江西有色金属  2006, Vol. 20 Issue (2): 29-31
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杨瑞芳, 廖亮, 邵春欣, 谢建秋. 氮化钇粉末制备工艺的研究[J]. 江西有色金属, 2006, 20(2): 29-31.
YANG Rui-fang, LIAO Liang, SHAO Chun-xin, XIE Jian-qiu. Study on Preparation Technique of Yttrium Nitride Powder[J]. Jiangxi Nonferrous Metals, 2006, 20(2): 29-31.
氮化钇粉末制备工艺的研究[PDF全文]
杨瑞芳 , 廖亮 , 邵春欣 , 谢建秋     
湖南稀土金属材料研究院，湖南 长沙 410014
作者简介：杨瑞芳（1964-），男，湖南湘阴人，工程师，主要从事稀土金属材料和稀土硼化物方面的研究
收稿日期：2006-05-08
摘要：采用两步法制备氮化钇（YN）粉末。研究了温度、真空度和氮化时间对氮化钇粉末中原子比（Y/N）的影响。确定了最佳工艺条件，并试制出0.38mm和0.038mm的氮化钇粉末。
关键词：氮化钇    粉末粒度    制备工艺    
Study on Preparation Technique of Yttrium Nitride Powder
YANG Rui-fang , LIAO Liang , SHAO Chun-xin , XIE Jian-qiu     
Hunan Academe of Rare Metal Material, Changsha 410014, Hunan, China
Abstract: Two steps of preparing yttrium nitride powder are adopted, temperature, time and vacuum which influences ratio of atom are studied, the most convenient technique for preparing yttrium nitride powder is determined, and yttrium nitride powder of 0.38mm and 0.038mm are trial-produced.
Key words: yttrium nitride    particle size of powder    preparation technique    
0 前言

稀土氮化物具有很高的熔点（如氮化钇的熔点达到2 570℃），而且在高温下非常稳定。氮化钇粉末可应用于钽粉末冶金过程中，以期改善钽粉的加工性能。在氧化物和氮化物高温陶瓷中也可望得到应用。稀土氮化物可通过不同的方法获得[1]，但对稀土氮化物粉末的制备却少有报道。笔者简述了采用两步法制备氮化钇（YN）粉末工艺的研究概况与结果。

1 实验

先利用稀土金属钇形成氢化物后晶型发生变化，体积变大，质地松脆，易于研磨的特性，制成不同粒度的氢化钇粉末（0.38~0.038mm）；氢化钇粉末经750℃脱氢，真空度达到1×10-3Pa后，再直接通入高纯氮气，并逐步升高温度至1 000℃，生成氮化钇粉末。采用99.9%金属钇、高纯氢、高纯氮作原料，化学分析结果见表 1，将金属钇破碎至3~5mm大小的碎块，把碎块金属钇装入舟中，推入不锈钢管式炉膛中，真空度达到1×10-3Pa后，升温加热（设定650℃）。1 h后通入高纯氢气进行氢化。待完全冷却后，将氢化钇破碎至0.38mm和0.038mm不同粒度规格。氢化钇粉末在200℃下真空干燥后，依次装入舟中，推入脱氢炉膛中，进行脱氢（设定750℃）。当真空度达到1×10-3Pa后，再通入高纯氮气（N2），并逐步升高温度，直至氮化反应完全。待完全冷却后，在真空操作箱中进行筛分和包装。

表 1 原料金属钇﹑高纯氢和高纯氮的分析结果 %
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高纯氢：H2≥99.999%   高纯氮N2≥99.999%

        甲烷≤1×10-4%      O2≤3×10-4%

        CO≤1×10-4%        总碳（甲烷）≤3×10-4%

        CO2 ≤1×10-4%       H2≤3×10-4%

        H2O≤3×10-4%        H2O≤4×10-4

1.1 氮化温度实验

通入高纯氮气进行氮化时，设定不同的氮化温度，进行温度对氮化钇粉末中原子比（Y/N）影响的实验。真空度为1×10-3Pa，氮化反应时间为40 min，氮气流量为0.2 L/min。

1.2 真空度实验

在不同真空度的前提下，通入高纯氮气进行氮化反应，考察真空度对氮化钇粉末中原子比（Y/N）的影响。氮化反应时间为40 min，氮化温度从750℃开始每10 min升温100℃，直至1000℃止，氮气流量为0.2 L/min。

1.3 氮化时间实验

通入高纯氮气进行氮化时，控制不同的反应时间，进行氮化时间对氮化钇粉末中原子比（Y/N）影响的实验。真空度为1×10-3Pa，氮化温度从750 ℃通入高纯氮气开始，10 min内升温至1 000 ℃，并保温。氮气流量为0.2 L/min。

2 实验结果与讨论 2.1 氮化温度对氮化钇粉末中原子比（Y/N）的影响

金属钇与氮在温度约500℃开始反应，900℃时反应较快，1 000 ℃反应趋于完成，生成含氧的YN[2]。由于氮化钇粉末从氢化钇脱氢而来，故氮化钇粉末中还含有微量氢。

从图 1和表 2中可看出，随着温度的升高，氮化钇粉末中原子比（N/Y）随之增加，850~950℃时升高较快，1 000 ℃时趋缓，表明反应趋于完全。此时，即使再升高温度，原子比也不会明显增加。

图 1 氮化温度与原子比（N/Y）的关系

表 2 温度与原子比（Y/N）的关系（<0.38mmYN粉末）
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2.2 真空度对氮化钇粉末中原子比（Y/N）的影响

REN具有立方晶系的NaCl型结构，RE-N之间的化学键为离子型。大部分稀土无机物中都含有氧，大多数稀土含氧化合物中均有RE-O键，表明稀土离子易与氧键合。RE与O和N的配位能力：O>N，因此在有氧与氮同时存在时，RE优先与氧化合。从表 3可以看出，随着真空度的提高氮化钇粉末中原子比（Y/N）也随之增加，而氮化钇粉末中含氧量却随之减少。因此真空度是影响氮化钇粉末中原子比（Y/N）的最主要因素。考虑到金属钇中含有部分氧，因此采用低氧含量的金属钇作原料，也是非常必要的。

表 3 真空度与原子比（Y/N）及含氧量的关系（0.38mmYN粉末）
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本实验设备真空度仅能达到1×10-3Pa。但可预计，在真空度1×10-4Pa~1×10-5Pa条件下，即真空度越高，氮化钇粉末中含氧量越低，氮化钇粉末中原子比（Y/N）也会相应提高。

2.3 氮化时间对氮化钇粉末中原子比(Y/N)的影响

控制氮气流量为0.2 L/min，从充入氮气开始计算氮化时间（参见表 4）。从图 2可知，随着氮化时间的增长，氮化钇粉末中含氮量增加，氮化钇中原子比（N/Y）随之增高，但随后趋缓。说明反应一段时间后，氮化结束，反应产物中原子比不会再随时间延长而明显增加。

表 4 氮化时间与原子比（Y/N）的关系（0.38mmYN粉末）
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图 2 氮化时间与原子比（N/Y）之关系

2.4 综合条件实验

将氢化钇（YH3）破碎成0.038 mm的粉末，脱氢后，在真空度达到1×10-3Pa时，充入高纯氮气，氮气流量为0.2 L/min，氮化时间为40 min。从脱氢温度750℃开始，每10 min升温100 ℃，直至1 000 ℃为止。待完全冷却至室温后，在真空操作箱中筛分、包装。结果获得YN0.9的氮化钇粉末，表明粉末粒度对氮化钇中原子比（Y/N）影响不大。化学成分分析和0.038 mm氮化钇粉末的电镜扫描图像见表 5和图 3。

表 5 0.038mm氮化钇粉末分析结果 %
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图 3 0.038mm氮化钇粉末电镜扫描图

3 结论

（1）温度、真空度、氮化时间是影响氮化钇粉末中原子比（Y/N）的3个主要因素。最佳氮化工艺条件为：温度1 000 ℃，真空度大于1×10-3Pa，时间为40min。

（2）采用两步法可获得不同粒度的氮化钇粉末，能满足客户对氮化钇粉末不同粒度的要求。

（3）采用低氧含量高纯金属钇为原料，同时选用高纯氢、高纯氮作反应剂，是制备高原子比氮化钇粉末的必要条件。

参考文献
[1]
徐光宪. 稀土(上册)[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1995: 51.
[2]
董春辉, 刘余九. 稀土元素(第七卷)[M]. 北京: 科学出版社, 1992: 60.