CN103553619B

CN103553619B - 碳化钛和碳化钒复合材料及其生产方法和应用

Info

Publication number: CN103553619B
Application number: CN201310598015.8A
Authority: CN
Inventors: 方民宪; 许子路; 张雪峰; 孙青竹; 邓刚; 范兴平; 冯瑶; 李思艾; 王勇
Original assignee: Panzhihua University
Current assignee: Panzhihua University
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2033-11-22
Also published as: CN103553619A

Abstract

本发明涉及碳化钛和碳化钒复合材料及其生产方法和应用，属于金属陶瓷领域；旨在制取一种碳化钒和碳化钛共同形成的复合材料。该复合材料可代替钒铁、钛铁作为堆焊焊接组分，用于金属表面堆焊强化。生产方法包括如下步骤：a、配料：碳化钒粉、金属钛粉和碳粉分别按以下质量比称取：VC:Ti:C=1.37～3.00:1.00～1.50:0.17～0.50，混合均匀；b、压制成型：将a步骤得到的混合料压制成密度为2.5～3.0g·cm^-3的压块；c、高温合成：将压块置于下述条件烧制：真空度为1.0×10^-2～4.0×10^-2帕，温度为1300～1610℃，保温3.5～5.0h，冷却即得碳化钛和碳化钒复合料。再经粉碎即得碳化钛和碳化钒复合粉末。这种新型复合材料将在钢铁材料的表面堆焊强化、铁基复合材料和新型钒钛基金属陶瓷等领域获得广泛的应用。

Description

碳化钛和碳化钒复合材料及其生产方法和应用

技术领域

本发明涉及生产碳化钛和碳化钒复合材料及其生产方法和应用，属于金属陶瓷领域。

背景技术

碳化钛（TiC）和碳化钒（VC或V₂C）具有硬度高、抗氧化、耐腐蚀、比重小、稳定性好等优异的化学性能。两者常同时作为堆焊材料的重要成分，用于金属材料的表面堆焊强化。如《机械工程材料》，2004，No．6，20～22的文献“基于TiC-VC的抗磨粒磨损堆焊焊条”所公开的方法是用用钛铁、钒铁、石墨、人造金红石等组成焊条药皮，通过高温电弧冶金反应生成TiC-VC。研制了硬度高、裂性好的耐磨粒磨损堆焊焊条。堆焊结果表明：堆焊抗裂性优于D618、D667焊条，相对耐磨性可达D667焊条的8倍。又如《中国机械工程》，2006，No．4，417～421的文献“TiC-VC颗粒增强Fe基熔敷层组织与耐磨性能”:以H08A为焊芯，以钛铁、钒铁和石墨等为药皮组分，利用焊接电弧高温冶金反应，在Q235基体上制备TiC-VC复合超硬颗粒增强Fe基熔敷层。结果表明：冶金反应形成的TiC-VC颗粒尺寸细小，且弥散分布在基体上，熔敷层硬度在HRC55以上，具有很高的耐磨性和良好的抗裂性。

由于钛铁是用钛精矿或钛渣为原料，用铝热还原法生产，钒铁是用五氧化二钒或三氧化二钒为原料，用铝热还原法生产，于是，在钛铁和钒铁的生产过程必然存在相当一部钛或钒滞留于渣中，特别是生产钛铁时，钛的收得率只有60%～70%，另外不管是生产钛铁还是生产钒铁，都会有大量的冶金废渣产生，带来环境污染，而且生产成本都较高。

发明内容

由于碳化钒和金属钛粉的生产；其钒和钛的收得率均在95%以上，并且无废渣产生，环保效益优于钒铁和钛铁的生产。本发明旨在制取一种碳化钒和碳化钛共同形成的复合材料以及相应的生产方法。这种新型复合材料代替钒铁、钛铁，作为堆焊焊结组分，用于金属表面堆焊强化，将有降低生产成本、提高钒、钛利用率，避免环境污染的效益。

本发明生产碳化钛和碳化钒复合材料的方法，其特征在于包括如下步骤：

a、配料：碳化钒粉、金属钛粉和碳粉分别按以下质量比称取：VC：Ti：C=1.37～3.00:1.00～1.50:0.17～0.50，混合均匀；

b、压制成型：将a步骤得到的混合料压制成密度为2.5～3.0g·cm^-3的压块；其压块可以是任意形状，如正方形、长方形、圆柱形等。

c、高温合成：将压块置于下述条件下烧制：真空度为1.0×10^-2～4.0×10^-2帕，温度为1300～1610℃，保温3.5～5.0h，冷却即得碳化钛和碳化钒复合材料。

本发明生产方法中，考虑到反应速度以及所生产的碳化钒的纯度，原料碳化钒的纯度为VC为99.0%～99.9%，粒度为0.075～0.200mm；原料碳粉是纯度C≥99.85wt%、粒度≤30_μm的石墨粉或碳黑；原料金属钛粉纯度为Ti≥99.5wt%，粒度≤0.15mm。

本发明b步骤压制成型的目的之一是使原料颗粒之间的接触更为紧密，减少三种反应物颗粒之间的扩散距离，促进反应进行；目的之二由于步骤c是在真空条件下进行，在整个过程中需不断的抽真空，如果没有压制成块，而直接采用粉末，粉末就会随着气体被抽到真空系统中去，不仅难以生产得到产品，而且还会损害真空系统。常规的压制成型方法均适用于本发明，根据具体需要，可以压制成各种形状，如：正方形、长方形、圆柱形等。其中，压制成型的压块密度越大，所需压力即越大，成本越高，综合考虑生产需要及降低生产成本，

本发明所得碳化钛和碳化钒复合材料中，V含量为38%wt～57%wt，Ti含量为22%wt～45%wt，C含量为10%wt～28%wt，其余为不可避免的杂质。

本发明复合材料可广泛应用于钢铁材料的表面堆焊强化、铁基复合材料和新型钒钛基金属陶瓷等领域。

附图说明

图1实施例1碳化钛和碳化钒复合料X射线衍射图。

图2实施例2碳化钛和碳化钒复合料X射线衍射图。

图3实施例3碳化钛和碳化钒复合料X射线衍射图。

图4实施例4碳化钛和碳化钒复合料X射线衍射图。

图5实施例5碳化钛和碳化钒复合料X射线衍射图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1采用本发明方法生产碳化钛和碳化钒复合材料

取碳化钒粉（VC=99.9%，粒度为0.075～0.200mm）62.0克、金属钛粉（Ti=98.00wt％，粒度为0.075～2.000mm）31.5克、石墨粉（C=99.0wt％，粒度为0.050～0.180mm）6.5克、混匀后压制成密度为2.60g·cm^-3的压块。装入石墨坩埚中，在真空炉内碳化。在真空度为2.3×10^-2帕，1605℃保温4.4h，真空冷却至室温，出炉得到碳化钒和碳化钛复合材料，再经粉碎得到碳化钛和碳化钒复合粉末。V含量为50.2wt%，Ti含量为31.5wt%，C含量为18.3wt%。其相应的X射线衍射图见图1。

实施例2采用本发明方法生产碳化钛和碳化钒复合材料

取碳化钒粉（VC=99.9%，粒度为0.075～0.200mm）60.0克、金属钛粉（Ti=98.00wt％，粒度为0.075～2.000mm）30.5克、石墨粉（C=99.0wt％，粒度为0.050～0.180mm）9.5克、混匀后压制成密度为2.68g·cm^-3的压块。装入石墨坩埚中，在真空炉内碳化。在真空度为3.3×10^-2帕，1605℃保温4.4h，真空冷却至室温，出炉得到碳化钒和碳化钛复合材料，再经粉碎得到碳化钛和碳化钒复合粉末。V含量为48.6wt%，Ti含量为30.5wt%，C含量为20.9wt%。其相应的X射线衍射图见图2。

实施例3采用本发明方法生产碳化钛和碳化钒复合材料

取碳化钒粉（VC=99.9%，粒度为0.075～0.200mm）52.4克、金属钛粉（Ti=98.00wt％，粒度为0.075～2.000mm）38.0克、石墨粉（C=99.0wt％，粒度为0.050～0.180mm）9.5克、混匀后压制成密度为2.57g·cm^-3的压块。装入石墨坩埚中，在真空炉内碳化。在真空度为1.3×10^-2帕，1450℃保温5.0h，真空冷却至室温，出炉得到碳化钒和碳化钛复合材料，再经粉碎得到碳化钛和碳化钒复合粉末。V含量为42.4wt%，Ti含量为38.0wt%，C含量为19.48wt%。其相应的X射线衍射图见图3。

实施例4采用本发明方法生产碳化钛和碳化钒复合材料

取碳化钒粉（VC=99.9%，粒度为0.075～0.200mm）53.7克、金属钛粉（Ti=98.00wt％，粒度为0.075～2.000mm）39.0克、石墨粉（C=99.0wt％，粒度为0.050～0.180mm）7.4克、混匀后压制成密度为2.72g·cm^-3的压块。装入石墨坩埚中，在真空炉内碳化。在真空度为2.7×10^-2帕，1450℃保温3.5h，真空冷却至室温，出炉得到碳化钒和碳化钛复合材料，再经粉碎得到碳化钛和碳化钒复合粉末。V含量为43.47wt%，Ti含量为39wt%，C含量为17.53wt%。其相应的X射线衍射图见图4。

实施例5采用本发明方法生产碳化钛和碳化钒复合材料

取碳化钒粉（VC=99.9%，粒度为0.075～0.200mm）52.4克、金属钛粉（Ti=98.00wt％，粒度为0.075～2.000mm）38.0克、石墨粉（C=99.0wt％，粒度为0.050～0.180mm）9.5克、混匀后压制成密度为2.85g·cm^-3的压块。装入石墨坩埚中，在真空炉内碳化。在真空度为1.7×10^-2帕，1450℃保温3.5h，真空冷却至室温，出炉得到碳化钒和碳化钛复合材料，再经粉碎得到碳化钛和碳化钒复合粉末。V含量为42.42wt%，Ti含量为38wt%，C含量为19.58wt%。其相应的X射线衍射图见图5。

Claims

1.碳化钛和碳化钒复合材料的生产方法，其特征在于：包括如下步骤：

a、配料：碳化钒粉、金属钛粉和碳粉分别按以下质量比称取：VC:Ti:C=1.37～3.00:1.00～1.50:0.17～0.50，混合均匀；

b、压制成型：将a步骤得到的混合料压制成密度为2.5～3.0g·cm^-3的压块；

c、高温合成：将压块置于下述条件烧制：真空度为1.0×10^-2～4.0×10^-2帕，温度为1300～1610℃，保温3.5～5.0h，冷却即得碳化钛和碳化钒复合料。

2.根据权利要求1所述的碳化钛和碳化钒复合材料的生产方法，其特征在于：原料碳化钒粉的纯度为VC为99.0%～99.9%，粒度为0.075～0.200mm；原料碳粉是纯度C≥99.85wt%、粒度≤30μm的石墨粉或碳黑；原料金属钛粉纯度为Ti≥99.5wt%，粒度≤0.15mm。

3.根据权利要求1或2所述的碳化钛和碳化钒复合材料的生产方法，其特征在于：c步骤中所制得的碳化钛和碳化钒复合材料中，V含量为38%wt～57%wt，Ti含量为22%wt～45%wt，C含量为10%～28%wt，其余为不可避免的杂质。

4.根据权利要求1或2所述的碳化钛和碳化钒复合材料的生产方法，其特征在于：步骤b所述压块为任意形状。

5.根据权利要求1或2所述的碳化钛和碳化钒复合材料的生产方法，其特征在于：步骤b所述压块为正方形、长方形、圆柱形。

6.根据权利要求1或2所述的碳化钛和碳化钒复合材料的生产方法，其特征在于：步骤c所得碳化钛和碳化钒复合料进一步粉碎成粉末。

7.权利要求1-6任一项所述的生产方法所得的碳化钛和碳化钒复合材料。

8.权利要求7所述的碳化钛和碳化钒复合材料在金属陶瓷领域的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述金属陶瓷领域为钢铁材料的表面堆焊强化、铁基复合材料和新型钒钛基金属陶瓷领域。