连续还原碳化法制备纳米WC-Co复合粉研究

传统方法制备超细WC-Co混合料工艺过程复杂,制备的粉末成分及粒度分布不均匀,晶粒较粗,生产成本高.本研究采用连续还原碳化法,以偏钨酸铵、醋酸钴、热解碳源等为原料,在喷雾干燥、连续还原碳化系统中进行实验,对短流程制备工艺进行了探讨.通过喷雾结晶、低温还原碳化制备出纳米级WC-Co复合粉.研究结果表明:在900℃温度下,碳化反应完全,制得的WC-Co复合粉晶粒度小于100 nm.连续还原碳化法制备粉末的工艺流程短,易于实现产业化.

WC-Co复合粉的喷雾造粒及松装密度的影响因素

利用短流程原位反应合成技术制备超细WC-Co复合粉,其平均粒径为300 nm,对此复合粉进行喷雾造粒以制备具有超细结构的热喷涂粉末。采用标准漏斗法测量造粒粉末的松装密度,并利用SEM观察其形貌与结构,结合实验测定结果与理论计算结果研究料浆成分、喷雾干燥温度及初始粉末粒径对造粒粉末松装密度的影响规律。结果表明：料浆固含量最高可达70%（质量分数）,此时造粒粉末松装密度达到2.31 g/cm3;随粘结剂含量的增高,造粒粉末松装密度先增高后降低,最佳含量为2.5%（质量分数）;分散剂最佳含量为1%~2%（质量分数）;干燥温度显著影响造粒粉末形貌结构及松装密度,最佳温度为150℃;喷雾造粒粉末的最高密度实质上取决于初始粉末粒径。

直接碳化原位合成WC-Co复合粉的反应过程

以偏钨酸铵(AMT)、可溶性钴盐、有机碳源为原材料,采用喷雾转化、直接碳化原位合成法,成功制备出WC-Co复合粉末。利用XRD、SEM等分析方法对粉末样品物相组成、微观形貌、粒度分布进行了研究。研究表明,由于Co对W碳化的促进作用,在900℃时,W就被完全碳化为WC,远低于W正常被碳化完全的温度;W的碳化过程主要依靠钨粉颗粒表面与含碳气氛热解后沉积在钨颗粒表面上的碳元素的反应以及碳向钨粉颗粒内部的扩散来实现,属固-固反应;由于生成W2C的自由能比WC的更低,W很快先被碳化为W2C,然后再进一步碳化为WC;W/Co/C碳化反应体系沿WCo3,Co6W6C,W2C-Co,WC-Co步骤进行反应;随着温度的升高,反应体系可不经过前两步,而直接生成W2C-Co,再进一步碳化为WC-Co复合粉。

WC-Co复合粉末的原位合成及于硬质合金涂层制备中的应用

目的为解决超细/纳米WC-Co热喷涂时易于脱碳等瓶颈问题,制备具有高的硬度、断裂韧性、耐磨性和表面质量等优异综合性能的超细及纳米结构硬质合金涂层,并推广其在工业领域中的应用。方法以原位合成技术批量制备的超细/纳米WC-Co复合粉末为原料,利用团聚造粒技术制备得到具有高球形度和致密性,并保持原有超细/纳米结构的喷涂喂料粉末,利用超音速火焰喷涂工艺制备低脱碳、高致密的超细结构WC基涂层。结果降低喂料粉末孔隙度可有效减少涂层中W2C等脱碳相的含量,在优化工艺下制备的超细结构WC基涂层的硬度达到1450HV0.3以上,韧性相对于常规微米结构涂层提高40%以上,在两种载荷和磨料条件下均表现出更高的耐磨性。结论利用原位反应技术批量合成的超细/纳米WC-Co复合粉制备的硬质合金涂层具有优良的综合性能,可应用于对涂层的硬度、耐磨性、强韧性配合和表面质量有较高要求的工况。

超细WC-Co复合粉的原位反应合成及烧结致密化

以微米级蓝钨(WO2.9)、四氧化三钴(Co3O4)和炭黑(C)为原料,采用真空原位还原碳化反应制备超细WC-Co复合粉末,经过真空烧结得到WC-Co合金块体。利用扫描电镜、X射线衍射仪观察和分析复合粉末及合金显微形貌及物相组成,研究原料粉末中配碳量对WC-Co复合粉及合金物相与力学性能的影响。结果表明:所得平均粒径为300 nm的超细WC-Co复合粉末的主相均为WC和Co相,含有少量的η相(Co3W3C);原料粉末中配碳量(质量分数)为16.69%较为合适,此时可获得物相纯净、平均晶粒尺寸470 nm的超细晶WC-Co硬质合金,合金的横向断裂强度为2 464 MPa;原料粉末中配碳量为16.85%时,合金中存在少量的游离碳,横向断裂强度只有1 946 MPa。

再生WC-Co复合粉及高耐磨性硬质合金涂层的制备

以WC-6Co废旧硬质合金块体和Co_3O_4粉末为原料,采用氧化-还原碳化法制备再生WC-12Co复合粉,将复合粉经过造粒和热处理制备再生热喷涂喂料,进而采用超音速火焰喷涂(HVOF)制备再生WC-Co硬质合金涂层,比较再生硬质合金涂层和商业购买热喷涂喂料制备涂层的显微组织、耐磨性及其机制。结果表明:当配碳量为16.70%(质量分数)时,再生复合粉的碳含量适中;制备的再生热喷涂喂料由WC和Co相组成,热喷喂料球形度好,粒径分布均匀,平均粒径为23μm;再生WC-12Co硬质合金涂层的结构致密,WC晶粒尺寸分布均匀。与商业化热喷涂粉制备涂层显微组织和性能相比,再生涂层的磨粒磨损性能明显优于商业喷涂粉制备涂层的,其根本原因是两者的磨损机制不同。

紫钨喷雾干燥-直接碳化法制备纳米WC-Co复合粉

以WC-6%Co为基本成分，计算原料紫钨、醋酸钴、有机碳及超纯炭黑配料量，称量后加入装有适量纯水的可倾斜式滚动球磨机，湿磨混匀12 h，形成复合盐料浆，然后充分搅拌，进行喷雾干燥后制备的前驱体粉末粒度在10～100μm，平均粒度为50μm。将喷雾干燥好的粉末装舟（200 g），推入高温钼丝炉中，通入氢气，还原碳化温度950℃，时间30 min制备的纳米WC-Co复合粉，粉末粒度分布窄，颗粒粒度在5-45μm，平均粒度为23.38μm。SEM、BET结果表明WC晶粒度在300 nm左右，由扫描电镜（SEM）、X光微区分析（EDS）及元素面分布图得到，W、Co、C分布均匀、Co相均匀包覆在WC晶粒周围，不存在成分偏析。 XRD的半高宽窄，晶粒细小；物相纯净，无η相。

共沉淀-直接碳化原位合成WC-Co复合粉的研究

以偏钨酸铵、硝酸钴、氨水、炭黑为原材料,采用共沉淀-直接碳化原位合成法制备了WC-Co复合粉。研究了前驱体的制备过程,考察了还原碳化工艺参数对所得产物物相的影响。利用SEM、XRD分析方法对粉末样品的微观形貌和物相组成进行了表征,并对还原碳化过程进行了探讨。结果表明:采用共沉淀法制备的前驱体粉末为许多小颗粒团聚而成的大颗粒,小颗粒均匀细小,粒径在500 nm左右,前驱体粉末经1 000℃还原碳化可以得到物相纯净的WC-Co复合粉,WC-Co复合粉分散性好,粒度分布均匀。

共沉淀-喷雾干燥法制备超细WC-Co复合粉的研究

以钨酸铵、硝酸钴、碳粉为原材料,采用共沉淀-喷雾干燥法成功制备出超细WC-Co复合粉。利用XRD、激光粒度仪分析方法对粉末的物相和粒径进行了表征,研究了还原碳化温度对粉末平均粒径的影响。结果表明:粉末平均粒径随着还原碳化温度的升高而增大;经共沉淀-喷雾干燥、空气中750℃焙烧2h得到的钨钴氧化物复合粉在1100℃还原碳化2h可以得到主相为WC-Co、平均粒径为0.68μm的超细WC-Co复合粉。

超细WC-Co复合粉热压烧结制备亚微米硬质合金

以原位还原所得超细WC-6%Co复合粉为原料,研究了热压烧结制备硬质合金材料的工艺过程,并分析了材料的物理性能及力学性能。结果表明:将平均粒径约300nm的超细WC-Co复合粉在热压炉中于1 370℃烧结1.5h,可得到平均晶粒度为600nm、相对密度99%且具有良好综合力学性能的亚微米WC-Co硬质合金。

复合添加晶粒长大抑制剂对WC-Co复合粉烧结硬质合金的影响

在超细WC-Co复合粉中复合添加不同含量的晶粒长大抑制剂VC和Cr3C2,利用X射线衍射仪分析粉末及硬质合金的物相组成,通过扫描电镜和透射电镜观察硬质合金的形貌,研究不同含量的晶粒长大抑制剂对硬质合金的显微组织和力学性能影响规律。结果表明:随着晶粒长大抑制剂的增加,晶粒异常长大现象消失,晶粒细小均匀;同时发现在WC-Co复合粉中VC的增加可以快速提高硬质合金的硬度,而适量的Cr3C2可以有效提高硬质合金的横向断裂强度。

WC-Co复合粉形貌遗传特性及粒度分布研究

以偏钨酸铵、可溶钴盐、有机碳为原料,经喷雾转化、煅烧、低温还原碳化制备WC-Co复合粉。对前驱体、复合粉物相组成、WC晶粒度、微观形貌、平均粒度及分布进行研究。结果表明:复合粉由WC和Co两相组成,WC晶粒度约为60 nm;前驱体粉末呈空壳球形结构,部分颗粒破裂;经煅烧后,形貌未发生明显变化;再经还原碳化处理,颗粒表面产生大量孔隙,形貌与前驱体相似,具有很好的形貌结构遗传特性;复合粉平均粒度比前驱体略有减小且粒度分布更窄;溶液浓度、给料速度越大,离心转速越小,则平均粒度越大;进气温度对粒度影响很小。

超细WC-Co复合粉制备及快速烧结技术研究进展

超细WC-Co复合粉是制备高性能超细/纳米晶硬质合金的重要原料之一,近年来发展了多种复合粉的制备技术。本文综述了其中的喷雾转换工艺法、化学沉淀法、原位还原碳化法、化学气相反应合成法和机械合金化法的研究和应用状况。同时简要介绍了一些新型的快速烧结技术的原理,以及这些新型的快速烧结技术制备的超细/纳米晶硬质合金上的研究进展,并对快速烧结技术在硬质合金领域发展前景进行了分析。

球磨时间对超细WC-Co复合粉体粒度影响规律及其细化机制

研究球磨时间对紫钨棒长径比及WC-Co复合粉粒度影响规律,通过对中间过程组织观察得WC-Co复合粉细化机制。采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、能谱(EDS)及X射线衍射(XRD)表征各阶段所获得的粉体的物相组成、微观形貌。试验表明,紫钨棒随着球磨时间延长平均直径减小,平均长度增长,当球磨时间为40 h时,紫钨棒平均直径为142 nm,平均长度可达6.95μm,经还原-碳化得到尺寸均匀,其平均颗粒尺寸为126 nm的超细WC-Co复合粉;所制备大长径比的紫钨棒之间相互交错形成连通的孔隙,使得紫钨颗粒具有良好的通透性,在还原过程中有利于还原性气体进入到紫钨内部,降低了原子扩散距离,大大缩短了还原时间,同时紫钨棒之间相互交错形成连通的孔隙有利于反应生成的水蒸汽溢出,有效抑制了WO2(OH)2生成,降低了颗粒长大趋势;WO2.72/CoWO4的还原-碳化过程中沿着棒的径向方向断裂,为固相局部化学反应机制占主导地位,紫钨棒的直径大小决定了WC-Co复合粉颗粒尺寸。

氧化钇掺杂对制备纳米WC-Co复合粉的影响规律及其调控机制

以废旧硬质合金和可溶性钇盐为原料,采用固-液掺杂,通过球磨将钇源引入钨钴氧化物粉末中,再经过两步还原制备纳米WC-Co复合粉。采用扫描电子显微(SEM)、能谱仪(EDS)与X射线衍射(XRD)分别表征各阶段所获得的粉体的微观形貌、物相组成,分析了氧化钇对紫钨长径比的影响及其作用机制,同时分析了氧化钇对合成纳米WC-Co粉体粒度的影响规律。试验表明,氧化钇的掺杂影响了WO2.72特定晶面的能量,促进WO2.72沿(010)晶面择优生长;试样掺杂氧化钇后,其反应活性变大,使(010)晶面的形核驱动力要大于其他晶面。因此,制备的WO2.72棒更加细长。与未掺杂氧化钇的试样相比,其棒的直径由200 nm减小到140 nm,长度增加了约1倍。此外,在碳化反应过程中,均匀分散的氧化钇增大了WC的非均匀形核率,并阻碍了WC-Co粉体颗粒扩散迁移,从而阻止其合并长大,使得最终合成的WC-Co复合粉具有均匀的粒度分布,平均粒径约为90nm。

纯相低氧纳米WC-Co复合粉的制备

以紫钨、四氧化三钴、炭黑为原料,在高真空度条件下利用原位反应合成技术制备出物相纯净、平均粒径约为80 nm的WC-Co复合粉。研究了制备工艺参数对纳米复合粉相组成、粒径、氧含量及最终烧结硬质合金块体材料组织性能的影响。结果表明,纳米复合粉中氧含量较高时,会导致后续烧结过程中发生脱碳反应,使烧结制备的块体材料致密度和力学性能明显下降。将纳米复合粉在800℃下真空热处理2.5 h可有效降低粉末中的氧含量,同时热处理后的粉末颗粒无明显长大,平均粒径为85 nm。向复合粉中加入1.1%TiC与0.9%VC进行SPS烧结,烧结块体平均晶粒尺寸为105 nm,且尺寸分布均匀,致密度达99%以上,硬度(HV30)为21 450 MPa,断裂韧性达到9.81 MPa·m^(1/2)。

VC,Cr_3C_2对WC-Co纳米粉烧结性能的影响

研究了WC-10Co纳米复合粉的热压烧结,确定合理的烧结温度为1360℃.在纳米WC-10Co复合粉中分别掺杂1.0％VC和1.0％Cr3C2(质量分数),根据烧结体的断裂强度、洛氏硬度等性能和断口形貌,研究了晶粒生长抑制剂VC,Cr3C2对纳米复合WC-10Co粉末烧结性能的影响.结果表明,纳米WC-10Co复合粉掺杂1.0％VC或1.0％Cr3C2,在1 360℃烧结,可以得到晶粒度小于300nm的整体性能较好的超细WC-Co硬质合金,掺杂1.0％VC抑制晶粒生长的效果要好于掺杂1.0％Cr3C2.

超细WC?Co复合粉超音速热喷涂修复煤磨机齿轮轴

利用超音速热喷涂(HVOF)技术,试用自制原位反应合成的WC-Co复合粉来修复大型煤磨机齿轮轴,并对热喷涂层的显微结构、物相组成和力学性能进行了表征。实验表明,超细WC-Co复合粉经超音速热喷涂制备的涂层可与齿轮轴基体结合牢固,显微组织致密,且经高温过程形成脱碳相的含量较低,表面硬度和耐磨性显著提高,能有效修复煤磨机齿轮轴的过量磨损,延长设备服役期,经济效益显著。

抑制剂对WC-Co硬质合金涂层性能的影响

利用原位还原碳化反应合成的超细WC-12Co复合粉末作为原料,分别添加1.0wt%晶粒长大抑制剂即VC、Cr3C2和Nb C,经团聚造粒和超音速火焰(HVOF)喷涂制备了超细结构的硬质合金涂层。研究了不同晶粒长大抑制剂对涂层的显微组织结构、物相、硬度、耐磨性能和耐蚀性能的影响。结果表明,与未添加晶粒长大抑制剂涂层相比,添加1.0wt%VC或Cr_3C_2制备的硬质合金涂层中WC颗粒的平均尺寸降低了约49%,涂层硬度明显提高,磨损速率降低了约52%~55%。添加1.0wt%Nb C对制备涂层中WC颗粒尺寸的抑制作用不明显,Co粘结相中由于形成了(W,Nb)C化合物,其耐蚀性获得显著提高,但该化合物脆性大,导致涂层耐磨性不及添加VC和Cr3C2制备的涂层。

原位合成复合粉制备超细WC-Co硬质合金

以偏钨酸铵、可溶钴盐、可溶碳源为原料,经喷雾转化、煅烧、低温还原碳化制备超细晶WC-Co复合粉;采用同样成分配比及工艺,在煅烧后增加短时球磨工艺,制备出另一种超细晶WC-Co复合粉;分别以2种复合粉为原料,用放电等离子直接烧结制备超细WC-Co硬质合金。采用SEM、XRD、钴磁仪、矫顽磁力计、维氏硬度计等对复合粉形貌、合金显微组织与性能进行表征分析。结果表明,未短时球磨的粉末呈现出球形结构,WC颗粒被Co相粘结在一起,可观察到烧结颈并有异常长大晶粒,经过短时球磨工序制备的粉末为分散颗粒,2种粉末中Co相同时以fcc与hcp的结构存在,粉末WC晶粒尺寸约为0.26μm;未短时球磨的粉末制备的合金存在少量孔隙,致密度较低,有异常长大晶粒。短时球磨能有效提高粉末颗粒的分散性,减少烧结体中的显微组织缺陷,制备的合金综合性能得到提高。