CN1460126A - 硬质合金级粉末的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括将含有用纯净水作液相组分的浆料进行干燥的硬质合金级粉末的制备方法，该粉末包括硬质材料，金属粘结剂和非水溶性压结助剂组分。本发明的基本特征是首先将硬质材料和金属粘结剂在水中研磨，形成浆料，研磨后向浆料加入乳胶形式的压结助剂组分，该乳胶借助于加有水的乳化剂来制备。

Description

硬质合金级粉末的制备方法
本发明涉及一种包括将含有用纯净水作液相组分的浆料进行干燥的硬质难熔金属硬质合金级粉末(Hard metal grade powder)的制备方法，该粉末包括硬质材料、粘结性金属和非水溶性压结助剂组分。
通过压结和煅烧粉末基质材料可制备硬质合金构成的模件。其实施是通过在液体介质中研磨硬质材料和粘结金属组分形成浆料形式的精细分散的混和物。在使用粗粒起始原料时，这个步骤还包括研磨原料，而在使用微细原料粉末时，仅使浆料进行匀化。液体可保护粉末颗粒不融合并防止它们在研磨加工时氧化。
目前使用合适的的研磨设备体系几乎都是公知的球磨搅拌机作超微磨碎机，其中由圆筒形容器内多叶片搅拌臂带动该材料由被设置在一起运动的硬质金属球研磨。可向通过液体增强研磨工艺制备的浆料中加入一种压结助剂，如石蜡。加入压结助剂有助于压结加工期间硬质合金级粉末的压实，并增强其原始强度，这将有助于压结模件的处理。然后干燥浆料以制造最终的硬质合金级粉末，使其为后续的包括压结和煅烧的步骤作准备。
常规使用的干燥方法是喷雾干燥。在该步骤中，具有可喷雾稠度的浆料通过位于喷雾塔内的喷嘴进行喷雾。炽热气体的气流将升空的喷雾液滴干燥，然后使其作为小粒或珠粒形式的颗粒沉降在喷雾塔的圆锥底段，再从该处取出。这种制造颗粒形式硬质合金级粉末的一大优点是基本改良了它的流动性能，这就有助于粉料充填压结模的加工。
在硬质金属工业上使用的干燥系统中的喷雾塔应设计有个圆柱形的上段和圆锥形的、向下的锥尖(pointing)底端，并且通常是按照喷泉原理以逆流模式运行，亦即喷头的喷枪位于喷雾塔底部中央，使浆料在高压下(12-24巴(bar))以喷泉形式向上喷雾。干燥喷雾液滴的干燥气流从上面流入干燥舱室，相对于喷雾液滴逆向运行，并在圆锥形的上面第三部分从喷雾塔流出，然后向下流入到喷枪下面的锥尖段。这样，液滴首先向上输运，然后由重力和逆向气流向下拖拽。在干燥循环作业的过程中，液滴转换成含有少量残留湿气的致密颗粒。当它们下落到喷雾塔底部时，通过圆锥形部分自动向下汇集，向下流到锥尖底段的中央排放出口。
由于喷雾液滴的迁徙模式采取先上后下的模式，干燥期间液滴输运的距离等于喷雾浆料和干燥气体并流向下运行的喷雾塔中喷雾浆料和干燥气体的输运距离，因此该工艺方法仅需差不多低于百分之五十的塔高。
实际使用的基于喷泉原理逆流作业的喷雾塔有一个高度在2-9m之间的圆筒形部分，并且其高度直径比在0.9-1.7之间，然而气体和浆料从上到下以并流模式运行的喷雾塔配备有高度在5-25m之间的圆柱形部分，并且其高度直径比范围是1∶1-5∶1。
在硬质金属工业中，目前在浆料的研磨和压结中使用的有机溶剂仅几乎仍然是丙酮、乙醇、己烷或庚烷。这些溶剂以浓缩形式或仅用少量水稀释的稀释液形式使用。作为蜡基压结助剂，实际应用中经常使用的如石蜡，一般容易溶于这些溶剂，在硬质合金级粉末的研磨和喷雾中则毫无问题。
这些溶剂非常易燃和易挥发无疑是一大缺点。因此，超微磨碎机和喷雾干燥系统必须设计有防爆单元，需要投入相当的工程设计，所以导致了高成本。另外，在喷雾塔中，必须用惰性气体通常是氮气对物料进行干燥。
上面列出的所有溶剂，由于其高挥发性，尽管使用了循环措施，仍然会带来环保问题和发生大量蒸发而损耗的问题。
考虑到使用这些有机溶剂存在的重大缺点，有人试图用水来代替有机溶剂。但其难度在于大多数商用压结助剂例如石蜡不溶于水，这就意味着在制造浆料时，必须采用专门的措施以便确保生产的硬质合金级粉末最终达到令人满意的质量。
为便于理解，还应当注意的是所有的术语“硬质合金”还包括所谓的金属陶瓷，其通常包括含氮硬质材料的一类专门的硬质金属。
US4397889公开了一种硬质合金级粉末的制备方法，其中使用了一种不溶于液体研磨介质的压结助剂。例如该专利提及石蜡作压结助剂和水作研磨介质。尽管压结助剂在研磨介质中具有不溶性，但为获得一具有均匀分布压结助剂的合适的硬质合金级粉末，该美国专利建议首先将带有或不带有金属粘结剂颗粒的硬质合金级粉末组分加热到压结助剂熔点以上的温度，然后再将它们与压结助剂混和。随后尽可能快地冷却粉末混和物以限制粉末的氧化。为了防止粉末混和物在冷却期间形成过度的团聚，应在冷却相期间捏合混和物。冷却后，添加金属粘结剂组分，如果在粉末混和物内未添加这种金属粘结剂组分，则需在水中研磨粉末混和物。然后将这种方式制造的浆料进行喷雾和干燥，例如在喷雾干燥系统内进行。这种方法的缺点是，混和硬质合金级粉末和压结助剂的混和设备被粉末-压结助剂混和物的团聚的、粘性沉积物严重污染，在每次硬质合金级粉末新的制备作业之前，必须清除所有残留物，相当费力耗资。
因此，本发明目的是为了提供一种硬质合金级粉末(Hard metal gradepowder)的制备方法，该方法能避免上述列出的现有技术缺点。
通过本发明所涉及硬质合金级粉末的制备方法的优选实施方案就能实现这个目的，其中首先将硬质材料和金属粘结剂组分在水中研磨，形成浆料，研磨后向浆料中加入借助于加有水的乳化剂制得的乳胶(emulsion)形式的压结助剂组分。
这种工序提供了一种获得压结助剂在硬质合金级粉末中的均匀分布的简单方法。在标准的市售配备有搅拌器和高分散装置的双壁反应罐的乳化系统中制备该乳胶并不困难。压结助剂和乳化剂熔化后，加入所需量的水。在两个不相容相(压结助剂和水)的温度相等时，而不是在温度相等之前，借助非常高速(例如大约6000rpm)的高分散装置将压结助剂相分散在水中。原则上，可使用食品加工工业常用的那些标准的市售乳化剂。乳化剂必须和压结助剂的特定组分相匹配，以使其乳化。选择乳化剂时，重要的是确保不含有对硬质金属制备工艺后续步骤产生反作用的物质，例如能使烧结后造成开裂相的碱性化合物、碱土化合物或硫化合物。另外，还应确保该乳化剂不含乳化稳定添加剂，例如提高pH值的试剂，在分离石蜡期间不能完全蒸发的那些添加剂和后续烧结硬质合金级粉末期间造成问题的添加剂。即便没有这些稳定添加剂，乳胶在室温保持稳定至少5天，容有足够的时间来毫无问题地制备硬质合金级粉末。
使用能够制备乳胶液滴平均直径低于1.5μm的乳化剂是大为有益的。在制备硬质合金级粉末中经常使用石蜡作压结助剂。
使用石蜡时，已证实脂肪醇聚乙二醇醚和单甘油二酯(monodiglycerides)的混合物作为在制备乳胶中的乳化剂是有效的。
特别有利的是根据本发明制备硬质合金级粉末时，在超微磨碎机内进行粉末研磨的浆料粘度范围是2500-8000mPas之间(用Europhysics公司制造的RC 20流变仪测量，剪切(shear)速度5.2[1/s])，研磨时，最小有每小时4-8次的量的交换(a minimum four-to-eight-fold volume exchange perhour)。
这样，即使在制备含有粒度明显小于1μm的硬质材料和粘结金属组分的浆料时也能够实现如此短暂的研磨时间，从而避免了过量的颗粒氧化。
特别令人感兴趣的是，应用该方法可在制备硬质金属粗颗粒的喷雾干燥系统中，进行干燥浆料来实施本发明硬质合金级粉末的制备。在本发明的一个优选实施方案中，使用包括圆柱部分和圆锥部分的喷雾塔，其中进入干燥舱室干燥浆料的气流的温度范围为130-195℃，而流出系统的气流温度范围为85-117℃，借此设计和运行喷雾塔的方式是这样的：即经过浆料加入水的量(升/小时)与塔体积(以m3计)的比值在0.5-1.8之间，并且进入的每立方米干燥气体使最多为0.17kg的浆料雾化，借此浆料的固体颗粒浓度范围为65-85wt％。
应当理解的是进入的气流的量和温度所产生的可用的能量必须毫无困难地足以汽化加入的水量。
这种特定喷雾干燥方法的基本特征是：经过浆料加入的水的量与塔体积的比例与喷雾塔的常规情况相比必须要小一些，并且必须调节喷雾浆料的空气数量，以便确保每0.17kg浆料有至少1m3空气可用。这样，在目前这些具有优势的条件下，完成了非破坏性干燥和获得了在最终颗粒中的最大残留湿气浓度为0.3wt％。在上述工艺条件下，甚至非常微细的原料粉末都能大大避免氧化。
在本方法中，并不是象在硬质金属颗粒制备方法中的一般做法那样，必须根据所用原料粉末的化学分析和研磨及喷雾干燥期间摄取的氧来调节碳平衡；如果需要，可以在研磨前加入碳，以便确保可由不带η相(eta)和不带游离碳的硬质金属颗粒来制得最终烧结的硬质合金。
原则上，制得的颗粒的平均粒度在90-250μm之间且可以通过改变喷嘴开口尺寸、喷雾浆料粘度和/或喷雾压力来调节。喷嘴开口越小，粘度越低以及喷雾压力越高时，平均粒度越小。经过喷嘴引入浆料的数量可通过调节喷雾压力或漩涡室的尺寸和/或喷嘴开口来控制。
尽管具体的喷雾干燥方法可以使用顺流和逆流两种喷雾干燥系统，但现已证实，按照喷泉原理运行的逆流喷雾干燥最为有效，它有益于喷雾干燥系统的结构更加紧凑。
此外，还证实喷雾塔上部的圆柱部分高度大约6m且直径在4-5m之间的构造具有优越性。另外，也证实底部圆锥部分的圆锥的角度大约在45°-50°时是有益的。
实施本发明干燥方法的一个突出的优点是允许使用空气作为干燥气体，这将导致该方法的成本非常低。
如果使用基于喷泉原理的逆流喷雾干燥系统进行喷雾干燥，将喷雾塔圆柱部分上端流入的干燥空气的温度和离开圆锥底端锥尖的干燥空气温度调节在一设定的范围大为有益，该方法是将喷雾塔几何中心(S)处的温度范围设定在70-120℃之间。在这种情况下，就能将硬质金属颗粒的氧化减至最小。
下文将根据附图和制备实施例进一步详述本发明。
图1举例说明喷雾塔的基本原理，其提供了一种由按本发明制得的浆料来制造硬质金属颗粒的特别优越的技术方案。
喷雾塔1包括一圆柱部分2和一下设的、圆锥形的、向下的锥尖部分3。该喷雾塔1按照喷泉原理以逆流模式运行，亦即干燥颗粒的气流在圆柱部分上端11引入，并强制向下流动，与此同时，雾化浆料通过带喷嘴开口5的喷枪4从圆柱部分底部与气流6呈逆向象喷泉一样，向上喷雾。
因此喷雾液滴7在响应反向气流和重力而逆向坠落的过程之前是起始向上行进的。在静止在圆锥形的、向下锥尖部分3的喷雾塔1底板之前，液滴7必须被转换成干燥颗粒。
颗粒通过喷雾塔圆锥形的、向下锥尖部分3的引导而到达排放出口8。气流在130-195℃温度下进入圆柱部分2，并且气流在85-117℃的温度下从喷雾塔通过喷枪4下的圆锥部分3的上部第三部分的气体出口管9流出。将气流进出的温度用这样的方式进行调节，即使得喷雾塔几何中心(S)处的温度处于70-120℃之间是优选的。重要的是：经过浆料加入的水的量(升/小时)与塔体积(以立方米计)的比在(0.5∶1)-(1.8∶1)之间，并且进入的每立方米干燥气体使最多是0.17kg的浆料雾化，从而使浆料的固体颗粒浓度范围在65-85wt％之间。当然，还必须保证引入气流的量和温度所产生的可用能量足以毫无困难地汽化加入的水。
将喷雾塔圆锥部分3设计成双壁结构，以便适应冷却剂例如水的循环则大为有益。这将保证颗粒在喷雾塔的这个部分被冷却的温度不超过75℃。
颗粒通过排放出口8离开喷雾塔后进入冷却通道10，并在其中被冷却到室温。
下文参照实施例详述本发明。
实施例
为了制备平均粒度为125μm蜡化的硬质金属颗粒，除含2wt％的蜡(石蜡)以外，它还包含6wt％的钴，0.4wt％的碳化钒，其余是碳化钨，将36kg平均粒度大约0.8μmFSSS(费氏粒度Fisher Sub-Sieve Size)且氧含量0.56wt％的钴粉末，2.4kg平均粒度大约1.2μmFSSS且氧含量0.25wt％的碳化钒粉末和561.6kg比表面积为1.78m2/g的碳化钨(相当于平均粒度大约0.6μm且氧含量0.28wt％)与148升水在超微磨碎机内研磨5小时。该原料用2000kg直径9mm的硬质金属球以78rpm的速度在超微磨碎机内研磨。泵循环容量(capacity)是每小时1000升浆料。研磨期间浆料温度在大约40℃保持恒定。完成研磨的浆料冷却到30.6℃时与24kg均匀密度(homogeneous consistency)的石蜡乳胶(其中有48.8wt％的水，48.8wt％石蜡，其余是乳化剂)混和。然后加水，得到75wt％的固体颗粒浓度以及3000mPas的粘度(viscosity)。该乳胶是在德国IKA公司制造的标准市售的乳化装置内制备的。该方法中，取2kg主要由脂肪醇聚乙二醇醚和单甘油二酯构成的混和物组成的标准乳化剂加入到40kg的石蜡中且在85℃下熔化。(乳化剂的确切组份必须凭经验匹配，以便适合所用的石蜡)。熔化后加40kg水并加热到同样温度。随后运转高分散乳化装置60分钟来制备乳胶。之后借助超微磨碎机以每分钟2℃的速度将乳胶冷却到室温。用激光颗粒测量仪检测液滴尺寸分布表明平均直径(d50)是1.16μm。
图2表示最终的乳胶放大7500倍的KRYO-SEM照片。
对于这种方式制备的浆料颗粒，喷雾塔(1)有一高6m、直径4m的圆柱部分2和一圆锥角为50°的圆锥形的、向下的锥尖部分3。塔体积是93m3。根据喷泉原理设计喷雾塔逆流运行。使用空气干燥浆料且引入喷雾塔的气流速度是4000m3/h。
浆料通过喷枪4喷入喷雾塔，喷枪4具有一出口的开孔直径是1.12mm、压力为15巴的单组分喷嘴5，得到每立方米干燥空气的0.08kg浆料的浆料浓度(slurry concentration)。通过引入温度为145℃的干燥空气这种优越条件使空气出去的温度恒定在88℃。在空气引入速度为每小时4000立方米时，使每立方米干燥空气雾化0.08kg浆料，得到每小时320kg浆料的喷雾速度。由于浆料的固体颗粒浓度定为75wt％，每小时喷出320kg就等于每小时输入80升水。
因此，每小时输入水与塔体积的比率就是： 80 l / h 90 m 3 = 0.86 l m 3 • h 在制得颗粒中的氧浓度是0.51wt％。
图3显示上述实施例制得平均粒度125μm的硬质金属颗粒放大50倍的照片。

Claims (9)

1、一种包括将含有用纯净水作液相组分的浆料进行干燥的难熔硬质合金级粉末(a refractory hard metal grade powder)的制备方法，所述粉末包含硬质材料、金属粘结剂和非水溶性压结助剂组分；其特征在于首先将硬质材料和金属粘结剂组分在水中研磨，形成浆料，研磨后，将借助于加有水的乳化剂制得的乳胶形式的压结助剂组分与浆料混合。
2、根据权利要求1的硬质合金级粉末的制备方法，其特征在于使用适于制备平均液滴直径低于1.5μm的乳胶的乳化剂。
3、根据权利要求1或2的硬质合金级粉末的制备方法，其特征在于使用石蜡作压结助剂。
4、根据权利要求3的硬质合金级粉末的制备方法，其特征在于使用由脂肪醇聚乙二醇醚和单甘油二酯混和物组成的乳化剂。
5、根据权利要求1-4的任一项所述的硬质合金级粉末的制备方法，其特征在于在超微磨碎机内进行研磨，并且浆料粘度(viscosity)范围为2500-8000mPas之间，而且至少每小时有4至8次的量的交换。
6、一种按权利要求1-4任一项所述的制备硬质合金级粉末的方法来制备硬质合金颗粒的方法，其特征在于使用喷雾干燥系统干燥浆料。
7、根据权利要求6的硬质合金颗粒的制备方法，其特征在于使用有圆柱部分(2)和圆锥部分(3)的喷雾塔(1)来进行喷雾干燥，而且用于干燥浆料的气体在130-195℃的温度下进入干燥系统，且气体在85-117℃的温度下离开干燥系统，并且通过设计和按如下方式运行喷雾塔(1)，即经过浆料加入的水的量(升/小时)与塔体积(以立方米计)的比在0.5-1.8之间，并且进入的每立方米干燥气体使最多0.17kg的浆料雾化，从而使浆料的固体颗粒浓度范围为65-85wt％。
8、根据权利要求7的硬质合金颗粒的制备方法，其特征在于根据喷泉原理以逆流方法喷雾干燥浆料，并且使用空气作为干燥气体。
9、根据权利要求8的硬质合金颗粒的制备方法，其特征在于将气流进出的温度用这样的方式进行调节，即使得喷雾塔几何中心(S)处的温度处于70-120℃之间。
10、一种烧结的硬质合金，其是用权利要求1-9任一项所述的方法制得的硬质合金级粉末或硬质金属颗粒制备的。
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