高密度聚晶超硬材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及超硬材料合成領域，具體為高密度聚晶超硬材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]超硬材料則是指硬度可與金剛石相比擬的材料。目前使用的超硬材料主要是立方氮化硼與金剛石，但是還是許多超硬材料正在研發中，如碳化硼，孿晶金剛石，碳化硅等III族和IV族間化合物。
[0003]超硬材料主要是指金剛石和立方氮化硼。金剛石(英文:Diamond)是目前已知的世界上最硬的物質，另外C60的硬度可能不亞于金剛石，但尚未定論。立方氮化硼硬度僅次于金剛石。這兩種超硬材料的硬度都遠高于其它材料的硬度，包括磨具材料剛玉、碳化硅以及刀具材料硬質合金、高速鋼等硬質工具材料。因此，超硬材料適于用來制造加工其它材料的工具，尤其是在加工硬質材料方面，具有無可比擬的優越性，占有不可替代的重要地位。止因如此，超硬材料在工業上獲得了廣泛應用。除了用來制造工具之外，超硬材料在光學、電學、熱學方面具有一些特殊性能，是一種重要的功能材料，引起了人們的高度重視，這方面的性能和用途正在不斷地得到研究開發。
[0004]金剛石，也稱鉆石，有天然金剛石和人造金剛石兩種。金剛石是目前世界上已知的最硬工業材料，它不僅具有硬度高、耐磨、熱穩定性能好等特性，而且以其優秀的抗壓強度、散熱速率、傳聲速率、電流阻抗、防蝕能力、透光、低熱脹率等物理性能，成為工業應用領域不可替代的新材料，現代工業和科學技術的瑰寶。
[0005]人造金剛石是加工業最硬的磨料，電子工業最有效的散熱材料，半導體最好的晶片，通訊元器件最高頻的濾波器，音響最傳真的振動膜，機件最穩定的抗蝕層等等，已經被廣泛應用于冶金、石油鉆探、建筑工程、機械加工、儀器儀表、電子工業、航空航天以及現代尖端科學領域。
[0006]立方氮化硼(CBN)是硬度僅次于金剛石的超硬材料。它不但具有金剛石的許多優良特性，而且有更高的熱穩定性和對鐵族金屬及其合金的化學惰性。它作為工程材料，已經廣泛應用于黑色金屬及其合金材料加工工業。同時，它又以其優異的熱學、電學、光學和聲學等性能，在一系列高科技領域得到應用，成為一種具有發展前景的功能材料。立方氮化硼微粉，用在精密磨削、研磨、拋光和超精加工，以達到高精度的加工表面。適用于樹脂、金屬、陶瓷等結合劑體系，亦可用于生產聚晶復合片燒結體，還可用做松散磨粒、研磨膏。
[0007]CBN由于具有優異的化學物理性能，如具有僅次于金剛石的高硬度、高熱穩定性和化學惰性，作為超硬磨料在不同行業的加工領域獲得廣泛的應用，汽車、航天航空、機械電子、微電子等工業不可或缺的重要材料，也得到各工業發達國家的極大重視。合成CBN除靜高壓觸媒法還有多種方法，如靜高壓直接轉化法、動態沖擊法、氣相沉積法等，其中有些方法如氣相沉積法發展很快。但迄今為止工業合成CBN主要方法還是靜高壓觸媒法，CBN的合成研究也主要集中于這方面。
[0008]人造金剛石聚晶(PCD)復合片是在高溫高壓情況下由許多細晶粒金剛石和硬質合金襯底聯合燒結而成的塊狀聚結體。它和PCBN—樣具有高強度、高硬度、高耐磨性、特別是具有高的抗沖擊韌性。作為加工工具，PCD主要用于石油、冶金、地質鉆頭、擴孔器等，其鉆進速度及時效均為天然金剛石的許多倍，同時鉆進過程中還可以有效保持孔徑。人造金剛石復合片還可以用來切削非鐵金屬及其合金、硬質合金以及非金屬材料。切削速度為硬質合金刀具的上百倍，耐用度為硬質合金的上千倍。
[0009]超硬材料顆粒在燒結過程中，顆粒之間存在一定的空隙，這些空隙的存在影響了超硬材料的性能，特別是熱穩定性，另外，金屬催化劑之間的熱膨脹差異也會影響超硬材料的微觀結構，進而影響超硬材料的性能。
【發明內容】
[0010]針對上述問題，本發明的目的是提供高密度聚晶超硬材料及其制備方法，往大量的金剛石顆粒、立方氮化硼顆粒中加入少量的碳化物、氮化物、硼化物和碳氮化物，在一定的溫度和壓力條件下進行燒結，形成一個或多個超薄顆粒粘結層，填充顆粒之間的空隙，增加超硬材料的密度。
[0011 ] 為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案
往大量的金剛石顆粒、立方氮化硼顆粒中加入少量的碳化物、氮化物、硼化物和碳氮化物，并加入金屬粘結劑，在一定的溫度和壓力條件下進行燒結，形成一個或多個超薄顆粒粘結層，顆粒粘合層的平均厚度為1微米一 100微米，將顆粒粘結層粉碎后與碳類物質顆粒或六方氮化硼(HBN)再次燒結，得到高密度聚晶金剛石或高密度聚晶立方氮化硼。
[0012]高密度聚晶超硬材料，其包括，按重量比，70%-99%的金剛石顆粒，或者立方氮化硼顆粒，0.5%-25%的碳化物，或者氮化物，或者硼化物，或者碳氮化物，或者碳化物、氮化物、硼化物和碳氮化物其中的兩種、三種、四種的混合物，0.5%-5%的金屬粘結劑。
[0013]高密度聚晶超硬材料制備方法，其包括以下步驟:
步驟一:混料。按重量比，在70%-99%的金剛石顆粒或立方氮化硼顆粒中加入1%_30%的氮化物，或者硼化物，或者碳氮化物，或者碳化物、氮化物、硼化物和碳氮化物其中的兩種、三種、四種的混合物，并加入0.5%-5%金屬粘結劑，將上述物質混合攪拌均勻。
[0014]步驟二:初次燒結。將步驟一中得到的混合粉末加入到反應爐中，在溫度700 -1900°C，壓力為200-800MPa和惰性氣氛的條件下進行初次燒結，燒結時間為3_20m，得到超薄的顆粒粘結層。
[0015]步驟三:粉碎。將顆粒粘結層用已知的技術手段粉碎。
[0016]步驟四:二次加料。加入碳類物質顆粒或六方氮化硼(HBN)，并攪拌混合均勻。
[0017]步驟五:二次燒結。將步驟四中的混合粉末送入到反應爐，在溫度1700 - 2500°C,壓力為5-18GPa和惰性氣氛的條件下進行二次燒結，燒結時間為5-30m，得到高密度聚晶金剛石或高密度聚晶立方氮化硼。
[0018]高密度聚晶金剛石包括大量的金剛石顆粒，其中很大一部分是可粘合的，金剛石的體積至少為70%-99%。
[0019]高密度聚晶立方氮化硼包括大量的立方氮化硼，其中很大一部分是可粘合的，立方氮化硼的體積至少為70%_99%。
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