一種氮化硼超硬材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超硬材料領(lǐng)域，涉及一種氮化硼超硬材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化硼是由氮原子和硼原子所構(gòu)成的晶體，化學(xué)組成為43.6%的硼和56.4%的氮，具有四種不同的變體:六方氮化硼(hBN)、菱方氮化硼(rBN)、立方氮化硼(cBN)和纖鋅礦型氮化硼(wBN)。纖鋅礦型氮化硼晶粒細(xì)小，不能作為切削主體。
[0003]隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，超硬材料得到了廣泛的應(yīng)用，比如鋸切工具、磨削工具、鉆進(jìn)工具和切削工具。超硬材料包括兩種:金剛石和立方氮化硼(cBN)。金剛石由于在600°C以上開始碳化，特別是在有鐵元素存在的材料中，隨著溫度的升高，其機(jī)械強(qiáng)度迅速下降，因此限制了金剛石在加工鐵系列金屬制品時(shí)的應(yīng)用。立方氮化硼正好克服了這一缺陷，立方氮化硼在氧化氣氛條件下，900°C仍能保證其機(jī)械強(qiáng)度，因此在高速自動加工機(jī)械領(lǐng)域，得到了廣泛的應(yīng)用。
[0004]傳統(tǒng)上，用作切削工具或耐磨工具的立方氮化硼燒結(jié)體中含有燒結(jié)劑或粘合劑，如TiN、TiC和Co。該燒結(jié)體是通過在4~5GPa的壓力下將立方氮化硼粉末與燒結(jié)劑或粘合劑燒結(jié)而得到的。該燒結(jié)體中含有約10~40%的粘合劑，粘合劑極大地影響燒結(jié)體的強(qiáng)度、耐熱性和熱擴(kuò)散性，在高速切削、尤其在切削黑色金屬材料時(shí)，在切削刃上容易出現(xiàn)缺陷和裂紋，這縮短了工具的壽命。
[0005]為了延長工具壽命，已有不使用粘合劑的cBN燒結(jié)體制造方法。在該方法中，將六方氮化硼和諸如氮硼化鎂之類的催化劑用作原材料，將它們燒結(jié)并反應(yīng)。根據(jù)該方法，由于不使用粘合劑，cBN顆粒之間強(qiáng)烈結(jié)合，導(dǎo)熱率高達(dá)6~7W/cm°C。因此，cBN燒結(jié)體用作散熱器材料或卷帶自動結(jié)合工具中。但是，由于部分催化劑殘留在燒結(jié)體中，并且當(dāng)燒結(jié)體受熱時(shí)，由于cBN和催化劑之間的熱膨脹差異，容易產(chǎn)生細(xì)裂紋，從而耐熱溫度低至700°C，這對于切削工具而言是一個(gè)很大問題。此外，由于粒徑粗達(dá)10 μπι左右，這雖然提高了導(dǎo)熱率，但削弱了其強(qiáng)度，使其無法承受大的切削負(fù)荷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種具有高硬度、包含wBN和cBN混合燒結(jié)體的氮化硼超硬材料。
[0007]本發(fā)明的另一目的是提供該氮化硼超硬材料的制備方法。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種氮化硼超硬材料，包括聚晶層和硬質(zhì)合金層，聚晶層燒結(jié)于硬質(zhì)合金層，聚晶層由纖鋅礦型氮化硼和立方氮化硼組成。
[0009]聚晶層和硬質(zhì)合金層的比例沒有特定要求，可以根據(jù)客戶需要來決定。
[0010]進(jìn)一步地，所述纖鋅礦型氮化硼和立方氮化硼的體積比是10:1~1:10o
[0011]進(jìn)一步地，所述立方氮化硼由纖鋅礦型氮化硼轉(zhuǎn)化而成。
[0012]進(jìn)一步地，所述立方氮化硼由纖鋅礦型氮化硼在壓力彡6GPa、溫度彡1400°C的條件下燒結(jié)轉(zhuǎn)化而成。
[0013]進(jìn)一步地，所述立方氮化硼的粒徑為1~100 μ m0
[0014]進(jìn)一步地，所述硬質(zhì)合金層為碳化媽合金。
[0015]一種制備權(quán)利要求1所述的氮化硼超硬材料的方法，包括以下步驟:
(1)將纖鋅礦型氮化硼微粉裝入容器中；
(2)將硬質(zhì)合金放在纖鋅礦型氮化硼微粉上方；
(3)將容器置于高壓設(shè)備中，升壓至6GPa以上，升溫至1400°C以上；
(4)保持步驟(3)的壓力和溫度10~30min;
(5)降低壓力，停止加熱，待容器降至常壓常溫；
(6 )取出容器，去除燒結(jié)體表面包裹的容器，得到氮化硼超硬材料。
[0016]進(jìn)一步地，所述纖鋅礦型氮化硼微粉的晶粒尺寸< 20 μπι。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
纖鋅礦型氮化硼在超過6GPa和1400°C的超高溫高壓條件下，原子移動并重新組合，可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎降?，轉(zhuǎn)化率取決于高溫高壓的時(shí)間，當(dāng)時(shí)間足夠長，纖鋅礦型氮化硼可全部轉(zhuǎn)化為立方氮化硼。本發(fā)明利用該原理，在所有纖鋅礦型氮化硼轉(zhuǎn)化為立方氮化硼之前停止反應(yīng)，可得到纖鋅礦型氮化硼和立方氮化硼組成的混合燒結(jié)體，該材料的硬度高于立方氮化硼，也高于一般的金剛石。這種具有高硬度和剛性的氮化硼材料可以制成各種切削工具、拉絲工具和研磨工具，滿足了現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)對刀具越來越高的硬度要求。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明:
實(shí)施例1
按照以下步驟生產(chǎn)氮化硼超硬材料
(1)將2g晶粒尺寸在0~20μπι的WBN用甲苯輕微潤濕，通過攪拌混合，填充到Φ 12*10mm、厚0.5mm的耐高溫高壓容器中，以20kg/cm2壓力按壓，wBN微粉厚度為7mm ；
(2)在容器中放入Φ11*3πιπι的碳化鎢合金圓片于纖鋅礦型氮化硼微粉上面；
(3)將裝滿wBN微粉的容器置于高壓設(shè)備中，升壓至6.5GPa，升溫至1650°C ;
(4)保持上述壓力和溫度15min;
(5)合成結(jié)束后，降低壓力，停止加熱，待容器降至常壓常溫；
(6)將容器從高壓設(shè)備中取出，通過研磨去除燒結(jié)體表面覆蓋的容器，得到氮化硼超硬材料，氮化硼與碳化鎢合金部分緊密結(jié)合，形狀為的圓柱，圓柱的表面和側(cè)面通過金剛石砂輪拋光。
[0019]通過X射線衍射檢查混合燒結(jié)體，發(fā)現(xiàn)wBN、cBN峰存在，X射線衍射顯示有50%的wBN轉(zhuǎn)化為cBN，這意味著wBN轉(zhuǎn)化為cBN，wBN和cBN晶粒結(jié)合在一起形成燒結(jié)體。
[0020]檢測wBN和cBN的混合燒結(jié)體表面硬度:當(dāng)加載為19.8N時(shí)，顯微維氏硬度為78GPa0
[0021]實(shí)施例2
按照與實(shí)施例1相同的步驟生產(chǎn)氮化硼超硬材料，但是步驟(4)的轉(zhuǎn)化時(shí)間減少為Ilmin0得到的燒結(jié)體結(jié)合牢固。表面拋光后，X射線衍射顯示有25%的wBN轉(zhuǎn)化為cBN。檢測wBN和cBN的混合燒結(jié)體表面硬度:當(dāng)加載為19.8N時(shí)，顯微維氏硬度為76GPa。
[0022]實(shí)施例3
按照與實(shí)施例1相同的步驟生產(chǎn)氮化硼超硬材料，但是步驟(3)的壓力為6.9GPa，溫度為1780°C。得到的燒結(jié)體結(jié)合牢固。表面拋光后，X射線衍射顯示有70%的wBN轉(zhuǎn)化為cBN ο檢測wBN和cBN的混合燒結(jié)體表面硬度:當(dāng)加載為19.8N時(shí)，顯微維氏硬度為70GPa。
[0023]對比例I
按照與實(shí)施例1相同的步驟生產(chǎn)氮化硼材料，但是步驟(4)的轉(zhuǎn)化時(shí)間增加至20min。得到的燒結(jié)體結(jié)合牢固。表面拋光后，X射線衍射顯示wBN全部轉(zhuǎn)化為cBN。檢測燒結(jié)體表面硬度:當(dāng)加載為19.8N時(shí)，顯微維氏硬度為46GPa。
[0024]對比例2
按照與實(shí)施例1相同的步驟生產(chǎn)氮化硼材料，但是步驟(3)的壓力為6.9GPa，溫度為1780°C，步驟(4)的轉(zhuǎn)化時(shí)間增加至18min。得到的燒結(jié)體結(jié)合牢固。表面拋光后，X射線衍射顯示wBN全部轉(zhuǎn)化為cBN。檢測燒結(jié)體表面硬度:當(dāng)加載為19.SN時(shí)，顯微維氏硬度為44GPa0
[0025]對比例3
按照與實(shí)施例1相同的步驟生產(chǎn)氮化硼材料，但是步驟(3)的壓力為6.2GPa，溫度為1580°C，步驟(4)的轉(zhuǎn)化時(shí)間增加至25min。得到的燒結(jié)體結(jié)合牢固。表面拋光后，X射線衍射顯示wBN全部轉(zhuǎn)化為cBN。檢測燒結(jié)體表面硬度:當(dāng)加載為19.SN時(shí)，顯微維氏硬度為46GPa0
[0026]由實(shí)施例1~3和對比例1~3可知，反應(yīng)的溫度、壓力和時(shí)間會影響wBN的轉(zhuǎn)化率，本發(fā)明通過控制反應(yīng)的溫度、壓力和時(shí)間，得到了由wBN和cBN組成的燒結(jié)體，這種氮化硼超硬材料的硬度(彡70GPa)高于對比例1~3的立方氮化硼材料(45GPa左右)，也高于一般的金剛石(60~70GPa)。
[0027]實(shí)施例4
按照與實(shí)施例1相同的步驟生產(chǎn)氮化硼超硬材料，但是步驟(3)的壓力為6.2GPa，溫度為1450°C，步驟(4)的轉(zhuǎn)化時(shí)間為30min。得到的燒結(jié)體結(jié)合牢固，纖鋅礦型氮化硼和立方氮化硼的體積比是1:10。
[0028]實(shí)施例5
按照與實(shí)施例1相同的步驟生產(chǎn)氮化硼超硬材料，但是步驟(3)的壓力為6.3GPa，溫度為1410°C，步驟(4)的轉(zhuǎn)化時(shí)間為lOmin。得到的燒結(jié)體結(jié)合牢固，纖鋅礦型氮化硼和立方氮化硼的體積比是10:1。
[0029]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種氮化硼超硬材料，其特征在于，包括聚晶層和硬質(zhì)合金層，聚晶層燒結(jié)于硬質(zhì)合金層，聚晶層由纖鋅礦型氮化硼和立方氮化硼組成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化硼超硬材料，其特征在于，所述纖鋅礦型氮化硼和立方氮化硼的體積比是10:1~1:10。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化硼超硬材料，其特征在于，所述立方氮化硼由纖鋅礦型氮化硼轉(zhuǎn)化而成。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化硼超硬材料，其特征在于，所述立方氮化硼由纖鋅礦型氮化硼在壓力彡6GPa、溫度彡1400°C的條件下燒結(jié)轉(zhuǎn)化而成。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化硼超硬材料，其特征在于，所述立方氮化硼的粒徑為1-100 μ mD6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化硼超硬材料，其特征在于，所述硬質(zhì)合金層為碳化鎢合金。7.一種制備權(quán)利要求1所述的氮化硼超硬材料的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將纖鋅礦型氮化硼微粉裝入容器中； (2)將硬質(zhì)合金放在纖鋅礦型氮化硼微粉上方； (3)將容器置于高壓設(shè)備中，升壓至6GPa以上，升溫至1400°C以上； (4)保持步驟(3)的壓力和溫度10~30min; (5)降低壓力，停止加熱，待容器降至常壓常溫； (6 )取出容器，去除燒結(jié)體表面包裹的容器，得到氮化硼超硬材料。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氮化硼超硬材料的制備方法，其特征在于，所述纖鋅礦型氮化硼微粉的晶粒尺寸< 20 μm。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氮化硼超硬材料，包括聚晶層和硬質(zhì)合金層，聚晶層燒結(jié)于硬質(zhì)合金層，聚晶層由纖鋅礦型氮化硼和立方氮化硼組成。本發(fā)明還公開了該氮化硼超硬材料的制備方法，將纖鋅礦型氮化硼在高壓、高溫條件下部分轉(zhuǎn)化成立方氮化硼，最終形成燒結(jié)體。所得氮化硼材料的硬度高，可以制成各種切削工具、拉絲工具和研磨工具。
【IPC分類】B22F7/02, B22F3/14
【公開號】CN105127429
【申請?zhí)枴緾N201510520848
【發(fā)明人】劉旭輝, 許洪新, 荒木正任, 戴文久, 劉俊生, 肖攀, 龍蕓蕓, 鄒廣田
【申請人】珠海市鉅鑫科技開發(fā)有限公司
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年8月24日