DE2111180C3 - Verfahren zur Herstellung von kubi schem Bornitrid - Google Patents

Description

AIs Ausgangsmaterial verwendet man vorzugsweise kreier Beispiele für deren Durchführung und der

hexagonales Bornitrid mit einem Gehalt an Bornitrid Zeichnung näher erläutert, in der die Reaktionszelle

von 99,8 % oder ein technisches Produkt mit einem schematisch dargestellt ist.

Gehalt an Bornitrid von etwa 97 Ve. 45 Das vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung von Das kubische Bornitrid, erhalten nach diesen be- kubischem Bornitrid aus dem hexagonalen Bornitrid kannten Verfahren (der Prozeß wird in Abwesenheit sieht erfinduiigsgemäß die Durchführung des Prozesses von Katalysator durchgeführt), besitzt blaßgelbe bei einem Druck von etwa 50 bis etwa 90 kbar und Farbe. einer Temperatur von mindestens etwa 1800 bis etwa Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Verfah- 50 3000⁰C während einer Zeitdauer vor, die zur Bildung ren zur Herstellung von kubischem Bornitrid ist die der kubischen Modifikation des Bornitrids aushohe Druckschweile für die Durchführung des reichend ist.

Prozesses. Die bekannten Apparate des statischen Als theoretische Grundlage für die Herstellung von

Druckes mit einem Druckbereich von über 100 kbar kubischem Bornitrid kann das Phasendiagramni des

weisen einen Arbeitsnutzinhalt von etwa 1 mm³ auf, 55 Bornitrids dienen. Das bekannte Phasendiagramm,

wodurch die Ausbeute an Produkt in einem Zyklus veröffentlicht in The Journal of Chemical Physics,

begrenzt und die Möglichkeit ausgeschlossen wird, V 38, N 51144-49,1963, ist jedoch nicht ganz genau,

größere polykristalline Aggregate herzustellen. Die Wie aus den veröffentlichten Angaben folgt, tritt bei

Lebensdauer des Apparates bei der Arbe^:<: in diesem Temperaturen unterhalb 3300° C und Drücken über

Druck- und Temperaturenbereich ist nicht hoch, 60 100 kbar neben dem kubischen Bo—^;.trid die Wurtzit-

»weshalb sich die genannten bekannten Verfahren modifikation von Bornitrid auf. Jedoch fehlt auf

technologisch nur schwer durchführen lassen. diesem Diagramm die Linie der Phasengleichgey/ichte

Es ist außerdem bekannt, daß es bei der Durch- der Modifikationen des Wurtzits und des kubischen

führung des Prozesses in dem genannten Druck- und Bornitrids wie auch übrigens der dreifache P"nkt des

Teniperaturenbereich zur Bildung von nicht nur 6s Dreiphasengleichgewichts des Bornitrids. Folglich soll

kubischem Bornitrid, sondern auch von Bornitrid dieses Gieichgewichtsdiagramm im Bereich hoher

mit Wurtzitstruktur kommt. Drücke korrigiert werden.

Infolgedessen enthält das Produkt der Synthese Was den Bereich der Drücke unterhalb 100 kbar be-

igen Verwendung gewährleistet, was seinerseits

^Beimen8ungen, Drittel» wächst die Ausbeute an Produkt unter

^v ^-&^l8KataIy^sat°- ^{5 dcn von uns} S^ewahlten Synthesebedingungen ^en ^Versclliebung der Gleich- über den bekannten Verfahren zur Herstellung von

gkubischem Bornitrid in demselben Druckbereich , f^Sn vT„«⁸· ^{m S} B"^rnitrid* beim Vor- unter Verwendung von »Katalysatoren« um das handense.n von Beimengungen (Katalysatoren) ist als 3- bis 4fache durch das Freimachen eines zusätzlichen Phosendiagramm eines MehrkoraponentenstoiTes zu » Volumens für das hexagonale Ausgangsbornilrid auf betrachten, dessen Oberfläche der Phasengleich- Kosten des von den »Katalysator-Stoffen eingenom- _t ■ gewichte s.ch in Abhängigkeit von der Konzentration mcnen sowie infolgedessen, daß es zu einer vollstün-, der Beimengungen (Katalysatoren) verändert. digen Umwandlung des hexagonalen Ausgangsbor-

t Es wurde von uns festgestellt, daß beim Fehlen nitrids in der Reaktionszone und nicht an den

von Beimengungen (Katalysatoren) im Bereich der _l5 Kontaktstellen mit dem »Katalysator«-Stoff kommt, Drucke unterhalb IUO kbar die Grenze des Phasen- wie dies im Falle der »katalytischen« Umwandlung ist. gleicligewichts der kubischen und hexagonalen Außerdem ist unter den von uns gewählten Syn-

Modifikation des Bornitrid* im Bereich höherer ihesebedingungen die Herstellung von hochfesten : Temperaturen gegenüber der in dem bekannten Dia- polykristallinen Aggregaten des kubischen Bornitrids

^ gramm angeführten Linie des Phasengleichgewichts ao nach der Form des Reaktionsraumes möglich, die

' ^l u t. ^nacn ^^er Phasenzusammensetz.ing und nach den

ί-s bestehen folglich thermodynamische Möglich- physikalischen und mechanischen Eigenschaften '■ keilen fur die Herstellung von kubischem Bornitrid homogen sind, weshalb ihre Eigenschaften in einigen

i bei Drücken von 50 bis 90 kbar jedoch im Bereich Fällen die mechanischen Eigenschaften der Ein-

hoherer Temperaturen (1800 bis 3000° C) gegenüber a₅ kristalle des kubischen Bornitrids übertreffen.
; den in der Veröffentlichung angegebenen. Diese Er- Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren er-

i kciwilnis gerade diente als Grundlage für die von uns haltene kubische Bornitrid stellt im allgemeinen ein

■ einwickelte Technologie zur Herstellung von kubi- feinkörniges Pulver oder ein hochfestes polykristal-

V ^sthem Bornitrid, lines Aggregat in Abhängigkeit von den Druckbedin-

]: Als Ausgangsprodukt verwendeten wir technisches 30 gungen und der Synlhesedauer dar, das eine dunkel-

ί . Pulver von hexagonalem Bornitrid (N 43%; B..O, graue Farbe besitzt.
|;_: etv/a 0,1%; C etwa 0,6%; B etwa 54%; übrige

j Beimengungen ?lwa 2,3%) mit einem Gehalt an Beispiel 1

h Bornitrid von 97 bis 98%. Es ist möglich, daß einige in einer Hochdruckkammer, die die Erzielung .on

h der im Ausgangsprodukt enthaltenen geringen Mengen 35 Drücken bis 100 kbar ermöglicht, bringt man eine

I (insgesamt 2 bis 3%) von Verunreinigungen (Ein- Hochtemperatur-Reaktionszelle ein. Die Zelle besteht

|_: Schlüssen) eine positive Rolle spielen können, indem aus einem elektrischen Röhrenerhitzer 1 (mit Ab-

1. sie zur Bildung von Kristallisationskeimen bei der messungen 0 6 · 0 4,5 · 13 mm), hergestellt aus

Ji Synthese beitragen. Jedoch erschweren in der Regel Graphit. Im inneren des Erhitzers ist eini. .usgangs-

ψ Abweichungen von der stöchiometrischen Zusammen- 40 probe 2 aus technischem Pulver des hexagonalen Bor-

I setzung der Ausgangs- und entstehenden Phase, wie nitrids angeordnet. Mit der Ziffer 3 ist das feste

fc, dies in unseren Arbeiten gezeigt wurd,, die Umwand- Medium angedeutet, das den Druck überträgt und

I* lung. Es ist auch bekannt, daß sieb die Anwesenheit einen Lithographiestein darstellt.

I von Wasser und Boroxid in der Reakhonszone auf Nach der Erzielung in der Kammer eines Druckes

|i den Ablauf des Prozesses negativ auswirkt, weshalb 45 von etwa 60 kbar, deren Stempel gleichzeitig die Rolle

|j bei der Durchführung des technologischen Prozesses der Stromzuführungen zum Graphiterhitzer I erfüllen,

i? diese Faktoren zu beachten sind. Die Experimente schaltet man die Erhitzung ein und bringt die Tem-

I haben ergeben, daß es zweckmäßig ist, als Ausgangs- peratur in der Mitte des Erhitzers ungefähr auf

ρ produkt vorher getrocknetes hexagonales Bornitrid 2240° C (die Wärmeleistung beträgt 2030W). Die

Jj! zu verwenden. _So Temperaturbedingungen hält man dann während

ψ Dte Vorteile der von uns festgestellten erfindungs- 2 Minuten aufrecht, wonach die Temperatur weggemäßen Druck- und Temperaturbedingungen für die genommen und der Druck auf den atmosphärischen Herstellung des kubischen Bornitrids sind offen- gesenkt wird. Das Syntheseprodukt stellt ein poiysichtlich. kristallines Aggregat des kubischen Bornitrid* von

Erstens ist in dem genannten Druckbereich die 55 ungefähr 3,5 n.m Durchmesser dar.
Herstellung von kubischem Bornitrid möglich, das ' Aus dem erhaltenen Aggregat des kubischen Bor- γ von den Einschlüssen des Bornitrids mit der Wurtzit- nitrids wurde eine Platte hergestellt, die man im

I struktur frei ist, dessen Bildung bekanntlich erst bei Halter des Drehmeißels mechanisch befestigt. Die

A Drücken über 100 kbar zustande kommt. Zweitens Vergleichsprüfungen der Schneideigenschaften der

|i bestehen für die Durchführung des Prozesses unter 60 Platte aus dem polykristallinen Aggregat des kubi-

',' den von uns festgestellten Druck- und Temperatur- sehen Boraitrids und des bekannten Meißels aus

I bedingungen eine Reihe von Konstruktionen der metallkeramischer Hartlegierung (WC ~ 79 <"«.

Apparate für die Erzeugung hoher Drücke und Co ~ 6%, TiC ~ 15%) ergaben, daß bei der Stahl-Temperaturen mit einem bedeutenden Arbeitsvolu- bearbeitung (verwendet für die Herstellung von men, wodurch eine hohe Ausbeute an Synthesepro- 65 Kugellagern) mit einer Rockwellhärte MR 62Eindukt in einem Zyklus gewährleistet wird. heiten und einer Schnittgeschwindigkeit von 40 m/min

Außerdem wird beim Betrieb der Apparate bei (Schnittiefe 0,5 mm, Vorschub 0,1 mm/U) die Stand-Drücken bis 75 kbar die Möglichkeit ihrer mehr- zeit des Meißels mit der Platte aus dem kubischen

10

Bornitrid die Standzeit des bekannten Meißels aus Hartlegierung um das 9- bis lOfache übersteigt. Bei einer Steigerung der Schnittgeschwindigkeit auf 80 m/min übersteigt die Standzeit des Meißels mit der Platte aus dem kubischen Bornitrid die Standzeit des bekannten Meißels aus Hartlegierung um mehr als 120 Male. Dabei wird der 9.-10. Oberflächengüte erreicht.

Beispiel 2

Eine Probe von hexagonalem Bornitrid aus derselben industriellen Sendung wie auch im Beispiel 1 wurde zunächst einem Druck von ungefähr 75 kbar in der genannten Hochtemperaturzelle ausgesetzt.

Die Abmessungen des Graphiterhitzers waren 06· φ 4,5 · 13 mm. Danach wurde die Temperatur in der Mitte des Erhitzers auf ungefähr 2250° C (Wärmeleistung 2080 W) gebracht. Diese Bedingungen wurden während 1 Minute gehalten; man erhielt ein polykristallines Aggregat des kubischen Bornitrids so von ungefähr 3,4 mm Durchmesser und ungefähr 6,5 rnm Höhe.

Der spezifische elektrische Widerstand der erhaltenen Probe beträgt 1O^1J-1O^1Z Ohm - cm. Die Probe wurde an der Luft auf eine Temperatur von 1400° C erhitzt und dann bei dieser Temperatur während einer Stunde gehalten. Nach ihrer Abkühlung beobachtet man nur unbedeutende Oberfiächenoxydation. Die Festigkeit und die Schneideigenschaften der Probe nach der Erhitzung blieben unverändert.

Die Röntgenstrukturuntersuchungen des durch die Synthese erhaltenen polykristallinen Aggregates zeigten, daß dieses kubisches Bornitrid mit einem Parameter des Kristallgitters a = 3,615 A darstellt. Hexagonales Bornitrid wurde im polykristallinen ^5 Aggregat durch Röntgenphasenanalyse nicht nachgewiesen.

Beispiel 3

Eine Probe von hexagonalem Bornitrid von 4 mm Durchmesser und 10 mm Höhe, angeordnet innerhalb eines Röhrenerhitzers aus Graphit (mit Abmessungen 0 5,2 · 0 4 · 12,25 mm), wurde einem Druck von 50 kbar ausgesetzt. Dann schaltete man die Erhitzung ein. Die Temperatur in der Mitte der Probe wurde ungefähr auf 221O⁰C (Wärmeleistung 2020W) gebracht. Diese Bedingungen wurden während 2 Minuten gehalten, wonach die Temperatur weggenommen und dann der Druck auf den atmosphärischen gesenkt wurde.

Man erhielt ein feinkörniges Pulver und polykristalline Gebilde dunkelgrauer Farbe nut Abmessungen von 1 bis 1,5 mm. Die Ausbeute an Produkt beträgt etwa 40 ⁰Io.

Beispiel 4

Eine Probe von hexagonalem Bornitrid mit den in dem Beispiel 2 angegebenen Abmessungen wurde in einer Hochdruckzelle ähnlicher Konstruktion mit einem Graphiterhitzer derselben Abmessungen einem Druck von etwa 75 kbar ausgesetzt. Dann brachte man die Temperatur ungefähr auf 2260° C (Wärmeleistung 2080W). Die genannten Bedingungen wurden während 30 Sekunden gehalten. Man erhielt ein feinkörniges Pulver von kubischem Bornitrid. Die Ausbeute an Produkt betrug ungefähr 30 ⁰Io.

Beispiel 5

Eine Probe aus technischem Pulver des hexagonalen Bornitrids mit den in dem Beispiel 3 angegebenen Abmessungen wurde in einer HochdruckzeÜe ähnlicher Konstruktion wie auch in Beispiel 2 mit einem Graphiterhitzer derselben Abmessungen einem Druck von ungefähr 55 kbar ausgesetzt. Dann wurde die Temperatur auf ungefähr 2200°C (Wärmeleistung 2196 W) gebracht. Die genannten Bedingungen wurden während 2 Minuten gehalten. Man erhielt zwei polykristaiiine Aggregate von ungefähr 3.4 mm Durchmesser und 3 mm Höhe und ein feinkörniges Pulver. Die Ausbeute an Produkt betrug gegen ö5 °/o.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. j. V ί ' 2

   ₄ Patentansnrlidie- unvermeidlich Einschlüsse von Bornitrid mit Wurtzit-

   _al % Patentansprüche. struktur, was eines der Hindernisse für die Heratelff-.i 1. Verfahren zur Herstellung von kubischem lung homogener polyicristalliner Aggregate von

   ψ ■'■·''. Bornitrid aus hexagonalem Bornitrid durch gleich- kubischem Bornitrid mit hohen mechanischen Eigen-

   zeitige Einwirkung auf diese mit hohen Drücken ö schäften ist. Außerdem sind bei der Herstellung von

   H, und hoher Temperatur während einer Zeitdauer, kubischem Bornitrid in diesem Falle zusätzliche I % die für die Bildung der kubischen Struktur aus- Operationen zur Abtrennung von Bornitrid mit

   jf C deichend ist, dadurch gekennzeichnet, Wurtzitstruktur notwendig.

   ~p "daß man den Prozeß bei einem Druck von etwa Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung

   f^: 50 bis etwa 90 kbar und einer Temperatur von io der genannten Nachteile.

   mindestens etwa 1800 bis etwa 3000° C durch- Der Erfindung wurde die Aufgabe zugrundegelegt,

   führt. ein Verfahren zur Herstellung von kubischem Bor-

   £ 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- nitrid unter solchen Druck- und Temperaturbedin-

   f kennzeichnet, daß der Prozeß bei einem Druck gungen zu entwickeln, die eine Tcchnologiegerechtheit

   \ von 60 bis 80 kbar während mindestens 1 Minute J₃ des Prozesses und die'Möglichkeit gewährleisten,

   durchgeführt wird, wodurch man kubisches Bor- kubisches Bornitrid zu erhalten, das keine Ein-

   jh nitrid in Form eines polykristallinen Aggregates Schlüsse von Bornitrid mit Wurtzitstruktur enthält.

   |f| erhält. , Diese Aufg -be wird dadurch gelöst, daß man den

   Jf 3. Verfahren ..ach Anspruch 1, dadurch ge- Prozeß bei einem Druck von etwa 50 bis etwa 90 kbar

   p kennzeichnet, daß man als Ausgangsprodukt so und einer Temperatur von mindestens etwa 1800 bis

   υ vorher getrocknetes hexagonales Bornitrid ver- etwa 3000° C durchführt.

   wendet. Zur Herstellung von kubisLhem Bornitrid in Form

   eines polykristallinen Aggregates führt man den

   Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ver- Prozeß bei einem Druck von 60 bis 80 kbar während fahren zur Herstellung von hochfesten Materialien, as mindestens einer Minute durch,
   insbesondere auf Verfahren zur Herstellung von Eine besonders günstige Lösung der gestellten Aufkubischem Bornitrid. gäbe wird in dem Falle erreicht, wenn man als Aus-Die vorliegende Erfindung kanu besonders w'rk- gangsprodukt vorher getrocknetes hexagonales Borsam für die Herstellung von Schneidelementen, Werk- nitrid verwendet.

   zeugen, Drchmeißeln, Fräsern sowie bei der Herstel- 30 Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die

   lung von Bohrkernen angewandt werden. gewählten Druck- und Temperaturbedingungen tech-

   Es sind Verfahien bekannt zur Herstellung von nologiegerccht und gewährleistet die Herstellung von

   kubischem Bornitrid aus dem hexagonalen Bornitrid kubischem Bornitrid, das von den Einschlüssen von

   durch gleichzeitige Einwirkung auf dieses mit hohen Bornitrid mit der Wurtzitstruktur frei ist, sowie die

   Drucken und hoher Temperatur wägend einer Zeit- 35 Herstellung von den Abmessungen nach relativ

   dauer, die für die Bildung der kubischen Struktur größeren (abhängig von den geometrischen Abmes-

   ausreichend ist (s. USA.-Patentschrift 3 212 852; The sungen der verwendeten Hochdruckkammer) nach

   Journal of Chemical Physics, V 38, N 51144-49,1963). der Phpsenzusammensetzung homogenen polykristal-

   Nach den bekannten Verfahren führt man den linen Aggregaten des kubischen Bornitrids mit hohen

   Prozeß bei einem Druck von mindestens etwa 40 mechanischen Eigenschaften.

   100 kbar und Temperaturen bis zu 3300° C durch. Nachstehend wird die Erfindung an Hand kon-