CN102719720A - 一种（Ti,Mo,W(Ta,Nb)）（C,N）固溶体粉末的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种（Ti,Mo,W(Ta,Nb)）（C,N）固溶体粉末的制备方法。先根据所需固溶体成分，分别称取Mo2C，WC或WC/TiC，TaC或TaNbC，TiO2以及炭黑粉末，并预处理；然后将经预处理后的原料混合物料浆干燥，制得粒度约为1mm的混合料粒子；再将已制粒的混合料粒子继续真空干燥，待混合料完全干燥后，取出待用；最后将制粒好的混合料转入到真空反应器中，于1400～1500℃条件下，在N2气氛下反应制备固溶体粉末。本发明不仅能够实现根据金属陶瓷成分需要来调配设计固溶体成分，同时所制得的固溶体具有较高的纯度，低氧含量（O%≤0.1%），C/N比可控的特征。
Description
技术领域
本发明涉及一种（Ti,Mo,W(Ta,Nb)）（C,N）固溶体粉末的制备方法。
背景技术
一般来说，TiCN基金属陶瓷是由TiCN硬质相，Co和（或）Ni粘结相以及WC，Mo2C，TaC，NbC等添加剂相三部分构成的，这就造成TiCN基金属陶瓷的复杂晶相结构。
K. Tamura等的研究表明，当以(Ti,W or Mo,Nb)(C,N)的碳氮化固溶体代替TiCN，WC，Mo2C，TaC，NbC等单体作为原料来制备金属陶瓷材料时，材料的抗弯强度能够相对提高10%左右。这一研究也表明，在进行TiCN基金属陶瓷的制备种，采用固溶体粉末原料对于改善金属陶瓷的性能具有一定的积极意义。因此，本发明人提出了一种用于制备（Ti,Mo,W(Ta,Nb)）（C,N）固溶体粉末的方法。且通过这一方法，可以实现根据TiCN基金属陶瓷的原料配方，制备各种不同组成的固溶体粉末，为固溶体粉末取代单体粉末制备TiCN基金属陶瓷材料打下了良好的基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种（Ti,Mo,W(Ta,Nb)）（C,N）固溶体粉末的制备方法，通过本发明所述之方法，不仅能够实现根据金属陶瓷成分需要来调配设计固溶体成分，同时所制得的固溶体具有较高的纯度，低氧含量，C/N比可控的特征。
本发明中以TiO2作为钛源，分别以WC或WC/TiC作为W源，以Mo2C作为Mo源，以TaC或TaNbC作为Ta和Nb源，再配以一定量炭黑来还原TiO2，以N2作为氮源，在一定的N2气分压下进行固溶反应，从而制得固溶体粉末。
本发明的具体实施方案如下：
一种（Ti,Mo,W(Ta,Nb)）（C,N）固溶体粉末的制备方法，其步骤是：
第一步，配料：根据固溶体的组成和粒度要求，分别称取相应粒度的原料粉末，所用Ti源为TiO2粉末，其他元素Mo，W， Ta，Nb的原料分别为相应的碳化物Mo2C，WC，TaC或复式碳化物WC/TiC，TaNbC，以炭黑作为还原剂；
第二步，原料的预处理工艺：以水或酒精作为球磨介质，通过滚动球磨对原料进行预处理；为了达到原料的均匀混合，在混合料中加入2～5%（相对于混合料的重量百分含量）的非离子表面活性剂（如：聚乙二醇PEG，平平加等）；
第三步，制粒：经预处理后的原料混合物料浆转入真空干燥炉内，于-0.04 MPa压力下，在50～70℃下干燥，待混合料的溶剂失重量为60～80%（质量百分数）时，停止加热，料温降至室温后将混合料取出擦筛，圆筒制粒，得粒度约为1mm的混合料粒子；
第四步，返干：将已制粒的混合料粒子继续在70～80℃的温度条件下真空干燥，真空度为-0.085～-0.09 MPa，待混合料完全干燥后，取出待用；
第五步，固溶体粉末的制备：将制粒好的混合料转入到真空反应器中，于1400～1500 ℃条件下，在N2气氛下反应制备固溶体粉末，根据所制得产品的C/N来控制炉内压力。
通过本方法所制得的固溶体粉末具有很好的固溶度，通过XRD分析可见其为单相结构，同时粉末产品的纯度高，氧含量低，成分可控。
本方法的特征：
1）本方法中采用TiO2和其它元素的碳化物作为原料来制备固溶体，同时通过调节混合料的配碳量来调节固溶体的C/N比；
2）本方法在原料的预混合中引入了非离子型表面活性剂，不仅起到了促进原料均匀混合的目的，同时也避免了其它杂质的掺入；
3）本方法中借助了制粒工艺促进固溶反应及气体化合的均匀进行，能够制得成分均匀的固溶体粉末；
4）采用本方法，通过调节原料的配比及配碳量，可以获得各种不同成分的固溶体粉末，从而满足金属陶瓷生产所需；
5）通过本方法所制得的固溶体粉末具有高纯度，低氧含量（O%≤0.1%）的性质。
6）本方法普遍适用于各种不同配比的固溶体粉末的实验及生产。
附图说明
图1是实施例1所制得的(Ti,W,Mo)(C,N)固溶体粉末的XRD图谱。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
采用粒度为1.0～1.5 μm的TiO2粉末，2.0 μm的Mo2C，0.8 μm的WC粉末作为原料，其质量配比为：TiO2: Mo2C: WC=55:16:7，混合料的配碳量为22.5%。在预混合过程中加入3%（相对混合料重量的百分含量）的PEG-4000作为表面活性剂。通过本发明方法，预处理后的原料混合物料浆于真空度为-0.04MPa条件下，在50～70℃下干燥，待混合料中的溶剂含量降至原含量的20～40%（质量百分比）时，停止加热，料温降至室温后将混合料取出擦筛，圆筒制粒，制得粒度约为1mm的混合料粒子；再返干：将已制粒的混合料粒子继续在70～80℃的温度条件下真空干燥（真空度为-0.085～-0.09 MPa），待混合料完全干燥后，取出待用；然后，在1450℃条件下，在真空反应器中进行固溶体的制备，过程中通过在炉内通入N2气将炉内分压控制在700～1000 Pa，反应2～4小时，最后得到组成为（Ti0.62W0.27Mo0.1）（C0.75N0.25）的固溶体粉末。
粉末的性能指标：
1）所制得的粉末为面心立方晶型产品，几种化合物达到了很好的固溶，图1显示出了所制得的固溶体粉末的XRD图谱；
2）所制得的粉末的平均粒度为：1.5～2.0μm；
3）化学组成：
| 元素 | Ti% | W% | Mo% | CT% | CF% | N% | O% |
| 测试值 | 52.15% | 22.8% | 9.03% | 11.95% | 0.02% | 3.72% | 0.08% |
由上表可以看出所制得粉末成分基本与设计值相符，氧含量只有0.08%较低，粉末具有较高的纯度（99.7%）。
实施例2
采用粒度为1.0～1.5 μm的TiO2粉末，2.0 μm的Mo2C，0.8 μm的WC粉末，2.0 μm的TaC粉末作为原料，原料质量配比为：WC:TaC:Mo2C:TiO2=3.7:3.7:17.4:53，混合料的配碳量调节为22.2%（质量百分含量）。在预混合过程中加入3%（相对混合料重量的百分含量）的PEG-4000作为表面活性剂。通过本发明方法，预处理后的原料混合物料浆于真空度为-0.04MPa条件下，在50～70℃下干燥，待混合料中的溶剂含量降至原含量的20～40%（质量百分比）时，停止加热，料温降至室温后将混合料取出擦筛，圆筒制粒，制得粒度约为1mm的混合料粒子；再返干：将已制粒的混合料粒子继续在70～80℃的温度条件下真空干燥（真空度为-0.085～-0.09 MPa），待混合料完全干燥后，取出待用；然后，在1450℃条件下，在真空反应器中进行固溶体的制备，过程中通过在炉内通入N2气将炉内分压控制在700～1000 Pa，反应2～4小时，最后得到组成为（Ti0.6W0.05Mo0.3Ta0.05）（C0.8N0.2）的固溶体粉末产品。
所得到的粉末产品为面心立方晶型（其XRD图谱类似于图1），粉末平均粒度约为2.0 μm，粉末的氧含量为0.04～0.1%，纯度≥99.7%。
实施例3
采用粒度为1.0～1.5 μm的TiO2粉末，2.0 μm的Mo2C，0.8 μm的WC粉末，2.0 μm的TaNbC粉末作为原料，原料质量配比为：WC:TaNbC(8:2):Mo2C:TiO2=9:8.5:8.1:54，混合料的配碳量调节为21%。在预混合过程中加入3%（相对混合料重量的百分含量）的PEG-4000作为表面活性剂。通过本发明方法，预处理后的原料混合物料浆于真空度为-0.04MPa条件下，在50～70℃下干燥，待混合料中的溶剂含量降至原含量的20～40%（质量百分比）时，停止加热，料温降至室温后将混合料取出擦筛，圆筒制粒，制得粒度约为1mm的混合料粒子；再返干：将已制粒的混合料粒子继续在70～80℃的温度条件下真空干燥（真空度为-0.085～-0.09 MPa），待混合料完全干燥后，取出待用；然后，在1450℃条件下，在真空反应器中进行固溶体的制备，过程中通过在炉内通入N2气将炉内分压控制在1250～1500 Pa，反应2～4小时，最后得到组成为（Ti0.6W0.15Mo0.1Ta0.1Nb0.05）（C0.6N0.4）的固溶体粉末产品。
所得到的粉末产品为面心立方晶型（具有类似于图1的XRD图谱），粉末平均粒度约为2.0 μm，粉末的氧含量为0.04～0.1%，纯度≥99.7%。
Claims (3)
1.一种（Ti,Mo,W(Ta,Nb)）（C,N）固溶体粉末的制备方法，其特征在于步骤是：
第一步，配料：根据固溶体的组成和粒度要求，分别称取相应粒度的原料粉末，所用Ti源为TiO2粉末，其他元素Mo，W，Ta，Nb的原料分别为相应的碳化物Mo2C，WC，TaC或复式碳化物WC/TiC，TaNbC，以炭黑作为还原剂；
第二步，原料的预处理工艺：以水或酒精作为球磨介质，通过滚动球磨对原料进行预处理；
第三步，制粒：经预处理后的原料混合物料浆转入真空干燥炉内，于-0.04 MPa压力下，在50～70℃下干燥，待混合料的溶剂失重质量百分比为60～80%时，停止加热，料温降至室温后将混合料取出擦筛，圆筒制粒，得粒度约为1mm的混合料粒子；
第四步，返干：将已制粒的混合料粒子继续在70～80℃的温度条件下真空干燥，真空度为-0.085～-0.09 MPa，待混合料完全干燥后，取出待用；
第五步，固溶体粉末的制备：将制粒好的混合料转入到真空反应器中，于1400～1500 ℃条件下，在N2气氛下反应制备固溶体粉末。
2.如权利要求1 所述一种（Ti,Mo,W(Ta,Nb)）（C,N）固溶体粉末的制备方法，其特征在于：第二步在混合料中加入2～5%的非离子表面活性剂。
3.如权利要求2 所述一种（Ti,Mo,W(Ta,Nb)）（C,N）固溶体粉末的制备方法，其特征在于：非离子表面活性剂为聚乙二醇PEG或平平加。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |