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REVENDICATIONS
1. Procédé pour la préparation de nitrure de bore cubique, caractérisé par le fait qu'on prépare d'abord un composé du bore de structure cubique à une pression d'environ 1 atm et à une température n'excédant pas 1200 C, puis qu'on remplace au moins partiellement dans ce composé l'élément autre que le bore par de l'azote afin d'obtenir du nitrure de bore cubique.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le remplacement dans ledit composé du bore de l'élément autre que le bore par de l'azote est obtenu par réaction à une pression d'environ 1 atm avec de l'azote gazeux ou avec un composé azoté.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le composé azoté est l'ammoniac.
4. Procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé par le fait que la réaction avec l'azote ou un composé azoté est effectuée à une température égale ou inférieure à celle de la formation dudit composé du bore.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ledit composé du bore est le phosphure de bore cubique.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le phosphure de bore est obtenu par réduction d'un mélange gazeux d'un halogénure de phosphore et d'un halogénure de bore.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le phosphure de bore est obtenu par réduction au moyen de l'hydrogène, à une température comprise entre 800 et 1200 C, d'un mélange gazeux de chlorure de phosphure et de chlorure de bore.
8. Application du procédé selon la revendication 1 à la formation d'un revêtement pour pièces métalliques ou céramiques.
La présente invention se rapporte à la préparation de nitrure de bore de structure cubique et à l'application de ce procédé à la formation d'un revêtement pour pièces métalliques ou céramiques, par exemple pour outils de coupe en métal dur.
Il est bien connu que, parmi les matériaux les plus durs existants, le nitrure de bore de structure cubique vient directement après le diamant. De plus, il est également connu que l'obtention de celui-ci est relativement difficile, car elle nécessite des pressions importantes, à l'instar du diamant. En effet, si les pressions d'élaboration ne sont pas suffisamment élevées, le nitrure de bore est obtenu sous sa forme hexagonale et ses caractéristiques mécaniques ne présentent alors plus le même intérêt.
II est possible d'obtenir actuellement sur le marché des pièces massives en nitrure de bore cubique fritté; toutefois, les dimensions de ces pièces sont relativement faibles, en raison de la technologie complexe que leur obtention nécessite. Une technique pour obtenir une pièce de dimensions importantes consisterait donc à réaliser cette pièce soit en acier, soit en métal dur, ou en tout autre matériau résistant à une certaine température, par exemple au moins environ 1000oC, puis à la revêtir d'une couche de nitrure de bore cubique.
Cependant, cette technique n'est pas non plus directement applicable, puisque toutes les méthodes de dépôt direct connues conduisent à l'obtention d'un nitrure de bore de structure hexagonale.
Le but de cette invention consiste par conséquent à fournir un procédé qui permette d'obtenir du nitrure de bore cubique, par exemple sous la forme d'un revêtement sur un substrat massif, et qui puisse être effectué à la pression atmosphérique. Le procédé objet de
I'invention et qui vise à atteindre le but ci-dessus est caractérisé par le fait qu'on prépare d'abord un composé du bore de structure cubique à une pression d'environ 1 atm et à une température n'excédant pas 200 C, puis qu'on remplace au moins partiellement dans ce composé l'élément autre que le bore par de l'azote afin d'obtenir du nitrure de bore cubique.
Un second objet de cette invention consiste en l'application du procédé ci-dessus à la formation d'un revêtement pour pièces métalliques ou céramiques, par exemple pour des outils de coupe.
L'obtention de nitrure de bore cubique est donc rendue possible selon l'invention par la formation intermédiaire d'un autre composé du bore qui peut être, lui, obtenu aisément sous forme cubique sans nécessiter une pression élevée, le composé actuellement préféré étant le phosphure de bore.
Le monophosphure de bore (BN) de structure cubique peut être obtenu, par exemple, sous la forme d'une couche de revêtement sur un substrat par une méthode connue, telle que déposition par réaction chimique ou physique en phase gazeuse (CVD ou PVD, sputtering, etc.). Le dépôt du phosphure de bore par CVD se fait généralement à une température comprise entre environ 800 et 1200 C, à la pression atmosphérique, et par réduction en phase gazeuse au moyen de l'hydrogène d'un mélange d'halogénures de chacun des deux éléments. Plus particulièrement, Nishinaga et ai., dans J. of
Cryst. Growth , 13/14, 346 (1972), préconisent la réduction par l'hydrogène d'un mélange de BBr3 et de PCl3 entre 900 et il 00 C, à la pression atmosphérique.
Le phosphure de bore cubique peut également être obtenu, selon Chu et al. ( J. of Applied Physics , 42 (1), 420, 1971), par décomposition thermique d'un mélange d'hydrures.
Pour l'obtention du nitrure de bore cubique désiré, il convient ensuite de faire réagir le phosphure de bore avec de l'azote ou un composé azoté, par exemple de préférence de l'ammoniac. L'opération de nitruration peut être réalisée de façon séparée ou directement à la suite de la formation du composé intermédiaire, et elle est effectuée à la même température que celle utilisée pour la formation de ce composé intermédiaire ou à une température inférieure.
Comme composé de bore de structure cubique servant de composé intermédiaire, on peut également citer l'arséniure de bore (BAs).
Le procédé selon Invention sera maintenant illustré en référence à l'exemple suivant.
Exemple:
La pièce à revêtir a été placée dans un four chauffé à environ 1000"C C et dans lequel on a introduit un mélange gazeux d'hydro- gène, de chlorure de phosphore et de chlorure de bore, la réaction étant effectuée pendant environ 90 min pour former une couche de phosphure de bore sur la surface de la pièce.
Puis de l'azote a été introduit dans l'enceinte à la même température que précédemment pendant 30 min, afin de transformer la couche de phosphure de bore partiellement par du nitrure de bore.
La pièce obtenue après refroidissement présentait en effet une couche d'environ 3 p de nitrure de bore, dont la structure cubique a été mise en évidence par les rayons X.
Bien entendu, lorsque le procédé selon l'invention est appliqué à la formation d'un revêtement pour une pièce métallique ou céramique, par exemple pour mieux protéger la surface d'un outil de coupe soumis à forte usure, la couche de nitrure de bore cubique peut être soit seule, soit combinée avec d'autres couches de revêtement telles que des couches de carbures, de nitrures, d'oxydes, etc., et peut se trouver soit en surface d'un tel revêtement stratifié, soit en sandwich entre les autres couches d'un tel revêtement.
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CLAIMS
1. Process for the preparation of cubic boron nitride, characterized in that a boron compound with a cubic structure is first prepared at a pressure of approximately 1 atm and at a temperature not exceeding 1200 ° C., then that the element other than boron is at least partially replaced in this compound by nitrogen in order to obtain cubic boron nitride.
2. Method according to claim 1, characterized in that the replacement in said boron compound of the element other than boron by nitrogen is obtained by reaction at a pressure of about 1 atm with nitrogen gaseous or with a nitrogenous compound.
3. Method according to claim 2, characterized in that the nitrogenous compound is ammonia.
4. Method according to claim 2 or claim 3, characterized in that the reaction with nitrogen or a nitrogen compound is carried out at a temperature equal to or lower than that of the formation of said boron compound.
5. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that said boron compound is cubic boron phosphide.
6. Method according to claim 5, characterized in that the boron phosphide is obtained by reduction of a gas mixture of a phosphorus halide and a boron halide.
7. Method according to claim 6, characterized in that the boron phosphide is obtained by reduction by means of hydrogen, at a temperature between 800 and 1200 C, of a gaseous mixture of phosphide chloride and chloride boron.
8. Application of the method according to claim 1 to the formation of a coating for metallic or ceramic parts.
The present invention relates to the preparation of boron nitride of cubic structure and to the application of this process to the formation of a coating for metallic or ceramic parts, for example for hard metal cutting tools.
It is well known that, among the hardest materials available, cubic boron nitride comes directly after diamond. In addition, it is also known that obtaining it is relatively difficult, because it requires significant pressures, like diamond. Indeed, if the production pressures are not high enough, the boron nitride is obtained in its hexagonal form and its mechanical characteristics then no longer have the same advantage.
It is currently possible to obtain solid sintered cubic boron nitride parts on the market; however, the dimensions of these parts are relatively small, due to the complex technology that their production requires. One technique for obtaining a part of large dimensions would therefore consist in making this part either in steel or in hard metal, or in any other material resistant to a certain temperature, for example at least about 1000 ° C., then in coating it with a layer. cubic boron nitride.
However, this technique is also not directly applicable, since all the known direct deposition methods lead to the production of a boron nitride of hexagonal structure.
The object of this invention therefore consists in providing a process which makes it possible to obtain cubic boron nitride, for example in the form of a coating on a solid substrate, and which can be carried out at atmospheric pressure. The process object of
I'invention and which aims to achieve the above goal is characterized by the fact that first prepares a boron compound with a cubic structure at a pressure of about 1 atm and at a temperature not exceeding 200 C , and then at least partially replace in this compound the element other than boron with nitrogen in order to obtain cubic boron nitride.
A second object of this invention consists in applying the above method to the formation of a coating for metallic or ceramic parts, for example for cutting tools.
Obtaining cubic boron nitride is therefore made possible according to the invention by the intermediate formation of another boron compound which can itself be easily obtained in cubic form without requiring high pressure, the currently preferred compound being the boron phosphide.
The cubic structure boron monophosphide (BN) can be obtained, for example, in the form of a coating layer on a substrate by a known method, such as deposition by chemical or physical reaction in the gas phase (CVD or PVD, sputtering, etc.). The deposition of boron phosphide by CVD is generally carried out at a temperature of between approximately 800 and 1200 ° C., at atmospheric pressure, and by reduction in the gas phase by means of hydrogen of a mixture of halides of each of the two elements. More particularly, Nishinaga et al., In J. of
Cryst. Growth, 13/14, 346 (1972), recommend the reduction by hydrogen of a mixture of BBr3 and PCl3 between 900 and 1100 C, at atmospheric pressure.
Cubic boron phosphide can also be obtained, according to Chu et al. (J. of Applied Physics, 42 (1), 420, 1971), by thermal decomposition of a mixture of hydrides.
To obtain the desired cubic boron nitride, it is then necessary to react the boron phosphide with nitrogen or a nitrogenous compound, for example preferably ammonia. The nitriding operation can be carried out separately or directly following the formation of the intermediate compound, and it is carried out at the same temperature as that used for the formation of this intermediate compound or at a lower temperature.
As boron compound with a cubic structure serving as an intermediate compound, mention may also be made of boron arsenide (BAs).
The process according to the invention will now be illustrated with reference to the following example.
Example:
The piece to be coated was placed in an oven heated to about 1000 "CC and into which a gaseous mixture of hydrogen, phosphorus chloride and boron chloride was introduced, the reaction being carried out for about 90 min to form a layer of boron phosphide on the workpiece surface.
Then nitrogen was introduced into the enclosure at the same temperature as previously for 30 min, in order to transform the layer of boron phosphide partially with boron nitride.
The part obtained after cooling had indeed a layer of approximately 3 p of boron nitride, the cubic structure of which was highlighted by X-rays.
Of course, when the method according to the invention is applied to the formation of a coating for a metallic or ceramic part, for example to better protect the surface of a cutting tool subjected to high wear, the layer of boron nitride cubic can be either alone or combined with other coating layers such as layers of carbides, nitrides, oxides, etc., and can be found either on the surface of such a laminated coating, or sandwiched between the other layers of such a coating.