金屬碳化物粉體的旋轉式動態連續制備方法和旋轉式動態連續燒結裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于金屬碳化物粉體制備技術領域，特別涉及金屬碳化物粉體的動態連續制備方法和動態連續燒結裝置。
【背景技術】
[0002]金屬碳化物因具有熔點高、硬度高、優良的化學穩定性、抗腐蝕性好、優異的耐磨性等優點，被廣泛地應用于工具材料、耐高溫部件、耐磨部件、耐腐蝕部件、合金添加劑及其它有特殊要求的零部件上，在航空航天、軍事、機械、冶金、電子、化工等領域具有極為廣闊的發展潛力和應用前景，這類材料的制備與應用在世界各國均受到了高度重視。因此，如何高效地制備高質量的金屬碳化物粉體具有重要意義。
[0003]目前主要采用基于碳熱還原的靜態法制備金屬碳化物粉體，即使用石墨碳管爐或真空燒結爐制備金屬碳化物粉體，將堆放有原料粉體的石墨舟或托盤放置在石墨碳管爐或真空燒結爐中并在靜止狀態進行煅燒、還原，然后再進行進一步的碳化。一批金屬碳化物粉體制備完成并出爐后，再放入另一批原料粉體進行煅燒、還原和碳化。此種方法存在以下不足:(I)合成過程中原料受熱的溫度場存在不均勻性，因而同一時間不同位置的原料處于不同的反應階段(還原或碳化)，獲得單一相組成的產物所需時間長，且產物的成分和粒度分布區間較大、產物粘結嚴重；(2)在還原反應階段，下層的原料粉末難以與還原性氣體接觸，導致其還原碳化進程受到阻礙，并且會造成產物的成分和粒度不均勻；(3)該方法無法連續化生產且生產周期長，導致產業化生產的成本過高。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供金屬碳化物粉體的旋轉式動態連續制備方法和旋轉式動態連續燒結裝置，以獲得單相的高品質金屬碳化物粉體，并實現連續化批量生產。
[0005]本發明提供的金屬碳化物粉體的旋轉式動態連續制備方法，所述金屬碳化物粉體為TiC粉體、Cr3C2粉體、VC粉體、TaC粉體、WC粉體、Mo 2C粉體、NbC粉體、ZrC粉體或HfC粉體，工藝步驟如下:
[0006](I)配料
[0007]按照各金屬碳化物粉體的化學式及所用原料之間的化學反應，計算出制備各金屬碳化物粉體原料的摩爾比并計量各原料:
[0008]a、制備TiC粉體的原料及摩爾比
[0009]制備TiC粉體的原料為金屬Ti粉體或Ti與O的化合物粉體和還原劑，金屬Ti粉體:還原劑=1: 1，Ti與O的化合物粉體:還原劑=1: (1.8?3.2)，
[0010]b、制備Cr3C2粉體的原料及摩爾比
[0011 ]制備Cr3C2粉體的原料為Cr與O的化合物粉體和還原劑，Cr與O的化合物粉體:還原劑=1: (2?4.5)，
[0012]c、制備VC粉體的原料及摩爾比
[0013]制備VC粉體的原料為V與O的化合物粉體和還原劑，V與O的化合物粉體:還原劑=1: (3.3 ?7.2)，
[0014]d、制備TaC粉體的原料及摩爾比
[0015]制備TaC粉體的原料為Ta與O的化合物粉體和還原劑，Ta與O的化合物粉體:還原劑=1: (3.5 ?7.2)，
[0016]e、制備WC粉體的原料及摩爾比
[0017]制備WC粉體的原料為金屬W粉體或W與O的化合物粉體和還原劑，金屬W粉體:還原劑=1: 1，W與O的化合物粉體:還原劑=1: (2.8?4.2)，
[0018]f、制備Mo2C粉體的原料及摩爾比
[0019]制備Mo2C粉體的原料為Mo與O的化合物粉體和還原劑，Mo與O的化合物粉體:還原劑=1: (3.3?3.7)，
[0020]g、制備NbC粉體的原料及摩爾比
[0021 ] 制備NbC粉體的原料為Nb與O的化合物粉體和還原劑，Nb與O的化合物粉體:還原劑=1: (3.3 ?7.2)，
[0022]h、制備ZrC粉體的原料及摩爾比
[0023]制備ZrC粉體的原料為Zr與O的化合物粉體和還原劑，Zr與O的化合物粉體:還原劑=1:(2.8 ?3.2)，
[0024]1、制備HfC粉體的原料及摩爾比
[0025]制備HfC粉體的原料為Hf與O的化合物粉體和還原劑，Hf與O的化合物粉體:還原劑=1:(2.8 ?3.2)；
[0026](2)混料與干燥
[0027]將步驟(I)計量好的原料放入球磨機中，加入研磨球體和濕磨介質進行濕磨，使原料混合均勻，濕磨介質的加入量以浸沒所述原料和研磨球體為限，然后過篩分離出研磨球體得混合漿料，將所得的混合漿料進行干燥得制備TiC粉體的混合粉料、制備Cr3C2粉體的混合粉料、制備VC粉體的混合粉料、制備TaC粉體的混合粉料、制備WC粉體的混合粉料、制備Mo2C粉體的混合粉料、制備NbC粉體的混合粉料、制備ZrC粉體的混合粉料或制備HfC粉體的混合粉料；
[0028](3)燒結
[0029]燒結使用旋轉式動態連續燒結裝置，在開放體系下燒結，或在封閉體系下燒結，或在負壓條件下燒結，操作如下:
[0030]在開放體系下燒結:在爐管處于出料口低于進料口的傾斜狀態以0.1?3L/min的氣體流速向爐管內充入還原性氣體或/和惰性氣體，然后使爐管旋轉并加熱爐管，當爐管內的溫度達到反應溫度時，將步驟(2)得到的混合粉料連續送入爐管中，混合粉料進入爐管后以螺旋運動的形式通過爐管加熱區完成反應形成反應產物，反應產物落入收集室，冷卻后即得金屬碳化物粉體；
[0031]在封閉體系下燒結:在爐管處于出料口低于進料口的傾斜狀態通過抽真空使爐管內的壓力為IXKT1?1X10 _2Pa，然后向爐管內通入還原性氣體或/和惰性氣體使爐管內的壓力達到常壓并使爐管為與大氣隔離的封閉體系，繼后使爐管旋轉并加熱爐管，當爐管內的溫度達到反應溫度時，將步驟(2)得到的混合粉料連續送入爐管中，混合粉料進入爐管后以螺旋運動的形式通過爐管加熱區完成反應形成反應產物，反應產物落入收集室，冷卻后即得金屬碳化物粉體；
[0032]在負壓條件下燒結:在爐管處于出料口低于進料口的傾斜狀態通過抽真空使爐管內的壓力為I X ?ο—1?I X 10 -2Pa,然后使爐管旋轉，同時加熱爐管并繼續抽真空，當爐管內的溫度達到反應溫度時，將步驟(2)得到的混合粉料連續送入爐管中，混合粉料進入爐管后以螺旋運動的形式通過爐管加熱區在負壓條件下完成反應形成反應產物，反應產物落入收集室，冷卻后即得金屬碳化物粉體；
[0033]在開放體系下燒結和封閉體系下燒結的反應溫度如下:
[0034]燒結制備TiC粉體的混合粉料時，若充入反應室的氣體為還原性氣體，則反應溫度為1350?1950°C，若充入反應室的氣體為惰性氣體，則反應溫度為1400?2000°C，若充入反應室的氣體為還原性氣體和惰性氣體的混合氣體，則反應溫度為1380?1980°C ；
[0035]燒結制備Cr3C2粉體或VC粉體的混合粉料時，若充入反應室的氣體為還原性氣體，則反應溫度為1000?1450°C，若充入反應室的氣體為惰性氣體，則反應溫度為1100?1550°C，若充入反應室的氣體為還原性氣體和惰性氣體的混合氣體，則反應溫度為1050?1500 0C ；
[0036]燒結制備TaC粉體或WC粉體的混合粉料時，若充入反應室的氣體為還原性氣體，則反應溫度為1300?1950 °C，若充入反應室的氣體為惰性氣體，則反應溫度為1400?2000°C，若充入反應室的氣體為還原性氣體和惰性氣體的混合氣體，則反應溫度為1350?1950 0C ；
[0037]燒結制備Mo2C粉體的混合粉料時，若充入反應室的氣體為還原性氣體，則反應溫度為1300?1750°C，若充入反應室的氣體為惰性氣體，則反應溫度為1400?1850°C，若充入反應室的氣體為還原性氣體和惰性氣體的混合氣體，則反應溫度為1350?1800°C ；
[0038]燒結制備NbC粉體、ZrC粉體或HfC粉體的混合粉料時，若充入反應室的氣體為還原性氣體，則反應溫度為1300?1950 °C，若充入反應室的氣體為惰性氣體，則反應溫度為1400?2000°C，若充入反應室的氣體為還原性氣體和惰性氣體的混合氣體，則反應溫度為1350 ?1950? ；
[0039]在負壓條件下燒結的反應溫度如下:
[0040]燒結制備TiC粉體的混合粉料時，反應溫度為1250?1850°C ；
[0041 ] 燒結制備Cr3C2粉體或VC粉體的混合粉料時，反應溫度為1000?1450°C ；
[0042]燒結制備TaC粉體或WC粉體的混合粉料時，反應溫度為1400?1850°C ；
[0043]燒結制備Mo2C粉體的混合粉料時，反應溫度為1350?1750°C ；
[0044]燒結制備NbC粉體、ZrC粉體或HfC粉體的混合粉料時，反應溫度為1400?1850 O。
[0045]上述方法中，所述還原性氣體為氫氣、甲烷、天然氣中的至少一種，所述惰性氣體為氮氣、氬氣中的至少一種。
[0046]上述方法中，爐管的長度為1.5?6m，爐管的旋轉速度為0.2?10r/min。
[0047]上述方法中，爐管的傾斜角度為0.5°?45°。
[0048]上述方法中，所述Ti與O的化合物粉體為T1粉體、T12粉體、H2T13粉體、T1SO4粉體中的一種；所述Cr與O的化合物粉體為Cr2O3粉體、(NH 4) 2Cr04粉體、(NH 4) 2Cr207粉體中的一種；所述V與O的化合物粉體為V2O3粉體、V 205粉體、NH 4V03粉體中的一種；所述Ta與O的化合物粉體為Ta2O5粉體或Ta (OH) 5粉體；所述W與O的化合物粉體為WO 3粉體、WO 2粉體、(NH4) 2胃04粉體；所述Mo與O的化合物粉體為MoO 3粉體或(NH 4)2Mo04粉體；所述Nb與O的化合物粉體為Nb2O5粉體或Nb (OH) 5粉體；所述Zr與O的化合物粉體為ZrO 2粉體、Zr (SO4) 2粉體、ZrO (CO 3) 2粉體中的一種；所述Hf與O的化合物粉體為HfO 2粉體或Hf (S0 4) 2粉體。
[0049]上述方法中，所述還原劑為石墨粉、炭黑粉、活性炭粉中的至少一種。
[0050]上述方法中，步驟(2)所述濕磨介質為去離子水、乙醇或者丙酮，將濕磨所得混合漿料進行干燥的操作為:在50?100°C干燥2?8h。
[0051]本發明還提供了一種用于上述方法的旋轉式動態連續燒結裝置，包括儲料室、螺旋送料機、爐管、爐管驅動機構、加熱爐、收集室、支撐架、螺紋式升降器和托架，所述螺旋送料機的出料端設置有進氣閥，所述儲料室頂部設置有密封蓋，下部設置有出料控制閥，底部的出料口與螺旋送料機連接，所述加熱爐設置有加熱器件和熱電偶，所述收集室設置有出氣閥和配有密封蓋的取料口，收集室的入口設置有進料控制閥；
[0052]所述爐管插裝在加熱爐的爐膛內，爐管的進料端通過動密封軸承與螺旋送料機的出口連接，爐管的出料端通過動密封軸承與收集室連接，所述爐管驅動機構由電機和鏈傳動副組成，鏈傳動副的主動鏈輪安裝在電機的動力輸出軸上，從動鏈輪安裝在爐管上，鏈條套裝在主動鏈輪和從動鏈輪上，所述支撐架由支撐板和與支撐板一端鉸接的支架構成，收集室和爐管驅動機構中的電機固定在支撐板上，螺旋進料機、加熱爐和動密封軸承分別通過固定在支撐板上的托架支撐，所述螺紋式升降器安裝在儲料室一側的支撐板之下并與支撐板底部連接。
[0053]上述旋轉式動態連續燒結裝置中，所述爐管的長度LI為1.5?6m，加熱爐加熱區的長度L2為I?5m。上述方法中，所述爐管加熱區即為該旋轉式動態連續燒結裝置的加熱爐加熱區。
[0054]上述旋轉式動態連續燒結裝置，爐管內壁設置有攪拌片，所述攪拌片為2?4片，沿爐管周向均勻分布。
[0055]上述旋轉式動態連續燒結裝置，加熱爐設置的加熱器件為電阻式加熱器件、感應式加熱器件、微波加熱器件、紅外加熱器件、石墨碳管爐加熱器件中的一種。
[0056]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0057]1、本發明提供了一種制備金屬碳化物粉體的新方法，由于該方法在爐管處于旋轉狀的態下進行加熱制備金屬碳化物粉體，在制備過程中，混合粉料以螺旋運動的形式通過爐管加熱區并且在該過程中完成反應形成反應產物，爐管的旋轉有利于混合粉料在反應過程中受熱均勻并與爐管內的氣氛充分接觸，因此，本發明所述方法不但能縮短制備單相產物的時間，而且能提高產物的成分和粒度分布的均勻性，從而有效提高制備的金屬碳化物粉體的品質。
[0058]2、由于本發明所述方法在爐管處于旋轉并且出料口低于進料口的傾斜狀態下制備金屬碳化物粉體，在爐管的旋轉過程中，混合粉料一邊發生化學反應形成反應產物，一邊連續地由進料端向出料端運動，加入反應原料和收集反應產物的操作均不會中斷金屬碳化物粉體的制備過程，因此，本發明所述方法實現了金屬碳化物粉體的連續生產，連續生產不但能降低生產成本，而且能提高生產效率。
[0059]3、本發明所述方法的操作簡便，并且所采用的旋轉式動態連續燒結裝置的結構簡單，便于加工制作，因此本發明所述方法有利于實現金屬碳化物粉體的規模化生產。
【附圖說明】
[0060]圖1是本發明所述旋轉式動態連續燒結裝置的結構示意圖；
[0061]圖2為圖1的A-A剖視圖(加熱器件為電阻式加熱器件)；
[0062]圖3為圖1的A-A剖視圖(加熱器件為感應式加熱器件);
[0063]圖4為實施例1制備的TiC粉體的XRD圖譜；
[0064]圖5為實施例1制備的TiC粉體的SEM圖片；
[0065]圖6為實施例16制備的Cr3C2粉體的XRD圖譜；
[0066]圖7為實施例30制備的VC粉體的XRD圖譜；
[0067]圖8為實施例30制備的VC粉體的SEM圖片；
[0068]圖9為實施例35制備的TaC粉體的XRD圖片；
[0069]圖10為實施例35制備的TaC粉體的SEM圖片；
[0070]圖11為實施例59制備的Mo2C粉體的XRD圖譜；
[0071]圖中，I一儲料室，2—螺旋送料機，3—爐管，4一加熱爐，5—收集室，6—螺紋式升降器，7—托架，8—密封蓋，9 —出料控制閥，10—動密封軸承，11 —電機，12—支撐板，13—支架，14 一攪拌片，15—加熱器件，16—熱電偶，17—進料控制閥，18—出氣閥，19 一進氣閥，20—冷卻介質入口，21—冷卻介質出口，22—鏈傳動副，LI一爐管的長度，L2—加熱爐加熱區的長度，Θ —支撐板的傾斜角度。
【具體實施方式】
[0072]下面通過實施例對本發明所述金屬碳化物粉體的旋轉式動態連續制備方法和旋轉式動態連續燒結裝置作進一步說明。
[0073]下述各實施例中，原料粉體均可從市場購買。
[0074]實施例1
[0075]本實施例中，旋轉式動態連續燒結裝置的結構如圖1所示，圖2為圖1的A-A剖視圖，所述旋轉式動態連續燒結裝置由儲料室1、螺旋送料機2、爐管3、爐管驅動機構、加熱爐4、收集室5、支撐架、螺紋式升降器6和托架7組成；所述螺旋送料機2的出料端設置有進氣閥19，所述儲料室I的頂部設置有密封蓋8，儲料室I的下部設置有出料控制閥9，儲料室I底部的出料口與螺旋送料機I連接；所述加熱爐4設置有電阻式加熱器件15和熱電偶16 ;所述收集室5設置有出氣閥18和配有密封蓋的取