CN113939474B - 碳化钨粉末及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
碳化钨粉末是以碳化钨为主成分并且含有铬的碳化钨粉末，其中，在从对碳化钨粉末进行SEM观察的视野中随机选择出的100个以上的分析点中对钨和铬的质量浓度进行测定时，以百分率表示铬浓度相对于钨和铬的合计浓度的比例时的分布的标准偏差σ为0.5以下。
Description
技术领域
本公开涉及碳化钨粉末及其制造方法。本申请主张基于作为在2019年5月13日申请的日本专利申请的特愿2019-090779号的优先权。该日本专利申请所记载的全部记载内容通过参照而引用于本说明书。
背景技术
一直以来，为了提高超硬合金的硬度以及抗折强度而进行了品质较高的亚微米尺寸的微粒的碳化钨粉末的改良。例如在日本特开2007-269534号公报(专利文献1)、日本特开平5-147917号公报(专利文献2)以及日本特开平5-147916号公报(专利文献3)中公开了其例子。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-269534号公报
专利文献2：日本特开平5-147917号公报
专利文献3：日本特开平5-147916号公报
发明内容
本公开的碳化钨粉末是以碳化钨为主成分并且含有铬的碳化钨粉末，其中，在从对碳化钨粉末进行SEM观察的视野中随机选择出的100个以上的分析点中对钨和铬的质量浓度进行测定时，以百分率表示铬浓度相对于钨和铬的合计浓度的比例时的分布的标准偏差σ为0.5以下。
附图说明
图1是表示根据本公开的碳化钨粉末的一个例子的制造方法的流程图。
图2是表示实施例1的碳化钨粉末的外观的照片。
图3是表示比较例1的碳化钨粉末的外观的照片。
具体实施方式
[本公开所要解决的问题]
要求一种适合于超硬合金的制造的碳化钨粉末。
[本公开的效果]
根据本公开，能够提供一种适合于超硬合金的制造的碳化钨粉末。
[本公开的实施方式的说明]
首先，列举本公开的实施方式进行说明。
以往，在制造构成超硬合金的晶粒为微粒的超硬合金时，有时碳化钨的粒径容易变得不均质而使超硬合金强度降低。
作为其理由，是因为在碳化钨中存在微细晶粒的情况下，在烧结时由于奥斯特瓦尔德生长而容易使异常晶粒生长。另外，作为晶粒生长抑制剂的铬粉末也是固体的，因此容易发生偏析，难以抑制异常晶粒生长。
如上所述，在以往的碳化钨粉末以及使用了该碳化钨粉末的超硬合金的制造方法中，由于作为晶粒生长抑制剂的碳化铬的分散不均匀，因此在制造超硬合金时无法完全抑制局部的异常晶粒生长，尤其是在晶体粒径为0.6μm以下的超微粒超硬合金中存在容易导致抗折强度等的降低的问题。
本发明的发明人为了解决由碳化铬的不均匀性导致的合金强度降低的问题，重新审视铬的添加方法以及碳化钨的制造工序并反复进行潜心研究的结果是想到了本公开。
即，本公开的碳化钨粉末的制造方法具备：将钨氧化物和含铬溶液混合，边搅拌边干燥而得到混合干燥粉的工序；对干燥粉进行预烧而得到预烧粉的工序；将预烧粉和碳源粉末混合而得到混合粉的工序；以及在氢气中对混合粉进行热处理使其还原以及在1000℃以上的温度下进行碳化而得到碳化钨粉末的工序。
图1是表示根据本公开的碳化钨粉末的一个例子的制造方法的流程图。首先，准备钨氧化物粉末(步骤S1)。钨氧化物粉末没有特别限定。可以根据本领域技术人员的情况而选择WO3、WO2.9。其粒度也可以自由选择。准备含铬溶液(步骤S2)。作为能够用作含铬溶液的化合物，可列举为氯化铬、硝酸铬、硫酸铬、乙酸铬、磷酸铬。将钨氧化物粉末与含铬溶液混合而得到混合体。
对混合体边搅拌边干燥而得到混合干燥粉(步骤S3)。混合手段没有特别限定。例如可以使用日本焦炭公司制造的亨舍尔混合机、品川工业所公司制造的万能干燥机、大川原化工机公司制造的喷雾干燥器等。
对于混合干燥粉，在大气气氛下保持规定的温度，并进行预烧(步骤S4)。通过预烧，在钨氧化物粉末的表面使铬固定化。在此，优选的预烧温度为150℃以上300℃以下。如果为该范围，则铬的均匀分散的效果最高。
准备碳粉末(步骤S5)。对于通过预烧而得到的预烧粉，配合用于对钨氧化物以及铬氧化物进行还原、碳化的碳源粉末，将它们混合而得到混合粉(步骤S6)。碳源粉末可以由使用者适当选择。例如，可以适当地利用粒径为0.5μm左右的热解石墨粉末等。对粉末进行混合的手段也没有特别限定。也可以应用在步骤S3中利用的亨舍尔混合机等。
在氢气中对混合粉进行热处理而进行氧化物的还原，得到含有钨、铬、碳的还原粉(步骤S7)。在此，优选的还原温度为500℃以上1100℃以下。在该范围内能够对钨粉的粒径进行控制。
之后，例如在含有氢气的气氛中且以1000℃以上对还原粉进行热处理而进行碳化，得到碳化钨粉末(步骤S8)。在此，适合于热处理温度的范围为1100℃以上1600℃以下。通过使气氛含有氢气，适合于使碳化钨粉末的结合碳量接近至作为化学计量比的6.13质量％。热处理温度可根据目标的碳化钨粒度而适当选择。如果是低温，则能够制造微粒的碳化钨，如果是高温，则能够制造粗粒的碳化钨。
此外，还原以及碳化工序中的氢气的浓度并不限定于100％。根据本领域技术人员的情况，例如可以与氮、氩等混合，在浓度25％～100％的范围内进行设定。进一步地，可以在还原工序(步骤S7)中进行碳化，也可以在碳化工序(步骤S8)中进行还原。
在通过上述制造方法得到的本公开的碳化钨粉末中，铬的分散非常均匀。更具体而言，本公开的碳化钨粉末是以碳化钨为主成分并且含有铬的碳化钨粉末，在从对碳化钨粉末进行SEM观察的视野中随机选择出的100个以上的分析点中对钨和铬的质量浓度进行测定时，以百分率表示铬浓度相对于钨和铬的合计浓度的比例时的分布的标准偏差σ为0.5以下。
作为用于对铬的质量浓度进行测定的优选的分析装置，可以使用SEM(ScanningElectron Microscope，扫描电子显微镜)/EDS(Energy dispersive X-ray spectrometry，能量色散X射线光谱)。
通过使随机选择的分析点、即多个碳化钨颗粒中的铬浓度的标准偏差在规定范围内，在液相烧结时各个碳化钨颗粒享有由铬带来的均匀的、晶粒生长抑制效果，晶粒生长的驱动力均匀而可得到均质的超硬合金。
另外，在本公开的碳化钨粉末中，粉末整体所含有的铬浓度可以为0.1质量％以上7.0质量％以下。通过使铬浓度为该范围，容易得到由铬均匀化带来的超硬合金的特性提高。铬的浓度更优选为0.8质量％以上7.0质量％以下。
碳化钨粉末的平均粒径优选为1.0μm以下。在该情况下，能够制造微细的晶体粒径的超硬合金。碳化钨粉末的平均粒径更优选为0.8μm以下。
[本公开的实施方式的详细内容]
接着，对本公开的实施例进行说明。此外，本实施例只不过是发明的一个方式，当然能够在对于本领域技术人员而言显而易见的范围内进行变更。
首先，准备平均粒径为3.0μm的三氧化钨粉末作为钨氧化物粉末，并准备乙酸铬(和光纯药)作为含铬溶液。将氧化钨粉末投入到旋转叶片式的混合机中，另一方面，将乙酸铬用纯水溶解并调整为所期望的浓度。含铬溶液的浓度可以由本领域技术人员适当进行调整，但在此调整为40％乙酸铬水溶液。一边用混合机对粉末进行搅拌，一边将含铬溶液喷雾于粉末以成为所期望的铬浓度，将它们混合。本实施例中，使用日本焦炭工业公司制造的亨舍尔混合机。在此，作为混合条件，设为旋转叶片的直径为60cm、外周速度为1884m/分钟、混合时间为30分钟，同时实施以混合时的粉体的摩擦热作为热源的干燥，得到混合干燥粉(得到混合干燥粉的工序)。
接着，将混合体装入大和科学公司制造的电炉中，在大气气氛下在300℃下静置24小时，进行预烧(得到预烧粉的工序)。
冷却后，使用亨舍尔混合机将取出的预烧粉与平均粒径约为1.0μm的碳粉末一起混合(旋转叶片直径为60cm、外周速度为1884m/分钟、混合时间为30分钟)，制作混合粉(得到混合粉的工序)。
将该混合粉末装入烧制炉，在氢气流中进行温度为800℃、保持时间为1小时的还原处理，得到还原粉(得到还原粉的工序)。
进一步地，在将还原粉装入于该烧制炉的状态下，在纯氢气流中进行温度为1200℃、保持时间为1小时的碳化处理，得到碳化钨粉末(得到碳化钨粉末的工序)。
对所制造的碳化钨粉末通过使用了φ3mm的超硬球体的球磨机实施破碎处理，并对各种粉体特性进行测定。在本公开中，进行了针对粉末外观的基于SEM/EDS观察的铬均匀性的测定、使用了费氏微粒测量仪(FSSS)的平均粒径的测定、基于ICP(InductivelyCoupled Plasma，电感耦合等离子体)的粉末中的铬浓度(质量％)测定
在此，对基于各分析方法的铬均匀性测定的步骤进行详述。
(1)针对粉末外观的SEM/EDS分析
首先，利用碳双面粘合胶带等，将作为碳化钨颗粒集合体的碳化钨粉末固定在观察支架上。将其插入SEM内，以15kV的加速电压进行观察。所使用的SEM以及EDS检测器的类型没有特别限定。在本实施例中，使用BRUKER制造的XFlash Detector进行分析。观察倍率根据对象的碳化钨粒度来进行选择。例如，如果平均粒径为0.5μm，则优选为3000倍左右。对于该视野，随机地从规定的数量以上、优选从碳化钨粉末的100处以上的分析点采集EDS谱图。关于颗粒的选择步骤，只要是随机的，就没有特别限定。例如，将格子间距离为1.5μm左右的10点×10点的正方格子网格作为分析点。能够从100个分析点中机械地获取EDS谱图。在本实施例中，将格子间距离为2.0μm的12点×9点的正方格子网格作为分析点，在108(12×9)个点中，从碳化钨颗粒获取EDS谱图。
在此，作为各点的EDS的获取条件，没有特别限定，但应该考虑使测定误差尽可能小。例如，优选将钨(Lα射线)的累计计数(净计数)调整为50000计数以上。在本实施例中，在特性X射线的每秒的计数速率(ICR)约为30000cps的条件下，以每一个点1分钟的累计时间获取EDS谱图。通过对获取后的EDS谱图实施原子序数校正(atomic number，Z)、吸收校正(absorption，A)、荧光校正(fluorescence，F)而求出真实浓度的所谓的ZAF校正的半定量分析，对钨以及铬的质量浓度进行定量化。
如上所述，从100个点以上的碳化钨颗粒或分析点对钨以及铬浓度进行测定，用于后述的统计分析。
(2)铬浓度的标准偏差分析
根据使用上述方法测定的钨以及铬的浓度，使用已知的表计算软件等进行统计分析，得到碳化钨粉末中的铬浓度的标准偏差。作为已知的表计算软件的一个例子，可以使用Microsoft公司制造的Excel。更具体而言，通过使用Excel中的STDEV.P函数，求出碳化钨粉末中的铬浓度的标准偏差。
如以上那样制造、分析本公开的实施例1的碳化钨粉末，将其结果示于图2以及表1。
表1
为了制造比较例1的碳化钨粉末，使用亨舍尔混合机将平均粒径为3.0μm的三氧化钨(WO3)粉末、平均粒径为2.0μm的铬氧化物(Cr2O3)粉末和平均粒径为1.0μm的碳粉末混合(旋转叶片直径为60cm、外周速度为1884m/分钟、混合时间为30分钟)。将该混合粉末在氢气流中进行温度为800℃保持时间为1小时的还原热处理。进一步地在氢氮混合气流中(氢浓度为50体积％)进行温度为1200℃保持时间为1小时的碳化处理，得到比较例1的碳化钨粉末。将其结果示于图3以及表2。
表2
对图2以及图3进行比较可知，在图2的实施例1以及图3的比较例1中，得到在外观上同等的碳化钨粉末。
由表1所示的数据对实施例1的碳化钨粉末的铬浓度的标准偏差σ进行分析时，结果为0.444。接着，由表2所示的数据对比较例1的碳化钨粉末的铬浓度的标准偏差σ进行分析时，结果为0.774。即，可知在本公开的碳化钨粉末中，铬浓度的标准偏差处于小于0.5的范围，与以往的碳化钨粉末相比，铬均匀地分布。
接着，使用表3对本公开中的碳化钨粉末中的铬浓度与标准偏差的关系进行说明。
表3
表3的实施例11～19的碳化钨粉末通过与表1的实施例1相同的工序制造，但不同点在于，在得到混合干燥粉的工序(步骤S1至步骤S3)中对含铬溶液的喷雾量进行调节以达到所期望的铬浓度。另外，表3的比较例111～116通过与表2的比较例1相同的工序制造，但不同点在于，对Cr2O3粉末的配合量进行调节以得到表3所示的铬浓度。针对这些碳化钨粉末，使用SEM/EDS对铬浓度标准偏差进行分析。
如表3所示，即使碳化钨粉末中的铬浓度为0.2质量％以上且小于7.0质量％的范围，实施例的碳化钨粉末相对于比较例的粉末，铬的分布也更均匀，在制造超硬合金时容易得到均匀且强度不易降低的合金。进一步地，若碳化钨粉末的平均粒径为0.8μm以下，则在制造超硬合金时容易得到均质且强度不易降低的合金。
“超硬合金的均质性评价”
在本公开中，按照以下的步骤对超硬合金的均质性进行评价。
首先，相对于表3中记载的实施例以及比较例的碳化钨粉末配合7质量％的钴粉末(平均粒径为1.0μm)，将其用使用了φ3mm的超硬球体的球磨机进行混合。在配合比中，铬的质量作为在碳化钨中含有的铬的质量来进行计算。作为混合条件的一个例子，可以设为转速为90rpm、乙醇溶剂、混合时间为24h。
混合后，从球磨机内回收混合浆料，对其进行干燥而制成干燥粉末。
在该干燥粉末中添加2质量％的樟脑作为粘合剂，通过150μm网眼的筛，制作造粒粉。
将造粒粉以9.8kN/cm2的表面压力冲压成型为宽度40mm以上×进深12mm×高度6mm的长方体形状，在真空炉中进行烧结。烧结条件可以在对于本领域技术人员而言显而易见的范围内适当进行选择，作为一个例子，可以设为升温速度为10℃/min、最高温度为1350℃、保持时间为30min、减压氮气气氛(约133Pa)。
基于超硬工具协会标准CIS026-1983对所得到的烧结体实施抗折试验。所使用的试验片形状为J形式(参照超硬工具协会标准CIS026-1983的“4.1试验片的尺寸”)，试验根数设为各碳化钨粉末为60根。
在抗折试验后，回收试验片，使用SEM/EDS对其断裂面进行起点调查。起点的种类分为(1)与周围的WC颗粒相比具有3倍以上的粒径的粗大WC颗粒、(2)孔隙(烧结孔)、(3)Co池(Co凝集)、(4)明确的破坏起点不明而正常断裂。若将各试验片的断裂形态按(1)至(4)的起点的种类进行分类，则如表3所示。
如表3所示，在本实施例所涉及的粉末中，与比较例相比，能够确认到以粗大的碳化钨颗粒以及孔隙为起点的断裂变少而碳化钨粉末均质的效果。可知在实施例中，如果铬浓度的标准偏差为0.5以下，则能够得到均质且破坏的起点少的超硬合金。尤其是若铬的浓度为0.2质量％以上7.0质量％以下，则以孔隙(烧结气孔)为起点的破坏消失，因此更优选。
根据本公开，通过使铬分布均匀，能够制造均质且没有强度降低的超硬合金。
应当认为本次公开的实施方式在所有方面都是示例，而不是限制性的。本发明的范围不是由上述的实施方式示出的，而是由权利要求书示出，意图包含与权利要求书等同的意思以及范围内的所有变更。
附图标记说明
S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8：步骤。
Claims (7)
1.一种碳化钨粉末，其是以碳化钨为主成分并且含有铬的碳化钨粉末，其中，
在从对所述碳化钨粉末进行SEM观察的视野中随机选择出的100个以上的分析点中对钨和铬的质量浓度进行测定时，以百分率表示铬浓度相对于钨和铬的合计浓度的比例时的分布的标准偏差σ为0.5以下，
所述碳化钨粉末整体所含有的铬浓度为0.8质量%以上7.0质量%以下。
2.根据权利要求1所述的碳化钨粉末，其中，所述碳化钨粉末整体所含有的铬浓度相对于钨和铬的合计浓度的比例为7.0质量%以下。
3.根据权利要求1或2所述的碳化钨粉末，其中，所述碳化钨粉末的平均粒径为1.0μm以下。
4.根据权利要求3所述的碳化钨粉末，其中，所述碳化钨粉末的平均粒径为0.8μm以下。
5.一种权利要求1至4中任一项所述的碳化钨粉末的制造方法，其中，
所述碳化钨粉末的制造方法具备：
将钨氧化物和含铬溶液混合，边搅拌边干燥而得到混合干燥粉的工序；
对所述干燥粉进行预烧而得到预烧粉的工序；
将所述预烧粉和碳源粉末混合而得到混合粉的工序；以及
在含有氢气的气氛中对所述混合粉进行热处理使其还原以及在1000℃以上的温度下进行碳化而得到碳化钨粉末的工序。
6.根据权利要求5所述的碳化钨粉末的制造方法，其中，在大气气氛下对所述干燥粉进行预烧。
7.根据权利要求5或6所述的碳化钨粉末的制造方法，其中，预烧温度为150℃以上300℃以下。
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| GR01 | Patent grant | ||
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