CN107867691A - 一种高品质粗颗粒wc粉的制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种高品质粗颗粒WC粉的制备方法，采用N2+H2混合气氛对WO3粉进行一次还原，相对的减少了H2的流量，有利于延缓还原进程，获得更粗粒度的WO3粉颗粒。二次还原在较高还原温度下，采用纯H2作为还原气氛，有利于提高WO3的还原速率，有利于提高W粉的化学纯度，有利于W粉结晶发育更加完整，同时，采用经过过筛、合批处理的WO3进行还原，更够显著改善W粉粒度的均匀性。采用W粉预混合工艺，有利于较少W颗粒的团聚度，使其分散性更佳，从而使W粉和C黑混合更加均匀；采用W+C混合料压制工艺，可以有效减少W颗粒和C颗粒的扩散距离，提高W粉C化效率；采用高温碳化工艺，可以获得结晶良好的WC颗粒，且其晶粒的塑性得到明显改善。
Description
技术领域
本发明涉及硬质合金的制备方法领域，更具体地，涉及一种高品质粗颗粒WC粉的制备方法和应用。
背景技术
近年来，随着硬质合金应用领域的不断扩展，硬质合金材质朝着超粗和超细两个方向发展，超粗硬质合金已广泛应用于矿用凿岩工具、轧辊和冲压模具领域。
硬质合金具有很高的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性，被誉为“工业牙齿”，广泛应用于军工、航天航空、机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、电子通讯、建筑等领域。随着工业水平的不断提升，人们对硬质合金的性能提出了更高要求。作为硬质合金的主要原材料WC粉，其重要性不言而喻。当前主流制备粗颗粒WC粉的工艺为WO3碱金属掺杂中温还原和高温碳化工艺，其流程为：首先，在WO3内加入一定量的Na盐或Li盐，然后将其在还原炉内在940℃-980℃进行H2还原得到W粉，再将其与C黑混合均匀，在碳化炉内于1800℃-2000℃下进行高温碳化得到WC粉。由于掺入的Na盐或Li盐往往无法和WO3达到完全均匀混合，用其得到的W粉通常存在晶粒发育一致性较差，颗粒大小均匀性一般，晶粒团聚较为严重等缺陷。同时，该工艺得到的W粉中会残留的一定量的Na+或Li+，其会导致W粉在碳化过程的碎化。因此，该工艺往往能获得较为粗大的WC粉末，但其多为多晶团聚颗粒，其粉末研磨粒度较细，用其制备的粗晶合金晶粒往往较细，性能往往不佳，难以满足实际生产需要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术不足，提供高品质粗颗粒WC粉的制备方法。对比当前工艺，采用WO3不掺杂二次还原工艺：第一步还原采用N2替代部分H2，相对的减少了H2的流量，有利于延缓还原进程，获得更粗粒度的WO3粉颗粒；第二步还原采用纯H2，有利于提高W粉的化学纯度，获得结晶更加完整的W粉颗粒，同时，采用经过过筛、合批处理的WO3进行还原，更够显著改善W粉粒度的均匀性。采用W粉预混合工艺，有利于较少W颗粒的团聚度，使其分散性更佳，从而使W粉和C黑混合更加均匀；采用W+C混合料压制工艺，可以有效减少W颗粒和C颗粒的扩散距离，提高W粉C化效率；采用高温碳化工艺，可以获得结晶良好的WC颗粒，且其晶粒的塑性得到明显改善。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
提供的高品质粗颗粒WC粉的制备方法，包括以下步骤：
S1.将WO3粉置于N2+H2混合气氛下进行一次还原，得到粗粒度的WO3粉颗粒；在纯H2气氛下进行二次还原，制取粗颗粒W粉，W粉FSSS粒度12-16μm；
S2.将步骤S1所得的粗颗粒钨粉进行预混合工艺，加入C黑进行混合进行配碳，再进行压制，在1900-2300℃高温碳化制得WC材料；
S3.将所述WC材料进行破碎，过筛，既得测定FSSS粒度为13-17μm，研磨FSSS粒度为5.5-7.0μm氧含量为0.01％-0.02％的高品质粗颗粒WC粉；
其中，步骤S1的N2+H2混合气氛中N2与H2的体积比为1:1-3。
进一步地，所述一次还原的还原温度960-980℃，N2+H2混合气体的流量10-15m3/h，装舟量6-8kg，推速25-40min/boat。
进一步地，一次还原后的所述粒度的WO3粉颗粒进行两次过筛，第一次过80目，第二次过120目。
进一步地，所述二次还原的还原温度970-1000℃，H2气氛的流量10-12m3/h，露点：-60℃，装舟量4-6kg，推速25-40min/boat。
进一步地，所述粗颗粒W粉，进行两次过筛，第一次过80目，第二次过120目。
进一步地，步骤S2所述配碳将钨粉加入混料器内，球料比为1:10，所述预混合工艺的时间1-2h，加入质量分数为6.10％-6.13％的C黑在双圆锥混合器内混合3-6h，混合采用衬胶不锈钢球,，球径
进一步地，步骤S2所述压制使用压力机，在5Mpa压力下，保压时间3-5min，制得6-13.5kg/块的圆柱棒料。
进一步地，所述高温碳化的推速30-60min/boat，保护气氛H2，露点-80℃，所述保护气氛H2的流量0.5-1.0m3/h。
进一步地，步骤S3中所述破碎的球料比1:1，破碎时间20-40min，将破碎后的WC材料过80-100目筛。
本发明的另一目的在于提供有上述高品质粗颗粒WC粉的制备方法制得的WC粉的应用。用于盾构机刀头用合金、水泥路面铣刨齿、冷墩模、轧辊、红冲模等合金工具产品中。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明打破传统粗颗粒WC粉的生产工艺的禁锢，提供一种新的高品质粗颗粒WC粉的制备方法，采用二次还原工艺，N2+H2气氛一次还原，纯H2气氛二次还原。可有效提高粗晶W粉的粒度，降低粉的团聚度，提高粗颗粒W粉粒度分布均匀性。
本发明的高品质粗颗粒WC粉的制备方法工艺较传统工艺相比，可提高W粉的还原效率，提高产能，降低能耗，同时降低了粗颗粒WC粉的制备成本。
本发明通过对粗颗W粉的质量控制，从原料上把控WC粉的品质，使制备出的粗颗粒WC具有粉结晶完整，粒度分布均匀佳，粉颗粒团聚度低等特点。
采用本发明的工艺制备的粗晶硬质合金，具有晶粒尺寸粗大，晶粒分布均匀。合金综合性能优良的特点。
附图说明
图1为现有掺杂工艺制备的粗晶WC粉的SEM图；
其中，(a)为粗晶WC粉末原始SEM图，(b)为粗晶WC研磨后的SEM图。
图2为实施例2的本工艺制备的高品质粗颗粒WC粉的SEM图；
其中，(c)为粗晶WC粉末原始SEM图，(d)为粗晶WC研磨后的SEM图。
图3为不同工艺WC制备的YG8硬质合金金相图片；
其中，(e)为现有掺杂工艺的粗晶WC粉制备的YG8硬质合金金相图片；(f)为本实施例2的工艺的高品质粗颗粒WC粉制备的YG8硬质合金金相图片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步详细说明本发明。除非特别说明，本发明实施例使用的各种原料均可以通过常规市购得到，或根据本领域的常规方法制备得到，所用设备为实验常用设备。除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。
本发明的高品质粗颗粒WC粉的制备方法，包括以下步骤：
S1.将WO2粉置于N2+H2混合气氛下进行一次还原，得到粗粒度的WO3粉颗粒；在纯H2气氛下进行二次还原，制取粗颗粒W粉，W粉FSSS粒度12-16μm；
S2.将步骤S1所得的粗颗粒钨粉进行预混合工艺，加入C黑进行混合进行配碳，再进行压制，在1900-2300℃高温碳化制得WC材料；
S3.将WC材料进行破碎，过筛，既得测定FSSS粒度为13-17μm，研磨FSSS粒度为5.5-7.0μm氧含量为0.01％-0.02％的高品质粗颗粒WC粉；其中，步骤S1的N2+H2混合气氛中N2与H2的体积比为1:1-3。
实施例1
本实施例的高品质粗颗粒WC粉的制备方法，包括以下步骤：
S1.将WO3粉置于N2+H2混合气氛下，N2：H2的体积比为1:1，在管式还原炉内进行一次还原，还原温度960℃，N2+H2混合气氛的流量15m3/h，装舟量为8kg，推速40min/boat；得到粗粒度的WO3粉颗粒；将所得粗粒度的WO3粉颗粒进行两次过筛，第一次过80目，第二次过120目。所得产物为WO3，FSSS粒度约16μm。
将一次还原所得WO3进行合批，在纯H2气氛下进行二次还原。还原温度970℃，H2气氛的流量10m3/h，露点：-60℃，装舟量6kg，推速25min/boat。所得产物为粗颗粒W粉进行两次过筛，第一次过80目，第二次过120目。W粉FSSS粒度16μm。
S2.将步骤S1所得的粗颗粒钨粉加入混料器内进行预混合工艺，预混合工艺的时间2h，加入衬胶不锈钢球，球料比为1:10，加入质量分数为6.10％-6.13％的C黑进行混合进行配碳，在双圆锥混合器内混合4.5h，其中，混合采用衬胶不锈钢球。
再在压制机上进行压制，在5Mpa压力下，保压时间3min，制得13.5kg/块的圆柱棒料。将所得圆柱棒料放入石墨烧舟内，推入碳化炉内进行高温碳化。高温碳化的温度2300℃，推速60min/boat，保护气氛H2，露点-80℃，所述保护气氛H2的流量0.5-1.0m3/h；高温碳化制得WC材料。
S3.将WC材料进行破碎，过筛，破碎的球料比1:1，破碎时间40min，将破碎后的WC材料过80-100目筛。既得测定FSSS粒度为17μm，研磨FSSS粒度为7.0μm氧含量为0.01％的高品质粗颗粒WC粉。
实施例2
本实施例的高品质粗颗粒WC粉的制备方法，包括以下步骤：
S1.将WO2粉置于N2+H2混合气氛下，N2：H2的体积比为1:2，在管式还原炉内进行一次还原，还原温度980℃，N2+H2混合气氛的流量12m3/h，装舟量为6kg，推速35min/boat；得到粗粒度的WO3粉颗粒；将所得粗粒度的WO3粉颗粒进行两次过筛，第一次过80目，第二次过120目。所得产物为WO3，FSSS粒度约14.5μm；
将一次还原所得WO3进行合批，在纯H2气氛下进行二次还原。还原温度1000℃，H2气氛的流量12m3/h，露点：-60℃，装舟量4.5kg，推速32min/boat。所得产物为粗颗粒W粉进行两次过筛，第一次过80目，第二次过120目。W粉FSSS粒度15.0μm。
S2.将步骤S1所得的粗颗粒钨粉加入混料器内进行预混合工艺，预混合工艺的时间2h，加入衬胶不锈钢球，球料比为1:10，加入质量分数为6.10％-6.13％的C黑进行混合进行配碳，在双圆锥混合器内混合4h，其中，混合采用衬胶不锈钢球。
再在压制机上进行压制，在5Mpa压力下，保压时间为4min，制得12kg/块的圆柱棒料。将所得圆柱棒料放入石墨烧舟内，推入碳化炉内进行高温碳化。高温碳化的温度2300℃，推速45min/boat，保护气氛H2，露点-80℃，保护气氛H2的流量0.5-1.0m3/h；高温碳化制得WC材料。
S3.将WC材料进行滚动破碎，过筛，破碎的球料比1:1，破碎时间40min，将破碎后的WC材料过80-100目筛。既得测定FSSS粒度为15μm，研磨FSSS粒度为6.3μm氧含量为0.01％的高品质粗颗粒WC粉。
实施例3
本实施例的高品质粗颗粒WC粉的制备方法，包括以下步骤：
S1.将WO3粉置于N2+H2混合气氛下，N2：H2的体积比为1:3，在管式还原炉内进行一次还原，还原温度960-980℃，N2+H2混合气氛的流量10m3/h，露点：-10℃，装舟量为6kg，推速30min/boat；得到粗粒度的WO3粉颗粒；将所得粗粒度的WO3粉颗粒进行两次过筛，第一次过80目，第二次过120目。所得产物为WO3，FSSS粒度约12μm。
将一次还原所得WO3进行合批，在纯H2气氛下进行二次还原。还原温度980℃，H2气氛的流量12m3/h，露点：-60℃，装舟量5kg，推速40min/boat。所得产物为粗颗粒W粉进行两次过筛，第一次过80目，第二次过120目。W粉FSSS粒度12.5μm。
S2.将步骤S1所得的粗颗粒钨粉加入混料器内进行预混合工艺，预混合工艺的时间1h，加入衬胶不锈钢球，球料比为1:10，加入质量分数为6.10％-6.13％的C黑进行混合进行配碳，在双圆锥混合器内混合4h，其中，混合采用衬胶不锈钢球。
再在压制机上进行压制，在5Mpa压力下，保压时间为5min，制得10kg/块的圆柱棒料。将所得圆柱棒料放入石墨烧舟内，推入碳化炉内进行高温碳化。高温碳化的温度1900℃，推速30min/boat，保护气氛H2，露点-80℃，保护气氛H2的流量0.5-1.0m3/h；高温碳化制得WC材料。
S3.将WC材料进行滚动破碎，过筛，破碎的球料比1:1，破碎时间40min，将破碎后的WC材料过80-100目筛。既得WC测定FSSS粒度为15μm，研磨FSSS粒度为6.3μm氧含量为0.01％的高品质粗颗粒WC粉。
对比例1
本对比例采用WO3碱金属掺杂(Na盐或Li盐)中温还原+高温碳化工艺制备粗颗粒WC粉：采用WO3为原料掺入50-80ppm的碱金属盐，在940-980℃，H2气氛，四管还原炉内进行还原的到20-30μm的粗晶W粉，在滚动球磨机内进行配碳，球料比2:1，混合4h。采用满装舟，在碳管炉内进行碳化，温度1800-2000℃，推速40-60min/boat。所得碳化钨块，在带有硬质合金衬板的滚动球磨机内进行破碎，球料比2:1。破碎时间30-40min。然后过筛，分别过60目和80目筛。通常所得WC的FSSS粒度在23-35μm。
由图1(a)和图1(b)中可知，现有掺杂工艺制备的粗晶WC粉的原始粒度较粗，但WC颗粒多为多晶团聚颗粒，且其研磨后，粒度分布不均匀。
图2为实施例2的高品质粗颗粒WC粉的SEM图，其图2(c)和图2(d)中可知，WC粉晶粒的原始粒度较小，但其WC为单晶颗粒，也有部分聚集，但且其研磨后，粒度分布均匀性较好，且粒度较图1(b)更粗。
由图3可知，不同工艺WC制备的YG8硬质合金金相照片，光学镜头x1500下；由图3(e)中可知，掺杂WC制备的合金晶粒度分布均匀性较差，且有粗晶聚集现象。由图3(f)中可知，本实施例2的工艺的制备的合金晶粒分布均匀性更佳，且晶粒多为等轴三角形，发育较好。
本实施例1～3的高品质粗颗粒WC粉的制备方法制得的WC粉用于盾构机刀头用合金、水泥路面铣刨齿、冷墩模、轧辊、红冲模等合金工具产品中。应用范围广泛，具有极大的经济效益。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的包含范围之内。
Claims (10)
1.一种高品质粗颗粒WC粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 将WO3粉置于N2+H2混合气氛下进行一次还原，得到粗粒度的WO3粉颗粒；在纯H2气氛下进行二次还原，制取粗颗粒W粉，W粉FSSS粒度12-16μm；
S2. 将步骤S1所得的粗颗粒钨粉进行预混合工艺，加入C黑进行混合进行配碳，再进行压制，在1900-2300℃高温碳化制得WC材料；
S3. 将所述WC材料进行破碎，过筛，既得测定FSSS粒度为13-17μm，研磨FSSS粒度为5.5-7.0μm氧含量为0.01%-0.02%的高品质粗颗粒WC粉；
其中，步骤S1的N2+H2混合气氛中N2与H2的体积比为1:1-3。
2.根据权利要求1所述高品质粗颗粒WC粉的制备方法，其特征在于，所述一次还原的还原温度960-980℃，N2+H2混合气体的流量10-15m3/h，装舟量6-8kg，推速25-40min/boat。
3.根据权利要求2所述高品质粗颗粒WC粉的制备方法，其特征在于，一次还原后的所述粒度的WO3粉颗粒进行两次过筛，第一次过80目，第二次过120目。
4.根据权利要求1所述高品质粗颗粒WC粉的制备方法，其特征在于，所述二次还原的还原温度970-1000℃，H2气氛的流量10-12m3/h，露点：-60℃，装舟量4-6kg，推速25-40min/boat。
5.根据权利要求4所述高品质粗颗粒WC粉的制备方法，其特征在于，所述粗颗粒W粉，进行两次过筛，第一次过80目，第二次过120目。
6.根据权利要求1所述高品质粗颗粒WC粉的制备方法，其特征在于，步骤S2所述配碳将钨粉加入混料器内，球料比为1:10，所述预混合工艺的时间1-2h，加入质量分数为6.10%-6.13%的C黑在双圆锥混合器内混合3-6h，混合采用衬胶不锈钢球，球径Ø32mm。
7.根据权利要求1所述高品质粗颗粒WC粉的制备方法，其特征在于，步骤S2所述压制使用压力机，在5Mpa压力下，保压时间3-5min，制得10-13.5kg/块的圆柱棒料。
8.根据权利要求1所述高品质粗颗粒WC粉的制备方法，其特征在于，所述高温碳化的推速30-60min/boat，保护气氛H2，露点-80℃，所述保护气氛 H2的流量0.5-1.0m3/h。
9.根据权利要求1所述高品质粗颗粒WC粉的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述破碎的球料比1:1，破碎时间20-40min，将破碎后的WC材料过80-100目筛。
10.根据权利要求1-9任意一项所述高品质粗颗粒WC粉的制备方法制得的WC粉用于盾构机刀头用合金、水泥路面铣刨齿、冷墩模、轧辊、红冲模等合金工具产品中。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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