合成纳米晶钨钴硬质合金复合粉末的方法

摘要

一种合成纳米晶钨钴硬质合金复合粉末的方法。本发明利用反应热处理技术合成烧结稳定性较高和满足纳米晶硬质合金烧结要求的WC－Co复合粉末。即利用高能球磨技术制造W、C、Co活化态复合粉末，外界输入到体系的过剩能量部分转化成随后合成纳米晶WC的固态反应所需的能量。本发明制得的复合粉末中的WC晶粒尺寸可以在很宽的温度范围内进行灵活调整；利用本发明，降低了纳米WC－Co复合粉末颗粒的过高烧结活性，提高了纳米WC晶粒在烧结过程中的尺寸稳定性，在1100℃经过30分钟处理后，纳米WC晶粒尺寸仅为42nm；克服了现有工艺中存在的环境污染问题，便于工业化规模生产。

说明书

[技术领域]本发明属于粉末冶金技术领域，特别是一种利用反应热处理合成纳米晶钨钴硬质合金复合粉末的方法。

[背景技术]WC硬质合金以其高硬度、耐磨性、耐蚀性而著称，广泛用作切削加工刀具、各种钻头、粉末冶金模具材料和耐磨部件。然而，硬质合金属于准脆性材料，硬度的提高必须以其韧性的降低为代价，即因裂纹扩展阻力下降而导致合金强度降低。这一矛盾难以满足科学技术发展对高强、高耐磨材料的需求。纳米晶硬质合金是协调这一矛盾的关键技术途径。纳米晶WC-Co复合粉末是纳米晶硬质合金块体材料的基础。目前，制备纳米复合粉的方法主要有化学法和机械法两大类。化学法包括有喷雾-转换、化学共沉淀、等离子体合成、溶胶-凝胶法等。其中，化学共沉淀、等离子体合成和溶胶-凝胶法制备纳米晶WC-Co复合粉末，难以实现工业化生产并存在一定的环保问题。喷雾-转换工艺合成纳米晶WC-Co复合粉末，虽已成为工业规模，但所得复合粉末大都是粒径为数十微米的空心团聚粒子(包含数十万个纳米WC和Co晶粒)，而其中的纳米WC、Co晶粒的烧结活性很高，在烧结时极易造成颗粒内的晶界迁移而形成晶粒内孔隙，成为纳米晶块体材料进一步致密化的障碍，而晶粒内孔隙的消除必须通过空位激活才能实现，导致烧结致密化温度升高，伴随着纳米WC晶粒的进一步急剧长大，成为制约获得纳米晶YG合金的技术瓶颈。利用机械合金化法合成的纳米晶WC-Co复合粉末，粉末颗粒产生大量的变形，晶格畸变严重，过剩的系统能量引起体系的烧结活性极高，纳米WC晶粒尺寸在烧结过程中的稳定性很低。

[发明内容]针对化学法和机械合金化法制备的纳米晶复合粉末中WC晶粒尺寸稳定性差的缺点，特提出本发明。

本发明利用反应热处理技术合成烧结稳定性较高和满足纳米晶硬质合金烧结要求的WC-Co复合粉末。即利用高能球磨技术制造W、C、Co活化态复合粉末，外界输入到体系的过剩能量部分转化成随后合成纳米晶WC的固态反应所需的能量，降低纳米WC-Co复合粉末的过高活性而提高纳米WC晶粒尺寸的烧结稳定性，为制造WC晶粒尺寸在100nm以下的纳米硬质合金创造条件。

根据硬质合金牌号所规定的成份要求，将工业用钨粉(中、粗、细颗粒均可)、碳黑和金属钴粉按比例放入高能搅拌球磨机中，随后按照35-30∶1的球料比加入硬质的钨合金球或硬质合金球，硬质球的大小在5-10mm之间。密封高能球磨机的端盖后，抽真空以尽可能地除去球磨机中的空气。接着通入氩气至微正压，开启球磨机端盖上的排气阀，保持10分钟，以将球磨机的残留空气成分排除。关闭氩气进气阀后再关闭排气阀。高能球磨机的搅拌速度为300-650转/分钟。经过50小时的球磨后，得到机械活化态的W、C、Co复合粉末。为了防止粉末氧化，在卸粉前向球磨机中注入足够的汽油，其添加量以覆盖机内的球料为准。活化W、C、Co复合粉末在真空炉中进行反应热处理。反应热处理温度在750-1100℃之间。反应温度过低，钨转化成碳化钨的反应进行不切底。而反应温度太高，一方面会造成合成的纳米碳化钨晶粒尺寸的过份长大，同时也会提高过程能耗。反应热处理时间一般在30分钟左右。合成的WC-Co复合粉末中的WC晶粒尺寸在9-42nm之间，具体数值主要取决于反应热处理温度。合成的WC-Co复合粉末颗粒尺寸一般在0.1-0.4μm之间(主要取决于反应热处理温度)。

本发明的主要优点和积极效果是：

1 纳米晶WC-Co复合粉末中的WC晶粒尺寸可以在很宽的温度范围内进行灵活调整，从而实现纳米WC晶粒尺寸的连续可控；

2 由于从外界输入到反应体系中的过剩能量部分被用于形成纳米WC相的固态反应，降低了纳米WC-Co复合粉末颗粒的过高烧结活性，提高了纳米WC晶粒在烧结过程中的尺寸稳定性，如在1100℃经过30分钟处理后，纳米WC晶粒尺寸仅为42nm。

3 较现有纳米晶WC-Co复合粉末的制造技术相比较，克服了喷雾-转换工艺存在的可能造成环境污染问题，便于工业化规模生产。

[具体实施方式]

实施例1：制备成份为WC-10Co复合粉末。

称取16.9kg的3μm的工业W粉、1.1kg工业碳黑与2kg金属Co粉末在普通混料机中预混合30分钟后，装入体积为60升的高能球磨机中，再加入600kg的钨合金球。抽真空后填充惰性气体Ar。高能球磨机的转速为500转/分钟，机械活化50小时。球磨后，经小角度X-ray衍射分析得知，活化态混合粉末中的钨粉晶粒尺寸大约为3-5nm。

将活化态的W、C、Co复合粉末置于石墨或镍及其合金坩埚内并放入真空炉或惰性气体保护的管式炉中进行反应热处理。在750℃时热处理30分钟后，粉末中WC晶粒尺寸为9.2nm；而在1100℃处理30分钟后，粉末中WC晶粒尺寸为42nm。并且X-ray衍射分析结果表明，粉末中除WC和Co相外，不存在其它中间相。