CN115196606B - 一种高性能碳氮化钛的制备方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能碳氮化钛的制备方法及设备，包括步骤混合、压制、点燃和破碎，包括一侧有开口的反应容器，所述反应容器内部形成反应空间，所述反应容器的两侧分别设有进气口和排气口，所述进气口和所述排气口分别贯穿所述反应空间，所述进气口和所述排气口上分别设有阀门，所述反应空间内设有挤压板，所述挤压板的一侧设有点火针，使用高温自蔓延反应法，通过限定钛粉碳粉的比例和氮气的压强，制得高性能的碳氮化钛，制得碳氮化钛粉末具有性能优良质量稳定的特点；且本发明使用的设备，可以实现混合、压制和点燃反应等主要步骤，在混合时选择一水平一倾斜的桨叶，使碳钛粉末容易混匀。

Description

一种高性能碳氮化钛的制备方法及设备

技术领域

本发明属于碳氮化钛制备技术领域，具体涉及一种高性能碳氮化钛的制备方法及设备。

背景技术

在各类机械零部件的制造中，都需用刀具进行加工处理。刀具材料的切削性能是决定加工效率、加工质量和加工成本的关键因素之一。WC-Co基硬质合金刀具是目前使用最多的刀具材料。但是，钨、钴为稀有资源，导致WC-Co基硬质合金材料成本较高。碳氮化钛材料有熔点高、强度高、耐磨性强、耐腐蚀及抗氧化等优良特性，它兼具了TiC和TiN的优点，除了非常适合高端精密加工和近净成型加工以外，它在保持TiC特点基础上，由于N的引入，TiC脆性特点得到明显改善。在随着N含量增加，其硬度降低，韧性提高。正是由于其优良的综合性能，使得碳氮化钛基陶瓷在切削领域、耐高温材料、量具、石油和化工、钟表外观等领域有了广泛的应用。但是碳氮化钛在制备时，原料配比的选择往往会导致碳氮化钛材料的强度有所偏差，并且在繁多的制备工艺中，一般需要多种复杂的治具，在针对某一种制备方法时，缺少系统化的制备设备。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种高性能碳氮化钛的制备方法及设备。

本发明所采用的技术方案为：

一种高性能碳氮化钛的制备方法，包括以下步骤：

S1、混合：将钛粉和碳粉按比例混合均匀；

S2、压制：将混匀后的粉末挤压成规则形状的压坯；

S3、点燃：将压坯置于充满氮气的容器中，点燃压坯，至压坯自蔓延反应结束；

S4、破碎：将反应后的的压坯破碎、研磨、过筛，得到Ti(C，N)粉末。

作为本发明的优选，在步骤S1中，所述钛粉和所述碳粉的比例具体为7∶3。

作为本发明的优选，在步骤S2中，所述压坯具体为长方体形状，所述压坯厚度小于50mm。

作为本发明的优选，在步骤S3中，充满氮气的容器内部压强为10Mpa。

一种高性能碳氮化钛的制备设备，包括一侧有开口的反应容器，所述反应容器内部形成反应空间，所述反应容器的两侧分别设有进气口和排气口，所述进气口和所述排气口分别贯穿所述反应空间，所述进气口和所述排气口上分别设有阀门，所述反应空间内设有挤压板，所述挤压板的一侧设有点火针，所述点火针与所述反应空间的一侧内壁固定连接。

作为本发明的优选，所述反应空间的一侧内壁上固定设有挤压缸，所述挤压缸的活塞端固定设有动力板，所述挤压板与所述动力板滑动连接，所述反应容器的一侧设有豁口，所述豁口的形状与所述挤压板的侧面形状相同，所述挤压板的一侧设有限位挡板，所述限位挡板与所述反应空间的一侧内壁固定连接。

作为本发明的优选，反应容器固定设置在支撑杆上，所述支撑杆的一端固定设有滑动块，所述滑动块滑动设置在立柱上；所述支撑杆远离所述滑动块的一端固定设有连接杆，所述连接杆上固定设有滑块，所述滑块滑动设置在支撑架内部，所述滑块的两端分别设有一个复位弹簧，所述复位弹簧的一端与所述滑块固定连接，所述复位弹簧的另一端与所述支撑架固定连接。

作为本发明的优选，所述滑块的一侧固定设有振动电机，所述振动电机的输出轴上固定设有偏心块。

作为本发明的优选，还包括搅拌机构，所述搅拌机构包括搅拌容器，所述搅拌容器内设有一端有开口的搅拌空间，所述搅拌空间有开口的一端设有端盖，所述端盖与所述搅拌容器螺纹连接，所述端盖上转动设有转轴，所述转轴上固定设有平桨叶和斜桨叶；所述搅拌容器远离所述端盖的一侧转动设有控制盖，所述控制盖和所述搅拌容器远离所述端盖的一端均设有多个对位孔。

作为本发明的优选，所述搅拌机构还包括固定板，所述固定板与所述端盖固定连接，所述固定板固定设置在承载板上，所述承载板的一端固定设有顶板，所述顶板上可拆卸安装有搅拌电机，所述搅拌电机控制有驱动轴，所述驱动轴贯穿所述顶板；所述转轴远离所述控制盖的一端设有连接孔，所述连接孔的内壁上设有限位槽；所述顶板远离所述搅拌电机的一端设有卡销，所述卡销与所述限位槽配合。

本发明的有益效果为：本发明作为一种高性能碳氮化钛的制备方法及设备，使用高温自蔓延反应法，通过混合、压制、点燃和破碎等步骤，通过限定钛粉碳粉的比例和氮气的压强，制得高性能的碳氮化钛，制得碳氮化钛粉末具有性能优良质量稳定的特点；且本发明使用的设备，可以实现混合、压制和点燃反应等主要步骤，在混合时选择一水平一倾斜的桨叶，使碳钛粉末容易混匀；在压制前通过震动电机，使反应容器内的混合粉末初步平铺；在点燃前，通过灵活控制进气排气口得阀门，不仅能使反应空间充满氮气，而且有利于控制氮气的压强，并采用点火针远程操作点燃压坯，反应时无安全隐患。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明的设备结构示意图；

图2是本发明图1的A-A方向结构示意图；

图3是本发明图1的搅拌机构放大结构示意图；

图4是本发明图1的B处放大结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-4说明本发明的具体实施方式，一种高性能碳氮化钛的制备方法，包括以下步骤：

S1、混合：将钛粉和碳粉按比例混合均匀；

S2、压制：将混匀后的粉末挤压成规则形状的压坯；

S3、点燃：将压坯置于充满氮气的容器中，点燃压坯，至压坯自蔓延反应结束；

S4、破碎：将反应后的的压坯破碎、研磨、过筛，得到Ti(C，N)粉末。

碳氮化钛粉末兼具TiC和T的优点，具有高熔点、高硬度、耐磨、耐氧化、耐腐蚀等特性，并具有良好的导热性、导电性和化学稳定性，是一种理想的刀具涂层材料。碳氨化钛涂层既可提高与基体的结合强度，同时又能具有多种材料的综合性能。碳氨化钛是一种全能型的涂层材料，在冲击模，注射模以及切削刀具领域表现尤为出色。碳氨化钛易剥离，所以在制作昂贵的注射模具部件时可节省成本。带有原始涂层的工具获得5倍长的使用寿命，则可将涂层剥离然后重新涂层，再获得5倍长的使用寿命，如此循环。

有益地，在步骤S1中，所述钛粉和所述碳粉的比例具体为7∶3。

有益地，在步骤S2中，所述压坯具体为长方体形状，所述压坯厚度小于50mm。压坯的厚度较小，有利于自蔓延反应充分进行。

有益地，在步骤S3中，充满氮气的容器内部压强为10Mpa。在此压强下，钛燃烧较为充分。

一种高性能碳氮化钛的制备设备，包括一侧有开口的反应容器19，所述反应容器19内部形成反应空间，所述反应容器19的两侧分别设有进气口17和排气口28，所述进气口17和所述排气口28分别贯穿所述反应空间，所述进气口17和所述排气口28上分别设有阀门，阀门具体为单向阀门，所述反应空间内设有挤压板25，所述挤压板25的一侧设有点火针42，点火针通电后可以打出明火，所述点火针42与所述反应空间的一侧内壁固定连接。反应空间的一侧内壁还固定设有压强检测装置，进气口17与氮气储存装置连接。进气口17和出气口28设置的位置一上一下，利用氮气密度小于空气的原理，可以排空挤压空间内部的空气。

有益地，所述反应空间的一侧内壁上固定设有挤压缸18，所述挤压缸18的活塞端固定设有动力板30，所述挤压板25与所述动力板30滑动连接，挤压板25与动力板30上分别设有滑槽和滑轨，所述反应容器19的一侧设有豁口，所述豁口的形状与所述挤压板25的侧面形状相同，所述挤压板25的一侧设有限位挡板26，所述限位挡板26与所述反应空间的一侧内壁固定连接。挤压板25接触限位挡板26时，挤压板25可以从豁口处抽出，挤压板为接触限位挡板26时，挤压板25、动力板30和反应空间内壁严密接触，使此部分空间密闭(进出气口阀门均关闭时)。

有益地，反应容器19固定设置在支撑杆14上，所述支撑杆14的一端固定设有滑动块27，所述滑动块27滑动设置在立柱29上；所述支撑杆14远离所述滑动块27的一端固定设有连接杆16，所述连接杆16上固定设有滑块15，所述滑块15滑动设置在支撑架11内部，所述滑块15的两端分别设有一个复位弹簧12，所述复位弹簧12的一端与所述滑块15固定连接，所述复位弹簧12的另一端与所述支撑架11固定连接。所述滑块15的一侧固定设有振动电机，所述振动电机的输出轴上固定设有偏心块13。偏心块13的转动，使滑块15的重心改变，通过控制偏心块13的转动速度，可以使滑块15有规律并按一定节奏上下移动，继而带动反应容器19振动。

有益地，还包括搅拌机构24，所述搅拌机构24包括搅拌容器33，所述搅拌容器33内设有一端有开口的搅拌空间34，所述搅拌空间34有开口的一端设有端盖32，所述端盖32与所述搅拌容器33螺纹连接，所述端盖32上转动设有转轴39，所述转轴39上固定设有平桨叶35和斜桨叶38；所述搅拌容器33远离所述端盖32的一侧转动设有控制盖36，所述控制盖36和所述搅拌容器33远离所述端盖32的一端均设有多个对位孔37。平桨叶35和斜桨叶38能够使粉末快速离心并上下翻动。

有益地，所述搅拌机构24还包括固定板31，所述固定板31与所述端盖32固定连接，所述固定板31固定设置在承载板20上，所述承载板20的一端固定设有顶板21，所述顶板21上可拆卸安装有搅拌电机22，所述搅拌电机22控制有驱动轴23，所述驱动轴23贯穿所述顶板21；所述转轴39远离所述控制盖36的一端设有连接孔40，所述连接孔40的内壁上设有限位槽41；所述顶板21远离所述搅拌电机22的一端设有卡销，所述卡销与所述限位槽41配合。搅拌电机22启动使，驱动轴23和转轴39一起转动，转轴39和端盖32连接处涂润滑油，且转轴39和端盖32之间仅存的摩擦，具有使端盖32拧紧的趋势，在搅拌时，端盖32不会松动。

本发明工作原理：

将搅拌容器33从端盖32上拧下来，将钛粉和碳粉按比例置入搅拌空间34内，此时控制盖36上的对位孔37和搅拌容器33上的对位孔37位置不对应；

将搅拌容器33拧回端盖32上，启动搅拌电机22,搅拌电机22带动驱动轴23转动，转轴39跟随驱动轴23一起转动，带动斜桨叶38和平桨叶35转动，斜桨叶38使混合粉末的中心自下而上，平桨叶35使混合粉末快速离心运动；

一定时间后，降低搅拌电机22转速，转动控制盖36使，控制盖36上的对位孔37与搅拌容器33上的对位孔37对准，混合粉末从对位孔37下落，进入反应容器19内，此过程中挤压板25位于反应容器19的一侧，挤压板25不阻挡混合粉末进入反应空间的底部，此过程中进气口17和排气口28的阀门均关闭；

推动挤压板25，挤压板25沿动力板30滑动，使挤压板25全部位于反应空间内部；

启动振动电机震动电机带动偏心块13转动，偏心块13转动导致滑块15的重心改变，在复位弹簧12的作用下，滑块15沿支撑架11上下往复滑动，连接杆16跟随滑块15一起滑动，连接杆16带动支撑杆14滑动，此过程中滑动块27跟随连接杆16一起移动，滑动块27沿立柱29滑动；

至混合粉末平铺在反应空间的底部，打开排气口28，启动挤压缸18，使活塞下移，活塞带动动力板30移动，挤压板25跟随动力板30一起移动，将混合粉末压制成长方体压坯；

关闭排气口28，启动挤压缸18，使活塞上移，至挤压板25未接触限位挡板26，但高于进气口17位置时停止；

打开进气口17，氮气进入反应空间的底部与挤压板25之间，片刻后，打开滑动块27，在过片刻关闭排气口28，测量反应空间与挤压板25之间的压力为10Mpa时，关闭进气口17；

点火针42通电，点燃压坯，碳钛粉末在氮气中被点燃，反生反应，生成碳化钛和氮化钛，形成块状Ti(C，N)；

打开排气口28，启动挤压缸18，使活塞上移，至挤压板25接触限位挡板26时停止，依靠摩擦从反应空间内部将挤压板25向外推出，挤压板25沿动力板30滑动；

将块状Ti(C，N)取出，经后续破碎、研磨、过筛，得到高性能的Ti(C，N)粉末，粉末具有性能优良质量稳定的特点。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高性能碳氮化钛的制备设备，其特征在于：包括一侧有开口的反应容器，所述反应容器内部形成反应空间，所述反应容器的两侧分别设有进气口和排气口，所述进气口和所述排气口分别贯穿所述反应空间，所述进气口和所述排气口上分别设有阀门，所述反应空间内设有挤压板，所述挤压板的一侧设有点火针，所述点火针与所述反应空间的一侧内壁固定连接；

所述反应空间的一侧内壁上固定设有挤压缸，所述挤压缸的活塞端固定设有动力板，所述挤压板与所述动力板滑动连接，所述反应容器的一侧设有豁口，所述豁口的形状与所述挤压板的侧面形状相同，所述挤压板的一侧设有限位挡板，所述限位挡板与所述反应空间的一侧内壁固定连接；

反应容器固定设置在支撑杆上，所述支撑杆的一端固定设有滑动块，所述滑动块滑动设置在立柱上；所述支撑杆远离所述滑动块的一端固定设有连接杆，所述连接杆上固定设有滑块，所述滑块滑动设置在支撑架内部，所述滑块的两端分别设有一个复位弹簧，所述复位弹簧的一端与所述滑块固定连接，所述复位弹簧的另一端与所述支撑架固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种高性能碳氮化钛的制备设备，其特征在于：所述滑块的一侧固定设有振动电机，所述振动电机的输出轴上固定设有偏心块。

3.根据权利要求2所述的一种高性能碳氮化钛的制备设备，其特征在于：还包括搅拌机构，所述搅拌机构包括搅拌容器，所述搅拌容器内设有一端有开口的搅拌空间，所述搅拌空间有开口的一端设有端盖，所述端盖与所述搅拌容器螺纹连接，所述端盖上转动设有转轴，所述转轴上固定设有平桨叶和斜桨叶；所述搅拌容器远离所述端盖的一侧转动设有控制盖，所述控制盖和所述搅拌容器远离所述端盖的一端均设有多个对位孔。

4.根据权利要求3所述的一种高性能碳氮化钛的制备设备，其特征在于：所述搅拌机构还包括固定板，所述固定板与所述端盖固定连接，所述固定板固定设置在承载板上，所述承载板的一端固定设有顶板，所述顶板上可拆卸安装有搅拌电机，所述搅拌电机控制有驱动轴，所述驱动轴贯穿所述顶板；所述转轴远离所述控制盖的一端设有连接孔，所述连接孔的内壁上设有限位槽；所述顶板远离所述搅拌电机的一端设有卡销，所述卡销与所述限位槽配合。