TW202016012A - 具有高蝕刻粒子表面及高韌性指數的立方氮化硼粒子群 - Google Patents

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Abstract

一種具有高蝕刻表面及高韌性指數的立方氮化硼粒子群，是藉由製造摻合反應性金屬粉末與複數個立方氮化硼粒子來製造，以形成摻合的混合物。摻合的混合物經壓縮以形成經壓縮的混合物。使經壓縮的混合物經受溫度及壓力，其中藉由立方氮化硼與反應性金屬粉末反應來控制溫度以引起對複數個立方氮化硼粒子的蝕刻，從而形成複數個經蝕刻的立方氮化硼粒子。同樣地，控制溫度及壓力以使氮化硼保持在立方氮化硼相。其後，回收來自經壓縮的混合物的複數個經蝕刻的立方氮化硼粒子以形成粒子群。較佳地，粒子群不含有六方氮化硼。

Description

具有高蝕刻粒子表面及高韌性指數的立方氮化硼粒子群
本發明涉及立方氮化硼（CBN）粒子，且更具體地，涉及同時具有高蝕刻表面及高韌性指數（TI）的CBN粒子群。
在許多CBN應用中，希望具有高蝕刻的（亦即粗糙的）粒子表面。此等蝕刻表面可在黏結系統中提供更好的粒子滯留及/或導致在使用過程中粒子自銳化（self-sharpening）。儘管存在經蝕刻的CBN粒子群，然而通常其具有較低的TI。較低的TI會導致其在某些應用中的性能較差。因此，希望提供一種不會出現低TI的經蝕刻的CBN粒子群。
本發明實現了上述目標，而提供一個同時具有高蝕刻表面及高TI的CBN粒子群。表面的特徵在於具有約一個微米及亞微米級的坑洞，且此表面特徵幾乎一致存在於所有CBN粒子刻面上。然而，CBN粒子群的TI僅較具有相同化學成分、晶體結構及形狀的典型平滑（亦即非經蝕刻、非粗糙的）CBN粒子群低約10-20個點。
本發明的CBN粒子群是藉由形成或獲得複數個CBN粒子而製造的。摻合反應性金屬粉末與複數個CBN粒子以形成摻合的混合物，且壓縮摻合的混合物以形成經壓縮的混合物。使經壓縮的混合物經受溫度及壓力，其中藉由立方氮化硼與反應性金屬粉末反應來控制溫度以引起對複數個立方氮化硼粒子的蝕刻，從而形成複數個經蝕刻的立方氮化硼粒子。同樣地，控制溫度及壓力以使氮化硼保持在立方氮化硼相。其後，回收來自經壓縮的混合物的複數個經蝕刻的立方氮化硼粒子以形成粒子群。較佳地，粒子群不含有六方氮化硼（HBN）。
由以下較佳具體實例的實施方式並結合圖式，可使本發明的附加目的、特徵及優點變得更加明顯，其中在若干視圖中，相同的附圖標記涉及共同的部分。
本文揭露了本發明的詳細具體實例。然而，應當理解的是，揭露的具體實例僅例示本發明，其可以各種且替代形式來體現。圖式不一定按比例繪製，且某些特徵可能被放大或縮小以顯示出特定組件的細節。因此，本文揭露的具體結構及功能細節不應解釋為具有限制性，而僅作為教示本領域技術人員採用本發明的代表性依據。
另外，如本文使用的，「約」乙詞是指正與其一起使用的數字的數值的正負10%。因此，約50%意謂在45-55%的範圍內。「粒子」乙詞指的是獨立體。粒子也被認為是晶體或晶粒。
用於本發明的CBN粒子可使用催化劑系統（例如鹼金屬及鹼土金屬的氮化物），在高壓、高溫、足以形成立方結構的時間內由HBN製造。將反應物料保持在熱力學上有利於形成CBN晶體的壓力及溫度條件下。接著，使用水、酸性溶液或苛性化學品的混合物，以回收方法自反應物料中回收CBN。應注意的是，製造CBN的其他方法是已知的，例如，CBN也可透過溫度梯度法或衝擊波法來製備。
可使用提供HBN及催化劑兩者的起始成分的任何組合。起始反應混合物的一具體實例可含有硼源、氮源及催化劑金屬源。硼源可為元素硼、HBN或可在反應條件下分解為元素硼的硼氫化物之一的材料。氮源可為HBN或可在反應條件下提供氮源的催化劑金屬的含氮化合物。催化劑金屬可用作元素金屬，或用作在反應條件下分解為催化劑金屬或分解為催化劑金屬氮化物的催化劑化合物。
方法不限於僅涉及一種催化劑材料的由HBN到CBN的催化轉化。因此，可使用兩種或更多種催化劑材料的混合物。此等混合物可包括一或多種催化劑金屬、一或多種催化劑氮化物或一或多種金屬及氮化物的組合。混合物可包括抑制反應的催化劑，例如氮化矽或氮化鋁；及促進反應的催化劑，例如鹼金屬及鹼土金屬的氮化物。此外，實施本發明時也可採用合金。此等合金包括一種以上催化劑金屬的合金及催化劑金屬與非催化劑金屬的合金。其他原材料組合也是可能的。
方法可在能產生用於製造超硬磨料（superabrasive）的壓力及溫度的任何類型的設備中進行。在美國專利號2,941,241及2,941,248中描述了可使用的設備，在此藉由引用將其併入本文中。其他設備的實例包括帶壓機、六面頂壓機及分裂球壓機。設備包括反應體積，其中該反應體積提供可控制的溫度及壓力且維持一段所需時間。前述專利中所揭露的設備為用以插入液壓機壓板之間的高壓裝置。高壓裝置含有界定實質上為圓柱形反應區域的環形構件，及含有經設計以自環形構件之任一側裝配到實質上為圓柱形反應區域的兩個圓錐形、活塞型構件或衝頭。兩個活塞構件可壓縮裝配到環形構件中的反應容器以達到製造CBN粒子所需的壓力。藉由適合方式，例如藉由感應加熱、直接或間接電阻加熱或其他方法來獲得所需的溫度。
在本發明中，藉由上述方法形成CBN粒子後，CBN粒子經蝕刻以獲得粗糙的表面。方法使用氮化物形成金屬，例如鈦、鎂、鋯、鋁或鋰，來作為與CBN反應的金屬。例如，在高溫下，CBN與鋯反應並形成氮化鋯及硼化鋯。反應會在CBN的表面上產生坑洞及溝槽。反應發生後，可去除氮化鋯及硼化鋯，並顯示出明顯粗糙的CBN表面，其中表面上形成了許多複雜的槽（pocket）或蝕刻坑洞。與典型CBN粒子相比，此紋理在粒子上提供了更多鋒利的切削邊緣。因此，在利用本發明的CBN粒子應用中，工具性能得以改善。此等應用包括精密研磨，其中將CBN粒子摻入樹脂、金屬或玻璃化黏結系統中。本發明的CBN粒子也提高搪光及超精加工的性能，特別是在黏結材料包括樹脂、金屬或玻璃的情況下。另外，在將粒子電鍍或電鑄到工具上或將粒子共沉積在塗層中的情況下，本發明的CBN粒子可改善工具的性能。
本發明的方法可以與不同形式的CBN一同使用，包括單晶及多晶CBN，但較佳與單晶CBN一同使用。本發明適用於直徑數百微米到微米級的粉末的各種CBN尺寸。在一例示性的具體實例中，使用尺寸小於約100微米的CBN粒子。然而，也可使用尺寸超過約100微米的CBN粒子。在一例示性的具體實例中，CBN粒子的尺寸範圍為約10微米到約1,000微米。
總的來說，如圖1所示，一種根據本發明的製造CBN粒子群的方法包含：在步驟100中，形成或獲得複數個CBN粒子；在步驟105中，摻合反應性金屬粉末與CBN粒子，該反應性金屬粉末是由例如鋰、鈹、鈣、鍶、鎂、鈦、鋯、鋁、鎵、銦、鎢、鉿、鉻、鈷、鎳、釩、鉭、鈮及鐵等材料所製成；在步驟110中，壓縮摻合的混合物；在步驟115中，使經壓縮的混合物經受高壓及高溫；及在步驟120中，回收經蝕刻的CBN粒子。CBN粒子較佳為單晶CBN粒子。反應性金屬粉末可例如為鋯。反應性金屬粉末與CBN粒子的比例可例如為1:10到10：1。由於此方法的緣故，CBN粒子的平均重量損失可超過約5%。在步驟115中，溫度可為約1300℃或更高，壓力可為約3吉帕斯卡（gigapascal；GPa）或更高。
更具體地，為了產生本發明的經蝕刻的CBN粒子，會使用能獲得均勻混合物的任何合適混合方法來將約10到約80重量%的CBN粒子及約20到約90重量%的鋯粒子進行混合。例如，可將鋯及CBN粒子的稱重部分放入廣口瓶中、密封並插入混合裝置中至少約1小時，或者約30分鐘至約1小時。可在混合前將黏合劑任選地添加到混合物。黏合劑可為粒子表面提供潤滑性，從而使金屬粉末與CBN之間更緊密堆積且更緊密接觸。黏合劑也有助於將經壓合的物體保持為生坯。
接著，混合物經壓縮以產生CBN粒子及鋯粒子的緊密混合物。可使用任何方法壓縮CBN粒子及鋯粒子，只要讓其形成緊密的混合物且粒子彼此非常緊密接觸即可。一種用於壓縮混合物的方法可為將混合物放入壓合機的固定模具中。在模壓機中，使混合物經受介於約5,000及約50,000psi之間、約10,000及約40,000psi之間或約15,000及約30,000psi之間的壓力以形成粒料。以可變形工具產生的等靜壓也可用於實現緊密接觸。或者，可藉由例如高壓壓緊輥或壓塊輥將混合物壓成若干毫米至若干英寸厚的薄片。接著，可將形成的片材切成較小的部分以進一步處理。另一壓縮鋯及CBN粒子的混合物的方法包括在壓力下混合並擠出混合物。透過造粒機對CBN及鋯粒子的混合物進行造粒或在翻滾設備中翻滾混合物也為可用於壓縮混合物的替代方法。其他壓縮鋯及CBN粒子混合物的方法包括射出成型、將混合物壓合到容器中以及流延成型。接著，可如下所述將藉由此等方法形成的粒料、磚塊、壓塊或餅塊進一步加工。或者，只要鋯及CBN粒子彼此緊密接觸，就可藉由離子注入、濺鍍、噴霧乾燥、電解塗覆，無電解鍍覆或任何其他適用的方法來將金屬粒子塗覆到個別的CBN粒子。
在壓縮CBN及鋯粒子的混合物後，將可為粒料、聚集體或其他縮合形式的經壓縮的混合物放入爐中，並在氫氣氛氛、真空氣氛或惰性氣氛中加熱到約900℃至約2,300℃的溫度範圍。例如，可使用約1,000℃到約1,400℃、約1,100℃到約1,400℃或約1,300℃的溫度。可將經壓縮的混合物加熱約5分鐘至高達約5小時的時間範圍。例如，可使用約30分鐘到高達約2小時或約1小時到高達約2小時的時間段範圍。
不同於先前的蝕刻方法，在此加熱期間，也使經壓縮的混合物經受高壓。例如，經壓縮的混合物可經受約3到約6GPa範圍的壓力。理由與氮化硼的熱力學有關。CBN在正常的大氣溫度及壓力條件下並非熱力學穩定的。相反地，其在CBN相中為動力學捕獲的。當在先前的蝕刻方法中加熱時，至少某些CBN能將相轉變為HBN（其在此等條件下為氮化硼在熱力學上較佳的相），從而顯著降低CBN粒子群的TI。具體而言，在此等方法中所得的TI減少通常約為30。在本發明中，蝕刻方法中使用高壓可防止CBN相轉變為HBN，這是因為CBN在所選溫度及壓力條件下為氮化硼在熱力學上較佳的相。此降低了由蝕刻方法引起的TI減少，但由於蝕刻本身降低了CBN粒子總體的TI，因此不能完全消除TI減少。具體地，本發明的蝕刻方法中的TI減少僅約10-20。因此，本發明能夠提供具有高TI的經蝕刻的CBN粒子群。
儘管已經提供了某些例示性的溫度及壓力，但是可使用滿足以下兩個目標的任何溫度及壓力組合。首先，溫度應足夠高以藉由CBN與氮化物形成金屬的反應來引起所需的CBN粒子蝕刻。其次，應選擇溫度及壓力以確保氮化硼保留在CBN相中，且不會重新進入HBN相（或進入第三相）。換句話說，應選擇溫度及壓力以使氮化硼保留在CBN相中。較佳地，整個蝕刻方法都要滿足第二目標，以防止任何CBN轉化為HBN。
在蝕刻完成且經壓縮的CBN及反應性金屬粒子的混合物已經冷卻後，藉由將經壓縮的混合物溶解在一般的酸中來回收經蝕刻的CBN粒子。可使用的酸包括鹽酸、氫氟酸、硝酸及其某些組合。以100∶1至1000∶1（以體積計）的酸與壓縮的混合物的比例來加入酸。接著，將混合物加熱至例如介於約100℃及約120℃之間且約6小時到約8小時的時間。之後，將溶液冷卻，釋放的CBN粒子沉降，並傾析溶液。重複此等回收步驟直到實質上所有的反應性金屬、金屬氮化物及金屬硼化物皆被消化為止。
根據所選擇的爐的條件，金屬與CBN之間可能會或多或少發生反應。金屬粉末蝕刻進CBN越多，形成的氮化物及及硼化物就越多，因此CBN損失的重量就越多。為了完全溶解氮化物及硼化物，可使用更大量的酸或其他溶解處理方法。接著，洗滌CBN粒子，例如在水中，以除去酸及殘留物。隨後，將CBN粒子在烘箱中進行乾燥、風乾、微波乾燥或本領域已知的其他乾燥方法。
本發明的CBN粒子可用於許多應用中，包括研削（lapping）、研磨（grinding）、切割、研磨（polishing）、切塊、燒結研磨料或研磨料壓塊、用於線鋸的線及搪光。總的來說，CBN粒子粗糙的表面有助於將粒子滯留在工具或樹脂黏結系統內。粗糙的表面還可以提供更高的材料去除率及更好的自由切割能力。在某些例示性具體實例中，例如，將CBN粒子摻入到工具中，例如砂輪、固定的研磨線、搪光工具、切割刀片、研磨膜、化學機械研磨（CMP）墊調節器、研磨劑組成物及複合CBN耐磨塗層。
圖2及圖3是CBN粒子的SEM影像。圖2示出了蝕刻前的若干CBN粒子，而圖3示出了經本發明蝕刻方法後的此等CBN粒子的其中一個。具體而言，圖2中可看到複數個CBN粒子200，每個CBN粒子200包括複數個刻面205。刻面205的表面是光滑的。然而蝕刻後，此等表面具有坑洞及溝槽。例如，在圖3中，經蝕刻的CBN粒子300包括具有複數個坑洞310及複數個溝槽315的刻面305。在本發明中，此等表面特徵是微米及亞微米級的。也就是說，坑洞310的寬度通常介於約500nm及約1.5微米之間，而溝槽315的寬度通常為約500nm，長度通常介於約5微米及約30微米之間。坑洞及溝槽兩者的深度介於約100nm及約1微米之間。
類似於圖3，圖4是本發明經蝕刻的CBN粒子表面的高放大倍率（5,000x）SEM影像。影像中，暗區比亮區更深入粒子。同樣地，表面特徵由坑洞400及溝槽405所表示。隔離的坑洞400及溝槽405是可見的。對圖4經蝕刻的CBN粒子進行的分析提供了有關坑洞400或溝槽405覆蓋粒子百分比的估計。保守估計粒子表面的20%為坑洞400或溝槽405所覆蓋，中等估計值為41%，積極估計為60%。此在視覺上表示於圖5-7中，分別對應於保守估計、中等估計及積極估計。分析還提供了坑洞400及溝槽405的尺寸訊息。如圖8所示，坑洞400及溝槽405皆小於約1微米寬，溝槽405長達約6微米長。初步橫截面掃描電子顯微鏡分析表明，坑洞400及溝槽405皆小於約1微米深。總的來說，製造了複數個經蝕刻的立方氮化硼粒子，其中每個立方氮化硼粒子皆包括複數個坑洞及複數個溝槽，且粒子群的韌性指數相較具有相同化學組成、晶體結構及形狀的未經蝕刻、非粗糙的立方氮化硼粒子群低約10到約20個點。
實驗
在開發本發明中，製造了若干不同的CBN粒子群。此等不同的粒子群有助於說明本發明提供的益處。
在第一個實驗中，製造了具有侵蝕性蝕刻表面及低TI的CBN粒子群。在研磨過程中，儘管此粒子群由於蝕刻表面而表現出優異的潤濕行為及良好的晶體滯留，然而TI被認為太低。圖9及圖10分別顯示了蝕刻前後第一個實驗的CBN粒子群。
在第二個實驗中，製造了具有侵蝕性蝕刻表面及中等TI的CBN粒子群。同樣地在研磨過程中，由於具蝕刻表面，此粒子群表現出優異的潤濕性能及良好的晶體滯留。然而TI仍被認為太低。圖11顯示了蝕刻後第二實驗的CBN粒子群。
在第三個實驗中，製造了具有輕度經蝕刻的表面及相對較高TI的CBN粒子群。在研磨過程中，此粒子群表現出良好的潤濕性能、晶體滯留及TI。圖12及圖13分別顯示了在蝕刻前後第三個實驗的CBN粒子群。
前三個實驗各自均在大氣壓力下進行蝕刻。在第四個實驗中，根據本發明在高壓下進行蝕刻。製造的CBN粒子群具有侵蝕性蝕刻表面，並具有均勻的亞微米表面圖案及高TI。
此等實驗結果繪製在圖14中，其中實驗1-4分別標記為EXP1-4。此外，繪製了兩個未經蝕刻的CBN粒子群，分別標記為CBN-400及CBN-500。如圖14所示，表面粗糙度與TI通常成反比。一個離群點是本發明的CBN粒子群，既顯示粗糙的表面又顯示高的TI。
基於上述，顯而易見的是，本發明提供了同時具有高TI及高蝕刻表面的CBN粒子群。儘管已經闡述了本發明的某些較佳具體實例，但是應當理解的是，在不脫離本發明的精神的情況下可做出各種改變或修飾。例如，氧化物或例如鎳或鈦的金屬可覆蓋粒子，或者可用玻璃層塗覆粒子，其中玻璃的重量百分比較佳小於粒子重量的10%。總的來說，本發明僅旨受所附請求項的範圍限制。
100:形成或獲得複數個CBN粒子的步驟 105:摻合反應性金屬粉末與CBN粒子的步驟 110:壓縮摻合的混合物的步驟 115:使經壓縮的混合物經受溫度及壓力的步驟 120:回收經蝕刻的CBN粒子的步驟 200:CBN粒子 205:刻面表面 300:經蝕刻的CBN粒子 305:刻面 310:坑洞 315:溝槽 400:坑洞 405:溝槽
圖1顯示出根據本發明的一種用於製造CBN粒子群的方法的流程圖。
圖2是來自掃描電子顯微鏡（SEM）的影像，顯示了蝕刻前的複數個CBN粒子。
圖3是來自SEM的影像，顯示出經本發明的蝕刻方法後圖2的一個CBN粒子。
圖4是來自SEM的另一影像，顯示出經本發明的蝕刻方法後的一個CBN粒子。
圖5是針對圖4為坑洞及溝槽所覆蓋的百分比區域的保守閾值分析。
圖6是針對圖4為坑洞及溝槽所覆蓋的百分比區域的中等閾值分析。
圖7是針對圖4為坑洞及溝槽所覆蓋的百分比區域的積極（aggressive）閾值分析。
圖8是圖4影像中坑洞及溝槽的尺寸分析。
圖9是來自SEM的影像，顯示出第一實驗蝕刻方法前的複數個CBN粒子。
圖10是來自SEM的影像，顯示出第一實驗蝕刻方法後的複數個CBN粒子。
圖11是來自SEM的影像，顯示出第二實驗蝕刻方法後的複數個CBN粒子。
圖12是來自SEM的影像，顯示出第三次實驗蝕刻方法前的複數個CBN粒子。
圖13是來自SEM的影像，顯示出在第三次實驗蝕刻方法後的複數個CBN粒子。
圖14是對於若干不同CBN粒子群的表面粗糙度對TI的圖。
100:形成或獲得複數個CBN粒子的步驟
105:摻合反應性金屬粉末與CBN粒子的步驟
110:壓縮摻合的混合物的步驟
115:使經壓縮的混合物經受溫度及壓力的步驟
120:回收經蝕刻的CBN粒子的步驟

Claims (23)

  1. 一種複數個經蝕刻的立方氮化硼粒子，其中該立方氮化硼粒子各自包括複數個坑洞；一種複數個溝槽；及一種粒子群的韌性指數，其相較具有相同化學組成、晶體結構及形狀的未經蝕刻、非粗糙的立方氮化硼粒子群低約10到約20個點。
  2. 如請求項1之粒子群，其中該複數個坑洞各自的寬度介於約500奈米及約1.5微米之間，深度介於約100奈米及約1微米之間。
  3. 如請求項1之粒子群，其中該複數個溝槽各自的長度介於約5微米及約30微米之間，深度介於約100奈米及約1微米之間，寬度為約500奈米。
  4. 如請求項1之粒子群，其中該複數個經蝕刻的立方氮化硼粒子各自為單晶立方氮化硼粒子。
  5. 如請求項1之粒子群，其中該複數個經蝕刻的立方氮化硼粒子各自為多晶立方氮化硼粒子。
  6. 如請求項1之粒子群，其中每個粒子的尺寸介於10微米及1,000微米之間。
  7. 如請求項1之粒子群，其中為坑洞及溝槽所覆蓋的粒子表面介於約20%及60%之間。
  8. 如請求項1之粒子群，其中該等粒子塗覆有玻璃層。
  9. 如請求項8之粒子群，其中玻璃重量百分比小於粒子重量的10%。
  10. 如請求項1之粒子群，其中該等粒子為氧化物所覆蓋。
  11. 如請求項1之粒子群，其中該等粒子為金屬所覆蓋。
  12. 如請求項11之粒子群，其中該金屬為鎳。
  13. 如請求項11之粒子群，其中該金屬為鈦。
  14. 一種用於製造粒子群之方法，該方法包含： 摻合反應性金屬粉末與複數個立方氮化硼粒子以形成摻合的混合物； 壓縮該摻合的混合物以形成經壓縮的混合物； 使該經壓縮的混合物經受溫度及壓力，其中藉由立方氮化硼與該反應性金屬粉末反應來控制該溫度以引起對該複數個立方氮化硼粒子的蝕刻，從而形成複數個經蝕刻的立方氮化硼粒子，且控制該溫度及該壓力以使氮化硼保持在立方氮化硼相；及 回收來自該經壓縮的混合物的該複數個經蝕刻的立方氮化硼粒子以形成該粒子群。
  15. 如請求項14之方法，其中該壓力為約3吉帕斯卡（gigapascal）或更高。
  16. 如請求項14之方法，其中該溫度為約1300℃或更高。
  17. 如請求項14之方法，其中該粒子群不含有六方氮化硼。
  18. 如請求項14之方法，其中該粒子群的韌性指數相較具有相同化學組成、晶體結構及形狀的未經蝕刻、非粗糙的立方氮化硼粒子群低約10到約20個點。
  19. 如請求項14之方法，其中該複數個立方氮化硼粒子各自為單晶立方氮化硼粒子。
  20. 如請求項14之方法，其中該複數個立方氮化硼粒子各自為多晶立方氮化硼粒子。
  21. 如請求項14之方法，其中該反應性金屬粉末選自鋰、鈹、鈣、鍶、鎂、鈦、鋯、鋁、鎵、銦、鎢、鉿、鉻、鈷、鎳、釩、鉭、鈮及鐵。
  22. 如請求項14之方法，其中粒度介於10微米及1,000微米之間。
  23. 如請求項14之方法，其中該複數個經蝕刻的立方氮化硼粒子各自包括複數個坑洞及複數個溝槽，且該複數個坑洞各自的寬度介於約500奈米及約1.5微米之間、深度介於約100奈米及約1微米之間，且該複數個溝槽各自的寬度為約500奈米、長度介於約5微米及約30微米之間、深度介於約100奈米及約1微米之間。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2941241A (en) 1955-02-14 1960-06-21 Gen Electric High temperature high pressure apparatus
US2941248A (en) 1958-01-06 1960-06-21 Gen Electric High temperature high pressure apparatus
IE46644B1 (en) * 1977-02-18 1983-08-10 Gen Electric Temperature resistant abrasive compact and method for making same
KR20110074532A (ko) * 2008-09-16 2011-06-30 다이아몬드 이노베이션즈, 인크. 독특한 특징부를 가지는 연마 입자
TWI647299B (zh) * 2012-07-31 2019-01-11 戴蒙創新公司 立方氮化硼之官能化及製造其之方法
JP6820657B2 (ja) * 2012-10-03 2021-01-27 ダイヤモンド イノヴェーションズ インコーポレイテッド 固有の形態を有する立方晶窒化ホウ素粒子
CN106905922A (zh) * 2015-12-23 2017-06-30 雅安百图高新材料有限公司 多晶立方氮化硼磨料生产方法
US11268004B2 (en) * 2016-10-07 2022-03-08 Denka Company Limited Boron nitride aggregated grain

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