[发明专利]一种快速氮化生产碳氮化钛、氮化钛粉的方法

说明书

本发明公开了一种快速氮化生产碳氮化钛、氮化钛粉的方法，包括：步骤一：按照质量比为：二氧化钛粉:炭黑＝2.0～3.2:1称取原料；步骤二：将所述原料按固溶比3:7的比例单独研磨成粒径大小为45nm～90nm后混合均匀的料浆；步骤三：将所述料浆喷雾造粒干燥，使粉体物料粒径分布在9μm～53μm范围；步骤四：将干燥好的所述物料填装到反应炉中的反应器内，进行如下操作及参数设置：S1：调节反应炉内真空度不大于30Pa，升温至900℃～1000℃；S2：通入氮气，保持氮气进气分压为4kPa～6kPa，控制炉内压力在1～1.01个大气压；S3：升温至1300℃～1500℃，控制保温时间为10～60min；S4：关闭氮气，抽真空，使反应炉内真空度不大于30Pa，快速降温至室温。本发明通过参数的控制，生产高纯度的碳氮化钛、氮化钛粉。

技术领域

本发明涉及新材料制备领域，尤其涉及一种快速氮化生产碳氮化钛、氮化钛粉的方法。

背景技术

近年来，由于碳氮化钛、氮化钛基金属陶瓷具有高熔点，高硬度，低摩擦磨损特性，广泛应用于制备金属陶瓷、切削工具、熔炼金属用坩埚、熔盐电解金属用电极的衬里材料、电触点和金属表面的被覆材料等方面有较大的应用价值。尤其在切削刀具方面，碳氮化钛、氮化钛基金属陶瓷以其高硬度，高红硬性，耐磨性成为替代WC-Co硬质合金的材料。另外制作传统硬质合金的W和Co是国家的战略资源，在熔炼高温合金的坩埚、防弹材料、采掘盾构和导弹弹头等领域有重要价值，而且近五年来，W和Co的原料价格分别以每年近20％和100％的速度飞涨，且在金属切削加工中，碳氮化钛、氮化钛基金属陶瓷刀具能生成较高的自由焓，增加其抵抗切削瘤、起皮和陷穴的形成，在高速研磨粗加工、半加工工件的尺寸精度和加工表面质量都优于WC-Co硬质合金刀具所加工的工件。因此，在切削刀具领域，寻求替代材料成为一大趋势，但我国碳氮化钛、氮化钛基金属陶瓷的研发起步较晚，仅有少数厂商具备生产能力，产品的性能相较国外同类产品，也有较大差距。因此，研发高纯度，质量稳定可控，性能优异的碳氮化钛、氮化钛基金属陶瓷具有较大的价值。

但是，要制备出综合性能优良的碳氮化钛、氮化钛基金属陶瓷，关键之一就是要合成出高纯度、细粒度、粒度分布窄、性能稳定、烧结性能良好的碳氮化钛、氮化钛陶瓷粉末。高质量的粉末原料是获得高性能产品的先决条件，国内外制备碳氮化钛、氮化钛陶瓷粉末的方法主要集中在碳热还原法、化学气相沉积法、自蔓延高温合成法(SHS)、机械合金化(MA)、机械诱发自蔓延反应(MSR)、化学合成法等多种，其中，因自蔓延高温合成法(SHS)、机械合金化(MA)、机械诱发自蔓延反应(MSR)、化学合成法原料成本较高，杂质难以去除，设备复杂，产量较低，反应过程难以精确控制等原因，难以规模生产，例如，北京科技大学的曲选辉发明的“一种制备氮化钛陶瓷粉末的方法”(中国专利授权公告号CN 101462701 B)专利采用化学合成法无法规模生产，且设备要求高。碳热还原法制备的粉末在纯度、粒度和形貌、烧结性能等方面具有较大优势，该方法成本较低，适宜规模化生产。但传统碳热还原法制备氮化钛粉末通常采用将原料平铺在料舟上的方式通过开式碳管炉高温区来实现连续氮化生产，此方法虽然可以连续生产，但是生产的粉体氮化率低，容易引入氧杂质，设备占用空间大等，长沙伟徽高科技新材料股份有限公司的郭伟等发明的“一种制备超细碳氮化钛的方法”(中国专利公开号CN 103130506 A)专利通过压块氮化容易导致内部氮化率低造成粉体质量不均，碳源选择也很容易引入过多杂质；另外四川大学向道平等发明的“纳米晶氮碳化钛陶瓷超细粉的高温碳氮化制备法”(中国专利公开号CN 1935742 A)专利说明过于简单、且生产时间长，氮化率不均；重庆大学的汤爱涛等发明的“钛铁矿制备碳氮化钛粉C/N的控制方法”(中国专利公开号CN 102021462 A)专利虽然原料成本低，但产品杂质多且去除困难；此外，北京科技大学的王立等人发明的“利用流化床技术常压连续合成氮化硅粉末的方法”(中国专利授权号为CN 100351170C)通过设备改进进行碳热还原法，虽然也可以用来生产碳氮化钛、氮化钛，但是高温流化困难，需采购整套设备且制作技术难度高，且氮化时间短需重复氮化；因此，这些方法都有待进一步改善。

发明内容