摘 要:以碳化钨(WC)粉末和 NiCl2·6H2O为原料,将化学共沉淀工艺和高温氢气还原工艺相 结合制备了镍包覆 WC复合粉体(WC-Ni)。对 WC-Ni复合粉末的微观形貌、物相组成进行了表征 与分析,研究了化学共沉淀工艺对镍包覆 WC粉体包覆质量的影响。结果表明:在适当料液浓度、 温度和沉淀剂加入体积流量条件下,通过调节晶粒成核速率、粒子间的碰撞几率和颗粒聚集程度, 有利于获 得 分 散 均 匀、包 覆 致 密 的 WC-Ni粉 末。优 化 工 艺 条 件 为 0.4 mol·L-1 NiCl2 + 0.2mol·L-1(NH4)2C2O4,反应温度50℃,沉淀剂加入体积流量0.17mL·s-1。
关键词:WC硬质合金粉末;化学共沉淀法;团聚;微观形貌
中图分类号:TG135 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)12-0038-06
硬质合金是通过粉末冶金方法将硬质相(如 WC、TiC)和黏结相(如钴、镍、铁)按照性能需要设 计的形式、比例、分布组合而制成的材料[1-3]。硬质 合金不仅硬度和强度高,同时还具有耐磨、耐热、耐 腐蚀等性能。目前,工业制备硬质合金复合粉末的 主流工艺是球磨法,该工艺是在球磨机中加入若干 不同大小的磨球、碳化钨或其他硬质相粉末、黏结相 金属粉末、酒精等材料,球磨机中的磨球不断对粉末进行碰撞和碾压,使球磨机内的粉末混合,最终实现 合金复合粉体的制备[8]。但是,使用该工艺制备的 合金复合粉体要达到均匀的混合效果,需要相当长 的球磨时间,且制备的粉末粒径难以控制,易存在大 量的黏结相金属团聚,这会对合金性能产生不利 影响。
为寻求更佳的硬质合金制备新方法,研究人员 对硬质合金复合粉末的制备方法进行了许多探索, 主要方法有水热压氢还原法、喷雾转化法、化学镀法 和化学共沉淀法等。候玉柏等[9]采用高压氢还原的 湿法冶金工艺制备了高质量钴包覆碳化钨粉末,讨 论了催化剂、试验温度、硫酸铵、氨水及氧分压等工 艺参数对碳化钨粉末的钴包覆质量的影响,在大量 试验的基础上得到了制备包覆完整的球形碳化钨/ 钴颗粒合适的工艺参数。郭圣达等[10]利用喷雾转 化法制备了纳米碳化钨-钴复合粉末,并研究了喷雾 转化工艺参数对复合粉末微观性能的影响,研究发 现喷雾转化过程中离心转速越大,粉末松装密度越 大,颗粒粒径越小,转化温度的提升可减小颗粒的粒 径。LIU等[11]采用一种新的化学镀工艺,在 WC粉 末上镀覆一层钴金属,用激光将 WC-Co复合粉末 涂覆在钢表面,研究了工艺参数对 WC-Co涂层的 影响,并与工业 WC-Co粉末涂层进行了耐磨性比 较。结果表明,采用新型复合 WC-Co粉末的涂层 组织良好,耐磨性好。
化学共沉淀法具有制备工艺简单、成本低、制备 条件易于控制、包覆均匀、合成周期短,且制备过程 中不会引入杂质元素等优点。孙业熙等[12]将钴粉 制备过程与粉末混合过程相结合,采用化学共沉淀氢气还原工艺制备 WC-Co包裹粉,并以包裹粉为 原料成功制备了 WC-8%(质量分数)Co硬质合金。 王玉香等[13]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,并研究了还原碳化温度对粉末平均粒径的影响; 吴厚平等[14]探讨粗晶粒硬质合金的制备途径即基 于有机物还原反应机理的化学包裹粉工艺,此方法 可以 解 决 传 统 湿 磨 工 艺 难 以 制 备 粒 径 不 小 于 4.5μm的粗晶粒硬质合金的难题,为制备粗和超粗 晶粒 WC-Co硬质合金提供了新途径。
目前文献中以钴包覆 WC的研究工作较多,镍 包覆 WC的探讨不足[15]。另外,化学共沉淀法工艺 条件对包覆效果的影响规律及机理研究仍有待深入 开展。笔者以 WC粉末为形核剂,利用化学共沉淀包覆反应,将化学共沉淀反应产生的镍盐沉积到 WC粉体表面,得到 WC-镍盐混合物前驱体,再通 过高温氢气还原一步得到镍包覆 WC粉末。分析 了料液浓度、反应温度和沉淀剂加入流量等不同工 艺条件对镍沉淀率及包覆形貌的影响规律,探讨了 镍粒子形核及包覆机理。
1 试验材料及表征方法
1.1 试验材料
试验所用原材料主要包括:费氏粒径为4.8~ 5.2μm的 WC粉体(纯度≥99.96%),氢氟酸(纯度 ≥40.0%),硝酸(纯度≥65.0%),NiCl2·6H2O(纯 度≥98.0%),(NH4)2C2O4·H2O(纯度≥99.5%)。 试验步骤如下。
(1)WC原粉粗化
称量一定量的氢氟酸(HF)与硝酸(HNO3),与 去离子水均匀混合后得到粗化液,将称量的碳化钨 粉体加入粗化液中并充分搅拌30min,之后将粉体 用去离子水洗涤3次后烘干得到粗化后粉体。
(2)包覆混合物前驱体(WC-NiC2O4·2H2O)
将 NiCl2·6H2O 和(NH4)2C2O4·H2O 分别配 制 成 相 同 体 积 不 同 浓 度 的 NiCl2 溶 液 和 (NH4)2C2O4 溶液,将粗化后的碳化钨粉体倒入之 前配置成的 NiCl2 溶液中,再向 NiCl2、碳化钨混合 溶液中加入一定量的盐酸溶液调节混合溶液的pH 值。然后将(NH4)2C2O4 水溶液作为沉淀剂加入到 NiCl2、碳化钨混合溶液中,由于 WC的密度较大,为 了防止 WC的沉降影响均匀性,在包覆的过程使用 电动搅拌器,这不仅能够防止 WC的沉降还能使溶 液混合物混合均匀。化学共沉淀反应过程如下:
(3)高温氢气还原法制备出
WC-Ni合金粉末 将陈化后的混合溶液进行抽滤,然后在真空干 燥箱中干燥。将混合物前驱体粉末在氢气保护气氛 中以恒定高温煅烧得到 WC-Ni复合粉体。高温氢 气还原反应过程如下:
1.2 试验表征方法
共沉淀反应的沉淀率体现出了化学共沉淀反应 的效率、有效性和该工艺投入实际生产的可操作性。 该次试验中沉淀率由下式计算得到:
式中:M后 为共沉淀反应后干燥得到的粉体质量; M理 为共沉淀反应后得到粉体的理论质量。
分别对碳化钨原粉、粗化后碳化钨粉体、化学共 沉淀包覆反应后得到的混合前驱体粉体以及高温氢 气还原后得到的复合粉体进行物相组成分析和微观 形貌分析,测试仪器分别为BrukerD8Advance型 X射线粉末衍射 (XRD)仪、光 学 显 微 镜 和 蔡 思 EVO18型扫描电镜(SEM)。测试过程中 X射线衍 射仪的各工作参数如下:X光管电压为40kV,电流 为 40 mA,测 试 的 准 确 度 ≤0.02°,测 试 速 率 为 10(°)·min-1,测试角度为2°~90°。
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