製備包含立方氮化硼的研磨產品的方法
2023-04-29 20:38:31 2
專利名稱：製備包含立方氮化硼的研磨產品的方法
背景技術：
本發明涉及一種製備包含立方氮化硼和膠接的碳化物的研磨產品的方法。
膠接的碳化物是一種廣泛用於工業各種用途的材料，它既可以作為研磨材料又可以作為耐磨損材料使用。膠接的碳化物通常由適當的碳化物顆粒組成，例如碳化鎢，碳化鉭或碳化鈦，這些碳化物粒子通過諸如鈷、鐵或鎳、或其合金作為粘合金屬結合在一起。一般地，膠接的碳化物中的金屬含量大約在3-35％重量。它們通過在大約1400℃的溫度下燒結碳化物顆粒與粘合金屬製得。
在本領域另一方面，發現了超硬的研磨產品和耐磨損產品。金剛石和立方氮化硼緻密物是金剛石或立方氮化硼顆粒的多晶聚集物，鍵合是在高溫和高壓條件下產生的，在上述條件下，超硬組分，即金剛石或立方氮化硼是穩定的結晶狀態。無論有無第二相或粘合基質，都可以製備多晶金剛石(PCD)和多晶立方氮化硼(PCBN)。以金剛石為例，當提供第二相時，第二相可以是催化劑/溶劑，例如鈷，也可以是碳化物形成元素，例如矽。在PCBN合成中也利用了相似的燒結機制，其中各種碳化物，氮化物和硼化物是常用的第二相。
PCD和PCBN具有比膠接的碳化物高很多的耐磨性，但有點脆。這種脆性能導致作業表面的邊緣破碎，從而可能給要求精細加工的應用帶來問題。而且，超硬產品如PCD和PCBN一般不能直接銅焊到金屬載體上。因此它們經常與膠接的碳化物基體結合進行燒結。此種超硬產品的雙層特性在兩種材料之間的熱-機械應力方面存在問題由於兩種材料之間不同的膨脹係數和彈性模量會導致對冷熱具有不同的膨脹和收縮度，如果基體與超硬產品之間差異很大，就會形成裂縫或導致不利的殘餘應力。這種雙層材料的另一個潛在問題是下切，即耐磨性較差的碳化物載體會優先磨損。另外，超硬產品的加工是困難而昂貴的，而碳化物產品能相對容易地研磨成最終的幾何形狀。
為解決這些問題中的一些，人們進行了努力。
日本專利JP57116742A公開了一種在熱壓條件下製備改性的膠接的碳化物的方法，即在約1400-1500℃的溫度且壓力極小或無壓條件下進行製備。但在這些條件下，立方氮化硼不是結晶學穩定的狀態。
歐洲專利EP0256829描述了一種製備研磨和耐磨損材料的方法，該材料含有碳化物顆粒、立方氮化硼顆粒和粘合金屬或合金，上述物質粘合成為粘合的燒結產品，該材料中立方氮化硼顆粒的含量不超過20％重量，並且該材料基本上不含六方形氮化硼，該方法包括使合適量的碳化物顆粒和立方氮化硼顆粒與粘合金屬或合金接觸，在立方氮化硼結晶學穩定的溫度和壓力下，燒結上述顆粒與金屬或合金。
金屬(b)優選選自鋁、矽、鈦、鋯、鉬、鈮、鎢、釩、鉿、鉭、鉻、鎂、鈣、鋇、釔、鈹、鈰、鍶、釷、鑭和鋰。
優選的金屬(b)選自矽、鋁和鈦。
優選地，粘合金屬或合金包含60％-99.5％體積的金屬(a)和0.5％-40％體積(包括端點)的金屬(b)。
金屬(a)優選以粉末形式提供，但也可以以能夠隨後熱解為分散良好的金屬的有機前體或鹽前體的形式加入。
金屬(b)可以以粉末形式提供，但也可以以有機前體或鹽前體的形式加入。另外，金屬(b)可以以非化學計量的碳化物、氮化物或硼化物形式提供，或以化學計量的碳化物、氮化物或硼化物形式提供，它能充分地溶於金屬(a)，從而使金屬(b)能夠遷移通過金屬(a)。
金屬(a)和(b)也可以以金屬(a)和(b)的合金形式提供。
粘合金屬或合金，例如金屬(a)和(b)，可以與碳化物顆粒及立方氮化硼顆粒相混合，然後可以就這樣將混合物燒結；或者在燒結前，首先對混合物進行冷壓，形成雖弱但粘合在一起的物體。
另一種做法是，粘合金屬或合金，例如金屬(a)和(b)，可以以與立方氮化硼-碳化物混合物相鄰的分開的層的形式提供，並在高溫/高壓處理中滲入。
立方氮化硼顆粒在混合物中的存在量優選使研磨產品中立方氮化硼的含量為10％～18％重量(包括端點)。
立方氮化硼顆粒可以是細的，也可以是粗的。立方氮化硼顆粒的粒徑優選在0.2-70μm(包括端點)範圍內，優選小於20μm，更優選小於10μm。
粘合金屬或合金的用量優選為研磨產品的2％-20％重量(包括端點)，更優選為研磨產品的5％-20％重量(包括端點)，最優選為小於研磨產品的15％重量。
碳化物顆粒可以是傳統的膠接的碳化物生產中所用的任何碳化物顆粒。合適的碳化物的例子是碳化鎢、碳化鉭、碳化鈦和它們的兩種或兩種以上的混合物。
碳化物顆粒的粒徑優選在0.1～10μm(包括端點)範圍內。
碳化物和立方氮化硼顆粒與粘合金屬或合金的混合物的燒結優選在溫度為1200-1600℃(包括端點)，且壓力為30-70kbar(包括端點)的條件下進行。
該步驟優選在受控的非氧化條件下進行。
碳化物和立方氮化硼顆粒與粘合金屬或合金的混合物的燒結可以在傳統的高溫/高壓設備中進行。混合物可以直接放入此種設備的反應容器中。或者，將混合物放在膠接的碳化物載體上或放在形成於碳化物載體上的凹陷處，並以這種形式放入容器中。
在本發明的優選方法中，在燒結前，將碳化物顆粒、立方氮化硼顆粒及粘合金屬或合金的揮發物除去，例如通過在真空中對其加熱。然後在燒結前，優選將這些組分通過諸如電子束焊接進行真空密封。所述真空可以為例如1mbar真空度或更低，並且加熱可以在500-1200℃(包括端點)的溫度範圍內進行。
通過本發明方法製備的研磨產品可用作磨蝕材料的研磨產品，或者用作耐磨損材料，特別是由粘合到膠接的碳化物載體上的研磨緻密物所構成的工具部件或插件。典型的應用包括建築材料和木材的切割，以及各種金屬工件如不鏽鋼、球墨鑄鐵、高溫合金的加工。
粘合金屬或合金包括下述組合(a)過渡金屬或過渡金屬合金，優選鈷、鐵或鎳或它們的合金；(b)含量為粘合金屬或合金的大於0％至40％體積的第二金屬或第二金屬的合金，該第二金屬是比所述過渡金屬或過渡金屬合金更強的氮化物或硼化物形成物。
實際上，製得的研磨產品是通過加入立方氮化硼顆粒而改性的膠接的碳化物。這些顆粒的加入使膠接的碳化物具有更好的研磨性和耐磨損性。
製得的研磨產品必須基本上不含六方氮化硼。任何顯著量的六方氮化硼的存在都會降低產品的研磨性和耐磨損性。在製備產品的過程中，選擇實現這一目的的條件是重要的。
燒結步驟在粘合金屬或合金存在下進行，該粘合金屬或合金包括(a)過渡金屬或過渡金屬合金和(b)佔粘合金屬或合金的大於0％～40％體積的第二金屬或第二金屬的合金的組合，該第二金屬是比所述過渡金屬或過渡金屬合金更強的氮化物或硼化物形成物。
由於形成硼化物或氮化物的金屬趨向於與立方氮化硼顆粒反應，因此高含量的這種金屬會導致立方氮化硼相的過分減少，以及形成大量不利的脆相。因此金屬(b)的用量為粘合金屬或合金即金屬總量的至多40％體積，並發現這足以獲得高耐磨損的產品。
存在金屬(b)會提高立方氮化硼晶粒與碳化物基體之間的粘合，從而提高製得的研磨產品的性能。
結合下面實施例對本發明作更詳細的描述。
該材料的耐磨損性通過車削試驗來測試，其中在下列條件下對填充有二氧化矽粉的環氧樹脂進行加工。樣品形態 90°象限，3.2mm厚工具夾持器 中間位置(neutral)速率角 0°間隙角 6切割速度10m/min切割深度1.0mm進料速度0.3mm/轉測試時間60秒在給出的條件下，該材料顯示出的最大側面磨損寬度是0.17mm.
權利要求
1.一種製備研磨產品的方法，包括(1)提供離散的碳化物顆粒與立方氮化硼顆粒的混合物，立方氮化硼顆粒在該混合物中的存在量使得研磨產品中立方氮化硼的含量為25％重量或更低；以及(2)在能夠將該混合物粘合成粘合的燒結產品的粘合金屬或合金的存在下，使混合物經受立方氮化硼結晶學穩定且基本上沒有六方氮化硼形成的高溫和高壓條件，其中粘合金屬或合金包括下述組合(a)過渡金屬或過渡金屬合金；以及(b)粘合金屬或合金的大於0％～40％體積的第二金屬或第二金屬的合金，該第二金屬是比所述過渡金屬或過渡金屬合金更強的氮化物或硼化物形成物；從而製備研磨產品。
2.權利要求1所述的方法，其中過渡金屬選自鈷、鐵和鎳。
3.權利要求1或2所述的方法，其中第二金屬(b)選自鋁、矽、鈦、鋯、鉬、鈮、鎢、釩、鉿、鉭、鉻、鎂、鈣、鋇、釔、鈹、鈰、鍶、釷、鑭和鋰。
4.權利要求3所述的方法，其中第二金屬(b)選自矽、鋁和鈦。
5.權利要求1-4中任一權利要求所述的方法，其中粘合金屬或合金含有60％-99.5％體積的金屬(a)和0.5％-40％體積的金屬(b)，所述範圍包括端點。
6.權利要求1-5中任一權利要求所述的方法，其中金屬(a)以粉末形式提供，或者以隨後熱解為分散良好的金屬的有機前體或鹽前體的形式提供。
7.權利要求1-6中任一權利要求所述的方法，其中金屬(b)以粉末形式提供，或者以有機前體或鹽前體的形式提供，或者以非化學計量的碳化物、氮化物或硼化物形式提供，或以化學計量的碳化物、氮化物或硼化物形式提供，其中它能充分地溶於金屬(a)。
8.權利要求1-5中任一權利要求所述的方法，其中金屬(a)和金屬(b)以金屬(a)和(b)的合金的形式提供。
9.權利要求1-8中任一權利要求所述的方法，其中在步驟(1)中粘合金屬或合金與碳化物顆粒和立方氮化硼顆粒相混合，以及在步驟(2)中該混合物經受高溫高壓條件。
10.權利要求1-8中任一權利要求所述的方法，其中在步驟(1)中粘合金屬或合金與碳化物顆粒和立方氮化硼顆粒相混合，此後，該混合物冷壓成弱粘結體，以及在步驟(2)中使弱粘結體經受高溫高壓條件。
11.權利要求1-8中任一權利要求所述的方法，其中在步驟(1)中粘合金屬或合金以與碳化物顆粒和立方氮化硼顆粒混合物相鄰的分開的層的形式提供，以及在步驟(2)中粘合金屬或合金在混合物經受高溫/高壓條件時滲入。
12.權利要求1-11中任一權利要求所述的方法，其中立方氮化硼顆粒在混合物中的存在量使得耐磨產品中立方氮化硼的含量為10％～18％重量，所述範圍包括端點。
13.權利要求1-12中任一權利要求所述的方法，其中立方氮化硼顆粒的粒徑在0.2-70μm範圍內，所述範圍包括端點。
14.權利要求1-13中任一權利要求所述的方法，其中粘合金屬或合金的用量為研磨產品的2％-20％重量，所述範圍包括端點。
15.權利要求1-14中任一權利要求所述的方法，其中碳化物顆粒選自碳化鎢顆粒、碳化鉭顆粒、碳化鈦顆粒和它們的兩種或兩種以上的混合物。
16.權利要求1-15中任一權利要求所述的方法，其中碳化物顆粒的粒徑在0.1～10μm範圍內，所述範圍包括端點。
17.權利要求1-16中任一權利要求所述的方法，其中在步驟(2)中高溫和高壓條件是溫度為1200-1600℃，壓力為30-70kbar，所述範圍包括端點。
18.權利要求1-17中任一權利要求所述的方法，其中步驟(2)在受控的非氧化條件下進行。
全文摘要
一種製備研磨產品的方法，包括提供離散的碳化物顆粒與立方氮化硼顆粒的混合物，立方氮化硼顆粒在該混合物中的存在量使得研磨產品中立方氮化硼的含量為25％重量或更低；和在能夠將該混合物粘合成粘合的燒結產品的粘合金屬或合金的存在下，使混合物經受立方氮化硼結晶學穩定且基本上沒有六方氮化硼形成的高溫和高壓條件，以製備研磨產品。粘合金屬或合金包括過渡金屬或過渡金屬合金，和粘合金屬或合金的至多40％體積的第二金屬，該第二金屬是比過渡金屬或過渡金屬合金更強的氮化物或硼化物形成物。
文檔編號C22C26/00GK1451055SQ01815078
公開日2003年10月22日 申請日期2001年8月3日 優先權日2000年8月8日
發明者R·弗裡斯, P·M·哈登 申請人:六號元素(控股)公司