一种球形硬质合金粉末及其制备方法
技术领域
本发明属于合金制备领域,具体涉及一种球形硬质合金粉末及其制备方法。
背景技术
硬质合金被誉为“工业的牙齿”,具有高强度、高硬度、高耐磨性、低热膨胀系数和良好的化学稳定性等一系列优良性能,被广泛用于机械加工刀具、矿用钻探工具、金属成型模具制造、耐磨耐蚀零部件等。目前常规硬质合金制备技术采用典型的粉末冶金方法,主要包括粉末混合-压制-烧结流程。此类方法对于硬质合金产品的几何形状设计限制较大,硬质合金的生产完全依赖模具,其高硬度和高耐磨性导致后续加工十分困难,材料浪费严重,并且一些形状复杂的零件,如内部带螺旋或曲折的冷却管道,往往需要很高的制造成本,或者根本制造不出来。传统粉末冶金方法明显限制了硬质合金的优势发挥和应用领域。
增材制造(3D打印)技术无需模具,可实现传统方法无法或者很难达到的复杂结构零件的制造,并大幅减少加工工序和原材料的浪费。目前金属3D打印已经实现钛及钛合金、镁铝合金、不锈钢、高温合金等多种金属和合金的复杂零件的快速制造,部分金属零件已实现商业化。3D打印技术对突破传统硬质合金制造技术的短板具备明显的优势,可以实现复杂形状硬质合金零件的快速制造。
3D打印技术对原料粉末性能要求极高,普遍要求原料粉末球形度高、流动性好和松装密度高。现有技术中,硬质合金粉末常用的制备方法包括熔化法、烧结破碎法和喷雾造粒法等。熔化法和烧结破碎法制备的粉末颗粒形貌为不规则形状,流动性能差。喷雾造粒法制备的粉末形貌为近球形,流动性较好,但粉末颗粒内部存在大量因粘结剂脱除而形成的孔隙,这些孔隙将会影响3D打印零件的致密性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种球形硬质合金粉末及其制备方法。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:一种球形硬质合金粉末的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)采用射频等离子体对硬质合金原料粉末进行球化处理得到球化粉末;
(2)对球化粉末进行热处理,所述热处理的真空度为1×10-1~1Pa,所述热处理的温度为850℃以上;
(3)对步骤(2)处理后的合金粉末进行球磨和筛分。
上述的球形硬质合金粉末的制备方法按照顺序依次结合射频等离子体球化处理、热处理和球磨筛分制备球形硬质合金粉末,制备得到的球形硬质合金粉末表面光洁、球形度高、流动性好、致密度和松装密度高、成分均匀可控,克服了现有技术方法制备的合金粉末无法兼顾球形度高、流动性好、致密度和松装密度高的缺陷。上述的方法先进行射频等离子体球化处理然后再进行热处理的目的是在射频等离子体球化处理过程中合金会发生分解产生杂相,再经过热处理使得杂相重新合成单一的合金相,只有通过按顺序进行射频等离子体球化处理和热处理才能获得表面光洁、球形度高、流动性好、致密度和松装密度高、成分均匀可控的合金。发明人通过研究发现,热处理的温度需要在850℃以上,当低于850℃进行热处理时,会导致获得的合金粉末的游离碳含量高,而且热处理温度低于850℃时制备获得的球形硬质合金粉末中含有杂相。上述球形硬质合金粉末的制备方法获得的球形硬质合金粉末特别适合应用于增材制造领域,还可用于热喷涂领域。
优选地,所述步骤(2)中,所述热处理的温度为850℃~950℃。
发明人通过研究发现,当步骤(2)中热处理的温度为850℃~950℃时,制备得到的球形硬质合金粉末表面光洁、球形度高、流动性好、致密度和松装密度高、成分均匀可控,当热处理的温度高于950℃时,会导致获得的合金粉末的松装密度降低、流动性变差。
优选地,所述步骤(2)中,所述热处理的温度为900℃~950℃。
发明人通过研究发现,当步骤(2)中热处理的温度为850℃~950℃时,制备得到的球形硬质合金粉末的游离碳含量更低。
优选地,所述热处理的时间为1~3小时。
优选地,所述步骤(1)中,所述射频等离子体对硬质合金原料粉末进行球化处理的功率为38~42kw,载气流量为3~4L/min,送粉速率为40~81g/min,鞘气流量为2~6L/min。
发明人通过研究发现,射频等离子体对硬质合金原料粉末进行球化处理的参数符合上述条件时,球化效果更好,制备得到的球形硬质合金粉末表面光洁、球形度高、流动性好、致密度和松装密度高。
优选地,所述步骤(3)中,所述球磨的转速为80~100rpm,球磨的时间为0.5~1小时。
优选地,所述步骤(1)中,所述硬质合金原料粉末为WC-Co合金。
WC-Co合金为普通商用合金粉末,原料易得,而且经过上述方法结合射频等离子体球化处理和热处理,射频等离子体球化过程中原料粉末分解生成的W2C、η相和游离碳在经过热处理之后完全化合生成WC和Co相,保证粉末的成分均匀可控,同时制备得到的球形硬质合金粉末的球形度和粒径均一。
本发明还提供上述任一所述制备方法制备得到的球形硬质合金粉末。
优选地,所述球形硬质合金粉末的流动性为9.90~10.05s/50g,所述球形硬质合金粉末的游离碳含量为0.070wt%~0.25wt%。
本发明的有益效果在于:本发明提供了一种球形硬质合金粉末的制备方法,本发明的球形硬质合金粉末的制备方法具有以下优点:
(1)本发明的制备方法所需的硬质合金原料粉末为普通商用粉末,原料易得;
(2)本发明的制备方法通过射频等离子体球化实现硬质合金原料粉末的球化和致密化,使粉末同时具有高的球形度和致密度,显著提升粉末的松装密度和流动性;
(3)本发明的制备方法通过热处理使射频等离子体球化过程中原料粉末分解生成的W2C、η相和游离碳等进一步完全化合生成WC和Co相,保证粉末的成分均匀可控,同时热处理不显著影响粉末的球形度和粒径;
(4)本发明的硬质合金粉末表面光洁、球形度高、流动性好、致密度和松装密度高、成分均匀可控,特别适合应用于增材制造领域,还可用于热喷涂领域。
附图说明
图1为本发明实施例制备的WC-Co硬质合金粉末的扫描电镜图。
图2为本发明实施例制备的WC-Co硬质合金粉末的XRD图。
图3为本发明实施例制备的WC-Co硬质合金粉末的扫描电镜图。
图4为本发明实施例制备的WC-Co硬质合金粉末的XRD图。
图5为本发明实施例制备的WC-Co硬质合金粉末的扫描电镜图。
图6为本发明实施例制备的WC-Co硬质合金粉末的XRD图。
图7为本发明对比例的WC-Co硬质合金粉末的扫描电镜图。
图8为本发明对比例制备的WC-Co硬质合金粉末的XRD图。
图9为本发明对比例制备的WC-Co硬质合金粉末的XRD图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点,下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供一种球形硬质合金粉末的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)采用射频等离子体对硬质合金原料粉末进行球化处理得到球化粉末;
(2)对球化粉末进行热处理,所述热处理的真空度为1×10-1~1Pa,所述热处理的温度为850℃以上;
(3)对步骤(2)处理后的合金粉末进行球磨和筛分。
实施例1
作为本发明实施例的一种球形硬质合金粉末的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)采用射频等离子体对市售的粒径为45~106μm的WC-30Co硬质合金原料粉末进行球化处理得到球化粉末;所述球化处理在射频等离子体球化设备内进行,所述射频等离子体对硬质合金原料粉末进行球化处理的功率为40kw,载气流量为3.5L/min,送粉速率为60.75g/min,鞘气流量为2L/min
(2)对球化粉末进行热处理,所述热处理的真空度为1×10-1~1Pa,所述热处理的温度为900℃,所述热处理的时间为2小时;
(3)对步骤(2)处理后的合金粉末在80rpm的转速下球磨0.5小时,筛分粒径小于100目的球形硬质合金粉末。
实施例2
作为本发明实施例的一种球形硬质合金粉末的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)采用射频等离子体对市售的粒径为45~106μm的WC-30Co硬质合金原料粉末进行球化处理得到球化粉末;所述球化处理在射频等离子体球化设备内进行,所述射频等离子体对硬质合金原料粉末进行球化处理的功率为40kw,载气流量为3.5L/min,送粉速率为81.00g/min,鞘气流量为6L/min
(2)对球化粉末进行热处理,所述热处理的真空度为1×10-1~1Pa,所述热处理的温度为950℃,所述热处理的时间为1小时;
(3)对步骤(2)处理后的合金粉末在100rpm的转速下球磨1小时,筛分粒径小于100目的球形硬质合金粉末。
实施例3
作为本发明实施例的一种球形硬质合金粉末的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)采用射频等离子体对市售的粒径为45~106μm的WC-30Co硬质合金原料粉末进行球化处理得到球化粉末;所述球化处理在射频等离子体球化设备内进行,所述射频等离子体对硬质合金原料粉末进行球化处理的功率为40kw,载气流量为3.5L/min,送粉速率为40.50g/min,鞘气流量为2L/min
(2)对球化粉末进行热处理,所述热处理的真空度为1×10-1~1Pa,所述热处理的温度为850℃,所述热处理的时间为3小时;
(3)对步骤(2)处理后的合金粉末在80rpm的转速下球磨0.5小时,筛分粒径小于100目的球形硬质合金粉末。
对比例1
市售的粒径为45~106μm的WC-30Co硬质合金原料粉末。
对比例2
作为本发明对比例的一种球形硬质合金粉末的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)采用射频等离子体对市售的粒径为45~106μm的WC-30Co硬质合金原料粉末进行球化处理得到球化粉末;所述球化处理在射频等离子体球化设备内进行,所述射频等离子体对硬质合金原料粉末进行球化处理的功率为40kw,载气流量为3.5L/min,送粉速率为60.75g/min,鞘气流量为2L/min
(2)对步骤(1)处理后的合金粉末在80rpm的转速下球磨0.5小时,筛分粒径小于100目的球形硬质合金粉末。
对比例3
作为本发明对比例的一种球形硬质合金粉末的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)采用射频等离子体对市售的粒径为45~106μm的WC-30Co硬质合金原料粉末进行球化处理得到球化粉末;所述球化处理在射频等离子体球化设备内进行,所述射频等离子体对硬质合金原料粉末进行球化处理的功率为40kw,载气流量为3.5L/min,送粉速率为60.75g/min,鞘气流量为2L/min
(2)对球化粉末进行热处理,所述热处理的真空度为1×10-1~1Pa,所述热处理的温度为800℃,所述热处理的时间为3小时;
(3)对步骤(2)处理后的合金粉末在80rpm的转速下球磨0.5小时,筛分粒径小于100目的球形硬质合金粉末。
对比例4
作为本发明对比例的一种球形硬质合金粉末的制备方法,所述方法包括以下步骤:
(1)采用射频等离子体对市售的粒径为45~106μm的WC-30Co硬质合金原料粉末进行球化处理得到球化粉末;所述球化处理在射频等离子体球化设备内进行,所述射频等离子体对硬质合金原料粉末进行球化处理的功率为40kw,载气流量为3.5L/min,送粉速率为60.75g/min,鞘气流量为2L/min
(2)对球化粉末进行热处理,所述热处理的真空度为1×10-1~1Pa,所述热处理的温度为1000℃,所述热处理的时间为2小时;
(3)对步骤(2)处理后的合金粉末在80rpm的转速下球磨0.5小时,筛分粒径小于100目的球形硬质合金粉末。
效果例1
1、对实施例1-3和对比例1-3的硬质合金粉末进行扫描电镜和XRD检测。
图1为实施例1制备WC-Co粉末的扫描电镜照片;图2为实施例1制备WC-Co粉末的XRD图谱;图3为实施例2制备WC-Co粉末的扫描电镜照片;图4为实施例2制备WC-Co粉末的XRD图谱;图5为实施例3制备WC-Co粉末的扫描电镜照片;图6为实施例3制备WC-Co粉末的XRD图谱;图7为对比例1中WC-Co粉末的扫描电镜照片;图8为对比例2制备WC-Co粉末的XRD图谱;图9为对比例3制备WC-Co粉末的XRD图谱。
比较图2和图8可知,射频等离子体球化过程中原料粉末分解生成的W2C、η相和游离碳在经过热处理之后完全化合生成WC和Co相,保证粉末的成分均匀可控;比较比较图2和图9可知,热处理的温度对于硬质合金粉末的性能有重要影响,当热处理的温度为800℃时,硬质合金粉末中存在WC、C相和Co3W3C的杂相,硬质合金粉末的均一性较差。
2、对实施例1-3和对比例1-3的硬质合金粉末进行性能检测结果如表1所示。
表1硬质合金粉末性能
由表1可知,对比例1的硬质合金粉末的松装密度明显较小,粉末颗粒内部存在大量孔隙,这些孔隙将会影响3D打印零件的致密性。对比例2和对比例3的松装密度和总碳含量基本可以达到实施例的水平,但是游离碳的含量较高,存在杂相,说明只有按照顺序依次结合射频等离子体球化处理、热处理和球磨筛分制备球形硬质合金粉末,并且控制热处理的温度在850℃以上,才能使得制备得到的球形硬质合金粉末表面光洁、球形度高、流动性好、致密度和松装密度高、成分均匀可控。通过比较实施例1和对比例4,对比例4的松装密度降低、流动性变差,松装密度小说明粉末颗粒内部存在大量孔隙,这些孔隙将会影响3D打印零件的致密性。
最后所应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。