高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料及其製備方法
2023-04-30 21:36:11
高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料及其製備方法
【專利摘要】本發明提供了一種高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料，由亞微米級或/和微米級的單晶立方氮化硼晶粒直接鍵合而成，維氏硬度＞70GPa。其製備方法為：（1）前驅體的製備，以平均粒徑為0.23～0.42μm的立方氮化硼單晶粉末為原料，根據所製備的前驅體的尺寸計量原料並將其放入金屬容器中、放入模具施壓成型得前軀體，所施加的壓強為6～14MPa，保壓時間為3～8min；（2）超高壓燒結，將前驅體在施壓下升溫至1500～3000℃保溫保壓燒結5～60min，所施加的壓強為8～12GPa，然後將溫度降至室溫、壓強降至常壓得燒結體；（3）燒結體的處理：將燒結體進行拋光處理並清洗、乾燥，即得。
【專利說明】高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於氮化硼材料領域，特別涉及一種聚晶立方氮化硼塊體材料及其製備方法。
【背景技術】
[0002]聚晶立方氮化硼(Polycrystallinecubic Boron Nitride,簡稱 PcBN)是指立方氮化硼(cubic Boron Nitride,簡稱cBN)多晶材料,在黑色(鐵族)金屬的高速切削、硬態加工、汽車、航天等領域的精密加工有著廣泛的應用，此外還可以應用於製造裝甲、穿甲和鑽地彈彈頭，航天飛行器信號採集及發射窗等。
[0003]目前市售的PcBN材料是添加有一定量的金屬或者陶瓷粘結劑燒結而成的，其中立方氮化硼的含量最高僅能達到95%，金屬或者陶瓷粘結劑的存在會降低PcBN材料的硬度(其最高維氏硬度僅為45GPa)，並會影響其穩定性及導熱性。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料及其製備方法。
[0005]本發明所述高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料，由亞微米級或/和微米級的單晶立方氮化硼晶粒直接鍵合而成，其維氏硬度大於70GPa。
[0006]上述高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料中，立方氮化硼的含量>99%。
[0007]上述高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料在3千克加載力下的維氏硬度為70.5 ~75GPa。
[0008]本發明所述高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料的製備方法，工藝步驟如下:
[0009](I)前驅體的製備
[0010]以平均粒徑為0.23~0.42 μ m的立方氮化硼單晶粉末為原料，根據所製備的前驅體的尺寸計量原料(利用體積、密度、質量之間的關係)，然後將計量好的原料放入金屬容器中，繼後將金屬容器放入模具施壓成型得前軀體，所施加的壓強為6~14MPa，保壓時間為3 ~8min ；
[0011](2)超高壓燒結
[0012]將步驟(1)所得前驅體在施壓下升溫至1500~3000°C保溫保壓燒結5~60min，所施加的壓強為8~12GPa，燒結時間屆滿後，將溫度降至室溫、壓強降至常壓得燒結體；
[0013](3)燒結體的處理
[0014]將步驟(2)所得燒結體進行拋光處理並清洗、乾燥，即得高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料。
[0015]本發明所述方法，其步驟(2)中以0.3~0.5GPa/min的速率將對前驅體施加的壓強升至8~12GPa，再以100~260°C /min的速率將燒結溫度升至1500~3000°C。
[0016]本發明所述方法，其步驟(2)中以80~220°C /min的速率將溫度從1500~3000°C降至室溫，再以0.25~0.45GPa/min的速率將壓強從8~12GPa降至常壓。
[0017]本發明所述方法中，所述金屬容器由不與立方氮化硼反應的金屬材料製作，優選鋯、鈮、鉭或鑰製作；所述金屬容器可製作成鋯杯、鈮杯、鉭杯或者鑰杯。
[0018]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0019]1、本發明所述聚晶立方氮化硼塊體材料中不含粘結劑，具有廣泛的cBN-cBN鍵，在3千克加載力下的維氏硬度> 70GPa,硬度較現有亞微米級和微米級晶粒的聚晶立方氮化硼材料有顯著提高。
[0020]2、本發明所述方法以亞微米級的立方氮化硼單晶粉末為初始材料，不添加粘結劑，得到了高純高硬度(維氏硬度> 70GPa)、大尺寸(直徑大於6mm)的聚晶立方氮化硼塊體材料。
[0021]3、本發明所述方法エ藝簡単，燒結時施加的壓カ為8~12GPa，相對較低，有利於エ業化生產。 【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是實施例1製備的聚晶立方氮化硼圓臺體材料的XRD圖譜及物相分析結果。
[0023]圖2是實施例1製備的聚晶立方氮化硼圓臺體材料在3千克加載力下的維氏硬度測試壓痕圖。
[0024]圖3是實施例5製備的聚晶立方氮化硼圓臺體材料的背散射電鏡照片，放大倍數為10000倍。
[0025]圖4是實施例2製備的聚晶立方氮化硼圓臺體材料的二次電子電鏡照片。
[0026]圖5是實施例2、3、4中採用的原料立方氮化硼單晶粉末的粒徑分布圖。
[0027]圖6是實施例1、5、6中採用的原料立方氮化硼單晶粉末的粒徑分布圖。
[0028]圖7是實施例1、5、6中採用的原料立方氮化硼單晶粉末的XRD圖譜。
【具體實施方式】
[0029]以下通過實施例對本發明所述高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料及其製備方法作進ー步說明。下述各實施例中，所述自動粉末壓片機的型號為ZYP-400，由天津市科器高新技術公司生產；所述鉸鏈式六面頂壓機的型號為6X14MN，由鄭州磨料磨具磨削研究所生產；所述立方氮化硼單晶粉末為市售商品，其純度大於99%。
[0030]實施例1
[0031]本實施例採用本發明所述方法製備高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料，エ藝步驟如下:
[0032](I)前驅體的製備
[0033]所製備的前驅體是直徑為7mm、高為5mm的圓臺體，以平均粒徑為0.43 y m的立方氮化硼單晶粉末為原料(其粒徑分布如圖6所示，其XRD圖譜如圖7所示)，根據前驅體的尺寸計量原料為0.Sg，然後將計量好的原料放入金屬鋯杯中，繼後將金屬鋯杯放入模具並在自動粉末壓片機上施壓成型得前軀體，所施加的壓強為6MPa，保壓時間為3min ；
[0034](2)超高壓燒結
[0035]將步驟(1)所得前驅體置於鉸鏈式六面頂壓機上，以0.45GPa/min的速率將對前驅體施加的壓強升至llGPa，保持該壓強，然後以120°C /min的速率將溫度升至1800°C，保持前述壓強和溫度，燒結40min，燒結時間屆滿後，以100°C /min的速率將溫度降至室溫，然後以0.4GPa/min的速率將壓強降至常壓；
[0036](3)燒結體的處理
[0037]用粒徑為IOym的金剛石研磨膏對步驟(2)所得燒結體進行粗拋光，然後用粒徑為1.5 y m的金剛石研磨膏進行細拋光，繼後將細拋光後的燒結體置於超聲波清洗器中用無水乙醇清洗乾淨並在真空乾燥箱中乾燥去除無水乙醇，即得高純高硬度聚晶立方氮化硼圓臺體材料。
[0038]將本實施例製備的聚晶立方氮化硼圓臺體材料進行XRD測試，圖1為其XRD圖譜及物相分析結果，由圖1可知，本實施例製備的聚晶立方氮化硼圓臺體材料的各衍射峰與氮化硼的標準XRD譜的圖衍射峰一致，說明本實施例製備的聚晶立方氮化硼圓臺體材料具有很高的純度。
[0039]將本實施例製備的聚晶立方氮化硼圓臺體材料進行硬度測試，在3千克加載力下的維氏硬度Hv=71.2GPa，圖2是本實施例製備的聚晶立方氮化硼圓臺體材料的維氏硬度測試壓痕圖。
[0040]實施例2
[0041]本實施例採用本發明所述方法製備高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料，工藝步驟如下:
[0042](I)前驅體的製備
[0043]所製備的前驅體是直徑為7mm、高為6mm的圓臺體，以平均粒徑為0.24 y m的立方氮化硼單晶粉末為原料(其粒徑分布如圖5所示)，根據前驅體的尺寸計量原料lg，然後將計量好的原料放入金屬鉭杯中，繼後將金屬鉭杯放入模具並在自動粉末壓片機上施壓成型得前驅體，所施加的壓強為8MPa，保壓時間為5min ；
[0044](2)超高壓燒結
[0045]將步驟(1)所得前驅體置於鉸鏈式六面頂壓機上，以0.4GPa/min的速率將對前驅體施加的壓強升至lOGPa，保持該壓強，然後以200°C /min的速率將溫度升至3`000°C，保持前述壓強和溫度，燒結5min，燒結時間屆滿後，以150°C /min的速率將溫度降至室溫，然後以0.35GPa/min的速率將壓強降至常壓；
[0046](3)燒結體的處理
[0047]用粒徑為IOym的金剛石研磨膏對步驟(2)所得燒結體進行粗拋光，然後用粒徑為1.5 y m的金剛石研磨膏進行細拋光，繼後將細拋光後的材料置於超聲波清洗器中用無水乙醇清洗乾淨並在真空乾燥箱中乾燥去除無水乙醇，即得高純高硬度聚晶立方氮化硼圓臺體材料。
[0048]將本實施例製備的聚晶立方氮化硼圓臺體材料進行硬度測試，在3千克加載力下的維氏硬度Hv=75GPa ;圖4是本實施例製備的聚晶立方氮化硼圓臺體材料的二次電子電鏡照片，由圖4可知，本實施例所得聚晶立方氮化硼圓臺體材料經過拋光後，表面較為光滑， 晶粒之間結合良好。
[0049]實施例3
[0050]本實施例採用本發明所述方法製備高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料，工藝步驟如下:
[0051](I)前驅體的製備
[0052]所製備的前驅體是直徑為7mm、高為6.2mm的圓臺體，以平均粒徑為0.24 y m的立方氮化硼單晶粉末為原料(其粒徑分布如圖5所示)，根據前驅體的尺寸計量原料1.2g，然後將計量好的原料放入金屬鈮杯中，繼後將金屬鈮杯放入模具並在自動粉末壓片機上成型得前驅體，所施加的壓強為9MPa，保壓時間為6min ；
[0053](2)超高壓燒結
[0054]將步驟(1)所得前驅體置於鉸鏈式六面頂壓機上，以0.3GPa/min的速率將對前驅體施加的壓強升至8GPa，保持該壓強，然後以250°C /min的速率將溫度升至2500°C，保持前述壓強和溫度，燒結30min，燒結時間屆滿後，以200°C /min的速率將溫度降至室溫，然後以
0.25GPa/min的速率將壓強降至常壓；
[0055](3)燒結體的處理
[0056]用粒徑為IOym的金剛石研磨膏對步驟(2)所得燒結體進行粗拋光，然後用粒徑為1.5 y m的金剛石研磨膏進行細拋光，繼後將細拋光後的材料置於超聲波清洗器中用無水こ醇清洗乾淨並在真空乾燥箱中乾燥去除無水こ醇，即得高純高硬度聚晶立方氮化硼圓臺體材料。
[0057]將本實施例製備的聚晶立方氮化硼圓臺體材料進行硬度測試，在3千克加載力下的維氏硬度Hv=73.2GPa。
[0058]實施例4
[0059]本實施例採用本發明所述方法製備高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料，エ藝步驟如下:
[0060](I)前驅體的製備
[0061]所製備的前驅體是直徑為7mm、高為6.6mm的圓臺體，以平均粒徑為0.24 y m的立方氮化硼單晶粉末為原料(其粒徑分布如圖5所示)，根據前驅體的尺寸計量原料1.6g，然後將計量好的原料放入金屬鑰杯中，繼後將金屬鑰杯放入模具並在自動粉末壓片機上施壓成型得前驅體，所施加的壓強為14MPa，保壓時間為7min ；
[0062](2)超高壓燒結
[0063]將步驟(1)所得前驅體置於鉸鏈式六面頂壓機上，以0.5GPa/min的速率將對前驅體施加的壓強升至12GPa，保持該壓強，然後以100°C /min的速率將溫度升至1500°C，保持前述壓強和溫度，燒結60min，燒結時間屆滿後，以80°C /min的速率將溫度降至室溫，然後以0.45GPa/min的速率將壓強降至常壓；
[0064](3)燒結體的處理
[0065]用粒徑為IOym的金剛石研磨膏對步驟(2)所得燒結體進行粗拋光，然後用粒徑為1.5 y m的金剛石研磨膏進行細拋光，繼後將細拋光後的材料置於超聲波清洗器中用無水こ醇清洗乾淨並在真空乾燥箱中乾燥去除無水こ醇，即得高純高硬度聚晶立方氮化硼圓臺體材料。
[0066]將本實施例製備的聚晶立方氮化硼圓臺體材料進行硬度測試，在3千克加載力下的維氏硬度Hv=74.1GPa0
[0067]實施例5[0068]本實施例採用本發明所述方法製備高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料，工藝步驟如下:
[0069](I)前驅體的製備
[0070]所製備的前驅體是直徑為7mm、高為6.3mm的圓臺體，以平均粒徑為0.43 μ m的立方氮化硼單晶粉末為原料(其粒徑分布如圖6所示，其XRD圖譜如圖7所示)，根據前驅體的尺寸計量原料1.3g，然後將計量好的原料放入金屬鋯杯中，繼後將金屬鋯杯放入模具並在自動粉末壓片機上施壓成型得前驅體，所施加的壓強為lOMPa，保壓時間為Smin ；
[0071](2)超高壓燒結
[0072]將步驟(1)所得前驅體置於鉸鏈式六面頂壓機上，以0.35GPa/min的速率將對前驅體施加的壓強升至9GPa，保持該壓強，然後以260°C /min的速率將溫度升至2600°C，保持前述壓強和溫度，燒結15min，燒結時間屆滿後，以220°C /min的速率將溫度降至室溫，然後以0.3GPa/min的速率將壓強降至常壓；
[0073](3)燒結體的處理
[0074]用粒徑為IOym的金剛石研磨膏對步驟(2)所得燒結體進行粗拋光，然後用粒徑為1.5 μ m的金剛石研磨膏進行細拋光，繼後將細拋光後的材料置於超聲波清洗器中用無水乙醇清洗乾淨並在真空乾燥箱中乾燥去除無水乙醇，即得高純高硬度聚晶立方氮化硼圓臺體材料。
[0075]將本實施例製備的聚晶立方氮化硼圓臺體材料進行硬度測試，在3千克加載力下的維氏硬度Hv=72.3GPa ;圖3是本實施例製備的聚晶立方氮化硼圓臺體材料的背散射電鏡照片，放大倍數為10000倍，由圖3可知，本實施例製備的聚晶立方氮化硼材料cBN-cBN鍵合良好，晶粒尺寸約0.5~2 `μ m。
[0076]實施例6
[0077]本實施例採用本發明所述方法製備高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料，工藝步驟如下:
[0078](I)前驅體的製備
[0079]所製備的前驅體是直徑為7mm、高為5.5mm的圓臺體，以平均粒徑為0.43 μ m的立方氮化硼單晶粉末為原料(其粒徑分布如圖6所示，其XRD圖譜如圖7所示)，根據前驅體的尺寸計量原料0.9g，然後將計量好的原料放入金屬鋯杯中，繼後將金屬鋯杯放入模具並在自動粉末壓片機上施壓成型得前驅體，所施加的壓強為7MPa，保壓時間為4min ；
[0080](2)超高壓燒結
[0081]將步驟(1)所得前驅體置於鉸鏈式六面頂壓機上，以0.3GPa/min的速率將對前驅體施加的壓強升至9GPa，保持該壓強，然後以240°C /min的速率將溫度升至2400°C，保持前述壓強和溫度，燒結30min，燒結時間屆滿後，以200°C /min的速率將溫度降至室溫，然後以
0.25GPa/min的速率將壓強降至常壓；
[0082](3)燒結體的處理
[0083]用粒徑為IOym的金剛石研磨膏對步驟(2)所得燒結體進行粗拋光，然後用粒徑為1.5 μ m的金剛石研磨膏進行細拋光，繼後將細拋光後的材料置於超聲波清洗器中用無水乙醇清洗乾淨並在真空乾燥箱中乾燥去除無水乙醇，即得高純高硬度聚晶立方氮化硼圓臺體材料。[0084]將本實施例製備 的聚晶立方氮化硼圓臺體材料進行硬度測試，在3千克加載力下的維氏硬度Hv=70.5GPa。
【權利要求】
1.一種高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料，其特徵在於該材料由亞微米級或/和微米級的單晶立方氮化硼晶粒直接鍵合而成，維氏硬度> 7OGPa。
2.一種高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料的製備方法，其特徵在於工藝步驟如下:(1)前驅體的製備以平均粒徑為0.23~0.42 y m的立方氮化硼單晶粉末為原料，根據所製備的前驅體的尺寸計量原料，然後將計量好的原料放入金屬容器中，繼後將金屬容器放入模具施壓成型得前軀體，所施加的壓強為6~14MPa，保壓時間為3~8min ；(2)超高壓燒結將步驟(1)所得前驅體在施壓下升溫至1500~300(TC保溫保壓燒結5~60min，所施加的壓強為8~12GPa，燒結時間屆滿後，將溫度降至室溫、壓強降至常壓得燒結體；(3)燒結體的處理將步驟(2)所得燒結體進行拋光處理並清洗、乾燥，即得高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料。
3.根據權利要求2所述高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料的製備方法，其特徵在於步驟(2)中以0.3~0.5GPa/min的速率將對前驅體施加的壓強升至8~12GPa，再以100~ 2600C /min的速率將燒結溫度升至1500~3000°C。
4.根據權利要求2或3所述高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料的製備方法，其特徵在於步驟(2)中以80~220°C /min的速率將溫度從1500~3000°C降至室溫，再以0.25~0.45GPa/min的速率將壓強從8~12GPa降至常壓。
5.根據權利要求2或3所述高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料的製備方法，其特徵在於所述金屬容器由不與立方氮化硼反應的金屬材料製作。
6.根據權利要求4所述高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料的製備方法，其特徵在於所述金屬容器由不與立方氮化硼反應的金屬材料製作。
7.根據權利要求5所述高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料的製備方法，其特徵在於所述不與立方氮化硼反應的金屬材料為鋯、鈮、鉭或鑰。
8.根據權利要求6所述高純高硬度聚晶立方氮化硼塊體材料的製備方法，其特徵在於所述不與立方氮化硼反應的金屬材料為鋯、鈮、鉭或鑰。
【文檔編號】B01J3/06GK103526295SQ201310483298
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月15日 優先權日:2013年10月15日
【發明者】寇自力, 劉國端, 賀端威 申請人:寇自力