[发明专利]复合超硬材料烧结体及其制造方法

说明书

本发明属于以金刚石和立方氮化硼为主原料的复合超硬材料超高压高温烧结技术领域。

金刚石是已知物质中硬度最高的物质，耐磨性也最好，但其热稳定性较差：一般金刚石表面约从700℃起开始氧化，从1500℃起开始石墨化;在与Fe、Co、Ni等触媒金属或合金接触的条件下，这二种温度还会大大降低;当使用金刚石工具加工上述材料时，在切削产生的高温作用下，容易发生氧化和相互反应而生成碳化物，造成化学磨损和粘结磨损。这就限制了金刚石工具的应用范围。立方氮化硼是另一种超硬材料，硬度和耐磨性仅次于金刚石，但其热稳定性较高：表面起始氧化温度达1100℃，退化为六方氮化硼的温度约1300℃，即使在较高温度下亦不易与铁族金属或合金发生化学反应。因此美国GE公司在欧洲专利EP10257中提出利用金刚石和立方氮化硼的混合晶体作为主要原料，以Si和C为结合剂，用真空浸渍法制造兼有金刚石与立方氮化硼优异性能的复合烧结体。这种复合超硬材料烧结体与单纯的金刚石或立方氮化硼烧结体相比，在物理、化学、机械方面具有较好的综合性能，适合于制造某些用途的工具、磨具及其他耐磨器件。但是，由于其所用普通金刚石的抗氧化性与高温下对铁族金属或合金的化学惰性等热稳定性较差，浸渍工艺不同于超高压高温烧结工艺，所以，这一技术不能保证超硬颗粒间的牢固结合，烧结体的综合性能特别是热稳定性亦不够高，不能满足相应的使用要求。

本发明之目的是要解决上述问题，改善复合超硬材料烧结体的组织结构，提高各组分的结合强度和综合的物理、化学及机械性能，特别是提高其热稳定性即高温下对铁族金属或合金的化学惰性与抗氧化性能，为有色金属及其合金、黑色金属及其合金、非金属材料以及它们的复合材料的加工工具，提供一种理想的复合超硬材料烧结体。

本发明是由含硼金刚石、立方氮化硼和结合剂组成的复合超硬材料烧结体及其超高压高温制造方法。

这种烧结体内，含硼金刚石与立方氮化硼的重量比为5∶95～95∶5，粒度为1～100μm，总用量为50～97重量%，余量为结合剂，且选自由Fe、Co、Ni、Mn、Cu、Al、Mg、Cr、Ti、Nb、Zr、Ta、Mo、W、Hf、V、Si、B及它们的碳化物、氮化物和硼化物所构成的物质组中的至少二种。本发明烧结体的热稳定性高，即具有高的抗氧化性和对铁族金属或合金的化学惰性。

含硼金刚石是掺杂B的金刚石，其B原子以填隙原子或替代原子的形式存在于晶体内部或者表面。这种晶体结构使它比普通金刚石具有更好的抗氧化性和高温下对铁族金属或合金的化学惰性，即具有更好的热稳定性，并为与立方氮化硼混合使用时在二者之间形成单电子键和配位键，从而强化直接结合提供了可能性。它还有最高的硬度和耐磨性。作为另一种超硬材料，立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，耐磨性亦差些，但是其抗氧化性与化学惰性等热稳定性好。因此，改变含硼金刚石对于立方氮化硼的用量比，在结合剂作相应变动条件下就能改变烧结体的硬度、耐磨性、耐热性与化学惰性，使之具有相应于指定用途的理想的理化及机械综合性能。例如：当要求烧结体具有高硬度、高耐磨性及较高热稳定性时，含硼金刚石对立方氮化硼的用量比应大于1;当制造高热稳定性、较高硬度和耐磨性的烧结体时，则该用量比应小于1。由于实际使用要求是各式各样的，因此含硼金刚石对立方氮化硼的用量比也是不同的，但其重量比取值范围一般为95∶5～5∶95。超出这一范围时，低用量物质的相应优异特性难以显示出来，便失去了其调节性能的意义。含硼金刚石与立方氮化硼的总含量对烧结体综合性能影响很大，因此主要应根据所需的使用性能确定，一般其取值为50～97重量%。

超硬颗粒的粒度主要取决于烧结体用途及所用结合剂种类：例如机械加工刀具用烧结体，宜用较细粒度，一般为1-28μm;石油、地质钻头用烧结体，其超硬颗粒之粒度一般为28-100μm;当所用结合剂旨在强化超硬颗粒直接结合时，二种超硬材料的粒度宜相接近，且越细越好;否则含硼金刚石、立方氮化硼与结合剂的粒度宜按最大堆积密度原则选择。