CN101884892A - 一种超细及纳米WC-Co复合粉的团聚造粒方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超细及纳米WC-Co复合粉的团聚造粒方法，属于金属陶瓷涂层技术领域。方法为：将超细及纳米WC-Co复合粉与聚乙烯醇、聚乙二醇及去离子水按比例混合配制料浆；利用离心雾化干燥设备对上述WC-Co复合粉的料浆进行喷雾造粒，干燥机进口温度140-200℃，雾化盘转动频率200-300Hz；利用真空热处理炉对喷雾干燥粉末进行热处理，热处理温度为950-1200℃，保温时间为1-2h，炉内保持氩气气氛。本发明可以得到平均粒径及粒径分布满足热喷涂工艺要求的团聚颗粒，团聚颗粒的球形度良好，可制备具有优良综合性能的超细及纳米结构的硬质合金涂层。

Description

一种超细及纳米WC-Co复合粉的团聚造粒方法
技术领域
本发明涉及一种超细及纳米WC-Co复合粉的团聚造粒方法，属于金属陶瓷涂层技术领域。
背景技术
WC-Co类硬质合金涂层在磨粒磨损、冲蚀磨损等工矿条件下具有其他材料难以比拟的耐磨、耐蚀和抗疲劳的综合性能优势，已在多个工业领域获得成功应用。然而，目前国内外工业领域应用的主要是微米级粗粉WC-Co类涂层，与之相比，超细结构(100-500nm)、纳米结构(＜100nm)及超细/纳米复合结构的硬质合金涂层具有更高的硬度、强度和韧性。我们已有的研究工作表明，与粗粉WC-Co类硬质合金涂层相比，由于超细及纳米粉末具有特殊的小尺寸效应、表面效应等，使得粉末颗粒熔点降低，表面性能大幅度增强，喷涂过程中粒子的平铺性得到有效改善，沉积效率大大提高，同时，涂层组织的致密性得到提高。采用超音速火焰喷涂制备的超细及纳米结构的硬质合金涂层具有显著提高的表面质量、结构致密性和层间结合强度，尤其是硬度高、耐磨耐蚀性能优异和抗疲劳性能好，同时具有强度和韧性的理想配合，其综合性能明显优于常规微米级涂层。这种具备优良综合性能的超细及纳米结构的WC-Co类涂层，能大范围替代带来严重环境污染问题的电镀硬铬层，尤其在机械制造(如液压传动件)、航空航天(如飞机起落架)、水利电力(如水轮机叶片)、矿山冶金(如结晶器、沉没辊)、石油化工(如抽油泵活塞杆)和造纸皮革(如瓦楞棍、涂布辊)等对表面耐磨蚀和强韧性有较高要求的场合拥有非常广阔的应用前景。
然而，超细及纳米尺度的粉末颗粒由于尺寸和质量太小，流动性差，无法快速、均匀地输送到热喷涂的焰流中；而且，超细及纳米尺度的粉体表面活性极高，在热喷涂过程中颗粒易于合并粗化，且由于流动性差、在热喷涂焰流中停留时间过长而使晶粒容易发生异常长大，最终导致涂层性能下降。因此，超细及纳米粉末颗粒不能直接用于热喷涂，必须经过二次造粒，团聚形成整体上较大尺度的粉体、同时又保持超细及纳米颗粒原始组织结构的特征。
申请人已有的专利技术(“一种简单快速的超细WC-Co复合粉的制备方法”，授权专利号200610165554.2)制备的平均粒径在80-400nm范围内的超细及纳米WC-Co复合粉，是本发明提供的造粒方法的一份原料，是制备高性能的超细及纳米结构的硬质合金涂层的前提条件。
发明内容
本发明目的是提供的一种超细及纳米WC-Co复合粉的造粒方法，该方法是一种工艺简单、成本低、可控性强的造粒方法，从而满足制备高性能的超细及纳米结构的硬质合金涂层的关键前提条件。
本发明针对超细及纳米尺度的WC-Co复合粉由于颗粒尺寸和质量太小、流动性差等原因，无法快速、均匀地输送到热喷涂焰流中，因而很难制备超细及纳米结构硬质合金涂层的问题，提出一种超细及纳米WC-Co复合粉团聚造粒的技术，利用本发明方法对超细及纳米WC-Co复合粉进行团聚造粒后，团聚颗粒可直接用于热喷涂工艺，制备具有优良综合性能的超细及纳米结构的硬质合金涂层。
本发明提供的一种超细及纳米WC-Co复合粉的造粒方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将平均粒径在80-400nm范围内的超细及纳米WC-Co复合粉与聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)及去离子水按一定比例混合配制料浆，其中WC-Co复合粉质量为料浆总质量的45-65％，PVA质量为复合粉质量的2％-4％，PEG质量为复合粉质量的1％-3％。根据初始复合粉的粒径来选取相应的料浆参数组合。具体步骤是：首先根据预定的料浆成分参数计算所需去离子水的质量，将PVA和PEG分别溶于去离子水中，再将复合粉与PVA的水溶液混合、搅拌，最后加入PEG的水溶液，搅拌至少30min，得到WC-Co复合粉的料浆，若有气泡产生，滴加正丁醇消泡剂。
(2)利用离心雾化干燥设备对上述WC-Co复合粉的料浆进行喷雾造粒，干燥机进口温度为140-200℃，雾化盘转动频率为200-300Hz，得到喷雾干燥粉末。
(3)利用真空热处理炉对喷雾干燥粉末进行热处理，热处理温度为950-1200℃，保温时间为1-2h，炉内保持氩气气氛。通过上述步骤制备得到超细及纳米WC-Co复合粉的团聚颗粒，将团聚颗粒进行过筛分级处理，得到粒径分布在10-50μm范围内的复合粉的团聚颗粒。
本方法以申请人已有的专利技术制备的超细及纳米WC-Co复合粉(“一种简单快速的超细WC-Co复合粉的制备方法”，授权专利号200610165554.2)为原料，通过喷雾干燥和后续热处理的方法制备超细及纳米WC-Co复合粉的团聚颗粒，作为热喷涂工艺所需的原料用于制备硬质合金涂层。
本发明方法的技术特色主要表现为：(1)配制WC-Co复合粉的料浆时，依据初始复合粉的平均粒径来确定料浆的成分及含量参数，如复合粉的平均粒径较小时，应降低料浆复合粉的含量和PVA的含量，而提高PEG的含量；(2)进行后续热处理时，依据初始复合粉的平均粒径来确定热处理温度，复合粉平均粒径越小，热处理温度应越低，目的是防止复合粉颗粒的快速粗化。通过有针对性的调控工艺参数，确定最佳的喷雾干燥及热处理工艺参数组合，可制备得到平均粒径及粒径分布满足热喷涂工艺要求的团聚颗粒，且团聚颗粒的球形度良好，同时保持了超细及纳米复合粉的原始组织结构。利用本方法对超细及纳米WC-Co复合粉进行团聚造粒后，团聚颗粒可直接用于热喷涂工艺，制备具有优良综合性能的超细及纳米结构的硬质合金涂层。
附图说明
图1本发明使用的初始原料超细及纳米WC-Co复合粉的显微形貌图；其中，a为实施例1中的初始WC-Co复合粉的显微形貌、b为实施例2中的初始WC-Co复合粉的显微形貌、c为实施例3中的初始WC-Co复合粉的显微形貌；
图2本发明方法制备的超细及纳米WC-Co复合粉团聚颗粒的显微形貌图；其中，a为实施例1制备的WC-Co复合粉团聚颗粒的显微形貌、b为实施例2制备的WC-Co复合粉团聚颗粒的显微形貌、c为实施例3制备的WC-Co复合粉团聚颗粒的显微形貌；
图3本发明方法制备的超细及纳米WC-Co复合粉团聚颗粒的粒径分布图；其中，a为实施例1制备的WC-Co复合粉团聚颗粒的粒径分布、b为实施例2制备的WC-Co复合粉团聚颗粒的粒径分布、c为实施例3制备的WC-Co复合粉团聚颗粒的粒径分布。
具体实施方式
以下实施例进一步解释了本发明，但本发明并不限于以下实施例。
以下实施例中聚乙烯醇(PVA)牌号为“PVA-124”，由广东省精细化学品工程技术研究开发中心生产。聚乙二醇(PEG)为“聚乙二醇6000”，由广东省精细化学品工程技术研究开发中心生产。所用离心雾化干燥设备为青海三四一九干燥设备有限公司生产的GLP-5型高速离心雾化干燥设备。初始WC-Co复合粉均利用申请人已有的专利技术(授权专利号200610165554.2)制备。均以WC-12wt.％Co复合粉的团聚造粒为例。
实施例1
将平均粒径为80nm的WC-12Co复合粉(形貌如图1(a))与聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)及去离子水按一定比例混合配制料浆，其中WC-12Co复合粉质量为料浆总质量的45％，PVA质量为复合粉质量的2％，PEG质量为复合粉质量的3％。具体步骤是：首先根据预定的料浆成分参数计算所需去离子水的质量，将PVA和PEG分别溶于去离子水中，然后将复合粉与PVA的水溶液混合、搅拌，最后加入PEG的水溶液，搅拌至少30min，得到WC-Co复合粉的料浆。若有气泡产生，滴加正丁醇消泡剂。料浆配好后，利用离心雾化干燥设备对料浆进行喷雾造粒，干燥机进口温度设定为200℃，雾化盘转动频率为300Hz，得到喷雾干燥粉末。然后利用真空热处理炉对喷雾干燥粉末进行热处理，热处理温度为950℃，保温时间为1h，炉内保持氩气气氛，制备得到WC-12Co复合粉的团聚颗粒。最后将团聚颗粒进行过筛分级处理，得到粒径分布在10-50μm范围内的复合粉的团聚颗粒，如图2(a)。
利用激光粒度分析仪统计分析制备得到的WC-12Co复合粉团聚颗粒的平均粒径及粒径分布，利用标准漏斗法(GB 1479-84)测量制备得到的WC-12Co复合粉团聚颗粒的松装密度和流动性，每个样品测量三次取平均值，测量结果见表1，团聚颗粒的粒径分布如图3(a)。
实施例2
将平均粒径为210nm的WC-12Co复合粉(形貌如图1(b))与聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)及去离子水按一定比例混合配制料浆，其中WC-12Co复合粉质量为料浆总质量的55％，PVA质量为复合粉质量的3％，PEG质量为复合粉质量的2％。具体步骤是：首先根据预定的料浆成分参数计算所需去离子水的质量，将PVA和PEG分别溶于去离子水中，然后将复合粉与PVA的水溶液混合、搅拌，最后加入PEG的水溶液，搅拌至少30min，得到WC-Co复合粉的料浆。若有气泡产生，滴加正丁醇消泡剂。料浆配好后，利用离心雾化干燥设备对料浆进行喷雾造粒，干燥机进口温度设定为170℃，雾化盘转动频率为250Hz，得到喷雾干燥粉末，然后利用真空热处理炉对喷雾干燥粉末进行热处理，热处理温度为1100℃，保温时间为1.5h，炉内保持氩气气氛，制备得到WC-12Co复合粉的团聚颗粒。最后将团聚颗粒进行过筛分级处理，得到粒径分布在10-50μm范围内的复合粉的团聚颗粒，如图2(b)。
利用激光粒度分析仪统计分析制备得到的WC-12Co复合粉团聚颗粒的平均粒径及粒径分布，利用标准漏斗法(GB 1479-84)测量制备得到的WC-12Co复合粉团聚颗粒的松装密度和流动性，每个样品测量三次取平均值，测量结果见表1，团聚颗粒的粒径分布如图3(b)。
实施例3
将平均粒径为380nm的WC-12Co复合粉(形貌如图1(c))与聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)及去离子水按一定比例混合配制料浆，其中WC-12Co复合粉质量为料浆总质量的65％，PVA质量为复合粉质量的4％，PEG质量为复合粉质量的1％。具体步骤是：首先根据预定的料浆成分参数计算所需去离子水的质量，将PVA和PEG分别溶于去离子水中，然后将复合粉与PVA的水溶液混合、搅拌，最后加入PEG的水溶液，搅拌至少30min，得到WC-Co复合粉的料浆。若有气泡产生，滴加正丁醇消泡剂。料浆配好后，利用离心雾化干燥设备对料浆进行喷雾造粒，干燥机进口温度设定为140℃，雾化盘转动频率为200Hz，得到喷雾干燥粉末，然后利用真空热处理炉对喷雾干燥粉末进行热处理，热处理温度为1200℃，保温时间为2h，炉内保持氩气气氛，制备得到WC-12Co复合粉的团聚颗粒。最后将团聚颗粒进行过筛分级处理，得到粒径分布在10-50μm范围内的复合粉的团聚颗粒，如图2(c)。
利用激光粒度分析仪统计分析制备得到的WC-12Co复合粉团聚颗粒的平均粒径，利用标准漏斗法(GB 1479-84)测量制备得到的WC-12Co复合粉团聚颗粒的松装密度和流动性，每个样品测量三次取平均值，测量结果见表1，团聚颗粒的粒径分布如图3(c)。
表1实施例1-3制备得到的WC-12Co复合粉团聚颗粒的物性参数
  松装密度(g/cm3)   流动性(s/50g)   平均粒径(μm)
  实施例1   2.01   8.58   21
  实施例2   2.53   7.28   23
  实施例3   3.55   4.27   24

Claims (3)

1.一种超细及纳米WC-Co复合粉的造粒方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将平均粒径在80～400nm范围内的超细及纳米WC-Co复合粉与聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)及去离子水按一定比例混合配制料浆，其中WC-Co复合粉质量为料浆总质量的45～65％，PVA质量为复合粉质量的2％～4％，PEG质量为复合粉质量的1％～3％；
(2)利用离心雾化干燥设备对上述WC-Co复合粉的料浆进行喷雾造粒，干燥机进口温度为140～200℃，雾化盘转动频率为200～300Hz，得到喷雾干燥粉末；
(3)利用真空热处理炉对喷雾干燥粉末进行热处理，热处理温度为950～1200℃，保温时间为1～2h，炉内保持氩气气氛。
2.权利要求1的一种超细及纳米WC-Co复合粉的造粒方法，其特征在于，步骤(1)配制料浆的过程为：根据预定的料浆成分计算所需去离子水的质量，将PVA和PEG分别溶于去离子水中，再将复合粉与PVA的水溶液混合、搅拌，最后加入PEG的水溶液，搅拌至少30min，得到WC-Co复合粉的料浆，若有气泡产生，滴加正丁醇消泡剂。
3.权利要求1的一种超细及纳米WC-Co复合粉的造粒方法，其特征在于，将步骤(3)制备得到超细及纳米WC-Co复合粉的团聚颗粒进行过筛分级处理，得到粒径分布在10-50μm范围内的复合粉的团聚颗粒。
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Assignee: Beihard Technology (Xianghe) Co.,Ltd.

Assignor: Beijing University of Technology

Contract record no.: X2021990000686

Denomination of invention: Agglomeration granulation method of ultrafine and nano WC Co composite powder

Granted publication date: 20120905

License type: Exclusive License

Record date: 20211111

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