等离子放电烧结聚晶立方氮化硼烧结体的方法

摘要

本发明涉及一种采用等离子放电烧结聚晶立方氮化硼烧结体的方法。其特征是：将结合剂与40～ 90％的立方氮化硼晶体均匀混合，装填到按产品的形状和尺寸制成的石墨模具(11)中，石墨模具(11)置于等离子放电快速烧结机的上下导电压板(8)之间，等离子放电快速烧结机启动，在氮气体或氩气体的环境气氛中，在10～100MPa压力下，施加等离子放电快速烧结，烧结温度为1100℃～1450℃，在此条件下保持1～15分钟；降温、卸压后，从石墨模具(11)中取出聚晶立方氮化硼烧结体，烧结体致密度达98％以上，硬度达20～50GPa。本发明的特点在于采用等离子放电快速烧结方法制备聚晶立方氮化硼烧结体，因而克服了传统方法设备结构复杂、构成高压腔体的顶锤或模具消耗增加、限制产品尺寸增大和形状改变等不足。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超硬材料聚晶烧结体的一种制造方法，特别是涉及一种等离子放电烧结聚晶立方氮化硼烧结体的方法。

背景技术

传统的聚晶立方氮化硼烧结体的制造方法是缘于聚晶金刚石烧结体的制造方法，是在高温-超高压条件下制造的。这在王光祖编著《立方氮化硼的合成与应用》(河南科学技术出版社1995)及邓福铭等编著的《PDC超硬复合刀具材料及其应用》(化学工业出版社2003)著作中都有详细介绍。而国外则早在1967年就公开了这种专利技术，例如：聚晶金刚石的生产方法(专利号USP 4049783，1967)。传统的聚晶立方氮化硼烧结体制造过程中，一般工作压力为4-7GPa，温度为1300～1500℃，并在此温度下保持2～20分钟。制造过程中比较困难的问题是：要依靠设备来形成一定尺寸的高压腔体和所要求的高温，高压腔体通常由硬质合金制成(见图1)，将聚晶立方氮化硼烧结体的原材料装填于石墨容器中，具有一定壁厚的石墨容器与外加的低压大电流形成电阻加热。为了使机械压力均匀施加于石墨容器，进而均匀施加于聚晶立方氮化硼烧结体原材料，还要在石墨容器外层加装传压介质。由于上述传压介质、石墨容器和聚晶立方氮化硼烧结体的原材料都置于高压腔体内部，占用了有限的高压腔体的空间。采用的高压设备有两种，一种为两面顶压机，另一种为六面顶压机。两面顶压机形成的高压腔体是由上下相对施压的移动液压柱塞带动硬质合金压头与固定的硬质合金压缸组成的(如图1)。而六面顶压机则是由六个相对移动的液压柱塞带动硬质合金压头组成(见图2)，将比例为10～90％的立方氮化硼晶体晶体与金属或金属化合物均匀混合，装入石墨容器中，外面套装作为传压介质的叶腊石块，置于超高压设备的顶锤之间，施以大于4GPa的静压力，并在≥1300℃以上的温度保持≥2分钟，然后卸压、后处理，完成制造过程。采用这种传统的聚晶立方氮化硼烧结体制造方法，主要原因是要防止立方氮化硼晶体的结构在大气、常压和常规加热条件下受到破坏。在大气条件下，当温度超过1300℃超过一定时间将由于氧化而使立方氮化硼晶体结构发生破坏。而能够与立方氮化硼良好结合且硬度相匹配的结合剂常规烧结温度一般都超过1300℃，常规的加热方法依靠传导加热使这一进程缓慢。实现大于4GPa的高压是一件很复杂的技术，包括高压密封技术，压力均匀传递的技术，并且需要在此高压下加热到1200℃以上的高温等。这种高压、高温条件对设备要求很高，苛刻的条件使高压腔体的尺寸受到限制，至今两面顶压机还不能很好地解决高压模具问题，而六面顶压机的高压腔体结构又限制了聚晶立方氮化硼烧结体的尺寸；同时，高压极端环境对于研究聚晶立方氮化硼烧结体的制造过程又极为困难。总之，传统制造聚晶立方氮化硼烧结体的方法采用的设备结构复杂，容易引起构成高压腔体的顶锤或模具消耗增加，限制了高压腔体的尺寸，对产品尺寸增大、形状改变等都增加一定困难。

发明内容

为了克服传统的聚晶立方氮化硼烧结体制造方法存在的设备复杂、模具消耗大和产品尺寸、形状受到限制等不足，本发明提供一种等离子放电烧结聚晶立方氮化硼烧结体的方法，该方法不仅克服了传统的聚晶立方氮化硼烧结体制造方法存在的上述问题，而且大大降低了工作压力和模具消耗，使产品尺寸和形状得到极大改善。

这种等离子放电烧结聚晶立方氮化硼烧结体的方法，包括以下步骤：

a.将结合剂与40～90％的立方氮化硼晶体均匀混合，装填到按产品的形状和尺寸制成的石墨模具11中；

b.将装填完毕的石墨模具11置于等离子放电快速烧结机的上下导电压板8之间；

c.将等离子放电快速烧结机启动，在氮气体或氩气体的环境气氛中，在10～100MPa压力下，施加等离子放电快速烧结，烧结温度为1100℃～1450℃，在此条件下保持1～15分钟；

d.待保持时间达到要求后首先停止加热降温，稍后卸除压力，从石墨模具11中取出聚晶立方氮化硼烧结体；

在烧结结束后，金属或化合物之间形成新的化合物，并与立方氮化硼晶体牢固粘结形成致密块体，其致密度达98％以上，硬度达20～50GPa。

所述结合剂的组分为：Al、TiN、AlN、Si₃N₄、TiC、Y₂O₃和Al₂O₃的一种或两种或两种以上金属和化合物混合而成；结合剂中金属和化合物粉体的化学成分为wt％：Al：0～10％；TiN：0～60％；AlN：0～35％；Si₃N₄：0～40％；TiC：0～60％；Y₂O₃：0～10％；Al₂O₃：0～45％。

本发明的优点是：由于本发明采用了等离子放电快速烧结方法制备聚晶立方氮化硼烧结体，因此在较低的压力和相对低一些的温度下制备聚晶立方氮化硼烧结体，克服了传统方法存在的不足，不需要硬质合金构成的高压腔体。

等离子放电快速烧结方法是近几十年发展起来的新材料制备方法，工业生产应用还不到20年。其主要特点是通过脉冲放电，在粉体材料颗粒表面之间积累电荷，累积到一定程度之后发生瞬间等离子放电，放电点温度快速升高，使颗粒间烧结，将等离子放电快速烧结方法应用于制造聚晶立方氮化硼烧结体是本发明的特点，该方法使制成品中立方氮化硼晶体的晶体结构保持不变。

附图说明

图1为传统的聚晶立方氮化硼两面顶压机烧结机结构示意图；

图2为传统的聚晶立方氮化硼六面顶压机烧结机结构示意图；

图3为等离子放电快速烧结机结构示意图；

图4实施例1的X-射线物相分析曲线；

图5实施例2的X-射线物相分析曲线。

在图1、图2、图3中，1.硬质合金压头，2、4.加强钢环，3.硬质合金压缸，5.样品，6.传压介质，7.石墨容器，8.导电压板，9.石墨压头，10.石墨模套，11.样品，12.脉冲电源。

具体实施方式

实施例1

将质量比(wt％)为Si₃N₄36.1％、Y₂O₃1.8％、Al₂O₃5.4％、AlN 6.7％的粉末与平均粒径为5μm和10μm的立方氮化硼晶体各25％均匀混合，装入石墨模具11中(见图3)，置于Dr Sinter 3.20-MK-V型等离子放电快速烧结方法烧结机上，于30MPa、1350℃保持3分钟。得到硬度为HV44.6GPa、灰色聚晶立方氮化硼烧结体。实施例1的聚晶立方氮化硼烧结体的X-射线物相图谱如图4。

实施例2

将质量比(wt％)为Si₃N₄32％、Y₂O₃4％、Al₂O₃10％、AlN 4％的粉末与平均粒径为10μm和20μm的立方氮化硼晶体各25％均匀混合，装入石墨模具11中(见图3)，置于Dr Sinter 3.20-MK-V等离子放电快速烧结方法烧结机上，于30MPa、1430℃保持5分钟。得到硬度为HV46.1GPa、灰色聚晶立方氮化硼烧结体。实施例2的聚晶立方氮化硼烧结体的X-射线物相图谱如图5。