立方氮化硼粉末的热处理研究

第29卷　第10期

2007年10月武　汉　理　工　大　学　学　报JOURNA L OF WUHAN UNIVERSIT Y OF TECHN OLOG Y Vol.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:　O 766文献标志码:　A 文章编号:167124431(2007)1020121203

R esearch on the H eat T reatment of Cubic Boron Nitride Powder

DUA N Xi ng 2long 1,S HA O Gang 2qi n 1,W A N G Ji ng 2,S HI Xiao 2liang 1,YA N L i 1,J IA O L i n 2

(1.State K ey Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis &Processing ,Wuhan University of

Technology ,Wuhan 430070;2.Henan Union Abrasives Cor p ,Zhengzhou 450003,China )

Abstract :　Cubic Boron Nitride powder was heat treated in N 2or in vacuum at different tem peratures and dwell time.Its phase composition and morphology were investigated by means of X 2ray diffraction (XRD )and scanning electron microscopy (SEM )analysis.Results showed that the cubic Boron Nitride was transformed into hexa gonal phase after heat treatment in N 2at 1350℃for 10h ,or in vacuum (pressure =1—5Pa )at 1550℃for 5h ,while no changes occurred in particle size and morphology.

K ey w ords :　heat treatment ;　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.E 2mail :duanxinglong @

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#(D 50:23.91μm ),2#(D 50:0.869μm )。

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RIG A KUD/max 2rB 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J SM 25610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s p 2+2sp 0z ,而N 原子则为sp 2+2p 2z ;在立方晶体结构

中,它们都是sp 3杂化状态。这个过程可以用下列示意式来表示

六方结构B |sp 2+2p 0z p T sp 2+2p 1z sp 3

B ||N sp 2+2p 2z p T sp 2+2p 1z sp 3

|N

立方

结构 在高温(>1400℃)、高压(6×109MPa )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2p z 电子,从而使自己外层电子由原来sp 2+2sp 0z 变成sp 2+2p 1z ,进而完成sp 3杂化。与此同时N 原子由

于失去了一个2p z

电子,外层电子也由原来的sp 2+2p 2z 变成了sp 2+2p 1z ,最后也完成了sp 3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s p 3变成了sp 2+2p 2z 。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sp 3变成了sp 2+2sp 0z ,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

2

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