通過化學反應製備立方氮化硼的方法
2023-05-30 09:36:01 2
專利名稱：通過化學反應製備立方氮化硼的方法
技術領域：
本發明屬於一種超硬材料的製備方法，特別涉及一種不用觸媒合成黑色立方氮化硼單晶的方法。
背景技術：
立方氮化硼(cBN)晶體硬度僅次於金剛石，但與金剛石不同，它與鐵族金屬無反應，是加工鐵族金屬及其合金的優良材料。通常cBN晶體有兩種製備方法一種是在超高壓(大於11.5GPa)高溫(～1500℃)下使六角氮化硼(hBN)直接轉化為立方氮化硼，或在觸媒如鹼金屬鹼土金屬及它們的氮化物、硼氮化物、硼化物等參與下使hBN在約5Gpa、1500℃條件下轉化為cBN的方法；另外一種是在負壓下用氣相沉積獲得cBN晶體的方法。前種方法中添加觸媒的方法，由於其所用壓力低、產量高、晶粒粗大，適合做工業磨料而被廣泛採用。氣相沉積方法更適合製備cBN薄膜。
與本發明相近的現有技術是由F.P.Budy等人做出的不用觸媒從hBN直接轉化為cBN的方法。該方法記載於題目為「六角氮化硼向緻密型的直接轉換」文獻中，見The Journal of Chemical Physical Volume38.Number5(1962)1144～1149。該方法所用高溫高壓裝置為「Belt-type」兩面頂，所用的原料是①商業模壓六角氮化硼，含B2O3達到2.5％，或者是②純度較高的粉末狀六角氮化硼，在X-光衍射譜中沒有B2O3被檢測到。使用原料①在14.0GPa，4000K條件下得到的產物有較強的cBN的X-光衍射譜。使用原料②在11.3GPa，2500K條件下得到的產物有較強的cBN的X-光衍射譜。
該方法使用六角氮化硼為原料直接合成cBN，雖然省掉了觸媒材料，但其合成條件相當苛刻，「轉變所需的最小壓力為11.5GPa，最低溫度2000K」。特別是使用的合成壓力高達11.5Gpa以上，這是在實際生產中無法承受的。而且晶體結晶很小。文獻還指出，在直接轉化中B2O3的存在，使合成的壓力和溫度都提高了很多，這對合成是很不利的。
發明內容
立方氮化硼是一種高效節能精密加工鐵族金屬及合金的工具材料，在實現機械加工現代化中有重要作用。降低立方氮化硼單晶合成壓力與溫度，簡化合成方法始終是研究者和生產者追求的目標。本發明採用化學反應的方法，不用觸媒，在不太高的高壓、高溫下合成了黑色的立方氮化硼晶體。本方法跟傳統的方法相比，克服了在用觸媒合成方法中觸媒製備及防止觸媒氧化汙染等困難，簡化了工藝；與直接轉化法即非觸媒法相比，使壓力大大的降低，從而降低了合成中硬質合金釘錘的消耗，降低了生產成本，成為適合大規模工業生產的有效方法。
本發明的具體工藝過程如下所述。
以單質硼(B)或氧化硼(B2O3)和氮化鋰(Li3N)為初始反應物，按質量比B或B2O3∶Li3N＝1∶0.8～1.3配料。反應物研磨混勻後壓製成圓柱狀，裝入石墨加熱容器中，與葉臘石一起組裝成高壓高溫合成塊，在高溫高壓下反應生成立方氮化硼晶體。反應的條件為壓力3.0～6.0GPa；溫度1400～1700℃；加熱時間3～10分鐘。停止加熱樣品冷卻後卸壓回收產物。
將回收的含有立方氮化硼和雜質的產物粉碎後，用常規的酸鹼處理法去除葉臘石、石墨等雜質，得到純淨的立方氮化硼晶體。即，可以用氫氧化鉀和硝酸去除葉臘石、石墨等雜質。
本發明通過化學反應製備立方氮化硼的方法，由於使用B或B2O3和Li3N為反應物，不需要觸媒，並且在較低的壓力和較低的溫度下，通過化學反應生成立方氮化硼晶體，得到的產品有較強的cBN的X-光衍射譜，粒徑在20～400微米範圍。由於工藝比較簡單，與背景技術相比大大的降低了壓力，即或使用B2O3作反應物，合成壓力和溫度也都大大降低，從而適合規模工業生產。
具體實施例方式
實施例1本實驗是在中國產的DSO29B型壓機上完成的，該壓機高壓腔尺寸為內徑φ15.5×12mm。合成前，先將塊狀氮化鋰在瑪瑙研缽中研成粉末狀，按1∶0.9～1質量比將其與單質硼粉均勻混合。將混合粉料按高壓腔承載樣品的容量稱重，在8MPa壓力下壓成柱狀體。將壓好的柱狀體裝入內徑φ15.5×12mm的石墨加熱管中，與配套的葉臘石組裝成合成塊。將該塊放入高壓設備中進行高溫高壓反應。反應條件為壓力為4.4～5.0Gpa；溫度為1450～1550℃；加熱時間為4～6分鐘。停止加熱，待合成腔冷卻後，卸掉壓力取回合成產物。經常規酸鹼處理後得到黑色的立方氮化硼單晶體。
實施例1為本發明的最佳實施例，生成的黑色cBN的粒徑最大可達400微米。
實施例2在實施例1實驗條件基礎上，將壓力降低至原有壓力的約70％(3.1～3.5GPa)，仍然得到了立方氮化硼晶體，但cBN晶體產品的粒度較將壓力增大為6GPa，也可以得到大粒度的黑色cBN單晶。
實施例3將實施例1中的反應物單質硼換成三氧化二硼，按質量比B2O3∶Li3N＝1∶1.3配料，在與實施例1相同的實驗條件下，同樣可以得到黑色的立方氮化硼單晶體，粒徑較細。
實施例4按實施例1的反應物及其配比、工藝過程及實驗壓力條件，降低轉換溫度為1400℃，但相應的延長加熱時間到10分鐘，或提高轉換溫度為1700℃，相應的縮短加熱時間到3分鐘，對合成立方氮化硼單晶體的結果沒有太大的影響。在最佳的溫度範圍為1450～1550℃，相應的加熱時間為4～6分鐘。
權利要求
1.一種通過化學反應製備立方氮化硼的方法，其特徵在於，以單質硼或氧化硼和氮化鋰為初始反應物，按質量比B或B2O3∶Li3N＝1∶0.8～1.3配料；反應物研磨混勻後壓製成圓柱狀，裝入石墨加熱容器中，與葉臘石一起組裝成高壓高溫合成塊，在高溫高壓下反應生成立方氮化硼晶體；反應的條件為壓力3.0～6.0GPa；溫度1400～1700℃；加熱時間3～10分鐘。
2.按照權利要求1所述的通過化學反應製備立方氮化硼的方法，其特徵在於，所說的高溫高壓反應，反應條件為壓力為4.4～5.0GPa；溫度為1450～1550℃；加熱時間為4～6分鐘。
全文摘要
本發明的通過化學反應製備立方氮化硼的方法屬超硬材料的製備方法。以單質硼或氧化硼和氮化鋰為反應物，按質量比B或B
文檔編號C01B21/064GK1605383SQ20041001108
公開日2005年4月13日 申請日期2004年9月8日 優先權日2004年9月8日
發明者張鐵臣, 蘇作鵬, 杜勇惠 申請人:吉林大學