CN102583376B - 纳米TiC粉末及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纳米TiC粉末的制备方法，包括：A、将钛酸四丁酯溶解于有机溶剂中，得到第一溶液；将蔗糖溶解于有机溶剂中，加入醋酸调节pH值为2-5，得到第二溶液；B、搅拌状态下，将第二溶液加入至第一溶液中，反应后陈化、干燥，得到干凝胶；C、将干凝胶转入真空炉中进行烧结，得到纳米TiC粉末。采用本发明提供的制备方法，能制得纯度高、粉体粒度小且分布窄、烧结温度低的纳米TiC粉末。
Description
技术领域
本发明属于金属陶瓷领域，具体涉及一种纳米TiC粉末的制备方法、由该制备方法得到的纳米TiC粉末及其应用。
背景技术
碳化钛（TiC）具有高熔点、高硬度和高弹性模量，良好的抗热震性和化学稳定性，其高温抗氧化性能仅低于碳化硅，是硬质合金的重要原料，在结构材料中作为硬质相而被广泛用于制作耐磨材料、切削刀具材料、机械零件等领域。
高质量的粉末原料是获得高性能产品的先决条件，要制备性能优异的陶瓷材料，往往需要先制备出高纯度、细粒度、烧结性能良好的粉末原料。碳化钛陶瓷粉末的制备方法，目前常见的主要有TiO2碳热还原法、热喷涂法、化学气相沉积法等多种。其中，TiO2碳热还原法作为原料的二氧化钛和炭黑难以混合均匀，反应转化率较低，制备得到的粉末纯度、粒度、烧结性能等方面均较差。热喷涂法和化学气相沉积法的耗能过大，且产率低、杂质含量高、颗粒不均匀。
发明内容
本发明解决了现有技术中制备碳化钛陶瓷粉末存在的制备方法复杂、产率低，得到的碳化钛粉末纯度、粒度和烧结性能均较差的技术问题。
本发明提供了一种纳米TiC粉末的制备方法，包括以下步骤：
A、将钛酸四丁酯溶解于有机溶剂中，得到第一溶液；将蔗糖溶解于有机溶剂中，加入醋酸调节pH值为2-5，得到第二溶液；
B、搅拌状态下，将第二溶液加入至第一溶液中，反应后得到溶胶体系，陈化后干燥，得到干凝胶；
C、将步骤B得到的干凝胶转入真空炉中进行烧结，得到纳米TiC粉末。
本发明还提供了一种纳米TiC粉末，所述纳米TiC粉末由本发明提供的的制备方法制备得到。
最后，本发明提供了所述纳米TiC粉末作为硬质合金刀具表面涂层材料的应用。
本发明提供的纳米TiC粉末的制备方法中，以钛酸四丁酯作为钛源、以蔗糖作为碳源，二者能充分混合、分散，通过钛酸四丁酯与蔗糖溶胶-凝胶法制备得到纯度高、粉体粒度小且分布窄、烧结温度低的纳米TiC粉末，其作为涂层材料应用于硬质合金刀具表面能有效提高硬质合金刀具的硬度、耐高温切削性能、抗氧化性，显著提高硬质合金刀具的使用寿命。
具体实施方式
本发明提供了一种纳米TiC粉末的制备方法，包括以下步骤：
A、将钛酸四丁酯溶解于有机溶剂中，得到第一溶液；将蔗糖溶解于有机溶剂中，加入醋酸（HAc）调节pH值为2-5，得到第二溶液；
B、搅拌状态下，将第二溶液加入至第一溶液中，反应后得到溶胶体系，陈化后干燥，得到干凝胶；
C、将步骤B得到的干凝胶转入真空炉中进行烧结，得到纳米TiC粉末。
本发明提供的纳米TiC粉末的制备方法中，以钛酸四丁酯作为钛源、以蔗糖作为碳源，二者能充分混合、分散，通过钛酸四丁酯与蔗糖溶胶-凝胶法制备得到纯度高、粉体粒度小且分布窄、烧结温度低的纳米TiC粉末。
具体地，本发明中，步骤A中，溶解钛酸四丁酯、蔗糖的有机溶剂可采用现有技术中常见的各种有机溶剂，例如可以为乙醇，但不局限于此。本发明中，对有机溶剂的用量没有特殊要求，只需其将钛酸四丁酯、蔗糖充分溶解即可。
本发明中，钛酸四丁酯与蔗糖的摩尔比为1:2-1:5。
根据本发明的方法，在配制第二溶液时，需加入醋酸调节第二溶液的pH值为2-5。通过调节第二溶液的pH值，可保证后续溶胶化反应在酸性条件下进行，促进溶胶化反应的进行，提高反应转化率。在调节pH值时，还可加入去离子水进行适当调节。因此，步骤A中，配制第二溶液时还包括加入去离子水的步骤。
根据本发明的方法，然后在搅拌状态下、将蔗糖的溶液（即第二溶液）加入钛酸四丁酯的溶液（即第一溶液）中，进行溶胶化反应。优选情况下，本步骤B中，反应时间为1-3h。为提高溶胶化反应的速率，优选情况下，先将第一溶液在水浴锅中加热，待第二溶液配制好后，直接将其加入第一溶液中，即所述溶胶化反应在水浴锅加热条件下进行。
溶胶化反应完成后，对溶胶体系进行静置陈化，陈化时间为1-12h。然后对陈化体系进行干燥。优选情况下，干燥温度为60-150℃。干燥完成后，得到干凝胶。
然后对干凝胶进行热处理，即转入真空炉中进行烧结，烧结完成后即得到本发明提供的纳米TiC粉末。
作为本发明的一种优选实施方式，本步骤C中，烧结时升温过程为：400-700℃时升温速度为1-10℃/min，保温0-3小时；至1100-1200℃时升温速度为5-10℃/min，保温0-3小时；至1200-1400℃时升温速度为5-10℃/min，保温0-3小时；真空炉内的真空度为1-5Pa。
本发明还提供了一种纳米TiC粉末，所述纳米TiC粉末由本发明提供的的制备方法制备得到。
采用本发明提供的制备方法制备得到的纳米TiC粉末，具有纯度高、粉体粒度小且分布窄的优点。具体地，所述纳米TiC粉末的粒径为40-200nm。其中，粒径为80nm的纳米TiC粉末的含量为95%以上。
最后，本发明提供了所述纳米TiC粉末作为硬质合金刀具表面涂层材料的应用。
本发明提供的纳米TiC粉末，作为涂层材料应用于硬质合金刀具表面，能有效提高硬质合金刀具的硬度、耐高温切削性能、抗氧化性，显著提高硬质合金刀具的使用寿命。
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
称取摩尔比为1：2的钛酸四丁脂与蔗糖作为原料；将钛酸四丁脂溶解于乙醇中，不断搅拌，在水浴锅中加热，得到第一溶液；将蔗糖溶解于乙醇，加入HAc和去离子水，调节体系pH值为2-5，得到第二溶液。
搅拌状态下，将第二溶液加入第一溶液中，搅拌1-3小时，得到溶胶体系；将溶胶体系进行静置陈化1-12小时，然后在60-150℃下干燥，得到干凝胶。然后将干凝胶转入真空度为1-5Pa的真空炉中进行真空烧结，真空烧结的升温过程为：400-700℃时升温速度为1-10℃/min，保温0-3小时；至1100-1200℃时升温速度为5-10℃/min，保温0-3小时；至1200-1400℃时升温速度为5-10℃/min，保温0-3小时；真空烧结完成后，得到本实施例的纳米TiC粉末S1。对粉末检测得到，纳米TiC粉末S1的粒径为40-150nm，其中粒径为80nm的纳米TiC粉末的含量为96%。
实施例2
称取摩尔比为1：3的钛酸四丁脂与蔗糖作为原料；将钛酸四丁脂溶解于乙醇中，不断搅拌，在水浴锅中加热，得到第一溶液；将蔗糖溶解于乙醇，加入HAc和去离子水，调节体系pH值为2-5，得到第二溶液。
搅拌状态下，将第二溶液加入第一溶液中，搅拌1-3小时，得到溶胶体系；将溶胶体系进行静置陈化1-12小时，然后在60-150℃下干燥，得到干凝胶。然后将干凝胶转入真空度为1-5Pa的真空炉中进行真空烧结，真空烧结的升温过程为：400-700℃时升温速度为1-10℃/min，保温0-3小时；至1100-1200℃时升温速度为5-10℃/min，保温0-3小时；至1200-1400℃时升温速度为5-10℃/min，保温0-3小时；真空烧结完成后，得到本实施例的纳米TiC粉末S2。对粉末检测得到，纳米TiC粉末S2的粒径为40-180nm，其中粒径为80nm的纳米TiC粉末的含量为97%。
实施例3
称取摩尔比为1：4的钛酸四丁脂与蔗糖作为原料；将钛酸四丁脂溶解于乙醇中，不断搅拌，在水浴锅中加热，得到第一溶液；将蔗糖溶解于乙醇，加入HAc和去离子水，调节体系pH值为2-5，得到第二溶液。
搅拌状态下，将第二溶液加入第一溶液中，搅拌1-3小时，得到溶胶体系；将溶胶体系进行静置陈化1-12小时，然后在60-150℃下干燥，得到干凝胶。然后将干凝胶转入真空度为1-5Pa的真空炉中进行真空烧结，真空烧结的升温过程为：400-700℃时升温速度为1-10℃/min，保温0-3小时；至1100-1200℃时升温速度为5-10℃/min，保温0-3小时；至1200-1400℃时升温速度为5-10℃/min，保温0-3小时；真空烧结完成后，得到本实施例的纳米TiC粉末S3。对粉末检测得到，纳米TiC粉末S3的粒径为50-150nm，其中粒径为80nm的纳米TiC粉末的含量为80%。
实施例4
称取摩尔比为1：3.5的钛酸四丁脂与蔗糖作为原料；将钛酸四丁脂溶解于乙醇中，不断搅拌，在水浴锅中加热，得到第一溶液；将蔗糖溶解于乙醇，加入HAc和去离子水，调节体系pH值为2-5，得到第二溶液。
搅拌状态下，将第二溶液加入第一溶液中，搅拌1-3小时，得到溶胶体系；将溶胶体系进行静置陈化1-12小时，然后在60-150℃下干燥，得到干凝胶。然后将干凝胶转入真空度为1-5Pa的真空炉中进行真空烧结，真空烧结的升温过程为：400-700℃时升温速度为1-10℃/min，保温0-3小时；至1100-1200℃时升温速度为5-10℃/min，保温0-3小时；至1200-1400℃时升温速度为5-10℃/min，保温0-3小时；真空烧结完成后，得到本实施例的纳米TiC粉末S4。对粉末检测得到，纳米TiC粉末S4的粒径为40-160nm，其中粒径为80nm的纳米TiC粉末的含量为96.5%。
实施例5
称取摩尔比为1：4的钛酸四丁脂与蔗糖作为原料；将钛酸四丁脂溶解于乙醇中，不断搅拌，在水浴锅中加热，得到第一溶液；将蔗糖溶解于乙醇，加入HAc和去离子水，调节体系pH值为2-5，得到第二溶液。
搅拌状态下，将第二溶液加入第一溶液中，搅拌1-3小时，得到溶胶体系；将溶胶体系进行静置陈化1-12小时，然后在60-150℃下干燥，得到干凝胶。然后将干凝胶转入真空度为1-5Pa的真空炉中进行真空烧结，真空烧结的升温过程为：400-700℃时升温速度为1-10℃/min，保温0-3小时；至1100-1200℃时升温速度为5-10℃/min，保温0-3小时；至1200-1400℃时升温速度为5-10℃/min，保温0-3小时；真空烧结完成后，得到本实施例的纳米TiC粉末S5。对粉末检测得到，纳米TiC粉末S5的粒径为40-200nm，其中粒径为80nm的纳米TiC粉末的含量为97%。
直接对YG8刀具进行检测，测得其切削速度可达140m/min，工作切应力可高达40GPa；800℃下YG8刀具的工作环境极其恶劣，刀具磨损量极大，巨大的冲击力便普通的硬质合金根本无法承受，时有崩刀的情况出现。
将实施例1-5制备的纳米级TiC粉末S1-S5，采用高温快速喷射法喷射于表面已作镜面抛光处理的YG8刀具上，形成涂层。检测结果显示，在高速切削过程中其温度高于800℃，速度高达130m/min，刀具涂层硬度达45GPa以上，抗氧化温度显著提高，使用寿命提高10倍以上，具有明显的经济与社会价值。
以上实施例仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，所作出的若干改进，也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种纳米TiC粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将钛酸四丁酯溶解于有机溶剂中，得到第一溶液；将蔗糖溶解于有机溶剂中，加入醋酸调节pH值为2-5，得到第二溶液；
B、搅拌状态下，将第二溶液加入至第一溶液中，反应后得到溶胶体系，陈化后干燥，得到干凝胶；反应时间为1-3h，陈化时间为1-12h，干燥温度为60-150℃;
C、将步骤B得到的干凝胶转入真空炉中进行烧结，得到纳米TiC粉末；
钛酸四丁酯与蔗糖的摩尔比为1:2-1:5；
步骤C中，烧结时升温过程为：400-700℃时升温速度为1-10℃/min，保温0-3小时；至1100-1200℃时升温速度为5-10℃/min，保温0-3小时；至1200-1400℃时升温速度为5-10oC/min，保温0-3小时；真空炉内的真空度为1-5Pa。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述有机溶剂为乙醇。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤A中，配制第二溶液时还包括加入去离子水的步骤。
4.一种纳米TiC粉末，其特征在于，所述纳米TiC粉末由权利要求1-3任一项所述的制备方法制备得到。
5.根据权利要求4所述的纳米TiC粉末，其特征在于，所述纳米TiC粉末的粒径为40-200nm。
6.根据权利要求4所述的纳米TiC粉末，其特征在于，所述纳米TiC粉末中，粒径为80nm的纳米TiC粉末的含量为95%以上。
7.权利要求4所述的纳米TiC粉末作为硬质合金刀具表面涂层材料的应用。
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