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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf die Produktion der sehr harten Werkstoffe
und insbesondere auf die Herstellung von kubischem Bornitrid (p - BN), das zum Beispiel
für die Herstellung von hochfesten Schleifmitteln zum Schleifen gehärteter Stähle
und schwer bearbeitbarer Legierungen verwendet wird.
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Bekannt sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von kubischem
Bornitrid (p - BN), bei denen hexagonales Bornitrid (d-BN) einem erhöhten Druck
und einer Temperatur in Gegenwart eines Katalysators ausgesetzt wird. Als Katalysator
werden dabei Alkali- und Erdalkalimetalle oder deren Nitride eingesetzt (US-PS 2947617).
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Das nach dem bekannten Verfahren hergestellte kubische Bornitrid verfügt
über keine genügend hohe Festigkeit, besonders in feuchten Medien, was auf eine
Bildung von beträchtlichen Mengen an Nebenstoffen, die sich in den Körnern des kubischen
Bornitrids ablagern, zurückzuführen ist. Insbesondere werden die sich während der
Synthese bildenden Nitride von Metallen, die Katalysatoren sind, einem Feuchtigkeitsangriff
ausgesetzt.
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Außerdem erfolgt bei der Herstellung eines Schleifmittels aus dem
nach den bekannten Verfahren gewonnenen kubischen Bornitrid wegen der Oxydationsneigung
der Nitride von Metallen, die Katalysatoren sind, eine teilweise Zerstörung der
Körner des kubischen Bornitrids sowie des Schleifmittels selbst.
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Die Stoffe, die die Bildung des kubischen Bornitrids begünstigen,
werden als'Katalysatoren bezeichnet Im Endprodukt, also im kubischen Bornitrid,
liegen aber die katalytisch wirkenden Stoffe in reinem Zustand nicht vor, deshalb
werden die Stoffe, die die Bildung von kubischem Bornitrid begünstigen, als Initiatoren
bezeichnet.
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Bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung von kubischem Bornitrid
bei hohen Temperaturen und Drücken aus Ansätzen, die hexagonales Bornitrid und Umsetzungsinitiatoren
enthalten. Als Umsetzungsinitiatoren dienen dabei gemischte oder separat genommene
Alkali- oder Erdalkaliboride (GB-PS 1335909).
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Bei der Durchführung dieses Verfahrens zur Herstellung von kubischem
Bornitrid beträgt die Zielproduktausbeute in Form eines Pulvers mit Korngröße über
100 Mikron - diese Pulver finden besonders breite Verwendung bei der Schleifmittelherstellung
-nur etwa 20 96.
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Bekannt ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von kubischem
Bornitrid durch Vermischen des hexagonalen Bornitrids mit 0,5 bis 7 Massenprozent
eines Zusatzstoffes, ausgewählt aus der Gruppe Phosphor, phosphorhaltige Verbindungen
und Mischungen wenigstens aus zwei solchen Stoffen, durch das Aussetzen des erhaltenen
Gemisches Temperaturen und Drücken, bei welchen-das kubische Kristallsystem des
Bornitrids stabil ist, und durch die allmähliche Senkung der Temperatur und des
Druckes, denen das Gemisch ausgesetzt wurde. Als Umsetzungsinitiatoren werden dabei
Lithiumhydrid und Lithiumnitrid angewendet (US-PS Nr.
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3881890).
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Die Anwendung solcher in der Luft zersetzbaren Stoffe als Umsetzungsinitiatoren
erschwert die Aufbereitungstechnologie des Ausgangsansatzes für die Synthese von
kubischem Bornitrid und ermöglicht die Mechanisierung der Ansatzaufbereitung unter
den guBtechnischen Bedingungen nicht.
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AuBerdem ist für die Gewinnung einer reichlich hohen Ausbeute der
technisch besonders notwendigen Pulver mit Korngröße über 100 Mikron eine relativ
beträchtliche Synthesezeit von bis zu 20 Minuten erforderlich.
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Der Umsetzungsgrad des hexagonalen Bornitrids zu kubischem Bornitrid
und gleichzeitig die Menge der Kristalle mit Korngröße über 100 Mikron können erhöht
werden, indem das Kristallisationsmedium gemäß der Erfindung geändert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
von kubischem Bornitrid zu entwickeln, das durch Änderung der Technologie eine Erhöhung
des Umsetzungsgrades des hexagonalen Bornitrids zu kubischem Bornitrid bei gleichzeitiger
Steigerung der Pulverausbeute mit einer Korngröße über 100 Mikron ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren, bei welchem 0 ein
Druck von 40 bis 70 kbar und eine Temperatur von 1100 bis 20000C auf den Ansatz
zur Einwirkung gebracht werden, dessen Zusammensetzung hexagonales Bornitrid und
einen Umsetzungsinitiator, wie Alkali- oder Erdalkalimetall und/oder Alkali- oder
Erdalkaliboride aufweist, dadurch gelöst, daß in den Ansatz erfindungsgemäß ein
Zusatzstoff in Form eines Kristallhydrats eingeführt wird, das ein schwefel- und/oder
halogen- und/oder stickstoffhaltiges Salz darstellt und mindestens 5 Moleküle Kristallisationswasser
enthält.
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Die Einführung eines Zusatzstoffes in den Ansatz in Form eines Kristallhydrats
des genannten Salzes mit mindestens 5 Molekülen Kristallwasser begünstigt die Reduzierung
der Anzahl der Kristallisationszentren unter Sicherung der optimalen Bedingungen
zur Bildung der groben Kristalle des kubischen Bornitrids und fördert die Steigerung
der Produktausbeute in Form des kubischen Bornitrids.
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Die erfindungsgemäße untere Grenze der Anzahl von Eristallwassermolekülen
gewährleistet eine minimal zulässige Erhöhung der Kristallisationsgeschwindigkeit
des kubischen Bornitrids und beeinflußt wesentlich seine Ausbeute.
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Eine obere Begrenzung der Kristallwassermoleküle existiert nicht,
weil die Menge des in den Ansatz einzuführenden Kristallhydrats von seinem Wassergehalt
abhängig ist0 Zweckmäßigerweise wird als schwefelhaltiges Salz wenigstens eine der
Verbindungen aus der Gruppe Sulfat, Thiosulfat, Sulfit und Sulfid verwendet, weil
diese Verbindungen das Kristallwasser bei der Trocknungstemperatur der Ausgangskomponenten
nicht freigeben, was eine Stabilisierung der Synthese von kubischem Bornitrid
ermöglicht.
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Nach einer der Ausführungsvarianten der Erfindung wird empfohlen,
in den Ansatz zusätzlich einen aus der ein Alkali- und Erdalkalihydroxid aufweisenden
Gruppe ausgewählten Zuschlagstoff einzuführen.
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Nach einer anderen Ausführungsvariante ist es zweckmäßig, in den Ansatz
ein Kristallhydrat in Form einer Wasserlösung einzuführen, wodurch eine gleichmäßige
Verteilung des Kristallhydrats im gesamten Ansatzvolumen erreicht wird.
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Die Einführung des Alkali- und/oder Erdalkalihydrates in den Ansatz
führt zu einer Ammoniakbildung. Die Ammoniakbildung erfolgt bei der Wechselwirkung
des geschmolzenen Hydroxids mit hexagonalem Bornitrid unter Bedingungen der Synthese
von kubischem Bornitrid. Die Hochdruckkammer, In der die Synthese von kubischem
Bornitrid erfolgt, ist nicht gasdicht, weshalb der größte Teil des Ammoniaks den
Reaktionsraum verläßt.
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Kristallhydrate, wie z.B. Calciumbromid, Aluminiumjodid, Magnesiumchlorid
usw. adsorbieren Ammoniak in einer Schmelze oder Lösung. Die gemeinsame Anwendung
von Hydroxid und Kristallhydrat begünstigt die Bildung von Ammoniak und seine Zurückhaltung
in dem Reaktionsgefäß, was bei der Synthese eine Steigerung der Pulvermenge von
kubischem Bornitrid mit der erforderlichen Korngröße gewährleistet.
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Zweckmäßigerweise wird von einem Ansatz folgender Zusammensetzung
- in Massenprozent - ausgegangen: hexagonales Bornitrid 72,0 - 94,0 Umsetzungsinitiator
5,0 - 20,0 Kristallhydrat 1,0 - 8,0 Ein besonders günstiger Ansatz umfaßt in Massenprozent:
hexagonales Bornitrid 75,5 - 93,5 Umsetzungsinitiator 5,0 - 15,0 Kristallhydrat
1,0 - 5,0 Hydroxid 0,5 - 4,5
Als Umsetzungsinitiator wird z.B, Magnesium
und/oder Magnesiumborid eingesetzt.
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Die erfindungsgemäße untere Grenze des Massenprozentsatzes an Umsetzungsinitiator
sichert den minimal zulässigen Umsetzungsgrad des hexagonalen Bornitrids in kubisches
Bornitrid. Ein Gehalt an Umsetzungsinitiator von über 20 Massenprozent erhöht steil
den Umsetzungsgrad, gleichzeitig aber wird der Pulveranteil des kubischen Bornitrids
mit Korngrößen über 100 Mikron stark verringert.
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Die untere Grenze des Kristallhydratgehaltes sichert eine minimale
Ammoniakadsorption und übteinen bedeutenden Einfluß auf die Steigerung des Pulveranteils
von kubischem Bornitrid mit der erforderlichen Korngröße aus.
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Die Erhöhung des Kristallhydratgehaltes über 5 Massenprozent führt
zur Herabsetzung des Umsetzungsgrades der Umsetzung des hexagonalen Bornitrids in
eine kubische Kristallstruktur.
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Die untere Konzentrationsgrenze des Alkali- und/oder Erdalkalihydroxids
sichert die minimale Uberkonzentration von Ammoniak im Reaktionsgemisch und übt
einen bedeutenden Einfluß auf die Steigerung der Ausbeute von grobkörnigen Pulvern
des kubischen Bornitrids aus. Die Erhöhung der Konzentration von Alkali- und Erdalkalihydroxiden
im Reaktionsgemisch über 4,5 Massenprozent führt zu einer starken Herabsetzung der
vollen Menge des synthesierten kubischen Bornitrids.
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Die erfindungsgemäßen unteren und oberen Konzentrationsgrenzen des
hexagonalen Bornitrids werden durch den angegebenen Anteil der übrigen Komponenten
bestimmt.
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Das Verfahren zur Herstellung von kubischem Bornitrid wird erfindungsgemäß
auf folgende Weise ausgeführt: Der Ausgangsansatz, der das pulverförmige hexagonale
Bornitrid und den Umsetzungsinitiator, z.B. ein Alkali- oder Erdalkalimetall bzw.
Boride dieser Metalle enthält, wird mit einem Zuschlag in Form eines Kristallhydrats
vermischt, das ein schwefel- und/oder halogen- und/oder stickstoffhaltiges Salz
ist und
mindestens 5 Moleküle Kristallwasser aufweist. Die obere
Konzentration von Kristallwasser ist nicht begrenzt, weil die Menge des in den Ansatz
einzuführenden Kristallhydrats von der Menge seines Wassergehalts abhängt. Der pulverförmige
Ausgangsansatz kann mit wässrigen Lösungen von Kristallhydrat vermischt werden.
Als Kristallhydrat, welches ein schwefelhaltiges Salz darstellt, können Sulfate,
Thiosulfate, Sulfite und Sulfide, als Kristallhydrat in Form eines halogenhaltigen
Salzes - Chloride, Jodide, Bromide und eines stickstoffhaltigen Salzes - z.B.
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Nitrate, verwendet werden.
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Nach einer anderen Variante der Erfindungsausführung wird in den Ansatz
zusätzlich ein Zuschlag eingetragen, ausgewählt aus der Gruppe, die ein Alkali-
oder Erdalkalihydroxid beinhaltet, z.B. NaOH oder Ca(OH)2.
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Das Lösen des Kristallhydrates bzw. Hydroxids erfolgt in einer Menge
des Wassers, die zum mit Wasser benetzenden hexagonalen Bornitrid im Verhältnis
von 2:1 steht.
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Nach dem Vermischen, wodurch eine gleichmäßige Verteilung des Zuschlags
im gesamten Volumen des pulverigen hexagonalen Bornitrids erreicht wird, werden
die erhaltenen Gemische bei einer 0 Temperatur von 600 bis 120 C getrocknet. Die
untere Temperaturgrenze entspricht einer Temperatur, bei welcher das Kristallhydrat
Kristallwasser nicht freigibt und die Synthese stabil abläuft.
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Das Vermischen und Trocknen läuft innerhalb von 1 bis 2 Stunden ab,
was für die gleichmäßige Verteilung aller Komponenten im Ansatzvolumen ausreicht.
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Das Gemisch wird zu einer Tablette gepreßt, die man in eine Reaktionskammer
einträgt und einem Druck von 40 bis 70 kbar bei einer Temperatur von 11000 bis 20000C
innerhalb von 1 bis 10 Minuten aussetzt.
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Die Synthese kann in einer beliebigen Hochdruck- und -Temperatur-Anlage
durchgeführt werden, die die erforderlichen Kennwerte gewährleisten.
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Die Parameter des Syntheseverfahrens, die quantitativen Verhältnisse
des Ausgangsansatzes und die Menge des hergestellten kubischen Bornitrids sind in
der nachfolgenden Tabelle für eine Reihe von Beispielen angegeben.
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Die Herstellung von kubischem Bornitrid auf die oben beschriebene
Weise ergibt eine Erhöhung der Ausbeute von kubischem Bornitrid auf 10 bis 30 %.
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Der Anteil an kubischem Bornitridpulver mit Korngrößen über 100 Mikron
läßt sich im Vergleich zu dem bekannten Verfahren verdoppeln.