CN107001156B - 制备多峰立方氮化硼粉末的方法 - Google Patents

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Abstract

制备cBN复合粉末的多步研磨方法，所述方法包括通过添加粘结剂和第一cBN成分形成第一粉末混合物，将所述第一粉末混合物研磨第一时间段，将第二cBN成分与所述研磨的第一粉末混合物合并以形成第二粉末混合物，并且将所述第二粉末混合物研磨第二时间段(小于所述第一时间段)以形成cBN复合粉末。所述第二cBN成分的D50值与所述第一cBN成分的D50值之比为至少3.0。对所述两种cBN成分分级粉使用不同研磨时间的两步研磨控制了所述cBN复合粉末混合物中研磨碎片的量。所述cBN复合粉末在HPHT条件下的进一步加工形成无cBN粒子的直径的平均值小于2.0微米的基于cBN的陶瓷。

Description

制备多峰立方氮化硼粉末的方法
与相关申请的交叉引用
无。
技术领域和工业实用性
本公开总的来说涉及切削工具，具体来说涉及包含基于立方氮化硼(cBN)的陶瓷的切削工具刀片。此外，本公开涉及使用具有cBN的多峰粒度分布的陶瓷粉末掺混物来生产用于制造成切削工具刀片的立方氮化硼复合材料的方法，其中将至少两种不同粒度分布的cBN原材料从最细的分级粉到较粗的分级粉以逐步方式进行掺混，并通过调整应用于较粗cBN的研磨时间来控制研磨碎片的量。
在常规方法中，首先通过在研磨机中掺混或在浆料中超声掺混，将cBN粉末与陶瓷粉末例如TiN、TiCN和金属粉末例如铝和铝化钛(titanium alumide)掺混。理想情况下，cBN粒子被均匀分散在由粘结剂相材料、即陶瓷和金属粉末形成的基质中。然而，对于具有细cBN例如小于或等于6微米粒子的粉末来说，超声技术未必提供充分的分散度。研磨是实现均匀分散的最有效方法。
总的来说，研磨作为粉碎和分散的手段，在本领域中是公知的。在研磨陶瓷粉末中常用的研磨技术包括常规球磨机、滚筒球磨机、行星式球磨机、超微磨碎机(attritormill)和搅拌球磨机。所述过程中的基本元件包括研磨罐、研磨介质和旋转元件。研磨可以是干式或湿式的，在后一种情况下混合物包括研磨介质例如醇。通常将待研磨的材料置于研磨罐中且暴露于研磨介质，并通过所述材料与研磨介质和研磨罐的物理接触进行研磨。当在本文中使用时，术语“研磨碎片”是指由于磨粒、研磨体和内衬之间的摩擦而从研磨介质或研磨机的内衬产生的任何材料。有许多因素决定研磨碎片的量，包括研磨介质的尺寸和密度、罐的尺寸和浆料粘度。研磨碎片通常随着研磨时间、cBN粒度和研磨速度而增加。
一般来说，基于cBN的陶瓷在高压高温(HPHT)条件下烧结。首先将cBN复合粉末掺混物与或不与支承结构一起装载到耐火舱中，所述支承结构在适用的情况下通常是硬质金属如烧结硬质合金。通常将若干个这样的耐火舱汇集在高压室核心中。在HPHT过程中，材料经受至少4GPa的压力和至少1300℃的温度(参见例如美国专利号5,512,235，其全部内容通过参考并入本文)。在这些条件下，所述cBN复合粉末掺混物被烧结至全密度，并且所述支承结构如果存在的话，至少由于支承结构中的钴的熔化而变软并附接到所述烧结的cBN复合材料。
cBN在机械加工工具中具有广泛的商业应用，并且已被广泛用作研磨产品中的磨粒并以cBN复合材料的形式用作切削工具。通常，cBN复合材料通过例如经钎焊直接粘结到刀体来使用。
cBN切削工具的切削性能可以受到尤其是在HPHT过程中使用的cBN粉末混合物、即cBN粒子和粘结剂相粒子的特性的影响。影响cBN粉末混合物的特性的性能的实例包括cBN粒度(和相对于粘结剂相的粒度的尺寸)、cBN粒度分布和cBN粒子在粘结剂中的分散度。通常，cBN切削刀片的具体性能目标是这些特性之间的平衡。cBN粒度的双峰掺混物的使用，对于通过提高耐磨损性和韧性来改进切削工具的性能来说是理想的。
常规地在研磨方法中，将cBN和粘结剂原材料粉末在单一步骤中研磨在一起。也存在着首先将粘结剂原材料研磨以减小粒度，然后将cBN粉末掺混在所述混合物中的情况。当cBN粉末与粘结剂粉末一起研磨时，将研磨速度设定到促进cBN与粘结剂粒子的均匀掺混而不是打碎所述cBN粒度的水平，后者需要比用于掺混目的高得多的研磨速度。在与粘结剂的掺混中cBN粒子的打碎是不期望的，因为在这个过程中不能良好地控制cBN粒子形状和尺寸分布。所需的cBN粒子的形状和尺寸分布通常通过cBN粉末原材料的生产过程来获得。
基于cBN的切削工具材料可以在cBN含量的基础上分成两类。通常高于70重量百分数(重量％)cBN的高cBN含量材料被用于需要高耐磨性和/或高韧性的应用中。在这些材料中，高的cBN含量增加耐磨性，并且强的cBN对cBN粘结增加韧性。通常低于70重量％的低cBN含量材料被用于需要热和/或化学抗性的应用中。此时存在少得多的cBN对cBN粘结和粘结剂相，所述材料的非cBN成分在材料的热和化学抗性中发挥关键作用。在这些材料中，粘结剂的组成和cBN在粘结剂中的分散度对于材料性能来说是关键的。
具有比cBN粉末明显更小的粒度的粘结剂粉末是合乎需要的，因为cBN粒子可以被更紧密堆积并且更均匀地分布在cBN复合粉末中，并且当从这些粉末形成陶瓷时更均匀地分布在整个基于cBN的陶瓷中。然而，当cBN具有多峰粒度分布时，使用常规研磨方法生产cBN-粘结剂混合物存在缺点。由于cBN比研磨体硬得多，在研磨体上发生更多磨损，并且较大的cBN粒子决定了研磨体之间的最小间隔。图1描绘了研磨具有多峰尺寸分布的cBN掺混物的一些难点。首先，较大的cBN粒子阻碍陶瓷粘结剂粒子的尺寸减小。cBN保护小于所述较大的cBN粒子的粒子，使其免于被研磨得更小。其次，由于细cBN粒子通常倾向于团聚在一起，如果研磨体之间的间距太大而不能给细cBN团聚物施加剪切力的话，则所述团聚物不能被打破，并且细cBN粒子不能良好地分散。在一些情况下，可以通过增加研磨时间来改善cBN粒子在粘结剂中的分散度。然而，研磨时间受到所期望的研磨碎片量的限制，因此cBN的分散水平也受到限制。
代表性的cBN加工的实例公开在美国专利号7,572,174、7,867,438、8,318,082、8,382,868和8,673,435中。
发明概述
对于低cBN含量材料来说，实现在cBN-粘结剂混合物中的良好分散度并在同时也控制形成的粉末混合物中研磨碎片的量，将是有益的。
在一个实施方式中，一种在使用受控的研磨碎片产生的多步研磨方法中制备cBN复合粉末的方法包括通过向研磨设备添加一种或多种粘结剂成分材料和第一cBN成分来形成第一粉末混合物，并将所述第一粉末混合物研磨第一研磨时间。所述方法还包括将第二cBN成分与所述研磨的第一粉末混合物合并，以形成第二粉末混合物，并且将所述第二粉末混合物研磨第二研磨时间以形成cBN复合粉末，其中所述第二研磨时间小于所述第一研磨时间。所述第二cBN成分的D50值与所述第一cBN成分的D50值之比为至少3。
在另一个实施方式中，一种从在使用受控的研磨碎片产生的多步研磨方法中制备的cBN复合粉末形成基于cBN的陶瓷的方法包括通过向研磨设备添加一种或多种粘结剂成分材料和第一cBN成分以形成第一粉末混合物，并且将所述第一粉末混合物研磨第一时间段。所述方法还包括将第二cBN成分与所述研磨的第一粉末混合物合并，以形成第二粉末混合物，并且将所述第二粉末混合物研磨第二时间段以形成cBN复合粉末。所述方法还包括通过使所述cBN复合粉末经历HPHT过程，形成基于cBN的陶瓷。所述第一cBN成分具有第一D50值并且所述第二cBN成分具有第二D50值，其中所述第二D50值与所述第一D50值之比为至少3。所述基于cBN的陶瓷具有小于2.0微米、优选小于1.5微米、更优选小于1.0微米、最优选小于0.90微米的无cBN粒子的直径的平均值。
附图简述
当结合附图阅读时，上面的概述以及下面的实施方式详细描述将被更好地理解。应该理解，所描绘的实施方式不限于所示出的确切布置和手段。
图1描绘了大的cBN粒子如何能够通过保持研磨介质分开来抑制较小的cBN粒子的分散和陶瓷粘结剂相粒子的研磨。
图2A和2B是在立方氮化硼的多峰分布中改进细粘结剂成分的分布并同时控制研磨碎片的增添的两种示例性方法的示意图。
图3示出了双峰cBN掺混物的粒度分布的实例。
图4示例了用于通过测量无cBN粒子的区域来定量分散度的区。
图5A和5B示出了使用扫描电子显微术(SEM)所观察的在低放大倍数(1000x)(图5A)和高放大倍数(10,000x)(图5B)下实施例1的显微结构。
图6A和6B示出了使用SEM所观察的在低放大倍数(1000x)(图6A)和高放大倍数(10,000x)(图6B)下实施例2的显微结构。
图7A和7B示出了使用SEM所观察的在低放大倍数(1000x)(图7A)和高放大倍数(10,000x)(图7B)下实施例3的显微结构。
图8A和8B示出了使用SEM所观察的在低放大倍数(1000x)(图8A)和高放大倍数(10,000x)(图8B)下实施例4的显微结构。
图9A和9B示出了使用SEM所观察的在低放大倍数(1000x)(图9A)和高放大倍数(10,000x)(图9B)下实施例5的显微结构。
图10A和10B示出了使用SEM所观察的在低放大倍数(1000x)(图10A)和高放大倍数(10,000x)(图10B)下实施例6的显微结构。
图11A和11B示出了使用SEM所观察的在低放大倍数(1000x)(图11A)和高放大倍数(10,000x)(图11B)下实施例7的显微结构。
图12A和12B示出了使用SEM所观察的在低放大倍数(1000x)(图12A)和高放大倍数(10,000x)(图12B)下实施例8的显微结构。
详细描述
图2A和2B是改善立方氮化硼(cBN)的多峰粒度分布在cBN复合材料掺混物中的分散度并在同时控制研磨碎片的增添的示例性方法的示意图。在示例性方法中，将具有不同D50值的至少两种cBN成分的分级粉在不同的时间添加到研磨设备并与粘结剂成分一起累积研磨，以形成具有cBN的多峰粒度分布的cBN复合粉末掺混物。具有不同D50值的cBN粉末的两步添加(首先添加具有第一D50值(D501)的细粉末，随后添加具有第二D50值(D502)的较粗粉末，其中D501小于D502)改善了细cBN粒子的分散度，限制了较粗粒子的累积研磨时间，并为控制研磨操作中产生的研磨碎片的量提供了自由。然后可以将通过示例性方法形成的cBN复合粉末用于任何后续过程例如HPHT烧结中，以形成基于cBN的陶瓷。
本文中公开和报道的粒度通过激光衍射分析仪来测量，例如可以从NikkisoAmerica公司的部门Microtrac商购的Microtrac 3500。本文中报道的粉末可以按照它们的直径的统计分布“D-值”来描述。D-值代表被测量粒子的体积划分直径。D-值表示当将样品中的所有粒子以体积升序布置时，将样品的体积分割成特定百分率的直径。低于所叙述的目标直径的体积百分率是表述在“D”之后的数字。例如，D10的值是10％的样品体积由比其更小的粒子构成的直径；D50值是50％的样品体积由比其更小的粒子构成的直径；D90值是90％的样品体积由比其更小的粒子构成的直径。“D-值”在本文中被报告到十分之一微米的精度。
图3示出了由两种粉末构成的双峰cBN掺混物的粒度的示例分布。20％的所述掺混物由D50为0.5微米的粉末构成，剩余80％来自于D50为1.4微米的粉末。
第一种示例性方法示出在图2A中。在第一种示例性方法100中，将cBN成分的第一分级粉添加到粘结剂成分，以形成第一粉末混合物110。第一分级粉中的cBN成分具有细颗粒尺寸，意味着它具有大于或等于0.2微米至小于或等于2.0微米的D50值。或者，细cBN成分的D50值可以是大于或等于0.3微米、大于或等于0.4微米、大于或等于0.5微米或大于或等于0.6微米至小于或等于1.6微米、小于或等于1.3微米或小于或等于1.0微米。优选地，所述第一分级粉中的cBN成分具有0.2至1.0微米(包含端值)范围内的D50值。
所述第一粉末混合物可以在研磨设备中直接产生。或者，所述第一粉末混合物可以通过将第一粉末混合物的组成成分在单独的设备中添加在一起，然后将所述合并的组成成分添加到研磨设备来产生。也可以使用这些方法的组合。
然后将所述第一粉末混合物在研磨设备例如具有金属陶瓷研磨介质(Ti,W)CN-Co的立式球磨机中研磨第一cBN研磨时间Tm1，120。Tm1的时间的实例包括1小时至24小时，或者至少2小时、至少6小时或至少10小时直至12小时或16小时。时间Tm1适合于使所述粘结剂成分的D50值降低至少50％，或者降低至少80％或降低90％，并且可以参考粘结剂粒度随时间变化的校准曲线来选择。所述校准曲线从对照实验确定，在所述对照实验中，将粘结剂成分在研磨机中研磨(不含其它成分)并随研磨时间的变化定期测量D50值，然后作图以制作校准曲线。然而，由于cBN粒子的尺寸基本上不被研磨降低，因此当在cBN粒子存在下对粘结剂成分进行研磨时，cBN粒子的尺寸影响粘结剂成分可以被研磨到的尺寸的下限。因此，时间Tm1的选择还应该将这个下限考虑在内，因为在达到这一下限之后，附加的研磨对粘结剂成分的D10值的影响极低，但是将继续向粉末贡献研磨碎片。
在研磨第一cBN研磨时间之后，将cBN成分的第二分级粉添加到所述研磨的第一粉末混合物以形成第二粉末混合物130。所述第二分级粉中的cBN成分具有粗的颗粒尺寸，意味着它具有大于或等于1.2微米至小于或等于6.0微米的D50值。或者，所述粗的cBN成分的D50值可以是大于或等于1.6微米、大于或等于2.0微米、大于或等于2.5微米或大于或等于3.0微米至小于或等于5.0微米、小于或等于4.0微米、小于或等于3.0微米或小于或等于2.0微米。优选地，所述第二分级粉中的cBN成分具有1.0至5.0微米(包含端值)范围内的D50值。
所述第二粉末混合物可以通过将cBN成分的第二分级粉直接添加到含有所述研磨的第一粉末混合物的研磨设备，而在研磨设备中直接产生。或者，所述第二粉末混合物可以通过将第二粉末混合物的组成成分在单独的设备中添加在一起，然后将所述合并的组成成分添加到研磨设备来产生。也可以使用这些方法的组合。
然后将所述第二粉末混合物在研磨设备例如具有金属陶瓷研磨介质(Ti,W)CN-Co的立式球磨机中研磨第二cBN研磨时间Tm2以形成cBN复合粉末140。研磨碎片的量随着研磨时间而增加。时间Tm2在所述研磨方法期间形成的研磨碎片的期望水平和混合所需的时间的基础上确定。由细cBN粒子产生的研磨碎片的量远小于由较粗cBN粒子产生的量，因此时间Tm1可以明显长于时间Tm2。在示例性实施方式中，时间Tm2在15分钟和7小时之间变化。通常，在第一研磨步骤中产生的研磨碎片的量小于总研磨碎片的30％。总研磨碎片可以在所述粉末的3重量％至25重量％的范围内。来自于研磨碎片的元素的量将被引入到最终组合物中。
第二种示例性方法示出在图2B中。在所述第二种示例性方法200中，将粘结剂成分添加到研磨设备例如具有金属陶瓷研磨介质(Ti,W)CN-Co的立式球磨机中，并预研磨一段时间tm0，210。粘结剂成分的预研磨既降低粘结剂成分的D50值，也使尺寸分布更狭窄。在预研磨210之前粘结剂成分通常具有3.0至4.0微米的D50值以及D10值为1.0微米并且D90值为10微米的尺寸分布；在研磨210之后，所述粘结剂成分具有0.3至0.4微米的D50值以及D10值为0.2微米并且D90值为1.0微米的尺寸分布。陶瓷粘结剂例如TiN和TiCN比cBN软的多，因此对于相同的研磨时间来说产生少得多的研磨碎片。因此，时间tm0可以被选择成达到粘结剂成分的期望D50值和尺寸分布并具有受控的研磨碎片水平。
然后将cBN成分的第一分级粉添加到所述预研磨的粘结剂成分以形成第一粉末混合物220。所述第一分级粉中的cBN成分具有细颗粒尺寸，意味着它具有大于或等于0.2微米至小于或等于2.0微米的D50值。或者，所述细cBN成分的D50值可以是大于或等于0.3微米、大于或等于0.4微米、大于或等于0.5微米或大于或等于0.6微米至小于或等于1.6微米、小于或等于1.3微米或小于或等于1.0微米。优选地，所述第一分级粉中的cBN成分具有0.2至1.0微米(包含端值)范围内的D50值。
所述第一粉末混合物可以在研磨设备中直接产生。或者，所述第一粉末混合物可以通过将第一粉末混合物的组成成分在单独的设备中添加在一起，然后将所述合并的组成成分添加到研磨设备来产生。也可以使用这些方法的组合。
然后将所述第一粉末混合物在研磨设备例如具有金属陶瓷研磨介质(Ti,W)CN-Co的立式球磨机中研磨第一cBN研磨时间tm1，230。时间tm1应该适合于打破细cBN粒子的团聚物并产生细cBN粒子在陶瓷粉末基质中的均匀分布。tm1时间的实例包括1小时至24小时，或者至少2小时、至少6小时或至少10小时直至12小时或16小时。
时间tm1可以参考粘结剂粒度随时间变化的校准曲线来选择。所述校准曲线从对照实验确定，在所述对照实验中，将粘结剂成分在研磨机中研磨(不含其它成分)并随研磨时间的变化定期测量D50值，然后作图以制作校准曲线。然而，由于cBN粒子的尺寸基本上不被研磨降低，因此当在cBN粒子存在下对粘结剂成分进行研磨时，cBN粒子的尺寸影响粘结剂成分可以被研磨到的尺寸的下限。因此，时间tm1的选择还应该将这个下限考虑在内，因为在达到这一下限之后，附加的研磨对粘结剂成分的D10值的影响极低，但是将继续向粉末贡献研磨碎片。在研磨第一cBN研磨时间之后，将cBN成分的第二分级粉添加到所述研磨的第一粉末混合物以形成第二粉末混合物240。所述第二分级粉中的cBN成分具有粗的粒度，意味着它具有大于或等于1.2微米至小于或等于6.0微米的D50值。或者，所述粗的cBN成分的D50值可以是大于或等于1.6微米、大于或等于2.0微米、大于或等于2.5微米或大于或等于3.0微米至小于或等于5.0微米、小于或等于4.0微米、小于或等于3.0微米或小于或等于2.0微米。优选地，所述第二分级粉中的cBN成分具有1.0至5.0微米(包含端值)范围内的D50值。
所述第二粉末混合物可以通过将cBN成分的第二分级粉直接添加到含有所述研磨的第一粉末混合物的研磨设备，在研磨设备中直接产生。或者，所述第二粉末混合物可以通过将第二粉末混合物的组成成分在单独的设备中添加在一起，然后将所述合并的组成成分添加到研磨设备来产生。也可以使用这些方法的组合。
然后将所述第二粉末混合物在研磨设备例如具有金属陶瓷研磨介质(Ti,W)CN-Co的立式球磨机中研磨第二cBN研磨时间tm2以形成cBN复合粉末250。研磨碎片的量随着研磨时间而增加。时间tm2在所述研磨方法期间形成的研磨碎片的期望水平和混合所需的时间的基础上确定。由细cBN粒子产生的研磨碎片的量远小于由较粗cBN粒子产生的量，因此时间tm1可以明显长于时间tm1。在示例性实施方式中，时间tm2在15分钟和7小时之间变化。通常，在具有cBN的第一研磨步骤中产生的研磨碎片的量小于总研磨碎片的30％。总研磨碎片可以在所述粉末的3重量％至25重量％的范围内。来自于研磨碎片的元素的量将被引入到最终组合物中。
尽管cBN成分的第一分级粉和cBN成分的第二分级粉的量可以在待形成的cBN复合粉末的期望含量的基础上改变，但本文中公开的示例性方法使用相应分数的cBN成分，使得所述分级粉中最粗cBN成分的D50值与最细cBN成分的D50值之比为至少3。或者，所述比为至少4并且最高6或最高10。cBN成分的尺寸比的具体实例在实施例中进一步公开。对于双峰分布来说，D50值之比通过将具有较大D50的分级粉中的值与具有较小D50的分级粉中的值进行比较来确定。对于cBN成分具有超过两种分级粉的体系来说，即在多峰体系中，D50值之比通过将具有最大D50的分级粉中的值与具有最小D50的分级粉中的值进行比较来确定。
还应该理解，研磨碎片的量在一些情况下随着掺混速度、掺混时间和cBN粒度显著增加。因此，本文中使用和公开的掺混速度、研磨时间和cBN成分的D50值应该被选择为如本文中所公开的那样控制研磨碎片的量。优选地，当使用(Ti,W)CN-Co金属陶瓷研磨介质时研磨碎片的量在15和25重量％之间。优选地，当使用烧结硬质合金研磨介质时研磨碎片的量在2和5重量％之间。
在上面和图2A和2B中概括的方法中，只添加两种cBN粉末分布。设想了所述方法可以扩展到更多的粉末分布。一种方式是在一个步骤中添加两种或更多种粉末。例如，可以在步骤110或220中添加D50值为0.5微米的粉末和D50值为1.4微米的粉末两者。然后可以在步骤130或240中添加D50值为4.2微米的粉末。同样地，可以在步骤130或240中添加两种或更多种粉末。添加多种分布的第二种方式是增添另外的研磨步骤。例如，可以在步骤110中添加D50值为0.5微米的粉末，可以在步骤130中添加D50值为1.4微米的粉末，然后可以在另外的步骤即第n个步骤中添加D50值为4.2微米的粉末。然后可以在与本文中对Tm2或tm2所公开的相同的原理的基础上，将该混合物研磨另外的时间Tmn或tmn。
此外，在本文中概括的方法中，cBN以5和70重量％之间的量存在于所述研磨的第二粉末混合物中。就第一cBN成分(即细cBN成分)和第二cBN成分(即粗的cBN成分)的量而言，cBN成分的组成可以变化。在示例性实施方式中，第一cBN成分的质量与第二cBN成分的质量之比在0.04至2.0的范围内。优选地，第一cBN成分的质量与第二cBN成分的质量之比小于0.11，其可用于例如需要高的抗冲击性的cBN切削工具中。或者，第一cBN成分的质量与第二cBN成分的质量之比大于1.0，其可用于例如需要高的耐磨损性的cBN切削工具中。
粘结剂成分的分散度可以通过测量基于cBN的陶瓷中不含cBN粒子的区域来定量。所述分散度通过将充分烧结的材料的SEM图像细分成宽度为粗的cBN成分的D50值的3至4倍的区域来测量。在每个区域中，鉴定不含cBN(即只含粘结剂相)的最大圆并测量所述最大圆的直径。该最大圆被称为无cBN粒子的圆，并且它的相关直径被称为无cBN粒子的直径。图4是SEM图像的实例，其中无cBN的区域叠加了无cBN粒子的圆300。注意，所述无cBN粒子的圆300在cBN粒子(黑色)310、320、330之间扩展到最大程度。白色粒子340是研磨碎片。无cBN粒子的直径的值定义了有效的粘结剂尺寸。对SEM图像的30至60个区域进行分析，并确定和报告所有所述区域的无cBN粒子的直径的平均值和标准偏差。一般来说，cBN尺寸越大，无cBN粒子的直径越大。此外，粘结剂对cBN的体积之比越高，无cBN粒子的直径越大。对于具有相同的粘结剂对cBN之比和相同的cBN粒度分布的两种材料来说，较低的平均无cBN粒子的直径和无cBN粒子的直径的标准偏差的值指示了较好的分散度。同样地，一般来说，无cBN粒子的直径和无cBN粒子的直径的标准偏差的值越大，分散度越不好。使用上述定量方法，本文公开的方法的示例性实施方式产生的无cBN粒子的直径的平均值小于2.0微米，或者为0.8至2.0微米，并且标准偏差为0.10至0.40微米。优选地，无cBN粒子的直径的平均值小于1.5微米，更优选地小于1.0微米，最优选地小于0.90微米；优选地，无cBN粒子的直径的标准偏差小于0.35微米，更优选地小于0.30，甚至更优选地小于0.20，最优选地小于0.15微米。
在所有上面公开的方法中，适合的粘结剂包括周期表的第IV、V和VI族元素的氧化物、氮化物和碳化物及其组合。示例性的粘结剂包括TiN、TiC、Ti(C,N)、ZrN、Co、Al及其混合物。优选地，所述粘结剂是或包括亚化学计量的成分，例如亚化学计量的TiN(ssTiN)、亚化学计量的TiC(ssTiC)和亚化学计量的TiCN(ssTiCN)。此外，在粘结剂成分中可以包含其他成分，例如总掺混物可以具有最高10重量％Al或者最高5重量％Al。
此外，尽管被描述为具有金属陶瓷研磨介质(Ti,W)CN-Co的立式球磨机，但也可以使用可替选的研磨设备，例如球磨机和行星球磨机。也可以使用其他材料的研磨介质，例如烧结硬质合金。
正如在下面的部分中所公开的，制造并调查了比较性和本发明的样品。
实施例1(比较例)：使用金属陶瓷介质(Ti,W)CN-Co，将亚化学计量(ss)的TiN在立式球磨机中，在乙醇中以200RPM的速度研磨12小时。所述研磨使ssTiN的D50从4.0微米降低到0.4微米。向所述研磨的粘结剂添加D50为1.4微米的cBN成分和铝粉(D50为0.2微米)，以制造51重量％ssTiN、43重量％cBN和6重量％Al的组合物。将该组合物在研磨机中以相同速度继续掺混7小时。在掺混后，通过测量研磨介质在研磨之前和之后的重量差，来确定金属陶瓷介质损失(代表研磨碎片)。在最终粉末掺混物(包括在研磨机中添加的原始粉末和研磨碎片)中，研磨碎片为18重量％。这使研磨后掺混物的cBN含量从43重量％降低到35重量％。然后将所述cBN复合掺混物的浆料与聚乙二醇(PEG)-水溶液混合并喷雾干燥。然后将所述喷雾干燥的粉末压制成盘，在氢气中在400℃下烧制以除去PEG，然后在真空中在900℃下烧制以促进铝与ssTiN之间的反应。将烧制的盘装入耐火金属容器中，并在温度高于1300℃且压力高于4GPa的高压高温(HPHT)条件下烧结。
图5A和5B示出了使用扫描电子显微术(SEM)所观察的在低放大倍数(1000x)(图5A)和高放大倍数(10,000x)(图5B)下实施例1的显微结构。在将cBN(D50为1.4微米)与粘结剂掺混7小时的情况下，无cBN粒子的直径的平均值为1.25微米，标准偏差为0.26微米。
实施例2(比较例)：除了将实施例1中cBN的总量的55重量％用D50为0.5微米的细cBN粉末代替，即掺混物中23.6重量％的cBN具有0.5微米的D50之外，实施例2的组合物与实施例1的组合物相同。在这个实施例中，首先使用金属陶瓷介质，将ssTiN在立式球磨机中，在乙醇中研磨16小时，以减小ssTiN的粒度。然后向研磨机添加D50值为0.5微米和1.4微米的cBN粉末，并以相同速度继续掺混6小时。将D50为0.2微米的铝粉超声分散在乙醇中，然后与所述研磨的浆料混合。在掺混后，研磨碎片为最终粉末掺混物的17重量％，提供36重量％的最终cBN含量。然后如实施例1中所述将所述浆料与聚乙二醇(PEG)-水溶液混合并喷雾干燥，压制，烧制并HPHT烧结。
图6A和6B示出了使用扫描电子显微术(SEM)所观察的在低放大倍数(1000x)(图6A)和高放大倍数(10,000x)(图6B)下实施例2的显微结构。在将粘结剂与具有双峰分布的由D50值为0.5微米和1.4微米的粉末构成的cBN掺混6小时的情况下，无cBN粒子的直径的平均值为0.94微米，标准偏差为0.16微米。
实施例3：实施例3的组合物与实施例2的组合物相同，但cBN成分在两步方法中添加。在这种情况下，使用金属陶瓷介质，将ssTiN和D50为0.5微米的细颗粒cBN粉末在立式球磨机中，在乙醇中研磨16小时，以减小ssTiN的粒度。然后将D50值为1.4微米的cBN粉末装入研磨机中，并以相同速度继续掺混6小时。将铝粉末超声分散在乙醇中，然后与所述研磨的浆料混合。在掺混后，研磨碎片为最终掺混物的17重量％，提供36重量％的最终cBN含量。然后如实施例1中所述将所述浆料与聚乙二醇(PEG)-水溶液混合并喷雾干燥，压制，烧制并HPHT烧结。
图7A和7B示出了使用扫描电子显微术(SEM)所观察的在低放大倍数(1000x)(图7A)和高放大倍数(10,000x)(图7B)下实施例3的显微结构。在将粘结剂与D50为0.5微米的cBN粉末掺混16小时，并与D50为1.4微米的cBN粉末掺混6小时的情况下，无cBN粒子的直径的平均值为0.84微米，标准偏差为0.14微米。
实施例1和2是可以与实施例3比较的实例。实施例1仅含有一种cBN尺寸。这导致无cBN粒子的直径的值更大(1.2微米)。在实施例2和3中添加第二cBN尺寸，通过允许较小的粒子出现在较大cBN粒子之间的空间中，使粘结剂尺寸降低到0.94和0.84微米。在实施例2中，将具有双峰粒度分布的cBN粉末在常规方法中研磨，导致平均无cBN粒子的直径的值比实施例3中的大0.10微米。即使在研磨6小时的情况下，实施例2中的细cBN成分也倾向于团聚在一起并且不被良好地分散。在添加较粗cBN成分之前将cBN成分的细粒度分级粉与TiN研磨，即与图2A中的步骤110相一致并且如实施例3中所证实的，导致cBN的分散度改善，正如较小的无cBN粒子平均直径的粘结剂尺寸的值(从0.94降低到0.84微米)以及较低的标准分布(从0.16降低到0.14微米)所证实的。
实施例1-3还显示，通过将cBN成分的细粒度分级粉与粘结剂成分一起研磨另外的时间，研磨碎片的量没有增加，而是可以维持在相同水平下。所述另外的研磨对研磨碎片几乎没有影响，这既是由于粒度小也是由于细cBN的浓度低。
实施例4(比较性的)：使用烧结硬质合金研磨介质，将亚化学计量(ss)的TiN在立式球磨机中、在乙醇中研磨2小时，以减小粒度。在最后15分钟期间，向研磨机添加cBN粉末。所述cBN具有双峰分布，并由20％的D50为0.5微米的粉末和80％的D50为4.2微米的粉末构成。将铝粉在乙醇中超声分散，然后与研磨的浆料混合以形成51重量％cBN、38重量％ssTiN、7重量％Al和4重量％烧结硬质合金研磨碎片的组合物。将所述浆料干燥，装入耐火金属容器中，并在温度高于1300℃且压力高于4GPa的HPHT条件下烧结。
图8A和8B示出了使用扫描电子显微术(SEM)所观察的在低放大倍数(1000x)(图8A)和高放大倍数(10,000x)(图8B)下实施例4的显微结构。在将粘结剂与D50为0.5微米和D50为4.2微米的两种cBN粉末最后研磨15分钟的情况下，无cBN粒子的直径的平均值为2.1微米，标准偏差为0.35微米。图8B中的圆圈鉴定到在所述研磨方法中未被打破的细cBN粒子的团聚物。
实施例5：实施例5与实施例4相同地制备，区别在于将0.5微米D50cBN与ssTiN研磨完整的2小时。在最后15分钟期间，向研磨机添加4.2微米D50cBN粉末。如实施例4中所述添加Al粉末，将浆料干燥，并对材料进行HPHT烧结。研磨碎片的量与实施例4相近，并产生相同的最终组合物(51重量％cBN、38重量％ssTiN、7重量％Al和4重量％烧结硬质合金研磨碎片)。
图9A和9B示出了使用扫描电子显微术(SEM)所观察的在低放大倍数(1000x)(图9A)和高放大倍数(10,000x)(图9B)下实施例5的显微结构。在将粘结剂与0.5微米(D50)cBN研磨2小时并与4.2微米(D50)cBN掺混15分钟的情况下，无cBN粒子的直径的平均值为1.9微米，标准偏差为0.35微米。
实施例6(比较性的)：实施例6与实施例4相同，区别在于将所有cBN与ssTiN研磨完整的2小时。如实施例4中所述添加Al粉末，将浆料干燥，并对材料进行HPHT烧结。在这个实例中，将cBN的粗成分(4.2微米D50)研磨完整的2小时而产生另外的研磨碎片，并且最终浆料组成为43重量％cBN、32重量％ssTiN、6重量％Al和19重量％烧结硬质合金研磨碎片。
图10A和10B示出了使用扫描电子显微术(SEM)所观察的在低放大倍数(1000x)(图10A)和高放大倍数(10,000x)(图10B)下实施例6的显微结构。在将粘结剂与0.5微米D50cBN和4.2微米D50cBN两者掺混2小时的情况下，无cBN粒子的直径的平均值为1.7微米，标准偏差为0.32微米。SEM图像中的亮点来自于研磨碎片，在图4中被鉴定为340。图8B、9B和10B的比较显示，随着粗cBN的研磨延长，研磨碎片显著增加。增加的cBN研磨不改进分散度，其证据是无cBN粒子的直径的平均值降低，但是该值的降低是由过量研磨碎片与细cBN粒子掺混造成的。
实施例7(比较性的)：将亚化学计量的TiCN和Al粉末以6.7:1的比(重量比)在乙醇中超声混合，干燥，并在1100℃下反应。使用烧结硬质合金介质，将该粉末在立式球磨机中，在乙醇/水混合物中湿法研磨6小时，以减小粒度。然后向研磨机添加具有双峰粒度分布的cBN(95％具有2.5微米的D50并且5％具有0.5微米的D50)，以产生54重量％cBN和46重量％粘结剂的组合物。将该浆料继续掺混15分钟。然后将所述浆料与聚乙二醇(PEG)-水溶液混合并喷雾干燥。然后如实施例1中所述将喷雾干燥的粉末压制、烧制并HPHT烧结。
图11A和11B示出了使用扫描电子显微术(SEM)所观察的在低放大倍数(1000x)(图11A)和高放大倍数(10,000x)(图11B)下实施例7的显微结构。在将粘结剂与具有所注明的双峰分布的cBN掺混15分钟的情况下，无cBN粒子的直径的平均值为1.7微米，标准偏差为0.35微米。在图11A中，人们可以看到由圆圈所鉴定的大的团聚物。打破这些类型的团聚物需要增加的研磨时间或能量。
实施例8：实施例8的组成与实施例7相同。加工也与实施例7相同，区别在于将cBN成分的D50为0.5微米的分级粉(较细颗粒尺寸分级粉)与ssTiCN-Al粉末研磨6小时。然后向研磨机添加cBN成分的D50为2.5微米的分级粉(较粗的颗粒尺寸分级粉)，并将整个混合物继续研磨15分钟。将所述研磨的浆料与聚乙二醇(PEG)-水溶液混合，然后喷雾干燥。压制、烧制和HPHT烧结过程与实施例7中所述相同。
图12A和12B示出了使用扫描电子显微术(SEM)所观察的在低放大倍数(1000x)(图12A)和高放大倍数(10,000x)(图12B)下实施例8的显微结构。在将粘结剂与D50为0.5微米的第一cBN分级粉掺混6小时并与D50为2.5微米的第二cBN分级粉掺混15分钟后，无cBN粒子的直径的平均值为1.6微米，标准偏差为0.31微米。在这种情况下，没有观察到细cBN粒子的大的团聚物。
概括来说，与常规研磨方法相比，本公开的多峰cBN复合掺混物的分步研磨方法可以显著改善cBN分散度并控制研磨碎片的量。在方法1(图2A)中，在同时研磨后粘结剂的最终粒度受到细cBN的粒度限制。方法2(图2B)提供了研磨后粘结剂粒度的单独控制，但由于额外的研磨步骤210，总研磨时间可能比方法1更长。当粘结剂的粒度可能与细cBN的粒度相近时，方法1是足够的。然而，当希望具有与细cBN相比明显更小的粘结剂粒度时，应该使用方法2.
尽管已参考了特定实施方式，但显然本领域其他技术人员可以设计出其他实施方式和改变而不背离它们的主旨和范围。随附的权利要求书旨在被解释为包括所有这些实施方式和等价的改变。

Claims (6)

1.一种在使用受控的研磨碎片产生的多步研磨方法中制备cBN复合粉末的方法，所述方法包括：
通过向研磨设备添加一种或多种粘结剂成分材料和第一cBN成分，形成第一粉末混合物，所述粘结剂成分材料具有3.0至4.0微米的D50粒度值以及其中D10值为1.0微米并且D90值为10微米的尺寸分布；
其中所述粘结剂成分材料包含粉末，并且任选地还包含选自TiN、TiC、Ti(C,N)、ZrN、Co、Al及其混合物的组成，其中所述粉末具有选自周期表的第IV、V和VI族元素的氧化物、氮化物和碳化物及其组合的组成；
将所述第一粉末混合物研磨1小时至24小时的第一研磨时间，以使所述第一粉末混合物内的所述粘结剂成分材料的D50粒度值降低至少50％；
将第二cBN成分与所述研磨的第一粉末混合物合并，以形成第二粉末混合物；以及
将所述第二粉末混合物研磨15分钟至7小时的第二研磨时间以形成cBN复合粉末，所述第二研磨时间小于所述第一研磨时间，
其中所述第二cBN成分的D50值与所述第一cBN成分的D50值之比为至少3；并且
其中cBN以5和70重量％之间的量存在于所述研磨的第二粉末混合物中；
其中所述第一cBN成分的D50值在0.2微米和2.0微米之间，并且所述第二cBN成分的D50值在1.2微米和6.0微米之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一cBN成分的质量与所述第二cBN成分的质量之比在0.04至2.0的范围内。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一cBN成分的质量与所述第二cBN成分的质量之比小于0.11。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一cBN成分的质量与所述第二cBN成分的质量之比大于1.0。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述cBN复合粉末具有多峰粒度分布。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述第二cBN成分的D50值与所述第一cBN成分的D50值之比在3.0至10的范围内。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200045462A (ko) * 2017-08-24 2020-05-04 스미토모덴키고교가부시키가이샤 복합 소결체
WO2023235658A1 (en) 2022-05-31 2023-12-07 Diamond Innovations, Inc. Low content pcbn grade with high metal content in binder

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101341268A (zh) * 2005-10-28 2009-01-07 六号元素（产品）（控股）公司 立方氮化硼压块
EP2559504A1 (en) * 2010-04-16 2013-02-20 Tungaloy Corporation Coated sintered cbn
US9028573B2 (en) * 2010-09-08 2015-05-12 Element Six Limited EDM cuttable, high cBN content solid PCBN compact
US9346716B2 (en) * 2010-03-12 2016-05-24 Sumitomo Electric Hardmetal Corp. Tool made of cubic boron nitride sintered body

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3918391A (en) 1974-05-13 1975-11-11 Globe Union Inc Mode indicator for slider element
US5512235A (en) 1994-05-06 1996-04-30 General Electric Company Supported polycrystalline compacts having improved physical properties and method for making same
WO2002012578A2 (en) 2000-08-08 2002-02-14 Element Six (Pty) Ltd. Method of producing an abrasive product containing cubic boron nitride
ATE393760T1 (de) 2004-02-20 2008-05-15 Diamond Innovations Inc Sinterkörper
JP4432816B2 (ja) 2004-09-22 2010-03-17 株式会社ジェイテクト 透明又は半透明の砥粒及び砥石
WO2006046125A1 (en) 2004-10-29 2006-05-04 Element Six (Production) (Pty) Ltd. Cubic boron nitride compact
US20080302023A1 (en) * 2005-10-28 2008-12-11 Iain Patrick Goudemond Cubic Boron Nitride Compact
SE0701028L (sv) 2007-04-27 2008-10-28 Sandvik Intellectual Property Skär
EP2168702B1 (en) 2008-03-26 2014-09-03 Kyocera Corporation Cutting tool
US8148282B2 (en) 2008-09-18 2012-04-03 Diamond Innovations, Inc. Method of solid PCBN sythesis
US8673435B2 (en) 2010-07-06 2014-03-18 Tungaloy Corporation Coated cBN sintered body tool

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101341268A (zh) * 2005-10-28 2009-01-07 六号元素（产品）（控股）公司 立方氮化硼压块
US9346716B2 (en) * 2010-03-12 2016-05-24 Sumitomo Electric Hardmetal Corp. Tool made of cubic boron nitride sintered body
EP2559504A1 (en) * 2010-04-16 2013-02-20 Tungaloy Corporation Coated sintered cbn
US9028573B2 (en) * 2010-09-08 2015-05-12 Element Six Limited EDM cuttable, high cBN content solid PCBN compact

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