专利名称：用碱土金属氟化物合成立方氮化硼的方法
技术领域：
本发明属超硬材料的高温高压合成方法领域，特别涉及选择新的触媒合成立方氮化硼的方法。
背景技术：
立方氮化硼(cBN)的硬度仅次于金刚石，由于它比金刚石具有更高的抗氧化温度，且在高温下不与铁族元素发生反应等优异特性，作为磨料及制成刀具、砂轮和珩磨条等制品已经广泛的应用于高硬度的钢铁及其合金材料的加工领域。
六方氮化硼(hBN)与触媒混合，在高温高压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等碱金属和碱土金属或其氮化物、氮硼化物为触媒合成立方氮化硼，存在着合成温度、压力范围窄，立方氮化硼的转化率低等缺点。例如，日本专利JP56-140013公开的用hBN为原料，氮化锂、氮化钙作触媒，在高温高压下合成立方氮化硼的方法得到了高强度，低杂质含量的立方氮化硼单晶粉末。但该方法所用的触媒对六方氮化硼的纯度和杂质含量等要求较高，要六方氮化硼纯度＞99.8％、氧化硼含量＜0.1％及石墨化指数＜2时才可得到好的合成结果，如六方氮化硼纯度小于98％、氧化硼含量大于0.15％和石墨化指数大于3时所得到的立方氮化硼粒度就小于300目，转化率也很低。
与本发明相近的现有技术是名称为“立方氮化硼的合成方法”中国专利，专利号02116459.2，授权公告号CN1176009C。该专利以纯度96％～99.8％、氧化硼含量0.01％～0.48％、石墨化指数1～6的粗制六方氮化硼为合成原料，选择LiNH2和LiH的混合物作触媒；LiNH2和LiH按重量比6～12∶1混合后，再与六方氮化硼原料按重量比1∶7～12混合均匀，预压成型后经高温高压合成，合成温度为1350～1800℃，合成压力为4.0～5.5GPa，合成时间为3～8分钟，用熔融碳酸钠提纯得到立方氮化硼70～80目，破碎强度在35牛顿以上。
“立方氮化硼的合成方法”的中国专利在较低的合成压力和温度下合成高强度、透明、等积形的cBN，而且合成区宽、合成时间短、收率高。同时指出，“在混合触媒中，LiNH2对cBN成核的贡献较大，单独用LiNH2只能得到细颗粒的产物。LiH的加入有效地控制了成核量，并促进cBN单晶的生长和发育。同时，LiH还对消除原料中氧化硼杂质对cBN合成的影响，减少产物中包裹体和缺陷有重要作用。”发明内容本发明要解决的技术问题是，选择新型触媒和原料配比，使六方氮化硼原料的纯度要求低，并且具有合成压力、温度范围宽，转化率高的特点。
本发明提供一种合成立方氮化硼的方法，以六方氮化硼为原料，用CaF2或/和MgF2和Li3N作触媒，LiH为添加剂，合成透明立方氮化硼。高压合成的混合原料按重量配比为六方氮化硼∶CaF2或/和MgF2∶Li3N∶LiH＝1∶0.02～0.1∶0.11～0.2∶0.02～0.05，混合均匀，预压成型后在高温高压下合成，合成温度1000～1800℃，合成压力4.0～6.0GPa，保温保压时间3～8分钟，经化学处理得到立方氮化硼产品。
六方氮化硼的纯度可选择95％以上的。
高温高压下合成，可以在超硬材料专用压机上进行。
合成产物是红黄色且晶形完整率高、透明的立方氮化硼晶体。
本发明加入CaF2或/和MgF2，使cBN的成核率提高，同时cBN生长的温度压力区域变宽，样品区内cBN的生长区增大，从而提高了hBN向cBN转化的转化率。同时，本发明对原料hBN的纯度要求降低，合成温度也可以较低，合成时间较短，而产品是晶形完整率高、透明的立方氮化硼晶体，更适合工业上生产和使用。
具体实施例方式
实施例1将CaF2、Li3N和LiH按重量比1∶4∶1混合均匀，再与纯度95％的六方氮化硼按重量比15∶85混合均匀并预压成圆柱状后装入石墨套管内，保持原料柱的高度与石墨管的高度相等或比石墨管的高度低0.5～1mm，放入叶腊石块内组装成合成块，在六面顶压机上进行高压合成。在1100℃，4.5GPa条件下，保温保压5分钟，停止加热待温度降低后取出样品，经酸碱提纯处理后得到红黄色透明的立方氮化硼晶体，得到的cBN晶体，晶形完整率高，cBN的转化率为35～40％。
将CaF2用MgF2替代，按上述的原料配比、组装、合成、提纯，同样得到红黄色透明的立方氮化硼晶体，cBN的转化率为35～40％。
实施例2样品配比、组装，合成设备、以及温度、压力条件均同实施例1，保温保压时间3分钟，实验样品经提纯后得到的cBN晶体同实施例1，仅粒度略细，cBN转化率为30％～40％。
实施例3样品制备及合成条件均同实施例1，保温保压时间为8分钟，合成产物提纯处理后获得的cBN晶体同实施例1，晶体粒度较粗，晶形完整率高，cBN转化率35～40％。
实施例4将MgF2、Li3N和LiH按重量比4∶5∶1混合均匀，再与纯度95％的六方氮化硼按重量比20∶80混合均匀并预压成圆柱状后装入石墨套管内，保持原料柱的高度与石墨管的高度相等或比石墨管的高度低0.5～1mm，放入叶腊石块内组装成合成块，在六面顶压机上进行高压合成。在1700℃，5.5GPa条件下，保温保压5分钟，停止加热待温度降低后取出样品，经酸碱提纯处理后得到红黄色透明的立方氮化硼晶体，得到的cBN晶体，晶形完整率高，cBN的转化率为45～50％。
将MgF2用CaF2替代，按上述的原料配比、组装、合成、提纯，同样得到红黄色透明的立方氮化硼晶体，且平均粒度较大，cBN的转化率为40～45％。
实施例5样品配比、组装，合成设备、以及温度、压力条件均同实施例4，保温保压时间3分钟，实验样品经提纯后得到的cBN晶体或实施例4，仅粒度略细，cBN转化率为35％～45％。
实施例6样品制备及合成条件均同实施例4，保温保压时间为8分钟，合成产物提纯处理后获得的cBN晶体同或实施例4，晶体粒度较粗，晶形完整率高，cBN转化率40～50％。
实施例7使用MgF2和CaF2作触媒，按重量比MgF2∶CaF2＝1∶0.01～100。用MgF2和CaF2替代实施例1的CaF2，原料组装、合成设备、温度、压力条件均同实施例1，同样得到红黄色透明的立方氮化硼晶体，cBN的转化率为40～45％。
实验表明MgF2∶CaF2的大小，对合成红黄色透明的立方氮化硼晶体的效果影响不大。
权利要求
1.一种用碱土金属氟化物合成立方氮化硼的方法，以六方氮化硼为原料，在高温高压下合成立方氮化硼产品，合成温度1000～1800℃，合成压力4.0～6.0GPa，保温保压时间3～8分钟；其特征在于，用CaF2或/和MgF2和Li3N作触媒，LiH为添加剂；高压合成的混合原料按重量配比为六方氮化硼∶CaF2或/和MgF2∶Li3N∶LiH＝1∶0.02～0.1∶0.11～0.2∶0.02～0.05。
2.按照权利要求1所述的用碱土金属氟化物合成立方氮化硼的方法，其特征在于，所说的六方氮化硼的纯度是95％以上的。
全文摘要
本发明的用碱土金属氟化物合成立方氮化硼的方法属超硬材料的高温高压合成领域。用六方氮化硼做原料，以CaF
文档编号B01J3/06GK1686602SQ20051001665
公开日2005年10月26日 申请日期2005年3月25日 优先权日2005年3月25日
发明者郭伟力, 贾晓鹏, 马红安, 陈立学, 卜雨洲, 邹广田 申请人:吉林大学