本发明涉及到制造多晶立方氮化硼的方法。通过高压/高温技术制造立方氮化硼，在本技术领域中是众所周知的，并以Wentorf在美国专利2，947，617号中所描述的制造单晶立方氮化硼的基本实例为其典型代表。美国专利4，188，194号介绍了一种在无催化剂存在的情况下，采用热解的六方晶系氮化硼制造烧结多晶立方氮化硼压块的方法。压块是一种以自行粘合的性质（见美国专利3，852，078号和3，876，751号）;用一种粘合介质的方法（见美国专利3，136，615号，3，233，988号、3，743，489号、3，767，371号和3，918，931号）;或者是自行粘合与粘合介质配合的方法而使磨料颗粒结合在一起的块状物。美国专利3，918，219号介绍六方晶系氮化硼催化转化为立方氮化硼，然后再与碳化物块接触而形成一种复合体的方法。立方氮化硼压块是由许多适当地结合在一起而形成一种大的、完整的、坚韧的、有粘结性和高强度的块状物。压块可应用于加工、修整和钻孔（见美国专利3，136，615号和3，233，988号）等用途。 如英国专利1，513，990号所述，可通过高压/高温技术对六方晶系氮化硼粉粒与元素硼或与各种含硼化合物（例如AlB12）的混合物进行处理;或应用真空烧制（vacaum-fired）的六方晶系粉粒来生产过量的表面元素硼，然后再按美国专利4，289，503号中所述地方法将其转化为立方氮化硼，来制造本发明中所用的富硼多晶立方氮化硼。在这些处理过程中，将按一般方法制造的大块多晶立方氮化硼块碾磨成适用于各种磨削和其他用途的粒度。在碾磨过程中，一部分材料通常被破碎得过细，或具有不适用于磨削用途的形状，因此，希望为这类不理想的材料找到用途。此外，通过增加棱边强度和减低脆度（缺乏冲击强度）还可改进目前工业上使用的多晶立方氮化硼压块。因此，希望得到一种改进的多晶立方氮化硼产品。
本发明提供改进了棱边强度和冲击强度的烧结富硼多晶立方氮化硼压块。本发明还提供一种利用碾磨富硼多晶立方氮化硼时所获得的碾磨副产品的方法。制造烧结多晶立方氮化硼的方法包括，将烧结富硼多晶立方氮化硼颗粒放在高温/高压装置内，使所述的富硼立方氮化硼颗粒经受适合将立方氮化硼颗粒进行再烧结的压力和温度的处理;采用的温度低于将立方氮化硼转化成六方晶系氮化硼的再转化温度;采用的时间是使其中的多晶立方氮化硼颗粒进行再烧结。压力和温度的组合，落在氮化硼相图中的立方氮化硼稳定区内。然后，将温度降至足以阻止立方氮化硼再转化成六方晶系氮化硼的温度（一般为1000℃或低于1000℃）范围，随后降低压力，回收再烧结的多晶立方氮化硼压块。本方法令人意想不到的是在无催化剂存在的情况下进行的。其他可能干扰或抑制富硼多晶立方氮化硼颗粒烧结的材料（抑制烧结的杂质）也应该避免使用。此外，可以将诸如烧结金属碳化物的支撑材料放在高压/高温装置中的富硼立方氮化硼颗粒的旁边，以便在原位形成一种带支撑的多晶立方氮化硼压块。理想的压力约为45至80千巴而最佳的温度范围约为1500°-2300℃，但低于立方氮化硼的再转化温度。再转化（或逆转化）温度就是使氮化硼从立方晶体结构再转化为六方晶系的温度。在氮化硼相图中可以看出，此温度沿着平衡线将六方晶系氮化硼稳定区与立方氮化硼稳化区分开（见美国专利3，212，852号;附图6，第三栏66行至第九栏42行）。
本发明的优点包括能制造具有改进的棱边强度的极其坚硬的、耐冲击物体。本发明的另一个的优点是不用加烧结助剂即可生产这类物体。本发明的再一个优点是有利地用传统的碾磨副产品来制造有价值的立方氮化硼压块。根据本文所公开的内容，本发明的优点对于本专业技术人员来说，是显而易见的。
图1至图4以剖面的形式，说明在高压/高温装置，例如在美国专利2，947，611号2，941，241号和2，941，248中所叙述的一类装置中，所使用的反应区组件（或室）的各种不同构形。
下面将详细介绍附图。
可通过已有技术中任何适用的技术，制造本发明的烧结多晶立方氮化硼压块所用的富硼多晶立方氮化硼颗粒。如英国专利1，513，990号所述，制备富硼多晶立方氮化硼的一种技术，涉及用高压/高温处理六方晶系氮化硼粉末和元素硼或各种含硼化合物（例如AlB12）的混合物。制造富硼多晶立方氮化硼的另一种工艺涉及到在六方晶系氮化硼转化成立方氮化硼前，在无氧化物的六方晶系氮化硼表面产生过量的硼。（过量的硼是在一种惰性气氛中和在六方晶系氮化硼热分解范围内的某一温度下，通过真空烧制和加热的预处理产生的。接着再按美国专利4，289，503号中所述的方法，通过高压/高温处理，将六方晶系氮化硼转化成立方氮化硼。无论用什么方法，制成的富硼多晶立方氮化硼一般呈大型块状通常再将这种块状物碾磨成更适用于各种研磨或其他用途的粒度。本发明的一个突出优点是能有利地利用由这种粒度碾磨操作所产生的碾磨副产品。虽然本发明的烧结多晶立方氮化硼压块可有利地利用这种碾磨副产品或细料，但是本发明的方法还可以十分有效地运用粒度达到250微米（60目）或更大的大粒度富硼立方氮化硼颗粒。在这方面，富硼多晶立方氮化硼颗粒的粒度可以与普通的立方氮化硼颗粒相同的粒度经受形成传统多晶压块的高压/高温操作，例如在美国专利3，767，371号所叙述的。
本发明的另一个优点是能有利地利用所制成的在性质上是微晶的立方氮化硼例如用美国专利4，289，503号的方法。应用任何粒度的此种微晶立方氮化硼颗粒来制造立方氮化硼压块，可获得韧度比粗的粒状压块高的较细的微结构立方氮化硼压块。用传统的方法很难制造出这类细粒状结构的立方氮化硼压块。但是本发明的较细的微结构立方氮化硼比用传统的方法更容易制造，因为分散细的单晶立方氮化硼不必单独地进行处理。
可以理解的是，由于富硼多晶立方氮化硼颗粒在其形成过程中已经烧结过，所以，可将本发明的方法称之为“再烧结”方法。本发明与已有技术的重要区别是可把烧结过的富硼多晶立方氮化硼颗粒再烧结成韧度高、有粘结性的压块的此种十分意想不到的发现。普通规格的晶体立方氮化硼颗粒通常是应用如美国专利2，947，617号所述的催化剂或其他粘结方法来形成烧结多晶压块。但是，本发明在一般使用催化剂的过程所用的温度和压力的条件和在无催化剂参与的情况下，通过对富硼多晶立方氮化硼颗粒进行再烧结，而意想不到地形成了优良的多晶立方氮化硼压块。
在实施本发明时，将富硼立方氮化硼颗粒放在高压/高温装置（如美国专利4，289，503号所述）中，并先在高压下，然后在高温下放置一段足以进行再烧结的时间。然后，在已有技术所知的压力下，让样品冷却，以阻止立方氮化硼再转化或逆转化为六方晶系氮化硼，最后将压力减至大气压力并回收再烧结的立方氮化硼块状物。根据本发明的指导，已将图1至图4所示的反应区组件或反应室应用于制造烧结多晶立方氮化硼压块附图中的反应区组件装置或反应室包括叶蜡石圆柱型套筒10，套筒10可分别由玻璃、软性陶瓷、滑石、碱性囟化物、块滑石或各种皂石组成。紧挨着套筒10的内壁，安装有与套筒同心的石墨电阻加热器管12。可任选地将金属箔外罩30（图2至图4）塞于套筒和石墨管12之间，作为污染物防护屏。防护屏金属是选自锆、钛、钽、钨和钼的耐高温金属。
同心耐高温金属管14（图1）夹在石墨管12内，并可由上述列举的耐高温金属形成。完整筒体（intact cylinders）较普通的是用所示的石墨管衬里的室组件（图2-4）而用如图1所示的耐高温金属（如钛）管结构时，则可获得破裂和断裂的样品。在图1和图2中所示的组件是将富硼多晶立方氮化硼颗粒样品16装入筒型反应室组件内，该反应室组件的两端装有石墨塞18，并紧挨着样品16;在石墨塞18的外面设置有传递压力塞。可用常规形状的热压六方晶系氮化硼垫块用作传递压力塞20。
在图3中，石墨塞40紧挨着样品，并位于样品16和石墨塞18之间。在图4中。可在一个单室组件（cell assembly），来制造几份样品并在样品与样品之间安装石墨隔片52。还可以利用其他实施方案的反应室，有些实施方案的反应室已包括在本发明的范围内。可在美国专利3，767，371号、4，188，194号和4，289，503号中，找到有关高压/高温反应室的详细资料。
放在反应室内的富硼多晶立方氮化硼颗粒最好应不含催化剂物质，也不含其他杂质或妨碍立方氮化硼烧结工艺的物质，也就是说，无抑制立方氮化硼烧结的杂质。除了富硼多晶立方氮化硼颗粒之外，可外加含硼化合物（例如AlB12）或其他同类物用作反应室中的硼源，例如上述英国专利1，513，990号所述。在所有情况下，均使样品经受超过约45千巴压力处理，一般来说这种压力大约在45至80千巴之间。温度至少应约为1500℃，但是应低于立方氮化硼的再转化温度。温度最好应约为1500℃至2300℃。正如在先有技术中众所周知的，进行再烧结所需的时间取决于所选择的温度和压力的配合。下列实施例将对制作新的再烧结多晶立方氮化硼压块的反应条件作进一步的详细说明。
应该认识到，本文确定的最佳温度和压力仅仅是根据高压技术而得出的估算值，此种高压技术认识到，这些偏差是由于难以精密地测量本领域中所遇到的高压和高温引起的。本发明的方法的重要性是能将足以进行立方氮化硼的烧结（不足使立方氮化硼的再转化）的压力和温度的工艺条件保持一段时间，以便进行立方氮化硼的再烧结。
可将再烧结多晶立方氮化硼压块进行研磨或按粒度分级研磨，以生产出极其强韧和有用的立方氮化硼颗粒，这类颗粒可用于制造树脂粘合的磨轮、金属结合的磨轮、金属结合的锯片成分以及类似的常规切削和研磨刀具。此外，可对完整的多晶压块进行清洗，以除去粘结着的碳、钛或其他物质。清洗后，就可将样品磨碎成磨削应用所需要的尺寸，或可将其加工成供切削刀具用途使用的圆盘型或圆柱型的刀片（piece）。就这一点来说，可应用非支撑的或用碳化钨或其他支撑物的常用的支撑形式的压块。在高压/高温室内成形压块前，将支撑材料放在于富硼氮化硼颗粒旁边，便可使多晶立方氮化硼与支撑物在原位结合;也可以在烧结的多晶立方氮化硼成形后，通过钎焊或其他方法使之与支撑物连结。
下面的实施例将说明本发明是如何实施的，但无论如何不能视为对本发明的限制。本发明中，除非另有指明，所有的百分数或比例均以重量表示，而所有的单位则均用公制表示。此外，本文提到的所有引文均列明收编自本发明的参考文献。
例1
把根据美国专利4，289，503号制备的富硼多晶立方氮化硼进行碾磨即可，得到比170目（88微米）细的粉末。每一次的再烧结试验均应用5克磨成粉末的样品（根据美国专利4，289，503号所述的清洗步骤清洗）然后将其放在图2所示构形的反应室内。对于所有实施例中的立方氮化硼物质，均采用此清洗步骤。烧结条件包括约67千巴的压力，约2000℃的温度，时间为8分钟。从反应室回收烧结块，用热的10%硝酸/90%硫酸清洗，以除去粘结着的石墨，并碾磨粒度小于60目（250微米）。碾磨后，将粒度为60/80目（88～250微米）部分在一超声水池中进行清洗，用丙酮冲洗、风干并用60%（重量）磷酸镍的涂层涂覆，供干磨M-4淬火工具钢的磨轮磨削试验使用。
制备含75%（重量）（体积百分比为38.6）的再烧结立方氮化硼研磨料的酚醛树脂粘合的磨轮。磨轮为标准11V9的试验轮，9，525厘米×3.81厘米×3.175厘米（3.75英寸×1.5英寸×1.25英寸），研磨圈宽为0.3175厘米（0.125英寸）。将磨轮架在磨床上，用一修整制动器和碳化硅轮子进行修整，直到磨轮的除去量为0.2～0.3毫米（0.008～0.012英寸）止。然后用220粒度G级硬度的氧化铝棒对轮进行修整。收集到的数据包括磨耗的轮子的体积，除去的材料的体积，功率和表面光洁度。按常规的方法计算每一试验条件下的磨削比。在下列条件下进行干磨试验。
轮速 20米/秒（4000英尺/分钟）
工作台工作进程速度 2.44米/（8英尺/分钟）
材料 M-2，Rc 60～62
6.4毫米（0.250英寸）×203毫米
（8英寸）8片
横向进磨 0.050毫米（0.002英寸）
材料除去率 0.79厘米3/分钟（0.048英寸3/分钟）
除了对本发明的新颖再烧结的立方氮化硼的研磨料进行试验外，还对按美国专利4，289，503号所制备的富硼立方氮化硼粉料和普通的工业上使用的立方氮化硼研磨粒进行比较试验。记录了下列数据：
表1
试验编号 立方氮化硼类型 试验轮子编号 磨削比（1）磨削能（2）
26052 新颖再烧结的 3 127 14.6
26053 新颖再烧结的 4 112 18.3
26050 美国专利4，289，503号中的 4 120 13.2
26051 美国专利4，289，503号中的 5 101 15.9
26054 普通的 5 78 14.4
26055 普通的 4 80 14.3
（1）磨削比＝ (所除去的材料的体积)/(磨耗的轮子的体积)
（2）磨削能＝瓦特-小时/除去材料的厘米3
根据上面表格内的数据，以普通立方氮化硼磨轮1.0的磨削比为基准，计算出下列相对磨削比。
表2
立方氮化硼类型 相对磨削比
普通的 1.00
美国专利4，289，503中的 1.39
新颖再烧结的 1.51
因此，可以看到本发明的新颖再烧结的立方氮化硼研磨料意想不到地，而又十分令人信服地提供了比制造本发明再烧结立方氮化硼的富硼立方氮化硼（美国专利第4，289，503号）和普通的工业用立方氮化硼粉末更为改进的研磨性能。因此，本发明的新颖再烧结的立方氮化硼粉末比到目前为止所能得到的立方氮化硼研磨料更具有实现改进的磨削比的能力。
例2
在各种不同的压力和温度条件下，对比270目（53微米）富硼多晶立方氮化硼细的聚集材料，进行一系列的高压/高温烧结试验。把根据美国专利4，289，503上号制备的富硼多晶立方氮化硼聚集块反复进行破碎即可得到立方氮化硼材料。样品包括颗粒由270目（53微米）至粉尘的颗粒。
每一次试验均用7克的立方氮化硼粉料，在图1所示构形的高压室中进行。首先，将石墨和热压的氮化硼圆盘型的塞塞入钛管的一端，随后再将粉料装入反应室。然后将样品粉料倒入管中，用石墨和热压氮化硼塞盖上。组装以后，将反应室放入高压皮带装置，将压力增加到表3所示的水平。在达到预定的压力后，按常规的方法，使电流通过反应室，对每一份样品进行加热。加热后，在降低压力前，令样品在压力下冷却一分钟。
每一次的总加热时间为7分钟。对此系列的试验，没有进行直接的压力和温度的校正，因此下述的压力和温度均为估算值。
表3
试验编号 压力（千巴） 温度（℃）
1 72 2050
2 72 2000
3 72 1925
4 69 2000
5 68 2000
6 67 2000
7 62 1800
8 62 1700
9 62 1200
在试验1～8中，回收的样品主要呈大型的黑色烧结块形态，其尺寸约达0.6厘米（0.25英寸）厚、直径约1.3厘米（约0.5英寸）的圆片。试验1至8中每一批回收的再烧结样品都很容易在普通的立方氮化硼多晶压块上刻痕。但是从试验9回收的圆片颜色明显地比较浅，而且不能在多晶立方氮化硼压块上刻痕。一般认为，试验9中所采用的温度过低，不能达到许多工业用途所需的再烧结的水平。
例3
在这些试验中，将1克用于例2的相同的富硼立方氮化硼粉末样品压入图3构形的反应室中。总加热时间为7分钟，估算的压力和温度如下所述。
表4
试验编号 压力（千巴） 温度（℃）
10 58 2000
11 58 1775
12 58 1600
13 58 1450
14 58 1275
在上面所有的试验中，均可得到大型单一，称之为压块的块状物。从试验10至12所得到的压块可在普通的多晶立方氮化硼压块上刻痕;而从试验13和14回收的压块则不能。用再烧结压块相对于普通多晶立方氮化硼压块的刻痕能力作为理想的烧结标准指标，则上表中的结果表明，在总压力低到至少58千巴和估算温度为1600℃和1600℃以上（在立方氮化硼再转化温度以下）时，可得到烧结良好的块状物。
例4
将7克与用于上述实施例中相同的富硼立方氮化硼粉末装入一个具有图2所示构形的反应室中，在约67千巴和1800℃下，将上述粉粒压制10分钟。即可得到长0.6英寸（1.524厘米）、直径为0.52～0.54英寸（1.32～1.37厘米）的经过烧结的单一圆柱形块状物。用钢锤连续打击亦不能将此样品打碎。
例5
在约59千巴至45千巴的压制工艺条件下，在约1500℃至1900℃时，用5分钟的时间在多层样品反应室中制备另外的多晶立方氮化硼压块。除了用单一的石墨塞代替两片的石墨塞（18）/热压氮化硼端塞（20）外，这些用于附加试验的反应室的构形类似于图2反应室的构形。此外，将石墨片（0.381毫米或0.15英寸）置于样品与样品之间和样品与石墨端塞之间。反应室装有两份或三份重量各为2克的由定向石墨片分开的样品。用来再烧结成压块形态的富硼多晶立立氮化硼材料样品是小于270目（小于53微米）的尾料，此种尾料是碾磨根据美国专利4，289，503号制备的富硼多晶立方氮化硼压块所得到的。在将样品材料置于反应室之前先用酸（HNO3/HF）清洗以除去金属和碎石杂质。
有些置于反应室中的样品材料混有10%（重量）的AlB12粉末和25%（重量）的真空烧制的六方晶系氮化硼粉末。将制成的若干压块的表面磨平和圆周磨至1.27厘米（0.5英寸）直径的圆片，供耐磨试验使用。由于再烧结此种混合样品材料的条件（压力和温度）与无附加材料再烧结条件大致相同，所以这些压块可选用来评价AlB12附加材料的作用。耐磨试验包括在规定的时间内车削一种含硅硬橡胶的工作。压块对磨损的相对性能可用每一单个压块所经受的磨损量来确定。根据测得的压块磨损量，即可按照下面的关系式，计算出耐磨系数：
耐磨系数＝t/100×W
式中：
t＝试验时间（分钟）
w＝压块或工具磨损（英寸）
可得到下列结果：
表5
样品编号 压块磨损 耐磨系数 附加材料 压力（千巴） 温度（℃）
工业用立方 13 12.3 - - -
氮化硼压块
4 14 11.4 10%的AlB1256 1700
2 11 14.5 10%的AlB1260 1700
3B 10 16.0 无 60 1700
3A 9 17.7 无 60 1700
上表的结果表明，可以观察到再烧结的压块（样品3A号和3B号）与工业上使用的碳化钨支撑的立方氮化硼压块相比具有更加优越的耐磨性能。还可以观察到含附加材料AlB12的样品＃2的优越的耐磨性能。
在车削淬火钢工件（D2型钢）时，采用了另外的压块样品。此试验采用了0.95厘米（0.375英寸）的方形压块刀片。用每件样品（压制刀片）车削或切削淬火钢工件，直到测出压块的磨损量达0.381毫米（0.015英寸）为止。将到达预定的磨损距离所需的时间记录如下。
表6
样品编号 工具寿命（分钟） 附加材料 压力（千巴） 温度（℃）
工业用立方
氮化硼压块 10.4 - - -
4 11.2 10%AlB1256 1700
2 12.9 10%AlB1260 1700
3A 18.9 无 60 1700
10 20.7 无 54 1700
这些结果表明，在磨削淬火钢工件时，再烧结的富硼多晶立方氮化硼压块亦具有改进的性能。此外，当用于压制本发明压块的样品粉末中加入AlB12附加材料后，也可观察到压块具有改进的性能。
例6
在如图4所示构形的反应室中（有些带有任选的钽箔外罩30，有些则不带任选的钛箔外罩30），制造若干再烧结富硼多晶立方氮化硼压块。每份的样品量为3克和分别用2.8克的二倍或2.0克的三倍的样品装载量在所示各种压制条件下（在指定的压力和温度下约5分钟）使用。
将制成的压块磨平至外径为0.88厘米（0.347英寸），供耐磨试验使用。按例5所述的公式计算耐磨系数而记录了下列结果。温度是估算值，但还是比较精确的。
表7
压制工艺条件
样品编号 压力（千巴） 温度（℃） 压块磨损 耐磨系数
工业用立方
氮化硼压块 - - 13.0 12.3
5 45 1500 9.5 16.8
6 45 1500 9.5 16.8
1 60 1800 9.0 17.7
2（端部压块） 60 1800 9.0 17.7
2（中心压块） 60 1800 9.0 17.7
3 52 1500 9.0 17.7
4 49 1700 8.5 18.7
上面表中的结果再次表明，应用本发明的新颖再烧结富硼多晶立方氮化硼压块可获得改进的耐磨性能。此种改进的耐磨性能可在上述宽压制范围内观察到。
例7
对样品进行一系列的高压烧结试验。在这些试验中，将烧结碳化钨圆片放在高压室中的富硼多晶立方氮化硼粉末的旁边。所确定的再烧结工艺条件包括约50～60千巴的压力以及约1500℃的温度。得到了若干，用烧结氮化硼薄层原位与碳化钨片粘结的完整样品。将其中的一个样品磨平并磨至外径为0.347英寸，供耐磨试验使用。制备所用的富硼多晶立方氮化硼粉末与例5中所使用的相同。按例5所述对样品进行耐磨试验，测出耐磨系数为150;例5和例6中所试验的工业用碳化钨支撑的立方氮化硼压块的耐磨系数为12.3。