專利名稱：一種等離子體輔助高能球磨方法
技術領域：
本發明涉及納微米粉體制備及機械合金化方法，特別提供了一種等離子體輔助高能球磨方法。
背景技術：
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械合金化最常用的技術之一，其通常是利用高能球磨機轉動或振動把金屬或合金粉末細化到納微米尺度，即將兩種或兩種以上粉末同時放入高能球磨機的球磨罐中進行高能球磨，粉末顆粒經壓延，壓合，碾碎，再壓合的反復過程(即冷焊-粉碎-冷焊的反復進行)，可以使粉末晶粒及顆粒尺寸不斷細化，最后可以獲得組織和成分分布均勻的納微米超細合金粉末。由于這種方法能夠利用機械能使粉末實現合金化，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械合金化。目前，高能球磨技術在材料研究領域的應用日益廣泛，利用高能球磨機可制備純金屬納米粉末、納米金屬間化合物、納微米復合材料、納米陶瓷材料等，是納微米材料制備的一條新途徑。
作為一種固態加工新技術，高能球磨技術表現出一定的強制性和非平衡性，它實質上就是對被處理粉末的一個能量強加的過程。而通常高能球磨機只是單純通過轉動或振動球磨罐，利用球磨罐中磨球的機械能來處理粉末，這在很大程度上影響加工效率。由于現有的高能球磨機加工效率低，一般需要較長時間，有些產品的合成甚至需要幾百個小時，由此引起的球磨器具對產品粉末的污染十分嚴重。基于上述原因，高能球磨機在實際納微米材料的制備及大批量生產應用方面受到限制，目前在這方面的應用還是主要集中于實驗室研究。現在常用的高能球磨機包括行星輪式球磨機，擺振式球磨機，振動式球磨機，攪拌式球磨機和滾筒式球磨機。其中，行星輪式球磨機和擺振式球磨機機械能輸入相對較高，但具有加工量小，設備運轉復雜，不易改進的缺點。攪拌式球磨機和滾筒式球磨機機械能輸入相對低，設備維護費用高的缺點。振動式球磨機是應用較多的球磨機之一，其主要優點在于粉末加工量大，操作工藝方便，并且球磨罐運行軌跡簡單，設備成本低，容易實現技術改進。但其缺點是受球磨罐振幅影響，對粉末輸入的機械能不是很高，產品粉末粒徑基本在微米等級，并且粉末團聚嚴重，粒徑分布寬，很難得到粒徑在納米等級的粉末；加工效率低，應用于機械合金化時，加工所需時間較長。
發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有球磨技術中存在的缺點和問題，提供一種可以加大對處理粉末的有效能量輸入，加速粉末的細化及促進機械合金化進程，大大提高加工效率的等離子體輔助高能球磨方法。
本發明的目的通過下述技術方案實現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)通過真空閥對密閉的球磨罐抽負壓至0.01～0.1Pa，或者在抽負壓后再通過真空閥通入放電氣體介質，壓力為0.01～0.1MPa；(4)接通等離子體電源，根據放電氣體介質及其壓力調節放電參數，電壓為3～30kv，頻率為5～40kHz，實現電暈放電或輝光放電，并啟動驅動電機帶動激振塊，使機架及固定在機架上的球磨罐同時振動，從而改變電極棒與球磨罐內磨球的相對位置，進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用于輔助粉體細化，而輝光放電等離子體主要運用于輔助機械合金化。
為更好地實現本發明，所述磨球總體積占球磨罐容積70～75％，其中直徑20～22mm的磨球占總磨球數量10～15％，直徑15～18mm的的磨球占總磨球數量75～80％，直徑10mm的磨球占總磨球數量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，電機轉速930～1400r/min。
所述放電氣體介質是氬氣、氮氣、氨氣，或其他有機氣體如甲烷，根據不同放電氣體介質的需要，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，因為其具有大量處于激發態的微觀粒子，使得等離子體在與中性粒子或納米粉末碰撞時，所以它不僅可以作為一種熱源，提供熱運動的能量，更主要是可以轉變為激發能、電離能、光能，從而對材料表面造成轟擊，或者激活氣相、納米粉末的化學活性，誘發常規下難于發生的化學過程。而且當反應粉末離開等離子體時，冷卻速率很大(可達105K/s)，這種驟冷的過程，可以使處理粉末處于一種類似“凍結”的特殊狀態，這對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，使處理粉末接受能量更均勻，粉體細化后粒徑分布窄。當放電氣體介質為有機氣體時，在細化粉體同時可以實現對粉體的原位表面改性。
本發明的工作原理是從能量輸入的角度出發，在現有振動式球磨機的基礎上，對球磨罐進行改進，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、磨球均為導電材料，如不銹鋼或硬質合金，可作為一個電極整體，從而實現球磨過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部，將原球磨過程中單一的機械能與等離子體有機復合起來，加大對處理粉末的有效能量輸入，對粉末進行復合處理。
本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果(1)粉末加熱快，變形大，細化所需時間短。在相同工藝參數下，采用本方法進行等離子體輔助球磨的產品粉末粒徑都能達到納米級，且粒徑分布窄，而普通球磨的產品粉末粒徑在微米級，粒徑分布寬。
(2)促進機械合金化進程，等離子體輔助高能球磨，是在常規機械能的基礎上復合等離子體的能量，這種對粉末的復合處理，在高效細化粉體的同時，必然增加粉體的表面能及界面能，增強粉體的反應活性，而等離子體純凈的熱效應對促進擴散和合金化反應也是有利的。
(3)利用本發明方法，當放電氣體介質為有機氣體時，在細化粉體同時可以實現對粉體的原位表面改性。
(4)本發明的工藝易于實現，加工效率高，能有效縮短粉體細化及機械合金化所需時間，節約能源，可使高能球磨技術實現實際材料制備及大批量生產，應用前景廣闊。
圖1是實現本發明的等離子體輔助高能球磨裝置外部結構示意圖。
圖2是圖1所示球磨罐的結構示意圖。
圖3是圖2所示球磨罐的側視圖。
圖4是應用本發明方法與普通振動球磨方法球磨TiO2的掃描電鏡形貌對比。
圖5是應用本發明方法與普通振動球磨方法球磨Fe的掃描電鏡形貌對比。
圖6是應用本發明方法與普通振動球磨方法球磨W-C體系的X衍射圖對比。
具體實施例方式
下面結合實施例與附圖對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。
實施例一如圖1所示，實現本發明的等離子體輔助高能球磨裝置，包括驅動電機1、球磨罐2、機架3、底座4，球磨罐2安裝在機架3上，其內部放置有磨球5，機架3通過彈簧6安裝在底座4上，其外側設置有激振塊7，驅動電機1安裝在底座4上，且通過彈性聯軸節8分別與機架3、激振塊7連接。
如圖2、3所示，磨球5放置在球磨罐2內，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密封環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的任一個螺栓2-5與等離子體電源10的一極連接，前蓋板2-2設有電極穿孔2-2-1，電極穿孔2-2-1的內側設有凹臺，后蓋板2-3內側面設有盲孔2-3-1。
電極棒9的外表面設有包覆層11，包覆層11相應電極穿孔的凹臺設置有臺肩，凹臺與臺肩之間設置有密封墊片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。
前蓋板2-2還設有真空閥2-2-2，可以通過真空閥2-2-2抽負壓，也可以通入放電氣體介質氬氣、氮氣、氨氣或有機氣體(如甲烷)來實現球磨罐內球磨氣氛。
筒體2-1、磨球5材料是不銹鋼或硬質合金，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的磨球占總磨球數量10％，直徑15mm的磨球占總磨球數量80％，直徑10mm的磨球占總磨球數量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)通過真空閥對密閉的球磨罐抽負壓至0.1Pa；(4)接通等離子體電源，根據放電氣體介質及其壓力調節放電參數，電壓為15kv，頻率為25kHz時，實現電暈放電，并啟動驅動電機帶動激振塊，采用5mm雙振幅，電機轉速1400r/min，使機架及固定在機架上的球磨罐同時振動，從而改變電極棒與球磨罐內磨球的相對位置，進行電暈放電等離子體輔助高能球磨。
實施例二采用實施例一的裝置，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的磨球占總磨球數量15％，直徑18mm的磨球占總磨球數量75％，直徑10mm的的磨球占總磨球數量10％，待處理粉末松容積占磨球之間空隙的130％；球磨罐抽負壓至0.01Pa；放電電壓為3kv，頻率為5kHz，實現電暈放電；激振塊采用10mm雙振幅，電機轉速930r/min。
實施例三采用實施例一的裝置，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的磨球占總磨球數量12％，直徑18mm的磨球占總磨球數量78％，直徑10mm的的磨球占總磨球數量10％，待處理粉末松容積占磨球之間空隙的80％；球磨罐抽負壓至0.05Pa；放電電壓為10kv，頻率為20kHz，實現電暈放電；激振塊采用8mm雙振幅，電機轉速930r/min。
實施例四采用實施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實施一相同，不同之處在于放電電壓為30kv，頻率為40kHz，實現輝光放電。
實施例五采用實施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實施二相同，不同之處在于放電電壓為10kv，頻率為20kHz，實現輝光放電。
實施例六采用實施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實施三相同，不同之處在于放電電壓為25kv，頻率為30kHz，實現輝光放電。
實施例七采用實施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實施一相同，不同之處在于球磨罐抽負壓后再通過真空閥通入放電氣體介質氬氣，壓力為0.01MPa。
實施例八采用實施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實施二相同，不同之處在于球磨罐抽負壓后再通過真空閥通入放電氣體介質氨氣，壓力為0.1MPa。
實施例九采用實施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實施三相同，不同之處在于球磨罐抽負壓后再通過真空閥通入放電氣體介質氮氣，壓力為0.01MPa。
實施例十采用實施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實施三相同，不同之處在于球磨罐抽負壓后再通過真空閥通入放電氣體介質甲烷，壓力為0.05MPa。
實施例十一采用實施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實施四相同，不同之處在于球磨罐抽負壓后再通過真空閥通入放電氣體介質氬氣，壓力為0.01MPa。
實施例十二采用實施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實施五相同，不同之處在于球磨罐抽負壓后再通過真空閥通入放電氣體介質氨氣，壓力為0.1MPa。
實施例十三采用實施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實施六相同，不同之處在于球磨罐抽負壓后再通過真空閥通入放電氣體介質氮氣，壓力為0.04MPa。
實施例十四采用實施例一的裝置，本等離子體輔助高能球磨方法的工藝條件基本與實施六相同，不同之處在于球磨罐抽負壓后再通過真空閥通入放電氣體介質甲烷，壓力為0.05MPa。
采用本發明與無等離子體輔助的普通振動球磨分別對TiO2，Fe及W-C體系進行球磨，并比較圖4是實施例七應用本發明方法進行電暈放電輔助球磨與普通振動球磨方法球磨純度為99.0％，粒度為200目TiO2的掃描電鏡形貌對比，球磨時間1h，其中(a)輔助球磨，(b)普通振動球磨。可見等離子體輔助高能球磨粉末粒度在150nm左右均勻分布，而普通振動球磨粉末粒度分布在1-2μm。
圖5是實施例七應用本發明方法進行電暈放電輔助球磨與普通振動球磨方法球磨純度為98.0％，粒度為100目Fe的掃描電鏡形貌對比，球磨時間1h，其中(a)輔助球磨，(b)普通振動球磨。可見等離子體輔助高能球磨粉末成均勻薄片狀，變形大，薄片厚度遠小于普通振動球磨結果。
圖6是實施例十一應用本發明方法進行輝光放電輔助球磨與普通振動球磨方法球磨W-C體系的X衍射圖對比，其中W純度為99.0％，粒度為300目，C純度為99.9％，粒度為100目，球磨時間17h。可見等離子體輔助高能球磨粉末已經出現W2C相的衍射峰，而普通振動球磨粉末沒有新相產生。
如上所述，即可較好地實現本發明。
權利要求
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)通過真空閥對密閉的球磨罐抽負壓至0.01～0.1Pa，或者在抽負壓后再通過真空閥通入放電氣體介質，壓力為0.01～0.1MPa；(4)接通等離子體電源，根據放電氣體介質及其壓力調節放電參數，電壓為3～30kv，頻率為5～40kHz，實現電暈放電或輝光放電，并啟動驅動電機帶動激振塊，使機架及固定在機架上的球磨罐同時振動，從而改變電極棒與球磨罐內磨球的相對位置，進行電暈放電或輝光放電等離子體輔助高能球磨。
2.按權利要求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的磨球占總磨球數量10～15％，直徑15～18mm的的磨球占總磨球數量75～80％，直徑10mm的的磨球占總磨球數量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，電機轉速930～1400r/min。
4.按權利要求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是氬氣、氮氣、氨氣或有機氣體甲烷。
全文摘要
本發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；通過真空閥對球磨罐抽負壓，或者抽負壓后再通入放電氣體介質；接通等離子體電源，根據所需調節放電參數，實現電暈放電或輝光放電，并啟動驅動電機帶動激振塊，使機架及固定在機架上的球磨罐同時振動，從而改變電極棒與球磨罐內磨球的相對位置，進行球磨。本發明可加速粉末的細化，促進機械合金化進程，加工效率高，節約能源，可實現高能球磨技術的實際材料制備及大批量生產應用。
文檔編號B02C19/00GK1718282SQ20051003623
公開日2006年1月11日 申請日期2005年7月29日 優先權日2005年7月29日
發明者朱敏, 戴樂陽, 曹彪, 曾美琴, 歐陽柳章, 童燕青 申請人:華南理工大學