[发明专利]一种制备超细碳氮化钛的方法

说明书

技术领域

本发明属于金属陶瓷材料领域，涉及一种制备超细碳氮化钛的方法。

背景技术

近年来，由于Ti(C，N)基金属陶瓷具有良好的耐磨性、高热硬度、更好的抗氧化性和抗高温蠕变能，受到了人们越来越多的关注。另外，制作传统硬质合金的主要原料为WC和Co，它们都是稀缺的战略资源，而Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料的主要原料是Ti，Ti在地球上的贮量为W的70倍131，因此与传统硬质合金相比具有极大的成本和资源优势。但是，Ti(C，N)基金属陶瓷的强度和韧性却低于传统的WC—Co系硬质合金，严重限制了金属陶瓷的应用。如果我们能在不降低Ti(C，N)基金属陶瓷优良性能的情况下，提高它的强度和韧性，那么Ti(C，N)基金属陶瓷将成为传统WC-Co系硬质合金的良好替代切削材料。因此，根据Hall—Petch公式,利用超细粉来制备超细Ti(C，N)基金属陶瓷以提高材料的强韧性的研究越来越多，但目前现有制备TiCN粉体的技术不是原料成本高，设备复杂就是产品质量低，难以获得纯度高、粒度均匀的高质量超细TiCN粉体。

目前，制备TiCN粉体材料的方法包括：通过含碳硝化甘油在1100℃高温分解；利用纳米TiN和碳黑在1300℃的氩气流中反应；采用金属钠在600℃还原C₃N₃Cl₃和TiCl₄的混合物；联合使用溶胶凝胶技术和碳热还原技术（1550℃）；利用活性炭在900～1500℃的氮气中还原TiO₂；利用钛和碳在氮气中进行高温自蔓延反应；长时间在氮气中球磨TiO₂，石墨和铝粉。而现有制备TiCN粉体的方法都是一段反应，且原料成本高，设备复杂或者产品质量低，难以获得纯度高、粒度小、粒度分布均匀的高质量TiCN粉体。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明旨在提供一种制备超细碳氮化钛的方法，该方法的主要特点是采用有机碳源，在真空炉中快速的真空还原碳化，所制得的超细TiCN粉体材料纯度高、杂质少、粒度小于1微米，形貌为球形，粒度分布均匀，且成本低，工艺简单。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种制备超细碳氮化钛的方法，具体步骤为：

（1）将纳米TiO₂与有机碳源球磨混合，其中纳米TiO₂与有机碳源中所含C的质量比为10:1～4.8，然后冷压制成块料；

（2）将所述块料装入真空感应炉中，抽真空至炉内压力小于等于50Pa，然后以5℃/min-8℃/min的升温速度升温至300℃-800℃，保温0.5 h -3h；再升温至1000℃～1900℃，保温0.5 h～3h，保温过程中不断抽真空；

（3）第（2）步骤结束后，通入氮气，使炉内压力为1.1-1.2个大气压，继续在1000℃～1900℃下保温1 h～4h，使原料充分氮化，然后降温至150℃～350℃，取出块料，破碎、球磨、分级，得到费氏粒度小于1微米的碳氮化钛粉体材料。

步骤（1）所述纳米TiO₂优选的费氏粒度小于100纳米，TiO₂含量大于99%。

步骤（1）所述碳源的碳源选自聚乙烯醇、蔗糖、淀粉、酒石酸、草酸或葡萄糖。

步骤（1）所述纳米TiO₂与碳源中所含C的质量比优选为10:2～4。

优选步骤（2）中将所述块料装入真空感应炉中，抽真空至炉内压力小于等于50Pa，然后以5℃/min-8℃/min的升温速度升温至350℃-650℃，保温0.5 h -2h；再升温至1100℃～1700℃，保温0.5 h～2h。

步骤（2）的再升温的速率没有特殊要求，以3℃/min-8℃/min较佳。

步骤（3）所述氮气纯度优选大于99%。

下面对本发明做进一步解释和说明：

本发明的原理包括分解包覆、还原和氮化三个阶段：1是有机碳源的分解包覆，即将所述块料装入真空感应炉中，抽真空至炉内压力小于等于50Pa，然后以5℃/min-8℃/min的升温速度升温至300℃-800℃，保温0.5 h -3h。2是反应阶段，即再升温至1000℃～1900℃，保温0.5 h～3h，保温过程中不断抽真空。3是氮化阶段，即保温结束后停止抽真空，通入氮气，使炉内压力为1.1-1.2个大气压，保温1 h～4h，使原料充分氮化，然后降温至150℃～350℃，取出块料。