Ti(C_(1-x)N_x)系固溶體粉末的組織結構研究

研究與開發Ti（ChNx）系固溶體粉末的組織結構研究x徐智謀D‘2）xx易新建D鄭家D熊維皓D胡茂中2）徐尚志2）唐宏If）李祥輝2）江丙武2）彭德麟2）向陽開2）1）華中科技大學光電子工程系，武漢430074）2）株洲硬質合金集團有限公司博士后工作站，株洲41200⑴制原料成分C/Ti的準確配比，可產業化制備出成分優良的不同單相Ti（Ci-xNx）固溶體。粉末呈多角狀和不規則形。Ti（Ci-xNx）系固溶體的點陣常數與C或N含量有很好的對應關系。通過調整粉末中元素的固溶度，可控制粉末的晶體結構，進而控制材料的性能。

1前言Ti（C，N）是一種不同于TiC和TiN的材料，為TiC與TiN的無限固溶體化學式為Ti（C1-xNx）。，x=NWC+N）質量分數，0　　國家自然科學基金資助項目（50074017）；國家“863”計劃資助項目（2002AA331090）；中國博士后科學基金資助項目（中博基金徐智謀，男，博士后，主要從事光電與結構新材料設計和微制造研究。E-mail 2試驗方法碳管爐中進行高溫碳氮化制備Ti（CnxNx）系陶瓷粉末，一次批量生產50kg.具體工藝過程為：配料―干磨※壓緊裝舟※高溫碳氮化（700~2200°Q通N2氣），―球磨※過篩―Ti（CHxNx）系陶瓷粉。

用化學分析方法測定粉末成分。蒸餾容量法測定N含量，燃燒一氣體容積法測定總C和游離C，鋁片還原一硫酸高鐵容量法測定Ti含量，庫侖法和紅外法綜合測定0含量。

的形貌和相組成進行觀察和分析。SEM分析在SM― 5600LV型掃描電鏡上進行。X射線衍射分12kWX射線衍射儀上進行，采用Cu靶Ka輻射，電壓40kV，管電流80mA. 3結果與討論3.1化學成分分析的批量制備出三種Ti（CnxNx）陶瓷粉末TCN―1、TCN―2和TCN―3.化學成分見表1，Ct和Cf分別表示總碳和游離碳。

表1 TXQ―xNx）系陶瓷粉末的化學成分粉末化學成分（質量分數）/%其他陶瓷粉末中游離碳和氧含量的多少對粉末性能的影響很大，一般要求嚴格控制0.6%）。碳熱還原制備Ti（Ci-xNx），化學反應式可表示為：陶瓷粉末中游離碳和氧含量的多少，直接與原料配比和反應是否完全有關。粉末中過量的游離碳和氧的存在表明原料TiO2/C配比不正確，或者制備工藝，如碳氮化溫度、保溫時間和氮氣流量等工藝參數不符合規定，造成原料反應不充分。殘余的游離碳和氧，對以后陶瓷產品性能的副作用影響很大。

過量的殘余C可使合金產生石墨相，殘余的O在燒結脫氧過程中與C反應，造成合金缺C，形成n相，備，游離碳和氧含量是兩個重要的控制參數。

從表1可以看到，試驗中制備的三種Ti（ChNx）陶瓷粉末的Cf<0. 6%，符合生產工藝要求。通過原料成分C/Ti的準確配比，可制備出不同成分的Ti（Ci-xNx）陶瓷粉末。 

計算元素的C/Ti和C/N之比，得到三種Ti（CnxNx）陶瓷粉末：TCN―1、TCN―2瓷粉末y值的大小對粉末特性的影響較大。要使Ti（CnxNx）基金屬陶瓷具有良好的性能，就必須使所制備的Ti（C1-xNx）粉末1.如果y<1，則表示缺C和N，在以后制備金屬陶瓷或合金添加Ni時，游離Ti則會和Ni生成Ni3Ti金屬間化合物（即脆性相），使材料的性能下降。從本試驗中三種陶瓷示出了三種Ti（ChNx）陶瓷粉末的SEM二次電子像。可見，粉末呈多角狀和不規則形，少量細顆粒近似球形。粉末TCN―1、TCN―2和TCN―3的Fsss粒度分別為3.2、3. 5和2.um.相對于TCN―1和TCN―2粉末，TCN―3粉末中夾雜的細小顆粒較多，且形狀更加不規整，這與TCN―3粉末的硬度和球磨不均勻有關。根據Ti（C1-xNx）粉末線性固溶理論，Ti（C1-xNx）粉末的硬度可近似表示為：值，計算出Ti（C1―xNx）系固溶體粉末TCN―1、TCN可見，Ti（C1-xNx）粉末的硬度隨著x值的減小，即從TCN―1、TCN―2到TCN―3逐漸升高。試驗中，TCN――2粉末用100kg球磨罐進行粉碎，球磨時間為10h；TCN―3粉末用50kg球磨罐分兩批進行粉碎，球磨時間為20h.相同工藝參數球磨時，粉末的Fsss粒度TCN―2較TCN―1使材料性能變壞。對于碳（氮）化物陶末1油要大MXl2籍末較TCSci1難于球磨見圖i1和（b）。從以上理論計算，粉末的硬度之間的差別不所下降，但顆粒形狀和粒度分布等性能指標并沒有是很大，不應造成粉末粒度之間如此大的差別。這得到很好的改善，這可能是粉末硬度提高，造成球磨說明，實際粉末硬度的差別比理論計算的差別更大。不均勻的緣故。因此，制備陶瓷粉末時，僅通過延長由此分析，TCN―3粉末的硬度*高，故試驗中采用球磨時間改變粉末，尤其是高硬度粉末的特性，效果了小批量分批球磨并且延長了球磨時間的工藝。從不明顯，選擇較好的球磨工藝對提高粉末的特性可（c）可見，粉末的粒度較TCN―1和TCN―2有能會有較大的幫助。

 對粉末進行XRD分析（見）。結果表明，三種陶瓷粉末均為單相結構，屬立方晶系。TCN―1、TCN―2和TCN― 3的點陣常數分別為4.27112，4.27588和4.29501.可見，Ti（C卜xNx）系固溶體隨著x值的減小，點陣常數逐漸增大。表2列出了XRD分析得到的各陶瓷粉末的晶面間距。相對于標準的晶面間距，Ti（Ci-xNx）系固溶體的晶面間距介于TiC和TiN之間，且隨著N含量的增加，各晶面的間距逐漸變小。這主要是TiC中固溶N時，當N原子溶入到溶劑金屬Ti的晶體點陣中，部分替代C原子，形成置換固溶體引起晶格畸變。由于N的原子半徑小于C的原子半徑，使得Ti（C，N）的晶格常數比TiC的小，且隨著Ti（C，N）中固溶N數量的增多，其晶格常數更小（見）。直線擬合可得到Ti（C1-xNx）的晶格常數a與x值的關系式為：表2 TiCCiNx）系固溶體的晶面間距晶面間距/X晶凹指數TKChNx）的晶格常數與N含量（即x）的關系由分析可知，通過調整Ti（CnxNx）粉末的成分，即控制x值的大小，就能控制Ti（CnxNx）粉末的相結構，進而控制金屬陶瓷產品的性能。 

4結論通過原料成分C/Ti的準確配比，可產業化制備出成分優良的不同晶體結構的單相Ti（C，N）固溶體。 

Ti（CnxNx）系固溶體的晶格常數與元素的固溶度有很好的對應關系。隨著N含量的增多，其晶格常數線性減小。通過調整粉末中元素的固溶度可控制固溶體的晶體結構，進而控制材料的性能。

Ti（CnxNx）系固溶體粉末顆粒呈多角狀和不規則形。