CN101565176B - 一种纳米TiN粉体的分散方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米TiN粉体的分散方法。其特征是首先将纳米TiN粉末在氢气保护下进行脱氧处理，再以无水乙醇为介质并添加聚乙二醇作活性剂进行高能球磨处理，最后将球磨后的料浆调节好pH值进行超声分散和真空干燥。本发明的分散方法获得的纳米TiN粉体，氧含量低、分散均匀、无硬团聚、与基体润湿性得到改善，适合于作为Ti(C，N)基金属陶瓷的添加剂或者直接作纳米金属陶瓷材料的硬质相。

Description

一种纳米TiN粉体的分散方法
技术领域
本发明为一种纳米粉末的分散方法，特别涉及纳米TiN粉末的分散方法，属于粉末冶金和金属陶瓷领域。
背景技术
TiN属难熔过渡族金属氮化物家族中的一员，具有极高的熔点、硬度，以及很好的耐腐蚀性和热力学稳定性，还具备与金属类似的良好热导性和电导性，是Ti(C，N)金属陶瓷刀具材料的主要硬质相之一。Ti(C，N)基金属陶瓷具有好的红硬性、低腐蚀性、导热率和摩擦系数、较好的抗粘刀能力，可用于制成微型可转位刀片，用于精镗孔、精孔加工和以车代磨等精加工领域；其功能填补了传统WC-Co系硬质合金与Al2O3陶瓷刀具之间的空白。尽管在欧美等国已得到了越来越广泛的应用，但强度和韧性不足是金属陶瓷一直存在的主要问题。根据Hall-Petch公式，陶瓷材料的晶粒度越小，粘结相的平均自由程越短，则陶瓷的强度和硬度越高，若晶粒度达到纳米尺度后，其硬度和强度将有大的突破。90年代后期，科学家们提出了在常规材料中添加纳米颗粒以改善材料性能的想法。Niihara报道在Al2O3基体中加入纳米颗粒使材料的力学性能显著提高；对传统WC基硬质合金的研究也表明，当WC的晶粒细到0.5μm(超细)以下时，可获得强度、硬度和韧性“三高”的合金。因此国内外的学者对部分添加纳米改性金属陶瓷进行了许多研究。很多人研究了添加纳米TiN到金属陶瓷中来改善，如许育东等在《复合材料学报》杂志2003年第1期上报道的“纳米改性金属陶瓷的组织和力学性能”，结果表明随纳米TiN的增加，纳米改性金属陶瓷的组织明显细化；组织的细化与纳米TiN在TiC/TiC晶界的分布阻止了TiC晶粒的长大有关。
但是，纳米TiN粉末颗粒粒径小，比表面积大，界面原子数多，表面具有较高的化学活性。一方面，纳米TiN粉末容易吸收氧，而导致粉末活性降低，添加到金属陶瓷基体中会导致制备过程中压制品容易开裂，烧结品容易产生孔隙等缺陷。另一方面，由于颗粒间普遍存在的范德瓦尔斯力和库仑力，纳米颗粒极易团聚而形成带有若干弱连接界面的尺寸较大的团聚体，在烧结的致密化过程中，团聚体会导致纳米颗粒长大而超过纳米尺度，从而失去纳米弥散相的独特作用；同时团聚体之间的空隙在烧结过程中难以消除，在烧结体中形成裂纹状缺陷。因此，克服纳米颗粒的团聚，使其充分分散，以获得与基质颗粒均匀混合是获得高性能金属陶瓷的前提条件。
目前用于分散粉末的有球磨法、超声法等，传统的球磨法的冲击、剪切、压缩、磨耗等作用机理决定了该法对微米级及更粗的粉末的破碎和均匀化作用明显，而对纳米细粉的作用有限；超声法虽然可以通过超声波“空化”等作用使颗粒团聚体解聚，但同时也通过非线性振动产生的Bernoulli力使单个纳米TiN颗粒相互靠近提高相互碰撞、而产生凝聚，使得已分散开的单个粉末颗粒又重新结合起来，而且对纳米粉末的硬团聚消除作用比球磨小。本发明针对纳米TiN粉末的特点和现有分散技术的不足特点，发明了一种表面修饰高能球磨法来分散纳米TiN粉末。
发明内容
本发明针对纳米TiN粉末表面吸附有大量的氧和杂质和易形成了硬团聚的特点，发明了表面修饰辅助的高能球磨分散方法，其特征是其特征是依次包含以下的脱氧处理、高能球磨和超声分散三个步骤：
(1)先在氢气中对TiN纳米粉末进行脱氧处理；
(2)对经过脱氧处理的TiN纳米粉末进行高能球磨处理；
(3)通过超声的作用使高能球磨后的料浆进一步分散；便达到了纳米TiN粉末均匀分散的目的。
本发明的纳米TiN粉末的分散方法，其进一步的特征在于：
(1)纳米TiN粉末的脱氧处理在H2保护的连续推进式Mo丝煅烧炉中进行，粉末放在石墨舟皿盒中，推舟速度为10～20舟/分，高温带温度为1400～1500℃，H2流速为2～3m3/h，随炉冷却；
(2)经过脱氧处理的纳米TiN粉末，在行星式球磨机中进行高能球磨处理，球磨介质为无水乙醇，纳米TiN粉末的体积分数为1vol％～10vol％；并添加0.1wt％～1wt％的聚乙二醇；球磨机转速为200～400r/min，研磨时间为12～36h，研磨球为直径Φ6mm的超细硬质合金球，球料重量比为50∶1～100∶1；
(3)利用甲酸和氨水将球磨后的料浆悬浊液的pH值调节到5～9，再进行20～60min的超声处理；随后在真空度为1～5Pa，温度为85℃～120℃的条件下进行干燥处理。
本发明的优点在于：
脱氧处理后，可降低粉末的杂质含量，提高纳米TiN粉末与基体粉末之间的润湿性，并提高纳米粉末与表面活性剂的连接作用；添加聚乙二醇高能球磨可提高粉末的分散性，且表面活性剂可对纳米粉末颗粒起到保护作用；超声处理可进一步分散纳米粉末。本发明的分散方法获得的纳米TiN粉体，氧含量低、分散均匀、无硬团聚、与基体润湿性得到改善，适合于作为Ti(C，N)基金属陶瓷的添加剂或者直接作纳米金属陶瓷材料的硬质相。
附图说明
图1本发明中实例1的分散后的纳米TiN粉末的SEM照片
图2本发明中实例2的分散后的纳米TiN粉末的SEM照片
具体实施方式
实例1：称取纳米50nm的TiN粉末10g，在H2保护的连续推进式Mo丝煅烧炉中进行脱氧处理，粉末放在石墨舟皿盒中，推舟速度为20舟/分，高温带温度为1400℃，H2流速为2m3/h，随炉冷却。经过脱氧处理的纳米TiN粉末，在行星式球磨机中进行高能球磨处理，球磨介质为无水乙醇，纳米TiN粉末的体积分数为6vol％；并添加0.8wt％的聚乙二醇；球磨机转速为380r/min，研磨时间为24h，研磨球为直径Φ6mm的超细硬质合金球，球料重量比为80∶1。利用甲酸和氨水将球磨后的料浆悬浊液的pH值调节到7，再进行40min的超声处理；随后在真空度为5Pa，温度为95℃的条件下进行干燥处理。经过处理的TiN粉末分散均匀，团聚少，粒度约为20nm，是金属陶瓷的优质添加剂，其形貌如图1所示。
实例2：称取50nm纳米TiN粉末5g，在H2保护的连续推进式Mo丝煅烧炉中进行脱氧处理，粉末放在石墨舟皿盒中，推舟速度为10舟/分，高温带温度为1500℃，H2流速为3m3/h，随炉冷却。经过脱氧处理的纳米TiN粉末，在行星式球磨机中进行高能球磨处理，球磨介质为无水乙醇，纳米TiN粉末的体积分数为1vol％；并添加0.1wt％的聚乙二醇；球磨机转速为200r/min，研磨时间为12h，研磨球为直径Φ6mm的超细硬质合金球，球料重量比为50∶1。利用甲酸和氨水将球磨后的料浆悬浊液的pH值调节到6，再进行25min的超声处理；随后在真空度为5Pa，温度为90℃的条件下进行干燥处理。经过处理的TiN粉末分散均匀，团聚少，粒度约为20nm，是金属陶瓷的优质添加剂，其形貌如图2所示。

Claims (1)

1.一种纳米TiN粉末的分散方法，其特征是依次包含以下的脱氧处理、高能球磨和超声分散三个步骤：
(1)先在H2保护的连续推进式Mo丝煅烧炉中对TiN纳米粉末进行脱氧处理，粉末放在石墨舟皿盒中，推舟速度为10～20舟/分，高温带温度为1400～1500℃，H2流速为2～3m3/h，随炉冷却；
(2)经过脱氧处理的纳米TiN粉末，在行星式球磨机中进行高能球磨处理，球磨介质为无水乙醇，纳米TiN粉末的体积分数为1vol％～10vol％；并添加0.1wt％～1wt％的聚乙二醇；球磨机转速为200～400r/min，研磨时间为12～36h，研磨球为直径Φ6mm的超细硬质合金球，球料重量比为50∶1～100∶1；
(3)利用甲酸和氨水将球磨后的料浆悬浊液的pH值调节到5～9，再进行20～60min的超声处理，利用超声的作用使高能球磨后的料浆进一步分散；随后在真空度为1～5Pa，温度为85℃～120℃的条件下进行干燥处理。
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