[发明专利]一种超细晶(Ti,Mo,W)(C,N)复合固溶体粉料的制备方法

说明书

本发明公开了一种超细晶(Ti,Mo,W)(C,N)复合固溶体粉料的制备方法。首先对超细TiO₂粉末进行分散处理，然后以分散处理后的TiO₂粉、石墨粉、二氰二胺、MoO₃粉、WO₃粉为主要原料，并添加少量Ni粉配制成混合料，经混料、干燥、过筛、压舟处理后，置于真空炉中进行还原和氮化，得到超细晶(Ti,Mo,W)(C,N)复合固溶体粉料。该方法制备的粉末颗粒细小、粒径分布均匀且N/C比可控，同时由于Mo、W合金元素的引入能有效提高所得复合固溶体的高温稳定性。该制备方法所用原料价格低廉、合成温度较低，无需消耗额外氮气气源，工艺简单，使成本大幅降低，适用于大批量工业生产。

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，尤其涉及一种超细晶(Ti,Mo,W)(C,N)复合固溶体粉料的制备方法，制备出的超细晶(Ti,Mo,W)(C,N)复合固溶体粉料可直接用于制备含氮金属陶瓷。

背景技术

Ti(C,N)基金属陶瓷是以(TiC+TiN)或Ti(C,N)固溶体为硬质相，以Ni/Co为粘结相并添加其它碳化物的一种多相复合材料，不但具有较高的强韧性，而且还具有红硬性高、耐磨性好、高温抗蠕变能力和抗氧化能力强、与金属间的摩擦系数低等一系列优点，使得金属陶瓷在刀具、模具、耐磨零部件、耐腐蚀器件等众多领域拥有广阔的应用前景。同时，金属陶瓷生产过程中所消耗的W、Co、Ta等贵重金属元素很少，密度只有硬质合金一半左右，已成为硬质合金的理想升级替代材料。

近年来，制备氮含量较高的Ti(C,N)基金属陶瓷已经成为世界各国金属陶瓷行业的一个主要发展趋势，因为提高N含量可改善Ti(C,N)陶瓷颗粒的塑性，抑制烧结过程中晶粒的长大，从而提高材料的硬度和强韧性，同时还可以提高材料的高温强度、高温硬度以及高温抗塑性变形能力，并改善材料的导热性和耐热冲击性能。然而，仅仅通过增加混合料中TiN的含量来提高金属陶瓷烧结体中的含氮量是很困难的，因为TiN会在高温烧结过程中发生明显的脱氮反应，使烧结体中的孔隙度急剧增加，从而恶化材料的性能。相对来说，Ti(C,N)固溶体的高温稳定性比TiN好，高温脱氮倾向没有TiN剧烈。但是，Ti(C,N)固溶体与金属陶瓷中的金属粘结相之间的润湿性较差，混合料中必须添加Mo、W等合金元素，以通过溶解析出机制在其表面形成一层较薄的(Ti,Mo,W)(C,N)环形相来改善硬质颗粒与金属液相之间的润湿性。而环形相的厚度和包覆完整程度受成分和工艺参数的影响较大，只有当环形相的厚度适中且包覆完整时，金属陶瓷才能获得较为均匀的显微组织和较好的综合性能。所以高氮含量Ti(C,N)基金属陶瓷的原料成分配方和烧结工艺参数的容限范围非常窄，生产过程中的微小偏差都可能会造成金属陶瓷性能的下降。

为了解决上述困难，有必要研发(Ti,Mo,W)(C,N)复合固溶体粉料。目前，国内外关于(Ti,Mo,W)(C,N)复合固溶体粉料制备的研究非常少。最近，S. Park等报道了“纳米晶(Ti,M₁,M₂)(CN)–Ni粉末的合成” （Synthesis of (Ti,M1,M2)(CN)–Ni nanocrystallinepowders. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 2006,Vol24, P115–121），将W、Mo、Nb等合金元素以相应氧化物的形式与TiO₂一起配制成混合料，通过机械合金化、碳热还原和高温氮化过程制备出一种富含合金元素的(Ti,M₁,M₂)(CN)复合固溶体粉末。这种方法制备的复合固溶体粉末既可以有效改善Ti(C,N)固溶体与粘结相之间的润湿性，又能避免环形相在烧结过程中难以控制的问题。但是，采用该方法在制备(Ti,M₁,M₂)(CN)复合固溶体粉末时，需要在高温阶段充入氮气并进行长时间的碳化和氮化处理，能量消耗大，同时还需要利用行星式高能球磨对原料进行细化和机械合金化处理，生产效率很低，很难用于大批量工业生产。