CN109550972A - 一种耐高温硬质合金用钴粉的制备方法 - Google Patents

一种耐高温硬质合金用钴粉的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温硬质合金用钴粉的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将配制钴和活性元素的混合盐溶液；(2)配制沉淀剂溶液；(3)将分散剂加入沉淀剂溶液中，混合均匀；(4)将混合盐溶液与沉淀剂溶液用并流加料法加入反应釜中，通过共沉淀反应使钴和活性元素从溶液中沉淀出来；(5)将共沉淀物经过滤、洗涤、干燥得复合碱式碳酸钴粉末；(6)将所述复合碱式碳酸钴粉末经过还原，制得耐高温硬质合金用钴粉。本发明在钴粉中均匀添加能与基体合金元素形成第二强化相的活性元素，可明显改善硬质合金的耐高温性能。

Description

一种耐高温硬质合金用钴粉的制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，尤其是涉及一种耐高温硬质合金用钴粉的制备方法。
背景技术
随着我国经济的逐渐企稳，预计钴的消费年均增速也将稳中有升。目前，我国钴粉的年消费量为4000吨左右，需求量主要来自硬质合金行业，到2020年，该行业的钴粉消费量将达到3500吨左右。
硬质合金由于其高强度、高硬度、高弹性模量、高耐磨性和低热膨胀系数等优点，在机械制造、金属加工、石油钻探、矿山采掘等工业领域有广泛的用途。现有的硬质合金材料主要是由基体WC和粘结相Co金属组成。Co元素因具有优良综合性能，与硬质碳化物润湿性好而被用作硬质合金材料的关键粘结剂。但Co在高温条件下容易出现软化、氧化、高温腐蚀等情况使得普通硬质合金材料在高温条件下出现易磨损而导致失效的情况。因而，在一定程度上限制了以Co作为粘结相的硬质合金的应用。因此，急需要一种改进的方法制备适用于耐高温硬质合金用的钴粉。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明申请人提供了一种耐高温硬质合金用钴粉的制备方法。本发明在钴粉中均匀添加能与基体合金元素形成第二强化相的活性元素，可明显改善硬质合金的耐高温性能。
本发明的技术方案如下：
一种耐高温硬质合金用钴粉的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将可溶性钴盐、可溶活性元素盐溶于蒸馏水中配制成钴和活性元素的混合盐溶液；
(2)将铵盐与氨水加入蒸馏水，配成沉淀剂溶液；
(3)将分散剂加入步骤(2)所述沉淀剂溶液中，混合均匀；
(4)将步骤(1)制得的混合盐溶液与步骤(3)所述沉淀剂溶液用并流加料法加入反应釜中，通过共沉淀反应使钴和活性元素从溶液中沉淀出来；
(5)将步骤(4)的共沉淀物经过滤、洗涤、干燥得复合碱式碳酸钴粉末；
(6)将所述复合碱式碳酸钴粉末在450℃～600℃、分解氨气氛中进行还原，还原时间为6～8h，制得复合贵金属的钴粉，即所述耐高温硬质合金用钴粉。
步骤(1)中所述可溶性钴盐为氯化钴、硝酸钴、乙酸钴中的一种或多种；所述可溶性活性元素盐为氯化铬、硝酸铬、氯化钒、偏钒酸铵、氧氯化锆、硝酸锆、氯化钇、硝酸钇、氯化铈、硝酸铈、氯化镧、硝酸镧一种或多种；所述混合盐溶液的浓度为60～150g/L；所述活性元素盐占钴盐质量的0.05～0.1％。
步骤(2)中所述铵盐为碳酸铵或碳酸氢铵；所述氨水的浓度25～28％的工业氨水；所述沉淀剂溶液浓度为100～180g/L，其中铵盐与氨水的质量比为3～9:1。
步骤(3)中所述分散剂为甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇、丁醇、丙醇、己烷、聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵、聚丙烯酸、聚乙二醇、聚乙烯醇中的一种或多种；所述分散剂用量为铵盐与氨水质量和的0.1～10％。
步骤(4)中所述混合盐溶液与沉淀剂溶液的体积比为1:1.5～5；所述共沉淀反应的条件为：温度40～80℃，反应时间2～5h，pH值7.6～8.6，搅拌速度60～200rpm。
本发明有益的技术效果在于：
(1)本发明制备的钴粉，将活性元素均匀复合在钴中，与基体合金元素形成第二强化相，从而提高硬质合的耐高温性能；采用并流加料的方式合成复合碱式碳酸钴，可以避免正流法和逆流法加料过程中pH值的大幅度变化和局部浓度过高现象，保证反应过程中恒流、恒pH值、恒温，有利于产品质量的稳定和连续化生产。
(2)本发明采用共沉淀法可以精确控制各个组分的含量，实现组分间在原子级别的均匀混合；可以通过控制沉淀过程的工艺参数和沉淀物的还原温度来控制钴粉的纯度、颗粒大小、分散性和相组成。
(3)本发明基本在原有生产工艺的基础上进行，不需要对设备和工艺做大的改动，易于实现工业化生产，在产品成本增加很少的情况下，该复合活性元素的钴粉可以大幅提高硬质合金产品的耐高温性能。
附图说明
图1为本发明制备方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
实施例1
(1)按照Zr/Co＝0.6％的成分配比称取相应的氯化钴和氧氯化锆溶于蒸馏水配置成浓度为100g/L的混合盐溶液；
(2)称取碳酸铵和氨水(碳酸铵与氨水的质量比为3:1)配制成浓度为120g/L的沉淀剂溶液；
(3)向沉淀剂溶液中加入碳酸铵和氨水总重量0.1％的分散剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，溶解搅拌均匀；
(4)取0.2L上述混合盐溶液及0.7L沉淀剂溶液，用并流加料法加入反应釜，控制合成的反应温度为60℃，反应时间为3h，反应pH值8.2，搅拌速度为100rpm；
(5)将共沉淀生成的沉淀物进行过滤洗涤，直到洗涤液呈中性为止，然后干燥制得复合碱式碳酸钴粉末；
(6)将上述复合碱式碳酸钴粉末置于氢气还原炉，分解氨气氛中进行还原，控制还原温度为550℃，时间为7小时，最终制得复合活性元素的钴粉。
实施例2
(1)按照(Cr+Ce)/Co＝0.4％(Cr:Ce＝1:1)的成分配比称取相应的硝酸钴、氯化铬和硝酸铈溶于蒸馏水配置成浓度为80g/L的混合盐溶液；
(2)称取碳酸氢铵和氨水(碳酸氢铵与氨水质量比9:1)配制成浓度为140g/L的沉淀剂溶液；
(3)向上述沉淀剂溶液中加入碳酸氢铵和氨水总重量10％的分散剂乙醇，混合搅拌均匀；
(4)取0.5L上述混合盐溶液及1.0L沉淀剂溶液，用并流加料法加入反应釜，控制合成的反应温度为70℃，反应时间为2h，反应pH值7.6，搅拌速度为120rpm；
(5)将共沉淀生成的沉淀物进行过滤洗涤，直到洗涤液呈中性为止，然后干燥制得复合碱式碳酸钴粉末；
(6)将上述复合碱式碳酸钴粉末置于氢气还原炉，分解氨气氛中进行还原，控制还原温度为520℃，时间为6小时，最终制得复合活性元素的钴粉。
实施例3
(1)按照(V+Y+La)/Co＝0.8％(V:Y:La＝1:1:1)的成分配比称取相应的乙酸钴、偏钒酸铵、氯化钇和硝酸镧溶于蒸馏水配置成浓度为60g/L的混合盐溶液；
(2)称取碳酸铵和氨水(碳酸铵与氨水质量比5:1)配制成浓度为100g/L的沉淀剂溶液；
(3)向上述沉淀剂溶液中加入碳酸氢铵和氨水总重量0.3％的分散剂聚丙烯酸(PAA)、0.3％的分散剂丁醇和0.3％的分散剂丙酮，混合搅拌均匀；
(4)取0.2L上述混合盐溶液及0.8L沉淀剂溶液，用并流加料法加入反应釜，控制合成的反应温度为40℃，反应时间为3h，反应pH值8.5，搅拌速度为60rpm；
(5)将共沉淀生成的沉淀物进行过滤洗涤，直到洗涤液呈中性为止，然后干燥制得复合碱式碳酸钴粉末；
(6)将上述复合碱式碳酸钴粉末置于氢气还原炉，分解氨气氛中进行还原，控制还原温度为600℃，时间为8小时，最终制得复合活性元素的钴粉。
实施例4
(1)按照La/Co＝0.1％的成分配比称取相应的氯化钴和氯化镧溶于蒸馏水配置成浓度为150g/L的混合盐溶液；
(2)称取碳氢酸铵和氨水(碳酸氢铵与氨水质量比为6:1)配制成浓度为180g/L的沉淀剂溶液；
(3)向上述沉淀剂溶液中加入碳酸氢铵和氨水总重量2％的分散剂己烷、2％的分散剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和2％的分散剂分散剂聚乙烯醇(PVA)，溶解搅拌均匀；
(4)取0.2L上述混合盐溶液及0.5L沉淀剂溶液，用并流加料法加入反应釜，控制合成的反应温度为80℃，反应时间为4h，反应pH值7.8，搅拌速度为200rpm；
(5)将共沉淀生成的沉淀物进行过滤洗涤，直到洗涤液呈中性为止，然后干燥制得复合碱式碳酸钴粉末；
(6)将上述复合碱式碳酸钴粉末置于氢气还原炉，分解氨气氛中进行还原，控制还原温度为450℃，时间为6小时，最终制得复合活性元素的钴粉。
实施例5
(1)按照(Zr+Ce)/Co＝0.3％(Zr:Ce＝1:1)的成分配比称取相应的硝酸钴、硝酸锆和氯化铈溶于蒸馏水配置成浓度为120g/L的混合盐溶液；
(2)称取碳酸铵和氨水(碳酸铵与氨水的质量比为4:1)配制成浓度为160g/L的沉淀剂溶液；
(3)向上述沉淀剂溶液中加入碳酸氢铵和氨水总重量0.6％的分散剂丙酮，0.6％的分散剂乙二醇、0.6％的分散剂丁醇、0.6％的分散剂分散剂己烷和0.6％的分散剂聚乙二醇(PEG)，溶解搅拌均匀；
(4)取0.2L上述混合盐溶液及0.6L沉淀剂溶液，用并流加料法加入反应釜，控制合成的反应温度为50℃，反应时间为5h，反应pH值8.1，搅拌速度为150rpm；
(5)将共沉淀生成的沉淀物进行过滤洗涤，直到洗涤液呈中性为止，然后干燥制得复合碱式碳酸钴粉末；
(6)将上述复合碱式碳酸钴粉末置于氢气还原炉，分解氨气氛中进行还原，控制还原温度为500℃，时间为7小时，最终制得复合活性元素的钴粉。
测试例：
将实施例1-5方法制得的复合活性元素的钴粉与市售的钴粉采用相同的工艺制成硬质合金试验条，并将相应的试验条编号为1#，2#，3#，4#，5#和a，b，c，在如下条件下进行高温氧化试验：
将尺寸为5.25mm×6.5mm×20mm的硬质合金试验条样用800#金刚石砂轮磨去样品表面层，并进行研磨抛光处理；采用相同的摆放方式，将8个不同合金样品放入经过高温煅烧的刚玉舟皿内，每个舟皿内放置1块样品，称取样品与舟皿的总质量；把载有样品的刚玉舟皿放入石英舟皿内，推入管式实验炉，保证所有样品位于加热带的中心部位；按10℃/min的升温速率升温至700℃±5，保温24h，在空气气氛下进行氧化实验；炉温冷却至室温后称取氧化后合金样品与刚玉舟皿的总质量。
计算合金质量增加率作为合金的高温氧化速率，计算公式如下：
式中：V为合金的氧化速率，g/(m–2·h–1)；w1和w0分别为合金氧化后和氧化前的质量，g；S为合金氧化前的总表面积，m2；t为氧化时间，h。在同样实验条件下重复3次实验，取平均值。实验结果如表1所示。
表1
编号 1# 2# 3# 4# 5# a b c
V(g·m<sup>–2</sup>·h<sup>–1</sup>) 17.73 16.41 16.38 15.68 17.25 26.57 28.08 29.21
从表1可以看出：用实施例1-5方法制备的钴粉为粘结相硬质合金试样的氧化速率比市售钴粉为粘结相硬质合金试样有了明显的下降，这是因为在钴粉中加入活性元素后，与硬质合金中其他元素相互作用形成第二强化相，改善了合金组织及表面氧化膜，从而减缓了合金氧化速率。
实验结果表明：采用本发明方法制备的钴粉作硬质合金粘结剂可以显著提高硬质合金的耐高温性能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种耐高温硬质合金用钴粉的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将可溶性钴盐、可溶活性元素盐溶于蒸馏水中配制成钴和活性元素的混合盐溶液；
(2)将铵盐与氨水加入蒸馏水，配成沉淀剂溶液；
(3)将分散剂加入步骤(2)所述沉淀剂溶液中，混合均匀；
(4)将步骤(1)制得的混合盐溶液与步骤(3)所述沉淀剂溶液用并流加料法加入反应釜中，通过共沉淀反应使钴和活性元素从溶液中沉淀出来；
(5)将步骤(4)的共沉淀物经过滤、洗涤、干燥得复合碱式碳酸钴粉末；
(6)将所述复合碱式碳酸钴粉末在450℃～600℃、分解氨气氛中进行还原，还原时间为6～8h，制得复合贵金属的钴粉，即所述耐高温硬质合金用钴粉。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述可溶性钴盐为氯化钴、硝酸钴、乙酸钴中的一种或多种；所述可溶性活性元素盐为氯化铬、硝酸铬、氯化钒、偏钒酸铵、氧氯化锆、硝酸锆、氯化钇、硝酸钇、氯化铈、硝酸铈、氯化镧、硝酸镧一种或多种；所述混合盐溶液的浓度为60～150g/L；所述活性元素盐占钴盐质量的0.05～0.1％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述铵盐为碳酸铵或碳酸氢铵；所述氨水的浓度25～28％的工业氨水；所述沉淀剂溶液浓度为100～180g/L，其中铵盐与氨水的质量比为3～9:1。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述分散剂为甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇、丁醇、丙醇、己烷、聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵、聚丙烯酸、聚乙二醇、聚乙烯醇中的一种或多种；所述分散剂用量为铵盐与氨水质量和的0.1～10％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述混合盐溶液与沉淀剂溶液的体积比为1:1.5～5；所述共沉淀反应的条件为：温度40～80℃，反应时间2～5h，pH值7.6～8.6，搅拌速度60～200rpm。
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