特許 7526722 高度にエッチングされた粒子表面及び高い靭性指数を有する立方晶窒化ホウ素粒子集団

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-24

(45)【発行日】2024-08-01

(54)【発明の名称】高度にエッチングされた粒子表面及び高い靭性指数を有する立方晶窒化ホウ素粒子集団

(51)【国際特許分類】

   C01B 21/064 20060101AFI20240725BHJP

   B23B 27/14 20060101ALI20240725BHJP

   B23B 27/20 20060101ALI20240725BHJP

   B24D 3/00 20060101ALI20240725BHJP

   B24D 3/06 20060101ALI20240725BHJP

   C09K 3/14 20060101ALI20240725BHJP

【ＦＩ】

C01B21/064 M

B23B27/14 A

B23B27/20

B24D3/00 320B

B24D3/00 340

B24D3/06 A

C09K3/14 550D

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2021514589

(86)(22)【出願日】2019-09-12

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-11

(86)【国際出願番号】 US2019050844

(87)【国際公開番号】W WO2020060841

(87)【国際公開日】2020-03-26

【審査請求日】2022-08-12

(31)【優先権主張番号】62/732,392

(32)【優先日】2018-09-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】516053969

【氏名又は名称】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

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】ダリス， アダモス

(72)【発明者】

【氏名】ティモシー， ドゥム

(72)【発明者】

【氏名】チャン， カイ

【審査官】磯部 香

(56)【参考文献】

【文献】韓国登録特許第１０－１８１２７３８（ＫＲ，Ｂ１）

【文献】中国特許出願公開第１０６９０５９２２（ＣＮ，Ａ）

【文献】特表２０１２－５０２８１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５３６８９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５２４３５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５２１２７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０００２５１５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０１Ｂ ２１／０６４

Ｂ２３Ｂ ２７／１４

Ｂ２３Ｂ ２７／２０

Ｂ２４Ｄ ３／００

Ｂ２４Ｄ ３／０６

Ｃ０９Ｋ ３／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１３００℃以上の温度及び３ギガパスカル以上の圧力においてエッチングされる２０重量パーセントから９０重量パーセントの反応性ジルコニウム粉末及び１０重量パーセントから８０重量パーセントの複数の単結晶立方晶窒化ホウ素粒子を含む圧縮ブレンド混合物を含む、複数のエッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子であって、１以上のエッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子のそれぞれが、複数のピット及び複数の溝を有し、複数のピットのそれぞれが、５００ナノメートルから１．５ミクロンの幅を有し、複数の溝のそれぞれが、５ミクロンから３０ミクロンの長さ、及び１００ナノメートルから１ミクロンの深さを有し、複数のエッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子が、均一なサブミクロン表面パターンを有する積極的にエッチングされた表面を有し、エッチングされた単結晶粒子が、六方晶窒化ホウ素を含有しない、複数のエッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子。

【請求項2】

エッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子の粒子サイズが、１０ミクロンから１０００ミクロンである、請求項１に記載のエッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子。

【請求項3】

ピット及び溝で覆われている粒子表面が、２０％から６０％である、請求項１に記載のエッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子。

【請求項4】

エッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子がガラスの層でコーティングされている、請求項１に記載のエッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子。

【請求項5】

ガラスの層の重量パーセントが、エッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子の重量の１０％未満である、請求項４に記載のエッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子。

【請求項6】

エッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子が酸化物で覆われている、請求項１に記載のエッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子。

【請求項7】

エッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子が金属で覆われている、請求項１に記載のエッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子。

【請求項8】

金属がニッケルである、請求項７に記載のエッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子。

【請求項9】

金属がチタンである、請求項７に記載のエッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子。

【請求項10】

エッチングされた単結晶粒子集団を生成するための方法であって、
２０重量パーセントから９０重量パーセントの反応性ジルコニウム粉末を１０重量パーセントから８０重量パーセントの複数の単結晶立方晶窒化ホウ素粒子とブレンドして、ブレンド混合物を形成すること；
ブレンド混合物を圧縮して、圧縮混合物を形成すること；
圧縮混合物を１３００℃以上の温度及び３ギガパスカル以上の圧力に供することであって、単結晶立方晶窒化ホウ素粒子と反応性ジルコニウム粉末の反応による複数の単結晶立方晶窒化ホウ素粒子のエッチングと、それによる複数のエッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子の形成を引き起こし、温度及び圧力が、窒化ホウ素を立方晶窒化ホウ素相のままにさせるよう制御される、圧縮混合物を１３００℃以上の温度及び３ギガパスカル以上の圧力に供すること；及び
複数のエッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子を圧縮混合物から回収して、エッチングされた単結晶粒子集団を形成すること、
を含み、
複数のエッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子が、均一なサブミクロン表面パターンを有する積極的にエッチングされた表面を有し、エッチングされた単結晶粒子集団が、六方晶窒化ホウ素を含有しない、方法。

【請求項11】

エッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子の粒子サイズが、１０ミクロンから１０００ミクロンである、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

複数のエッチングされた単結晶立方晶窒化ホウ素粒子のそれぞれが複数のピット及び複数の溝を含み、複数のピットのそれぞれが、５００ナノメートルから１．５ミクロンの幅を有し、複数の溝のそれぞれが、５ミクロンから３０ミクロンの長さ、及び１００ナノメートルから１ミクロンの深さを有する、請求項１０に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

本発明は、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）粒子、より具体的には、強度にエッチングされた表面及び高い靭性指数（ＴＩ）を同時に有するＣＢＮ粒子集団に関する。

【0002】

多くのＣＢＮの用途では、強度にエッチングされた（すなわち、粗い）粒子表面を有することが望ましい。そのようなエッチングされた表面は、結合システムにおいてより良好な粒子保持を提供することができ、且つ／又は使用中に自己先鋭化する粒子をもたらすことができる。エッチングされたＣＢＮ粒子集団が存在するが、それらは典型的には低いＴＩを有する。この低いＴＩにより、それらは特定の用途でパフォーマンスが低下する。したがって、低いＴＩに悩まされないエッチングされたＣＢＮ粒子集団を提供することが望ましい。

【発明の概要】

【0003】

本発明は、強度にエッチングされた表面及び高いＴＩを同時に有するＣＢＮ粒子集団を提供する上記の目標を達成する。表面は、約１ミクロン及びサブミクロンサイズのピットによって特徴づけられており、この表面の特徴は、ほぼすべてのＣＢＮ粒子ファセットに一貫して存在する。しかしながら、ＣＢＮ粒子集団のＴＩは、同じ化学組成、結晶構造及び形状を有する、典型的な滑らかな（すなわち、エッチングされていない、粗くない）ＣＢＮ粒子集団よりも約１０－２０ポイント低いにすぎない。

【0004】

本発明のＣＢＮ粒子集団は、複数のＣＢＮ粒子を形成又は入手することにより生成される。反応性金属粉末は、複数のＣＢＮ粒子とブレンドされて、ブレンド混合物が形成され、そのブレンド混合物は圧縮されて圧縮混合物が形成される。圧縮混合物は、ある温度及びある圧力に供され、温度は、ＣＢＮと反応性金属粉末の反応による複数のＣＢＮ粒子のエッチングと、それによる複数のエッチングされたＣＢＮ粒子の形成を引き起こすよう制御される。また、温度及び圧力は、窒化ホウ素を立方相のままにさせるよう制御される。その後、複数のエッチングされたＣＢＮ粒子は圧縮混合物から回収されて粒子集団が形成される。好ましくは、粒子集団は六方晶窒化ホウ素（ＨＢＮ）を含まない。

【0005】

本発明の追加の目的、特徴及び利点は、同様の参照番号がいくつかの図の共通部分を指す図面と併せて解釈される場合、その好ましい実施態様の以下の発明を実施するための形態からより容易に明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】本発明によるＣＢＮ粒子集団を生成するためのプロセスを示すフロー図である。

【図2】エッチング前の複数のＣＢＮ粒子を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による画像である。

【図3】本発明のエッチングプロセスが施された後の、図２のＣＢＮ粒子の一つを示すＳＥＭによる画像である。

【図4】本発明のエッチングプロセスが施された後の、ＣＢＮ粒子を示すＳＥＭによる別の画像である。

【図5】図４の画像のピット及び溝に覆われたパーセンテージ領域の控えめな閾値分析である。

【図6】図４の画像のピット及び溝に覆われたパーセンテージ領域の中程度の閾値分析である。

【図7】図４の画像のピット及び溝に覆われたパーセンテージ領域の積極的な閾値分析である。

【図8】図４の画像のピット及び溝のサイズ分析である。

【図9】第１の実験的エッチングプロセス前の複数のＣＢＮ粒子を示すＳＥＭによる画像である。

【図10】第１の実験的エッチングプロセス後の複数のＣＢＮ粒子を示すＳＥＭによる画像である。

【図11】第２の実験的エッチングプロセス後の複数のＣＢＮ粒子を示すＳＥＭによる画像である。

【図12】第３の実験的エッチングプロセス前の複数のＣＢＮ粒子を示すＳＥＭによる画像である。

【図13】第３の実験的エッチングプロセス後の複数のＣＢＮ粒子を示すＳＥＭによる画像である。

【図14】いくつかの異なるＣＢＮ粒子集団の表面粗さ対ＴＩのグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

本発明の詳細な実施態様が本明細書に開示される。しかしながら、開示される実施態様は、さまざま且つ代替的な形態で具体化され得る本発明の単なる例示であることを理解されたい。図は必ずしも縮尺どおりではなく、特定の構成要素の詳細を示すために、いくつかの特徴が誇張又は最小化されている場合がある。したがって、本明細書に開示される特定の構造的及び機能的詳細は、限定的であると解釈されるべきではなく、単に本発明を使用することを当業者に教示するための代表的な基礎として解釈されるべきである。

【0008】

さらに、本明細書で使用される場合、用語「約」は、それが使用されている数値のプラスマイナス１０％を意味する。したがって、約５０％は４５－５５％の範囲を意味する。用語「粒子」とは、離散体を指す。粒子は、結晶又は粒とも考えられる。

【0009】

本発明における使用のためのＣＢＮ粒子は、立方構造を形成するのに十分な期間、高圧及び高温の下、アルカリ金属窒化物及びアルカリ土類金属窒化物などの触媒系を使用してＨＢＮから生成することができる。反応生成物は、ＣＢＮ結晶の形成に熱力学的に有利に働く圧力及び温度条件下で維持される。その後、ＣＢＮは、回収方法を使用して、水、酸性溶液又は苛性化学物質の組み合わせを使用して反応生成物から回収される。ＣＢＮを生成する他の方法が知られていること、例えば、ＣＢＮは温度勾配法又は衝撃波法を介しても調製することができることに、留意されたい。

【0010】

ＨＢＮと触媒の両方を提供する出発成分の任意の組み合わせを使用することができる。出発反応混合物の実施態様は、ホウ素供給源、窒素供給源、及び触媒金属供給源を含有し得る。ホウ素供給源は、元素状ホウ素、ＨＢＮ、又は、反応条件下で元素状ホウ素に分解し得るホウ素水素化物の一つなどの材料であり得る。窒素供給源は、ＨＢＮか、反応条件下で窒素供給源を提供し得る触媒金属の窒素含有化合物のいずれかであり得る。触媒金属は、元素状金属として、又は反応条件下で触媒金属に若しくは触媒金属窒化物に分解し得る触媒化合物として、用いることができる。

【0011】

このプロセスは、一つの触媒材料のみを含むＣＢＮへのＨＢＮの触媒変換に限定されない。よって、二つ以上の触媒材料の混合物を用いることができる。それらの混合物は、一又は複数の触媒金属、一又は複数の触媒窒化物、又は金属と窒化物の一又は複数の組み合わせを含み得る。混合物は、窒化ケイ素又は窒化アルミニウムなどの反応抑制触媒、及びアルカリ金属窒化物及びアルカリ土類金属窒化物などの反応促進触媒を含み得る。さらに、合金も本発明の実行に用いられ得る。これらの合金は、複数の触媒金属の合金、並びに触媒金属と非触媒金属の合金を含む。他の原料の組み合わせも可能である。

【0012】

このプロセスは、超砥粒を製造するのに使用される圧力及び温度を生成することができる任意の種類の装置で行うことができる。使用され得る装置は、米国特許第２，９４１，２４１号及び同第２，９４１，２４８号に記載されており、これらは参照により本明細書に援用される。他の装置の例には、ベルトプレス、立方体プレス、及び分割球プレスが含まれる。装置は、制御可能な温度及び圧力が所望の期間提供及び維持される反応空間を含む。前述の特許に開示されている装置は、油圧プレスのプラテン間に挿入するための高圧デバイスである。高圧デバイスは、実質的に円筒形の反応領域を画定する環状部材と、環状部材のいずれかの側から実質的に円筒形の反応領域に適合するように設計された２つの円錐形のピストン型部材又はパンチとを含む。環状部材に適合する反応容器は、二つのピストン部材によって圧縮されて、ＣＢＮ粒子の製造において所望される圧力に到達し得る。所望の温度は、誘導加熱、直接的若しくは間接的な抵抗加熱、又は他の方法などの適切な手段によって得られる。

【0013】

本発明では、上で検討したプロセスにより形成された後、ＣＢＮ粒子はエッチングされて粗面が得られる。プロセスは、チタン、マグネシウム、ジルコニウム、アルミニウム又はリチウムなどの窒化物形成金属をＣＢＮとの反応性金属として使用する。例えば、高温では、ＣＢＮはジルコニウムと反応して、窒化ジルコニウム及びホウ化ジルコニウムを形成する。この反応は、ＣＢＮの表面上にピット及び溝を作成する。反応が生じた後、窒化ジルコニウム及びホウ化ジルコニウムは除去することができ、多くの複雑なポケット又はエッチピットが確立されている著しく粗いＣＢＮ表面が明らかになる。このテクスチャは、典型的なＣＢＮ粒子上に存在するよりもはるかに鋭い刃先を粒子上に提供する。結果として、工具の性能は、本発明のＣＢＮ粒子を用いる応用において改善する。これらの応用は、ＣＢＮ粒子が樹脂、金属、又はビトリファイド結合システム内に組み込まれる精密研削を含む。本発明のＣＢＮ粒子はまた、特に、結合材料が、樹脂、金属、又はガラスフィットを含む場合、ホーニング及び超仕上げにおける性能を改善する。さらに、本発明のＣＢＮ粒子は、粒子が工具に電気めっき若しくは電鋳される場合、又は粒子がコーティング内に共堆積されるときに、工具の性能を改善する。

【0014】

本発明のプロセスは、単結晶及び多結晶ＣＢＮを含む異なる形態のＣＢＮを用いて使用することができるが、好ましくは、単結晶ＣＢＮを用いて使用することができる。本発明は、直径数百ミクロンからミクロンサイズの粉末までの広範囲のＣＢＮサイズに適用される。例示的な一実施態様では、約１００ミクロン未満のサイズのＣＢＮ粒子が使用される。しかしながら、約１００ミクロン超のサイズのＣＢＮ粒子も使用することができる。例示的な一実施態様では、ＣＢＮ粒子のサイズは、約１０ミクロンから約１０００ミクロンの範囲である。

【0015】

通常、図１に示すように、本発明によるＣＢＮ粒子集団を生成するための方法は、工程１００で、複数のＣＢＮ粒子を形成又は入手すること；工程１０５で、リチウム、ベリリウム、カルシウム、ストロンチウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タングステン、ハフニウム、クロム、コバルト、ニッケル、バナジウム、タンタル、ニオブ、及び鉄などの材料でできた反応性金属粉末をＣＢＮ粒子とブレンドすること；工程１１０で、ブレンド混合物を圧縮すること；工程１１５で、圧縮混合物を高圧及び高温に供すること；及び工程１２０でエッチングされたＣＢＮ粒子を回収すること、を含む。ＣＢＮ粒子は、好ましくは、単結晶ＣＢＮ粒子である。反応性金属粉末は、例えば、ジルコニウムであり得る。反応性金属粉末対ＣＢＮ粒子の比は、例えば、１：１０から１０：１であり得る。ＣＢＮ粒子は、このプロセスにより約５％超の平均重量損失を受け得る。工程１１５では、温度は約１３００℃超であり得、圧力は約３ギガパスカル（ＧＰａ）超であり得る。

【0016】

より具体的には、本発明のエッチングされたＣＢＮ粒子を作成するためには、約１０から約８０重量パーセントのＣＢＮ粒子と、約２０から約９０重量パーセントのジルコニウム粒子が、均一混合物を達成する任意の適切な混合方法を使用して混合される。例えば、ジルコニウム及びＣＢＮ粒子の秤量された部分は、ジャーに入れられ、密封され、少なくとも約１時間、あるいは、約３０分から約１時間混合デバイスに挿入され得る。場合によっては、混合前に結合剤が混合物に添加され得る。結合剤は、粒子表面に潤滑性をもたらし、より高密度のパッキング及び金属粉末とＣＢＮとの間のより緊密な接触を可能にする。結合剤はまた、プレスされた本体をグリーン体として一緒に保持するのに役立つ。

【0017】

その後、混合物は、ＣＢＮ粒子とジルコニウム粒子の緊密な混合物を作成するよう圧縮される。ＣＢＮ粒子及びジルコニウム粒子が緊密な混合物を形成し、粒子が互いに非常に近接している限り、ＣＢＮ粒子及びジルコニウム粒子を圧縮する任意の方法が使用され得る。混合物を圧縮するのに使用される一つの方法は、混合物をプレス上の固定ダイセットの中に置くことであり得る。ダイプレスでは、混合物は、約５，０００と約５０，０００ｐｓｉの間、約１０，０００と約４０，０００ｐｓｉの間、又は約１５，０００と約３０，０００ｐｓｉの間の圧力に供されて、ペレットが形成される。変形可能な工具を用いる静水圧プレスも、緊密な接触を実現するために使用され得る。あるいは、混合物は、それを数ミリメートルから数インチの厚さの薄いシートにプレスすることにより、例えば、高圧圧縮ロール又はブリケットロールにより、圧縮することができる。形成されたシートは、その後、さらなる処理のためにより小さな部分に切断され得る。ジルコニウム粒子とＣＢＮ粒子の混合物を圧縮する別の方法には、圧力下で混合物を混合し、押し出すことが含まれる。ＣＢＮ粒子とジルコニウム粒子の混合物をペレタイザを介してペレット化すること又は混合物をタンブル装置でタンブルすることも、混合物を圧縮するのに使用することができる代替的な方法である。ジルコニウム粒子とＣＢＮ粒子の混合物を圧縮するさらなる方法には、射出成形、混合物を容器中にプレスすること、及びテープ成形が含まれる。これらの方法により形成されたペレット、ブリック、ブリケット、又はケーキは、その後、以下に討論されるようにさらに処理され得る。あるいは、個々のＣＢＮ粒子は、ジルコニウム粒子とＣＢＮ粒子が互いに近接している限り、イオン注入、スパッタリング、噴霧乾燥、電解コーティング、無電解コーティング、又はその他の適用可能な方法により金属粒子でコーティングすることができる。

【0018】

ＣＢＮ粒子とジルコニウム粒子の混合物を圧縮した後、ペレット、凝集体、又はその他の凝縮された形態であり得る圧縮混合物は、水素雰囲気、真空雰囲気、又は不活性ガス雰囲気下で炉内に置かれ、約９００℃から約２３００℃の範囲の温度に加熱される。例えば、約１０００℃から約１４００℃、約１１００℃から約１４００℃、又は約１３００℃の温度が使用され得る。圧縮混合物は、約５分間から約５時間までの範囲の期間にわたって加熱され得る。例えば、約３０分間から約２時間まで、又は約１時間から約２時間までの期間が使用され得る。

【0019】

前のエッチングプロセスとは異なり、圧縮混合物は、この加熱の間に高圧にも供される。例えば、圧縮混合物は、約３から約６ＧＰａの範囲の圧力に供され得る。これを行う理由は、窒化ホウ素の熱力学に関係する。ＣＢＮは、通常の大気温度及び圧力条件下では熱力学的に安定ではない。むしろ、ＣＢＮ相で動的に捕捉される。前のエッチングプロセスの間に加熱されるとき、ＣＢＮの少なくともいくつかは、相をＨＢＮ（これは、このような条件下での窒化ホウ素の熱力学的に好ましい相である。）に変えることができ、それによりＣＢＮ粒子集団のＴＩを有意に低下させることができる。特に、そのようなプロセスの結果として生じるＴＩの低下は、典型的には約３０である。本発明では、エッチング中に高圧を使用することにより、ＣＢＮがＨＢＮに相変化するのが防止されるが、これは、ＣＢＮが選択された温度及び圧力条件下で窒化ホウ素の熱力学的に好ましい相であるためである。これは、エッチングプロセスにより生じたＴＩの低下を減少させるが、低下を完全に排除するわけでない。これは、エッチングそれ自体がＣＢＮ粒子集団のＴＩを低下させるためである。特に、本発明のエッチングプロセスにおけるＴＩの低下は約１０－２０にすぎない。結果として、本発明は、高いＴＩを有するエッチングされたＣＢＮ粒子集団を提供することができる。

【0020】

ある例示的な温度及び圧力が提供されたが、以下の二つの目標を満たす任意の温度及び圧力の組み合わせを使用することができる。第１に、温度は、ＣＢＮと窒化物形成金属の反応によるＣＢＮ粒子の所望のエッチングが生じるのに十分高くなければならない。第２に、温度及び圧力は、窒化ホウ素がＣＢＮ相に留まり、ＨＢＮ相に再び入らない（又は第３の相に入らない）ことを確実にするように選択されなければならない。言い換えれば、温度及び圧力は、窒化ホウ素をＣＢＮ相に留まらせるように選択されなければならない。好ましくは、この第２の目標は、エッチングプロセス全体を通して満たされ、ＣＢＮのいずれかがＨＢＮへ変換するのを防止する。

【0021】

エッチングが完了し、ＣＢＮ粒子の反応性金属粒子の圧縮混合物が冷却した後、エッチングされたＣＢＮ粒子は、一般的な酸において圧縮混合物を溶解することにより回収される。使用され得る酸には、塩酸、フッ化水素酸、硝酸及びそれらの特定の組み合わせが含まれる。酸（複数可）は、１００：１から１０００：１の酸対圧縮混合物の比（体積）で添加される。混合物は、その後、例えば約６から約８時間の期間約１００℃から約１２０℃の間に加熱される。次に、溶液は冷却され、遊離したＣＢＮ粒子が沈降し、溶液がデカントされる。これらの回収工程は、実質的にすべての反応性金属、金属窒化物及び金属ホウ化物が分解されるまで繰り返される。

【0022】

選択した炉の条件に応じて、金属とＣＢＮとの間に多かれ少なかれ反応が生じ得る。多くの金属粉末がＣＢＮにエッチングされるほど、多くの窒化物及びホウ化物が形成され、よってＣＢＮによってより多くの重量が失われる。窒化物及びホウ化物を完全に溶解するために、より多量の酸又は追加の溶解処理が使用され得る。ＣＢＮ粒子は、その後、例えば水中で洗浄されて酸及び残留物が除去される。続いて、ＣＢＮ粒子は、オーブン中で乾燥され、空気乾燥され、マイクロ波乾燥、又は当該技術分野で知られる他の乾燥方法に供される。

【0023】

本発明のＣＢＮ粒子は、ラッピング、研削、切削、研磨、ダイシング、焼結研磨剤又は研磨剤成形体、ワイヤソー用ワイヤ、ホーニングを含む多くの用途に有用である。通常、ＣＢＮ粒子の粗面は、工具又は樹脂結合システム内での粒子の保持に役立つ。粗面はまた、より良好な快削能で高い材料除去率を提供し得る。ある例示的な実施態様では、ＣＢＮ粒子は、例えば、研削工具、固定研磨ワイヤ、ホーニング工具、ダイシングブレード、研磨フィルム、化学機械研磨（ＣＭＰ）パッド調節器、研磨コンパウンド、及び複合ＣＢＮ摩耗コーティングなどの工具に組み込まれる。

【0024】

図２及び図３は、ＣＢＮ粒子のＳＥＭ画像である。図２は、エッチング前のいくつかのＣＢＮ粒子を示すが、図３は、本発明のエッチングプロセスが施された後の、これらのＣＢＮ粒子の一つを示す。特に、複数のＣＢＮ粒子２００は図２に見ることができ、ＣＢＮ粒子２００のそれぞれは、複数のファセット２０５を含む。ファセット２０５の表面は滑らかである。しかしながら、エッチング後、そのような表面はピット及び溝を示す。例えば、図３では、エッチングされたＣＢＮ粒子３００は、複数のピット３１０及び複数の溝３１５を有するファセット３０５を含む。本発明では、これらの表面特徴部は、ミクロン及びサブミクロンサイズである。つまり、ピット３１０は典型的には、幅が約５００ｎｍと約１．５ミクロンの間であり、溝３１５は典型的には、幅が約５００ｎｍであり、長さが約５ミクロンと約３０ミクロンの間である。ピットと溝の両方の深さは、約１００ｎｍと１ミクロンの間である。

【0025】

図３と同様に、図４は、本発明のエッチングされたＣＢＮ粒子の表面の高倍率（５，０００×）ＳＥＭ画像である。画像では、暗い領域は明るい領域よりも粒子の奥深くにある。重ねて、表面はピット４００及び溝４０５によって特徴づけられる。分離されたピット４００及び溝４０５は目に見える。図４のエッチングされたＣＢＮ粒子の分析により、粒子の何パーセントがピット４００又は溝４０５で覆われているかについての推定値が提供された。控えめな推定値では、粒子表面の２０％がピット４００又は溝４０５で覆われており、中程度の推定値は４１％、及び積極的な推定値は６０％であった。これは図５～７に視覚的に表されており、それぞれ控えめ、中程度、及び積極的な推定値に対応している。分析により、ピット４００及び溝４０５のサイズ情報も提供された。図８に示すように、ピット４００及び溝４０５はどちらも、幅は約１ミクロンであり、溝４０５の長さは最大約６ミクロンである。予備の断面走査型電子顕微鏡分析は、ピット４００及び溝４０５がどちらも約１ミクロン未満の深さであることを示した。通常、複数のエッチングされた立方晶窒化ホウ素粒子が生成され、立方晶窒化ホウ素粒子のそれぞれは複数のピット及び複数の溝を含み、粒子集団の靭性指数は、同じ化学組成、結晶構造、及び形状を有する、エッチングされておらず、粗くない立方晶窒化ホウ素粒子集団よりも約１０から約２０ポイント低い。

【0026】

実験
本発明を開発する際に、いくつかの異なるＣＢＮ粒子集団が生成された。これらの異なる粒子集団は、本発明により提供される利点を説明するのに役立つ。

【0027】

第１の実験では、積極的にエッチングされた表面及び低いＴＩを有するＣＢＮ粒子集団を生成した。この粒子集団は、優れたぬれ挙動及びエッチングされた表面による研削中の良好な結晶保持を示したが、ＴＩは低すぎると考えられた。図９及び図１０は、それぞれエッチング前及びエッチング後の、第１の実験のＣＢＮ粒子集団を示す。

【0028】

第２の実験では、積極的にエッチングされた表面及び中程度のＴＩを有するＣＢＮ粒子集団を生成した。重ねて、この粒子集団は、優れたぬれ挙動及びエッチングされた表面による研削中の良好な結晶保持を示した。しかしながら、ＴＩは依然として低すぎると考えられた。図１１は、エッチング後の第２の実験のＣＢＮ粒子集団を示す。

【0029】

第３の実験では、穏やかにエッチングされた表面及び比較的高いＴＩを有するＣＢＮ粒子集団を生成した。この粒子集団は、妥当なぬれ挙動、研削中の結晶保持、及びＴＩを示した。図１２及び図１３は、それぞれエッチング前及びエッチング後の、第３の実験のＣＢＮ粒子集団を示す。

【0030】

初めの３つの実験のそれぞれでは、エッチングは大気圧下で行われた。第４の実験では、エッチングは本発明に従って高圧で行われた。生成されたＣＢＮ粒子集団は、均一なサブミクロン表面パターン及び高いＴＩを有する積極的にエッチングされた表面を有した。

【0031】

これらの実験の結果を図１４にプロットし、実験１－４をそれぞれＥＸＰ１－４とラベル付けした。さらに、ＣＢＮ－４００及びＣＢＮ－５００とラベル付けした二つのエッチングされていないＣＢＮ粒子集団をプロットする。図１４から分かるように、表面粗さ及びＴＩは典型的には反比例する。一つの異常値は本発明のＣＢＮ粒子集団であり、これは、粗面と高いＴＩとの両方を示す。

【0032】

上記に基づいて、本発明が、高いＴＩと強度にエッチングされた表面とを同時に有するＣＢＮ粒子集団を提供することは、容易にわかるべきである。本発明のある好ましい実施態様が示されているが、本発明の精神から逸脱することなく、さまざまな変更又は修正を行うことができることを理解されたい。例えば、酸化物又はニッケル若しくはチタンなどの金属は粒子を覆うことができ、あるいは、粒子はガラスの重量パーセントが好ましくは粒子の重量の１０％未満であるガラスの層でコーティングすることができる。概して、本発明は、以下の特許請求の範囲により限定されることのみが意図される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】