高密度聚晶超硬材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超硬材料合成領(lǐng)域，具體為高密度聚晶超硬材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超硬材料則是指硬度可與金剛石相比擬的材料。目前使用的超硬材料主要是立方氮化硼與金剛石，但是還是許多超硬材料正在研發(fā)中，如碳化硼，孿晶金剛石，碳化硅等III族和IV族間化合物。
[0003]超硬材料主要是指金剛石和立方氮化硼。金剛石(英文:Diamond)是目前已知的世界上最硬的物質(zhì)，另外C60的硬度可能不亞于金剛石，但尚未定論。立方氮化硼硬度僅次于金剛石。這兩種超硬材料的硬度都遠(yuǎn)高于其它材料的硬度，包括磨具材料剛玉、碳化硅以及刀具材料硬質(zhì)合金、高速鋼等硬質(zhì)工具材料。因此，超硬材料適于用來(lái)制造加工其它材料的工具，尤其是在加工硬質(zhì)材料方面，具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，占有不可替代的重要地位。止因如此，超硬材料在工業(yè)上獲得了廣泛應(yīng)用。除了用來(lái)制造工具之外，超硬材料在光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)方面具有一些特殊性能，是一種重要的功能材料，引起了人們的高度重視，這方面的性能和用途正在不斷地得到研究開(kāi)發(fā)。
[0004]金剛石，也稱(chēng)鉆石，有天然金剛石和人造金剛石兩種。金剛石是目前世界上已知的最硬工業(yè)材料，它不僅具有硬度高、耐磨、熱穩(wěn)定性能好等特性，而且以其優(yōu)秀的抗壓強(qiáng)度、散熱速率、傳聲速率、電流阻抗、防蝕能力、透光、低熱脹率等物理性能，成為工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域不可替代的新材料，現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的瑰寶。
[0005]人造金剛石是加工業(yè)最硬的磨料，電子工業(yè)最有效的散熱材料，半導(dǎo)體最好的晶片，通訊元器件最高頻的濾波器，音響最傳真的振動(dòng)膜，機(jī)件最穩(wěn)定的抗蝕層等等，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于冶金、石油鉆探、建筑工程、機(jī)械加工、儀器儀表、電子工業(yè)、航空航天以及現(xiàn)代尖端科學(xué)領(lǐng)域。
[0006]立方氮化硼(CBN)是硬度僅次于金剛石的超硬材料。它不但具有金剛石的許多優(yōu)良特性，而且有更高的熱穩(wěn)定性和對(duì)鐵族金屬及其合金的化學(xué)惰性。它作為工程材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于黑色金屬及其合金材料加工工業(yè)。同時(shí)，它又以其優(yōu)異的熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)等性能，在一系列高科技領(lǐng)域得到應(yīng)用，成為一種具有發(fā)展前景的功能材料。立方氮化硼微粉，用在精密磨削、研磨、拋光和超精加工，以達(dá)到高精度的加工表面。適用于樹(shù)脂、金屬、陶瓷等結(jié)合劑體系，亦可用于生產(chǎn)聚晶復(fù)合片燒結(jié)體，還可用做松散磨粒、研磨膏。
[0007]CBN由于具有優(yōu)異的化學(xué)物理性能，如具有僅次于金剛石的高硬度、高熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，作為超硬磨料在不同行業(yè)的加工領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，汽車(chē)、航天航空、機(jī)械電子、微電子等工業(yè)不可或缺的重要材料，也得到各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的極大重視。合成CBN除靜高壓觸媒法還有多種方法，如靜高壓直接轉(zhuǎn)化法、動(dòng)態(tài)沖擊法、氣相沉積法等，其中有些方法如氣相沉積法發(fā)展很快。但迄今為止工業(yè)合成CBN主要方法還是靜高壓觸媒法，CBN的合成研究也主要集中于這方面。
[0008]人造金剛石聚晶(PCD)復(fù)合片是在高溫高壓情況下由許多細(xì)晶粒金剛石和硬質(zhì)合金襯底聯(lián)合燒結(jié)而成的塊狀聚結(jié)體。它和PCBN—樣具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、特別是具有高的抗沖擊韌性。作為加工工具，PCD主要用于石油、冶金、地質(zhì)鉆頭、擴(kuò)孔器等，其鉆進(jìn)速度及時(shí)效均為天然金剛石的許多倍，同時(shí)鉆進(jìn)過(guò)程中還可以有效保持孔徑。人造金剛石復(fù)合片還可以用來(lái)切削非鐵金屬及其合金、硬質(zhì)合金以及非金屬材料。切削速度為硬質(zhì)合金刀具的上百倍，耐用度為硬質(zhì)合金的上千倍。
[0009]超硬材料顆粒在燒結(jié)過(guò)程中，顆粒之間存在一定的空隙，這些空隙的存在影響了超硬材料的性能，特別是熱穩(wěn)定性，另外，金屬催化劑之間的熱膨脹差異也會(huì)影響超硬材料的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響超硬材料的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供高密度聚晶超硬材料及其制備方法，往大量的金剛石顆粒、立方氮化硼顆粒中加入少量的碳化物、氮化物、硼化物和碳氮化物，在一定的溫度和壓力條件下進(jìn)行燒結(jié)，形成一個(gè)或多個(gè)超薄顆粒粘結(jié)層，填充顆粒之間的空隙，增加超硬材料的密度。
[0011 ] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
往大量的金剛石顆粒、立方氮化硼顆粒中加入少量的碳化物、氮化物、硼化物和碳氮化物，并加入金屬粘結(jié)劑，在一定的溫度和壓力條件下進(jìn)行燒結(jié)，形成一個(gè)或多個(gè)超薄顆粒粘結(jié)層，顆粒粘合層的平均厚度為1微米一 100微米，將顆粒粘結(jié)層粉碎后與碳類(lèi)物質(zhì)顆?；蛄降?HBN)再次燒結(jié)，得到高密度聚晶金剛石或高密度聚晶立方氮化硼。
[0012]高密度聚晶超硬材料，其包括，按重量比，70%-99%的金剛石顆粒，或者立方氮化硼顆粒，0.5%-25%的碳化物，或者氮化物，或者硼化物，或者碳氮化物，或者碳化物、氮化物、硼化物和碳氮化物其中的兩種、三種、四種的混合物，0.5%-5%的金屬粘結(jié)劑。
[0013]高密度聚晶超硬材料制備方法，其包括以下步驟:
步驟一:混料。按重量比，在70%-99%的金剛石顆?；蛄⒎降痤w粒中加入1%_30%的氮化物，或者硼化物，或者碳氮化物，或者碳化物、氮化物、硼化物和碳氮化物其中的兩種、三種、四種的混合物，并加入0.5%-5%金屬粘結(jié)劑，將上述物質(zhì)混合攪拌均勻。
[0014]步驟二:初次燒結(jié)。將步驟一中得到的混合粉末加入到反應(yīng)爐中，在溫度700 -1900°C，壓力為200-800MPa和惰性氣氛的條件下進(jìn)行初次燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為3_20m，得到超薄的顆粒粘結(jié)層。
[0015]步驟三:粉碎。將顆粒粘結(jié)層用已知的技術(shù)手段粉碎。
[0016]步驟四:二次加料。加入碳類(lèi)物質(zhì)顆?；蛄降?HBN)，并攪拌混合均勻。
[0017]步驟五:二次燒結(jié)。將步驟四中的混合粉末送入到反應(yīng)爐，在溫度1700 - 2500°C,壓力為5-18GPa和惰性氣氛的條件下進(jìn)行二次燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為5-30m，得到高密度聚晶金剛石或高密度聚晶立方氮化硼。
[0018]高密度聚晶金剛石包括大量的金剛石顆粒，其中很大一部分是可粘合的，金剛石的體積至少為70%-99%。
[0019]高密度聚晶立方氮化硼包括大量的立方氮化硼，其中很大一部分是可粘合的，立方氮化硼的體積至少為70%_99%。
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