CN108622899B - 一种纯净Fe3C粉体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纯净Fe3C粉体的制备方法，包括以下步骤：(1)将还原Fe粉和活性炭粉按Fe3C分子式中的原子比换算成质量比，称重后装入球磨罐中，同时加入适当大小的研磨球和研磨介质；(2)将装有混合样品的球磨罐放入球磨机中球磨6到10小时，取出还原Fe粉和活性炭粉的混合粉体；(3)将混合粉体在压片机上预压成型后装入钼杯；(4)将装有混合样品的钼杯放入六面顶大腔体压机中，在压力为1‑3GPa和温度为600‑800℃的条件下烧结，随后降温冷却至室温；(5)将冷却后的样品从钼杯中取出，然后将其放在玛瑙研钵中碾碎，即可。本发明工艺过程简单，合成所需时间较少，所得粉体主要的物理性能指标较优良。

Description

一种纯净Fe3C粉体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种硬度较高、具有良好的耐腐蚀能力且在磁记录材料，催化剂和高温高压物理研究等方面有良好应用的Fe3C粉体材料的制备方法。
背景技术
Fe3C在冶金上称为渗碳体，是一种灰白色结晶粉末，相对密度为7.694，熔点为1227℃。作为钢铁材料中最为主要的强化相，Fe3C很早就受到科学家们的关注。目前研究主要分为两个方向：1、以第一性原理技术为代表的计算机模拟方式，主要获取Fe3C在结构、力学性能等方面的信息。2、通过实验手段来获取Fe3C的颗粒并探究诸如声速、密度等方面的性能。至今为止纯Fe3C的制备方法主要有热还原、热分解、磁控溅射、化学气相沉淀以及高温高压直接合成。
早在1975年，Gray等人便利用热还原法进行Fe3C的合成，他们利用在510-540℃下的 CO还原Fe2O3，得到Fe3C，但主要的问题是样品的纯度不高，会有C、Fe2O3等杂质。他们将样品通过XRD数据计算得到Fe3C的含量在25wt％，远远达不到我们所需的要求。
热分解法最早是由Peter R等人在1968年报道的，通过在一定温度以及相应的还原气氛中对含Fe有机物进行加热，就可以得到Fe3C。但是含Fe有机物原料较昂贵，而且不稳定，实验比较繁琐，产量也较少,不利于推广使用。
磁控溅射被用来制备Fe3C薄膜，以及在一定基体上沉淀的Fe3C颗粒。日本科学家Tajima 在1993年就利用射频溅射的方法获得在石英玻璃基体上的Fe3C薄膜。但是，生成物较小，生产设备复杂，造价昂贵，要用于工业生产困难很大。
化学气相沉积作为一种制备碳纳米管的常用方法，其在制备碳管过程中最为常用的催化剂就是Fe，故而在利用CVD法制备碳管过程中往往就能得到碳管等包裹Fe3C纳米颗粒的一个包覆结构。但是，很难获得纯净的Fe3C化合物，且操作难度大，不利于推广。
Wood等人在2004年直接通过Fe与C的混合得到Fe3C。具体工艺为，通过将质量比为9:1的 Fe与C的混合粉末压制成球状，而后将其放入Pyrex活塞圆柱系统中。在1.5GPa，1473—1523K 的条件在烧结30min，得到Fe3C与少量剩余石墨的混合体。本方法，反应温度太高，且反应不完全，需要进一步改进。
综合上述分析，我们决定采用高温高压的方法进行Fe3C的合成。我们采用化学性质更加活泼的活性炭代替石墨，在进行高温高压烧结之前，运用球磨法降低样品的反应能。找到了一种制作工艺简单，反应条件适中的Fe3C制备方法。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：提供一种成本低廉、工艺环节易于控制的单一Fe3C化合物粉体的制备方法。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的纯净Fe3C粉体的制备方法，包括以下步骤：
(1)将还原Fe粉和活性炭粉按Fe3C分子式中的原子比换算成质量比，称重后装入球磨罐中，同时加入适当大小的研磨球和研磨介质；
(2)将装有混合样品的球磨罐放入球磨机中球磨6到10小时，取出还原Fe粉和活性炭粉的混合粉体；
(3)将混合粉体在压片机上预压成型后装入钼杯；
(4)将装有混合样品的钼杯放入六面顶大腔体压机中，在压力为1-3GPa和温度为600-800℃的条件下烧结，随后降温冷却至室温；
(5)将冷却后的样品从钼杯中取出，然后将其放在玛瑙研钵中碾碎，即得到纯净的Fe3C 粉体。
上述方法中，所述还原Fe粉和活性炭粉的纯度≥99％，且颗粒大小≥200目，于此，可以使增大两种粉末接触面积,以便于反应。
上述方法中，研磨球的大小按大、中、小三种比例搭配好，并且最大研磨球的直径为 0.8-1.2cm，于此，可以使样品充分研磨(研磨球直径越大,动能越大)。
上述方法中，研磨介质为无水乙醇，加入无水乙醇的量要保证液面淹没粉体和研磨球，于此，可以避免研磨过程中产生高温以及样品氧化。
上述方法中，球磨过程中应设置球磨机每隔半小时转换球磨方向，研磨时间为6-10小时，于此，可以使样品充分研磨(避免朝向一个方向而研磨不均)。
上述方法中，混合均匀后的粉体采用真空烘干，真空烘箱的温度为120℃，真空度≤1KPa。
上述方法步骤(3)中，混合样品在压片机上的保压时间≥4分钟，以便压缩成型,可以放入钼杯中。
上述方法步骤(4)中，烧结时间为≤30分钟。
上述方法步骤(4)中，在六面顶大腔体压机中，升温速率≥2℃/秒，升压速率≥100MPa/ 秒。于此，可以使样品充分反应。
本发明与现有技术相比具有以下主要的有益效果：
1.在使用六面顶大腔体压机合成样品时是同时加温加压一次合成的，不用分阶段进行烧结实验，简化了实验步骤，与现有技术采用1个小时以上的实验相比，大大缩短了样品合成所需的时间。
2.用活性炭和大中小不同的研磨球进行实验，大大缩小了球磨所需的时间。
3.合成过程中，没有添加任何杂质成分(如催化剂)，保证了样品的纯净。
4.，将该粉体进行XRD检测，其结果如图2所示，从图2中可以看出Fe3C的峰十分明显。
5.工艺过程简单，合成所需时间较少，所制备的Fe3C粉体主要的物理性能指标较优良，例如用铁吸附最终合成的样品粉末，发现粉末呈磁性。
附图说明
图1为Fe3C粉体的制备工艺流程示意图。
图2为本发明所制得的Fe3C粉体样品XRD检测的结果。
图3为石墨和Fe粉所制得的Fe3C粉体样品XRD检测的结果。
图4为甲苯和Fe粉所制得的Fe3C粉体样品XRD检测的结果。
图5为样品烧结结构简装图。
图中：1.叶腊石；2.叶腊石环；3.导电钢丸；4.钛片；5.盐片；6.镁片；7.石墨管； 8.镁环；9.钼杯；10.样品。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
实施例1.
首先，将纯度≥99％的还原Fe粉(纯度和目数分别为：99％和200目)和石墨粉(纯度和目数分别为：99.9％和1000目)按Fe3C分子式中的原子比换算成质量比，称重后装入玛瑙球磨罐中。同时将碳化钨材质和玛瑙材质的研磨球按大、中、小三种比例(例如直径 3mm,5mm,10mm)搭配好，并且保证大研磨球直径在1cm左右，之后加入无水乙醇至漫过还原Fe粉和活性炭粉的混合粉体。
其次，将装有混合粉体的球磨罐放入行星球磨机中以300到500rpm的转速球磨6到10 小时，设置球磨机每半个小时换一次方向。待球磨后的粉体随球磨罐冷却到室温后取出，放入真空炉中于60℃烘干。将烘干后的粉体在压片机上以15到20MPa的压力下预压成型后的样品装入钼杯。
紧接着，如图5所示，将预压后的样品装入镁环中，在镁环上下放入镁片。接着将被MgO包围的样品放入石墨管中，并在其上下依次放入盐片和镁片。再将石墨管包裹后的样品放入叶腊石中，并依次在上下两面放入钛片和导电钢丸，其中导电钢丸要放入叶腊石环中。至此，样品装填入叶腊石中。
然后，将装有样品的叶腊石放入六面顶大腔体压机中进行加压烧结，先以≥100MPa/秒的速度快速加压至1-3GPa，保持压力恒定，再以2℃/秒的速度升温到600-800℃，在保持压力和温度恒定的条件下烧结10分钟，随后以恒定速率降温降压，得到烧结好的样品。
最后，将烧结好的样品从钼杯中取出，放入样品袋中，用锤子轻轻凿碎成颗粒，并将其放在玛瑙研钵中进一步慢慢碾碎,用手指处摸无颗粒感，将粉末进行XRD检测，如图3所示，只观察到Fe和C的峰，发现没有Fe3C生成。
实施例2.
本实施例的工艺过程同实施例1，只是以下工艺参数有不同变化：
用甲苯溶液(浓度为99％)代替石墨作为碳源和Fe粉进行混合，溶液加至漫过Fe粉即可；在六面顶大腔体压机烧结时将升温速率调为1℃/秒。保压保温时间延长至15分钟。将合成后的粉末进行XRD检测,如图4所示，只观察到Fe和C的峰，发现没有Fe3C生成。
实施例3.
本实施例的工艺过程同实施例1，只是以下工艺参数有不同变化：
用活性炭(纯度和目数分别为：99％和200目)代替石墨作为碳源和Fe粉进行混合；在六面顶大腔体压机烧结时将升温速率调为≥2℃/秒。保压保温时间延长至25-30分钟。将合成后的粉末进行XRD检测，如图2所示,发现Fe3C的峰十分明显，即得到纯净的Fe3C粉体。

Claims (7)

1.一种纯净Fe3C粉体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将还原Fe粉和活性炭粉按Fe3C分子式中的原子比换算成质量比，称重后装入球磨罐中，同时加入适当大小的研磨球和研磨介质；研磨介质为无水乙醇，加入无水乙醇的量要保证液面淹没粉体和研磨球；
(2)将装有混合样品的球磨罐放入球磨机中球磨6到10小时，取出还原Fe粉和活性炭粉的混合粉体；
(3)将混合粉体在压片机上预压成型后装入钼杯；
(4)将装有混合样品的钼杯放入六面顶大腔体压机中，在压力为1-3GPa和温度为600-800℃的条件下烧结25-30分钟，随后降温冷却至室温；
(5)将冷却后的样品从钼杯中取出，然后将其放在玛瑙研钵中碾碎，即得到纯净的Fe3C粉体。
2.如权利要求1所述的纯净Fe3C粉体的制备方法，其特征在于所述还原Fe粉和活性炭粉的纯度≥99％，且颗粒大小≥200目。
3.如权利要求1所述的纯净Fe3C粉体的制备方法，其特征在于研磨球的大小按大、中、小三种比例搭配好，并且最大研磨球的直径为0.8-1.2cm。
4.如权利要求1所述的纯净Fe3C粉体的制备方法，其特征在于，球磨过程中应设置球磨机每隔半小时转换球磨方向，研磨时间为6-10小时。
5.如权利要求1所述的纯净Fe3C粉体的制备方法，其特征在于，混合均匀后的粉体采用真空烘干，真空烘箱的温度为120℃，真空度≤1KPa。
6.如权利要求1所述的纯净Fe3C粉体的制备方法，其特征在于步骤(3)中，混合样品在压片机上的保压时间≥4分钟。
7.如权利要求1所述的纯净Fe3C粉体的制备方法，其特征在于步骤(4)中，在六面顶大腔体压机中，升温速率≥2℃/秒，升压速率≥100MPa/秒。
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