CN114192793B - 一种难熔金属粉体球化工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种难熔金属粉体球化工艺，涉及金属加工技术领域。本发明是利用双氧水和多元醇对纳米级难熔金属氧化物进行预处理，然后再将预处理后的难熔金属氧化物利用等离子球化装置进行还原和球化处理，从而获得纳米级难熔金属球形颗粒。本发明的处理工艺可以获得直径为50‑350nm的难熔金属球形颗粒，球形度高且颗粒之间具有较高的分散性。

Description

一种难熔金属粉体球化工艺
技术领域
本发明属于金属加工技术领域，具体涉及一种难熔金属粉体球化工艺。
背景技术
难熔金属是指元素周期表中第IV副族的钛、锆、铪，第V副族的钒、铌、钽，第VI副族的铬、钨、钼，第VII副族的铼等金属元素。难熔金属作为一类熔点高于1650℃的族群，其化合价多变，并以其突出的物理、化学、机械与核性能在国民经济中发挥着重要作用，特别是在尖端科学领域中地位更加重要。
球形金属粉末材料具有优良的理化特性，主要表现在粉末流动性好，粉末颗粒的孔隙率低、密度提高、表面光洁度和脆性有效改善，因而得到越来越广泛的应用。例如球形钨粉和钛粉替代在航空航天等领域传统使用的普通粉末材料，大幅提高装备性能。金属粉末材料的球化是粉末冶金和装备制造业技术进步和产业升级的重要基础。
目前难熔金属的球化技术主要为等离子体球化工艺，通过将等离子体作为热源，借助其高温、高晗和温度梯度大的特点使得难溶金属快速球化。球形粉末的制备程序如下：
首先建立稳定的氩等离子炬，然后将原料粉体用携带气体（氩气）经加料枪喷入等离子体炬中。粉末颗粒在等离子体炬中极短的时间吸收大量的热而迅速熔化，颗粒飞行过程中，由于表面张力的作用，形成球形度很高的离子，并以极快的速度进入热交换室冷却凝固后，再进入气固分离室中收集起来。由于金属粉末颗粒快速高温熔化，使得所制备的球化金属的粒径相对较高，一般处于微米级，而利用等离子体技术往往很难制备出纳米级的球化金属粉末。
例如在中国专利CN111097919A中公开了一种多组分难熔金属球形粉末的制备方法，该方法是难熔金属氢化物球磨后与难熔金属单质混合，然后加入溶剂、粘结剂混合造粒，再将球形颗粒置于等离子球化制粉装置中进行球化，从而获得一种粒径在10-60微米的颗粒。
由此可见，制备纳米级球形金属粉末是目前研究的新方向。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种难熔金属粉体球化工艺。通过将纳米级难熔金属氧化物利用双氧水、多元醇进行处理，然后再对处理后的难熔金属氧化物利用等离子体技术进行还原球化处理，从而获得一种纳米级难熔金属球形颗粒。
本发明所述难熔金属粉体球化工艺包括以下步骤：
（1）将粒径为10-100nm的难熔金属氧化物（粒径为1-100nm）置于乙醇中，并加入双氧水、多元醇，混合后进行球磨处理；
（2）将球磨后的浆料过滤，喷雾干燥，机械研磨筛处理；
（3）将步骤（2）处理后的粉体进行等离子球化处理，获得一种直径为50-350nm的难熔金属球形颗粒；其中等离子球化过程中氢气流量为40-50scfh，氩气流量为5-10scfh，功率为50-100kw。
优选地，本发明所述难熔金属氧化物为钒、铌、钽、铬、钨或钼的氧化物，具体是五氧化二钒、五氧化二铌、五氧化二钽、三氧化二铬、三氧化二钨或三氧化钼中一种。
优选地，步骤（1）所述双氧水的加入量占所述难熔金属氧化物质量的1-3%。
优选地，步骤（1）所述所述多元醇的加入量占所述难熔金属氧化物质量的5-10%。
更优选地，步骤（1）所述多元醇为乙二醇、丙三醇中一种。
优选地，步骤（2）所述喷雾干燥的温度低于150℃。
进一步优选地。步骤（2）所述喷雾干燥的温度为100-120℃。
优选的，步骤（2）将喷雾干燥后的粉体进行研磨，研磨时间为30min-150min。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过将纳米级难熔金属氧化物颗粒进行预处理，使得预处理后的难熔金属氧化物在进行等离子体球化时，避免颗粒间的团聚，同时调整球化工艺的参数，使得氢气作为主要的气氛，球化过程中同时进行还原处理，从而获得纳米级难熔金属球形颗粒。本发明的处理方法有效避免了快速高温球化处理时纳米颗粒团聚现象的发生，从而保证了球形颗粒的分散性以及球形度。
具体实施方式
本发明提供了一种难熔金属粉体球化工艺，具体工艺是将将纳米级难熔金属氧化物利用双氧水、多元醇进行处理，然后再对处理后的难熔金属氧化物利用等离子体技术进行还原球化处理，从而获得一种纳米级难熔金属球形颗粒。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种难熔金属粉体球化工艺，具体步骤如下
（1）将平均粒径为20nm的五氧化二钒置于乙醇中，并加入占五氧化二钒质量2%的双氧水，占五氧化二钒质量5%的乙二醇，混合后进行球磨处理；
（2）将球磨后的浆料过滤，喷雾干燥，干燥温度为120℃，机械研磨100min处理；
（3）将步骤（2）处理后的粉体进行等离子球化处理，获得一种平均直径为75nm的难熔金属球形颗粒；其中等离子球化过程中氢气流量为45scfh，氩气流量为5scfh，功率为80kw。
实施例2-6
按照实施例1的方法，将实施例1中的五氧化二钒替换为五氧化二铌、五氧化二钽、三氧化二铬、三氧化二钨、三氧化钼，其余工艺均不变。具体如表1所示。
表1
难熔金属氧化物 难熔金属球形颗粒的平均直径
实施例1 五氧化二钒 75nm
实施例2 五氧化二铌 70nm
实施例3 五氧化二钽 72nm
实施例4 三氧化二铬 63nm
实施例5 三氧化二钨 65nm
实施例6 三氧化钼 60nm
实施例7-10
按照实施例1的方法，将实施例1中的五氧化二钒的平均粒径调整为粒径10nm、50nm、80nm、100nm，其余工艺均不变。具体如表2所示。
表2
难熔金属氧化物平均粒径 难熔金属球形颗粒的平均直径
实施例7 10nm 50nm
实施例1 20nm 75nm
实施例8 50nm 130nm
实施例9 80nm 210nm
实施例10 100nm 300nm
实施例11
一种难熔金属粉体球化工艺，具体步骤如下
（1）将平均粒径为20nm的五氧化二钒置于乙醇中，并加入占五氧化二钒质量1%的双氧水，占五氧化二钒质量10%的乙二醇，混合后进行球磨处理；
（2）将球磨后的浆料过滤，喷雾干燥，干燥温度为110℃，机械研磨80min处理；
（3）将步骤（2）处理后的粉体进行等离子球化处理，获得一种平均直径为80nm的难熔金属球形颗粒；其中等离子球化过程中氢气流量为45scfh，氩气流量为5scfh，功率为80kw。
实施例12
一种难熔金属粉体球化工艺，具体步骤如下
（1）将平均粒径为20nm的五氧化二钒置于乙醇中，并加入占五氧化二钒质量3%的双氧水，占五氧化二钒质量8%的乙二醇，混合后进行球磨处理；
（2）将球磨后的浆料过滤，喷雾干燥，干燥温度为120℃，机械研磨100min处理；
（3）将步骤（2）处理后的粉体进行等离子球化处理，获得一种平均直径为60nm的难熔金属球形颗粒；其中等离子球化过程中氢气流量为45scfh，氩气流量为5scfh，功率为80kw。
实施例13-16
按照实施例1的工艺，调整步骤（2）喷雾干燥的温度，其余工艺不变。具体如表3所示。
表3
喷雾干燥温度 难熔金属球形颗粒的平均直径
实施例1 120℃ 75nm
实施例13 110℃ 70nm
实施例14 100℃ 65nm
实施例15 150℃ 1.0µm
实施例16 200℃ 1.8µm
对比例1
一种难熔金属粉体球化工艺，具体步骤如下
（1）将平均粒径为20nm的五氧化二钒置于乙醇中，并加入占五氧化二钒质量2%的双氧水，混合后进行球磨处理；
（2）将球磨后的浆料过滤，喷雾干燥，干燥温度为120℃，机械研磨100min处理；
（3）将步骤（2）处理后的粉体进行等离子球化处理，获得一种平均直径为1.0µm的难熔金属球形颗粒；其中等离子球化中氢气流量为45scfh，氩气流量为5scfh，功率为80kw。
对比例2
一种难熔金属粉体球化工艺，具体步骤如下
（1）将平均粒径为20nm的五氧化二钒置于乙醇中，并加入占五氧化二钒质量5%的乙二醇，混合后进行球磨处理；
（2）将球磨后的浆料过滤，喷雾干燥，干燥温度为120℃，机械研磨100min处理；
（3）将步骤（2）处理后的粉体进行等离子球化处理，获得一种平均直径为1.2µm的难熔金属球形颗粒；其中等离子球化过程中氢气流量为45scfh，氩气流量为5scfh，功率为80kw。
对比例3
一种难熔金属粉体球化工艺，具体步骤是将平均粒径为20nm的五氧化二钒进行等离子球化处理，获得一种平均直径为2.0µm的难熔金属球形颗粒；其中等离子球化中氢气流量为45scfh，氩气流量为5scfh，功率为80kw。
实施例17-20
按照实施例1的工艺，调整步骤（3）的等离子球化参数，其余步骤不变，如表4所示。
表4
氢气流速 氩气流速 难熔金属球形颗粒的平均直径
实施例1 45scfh 5scfh 75nm
实施例17 50scfh 10scfh 75nm
实施例18 40scfh 15scfh 120nm
实施例19 10scfh 50scfh 750nm
实施例20 5scfh 60scfh 920nm
在一些实施例中随着氩气流速的增大，氢气流速的降低，使得所制备的难熔金属球形颗粒的平均直径呈现上升的趋势。由于氢气流速的降低，在球化过程中还原反应无法有效进行，使得所制备的球形颗粒无法被彻底还原，同时还容易发生团聚现象，最终获得颗粒较大的金属粉体。
在一些实施例中，将实施例1中的乙二醇替换为丙三醇，所制备的难熔金属球形颗粒的大小基本与实施例1相同。
需要说明的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例，显然本发明不仅仅限于以上实施例，还可以有其他变形。本领域的技术人员从本发明公开内容直接导出或间接引申的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种难熔金属粉体球化工艺，其特征在于，所述球化工艺是利用双氧水和多元醇对纳米级难熔金属氧化物进行预处理，然后再将预处理后的难熔金属氧化物利用等离子球化装置进行还原和球化处理，从而获得纳米级难熔金属球形颗粒，所述工艺包括以下步骤：
将粒径为10-100nm的难熔金属氧化物置于乙醇中，并加入双氧水、多元醇，混合后进行球磨处理；
将球磨后的浆料过滤，喷雾干燥，机械研磨处理；
将步骤（2）处理后的粉体进行等离子球化处理，获得一种直径为50-350nm的难熔金属球形颗粒；其中等离子球化过程中氢气流量为40-50scfh，氩气流量为5-10scfh，功率为50-100kw；
步骤（1）所述双氧水的加入量占所述难熔金属氧化物质量的1-3%；
步骤（1）所述多元醇的加入量占所述难熔金属氧化物质量的5-10%；
步骤（1）所述多元醇为乙二醇、丙三醇中一种。
2.根据权利要求1所述难熔金属粉体球化工艺，其特征在于，所述难熔金属氧化物为氧化钒、氧化铌、氧化钽、氧化铬、氧化钨或氧化钼中一种。
3.根据权利要求1所述难熔金属粉体球化工艺，其特征在于，步骤（2）所述喷雾干燥的温度低于150℃。
4.根据权利要求3所述难熔金属粉体球化工艺，其特征在于，步骤（2）所述喷雾干燥的温度为100-120℃。
5.根据权利要求4所述难熔金属粉体球化工艺，其特征在于，步骤（2）将喷雾干燥后的粉体进行机械研磨30min-150min。
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