[發明專利]一種過渡金屬碳化物粉末和過渡金屬碳化物-氮化物復合粉末的制備工藝

有效

• 申請號: 201810996007.1
• 申請日: 2018-08-29
• 公開（公告）號: CN108975339B
• 公開（公告）日: 2021-12-28
• 發明（設計）人: 劉少存;向建勇;柳忠元;廖娟秀
• 申請（專利權）人: 龍巖學院
• 主分類號: C01B32/921
• 分類號: C01B32/921;C01B21/076;C01B32/914;C22C1/05;C22C29/10
• 代理公司: 濟南鼎信專利商標代理事務所(普通合伙) 37245
• 代理人: 曹玉琳

本發明公開一種過渡金屬碳化物粉末和過渡金屬碳化物?氮化物復合粉末的制備工藝。本發明采用球磨方法，將過渡金屬和一定量含碳或同時含碳和氮的有機溶劑混合，經過一定時間的球磨后，獲得平均晶粒尺度小于50nm的過渡金屬碳化物或過渡金屬碳化物?氮化物復合粉末，同時粉末中含有一定量的過渡金屬氫化物納米粉末。將制備的粉末在真空(＜1Pa)或氬氣環境條件下熱處理得到過渡金屬碳化物或碳化物?氮化物復合粉末，通過控制升溫速度及熱處理時間制備出晶粒大小分布在50～900nm的過渡金屬碳化物粉末和過渡金屬碳化物?氮化物復合粉末，碳和氮含量隨著球磨時間和有機溶劑的量的改變而改變。本發明工藝簡單，易于生產，可用于制備高性能金屬陶瓷。

技術領域

本發明屬于粉末冶金領域，具體涉及一種過渡金屬碳化物粉末和過渡金屬碳化物-氮化物復合粉末的制備工藝。

背景技術

過渡族金屬碳化物、氮化物具有高的硬度和強度，以金屬作為粘結劑可用于制備金屬陶瓷，廣泛應用于金屬切削、礦物開采、制造耐磨件。過渡族金屬碳化合物如TaC、ZrC、HfC、NbC、TiC等熔點都超過3000℃，屬于超高溫結構材料并具備高溫抗氧化性能，能夠適應超高音速長時飛行、大氣層再入和火箭推進系統等極端環境，可用于飛行器鼻錐、機翼前緣、發動機及核反應堆等各種關鍵部件。

過渡族金屬碳化物、氮化物的合成制備方法主要包括還原法、直接碳/氮化法、氣相沉積法、自蔓延燃燒合成法、機械合金化法。這些方法都有各自的局限性，傳統的還原法和直接碳/氮化法通常需要在較高的溫度下(1600～2200℃)進行，制備的粉末顆粒粗大，不均勻；自蔓延燃燒合成法的制備過程和晶粒的均勻性控制比較困難；氣相沉積法適合產量要求低的情況；機械合金化法是利用球磨的方法，通過磨球與磨球之間以及磨球與球磨罐之間的碰撞，使得粉末顆粒產生塑性變形、加工硬化并被破碎，顆粒細化后表面活性增強，隨著磨球撞擊時間的增加，原子間發生擴散反應。發明專利申請CN102249231A中采用含碳有機溶劑和過渡金屬為原料，球磨制備了納米過渡金屬碳化物，平均晶粒＜20nm，但雜質含量比較高，且性能不夠理想。

發明內容

本發明的目的在于提供一種過渡金屬碳化物粉末和過渡金屬碳化物-氮化物復合粉末的制備工藝。為了制備出高純的過渡族金屬碳化物粉末和過渡金屬碳化物-氮化物復合粉末，提高生產效率，本發明采用了球磨后進行高溫處理的方法。本發明工藝簡單，并且所制備出的粉末成分和晶粒大小均勻，通過改變熱處理溫度和處理時間，可以制備晶粒分布范圍為50～900nm的粉末，碳和氮含量可控，純度＞99.5％，氧含量低于0.1％，且最終制品(硬質合金)性能較好。

本發明提供的技術方案如下：

(1)將過渡金屬粉末和磨球裝入用于球磨機的球磨罐中，在惰性氣體環境中向球磨罐中加入一定量的分析純或更高純度的含碳有機溶劑或同時含碳和氮的有機溶劑，密封球磨罐，將球磨罐裝入球磨機中進行球磨，球磨時間為1小時～50小時，球磨后的粉末在真空條件下干燥，得到平均晶粒尺寸小于50nm的過渡金屬碳化物或過渡金屬碳化物-氮化物納米粉末，同時在混合粉末中含有少于8％的過渡金屬氫化物；

(2)將步驟1制備的納米粉末放入高溫爐進行熱處理，處理環境為真空(＜1Pa)或氬氣、氮氣氛圍(氣體純度＞99.99％)，處理溫度為400～1300℃，保溫時間為1～120min。熱處理過程中，氫化物分解得到純金屬，純金屬和碳化物或氮化物固溶反應得到非化學計量比的碳化物或氮化物。熱處理結束后粉末隨爐冷卻，制備得到晶粒分布為50～900nm的過渡金屬碳化物粉末和過渡金屬碳化物-氮化物復合粉末。

制備得到的過渡金屬碳化物碳含量與過渡金屬的摩爾比范圍為0.5～1。碳化物-氮化物復合粉末中氮含量與過渡金屬的摩爾比范圍為0～0.8，碳含量與過渡金屬的摩爾比范圍為0～0.95。

所述步驟1中，為防止氧含量上升，粉末配料和球磨在氬氣或氮氣保護的環境下進行。