一种金属包覆球形铸造碳化钨粉末及其制备方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金领域,且特别涉及一种金属包覆球形铸造碳化钨粉末及其制备方法。
背景技术
硬面技术对促进经济可持续发展、构建节约型社会具有重要意义。应用硬面技术在金属/合金表面形成硬质耐磨层可显著提高工件寿命、节约资源。目前,球形铸造碳化钨由于共晶组织细密、高硬度、流动性好,逐渐替代传统的碳化钨粉末,广泛应用于制备PDC钻头、刀具和耐磨零件等。
在以球形铸造碳化钨粉末为原料制备硬面材料过程中,球形铸造碳化钨一般需要与粘结金属均匀混合制备材料。传统制备PDC钻头胎体过程中,一般需要球形铸造碳化钨粉与镍粉、铜粉按一定比例进行混合,最后通过无压浸渍烧结制备材料。胎体粉末混合均匀性将直接影响粘结金属渗透过程,而传统机械混合方式难以实现均匀混合,从而易造成胎体孔隙等缺陷。
具有核壳结构的粘结相金属包覆球形铸造碳化钨复合粉末,能够实现粘结金属在胎体材料均匀分布,从而提高胎体材料的强度和韧性。当前,制备核壳结构的陶瓷复合粉体主要通过化学镀进行制备。由于陶瓷基体表面无催化活性,需要通过预处理进行活化,当前主要预处理活化方法有敏化-活化法、氢氟酸刻蚀法等。敏化-活化法由于使用价格昂贵的氯化钯(约300元/g),成本较高难以批量生产。氢氟酸刻蚀法是通过含氢氟酸与硝酸的混合溶液对陶瓷粉体表面进行刻蚀,形成活性催化位点,其存在镀层结合力不足、操作危险系数大,的问题。
与本申请相关的典型技术举例:
一、如图1所示,贵金属敏化-活化法。
一种镍包覆六方氮化硼复合粉体的制备方法CN106623908A。
一种SiC颗粒表面包覆镍的方法CN105195737A。
该方法在敏化活化预处理陶瓷粉末过程中,需要使用价格昂贵的氯化钯(约300元/g)溶液,高昂的生产成本限制其批量生产与应用。
二、如图2所示的氢氟酸刻蚀活化法。
一种简化预处理的化学镀金属包覆碳化物粉体的制备方法 CN101403110A。
该方法以氢氟酸作为主要刻蚀液对陶瓷粉体进行刻蚀,从而形成催化活性位点有利于后续化学镀金属离子在陶瓷粉末表面还原沉积,其存在操作危险系数大,镀层结合力不足等问题需要进一步解决。此外,该方法易在不规则粉末表面棱角处形成催化位点,而在光滑球形粉体表面,该方法活化效果降低。
三、如图3所示的塑料\纺织物表面无钯活化技术。
一种纺织品表面无钯化学镀金属镍的方法CN103114437A。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属包覆球形铸造碳化钨粉末的制备方法,该方法通过改性壳聚糖吸附金属离子,形成螯合物,并预还原实现微量金属在球形铸造碳化钨表面沉积,从而达到陶瓷粉末预处理活化目的,最后制备出粘结金属均匀包覆球形铸造碳化钨的复合粉末。该方法具有低成本、简易、可批量化等特点。同时,该方法相较于壳聚糖的化学吸附作用较敏化-活化法中物理吸附作用,能够有效地提高镀层与基体的结合力。
本发明的另一目的在于提供一种金属包覆球形铸造碳化钨粉末,其通过上述的金属包覆球形铸造碳化钨粉末的制备方法制备得到。该粉末的镀层与基体的结合力强。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种金属包覆球形铸造碳化钨粉末的制备方法,其包括:
采用戊二醛溶液改性壳聚糖后得到交联改性壳聚糖悬浊液;
向交联改性壳聚糖悬浊液内加入球形铸造碳化钨后进行搅拌处理,并取出处理后得到的改性壳聚糖/球形铸造碳化钨粉,并放入真空干燥箱内进行干燥处理;
对干燥处理后的改性壳聚糖/球形铸造碳化钨粉进行活化处理后得到活化后的铸造碳化钨粉;
将活化后的铸造碳化钨粉进行化学镀作业后得到金属包覆球形铸造碳化钨粉末。
本发明提出一种金属包覆球形铸造碳化钨粉末,其通过上述的金属包覆球形铸造碳化钨粉末的制备方法制备得到。
本发明实施例的金属包覆球形铸造碳化钨粉末及其制备方法的有益效果是:
1)本方法相较于当前陶瓷粉末预处理活化的技术,镀层结合力强,同时降低了生产成本和操作风险系数。当前陶瓷粉末预处理活化技术主要有敏化-活化和刻蚀活化法。其中,敏化-活化法需要使用价格昂贵的氯化钯,不利于大批量生产。刻蚀活化法通过氢氟酸溶液进行刻蚀,在陶瓷粉末表面产生畸变能形成活性位点,但是需要较高浓度HF与陶瓷粉末进行超声搅拌,形成催化活性位点与粉末形貌有关(不规则形貌更易活化),此外对操作人员人身安全具有较大风险。本方法通过对壳聚糖进行改性,利用壳聚糖中-NH3、-OH基团对Ni2+、Co2+等金属离子的吸附和螯合作用,通过预还原在陶瓷粉体表面进行均匀沉积微量金属镍,从而有利于后续化学镀进行。对比使用氯化钯 (约300元/g)的活化工艺,采用壳聚糖(约150元/100g,低粘度) 能够大大降低生产成本,而且对人体无毒无害,壳聚糖基团通过与金属离子配位提高了镀层结合力,适宜应用在陶瓷粉体预处理活化工艺中。
2)通过对壳聚糖进行改性,保证其对金属离子的吸附和螯合效果,有利于后续对球形铸造碳化钨粉末进行活化。通过双官能团的醛或酸酐等进行交联改性,使产物性质稳定,扩大其pH适用范围,提高对金属离子吸附能力。
3)本方法制备的铸造碳化钨基复合粉体实现了镍、铜等金属在铸造碳化钨基体的均匀分布,有利于制备得到组织均匀、致密度高的铸造碳化钨硬面材料。这是由化学镀所制备铸造碳化钨复合粉末的核壳结构决定的。
4)本方法制备的核壳球形铸造碳化钨复合粉体方法尤其适用于无压浸渍法制备PDC钻头、增材制造、金属粉末注射成形和热喷涂工艺,核壳结构的球形铸造碳化钨基复合粉体具有较高的球形度,保证了良好的流动性,同时镍包覆层能够提高材料对激光的吸收率,有利于增材制造过程中得到良好的铺粉效果和较高的堆积密度,从而制备出性能优异材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为现有技术提供的贵金属敏化活化法的流程示意图;
图2为现有技术提供的氢氟酸刻蚀活化法的流程示意图;
图3为现有技术提供的塑料\纺织物表面无钯活化技术的流程示意图;
图4为本发明的实施例提供的金属包覆球形铸造碳化钨粉末的制备方法的流程示意图;
图5为本发明的实施例1提供的球形铸造碳化钨粉的扫描电子显微镜形貌图;
图6为本发明的实施例1提供的交联改性壳聚糖处理后的球形铸造碳化钨扫描电子显微镜形貌图;
图7为本发明的实施例1提供的活化后的铸造碳化钨扫描电子显微镜形貌图;
图8为本发明的实施例1提供的镍包覆球形铸造碳化钨复合粉体的扫描电子显微镜图;
图9为本发明的实施例1提供的镍包覆球形铸造碳化钨复合粉体截面背散射图;
图10为本发明的实施例2提供的镍包覆球形铸造碳化钨复合粉体的扫描电子显微镜图;
图11为本发明的实施例2提供的镍包覆铸造碳化钨复合粉体截面背散射图;
图12为本发明的实施例3提供的铜-镍包覆球形铸造碳化钨复合粉体截面背散射图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的金属包覆球形铸造碳化钨粉末及其制备方法进行具体说明。
请参阅图4,本发明的实施例提供了一种金属包覆球形铸造碳化钨粉末的制备方法,其包括:
采用戊二醛溶液改性壳聚糖后得到交联改性壳聚糖悬浊液;
向交联改性壳聚糖悬浊液内加入球形铸造碳化钨后进行搅拌处理,并取出处理后得到的改性壳聚糖/球形铸造碳化钨粉,并放入真空干燥箱内进行干燥处理;
对干燥处理后的改性壳聚糖/球形铸造碳化钨粉进行活化处理后得到活化后的铸造碳化钨粉;
将活化后的铸造碳化钨粉进行化学镀作业后得到金属包覆球形铸造碳化钨粉末。
详细地,在本实施例中,通过对壳聚糖进行改性,利用壳聚糖中 -NH3、-OH基团对Ni2+、Co2+等金属离子的吸附和螯合作用,通过预还原在陶瓷粉体表面进行均匀沉积微量金属镍,从而有利于后续化学镀进行。对比使用氯化钯(约300元/g)的活化工艺,采用壳聚糖(约 150元/100g,低粘度)能够大大降低生产成本,而且对人体无毒无害,壳聚糖基团通过与金属离子配位提高了镀层结合力,适宜应用在陶瓷粉体预处理活化工艺中。同时,通过对壳聚糖进行改性,保证其对金属离子的吸附和螯合效果,有利于后续对球形铸造碳化钨粉末进行活化。通过双官能团的醛或酸酐等进行交联改性,使产物性质稳定,扩大其PH适用范围,提高对金属离子吸附。并且,本方法制备的铸造碳化钨基复合粉体实现了镍、铜等金属在铸造碳化钨基体的均匀分布,有利于制备得到组织均匀、致密度高的铸造碳化钨硬面材料。这是由化学镀所制备铸造碳化钨复合粉末的核壳结构决定的。因此,本方法制备的核壳球形铸造碳化钨复合粉体方法尤其适用于无压浸渍法制备PDC钻头、增材制造、金属粉末注射成形和热喷涂工艺,核壳结构的球形铸造碳化钨基复合粉体具有较高的球形度,保证了良好的流动性,同时镍包覆层能够提高材料对激光的吸收率,有利于增材制造过程中得到良好的铺粉效果和较高的堆积密度,从而制备出性能优异材料。
进一步地,在本发明的较佳实施例中,采用戊二醛溶液改性壳聚糖后得到交联改性壳聚糖悬浊液的步骤具体包括:
向壳聚糖溶液中通过恒压漏斗逐滴加入2-25ml体积分数为 25vol%戊二醛溶液,并搅拌30min后得到交联改性壳聚糖悬浊液。当然,在本发明的其它实施例中,戊二醛溶液的浓度以及搅拌时间还可以根据需求进行选择,本发明的实施例不做限定。
进一步地,在本发明的较佳实施例中,壳聚糖溶液通过以下方法制备得到:
将1-20g的壳聚糖加入1-5vol%的醋酸溶液中,并进行机械搅拌 10min后得到壳聚糖溶液。当然,在本发明的其他实施例中,壳聚糖的用量以及醋酸的浓度均可以根据需求进行调整,本发明的实施例不做限定。
进一步地,在本发明的较佳实施例中,向交联改性壳聚糖悬浊液内加入球形铸造碳化钨后进行搅拌处理,并取出处理后得到的改性壳聚糖/球形铸造碳化钨粉,并放入真空干燥箱内进行干燥处理的步骤具体包括:
根据铸造碳化钨基复合粉体中铸造碳化钨所占比例,称取相应质量的平均粒径为5-200μm的球形铸造碳化钨粉,将其加入交联改性壳聚糖悬浊液中进行机械搅拌30-120min,随后取出处理后的改性壳聚糖/球形铸造碳化钨粉放入真空干燥箱干燥2h。
进一步地,在本发明的较佳实施例中,对干燥处理后的改性壳聚糖/球形铸造碳化钨粉进行活化处理后得到活化后的铸造碳化钨粉的步骤具体包括:
将干燥后的改性壳聚糖/球形铸造碳化钨粉放入去离子水中,并用氨水调节pH至5-7,并加入5-50g的六水合硫酸镍,室温放置2-12h 得到浆液;
将浆液利用水浴锅加热,并逐滴加入5-40ml体积分数为40vol%的水合肼溶液,反应10-50min后依次用去离子、无水乙醇清洗,得到清洗后的球形铸造碳化钨粉。
进一步地,在本发明的较佳实施例中,将活化后的铸造碳化钨粉进行化学镀作业后得到金属包覆球形铸造碳化钨粉末的步骤具体包括:
根据复合粉体中镀层金属所占质量分数,称取相应质量的六水合硫酸镍或五水合硫酸铜,并用去离子水溶解备用;
称取一定质量柠檬酸钠,用去离子水溶解,然后将金属盐溶液在机械搅拌的条件下缓慢地加入到柠檬酸钠溶液中,控制溶液中柠檬酸钠的浓度为20~120g/L;然后将氨水缓慢加入柠檬酸钠溶液得到悬浊液,并调节pH至8~14范围内;
按照还原剂与金属盐摩尔比1~1.2关系,称取相应质量的次亚磷酸钠用去离子水溶解;
将悬浊液在恒温水浴锅中加热至65~85℃,同时在机械搅拌条件下加入清洗后的球形铸造碳化钨粉,并用恒压漏斗将次亚磷酸钠溶液装入后缓慢滴入进行至少一次化学镀作业。
需要说明的是,在本发明的实施例中,可以在球形铸造碳化钨基体上实现镍、钴、铜金属及多层金属的包覆。本发明的实施例主要针对镍以及铜进行详细地说明。
进一步地,在本发明的较佳实施例中,还包括将化学镀的反应时间在0.5-1.5h后得到的粒径为12~85μm的包覆型铸造碳化钨复合粉体,其中包覆层金属含量为2~25wt.%,去除上层溶液,分别采用去离子水和乙醇超声反复清洗铸造碳化钨基复合粉体3次,并进行真空干燥后得到铸造碳化钨基复合粉体。
进一步地,在本发明的较佳实施例中,还包括将化学镀后得到铸造碳化钨基复合粉体在400-500℃氩气气氛条件下煅烧1h,使复合粉体中的有机物完全分解。
进一步地,在本发明的较佳实施例中,还包括待复合粉体的有机物分解后,继续升温至500~600℃,并在氢气气氛下还原1h,得到低氧含量的核壳结构的铸造碳化钨基复合粉体。
一种金属包覆球形铸造碳化钨粉末,其通过上述的金属包覆球形铸造碳化钨粉末的制备方法制备得到。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种金属包覆球形铸造碳化钨粉末,其通过以下方法制备得到:
S1:称取8g壳聚糖加入到2vol%醋酸溶液中,机械搅拌10min 后得到壳聚糖溶液;
S2:将壳聚糖溶液通过恒压漏斗逐滴加入7ml体积分数为 25vol%戊二醛溶液,继续搅拌30min,得到交联改性壳聚糖悬浊液;
S3:称取200g平均粒径为70μm球形铸造碳化钨粉加入交联改性壳聚糖悬浊液中搅拌60min。取出处理后球形铸造碳化钨粉,加入到20g/L六水合硫酸镍溶液中,机械搅拌6h,随后加入20ml 40vol%水合肼反应30min。然后用去离子水洗涤三次,真空干燥得到活化后的球形铸造碳化钨粉。
S4:称取160:g六水合硫酸镍和160g柠檬酸钠,分别用去离子水溶解,然后将硫酸镍溶液在机械搅拌的条件下缓慢地加入到柠檬酸钠溶液中,控制溶液中柠檬酸钠的浓度为320g/L,得到浅绿色悬浊液。将25vol%氨水加入到浅绿色悬浊液中,并调节pH值为10.5,得到深绿色悬浊液。将深绿色悬浊液在恒温水浴锅中搅拌加热至85 ℃,同时加入清洗后的预活化的铸造碳化钨粉,并用恒压漏斗将用去离子溶解160g次亚磷酸钠的溶液缓慢滴入反应。当反应进行1h后,得到镍包覆球形铸造碳化钨复合粉体,分别采用去离子水和乙醇超声反复清洗复合粉体3次。
S5:将真空干燥后的复合粉体在450℃氩气气氛条件下煅烧1 h,继续升温至550℃在氢气气氛下还原1h,得到低氧含量的核壳结构的镍包覆球形铸造碳化钨复合粉体。
请参阅图5至图9,图9中白色为铸造碳化钨基体,灰色为镍。检测结果表明,镍包覆球形铸造碳化钨复合粉体中镍含量为 11.05wt.%,氧含量为1724ppm,形貌为球形,平均粒径75μm。
实施例2
本实施例提供了一种金属包覆球形铸造碳化钨粉末,其通过以下方法制备得到:
S1:称取6g壳聚糖加入到1vol%醋酸溶液中,机械搅拌10min 后得到壳聚糖溶液;
S2:将壳聚糖溶液通过恒压漏斗逐滴加入5ml的体积分数为25 vol%的戊二醛溶液中,并继续搅拌30min,得到交联改性壳聚糖悬浊液;
S3:称取100g平均粒径为56μm的球形铸造碳化钨粉加入交联改性壳聚糖悬浊液中搅拌50min。然后取出处理后球形铸造碳化钨粉,加入到15g/L六水合硫酸镍溶液中,机械搅拌5h,随后加入15 ml 40vol%水合肼反应40min。然后用去离子水洗涤三次,真空干燥得到活化后的球形铸造碳化钨粉。
S4:称取100g六水合硫酸镍,并用去离子水溶解。称取80g柠檬酸钠,用去离子水溶解,然后将硫酸镍溶液在机械搅拌的条件下缓慢地加入到柠檬酸钠溶液中,控制溶液中柠檬酸钠的浓度为80g/L,得到浅绿色悬浊液。将25vol%氨水加入到淡蓝色悬浊液中,并调节pH值为11,得到深绿色悬浊液。将深绿色悬浊液在恒温水浴锅中搅拌加热至80℃,同时加入清洗后的预活化的铸造碳化钨粉,并用恒压漏斗将用去离子溶解120g次亚磷酸钠的溶液缓慢滴入反应。当反应进行1h后,得到镍包覆钨复合粉体,分别采用去离子水和乙醇超声反复清洗钨基复合粉体3次。
S5:将镍包覆球形铸造碳化钨复合粉体在480℃氩气气氛条件下煅烧1h,继续在氢气气氛下还原1h,得到低氧含量的镍包覆球形铸造碳化钨复合粉体。
请参阅图10至图11,其中,在图11中白色为铸造碳化钨灰色为镍。实施例1的检测结果表明,镍包覆球形铸造碳化钨复合粉体中镍含量为9.88wt.%,氧含量为1585ppm,形貌为球形,平均粒径59 μm。
实施例3
本实施例提供了一种金属包覆球形铸造碳化钨粉末,其通过以下方法制备得到:
S1:称取9g壳聚糖加入到2vol%醋酸溶液中,机械搅拌10min 后得到壳聚糖溶液;
S2:将壳聚糖溶液通过恒压漏斗逐滴加入7ml体积分数为25 vol%戊二醛溶液,继续搅拌30min,得到交联改性壳聚糖悬浊液;
S3:称取100g平均粒径为80μm球形铸造碳化钨粉加入交联改性壳聚糖悬浊液中搅拌70min。取出处理后球形铸造碳化钨粉,加入到25g/L六水合硫酸镍溶液中,机械搅拌6h,随后加入20ml 40vol%水合肼反应30min。然后用去离子水洗涤三次,真空干燥后得到活化的球形铸造碳化钨粉。
S4:称取120g六水合硫酸镍与120g柠檬酸钠,用去离子水溶解,得到浅绿色悬浊液。将25vol%氨水加入到浅绿色悬浊液中,并调节 pH值为11.0,得到深绿色悬浊液。将深蓝色悬浊液在恒温水浴锅中搅拌加热至85℃,同时加入清洗后活化的铸造碳化钨粉,并用恒压漏斗加入60ml的40vol%水合肼缓慢滴入。当化学镀镍反应进行1h 后,得到平均粒径为83μm镍包覆球形铸造碳化钨复合粉体。
S5:称取100g五水合硫酸铜与80g柠檬酸钠,用去离子水溶解,得到淡蓝色悬浊液。将25vol%氨水加入到淡蓝色悬浊液中,并调节 pH值为10.5,得到深蓝色悬浊液。将深蓝色悬浊液在恒温水浴锅中搅拌加热至85℃,同时加入镍包覆球形铸造碳化钨复合粉体,并用恒压漏斗加入50ml 40vol%水合肼缓慢滴入。当化学镀铜反应进行1 h后,得到平均粒径为86μm镍包覆球形铸造碳化钨复合粉体。分别采用去离子水和乙醇超声反复清洗碳化钨基复合粉体3次。
S6:将铜镍包覆球形铸造碳化钨复合粉体在500℃氩气气氛条件下煅烧1h,继续升温至600℃在氢气气氛下还原1h,得到低氧含量的铸造碳化钨复合粉体。
请参阅图12,其中最外层亮白色为铜,次外层浅灰色为镍。并且,检测结果表明,铜镍包覆的球形铸造碳化钨复合粉体中,镍含量为10.15wt.%,铜含量9.25wt.%,形貌为球形,平均粒径86μm。
综上所述,本发明实施例的提供的金属包覆球形铸造碳化钨粉末的制备方法,该方法通过改性壳聚糖吸附金属离子,形成螯合物,并预还原实现微量金属在球形铸造碳化钨表面沉积,从而达到陶瓷粉末预处理活化目的,最后制备出粘结金属均匀包覆球形铸造碳化钨的复合粉末。该方法具有低成本、简易、可批量化等特点。同时,该方法相较于壳聚糖的化学吸附作用较敏化-活化法中物理吸附作用,能够有效地提高镀层与基体的结合力。
本发明的实施例提供的金属包覆球形铸造碳化钨粉末,其通过上述的金属包覆球形铸造碳化钨粉末的制备方法制备得到。该粉末的镀层与基体的结合力强。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。