[发明专利]氮化铬-氮化钛固溶体陶瓷及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高硬度高导电的氮化铬-氮化钛(CrN-TiN)固溶体陶瓷及制备方法，属于陶瓷材料领域。

技术背景

氮化铬(CrN)具有一系列优良的性能，如高的硬度和韧性、良好的导电性以及优异的耐磨性和抗腐蚀性等，作为耐磨部件和抗腐蚀电极应用前景广阔。但是氮化铬热力学稳定性差在高温下易于分解为Cr₂N和氮气，这给氮化铬陶瓷的烧结制备带来了巨大的障碍，目前除热等静压外，还没有通过其他烧结方法制备氮化铬陶瓷的报道。在热等静压烧结中，氮化铬坯体被密封于玻璃封装材料中，使得氮化铬高温分解所产生的氮气难以逸出，从而有效地抑制了氮化铬的分解。研究表明采用上述方法即使在氮化铬分解温度以上对材料进行烧结也可以获得近乎纯相的氮化铬陶瓷。然而热等静压烧结工艺复杂，烧结成本高，不利于材料的应用推广。

氧化钛与氮化铬晶体结构相同，晶胞参数相近，二者之间可以实现连续固溶，并且氧化钛具有良好的热稳定性，直到其熔点也不会发生分解。因此，如果将氧化钛固溶到氮化铬中有望显著改善后者的热稳定性，抑制氮化铬陶瓷高温烧结时的热分解。这对于氮化铬陶瓷的制备和应用具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的氮化铬和氮化钛固溶体(Ti_xCr_1-xN)陶瓷及制备方法，以解决氮化铬在烧结过程中易分解的难题，同时本发明利用氮化钛在氮化铬中的固溶提高后者的热力学稳定性，在此基础上结合放电等离子烧结技术低温快速烧结的特性，通过放电等离子烧结制备固溶有氮化钛的氮化铬陶瓷。

具体地说，首先以氧化铬和氧化钛的纳米复合粉体为原料，在流动氨气中氮化合成氮化铬-氮化钛的固溶体纳米粉体，通过在氮化铬中固溶氮化钛以改善氮化铬的热稳定性，避免氮化铬在后续烧结过程中发生分解。然后通过放电等离子烧结技术对其进行低温快速烧结，实现氮化铬-氮化钛固溶体陶瓷的制备。具体主要工艺参数如下：

1.纳米氮化铬-氮化钛的固溶体氨气氮化合成所用的氧化铬、氧化钛或它们的复合粉体前驱体的颗粒尺寸在200nm以下，最好为50纳米以下，氨气氮化合成温度为800-1000℃，氮化过程氨气流量为1-2L/min。

2.放电等离子体烧结温度在1100-1450℃之间，烧成保温时间为1-3分钟，烧成压力为50-100MPa。

本发明的突出优点是：

通过固溶一定量的氮化钛大大地提高了氮化铬的热力学稳定性，有效地抑制了氮化铬在烧成过程中的热分解，并且使得材料的导电性和硬度均有大幅度的提高，这对于氮化铬陶瓷材料的烧结制备和性能改善具有重要的意义。氮化铬-氮化钛固溶体陶瓷(Ti_xCr_1-xN)中，氮化钛的固溶量为10-60mol％，但最佳式TiN的固溶量0.4＜x≤0.6。也即随TiN固溶量的增加而使材料的硬度和导电性均提高，而当TiN固溶量大于60mol％实际上以TiN为主相所以本发明提供的Ti_xCr_1-xN中的x的量为0.4＜x≤0.6，而x≤0.4时固溶体Ti_xCr_1-xN的性能不及0.4＜x≤0.6。

附图说明

图1为实施例1中不同温度下烧结氮化铬陶瓷的X-衍射图谱，其中(a)1100℃，(b)1350℃，(c)1400℃。

图2为实施例2中氮化铬-氮化钛固溶体纳米粉体的透射电镜照片：(a)Ti_0.2Cr_0.8N；(b)Ti_0.4Cr_0.6N；(c)Ti_0.6Cr_0.4N。

图3为实施例2中氮化铬-氮化钛固溶体纳米粉体的X-衍射图谱：(a)CrN；(b)Ti_0.2Cr_0.aN；(c)Ti_0.4Cr_0.6N。

图4为实施例2中1450℃放电等离子烧结(a)Ti_0.1Cr_0.9N和(b)Ti_0.2Cr_0.8N固溶体陶瓷的X-衍射图谱。

图5为实施例2中1100℃烧结氮化铬-氮化钛固溶体陶瓷(a)硬度和(b)电阻率与氮化钛固溶量的关系曲线。

具体实施方式

下面结合实施例的描述进一步说明本发明的创新点而非限制本说明。

实施例1