CN112441594B - 一种高性能微米晶聚晶立方氮化硼的制备方法 - Google Patents

一种高性能微米晶聚晶立方氮化硼的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112441594B
CN112441594B CN201910833018.2A CN201910833018A CN112441594B CN 112441594 B CN112441594 B CN 112441594B CN 201910833018 A CN201910833018 A CN 201910833018A CN 112441594 B CN112441594 B CN 112441594B
Authority
CN
China
Prior art keywords
boron nitride
cubic boron
pressure
temperature
gpa
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910833018.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112441594A (zh
Inventor
寇自力
殷小双
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sichuan University
Original Assignee
Sichuan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sichuan University filed Critical Sichuan University
Priority to CN201910833018.2A priority Critical patent/CN112441594B/zh
Publication of CN112441594A publication Critical patent/CN112441594A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112441594B publication Critical patent/CN112441594B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B35/00—Boron; Compounds thereof
    • C01B35/08—Compounds containing boron and nitrogen, phosphorus, oxygen, sulfur, selenium or tellurium
    • C01B35/14—Compounds containing boron and nitrogen, phosphorus, sulfur, selenium or tellurium
    • C01B35/146—Compounds containing boron and nitrogen, e.g. borazoles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • C01P2002/72—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by d-values or two theta-values, e.g. as X-ray diagram
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/03—Particle morphology depicted by an image obtained by SEM
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/30—Particle morphology extending in three dimensions
    • C01P2004/38—Particle morphology extending in three dimensions cube-like
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/30—Particle morphology extending in three dimensions
    • C01P2004/45—Aggregated particles or particles with an intergrown morphology

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

本发明提供了一种高性能微米晶聚晶立方氮化硼的制备方法，该方法包括如下步骤：（1）对原料进行除杂预处理；（2）在700~800 MPa压力条件下对立方氮化硼进行预压；（3）将预压后的立方氮化硼在1300~2500℃，10~30 GPa条件下进行高温高压烧结；（4）将烧结后的产物进行处理，得到纯相聚晶立方氮化硼块体材料。本发明的方法具有初始材料简单易得，烧结条件低，产物硬度高，热稳定性高以及韧性高等一系列优点。本发明为高性能聚晶立方氮化硼的制备提供了一种新思路与新的可能性，在切削领域有巨大应用前景。

Description

一种高性能微米晶聚晶立方氮化硼的制备方法
技术领域
本发明涉及超硬刀具材料技术领域，具体涉及一种高性能微米晶聚晶立方氮化硼的制备方法。
背景技术
半个多世纪以来，立方氮化硼(cBN)一直是世界上第二硬的材料，同时，cBN具有优异的化学稳定性和热稳定性，因此被广泛用作切削工具，特别是在金刚石无法工作的铁和碳化物材料的切削中。商业一般采用添加粘结剂的方式以降低烧结条件，从而获得聚晶立方氮化硼(PcBN)，但是粘结剂的加入阻碍了晶粒与晶粒之间的直接键合，导致样品性能降低。其维氏硬度仅可达33 ~ 45 GPa。
大量研究表明，最好的粘结剂是材料本身。采用纯相烧结的方法可以提高样品的热学以及力学性能。目前广泛研究的方法是利用各种不同前驱体，如热解石墨状氮化硼(p-BN)、六方相氮化硼(hBN)和洋葱状氮化硼(oBN)，通过前驱体在相变过程中使晶粒细化致纳米尺寸，即霍尔佩奇效应，来获得性能优异的PcBN，其硬度、断裂韧性、热稳定性均优于商业PcBN。然而，这些方法往往伴随着难以获得的超细或结构特殊的前驱体、合成条件要求苛刻、相变过程复杂，制备出的样品尺寸太小无法制作成刀具等问题。
发明内容
由于高性能聚晶氮化硼的制备方法有限，往往伴随着样品性能不好或者前驱体难以制备，合成条件较为苛刻，涉及相变过程复杂，样品尺寸小从而无法制作成刀具等问题；本发明的目的就在于提供一种初始材料易于获得、合成条件相对较低、样品尺寸满足刀具制作要求、更简单方便的制备出高硬度（63±3 GPa）、高断裂韧性（15 MPa m1/2）、高热稳定性（1315 ℃）的聚晶立方氮化硼的方法。不同于通过相变过程制备的纳米聚晶立方氮化硼，本发明不涉及复杂的相变过程且烧结出的样品晶粒大小主要为微米尺度。
为了实现以上目的，本发明采用微米尺寸的立方氮化硼为初始材料，在高温高压条件下烧结出聚晶立方氮化硼：利用高温真空炉对初始粉体进行除杂处理，得到表面相对纯净的立方氮化硼；对除杂后的立方氮化硼进行简单的预压，然后采用高温高压的方法高效快速的烧结出聚晶立方氮化硼块体，通过用酸浸泡的方法以去除粘附在样品表面的包裹体，即可获得高性能微米晶聚晶立方氮化硼。
具体地，一种高性能聚晶立方氮化硼的制备方法，包括如下步骤：
（1）对原料进行除杂预处理；
（2）在700 ~ 800 MPa压力条件下对立方氮化硼进行预压；
（3）将预压后的立方氮化硼在1300 ~ 2500 ℃，10 ~ 30 GPa条件下进行高温高压烧结；
（4）将烧结后的产物进行处理，得到纯相聚晶立方氮化硼块体材料。
在所述步骤（1）中，所采用原料晶粒尺寸为1 ~ 30 μm的商业立方氮化硼粉末，并在高温真空炉中进行预处理。其中，处理条件为：真空度为3.0×10-3 Pa，温度为800 ~1500 ℃，处理时为90分钟。
在所述步骤（2）中，将步骤（1）所获得的立方氮化硼装进杯状包裹，并用千斤顶进行预压，压力加载范围为700 ~ 800 MPa。其中，杯状包裹的材质为Mo、Pt、Ta、Re中的一种。
在所述步骤（3）中，高温高压烧结过程工艺曲线为：采用六面顶压机，先以0.05 ~0.2 GPa/min的速率升压至3 ~ 8 GPa，保压1 ~ 30分钟，再以0.05 ~ 0.3 GPa/min的速率继续升压至10 ~ 30 GP，保压0.5 ~ 2 h, 保压过程中，同时以50 ~ 150 ℃/min的速率升温至1300 ~ 2500 ℃，保温0.1~ 1 h后，再以50 ~ 150 ℃/min的速率降至常温，保压保温结束后，以0.01 ~ 0.2 GPa/min的速率降压至常压。。其中，六面顶压机为国产铰链式800吨六面顶压机。
在所述步骤（4）中，用酸对样品进行浸泡以去除样品表面包裹物，得到纯相聚晶立方氮化硼块体材料。其中，所用酸为浓盐酸，浓硝酸，氢氟酸，稀硝酸中任意两种酸的混合物中的一种。
本发明的有益效果如下：提供一种用微米立方氮化硼为原料制备高性能聚晶立方氮化硼的方法，得到了具有高硬度，高热稳定性，高韧性的聚晶立方氮化硼，尺寸大，重复性好；对采用微米初始粉末烧结性能优异的聚晶立方氮化硼提供了重要的参考与指导意义。所需的温度和压力条件较低，制备方法简单快捷，相比纳米材料，微米级的晶粒尺寸可有效避免高温条件下晶粒出现异常长大的现象，具有加热均匀，样品成型好以及环保等一系列优点。
附图说明
图1为实施例3烧结的聚晶立方氮化硼的XRD图。
图2为实施例3烧结的聚晶立方氮化硼的SEM图。
图3为实施例3烧结的聚晶立方氮化硼压坑的SEM图。
图4为实施例3烧结的聚晶立方氮化硼的热重测试结果图。
具体实施方式
实施例1：
（1）初始粉末除杂预处理：将晶粒尺寸为2 ~ 4 μm的立方氮化硼粉末，在真空度为3.0×10-3 Pa，温度为1200℃的高温真空炉中进行预处理，处理时为90分钟。
（2）立方氮化硼的预压：将预处理之后的立方氮化硼装入Ta杯中，用千斤顶进行预压，预压压力为720 MPa。
（3）高温高压烧结过程工艺曲线为：采用六面顶压机，先以0.05 ~ 0.2 GPa/min的速率升压至3 ~ 8 GPa，保压1 ~ 30分钟，再以0.05 ~ 0.3 GPa/min的速率继续升压至10 ~30 GP，保压0.5 ~ 2 h, 保压过程中，同时以50 ~ 150 ℃/min的速率升温至1300 ~ 2500℃，保温0.1~ 1 h后，再以50 ~ 150 ℃/min的速率降至常温，保温保压结束后，以0.01 ~0.2 GPa/min的速率降压至常压。
（4）将烧结产物进行简单的处理：将烧结后粘附在样品表面的包裹去除，得到纯相聚晶立方氮化硼块体材料。
实施例2：
（1）初始粉末除杂预处理：将晶粒尺寸为2 ~ 4 μm的立方氮化硼粉末，在真空度为3.0×10-3 Pa，温度为1200℃的高温真空炉中进行预处理，处理时为90分钟。
（2）立方氮化硼的预压：将预处理之后的立方氮化硼装入Ta杯中，用千斤顶进行预压，预压压力为720 MPa。
（3）高温高压烧结过程工艺曲线为：采用六面顶压机，先以0.05 ~ 0.2 GPa/min的速率升压至3 ~ 8 GPa，保压1 ~ 30分钟，再以0.05 ~ 0.3 GPa/min的速率继续升压至10 ~30 GP，保压0.5 ~ 2 h, 保压过程中，同时以50 ~ 150 ℃/min的速率升温至1300 ~ 2500℃，保温0.1~ 1 h后，再以50 ~ 150 ℃/min的速率降至常温，保温保压结束后，以0.01 ~0.2 GPa/min的速率降压至常压。
（4）将烧结产物进行简单的处理：将烧结后粘附在样品表面的包裹去除，得到纯相聚晶立方氮化硼块体材料。
实施例3：
（1）初始粉末除杂预处理：将晶粒尺寸为2 ~ 4 μm的立方氮化硼粉末，在真空度为3.0×10-3 Pa，温度为1200℃的高温真空炉中进行预处理，处理时为90分钟。
（2）立方氮化硼的预压：将预处理之后的立方氮化硼装入Ta杯中，用千斤顶进行预压，预压压力为720 MPa。
（3）高温高压烧结过程工艺曲线为：采用六面顶压机，先以0.05 ~ 0.2 GPa/min的速率升压至3 ~ 8 GPa，保压1 ~ 30分钟，再以0.05 ~ 0.3 GPa/min的速率继续升压至10 ~30 GP，保压0.5 ~ 2 h, 保压过程中，同时以50 ~ 150 ℃/min的速率升温至1300 ~ 2500℃，保温0.1~ 1 h后，再以50 ~ 150 ℃/min的速率降至常温，保温保压结束后，以0.01 ~0.2 GPa/min的速率降压至常压。
（4）将烧结产物进行简单的处理：将烧结后粘附在样品表面的包裹去除，得到纯相聚晶立方氮化硼块体材料。
我们对本发明的产物微米晶聚晶立方氮化硼进行了性能测试，说明书附图1~4显示了测试结果。
从说明书附图1中可以看出，经过实施例3高温高压烧结后获得的产物的XRD图与立方氮化硼的标准卡片(JCPDS 25-1033)完全吻合。说明烧结后的样品为纯相聚晶立方氮化硼。
从说明书附图2中可以看出，经过实施例3高温高压烧结后获得的产物密度高，且晶粒尺寸主要为微米级，说明烧结后的样品为微米晶聚晶立方氮化硼。
从说明书附图3中可以看出，经过实施例3成功制备的微米晶聚晶立方氮化硼，通过其压坑对角线以及裂纹的长度，由相应公式计算，其具有高硬度（63±3 GPa）以及高断裂韧性（15 MPa m1/2）。
从说明书附图4中可以看出，经过实施例3成功制备的微米晶聚晶立方氮化硼，在空气氛围中具有高热稳定性（1315 ℃）。
综上所述，相比于现有技术采用添加粘结剂或采用不同前驱体作为初始材料进行烧结，本方法的优点是初始材料易于获得，样品性能优异，所需条件要求相对较低，样品尺寸相对较大等优点。相比纳米粉体，采用微米粉体做原料可以有效减小环境污染。本发明通过国产铰链式800吨六面顶压机，可以直接获得微米晶聚晶立方氮化硼块体材料，其大小完全满足制作刀具以及对其性能进行进一步研究的需求。由于现有的聚晶立方氮化硼的制备方法有限，采用加入粘结剂的方法进行烧结会导致样品性能的降低，采用以各种前驱体为原料的方法进行烧结对实验条件要求苛刻，因此，本方法制备的聚晶立方氮化硼，以其容易获得的原料，优异的性能以及烧结条件较低等优势，为其工业化应用提供了无限可能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其技术方案，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种高性能微米晶聚晶立方氮化硼的制备方法，工艺步骤如下：
(1)对原料进行除杂预处理，所述原料为晶粒尺寸1～30μm的商业立方氮化硼粉末，预处理在高温真空炉中进行，进行预处理的条件为：真空度为3.0×10-3Pa，温度为800～1500℃，处理时为90分钟；
(2)将预处理过的立方氮化硼粉末在700～800MPa压力条件下进行预压；
(3)将预压后的立方氮化硼在1300～2500℃，10～30GPa条件下进行高温高压烧结，高温高压烧结过程工艺曲线为：采用六面顶压机，先以0.05～0.2GPa/min的速率升压至3～8GPa，保压1～30分钟，再以0.05～0.3GPa/min的速率继续升压至10～30GP，保压0.5～2h,保压过程中，同时以50～150℃/min的速率升温至1300～2500℃，保温0.1～1h后，再以50～150℃/min的速率降至常温，保温保压结束后，以0.01～0.2GPa/min的速率降压至常压；
(4)将烧结后的产物进行处理，得到纯相聚晶立方氮化硼块体材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，将预处理过的立方氮化硼粉末装进杯状包裹物用千斤顶进行预压。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，杯状包裹物的材质为Mo、Pt、Ta、Re中的一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于六面顶压机为国产铰链式800吨六面顶压机。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，将烧结后的产物进行处理是用酸进行浸泡以去除产物表面包裹物，得到纯相聚晶立方氮化硼块体材料。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所用酸为浓盐酸，浓硝酸，氢氟酸，稀硝酸中任意两种酸的混合物中的一种。
CN201910833018.2A 2019-09-04 2019-09-04 一种高性能微米晶聚晶立方氮化硼的制备方法 Active CN112441594B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910833018.2A CN112441594B (zh) 2019-09-04 2019-09-04 一种高性能微米晶聚晶立方氮化硼的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910833018.2A CN112441594B (zh) 2019-09-04 2019-09-04 一种高性能微米晶聚晶立方氮化硼的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112441594A CN112441594A (zh) 2021-03-05
CN112441594B true CN112441594B (zh) 2022-09-20

Family

ID=74734558

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910833018.2A Active CN112441594B (zh) 2019-09-04 2019-09-04 一种高性能微米晶聚晶立方氮化硼的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112441594B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114315361B (zh) * 2021-12-21 2023-06-06 燕山大学 纳米晶碳化硅超硬块材及其制备方法
CN114991673B (zh) * 2022-05-11 2024-03-19 四川大学 纯相聚晶立方氮化硼材料在制备高耐热性钻齿中的应用
CN115321569B (zh) * 2022-07-25 2024-05-10 四川大学 一种水铝石的制备方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103526295B (zh) * 2013-10-15 2016-09-14 寇自力 高纯高硬度聚晶立方氮化硼块体材料及其制备方法
CN104774591B (zh) * 2015-03-25 2018-01-05 富耐克超硬材料股份有限公司 一种无结合剂的聚晶立方氮化硼磨料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112441594A (zh) 2021-03-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112441594B (zh) 一种高性能微米晶聚晶立方氮化硼的制备方法
TW574173B (en) Low oxygen cubic boron nitride and its production
KR101821220B1 (ko) 질화티탄-티타늄 2붕화물-입방정계 질화붕소 복합재료의 제조방법
US20170369314A1 (en) Polycrystalline cubic boron nitride (pcbn) comprising microcrystalline cubic boron nitride (cbn) and method of making
JP6715349B2 (ja) 多結晶立方晶窒化ホウ素及びその製造方法
CN110436928B (zh) 高性能纳米孪晶碳化硼陶瓷块体材料及其制备方法
CN110257681B (zh) 一种聚晶立方氮化硼复合片及其制备方法
CN111635234B (zh) 一种聚晶立方氮化硼复合片及其制备方法和应用
CN112678817A (zh) 一种毫米多晶金刚石的制备方法
CN110524442B (zh) 一种多孔金刚石多晶磨料及其制备方法
WO2020103235A1 (zh) 一种过渡金属硼化物硬质陶瓷材料及其制备方法和应用
CN107500776B (zh) 一种聚晶立方氮化硼刀具材料及其制备方法
CN109456062B (zh) 一种PcBN刀具及其制备方法
CN115125426B (zh) 一种含高密度位错/层错的无粘结相超细晶碳化钨硬质合金及其制备方法
CN107043260A (zh) 一种新型三元锇铼二硼化物(Os1‑xRexB2)硬质材料及其制备方法
KR100201680B1 (ko) 등축정계 질화붕소/등축정계 질화붕소(씨비엔/씨비엔)복합괴 및 이의 제조방법
CN112239363B (zh) 氮化硅镁粉体及其制备方法、陶瓷材料及导热基板
CN112079645B (zh) 一种织构化碳化硅晶须增韧的氧化铝基陶瓷及其制备方法和应用
CN109665851B (zh) 多级孪晶结构氮化硅高温陶瓷材料的制备方法
JP2015531317A (ja) 研削中の微小破砕を特徴とする単結晶ダイヤモンド又はｃｂｎ
CN107500777B (zh) Pcbn刀具材料及其制备方法
CN111548165A (zh) 一种多晶SiC—金刚石双层复合材料及其制备方法
CN113441088B (zh) 一种立方氮化硼-金刚石聚晶烧结体及其制造工艺
CN115386759B (zh) 一种Ti(C7,N3)/TiB2/WC微纳米复合金属陶瓷刀具材料及其制备方法
CN108585879B (zh) 一种快速制备各向异性氮化钛陶瓷块体材料的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant