專利名稱：用堿土金屬氟化物合成立方氮化硼的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬超硬材料的高溫高壓合成方法領(lǐng)域，特別涉及選擇新的觸媒合成立方氮化硼的方法。
背景技術(shù)：
立方氮化硼(cBN)的硬度僅次于金剛石，由于它比金剛石具有更高的抗氧化溫度，且在高溫下不與鐵族元素發(fā)生反應(yīng)等優(yōu)異特性，作為磨料及制成刀具、砂輪和珩磨條等制品已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于高硬度的鋼鐵及其合金材料的加工領(lǐng)域。
六方氮化硼(hBN)與觸媒混合，在高溫高壓下合成是制取立方氮化硼的常用方法。一般的立方氮化硼合成方法以Li、Mg、Ca等堿金屬和堿土金屬或其氮化物、氮硼化物為觸媒合成立方氮化硼，存在著合成溫度、壓力范圍窄，立方氮化硼的轉(zhuǎn)化率低等缺點(diǎn)。例如，日本專利JP56-140013公開的用hBN為原料，氮化鋰、氮化鈣作觸媒，在高溫高壓下合成立方氮化硼的方法得到了高強(qiáng)度，低雜質(zhì)含量的立方氮化硼單晶粉末。但該方法所用的觸媒對(duì)六方氮化硼的純度和雜質(zhì)含量等要求較高，要六方氮化硼純度＞99.8％、氧化硼含量＜0.1％及石墨化指數(shù)＜2時(shí)才可得到好的合成結(jié)果，如六方氮化硼純度小于98％、氧化硼含量大于0.15％和石墨化指數(shù)大于3時(shí)所得到的立方氮化硼粒度就小于300目，轉(zhuǎn)化率也很低。
與本發(fā)明相近的現(xiàn)有技術(shù)是名稱為“立方氮化硼的合成方法”中國(guó)專利，專利號(hào)02116459.2，授權(quán)公告號(hào)CN1176009C。該專利以純度96％～99.8％、氧化硼含量0.01％～0.48％、石墨化指數(shù)1～6的粗制六方氮化硼為合成原料，選擇LiNH2和LiH的混合物作觸媒；LiNH2和LiH按重量比6～12∶1混合后，再與六方氮化硼原料按重量比1∶7～12混合均勻，預(yù)壓成型后經(jīng)高溫高壓合成，合成溫度為1350～1800℃，合成壓力為4.0～5.5GPa，合成時(shí)間為3～8分鐘，用熔融碳酸鈉提純得到立方氮化硼70～80目，破碎強(qiáng)度在35牛頓以上。
“立方氮化硼的合成方法”的中國(guó)專利在較低的合成壓力和溫度下合成高強(qiáng)度、透明、等積形的cBN，而且合成區(qū)寬、合成時(shí)間短、收率高。同時(shí)指出，“在混合觸媒中，LiNH2對(duì)cBN成核的貢獻(xiàn)較大，單獨(dú)用LiNH2只能得到細(xì)顆粒的產(chǎn)物。LiH的加入有效地控制了成核量，并促進(jìn)cBN單晶的生長(zhǎng)和發(fā)育。同時(shí)，LiH還對(duì)消除原料中氧化硼雜質(zhì)對(duì)cBN合成的影響，減少產(chǎn)物中包裹體和缺陷有重要作用?！卑l(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，選擇新型觸媒和原料配比，使六方氮化硼原料的純度要求低，并且具有合成壓力、溫度范圍寬，轉(zhuǎn)化率高的特點(diǎn)。
本發(fā)明提供一種合成立方氮化硼的方法，以六方氮化硼為原料，用CaF2或/和MgF2和Li3N作觸媒，LiH為添加劑，合成透明立方氮化硼。高壓合成的混合原料按重量配比為六方氮化硼∶CaF2或/和MgF2∶Li3N∶LiH＝1∶0.02～0.1∶0.11～0.2∶0.02～0.05，混合均勻，預(yù)壓成型后在高溫高壓下合成，合成溫度1000～1800℃，合成壓力4.0～6.0GPa，保溫保壓時(shí)間3～8分鐘，經(jīng)化學(xué)處理得到立方氮化硼產(chǎn)品。
六方氮化硼的純度可選擇95％以上的。
高溫高壓下合成，可以在超硬材料專用壓機(jī)上進(jìn)行。
合成產(chǎn)物是紅黃色且晶形完整率高、透明的立方氮化硼晶體。
本發(fā)明加入CaF2或/和MgF2，使cBN的成核率提高，同時(shí)cBN生長(zhǎng)的溫度壓力區(qū)域變寬，樣品區(qū)內(nèi)cBN的生長(zhǎng)區(qū)增大，從而提高了hBN向cBN轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化率。同時(shí)，本發(fā)明對(duì)原料hBN的純度要求降低，合成溫度也可以較低，合成時(shí)間較短，而產(chǎn)品是晶形完整率高、透明的立方氮化硼晶體，更適合工業(yè)上生產(chǎn)和使用。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1將CaF2、Li3N和LiH按重量比1∶4∶1混合均勻，再與純度95％的六方氮化硼按重量比15∶85混合均勻并預(yù)壓成圓柱狀后裝入石墨套管內(nèi)，保持原料柱的高度與石墨管的高度相等或比石墨管的高度低0.5～1mm，放入葉臘石塊內(nèi)組裝成合成塊，在六面頂壓機(jī)上進(jìn)行高壓合成。在1100℃，4.5GPa條件下，保溫保壓5分鐘，停止加熱待溫度降低后取出樣品，經(jīng)酸堿提純處理后得到紅黃色透明的立方氮化硼晶體，得到的cBN晶體，晶形完整率高，cBN的轉(zhuǎn)化率為35～40％。
將CaF2用MgF2替代，按上述的原料配比、組裝、合成、提純，同樣得到紅黃色透明的立方氮化硼晶體，cBN的轉(zhuǎn)化率為35～40％。
實(shí)施例2樣品配比、組裝，合成設(shè)備、以及溫度、壓力條件均同實(shí)施例1，保溫保壓時(shí)間3分鐘，實(shí)驗(yàn)樣品經(jīng)提純后得到的cBN晶體同實(shí)施例1，僅粒度略細(xì)，cBN轉(zhuǎn)化率為30％～40％。
實(shí)施例3樣品制備及合成條件均同實(shí)施例1，保溫保壓時(shí)間為8分鐘，合成產(chǎn)物提純處理后獲得的cBN晶體同實(shí)施例1，晶體粒度較粗，晶形完整率高，cBN轉(zhuǎn)化率35～40％。
實(shí)施例4將MgF2、Li3N和LiH按重量比4∶5∶1混合均勻，再與純度95％的六方氮化硼按重量比20∶80混合均勻并預(yù)壓成圓柱狀后裝入石墨套管內(nèi)，保持原料柱的高度與石墨管的高度相等或比石墨管的高度低0.5～1mm，放入葉臘石塊內(nèi)組裝成合成塊，在六面頂壓機(jī)上進(jìn)行高壓合成。在1700℃，5.5GPa條件下，保溫保壓5分鐘，停止加熱待溫度降低后取出樣品，經(jīng)酸堿提純處理后得到紅黃色透明的立方氮化硼晶體，得到的cBN晶體，晶形完整率高，cBN的轉(zhuǎn)化率為45～50％。
將MgF2用CaF2替代，按上述的原料配比、組裝、合成、提純，同樣得到紅黃色透明的立方氮化硼晶體，且平均粒度較大，cBN的轉(zhuǎn)化率為40～45％。
實(shí)施例5樣品配比、組裝，合成設(shè)備、以及溫度、壓力條件均同實(shí)施例4，保溫保壓時(shí)間3分鐘，實(shí)驗(yàn)樣品經(jīng)提純后得到的cBN晶體或?qū)嵤├?，僅粒度略細(xì)，cBN轉(zhuǎn)化率為35％～45％。
實(shí)施例6樣品制備及合成條件均同實(shí)施例4，保溫保壓時(shí)間為8分鐘，合成產(chǎn)物提純處理后獲得的cBN晶體同或?qū)嵤├?，晶體粒度較粗，晶形完整率高，cBN轉(zhuǎn)化率40～50％。
實(shí)施例7使用MgF2和CaF2作觸媒，按重量比MgF2∶CaF2＝1∶0.01～100。用MgF2和CaF2替代實(shí)施例1的CaF2，原料組裝、合成設(shè)備、溫度、壓力條件均同實(shí)施例1，同樣得到紅黃色透明的立方氮化硼晶體，cBN的轉(zhuǎn)化率為40～45％。
實(shí)驗(yàn)表明MgF2∶CaF2的大小，對(duì)合成紅黃色透明的立方氮化硼晶體的效果影響不大。
權(quán)利要求
1.一種用堿土金屬氟化物合成立方氮化硼的方法，以六方氮化硼為原料，在高溫高壓下合成立方氮化硼產(chǎn)品，合成溫度1000～1800℃，合成壓力4.0～6.0GPa，保溫保壓時(shí)間3～8分鐘；其特征在于，用CaF2或/和MgF2和Li3N作觸媒，LiH為添加劑；高壓合成的混合原料按重量配比為六方氮化硼∶CaF2或/和MgF2∶Li3N∶LiH＝1∶0.02～0.1∶0.11～0.2∶0.02～0.05。
2.按照權(quán)利要求1所述的用堿土金屬氟化物合成立方氮化硼的方法，其特征在于，所說(shuō)的六方氮化硼的純度是95％以上的。
全文摘要
本發(fā)明的用堿土金屬氟化物合成立方氮化硼的方法屬超硬材料的高溫高壓合成領(lǐng)域。用六方氮化硼做原料，以CaF
文檔編號(hào)B01J3/06GK1686602SQ20051001665
公開日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月25日
發(fā)明者郭偉力, 賈曉鵬, 馬紅安, 陳立學(xué), 卜雨洲, 鄒廣田 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)