CN114905048B - 一种增材制造用纳米钴粉的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种增材制造用纳米钴粉的制备方法,涉及WC‑Co硬质合金增材制造用钴粉的制备技术。该方法以氯化钴、碳酸氢铵为原料,先在预设的工艺条件下合成出疏松的微米级碳酸钴,然后在继续合成的过程中对合成浆料进行提浓,当碳酸钴颗粒生长到一定粒度且浆料固液比达到一定程度时,微米碳酸钴颗粒会粉碎成10~100nm的碳酸钴微粉,当微米级碳酸钴颗粒全部粉碎成纳米碳酸钴颗粒后,将物料固液分离、洗涤、干燥、氢气还原,得到纳米钴粉产品。利用此工艺,能够制备出晶粒尺寸在100nm左右、结晶完好的纳米钴粉产品。
Description
技术领域
本发明属超细粉末制备领域,具体涉及WC-Co硬质合金增材制造用纳米钴粉的制备技术。
背景技术
WC-Co硬质合金具有较高的抗弯强度、疲劳强度、良好的冲击韧性以及耐磨、耐热和耐腐蚀等特点,被广泛应用于军工、国防、地质勘探、道路建设、隧道挖掘以及工业生产等领域。疲劳与断裂,是工程实践中最常见同时也是最重要的失效方。如今,工程界对WC-Co硬质合金的抗疲劳性能和使用功能提出了更高的要求,传统粉末冶金方法难以制备复杂形状的硬质合金零件和工具,限制了硬质合金优越性能的发挥。金属3D 打印技术可以直接实现复杂形状硬质合金零件的快速制造,为WC-Co合金结构件的成型技术提供了一种新方法。该技术不受结构件形状的制约,制造周期短,不浪费原料,适用于形状复杂和高精度零部件的制造。
WC-Co合金增材制造使用的关键原材料为钴粉,粘结剂原料钴粉在制备超细晶WC-Co硬质合金中的作用至关重要。采用超细/纳米级粒度的球形钴粉不仅可以降低合金的烧结致密化温度从而抑制WC晶粒异常长大,同时能够减少球磨混合时间,改善合金中的钴相分布,有助于获得高性能的超细和纳米晶WC-Co硬质合金。
目前,国内普遍采用氢气还原法生产钴粉,主要生产平均粒径在1~2μm之间的细颗粒钴粉,而粒径在1.0μm以下的超细钴粉较少。为了生产超细硬质合金用钴粉,国内外都在探索新型钴粉的生产工艺,如热分解法、水合肼还原法、氢气液相还原法、羰基法、多元醇法等。虽然通过这些方法可以制备平均粒径小于1μm的超细钴粉,但是通过这些方法生产超细钴粉的工艺和设备都比较复杂,除了需要制备钴化合物前驱体外,还需要还原剂等原料,无形中增加了生产成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种增材制造用纳米钴粉的制备方法。
本发明是一种增材制造用纳米钴粉的制备方法,其步骤为:
步骤(1)配液:以钴盐为原料,配置钴浓度为80~90g/L的钴溶液为A溶液;配制90~110g/L的碳酸氢铵溶液为B溶液;
步骤(2)湿法合成:在反应釜中进行碳酸钴的制备;合成反应开始时,将A溶液、B溶液并流加入反应釜中,在搅拌下进行碳酸钴的制备;反应过程中严格控制A溶液流量、B溶液流量、反应温度、搅拌强度和反应时间;
步骤(3)湿法粉碎:当碳酸钴颗粒生长到预设粒度时,将反应釜中的物料进行浓缩,浓缩过程中,继续将A溶液、B溶液并流加入反应釜中,在强搅拌下继续进行碳酸钴的合成,浆料浓缩至预设条件后,碳酸钴颗粒开始粉碎;粉碎过程中严格控制加入反应釜中的A溶液、B溶液流量、反应温度、搅拌强度和反应时间;
步骤(4)固液分离、洗涤及干燥:当反应釜物料粉碎结束后,将反应釜物料固液分离、洗涤、干燥,得到纳米碳酸钴产品;
步骤(5)还原:将步骤(4)得到的纳米碳酸钴产品在氢气气氛下进行还原,得到纳米钴粉产品。
本发明体现出的有益之处是:以钴溶液、碳酸氢铵为原料,先在预设的工艺条件下合成出疏松的微米级碳酸钴,然后通过提高固液比并在高速搅拌的条件下继续合成的方式将微米级物料湿法粉碎成纳米级的碳酸钴颗粒,然后将物料固液分离、洗涤、干燥、煅烧,得到纳米钴粉产品。纳米钴粉产品中晶粒尺寸在50~150nm。该方法工艺简单、对设备要求不高。
附图说明
图1为本发明方法的流程图,图2为实施例1制备得到的纳米钴粉微观形貌,图3为实施例2制备得到的纳米钴粉微观形貌,图4为实施例3制备得到的纳米钴粉微观形貌。
具体实施方式
本发明是一种增材制造用纳米钴粉的制备方法,如图1所示,其步骤为:
步骤(1)配液:以钴盐为原料,配置钴浓度为80~90g/L的钴溶液为A溶液;配制90~110g/L的碳酸氢铵溶液为B溶液;
步骤(2)湿法合成:在反应釜中进行碳酸钴的制备;合成反应开始时,将A溶液、B溶液并流加入反应釜中,在搅拌下进行碳酸钴的制备;反应过程中严格控制A溶液流量、B溶液流量、反应温度、搅拌强度和反应时间;
步骤(3)湿法粉碎:当碳酸钴颗粒生长到预设粒度时,将反应釜中的物料进行浓缩,浓缩过程中,继续将A溶液、B溶液并流加入反应釜中,在强搅拌下继续进行碳酸钴的合成,浆料浓缩至预设条件后,碳酸钴颗粒开始粉碎;粉碎过程中严格控制加入反应釜中的A溶液、B溶液流量、反应温度、搅拌强度和反应时间;
步骤(4)固液分离、洗涤及干燥:当反应釜物料粉碎结束后,将反应釜物料固液分离、洗涤、干燥,得到纳米碳酸钴产品;
步骤(5)还原:将步骤(4)得到的纳米碳酸钴产品在氢气气氛下进行还原,得到纳米钴粉产品。
本发明先在反应釜中制备出疏松的微米级碳酸钴浆料,当碳酸钴粒度达到一定数值后对浆料进行提浓,并在高搅拌强度下继续进行合成反应,碳酸钴颗粒会破碎成纳米级的碳酸钴颗粒,粉碎结束后洗涤、干燥、还原,得到纳米钴粉产品。
以上所述的制备方法,步骤(1)中,所述钴盐为氯化钴,或者硫酸钴,或者硝酸钴,或者其中的几种。
以上所述的制备方法,步骤(2)中,所述的反应釜为100L反应釜,所述反应过程中严格控制A溶液、B溶液流量、反应温度、搅拌强度和反应时间的A溶液流量为1.0~1.2L/h,B溶液流量为2.4~3.0L/h,反应温度为53~55℃,搅拌强度为200~220r/min,反应时间为15~18h。
以上所述的制备方法,步骤(3)中,所述的当碳酸钴颗粒生长到预设粒度时为碳酸钴生长的粒度为16~18μm,所述浆料浓缩至预设条件后为将物料固液比提高至25%以上,所述粉碎过程中严格控制加入反应釜中的A溶液、B溶液流量、反应温度、搅拌强度和反应时间的A溶液流量为1.0~1.2L/h,B溶液流量为2.4~3.0L/h,反应温度为53~55℃,搅拌强度为400~500r/min,反应时间为2~3h。
以上所述的制备方法,步骤(4)中,所述固液分离及洗涤采用的是布氏漏斗抽滤,洗涤物料采用的是50~60℃的去离子水,干燥物料的设备为烘箱,干燥温度为80~90℃。
以上所述的制备方法,步骤(5)中,所述还原条件为箱式气氛炉中还原,还原温度为350℃~370℃,还原时间为1~2h。
以上所述的制备方法,步骤(4)中,所述纳米钴粉产品的晶粒尺寸在50~150nm。
下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做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。
实施例一:工艺步骤同上,此处不再赘述。各个步骤中的具体参数如下:
配置的A溶液为80g/L硫酸钴溶液;配制的B溶液为90g/L碳酸氢铵溶液。
在100L的反应釜中进行碳酸钴的制备。合成反应开始时,将A溶液以1.0L/h,B溶液以2.4L/h的流速并流加入反应釜中,在搅拌下进行碳酸钴的合成。反应过程中严格控制反应温度为53℃,搅拌强度为220r/min,反应时间为15h。
当反应釜中碳酸钴粒度达到16~18μm时,将反应釜浆料固液比提高至28%,同时将A溶液以1.0L/h,B溶液以2.4L/h的流量并流加入反应釜中,在强搅拌下进行碳酸钴的湿法粉碎。反应过程中严格控制反应温度为53℃,搅拌强度为400r/min,反应时间为3h。
固液分离、洗涤及干燥:当反应釜物料粉碎结束后,将反应釜物料用布氏漏斗抽滤洗涤,洗涤物料采用的是60℃的去离子水,干燥物料的设备为烘箱,干燥温度为80℃,得到纳米碳酸钴产品。
还原:将得到的纳米碳酸钴产品在箱式气氛炉上还原,还原温度为350℃,还原时间为2h。得到纳米钴粉产品。
如图2所示,为制备得到的纳米钴粉微观形貌。
实施例二:工艺步骤同上,此处不再赘述。各个步骤中的具体参数如下:
配置的A溶液为85g/L氯化钴溶液;配制的B溶液为100g/L碳酸氢铵溶液。
在100L的反应釜中进行碳酸钴的制备。合成反应开始时,将A溶液以1.1L/h,B溶液以2.7L/h的流速并流加入反应釜中,在搅拌下进行碳酸钴的合成。反应过程中严格控制反应温度为54℃,搅拌强度为210r/min,反应时间为16h。
当反应釜中碳酸钴粒度达到16~18μm时,将反应釜浆料固液比提高至30%,同时将A溶液以1.1L/h,B溶液以2.7L/h的流量并流加入反应釜中,在强搅拌下进行碳酸钴的湿法粉碎。反应过程中严格控制反应温度为54℃,搅拌强度为450r/min,反应时间为2.5h。
固液分离、洗涤及干燥:当反应釜物料粉碎结束后,将反应釜物料用布氏漏斗抽滤洗涤,洗涤物料采用的是55℃的去离子水,干燥物料的设备为烘箱,干燥温度为85℃,得到纳米碳酸钴产品。
还原:将得到的纳米碳酸钴产品在箱式气氛炉上还原,还原温度为360℃,还原时间为1.5h。得到纳米钴粉产品。
如图3所示,为制备得到的纳米钴粉微观形貌。
实施例三:工艺步骤同上,此处不再赘述。各个步骤中的具体参数如下:
配置的A溶液为90g/L硝酸钴溶液;配制的B溶液为110g/L碳酸氢铵溶液。
在100L的反应釜中进行碳酸钴的制备。合成反应开始时,将A溶液以1.2L/h,B溶液以3.0L/h的流速并流加入反应釜中,在搅拌下进行碳酸钴的合成。反应过程中严格控制反应温度为55℃,搅拌强度为200r/min,反应时间为18h。
当反应釜中碳酸钴粒度达到16~18μm时,将反应釜浆料固液比提高至30%,同时将A溶液以1.2L/h,B溶液以3.0L/h的流量并流加入反应釜中,在强搅拌下进行碳酸钴的湿法粉碎。反应过程中严格控制反应温度为55℃,搅拌强度为500r/min,反应时间为2.0h。
固液分离、洗涤及干燥:当反应釜物料粉碎结束后,将反应釜物料用布氏漏斗抽滤洗涤,洗涤物料采用的是50℃的去离子水,干燥物料的设备为烘箱,干燥温度为90℃,得到纳米碳酸钴产品。
还原:将得到的纳米碳酸钴产品在箱式气氛炉上还原,还原温度为370℃,还原时间为1.0h。得到纳米钴粉产品。
如图4所示,为制备得到的纳米钴粉微观形貌。
Claims (5)
1.一种增材制造用纳米钴粉的制备方法,其特征在于,其步骤为:
步骤(1)配液:以钴盐为原料,配置钴浓度为80~90g/L的钴溶液为A溶液;配制90~110g/L的碳酸氢铵溶液为B溶液;
步骤(2)湿法合成:在反应釜中进行碳酸钴的制备;合成反应开始时,将A溶液、B溶液并流加入反应釜中,在搅拌下进行碳酸钴的制备;反应过程中严格控制A溶液流量、B溶液流量、反应温度、搅拌强度和反应时间;
步骤(3)湿法粉碎:当碳酸钴颗粒生长到预设粒度时,将反应釜中的物料进行浓缩,浓缩过程中,继续将A溶液、B溶液并流加入反应釜中,在强搅拌下继续进行碳酸钴的合成,浆料浓缩至预设条件后,碳酸钴颗粒开始粉碎;粉碎过程中严格控制加入反应釜中的A溶液、B溶液流量、反应温度、搅拌强度和反应时间;
步骤(4)固液分离、洗涤及干燥:当反应釜物料粉碎结束后,将反应釜物料固液分离、洗涤、干燥,得到纳米碳酸钴产品;
步骤(5)还原:将步骤(4)得到的纳米碳酸钴产品在氢气气氛下进行还原,得到纳米钴粉产品;
所述步骤(2)中,所述的反应釜为100L反应釜,所述反应过程中严格控制A溶液、B溶液流量、反应温度、搅拌强度和反应时间的A溶液流量为1.0~1.2L/h,B溶液流量为2.4~3.0L/h,反应温度为53~55℃,搅拌强度为200~220r/min,反应时间为15~18h;
所述步骤(3)中,所述的当碳酸钴颗粒生长到预设粒度时为碳酸钴生长的粒度为16~18μm,所述浆料浓缩至预设条件后为将物料固液比提高至25%以上,所述粉碎过程中严格控制加入反应釜中的A溶液、B溶液流量、反应温度、搅拌强度和反应时间的A溶液流量为1.0~1.2L/h,B溶液流量为2.4~3.0L/h,反应温度为53~55℃,搅拌强度为400~500r/min,反应时间为2~3h。
2.根据权利要求1所述的增材制造用纳米钴粉的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中,所述钴盐为氯化钴,或者硫酸钴,或者硝酸钴,或者其中的几种。
3.根据权利要求1所述的增材制造用纳米钴粉的制备方法,其特征在于:所述步骤(4)中,所述固液分离及洗涤采用的是布氏漏斗抽滤,洗涤物料采用的是50~60℃的去离子水,干燥物料的设备为烘箱,干燥温度为80~90℃。
4.根据权利要求1所述的增材制造用纳米钴粉的制备方法,其特征在于:所述步骤(5)中,所述还原条件为箱式气氛炉中还原,还原温度为350℃~370℃,还原时间为1~2h。
5.根据权利要求1所述的增材制造用纳米钴粉的制备方法,其特征在于:所述步骤(4)中,所述纳米钴粉产品的晶粒尺寸在50~150nm。
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