一种定向生长的碳氮化钛晶体、制备方法及其应用与流程

本发明涉及一种定向生长的碳氮化钛晶体、制备方法及其应用，属于金属陶瓷复合材料原料制造技术领域。

背景技术：

碳氮化钛基金属陶瓷作为一类钛系硬质合金，因其较钨钴硬质合金具有更高的红硬性，更好的抗氧化性和更强的耐磨性，被用于制造切削工具、耐磨零件的烧结体，并且因其优异的表面加工质量，常被应用于半精加工和精加工中。尽管碳氮化钛基金属陶瓷材料已经有长足发展，但对于具有断续切削特征的粗加工或矿山工具，金属陶瓷材料目前还未被广泛应用。究其原因，金属陶瓷材料作为切削工具，在抗崩损性方面始终无法与钨钴硬质合金媲美，最终导致金属陶瓷切削工具只能在半精加工和精加工中应用。

碳氮化钛基金属陶瓷内部主要由硬质陶瓷相和铁族金属(钴、镍)相构成，其中硬质陶瓷相含有数种晶粒抑制或强化成分，导致金属陶瓷界面复杂。因此，现有技术中常常选择通过减小硬质陶瓷相粒径，调整金属相成分比例，或加入昂贵的稀土成分以期实现抗崩损性能提升。然而，因为不同于纯陶瓷组织，金属陶瓷内部存在较大浓度梯度，单纯减小硬质陶瓷相粒径，指数增长的硬质相表面积，需要金属相形成更大体积分数粘结相以提供烧结时的液相烧结和提高烧结体的韧性，更大体积分数的粘结相导致金属陶瓷的高温强度严重下降，并且调整金属相成分比例无法从根本上改善金属陶瓷的抗崩损性能。

目前，钨钴硬质合金虽已普遍用作削切工作的材料，但因其易发生电化学腐蚀形成原电池，存在无法长时间使用的缺点，所以制备一种抗崩损性强、成本低、耐磨、化学性质稳定的碳氮化钛基金属陶瓷在粗加工或矿山工具制造中具有深远意义。

技术实现要素：

碳氮化钛是一种属于fm3m空间群的离子键-共价键复合晶体，采用固相反应法合成时，如果原料中有足量的碳元素和氮元素，晶体优先形成面心立方(fcc)晶格结构，对于碳氮化钛而言，低表面能的稳定结构倾向等轴晶型发育。并且在切削工具、耐磨零件的烧结体应用时，为保证材料的硬度和耐磨性，碳元素和氮元素必须是足量的，也就是说，传统的固相反应合成仅能合成具有等轴晶型的碳氮化钛晶体，而无法合成大长径比的碳氮化钛晶体。为解决上述技术问题，本发明提供一种可行性强、成本低的碳氮化钛晶体定向生长的制备方法，通过制备更大长径比的碳氮化钛晶体，在金属陶瓷内部形成局部短纤维增韧效果，以达到强化金属陶瓷抗崩损性能，提高断续切削能力的目的，其作为金属陶瓷器具的原材料，使制备的金属陶瓷器具有抗崩损性强、耐磨、化学性质稳定的特点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种定向生长的碳氮化钛晶体的制备方法，包括以下步骤：

(1)固相渗碳：称取原料混合均匀装入器皿，在保护气氛围下煅烧，取出冷却得固相碳氮化钛晶体；

(2)气相渗碳氮：将步骤(1)得到的固相碳氮化钛晶体在混合气氛围下煅烧，取出冷却并分级，得定向生长的碳氮化钛晶体。

进一步，所述原料按质量分数计，包括：钛源3.9-4.1份，碳源0.5-1份，氮源0.5-2份。

进一步，所述钛源包括钛粉、海绵钛粉或氢化钛粉中的一种或多种，碳源包括炭黑粉或石墨粉中的一种或多种，氮源包括尿素、甘氨酸或酰胺中的一种或多种。

进一步，所述混合为干法混合，混合时间为20-40h。

进一步，所述保护气体包括氩气、氦气或氖气中的一种或多种，所述混合气为碳源气体与氮源气体的混合气。

进一步，保护气的流量应根据装料量控制在25nl/min-100nl/min。

进一步，步骤(1)的煅烧温度为800℃-1300℃，煅烧时间为0.5-2h，步骤(2)的煅烧温度为1000℃-1800℃，煅烧时间为0.5-2h。

进一步，所述分级采用筛分或者气流分级。

进一步，所述碳源气体为甲烷气体或乙炔气体，氮源气体为氮气或氨气，碳源气体与氮源气体的体积用量比为1:2-2:1。

进一步地，两次反应可以连续进行，也可以分步进行。

进一步，本发明要求保护上述制备方法制备得到的定向生长的碳氮化钛晶体。

进一步，本发明还要求保护定向生长的碳氮化钛晶体在制备切削工具、耐磨零件的烧结体以及涂层材料中的应用。

进一步，所述碳氮化钛晶体的平均长径比为1:1-10:1，包含平均粒径0.1μm-100μm的微粉和平均粒径100μm-1mm的块状晶体，含碳量为6％-14％，含氮量为7％-15％。

本发明公开了以下技术效果：

1)本发明提供了一种可行性强、成本低、能够大批量生产的方法，通过两次渗碳(氮)，分别调控碳氮化钛晶体的长径比和碳、氮含量。在第一次固相渗碳反应的过程中，配料量保证了钛源充足而碳源缺乏，在高温状态下，钛和碳发生化合反应，钛从0价被碳化为更高价态；然而由于局部形成的阳离子过饱和状态，生成的碳化物无法完成从斜方晶型到立方晶型的转变，产物仍维持斜方晶型结构，其与<001>晶带轴法向平行的晶面具有更高的表面能。在此基础上，令其在高温下与含碳、氮气体反应，完成第二次气相渗碳氮化反应，在该反应过程中的初始阶段，原子优先在高能表面与<001>晶带轴法向平行的晶面形成键合，晶体得以延<001>晶带轴方向优先生长，此时晶体的长径比增加，过饱和的碳和氮通过渗透性更强的气体，持续与钛离子发生反应，钛的价态继续升高直到其自由电子全部被阴离子捕获，在反应中间阶段，高能表面的表面能逐渐降低，直到该晶面不再继续优先生长，同时碳氮化钛晶体的晶型逐渐从斜方向面心立方发生转变，但因为晶体的长径比已由优先生长确立，所以晶体将在之后的反应过程中维持大长径比的微观形貌，在气相渗碳氮化的最终阶段，碳、氮离子继续渗透入晶体内部，直到碳氮化钛的碳、氮含量接近理论值，碳(氮)化反应不再继续进行，最终形成大长径比的面心立方晶体。

2)相比于目前广泛采用的等轴晶型碳氮化钛晶体，本发明制备的具有大长径比碳氮化钛晶体可以偏转裂纹扩展路径、增加断裂功，并可以通过更强的晶粒钉扎效应，起到抑制裂纹的扩展，增加材料抗冲击性能的作用。

3)本发明定向生长的碳氮化钛晶体制备方法简单、可行性强、成本低，作为基材可广泛应用于金属陶瓷中，可以使制备的金属陶瓷具有抗崩损性强、耐磨、化学性质稳定的性能，具有良好的使用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1制备得到的碳氮化钛晶体扫描电镜图；

图2为实施例2制备得到的碳氮化钛晶体扫描电镜图；

图3为实施例3制备得到的碳氮化钛晶体扫描电镜图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明性能测试所述的相对密度、弯曲强度、维氏硬度、磨损率的测定方法均为本领域的常规技术手段，且并非发明要点，在此不做赘述。

以下通过实施例及相关性能试验对本发明的技术方案做进一步说明。

一、碳氮化钛晶体的制备

实施例1

称取3.9份钛粉、1份炭黑粉和0.5份尿素干法混合20h后均匀装入器皿，在流量为100nl/min的氩气气氛下送入高温炉煅烧，在800℃条件下煅烧0.5h，取出冷却；之后用体积比为1:2的甲烷与氮气组成的混合气气氛下再次进行高温炉煅烧，在1000℃条件下煅烧2h，取出冷却并分级即得定向生长的碳氮化钛晶体，其扫描电镜图见图1。

本实施例得到的碳氮化钛晶体长度约为0.5μm，长径比约为1:1，含碳量为9.5％，含氮量为11.2％。

实施例2

称取4.1份海绵钛粉、0.5份石墨粉和2份甘氨酸干法混合40h后均匀装入器皿，在流量为25nl/min的氦气气氛下送入高温炉煅烧，在1300℃条件下煅烧2h，取出冷却；之后用体积比为2:1的乙炔与氨气组成的混合气气氛下再次进行高温炉煅烧，在1800℃条件下煅烧0.5h，取出冷却并分级即得定向生长的碳氮化钛晶体，其扫描电镜图见图2。

本实施例得到的碳氮化钛晶体长度约为80μm，长径比约为3:1，含碳量为13.7％，含氮量为8.1％。

实施例3

称取4份氢化钛粉、0.8份石墨粉和1份酰胺干法混合30h后均匀装入器皿，在流量为50nl/min的氖气气氛下送入高温炉煅烧，在1000℃条件下煅烧1h，取出冷却；之后用体积比为2:1的乙炔与氮气组成的混合气气氛下再次进行高温炉煅烧，在1500℃条件下煅烧1h，取出冷却并分级即得定向生长的碳氮化钛晶体，其扫描电镜图见图3。

本实施例得到的碳氮化钛晶体长度约为5μm，长径比约为6：1，含碳量为6.6％，含氮量为13.9％。

对比例1

同实施例1，区别仅在于，称取4份炭黑粉。

本对比例得到的碳氮化钛晶体长度约为0.8μm，长径比约为1.3：1，含碳量为15.2％，含氮量为4.5％。

对比例2

同实施例1，区别仅在于，甲烷与氮气的体积用量比为1:5。

本对比例得到的碳氮化钛晶体长度约为1.9μm，长径比约为1:2，含碳量为3.4％，含氮量为16.5％。

对比例3

同实施例1，区别仅在于，在氢气气氛下送入高温炉煅烧。

本对比例得到的碳氮化钛晶体长度约为1.3mm，长径比约为3:1，含碳量为3％，含氮量为2％。

对比例4

同实施例1，区别仅在于，第一次在500℃条件下进行煅烧。

本对比例得到的碳氮化钛晶体长度约为0.4μm，长径比约为2:1，含碳量为5.2％，含氮量为9％。

对比例5

称取3.9份钛粉、1份炭黑粉和0.5份尿素干法混合20h后均匀装入器皿，在流量为100nl/min的氩气气氛下送入高温炉，之后通入体积比为1:2的甲烷与氮气组成的混合气，在800℃条件下煅烧0.5h，取出冷却并分级即得定向生长的碳氮化钛晶体。

本对比例得到的碳氮化钛晶体长度约为0.72μm，长径比约为8:1，含碳量为2％，含氮4％。

二、力学性能测试

将实施例1-3和对比例1-5的制备得到的碳氮化钛晶体分别制成碳氮化钛基金属陶瓷复合材料进行磨损率、维氏硬度、抗弯强度、相对密度这几项性能测试，其中所遵循测试标准分别为jc/t260-2001铸石制品性能试验方法-耐磨性试验、gb/t16534-2009精细陶瓷室温硬度试验方法、gb/t6569-2006精细陶瓷弯曲强度试验方法。

表1

将实施例1-3和对比例1-5的制备得到的碳氮化钛晶体分别制成碳氮化钛基金属陶瓷刀片并进行切削测试，刀具型号为cnmg120408，被加工材料为s45c钢，vc＝200m/s，ap＝1.5mm，fn＝0.05-0.5mm/rev，干式断续切削。

表2

由上述测试可知，本发明制备得到的碳氮化钛晶体结构均匀，长径比在1:1-10:1之间，质地密实，耐磨性能好、硬度高、抗崩损性能好，能够满足行业的要求，具有较好的应用前景。本发明的碳氮化钛晶体材料原料廉价、工艺简单，将其用于制备切削工具、耐磨零件的烧结体以及涂层材料中，适于大规模工业化运用，实用性强。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。