納米TiC粉末及其製備方法和應用的製作方法

2023-09-20 07:08:45

專利名稱：納米TiC粉末及其製備方法和應用的製作方法
技術領域：
本發明屬於金屬陶瓷領域，具體涉及一種納米TiC粉末的製備方法、由該製備方法得到的納米TiC粉末及其應用。
背景技術：
碳化鈦(TiC)具有高熔點、高硬度和高彈性模量，良好的抗熱震性和化學穩定性， 其高溫抗氧化性能僅低於碳化矽，是硬質合金的重要原料，在結構材料中作為硬質相而被廣泛用於製作耐磨材料、切削刀具材料、機械零件等領域。高質量的粉末原料是獲得高性能產品的先決條件，要製備性能優異的陶瓷材料， 往往需要先製備出高純度、細粒度、燒結性能良好的粉末原料。碳化鈦陶瓷粉末的製備方法，目前常見的主要有TiO2碳熱還原法、熱噴塗法、化學氣相沉積法等多種。其中，TiO2碳熱還原法作為原料的二氧化鈦和炭黑難以混合均勻，反應轉化率較低，製備得到的粉末純度、 粒度、燒結性能等方面均較差。熱噴塗法和化學氣相沉積法的耗能過大，且產率低、雜質含量高、顆粒不均勻。

發明內容
本發明解決了現有技術中製備碳化鈦陶瓷粉末存在的製備方法複雜、產率低，得到的碳化鈦粉末純度、粒度和燒結性能均較差的技術問題。本發明提供了一種納米TiC粉末的製備方法，包括以下步驟
A、將鈦酸四丁酯溶解於有機溶劑中，得到第一溶液；將蔗糖溶解於有機溶劑中，加入醋酸調節PH值為2-5，得到第二溶液；
B、攪拌狀態下，將第二溶液加入至第一溶液中，反應後得到溶膠體系，陳化後乾燥，得到幹凝膠；
C、將步驟B得到的幹凝膠轉入真空爐中進行燒結，得到納米TiC粉末。本發明還提供了一種納米TiC粉末，所述納米TiC粉末由本發明提供的的製備方法製備得到。最後，本發明提供了所述納米TiC粉末作為硬質合金刀具表面塗層材料的應用。本發明提供的納米TiC粉末的製備方法中，以鈦酸四丁酯作為鈦源、以蔗糖作為碳源，二者能充分混合、分散，通過鈦酸四丁酯與蔗糖溶膠-凝膠法製備得到純度高、粉體粒度小且分布窄、燒結溫度低的納米TiC粉末，其作為塗層材料應用於硬質合金刀具表面能有效提高硬質合金刀具的硬度、耐高溫切削性能、抗氧化性，顯著提高硬質合金刀具的使用壽命。
具體實施例方式本發明提供了一種納米TiC粉末的製備方法，包括以下步驟
A、將鈦酸四丁酯溶解於有機溶劑中，得到第一溶液；將蔗糖溶解於有機溶劑中，加入醋酸(HAc)調節pH值為2-5，得到第二溶液；
B、攪拌狀態下，將第二溶液加入至第一溶液中，反應後得到溶膠體系，陳化後乾燥，得到幹凝膠；
C、將步驟B得到的幹凝膠轉入真空爐中進行燒結，得到納米TiC粉末。本發明提供的納米TiC粉末的製備方法中，以鈦酸四丁酯作為鈦源、以蔗糖作為碳源，二者能充分混合、分散，通過鈦酸四丁酯與蔗糖溶膠-凝膠法製備得到純度高、粉體粒度小且分布窄、燒結溫度低的納米TiC粉末。具體地，本發明中，步驟A中，溶解鈦酸四丁酯、蔗糖的有機溶劑可採用現有技術中常見的各種有機溶劑，例如可以為乙醇，但不局限於此。本發明中，對有機溶劑的用量沒有特殊要求，只需其將鈦酸四丁酯、蔗糖充分溶解即可。本發明中，鈦酸四丁酯與蔗糖的摩爾比為1:2-1:5。根據本發明的方法，在配製第二溶液時，需加入醋酸調節第二溶液的pH值為2-5。 通過調節第二溶液的pH值，可保證後續溶膠化反應在酸性條件下進行，促進溶膠化反應的進行，提高反應轉化率。在調節PH值時，還可加入去離子水進行適當調節。因此，步驟A中， 配製第二溶液時還包括加入去離子水的步驟。根據本發明的方法，然後在攪拌狀態下、將蔗糖的溶液(即第二溶液)加入鈦酸四丁酯的溶液(即第一溶液)中，進行溶膠化反應。優選情況下，本步驟B中，反應時間為l-3h。 為提高溶膠化反應的速率，優選情況下，先將第一溶液在水浴鍋中加熱，待第二溶液配製好後，直接將其加入第一溶液中，即所述溶膠化反應在水浴鍋加熱條件下進行。溶膠化反應完成後，對溶膠體系進行靜置陳化，陳化時間為l_12h。然後對陳化體系進行乾燥。優選情況下，乾燥溫度為60-150°C。乾燥完成後，得到幹凝膠。然後對幹凝膠進行熱處理，即轉入真空爐中進行燒結，燒結完成後即得到本發明提供的納米TiC粉末。作為本發明的一種優選實施方式，本步驟C中，燒結時升溫過程為400-70(TC時升溫速度為1-10°C /min，保溫0-3小時；至1100-1200°C時升溫速度為5_10°C /min，保溫
0-3小時；至1200-1400°C時升溫速度為5_10°C /min，保溫0_3小時；真空爐內的真空度為 l_5Pa。本發明還提供了一種納米TiC粉末，所述納米TiC粉末由本發明提供的的製備方法製備得到。採用本發明提供的製備方法製備得到的納米TiC粉末，具有純度高、粉體粒度小且分布窄的優點。具體地，所述納米TiC粉末的粒徑為40-200nm。其中，粒徑為80nm的納米TiC粉末的含量為95%以上。最後，本發明提供了所述納米TiC粉末作為硬質合金刀具表面塗層材料的應用。本發明提供的納米TiC粉末，作為塗層材料應用於硬質合金刀具表面，能有效提高硬質合金刀具的硬度、耐高溫切削性能、抗氧化性，顯著提高硬質合金刀具的使用壽命。為了使本發明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。實施例ICN 102583376 A 稱取摩爾比為I :2的鈦酸四丁脂與蔗糖作為原料；將鈦酸四丁脂溶解於乙醇中，不斷攪拌，在水浴鍋中加熱，得到第一溶液；將蔗糖溶解於乙醇，加入HAc和去離子水，調節體系 pH值為2-5，得到第二溶液。攪拌狀態下，將第二溶液加入第一溶液中，攪拌1-3小時，得到溶膠體系；將溶膠體系進行靜置陳化1-12小時，然後在60-150°C下乾燥，得到幹凝膠。然後將幹凝膠轉入真空度為l_5Pa的真空爐中進行真空燒結，真空燒結的升溫過程為400-700°C時升溫速度為 I-IO0C /min，保溫0-3小時；至1100-1200°C時升溫速度為5-10。。/min，保溫0-3小時；至 1200-1400°C時升溫速度為5-10°C /min，保溫0_3小時；真空燒結完成後，得到本實施例的納米TiC粉末SI。對粉末檢測得到，納米TiC粉末SI的粒徑為40-150nm，其中粒徑為80nm 的納米TiC粉末的含量為96%。實施例2
稱取摩爾比為I :3的鈦酸四丁脂與蔗糖作為原料；將鈦酸四丁脂溶解於乙醇中，不斷攪拌，在水浴鍋中加熱，得到第一溶液；將蔗糖溶解於乙醇，加入HAc和去離子水，調節體系 pH值為2-5，得到第二溶液。攪拌狀態下，將第二溶液加入第一溶液中，攪拌1-3小時，得到溶膠體系；將溶膠體系進行靜置陳化1-12小時，然後在60-150°C下乾燥，得到幹凝膠。然後將幹凝膠轉入真空度為l_5Pa的真空爐中進行真空燒結，真空燒結的升溫過程為400-700°C時升溫速度為 I-IO0C /min，保溫0-3小時；至1100-1200°C時升溫速度為5-10。。/min，保溫0-3小時；至 1200-1400°C時升溫速度為5-10°C /min，保溫0_3小時；真空燒結完成後，得到本實施例的納米TiC粉末S2。對粉末檢測得到，納米TiC粉末S2的粒徑為40-180nm，其中粒徑為80nm 的納米TiC粉末的含量為97%。實施例3
稱取摩爾比為I :4的鈦酸四丁脂與蔗糖作為原料；將鈦酸四丁脂溶解於乙醇中，不斷攪拌，在水浴鍋中加熱，得到第一溶液；將蔗糖溶解於乙醇，加入HAc和去離子水，調節體系 pH值為2-5，得到第二溶液。攪拌狀態下，將第二溶液加入第一溶液中，攪拌1-3小時，得到溶膠體系；將溶膠體系進行靜置陳化1-12小時，然後在60-150°C下乾燥，得到幹凝膠。然後將幹凝膠轉入真空度為l_5Pa的真空爐中進行真空燒結，真空燒結的升溫過程為400-700°C時升溫速度為
I-IO0C /min，保溫0-3小時；至1100-1200°C時升溫速度為5-10。。/min，保溫0-3小時；至 1200-1400°C時升溫速度為5-10°C /min，保溫0_3小時；真空燒結完成後，得到本實施例的納米TiC粉末S3。對粉末檢測得到，納米TiC粉末S3的粒徑為50-150nm，其中粒徑為80nm 的納米TiC粉末的含量為80%。實施例4
稱取摩爾比為I :3. 5的鈦酸四丁脂與蔗糖作為原料；將鈦酸四丁脂溶解於乙醇中，不斷攪拌，在水浴鍋中加熱，得到第一溶液；將蔗糖溶解於乙醇，加入HAc和去離子水，調節體系pH值為2-5，得到第二溶液。攪拌狀態下，將第二溶液加入第一溶液中，攪拌1-3小時，得到溶膠體系；將溶膠體系進行靜置陳化1-12小時，然後在60-150°C下乾燥，得到幹凝膠。然後將幹凝膠轉入真空度為l_5Pa的真空爐中進行真空燒結，真空燒結的升溫過程為400-700°C時升溫速度為
5I-IO0C /min，保溫0-3小時；至1100-1200°C時升溫速度為5-10。。/min，保溫0-3小時；至 1200-1400°C時升溫速度為5-10°C /min，保溫0_3小時；真空燒結完成後，得到本實施例的納米TiC粉末S4。對粉末檢測得到，納米TiC粉末S4的粒徑為40-160nm，其中粒徑為80nm 的納米TiC粉末的含量為96. 5%。實施例5
稱取摩爾比為I :4的鈦酸四丁脂與蔗糖作為原料；將鈦酸四丁脂溶解於乙醇中，不斷攪拌，在水浴鍋中加熱，得到第一溶液；將蔗糖溶解於乙醇，加入HAc和去離子水，調節體系 pH值為2-5，得到第二溶液。攪拌狀態下，將第二溶液加入第一溶液中，攪拌1-3小時，得到溶膠體系；將溶膠體系進行靜置陳化1-12小時，然後在60-150°C下乾燥，得到幹凝膠。然後將幹凝膠轉入真空度為l_5Pa的真空爐中進行真空燒結，真空燒結的升溫過程為400-700°C時升溫速度為 I-IO0C /min，保溫0-3小時；至1100-1200°C時升溫速度為5-10。。/min，保溫0-3小時；至 1200-1400°C時升溫速度為5-10°C /min，保溫0_3小時；真空燒結完成後，得到本實施例的納米TiC粉末S5。對粉末檢測得到，納米TiC粉末S5的粒徑為40-200nm，其中粒徑為80nm 的納米TiC粉末的含量為97%。直接對YG8刀具進行檢測，測得其切削速度可達140m/min，工作切應力可高達 40GPa ;800°C下YG8刀具的工作環境極其惡劣，刀具磨損量極大，巨大的衝擊力便普通的硬質合金根本無法承受，時有崩刀的情況出現。將實施例1-5製備的納米級TiC粉末S1-S5，採用高溫快速噴射法噴射於表面已作鏡面拋光處理的YG8刀具上，形成塗層。檢測結果顯示，在高速切削過程中其溫度高於 800°C，速度高達130m/min，刀具塗層硬度達45GPa以上，抗氧化溫度顯著提高，使用壽命提高10倍以上，具有明顯的經濟與社會價值。以上實施例僅為本發明的優選實施方式，應當指出，對於本領域技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，所作出的若干改進，也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種納米TiC粉末的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟A、將鈦酸四丁酯溶解於有機溶劑中，得到第一溶液；將蔗糖溶解於有機溶劑中，加入醋酸調節PH值為2-5，得到第二溶液；B、攪拌狀態下，將第二溶液加入至第一溶液中，反應後得到溶膠體系，陳化後乾燥，得到幹凝膠；C、將步驟B得到的幹凝膠轉入真空爐中進行燒結，得到納米TiC粉末。
2.根據權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，步驟A中，所述有機溶劑為乙醇；鈦酸四丁酯與蔗糖的摩爾比為1:2-1:5。
3.根據權利要求I或2所述的製備方法，其特徵在於，步驟A中，配製第二溶液時還包括加入去離子水的步驟。
4.根據權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，步驟B中，反應時間為l-3h，陳化時間為l_12h，乾燥溫度為60-150°C。
5.根據權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，步驟C中，燒結時升溫過程為 400-700°C時升溫速度為1-10°C /min，保溫0-3小時；至1100_1200°C時升溫速度為 5-100C /min，保溫0-3小時；至1200-1400°C時升溫速度為5_10°C/min，保溫0-3小時；真空爐內的真空度為l_5Pa。
6.一種納米TiC粉末，其特徵在於，所述納米TiC粉末由權利要求1-5任一項所述的製備方法製備得到。
7.根據權利要求6所述的納米TiC粉末，其特徵在於，所述納米TiC粉末的粒徑為 40_200nm。
8.根據權利要求6所述的納米TiC粉末，其特徵在於，所述納米TiC粉末中，粒徑為 80nm的納米TiC粉末的含量為95%以上。
9.權利要求6所述的納米TiC粉末作為硬質合金刀具表面塗層材料的應用。
全文摘要
本發明提供了一種納米TiC粉末的製備方法，包括A、將鈦酸四丁酯溶解於有機溶劑中，得到第一溶液；將蔗糖溶解於有機溶劑中，加入醋酸調節pH值為2-5，得到第二溶液；B、攪拌狀態下，將第二溶液加入至第一溶液中，反應後陳化、乾燥，得到幹凝膠；C、將幹凝膠轉入真空爐中進行燒結，得到納米TiC粉末。採用本發明提供的製備方法，能製得純度高、粉體粒度小且分布窄、燒結溫度低的納米TiC粉末。
文檔編號C01B31/30GK102583376SQ20121006718
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月15日 優先權日2012年3月15日
發明者陳明 申請人:株洲精工硬質合金有限公司