专利名称：碳氮化钛纳米粉的机械激活－反应热处理制备法的制作方法
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。
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。
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
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。
五具体实施例方式
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。
权利要求
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。
全文摘要
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。
文档编号C04B35/626GK1974403SQ20061002247
公开日2007年6月6日 申请日期2006年12月12日 优先权日2006年12月12日
发明者刘颖, 向道平, 张岩, 夏珊, 陈帮桥, 高升吉, 涂铭旌 申请人:四川大学