[发明专利]纳米结构斯石英-立方氮化硼超硬复合材料及其制备方法和刀具

说明书

本发明涉及一种纳米结构斯石英‑立方氮化硼超硬复合材料及其制备方法和刀具，属于超硬材料技术领域。本发明提供了一种纳米晶斯石英‑立方氮化硼超硬复合材料的制备方法，包括：将非晶SiO₂与亚微米立方氮化硼/非晶氮化硼粉体的混合物，在压力为P＝9～15GPa、温度T＝1000～1800℃的条件下，进行固相反应烧结。在不添加任何粘结剂的情况下，采用高温高压材料制备技术，制备高致密度、优异力学性能的超硬复合材料。

技术领域

本发明涉及超硬材料技术领域，且特别涉及一种纳米结构斯石英-立方氮化硼超硬复合材料及其制备方法和刀具。

背景技术

具有金红石结构的斯石英(stishovite)是SiO₂在高压下的一种同分异构体，其中每个硅原子周围包含6个氧原子，并形成扭曲的SiO₆八面体。研究表明，纳米晶斯石英具有优异的断裂韧性，可高达13MPa·m^1/2，远高于金刚石(5MPa·m^1/2)与立方氮化硼(2.8MPa·m^1/2)等超硬材料的断裂韧性。然而，聚晶斯石英块体材料的维氏硬度仅为29GPa，远低于超硬材料的临界硬度(≥40GPa)，其极大地限制了该材料作为刀具材料在切削加工领域的应用，如：加工铸铁、铁基合金材料、淬火钢、及不锈钢等材料。

因此，寻找和研制同时具有优异断裂韧性及高硬度的新型超硬材料，对刀具等制造业相关领域的发展，具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明实施例的目的包括提供一种纳米结构斯石英-立方氮化硼超硬复合材料及其制备方法和刀具，制得的复合材料具有高硬度、强韧性、优异弹性性能的优点。

第一方面，本发明实施例提供了一种纳米结构斯石英-立方氮化硼复合材料的制备方法，包括：将非晶SiO₂与亚微米立方氮化硼/非晶氮化硼粉体的混合物，在压力为P＝9～20GPa、温度为T＝1000～1800℃的条件下，进行相变及固相烧结反应。

采用非晶SiO₂与亚微米立方氮化硼或非晶SiO₂与非晶氮化硼粉体为原料，将不同化学配比的混合原料置于高温高压腔体中，通过对温度、压力与保温时间的调控，使得混合物进行高温高压相变及固相烧结反应，制备出无粘接剂、大尺寸的纳米晶斯石英-立方氮化硼块体超硬复合材料。本发明中的亚微米立方氮化硼/非晶氮化硼粉体表示亚微米立方氮化硼或非晶氮化硼粉体。

在本发明的一些具体实施例中，非晶SiO₂与亚微米立方氮化硼的摩尔比为1:0.2～9，在该原子配比的范围内，SiO₂与立方氮化硼结合，并能形成高致密度的超硬复合材料。

在本发明的一些具体实施例中，非晶SiO₂与非晶氮化硼粉体的摩尔比为1:0.2～9，在该原子配比的范围内，SiO₂与非晶氮化硼粉体结合，并能形成高致密度的超硬复合材料。

在本发明的一些具体实施例中，相变、固相烧结的时间为t＝10～120min。

在本发明的一些具体实施例中，压力P＝9～15GPa，温度T＝1100～1800℃。

通过对烧结时间、压力和温度的调控，使得初始材料混合物在高温高压的条件下，经位移型相变与/高温高压固相反应，形成高硬度、抗冲击的纳米结构斯石英-立方氮化硼块体超硬复合材料。

在本发明的一些具体实施例中，采用基于国产六面顶压机的二级增压装置或国外大腔体压机进行高温高压相变及固相烧结反应；其中，国外大腔体压机包括Kawai-型多面顶压机、Walker型多面顶压机以及DIA-型多面顶压机中的任意一个。上述装置可以满足实验所需的压力和温度条件，高效的升压、降压速率，能满足工业生产效率的需求。