一种无结合剂聚晶氮化硼复合体的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超硬复合材料领域，具体涉及一种无结合剂聚晶氮化硼复合体的制备方法。
【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)和纤锌矿氮化硼(WBN)。其立方结晶的变体被认为是已知的最硬的物质，维氏硬度达到108 GPa，而合成钻石的维氏硬度为100 GPa0
[0003]聚晶氮化硼(Polycrystallinecubic boron nitride，简称PcBN)是 1975年出现的新型高性能超硬刀具材料，由于PcBN刀具材料具有热稳定性好、化学惰性强、硬度高等优点，在加工高硬度(HRC>50)、高温、低热传导率的铁系金属及其合金时，具有加工精度高、表面粗糙度低、可以实现高速和超高速切削的优势，同时刀具使用寿命长，加工成本相对降低。
[0004]聚晶立方氮化硼的制备方法有很多，主要是通过高温高压的方法将cBN(立方氮化硼)微粉聚合制备而成，可以分为含结合剂的PcBN和纯PcBN。
[0005]结合剂在合成PcBN的过程中起着重要作用，加入适量的结合剂可以降低烧结温度和压力，并改善烧结体的性能。根据合成PcBN时添加结合剂的种类不同，可以将其分为金属型、陶瓷型和金属陶瓷型。含金属结合剂的PcBN虽然具有较好的韧性，但结合剂遇高温易软化，且耐磨性较差和硬度较低。相反，含陶瓷结合剂的PcBN虽然高温性能好，硬度高和耐磨性好，但合成的PcBN刀具韧性差、抗冲击性能低。结合剂的存在可以降低合成PcBN所需的温度与压力，但PcBN的硬度、韧性都会受到影响。
[0006]在没有结合剂的参与下，由cBN在高温高压下烧结可得纯PcBN。通过对比研究发现纯PcBN的各种机械性能远远大于含粘合剂的PcBN。但由于制备条件的限制(大于9.0GPa、2200?2400°C)，在工业上不易实现，目前只有少数公司可以合成，距大规模的商业化生产还有待努力。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种无结合剂聚晶氮化硼复合体的制备方法。
[0008]基于上述目的，本发明采用以下技术方案:一种无结合剂聚晶氮化硼复合体的制备方法，步骤为:
(1)纳米立方氮化硼和纳米六方氮化硼的改性处理:分别将纳米立方氮化硼和纳米六方氮化硼冷冻、真空干燥，得到纳米立方氮化硼和纳米六方氮化硼的分散体；
(2)制备混合液:将步骤(I)得到的纳米立方氮化硼和纳米六方氮化硼分散体混合均匀、分散至分散剂中得到混合液；
(3)制备聚晶氮化硼复合体:将混合液真空干燥所得物料置于模具中预压得预压片，然后将预压片在5?9GPa、1500?2000°C条件下压制5?20min，制得聚晶氮化硼复合体。
[0009]进一步地，步骤(1)中冷冻条件为:-10°0-50°(3冷冻0.5~2 h。
[0010]进一步地，步骤(I)中真空干燥条件为:压力为0.1?130Pa，温度为25_100°C，干燥时间为12?36h。
[0011 ]进一步地，步骤(2)中纳米立方氮化硼占纳米立方氮化硼和纳米六方氮化硼的质量分数为5%?30%。
[0012]进一步地，步骤(2)所得的混合液中，固液比为1:(100?150)。
[0013]进一步地，所述分散剂为去离子水、乙醇或丙酮。
[0014]进一步地，步骤(3)中将混合液在机械搅拌与超声波震荡同时进行的情况下持续混合2?1h后再真空干燥。
[0015]进一步地，步骤(3)中真空干燥的条件为:压力I(MO—2Pa，温度80?150°C。
[0016]进一步地，步骤(3)预压处理的压力为80?150Mpa。
[0017]本发明选择纳米cBN(立方氮化硼)与hBN(六方氮化硼)为原料，由于纳米cBN具有较高的表面能，活性较高，在高温高压下活性很高，可以作为“晶种”不断生长，在生长的过程中纳米cBN与纳米hBN相结合，最终生成PcBN聚晶体。
[0018]本发明提供的制备方法与现有技术相比，具有以下优点:
(I)该制备方法的反应条件比现有技术(大于9.(^&、2200~2400°0更加温和，可以在较低的温度(低至1500°C)和压力(低至5Gpa)下合成PcBN聚晶体，对设备要求低，可推广性好;利用本发明提供的方法制备出的PcBN复合体具有硬度高(35?45Gpa)、抗弯强度高(0.97?1.6GPa)的特点，可以经过后续加工作为超硬刀具的刀头。
[0019](2)将纳米cBN与纳米hBN进行冷冻处理，使得纳米cBN与纳米hBN粉体的有微粒形状规则，粒径小而均匀、粒度分布窄、粒子间无硬团聚、分散性好等优点。
【具体实施方式】
[0020]下面结合实施例对本发明进行详细说明。
[0021]实施例1
一种无结合剂聚晶氮化硼复合体的制备方法，步骤为:
(1)纳米cBN和纳米hBN的改性处理:分别将纳米CBN和纳米hBN置于-50°c冷冻0.5h后，在130Pa、100°C条件下真空干燥12h，得到纳米cBN和纳米hBN的分散体；
(2)制备混合液:按照纳米cBN的质量分数为5%的比例将步骤(I)得到的纳米cBN和纳米hBN分散体混合、分散至去离子水中得到混合液，并将混合液在机械搅拌与超声波震荡同时进行的情况下持续混合Sh，使混合液中纳米cBN和纳米hBN混合更加均匀，其中，混合液中固液比为1:150;
(3)制备聚晶氮化硼复合体:将混合液在10Pa、150°C下真空干燥得到粉末，将粉末置于等径压机模具中，于SOMpa压力下预压，然后将预压片置于六面顶压机中，于5GPa、1500°C条件下压制20min，制得PcBN复合体，该PcBN复合体的硬度为35GPa，抗弯强度为0.97GPa。
[0022]实施例2
一种无结合剂聚晶氮化硼复合体的制备方法，步骤为:
(I)纳米cBN和纳米hBN的改性处理:分别将纳米cBN和纳米hBN置于-10°C°C冷冻，保温Ih后，在0.1Pa、25°C，真空干燥36h，得到纳米cBN和纳米hBN的分散体；
(2)制备混合液:按照纳米cBN的质量分数为12%的比例将步骤(I)得到的纳米cBN和纳米hBN分散体混合、分散至乙醇中得到混合液，并将混合液在机械搅拌与超声波震荡同时进行的情况下持续混合3h，使混合液中纳米cBN和纳米hBN混合更加均匀，其中，混合液中固液比为1:100;
(3)制备聚晶氮化硼复合体:将混合液在0.lPa、80°C下真空干燥得到的粉末，将粉末置于等径压机模具中，于I 1Mpa压力下预压，然后将预压片置于六面顶压机中，于6GPa、1800°C条件下压制15min，制得PcBN复合体，该PcBN复合体的硬度为39GPa，抗弯强度为1.0GPa。
[0023]实施例3
一种无结合剂聚晶氮化硼复合体的制备方法，步骤为:
(1)纳米cBN和纳米hBN的改性处理:分别将纳米cBN和纳米hBN置于-40°C冷冻，保温Ih后，在80Pa、75°C，真空干燥30h，得到纳米cBN和纳米hBN的分散体；
(2)制备混合液:按照纳米cBN的质量分数为18%的比例将步骤(I)得到的纳米cBN和纳米hBN分散体混合、分散至乙醇中得到混合液，并将混合液在机械搅拌与超声波震荡同时进行的情况下持续混合5h，使混合液中纳米cBN和纳米hBN混合更加均匀，其中，混合液中固液比为1:120;
(3)制备聚晶氮化硼复合体:将混合液在lPa、100°C下真空干燥得到的粉末，将粉末置于等径压机模具中，于10Mpa压力下预压，