一種碳氮化鈦致密陶瓷的燒結(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)陶瓷制備領(lǐng)域，具體涉及一種碳氮化鈦致密陶瓷燒結(jié)制備新工藝的開(kāi)發(fā)優(yōu)化
【背景技術(shù)】
[0002]通過(guò)TiN摻CS卩可得到“零維”固溶體TiNC，TiNC為FCC型NaCl結(jié)構(gòu)，繼承了TiN的高硬度和TiC的高強(qiáng)度，以及高熔點(diǎn)、高耐蝕耐磨和高的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)良的非氧化物陶瓷材料。優(yōu)異的力學(xué)性能使其填補(bǔ)了傳統(tǒng)陶瓷與WC系硬質(zhì)合金之間的空白，被廣泛應(yīng)用于切削刀具、耐磨涂層、陶瓷結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域。
[0003]TiNC因具有高熔點(diǎn)，很難直接燒結(jié)致密，一般作為硬質(zhì)相用于金屬陶瓷燒結(jié)。傳統(tǒng)TiNC基金屬陶瓷一般添加Ni作為潤(rùn)濕相，添加Mo提高Ni在TiNC中的潤(rùn)濕性，從而燒結(jié)成型。但這類金屬陶瓷因添加相的引入而大大降低TiNC的內(nèi)稟特性，不利于廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在結(jié)合傳統(tǒng)TiNC體系燒結(jié)方法，提出一種新型低氣孔率、高收縮率、高致密度的TiNC致密陶瓷燒結(jié)制備工藝方法，此方法特征在與制備條件要求低、操作簡(jiǎn)單、陶瓷體致密度高。
[0005]上述目標(biāo)通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0006](I)化學(xué)包覆:將制備得到的TiN(1—X)CX粉體至于Fe(N03)2/Fe(N03)3溶液中，鐵鹽中Fe的含量為TiN(1-x)Cx的1.5?8wt%。機(jī)械攪拌24h后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)干燥，研磨過(guò)篩。
[0007](2)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā):將步驟(I)中處理后得到的TiN(1—x)Cx-Fe(N03)2/Fe(N03)3混合溶液置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中，70°C真空蒸發(fā)3?5h，干燥后過(guò)篩。
[0008](3)低溫還原:將步驟(2)中處理后得到的粉體裝入氧化鋁坩鍋，置于反應(yīng)氣氛爐中。通入氫氣，以5°C?15°C/min的升溫速度升至600?900°C，保溫2?5h。
[0009 ] (4)機(jī)械成型:將步驟(3)中處理后的粉體與I?5wt %的PVB混合造粒，在4?I OMPa壓力下壓制成型。
[0010](5)低溫排膠:將步驟(4)中壓制得到的粘接體置于石墨坩鍋中，使用TiN(1-x)Cx進(jìn)行埋粉，將坩鍋至于碳管爐中。打開(kāi)機(jī)械栗，抽真空達(dá)10—1Pa后以5°C?15°C/min的升溫速度升溫至400?600°C保溫0.5?2h進(jìn)行排膠處理。
[0011](6)高溫?zé)Y(jié):步驟(5)排膠處理完成后，關(guān)閉機(jī)械栗，通入流動(dòng)氬氣保護(hù)，以5°C?15 0C /min的升溫速度升溫至1600?2000 V，保溫I?6h。
[0012]與傳統(tǒng)TiNC燒結(jié)方法相比，本方法操作簡(jiǎn)單，成本低，實(shí)驗(yàn)條件要求低，可重復(fù)性高；與未經(jīng)Fe包覆處理的TiNC系列陶瓷體相比，經(jīng)過(guò)Fe包覆的TiNC陶瓷體致密度顯著提高。具體見(jiàn)附圖3、5。
[0013]與傳統(tǒng)TiNC燒結(jié)方法相比，本方法通過(guò)化學(xué)法包覆Fe使得TiNC表面活化，引入液相燒結(jié)機(jī)制，且Fe與TiNC中C形成晶界富集穩(wěn)定相Fe3C,降低了TiNC燒結(jié)活化能，促進(jìn)燒結(jié)致密化。具體見(jiàn)圖4。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為TiNC致密燒結(jié)工藝簡(jiǎn)圖
[0015]圖2為TiNC系列陶瓷體的XRD，其中(a)實(shí)例I;(b)實(shí)例2; (C)實(shí)例3
[0016]圖3為TiNC系列陶瓷體斷面SEM，其中(A)實(shí)例I中Fe-TiN0.7C0.3; (a)實(shí)例I中TiN0.7C。.3; (B)實(shí)例2中Fe-TiN0.7C。.3; (b)實(shí)例2中TiN0.7C。.3; (C)實(shí)例3中Fe-TiN0.7C。.3; (C)實(shí)例3 中 TiN0.7C0.3
[0017]圖4為TiNC 系列陶瓷體斷面 EDS，其中(a)TiN0.7CQ.3(b)Fe-TiN().7C0.3
[0018]圖5為TiNC系列陶瓷體致密度及收縮率，其中(a)密度P(b)徑向收縮率(c)致密度Ap
【具體實(shí)施方式】
[0019]碳氮化鈦陶瓷材料燒結(jié)方法采用1^叫11)&(0<1<0.9)為基材，由于碳含量對(duì)燒結(jié)方法基本無(wú)影響，且不具工藝研究?jī)r(jià)值，因此實(shí)驗(yàn)實(shí)例采用TiNQ.7CQ.3為燒結(jié)基材。下面結(jié)合具體實(shí)例與上述附圖對(duì)
【發(fā)明內(nèi)容】
進(jìn)行詳細(xì)解釋說(shuō)明:
[0020]實(shí)例1:
(1)稱取6g制備得到的TiNQ.7CQ.3粉體，置于含0.39g Fe(NO3)3的水溶液中，機(jī)械攪拌
24h0
(2)將處理后的TiNQ.7C0.3-Fe(N03)3混合溶液至于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中，70°C真空蒸發(fā)3h，干燥后過(guò)篩。
(3)將(2)中處理的粉體裝入氧化鋁坩鍋，至于反應(yīng)氣氛爐中，通入氫氣，以5°C/min的升溫速度升至600 °C，保溫5h。
(4)將0.06g的PVB滴加到(3)步驟還原后得到的粉體中進(jìn)行混合造粒，在4MPa壓力下壓制成圓片型粘接體。
(5)將⑷中壓制得到的粘接體至于石墨坩鍋中，使用TiN0.7C0.3粉進(jìn)行埋粉。將坩鍋至于碳管爐中，打開(kāi)機(jī)械栗，抽真空達(dá)0.5 X 10—1Pa后以10°C/min的升溫速度升溫至400°C保溫
0.5h進(jìn)行排膠。
(6)排膠處理完成后，關(guān)閉機(jī)械栗，通入氬氣保護(hù)，以5°C/min的升溫速度升溫至1600°C，保溫Ih后記得TiNQ.7CQ.3陶瓷材料。
(7)將此工藝下燒結(jié)得到的TiNQ.7CQ.3陶瓷材料進(jìn)行致密度測(cè)試，SEM/EDS測(cè)試。可以看出未進(jìn)行任何處理的TiN0.7C0.3陶瓷體密度為3.481g/cm3，徑向收縮率僅1.74%，致密度為65.31% ;而進(jìn)行Fe包覆處理的Fe-TiNQ.7CQ.3陶瓷體密度為4.869g/cm3，徑向收縮率為9.56%，致密度達(dá) 91.35%。
[0021 ]實(shí)例2:
(1)稱取6g制備得到的TiN0.7C0.3粉體，至于含1.04gFe(NO3)3的水溶液中，機(jī)械攪拌
24h0
(2)將處理后的TiNQ.7C0.3-Fe(N03)2混合溶液至于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中，70°C真空蒸發(fā)4h，干燥后過(guò)篩。 (3)將(2)中處理的粉體裝入氧化鋁坩鍋，至于反應(yīng)氣氛爐中，通入氫氣，以10°C/min的升溫速度升至700°C，保溫3.5h。
(4)將0.12g的PVB滴加到(3)步驟還原后得到的粉體中進(jìn)行混合造粒，在6MPa壓力下壓制成圓片型粘接體。
(5)將⑷中壓制得到的粘接體至于石墨坩鍋中，使用TiN0.7C0.3粉進(jìn)行埋粉。將坩鍋至于碳管爐中，打開(kāi)機(jī)械栗，抽真空達(dá)0.5\10—中&后以15°(:/1^11的升溫速度升溫至500°(:保溫Ih進(jìn)行排膠。
(6)排膠處理完成后，關(guān)閉機(jī)械栗，通入流動(dòng)氬氣保護(hù)，以10°C/min的升溫速度升溫至1800°C，保溫 3h 后得 TiNtoC0.s/Fe-TiNtoC0.s 陶瓷體。
(7)將此工藝下燒結(jié)得到的TiNQ.7CQ.3陶瓷體進(jìn)行致密度測(cè)試，SEM/EDS測(cè)試?？梢钥闯鑫唇?jīng)過(guò)處理的TiN0.7C0.3陶瓷體密度為3.585g/cm3，徑向收縮率僅2.26%，致密度為68.55% ;而進(jìn)行Fe包覆處理的Fe-TiNQ.7CQ.3陶瓷體密度為5.018g/cm3，徑向收縮率為10.78%，致密度達(dá)95.95%。TiN0.70).3/Fe-TiN0.70).3陶瓷體致密度較實(shí)例I中陶瓷體有所提升，說(shuō)明燒結(jié)溫度和時(shí)間的提升有助于陶瓷體致密化。
[0022]實(shí)例3:
(1)稱取6g制備得到的TiN0.7C0.3粉體，至于含1.54g Fe(NO3)2的水溶液中，機(jī)械攪拌
24h0
(2)將處理后的TiNQ.7C0.3-Fe(N03)3混合溶液至于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中，70°C真空蒸發(fā)5h，干燥后過(guò)篩。
(3)將(2)中處理的粉體裝入氧化鋁坩鍋，至于反應(yīng)氣氛爐中，通入氫氣，以15°C/min的升溫速度升至900 °C，保溫2h。
(4)將0.3g的PVB滴加到(3)步驟還原后得到的粉體中進(jìn)行混合造粒，在1MPa壓力下壓制成圓片型粘接體。
(5)將⑷中壓制得到的粘接體至于石墨坩鍋中，使用TiN0.7C0.3粉進(jìn)行埋粉。將坩鍋至于碳管爐中，打開(kāi)機(jī)械栗，抽真空達(dá)0.5\10—中&后以20°(:/1^11的升溫速度升溫至600°(:保溫2h進(jìn)行排膠。
(6)排膠處理完成后，關(guān)閉機(jī)械栗，通入流動(dòng)氬氣保護(hù)，以15°C/min的升溫速度升溫至2000°C，保溫6h后得TiN0.70).3/Fe-TiN0.70).3陶瓷體。
(7)將此工藝下燒結(jié)得到的TiNQ.7CQ.3陶瓷體進(jìn)行致密度測(cè)試，SEM/EDS測(cè)試。可以看出未經(jīng)過(guò)任何處理的TiN0.7C0.3陶瓷體密度為3.626g/cm3，徑向收縮率為2.96%，致密度為72.09% ;而進(jìn)行Fe包覆處理的Fe-TiNQ.7CQ.3陶瓷體密度為5.025g/cm3，徑向收縮率達(dá)13.04%，致密度高達(dá)99.9%。1^().70).3/^-1^().70).3陶瓷體致密度較實(shí)例1、2中陶瓷體有所提升，說(shuō)明溫度和時(shí)間的提升有助于TiNC陶瓷體致密化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種碳氮化鈦致密陶瓷的燒結(jié)方法，其特征在于:采用TiNu-x)Cx以及鐵鹽為原料，TiN(1—X)CX中0<χ<1，通過(guò)化學(xué)法在TiN(1—X)CX粉體表面包覆一層鐵鹽，F(xiàn)e的含量為TiN(1—X)CX的1.5?8at % ；還原鐵鹽后，置于1600?2000°C氬氣氣氛下保溫?zé)Y(jié)，最終得到TiNC致密陶瓷體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟如下:(I)化學(xué)包覆:將的TiN(H)Cx粉體至于鐵鹽溶液中，鐵鹽中Fe的含量為TiN(1—X)CX的1.5?8at%;W械攪拌12-24h后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)干燥，研磨過(guò)篩； (2)低溫還原:將經(jīng)過(guò)步驟(I)處理后的粉體平鋪于氧化鋁坩鍋，置于反應(yīng)氣氛爐中，通入氫氣，以5?15 °C/min的升溫速度升溫至600?900 °C，保溫2?5h還原鐵鹽； (3)高溫?zé)Y(jié):將經(jīng)過(guò)步驟(2)還原后的粉體加入粘接劑后壓制成型，將壓制成型的粘接體埋入TiNC粉體內(nèi)，置于反應(yīng)氣氛爐中，通入流動(dòng)的氬氣，排膠后以5?15°C/min的升溫速度升高溫度至1600?2000°C，保溫I?6h。3.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的方法，其特征在于:步驟(I)中鐵鹽為Fe(NO3)2或Fe(N03)3。4.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的方法，其特征在于:步驟(3)中使用粘接劑為石蠟、PVB或者PVA，加入量為TiNC粉體的I?5wt %。5.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的方法，步驟(3)中其特征在于:排膠溫度400?600°C，時(shí)間.0.5?2h.
【專利摘要】一種碳氮化鈦致密陶瓷的燒結(jié)方法屬于無(wú)機(jī)陶瓷體制備領(lǐng)域。采用制備得到的TiN(1-x)Cx為基材，本發(fā)明通過(guò)化學(xué)法在TiN(1-x)Cx粉體表面包覆一層微量鐵源，將處理后的粉體置于1600～2000℃氬氣氣氛下保溫?zé)Y(jié)，最終得到氣孔率少，徑向收縮率達(dá)13％，致密度高達(dá)99％的TiNC陶瓷體。本方法工藝簡(jiǎn)單，制備出的陶瓷體致密度高。
【IPC分類】C04B35/58, C04B35/65, C04B35/56, C04B35/628, C04B35/64
【公開(kāi)號(hào)】CN105565818
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510999877
【發(fā)明人】王群, 洪祥云, 李永卿, 王澈
【申請(qǐng)人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年5月11日
【申請(qǐng)日】2015年12月27日