專利名稱：一種等離子體輔助高能球磨方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納微米粉體制備及機(jī)械合金化方法，特別提供了一種等離子體輔助高能球磨方法。
背景技術(shù)：
高能球磨制備合金粉末的方法是目前納微米材料制備及機(jī)械合金化最常用的技術(shù)之一，其通常是利用高能球磨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)把金屬或合金粉末細(xì)化到納微米尺度，即將兩種或兩種以上粉末同時(shí)放入高能球磨機(jī)的球磨罐中進(jìn)行高能球磨，粉末顆粒經(jīng)壓延，壓合，碾碎，再壓合的反復(fù)過(guò)程(即冷焊-粉碎-冷焊的反復(fù)進(jìn)行)，可以使粉末晶粒及顆粒尺寸不斷細(xì)化，最后可以獲得組織和成分分布均勻的納微米超細(xì)合金粉末。由于這種方法能夠利用機(jī)械能使粉末實(shí)現(xiàn)合金化，而不是用熱能或電能，所以高能球磨制備合金粉末的方法也稱為機(jī)械合金化。目前，高能球磨技術(shù)在材料研究領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，利用高能球磨機(jī)可制備純金屬納米粉末、納米金屬間化合物、納微米復(fù)合材料、納米陶瓷材料等，是納微米材料制備的一條新途徑。
作為一種固態(tài)加工新技術(shù)，高能球磨技術(shù)表現(xiàn)出一定的強(qiáng)制性和非平衡性，它實(shí)質(zhì)上就是對(duì)被處理粉末的一個(gè)能量強(qiáng)加的過(guò)程。而通常高能球磨機(jī)只是單純通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)球磨罐，利用球磨罐中磨球的機(jī)械能來(lái)處理粉末，這在很大程度上影響加工效率。由于現(xiàn)有的高能球磨機(jī)加工效率低，一般需要較長(zhǎng)時(shí)間，有些產(chǎn)品的合成甚至需要幾百個(gè)小時(shí)，由此引起的球磨器具對(duì)產(chǎn)品粉末的污染十分嚴(yán)重。基于上述原因，高能球磨機(jī)在實(shí)際納微米材料的制備及大批量生產(chǎn)應(yīng)用方面受到限制，目前在這方面的應(yīng)用還是主要集中于實(shí)驗(yàn)室研究?，F(xiàn)在常用的高能球磨機(jī)包括行星輪式球磨機(jī)，擺振式球磨機(jī)，振動(dòng)式球磨機(jī)，攪拌式球磨機(jī)和滾筒式球磨機(jī)。其中，行星輪式球磨機(jī)和擺振式球磨機(jī)機(jī)械能輸入相對(duì)較高，但具有加工量小，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)復(fù)雜，不易改進(jìn)的缺點(diǎn)。攪拌式球磨機(jī)和滾筒式球磨機(jī)機(jī)械能輸入相對(duì)低，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高的缺點(diǎn)。振動(dòng)式球磨機(jī)是應(yīng)用較多的球磨機(jī)之一，其主要優(yōu)點(diǎn)在于粉末加工量大，操作工藝方便，并且球磨罐運(yùn)行軌跡簡(jiǎn)單，設(shè)備成本低，容易實(shí)現(xiàn)技術(shù)改進(jìn)。但其缺點(diǎn)是受球磨罐振幅影響，對(duì)粉末輸入的機(jī)械能不是很高，產(chǎn)品粉末粒徑基本在微米等級(jí)，并且粉末團(tuán)聚嚴(yán)重，粒徑分布寬，很難得到粒徑在納米等級(jí)的粉末；加工效率低，應(yīng)用于機(jī)械合金化時(shí)，加工所需時(shí)間較長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有球磨技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和問(wèn)題，提供一種可以加大對(duì)處理粉末的有效能量輸入，加速粉末的細(xì)化及促進(jìn)機(jī)械合金化進(jìn)程，大大提高加工效率的等離子體輔助高能球磨方法。
本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)本等離子體輔助高能球磨方法，其步驟包括(1)安裝好球磨罐的前蓋板和電極棒，并把所述球磨罐和電極棒分別與等離子體電源的兩極連接；(2)在球磨罐中裝入磨球和待處理粉末，且電極棒與磨球和待處理粉末接觸，蓋好球磨罐的后蓋板；(3)通過(guò)真空閥對(duì)密閉的球磨罐抽負(fù)壓至0.01～0.1Pa，或者在抽負(fù)壓后再通過(guò)真空閥通入放電氣體介質(zhì)，壓力為0.01～0.1MPa；(4)接通等離子體電源，根據(jù)放電氣體介質(zhì)及其壓力調(diào)節(jié)放電參數(shù)，電壓為3～30kv，頻率為5～40kHz，實(shí)現(xiàn)電暈放電或輝光放電，并啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)激振塊，使機(jī)架及固定在機(jī)架上的球磨罐同時(shí)振動(dòng)，從而改變電極棒與球磨罐內(nèi)磨球的相對(duì)位置，進(jìn)行電暈放電或輝光放電等離子體輔助高能球磨。
電暈放電等離子體主要運(yùn)用于輔助粉體細(xì)化，而輝光放電等離子體主要運(yùn)用于輔助機(jī)械合金化。
為更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，所述磨球總體積占球磨罐容積70～75％，其中直徑20～22mm的磨球占總磨球數(shù)量10～15％，直徑15～18mm的的磨球占總磨球數(shù)量75～80％，直徑10mm的磨球占總磨球數(shù)量10％，所述待處理粉末松容積占磨球之間空隙的30％～130％。
所述激振塊采用雙振幅5mm～10mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速930～1400r/min。
所述放電氣體介質(zhì)是氬氣、氮?dú)狻睔?，或其他有機(jī)氣體如甲烷，根據(jù)不同放電氣體介質(zhì)的需要，等離子體電源的輸出電壓范圍是1～30kv，頻率范圍是1～40kHz。
所述等離子體是一種具有高能量高活性的氣氛，因?yàn)槠渚哂写罅刻幱诩ぐl(fā)態(tài)的微觀粒子，使得等離子體在與中性粒子或納米粉末碰撞時(shí)，所以它不僅可以作為一種熱源，提供熱運(yùn)動(dòng)的能量，更主要是可以轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)能、電離能、光能，從而對(duì)材料表面造成轟擊，或者激活氣相、納米粉末的化學(xué)活性，誘發(fā)常規(guī)下難于發(fā)生的化學(xué)過(guò)程。而且當(dāng)反應(yīng)粉末離開等離子體時(shí)，冷卻速率很大(可達(dá)105K/s)，這種驟冷的過(guò)程，可以使處理粉末處于一種類似“凍結(jié)”的特殊狀態(tài)，這對(duì)納米粒子的獲得極為有利。并且電暈放電等離子體具有一定的超聲波效應(yīng)，使處理粉末接受能量更均勻，粉體細(xì)化后粒徑分布窄。當(dāng)放電氣體介質(zhì)為有機(jī)氣體時(shí)，在細(xì)化粉體同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)粉體的原位表面改性。
本發(fā)明的工作原理是從能量輸入的角度出發(fā)，在現(xiàn)有振動(dòng)式球磨機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)球磨罐進(jìn)行改進(jìn)，把所述球磨罐和電極棒分別接上所述等離子體電源的兩極，由于所述球磨罐、磨球均為導(dǎo)電材料，如不銹鋼或硬質(zhì)合金，可作為一個(gè)電極整體，從而實(shí)現(xiàn)球磨過(guò)程中電極與磨球之間電暈放電或輝光放電，把等離子體引入到球磨罐內(nèi)部，將原球磨過(guò)程中單一的機(jī)械能與等離子體有機(jī)復(fù)合起來(lái)，加大對(duì)處理粉末的有效能量輸入，對(duì)粉末進(jìn)行復(fù)合處理。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果(1)粉末加熱快，變形大，細(xì)化所需時(shí)間短。在相同工藝參數(shù)下，采用本方法進(jìn)行等離子體輔助球磨的產(chǎn)品粉末粒徑都能達(dá)到納米級(jí)，且粒徑分布窄，而普通球磨的產(chǎn)品粉末粒徑在微米級(jí)，粒徑分布寬。
(2)促進(jìn)機(jī)械合金化進(jìn)程，等離子體輔助高能球磨，是在常規(guī)機(jī)械能的基礎(chǔ)上復(fù)合等離子體的能量，這種對(duì)粉末的復(fù)合處理，在高效細(xì)化粉體的同時(shí)，必然增加粉體的表面能及界面能，增強(qiáng)粉體的反應(yīng)活性，而等離子體純凈的熱效應(yīng)對(duì)促進(jìn)擴(kuò)散和合金化反應(yīng)也是有利的。
(3)利用本發(fā)明方法，當(dāng)放電氣體介質(zhì)為有機(jī)氣體時(shí)，在細(xì)化粉體同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)粉體的原位表面改性。
(4)本發(fā)明的工藝易于實(shí)現(xiàn)，加工效率高，能有效縮短粉體細(xì)化及機(jī)械合金化所需時(shí)間，節(jié)約能源，可使高能球磨技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)際材料制備及大批量生產(chǎn)，應(yīng)用前景廣闊。


圖1是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的等離子體輔助高能球磨裝置外部結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1所示球磨罐的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2所示球磨罐的側(cè)視圖。
圖4是應(yīng)用本發(fā)明方法與普通振動(dòng)球磨方法球磨TiO2的掃描電鏡形貌對(duì)比。
圖5是應(yīng)用本發(fā)明方法與普通振動(dòng)球磨方法球磨Fe的掃描電鏡形貌對(duì)比。
圖6是應(yīng)用本發(fā)明方法與普通振動(dòng)球磨方法球磨W-C體系的X衍射圖對(duì)比。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例與附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例一如圖1所示，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的等離子體輔助高能球磨裝置，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)1、球磨罐2、機(jī)架3、底座4，球磨罐2安裝在機(jī)架3上，其內(nèi)部放置有磨球5，機(jī)架3通過(guò)彈簧6安裝在底座4上，其外側(cè)設(shè)置有激振塊7，驅(qū)動(dòng)電機(jī)1安裝在底座4上，且通過(guò)彈性聯(lián)軸節(jié)8分別與機(jī)架3、激振塊7連接。
如圖2、3所示，磨球5放置在球磨罐2內(nèi)，球磨罐2還連接有電極棒9、等離子體電源10，球磨罐2包括筒體2-1、前蓋板2-1、后蓋板2-3，筒體2-1兩端的法蘭通過(guò)密封環(huán)2-4、螺栓2-5分別與前蓋板2-2、后蓋板2-3密封連接，前蓋板2-2的任一個(gè)螺栓2-5與等離子體電源10的一極連接，前蓋板2-2設(shè)有電極穿孔2-2-1，電極穿孔2-2-1的內(nèi)側(cè)設(shè)有凹臺(tái)，后蓋板2-3內(nèi)側(cè)面設(shè)有盲孔2-3-1。
電極棒9的外表面設(shè)有包覆層11，包覆層11相應(yīng)電極穿孔的凹臺(tái)設(shè)置有臺(tái)肩，凹臺(tái)與臺(tái)肩之間設(shè)置有密封墊片12，電極棒9前端9-1裸露并與等離子體電源10的另一極連接，且前端9-1螺紋連接與螺母13，螺母13與前蓋2-2的外側(cè)面緊貼，電極棒9后端9-2穿入前蓋板2-2的電極穿孔2-2-1并嵌入后蓋板2-3的盲孔2-3-1內(nèi)。
前蓋板2-2還設(shè)有真空閥2-2-2，可以通過(guò)真空閥2-2-2抽負(fù)壓，也可以通入放電氣體介質(zhì)氬氣、氮?dú)?、氨氣或有機(jī)氣體(如甲烷)來(lái)實(shí)現(xiàn)球磨罐內(nèi)球磨氣氛。
筒體2-1、磨球5材料是不銹鋼或硬質(zhì)合金，電極棒9的材料是不銹鋼，前蓋板2-2、后蓋板2-3、電極棒包覆層11的材料是聚四氟乙烯。等離子體電源10的輸出電壓范圍為1～30kv，頻率范圍為1～40kHz。
如圖1、2所示，本等離子體輔助高能球磨方法的步驟是(1)安裝好球磨罐的前蓋板和電極棒，并把所述球磨罐和電極棒分別與等離子體電源的兩極連接，球磨罐選用不銹鋼材料制作，內(nèi)徑150mm，高145mm，罐壁厚6mm。
(2)在球磨罐中裝入磨球和待處理粉末，磨球總體積占球磨罐容積70％，其中直徑20mm的磨球占總磨球數(shù)量10％，直徑15mm的磨球占總磨球數(shù)量80％，直徑10mm的磨球占總磨球數(shù)量10％，待處理粉末松容積占磨球之間空隙的30％，且電極棒與磨球和待處理粉末接觸，蓋好球磨罐的后蓋板；(3)通過(guò)真空閥對(duì)密閉的球磨罐抽負(fù)壓至0.1Pa；(4)接通等離子體電源，根據(jù)放電氣體介質(zhì)及其壓力調(diào)節(jié)放電參數(shù)，電壓為15kv，頻率為25kHz時(shí)，實(shí)現(xiàn)電暈放電，并啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)激振塊，采用5mm雙振幅，電機(jī)轉(zhuǎn)速1400r/min，使機(jī)架及固定在機(jī)架上的球磨罐同時(shí)振動(dòng)，從而改變電極棒與球磨罐內(nèi)磨球的相對(duì)位置，進(jìn)行電暈放電等離子體輔助高能球磨。
實(shí)施例二采用實(shí)施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實(shí)施一相同，不同之處在于磨球總體積占球磨罐容積75％，其中直徑22mm的磨球占總磨球數(shù)量15％，直徑18mm的磨球占總磨球數(shù)量75％，直徑10mm的的磨球占總磨球數(shù)量10％，待處理粉末松容積占磨球之間空隙的130％；球磨罐抽負(fù)壓至0.01Pa；放電電壓為3kv，頻率為5kHz，實(shí)現(xiàn)電暈放電；激振塊采用10mm雙振幅，電機(jī)轉(zhuǎn)速930r/min。
實(shí)施例三采用實(shí)施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實(shí)施一相同，不同之處在于磨球總體積占球磨罐容積72％，其中直徑20mm的磨球占總磨球數(shù)量12％，直徑18mm的磨球占總磨球數(shù)量78％，直徑10mm的的磨球占總磨球數(shù)量10％，待處理粉末松容積占磨球之間空隙的80％；球磨罐抽負(fù)壓至0.05Pa；放電電壓為10kv，頻率為20kHz，實(shí)現(xiàn)電暈放電；激振塊采用8mm雙振幅，電機(jī)轉(zhuǎn)速930r/min。
實(shí)施例四采用實(shí)施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實(shí)施一相同，不同之處在于放電電壓為30kv，頻率為40kHz，實(shí)現(xiàn)輝光放電。
實(shí)施例五采用實(shí)施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實(shí)施二相同，不同之處在于放電電壓為10kv，頻率為20kHz，實(shí)現(xiàn)輝光放電。
實(shí)施例六采用實(shí)施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實(shí)施三相同，不同之處在于放電電壓為25kv，頻率為30kHz，實(shí)現(xiàn)輝光放電。
實(shí)施例七采用實(shí)施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實(shí)施一相同，不同之處在于球磨罐抽負(fù)壓后再通過(guò)真空閥通入放電氣體介質(zhì)氬氣，壓力為0.01MPa。
實(shí)施例八采用實(shí)施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實(shí)施二相同，不同之處在于球磨罐抽負(fù)壓后再通過(guò)真空閥通入放電氣體介質(zhì)氨氣，壓力為0.1MPa。
實(shí)施例九采用實(shí)施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實(shí)施三相同，不同之處在于球磨罐抽負(fù)壓后再通過(guò)真空閥通入放電氣體介質(zhì)氮?dú)?，壓力?.01MPa。
實(shí)施例十采用實(shí)施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實(shí)施三相同，不同之處在于球磨罐抽負(fù)壓后再通過(guò)真空閥通入放電氣體介質(zhì)甲烷，壓力為0.05MPa。
實(shí)施例十一采用實(shí)施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實(shí)施四相同，不同之處在于球磨罐抽負(fù)壓后再通過(guò)真空閥通入放電氣體介質(zhì)氬氣，壓力為0.01MPa。
實(shí)施例十二采用實(shí)施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實(shí)施五相同，不同之處在于球磨罐抽負(fù)壓后再通過(guò)真空閥通入放電氣體介質(zhì)氨氣，壓力為0.1MPa。
實(shí)施例十三采用實(shí)施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實(shí)施六相同，不同之處在于球磨罐抽負(fù)壓后再通過(guò)真空閥通入放電氣體介質(zhì)氮?dú)?，壓力?.04MPa。
實(shí)施例十四采用實(shí)施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實(shí)施六相同，不同之處在于球磨罐抽負(fù)壓后再通過(guò)真空閥通入放電氣體介質(zhì)甲烷，壓力為0.05MPa。
采用本發(fā)明與無(wú)等離子體輔助的普通振動(dòng)球磨分別對(duì)TiO2，F(xiàn)e及W-C體系進(jìn)行球磨，并比較圖4是實(shí)施例七應(yīng)用本發(fā)明方法進(jìn)行電暈放電輔助球磨與普通振動(dòng)球磨方法球磨純度為99.0％，粒度為200目TiO2的掃描電鏡形貌對(duì)比，球磨時(shí)間1h，其中(a)輔助球磨，(b)普通振動(dòng)球磨。可見等離子體輔助高能球磨粉末粒度在150nm左右均勻分布，而普通振動(dòng)球磨粉末粒度分布在1-2μm。
圖5是實(shí)施例七應(yīng)用本發(fā)明方法進(jìn)行電暈放電輔助球磨與普通振動(dòng)球磨方法球磨純度為98.0％，粒度為100目Fe的掃描電鏡形貌對(duì)比，球磨時(shí)間1h，其中(a)輔助球磨，(b)普通振動(dòng)球磨。可見等離子體輔助高能球磨粉末成均勻薄片狀，變形大，薄片厚度遠(yuǎn)小于普通振動(dòng)球磨結(jié)果。
圖6是實(shí)施例十一應(yīng)用本發(fā)明方法進(jìn)行輝光放電輔助球磨與普通振動(dòng)球磨方法球磨W-C體系的X衍射圖對(duì)比，其中W純度為99.0％，粒度為300目，C純度為99.9％，粒度為100目，球磨時(shí)間17h?？梢姷入x子體輔助高能球磨粉末已經(jīng)出現(xiàn)W2C相的衍射峰，而普通振動(dòng)球磨粉末沒有新相產(chǎn)生。
如上所述，即可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種等離子體輔助高能球磨方法，其特征在于步驟包括(1)安裝好球磨罐的前蓋板和電極棒，并把所述球磨罐和電極棒分別與等離子體電源的兩極連接；(2)在球磨罐中裝入磨球和待處理粉末，且電極棒與磨球和待處理粉末接觸，蓋好球磨罐的后蓋板；(3)通過(guò)真空閥對(duì)密閉的球磨罐抽負(fù)壓至0.01～0.1Pa，或者在抽負(fù)壓后再通過(guò)真空閥通入放電氣體介質(zhì)，壓力為0.01～0.1MPa；(4)接通等離子體電源，根據(jù)放電氣體介質(zhì)及其壓力調(diào)節(jié)放電參數(shù)，電壓為3～30kv，頻率為5～40kHz，實(shí)現(xiàn)電暈放電或輝光放電，并啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)激振塊，使機(jī)架及固定在機(jī)架上的球磨罐同時(shí)振動(dòng)，從而改變電極棒與球磨罐內(nèi)磨球的相對(duì)位置，進(jìn)行電暈放電或輝光放電等離子體輔助高能球磨。
2.按權(quán)利要求1所述一種等離子體輔助高能球磨方法，其特征在于所述磨球總體積占球磨罐容積70～75％，其中直徑20～22mm的磨球占總磨球數(shù)量10～15％，直徑15～18mm的的磨球占總磨球數(shù)量75～80％，直徑10mm的的磨球占總磨球數(shù)量10％，所述待處理粉末松容積占磨球之間空隙的30％～130％。
3.按權(quán)利要求1所述一種等離子體輔助高能球磨方法，其特征在于所述激振塊采用雙振幅5mm～10mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速930～1400r/min。
4.按權(quán)利要求1所述一種等離子體輔助高能球磨方法，其特征在于所述放電氣體介質(zhì)是氬氣、氮?dú)?、氨氣或有機(jī)氣體甲烷。
全文摘要
本發(fā)明提供一種等離子體輔助高能球磨方法，其步驟是安裝好球磨罐的前蓋板和電極棒，并把所述球磨罐和電極棒分別與等離子體電源的兩極連接；在球磨罐中裝入磨球和待處理粉末，且電極棒與磨球和待處理粉末接觸，蓋好球磨罐的后蓋板；通過(guò)真空閥對(duì)球磨罐抽負(fù)壓，或者抽負(fù)壓后再通入放電氣體介質(zhì)；接通等離子體電源，根據(jù)所需調(diào)節(jié)放電參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電暈放電或輝光放電，并啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)激振塊，使機(jī)架及固定在機(jī)架上的球磨罐同時(shí)振動(dòng)，從而改變電極棒與球磨罐內(nèi)磨球的相對(duì)位置，進(jìn)行球磨。本發(fā)明可加速粉末的細(xì)化，促進(jìn)機(jī)械合金化進(jìn)程，加工效率高，節(jié)約能源，可實(shí)現(xiàn)高能球磨技術(shù)的實(shí)際材料制備及大批量生產(chǎn)應(yīng)用。
文檔編號(hào)B02C19/00GK1718282SQ20051003623
公開日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2005年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月29日
發(fā)明者朱敏, 戴樂(lè)陽(yáng), 曹彪, 曾美琴, 歐陽(yáng)柳章, 童燕青 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)