[发明专利]一种纳米三氧化钨粉末的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及制备纳米三氧化钨粉末的技术，属于粉末冶金技术领域。

 

背景技术

对于WC-Co硬质合金，细化WC晶粒是提高硬质合金硬度和强度的有效途径，特别是纳米WC-Co硬质合金性能优越，应用广泛。生产纳米硬质合金的关键技术之—是制备出纳米WC粉或WC-Co复合粉末。其制取方法有多种，目前研究得比较深入的方法有：

（1）机械合金化

机械合金化是将需要制备的合金中各金属元素粉末，如W-Ni-Fe，W-Cu 等各元素粉末在搅拌、行星或转子高能球磨机中进行高能球磨，球磨过程中采用惰性气体保护，以防止粉末氧化。在合金化过程中，粉末体在球的作用下反复发生混合、碰撞、温度升高、冷焊与撕裂，各元素粉末混合达到非常均匀的程度，各元素粉末之间发生互扩散，可使互不相溶的W，Cu等合金元素、或溶解度较低的合金粉末如W，Ni，Fe等发生互扩散，形成具有一定溶解度或较大溶解度的W-Cu，W-Ni-Fe超饱和固溶体和Ni非晶相。采用机械合金化粉末混合均匀化程度高，达到原子级水平的混合，可以制备20nm以下的纳米复合粉末。其主要缺点是过程中易引入杂质，粉末易于成团成块，粘壁现象严重。采用同材质的钨球作为球磨介质，可以制备纯度较高的粉末。

机械合金化法与高能球磨法表面上相似，但有本质上的区别。机械合金化就是将欲合金化的元素粉末按一定配比机械混合，在高能球磨机等设备中长时间运转，将回转机械能传递给粉末，同时粉末在球磨介质的反复冲撞下，承受冲击、剪切、摩擦和压缩多种力的作用，经历反复挤压、冷焊合及粉碎过程，成为弥散分布的超细粒子，在固态下实现合金化。有研究者就利用机械合金化法合成了纳米WC粉体。他们将石墨粉和钨粉按原子比1∶1的比例置于球磨机中，在氩气保护下球磨110小时，合成了晶粒度为7.2nm的WC粉体。

（2）喷雾转化工艺

美国的Rutgers University和Nanodyne公司、北京科技大学都对此方法进行了研究，其基本过程是利用水溶性前驱体热化学合成纳米WC-Co，其步骤如下：

1） 制备和混合前驱体化合物水溶液，固定起始溶液的成分，通常使用偏钨酸氨[(NH₄)₆(H₂W₁₂O₄₀)₄H₂O]和CoCl₂、Co(NO₃)₂或Co(CH₃COO)₂做前驱体化合物水溶液；

2） 将起始溶液经喷干燥得非晶态的前驱体粉末；

3） 经流化床气相碳化反应将前驱体粉末转化为小于50nm的纳米WC-Co粉末。

喷雾转化工艺有如下优点：

1） 通过溶液混合可以实现分子级的WC， Co的均匀混合，易于添加不同的添加物；

2） 用传统的原料和设备就可生产；

3） 适于在线控制并可实现自动控制；

4） 生产系统为封闭型，减少了生产资料的浪费和对环境的污染；

5） 可制得小于50nm的WC-Co粉末，并可达到20～40nm的粒度范围。

（3）原位渗碳还原法

该方法的关键是将钨酸和钴盐溶解在有机物溶液中，经干燥后移至气氛炉内于800～900℃的温度范围内，由90%Ar—10%H₂的混合气体直接还原碳化成WC-Co粉体，制得粉体的晶粒度为50～80nm。该方法的创新之处在于利用聚合物作为原位碳，直接由H₂一步将前驱体还原成纳米单相WC-Co粉体，无需碳化过程。原位渗碳还原法可减少扩散长度，是一种很有吸引力的大规模生产方法。工艺过程中，烧结温度、气氛以及作为催化剂的少量醋酸钴添加剂对纳米WC-Co的形成均有影响。该方法的不足之处是在最终产品中仍可发现未分解的聚合物或游离碳，进而使产品性能受到影响。

（4）等离子体法