一种具有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼和金刚石的超硬材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超硬材料领域，涉及一种具有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼和金刚石的超硬材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体，化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮，具有四种不同的变体:六方氮化硼(hBN)、菱方氮化硼(rBN)、立方氮化硼(cBN)和纤锌矿型氮化硼(wBN)。纤锌矿型氮化硼晶粒细小，不能作为切削主体。
[0003]随着现代技术的发展，超硬材料得到了广泛的应用，比如锯切工具、磨削工具、钻进工具和切削工具。超硬材料包括两种:金刚石和立方氮化硼(cBN)。金刚石由于在600°C以上开始碳化，特别是在有铁元素存在的材料中，随着温度的升高，其机械强度迅速下降，因此限制了金刚石在加工铁系列金属制品时的应用。立方氮化硼正好克服了这一缺陷，立方氮化硼在氧化气氛条件下，900°C仍能保证其机械强度，因此在高速自动加工机械领域，得到了广泛的应用。
[0004]传统上，用作切削工具或耐磨工具的立方氮化硼烧结体中含有烧结剂或粘合剂，如TiN、TiC和Co。该烧结体是通过在4~5GPa的压力下将立方氮化硼粉末与烧结剂或粘合剂烧结而得到的。该烧结体中含有约10~40%的粘合剂，粘合剂极大地影响烧结体的强度、耐热性和热扩散性，在高速切削、尤其在切削黑色金属材料时，在切削刃上容易出现缺陷和裂纹，这缩短了工具的寿命。
[0005]为了延长工具寿命，已有不使用粘合剂的cBN烧结体制造方法。在该方法中，将六方氮化硼和诸如氮硼化鎂之类的催化剂用作原材料，将它们烧结并反应。根据该方法，由于不使用粘合剂，cBN颗粒之间强烈结合，导热率高达6~7W/cm°C。因此，cBN烧结体用作散热器材料或卷带自动结合工具中。但是，由于部分催化剂残留在烧结体中，并且当烧结体受热时，由于cBN和催化剂之间的热膨胀差异，容易产生细裂纹，从而耐热温度低至700°C，这对于切削工具而言是一个很大问题。此外，由于粒径粗达10 μπι左右，这虽然提高了导热率，但削弱了其强度，使其无法承受大的切削负荷。
[0006]尽管可以在没有添加剂如金属(金属会降低最终产品的硬度及使用寿命)的情况下烧结金刚石，但没有添加剂的情况下烧结需要超过1GPa的压力，这对于工业生产来说压力过高，会降低设备使用寿命。wBN为目前能工业生产的最硬的材料，在超过6GPa和1400°C的超高压高温条件下可逐渐转变为cBN，转变时间足够长，wBN可全部转变为cBN。
【发明内容】
[0007]为解决上述问题，本发明的目的是提供一种具有高硬度、包含纤锌矿型氮化硼(wBN)和立方氮化硼(cBN)和金刚石混合烧结体的超硬材料。
[0008]本发明的另一目的是提供该超硬材料的制备方法。
[0009]为达到上述目的，本发明采用以下技术方案:
一种具有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼和金刚石的超硬材料，包括聚晶层和硬质合金层，聚晶层烧结在硬质合金层上，硬质合金层的主要成分为碳化钨和钴，其中钴的含量占硬质合金总重量的3~30%，聚晶层由纤锌矿型氮化硼和立方氮化硼还有金刚石组成。
[0010]进一步地，所述聚晶层的立方氮化硼由纤锌矿型氮化硼转化而成。
[0011]进一步地，所述聚晶层的立方氮化硼由纤锌矿型氮化硼在压力彡6GPa、温度彡1400°C的条件下烧结转化而成。
[0012]一种制备上述具有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼和金刚石的超硬材料的方法，包括以下步骤:
(1)准备好纤锌矿型氮化硼微粉(晶粒尺寸gΙΟμπι)和金刚石微粉(晶粒尺寸=20 μπι)；
(2)将两者混合后装入到不熔融、不破碎高压高温容器中；
(3 )将圆片状或粉状碳化钨放在步骤(2 )容器中，此圆片状或粉状碳化钨压在混合后的微粉上面，烧结后成为硬质合金层为后续刀具制作做准备；
(4)将上述高温高压容器置于高压设备中，升压至6GPa以上，升温至1400°C以上；
(5)保持步骤(4)的压力和温度10~30min;
(6)降低压力，停止加热，使设备温度达到0~25°C，压力达到标准大气压；
(7)从高压设备中取出容器，去除烧结体表面包裹的容器，得到具有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼和金刚石的超硬材料。
[0013]本发明的有益效果是:
纤锌矿型氮化硼在超过6GPa和1400°C的超高温高压条件下，原子移动并重新组合，可以转变为立方氮化硼，转化率取决于高温高压的时间，当时间足够长，纤锌矿型氮化硼可全部转化为立方氮化硼。本发明利用该原理，在所有纤锌矿型氮化硼转化为立方氮化硼之前停止反应，可得到纤锌矿型氮化硼和立方氮化硼组成的混合烧结体，该材料的硬度高于天然金刚石，也高于烧结的金刚石，烧结成的具有立方氮化硼、纤锌矿型氮化硼和金刚石的超硬材料，性能优于金刚石。这种具有高硬度和刚性的氮化硼材料可以制成各种切削工具、拉丝工具和研磨工具，满足了现代机械行业对刀具越来越高的硬度要求。
【具体实施方式】
[0014]下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明:
实施例1
将1.2g晶粒尺寸在I微米的纤锌矿型氮化硼和0.Sg晶粒尺寸在2微米的金刚石微粒由甲苯轻微润湿，通过搅拌混合，填充到Φ12*10ι?πι，厚0.5mm的错杯中。以20kg/c m2压力按压，纤锌矿型氮化硼微粉厚度为7_，之后放入Φ11*3_的钨钴合金圆片。将容器放入高压设备中，在6.5GPa、1650°C条件下合成15分钟。合成结束后，压力降为大气压，通过停止加热温度逐渐降低。容器从高压设备中取出，表面覆盖的锆经研磨去除。纤锌矿型氮化硼和金刚石与钨钴合金部分紧密结合。形状为Φ11*9_的圆柱。圆柱的表面和侧面都是通过金刚石砂轮抛光。
[0015]纤锌矿型氮化硼和金刚石端的表面通过X射线衍射检查。发现纤锌矿型氮化硼、立方氮化硼和金刚石峰存在，且纤锌矿型氮化硼和立方氮化硼峰的高度相等。这意味着纤锌矿型氮化硼转化为立方氮化硼，纤锌矿型氮化硼与立方氮化硼的含量相等，且这个变化使纤锌矿型氮化硼、立方氮化硼和金刚石晶粒结合在一起形成烧结体。用放大500倍的显微镜观察纤锌矿型氮化硼-立方氮化硼-金刚石表面，没有观察到气孔。
[0016]纤锌矿型氮化硼、立方氮化硼和金刚石的混合烧结体表面硬度:当加载为9.SN时，显微维氏硬度为72GPa。
[0017]实施例2
将1.2g晶粒尺寸在I微米的纤锌矿型氮化硼和0.Sg晶粒尺寸在2微米的金刚石微粒由甲苯轻微润湿，通过搅拌混合，填充到Φ12*10ι?πι，厚0.5mm的错杯中。以20kg/c m2压力按压，纤锌矿型氮化硼微粉厚度为7_，之后放入Φ11*3_的钨钴合金圆片。将容器放入高压设备中，在6.5GPa、1650°C条件下合成11分钟。合成结束后，压力降为大气压，通过停止加热温度逐渐降低。容器从高压设备中取出，表面覆盖的锆经研磨去除。纤锌矿型氮化硼和金刚石与钨钴合金部分紧密结合。形状为Φ11*9_的圆柱。圆柱的表面和侧面都是通过金刚石砂轮抛光。
[0018]纤锌矿型氮化硼和金刚石端的表面通过X射线衍射检查。发现纤锌矿型氮化硼、立方氮化硼和金刚石峰存在，且立方氮化硼峰的高度是纤锌矿型氮化硼的25%。这意味着纤锌矿型氮化硼转化为立方氮化硼，立方氮化硼的含量为纤锌矿型氮化硼的25%，且这个变化使纤锌矿型氮化硼、立方氮化硼和金刚石晶粒结合在一起形成烧结体。用放大500倍的显微镜观察纤锌矿型氮化硼-立方氮化硼-金刚石表面，没有观察到气孔。
[0019]纤锌矿型氮化硼、立方氮化硼和金刚石的混合烧结体表面硬度:当加载为9.SN时，显微维氏硬度为70GPa。
[0020]实施例3
将1.5g晶粒尺寸在I微米的纤锌矿型氮化硼和0.5g晶粒尺寸在2微米的金刚石微粒由甲苯轻微润湿，通过搅拌混合，填充到Φ12*10ι?πι，厚0.5mm的错杯中。以20kg/c m2压力按压，纤锌矿型氮化硼微粉厚度为7_，之后放入Φ11*3_的钨钴合金圆片。将容器放入高压设备中，在6.9GPa、1780°C条件下合成15分钟。合成结束后，压力降为大气压，通过停止加热