[发明专利]高强度细颗粒立方氮化硼单晶及其合成方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种属于超硬材料的合成技术，特别是一种高强度细颗粒立方氮化硼单晶及其合成方法和应用。

背景技术

目前，立方氮化硼(cBN)是尚未在自然界中发现的人工合成的超硬材料。cBN具有仅次于金刚石的高硬度、比金刚石高的耐热冲击和抗氧化能力、在高温下不与铁族元素发生反应等特点。其中，细颗粒cBN单晶可制成cBN刀具、磨具等，用于黑色金属及其合金的磨削、切削加工领域，具有高效节能、加工精度高、单位加工成本低等优点，更适用于材料的高速与精密加工。

在现有技术中，工业生产合成细颗粒cBN单晶的方法主要是采用六方氮化硼(hBN)为原料，在触媒材料的参与下转化为cBN单晶并长大。在工业生产中，细颗粒cBN单晶具有合成时间短、成核量大、产量高等诸多优点。目前，工业合成细颗粒cBN单晶主要采用碱金属及其氮化物作为触媒材料，当使用碱金属Li、Mg、Ca做触媒时，具有合成条件低、操作简单、生长速率高等特点，但合成的cBN单晶不透明，晶形差，缺陷多，抗破碎强度低，热稳定性较差；当使用碱金属氮化物Mg₃N₂、Ca₃N₂做触媒材料时，合成的cBN晶体浅黄，晶粒发育不完全，合成稳定性较差。

与本发明相近的现有技术是名称为“细粒度立方氮化硼单晶的生产方法”的专利(专利号200610017867.3，授权公告号CN1888148A)和名称为“细颗粒立方氮化硼单晶的合成方法”的专利申请(专利号201010616951.3，授权公告号CN102019153A)。这两种合成方法各有缺陷：前者合成步骤复杂，合成时间长，并且后期处理复杂，通过球磨得到的细颗粒cBN绝大多数是破碎料，不具备完整的晶形以及单晶的特性，合成后得到的cBN单晶产品为黑色、棕色或琥珀色，纯度较低。后者合成条件要求较高，合成范围较窄，合成压力区间为4.5～5.5GPa，合成触媒Li₃N粉末比例较高，成本高。而且两种合成方法合成出的cBN单晶产品粒度分散，粒度范围分别为270～800目和200～800目，经济效益较低。

随着社会的不断发展和科学技术的突飞猛进，对cBN工具的要求也越来越高，这就要求生产出的cBN单晶具有高强度，而现有的cBN产品大多强度较低，国家标准GBT6408-2003中规定的100～120目cBN的破碎强度也仅为不低于19～24牛顿。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种适合工业生产的高强度细颗粒cBN单晶及其合成方法和应用，通过选择Li₃N和Ca₃N₂的混合物作触媒，以精制(精制是指将hBN置于真空炉中，在高温下(1400-2000℃)除去水分子、低沸点杂质、B₂O₃等，使hBN纯度提高的工艺技术)hBN为原料，在较低的合成压力和温度下，合成晶形完整、强度高、耐磨性好、透明性好的细颗粒cBN单晶，适用于高硬度合金铸铁、高铬铁、淬火钢、高温合金等材料的半精加工和精加工，可提高加工精度和加工效率，单位加工成本低。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种高强度细颗粒cBN单晶，选择Li₃N和Ca₃N₂的混合物作触媒，纯度为98％～99.9％、氧化硼含量0.05％～0.5％、石墨化指数2～5的精制的hBN作为合成原料；Li₃N和Ca₃N按质量比为10～30：70～90混合组成触媒，触媒和精制的hBN的质量比为8～20：80～92。

一种高强度细颗粒cBN单晶合成方法，选择Li₃N和Ca₃N₂的混合物作触媒，选择纯度为98％～99.9％、氧化硼含量0.05％～0.5％、石墨化指数2～5的精制的hBN作为合成原料，具体步骤如下：

第一步，按质量比为10～30：70～90在电子天平上分别称取Li₃N和Ca₃N₂，并放入刚玉研钵中用药匙均匀混合形成混合触媒；按质量比8～20：80～92在电子天平上分别称取混合触媒和hBN粉末，并放入匀速旋转的真空混料机中混合，直至混合均匀；