專利名稱：一種納米級鎢粉的制備方法
技術領域：
本發明屬高熔點金屬粉末制備技術領域，特別是提供了一種納米鎢粉的制備方法，采用低溫還原制備工藝，實用于大規模工業化生產。
背景技術：
金屬鎢的熔點高達3410℃，在所有金屬中高居首位，更可貴的是其沸點為5527℃，蒸發熱為799.4J/ml，任何金屬難以比擬。這一特點決定了金屬鎢能夠成為高溫、超高溫條件下使用的最佳材料，因此金屬鎢廣泛被用來制成各種電熾燈絲，超高溫電熱體，及超高溫耐熱零件等，如各種電燈絲，熱電子發射燈絲及陰極，超高溫電熱元件，隔熱屏等。
每年僅照明燈絲國內需求量高達450噸。鎢電熱元件(板材)年約150噸，鈍鎢錠坯及大型制品約170噸。近年來隨著高新技術發展對高性能的鎢板，尤其是寬幅(＞700mm)大面積簿板，超簿箔帶高性能長壽命抗震鎢絲，等需求量急增，如DVD光盤鍍鎳鎢舟用的高質量鎢片年需量已超過70噸，固體火箭噴管喉襯，耐高溫鼻錐，燃氣舵超高溫發汗材料等，軍工產品年需量超過50噸。近年來由于鎢合金優異的導電，散熱特性及膨脹系數可控等特點，在大規模集成電路和大功率微波器件中被用來做成基片，熱沉嵌塊，封裝連接件和散熱元件。由于鎢銅合金的高導熱及耐熱性能，大大提高了微電子器件的使用功率，可使器件小型化，其膨脹系數可與微電子器件中的硅片，砷化鎵等半導體材料及管座用陶瓷材料很好的匹配，故是理想的封裝材料。據2000年不完全統計，僅此一項國內年需量200～250噸，由上可知金屬鎢的研發工作在國民經濟發展及近代高科技發展中具有重要的意義。
我國是產鎢大國，每年有2萬多噸粗鎢制品出口，世界各工業大國用鎢量的50％是由中國提供，國內純鎢金屬制品的產量約1000～1200噸，產量也居世界前列，但是在高質量鎢材的生產技術及知識產權上，近年來我國幾乎無有。說明新技術開發較慢，但是高新技術的發展，對純鎢及其合金材料的要求愈來愈高，無論對鎢絲、板材、箔材、或以鎢為基體的其它合金材料(如鎢銅電工合金、鎢鎳鐵高比重合金等)提出了組織均勻，晶粒超微細化，良好塑性的要求。但是以往的生產技術很難滿足現代高科技發展要求。近幾年來在W-Ni-Fe，W-Ni-Cu高比重合金，以及W-Cu合金上已有了較多的研究工作，但在純鎢材料方面的研究很少。由長期的生產經驗可知鎢材的制造，前期均采用粉末冶金工藝獲得中間產品，其工藝主要包括原始粉末制備、成型、燒結等工藝。然后根據產品性能要求再進一步進行熱加工退火、大壓縮比變形加工等才能獲得最終使用的產品。研究表明，前期的粉末冶金工藝及材料研究是獲得高性能鎢材的關鍵，這一環節對鎢的組織結構與性能起著決定作用。
由近15年的有關文獻檢索和分析中可知，目前各國在生產或研制工作中均采用粒徑為2～5μm的鎢粉，這種鎢粉從800℃開始直到2000℃左右一直快速的聚集再長大，晶粒由2～5μm長大到200～400μm，約原始鎢晶粒的60～80倍。這種粗大的鎢晶粒，明顯降低了純鎢材料的力學性能、物理性能、壓力加工性能。若能使鎢顆粒細化，則鎢坯將具有優異的性能。因此，近年來，在采用納米級超細顆粒(≤100nm)的鎢粉，通過粉末冶金工藝制備超細晶粒鎢坯料，并研究其綜合力學性能，一直是國內外學者十分關注的熱點。
近年來材料科學的進展，揭示了當金屬粉末的粒度＜100nm時，其顆粒表面活性明顯增大。這種粉末可明顯的降低固相燒結溫度100～300℃。而且隨著晶粒細化，可使合金的組織結構細密，殘留孔隙明顯降低。綜合力學和物理性能明顯優化。
發明內容
本發明的目的在于提供一種納米鎢粉的制備方法，采用超聲噴霧微波干燥法制備納米級(平均粒度＜30nm)的WO3氧化物粉末，后經低溫氫氣還原制備成納米級(平均晶粒≤50nm)W的粉末工藝方法。
本發明的制備工藝為以超聲噴霧微波干燥法制備的納米級WO3氧化物粉末為原料，用H2按兩階段還原，第一段還原溫度為550～650℃、保溫30～60分鐘，制成納米棕鎢粉(WO2)；再進行第二段H2還原，溫度為650～750℃，保溫60～100分鐘，制得納米W粉。
上述二段還原的化學反應式如下第一段還原第二段還原還原設備采用管式還原爐，分別制成納米WO2棕鎢粉末和納米W粉末。
采用兩階段還原法中第一段溫度較低，主要是將WO3還原成棕鎢WO2，第二段還原溫度為650℃～750℃。可保證獲得納米鎢粉，在實際還原時，為了盡快的將反應產物水蒸氣排除，故實際通入的H2氣流量為理論需要量的2～3倍。
鎢粉粒度取決于還原溫度；制備比表面積(簡稱BET)平均粒徑100nm以下的鎢粉，還原溫度設置應在550～750℃之間。
本發明的優點在于①設備簡單、投資少。在原有鎢粉生產設備的基礎上，適當修改工藝即可連續化大規模生產生產納米鎢粉，減少了設備投入費用。
②粉末質量穩定可靠。生產的納米級金屬鎢粉，不僅粒徑小于50nm，粒徑非常均勻。其松裝密度達到1.4～1.7g/cm3。遠比目前各國常規工藝生產的鎢粉粒徑小，約為前者的1/10～1/20。
附圖1為本發明制備的納米W粉的透射電鏡照片。
具體實施例方式
實施例1制備1kg納米W粉時，應按下列步驟完成(1)稱取用超聲噴霧微波干燥法制備的納米WO3粉末1.27Kg，(2)將納米WO3粉末放入管式爐的不銹鋼舟皿內，料層厚度為15mm，裝舟量為130克/舟，將裝料后的舟皿推入管式爐內。以后每裝一舟將前面的舟皿向爐內高溫區頂進一舟，按照常規管式(H2)還原爐的正常操作方法，逆流通H2氣，爐管內的H2(截面流量)控制在60ml/cm2·min。一段還原溫度為560±5℃、60分鐘。
(3)將干燥后的棕鎢進行第二段還原，溫度為740±5℃；60分鐘，舟皿經冷卻帶冷卻后出爐。得到納米W的超細粉末，即得到平均粒徑≤80nm、松裝密度為1.4～1.7g/cm3鎢的粉末。
(4)對W鎢粉進行性能檢測，包裝。
實施例2制備5kg的金屬W的納米粉末應按下列步驟完成(1)稱取噴霧熱轉換法制備的WO3氧化物粉末6.35kg.。
(2)將納米WO3粉末放入管式爐的不銹鋼舟皿內，進行一段還原，還原溫度為620±5℃，40分鐘，得到納米WO2棕鎢粉末。
(3)將干燥后的棕鎢進行第二段還原，溫度為660±5℃，90分鐘，舟皿經冷卻帶冷卻后出爐。得到納米W粉末。
(4)將W鎢粉料漿注入真空干燥機內，在烘干機夾層內通入90±10℃蒸氣，將鎢粉振動烘干，待冷卻后出料，即得到平均粒徑≤50nm、松裝密度為1.4～1.7g/cm3鎢的粉末。
(5)將納米W鎢粉進行性能檢測，包裝。
權利要求
1.一種納米級鎢粉的制備方法，其特征在于以超聲噴霧微波干燥法制備的納米級WO3氧化物粉末為原料，用H2按兩階段還原，第一段還原溫度為550～650℃、保溫30～60分鐘，制成納米棕鎢粉WO2；再進行第二段H2還原，溫度為650～750℃，保溫60～100分鐘，制得納米W粉；二段還原的化學反應式為第一段還原第二段還原
2.按權利要求1所述的方法，其特征在于加熱還原WO3時，用氫氣作為保護氣。
3.按權利要求1所述的方法，其特征在于鎢粉粒度取決于還原溫度；制備比表面積BET平均粒徑100nm以下的鎢粉，還原溫度設置應在550～750℃之間。
全文摘要
本發明提供了一種納米鎢粉的制備方法，以超聲噴霧微波干燥法制備的納米WO
文檔編號B22F9/16GK1647877SQ20051001127
公開日2005年8月3日 申請日期2005年1月27日 優先權日2005年1月27日
發明者郭志猛, 盧廣鋒, 曲選輝, 金雪華, 李燏 申請人:北京科技大學