一种碳氮化钛致密陶瓷的烧结方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无机陶瓷制备领域，具体涉及一种碳氮化钛致密陶瓷烧结制备新工艺的开发优化
【背景技术】
[0002]通过TiN掺CS卩可得到“零维”固溶体TiNC，TiNC为FCC型NaCl结构，继承了TiN的高硬度和TiC的高强度，以及高熔点、高耐蚀耐磨和高的化学稳定性等优点，是一种优良的非氧化物陶瓷材料。优异的力学性能使其填补了传统陶瓷与WC系硬质合金之间的空白，被广泛应用于切削刀具、耐磨涂层、陶瓷结构件等领域。
[0003]TiNC因具有高熔点，很难直接烧结致密，一般作为硬质相用于金属陶瓷烧结。传统TiNC基金属陶瓷一般添加Ni作为润湿相，添加Mo提高Ni在TiNC中的润湿性，从而烧结成型。但这类金属陶瓷因添加相的引入而大大降低TiNC的内禀特性，不利于广泛应用。
【发明内容】
[0004]本发明旨在结合传统TiNC体系烧结方法，提出一种新型低气孔率、高收缩率、高致密度的TiNC致密陶瓷烧结制备工艺方法，此方法特征在与制备条件要求低、操作简单、陶瓷体致密度高。
[0005]上述目标通过以下步骤实现:
[0006](I)化学包覆:将制备得到的TiN(1—X)CX粉体至于Fe(N03)2/Fe(N03)3溶液中，铁盐中Fe的含量为TiN(1-x)Cx的1.5?8wt%。机械搅拌24h后旋转蒸发干燥，研磨过筛。
[0007](2)旋转蒸发:将步骤(I)中处理后得到的TiN(1—x)Cx-Fe(N03)2/Fe(N03)3混合溶液置于旋转蒸发器中，70°C真空蒸发3?5h，干燥后过筛。
[0008](3)低温还原:将步骤(2)中处理后得到的粉体装入氧化铝坩锅，置于反应气氛炉中。通入氢气，以5°C?15°C/min的升温速度升至600?900°C，保温2?5h。
[0009 ] (4)机械成型:将步骤(3)中处理后的粉体与I?5wt %的PVB混合造粒，在4?I OMPa压力下压制成型。
[0010](5)低温排胶:将步骤(4)中压制得到的粘接体置于石墨坩锅中，使用TiN(1-x)Cx进行埋粉，将坩锅至于碳管炉中。打开机械栗，抽真空达10—1Pa后以5°C?15°C/min的升温速度升温至400?600°C保温0.5?2h进行排胶处理。
[0011](6)高温烧结:步骤(5)排胶处理完成后，关闭机械栗，通入流动氩气保护，以5°C?15 0C /min的升温速度升温至1600?2000 V，保温I?6h。
[0012]与传统TiNC烧结方法相比，本方法操作简单，成本低，实验条件要求低，可重复性高；与未经Fe包覆处理的TiNC系列陶瓷体相比，经过Fe包覆的TiNC陶瓷体致密度显著提高。具体见附图3、5。
[0013]与传统TiNC烧结方法相比，本方法通过化学法包覆Fe使得TiNC表面活化，引入液相烧结机制，且Fe与TiNC中C形成晶界富集稳定相Fe3C,降低了TiNC烧结活化能，促进烧结致密化。具体见图4。
【附图说明】
[0014]图1为TiNC致密烧结工艺简图
[0015]图2为TiNC系列陶瓷体的XRD，其中(a)实例I;(b)实例2; (C)实例3
[0016]图3为TiNC系列陶瓷体断面SEM，其中(A)实例I中Fe-TiN0.7C0.3; (a)实例I中TiN0.7C。.3; (B)实例2中Fe-TiN0.7C。.3; (b)实例2中TiN0.7C。.3; (C)实例3中Fe-TiN0.7C。.3; (C)实例3 中 TiN0.7C0.3
[0017]图4为TiNC 系列陶瓷体断面 EDS，其中(a)TiN0.7CQ.3(b)Fe-TiN().7C0.3
[0018]图5为TiNC系列陶瓷体致密度及收缩率，其中(a)密度P(b)径向收缩率(c)致密度Ap
【具体实施方式】
[0019]碳氮化钛陶瓷材料烧结方法采用1^叫11)&(0<1<0.9)为基材，由于碳含量对烧结方法基本无影响，且不具工艺研究价值，因此实验实例采用TiNQ.7CQ.3为烧结基材。下面结合具体实例与上述附图对
【发明内容】
进行详细解释说明:
[0020]实例1:
(1)称取6g制备得到的TiNQ.7CQ.3粉体，置于含0.39g Fe(NO3)3的水溶液中，机械搅拌
24h0
(2)将处理后的TiNQ.7C0.3-Fe(N03)3混合溶液至于旋转蒸发器中，70°C真空蒸发3h，干燥后过筛。
(3)将(2)中处理的粉体装入氧化铝坩锅，至于反应气氛炉中，通入氢气，以5°C/min的升温速度升至600 °C，保温5h。
(4)将0.06g的PVB滴加到(3)步骤还原后得到的粉体中进行混合造粒，在4MPa压力下压制成圆片型粘接体。
(5)将⑷中压制得到的粘接体至于石墨坩锅中，使用TiN0.7C0.3粉进行埋粉。将坩锅至于碳管炉中，打开机械栗，抽真空达0.5 X 10—1Pa后以10°C/min的升温速度升温至400°C保温
0.5h进行排胶。
(6)排胶处理完成后，关闭机械栗，通入氩气保护，以5°C/min的升温速度升温至1600°C，保温Ih后记得TiNQ.7CQ.3陶瓷材料。
(7)将此工艺下烧结得到的TiNQ.7CQ.3陶瓷材料进行致密度测试，SEM/EDS测试。可以看出未进行任何处理的TiN0.7C0.3陶瓷体密度为3.481g/cm3，径向收缩率仅1.74%，致密度为65.31% ;而进行Fe包覆处理的Fe-TiNQ.7CQ.3陶瓷体密度为4.869g/cm3，径向收缩率为9.56%，致密度达 91.35%。
[0021 ]实例2:
(1)称取6g制备得到的TiN0.7C0.3粉体，至于含1.04gFe(NO3)3的水溶液中，机械搅拌
24h0
(2)将处理后的TiNQ.7C0.3-Fe(N03)2混合溶液至于旋转蒸发器中，70°C真空蒸发4h，干燥后过筛。 (3)将(2)中处理的粉体装入氧化铝坩锅，至于反应气氛炉中，通入氢气，以10°C/min的升温速度升至700°C，保温3.5h。
(4)将0.12g的PVB滴加到(3)步骤还原后得到的粉体中进行混合造粒，在6MPa压力下压制成圆片型粘接体。
(5)将⑷中压制得到的粘接体至于石墨坩锅中，使用TiN0.7C0.3粉进行埋粉。将坩锅至于碳管炉中，打开机械栗，抽真空达0.5\10—中&后以15°(:/1^11的升温速度升温至500°(:保温Ih进行排胶。
(6)排胶处理完成后，关闭机械栗，通入流动氩气保护，以10°C/min的升温速度升温至1800°C，保温 3h 后得 TiNtoC0.s/Fe-TiNtoC0.s 陶瓷体。
(7)将此工艺下烧结得到的TiNQ.7CQ.3陶瓷体进行致密度测试，SEM/EDS测试。可以看出未经过处理的TiN0.7C0.3陶瓷体密度为3.585g/cm3，径向收缩率仅2.26%，致密度为68.55% ;而进行Fe包覆处理的Fe-TiNQ.7CQ.3陶瓷体密度为5.018g/cm3，径向收缩率为10.78%，致密度达95.95%。TiN0.70).3/Fe-TiN0.70).3陶瓷体致密度较实例I中陶瓷体有所提升，说明烧结温度和时间的提升有助于陶瓷体致密化。
[0022]实例3:
(1)称取6g制备得到的TiN0.7C0.3粉体，至于含1.54g Fe(NO3)2的水溶液中，机械搅拌
24h0
(2)将处理后的TiNQ.7C0.3-Fe(N03)3混合溶液至于旋转蒸发器中，70°C真空蒸发5h，干燥后过筛。
(3)将(2)中处理的粉体装入氧化铝坩锅，至于反应气氛炉中，通入氢气，以15°C/min的升温速度升至900 °C，保温2h。
(4)将0.3g的PVB滴加到(3)步骤还原后得到的粉体中进行混合造粒，在1MPa压力下压制成圆片型粘接体。
(5)将⑷中压制得到的粘接体至于石墨坩锅中，使用TiN0.7C0.3粉进行埋粉。将坩锅至于碳管炉中，打开机械栗，抽真空达0.5\10—中&后以20°(:/1^11的升温速度升温至600°(:保温2h进行排胶。
(6)排胶处理完成后，关闭机械栗，通入流动氩气保护，以15°C/min的升温速度升温至2000°C，保温6h后得TiN0.70).3/Fe-TiN0.70).3陶瓷体。
(7)将此工艺下烧结得到的TiNQ.7CQ.3陶瓷体进行致密度测试，SEM/EDS测试。可以看出未经过任何处理的TiN0.7C0.3陶瓷体密度为3.626g/cm3，径向收缩率为2.96%，致密度为72.09% ;而进行Fe包覆处理的Fe-TiNQ.7CQ.3陶瓷体密度为5.025g/cm3，径向收缩率达13.04%，致密度高达99.9%。1^().70).3/^-1^().70).3陶瓷体致密度较实例1、2中陶瓷体有所提升，说明温度和时间的提升有助于TiNC陶瓷体致密化。
【主权项】
1.一种碳氮化钛致密陶瓷的烧结方法，其特征在于:采用TiNu-x)Cx以及铁盐为原料，TiN(1—X)CX中0<χ<1，通过化学法在TiN(1—X)CX粉体表面包覆一层铁盐，Fe的含量为TiN(1—X)CX的1.5?8at % ；还原铁盐后，置于1600?2000°C氩气气氛下保温烧结，最终得到TiNC致密陶瓷体。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤如下:(I)化学包覆:将的TiN(H)Cx粉体至于铁盐溶液中，铁盐中Fe的含量为TiN(1—X)CX的1.5?8at%;W械搅拌12-24h后旋转蒸发干燥，研磨过筛； (2)低温还原:将经过步骤(I)处理后的粉体平铺于氧化铝坩锅，置于反应气氛炉中，通入氢气，以5?15 °C/min的升温速度升温至600?900 °C，保温2?5h还原铁盐； (3)高温烧结:将经过步骤(2)还原后的粉体加入粘接剂后压制成型，将压制成型的粘接体埋入TiNC粉体内，置于反应气氛炉中，通入流动的氩气，排胶后以5?15°C/min的升温速度升高温度至1600?2000°C，保温I?6h。3.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于:步骤(I)中铁盐为Fe(NO3)2或Fe(N03)3。4.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于:步骤(3)中使用粘接剂为石蜡、PVB或者PVA，加入量为TiNC粉体的I?5wt %。5.根据权利要求2中所述的方法，步骤(3)中其特征在于:排胶温度400?600°C，时间.0.5?2h.
【专利摘要】一种碳氮化钛致密陶瓷的烧结方法属于无机陶瓷体制备领域。采用制备得到的TiN(1-x)Cx为基材，本发明通过化学法在TiN(1-x)Cx粉体表面包覆一层微量铁源，将处理后的粉体置于1600～2000℃氩气气氛下保温烧结，最终得到气孔率少，径向收缩率达13％，致密度高达99％的TiNC陶瓷体。本方法工艺简单，制备出的陶瓷体致密度高。
【IPC分类】C04B35/58, C04B35/65, C04B35/56, C04B35/628, C04B35/64
【公开号】CN105565818
【申请号】CN201510999877
【发明人】王群, 洪祥云, 李永卿, 王澈
【申请人】北京工业大学
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2015年12月27日