[发明专利]超细钴金属粉末、其制备方法以及钴金属粉末和碳酸钴的用途

说明书

本发明涉及由细微晶组成的超细钴金属粉末，其中细微晶表现出米粒状至圆球状惯态，超过90％的微晶的直径在0.5-2μm的范围内。还涉及通过碳酸钴中间步骤来生产钴金属粉末的方法，以及钴金属粉末和碳酸钴的使用方法。

超细钴金属粉末的主要应用领域是硬质合金和金刚石刀具的生产。这两种应用对钴金属粉末有不同的要求。对于硬质合金使用来说，非常低的杂质(例如钠、钙和硫)含量这一点特别重要。氧和碳的含量不要太高这点也很重要。粒度和颗粒形状是次要的。

为生产硬质合金，将主要为碳化钨和大约6-15％钴金属粉末的混合物在大约1350-1450℃的温度下烧结。这是钴金属粉末的液相烧结，在这期间一部分碳化钨溶解在钴中。冷却时，出现重结晶过程，在这期间少量杂质例如原材料中所含的钠(Na)、钙(Ca)和硫(S)已经优先沉淀在碳化钨晶体颗粒的边界上。这会导致强度的局部降低，因而会降低弯曲强度(12th International Plansee Seminar′89，Vol.2(第421-428页))。对于很细硬质合金的情况，诸如微孔之类的部分会导致工具易于在强度降低的位置断裂。

氧和碳含量不能太高这点也很重要，其总值超过0.9％(重量)便不可接受。氧含量增加和碳含量增加都会影响烧结过程中的碳平衡，使得有可能通过etaphasis或者通过由于碳酯而产生的C-多孔性的形成而导致脆化的发展。这两种效应也明显地损害硬质合金的质量。

在生产基于钴金属粉末的金刚石刀具(该工具主要包含钴金属粉末、合成金刚石和其它粉状物质例如铜、锡、铁、镍等)时物理性质例如粒度和颗粒形状的影响十分明确地占主导地位。虽然在上述部件中化学杂质可以引起多孔性，但这只是一个含微小的因素。其原因在于，在金刚石刀具的生产过程中常规使用的温度范围为700-950℃。与硬质合金的生产不同，在该温度下出现固体相烧结，从而初始粉末的性质大部分被保持下来了。

在实验中观察到粒度的降低会导致热压钴部分硬度的增加。一般来说，Hall-Petch方程说明硬度与介质粒径的平方根相关。

这一关系在理论上可以通过下述事实得到解释：硬度受每单位体积晶粒界面的比表面的影响，因为晶粒界面阻碍位错的增长。由于硬度与该段的切割性质有关，硬度的增加通常可以得到使用期较长的刀具，因而十分重要。为增加每单位体积的晶粒界面的比表面，可以减小粉末的初始粒度(J.Konstanty和A.Busch，PMI，Vol.23，No.6，(1991))。然而，另一增加每单位体积晶粒界面的比表面的可能的方法是以相同或相似的粒度改变颗粒的形状，使得初始晶体具有相当圆的圆球惯态。

有许多不同的超细钴金属粉末在不同程度上满足了制造硬质合金或金刚石刀具的要求。

EP-A 011 3 281(法国，Grenoble，Eurotungstene公司拥有)描述了用多元醇法生产钴金属粉末的方法，其中用多元醇在85℃下将不同的钴化合物还原。该钴金属粉末可以含有高达3％的碳和氧，结果使得原本是高化学纯度的单位体积晶粒界面的高的比表面受晶粒形状的影响，不能排除对硬质合金性能的负面影响。

根据Eutotungstene公司提供的技术资料，该公司的市售钴金属粉末产品Co UF是从氢氧化钴制造的。该产品的特点是每单位体积晶粒界面的比表面相对较高。然而，钠和硫含量的增加是个缺陷。

加拿大Alberta的Sherritt Gordon公司的美国专利US-A5246481公开了一种完全不同的技术程序。此处，该粉末的生产是通过将加有作为成核剂的可溶性银盐的硫酸钴铵溶液还原进行的。银盐的掺杂使得在钴金属粉末中银含量出人意料地高，通常高于3600ppm。此外，根据该公司的资料，碳含量为大约1750ppm，这也是惊人的。

本发明的主要目的是提供不具有上述粉末的缺点的钴金属粉末。

现在已经发现了具有所需性能的钴金属粉末。本发明提供由细微晶组成的超细钴金属粉末，其中该微晶表现出米粒状至圆球状惯态，超过90％的微晶的直径在0.5-2μm的范围内，其特征在于其钠含量小于100ppm，碳含量小于500ppm。

最好钠含量小于50ppm，钙和硫含量分别小于30ppm。

在另一个优选的实施方案中，超过90％(重量)的微晶的长径比在1∶1至5∶1的范围内，微晶的优选为0.7-1.1μm。按照ASTM B 330所述的方法测得的微晶的粒度优选为0.7-0.95μm。