一种高能球磨制备发动机活塞环表面喷涂用TIBSUB2/SUB/TIC超细粉的方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102430757 A(43)申请公布日 2012.05.02CN102430757A*CN102430757A*(21)申请号 201110381623.4(22)申请日 2011.11.25B22F 9/04(2006.01)C23C 4/10(2006.01)(71)申请人天津大学地址 300072 天津市南开区卫津路92号(72)发明人王惜宝 王金枝 王海波(74)专利代理机构天津市北洋有限责任专利代理事务所 12201代理人王秀奎(54) 发明名称一种高能球磨制备发动机活塞环表面喷涂用TiB2/TiC超细粉的方法(57) 摘要本发明公开了一种高能球磨制备发动

2、机活塞环表面喷涂用TiB2/TiC超细粉的方法，按照下述步骤进行：(1)称取Ti粉和B4C粉作为粉料；(2)称量磨球；(3)将粉料至于球磨罐中，然后上面用磨球覆盖以使所有粉料的上表面均被磨球压住；(4)向球磨罐中通入惰性气体，以排出空气；(5)进行球磨。本发明提供一种采用高能球磨机械合金化的方法，原位合成纳米级金属陶瓷复合粉末TiB2/TiC；此过程的抽真空充氩气无需在真空手套箱中进行操作，从而简化操作流程、提高生产效率，适合在工业生产中应用。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页CN 102430760

3、A 1/1页21.一种高能球磨制备发动机活塞环表面喷涂用TiB2/TiC超细粉的方法，其特征在于，按照下述步骤进行：(1)称取Ti粉和B4C粉作为粉料，其中Ti和B4C的摩尔比是31，然后进行烘干；(2)称量磨球，其中磨球与步骤(1)中粉料的质量比为(21)-(201)；(3)将粉料至于球磨罐中，然后上面用磨球覆盖以使所有粉料的上表面均被磨球压住；(4)向球磨罐中通入惰性气体，以排出空气；(5)密封球磨罐进行球磨。2.根据权利要求1所述的一种高能球磨制备发动机活塞环表面喷涂用TiB2/TiC超细粉的方法，其特征在于，所述步骤(1)中烘干时间为12-24小时，烘干温度为60-150。3.根据权利

4、要求2所述的一种高能球磨制备发动机活塞环表面喷涂用TiB2/TiC超细粉的方法，其特征在于，所述步骤(1)中烘干时间为15-20小时，烘干温度为60-100。4.根据权利要求1所述的一种高能球磨制备发动机活塞环表面喷涂用TiB2/TiC超细粉的方法，其特征在于，所述步骤(2)中磨球和粉料的质量比为(21)-(101)。5.根据权利要求1所述的一种高能球磨制备发动机活塞环表面喷涂用TiB2/TiC超细粉的方法，其特征在于，所述步骤(3)中磨球和粉料占球磨罐体积的1/2-2/3，优选将直径最小的磨球紧挨着粉体，直径较大的球压着较小的球，使得所有粉料除中间空隙外全部被磨球压住。6.根据权利要求1所述

5、的一种高能球磨制备发动机活塞环表面喷涂用TiB2/TiC超细粉的方法，其特征在于，所述步骤(4)中惰性气体流速气压为0-0.1Mpa。7.根据权利要求6所述的一种高能球磨制备发动机活塞环表面喷涂用TiB2/TiC超细粉的方法，其特征在于，所述步骤(4)中优选将气体的管头深入到球磨罐中磨球上方进行通气，采用氩气为惰性气体。8.根据权利要求1所述的一种高能球磨制备发动机活塞环表面喷涂用TiB2/TiC超细粉的方法，其特征在于，所述步骤(5)中球磨机转速为400-1000r/min，球磨时间为5-60小时，球磨方法为干磨。9.根据权利要求8所述的一种高能球磨制备发动机活塞环表面喷涂用TiB2/TiC

6、超细粉的方法，其特征在于，所述步骤(5)中优选球磨机转速为600-1000r/min，球磨时间为20-50小时。权 利 要 求 书CN 102430757 ACN 102430760 A 1/4页3一种高能球磨制备发动机活塞环表面喷涂用 TiB2/TiC超细粉的方法技术领域0001 本发明属于金属材料领域，涉及一种利用机械合金化制备纳米级TiB2/TiC金属陶瓷复合粉末的方法。背景技术0002 TiB2和TiC作为金属陶瓷材料，都具有熔点高、蒸气压低、导电性良好、硬度高、耐磨损性良好等优点。TiB2和TiC因具有上述一系列优良的性能被看做最有前途的材料之一而被广为研究。目前，TiB2和TiC已

7、在冶金、机械、军事、化工、电子等行业作为颗粒增强复合材料、复合陶瓷材料、硬质合金基体、阴极保护材料、导电陶瓷材料中得到广泛的应用，近年来各国研究者们把工作重点放在了与纳米级TiB2和TiC有关的各种新材料的研究和开发上。制备TiB2的方法主要有直接合成法、自蔓延高温合成法(金属热还原法)、非金属热还原法(碳热还原法)、碳化硼法、熔盐电解法、化学气象沉积法、等离子电弧炉法等。而TiC的合成主要有固态合成法、碳还原法、熔融金属浴合成法、气相反应合成法、冲击波法等。在超音速火焰喷涂技术(HVOF)发动机活塞环表面喷涂中，经验得知喷涂所用粉料越细获得的图层越不容易被剥离，因此使用超细粉能显著提高图层整

8、体的耐磨性能。而目前，市售的TiB2粉末主要是粒径在2微米以上的，采用碳还原法和金属热还原法制备而成。如自蔓延高温合成也能制备出纳米级TiB2，但是需要后续加工酸洗、破碎等处理，显然不是理想的方法。因此能够同时制备出纯净的纳米级TiB2和TiC金属陶瓷复合粉末并且能够应用于工业生产则是研究者们所期待的。发明内容0003 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用高能球磨机械合金化的方法，原位合成纳米级金属陶瓷复合粉末TiB2/TiC；此过程的抽真空充氩气无需在真空手套箱中进行操作，从而简化操作流程、提高生产效率，适合在工业生产中应用。0004 本发明的目的通过下述技术方案予以实现：000

9、5 一种高能球磨制备发动机活塞环表面喷涂用TiB2/TiC超细粉的方法，按照下述步骤进行：0006 (1)称取Ti粉和B4C粉作为粉料，其中Ti和B4C的摩尔比是31，然后进行烘干，烘干时间为1224小时，烘干温度为60150；优选烘干时间为1520小时，烘干温度为60100；0007 (2)称量磨球，其中磨球与步骤(1)中粉料的质量比为(21)-(201)；优选磨球和粉料的质量比为(21)-(101)；0008 (3)将粉料至于球磨罐中，然后上面用磨球覆盖以使所有粉料的上表面均被磨球压住，其中磨球和粉料占球磨罐体积的1/22/3，优选将直径最小的磨球紧挨着粉体，直径较大的球压着较小的球，使得

10、所有粉料除中间空隙外全部被磨球压住；说 明 书CN 102430757 ACN 102430760 A 2/4页40009 (4)向球磨罐中通入惰性气体，惰性气体流速气压为0-0.1Mpa；优选将气体的管头深入到球磨罐中磨球上方进行通气，采用氩气；由于氩气的摩尔质量(40)高于空气的平均摩尔质量(29)，因此氩气会沉在空气的下方，以排出空气；0010 (5)密封球磨罐进行球磨，球磨机转速为50-530r/min，球磨时间为5-60小时，球磨方法为干磨；优选球磨机转速为300-530r/min，球磨时间为20-50小时。0011 本发明的技术方案中，球磨反应之后在进行粉料提取时，若粉料粘在球磨罐

11、壁或者磨球上，则加入少量酒精，在继续湿磨30秒-2分钟，然后60-150烘干直至全部干燥，取出自然冷却。0012 本发明和现有技术相比所具有的优点在于：反应原料便宜、无需额外热源、反应产物纯净(只有TiB2和TiC两相)、无需后续处理(如酸洗等)，简化了抽真空充氩气的过程，使得操作简便，生产率提高，更加适合大规模的工业生产，虽然充入的氩气不像在真空手套箱中进行的那样高纯但是不影响生产效果，产物中纯净只含有TiB2和TiC两相，且TiC粒径能达到5-12纳米，TiB2粒径能达到80-600纳米，为理想状态，TiB2和TiC本身都具有较高的硬度和耐磨性。附图说明0013 图1本发明制备的无机粉末的

12、TEM照片(TEM型号为JEOL，生产厂家为日本电子)。0014 图2本发明制备的无机粉末的XRD图(XRD型号为XRD7000型，生产厂家为日本岛津)。具体实施方式0015 下面结合具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。选用南京大学仪器厂生产的型号为QM-3SP4J的行星式球磨机进行制备。0016 实施例10017 将Ti和B4C按照31的摩尔比称量，共计50g，80烘干20小时待用；0018 按球料比101称量直径6、10、12、20mm不锈钢球，共计500g，待用；0019 选用250Ml的不锈钢球磨罐，首先将反应物放入不锈钢罐，然后在粉料上面放入球，几乎除了一些缝隙，能够完全盖住粉料

13、，球料总共约占球磨罐体积的2/3，之后将氩气管头深入沿球磨罐内壁深入到最上面一层球的部位，氩气流速气压为0.1Mpa，10分钟后拿开，密封球磨罐；0020 选择转速为300r/min，球磨60小时，机器设定为球磨半小时休息半小时；0021 60小时后，打开球磨罐加入少量酒精(淹没球即可)，在密封球磨2分钟，取出后低温烘干至粉料干燥。0022 实施例20023 将Ti和B4C按照31的摩尔比称量，共计50g，80烘干20小时待用；0024 按球料比101称量直径6、8、12、20mm不锈钢球，共计500g，待用；0025 选用250Ml的不锈钢球磨罐，首先将反应物放入不锈钢罐，然后在粉料上面放入

14、球，几乎除了一些缝隙，能够完全盖住粉料，球料总共约占球磨罐体积的2/3，之后将氩气管头深入沿球磨罐内壁深入到最上面一层球的部位，氩气流速气压为0.1Mpa，10分钟后拿说 明 书CN 102430757 ACN 102430760 A 3/4页5开，密封球磨罐；0026 选择转速为400r/min，球磨40小时，机器设定为球磨半小时休息半小时；0027 40小时后，打开球磨罐加入少量酒精(淹没球即可)，在密封球磨2分钟，取出后低温烘干至粉料干燥。0028 实施例30029 将Ti和B4C按照31的摩尔比称量，共计50g，80烘干20小时待用；0030 按球料比151称量直径6、8、10、20m

15、m不锈钢球，共计750g，待用；0031 选用250Ml的不锈钢球磨罐，首先将反应物放入不锈钢罐，然后在粉料上面放入球，几乎除了一些缝隙，能够完全盖住粉料，球料总共约占球磨罐体积的2/3，之后将氩气管头深入沿球磨罐内壁深入到最上面一层球的部位，氩气流速气压为0.1Mpa，10分钟后拿开，密封球磨罐；0032 选择转速为500r/min，球磨20小时，机器设定为球磨半小时休息半小时；0033 20小时后，打开球磨罐加入少量酒精(淹没球即可)，在密封球磨2分钟，取出后低温烘干至粉料干燥。0034 实施例40035 将Ti和B4C按照31的摩尔比称量，共计50g，80烘干20小时待用；0036 按球

16、料比151称量直径8、10、12、20mm不锈钢球，共计750g，待用；0037 选用250Ml的不锈钢球磨罐，首先将反应物放入不锈钢罐，然后在粉料上面放入球，几乎除了一些缝隙，能够完全盖住粉料，球料总共约占球磨罐体积的2/3，之后将氩气管头深入沿球磨罐内壁深入到最上面一层球的部位，氩气流速气压为0.1Mpa，10分钟后拿开，密封球磨罐；0038 选择转速为400r/min，球磨10小时，机器设定为球磨半小时休息半小时；0039 10小时后，打开球磨罐加入少量酒精(淹没球即可)，在密封球磨2分钟，取出后低温烘干至粉料干燥。0040 实施例50041 将Ti和B4C按照31的摩尔比称量，共计50

17、g，80烘干20小时待用；0042 按球料比201称量直径6、8、10、12mm不锈钢球，共计1000g，待用；0043 选用250Ml的不锈钢球磨罐，首先将反应物放入不锈钢罐，然后在粉料上面放入球，几乎除了一些缝隙，能够完全盖住粉料，球料总共约占球磨罐体积的2/3，之后将氩气管头深入沿球磨罐内壁深入到最上面一层球的部位，氩气流速气压为0.1Mpa，10分钟后拿开，密封球磨罐；0044 选择转速为400r/min，球磨50小时，机器设定为球磨半小时休息半小时；0045 50小时后，打开球磨罐加入少量酒精(淹没球即可)，在密封球磨2分钟，取出后低温烘干至粉料干燥。0046 实施例60047 将T

18、i和B4C按照31的摩尔比称量，共计50g，80烘干20小时待用；0048 按球料比151称量直径8、10、12、20mm不锈钢球，共计1000g，待用；0049 选用250Ml的不锈钢球磨罐，首先将反应物放入不锈钢罐，然后在粉料上面放入球，几乎除了一些缝隙，能够完全盖住粉料，球料总共约占球磨罐体积的2/3，之后将氩气说 明 书CN 102430757 ACN 102430760 A 4/4页6管头深入沿球磨罐内壁深入到最上面一层球的部位，氩气流速气压为0.1Mpa，10分钟后拿开，密封球磨罐；0050 选择转速为500r/min，球磨30小时，机器设定为球磨半小时休息半小时；0051 30小

19、时后，打开球磨罐加入少量酒精(淹没球即可)，在密封球磨2分钟，取出后低温烘干至粉料干燥。0052 实施例70053 将Ti和B4C按照31的摩尔比称量100g，80烘干20小时待用；0054 按球料比21称量直径2、5、6、8mm氧化锆球200g，待用；0055 选用150Ml的氧化锆球磨罐和磨球，首先将反应物放入罐内，然后在粉料上面放入球，完全能盖住粉料，球料约占球磨罐总体积的1/2，之后将氩气管头深入沿球磨罐内壁深入到最上面一层球的部位，氩气流速气压为0.1Mpa，10分钟后拿开，密封球磨罐；0056 选择球磨机转速300r/min，球磨20小时，机器设定为每球磨半小时休息10分钟；005

20、7 20小时后，打开球磨罐加入少量酒精(淹没球即可)，在密封球磨1分钟，取出后低温烘干至粉料干燥即可。0058 实施例80059 将Ti和B4C按照31的摩尔比称量100g，80烘干20小时待用；0060 按球料比41称量直径2、5、6、8mm氧化锆球400g，待用；0061 选用150Ml的氧化锆球磨罐和磨球，首先将反应物放入罐内，然后在粉料上面放入球，完全能盖住粉料，球料约占球磨罐总体积的2/3，之后将氩气管头深入沿球磨罐内壁深入到最上面一层球的部位，氩气流速气压为0.1Mpa，10分钟后拿开，密封球磨罐；0062 选择球磨机转速500r/min，球磨10小时，机器设定为每球磨半小时休息10分钟；0063 10小时后，打开球磨罐加入少量酒精(淹没球即可)，在密封球磨1分钟，取出后低温烘干至粉料干燥即可。0064 以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。说 明 书CN 102430757 ACN 102430760 A 1/1页7图1图2说 明 书 附 图CN 102430757 A