[发明专利]一种TiN-NbC复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种TiN‑NbC复合材料及其制备方法，包括碳化铌微粉和TiNx，其中0.3≤x≤0.9或x＝1.1～1.3。碳化铌微粉的体积百分比为10～40vol.％。制备时，将碳化铌微粉和TiNx两种粉末按照不同体积比在球磨机里混料；混合均匀后装填入硬质合金模具中进行预压，预压压力为100～500MPa，预压10～30s；然后把预压后的样品装入石墨模具中进行热压烧结，烧结压力20～50MPa，烧结温度1100～2000℃，保温10～120min，制得TiN‑NbC复合材料。本发明利用TiNx中的空位能降低烧结温度，提高其硬度及断裂韧性，解决了过渡族碳化物较难烧结的问题，并通过热压烧结，获得硬度更高的TiN‑NbC复合材料。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体是一种TiN-NbC复合材料及其制备方法。

背景技术

TiN常被应用于切削刀具，这使刀具材料的硬度、韧性、抗崩刃性和抗塑性变形能力都有很好的改善，与铁元素亲和力较小，切削性能较为优异，完全优于传统的WC刀具[艾兴，刘战强.高速切削刀具材料的进展和未来[J].制造技术与机床，2001(8):21-25]。TiNx是一种组成范围较宽的缺位式固溶体，其N原子组成范围可以在一定范围内变化，数值可以为x＝0.26～1.16。TiNx中N原子数目高于Ti原子数目时，N含量高而Ti低，则为Ti缺位式固溶体，此时TiNx主要表现出共价化合物的性质，这就导致TiNx的性质不同于化学计量比化合物TiN[陈玉清,粱忠友.非化学计量与固溶体的概念及进展[J].陶瓷学报,1998,19(2):115-118.]。由于TiNx晶体内部存在高浓度的N空位，该特性可以使TiNx周围富N的环境中的N元素来填补其内部的N空位，因此，PcBN晶体中的N元素，能与TiNx很好的结合。此外，由于C原子与N原子的半径大小相当，C原子也可填补TiNx中的N空位，所以，在TiNx中可添加一些氮化物或者碳化物来提高TiNx的韧性，从而满足其作为PcBN刀具结合剂的应用需求，提高PcBN的寿命。研究表明，在添加NbC的硬质合金中，硬质相的晶粒得到细化，刀具的热硬度、抗热冲击性以及抗热氧化能力均在一定程度上有所提升。NbC同样也是复合陶瓷的主要原料，可以控制Ti(C,N)基金属陶瓷核壳结构中壳的厚度，从而影响到金属陶瓷的性能，同时，NbC的添加可以有效的降低烧结体的烧结温度[QingN,南晴,LiZ,et al.固溶体与单组元原料对Ti(C,N)基金属陶瓷组织与性能的影响[C]//中国工程科技论坛第151场—粉末冶金科学与技术发展前沿论坛.2012.]。

TiN粉体是制备TiN陶瓷及相关复合材料的原料，所以粉体的性质不仅影响到制备TiN陶瓷及其复合材料的工艺选择而且直接影响到相关产品的性能。如氮化钛粉体的颗粒大小、粒径分布范围、颗粒形貌及杂质的含量等都会对后续工艺流程产生一定的影响。如何制备出颗粒大小及形貌适宜、粒径分布范围窄、杂质含量尽可能少的TiN粉体一直是研究的主要方向。此外，采用和NbC粉末复合烧结的TiN为非化学计量比TiNx，结构中由于存在大量空位，在烧结中具有促进扩散和减低烧结温度的作用，使得在较低的温度下就能获得致密化程度较高性能较好的烧结体。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明将机械合金化法(MA)制备的非化学计量比TiNx与细化的碳化铌粉末进行混合，采用热压烧结(HP)制备无金属粘结相TiN-NbC复合材料，利用TiNx中的空位能降低烧结温度促进烧结，在此基础上和碳化铌及其他过渡族难熔碳化物复合烧结形成无金属粘结剂TiN-NbC复合材料，克服传统TiN基硬质合金的高温软化导致性能失效的缺点，同时提高其硬度及断裂韧性。

本发明采用的技术手段如下：

一种TiN-NbC复合材料，其原料组成包含碳化铌微粉和TiNx，其中0.3≤x≤0.9或x＝1.1～1.3，所述碳化铌微粉的体积百分比为10～40vol.％，TiNx的体积百分比为60～90vol.％。

所述碳化铌微粉的纯度＞99％，粒度为150nm以细；TiNx的粒度为150nm以细。