立方氮化硼晶体的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种超硬材料的制造方法，尤其涉及一种立方氮化硼晶体的制造方 法。
【背景技术】
[0002] 立方氮化硼，分子式为BN，由美国的R. H.温托夫于1957年首先研制，其晶体结构 类似金刚石。立方氮化硼通常由六方氮化硼和触媒在高温高压下合成的。立方氮化硼具有 很高的硬度、热稳定性和化学惰性，以及良好的透红外形和较宽的禁带宽度等优异性能，立 方氮化硼晶体的硬度仅次于金钢石，但热稳定性远高于金钢石，对铁系金属元素有较大的 化学稳定性，常用作磨料和刀具材料。立方氮化硼磨具的磨削性能十分优异，不仅能胜任难 磨材料的加工，提高生产率，还能有效地提高工件的磨削质量。立方氮化硼晶体的使用是对 金属加工的一大贡献，导致磨削发生革命性变化，是磨削技术的第二次飞跃。立方氮化硼作 为超硬磨料在不同行业的加工领域获得广泛的应用，现在更是成为汽车、航天航空、机械电 子、微电子等不可或缺的重要材料，因而得到各工业发达国家的极大重视。
[0003] 然而，现有的常用的立方氮化硼晶体作为磨料其强度及耐磨性能有限，不适用于 加工电镀工具及陶瓷粘结剂系统，会使得电镀工具及陶瓷粘结剂系统的使用寿命比较短。
【发明内容】
[0004] 由鉴于此，确有必要提供一种块状的立方氮化硼晶体的制造方法，以克服上述问 题。
[0005] 一种立方氮化硼晶体的制造方法，其包括以下步骤： 步骤一、按照质量百分比，将75%~85%的六方氮化硼粉、2. 5%~5%的氮化锂、4%~6% 的氢化锂、2%~4%的硼化钙、3. 5%~5. 5%的碳化硼和3%~4. 5%的氮化钛均匀混合，并压 制成合成棒； 步骤二、在1500~1650度下，对所述合成棒施加合成压力90~97兆帕进行高压高温 合成，得到黑色的立方氮化硼晶体粗品； 步骤三、破碎所述立方氮化硼晶体粗品，得到块状立方氮化硼晶体粗品；依次采用水浸 泡、酸碱处理所述块状立方氮化硼晶体粗品，得到块状立方氮化硼晶体半成品； 步骤四、对所述块状立方氮化硼晶体半成品进行选型处理，得到块状立方氮化硼晶体 成品。
[0006] 基于上述制造方法，所述步骤一包括：按照质量百分比，将75%~85%的六方氮化 硼粉、2. 5%~5%的氮化锂、4%~6%的氢化锂、2%~4%的硼化钙、3. 5%~5. 5%的碳化硼和 3%~4. 5%的氮化钛置于密闭的三维混料机中，均匀混合0. 5~1小时得到混合原料；采用 四柱压力机并施加10~15兆帕的压力将所述混合原料压制成预定形状，并装入石墨管中 制成所述合成棒。其中，上述混合原料中的六方氮化硼粉为主要合成原料，氮化锂和氢化锂 共同作为触媒粉，碳化硼、氮化钛和硼化钙共同作为添加剂。
[0007] 具体地，将所述混合原料放在所述四柱压力机上，并施加10~15兆帕压力进行多 次造力，增加混合原料的密度，使其容易成型，并依照预定要求压制成圆柱体装入石墨加热 管中制成所述合成棒。其中，所述合成棒的形状不限于圆柱状，其可以依据需要确定，如，其 可以为棱柱状。
[0008] 基于上述制造方法，在所述步骤一之前进一步包括：将六方氮化硼粉原料在真空 炉内采用氮气进行净化处理。
[0009] 基于上述制造方法，所述步骤步骤二包括：将所述合成棒装入高压腔中，并加压至 30~45兆帕；在2~4分钟内将所述高压腔中的温度升至1500~1650度；继续升压将所 述高压腔中的压力升至合成压力90~97兆帕；恒温恒压25~35分钟后降温卸压，得到黑 色的所述立方氮化硼晶体粗品。
[0010] 其中，所述高压腔中的压力在2~4分钟升至合成压力90~97兆帕，是为控制立 方氮化硼晶体的成核数量，并使高压腔中的物料进入高压优晶区内，以获得晶形完美的立 方氮化硼晶体；该步骤二中恒温恒压25~35分钟是为了使所述高压腔中的立方氮化硼晶 体在高温高压下充分生长。其中，该步骤中的"恒温恒压"是指维持所述高压腔中压力达到 所述合成压力90~97兆帕时的压力及温度，以使上述合成棒合成的立方氮化硼晶核充分 生长，获得符合需求的立方氮化硼晶体。
[0011] 基于上述制造方法，所述步骤三包括：依次破碎、球磨所述立方氮化硼晶体粗品， 得到块状立方氮化硼晶体粗品；采用水浸泡所述块状立方氮化硼晶体粗品，得到块状初级 立方氮化硼晶体粗品；按照3 : 1的体积比例调制浓度为95%~98%的硫酸和浓度63%~ 65%的硝酸的混合酸，将所述块状初级立方氮化硼晶体粗品置于所述混合酸中，加热至 150~180度并煮4~6小时，得到块状中级立方氮化硼晶体粗品；将所述块状中级立方氮 化硼晶体粗品置于浓度为95%~98%的工业活碱中，加热至250~350度并煮4~5小时， 得到块状高级立方氮化硼晶体粗品；依次冲洗、烘干所述块状高级立方氮化硼晶体粗品，得 到黑色的所述块状立方氮化硼晶体半成品。
[0012] 其中，该步骤三中，用水浸泡是为了去除未转化的六方氮化硼粉；用所述混合酸浸 泡是为了去除球磨过程中产生的金属粉末、石墨等杂质；用工业活碱浸泡是为了去除残余 叶腊石、石墨等杂质。
[0013] 基于上述制造方法，所述步骤步骤三进一步包括：对所述块状立方氮化硼晶体半 成品依次进行粒度分级、选型、体视显微镜检测处理，得到不同粒度的所述块状立方氮化硼 晶体半成品。其中，所述黑色块状立方氮化硼晶体成品的粒度为20目~60目，如20目、30 目、40目、50目、60目，优选地，所述黑色块状立方氮化硼晶体成品的粒度为30目~50目。
[0014] 以下混合原料在1500~1650度及90~97兆帕下合成立方氮化硼晶体。在合成 温度和合成压力相同的条件下，随着混合原料的组分及其比例的不同，得到的立方氮化硼 晶体也不同。具体地，当混合原料为75%~85%的六方氮化硼粉和作为触媒剂的2. 5%~ 5%的氮化锂和4%~6%的氢化锂时，合成得到的立方氮化硼晶体为黑色，晶形以类球面居 多，颗粒大小不均匀，并有少量半透明黄色晶体存在；当混合原料为75%~85%的六方氮化 硼粉、2. 5%~5%的氮化锂、4%~6%的氢化锂和作为添加剂的2%~4%的硼化钙时，合成后 的立方氮化硼晶体的颜色呈亮黑色，细颗粒仍有少量透明晶体，黑色立方氮化硼晶体的产 量伴随硼化钙的增加而有所下降；当混合原料为75%~85%的六方氮化硼粉、2. 5%~5%的 氮化锂、4%~6%的氢化锂和由2%~4%的硼化钙和3%~4. 5%的氮化钛组成的添加剂时， 合成得到的立方氮化硼晶体的粒度增大、晶形规则，以六八面体居多，亮黑色，并伴有少量 黄头。当使用本发明提供的组分及其比例的混合原料时，合成得到的立方氮化硼晶体的晶 形完整，色泽油亮，粒度峰值集中，随着碳化硼的增加，缺陷减少，晶形更加饱满。在合成过 程中随着硼元素的不断增加，立方氮化硼晶体的颜色逐渐从黄色透明过渡到黑色不透明状 态，调整添加剂的比例可改变立方氮化硼晶体的生长环境，提高其排杂的能力，减少缺陷增 加其抗压强度。
[0015] 因此，本发明主要通过控制原料中的硼元素和氮元素的含量来实现控制所得立方 氮化硼晶体的颜色，并通过控制添加剂的组分及其比例来达到控制最终合成的立方氮化硼 晶体的晶形的目的。由本发明提供的立方氮化硼晶体的制造方法可以制造出高品级的块状 立方氮化硼晶体半成品，该黑色块状立方氮化硼晶体为具有特定晶面的高强度磨料；且该 黑色块状立方氮化硼晶体的粒度峰值比较集中，其中有45%的产品的粒度在40~50目，测 其静压强度Ti为65~70,热冲击韧性TTi为60~65,所以，该块状立方氮化硼晶体半成 品可以应用于特定高速钢和表面硬化钢、硬质合金、合金钢、镍基和钴基高温合金材料的加 工。本发明采用六面顶压机可以连续生产黑色块状立方氮化硼晶体颗粒，可以进入工业化 生产。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明实施例1提供的合成工艺中的压力-温度与时间的关系图。
[0017] 图2是由本发明实施例1提供的黑色立方氮化硼晶体的电子扫描电镜照片图。
【具体实施方式】
[0018] 下面通过【具体实施方式】，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0019] 实施例1 本发明实施例1提供一种立方氮化硼晶体的制造方法，其包括以下步骤： 步骤一、将纯度为99%的特级六方氮化硼粉在真空炉内进行KKTC氮化处理4小时，以 便除去水分和表面吸附的气体杂物，得到纯净六方氮化硼粉；按照质量百分比，将75%的纯 度大于99%的纯净六方氮化硼粉、2. 5%的氮化锂、4%的氢化锂、2%的硼化钙、3. 5%的碳化 硼和3%的氮化钛放在密闭的三维混料机中均匀混合0. 5小时，得到混合原料，然后将所述 混合原料放在四柱压力机上，并施加10兆帕的压力进行多次造力，增加所述混合原料的密 度，使其容易成型，并压制成圆柱体装入石墨管中制成合成棒； 步骤二、将所述合成棒装入六面顶压机的高压腔中，其中，该高压腔的直径为45_，加 压至30兆帕后，再在2分钟内将高压腔中的温度升至1500