[發明專利]一種高致密純相CrN陶瓷的制備方法

有效

• 申請號: 202210847324.3
• 申請日: 2022-07-19
• 公開（公告）號: CN115215663B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 王傳彬;劉龍;徐志剛;彭健;沈強;張聯盟
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: C04B35/58
• 分類號: C04B35/58;C04B35/622;C04B35/64;C04B35/626
• 代理公司: 浙江千克知識產權代理有限公司 33246
• 代理人: 沈濤

本發明提供一種高致密純相CrN陶瓷的制備方法，屬于陶瓷技術領域。本發明為一種高致密純相CrN陶瓷的制備方法，包括以下步驟；（1）將CrN粉體置于氣氛爐中，在氨氣氣氛下進行氮化處理，得到高純CrN粉體原料；（2）將高純CrN粉體原料裝入石墨模具中，進行等離子活化燒結，得到高致密純相CrN陶瓷，等離子活化燒結過程中升溫速率為100~200℃/min，燒結溫度為1100~1300℃，保溫時長為1~10min，燒結壓力為50~100MPa。本發明首先以CrN粉體為原料，利用氨解氮化工藝，進行純化處理，使粉體中的Cr₂N雜相氮化為CrN相，得到物相單一的高純CrN粉體原料；再利用等離子活化燒結，在1100~1300℃下實現CrN粉體的快速致密化并抑制燒結過程中的相分解，得到物相單一、結構致密的CrN陶瓷。

技術領域

本發明屬于陶瓷技術領域，具體涉及一種高致密純相CrN陶瓷的制備方法。

背景技術

氮化鉻（CrN）是一種重要的工程材料，具有優異的力學性質（硬度高達11.2GPa，斷裂韌性約4.7MPa·m^1/2，彎曲強度約355MPa）和良好的抗高溫氧化和耐化學腐蝕特性，可廣泛用于制作超硬刀具、沖壓模具、壓鑄模具、粉末成型模具、機械密封、表面防腐中的各類耐磨、耐高溫、抗腐蝕結構件，是現代技術生產中不可或缺的高性能陶瓷材料。

高質量的CrN陶瓷是實現其工程應用的基本前提，然而，高致密純相CrN陶瓷的制備十分困難。一方面，目前市售的CrN粉體中含有較多Cr₂N雜相，雖然其硬度（14.5GPa）稍高于CrN，但脆性大、韌性差，綜合力學性能不如純相CrN。工業上一般以Cr的金屬或鹵化物粉體為原料，采用氮氣氮化法生產CrN粉體，但該方法很難實現完全氮化；采用苯熱法、機械合金化、高能球磨等方法制備CrN粉體時，反應條件苛刻、生產周期長，而且容易引入其它雜質；采用高溫高壓固相合成法和高溫自蔓延合成法，雖可制得純度較高的CrN粉體，但工藝復雜、生產效率低，而且粉體粒徑大（達數百微米），燒結活性較差。

另一方面，CrN熔點高（1650℃），自擴散系數小，燒結活性低，而高溫下又易分解為Cr₂N，導致CrN粉體的致密化也很困難。采用常壓或熱壓燒結技術制備CrN陶瓷時，往往需要很高的燒結溫度和較長的保溫時間，這極易導致燒結過程中CrN的相分解，難以獲得純相CrN陶瓷。如已公開的申請號為201710247968.8的中國專利中曾公開了一種通過熱壓燒結制備鉻氮化物塊體的方法，嘗試將燒結溫度降低至700~1000℃，但制得的CrN陶瓷致密度僅為66%。也有報道，通過添加Ti等合金元素或碳納米管，可在一定程度上抑制燒結過程中CrN的相分解，但添加元素不可避免地會影響陶瓷純度，劣化CrN陶瓷的力學性能?？梢姡F有技術中的方法制備的CrN陶瓷中會有雜相，而且致密度低。

發明內容

有鑒于此，針對CrN粉體原料純度低、難以致密化、燒結過程中易發生相分解的問題，本發明提供一種高致密純相CrN陶瓷的制備方法，首先利用氮化工藝使氮化鉻原料純化，再通過等離子活化燒結實現高純CrN的制備，制得的CrN陶瓷物相單一、結構致密，具有優異的力學性能、熱及化學穩定性和耐摩擦磨損特性，作為一種重要的耐高溫結構陶瓷和耐磨材料，具有更廣泛的應用。

本發明為一種高致密純相CrN陶瓷的制備方法，包括以下步驟；

（1）將CrN粉體置于氣氛爐中，在氨氣氣氛下進行氮化處理，得到物相單一的高純CrN粉體。其中N元素的含量高于60at.%，保證后續燒結過程中即使釋放出部分N也能保持化學計量比，且氮化后的粉體表面會開裂形成細小顆粒、燒結活性大大提高，更有利于降低燒結溫度、縮短保溫時間，進一步減弱CrN相的分解。所述氮化處理的溫度為800~1200℃，氮化時長為1~20h，所述氮化處理過程中氨氣流量為50~1000mL/min；