專利名稱：合成納米晶鎢鈷硬質(zhì)合金復(fù)合粉末的方法
專利說明合成納米晶鎢鈷硬質(zhì)合金復(fù)合粉末的方法 本發(fā)明屬于粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種利用反應(yīng)熱處理合成納米晶鎢鈷硬質(zhì)合金復(fù)合粉末的方法。WC硬質(zhì)合金以其高硬度、耐磨性、耐蝕性而著稱，廣泛用作切削加工刀具、各種鉆頭、粉末冶金模具材料和耐磨部件。然而，硬質(zhì)合金屬于準(zhǔn)脆性材料，硬度的提高必須以其韌性的降低為代價(jià)，即因裂紋擴(kuò)展阻力下降而導(dǎo)致合金強(qiáng)度降低。這一矛盾難以滿足科學(xué)技術(shù)發(fā)展對高強(qiáng)、高耐磨材料的需求。納米晶硬質(zhì)合金是協(xié)調(diào)這一矛盾的關(guān)鍵技術(shù)途徑。納米晶WC-Co復(fù)合粉末是納米晶硬質(zhì)合金塊體材料的基礎(chǔ)。目前，制備納米復(fù)合粉的方法主要有化學(xué)法和機(jī)械法兩大類?；瘜W(xué)法包括有噴霧-轉(zhuǎn)換、化學(xué)共沉淀、等離子體合成、溶膠-凝膠法等。其中，化學(xué)共沉淀、等離子體合成和溶膠-凝膠法制備納米晶WC-Co復(fù)合粉末，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)并存在一定的環(huán)保問題。噴霧-轉(zhuǎn)換工藝合成納米晶WC-Co復(fù)合粉末，雖已成為工業(yè)規(guī)模，但所得復(fù)合粉末大都是粒徑為數(shù)十微米的空心團(tuán)聚粒子(包含數(shù)十萬個(gè)納米WC和Co晶粒)，而其中的納米WC、Co晶粒的燒結(jié)活性很高，在燒結(jié)時(shí)極易造成顆粒內(nèi)的晶界遷移而形成晶粒內(nèi)孔隙，成為納米晶塊體材料進(jìn)一步致密化的障礙，而晶粒內(nèi)孔隙的消除必須通過空位激活才能實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致燒結(jié)致密化溫度升高，伴隨著納米WC晶粒的進(jìn)一步急劇長大，成為制約獲得納米晶YG合金的技術(shù)瓶頸。利用機(jī)械合金化法合成的納米晶WC-Co復(fù)合粉末，粉末顆粒產(chǎn)生大量的變形，晶格畸變嚴(yán)重，過剩的系統(tǒng)能量引起體系的燒結(jié)活性極高，納米WC晶粒尺寸在燒結(jié)過程中的穩(wěn)定性很低。針對化學(xué)法和機(jī)械合金化法制備的納米晶復(fù)合粉末中WC晶粒尺寸穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，特提出本發(fā)明。
本發(fā)明利用反應(yīng)熱處理技術(shù)合成燒結(jié)穩(wěn)定性較高和滿足納米晶硬質(zhì)合金燒結(jié)要求的WC-Co復(fù)合粉末。即利用高能球磨技術(shù)制造W、C、Co活化態(tài)復(fù)合粉末，外界輸入到體系的過剩能量部分轉(zhuǎn)化成隨后合成納米晶WC的固態(tài)反應(yīng)所需的能量，降低納米WC-Co復(fù)合粉末的過高活性而提高納米WC晶粒尺寸的燒結(jié)穩(wěn)定性，為制造WC晶粒尺寸在100nm以下的納米硬質(zhì)合金創(chuàng)造條件。
根據(jù)硬質(zhì)合金牌號所規(guī)定的成份要求，將工業(yè)用鎢粉(中、粗、細(xì)顆粒均可)、碳黑和金屬鈷粉按比例放入高能攪拌球磨機(jī)中，隨后按照35-30∶1的球料比加入硬質(zhì)的鎢合金球或硬質(zhì)合金球，硬質(zhì)球的大小在5-10mm之間。密封高能球磨機(jī)的端蓋后，抽真空以盡可能地除去球磨機(jī)中的空氣。接著通入氬氣至微正壓，開啟球磨機(jī)端蓋上的排氣閥，保持10分鐘，以將球磨機(jī)的殘留空氣成分排除。關(guān)閉氬氣進(jìn)氣閥后再關(guān)閉排氣閥。高能球磨機(jī)的攪拌速度為300-650轉(zhuǎn)/分鐘。經(jīng)過50小時(shí)的球磨后，得到機(jī)械活化態(tài)的W、C、Co復(fù)合粉末。為了防止粉末氧化，在卸粉前向球磨機(jī)中注入足夠的汽油，其添加量以覆蓋機(jī)內(nèi)的球料為準(zhǔn)?；罨疻、C、Co復(fù)合粉末在真空爐中進(jìn)行反應(yīng)熱處理。反應(yīng)熱處理溫度在750-1100℃之間。反應(yīng)溫度過低，鎢轉(zhuǎn)化成碳化鎢的反應(yīng)進(jìn)行不切底。而反應(yīng)溫度太高，一方面會造成合成的納米碳化鎢晶粒尺寸的過份長大，同時(shí)也會提高過程能耗。反應(yīng)熱處理時(shí)間一般在30分鐘左右。合成的WC-Co復(fù)合粉末中的WC晶粒尺寸在9-42nm之間，具體數(shù)值主要取決于反應(yīng)熱處理溫度。合成的WC-Co復(fù)合粉末顆粒尺寸一般在0.1-0.4μm之間(主要取決于反應(yīng)熱處理溫度)。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)和積極效果是1 納米晶WC-Co復(fù)合粉末中的WC晶粒尺寸可以在很寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行靈活調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)納米WC晶粒尺寸的連續(xù)可控；2 由于從外界輸入到反應(yīng)體系中的過剩能量部分被用于形成納米WC相的固態(tài)反應(yīng)，降低了納米WC-Co復(fù)合粉末顆粒的過高燒結(jié)活性，提高了納米WC晶粒在燒結(jié)過程中的尺寸穩(wěn)定性，如在1100℃經(jīng)過30分鐘處理后，納米WC晶粒尺寸僅為42nm。
3 較現(xiàn)有納米晶WC-Co復(fù)合粉末的制造技術(shù)相比較，克服了噴霧-轉(zhuǎn)換工藝存在的可能造成環(huán)境污染問題，便于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。實(shí)施例1制備成份為WC-10Co復(fù)合粉末。
稱取16.9kg的3μm的工業(yè)W粉、1.1kg工業(yè)碳黑與2kg金屬Co粉末在普通混料機(jī)中預(yù)混合30分鐘后，裝入體積為60升的高能球磨機(jī)中，再加入600kg的鎢合金球。抽真空后填充惰性氣體Ar。高能球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分鐘，機(jī)械活化50小時(shí)。球磨后，經(jīng)小角度X-ray衍射分析得知，活化態(tài)混合粉末中的鎢粉晶粒尺寸大約為3-5nm。
將活化態(tài)的W、C、Co復(fù)合粉末置于石墨或鎳及其合金坩堝內(nèi)并放入真空爐或惰性氣體保護(hù)的管式爐中進(jìn)行反應(yīng)熱處理。在750℃時(shí)熱處理30分鐘后，粉末中WC晶粒尺寸為9.2nm；而在1100℃處理30分鐘后，粉末中WC晶粒尺寸為42nm。并且X-ray衍射分析結(jié)果表明，粉末中除WC和Co相外，不存在其它中間相。
權(quán)利要求
1.一種合成納米晶鎢鈷硬質(zhì)合金復(fù)合粉末的方法，其特征在于本發(fā)明根據(jù)硬質(zhì)合金牌號所規(guī)定的成份要求，將工業(yè)用鎢粉、碳黑和金屬鈷粉按比例混合，按照35-30∶1的球料比加入硬質(zhì)的鎢合金球或硬質(zhì)合金球，硬質(zhì)球的大小在5-10mm之間，球磨在氬氣氣氛中進(jìn)行，球磨機(jī)的攪拌速度為300-650轉(zhuǎn)/分鐘，球磨時(shí)間為50小時(shí)，將球磨后得到的機(jī)械活化態(tài)的W、C、Co復(fù)合粉末進(jìn)行反應(yīng)熱處理，反應(yīng)熱處理溫度在750-1100℃之間，時(shí)間為30分鐘。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于為了防止粉末氧化，在卸粉前向球磨機(jī)中注入足夠的汽油，其添加量以覆蓋機(jī)內(nèi)的球料為準(zhǔn)。
全文摘要
一種合成納米晶鎢鈷硬質(zhì)合金復(fù)合粉末的方法。本發(fā)明利用反應(yīng)熱處理技術(shù)合成燒結(jié)穩(wěn)定性較高和滿足納米晶硬質(zhì)合金燒結(jié)要求的WC－Co復(fù)合粉末。即利用高能球磨技術(shù)制造W、C、Co活化態(tài)復(fù)合粉末，外界輸入到體系的過剩能量部分轉(zhuǎn)化成隨后合成納米晶WC的固態(tài)反應(yīng)所需的能量。本發(fā)明制得的復(fù)合粉末中的WC晶粒尺寸可以在很寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行靈活調(diào)整；利用本發(fā)明，降低了納米WC－Co復(fù)合粉末顆粒的過高燒結(jié)活性，提高了納米WC晶粒在燒結(jié)過程中的尺寸穩(wěn)定性，在1100℃經(jīng)過30分鐘處理后，納米WC晶粒尺寸僅為42nm；克服了現(xiàn)有工藝中存在的環(huán)境污染問題，便于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號C22C29/08GK1530456SQ0311817
公開日2004年9月22日 申請日期2003年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月12日
發(fā)明者曹順華, 高海燕, 李炯義, 林信平 申請人:中南大學(xué)