[发明专利]制造WC/Co复合纳米粉末的方法

说明书

本发明涉及一种纳米结构材料的制造方法，尤其涉及一种WC/Co复合纳米粉末的制造方法，以及该方法中所用的移动床径向反应器。所制得的粉末适合于制造纳米金属陶瓷和纳米晶涂层。

所述WC/Co复合纳米粉末是指单个晶粒尺寸为纳米数量级(小于100nm)的碳化钨/钴复合粉末。与现有的粉末相比，用本发明的方法制备的WC/Co复合纳米粉末具有室温不氧化的特点，所制备的材料和涂层将具有更为优越的物理性能，包括较高的断裂韧性、硬度、更耐机械磨损和应力腐蚀。

传统的碳化钨/钴(WC/Co)是一类广泛应用的硬质合金材料，由韧性的粘接相基质Co和硬质强化相陶瓷WC组成，工业应用领域包括切割刀具、钻头和表面硬化涂层。

WC是一种不一致熔融化合物(在熔融之前分解)，不能用熔融浇注的方法制备。传统的方法是分别制备WC和Co粉，通过球磨的方法形成混合物。典型的工艺是：三氧化钨(WO₃)，或者钨酸(H₂WO₄)，或者仲钨酸铵((NH₄)₅·(WO₃)₁₂·5H₂O)用碳黑还原成金属钨(W)粉。用碳黑进一步将W粉在高温(1600℃)碳化生成微米或亚微米级WC粉末。Co粉通常用草酸钴(Co(C₂O₄)₂·5H₂O)高温分解的方法制备。然后将WC和Co粉机械混合。这种方法制备的WC和Co复合粉通常不均匀。

近十几年来，具有精细结构的材料呈现出十分诱人的性质。今天，一类具有超细晶粒的材料令人瞩目，这就是“纳米结构”材料。这种纳米结构材料的特点是表面原子占总晶粒尺寸的比例很高(直到50％)。在化学组成相同的情况下，纳米结构材料(晶粒尺寸1-100nm)通常具有比传统的微米结构材料更为优异的化学或物理性能。尤其是，通过控制纳米晶粒或颗粒的形态、分布、颗粒间的结合方式、气孔结构以及颗粒之间的堆积密度，制成具有多重功能的涂层，有些是我们还未知的工程应用领域。

纳米结构材料较传统的微米结构材料而言具有许多优点(参见Nanostructured Materials Vol.1,1992)，例如纳米马氏体钢兼有超高强度，较高的韧性和硬度，纳米陶瓷可以在很低的温度下烧结并呈现超塑性，纳米金属陶瓷增加了延展性，纳米热障材料减少了热导率，以及纳米颗粒具有出色的催化和电化学性能。特别是，纳米金属合金和金属碳化物预计具有优越的断裂韧性、硬度、磨擦、磨损和阻力。

在过去的十年中，纳米材料的合成和制备技术得到长足的发展。

纳米金属和陶瓷粉末最初用Gleiter教授首先发明的气相蒸发冷凝(IGC)方法制造("Materials with Ultrafine Microstructures:Retrospective and perspectives,"Nanostructured Materials,Vol.1,PP.1-19,1992)，后来这种方法被Siegel教授用来生产纳米TiO2和其他粉末("Creating Nanophase Materials,"Scientifie American Vol.275,PP.74-79,1996)。IGC目前是实验室规模制备金属和陶瓷粉末的方法，靠金属蒸发并在冷壁上冷凝制得金属粉末，若将所制得的纳米金属粉末通氧气，则制成纳米金属氧化物粉末。其特点是制备的粉末无硬团聚(非常疏松的团聚体)。

但IGC方法的缺点是受金属升华温度的限制，不能制备各种粉末，另外该工艺不能大量生产。Kear教授对IGC方法进行改进，发明了化学气相冷凝(CVC)方法("Chemical Vapor Synthesis of Nanostructured Ceramics,"edited by K.E.Gonsalves,G.M.Chow,T.D.Xiao,and R.C.Cammarata,MRS Symp.Pro.Vol.351,PP.363-368,1994)。这种方法是用IGC的设备，但原料是可气化的化合物和反应气体。合成的物质包括氮化物和氧化物纳米粉末。其优缺点与IGC相似，亦不能大规模生产。