CN107207364A - 立方氮化硼多晶体、切削工具、耐磨工具、研磨工具、和立方氮化硼多晶体的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种立方氮化硼多晶体，其包含立方氮化硼，该立方氮化硼的平均晶粒尺寸为150nm以下，在使用R200μm金刚石压头并以100N/分钟的速率施加负荷的断裂强度试验中，该立方氮化硼多晶体的裂纹产生负荷为25N以上。

Description

立方氮化硼多晶体、切削工具、耐磨工具、研磨工具、和立方氮 化硼多晶体的制造方法

技术领域

本发明涉及立方氮化硼多晶体、切削工具、耐磨工具、研磨工具和立方氮化硼多晶体的制造方法，特别是这样的立方氮化硼多晶体、切削工具、耐磨工具、研磨工具和立方氮化硼多晶体的制造方法，它们适用作铁基材料的切削工具、耐磨工具和研磨工具。

背景技术

立方氮化硼(以下也称作“cBN”)具有仅次于钻石的硬度，并且其热稳定性与化学稳定性优异。此外，对于铁基材料，立方氮化硼比钻石更稳定，因此cBN烧结材料已经被用作铁基材料的加工工具。

然而，cBN烧结材料包含约10体积％至40体积％的结合剂，并且该结合剂造成烧结材料的强度、耐热性和热扩散性降低。因此，特别是在高速切削铁系材料时，热负荷增大并且切削刃容易崩裂和产生裂纹，从而缩短工具寿命。

作为解决该问题的方法，有使用催化剂而不使用结合剂来制造cBN烧结材料的方法。在该方法中，通过使用六方氮化硼(hBN)作为原材料并使用氮硼化镁(Mg₃BN₃)或其类似物作为催化剂来进行反应烧结。通过该方法得到的cBN烧结材料不包含结合剂，因此cBN晶粒彼此强烈结合且导热率更高。因此，该cBN烧结材料用作散热器材料、TAB(卷带自动结合)结合工具或它们的类似物。然而，由于少量催化剂残留在烧结材料中，因此在热应用下，由于催化剂与cBN之间的热膨胀差异，容易产生细裂纹，因而该cBN烧结材料并不适用于切削工具。此外，由于晶粒尺寸大，具体而言，为约10μm，因此虽然其导热率高，但其强度低，因此该cBN烧结材料无法适用于涉及大负荷或类似情况的切削。

另一方面，cBN烧结材料也可以这样得到：在超高压力和高温下，不用催化剂而直接将hBN等常压型BN(氮化硼)转化成cBN，并同时将其烧结(直接转化烧结法)。例如，日本专利特开No.47-034099(专利文献1)和日本专利特开No.03-159964(专利文献2)中均描述了在超高压力和高温下将hBN转化为cBN而得到cBN烧结材料的方法。此外，有使用热解氮化硼(pBN)作为原材料来获得cBN烧结材料的方法。这种方法在例如日本专利特开No.54-033510(专利文献3)和日本专利特开No.08-047801(专利文献4)中说明。在该方法中，需要诸如7GPa且不小于2100℃的条件。

日本已审查专利公布No.49-27518(专利文献5)和日本专利特开No.11-246271(专利文献6)中均描述了在不如上述条件那样苛刻的条件下获得cBN烧结材料的方法。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利特开No.47-034099

专利文献2：日本专利特开No.03-159964

专利文献3：日本专利特开No.54-033510

专利文献4：日本专利特开No.08-047801

专利文献5：日本已审查专利公布No.49-27518

专利文献6：日本专利特开No.11-246271

发明内容

技术问题

专利文献5中公开了在(例如)6GPa的压力和1100℃的条件下获得cBN烧结材料的方法。在这种方法中，由于作为原材料的hBN晶粒不超过3μm，所以该hBN含有若干质量％的氧化硼杂质和吸附气体。因此，由于杂质和吸附气体的影响，烧结将不能充分进行，并且硬度、强度和耐热性因为氧化物的存在而降低，这使得cBN烧结材料无法用作切削工具、耐磨工具等。

为了解决以上问题，专利文献6公开了通过在6GPa至7GPa、和1550℃至2100℃的条件下使用低结晶性六方氮化硼作为原材料，从而进行合成的方法。此外，其还公开了通过这种方法合成的cBN多晶体的晶粒尺寸为约0.1μm至1μm。

然而，当使烧结温度较低以获得适用于精加工、精密加工等的小晶粒尺寸的cBN多晶体时，可烧结性变低，从而导致多晶体的强度降低。此外，小晶粒尺寸导致低韧性，从而使得工具容易产生不利的崩裂。

考虑到以上问题，本发明的一个目的在于提供一种晶粒尺寸小且具有韧性的立方氮化硼多晶体。

解决问题的方案

根据本发明的一个实施方案的立方氮化硼多晶体包含立方氮化硼，所述立方氮化硼的平均晶粒尺寸为150nm以下，在使用R200μm金刚石压头并以100N/分钟的速率施加负荷的断裂强度试验中，所述立方氮化硼多晶体的裂纹产生负荷为25N以上。

另外，根据本发明的一个实施方案的立方氮化硼多晶体的制造方法包括：

制备晶粒尺寸为0.5μm以下的六方氮化硼粉末作为起始材料；以及

将上述六方氮化硼粉末转化为立方氮化硼和纤锌矿型氮化硼，并在满足以下条件的温度和压力下烧结上述立方氮化硼和上述纤锌矿型氮化硼：

P≥-7.68×10^-9T³+5.3003×10^-5T²-0.1224T+102.23,

T≤2200,以及

P≤25

其中上述压力由P(GPa)表示且上述温度由T(℃)表示。

发明的有益效果

根据上述描述，立方氮化硼多晶体包含具有微细晶粒尺寸的立方氮化硼并且其是具有韧性的多晶体。

具体实施方式

[本发明的实施方案的说明]

首先，将列举并说明本发明的实施方案。

本发明人为解决上述问题进行了深入研究，结果发现通过在高压和高温下，将晶粒尺寸为0.5μm以下的六方氮化硼粉末转化为立方氮化硼，可以得到具有微细结构和韧性的立方氮化硼多晶体。

[1]具体而言，根据本发明一个实施方案的立方氮化硼多晶体包含立方氮化硼，所述立方氮化硼的平均晶粒尺寸为150nm以下，在使用R200μm金刚石压头并以100N/分钟的速率施加负荷的断裂强度试验中，所述立方氮化硼多晶体的裂纹产生负荷为25N以上。这种立方氮化硼多晶体包含具有微细晶粒尺寸的立方氮化硼并且其是具有韧性的多晶体。

[2]立方氮化硼的平均晶粒尺寸优选为100nm以下。通过以这种方式进一步降低平均晶粒尺寸，立方氮化硼多晶体更加适用于需要小晶粒尺寸的应用。

[3]立方氮化硼多晶体优选包含0.01体积％以上的纤锌矿型氮化硼。由此，多晶体的结构将变得更致密。

[4]立方氮化硼多晶体优选包含0.01体积％至0.5体积％的压缩型六方氮化硼。由此，能够防止裂纹的发展并提高韧性。

[5]对于所述立方氮化硼的X射线衍射，(220)面的X射线衍射强度I₍₂₂₀₎与(111)面的X射线衍射强度I₍₁₁₁₎的比值I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎为0.1以上0.3以下。因此，多晶体为各向同性，由此当用作为工具等时减少了非均匀的磨损。

[6]根据本发明中一个实施方案的切削工具包含上述的立方氮化硼多晶体。这种切削工具适用于切削铁基材料。

[7]根据本发明中一个实施方案的耐磨工具包含上述的立方氮化硼多晶体。这种耐磨工具适用于加工铁基材料。

[8]根据本发明中一个实施方案的研磨工具包含上述的立方氮化硼多晶体。这种研磨工具适用于研磨铁基材料。

[9]根据本发明中一个实施方案的立方氮化硼多晶体的制造方法，其包括：

准备晶粒尺寸为0.5μm以下的六方氮化硼粉末作为起始材料；以及

在满足以下条件的温度和压力下，将所述六方氮化硼粉末转化为立方氮化硼和纤锌矿型氮化硼，并烧结所述立方氮化硼和所述纤锌矿型氮化硼：

P≥-7.68×10^-9T³+5.3003×10^-5T²-0.1224T+102.23,

T≤2200,以及

P≤25，

其中所述压力由P(GPa)表示且所述温度由T(℃)表示。通过这种制造方法得到的立方氮化硼多晶体包括具有微细晶粒尺寸的立方氮化硼并且其是具有韧性的多晶体。

[本发明的实施方案的细节]

以下更详细地描述了本发明的实施方案(以下称为“本实施方案”)。

<立方氮化硼多晶体>

根据本实施方案的立方氮化硼多晶体包含立方氮化硼，并且该立方氮化硼的平均晶粒尺寸为150nm以下。另外，在使用R200μm金刚石压头并以100N/分钟的速率施加负荷的断裂强度试验中，所述立方氮化硼多晶体的裂纹产生负荷为25N以上。

由此，根据本实施方案的立方氮化硼多晶体包含立方氮化硼。只要包含了立方氮化硼，则可在能够展现本实施方案的效果的程度内包含不可避免的杂质。不可避免的杂质的例子包括氮气(N₂)、氢气(H₂)、氧气(O₂)等。多晶体基本上不包含结合剂、烧结添加剂、催化剂等，这也是本实施方案的立方氮化硼多晶体的一个优点。这是因为能够克服在常规立方氮化硼烧结材料中引入的结合剂、烧结添加剂和催化剂所带来的缺点。

此外，立方氮化硼多晶体优选包含0.1体积％以下的常压型氮化硼。这是因为当包含超过0.1体积％的常压型氮化硼时，强度可能会显著降低。

值得注意的是，立方氮化硼多晶体是烧结材料，但在很多情况下，术语“烧结材料”通常意味着包含结合剂，因此在本实施方案中使用了术语“多晶体”。

<立方氮化硼>

本实施方案的立方氮化硼多晶体中所包含的立方氮化硼具有小的晶粒尺寸，优选具有150nm以下的平均晶粒尺寸，并且更优选具有100nm以下的平均晶粒尺寸。此外，越小的平均晶粒尺寸越优选，因此，不需要限定其下限；然而，出于制造方面的原因，其下限为10nm。

这种立方氮化硼的晶粒尺寸优选是均匀的，以获得无应力集中、以及高强度，因此此处的平均晶粒尺寸优选呈现正态分布。当所包含的晶粒同时包括大晶粒和小晶粒时，其上将产生应力集中，因此强度降低，因而其平均晶粒尺寸优选呈现正态分布，并且优选是均匀的。值得注意的是，在本申请中，表述“立方氮化硼的晶粒尺寸”表示立方氮化硼多晶体中立方氮化硼的晶体晶粒的晶粒尺寸。

可以利用扫描电子显微镜并通过截距法(intercept method)来获得平均晶粒尺寸。具体而言，首先以x1000至x100000的放大倍数使用扫描电子显微镜(SEM)观察立方氮化硼多晶体，以得到SEM图像。

接下来，在SEM图像上画圆，然后以径向方式(直线间夹角彼此基本相等的方式)由圆心至圆的外周画八条直线。在这种情况下，优选这样设定观察放大倍数和圆圈直径，以使得每条直线上的立方氮化硼晶粒(晶体晶粒)的数目为约10至50。

然后，计算每条直线中被直线穿过的立方氮化硼的晶体晶粒边界的数目，接着，将所述直线的长度除以该数目以得到平均截距长度(intercept length)，然后，将平均截距长度乘以1.128，所得结果即视为平均晶粒尺寸(该方法符合ASTM标准中计算标称晶粒尺寸的方法)。值得注意的是，更优选的是这种平均晶粒尺寸适合于通过以下方式得到：通过上述方法得到若干SEM图像中各图像的平均晶粒尺寸，并将这些平均晶粒尺寸的平均值视为平均晶粒尺寸。还应当注意的是，在通过上述方法进行的测量中，可能包括除了所述立方氮化硼外的其他晶粒的晶粒尺寸(如纤锌矿型氮化硼的晶体晶粒)；然而，即使还包括其他晶粒的晶粒尺寸，仍将所测得的数值视为立方氮化硼的平均晶粒尺寸。

由于本实施方案的立方氮化硼多晶体中所包含的立方氮化硼具有如此小的晶粒尺寸，因此其可被用于广泛的应用，例如当用作工具等时涉及到大负荷的应用和微加工应用。

<纤锌矿型氮化硼>

本实施方案的立方氮化硼多晶体可以包含纤锌矿型氮化硼(wBN)，并且优选包含0.01体积％以上的这种纤锌矿型氮化硼。因而，多晶体的结构变得更加致密。值得注意的是，考虑到纤锌矿型氮化硼的特性，纤锌矿型氮化硼的含量上限为70体积％以下。纤锌矿型氮化硼的存在提供了阻碍裂纹发展和提高韧性的效果，但是纤锌矿型氮化硼是在由六方氮化硼向立方氮化硼转化时的亚稳相，因此具有一些特性，例如其稳定性弱于立方氮化硼且耐磨性低。纤锌矿型氮化硼的含量的更优选的范围为0.01体积％至20体积％。

当立方氮化硼多晶体包含纤锌矿型氮化硼时，立方氮化硼多晶体构造如下：立方氮化硼的多个晶体晶粒和纤锌矿型氮化硼的多个晶体晶粒分布至彼此之中。此外，立方氮化硼的晶体晶粒相互间紧密结合，纤锌矿型氮化硼的晶体晶粒相互间紧密结合，并且立方氮化硼晶体晶粒和纤锌矿型氮化硼晶体晶粒相互间紧密结合，由此得到致密结构。

值得注意的是，在包含0.01体积％以上的纤锌矿型氮化硼、且余量由立方氮化硼和不可避免的杂质构成的立方氮化硼多晶体中，立方氮化硼的平均晶粒尺寸为约20nm至72nm，并且在下述的断裂强度试验中的裂纹产生负荷为33N以上。

<压缩型六方氮化硼>

本实施方案的立方氮化硼多晶体可以包含压缩型六方氮化硼，且优选包含0.01体积％至0.5体积％的这种压缩型六方氮化硼。这能提供防止裂纹发展和提高韧性的功能。此外，由于允许压缩型hBN的存在，因此能在宽的温度范围内实现烧结，由此使生产率提高。然而，如果包含超过0.5体积％的压缩型hBN，则压缩型hBN中的应力集中可能变大从而降低强度。因此，当立方氮化硼多晶体还包含压缩型hBN时，其上限为0.5体积％。压缩型hBN的体积含量更优选为0.01体积％以上0.1体积％以下，特别优选为0.05体积％以上0.1体积％以下。

<断裂强度试验>

在使用R200μm金刚石压头并以100N/分钟的速率施加负荷的断裂强度试验中，本实施方案的立方氮化硼多晶体需要具有25N以上的裂纹产生负荷。该断裂强度试验如下进行。

首先，准备R200μm金刚石压头。术语“R200μm金刚石压头”是指具有曲率半径为200μm的尖端形状的金刚石压头。可以使用任意金刚石压头而没有特别的限制，只要满足该条件即可。

接着，使该金刚石压头与立方氮化硼多晶体的表面邻接，并以100N/分钟的速率向立方氮化硼多晶体施加负荷。然后，测定在立方氮化硼多晶体中产生裂纹时的负荷，并将其视为裂纹产生负荷。应当注意的是，可以使用AE(声发射)传感器来检测产生裂纹的时刻。

据表明，该裂纹产生负荷越大，强度越高。因此，裂纹产生负荷更优选为30N以上，进一步优选为40N以上。应当注意的是，由于裂纹产生负荷越大则越优选，因此其上限没有特别的限定。然而，若即使施加200N以上的负荷也不产生裂纹，则金刚石压头本身可能会塑性变形。因此，本试验(测定方法)中的裂纹产生负荷的上限值(极限值)为200N。

当该裂纹产生负荷小于25N时，在切削等期间易于发生崩裂。因此，这种立方氮化硼多晶体不适合于切削等应用。

应当注意的是，当上述曲率半径小于R200μm时，样品(立方氮化硼多晶体)在产生裂纹之前塑性变形，其结果是，不能精确地测定抵抗裂纹的强度。此外，虽然可以使用具有比R200μm更大的曲率半径的压头来进行测定，但是需要较大的负荷来引起裂纹的产生。因此，在本实施方案的立方氮化硼多晶体的断裂强度试验中，使用了R200μm压头。

此外，本实施方案的断裂强度试验优选在23℃±5℃的温度条件下进行。该温度基本上对应于室温，本发明采用该温度是因为其消除了由于温度所导致的样品强度变化并且抑制了测定变化。此外，尽管如上所述将施加负荷的速率设定为100N/分钟，但是可以采用小于该值的速率。然而，以大于100N/分钟的速率施加负荷是不优选的，这是因为测定值更可能会变化。

<X射线衍射>

对于本实施方案的立方氮化硼多晶体中所包含的立方氮化硼的X射线衍射，(220)面的X射线衍射强度I₍₂₂₀₎与(111)面的X射线衍射强度I₍₁₁₁₎的比值I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎为0.1以上0.3以下。由此，多晶体为各向同性，因此当用作工具等时减少了非均匀的磨损。

当比值I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎在上述范围之外时，多晶体中实现了取向，从而导致多晶体中为各向异性。在这种情况中，多晶体的强度存在一定的分布，从而提供了具有高强度的表面和具有低强度的表面。因此，这种多晶体不适用于工具。特别地，在诸如端铣刀之类的转动工具的情况中，其表面分为容易磨损或崩裂的表面和不容易磨损或崩裂的表面，因此导致非均匀的磨损。为了克服这样的缺点，优选在多晶体内实现各向同性。

上述比值I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎更优选为0.15以上0.25以下。

<应用>

由于本实施方案的立方氮化硼多晶体包含具有微细晶粒尺寸的立方氮化硼(晶体晶粒)并且其是具有韧性的多晶体，因此适合于将上述立方氮化硼多晶体用于切削工具、耐磨工具、研磨工具等。换言之，本实施方案的各切削工具、耐磨工具和研磨工具均含有上述立方氮化硼多晶体。

值得注意的是，上述工具均可完全由上述立方氮化硼多晶体构成，或者仅部分(例如，在为切削工具的情况中的刃部)可由立方氮化硼多晶体构成。此外，可在各工具的表面上形成覆膜。

在本文中，切削工具的例子包括钻头、端铣刀、钻头用切削刃替换型切削刀片、端铣刀用切削刃替换型切削刀片、铣削用切削刃替换型切削刀片、车削用切削刃替换型切削刀片、金工锯、齿轮切削刀具、铰刀、螺丝攻、和切削刨刀(bite)等。

此外，耐磨工具的例子包括模具、划线器(scriber)、划线轮、修整器(dresser)等。

此外，研磨工具的例子包括研磨石等。

<制造方法>

根据本实施方案的立方氮化硼多晶体的制造方法包括：

准备晶粒尺寸为0.5μm以下的六方氮化硼粉末作为起始材料的步骤(以下也称作“准备步骤”)；以及

将上述六方氮化硼粉末转化为立方氮化硼和纤锌矿型氮化硼，并在满足以下条件的温度和压力下烧结上述立方氮化硼和上述纤锌矿型氮化硼的步骤(以下也称作“烧结步骤”)：

P≥-7.68×10^-9T³+5.3003×10^-5T²-0.1224T+102.23,

T≤2200,以及

P≤25，

其中上述压力由P(GPa)表示且上述温度由T(℃)表示。

通过上述制造方法，能够制造上述立方氮化硼多晶体。具体而言，通过这种制造方法得到的立方氮化硼多晶体包括具有微细晶粒尺寸(即平均晶粒尺寸为150nm以下)的立方氮化硼，并且其为具有韧性的多晶体(即，断裂强度试验中的裂纹产生负荷为25N以上)。

在准备步骤中，作为起始材料的六方氮化硼粉末的晶粒尺寸可稍大于将要得到的立方氮化硼多晶体的立方氮化硼的平均晶粒尺寸。这是因为在由六方氮化硼转化为立方氮化硼的过程中，hBN中原子之间的结合被断开，并且原子重新排列并重新结合，其结果是，立方氮化硼的晶粒尺寸小于原材料的晶粒尺寸。然而，当原材料的晶粒尺寸小时，则会产生在hBN中的原子间不存在内在结合的大量晶界，其结果是，转化后的立方氮化硼的晶粒尺寸变小。反之，当原材料的晶粒尺寸大时，则立方氮化硼的晶粒尺寸变大。因此，出于生产方面的原因，将六方氮化硼粉末的晶粒尺寸设为0.5μm以下，并且其下限值为0.05μm。更优选的晶粒尺寸为0.1μm以上0.5μm以下。

值得注意的是，六方氮化硼粉末的晶粒尺寸是指通过利用激光的激光衍射散射法测定的平均晶粒尺寸。

只要制备了以上所述的六方氮化硼粉末即可，对该准备步骤的方式并无限制，该准备步骤的实施方式可为(例如)通过常规已知的合成方法制造六方氮化硼粉末，或者通过获取市售的六方氮化硼粉末的方式。

此外，由于一些问题(例如，当温度较高时会发生晶粒生长，并且当温度较低时会残留有未转化的hBN)会导致强度下降，因此上述烧结步骤中的压力P(GPa)和温度T(℃)需要满足以下条件：

P≥-7.68×10^-9T³+5.3003×10^-5T²-0.1224T+102.23,

T≤2200,以及

P≤25。

这里，并不特别限制温度T(℃)，只要在该温度下可获得立方氮化硼多晶体即可，并且无需限定其下限值。更优选的是，温度T(℃)为1300℃至2100℃。

同样，并不特别限制压力P(GPa)，只要在该压力下能够获得立方氮化硼多晶体即可，并且无需限定其下限值。更优选的是，压力P(GPa)为10GPa至20GPa。

当所进行的烧结步骤中的温度和压力分别在合适范围内且满足上述关系表达式时，则所得到的立方氮化硼多晶体的裂纹产生负荷为25N以上。

值得注意的是，上述烧结步骤中的温度和压力施用5至20分钟。如果短于5分钟，则烧结不充分，而如果长于20分钟，则烧结状态不存在区别，从而在经济上是不利的。更优选地，所述温度和压力施用10至20分钟。

这种烧结步骤是将六方氮化硼粉末转化为立方氮化硼和纤锌矿型氮化硼、并烧结立方氮化硼和纤锌矿型的步骤，但六方氮化硼粉末被单独地直接转化为立方氮化硼和纤锌矿型氮化硼，而不需要使用烧结添加剂和催化剂，且这种转化通常与烧结同时进行。

通过所述制造方法得到的立方氮化硼多晶体包含具有微细晶粒尺寸的立方氮化硼，其表现出弹性行为，因此是耐崩裂性得以改善的、具有韧性的多晶体。即，所述立方氮化硼多晶体适用于切削工具、耐磨工具、研磨工具等，这些工具可用于涉及大负荷的高速微加工。

[实施例]

将参照实施例更详细地描述本发明，但本发明并不限于此。

<实施例1至7>

通过如下方法制造实施例1至7中的各立方氮化硼多晶体。首先，准备作为起始材料的晶粒尺寸为0.5μm的六方氮化硼粉末(在下表1中“起始材料”一栏中表示为“微细晶粒hBN粉末”)(准备步骤)。

然后，将如上制备的六方氮化硼粉末引入由高熔点金属制成的密封舱中，然后使用超高压/高温发生装置在表1中所示的温度和压力(“合成条件”一栏)下保持20分钟，从而将六方氮化硼粉末转化为立方氮化硼和纤锌矿型氮化硼并将其烧结(烧结步骤)。从而得到立方氮化硼多晶体。

值得注意的是，表1中的温度和压力满足以下条件：P≥-7.68×10^-9T³+5.3003×10^-5T²-0.1224T+102.23。

<比较例1>

通过如下方法制造比较例1的立方氮化硼多晶体。首先，准备作为起始材料的晶粒尺寸为0.5μm的六方氮化硼粉末(在下表1中“起始材料”一栏中表示为“微细晶粒hBN粉末”)(准备步骤)。

然后，将如上制备的六方氮化硼粉末引入由高熔点金属制成的密封舱中，然后使用超高压/高温发生装置在表1中所示的温度和压力(“合成条件”一栏)下保持20分钟，从而将六方氮化硼粉末转化为立方氮化硼并将其烧结(烧结步骤)。从而得到立方氮化硼多晶体。

关于上述条件，温度为2400℃，其不满足T≤2200的条件。

<比较例2>

通过如下方法制造比较例2的立方氮化硼多晶体。首先，准备作为起始材料的晶粒尺寸为0.5μm的六方氮化硼粉末(在下表1中“起始材料”一栏中表示为“微细晶粒hBN粉末”)(准备步骤)。

然后，将如上制备的六方氮化硼粉末引入由高熔点金属制成的密封舱中，并且使用上/下施压带式(upward/downward pressure-application belt-type)高压/高温发生装置在表1中所示的温度和压力(“合成条件”一栏)下保持20分钟，从而将六方氮化硼粉末转化为立方氮化硼和纤锌矿型氮化硼并将其烧结(烧结步骤)。从而得到立方氮化硼多晶体。

值得注意的是，上述条件并不满足关系式“P≥-7.68×10^-9T³+5.3003×10^-5T²-0.1224T+102.23”，并且不满足关系“X射线衍射强度I₍₂₂₀₎的比值I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎为0.1以上0.3以下”。

<比较例3>

通过如下方法制造比较例3的立方氮化硼多晶体。首先，准备作为起始材料的晶粒尺寸为5μm以下的六方氮化硼粉末(在下表1中“起始材料”一栏中表示为“粗晶粒hBN粉末”)(准备步骤)。

然后，将如上制备的六方氮化硼粉末引入由高熔点金属制成的密封舱中，然后使用超高压/高温发生装置在表1中所示的温度和压力(“合成条件”一栏)下保持20分钟，从而将六方氮化硼粉末转化为立方氮化硼和纤锌矿型氮化硼并将其烧结(烧结步骤)。从而得到立方氮化硼多晶体。

值得注意的是，上述条件满足关系式“P≥-7.68×10^-9T³+5.3003×10^-5T²-0.1224T+102.23”，但在以下方面与各实施例不同：起始材料的晶粒尺寸为5μm以下，该晶粒尺寸大于各实施例中起始材料的晶粒尺寸。

<比较例4>

通过如下方法制造比较例4的立方氮化硼烧结材料。首先，准备作为起始材料的晶粒尺寸为2μm以下的立方氮化硼粉末、以及钴基金属结合剂粉末(在下表1中“起始材料”一栏中表示为“cBN粉末/金属结合剂粉末”)(准备步骤)。

然后，将如上制备的立方氮化硼粉末和钴基金属结合剂粉末引入由高熔点金属制成的密封舱中，然后使用超高压/高温发生装置在表1中所示的温度和压力(“合成条件”一栏)下保持20分钟(烧结步骤)从而烧结。从而得到立方氮化硼烧结材料。

关于上述条件，其起始材料不同于各实施例中的起始材料。

<评价>

对于通过上述方式得到的实施例1至7和比较例1至3中的各立方氮化硼多晶体和比较例4中的立方氮化硼烧结材料，采用如下技术测定其组成、X射线衍射、晶粒尺寸和裂纹产生负荷。

<组成>

利用X射线衍射装置鉴别各立方氮化硼多晶体和立方氮化硼烧结材料中所包含的立方氮化硼(cBN)、压缩型六方氮化硼(hBN)和纤锌矿型氮化硼(wBN)。这种装置具有可提供波长为的Kα射线的X射线放射源Cu。结果示于表1的“组成”一栏中。

<X射线衍射>

对于各立方氮化硼多晶体和立方氮化硼烧结材料中所包含的立方氮化硼，利用X射线衍射装置以获得(220)面的X射线衍射强度I₍₂₂₀₎与(111)面的X射线衍射强度I₍₁₁₁₎的比值I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎。这种装置具有可提供波长为的Kα射线的X射线放射源Cu。结果示于表1的“XRD I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎”一栏中。

<晶粒尺寸>

使用利用扫描电子显微镜的截距法以获得各立方氮化硼多晶体和立方氮化硼烧结材料中所包含的立方氮化硼的平均晶粒尺寸。

具体而言，首先用扫描电子显微镜(SEM)观察各立方氮化硼多晶体和立方氮化硼烧结材料的截面，以得到SEM图像。

接下来，在SEM图像上画圆，然后以径向方式(直线间夹角彼此基本相等的方式)由圆心至圆的外周画八条直线。在这种情况下，优选这样设定观察放大倍数和圆圈直径，以使得每条直线上的立方氮化硼晶粒的数目为约10至50。

然后，计算被各直线穿过的立方氮化硼的晶体晶粒边界的数目，然后，将所述直线的长度除以该数目以获得平均截距长度，然后，将平均分割长度乘以1.128，所得结果即视为平均晶粒尺寸。

值得注意的是，SEM图像的放大倍数是x30000。这是因为当放大倍数等于或者小于该放大倍数时，圆圈中的晶粒数增加，从而难以看到晶界，并且会对晶界数进行错误地计数，并且画线时很可能会将板状结构(plate structure)包括在内。这也是因为在放大倍数等于或大于此放大倍数时，圆中的颗粒数过少从而不能准确计算平均晶粒尺寸。然而，对于比较例1和4，它们的晶粒尺寸过大，因此使用x3000的放大倍数。

此外，对于各实施例和比较例，将在一个样品的隔开的部分所拍摄的三张SEM图像用于各实施例和比较例，通过上述方法得到各SEM图像的平均晶粒尺寸，并且将所获得的三个平均晶粒尺寸的平均值视为平均晶粒尺寸。结果示于表1的“平均晶粒尺寸”一栏中。

<裂纹产生负荷>

对于各立方氮化硼多晶体和立方氮化硼烧结材料，为了测定裂纹产生负荷，在以下条件下进行断裂强度试验。

具体而言，准备R200μm金刚石压头作为压头，将该压头压在各样品(各立方氮化硼多晶体和立方氮化硼烧结材料)上，从而在23℃±5℃在以100N/分钟的速率对各样品施加负荷，直到产生裂纹。测定产生裂纹时的负荷作为裂纹产生负荷。该测定进行3次。另外，确定如上所述分别进行三次的测定而得的三个值的平均值，以作为各样品的裂纹产生负荷。结果示于表1的“裂纹产生负荷”一栏中。

如表1所示，可确认，实施例1至4、6和7均包含0.6体积％至62体积％的纤锌矿型氮化硼(wBN)。此外，实施例1至7的立方氮化硼的平均晶粒尺寸均为20nm至88nm。同时，实施例1至7的裂纹产生负荷均为27N至55N。

另一方面，比较例1的立方氮化硼的平均晶粒尺寸为1240nm，其大于实施例1至7的平均晶粒尺寸。另外，比较例1的裂纹产生负荷为17N，其低于实施例1至7的裂纹产生负荷。因此，比较例1的强度显著较低。

另外，在比较例2中，立方氮化硼的X射线衍射中的比值I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎为0.03。因此，取向度高并导致非各向同性。此外，比较例2的裂纹产生负荷为15N，其低于实施例1至7的裂纹产生负荷。因此，比较例2的强度显著较低。

此外，在使用了晶粒尺寸为5μm的六方氮化硼粉末作为原材料的比较例3中，其平均晶粒尺寸为165nm，这大于实施例1至7中的各平均晶粒尺寸。同时，裂纹产生负荷为21N，其低于实施例1至7的裂纹产生负荷。因此，比较例3的强度显著较低。

另外，对于比较例4的原材料，使用了立方氮化硼粉末和结合剂。比较例4的裂纹产生负荷为10N，其低于实施例1至7的裂纹产生负荷。因此，比较例4的强度显著较低。

此外，将各实施例和比较例的各立方氮化硼多晶体和立方氮化硼烧结材料连接至球头端铣刀工具的刀头(刀头直径为0.5mm)，然后评价其切削性能。准备HRC60硬化钢作为待切削材料，在转速为60000rpm、切削速度为200mm/分钟、切入量为5μm、进给量为3μm的条件下切削24米。切削结束时工具的磨损量表示为表2所示的“工具磨损相对比值”中。

[表2]

	工具磨损相对比值
		实施例1	1.4
实施例2	1.5
		实施例3	1.2
实施例4	1.1
		实施例5	1.5
实施例6	2.0
		实施例7	1
比较例1	切削刃极大崩裂；加工中断
		比较例2	切削刃极大崩裂；加工中断
比较例3	3.5
		比较例4	8.1

将具有最小磨损量的实施例7作为基准，实施例的磨损量如表2所示为1至2.0。另一方面，在比较例1和2中，分别在切削长度为12m和10m处发生极大的崩裂，因此加工中断。此外，比较例3和4磨损极大，具体而言，其磨损量分别为实施例7的3.5倍和8.1倍。因此，可以确认，相比于比较例的立方氮化硼多晶体和立方氮化硼烧结材料，各实施例的立方氮化硼多晶体具有更大的韧性。

至此，已经对本发明的实施方案和实施例进行了说明，但是从开始就旨在将实施方案和实施例的构成适当地组合并以各种方式对其进行修改。

本文公开的实施方案和实施例在任何方面都是说明性的和非限制性的。本发明的范围由权利要求书的条款来限定，而不是由上述实施方案和实施例来限定，并且本发明的范围旨在包括与权利要求书的条款等同的范围和含义内的任何修改。

Claims (9)

1.一种立方氮化硼多晶体，包含立方氮化硼，

所述立方氮化硼的平均晶粒尺寸为150nm以下，

在使用R200μm金刚石压头并以100N/分钟的速率施加负荷的断裂强度试验中，所述立方氮化硼多晶体的裂纹产生负荷为25N以上。

2.根据权利要求1所述的立方氮化硼多晶体，其中，所述立方氮化硼的平均晶粒尺寸为100nm以下。

3.根据权利要求1或2所述的立方氮化硼多晶体，其中，所述立方氮化硼多晶体包含0.01体积％以上的纤锌矿型氮化硼。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的立方氮化硼多晶体，其中，所述立方氮化硼多晶体包含0.01体积％至0.5体积％的压缩型六方氮化硼。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的立方氮化硼多晶体，其中，对于所述立方氮化硼的X射线衍射，(220)面的X射线衍射强度I₍₂₂₀₎与(111)面的X射线衍射强度I₍₁₁₁₎的比值I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎为0.1以上0.3以下。

6.一种切削工具，包括根据权利要求1至5中任一项所述的立方氮化硼多晶体。

7.一种耐磨工具，包括根据权利要求1至5中任一项所述的立方氮化硼多晶体。

8.一种研磨工具，包括根据权利要求1至5中任一项所述的立方氮化硼多晶体。

9.一种制造立方氮化硼多晶体的方法，该方法包括：

准备晶粒尺寸为0.5μm以下的六方氮化硼粉末作为起始材料；以及

在满足以下条件的温度和压力下，将所述六方氮化硼粉末转化为立方氮化硼和纤锌矿型氮化硼，并烧结所述立方氮化硼和所述纤锌矿型氮化硼：

P≥-7.68×10^-9T³+5.3003×10^-5T²-0.1224T+102.23,

T≤2200,以及

P≤25，

其中所述压力由P(GPa)表示且所述温度由T(℃)表示。