CN104195364A - 钛基金属碳化物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉钛基金属碳化物及其制备方法，属于陶瓷领域。本发明提供一种钛基金属碳化物，其特征在于，其相结构为单一立方相，纯度≥99％。本发明所得钛基金属碳化物纯度高，相成分单一，可作为新型碳化钛基金属陶瓷的基体原料、其它金属陶瓷材料的辅助原料或在其他材料中作为添加硬质相。
Description
技术领域
本发明涉钛基金属碳化物及其制备方法，属于陶瓷领域。
背景技术
碳化钛基金属陶瓷具有良好的硬度、热传导性，与金属间的摩擦系数低等优点，传统碳化钛基金属陶瓷中常用的粘结相为Ni或Co相，但其与碳化钛的润湿性较差，通常需要添加金属Mo来改善润湿性，可极大提高碳化钛基金属陶瓷的致密度及力学性能。但是与WC系硬质合金相比，碳化钛基金属陶瓷的强韧性明显不足，限制了其应用范围。其主要原因是碳化钛基金属陶瓷在烧结过程中通过扩散和溶解-析出机制以碳化钛为核心，在其周围形成(Ti，M)C环形结构，从而在芯环形相界面处会因晶格参数和晶格类型不同引起残余应力，在晶格错配的区域裂纹非常容易萌生与扩展，使得力学性能恶化。为了解决这一问题，国内外学者致力于制备(Ti，M)C碳化物(钛基金属碳化物)，使用该类碳化物为基体的硬质合金可以较好地弱化传统碳化钛金属陶瓷在烧结过程的芯环相晶格错配的问题，大幅度提高材料的韧性。
目前，现有的(Ti,M)C碳化物的制备方法大多以氧化物为原料，例如氧化钛、氧化钨、氧化钼等，与石墨粉经混粉、压制、烧结等传统碳热还原工艺制备，该类方法工艺流程多，生产周期长，原料中本身含氧且制备过程中易于引入氧，从而恶化材料性能。
发明内容
本发明针对上述制备(Ti,M)C碳化物的缺点，提供一种新的钛基金属碳化物，所得钛基金属碳化物纯度高，相成分单一，可作为新型碳化钛基金属陶瓷的基体原料、其它金属陶瓷材料的辅助原料或在其他材料中作为添加硬质相。
本发明所解决的第一个技术问题是提供一种钛基金属碳化物，其相结构为单一立方相，纯度≥99％。
进一步，本发明的钛基金属碳化物以(Ti1-xMx)C表示，其中，M为Mo，W，Zr，Cr，Ta，V或Sc中的至少一种，0.1＜x＜1。
本发明要解决的第二个问题是提供钛基金属碳化物的制备方法，其方法包括如下步骤：
a混料：将钛粉、金属粉M和石墨粉按摩尔比：Ti：M：C＝0.01～0.99：0.01～0.99：0.5～1.10的比例混匀得混合料；其中，M为Mo，W，Zr，Cr，Ta，V或Sc中的至少一种；
b压制成型：在20～50MPa的压力下，将混合料压制成混料坯；
c真空熔炼：将步骤b所得混料坯熔炼得钛基金属碳化物。
优选的，步骤a采用球磨混料方式将钛粉、金属粉和石墨粉混匀。
更优选的，步骤a采用行星式球磨机，球料比为9.8～10.2︰1，时间为2～6h。
优选的，步骤a中，钛粉、金属粉M和石墨粉的纯度均≥99.5％，钛粉粒度≤0.03mm，金属粉粒度≤0.05mm，石墨粉粒度≤0.030mm。
优选的，步骤c中将钛粉、金属粉和钼粉在非自耗真空熔炼设备内用电弧加热熔炼成钛基金属碳化物。
优选的，所述步骤c真空熔炼的方法为：将真空熔炼设备抽真空至5×10-3Pa，充入纯度高于99.9％氩气洗真空室，反复至少三次；再次抽真空至5×10-3Pa，向真空室通入氩气至压力达0.1Pa；引燃电弧熔炼合金，每个试样经过反复翻转熔炼3～5次；熔炼后冷却到室温取出。
更优选的，所述步骤c为，将真空熔炼设备抽真空至5×10-3Pa，充入纯度高于99.9％氩气洗真空室，反复至少三次；再次启动机械泵抽真空至1×10-1Pa左右，打开扩散泵抽真空至5×10-3Pa，向真空室通入氩气至压力达0.1Pa；引燃电弧熔炼合金，每个试样经过反复翻转熔炼3～5次；熔炼后冷却到室温到室温取出。
本发明的有益效果：
本发明将金属粉M、钛粉和石墨粉，以一定的配比混匀压块，在非自耗真空熔炼炉内直接形成(Ti1-xMx)C碳化物。本发明所得的(Ti1-xMx)C碳化物纯度高，相成分单一，生产工艺简单，成本低，可作为碳化钛基和碳氮化钛基金属陶瓷的添加剂，也可作为开发(Ti1-xMx)C基金属陶瓷材料的基体原料或在其他材料中作为添加硬质相。
附图说明
图1实施例1所得Ti0.7Mo0.3C钛基金属碳化物的X射线衍射图谱；
图2实施例2所得(Ti0.5Mo0.3W0.2)C钛基金属碳化物的X射线衍射图谱；
图3实施例3所得(Ti0.7Mo0.1W0.1Ta0.1)C钛基金属碳化物的X射线衍射图谱。
具体实施方式
本发明所解决的第一个技术问题是提供一种钛基金属碳化物，其相结构为单一立方相，纯度≥99％。
进一步，本发明的钛基金属碳化物以(Ti1-xMx)C表示，其中，M为Mo，W，Zr，Cr，Ta，V或Sc中的至少一种，0.1＜x＜1。
本发明选择上述金属M的优点为：1)可明显改善与常用粘结相Ni或Co的润湿性，提高(Ti1-xMx)C基金属陶瓷的致密度；2)在金属陶瓷的高温烧结过程中，传统碳化钛金属陶瓷中的芯环相结构消失或芯环相晶格类型相同，晶胞参数相似，残余应力明显降低。
本发明要解决的第二个问题是提供钛基金属碳化物的制备方法，其方法包括如下步骤：
a混料：将钛粉、金属粉M和石墨粉按摩尔比：Ti：M：C＝0.01～0.99：0.01～0.99：0.5～1.10的比例混匀得混合料；其中，M为Mo，W，Zr，Cr，Ta，V或Sc中的至少一种；
b压制成型：在20～50MPa的压力下，将混合料压制成混料坯；
c真空熔炼：将步骤b所得混料坯熔炼得钛基金属碳化物。
步骤b中何限定压力为20～50MPa，如果压力过小压坯密实程度不足，在抽真空过程中粉末极易被真空泵抽走，影响压坯成分同时污染炉体；如果压力过大，压坯弹性后效增大，易分层或开裂，同时对模具的要求提高，增加生产成本。
优选的，步骤a采用球磨混料方式将钛粉、金属粉和石墨粉混匀。
更优选的，步骤a采用行星式球磨机，球料比为9.8～10.2︰1，时间为2～6h。球料比过小，会造成原料粒度过大，影响熔炼过程中反应动力学过程；球料比过大时加入料筒内的原料势必减小，生产率下降。
优选的，步骤a中，钛粉、金属粉M和石墨粉的纯度均≥99.5％，钛粉粒度≤0.030mm，金属粉粒度≤0.05mm，石墨粉粒度≤0.030mm。原料粒度过大会影响反应过程的动力学，降低反应速率。
优选的，步骤c中将钛粉、金属粉和钼粉在非自耗真空熔炼设备内用电弧加热熔炼成钛基金属碳化物。
优选的，所述步骤c真空熔炼的方法为：将真空熔炼设备抽真空至5×10-3Pa，充入纯度高于99.9％氩气洗真空室，反复至少三次；再次抽真空至5×10-3Pa，向真空室通入氩气至压力达0.1Pa；引燃电弧熔炼合金，每个试样经过反复翻转熔炼3～5次；熔炼后冷却到室温取出。
更优选的，所述步骤c为，将真空熔炼设备抽真空至5×10-3Pa，充入高纯氩气(高于99.9％)洗真空室，反复三次；再次启动机械泵抽真空至1×10-1Pa左右，打开扩散泵抽真空至5×10-3Pa，向真空室通入氩气至压力达0.1Pa；引燃电弧熔炼合金，每个试样经过反复翻转熔炼3～5次；熔炼后冷却到室温到室温取出。初始先用机械泵抽真空，其极限真空度只能到1×10-1Pa，达到该值后可开扩散泵抽真空，而不能直接开扩散泵抽真空，此情况下会使扩散泵油氧化，损伤机器。
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内。
下述实施例中，钛粉、金属粉M和石墨粉的纯度均≥99.5％，钛粉粒度≤0.030mm，金属粉粒度≤0.05mm，石墨粉粒度≤0.030mm。
实施例1 采用本发明方法制备的(Ti0.7Mo0.3)C碳化物
将4.509g钛粉、3.865g钼粉以及1.738g石墨粉在行星式球磨机上混合2h(球料比为10︰1)，然后在液压机上于20MPa的压力下压制成型，取出压块放进真空电弧熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程为：将真空熔炼设备抽真空至5×10-3Pa，充入高纯氩气(高于99.9％)洗真空室，反复三次；再次启动机械泵抽真空至1×10-1Pa左右，打开扩散泵抽真空至5×10-3Pa，向真空室通入氩气至压力达0.1Pa；引燃电弧熔炼合金，每个试样经过反复翻转熔炼3～5次；熔炼后冷却到室温取出得到(Ti0.7Mo0.3)C碳化物。该实施例所得X射线衍射图谱见图1所示。
实施例2 采用本发明方法制备的(Ti0.5Mo0.3W0.2)C复式碳化物
将2.362g钛粉、2.835g钼粉、3.622g钨粉及1.181g石墨粉在行星式球磨机上混合2h，然后在液压机上于30MPa的压力下压制成型，取出压块放进真空电弧熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程同实施例1，材料在熔炼过程中翻转3次，得到(Ti0.5Mo0.3W0.2)C碳化物。该实施例所得X射线衍射图谱见图2所示。
实施例3 采用本发明方法制备的(Ti0.7Mo0.1W0.1Ta0.1)C复式碳化物
将3.659g钛粉、1.046g钼粉、2.004g钨粉、1.971g钽粉及1.320g石墨粉在行星式球磨机上混合3h，然后在液压机上于25MPa的压力下压制成型，取出压块放进真空电弧熔炼炉中进行熔炼，材料在熔炼过程中翻转5次，得到(Ti0.7Mo0.1W0.1Ta0.1)C碳化物。该实施例所得的X射线衍射图谱见图3所示。
Claims (9)
1.钛基金属碳化物，其特征在于，其相结构为单一立方相，纯度≥99％。
2.根据权利要求1所述的钛基金属碳化物，其特征在于，其以(Ti1-xMx)C表示，其中，M为Mo，W，Zr，Cr，Ta，V或Sc中的至少一种，0.1＜x＜1。
3.权利要求1或2所述的钛基金属碳化物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a混料：将钛粉、金属粉M和石墨粉按摩尔比：Ti︰M︰C＝0.01～0.99︰0.01～0.99︰0.5～1.10的比例混匀得混合料；其中，M为Mo，W，Zr，Cr，Ta，V或Sc中的至少一种；
b压制成型：在20～50MPa的压力下，将混合料压制成混料坯；
c真空熔炼：将步骤b所得混料坯于真空环境下熔炼得钛基金属碳化物。
4.根据权利要求3所述的钛基金属碳化物的制备方法，其特征在于，步骤a采用球磨混料方式将钛粉、金属粉和石墨粉混匀。
5.根据权利要求4所述的钛基金属碳化物的制备方法，其特征在于，步骤a采用行星式球磨机，球料比为9.8～10.2︰1，时间为2～6h。
6.根据权利要求3～5任一项所述的钛基金属碳化物的制备方法，其特征在于，步骤a中，钛粉、金属粉M和石墨粉的纯度均≥99.5％，钛粉粒度≤0.03mm，金属粉粒度≤0.05mm，石墨粉粒度≤0.030mm。
7.根据权利要求3～6任一项所述的钛基金属碳化物的制备方法，其特征在于，所述真空熔炼的方法为：将步骤b所得混料坯于非自耗真空熔炼设备内用电弧加热熔炼得钛基金属碳化物。
8.根据权利要求7所述的钛基金属碳化物的制备方法，其特征在于，所述步骤c真空熔炼的方法为：将非自耗真空熔炼设备抽真空至5×10-3Pa，充入纯度高于99.9％氩气洗真空室，至少反复洗三次；再次抽真空至5×10-3Pa，向真空室通入氩气至压力达0.1Pa；引燃电弧熔炼合金，每个试样经过反复翻转熔炼3～5次；熔炼后冷却到室温取出。
9.根据权利要求8所述的钛基金属碳化物的制备方法，其特征在于，所述步骤c真空熔炼的方法为：用氩气洗真空室后，先启动机械泵抽真空至1×10-1Pa左右，再打开扩散泵抽真空至5×10-3Pa，然后向真空室通入氩气至压力达0.1Pa。
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