CN109415271B - 利用六面顶式压机进行的无粘合剂cbn烧结 - Google Patents

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Abstract

烧结无粘合剂cBN主体的方法包括将氮化硼颗粒混合物提供至压力室中，所述氮化硼颗粒混合物具有第一类型的氮化硼颗粒和氮化硼填料颗粒，并且所述氮化硼填料颗粒具有与所述第一类型的氮化硼颗粒不同的尺寸和/或类型；以及通过在所述压力室中生成小于7.7GPa的压力并且将所述氮化硼颗粒混合物加热至约1900℃至约2300℃范围内的温度，在所述压力室中烧结所述氮化硼颗粒混合物，以形成所述cBN主体，其中所述cBN主体具有至少97％的密度。

Description

利用六面顶式压机进行的无粘合剂CBN烧结
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年6月29日提交的美国临时申请No.62/356,225的优先权和权益，所述美国临时申请以引用方式整体并入本文。
背景技术
立方氮化硼(cBN)颗粒可以在陶瓷或金属粘合剂存在下烧结在一起，以形成具有所设计材料性质(例如增加的耐磨性或韧性)的多晶立方氮化硼(PCBN)复合材料。例如，PCBN复合材料可以通过高压高温(HPHT)烧结包括作为硬相的cBN颗粒(例如，超硬材料)与铝(Al)金属粉末的混合物来形成，该混合物变为液体烧结反应物。PCBN的HPHT烧结可包括使用约4-7GPa之间的压力和约1200℃与1500℃之间的温度。在一些应用中，cBN颗粒可以在无粘合剂的cBN烧结工艺中在不使用粘合剂的情况下烧结在一起。然而，已知的无粘合剂cBN烧结工艺包括使用大于7.7GPa的超高压和大于2000℃(例如，在2200℃与2400℃之间)的高温。与用于形成PCBN的压力和温度条件相比，此类超高压和高温条件可能难以实现且成本高昂。
PCBN可用于各种机械加工应用，包括(例如)用于搅拌摩擦焊接、加工或接合所用的工具。用于搅拌摩擦焊接的工具可以包括包含PCBN的强力销，所述强力销沿着两片材料之间的接缝移动，以使每片材料的一部分超塑性地变形并将所述两片焊接在一起。其它应用可能包括将PCBN用于切割工具、钻探工具或机械加工工具，例如用于机械加工工具钢、表面硬化钢和高速钢、焊接合金、铸铁及其它的工具。
发明内容
提供本发明内容是为了介绍一系列在下文具体实施方式中进一步描述的概念。本发明内容不意图鉴别要求保护的主题的关键或必要特征，也不意图用于辅助限制要求保护的主题的范围。
在一个方面，本公开的实施方案涉及烧结无粘合剂cBN主体的方法，所述方法包括将氮化硼颗粒混合物提供至压力室中，所述氮化硼颗粒混合物具有第一类型的氮化硼颗粒和氮化硼填料颗粒以及具有与第一类型的氮化硼颗粒不同的尺寸和/或类型的氮化硼填料颗粒；以及在压力室中烧结氮化硼颗粒混合物以形成cBN主体，其中烧结包括在压力室中生成小于7.7GPa的压力以及将氮化硼颗粒混合物加热至约1900℃至约2300℃范围内的温度，其中cBN主体的密度为至少97％。
在另一方面，本公开的实施方案涉及制备cBN主体的方法，所述方法包括将氮化硼颗粒混合物提供至压力室中，在压力室中生成约7GPa至小于7.7GPa范围内的压力，以及将压力室加热至约1900℃至约2300℃范围内的温度，其中cBN主体具有至少98％的cBN组成。
在又一方面，本公开的实施方案涉及烧结的无粘合剂cBN主体，其具有多个结合在一起的cBN晶粒、至少99％的密度及大于38GPa的维氏硬度(Vickers hardness)，其中cBN构成烧结的无粘合剂cBN主体组成的至少98％。
从以下描述和所附权利要求中将明了所要求保护的主题的其它方面和优点。
附图说明
附图与说明书一起图解说明所公开主题的实例实施方案，并且与说明书一起用来解释所公开主题的原理。
图1是由根据本公开实施方案的氮化硼颗粒混合物和由常规氮化硼颗粒混合物烧结而成的无粘合剂cBN主体的理论密度的图表。
图2显示在不同温度下由根据本公开实施方案的氮化硼颗粒混合物烧结而成的烧结的无粘合剂cBN主体的x射线衍射光谱。
图3显示图2的烧结的无粘合剂cBN主体的组成的表格。
图4显示烧结的无粘合剂cBN主体的比较样品的x射线衍射光谱。
图5显示烧结的无粘合剂cBN主体的比较样品的x射线衍射光谱。
图6显示具有根据本公开实施方案的烧结的无粘合剂cBN材料的工具。
图7显示具有根据本公开实施方案的烧结的无粘合剂cBN材料的切割元件。
具体实施方式
在以下具体实施方式中，通过说明的方式仅显示并描述所公开主题的某些实例实施方案。如本领域技术人员将认识到的，所公开的主题可以许多不同的形式体现，并且不应该被解释为限于本文所阐述的实施方案。在整个说明书中，相同的参考数值表示相同的元件。
根据本公开的实施方案，通过使用本文论述的氮化硼起始材料组合物，可以通过在相对低的压力条件下烧结氮化硼颗粒来形成具有高密度和高硬度的烧结的无粘合剂立方氮化硼(cBN)主体。所得烧结的无粘合剂cBN主体基本上包括结合在一起的cBN晶粒，并且可能包括极少量的残余材料或杂质(例如，构成烧结主体组合物的小于3％、小于1％或小于0.5％)。例如，根据本文公开实施方案的烧结的无粘合剂cBN主体可具有至少97％的cBN组成，例如包括大于98％的cBN组成和大于99％的cBN组成，例如99.8％的cBN组成，所述cBN以结合在一起并且相互连接的cBN晶粒存在。如本文所用术语“颗粒”是指在烧结之前使用的粉末起始材料，而术语“晶粒”是指在烧结之后可辨别的超研磨区。
为了烧结根据本文公开实施方案的无粘合剂cBN主体，可以将氮化硼颗粒混合物(其也可以称为起始材料)放置在保护容器中，该保护容器又可以放置在合适的高压高温压机装置的工作室中。然后可以使容器及其内容物经受升高的压力和温度条件以烧结无粘合剂的cBN主体。烧结的无粘合剂cBN主体可以使用通常用于形成多晶立方氮化硼的相同设备来制备。例如，根据本公开实施方案的无粘合剂cBN主体可以使用任何合适的压机(例如，高压高温(HPHT)压机)(例如六面顶式压机、带式压机、环管式压机或多面砧式压机以及其它已知的压机)来制备。
尽管已知用于在高温和高压下烧结材料的压机可具有各种形状、尺寸和配置的组件，但压机通常包括用于容纳待烧结起始材料的“压力室”，其中可使装载至压力室中的起始材料经受增加的压力和温度以进行烧结。压力室可包括一个或多个组件，例如，相对于彼此可移动的组件、密封组件以及具有同轴或重叠壁的组件(仅举几个例子来说)，并且可具有不同的尺寸和形状。如本文所用，压力室可包括容器的一种或多种配置，所述容器能够容纳起始材料，同时允许热量和压力转移至起始材料。压力室可以形成为压机的不可移除部分，或者压力室可以是可移除部分，其中压力室可以从压机中移除并装载至压机中。
先前已经使用压机分别在约1200-1500℃的温度和4-7GPa的压力下由cBN颗粒和金属粘合剂颗粒的起始材料混合物来烧结多晶立方氮化硼主体，并且分别在大于1900℃的温度和大于7.7GPa的压力下烧结无粘合剂cBN主体(由不含金属粘合剂的起始材料混合物)。然而，根据本文公开的实施方案，可使用压机在小于7.7GPa的压力和约1900℃至2300℃范围内的温度下烧结无粘合剂的cBN主体，同时还提供具有与在更高压力下烧结的先前cBN主体的密度和硬度相比相当或更大的密度和/或硬度的烧结的无粘合剂cBN主体。
例如，根据本公开的实施方案，制备无粘合剂cBN主体的方法可包括将氮化硼颗粒混合物提供至压力室中，在压力室中生成小于7.7GPa(例如，在约6.8GPa至小于7.7GPa的范围内，例如约7GPa)的压力，以及将压力室加热至约1900℃至约2300℃范围内的温度，以将氮化硼颗粒混合物烧结成具有至少98％的cBN组成的烧结的无粘合剂cBN主体。所得烧结的无粘合剂cBN主体的其余组成可包括来自烧结的残余材料和/或杂质，例如来自用于混合氮化硼颗粒混合物的设备的碳化物和/或在加工条件下形成的氧化物。此外，所得烧结的无粘合剂cBN主体可具有至少约97％的密度(例如，大于98.0％、大于98.5％、大于99.0％或大于99.5％的密度)和/或至少约37GPa(例如，大于38GPa或大于40GPa)的维氏硬度。
为了在相对较低的压力(小于7.7GPa)下形成烧结的无粘合剂cBN主体并且仍然得到高密度和硬度(例如，至少约97％的密度及至少约37GPa的维氏硬度)，可以将氮化硼起始材料组合物设计成使由烧结工艺产生的体积变化减至最小。换句话说，通过将氮化硼起始材料设计成在烧结期间经历较少的体积变化，可以使用较低的压力进行烧结，同时仍然得到具有高密度和硬度的烧结的无粘合剂cBN主体。起始材料与所得烧结主体之间的体积变化可能是由起始材料中的相变和/或起始材料颗粒的致密化引起的。烧结工艺期间的致密化可能是由于以下引起的：起始颗粒的形状和/或尺寸随着晶界的形成而发生变化，同时，起始颗粒之间的孔的形状、尺寸和/或量发生变化，从而减少了相对于颗粒体积的孔体积的相对量。因此，通过将氮化硼起始材料的组成设计成由于相变而具有相对增加的密度和/或较少的体积变化，可以减少起始材料与烧结主体之间的总体积变化，并且可以降低用于烧结的压力。
根据本公开的实施方案，可以将氮化硼颗粒混合物设计成通过由第一类型的氮化硼颗粒和氮化硼填料颗粒形成氮化硼颗粒混合物而在烧结期间经历较少体积变化，其中硼氮化物填料颗粒具有与第一类型的氮化硼颗粒不同的尺寸和/或类型。例如，第一类型的氮化硼颗粒可包括具有选定的粒径范围和/或选定的平均粒径的cBN颗粒，并且氮化硼填料颗粒可包括六方氮化硼(“hBN”)颗粒和/或具有与第一类型的氮化硼颗粒不同的粒径(不同的粒径范围和/或平均粒径)的cBN颗粒。
在一些实施方案中，第一类型的氮化硼颗粒可包括在正态分布下具有约12微米至22微米范围内粒径的单一粒径级的粗cBN颗粒，并且氮化硼填料可包括平均粒径小于第一类型的氮化硼颗粒(例如平均粒径为约2微米或更小)的细cBN颗粒。任选地，氮化硼颗粒混合物可进一步包括第三粒径级的cBN颗粒，所述第三粒径级的cBN颗粒的平均粒径不同于粗立方氮化硼颗粒和细立方氮化硼颗粒。
本公开的实施方案可包括含有具有多峰粒径分布(包括例如双峰粒径分布(即具有两个平均尺寸的颗粒)或三峰粒径分布(即具有三个平均尺寸的颗粒))的cBN颗粒的氮化硼颗粒混合物。例如，具有双峰粒径分布的cBN颗粒的氮化硼颗粒混合物可包括平均粒径在约12微米至22微米范围内的cBN颗粒和平均粒径在约0.1微米至12微米范围内的cBN颗粒。一些实施方案可包括使用含有具有紧密堆积的三峰分布的cBN颗粒(例如平均粒径在12微米至22微米范围内的第一粒径级的cBN颗粒、平均粒径在2微米至4微米范围内的第二粒径级的cBN颗粒及平均粒径在0.1微米至1微米范围内的第三粒径级的cBN颗粒)的氮化硼颗粒混合物。
含有具有多峰粒径分布的cBN颗粒的氮化硼颗粒混合物可包括两个或更多个粒径级的具有不同粒径的cBN颗粒，其中多峰cBN颗粒的大部分(例如，大于50％)组成是平均粒径在12微米至22微米范围内的粗粒径级cBN颗粒。例如，在具有cBN颗粒的三峰分布的实施方案中，三峰cBN颗粒混合物可包括介于70％与90％之间的平均粒径在12微米至22微米范围内的粗粒径级cBN颗粒组成(例如，约85％组成)、介于5％与15％之间的平均粒径在2微米至4微米范围内的第二粒径级cBN颗粒组成(例如，约7％组成)，及介于5％与15％之间的平均粒径在0.1微米至1微米范围内的第三粒径级cBN颗粒组成(例如，约8％组成)。在一些实施方案中，三峰cBN颗粒混合物可包括大部分的粗粒径级cBN颗粒组成和基本等量的两个粒径级的具有不同平均粒径的cBN颗粒组成。在一些实施方案中，三峰cBN颗粒混合物可包括大部分的粗粒径级cBN颗粒组成及不等量的两个粒径级的具有不同平均粒径的cBN颗粒组成(例如，其中具有相对较大平均粒径的第二粒径级所构成的百分比组成大于具有相对较小平均粒径的第三粒径级，或者其中具有相对较小平均粒径的第二粒径级所构成的百分比组成大于具有相对较大平均粒径的第三粒径级)。
混合具有不同粒径的cBN颗粒以形成氮化硼颗粒混合物可以允许氮化硼起始材料中的颗粒之间更紧密地堆积。此外，与混合具有较小粒径差异的cBN颗粒(例如，具有双峰粒径分布并且所述两个粒径之间的平均粒径差异在小于50％的差异、小于25％的差异或小于15％的差异范围内的cBN颗粒)相比，混合具有较大粒径差异的cBN颗粒(例如，混合粗cBN颗粒和细cBN颗粒)可以允许起始材料更紧密地堆积。
在一些实施方案中，hBN颗粒可以单独地或与其它氮化硼填料材料组合用作氮化硼填料。例如，在一些实施方案中，第一类型的氮化硼颗粒可包括cBN颗粒，并且单独的hBN颗粒可形成氮化硼填料。在一些实施方案中，第一类型的氮化硼颗粒可包括具有第一平均粒径的cBN颗粒，并且氮化硼填料可包括hBN颗粒和具有小于第一平均粒径的第二平均粒径的cBN颗粒。HBN颗粒可以充当氮化硼颗粒混合物中的润滑剂，从而可以帮助颗粒堆积并改善生坯密度。
氮化硼颗粒混合物中的HBN颗粒的平均粒径可以小于或等于氮化硼颗粒混合物的cBN颗粒组分的平均粒径。在一些实施方案中，hBN颗粒的粒径可能小于5微米，例如，在大于0微米至约2微米的范围内。
氮化硼颗粒混合物可包括至少约50重量％的第一类型的氮化硼颗粒(例如尺寸在约12微米至22微米范围内的cBN颗粒)及小于50重量％的氮化硼填料材料。例如，氮化硼颗粒混合物可包括介于75重量％与90重量％之间(例如，约80重量％至约85重量％)的粗cBN颗粒和介于10重量％与20重量％之间(例如，约15重量％)的细cBN颗粒和/或介于5重量％与20重量％之间(例如，约15重量％)的hBN颗粒。在一些实施方案中，氮化硼颗粒混合物可包括50重量％或更多的cBN颗粒和小于50重量％的hBN颗粒。因为hBN颗粒在烧结期间由于从hBN相变至cBN而经历大的体积变化，所以在一些实施方案中，hBN可以构成氮化硼颗粒混合物的小于20重量％(例如，15重量％或更少、10重量％或更少或约5重量％)。
使用本文公开的氮化硼颗粒混合物作为形成烧结的无粘合剂cBN主体的起始材料可以减少由烧结工艺引起的起始材料体积与烧结的无粘合剂cBN主体体积之间的体积变化。根据本公开的实施方案，可以设计氮化硼颗粒混合物的组成以形成烧结的无粘合剂cBN主体的氮化硼起始材料，使得从氮化硼颗粒混合物体积至烧结的无粘合剂cBN主体体积的体积变化小于45％、小于40％(例如，约35％)，并且在一些实施方案中，小于35％。
可通过以下将根据本公开实施方案的氮化硼颗粒混合物烧结成无粘合剂的cBN主体：将氮化硼颗粒混合物倒入压机的压力室中并在压力室中生成小于7.7GPa的压力，同时将氮化硼颗粒混合物加热至约1900℃至约2300℃范围内的温度。例如，可以在介于6.8GPa与7GPa之间、介于7GPa与7.2GPa之间或介于7.2GPa与7.6GPa之间的压力下烧结根据本公开实施方案的氮化硼颗粒混合物以形成无粘合剂cBN主体。
由本文公开的氮化硼颗粒混合物烧结而成的无粘合剂cBN主体可在小于7.7GPa的压力和介于约1900℃与2300℃之间的温度下烧结，同时仍然具有至少97％、至少98％或至少99％的密度。通过使用如本文所公开的氮化硼颗粒混合物作为烧结的无粘合剂cBN主体的起始材料，可以增加烧结的无粘合剂cBN主体的密度(例如，具有大于99％的密度)。例如，使用多峰cBN颗粒作为起始氮化硼颗粒混合物可以允许改善起始材料中的颗粒堆积，从而可以允许减少烧结工艺期间的体积变化，从而允许由相对较低的烧结压力引起的高密度。使用cBN颗粒和小于50重量％的hBN颗粒的混合物作为起始氮化硼颗粒混合物可以减少烧结工艺期间来自hBN至cBN的相变的体积变化(当与完全由hBN起始材料烧结cBN主体相比时)，从而允许在烧结高密度无粘合剂cBN主体时使用较低的烧结压力。
烧结无粘合剂cBN主体的方法可包括将氮化硼颗粒混合物粉末堆积于压力室内，之后使氮化硼颗粒混合物经受升高的压力和温度。例如，在一些实施方案中，可以将氮化硼颗粒混合物起始材料装载至压机的压力室中，并且可以振动容纳氮化硼颗粒混合物的压力室以粉末堆积氮化硼颗粒混合物。在振动之后，可以使氮化硼颗粒混合物经受升高的压力和温度，以将粉末堆积的氮化硼颗粒混合物烧结成烧结的无粘合剂cBN主体。
在一些实施方案中，烧结无粘合剂cBN主体的方法可包括对氮化硼颗粒混合物进行冷等静压制，之后使氮化硼颗粒混合物经受升高的压力和温度。例如，在一些实施方案中，可将氮化硼颗粒混合物起始材料装载至柔性模具中并密封在柔性模具内，并且可在密封的柔性模具周围施加压力(例如，液压)以提供氮化硼颗粒混合物的基本均匀的压实和压实主体内相对均匀的密度。任选地，在一些实施方案中，可在冷等静压制之前粉末堆积氮化硼颗粒混合物。然后可将压实的氮化硼颗粒混合物主体装载至压机的压力室中，并且经受升高的压力和温度，以将压实的氮化硼颗粒混合物烧结成烧结的无粘合剂cBN主体。在一些实施方案中，可将氮化硼颗粒混合物装载至高压压机中并且经受1GPa至7GPa范围内的压力，以在烧结之前堆积氮化硼颗粒混合物并改善生坯密度。在经受1GPa至7GPa范围内的压力之后，然后可以烧结堆积的氮化硼颗粒混合物以形成烧结的无粘合剂cBN主体。
由根据本公开实施方案的氮化硼颗粒混合物形成的烧结的无粘合剂cBN主体可具有至少98％(包括大于98.5％、大于99％和大于99.5％)的高密度，该高密度取决于(例如)氮化硼颗粒混合物的组成和烧结温度和压力。
图1显示在7GPa和不同温度下由不同氮化硼颗粒混合物烧结的无粘合剂cBN主体的理论密度的实例。所测试的氮化硼颗粒混合物包括常规的单一粒径级cBN颗粒混合物(显示为氮化硼颗粒混合物A)和根据本公开实施方案的氮化硼颗粒混合物(显示为氮化硼颗粒混合物B和C)。氮化硼颗粒混合物A包括单一粒径级的具有正态分布的cBN颗粒，其中所述cBN颗粒的粒径在12微米至22微米的范围内。根据一个实施方案，氮化硼颗粒混合物B包括具有85重量％的粒径在12微米至22微米范围内的cBN颗粒和15重量％的粒径在大于0微米至2微米范围内的cBN颗粒的混合物。根据一个实施方案，氮化硼颗粒混合物C包括具有85重量％的氮化硼颗粒混合物B和15重量％的hBN颗粒的混合物。因此，氮化硼颗粒混合物C可包括具有以下各项的混合物：约72重量％的粒径在12微米至22微米范围内的cBN颗粒、约13重量％的粒径在大于0微米至2微米范围内的cBN颗粒，和约15重量％的hBN颗粒。
如图1所示，当在7GPa和2250℃的温度下烧结时，氮化硼颗粒混合物A不能产生高密度(理论密度为至少98％)的无粘合剂cBN主体。相反，当在7GPa和约2370℃的温度下烧结时，氮化硼颗粒混合物A产生约99.2％的高密度。
相比之下，当在7GPa和介于1900℃与2300℃之间的温度下烧结时，根据本公开实施方案和图1中所示的颗粒混合物、氮化硼颗粒混合物B和氮化硼颗粒混合物C能够产生高密度(理论密度为至少98％)的无粘合剂cBN主体。例如，当在7GPa和约2140℃至2250℃范围内的温度下烧结时，氮化硼颗粒混合物B产生高密度介于约99.5％与约99.7％之间的无粘合剂cBN主体。当在7GPa和约1950℃下烧结时，氮化硼颗粒混合物C产生高密度为约98.6％的无粘合剂cBN主体。当在7GPa和约2070℃至约2270℃范围内的温度下烧结时，氮化硼颗粒混合物C产生高密度在大于99.2％至约99.7％范围内的无粘合剂cBN主体。
图1显示在7GPa和介于1900℃与2300℃之间的温度下烧结的根据本公开实施方案的氮化硼颗粒混合物的选定实例。然而，可以在类似条件(例如，小于7.7GPa、小于7.5GPa或小于7.2GPa(例如介于6.9GPa与7.1GPa之间)的压力，和介于约1900℃与约2300℃之间的温度)下烧结根据本公开实施方案的其它氮化硼颗粒混合物，也产生高密度的无粘合剂cBN主体。
此外，由根据本公开实施方案的氮化硼颗粒混合物形成的烧结的无粘合剂cBN主体的维氏硬度可能大于30GPa、大于35GPa和大于38GPa。
如本文所论述的，在与先前使用的氮化硼起始材料相比时，使用根据本公开实施方案的氮化硼颗粒混合物来形成烧结的无粘合剂cBN主体可以允许在相对更低的压力下(并且任选地与更低的温度组合)进行烧结。根据本文公开的实施方案形成的烧结的无粘合剂cBN主体可另外具有改善的材料性质(尽管用于形成无粘合剂的cBN主体的烧结压力较低)，这部分地归因于起始材料的组成和所述起始材料的堆积效率。例如，通过使用根据本公开实施方案的起始材料和烧结方法，可以避免cBN起始材料中从cBN至hBN的反相变，从而可以产生具有改善的硬度(归因于烧结的无粘合剂cBN主体中hBN的存在减少)的烧结的无粘合剂cBN主体。
图2显示在不同温度和7GPa压力下由根据本公开实施方案的氮化硼颗粒混合物烧结而成的烧结的无粘合剂cBN主体的x射线衍射结果。氮化硼颗粒混合物包括粒径在12微米与22微米之间的cBN颗粒、粒径在大于0微米至约2微米范围内的cBN颗粒和hBN颗粒的混合物。图3显示由在不同温度下烧结氮化硼颗粒混合物产生的烧结的无粘合剂cBN主体的组成，如根据x射线衍射测量所计算。当在1950℃下烧结时，所得烧结的无粘合剂cBN主体具有约98.5％的cBN组成、1.2％hBN和0.35％残余材料。当在2075℃下烧结时，所得烧结的无粘合剂cBN主体具有约99％的cBN组成、0.41％hBN和0.63％残余材料。当在2175℃下烧结时，所得烧结的无粘合剂cBN主体具有约99.8％的cBN组成、0.02％hBN和0.20％残余材料。
图4和图5显示针对在不同温度下由以下各项烧结而成的烧结的无粘合剂cBN主体的其它实例得到的x射线衍射测量结果：具有平均粒径在12微米至22微米范围内的cBN颗粒的单一粗粒径级cBN颗粒混合物和具有平均粒径在大于0微米至2微米范围内的cBN颗粒的单一细粒径级cBN颗粒混合物。根据一个或多个实施方案，图4中所示的结果包括以下各项的x射线衍射图案：1)由单一细粒径级cBN颗粒混合物(混合物A)烧结而成的烧结的无粘合剂cBN主体，所述单一细粒径级cBN颗粒混合物具有平均粒径在大于0微米与2微米之间的细cBN颗粒；和2)由单一粗粒径级cBN颗粒混合物(混合物B)烧结而成的烧结的无粘合剂cBN主体，所述单一粗粒径级cBN颗粒混合物具有平均粒径在12微米至22微米范围内的粗cBN颗粒，其中混合物A和B各自在2075℃下烧结。图5中所示的结果包括各自在2370℃下烧结的混合物A和B的x射线衍射图案。
如图4和图5所示，x射线衍射图案中在约28至29的角位置2θ处的峰表示存在hBN。因此，图4和图5显示细粒径级cBN颗粒可以充分致密化并烧结以形成具有痕量hBN(或无hBN)的无粘合剂cBN主体，而当粗粒径级cBN颗粒被致密化并烧结以形成无粘合剂cBN主体时，存在hBN。此外，如图4和图5所示，由混合物B在2075℃下烧结而成的无粘合剂cBN主体产生的在约28至29的角位置2θ处的峰强度大于由混合物B在2370℃下烧结而成的无粘合剂cBN主体在约28至29的角位置2θ处的峰强度，从而指示由混合物B在2075℃下烧结而成的烧结的无粘合剂cBN主体中hBN相的浓度可能大于由混合物B在2370℃下烧结而成的烧结的无粘合剂cBN主体中hBN相的浓度。
根据本公开的实施方案，根据本文公开的方法形成的烧结的无粘合剂cBN主体可具有小于1.5％的hBN组成、小于1％的hBN组成或小于0.5％的hBN组成。例如，根据本公开的实施方案，在利用约6.9GPa与7.6GPa之间(例如，约7GPa、7.1GPa或7.2GPa)的压力和约2000℃和2200℃的温度的烧结条件下，由具有第一类型的cBN颗粒(例如，粒径在12微米与22微米之间的cBN颗粒)和小于50重量％的氮化硼填料材料(例如，具有与第一类型的cBN颗粒不同的尺寸和/或类型的氮化硼颗粒)的氮化硼颗粒混合物烧结而成的烧结的无粘合剂cBN主体可以具有包括0与0.5％之间的hBN组成和大于99％的cBN组成的组成。
根据本公开的方法形成的烧结的无粘合剂cBN主体可以基本上完全由cBN制成并且具有高密度与高硬度。例如，在一些实施方案中，根据本公开的方法形成的烧结的无粘合剂cBN主体可以包括多个结合在一起的cBN晶粒，其中cBN构成烧结的无粘合剂cBN主体至少98％的组成，并且具有至少99％的密度和大于38GPa的维氏硬度。在一些实施方案中，根据本公开的方法形成的烧结的无粘合剂cBN主体可以具有小于1％的hBN组成。
此外，在与在7.7GPa或更高的压力下烧结的无粘合剂cBN主体相比时，根据本公开的实施方案烧结的无粘合剂cBN主体可以具有相对更大的尺寸。例如，在一些实施方案中，烧结的无粘合剂cBN主体的至少一个尺寸(例如，沿x-y-z坐标系的x、y和/或z方向上的尺寸)可延伸至少5mm、至少10mm、至少20mm或更长的距离。在一些实施方案中，在小于7.7GPa的压力(例如，在一些实施方案中，使用约7GPa的烧结压力)下烧结而成的烧结的无粘合剂cBN主体可以具有至少300mm3、至少500mm3、至少700mm3或至少1000mm3的体积。如本文所论述的，根据本公开的实施方案的烧结的无粘合剂cBN主体可以使用小于7.7GPa的烧结压力形成为具有至少98％的密度。当与在约7.7GPa或更高的烧结压力下烧结而成的无粘合剂cBN主体相比时，使用相对更低的烧结压力可进一步允许形成除具有98％或更大的密度以外还具有相对较大尺寸的烧结的无粘合剂cBN主体。
根据本公开的实施方案烧结的无粘合剂cBN主体可以用于切割或机械加工工具，并且可以根据最终应用来烧结以具有某一形状和尺寸。
图6显示可以使用根据本公开实施方案的烧结的无粘合剂cBN主体的工具的实例。该工具是搅拌摩擦焊接(FSW)工具600，其可以通过塑性变形和混合在亚熔融温度下接合的材料而机械地接合两种金属材料602、604。FSW工具600包括心轴630、肩部620和从肩部620延伸的销610。销610穿透并“搅拌”待接合的材料。根据穿透深度，肩部620还可以接触并“搅拌”待接合的材料。
在一个实施方案中，FSW工具600驱动心轴630以使销610绕轴线640旋转。当销610旋转时，该销被移动以接触待接合的材料602、604，例如沿着材料602、604之间的接缝或界面接触，或者如果材料602、604重叠，则销610可以被移动以接触重叠材料的上层并且在重叠材料之间的界面下方插入一深度。在旋转销与待接合的材料602、604之间的接触区域处生成摩擦热。摩擦生成的热量将材料602、604加热至高至足以使材料602、604软化并使其可延展但低于材料602、604的熔化温度的温度。随着材料602、604因摩擦热而软化，旋转销610可以插入材料602、604中一深度，同时销610的旋转运动将软化的材料602、604混合在一起。旋转销610可以延伸至材料602、604中一深度，使得肩部620也沿着材料602、604的表面接触并生成摩擦热。当FSW工具600沿着材料602、604之间的界面行进时，形成混合材料602、604的焊缝。在混合或搅拌材料602、604以将它们接合在一起之后，可以移除销610(例如，可以沿着销的退出区域使用牺牲材料逐渐地移除或移除销以减少凹陷)。
销610可以由根据本公开的实施方案形成的烧结的无粘合剂cBN制成，所述烧结的无粘合剂cBN可以为销提供改善的耐磨性，同时还在由于摩擦搅拌操作期间生成摩擦热导致的温度升高期间维持强度。
根据本公开实施方案的烧结的无粘合剂cBN主体也可用于形成切割元件。例如，如图7所示，根据本公开实施方案的烧结的无粘合剂cBN主体可以结合至衬底710(例如碳化钨或其它金属碳化物衬底)上，以形成切割元件700的切割层720。在已烧结烧结的无粘合剂cBN主体之后，可以将烧结的无粘合剂cBN主体结合(例如，焊接或钎焊)至衬底710。
根据本公开实施方案的烧结的无粘合剂cBN主体可以用于其它机械加工和切割应用中，并且可以用于形成接触和切割或磨损工件的切割元件或机械加工组件。在一些机械加工和/或切割应用中，根据本公开实施方案的烧结的无粘合剂cBN主体可用于形成机械加工或切割工具的耐磨元件或表面，其中耐磨表面可保护工具的某些区域在机械加工和/或切割应用期间免受磨损。
尽管已经关于有限数量的实施方案描述了本公开，但是受益于本公开的本领域技术人员将意识到，可以设计出不背离如本文所述的本公开的范围的其它实施方案。另外，在不背离本公开的范围的情况下，可以将具体描述的实施方案的方面与其它实施方案组合。

Claims (18)

1.一种烧结无粘合剂立方氮化硼主体的方法，所述方法包括：
将氮化硼颗粒混合物提供至压力室中，所述氮化硼颗粒混合物包含第一类型的氮化硼颗粒和氮化硼填料颗粒，所述第一类型的氮化硼颗粒包括具有多峰粒径分布的立方氮化硼颗粒混合物，所述氮化硼填料颗粒包括六方氮化硼颗粒；和
在所述压力室中烧结所述氮化硼颗粒混合物以形成所述无粘合剂立方氮化硼主体，所述烧结包括：
在所述压力室中生成小于7.7GPa的压力；和
将所述氮化硼颗粒混合物加热至1900℃至2300℃范围内的温度，
其中所述无粘合剂立方氮化硼主体具有至少97％的密度。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述立方氮化硼颗粒混合物包括粒径在12微米至22微米范围内的粗立方氮化硼颗粒。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述氮化硼填料颗粒包含细立方氮化硼颗粒，所述细立方氮化硼颗粒的平均粒径小于所述第一类型的氮化硼颗粒的平均粒径。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述细立方氮化硼颗粒具有2微米或更小的粒径。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述细立方氮化硼颗粒构成所述氮化硼颗粒混合物的10重量％至20重量％。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述六方氮化硼颗粒构成所述氮化硼颗粒混合物的5重量％至20重量％。
7.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在烧结之前在所述压力室中振动所述氮化硼颗粒混合物。
8.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在烧结之前冷等静压制所述氮化硼颗粒混合物。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述氮化硼填料颗粒构成所述氮化硼颗粒混合物的小于50重量％。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述无粘合剂立方氮化硼主体具有大于30GPa的维氏硬度。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述无粘合剂立方氮化硼主体具有小于1％的六方氮化硼组成。
12.一种制备无粘合剂立方氮化硼主体的方法，所述方法包括：
将氮化硼颗粒混合物提供至压力室中，所述氮化硼颗粒混合物包括六方氮化硼颗粒和具有多峰粒径分布的立方氮化硼颗粒混合物；
在所述压力室中生成7GPa至小于7.7GPa范围内的压力；和
将所述压力室加热至1900℃至2300℃范围内的温度，
其中所述无粘合剂立方氮化硼主体具有至少98％的立方氮化硼组成。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述无粘合剂立方氮化硼主体具有大于38GPa的维氏硬度。
14.如权利要求12所述的方法，其中从所述压力室中的氮化硼颗粒混合物的体积到烧结的无粘合剂立方氮化硼主体体积的体积变化小于25％。
15.如权利要求14所述的方法，其进一步包括在生成所述压力和加热之前冷等静压制所述氮化硼颗粒混合物。
16.一种通过权利要求1-15中任一项所述的方法制成的烧结的无粘合剂立方氮化硼主体，所述烧结的无粘合剂立方氮化硼主体包含：
多个结合在一起的立方氮化硼晶粒，其中立方氮化硼构成所述烧结的无粘合剂立方氮化硼主体组成的至少98％；
至少99％的密度；和
大于38GPa的维氏硬度。
17.如权利要求16所述的主体，其中所述立方氮化硼主体具有小于1％的六方氮化硼组成。
18.如权利要求16所述的主体，其中所述烧结的无粘合剂立方氮化硼主体具有至少一个大于10mm的尺寸。
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