鈦基金屬碳化物及其制備方法
【專利摘要】本發明涉鈦基金屬碳化物及其制備方法，屬于陶瓷領域。本發明提供一種鈦基金屬碳化物，其特征在于，其相結構為單一立方相，純度≥99％。本發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相。
【專利說明】鈦基金屬碳化物及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉鈦基金屬碳化物及其制備方法，屬于陶瓷領域。
【背景技術】
[0002] 碳化鈦基金屬陶瓷具有良好的硬度、熱傳導性，與金屬間的摩擦系數低等優點，傳 統碳化鈦基金屬陶瓷中常用的粘結相為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性能。但是與WC 系硬質合金相比，碳化鈦基金屬陶瓷的強韌性明顯不足，限制了其應用范圍。其主要原因 是碳化鈦基金屬陶瓷在燒結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環形結構，從而在芯環形相界面處會因晶格參數和晶格類型不同引起殘余應 力，在晶格錯配的區域裂紋非常容易萌生與擴展，使得力學性能惡化。為了解決這一問題， 國內外學者致力于制備（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 質合金可以較好地弱化傳統碳化鈦金屬陶瓷在燒結過程的芯環相晶格錯配的問題，大幅度 提1?材料的初性。
[0003] 目前，現有的（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，與石墨粉經混粉、壓制、燒結等傳統碳熱還原工藝制備，該類方法工藝流程 多，生產周期長，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。
【發明內容】
[0004] 本發明針對上述制備（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相。
[0005] 本發明所解決的第一個技術問題是提供一種鈦基金屬碳化物，其相結構為單一立 方相，純度> 99%。
[0006] 進一步，本發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] 優選的，步驟c中將鈦粉、金屬粉和鑰粉在非自耗真空熔煉設備內用電弧加熱熔 煉成鈦基金屬碳化物。
[0015] 優選的，所述步驟c真空熔煉的方法為：將真空熔煉設備抽真空至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，每個試樣經過反復翻轉熔煉3?5次；熔煉后冷卻 到室溫取出。
[0016] 更優選的，所述步驟C為，將真空熔煉設備抽真空至5X l(T3Pa，充入純度高于 99. 9%氬氣洗真空室，反復至少三次；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 過反復翻轉熔煉3?5次；熔煉后冷卻到室溫到室溫取出。
[0017] 本發明的有益效果：
[0018] 本發明將金屬粉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 內直接形成（TihM x)C碳化物。本發明所得的（TihM^C碳化物純度高，相成分單一，生產工 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（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] 本發明所解決的第一個技術問題是提供一種鈦基金屬碳化物，其相結構為單一立 方相，純度> 99%。
[0023] 進一步，本發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] 本發明選擇上述金屬Μ的優點為：1)可明顯改善與常用粘結相Ni或Co的潤濕性， 提高（TihMjC基金屬陶瓷的致密度；2)在金屬陶瓷的高溫燒結過程中，傳統碳化鈦金屬陶 瓷中的芯環相結構消失或芯環相晶格類型相同，晶胞參數相似，殘余應力明顯降低。
[0025] 本發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，增加生產成本。
[0030] 優選的，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動力學過程；球料比過大時加入料 筒內的原料勢必減小，生產率下降。
[0032] 優選的，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過程 的動力學，降低反應速率。
[0033] 優選的，步驟c中將鈦粉、金屬粉和鑰粉在非自耗真空熔煉設備內用電弧加熱熔 煉成鈦基金屬碳化物。
[0034] 優選的，所述步驟c真空熔煉的方法為：將真空熔煉設備抽真空至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，每個試樣經過反復翻轉熔煉3?5次；熔煉后冷卻 到室溫取出。
[0035] 更優選的，所述步驟c為，將真空熔煉設備抽真空至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，每個試樣經過反 復翻轉熔煉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] 下面結合實施例對本發明的【具體實施方式】做進一步的描述，并不因此將本發明限 制在所述的實施例范圍之內。
[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：將真空熔煉設備抽真空至5Xl(T 3Pa，充入高純氬氣（高于 99. 9%)洗真空室，反復三次；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，每個試樣經過反復翻 轉熔煉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采用本發明方法制備的（TiuMouWc^C復式碳化物
[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采用本發明方法制備的（"^.，。^，、^(:復式碳化物
[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。
【權利要求】
1. 鈦基金屬碳化物，其特征在于，其相結構為單一立方相，純度> 99%。
2. 根據權利要求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境下熔煉得鈦基金屬碳化物。
4. 根據權利要求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. 根據權利要求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. 根據權利要求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. 根據權利要求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備內用電弧加熱熔煉得鈦基金 屬碳化物。
8. 根據權利要求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，每個試樣經過反復翻轉熔煉3?5次；熔煉后冷卻到室溫取出。
9. 根據權利要求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 優先權日:2014年9月12日
【發明者】龐立娟, 方民憲, 張雪峰, 鄧剛, 肖洪, 易飛, 杜剛 申請人:攀枝花學院