专利名称：金属物体表面喷嵌技术专用铁粉的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种金属纳米粉的制备方法，具体为一种金属物体表面喷嵌技术专用
铁粉的制备方法。
背景技术：
金属纳米粉体材料在金属表面进行喷嵌是目前世界上的一种十分前沿科技技术。 喷嵌技术的优势在于，金属纳米粉体材料的单体颗粒可以有效的和金属物质牢固的结合在 一起，形成独特的金属表面保护层。与其它喷涂、喷射等工艺相比，具有精度高、组织均匀、 性能优异、成本低、金属粉体材料节约81. 31%。 其产品广泛应用于航空航天、国防工业、电子信息工程、生物医疗器械、汽车、机 械、五金、体育器械、钟表业、兵器工业等工业领域。因此，国际上普遍认为该技术的发展将 会导致工业化表面镀层、涂层向工业化融为一体发展的新形技术。 目前国际和国内喷嵌技术存在的主要问题是目前国际上基本没有完善的金属纳 米粉体材料喷嵌技术，其原因主要是金属纳米粉体材料颗粒的形状问题一直解决不好。由 于目前国际上喷嵌技术使用的几乎全部是不等边片状、树枝状、纤维状等金属纳米粉体材 料，在实际使用中几乎达不到喷嵌技术的要求。例如美国B-2A隐形轰炸机，在刚刚装备部 队时，养护任务基本上都是由各大公司的技术人员完成的，每飞行1小时的维护时间，为 132小时。每次飞行任务完成后，高速气流都会对机体表层造成磨损。为了确保飞机的隐身 性能不致下降，每次飞行后，技术人员都要用喷嵌技术的方法对B-2A表层的雷达吸波材料 进行整修，而新喷嵌的吸波材料因为颗粒形状的不理想，导致使用寿命有限和喷嵌重叠减 弱飞机的吸波能力。由于缺乏理想的金属纳米粉体球形材料，所以B-2A —直无法在海外基 地部署，这对于以全球部署作战的美国军队来说，这是一个无法忍受的缺憾。尽管B-2A装 备部队以来，美军曾多次在海外使用武力，但B-2A—直没有出现在战场。目前美国最新型 隐形战斗机F-22A同样存在着B-2A的问题。 专利申请号为2006100481685记载了一种金属纳米粉体零界颗粒切割生产工艺， 该专利申请记载了一种全新的零界颗粒切割金属纳米粉体材料工艺，以铁粉为例，步骤包 括，将铁粉置于-l(TC +15°C的加工温度状态下，然后对铁粉颗粒进行高速切割，每分钟 控制在5000 6000次，然后对切割后的铁粉颗粒已6000转/分钟的高频研磨，再进行物 理还原，表面包覆处理，最后分级分选即可得到产品。此项技术能够加工出不同纳米级别的 铁粉，利用该方法生产出特定颗粒直径的铁粉具有以往技术无法生产出的优异特性，而且 经过发明人的研究发现，在该工艺中提高或者降低加工"切割"频率并相应地调整"加工温 度"后生产出的各个不同级别的纳米铁粉或者其它金属粉，而且特性有着明显的区别，经过 分级分选和配比后可广泛用于不同行业或领域。该专利申请所记载的技术方案是申请人在 纳米金属粉末材料加工技术领域首次提出了"切割"这一加工的概念，利用研磨介质之间的 相对高速往复碰撞和摩擦即可将原料金属粉加工至纳米级别，而这种研磨介质在单位时间 内的高速往复运动的次数可以称为"频率"，其对原料的粉碎过程可称为"切割"；并且提出了具体的加工参数，并且通过实践证明了通过设定相应的"切割"频率和控制相应的加工温 度就可以加工出优质纳米铁粉这一技术方案。 专利申请号为2006101620469公开了一种金属微、纳米颗粒包覆工艺，该申请的 技术方案能在金属粉体材料的表面形成一层厚度为lnm-3nm的高质量防氧化保护层，以下 称为"DQ包覆法"。想较传统的纳米金属粉末的包覆工艺，该技术方案包覆率更高，抗氧化 时间更长。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的金属表面进行喷嵌使用的铁粉颗粒形状不够 理想的问题而提供了一种金属物体表面喷嵌技术专用铁粉的制备方法。 本发明是由以下技术方案实现的，一种金属物体表面喷嵌技术专用铁粉的制备方 法，包括以下步骤在_5°C——5°C的条件下，高频切割次数设定在每分钟6000次——6500 次的情况下将原料加工成粉体颗粒形状为球体的纳米铁粉，再分别分选出D3 = 21nm D25 =32. 5nm D50 = 50nm D75 = 63. 2nm D97 = 77. 3nm的颗粒分布的粉体材料，而后，再用 "DQ包覆法"对铁粉颗粒继续厚度为2nm-3nm的防氧化包覆，将包覆后的粉体颗粒表面研磨 处理。 本发明技术优势 1、本发明技术优势一是；彻底改变了目前世界上喷嵌技术的寿命短、成本高、喷嵌 重叠、吸波效果差等缺点。
2、本发明技术优势二是；彻底改变了目前世界上喷嵌纳米粉体材料与金属表面的
亲融性，形成了金属纳米粉体材料颗粒2/3嵌入金属表面，形成了有效地亲融一体性，解决
了金属物体在高速运行中和长久摩擦中以及恶劣环境腐蚀中的脱落和腐蚀问题。 3、本发明技术优势三是；金属纳米粉体材料使用少，成本低。资料表明美国的
B-2A隐形轰炸机表面积为300平方米、F-22A隐形战斗机表面积为35平方米，使用喷嵌技
术每平米金属纳米粉体材料的用量是97g。如果使用本发明技术每平方米的喷嵌使用量只
有2g，是美国目前喷嵌使用量的1/49。 4、本发明技术优势四是；耐用性是目前世界上特别是美国的37倍。美国目前喷嵌
使用的金属纳米粉体材料的颗粒基本上是树枝状，喷嵌在飞机金属表面的深度只有粉体颗
粒相对直径的1/10左右，在2马赫，lh动态情况下的喷嵌粉体颗粒脱落率是42%，本发明
技术在在2马赫，lh(风洞)动态情况下的喷嵌粉体颗粒脱落率是1. 13%。 5、本发明技术优势五是；同量单位面积下的吸波率是目前世界上特别是美国无法
相比的。例如，美国的喷嵌技术在目前世界上最新型的隐形战斗机F-22A上，按照同量单位
面积35平方米，喷嵌金属纳米粉体材料颗粒。
图1为切割机的结构示意图 图2为研磨机结构示意图 图3、4、5为加工得到的金属颗粒的电镜照片 图中l-惰性气体入口、2-进料口、3-冷却水入口、4-机体、5-切割器、6-连杆、7_支架、8-出料口、9-调频振动电机、10-切割机底座Ul-振动气囊、12-冷却水入口、 13-连杆、14-切割器、15-振动弹簧、16-硬质橡胶垫、17-出料口 、 18-空心转轴、19-研磨机 体、20-被研磨颗粒、21进料气口 、22-变频电机、23-机座、24-机架、25_球形研磨体
具体实施例方式
实施例1 :一种金属物体表面喷嵌技术专用铁粉的制备方法，包括以下步骤(具 体加工方法参考专利申请号为2006100481685记载的金属纳米粉体零界颗粒切割生产工 艺，)在_5°C的条件下，高频切割次数设定在每分钟6500次的情况下生产、加工粉体颗粒形 状为球体的专用喷嵌技术的纳米铁粉，再分别分选出(50nm为例)D3 = 21nm D25 = 32. 5nm D50 = 50nm D75 = 63. 2nm D97 = 77. 3nm的颗粒分布的粉体材料，而后，再用"DQ包覆法" 对铁粉颗粒继续厚度为2nm-3nm的防氧化包覆，使其防氧化时间达到90小时以上，将包覆 后的粉体材料输入到高速研磨机中进行粉体颗粒的表面研磨处理，使其达到粉体颗粒材料 表面光滑、球体浑圆。 所用切割机如图1所示意，切割机结构包括带有冷却系统的机体，机体上设有进 料口 2、惰性气体入口 l，在进料口 2的下端设有若干切割刀组，每个切割刀组包括两个工作 面相对的切割器5、 14，切割器5、 14的工作面为锯齿状或锉刀状，两个切割器5、 14分别通过 各自的连杆6、 13和调频振动电机9输出转动部分结合。切割机设计为双重振动系统，外振 动设计为气囊式振动装置，内部振动系统设计为弹簧振动装置。调频振动电动机，采用调频 的方式进行振动频率的控制，通过调整电机的转速1500传/分——6000传/分，可以使振 动频率控制在1500次/分——6000次/分，达到设计要求的无限切割~"零界颗粒切割 法"。切割机在工作时，内部设计加入惰性气体来保持加工温度的恒定，同时在夹层中加入 冷却水进行设定的温度加工。其工作原理是通过调频电机带动每个切割刀组的两个切割器 做相对运动，使两个切割器的工作面相对运动，然后其表面的锯齿状或锉刀状突起部位相 互运动，将进料口加入的80目-100目左右的大直径原料金属颗粒不断地摩擦、碰撞、挤压， 最后达到的效果是使大颗粒的金属颗粒分割为小直径颗粒物体。切割器的表面就像锉刀表 面的结构一样，其间隙是可以调整的，以便适应原材料颗粒的大小。切割机工作开始后，金 属颗粒粉不规则颗粒在两个切割器之间由上向下运动过程中被进行了 N次切割的，当然调 频电机转速越高，单位时间内金属颗粒被切割的几率也越大，其加工出来的小直径颗粒的 金属颗粒的分布概率也越大，分选起来也更容易。 一般要经过六次循环切割才能达到80% 以上的纳米金属粉体颗粒。 防氧化包覆过程，金属粉体材料在温度(IO(TC -310°C )和有保护气体(N)的环境 下进行生产、加工的同时要加入13%——18% (体积比)的纯氧气，在金属粉体颗粒表面形 成厚度为2nm——3nm的氧化层，然后在高温隧道炉中，将温度调整到350°C -51(TC之间，金 属粉体颗粒材料在此温度情况下，表面氧化层结构开始软化，在密封的状况下，按4 : 6比 例注入露点《6的惰性气体N和He，注入时间控制在30分钟——45分钟，让惰性气体充分 渗透到金属粉体材料表面的氧化层中。 如图2所示意的研磨机，包括机架24，变频电机22，机架24上通过空心转轴18设 有空心的研磨机体19，研磨机体19上设有进料进惰性气口 21，出料口 17，研磨机体19内设 有若干研磨球25。如图中八面研磨机的工作原理是，利用变频电动机来控制研磨机的转速(1000转/分一6000转/分)，利用八角机体的角度，来达到金属类球体颗粒的270度不 停的反转，从而达到经过研磨后的粉体颗粒表面光滑球体颗粒。因为从切割机加工出来的 金属颗粒， 一般是不规则的类球体，经过八角研磨机内部的球形研磨体的研磨，不规则的类 球体就会成为表面光滑的球体颗粒。工作时候将切割好的金属微粒和惰性气体加入研磨机 体内，然后开动电机带动研磨机体翻转，研磨球之间的相互碰撞即可将金属微粒研磨成球 状微粒，其表面形状可以随时间的加长而逐渐变的光滑。研磨机在进料的同时设计输入惰 性气体，来保持加工过程中的温度稳定。 如图3、4、5所示意的照片中显示，金属颗粒的直径范围从数十到数百纳米不等， 这就需要采用气流分选技术分选出颗粒分布相对集中的产品。利用金属微粒的受力表面积 和金属微粒在受抛射力情况下的抛物曲线以及铁粉颗粒在容器中的自重下落速度、时间。 利用人工风力和速度在密闭容器中对直径不同的铁粉颗粒进行有效的分级。具体的分选工 艺是首先开动负压电机在分级设备的容器中形成负压状态，而后分别开启分级器电机在 密闭容器中形成轴流旋风。负压将需要分级的铁粉限量吸入第一密闭容器，在轴流旋风中 分选出颗粒直径最大的金属颗粒，剩余金属颗粒进入第二密闭容器，在大于第一轴流旋风 中分级出所需铁粉颗粒，顺序二、三、四级进行逐级分级，这样可以同时得到各种颗粒分布 区间(100 iim——10nm)相对集中的金属微粒产品。结合本发明技术方案来说，通过调整 风流大小和分级容器的数量就可以得到相应的产品，当然实际操作中还要不断地先初步分 选，然后仪器检测产品规格，然后反馈调整机械参数，使加工机械能够稳定地分选出产品。 分选的目的之一就是将符合要求的产品分选出来，比要求小的可以直接进入下一个程序， 比要求大的产品将返回上一道工序再一次进行切割，其二是选择出要求的产品，达不到要 求的产品将通过分选设备返回到上一工序，再次切割。 实施例2 :—种金属物体表面喷嵌技术专用铁粉的制备方法，包括以下步骤在 5°C的条件下，高频切割次数设定在每分钟6000次的情况下生产、加工粉体颗粒形状为球 体的专用喷嵌技术的纳米铁粉，再分别分选出(50nm为例)D3 = 21nm D25 = 32. 5nm D50 =50nm D75 = 63. 2nm D97 = 77. 3nm的颗粒分布的粉体材料，而后，再用"DQ包覆法"对铁 粉颗粒继续厚度为2nm-3nm的防氧化包覆，使其防氧化时间达到90小时以上，将包覆后的 粉体材料输入到高速研磨机中进行粉体颗粒的表面研磨处理。 实施例3 :—种金属物体表面喷嵌技术专用铁粉的制备方法，包括以下步骤在 0°C的条件下，高频切割次数设定在每分钟6250次的情况下生产、加工粉体颗粒形状为球 体的专用喷嵌技术的纳米铁粉，再分别分选出(50nm为例)D3 = 21nm D25 = 32. 5nm D50 =50nm D75 = 63. 2nm D97 = 77. 3nm的颗粒分布的粉体材料，而后，再用"DQ包覆法"对铁 粉颗粒继续厚度为2nm-3nm的防氧化包覆，使其防氧化时间达到90小时以上，将包覆后的 粉体材料输入到高速研磨机中进行粉体颗粒的表面研磨处理。
权利要求
一种金属物体表面喷嵌技术专用铁粉的制备方法，其特征在于包括以下步骤在-5℃——5℃的条件下，高频切割次数设定在每分钟6000次——6500次的情况下将原料加工成粉体颗粒形状为球体的纳米铁粉，再分别分选出D3＝21nm D25＝32.5nm D50＝50nm D75＝63.2nm D97＝77.3nm的颗粒分布的粉体材料，而后再用“DQ包覆法”对铁粉颗粒继续厚度为2nm-3nm的防氧化包覆，将包覆后的粉体颗粒表面研磨处理。
2. 根据权利要求1所述的金属物体表面喷嵌技术专用铁粉的制备方法，其特征在于 包括以下步骤在0°C的条件下，高频切割次数设定在每分钟6250次的情况下生产、加工粉 体颗粒形状为球体的专用喷嵌技术的纳米铁粉，再分别分选出D3 = 21nm D25 = 32. 5nm D50 = 50nm D75 = 63. 2nm D97 = 77. 3nm的颗粒分布的粉体材料，而后，再用"DQ包覆 法"对铁粉颗粒继续厚度为2nm-3nm的防氧化包覆，使其防氧化时间达到90小时以上，将包 覆后的粉体材料输入到高速研磨机中进行粉体颗粒的表面研磨处理。
3. —种加工如权利要求1、2所述纳米金属颗粒的切割机，其特征在于结构包括带有 冷却系统的机体(4)，机体(4)上设有进料口 (2)、惰性气体入口 (l)，在机体(4)内设有若 干切割刀组，每个切割刀组包括两个工作面相对的切割器(5、14)，切割器(5、14)的工作面 为锯齿状或锉刀状，两个切割器(5、 14)分别通过各自的连杆(6、 13)和调频振动电机(9) 输出转动部分结合。
全文摘要
本发明涉及一种金属纳米粉的制备方法，具体为一种金属物体表面喷嵌技术专用铁粉的制备方法。解决了现有技术中存在的金属表面进行喷嵌使用的铁粉颗粒形状不够理想的问题。包括以下步骤在-5℃-5℃的条件下，高频切割次数设定在每分钟6000次-6500次的情况下将原料加工成粉体颗粒形状为球体的纳米铁粉，再分别分选出D3＝21nm D25＝32.5nm D50＝50nmD75＝63.2nm D97＝77.3nm的颗粒分布的粉体材料，而后再用“DQ包覆法”对铁粉颗粒继续厚度为2nm-3nm的防氧化包覆，将包覆后的粉体颗粒表面研磨处理。按照本方法制备的铁粉性能优越，效果良好。
文档编号C23C24/00GK101758226SQ20091017970
公开日2010年6月30日 申请日期2009年9月28日 优先权日2008年9月30日
发明者王惠民 申请人:王惠民