CN107207363B - 立方氮化硼多晶材料、切削工具、耐磨工具、研磨工具、和制造立方氮化硼多晶材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供韧性优异的立方氮化硼多晶体。立方氮化硼多晶体包含：细颗粒状的立方氮化硼，其最大粒径为100nm以下，且平均粒径为70nm以下；平均长度为50nm以上10,000nm以下的板状立方氮化硼和/或粗颗粒状的立方氮化硼，该粗颗粒状的立方氮化硼的最小粒径大于100nm并且平均粒径为1,000nm以下。

Description

立方氮化硼多晶材料、切削工具、耐磨工具、研磨工具、和制造 立方氮化硼多晶材料的方法

技术领域

本发明涉及立方氮化硼多晶材料、切削工具、耐磨工具、研磨工具以及制造立方氮化硼多晶材料的方法。

背景技术

立方氮化硼具有仅次于金刚石的硬度，同时也具有优异的热稳定性和化学稳定性。由于立方氮化硼对于铁系材料比金刚石更稳定，所以立方氮化硼烧结材料已被用于铁系材料的加工用工具。

然而，立方氮化硼烧结材料含有大约10体积％以上40体积％以下(10体积％至40体积％)的结合剂，并且该结合剂已经成为降低烧结材料的强度、耐热性和热扩散性的原因。因此，尤其是在高速切削铁系材料时，热负荷大，切削刃容易崩裂或产生裂纹，并且会缩短工具的寿命。

解决上述问题的技术包括使用催化剂代替结合剂来制造立方氮化硼烧结材料的方法。在该方法中，采用六方氮化硼作为原料，并且通过采用氮硼化镁(Mg₃BN₃)等作为催化剂进行反应和烧结。由于采用该方法得到的立方氮化硼烧结材料不含结合剂，因此该立方氮化硼与立方氮化硼牢固结合，并且立方氮化硼烧结材料的导热率高。因此，该立方氮化硼烧结材料用作散热材料或卷带自动结合(TAB)的结合工具。然而，少量的催化剂残留在该烧结材料中。因此，当施加热时，由于催化剂和立方氮化硼之间的热膨胀差异而容易产生小裂纹，因而该立方氮化硼烧结材料不适用于切削工具等。此外，该立方氮化硼烧结材料具有约10μm的大晶粒尺寸。因此，尽管该立方氮化硼烧结材料的导热率高，但是其强度低，并且不能承受高负荷的切削应用。

立方氮化硼烧结材料也可以这样得到：在不用催化剂的情况下，在超高压力和高温下直接将六方氮化硼等常压型氮化硼转化并同时烧结成立方氮化硼(直接转化烧结法)。例如，日本专利公开No.47-034099(专利文献1)和日本专利公开No.03-159964(专利文献2)示出了通过在超高压和高温下将六方氮化硼转化为立方氮化硼，从而获得立方氮化硼烧结材料的方法。通过采用热解氮化硼作为原材料来获得立方氮化硼烧结材料的方法也是可行的。此类方法在(例如)日本专利公开No.54-033510(专利文献3)和日本专利公开No.08-047801(专利文献4)中示出。在该方法中，需要不低于7GPa和2100℃的条件。

日本专利公开No.49-027518(专利文献5)和日本专利公开No.11-246271(专利文献6)描述了在比上述条件更温和的条件下获得立方氮化硼烧结材料的方法。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利公开No.47-034099

专利文献2：日本专利公开No.03-159964

专利文献3：日本专利公开No.54-033510

专利文献4：日本专利公开No.08-047801

专利文献5：日本专利公开No.49-027518

专利文献6：日本专利公开No.11-246271

发明内容

技术问题

专利文献5公开了在压力为6GPa和1100℃的条件下获得立方氮化硼烧结材料的方法。使用这种方法，用作原材料的六方氮化硼的晶粒不大于3μm。因此，六方氮化硼含有大约若干质量％的氧化硼杂质或吸附气体。因此，在这种杂质或吸附气体的影响下，烧结不能充分进行。由于含有氧化物，所以降低了硬度、强度和耐热性并且不能用作切削工具和耐磨工具。

为了解决上述问题，专利文献6公开了在6GPa至7Gpa以及1550℃至2100℃的条件下，采用低结晶性六方氮化硼进行合成的方法。根据该公开内容，用该方法合成的立方氮化硼多晶材料的晶粒尺寸为约0.1μm至1μm。

然而，在通过上述方法获得的立方氮化硼多晶材料中，立方氮化硼晶体的晶粒尺寸由合成温度决定，并且通常其具有均匀的结构，其中立方氮化硼晶体的晶粒尺寸是均匀的，且在平均晶粒尺寸±0.2μm附近。因此，用上述方法获得的立方氮化硼多晶材料具有均匀结构。因此，当产生小裂纹时，裂纹趋于发展，并且不利的是，立方氮化硼多晶材料是脆性的。

鉴于上述问题，本公开的目的是提供一种韧性优异的立方氮化硼多晶材料。

问题的解决方案

根据本发明的一种方式的立方氮化硼(cBN)多晶材料含有：粒状的微细cBN，其最大晶粒尺寸不大于100nm，且平均晶粒尺寸不大于70nm；以及板状cBN和粗cBN中的至少一者，其中该板状cBN呈板状形式且平均长半径为50nm以上10000nm以下，该粗cBN呈粒状，其最小晶粒尺寸超过100nm且平均晶粒尺寸不大于1000nm。

根据本发明的一种方式的制造cBN多晶材料的方法包括：准备由粗六方氮化硼(hBN)粉末和非六方氮化硼(非hBN)粉末构成的原材料组合物作为起始物质；以及在满足下述条件的温度和压力下将所述原材料组合物直接转化并烧结为cBN

P≥0.0000132T²-0.0583T+71.793，

T≤2200，并且

P≤25，

其中T表示温度(℃)且P表示压力(GPa)，所述粗hBN粉末的平均晶粒尺寸不小于1μm，并且所述非hBN粉末为非结晶氮化硼粉末，或者为除了形状至少为球状、管状、壁状和角状中的任意一种的六方氮化硼之外的结晶氮化硼粉末。

根据本发明的一种方式的制造cBN多晶材料的方法包括：准备由粗hBN粉末和微细hBN粉末构成的原材料组合物作为起始物质；以及在满足下述条件的温度和压力下将所述原材料组合物直接转化并烧结为cBN

P≥0.0000132T²-0.0583T+71.793，

T≤2200，并且

P≤25，

其中T表示温度(℃)且P表示压力(GPa)，所述粗六方氮化硼粉末的平均晶粒尺寸不小于1μm，并且所述微细六方氮化硼粉末的平均晶粒尺寸小于100nm。

发明的有益效果

根据上述，cBN多晶材料的韧性优异。

具体实施方式

[本发明的实施方案的说明]

首先将列出和描述本发明的实施方案。

本发明人为了解决这些问题进行了深入研究，并发现通过在高温高压下将包含不同特性的几种类型的hBN粉末的原材料组合物直接转化为cBN来获得具有韧性的cBN多晶材料。

[1]根据本发明一种形式的cBN多晶材料包含：粒状的微细立方氮化硼，其最大晶粒尺寸不大于100nm，且平均晶粒尺寸不大于70nm；以及板状立方氮化硼和粗立方氮化硼中的至少一者，其中该板状立方氮化硼呈板状形式且平均长半径为50nm以上10000nm以下，该粗立方氮化硼呈粒状，其最小晶粒尺寸超过100nm且平均晶粒尺寸不大于1000nm。

根据该cBN多晶材料，板状cBN和/或粗cBN抑制裂纹的发展，从而获得韧性的多晶材料。

[2]优选地，该cBN多晶材料还包含纤锌矿型氮化硼(以下也称为“wBN”)，并且wBN的含量为0.01体积％以上80体积％以下。由此，该多晶材料可具有更为致密的结构。

[3]优选地，该cBN多晶材料还包含压缩型六方氮化硼(以下也称为“压缩型hBN”)，并且压缩型hBN的含量为0.01体积％以上0.5体积％以下。因此，能够抑制裂纹的发展，且可以提高韧性。

“压缩型hBN”指的是这样的hBN，该hBN的晶体结构与正常hBN相似，并且在c轴方向上的平面之间的间隔小于正常hBN(0.333nm)。

[4]根据本发明一种方式的切削工具包含[1]至[3]中任一项所述的cBN多晶材料。

基于上述cBN多晶材料的性质，该切削工具具有优异的韧性。

[5]根据本发明一种方式的耐磨工具包含[1]至[3]中任一项所述的cBN多晶材料。

基于上述cBN多晶材料的性质，该耐磨工具具有优异的韧性。

[6]根据本发明一种方式的研磨工具包含[1]至[3]中任一项所述的cBN多晶材料。

基于上述cBN多晶材料的性质，该研磨磨工具具有优异的韧性。

这些工具可以完全由cBN多晶材料构成、或者仅部分由cBN多晶材料构成(例如，切削工具的切削刃部)。

[7]根据本发明的一种方式的制造cBN多晶材料的方法包括：准备由粗hBN粉末和非hBN粉末构成的原材料组合物作为起始物质；以及在满足下述条件的温度和压力下将所述原材料组合物直接转化并烧结为cBN

P≥0.0000132T²-0.0583T+71.793，

T≤2200，并且

P≤25，

其中T表示温度(℃)且P表示压力(GPa)，所述粗hBN粉末的平均晶粒尺寸不小于1μm，并且所述非hBN粉末由非结晶氮化硼构成，或者由除了形状至少为球状、管状、壁状和角状中的任意一种的hBN之外的结晶氮化硼构成。

根据该制造方法，可容易地制造[1]至[3]中任一项所述的cBN多晶材料。

“直接转化”是指在不加入烧结助剂和催化剂的无催化剂条件下将起始物质直接转化为cBN。在上述制造方法中，在将起始物质烧结的同时直接转化，并且可以将该制造方法称为“直接转化烧结”。直接转化烧结实现了cBN多晶材料中晶粒之间的牢固结合。

[8]在该制造方法中，原材料组合物中的非hBN粉末的含量优选为10体积％以上95体积％以下。因此，可以制造韧性更高的cBN多晶材料。

[9]根据本发明的一种方式的制造cBN多晶材料的方法包括：准备由粗hBN粉末和微细hBN粉末构成的原材料组合物作为起始物质；以及在满足下述条件的温度和压力下将所述原材料组合物直接转化并烧结为cBN

P≥0.0000132T²-0.0583T+71.793，

T≤2200，并且

P≤25，

其中T表示温度(℃)且P表示压力(GPa)，所述粗hBN粉末的平均晶粒尺寸不小于1μm，并且所述微细hBN粉末的平均晶粒尺寸小于100nm。

根据该制造方法，可容易地制造[1]至[3]中任一项所述的cBN多晶材料。

[10]在该制造方法中，优选的是，所述原材料组合物中的所述微细hBN粉末的含量为10体积％以上95体积％以下。因此可以制造韧性更高的cBN多晶材料。

[本发明的实施方案的细节]

虽然以下将对本发明的一个实施方案(以下称为“本实施方案”)进行详细说明，但是本实施方案不限于此。

<立方氮化硼多晶材料(cBN多晶材料)>

根据本实施方案的cBN多晶材料包含由板状cBN和粗cBN中的至少一者以及微细cBN构成的混合结构。除了微细cBN之外，cBN多晶材料还包含板状cBN和粗cBN中的一者，或者除了微细cBN之外，还包含板状cBN以及粗cBN。本实施方案的cBN多晶材料可以含有不可避免的杂质，只要其包括这种混合结构且显示出本实施方案的效果即可。不可避免的杂质的实例包括氮气(N₂)、氢气(H₂)和氧气(O₂)。

在根据本实施方案的cBN多晶材料中，常压型氮化硼的含量优选为不高于0.1体积％。常压型氮化硼的含量超过0.1体积％时可能导致强度显著降低。

本实施方案中的cBN多晶材料基本上不含结合剂、烧结助剂和催化剂，这是本实施方案中的cBN多晶材料的优点之一，因为可以克服如常规cBN烧结体中所含的结合剂、烧结助剂或催化剂引起的缺点。

尽管根据本实施方案的cBN多晶材料是烧结材料，但是烧结材料通常旨在包含结合剂，因此在本实施方案中使用术语“多晶材料”。

(立方氮化硼(cBN))

如上所述，本实施方案中的cBN多晶材料包含板状cBN和粗cBN中的至少一者以及微细cBN。cBN与cBN牢固结合，并形成致密的混合结构。

“微细cBN”指的是粒状的cBN晶体，其晶粒尺寸(最大晶粒尺寸)不大于100nm，且平均晶粒尺寸不大于70nm。“粒状”指的是完美的球形、球形或不规则形状。

“板状cBN”指的是板状的cBN晶体，其平均长半径为50nm以上10000nm以下。“板状”指的是不同于“粒状”的形状，并且是指类似于鳞片、薄片或平板的形状。在本文中将长径比不小于3的形状定义为“板形”，该长径比是通过将cBN的长半径除以cBN的小半径而计算出的。

“粗cBN”指的是粒状cBN晶体，其晶粒尺寸(最小晶粒尺寸)超过100nm，且平均晶粒尺寸不大于1000nm。

可以通过扫描电子显微镜(SEM)将cBN多晶材料中所含的cBN划分为微细cBN、粗cBN和板状cBN。

具体而言，首先，对cBN多晶材料的表面进行抛光，并以1000x至100000x的放大倍数使用SEM观察经抛光的表面，从而得到SEM图像。然后，在SEM图像中cBN长径比不小于3的cBN被定义为板状cBN。然后，在除了被定义为板状cBN的cBN之外的cBN中(即，长径比小于3的cBN)，将晶粒尺寸不大于100nm的cBN定义为微细cBN，并将晶粒尺寸超过100nm的cBN定义为粗cBN。

可以使用SEM并通过截距程序(intercept procedure)来获得微细cBN的平均晶粒尺寸。具体来说，在SEM图像中画圆，并且从圆心向圆的外周径向绘制8条直线(使得直线之间的夹角基本相等)。

在这种情况下，优选这样设定观察时的放大倍数和圆的直径，使得位于一条直线上的微细cBN晶粒(晶体晶粒)的数目为约10至50。

接着，对每条直线与微细cBN晶粒的晶粒边界的交点数进行计数，并通过将直线的长度除以交点数目来计算平均线截距长度。将平均线截距长度乘以1.128所得数值定义为平均晶粒尺寸(该方法符合ASTM标准规定的公称晶粒尺寸的计算方法)。适当地，更优选使用若干SEM图像，通过上述程序得到各个图像的平均晶粒尺寸，并且将平均晶粒尺寸的平均值定义为“微细cBN的平均晶粒尺寸”。

通过上述程序进行测量，可能会包括cBN之外的其他微细晶粒的晶粒尺寸(例如，wBN的晶粒)。即使当可能包括cBN之外的其他晶粒的晶粒尺寸时，仍将该晶粒尺寸视为微细cBN的平均晶粒尺寸。

与微细cBN的平均晶粒尺寸类似的是，也可以通过使用SEM的截距程序获得粗cBN的平均晶粒尺寸。在这种情况下，优选这样设定观察放大倍数和圆的直径，使得位于一条直线上的粗cBN晶粒(晶体晶粒)的数目为约10至50。

与微细cBN的平均晶粒尺寸类似的是，也可以通过使用SEM的截距程序获得板状cBN的平均长半径。在这种情况下，优选这样设定观察放大倍数和圆的直径，使得位于一条直线上的板状cBN晶粒(晶体晶粒)的数目为约10至50。

本发明人已经发现在具有由两种类型或三种类型的cBN构成的混合结构的cBN多晶材料中，该混合结构可以具有高硬度，并且当产生小裂纹时，板状cBN和/或粗cBN有效地抑制这种裂纹的发展。因此，本实施方案中的cBN多晶材料是具有韧性的多晶材料，其具有优异的耐裂纹扩展性。

本实施方案中的cBN多晶材料具有cBN的混合结构，该混合结构不仅含有微细cBN，还包含板状cBN和粗cBN中的至少一者，因此当将该cBN多晶材料用于工具等时，其可以应用于高负荷的应用。特别地，本实施方案中的cBN多晶材料优选含有微细cBN、板状cBN和粗cBN这三者，在这种情况下，cBN多晶材料的韧性特别优异。

在本实施方案中的cBN多晶材料中，微细cBN的晶粒尺寸(最大晶粒尺寸)优选为30nm至95nm或更小，更优选为35nm至95nm，进一步优选为70nm至95nm。微细cBN的平均晶粒尺寸优选为不大于70nm，更优选为不大于54nm。从增强效果(即硬度)的观点出发，优选的是具有较小平均晶粒尺寸的微细cBN，因此不必设定其下限。然而，从制造效率的观点来看，将下限设定为10nm。

在本实施方案中的cBN多晶材料中，板状cBN的平均长半径优选为300nm至2100nm，更优选为300nm至1100nm，进一步优选为300nm至1000nm。

在本实施方案中的cBN多晶材料中，粗cBN的平均晶粒尺寸优选为150nm至320nm，更优选为160nm至320nm。

cBN多晶材料中的cBN含量(两种类型或三种类型的cBN的总量)优选不低于20体积％。也就是说，cBN多晶材料中的混合结构的比例优选为不低于20体积％。在这种情况下，cBN多晶材料的耐裂纹扩展性可以特别优异，从而抑制裂纹的发展。cBN多晶材料中的cBN的含量更优选为不低于92体积％，进一步优选为不低于98体积％。

可以通过诸如X射线衍射法之类的常规已知方法来得到cBN多晶材料中的cBN、将在下文中进行描述的wBN、以及压缩型hBN各自的含量。

(纤锌矿型氮化硼(wBN))

本实施方案中的cBN多晶材料可以含有wBN，并且优选含有不低于0.01体积％的这种wBN，因此使得多晶材料的结构更加致密。从wBN的特性的观点出发，wBN含量的上限不高于80体积％。wBN的存在对于抑制裂纹的发展和提高韧性是有效的，然而，wBN是由hBN向cBN的转变中的亚稳相，因此wBN的特征在于比cBN更不稳定且耐磨性更低。wBN的含量范围更优选为0.01体积％至20体积％，进一步优选为0.01体积％至1体积％。

当cBN多晶材料含有wBN时，由多个cBN晶粒和多个wBN晶粒构成的混合结构形成彼此不同的区域。cBN与cBN牢固结合为混合结构，wBN与wBN也牢固结合，并且cBN和wBN也彼此牢固结合。因此，结果获得致密结构。

(压缩型六方氮化硼(压缩型hBN))

本实施方案中的cBN多晶材料可以含有压缩型hBN，并优选含有0.01体积％至0.5体积％的这种压缩型hBN。由此可以实现抑制裂纹的发展和提高韧性的功能。通过允许压缩型hBN的存在，可以在宽温度范围内进行烧结，并提高生产率。当压缩型hBN的含量超过0.5体积％时，压缩型hBN中的应力集中大，并且可能降低强度。因此，当cBN多晶材料进一步含有压缩型hBN时，将其含量的上限设定为0.5体积％。压缩型hBN的体积含量更优选为0.01体积％至0.1体积％，特别优选为0.05体积％至0.1体积％。

虽然cBN多晶材料可以同时含有wBN和压缩型hBN，但优选含有wBN和压缩型hBN中的任一者，在这种情况下，cBN多晶材料的韧性可以更高。

<应用>

由于本实施方案中的cBN多晶材料具有韧性，因此其适合用于切削工具、耐磨工具、研磨工具等。本实施方案中的切削工具、耐磨工具和研磨工具包含上述cBN多晶材料。

各工具可以完全由cBN多晶材料构成、或者仅部分由cBN多晶材料构成(例如，切削工具实例中的切削刃部)。可以在各工具的表面上形成涂层。

切削工具的实例可以包括钻头、端铣刀、钻头用替换型刀片、端铣刀用替换型刀片、铣削用替换型刀片、车削用替换型刀片、金工锯、齿轮切削刀具、铰刀、螺丝攻和切削工具。

耐磨工具的实例可以包括模具、划线器(scriber)、划线轮和修整器(dresser)。

研磨工具的实例可以包括砂轮。

<制造方法>

根据本实施方案的制造cBN多晶材料的方法包括：准备由粗hBN粉末和微细hBN粉末构成的原材料组合物作为起始物质(以下称为准备步骤)；以及在满足下述条件的温度和压力下(以下也称为“合成条件A”)将所述原材料组合物直接转化并烧结为cBN

P≥0.0000132T²-0.0583T+71.793，

T≤2200，并且

P≤25，

其中T表示温度(℃)且P表示压力(GPa)(以下也称为“烧结步骤”)。以下将对各个步骤进行描述。

(准备步骤)

在准备步骤中，可以通过任意方式准备各粗hBN粉末和非hBN粉末。可以通过常规已知的合成方法或商购来获得各种粉末。可以通过混合所得的(购买的)粉末来准备原材料组合物。

“粗hBN粉末”指的是由具有六方晶体结构且平均晶粒尺寸不小于1μm的氮化硼构成的粉末。通过使用激光束进行激光衍射和散射来测量作为原材料(起始物质)的hBN粉末的平均晶粒尺寸。

可以采用这样的hBN粉末作为粗hBN粉末，该hBN粉末的平均晶粒尺寸大于所获得的cBN多晶材料中所包含的各种类型的cBN的平均晶粒尺寸(或者平均长半径)。这是因为在从hBN转化为cBN的过程中，hBN和hBN之间的键被切断，并且在原子重新结合之后，hBN重新结合，由此烧结的cBN的晶粒尺寸小于原材料(起始物质)的晶粒尺寸。然而，当原材料具有小晶粒尺寸时，在hBN和hBN之间不存在固有键的情况下将存在更多的晶粒边界。因此，转化后的cBN具有较小的晶粒尺寸。相反，当原材料具有大的晶粒尺寸时，cBN晶粒尺寸增大。

因此，从所需cBN多晶材料中的cBN的平均晶粒尺寸(或平均长半径)的角度出发，优选将粗hBN粉末的平均晶粒尺寸的上限值设定为10μm，更优选设定为8μm。“非hBN粉末”指的是由不具有六方晶体结构的氮化硼构成的粉末、以及由非结晶氮化硼构成的粉末、或者是由形状为球状、管状、壁状以及角状中至少任一种的结晶氮化硼构成的粉末。

非结晶氮化硼的实例可以包括无定形氮化硼。结晶氮化硼的实例可以包括纳米晶氮化硼。纳米晶氮化硼的实例包括洋葱状(球状)的氮化硼纳米洋葱、管状的氮化硼纳米管、壁状的氮化硼纳米壁和角状的氮化硼纳米角。

虽然对非hBN粉末的尺寸(面积)没有特别限制，但其优选倾向于小于粗hBN粉末的平均晶粒尺寸。例如，管状氮化硼纳米管的直径优选为1nm至100nm，并且球状氮化硼纳米洋葱的晶粒尺寸优选为5nm在50nm。

在准备步骤中所准备的原材料组合物中的非hBN粉末的含量优选为10体积％至95体积％，更优选为20体积％至50体积％，进一步优选为10体积％至50体积％。由此粗hBN粉末和非hBN粉末这两者可以以平衡的方式存在于原材料组合物中，因此可以容易地获得具有由上述两种类型或三种类型的cBN构成的混合结构的cBN多晶材料。

在准备步骤中，可以采用微细hBN粉末代替非hBN粉末。

微细hBN粉末与平均粒度小于100nm的粗hBN粉末不同。尽管粗hBN粉末和微细hBN粉末均为具有晶粒尺寸分布的晶粒的聚集体，但是因为它们的平均晶粒尺寸彼此相差很远，所以不存在晶粒尺寸分布彼此重叠的区域。

可以采用这样的微细hBN粉末作为所述微细hBN粉末，该微细hBN粉末的晶粒尺寸大于所得cBN多晶材料中的微细cBN的平均晶粒尺寸。如上所述，烧结的cBN的晶粒尺寸小于原材料(起始物质)的晶粒尺寸，这是因为在从hBN到cBN的转变中hBN和hBN之间的键被切断，并且在原子重新组合后，hBN重新组合。因此，从制造方面考虑，将微细hBN粉末的晶粒尺寸设定为小于100nm，并且将其下限值设定为5nm。

在制备步骤中制备的原材料组合物中的微细hBN粉末的含量优选为10体积％至95体积％，更优选为50体积％至95体积％。由此粗hBN粉末和微细hBN粉末这两者可以以平衡的方式存在于原材料组合物中，因此可以容易地获得具有由上述两种类型或三种类型的cBN构成的混合结构的cBN多晶材料。

(烧结步骤)

在烧结步骤中，压力P(GPa)和温度T(℃)应满足上述合成条件A，这是因为会引起(例如)高温侧的晶粒生长和低温侧的未转化hBN的残留物的问题。

对合成条件A中的温度T(℃)没有特别限制，只要能获得cBN多晶材料即可，并且不需要限定其下限值。更优选将温度T(℃)设定为1300℃至2200℃。

对合成条件A中的压力P(GPa)也没有特别限制，只要能获得cBN多晶材料即可，并且不需要限定其下限值。更优选将压力P(GPa)设定为8GPa至20GPa。

将烧结步骤中的温度和压力施加时间设定为5分钟至20分钟。时间短于5分钟将导致烧结不足，而时间长于20分钟对烧结状态没有影响，并且就成本而言是不利的。更优选的施加时间为10分钟至20分钟。

烧结步骤是将原材料组合物转化并烧结成cBN的步骤。将原材料组合物转化为cBN是直接将原料组合物(即，氮化硼)单独转化为cBN而不使用烧结助剂或催化剂，并且转化通常与烧结同时进行。

利用上述制造方法，可以制造根据本实施方案的cBN多晶材料，即含有微细cBN和板状cBN和/或粗cBN的韧性cBN多晶材料。

实施例

尽管下面将参考实施例对本发明进行更详细的描述，但是本发明不限于此。

<实施例1至10以及比较例1至4>

使用以下方法制造根据实施例1至10的cBN多晶材料。首先，在各实施例中，准备起始物质(准备步骤)。准备粗hBN粉末、微细hBN粉末以及非hBN粉末作为起始物质，并且各实施例所用的原材料组合物是不同的。

然后，将所准备的原材料组合物置于由高熔点金属构成的密封舱中，并使用超高压高温发生器在表1所示的温度和压力下(“合成条件”栏)保持20分钟。由此将原材料组合物转化为cBN并烧结(烧结步骤)。从而得到cBN多晶材料。

表1

在表1中的原材料组合物栏中，“粗hBN粉末”指的是平均晶粒尺寸为1μm的hBN粉末，“微细hBN粉末”指的是平均晶粒尺寸小于100nm的hBN粉末，并且“非hBN粉末”指的是除了hBN以外的氮化硼粉末(具体而言，纳米晶氮化硼粉末)。在“粗hBN”和“微细hBN”栏中，示出了在各实施例和各比较例中使用的粗hBN和/或微细hBN的平均晶粒尺寸。在“非hBN”栏中，示出了在各实施例和各比较例中使用的非hBN纳米晶体的类型。在“含量(体积％)”栏中，示出了原材料组合物中除了粗hBN粉末以外的粉末的含量(即，微细hBN粉末或非hBN粉末的含量)。

在制造实施例1至10的方法中，烧结步骤中的合成条件(温度和压力)满足合成条件A。

比较例1的制造方法与实施例的制造方法的不同之处在于：其满足合成条件A，但是原材料组合物不含有微细hBN和非hBN。比较例2至4的制造方法与实施例的制造方法的不同之处在于：其满足合成条件A，但是原材料组合物不含粗hBN。

<评价>

使用下述技术来确定上述得到的实施例1至10和比较例1至4中的cBN多晶材料的组成和晶粒尺寸，并且使用各cBN多晶材料来进一步进行切削试验以评价各cBN多晶材料的耐磨性和耐崩裂性。

(组成)

通过使用X射线衍射装置来识别各cBN多晶材料中所含的立方氮化硼(cBN)、压缩型六方氮化硼(压缩型hBN)和纤锌矿型氮化硼(wBN)，并计算其含量。该装置的X射线源是波长为

的Cu-Kα射线。结果如表2所示。

(微细cBN的平均晶粒尺寸和最大晶粒尺寸)

使用SEM并通过截距法来获得各cBN多晶材料中所含的微细cBN的平均晶粒尺寸。

首先，对cBN多晶材料的表面进行抛光，并使用SEM观察经抛光的表面，以得到SEM图像。然后，将SEM图像中cBN的长径比不小于3的cBN定义为板状cBN。然后，对于剩余的cBN，将晶粒尺寸不大于100nm的cBN确定为微细cBN，并且将晶粒尺寸超过100nm的cBN定为粗cBN。

然后，在SEM图像中绘制圆，并从圆心向圆周方向径向地绘制8条直线(使得直线之间的夹角基本相等)。在这种情况下，设定观察放大倍数和圆的直径，使得位于一条直线上的微细cBN晶粒(晶体晶粒)的数目为约10至50。

接着，对每条直线与微细cBN晶粒的晶粒边界的交点数进行计数，并通过将直线的长度除以交点数目来计算平均线截距长度。将平均线截距长度乘以1.128所得数值定义为微细cBN晶粒的平均晶粒尺寸。将所观察到的微细cBN晶粒的最大晶粒尺寸定义为微细cBN的最大晶粒尺寸。

在计算微细cBN晶粒的平均晶粒尺寸时，将SEM图像的放大倍数设定为30000x。这是因为在低于30000x的放大倍数下，圆中的晶粒的数目多，难以观察晶粒边界，容易发生错误计数，并且板状结构更可能包括在绘制线中。在等于或高于30000x的放大倍数下，圆中的晶粒数目太少，并且不能计算出精确的平均晶粒尺寸。

对于各实施例和各比较例，使用由一个样品的不同部分的显微照相得到的3个SEM图像，通过上述程序得到各SEM图像的平均晶粒尺寸，将这3个所得到的平均晶粒尺寸的平均值定义为“微细cBN的平均晶粒尺寸”。结果在表2的“产品”栏中示出。

(粗cBN的平均晶粒尺寸)

与微细cBN的平均晶粒尺寸类似，使用SEM并通过截距程序得到各cBN多晶材料中所含的粗cBN的平均晶粒尺寸。结果如表2所示。

在计算粗cBN晶粒的平均晶粒尺寸时，将SEM图像的放大倍数设定为10000x。其原因与微细cBN颗粒的计算的原因相同。

(板状cBN的平均长半径)

与微细cBN的平均晶粒尺寸类似，使用SEM并通过截距程序得到各cBN多晶材料中所含的板状cBN的平均长半径。结果如表2所示。

在计算板状cBN晶粒的平均长半径时，将SEM图像的放大倍数设定为10000x。其原因与微细cBN颗粒的计算的原因相同。

如表2所示，可以确认实施例1至4和6至10含有1体积％至80体积％的wBN。实施例1、3、4、7、8和10中的cBN多晶材料具有由微细cBN、粗cBN和板状cBN的晶体构成的混合结构。实施例2、6和9中的cBN多晶材料具有由微细cBN和板状cBN的晶体构成的混合结构。实施例5中的cBN多晶体具有由微细cBN和粗cBN的晶体构成的混合结构。相比之下，比较例1至4不具有混合结构。

(切削试验)

将实施例和比较例中的cBN多晶材料加工成切削刀片。通过使用这些切削刀片并在下述切削条件下进行切削试验，以评价耐磨性和耐崩裂性。结果如表3所示。

切削类型：湿式切削

加工材料：烧结合金SMF4040的圆棒(在外周面以等间隔形成有沿轴向方向延伸的六个垂直槽)

切削速度：100mm/分钟。

切削深度：0.2mm

进给：0.1mm/转。

评价方法：切削2km后，后刀面上的磨损量以及有无崩裂

表3

	有无崩裂	工具的相对磨损率
			实施例1	无	1
实施例2	无	1.1
			实施例3	无	0.9
实施例4	无	0.9
			实施例5	无	1
实施例6	无	1.2
			实施例7	无	1
实施例8	无	0.9
			实施例9	无	1.2
实施例10	无	0.9
			比较例1	有	2
比较例2	有	1.6
			比较例3	有	1.4
比较例4	有	1.5

如表3所示，在将实施例1定义为基准的情况下，实施例2至10中的磨损量为0.9至1.2并且没有观察到崩裂。相比之下，在比较例1至4中观察到崩裂。因此，可以证实：与比较例中的cBN多晶材料相比，实施例中的cBN多晶材料的韧性更高。

尽管如上所述对本发明的实施方案和实施例进行了说明，但是本发明原本也旨在对如上所述的各实施方案和实施例中的特征进行适当的组合及各种修改。

应当理解的是，本文所公开的实施方案和实施例在各方面都是说明性和非限制性的。本发明的范围是由权利要求的条款限定，而非上述的实施方案，并且本发明的范围旨在包括与权利要求的条款等同的范围和意义内的任何修改。

Claims (10)

1.一种立方氮化硼多晶材料，包含：

粒状的微细立方氮化硼，其最大晶粒尺寸不大于100nm，且平均晶粒尺寸不大于70nm；

板状立方氮化硼，该板状立方氮化硼呈板状形式且平均长半径为50nm以上10000nm以下；以及

粗立方氮化硼，该粗立方氮化硼呈粒状，其最小晶粒尺寸超过100nm且平均晶粒尺寸不大于1000nm。

2.根据权利要求1所述的立方氮化硼多晶材料，所述立方氮化硼多晶材料还包含纤锌矿型氮化硼，其中

所述纤锌矿型氮化硼的含量为0.01体积％以上80体积％以下。

3.根据权利要求1所述的立方氮化硼多晶材料，所述立方氮化硼多晶材料还包含压缩型六方氮化硼，其中

所述压缩型六方氮化硼的含量为0.01体积％以上0.5体积％以下。

4.一种切削工具，其包含根据权利要求1至3中任一项所述的立方氮化硼多晶材料。

5.一种耐磨工具，其包含根据权利要求1至3中任一项所述的立方氮化硼多晶材料。

6.一种研磨工具，其包含根据权利要求1至3中任一项所述的立方氮化硼多晶材料。

7.一种制造立方氮化硼多晶材料的方法，包括：

准备由粗六方氮化硼粉末和非六方氮化硼粉末构成的原材料组合物作为起始物质；以及

在满足下述条件的温度和压力下将所述原材料组合物直接转化并烧结为立方氮化硼

P≥0.0000132T²-0.0583T+71.793，

T≤2200，并且

P≤25，

其中T表示温度，单位为℃，且P表示压力，单位为GPa，

所述粗六方氮化硼粉末的平均晶粒尺寸不小于1μm，并且

所述非六方氮化硼粉末为由非结晶氮化硼构成的粉末，或者为由结晶氮化硼构成的粉末，

所述结晶氮化硼具有球状、管状、壁状和角状中的至少任意一种形状。

8.根据权利要求7所述的制造立方氮化硼多晶材料的方法，其中

所述原材料组合物中的所述非六方氮化硼粉末的含量为10体积％以上95体积％以下。

9.一种制造立方氮化硼多晶材料的方法，包括：

准备由粗六方氮化硼粉末和微细六方氮化硼粉末构成的原材料组合物作为起始物质；以及

在满足下述条件的温度和压力下将所述原材料组合物直接转化并烧结为立方氮化硼

P≥0.0000132T²-0.0583T+71.793，

T≤2200，并且

P≤25，

其中T表示温度，单位为℃，且P表示压力，单位为GPa，

所述粗六方氮化硼粉末的平均晶粒尺寸不小于1μm，并且

所述微细六方氮化硼粉末的平均晶粒尺寸小于100nm。

10.根据权利要求9所述的制造立方氮化硼多晶材料的方法，其中

所述原材料组合物中的所述微细六方氮化硼粉末的含量为10体积％以上95体积％以下。