CN110125438A - 一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于硬质合金及材料冶金领域，具体公开了一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法。该方法以有机钴盐和碳化钨粉为原料，通过液相还原，实现硬质合金用WC‑Co复合粉的可控制备。在有机钴盐溶液中加入超细活化碳化钨粉和分散剂，搅拌状态下加入液相还原剂和分散剂，直接得到金属钴粉，并附着在碳化钨粉末上和分散于其中，得到均匀的WC‑Co复合沉淀，经喷雾干燥得到WC‑Co复合粉末，用于超高性能硬质合金产品的生产。该方法制备流程简捷，粘结相分布均匀、钴含量和粒度易于控制，可满足不同硬质合金产品生产对原料的要求。

Description

一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法
技术领域
本发明属于硬质合金及材料冶金领域，更具体的，涉及一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法。
背景技术
WC/Co硬质合金材料广泛应用于机械加工、电子轻纺、国防军工和地质冶金等领域。目前WC/Co硬质合金生产方法是将碳化钨与钴粉进行固固球磨混合，获得碳化钨-钴混合料，通过压制烧结成型。这种方法中碳化钨和钴难以混合均匀，影响硬质合金产品的性能，使控制钴池形成为生产中共性难题。随着超细和低钴化硬质合金的发展，对碳化钨与钴混合要求更高。传统的碳化钨-钴复合粉生产方法已难以满足需求，多项固液、液液的碳化钨-钴复合粉生产方法被研究。
在固液混合方面，中国专利CN103056376A和中国CN102198514A以废硬质合金为原料，经氧化、破碎后与水溶性渗碳球化剂混合，配制成混合水溶液，经快速喷雾干燥、还原合成和调碳，得到碳化钨钴复合粉末，该方法流程长、容易引入杂质、处理对象单一。中国专利CN102198514A则是采用钴盐甲醇溶液和碳化钨粉进行混合得到面状胶泥，进而还原得到碳化钨钴复合粉，有机体系限制了高钴含量复合粉的制备。
在液液混合方面，中国专利CN201010104957、中国专利CN103056382A、中国CN103056377A、中国专利CN105290413A和文章《超细晶碳化钨-钴复合粉短流程制备工艺研究》均以液态钨盐和钴盐混合得到水溶液，经喷雾干燥来制备钨钴氧化物复合粉，再碳化成碳化金属-钴复合粉，这是目前研究较多的方法，但在碳化过程中容易带入杂质、还原和碳化不完全，工艺流程较复杂，碳化过程中容易引入杂质，目前尚无很好应用。
同时，在生产过程中，Co包裹粉在WC颗粒表面的均匀覆盖，可实现了WC和Co的均匀分布，在球磨过程中包裹层对WC颗粒起到保护作用。因此，保证WC颗粒的完整性，对生产超高性能硬质合金产品具有重要意义。
综上所述，目前的固固生产工艺存在钴偏析而发生钴池问题，固液和液液都尚无形成简捷、通用性的WC-Co均匀粉生产，以解决高性能硬质合金生产的原料问题。
发明内容
针对当前WC-Co均匀化复合粉末生产技术的难题，本发明提出了一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法，该方法采用液相还原法，以超细活化碳化钨粉为原料、在有机钴溶液中直接还原实现均匀的钴沉积，并分散于活性WC颗粒中，实现超均匀WC-Co复合粉的生产，以期实现超均匀WC-Co复合粉末的经济高效、可控稳定生产。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法，包括以下步骤：
S1.活化：选取原料为超细碳化钨粉，在球磨机中球磨活化后得到活化碳化钨粉；
S2.分散液制备：取有机钴盐制备成钴含量为10～45g/L的钴前驱液，在搅拌状态下向钴前驱液中加入分散剂，待完全溶解或分散后再按液固比2：1～8：1加入步骤S1所得活化后的碳化钨粉，保持搅拌使固液均匀化分散，得分散液；
S3.液相还原：调整步骤S2所得分散液温度为50～90℃，在搅拌状态下以2.0～10.0mL/min每升钴溶液的速度加入还原剂进行液相还原反应；反应完全后继续搅拌陈化一段时间，喷雾干燥得到WC-Co复合粉。
本发明以有机钴盐和碳化钨粉为原料，通过液相还原，实现硬质合金用WC-Co复合粉的可控制备。在有机钴盐溶液中加入超细活化碳化钨粉和分散剂，搅拌状态下加入液相还原剂和分散剂，直接得到金属钴粉，并附着在碳化钨粉末上和分散于其中，得到均匀的WC-Co复合沉淀，最后经喷雾干燥得到WC-Co复合粉末，本发明所得复合粉末可用于超高性能硬质合金产品的生产。该方法制备流程简捷，粘结相分布均匀、钴含量和粒度易于控制，可满足不同硬质合金产品生产对原料的要求。
本发明的一种裂解制备硬质合金用均匀复合粉的方法还包括以下优选方案中。
作为优选的方案，步骤S1中原料超细碳化钨粉粒度为0.4～1.0μm，为碳化和晶格结构完整的碳化钨粉。
作为优选的方案，步骤S1中原料超细碳化钨粉球磨活化1～3h、球料比为2：1～5：1、转速为20～60rpm。
本发明经活化后的WC粉具有巨大的表面能和活化能，在还原过程中可作为成核诱导剂，使生成的钴以其为核心而沉积和长大，相比其他钴液相还原法的外加成核剂，本发明直接利用硬质相WC粉为成核剂，且由于硬质合金复合粉中WC含量占80％以上，大量的WC成核核心可使钴快速、均匀的生成和分散。
作为优选方案，步骤S2中有机钴是乙酸钴和酒石酸钴中的一种，溶液中钴浓度为10～45g/L；进一步优选为酒石酸钴，浓度为10～30g/L。
作为优选方案，步骤S2中将碳化钨粉按液固比2：1～8：1加入有机钴液中。
作为优选方案，步骤S2中所述分散剂为聚丙烯酸、十六烷基三甲基溴化铵、乙二醇中的一种，所述分散剂的加入量为0.5～4.0g/L，进一步优选为聚丙烯酸。
作为优选方案，步骤S2或步骤S3中，搅拌速度保持300～800rpm，进一步优选为600～800rpm。
作为优选方案，步骤S3中所述还原剂的滴加速度为4.0～7.0mL/min每升钴盐溶液。
作为优选方案，步骤S3中所述还原剂是抗坏血酸、葡萄糖中的一种，加入量为钴质量的1.0～3.0倍；优选为抗坏血酸，其加入量为钴质量的1.5～2.0倍。
作为优选方案，步骤S3中反应完陈化时间为0.2～1.0h。
作为优选方案，步骤S3中还原反应过程温度保持为60～80℃。
作为优选方案，对步骤S3还原后的溶液进行喷雾干燥，其进风温度为180-250℃、进料量为40～80mL/min、离心器转速10000～15000rpm。
相对现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明以碳化和晶格结构完整的超细WC粉为原料，通过在有机钴盐的直接液相还原而在分散的WC颗粒中混入钴粉，最后喷雾干燥得到超均匀的WC-Co复合粉末。有以下优点：(a)复合粉中粘结相钴与硬质相WC分散超均匀，解决了现行生产过程中的钴池问题；(b)以活化的超细碳化钨粉为硬质相和还原成核剂，取消了外加成核剂对体系的污染，还原反应快速进行和钴在WC颗粒表面的均匀沉积；(c)流程简捷，采用液相还原技术取消了固相还原氢气的使用，降低成本，所得复合粉可用于高附加值的超细硬质合金生产；(d)粒度可控，可通过搅拌速度和WC粉末的粒度等控制WC-Co包裹粉末的粒度。
(2)本发明以硬质相碳化钨粉为成核诱导剂，通过清洁钴源和还原剂的采用，实现钴粉的直接生产，并及时分散于WC颗粒中，所得复合粉粒度细、钴-WC分布均匀，所得复合粉可用于超细硬质合金的生产原料；同时，取消了外加成核剂，使体系纯净，无多余元素杂质，具有工艺简捷、均匀分散、清洁环保的优点。最终产出分散均匀、粒度可控、满足超细硬质合金生产需要的WC-Co复合粉，提升超细硬质合金的性能和附加值。
附图说明
附图1为本发明一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法的工艺简图。
附图2为实施例1所得样品的SEM图①。
附图3为实施例1所得样品的SEM图②。
附图4为实施例4所得样品的SEM图①。
附图5为实施例4所得样品的SEM图②。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
本实施例提供一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法，以碳化钨粉和乙酸钴为原料，碳化钨粉粒度为0.8μm(Fsss)，附图1为本实施例工艺流程简图，具体包括以下步骤：
S1.活化：取该超细WC粉350g，按球料比3：1装入球，设定球磨机转速为40rpm，在球磨机中球磨活化2h，得到活化WC粉，从中称量300g作为S2步原料；
S2.分散液制备：取乙酸钴制备成钴含量为30g/L的钴前驱液，取1000mL钴前驱液，在600rpm的搅拌状态下向钴前驱液中加入1.0g聚丙烯酸，待完全溶解再加入步骤S1所得活化后的碳化钨粉300g，保持搅拌使固液均匀化分散，得分散液；
S3.液相还原：调整步骤S2所得分散液温度为80℃，在600rpm的搅拌状态下加入45ml饱和抗坏血酸溶液进行液相还原反应，所述饱和抗坏血酸溶液加入速度为2.0mL/min每升钴溶液；反应完全后继续保持搅拌陈化0.3h，溶液以40mL/min的速度喷入喷雾干燥机中，控制进风温度为220℃、离心器转速11000rpm进行喷雾干燥得到WC-Co复合粉。
所得复合粉的SEM图如附图2和附图3所示，从图中可以看出，钴粘结分散于WC颗粒中，并对WC颗粒形成了表面包裹，颗粒大小均匀。本实施例所得复合粉颗粒细，经测定其Fsss粒度为0.86μm。对所得复合粉进行四点取样分析，其钴含量分别为8.12％、8.13％、8.09％、8.15％，相对偏差为0.31％，说明所得复合粉的均匀性好。
实施例2
本实施例提供一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法，以碳化钨粉和乙酸钴为原料，碳化钨粉粒度为0.8μm(Fsss)，附图1为本实施例工艺流程简图，具体包括以下步骤：
S1.活化：取该超细WC粉350g，按球料比4：1装入球，设定球磨机转速为60rpm，在球磨机中球磨活化1h，得到活化WC粉，从中称量300g作为S2步原料；
S2.分散液制备：取乙酸钴制备成钴含量为20g/L的钴前驱液，取1000mL钴前驱液，在800rpm的搅拌状态下向钴前驱液中加入1.5g聚丙烯酸，待完全溶解再加入步骤S1所得活化后的碳化钨粉300g，保持搅拌使固液均匀化分散，得分散液；
S3.液相还原：调整步骤S2所得分散液温度为80℃，在800rpm的搅拌状态下加入40ml饱和抗坏血酸溶液进行液相还原反应，所述饱和抗坏血酸溶液加入速度为4.0mL/min每升钴溶液；反应完全后继续保持搅拌陈化0.3h，溶液以40mL/min的速度喷入喷雾干燥机中，控制进风温度为220℃、离心器转速11000rpm进行喷雾干燥得到WC-Co复合粉。
对所得复合粉进行Fsss粒度分析为0.84μm，进行四点取样分析，钴含量分别为6.03％、6.05％、6.05％、6.00％，相对偏差为0.39％，复合粉成份均匀性好。
实施例3
本实施例提供一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法，以碳化钨粉和乙酸钴为原料，碳化钨粉粒度为0.6μm(Fsss)，附图1为本实施例工艺流程简图，具体包括以下步骤：
S1.活化：取该超细WC粉500g，按球料比2：1装入球，设定球磨机转速为30rpm，在球磨机中球磨活化3h，得到活化WC粉，从中称量400g作为S2步原料；
S2.分散液制备：取乙酸钴制备成钴含量为40g/L的钴前驱液，取1000mL钴前驱液，在800rpm的搅拌状态下向钴前驱液中加入1.5g聚丙烯酸，待完全溶解再加入步骤S1所得活化后的碳化钨粉400g，保持搅拌使固液均匀化分散，得分散液；
S3.液相还原：调整步骤S2所得分散液温度为70℃，在800rpm的搅拌状态下加入80mL葡萄糖溶液进行液相还原反应，所述葡萄糖溶液加入速度为6.0mL/min每升钴溶液；反应完全后继续保持搅拌陈化0.5h，溶液以60mL/min的速度喷入喷雾干燥机中，控制进风温度为250℃、离心器转速13000rpm进行喷雾干燥得到WC-Co复合粉。
对所得复合粉进行Fsss粒度分析为0.57μm，进行四点取样分析，钴含量分别为8.74％、8.79％、8.74％、8.80％，相对偏差为0.37％，复合粉成份均匀性好。
实施例4
本实施例提供一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法，以碳化钨粉和酒石酸钴为原料，碳化钨粉粒度为0.6μm(Fsss)，附图1为本实施例工艺流程简图，具体包括以下步骤：
S1.活化：取该超细WC粉350g，按球料比5：1装入球，设定球磨机转速为40rpm，在球磨机中球磨活化1h，得到活化WC粉，从中称量400g作为S2步原料；
S2.分散液制备：取酒石酸钴制备成钴含量为15g/L的钴前驱液，取1000mL钴前驱液，在400rpm的搅拌状态下向钴前驱液中加入3.0g乙二醇，待完全溶解再加入步骤S1所得活化后的碳化钨粉300g，保持搅拌使固液均匀化分散，得分散液；
S3.液相还原：调整步骤S2所得分散液温度为60℃，在400rpm的搅拌状态下加入30mL饱和抗坏血酸溶液进行液相还原反应，所述饱和抗坏血酸溶液加入速度为3.0mL/min每升钴溶液；反应完全后继续保持搅拌陈化0.8h，溶液以60mL/min的速度喷入喷雾干燥机中，控制进风温度为250℃、离心器转速13000rpm进行喷雾干燥得到WC-Co复合粉。
所得复合粉的SEM图如附图4和附图5所示，从图中可以看出，钴粘结分散于WC颗粒中，并对WC颗粒形成了表面包裹，使表面尖锐的WC颗粒变成了近球性颗粒，流动性增加。本实施例所得复合粉颗粒细，经测定其Fsss粒度为0.66μm。对其进行四点取样分析，其钴含量分别为4.62％、4.60％、4.66％、4.65％，相对偏差为0.59％，说明所得复合粉的均匀性好。
实施例5
本实施例提供一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法，以碳化钨粉和酒石酸钴为原料，碳化钨粉粒度为0.5μm(Fsss)，附图1为本实施例工艺流程简图，具体包括以下步骤：
S1.活化：取该超细WC粉1500g，按球料比3：1装入球，设定球磨机转速为50rpm，在球磨机中球磨活化1.5h，得到活化WC粉，从中称量1000g作为S2步原料；
S2.分散液制备：取酒石酸钴制备成钴含量为15g/L的钴前驱液，取3000mL钴前驱液，在800rpm的搅拌状态下向钴前驱液中加入6.0g十六烷基三甲基溴化铵，待完全溶解再加入步骤S1所得活化后的碳化钨粉1000g，保持搅拌使固液均匀化分散，得分散液；
S3.液相还原：调整步骤S2所得分散液温度为50℃，在800rpm的搅拌状态下加入100mL葡萄糖溶液进行液相还原反应，所述葡萄糖溶液加入速度为4.0mL/min每升钴溶液；反应完全后继续保持搅拌陈化1.0h，溶液以60mL/min的速度喷入喷雾干燥机中，控制进风温度为250℃、离心器转速13000rpm进行喷雾干燥得到WC-Co复合粉。
对所得复合粉进行Fsss粒度分析为0.52μm。进行四点取样分析，钴含量分别为4.27％、4.28％、4.27％、4.24％，相对偏差为0.41％，说明所得复合粉的均匀性好。

Claims (10)

1.一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.活化：选取原料为超细碳化钨粉，在球磨机中球磨活化后得到活化碳化钨粉；
S2.分散液制备：取有机钴盐制备成钴含量为10～45g/L的钴前驱液，在搅拌状态下向钴前驱液中加入分散剂，待完全溶解或分散后再按液固比2：1～8：1加入步骤S1所得活化后的碳化钨粉，保持搅拌使固液均匀化分散，得分散液；
S3.液相还原：调整步骤S2所得分散液温度为50～90℃，在搅拌状态下以2.0～10.0mL/min每升钴溶液的速度加入还原剂进行液相还原反应；反应完全后继续搅拌陈化一段时间，喷雾干燥得到WC-Co复合粉。
2.根据权利要求1所述的一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法，其特征在于，步骤S1中，原料超细碳化钨粉粒度为0.4～1.0μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法，其特征在于，步骤S1中，原料超细碳化钨粉球磨活化1～3h，球料比为2：1～5：1，转速为20～60rpm。
4.根据权利要求1所述的一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法，其特征在于，步骤S2中，有机钴选用乙酸钴和酒石酸钴中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法，其特征在于，步骤S2中，所述分散剂为聚丙烯酸、十六烷基三甲基溴化铵、乙二醇中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法，其特征在于，步骤S2中，所述分散剂的加入量为0.5～4.0g/L。
7.根据权利要求1所述的一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法，其特征在于，步骤S2或步骤S3中，搅拌速度保持300～800rpm，优选为600～800rpm。
8.根据权利要求1所述的一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法，其特征在于，步骤S3中，所述还原剂是抗坏血酸、葡萄糖中的一种。
9.根据权利要求1或8所述的一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法，其特征在于，步骤S3中，所述还原剂的加入量为钴质量的1.0～3.0倍。
10.根据权利要求1所述的一种液相还原制备超细硬质合金用复合粉的方法，其特征在于，在步骤S3中，反应完陈化时间为0.2～1.0h。
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