C 塊體的制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種純凈Fe3C塊體的制備方法，首先，將還原Fe粉和無定形C粉按分子式Fe3C中原子比和各元素的原子量換算成重量比，稱重后裝入球磨罐中，同時加入一定量的酚醛樹脂，進(jìn)行抽真空；然后將球磨罐放入球磨機中球磨60-120小時，取出還原Fe粉和無定形C粉的混合粉體充填到石墨坩堝中；最后將石墨坩堝放入等離子活化燒結(jié)爐中進(jìn)行兩個階段的真空燒結(jié)，第一階段為慢速無壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為150℃-300℃；第二階段為快速壓力燒結(jié)，燒結(jié)溫度為500℃～700℃，隨爐冷卻，即得到純凈Fe3C塊體。
【專利說明】一種純凈Fe3C塊體的制備工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種硬度較高、且具有良好的耐腐蝕能力和耐磨性能的Fe3CM料的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]Fe3C在普通白口鑄鐵中作為硬質(zhì)相主要用來抵抗磨損和腐蝕，該化合物屬于正交晶格，是一種具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物，含碳量為6.69% (重量百分比)，不發(fā)生同素異型轉(zhuǎn)變，其硬度較高，且具有良好的耐化學(xué)腐蝕能力和耐磨性能。當(dāng)前，制備Fe3C常用的方法有:1)還原滲碳法；2)熱分解法；3)激光法和化學(xué)氣相沉積法等。
[0003]還原滲碳法包括氣體還原滲碳法和固體還原滲碳法，這兩種方法均存在不足。氣體還原法存大以下缺點:a)在固體與氣體之間進(jìn)行，原料難以反應(yīng)完全，容易造成產(chǎn)物不純；b)反應(yīng)條件稍加改變就會嚴(yán)重影響產(chǎn)物的純度，而這些條件在有氣體參與時很難得到精確控制；c)本方法的危險性較大，參與反應(yīng)的氣體在空氣中都有發(fā)生爆炸的危險。固體滲碳還原法雖然較氣體還原法安全性得到了很大的提高，而且使用球磨法可以大幅度降低反應(yīng)溫度并縮短反應(yīng)時間，易得到較純凈的Fe3C化合物，但是該方法得到的是非晶無定形產(chǎn)物，這對Fe3C的性質(zhì)會造成很大的影響，若要晶化，必須對Fe3C進(jìn)行后續(xù)長時間熱處理，會明顯增加能耗。
[0004]對于熱分解法而言，可以得到納米級的Fe3C，但是直接分解含F(xiàn)e有機物，原料較昂貴，而且不穩(wěn)定；通過分解有機物來提供滲碳的C源，實驗比較繁瑣，產(chǎn)量也較少，不利于推廣使用。
[0005]激光法雖然生產(chǎn)周期較短、能耗低，容易得到納米級顆粒，且粒徑均勻。但反應(yīng)前驅(qū)體e(CO)5對光和熱敏感，在陽光下易分解，而且有毒、易燃易爆，危險程度高。同時Fe (CO) 5價格昂貴，很難用于大批量生產(chǎn)，加上生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜，造價昂貴，要用于工業(yè)生產(chǎn)困難很大。
[0006]綜合分析以上幾種方法，可知制備原理均不同，制備技術(shù)控制以及推廣難度較大，特別對于得到單一相Fe3C的塊體來說，目前所采用的幾種方法或技術(shù)均存在著明顯困難。
[0007]另外，自Heinicke等首次通過機械球磨法制備得到Fe3C粉體后，絕大部分研宄主要集中于Fe3C粉體的制備，不論是Heinicke，還是其它研宄者如:Duwez和Rudge等許多人均采用的是純凈的Fe粉和石墨粉作為原材料來進(jìn)行球磨合金化得到Fe3C粉體。而關(guān)于獲得純凈的高致密度(99%以上)的Fe3C塊體現(xiàn)仍未見報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種成本低廉、工藝環(huán)節(jié)易于控制的單一 Fe3C化合物塊體的制備方法。
[0009]為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的:
[0010]一種純凈Fe3C塊體的制備工藝，其特征在于，包括下述步驟:[0011 ] (I)將純度不低于99.8 %的還原Fe粉和無定形C粉按分子式Fe3C中原子比和各元素的原子量換算成重量比，稱重后裝入球磨罐中，同時加入不大于還原Fe粉和無定形C粉的總重量0.5%酚醛樹脂，進(jìn)行抽真空；
[0012](2)將球磨罐放入球磨機中球磨60-120小時，取出還原Fe粉和無定形C粉的混合粉體充填到石墨坩禍中；
[0013](3)將置有Fe粉、無定形C粉和酚醛樹脂混合體的石墨坩禍放入等離子活化燒結(jié)爐中進(jìn)行兩個階段的真空燒結(jié)，真空度均為KT3Pa ;第一階段為慢速無壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1500C _300°C，保溫30-60分鐘；第二階段為快速壓力燒結(jié)，壓力為20_50Mpa，燒結(jié)溫度為500°C?700°C，保溫5分鐘，隨爐冷卻，即得到純凈Fe3C塊體。
[0014]上述工藝中，所述還原Fe粉的粒度、無定形C粉的粒度均< 200 μπι。
[0015]所述球磨抽真空的真空度< liTPa。所述酚醛樹脂的加入量為Fe粉和無定形C粉總重量的0.3%。
[0016]所述慢速無壓燒結(jié)的升溫速度為5°C /秒，所述快速壓力燒結(jié)的升溫速度為10°C /秒。
[0017]本發(fā)明制備單一 Fe3C化合物塊體的工藝過程簡單，所制備的？％(:塊體主要力學(xué)性能指標(biāo)較優(yōu)良，相對密度較高，最高可達(dá)99.8 %。不僅適用耐磨場合，且還可以用于耐蝕、以及耐磨、耐蝕交互的嚴(yán)苛工況。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明實施例2所得Fe3C塊體試樣的斷口形貌照片。

【具體實施方式】
[0019]實施例1
[0020]首先，將還原Fe粉(純度和粒度分別為:99.9%和200 μm)和無定形C粉(純度和粒度分別為:99.9%和200 μπι)按Fe3C分子式中原子比和各兀素的原子量換算成重量比，稱重后裝入不銹鋼球磨罐中，同時加入Fe粉和無定形C粉總重量的0.3%的酚醛樹脂，進(jìn)行抽真空(真空度為I(T1Pa)。
[0021]然后，將球磨罐放入球磨機中開機轉(zhuǎn)動，球磨機轉(zhuǎn)速400rpm，球磨時間120小時，在球磨完成之后，待混合粉體隨罐冷卻至室溫，將Fe粉、無定性C粉和酚醛樹脂的混合體充填到石墨坩禍中。
[0022]最后，將盛放Fe粉、無定形C粉和酚醛樹脂混合體的石墨坩禍放入等離子活化燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程分為兩個階段:第一階段:燒結(jié)時真空爐的真空度為:10_3Pa ;燒結(jié)爐的升溫速度為:5°C /秒，無壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為:150°C，保溫時間為:60分鐘。第二階段:燒結(jié)時的真空度同第一階段(10_3Pa);燒結(jié)爐的升溫速度為:10°C /秒；壓力為:20MPa ；燒結(jié)溫度為:500°C ;保溫時間為:5分鐘，燒結(jié)完畢后隨燒結(jié)爐一同冷卻。本實施例所得純凈Fe3C塊體相對密度為96.1 %。
[0023]在球磨過程中由于無定形C粉易附集于球磨罐壁上，采用酚醛樹脂的主要目的是固定石墨粉于Fe粉中，以保證碳不損失從而使Fe粉和無定形C粉原子比為3:1。
[0024]實施例2
[0025]本實施例的工藝過程同實施例1，只是以下工藝參數(shù)有不同變化:
[0026]還原Fe粉的粒度為60 μ m，無定形C粉的粒度為50 μ m。
[0027]球磨時間60小時。
[0028]第一階段燒結(jié)溫度為30(TC，保溫30分鐘；第二階段燒結(jié)壓力為50Mpa，燒結(jié)溫度為700 °C，保溫也是5分鐘。
[0029]本實施例所得純凈Fe3C塊體相對密度為99.8%。并對塊體試樣進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析，其斷口形貌照片如圖1所示。從圖中可看出晶粒之間結(jié)合良好，基本看不到有孔洞存在現(xiàn)象。
[0030]實施例3
[0031]本實施例的工藝過程同實施例1，只是以下工藝參數(shù)有不同變化:
[0032]還原Fe粉的粒度為100 μ m，無定形C粉的粒度為100 μ m。
[0033]球磨時間100小時。
[0034]第一階段燒結(jié)溫度為250°C，保溫45分鐘；第二階段燒結(jié)壓力為45Mpa，燒結(jié)溫度為 650。。。
[0035]本實施例所得純凈Fe3C塊體相對密度為為98.6%。
【權(quán)利要求】
1.一種純凈Fe 3(:塊體的制備工藝，其特征在于，包括下述步驟: (1)將純度不低于99.8%的還原Fe粉和無定形C粉按分子式Fe3C中原子比和各元素的原子量換算成重量比，稱重后裝入球磨罐中，同時加入不大于還原Fe粉和無定形C粉的總重量0.5%酚醛樹脂，進(jìn)行抽真空； (2)將球磨罐放入球磨機中球磨60-120小時，取出還原Fe粉和無定形C粉的混合粉體充填到石墨坩禍中； (3)將置有Fe粉、無定形C粉和酚醛樹脂混合體的石墨坩禍放入等離子活化燒結(jié)爐中進(jìn)行兩個階段的真空燒結(jié)，真空度均為KT3Pa ;第一階段為慢速無壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1500C _300°C，保溫30-60分鐘；第二階段為快速壓力燒結(jié)，壓力為20_50Mpa，燒結(jié)溫度為500 °C?700°C，保溫5分鐘，隨爐冷卻，即得到純凈Fe3C塊體。
2.如權(quán)利要求1所述的純凈Fe3C塊體的制備工藝，其特征在于，所述還原Fe粉的粒度、無定形C粉的粒度均< 200 μ m。
3.如權(quán)利要求1所述的純凈Fe3C塊體的制備工藝，其特征在于，所述球磨抽真空的真空度彡1^1Pao
4.如權(quán)利要求1所述的純凈Fe3C塊體的制備工藝，其特征在于，所述酚醛樹脂的加入量為Fe粉和無定形C粉總重量的0.3%。
5.如權(quán)利要求1所述的純凈Fe3(:塊體的制備工藝，其特征在于，所述慢速無壓燒結(jié)的升溫速度為5°C /秒；快速壓力燒結(jié)的升溫速度為10°C /秒。
【文檔編號】C01B31/30GK104495845SQ201410772117
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】皇志富, 鄭寶超, 邢建東, 高義民 申請人:西安交通大學(xué)