CN106586981A - 立方氮化硼的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种立方氮化硼的制备方法，它的步骤包括将六方氮化硼粉体压制成合成棒坯体；然后在1000℃～1200℃的温度和2 GPa～4 GPa的压力条件下，对所述合成棒坯体进行压制得到预压合成棒；最后对所述预压合成棒依次进行破碎、筛分并在800℃～1000℃条件下对所述筛分物料进行退火30 min～45 min，从而制得六方氮化硼预处理粉体。最后将该六方氮化硼预处理粉体与触媒混合并进行高温高压烧结从而制得立方氮化硼晶体。本发明在制备立方氮化硼过程中，对所述六方氮化硼粉体进行预处理，提高了立方氮化硼的转化率，同时降低了合成压力，这将减少机器的损耗、延长压机的使用寿命、大大降低生产成本。

Description

立方氮化硼的制备方法
技术领域
本发明涉及超硬材料领域，具体的说，涉及了一种立方氮化硼的制备方法。
背景技术
立方氮化硼，是由美国的R.H.温托夫于1957年首先研制，其晶体结构类似金刚石，具有很高的硬度、热稳定性、化学惰性以及良好的透红外形和较宽的禁带宽度等优异性能。立方氮化硼晶体的硬度仅次于金刚石，但热稳定性远高于金刚石，立方氮化硼晶体与金刚石相比具有对铁系金属元素有较大的化学稳定性，弥补了金刚石不能切削铁系金属的不足。因此，立方氮化硼晶体常用作磨料和刀具材料。
目前，立方氮化硼晶体一般是通过添加一定量的触媒将六方氮化硼在高温高压条件下转化而得到的。同时由于氮化硼存在多种晶型，除了常见的六方氮化硼和立方氮化硼之外，还有菱方氮化硼和纤锌矿氮化硼，而现有的高温高压法合成立方氮化硼是将六方氮化硼直接转化为立方氮化硼，需要采用较高的压力和温度来克服该晶型转变存在的势垒。另一方面，现有的合成工艺合成立方氮化硼的转化率通常在40%至55%，仅有个别品牌会达到60%，合成率较低，造成原料利用率不高。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种合成转化率高、易于工业化生产的一种立方氮化硼的制备方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种立方氮化硼的制备方法，它包括以下步骤：
原料预处理：首先在15℃～35℃的温度和15 MPa～35 MPa的压力条件下将六方氮化硼粉体压制成合成棒坯体；然后在1000℃～1200℃的温度和2 GPa～4 GPa的压力条件下，对所述合成棒坯体进行压制5min～15min得到预压合成棒；最后对所述预压合成棒依次进行破碎、筛分处理得到一定粒度的筛分物料，在800℃～1000℃条件下对所述筛分物料进行退火30 min～45 min制得六方氮化硼预处理粉体；
立方氮化硼的转化：将所述六方氮化硼预处理粉体与触媒混合制得混合料，对所述混合料进行高温高压烧结制得立方氮化硼晶体。
基于上述，所述立方氮化硼的转化步骤包括：首先将所述六方氮化硼预处理粉体与所述触媒混合制得混合料，其中在所述混合料中所述触媒的质量百分数为10%～25%；然后在15℃～35℃的温度和15 MPa～35 MPa的压力条件下将所述混合料压制成混合料合成棒；最后在1300℃～1600℃的温度和4 GPa～7GPa的压力条件下，对所述混合料合成棒进行高温高压烧结制得所述立方氮化硼晶体。
基于上述，所述立方氮化硼的制备方法还包括向所述混合料中添加六方氮化硼粉体，并将所述六方氮化硼粉体、所述六方氮化硼预处理粉体和所述触媒三者进行混合的步骤。
基于上述，所述触媒为金属氮化物、金属氢化物中的一种或两种的组合。
基于上述，所述触媒为氮化锂、氮化钛、氮化铝、氢化锂中的一种或几种的组合。
基于上述，所述六方氮化硼粉体的纯度大于98%；所述六方氮化硼粉体的粒度为1微米～5微米。
本发明提供的合成工艺中，通过对六方氮化硼进行预处理使其转化为菱方氮化硼或纤锌矿氮化硼，该步骤的晶型转化需要克服的最高势垒为7.8ev；再由菱方氮化硼或纤锌矿氮化硼转化为立方氮化硼需要克服的最高势垒为7.4ev，而由六方氮化硼直接转化为立方氮化硼所需要克服的最高能量势垒为9.4ev。因此，通过将六方氮化硼先转化为菱方氮化硼或纤锌矿氮化硼，再由菱方氮化硼或纤锌矿氮化硼转化为立方氮化硼，所需要克服的势垒低于六方氮化硼直接转化为立方氮化硼所需要克服的势垒，从而提高了合成立方氮化硼的转化率，利用本发明提供的方法制得的立方氮化硼的转化率高达70%以上。
同时，六方氮化硼粉体经过上述步骤的处理，降低了六方氮化硼的结晶度，低结晶度的六方氮化硼更易向立方氮化硼转化，并且该方法还降低了由六方氮化硼转化为立方氮化硼所需要的合成压力和温度，这将减少机器的损耗、延长压机的使用寿命，大大降低生产成本。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种立方氮化硼的制备方法，它包括以下步骤：
原料预处理：首先在15℃温度和15 MPa的压力条件下将纯度为99%、粒度为1微米～5微米的六方氮化硼粉体压制成合成棒坯体；然后在1000℃的温度和2 GPa的压力下，对所述合成棒坯体进行压制15 min得到预压合成棒；最后对所述预压合成棒进行破碎并经筛分处理，将筛分后的物料在900℃温度下进行退火45min从而得到六方氮化硼预处理粉体；
立方氮化硼的转化：按照质量比为6：1的比例，将所述六方氮化硼预处理粉体和触媒置于混料机中进行混合得到混合料，然后采用四柱液压机将所述混合料在15℃温度和20 MPa的压力下压制成混合料合成棒；最后将所述混合料合成棒在1450℃和5.5 GPa条件下高温高压烧结得到立方氮化硼料棒，对所述立方氮化硼的料棒进行机械破碎，采用水流和酸碱溶液将破碎后的所述立方氮化硼的料棒进行分离除杂，得到纯的立方氮化硼晶体成品。其中所述触媒是由质量比为1：1.5：2.5的氮化锂、氮化钛、氮化铝混合制得的。
经计算本实施例中六方氮化硼转化为立方氮化硼的转化率为72%。
实施例2
本实施例提供了一种立方氮化硼的制备方法，具体步骤与实施例1中的大致相同，不同之处在于：
本实施例中所述立方氮化硼的转化步骤包括：按照质量比为5：3：2的比例，将所述六方氮化硼预处理粉体、六方氮化硼粉体和触媒置于混料机混合得到混合料，然后采用四柱液压机将所述混合料在20℃温度和25 MPa的压力下制备成混合料合成棒；最后将该混合料合成棒在1600℃和6.5 GPa条件下高温高压烧结得到立方氮化硼晶体。其中所述触媒是由质量比为1：1：2的氮化钛、氮化铝、氢化锂混合制得的。
对本实施例制得立方氮化硼晶体进行酸碱处理得到纯的立方氮化硼，经计算本实施例中六方氮化硼转化为立方氮化硼的转化率为76%。
实施例3
本实施例提供了一种立方氮化硼的制备方法，具体步骤与实施例1中的大致相同，不同之处在于：
本实施例中所述原料预处理步骤包括：首先在20℃的温度和15 MPa的压力条件下，将纯度为99%、粒度为1微米～5微米的六方氮化硼粉体压制成合成棒坯体；然后在1200℃的温度和4 GPa的压力下对所述合成棒坯体进行压制10 min得到预压合成棒；最后对所述预压合成棒进行破碎筛分后在1000℃温度下进行退火30 min，从而得到六方氮化硼预处理粉体。
本实施例中所述立方氮化硼的转化步骤与实施例1中的步骤相同。
对本实施例制得立方氮化硼晶体进行酸碱处理得到纯的立方氮化硼，经计算本实施例中六方氮化硼转化为立方氮化硼的转化率为77.3%。
对比例1：
本对比例1提供一种立方氮化硼的制备方法，它的步骤包括：
按照质量比为6：1的比例，将纯度为99%、粒度为1微米～5微米的六方氮化硼粉体和触媒置于混料机中混合得到混合料，然后采用四柱液压机将所述混合料在20 MPa的压力下制备成混合料合成棒，最后将该混合料合成棒在1600℃和7.5 GPa条件下烧结得到立方氮化硼晶体；其中所述触媒是由质量比为1：1.5：2.5的氮化锂、氮化钛、氮化铝混合制得的。
本对比例1提供的立方氮化硼的制备方法中六方氮化硼转化为立方氮化硼的转化率为54.6%。
对比例2：
本对比例2提供一种立方氮化硼的制备方法，它的步骤包括：
按照质量比为8：2的比例，将纯度为99%、粒度为1微米～5微米的六方氮化硼粉体和触媒置于球磨罐中球磨5小时得到混合料，然后采用四柱液压机将混合料在20 MPa的压力下制备成混合料合成棒，最后将该混合料合成棒在1450℃和5.5 GPa条件下烧结得到立方氮化硼晶体。其中所述触媒是由质量比为1：1：2的氮化钛、氮化铝、氢化锂混合制得的。
对本对比例2制得立方氮化硼进行处理，结果表明由本对比例2提供的立方氮化硼的制备方法中六方氮化硼转化为立方氮化硼的转化率为45%。
将本发明中实施例1～3提供的制备方法得到的立方氮化硼转化率与对比例1～2提供的制备方法得到的立方氮化硼的转化率相比较，可以看出通过对所述六方氮化硼粉体进行了预压、破碎、过筛和退火预处理，可以显著提高立方氮化硼的转化率。
分析认为，对六方氮化硼进行处理会使其先转化为菱方氮化硼或纤锌矿氮化硼，且该晶型过程转化需要克服的最高势垒为7.8ev；再由菱方氮化硼或纤锌矿氮化硼转化为立方氮化硼需要克服的最高势垒为7.4ev，而由六方氮化硼直接转化为立方氮化硼所需要克服的最高能量势垒为9.4ev。因此，通过将六方氮化硼先转化为菱方氮化硼或纤锌矿氮化硼，再由菱方氮化硼或纤锌矿氮化硼转化为立方氮化硼，所需要克服的势垒低于六方氮化硼直接转化为立方氮化硼所需要克服的势垒。同时，六方氮化硼经过上述步骤的处理，降低了自身的结晶度，使得六方氮化硼更容易转变为立方氮化硼，从而提高了立方氮化硼的转化率。并且该方法还降低了由六方氮化硼转化为立方氮化硼所需要的合成压力和温度，这将减少机器的损耗，延长压机的使用寿命，从而大大降低生产成本。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种立方氮化硼的制备方法，它包括以下步骤：
原料预处理：首先将六方氮化硼粉体压制成合成棒坯体；然后在1000℃～1200℃的温度和2 GPa～4 GPa的压力条件下，对所述合成棒坯体压制5min～15min，得到预压合成棒；最后对所述预压合成棒依次进行破碎、筛分处理得到一定粒度的筛分物料，在800℃～1000℃条件下对所述筛分物料进行退火30 min～45 min制得六方氮化硼预处理粉体；
立方氮化硼的转化：将所述六方氮化硼预处理粉体与触媒混合制得混合料，对所述混合料进行高温高压烧结制得立方氮化硼晶体。
2.根据权利要求1所述的立方氮化硼的制备方法，其特征在于，所述立方氮化硼的转化步骤包括：首先将所述六方氮化硼预处理粉体与所述触媒混合制得混合料，其中在所述混合料中所述触媒的质量百分数为10%～25%；然后在15℃～35℃温度和15 MPa～35 MPa的压力条件下将所述混合料压制成混合料合成棒；最后在1300℃～1600℃的温度和4 GPa～7GPa的压力条件下，对所述混合料合成棒进行高温高压烧结制得立方氮化硼晶体。
3.根据权利要求2所述的立方氮化硼的制备方法，其特征在于，它还包括向所述混合料中添加六方氮化硼粉体，并将所述六方氮化硼粉体、所述六方氮化硼预处理粉体和所述触媒三者进行混合的步骤。
4.根据权利要求3所述的立方氮化硼的制备方法，其特征在于，所述触媒为金属氮化物、金属氢化物中的一种或两种的组合。
5.根据权利要求3所述的立方氮化硼的制备方法，其特征在于，所述触媒为氮化锂、氮化钛、氮化铝、氢化锂中的一种或几种的组合。
6.根据权利要求1或3所述的立方氮化硼的制备方法，其特征在于，所述六方氮化硼粉体的纯度大于98%；所述六方氮化硼粉体的粒度为1微米～5微米。
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