CN108892140A - 一种真空法制备碳氮化钛粉末的方法 - Google Patents

一种真空法制备碳氮化钛粉末的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种真空法制备碳氮化钛粉末的方法，属于粉末冶金领域，包括以下步骤：S1、将原料TiO2、碳黑和粘接剂进行球磨混合得混合料；将所述混合料经烘干、制粒、压块成型得混合块料，并将所述混合块料装入碳质舟皿中；S2、将所述碳质舟皿放入低压真空烧结炉中，对低压真空烧结炉抽真空使炉内压力小于，然后升温至1150～1250℃，通入氮气使炉内压力升至80～130Kpa，保温保压1.5～2.5h后，将炉体降至室温后，取出产物块料；S3、将所述产物块料经过破碎、球磨、分级、合批，得终产品。本发明所制得的TiCN粉末具有纯度高、成分单一、氧含量低、晶型完整、粒度可调等特点，且工艺简单、成本低，适用于工业生产。

Description

一种真空法制备碳氮化钛粉末的方法
技术领域
本发明属于粉末冶金领域，具体涉及一种真空法制备碳氮化钛粉末的方法。
背景技术
碳化钛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=0.4320nm。20℃时碳化钛密度为4.91g/cm3，熔点为3150±10℃，沸点为4300℃，莫氏硬度9.5，硬度仅次于金刚石。碳化钛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，这说明碳化钛具有金属的性质。碳化钛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。
碳氮化钛（TiCN）是由碳化钛和氮化钛连续固溶而形成的单一化合物，碳氮化钛的晶体结构同碳化钛类似，碳化钛中部分C原子被N原子取代。碳氮化钛的晶格常数介于碳化钛和氮化钛之间，随着C含量减小，晶格常数相应减小。碳化钛中的C原子可以被N原子以任意的比例替代，形成连续的固溶体TiCN。碳氮化钛作为碳化钛和氮化钛的连续固溶体，是种性能优良的非氧化物陶瓷材料，由于具有熔点高、硬度大、耐腐蚀和抗氧化性好的特点，在机械化工、汽车制造和航空航天等许多领域得到了广泛的应用。
TiCN的制备方法种类众多。传统的制备TiCN方法所需反应温度较高，一般要达到1600～1800℃。而且由于原材料价格昂贵、反应能耗高，极大地限制了TiCN粉的广泛应用。随着科学技术的发展，制备TiCN粉末的新技术日益增多并不断发展，如：气相沉积法、热解法、低温化学法、淀粉还原TiH2法、溶胶-凝胶法、机械合金化法、自蔓延高温合成法、熔盐法以及碳热还原法等。但是，上述碳氮化钛制备方法中，存在不是制备成本高昂、工艺繁琐、效率低下，就是产品品质差的缺陷。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的制备成本高昂、工艺繁琐、效率低下产品品质差的缺陷，本发明提供一种真空法制备碳氮化钛粉末的方法，本发明所制得的TiCN粉末具有纯度高、成分单一、氧含量低、晶型完整、粒度可调等特点，且工艺简单、成本低，适用于工业生产。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种真空法制备碳氮化钛粉末的方法，包括以下步骤：
S1、将原料钛白粉、碳黑和粘接剂进行球磨混合得混合料；将所述混合料经烘干、制粒、压块成型得混合块料，并将所述混合块料装入碳质舟皿中；
S2、将所述碳质舟皿放入低压真空烧结炉中，对低压真空烧结炉抽真空使炉内压力小于10Pa，然后升温至1150～1250℃，通入氮气使炉内压力升至80～130Kpa，保温保压1.5～2.5h后，将炉体降至室温后，取出产物块料；
S3、将所述产物块料经过破碎、球磨、分级、合批，得终产品。
进一步的，所述S1步骤中，球磨介质为无水乙醇，所述无水乙醇用量为所述混合料重量的80%～120%。
进一步的，所述S1步骤中，所述粘接剂为石蜡，所述石蜡用量为所述混合料重量的2%～8%。
进一步的，所述S1步骤中，所述石蜡用量为所述混合料重量的5%。
进一步的，所述S1步骤中，球料比为5～10，球磨时间为8～48h。
进一步的，所述S1步骤中，所述烘干条件为温度70～100℃之间。
进一步的，所述S1步骤中，在烘干后制粒前，将所述混合料经碾压及过筛处理，过筛孔径为80～200目。
进一步的，所述S1步骤中，经制粒后得粒径为0.5～1.5mm的类球形混合料粒。
进一步的，所述S2中，在原有的氮气气氛保温保压后，进行二次升温至1450～1550℃，保温保压2～3h后，再将炉体降至室温后，取出产物块料。
进一步的，所述S3中，球磨时球料比为3～7，球磨时间为8～24h。
本发明的有益效果为：
（1）本发明通过设置球磨工艺中的球料比以及反应温度的精确控制实现制备TiCN产品粒度的精确调控；
（2）本发明通过均匀的气氛控制手段以及充分的反应时间，实现TiCN粉末产品成分均匀统一；
（3）本发明所述S1步骤中，在烘干后制粒前，将所述混合料经碾压及过筛处理，过筛孔径为80～200目，通过过筛步骤有助于最终产品批次稳定，有助于产品粒径分布集中；
（4）本发明所述S1步骤中，经制粒后得粒径为0.5～1.5mm的类球形混合料粒，有助于S2中反应的顺利进行，提高反应效率，降低产品含氧量；
（5）本发明二次升温工艺，实现产品中超低氧含量，低至0.1%以下，以及TiCN粉末完整晶型，以保证优良的TiCN产品性能；
（6）本发明制备的普遍适用于规模化大批量TiCN生产以及实验室规模的制备。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一
S1：以工业级钛白粉36.25kg，碳黑13.75kg为原料，配得混合料共50kg，无水乙醇用量为40kg，石蜡用量为1kg，球料比为6，球磨混合时间为24h，将料浆在90℃下烘干5h，进行碾压、筛分、制粒、压块成型得混合块料，将所述混合块料装入碳质舟皿中；
S2：将所述碳质舟皿（每个碳质舟皿装有5kg块料）送入低压真空烧结炉中，抽真空至10Pa，以5℃/min的升温速度升温至1150℃后通入氮气，至炉内压力为80KPa，保温2h；继续以5℃/min的升温速度升至1450℃，保温3h后，降温取出产物块料；
S3：将产物块料进行破碎、球磨、分级、合批工序处理，最终得到的产品为Ti(C0.5，N0.5)，所述球磨条件为球磨球料比为5，球磨时间为16h。
经检测，产品粒径为0.7～0.8μm，粒径分布集中，纯度为99.2%，氧含量为0.08%。
实施例二
S1：以工业级钛白粉37.15kg，碳黑12.85kg为原料，配得混合料共50kg，无水乙醇用量为60kg，石蜡用量为4kg，球料比为10，球磨混合时间为36h，将料浆在90℃下烘干5h，进行碾压、筛分、制粒、压块成型得混合块料，将所述混合块料装入碳质舟皿中；
S2：将所述碳质舟皿（每个碳质舟皿装有5kg块料）送入低压真空烧结炉中，抽真空至10Pa，以5℃/min的升温速度升温至1250℃后通入氮气，至炉内压力为125KPa，保温2h；继续以5℃/min的升温速度升至1470℃，保温3h后，降温取出产品块料；
S3：将产物块料进行破碎、球磨、分级、合批工序处理，最终得到的产品为Ti(C0.295，N0.705)，所述球磨条件为球磨球料比为7，球磨时间为24h。
经检测，产品粒径为0.4～0.5μm，粒径分布集中，纯度为99.1%，氧含量为0.09%。
实施例三
S1：以工业级钛白粉37.15kg，碳黑12.85kg为原料，配得混合料共50kg，无水乙醇用量为50kg，石蜡用量为2.5kg，球料比为5，球磨混合时间为36h，将料浆在90℃下烘干5h，进行碾压、筛分、制粒、压块成型得混合块料，将所述混合块料装入碳质舟皿中；
S2：将所述碳质舟皿（每个碳质舟皿装有5kg块料）送入低压真空烧结炉中，抽真空至10Pa，以5℃/min的升温速度升温至1250℃后通入氮气，至炉内压力为130KPa，保温2.5h；继续以5℃/min的升温速度升至1470℃，保温3h后，降温取出TiCN块料；
S3：将产物块料进行破碎、球磨、分级、合批工序处理，最终得到的产品为Ti(C0.295，N0.705)，所述球磨条件为球磨球料比为3，球磨时间为8h。
经检测，产品粒径为0.4～0.5μm，粒径分布集中，纯度为99.1%，氧含量为0.09%。

Claims (10)

1.一种真空法制备碳氮化钛粉末的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将原料钛白粉、碳黑和粘接剂进行球磨混合得混合料；将所述混合料经烘干、制粒、压块成型得混合块料，并将所述混合块料装入碳质舟皿中；
S2、将所述碳质舟皿放入低压真空烧结炉中，对低压真空烧结炉抽真空使炉内压力小于10Pa，然后升温至1150～1250℃，通入氮气使炉内压力升至80～130Kpa，保温保压1.5～2.5h后，将炉体降至室温后，取出产物块料；
S3、将所述产物块料经过破碎、球磨、分级、合批，得终产品。
2.如权利要求1所述的一种真空法制备碳氮化钛粉末的方法，其特征在于：所述S1步骤中，球磨介质为无水乙醇，所述无水乙醇用量为所述混合料重量的80%～120%。
3.如权利要求1所述的一种真空法制备碳氮化钛粉末的方法，其特征在于：所述S1步骤中，所述粘接剂为石蜡，所述石蜡用量为所述混合料重量的2%～8%。
4.如权利要求3所述的一种真空法制备碳氮化钛粉末的方法，其特征在于：所述S1步骤中，所述石蜡用量为所述混合料重量的5%。
5.如权利要求1所述的一种真空法制备碳氮化钛粉末的方法，其特征在于：所述S1步骤中，所述钛白粉与碳黑的重量比为3:1～2:1，球料比为5～10，球磨时间为8～48h。
6.如权利要求1所述的一种真空法制备碳氮化钛粉末的方法，其特征在于：所述S1步骤中，所述烘干条件为温度70～100℃之间。
7.如权利要求1所述的一种真空法制备碳氮化钛粉末的方法，其特征在于：所述S1步骤中，在烘干后制粒前，将所述混合料经碾压及过筛处理，过筛孔径为80～200目。
8.如权利要求1所述的一种真空法制备碳氮化钛粉末的方法，其特征在于：所述S1步骤中，经制粒后得粒径为0.5～1.5mm的类球形混合料粒。
9.如权利要求1所述的一种真空法制备碳氮化钛粉末的方法，其特征在于：所述S2中，在原有的氮气气氛保温保压后，进行二次升温至1450～1550℃，保温保压2～3h后，再将炉体降至室温后，取出产物块料。
10.如权利要求1所述的一种真空法制备碳氮化钛粉末的方法，其特征在于：所述S3中，球磨时球料比为3～7，球磨时间为8～24h。
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