[发明专利]一种氮化钛-二硼化钛-立方氮化硼复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料加工工程中的反应烧结成型领域，具体涉及一种氮化钛-二硼化钛-立方氮化硼复合材料的制备方法。 

背景技术

氮化钛(TiN)、二硼化钛(TiB₂)及碳化钛(TiC)等都具有高硬度、高抗磨损性以及良好的高温抗氧化性等，因此经常被用作刀具材料及耐磨部件等。为进一步提高其硬度和耐磨损性能，满足高速切削的要求，有研究者采用立方氮化硼等材料作为添加相制备复合材料。立方氮化硼是硬度仅次于金刚石的第二硬材料，常用作磨料和刀具材料。上世纪50年代左右，美国、南非、前苏联和日本等国家利用人造金刚石微粉和人造cBN(立方氮化硼)微粉烧结成尺寸较大的聚晶块作为刀具材料。70年代初又推出了cBN和硬质合金的复合片，它们是在硬质合金基体上烧结或压制一层0.5mm～1mm的PCD或PcBN而成，从而解决了超硬刀具材料抗弯强度低、镶焊困难等问题，使超硬刀具的应用进入实用阶段。1980年，GE公司的Wentorf等人在Science杂志报道了他们在烧结金刚石与cBN材料方面取得的成果(Science，208(1980)873-880)，即采用超高压条件烧结制备了致密的金刚石-cBN材料。2013年1月，燕山大学的田永君教授在Nature杂志发表学术论文(Nature，493(2013)385-388)，进一步使用类似洋葱结构的氮化硼微粒制备出了纳米等级的立方氮化硼，硬度已超越金刚石，成为世界上最硬的物质。目前，cBN刀具材料的制备主要用cBN微粉和结合剂(如Co、Al、Ti和TiN等)，在压力为4～8GPa、温度为1300～1900℃的条件下烧结而成，制备成本高，产量低，且制品形状大小受到限制。另外，cBN刀具也有使用上的一些局限，如其脆性较大、强度和韧性较差，不适用于冲击负荷下的间断表面加工。使用cBN作为硬质相提高其他刀具材料的硬度、韧性等性能，成为最近人们关心的热点问题。而超硬cBN相的引入不仅会显著提高TiN-TiB₂复合材料的硬度和耐磨损，其本身在复合材料中作为超硬粒子，引发裂纹偏转从而可以进一步提高材料的韧性。 

目前，为制备含cBN相的复合材料，大多使用干混或球磨方法混料，然后进行加压烧结。如Rong等人将cBN、TiN、Al三种粉末在玛瑙研钵中干混1～2小时，然后进行高压烧结(Diamond and Related Materials11(2002)280-286)。 张锐等人在其授权专利中(授权公告号，CN101560624B)，将立方氮化硼及结合剂混合后球磨，球磨时间比为4～20小时；球磨后干燥过筛，冷压成型并进行烧结得到成品。这类混合方法难以达到各相之间的均匀分散，且即使有烧结助剂，烧结温度也普遍较高，易引起cBN相向六方氮化硼(hBN)转变。六方氮化硼(hBN)为软相，晶体结构和硬度类似于石墨，因此cBN向hBN的相变将引起材料硬度的降低和切削性能的恶化。另外相变所带来的体积变化同时会导致材料致密度的降低，也会引发刀具材料耐磨损性能的降低，从而导致其使用寿命进一步缩短。日本的Yoshida等人(Journal of Materials Research，1997，12(3)，pp585-588)采用融盐法在cBN包覆了一层TiN-TiB₂涂层，然后在1450℃左右5.5GPa的压力下烧结30分钟获得了TiN-TiB₂-cBN(氮化钛-二硼化钛-立方氮化硼)复合材料，但这种方法处理周期长，步骤复杂，且融盐对实验者有较大的毒害性。 

发明内容

本发明提出一种氮化钛-二硼化钛-立方氮化硼复合材料及制备方法，以解决现有制备方法中存在的步骤复杂且分散不均匀的问题。 

为解决上述技术问题，本发明提出了一种氮化钛-二硼化钛-立方氮化硼复合材料的制备方法，包括如下步骤： 

(1)采用Ti粉(钛粉)和cBN粉(立方氮化硼粉)为原料，利用原位反应制备氮化钛-二硼化钛-立方氮化硼复合材料，反应方程式如下：