CN113929099A - 一种超细碳化钨粉末的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超细碳化钨粉末的制备方法，运用于金属化合物粉末制备领域，包括：将镍基底放入反应室内，通入三十分钟的氢气后，打开加热装置加热至650℃，将六氟化钨气体、甲烷气体、氢气和氩气分别通入反应室内进行化学气相沉积，气体比例为1:10:25，反应半小时后关闭反应气体，通入氩气，加入抗静电剂混合，冷却半小时后取出样品，采用六氟化钨、甲烷和氢气为原材料，镍板为基底，镍板性能稳定，并且反应在氩气范围下进行，氢气被还原成氟化氢，全程没有引入新的元素，能保证其生成的超细碳化钨的纯度。
Description
技术领域
本发明涉及金属化合物粉末制备领域，特别涉及为一种超细碳化钨粉末的制备方法。
背景技术
硬质合金是由碳化钨硬质相和粘结相(Co、Ni、Fe)组成的合金材料，具有很高的硬度、强度，韧性、耐磨性和抗腐蚀性等优点，被誉为“工业牙齿”，应用于制备切削刀具、钻具、精密模具、耐磨零件等，广泛应用于军工、航天航空、机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、电子通讯、建筑等领域，而碳化钨粉末是制备硬质合金的关键原料，高品质碳化钨粉末是制备高性能硬质合金的基础；研究表明提高硬质合金性能的有效途径是减小合金的晶粒度至超细尺寸，甚至达到纳米级尺寸，纳米碳化钨硬质合金是众多材料研究工作者正在竭力追求的兼具高韧性和高硬度的“双高”材料，其技术关键是原料粉末的制备及合金的烧结，也就是碳化钨粉末的超细制作，根据发明《CN109019603A》公开的一种碳化钨粉末的制备方法，包括步骤S1、将钨粉、炭黑和油酸混合得到混合物；步骤S2、将所述混合物进行碳化、球磨和过筛得到碳化钨粉末，该发明通过在钨粉和炭黑中添加油酸，提高了钨粉和炭黑混合的均匀性，从而提高了碳化钨的碳化速率，提高了碳化转化率和化合碳的含量，改善了碳化钨的结晶完整性。该发明中制备的碳化钨粉末的大小还达不到制备高韧性和高强度的特性，并且在纳米级的碳化钨粉末中还存在有团聚现象，团聚现象的产生会让纳米级的碳化钨凝聚成团，影响其合成硬质金属的性能。根据以上问题，本发明提出一种超细碳化钨粉末的制备方法。
发明内容
本发明旨在解决生成超细碳化钨粉末以及纳米粉末间的团聚效应问题，提供一种超细碳化钨粉末的制备方法。
本发明提供一种超细碳化钨粉末的制备方法，包括：以六氟化钨、甲烷和氢气为原材料，所述制备方法采用化学气相沉积法包括：
a.制备收集六氟化钨气体；
b.将基底分别用丙酮、去离子水、乙醇和去离子水超声波清洗，干燥后放入反应室内；
c.往反应室内在热氛围下通入100ml/min氢气，保持三十分钟；
d.将六氟化钨气体、甲烷气体、氢气和氩气分别通入反应室内进行化学气相沉积，六氟化钨、甲烷和氢气的比例为1：10：25，温度在600℃—800℃；
e.反应后的样品在氮气中退火处理，加入抗静电剂搅拌均匀；
f.冷却后取出，经纯净水、稀盐酸清洗后烘干得到成品直径10-20nm的超细碳化钨粉末。
进一步的，所述的超细碳化钨粉末的制备方法，所述步骤a中制备收集六氟化钨气体步骤中，
(1)将六氟化钨晶体放入密封容器中，排出空气进行加热生成六氟化钨气体，并将六氟化钨气体收集；
(2)将六氟化钨液体放入密封容器中，排出空气进行加热生成六氟化钨气体，并将六氟化钨气体收集。
进一步的，所述的超细碳化钨粉末的制备方法，所述步骤b中将基底分别用丙酮、去离子水、乙醇和去离子水超声波清洗，干燥后放入反应室内步骤中；
丙酮、去离子水、乙醇和去离子水超声波用于清洗基底表面的氧化物，保证基底纯度，所述基底为镍板或钛板。
进一步的，所述的超细碳化钨粉末的制备方法，所述步骤c中往反应室内在热氛围下通入100ml/min氢气，保持三十分钟步骤中；
氢气将反应室内的空气排出，并与基底表面氧化物反应，彻底清洗基底表面的氧化物。
进一步的，所述的超细碳化钨粉末的制备方法，所述步骤d中将六氟化钨气体、甲烷气体、氢气和氩气分别通入反应室内进行化学气相沉积，六氟化钨、甲烷和氢气的比例为1：10：25，温度在600℃—800℃步骤中，所述六氟化钨气体的流量为2L/min。
进一步的，所述的超细碳化钨粉末的制备方法，所述步骤e中反应后的样品在氮气中退火处理，加入抗静电剂搅拌均匀，所述退火处理将样品放置在氮气中冷却至40℃。
进一步的，所述的超细碳化钨粉末的制备方法，所述步骤e中反应后的样品在氮气中退火处理，加入抗静电剂搅拌均匀，所述抗静电剂的制备步骤为：
A、将长链脂肪胺、酰胺、季铵盐、磷酸酯、聚乙二醇酯、水和催化剂放入密炼机中混合制备抗静电剂大颗粒；
B、将抗静电剂大颗粒干燥后通过高压气流筛分粉碎成粉末；
所述制备的抗静电剂粉末直径小于10nm。
进一步的，所述的超细碳化钨粉末的制备方法，所述长链脂肪胺、酰胺、季铵盐、磷酸酯、聚乙二醇酯、水的比例份额分别为：
长链脂肪胺5份；
酰胺2份；
季铵盐0.5份；
磷酸酯6份；
聚乙二醇酯3份；
水5份。
一种超细碳化钨粉末的制备装置，所述制备装置包括：反应室、加热装置和架体，所述架体设于反应室内，所述加热装置设于反应室外，所述反应室内还设有若干气体入口以及排气口，所述若干气体入口与排气口在反应室内相对设置，所述基板放置在架体上。
进一步的，所述的超细碳化钨粉末的制备方法，所述若干气体入口和排气口出还设有气体计量器。
本发明提供了一种超细碳化钨粉末的制备方法，具有以下有益效果：
(1)采用六氟化钨、甲烷和氢气为原材料，镍板为基底，镍板性能稳定，并且反应在氩气范围下进行，氢气被还原成氟化氢，全程没有引入新的元素，能保证其生成的超细碳化钨的纯度。
(2)针对纳米级粒子的团聚现象，制备抗静电剂混合在碳化钨粉末中，静电剂性能稳定，有力的保证了超细碳化钨粉末中粒子的独立性，大大增强了碳化钨粉末的性能。
附图说明
图1为本发明超细碳化钨粉末的制备方法一个实施例的整体流程图；
图2为本发明超细碳化钨粉末的制备方法在不同温度下的实验数据图；
图3为本发明超细碳化钨粉末的制备方法在不同原料比例下杂质碳化二钨产量的实验数据图；
本发明为目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考附图1-3，为本发明一实施例中的超细碳化钨粉末的制备方法的
在一个实施例中，一种超细碳化钨粉末的制备方法，包括：以六氟化钨、甲烷和氢气为原材料，所述制备方法采用化学气相沉积法包括：
a.制备收集六氟化钨气体；
b.将基底分别用丙酮、去离子水、乙醇和去离子水超声波清洗，干燥后放入反应室内；
c.往反应室内在热氛围下通入100ml/min氢气，保持三十分钟；
d.将六氟化钨气体、甲烷气体、氢气和氩气分别通入反应室内进行化学气相沉积，六氟化钨、甲烷和氢气的比例为1：10：25，温度在600℃—800℃；
e.反应后的样品在氮气中退火处理，加入抗静电剂搅拌均匀；
f.冷却后取出，经纯净水、稀盐酸清洗后烘干得到成品直径10-20nm的超细碳化钨粉末。
在具体实施时，先用六氟化钨的液体或结晶采用热分解法制备出六氟化钨气体，六氟化钨气体易在潮湿空气中生成杂质，保存时应该保存在密闭容器中，然后将基底分别用丙酮、去离子水、乙醇和去离子水超声波清洗，干燥后放入反应室内，基底采用镍板或者钛板，在高温下不易与其他物质发生反应，具有稳定的化学性质，丙酮、去离子水、乙醇和去离子水超声波将基板表面的氧化物除去，防止金属氧化物与六氟化钨反应生成杂质，接着往反应室内在热氛围下通入100ml/min氢气，保持三十分钟，将反应室内的空气排出后，打开加热组件将基板加热至600℃—800℃后，将六氟化钨气体、甲烷气体、氢气和氩气分别通入反应室内进行化学气相沉积，六氟化钨、甲烷和氢气的比例为1：10：25，反应后的样品在氮气中退火处理，加入抗静电剂搅拌均匀，冷却后取出，经纯净水、稀盐酸清洗后烘干得到成品直径10-20nm的超细碳化钨粉末；由于纳米级的碳化钨粉末容易产生团聚现象，即多个碳化钨固体聚合在一起，采用抗静电剂混合进入超细碳化钨粉末内可以将单个碳化钨粒子的表面聚合有抗静电膜，使得两碳化钨粒子间发生轻微排斥现象，让碳化钨粉末不能因团聚现象而聚集成团，大大保证了其性能。
在实施例1中，将镍基底放入反应室内，通入三十分钟的氢气后，打开加热装置加热至600℃，将六氟化钨气体、甲烷气体、氢气和氩气分别通入反应室内进行化学气相沉积，反应半小时后关闭反应气体，通入氩气，加入抗静电剂混合，冷却半小时后取出样品，其中六氟化钨气体流量为10ml/min，甲烷气体流量为100ml/min，氢气流量为250ml/min，氩气流量为1000ml/min。
在实施例2中，将镍基底放入反应室内，通入三十分钟的氢气后，打开加热装置加热至650℃，将六氟化钨气体、甲烷气体、氢气和氩气分别通入反应室内进行化学气相沉积，反应半小时后关闭反应气体，通入氩气，加入抗静电剂混合，冷却半小时后取出样品，其中六氟化钨气体流量为10ml/min，甲烷气体流量为100ml/min，氢气流量为250ml/min，氩气流量为1000ml/min。
在实施例3中，将镍基底放入反应室内，通入三十分钟的氢气后，打开加热装置加热至700℃，将六氟化钨气体、甲烷气体、氢气和氩气分别通入反应室内进行化学气相沉积，反应半小时后关闭反应气体，通入氩气，加入抗静电剂混合，冷却半小时后取出样品，其中六氟化钨气体流量为10ml/min，甲烷气体流量为100ml/min，氢气流量为250ml/min，氩气流量为1000ml/min。
在实施例4中，将镍基底放入反应室内，通入三十分钟的氢气后，打开加热装置加热至800℃，将六氟化钨气体、甲烷气体、氢气和氩气分别通入反应室内进行化学气相沉积，反应半小时后关闭反应气体，通入氩气，加入抗静电剂混合，冷却半小时后取出样品，其中六氟化钨气体流量为10ml/min，甲烷气体流量为100ml/min，氢气流量为250ml/min，氩气流量为1000ml/min。
在实施例5中，将镍基底放入反应室内，通入三十分钟的氢气后，打开加热装置加热至900℃，将六氟化钨气体、甲烷气体、氢气和氩气分别通入反应室内进行化学气相沉积，反应半小时后关闭反应气体，通入氩气，加入抗静电剂混合，冷却半小时后取出样品，其中六氟化钨气体流量为10ml/min，甲烷气体流量为100ml/min，氢气流量为250ml/min，氩气流量为1000ml/min。
在实施例6中，将镍基底放入反应室内，通入三十分钟的氢气后，打开加热装置加热至800℃，将六氟化钨气体、甲烷气体、氢气和氩气分别通入反应室内进行化学气相沉积，反应半小时后关闭反应气体，通入氩气，加入抗静电剂混合，冷却半小时后取出样品，其中六氟化钨气体流量为10ml/min，甲烷气体流量为100ml/min，氢气流量为100ml/min，氩气流量为1000ml/min。
在实施例7中，将镍基底放入反应室内，通入三十分钟的氢气后，打开加热装置加热至600℃，将六氟化钨气体、甲烷气体、氢气和氩气分别通入反应室内进行化学气相沉积，反应半小时后关闭反应气体，通入氩气，加入抗静电剂混合，冷却半小时后取出样品，其中六氟化钨气体流量为10ml/min，甲烷气体流量为100ml/min，氢气流量为10ml/min，氩气流量为1000ml/min。
根据图2所示，实施例1-5中，随着温度的升高，采用600℃—800℃时，碳化钨随着温度的升高碳化钨直径减小，900℃时碳化钨粒子直径增大，由此可见采用该方法制备碳化钨粉末的最适宜温度为800℃。
根据图3所示，实施例4、6、7中，在温度不变的情况下，改变通入六氟化钨气体与氢气的比例，随着比例的下降，氢原子的浓度不足，不能把钨粒子还原完全。
在一个实施例中，所述的超细碳化钨粉末的制备方法，所述步骤e中反应后的样品在氮气中退火处理，加入抗静电剂搅拌均匀，所述抗静电剂的制备步骤为：
A、将长链脂肪胺、酰胺、季铵盐、磷酸酯、聚乙二醇酯、水和催化剂放入密炼机中混合制备抗静电剂大颗粒；
B、将抗静电剂大颗粒干燥后通过高压气流筛分粉碎成粉末；
所述制备的抗静电剂粉末直径小于10nm。
其中，长链脂肪胺、酰胺、季铵盐、磷酸酯、聚乙二醇酯、水的比例份额分别为：
长链脂肪胺5份；
酰胺2份；
季铵盐0.5份；
磷酸酯6份；
聚乙二醇酯3份；
水5份。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种超细碳化钨粉末的制备方法，其特征在于，以六氟化钨、甲烷和氢气为原材料，其特征在于，所述制备方法采用化学气相沉积法包括：
a.制备收集六氟化钨气体；
b.将基底分别用丙酮、去离子水、乙醇和去离子水超声波清洗，干燥后放入反应室内；
c.往反应室内在热氛围下通入100ml/min氢气，保持三十分钟；
d.将六氟化钨气体、甲烷气体、氢气和氩气分别通入反应室内进行化学气相沉积，六氟化钨、甲烷和氢气的比例为1：10：25，温度在600℃—800℃；
e.反应后的样品在氮气中退火处理，加入抗静电剂搅拌均匀；
f.冷却后取出，经纯净水、稀盐酸清洗后烘干得到成品直径10-20nm的超细碳化钨粉末。
2.根据权利要求1所述的超细碳化钨粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤a中制备收集六氟化钨气体步骤中，
(1)将六氟化钨晶体放入密封容器中，排出空气进行加热生成六氟化钨气体，并将六氟化钨气体收集；
(2)将六氟化钨液体放入密封容器中，排出空气进行加热生成六氟化钨气体，并将六氟化钨气体收集。
3.根据权利要求1所述的超细碳化钨粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤b中将基底分别用丙酮、去离子水、乙醇和去离子水超声波清洗，干燥后放入反应室内步骤中；
丙酮、去离子水、乙醇和去离子水超声波用于清洗基底表面的氧化物，保证基底纯度，所述基底为镍板或钛板。
4.根据权利要求1所述的超细碳化钨粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤c中往反应室内在热氛围下通入100ml/min氢气，保持三十分钟步骤中；
氢气将反应室内的空气排出，并与基底表面氧化物反应，彻底清洗基底表面的氧化物。
5.根据权利要求1所述的超细碳化钨粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤d中将六氟化钨气体、甲烷气体、氢气和氩气分别通入反应室内进行化学气相沉积，六氟化钨、甲烷和氢气的比例为1：10：25，温度在600℃—800℃步骤中，所述六氟化钨气体的流量为2L/min。
6.根据权利要求1所述的超细碳化钨粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤e中反应后的样品在氮气中退火处理，加入抗静电剂搅拌均匀，所述退火处理将样品放置在氮气中冷却至40℃。
7.根据权利要求1所述的超细碳化钨粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤e中反应后的样品在氮气中退火处理，加入抗静电剂搅拌均匀，所述抗静电剂的制备步骤为：
A、将长链脂肪胺、酰胺、季铵盐、磷酸酯、聚乙二醇酯、水和催化剂放入密炼机中混合制备抗静电剂大颗粒；
B、将抗静电剂大颗粒干燥后通过高压气流筛分粉碎成粉末；
所述制备的抗静电剂粉末直径小于10nm。
8.根据权利要求7所述的超细碳化钨粉末的制备方法，其特征在于，所述长链脂肪胺、酰胺、季铵盐、磷酸酯、聚乙二醇酯、水的比例份额分别为：
长链脂肪胺5份；
酰胺2份；
季铵盐0.5份；
磷酸酯6份；
聚乙二醇酯3份；
水5份。
9.一种超细碳化钨粉末的制备装置，其特征在于，实施权利要求1-8所述的超细碳化钨粉末的制备方法，所述制备装置包括：反应室、加热装置和架体，所述架体设于反应室内，所述加热装置设于反应室外，所述反应室内还设有若干气体入口以及排气口，所述若干气体入口与排气口在反应室内相对设置，所述基板放置在架体上。
10.根据权利要求9所述的超细碳化钨粉末的制备方法，其特征在于，所述若干气体入口和排气口出还设有气体计量器。
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