硼皮氮芯纳米聚晶材料、其制备方法及超硬刀具与流程

本发明涉及超硬质材料技术领域，具体而言，涉及一种硼皮氮芯纳米聚晶材料、其制备方法及超硬刀具。

背景技术：

现有技术中，通常使用单独的金刚石或者单独的氮化硼(pcbn，polycrystallinecubicboronnitride)作为超硬刀具切削材料。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术知识存在如下问题：金刚石在对硬质材料进行磨削时容易石墨化，而氮化硼的硬度较金刚石的低，对于高硬度的材料进行切削的效果不好。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种硼皮氮芯纳米聚晶材料、其制备方法及超硬刀具，形成内核、晶界层和外壳结构，达到热稳定性提高，化学惰性和耐磨损性能增强的效果，其硬度高于金刚石。

第一方面，本发明实施例提供硼皮氮芯纳米聚晶材料，包括内核、晶界层和外壳，内核包括氮掺杂的聚晶金刚石，晶界层包括b－c－n固溶体，外壳包括b－c合金。

由于形成了超硬b－c合金外壳结构和氮掺杂的聚晶金刚石内核骨架以及b－c－n固溶体晶界层结构，在进行金属切削或者磨削的过程中，外壳的b－c合金层与金属材料接触，避免聚晶金刚石发生石墨化，且由于聚晶金刚石内掺杂了氮，氮与碳原子层之间形成强共价键合连接，且内核与外壳的晶界之间形成了三维网状、高原子密度、强共价键的b－c－n固溶体连接，增强了硼皮氮芯纳米聚晶材料的化学惰性和耐磨损性能，热稳定性提高，其硬度高于金刚石。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，氮掺杂的聚晶金刚石的氮原子和碳原子在内核形成c－n强共价键合的金刚石骨架结构，外层形成b－c强共价键合的超硬合金层，晶界层形成三维网状、强共价键的b－c－n固溶体致密结构。

使掺杂氮的聚晶金刚石内核骨架牢固的支撑着外壳的b－c合金，进一步提高硼皮氮芯纳米聚晶材料的性能。

第二方面，本发明实施例提供了一种硼皮氮芯纳米聚晶材料的制备方法，包括如下步骤：

将氮掺杂的碳粉体或/和氮掺杂的金刚石粉体通过湿混在超声条件下填充进入含硼碳纳米管内得到填充物，将填充物在真空的条件下处理，再预压成型得到坯体；将坯体烧结固溶强化得到硼皮氮芯纳米聚晶材料。

通过超声处理，将湿混的氮掺杂的碳粉体或/和氮掺杂的金刚石粉体填充进入含硼的碳纳米管内，能够克服纳米材料本身的势垒，形成填充物，在真空的条件下处理，能够去除反应原料上的有机质和杂质，再预压成型，排除反应原料颗粒之间的空隙，提高二者之间的致密性，并通过烧结固溶强化，使得氮掺杂的碳粉体或/和氮掺杂的金刚石粉体中的碳原子与含硼碳纳米管中的碳原子形成超硬耐氧化的b－c合金外壳，掺杂氮的碳粉体或/和掺杂氮的金刚石粉体中的氮原子与碳原子之间直接形成键长更短的c－n共价键，最终形成内核氮掺杂的聚晶金刚石，而外壳固溶强化可以在内核与外壳的晶界处形成三维网状的b－c－n固溶体，晶界连接更加致密，增强了硼皮氮芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能和化学惰性增强。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，将氮掺杂的碳粉体或/和氮掺杂的金刚石粉体通过湿混在超声条件下填充进入含硼碳纳米管得到填充物，包括：将2－8重量份的氮掺杂的碳粉体或/和氮掺杂的金刚石粉体与2－8重量份的含硼碳纳米管混合得到混合物，将混合物在超声频率为20hz－200hz的条件下进行湿混得到填充物。

氮掺杂的碳粉体或/和氮掺杂的金刚石粉体和含硼的碳纳米管粉体均为纳米粉体，在超声的作用下湿混有利于纳米颗粒充分填充进入含硼的碳纳米管内，进一步提高最终得到的硼皮氮芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能和化学惰性增强。

可选地，含硼碳纳米管粉体包括含硼碳粉或/和含硼金刚石的管状物。氮掺杂的粉体包括含氮碳粉、氮掺杂金刚石粉体、含氮石墨烯粉体、c－n化合物粉末等，或含有氮原子和碳原子的其他原料。

其中，氮掺杂的碳粉体或/和氮掺杂的金刚石粉体的粒径可以是2－300nm，例如为：10－250nm，50－200nm，80－150nm；含硼碳纳米管的管径可以是50－3000nm，例如为：80－2800nm，100－2000nm，200－1500nm，500－1000nm。均匀湿混填充时，且保证氮掺杂的碳粉体或/和氮掺杂的金刚石粉体的粒径小于含硼碳纳米管的管内径，以便氮掺杂的碳粉体或/和氮掺杂的金刚石粉体填充进入含硼碳纳米管内。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，处理在温度为1000－1400℃、真空度为(5－10)×10^－3pa的条件下处理0.5－5h。

能够去除反应原料颗粒表面或者内壁的有机质或者其它杂质，并活化表层原子的化学能，使得这些材料的原子处于高能量状态有助于高温高压的固溶强化反应，增强了合成硼皮氮芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能和化学惰性增强。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，预压成型在压强为1－40mpa的条件下预压1－25min得到坯体。

能够排除反应原料颗粒之间的空隙，进一步提高含氮金刚石粉体或/和含氮碳粉体结构与含硼碳纳米管之间的致密性，减小了反应原料之间的反应势垒，提高了合成硼皮氮芯纳米聚晶材料的成功率，增强了硼皮氮芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能和化学惰性增强。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，固溶强化是将坯体在压强为8－30gpa、温度为1400－3000℃的条件下烧结固溶强化10s－200min。

高温高压固溶强化使得硼原子与碳原子形成了超硬耐高温的b－c合金外壳，氮原子与碳原子形成了牢固的c－n内核骨架结构，外壳与内核之间的晶界层形成紧密结合的b－c－n固溶体，进一步使外壳与内核连接更加致密，增强了硼皮氮芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能和化学惰性增强。

结合第二方面，在另一种可能的实现方式中，高温高压烧结固溶强化的装置为六面顶压机或者基于六面顶压机的任何变异体超高压装置。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，混合物在处理之前，于温度为40－200℃的条件下使用2－6重量份的处理剂进行表面处理。

能够去除氮掺杂的碳粉体、氮掺杂的金刚石粉体和含硼碳纳米管粉体表面的杂质，避免杂质影响含硼碳纳米管粉体与氮掺杂碳粉体或/和氮掺杂的金刚石粉体之间的连接，进一步增强硼原子、碳原子以及氮原子之间的连接紧密性，减小了b、c、n原子之间的化学反应势垒，增强了硼皮氮芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能增强。

可选地，处理剂选自氢氟酸、王水、盐酸、硫酸和硝酸中的任意一种。

使杂质的去除效果更好，例如：对有机醇类或者无机磷屑质的去除效果更好。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，湿混是用15－20重量份的无水乙醇均匀湿混。

使用无水乙醇湿混以后，与超声处理结合起来，使得氮掺杂的碳粉体或/和氮掺杂的金刚石粉体充分填充进入含硼的碳纳米管内，且使最终得到的硼皮氮芯纳米聚晶材料的内核与外壳之间的连接更加紧密。

第三方面，本发明实施例提供了一种超硬刀具，超硬刀具的制作原料包括上述硼皮氮芯纳米聚晶材料。

将硼皮氮芯纳米聚晶材料首先加工成等高的圆柱体，两端抛光平整之后，加工成边长和厚度均为2－3mm的三角柱体，然后在真空度为(1－10)×10^－3pa、温度为800－1000℃的条件下与金属合金基底焊接，然后用激光加工成半径为0.4－0.8mm的刀尖圆弧的硼皮氮芯纳米聚晶超硬刀具。

超硬刀具由硼皮氮芯纳米聚晶材料制成，在切割金属的时候，耐高温超硬外壳b－c合金与金属接触，避免聚晶金刚石石墨化，且由于聚晶金刚石内掺杂有氮原子，形成键长更短的c－n共价键作为内核结构，牢固的支撑了整个b－c－n固溶体晶界层，得到紧密连接的硼皮氮芯的纳米聚晶材料，使超硬刀具的强度大于金刚石的强度，切割效果更好，刀具的热稳定性和硬度提高，耐磨损性能和化学惰性增强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图也属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例5得到的硼皮氮芯纳米聚晶材料的内部原子核、壳、晶界层结构技术示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

硼皮氮芯纳米聚晶材料的制备方法，包括如下步骤：先将含硼碳纳米管和氮掺杂的碳粉体用强酸处理，然后在真空中烘干，将含硼碳纳米管和氮掺杂的碳粉体用无水乙醇在超声条件下均匀湿混碳纳米管使掺杂的碳粉体填充进入硼碳纳米管内，后将填充物在真空的条件下处理，再预压成型得到坯体；将坯体烧结固溶强化得到硼皮氮芯纳米聚晶材料。

实施例2

硼皮氮芯纳米聚晶材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)、将200g的含硼碳纳米管粉体与800g的氮掺杂的金刚石粉体在超声频率为20hz的条件下进行湿混得到填充物。

(2)、将填充物在真空度为5×10^－3pa、温度为1400℃的条件下处理5h，再在压强为40mpa的条件下预压1min得到坯体。

(3)、将坯体在温度为1800℃，压强为20gpa的条件下烧结固溶强化30min得到硼皮氮芯纳米聚晶材料。

实施例3

硼皮氮芯纳米聚晶材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)、将300g的管径为50－200nm的含硼碳纳米管粉体与300g的粒径为2－50nm的氮掺杂的碳粉体和氮掺杂的金刚石粉体混合得到混合物。

(2)、将上述混合物在温度为60℃的条件下，加入300g的氢氟酸进行表面处理，溶解含硼碳纳米管粉体、氮掺杂的碳粉体和氮掺杂的金刚石粉体中的杂质后，用去离子水洗涤至中性后烘干，用1000g的无水乙醇均匀湿混，再用超声频率为200hz的超声波振动器震动下混合得到填充物。

(3)、将混合物在在真空度为10×10^－3pa、温度为1000℃的条件下处理0.5h，在不添加任何粘结剂的情况下，于室温、压强为1mpa的条件下预压25min成型得到坯体。

(4)、将预压成型的坯体装配烧结单元放入六面顶压机内，在温度为1700℃，压强为30gpa的条件下烧结固溶强化20min得到硼皮氮芯纳米聚晶材料。

实施例4

硼皮氮芯纳米聚晶材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)、将500g管径为200－1000nm的含硼碳纳米管粉体与5kg的粒径为50－100nm的氮掺杂的碳粉体和金刚石粉体混合得到混合物。

(2)、将上述混合物在温度为200℃的条件下，加入500g的王水进行表面处理，溶解含硼碳纳米管粉体、氮掺杂的碳粉体和氮掺杂的金刚石粉体中的杂质醇类后，用去离子水洗涤至中性后烘干，用1600g的无水乙醇均匀湿混，再用超声频率为200hz的超声波振动器震动下混合得到填充物。

(3)、将混合物在真空度为8×10^－3pa、温度为1200℃的条件下处理3h，在不添加任何粘结剂的情况下，于室温、压强为10mpa的条件下预压10min成型得到坯体。

(4)、将预压成型的坯体装配烧结单元放入六面顶压机内，在温度为2200℃，压强为20gpa的条件下烧结固溶强化30s得到硼皮氮芯纳米聚晶材料。

实施例5

硼皮氮芯纳米聚晶材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)、将400g的管径为1000－3000nm的含硼碳纳米管粉体与400g的粒径为100－300nm的氮掺杂的碳粉体或者氮掺杂的金刚石粉体混合得到混合物。

(2)、将上述混合物在温度为110℃的条件下，加入360g的浓硫酸进行表面处理，溶解含硼碳纳米管粉体、氮掺杂的碳粉体或者氮掺杂的金刚石粉体中的杂质无机磷屑质后，用去离子水洗涤至中性后烘干，用1400g的无水乙醇均匀湿混，再用超声频率为1000hz的超声波振动器震动下混合得到混合物。

(3)、将混合物在真空度为9×10^－3pa、温度为1300℃的条件下处理1h，在不添加任何粘结剂的情况下，于室温、压强为35mpa的条件下预压5min成型得到坯体。

(4)、将预压成型的坯体装配烧结单元放入六面顶压机内，在温度为2500℃，压强为10gpa的条件下烧结固溶强化120s得到硼皮氮芯纳米聚晶材料。

实验例1

实施例5得到的硼皮氮芯纳米聚晶材料的内部原子核、壳、晶界层结构技术示意图如图1。从图1可以看出，硼皮氮芯纳米聚晶材料为内核、晶界层、外壳结构，其中，黑色球体和黑色半球体均为c原子，同心圆球体为n原子，灰色半球体为b原子，内核为c－n共价键的金刚石骨架内核结构，外壳为b－c合金外壳，晶界层为b－c－n固溶体，且b－c－n固溶体与内核和外壳之间形成三维网状、强共价键的b－c－n固溶体致密结构。增强了硼皮氮芯纳米聚晶材料的化学惰性和耐磨损性能，热稳定性提高。