一種氮化硼超硬材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于超硬材料領域，涉及一種氮化硼超硬材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]氮化硼是由氮原子和硼原子所構成的晶體，化學組成為43.6%的硼和56.4%的氮，具有四種不同的變體:六方氮化硼(hBN)、菱方氮化硼(rBN)、立方氮化硼(cBN)和纖鋅礦型氮化硼(wBN)。纖鋅礦型氮化硼晶粒細小，不能作為切削主體。
[0003]隨著現代技術的發展，超硬材料得到了廣泛的應用，比如鋸切工具、磨削工具、鉆進工具和切削工具。超硬材料包括兩種:金剛石和立方氮化硼(cBN)。金剛石由于在600°C以上開始碳化，特別是在有鐵元素存在的材料中，隨著溫度的升高，其機械強度迅速下降，因此限制了金剛石在加工鐵系列金屬制品時的應用。立方氮化硼正好克服了這一缺陷，立方氮化硼在氧化氣氛條件下，900°C仍能保證其機械強度，因此在高速自動加工機械領域，得到了廣泛的應用。
[0004]傳統上，用作切削工具或耐磨工具的立方氮化硼燒結體中含有燒結劑或粘合劑，如TiN、TiC和Co。該燒結體是通過在4~5GPa的壓力下將立方氮化硼粉末與燒結劑或粘合劑燒結而得到的。該燒結體中含有約10~40%的粘合劑，粘合劑極大地影響燒結體的強度、耐熱性和熱擴散性，在高速切削、尤其在切削黑色金屬材料時，在切削刃上容易出現缺陷和裂紋，這縮短了工具的壽命。
[0005]為了延長工具壽命，已有不使用粘合劑的cBN燒結體制造方法。在該方法中，將六方氮化硼和諸如氮硼化鎂之類的催化劑用作原材料，將它們燒結并反應。根據該方法，由于不使用粘合劑，cBN顆粒之間強烈結合，導熱率高達6~7W/cm°C。因此，cBN燒結體用作散熱器材料或卷帶自動結合工具中。但是，由于部分催化劑殘留在燒結體中，并且當燒結體受熱時，由于cBN和催化劑之間的熱膨脹差異，容易產生細裂紋，從而耐熱溫度低至700°C，這對于切削工具而言是一個很大問題。此外，由于粒徑粗達10 μπι左右，這雖然提高了導熱率，但削弱了其強度，使其無法承受大的切削負荷。
【發明內容】
[0006]為解決上述問題，本發明的目的是提供一種具有高硬度、包含wBN和cBN混合燒結體的氮化硼超硬材料。
[0007]本發明的另一目的是提供該氮化硼超硬材料的制備方法。
[0008]為達到上述目的，本發明采用以下技術方案:
一種氮化硼超硬材料，包括聚晶層和硬質合金層，聚晶層燒結于硬質合金層，聚晶層由纖鋅礦型氮化硼和立方氮化硼組成。
[0009]聚晶層和硬質合金層的比例沒有特定要求，可以根據客戶需要來決定。
[0010]進一步地，所述纖鋅礦型氮化硼和立方氮化硼的體積比是10:1~1:10o
[0011]進一步地，所述立方氮化硼由纖鋅礦型氮化硼轉化而成。
[0012]進一步地，所述立方氮化硼由纖鋅礦型氮化硼在壓力彡6GPa、溫度彡1400°C的條件下燒結轉化而成。
[0013]進一步地，所述立方氮化硼的粒徑為1~100 μ m0
[0014]進一步地，所述硬質合金層為碳化媽合金。
[0015]一種制備權利要求1所述的氮化硼超硬材料的方法，包括以下步驟:
(1)將纖鋅礦型氮化硼微粉裝入容器中；
(2)將硬質合金放在纖鋅礦型氮化硼微粉上方；
(3)將容器置于高壓設備中，升壓至6GPa以上，升溫至1400°C以上；
(4)保持步驟(3)的壓力和溫度10~30min;
(5)降低壓力，停止加熱，待容器降至常壓常溫；
(6 )取出容器，去除燒結體表面包裹的容器，得到氮化硼超硬材料。
[0016]進一步地，所述纖鋅礦型氮化硼微粉的晶粒尺寸< 20 μπι。
[0017]本發明的有益效果是:
纖鋅礦型氮化硼在超過6GPa和1400°C的超高溫高壓條件下，原子移動并重新組合，可以轉變為立方氮化硼，轉化率取決于高溫高壓的時間，當時間足夠長，纖鋅礦型氮化硼可全部轉化為立方氮化硼。本發明利用該原理，在所有纖鋅礦型氮化硼轉化為立方氮化硼之前停止反應，可得到纖鋅礦型氮化硼和立方氮化硼組成的混合燒結體，該材料的硬度高于立方氮化硼，也高于一般的金剛石。這種具有高硬度和剛性的氮化硼材料可以制成各種切削工具、拉絲工具和研磨工具，滿足了現代機械行業對刀具越來越高的硬度要求。
【具體實施方式】
[0018]下面結合具體實施例對本發明做進一步的說明:
實施例1
按照以下步驟生產氮化硼超硬材料
(1)將2g晶粒尺寸在0~20μπι的WBN用甲苯輕微潤濕，通過攪拌混合，填充到Φ 12*10mm、厚0.5mm的耐高溫高壓容器中，以20kg/cm2壓力按壓，wBN微粉厚度為7mm ；
(2)在容器中放入Φ11*3πιπι的碳化鎢合金圓片于纖鋅礦型氮化硼微粉上面；
(3)將裝滿wBN微粉的容器置于高壓設備中，升壓至6.5GPa，升溫至1650°C ;
(4)保持上述壓力和溫度15min;
(5)合成結束后，降低壓力，停止加熱，待容器降至常壓常溫；
(6)將容器從高壓設備中取出，通過研磨去除燒結體表面覆蓋的容器，得到氮化硼超硬材料，氮化硼與碳化鎢合金部分緊密結合，形狀為的圓柱，圓柱的表面和側面通過金剛石砂輪拋光。
[0019]通過X射線衍射檢查混合燒結體，發現wBN、cBN峰存在，X射線衍射顯示有50%的wBN轉化為cBN，這意味著wBN轉化為cBN，wBN和cBN晶粒結合在一起形成燒結體。
[0020]檢測wBN和cBN的混合燒結體表面硬度:當加載為19.8N時，顯微維氏硬度為78GPa0
[0021]實施例2
按照與實施例1相同的步驟生產氮化硼超硬材料，但是步驟(4)的轉化時間減少為Ilmin0得到的燒結體結合牢固。表面拋光后，X射線衍射顯示有25%的wBN轉化為cBN。檢測wBN和cBN的混合燒結體表面硬度:當加載為19.8N時，顯微維氏硬度為76GPa。
[0022]實施例3
按照與實施例1相同的步驟生產氮化硼超硬材料，但是步驟(3)的壓力為6.9GPa，溫度為1780°C。得到的燒結體結合牢固。表面拋光后，X射線衍射顯示有70%的wBN轉化為cBN ο檢測wBN和cBN的混合燒結體表面硬度:當加載為19.8N時，顯微維氏硬度為70GPa。
[0023]對比例I
按照與實施例1相同的步驟生產氮化硼材料，但是步驟(4)的轉化時間增加至20min。得到的燒結體結合牢固。表面拋光后，X射線衍射顯示wBN全部轉化為cBN。檢測燒結體表面硬度:當加載為19.8N時，顯微維氏硬度為46GPa。
[0024]對比例2
按照與實施例1相同的步驟生產氮化硼材料，但是步驟(3)的壓力為6.9GPa，溫度為1780°C，步驟(4)的轉化時間增加至18min。得到的燒結體結合牢固。表面拋光后，X射線衍射顯示wBN全部轉化為cBN。檢測燒結體表面硬度:當加載為19.SN時，顯微維氏硬度為44GPa0
[0025]對比例3
按照與實施例1相同的步驟生產氮化硼材料，但是步驟(3)的壓力為6.2GPa，溫度為1580°C，步驟(4)的轉化時間增加至25min。得到的燒結體結合牢固。表面拋光后，X射線衍射顯示wBN全部轉化為cBN。檢測燒結體表面硬度:當加載為19.SN時，顯微維氏硬度為46GPa0
[0026]由實施例1~3和對比例1~3可知，反應的溫度、壓力和時間會影響wBN的轉化率，本發明通過控制反應的溫度、壓力和時間，得到了由wBN和cBN組成的燒結體，這種氮化硼超硬材料的硬度(彡70GPa)高于對比例1~3的立方氮化硼材料(45GPa左右)，也高于一般的金剛石(60~70GPa)。
[0027]實施例4
按照與實施例1相同的步驟生產氮化硼超硬材料，但是步驟(3)的壓力為6.2GPa，溫度為1450°C，步驟(4)的轉化時間為30min。得到的燒結體結合牢固，纖鋅礦型氮化硼和立方氮化硼的體積比是1:10。
[0028]實施例5
按照與實施例1相同的步驟生產氮化硼超硬材料，但是步驟(3)的壓力為6.3GPa，溫度為1410°C，步驟(4)的轉化時間為lOmin。得到的燒結體結合牢固，纖鋅礦型氮化硼和立方氮化硼的體積比是10:1。
[0029]以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何屬于本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1.一種氮化硼超硬材料，其特征在于，包括聚晶層和硬質合金層，聚晶層燒結于硬質合金層，聚晶層由纖鋅礦型氮化硼和立方氮化硼組成。2.根據權利要求1所述的氮化硼超硬材料，其特征在于，所述纖鋅礦型氮化硼和立方氮化硼的體積比是10:1~1:10。3.根據權利要求1所述的氮化硼超硬材料，其特征在于，所述立方氮化硼由纖鋅礦型氮化硼轉化而成。4.根據權利要求1所述的氮化硼超硬材料，其特征在于，所述立方氮化硼由纖鋅礦型氮化硼在壓力彡6GPa、溫度彡1400°C的條件下燒結轉化而成。5.根據權利要求1所述的氮化硼超硬材料，其特征在于，所述立方氮化硼的粒徑為1-100 μ mD6.根據權利要求1所述的氮化硼超硬材料，其特征在于，所述硬質合金層為碳化鎢合金。7.一種制備權利要求1所述的氮化硼超硬材料的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將纖鋅礦型氮化硼微粉裝入容器中； (2)將硬質合金放在纖鋅礦型氮化硼微粉上方； (3)將容器置于高壓設備中，升壓至6GPa以上，升溫至1400°C以上； (4)保持步驟(3)的壓力和溫度10~30min; (5)降低壓力，停止加熱，待容器降至常壓常溫； (6 )取出容器，去除燒結體表面包裹的容器，得到氮化硼超硬材料。8.根據權利要求7所述的氮化硼超硬材料的制備方法，其特征在于，所述纖鋅礦型氮化硼微粉的晶粒尺寸< 20 μm。
【專利摘要】本發明公開了一種氮化硼超硬材料，包括聚晶層和硬質合金層，聚晶層燒結于硬質合金層，聚晶層由纖鋅礦型氮化硼和立方氮化硼組成。本發明還公開了該氮化硼超硬材料的制備方法，將纖鋅礦型氮化硼在高壓、高溫條件下部分轉化成立方氮化硼，最終形成燒結體。所得氮化硼材料的硬度高，可以制成各種切削工具、拉絲工具和研磨工具。
【IPC分類】B22F7/02, B22F3/14
【公開號】CN105127429
【申請號】CN201510520848
【發明人】劉旭輝, 許洪新, 荒木正任, 戴文久, 劉俊生, 肖攀, 龍蕓蕓, 鄒廣田
【申請人】珠海市鉅鑫科技開發有限公司
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年8月24日