氮化铬-氮化钛固溶体陶瓷及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种制备氮化铬－氮化钛陶瓷及制备方法，属于陶瓷材料领域。本发明专利技术的特征在于提供的氮化铬和氮化钛固溶体的通式为Ｔｉ↓［ｘ］Ｃｒ↓［１－ｘ］Ｎ，其中０．４＜ｘ≤０．６。通过在氮化铬中固溶氮化钛，然后利用放电等离子体烧结技术制备氮化钛－氮化铬固溶体陶瓷。该方法的突出特点是，通过在氮化铬中固溶一定量的氮化钛可以大幅度提高前者的热力学稳定性，上述因素结合放电等离子烧结技术低温快速烧结的特性可以有效抑制氮化铬在高温的热分解，获得高度致密的氮化铬－氮化钛固溶体陶瓷，并使材料的导电性和硬度相对于纯氮化铬陶瓷产生大幅度的提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新的氮化铬和氮化钛固溶体(TixCn.xN)陶瓷及制备方法，以解决氮化络在烧结过程中易分解的难题，同时本专利技术利用 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，避免氮化络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°C，氮化过程氨气流量为l-2L/min。2.放电等离子体烧结温度在1100-1450。C之间，烧成保温时间为l-3分钟， 烧成压力为50-100 MPa。本专利技术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(TixCri.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60moin/。实际上以TiN为主相所以 本专利技术提供的TixCr,.xN中的x的量为0.4<x《0.6，而x《0.4时固溶体TixCn.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) 1100oC， (b) 1350。C， (c) 1400。C。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) Ti0.2Cr0.8N; (b) Ti0.4Cr0.6N; (c) Ti0.6Cr0.4N。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) Ti0.2Cr0.8N; (c) Ti0.4Cr0.6N。图4为实施例2中1450°C放电等离子烧结(a) TicuCr^N和(b) Tia2Cr0.8N 固溶体陶瓷的X-衍射图谱。c图5为实施例2中1100°C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。具体实施例方式下面结合实施例的描述进一步说明本专利技术的创新点而非限制本说明。 实施例1在剧烈搅拌的情况下将浓度为4N的氨水逐滴加入到0.2M的硝酸铬水溶 液中至pH40以使铬离子完全沉淀为氢氧化铬，然后用蒸馏水对所得沉淀物 多次抽滤洗涤至pH=7左右。在此基础上进一步用无水乙醇对氢氧化铬沉淀 进行洗涤脱水，然后于100。C干燥，300。C空气中煅烧，得到纳米氧化铬粉 体。所得纳米氧化铬粉体于900。C在1.5L/min的流动氨气中氮化9小时，获 得氮化铬纳米粉体。将该氮化铬纳米粉体置于石墨模具中，随后真空条件下 进行放电等离子烧结，其中烧结压力为lOOMPa，烧结时间为3分钟，烧结 温度为1100-1400°C。图1为不同温度下烧结氮化铬陶瓷的X-衍射图谱。可 以发现在1350°C及以下，只有微量的氮化袼发生热分解生成氮化二铬 (Cr2N)，但当烧结温度提高到1400。C时大量氮化铬发生了热分解，生成氮 化二铬及某种未知相。另外，必须注意的一点是在常规烧结条件下(如常压 烧结和热压烧结)氮化铬通常在UOO。C即发生热分解，本专利技术通过放电等 离子对氮化铬进行烧结，在1350°C仍可以得到只含有少量氮化二铬杂质的 氮化铬陶瓷。这说明在放电等离子烧结条件下，可以有效抑制氮化铬的高温实施例2在剧烈搅拌的情况下将浓度为4N的氨水逐滴加入到阳离子浓度为0.2M 的硝酸铬和钛酸丁酯的混合乙醇溶液溶液中至pH=10以使氢氧化铬和氢氧 化钛充分沉淀析出，然后用蒸馏水对所得沉淀物多次抽滤洗漆至PH=7左右。 在此基础上进一步用无水乙醇对所得沉淀进行洗涤脱水，然后于100°C干燥， 300°C空气中煅烧，得到纳米氧化铬和氧化钛的复合粉体。所得纳米氧化物 复合粉体于900°C在1.5L/min的流动氨气中氮化9小时，获得氮化铬-氮化 钛固溶体纳米粉体，其中氮化钛的固溶量为10-60mol%。图2和图3分别为所得粉体的透射电镜照片和X-衍射图谱。可见粉体颗粒尺寸在30-40nm且分 散性良好，粉体的晶体结构与氮化铬基本相同。将上述粉体置于石墨模具中 于真空条件下进行放电等离子烧结，其中烧结压力为lOOMPa，烧结时间为 3分钟，烧结温度为1100-1450°C。图4为1450°C烧结氮化铬-氮化钛固溶体 陶瓷的X-衍射图谱。可以发现由于氮化钛在氮化铬中固溶提高了后者的热力 学稳定性，使得材料在1450°C烧结也不会发生任何分解。图5(a)和(b)为 1100。C烧结材料的硬度和电阻率与氮化钛固溶量的关系曲线。随着氮化钛固 溶量的增加，材料的硬度几乎呈线性增大而其电阻率则发生了明显的下降。权利要求1、氮化铬-氮化钛固溶体陶瓷，其特征在于所述的固溶体陶瓷的通式为TixCr1-xN，其中0.4＜x≤0.6。2、 制备如权利要求1所述的氮化铬-氮化钛固溶体陶瓷的方法，其特征在于(1 )以纳米氧化铬和纳米氧化钛复合粉体为原料在流动氨气中氮化合成氮化铬、氮化钛或氮化铬-氮化钛固溶体，氮化合成温度为800-1000°C，所述 的氮化铬、氮化钛或它们的复合粉体氮化钛的含量为大于40mol^小于或等 于60mol%;(2)将步骤1制备的氮化铬、氮化钛或它们的复合粉体在放电等离子体 条件下于1100-145(TC烧结，烧成压力为50-100Mpa。3、 按权利要求2所述的氮化铬-氮化钛固溶体陶瓷的制备方法，其特征本文档来自技高网...

【技术保护点】
氮化铬－氮化钛固溶体陶瓷，其特征在于所述的固溶体陶瓷的通式为Ｔｉ↓［ｘ］Ｃｒ↓［１－ｘ］Ｎ，其中０．４＜ｘ≤０．６。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高濂，靳喜海，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]