CN103752822B - 一种复合粉体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合粉体及其制备方法，属于材料工程领域，该复合粉体是通过下述方法制备而成：熔炼金属或合金，得到金属液体或合金液体；熔炼时控制过热度为50‑200℃，金属液体或合金液体自然流下，同时采用混合气体对所述金属液体或合金液体进行喷射雾化，冷却后即得。这种方法得到的粉体内核与壳体形成冶金结合，包覆紧密、结合力强、组织致密、球形度高；由于制备时不需要采用化学试剂，对环境不会产生污染；另外，制备时可以通过控制混合气体中氧气的浓度来控制氧化物外壳的厚度，厚度可控，工艺过程稳定可控，可进行大批量处理，效率高。

Description

一种复合粉体及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料工程领域，具体而言，涉及一种复合粉体及其制备方法。

背景技术

超细粉体通常是指粒径在微米级甚至纳米级的粒子。这些粒子和大块常规材料相比，具有更大的比表面积、表面活性及更高的表面能，并且通常表现出特殊的光、电、磁等物理性能。但是，由于超细粉体独有的小尺寸效应、表面效应等会引起团聚及分散问题，使其失去了应有的许多优异性能。解决的途径通常是通过对超细粉体进行一定的表面包覆改性，使颗粒表面获得新的理化性能甚至新的功能。

对超细粉体的表面进行金属氧化物包覆改性，即通过包覆的方式形成核壳型复合粉体，以改善金属或合金超细粉体的分散性和电化学稳定性及物理性能等，是非常必要的。金属微粉表面包覆方法主要有机械和化学包覆法、气相沉积包覆法、聚合物表面包裹法、液相湿化学反应法及微颗粒包裹法等。

其中，机械法包覆是将金属或合金微粉与氧化物以及球磨介质、磨球按一定比例混合后，在球磨机中球磨，氧化物通常有TiO₂、SiO₂等。球磨后使得这些氧化物微粉粘附在金属或合金微粉表面，达到包覆的目的。这种制备工艺简单，成本低，但在混合球磨时不均匀，且氧化物与金属基体的结合力差，不致密。

发明内容

本发明的目的之一，在于提供一种复合粉体，以解决上述的问题。

采用的技术方案为：一种复合粉体，包括基体内核和包覆在所述基体内核外周的氧化物壳体，所述基体内核为金属或合金，所述氧化物壳体为与所述基体内核相对应的金属氧化物，且所述基体内核与所述氧化物壳体成冶金结合。

本发明的复合粉体，基体内核包括但不限于熔点较高的铁、镍、钴，也可以包括但不限于熔点较低的铝、铜等金属，也可以是合金；氧化物壳体即是由基体经氧化得到的与基体相应的氧化物。比如氧化亚铁、氧化铁、氧化铝、氧化铜、氧化镍等。氧化物壳体与金属或合金基体内核形成冶金结合，即氧化物壳体与金属或合金基体内核的界面间原子呈相互扩散的状态，从而包覆紧密，结合力强，组织致密，使得所得的粉体在后续加工中有较高的机械强度。

作为优选的技术方案：所述复合粉体呈规则的球形。规则的球形，球形度高，其理化性能更好。

作为进一步优选的技术方案：所述复合粉体的粒度为50-150μm。

本发明的目的之二，在于提供一种上述复合粉体的制备方法，之所以能够得到上述品质的复合粉体，也是因为本申请的发明人提出了一种新的制备方法。这种方法包括以下步骤：

A.熔炼金属或合金

熔炼金属或合金，得到金属液体或合金液体；熔炼时所述金属液体或合金液体的过热度为50-200℃；

B.雾化

步骤A所得的金属液体或合金液体依次通过中间保温包和导液管，然后自然流下，同时采用混合气体对所述金属液体或合金液体进行喷射雾化，冷却后即得；所述混合气体由氧气与惰性气体组成，或由氧气与氮气组成。

优选在真空状态下熔炼金属或者合金，使金属或合金形成液体，然后用气体喷射雾化该液体，使该液体雾化成细小的液滴。高温下，在液滴还未凝固时，表面与混合气体中的氧气反应，在表面层迅速形成一层氧化物膜。随后形成基体内核为纯的金属或合金、表面为氧化物的复合粉体，凝固成粉。这种方法将金属或合金与氧化物紧密结合在一起，使金属或合金与相应的氧化物的界面原子相互扩散渗透，从而使得到的复合粉体外壳包覆紧密，内核与外壳结合力强，组织致密。为了使金属和合金的熔融液体能顺利喷出。发明人经过大量试验研究表明，控制熔炼时的温度非常重要，如果温度过高，将使得粉体在自然流下的下降过程中不能快速凝固，从而使得粉体在塑性状态下堆积成块，不能得到独立粉体；温度过低，除了会出现喷射不出的情况，还会使得雾化的粉体不能形成球形，而最终得到长条形、针形等不规则粉体。试验表明，金属液体或合金液体的过热度为50～200℃，即熔炼时控制温度高于金属或合金的熔点50～200℃，比如某金属理论熔点为1000℃，那么熔融时温度控制在1050-1200℃，这样的温度控制，即可得到包覆紧密、结合力强、球形度高的粉体。

作为优选的技术方案：步骤B中，所述混合气体中氧气的体积百分含量为10-80%。

发明人通过大量的试验发现，要在喷射雾化时在基体表面得到厚度合适的金属氧化物作为“壳体”，混合气体中氧气的比例是最为重要的因素之一。氧气比例高，则金属微粉与氧气反应越剧烈，生成的氧化膜越厚；反之，氧气比例低，高温金属微粉与氧气反应微弱，生成的氧化膜就薄。优选通过比例控制阀来调节混合气体，达到控制氧气比例的目的。控制氧气的比例在10～80%，可以得到厚度适宜的氧化物膜作为外壳，同时氧化物外壳与基体内核的结合也会更为紧密。

为了防止其它气体对金属的影响，采用的混合气体优选为高纯氩气和高纯氧气。

作为优选的技术方案：步骤B中，采用混合气体进行喷射雾化时的喷射压力为0.5-2.5MPa。

发明人经过大量实验证明：金属或合金熔融液的比重及化学成分会对熔融液的流动性产生影响。喷射雾化时混合气体的喷射压力，将直接影响到液滴的大小和冷却速度。喷射压力大，熔体破碎剧烈，粉末较细，粉末冷却快；反之，压力小，得到的液滴较大，粉末冷却较慢。经实验证明，本发明所需压力控制在0.5～2.5MPa，可以得到合适大小的粉体，同时冷却速度也较为合适。具体的，比重小或流动性差的金属或合金，可采用较小喷射压力，反之采用较大压力。

作为优选的技术方案：步骤B中，同时对所述导液管进行加热，加热温度为0.5～0.8Tm，所述Tm为金属或合金的熔点。

对导液管进行加热，可以进一步加强金属或合金熔融液的流动性，从而使熔融液可以更加顺利地流出。具体地，对于熔点较高的金属或合金，导液管加热时采用较高的加热温度，反之采用较低的加热温度。当然，对中间包加热，可以更进一步加强熔融液的流动性。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：首先，可以得到包覆紧密、结合力强、组织致密、球形度高的粉体，从而克服了机械包覆法的缺陷；然后，由于制备时不需要采用化学试剂，对环境不会产生污染，从而克服了化学包覆法的缺陷；另外，制备时可以通过控制混合气体中氧气的浓度来控制氧化物外壳的厚度，厚度可控，复合粉体基体无氧化物，壳体氧化物纯度高，厚度可控，综合物理、化学性能稳定；工艺过程稳定可控，可进行大批量处理，效率高，克服了气相沉积包覆法的缺陷。

附图说明

图1为实施例1制得的复合粉体的剖面图；

图2为实施例1制得的复合粉体的SEM图；

图3为实施例1制得的复合粉体的EDS线扫描图;

图4为图3中O元素的谱图；

图5为图3中Al元素的谱图；

图6为实施例2制得的复合粉体的剖面图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1

本实施例以纯金属铝为原材料，先对原材料进行加热熔融，铝熔融液过热度100℃，所得的铝熔融液依次通过中间保温包和导液管，加热温度600℃，然后自然流下，并用混合气体进行喷射雾化，混合气体为氩气与氧气的混合气体，其中氧气的体积百分含量为10%，喷射时喷射压力为1MPa，得到复合粉体，其剖面图如图1所示，图中内部为金属层2，外层为氧化层1，将得到的复合粉体用导电胶粘附，用扫描电镜分析，如图2所示。

从图1和图2中可以看出，所得的铝粉呈规则的球形，球形度约等于1.0，粒度在50～100μm之间。

将所得粉体用X射线能谱仪进行分析，从粉体边缘向中间进行线扫描，如图3-5可以看出，从内到外O元素分布增加、Al元素分布减小，证明氧化物含量在粉体的外层边缘处较多，而内核为纯的Al元素，同时在金属层2与氧化层1的结合处，金属与氧化物相互扩散、渗透，达到了致密的冶金结合。

实施例2

本实施例以纯金属铜为原材料，金属熔液过热度150℃，混合气体为氩气与氧气混合，其中氧气的体积百分比为80%，喷射压力为1.5MPa，其余与实施例1相同。得到复合粉体的剖面图如图6所示，图中，内部为金属层2，外层为氧化层1，其氧化层较实施例1明显变厚。复合粉体呈球形，球形度约等于1.01，粒度在80～120μm之间。

实施例3

本实施例以纯金属铁为原材料，金属熔液过热度200℃，中间保温包和导液管加热温度1100℃，混合气体为氩气与氧气混合，氧气的体积百分比为50%，喷射压力为2.0MPa，其余与实施例1相同。得到复合粉体，内部为金属层，外层为氧化层。复合粉体呈规则的球形，球形度约等于1.0，粒度在70～120μm之间。

实施例4：

本实施例以纯金属镍为原材料，金属熔液过热度180℃，中间保温包和导液管加热温度1000℃，混合气体为氮气与氧气混合，氧气的体积百分比为30%，喷射压力为2.0MPa，其余与实施例1相同。得到复合粉体，内部为金属层，外层为氧化层。复合粉体呈球形，球形度约等于1.01，粒度在70～110μm之间。

实施例5

本实施例以纯金属铁85%、纯硅9.6%和纯铝5.4%为原材料（质量百分比），熔液过热度150℃，中间保温包和导液管加热温度1000℃，混合气体为氩气与氧气混合，氧气的体积百分比为60%，喷射压力为1.5MPa，其余与实施例1相同。得到复合粉体，内部为金属层，外层为氧化层。复合粉体呈球形，球形度约等于1.02，粒度在80～150μm之间。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种复合粉体，包括基体内核和包覆在所述基体内核外周的氧化物壳体，其特征在于，所述基体内核为金属或合金，所述氧化物壳体为与所述基体内核相对应的金属氧化物，且所述基体内核与所述氧化物壳体形成冶金结合。

2.根据权利要求1所述的复合粉体，其特征在于：所述复合粉体呈规则的球形。

3.根据权利要求2所述的复合粉体，其特征在于：所述复合粉体的粒度为50-150μm。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的复合粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，

A.熔炼金属或合金

熔炼金属或合金，得到金属液体或合金液体；熔炼时所述金属液体或合金液体的过热度为50-200℃；

B.雾化

步骤A所得的金属液体或合金液体依次通过中间保温包和导液管，然后自然流下，同时采用混合气体对所述金属液体或合金液体进行喷射雾化，使所述金属液体或合金液体雾化成细小的液滴,在液滴还未凝固时，液滴的表面与混合气体中的氧气反应，在表面层迅速形成一层氧化物膜，冷却后即得所述复合粉体；所述混合气体由氧气与惰性气体组成，或由氧气与氮气组成；所述混合气体中氧气的体积百分含量为10-80％。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤B中，所述混合气体由氩气与氧气组成。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤B中，采用混合气体进行喷射雾化时的喷射压力为0.5-2.5MPa。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤B中，对所述导液管进行加热，加热温度为0.5～0.8Tm，所述Tm为金属或合金的熔点。