CN109553112B - 一种单相WCoB粉末的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种单相WCoB粉末的制备方法，属于粉末材料制备领域。本发明先对WB粉进行湿磨，然后加入Co粉进行混合湿磨，Co和WB的摩尔比为(0.95‑1.05):1，然后进行压坯，将干燥完毕的坯体放入真空炉内按照一定的加热程序进行化学反应，得到单相的三元硼化物WCoB坯体；将制备的WCoB坯体进行粗研，保证粗研后平均颗粒度<50mm，进而以无水乙醇为球磨介质加入硬质合金球置入球磨罐中进行球磨破碎，干燥即可。本发明可制备出纯相WCoB粉末，且工艺步骤较简单，可操作性强。

Description

一种单相WCoB粉末的制备方法
技术领域：
本发明属于粉末材料制备领域，具体涉及一种单相化合物WCoB的制备方法。
背景技术：
WCoB作为一种新型的三元硼化物，具有高的熔点、高的硬度、抗氧化性等优异的物理和力学性能。当WC-TiC-Co、WC-Co等合金中含有WCoB相时，可明显提高合金的耐磨性和抗氧化性能，进而应用于汽车发动机汽缸、高温耐磨工模具等高温耐磨部件。由此可见，全面了解WCoB的物理、化学及力学性能，作为添加剂用以提高合金的力学性能具有非常重要的应用前景。
目前应用于合金中WCoB的制备方法是：以硼的化合物为原料，与合金中其他成分的原料发生反应生成WCoB相，如含WCoB的TiC-WCoB合金的反应过程是：WC+xCo+TiB2-WCoB+TiC+Cox-1B。可以看出，该方法存在如下缺点：(1)反应生成WCoB的同时，还有其他相产生，无法获得纯相的WCoB；(2)由于其他原料的作用(如大量TiC原材料)，可能出现硼化物原料反应不完全，且难以控制WCoB相的含量及分布均匀性；(3)由W、Co、B组成的二元和三元化合物除了WCoB外，还有W2CoB2、Co2B、Co3W、WB、WB2等，反应过程中可能有杂项的生成，难以实现WCoB相含量精确测量和控制。由此可见，无法通过现有方法制备出单相的WCoB，进而测定WCoB的物理和力学性能，通过WCoB添加量的变化实现合金力学性能的精确调控。
由上述分析可知，制备出单相的WCoB粉末是进行其物理、化学及力学性能测试，实现精确添加的根本途径。然而到目前为止，作者尚未见到相关的报道。为此，本实验以硼化钨粉和钴粉为原料，通过热重分析确定其反应发生和反应完全的温度，设定精确原料配比和热处理工艺制备出物相纯净的WCoB粉末，该方法具有操作简单、成本低廉、生产率高等优点。
发明内容：
本发明提供了一种使用设备简单、制备过程易于控制、成本低廉的单相三元硼化物WCoB粉末的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)将平均粒度为1.0～1.5μm的硼化钨粉与无水乙醇和硬质合金球在硬质合金球磨罐中进行球磨。其中，磨球由相同质量的直径分别为2mm、4mm、8mm的硬质合金球组成，球料比为3～5:1，球磨时间为20～40小时，球磨转速为260～280r/min；球磨过程是：球磨3h，停止30min，再进行球磨，如此循环至球磨时间达到要求；
(2)在球磨后的WB粉末中加入平均粒度为6～7.5um的钴粉，保证Co和WB的摩尔比为(0.95-1.05):1，进一步进行球磨，球磨时间为20小时，球磨转速280～300r/min；
(3)将球磨后的混合粉进行干燥，过筛后在混合粉末中加入体积为2.5％～5％的无水乙醇搅拌均匀后进行冷压，冷压压力为5～7MPa，压坯在真空条件下加热到100℃进行干燥，干燥时间为10～15h；无水乙醇的加入可保证粉体冷压成形，真空加热干燥的目的是为了去除压坯内的无水乙醇，保证不引入杂质；
(4)将干燥完毕的坯体放入真空炉内进行化学反应，炉内真空度为≤0.05Pa，加热速率5～7℃/min，具体加热工艺为，从室温升到200℃，保温半个小时，继续升温到600～650℃并在此温度下保温1小时，继续升温到1080℃～1120℃，保温3小时后随炉冷却，得到单相的三元硼化物WCoB坯体；
(5)将制备的WCoB坯体进行粗研，保证粗研后平均颗粒度<50mm，进而以无水乙醇为球磨介质加入硬质合金球置入球磨罐中进行球磨破碎；其中硬质合金球直径为8mm和6mm，硬质合金球和粗研粉的质量比为5：1，球磨时间为40小时，球磨转速为280～300r/min，球磨过程每3h停一次，停止时间为30min；将球磨后的粉末在100℃下进行10～15小时的真空干燥后，使用200目的不锈钢网筛对干燥后的WCoB粉末进行过滤处理，即可得到物相纯净、粒度均匀的WCoB粉体。
本发明的技术优势和效果在于：
(1)本实验先对WB粉进行湿磨，然后加入Co粉进行混合湿磨，可有效将高硬度WB破碎为平均粒度小于0.5μm的颗粒，在与Co粉混合过程中可保证WB粉末与Co粉混合均匀。颗粒粒径的降低，可使颗粒具有高的表面能，从而有效促进反应充分进行；粉末均匀性的提高，即WB与Co粉末充分接触，有助于在较短的时间内生成单一均匀的WCoB相。
(2)在混粉过程中使用不同规格的硬质合金球配合合适的球磨转速提高WB的破碎效率。球磨初期，依靠大颗粒磨球的高冲击力使大颗粒WB破碎，小颗粒磨球增大粉末与磨球的接触面积，共同提高球磨效率，获得粉末颗粒粒径小且分布均匀的混合粉末。
(3)为保证反应充分进行，获得单相的WCoB粉末，本实验在热处理时采用严格控制真空度、加热速率并进行阶段性保温。根据热重计算分析模拟出反应开始的温度和反应完全的温度，并在该温度下设定合适的保温时间，可最大化生成WCoB相并控制其他杂相的产生，从而提高了WCoB相的纯度。
(4)WCoB坯体结块现象严重，且硬度高，为获得单相WCoB粉末，进行进一步的破碎和球磨处理。首先进行机械破碎至一定粒度，再采用直径为8mm和6mm的硬质合金球，为增大磨球的冲击力兼顾磨球与粉末的接触面积，提高球磨效率。
(5)本发明制备出来的纯相WCoB粉末，可单独使用研究其性能也可作为添加剂对材料进行强化，并且本方法工艺步骤较简单，可操作性强、成本低廉，可实现工业化批量生产。
附图说明
图1为实施例1中制备化合物粉末的XRD图谱；
图2为实施例2中制备化合物粉末的XRD图谱；
图3为本发明实施例Co和WB的摩尔为1：1、温度为1100℃条件下制备单相WCoB粉末扫描电镜显微形貌图。
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。
所有实施例中均以WB和Co原料。初始WB粉末的平均粒径约为1.5微米。Co粉平均粒度为6.5μm。其制备过程是：(1)将平均粒度为1.5μm的硼化钨粉与无水乙醇(与常规的湿法研磨一样，无水乙醇基本是浸没硼化钨粉)和硬质合金球在硬质合金球磨罐中进行球磨，磨球由相同质量的直径分别为2mm、4mm、8mm的硬质合金球组成，球料比为3:1，球磨时间为30小时，球磨转速为260r/min；(2)进一步在球磨后的WB粉末中加入钴粉，进一步在球磨转速300r/min下继续球磨20小时；(3)将球磨后的混合粉进行干燥、过筛后，在混合粉末中加入分体体积5％的无水乙醇搅拌均匀后进行冷压，冷压压力为6MPa；(4)压坯在真空条件下加热到100℃干燥15h后放入真空炉内进行反应热处理制备出三元化合物坯体；(5)坯体进行粗研至平均颗粒度<50mm后，以无水乙醇进行球磨破碎。球磨转速为300r/min，球磨时间40h。将球磨后的粉末在100℃下进行10小时的真空干燥后，使用200目的不锈钢网筛对干燥后的粉末进行过滤处理。
实施例1：目标是采用不同Co和WB摩尔比在相同的热处理条件下制备WCoB粉末。采用上述工艺，并保证第(2)中，原料Co和WB的摩尔比分别为0.8:1、1:1和1.2:1；第(4)中在真空炉内进行热处理，热处理工艺为：真空度为≤0.05Pa，加热速率5℃/min，从室温升到200℃，保温半个小时，继续升温到650℃保温1小时，继续升温到1100℃，保温3小时后随炉冷却。由上述工艺制备得到的三元硼化物粉末的XRD图谱见图1。
实施例2：目标是采用相同Co和WB摩尔比在不同反应热处理条件下制备WCoB粉末。采用上述工艺，并保证第(2)中，原料Co和WB的摩尔比为1:1；第(4)中在真空炉内进行热处理，热处理工艺为：真空度为≤0.05Pa，加热速率5℃/min，从室温升到200℃，保温半个小时，继续升温到650℃保温1小时，继续分别升温到1000℃、1100℃、1200℃，保温3小时后随炉冷却。由上述工艺制备得到的三元硼化物粉末的XRD图谱见图2，热处理温度为1100℃制备得到单相WCoB化合物的SEM图见图3。

Claims (2)

1.一种单相WCoB粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将平均粒度为1.0～1.5μm的硼化钨粉与无水乙醇和硬质合金球在硬质合金球磨罐中进行球磨， 其中，磨球由相同质量的直径分别为2mm、4mm、8mm的硬质合金球组成，球料比为3～5:1，球磨时间为20～40小时，球磨转速为260～280r/min；球磨过程是：球磨3h，停止30min，再进行球磨，如此循环至球磨时间达到要求；
(2)在球磨后的WB粉末中加入平均粒度为6～7.5μm 的钴粉，保证Co和WB的摩尔比为(0.95-1.05):1，进一步进行球磨，球磨时间为20小时，球磨转速280～300r/min；
(3)将球磨后的混合粉进行干燥，过筛后在混合粉末中加入体积为2.5％～5％的无水乙醇搅拌均匀后进行冷压，冷压压力为5～7MPa，压坯在真空条件下加热到100℃进行干燥，干燥时间为10～15h；无水乙醇的加入可保证粉体冷压成形，真空加热干燥的目的是为了去除压坯内的无水乙醇，保证不引入杂质；
(4)将干燥完毕的坯体放入真空炉内进行化学反应，炉内真空度为≤0.05Pa，加热速率5～7℃/min，具体加热工艺为，从室温升到200℃，保温半个小时，继续升温到600～650℃并在此温度下保温1小时，继续升温到1080℃～1120℃，保温3小时后随炉冷却，得到单相的三元硼化物WCoB坯体；
(5)将制备的WCoB坯体进行粗研，保证粗研后平均颗粒度<50mm，进而以无水乙醇为球磨介质加入硬质合金球置入球磨罐中进行球磨破碎；其中硬质合金球直径为8mm和6mm，硬质合金球和粗研粉的质量比为5：1，球磨时间为40小时，球磨转速为280～300r/min，球磨过程每3h停一次，停止时间为30min；将球磨后的粉末在100℃下进行10～15小时的真空干燥后，使用200目的不锈钢网筛对干燥后的WCoB粉末进行过滤处理，即可得到物相纯净、粒度均匀的WCoB粉体。
2.按照权利要求1所述的一种单相WCoB粉末的制备方法，其特征在于，步骤(2)Co和WB的摩尔比为1:1；步骤(4)继续升温到1100℃，保温3小时后随炉冷却。
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