專利名稱：碳氮化物粉末及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在含氮?dú)夥障蚂褵鄳?yīng)的金屬氧化物、碳黑和還可有其它含碳化合物的混合物來(lái)制備元素周期表中第四、第五和第六副族的金屬的碳氮化物的方法；涉及元素周期表的第四、第五和第六副族的碳氮化物粉末，在所有情況下其平均粒度d50小于5微米，氧和游離碳含量小于1％(重量)，優(yōu)選0.5％(重量)，并且鐵族金屬的雜質(zhì)含量小于0.15％(重量)；涉及平均粒度d50小于5微米的兩相鈦鋯碳氮化物粉末；涉及單相鈦鋯碳氮化物粉末，它具有等摩爾Zr∶Ti比，并且氮的含量最高為10％(重量)，平均粒度d50小于5微米；以及涉及這些碳氮化物粉末的應(yīng)用。
含有多種金屬離子的硬質(zhì)材料復(fù)合粉末用于生產(chǎn)工業(yè)材料，例如硬金屬、陶瓷和燒結(jié)材料，在材料例如鋼中作為添加劑組分以及用于耐磨層是非常重要的。用于生產(chǎn)元素周期表中的第4、第5和第6副族的元素的碳氮化物的許多方法都是已知的。其中之一，可采用氧化物作為合成復(fù)合材料的原料，不過(guò)它們?yōu)榇藘H是作為單個(gè)氧化物的機(jī)械混合物使用(Schwartzkopf，P.，Kieffer，R.，Cemented Carbides(硬質(zhì)合金)，NewYork，1960)。在碳熱還原單個(gè)氧化物的混合物過(guò)程中，該混合物的組分在開(kāi)始形成復(fù)合硬質(zhì)材料之前，基本上以分離的顆粒和相來(lái)反應(yīng)。這種由單個(gè)氧化物粉末制備復(fù)合硬質(zhì)材料的方法有其固有的缺點(diǎn)，即為了形成均一的復(fù)合硬質(zhì)材料需要在高溫下煅燒很長(zhǎng)時(shí)間，還可以采用促進(jìn)分散的添加劑，例如鐵族金屬。而且，還已知硬質(zhì)材料的合成受到許多控制其動(dòng)力學(xué)的因素(混合物的干混均勻化或濕混均勻化、顆粒大小參數(shù)、溫度和氣體調(diào)節(jié)等)的影響。
該方法產(chǎn)生常常沒(méi)有完全混勻的粗顆粒復(fù)合粉末。接下來(lái)需要的大力研磨增加了雜質(zhì)含量。
另一個(gè)生產(chǎn)硬質(zhì)材料復(fù)合粉末的方法包括從單個(gè)硬質(zhì)材料通過(guò)高成本的均化煅燒，通常是在≥2200℃的溫度下進(jìn)行幾個(gè)小時(shí)來(lái)合成。
GB-A-2063922和WO-A81/02588記載了從例如這些粗復(fù)合硬質(zhì)材料生產(chǎn)燒結(jié)體的方法。所采用的原料是通過(guò)均化煅燒生成的復(fù)合硬質(zhì)材料，如(Ti，Zr)C；(Ti，Zr)(C，N)；(Ti，Zr，Me)C，其中Me＝V、Nb、Ta；(Zr、Hf)C；(Zr、Hf)(C，N)或者(Zr、Hf、Ti)C，當(dāng)與其它硬質(zhì)材料，如WC和與一種或者幾種鐵族的粘結(jié)金屬一起燒結(jié)時(shí)，生成顆粒非常細(xì)的、硬度增大的和火口形成趨勢(shì)降低的硬金屬。從上述專利說(shuō)明書(shū)可以清楚地知道TiC和ZrC一般總包含在混合晶體中，致使在與粘結(jié)金屬燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生分層，所以，正如GB-A2063922中所記載的那樣，ZrC-HfC體系不具有混溶性間隙。因此可以預(yù)料，通過(guò)采用在燒結(jié)之前已經(jīng)分層的復(fù)合硬質(zhì)材料可進(jìn)一步提高硬金屬的性質(zhì)。
本發(fā)明的目的是避免在所說(shuō)高溫下硬質(zhì)材料混合物的均化煅燒，并且在不加添加劑的較低溫度下合成硬質(zhì)材料的過(guò)程中制備極均化的并同時(shí)是細(xì)顆粒、低雜質(zhì)的硬質(zhì)材料復(fù)合粉末，其氧和游離碳的含量低，并具有良好的燒結(jié)活性。
出乎意料地是現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)二元氧化物或者多元氧化物在碳熱還原過(guò)程中分解，同時(shí)發(fā)生氮化，導(dǎo)致相對(duì)于非金屬原子在體積上是大的金屬原子的遷移，使二元氧化物或者多元氧化物中的金屬原子的“混合”均質(zhì)性基本上轉(zhuǎn)移到硬質(zhì)材料相中。不僅在形成均一的混合結(jié)晶而且在分層情況下，在合成這種硬質(zhì)材料的過(guò)程中，快速建立了取決于溫度的熱動(dòng)力平衡。
本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)在含氮?dú)怏w中煅燒相應(yīng)的金屬氧化物、碳黑和還可有其它含碳化合物的混合物來(lái)制備元素周期表的第4、第5和第6副族的金屬的碳氮化物粉末的方法，其中的金屬氧化物采用二元氧化物和/或多元氧化物。
根據(jù)本發(fā)明，用于硬質(zhì)材料復(fù)合粉末的原料是元素周期表的第4、第5和第6副族的元素的二元氧化物即組成為(MeaMeb)Oz的化合物，或者多元氧化物(MeaMebMec)Oz。至少60摩爾％的金屬氧化物優(yōu)選采用二元氧化物和/或多元氧化物。
特別適于作為合成硬質(zhì)材料的二元氧化物的化合物包括鈦酸鹽(如ZrTiO4、HfTiO4)、釩酸鹽(如ZrV2O7、CrVO4)、鉬酸鹽(如V2MoO8)和鎢酸鹽(如HfW2O8)。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案包括在原料混合物中還采用元素周期表的第4、第5和第6副族金屬的金屬、金屬氧化物和/或金屬氫化物。
氧化物組分的混合可以通過(guò)混合沉淀或者溶膠凝膠技術(shù)來(lái)機(jī)械完成。由兩種或者多種元素周期表的第4、第5和第6副族的元素的氧化物制備二元或者多元氧化物可以通過(guò)在空氣、氧氣或者在其它含有氧氣的氣體中進(jìn)行固態(tài)反應(yīng)來(lái)完成。這通常生成單相反應(yīng)產(chǎn)物。所說(shuō)的單相特征由存在化學(xué)計(jì)量的化合物或者具有均質(zhì)范圍的化合物，或者由存在固體溶液來(lái)形成。
二元或者多元氧化物的粒度和粒度分布取決于所用氧化物的粒度參數(shù)和在空氣、氧氣或者其它含有氧氣的氣體中煅燒時(shí)的合成條件。最優(yōu)選采用平均粒度d50小于5微米的二元和/或多元氧化物。通過(guò)溶膠凝膠方法制備的二元和/或多元氧化物用在原料混合物中也是有利的。
為了合成硬質(zhì)材料復(fù)合粉末，有利地是將通過(guò)固態(tài)反應(yīng)制備的二元氧化物、多元氧化物或者氧化物的固體溶液研磨并根據(jù)所需的組合物與相應(yīng)量的碳源混合，并將該混合物進(jìn)行混合研磨。在濕磨之后，還可將該混合物在噴射塔中干燥。
本發(fā)明的硬質(zhì)材料復(fù)合粉末是通過(guò)在氮化氣氛中碳熱還原氧化物原料來(lái)制備。在該步驟中，控制C、N2、O2和CO的活性，以形成所需組合物的均一復(fù)合粉末。碳以碳黑的形式加入，并且，特別有利地還可以其它含碳化合物的形式如水溶液和/或懸浮液加入，經(jīng)強(qiáng)烈混合并以稠粘的混合材料被使用。除碳之外，含碳化合物優(yōu)選另外只包括那些在煅燒之后只以體系固有的元素形式留在合成產(chǎn)物中的那些組分。如果含碳化合物以一種或多種碳水化合物存在，可獲得特別良好的結(jié)果。水懸浮液優(yōu)選水的含量相對(duì)于固體含量計(jì)為20到60％(重量)，最優(yōu)選30到50％(重量)，其中除了含碳化合物的碳之外，所加入的碳量相對(duì)于所采用的碳黑的量計(jì)優(yōu)選為5到40％(重量)。根據(jù)用于碳熱還原的現(xiàn)有技術(shù)控制合成，同時(shí)氮化單個(gè)氧化物或者其混合物。幾何和動(dòng)力學(xué)因素的影響小于在碳熱還原并氮化單個(gè)氧化物中所觀察到的。由此制備得氧和游離碳含量低的單相和多相碳氮化物。
本發(fā)明的目的還涉及元素周期表的第4、第5和第6副族的金屬的碳氮化物，其平均粒度d50小于5微米，在任何情況下氧和游離碳的含量小于1％(重量)，鐵族金屬雜質(zhì)的含量小于0.5％(重量)，它們可以采用本發(fā)明的方法來(lái)制備。
本發(fā)明的硬質(zhì)材料復(fù)合粉末的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在二元氧化物(MeaMeb)Oz或者在多元氧化物(MeaMebMec)Oz中金屬離子已經(jīng)存在在晶格中的分子附近。在原料分解過(guò)程中的晶格轉(zhuǎn)化和在與氮化同時(shí)進(jìn)行的碳熱還原過(guò)程中形成硬質(zhì)材料復(fù)合粉末的晶格轉(zhuǎn)化產(chǎn)生高密度的缺陷。按本發(fā)明使用二元氧化物或者多元氧化物時(shí)，金屬原子的擴(kuò)散途徑短到在氧化物原料中金屬原子的短程有序基本上轉(zhuǎn)到硬質(zhì)材料相中。這生成相對(duì)于金屬和非金屬原子來(lái)說(shuō)均為相當(dāng)均勻的、很容易粉碎的、可燒結(jié)的、其雜質(zhì)含量低的碳氮化物硬質(zhì)材料粉末。其粒度小于通過(guò)碳熱還原反應(yīng)由機(jī)械混合單個(gè)氧化物生成的或通過(guò)均勻煅燒單個(gè)硬質(zhì)材料制備的粉末的粒度。
本發(fā)明方法的一個(gè)很大優(yōu)點(diǎn)是不需成本很高的均化煅燒階段而制備單相均勻混合結(jié)晶。用于制備硬質(zhì)材料復(fù)合物的反應(yīng)的溫度和時(shí)間均通過(guò)本發(fā)明的步驟減小了，從而顯著改進(jìn)了硬質(zhì)材料復(fù)合物粉末的顆粒細(xì)度。當(dāng)在同樣的溫度下由單個(gè)氧化物的混合物進(jìn)行合成時(shí)，制備硬質(zhì)材料的反應(yīng)進(jìn)行的不完全。
硬質(zhì)材料的合成同時(shí)伴隨著碳氮化物硬質(zhì)材料相的形成和還可能分層，直至化學(xué)平衡的溫度相關(guān)極限。在具有混合間隙的體系中，無(wú)分層抑制發(fā)生。在碳熱還原反應(yīng)過(guò)程中獲得的單相或多相硬質(zhì)材料復(fù)合物在的約為10K/分鐘的常規(guī)冷卻到室溫的速度下是穩(wěn)定的。
形成反應(yīng)被強(qiáng)活化，以便能夠快速建立熱動(dòng)力平衡。例如，由ZrTiO4-C混合物在1950℃下60分鐘制備的(Ti0.5Zr0.5)(C0.7N0.3)粉末含有兩相(富鈦相和富鋯相，它們總是同形立方相)，其晶格常數(shù)為0.4374納米(富鈦)和0.4583納米(富鋯)。在同樣的合成條件下由單個(gè)氧化物與碳黑的混合物制成的(Ti0.5Zr0.5)(C0.7N0.3)粉末包含兩個(gè)這樣的相，其晶格常數(shù)為0.4336納米(富鈦)和0.464納米(富鋯)。

圖1是在合成時(shí)間為60分鐘、在不同的合成溫度下由ZrTiO4/C和由ZrO2/TiO2/C原料混合物制備的(Ti0.5Zr0.5)(C0.7N0.3)硬質(zhì)材料粉末的晶格常數(shù)的比較。
本發(fā)明的目的還涉及兩相鈦鋯碳氮化物粉末，其平均粒度d50小于5微米，在任何情況下其氧和游離碳的含量小于1％(重量)，優(yōu)選小于0.5％(重量)，鐵族金屬的雜質(zhì)含量小于0.15％(重量)，其中兩相(Ti，Zr)(C，N)和(Zr，Ti)(C，N)的晶格參數(shù)之間的最大的差是0.029納米。
本發(fā)明的目的還涉及單相鈦鋯碳氮化物粉末，它具有等摩爾Zr∶Ti的比，氮含量至多為10％(重量)的氮(即C∶N的原子比例至多為0.4∶0.6)，其平均粒度d50小于5微米，在任何情況下其氧和游離碳的含量小于1％(重量)，優(yōu)選小于0.5％(重量)，鐵族金屬的雜質(zhì)小于0.15％(重量)，晶格常數(shù)在0.447和0.451納米之間，并且它是在60分鐘的合成時(shí)間、在≤2200℃的合成溫度下制備的。
與由單個(gè)氧化物的混合物制備的硬質(zhì)材料相比，本發(fā)明的碳氮化物粉末的可燒結(jié)性得到改進(jìn)。本發(fā)明的硬質(zhì)材料復(fù)合粉末具有的高燒結(jié)活性足夠使這些硬質(zhì)材料粉末可以不需要粘合劑，或者采用粘合劑小于10％(體積)的少量粘合劑通過(guò)已知的工業(yè)燒結(jié)方法(例如氣壓燒結(jié))燒結(jié)，以形成具有按照ISO4505孔隙度≤A02，B00，C00的致密體。這生成高度相分散的兩相或者多相燒結(jié)體。
當(dāng)燒結(jié)無(wú)間隙混晶結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)材料復(fù)合粉末時(shí)，產(chǎn)生含有單相硬質(zhì)材料相細(xì)分散的燒結(jié)體。在燒結(jié)本發(fā)明的硬質(zhì)材料復(fù)合粉末時(shí)，生成的燒結(jié)體含有細(xì)顆粒，并且其硬度高于由單個(gè)硬質(zhì)材料燒結(jié)的材料的硬度。
本發(fā)明的硬質(zhì)材料復(fù)合粉末可以通過(guò)常規(guī)工業(yè)的燒結(jié)方法在高溫下致密化，生成無(wú)粘合劑陶瓷或者具有特別優(yōu)良的性質(zhì)的粘合劑含量低的類似于硬金屬的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的目的還涉及本發(fā)明的碳氮化物粉末在含有鐵族粘結(jié)金屬的燒結(jié)體中作為硬化介質(zhì)的應(yīng)用，其中粘結(jié)金屬的體積比≤10％，優(yōu)選小于5％，并作為WC-Co硬金屬和/或TiCN金屬陶瓷的添加劑組分。
本發(fā)明以實(shí)施例的方式來(lái)說(shuō)明，實(shí)施例不是對(duì)其的限定。
實(shí)施例1制備單相(Ti0.5Zr0.5)CN混晶粉末由單個(gè)氧化物TiO2和ZrO2通過(guò)在空氣中煅燒經(jīng)固態(tài)反應(yīng)合成二元氧化物ZrTiO4。BET值為8.1m2/g的TiO2和BET值為4.6m2/g的ZrO2的化學(xué)計(jì)量混合物的濕均混是在丙酮中在攪拌球磨機(jī)中進(jìn)行(3個(gè)小時(shí))，接著再進(jìn)行噴射干燥。所有BET值的確定是通過(guò)用氮?dú)庾鳛闇y(cè)定氣體的5點(diǎn)法來(lái)進(jìn)行。將解聚的氧化物混合物在箱式反應(yīng)爐中在空氣中1380℃下煅燒30分鐘。將煅燒產(chǎn)物研磨20分鐘。測(cè)定BET值為2.5m2/g。X射線試驗(yàn)表明ZrTiO4是單相。質(zhì)譜分析得出下面的雜質(zhì)含量，以ppm表示Al443、Ca200、Fe130、Hf3300、Ni130、Y770；
Ba、Ce、Co、Cu、K、La、Nb、Th、U、Zn＜100；B、Bi、Cr、Ca、Mn、Pb、V＜10。
為了制備單相混晶，往該純相ZrTiO4中加入化學(xué)計(jì)算量的碳黑，并將該混合物在丙酮中在攪拌式球磨機(jī)中研磨(3個(gè)小時(shí))，再進(jìn)行噴射干燥。碳熱還原在以分壓比PN2/PH2為0.2的H2/N2混合氣流(200升/小時(shí))中通過(guò)在短路碳管式爐(Tamman爐)中在2200℃下煅燒混合物(放置于碳坩堝中)60分鐘進(jìn)行，反應(yīng)式如下
得到單相(Ti，Zr)(C0.7N0.3)。晶格常數(shù)為a＝0.4494納米；初級(jí)顆粒粒度(SEM)為0.6～4.0微米。
化學(xué)分析9.97％結(jié)合的碳5.18％氮0.12％游離碳0.10％氧作為對(duì)比，將按照上述反應(yīng)式計(jì)算量的碳黑加入到摩爾比為1∶1的單個(gè)氧化物TiO2和ZrO2的混合物中，并將該批料在丙酮中在攪拌式球磨機(jī)中研磨(3個(gè)小時(shí))，經(jīng)噴射干燥，并轉(zhuǎn)變成碳氮化物。
采用其它完全可比的硬質(zhì)材料合成參數(shù)，與由ZrTiO4制備的方法相比，需要2400℃的較高溫度來(lái)制備單相(Ti，Zr)(C0.7N0.33)。晶格常數(shù)為0.4496納米；初級(jí)顆粒粒度(SEM)為4.2～13.0微米。
化學(xué)分析10.86％結(jié)合的碳4.32％氮0.16％游離碳0.22％氧實(shí)施例2從單相化學(xué)計(jì)量的ZrTiO4制備兩相(Ti0.5Zr0.5)(C0.7N0.3)粉末將實(shí)施例1所述化學(xué)計(jì)量的ZrTiO4與化學(xué)計(jì)量的碳黑在H2/N2混和氣流下通過(guò)滲碳進(jìn)行反應(yīng)，其反應(yīng)式如下
如實(shí)施例1，將ZrTiO4/C混和物以及對(duì)照的TiO2/ZrO2/C混和物在丙酮內(nèi)研磨、干燥、并在石墨坩堝中煅燒。于短路電爐內(nèi)進(jìn)行滲碳(1700℃/160分鐘)。PN2/PH2的分壓比是1。
從ZrTiO4/C得到的產(chǎn)物(Ti0.5Zr0.5)(C0.7N0.3)是均勻的微細(xì)粉粒，其初級(jí)顆粒度(SEM)是0.2-0.8μm。除富鈦立方面心相外還存在富鋯立方面心相；兩相皆含氮。
化學(xué)分析9.71％結(jié)合的碳5.10％氮0.15％游離碳0.36氧。
對(duì)照變體在初級(jí)粒度≥1μm有可比的化學(xué)分析。同ZrTiO4變體相對(duì)比，在其X譜線表現(xiàn)明顯差異。不僅反射峰互相偏移，并且峰的形狀和寬度顯著不同。可將反射位置的偏移涉及兩個(gè)立方相，即富鈦相和富鋯相。
由X射線峰可測(cè)定兩相的晶格常數(shù)和晶粒尺寸D。通過(guò)單線方法研究?jī)闪⒎矫嫘南嗟?11反射以便測(cè)量晶粒尺寸。
單線方法中，利用VOIGT函數(shù)將反射分解成GAUSS和CAUCHY組分該兩組分直接是線變寬的兩個(gè)原因。CAUCHY組分與晶粒尺寸對(duì)分布變寬的影響有關(guān)，而CAYSS組分與晶格畸變對(duì)分布變寬的影響有關(guān)，即晶粒尺寸的影響可分開(kāi)并由此能定量測(cè)定。
下面表中給出得到的數(shù)值(第一排數(shù)值涉及本發(fā)明由ZrTiO4/C(N2)制造的復(fù)合硬質(zhì)材料，第二排數(shù)值涉及由TiO2/ZrO2/C(N2)制造的對(duì)照硬質(zhì)材料)
從晶格常數(shù)的數(shù)值可看出，對(duì)本發(fā)明由二元氧化物ZrTiO4得到的復(fù)合硬質(zhì)材料產(chǎn)物，完全建立了熱力學(xué)平衡。對(duì)照變體展現(xiàn)的晶格常數(shù)相當(dāng)于單個(gè)硬質(zhì)材料Ti(C0.7N0.3)和Zr(C0.7N0.3)的晶格常數(shù)。該兩相的晶格常數(shù)差異要比ZrTiO4一方案大。相應(yīng)于熱力學(xué)平衡的晶格常數(shù)只能通過(guò)額外加長(zhǎng)煅燒階段得到。由ZrTiO4得到氮碳化物的晶粒尺寸D(相同晶格取向的區(qū)域＝原晶粒)明顯小于由TiO2/ZrO2/C混和物得到的晶粒尺寸。
實(shí)施例3由復(fù)合硬質(zhì)材料(Ti0.5Zr0.5)(C0.7N0.3)和(Ti0.5Zr0.5)(C0.5N0.5)制造的燒結(jié)體(粘結(jié)金屬的體積比例小于0.8％)216g如實(shí)施例2由ZrTiO4制造的硬質(zhì)材料(Ti0.5Zr0.5)(C0.7N0.3)與24g的MoC2和9.6g的石蠟烴在170ml庚烷中混和，并在球磨機(jī)內(nèi)(立軋輥式)使用0.7升研磨容器(70rpm)與3kg硬質(zhì)金屬球(10mm直徑)研磨72小時(shí)(70rpm)。研磨的顆?；旌臀镌?0℃真空烘箱中干燥(與庚烷分離)。在280Mpa下通過(guò)網(wǎng)眼尺寸為0.315mm過(guò)篩造粒，將干燥的批料單軸密實(shí)成45×6×6mm[L×B×H mm]的橫向彎曲試驗(yàn)條。坯密度是理論密度6.25g/cm3的59.6％。在1750℃氣壓(80巴氬氣)下燒結(jié)80分鐘后，燒結(jié)體的密度是6.25g/cm3，按ISO4505分級(jí)，它具有的孔隙率為≤A02，B00，C00。測(cè)量的室溫硬度相當(dāng)于HV10＝2062，并且熱硬度相當(dāng)于HV(800℃)＝1139和HV(1000℃)＝967。燒結(jié)體含有49.8wt％的鋯。再次發(fā)現(xiàn)燒結(jié)體內(nèi)是兩相結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)材料(除富Ti的碳氮化物外有富Zr相)。在這種類陶瓷燒結(jié)體中的粒度≤1μm，并展現(xiàn)非常狹窄的分布寬度。
采用高比例氮制造的復(fù)合硬質(zhì)材料(Ti0.5Zr0.5)(C0.5N0.5)，在同樣燒結(jié)技術(shù)下得到其室溫硬度HV10＝2035，熱硬度為HV(800℃)＝1076和HV(1000℃)＝961。為改良燒結(jié)微結(jié)構(gòu)均勻性而向批料混和物添加≤1％(重量)鐵族元素(鐵、鈷、鎳)時(shí)，燒結(jié)體有益的熱密度并未明顯改變。
作為對(duì)照，將216g實(shí)施例2的對(duì)照變體的相應(yīng)硬質(zhì)材料(單個(gè)氧化物變體)與24g的Mo2C和9.6g的石蠟烴在170ml庚烷中混和，如前述研磨、干燥、密實(shí)和煅燒。得到的燒結(jié)體密度是6，08g/cm3(理論密度的97.4％)。由于高孔隙率，不能評(píng)估其硬度測(cè)量。
實(shí)施例4由復(fù)合硬質(zhì)材料(Ti0.5Zr0.5)(C0.7N0.3)和(Ti0.5Zr0.5)(C0.5N0.5)制造的燒結(jié)體(粘結(jié)金屬的體積比例在0.8-10％之間)192g如實(shí)施例2由ZrTiO4制造的硬質(zhì)材料(Ti0.5Zr0.5)(C0.7N0.3)與24g的Mo2C，12gCo金屬粉末和12gNi的金屬粉(粘結(jié)金屬的體積比＝7.3％)以及9.6g的石蠟烴在170ml庚烷中混和，并在球磨機(jī)內(nèi)(立軋輥式)使用0.7升研磨容器與3kg硬質(zhì)金屬球(10mm直徑)研磨72小時(shí)(70rpm)。用如實(shí)施例3所述用實(shí)驗(yàn)室技術(shù)對(duì)顆?；旌臀锔稍?、過(guò)篩并單軸密實(shí)。其坯密度是理論密度6.47g/cm3的58.3％。在1480℃氣壓(80巴氬氣)下燒結(jié)180分鐘后，燒結(jié)體得到的密度是6.45g/cm3，按照ISO4505分級(jí)，其孔隙率為A02，B00，C00。測(cè)量的室溫硬度相當(dāng)于HV10＝1440，并且熱硬度為HV(800℃)＝630。采用高比例氮制造的復(fù)合硬質(zhì)材料(Ti0.5Zr0.5)(C0.5N0.5)，在同樣燒結(jié)技術(shù)下分別得到HV10＝1450和HV(800℃)＝635的燒結(jié)體。
作為本發(fā)明粉末工藝的對(duì)照，用上述燒結(jié)方法制造相應(yīng)的燒結(jié)體，其中使用市售TiN、TiC、ZrN、ZrC硬質(zhì)材料粉末的混和物代替本發(fā)明復(fù)合硬質(zhì)材料復(fù)合粉末(Ti0.5Zr0.5)(C0.7N0.3)。其坯密度是理論密度的52.1％，在氣壓燒結(jié)(80巴氬氣，1480℃經(jīng)180分鐘)后，燒結(jié)密度是理論密度的96.8％。這種燒結(jié)試樣的刻蝕拋光部分展現(xiàn)的孔隙率如此之高，使其毫無(wú)特色。圖2顯示用實(shí)施例2的本發(fā)明硬質(zhì)材料制造的燒結(jié)體微結(jié)構(gòu)(放大1000倍)(圖2上部)和市售硬質(zhì)材料粉末的混合物制造的燒結(jié)體微結(jié)構(gòu)(圖2下部)。
實(shí)施例5TiCN基燒結(jié)體，其中采用本發(fā)明硬質(zhì)材料作增大熱硬度的添加劑21.7g由ZrTiO4(實(shí)施例2)制造的硬質(zhì)材料復(fù)合粉末(Ti0.5Zr0.5)(C0.5N0.5)與158.3g的TiCN；24.0g的Mo2C；12.9g的Co，18.1g的Ni以及9.6g的石蠟烴在170ml庚烷中混和，并在球磨機(jī)內(nèi)(立軋輥式)使用0.7升研磨容器與3kg硬質(zhì)金屬球(10mm直徑)研磨72小時(shí)(70rpm)。研磨的混合物在真空干燥烘箱內(nèi)于80℃干燥，篩分造粒到＜0.315mm，并以280Mpa壓力單軸密實(shí)。壓結(jié)的橫向彎曲試驗(yàn)條尺寸是45×6×6[L×B×H]，其坯密度是理論密度5.87g/cm3的61.6％。
在1460℃氣壓(80巴氬氣)下燒結(jié)180分鐘后，燒結(jié)體得到的密度是5.87g/cm3(理論密度的100％)，按照ISO4505的孔隙率分級(jí)為A02，B00，C00。
測(cè)量的室溫硬度相當(dāng)于HV10＝1484，并且熱硬度相當(dāng)于HV(800℃)＝631。燒結(jié)體含有5％(重量)的鋯。
權(quán)利要求
1.一種制備元素周期表的第4、第5和第6副族的金屬的碳氮化物粉末的方法，該方法是在含氮?dú)夥罩徐褵鄳?yīng)的金屬氧化物、碳黑和還可有其它含碳化合物的混合物，其特征在于金屬氧化物以二元和/或多元氧化物的形式使用。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于其中至少60摩爾％的金屬氧化物以二元和/或多元氧化物的形式使用。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于在原料混合物中還可使用元素周期表的第4、第5和第6副族的金屬、金屬氧化物和/或金屬氫化物。
4.權(quán)利要求1到3的一項(xiàng)或者多項(xiàng)的方法，其特征在于碳黑和還可有其它的含碳化合物以水溶液和/或懸浮液形式加入，并被強(qiáng)化混合的，并且作為高粘性混合物被使用。
5.權(quán)利要求1到4的一項(xiàng)或者多項(xiàng)的方法，其特征在于使用平均粒度d50小于5微米的二元和/或多元氧化物。
6.權(quán)利要求1到4的一項(xiàng)或者多項(xiàng)的方法，其特征在于在原料混合物中使用通過(guò)溶膠凝膠方法制備的二元和/或多元氧化物。
7.一種元素周期表的第4、第5和第6副族的碳氮化物粉末，其平均粒度d50小于5微米，氧和游離碳的含量小于1％(重量)，鐵族金屬雜質(zhì)的含量小于0.5％(重量)，可以通過(guò)權(quán)利要求1到6的一項(xiàng)或者多項(xiàng)的方法來(lái)制備。
8.一種兩相鈦鋯碳氮化物粉末，其平均粒度d50小于5微米，其特征在于氧和游離碳的含量總小于0.5％(重量)，鐵族金屬雜質(zhì)的含量小于0.15％(重量)，其中富鈦和富鋯相的晶格常數(shù)之間的最大差是0.029納米。
9.一種單相鈦鋯碳氮化物粉末，它具有等摩爾Zr∶Ti比例，氮含量至多為10％(重量)的氮，平均粒度d50小于5微米，其特征在于其氧和游離碳的含量總小于0.5％(重量)，鐵族金屬的雜質(zhì)小于0.15％(重量)，晶格參數(shù)在0.447和0.451納米之間，并且是在60分鐘的合成時(shí)間、在≤2200℃的合成溫度下制備。
10.權(quán)利要求7到9的一項(xiàng)或多項(xiàng)的碳氮化物粉末在含有鐵族粘結(jié)金屬的燒結(jié)體中作為硬化介質(zhì)的應(yīng)用，其中粘結(jié)金屬的體積比例≤10％。
11.權(quán)利要求7到9的一項(xiàng)或多項(xiàng)的碳氮化物粉末作為WC-Co硬質(zhì)金屬和/或TiCN金屬陶瓷的添加劑組分的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備元素周期表的第4、第5和第6副族的金屬的碳氮化物粉末的方法,該方法是在含氮?dú)夥罩徐褵鄳?yīng)的二元或多元金屬氧化物、碳黑和還可有其它含碳化合物的混合物。本發(fā)明還涉及元素周期表的第4、第5和第6副族的碳氮化物粉末,其平均粒度d
文檔編號(hào)C01B21/082GK1246102SQ98802140
公開(kāi)日2000年3月1日 申請(qǐng)日期1998年1月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月5日
發(fā)明者G·吉勒, B·格里斯, M·馮魯藤多爾夫-普爾澤沃斯基, L·M·貝格爾, V·里希特 申請(qǐng)人:H·C·施塔克公司, 弗勞恩霍弗實(shí)用研究促進(jìn)協(xié)會(huì)