CN1033624C - 直流电弧等离子体方法生产镍或铁超微粉的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于利用热等离子体生产金属超微粉的方法。以镍或铁为阳极，钨棒为阴极，在33～36A/mm²电流密度下产生电弧，在氢-氩气氛总压强为10～750torr气体流量为(1.4～2.2)×10^-6m³s^-1条件下熔融镍或铁生成超微粒子。之后，对封闭室抽真空，再充入氩气，在纯氩气氛中对超微粉钝化1/3～1小时。本发明的工艺可生产出高纯度的稳定不自燃的5～50nm镍或铁超微粉。由于粒度均匀、产率高、成本低而适于工业化生产。

Description

直流电弧等离子体方法生产镍或铁超微粉的工艺

本发明涉及一种功能材料——金属超微粉的生产方法。

金属超微粉是指微粒在几纳米(nm)至几百nm数量级的金属微粉。它具有普通金属块所不具备的许多特性，因而作为新型功能材料具有广阔的应用前景和市场。

经检索，与本发明的技术相接近的是美国专利，申请号784304，申请日1985年10月4日，专利号4689075，公告日1987年8月25日，名称为“生产金属或陶瓷的混合超微粉的工艺”。该专利给出了利用炽热的等离子体获得两种或更多种金属或陶瓷超微粉的均匀混合物的方法，这种金属-金属、金属-陶瓷、陶瓷-陶瓷的超微粉混合物易于生产，同时可以避免发生金属或陶瓷同类材料的原生结聚。该工艺是以氢气、氮气、氧气、氢氮混合气、氮氧混合气或任何所述的混合气体与惰性气体构成气氛，气氛的压强为50torr到3个大气压(0.0665～3.039×10⁵Pa)，最佳压强为接近大气压强(1.013×10⁵Pa)，这种工艺虽然解决了制备超微粉中的原生结聚问题，但使用的方法为同时制备两种或两种以上金属或陶瓷混合微粉，要制得单纯金属超微粉仍存在原生结聚和易于自燃的难题。

本发明的目的在于给出最佳条件，制备高纯度高产率金属镍(或铁)超微粉，并且通过钝化处理方法使镍(或铁)超微粉不发生原生结聚和自燃。

本发明利用在氢-氩混合气体中热等离子体生产金属超微粉的方法，生产镍或铁超微粉，其工艺分为制备超微粒子和钝化处理两个步骤。所说的制备超微粒子是以金属镍(或铁)作为产生电弧的阳极，以钨棒作为产生电弧的阴极，加直流电源，于一个封闭室内用电弧熔融金属镍(或铁)，制备出镍(或铁)的超微粒子，混合气体的总压强为(0.0133～0.9999)×10⁵Pa范围，通入封闭室内的氢-氩气氛中的氢气和氩气的分压比为(1.2～3)∶1，氢-氩气氛的气体流量为(1.4～2.2)×10^-6m³s^-1范围。所说的电弧是在电流密度为33～36A/mm²电流条件下产生的。在制备出超微粒子之后，还要进行钝化处理，钝化处理过程为：停止向封闭室内充入氢气和氩气，抽真空使封闭室真空度高于10^-1Pa量级，再充入纯氩气，保持氩气压强为(0.8～1.0)×10⁵Pa范围使超微粒子钝化20～59分钟；所制备出的镍或铁超微粉平均粒度在5～50nm之间。

在生产过程中，为了控制镍(或铁)超微粉的粒度，可采用控制氢-氩气氛的总压强的办法，在采用本发明的工艺条件下，在总压强为(0.0133～0.9999)×10⁵Pa范围内进行调解，可得到平均粒度在5～50nm之间、分布半高宽不大于10nm的镍(或铁)超微粉。压强越高，粒度越大。对制备出的镍(或铁)超微粉使用透射电镜进行粒度分布测试，所得到的粒度分布曲线是以粒度(nm)为横坐标，粒度分布为纵坐标，曲线呈正态对数分布曲线形状。这里提到的分布半高宽是指，粒度分布曲线峰值高度一半的点做平行于横坐标的直线，该直线与粒度分布曲线的两个交点所对应的粒度(nm)范围。从粒度分布曲线可以表征制备出的镍(或铁)超微粉的粒度大小和均匀性。分布半高宽对应于粒度的均匀性，分布半高宽越小，均匀性越好。

同时，氢-氩气氛的总压强对电弧的稳定、对镍(或铁)超微粒子的生产速率、粒度均匀程度有重大影响。实验和较大批量生产的结果表明，优选的氢-氩气氛总压强在(0.400～0.864)×10⁵Pa范围电弧稳定、产率高、粒度均匀。对镍超微粒子氢-氩气氛总压强在(0.533～0.864)×10⁵Pa为最佳压强值，对铁超微粒子氢-氩气氛总压强在(0.400～0.526)×10⁵Pa为最佳压强值。在氩气氛中钝化的最佳时间是30～50分钟。

经本发明制备出的镍(或铁)超微粉，其纯度取决于原料金属的纯度，而制备出的镍(或铁)超微粉由于有部分非金属元素被挥发，使镍(或铁)的超微粉的金属纯度不低于原料的金属纯度。而且由于制备过程中没有使用氧、氮、碳等气体或物质，因而不会生成镍(或铁)的氧化物、氮化物或碳化物。发明人使用99.5％的化学纯镍金属作原料，制备出的镍超微粉经化学纯度分析证明超微粉的纯度为99.5％。

本发明制备的超微粉为纯金属超微粉，不是金属或陶瓷的混合超微粉，并且具有粒度小、且均匀、稳定不自燃的特点。由X光小角衍射和透射电镜检测证明平均粒度在10～50nm之间，远低于500～1000nm。这在精细化工中的催化、超硬材料结合剂等方面的应用是大有益处的。

本发明由于改进了工艺条件，特别是针对金属镍(或铁)制备成超微粉确定了氢-氩气氛的氢、氩分压比，选择了气氛的最佳压强范围，改进了钝化处理的工艺过程和条件，使镍(或铁)超微粉的生产速率大大提高。就直径为0.45米，高为0.5米的那样大小封闭室的一个系统而言，每小时可制备出100～200克镍(或铁)超微粉。

由于采用钝化处理工艺，不仅制备出单一的高纯金属的镍(或铁)超微粉，而且使超微粉稳定，在空气中在室温下稳定不自燃，且金属微粒表面污染更少。

由于使用气体的流量小，钝化时间短，因而可以大大降低生产成本，提高生产效率，加上生产速率高，就很适合于较大规模的工业化生产。

Claims (2)

1.利用在氢—氩混合气体中热等离子体生产金属超微粉的方法，本发明的特征在于以金属镍或铁作为阳极，以钨棒作为阴极，加直流电源，用产生的电弧熔融金属镍或铁制备超微粒子；通入封闭室内的氢—氩气氛中的氢气和氩气的分压比为(1.2～3)∶1，混合气体的总压强为(0.0133～0.9999)×10⁵Pa，氢—氩气氛的气体流量为(1.4～2.2)×10^-6m³s^-1；所说的电弧是在电流密度为33～36A/mm²电流条件下产生的；在制备出超微粒子之后，还要进行钝化处理，钝化处理过程为：停止向封闭室内充入氢气和氩气，抽真空使封闭室真空度高于10^-1Pa量级，再充入纯氩气，保持氩气压强为(0.8～1.0)×10⁵Pa范围使超微粒子钝化20～59分钟；所制备出的镍或铁超微粒子平均粒度在5～50nm之间。

2.按照权利要求1所述的利用在氢—氩混合气体中热等离子体生产金属超微粉的方法，其特征在于在制备超微粉中，优选的氢—氩气氛的总压强为(0.400～0.864)×10⁵Pa；对制备镍超微粉时，氢—氩气氛总压强最佳范围为(0.533～0.864)×10⁵Pa；对制备铁超微粒子时的氢—氩气氛总压强最佳范围为(0.400～0.526)×10⁵Pa。