碳化钛技术路径

碳化钛生产与应用路径

邹建新

1、碳化钛简介

碳化钛硬质合金，以Tic为主要成分、镍钼为粘结相制成的硬质合金。又称为金属陶瓷硬质合金。它具有高硬度、高耐磨性等特点，主要用于各种钢材的切削加工，也可用作耐磨、耐蚀零件。

碳化钛熔点高、碗度高、化学稳定性好，主要用来制造金属陶瓷，耐热合金和硬质合金。用碳化钛来制备的复相材料在机械加工、冶金矿产、航天领域、聚变堆等领域有着广泛的应用。

TiC有十分广泛的应用领域。随着微波合成纳米Tic粉体技术的进一步完善及产业化，应用纳米TiC粉体制备相应材料的性能将会有很大的改善和提高，有的可能有质的飞跃，前景诱人，用途广阔。

钛的碳化物很多，其中最重要的是TiC。TiC是一种具有金属光泽的钢灰色晶体，晶体结构属于典型的NaCl结构，晶格常数a=o.4320nm。20℃时TiC密度为4.91g/cm3，熔点为3150±10℃，沸点为4300℃，莫氏硬度9.5，是所有已知碳化物中硬度最高的，仅次于金刚石。TiC具有良好的传热性能和导电性能，随着温度的升高，其导电性能降低，这说明TiC具有金属的性质。它在1.1K时具有超导性，TiC是弱顺磁性物质。TiC还具有优良的抗氧化性、化学稳定性和热稳定性，可广泛应用于电子、化学和微电子工业。

常温下TiC是稳定的，在真空加热温度高于3000℃的时候会放出

钛含量比TiC更高的TiC蒸气；在氢气中加热温度高于1500℃时会慢慢脱碳；在氮气气氛中温度高于1200℃时与N2反应生成组分变化的Ti（C，N)；致密的TiC在800℃以下在氧气气氛中氧化很慢，疏松的TiC在600℃时可以在氧气中燃烧。

2、碳化钛的生产方法

合成TiC粉体有多种方法，每种方法合成的TiC粉体其粒子大小、粒度、分布、形态、团聚状况、纯度及化学计量各有不相同。

2．1碳热还原法

工业用TiC粉体最初是用碳黑还原TiO2来制备的，反应的温度范围在1700一2100℃，反应式如方程为：

TiO2(s) +3C(s)=TiC(s)+2CO(g)

因为反应物以分散的颗粒存在，反应进行的程度受到反应物接触面积和炭黑在TiO2中的分布的限制，使产品中含有未反应的炭和TiO2，在还原反应过程中，由于晶体生长和粒子间的化学键力，合成的Tic粉体有较宽的粒度分布范围，需要球磨加工。反应时间较长，约在l0一20小时.反应中由于受扩散梯度的影响使合成的粉体常常不够纯。

2．2直接碳化法

直接碳化法是利用Ti粉和炭分反应生成7nC，反应式如方程：Ti(s)+C(s)=TiC

由于很难制备亚微米级金属Ti粉，该方法的应用受到限制，此

外，由于金属钛粉的价格昂贵，使得合成TiC的成本也高。

2．3化学气相沉积法

该合成法是利用TiCl4，H2和c之间的反应，反应式如方程：

TiCl4(g)+2H2(g)+C(s)=Tic(g)+4Hcl(1)

反应物与灼热的钨或炭单丝接触而进行反应，晶体直接生长在单丝上，用这种方法合成的Tic粉体，其产量、有时甚至质量严格受到限制，此外，由于Ticl4和产物中的Hcl有强烈的腐蚀性，合成时要特别谨慎。

2．4高温自蔓延合成法(SHS)

该法源于放热反应。当加热到适当的温度时，细颗粒的钛粉有很高的反应活性，因此，一旦点燃后产生的燃烧波通过反应物Ti和C，Ti和c就会有足够的反应热使之生成Tic，该法反应应快，通常不到一秒钟，该台成法需要高纯、微细的Ti粉作原料，而且产量有限。

2 5反应球磨技术制备纳米Ti粉体

反应球磨技术是利用金属或合会粉末在球磨过程中与其他单质或化合物之间的化学反应而制备出所需要材料的技术。用反应球磨技术制备纳米材料的主要设备是高能球磨机，其主要用来生产纳米晶体材料。反应球磨机理可分为两类：一是机械诱发自蔓延高温合成(sHs)反应，另一类为无明显放热的反应球磨，其反应过程缓慢。

在工业上，一般采用金属钛粉或TiH2直接碳化法。金属钛粉或者TiH2粉直接碳化法，这是制备TiC的传统方法。其工艺是用钠（镁）

还原得到的海绵状钛粉或由氢化钛分解得到钛粉(粒径至少在54微米以下)和炭黑的混合物(混合物的含碳量比理论量多5％一10％，并经球磨机干式混合)在100MPa左右的压力下成型。然后放进石墨容器，使用碳化感应加热炉，在高纯(露点在35℃以下)气流中加热到1500～1700℃使钛粉与炭黑反应，反应温度和保温时间由原料种类、粒度及反应性能等因素决定，特别是使用氢化钛分解得到的钛粉的活性强，在1500℃下保温1h容易得到接近理论含碳量(20.05％)的碳化钛。

3 TiC的应用

3．1 TiC在复相材料中的应用

Tic陶瓷属于超硬工具材料，TiC和TiN、WC、A12O3等原料制成各类复相陶瓷材料，这些材料具有高熔点、高硬度、优良的化学稳定性，是切削刀具、耐磨部件的优选材料，同时他们具有优良的导电性，又是电极的优选材料。

用在刀具材料方面，A12O3一TiC系统复相陶瓷刀具自二十世纪六十年代研制成功以来，已得到了较为广泛的应用，由于基体中弥散了一定比例的硬质颗粒Tic，这种复合刀具不仅进一步提高了硬度，同时也在一定程度上改善了断裂的韧性，故切削性能比纯A12O3刀具提高很多。宇航部件、堆焊焊条方面也有广泛应用。

3．2碳化钛用于涂层材料

在金刚石涂层方面，金刚石工具的制造方法主要是粉末冶金法，由于会刚石是非金属，与一般金属或合金间有很高的界面能，致使金

刚打表面小能被低熔点金属或合金浸润，其粘结性能差，近年来，许多学者对增强金刚石与金属基体的结合强度作了大量研究。最广泛采用的方法是活性金属法，即在金属结合剂中加入少量钛、铬、钒等活性金属，工具在液相烧结时，由于活性金属足高碳化合物形成元素，与金刚石亲和力人，易向金刚石表面富集。从而实现金刚石与金属结合剂的冶金结合，但界面强度受活性金属加人量发烧结温度、时间等参数的影响，并要求结合剂溶化才能实现活性金属向界面富集，因此该法不适用丁金刚石与金属粉体长时间固相的热压烧结．基于以上原因，许多学者希望寻求其他途径来改善金刚石表面与金属基体的结合强度。在刀具上沉积一层碳化钛，可以使刀具的使用寿命提高3—5倍。

此外，在聚变堆中的抗氚涂层、接触材料涂层、进机截齿涂层中也有着广泛的应用。

3 3 碳化钛用于制备泡沫陶瓷

泡沫陶瓷作为过滤器对各种流体中的夹杂物均能有效地除去，其过滤机理是搅动和吸附。过滤器要求材料的化学稳定性，特别是在冶金行业中用的过滤器要求高熔点，故此类材料以氧化物居多，而且为适应金属熔体的过滤，主要追求抗热震性能的提高。碳化钛泡沫陶瓷比氧化物泡沫陶瓷有更高的强度、硬度、导热、导电性以及耐热和耐腐蚀性。

3.4在红外辐射陶瓷材料方面的应用

二十世纪八十年代中期以来，日本学者高桥研、吉田均和铃木博