一種新型納米級碳化鉻粉末的製備方法
2023-06-11 02:15:41 1
專利名稱：一種新型納米級碳化鉻粉末的製備方法
技術領域：
本發明屬於納米金屬碳化物粉末製備技術領域，主要涉及一種新型納米級碳化鉻 粉末的製備方法。
背景技術：
碳化鉻(Cr3C2)具有較高的熔點、硬度、高溫強度以及良好的電導率和熱導率，這 些優異的性能確保了其在冶金、電子、催化劑和高溫塗層材料等方面的廣泛應用。其中，碳 化鉻作為晶粒抑制劑在硬質合金、金屬陶瓷領域應用尤為廣泛。工業應用中需要粒度細、相 組成單一的碳化鉻粉末。例如在製備超細硬質合金時，碳化鎢(WC)粉的粒徑要小於200nm， 燒結時需採用高壓低溫的熱等靜壓(HIP)燒結技術，另外還要加入Cr3C2來抑制晶粒長大。 如果採用粉末粒度為2 5 μ m Cr3C2作為晶粒長大抑制劑，則會由於顆粒粗大的Cr3C2粉末 比表面小、表面活化能低、原子遷移速度慢，而難以抑制WC晶粒長大，從而導致超細硬質合 金的性能很難得到進一步提高。目前，通常採用Cr2O3與碳黑混合高溫還原碳化法來製備碳化鉻粉末。如中國專利 (專利號96115599)提供了一種碳化鉻粉末的製備方法。其採用氧化鉻為主要原料，用碳作 還原劑，按照一定的配比和工藝路線，生產出含碳量在12%以上、碳化率在99%以上的碳 化鉻。該方法工藝簡單，但由於原料粒度較粗，不利於碳化反應，碳化溫度較高，造成生產成 本較高，並且產物粒度較粗，不能滿足碳化鉻粉末在現代工業中的應用。另外，中國專利(專利號200410045066)提供了一種納米碳化鉻粉末的製備方法 將Cr2O3溶解於有機物溶液中，溶液在離心式噴霧乾燥機中進行噴霧乾燥，得到含有鉻的絡 合物和游離有機物的混合粉末，粉末形狀為多孔、疏鬆的空心球體。將此粉末在保護氣氛中 於500 600°C進行焙解，得到Cr2O3與原子級別游離C的均勻混合粉末，在850 1000°C 下H2/CH4碳化40 90min可製得平均粒徑為0. 1 μ m、晶粒尺寸為20 60nm的納米碳化 鉻粉末。中國專利(專利號200610011691)也提供了一種納米碳化鉻粉末的製備方法。該 方法以重鉻酸銨、水合胼、納米炭黑、酚醛樹脂為原料，通過「合成非晶納米Cr2O3 —配製酚 醛樹脂乙醇溶液一球磨一乾燥一真空碳化一球磨一乾燥一過篩一得成品」。美國的 Sadangi 等人(見R. K. Sadangi, et al. Synthesis and characterization of submicronvanadium and chromium carbide grain growth inhibitors. Advances in Powder Metallurgy&Particular Materials，1998 :9 15)利用「噴霧乾燥一還原分解一 氣相碳化」工藝製備了粒度為0. 6 μ m的Cr3C2粉末。其工藝過程為首先製備含Cr的前驅 體溶液，然後進行噴霧乾燥，再將噴霧乾燥的粉末進行熱解，將熱解後的產物用CH4/H2混合
^(才目Cintho ^A (JAL 0. Μ. Cintho, et al. Mechanical-thermal synthesis of chromium carbides. Journal of Alloys andCompounds,2007,439(1-2) 189-195.) iE 過高能球磨鉻粉和石墨粉，隨後在800°C、2h條件下氬氣氣氛中進行熱處理，最終得到碳化 鉻粉末。
上述的製備方法具有許多優點(如在較低的反應溫度、較短反應時間獲得較小的 顆粒尺寸)，但是也存在一些缺陷，主要表現在工藝較複雜，能耗較大，生產成本較高，不利 於工業化生產等。有些製備方法雖然工藝較簡單，但製得的碳化鉻粉末存在粒度偏大，團聚 現象嚴重的缺陷，仍然不能滿足碳化鉻粉末在現代化工業生產中的應用。為了節約能源和 降低生產成本，迫切需要探索一種工藝簡單、反應時間短、成本低的納米級碳化鉻粉末製備 方法，以便更好地滿足碳化鉻粉末在冶金、電子、催化劑和高溫塗層材料等領域的應用
發明內容
本發明的目的在於提供一種反應時間短、工藝簡單的新型納米級碳化鉻粉末的制 備方法，採用該方法製得的納米Cr3C2粉末平均粒徑< 50nm。為實現上述目的，本發明採用如下技術方案一種新型納米級碳化鉻粉末的製備方法，包括以下步驟每kg納米氧化鉻中添加0. 30 0. 45kg碳質還原劑，並加入1300 2900ml的酒 精或丙酮作為球磨介質，經球磨、乾燥後得混合料，將混合料置於反應爐中，在氬氣或氫氣 保護氣氛或真空條件下，於800 1100°C碳化0. 5 Ih得到Cr3C2粉末。所述納米氧化鉻為納米三氧化鉻或/和納米三氧化二鉻。所述碳質還原劑為納米碳黑或/和納米活性炭。所述球磨步驟在滾動球磨機、高能球磨機、混料機或攪拌機中進行，球磨時間為 2 6h。所述乾燥步驟在鼓風乾燥箱、真空乾燥箱或噴霧乾燥機中進行，乾燥溫度為 80°C 150°C，時間為 0. 5 2h。所述反應爐為碳管爐、感應爐、管式爐、微波燒結爐、隧道窯或推板窯。與現有技術相比，本發明優點在於(1)工藝簡單。原料經球磨、乾燥後，即可進行碳化還原，而且經一次碳化過程即可 完成，簡化了生產工藝，操作方便，適合工業化生產。(2)反應時間短，反應溫度低，節約能源。由於原料為納米級粉末，其具有較高的比 表面積，顆粒之間的接觸面積較大，界面原子數較多，界面區域原子擴散係數較高，使得納 米材料具有較高的化學活性，可以加速碳熱反應的進行。因而可以在一定程度上降低反應 溫度，縮短反應時間，節約能源。(3)產品成分單一，粒度均勻、細小，製得的Cr3C2粉末粒度分布均勻、平均粒徑 彡50nm，粒徑分布範圍較窄，且雜質含量少(游離碳、游離氧含量小於0. )。可滿足碳化 鉻粉末在冶金、電子、催化劑和高溫塗層材料等領域的應用。
圖1為實施例1製得的納米碳化鉻粉末的TEM照片；圖2為實施例1製得的納米碳化鉻粉末的X射線衍射圖。
具體實施例方式以下通過實施例對本發明做進一步的說明，但本發明的保護範圍不限於此。
實施例1 將74. 5g納米三氧化二鉻、25. 5g納米碳黑置於滾動球磨機中(球料比為5:1)， 並加入IOOml酒精作為球磨介質，在球磨機中球磨2h後取出，然後在鼓風乾燥箱中150°C幹 燥0.5h，得混合料。將混合料置於碳管爐中，在真空條件下，於1100°C碳化0.5h得到平均 粒徑為30nm、組成單一、分散良好的納米Cr3C2粉末。
粒徑檢測採用透射電鏡(TEM)方法，相組成測定採用X射線衍射(XRD)方法，下 同。實施例2 將74. 5g納米三氧化二鉻、25. 5g納米活性碳置於滾動球磨機中(球料比為 5 1)，並加入150ml丙酮作為球磨介質，在球磨機中球磨6h後取出，然後在鼓風乾燥箱中 100°C乾燥1. 5h，得混合料。將混合料置於管式爐中，在氫氣氣氛保護下，於1000°C碳化Ih 得到平均粒徑50nm、組成單一、分散良好的納米Cr3C2粉末。實施例3 將74. 5g納米三氧化二鉻、25. 5g納米碳黑置於高能球磨機中(球料比為8:1)， 並加入200ml酒精作為球磨介質，在球磨機中球磨4h後取出，然後在真空乾燥箱中120°C幹 燥2h，得混合料。將混合料置於感應爐中，在氬氣氣氛保護下，於950°C碳化Ih得到平均粒 徑25nm、組成單一、分散良好的納米Cr3C2粉末。實施例4:將69. 4g納米三氧化鉻、30. 6g納米碳黑置於滾動球磨機中(球料比為5 1)，並 加入150ml酒精作為球磨介質，在球磨機中球磨3h後取出，然後在鼓風乾燥箱中80°C乾燥 2h，得混合料。將混合料置於碳管爐中，在真空條件下，於1000°C碳化0. 5h，得到平均粒徑 30nm、組成單一、分散良好的納米Cr3C2粉末。實施例5 將69. 4g納米三氧化鉻、30. 6g納米活性碳置於攪拌機中(球料比為5:1)，並加 入200ml丙酮作為球磨介質，在球磨機中球磨4h後取出，然後在鼓風乾燥箱中100°C乾燥 1. 5h，得混合料。將混合料置於隧道窯中，在氬氣氣氛保護下，於900°C碳化lh，得到平均粒 徑30nm、組成單一、分散良好的納米Cr3C2粉末。實施例6 將69. 4g納米三氧化鉻、20. 6g納米活性碳和10. Og納米碳黑置於高能球磨機中 (球料比為8 1)，並加入150ml酒精作為球磨介質，在攪拌機中球磨6h後取出，然後在真 空乾燥箱中150°C乾燥2h，得混合料。將混合料置於微波燒結爐中，在真空條件下，於850°C 碳化lh，得到平均粒徑25nm、組成單一、分散良好的納米Cr3C2粉末。實施例7 將45. 3g納米三氧化二鉻、22. 7g納米三氧化鉻和25. 5g納米碳黑置於混料機中 (球料比為5 1)，並加入180ml酒精作為球磨介質，在混料機中球磨4h後取出，然後在 噴霧乾燥機中120°C乾燥lh，得混合料。將混合料置於推板窯中，在氬氣氣氛保護下，於 1000°C碳化Ih得到平均粒徑30nm、組成單一、分散良好的納米Cr3C2粉末。
權利要求
一種新型納米級碳化鉻粉末的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟每kg納米氧化鉻中添加0.30～0.45kg碳質還原劑，並加入1300～2900ml的酒精或丙酮作為球磨介質，經球磨、乾燥後得混合料，將混合料置於反應爐中，在氬氣或氫氣保護氣氛或真空條件下，於800～1100℃碳化0.5～1h得到Cr3C2粉末。
2.如權利要求1所述納米級碳化鉻粉末的製備方法，其特徵在於，所述納米氧化鉻為 納米三氧化鉻或/和納米三氧化二鉻。
3.如權利要求1所述納米級碳化鉻粉末的製備方法，其特徵在於，所述碳質還原劑為 納米碳黑或/和納米活性炭。
4.如權利要求1所述納米級碳化鉻粉末的製備方法，其特徵在於，所述球磨步驟在滾 動球磨機、高能球磨機、混料機或攪拌機中進行，球磨時間為2 6h。
5.如權利要求1至4任一所述納米級碳化鉻粉末的製備方法，其特徵在於，所述乾燥 步驟在鼓風乾燥箱、真空乾燥箱或噴霧乾燥機中進行，乾燥溫度為80°C 150°C，時間為 0. 5 2h。
6.如權利要求5所述納米級碳化鉻粉末的製備方法，其特徵在於，所述反應爐為碳管 爐、感應爐、管式爐、微波燒結爐、隧道窯或推板窯。
全文摘要
本發明涉及一種新型納米級碳化鉻粉末的製備方法，包括以下步驟每kg納米氧化鉻中添加0.30～0.45kg碳質還原劑，並加入1300～2900ml的酒精或丙酮作為球磨介質，經球磨、乾燥後得混合料，將混合料置於反應爐中，在氬氣或氫氣保護氣氛或真空條件下，於800～1100℃碳化0.5～1h得到Cr3C2粉末。本發明方法工藝簡單、操作方便、反應時間短，製得的碳化鉻粉末平均粒徑≤50nm，且雜質含量少(游離碳、游離氧含量小於0.1％)。
文檔編號B82B3/00GK101955184SQ20101028742
公開日2011年1月26日 申請日期2010年9月20日 優先權日2010年9月20日
發明者左宏森, 毛淑芳, 牛進平, 趙志偉, 鄒文俊, 鄭紅娟 申請人:河南工業大學