[发明专利]一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的制备

说明书

一种超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的合成及应用，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，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12‑23%，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。

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。该类金属陶瓷通常以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，它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)基金属陶瓷的合成及应用，以便更好的满足Ti(C,N)基金属陶瓷在超细/纳米硬质合金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)基复合材料在粒度、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)基金属陶瓷的制备方法包括以下步骤：

a、按不同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，混合、干燥；

b、将步骤a所得原材料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12-23%，抗弯强度提高32-85%。

本发明所述制备超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的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%。

本发明所述的制备超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的方法中，制备复合材料的烧结工艺在流动的氮气条件下进行，烧结温度为1300-1500℃，保温时间为0.5-1h。

本发明所述的制备超细多元Ti(C,N)基金属陶瓷的方法中，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。