一种立方氮化硼-金刚石聚晶烧结体及其制造工艺

摘要

本发明属于超硬材料制造技术领域，具体涉及一种立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体及其制造工艺。本发明针对现有技术中存在立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结过程中条件苛刻，导致粒径分布不均匀的问题。本发明的制造工艺通过将特定配比的氮化碳、硼粉、六方氮化硼经过高温高压制备得到立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体。本发明制备的立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体兼具立方氮化硼和金刚石的优异性能，具有硬度高、化学稳定性好等优异性能，立方氮化硼和金刚石分布不均匀，产品各向同性，自锐性好，将本发明的立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体制造成刀具后，在使用过程中不易对加工工件造成划伤。

权利要求

1.一种立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体的制造工艺，包括如下步骤：（1）将氮化碳、硼粉、六方氮化硼原料按照摩尔比0.5 1.5：3 5：0.2 10混匀，得到混合~ ~ ~粉末；

（2）将步骤（1）中的混合粉末在液压机上压制成柱体，压制压力为30 40MPa，将压制好~的柱体进行真空净化处理，处理完成后自然冷却，备用；

（3）将步骤（2）所得柱体装入叶腊石块中进行合成，合成压力8 13GPa，温度1800 2300~ ~℃，合成时间3 8分钟，然后降温降压，得到聚晶烧结体；

~

（4）将步骤（3）得到的聚晶烧结体清洗、除杂，即得立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体；

步骤（1）硼粉包括无定型硼粉和晶体硼粉，无定型硼粉：晶体硼粉的质量比=0 1：1；

~

步骤（4）中清洗、除杂步骤为：采用浓硫酸、熔融态氢氧化钠分别进行酸碱处理；

步骤（4）所制备的立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体硬度值在50GPa以上。

2.如权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，步骤（1）氮化碳、硼粉、六方氮化硼的纯度不小于99.9%。

3.如权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，步骤（2）中真空净化处理条件为：温度‑4 ‑5

500 600℃，时间2 4h，真空度10 10 Pa。

~ ~ ~

4.如权利要求1所述的制造工艺，其特征在于，步骤（4）中酸处理温度为150‑200℃，时间为1‑2h，碱处理温度为300‑350℃，时间为0.5‑1h，除去石墨和六方氮化硼杂质。

5.采用权利要求1 4任一项所述工艺制造得到的立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体。

~

6.权利要求5所述立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体在生产刀具中的应用。

说明书

一种立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体及其制造工艺

技术领域

[0001] 本发明属于超硬材料合成技术领域，具体涉及一种立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体及其制造工艺。

背景技术

[0002] 现有超硬材料主要有金刚石和立方氮化硼两种，金刚石具有最高的硬度，兼具高耐磨、高热导率等优异性能，在除黑色金属材料外的机械加工领域得到广泛的应用；立方氮化硼硬度仅次于金刚石，但热稳定性和化学稳定性优于金刚石，尤其适合Fe、Ni、Co等黑色金属材料及合金的加工。由于金刚石和立方氮化硼是在高温高压下合成的，单晶体尺寸较小，金刚石尺寸可达厘米级，直接加工成刀具使用成本较高；立方氮化硼尺寸仅达到毫米级，难以直接加工成刀具使用。在实际生产中多以微米级细颗粒金刚石、或立方氮化硼分别与结合剂在超高压高温5 7GPa、1300 1700℃条件下烧结，形成较大尺寸金刚石聚晶烧结体~ ~或立方氮化硼聚晶烧结体，用作刀具材料。随后人们又把这两种材料组合起来做成聚晶烧结体，即把金刚石和立方氮化硼与Ni、Fe、Co、Al、Ti、Si、TiN、SiN等在超高压高温形成金刚石‑立方氮化硼聚晶烧结体，以期烧结体兼具金刚石高硬度和立方氮化硼高化学稳定性的优点，形成万能刀具材料。但由于结合剂的存在，在高温高压合成过程中，结合剂和超硬材料膨胀系数不一致，影响烧结体的稳定性及耐磨性。

[0003] 近年来随着超高压技术的发展，工业生产上能够实现更高压力>7GPa、温度>2000℃的高温高压条件，开始尝试无结合剂立方氮化硼与金刚石的烧结。发明专利CN103803985公开了以六方氮化硼或立方氮化硼与金刚石粉末混合为原料，经过8 20GPa的压力温度条~件制备无结合剂立方氮化硼和金刚石烧结体的方法。此方法制备的复合烧结体的硬度和耐磨性远高于有结合剂复合烧结体，但合成条件较为苛刻，且存在着立方氮化硼和金刚石分布不均匀，在使用过程中容易对加工工件造成划伤，影响加工精度的问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提出一种立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体的制造工艺，从而解决现有技术中立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结过程中条件苛刻，导致粒径分布不均匀的问题。

[0005] 为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

[0006] 一种立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体的制造工艺，包括以下步骤：

[0007] （1）将氮化碳、硼粉、六方氮化硼原料按照摩尔比0.5 1.5：3 5：0.2 10混匀，得到~ ~ ~混合粉末；

[0008] （2）将步骤（1）中的混合粉末在液压机上压制成柱体，压制压力为30 40MPa，将压~制好的柱体进行真空净化处理，处理完成后自然冷却，备用；

[0009] （3）将步骤（2）所得柱体装入叶腊石块中进行合成，合成压力8 13GPa，温度1800~ ~2300℃，合成时间3 8分钟，然后降温降压，得到聚晶烧结体；
~

[0010] （4）将步骤（3）得到的聚晶烧结体清洗、除杂，即得立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体。

[0011] 优选的，步骤（1）氮化碳、硼粉、六方氮化硼的纯度不小于99.9%。

[0012] 进一步优选的，步骤（1）硼粉包括无定型硼粉和晶体硼粉，无定型硼粉：晶体硼粉质量比=0 1：1。~

[0013] 优选的，步骤（2）中真空净化处理条件为：温度500 600℃，时间2 4h，真空度10‑4~ ~ ~‑5
10 Pa。

[0014] 优选的，步骤（4）中清洗、除杂步骤为：采用浓硫酸、熔融态氢氧化钠分别进行酸碱处理，其中酸处理温度为150‑200℃，时间为1‑2h，碱处理温度为300‑350℃，时间为0.5‑1h，除去石墨和六方氮化硼杂质。

[0015] 上述方法通过将特定配比的氮化碳、硼粉、六方氮化硼经过高温高压制备得到立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体。

[0016] 本发明还提供了所述立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体在生产刀具中的应用。

[0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

[0018] 本发明制备的立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体兼具立方氮化硼和金刚石的优异性能，具有硬度高、化学稳定性好等优异性能，立方氮化硼和金刚石分布不均匀，产品各向同性，自锐性好，将本发明的立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体制造成刀具后，在使用过程中不易对加工工件造成划伤。

附图说明

[0019] 图1为实施例2中得到的立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体的扫描电镜图片（20000×）；

[0020] 图2为实施例2中得到的立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体的硬度压痕。

具体实施方式

[0021] 为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0022] 本发明中使用的g‑C3N（4 氮化碳）粉末购自江苏先丰纳米材料科技有限公司；无定型硼粉和晶体硼粉均购自中普瑞拓科技有限公司；hBN（六方氮化硼）购自丹东日进科技有限公司。

[0023] 实施例1

[0024] 一种立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体的制造工艺，具体包括以下步骤：

[0025] （1）将g‑C3N4粉末、晶体硼粉和hBN粉末作为初始原料，按照摩尔比C3N4：B： hBN=1：4：0.2的比例在三维混料机上进行混料处理2小时，得到混合粉末；其中，g‑C3N4粉末的纯度为99.9%、粒度为1‑10μm，晶体硼粉的纯度为99.99%、粒度为10μm，hBN粉末的纯度为99.9%、粒度为20‑50μm；

[0026] （2）将步骤（1）制得的混合粉末在液压机上以30MPa的条件下压制成柱体；将柱体‑4在500℃，真空度10 Pa的条件下进行真空处理2小时后，自然冷却；

[0027] （3）将步骤（2）高温真空处理后的柱体装入叶腊石中进行合成，在六面顶压机上进行高温高压合成，合成条件为：压力13GPa，温度2300℃，时间8分钟，然后降温降压，得到聚晶烧结体；

[0028] （4）将步骤（3）得到的聚晶烧结体采用浓硫酸、氢氧化钠分别进行酸碱处理，具体为采用浓硫酸（质量分数98%）、300℃熔融氢氧化钠分别进行酸碱处理，其中酸处理温度为150℃，时间为2h，碱处理温度为300℃，时间为1h，除去石墨和六方氮化硼杂质，经过酸、碱处理去除表面杂质，得到无结合剂纳米级立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体。

[0029] 经测试，所制造的纳米级立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体的粒径小于30nm，其中立方氮化硼质量占比为74.3% ，材料的维氏硬度约为82GPa。

[0030] 实施例2

[0031] 一种立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体的制造工艺，具体包括以下步骤：

[0032] （1）将g‑C3N4粉末、晶体硼粉和hBN粉末作为初始原料，按照摩尔比C3N4：B： hBN=1：4：2的比例在三维混料机上进行混料处理2小时，得到混合粉末；其中，g‑C3N4粉末的纯度为
99.9%、粒度为1‑10μm，晶体硼粉的纯度为99.99%、粒度为10μm，hBN粉末的纯度为99.9%、粒度为20‑50μm；

[0033] （2）将步骤（1）制得的混合粉末在液压机上以40MPa的条件下压制成柱体；将柱体‑4在500℃，真空度10 Pa的条件下进行真空处理2小时后，自然冷却；

[0034] （3）将步骤（2）高温真空处理后的柱体装入叶腊石中进行合成，在六面顶压机上进行高温高压合成，合成条件为：压力8GPa，温度1800℃，时间3分钟，然后降温降压，得到聚晶烧结体；

[0035] （4）将步骤（3）得到的聚晶烧结体采用浓硫酸、氢氧化钠分别进行酸碱处理，具体的浓硫酸浓度、氢氧化钠熔融态温度同实施例1，其中酸处理温度为180℃，时间为1h，碱处理温度为320℃，时间为0.5h，除去石墨和六方氮化硼杂质，经过酸、碱处理去除表面杂质，得到无结合剂纳米级立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体。

[0036] 经测试，所制造的纳米级立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体的粒径约为70nm，其中立方氮化硼质量占比为80.5% ，材料的维氏硬度约为52GPa。

[0037] 图1为立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体的扫描电镜图片，可以看出产品晶粒度为纳米级，最小约为70nm，晶粒间结合致密；图2为立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体的维氏硬度压痕，其硬度值约为52GPa。

[0038] 实施例3

[0039] 一种立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体的制造工艺，具体包括以下步骤：

[0040] （1）将g‑C3N4粉末、硼粉和hBN粉末作为初始原料，按照摩尔比C3N4：B： hBN=1：4：5的比例在三维混料机上进行混料处理4小时，得到混合粉末；其中，g‑C3N4粉末的纯度为99.9%、粒度为1‑10μm，硼粉的纯度为99.99%、粒度为10μm，无定型硼粉末的纯度为99.9%、粒度为10μm，hBN粉末的纯度为99.9%、粒度为20‑50μm；所述硼粉包括无定型硼粉和晶体硼粉，无定型硼粉和晶体硼粉的摩尔比为1:1；

[0041] （2）将步骤（1）制得的混合粉末在液压机上以35MPa的条件下压制成柱体；将柱体‑5在600℃，真空度10 Pa的条件下进行真空处理4小时后，自然冷却；

[0042] （3）将步骤（2）高温真空处理后的柱体装入叶腊石中进行合成，在六面顶压机上进行高温高压合成，合成条件为：压力10GPa，温度1800℃，时间5分钟，然后降温降压，得到聚晶烧结体；

[0043] （4）将步骤（3）得到的聚晶烧结体采用浓硫酸、氢氧化钠分别进行酸碱处理，具体的浓硫酸浓度、氢氧化钠熔融态温度同实施例1，其中酸处理温度为180℃，时间为1h，碱处理温度为320℃，时间为0.5h，除去石墨和六方氮化硼杂质，经过酸、碱处理去除表面杂质，得到无结合剂纳米级立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体。

[0044] 经测试，所制造的纳米级立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体的粒径约为50nm，其中立方氮化硼质量占比为86.1% ，材料的维氏硬度约为64GPa。

[0045] 实施例4

[0046] 一种立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体的制造工艺，具体包括以下步骤：

[0047] （1）将g‑C3N4粉末、硼粉和hBN粉末作为初始原料，按照摩尔比C3N4：B： hBN=1：4：10的比例在三维混料机上进行混料处理6小时，得到混合粉末；其中，g‑C3N4粉末的纯度为99.9%、粒度为1‑10μm，硼粉的纯度为99.99%、粒度为10μm，无定型硼粉末的纯度为99.9%、粒度为10μm，hBN粉末的纯度为99.9%、粒度为20‑50μm；所述硼粉包括无定型硼粉和晶体硼粉，无定型硼粉和晶体硼粉的摩尔比为1:1；

[0048] （2）将步骤（1）制得的混合粉末在液压机上以40MPa的条件下压制成柱体；将柱体‑5在600℃，真空度10 Pa的条件下进行真空处理4小时后，自然冷却；

[0049] （3）将步骤（2）高温真空处理后的柱体装入叶腊石中进行合成，在六面顶压机上进行高温高压合成，合成条件为：压力10GPa，温度2000℃，时间5分钟，然后降温降压，得到聚晶烧结体；

[0050] （4）将步骤（3）得到的聚晶烧结体采用浓硫酸、氢氧化钠分别进行酸碱处理，具体的浓硫酸浓度、氢氧化钠熔融态温度同实施例1，其中酸处理温度为200℃，时间为2h，碱处理温度为350℃，时间为0.5h，除去石墨和六方氮化硼杂质，经过酸、碱处理去除表面杂质，得到无结合剂纳米级立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体。

[0051] 经测试，所制造的纳米级立方氮化硼‑金刚石聚晶烧结体的粒径约为50nm，其中立方氮化硼质量占比为90.6% ，材料的维氏硬度约为56GPa。

[0052] 以上对本发明的具体实施案例进行了描述，需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式。本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。