细颗粒cBN的高温高压合成研究①

郭玮,郭伟力,王琰弟,徐会文,商健,马红安,贾晓鹏

(吉林大学超硬材料国家重点实验室,吉林长春130012)

细颗粒cBN的高温高压合成研究①

郭玮,郭伟力,王琰弟,徐会文,商健,马红安,贾晓鹏

(吉林大学超硬材料国家重点实验室,吉林长春130012)

在高温高压条件下(压力为4.5～5.0GPa,温度为1300℃～1500℃)采用锂基多元触媒合成出了粒度较为均一、晶形完整的细颗粒cBN。实验发现,在触媒体系确定的条件下,合成细颗粒cBN的关键在于温度压力区间以及合成时间的控制,高压低温及较短的合成时间有利于细颗粒cBN的合成。

细颗粒cBN;完整晶形;合成条件

1 概述

立方氮化硼(cBN)和金刚石一样,是超硬材料家族的成员之一,是在高温高压条件下合成而成的。在加工铁族金属及其合金材料时,立方氮化硼显示出优于金刚石的独特性能,它不与铁族金属亲和,抗氧化温度高,成为机械、汽车及相关行业最合适的加工材料[1-6]。另外,立方氮化硼作为带隙很宽的半导体,显示出了在电学领域里应用的可能性[7-10]。

立方氮化硼通常是在高温高压下有触媒存在的条件下合成出来的。触媒的参与,可以有效地降低cBN合成的条件。用于合成立方氮化硼的触媒有很多,碱金属,碱土金属以及它们的氮化物和硼氮化物,都可以作为合成立方氮化硼的触媒[11-15]。随着研究的深入,发现金属锑、锡、铅、镍等也可以作为合成cBN的触媒。

立方氮化硼的分类有很多种方法,按颜色分为无色、黑色、褐色、琥珀色、蓝色等;按尺寸可以分为大颗粒、粗颗粒以及细颗粒等。大颗粒对于国内研究来说还没有突破,1mm以上的cBN仍然难以合成;粗颗粒已经可以合成出来,但是目前难以应用;比较成熟的技术是磨料级工业立方氮化硼和400目、800目以细的立方氮化硼。国内生产的细颗粒的立方氮化硼粒度均一、尺寸种类齐全,可以满足各类商业应用。但是,对于细颗粒立方氮化硼晶形的控制,还没有达到成熟的地步。

本文中,主要研究了细颗粒cBN的高温高压合成,通过合成工艺的调整达到控制成核和生长的目的,成功地控制了晶体的形貌和尺寸,从而合成出具有完整晶形的细颗粒立方氮化硼。

2 实验

实验是在国产六面顶压机上进行的。合成条件为4.5～5.0GPa,温度为1300℃～1500℃。合成压力的标定是根据铋(B i)、钡(Ba)、铊(T i)的高压相变点进行的,建立了腔体内部压强与液压机油压的对应关系。合成温度的标定是根据Pt6%Rh～Pt30%Rh热电偶测定的输入功率与温度的对应关系曲线进行的。

实验所用材料为5～10μm的hBN,200目以细的自制L i基多元触媒。将其按照一定的比例均匀混合,预压成一定尺寸的棒料装入合成腔体,为了避免样品中的触媒在空气中氧化,在装入腔体后立刻进行了实验。

实验采取了一次升温升压、到温到压的合成工艺,保温时间分别为1min,3min和5min。合成后的棒料经过酸碱处理后得到了纯净cBN单晶,利用光学显微镜(OM)、电子显微镜(SEM)对其形貌进行了观测。

3 实验结果与讨论

3.1 合成工艺研究

对不同的合成压力、温度和时间进行了对比研究。在相同的温度和时间下,压力越高,越有利cBN的快速成核,而较低的压力则不利于生长细颗粒cBN。实验结果证明:在其他条件确定的情况下,低压有利于cBN的生长,而高压有利于cBN的成核。对于合成温度而言,压力一定的情况下随着温度的升高cBN的生长速度逐渐变快,cBN核迅速生长并长大,出现了大吃小的现象,这样导致得到的晶体多为复晶并且后期难以处理(图1-a)。而温度过于低,又不能促进cBN核转化成cBN,得不到晶体(图1-b)。因此认为:温度保持在cBN生长的低温区为好。对于合成时间而言,也是合成细颗粒cBN的一个关键因素,因为在压力和温度控制好的前提下,如果合成时间过长,晶体会继续长大而得不到理想尺寸的cBN单晶,并且容易出现连晶、聚晶的现象;而时间过短,很多晶体又生长不完全,导致大量无规则晶体的出现。在我们的实验中,3min是一个比较理想的合成时间。

因此,在此实验中,较高的压力(5.0GPa)、适合的温度(1400℃)以及得当的合成时间(3min)是合成细颗粒cBN的关键。

图1 不同条件下合成的cBN SEM照片Fig.1 SEM images of cBN syn the sized at different conditions

3.2 细颗粒cBN的形貌分析

实验后,样品经过酸碱处理后得到了纯净的细颗粒cBN单晶(如图2)。从图中可以看出,得到的晶体为琥珀色,晶体透明,在晶体没有进行筛选之前,晶体具有很好的均匀性(图2-a);通过放大可以看出(图2-b),晶体具有较为完整的晶形,镜面主要以(111)面为主。显然,晶体的颜色可以通过不同触媒以及添加剂的引入进行控制。

我们对得到的cBN单晶做了电子显微镜(SEM)观察,观察发现,如图3所示,图中a、b为商用400目cBN单晶,a图可以看出,cBN具有非常均匀的粒度,放大之后可以发现,单个晶体几乎没有完整的晶形,有许多长条晶与方晶,用晶体学知识判断,更倾向于破碎料;而图c、d为本文实验合成的400目以细cBN单晶,虽然没有经过筛选,粒度仍然较为均匀,放大之后发现,大多数的晶体具有完整的晶面,主要为cBN的(111)面,与图2的光学照片所观察的现象吻合。我们也发现了一些聚晶,这些聚晶是由于晶体成核、生长过快导致,因此,提高系统的控制精度以及更精确的生长压力温度区间是减少聚晶的一个有效途径。

图2 细颗粒cBN的光学照片Fig.2 Optical photos of fine cBN single crystals

图3 不同细颗粒cBN的电子显微镜照片Fig.3 Electron microscope photos of different fine cBN single crystals

4 结论

在国产六面顶压机上成功地合成出了晶形完整、粒度较为均一的400目以细的细颗粒cBN单晶体。实验结果证实:高压低温有利于细颗粒cBN单晶的生长,合成压力、温度以及合成时间的控制是合成细颗粒cBN单晶的关键。

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Syn thesis of fine cBN sing lecrystalat HPHT

GUOWei,GUOWei-li,WANG Yan-di,XU Hui-wen,SHANG Jian,MA Hong-an,JIA Xiao-peng
(State Key Laboratory of Super hard Materials,Jilin University,Changchun 130012,China)

In this paper,the fine cBN with uniformity granularity and in tegrated morphology was successfully synthesized in Li-based catalyst at HPHT(4.5-5.0GPa and 1300-1500℃).The experimental data approved that the crucial facto rs of fine cBN single crystal formation were appropriate pressure,temperature and syn the tic time in a certain catalyst system.The higher pressure,lower temperature and shorter synthetic time are benefit for fine cBN single crystal formation.

fine cBN;integrate dmorphology;synthetic conditions

TQ 164

A

1673-1433(2010)04-0010-03

2010-08-10

郭玮(1982-),男,吉林大学超硬材料国家重点实验室,博士研究生,从事立方氮化硼的合成研究。