[发明专利]一种定向生长的碳氮化钛晶体、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种定向生长的碳氮化钛晶体、制备方法及其应用，属于金属陶瓷复合材料原料制造技术领域。该碳氮化钛晶体制备方法包括以下步骤：称取钛源、氮源、碳源混合均匀并在保护气氛围下进行煅烧取出冷却，之后再次进行高温煅烧，取出冷却即得定向生长的碳氮化钛晶体。通过上述方法制备的碳氮化钛晶体由于晶体的定向排列具有极高的抗崩损性和硬度，结构致密，可用于切削工具、耐磨零件的烧结体以及涂层材料中。

技术领域

本发明涉及一种定向生长的碳氮化钛晶体、制备方法及其应用，属于金属陶瓷复合材料原料制造技术领域。

背景技术

碳氮化钛基金属陶瓷作为一类钛系硬质合金，因其较钨钴硬质合金具有更高的红硬性，更好的抗氧化性和更强的耐磨性，被用于制造切削工具、耐磨零件的烧结体，并且因其优异的表面加工质量，常被应用于半精加工和精加工中。尽管碳氮化钛基金属陶瓷材料已经有长足发展，但对于具有断续切削特征的粗加工或矿山工具，金属陶瓷材料目前还未被广泛应用。究其原因，金属陶瓷材料作为切削工具，在抗崩损性方面始终无法与钨钴硬质合金媲美，最终导致金属陶瓷切削工具只能在半精加工和精加工中应用。

碳氮化钛基金属陶瓷内部主要由硬质陶瓷相和铁族金属(钴、镍)相构成，其中硬质陶瓷相含有数种晶粒抑制或强化成分，导致金属陶瓷界面复杂。因此，现有技术中常常选择通过减小硬质陶瓷相粒径，调整金属相成分比例，或加入昂贵的稀土成分以期实现抗崩损性能提升。然而，因为不同于纯陶瓷组织，金属陶瓷内部存在较大浓度梯度，单纯减小硬质陶瓷相粒径，指数增长的硬质相表面积，需要金属相形成更大体积分数粘结相以提供烧结时的液相烧结和提高烧结体的韧性，更大体积分数的粘结相导致金属陶瓷的高温强度严重下降，并且调整金属相成分比例无法从根本上改善金属陶瓷的抗崩损性能。

目前，钨钴硬质合金虽已普遍用作削切工作的材料，但因其易发生电化学腐蚀形成原电池，存在无法长时间使用的缺点，所以制备一种抗崩损性强、成本低、耐磨、化学性质稳定的碳氮化钛基金属陶瓷在粗加工或矿山工具制造中具有深远意义。

发明内容

碳氮化钛是一种属于Fm3m空间群的离子键-共价键复合晶体，采用固相反应法合成时，如果原料中有足量的碳元素和氮元素，晶体优先形成面心立方(FCC) 晶格结构，对于碳氮化钛而言，低表面能的稳定结构倾向等轴晶型发育。并且在切削工具、耐磨零件的烧结体应用时，为保证材料的硬度和耐磨性，碳元素和氮元素必须是足量的，也就是说，传统的固相反应合成仅能合成具有等轴晶型的碳氮化钛晶体，而无法合成大长径比的碳氮化钛晶体。为解决上述技术问题，本发明提供一种可行性强、成本低的碳氮化钛晶体定向生长的制备方法，通过制备更大长径比的碳氮化钛晶体，在金属陶瓷内部形成局部短纤维增韧效果，以达到强化金属陶瓷抗崩损性能，提高断续切削能力的目的，其作为金属陶瓷器具的原材料，使制备的金属陶瓷器具有抗崩损性强、耐磨、化学性质稳定的特点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种定向生长的碳氮化钛晶体的制备方法，包括以下步骤：

(1)固相渗碳：称取原料混合均匀装入器皿，在保护气氛围下煅烧，取出冷却得固相碳氮化钛晶体；

(2)气相渗碳氮：将步骤(1)得到的固相碳氮化钛晶体在混合气氛围下煅烧，取出冷却并分级，得定向生长的碳氮化钛晶体。

进一步，所述原料按质量分数计，包括：钛源3.9-4.1份，碳源0.5-1份，氮源0.5-2份。

进一步，所述钛源包括钛粉、海绵钛粉或氢化钛粉中的一种或多种，碳源包括炭黑粉或石墨粉中的一种或多种，氮源包括尿素、甘氨酸或酰胺中的一种或多种。

进一步，所述混合为干法混合，混合时间为20-40h。

进一步，所述保护气体包括氩气、氦气或氖气中的一种或多种，所述混合气为碳源气体与氮源气体的混合气。