一種透明立方氮化硼—金剛石聚晶的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種新型透明亞微米結(jié)構(gòu)立方氮化硼—金剛石聚晶的制備技術(shù)。采用六方氮化硼與金剛石混合粉末或立方氮化硼與金剛石混合粉末為原材料，原材料中金剛石所占質(zhì)量分數(shù)為300%—90%。經(jīng)凈化除雜后，不添加任何粘結(jié)劑，裝配燒結(jié)單元，直接經(jīng)高溫超高壓燒結(jié)制備透明亞微米結(jié)構(gòu)立方氮化硼—金剛石聚晶。這種透明亞微米結(jié)構(gòu)立方氮化硼—金剛石聚晶，物相分布均勻，立方氮化硼晶粒為亞微米尺寸，金剛石晶粒均勻分布在亞微米立方氮化硼晶粒中，大面積形成結(jié)合緊密、高強度的透明亞微米立方氮化硼—金剛石界面。這使得本發(fā)明的高性能透明亞微米結(jié)構(gòu)立方氮化硼—金剛石聚晶的硬度與金剛石單晶硬度相當，熱穩(wěn)定性、硬度、及耐磨性也明顯優(yōu)于含金屬粘結(jié)劑的金剛石聚晶。
【專利說明】
一種透明立方氮化硼一金剛石聚晶的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種以六方氮化硼與金剛石混合粉末或立方氮化硼與金剛石混合粉末為原材料，通過凈化處理，在高溫超高壓條件下制備高性能透明亞微米結(jié)構(gòu)立方氮化硼一金剛石聚晶超硬材料的方法，屬于無機非金屬材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]金剛石與立方氮化硼是目前工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的兩種超硬材料。金剛石是自然界中已知最硬的物質(zhì)，具有極高的耐磨性、抗壓強度、熱導(dǎo)率，大顆粒金剛石單晶價格昂貴且具有解理面，金剛石顆粒尺寸限制了很多其功能性的應(yīng)用，工業(yè)中很多領(lǐng)域使用性價比更高的聚晶金剛石材料來代替金剛石單晶。聚晶金剛石被廣泛應(yīng)用于非鐵金屬和不含鐵合金的切削加工，石油天然氣及礦業(yè)勘采，木質(zhì)地板加工等領(lǐng)域。立方氮化硼的硬度約為金剛石的一半，是僅次于金剛石的第二硬材料，但是立方氮化硼擁有比金剛石更高的熱穩(wěn)定性且不易和鐵元素發(fā)生化學反應(yīng)，因而可以用來加工鐵金屬或含鐵合金，立方氮化硼單晶價格昂貴且具有解離面，工業(yè)中很多領(lǐng)域使用性價比更高的聚晶立方氮化硼材料來代替立方氮化硼單晶。聚晶立方氮化硼由于具有較高的紅硬性，較高的耐磨性以及高的熱穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于鐵金屬和含鐵合金的切削加工。
[0003]立方氮化硼一金剛石聚晶材料兼顧了聚晶金剛石與聚晶立方氮化硼的優(yōu)點，統(tǒng)傳的立方氮化硼一金剛石聚晶燒結(jié)體是在人造立方氮化硼和金剛石微粉中加入(或不加入直接燒結(jié))Co、N1、TiC, TiN等金屬粉末均勻混合后，在高壓高溫下燒結(jié)而成的一種超硬復(fù)合材料，它在宏觀上表現(xiàn)出各向同性和較高的硬度及韌性，在某些方面的應(yīng)用性能優(yōu)于聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼。但是，傳統(tǒng)人造立方氮化硼一金剛石聚晶材料由于粒度較大，很難達到用于超精細切削刀具刃口的平整度和鋒利度。另外，傳統(tǒng)人造立方氮化硼一金剛石聚晶材料大多含有粘結(jié)劑，如:Co、Ni等，嚴重影響立方氮化硼一金剛石聚晶材料的硬度、耐磨性、熱穩(wěn)定性。
[0004]利用六方氮化硼與金剛石混合粉末或立方氮化硼與金剛石混合粉末為原材料，在高溫超高壓下制備高性能透明亞微米結(jié)構(gòu)立方氮化硼一金剛石聚晶的報到還未出現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了克服上述傳統(tǒng)人造聚晶金剛石、聚晶立方氮化硼、立方氮化硼一金剛石聚晶材料制備技術(shù)中的不足，公開了一種以六方氮化硼與金剛石混合粉末或立方氮化硼與金剛石混合粉末為原材料，原材料中金剛石所占質(zhì)量分數(shù)為30% — 90%。通過對原材料凈化處理，在高溫超高壓下制備高性能透明亞微米結(jié)構(gòu)立方氮化硼一金剛石聚晶材料的方法。
[0006]本發(fā)明所述制備的透明立方氮化硼一金剛石聚晶的制備方法按照如下步驟進行:
一、除雜，得到高純度六方氮化硼與金剛石混合粉末或立方氮化硼與金剛石混合粉末初始材料。若原料本身很純，可以不再進行此步驟。除雜的工藝流程為:酸處理、粉液分離洗滌、加熱烘干三道工序。其中酸的種類，濃度和與原料的比值可根據(jù)具體情況適當變動。
[0007]a.酸處理:將原料置于玻璃或聚四氟乙烯容器中，加入濃度為20%_38%的鹽酸，或加入濃度為30%_50%的硝酸，或加入濃度為20%_40%的氫氟酸，酸與原料微粉的加入量比值為1-2毫升/克(ml/ct)，酸溶時可適當水浴加熱(30-100°C)并用攪拌裝置連續(xù)攪拌，處理時間為10-36小時。處理完畢后，待微粉沉降完畢，倒去液體，并用去離子水重復(fù)稀釋至接近中性。
[0008]b.粉液分離洗滌:酸溶除雜并稀釋至中性以后，在燒杯中沉降原料微粉，沉降完畢后倒去液體，留下原料微粉。
[0009]c.加熱烘干:將燒杯中的留下的原料微粉放入加熱爐進行烘干處理，處理溫度為85 °C，直至烘干。
[0010]二、真空高溫處理:將酸溶除雜后的原料微粉用剛玉坩禍陳放，并用蓋子蓋住，放入真空爐處理腔。處理時保證真空度優(yōu)于4X10 3Pa,溫度為500-1000°C，處理時間為1_3小時。
[0011]三、裝配燒結(jié)單元:打磨和拋光屏蔽材料鉬箔表面，進行去油、超聲波清洗、紅外烘干。將處理凈化后的原料微粉放入鉬杯中，預(yù)壓成型后，放入高壓合成裝置的樣品腔。
[0012]四、高溫高壓燒結(jié):燒結(jié)壓力為8_20GPa，保壓的同時進行加溫，燒結(jié)溫度為1000-2700°C，保溫10-30分鐘。保溫完畢后緩慢降溫至300-500°C，開始降壓。降壓過程中保持溫度為300-500 °C。
[0013]五、后續(xù)加工:將樣品放入30%氫氟酸20ml與40%硝酸20ml混合酸中去除包裹材料鉬，采用金剛石磨片打磨樣品至光亮。
[0014]
本發(fā)明的優(yōu)點在于:
本發(fā)明的透明亞微米結(jié)構(gòu)立方氮化硼一金剛石聚晶材料，采用六方氮化硼與金剛石混合粉末或立方氮化硼與金剛石混合粉末為原料，利用高溫超高壓條件，使原材料中的六方氮化硼相變?yōu)閬單⒚捉Y(jié)構(gòu)的立方氮化硼或原材料中的立方氮化硼經(jīng)高壓破碎為亞微米晶粒，質(zhì)量分數(shù)為30% — 90%的金剛石晶粒作為硬度增強相均勻分布在立方氮化硼晶粒中，大面積形成結(jié)合緊密、高強度的透明亞微米立方氮化硼一金剛石界面，最終燒結(jié)成透明亞微米結(jié)構(gòu)立方氮化硼一金剛石聚晶。這種高性能聚晶金剛石材料不添加金屬粘結(jié)劑，而是利用高溫超高壓條件，使材料物相只含金剛石與立方氮化硼，且通過壓力和溫度的控制，使原材料中六方氮化硼相變?yōu)閬單⒚捉Y(jié)構(gòu)的立方氮化硼或立方氮化硼經(jīng)高壓破碎成的亞微米晶粒不再長大。
[0015]本發(fā)明所述的高性能透明亞微米結(jié)構(gòu)立方氮化硼一金剛石聚晶的硬度與天然的金剛石單晶硬度相當，熱穩(wěn)定性及切削性能也明顯優(yōu)于含粘結(jié)劑的傳統(tǒng)人造金剛石聚晶。這種材料不僅可作為普通切削刀具材料，也可作為超高精度切削刀具材料，同時還可以作為功能材料使用。
[0016]本發(fā)明是利用國產(chǎn)鉸鏈式六面頂壓機產(chǎn)生的高溫超高壓條件下制備的高性能透明亞微米結(jié)構(gòu)立方氮化硼一金剛石聚晶。鉸鏈式六面頂壓機是目前生產(chǎn)金剛石單晶，燒結(jié)傳統(tǒng)人造金剛石聚晶的主要設(shè)備。本發(fā)明可以在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，大規(guī)模制備高性能透明亞微米結(jié)構(gòu)立方氮化硼一金剛石聚晶材料。
[0017]下面通過附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步說明，但并不意味著對本發(fā)明保護范圍的限制。
【附圖說明】
[0018]附圖1本發(fā)明工藝流程圖:
附圖2燒結(jié)單元裝配圖:
附圖中各標號標識的對象為:
I葉臘石，2白云石，3石墨，4導(dǎo)電鋼碗，5鈦片，6鉬杯，7，樣品
【具體實施方式】
[0019]下面通過實施例對本發(fā)明進行具體的描述，有必要在此指出的是本實施例只對于本發(fā)明進行進一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容作出一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整。
[0020]實施例1:
選用平均粒徑為0.1-2 μm的金剛石與平均粒度為0.1-2 μπι的六方氮化硼混合粉末，其中金剛石的質(zhì)量分數(shù)為80%，按照圖1所示的工藝流程圖制備出高性能透明亞微米結(jié)構(gòu)立方氮化硼一金剛石聚晶材料。金剛石與立方氮化硼混合粉末先放入濃度為20%-30%的鹽酸中處理。鹽酸與混合微粉的加入量比值為2毫升/克拉(ml/ct)，水浴加熱80°C，并連續(xù)攪拌，處理36小時。處理完畢后，待微粉沉降完畢，倒去液體，并用去離子水重復(fù)稀釋至接近中性。以上酸溶除雜過程反復(fù)進行3-5次后，在燒杯中沉降混合微粉，沉降完畢后倒去液體，留下混合微粉。將留下的混合微粉放入加熱爐進行烘干處理，處理溫度為85°C，直至烘干。再進行真空高溫處理，將除雜后的混合微粉用剛玉坩禍陳放，并用蓋子蓋住，放入真空爐處理腔。處理真空度為4X10 3Pa,溫度為800°C，處理I小時，去除金剛石表面吸附的氧、氮、水蒸氣等雜質(zhì)。
[0021]按照燒結(jié)單元裝配圖組裝燒結(jié)單元，如圖2所示。先打磨和拋光屏蔽材料(9)鉬箔表面，進行去油、超聲波清洗、紅外烘干處理。將凈化處理后的金剛石與立方氮化硼混合微粉放入鉬杯中，預(yù)壓成型，并按照裝配圖組裝燒結(jié)單元組。高溫高壓燒結(jié)時，燒結(jié)壓力為1GPa,燒結(jié)溫度為1800°C，燒結(jié)時間為10分鐘。降溫降壓后，將樣品放入30%氫氟酸20ml與40%硝酸20ml混合酸中去除包裹材料鉬，采用金剛石磨片打磨樣品至光亮。
[0022]采用此工藝制備的高性能透明亞微米結(jié)構(gòu)立方氮化硼一金剛石聚晶材料物相只含金剛石與立方氮化硼，且通過壓力和溫度的控制，使原材料中六方氮化硼相變?yōu)閬單⒚捉Y(jié)構(gòu)的立方氮化硼，此材料具有高硬度和致密度，高的熱穩(wěn)定性，耐磨性和韌性，是一種性能非常優(yōu)越的新型超硬材料。
【主權(quán)項】
1.一種透明立方氮化硼一金剛石聚晶的制備方法，其特征在于:在高溫高壓條件下，采用六方氮化硼與金剛石混合粉末或立方氮化硼與金剛石混合粉末為原材料，原材料中金剛石所占質(zhì)量分數(shù)為30% — 90%;包括如下工藝步驟:一、機械混合，得到混合均勻的粉體原料；二、真空高溫處理，凈化微粉表面；三、高溫超高壓燒結(jié)，使混合原料中的六方氮化硼或立方氮化硼轉(zhuǎn)化為亞微米結(jié)構(gòu)的立方氮化硼，并與金剛石燒結(jié)在一起，得到高性能亞微米結(jié)構(gòu)透明立方氮化硼一金剛石聚晶塊體材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透明立方氮化硼一金剛石聚晶的制備方法，其特征在于原材料可為:六方氮化硼與金剛石混合粉末或立方氮化硼與金剛石混合粉末，原材料中金剛石所占質(zhì)量分數(shù)為30% — 90%。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透明立方氮化硼一金剛石聚晶的制備方法，其特征在于利用高溫超高壓條件，使原材料中的六方氮化硼相變?yōu)閬單⒚捉Y(jié)構(gòu)的立方氮化硼或原材料中的立方氮化硼經(jīng)高壓破碎為亞微米晶粒，且金剛石晶粒均勻分布在亞微米立方氮化硼晶粒中，大面積形成結(jié)合緊密、高強度的透明立方氮化硼一金剛石界面，最終燒結(jié)成透明立方氮化硼一金剛石聚晶。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透明立方氮化硼一金剛石聚晶的制備方法，其特征在于將凈化后的六方氮化硼與金剛石混合粉末或立方氮化硼與金剛石混合粉末預(yù)壓成型后，進行高溫超高壓燒結(jié)；高溫超高壓燒結(jié)的壓力為7-20 GPa,溫度為1300-2700°C。
【文檔編號】B01J3/06GK105833796SQ201510987432
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年12月27日
【發(fā)明人】李穎, 王海闊, 趙志偉, 劉俊龍, 鄒文俊
【申請人】河南工業(yè)大學