CN104261837B - 一种制备高氮铬粉的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备高氮铬粉的工艺方法，属于陶瓷粉末材料制备技术领域。该方法包括：通过金属铝粉与三氧化二铬粉发生自蔓延还原反应，加入硝酸钠作为发热剂、尿素作为增氮剂，反应制得含氮金属铬粉，作为进一步氮化的前驱体；将含氮金属铬粉压制成型置于高温氮化炉内，通入高纯氮气，温度控制在800-900℃，高纯氮气压力1000-101325Pa，氮化时间10-20h，制备高氮铬粉。本发明能够制备出氮含量15-20％的高氮铬粉，且生产工艺简单，适于规模化生产。

Description

一种制备高氮铬粉的方法
技术领域
本发明涉及陶瓷粉末材料的制备方法，特别是一种制备高氮铬粉的方法。
背景技术
金属铬与氮在不同条件下会形成具有不同氮含量的物质，一般认为金属铬的氮化物是CrN和Cr2N，通称氮化铬。CrN和Cr2N都是耐热合金重要的冶金第二相，特别是对特种钢来说，可以作为增强添加剂。但是，CrN和Cr2N具有不同的物理、化学、机械性能。一般认为，CrN的综合使用性能高于Cr2N，如CrN的化学稳定性明显高于Cr2N。因此，市场对氮化金属铬的需求满足氮含量与价格的正比关系。
在该领域，学者们进行了诸多研究，查阅相关文献：中国专利公开(公告)号：CN1343625，“一种由纳米氧化铬直接氮化制备纳米氮化铬粉体的方法”；中国专利公开(公告)号：CN103204480A，“一种生产纳米氮化铬粉末的方法”；中国专利公开(公告)号：CN103318855A，“一种氮化铬的制备方法”，上述公开方法的氮源均为氨气。但是在生产实践中，氨气的排放处理及其高温下产物的后处理会加大生产危险性和操作难度。B Sh Braverman等在Combustion，Explosion and Shock Waves，1999,35(5):501-505中，以及CL Yeh等在Journalof Alloys and Compounds，2006，426(1):131-135中分别报道了采用金属铬粉与氮气自蔓延反应生成氮化铬，主要产物为CrN和Cr2N。但上述制备过程需要超高压强，对反应设备要求很高，且无法大批量连续生产。相对而言，利用氮气直接氮化金属铬粉制备高氮铬粉的方法发展潜力较大，由于该方法制造成本低，安全性高，工艺简单，可操作性强，在实际生产中已有多家公司在尝试。中国专利公开(公告)号：CN101979701B，“一种金属铬固态氮化的工艺方法”，刘飞在铁合金，2002(3):14-15中报道的氮化金属铬的研制，均为利用金属铬粉直接氮化生产高氮铬粉，但是该方法制备产品的氮含量偏低，一般在9-12％，氮化产品中主要氮化物为Cr2N，理论氮含量为11.87％，无法满足市场对更高氮含量的要求。
发明内容
本发明提供了一种制备高氮铬粉的方法，从而获得氮含量15-20％的高氮铬粉。
本发明提供的一种制备高氮铬粉的方法包括以下步骤：
a.按质量百分比取粉体材料，铝粉：20-30％；硝酸钠：10-20％；三氧化二铬：50-60％；尿素：5-15％，将以上原料按比例加入混料机，混合6-8h，卸料，得到混合料；
b.将混合料在液压机中压制成型，得到粉末压坯，压制压力300-450MPa，保压时间20-30s；
c.将粉末压坯在电烘箱中干燥，干燥温度100-120℃，干燥时间10-24h，保护气氛为高纯氮气，保持正压；
d.将上述干燥后的粉末压坯放入敞口反应釜，使用镁条引燃，进行还原反应，在反应过程中向敞口反应釜内继续添加粉末压坯，制得还原产物含氮金属铬；
e.将上述制备的含氮金属铬球磨至-325目，得到含氮金属铬粉；
f.检测含氮金属铬粉质量百分比氮含量，要求氮含量为2-6％，其他元素符合金属铬生产中国国家标准GBT 3211-2008；
g.将含氮金属铬粉在液压机中压制成型，得到含氮金属铬粉压坯，压制压
力400-550MPa，保压时间20—30s；
h.将含氮金属铬粉压坯置于高温氮化炉内，启动真空泵抽真空1-2h，真空度为10-30Pa，期间充入过量高纯氮气洗涤3-4次，去除炉内所吸附的杂质气体；
i.通入高纯氮气，开始氮化反应，氮化反应分两个阶段完成，第一阶段：氮化温度700-800℃，高纯氮气压力为1000-101325Pa，氮化时间为6-12h；第二阶段：氮化温度800-900℃，氮气压力为1000-101325Pa，氮化时间为4—8h；
j.氮化完成后，在高纯氮气保护下冷却至室温，得到烧结态的氮化产物，再进行球磨，得到-200目的高氮铬粉；
k.检测高氮铬粉质量百分比氮含量，要求氮含量为15-20％。
步骤a所述三氧化二铬粉末和铝粉均为-200目，纯度为工业纯。
所述的混料机为双锥式混料机；液压机为粉末冶金成型用液压机；球磨机为内衬聚氨酯材料的可倾式球磨机；敞口反应釜为铸钢材质锥型罐体；高温氮化炉为真空压力烧结炉；所述的高纯氮气纯度≥99.99％。
本发明与现有制备方法相比，其显著的有益效果体现在：
采用成熟自蔓延还原反应制备金属铬技术，加入增氮剂对还原出金属铬同时渗氮，得到具有氮含量为2-6％的含氮金属铬粉作为前驱体。再利用高纯氮气在高温氮化炉中进行氮化，可以制备出氮含量为15-20％的高氮铬粉产品。该方法具有工艺简单、流程短的特点，可以满足高产量、低成本的工业化生产要求。比现有金属铬粉直接氮化生产高氮铬粉的产品氮含量高5％以上。
附图说明
图1是一种制备高氮铬粉的方法所得含氮金属铬粉的X射线衍射图。
图2是一种制备高氮铬粉的方法所得高氮铬粉的X射线衍射图。
具体实施方式
一种制备高氮铬粉的方法的步骤如下：
a.按质量百分比取粉体材料，铝粉：25％；硝酸钠：15％；三氧化二铬：50％；尿素：10％，所述粉体均为-200目，纯度为工业纯，将以上原料依次加入双锥混料机，混合6h，卸料，得到混合料；
b.将混合料在液压机中压制成型，得到粉末压坯，坯块为φ160×H60的圆柱体，压制力400MPa，保压时间20s，压制设备为粉末冶金成型用液压机；
c.将粉末压坯在电烘箱中干燥，干燥温度100℃，干燥时间12小时，保护气氛为高纯氮气，保持正压；
d.将上述干燥后的粉末压坯放入敞口反应釜，使用镁条引燃，进行还原反应，在反应过程中向敞口反应釜内继续添加粉末压坯，制得还原产物含氮金属铬；
b.将上述制备的含氮金属铬球磨至-325目，得到含氮金属铬粉；
c.检测含氮金属铬粉质量百分比氮含量，氮含量为4.10％，其他元素符合金属铬生产中国国家标准GBT 3211-2008；
g.将含氮金属铬粉在液压机中压制成型，得到含氮金属铬粉压坯，压制压力为300MPa，保压时间20秒；
h.将含氮金属铬粉压坯置于高温氮化炉内，启动真空泵抽真空1h，真空度为10-30Pa，期间充入过量高纯氮气洗涤3次，去除炉内所吸附的杂质气体；
i.通入高纯氮气，开始氮化反应，氮化反应分两个阶段完成，第一阶段：氮化温度800℃，高纯氮气压力为1000Pa，氮化时间为10h；第二阶段：氮化温度900℃，氮气压力101325Pa，氮化时间为8h；
j.氮化完成后，在高纯氮气保护下冷却至室温，得到烧结态的氮化产物，再进行球磨，得到-200目的高氮铬粉；
k.检测高氮铬粉质量百分比氮含量，氮含量为18.9％。

Claims (3)

1.一种制备高氮铬粉的方法，其特征是该方法包括以下步骤：
a.按质量百分比取粉体材料，铝粉：20-30％；硝酸钠：10-20％；三氧化二铬：50-60％；尿素：5-15％，将以上原料按比例加入混料机，混合6-8h，卸料，得到混合料；
b.将混合料在液压机中压制成型，得到粉末压坯，压制压力300-450MPa，保压时间20-30s；
c.将粉末压坯在电烘箱中干燥，干燥温度100-120℃，干燥时间10-24h，保护气氛为高纯氮气，保持正压；
d.将上述干燥后的粉末压坯放入敞口反应釜，使用镁条引燃，进行还原反应，在反应过程中向敞口反应釜内继续添加粉末压坯，制得还原产物含氮金属铬；
e.将上述制备的含氮金属铬球磨至-325目，得到含氮金属铬粉；
f.检测含氮金属铬粉的氮含量质量百分比，要求氮含量为2-6％，其他元素符合金属铬生产中国国家标准GBT 3211-2008；
g.将含氮金属铬粉在液压机中压制成型，得到含氮金属铬粉压坯，压制压力400-550MPa，保压时间20—30s；
h.将含氮金属铬粉压坯置于高温氮化炉内，启动真空泵抽真空1-2h，真空度为10-30Pa，期间充入过量高纯氮气洗涤3-4次，去除炉内所吸附的杂质气体；
i.通入高纯氮气，开始氮化反应，氮化反应分两个阶段完成，第一阶段：氮化温度700-800℃，高纯氮气压力为1000-101325Pa，氮化时间为6-12h；第二阶段：氮化温度800-900℃，氮气压力为1000-101325Pa，氮化时间为4—8h；
j.氮化完成后，在高纯氮气保护下冷却至室温，得到烧结态的氮化产物，再进行球磨，得到-200目的高氮铬粉；
k.检测高氮铬粉的氮含量质量百分比，要求氮含量为15-20％。
2.根据权利要求1所述的一种制备高氮铬粉的方法，其特征是步骤a所述三氧化二铬粉末和铝粉均为-200目，纯度为工业纯。
3.根据权利要求1所述的一种制备高氮铬粉的方法，其特征是所述的混料机为双锥式混料机；液压机为粉末冶金成型用液压机；球磨机为内衬聚氨酯材料的可倾式球磨机；敞口反应釜为铸钢材质锥型罐体；高温氮化炉为真空压力烧结炉；所述的高纯氮气纯度≥99.99％。
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