第29卷 第10期2007年10月武 汉 理 工 大 学 学 报
JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.29 No.10
Oct.2007
立方氮化硼粉末的热处理研究段兴龙1,邵刚勤1,汪 静2,史晓亮1,闫 丽1,焦 琳2(1.武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,武汉430070;2.河南省联合磨料磨具有限公司,郑州450003)
摘 要: 将立方氮化硼在氮气或真空中以不同温度和保温时间进行热处理,用XRD和SEM对相组分和形貌进行了分析。结果表明:立方氮化硼在1350℃氮气氛中经过10h处理,可以变为六方氮化硼;在1550℃真空中(1—5Pa)经过5h处理,可以变为六方氮化硼,但其粒径和形貌均不发生变化。关键词: 热处理; 氮气; 真空; cBN; hBN
中图分类号: O766文献标志码: A文章编号:167124431(2007)1020121203
ResearchontheHeatTreatmentofCubicBoronNitridePowderDUANXing2long1,SHAOGang2qin1,WANGJing2,SHIXiao2liang1,YANLi1,JIAOLin2(1.StateKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforMaterialsSynthesis&Processing,WuhanUniversityof
Technology,Wuhan430070;2.HenanUnionAbrasivesCorp,Zhengzhou450003,China)
Abstract:
CubicBoronNitridepowderwasheattreatedinN2orinvacuumatdifferenttemperaturesanddwelltime.Its
phasecompositionandmorphologywereinvestigatedbymeansofX2raydiffraction(XRD)andscanningelectronmicroscopy(SEM)analysis.ResultsshowedthatthecubicBoronNitridewastransformedintohexagonalphaseafterheattreatmentinN
2
at1350℃for10h,orinvacuum(pressure=1—5Pa)at1550℃for5h,whilenochangesoccurredinparticlesizeand
morphology.Keywords: heattreatment; nitrogen; vaccum; cBN; hBN
收稿日期:2007206225.
基金项目:新型超硬材料粉末的制备及其超精细加工应用(企业委托项目).
作者简介:段兴龙(19652),男,副教授.E2mail:duanxinglong@126.com
氮化硼是典型的Ⅲ2V族共价化合物,其中六方氮化硼(hBN)具有类似石墨的片层状结构,立方氮化硼(cBN)则具有类似金刚石的网状结构
[1]。和金刚石一样,立方氮化硼是集许多优异性能于一身的多功能材
料[2],其综合性能甚至超过金刚石[3]。例如,cBN具有宽的光学带隙(6.4eV)和优良的热导率[4],可通过掺杂成
为N型、P型半导体[527],具有化学稳定性和与铁元素之间的高惰性[8,9],在红外到紫外范围内有很好的透光
性[10]等。立方氮化硼由于其高硬度、高热稳定性和高化学惰性被广泛作为磨料使用,(基于使用时的不同条件要求,需对其颗粒表面进行处理,以用作超精细加工的抛光粉、研磨膏、抛光液以及耐磨润滑剂、专用内燃机磨合油等。通过对立方氮化硼在氮气、真空中进行热处理,研究不同温度和保温时间下cBN转变为hBN的规律,
为以后在超精细加工的抛光粉、研磨膏、抛光液以及耐磨润滑剂、专用内燃机磨合油等方面的应用奠定基础。
1 实 验1.1 原料实验用立方氮化硼采用河南省联合磨料磨具有限公司提供的样品:1
#(D50:23.91μm),2#(D
50:0.869
μm)。1.2 过程在氮气氛下1350℃分别保温1h、10h,1500℃保温1h;在真空炉中(真空度1—5Pa)1550℃分别保温1h、3h和5h。1.3 测试样品的物相用RIGAKUD/max2rB型X射线衍射仪测定,加速电压40kV,束流50mA,扫描速度15°/min,扫描步长0.02°;氮化硼晶体的形貌用JSM25610型扫描电子显微镜观察,测试时加速电压为20kV。
2 分析与讨论六方氮化硼和立方氮化硼这2种物质的宏观性质之所以不同,是由于B原子和N原子在2种晶体结构中具有不同的外层电子结构所引起的。在六方氮化硼晶体中,B原子的外层电子状态为sp
2+2sp0z,而N原子则为sp2+2p2
z;在立方晶体结构
中,它们都是sp3杂化状态。这个过程可以用下列示意式来表示
六方结构
B|sp2+2p0zpTsp2+2p1zsp3B|
|Nsp2+2p2zpTsp2+2p1zsp3|N
立方结构
在高温(>1400℃)、高压(6×10
9
MPa)及催化剂的条件下,六方氮化硼晶体中上下间对得很准的B原
子和N原子,其间距一旦缩短到它们足以相互作用的范围内,B原子外层的2p电子空轨道便夺取N原子的一个2pz电子,从而使自己外层电子由原来sp2+2sp0z变成sp2+2p1z,进而完成sp3杂化。与此同时N原子由于失去了一个2pz电子,外层电子也由原来的sp2+2p2z变成了sp2+2p1z,最后也完成了sp3杂化。至此,六方氮化硼就转变成立方氮化硼晶体了。可见,这是一个无扩散的相变过程。同样在一定的条件下(温度、气氛),这个过程也可反向进行,从而使立方氮化硼转变成六方氮化硼结构[10]。2.1 氮气氛状态图1为1#、2#样在1350℃/1h,1350℃/10h,1500℃/1h的XRD图谱。可以看出:在氮气氛中,
1350℃保温1h,2个样品中的相都没有改变;延长保温时间到10h,两者中均出现了六方相,且2#比1#的
六方相要多;提高温度至1500℃并保温1h,两者中均出现了六方相。对比2#的1350℃/10h和1500℃/1h的XRD图谱发现,1350℃/10h下转变的六方相比1500℃/1h下的要多并且晶型更完整,1#样在1350℃/10h和1500℃/1h的转变没有明显区别。
结合前面的分析,这个转变过程可以这样看,立方氮化硼晶体中对应的B原子和N原子,其间距一旦缩短到它们足以相互作用的范围内,N原子由于得到一个电子,其外层电子由sp3变成了sp2+2p2z。与此同时B原子由于失去了一个电子,外层电子就由原来的sp3变成了sp2+2sp0z,其(111)晶面间的键断裂,从而使立方氮化硼转变成六方氮化硼晶体,这是一个无扩散的相变过程,其转变速度比较缓慢,这样就可以解释立方氮化硼在氮气氛中1350℃/1h没有六方相出现,以及1350℃/10h下立方相转变为六方相比1500℃/1h下的要多并且晶型更完整。在相同条件下2#样中立方相转变的六方相比1#样中的要多,这是由于在立方氮化硼生产过程中,细样
221 武 汉 理 工 大 学 学 报 2007年10月一般是用破碎粗颗粒的方法生产的,这样在生产过程中由于机械力的作用,细颗粒的表面损伤要多一些;同时由于细颗粒的比表面积要大,表面活性相对要高一些,在同样条件下,细的颗粒自然要转变得多一些。2.2 真空状态图2为1#、2#样在1550℃/1h、1550℃/3h和1550℃/5h的XRD图谱。可以看出:在相同温度下,随着保温时间的增加,六方相从没有到逐步增多,也证实了上面的分析结果。
2.3 SEM形貌图3为未处理1#样的SEM照片,可见立方氮化硼为不规则形状的致密颗粒,粒径为20—30μm;图4
为高温真空处理后(1550℃/3h,1—5Pa)1#样的SEM照片,可见在处理后立方氮化硼的粒径和形貌均未发生变化(按前述结果,相发生了部分改变)。
3 结 论a.氮气氛中,1#样在1350℃/10h和1500℃/1h的转变没有明显区别,2#样在1350℃/10h下转
变的六方相比1500℃/1h下的要多并且晶型更完整。b.1550℃真空中(1—5Pa),1#、2#样保温3h后均出现六方氮化硼,且两者的转变没有明显区别;1#样处理前后的粒径和形貌均不发生变化。
参考文献[1] MirkarimiPB,MccartyKF,MedlinDL.ReviewofAdvancesinCubicBoronNitrideFilmSynthesis[J].MaterialScienceandEngineering,1997,R21:47.[2] ShiXL,ShaoGQ,DuanXL,etal.SparkPlasmaSinteringofCBN2WC210CoComposites[J].KeyEngMater,2007,3362338:105321055.(下转第127页)
321第29卷 第10期 段兴龙,等:立方氮化硼粉末的热处理研究