DE112017001964T5

DE112017001964T5 - Polykristallines kubisches Bornitrid und Verfahren für dessen Herstellung

Info

Publication number: DE112017001964T5
Application number: DE112017001964.8T
Authority: DE
Inventors: Dong Kyun Shin; Hee Sub Park
Original assignee: Iljin Diamond Co Ltd
Current assignee: Iljin Diamond Co Ltd
Priority date: 2016-04-11
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2018-12-27
Also published as: KR101828297B1; WO2017179828A1; US20190071360A1; JP6715349B2; KR20170116468A; JP2019515864A; US10954165B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf polykristallines kubisches Bornitrid (PCBN) und ein Verfahren zur Herstellung des PCBN. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf polykristallines kubisches Bornitrid mit einer ausgezeichneten Schlagfestigkeit und Verschleißbeständigkeit und auf ein Verfahren zur Herstellung des PCBN.Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Herstellen des polykristallinen kubischen Bornitrids mit einer oder mehreren Arten von hervorstehend geformten Boriden, die an der Oberfläche des kubischen Bornitrids ausgebildet sind, die Entwicklung von Rissen entlang der Oberflächen der kubischen Bornitrid-Partikel und der Bindemittel verhindern. Dadurch werden die Schlagfestigkeit und die Verschleißbeständigkeit verbessert. Auf diese Weise kann die Lebensdauer von Bearbeitungswerkzeugen erhöht werden.Ferner kann das polykristalline kubische Bornitrid, wie es während des Sintervorgangs ausgebildet wird, zumindest eine Art von einer Verbindung aufweisen, die aus zumindest zwei Elementen besteht, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus BN, Ti, W, Co, Zr und Si besteht. Dies ermöglicht, dass das PCBN eine hohe Bindungsfestigkeit zwischen dem kubischen Bornitrid und dem Bindemittel aufweist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf polykristallines kubisches Bornitrid (PCBN) und ein Verfahren zur Herstellung des PCBN. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf polykristallines kubisches Bornitrid mit einer ausgezeichneten Schlagfestigkeit und Verschleißbeständigkeit und ein Verfahren zur Herstellung des PCBN.
Beschreibung des Stands der Technik
Mit der Weiterentwicklung der Industrietechnik ist es erforderlich, die Präzision, das Leistungsvermögen und die Lebensdauer von Schneidwerkzeugen, Modellformen und mechanischen Präzisionselement-Teilen zu verbessern. Es existiert eine wachsende Nachfrage nach Hochpräzisions-Fertigbearbeitung von eisenbasierten Materialien mit hoher Härte verschiedener Abform-Pressform und Gleit-Komponenten. Monokristalliner Diamant und einkristallines kubisches Bornitrid wurden als präzise Verarbeitungselemente für diese eisenbasierten Materialien untersucht.
Bei dem Schneiden des eisenbasierten Materials mit dem Einkristall-Diamant findet jedoch durch die Schneidwärme eine chemische Reaktion zwischen dem Diamant und Eisen statt. Es tritt daher das Problem auf, dass das Diamant-Werkzeug schnell abnutzt. Es ist somit unmöglich unter Verwendung des Einkristall-Diamants eine Metallform, die aus einem Stahl gefertigt ist, direkt zu verarbeiten. Daher wird beispielsweise bei der Präzisionsbearbeitung einer Linsenform stromlose Vernickelung durchgeführt. Hierbei wurde die präzise Endbearbeitung der beschichteten Lage übernommen. Wenn allerdings dieser Ansatz verwendet wird, ist die Festigkeit der Form unzureichend und der Vorgang ist kompliziert. Außerdem wurde die direkte Bearbeitung mittels eines Verfahrens zur Unterdrückung chemischer Reaktionen unter Verwendung einer besonderen Atmosphäre untersucht. Dies kann jedoch nicht praktisch sein.
Im Allgemeinen liegt Bornitrid typischerweise in den folgenden drei Kristallformen vor: kubisches Bornitrid (cBN), hexagonales Bornitrid (hBN) und wurtzitisches Bornitrid (wBN). Von diesen ist das kubische Bornitrid (cBN) ein harter Zinkblendenstruktur-Typ von Bornitrid mit einer Struktur, die Diamant ähnlich ist. Die Bindung, die zwischen den Atomen in der kubischen Bornitrid-Struktur ausgebildet ist, ist stark. Diese Bindungen sind hauptsächlich geteilte tetraedrische Bindungen.
Zudem ist kubisches Bornitrid (cBN) die zweithärteste Substanz nach Diamant. Im Gegensatz zu Diamant reagiert cBN bei hohen Temperaturen nicht mit eisenbasierten Materialien und cBN kann bei niedrigen Temperaturen synthetisiert werden. CBN wird selbst bei hohen Temperaturen von etwa 1300° C nicht oxidiert. CBN wird vorteilhaft als Oberflächenbeschichtungsmaterial von Schneidwerkzeugen verwendet. Wenn das eisenbasierte Material unter Verwendung des cBN-basierten Schneidwerkzeugs verwendet wird, weist das cBN eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit auf, hat eine hohe Wärmeübertragungsrate und nutzt nicht leicht durch Schleif-Wärme ab. Dadurch hält sich die Schleifklinge, die aus cBN gefertigt ist, gut. Deshalb ist die Verwendung von cBN bei der Bearbeitung von eisenbasierten Metallen, wie etwa hochfestem Vergütungsstahl, Werkzeugstahl und Gusseisen, weit verbreitet.
Das kubische Bornitrid kann in der Form eines polykristallinen kubischen Bornitrids (PCBN) verwendet werden. Da Diamant die Eigenschaft aufweist, in Gegenwart von eisenbasierten Metallen oxidiert zu werden, wird polykristallines kubisches Bornitrid hauptsächlich zum Bearbeiten von eisenbasierten Metallen verwendet, die nicht mit Diamant bearbeitet werden können. Das PCBN wird meistens zur schneidenden Bearbeitung von Gusseisen verwendet, wie etwa bei Automobilen und verschiedenen Maschinenkomponenten.
Das polykristalline kubische Bornitrid (PCBN) kann hergestellt werden, indem das kubische Bornitrid (cBN) mit einem speziellen keramischen Material als Bindemittel vermischt wird, um eine Mischung zu bilden, und die Mischung dann zu sintern. Jüngst wurden polykristallin kubisch Bornitrid-basierte Werkzeuge in großem Ausmaß für schwer zu schneidende Werkstücke angewendet, wie etwa für hochfesten Vergütungsstahl, superhitzebeständige Legierungen und Sintermetalle. Das polykristallin kubisch Bornitrid-basierte Werkzeug, das eine Hochpräzisions-Bearbeitung der gehärteten Materialien ermöglicht, kann eine Alternative zu herkömmlichen Schleifbearbeitungs-Werkzeugen sein.
Allerdings ist es wahrscheinlich, dass bei herkömmlichem polykristallinen kubischen Bornitrid temperaturinduzierte Rissbildung aufgrund der hohen Belastung durch den Temperaturwechsel auftritt, wie er während des Schneideprozesses auftritt. Die Festigkeit des PCBN wird bei hohen Temperaturen verringert. Es ist daher unmöglich, unter Verwendung von PCBN eine scharfe Klingenspitze zu erhalten, die für ein Präzisions-Schneidwerkzeug erforderlich ist. Die Lebensdauer des Werkzeugs ist somit nicht ausgezeichnet. Es ist daher dringend nötig, ein Scheidwerkzeug mit einer ausgezeichneten Schlagfestigkeit und Verschleißbeständigkeit zu untersuchen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Technischer Zweck
Die vorliegende Erfindung soll polykristallines kubisches Bornitrid mit einer verbesserten Schlagfestigkeit und Verschleißbeständigkeit angeben, indem polykristallines kubisches Bornitrid mit einer oder mehreren Arten von hervorstehend geformten Boriden an der Oberfläche des kubischen Bornitrids hergestellt wird.
Ferner soll die vorstehende Erfindung polykristallines kubisches Bornitrid, wie es während des Sintervorgangs ausgebildet wird, mit zumindest einer Art von einer Verbindung zwischen zumindest zwei Elementen angeben, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus BN, Ti, W, Co, Zr und Si besteht. Dadurch weist es eine hohe Bindungsfestigkeit zwischen dem kubischen Bornitrid und dem Bindemittel auf.
Technische Lösung
Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein polykristallines kubisches Bornitrid (PCBN) angegeben, das kubische Bornitrid- (cBN-) Partikel und ein Bindemittel enthält, wobei ein hervorstehend geformtes Borid an der Oberfläche des kubischen Bornitrid-Partikels ausgebildet ist, wobei die durchschnittliche Partikelgröße der kubischen Bornitrid-Partikel in einem Bereich zwischen 4 µm und 8 µm liegt, wobei die Menge der kubischen Bornitrid-Partikel in einem Bereich zwischen 70 Vol.-% und 85 Vol.-% liegt, wobei der Borid-Vorsprung innerhalb eines Abstands von 100 nm von der Oberfläche des kubischen Bornitrid-Partikels vorhanden ist, wobei der Borid-Vorsprung eine Größe von 0,001 µm bis 1 µm aufweist.
Bei einer Ausführungsform des PCBN enthält das Bindemittel Folgendes: ein erstes Bindemittel, das zumindest eines des Folgenden aufweist: Nitrid, Karbid, Carbonitrid, Oxid und Boride von Ti, Co, Ni, Cu, W und Zr; und ein zweites Bindemittel, das zumindest eines des Folgenden aufweist: Nitrid, Karbid, Carbonitrid, Oxid und Borid von Al, Cr, Si, Ta und Nb.
Bei einer Ausführungsform des PCBN enthält das polykristalline kubische Bornitrid zumindest eine Art von einer Verbindung, die aus zumindest zwei Elementen besteht, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus BN, Ti, W, Co, Zr und Si besteht, wobei die Verbindung während des Sintervorgangs ausgebildet wird.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem kubischem Bornitrid (PCBN) angegeben, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: einen ersten Schritt zum Durchführen einer Oberflächenbehandlung von kubischen Bornitrid-Partikeln, um fremde Substanzen von den Oberflächen der kubischen Bornitrid-Partikel zu entfernen; einen zweiten Schritt zum Vermischen der oberflächenbehandelten kubischen Bornitrid-Partikel mit Bindemitteln, um Mischpulver auszubilden; einen dritten Schritt zum Formen der Mischpulver; und einen vierten Schritt zum Sintern der geformten Mischpulver.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens weist das Verfahren ferner folgenden Schritt auf: einen Schritt zum Durchführen einer Oberflächenbehandlung von Bindemitteln, um Fremde Substanzen von den Oberflächen der Bindemittel zu entfernen.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens weist das Verfahren ferner folgenden Schritt auf: einen Schritt zum Durchführen eines Wärmebehandlungs-Vorgangs der Mischpulver, die nach dem Vermischen der oberflächenbehandelten kubischen Bornitrid-Partikel mit den Bindemitteln ausgebildet werden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Oberflächenbehandlung der kubischen Bornitrid-Partikel von zumindest einem der folgenden Verfahren durchgeführt: Plasma-Oberflächenbehandlung, Wärmebehandlung, Säurebehandlung, Sputtern und Sol-Gel-Verfahren.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Oberflächenbehandlung der Bindemittel von zumindest einem der folgenden Verfahren durchgeführt: Reduktions- und Wärmebehandlungs-Vorgang, Plasma-Oberflächenbehandlung, Sputtern, Plattieren und Sol-Gel-Verfahren.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens werden die kubischen Bornitrid-Partikel und die Bindemittel mittels einem der folgenden Verfahren miteinander vermischt: Kugelmühlen-, Attritor-Mühlen- und Planetenmühlen-Verfahren.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Wärmebehandlungs-Vorgang nach dem Vermischen der kubischen Bornitrid-Partikel mit den Bindemitteln bei einer Temperatur von 600° C oder höher in einer der folgenden Atmosphären durchgeführt: Vakuum, Stickstoff, Argon und Wasserstoff.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Sintervorgang bei einem Druck von 3,5 GPa bis 6,5 GPa und bei einer Temperatur von 1250° C bis 1650° C durchgeführt.
Technische Wirkungen
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Herstellen des polykristallinen kubischen Bornitrids mit einer oder mehreren Arten von hervorstehend geformten Boriden, die an der Oberfläche des kubischen Bornitrids ausgebildet sind, die Entwicklung von Rissen entlang der Oberflächen der kubischen Bornitrid-Partikel und Bindemittel verhindern. Dadurch werden die Schlagfestigkeit und die Verschleißbeständigkeit verbessert. Auf diese Weise kann die Lebensdauer von Bearbeitungswerkzeugen verbessert werden.
Ferner kann das polykristalline kubische Bornitrid, wie es während des Sintervorgangs ausgebildet wird, zumindest eine Art von einer Verbindung aufweisen, die aus zumindest zwei Elementen besteht, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus BN, Ti, W, Co, Zr und Si besteht. Dies kann ermöglichen, dass das PCBN eine hohe Bindungsfestigkeit zwischen den kubischen Bornitriden und dem Bindemittel aufweist.
Figurenliste

1 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren für die Herstellung von polykristallinem kubischem Bornitrid gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist eine schematische Darstellung eines polykristallinen kubischen Bornitrids gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Darstellung eines Konzepts, bei dem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein hervorstehend geformtes Borid an einer Partikeloberfläche des polykristallinen kubischen Bornitrids lokal ausgebildet ist und bei dem Risswanderung auftritt.
4 ist eine schematische Darstellung eines Konzepts von Rissausbreitung, wenn ein Borid auf der Partikeloberfläche des kubischen Bornitrids in einer bestimmten Dicke aufgetragen ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGEN
Die Details weiterer Ausführungsformen sind bei der detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen enthalten.
Die Vorteile sowie Merkmale der vorliegenden Erfindung und wie sie erreicht werden, werden unter Bezugnahme auf die Ausführungsformen ersichtlich, die nachstehend im Detail unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die nachstehend offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in verschiedenen weiteren Formen implementiert werden. Wenn ein bestimmter Bereich mit einem weiteren Bereich verbunden ist, umfasst dies in der folgenden Beschreibung nicht nur den Fall, für den sie direkt verbunden sind, sondern auch den Fall, für den sie mittels eines weiteren Mediums dazwischen verbunden sind. Ferner sind Teile der Zeichnung, die sich nicht auf die vorliegende Erfindung beziehen, weggelassen, um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung zu verdeutlichen. Gleiche Teile sind über die gesamte Angabe hinweg mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Nachfolgend ist die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben.
Verfahren zur Herstellung von polykristallinem kubischem Bornitrid
Das Folgende beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem kubischem Bornitrid gemäß der vorliegenden Erfindung. 1 ist ein Ablaufdiagramm, das das Verfahren zur Herstellung von polykristallinem kubischen Bornitrid gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ein Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen kubischen Bornitrids gemäß der vorliegenden Erfindung weist folgende Schritte auf: einen ersten Schritt S100 zur Oberflächenbehandlung, um fremde Substanzen von der Oberfläche des kubischen Bornitrids zu entfernen; einen zweiten Schritt S200 zum Vermischen des oberflächenbehandelten kubischen Bornitrids mit einem Bindemittel, um Mischpulver auszubilden; einen dritten Schritt S300 zum Formen der Mischpulver; und einen vierten Schritt S400 zum Sintern der geformten Mischpulver.
Der erste Schritt S100 ist ein Schritt zum Entfernen von fremden Substanzen von der Oberfläche mittels Oberflächenbehandlung des kubischen Bornitrids. Die Oberflächenbehandlung des kubischen Bornitrids wird bevorzugt unter der Verwendung einer Plasma-Oberflächenbehandlung, einer Wärmebehandlung, einer Säurebehandlung, eines Sputterns und eines Sol-Gel-Verfahrens durchgeführt. Das Oberflächenbehandlungs-Verfahren für das kubische Bornitrid (cBN) ist jedoch nicht unbedingt darauf beschränkt. Es können außerdem herkömmlicherweise verwendete Verfahren gezielt eingesetzt werden.
Basierend auf der Anwesenheit oder Abwesenheit von fremden Substanzen an der Oberfläche des kubischen Bornitrids können bei der Oberflächenbehandlung zwei oder mehrere Verfahren gleichzeitig verwendet werden, ohne ein einzelnes Verfahren zu verwenden. Auf diese Weise kann die Behandlung der Oberfläche des kubischen Bornitrids vor dem Mischvorgang des kubischen Bornitrids mit dem Bindemittel die Bindungswahrscheinlichkeit zwischen dem kubischen Bornitrid und dem Bindemittel erhöhen. Dabei kann das hervorstehend geformte Borid oder Nitrid in einem zuverlässigen Grad an der Oberfläche des kubischen Bornitrids lokal ausgebildet werden. Das Ausbilden des hervorstehend geformten Borids an der Oberfläche mittels der Oberflächenbehandlung des kubischen Bornitrids kann die Ausbreitung eines Risses so gut wie möglich unterdrücken. Dies kann die Lebensdauer von Bearbeitungswerkzeugen erhöhen.
Als nächstes wird nach der Oberflächenbehandlung des kubischen Bornitrids der zweite Schritt (S200) des Vermischens der cBN-Partikel mit dem Bindemittel durchgeführt, um Mischpulver auszubilden. Bei dieser Verbindung kann ein Vorgang hinzugefügt werden, um eine Oberflächenbehandlung (S101) der Bindemittel-Partikel vor dem Vermischen des kubischen Bornitrids mit dem Bindemittel durchzuführen. Die Oberflächenbehandlung mit dem Bindemittel kann auch durchgeführt werden, um das Oxid oder Nitrid von der Bindemitteloberfläche zu entfernen.
Die Oberflächenbehandlung des Bindemittels wird bevorzugt unter der Verwendung eines Reduktions- und Wärmebehandlungs-Vorgangs, einer Plasma-Oberflächenbehandlung, eines Sputterns, eines Plattierens und eines Sol-Gel-Verfahrens durchgeführt. Das Oberflächenbehandlungs-Verfahren für das Bindemittel ist jedoch nicht notwendigerweise darauf beschränkt. Es können außerdem herkömmlicherweise verwendete Verfahren gezielt eingesetzt werden. Der Reduktions-Wärmebehandlungs-Vorgang kann ein Oberflächenbehandlungs-Verfahren zum Entfernen von Oxiden und Nitriden von der Bindemitteloberfläche sein, um die direkte Bindungskraft zwischen dem kubischen Bornitrid und dem Bindemittel zu erhöhen. Die Plasma-Oberflächenbehandlung und das Sputtern, das Plattieren und das Sol-Gel-Verfahren können Oberflächenbehandlungs-Verfahren sein, die verwendet werden, um fremde Substanzen von dem Bindemittel zu entfernen. Die Oberflächenbehandlung des Bindemittels wird situationsabhängig bevorzugt unter der Verwendung von einem oder mehreren Vorgängen ausgeführt, ohne lediglich einen Vorgang zu verwenden. Das heißt, dass das Bindemittel oberflächenbehandelt wird, um Oxide und Nitride von der Bindemitteloberfläche vor dem Vermischen des kubischen Bornitrids mit dem Bindemittel zu entfernen. Wenn also das kubische Bornitrid mit dem Bindemittel gebunden wird, kann die Borid- oder Nitrid-Bildung leicht auftreten.
Bei dem zweiten Schritt S200 wird das Vermischen des kubischen Bornitrids und des Bindemittels mittels eines allgemeinen Pulver-Mischverfahrens durchgeführt, wie etwa einem Kugelmühlen-, einem Attritor-Mühlen-, einem Planetenmühlen-Verfahren oder dergleichen. Auf diese Weise wird ein gleichmäßiges Vermischen ausgeführt. Das Vermischen der kubischen Bornitrid-Partikel mit dem Bindemittel wird bevorzugt unter Verwendung einer der vorstehend genannten Verfahren ausgeführt. Das Mischverfahren für das kubische Bornitrid und das Bindemittel ist jedoch nicht darauf beschränkt. Es können außerdem herkömmlicherweise verwendete Verfahren gezielt eingesetzt werden.
Die durchschnittliche Partikelgröße bei dem Bindemittel, das bei dem Vermischen des kubischen Bornitrids mit dem Bindemittel verwendet wird, kann zwischen 0,001 µm und 1 µm liegen.
Die Mischpulver aus dem kubischen Bornitrid und dem Bindemittel, wie sie mittels des zweiten Schritts S200 gemischt werden, werden vor dem Formungs-Schritt einem Wärmebehandlungs-Vorgang S201 unterzogen. Bei dem Wärmebehandlungs-Vorgang S201 kann die Wärmebehandlung der Mischpulver bei einer Temperatur von 600° C oder höher in einem Vakuum oder in einer Stickstoff-, Argon- oder Wasserstoffatmosphäre durchgeführt werden.
Als nächstes wird ein Schritt S300 zum Formen der Mischpulver durchgeführt. Bei diesem Schritt werden die Mischpulver, wie durch den zweiten Schritt S200 gemischt, oder die Mischpulver, die dem Wärmebehandlungs-Vorgang unterzogen worden sind, zerstoßen und zu einer kreisförmigen Scheibenform geformt. Jedes Formungs-Verfahren für die Mischpulver kann gezielt verwendet werden, so lange es sich um ein herkömmlicherweise verwendetes Verfahren handelt.
Anschließend wird der vierte Schritt S400 des Sinterns der Mischpulver, die dem Formungs-Schritt S300 unterzogen worden sind, durchgeführt. Bei dem vierten Schritt S400 wird das polykristalline kubische Bornitrid (PCBN) hergestellt, indem die Mischpulver bei hoher Temperatur zwischen 1250° C und 1650° C und bei hohem Druck zwischen 3,5 GPa to 6,5 GPa gesintert werden. Jedes Sinterverfahren kann in einer herkömmlichen Weise gezielt verwendet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung zum Herstellen des polykristallinen kubischen Bornitrids kann die Oberflächenbehandlung sowohl des cBN als auch des Bindemittels vor dem Vermischen des kubischen Bornitrids und des Bindemittels ermöglichen, dass das hervorstehend geformte Borid in einfacher Weise an der kubischen Bornitrid-Oberfläche lokal ausgebildet wird. Das ausgebildete Borid ist kein während des Vermischens des kubischen Bornitrids mit dem Bindemittel separat zugeführtes Borid. Vielmehr kann das ausgebildete Borid ein Borid sein, wie es von der Reaktion zwischen Bor als Element in dem kubischen Bornitrid-Partikel und dem Bindemittel erzeugt wird. Das hervorstehend geformte Borid kann mittels der Oberflächenbehandlung von sowohl dem kubischen Bornitrid als auch dem Bindemittel vor dem Vermischen an der kubischen Bornitrid-Oberfläche lokal ausgebildet sein.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung von polykristallinem kubischem Bornitrid gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Borid, das an der Oberfläche des kubischen Bornitrids lokal ausgebildet ist, die Entwicklung von Rissen entlang der Oberflächen der kubischen Bornitrid-Partikel und dem Bindemittel minimieren. Dadurch wird die Lebensdauer von Bearbeitungswerkzeugen verlängert. Wie bei dem herkömmlichen Verfahren sind freie Bewegungen des Risses möglich, wenn das Borid bis zu einer bestimmten Dicke entlang und an dem Randbereich des kubischen Bornitrids aufgetragen ist. Dies verringert die Lebensdauer des Bearbeitungswerkzeugs. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher die Oberflächenbehandlung sowohl des cBN als auch des Bindemittels vor dem Vermischen des kubischen Bornitrids und des Bindemittels durchgeführt. Dies kann nicht nur ermöglichen, dass die Bindungskraft zwischen dem kubischen Bornitrid und dem Bindemittel ansteigt, sondern ermöglicht auch, dass das hervorstehend geformte Borid an der Oberfläche des kubischen Bornitrids lokal ausgebildet wird.
Das Borid ist nicht fortlaufend entlang und an dem Randbereich des kubischen Bornitrids ausgebildet. Das Borid weist eine kovalente Bindung mit den kubischen Bornitrid-Partikeln auf. Alternativ ist zumindest ein Bor-Vorsprung innerhalb eines Abstands von 100 nm von der Oberfläche der cBN-Partikel vorhanden. Die Vorsprungsgröße des Borids ist dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem Bereich von 0,001 µm bis 1 µm liegt. Die Eigenschaften des polykristallinen kubischen Bornitrids (PCBN), wie es unter der Verwendung des Verfahrens zur Herstellung des polykristallinen kubischen Bornitrids gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, wird nachstehend im Detail beschrieben.
Eigenschaften des polykristallinen kubischen Bornitrids (PCBN) wie es unter der Verwendung des Verfahrens zur Herstellung des polykristallinen kubischen Bornitrids gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird
Zunächst ist unter Bezugnahme auf 2 bis 4 polykristallines kubisches Bornitrid gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben. 2 ist eine schematische Darstellung von polykristallinem kubischem Bornitrid gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ferner ist 3 eine schematische Darstellung eines Konzepts der Bildung des hervorstehend geformten Borids an der Oberfläche des polykristallinen kubischen Bornitrids gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie des Auftretens von Risswanderung darin. Als Referenz zeigt der Pfeil in 3 die Bewegung des Risses.
Die vorliegende Erfindung gibt polykristallines kubisches Bornitrid an, das kubisches Bornitrid und ein Bindemittel aufweist. Bei polykristallinem kubischem Bornitrid ist ein hervorstehend geformtes Borid an der Oberfläche des kubischen Bornitrids ausgebildet. Auf 2 und 3 bezugnehmend, existiert das Borid als ein Vorsprung an der Oberfläche des kubischen Bornitrids. Das Borid umgibt die Oberfläche des kubischen Bornitrids nicht unbedingt fortlaufend. Vielmehr können die Borid-Vorsprünge an der Oberfläche des kubischen Bornitrids unregelmäßig und teilweise vorhanden sein. Das Borid ist nicht fortlaufend entlang und an dem Randbereich des kubischen Bornitrids ausgebildet. Das Borid weist eine kovalente Bindung mit den kubischen Bornitrid-Partikeln auf. Alternativ ist zumindest ein Bor-Vorsprung innerhalb eines Abstands von 100 nm von der Oberfläche des cBN-Partikels vorhanden. Die Vorsprungsgröße des Borids ist dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem Bereich von 0,001 µm bis 1 µm liegt. Da die Borid-Vorsprünge auf der Oberfläche des kubischen Bornitrids unregelmäßig und teilweise vorhanden sein können, wird die Entwicklung von Rissen entlang der Oberflächen der kubischen Bornitrid-Partikel und des Bindemittels so gut wie möglich unterdrückt. Dadurch wird die Lebensdauer des Verarbeitungswerkzeugs erhöht.
Wie bei dem herkömmlichen Verfahren sind freie Bewegungen des Risses möglich, wenn das Borid oder Nitrid bis zu einer bestimmten Dicke entlang und an dem Randbereich des kubischen Bornitrids aufgetragen ist. Dies verringert die Lebensdauer des Bearbeitungswerkzeugs. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Gegensatz dazu die Oberflächenbehandlung von sowohl dem cBN als auch dem Bindemittel vor dem Vermischen des kubischen Bornitrids und des Bindemittels durchgeführt. Dies kann nicht nur ermöglichen, dass die Bindungskraft zwischen dem kubischen Bornitrid und dem Bindemittel zunimmt, sondern ermöglicht auch, dass das hervorstehend geformte Borid an der Oberfläche des kubischen Bornitrids lokal ausgebildet wird. Daher können die Borid-Vorsprünge an der Oberfläche des kubischen Bornitrids unregelmäßig und teilweise vorhanden sein und die Entwicklung und Wanderung der Risse entlang der Oberflächen der kubischen Bornitrid-Partikel und des Bindemittels wird so gut wie möglich unterdrückt. Dadurch wird die Lebensdauer des Bearbeitungswerkzeugs erhöht. 4 ist eine schematische Darstellung des Konzepts der Risswanderung, wenn Borid in einer bestimmten Dicke fortlaufend an der Oberfläche des kubischen Bornitrids aufgetragen ist. Als Referenz zeigt der Pfeil in 4 die Bewegung des Risses. Bei 4 kann man feststellen, dass die Risswanderung relativ frei ist, da das Borid bis zu einem gewissen Grad auf die Oberfläche des kubischen Bornitrids aufgetragen ist. Wie bei 3 gezeigt, ist im Gegensatz dazu gemäß der vorliegenden Erfindung das hervorstehend geformte Borid an der Oberfläche des kubischen Bornitrids lokal ausgebildet, so dass die Bewegung des Risses so gut wie möglich unterdrückt werden kann. Wenn die Rissausbreitung wie vorstehend beschrieben verhindert wird, sind die Schlagfestigkeit und die Verschleißbeständigkeit des Bearbeitungswerkzeugs verbessert. Dadurch verlängert sich die Lebensdauer des Bearbeitungswerkzeugs.
Das ausgebildete Borid ist kein während des Vermischens des kubischen Bornitrids und des Bindemittels separat zugeführtes Borid. Vielmehr kann das ausgebildete Borid ein Borid sein, wie es von der Reaktion zwischen Bor als Element in dem kubischen Bornitrid-Partikel und dem Bindemittel erzeugt wird.
Wenn das Borid in der Anfangsphase des Vermischens des kubischen Bornitrids und des Bindemittels zugeführt wird, ist das Borid in einem Abstand von 100 nm oder größer zu der Grenze der kubischen Bornitrid-Partikel vorhanden. Wenn sich das Borid in einem Abstand von 100 nm oder größer zu dem kubischen Bornitrid befindet, kann das Borid zu einer Verunreinigung in dem Bindemittel werden, so dass sich die Bindungskraft verringern kann. Dies ist unerwünscht. Daher wird das Borid wie bei der vorliegenden Erfindung nicht während der Anfangsphase des Vermischens des kubischen Bornitrids und des Bindemittels zugeführt. Das Borid kann vielmehr mittels der Reaktion während des Sintervorgangs ausgebildet werden.
Ferner wird vor dem Vermischen des kubischen Bornitrids und des Bindemittels gemäß der vorliegenden Erfindung der cBN-Oberflächenbehandlungs-Schritt durchgeführt. Auf diese Weise wird die Bindungskraft zwischen dem kubischen Bornitrid und dem Bindemittel durch den Oberflächenbehandlungs-Schritt erhöht. Dadurch wird die lokale Ausbildung des Borids mit der hervorstehenden Form erleichtert. Ferner wird das mit dem kubischen Bornitrid zu vermischende Bindemittel auch einem Oberflächenbehandlungs-Vorgang unterzogen.
Die Oberflächenbehandlung des kubischen Bornitrids wird bevorzugt unter der Verwendung einer Plasma-Oberflächenbehandlung, einer Wärmebehandlung, einer Säurebehandlung, eines Sputterns und eines Sol-Gel-Verfahrens durchgeführt. Das Oberflächenbehandlungs-Verfahren für das kubische Bornitrid (cBN) ist jedoch nicht unbedingt darauf beschränkt. Ein herkömmlicherweise verwendetes Verfahren kann gezielt eingesetzt werden. Basierend auf der Anwesenheit oder Abwesenheit von fremden Substanzen an der Oberfläche des kubischen Bornitrids können bei der Oberflächenbehandlung zwei oder mehrere Vorgänge gleichzeitig verwendet werden, ohne einen einzelnen Vorgang zu verwenden.
Zudem wird die Oberflächenbehandlung des Bindemittels bevorzugt unter Verwendung eines Reduktions- und Wärmebehandlungs-Vorgangs, einer Plasma-Oberflächenbehandlung, eines Sputterns, eines Plattierens und eines Sol-Gel-Verfahrens durchgeführt. Das Oberflächenbehandlungs-Verfahren für das Bindemittel ist jedoch nicht unbedingt darauf beschränkt. Herkömmlicherweise verwendete Verfahren können gezielt eingesetzt werden. Der Reduktions-Wärmebehandlungs-Vorgang kann ein Oberflächenbehandlungs-Verfahren sein, um Oxide oder Nitride von der Bindemittel-Oberfläche zu entfernen, so dass die direkte Bindungskraft zwischen dem kubischen Bornitrid und dem Bindemittel erhöht wird. Die Plasma-Oberflächenbehandlung und das Sputtern, das Plattieren und das Sol-Gel-Verfahren können Oberflächenbehandlungs-Verfahren sein, die verwendet werden, um fremde Substanzen von dem Bindemittel zu entfernen und die Reinheit des Bindemittels zu verbessern. Die Oberflächenbehandlung des Bindemittels wird situationsabhängig bevorzugt unter Verwendung von einem oder mehreren Vorgängen ausgeführt, ohne lediglich einen Vorgang zu verwenden.
Dann wird das Vermischen des kubischen Bornitrids und des Bindemittels mittels eines allgemeinen Pulver-Mischverfahrens durchgeführt, wie etwa einem Kugelmühlen-, einem Attritor-Mühlen-, einem Planetenmühlen-Verfahren oder dergleichen. Auf diese Weise wird ein gleichmäßiges Vermischen der Pulver ausgeführt. Das Vermischen der kubischen Bornitrid-Partikel mit dem Bindemittel wird bevorzugt unter Verwendung eines der vorstehend genannten Verfahren ausgeführt. Das Mischverfahren des kubischen Bornitrids und des Bindemittels ist jedoch nicht darauf beschränkt. Auch herkömmliche Verfahren können gezielt verwendet werden. Die durchschnittliche Partikelgröße des Bindemittels, das bei dem Vermischen des kubischen Bornitrids mit dem Bindemittel verwendet wird, liegt zwischen 0,001 µm und 1 µm. Die Mischpulver aus dem kubischen Bornitrid und dem Bindemittel, wie sie über den Vermisch-Schritt gemischt werden, werden vor dem Formungs-Schritt dem Wärmebehandlungs-Vorgang unterzogen. Bei dem Wärmebehandlungs-Vorgang kann die Wärmebehandlung der Mischpulver bei einer Temperatur von 600° C oder höher in einem Vakuum oder in einer Stickstoff-, Argon- oder Wasserstoffatmosphäre durchgeführt werden. Dann werden die dem Wärmebehandlungs-Vorgang unterzogenen Mischpulver zerstoßen und zu einer kreisförmigen Scheibenform geformt. Jedes Formungs-Verfahren für die Mischpulver kann gezielt verwendet werden, so lange es sich um ein herkömmliches Verfahren handelt. Danach wird das polykristalline kubische Bornitrid (PCBN) hergestellt, indem die Mischpulver bei hoher Temperatur zwischen 1250°C und 1650° C und hohem Druck zwischen 3,5 GPa und 6,5 GPa gesintert werden.
Bei einer Ausführungsform liegt die durchschnittliche Partikelgröße der kubischen Bornitrid-Partikel in einem Bereich von 4 µm bis 8 µm. Die Menge der kubischen Bornitrid-Partikel liegt in einem Bereich von 70 Vol.-% bis 85 Vol.-%. Wenn der Durchschnittswert der kubischen Bornitrid-Partikelgröße kleiner ist als 4 µm, können das Verflüchtigen der Partikel des kubischen Bornitrids und die Variation der Partikelgröße bei der Reaktion zwischen dem kubischen Bornitrid und dem Bindemittel die Lebensdauer des Bearbeitungswerkzeugs negativ beeinflussen. Ferner nimmt die Wahrscheinlichkeit der direkten Bindung zwischen kubischen Bornitrid-Partikeln zu, wenn der Durchschnittswert der kubischen Bornitrid-Partikelgröße 8 µm überschreitet. Dies ist unerwünscht.
Zudem können sich Risse frei bewegen, wenn die Menge des kubischen Bornitrids kleiner ist als 70 Vol.-%. Somit wird die Wirkung des Unterdrückens der Rissausbreitung durch das Borid, das an der Oberfläche des kubischen Bornitrids ausgebildet ist, verringert. Dies ist unerwünscht. Wenn die Menge des kubischen Bornitrids 85 Vol.-% überschreitet, nimmt die Wahrscheinlichkeit für direkte Bindungen zwischen den kubischen Bornitrid-Partikeln zu. Mit zunehmender Wahrscheinlichkeit für direkte Bindungen zwischen kubischen Bornitrid-Partikeln nimmt die Härte zu, wohingegen Einwirkungen auf die Bearbeitungswerkzeuge die Häufigkeit ihres Bruchs erhöhen. Dies wiederum hat einen negativen Einfluss auf die Lebensdauer des Bearbeitungswerkzeugs.
Bei einer Ausführungsform kann das polykristalline kubische Bornitrid, wie es während des Sintervorgangs ausgebildet wird, zumindest eine Art von einer Verbindung aufweisen, die aus zumindest zwei Elementen besteht, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus BN, Ti, W, Co, Zr und Si besteht. Dies kann ermöglichen, dass das PCBN eine hohe Bindungsfestigkeit zwischen dem kubischen Bornitrid und dem Bindemittel aufweist.
Bei einer Ausführungsform enthält das Bindemittel Folgendes: ein erstes Bindemittel, das zumindest eines des Folgenden aufweist: Nitrid, Karbid, Carbonitrid, Oxid und Borid von Ti, Co, Ni, Cu, W und Zr; sowie ein zweites Bindemittel, das zumindest eines des Folgenden aufweist: Nitrid, Karbid, Carbonitrid, Oxid und Borid von Al, Cr, Si, Ta und Nb. Da die Bindemittel-Komponente, die das erste Bindemittel aufweist, und die Bindemittel-Komponente, die das zweite Bindemittel aufweist, in dem polykristallinen kubischen Bornitrid vorhanden sind, kann das polykristalline kubische Bornitrid gemäß der vorliegenden Erfindung eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Ein zusammengesetzter Sinterkörper mit einer angemessenen elektrischen Leitfähigkeit führt zu einer Vereinfachung der EDM-Bearbeitbarkeit und des Schneidens beim Schneidevorgang.
Der Fachmann für die vorliegende Erfindung kann verstehen, dass die vorliegende Erfindung in weiteren spezifischen Formen ausgeführt sein kann ohne von der Idee oder den essenziellen Charakteristika der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es ist daher zu verstehen, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen in jeglicher Hinsicht veranschaulichend und nicht beschränkend sind. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist vielmehr durch die Ansprüche definiert, die nachstehend aufgeführt sind, statt durch die vorstehende detaillierte Beschreibung. Alle Änderungen oder Modifikationen, die im Sinne der Bedeutung und des Umfangs der Ansprüche und ihrer Äquivalente sind, sind so auszulegen, dass sie in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims

Polykristallines kubisches Bornitrid (PCBN), das kubische Bornitrid- (cBN-) Partikel und ein Bindemittel enthält, wobei ein hervorstehend geformtes Borid an der Oberfläche des kubischen Bornitrid-Partikels ausgebildet ist, wobei die durchschnittliche Partikelgröße der kubischen Bornitrid-Partikel in einem Bereich zwischen 4 µm und 8 µm liegt, wobei die Menge der kubischen Bornitrid-Partikel in einem Bereich zwischen 70 Vol.-% und 85 Vol.-% liegt, wobei der Borid-Vorsprung innerhalb eines Abstands von 100 nm von der Oberfläche des kubischen Bornitrid-Partikels vorhanden ist, wobei der Borid-Vorsprung eine Größe von 0,001 µm bis 1 µm aufweist.
Polykristallines kubisches Bornitrid (PCBN) gemäß Anspruch 1, wobei das Bindemittel Folgendes enthält: ein erstes Bindemittel, das zumindest eines des Folgenden aufweist: Nitrid, Karbid, Carbonitrid, Oxid und Borid von Ti, Co, Ni, Cu, W und Zr; und ein zweites Bindemittel, das zumindest eines des Folgenden aufweist: Nitrid, Karbid, Carbonitrid, Oxid und Borid von Al, Cr, Si, Ta und Nb.
Polykristallines kubisches Bornitrid (PCBN) gemäß Anspruch 1, wobei das polykristalline kubische Bornitrid zumindest eine Art von einer Verbindung enthält, die aus zumindest zwei Elementen besteht, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus BN, Ti, W, Co, Zr und Si besteht, wobei die Verbindung während des Sintervorgangs ausgebildet wird.
Verfahren zur Herstellung von polykristallinem kubischem Bornitrid (PCBN), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: einen ersten Schritt zum Durchführen einer Oberflächenbehandlung von kubischen Bornitrid-Partikeln, um fremde Substanzen von den Oberflächen der kubischen Bornitrid-Partikel zu entfernen; einen zweiten Schritt zum Vermischen der oberflächenbehandelten kubischen Bornitrid-Partikel mit Bindemitteln, um Mischpulver auszubilden; einen dritten Schritt zum Formen der Mischpulver; und einen vierten Schritt zum Sintern der geformten Mischpulver.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das Verfahren ferner folgenden Schritt aufweist: einen Schritt zum Durchführen einer Oberflächenbehandlung von Bindemitteln, um fremde Substanzen von den Oberflächen der Bindemittel zu entfernen.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das Verfahren ferner folgenden Schritt aufweist: einen Schritt zum Durchführen eines Wärmebehandlungs-Vorgangs der Mischpulver, die nach dem Vermischen der oberflächenbehandelten kubischen Bornitrid-Partikel mit den Bindemitteln ausgebildet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Oberflächenbehandlung der kubischen Bornitrid-Partikel von zumindest einem der folgenden Verfahren durchgeführt wird: Plasma-Oberflächenbehandlung, Wärmebehandlung, Säurebehandlung, Sputtern und Sol-Gel-Verfahren.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Oberflächenbehandlung der Bindemittel von zumindest einem der folgenden Verfahren durchgeführt wird: Reduktions- und Wärmebehandlungs-Vorgang, Plasma-Oberflächenbehandlung, Sputtern, Plattieren und Sol-Gel-Verfahren.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die kubischen Bornitrid-Partikel und die Bindemittel mittels einem der folgenden Verfahren miteinander vermischt werden: Kugelmühlen-, Attritor-Mühlen und Planetenmühlen-Verfahren.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei der Wärmebehandlungs-Vorgang nach dem Vermischen der kubischen Bornitrid-Partikel mit den Bindemitteln bei einer Temperatur von 600° C oder höher in einer der folgenden Atmosphären durchgeführt wird: Vakuum, Stickstoff, Argon und Wasserstoff.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei der Sintervorgang bei einem Druck von 3,5 GPa bis 6,5 GPa und bei einer Temperatur von 1250° C bis 1650° C durchgeführt wird.