晶体优选包含不小于0. 01体积％的纤锌矿型氮化硼。由 此，所述多晶体的结构将变得更致密。
[0029] [4]所述立方氮化硼多晶体优选包含0. 01体积％至0. 5体积％的压缩型六方氮化 硼。由此，能够防止裂纹的发展并提高韧性。
[0030] [5]对于所述立方氮化硼的X射线衍射，（220)面的X射线衍射强度1_与（111) 面的X射线衍射强度IU11)的比值I 不小于〇. 1且不大于〇. 3。由此，所述多晶 体变为各向同性，由此当用作为工具等时减少了非均匀的磨损。
[0031] [6]根据本发明中一个实施方案的切削工具，其包含上述的立方氮化硼多晶体。这 种切削工具适用于切削铁系材料。
[0032] [7]根据本发明中一个实施方案的耐磨工具，其包含上述的立方氮化硼多晶体。这 种耐磨工具适用于加工铁系材料。
[0033] [8]根据本发明中一个实施方案的研磨工具，其包含上述的立方氮化硼多晶体。这 种研磨工具适用于研磨铁系材料。
[0034] [9]根据本发明中一个实施方案的制造立方氮化硼多晶体的方法，其包括以下步 骤：
[0035] 制备晶粒尺寸不大于0. 5 μ m的六方氮化硼粉末作为起始原料；以及
[0036] 将所述六方氮化硼粉末转化为立方氮化硼和纤锌矿型氮化硼，并在满足以下条件 的温度和压力下烧结所述立方氮化硼和所述纤锌矿型氮化硼：
[0037] P 彡 0· 0000122Τ2-0· 0531T+65. 846，
[0038] T 彡 2200,并且
[0039] P ^ 25,
[0040] 其中所述压力表示为P(GPa)且所述温度表示为T(°C )。通过这种制造方法得到 的立方氮化硼多晶体包含具有微细的晶粒尺寸的立方氮化硼，并且为具有韧性的多晶体。
[0041] [本申请的发明的【具体实施方式】的细节]
[0042] 以下更详细地描述了本申请的发明的实施方案（以下称为"本实施方案"）。
[0043] 〈立方氮化硼多晶体〉
[0044] 根据本实施方案的立方氮化硼多晶体包含立方氮化硼，所述立方氮化硼的平均晶 粒尺寸不大于150nm，在23°C ±5°C以及4. 9N的测试负荷下的努氏硬度测量中，比值b/a不 大于0. 085,所述比值b/a为努氏压痕的较长对角线的长度a和较短对角线的长度b的比 值。
[0045] 由此，根据本实施方案的立方氮化硼多晶体包含立方氮化硼。只要包含了氮化硼， 则可在能够展现本实施方案的效果的程度内包含不可避免的杂质。不可避免的杂质的例子 包括氮气（N2)、氢气（H2)、氧气（O2)等。所述多晶体基本上不包含粘合剂、烧结添