[发明专利]晶须或纤维增强的多晶立方氮化硼和金刚石

说明书

本发明涉及用于切削工具、磨料、拨丝模、耐磨件等的耐磨和耐冲击材料。具体地讲，它涉及许多分散在烧结的多晶立方氮化硼(cBN)和金刚石的结构中的晶须或纤维材料。本文的术语“晶须”和“纤维”均指形状近似圆柱体，长度明显大于直径的纤维材料。但是，本文中的术语“晶须”指单晶纤维，而“纤维”指结合的多晶结构的纤维。

已知可由金刚石和立方氮化硼来生产超硬、耐磨材料。尽管金刚石比cBN硬，但是cBN在切削和加工黑色金属时具有优越性，因为金刚石中的碳比cBN晶体中的硼和氮与铁工件的反应更剧烈。立方氮化硼还有其它优良的性能，如热稳定性、高的热导率、好的耐冲击性、以及与工作接触时低的摩擦系数。因为这些原因，cBN与金刚石一样被广泛用于加工领域。

因为金刚石或cBN的多晶复合体比金刚石或cBN的单晶体有优越性，因此已经开发了一些技术用来将大量小晶体粘合在一起形成有用尺寸的多晶复合体，它们通常被称为“密实体”(“compacts”)。用作原料的金刚石和cBN颗粒可以是天然或用已知的高压技术制造的。生产金刚石和cBN的多晶密实体的基本方法是相似的。

多晶金刚石是这样来生产的：将大量的相对较小的金刚石晶体混在一起，再使它们经受高温和高压，以便发生晶粒间的结合。通常，加入催化剂或粘合剂以促进晶粒间的结合。该方法被称为“烧结”。已经有人将金属如钴、铁、镍、锰、或它们的合金用作催化剂的基体。

多晶氮化硼也是在粘合剂和催化剂材料的存在下通过烧结制成的。尽管不用催化剂材料也可制成多晶cBN密实体，但是在单个cBN晶粒外面形成的氧化硼和氧化氮使这样做很困难。已经有人将许多不同物质用作催化剂或粘合剂以促使形成cBN的晶粒间的结合。至于金刚石，可以使用金属和其合金。钴是生产致密烧结体的常用金属。

人们期望密实体不仅有良好的耐磨性，而且有好的断裂韧性。耐碎裂性也是所期望的。对于各种密实体材料，催化剂等以不同方式影响这些重要参数，人们希望能够找到对于各种应用提供最好性能的材料组合物和结构。

多晶立方氮化硼和多晶金刚石中弥散有晶须和/或纤维。晶须和/或纤维的材料优选地选自由硼、碳、碳化硅、碳化钛、氮化钛、以及那些在立方氮化硼或金刚石的烧结温度和压力下不熔化的金属氧化物、金属硼化物、金属氮化物、和金属碳氮化物组成的一组。此外，上述晶须或纤维可以涂覆碳化钛、氮化钛、钨、碳氮化钛或氧化铝中的一种或多种。

另外，一种形成多晶立方氮化硼或多晶金刚石密实体的方法包括以下步骤：将氮化硼或金刚石晶粒与晶须和/或纤维、以及催化剂一起混合，将混合物在一定压力条件下加热至某一高温条件下，该温度和压力应使立方氮化硼或金刚石热力学稳定，并且晶须和/或纤维仍然基本上未受损伤。在混合步骤中所用的晶须和/或纤维包括选自由硼、碳、碳化硅、碳化钛、氮化钛以及其它在立方氮化硼或金刚石烧结的温度和压力下不熔化的金属氧化物、金属硼化物、金属氮化物、金属碳化物和金属碳氮化物组成的一组中的材料。此外，上述的晶须和/或纤维可以涂覆一层或多层碳化钛、氮化钛、钨、碳氮化钛或氧化铝。

更具体地讲，在一种形成多晶立方氮化硼密实体的方法中，混合步骤包括将立方氮化硼颗粒与5-30％(重量)的涂覆氮化钛的碳化硅晶须，以及5-15％(重量)的氮化钛颗粒混合。立方氮化硼颗粒直径可以大致为2-3微米，晶须的直径约为0.7-1.2微米，长度约10微米，而氮化钛颗粒直径大约为1至1.2微米。

在本发明的一个优选实施方案中，将直径约为2-3微米的cBN晶体在一种非氧化性气氛，优选地在一种还原气氛下，在约900-950℃的温度下热处理约1小时至2小时的时间。所述非氧化性气氛可以是10^-4-10^-6乇的真空、氢气、或氨气氛。预先热处理的目的是除去晶体中吸附的水蒸汽、氧化物、以及其它在烧结过程中会干扰cBN晶粒间结合的挥发性杂质。优选在氨气氛中进行热处理，因为这会避免氮的损失从而导致氮化硼中发生非化学计量。

还制备了碳化硅晶须。晶须是圆柱形的晶体，沿中心螺位错轴向生长。合适的尺寸是大约10微米长，约0.7-1.2微米的直径。这种晶须可从商业途径获得，几乎所有现在生产的晶须都是单晶的，与纤维相反。