CN105019026A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种包含立方氮化硼的立方氮化硼多晶体，所述立方氮化硼的平均晶粒尺寸不小于150nm，在23℃±5℃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，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。本发明还涉及切削工具、耐磨工具、研磨工具和制造立方氮化硼多晶体的方法。本发明的立方氮化硼多晶体为具有韧性的多晶体。

Description

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

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

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。

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。

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10μm，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。

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℃的条件。

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

日本已审查专利公布No.49-027518中公开了在(例如)6GPa的压力和1100℃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3μm，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。

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1550℃至2100℃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0.1μm至1μm。

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。

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。

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℃±5℃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。

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：

制备晶粒尺寸不大于0.5μm的六方氮化硼粉末作为起始原料；以及

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：

P≥0.0000122T²-0.0531T+65.846，

T≤2200，并且

P≤25，

其中所述压力表示为P(GPa)且所述温度表示为T(℃)。

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。

附图简要说明

图1示出了努氏压痕。

优选实施方式的说明

[本申请的发明的具体实施方式的说明]

首先，以下描述了本发明的实施方案。

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0.5μm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。

[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℃±5℃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。

[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。

[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。

[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。

[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I₍₂₂₀₎与(111)面的X射线衍射强度I₍₁₁₁₎的比值I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎为不小于0.1且不大于0.3。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。

[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。

[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。

[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。

[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：

制备晶粒尺寸不大于0.5μm的六方氮化硼粉末作为起始原料；以及

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：

P≥0.0000122T²-0.0531T+65.846，

T≤2200，并且

P≤25，

其中所述压力表示为P(GPa)且所述温度表示为T(℃)。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。

[本申请的发明的具体实施方式的细节]

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”)。

<立方氮化硼多晶体>

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℃±5℃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。

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、烧结添加剂、催化剂等，这也是本实施方案的立方氮化硼多晶体的一个优点。这是因为能够克服在常规立方氮化硼烧结体中引入的粘合剂、烧结添加剂和催化剂所带来的缺点。

此外，所述立方氮化硼多晶体优选包含不大于0.1体积％的常压型氮化硼。这是因为当包含大于0.1体积％的常压型氮化硼时，强度可能会显著降低。

值得注意的是，所述立方氮化硼多晶体是烧结体，但在很多情况下，术语“烧结体”通常意味着包含粘合剂，因此在本实施方案中使用了术语“多晶体”。

<立方氮化硼>

本实施方案的立方氮化硼多晶体中所包含的立方氮化硼具有小的晶粒尺寸，优选平均粒度不大于150nm，更优选平均粒度不大于100nm。此外，越小的平均粒度越优选，因此，不需要限定其下限；然而，出于制造方面的原因，其下限为20nm。

这种立方氮化硼的晶粒尺寸优选为是均匀的，以获得无应力集中、以及高强度，因此此处的平均粒度优选呈现正态分布。当所包含的晶粒同时包括大晶粒和小晶粒时，其上将产生应力集中，因此强度降低，因而其平均粒度优选呈现正态分布，并且优选是均匀的。值得注意的是，在本申请中，表述“立方氮化硼的晶粒尺寸”表示所述立方氮化硼多晶体中立方氮化硼的晶体晶粒的晶粒尺寸。

可以通过使用扫描电子显微镜的分割法(intercept method)来获得平均粒度。具体而言，首先以1000x至100000x的放大倍数使用扫描电子显微镜(SEM)观察立方氮化硼多晶体，以得到SEM图像。

接下来，在SEM图像上画圆，然后以径向方式(直线间夹角彼此基本相等的方式)由圆心至圆的外周画八条直线。在这种情况下，优选这样设定观察放大倍数和圆圈直径，以使得每条直线上的立方氮化硼晶粒(晶体晶粒)的数目为约10至50。

然后，计算每条直线中被直线穿过的立方氮化硼的晶体晶粒边界的数目，然后，将所述直线的长度除以该数目以得到平均分割长度(intercept length)，然后，将平均分割长度乘以1.128，所得结果即视为平均晶粒尺寸。值得注意的是，这种平均晶粒尺寸更优选通过以下方式得到：使用若干SEM图像，通过上述方法得到各图像中的平均晶粒尺寸，并将这些平均晶粒尺寸的平均值视为平均晶粒尺寸。还应当注意的是，在通过上述方法进行的测量中，可能包括除了所述立方氮化硼外的其他晶粒的晶粒尺寸(如纤锌矿型氮化硼的晶体晶粒)；然而，即使还包括其他晶粒的晶粒尺寸，仍将所测得的数值视为立方氮化硼的平均晶粒尺寸。

由于本实施方案的立方氮化硼多晶体中所包含的立方氮化硼具有如此小的晶粒尺寸，因此其可被用于广泛的应用，例如当用作工具等时涉及到大负荷的应用和微加工应用。

<努氏硬度>

对于根据本实施方案的立方氮化硼多晶体，在23℃±5℃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。

这种所述努氏硬度的测量是一种在(例如)JIS Z 2251中规定的公知的标准，该标准表示工业材料的硬度，并且这样进行努氏硬度的测量：努氏压头在预设的温度和预设的负荷(测试负荷)下压向目标材料，从而得到所述材料的硬度。

这里，努氏压头是由金刚石制成的压头，呈四棱柱状并且底面为菱形。所述菱形底面限定为满足比值b/a为0.141，所述比值b/a为较长的对角线的长度a与较短的对角线的长度b的比值。此外，努氏压痕是在上述温度和测试负荷下努氏压头挤压并随即撤去之处在目标材料(本实施方案中的立方氮化硼多晶体)中的留下的印记。

本实施方案的立方氮化硼多晶体的一个特征是：努氏压痕中的比值b/a(不超过0.085)小于努氏压头中的初始比值b/a。这是由于所述目标材料(即，本实施方案的立方氮化硼多晶体)表现出弹性，并且压痕中发生了向初始形状的弹性地恢复(弹性恢复)。

具体而言，参照图1，其概念性地示出了努氏压痕，(例如)上述现象如下所述：当目标材料完全不展现弹性恢复时，努氏压头与努氏压痕的横截面在形状上是一样的(图1中标为“初始努氏压痕”的部分)，但是在图中箭头方向上易于发生弹性恢复，因此本实施方案的努氏压痕呈图中由实线表示的菱形。换句话说，这表示当在图中箭头方向上的恢复越大，则所述比值b/a的数值越小，并且该数值越小，则弹性恢复(弹性性能)越大。

显然，由于本实施方案的立方氮化硼多晶体的努氏压痕具有上述比值b/a，因此所述立方氮化硼具有大的弹性恢复性能，并且由于该高弹性恢复而具有高韧性，因此所述立方氮化硼多晶体是具有韧性的立方氮化硼多晶体。如上所述，本实施方案中的努氏压痕的比值b/a充当指示立方氮化硼多晶体的弹性恢复大小程度的指标。

此外，可以认为努氏压痕的比值b/a较小是优选的，这是因为随着比值b/a变小，弹性恢复变大，因此无需特别限定比值b/a的下限；然而，当弹性恢复过大时，弹性性能会变大，换言之，在加工时弹性形变变大，这将导致其用作工具时的加工性劣化。鉴于此，其下限数值优选设为0.060。努氏压痕的比值b/a更优选为0.070至0.080。

<纤锌矿型氮化硼>

本实施方案的立方氮化硼多晶体可包含纤锌矿型氮化硼(wBN)，并且优选包含不小于0.01体积％的这种纤锌矿型氮化硼。因而，所述多晶体的结构变得更加致密。值得注意的是，考虑到纤锌矿型氮化硼的特性，纤锌矿型氮化硼的含量上限为不大于65体积％。纤锌矿型氮化硼的存在提供了阻碍裂纹发展和提高韧性的效果，但是纤锌矿型氮化硼是在由六方氮化硼向立方氮化硼转化时的亚稳相，因此具有一些特性，例如其稳定性弱于立方氮化硼且耐磨性低。纤锌矿型氮化硼的含量的更优选范围为0.01体积％至20体积％。

当立方氮化硼多晶体包含纤锌矿型氮化硼时，立方氮化硼多晶体构造如下：立方氮化硼的多个晶体晶粒和纤锌矿型氮化硼的多个晶体晶粒分布至彼此之中。此外，立方氮化硼的晶体晶粒相互间紧密结合，纤锌矿型氮化硼的晶体晶粒相互间紧密结合，并且立方氮化硼晶体晶粒和纤锌矿型氮化硼晶体晶粒相互间紧密结合，由此得到致密结构。

值得注意的是，在包含不小于0.01体积％的纤锌矿型氮化硼、且余量由立方氮化硼和不可避免的杂质构成的立方氮化硼多晶体中，立方氮化硼的平均晶粒尺寸为约28nm至85nm，并且努氏压痕的所述比值b/a为不大于0.084。

<压缩型六方氮化硼>

本实施方案的立方氮化硼多晶体可包含压缩型六方氮化硼，且优选包含0.01体积％至0.5体积％的这种压缩型六方氮化硼。这能提供防止裂纹发展和提高韧性的功能。此外，由于允许压缩型hBN的存在，因此能在宽的温度范围内实现烧结，由此使生产率提高。然而，如果包含大于0.5体积％的压缩型hBN，则压缩型hBN中的应力集中可能变大从而降低强度。因此，当立方氮化硼多晶体还包含压缩型hBN时，其上限为0.5体积％。压缩型hBN的体积含量更优选为不小于0.01体积％且不大于0.1体积％，特别优选为不小于0.05体积％且不大于0.1体积％。

<X射线衍射>

在本实施方案的立方氮化硼多晶体中所包含的立方氮化硼的X射线衍射中，(220)面的X射线衍射强度I₍₂₂₀₎与(111)面的X射线衍射强度I₍₁₁₁₎的比值I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎为不小于0.1且不大于0.3。由此，所述多晶体变为各向同性，因此当用于工具等时减少了非均匀的磨损。

当比值I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎在上述范围之外时，所述多晶体中实现了取向，从而导致多晶体中为各向异性。在这种情况中，多晶体的强度存在一定的分布，从而提供了具有高强度的表面和具有低强度的表面。因此，这种多晶体不适用于工具。特别地，在诸如端铣刀之类的转动工具的情况中，其表面分为容易磨损或崩裂的表面和不容易磨损或崩裂的表面，因此导致非均匀的磨损。为了克服这样的缺点，优选在多晶体内实现各向同性。

所述比值I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎更优选为不小于0.15且不大于0.25。

<应用>

由于本实施方案的立方氮化硼多晶体中所包含的立方氮化硼(晶体晶粒)具有微细的晶粒尺寸且具有韧性，因此适合于将所述立方氮化硼多晶体用于切削工具、耐磨工具、研磨工具等。换言之，本实施方案的各切削工具、耐磨工具和研磨工具均含有上述立方氮化硼多晶体。

值得注意的是，所述工具均可完全由所述立方氮化硼多晶体构成，或者仅部分(例如，在为切削工具的情况中的刃部)可由立方氮化硼多晶体构成。此外，可在各工具的表面上形成覆膜。

在本文中，切削工具的例子包括钻头、端铣刀、钻头用切削刃替换型切削刀片、端铣刀用切削刃替换型切削刀片、铣削用切削刃替换型切削刀片、车削用切削刃替换型切削刀片、金工锯、齿轮切削刀具、铰刀、螺丝攻、和切削刨刀(bite)等。

此外，耐磨工具的例子包括模具、划线器(scriber)、划线轮、修整器(dresser)等。

此外，研磨工具的例子包括研磨石等。

<制造方法>

根据本实施方案的制造立方氮化硼多晶体的方法包括以下步骤：

制备晶粒尺寸不大于0.5μm的六方氮化硼粉末作为起始原料(以下也称作“制备步骤”)；和

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(以下也称作“烧结步骤”)：

P≥0.0000122T²-0.0531T+65.846，

T≤2200，并且

P≤25，

其中所述压力表示为P(GPa)且所述温度表示为T(℃)。

通过所述制造方法，能够制造上述立方氮化硼多晶体。具体而言，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晶粒尺寸(即平均粒度不大于150nm)的立方氮化硼，并且其为具有韧性的多晶体。

在制备步骤中，作为起始原料的六方氮化硼粉末的晶粒尺寸可稍大于将要得到的立方氮化硼多晶体的立方氮化硼的平均晶粒尺寸。这是因为在由六方氮化硼转化为立方氮化硼的过程中，hBN中原子之间的结合被断开，并且原子重新排列并重新结合，结果，立方氮化硼的晶粒尺寸小于原材料的晶粒尺寸。然而，当原材料的晶粒尺寸小时，则会产生在hBN中的原子间不存在内在结合的大量晶界，结果，转化后的立方氮化硼的晶粒尺寸变小。反之，当原材料的晶粒尺寸大时，则立方氮化硼的晶粒尺寸变大，导致比值b/a较大。因此，将六方氮化硼粉末的晶粒尺寸设为不大于0.5μm，并且出于生产方面的原因，其下限值为0.05μm。更优选的晶粒尺寸为不小于0.1μm且不大于0.5μm。

值得注意的是，六方氮化硼粉末的晶粒尺寸是指通过利用激光的激光衍射散射法测量的平均晶粒尺寸。

只要制备了以上所述的六方氮化硼粉末即可，对该制备步骤的方式并无限制，该制备步骤的实施方式可为(例如)通过常规已知的合成方法制造六方氮化硼粉末，或者通过获取市售的六方氮化硼粉末的方式。

此外，由于一些问题(例如，当温度较高时会发生晶粒生长，并且当温度较低时会残留有未转化的hBN)会导致比值b/a超过0.085，因此上述烧结步骤中的压力P(GPa)和温度T(℃)需要满足以下条件：

P≥0.0000122T²-0.0531T+65.846，

T≤2200，并且

P≤25，

这里，并不特别限制温度T(℃)，只要在该温度下可获得立方氮化硼多晶体即可，并且无需限定其下限值。更优选的是，温度T(℃)为1300℃至2100℃。

同样，并不特别限制压力P(GPa)，只要在该压力下能够获得立方氮化硼多晶体即可，并且无需限定其下限值。更优选的是，压力P(GPa)为10GPa至20GPa。

当所进行的烧结步骤中的温度和压力分别在合适范围内且满足上述关系表达式时，则所得到的立方氮化硼多晶体的努氏压痕的比值b/a不大于0.085，优选为0.072至0.084。

值得注意的是，上述烧结步骤中的温度和压力施用5至20分钟。如果短于5分钟，则烧结不充分，而如果长于20分钟，则烧结状态不存在区别，从而在经济上是不利的。更优选地，所述温度和压力施用10至20分钟。

这种烧结步骤是将六方氮化硼粉末转化为立方氮化硼和纤锌矿型氮化硼、并烧结立方氮化硼和纤锌矿型的步骤，但六方氮化硼粉末被单独地直接转化为立方氮化硼和纤锌矿型氮化硼，而不需要使用烧结添加剂和催化剂，且这种转化通常与烧结同时进行。

通过所述制造方法得到的立方氮化硼多晶体包含具有微细晶粒尺寸的立方氮化硼，其表现出弹性行为，因此是耐崩裂性得以改善的、具有韧性的多晶体。即，所述立方氮化硼多晶体适用于切削工具、耐磨工具、研磨工具等，这些工具可用于涉及大负荷的高速微加工。

[实施例]

将参照实施例更详细地描述本发明，但本发明并不限于此。

<实施例1至5>

通过如下方法制造实施例1至5中的各立方氮化硼多晶体。首先，制备作为起始原料的晶粒尺寸为0.5μm的六方氮化硼粉末(在下表1中“起始原料”一栏中表示为“微细晶粒hBN粉末”)(制备步骤)。

然后，将如上制备的六方氮化硼粉末引入由高熔点金属制成的胶囊中，然后使用超高压/高温发生装置在表1中所示的温度和压力(“合成条件”一栏)下保持20分钟，从而将六方氮化硼粉末转化为立方氮化硼和纤锌矿型氮化硼并将其烧结(烧结步骤)。从而得到立方氮化硼多晶体。

值得注意的是，表1中的温度和压力满足以下条件：P≥0.0000122T²-0.0531T+65.846。

<比较例1>

通过如下方法制造比较例1的立方氮化硼多晶体。首先，制备作为起始原料的晶粒尺寸为0.5μm的六方氮化硼粉末(在下表1中“起始原料”一栏中表示为“微细晶粒hBN粉末”)(制备步骤)。

然后，将如上制备的六方氮化硼粉末引入由高熔点金属制成的胶囊中，然后使用超高压/高温发生装置在表1中所示的温度和压力(“合成条件”一栏)下保持20分钟，从而将六方氮化硼粉末转化为立方氮化硼并将其烧结(烧结步骤)。从而得到立方氮化硼多晶体。

关于上述条件，温度为2400℃，其不满足T≤2200的条件。

<比较例2>

通过如下方法制造比较例2的立方氮化硼多晶体。首先，制备作为起始原料的晶粒尺寸为0.5μm的六方氮化硼粉末(在下表1中“起始原料”一栏中表示为“微细晶粒hBN粉末”)(制备步骤)。

然后，将如上制备的六方氮化硼粉末引入由高熔点金属制成的胶囊中，并且使用上/下施压带式(upward/downwardpressure-application belt-type)高压/高温发生装置在表1中所示的温度和压力(“合成条件”一栏)下保持20分钟，从而将六方氮化硼粉末转化为纤锌矿型氮化硼并将其烧结(烧结步骤)。从而得到立方氮化硼多晶体。

值得注意的是，上述条件并不满足以下关系式：

P≥0.0000122T²-0.0531T+65.846。

<比较例3>

通过如下方法制造比较例3的立方氮化硼多晶体。首先，制备作为起始原料的晶粒尺寸不大于5μm的六方氮化硼粉末(在下表1中“起始原料”一栏中表示为“粗晶粒hBN粉末”)(制备步骤)。

然后，将如上制备的六方氮化硼粉末引入由高熔点金属制成的胶囊中，然后使用超高压/高温发生装置在表1中所示的温度和压力(“合成条件”一栏)下保持20分钟，从而将六方氮化硼粉末转化为立方氮化硼和纤锌矿型氮化硼并将其烧结(烧结步骤)。从而得到立方氮化硼多晶体。

值得注意的是，上述条件不同于实施例中的条件，因为起始原料的晶粒尺寸为不大于5μm，该晶粒尺寸大于各实施例中起始原料的晶粒尺寸。

<比较例4>

通过如下方法制造比较例4的立方氮化硼多晶体。首先，制备作为起始原料的晶粒尺寸不大于2μm的立方氮化硼粉末和钴系金属粘合剂粉末(在下表1中“起始原料”一栏中表示为“cBN粉末/金属粘合剂粉末”)(制备步骤)。

然后，将如上制备的立方氮化硼粉末和钴系金属粘合剂粉末引入由高熔点金属制成的胶囊中，然后使用超高压/高温发生装置在表1中所示的温度和压力(“合成条件”一栏)下保持20分钟(烧结步骤)从而烧结。从而得到立方氮化硼烧结体。

关于上述条件，其起始原料不同于各实施例中的起始原料。

<评价>

对于通过上述方式得到的实施例1至5和比较例1至3中的各立方氮化硼多晶体和比较例4中的立方氮化硼烧结体，采用如下技术测定其组成、X射线衍射、晶粒尺寸和努氏压痕的比值b/a。

<组成>

利用X射线衍射装置鉴别各立方氮化硼多晶体和立方氮化硼烧结体中所包含的立方氮化硼(cBN)、压缩型六方氮化硼(hBN)和纤锌矿型氮化硼(wBN)。这种装置具有可提供波长为的Kα射线的X射线放射源Cu。结果示于表1的“组成”一栏中。

<X射线衍射>

对于各立方氮化硼多晶体和立方氮化硼烧结体中所包含的立方氮化硼，利用X射线衍射装置以获得(220)面的X射线衍射强度I₍₂₂₀₎与(111)面的X射线衍射强度I₍₁₁₁₎的比值I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎。这种装置具有可提供波长为的Kα射线的X射线放射源Cu。结果示于表1的“XRD I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎”一栏中。

<晶粒尺寸>

使用利用扫描电子显微镜的分割法以获得各立方氮化硼多晶体和立方氮化硼烧结体中所包含的立方氮化硼的平均晶粒尺寸。

具体而言，首先用扫描电子显微镜(SEM)观察各立方氮化硼多晶体和立方氮化硼烧结体，以得到SEM图像。

接下来，在SEM图像上画圆，然后以径向方式(直线间夹角彼此基本相等的方式)由圆心至圆的外周画八条直线。在这种情况下，优选这样设定观察放大倍数和圆圈直径，以使得每条直线上的立方氮化硼晶粒的数目为约10至50。

然后，计算被各直线穿过的立方氮化硼的晶体晶粒边界的数目，然后，将所述直线的长度除以该数目以获得平均分割长度(interceptlength)，然后，将平均分割长度乘以1.128，所得结果即视为平均晶粒尺寸。

值得注意的是，SEM图像的放大倍数是30000x。这是因为当放大倍数等于或者小于该放大倍数时，圆圈中的晶粒数增加，从而难以看到晶界，并且会对晶界数进行错误地计数，并且画线时很可能会将板状结构(plate structure)包括在内。这也是因为在放大倍数等于或大于此放大倍数时，圆中的颗粒数过少从而不能准确计算平均粒度。对于比较例1和4，其晶粒尺寸过大，因此使用3000x的放大倍数。

此外，对于各实施例和比较例，将在一个样品的隔开的部分所拍摄的三张SEM图像用于各实施例和比较例，通过上述方法得到各SEM图像的平均晶粒尺寸，并且将所获得的三个平均晶粒尺寸的平均值视为平均晶粒尺寸。结果示于表1的“平均晶粒尺寸”一栏中。

<努氏压痕的比值b/a和硬度>

对于各立方氮化硼多晶体和立方氮化硼烧结体，为了测量努氏压痕的比值b/a，在以下条件下测量努氏硬度。

即，将微型努氏压头用作努氏压头，且在23℃±5℃和4.9N的测试负荷下对努氏硬度测量五次。然后，对于每次测量，使用激光显微镜测量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，将其平均值视为努氏压痕的比值b/a。结果示于表1的“比值b/a”一栏中。

此外，作为各样品的硬度，从如上进行的五次测量的结果中，除去最小值和最大值后，获得三个数值的平均值，结果示于表1的“硬度”一栏中。

如表1所示，可确认，实施例1至5均包含1.0体积％至60.5体积％的纤锌矿型氮化硼(wBN)。此外，实施例1至5的立方氮化硼的平均晶粒尺寸均为28nm至85nm。同时，实施例1至5的努氏压痕的比值b/a均为0.072至0.084。

另一方面，比较例1的立方氮化硼的平均晶粒尺寸为1030nm，其大于实施例1至5的平均晶粒尺寸。同时，比较例1的努氏压痕的比值b/a为0.102，这明显表明弹性恢复量小于实施例1至5的弹性恢复量，因此其弹性性能也较小。

此外，在比较例2中，合成条件不满足关系式P≥0.0000122T²-0.0531T+65.846，并且立方氮化硼的X射线衍射中的比值I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎为0.03，因此取向度高并导致非各向同性。

此外，在使用了晶粒尺寸为5μm的六方氮化硼粉末作为原材料的比较例3中，其平均晶粒尺寸为191nm，这大于实施例1至5中的平均晶粒尺寸。同时，努氏压痕的比值b/a为0.091，这明显表明弹性恢复量小于实施例1至5的弹性恢复量，因此其弹性性能也较小。

此外，在使用了立方氮化硼粉末和粘合剂作为原料的比较例4中，努氏压痕的比值b/a为0.113，这明显表明弹性恢复量小于实施例1至5的弹性恢复量，因此其弹性性能也较小。

此外，将各实施例和比较例的各立方氮化硼多晶体和立方氮化硼烧结体连接至球头端铣刀工具的刀头(刀头直径为0.5mm)，然后评价其切削性能。准备HRC60硬化钢作为待切削材料，在转速为60000rpm、切削速度为200mm/分钟、切入量为5μm、进给量为3μm的条件下切削24米。切削结束时工具的磨损量表示为表2所示的“工具磨损相对比值”中。

[表2]

将具有最小磨损量的实施例2作为基准，实施例的磨损量如表2所示为1至2.2。另一方面，在比较例1和2中，分别在切削长度为12m和16m处发生极大的崩裂，因此加工中断。此外，比较例3和4磨损极大，具体而言，其磨损量分别为实施例2的3.8倍和7.8倍。因此，可以确认相比于比较例的立方氮化硼多晶体和立方氮化硼烧结体，各实施例的立方氮化硼多晶体具有更大的韧性。

至此，已经对本发明的实施方案和实施例进行了说明，但是从开始就旨在将实施方案和实施例的构成相组合并以各种方式对其进行修改。

尽管对本发明进行了详细的描述和说明，但应清楚地明白，这仅仅是说明和举例的方式而非限制的方式，本发明的范围仅由所附权利要求的项目解释。

Claims (9)

1.一种立方氮化硼多晶体，其包含立方氮化硼，

所述立方氮化硼的平均晶粒尺寸不大于150nm，

在23℃±5℃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。

2.根据权利要求1所述的立方氮化硼多晶体，其中所述立方氮化硼的平均晶粒尺寸不大于100nm。

3.根据权利要求1或2所述的立方氮化硼多晶体，其中所述立方氮化硼多晶体包含不小于0.01体积％的纤锌矿型氮化硼。

4.根据权利要求1或2所述的立方氮化硼多晶体，其中所述立方氮化硼多晶体包含0.01体积％至0.5体积％的压缩型六方氮化硼。

5.根据权利要求1或2所述的立方氮化硼多晶体，其中在所述立方氮化硼的X射线衍射中，(220)面的X射线衍射强度I₍₂₂₀₎与(111)面的X射线衍射强度I₍₁₁₁₎的比值I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎为不小于0.1且不大于0.3。

6.一种切削工具，其包含根据权利要求1或2所述的立方氮化硼多晶体。

7.一种耐磨工具，其包含根据权利要求1或2所述的立方氮化硼多晶体。

8.一种研磨工具，其包含根据权利要求1或2所述的立方氮化硼多晶体。

9.一种制造立方氮化硼多晶体的方法，包括以下步骤：

制备晶粒尺寸不大于0.5μm的六方氮化硼粉末作为起始原料；以及

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：

P≥0.0000122T²-0.0531T+65.846，

T≤2200，并且

P≤25，

其中所述压力表示为P(GPa)且所述温度表示为T(℃)。