[发明专利]一种碳热还原燃烧前驱物合成纳米WC粉末的方法

说明书

一种碳热还原燃烧前驱物合成纳米WC粉末的方法，属于粉末冶金纳米粉末制备技术领域。具体制备方法为：以钨酸铵、氧化剂、燃料为原料，在保护气氛中通过溶液燃烧合成反应制备出纳米针状紫钨，然后将紫钨粉末置于炉中保温，紫钨被氧化成WO₃。将制得的WO₃与碳黑按照一定配比在球磨机中机械混合得到均匀的混合前驱体粉末。最后，将混合粉末在真空炉中进行原位还原和碳化反应，成功制得纳米WC粉末。本方法设计出一种特殊形貌的WO₃—纳米棒状WO₃，解决了颗粒状WO₃在球磨过程中容易发生团聚的问题。本方法制备的纳米WC粉末性能优异，粒径小、粒度均匀、分散性好、成分和粒径能够精确控制，并且本方法工艺简单、耗能低、效率高、成本低，适合大规模生产。

技术领域

本发明属于粉末冶金纳米粉末制备技术领域，特别涉及设计一种特殊形貌的WO₃粉末，用于制备纳米WC粉末的新型方法。

背景技术

纳米晶WC-Co硬质合金能够有效克服传统硬质合金中硬度和强度之间相互矛盾、脆性大和加工软化等问题，兼具高硬度、高强度、高耐磨性、高韧性、高热导率及优良的抗热震性、抗氧化性等性能，被广泛应用于航空航天、汽车工业、精密制造、电子信息、国防军工等领域，已成为高新技术产业中无以取代的工具和结构材料。

高性能纳米WC粉末的制备是纳米晶WC-Co硬质合金发展的基础和关键。目前，受制于制备技术难题，世界上只有美国、日本、瑞典等几个国家的个别企业能够实现纳米WC粉末的大规模工业化生产，远不能满足国际市场的需求。近十几年来，包括我国在内的许多国家每年需要高额从这些企业大量进口纳米WC粉末。因此，打破由国外少数生产厂家控制国际纳米碳化钨粉市场的局面，研究和开发具有自主知识产权的纳米WC粉末的制备技术是极为重要的研发方向和热点课题。

传统的工业制备WC粉末的方法是将钨粉与碳在氢气气氛中直接渗碳2～10h，该方法工艺繁琐，耗时长，碳化温度较高(1400～1600℃)，制约了纳米WC粉末的制备。近年来，人们报道了一些制备纳米WC粉末的有效方法，包括碳热还原法、机械合金化法、溶胶-凝胶法、等离子体法和喷雾转化法。其中碳热还原法具有操作方便、成本低、重复性好等优点，并且还原过程中没有水蒸气产生，避免了W颗粒长大现象的发生，被认为是制备纳米WC粉末的理想方法。根据文献报道，最高效的一种碳热还原过程通常包括两个步骤：首先将氧化钨与碳通过球磨混合，然后进行炉内热处理。然而，由于氧化钨颗粒在球磨过程中极易产生团聚，无法获得WO₃和C均匀混合的前驱体粉末，导致后续碳热还原过程中碳化不充分，产生缺碳相W₂C；并且团聚体的存在容易导致后续热处理过程中出现颗粒异常长大现象，从而影响制备的纳米WC粉末的性能。所以，针对目前碳热还原法制备纳米WC粉末技术中的局限，对其进行改进，寻找一种制备高性能纳米WC粉末的新型方法具有重要的理论价值和实际应用意义。

发明内容

本发明目的在于根据现有碳热还原法制备纳米WC粉末技术当中碳化不充分、粉末颗粒易发生异常长大现象的问题，设计出一种特殊形貌的WO₃—纳米棒状WO₃，并对球磨工艺进行改良处理，获得均匀性良好的纳米级前驱体混合粉末，从而开发出一种快速、低成本、大规模制备纳米WC粉末的方法，且所制备的纳米WC粉末性能优异，粒径小、粒度均匀、纯度高、分散性好，适合大规模生产。

一种碳热还原燃烧前驱物合成纳米WC粉末的方法，具体步骤如下：

(1)溶液燃烧合成法制备纳米针状紫钨：其制备过程是以钨源、燃料、氧化剂为原料，并按照摩尔比1：(30～40)：(10～15)进行配比后溶于去离子中充分溶解配置成水溶液，将溶液在电阻炉上加热直至发生燃烧反应，整个燃烧过程在保护气氛中进行，最后经研磨得到直径约为50～100nm，长度约1～2μm的纳米针状紫钨。