本發(fā)明屬于無機非金屬硬質(zhì)材料領域，特別涉及一種os2b3硬質(zhì)材料及其制備和應用。

背景技術(shù)：

超硬材料由于具有高硬度、良好的耐磨性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)良特性，被廣泛應用于機械制造、建筑、航天航空和汽車等眾多領域。目前工業(yè)上廣泛應用的超硬材料主要是金剛石和立方氮化硼。然而，金剛石和立方碳化硼都需要在高溫高壓的條件下才能合成。因此需要研究出一種能在低溫或常溫下合成的新型超硬材料，以降低其生產(chǎn)成本。

過渡金屬硼化物因其具有高硬度、高體積模量、高機械強度和高的熱穩(wěn)定性而備受關注，更為重要的是其可能在低溫或常溫下合成?，F(xiàn)研究所報道的過渡金屬硼化物主要有鋨(os)、錸(re)、鎢(w)、銥(ir)和釕(ru)的硼化物。在這些過渡金屬元素中，鋨(os)具有最高的價電子密度和體積模量，且能與硼(b)形成os-b和b-b共價鍵。據(jù)報道，osb2的維氏硬度能達到37gpa，體積模量在365-395gpa之間，其值非常接近金剛石的體積模量(440gpa)。然而osb2是一種極脆的材料，且在高溫的條件下易發(fā)生相變影響其結(jié)構(gòu)和力學性能。os2b3理論上也是一種硬質(zhì)材料且其韌性要優(yōu)于osb2。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺點，本發(fā)明的首要目的在于提供一種os2b3硬質(zhì)材料的制備方法，制備過程簡單易行。

本發(fā)明的再一目的在于提供一種上述制備方法得到的os2b3硬質(zhì)材料，該材料具有高硬度、高強度、耐磨損和化學性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)良的物理化學性能。

本發(fā)明的又一目的在于提供上述os2b3硬質(zhì)材料的應用。

本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種os2b3硬質(zhì)材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)采用機械化學法，在惰性氣體下，通過球磨機將原料粉末在室溫下合成os2b3粉末；原料粉末包括摩爾比3:2＜b：os＜5:2；

(2)對合成的os2b3粉末進行造粒，并向其中加入pva或pvb粘結(jié)劑，在真空爐中進行排膠處理，排膠溫度控制在400℃-600℃之間；所述pva或pvb粘結(jié)劑的加入量為os2b3粉末質(zhì)量的3％；

(3)在惰性氣體下，采用燒結(jié)工藝對粉末進行致密化，得到os2b3硬質(zhì)材料。

步驟(1)所述原料粉末包括摩爾比為2:1的硼和鋨。

步驟(1)所述球磨機為行星式高能球磨機。當采用行星式高能球磨機時，所述合成的過程中采用碳化鎢作為球磨介質(zhì)，球料質(zhì)量比控制在4:1。

步驟(1)所述通過球磨機在室溫下合成os2b3粉末，其原理是原料粉末在室溫下通過機械能直接反應生成。

步驟(1)所述os2b3粉末主相是具有六方結(jié)構(gòu)的os2b3。

步驟(3)所述燒結(jié)工藝為傳統(tǒng)燒結(jié)工藝或者場輔助燒結(jié)工藝。

步驟(3)所述傳統(tǒng)燒結(jié)工藝為熱壓燒結(jié)或氣氛燒結(jié)；所述場輔助燒結(jié)工藝為放電等離子燒結(jié)或微波燒結(jié)。

步驟(3)所述燒結(jié)溫度為1500-1800℃，優(yōu)選是1600-1700℃。

一種根據(jù)上述制備方法得到的os2b3硬質(zhì)材料，該os2b3硬質(zhì)材料的維氏硬度達到2693hv以上。

上述os2b3硬質(zhì)材料應用于切削刀具及其相關工業(yè)領域，特別適用于含鐵類金屬的高速干切削領域。

本發(fā)明擬解決的第一個難點是，采用機械化學法合成純度較高、硼含量少或者不含硼的具有六方結(jié)構(gòu)的os2b3粉末；

本發(fā)明擬解決的第二個難點是，制備的六方結(jié)構(gòu)的os2b3，在燒結(jié)溫度下不發(fā)生向低硼化物(osb1.1)的分解；

本發(fā)明擬解決的第三個難點是，采用合理的燒結(jié)工藝制備致密的、無燒結(jié)助劑的os2b3塊體材料；所述的os2b3的致密化過程、塊體材料成分、結(jié)構(gòu)和致密度等受燒結(jié)工藝方法和燒結(jié)參數(shù)控制；

本發(fā)明擬解決的第四個難點是，向合成的os2b3粉末中加入3％的pva或pvb能夠減少其在預壓成型時的分層現(xiàn)象。

本發(fā)明擬解決的第五個難點是，在真空爐中對冷等靜壓成型后的塊體進行排膠處理，能過減少pva和pvb對塊體材料性能的影響。

所述的采用機械化學法合成的os2b3的主要成分為具有六方結(jié)構(gòu)的os2b3，可能含有一定量的殘余硼。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下突出的優(yōu)點及有益效果：(1)傳統(tǒng)超硬材料金剛石和立方氮化硼的合成需要高溫高壓等條件。金剛石在800℃時易被氧化，且不能加工含鐵類工件。立方氮化硼的沉積速率低，沉積溫度高，以及立方氮化硼薄膜中總含有一些難以消除的h-bn或非晶bn成份等影響其性能。本研究所獲得的os2b3材料其純度較高、硼含量少或者不含硼，且其具有較高硬度和化學穩(wěn)定性等優(yōu)良特性。(2)傳統(tǒng)的制備過渡金屬鋨硼化物的方法有直接反應燒結(jié)、固態(tài)置換和電弧熔融等，而這些方法需要在高溫的條件下進行且周期較長，這些增加了產(chǎn)品的最終成本，不利其在工業(yè)上的應用。本發(fā)明的技術(shù)特點在于，采用機械合金化高能球磨的方法在室溫常壓下合成純度較高、硼含量少或者不含硼的具有六方結(jié)構(gòu)的os2b3粉末，其過程簡單易行。通過無壓氣氛燒結(jié)獲得致密度較高的塊體材料，且在燒結(jié)過程中并未發(fā)生向低硼化物的轉(zhuǎn)變純度較高。

附圖說明

圖1為不同球磨時間段的xrd圖譜，其中(a)為4-40h不同時段的xrd圖譜，(b)為(a)在8-20h不同時段的局部放大圖，(c)為(a)在16-36h不同時段的局部放大圖。

圖2為球磨40h后os2b3粉末的sem和eds圖譜，其中(a)為球磨40h后os2b3粉末的sem照片，(b)為(a)球磨40h后os2b3粉末的sem照片的局部放大，(c)為球磨40h后os2b3粉末的eds圖譜。

圖3為球磨40h后os2b3粉末的tem照片，其中(a)為球磨40h后os2b3粉末的tem照片，(b)為(a)os2b3粉末的tem照片的局部放大，(c)為os2b3(101)與(100)內(nèi)平面的晶面間距。

圖4為os2b3粉末經(jīng)表面刻蝕之后的xps圖譜。

圖5為os2b3粉末os4f(a)與b1s(b電子層高分辨率xps圖譜的擬合曲線，其中(a)為os2b3粉末os4f(a)電子層高分辨率xps圖譜的擬合曲線，(b)為os2b3粉末b1s(b)電子層高分辨率xps圖譜的擬合曲線。

圖6為os2b3在800℃和1000℃熱處理后的xrd圖譜。

圖7為os2b3粉末在1700℃氣氛燒結(jié)后的xrd圖譜。

圖8為氣氛燒結(jié)后os2b3的斷面sem照片。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

采用美國spex公司型號為8000m的高能球磨機進行粉末合成。首先，在充滿氬氣的手套箱中，將高純的鋨粉(os)與硼粉(b)按化學計量比1:2混合配料。所用的碳化鎢磨球一共六個，尺寸為11.20mm，球與混合粉末質(zhì)量之比為4:1。將裝有粉末和磨球的碳化鎢球磨罐固定在高能球磨機上。球磨總時間為40h，每球磨1h停機20min(防止發(fā)動機過熱)。

圖1為不同球磨時段的xrd圖譜。由圖1(a)可知，隨球磨時間的延長，鋨(os)的峰不斷減弱且峰形變寬，球磨2h之后首次檢測到osb1.1。圖1(b)是圖1(a)的局部放大圖，從圖1(b)中可知，隨球磨時間的延長osb1.1的峰不斷增強，且球磨12h后檢測到os2b3的峰。圖1(c)為圖1(a)在16-36h時間段的局部放大圖，從圖1(c)可得，os2b3的峰隨球磨時間的增加而不斷增強，球磨至32h已檢測不到os(鋨)和osb1.1的峰，其主相為os2b3，對其繼續(xù)球磨峰形基本保持不變，預示球磨32h后其反應基本完成，得到較為純凈的os2b3粉末。

圖2為os2b3球磨40h后的sem和eds圖譜，從中可以看到由于冷焊引起的納米粉末團聚，其粒徑在5μm以下且形狀不規(guī)則。球磨40h后粉末中存在少量的w(鎢)、c(碳)和o(氧)等雜質(zhì)元素，其可能是由球磨介質(zhì)所引入。圖3為合成粉末的tem衍射條紋，可以確定球磨40h后所得到粉末為六方結(jié)構(gòu)的os2b3。

圖4為os2b3經(jīng)過表面刻蝕之后的xps圖譜，由圖可知球磨40h后粉末中主要是os(鋨)與b(硼)這兩種元素，其中含有少量的o(氧)元素，可能在實驗操作過程中少部分產(chǎn)物發(fā)生了氧化反應。

圖5為os2b3粉末os4f(圖5a)與b1s(圖5b)電子層的高分辨率xps圖譜的擬合曲線，由圖5(a)和圖5(b)可知os2b3粉末中os(鋨)與b(硼)之間主要是以os-b和b-b共價鍵的形式存在，且含有少量的os-o和b-o共價鍵。

圖6為os2b3粉末在800℃和1000℃兩個溫度熱處理后的xrd圖譜。在800℃、氬氣氣氛保護、保溫時長為1小時等條件下對其進行熱處理。由圖可知，經(jīng)過800℃熱處理后的粉末與未經(jīng)熱處理相比其主相仍然是os2b3。在其他條件不變的前提下，當溫度升至1000℃時出現(xiàn)了osb1.1和os的峰，由此可知在1000℃的高溫下有部分os2b3粉末發(fā)生了向osb1.1和os的轉(zhuǎn)變，os2b3粉末在800℃下能夠穩(wěn)定存在。

圖7為os2b3粉末在1700℃氣氛燒結(jié)后的xrd圖譜，從圖中可以得出，經(jīng)1700℃氣氛燒結(jié)之后得到了結(jié)晶度和純度較高的os2b3塊體材料。其斷面sem照片如圖8(a)和(b)所示，燒結(jié)后的樣品致密度較高，晶粒呈板狀結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸較大。樣品的維氏硬度值最高達到2693hv0.49n。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其它的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。