CN1647877A

CN1647877A - 一种纳米级钨粉的制备方法

Info

Publication number: CN1647877A
Application number: CN 200510011275
Authority: CN
Inventors: 郭志猛; 卢广锋; 曲选辉; 金雪华; 李燏
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2005-08-03

Abstract

本发明提供了一种纳米钨粉的制备方法，以超声喷雾微波干燥法制备的纳米WO₃粉末为原料，在氢气气氛下，采用两阶段低温还原工艺，利用普通钨粉还原设备制备纳米钨粉。第一段还原温度为550~650℃，保温30~60分钟，制得纳米棕钨粉(WO₂)；第二段还原温度为650~750℃，保温60~100分钟，制得纳米钨粉。本发明的优点在于：生产的钨粉平均粒径小于50nm；设备投资小、粉末质量稳定可靠，适于工业化大规模生产。

Description

一种纳米级钨粉的制备方法

技术领域

本发明属高熔点金属粉末制备技术领域，特别是提供了一种纳米钨粉的制备方法，采用低温还原制备工艺，实用于大规模工业化生产。

背景技术

金属钨的熔点高达3410℃，在所有金属中高居首位，更可贵的是其沸点为5527℃，蒸发热为799.4J/ml，任何金属难以比拟。这一特点决定了金属钨能够成为高温、超高温条件下使用的最佳材料，因此金属钨广泛被用来制成各种电炽灯丝，超高温电热体，及超高温耐热零件等，如各种电灯丝，热电子发射灯丝及阴极，超高温电热元件，隔热屏等。

每年仅照明灯丝国内需求量高达450吨。钨电热元件(板材)年约150吨，钝钨锭坯及大型制品约170吨。近年来随着高新技术发展对高性能的钨板，尤其是宽幅(＞700mm)大面积簿板，超簿箔带高性能长寿命抗震钨丝，等需求量急增，如DVD光盘镀镍钨舟用的高质量钨片年需量已超过70吨，固体火箭喷管喉衬，耐高温鼻锥，燃气舵超高温发汗材料等，军工产品年需量超过50吨。近年来由于钨合金优异的导电，散热特性及膨胀系数可控等特点，在大规模集成电路和大功率微波器件中被用来做成基片，热沉嵌块，封装连接件和散热元件。由于钨铜合金的高导热及耐热性能，大大提高了微电子器件的使用功率，可使器件小型化，其膨胀系数可与微电子器件中的硅片，砷化镓等半导体材料及管座用陶瓷材料很好的匹配，故是理想的封装材料。据2000年不完全统计，仅此一项国内年需量200～250吨，由上可知金属钨的研发工作在国民经济发展及近代高科技发展中具有重要的意义。

我国是产钨大国，每年有2万多吨粗钨制品出口，世界各工业大国用钨量的50％是由中国提供，国内纯钨金属制品的产量约1000～1200吨，产量也居世界前列，但是在高质量钨材的生产技术及知识产权上，近年来我国几乎无有。说明新技术开发较慢，但是高新技术的发展，对纯钨及其合金材料的要求愈来愈高，无论对钨丝、板材、箔材、或以钨为基体的其它合金材料(如钨铜电工合金、钨镍铁高比重合金等)提出了组织均匀，晶粒超微细化，良好塑性的要求。但是以往的生产技术很难满足现代高科技发展要求。近几年来在W-Ni-Fe，W-Ni-Cu高比重合金，以及W-Cu合金上已有了较多的研究工作，但在纯钨材料方面的研究很少。由长期的生产经验可知钨材的制造，前期均采用粉末冶金工艺获得中间产品，其工艺主要包括：原始粉末制备、成型、烧结等工艺。然后根据产品性能要求再进一步进行热加工退火、大压缩比变形加工等才能获得最终使用的产品。研究表明，前期的粉末冶金工艺及材料研究是获得高性能钨材的关键，这一环节对钨的组织结构与性能起着决定作用。

由近15年的有关文献检索和分析中可知，目前各国在生产或研制工作中均采用粒径为2～5μm的钨粉，这种钨粉从800℃开始直到2000℃左右一直快速的聚集再长大，晶粒由2～5μm长大到200～400μm，约原始钨晶粒的60～80倍。这种粗大的钨晶粒，明显降低了纯钨材料的力学性能、物理性能、压力加工性能。若能使钨颗粒细化，则钨坯将具有优异的性能。因此，近年来，在采用纳米级超细颗粒(≤100nm)的钨粉，通过粉末冶金工艺制备超细晶粒钨坯料，并研究其综合力学性能，一直是国内外学者十分关注的热点。

近年来材料科学的进展，揭示了当金属粉末的粒度＜100nm时，其颗粒表面活性明显增大。这种粉末可明显的降低固相烧结温度100～300℃。而且随着晶粒细化，可使合金的组织结构细密，残留孔隙明显降低。综合力学和物理性能明显优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米钨粉的制备方法，采用超声喷雾微波干燥法制备纳米级(平均粒度＜30nm)的WO₃氧化物粉末，后经低温氢气还原制备成纳米级(平均晶粒≤50nm)W的粉末工艺方法。

本发明的制备工艺为：

以超声喷雾微波干燥法制备的纳米级WO₃氧化物粉末为原料，用H₂按两阶段还原，第一段还原温度为550～650℃、保温30～60分钟，制成纳米棕钨粉(WO₂)；再进行第二段H₂还原，温度为650～750℃，保温60～100分钟，制得纳米W粉。

上述二段还原的化学反应式如下：

第一段还原：

第二段还原：

还原设备采用管式还原炉，分别制成纳米WO₂棕钨粉末和纳米W粉末。

采用两阶段还原法中第一段温度较低，主要是将WO₃还原成棕钨WO₂，第二段还原温度为650℃～750℃。可保证获得纳米钨粉，在实际还原时，为了尽快的将反应产物水蒸气排除，故实际通入的H₂气流量为理论需要量的2～3倍。

钨粉粒度取决于还原温度；制备比表面积(简称BET)平均粒径100nm以下的钨粉，还原温度设置应在550～750℃之间。

本发明的优点在于：

①设备简单、投资少。在原有钨粉生产设备的基础上，适当修改工艺即可连续化大规模生产生产纳米钨粉，减少了设备投入费用。

②粉末质量稳定可靠。生产的纳米级金属钨粉，不仅粒径小于50nm，粒径非常均匀。其松装密度达到1.4～1.7g/cm³。远比目前各国常规工艺生产的钨粉粒径小，约为前者的1/10～1/20。

附图说明

附图1为本发明制备的纳米W粉的透射电镜照片。

具体实施方式

实施例1：制备1kg纳米W粉时，应按下列步骤完成

(1)称取用超声喷雾微波干燥法制备的纳米WO₃粉末1.27Kg，

(2)将纳米WO₃粉末放入管式炉的不锈钢舟皿内，料层厚度为15mm，装舟量为130克/舟，将装料后的舟皿推入管式炉内。以后每装一舟将前面的舟皿向炉内高温区顶进一舟，按照常规管式(H₂)还原炉的正常操作方法，逆流通H₂气，炉管内的H₂(截面流量)控制在60ml/cm²·min。一段还原温度为560±5℃、60分钟。

(3)将干燥后的棕钨进行第二段还原，温度为740±5℃；60分钟，舟皿经冷却带冷却后出炉。得到纳米W的超细粉末，即得到平均粒径≤80nm、松装密度为1.4～1.7g/cm³钨的粉末。

(4)对W钨粉进行性能检测，包装。

实施例2：制备5kg的金属W的纳米粉末应按下列步骤完成

(1)称取喷雾热转换法制备的WO₃氧化物粉末6.35kg.。

(2)将纳米WO₃粉末放入管式炉的不锈钢舟皿内，进行一段还原，还原温度为620±5℃，40分钟，得到纳米WO₂棕钨粉末。

(3)将干燥后的棕钨进行第二段还原，温度为660±5℃，90分钟，舟皿经冷却带冷却后出炉。得到纳米W粉末。

(4)将W钨粉料浆注入真空干燥机内，在烘干机夹层内通入90±10℃蒸气，将钨粉振动烘干，待冷却后出料，即得到平均粒径≤50nm、松装密度为1.4～1.7g/cm³钨的粉末。

(5)将纳米W钨粉进行性能检测，包装。

Claims

1、一种纳米级钨粉的制备方法，其特征在于：以超声喷雾微波干燥法制备的纳米级WO₃氧化物粉末为原料，用H₂按两阶段还原，第一段还原温度为550～650℃、保温30～60分钟，制成纳米棕钨粉WO₂；再进行第二段H₂还原，温度为650～750℃，保温60～100分钟，制得纳米W粉；二段还原的化学反应式为：

第一段还原：

第二段还原：

2、按权利要求1所述的方法，其特征在于：加热还原WO₃时，用氢气作为保护气。

3、按权利要求1所述的方法，其特征在于：钨粉粒度取决于还原温度；制备比表面积BET平均粒径100nm以下的钨粉，还原温度设置应在550～750℃之间。