[发明专利]一种纳米碳化钨/钴复合粉末的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超细纳米结构碳化钨/钴复合粉末的制备工艺，尤其是涉及一种多用途的纳米结构超细碳化钨/钴复合粉末的规模产业化制备，主要应用于超细纳米粉体的制备，特别是纳米钨基复合粉体系列材料的制备工艺及方法领域。

背景技术

难熔金属钨合金具有一系列优异的物理力学性能，在国防军工、航空航天、电子信息、能源、冶金和机械加工工业等领域中具有十分广泛的用途，在国民经济中占有重要的地位。W-Co硬质合金具有高的硬度、强度和好的耐磨性，是一种仅次于金刚石的硬质材料，广泛用作切削加工工具，被称为“现代工业的牙齿”。因而该类合金材料受到了世界各国的高度重视，已成为材料科学界最为活跃的研究领域之一。

随着科学技术日新月异的发展，对材料的要求也愈来愈高；与之相适应，采用新技术和新型制备工艺是研究和发展新型高性能多功能钨基材料的发展方向。由于纳米材料具有许多传统材料所无法比拟的特殊性能，使得其成为一个对提高材料性能最具有前景的研究方向。

传统的硬质合金粉末生产流程：仲钨酸铵(APT)—WO₃—W—WC—配料—成形--烧结，工艺过程繁多，各个工序都有使原料被污染及脏化的可能，且多次反复高温过程会使最终产品的晶粒度不易控制，其中WO₃的还原与碳化过程、配料球磨过程和烧结过程均需要消耗大量的能量，这不但使硬质合金系列产品的生产周期变长、产品质量不易控制，还使得生产成本和能耗变得很高。

纳米碳黑具有很高的杨氏模量，且具有很高的热导率、电导率以及化学惰性。将纳米碳黑添加到基体材料或者涂层中构成新的复合材料，可以显著地改善复合材料的力学及电学性能。而纳米碳化钨粉末则兼具有超硬材料和纳米颗粒的双重优良特性，若能与纳米碳黑复合使用，对新材料领域将会产生极其深远的影响。

目前世界各国都在大力研发各种超细粉末制备方法和工艺技术以便于进一步开发出更高性能的硬质合金材料。其中在超细纳米结构WC-Co复合粉末及其涂层材料的高性能制备工艺方面更加大了资金投入和技术研发力度，已经研制出一些制备纳米WC-Co复合粉末的工艺方法。

目前，WC-Co粉末材料的制备工艺主要有：

（1）、使用固定床或回转炉等将钨的氧化物在氢气气氛下还原成为高纯钨粉，将所制得的高纯钨粉与碳粉进行混合球磨，最后经过高温碳化可以制得WC粉末，将WC粉末与金属Co粉末均匀混合进行机械球磨可以制备出WC-Co粉末；或者使钨的氧化物与碳粉相互混合均匀，并由回转炉在高温条件下的氢气气氛中直接还原碳化，可制得WC粉，WC粉再和金属Co粉混合进行球磨从而制得WC-Co粉末。

此方法是传统的WC-Co硬质合金粉末的制备方法，此传统方法的缺点是W与Co混合不均匀，碳化温度高且能耗高，很难制备出纳米级的超细复合粉末。

（2）、在张宗涛等人的发明专利（专利号ZL 97106622.1）中提到一种纳米WC-Co复合粉末的制备方法，是以水溶性的含钨、钴盐类及高分子有机化合物共同作为反应原料来配制前驱体溶液，前驱体溶液可以发生化学反应从而生成沉淀物，形成的沉淀物表面被涂覆上一层石蜡类的疏水性薄膜层，并由还原剂如次亚磷酸钠等来除去其中水分和其他有机基团，最后形成只含有钨、钴、碳元素的混合物，将该混合物经过碳化处理就可以得到纳米WC-Co复合粉末。

此工艺由于使用了大量的高分子有机化合物以及还原剂，所以工艺过程对生产设备的要求比较严格，且产物的纯度难以控制。

（3）、首先将含钨钴的原料用喷雾干燥制成含钨、钴元素的复合氧化物粉末，再将制得的钨钴氧化物粉末放入流化床反应器中，在一定的温度条件及H₂/CO/CO₂气氛中进行连续还原碳化反应，可以制得WC-Co复合粉末。或将钨钴化合物及晶粒长大抑制剂经由喷雾热解而制备出复合氧化物的粉末，将此复合氧化物粉末在流化床反应器中，经过还原碳化、补充碳化及调碳等工艺制备出纳米结构WC-Co复合粉末。

此方法生产成本高，工艺过程较难控制。

（4）、将含钨盐类和含钴盐类共同制成混合溶液，混合溶液在喷雾干燥塔中进行喷雾干燥制粒可以得到复合氧化物粉末前驱体，该前驱体粉末经煅烧后和碳粉混合进行球磨，最后在氢气气氛中进行还原碳化就可以得到纳米级WC-Co复合粉末。

此方法在还原碳化工艺中使用了氢气气氛和碳粉混合球磨，使得制备出的复合粉末的碳含量不易控制。且在此工艺中具有氧化钨和氧化钴，从而在氧化还原反应中会生成水合物，最终会使颗粒很容易聚集长大。

发明内容