專利名稱：用堿金屬氟化物合成立方氮化硼的方法
技術領域：
本發明屬超硬材料的高溫高壓合成方法領域，特別涉及選擇新的觸媒合成立方氮化硼的方法。
背景技術：
立方氮化硼(cBN)的硬度僅次于金剛石，由于它比金剛石具有更高的抗氧化溫度，且在高溫下不與鐵族元素發生反應等優異特性，作為磨料及制成刀具、砂輪和珩磨條等制品已經廣泛的應用于高硬度的鋼鐵及其合金材料的加工領域。
六方氮化硼與觸媒混合，在高溫高壓下合成是制取立方氮化硼的常用方法。一般的立方氮化硼合成方法以Li、Mg、Ca等堿金屬和堿土金屬或其氮化物、氮硼化物為觸媒合成立方氮化硼，存在著合成溫度、壓力范圍窄，立方氮化硼的轉化率低等缺點。例如，日本專利JP56-140013公開的用六方氮化硼(hBN)為原料，氮化鋰、氮化鈣作觸媒，在高溫高壓下合成立方氮化硼的方法得到了高強度，低雜質含量的立方氮化硼單晶粉末。但該方法所用的觸媒對六方氮化硼的純度和雜質含量等要求較高，要六方氮化硼純度＞99.8％、氧化硼含量＜0.1％及石墨化指數＜2時才可得到好的合成結果，如六方氮化硼純度小于98％、氧化硼含量大于0.15％和石墨化指數大于3時所得到的立方氮化硼粒度就小于300目，轉化率也很低。
與本發明相近的現有技術是名稱為“立方氮化硼的合成方法”中國專利，專利號02116459.2，授權公告號CN1176009C。該專利以純度96％～99.8％、氧化硼含量0.01％～0.48％、石墨化指數1～6的粗制六方氮化硼為合成原料，選擇LiNH2和LiH的混合物作觸媒；LiNH2和LiH按重量比6～12∶1混合后，再與六方氮化硼原料按重量比1∶7～12混合均勻，預壓成型后經高溫高壓合成，合成溫度為1350～1800℃，合成壓力為4.0～5.5GPa，合成時間為3～8分鐘，用熔融碳酸鈉提純得到立方氮化硼70～80目，破碎強度在35牛頓以上。
“立方氮化硼的合成方法”的中國專利在較低的合成壓力和溫度下合成高強度、透明、等積形的cBN，而且合成區寬、合成時間短、收率高。同時指出，“在混合觸媒中，LiNH2對cBN成核的貢獻較大，單獨用LiNH2只能得到細顆粒的產物。LiH的加入有效地控制了成核量，并促進cBN單晶的生長和發育。同時，LiH還對消除原料中氧化硼雜質對cBN合成的影響，減少產物中包裹體和缺陷有重要作用。”發明內容本發明要解決的技術為問題是，選擇新型觸媒和原料配比，使六方氮化硼原料的純度要求低，并且具有合成壓力、溫度范圍寬，轉化率高。
本發明提供一種合成立方氮化硼的方法，以六方氮化硼hBN為原料，用LiF和Li3N作觸媒，LiH為添加劑，合成透明立方氮化硼。高壓合成的混合原料按重量配比為六方氮化硼∶LiF∶Li3N∶LiH＝1∶0.02～0.1∶0.11～0.2∶0.02～0.05，混合均勻，預壓成型后在高溫高壓下合成，合成溫度1000～1800℃，合成壓力4.0～6.0GPa，保溫保壓時間3～8分鐘，經化學處理得到立方氮化硼cBN產品。
六方氮化硼hBN的純度可選擇95％以上的。
高溫高壓下合成，可以在超硬材料專用壓機上進行。
合成產物是紅黃色且晶形完整率高、透明的立方氮化硼晶體。
本發明加入LiF，cBN的成核率提高，同時cBN生長的溫度壓力區域變寬，樣品區內cBN的生長區增大，從而提高了hBN向cBN轉化的轉化率。同時，本發明對原料hBN的純度要求降低，合成溫度也可以較低，而產品是晶形完整率高、透明的立方氮化硼晶體，更適合工業上生產和使用。
具體實施例方式
實施例1將LiF、Li3N和LiH按重量比1∶4∶1混合均勻，再與純度95％的六方氮化硼按重量比15∶85混合均勻并預壓成圓柱狀后裝入石墨套管內，保持原料柱的高度與石墨管的高度相等或比石墨管的高度低0.5～1mm，放入葉臘石塊內組裝成合成塊，在六面頂壓機上進行高壓合成。在1100℃，4.5GPa條件下，保溫保壓5分鐘，停止加熱待溫度降低后取出樣品，經酸堿提純處理后得到紅黃色透明的立方氮化硼晶體，得到的cBN晶體晶形完整率高，cBN的轉化率為30～35％。
實施例2將LiF、Li3N和LiH按重量比4∶5∶1混合均勻，再與純度95％的六方氮化硼按重量比20∶80混合均勻并預壓成圓柱狀后裝入石墨套管內，保持原料柱的高度與石墨管的高度相等或比石墨管的高度低0.5～1mm，放入葉臘石塊內組裝成合成塊，在六面頂壓機上進行高壓合成。在1700℃，5.5GPa條件下，保溫保壓5分鐘，停止加熱待溫度降低后取出樣品，經酸堿提純處理后得到紅黃色透明的立方氮化硼晶體，得到的cBN晶體，晶形完整率高，cBN的轉化率為40％。
實施例3樣品配比、組裝，合成設備和溫度、壓力條件均同實施例1，保溫保壓時間3分鐘，實驗樣品經提純后得到的cBN晶體同實施例1，僅粒度略細，cBN轉化率為30％。
實施例4樣品制備及合成條件均同實施例2，保溫保壓時間為8分鐘，合成產物提純處理后獲得的cBN晶體同實施例2，晶體粒度較粗，晶形完整率高，cBN轉化率40％。
權利要求
1.一種用堿金屬氟化物合成立方氮化硼的方法，以六方氮化硼為原料，經高溫高壓合成立方氮化硼產品，合成溫度1000～1800℃，合成壓力4.0～6.0GPa，保溫保壓時間3～8分鐘；其特征在于，用LiF和Li3N作觸媒，LiH為添加劑；高壓合成的混合原料按重量配比為六方氮化硼∶LiF∶Li3N∶LiH＝1∶0.02～0.1∶0.11～0.2∶0.02～0.05。
2.按照權利要求1所述的用堿金屬氟化物合成立方氮化硼的方法，其特征在于，所說的六方氮化硼的純度選擇95％以上的。
全文摘要
本發明的用堿金屬氟化物合成立方氮化硼的方法屬超硬材料的高溫高壓合成領域。用六方氮化硼做原料，以LiF和Li
文檔編號B01J3/06GK1686601SQ20051001665
公開日2005年10月26日 申請日期2005年3月25日 優先權日2005年3月25日
發明者郭偉力, 賈曉鵬, 陳立學, 馬紅安, 卜雨洲, 鄒廣田 申請人:吉林大學