CN103803985A - 纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶的制备技术。采用六方氮化硼与金刚石混合粉末或立方氮化硼与金刚石混合粉末为原材料，原材料中金刚石所占质量分数为10%—90%。经净化除杂后，不添加任何粘结剂，装配烧结单元，直接经高温超高压烧结制备纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶。这种纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶，物相分布均匀，立方氮化硼晶粒为纳米尺寸，金刚石晶粒均匀分布在纳米立方氮化硼晶粒中，大面积形成结合紧密、高强度的纳米立方氮化硼—金刚石界面。这使得本发明的高性能纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶的硬度与金刚石单晶硬度相当，热稳定性，硬度，及耐磨性也明显优于含金属粘结剂的金刚石聚晶。

Description

纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶的制备方法

本发明涉及一种以六方氮化硼与金刚石混合粉末或立方氮化硼与金刚石混合粉末为原材料，通过净化处理，在高温超高压条件下制备高性能纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶超硬材料的方法，属于无机非金属材料领域。

技术背景

金刚石与立方氮化硼是目前工业中应用最广泛的两种超硬材料。金刚石是自然界中已知最硬的物质，具有极高的耐磨性、抗压强度、散热速率，金刚石单晶价格昂贵且具有解离面，工业中很多领域使用性价比更高的聚晶金刚石材料来代替金刚石单晶。聚晶金刚石被广泛应用于非铁金属和不含铁合金的切削加工，石油天然气及矿业勘采，木质地板加工等领域。立方氮化硼的硬度约为金刚石的一半，是仅次于金刚石的第二硬材料，但是立方氮化硼拥有比金刚石更高的热稳定性且不易和铁元素发生化学反应，因而可以用来加工铁金属或含铁合金，立方氮化硼单晶价格昂贵且具有解离面，工业中很多领域使用性价比更高的聚晶立方氮化硼材料来代替立方氮化硼单晶。聚晶立方氮化硼由于具有较高的红硬性，较高的耐磨性以及高的热稳定性而被广泛应用于铁金属和含铁合金的切削加工。

立方氮化硼—金刚石聚晶材料兼顾了聚晶金刚石与聚晶立方氮化硼的优点，统传的立方氮化硼—金刚石聚晶烧结体是在人造立方氮化硼和金刚石微粉中加入（或不加入直接烧结）Co、Ni、TiC、TiN 等金属粉末均匀混合后，在高压高温下烧结而成的一种超硬复合材料，它在宏观上表现出各向同性和较高的硬度及韧性，在某些方面的应用性能优于聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼。但是，传统人造立方氮化硼—金刚石聚晶材料由于粒度较大，很难达到用于超精细切削刀具刃口的平整度和锋利度。另外，传统人造立方氮化硼—金刚石聚晶材料大多含有粘结剂，如：Co、Ni等，严重影响立方氮化硼—金刚石聚晶材料的硬度、耐磨性、热稳定性。

利用六方氮化硼与金刚石混合粉末或立方氮化硼与金刚石混合粉末为原材料，在高温超高压下制备高性能纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶的报到还未出现。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述传统人造聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼、立方氮化硼—金刚石聚晶材料制备技术中的不足，公开了一种以六方氮化硼与金刚石混合粉末或立方氮化硼与金刚石混合粉末为原材料，原材料中金刚石所占质量分数为10%—90%。通过对原材料净化处理，在高温超高压下制备高性能纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶材料的方法。

本发明所述制备的纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶材料的方法按照如下步骤进行：

一、除杂，得到高纯度六方氮化硼与金刚石混合粉末或立方氮化硼与金刚石混合粉末初始材料。若原料本身很纯，可以不再进行此步骤。除杂的工艺流程为：连续酸溶、粉液分离洗涤、加热烘干三道工序。其中酸的种类，浓度和与原料的比值可根据具体情况适当变动。

a.     连续酸溶:（1）将原料置于聚四氟乙烯容器中，加入浓度为20%-40%的氢氟酸，氢氟酸与原料微粉的加入量比值为1-2毫升/克拉 （ml/ct），酸溶时可适当水浴加热（20-100℃）并用搅拌装置连续搅拌，处理时间为72小时。处理完毕后，待微粉沉降完毕，倒去液体，并用去离子水重复稀释至接近中性。（2）将氢氟酸处理后的原料微粉置于玻璃烧杯中，加入浓度为20%-38%的盐酸，或加入浓度为30%-50%的硝酸，酸与原料微粉的加入量比值为1-2毫升/克拉 （ml/ct），酸溶时可适当水浴加热（20-100℃）并用搅拌装置连续搅拌，处理时间为72小时。处理完毕后，待微粉沉降完毕，倒去液体，并用去离子水重复稀释至接近中性。

b.     粉液分离洗涤：连续酸溶除杂并稀释至中性以后，在烧杯中沉降原料微粉，沉降完毕后倒去液体，留下原料微粉。

c.     加热烘干：将烧杯中的留下的原料微粉放入加热炉进行烘干处理，处理温度为70℃，直至烘干。

二、真空高温处理：将酸溶除杂后的原料微粉用刚玉坩埚陈放，并用盖子盖住，放入真空炉处理腔。处理时保证真空度优于4x10^-3Pa，温度为500-1000℃，处理时间为1-3小时。

三、装配烧结单元：打磨和抛光包裹材料钽箔表面，进行去油、超声波清洗、红外烘干。将处理净化后的原料微粉放入包裹中，预压成型后，放入高压合成装置的样品腔。

四、高温高压烧结：烧结压力为8-20GPa,保压的同时进行加温，烧结温度为1000-2700℃，保温10-30分钟。保温完毕后缓慢降温至300-500℃，开始降压。降压过程中保持温度为300-500℃。

五、后续加工：将样品放入30%氢氟酸20ml与40%硝酸20ml混合酸中去除包裹材料钽，采用金刚石磨片打磨样品至光亮。

 

本发明的优点在于：

    本发明的纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶材料，采用六方氮化硼与金刚石混合粉末或立方氮化硼与金刚石混合粉末为原料，利用高温超高压条件，使原材料中的六方氮化硼相变为纳米结构的立方氮化硼或原材料中的立方氮化硼经高压破碎为纳米晶粒，质量分数为10%—90%的金刚石晶粒作为硬度增强相均匀分布在纳米立方氮化硼晶粒中，大面积形成结合紧密、高强度的纳米立方氮化硼—金刚石界面，最终烧结成纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶。这种高性能聚晶金刚石材料不添加金属粘结剂，而是利用高温超高压条件，使材料物相只含金刚石与立方氮化硼，且通过压力和温度的控制，使原材料中六方氮化硼相变为纳米结构的立方氮化硼或立方氮化硼经高压破碎成的纳米晶粒不再长大。

       本发明所述的高性能纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶的硬度与天然的金刚石单晶硬度相当，热稳定性及切削性能也明显优于含粘结剂的传统人造金刚石聚晶。这种材料不仅可作为普通切削刀具材料，也可作为超高精度切削刀具材料。

本发明是利用国产铰链式六面顶压机产生的高温超高压条件下制备的高性能纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶。铰链式六面顶压机是目前生产金刚石微粉，烧结传统人造金刚石聚晶的主要设备。本发明可以在现有设备的基础上，大规模制备高性能纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶材料。

    下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

附图1本发明工艺流程图：

附图2烧结单元装配图：

附图中各标号标识的对象为：

1 叶腊石，2  白云石， 3 热电偶，4 石墨，5 钢碗，6 钛片，7 样品，8，陶瓷管 9，钽杯

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只对于本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例1：

选用平均粒径为0-2μm的金刚石与平均粒度为0-2μm的六方氮化硼混合粉末，其中金刚石的质量分数为85%，按照图1所示的工艺流程图制备出高性能纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶材料。金刚石与六方氮化硼混合粉末先放入浓度为20%-40%的氢氟酸中处理。氢氟酸与混合微粉的加入量比值为2毫升/克拉 （ml/ct），水浴加热70℃，并连续搅拌，处理72小时。处理完毕后，待微粉沉降完毕，倒去液体，并用去离子水重复稀释至接近中性。将氢氟酸处理后的混合微粉置于浓度为20%-38%的盐酸中，酸与混合微粉的加入量比值为2毫升/克拉 （ml/ct），水浴加热70℃并连续搅拌，处理时间为72小时。处理完毕后，待微粉沉降完毕，倒去液体，并用去离子水重复稀释至接近中性。以上酸溶除杂过程反复进行3-5次后，在烧杯中沉降混合微粉，沉降完毕后倒去液体，留下混合微粉。将留下的混合微粉放入加热炉进行烘干处理，处理温度为70℃，直至烘干。再进行真空高温处理，将除杂后的混合微粉用刚玉坩埚陈放，并用盖子盖住，放入真空炉处理腔。处理真空度为4x10^-3Pa，温度为800℃，处理1小时，去除金刚石表面吸附的氧、氮、水蒸气等杂质。

按照烧结单元装配图组装烧结单元，如图2所示。先打磨和抛光包裹材料（9）钽箔表面，进行去油、超声波清洗、红外烘干处理。将净化处理后的金刚石与六方氮化硼混合微粉放入包裹中，预压成型，并按照装配图组装烧结单元组。高温高压烧结时，烧结压力为1GPa,烧结温度为1800℃,烧结时间为10分钟。降温降压后，将样品放入30%氢氟酸20ml与40%硝酸20ml混合酸中去除包裹材料钽，采用金刚石磨片打磨样品至光亮。

采用此工艺制备的高性能纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶材料物相只含金刚石与立方氮化硼，且通过压力和温度的控制，使原材料中六方氮化硼相变为纳米结构的立方氮化硼或立方氮化硼经高压破碎成的纳米晶粒不再长大，此材料具有高硬度和致密度，高的热稳定性，耐磨性和韧性，是一种性能非常优越的新型超硬材料。

Claims (4)

1.纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶的制备方法，其特征在于：在高温高压条件下，采用六方氮化硼与金刚石混合粉末或立方氮化硼与金刚石混合粉末为原材料，包括如下工艺步骤：一、机械混合，得到混合均匀的粉体原料； 二、真空高温处理，净化微粉表面；三、高温超高压烧结，使混合原料中的六方氮化硼或立方氮化硼转化为纳米结构的立方氮化硼，得到高性能纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶块体材料。

2.根据权利要求1所述的纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶的制备方法，其特征在于原材料可为：六方氮化硼与金刚石混合粉末或立方氮化硼与金刚石混合粉末。

3.根据权利要求1所述的纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶的制备方法，其特征在于利用高温超高压条件，使原材料中的六方氮化硼相变为纳米结构的立方氮化硼或原材料中的立方氮化硼经高压破碎为纳米晶粒，且金刚石晶粒均匀分布在纳米立方氮化硼晶粒中，大面积形成结合紧密、高强度的纳米立方氮化硼—金刚石界面，最终烧结成纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶。

4.根据权利要求1所述的纳米结构立方氮化硼—金刚石聚晶的制备方法，其特征在于将净化后的六方氮化硼与金刚石混合粉末或立方氮化硼与金刚石混合粉末预压成型后，进行高温超高压烧结，高温超高压烧结的压力为7-20 GPa, 温度为1000-2700℃。

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