专利名称：通过化学反应制备立方氮化硼的方法
技术领域：
本发明属于一种超硬材料的制备方法，特别涉及一种不用触媒合成黑色立方氮化硼单晶的方法。
背景技术：
立方氮化硼(cBN)晶体硬度仅次于金刚石，但与金刚石不同，它与铁族金属无反应，是加工铁族金属及其合金的优良材料。通常cBN晶体有两种制备方法一种是在超高压(大于11.5GPa)高温(～1500℃)下使六角氮化硼(hBN)直接转化为立方氮化硼，或在触媒如碱金属碱土金属及它们的氮化物、硼氮化物、硼化物等参与下使hBN在约5Gpa、1500℃条件下转化为cBN的方法；另外一种是在负压下用气相沉积获得cBN晶体的方法。前种方法中添加触媒的方法，由于其所用压力低、产量高、晶粒粗大，适合做工业磨料而被广泛采用。气相沉积方法更适合制备cBN薄膜。
与本发明相近的现有技术是由F.P.Budy等人做出的不用触媒从hBN直接转化为cBN的方法。该方法记载于题目为“六角氮化硼向致密型的直接转换”文献中，见The Journal of Chemical Physical Volume38.Number5(1962)1144～1149。该方法所用高温高压装置为“Belt-type”两面顶，所用的原料是①商业模压六角氮化硼，含B2O3达到2.5％，或者是②纯度较高的粉末状六角氮化硼，在X-光衍射谱中没有B2O3被检测到。使用原料①在14.0GPa，4000K条件下得到的产物有较强的cBN的X-光衍射谱。使用原料②在11.3GPa，2500K条件下得到的产物有较强的cBN的X-光衍射谱。
该方法使用六角氮化硼为原料直接合成cBN，虽然省掉了触媒材料，但其合成条件相当苛刻，“转变所需的最小压力为11.5GPa，最低温度2000K”。特别是使用的合成压力高达11.5Gpa以上，这是在实际生产中无法承受的。而且晶体结晶很小。文献还指出，在直接转化中B2O3的存在，使合成的压力和温度都提高了很多，这对合成是很不利的。
发明内容
立方氮化硼是一种高效节能精密加工铁族金属及合金的工具材料，在实现机械加工现代化中有重要作用。降低立方氮化硼单晶合成压力与温度，简化合成方法始终是研究者和生产者追求的目标。本发明采用化学反应的方法，不用触媒，在不太高的高压、高温下合成了黑色的立方氮化硼晶体。本方法跟传统的方法相比，克服了在用触媒合成方法中触媒制备及防止触媒氧化污染等困难，简化了工艺；与直接转化法即非触媒法相比，使压力大大的降低，从而降低了合成中硬质合金钉锤的消耗，降低了生产成本，成为适合大规模工业生产的有效方法。
本发明的具体工艺过程如下所述。
以单质硼(B)或氧化硼(B2O3)和氮化锂(Li3N)为初始反应物，按质量比B或B2O3∶Li3N＝1∶0.8～1.3配料。反应物研磨混匀后压制成圆柱状，装入石墨加热容器中，与叶腊石一起组装成高压高温合成块，在高温高压下反应生成立方氮化硼晶体。反应的条件为压力3.0～6.0GPa；温度1400～1700℃；加热时间3～10分钟。停止加热样品冷却后卸压回收产物。
将回收的含有立方氮化硼和杂质的产物粉碎后，用常规的酸碱处理法去除叶腊石、石墨等杂质，得到纯净的立方氮化硼晶体。即，可以用氢氧化钾和硝酸去除叶腊石、石墨等杂质。
本发明通过化学反应制备立方氮化硼的方法，由于使用B或B2O3和Li3N为反应物，不需要触媒，并且在较低的压力和较低的温度下，通过化学反应生成立方氮化硼晶体，得到的产品有较强的cBN的X-光衍射谱，粒径在20～400微米范围。由于工艺比较简单，与背景技术相比大大的降低了压力，即或使用B2O3作反应物，合成压力和温度也都大大降低，从而适合规模工业生产。
具体实施例方式
实施例1本实验是在中国产的DSO29B型压机上完成的，该压机高压腔尺寸为内径φ15.5×12mm。合成前，先将块状氮化锂在玛瑙研钵中研成粉末状，按1∶0.9～1质量比将其与单质硼粉均匀混合。将混合粉料按高压腔承载样品的容量称重，在8MPa压力下压成柱状体。将压好的柱状体装入内径φ15.5×12mm的石墨加热管中，与配套的叶腊石组装成合成块。将该块放入高压设备中进行高温高压反应。反应条件为压力为4.4～5.0Gpa；温度为1450～1550℃；加热时间为4～6分钟。停止加热，待合成腔冷却后，卸掉压力取回合成产物。经常规酸碱处理后得到黑色的立方氮化硼单晶体。
实施例1为本发明的最佳实施例，生成的黑色cBN的粒径最大可达400微米。
实施例2在实施例1实验条件基础上，将压力降低至原有压力的约70％(3.1～3.5GPa)，仍然得到了立方氮化硼晶体，但cBN晶体产品的粒度较将压力增大为6GPa，也可以得到大粒度的黑色cBN单晶。
实施例3将实施例1中的反应物单质硼换成三氧化二硼，按质量比B2O3∶Li3N＝1∶1.3配料，在与实施例1相同的实验条件下，同样可以得到黑色的立方氮化硼单晶体，粒径较细。
实施例4按实施例1的反应物及其配比、工艺过程及实验压力条件，降低转换温度为1400℃，但相应的延长加热时间到10分钟，或提高转换温度为1700℃，相应的缩短加热时间到3分钟，对合成立方氮化硼单晶体的结果没有太大的影响。在最佳的温度范围为1450～1550℃，相应的加热时间为4～6分钟。
权利要求
1.一种通过化学反应制备立方氮化硼的方法，其特征在于，以单质硼或氧化硼和氮化锂为初始反应物，按质量比B或B2O3∶Li3N＝1∶0.8～1.3配料；反应物研磨混匀后压制成圆柱状，装入石墨加热容器中，与叶腊石一起组装成高压高温合成块，在高温高压下反应生成立方氮化硼晶体；反应的条件为压力3.0～6.0GPa；温度1400～1700℃；加热时间3～10分钟。
2.按照权利要求1所述的通过化学反应制备立方氮化硼的方法，其特征在于，所说的高温高压反应，反应条件为压力为4.4～5.0GPa；温度为1450～1550℃；加热时间为4～6分钟。
全文摘要
本发明的通过化学反应制备立方氮化硼的方法属超硬材料的制备方法。以单质硼或氧化硼和氮化锂为反应物，按质量比B或B
文档编号C01B21/064GK1605383SQ20041001108
公开日2005年4月13日 申请日期2004年9月8日 优先权日2004年9月8日
发明者张铁臣, 苏作鹏, 杜勇惠 申请人:吉林大学