CN113355579A - 一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的新型制备方法 - Google Patents

一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的新型制备方法 Download PDF

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Abstract

一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的新型制备方法，其特征包括以下步骤：a、按质量百分比取纳米氧化钛、纳米氧化钨、纳米氧化钴、纳米氧化钒、纳米氧化铬、纳米还原剂碳黑与多壁碳纳米管，经混合、干燥后，置于微波烧结炉中进行碳热还原，制得多元Ti(C,N)基复合材料。b、将步骤a所得复合材料采用放电等离子烧结设备进行烧结，最终制得多元Ti(C,N)基金属陶瓷。该金属陶瓷断裂韧性提高33‑65%，硬度（HRA）提高13‑25%，抗弯强度提高32‑85%。本发明具有生产效率高、能耗低、操作简便，为工业生产性能优异的金属陶瓷产品提供参考。

Description

一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的新型制备方法
技术领域
本发明涉及一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的制备，属于纳米金属陶瓷复合粉体制备技术与应用领域。
背景技术
Ti(C,N)基金属陶瓷具有优异的耐热性、耐腐蚀性、高硬度和耐磨性，被广泛应用于刀具材料。该类合金材料通常以Ti(C,N)为硬质相，以Co为粘结相，通过粉末冶金方法合成。Ti(C,N)基金属陶瓷相较于高速钢，具有较高的硬度、耐磨性和红硬性。此外，Ti(C,N)基金属陶瓷也可以用来制造钻头、齿轮刀具、铰刀等复杂刀具。其中，超细及纳米晶Ti(C,N)基金属陶瓷相对于普通Ti(C,N)基金属陶瓷的抗弯强度明显提高、硬度增大、耐磨性提高、刀具耐用度提高3~10倍。同时，金属陶瓷的抗热震性和抗氧化性改善显著，达到完全致密化所需的温度也进一步降低。超细晶金属陶瓷由于与加工材料的相互吸附–扩散作用小，在难加工材料、微电子工业、精密模具、医学等领域也得到了广泛的应用。因此，超细及纳米晶Ti(C,N)基金属陶瓷已成为当今金属陶瓷行业的发展热点之一。
随着现代工业行业技术的快速发展，对金属陶瓷的性能要求也越来越高，金属陶瓷中Ti(C,N)的晶粒尺寸越小，合金的综合力学性能越高。碳纳米管一维纳米材料，质量轻，有许多优异的力学性能，具有极高的强度、韧性及弹性模量。将碳纳米管作为增强相掺杂于多元Ti(C,N)基复合粉末中，应用碳纳米管的强韧性，加之纳米材料的优异性能，使硬质合金的强度显著提高。通过应用碳纳米管达到细化Ti(C,N)金属陶瓷晶粒的作用，同时协同碳纳米管本身的强度和纤维结构的拔出、桥接及引导裂纹弯曲、偏转等机制来提高Ti(C,N)基金属陶瓷的强度。此外，采用放电等离子烧结工艺，进一步有效抑制Ti(C,N)晶粒的长大，且降低烧结温度与烧结时间，提高生产效率，减少能耗，最终获得致密度高、晶粒细小、组织均匀、综合力学性能优异的多元Ti(C,N)基金属陶瓷产品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的新型制备方法，以便更好的满足Ti(C,N)基金属陶瓷在超细/纳米金属陶瓷的制造以及刀具领域的应用。本发明采用的碳热还原法，该方法所需设备简单，反应原料价格低廉，制备过程简便、生产效率高、能耗低，保证合成的多元Ti(C,N)基金属陶瓷在粒度、分散性、颗粒形状等方面满足工业需求。
本发明的超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的新型制备方法包括以下步骤：
a、按质量百分比取纳米氧化钛、纳米氧化钨、纳米氧化钴、纳米氧化钒、纳米氧化铬、纳米还原剂碳黑与多壁碳纳米管，经混合、干燥后，置于微波烧结炉中进行碳热还原，制得多元复合粉末；
b、将步骤a所得复合粉末置于放电等离子烧结设备中进行烧结，最终制得超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷。该金属陶瓷断裂韧性提高33-65%，硬度（HRA）提高13-25%，抗弯强度提高32-85%。
根据权利要求1所述的一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的新型制备方法中原料质量百分比分别为： 纳米氧化钛为38-52%，纳米氧化钨26-32%，纳米氧化钴8-15%，纳米氧化钒0.2-1%，纳米氧化铬0.2-1%，纳米碳黑20-27%，多壁碳纳米管0.2-0.8%。
根据权利要求1所述的一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的新型制备方法中，制备复合材料的微波烧结工艺在惰性气体保护下进行，烧结温度为1250-1400℃，保温时间为0.5-1h。
根据权利要求1所述的一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的新型制备方法中，混合是在高能球磨机、滚动球磨机或研磨机中任意一种设备中进行。
根据权利要求1所述的一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的新型制备方法中，球磨后干燥温度为50-80℃，干燥时间为16-30h。
根据权利要求1所述的一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的新型制备方法中，升温速率为50-150℃/min，温度为1300-1500℃。
与现有的超细金属陶瓷制备方法相比，本发明的优点在于：
（1）有效抑制Ti(C,N)晶粒的长大。多壁碳纳米管作为新型增强材料，其本身具有的优异力学性能，将其掺杂到多元复合粉末中，达到细化Ti(C,N)基金属陶瓷晶粒的作用，同时协同碳纳米管本身的强度和纤维结构的拔出、桥接及引导裂纹弯曲、偏转等机制来提高Ti(C,N)基金属陶瓷的强度。
（2）烧结温度低，时间短，效率高，能耗低。以纳米碳黑、纳米氧化物、多壁碳纳米管为原料，采用微波碳热还原法制备多元复合粉末，再结合放电等离子烧结得到超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷。本合成方法可以大幅度降低反应温度，缩短反应时间，提高生产效率，有效节约能源。
具体实施方式
实施例1：
按质量百分比取纳米氧化钛38%，纳米氧化钨25%，纳米氧化钴10%，纳米氧化钒0.4%，纳米氧化铬0.4%，纳米碳黑26%，多壁碳纳米管0.2%，经均匀混合（高能球磨机）、干燥（干燥温度为50℃，干燥时间为30h）后，置于微波烧结炉内进行碳热还原，得到多元Ti(C,N)基复合材料。然后将复合材料置于放电等离子烧结设备中进行烧结（升温速率为50-150℃/min，温度为1300-1500℃，氮气），制得晶粒细小、组织均匀的Ti(C,N)基金属陶瓷。该金属陶瓷断裂韧性提高33-65%，硬度（HRA）提高13-25%，抗弯强度提高32-85%。
实施例2：
按质量百分比取纳米氧化钛39%，纳米氧化钨25%，纳米氧化钴12%，纳米氧化钒0.6%，纳米氧化铬0.6%，纳米碳黑22%，多壁碳纳米管0.8%，经均匀混合（高能球磨机）、干燥（干燥温度为80℃，干燥时间为20h）后，置于微波烧结炉内进行碳热还原，得到多元Ti(C,N)基复合材料。然后将复合材料置于放电等离子烧结设备进行烧结（升温速率为50-150℃/min，温度为1300-1500℃，氮气），制得晶粒细小、组织均匀的Ti(C,N)基金属陶瓷。该金属陶瓷断裂韧性提高33-65%，硬度（HRA）提高13-25%，抗弯强度提高32-85%。
实施例3：
按质量百分比取纳米氧化钛42%，纳米氧化钨25%，纳米氧化钴8%，纳米氧化钒0.3%，纳米氧化铬0.3%，纳米碳黑24%，多壁碳纳米管0.4%，经均匀混合（高能球磨机）、干燥（干燥温度为60℃，干燥时间为24h）后，置于微波烧结炉内进行碳热还原，得到多元Ti(C,N)基复合材料。然后将复合材料置于放电等离子烧结设备中进行烧结（升温速率为50-150℃/min，温度为1300-1500℃，氮气），制得晶粒细小、组织均匀的Ti(C,N)基金属陶瓷。该金属陶瓷断裂韧性提高33-65%，硬度（HRA）提高13-25%，抗弯强度提高32-85%。
实施例4：
按质量百分比取纳米氧化钛40%，纳米氧化钨26%，纳米氧化钴10%，纳米氧化钒0.2%，纳米氧化铬0.2%，纳米碳黑23%，多壁碳纳米管0.6%，经均匀混合（高能球磨机）、干燥（干燥温度为70℃，干燥时间为20h）后，置于微波烧结炉内进行碳热还原，得到多元Ti(C,N)基复合材料。然后将复合材料置于放电等离子烧结设备进行烧结（升温速率为50-150℃/min，温度为1300-1500℃，氮气），制得晶粒细小、组织均匀的Ti(C,N)基金属陶瓷。该金属陶瓷断裂韧性提高33-65%，硬度（HRA）提高13-25%，抗弯强度提高32-85%。

Claims (6)

1.一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的新型制备方法，其特征在于：所述合成方法包括以下步骤：
按质量百分比取纳米氧化钛、纳米氧化钨、纳米氧化钴、纳米氧化钒、纳米氧化铬、纳米还原剂碳黑与多壁碳纳米管，经混合、干燥后，置于微波烧结炉中进行碳热还原，制得多元复合粉末；
将步骤a所得复合材料置于放电等离子烧结设备中进行烧结，最终制得新型超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷；该金属陶瓷断裂韧性提高33-65%，硬度（HRA）提高13-25%，抗弯强度提高32-85%。
2.根据权利要求1所述的一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的新型制备方法中原料质量百分比分别为：纳米氧化钛为38-52%，纳米氧化钨26-32%，纳米氧化钴8-15%，纳米氧化钒0.2-1%，纳米氧化铬0.2-1%，纳米碳黑20-27%，多壁碳纳米管0.2-0.8%。
3.根据权利要求1所述的一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的新型制备方法中，制备复合材料的微波烧结工艺在惰性气体保护下进行，烧结温度为1250-1400℃，保温时间为0.5-1h。
4.根据权利要求1所述的一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的新型制备方法中，混合是在高能球磨机、滚动球磨机或研磨机中任意一种设备中进行。
5.根据权利要求1所述的一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的新型制备方法中，球磨后干燥温度为50-80℃，干燥时间为16-30h。
6.根据权利要求1所述的一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的新型制备方法中，烧结在氮气条件下进行，升温速率为50-150℃/min，温度为1300-1500℃。
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