[发明专利]具有独特形态的立方氮化硼粒子

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2012年10月3日提交的名称为“Cubic Boron Nitride Particles Having a Unique Morphology”(具有独特形态的立方氮化硼粒子)的临时申请61/709250的优先权。

技术领域和工业实用性

本发明涉及用于磨料磨削(grinding)、珩磨(honing)、精整(finishing)、抛光和其它应用的硬质粒子。更具体地，本发明涉及具有独特形态的立方氮化硼粒子。本发明的立方氮化硼(CBN)粒子具有用于增强在工业应用中的性能的粗糙表面纹理。

发明背景

磨料粒子被用于许多应用例如磨削、珩磨、精整、抛光和其它表面精整应用中。常见的磨料粒子包括氧化铝、碳化硅、碳化硼和碳化钨。这些粒子可被称为常规磨料并具有小于9.0的莫氏硬度。金刚石和立方氮化硼被称为超硬磨料粒子并具有9.5-10的莫氏硬度。当超硬磨料粒子如金刚石或立方氮化硼用于磨削和精整应用中时，工具比常规磨料持续更长时间，并且由于低磨损率，在所述工具需要被更换之前，工件公差维持较长的时段。当磨削或精整铁质材料时，立方氮化硼磨料是特别有利的。这是因为，尽管金刚石比立方氮化硼更坚硬，但在高温下金刚石与铁和镍不利地反应，造成性能显著降低。然而，立方氮化硼不与铁或镍反应，并且即使在磨削过程中产生的高温下，仍维持磨料性能。

虽然超硬磨料工具比使用常规磨料的那些表现更好，但优化的性能取决于工具将磨料粒子保持得怎样以及粒子与工件材料相互作用得怎样。工具性能的一个重要部分取决于磨料粒子与工具粘结得怎样。许多类型的粘结剂可用于制造超硬磨料工具。这些包括金属、玻璃态(玻璃)和树脂型粘结剂。磨料在工具中的粘结或固定(holding)可通过与粘结材料的物理和/或化学连接来实现。物理连接程度可受到磨料粒子的粗糙度的影响。具有光滑表面并且无化学粘结的粒子必须依赖于被大量包封在粘结材料中以充分保持在工具中。在这种情况下，随着周围的粘结材料磨掉以及磨料粒子变得更加暴露，该粘结将最终不能固定磨料并且它将从工具中脱出。在达到磨料的使用寿命之前，经常发生脱出现象。这一影响限制了工具在应用中实现其全部价值。具有更粗糙形态的类似粒子将在工具中保持得较久并且将延长工具的使用寿命。这会降低加工成本并提高所加工部件的质量。使用表面粗糙化的CBN晶体的另一个益处将是，暴露的粗糙度将提高工具的自由切削能力，从而允许所述工具以较少的能量来实现相同工作量。此外，通过磨料上的粗糙度建立的微特征(micro-feature)可导致工件上的表面粗糙度低于用标准磨料所实现的表面粗糙度。

网目尺寸(mesh-size)CBN粒子倾向于具有光滑的多面的(faceted)面，并且甚至更精细的微米尺寸CBN粒子显示光滑表面。因此，当在金属粘结和树脂粘结工具中使用CBN磨料时，脱出是一种常见的现象。提高CBN在磨料工具中的保持的常见方法是通过向磨料施加金属涂层。所述涂层表面本身则可以提供较粗糙的表面以实现更好的机械保持，或者该涂层可允许与粘结剂材料的更好的化学连接。提供粗糙度的涂层的一个实例是无电镀的镍涂层。这种类型的镍涂层通常施加至磨料粒子以使得镍占涂布磨料的50重量％-70重量％。虽然镍涂层较粗糙并且提供改进的机械保持，但镍本身并未化学键合至磨料，而只是围绕粒子的壳。因此，在达到磨料的完全使用之前的位置处，磨料仍有可能从粘结的镍中脱出。镍涂布的磨料通常用于树脂粘结的工具中。

用于提高保持的涂层的另一个实例是钛涂层。不同于无电镀镍涂层，使用化学气相沉积方法将钛涂层施加至磨料。在这种情况下，钛化学键合至粒子。然而，即使涂层化学键合至粒子，薄的钛涂层也不会赋予磨料表面任何另外的粗糙度。当磨料用于金属粘结中时，钛涂层改进化学键合。如果这种化学键合不充分，则仍然可能发生脱出。

迄今为止，用于增加CBN粒子的粗糙度的方法局限于金属涂层和用腐蚀性或碱性化学品蚀刻表面。已经开发了利用特定金属的一种新方法，所述金属与CBN强烈反应以在粒子表面上形成深的凹坑(pit)和尖峰(spike)。这些特征不同于由腐蚀性化学蚀刻形成的特征并提供新型的CBN磨料，其相比于现有CBN能够增加性能改进。

可以看出，需要超硬磨料和制造超硬磨料的方法，以实现粗糙表面纹理来增强在工业应用中的性能。

发明内容

在本发明的一个方面，立方氮化硼粒子具有不规则表面，其中所述粒子的表面粗糙度小于约0.95。