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碳化釩具有較高的硬度、熔點(diǎn)和高溫強(qiáng)度等過渡族金屬碳化物的一般特性,同時(shí)具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性,因而在鋼鐵冶金、硬質(zhì)合金、電子產(chǎn)品、催化劑和高溫涂層材料等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)報(bào)道,各種碳化物的熱力學(xué)穩(wěn)定性決定了其抑制效果,其抑制作用大小順序?yàn)椋篤C>Mo2C>Cr3C2>NbC>TaC>TiC>ZrC。碳化釩的加入還可以作為硬質(zhì)相使硬質(zhì)合金的硬度和壽命大大提高,降低硬質(zhì)合金的飽和磁化強(qiáng)度、剩磁、矯頑磁力、磁能積、導(dǎo)磁率和居里溫度,生產(chǎn)出無磁合金。
碳化釩氣相還原法碳化釩氣相還原法是通過氣態(tài)碳?xì)浠衔锓肿拥牧呀馓峁┨荚矗蟮玫匠?xì)或者納米碳化釩的方法。利用CH4/H2 混合氣體氣相還V2O5,得到顆粒尺寸為17nm的碳化釩粉末(比表面積為60 m2/g)。納米碳化釩的合成主要包括2 步:步是V2O5在800 K時(shí)被H2還原為V2O3,第2 步是在1 180 K時(shí)V2O3被CH4還原和碳化為碳化釩和CO。用前驅(qū)體方法得到V2O5和原子級(jí)別C均勻混合的粉末后,用H2或CH4/H2的混合氣體進(jìn)相還原,在850~1 000 ℃的溫度下,得到了20~60 nm的碳化釩粉末。用該方法得到的碳化釩粉末,粒度分布均勻,并且工藝比較簡(jiǎn)單,但使用混合氣體作為還原氣體,生產(chǎn)成本相對(duì)較高,在一定程度上限制了其生產(chǎn)和應(yīng)用。
碳化釩前驅(qū)體法是通過溶液混合的方式使釩源和碳源充分混合,加熱蒸發(fā)溶液或者噴霧干燥,獲得含有釩源和碳源的固相前驅(qū)體,然后對(duì)固相前驅(qū)體進(jìn)一步熱處理,得到納米碳化釩粉末。早在20 世紀(jì)末,美國(guó)Rutger 大學(xué)]就用前驅(qū)體法制備了粒度為0.5 μm 的超細(xì)碳化釩粉末,且粒度均勻,具有重大的意義。近年來,前驅(qū)體法已成為合成納米碳化釩粉末的重要途徑之一。將V2O5置于有機(jī)酸溶液中,得到含有釩源和碳源的前驅(qū)體溶液,噴霧干燥后在碳管爐中進(jìn)行碳化還原,在1 100 ℃左右,得到了粉末粒度為30~50 nm、游離碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.47%的納米碳化釩粉末。以VOC2O4和蔗糖作為釩源和碳源,同樣在真空爐中處理含有釩源和碳源的固相前驅(qū)體,在950 ℃得到了分散性良好、粒徑在30~50 nm的碳化釩粉末。在碳化過程中,C原子只需要進(jìn)行短程遷移就能形成間隙相,不需要C原子的長(zhǎng)程擴(kuò)散,所以可以有效降低反應(yīng)溫度,避免晶粒在高溫下的快速長(zhǎng)大。熱處理前驅(qū)體已經(jīng)成為合成納米級(jí)陶瓷顆粒比較成熟的方法,這種方法能夠達(dá)到反應(yīng)物的高度均勻混合,前驅(qū)體可以通過低溫反應(yīng),使陶瓷顆粒的形成在溫和的條件下進(jìn)行,且產(chǎn)物粒度較小,分布均勻。但是,前驅(qū)體法不容易控制混合物中的碳含量,所以產(chǎn)品的純度不易保證,相比傳統(tǒng)的碳化還原反應(yīng),工藝較復(fù)雜,且成本較高,故不易在工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)中應(yīng)用。
上世紀(jì)70 年代以來,TiN 薄膜作為刀具涂層在應(yīng)用上取得了巨大的成功,這一切削刀具的“金色革命”有力動(dòng)了制造業(yè)的發(fā)展。繼TiN 以后,CrN 、ZrN、TiAlN等性能更為優(yōu)異并各具特色的氮化物薄膜又相繼推出,為滿足不同加工方式和加工條件下刀具對(duì)涂層的特殊要求提供了選擇的空間。與氮化物相比,碳化物硬度更高,而且同樣具有多種優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。但是,過渡金屬碳化的相組成一般較為復(fù)雜,制備也相對(duì)困難,阻礙了這類有很大潛力的涂層材料的發(fā)展。因而在碳化物中,只有TiC和TiCN薄膜得到較多的研究,并已應(yīng)用于刀具涂層。 碳化釩是硬度的過渡金屬碳化物之一。