[发明专利]一种原位还原碳化制备WC-Co纳米复合粉的方法

说明书

技术领域

本发明属于硬质合金粉末的制备技术，具体涉及一种原位还原碳化制备WC-Co纳米复合粉的方法。

背景技术

WC-Co作为现代工业加工的工具材料，在工业生产中起着重要作用。在工程机械、石油钻探、船舶、兵器、汽车、电子、航空航天等方面具有广泛的应用。但WC-Co硬质合金属脆性材料，其硬度与强度是一对矛盾体，提高合金硬度将导致强度降低，反之提高合金强度则导致硬度下降。随着工业技术的进一步发展，越来越多的领域迫切需要具有更高强度和硬度的“双高”硬质合金材料。因此，如何获得具有“双高”硬质合金材料成为亟待解决的问题。

研究发现：对于给定成分的WC-Co硬质合金，当WC的平均晶粒尺寸减小到1μm以下时，硬质合金的强度和硬度将同时提高，而且提高的幅度将随着WC晶粒尺寸的进一步减小而增加。因此，通过减小WC晶粒尺寸来提高合金性能成为硬质合金的重要研究内容，而制备WC-Co纳米复合粉体是制备“双高”硬质合金首要的一步。

目前，WC-Co复合粉体的主要制备方法大体可分为三类：

第一类 机械合金化法，如将WO₃、CoO、C和Mg按一定比例放入密封的球磨罐中，通惰性保护气氛，在高能球磨机中球磨几十小时后，洗涤、提纯获得WC-Co纳米复合粉末。该方法工艺周期长、能耗高、易引入杂质，实际生产中很少应用。

第二类 固相混合法，首先用H₂气还原钨、钴氧化物，制备W、Co金属纳米粉，将纳米W粉与C粉球磨混合，经高温碳化成WC，再与Co粉球磨混合；或在H₂/CH₄气氛中先将钨化合物还原碳化，制备WC粉末，再与预制的Co粉球磨混合。但球磨的方法很难保证超细WC和Co粉混合均匀。

第三类 气－固相流化床法，将钨盐与钴盐制成混合溶液，经喷雾干燥、煅烧等工艺得到钨钴复合的氧化物粉末，然后将氧化物粉末用H₂还原，再用H₂/CH₄进行碳化，最后用CO/CO₂除碳得到WC-Co纳米复合粉末；或将钨钴复合氧化物粉末与碳粉球磨混合，再在H₂气中还原碳化成WC-Co纳米复合粉末。

气－固反应方法能使气体与固体颗粒之间充分接触，使氧化物粉末的还原碳化反应迅速、充分，在较低温度和较短时间内即可完成，有利于纳米结构的形成和保持。美国的Nanodyne公司曾采用该方法生产WC-Co纳米复合粉体，但该生产中存在使用设备昂贵、工艺难以控制、反应时间长、采用高纯气体耗量大成本高等问题，而被迫停产。

由此可以看出，制备WC-Co纳米复合粉体的难点仍是还原、碳化及均匀复合等问题。溶液混合法为钨钴盐均匀复合提供了保证，因此，探索一种新的工艺路线，使还原碳化过程简化设备、缩短周期、降低成本，已成为制备WC-Co纳米复合粉体的迫切需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原位还原碳化制备WC-Co纳米复合粉的方法，该方法所需设备简单，反应原料价格低廉，生产过程简便、周期短、能耗低，能够大幅度降低生产成本，实现规模化生产。

本发明所述的一种原位还原碳化制备WC-Co纳米复合粉的方法，其步骤如下：

第一步，配制含W、Co、C的混合溶液或含W、Co、C及抑制剂原料的混合溶液或乳浊液；

采用可溶性钨、钴的化合物和有机碳源为原料配成混合溶液，或者采用可溶性钨、钴的化合物、有机碳源和抑制剂为原料配成乳浊液；原料均以重量计：

可溶性钨的化合物为60~95%，

可溶性钴的化合物为5~40%，

有机碳源15~30%，

抑制剂为0~8%；