鈦基金屬碳化物及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉鈦基金屬碳化物及其制備方法，屬于陶瓷領(lǐng)域。本發(fā)明提供一種鈦基金屬碳化物，其特征在于，其相結(jié)構(gòu)為單一立方相，純度≥99％。本發(fā)明所得鈦基金屬碳化物純度高，相成分單一，可作為新型碳化鈦基金屬陶瓷的基體原料、其它金屬陶瓷材料的輔助原料或在其他材料中作為添加硬質(zhì)相。
【專利說明】鈦基金屬碳化物及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉鈦基金屬碳化物及其制備方法，屬于陶瓷領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 碳化鈦基金屬陶瓷具有良好的硬度、熱傳導(dǎo)性，與金屬間的摩擦系數(shù)低等優(yōu)點，傳 統(tǒng)碳化鈦基金屬陶瓷中常用的粘結(jié)相為Ni或Co相，但其與碳化鈦的潤濕性較差，通常需要 添加金屬Mo來改善潤濕性，可極大提高碳化鈦基金屬陶瓷的致密度及力學(xué)性能。但是與WC 系硬質(zhì)合金相比，碳化鈦基金屬陶瓷的強韌性明顯不足，限制了其應(yīng)用范圍。其主要原因 是碳化鈦基金屬陶瓷在燒結(jié)過程中通過擴散和溶解-析出機制以碳化鈦為核心，在其周圍 形成（Ti，M)C環(huán)形結(jié)構(gòu)，從而在芯環(huán)形相界面處會因晶格參數(shù)和晶格類型不同引起殘余應(yīng) 力，在晶格錯配的區(qū)域裂紋非常容易萌生與擴展，使得力學(xué)性能惡化。為了解決這一問題， 國內(nèi)外學(xué)者致力于制備（Ti，M)C碳化物（鈦基金屬碳化物），使用該類碳化物為基體的硬 質(zhì)合金可以較好地弱化傳統(tǒng)碳化鈦金屬陶瓷在燒結(jié)過程的芯環(huán)相晶格錯配的問題，大幅度 提1?材料的初性。
[0003] 目前，現(xiàn)有的（Ti，M) C碳化物的制備方法大多以氧化物為原料，例如氧化鈦、氧化 鎢、氧化鑰等，與石墨粉經(jīng)混粉、壓制、燒結(jié)等傳統(tǒng)碳熱還原工藝制備，該類方法工藝流程 多，生產(chǎn)周期長，原料中本身含氧且制備過程中易于引入氧，從而惡化材料性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對上述制備（Ti，M) C碳化物的缺點，提供一種新的鈦基金屬碳化物，所 得鈦基金屬碳化物純度高，相成分單一，可作為新型碳化鈦基金屬陶瓷的基體原料、其它金 屬陶瓷材料的輔助原料或在其他材料中作為添加硬質(zhì)相。
[0005] 本發(fā)明所解決的第一個技術(shù)問題是提供一種鈦基金屬碳化物，其相結(jié)構(gòu)為單一立 方相，純度> 99%。
[0006] 進一步，本發(fā)明的鈦基金屬碳化物以（TDJC表示，其中，Μ為Mo, W，Zr，Cr，Ta， V或Sc中的至少一種，0. 1 < x < 1。
[0007] 本發(fā)明要解決的第二個問題是提供鈦基金屬碳化物的制備方法，其方法包括如下 步驟：
[0008] a混料：將鈦粉、金屬粉Μ和石墨粉按摩爾比：Ti :M:C = 0.01?0.99 :0.01? 0· 99 :0· 5?1. 10的比例混勻得混合料；其中，Μ為Mo, W，Zr，Cr，Ta，V或Sc中的至少一 種；
[0009] b壓制成型：在20?50MPa的壓力下，將混合料壓制成混料述；
[0010] c真空熔煉：將步驟b所得混料坯熔煉得鈦基金屬碳化物。
[0011] 優(yōu)選的，步驟a采用球磨混料方式將鈦粉、金屬粉和石墨粉混勻。
[0012] 更優(yōu)選的，步驟a采用行星式球磨機，球料比為9. 8?10. 2 : 1，時間為2?6h。
[0013] 優(yōu)選的，步驟a中，鈦粉、金屬粉Μ和石墨粉的純度均彡99. 5 %，鈦粉粒度 < 0. 03mm，金屬粉粒度< 0. 05mm，石墨粉粒度< 0. 030mm。
[0014] 優(yōu)選的，步驟c中將鈦粉、金屬粉和鑰粉在非自耗真空熔煉設(shè)備內(nèi)用電弧加熱熔 煉成鈦基金屬碳化物。
[0015] 優(yōu)選的，所述步驟c真空熔煉的方法為：將真空熔煉設(shè)備抽真空至5 X l(T3Pa，充入 純度高于99. 9 %氬氣洗真空室，反復(fù)至少三次；再次抽真空至5 X l(T3Pa，向真空室通入氬 氣至壓力達0. IPa ;引燃電弧熔煉合金，每個試樣經(jīng)過反復(fù)翻轉(zhuǎn)熔煉3?5次；熔煉后冷卻 到室溫取出。
[0016] 更優(yōu)選的，所述步驟C為，將真空熔煉設(shè)備抽真空至5X l(T3Pa，充入純度高于 99. 9%氬氣洗真空室，反復(fù)至少三次；再次啟動機械泵抽真空至IX K^Pa左右，打開擴散 泵抽真空至5Xl(T3Pa，向真空室通入氬氣至壓力達0. IPa ;引燃電弧熔煉合金，每個試樣經(jīng) 過反復(fù)翻轉(zhuǎn)熔煉3?5次；熔煉后冷卻到室溫到室溫取出。
[0017] 本發(fā)明的有益效果：
[0018] 本發(fā)明將金屬粉M、鈦粉和石墨粉，以一定的配比混勻壓塊，在非自耗真空熔煉爐 內(nèi)直接形成（TihM x)C碳化物。本發(fā)明所得的（TihM^C碳化物純度高，相成分單一，生產(chǎn)工 藝簡單，成本低，可作為碳化鈦基和碳氮化鈦基金屬陶瓷的添加劑，也可作為開發(fā)（TihMj C基金屬陶瓷材料的基體原料或在其他材料中作為添加硬質(zhì)相。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1實施例1所得Tia 7M〇(l. 3C鈦基金屬碳化物的X射線衍射圖譜；
[0020] 圖2實施例2所得（TiuMcvAjC鈦基金屬碳化物的X射線衍射圖譜；
[0021] 圖3實施例3所得（TiuMcvA.JacJC鈦基金屬碳化物的X射線衍射圖譜。

【具體實施方式】
[0022] 本發(fā)明所解決的第一個技術(shù)問題是提供一種鈦基金屬碳化物，其相結(jié)構(gòu)為單一立 方相，純度> 99%。
[0023] 進一步，本發(fā)明的鈦基金屬碳化物以（TihMjC表示，其中，Μ為Mo, W，Zr，Cr，Ta， V或Sc中的至少一種，0. 1 < x < 1。
[0024] 本發(fā)明選擇上述金屬Μ的優(yōu)點為：1)可明顯改善與常用粘結(jié)相Ni或Co的潤濕性， 提高（TihMjC基金屬陶瓷的致密度；2)在金屬陶瓷的高溫?zé)Y(jié)過程中，傳統(tǒng)碳化鈦金屬陶 瓷中的芯環(huán)相結(jié)構(gòu)消失或芯環(huán)相晶格類型相同，晶胞參數(shù)相似，殘余應(yīng)力明顯降低。
[0025] 本發(fā)明要解決的第二個問題是提供鈦基金屬碳化物的制備方法，其方法包括如下 步驟：
[0026] a混料：將鈦粉、金屬粉Μ和石墨粉按摩爾比：Ti :M:C = 0.01?0.99 :0.01? 0· 99 :0· 5?1. 10的比例混勻得混合料；其中，Μ為Mo, W，Zr，Cr，Ta，V或Sc中的至少一 種；
[0027] b壓制成型：在20?50MPa的壓力下，將混合料壓制成混料述；
[0028] c真空熔煉：將步驟b所得混料坯熔煉得鈦基金屬碳化物。
[0029] 步驟b中何限定壓力為20?50MPa，如果壓力過小壓坯密實程度不足，在抽真空過 程中粉末極易被真空泵抽走，影響壓坯成分同時污染爐體；如果壓力過大，壓坯彈性后效增 大，易分層或開裂，同時對模具的要求提高，增加生產(chǎn)成本。
[0030] 優(yōu)選的，步驟a采用球磨混料方式將鈦粉、金屬粉和石墨粉混勻。
[0031] 更優(yōu)選的，步驟a采用行星式球磨機，球料比為9. 8?10. 2 : 1，時間為2?6h。 球料比過小，會造成原料粒度過大，影響熔煉過程中反應(yīng)動力學(xué)過程；球料比過大時加入料 筒內(nèi)的原料勢必減小，生產(chǎn)率下降。
[0032] 優(yōu)選的，步驟a中，鈦粉、金屬粉Μ和石墨粉的純度均彡99. 5 %，鈦粉粒度 < 0. 030mm，金屬粉粒度< 0. 05mm，石墨粉粒度< 0. 030mm。原料粒度過大會影響反應(yīng)過程 的動力學(xué)，降低反應(yīng)速率。
[0033] 優(yōu)選的，步驟c中將鈦粉、金屬粉和鑰粉在非自耗真空熔煉設(shè)備內(nèi)用電弧加熱熔 煉成鈦基金屬碳化物。
[0034] 優(yōu)選的，所述步驟c真空熔煉的方法為：將真空熔煉設(shè)備抽真空至5 X l(T3Pa，充入 純度高于99. 9 %氬氣洗真空室，反復(fù)至少三次；再次抽真空至5 X l(T3Pa，向真空室通入氬 氣至壓力達0. IPa ;引燃電弧熔煉合金，每個試樣經(jīng)過反復(fù)翻轉(zhuǎn)熔煉3?5次；熔煉后冷卻 到室溫取出。
[0035] 更優(yōu)選的，所述步驟c為，將真空熔煉設(shè)備抽真空至5 X l(T3Pa，充入高純氬氣（高 于99. 9% )洗真空室，反復(fù)三次；再次啟動機械泵抽真空至IX K^Pa左右，打開擴散泵抽 真空至5Xl(T3Pa，向真空室通入氬氣至壓力達0. IPa;引燃電弧熔煉合金，每個試樣經(jīng)過反 復(fù)翻轉(zhuǎn)熔煉3?5次；熔煉后冷卻到室溫到室溫取出。初始先用機械泵抽真空，其極限真空 度只能到1 X K^Pa，達到該值后可開擴散泵抽真空，而不能直接開擴散泵抽真空，此情況下 會使擴散泵油氧化，損傷機器。
[0036] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】做進一步的描述，并不因此將本發(fā)明限 制在所述的實施例范圍之內(nèi)。
[0037] 下述實施例中，鈦粉、金屬粉Μ和石墨粉的純度均彡99. 5%，鈦粉粒度< 0. 030mm， 金屬粉粒度< 〇. 〇5mm，石墨粉粒度< 0. 030mm。
[0038] 實施例1采用本發(fā)明方法制備的（Tia7Moa3)C碳化物
[0039] 將4. 509g鈦粉、3. 865g鑰粉以及1. 738g石墨粉在行星式球磨機上混合2h (球 料比為10 : 1)，然后在液壓機上于20MPa的壓力下壓制成型，取出壓塊放進真空電弧熔 煉爐中進行熔煉，熔煉過程為：將真空熔煉設(shè)備抽真空至5Xl(T 3Pa，充入高純氬氣（高于 99. 9%)洗真空室，反復(fù)三次；再次啟動機械泵抽真空至IX K^Pa左右，打開擴散泵抽真空 至5X l(T3Pa，向真空室通入氬氣至壓力達0. IPa ;引燃電弧熔煉合金，每個試樣經(jīng)過反復(fù)翻 轉(zhuǎn)熔煉3?5次；熔煉后冷卻到室溫取出得到（Tia7M〇a3)C碳化物。該實施例所得X射線 衍射圖譜見圖1所示。
[0040] 實施例2采用本發(fā)明方法制備的（TiuMouWc^C復(fù)式碳化物
[0041] 將2. 362g鈦粉、2. 835g鑰粉、3. 622g鎢粉及1. 181g石墨粉在行星式球磨機上混 合2h，然后在液壓機上于30MPa的壓力下壓制成型，取出壓塊放進真空電弧熔煉爐中進行 熔煉，熔煉過程同實施例1，材料在熔煉過程中翻轉(zhuǎn)3次，得到（TiuMc^AJC碳化物。該 實施例所得X射線衍射圖譜見圖2所示。
[0042] 實施例3采用本發(fā)明方法制備的（"^.，。^，、^(:復(fù)式碳化物
[0043] 將3. 659g鈦粉、1. 046g鑰粉、2. 004g鎢粉、1. 971g鉭粉及1. 320g石墨粉在行星式 球磨機上混合3h，然后在液壓機上于25MPa的壓力下壓制成型，取出壓塊放進真空電弧熔 煉爐中進行熔煉，材料在熔煉過程中翻轉(zhuǎn)5次，得到（Tia 7Μ〇α^ C碳化物。該實施例 所得的X射線衍射圖譜見圖3所示。
【權(quán)利要求】
1. 鈦基金屬碳化物，其特征在于，其相結(jié)構(gòu)為單一立方相，純度> 99%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦基金屬碳化物，其特征在于，其以（TihMjC表示，其中，Μ 為 Mo, W，Zr，Cr，Ta，V 或 Sc 中的至少一種，0· 1 < X < 1。
3. 權(quán)利要求1或2所述的鈦基金屬碳化物的制備方法，其特征在于，包括如下步驟： a混料：將鈦粉、金屬粉Μ和石墨粉按摩爾比：Ti : M : C = 0.01?0.99 : 0.01? 0. 99 : 0. 5?1. 10的比例混勻得混合料；其中，Μ為Mo, W，Zr，Cr，Ta，V或Sc中的至少一 種； b壓制成型：在20?50MPa的壓力下，將混合料壓制成混料述； c真空熔煉：將步驟b所得混料坯于真空環(huán)境下熔煉得鈦基金屬碳化物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的鈦基金屬碳化物的制備方法，其特征在于，步驟a采用球磨混 料方式將鈦粉、金屬粉和石墨粉混勻。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鈦基金屬碳化物的制備方法，其特征在于，步驟a采用行星式 球磨機，球料比為9. 8?10. 2 : 1，時間為2?6h。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3?5任一項所述的鈦基金屬碳化物的制備方法，其特征在于，步驟a 中，鈦粉、金屬粉Μ和石墨粉的純度均彡99. 5%，鈦粉粒度< 0. 03mm，金屬粉粒度< 0. 05mm， 石墨粉粒度< 〇. 〇30mm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3?6任一項所述的鈦基金屬碳化物的制備方法，其特征在于，所述真 空熔煉的方法為：將步驟b所得混料坯于非自耗真空熔煉設(shè)備內(nèi)用電弧加熱熔煉得鈦基金 屬碳化物。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的鈦基金屬碳化物的制備方法，其特征在于，所述步驟c真空熔 煉的方法為：將非自耗真空熔煉設(shè)備抽真空至5 X l(T3Pa，充入純度高于99. 9 %氬氣洗真空 室，至少反復(fù)洗三次；再次抽真空至5X l(T3Pa，向真空室通入氬氣至壓力達0. IPa ;引燃電 弧熔煉合金，每個試樣經(jīng)過反復(fù)翻轉(zhuǎn)熔煉3?5次；熔煉后冷卻到室溫取出。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的鈦基金屬碳化物的制備方法，其特征在于，所述步驟c真空熔 煉的方法為：用氬氣洗真空室后，先啟動機械泵抽真空至IX K^Pa左右，再打開擴散泵抽 真空至5 X 10_3Pa，然后向真空室通入氬氣至壓力達0. IPa。
【文檔編號】C22C1/10GK104195364SQ201410464984
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】龐立娟, 方民憲, 張雪峰, 鄧剛, 肖洪, 易飛, 杜剛 申請人:攀枝花學(xué)院