CN110240163A - 一种采用中粗颗粒钨粉制备细晶粒wc粉的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用中粗颗粒钨粉制备细晶粒WC的方法,包括以下步骤:将中粗颗粒的钨粉、金属氧化物和炭黑进行混合,球磨混合后,装入石墨舟皿,进行多阶段碳化,碳化完毕后,进行第二次球磨和过筛,得到细晶粒WC混合粉末。本发明的方法是采用中粗颗粒的钨粉,无需采用低的装舟量,可节省大量的生产成本。本发明的方法中采用了多阶段的碳化工艺以及惨杂了金属氧化物,有效确保钨粉完全转化成碳化钨粉,也有效的降低了WC粉末的晶粒度。

Description

一种采用中粗颗粒钨粉制备细晶粒WC粉的方法
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域,具体涉及一种采用中粗颗粒钨粉制备细晶粒WC的方法。
背景技术
细晶粒硬质合金广泛用于耐磨、耐腐蚀和耐压等领域,例如,园珠笔芯、柱钉、顶锤、密封环等。细晶粒硬质合金是指其WC的平均晶粒度为1.0~2.0μm。细晶粒碳化钨粉是制备细晶粒硬质合金的关键原料,目前WC的传统工艺制备工艺是氧化钨氢还原-碳化法。氧化钨在不同工艺条件下氢还原成粒度不同的钨粉,钨粉与碳黑混合均匀后再经碳化和破碎得到不同粒度级别的WC粉。众所周知,随着钨粉粒度的降低,其生产成本大幅增加,因为钨粉粒度降低必须采用低的装舟量、大的氢气流量、氢气的含水量极低;而采用中粗颗粒的钨粉,传统工艺最终难以制备得到细晶粒WC。传统工艺制备细晶粒碳化钨粉需要生产成本比较高的细颗粒钨粉;同时,一种级别的细钨粉只能生产一种级别的细晶粒碳化钨粉,因此,生产不同级别的细晶粒碳化钨粉,细钨粉的品种相应增多,增加了生产和质量管理的难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用中粗颗粒钨粉制备细晶粒WC的方法,解决目前细颗粒钨粉制备细晶粒WC成本高的问题。
本发明这种采用中粗颗粒钨粉制备细晶粒WC的方法,包括以下步骤:
将中粗颗粒的钨粉、金属氧化物和炭黑进行混合,球磨混合后,装入石墨舟皿,进行多阶段碳化,碳化完毕后,进行第二次球磨和过筛,得到细晶粒WC混合粉末。
所述的中粗颗粒的钨粉的费氏粒度为5.0μm~15.0μm;金属氧化物为氧化铬、氧化钒、氧化钽和氧化铌中的一种或多种;钨粉、金属氧化物和炭黑的质量比为1000:(6~30):(68~78);球磨混合时间为2~4h,多阶段碳化为两阶段碳化,碳化在非氧化气氛下进行,第一阶段碳化温度为1400~1600℃,碳化时间为2~4h,第二阶段,碳化温度为1600~1900℃,碳化时间为1~2h;第二次球磨的球料比1:(1~3),球磨时间为2~4h,过筛为40~60目的筛子。
所述的细晶粒WC混合粉末晶粒度的测试方法:将细晶粒的WC粉末、Co粉、成型剂和酒精,球磨后,压坯烧结后,得到合金,测试合金中WC的晶粒度。
所述的细晶粒WC粉末、Co粉的质量比为(7~11):1;加入成型剂1~3wt%和酒精15~25wt%;球磨时间为12~24h,球料比为(2~4):1;压坯烧结温度为1350~1500℃。所述的测试合金中WC的晶粒度应介于1.0~2.0μm。
本发明的原理:
MxOy+(z+y)C→MxCz+yCO↑ (1)
2CO+2W=W2C+CO2↑ (2)
2CO+W2C=2WC+CO2↑ (3)
CO2+C=2CO↑ (4)
第一阶段碳化时:包覆在W颗粒表面的炭黑与W发生化合反应生成W2C,W2C继续与C反应生产WC层,从里到外形成W层、W2C层和WC层,由于密度不同,造成沿各层界面和层内晶界之间的裂隙扩大;同时炭黑与金属氧化物发生式(1)的化学反应,生成的CO气体沿裂隙快速向内扩散按式(2)和式(3)的反应中,生成的CO2气体按(4)式反应生成CO气体继续参与化合反应,单位时间内CO气体浓度越高,W2C和WC晶粒形核速度越快,晶粒度越小,W粉费氏粒度越大,碳化时间适当延长。
第二阶段碳化时:第二阶段碳化是为了确保W、W2C全部转化成WC晶粒;同时式(1)生成的MxCz与WC发生反应,在WC晶粒表面形成(Ma,Wb)C薄层,阻止了WC晶粒在高温下再结晶长大。
本发明的有益效果:1)本发明的方法是采用中粗颗粒的钨粉,无需采用低的装舟量,可节省大量的生产成本。2)本发明的方法中采用了多阶段的碳化工艺以及惨杂了金属氧化物,有效确保钨粉完全转化成碳化钨粉,也有效的降低了WC粉末的晶粒度。
附图说明
图1是实施例1制备的细晶粒WC粉末扫描电镜分析结果。
图2是实施例1粉末中WC颗粒表面的扫描电镜分析结果。
图3是实施例1制备WC粉末制备合金的扫描电镜分析结果。
图4是对比例1制备的WC粉末扫描电镜图。
图5是对比例1粉末中WC颗粒表面的扫描电镜分析结果。
图6是对比例1制备WC粉末制备合金的扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1
将选取费氏粒度为14.3μm的钨粉10kg,120g氧化铬、80g氧化钒、60g氧化钽粉末与748.5g炭黑一起加入球磨机中进行球磨混合3h,然后装入石墨舟皿中放置在中频碳化炉中,在氢气气氛下进行第一阶段碳化(碳化温度为1450℃,碳化时间为4h),接着升温到1900℃,进行第二阶段碳化(碳化时间1.5h),然后在氢气气氛下自然冷却;将上述碳化好的物料从中频碳化炉中卸出,加入球磨机中进行球磨(球料比1:1,球磨时间为3h),球磨好的物料从球磨机中卸出,经40~60目筛网过筛后得到细晶粒的碳化钨粉末,测得其费氏粒度为14.8μm,总碳6.14%、游离碳0.45%,金属碳化物的总含量为1.86%wt,其中Cr3C2占0.87%,VC占0.51%,TaC占0.48%。
选取所获得WC粉末900g与100g Co粉加入球磨机,同时加入20g的成型剂和200g酒精,按照球料比为3:1,球磨18h,压坯经1410℃烧结后,得到合金,测定其合金中WC的平均晶粒度为1.9μm。
对本实施例制备的碳化钨粉末进行SEM分析,其结果如图1和图2所示:从图1可以看出,WC粉末颗粒成类球形,颗粒相对较粗,大小与所用的钨粉颗粒相近。对单个球形WC粉末颗粒表面进行放大(图2所示),可以看出碳化钨颗粒是由许多小晶块粘合在一起的,说明本实施例的方法虽然没有减小WC颗粒的费氏粒度,但是明显降低了WC的晶粒度。
对本实施例制备的合金进行SEM测试,其结果如图3所示:合金中碳化钨的晶粒度相对较小,平均晶粒度为1.9μm。
对比例1
取实施例1同批钨粉10kg加入659g炭黑,不加金属氧化物,其它制备工艺条件与实施例1相同。对本对比例制备得到的碳化钨粉进行测试,测得其费氏粒度为16.2μm,总碳6.13%、游离碳0.40%,对其微观形貌进行测试,其结果如图4和图5所示。
将制得的碳化钨粉按照实施例1中的方法,制备硬质合金,测得其合金的平均晶粒度4.2μm,其微观形貌如图6所示。
将图4与图1进行对比,可发现对比例1制备的碳化钨粉颗粒之间形成烧结颈数量明显比实施例1中的多,导致其费氏粒度增大。将图5与图2进行对比,可发现对比例1中WC颗粒表面更光滑,而实施例1中WC颗粒表面明显粗糙,这是因为比例1中WC颗粒内部细晶粒通过再结晶长大成较大晶粒,晶界数量大幅减少使表面更光滑,而实施例1中由于在WC晶粒表面形成(Ma,Wb)C薄层,阻止了WC晶粒在高温下再结晶长大,晶界数量和晶粒大小基本上保持不变。
图6与图3进行对比,可发现对比例1中的晶粒度明显大于实施例1。
实施例2
将选取费氏粒度为9.8μm的钨粉10kg,120g氧化铬、80g氧化钒粉末与737.0g炭黑一起加入球磨机中进行球磨混合2h,然后装入石墨舟皿中放置在三带推进式石墨管碳化炉中,在氢气气氛中碳化,第一阶段碳化温度为1500℃,碳化时间为3h,第二阶段碳化温度为1850℃,碳化时间为2h;氢气气氛下冷却后,将上述碳化好的物料从石墨舟皿中卸出,加入球磨机中进行球磨(球料比1:1,球磨时间为2h);球磨好的物料从球磨机中卸出,经40~60目筛网过筛后得到碳化钨粉末,测得其费氏粒度为10.3μm,总碳6.12%、游离碳0.35%,掺合碳化物的总含量为1.38%wt,其中Cr3C2占0.87%,VC占0.51%。
将WC粉末900g与100g Co粉加入球磨机,同时加入20g成型剂和200g酒精,按照球料比为3:1,球磨18h,压坯经1410℃烧结后,得到合金,测定合金中WC的平均晶粒度为1.7μm。
实施例3
将选取费氏粒度为6.4μm的钨粉10kg,80g氧化铬粉末与697.5g炭黑一起加入球磨机中进行球磨混合2.5h,然后装入石墨舟皿中放置在中频碳化炉中,在氢气气氛,进行第一阶段碳化,碳化温度为1400℃,碳化时间为3h,接着升温到1800℃,碳化1.5小时,然后在氢气气氛下自然冷却;将上述碳化好的物料从中频碳化炉中卸出,加入球磨机中进行球磨,球料比1:1,球磨时间为3.5h,球磨好的物料从球磨机中卸出,经40~60目筛网过筛后得到碳化钨粉末,测得其费氏粒度为6.2μm,总碳6.16%、游离碳0.6%,金属碳化铬的总含量为0.59%wt。
选取所获得WC粉末900g与100g Co粉加入球磨机,同时加入20g成型剂和200g酒精,进行球磨,球料比为3:1,球磨18h,压坯经1410℃烧结后,得合金,测定其合金中WC的平均晶粒度为1.8μm。
实施例4
将选取费氏粒度为6.4μm的钨粉10kg,100g氧化铬粉末、50g氧化钒粉末与717.3g炭黑一起加入球磨机中进行球磨混合2.5h,然后装入石墨舟皿中放置在中频碳化炉中,在氢气气氛下,1400℃进行碳化3h,然后升温到1800℃碳化1.5h,接着在氢气气氛下自然冷却;将上述碳化好的物料从中频碳化炉中卸出,加入球磨机中进行球磨(球料比为1:1,球磨时间为3h),球磨好的物料从球磨机中卸出,经40~60目筛网过筛后得到碳化钨粉末,测得其费氏粒度为6.6μm,总碳6.13%、游离碳0.45%,金属碳化物的总含量为1.08%wt,其中Cr3C2占0.64%,VC占0.44%。
选取所获得WC粉900g与100g Co粉加入球磨机,同时加入适量的成型剂和酒精,球料比3:1,球磨18h,压坯经1410℃烧结,测定其合金中WC的平均晶粒度为1.4μm。
实施例5
将选取费氏粒度为6.4μm的钨粉10kg,140g氧化铬粉末、70g氧化钒粉末与741.2g炭黑一起加入球磨机中进行球磨混合3h,然后装入石墨舟皿中放置在中频碳化炉中,在氢气气氛下,1400℃进行碳化3h,然后升温到1800℃碳化1.5h,接着在氢气气氛下自然冷却。将上述碳化好的物料从中频碳化炉中卸出,加入球磨机中进行球磨(球料比1:1,球磨时间为4h),球磨好的物料从球磨机中卸出,经40~60目筛网过筛后得到碳化钨粉末,测得其费氏粒度为6.6μm,总碳6.16%、游离碳0.5%,掺合碳化物的总含量为1.46%wt,其中Cr3C2占1.0%,VC占0.46%。
选取所获得WC粉末900g与100g Co粉加入球磨机,同时加入20g成型剂和200g酒精,进行球磨(球料比为3:1,球磨18h),压坯经1410℃烧结后,得合金,测定其合金中WC的平均晶粒度为1.1μm。

Claims (8)

1.一种采用中粗颗粒钨粉制备细晶粒WC的方法,包括以下步骤:
将中粗颗粒的钨粉、金属氧化物和炭黑进行混合,球磨混合后,装入石墨舟皿,进行多阶段碳化,碳化完毕后,进行第二次球磨和过筛,得到细晶粒WC混合粉末。
2.根据权利要求1所述的采用中粗颗粒钨粉制备细晶粒WC的方法,其特征在于,所述的中粗颗粒的钨粉的费氏粒度为5.0μm~15.0μm;金属氧化物为氧化铬、氧化钒、氧化钽和氧化铌中的一种或多种;钨粉、金属氧化物和炭黑的质量比为1000:(6~30):(68~78);球磨混合时间为2~4h。
3.根据权利要求1所述的采用中粗颗粒钨粉制备细晶粒WC的方法,其特征在于,多阶段碳化为两阶段碳化,碳化在非氧化气氛下进行。
4.根据权利要求3所述的采用中粗颗粒钨粉制备细晶粒WC的方法,其特征在于,第一阶段碳化温度为1400~1600℃,碳化时间为2~4h,第二阶段,碳化温度为1600~1900℃,碳化时间为1~2h。
5.根据权利要求1所述的采用中粗颗粒钨粉制备细晶粒WC的方法,其特征在于,第二次球磨的球料比1:(1~3),球磨时间为2~4h,过筛为40~60目的筛子。
6.根据权利要求1所述的细晶粒WC粉末晶粒度的测试方法:将细晶粒的WC混合粉末、Co粉、成型剂和酒精,球磨后,压坯烧结后,得到合金,测试合金中WC的晶粒度。
7.根据权利要求6所述的细晶粒WC混合粉末晶粒度的测试方法,其特征在于,所述的WC混合粉末、Co粉的质量比为(7~11):1;加入成型剂1~3wt%和酒精15~25wt%;球磨时间为12~24h,球料比为(2~4):1;压坯烧结温度为1350~1500℃。
8.根据权利要求6所述的细晶粒WC混合粉末晶粒度的测试方法,其特征在于,所述的测试合金中WC的晶粒度应介于1.0~2.0μm。
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