Ti(C_(1-x)N_x)系固溶体粉末的组织结构研究

研究与开发Ti（ChNx）系固溶体粉末的组织结构研究x徐智谋D‘2）xx易新建D郑家D熊维皓D胡茂中2）徐尚志2）唐宏If）李祥辉2）江丙武2）彭德麟2）向阳开2）1）华中科技大学光电子工程系，武汉430074）2）株洲硬质合金集团有限公司博士后工作站，株洲41200⑴制原料成分C/Ti的准确配比，可产业化制备出成分优良的不同单相Ti（Ci-xNx）固溶体。粉末呈多角状和不规则形。Ti（Ci-xNx）系固溶体的点阵常数与C或N含量有很好的对应关系。通过调整粉末中元素的固溶度，可控制粉末的晶体结构，进而控制材料的性能。

1前言Ti（C，N）是一种不同于TiC和TiN的材料，为TiC与TiN的无限固溶体化学式为Ti（C1-xNx）。，x=NWC+N）质量分数，0　　国家自然科学基金资助项目（50074017）；国家“863”计划资助项目（2002AA331090）；中国博士后科学基金资助项目（中博基金徐智谋，男，博士后，主要从事光电与结构新材料设计和微制造研究。E-mail 2试验方法碳管炉中进行高温碳氮化制备Ti（CnxNx）系陶瓷粉末，一次批量生产50kg.具体工艺过程为：配料―干磨※压紧装舟※高温碳氮化（700~2200°Q通N2气），―球磨※过筛―Ti（CHxNx）系陶瓷粉。

用化学分析方法测定粉末成分。蒸馏容量法测定N含量，燃烧一气体容积法测定总C和游离C，铝片还原一硫酸高铁容量法测定Ti含量，库仑法和红外法综合测定0含量。

的形貌和相组成进行观察和分析。SEM分析在SM― 5600LV型扫描电镜上进行。X射线衍射分12kWX射线衍射仪上进行，采用Cu靶Ka辐射，电压40kV，管电流80mA. 3结果与讨论3.1化学成分分析的批量制备出三种Ti（CnxNx）陶瓷粉末TCN―1、TCN―2和TCN―3.化学成分见表1，Ct和Cf分别表示总碳和游离碳。

表1 TXQ―xNx）系陶瓷粉末的化学成分粉末化学成分（质量分数）/%其他陶瓷粉末中游离碳和氧含量的多少对粉末性能的影响很大，一般要求严格控制0.6%）。碳热还原制备Ti（Ci-xNx），化学反应式可表示为：陶瓷粉末中游离碳和氧含量的多少，直接与原料配比和反应是否完全有关。粉末中过量的游离碳和氧的存在表明原料TiO2/C配比不正确，或者制备工艺，如碳氮化温度、保温时间和氮气流量等工艺参数不符合规定，造成原料反应不充分。残余的游离碳和氧，对以后陶瓷产品性能的副作用影响很大。

过量的残余C可使合金产生石墨相，残余的O在烧结脱氧过程中与C反应，造成合金缺C，形成n相，备，游离碳和氧含量是两个重要的控制参数。

从表1可以看到，试验中制备的三种Ti（ChNx）陶瓷粉末的Cf<0. 6%，符合生产工艺要求。通过原料成分C/Ti的准确配比，可制备出不同成分的Ti（Ci-xNx）陶瓷粉末。 

计算元素的C/Ti和C/N之比，得到三种Ti（CnxNx）陶瓷粉末：TCN―1、TCN―2瓷粉末y值的大小对粉末特性的影响较大。要使Ti（CnxNx）基金属陶瓷具有良好的性能，就必须使所制备的Ti（C1-xNx）粉末1.如果y<1，则表示缺C和N，在以后制备金属陶瓷或合金添加Ni时，游离Ti则会和Ni生成Ni3Ti金属间化合物（即脆性相），使材料的性能下降。从本试验中三种陶瓷示出了三种Ti（ChNx）陶瓷粉末的SEM二次电子像。可见，粉末呈多角状和不规则形，少量细颗粒近似球形。粉末TCN―1、TCN―2和TCN―3的Fsss粒度分别为3.2、3. 5和2.um.相对于TCN―1和TCN―2粉末，TCN―3粉末中夹杂的细小颗粒较多，且形状更加不规整，这与TCN―3粉末的硬度和球磨不均匀有关。根据Ti（C1-xNx）粉末线性固溶理论，Ti（C1-xNx）粉末的硬度可近似表示为：值，计算出Ti（C1―xNx）系固溶体粉末TCN―1、TCN可见，Ti（C1-xNx）粉末的硬度随着x值的减小，即从TCN―1、TCN―2到TCN―3逐渐升高。试验中，TCN――2粉末用100kg球磨罐进行粉碎，球磨时间为10h；TCN―3粉末用50kg球磨罐分两批进行粉碎，球磨时间为20h.相同工艺参数球磨时，粉末的Fsss粒度TCN―2较TCN―1使材料性能变坏。对于碳（氮）化物陶末1油要大MXl2籍末较TCSci1难于球磨见图i1和（b）。从以上理论计算，粉末的硬度之间的差别不所下降，但颗粒形状和粒度分布等性能指标并没有是很大，不应造成粉末粒度之间如此大的差别。这得到很好的改善，这可能是粉末硬度提高，造成球磨说明，实际粉末硬度的差别比理论计算的差别更大。不均匀的缘故。因此，制备陶瓷粉末时，仅通过延长由此分析，TCN―3粉末的硬度*高，故试验中采用球磨时间改变粉末，尤其是高硬度粉末的特性，效果了小批量分批球磨并且延长了球磨时间的工艺。从不明显，选择较好的球磨工艺对提高粉末的特性可（c）可见，粉末的粒度较TCN―1和TCN―2有能会有较大的帮助。

 对粉末进行XRD分析（见）。结果表明，三种陶瓷粉末均为单相结构，属立方晶系。TCN―1、TCN―2和TCN― 3的点阵常数分别为4.27112，4.27588和4.29501.可见，Ti（C卜xNx）系固溶体随着x值的减小，点阵常数逐渐增大。表2列出了XRD分析得到的各陶瓷粉末的晶面间距。相对于标准的晶面间距，Ti（Ci-xNx）系固溶体的晶面间距介于TiC和TiN之间，且随着N含量的增加，各晶面的间距逐渐变小。这主要是TiC中固溶N时，当N原子溶入到溶剂金属Ti的晶体点阵中，部分替代C原子，形成置换固溶体引起晶格畸变。由于N的原子半径小于C的原子半径，使得Ti（C，N）的晶格常数比TiC的小，且随着Ti（C，N）中固溶N数量的增多，其晶格常数更小（见）。直线拟合可得到Ti（C1-xNx）的晶格常数a与x值的关系式为：表2 TiCCiNx）系固溶体的晶面间距晶面间距/X晶凹指数TKChNx）的晶格常数与N含量（即x）的关系由分析可知，通过调整Ti（CnxNx）粉末的成分，即控制x值的大小，就能控制Ti（CnxNx）粉末的相结构，进而控制金属陶瓷产品的性能。 

4结论通过原料成分C/Ti的准确配比，可产业化制备出成分优良的不同晶体结构的单相Ti（C，N）固溶体。 

Ti（CnxNx）系固溶体的晶格常数与元素的固溶度有很好的对应关系。随着N含量的增多，其晶格常数线性减小。通过调整粉末中元素的固溶度可控制固溶体的晶体结构，进而控制材料的性能。

Ti（CnxNx）系固溶体粉末颗粒呈多角状和不规则形。