[发明专利]一种非化学计量比碳化钛与氮化铝、氮化钛复合材料

说明书

技术领域  本发明涉及硬质陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术  最常用的硬质合金主要成分是WC-Co，由于W、Co资源的匮乏，使得人们去寻求替代品。TiC具有与W相近的高硬度、耐磨性及耐热性等优异性能，在使用条件下与被加工材料的亲和力小，化学稳定性好，摩擦系数低，不易发生粘接磨损等特点，使得TiC类硬质合金材料在近年得到长足发展。但是，WC、TiC等化合物的高分解温度，使它们难以烧结，因此，一般情况下需加入一定比例的单质金属元素促进烧结，并增加必要的韧性。而促进烧结的单质元素一般为Co、Ni等，不仅没有减少稀缺资源的使用，并且降低了TiC的高硬度、高温稳定性及耐热性等性能。人们在应用TiC作为新型硬质合金主要成分时不得不考虑使用硬质陶瓷材料做同样的工作。陶瓷材料所固有的脆性又使其应用受到极大的限制。因此，如何在保持其优异性能的基础上，降低烧结温度，提高韧性，达到可靠应用的基本要求，就成为该领域研究人员所面临的共同课题。对于提高陶瓷材料韧性的研究方面，采取的主要措施包括采用纳米尺寸颗粒材料[1.黄传真等，一种微米-纳米多尺度复合陶瓷刀具材料及其制备工艺，山东大学，CN103011779A，2012.12.9]，通过工艺控制获得细晶粒度[2.史洪林等，高密度亚微细晶粒金属陶瓷，牡丹江工具有限责任公司，CN102505092A，2012.6.20]，通过添加形成应力诱发相变增韧材料的方法[3.刘维民等，一种氧化铝-碳化钛-氧化锆纳米复合陶瓷材料的制备方法，山东大学，CN101857438A，2010.10.3]，以及通过反应烧结提高韧性的方法[4.黄传真等，热压烧结TiB₂-TiC-WC超硬材料及制备方法，山东大学，CN101941843A，2011.1.12]。这些方法在一定程度上改善了这类材料的韧性，降低了烧结温度，但还与要求存在一定的距离。在组分中都存在添加单质材料的问题，如W、Ni、Mo等，这在一定程度上影响了这类材料的广泛使用。中国专利201110352108.3“一种非化学计量比氮化钛与氮化铝复合材料的制备方法”，在制备方面提供了重要方法，并且制备的纳米复合材料硬度、强度和断裂韧性分别达到16.5～20.4GPa、309.8～681.0MPa和9.33～12.57MPam^1/2，在一定程度上降低了烧结温度（1400-1700℃），但是由于只能限制在SPS烧结机进行烧结，而且烧结温度还较高，影响了烧结体的强度和断裂韧性的提高，另外烧结体中主要是生成了大量的TiCN，对烧结体性能及烧结温度产生影响。

发明内容  本发明的目的在于提供一种不含有单质元素、烧结温度低、具有高硬度、高耐磨性、抗氧化性和韧性好的非化学计量比碳化钛与氮化铝、氮化钛复合材料。本发明主要是以非化学计量比的碳化钛（TiC_X）为基本原料，与氮化铝、氮化钛粉末混合，通过热压烧结制备非化学计量比碳化钛（TiC_X）-氮化铝（AlN）、氮化钛（TiN）复合材料烧结体。

本发明的非化学计量比碳化钛与氮化铝、氮化钛复合材料的化学成分质量百分比为：非化学计量比碳化钛（TiC_X，0.3≤X≤0.6）为60-85%，余量为纯度99.0%氮化铝（AlN），或纯度为99.0%的氮化钛（TiN），或氮化铝、氮化钛二种化合物的混合物，这二种化合物的混合物中的氮化铝和氮化钛的质量比为1-5：3-5。

上述非化学计量比碳化钛与氮化铝、氮化钛复合材料的制备方法如下：

1、复合粉体的制备

将上述原料在真空手套箱惰性气体环境下装入球磨罐中，球料比为5:1；将球磨罐密封取出后，安装在高能球磨机上进行球磨,球磨机的转速为400-450r/min，球磨时间为4-5h，待球磨罐冷却后，将其取下放入真空手套箱中，在真空手套箱惰性气体环境下，将混合好的复合粉体取出；根据混合料的理论密度计算，称取粉体并装入石墨模具中，加上下两个压头密封并取出。

2、烧结

将上述装填好复合粉体的石墨模具置于热压烧结机（可以是等离子放电烧结机、真空热压烧结机）加热仓的施压轴压头之间，放好后关闭加热仓，抽真空至6×10^-3Pa-9×10^-3Pa，进行烧结，烧结温度：1300-1600℃，保温时间：30-60min，升温速度：30℃/min；压头压力：50MPa；保温完成后，自然冷却至1000℃以下泄压，自然冷却至300℃以下停止抽真空；自然冷却至60℃以下，解除真空，打开加热仓，取出烧结体。