[发明专利]硼皮氮芯纳米聚晶材料、其制备方法及超硬刀具

说明书

本发明提供一种硼皮氮芯纳米聚晶材料、其制备方法及超硬刀具。硼皮氮芯纳米聚晶材料，包括内核、晶界层和外壳，内核包括氮掺杂的聚晶金刚石，晶界层包括B－C－N固溶体，外壳包括B－C合金。硼皮氮芯纳米聚晶材料的制备方法，包括如下步骤：将氮掺杂的碳粉体或/和氮掺杂的的金刚石粉体通过湿混在超声条件下填充进入含硼碳纳米管内得到填充物，将填充物在真空的条件下处理，再预压成型得到坯体；将坯体烧结固溶强化得到硼皮氮芯纳米聚晶材料。此硼皮氮芯纳米聚晶材料能够解决现有技术中氮化硼硬度不高、和金刚石磨削石墨化的技术问题，达到热稳定性提高，化学惰性和耐磨损性能增强的效果，其硬度高于金刚石，能够用来制备超硬刀具。

技术领域

本发明涉及超硬质材料技术领域，具体而言，涉及一种硼皮氮芯纳米聚晶材料、其制备方法及超硬刀具。

背景技术

现有技术中，通常使用单独的金刚石或者单独的氮化硼(PCBN，PolycrystallineCubic Boron Nitride)作为超硬刀具切削材料。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术知识存在如下问题：金刚石在对硬质材料进行磨削时容易石墨化，而氮化硼的硬度较金刚石的低，对于高硬度的材料进行切削的效果不好。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种硼皮氮芯纳米聚晶材料、其制备方法及超硬刀具，形成内核、晶界层和外壳结构，达到热稳定性提高，化学惰性和耐磨损性能增强的效果，其硬度高于金刚石。

第一方面，本发明实施例提供硼皮氮芯纳米聚晶材料，包括内核、晶界层和外壳，内核包括氮掺杂的聚晶金刚石，晶界层包括B－C－N固溶体，外壳包括B－C合金。

由于形成了超硬B－C合金外壳结构和氮掺杂的聚晶金刚石内核骨架以及B－C－N固溶体晶界层结构，在进行金属切削或者磨削的过程中，外壳的B－C合金层与金属材料接触，避免聚晶金刚石发生石墨化，且由于聚晶金刚石内掺杂了氮，氮与碳原子层之间形成强共价键合连接，且内核与外壳的晶界之间形成了三维网状、高原子密度、强共价键的B－C－N固溶体连接，增强了硼皮氮芯纳米聚晶材料的化学惰性和耐磨损性能，热稳定性提高，其硬度高于金刚石。

结合第一方面，在一种可选的实现方式中，氮掺杂的聚晶金刚石的氮原子和碳原子在内核形成C－N强共价键合的金刚石骨架结构，外壳形成B－C强共价键合的超硬合金层，晶界层形成三维网状、强共价键的B－C－N固溶体致密结构。

使掺杂氮的聚晶金刚石内核骨架牢固的支撑着外壳的B－C合金，进一步提高硼皮氮芯纳米聚晶材料的性能。

第二方面，本发明实施例提供了一种硼皮氮芯纳米聚晶材料的制备方法，包括如下步骤：

将氮掺杂的碳粉体或/和氮掺杂的金刚石粉体通过湿混在超声条件下填充进入含硼碳纳米管内得到填充物，将填充物在真空的条件下处理，再预压成型得到坯体；将坯体烧结固溶强化得到硼皮氮芯纳米聚晶材料。

通过超声处理，将湿混的氮掺杂的碳粉体或/和氮掺杂的金刚石粉体填充进入含硼的碳纳米管内，能够克服纳米材料本身的势垒，形成填充物，在真空的条件下处理，能够去除反应原料上的有机质和杂质，再预压成型，排除反应原料颗粒之间的空隙，提高二者之间的致密性，并通过烧结固溶强化，使得氮掺杂的碳粉体或/和氮掺杂的金刚石粉体中的碳原子与含硼碳纳米管中的碳原子形成超硬耐氧化的B－C合金外壳，掺杂氮的碳粉体或/和掺杂氮的金刚石粉体中的氮原子与碳原子之间直接形成键长更短的C－N共价键，最终形成内核氮掺杂的聚晶金刚石，而外壳固溶强化可以在内核与外壳的晶界处形成三维网状的B－C－N固溶体，晶界连接更加致密，增强了硼皮氮芯纳米聚晶材料的整体强度，且稳定性提高，耐磨性能和化学惰性增强。