CH618145A5 - Process for preparing needle-shaped, cubic boron nitride. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung von nadeiförmigem, kubischem Bornitrid, wobei hexagonales Bornitrid zusammen mit einem geeigneten Katalysator in einen Reaktor gegeben werden und dieser auf die für die Umsetzung zu kubischem Bornitrid geeigneten Temperaturen und Drücke gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das hexagonale Bornitrid im Gewichtsverhältnis hexagonales Bornitrid zu Katalysator zwischen 10 : 1 und 3 : 1 in Form einer Hülse um einen Katalysatorzylinder aufgebracht wird, so dass sich bei den zur Umsetzung zu kubischem Bornitrid geeigneten Temperaturen und Drücken im schichtförmig vorliegenden, hexagonalen Bornitrid schwache Stellen bilden.

2. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsverhältnis zwischen hexagonalem Bornitrid und Katalysator zwischen 6 : 1 und 5 : 1 liegt.

3. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator ein Alkalimetallnitrid oder ein Erdalkalimetallnitrid ist.

4. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator Kalziumnitrid oder Lithiumnitrid ist.

5. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Umsatz zu kubischem Bornitrid geeignete Temperatur zwischen 1500 und 2000°C und die zum gleichen Umsatz geeigneten Drücke zwischen 50 000 und 100 000 bar liegt, bzw. liegen.

6. Nadeiförmiges, kubisches Bornitrid, dadurch gekennzeichnet, dass es gemäss dem Verfahren des Patentanspruches 1 hergestellt ist.

7. Nadeiförmige, kubische Bornitrid-Teilchen gemäss Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine lange und eine kurze Achse aufweisen, wobei das Verhältnis zwischen der langen und der kurzen Achse mindestens 3 : 1 ist und wobei die lange Achse in der kristallographischen <111 >-Richtung liegt.

8. Nadeiförmige, kubische Bornitrid-Teilchen gemäss Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine unregelmässige Oberfläche aufweisen.

9. Nadeiförmige, kubische Bornitrid-Teilchen gemäss Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie brechbar sind.

10. Nadeiförmige, kubische Bornitrid-Teilchen gemäss Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Dimensionen zwischen 60 und 200 US-mesh liegen.

11. Nadeiförmige, kubische Bornitrid-Teilchen gemäss Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Dimensionen zwischen 80 und 170 US-mesh liegen.

12. Verwendung des nadeiförmigen, kubischen Bornitrids gemäss Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es in Schleifmitteln verwendet wird.

13. Verwendung gemäss Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bornitrid-Teilchen vor der Verwendung mittels eines Metalls überzogen werden.

14. Verwendung gemäss Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bornitrid-Teilchen mittels Nickel überzogen werden.

Die vorliegend beschriebene Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von nadeiförmigem, kubischem Bornitrid.

Kubisches Bornitrid ist eine harte Substanz, härter als Bor-nitrid ist nur noch Diamant. Der Stoff wird in der US-PS Nr. 2 947 617 geschützt. Das kubische Bornitrid wird durch Behandeln von hexagonalem Bornitrid bei erhöhten Temperaturen und Drücken in Anwesenheit von geeigneten Lösungsmitteln bzw. Katalysatoren hergestellt. Bei den erhöhten Temperaturen und Drücken ist das kubische Bornitrid kristallographisch stabil. Der obengenannte Zusatzstoff wirkt sowohl als Lösungsmittel wie auch als Katalysator. Diese Zusatzstoffe wer-5 den im weiteren einfach Katalysatoren genannt. Beispiele geeigneter Katalysatoren sind ebenfalls in der obengenannten US-PS angegeben und umfassen Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Blei, Antimon, Zinn und Nitride dieser Metalle. Auch andere Katalysatoren sind entwickelt worden, wie z.B. Alu-io minium/Eisen-Legierungen.

Zur Herstellung von kubischem Bornitrid braucht man sehr hohe Temperaturen und Drücke. Diese können z.B. in einer Vorrichtung erzeugt werden, wie sie in der US-PS Nr. 2 941 248 beschrieben ist. Diese Vorrichtung besteht im weis sentlichen aus einem ringförmigen Mantelbehälter, welcher eine durchgehende, konische Öffnung aufweist. In der Öffnung sind von oben und unten je ein Konusstumpf als Stempel eingeführt. Beim Erhöhen der Temperatur und des Druk-kes dehnen sich diese Stümpfe gegeneinander aus und definie-20 ren zwischen ihnen die eigentliche Reaktionszone. Ein geeignetes Schmiermittel, wie z.B. Pyrophyllit, wird zwischen die Stempel und die Ummantelung eingebracht. Das Mittel soll zugleich die Wärmeisolierung zwischen den einzelnen Bestandteilen sichern. Zur Erhöhung der Temperatur in der Re-25 aktionszone kann an die beiden Stempel eine elektrische Spannung angelegt werden. Dadurch wird in der Reaktionszone eine Widerstandsheizung erzeugt.

Kubisches Bornitrid ist ein gutes Schleifmittel zur Behandlung von Stahlwerkzeugen-, speziell zur Behandlung von 30 Schneidestählen. Es wird meistens in Form von in Harz gebundenen Teilchen zu Schleifscheiben verarbeitet.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von na-delformigem, kubischem Bornitrid ist im Patentanspruch 1 de-35 finiert.

Es wird angenommen, dass die nadeiförmigen, kubischen Bornitrid-Teilchen dadurch entstehen, dass während der Reaktion das Lösungsmittel in die genannten, schwachen Stellen eintritt. N atürlich bilden sich während des Vorgangs auch Bor-40 nitrid-Teilchen, die nicht nadeiförmig sind.

Die für die Umsetzung zu kubischem Bornitrid zu erreichenden Temperaturen und Drücke sind bekannt. Sie können in der obengenannten US-PS Nr. 2 947 617 eingesehen werden. Im allgemeinen liegt die notwendige Temperatur zwi-45 sehen 1500 und 2000°C und der notwendige Druck zwischen 50 000 und 100 000 bar. Die bevorzugten Katalysatoren sind Nitride der Alkali- und Erdalkalimetalle, speziell vorgezogen werden Kalziumnitrid und Lithiumnitrid.

Es ist festgestellt worden, dass bei dieser Anordnung unter so den für die Umsetzung zu kubischem Bornitrid geeigneten Temperaturen und Drücken radiale Schwächestellen in der Hülse aus hexagonalem Bornitrid auftreten. In diese Schwächestellen dringt der Katalysator ein und produziert dort die nadeiförmigen, kubischen Bornitrid-Teilchen. Die Hülse aus 55>hexagonalem Bornitrid mit dem Katalysatorkern kann selbst in eine Hülse aus Pyrophyllit eingeführt werden. In dieser Anordnung kann das Gesamte dann im obenbeschriebenen Reaktor zum Umsatz gebracht werden.

Die Hülse aus hexagonalem Bornitrid kann eine kontinu-60 ierliche Hülse sein, oder sie kann aus verschiedenen Segmenten zusammengesetzt sein. Es muss in jedem Fall darauf geachtet werden, dass die Hülsen und der Katalysator-Zylinder genau ineinanderpassen.

Der Zylinder kann auch in Form von losem Pulver einge-65 füllt werden, es ist jedoch vorteilhaft, ihn als kompakten Körper einzusetzen. Zur Kompaktierung des Katalysator-Zylinders sind alle bekannten Kompaktierungsverfahren geeignet. Auf und unter dem Katalysator-Zylinder können zusätzlich

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kreisförmige Platten aus hexagonalem Bornitrid gelegt werden.

Die Gewichtsverhältnisse zwischen hexagonalem Bornitrid und Katalysator liegen vorzugsweise im Bereich zwischen 6 : 1 und 5 :1.

Die nadeiförmigen, kubischen Bornitrid-Teilchen, welche gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt worden sind, sind dadurch ausgezeichnet, dass sie eine längere Längs- und eine kurze Querachse aufweisen. Das Verhältnis der langen zur kurzen Achse ist mindestens 3:1. Die Längsachse liegt in der kristallographischen <111 >-Achse. Zur Erfindung gehört, neben dem Herstellungsverfahren, auch die damit hergestellten nadeiförmigen, kubischen Bornitrid-Teilchen.

Beispiele der erfindungsgemässen Bornitrid-T eilchen sind in den beigelegten Fotografien in Fig. 1 und 2 gezeigt. Die Vergrösserung in der Fig. 1 ist 269fach und in der Fig. 2 273-fach. Man kann aus den Aufnahmen ersehen, dass die Längsachse dieser Teilchen in der kristallographischen <111 >-Richtung liegt und dass die Teilchen eine unregelmässige Oberfläche aufweisen.

Zur Bestimmung des obenangegebenen Verhältnisses zwischen Längs- und Querachse misst man jeweils die längste Längs- und die längste Querachse.

Die mittleren Dimensionen der erfindungsgemässen Teilchen liegen im Bereich 60 bis 200 US-mesh. Vorteilhafterwei-se liegen die Teilchen zwischen 80 und 170 US-mesh.

Die erfindungsgemässen Teilchen sind im allgemeinen brechbar. Das macht sie speziell geeignet fur Schleifprozesse, weil durch das Abbrechen der Teilchen immer neue Schneidoberflächen an ihnen entstehen. Die Teilchen können in die bekannten Schleifmittel eingebaut werden. Beispiele solcher Mittel sind die harzgebundenen oder metallgebundenen Schleifscheiben. Es ist von Vorteil, wenn die Teilchen mit ihrer Längsachse senkrecht zur Schleiffläche angeordnet werden.

Wegen ihrer Brechbarkeit ist es von Vorteil, wenn die Teilchen in harzgebundenen Schleifscheiben eingebaut werden. Die unregelmässige Oberfläche der Teilchen bewirkt, dass diese in den Harzmatrizen sehr gut verankert werden. Diese Verankerung kann weiter verbessert werden, indem die Teilchen mit Metallen, speziell mit Nickel, überzogen werden.

Harzgebundene Schleifscheiben, wie auch ihre Herstellungsmethoden, sind bekannt. Um einen mittleren Zylinder werden dabei geeignete Mischungen aus pulverförmigen Harzbildnern, kubischem Bornitrid und Füllstoffen gegeben. Durch Anwendung von Druck und Hitze wird die Mischung ausgehärtet. Das Harz kann ein Phenolformaldehyd- oder ein Polyimid-Harz sein. Es sind aber auch andere geeignete Harze bekannt.

Der Anteil der kubischen Bornitrid-Teilchen in der eigentlichen Schleifscheibe variiert im allgemeinen zwischen 10 und 25 Vol.-%. Die Orientierung der Bornitrid-T eilchen kann durch äussere Felder bewerkstelligt werden. Zum Beispiel kann ein äusseres elektrostatisches Feld angelegt werden. Ebenso können die Teilchen mit einem magnetischen Material, wie z.B. einem ferromagnetischen Metall, überzogen und diese dann mittels eines von aussen angelegten magnetischen Feldes ausgerichtet werden.

In einem Beispiel des erfindungsgemässen Verfahrens wurde ein Zylinder aus kompaktiertem Lithiumnitrid mit einer Hülse aus hexagonalem Bornitrid umgeben. Die Dimensionen der beiden Teile waren so, dass die Hülse genau auf den Zylinder passte. Auf und unter dem Katalysator-Zylinder wurden hierauf noch kreisförmige Scheiben von hexagonalem Bornitrid gelegt. Die Fig. 3 der beigelegten Zeichnungen illustriert schematisch die obenbeschriebene Anordnung. In der angegebenen Figur bezeichnet 10 den Katalysator-Zylinder, 12 die Hülse und 14 die obere Platte aus hexagonalem Bornitrid. Die Gewichts Verhältnisse zwischen hexagonalem Bornitrid und dem Zylinder aus Lithiumnitrid waren in diesem Fall ungefähr 6 : 1.

Die beschriebene Lithiumnitrid-Bornitrid-Anordnung wurde hierauf in eine weitere Hülse aus Pyrophyllit gegeben. Die ganze Anordnung wurde hierauf in eine Reaktionszone für hohe Temperaturen und Drücke gegeben. Der dazu verwendete Apparat war von der Art, wie er in der US-PS Nr. 2 941 248 beschrieben ist.

In der Reaktionszone des Apparats wurde hierauf der Druck auf 55 000 bar und hierauf die Temperatur auf 1500°C gebracht. Diese Bedingungen wurden ungefähr 10 Minuten lang aufrechterhalten. Hierauf wurde zuerst die Temperatur erniedrigt und hierauf der Druck. Das kubische Bornitrid aus der Reaktionszone wurde mittels konventioneller Methoden erhalten. Es enthielt einen hohen Anteil an nadeiförmigen Teilchen, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind. Die Dimensionen der erhaltenen Teilchen lagen im Mittel bei 60 bis 170 US-mesh.

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2 Blätter Zeichnungen