一种熔盐法合成碳氮钨钛固溶体及制备增韧碳氮化钛金属陶瓷的方法与流程

本发明属于金属陶瓷材料制备领域，具体涉及一种熔盐法合成碳氮钨钛固溶体及制备增韧碳氮化钛金属陶瓷的方法。

背景技术：

1、近年来，由于碳氮化钛基金属陶瓷具有高熔点，高硬度，低摩擦磨损特性，在制备金属陶瓷、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，碳氮化钛基金属陶瓷以其高硬度，高耐磨性成为替代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，因此，研发高纯度，质量稳定可控，性能优异的碳氮化钛基金属陶瓷具有较大的价值。

2、由于利用碳化钨、碳化钽、碳化钼、碳化铌等增强的碳氮化钛金属陶瓷具有高硬度、耐腐蚀、耐磨损、抗氧化性强等诸多优点。因而，广泛应用于高速切削刀具、磨具等领域。其制造成本只有硬质合金材料的35％～55％。目前碳氮化钛金属陶瓷块体产品主要是将预制的碳氮化钛、金属碳化物和粘接相金属混合磨细，然后通过高温煅烧而成。该种方法也是目前工业中应用最广的生产方法。

3、然而相比硬质合金的高韧性(9mpa·m1/2～16mpa·m1/2)，碳氮化钛金属陶瓷的断裂韧性仅有6mpa·m1/2～9mpa·m1/2，所以提高碳氮化钛基金属陶瓷的韧性是该领域的主要研究方向。目前常用的方法就是增加一些金属碳化物来增加该种金属陶瓷的力学性能。例如周书助等发明的“纳米wc-co复合粉改性的ti(cn)基金属陶瓷及其制备方法”(申请公布号cn 100569978 c)中制备的金属陶瓷抗弯强度达2210mpa，断裂韧性达到11.09mpa·m1/2。在增加这些物质后材料会形成芯-壳结构，该种方法改善了金属粘接相与碳氮化钛的润湿性来提高各相之间的结合程度。但是这样的处理方法又带来了大量的相界面，这些相界面虽然比直接与金属相直接接触力学性能要好，但是大量的晶界相仍然限制着材料的力学性能。改善不同相之间的结合方式将能够提高材料的综合力学性能。近些年来人们开始着重于添加不同结构的微尺度的物质来对材料进行增韧，其本质是改变了材料的内部应力变化的动力学过程，同时一些具有特殊结构的微尺度材料本身也具有十分优异的力学性能。株洲工学院科技开发部的丁燕鸿发明的“sic晶须增韧碳氮化钛基金属陶瓷切削刀片及其制备方法”(申请公布号cn 101092304 a)中就是用了碳化硅晶须作为增韧相进行增韧，获得了抗弯强度为1590mpa～1620mpa，断裂韧性为13.2mpa·m1/2～14.2mpa·m1/2。山东大学的刘含莲等发明的“氮化硼纳米管增强碳氮化钛基金属陶瓷刀具材料的制备方法”(申请公布号cn 103952650 a)中利用氮化硼纳米管来改善碳氮化钛金属陶瓷的力学性能，获得了抗弯强度达1785mpa、断裂韧性为5.86mpa·m1/2。所以对传统的添加物进行改性是目前的主流研究方向，这些研究都是材料本身微结构与传统材料不同从而达到提高力学性能的目的。但是无论是一些晶须材料还是纳米管、纳米球等材料的制备都比传统的添加相成本要高出许多。

4、因此，需要一种低成本，且能够与碳氮化钛均有很好的相互扩散性，以改善碳氮化钛金属陶瓷的力学性能的物质以及该物质的制备方法，是目前急需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明是要解决现有改善碳氮化钛金属陶瓷性能的钛钨碳固溶体新制备方法，增韧碳氮化钛金属陶瓷。而利用成本较低的熔盐法方法来合成需要的新型添加物，从化学键键能和结合能角度改善碳氮化钛金属陶瓷的力学性能。

2、作为本发明的一个方面，本发明提供一种熔盐法合成碳氮钨钛固溶体的制备方法，其包括以下步骤，称料：按质量分数计，将47％ tio2粉、33％碳黑粉、20％wo3粉放入混料机中，再按上述粉体总质量的9％的称量nacl与na2co3混合粉放入混料机中，进行混料；所述的nacl与na2co3的质量比为20：1；煅烧：放入真空烧结炉中在1350℃下煅烧1h，降温后得到碳氮钨钛固溶体；煅烧是氮气气氛下进行的，所述的通入的氮气为1.3pa氮气流。

3、优选的，煅烧时升温速率为10℃/min。tio2粉的粒径≤5μm；wo3粉的粒径≤5μm。

4、本发明提供一种碳氮钨钛固溶体。

5、本发明提供一种碳氮钨钛固溶体增韧碳氮化钛金属陶瓷的方法，其包括以下步骤，

6、混料：按质量分数计，将20％～50％碳氮钨钛固溶体粉、20％～45％的碳氮化钛、5％～20％的wc、5～10％ mo2c、20％ ni粉和乙醇加入到搅拌磨中，使固含量达到60wt％；再分别加入占混合粉体原料质量1％～3％的分散剂以及占混合粉体原料质量1％～3％的粘接剂，然后搅拌20h～40h，搅拌时球料质量比为20:1；

7、造粒：将上一步搅拌后的浆料进行造粒，对干燥后的颗粒进行过筛，选取粒径为10μm～40μm的颗粒进行下一步操作；

8、成型：将筛选后粉体放入模具中在150mpa的压力下预压成型，脱模；

9、烧结：将成型后的坯体放入真空烧结炉中，烧结制成样品。

10、优选的，碳氮化钛的粒径≤7μm；wc的粒径为1.88μm；mo2c的粒径为1.9μm；ni粉的粒径为4.2μm。

11、优选的，造粒条件为：进口温度为220℃，出口温度为112℃，进料速率为5kg/h。

12、优选的，在低于0.1pa真空下、700℃的条件下保温30min，然后再在温度为1300℃～1500℃的条件下烧结1h～3h。

13、优选的，所述的分散剂为聚乙二醇；粘接剂为聚乙烯醇。

14、本发明提供一种碳氮化钛金属陶瓷，硬度可达到14gpa，抗弯强度可达到1800mpa，断裂韧性可达到13.5mpa·m1/2。

15、本发明包含以下有益效果：

16、本发明利用熔盐法合成了一种不同的碳氮钨钛固溶体粉并利用不同比例的固溶体粉添加进碳氮化钛金属陶瓷原料中。对于传统的碳氮钨钛固溶体粉的制备需要在1450℃以上烧结3h才能保证反应完全，制备的粉体才能具有较低的氧含量。而本发明中所采用的熔盐法制备的碳氮钨钛固溶体粉只需在1350℃下烧结1h就可以得到同样的性质的粉体。并利用该粉体制备了具有不同力学性质的ti(c,n)-(ti,w)(c,n)-wc-mo2c-ni复合金属陶瓷。所制备的复合金属陶瓷具有较好的力学性能。

技术特征：

1.一种熔盐法合成碳氮钨钛固溶体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

2.根据权利要求1所述的熔盐法合成碳氮钨钛固溶体的制备方法，其特征在于：煅烧时升温速率为10℃/min，tio2粉的粒径≤5μm；wo3粉的粒径≤5μm。

3.权利要求1-2任一项所述的制备方法获得的碳氮钨钛固溶体。

4.用权利要求3所述的碳氮钨钛固溶体增韧碳氮化钛金属陶瓷的方法，其特征在于：包括以下步骤，

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：碳氮化钛的粒径≤7μm；wc的粒径为1.88μm；mo2c的粒径为1.9μm；ni粉的粒径为4.2μm。

6.根据权利要求4所述的采用碳氮钨钛固溶体增韧碳氮化钛金属陶瓷的方法，其特征在于：造粒条件为：进口温度为220℃，出口温度为112℃，进料速率为5kg/h。

7.根据权利要求4所述的采用碳氮钨钛固溶体增韧碳氮化钛金属陶瓷的方法，其特征在于：在低于0.1pa真空下、700℃的条件下保温30min，然后再在温度为1300℃～1500℃的条件下烧结1h～3h。

8.根据权利要求4-7任一项所述的采用碳氮钨钛固溶体增韧碳氮化钛金属陶瓷的方法，其特征在于：所述的分散剂为聚乙二醇；粘接剂为聚乙烯醇。

9.权利要求4-9任一项所述的制备方法获得的碳氮化钛金属陶瓷。

技术总结本发明提供一种熔盐法合成碳氮钨钛固溶体及制备增韧碳氮化钛金属陶瓷的方法，涉及金属陶瓷材料制备领域，本发明采用NaCl与Na2CO3混合熔盐在1350℃下，氮气气氛1h煅烧TiO2、WO3、碳黑组成的原料粉体，合成了钛钨碳固溶体，制备出的金属陶瓷材料硬度为10.7～17.1GPa，断裂韧性为5.8～14.25MPa·m1/2，抗弯强度为600‑1800MPa。本发明应用于金属陶瓷领域，将这几种不同的固溶体加入碳氮化钛金属陶瓷中，增韧碳氮化钛金属陶瓷，改善碳氮化钛金属陶瓷性能的钛钨碳固溶体新制备方法。本发明研究中对几种不同的样品进行比对，发现过多的钛钨碳固溶体和过少的均不利于断裂韧性的提高，我们发现在在34％的质量比时最为合适。技术研发人员：杜勇,刘钰玲,张伟彬,刘孝飞受保护的技术使用者：苏州臻材科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/29