[发明专利]复合碳化还原制备纳米碳化钨－钴复合粉体的方法

说明书

本发明属于纳米粉末制备领域，涉及一种纳米碳化钨-钴(WC-Co)复合粉体的制备方法。目前，科学界对纳米材料的研究热是基于材料在纳米尺度上表现出其在常规尺上所不具备的许多优异的新物化性能。当粒子尺寸进入纳米量级(1-100nm)时，就具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应及宏观量子效应等，因而展现出常规材料所不具备的许多新特性，在催化、光吸收、医学及新材料域具有广阔的应用前景。对于纳米两维材料如半导体薄膜材料表现出量子阱效应，三维多晶材料则表现出高强度、高硬度、高韧性、及超塑性等优异物理力学性能。如今，纳米材料合成及制备技术层出不穷，以CVD(化学气相沉积)技术、等离子制备技术、IGC(气相冷凝)技术为代表的气相合成技术，以共沉淀、喷雾、水热(高温水解法)、Sol-gel(溶胶-凝胶)技术为代表的液相制备技术代表了当今纳米材料制备技术发展的新动向。

超细晶粒WC-Co硬质合金及纳米WC-Co复合涂层材料的研究开发正是顺应纳米材料制备技术这一发展潮流，这种具有纳米或超细晶粒结构的金属-非金属超细复合材料表现出常规尺寸材料所难以具备的高强度、高韧性、高硬度以及良好的耐磨、耐热蚀性等优异性能，在以切削工具材料、矿山开采、航空(航天)等工业领域具有广阔的应用前景，因而成为各国研究开发的热点。

在制备超细晶粒WC-Co硬质合金及纳米WC-Co喷涂材料的过程中，纳米WC-Co复合粉体的制备无疑是首要、关键的一步。常规的WC-Co粉体的制备方法一般包括以下几步：

1)金属W、Co粉的制备

2)金属W粉与C粉在1400℃进行碳化反应以制备WC粉体

3)WC粉与Co粉的混合球磨，以求制备两相均匀分布的复合粉体很明显，WC-Co复合粉体的常规制备方法存在着许多缺陷：首先是单纯的机械球磨方式是难以获得组分均一的复合粉体，这无疑会影响材料的物理力学性能；其次，这种制备方法是难以制备出纳米级的粉体，因为单纯的机械力是不足以将粒子细化到纳米尺度。

1994年，美国的Larry.E.Mc.Candlish和Kear等人采用SCP(SprayConversion Processing)技术制备出了纳米WC-Co复合粉体，并申请了专利(U.S.Patent No.5352269)。其技术路径如下：①制备含W、Co的盐溶液；②喷雾干燥盐溶液以制备出均匀的前驱粉体；③在一定的温度下，流态化H₂还原，再以CO/CO₂混合气体进行碳化，制备出纳米WC-Co复合粉体。这一技术相比于常规制备技术其技术优点在于：

1)前驱粉体制备过程中，保证了W、Co化学组份在微观层次上的高度分散均匀性，即在分子层次上实现W、Co二元组份的均一性；

2)液相共沉淀技术与喷雾干燥技术为制备纳米尺寸的粒子提供了保证。因此，SCP技术在制备纳米WC-Co复合粉体上取得了巨大的成功并已实现了产业化。

但这一技术在产业化生产的过程中也存在许多缺陷，其中最为突出的便是流态化气相碳化还原前驱粉体的过程中，碳化时间过长，达10小时以上，因此在控制WC晶粒度方面具有很大的操作难度，并且碳化时间的延长也造成了生产成本的上涨即CO/CO₂气体耗量及能源消耗过大等；其次，碳化后的含H₂和CO的尾气亦未回收，增加了生产成本。

本发明的目的在于公开一种在前驱粉体制备的过程中引入内部碳化源，在高温下实现原位碳化与气相碳化同时进行的并具有尾气回收系统的复合碳化还原制备纳米碳化钨-钴复合粉体的方法。不仅能更有效地控制WC晶粒度，而且可大大降低生产成本，具有更大的工业化优势。

本发明的构思是这样的；