球狀粉末及其製備方法
2023-10-22 19:37:47 1
專利名稱：球狀粉末及其製備方法
技術領域：
本發明一般涉及一種通過熱離心霧化製備粉末的方法。本發明還涉及一種球狀碳化鎢粉末。本發明進一步涉及一種用於實施所述方法的裝置。
背景技術：
複合材料的耐磨損性取決於例如包括增強顆粒濃度和粒徑等因素以及矩陣屬性。在同等條件下，可通過改善複合材料中顆粒屬性實現額外增加耐磨損性。通過破碎鑄錠製備顆粒會在負載的影響下導致作為破壞閥座的顆粒中出現破裂、筘痕以及其他缺陷。因此，在現有技術中需要改進顆粒的微觀結構，從而改進其機械性能。前蘇聯專利文獻SU1802466公開一種製備耐火材料粉末的方法，該方法包括處理棒料，利用推料機構裝置將棒料供入熔化層；以等離子熔化棒料；利用第二等離子流發生器的等離子流將液態合金注入盤式造粒機和離心霧化機。其缺陷在於，該技術要求等離子放電的電流強度較大並且利用兩個等離子流發生器使粉末製備過程的成本更高。前蘇聯專利文獻SU503688公開一種用於製備球狀材料的裝置，該裝置包括真空室，真空室內具有旋轉式石墨坩堝，旋轉式石墨坩堝內置有用於傳輸粉末的非熔融活動管線。前蘇聯專利文獻SU503688提出一種製備球狀材料的方法，該方法包括在作為陽極的旋轉式石墨坩堝和非熔融 鎢套管陰極之間放電，其中鎢套管將原始物質輸送至在電弧作用下受熱的坩堝。在坩堝中出現液態合金，液態合金在離心力的影響下上升並被壓出坩堝，其後液態合金飛濺並且在飛濺過程中凝結成滴狀物並結晶。在惰性氣體介質中進行上述過程_例如気。 其缺陷在於，裝置中的非熔融電極導致不可能獲得最佳的放電參數，電流增強，在坩堝的邊緣形成液態合金硬塊(所謂的「垢須」)，這會導致霧化過程中的穩定性發生異常，頻繁地更換坩堝，從而降低裝置產料率以及所生產粉末的質量。在Journal of the Ukrainian SSR academy of sciences, No 72 (836)，1973 (1973年第72 (836)號烏克蘭蘇維埃社會主義共和國科學院學報)中公開一種生產具有高硬度、高強度和高塑性的碳化鎢合金的方法。俄羅斯專利文獻2301133公開一種用於製備耐火材料粉末的方法及裝置，特別是用於燒結碳化鎢。該裝置包括位於材料熔融倉內的旋轉坩堝。將氮氣用作惰性氣體。坩堝旋轉時形成微滴。通過等離子弧放電進行加熱。通過移動等離子流避免形成「垢須」。為了避免形成垢須，可改變坩堝邊緣到坩堝內表面的等離子放熱分布。在現有技術中仍需要降低熔化原料所需等離子放電的電流。還需要一種改進方法，以使液態合金的溫度穩定高於其熔點。同時還需要降低熱損耗並提高液態合金的均質性和所得粉末的均質性。利用例如熔融後破碎等傳統工藝製造的碳化鎢合金由於存在微裂紋而強度不足。
發明內容
本發明的目的在於，避免現有技術中存在的至少某些缺陷，並提供一種用於製備粉末的改進方法和裝置以及改進的粉末。第一方面，本發明提供一種球狀碳化鶴粉末，其中材料的微硬度值高於3600kgf/mm2，粉末的表觀密度為9. 80至11. 56g/cm3。第二方面，本發明提供一種用於製造粉末的方法，所述方法包括以下步驟a)提供倉室，該倉室包括可旋轉坩堝；b)將材料加至所述可旋轉坩堝中；c)熔化材料，其中利用等離子弧放電至少部分地進行加熱；d)旋轉坩堝，在離心力的作用下霧化熔料，從而形成液態微滴，隨後冷卻微滴，從而獲得粉末，其中添加到所述可旋轉坩堝中的材料受熱的溫度高於材料加入坩堝前熔化溫度的40%。第三方面，本發明提供一種適於製造粉末的裝置，該裝置包括倉室、封蓋、活動式等離子焰炬、筒狀冷卻坩堝以及用於製造粉末的收集裝置，其中該裝置包括用於將材料加至坩堝的加熱裝置。本發明其他方面和實施方案將在所附權利要求中詳細說明，具體通過引用的方式將權利要求的內容納入本文。本發明的優勢在於，可以降低熔化原料所需的等離子放電的電流，同時使液態合金溫度穩定高於其熔點。由此，熱損耗降低，液態合金成為均質合成物，霧化期間所得球狀粉末的組成和結構變得均勻。本發明的優勢進一步在於，粒徑的分布變得更窄，從而生產所需粒徑的產粒率增加。本發明的優勢還在於，能源成本顯著降低。在一實施方案中，能量消耗比利用感應加熱製造球狀粉末的方法降 低超過3. 8倍。
下面參照附圖並結合實施例對本發明進行詳細描述。圖1是表示製備耐火材料粉末的實施方案的裝置圖，其中標號15表示冷卻介質的入口和出口。圖2是表示用於製備耐火材料粉末的裝置的坩堝的實施方案示意圖。
具體實施例方式在詳細介紹和描述本發明之前，應當理解，本發明不僅限於本文所述的特定化合物、結構、方法步驟、原料及材料，這些化合物、結構、方法步驟、原料及材料可存在些許變化。還應當理解，本文所採用的術語僅旨在說明特定實施方案，而並非對本發明加以限定，僅以本文所附權利要求及其等同變化限定本發明的範圍。必須指明的是，除非文中明確指出，否則本發明說明書和權利要求書中所採用的單數形式冠詞包括複數對象。如果沒有具體定義，本文中所採用的詞條和科學術語旨在具有本發明所屬領域技術人員通常理解的含義。
本發明說明書和權利要求書全文中採用的有關數值的術語「約」表示本領域技術人員熟知的容許精確區間，所述區間為±10%。本發明說明書和權利要求書全文中採用的術語「表觀密度」表示球狀粉末的單位體積重量。通常，表觀密度的測量標準是每立方釐米的克數。本發明說明書和權利要求書全文中採用的術語「破壞載荷」表示逐步施加至各球狀粉末顆粒、剛好足以破壞或破裂顆粒的壓力。通過將球狀粉末顆粒壓入兩個受力不斷遞增的平面之間、直至球狀粉末顆粒破碎或塌縮來測量破壞載荷。本發明說明書和權利要求書全文中採用的術語「低共熔」表示化合物或元素的混合物，該混合物具有在比任何其他合成物更低的溫度下固化的單體。本發明說明書和權利要求書全文中採用的術語「微硬度值」表示低負荷材料的硬度測試。另一術語為「微壓痕硬度試驗」。在微壓痕硬度試驗中，利用已知的作用力(通常稱為試驗負載)將具有特殊形狀的金剛石壓痕計印入試樣表面。通常按照EN-1S0-6507(IS06507-1 :2005)標準，利用維氏硬度試驗(Vickers hardness test)HV O.1來測量微硬度值。本發明說明書和權利要求書全文中採用的有關粉末顆粒的術語「球狀」表示各顆粒基本上呈球狀。有關粉末的術語球狀並不意味著所有粉末顆粒都呈完美球體，它是指粉末顆粒中的大多數顆粒基本上呈球狀，例如90%以上的顆粒基本上呈球狀，優選為95%以上，更優選為99%以上。球狀顆粒可與完美的幾何球體之間具有偏差，但只要它們基本上呈球狀，即為所述球狀。改變氣氛中的合成 物、冷卻氣體的流量的能力以及改變氣流的氣動和幾何參數、溫度、等離子放電電流強度、等離子氣體的合成及進給速度、坩堝旋轉速度的能力可使粉末粒度的範圍更廣，涵蓋各種耐火材料。可用作耐火材料的例子包括鎢和鑰、耐熔金屬碳化物、如碳化鎢的低共熔混合物(WC-W2C)等耐熔金屬碳化物的混合物、硼化物、氮化物以及碳氮化物，但不僅限於此。碳(C)含量為3. 8-4. 2wt%的碳化鎢(WC-W2C)的低共熔混合物具有高耐磨蝕性和耐磨損性。它是用於製造與硬質材料接觸的例如建築工程、開礦裝置以及化工設備中工具和耐磨塗層的合成物的一部分。第一方面，本發明提供一種球狀碳化鶴粉末，其中材料的微硬度值大於3600kgf/mm2,並且粉末的表觀密度為9. 80至11. 56g/cm3。在一實施方案中，材料的微硬度值為3600至4200kgf/mm2。在一可選實施方案中，材料的微硬度值為3600至4800kgf/mm2。在一實施方案中，粉末包括3. 8至4. 2wt%的碳(C)。在一實施方案中，粉末包括小於O.1wt %的鐵(Fe)。在一實施方案中，碳化鎢是W2C和WC的低共熔混合物。在一實施方案中，球體的直徑為20至1800 μ m。第二方面，本發明提供一種用於製造粉末的方法，所述方法包括以下步驟a)提供倉室，該倉室包括可旋轉坩堝；b)將材料加至所述可旋轉坩堝中；c)熔化材料，其中利用等離子弧放電至少部分地進行加熱；d)旋轉坩堝，在離心力的作用下霧化熔料，從而形成液態微滴，隨後冷卻微滴，從而獲得粉末，其中添加到所述可旋轉坩堝中的材料受熱的溫度高於材料加入坩堝前熔化溫度的40%。在一實施方案中，添加到所述可旋轉坩堝中的材料受熱的溫度為材料加入坩堝前熔化溫度的40%至80%。在一實施方案中，通過所述方法製造上述碳化鎢粉末在一實施方案中，添加到樹禍中的材料包括碳(C)和鶴(W)。在一實施方案中，添加到坩堝中的材料包括3. 7-3. 9wt%的碳(C)。在一實施方案中，在所述倉室中使用的氣體包括至少一種選自氬氣、氦氣和氮氣中的氣體。在一實施方案中，在所述倉室中使用氮氣。在一實施方案中，通過對倉室抽真空並填入氣體來清洗倉室，去除有害氧。在一實施方案中，一種氣體混合物用於填充倉室，而另一種氣體混合物用作等離子發生氣體。倉室中的兩種氣體和等離子發生氣體選自如上所述的氣體。在一實施方案中，等離子弧首先指向坩堝的中心，然後指向坩堝的邊緣。在一實施方案中，等離子弧交替指向坩堝的中心和坩堝的邊緣。在一實施方案中，熔料的溫度保持高於材料的熔化溫度。在一實施方案中，熔料的溫度比材料的熔化溫度高出20°C以上。在一實施方案中，熔料的溫度比材料的熔化溫度高出 20。。至 IOO0C0在一實施方案中，坩堝以500至20000rpm的旋轉速度進行旋轉。在一實施方案中，所述粉末包括碳化鎢。在一實施方案中，所述粉末包括WC和W2C相的低共熔混合物。在一實施方案中， 所述坩堝為水冷式。在一實施方案中，製備碳化鶴粉末的方法包括將所需合成物的材料輸送至位於倉室內的旋轉式坩堝；利用在作為陽極的坩堝與採用氮氣作為等離子載氣的等離子流發生器陰極之間通過材料的等離子弧放電使原料熔化；在離心力的影響下將氣態氣氛中的液態合金霧化，形成液態合金滴狀物；並且通過冷卻使滴狀物結晶。在一實施方案中，變換陽極和陰極，從而使坩堝作為陰極，等離子流發生器作為陽極。在裝置中進行材料熔融至少部分利用直接在坩堝內形成等離子區。將硬質原料直接加熱至超過熔點的溫度需要相當大的功率，這會導致處理過程中的輸送成本增加並降低
產粒率。將原始混合物輸送至坩堝之前，在加熱器中以高於O. 4*Tmel的溫度對原始混合物進行預加熱，不僅可以降低熔化原料所需的等離子放電的電流強度，還可以使液態合金的溫度穩定保持高於其熔點。由此，熱損耗降低，液態合金成為均質合成物，霧化期間所得球狀粉末的組成和結構變得均勻。對於同樣的等離子放電的電流強度，原料的預加熱使霧化過程的產率增高。在一實施方案中,將氬氣、氦氣、氮氣及其混合氣體用作氣體。在一實施方案中,原料包含至少一種耐火材料。坩堝旋轉的速度需達到用來形成結晶中所需顆粒合成物的球狀顆粒滴狀物的速度。在一實施方案中，坩堝的旋轉速度為500至20000rpm。由此，獲得至少一種耐火材料或耐火金屬合金或至少一種碳化物、硼化物或碳氮化物以及其他耐火金屬合成物的粉末，特別是碳化鎢的低共熔混合物WC-W2C的粉末。在一實施方案中，將用於將原始混合物輸送至坩堝的加熱裝置制為四周具有管式加熱器的處理盤或製成管式加熱器，例如由碳-碳複合材料製成。用於將原始混合物輸送至坩堝的加熱裝置的連接角度大於原料自然滑落的角度。在一實施方案中，坩堝由銅製成，位於坩堝內壁的內襯由例如碳-碳複合材料製成。在一實施方案中，通過振動式給料機將材料添加到所述坩堝。在一實施方案中，通過旋轉式給料機將材料添加到所述坩堝。其中也包括振動式給料機和旋轉式給料機的組
口 ο在一實施方案中，樹禍振動。在該實施方案中，應結合選擇振動頻率、樹禍直徑以及坩堝的旋轉速度，從而儘可能地減少垢須的形成。第三方面，本發明提供一種適於製造粉末的裝置，該裝置包括倉室、封蓋、活動式等離子焰炬、筒狀冷卻坩堝以及用於製造粉末的收集裝置，其中該裝置包括用於將材料加至坩堝的加熱裝置。在一實施方案中，所述加熱裝置是具有加熱器的處理盤。在一實施方案中，所述加熱裝置是管式加熱器。在一實施方案中，所述加熱裝置由碳材料製成。在一實施方案中，所述裝置進一步包括進給裝置，適用於通過振動將材料送至所述坩堝的。在一實施方案中，所述裝置進一步包括進給裝置，適用於通過旋轉將材料送至所述坩堝的。其中也包括振動和旋轉的組合方式。在一實施方案中甘禍適用于振動。
在一實施方案中，用於製備碳化鎢粉末的裝置包含筒狀倉室，該倉室具有封蓋，沿倉室軸設有用於輸送原始混合物的進給裝置，該倉室具有底門，底門具有用於脫卸粉末的裝置，霧化裝置與進給裝置在倉室內排成一行，以冷卻旋轉導電坩堝作為霧化裝置，等離子弧發生器與坩堝旋轉軸的安裝角度可用於其交替工作。圖1表示所述裝置的一種實施方案，該裝置包括筒狀倉室13，該倉室13具有傾斜的底部和封蓋。等離子發生器5和進給裝置10安裝於封蓋內相對於軸的不同方向。等離子發生器5連接至發動機4。進給裝置連接至位於倉室外部的具有原始混合物7的儲料鬥8，該儲料鬥8具有配量裝置9。位於倉室內並與其排成一行的噴料坩堝2固定於旋轉裝置I上。用於將原始混合物12送至倉室13中坩堝2的加熱裝置連接至進給裝置10。加熱裝置可包括四周具有管式加熱器6的處理盤。在一實施方案中，管式加熱器6由碳-碳複合材料製成，在一實施方案中，在缺少處理盤11的情況下，管式加熱器6用作輸送粉末的加熱裝置。用於收集粉末的收集箱14位於倉室13的傾斜底部的下面部分並與其連接。如圖2所示，水冷式霧化坩堝2包括有導電材料製成的筒狀堝架15、位於堝架內壁由非熔融材料製成的內襯16以及位於堝架底部由導電材料製成的內襯17。在一方法實施方案中，所述裝置的操作方法如下。砂礫形態的原始混合物7由儲料鬥8裝載至配量裝置9。將裝置加壓、抽真空並充滿所需氣體，從而使其達到大氣壓力或用於製備所需耐火材料的粉末所必需的壓力。藉助旋轉裝置I設定坩堝2旋轉所需的速度。在作為陽極的坩堝和等離子發生器陰極5之間啟動等離子弧。電弧的陽極斑點集中於坩堝2的底部。開通粉末的輸送。砂礫由配量裝置9通過進給裝置10送至處理盤11，藉助管式加熱器6將處理盤11加熱至300(TC，管式加熱器6由例如碳-碳材料製成。經過處理盤，砂礫顆粒受熱至O. 4*Tmel以上並注入旋轉的坩堝2，在坩堝2中，砂礫顆粒在等離子弧的影響下熔化。Tmel表示熔融溫度。液態合金在離心力的影響下被推送至坩堝2的側面，坩堝2的側面覆有絕熱內襯16。輸送新部分砂礫時，液態合金的總量增加並沿側面上升。利用等離子發生器發動機4，等離子弧的陽極斑點隨液態合金之後上升併集中於坩堝2的邊緣。向上達到坩堝2的邊緣，液態合金通過離心力流過坩堝的邊緣落入倉室的氣體中並在滑落的過程中凝固，液態合金以小球的形式由倉室的底部上滑落。製備的粉末注入位於倉室下面部分的儲料收集箱14。坩堝底部布置為導電材料防護坩堝不被燒穿。坩堝的側面布置為非熔融材料的絕熱內襯不僅在相當程度上降低了坩堝上的電熱負荷，而且還大大降低了材料熔融過程中的總熱損耗。因此，坩堝的使用壽命延長，處理過程中的能源成本降低。等離子發生器和具有配量裝置的儲料鬥布置在筒狀倉室軸的不同方向，從而可以迅速準確地沿著坩堝的側面隨著上升的液態合金移動陽極斑點，並且可以避免在坩堝的邊緣(垢須)形成液態合金硬塊，由此液態合金穩定均勻並且所製備粉末的特性得到改善。可以改變氣態氣氛的成分、預加熱裝置的溫度、等離子放電的電流強度以及坩堝的旋轉速度，從而可以製備廣泛尺寸範圍內的各種耐火材料粉末，其中耐火材料如鎢和鑰、耐熔金屬碳化物、如燒結碳化鶴(WC-W2C)等耐熔金屬碳化物的混合物、硼化物、氮化物、碳氮化物、硝基碳硼化物以及其他耐火金屬化合物。在一實施方案中,根據本發明的球狀碳化鶴合金顆粒的破壞載荷大於20kgf。在一實施方案中，根據本發明的球狀碳化鎢合金顆粒的破壞載荷為約20至約27kgf。在一可選實施方案中，根據本發明的球狀碳化鎢合金顆粒的破壞載荷為20. 8至27. 2kgf。對破壞載荷重複測量20-30次並計算平均值。球狀碳化鎢合金的硬度在所有可得的金屬碳化物中最高，僅次於金剛石和碳化硼的硬度。對一些硬質材料特 性的比較如下
權利要求
1.一種球狀碳化鎢粉末，其特徵在於，所述材料的微硬度值大於3600kgf/mm2，所述粉末的表觀密度為9. 80至11. 56g/cm3。
2.根據權利要求1所述的球狀碳化鎢粉末，其特徵在於，所述粉末包括3.8至4. 2wt%的碳。
3.根據權利要求1所述的球狀碳化鎢粉末，其特徵在於，所述粉末包含小於O.lwt%的鐵。
4.根據權利要求1所述的球狀碳化鎢粉末，其特徵在於，所述碳化鎢是W2C和WC的低共熔混合物。
5.一種用於製備粉末的方法，所述方法包括以下步驟 a)提供倉室，該倉室包括可旋轉坩堝； b)將材料加至所述可旋轉坩堝中； c)熔化材料，其中利用等離子弧放電至少部分地進行加熱； d)旋轉坩堝，在離心力的作用下霧化熔料，從而形成液態微滴，隨後冷卻微滴，從而獲得粉末， 其特徵在於， 添加到所述可旋轉坩堝中的材料受熱的溫度高於材料加入坩堝前熔化溫度的40%。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，添加到所述坩堝中的材料包括碳(C)和鎢(W)。
7.根據權利要求5-6中任一權利要求所述的方法，其特徵在於，添加到所述坩堝中的材料包括3. 9-4. 5wt%的碳。
8.根據權利要求5-7中任一權利要求所述的方法，其特徵在於，在所述倉室中使用的氣體包括至少一種選自氬氣、氦氣和氮氣中的氣體。
9.根據權利要求5-8中任一權利要求所述的方法，其特徵在於，在所述倉室中使用氮氣。
10.根據權利要求5-9中任一權利要求所述的方法，其特徵在於，所述等離子弧首先指向所述坩堝的中心，然後指向所述坩堝的邊緣。
11.根據權利要求5-10中任一權利要求所述的方法，其特徵在於，所述等離子弧交替指向所述坩堝的中心和所述坩堝的邊緣。
12.根據權利要求5-11中任一權利要求所述的方法，其特徵在於，熔料的溫度保持高於所述材料的熔化溫度。
13.根據權利要求5-12中任一權利要求所述的方法，其特徵在於，熔料的溫度比所述材料的熔化溫度高出20°C以上。
14.根據權利要求5-13中任一權利要求所述的方法，其特徵在於，所述坩堝以500至20000rpm的旋轉速度進行旋轉。
15.根據權利要求6-14中任一權利要求所述的方法，其特徵在於，所述粉末包括碳化鎢。
16.根據權利要求6-15中任一權利要求所述的方法，其特徵在於，所述粉末包括WC和W2C相的低共熔混合物。
17.根據權利要求6-16中任一權利要求所述的方法，其特徵在於，所述坩堝是水冷式。
18.根據權利要求6-17中任一權利要求所述的方法，其特徵在於，通過振動式給料機將材料添加到所述坩堝。
19.根據權利要求6-18中任一權利要求所述的方法，其特徵在於，通過旋轉式給料機將材料添加到所述坩堝。
20.根據權利要求6-19中任一權利要求所述的方法，其特徵在於，所述坩堝振動。
21.一種適於製造粉末的裝置，該裝置包括倉室、封蓋、活動式等離子焰炬、筒狀冷卻坩堝以及用於製造粉末的收集裝置，其特徵在於，所述裝置包括用於將材料加至坩堝的加熱>j-U ρ α裝直。
22.根據權利要求21所述的裝置，其特徵在於，所述加熱裝置是具有加熱器的處理盤。
23.根據權利要求21所述的裝置，其特徵在於，所述加熱裝置是管式加熱器。
24.根據權利要求21所述的裝置，其特徵在於，所述加熱裝置由碳材料製成。
25.根據權利要求21-24中任一權利要求所述的裝置，其特徵在於，所述裝置進一步包括進給裝置，適用於通過振動將材料送至所述坩堝。
26.根據權利要求21-25中任一權利要求所述的裝置，其特徵在於，所述裝置進一步包括進給裝置，適用於通過旋轉將材料送至所述坩堝。
27.根據權利要求21-26中任一權利要求所述的裝置，其特徵在於，所述坩堝適用于振動。
全文摘要
一種球狀碳化鎢粉末，其特徵在於所述材料的微硬度值大於3600kgf/mm2，所述粉末的表觀密度為9.80至11.56g/cm3。一種用於製備粉末的方法，所述方法包括以下步驟a)提供倉室，該倉室包括可旋轉坩堝；b)將材料加至所述可旋轉坩堝中；c)熔化材料，其中利用等離子弧放電至少部分地進行加熱；d)旋轉坩堝，在離心力的作用下霧化熔料，從而形成液態微滴，隨後冷卻微滴，從而獲得粉末，其中添加到所述可旋轉坩堝中的材料受熱的溫度高於材料加入坩堝前熔化溫度的40％。可以減小熔融原料所需的電流。熱損耗降低並且霧化期間所獲得的球狀粉末的組成和結構變得均勻。成本降低。
文檔編號B01J2/14GK103068731SQ201180024912
公開日2013年4月24日 申請日期2011年5月18日 優先權日2010年5月18日
發明者魯斯蘭·阿列克謝耶維奇·舍甫琴科, 安德瑞·帕夫洛維奇·丘卡諾夫, 伯裡斯·弗拉基米羅維奇·薩夫羅諾夫, 尤裡·詹那迪維奇·納傑日金, 亞歷山德拉·尤裡維奇·瓦赫魯申 申請人:愛科控股公司