专利名称：表面修饰高能球磨法分散纳米TiC粉体的制作方法
技术领域：
本发明为一种纳米粉末的分散方法，特别涉及纳米TiC粉末的分散方法，属于粉末冶金和金属陶瓷领域。
技术背景TiC属面心立方点阵的NaCI型晶体结构，熔点高、导热性能好、硬度大、化学稳定好、高温抗 氧化性好，是Ti(C,N)金属陶瓷刀具材料的主要硬质相之一。Ti(C,N)基金属陶瓷具有好的红硬性、低 腐蚀性、导热率和摩擦系数、较好的抗粘刀能力，可用于制成微型可转位刀片，用于精镗孔、精孔加工和 以车代磨等精加工领域；其功能填补了传统WC-Co系硬质合金与Al203陶瓷刀具之间的空白。尽管在欧美等 国已得到了越来越广泛的应用，但强度和韧性不足是金属陶瓷一直存在的主要问题。根据Hal卜Petch公式， 陶瓷材料的晶粒度越小，粘结相的平均自由程越短，则陶瓷的强度和硬度越高，若晶粒度达到纳米尺度后， 其硬度和强度将有大的突破。90年代后期，科学家们提出了在常规材料中添加纳米颗粒以改善材料性能的 想法。Niihara报道在Al203基体中加入纳米颗粒使材料的力学性能显著提高；对传统WC基硬质合金的研究 也表明，当WC的晶粒细到0.5ym (超细)以下时，可获得强度、硬度和韧性"三高"的合金。因此国内外 的学者对部分添加纳米改性金属陶瓷进行了许多研究。很多人研究了添加纳米TiC到金属陶瓷中来改 善，如徐智谋等在《功能材料》杂志2003年第6期上报道的"纳米TiG增强Ti(G、 N)基金属陶瓷材料的组织 与性能研究"，结果表明5。/。-10。/。(质量分数)的纳米TiC粉末加入量可使金属陶瓷的抗弯强度得到较大的提局。但是，纳米TiC粉末颗粒粒径小，比表面积大，界面原子数多，表面具有较高的化学活性。 一方面， 纳米TiC粉末容易吸收氧，而导致粉末活性降低，添加到金属陶瓷基体中会导致制备过程中压制品容易开 裂，烧结品容易产生孔隙等缺陷。另一方面，由于颗粒间普遍存在的范德瓦尔斯力和库仑力，纳米颗粒极 易团聚而形成带有若干弱连接界面的尺寸较大的团聚体，在烧结的致密化过程中，团聚体会导致纳米颗粒 长大而超过纳米尺度，从而失去纳米弥散相的独特作用；同吋团聚体之间的空隙在烧结过程中难以消除， 在烧结体中形成裂纹状缺陷。因此，克服纳米颗粒的团聚，使其充分分散，以获得与基质颗粒均匀混合是 获得高性能金属陶瓷的前提条件。目前用于分散粉末的有球磨法、超声法等，传统的球磨法的冲击、剪切、压縮、磨耗等作用机理决 定了该法对微米级及更粗的粉末的破碎和均匀化作用明显，而对纳米细粉的作用有限；超声法虽然可以通 过超声波"空化"等作用使颗粒团聚体解聚,但同时也通过非线性振动产生的Bernoul I i力使单个纳米TiC 颗粒相互靠近提高相互碰撞、而产生凝聚,使得已分散开的单个粉末颗粒又重新结合起来，而且对纳米粉 末的硬团聚消除作用比球磨小。本发明针对纳米TiC粉末的特点和现有分散技术的不足特点，发明了一种 表面修饰高能球磨法来分散纳米T i C粉末。 发明内容本发明针对纳米TiC粉末表面吸附有大量的氧和杂质和易形成了硬团聚的特点，发明了表面修饰辅 助的高能球磨分散方法，其特征是先对将纳米TiC粉末进行表面修饰，然后再进行高能球磨。表面修饰处 理分两步，首先就是先将纳米粉末在真空中进行脱氧处理，去除纳米粉末表面吸附的氧和杂质，以提高粉末活性和有利于后续修饰处理；然后通过超声作用将添加表面活性剂分散并连接到纳米粉末表面，完成粉 末的表面修饰。随即对料浆进行高能球磨处理进一步消除团聚并真空干燥，便达到了纳米TiC粉末均匀分 散的目的。本发明的分散纳米TiC粉末的表面修饰高能球磨方法，其进一步的特征在于(1) 纳米TiC粉末的脱氧处理在真空烧结炉中进行,粉末放置在带盖子的陶瓷坩埚中，升温速度为5 30'C/min,处理温度为1400 1500°C，保温时间为0. 5 1h,真空度高于1 5Pa;(2) 对纳米TiC粉末进行聚氧乙烯20山梨醇酐单油酸酯的表面包覆和连接时，先用无水乙醇和纳 米TiC粉末的配成悬浊液，纳米TiG粉末的体积分数为1v0l% 9vol%,聚氧乙烯20山梨醇酐单油 酸酯的加量为0. 1vol% 1volt%，利用甲酸和氨水调节悬浊液的pH值到5-9，再进行20 60min的 超声处理；(3) 经过表面修饰的纳米TiC粉末料浆，在行星式球磨机中进行高能球磨处理，球磨机转速为200 400r/min,研磨时间为12 36h,研磨球为直径06mn的超细硬质合金球，球料比(wt%)为50: 1 跳1;(4) 球磨后料浆的真空干燥处理温度为85。C 12(TC,真空度为1 5Pa。 本发明的忧点在于脱氧处理后，可降低粉末的杂质含量，提高纳米TiC粉末与基体粉末之间的润湿性，并提高纳米粉 末与表面活性剂的连接作用；表面修饰处理可提高粉末的分散性，且表面活性剂可对纳米粉末颗粒起到保 护作用；高能球磨处理可进一步分散纳米粉末。本发明的分散方法获得的纳米TiC粉体，氧含量低、分散 均匀、无硬团聚、与基体润湿性得到改善，适合于作为Ti(C,N)基金属陶瓷的添加剂或者直接作纳米金属 陶瓷材料的硬质相。
图1本发明中实例1的分散后的纳米TiC粉末的SEM照片 图2本发明中实例2的分散后的纳米TiC粉末的SEM照片具体实施方式
实例1:称取纳米50nm的TiC粉末10g,放置在带盖子的陶瓷坩埚中，真空度为5 Pa，煅烧温度为140(TC， 升温速度为30'C/min,保温时间为1h，随炉冷却。将处理后的粉末与无水乙醇配成悬浊液，纳米TiG粉末 的体积分数为8vol54，添加1.0voW的聚氧乙烯20山梨醇酐单油酸酯，利用甲酸和氨水调节pH值到7.5， 再进行40min的超声处理使聚氧乙烯20山梨醇酐单油酸酯包覆在纳米粉末表面；经过表面修饰的纳 米TiG粉末料浆，在行星式球磨机中进行高能球磨处理，球磨机转速为400r/min,研磨时间为24h.研磨 球为直径06圆的超细硬质合金球，球料比(vvt%)为100: 1;球磨后料浆的真空干燥处理温度为95'C,真 空度为5Pa。经过处理的TiG粉末分散均匀，团聚少，粒度约为20nm,是金属陶瓷的优质添加剂，其形貌 如图1所示。实例2:称取50nm纳米TiC粉末5g，放置在带盖子的陶瓷坩埚中，真空度为2P，煅烧温度为150(TC,升温速度为2(TC/min,保温时间为0.5h，随炉冷却。将处理后的粉末与无水乙醇配成悬浊液，纳米TiC粉末 的体积分数为3voW，添加0. 5voiy。的聚氧乙烯20山梨醇酐单油酸酯，利用甲酸和氨水调节pH值到6. 5， 再进行25min的超声处理使聚氧乙烯20山梨醇酐单油酸酯包覆在纳米粉末表面；经过表面修饰的纳 米TiC粉末料浆，在行星式球磨机中进行高能球磨处理，球磨机转速为300r/m'm.研磨吋间为12h.研磨 球为直径①6mm的超细硬质合金球，球料比(v t%)为60: 1 ;球磨后料浆的真空干燥处理温度为9CTC,真 空度为5Pa。经过处理的TiG粉末分散均匀，团聚少，粒度约为20nm,是金属陶瓷的优质添加剂，其形貌 如图2所示。
权利要求
1.一种分散纳米TiC粉末的表面修饰高能球磨方法，其特征是依次包含以下的表面修饰和高能球磨两个步骤(1)先对TiC纳米粉末在真空中进行脱氧处理，然后通过超声的作用使聚氧乙烯20山梨醇酐单油酸酯连接并包覆到纳米粉末表面，完成表面修饰；(2)经过表面修饰的TiC纳米粉末料浆进行的高能球磨和真空干燥。
2. 根据权利要求1所述的分散纳米TiC粉末的表面修饰高能球磨方法，其进一步的特征在于(1) 纳米TiG粉末的脱氧处理在真空烧结炉中进行，粉末放置在带盖子的陶瓷坩埚中， 升温速度为5 30°C/min,处理温度为1400 1500°C，保温吋间为O. 5 1h,真空度高 于1 5Pa;(2) 对纳米TiC粉末进行聚氧乙烯20山梨醇酐单油酸酯的表面包覆和连接时，先用 无水乙醇和纳米TiC粉末的配成悬浊液，纳米TiC粉末的体积分数为1vol% 9vol%，聚 氧乙烯20山梨醇酐单油酸酯的加量为0. 1vol% 1v0lt%，利用甲酸和氨水调节悬迚 液的pH值到5-9，再进行20 60min的超声处理；G) 经过表面修饰的纳米TiC粉末料浆，在行星式球磨机中进行高能球磨处理，球磨机 转速为200 400r/min，研磨时间为12 36h,研磨球为直径①6mm的超细硬质合金球，球 料比(wt%)为50: 1 跳1;(4)球磨后料浆的真空干燥处理温度为85'C 12(TC，真空度为1 5Pa。
全文摘要
本发明公开了一种分散纳米TiC粉体的表面修饰高能球磨法。其特征是首先将纳米TiC粉末在真空烧结炉中进行脱氧处理，再在无水乙醇溶液中利用超声波的作用使聚氧乙烯20山梨醇酐单油酸酯连接和包覆到纳米TiC粉体颗粒表面，完成对纳米TiC粉体的表面修饰；然后将处理好的料浆进行高能球磨处理和真空干燥。本发明的分散方法获得的纳米TiC粉体，氧含量低、分散均匀、无硬团聚、与基体润湿性得到改善，适合于作为Ti(C，N)基金属陶瓷的添加剂或者直接作纳米金属陶瓷材料的硬质相。
文档编号C01B31/30GK101565183SQ20091005945
公开日2009年10月28日 申请日期2009年5月31日 优先权日2009年5月31日
发明者吴悦梅, 左丽莎, 计 熊, 熊素建, 范洪远, 郭智兴, 陈建中 申请人:四川大学