CN101391310B - 硬脂酸络合法制备纳米级弥散强化金属用预合金粉末的方法 - Google Patents
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Abstract
硬脂酸络合法制备纳米级弥散强化金属用预合金粉末的方法，属于金属材料领域。将含基体和弥散相金属离子的硝酸盐混合物，加入到融熔的硬脂酸中。再加温升热，控制升温速率。在一定温度下保温，使溶液中的水分蒸发掉。继续升温达到一定温度时保温。有红棕色气体溢出，溶液逐渐变粘稠，直至不再生成红棕色的气体。室温冷却后，得到的混合物在不同的温度下煅烧，得到氧化物混合粉体。将所得的混合物在氢气流中选择还原，即得到纳米级氧化物弥散强化金属用的预合金粉末。将预合金粉末压制烧结后得到的产品性能较好。本发明原料来源广、价格便宜，各组分含量可以精确控制，且设备简单，操作方便，生产周期短，一些不能水解聚合的金属离子也可以通过该方法制得氧化物纳米晶。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，属于液相制混合金属氧化物粉末的范畴。采用络合溶胶-凝胶—干燥—焙烧—氢气还原的工艺，综合了有机化学、胶体化学、无机化学及粉末冶金等相关知识，适用于各类要求良好的高温性能或力学性能的金属粉末制品的生产。
技术背景
弥散强化技术特别是对提高高温合金的热稳定性和硬度、强度是十分有效的手段，也是一般金属提高高温性能和力学性能的很好的方法。一般认为氧化物颗粒越细小，分布越均匀，能使材料的性能提高越显著。氧化物弥散强化在高性能铜合金，高温合金等领域已有非常成功的应用实例。
目前，在制备氧化物弥散材料上主要采用机械合金化，内氧化技术。中国发明专利：CN200610128421.8公开了一种内氧化的方法制备Al2O3弥散强化铜合金材料。中国发明专利：CN94112582.3公开了一种机械球磨合金化的方法制备弥散强化铜电阻焊电极材料。文献1(材料工程，1995，4：6)报道了，以Fe原始粉末，以Cr、Al、Ti、Mo为中间合金粉末，以Y2O3粉(d<50nm)为第二相弥散强化粒子，通过机械合金化工艺制备高温合金。这些方法对材料的性能有一定的提高，但存在成本高，不易控制，弥散程度不够均匀，达不到高性能要求等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备纳米氧化物弥散强化金属用预合金粉末的方法。此法的特点，成本低，操作易控制，制备的弥散相能均匀弥散分布在基体金属合金粉末中。
本发明的原理是：硬脂酸是一种两亲性的有机酸，端基的羧酸基几乎同所有金属离子都有较强的配位作用。另外由于硬脂酸的熔点较低(约70℃)，它本身可以用作各种金属盐的溶剂。将含基体金属离子和弥散相金属离子的硝酸盐溶于熔融的硬脂酸中，由于硬脂酸兼有配合剂和表面活性剂的双重作用，各种金属离子在液相可以达到高度均匀稳定的混合，保证了在后续工艺处理中弥散氧化物在基体中的大小和均匀分布。
硬脂酸络合法制备纳米级弥散强化金属用预合金粉末的方法，将三颈烧瓶固定在电热套内，加入一定量的硬脂酸，通电升温加热；待硬脂酸完全熔解后准确快速加入含基体和弥散相金属离子的硝酸盐混合物，再加温升热，控制升温速率；在一定温度下保温，使溶液中的水分蒸发掉；继续升温达到一定温度时保温，有红棕色气体溢出，溶液逐渐变粘稠，直至不再生成红棕色的气体；室温冷却后，得到的混合物在不同的温度下煅烧，得到氧化物混合粉末；将所得的混合物在氢气流中选择还原，制得纳米级氧化物弥散强化金属用预合金粉末。具体工艺步骤如下：
a、将三颈烧瓶固定在电热套内，加入一定量分析纯的硬脂酸，通电升温加热，待硬脂酸完全熔解，温度控制在70-80℃；
b、按照n(硬脂酸):n(金属离子)＝3.5-4:1称取分析纯的含基体和弥散相金属离子的硝酸盐混合加入融熔的硬脂酸中，基体金属硝酸盐最终生成基体金属，弥散相金属硝酸盐最终生成弥散相氧化物；将原料折合成弥散相氧化物和基体金属的质量时，氧化物弥散相占总质量的质量分数在0.25％—5％；
c、加温升热，控制升温速率。在100℃保温，使溶液中的水分蒸发掉。继续升温达到120-130℃时保温。有红棕色气体溢出，溶液逐渐变粘稠，直至不再生成红棕色的气体；
d、室温冷却，之后于马弗炉中300-500℃焙烧得到超细氧化物混合粉；
e、超细氧化物混合粉在600-800℃下进行还原，保护气氛为氢气，还原时间为40-60min，得到纳米级弥散相颗粒与纳米级基体颗粒高度均匀混合的预合金粉末；
f、将所得预合金粉末在900-1100Mpa压力下钢模压制，然后在H2气氛下，进行烧结，烧结温度为1100-1250℃，保温时间为50-90min。由于纳米级氧化物的高度均匀弥散强化，从而获得了性能优良的合金材料。
其中所用的硝酸盐必须溶于融熔的硬脂酸，并能与硬脂酸形成配合物；在通常条件下，基体金属氧化物可以被氢气还原，基体元素可为：Fe、Ni、Co、Cu或其合金；在通常条件下，弥散相选择陶瓷类金属氧化物，不能被氢气还原，弥散相氧化物可为：Al2O3、ThO2、Y2O3中的一种。
本发明的优点在于：
该法具有混合均匀(在原子水平上混合)，由于合成过程中不需水的参与，从而防止了金属离子的水解沉淀现象，大大拓展了该方法的应用范围。同醇盐溶胶-凝胶法相比，该方法原料来源广、价格便宜，一些不能水解聚合的金属离子也可以通过该方法制得氧化物纳米晶。该法又不同于共沉淀法，各金属元素在制备过程中不损失，而且不会引入外来杂质，因此产物的各组分含量可以通过控制原料的加入量得到精确控制。另外，该方法生产设备简单，操作方便，生产周期短，是一种较理想的制备纳米级氧化物弥散强化金属用预合金粉末方法。
实施例
实施例1：1.0％氧化铝弥散强化铁基合金
(1)将三颈烧瓶固定在电热套内，加入503克分析纯的硬脂酸，通电升温加热到70℃，待硬脂酸完全熔解；
(2)称取分析纯Fe(NO3)3.9H2O 202克，Al(NO3)3.9H2O 2.1克，溶入融熔的硬脂酸中；
(3)加温升热，控制升温速率，在100℃保温，使溶液中的水分蒸发掉；
(4)继续升温达到120℃时保温，有红棕色气体溢出，溶液逐渐变粘稠，直至不再生成红棕色的气体；
(5)室温冷却，之后于马弗炉中300℃焙烧得到超细氧化物混合粉；
(6)将分解后的氧化物在600℃的氢气流中还原60min，得到纳米氧化铝弥散的铁粉；
(7)将所得铁粉在900Mpa压力压制，1100℃烧结90min后得到的产品性能良好。
实施例2：2.0％氧化钇弥散强化铁基合金
(1)将三颈烧瓶固定在电热套内，加入503克分析纯的硬脂酸，通电升温加热到80℃，待硬脂酸完全熔解；
(2)称取分析纯Fe(NO3)3.9H2O 202克，Y(NO3)3.6H2O 1.94克，溶入融熔的硬脂酸中；
(3)加温升热，控制升温速率，在100℃保温，使溶液中的水分蒸发掉；
(4)继续升温达到130℃时保温，有红棕色气体溢出，溶液逐渐变粘稠，直至不再生成红棕色的气体；
(5)室温冷却，之后于马弗炉中500℃焙烧得到超细氧化物混合粉；
(6)将分解后的氧化物混合粉在800℃的氢气流中还原40min，得到纳米氧化铝弥散的铁粉；
(7)将所得铁粉在1100Mpa压力压制，1200℃烧结50min后得到的产品性能良好。
上例所制备的氧化物弥散强化金属产品，工艺简单，容易控制，具有较好的高温性能和较高的强度硬度和耐磨性。
Claims (4)
1.硬脂酸络合法制备纳米级弥散强化金属用预合金粉末的方法，其特征在于：用硬脂酸有机配合物做络合剂，在融熔状态下与基体金属离子和弥散相金属离子发生络合作用，形成高度分散的溶胶；再通过热分解的方法去除溶胶中的有机配体，得到超细氧化物混合粉末；然后将所得的混合物在氢气流中进行选择还原，从而获得了纳米级弥散相颗粒与纳米级基体颗粒高度均匀混合的预合金粉末；
具体工艺步骤为：
a、将三颈烧瓶固定在电热套内，加入一定量分析纯的硬脂酸，通电升温加热，待硬脂酸完全熔解，温度控制在70-80℃；
b、按照硬脂酸∶金属离子＝3.5-4∶1称取分析纯的含基体和弥散相金属离子的硝酸盐混合加入融熔的硬脂酸中，基体金属硝酸盐最终生成基体金属，弥散相金属硝酸盐最终生成弥散相氧化物；将原料折合成弥散相氧化物和基体金属的质量时，氧化物弥散相占总质量的质量分数在0.25％-5％；
c、加温升热，控制升温速率，在100℃保温，使溶液中的水分蒸发掉，继续升温达到120-130℃时保温，有红棕色气体溢出，溶液逐渐变粘稠，直至不再生成红棕色的气体；
d、室温冷却，之后于马弗炉中300-500℃焙烧得到超细氧化物混合粉；
e、超细氧化物混合粉在600-800℃下进行还原，保护气氛为氢气，还原时间为40-60min，得到纳米级弥散相颗粒与纳米级基体颗粒高度均匀混合的预合金粉末。
2.按照权利要求1所述硬脂酸络合法制备纳米级弥散强化金属用预合金粉末的方法，其特征在于所用的硝酸盐必须溶于融熔的硬脂酸，并能与硬脂酸形成配合物。
3.按照权利要求1所述硬脂酸络合法制备纳米级弥散强化金属用预合金粉末的方法，其特征在于基体金属氧化物能被氢气还原，基体元素为：Fe、Ni、Co、Cu或其合金。
4.按照权利要求1所述硬脂酸络合法制备纳米级弥散强化金属用预合金粉末的方法，其特征在于弥散相选择陶瓷类金属氧化物，不能被氢气还原，弥散相氧化物为：Al2O3、ThO2、Y2O3中的一种。
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