一種納米金剛石/立方氮化硼塊體及其制備方法
【專利說明】
[0001]技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種材料及制備方法，特別是超硬材料及制備方法。
[0002]【背景技術(shù)】傳統(tǒng)的超硬材料在工業(yè)加工領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，其主要的種類包括聚晶金剛石燒結(jié)體(PCD)及聚晶立方氮化硼燒結(jié)體(PcBN)。由于PCD的高硬度而被普遍用于硬脆材料及有色金屬材料的加工方面，得到良好的效果。但由于金剛石與鐵族元素在高溫下易發(fā)生反應(yīng)而失去硬度，較低的熱穩(wěn)定性溫度，使其應(yīng)用受到極大的限制；而PcBN對(duì)鐵族元素的化學(xué)惰性及良好的熱穩(wěn)定性，是加工鋼鐵材料的主要品種，但其硬度遠(yuǎn)低于金剛石。因此，無論是金剛石還是立方氮化硼，都存在明顯的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
[0003]有相關(guān)學(xué)者為達(dá)到制備兼具金剛石與立方氮化硼性能優(yōu)點(diǎn)的材料，研宄了不同前驅(qū)物在超高壓及高溫條件下制備BCN的方法與理論。E.Knittle等人以兩種類型前驅(qū)物在 30GPa+1500K 條件下制備了 C-BN(E.Knittle, et al.High-pressuresynthesis,characterizat1n, and equat1n of state of cubic C-BN sol idsolut1ns, PHYSICAL REVIE (B)，1995，51:12149-12156)，得到的塊體只能通過分析得到證實(shí)其具有金剛石與立方氮化硼的晶體結(jié)構(gòu)特征；2001年Vladimir L.Solozhenko等人用類石墨的BC2N為原料，在18GPa和2200K條件下制備出立方相的BC2N,硬度介于立方氮化硼與金剛石之間(Vladimir L.Solozhenko, et al.Synthesis of superhard cubicBC2N, APPLIED PHYSICS LETTERS, 2001, 78 (10): 1385-1387);賀端威等人也展開了 BCN 材料的研宄，以無定形碳與六方BN為原料，按化學(xué)劑量比并通過球磨制備BC2N或BC4N的混合物，在20GPa和2200K條件下制備出硬度分別為62GPa和68GPa的塊體BC2N和BC4N(Y.Zhao, D.ff.He, et al.Superhard B-C-N materials synthesized in nanostructuredbulks.JOURNAL of MATERIALS RESEARCH, 2002(17):3139-3145) ；2011 年賈曉鵬等人在觸媒參與下，利用石墨與六方氮化硼為前驅(qū)物，在高溫高壓下制備了新型含有BCN的金剛石材料(X.B.Liu, X.P.Jia, et al.Synthesis and characterizat1n of new BCNdiamond under high pressuer and high temperature condit1ns, CRYSTAL GR0WTH&DESIGN, 2011, 11:1006-1014);賀端威等人在2013年報(bào)道了采用金剛石與立方氮化硼混合燒結(jié)的塊體材料，獲得了納米尺寸立方結(jié)構(gòu)的BCN塊體，硬度達(dá)到70GPa (王培，賀端威等.金剛石與立方氮化硼超硬合金的合成與表征.第六屆鄭州國際超硬材料及制品研討會(huì)論文集，2013，鄭州，pp.82-88)。這些BCN材料是否兼具金剛石與立方氮化硼的優(yōu)點(diǎn)，由于尺寸細(xì)小(小于2mm)，還未能制成工具或試樣得到驗(yàn)證，且所用壓力至少在12GPa以上，制備條件苛刻，難以工業(yè)化生產(chǎn)。并且得到的是B-C-N晶體。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高度的組織相容性且兼具金剛石與立方氮化硼高硬度與高熱穩(wěn)定性及性能可控的納米金剛石/立方氮化硼塊體及制備方法。本發(fā)明是以立方氮化硼表面為納米圓蔥頭-碳在高溫高壓下轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米金剛石的非自發(fā)形核的核心，并使部分納米圓蔥頭-碳依附立方氮化硼表面轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸Y(jié)構(gòu)，而且生成的納米金剛石與立方氮化硼又能良好結(jié)合。
[0005]一、本發(fā)明的納米金剛石/立方氮化硼超硬復(fù)合材料塊體是由質(zhì)量百分?jǐn)?shù)25-75的納米圓蔥頭-碳與質(zhì)量百分?jǐn)?shù)75-25的立方氮化硼兩種原料燒結(jié)成的超硬復(fù)合材料塊體，其維氏硬度為25-115GPa，斷裂韌性為4.6-7.8MPa.M°_5。
[0006]二、制備方法
[0007]1、原料
[0008](I)納米圓蔥頭-碳，其成分為碳，晶體結(jié)構(gòu)為圓蔥頭一碳結(jié)構(gòu)，含有少量納米金剛石核心或不含有納米金剛石核心，是由于其制備溫度不同而異。
[0009](2)立方氮化硼是市場(chǎng)供應(yīng)的微米級(jí)立方氮化硼單晶，其尺寸在0.1-300 μπι之間。
[0010]2、工藝步驟如下:
[0011](I)取納米圓蔥頭-碳及微米級(jí)立方氮化硼原料，并且納米圓蔥頭-碳:立方氮化硼=25-75:75-25(質(zhì)量百分比)，將兩種粉末混合，然后將混勻的粉末裝入預(yù)制的模具中，常溫下在普通液壓機(jī)上經(jīng)60MPa壓制成坯塊，以改善裝填密度；
[0012]⑵將步驟⑴壓制的坯塊裝入高壓組裝體中，再將該高壓組裝體置于高壓壓砧之間，進(jìn)行高溫、高壓燒結(jié)，其壓力為5-15GPa，溫度為1100-1900°C，并保持l_60min ;然后緩慢降溫至室溫，并卸除壓力；得到組織致密、外觀為塊狀的納米金剛石/立方氮化硼超硬復(fù)合材料。
[0013](3)最好對(duì)上面獲得的納米金剛石/立方氮化硼超硬復(fù)合材料塊體進(jìn)行后處理，即去除燒結(jié)體外的組裝體殘留物并打磨，使其表面光滑。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0015]1、本發(fā)明獲得的納米金剛石/立方氮化硼超硬復(fù)合材料塊體中，金剛石與立方氮化硼性能互補(bǔ)，使該復(fù)合材料塊體兼具金剛石的高硬度及立方氮化硼對(duì)鐵族元素的惰性。
[0016]2、本發(fā)明獲得的納米金剛石/立方氮化硼超硬復(fù)合材料塊體可根據(jù)需要調(diào)整組織中金剛石與立方氮化硼所占比例關(guān)系，以此有選擇性地突出金剛石的高硬度或立方氮化硼的熱穩(wěn)定性及與鐵族元素的惰性，獲得的組織中金剛石與立方氮化硼的質(zhì)量百分比為金剛石25-75 ;可根據(jù)需要改變制備壓力調(diào)整其硬度及韌性，復(fù)合多晶燒結(jié)體的維氏硬度為25-115GPa，斷裂韌性為 4.6-7.8MPa.Μ0.5。
[0017]3、本發(fā)明得到的塊體可加工成各種所需的產(chǎn)品。
[0018]4、本發(fā)明的方法簡單，適于工業(yè)化生產(chǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1.
[0020]⑴采用納米圓蔥頭-碳及微米級(jí)立方氮化硼為原料，按納米圓蔥頭-碳:立方氮化硼的質(zhì)量百分比為50:50，分別稱量納米圓蔥頭-碳和平均粒徑I微米的立方氮化硼單晶各5克，在研缽中用研磨棒輕輕研磨混合，以目視均勻即可#)混合均勻的粉末裝入到預(yù)制模具中，常溫下在普通液壓機(jī)上經(jīng)60MPa壓制成坯塊；⑶將步驟⑵壓制的坯塊裝入高壓組裝體中，置于高壓壓砧之間，升壓到5.5GPa，升溫至1300°C，并保持1min ;然后緩慢降溫至室溫，并卸除壓力；去除組裝體殘留物并打磨；本例中獲得的燒結(jié)體表面光滑，組織致密，維氏硬度42GPa，斷裂韌性4.8MPa.Ma 5。
[0021]實(shí)施例2.
[0022](I)采用納米圓蔥頭-碳及微米級(jí)立方氮化硼為原料，按納米圓蔥頭-碳:立方氮化硼的質(zhì)量百分比為70:30，稱量納米圓蔥頭-碳7.0克，稱量平均粒徑I微米的立方氮化硼單晶3.0克，在研缽中用研磨棒輕輕研磨混合，以目視均勻即可#)混合均勻的粉末裝入到預(yù)制模具中，常溫下在普通液壓機(jī)上經(jīng)60MPa壓制成坯塊；⑶將步驟⑵壓制的坯塊裝入高壓組裝體中，置于高壓壓砧之間，升壓到5.5GPa，升溫至1100°C，并保持1min ;然后緩慢降溫至室溫，并卸除壓力；去除組裝體殘留物并打磨；本例中獲得的燒結(jié)體表面光滑，組織致密，維氏硬度33GPa，斷裂韌性6.7MPa.Μα5。
[0023]實(shí)施例3.
[0024]⑴采用納米圓蔥頭-碳及微米級(jí)立方氮化硼為原料，按納米圓蔥頭-碳:立方氮化硼的質(zhì)量百分比為55:45，稱量納米圓蔥頭-碳5.5克，稱量平均粒徑I微米的立方氮化硼單晶4.5克，在研缽中用研磨棒輕輕研磨混合，以目視均勻即可#)混合均勻的粉末裝入到預(yù)制模具中，常溫下在普通液壓機(jī)上經(jīng)60MPa壓制成坯塊；⑶將步驟⑵壓制的坯塊裝入高壓組裝體中，置于高壓壓砧之間，升壓到5.5GPa，升溫至1200°C，并保持15min ;然后緩慢降溫至室溫，并卸除壓力；去除組裝體殘留物并打磨；本例中獲得的燒結(jié)體表面光滑，組織致密，維氏硬度27GPa，斷裂韌性4.8MPa.M°_5。
[0025]實(shí)施例4.
[0026]⑴采用納米圓蔥頭-碳及微米級(jí)立方氮化硼為原料，按納米圓蔥頭-碳:立方氮化硼的質(zhì)量百分比為25:75，稱量納米圓蔥頭-碳2.5克，稱量平均粒徑5微米的立方氮化硼單晶3.5克，稱量平均粒徑1.0微米的立方氮化硼單晶2.5克，稱量平均粒徑0.5微米的立方氮化硼單晶1.5克，在研缽中用研磨棒輕輕研磨混合，以目視均勻即可；(2)混合均勻的粉末裝入到預(yù)制模具中，常溫下在普通液壓機(jī)上經(jīng)60MPa壓制成坯塊；⑶將步驟⑵壓制的坯塊裝入高壓組裝體中，置于高壓壓砧之間，升壓到5.5GPa，升溫至1200°C，并保持1min ;然后緩慢降溫至室溫，并卸除壓力；去除組裝體殘留物并打磨；本例中獲得的燒結(jié)體表面光滑，組織致密，維氏硬度34GPa，斷裂韌性4.6MPa.M°_5。
[0027]實(shí)施例5.
[0028]⑴采用納米圓蔥頭-碳及微米級(jí)立方氮化硼為原料，按納米圓蔥頭-碳:立方氮化硼的質(zhì)量百分比為60:40，稱量納米圓蔥頭碳6.0克，稱量平均粒徑10微米的立方氮化硼單晶2.5克，稱量平均粒徑5.0微米的