专利名称：球状粉末及其制备方法
技术领域：
本发明一般涉及一种通过热离心雾化制备粉末的方法。本发明还涉及一种球状碳化钨粉末。本发明进一步涉及一种用于实施所述方法的装置。
背景技术：
复合材料的耐磨损性取决于例如包括增强颗粒浓度和粒径等因素以及矩阵属性。在同等条件下，可通过改善复合材料中颗粒属性实现额外增加耐磨损性。通过破碎铸锭制备颗粒会在负载的影响下导致作为破坏阀座的颗粒中出现破裂、筘痕以及其他缺陷。因此，在现有技术中需要改进颗粒的微观结构，从而改进其机械性能。前苏联专利文献SU1802466公开一种制备耐火材料粉末的方法，该方法包括处理棒料，利用推料机构装置将棒料供入熔化层；以等离子熔化棒料；利用第二等离子流发生器的等离子流将液态合金注入盘式造粒机和离心雾化机。其缺陷在于，该技术要求等离子放电的电流强度较大并且利用两个等离子流发生器使粉末制备过程的成本更高。前苏联专利文献SU503688公开一种用于制备球状材料的装置，该装置包括真空室，真空室内具有旋转式石墨坩埚，旋转式石墨坩埚内置有用于传输粉末的非熔融活动管线。前苏联专利文献SU503688提出一种制备球状材料的方法，该方法包括在作为阳极的旋转式石墨坩埚和非熔融 钨套管阴极之间放电，其中钨套管将原始物质输送至在电弧作用下受热的坩埚。在坩埚中出现液态合金，液态合金在离心力的影响下上升并被压出坩埚，其后液态合金飞溅并且在飞溅过程中凝结成滴状物并结晶。在惰性气体介质中进行上述过程_例如気。 其缺陷在于，装置中的非熔融电极导致不可能获得最佳的放电参数，电流增强，在坩埚的边缘形成液态合金硬块(所谓的“垢须”)，这会导致雾化过程中的稳定性发生异常，频繁地更换坩埚，从而降低装置产料率以及所生产粉末的质量。在Journal of the Ukrainian SSR academy of sciences, No 72 (836)，1973 (1973年第72 (836)号乌克兰苏维埃社会主义共和国科学院学报)中公开一种生产具有高硬度、高强度和高塑性的碳化钨合金的方法。俄罗斯专利文献2301133公开一种用于制备耐火材料粉末的方法及装置，特别是用于烧结碳化钨。该装置包括位于材料熔融仓内的旋转坩埚。将氮气用作惰性气体。坩埚旋转时形成微滴。通过等离子弧放电进行加热。通过移动等离子流避免形成“垢须”。为了避免形成垢须，可改变坩埚边缘到坩埚内表面的等离子放热分布。在现有技术中仍需要降低熔化原料所需等离子放电的电流。还需要一种改进方法，以使液态合金的温度稳定高于其熔点。同时还需要降低热损耗并提高液态合金的均质性和所得粉末的均质性。利用例如熔融后破碎等传统工艺制造的碳化钨合金由于存在微裂纹而强度不足。
发明内容
本发明的目的在于，避免现有技术中存在的至少某些缺陷，并提供一种用于制备粉末的改进方法和装置以及改进的粉末。第一方面，本发明提供一种球状碳化鹤粉末，其中材料的微硬度值高于3600kgf/mm2，粉末的表观密度为9. 80至11. 56g/cm3。第二方面，本发明提供一种用于制造粉末的方法，所述方法包括以下步骤a)提供仓室，该仓室包括可旋转坩埚；b)将材料加至所述可旋转坩埚中；c)熔化材料，其中利用等离子弧放电至少部分地进行加热；d)旋转坩埚，在离心力的作用下雾化熔料，从而形成液态微滴，随后冷却微滴，从而获得粉末，其中添加到所述可旋转坩埚中的材料受热的温度高于材料加入坩埚前熔化温度的40%。第三方面，本发明提供一种适于制造粉末的装置，该装置包括仓室、封盖、活动式等离子焰炬、筒状冷却坩埚以及用于制造粉末的收集装置，其中该装置包括用于将材料加至坩埚的加热装置。本发明其他方面和实施方案将在所附权利要求中详细说明，具体通过引用的方式将权利要求的内容纳入本文。本发明的优势在于，可以降低熔化原料所需的等离子放电的电流，同时使液态合金温度稳定高于其熔点。由此，热损耗降低，液态合金成为均质合成物，雾化期间所得球状粉末的组成和结构变得均匀。本发明的优势进一步在于，粒径的分布变得更窄，从而生产所需粒径的产粒率增加。本发明的优势还在于，能源成本显著降低。在一实施方案中，能量消耗比利用感应加热制造球状粉末的方法降 低超过3. 8倍。
下面参照附图并结合实施例对本发明进行详细描述。图1是表示制备耐火材料粉末的实施方案的装置图，其中标号15表示冷却介质的入口和出口。图2是表示用于制备耐火材料粉末的装置的坩埚的实施方案示意图。
具体实施例方式在详细介绍和描述本发明之前，应当理解，本发明不仅限于本文所述的特定化合物、结构、方法步骤、原料及材料，这些化合物、结构、方法步骤、原料及材料可存在些许变化。还应当理解，本文所采用的术语仅旨在说明特定实施方案，而并非对本发明加以限定，仅以本文所附权利要求及其等同变化限定本发明的范围。必须指明的是，除非文中明确指出，否则本发明说明书和权利要求书中所采用的单数形式冠词包括复数对象。如果没有具体定义，本文中所采用的词条和科学术语旨在具有本发明所属领域技术人员通常理解的含义。
本发明说明书和权利要求书全文中采用的有关数值的术语“约”表示本领域技术人员熟知的容许精确区间，所述区间为±10%。本发明说明书和权利要求书全文中采用的术语“表观密度”表示球状粉末的单位体积重量。通常，表观密度的测量标准是每立方厘米的克数。本发明说明书和权利要求书全文中采用的术语“破坏载荷”表示逐步施加至各球状粉末颗粒、刚好足以破坏或破裂颗粒的压力。通过将球状粉末颗粒压入两个受力不断递增的平面之间、直至球状粉末颗粒破碎或塌缩来测量破坏载荷。本发明说明书和权利要求书全文中采用的术语“低共熔”表示化合物或元素的混合物，该混合物具有在比任何其他合成物更低的温度下固化的单体。本发明说明书和权利要求书全文中采用的术语“微硬度值”表示低负荷材料的硬度测试。另一术语为“微压痕硬度试验”。在微压痕硬度试验中，利用已知的作用力(通常称为试验负载)将具有特殊形状的金刚石压痕计印入试样表面。通常按照EN-1S0-6507(IS06507-1 :2005)标准，利用维氏硬度试验(Vickers hardness test)HV O.1来测量微硬度值。本发明说明书和权利要求书全文中采用的有关粉末颗粒的术语“球状”表示各颗粒基本上呈球状。有关粉末的术语球状并不意味着所有粉末颗粒都呈完美球体，它是指粉末颗粒中的大多数颗粒基本上呈球状，例如90%以上的颗粒基本上呈球状，优选为95%以上，更优选为99%以上。球状颗粒可与完美的几何球体之间具有偏差，但只要它们基本上呈球状，即为所述球状。改变气氛中的合成 物、冷却气体的流量的能力以及改变气流的气动和几何参数、温度、等离子放电电流强度、等离子气体的合成及进给速度、坩埚旋转速度的能力可使粉末粒度的范围更广，涵盖各种耐火材料。可用作耐火材料的例子包括钨和钥、耐熔金属碳化物、如碳化钨的低共熔混合物(WC-W2C)等耐熔金属碳化物的混合物、硼化物、氮化物以及碳氮化物，但不仅限于此。碳(C)含量为3. 8-4. 2wt%的碳化钨(WC-W2C)的低共熔混合物具有高耐磨蚀性和耐磨损性。它是用于制造与硬质材料接触的例如建筑工程、开矿装置以及化工设备中工具和耐磨涂层的合成物的一部分。第一方面，本发明提供一种球状碳化鹤粉末，其中材料的微硬度值大于3600kgf/mm2,并且粉末的表观密度为9. 80至11. 56g/cm3。在一实施方案中，材料的微硬度值为3600至4200kgf/mm2。在一可选实施方案中，材料的微硬度值为3600至4800kgf/mm2。在一实施方案中，粉末包括3. 8至4. 2wt%的碳(C)。在一实施方案中，粉末包括小于O.1wt %的铁(Fe)。在一实施方案中，碳化钨是W2C和WC的低共熔混合物。在一实施方案中，球体的直径为20至1800 μ m。第二方面，本发明提供一种用于制造粉末的方法，所述方法包括以下步骤a)提供仓室，该仓室包括可旋转坩埚；b)将材料加至所述可旋转坩埚中；c)熔化材料，其中利用等离子弧放电至少部分地进行加热；d)旋转坩埚，在离心力的作用下雾化熔料，从而形成液态微滴，随后冷却微滴，从而获得粉末，其中添加到所述可旋转坩埚中的材料受热的温度高于材料加入坩埚前熔化温度的40%。在一实施方案中，添加到所述可旋转坩埚中的材料受热的温度为材料加入坩埚前熔化温度的40%至80%。在一实施方案中，通过所述方法制造上述碳化钨粉末在一实施方案中，添加到樹祸中的材料包括碳(C)和鹤(W)。在一实施方案中，添加到坩埚中的材料包括3. 7-3. 9wt%的碳(C)。在一实施方案中，在所述仓室中使用的气体包括至少一种选自氩气、氦气和氮气中的气体。在一实施方案中，在所述仓室中使用氮气。在一实施方案中，通过对仓室抽真空并填入气体来清洗仓室，去除有害氧。在一实施方案中，一种气体混合物用于填充仓室，而另一种气体混合物用作等离子发生气体。仓室中的两种气体和等离子发生气体选自如上所述的气体。在一实施方案中，等离子弧首先指向坩埚的中心，然后指向坩埚的边缘。在一实施方案中，等离子弧交替指向坩埚的中心和坩埚的边缘。在一实施方案中，熔料的温度保持高于材料的熔化温度。在一实施方案中，熔料的温度比材料的熔化温度高出20°C以上。在一实施方案中，熔料的温度比材料的熔化温度高出 20。。至 IOO0C0在一实施方案中，坩埚以500至20000rpm的旋转速度进行旋转。在一实施方案中，所述粉末包括碳化钨。在一实施方案中，所述粉末包括WC和W2C相的低共熔混合物。在一实施方案中， 所述坩埚为水冷式。在一实施方案中，制备碳化鹤粉末的方法包括将所需合成物的材料输送至位于仓室内的旋转式坩埚；利用在作为阳极的坩埚与采用氮气作为等离子载气的等离子流发生器阴极之间通过材料的等离子弧放电使原料熔化；在离心力的影响下将气态气氛中的液态合金雾化，形成液态合金滴状物；并且通过冷却使滴状物结晶。在一实施方案中，变换阳极和阴极，从而使坩埚作为阴极，等离子流发生器作为阳极。在装置中进行材料熔融至少部分利用直接在坩埚内形成等离子区。将硬质原料直接加热至超过熔点的温度需要相当大的功率，这会导致处理过程中的输送成本增加并降低
产粒率。将原始混合物输送至坩埚之前，在加热器中以高于O. 4*Tmel的温度对原始混合物进行预加热，不仅可以降低熔化原料所需的等离子放电的电流强度，还可以使液态合金的温度稳定保持高于其熔点。由此，热损耗降低，液态合金成为均质合成物，雾化期间所得球状粉末的组成和结构变得均匀。对于同样的等离子放电的电流强度，原料的预加热使雾化过程的产率增高。在一实施方案中,将氩气、氦气、氮气及其混合气体用作气体。在一实施方案中,原料包含至少一种耐火材料。坩埚旋转的速度需达到用来形成结晶中所需颗粒合成物的球状颗粒滴状物的速度。在一实施方案中，坩埚的旋转速度为500至20000rpm。由此，获得至少一种耐火材料或耐火金属合金或至少一种碳化物、硼化物或碳氮化物以及其他耐火金属合成物的粉末，特别是碳化钨的低共熔混合物WC-W2C的粉末。在一实施方案中，将用于将原始混合物输送至坩埚的加热装置制为四周具有管式加热器的处理盘或制成管式加热器，例如由碳-碳复合材料制成。用于将原始混合物输送至坩埚的加热装置的连接角度大于原料自然滑落的角度。在一实施方案中，坩埚由铜制成，位于坩埚内壁的内衬由例如碳-碳复合材料制成。在一实施方案中，通过振动式给料机将材料添加到所述坩埚。在一实施方案中，通过旋转式给料机将材料添加到所述坩埚。其中也包括振动式给料机和旋转式给料机的组
口 ο在一实施方案中，樹祸振动。在该实施方案中，应结合选择振动频率、樹祸直径以及坩埚的旋转速度，从而尽可能地减少垢须的形成。第三方面，本发明提供一种适于制造粉末的装置，该装置包括仓室、封盖、活动式等离子焰炬、筒状冷却坩埚以及用于制造粉末的收集装置，其中该装置包括用于将材料加至坩埚的加热装置。在一实施方案中，所述加热装置是具有加热器的处理盘。在一实施方案中，所述加热装置是管式加热器。在一实施方案中，所述加热装置由碳材料制成。在一实施方案中，所述装置进一步包括进给装置，适用于通过振动将材料送至所述坩埚的。在一实施方案中，所述装置进一步包括进给装置，适用于通过旋转将材料送至所述坩埚的。其中也包括振动和旋转的组合方式。在一实施方案中甘祸适用于振动。
在一实施方案中，用于制备碳化钨粉末的装置包含筒状仓室，该仓室具有封盖，沿仓室轴设有用于输送原始混合物的进给装置，该仓室具有底门，底门具有用于脱卸粉末的装置，雾化装置与进给装置在仓室内排成一行，以冷却旋转导电坩埚作为雾化装置，等离子弧发生器与坩埚旋转轴的安装角度可用于其交替工作。图1表示所述装置的一种实施方案，该装置包括筒状仓室13，该仓室13具有倾斜的底部和封盖。等离子发生器5和进给装置10安装于封盖内相对于轴的不同方向。等离子发生器5连接至发动机4。进给装置连接至位于仓室外部的具有原始混合物7的储料斗8，该储料斗8具有配量装置9。位于仓室内并与其排成一行的喷料坩埚2固定于旋转装置I上。用于将原始混合物12送至仓室13中坩埚2的加热装置连接至进给装置10。加热装置可包括四周具有管式加热器6的处理盘。在一实施方案中，管式加热器6由碳-碳复合材料制成，在一实施方案中，在缺少处理盘11的情况下，管式加热器6用作输送粉末的加热装置。用于收集粉末的收集箱14位于仓室13的倾斜底部的下面部分并与其连接。如图2所示，水冷式雾化坩埚2包括有导电材料制成的筒状埚架15、位于埚架内壁由非熔融材料制成的内衬16以及位于埚架底部由导电材料制成的内衬17。在一方法实施方案中，所述装置的操作方法如下。砂砾形态的原始混合物7由储料斗8装载至配量装置9。将装置加压、抽真空并充满所需气体，从而使其达到大气压力或用于制备所需耐火材料的粉末所必需的压力。借助旋转装置I设定坩埚2旋转所需的速度。在作为阳极的坩埚和等离子发生器阴极5之间启动等离子弧。电弧的阳极斑点集中于坩埚2的底部。开通粉末的输送。砂砾由配量装置9通过进给装置10送至处理盘11，借助管式加热器6将处理盘11加热至300(TC，管式加热器6由例如碳-碳材料制成。经过处理盘，砂砾颗粒受热至O. 4*Tmel以上并注入旋转的坩埚2，在坩埚2中，砂砾颗粒在等离子弧的影响下熔化。Tmel表示熔融温度。液态合金在离心力的影响下被推送至坩埚2的侧面，坩埚2的侧面覆有绝热内衬16。输送新部分砂砾时，液态合金的总量增加并沿侧面上升。利用等离子发生器发动机4，等离子弧的阳极斑点随液态合金之后上升并集中于坩埚2的边缘。向上达到坩埚2的边缘，液态合金通过离心力流过坩埚的边缘落入仓室的气体中并在滑落的过程中凝固，液态合金以小球的形式由仓室的底部上滑落。制备的粉末注入位于仓室下面部分的储料收集箱14。坩埚底部布置为导电材料防护坩埚不被烧穿。坩埚的侧面布置为非熔融材料的绝热内衬不仅在相当程度上降低了坩埚上的电热负荷，而且还大大降低了材料熔融过程中的总热损耗。因此，坩埚的使用寿命延长，处理过程中的能源成本降低。等离子发生器和具有配量装置的储料斗布置在筒状仓室轴的不同方向，从而可以迅速准确地沿着坩埚的侧面随着上升的液态合金移动阳极斑点，并且可以避免在坩埚的边缘(垢须)形成液态合金硬块，由此液态合金稳定均匀并且所制备粉末的特性得到改善。可以改变气态气氛的成分、预加热装置的温度、等离子放电的电流强度以及坩埚的旋转速度，从而可以制备广泛尺寸范围内的各种耐火材料粉末，其中耐火材料如钨和钥、耐熔金属碳化物、如烧结碳化鹤(WC-W2C)等耐熔金属碳化物的混合物、硼化物、氮化物、碳氮化物、硝基碳硼化物以及其他耐火金属化合物。在一实施方案中,根据本发明的球状碳化鹤合金颗粒的破坏载荷大于20kgf。在一实施方案中，根据本发明的球状碳化钨合金颗粒的破坏载荷为约20至约27kgf。在一可选实施方案中，根据本发明的球状碳化钨合金颗粒的破坏载荷为20. 8至27. 2kgf。对破坏载荷重复测量20-30次并计算平均值。球状碳化钨合金的硬度在所有可得的金属碳化物中最高，仅次于金刚石和碳化硼的硬度。对一些硬质材料特 性的比较如下
权利要求
1.一种球状碳化钨粉末，其特征在于，所述材料的微硬度值大于3600kgf/mm2，所述粉末的表观密度为9. 80至11. 56g/cm3。
2.根据权利要求1所述的球状碳化钨粉末，其特征在于，所述粉末包括3.8至4. 2wt%的碳。
3.根据权利要求1所述的球状碳化钨粉末，其特征在于，所述粉末包含小于O.lwt%的铁。
4.根据权利要求1所述的球状碳化钨粉末，其特征在于，所述碳化钨是W2C和WC的低共熔混合物。
5.一种用于制备粉末的方法，所述方法包括以下步骤 a)提供仓室，该仓室包括可旋转坩埚； b)将材料加至所述可旋转坩埚中； c)熔化材料，其中利用等离子弧放电至少部分地进行加热； d)旋转坩埚，在离心力的作用下雾化熔料，从而形成液态微滴，随后冷却微滴，从而获得粉末， 其特征在于， 添加到所述可旋转坩埚中的材料受热的温度高于材料加入坩埚前熔化温度的40%。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，添加到所述坩埚中的材料包括碳(C)和钨(W)。
7.根据权利要求5-6中任一权利要求所述的方法，其特征在于，添加到所述坩埚中的材料包括3. 9-4. 5wt%的碳。
8.根据权利要求5-7中任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述仓室中使用的气体包括至少一种选自氩气、氦气和氮气中的气体。
9.根据权利要求5-8中任一权利要求所述的方法，其特征在于，在所述仓室中使用氮气。
10.根据权利要求5-9中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述等离子弧首先指向所述坩埚的中心，然后指向所述坩埚的边缘。
11.根据权利要求5-10中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述等离子弧交替指向所述坩埚的中心和所述坩埚的边缘。
12.根据权利要求5-11中任一权利要求所述的方法，其特征在于，熔料的温度保持高于所述材料的熔化温度。
13.根据权利要求5-12中任一权利要求所述的方法，其特征在于，熔料的温度比所述材料的熔化温度高出20°C以上。
14.根据权利要求5-13中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述坩埚以500至20000rpm的旋转速度进行旋转。
15.根据权利要求6-14中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述粉末包括碳化钨。
16.根据权利要求6-15中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述粉末包括WC和W2C相的低共熔混合物。
17.根据权利要求6-16中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述坩埚是水冷式。
18.根据权利要求6-17中任一权利要求所述的方法，其特征在于，通过振动式给料机将材料添加到所述坩埚。
19.根据权利要求6-18中任一权利要求所述的方法，其特征在于，通过旋转式给料机将材料添加到所述坩埚。
20.根据权利要求6-19中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述坩埚振动。
21.一种适于制造粉末的装置，该装置包括仓室、封盖、活动式等离子焰炬、筒状冷却坩埚以及用于制造粉末的收集装置，其特征在于，所述装置包括用于将材料加至坩埚的加热>j-U ρ α装直。
22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述加热装置是具有加热器的处理盘。
23.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述加热装置是管式加热器。
24.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述加热装置由碳材料制成。
25.根据权利要求21-24中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括进给装置，适用于通过振动将材料送至所述坩埚。
26.根据权利要求21-25中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括进给装置，适用于通过旋转将材料送至所述坩埚。
27.根据权利要求21-26中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述坩埚适用于振动。
全文摘要
一种球状碳化钨粉末，其特征在于所述材料的微硬度值大于3600kgf/mm2，所述粉末的表观密度为9.80至11.56g/cm3。一种用于制备粉末的方法，所述方法包括以下步骤a)提供仓室，该仓室包括可旋转坩埚；b)将材料加至所述可旋转坩埚中；c)熔化材料，其中利用等离子弧放电至少部分地进行加热；d)旋转坩埚，在离心力的作用下雾化熔料，从而形成液态微滴，随后冷却微滴，从而获得粉末，其中添加到所述可旋转坩埚中的材料受热的温度高于材料加入坩埚前熔化温度的40％。可以减小熔融原料所需的电流。热损耗降低并且雾化期间所获得的球状粉末的组成和结构变得均匀。成本降低。
文档编号B01J2/14GK103068731SQ201180024912
公开日2013年4月24日 申请日期2011年5月18日 优先权日2010年5月18日
发明者鲁斯兰·阿列克谢耶维奇·舍甫琴科, 安德瑞·帕夫洛维奇·丘卡诺夫, 伯里斯·弗拉基米罗维奇·萨夫罗诺夫, 尤里·詹那迪维奇·纳杰日金, 亚历山德拉·尤里维奇·瓦赫鲁申 申请人:爱科控股公司