DE60212100T2

DE60212100T2 - Verfahren zur herstellung kubischen bornitrids

Info

Publication number: DE60212100T2
Application number: DE60212100T
Authority: DE
Inventors: Makoto Showa Denko K.K. Shiojiri Pla IIZUKA
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2022-03-28
Also published as: EP1373163A2; EP1373163B1; KR100525962B1; US7014826B2; WO2002076906A2; KR20030036197A; ATE328852T1; US20030170161A1; DE60212100D1; WO2002076906A3

Description

Technisches Gebiet:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung kubischen Bornitrids aus hexagonalem Bornitrid.
Fachlicher Hinter rund:
Kubisches Bornitrid hat nach Diamant die zweitstärkste Härte und zudem eine höhere chemische Beständigkeit als Diamant. Daher wird kubisches Bornitrid zunehmend als Schleifmittel, als Poliermittel und als Schneidmittel eingesetzt. Viele verschiedene Verfahren zur Herstellung kubischen Bornitrids sind bereits vorgeschlagen worden. Dazu gehört das bekannteste und im industriellen Bereich am häufigsten eingesetzte Verfahren, bei dem hexagonales Bornitrid in Beisein einer Katalysatorsubstanz unter Bedingungen gehalten wird, in denen kubisches Bornitrid thermodynamisch stabil bleibt (ungefähr 4,0 bis 6,0 Gpa und ungefähr 1400 bis 1600 °C), um dadurch hexagonales Bornitrid in kubisches Bornitrid umzuwandeln. Das US-Patent Nr. 3,772,428 sowie die Patente JP-B SHO 61-000283, JP-B HEI 5-000094 und JP-B HEI 5-000095 offenbaren Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, deren Nitride und deren Bornitride als Katalysatorsubstanz. Genauer gesagt sind Li₃N und Li₃BN₂ in US-Patent Nr. 3,772,428 als besonders viel versprechende Katalysatorsubstanzen offenbart. Allerdings nimmt kubisches Bornitrid, das unter Verwendung einer dieser Katalysatorsubstanzen hergestellt ist, im Allgemeinen die Form von Mikroteilchen mit einer Größe von 50 μm oder weniger an und enthält unzureichend ausgebildete Kristallebenen. Daher erzielen aus solchem kubischen Bornitrid hergestellte Schleifmittel noch keine zufrieden stellenden Leistungen.
In JP-B SHO 61-000283 ist LiCaNB₂ als viel versprechende Katalysatorsubstanz offenbart. Unter Verwendung dieser Katalysatorsubstanz hergestelltes kubisches Bornitrid hat im Allgemeinen eine quasi sphärische Form und weist eine hervorragende mechanische Festigkeit auf. In JP-B HEI 5-000094 und JP-B HEI 5-000095 ist ein Verfahren offenbart, bei dem ein Gemisch aus LiMBN₂ (M steht für ein Erdalkalimetall) und Li₈SiN₄ oder Ca₅Si₂N₆ als Katalysatorsubstanz verwendet wird. Durch dieses Verfahren hergestelltes kubisches Bornitrid hat eine gut ausgebildete (111) Kristallebene und weist eine hervorragende mechanische Festigkeit auf.
Dennoch wird mit diesen Verfahren noch kein zufrieden stellender Prozentsatz der Umwandlung von hexagonalem Bornitrid in kubisches Bornitrid erreicht. Deshalb wird für Industrieverfahren eine Katalysatorsubstanz gewünscht, die einen hohen Prozentsatz der Umwandlung erreicht. Darüber hinaus wird auch eine höhere mechanische Festigkeit der Katalysatorsubstanz gewünscht.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Probleme der vorgenannten herkömmlichen Arbeitsweisen zu beheben und als Ergebnis des Verfahrens kubisches Bornitrid mit einer verbesserten mechanischen Festigkeit bereitzustellen sowie einen Schleifstein mit verbesserter Schleifleistung.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung kubischen Bornitrids bereitzustellen, das einen verbesserten Prozentsatz der Umwandlung von hexagonalem Bornitrid in kubisches Bornitrid aufweist.
Offenbarung der Erfindung:
Gemäß eines Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung kubischen Bornitrids bereitgestellt, umfassend das Halten hexagonalen Bornitrids in Beisein einer Katalysatorsubstanz unter Bedingungen, in denen kubisches Bornitrid thermodynamisch stabil bleibt, um dadurch hexagonales Bornitrid in kubisches Bornitrid umzuwandeln, wobei die Katalysatorsubstanz LiMBN₂ enthält, worin M für Ca, Sr, Ba, Ra, Be oder für Mg steht, und zumindest eine Spezies ausgewählt aus der Gruppe, die aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, deren Nitriden und deren Bornitriden besteht.
Das LiMBN₂, die Alkalimetalle, Erdalkalimetalle und deren Nitride sowie deren Bornitride können jeweils einen Sauerstoffgehalt von 1 % oder weniger haben.
Das LiMBN₂ kann LiCaBN₂ oder LiBaBN₂ sein.
Die Alkalimetallnitride können Nitride von Na, K, Rb, Cs und Fr einschließen und die Erdalkalimetallnitride können Nitride von Ra, Be und Mg einschließen.
Die Alkalimetall-Bornitride können Li₃BN₂ einschließen und die Erdalkalimetall-Bornitride können Ca₃B₂N₄ und Mg₃B₂N₄ einschließen.
Die Katalysatorsubstanz kann vorzugsweise LiCaBN₂ und Li₃BN₂ enthalten.
Die zumindest eine Spezies ausgewählt aus der Gruppe, die aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, deren Nitriden und deren Bornitriden besteht, kann ein Mengenverhältnis von 0,3 bis 20 Molteilen bezogen auf 1 Molteil des LiMBN₂ haben.
Die Katalysatorsubstanz kann in einer Menge hinzugefügt werden, die sich im Bereich zwischen 5 und 50 Masseteilen zu 100 Masseteilen des hexagonalen Bornitrids befindet, um ein Gemisch zu bilden, und das Gemisch kann unter Bedingungen gehalten werden, in denen kubisches Bornitrid thermodynamisch stabil bleibt, um dadurch hexagonales Bornitrid in kubisches Bornitrid umzuwandeln.
Ein Schleifstein kann unter Verwendung des kubischen Bornitrids hergestellt werden, das mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Prozentsatz der Umwandlung von hexagonalem Bornitrid in kubisches Bornitrid 50 % weit übersteigen, wohingegen der herkömmliche Prozentsatz der Umwandlung bei etwa 30 % liegt. Darüber hinaus weist das gewonnene kubische Bornitrid eine hohe Form-Anisotropie auf, wodurch seine mechanische Festigkeit verbessert ist. Der aus dem kubischen Bornitrid hergestellte Schleifstein weist im Vergleich zu herkömmlichen Schleifsteinen eine äußerst hervorragende Schleifleistung auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines zur Umwandlung von hexagonalem Bornitrid in kubisches Bornitrid eingesetzten Reaktors.
Beste Ausführungsart der Erfindung:
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung kubischen Bornitrids, umfassend das Halten hexagonalen Bornitrids in Beisein einer Katalysatorsubstanz unter Bedingungen, in denen kubisches Bornitrid thermodynamisch stabil bleibt, um dadurch hexagonales Bornitrid in kubisches Bornitrid umzuwandeln. Bei einer Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird Pulver aus hexagonalem Bornitrid mit einer Katalysatorsubstanz gemischt und das Gemisch wird unter Druck (z. B. 1 bis 2 t/cm²) zu einem Pressling komprimiert. Der Pressling wird in einem Behälter angeordnet, der mit einem Ultrahochdruckerzeuger versehen ist, und unter Bedingungen gehalten, in denen kubisches Bornitrid thermodynamisch stabil bleibt (ungefähr 4 bis 6 GPa, ungefähr 1400 bis ungefähr 1600 °C), und zwar für eine vorbestimmte Dauer (z. B. ungefähr 1 Sekunde bis 6 Stunden), um dadurch hexagonales Bornitrid in kubisches Bornitrid umzuwandeln. Nach dieser Umwandlung wird der auf diese Weise synthetisch hergestellte Block aus dem Ultrahochdruckerzeuger entfernt und kubisches Bornitrid wird von dem Block abgesondert und gereinigt.
Herkömmliches Pulver aus hexagonalem Bornitrid kann bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als das anfangs benötigte hexagonale Bornitrid verwendet werden. Dennoch wird vorzugsweise Pulver aus hexagonalem Bornitrid verwendet, das einen geringen Sauerstoffgehalt hat, da Sauerstoffverunreinigungen, die in Form von Oxiden wie Boroxid migrieren, oftmals die Umwandlung von hexagonalem Bornitrid in kubisches Bornitrid verzögern. Insbesondere wird vorzugsweise Pulver aus hexagonalem Bornitrid verwendet, das einen Sauerstoffgehalt von 1 % oder weniger hat. Hinsichtlich der Partikelgröße des Pulvers aus hexagonalem Bornitrid kann gesagt werden, dass die maximale Partikelgröße vorzugsweise 100 μm oder weniger beträgt. Besonders große Partikelgrößen sind nicht wünschenswert, da solche Partikelgrößen die Reaktionsfähigkeit hexagonalen Bornitrids mit einer Katalysatorsubstanz verschlechtern, woraus ein verschlechterter Prozentsatz der Umwandlung von hexagonalem Bornitrid in kubisches Bornitrid folgt.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Katalysatorsubstanz enthält LiMBN₂ und zumindest eine Spezies (ausgenommen LiMBN₂) ausgewählt aus der Gruppe, die aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, deren Nitriden und deren Bornitriden besteht. Das Zeichen „M" in LiMBN₂ steht für Ca, Sr, Ba, Ra, Be oder für Mg. Davon sind Ca und Ba besonders zu bevorzugen. Darüber hinaus ist ein LiMBN₂ mit einem geringen Gehalt an Sauerstoffverunreinigungen zu bevorzugen. Insbesondere hat LiMBN₂ vorzugsweise einen Sauerstoffgehalt von 1 % oder weniger, und noch mehr zu bevorzugen ist ein Gehalt von 0,5 % oder weniger. Sauerstoffverunreinigungen sind nicht wünschenswert, da sie die Umwandlung von hexagonalem Bornitrid in kubisches Bornitrid verzögern.
Obgleich die Partikelgröße von LiMBN₂ keiner besonderen Einschränkung unterliegt, beträgt die maximale Partikelgröße im Allgemeinen vorzugsweise 100 μm oder weniger. Besonders große Partikelgrößen sind nicht wünschenswert, da solche Partikelgrößen die Reaktionsfähigkeit von LiMBN₂ mit hexagonalem Bornitrid verschlechtern, woraus ein verschlechterter Prozentsatz der Umwandlung von hexagonalem Bornitrid in kubisches Bornitrid folgt.
Im Folgenden wird anhand des Beispiels LiCaBN₂ ein Verfahren zur synthetischen Herstellung von LiMBN₂ beschrieben, wie es einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Zunächst werden als Ausgangsmaterialien Pulver aus Lithiumnitrid, Calciumnitrid und hexagonalem Bornitrid verwendet. Diese Pulver werden derart gemischt, dass in der Zusammensetzung die Molproportion von (Lithiumnitrid):(Calciumnitrid):(hexagonalem Bornitrid) auf 1:1:3 gebracht wird. Das Gemisch wird etwa 40 Minuten lang in einer Atmosphäre aus Inertgas wie Stickstoff oder Argon bei ungefähr 1000 °C gehalten und sodann abgekühlt, um damit einen LiCaBN₂-Festkörper zu erhalten. Der LiCaBN₂-Festkörper wird in einer Inertgas-Atmosphäre pulverisiert, um damit LiCaBN₂-Pulver zu erhalten.
Die in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzte Katalysatorsubstanz muss sowohl LiMBN₂ als auch zumindest eine Spezies ausgewählt aus der Gruppe enthalten, die aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, deren Nitriden und deren Bornitriden besteht. Die Nitride und Bornitride von Alkalimetallen oder Erdalkalimetallen müssen aus Spezies ausgewählt sein, zu denen nicht das in der Katalysatorsubstanz enthaltene LiMBN₂ gehört.
Genauer gesagt gehören zu den Alkalimetallen Li, Na, K, Rb, Cs und Fr. Insbesondere wenn Li eingesetzt wird, kann kubisches Bornitrid mit hervorragender mechanischer Festigkeit bei einem höheren Prozentsatz der Umwandlung hergestellt werden.
Zu den Beispielen für Erdalkalimetalle gehören Ca, Sr, Ba, Ra, Be und Mg. Insbesondere wenn Ca oder Mg eingesetzt werden, kann kubisches Bornitrid mit hervorragender mechanischer Festigkeit bei einem höheren Prozentsatz der Umwandlung hergestellt werden.
Zu den Beispielen für Alkalimetallnitride gehören Li₃N, Na₃N, K₃N, Rb₃N, Cs₃N und Fr₃N. Insbesondere wenn Na₃N, K₃N, Rb₃N, Cs₃N oder Fr₃N eingesetzt werden, kann kubisches Bornitrid mit hervorragender mechanischer Festigkeit bei einem höheren Prozentsatz der Umwandlung hergestellt werden.
Zu den Beispielen für Erdalkalimetallnitride gehören Ca₃N₂, Sr₃N₂, Ba₃N₂, Ra₃N₂, Be₃N₂ und Mg₃N₂. Insbesondere wenn Ra₃N₂, Be₃N₂ oder Mg₃N₂ eingesetzt werden, kann kubisches Bornitrid mit hervorragender mechanischer Festigkeit bei einem höheren Prozentsatz der Umwandlung hergestellt werden.
Zu den Beispielen für Alkalimetall-Bornitride gehören Li₃BN₂, Na₃BN₂, K₃BN₂, Rb₃BN₂, Cs₃BN₂ und Fr₃BN₂. Insbesondere wenn Li₃BN₂ eingesetzt wird, kann kubisches Bornitrid mit hervorragender mechanischer Festigkeit bei einem höheren Prozentsatz der Umwandlung hergestellt werden.
Zu den Beispielen für Erdalkalimetall-Bornitride gehören Ca₃B₂N₄, Sr₃B₂N₄, Ba₃B₂N₄, Ra₃B₂N₄, Be₃B₂N₄ und Mg₃B₂N₄. Insbesondere wenn Ca₃B₂N₄ oder Mg₃B₂N₄ eingesetzt werden, kann kubisches Bornitrid mit hervorragender mechanischer Festigkeit bei einem höheren Prozentsatz der Umwandlung hergestellt werden.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, deren Nitride und deren Bornitride haben vorzugsweise eine sehr geringe Konzentration an Verunreinigungen. Insbesondere das Vorhandensein von Sauerstoff als Verunreinigung wirkt sich sehr nachteilig aus. Daher wird der Gehalt an Sauerstoffverunreinigungen vorzugsweise derart gesteuert, dass er 1 % oder weniger beträgt, und noch mehr zu bevorzugen ist ein Gehalt von 0,5 % oder weniger. Ein Sauerstoffgehalt von über 1 % verschlechtert die Kristallinität des zu erzeugenden kubischen Bornitrids.
Die Partikelgröße der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, deren Nitriden und deren Bornitriden unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Jedoch beträgt ihre maximale Partikelgröße im Allgemeinen vorzugsweise 100 μm oder weniger, da besonders große Partikelgrößen ihre Reaktionsfähigkeit mit hexagonalem Bornitrid verschlechtern.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Katalysatorsubstanz enthält vorzugsweise insbesondere LiCaBN₂ in Kombination mit einem der Elemente Li, Ca, Mg, Na₃N, K₃N, Rb₃N, Cs₃N, Fr₃N, Ra₃N₂, Be₃N₂, Mg₃N₂, Li₃BN₂, Ca₃B₂N₄ und Mg₃B₂N₄. Die davon am meisten zu bevorzugende Kombination ist eine Kombination aus LiCaBN₂ und Li₃BN₂. Wird diese Kombination eingesetzt, so kann kubisches Bornitrid mit hervorragender mechanischer Festigkeit bei einem sehr hohen Prozentsatz der Umwandlung hergestellt werden.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterliegt das Mengenverhältnis der Substanz, die zumindest eine Spezies ausgewählt aus der Gruppe enthält, die aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, deren Nitriden und deren Bornitriden besteht, zur Menge von LiMBN₂ einer Steuerung. Genauer gesagt werden Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, deren Nitride und deren Bornitride bezogen auf 1 Molteil des LiMBN₂ in einer Gesamtmenge von vorzugsweise 0,3 bis 20 Molteilen verwendet, und noch mehr zu bevorzugen ist eine Menge von 0,3 bis 10 Molteilen. Beträgt die Gesamtmenge der Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, deren Nitride und deren Bornitride weniger als 0,3 Molteile, so bleibt die Wirkung dieser Verbindungen nur unzureichend und der Prozentsatz der Umwandlung von hexagonalem Bornitrid in kubisches Bornitrid sinkt; beträgt die Gesamtmenge hingegen mehr als 20 Molteile, so steigt die Geschwindigkeit der Bildung kubischen Bornitrids stark an, wodurch sich die mechanische Festigkeit und die Formeigenschaften verschlechtern, was bei Schleifmitten eine schlechtere Leistung nach sich zieht.
Die Zubereitung der vorgenannten Katalysatorsubstanz erfolgt durch Mischen eines Pulvers aus LiMBN₂ mit einem Pulver aus zumindest einer Spezies ausgewählt aus der Gruppe, die aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, deren Nitriden und deren Bornitriden besteht. Alternativ kann die Zubereitung der Katalysatorsubstanz auch durch Mischen eines Alkalimetalls, eines Erdalkalimetalls und deren Nitriden in einer gezielten Zusammensetzungsproportion erfolgen sowie durch anschließendes Erwärmen des resultierenden Gemischs bei beispielsweise 700 bis 1200 °C in einer Atmosphäre aus Inertgas wie Stickstoff oder Argon.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird LiMBN₂ und zumindest eine Spezies ausgewählt aus der Gruppe, die aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, deren Nitriden und deren Bornitriden besteht, als Katalysatorsubstanz einsetzt. Diese Substanzen werden mit hexagonalem Bornitrid gemischt und das resultierende Gemisch wird unter Bedingungen gehalten, in denen kubisches Bornitrid thermodynamisch stabil bleibt, um dadurch hexagonales Bornitrid in kubisches Bornitrid umzuwandeln. Alternativ wird eine Substanz wie ein Alkalimetall, ein Erdalkalimetall, eines von deren Nitriden oder eines von deren Bornitriden mit hexagonalem Bornitrid gemischt, anschließend wird das resultierende Gemisch unter Bedingungen gehalten, in denen kubisches Bornitrid thermodynamisch stabil bleibt, und an dieser Stelle werden LiMBN₂ und zumindest eine Spezies ausgewählt aus der Gruppe, die aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, deren Nitriden und deren Bornitriden besteht, in das Gemisch eingemischt.
Im Zusammenhang mit der Proportion der vorgenannten, bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten Katalysatorsubstanz wird die Katalysatorsubstanz in einer Menge von vorzugsweise 5 bis 50 Masseteilen zu 100 Masseteilen des hexagonalen Bornitrids zugegeben, wobei eine Menge von 10 bis 30 Masseteilen noch mehr zu bevorzugen ist. Beträgt die Menge der Katalysatorsubstanz weniger als 5 Masseteile oder mehr als 50 Masseteile, so verschlechtern sich die mechanische Festigkeit und die Formeigenschaften des gebildeten kubischen Bornitrids, was bei aus dem kubischen Bornitrid hergestellten Schleifmitten zu einer Verschlechterung der Leistung führt.
Bei einem Zubereitungsverfahren für das Gemisch aus der Katalysatorsubstanz und hexagonalem Bornitrid werden vorzugsweise deren Pulver miteinander gemischt. Alternativ können auch Schichten des hexagonalen Bornitrids und der Katalysatorsubstanz derart in einem Reaktor angeordnet werden, dass diese Schichten abwechselnd aufeinander geschichtet sind. Genauer gesagt werden bei einer bevorzugten Art und Weise hexagonales Bornitrid und eine Katalysatorsubstanz miteinander gemischt oder bei etwa 1 bis 2 t/cm² getrennt geformt und das resultierende Gemisch bzw. die Presslinge werden in einen Reaktor eingeführt. Durch Einsetzen dieses Verfahrens wird die Handhabbarkeit von Rohstoffpulvern verbessert und die Schrumpfung der Rohstoffe im Reaktor nimmt ab, wodurch die Produktivität gesteigert wird.
Bei einem anderen alternativen Verfahren werden Impfkristalle kubischen Bornitrids im Voraus zum vorgenannten Gemisch oder den Presslingen zugegeben, um dadurch das Wachstum kubischen Bornitrids zu beschleunigen, wobei die Impfkristalle als Kristallisationskeime dienen. Selbstverständlich ist dieses Verfahren auch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall können die Impfkristalle von der Katalysatorsubstanz umhüllt sein.
Der vorgenannte Pressling wird in einen Reaktor eingeführt und der Reaktor wird in einem bekannten Hochtemperatur-/Hochdruck-Erzeuger angeordnet, wo der Pressling unter Temperatur-/Druck-Bedingungen gehalten wird, in denen kubisches Bornitrid thermodynamisch stabil bleibt. Die thermodynamisch stabilen Bedingungen sind in Diamond Relat. Mater., 9, (2000), 7-12 von O. Fukunaga beschrieben. Hinsichtlich der Dauer für das Halten des Presslings gibt es keine besondere Einschränkung, doch wird der Pressling typischerweise etwa 1 Sekunde bis 6 Stunden lang gehalten.
Durch das Halten des Presslings unter thermodynamisch stabilen Bedingungen wird hexagonales kubisches Bornitrid in kubisches Bornitrid umgewandelt. Im Allgemeinen wird ein Syntheseblock abgegeben, der hexagonales Bornitrid, kubisches Bornitrid und eine Katalysatorsubstanz enthält. Der derart abgegebene Syntheseblock wird zerkleinert, um kubisches Bornitrid abzusondern und zu reinigen. Es kann das in JP-B SHO 49-27757 beschriebene Verfahren für die Absonderung und Reinigung eingesetzt werden. Bei einem Verfahren wird der abgegebene Syntheseblock zu Körnern zerkleinert, die eine Größe von 5 mm oder weniger haben, und es werden Natriumhydroxid sowie eine kleine Menge an Wasser zu den Körnern zugegeben. Das Gemisch wird auf etwa 320 °C erwärmt, um dadurch hexagonales Bornitrid selektiv aufzulösen. Das Gemisch wird sodann abgekühlt, ungelöste Materie wird mit Säure gewaschen und durch Filtration getrennt, um dadurch kubisches Bornitrid zu erhalten.
Das derart gewonnene kubische Bornitrid wird in vorbestimmte Klassen für Partikelgrößen eingeordnet, die in JIS-B4130 spezifiziert sind. Die zur Klasse 100/120 zugehörigen Bornitridpartikel werden als Schleifpartikel verwendet und mit einem Klebemittel sowie einem Binder gemischt. Das resultierende Gemisch wird durch Druck geformt und bei etwa 1000 °C gebrannt, um einen Schleifstein zu erzeugen. Der derart gewonnene Schleifstein weist im Vergleich zu herkömmlichen Schleifsteinen eine stark verbesserte Schleifleistung auf.
Die Arbeitsbeispiele sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und werden im Folgenden beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Arbeitsbeispiele beschränkt.
Arbeitsbeispiele 1 bis 10:
Zu 100 Masseteilen Pulvers aus hexagonalem Bornitrid, welches eine mittlere Partikelgröße von 10 μm hat und 0,8 % Sauerstoffverunreinigungen sowie 0,2 % anderer Verunreinigungen enthält, wurden 10 Masseteile jeder Katalysatorsubstanz mit der nachstehend in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzung zugegeben. In Tabelle 1 bezieht sich das Verhältnis (1):(2) auf die Gesamtmolteile von Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, deren Nitriden und deren Bornitriden (ausgenommen LiMBN₂) zu 1 Molteil von LiMBN₂. Die Gemische wurden bei 1,5 t/cm² zu Presslingen mit einem Durchmesser von 26 mm und einer Höhe von 32 mm komprimiert und jeder Pressling wurde in einem Reaktor angeordnet, wie er in 1 gezeigt ist.
Der in 1 gezeigte Reaktor hat eine hohle, zylindrische Außenwand 1, die aus als Druckmedium dienendem Pyrophyllit hergestellt ist, worin ein hohles, zylindrisches Heizgerät 2 aus Graphit vorgesehen ist, das mit der Innenfläche der Außenwand in Kontakt ist, und wobei auf der Oberfläche des Heizgeräts ein Pyrophyllit-Element 8 vorgesehen ist, das als Trennelement dient. Jeweils im oberen und unteren Teil des Reaktors sind obere und untere stromführende Stahlringe 3 sowie obere und untere stromführende Stahlplatten 4 vorgesehen. Unter der oberen und unteren Stahlplatte sind Sintertonerdplatten 5 vorgesehen, und unter der oberen Stahlplatte und dem oberen Ring sowie auf der unteren Stahlplatte und dem unteren Ring sind zwei Pyrophyllitplatten 6 vorgesehen, die als Druckmedien dienen. Die Pyrophyllitplatten 6 und die Pyrophyllit-Elemente 8 bilden eine Aufnahmekammer 7 zur Aufnahme von Rohstoff.
Der Reaktor wurde in einem Ultrahochdruckerzeuger angeordnet und die zehn Presslinge wurden 10 Minuten lang mit einem Druck von 5 GPa bei 1450 °C behandelt.
Nach Beendigung der Behandlung wurde jeder resultierende synthetisch hergestellte Block aus dem Ultrahochdruckerzeuger entfernt und ein Teil des Syntheseblocks wurde zu Körnern in der Größe von 5 mm oder weniger zerkleinert. Natriumhydroxid sowie eine kleine Menge an Wasser wurde zu den Körnern zugegeben, das Gemisch wurde auf etwa 320 °C erwärmt und sodann abgekühlt. Das gekühlte Gemisch wurde mit Säure gewaschen und einer Filtration unterzogen, um dadurch gereinigtes kubisches Bornitrid abzusondern.
Für Analysezwecke wurde ein anderer Teil des Syntheseblocks unter Verwendung eines Mörsers pulverisiert und das resultierende Pulver wurde mittels eines Röntgen-Pulverdiffraktion-Geräts einer Röntgenanalyse unterzogen, um dadurch die relative Intensität des Beugungsstrahls kubischen Bornitrids (111) zu ermitteln (bezogen auf CuKα-Strahlen) und diejenige des Beugungsstrahls hexagonalen Bornitrids (002) (bezogen auf CuKα-Strahlen). Aus den Messungen wurde der Prozentsatz der Umwandlung von hexagonalem Bornitrid in kubisches Bornitrid auf Grundlage der folgenden Formel berechnet: {(kubischem Bornitrid zugeschriebene Intensität)/(kubischem Bornitrid zugeschriebene Intensität + hexagonalem Bornitrid zugeschriebene Intensität)} × 100(%).
Die mechanische Festigkeit des derart hergestellten kubischen Bornitrids wurde mittels einer Zähigkeitskennzahl ausgewertet. Die Zähigkeitskennzahl wurde auf folgende Weise ermittelt. Die Partikelgröße des hergestellten kubischen Bornitrids wurde an die Partikelgrößenklasse 120/140 angeglichen, wie sie in JIS-B4130 spezifiziert ist. Eine vorbestimmte Menge der Probe und eine Stahlkugel wurden in einer Kapsel mit einem Volumen von 2 ml angeordnet. Mittels eines Vibrators wurde die Kapsel 30,0 ± 0,3 Sekunden lang einer Vibration mit einer Frequenz von 3000 ± 100/Minute unterzogen, um dadurch mit der Stahlkugel die in der Kapsel enthaltenen großen Partikel kubischen Bornitrids zu pulverisieren. Das resultierende Pulver wurde durch ein 90-μm-Sieb gesiebt. Die auf dem Sieb verbleibende Probematerie wurde gewogen und das ermittelte Gewicht wurde in Form eines Prozentsatzes bezogen auf das Gesamtgewicht des durch die Pulverisierung erhaltenen Pulvers ausgedrückt.
Die Form-Anisotropie des derart hergestellten kubischen Bornitrids wurde auf Grundlage eines volumenspezifischen Gewichts (engl.: bulk specific weight) ausgewertet. Genauer gesagt wurde die Form-Anisotropie durch Teilen des volumenspezifischen Gewichts des hergestellten kubischen Bornitrids durch die tatsächliche Dichte kubischen Bornitrids (3,48 g/cm³) berechnet. Für die Auswertung gilt: Ist der gewonnene Wert klein, so ist die Form-Anisotropie hoch, ist jedoch der gewonnene Wert groß, so ist die Form-Anisotropie gering.
Der Prozentsatz der Umwandlung, der Zähigkeitswert und die Form-Anisotropie des in jedem Arbeitsbeispiel gewonnenen Syntheseblocks sind vorstehend in Tabelle 1 gezeigt.
Vergleichsbeispiele 1 bis 6:
Jede Katalysatorsubstanz mit der vorstehend in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzung wurde zu hexagonalem Bornitrid zugegeben. Die Gemische wurden unter den gleichen Bedingungen behandelt wie in den Arbeitsbeispielen 1 bis 10 und unter Verwendung desselben Reaktionsgeräts wie in den Arbeitsbeispielen 1 bis 10, um Syntheseblöcke zu erhalten. Der Prozentsatz der Umwandlung, der Zähigkeitswert und die Form-Anisotropie wurden für jeden Block ermittelt. Die Ergebnisse sind vorstehend in Tabelle 1 gezeigt.
Die in den Vergleichsbeispielen hergestellten kubischen Bornitride nehmen eine vergleichsweise sphärische Kristallform an. Im Gegensatz dazu können Kristalle mit einer Anisotropie in der Form (d. h. Abweichung von der Rundheit durch schlanke oder flache Form) durch ein erfindungsgemäßes Verfahren leicht hergestellt werden. Die unter Verwendung der Kristalle mit dieser hohen Form-Anisotropie hergestellten Schleifwerkzeuge, Schneidwerkzeuge etc. wiesen gute Schleif- oder Schneidleistungen auf. Bei den meisten Arbeitsbeispielen war der Prozentsatz der Umwandlung höher als 50 %. Bei den Vergleichsbeispielen erreichte er jedoch nur etwa 30 %.
Arbeitsbeispiel 11 und Vergleichsbeispiel 7:
Jedes durch das Verfahren aus Beispiel 1 und dasjenige aus Vergleichsbeispiel 1 hergestellte kubische Bornitrid wurde in Klassen für Partikelgrößen eingeordnet, die in JIS-B4130 spezifiziert sind. Ein Schleifsteinsegment wurde unter Verwendung des Schleifmittels hergestellt, das der Partikelgrößenklasse 100/120 angehört. Genauer gesagt wurden 50 Vol.-% eines Schleifmittels, 18 Vol.-% eines als Bindemittel dienenden Borsilikatglas-Bindematerials, und 20 Vol.-% eines Binders (engl.: binder) (Phenolharz) miteinander gemischt. Das resultierende Gemisch wurde bei 150 °C durch Druck geformt und der resultierende Pressling wurde bei 1000 °C an der Atmosphäre gebrannt. Der eingesetzte Binder verbrennt während des Brennvorgangs, sodass das Schleifstein segment Poren ausbildet. Das derart hergestellte Schleifsteinsegment wurde mit einem Aluminiumlegierungssubstrat verbunden, um dadurch einen Schleifstein zu bilden, und der Schleifstein wurde einem Schleiftest mit den folgenden Bedingungen unterzogen:

Schleifrad: Typ 1A1, 180D × SU × 3X × 76,2H
Schleifmaschine: Waagerechtschleifmaschine (Schleifspindelmotor: 3,7 kW)
Werkstück: SKD-11 (HRc = 62 bis 64)
Oberfläche des Werkstücks: 200 mm × 100 mm
Schleifverfahren: Längsschleifen auf feuchter Oberfläche
Schleifbedingungen: Umfangsgeschwindigkeit des Schleifrads: 1800 m/min Tischgeschwindigkeit: 15 m/min Zufuhr pro Querträger: 2 mm/pass Schnitttiefe: 25 μm
Schleifflüssigkeit: JIS W2, ausschließlich für cBN (× 50 verdünnt) Zufuhrmenge: 9 L/min

Die Auswertungsergebnisse der in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 hergestellten Schleifmittel sind unter der Bezeichnung Arbeitsbeispiel 11 bzw. Vergleichsbeispiel 7 nachstehend in Tabelle 2 gezeigt. In dieser Tabelle 2 bezieht sich das „Schleifverhältnis" auf einen Wert, der gewonnen wird, indem das Volumen eines mit dem Schleifstein geschliffenen Werkstücks durch das Volumen der Abnutzung des Schleifsteins geteilt wird, und die „Schleifenergie" bezieht sich auf elektrischen Strom, der während des Schleifens von einer Schleifmaschine verbraucht wird. Anders ausgedrückt: Je höher das Schleifverhältnis oder je niedriger die Schleifenergie, desto besser die Schleifleistung des Schleifsteins.
Tabelle 2
Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann hexagonales Bornitrid in kubisches Bornitrid mit zufrieden stellender mechanischer Festigkeit umgewandelt werden und es kann ein ausreichender Prozentsatz der Umwandlung von hexagonalem Bornitrid in kubisches Bornitrid erreicht werden. Das derart hergestellte kubische Bornitrid hat eine hohe Form-Anisotropie und kann bei der Herstellung vieler verschiedener Schleifmittel verwendet werden, bei denen eine hohe Schneidequalität erforderlich ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung kubischen Bornitrids, umfassend das Halten hexagonalen Bornitrids in Beisein einer Katalysatorsubstanz unter Bedingungen, in denen kubisches Bornitrid thermodynamisch stabil bleibt, um dadurch hexagonales Bornitrid in kubisches Bornitrid umzuwandeln, wobei die Katalysatorsubstanz LiMBN₂ enthält, worin M für Ca, Sr, Ba, Ra, Be oder für Mg steht, und zumindest eine Spezies ausgewählt aus der Gruppe, die aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, deren Nitriden und deren Bornitriden besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das LiMBN₂ einen Sauerstoffgehalt von 1 % oder weniger hat.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest eine Spezies einen Sauerstoffgehalt von 1 % oder weniger hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das LiMBN₂ LiCaBN₂ oder LiBaBN₂ ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Alkalimetallnitride Nitride von Na, K, Rb, Cs und Fr einschließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Erdalkalimetallnitride Nitride von Ra, Be und Mg einschließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Erdalkalimetallnitride Nitride von Mg sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Alkalimetall-Bornitride Li₃BN₂ einschließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Erdalkalimetall-Bornitride Ca₃B₂N₄ und Mg₃B₂N₄ einschließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Erdalkalimetall-Bornitride Ca₃B₂N₄ sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Katalysatorsubstanz LiCaBN₂ und Li₃BN₂ enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die zumindest eine Spezies ein Mengenverhältnis von 0,3 bis 20 Molteilen bezogen auf 1 Molteil des LiMBN₂ hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Katalysatorsubstanz in einer Menge hinzugefügt wird, die sich im Bereich zwischen 5 und 50 Masseteilen zu 100 Masseteilen des hexagonalen Bornitrids befindet, um ein Gemisch zu bilden, und das Gemisch wird unter Bedingungen gehalten, in denen kubisches Bornitrid thermodynamisch stabil bleibt, um dadurch hexagonales Bornitrid in kubisches Bornitrid umzuwandeln.