[发明专利]一种新型三元锇钌硼化物硬质材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有高硬度的过渡金属锇钌硼化物材料及其制备方法，设计新材料领域中的无机非金属硬质材料。本发明采用机械化学法，利用高能球磨机，以高纯锇(Os)、钌(Ru)和硼(B)粉为原料，在室温下合成锇(Os)钌(Ru)硼(B)化物粉末；然后采用高温(高压)烧结技术，将合成的粉末致密化，成为锇(Os)钌(Ru)硼(B)化物块体材料。本发明是一整套完整的过渡金属三元锇(Os)钌(Ru)硼(B)化物的合成和制备技术，它首先采用机械化学法在室温下合成锇(Os)钌(Ru)硼(B)化物粉末，然后再对合成的粉末进行致密化，获得具有一定硬度的锇(Os)钌(Ru)硼(B)化物块体材料。本发明所制备的锇(Os)钌(Ru)硼(B)化物材料可用于切削刀具等工业用途。

技术领域

本发明涉及一种在锇(Os)钌(Ru)硼(B)化物硬质材料及其制备方法。

背景技术

超硬材料由于具有高硬度、良好的耐磨性和化学稳定性等优良特性，被广泛应用于切削刀具、耐磨涂层、耐研磨材料等。目前在工业上广泛应用的超硬材料主要是金刚石和立方氮化硼。然而，金刚石在加工铁基合金时易与之发生化学反应而丧失其作为超硬特性的加工能力；而立方氮化硼需要在很高的温度和压力条件下才能成功合成。这些因素大大限制了金刚石和立方氮化硼在工业上的应用。工业上需要新的，比陶瓷材料如氮化硅、氧化铝等更硬的材料。因此，寻找和制备兼具高硬度和化学惰性的新型超硬材料是该领域亟待解决的关键问题，多年来受到学术界和工业界的广泛关注。

近年来，许多具有优异物理、化学特性的新型超硬材料，在理论和实验工作者的不断努力下被设计和合成出来。其中一类是由强共价键的轻元素B、C、N和O组成的化合物，如c-BC_xN、BC₂N、B₆O等。另一类是将高价电子密度的过渡金属与轻元素B、C、N等结合成的化合物。采用这一方法已经合成了很多新型过渡金属超硬材料，其中比较典型的是5d过渡金属硼化物，如OsB₂、ReB₂、RuB₂等。它们具有高熔点、高硬度、强耐磨性和良好的化学惰性，被认为是潜在的新型超硬材料。5d过渡金属硼化物可以在常压下合成，成本比较低。如锇(Os)硼化物OsB₂理论硬度和体弹性模量分别可达37GPa和365-395GPa，被认为是硬质材料。这类材料的另外一个显著特点就是都属于高硬度金属性化合物，对切割含铁类材料有潜在的应用价值。近年来，在二元过渡金属硼化物中添加另一种过渡金属元素，形成三元过渡金属硼化物，成为新型超硬(硬质)材料的一个重要发展方向。第三组元的添加可以提高过渡金属硼化物的硬度和强度。

发明内容

具有高硬度和高化学稳定性的新型三元锇(Os)钌(Ru)硼(B)化物硬质材料，可以满足工业应用上对硬质材料的使用要求。

本发明的主要目的在于提供一种硬质材料的合成和制备技术，特别是关于一种新型过渡金属三元硼化物硬质材料的制备方法。

本发明提供的硬质材料制备技术分两个步骤实现：

(1)采用机械化学法，通过控制原料成分和化学配比，以及机械化学合成工艺参数，在室温下合成锇(Os)钌(Ru)硼(B)化物粉末；

(2)采用烧结工艺对机械化学法合成的粉末进行致密化，调节和优化烧结工艺参数，制备锇(Os)钌(Ru)硼(B)化物块体材料。

使用本发明制备的锇(Os)钌(Ru)硼(B)化物，在现有技术基础上，有望进一步提高硬度和强度，并具备一定的导电和导热性能，以满足现代化工业对硬质材料的需求。

根据所述的硼化物，由于硼的蒸汽压低，原料粉末中需要加入过量的硼，容易导致产物中残余硼的存在从而影响材料的硬度。本发明拟解决的第一个难点是采用机械化学法合成纯度较高、硼含量少或者不含硼的锇(Os)钌(Ru)硼(B)化物。