CN108163821B - 球形氮化钛的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及球形氮化钛的制备方法，具体涉及利用射频等离子体粉末生产设备制备球形氮化钛的方法。本发明解决的技术问题是提供一种球化率高的球形氮化钛的制备方法。本发明方法采用射频等离子体设备为反应装置，以氢化钛粉为原料，以氮气为反应气体，一步制备得到氮化钛粉末，其工艺流程短、反应时间极短，大大提高了生产效率，获得的产品无杂质污染，制备工艺简单，对原料要求较低，为实现球形氮化钛粉末的工业化生产奠定了基础。采用本发明方法制备得到的球形氮化钛粉末，球化率和氮化率都很高。制备原料不需要大量的破碎，其产物粒径小。

Description

球形氮化钛的制备方法
技术领域
本发明涉及球形氮化钛的制备方法，具体涉及利用射频等离子体粉末生产设备制备球形氮化钛的方法。
背景技术
金属化合物TiN具有许多优良的物理及化学性能，它抗腐蚀性、抗磨损性及抗氧化性都非常优良，具有较高的熔点(3205℃)和硬度1990(×9.8N/mm2)。TiN沉积在首饰和灯具上既可以达到美观效果，又能增强耐磨性能，是代替目前广泛使用的WC的潜在材料，可以大大降低材料应用的成本。TiN化合物具有较高的生物兼容性，在临床医学和口腔医学方面也具有很高的应用价值。此外TiN也可用作制造坩埚、切削刀具、添加剂等。TiN粉末的应用广度和深度与它所拥有的优异性能极不相称，有待人们研究开发，可以预示，氮化钛粉末将会成为世纪新材料。
随着对TiN研究的不断深入，制备TiN粉末的方法也越来越多。传统的TiN粉末制备方法，如：金属钛粉氮化法、二氧化钛碳热还原氮化法、气相法等得到的TiN粉末形状不规则，流动性较差，使用性能大打折扣，而且氮化率不高，氮化时间较长，粒径范围较宽，能源消耗大。到目前为止，还没有行之有效而且含盖以上问题的解决办法。
与非球形的氮化钛粉末相比，球形氮化钛的机械性能在各个方向都是一样的，在粉末冶金和3D打印中更容易获得性能优异的产品。因此，急需一种制备工艺简单，球化率高球形氮化钛的制备方法。
专利200410072553.4公开了一种反应等离子喷涂纳米晶氮化钛粉末的方法，采用等离子喷枪来进行喷涂，具体包括的主要步骤是：钛粉装入送粉器，送入混合离子气体、向反应室中通氮气，送钛粉粉末进入焰流，向盛水的容器中喷涂和收集，采用该方法，能够得到直径为30～100nm的氮化钛粉末颗粒，但是，该方法需要纯钛粉为原料，先期需要制备不同粒径的钛粉末颗粒，再来进行氮化。制备工艺复杂，设备要求高。更重要的是，纯钛粉在空气中易氧化，形成钛氧化物。这对于氮化来说是不利的。另外，纯钛粉的自燃危险要大很多，生产的安全要求更高。送钛粉粉末进入焰流，向盛水的容器中喷涂和收集过程中，其能量损失大。且得到的氮化钛球形度不好，球化率需要进一步的提高。
发明内容
针对以上缺陷，本发明解决的技术问题是提供一种制备工艺简单，球化率高的球形氮化钛的制备方法。
本发明球形氮化钛的制备方法，采用射频等离子体设备制备得到，具体包括如下步骤：
a、起弧：以氩气为电离气体起弧，同时将氮气从射频等离子体设备的保护气体入口处通入；控制射频等离子设备的工作电压为5～15kV，功率为30～200kW；
b、送料：待弧稳定后，控制通入的氩气和氮气的流量比为1:20～10:1，然后由送料装置送入氢化钛粉，得到球形氮化钛。
优选的，a步骤中，待弧稳定后，将电离气体变为氩气和氮气的混合气体。
优选的，所述氩气和氮气的混合气体中，氩气和氮气的体积比为1:5～10:1。
进一步优选的，所述氩气和氮气的混合气体中，优选氩气和氮气的体积比为1:2～3:1。
优选的，b步骤中，氢化钛粉的粒径为10～400μm。
进一步优选的，所述氢化钛粉采用振动进料，其振幅为10～80％。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明采用射频等离子体设备为反应装置，以氢化钛粉为原料，以氮气为反应气体，一步制备得到氮化钛粉末，其工艺流程短、反应时间极短，大大提高了生产效率，获得的产品无杂质污染，制备工艺简单，对原料要求较低，为实现球形氮化钛粉末的工业化生产奠定了基础。
采用本发明方法制备得到的球形氮化钛粉末，球化率和氮化率都很高。制备原料不需要大量的破碎，其产物粒径小。
本发明不仅适用于球形氮化钛粉的制备，也适用于球形氮化锆粉和其它氮化球粉的制备。
附图说明
图1为本发明制备的氮化钛的XRD图。
图2为本发明制备的氮化钛的SEM图。
具体实施方式
本发明球形氮化钛的制备方法，采用射频等离子体设备制备得到，具体包括如下步骤：
a、起弧：以氩气为电离气体起弧，同时将氮气从射频等离子体设备的保护气体入口处通入；控制射频等离子设备的工作电压为5～15kV，功率为30～200kW；
b、送料：待弧稳定后，控制通入的氩气和氮气的流量比为1:20～10:1，然后由送料装置送入氢化钛粉，在等离子体炬中氢化钛粉脱氢、球化的同时直接氮化，得到半熔态的氮化钛；
c、球化：半熔态的氮化钛在表面张力的作用下，冷却凝固成球形。
射频等离子体粉末球化技术为现有的技术，其原理是在高频电源作用下，惰性气体被电离，形成稳定的高温惰性气体等离子体；而形状不规则的原料经送料装置送入等离子体炬中，在高温等离子体中吸收大量的热，表面迅速熔化，并以极高的速度进入反应器，在惰性气氛下快速冷却，在表面张力的作用，冷却凝固成球形粉末。而本发明通过控制射频等离子体设备的电压、功率以及通入特定种类的气体和特定的气体流量等参数，实现在等离子体炬中氢化钛粉脱氢、球化的同时直接氮化，得到球形氮化钛。其反应原理为：
TiH2＝Ti+H2
2Ti+N2＝2TiN
本发明方法，上述两步反应均在通入氩气和氮气的射频等离子高温场条件下一步进行。首先，氩气从射频等离子体设备中心通入，即电离气体入口处通入，而氮气从射频等离子体设备边缘通入，即保护气体入口处通入。这样氩气流易于产生等离子流，将氢化钛物料进行高温分解。氮气从射频等离子体粉末生产设备边缘通入可使氮化反应更加完全。该方法获得的氮化钛球化率和氮化率较高，球化和氮化同时进行，大大提高了生产效率。
为了提高球化率，优选的，a步骤中，以氩气为电离气体起弧，得到氩弧，待氩弧稳定后，将电离气体变为氩气和氮气的混合气体，此时，将会形成氩气氮气弧。等离子体炬中的氮气电离作为反应热源的同时又作为反应物，与钛粉在高温下反应直接得到球形氮化钛粉末，不仅可节约反应能源消耗，还能提高产品纯度和球化率。
更优选的，所述氩气和氮气的混合气体中，氩气和氮气的体积比为1:5～10:1，更优选的，氩气和氮气的体积比为1:2～3:1。电离气体为混合气体时，仍需控制通入的总的氩气和总的氮气的流量比为1:20～10:1。本发明中，无论氮气还是氩气，流量的单位均采用m3/h。
常用的氢化钛粉的粒径均适用于本发明，优选的，b步骤中，氢化钛粉的粒径为40～100μm。
作为优选方案，所述氢化钛粉采用振动进料，其振幅为10～80％，这样可以使得氢化钛粉的反应更加完全，提高氮化率。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
采用射频等离子体粉末生产设备生产球形氮化钛粉末。设置射频等离子体粉末生产设备的进料装置的振幅为20％，工作电压10.5kV，功率48kW。“边气”(即保护气体入口)通入氮气，“中气”(即电离气体入口)先通入氩气起弧，待弧稳定后再通入氩气和氮气的混和气，控制氮气流量与氩气流量比率为2:1，送料反应5min收料，制备得到球形氮化钛粉末。其XRD图谱见图1，SEM图谱见图2。球化率达到80％，氮化率为83％。
其中，球化率采用扫描电镜进行形貌观察球化数量获得。氮化率采用能谱仪测定样品表面并结合X射线衍射仪分析结果获得。
实施例2
采用射频等离子体粉末生产设备生产球形氮化钛粉末。设置射频等离子体粉末生产设备的进料装置的振幅为22％，工作电压11.5kV，功率55kW。“边气”(即保护气体入口)通入氮气，“中气”(即电离气体入口)通入氩气起弧，氮气流量与氩气流量比率为1：1。待弧稳定后送入氢化钛，送料反应5min收料，测得氮化钛粉末质量为27g。其XRD图谱与图1类似，SEM图谱与图2类似。球化率达到82％，氮化率为76％。
实施例3
采用射频等离子体粉末生产设备生产球形氮化钛粉末。设置射频等离子体粉末生产设备的进料装置的振幅为24％，工作电压8kV，功率40kW。“边气”(即保护气体入口)通入氮气，“中气”(即电离气体入口)先通入氩气起弧，待弧稳定后再通入氩气和氮气的混和气，氮气流量与氩气流量比率为3:2，送料反应5min收料，测得氮化钛粉末质量为28g。其XRD图谱与图1类似，SEM图谱与图2类似。球化率达到88％，氮化率为78％。
实施例4
采用射频等离子体粉末生产设备生产球形氮化钛粉末。设置射频等离子体粉末生产设备的进料装置的振幅为10％，工作电压15kV，功率200kW。“边气”(即保护气体入口)通入氮气，“中气”(即电离气体入口)先通入氩气起弧，待弧稳定后再通入氩气和氮气的混和气，氮气流量与氩气流量比率为3:20，送料反应5min收料，测得氮化钛粉末质量为19g。其XRD图谱与图1类似，SEM图谱与图2类似。球化率达到91％，氮化率为56％。
实施例5
采用射频等离子体粉末生产设备生产球形氮化钛粉末。设置射频等离子体粉末生产设备的进料装置的振幅为80％，工作电压12kV，功率60kW。“边气”(即保护气体入口)通入氮气，“中气”(即电离气体入口)先通入氩气起弧，待弧稳定后再通入氩气和氮气的混和气，氮气流量与氩气流量比率为9:10，送料反应5min收料，测得氮化钛粉末质量为42g。其XRD图谱与图1类似，SEM图谱与图2类似。球化率达到81％，氮化率为68％。

Claims (5)

1.球形氮化钛的制备方法，其特征在于：采用射频等离子体设备制备得到，具体包括如下步骤：
a、起弧：以氩气为电离气体起弧，同时将氮气从射频等离子体设备的保护气体入口处通入；控制射频等离子设备的工作电压为5～15kV，功率为30～200kW；
b、送料：待弧稳定后，控制通入的氩气和氮气的流量比为1:20～10:1，然后由送料装置送入氢化钛粉，得到球形氮化钛，所述氢化钛粉采用振动进料，其振幅为10～80％。
2.根据权利要求1所述的球形氮化钛的制备方法，其特征在于：a步骤中，待弧稳定后，将电离气体变为氩气和氮气的混合气体。
3.根据权利要求2所述的球形氮化钛的制备方法，其特征在于：所述氩气和氮气的混合气体中，氩气和氮气的体积比为1:5～10:1。
4.根据权利要求3所述的球形氮化钛的制备方法，其特征在于：所述氩气和氮气的混合气体中，氩气和氮气的体积比为1:2～3:1。
5.根据权利要求1～4任一项所述的球形氮化钛的制备方法，其特征在于：b步骤中，氢化钛粉的粒径为10～400μm。
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