DE102011009834B4 - Process for the preparation of cubic boron nitride - Google Patents

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Verfahren zur Herstellung von kubischem Bornitrid, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reaktionsgemisch bestehend aus (i) einer Borverbindung – mit Ausnahme von Bornitrid – und (ii) Melamin oder Dicyandiamid oder Cyanamid und (iii) einem oder mehreren Übergangsmetallen ausgewählt aus Nickel, Kobalt, Eisen und Mangan, elementar als Pulver und/oder als Legierungen, mit oder ohne Zugabe von Platin elementar als Pulver, bei Drücken von höchstens 30 kbar und Temperaturen zwischen 400 und 1100°C umgesetzt wird.A process for the preparation of cubic boron nitride, characterized in that a reaction mixture consisting of (i) a boron compound - with the exception of boron nitride - and (ii) melamine or dicyandiamide or cyanamide and (iii) one or more transition metals selected from nickel, cobalt, iron and manganese, elemental as a powder and / or as alloys, with or without the addition of platinum elementary as a powder, at pressures of at most 30 kbar and temperatures between 400 and 1100 ° C is reacted.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von kubischem Bornitrid.The present invention relates to a novel process for producing cubic boron nitride.

Kubisches Bornitrid wurde 1957 erstmals synthetisiert. Es ist nach dem Diamant der härteste bekannte Werkstoff.Cubic boron nitride was first synthesized in 1957. It is the hardest known material after diamond.

Im Vergleich zu Diamant besitzt kubisches Bornitrid jedoch eine höhere thermische Stabilität. Durch das gute thermische Verhalten von kubischem Bornitrid bleibt dessen Härte noch bei 1000°C fast unverändert, währenddem Diamant schon bei ca. 700°C einen massiven Härteverlust erleidet.However, cubic boron nitride has a higher thermal stability compared to diamond. Due to the good thermal behavior of cubic boron nitride its hardness remains almost unchanged at 1000 ° C, while the diamond suffers a massive loss of hardness even at about 700 ° C.

Durch die Eigenschaften, hohe Härte und hohe thermische Stabilität, wurde kubisches Bornitrid zu einem wichtigen Schleif-, Polier- und Schneidmaterial. Technisch bedeutend ist kubisches Bornitrid vor allem als Schneidstoff für Wendeschneidplatten zur Bearbeitung von Stahl, da es – im Gegensatz zum Diamanten- unter Temperatureinwirkung keinen Kohlenstoff an Stahl abgeben kann. Zur Herstellung von pulverförmigem kubischem Bornitrid werden Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahren eingesetzt. Analog zu Diamant aus Graphit läßt sich kubisches Bornitrid unter hohen Temperaturen (1500–2200°C) und hohem Druck (30–90 kbar) aus hexagonalem Bornitrid herstellen. Als Katalysatoren werden hierbei üblicherweise Nitride, Amide, Imide und Carbide von Alkalimetallen und Erdalkalimetallen eingesetzt. Verfahren dieser Art sind unter anderem beschrieben in EP 04 02 672 A2 , DE 44 23 987 C2 sowie in DE 197 21 082 A1 und US 3 772 428 A und DE 198 54 487 B4 . Die Verwendung von organischen, Stickstoff enthaltenden, Verbindungen, wie beispielsweise Melamin, zur Herstellung von hexagonalem Bornitrid ist bekannt. Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass kubisches Bornitrid gebildet wird bei der Wärmebehandlung von Reaktionsgemischen bestehend aus Bor und/oder Borverbindungen, Kohlenstoff und/oder Stickstoff und/oder Wasserstoff enthaltenden Verbindungen und Übergangsmetallen und/oder deren Verbindungen. Von Vorteil gegenüber den herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von kubischem Bornitrid ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein niedriger Temperaturbereich von unter 1100°C.Its properties, high hardness and high thermal stability make cubic boron nitride an important abrasive, polishing and cutting material. From a technical point of view cubic boron nitride is mainly used as a cutting material for cutting inserts for the machining of steel, since - in contrast to diamonds - it can not release carbon to steel under the influence of temperature. To produce powdered cubic boron nitride, high-pressure, high-temperature processes are used. Cubic boron nitride can be produced from hexagonal boron nitride under high temperatures (1500-2200 ° C) and high pressure (30-90 kbar), similar to graphite diamond. The catalysts used here are usually nitrides, amides, imides and carbides of alkali metals and alkaline earth metals. Methods of this kind are described inter alia in EP 04 02 672 A2 . DE 44 23 987 C2 as in DE 197 21 082 A1 and US Pat. No. 3,772,428 and DE 198 54 487 B4 , The use of organic, nitrogen-containing compounds such as melamine to produce hexagonal boron nitride is known. Surprisingly, it has now been found that cubic boron nitride is formed in the heat treatment of reaction mixtures consisting of boron and / or boron compounds, carbon and / or nitrogen and / or hydrogen-containing compounds and transition metals and / or compounds thereof. An advantage over the conventional method for the production of cubic boron nitride in the inventive method, a low temperature range of less than 1100 ° C.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Durchführung ohne Anwendung hoher Drucke von über 30 kbar.Another advantage of the method according to the invention is the implementation without application of high pressures of over 30 kbar.

Diese Vorteile werden durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von kubischem Bornitrid umfassend folgende Schritte erreicht:
Umsetzung einer Reaktionsmischung bestehend aus einer Borverbindung – mit Ausnahme von Bornitrid – und Melamin oder Dicyandiamid oder Cyanamid und einem oder mehreren Übergangsmetallen ausgewählt aus Nickel, Kobalt, Eisen und Mangan, elementar als Pulver und/oder als Legierungen, mit oder ohne Zugabe von Platin elementar als Pulver, bei Drücken von höchstens 30 kbar und Temperaturen zwischen 400 und 1100°C.
These advantages are achieved by a method according to the invention for producing cubic boron nitride comprising the following steps:
Reaction of a reaction mixture consisting of a boron compound - with the exception of boron nitride - and melamine or dicyandiamide or cyanamide and one or more transition metals selected from nickel, cobalt, iron and manganese, elemental as a powder and / or as alloys, with or without addition of platinum elementary as a powder, at pressures of at most 30 kbar and temperatures between 400 and 1100 ° C.

Zur Verbesserung des Verfahrensablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder der Produkteigenschaften des kubischen Bornitrids werden der Reaktionsmischung Nitride bildende Elemente und/oder deren Verbindungen beigemischt.To improve the process sequence of the process according to the invention and / or the product properties of the cubic boron nitride, nitride-forming elements and / or compounds thereof are added to the reaction mixture.

Elementares handelsübliches Bor besitzt ebenso wie Lithiumborid eine hohe Reaktivität, so dass bei den erfindungsgemäßen Reaktionsbedingungen ein hoher Umsetzungsgrad erzielt wird.Elemental commercially available boron, like lithium boride, has a high reactivity, so that a high degree of conversion is achieved under the reaction conditions according to the invention.

Als C-N-Verbindungen oder C-N-H-Verbindungen werden handelsübliche Materialien wie Melamin, Dicyandiamid, Cyanamid eingesetzt. Ein entscheidendes Merkmal des Verfahrens ist die Wärmebehandlung der vorstehend beispielhaft aufgeführten Reaktionskomponenten in Gegenwart von Übergangsmetallen der 6. bis 8. Nebengruppe des Periodensystems.Commercially available materials such as melamine, dicyandiamide, cyanamide are used as C-N compounds or C-N-H compounds. A decisive feature of the process is the heat treatment of the above-exemplified reaction components in the presence of transition metals of the 6th to 8th subgroup of the periodic table.

Solche Übergangsmetalle können in das Reaktionsgemisch elementar als feines Pulver oder/und in körniger Form oder/und als chemische Verbindung eingebracht werden.Such transition metals can be incorporated into the reaction mixture elementarily as a fine powder and / or in granular form and / or as a chemical compound.

Erfindungsgemäß werden die Übergangsmetalle Nickel, Kobalt, Eisen, Platin, Mangan elementar als Pulver und/oder als Legierungen eingesetzt.According to the invention, the transition metals nickel, cobalt, iron, platinum, manganese are used elementally as powders and / or as alloys.

Es ist bevorzugt, dass die Wärmebehandlung des Reaktionsgemisches eine oder mehrere Vorbehandlungsstufen umfasst.It is preferred that the heat treatment of the reaction mixture comprises one or more pretreatment steps.

Der Vorbehandlung folgt eine ein- oder eine mehrstufige Hauptbehandlung.The pretreatment is followed by a single or a multi-stage main treatment.

Die Vorbehandlung umfasst ein Erwärmen des Reaktionsgemisches auf eine oder mehrere Vorbehandlungstemperaturen und ein Verweilen bei diesen Vorbehandlungstemperaturen. Die Vorbehandlungstemperaturen liegen vorzugsweise im Bereich zwischen 200°C und 450°C, insbesondere zwischen 210°C und 430°C. Bei der Vorbehandlung ist eine Verweildauer von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden üblich. Durch die Vorbehandlung bildet sich ein Zwischenprodukt, in welchem das Übergangsmetall in einer teilweise oder ganz reagierten Form vorliegt.The pretreatment comprises heating the reaction mixture to one or more pretreatment temperatures and lingering at these pretreatment temperatures. The pretreatment temperatures are preferably in the range between 200 ° C and 450 ° C, in particular between 210 ° C and 430 ° C. In the pre-treatment is a residence time of a few minutes to several hours usual. The pretreatment forms an intermediate in which the transition metal is in a partially or fully reacted form.

Der Vorbehandlung folgt eine Hauptbehandlung. Die Hauptbehandlung umfasst vorzugsweise ein Erwärmen des aus der Vorbehandlung erhaltenen Zwischenprodukts auf ein oder mehrere Temperaturniveaus, ein Verweilen auf dem jeweiligen Temperaturniveau und ein Abkühlen auf Raumtemperatur. Die Temperaturniveaus der Hauptbehandlung liegen vorzugsweise im Bereich zwischen 400°C und 1100°C, insbesondere zwischen 430°C und 750°C. Die Dauer des Verweilens bei der Hauptbehandlung hat Einfluss auf die Korngröße des Reaktionsprodukts. Üblich ist eine Verweildauer bei der Hauptbehandlung zwischen wenigen Minuten und mehreren hundert Stunden.The pretreatment follows a main treatment. The main treatment preferably comprises heating the intermediate obtained from the pretreatment to one or more Temperature levels, a stay at the respective temperature level and a cooling to room temperature. The temperature levels of the main treatment are preferably in the range between 400 ° C and 1100 ° C, especially between 430 ° C and 750 ° C. The duration of residence in the main treatment has an influence on the grain size of the reaction product. A standard residence time of between a few minutes and several hundred hours is usual.

Die Wärmebehandlung der erfindungsgemäßen Reaktionsgemische wird bevorzugt in einem verschlossenen und/oder abgedichteten und/oder offenen Behältnis vorgenommen insbesondere in einem Autoklaven oder in einem Quarzglasreaktor.The heat treatment of the reaction mixtures according to the invention is preferably carried out in a sealed and / or sealed and / or open container, in particular in an autoclave or in a quartz glass reactor.

Nebenprodukte werden vorzugsweise nach jedem Behandlungsschritt abgetrennt. Bevorzugt soll im erfindungsgemäßen Verfahren unter dem Abtrennen der Nebenprodukte ein Entweichenlassen dieser Nebenprodukte, soweit sie gasförmig vorliegen, verstanden werden. Die bei der Wärmebehandlung entstehenden flüchtigen bzw. gasförmigen Nebenprodukte kann man beispielsweise beim Öffnen des gasdichten Behältnisses entweichen lassen, oder durch Einsatz entsprechender Werkstoffe ein Diffundieren oder Absorbieren zulassen.By-products are preferably separated after each treatment step. In the process according to the invention, the removal of the by-products should preferably be understood to mean the escape of these by-products, insofar as they are in gaseous form. The volatile or gaseous by-products formed during the heat treatment can be allowed to escape, for example, when the gas-tight container is opened, or they can be allowed to diffuse or absorb by using appropriate materials.

Die Wärmebehandlung wird drucklos oder bei mäßigem Überdruck oder bei durch Anlegen von äußeren oder/und inneren Drucks erzeugten hohen Drucken durchgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Wärmebehandlung durch Anlegen eines äußeren Drucks bei hohen Drucken im Bereich bis zu 5 kilobar durchgeführt.The heat treatment is carried out without pressure or at moderate overpressure or at high pressures generated by application of external and / or internal pressure. In a preferred embodiment of the present invention, the heat treatment is performed by applying an external pressure at high pressures in the range of up to 5 kilobars.

Üblicherweise wird als Reaktionsprodukt ein Gemisch erhalten bestehend aus kubischem Bornitrid und geringen Anteilen hexagonalen Bornitrid, Kohlenstoff, Übergangsmetall und abhängig von zugesetzten Additiven weiteren Nitriden.Usually, the reaction product obtained is a mixture consisting of cubic boron nitride and small proportions of hexagonal boron nitride, carbon, transition metal and, depending on added additives, further nitrides.

Die Isolierung des kubischen Bornitrids erfolgt auf bekannte Weise durch chemische und physikalische Behandlung des Reaktionsprodukts.The isolation of the cubic boron nitride is carried out in a known manner by chemical and physical treatment of the reaction product.

Beispielexample

Herstellung von kubischem Bornitrid durch Wärmebehandlung eines Reaktionsgemisches bestehend aus Lithiumborid, Dicyandiamid und Nickelpulver.Preparation of cubic boron nitride by heat treatment of a reaction mixture consisting of lithium boride, dicyandiamide and nickel powder.

Ein Gemisch von 0,5 g Lithiumborid LiB12, 1,5 g Dicyandiamid und 0,25 g Nickelpulver (4–7 micron) wurde unter Aceton 10 Minuten lang gerieben, dann das Aceton abgedampft.A mixture of 0.5 g lithium boride LiB12, 1.5 g dicyandiamide and 0.25 g nickel powder (4-7 micron) was rubbed on acetone for 10 minutes, then the acetone was evaporated.

Von der auf diese Weise erhaltenen Ausgangsmischung wurden etwa 50 Milligramm in ein Platinröhrchen (Platintube Durchmesser 3 mm) gefüllt. Das gefüllte Platinröhrchen wurde anschließend im Lichtbogen zugeschweißt. Das gasdicht verschlossene, gefüllte Platinröhrchen wurde in einen außenbeheizten Autoklaven einer Hydrothermalanlage eingelegt.From the starting mixture thus obtained, about 50 milligrams were placed in a platinum tube (platinum tube diameter 3 mm). The filled platinum tube was then sealed in an arc. The gas-tight sealed, filled platinum tube was inserted into an externally heated autoclave of a hydrothermal system.

Die Wärmebehandlung des aus Lithiumborid, Dicyandiamid und Nickelpulver bestehenden Reaktionsgemisches wurde in zwei aufeinanderfolgenden Schritten durchgeführt.The heat treatment of the reaction mixture consisting of lithium boride, dicyandiamide and nickel powder was carried out in two successive steps.

Erster Schritt: Vorbehandlung mit einer Verweildauer von 4 Tagen, bei einer Temperatur von 400°C und einem Druck von 1 kbar.First step: Pretreatment with a residence time of 4 days, at a temperature of 400 ° C and a pressure of 1 kbar.

Zweiter Schritt: Anschließend an die Vorbehandlung erfolgte ohne Abkühlen die Hauptbehandlung bei einer Temperatur von 600°C und einem Druck von 3 kbar mit einer Verweildauer von 24 Stunden.Second Step: Subsequent to the pretreatment, the main treatment was carried out without cooling at a temperature of 600 ° C. and a pressure of 3 kbar with a residence time of 24 hours.

Nach Abkühlen und Öffnen des Platinröhrchens wurde ein schwarzes Pulver als Reaktionsprodukt erhalten.After cooling and opening the platinum tube, a black powder was obtained as a reaction product.

Die Elementaranalyse lieferte folgendes Resultat: Das Reaktionsprodukt enthält 40 Gewichtsprozent Bornitrid, 13 Gewichtsprozent Kohlenstoff und 47 Gewichtsprozent Übergangsmetall.The elemental analysis gave the following result: The reaction product contains 40 weight percent boron nitride, 13 weight percent carbon and 47 weight percent transition metal.

Zur Prüfung der Härte wurde folgender Test durchgeführt: Auf eine polierte und gesäuberte Hartmetall-Fläche (Tizit S 22 T 1,2) wurde ein Tropfen Aethanol gegeben, dann einige Körnchen des Reaktionsprodukts darauf gestreut. Eine zweite polierte und gesäuberte Hartmetall-Fläche (Tizit S 22 T 1,2) wurde darauf gelegt und mit einem Pressdruck von ca. 10 kg wurden beide Hartmetallflächen aneinander gerieben. Dann wurden die aneinandergeriebenen Hartmetall-Flächen unter dem Mikroskop betrachtet. Die polierten Hartmetall-Flächen zeigten zahlreiche Kratzspuren.To test the hardness, the following test was carried out: On a polished and cleaned hard metal surface (Tizit S 22 T 1.2), one drop of ethanol was added, then a few grains of the reaction product were sprinkled on it. A second polished and cleaned hard metal surface (Tizit S 22 T 1.2) was placed on it and with a pressing pressure of approx. 10 kg both carbide surfaces were rubbed together. Then, the cemented carbide surfaces were observed under the microscope. The polished carbide surfaces showed numerous scratch marks.

Die Röntgendiffraktometeraufnahme des Reaktionsprodukts, dargestellt in 1, zeigt einen peak im hexagonalen Bereich bei einem 2 Theta-Wert von 26,5 sowie ausgeprägte peaks im kubischen Bereich mit 2 Theta-Werten von 43,3, 50,5 und 74,2 entsprechend den 2 Theta-Werten von kubischem Bornitrid. Jeweils in der rechten Flanke der peaks vom kubischen Bornitrid sind in schwacher Ausprägung die 2 Theta-Werte von kubischem Nickel zu erkennen.The Röntgendiffraktometeraufnahme of the reaction product, shown in 1 , shows a peak in the hexagonal region at a 2-theta value of 26.5 and pronounced peaks in the cubic region with 2 theta values of 43.3, 50.5 and 74.2 corresponding to the 2 theta values of cubic boron nitride. In the right flank of the cubic boron nitride peaks, the 2 theta values of cubic nickel can be seen to a lesser extent.

Bei einem Vergleichsversuch ohne Zusatz von Nickel wurde ausschließlich hexagonales Bornitrid erhalten.In a comparative experiment without the addition of nickel exclusively hexagonal boron nitride was obtained.

Claims (7)

Verfahren zur Herstellung von kubischem Bornitrid, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reaktionsgemisch bestehend aus (i) einer Borverbindung – mit Ausnahme von Bornitrid – und (ii) Melamin oder Dicyandiamid oder Cyanamid und (iii) einem oder mehreren Übergangsmetallen ausgewählt aus Nickel, Kobalt, Eisen und Mangan, elementar als Pulver und/oder als Legierungen, mit oder ohne Zugabe von Platin elementar als Pulver, bei Drücken von höchstens 30 kbar und Temperaturen zwischen 400 und 1100°C umgesetzt wird.A process for the preparation of cubic boron nitride, characterized in that a reaction mixture consisting of (i) a boron compound - with the exception of boron nitride - and (ii) melamine or dicyandiamide or cyanamide and (iii) one or more transition metals selected from nickel, cobalt, iron and manganese, elemental as a powder and / or as alloys, with or without the addition of platinum elementary as a powder, at pressures of at most 30 kbar and temperatures between 400 and 1100 ° C is reacted. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch ausgezeichnet, dass dem Reaktionsgemisch Nitride bildende Elemente und/oder deren Verbindungen beigemischt werden.A method according to claim 1 characterized in that the reaction mixture nitride-forming elements and / or their compounds are admixed. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung eine oder mehrere Vorbehandlungen und/oder eine oder mehrere Hauptbehandlungen umfasst.A method according to claim 1 and 2, characterized in that the heat treatment comprises one or more pretreatments and / or one or more main treatments. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung ein Erwärmen des Reaktionsgemisches auf Temperaturen im Bereich zwischen 200°C und 450°C umfasst und ein Verweilen bei diesen Temperaturen.A method according to claim 1 to 3, characterized in that the pretreatment comprises heating the reaction mixture to temperatures in the range between 200 ° C and 450 ° C and a residence at these temperatures. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass Nebenprodukte, soweit diese gasförmig vorliegen, aus dem Reaktionsgemisch durch Entweichenlassen oder Absorbieren oder Diffundieren oder Sublimieren abgetrennt werden.A method according to claim 1 to 4, characterized in that by-products, insofar as they are in gaseous form, are separated from the reaction mixture by letting off or absorbing or diffusing or subliming. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung ohne oder mit Anlegen eines äußeren Drucks durchgeführt wird.A method according to claim 1 to 5, characterized in that the heat treatment is carried out without or with application of an external pressure. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einem Behältnis vorgenommen wird, das mit einer Vakuumquelle verbunden ist, vorzugsweise in einem evakuierten Autoklaven oder in einer CVD- oder PVD-Apparatur und das Abtrennen von flüchtigen Nebenprodukten mittels Unterdruck vorgenommen wird.A method according to claim 1 to 5, characterized in that the heat treatment is carried out in a container which is connected to a vacuum source, preferably in an evacuated autoclave or in a CVD or PVD apparatus and the removal of volatile by-products is carried out by means of negative pressure.
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