CN1974403A - 碳氮化钛纳米粉的机械激活－反应热处理制备法 - Google Patents
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Abstract
一种碳氮化钛纳米粉的机械激活－反应热处理制备法，以纳米氧化钛和纳米碳粉为原料，工艺步骤依次为配料、机械激活、(干燥)、装料、反应热处理、过筛。此法工艺简单，成本较低，容易实现规模化工业生产。通过控制碳/钛配比、机械球磨激活时间，反应热处理的温度、时间、氮气压力(或流量)等工艺因素可以合成各种碳含量的纳米碳氮化钛粉末。用此法制备的碳氮化钛粉末为球形，分散性较好，平均粒度在100nm以下，纯度达99％以上。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种碳氮化钛纳米粉的机械激活-反应热处理制备方法。
二、背景技术
碳氮化钛被广泛应用于制备机械、电子、化工、汽车制造、航空航天等领域所需要的先进陶瓷基复合材料，特别是碳氮化钛基金属陶瓷刀具材料。研究表明，碳氮化钛粉末的粒度越小，其制备的块体材料的力学性能也就越好。目前，已知的制备碳氮化钛亚微、超细及纳米粉的方法有等离子体法，如申请号为02125986.0，名称为“等离子体化学气相合成法制备碳氮化钛陶瓷粉体的工艺”的中国专利申请；燃烧合成法，如申请号为200510010013.8，名称为“亚微米级碳氮化钛粉末的燃烧合成方法”的中国专利申请；高能机械球磨法，如申请号为200510042366.6，名称为“纳米碳氮化钛粉体的制备方法”的中国专利申请；四氯化钛(TiCl4)法，如申请号为200410023706.6，名称为“碳氮化钛三元化合物粉体材料的制备方法”的中国专利申请等等。
分析上述方法，会发现它们一般具有原料成本高、工艺繁琐、合成的产物粒度较大、产量(率)较低、设备昂贵等等一种或几种缺点，因此限制了其在工业上的规模化生产。
三、发明内容
我们在申请号为200510021718.X的中国发明专利申请中，介绍了用高温碳氮化处理纳米氧化钛和纳米碳粉原料一定时间，随后球磨产物，从而制得了碳氮化钛陶瓷超细粉。经过进一步的探索，我们发现，经过对纳米原料的简单高能机械球磨激活，就可以使碳热氮化反应温度进一步降低，而且不需后续球磨就可以得到纳米级的碳氮化钛粉末。此法工艺简单，成本较低，节约能源，而且非常容易实现规模化工业生产。
本发明的原理是：对纳米原料进行机械高能球磨激活不但可以使原料混合更加均匀，而且可以使原料晶粒细化和产生晶格畸变，因此有利于后续反应热处理中原子扩散速度的提高，这对降低反应温度、缩短保温时间、减少晶粒长大几率都是有益的。
本发明提供的方法以纳米氧化钛和纳米碳粉为原料，工艺步骤如下：
1、配料
C、Ti摩尔比为2∶1～3∶1；
2、机械激活
将符合配比的纳米氧化钛/碳粉高能球磨激活(湿磨或干磨)2～6h；
3、干燥
湿磨料需在烘箱中烘干；
4、装料
将一定量球磨激活料放入碳管炉的坩埚内；
5、反应热处理
(1)密闭系统
将碳管炉内抽到一定真空度时开始加热，至600～900℃保温0～10min，保温结束时通氮气至所需压强。碳热还原氮化温度为1200～1250℃，时间为0～2h；
(2)开放系统
向碳管炉内充氮气至稍大于1个标准大气压，再通流动氮气并同时升温加热。碳热还原氮化温度为1200～1300℃，时间为0～2h；
6、过筛
将反应热处理产物过筛得产品。
本发明提供的方法合成的产物为碳氮化钛固溶体粉末，其颗粒为球形，分散性较好，绝大多数产物粒度在50nm左右，平均产物粒度在100nm以下，纯度达99％以上(XRD图谱上无杂质峰)。
本发明具有以下优势：
1、纳米原料经过机械高能球磨激活后，不但可以使后续碳热氮化反应温度降低至热力学温度左右，还能缩短保温时间。
2、通过控制碳/钛配比、机械球磨激活时间，反应热处理的温度、时间、氮气压力(或流量)等工艺因素可以合成各种碳含量的纳米碳氮化钛粉末；
3、合成的碳氮化钛粉末纯度较高，颗粒细，粒径分布范围较窄；
4、原料便宜，国内厂家能批量供应；
5、设备、工艺简单，便于操作；
6、很容易实现工业规模化生产。
四、附图说明
图1是根据本发明所提供的纳米碳氮化钛的机械激活-反应热处理制备法的一种工艺流程图。
五、具体实施方式
实施例1：
本实施例中，原料为纳米氧化钛和纳米碳粉，按工艺流程图1有以下工艺步骤：
(1)配料
纳米碳粉和氧化钛的摩尔比为2.5∶1；
(2)机械激活
对原料进行高能机械球磨激活，球料重量比为30∶1，介质为无水乙醇，球磨机转速为700转/分钟，球磨时间为4h；
(3)干燥
湿磨料在70℃烘干，时间为24h；
(4)装料
称量10g激活料放入碳管炉的坩埚中；
(5)反应热处理
将碳管炉内抽到真空度为2.0×10-2MPa时开始以20℃/min加热，至900℃保温5min，保温结束时通氮气至压强为0.005MPa。碳热还原氮化温度为1200℃，时间为2h；
(6)过筛
将反应热处理产物过筛得产品。
实施例2：
本实施例中，原料为纳米氧化钛和纳米碳粉，按工艺流程图1有以下工艺步骤：
(1)配料
纳米碳粉和氧化钛的摩尔比为2.7∶1；
(2)混料
对配好的原料进行高能机械球磨激活(干磨)，球料重量比为30∶1，球磨机转速为700转/分钟，球磨时间为2h；
(3)装料
称量10g激活原料放入碳管炉的坩锅中；
(4)反应热处理
将碳管炉内充满氮气至稍大于1个标准大气压，再通流动氮气并同时以15℃/min升温加热，至1250℃后保温2h；
(5)过筛
将反应热处理产物过筛得产品。
Claims (1)
1、一种碳氮化钛纳米粉的机械激活-反应热处理制备法，其特征在于以纳米氧化钛/纳米碳粉为原料，其工艺步骤如下：
(1)配料
C、Ti摩尔比为2∶1～3∶1；
(2)机械激活
将配好的原料进行高能机械球磨(湿磨或干磨)激活2～6h；
(3)干燥
烘干湿磨料(干磨料这一步骤省略)；
(4)装料
将一定量激活料放入碳管炉的坩埚内；
(5)反应热处理
①密闭系统
将碳管炉内抽到一定真空度时开始加热，至600～900℃保温0～10min，保温结束时通氮气至所需压强。碳热还原氮化温度为1200～1250℃，时间为0～2h；
②开放系统
向碳管炉内充氮气至稍大于1个标准大气压，再通流动氮气并同时升温加热。碳热还原氮化温度为1200～1300℃，时间为0～2h；
(6)过筛
将反应热处理产物过筛得产品。
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| CN 200610022475 CN1974403A (zh) | 2006-12-12 | 2006-12-12 | 碳氮化钛纳米粉的机械激活－反应热处理制备法 |
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