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1、(10)申请公布号 CN 102277507 A (43)申请公布日 2011.12.14 CN 102277507 A *CN102277507A* (21)申请号 201110220508.9 (22)申请日 2011.08.03 C22C 1/02(2006.01) C22C 29/14(2006.01) (71)申请人 中国科学院金属研究所 地址 110016 辽宁省沈阳市沈河区文化路 72 号 (72)发明人 王佳琪 陈星秋 孙岩 牛海洋 李殿中 李依依 (74)专利代理机构 沈阳优普达知识产权代理事 务所(特殊普通合伙) 21234 代理人 张志伟 (54) 发明名称 一种可用做切。
2、削刀具的金属陶瓷材料的常压 下制备方法 (57) 摘要 本发明属于金属陶瓷材料制备领域， 具体涉 及一种可用做切削刀具的金属陶瓷材料CrB4的常 压下制备方法， 解决现有技术中超硬切削刀具材 料合成采用高温高压粉末冶金的方法， 成本高， 效 率低等问题。本发明通过第一原理的计算， 预测 CrB4硬度高， 密度低， 化学惰性好， 且能在常压下 合成。根据相图， 设计其制备方案为 Cr 和 B 按一 定配比真空熔炼， 然后封入真空石英管， 制定合理 热处理制度， 在高温下长时间保温。通过优化其 制备方案， 使其工艺适合于工业生产， 在短的时间 内得到高含量的 CrB4， 降低生产成本， 提高生产效。
3、 率， 使之在新型切削刀具材料上得到应用。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 CN 102277510 A1/1 页 2 1. 一种可用做切削刀具的金属陶瓷材料的常压下制备方法， 其特征在于， 包括如下步 骤 ： (1) 将干燥的铬和硼粉末或块体按照 Cr B 1 4 的摩尔比例混合， 采用真空电弧 方法进行熔炼 ； (2) 将熔炼得到的样品封入真空石英管中， 并把装有样品的真空石英管放入刚玉或氧 化锆坩埚中 ； (3) 把坩埚放入高温热处理炉内加热并长时间保温， 保温温度为 1100-1400。
4、， 保温时 间为 3-15 天， 得到可用做切削刀具的金属陶瓷材料， 金属陶瓷材料中的 CrB4体积含量在 70-85。 2. 按照权利要求 1 所述的可用做切削刀具的金属陶瓷材料的常压下制备方法， 其特征 在于， 步骤 (1) 中， 采用真空电弧熔炼方法， 在氩气保护下的水冷铜坩埚中进行熔炼 ； 为使 样品熔炼均匀， 对其熔炼 4-8 次。 3. 按照权利要求 1 所述的可用做切削刀具的金属陶瓷材料的常压下制备方法， 其特征 在于， 步骤 (2) 中， 样品被封的真空石英管中充氩气， 以保持气压平衡。 4. 按照权利要求 1 所述的可用做切削刀具的金属陶瓷材料的常压下制备方法， 其特征 在于。
5、， 步骤 (3) 中， 保温温度优选为 1250-1350， 保温时间优选为 4-10 天， 得到 CrB4体积 含量在 75-85的金属陶瓷材料。 权 利 要 求 书 CN 102277507 A CN 102277510 A1/4 页 3 一种可用做切削刀具的金属陶瓷材料的常压下制备方法 技术领域 0001 本发明属于金属陶瓷材料制备领域， 具体涉及一种可用做切削刀具的金属陶瓷材 料 CrB4的常压下制备方法。 背景技术 0002 超硬材料被定义为硬度大于 40GPa 的材料。近年来， 超硬材料由于在工业领域的 重要应用而受到全世界的广泛关注。目前， 已经广泛应用的超硬材料仅有金刚石和立体。
6、氮 化硼。但是金刚石在切削铁基合金时， 因其热稳定性与化学惰性不足， 易与切削工件反应， 所以无法对其进行加工。 而且， 目前所应用的超硬材料和硬质合金类材料， 基本都需要在高 温高压的极端条件下合成， 制备成本很高。 直到现在， 寻找新型低成本超硬材料仍然是全球 材料科学家所面临的巨大挑战。2007 年， Chung 等在 SIENCE 杂志上发表文章称其能在常压 下通过熔炼的方法合成超硬材料 ReB2， 引发一场关于 ReB2是否是超硬材料， 及能否寻找到 其它在常压下合成的超硬材料的探讨。 但是， Re元素昂贵的价格也限制了这种材料的应用。 0003 1968 年， 为了研究 CrB4的。
7、晶体结构， Andersson 等首次合成该材料， 他们采用以 原子比 Cr B 1 4 的真空电弧熔炼方法， 然后把样品放入自己制备的 CrB2坩埚中在 高温真空炉中于 1350到 1400保温 7 天。遗憾的是他们只是采用 XRD 研究该材料的晶 体结构， 并没有对该材料的力学性能特别是硬度进行研究， 且需要自己制备 CrB2坩埚和采 用高温真空炉， 价格昂贵， 只适用于实验室小规模制备， 不适用于工业大规模生产。2003 年 巴西的 Gigolotti 等再次合成了 CrB4， 他们同样采用一定配比的纯铬和纯硼进行真空电弧 熔炼， 然后把样品真空封在石英管内在 1200保温 8 天， 由。
8、于保温温度较低， 得到的样品中 CrB4含量不高， 且只是为了验证 Cr-B 相图而做的合成， 同样没有对其机械性能进行研究。 Andersson 和 Gigolotti 都没意识到 CrB4能作为一种可能的超硬材料在工业上 ( 如切削刀 具 ) 上得到应用。 发明内容 0004 本发明的目的在于提出一种可用做切削刀具的金属陶瓷材料的常压下制备方法， 并优化其制备工艺， 使之能在常压下合成并且易在生产中实现， 解决现有技术中超硬切削 刀具材料合成采用高温高压粉末冶金的方法， 成本高， 效率低等问题。 0005 基于此目的， 本发明的技术方案是 ： 0006 一种可用做切削刀具的新型金属陶瓷材料。
9、及其常压下制备方法， 包括如下步骤 ： 0007 (1)将干燥的铬(纯度98wt)和硼(纯度98wt)粉末或块体按照CrB 1 4 的比例混合， 采用真空电弧熔炼的方法进行熔炼 ； 0008 (2) 将熔炼得到的样品进行封入真空石英管中， 并把装有样品的真空石英管放入 刚玉或氧化锆坩埚中 ； 0009 (3) 把坩埚放入高温热处理炉内加热并长时间保温， 保温温度为 1100-1400， 保 温时间为 3-15 天， 得到可用做切削刀具的金属陶瓷材料， 金属陶瓷材料中的 CrB4体积含量 说 明 书 CN 102277507 A CN 102277510 A2/4 页 4 在 70-85。 00。
10、10 所述步骤 (1) 中， 采用真空电弧熔炼方法， 在氩气保护下的水冷铜坩埚中进行熔 炼。为使样品熔炼均匀， 对其熔炼 4-8 次。 0011 所述步骤 (2) 中， 样品被封的真空石英管中应充足量的氩气， 以保持气压平衡。真 空石英管放入刚玉或氧化锆坩埚的目的是防止石英管与加热炉接触面积过大， 造成其在高 温下变形或开裂， 从而失去对样品的保护作用。 0012 所述步骤 (3) 中， 保温温度优选为 1250-1350， 保温时间优选为 4-10 天， 得到 CrB4体积含量在 75-85的金属陶瓷材料。 0013 本发明的有益效果是 ： 0014 1、 本发明采用在常压下熔炼加高温热处理。
11、的方法得到金属陶瓷材料 CrB4， 而对于 此类材料的合成一般需要在高温高压采用粉末冶金的方法， 和该方法相比， 本发明所采用 的方法更容易实现， 能大大降低材料合成成本。 0015 2、 本发明合成对 Andersson 和 Gigolotti 之前的合成工艺进行了优化， 使之适用 于工业生产。 首先， 通过第一原理计算预测CrB4是一种很硬的材料， 可以在切削刀具上得到 应用 ； 其次在真空石英管的保护下， 只需用普通的高温热处理炉， 无需用到 Andersson 文献 中所述的昂贵的真空炉设备， 用的坩埚也是普通的刚玉或氧化锆坩埚， 无需特制的 CrB2坩 埚。与 Gigolotti 的。
12、制备方法相比， 因为使用到了刚玉或氧化锆坩埚， 使得石英管与加热源 的接触面积减小， 防止其在高温下变形或开裂， 石英管耐热性能提高， 所以相对 Gigolotti 的制备方法来说， 能把加热温度提的更高， 加快反应速度， 在更少的时间内得到更多的 CrB4， 大大提高生产效率， 使其制备工艺简单且适于工业生产。 0016 3、 对本发明所得到的CrB4进行维氏显微硬度检测， 发现CrB4的平均维氏硬度约为 32GPa， 样品平均硬度约为 30GPa， 虽然因为样品不纯、 多晶、 可能存在杂质等因素造成实际 工程硬度达不到理论预测的硬度， 但是， 此材料仍然是一种相当硬的材料， 再加上其容易实。
13、 现的合成工艺以及其低成本的优势， 使得 CrB4有望成为新型切削刀具材料。 附图说明 0017 图 1 为 Cr-B 相图。 0018 图 2 为熔炼样品的扫描电镜照片。 0019 图 3 为高温热处理后样品的扫描电镜照片。 0020 图 4 为维氏硬度压痕照片 ( 载荷 50g)。 具体实施方式 0021 本发明可用做切削刀具的新型金属陶瓷材料及其常压下制备方法， 具体实施步骤 与方式如下 ： 0022 1、 熔炼 0023 图 1 为 Cr-B 相图， 工艺是根据相图而制定的。将干燥的铬 ( 纯度 98wt左右 ) 和 硼 ( 纯度 98wt左右 ) 粉末或块体按照 Cr B 1 4 的。
14、摩尔比例混合。本发明熔炼用 真空电弧炉， 在氩气保护下的水冷铜坩埚中进行熔炼， 防止样品氧化。为使样品熔炼均匀， 对其熔炼 4-8 次。其中熔炼参数如下 ： 说 明 书 CN 102277507 A CN 102277510 A3/4 页 5 0024 真空 ： 6-810-3Pa ； 0025 充氩气 ： 0.05MPa ； 0026 电流 ： 100-200A ； 0027 电压 ： 12-16V ； 0028 熔炼后， 样品质量稍有减少， 这是因为在高温下 Cr 和 B 有少量挥发。 0029 如图 2 所示， 通过对样品扫描电镜及能谱分析， 其产物为 CrB2和 B， 其中白色树叶 状。
15、的是 CrB2， 黑白相间片层状的为 (CrB2+B) 的共晶产物。 0030 2、 热处理 0031 将熔炼的样品用线切割切成小块， 封入真空石英管， 真空封管过程为， 选用厚度较 大的石英管， 加强其耐热性， 且在真空石英管中充入足量的氩气， 防止样品在高温下氧化同 时使真空石英管内外气压一致。然后将封好的石英管放入氧化锆坩埚中， 把石英管放在该 坩埚内可减少石英管与加热源的接触面积， 使之在高温下长时间使用时不易变形或开裂， 能更好的保护样品， 防止其氧化。 热处理样品所用到的1600高温热处理炉， 工业应用热处 理制度应为在 1100-1400下保温 3-15 天。经过热处理后就合成了。
16、 CrB4， 通过扫描电镜和 X 射线定量分析可得到其含量约为 70-85。 0032 图 3 为高温热处理后样品的扫描电镜照片， 经过热处理， 发生高温扩散反应 CrB2+B CrB4， 从图 3 可以看出， 图中灰色相为 CrB4， 白色相为 CrB2， 黑色相为 B。灰色相 CrB4包裹着白色相CrB2， 未反应的黑色相B零星分布于CrB4相中。 CrB4的体积含量约80， CrB2的体积含量约 15， 其余为少量 B。 0033 3、 样品的硬度检测 0034 对合成的样品进行显微硬度检测， 其显微硬度压痕如图 4 所示， 测得样品中 CrB4 的平均维氏显微硬度约为 32GPa( 载。
17、荷 25g)， 整个样品的平均维氏显微硬度约为 30GPa( 载 荷 25g)， 说明此材料是硬度很大， 可用做切削刀具材料。 0035 实施例 1 0036 原材料 20g ： 纯硼块 ( 纯度约 98wt )9.081g ； 纯铬块 ( 纯度约 98wt ) ： 约 10.919g。 0037 熔炼后质量 ： 18.6g ； 0038 热处理制度 ： 1280保温 8 天 ； 0039 得到 CrB4体积含量 ： 约 80 ； 0040 CrB4维氏显微硬度 ： 约 32GPa( 载荷 25g)。 0041 实施例 2 0042 原材料 10g ： 纯硼块 ( 纯度约 98wt )4.54。
18、1g ； 纯铬块 ( 纯度约 98wt ) ： 约 5.459g。 0043 熔炼后质量 ： 9.110g ； 0044 热处理制度 ： 1330保温 6 天 ； 0045 得到 CrB4体积含量 ： 约 77 ； 0046 CrB4维氏显微硬度 ： 约 32GPa( 载荷 25g)。 0047 实施例 3 0048 原材料 10g ： 纯硼块 ( 纯度约 98wt )4.541g ； 纯铬块 ( 纯度约 98wt ) ： 约 说 明 书 CN 102277507 A CN 102277510 A4/4 页 6 5.459g。 0049 熔炼后质量 ： 9.230g ； 0050 热处理制度 。
19、： 1150保温 15 天 ； 0051 得到 CrB4体积含量 ： 约 80 ； 0052 实施例结果表明， 本发明通过第一原理计算， 预测CrB4的硬度达到48GPa。 并且Cr 相对于 Re、 W 等超硬材料合成元素来说便宜的多， 成本低， 且密度也比它们小， 更重要的是 该材料能在常压条件下合成， 合成工艺简单， 有良好的化学惰性， 且能导电易加工， 有望在 新型切削刀具材料上获得应用。 说 明 书 CN 102277507 A CN 102277510 A1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102277507 A CN 102277510 A2/2 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102277507 A 。