一种低温、短流程制备纳米WC粉末的方法技术

本发明专利技术公开了一种低温、短流程制备纳米WC粉末的方法，其是以水溶性偏钨酸铵和葡萄糖为原料，添加重铬酸铵和偏钒酸铵作为抑制剂，将原料和抑制剂加入纯水中，加热搅拌均匀，然后经喷雾干燥、煅烧和还原碳化过程，获得目标产物纳米WC粉末。本发明专利技术制备的纳米WC粉末性能稳定、物相单一、成分均匀、粒度分布窄、晶粒细小、粉末成分容易控制，具备工业化、批量化生产能力。

【技术实现步骤摘要】
一种低温、短流程制备纳米WC粉末的方法
本专利技术属于一种纳米/超细硬质合金生产所用原料粉末的制备方法，具体涉及一种采用水溶法、低温、短流程制备纳米碳化钨(WC)粉末的方法。采用该方法制备的纳米WC粉末可应用于点阵打印机钻头、集成电路板微型钻头、高精度数控加工钻头和铣刀、医用牙钻、难加工材料刀具等。
技术介绍
随着现代加工材料不断向高端铝合金、钛合金、镁合金、高性能铜合金、不锈钢、非晶材料发展及各种难加工材料的出现和应用，并伴随着先进制造系统、高速切削、超精密加工、绿色制造的发展，促使刀具材料朝着高性能方向发展。硬质合金俗称为“工业的牙齿”，由于其具有高强度、高硬度、高耐磨性、低的热膨胀系数、高的弹性模量以及良好的化学稳定性，使得它在现代工具材料、耐磨材料、耐腐蚀和耐高温材料等方面占据着重要的地位，在国民经济各领域被广泛应用于拉丝模具、机械加工、材料切割、矿用钻头、耐磨耐腐蚀零件以及结构部件等。硬质合金刀具材料属于金属陶瓷材料、为脆性材料，其强度和硬度(韧性和耐磨性)之间的矛盾(强度高，硬度低；强度低，硬质高)一直是困扰其发展的主要因素。长期以来，人们进行了不懈的努力，诸如调整合金成分、改善合金结构、添加微量元素、采用新的工艺装备等一系列措施，试图和谐两者之间的矛盾，使之有机结合，一直是人们努力的方向。研究发现，在钴含量不变的前提下，当WC晶粒度下降到1μm以下时，硬质合金的硬度、强度同时提高，且随着WC晶粒度进一步减小，性能更加优良，为解决硬质合金硬度与强度之间的矛盾找到了一条新途径。由此可见，硬质合金性能的显著提高可通过在保持化学成分和显微结构均匀性的同时减小显微结构尺度来实现。要制取纳米结构硬质合金，其前提条件是使用纳米WC粉末。传统工艺生产WC粉末是从仲钨酸铵(APT)制备开始，物相演变过程为：APT→氧化钨→钨(W)粉→WC粉，即：以APT为原料采用回转窑生产出氧化钨，再采用还原炉将氧化钨还原成W粉，W粉经配炭黑、球磨混料、≥1300℃还原碳化炉制备出超细/纳米WC粉末。传统工艺生产纳米WC粉末最为关键的是氧化钨粉末的生产，APT煅烧-还原生产的氧化钨有四种形态即(黄钨WO3、蓝钨WO2.9、紫钨WO2.72、褐钨WO2)，目前仅采用紫钨能够生产出纳米WC粉末，粉末晶粒度≤200nm。因APT煅烧-还原生产WO2.72对设备、环境要求苛刻，控制不当，容易生成WO3、WO2.9、WO2.72、WO2复合物，且WO2.72还原成W粉粒度较细，极易氧化自燃，还原控制不当W粉容易长大。同时，碳化过程中W粉与较轻炭黑容易混合不均匀，还原碳化容易造成成分偏析。
技术实现思路
针对现有纳米WC粉末生产工艺所存在的不足之处，本专利技术旨在提供一种低温、短流程制备纳米WC粉末的方法，所要解决的问题在于：避免APT煅烧-还原形成多种氧化钨、WO2.72还原成W粉极易氧化自燃、还原控制不当W粉晶粒容易长大、W粉与炭黑混合容易造成成分偏析。本专利技术为实现专利技术目的，采用如下技术方案：本专利技术公开了一种低温、短流程制备纳米WC粉末的方法，其特点在于：是以水溶性偏钨酸铵和葡萄糖为原料，添加重铬酸铵和偏钒酸铵作为抑制剂，将原料和抑制剂加入纯水中，加热搅拌均匀，然后经喷雾干燥、煅烧和还原碳化过程，获得目标产物纳米WC粉末。具体包括如下步骤：1)配料按照质量百分含量为水溶性偏钨酸铵60～70％、葡萄糖29～38％、偏钒酸铵0.1～1.0％、重铬酸铵0.1～1.0％的比例，进行配料；将各物料加入到占物料总质量0.4～1.5倍的纯水中，50～100℃搅拌均匀，获得pH＝1～5的混合浆料；2)喷雾干燥将步骤1)所得混合浆料经过离心式喷雾干燥，获得球状前驱体复合粉末，所述离心式喷雾干燥的条件为：进风温度为180～260℃，出风温度为80～150℃，雾化器转速10000～15000r/min，进料速率2～4kg/min；3)煅烧将步骤2)所得球状前驱体复合粉末在450～650℃条件下，通入氮气煅烧30～90min，再经干法球磨使球壳破碎，获得碳包覆纳米WO3粉末；4)还原碳化将步骤3)所得碳包覆纳米WO3粉末在850～1250℃条件，通入由H2与CH4按体积比(90～99)：(1～10)构成的混合气，还原碳化30～120min，即获得目标产物纳米WC粉末。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1、本专利技术以溶液法将偏钨酸铵和葡糖糖混合制备料浆，使钨、碳原子达到分子水平的均匀混合，并采用高速离心喷雾干燥为制备纳米粉末提供前提，且所得前躯体球形粉末的比表面积大，降低了W原子、C原子形成WC粉末的还原碳化温度。将偏钨酸铵和葡糖糖喷雾干燥制备的前躯体复合粉末，经煅烧可形成物相单一、纯净的WO3，避免了APT煅烧-还原过程中容易形成多种氧化钨及氧化钨还原成钨粉自燃、晶粒长大、不易控制等问题。同时，煅烧后形成的WO3与活性炭在低温下发生原位反应合成纳米WC复合粉末，避免了传统工艺W粉与炭黑混合不均匀造成的成分偏析及脏化。2、本专利技术制备工艺流程短、工艺简单、工序少，对设备及环境要求低，更有利于纳米碳化钨粉末的质量控制。3、本专利技术制备的纳米WC粉末性能稳定、物相单一、成分均匀、粒度分布窄、晶粒细小、粉末成分容易控制，具备工业化、批量化生产能力。附图说明图1为本专利技术纳米WC粉末的制备流程示意图；图2为本专利技术实施例2得到的前驱体复合粉末的SEM照片；图3为本专利技术实施例2得到的碳包覆纳米WO3粉末的SEM照片；图4为本专利技术实施例2得到的碳包覆纳米WO3粉末的XRD照片图5为本专利技术实施例2得到的纳米WC粉末的SEM照片；图6为本专利技术实施例2得到的纳米WC粉末的XRD照片；图7为本专利技术实施列2得到的纳米WC粉末的SEM元素面分布照片，其中：(a)WC粉末；(b)W元素；(c)C元素。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明，下述实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1本实施例按如下步骤制备纳米WC粉末：1)配料将100Kg水溶性偏钨酸铵、54Kg葡萄糖、0.6Kg偏钒酸铵和0.9Kg重铬酸铵溶于质量是固体总质量1.0倍的纯水中，80℃搅拌均匀，获得pH＝4的混合浆料；2)喷雾干燥将步骤1)所得混合浆料经过离心式喷雾干燥，获得球状前驱体复合粉末，所述离心式喷雾干燥的条件为：进风温度为260℃，出风温度为140℃，雾化器转速15000r/min，进料速率3.4kg/min；3)煅烧将步骤2)所得球状前驱体复合粉末在600℃条件下，通入氮气煅烧60min，再经干法球磨使球壳破碎，得到碳包覆纳米WO3粉末；4)还原碳化将步骤3)所得碳包覆纳米WO3粉末在1200℃条件下，在H2:CH4(体积比)＝98.5:1.5的气氛下进行还原碳化60min，得到纳米WC粉末。本实施例检测了所得纳米WC粉末的物理性能和化学组成，结果如表1所示。实施例2本实施例按如下步骤制备纳米WC粉末：1)配料将100Kg水溶性偏钨酸铵、49Kg葡萄糖、0.4Kg偏钒酸铵和0.8Kg重铬酸铵溶于质量是固体总质量0.6倍的纯水中，60℃搅拌均匀，获得pH＝3.2的混合浆料；2)喷雾干燥将步骤1)所得混合浆料经过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低温、短流程制备纳米WC粉末的方法，其特征在于：是以水溶性偏钨酸铵和葡萄糖为原料，添加重铬酸铵和偏钒酸铵作为抑制剂，将原料和抑制剂加入纯水中，加热搅拌均匀，然后经喷雾干燥、煅烧和还原碳化过程，即获得目标产物纳米WC粉末。

【技术特征摘要】
1.一种低温、短流程制备纳米WC粉末的方法，其特征在于：是以水溶性偏钨酸铵和葡萄糖为原料，添加重铬酸铵和偏钒酸铵作为抑制剂，将原料和抑制剂加入纯水中，加热搅拌均匀，然后经喷雾干燥、煅烧和还原碳化过程，即获得目标产物纳米WC粉末。2.根据权利要求1所述的低温、短流程制备纳米WC粉末的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)配料按照质量百分含量为水溶性偏钨酸铵60～70％、葡萄糖29～38％、偏钒酸铵0.1～1.0％、重铬酸铵0.1～1.0％，进行配料；将各物料加入到占物料总质量0.4～1.5倍的纯水中，50～100℃搅拌均匀，获得pH＝1～5的混合浆料；2)喷雾干...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱二涛，张久兴，杨新宇，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34