專利名稱：一種TiN粉體原料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種TiN粉體原料及其制備方法，屬于耐高溫、耐磨材料制備技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
氮化鈦具有高熔點(diǎn)、高硬度、高溫化學(xué)穩(wěn)定性及優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，能用于改 善超硬材料的耐磨特性，常用來制造熔融金屬坩堝、切削刀具、裝飾材料用的仿金涂料和精 密陶瓷等材料，應(yīng)用于特殊耐熱、耐腐蝕、耐磨等環(huán)境的高溫材料或耐磨材料領(lǐng)域。但氮化 鈦粉體的燒成溫度高，限制了它的廣泛應(yīng)用。因此，研究在低溫、低成本條件下合成氮化鈦 粉體的新方法有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。 近幾十年來，國內(nèi)外研究人員圍繞如何低能耗、低成本地制備TiN材料進(jìn)行了一 系列研究，提出了多種制備TiN粉體材料的方法，如等離子體化學(xué)氣相沉積法、熔融鹽電解 法、高能球磨法、金屬鈦粉直接氮化法等。其中等離子體化學(xué)氣相沉積法和熔融鹽電解法對(duì) 生產(chǎn)設(shè)備要求高，生產(chǎn)成本高，且難以工業(yè)化生產(chǎn)；高能球磨法產(chǎn)品中雜質(zhì)含量較多，生產(chǎn) 效率較低；金屬鈦粉直接氮化法的反應(yīng)溫度一般在100(TC以上，反應(yīng)時(shí)間長，產(chǎn)物粒徑分 布不均。 本發(fā)明涉及的這種制備TiN粉體原料的新方法具有設(shè)備簡單、成本低、制備過程 消耗能量少以及便于大規(guī)模生產(chǎn)等突出優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也為富含Ti02的天然礦物原料的高效增 值利用提供一條新的技術(shù)途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種工藝相對(duì)簡單、成本低、能耗少、產(chǎn)物純度高的TiN粉體 材料的制備方法。 本發(fā)明涉及的一種TiN粉體原料及其制備方法，其特征為本發(fā)明以1102礦物粉 末和焦炭粉(或其它炭素材料如使用前后的炭塊和石墨電極粉、電煅無煙煤粉、瀝青粉、石 油焦粉、活性炭粉)為主要原料，外加常溫結(jié)合劑，并將其按一定比例混合，然后經(jīng)成型(可 以為干壓成型、半干壓成型或等靜壓成型，也可以將原料成型為球形顆?；蛑苯訉⑴浜狭?裝入匣缽、耐火托板等耐火制品中)、干燥、裝窯、碳熱還原氮化燒成、冷卻、破碎、粉碎、磨 細(xì)等工藝過程制備出TiN粉體。所述Ti02粉體加入量為0. 1 90. Owt^，所述焦炭粉、石 墨或炭黑加入量的為0. 1 90. Owt^，所述外加常溫結(jié)合劑加入量為總配料質(zhì)量的0. 2 15. 0%。 所述Ti02礦物粉體為通常市售礦物原料鈦白粉(金紅石型、銳鈦礦型)，鈦白粉的
質(zhì)量要求為Ti02含量百分比大于90%，粒徑為小于0. 3mm的細(xì)顆粒和細(xì)粉。 所述焦炭粉為通常市售工業(yè)原料，也可以用其它炭素材料如使用前后的炭塊和石
墨電極粉、電煅無煙煤粉、瀝青粉、石油焦粉、活性炭粉等取代。焦炭粉或代用品中要求碳含
量百分比大于90%，一般粒徑小于1. 50mm。
所述碳熱還原氮化反應(yīng)所用的氮?dú)鉃槭惺酃I(yè)原料，其純度一般不小于97%。
所述制備過程中外加的常溫結(jié)合劑采用工業(yè)糊精溶液、或聚乙烯醇溶液、或硅溶膠、或?yàn)r青、或焦油、或樹脂等常用結(jié)合劑，其用法可以是分別單獨(dú)加入或者是它們的混合物加入，各結(jié)合劑之間的混合比例沒有特殊要求，其加入量為總配料質(zhì)量的0. 2% 15. 0%。 將Ti02粉和焦炭粉(或其它炭素材料如使用前后的炭塊和石墨電極粉、電煅無煙煤粉、瀝青粉、石油焦粉、活性炭粉)按一定配比混合后加入球磨機(jī)中球磨O. 1 2處至1102粉與還原劑碳混合均勻，球磨的方式可以選用干法球磨或濕法球磨，其中球磨介質(zhì)可以選用金屬球、陶瓷球或瑪瑙球等，濕法球磨選用的球磨液可以是水或無水乙醇等。然后將混合均勻的原料經(jīng)過成型、干燥等工藝過程制成坯體，其中成型工藝可以是干壓成型、半干壓成型或等靜壓成型，也可以將原料采用盤式成球機(jī)成型為球形顆?；蛑苯訉⑴浜狭涎b在匣缽中、耐火托板等耐火制品中。 將干燥好的坯體(或成形后的球形顆粒，或直接裝在匣缽、耐火托板等耐火制品中的配合料)置于熱工窯爐中經(jīng)加熱和碳熱還原氮化等過程燒成，熱工窯爐可以是氮化電爐、馬弗式燃?xì)飧G或燃煤窯或燃油窯的氮化爐、微波氮化爐、感應(yīng)氮化爐、管式氮化爐、立式氮化爐等。坯體(或成形后的球形顆粒，或直接裝在匣缽、耐火托板等耐火制品中的配合料)經(jīng)過常溫至170(TC的溫度范圍內(nèi)的碳熱還原氮化燒成過程中需要通入氮?dú)?，升溫速度沒有特定要求，在相應(yīng)的溫度下可以分別保溫一定時(shí)間，在最終燒成溫度下保溫1分鐘 90小時(shí)，然后在氮?dú)鈿夥障伦匀焕鋮s至室溫后即得到TiN材料。 根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，將上述TiN材料經(jīng)破碎、粉碎、磨細(xì)等工藝過程即可制備出所述TiN粉體原料。本發(fā)明所制備的這種TiN粉體材原料中TiN含量大于90%，其它雜質(zhì)含量低，可作為制備坩堝、切削刀具、金屬陶瓷、噴涂材料和精密陶瓷等的原料。


圖1是本發(fā)明實(shí)例1產(chǎn)物粉體原料的X射線衍射圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)例2產(chǎn)物粉體原料的X射線衍射圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
原料及配比 金紅石型Ti02粉加入量為75. 2wt^，其中Ti02含量百分比為95. 0%，平均粒徑為小于0. 074mm ;焦炭粉加入量為24. 8wt% ，其中C含量百分比為90. 0%，平均粒徑為小于0. 150mm。外加結(jié)合劑(硅溶膠)的加入量為總配料質(zhì)量的2 3%。
配料、混料 首先將各種原料按照上述的比例裝入混料機(jī)，干法球磨10h，將原料充分混合均勻，粒度小于0. 150mm，孔徑篩篩余量小于2. Owt%。
成型或成球 將球磨混合好的原料加入混料機(jī)中加入適量水后混合，然后把物料在成型機(jī)上成型為坯體(或用成球機(jī)成形為球形顆粒)。
5
干燥 成型后的試樣在室溫下自然干燥12h，然后在干燥窯中于IO(TC干燥20h，使坯體 試樣的含水率《1.0%。
碳熱還原氮化燒成 將干燥好的試樣裝入氮化電爐中碳熱還原氮化燒成，最高燒成溫度145(TC并保溫 15小時(shí)。 上述燒成產(chǎn)物經(jīng)過自然冷卻后，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要經(jīng)破碎、粉碎、磨細(xì)等工藝過程 即可制備出所述TiN粉體材料。圖1是本實(shí)例制得的產(chǎn)物粉末的X射線衍射圖，表明145CTC 氮化15小時(shí)得到了純氮化鈦。本實(shí)例所制備的TiN粉體材料中TiN含量在95%以上。
實(shí)施例2
原料及配比 銳鈦礦型Ti02粉加入量為75. 2wt^，其中Ti02含量百分比為92. 0%，平均粒徑 為小于0. 074mm ;焦炭粉加入量為24. 8wt% ，其中C含量百分比為90. 0%，平均粒徑為小于 0. 150mm。外加結(jié)合劑(聚乙烯醇)的加入量為總配料質(zhì)量的2 3%。
配料、混料 首先將各種原料按照上述的比例裝入混料機(jī)，干法球磨8h，將原料充分混合均勻， 粒度小于0. 150mm，孔徑篩篩余量小于2. Owt% 。
成型或成球 將球磨混合好的原料加入混料機(jī)中加入適量水后混合，然后把物料在成型機(jī)成型 為坯體(或用成球機(jī)成形為球形顆粒)。
干燥 成型后的試樣在室溫下自然干燥12h，然后在干燥窯中于15(TC干燥20h，使試樣
的含水率《1.0%。 碳熱還原氮化燒成 將干燥好的試樣裝入燃?xì)飧粞娴癄t中碳熱還原氮化燒成，燒成溫度1500°C并保 溫10小時(shí)。 上述燒成產(chǎn)物經(jīng)過自然冷卻后，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要經(jīng)破碎、粉碎、磨細(xì)等工藝過程 即可制備出所述TiN粉體材料。圖2是本實(shí)例制得的產(chǎn)物粉末的X射線衍射圖，表明1500°C 氮化10小時(shí)得到了純氮化鈦。本實(shí)例所制備的TiN粉體材料中TiN含量在95%以上。
權(quán)利要求
本發(fā)明涉及一種TiN粉體原料及其制備方法，其特征是在適當(dāng)?shù)母邷丨h(huán)境和氮?dú)鈿夥障乱越固糠?、石墨或炭黑碳熱還原氮化TiO2礦物細(xì)粉制備合成TiN粉體原料。本發(fā)明所制備的TiN粉體原料中TiN的質(zhì)量百分比大于95％，其他雜質(zhì)含量低，可作為制備坩堝、切削刀具、金屬陶瓷、噴涂材料和精密陶瓷等的原料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiN粉體原料及其制備方法，其特征在于所述Ti02粉 為通常市售礦物原料鈦白粉(金紅石型、銳鈦礦型)，鈦白粉的質(zhì)量要求為Ti02質(zhì)量百分比 大于90%，粒徑為小于0. 3mm的細(xì)顆粒和細(xì)粉。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiN粉體原料及其制備方法，其特征在于所述TiN粉 體原料以Ti02粉末和焦炭粉(或其它炭素材料如使用前后的炭塊和石墨電極粉、活性炭 粉、電煅無煙煤粉、瀝青粉、石油焦粉等)為主要原料，外加常溫結(jié)合劑，并將各原料按一定 比例混合，然后經(jīng)成型(可以為干壓成型、半干壓成型或等靜壓成型，也可以將原料成型 為球形顆?；蛑苯訉⑴浜狭涎b入匣缽、耐火托板等耐火制品中)、干燥、裝窯、碳熱還原氮 化燒成、冷卻、破碎、粉碎、磨細(xì)等工藝過程制備出TiN粉體。所述1102粉加入量為0. 1 90. Owt^，所述焦炭粉、石墨或炭黑加入量的為0. 1 90. Owt^，所述外加常溫結(jié)合劑加入 量為總配料質(zhì)量的0. 2 15%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiN粉體原料及其制備方法，其特征在于所述焦炭粉 為通常市售工業(yè)原料，也可以用其它炭素材料如使用前后的炭塊和石墨電極粉、活性炭粉、 電煅無煙煤粉、瀝青粉、石油焦粉等取代。焦炭粉或代用品中要求碳含量百分比大于90%， 一般粒徑小于1. 50mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiN粉體原料及其制備方法，其特征在于所述碳熱還 原氮化反應(yīng)所用的氮?dú)鉃橥ǔＪ惺酃I(yè)原料，其純度一般不小于97 。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiN粉體原料及其制備方法，其特征在于所述制備過 程中外加常溫結(jié)合劑可以是工業(yè)糊精溶液、或聚乙烯醇溶液、或硅溶膠、或?yàn)r青、或焦油、或 樹脂等常用結(jié)合劑，其用法可以是分別單獨(dú)加入或者是它們的混合物加入，各結(jié)合劑之間 的混合比例沒有特殊要求，其加入量為總配料質(zhì)量的0. 2% 15. 0%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiN粉體原料及其制備方法，其制備工藝過程依次為a) 將Ti02粉和焦炭粉(或其它炭素材料如使用前后的炭塊和石墨電極粉、電煅無煙煤 粉、瀝青粉、石油焦粉、活性炭粉)按一定配比混合后加入球磨機(jī)中球磨0. 1 24h至Ti02 粉與還原劑碳混合均勻，球磨的方式可以選用干法球磨或濕法球磨，其中球磨介質(zhì)可以選 用金屬球、陶瓷球或瑪瑙球等，濕法球磨選用的球磨液可以是水或無水乙醇等。然后將混合 均勻的原料經(jīng)過成型、干燥等工藝過程制成坯體，其中成型工藝可以是干壓成型、半干壓成 型或等靜壓成型，也可以將原料采用盤式成球機(jī)成型為球形顆粒或直接將配合料裝在匣缽 中、耐火托板等耐火制品中。b) 將干燥好的坯體(或成形后的球形顆粒，或直接裝在匣缽、耐火托板等耐火制品中 的配合料)置于熱工窯爐中經(jīng)加熱和碳熱還原氮化等過程燒成，熱工窯爐可以是氮化電 爐、馬弗式燃?xì)飧G或燃煤窯或燃油窯的氮化爐、微波氮化爐、感應(yīng)氮化爐、管式氮化爐、立式 氮化爐等。坯體(或成形后的球形顆粒，或直接裝在匣缽、耐火托板等耐火制品中的配合 料)經(jīng)過常溫至170(TC的溫度范圍內(nèi)的碳熱還原氮化燒成過程中需要通入氮?dú)?，升溫速?沒有特定要求，在相應(yīng)的溫度下可以分別保溫一定時(shí)間，在最終燒成溫度下保溫1分鐘 90小時(shí)，然后在氮?dú)鈿夥障伦匀焕鋮s至室溫后即得到TiN材料。c)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，將上述TiN材料經(jīng)破碎、粉碎、磨細(xì)等工藝過程即可制備出所述TiN粉體原料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種TiN粉體材料及其制備方法，屬于耐高溫材料、耐磨材料的制備技術(shù)領(lǐng)域。其特征是在適當(dāng)?shù)母邷丨h(huán)境和氮?dú)鈿夥障乱越固糠?、石墨或炭黑碳熱還原氮化TiO2制備合成TiN材料，并經(jīng)破碎、粉碎、磨細(xì)等工藝過程獲得TiN粉體原料。本發(fā)明所制得的TiN粉體粒徑均勻、組成均勻、雜質(zhì)含量低，可作為制備坩堝、切削刀具、金屬陶瓷、噴涂材料和精密陶瓷等的原料。本發(fā)明涉及的這種制備TiN粉體原料的新方法具有工藝設(shè)備簡單、產(chǎn)物純度高、成本低、制備過程消耗能量少以及便于大規(guī)模生產(chǎn)等突出優(yōu)勢(shì)，它適用于氮化鈦粉體以及氮化鈦與其他氮化物等復(fù)合粉體的制備，同時(shí)也為富含TiO2的天然礦物原料的高效增值利用提供一條新的技術(shù)途徑。
文檔編號(hào)C01B21/076GK101786612SQ201010116928
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月2日
發(fā)明者劉艷改, 徐友果, 房明浩, 歐陽欣, 陳凱, 黃朝暉 申請(qǐng)人:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)