CN104985194A - 一种氧化物弥散强化铁钴纳米复合粉末的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化物弥散强化铁钴纳米复合粉末的制备方法，属于纳米复合材料制备领域。具体步骤为：首先将硝酸铁、硝酸钴、弥散相硝酸盐、还原剂和络合剂按照一定比例溶于去离子水，配成溶液，加热溶液直至发生氧化还原反应，得到含有铁钴氧化物和弥散相氧化物的前驱体粉末；然后将得到的前驱体粉末在氢气或分解氨气氛中进行选择性还原，还原温度为300～900℃，还原时间为1～3小时，得到含有超细弥散均匀分布氧化物弥散相的铁钴纳米复合粉末。该方法制备的复合粉末纯度高，粒径小，粒度分布均匀，分散性好，产品性能稳定；同时该方法原料易得，设备简单，工艺简短，能耗低，安全性好，效率高，可规模化生产，为高性能氧化物弥散强化铁钴纳米复合粉末的制备提供了新的思路。

Description

一种氧化物弥散强化铁钴纳米复合粉末的制备方法
技术领域
本发明涉及一种氧化物弥散强化铁钴纳米复合粉末的制备方法，属于纳米复合材料制备领域。
背景技术
铁钴基软磁合金具有较高的饱和磁感应强度和较高的居里温度，在高温下有着广泛应用，如作为推进引擎磁轴承中的转子等。纯铁钴合金由于力学性能较低，抗蠕变能力较差，难以直接在高温下使用。现有的解决办法之一是在铁钴合金中添加少量超细的氧化物粒子来细化其晶粒以提高其力学性能。同时，超细氧化物的引入能在高温下阻止位错滑移和晶界扩散，从而使铁钴合金的高温抗蠕变性能得到提升。此外，当添加的氧化物粒子足够细小时(<100nm)，氧化物粒子容易跟铁钴基体形成共格或者半共格界面，使最后得到的铁钴合金磁性能降低较少。因此制备含有超细弥散均匀分布氧化物强化相的铁钴合金材料是拓展其在高温下应用的关键。
氧化物弥散强化铁钴合金复合材料主要通过粉末冶金方法制备，而获得高性能粉末冶金材料的第一步是获得高性能的原料粉末。现有铁钴纳米复合粉末的制备方法主要有高能球磨法、化学反应球磨法和电化学沉积法。虽然这些方法均能成功制备铁钴纳米复合粉末，但是这些方法都有其缺陷：高能球磨法和化学反应球磨法耗时耗能、容易引入杂质并难以大规模生产，同时由于球磨过程中能量较高，需要非常严格的工艺才能获得含有超细弥散均匀分布氧化物强化相的铁钴纳米复合粉末；电化学沉积法耗时较低，但粉末的成分难以精确控制，过程操作复杂，生产难度较高。因此有必要引入一种高效、易操作的方法制备高性能铁钴纳米复合粉末。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化物弥散强化铁钴纳米复合粉末的制备方法，旨在高效制备出含有超细弥散均匀分布氧化物强化相的铁钴合金粉末。
本发明首先制备氧化物前驱体粉末(包含铁、钴氧化物以及作为弥散相的氧化铝或氧化钇)，接着将前驱体粉末在氢气或分解氨气氛中进行选择性还原，铁钴氧化物粉末在氢气中还原为铁钴固溶体基体，而作为弥散相的氧化铝或氧化钇由于化学稳定性较高不能被还原而得到保留并均匀分布在铁钴基体之中，最后得到含有超细弥散均匀分布氧化物强化相的铁钴纳米复合粉末。制备工艺如图1所示，具体步骤如下：
1)纳米前驱体粉末的制备：将硝酸铁、硝酸钴、弥散相硝酸盐、还原剂和络合剂按照一定比例溶于去离子水，配成溶液，加热溶液直至发生氧化还原反应，得到含有纳米铁钴氧化物和弥散相氧化物的前驱体粉末。
2)选择性还原：将得到的前驱体粉末在氢气或分解氨气氛中还原，还原温度为300～900℃，还原时间为1～3小时，得到含有超细弥散均匀分布氧化物强化相的铁钴纳米复合粉末，其透射电镜形貌如图2a所示，为典型的纳米晶结构，对图2a所示圆圈部分进行能谱分析结果如图2b所示，由图可见在100nm的区域内含有Fe、Co和Y元素，Y元素均匀分布在纳米晶之中。
目标铁钴纳米复合粉末中各相的比例由原料中相应硝酸盐的比例决定，一般保证目标复合粉末中氧化物弥散相的质量分数为0.1-2％，铁钴固溶体基体的质量分数99.9～98％，其中铁钴固溶体基体内铁的质量分数30～70％，钴的质量分数为70～30％。弥散相硝酸盐为硝酸钇或硝酸铝；还原剂为甘氨酸、尿素中至少一种，其与硝酸铁的摩尔比为(0.05～3):1；络合剂为葡萄糖、柠檬酸、四乙酸二氨基乙烷(EDTA)中至少一种，其与硝酸铁的摩尔比为(0.1～1.5):1。
该方法具有以下优点：
1)利用溶液中各原料之间的快速反应，在十几分钟内简便快捷地制备出前驱体粉末；
2)在液相中可实现各成分在分子水平上的均匀混合，有利于复合粉末中固溶体基体铁钴元素以及弥散相的均匀分布；
3)前驱体活性高，可降低还原温度，缩短反应时间；
4)所制备的复合粉末纯度高，弥散相颗粒细小，分布均匀，基体粉末粒径小，分散性好，并且可以通过改变原料种类、配比、还原温度和时间来调控弥散相颗粒以及基体粉末颗粒的大小；
5)原料易得，设备简单，工艺流程短，效率高，成本低，适合规模化工业生产，为高性能氧化物弥散强化铁钴纳米复合粉末制备提供了新的思路。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图
图2为Fe50Co50-1wt.Y2O3％纳米复合粉末的TEM形貌照片和相应的点能谱分析
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的阐述。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1：Fe50Co50-1wt.Y2O3％纳米复合粉末的制备
将硝酸铁、硝酸钴、硝酸钇、甘氨酸和葡萄糖溶于去离子水，配成溶液，加热溶液直至发生氧化还原反应，得到纳米氧化物前驱体粉末，其中硝酸钴与硝酸铁的摩尔比为0.95:1，硝酸钇与硝酸铁的摩尔比为0.01:1，甘氨酸与硝酸铁的摩尔比为2:1,葡萄糖与硝酸铁的摩尔比为0.3:1；将前驱体粉末在700℃下氢气气氛中还原2小时，得到氧化钇平均尺寸为10nm的Fe50Co50-1wt.Y2O3％纳米复合粉末。
实施例2：Fe50Co50-2wt.Y2O3％纳米复合粉末的制备
将硝酸铁、硝酸钴、硝酸钇、甘氨酸和葡萄糖溶于去离子水，配成溶液，加热溶液直至发生氧化还原反应，得到纳米氧化物前驱体粉末，其中硝酸钴与硝酸铁的摩尔比为0.95:1，硝酸钇与硝酸铁的摩尔比为0.02:1，甘氨酸与硝酸铁的摩尔比为2:1,葡萄糖与硝酸铁的摩尔比为0.3:1；将前驱体粉末在600℃下氢气气氛中还原2小时，得到氧化钇平均尺寸为15nm的Fe50Co50-2wt.Y2O3％纳米复合粉末。
实施例3：Fe50Co50-1wt.Al2O3％纳米复合粉末的制备
将硝酸铁、硝酸钴、硝酸铝、甘氨酸和葡萄糖溶于去离子水，配成溶液，加热溶液直至发生氧化还原反应，得到纳米氧化物前驱体粉末，其中硝酸钴与硝酸铁的摩尔比为0.95:1，硝酸铝与硝酸铁的摩尔比为0.02:1，甘氨酸与硝酸铁的摩尔比为1.5:1,葡萄糖与硝酸铁的摩尔比为0.3:1；将前驱体粉末在900℃下氢气气氛中还原2小时，得到氧化铝平均尺寸为30nm的Fe50Co50-1wt.Al2O3％纳米复合粉末。
实施例4：Fe30Co70-2wt.Al2O3％纳米复合粉末的制备
将硝酸铁、硝酸钴、硝酸铝、甘氨酸和EDTA溶于去离子水，配成溶液，加热溶液直至发生氧化还原反应，得到纳米氧化物前驱体粉末，其中硝酸钴与硝酸铁的摩尔比为2.21:1，硝酸铝与硝酸铁的摩尔比为0.07:1，甘氨酸与硝酸铁的摩尔比为1:1,EDTA与硝酸铁的摩尔比为1:1；将前驱体粉末在900℃下氢气气氛中还原2小时，得到氧化铝平均粒径为35nm的Fe30Co70-2wt.Al2O3％纳米复合粉末
实施例5：Fe70Co30-0.5wt.Y2O3％纳米复合粉末的制备
将硝酸铁、硝酸钴、硝酸钇、甘氨酸和葡萄糖溶于去离子水，配成溶液，加热溶液直至发生氧化还原反应，得到纳米氧化物前驱体粉末，其中硝酸钴与硝酸铁的摩尔比为0.41:1，硝酸钇与硝酸铁的摩尔比为0.0035:1，甘氨酸与硝酸铁的摩尔比为0.5:1,葡萄糖与硝酸铁的摩尔比为1:1；将前驱体粉末在400℃下分解氨气氛中还原1小时，得到氧化钇平均尺寸为8nm的Fe70Co30-0.5wt.Y2O3％纳米复合粉末。

Claims (3)

1.一种氧化物弥散强化铁钴纳米复合粉末的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)纳米前驱体粉末的制备：将硝酸铁、硝酸钴、弥散相硝酸盐、还原剂和络合剂按照一定比例溶于去离子水，配成溶液，加热溶液直至发生氧化还原反应，得到含铁钴氧化物和弥散相氧化物的前驱体粉末，其中还原剂与硝酸铁的摩尔比为(0.05～3):1，络合剂与硝酸铁的摩尔比为(0.1～1.5):1；
2)选择性还原：将得到的前驱体粉末在氢气或分解氨气氛中进行选择性还原，还原温度为300～900℃，还原时间为1～3小时，得到含有超细弥散均匀分布氧化物强化相的铁钴纳米复合粉末。
2.根据权利要求1所述一种氧化物弥散强化铁钴纳米复合粉末的制备方法，其特征在于步骤1)中弥散相硝酸盐为硝酸钇或硝酸铝，还原剂为甘氨酸、尿素中至少一种，络合剂为葡萄糖、柠檬酸和四乙酸二氨基乙烷(EDTA)中至少一种。
3.根据权利要求1所述一种氧化物弥散强化铁钴纳米复合粉末的制备方法，其特征在于：目标铁钴纳米复合粉末中各相的比例由原料中相应硝酸盐的比例决定，一般保证目标复合粉末中氧化物弥散相的质量分数为0.1-2％，铁钴固溶体基体的质量分数99.9～98％，其中固溶体基体内铁的质量分数30～70％，钴的质量分数为70～30％。
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