Synthese und Anwendung von submikronem Titancarbonitrid

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Herstellung von submikronem Ti(C,N)-Pulver mittels carbothermischer Synthese (CTS) und dem Einfluss dieses neu entwickelten Pulvers in Ti(C,N)-reichen Cermetlegierungen. Durch die Optimierung des klassischen Syntheseverfahrens konnte aus einem Gemisch von submikronem TiO2 mit Ruß ein submikrones Ti(C,N)-Pulver hergestellt werden, welches verminderte Kornvergröberung bei der Synthese zeigte. Die Analyse des Einflusses der Gasphase auf die verschiedenen Reaktionsschritte führte zu maßgeblichen Änderungen des Herstellungsprozesses. Der Vergleich zwischen der unter He und N2 durchgeführten CTS im Temperaturbereich von 1000 - 1400 Grad Celsius zeigte eine Verschiebung zu höheren Temperaturen der auftretenden Reduktionsreaktionen unter N2. Deshalb wurde die CTS von einer einstufigen auf eine zweistufige Synthese umgestellt. Der erste Reaktionsteil wurde unter He und der zweite unter N2 durchgeführt. Der Übergang zwischen den Stufen wird durch die Entstehung des kubischen Titanoxicarbids Ti(O,C) bestimmt. Trotz der verschiedenen Synthesetemperaturen zeichnete sich diese Phase durch eine konstante Korngröße zum Zeitpunkt ihrer Entstehung aus. In weiterer Folge beschleunigte die N2-Atmosphäre den Abbau von Sauerstoff aus dem Gitter von Ti(O,C,N) und förderte die Bildung von submikronem Ti(C,N). Ti(C,N)-reiche Cermetmischungen wurden anschließend mit einem konventionellen (FSSS = 1 Mikrometer) und dem neu entwickelten Ti(C,N)-Pulver (FSSS = 0,7 Mikrometer) hergestellt. Die für die Sinterung relevanten Entgasungs- und Schwindungscharakteristika wurden mittels Entgasungsanalyse (MS-EGA) bzw. Dilatometrie ermittelt. Obwohl die Entgasung der einzelnen Ti(C,N)-Pulver abhängig von der Korngröße ist, weist sie in den Cermetmischungen kaum Unterschiede auf. Das Schwindungsverhalten der Cermets mit submikronem Ti(C,N) weicht während der Festphasendiffusion geringfügig von denjenigen mit konventionellem Ti(C,N) ab, gleicht sich aber mit der Bildung der Flüssigphase wieder an. Daraus folgt, dass sowohl das Entgasungs- wie auch das Schwindungsverhalten weitgehend unabhängig vom ausgewählten Ti(C,N)-Pulver sind. Sinterabbruchversuche im Temperaturbereich von 1175 - 1460 Grad Celsius deuten auf die höhere Diffusionsfreudigkeit des submikronen Pulvers hin. Damit erfolgt eine bessere und schnellere Homogenisierung des Gefüges. Diese Änderung führt zu einer Erhöhung der Koerzitivfeldstärke und der spezifischen magnetischen Sättigung aufgrund der feineren Ti(C,N)-Kerne und der höheren Auflösung von C und N im Binder. Darüber hinaus beeinflussen die Gefügeänderungen in Cermets mit submikronem Ti(C,N) die mechanischen Eigenschaften durchaus positiv. Die Härte (HV10) steigt deutlich, während die Risszähigkeit (KIC) stagniert.

This work deals with the carbothermal synthesis of submicron Ti(C,N) and his influence in Ti(C,N)-rich cermet grades. An optimization of the classical synthesis route allowed the production of submicron Ti(C,N) powder with hardly grain growth from submicron TiO2 and carbon black. The analysis of the gas atmospheres' influence on the reaction mechanism showed a need for higher temperatures using N2 during the first step of the reaction (between 1000 and 1400 degrees Celsius). Therefore, a two-step process was applied for the synthesis of Ti(C,N). A first stage was conducted in He and a second in N2 atmosphere. The formation of the titanium oxicarbide marks the transition between both stages and surprisingly his grain size was not influenced by the temperature used during the synthesis. In the second stage N2 was proved to accelerate the removal of oxygen from the Ti(O,C,N)lattice and to support the synthesis of submicron Ti(C,N). Ti(C,N)-rich cermet grades were prepared from conventional (FSSS = 1 micrometer) and new developed Ti(C,N) powder (FSSS = 0.7 micrometer). The sintering behaviour was characterised by measurements on the one hand of the outgassing (MS-EGA) and on the other of the shrinkage (Dilatometry). Although the outgassing behaviour of the individual Ti(C,N) powders is different, the cermet grades exhibit equivalent outgassing. The shrinkage behaviour of the cermets with submicron and conventional Ti(C,N) differs during the solid-stage regime but become similar with the formation of the liquid phase. Therefore, the sintering behaviour was considered equivalent for all cermet grades. Time- and temperature-dependent phase formation was investigated by interrupting the sintering process between 1175 and 1460 degrees Celsius. Through the higher diffusion of the submicron Ti(C,N) powder a higher and faster homogenization of the microstructure was found. As a result of the finer Ti(C,N) cores and the higher dissolution of C and N in the binder phase of cermets with submicron Ti(C,N), the coercitive force and the specific saturation magnetization increase, respectively. Apart from that, the mechanical properties are positively influenced by using submicron Ti(C,N), the hardness (HV10) increases while the fracture toughness (KIC) remains virtually unchanged