金屬碳化物粉體的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)連續(xù)制備方法和旋轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)連續(xù)燒結(jié)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬碳化物粉體制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及金屬碳化物粉體的動(dòng)態(tài)連續(xù)制備方法和動(dòng)態(tài)連續(xù)燒結(jié)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬碳化物因具有熔點(diǎn)高、硬度高、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、抗腐蝕性好、優(yōu)異的耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于工具材料、耐高溫部件、耐磨部件、耐腐蝕部件、合金添加劑及其它有特殊要求的零部件上，在航空航天、軍事、機(jī)械、冶金、電子、化工等領(lǐng)域具有極為廣闊的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景，這類材料的制備與應(yīng)用在世界各國(guó)均受到了高度重視。因此，如何高效地制備高質(zhì)量的金屬碳化物粉體具有重要意義。
[0003]目前主要采用基于碳熱還原的靜態(tài)法制備金屬碳化物粉體，即使用石墨碳管爐或真空燒結(jié)爐制備金屬碳化物粉體，將堆放有原料粉體的石墨舟或托盤放置在石墨碳管爐或真空燒結(jié)爐中并在靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行煅燒、還原，然后再進(jìn)行進(jìn)一步的碳化。一批金屬碳化物粉體制備完成并出爐后，再放入另一批原料粉體進(jìn)行煅燒、還原和碳化。此種方法存在以下不足:(I)合成過程中原料受熱的溫度場(chǎng)存在不均勻性，因而同一時(shí)間不同位置的原料處于不同的反應(yīng)階段(還原或碳化)，獲得單一相組成的產(chǎn)物所需時(shí)間長(zhǎng)，且產(chǎn)物的成分和粒度分布區(qū)間較大、產(chǎn)物粘結(jié)嚴(yán)重；(2)在還原反應(yīng)階段，下層的原料粉末難以與還原性氣體接觸，導(dǎo)致其還原碳化進(jìn)程受到阻礙，并且會(huì)造成產(chǎn)物的成分和粒度不均勻；(3)該方法無法連續(xù)化生產(chǎn)且生產(chǎn)周期長(zhǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的成本過高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供金屬碳化物粉體的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)連續(xù)制備方法和旋轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)連續(xù)燒結(jié)裝置，以獲得單相的高品質(zhì)金屬碳化物粉體，并實(shí)現(xiàn)連續(xù)化批量生產(chǎn)。
[0005]本發(fā)明提供的金屬碳化物粉體的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)連續(xù)制備方法，所述金屬碳化物粉體為TiC粉體、Cr3C2粉體、VC粉體、TaC粉體、WC粉體、Mo 2C粉體、NbC粉體、ZrC粉體或HfC粉體，工藝步驟如下:
[0006](I)配料
[0007]按照各金屬碳化物粉體的化學(xué)式及所用原料之間的化學(xué)反應(yīng)，計(jì)算出制備各金屬碳化物粉體原料的摩爾比并計(jì)量各原料:
[0008]a、制備TiC粉體的原料及摩爾比
[0009]制備TiC粉體的原料為金屬Ti粉體或Ti與O的化合物粉體和還原劑，金屬Ti粉體:還原劑=1: 1，Ti與O的化合物粉體:還原劑=1: (1.8?3.2)，
[0010]b、制備Cr3C2粉體的原料及摩爾比
[0011 ]制備Cr3C2粉體的原料為Cr與O的化合物粉體和還原劑，Cr與O的化合物粉體:還原劑=1: (2?4.5)，
[0012]c、制備VC粉體的原料及摩爾比
[0013]制備VC粉體的原料為V與O的化合物粉體和還原劑，V與O的化合物粉體:還原劑=1: (3.3 ?7.2)，
[0014]d、制備TaC粉體的原料及摩爾比
[0015]制備TaC粉體的原料為Ta與O的化合物粉體和還原劑，Ta與O的化合物粉體:還原劑=1: (3.5 ?7.2)，
[0016]e、制備WC粉體的原料及摩爾比
[0017]制備WC粉體的原料為金屬W粉體或W與O的化合物粉體和還原劑，金屬W粉體:還原劑=1: 1，W與O的化合物粉體:還原劑=1: (2.8?4.2)，
[0018]f、制備Mo2C粉體的原料及摩爾比
[0019]制備Mo2C粉體的原料為Mo與O的化合物粉體和還原劑，Mo與O的化合物粉體:還原劑=1: (3.3?3.7)，
[0020]g、制備NbC粉體的原料及摩爾比
[0021 ] 制備NbC粉體的原料為Nb與O的化合物粉體和還原劑，Nb與O的化合物粉體:還原劑=1: (3.3 ?7.2)，
[0022]h、制備ZrC粉體的原料及摩爾比
[0023]制備ZrC粉體的原料為Zr與O的化合物粉體和還原劑，Zr與O的化合物粉體:還原劑=1:(2.8 ?3.2)，
[0024]1、制備HfC粉體的原料及摩爾比
[0025]制備HfC粉體的原料為Hf與O的化合物粉體和還原劑，Hf與O的化合物粉體:還原劑=1:(2.8 ?3.2)；
[0026](2)混料與干燥
[0027]將步驟(I)計(jì)量好的原料放入球磨機(jī)中，加入研磨球體和濕磨介質(zhì)進(jìn)行濕磨，使原料混合均勻，濕磨介質(zhì)的加入量以浸沒所述原料和研磨球體為限，然后過篩分離出研磨球體得混合漿料，將所得的混合漿料進(jìn)行干燥得制備TiC粉體的混合粉料、制備Cr3C2粉體的混合粉料、制備VC粉體的混合粉料、制備TaC粉體的混合粉料、制備WC粉體的混合粉料、制備Mo2C粉體的混合粉料、制備NbC粉體的混合粉料、制備ZrC粉體的混合粉料或制備HfC粉體的混合粉料；
[0028](3)燒結(jié)
[0029]燒結(jié)使用旋轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)連續(xù)燒結(jié)裝置，在開放體系下燒結(jié)，或在封閉體系下燒結(jié)，或在負(fù)壓條件下燒結(jié)，操作如下:
[0030]在開放體系下燒結(jié):在爐管處于出料口低于進(jìn)料口的傾斜狀態(tài)以0.1?3L/min的氣體流速向爐管內(nèi)充入還原性氣體或/和惰性氣體，然后使?fàn)t管旋轉(zhuǎn)并加熱爐管，當(dāng)爐管內(nèi)的溫度達(dá)到反應(yīng)溫度時(shí)，將步驟(2)得到的混合粉料連續(xù)送入爐管中，混合粉料進(jìn)入爐管后以螺旋運(yùn)動(dòng)的形式通過爐管加熱區(qū)完成反應(yīng)形成反應(yīng)產(chǎn)物，反應(yīng)產(chǎn)物落入收集室，冷卻后即得金屬碳化物粉體；
[0031]在封閉體系下燒結(jié):在爐管處于出料口低于進(jìn)料口的傾斜狀態(tài)通過抽真空使?fàn)t管內(nèi)的壓力為IXKT1?1X10 _2Pa，然后向爐管內(nèi)通入還原性氣體或/和惰性氣體使?fàn)t管內(nèi)的壓力達(dá)到常壓并使?fàn)t管為與大氣隔離的封閉體系，繼后使?fàn)t管旋轉(zhuǎn)并加熱爐管，當(dāng)爐管內(nèi)的溫度達(dá)到反應(yīng)溫度時(shí)，將步驟(2)得到的混合粉料連續(xù)送入爐管中，混合粉料進(jìn)入爐管后以螺旋運(yùn)動(dòng)的形式通過爐管加熱區(qū)完成反應(yīng)形成反應(yīng)產(chǎn)物，反應(yīng)產(chǎn)物落入收集室，冷卻后即得金屬碳化物粉體；
[0032]在負(fù)壓條件下燒結(jié):在爐管處于出料口低于進(jìn)料口的傾斜狀態(tài)通過抽真空使?fàn)t管內(nèi)的壓力為I X ?ο—1?I X 10 -2Pa,然后使?fàn)t管旋轉(zhuǎn)，同時(shí)加熱爐管并繼續(xù)抽真空，當(dāng)爐管內(nèi)的溫度達(dá)到反應(yīng)溫度時(shí)，將步驟(2)得到的混合粉料連續(xù)送入爐管中，混合粉料進(jìn)入爐管后以螺旋運(yùn)動(dòng)的形式通過爐管加熱區(qū)在負(fù)壓條件下完成反應(yīng)形成反應(yīng)產(chǎn)物，反應(yīng)產(chǎn)物落入收集室，冷卻后即得金屬碳化物粉體；
[0033]在開放體系下燒結(jié)和封閉體系下燒結(jié)的反應(yīng)溫度如下:
[0034]燒結(jié)制備TiC粉體的混合粉料時(shí)，若充入反應(yīng)室的氣體為還原性氣體，則反應(yīng)溫度為1350?1950°C，若充入反應(yīng)室的氣體為惰性氣體，則反應(yīng)溫度為1400?2000°C，若充入反應(yīng)室的氣體為還原性氣體和惰性氣體的混合氣體，則反應(yīng)溫度為1380?1980°C ；
[0035]燒結(jié)制備Cr3C2粉體或VC粉體的混合粉料時(shí)，若充入反應(yīng)室的氣體為還原性氣體，則反應(yīng)溫度為1000?1450°C，若充入反應(yīng)室的氣體為惰性氣體，則反應(yīng)溫度為1100?1550°C，若充入反應(yīng)室的氣體為還原性氣體和惰性氣體的混合氣體，則反應(yīng)溫度為1050?1500 0C ；
[0036]燒結(jié)制備TaC粉體或WC粉體的混合粉料時(shí)，若充入反應(yīng)室的氣體為還原性氣體，則反應(yīng)溫度為1300?1950 °C，若充入反應(yīng)室的氣體為惰性氣體，則反應(yīng)溫度為1400?2000°C，若充入反應(yīng)室的氣體為還原性氣體和惰性氣體的混合氣體，則反應(yīng)溫度為1350?1950 0C ；
[0037]燒結(jié)制備Mo2C粉體的混合粉料時(shí)，若充入反應(yīng)室的氣體為還原性氣體，則反應(yīng)溫度為1300?1750°C，若充入反應(yīng)室的氣體為惰性氣體，則反應(yīng)溫度為1400?1850°C，若充入反應(yīng)室的氣體為還原性氣體和惰性氣體的混合氣體，則反應(yīng)溫度為1350?1800°C ；
[0038]燒結(jié)制備NbC粉體、ZrC粉體或HfC粉體的混合粉料時(shí)，若充入反應(yīng)室的氣體為還原性氣體，則反應(yīng)溫度為1300?1950 °C，若充入反應(yīng)室的氣體為惰性氣體，則反應(yīng)溫度為1400?2000°C，若充入反應(yīng)室的氣體為還原性氣體和惰性氣體的混合氣體，則反應(yīng)溫度為1350 ?1950? ；
[0039]在負(fù)壓條件下燒結(jié)的反應(yīng)溫度如下:
[0040]燒結(jié)制備TiC粉體的混合粉料時(shí)，反應(yīng)溫度為1250?1850°C ；
[0041 ] 燒結(jié)制備Cr3C2粉體或VC粉體的混合粉料時(shí)，反應(yīng)溫度為1000?1450°C ；
[0042]燒結(jié)制備TaC粉體或WC粉體的混合粉料時(shí)，反應(yīng)溫度為1400?1850°C ；
[0043]燒結(jié)制備Mo2C粉體的混合粉料時(shí)，反應(yīng)溫度為1350?1750°C ；
[0044]燒結(jié)制備NbC粉體、ZrC粉體或HfC粉體的混合粉料時(shí)，反應(yīng)溫度為1400?1850 O。
[0045]上述方法中，所述還原性氣體為氫氣、甲烷、天然氣中的至少一種，所述惰性氣體為氮?dú)狻鍤庵械闹辽僖环N。
[0046]上述方法中，爐管的長(zhǎng)度為1.5?6m，爐管的旋轉(zhuǎn)速度為0.2?10r/min。
[0047]上述方法中，爐管的傾斜角度為0.5°?45°。
[0048]上述方法中，所述Ti與O的化合物粉體為T1粉體、T12粉體、H2T13粉體、T1SO4粉體中的一種；所述Cr與O的化合物粉體為Cr2O3粉體、(NH 4) 2Cr04粉體、(NH 4) 2Cr207粉體中的一種；所述V與O的化合物粉體為V2O3粉體、V 205粉體、NH 4V03粉體中的一種；所述Ta與O的化合物粉體為Ta2O5粉體或Ta (OH) 5粉體；所述W與O的化合物粉體為WO 3粉體、WO 2粉體、(NH4) 2胃04粉體；所述Mo與O的化合物粉體為MoO 3粉體或(NH 4)2Mo04粉體；所述Nb與O的化合物粉體為Nb2O5粉體或Nb (OH) 5粉體；所述Zr與O的化合物粉體為ZrO 2粉體、Zr (SO4) 2粉體、ZrO (CO 3) 2粉體中的一種；所述Hf與O的化合物粉體為HfO 2粉體或Hf (S0 4) 2粉體。
[0049]上述方法中，所述還原劑為石墨粉、炭黑粉、活性炭粉中的至少一種。
[0050]上述方法中，步驟(2)所述濕磨介質(zhì)為去離子水、乙醇或者丙酮，將濕磨所得混合漿料進(jìn)行干燥的操作為:在50?100°C干燥2?8h。
[0051]本發(fā)明還提供了一種用于上述方法的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)連續(xù)燒結(jié)裝置，包括儲(chǔ)料室、螺旋送料機(jī)、爐管、爐管驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加熱爐、收集室、支撐架、螺紋式升降器和托架，所述螺旋送料機(jī)的出料端設(shè)置有進(jìn)氣閥，所述儲(chǔ)料室頂部設(shè)置有密封蓋，下部設(shè)置有出料控制閥，底部的出料口與螺旋送料機(jī)連接，所述加熱爐設(shè)置有加熱器件和熱電偶，所述收集室設(shè)置有出氣閥和配有密封蓋的取料口，收集室的入口設(shè)置有進(jìn)料控制閥；
[0052]所述爐管插裝在加熱爐的爐膛內(nèi)，爐管的進(jìn)料端通過動(dòng)密封軸承與螺旋送料機(jī)的出口連接，爐管的出料端通過動(dòng)密封軸承與收集室連接，所述爐管驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)和鏈傳動(dòng)副組成，鏈傳動(dòng)副的主動(dòng)鏈輪安裝在電機(jī)的動(dòng)力輸出軸上，從動(dòng)鏈輪安裝在爐管上，鏈條套裝在主動(dòng)鏈輪和從動(dòng)鏈輪上，所述支撐架由支撐板和與支撐板一端鉸接的支架構(gòu)成，收集室和爐管驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的電機(jī)固定在支撐板上，螺旋進(jìn)料機(jī)、加熱爐和動(dòng)密封軸承分別通過固定在支撐板上的托架支撐，所述螺紋式升降器安裝在儲(chǔ)料室一側(cè)的支撐板之下并與支撐板底部連接。
[0053]上述旋轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)連續(xù)燒結(jié)裝置中，所述爐管的長(zhǎng)度LI為1.5?6m，加熱爐加熱區(qū)的長(zhǎng)度L2為I?5m。上述方法中，所述爐管加熱區(qū)即為該旋轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)連續(xù)燒結(jié)裝置的加熱爐加熱區(qū)。
[0054]上述旋轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)連續(xù)燒結(jié)裝置，爐管內(nèi)壁設(shè)置有攪拌片，所述攪拌片為2?4片，沿爐管周向均勻分布。
[0055]上述旋轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)連續(xù)燒結(jié)裝置，加熱爐設(shè)置的加熱器件為電阻式加熱器件、感應(yīng)式加熱器件、微波加熱器件、紅外加熱器件、石墨碳管爐加熱器件中的一種。
[0056]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0057]1、本發(fā)明提供了一種制備金屬碳化物粉體的新方法，由于該方法在爐管處于旋轉(zhuǎn)狀的態(tài)下進(jìn)行加熱制備金屬碳化物粉體，在制備過程中，混合粉料以螺旋運(yùn)動(dòng)的形式通過爐管加熱區(qū)并且在該過程中完成反應(yīng)形成反應(yīng)產(chǎn)物，爐管的旋轉(zhuǎn)有利于混合粉料在反應(yīng)過程中受熱均勻并與爐管內(nèi)的氣氛充分接觸，因此，本發(fā)明所述方法不但能縮短制備單相產(chǎn)物的時(shí)間，而且能提高產(chǎn)物的成分和粒度分布的均勻性，從而有效提高制備的金屬碳化物粉體的品質(zhì)。
[0058]2、由于本發(fā)明所述方法在爐管處于旋轉(zhuǎn)并且出料口低于進(jìn)料口的傾斜狀態(tài)下制備金屬碳化物粉體，在爐管的旋轉(zhuǎn)過程中，混合粉料一邊發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成反應(yīng)產(chǎn)物，一邊連續(xù)地由進(jìn)料端向出料端運(yùn)動(dòng)，加入反應(yīng)原料和收集反應(yīng)產(chǎn)物的操作均不會(huì)中斷金屬碳化物粉體的制備過程，因此，本發(fā)明所述方法實(shí)現(xiàn)了金屬碳化物粉體的連續(xù)生產(chǎn)，連續(xù)生產(chǎn)不但能降低生產(chǎn)成本，而且能提高生產(chǎn)效率。
[0059]3、本發(fā)明所述方法的操作簡(jiǎn)便，并且所采用的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)連續(xù)燒結(jié)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工制作，因此本發(fā)明所述方法有利于實(shí)現(xiàn)金屬碳化物粉體的規(guī)?；a(chǎn)。
【附圖說明】
[0060]圖1是本發(fā)明所述旋轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)連續(xù)燒結(jié)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0061]圖2為圖1的A-A剖視圖(加熱器件為電阻式加熱器件)；
[0062]圖3為圖1的A-A剖視圖(加熱器件為感應(yīng)式加熱器件);
[0063]圖4為實(shí)施例1制備的TiC粉體的XRD圖譜；
[0064]圖5為實(shí)施例1制備的TiC粉體的SEM圖片；
[0065]圖6為實(shí)施例16制備的Cr3C2粉體的XRD圖譜；
[0066]圖7為實(shí)施例30制備的VC粉體的XRD圖譜；
[0067]圖8為實(shí)施例30制備的VC粉體的SEM圖片；
[0068]圖9為實(shí)施例35制備的TaC粉體的XRD圖片；
[0069]圖10為實(shí)施例35制備的TaC粉體的SEM圖片；
[0070]圖11為實(shí)施例59制備的Mo2C粉體的XRD圖譜；
[0071]圖中，I一儲(chǔ)料室，2—螺旋送料機(jī)，3—爐管，4一加熱爐，5—收集室，6—螺紋式升降器，7—托架，8—密封蓋，9 —出料控制閥，10—?jiǎng)用芊廨S承，11 —電機(jī)，12—支撐板，13—支架，14 一攪拌片，15—加熱器件，16—熱電偶，17—進(jìn)料控制閥，18—出氣閥，19 一進(jìn)氣閥，20—冷卻介質(zhì)入口，21—冷卻介質(zhì)出口，22—鏈傳動(dòng)副，LI一爐管的長(zhǎng)度，L2—加熱爐加熱區(qū)的長(zhǎng)度，Θ —支撐板的傾斜角度。
【具體實(shí)施方式】
[0072]下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述金屬碳化物粉體的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)連續(xù)制備方法和旋轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)連續(xù)燒結(jié)裝置作進(jìn)一步說明。
[0073]下述各實(shí)施例中，原料粉體均可從市場(chǎng)購買。
[0074]實(shí)施例1
[0075]本實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)連續(xù)燒結(jié)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2為圖1的A-A剖視圖，所述旋轉(zhuǎn)式動(dòng)態(tài)連續(xù)燒結(jié)裝置由儲(chǔ)料室1、螺旋送料機(jī)2、爐管3、爐管驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加熱爐4、收集室5、支撐架、螺紋式升降器6和托架7組成；所述螺旋送料機(jī)2的出料端設(shè)置有進(jìn)氣閥19，所述儲(chǔ)料室I的頂部設(shè)置有密封蓋8，儲(chǔ)料室I的下部設(shè)置有出料控制閥9，儲(chǔ)料室I底部的出料口與螺旋送料機(jī)I連接；所述加熱爐4設(shè)置有電阻式加熱器件15和熱電偶16 ;所述收集室5設(shè)置有出氣閥18和配有密封蓋的取