微波碳化法制备纳米WC粉末及其机理

传统制备WC粉末的方法都是依靠发热体的辐射、能量对流、传导等方式加热W、C混合粉末到一定温度,热量由外向内传递,具有加热温度高、周期长、WC颗粒长大明显等缺点。本研究以纳米钨粉和活性炭为原料,采用微波加热法在1 000℃快速制备纳米WC粉末。用XRD分析不同碳化温度产物的物相组成,并用SEM和TEM对产物进行形貌和粒度分析。结果表明:平均粒径50 nm的钨粉经微波碳化法在1 000℃保温10 min,能够制备出平均粒径为86.5 nm的单相WC粉末,纳米WC颗粒表面光滑,形貌呈近球形。分析微波碳化法制备纳米WC粉末的机理表明,微波碳化过程为扩散控制,WC颗粒的长大速率随碳化温度的升高而加快。     

喷雾转化法纳米WC/6Co复合粉形貌研究

纳米碳化钨钴复合粉体具有重要的工程应用和市场发展潜力。针对纳米碳化钨钴复合粉形貌难以精确控制这一问题,本文以偏钨酸铵(AMT)、可溶性钴盐、有机碳源为原材料,以蒸馏水为溶剂,不添加WC晶粒长大抑制剂,制备钨钴碳混合溶液,再采用喷雾转化(SCP)和连续低温还原碳化法制备了纳米碳化钨钴复合粉;研究了喷雾转化过程中溶液浓度、进料速度、离心转速和转化温度4个关键因素对纳米碳化钨钴复合粉松装密度、WC晶粒度及微观形貌的影响。研究表明:通过喷雾转化法制备的纳米碳化钨钴复合粉呈空壳球形结构,Co相发生熔化使大多WC被粘结在一起,WC颗粒之间存在明显的烧结颈,颗粒表面存在大量孔隙,部分颗粒存在破裂现象;WC平均晶粒度小于200 nm;离心转速是影响粉末松装密度、WC晶粒度及颗粒形貌的最主要因素;离心转速越大,复合粉末颗粒越小,松装密度越大;同时转化温度越高,WC晶粒度越小,复合粉末颗粒越易破裂。     

溶胶凝胶纳米WO3的还原特征

利用溶胶凝胶法制备的纳米WO3粉，研究了一段还原工艺和两段还原工艺下，制备纳米W粉的基本特征；分别用XRD、TEM、FESEM、BET和SAXS（X射线小角度散射法）等手段研究了制备过程中各步骤的产物及最终产物物相组成、颗粒形貌和粒度组成。试验结果表明：一段还原工艺中，可以在700℃、90min的条件下将纳米WO3粉还原为纳米W粉，W粉平均粒度〈50nm；两段还原工艺中，在600℃、40min可将纳米WO3粉还原为纳米WO2粉，WO2粉在700℃、90min还原为W粉，W粉平均粒度〈38nm；两阶段还原工艺优于一阶段还原工艺，可获得稳定且粒径更小的纳米W粉。     

胶状碳包覆前驱体工艺制备超细、纳米碳化钨粉的研究

介绍了一种以高团聚态纳米W为原料,采用胶状碳包覆前驱体工艺,低成本、高效率制备高稳定性、低氧、均质、粒状超细和纳米WC粉末的新方法,并对碳化工艺条件进行了探讨。结果表明,氢气氛可以加速C-W反应过程;WC粉对原料W粉的粒度分布特征具有继承性;采用比表面积平均粒度为46.1nm的W粉为原料,当碳化温度由1 000°C增加至1 300°C时,WC的BET比表面积平均粒度由68.6 nm增加至339.4nm,氧含量由0.44%降低至0.10%。     

碳辅助氢还原/碳化法制备纳米WC粉的烧结工艺研究

以碳辅助氢还原/碳化法制备的纳米WC粉为原料,采用低压烧结工艺制备超细晶WC-6Co硬质合金。采用XRD和SEM表征了烧结工艺对WC-Co烧结体的物相组成和显微形貌的影响,并测试了烧结体的力学性能。结果表明,随着烧结温度升高和时间延长,烧结体的致密度增加,晶粒尺寸增大,硬度和抗弯强度随着致密度增加而提高,但烧结温度过高或时间过长,会降低烧结体的性能。最佳烧结工艺为,烧结温度1 360°C,保温时间60 min,所得WC-6Co硬质合金的平均晶粒尺寸为305 nm,洛氏硬度和抗弯强度分别达到94.6 HRA和4 450 MPa。     

高温中颗粒WC粉及其WC-6Co合金的组织和性能

采用高温氢还原工艺制备中颗粒钨粉,经添加适量炭黑球磨混合后,分别置于管式石墨通氢碳化炉中于1950和1680℃长时间碳化获得高温中颗粒WC粉和普通中颗粒WC粉末,继而在H2保护气氛下于1470℃的温度下烧结制备出WC-6%Co(质量分数)烧结体。通过费氏粒度仪和马尔文粒度分布仪分别测定了WC粉体的平均粒度和粒度分布,采用X射线衍射(XRD)分析了碳化产物的相成分。用扫描电镜(SEM)观察了粉末的形貌和烧结体的显微组织结构,按硬质合金性能测试标准对WC-6%Co烧结体的物理和力学性能进行了测定;研究了高温WC粉对低钴硬质合金性能的影响,并与普通工艺生产的YG6合金的性能进行了对比分析。结果表明,高温氢还原工艺制备的中颗粒钨粉粒度均匀,经高温碳化后所获WC粉粒度粗化,颗粒尺寸均匀,且颗粒表面光滑、发育完整、亚晶粗大、晶格缺陷少、碳化完全、纯度较高。高温WC粉制备的WC-6%Co合金的显微组织均匀,且WC硬质相晶形完整,平均晶粒度2.0～2.5μm,硬度和抗弯强度分别为HRA90.0和3000 MPa,综合性能优于YG6牌号合金性能,因而在地矿工具、切削刀具,冲压模具等领域有较高的应用价值。     

矫顽磁力在纤维状WC晶粒硬质合金研究中的应用

利用高能球磨制备的纳米晶W(Co,C)过渡相粉末制备了纤维状WC硬质合金。采用X射线衍射(XRD)分析球磨粉末及不同温度烧结样品的相组成,并计算WC晶粒尺寸;通过矫顽力研究高能球磨粉末Co的存在方式以及固相烧结阶段粉末相转变和晶粒长大行为。结果表明:球磨粉末中矫顽力由0(球磨时间22h)逐渐增加,Co先固溶在W晶格中,随球磨时间增加析出;烧结温度为700~900℃时,矫顽力由0急剧增加,η相分解析出单磁畴的Co,WC晶粒长大较慢;烧结温度为1 050~1 250℃时,矫顽力下降,大量多磁畴Co出现,WC晶粒长大速度加快;烧结温度为900~1 050℃时,矫顽力几乎不变,WC晶粒长大缓慢;烧结温度超过1 250℃时,矫顽力缓慢增加,Co相晶型发生改变。     

纳米WC/Co硬质合金粉末烧结早期的晶粒长大研究

研究了纳米晶粒WC／Co硬质合金烧结早期的晶粒长大问题，利用X射线衍射、TEM等技术对烧结过程中晶变化情况进行分析，并在此基础上探讨了烧结早期的晶粒长大机制。实验结果表明：WC晶粒长大在加热过程已经发生；晶粒开始长大温度为1000℃，在1100℃部分晶粒长大到100nm；在1200℃，有更显著的晶粒长大发生，有些尺寸达到400nm。烧结过程中WC晶粒形状变得规则化。烧结早期WC晶粒长大是在晶粒旋转合并机制与局部液相烧结机制共同作用下完成。     

氧化钇掺杂对制备纳米WC-Co复合粉的影响规律及其调控机制

以废旧硬质合金和可溶性钇盐为原料,采用固-液掺杂,通过球磨将钇源引入钨钴氧化物粉末中,再经过两步还原制备纳米WC-Co复合粉。采用扫描电子显微(SEM)、能谱仪(EDS)与X射线衍射(XRD)分别表征各阶段所获得的粉体的微观形貌、物相组成,分析了氧化钇对紫钨长径比的影响及其作用机制,同时分析了氧化钇对合成纳米WC-Co粉体粒度的影响规律。试验表明,氧化钇的掺杂影响了WO_(2.72)特定晶面的能量,促进WO_(2.72)沿(010)晶面择优生长;试样掺杂氧化钇后,其反应活性变大,使(010)晶面的形核驱动力要大于其他晶面。因此,制备的WO_(2.72)棒更加细长。与未掺杂氧化钇的试样相比,其棒的直径由200 nm减小到140 nm,长度增加了约1倍。此外,在碳化反应过程中,均匀分散的氧化钇增大了WC的非均匀形核率,并阻碍了WC-Co粉体颗粒扩散迁移,从而阻止其合并长大,使得最终合成的WC-Co复合粉具有均匀的粒度分布,平均粒径约为90nm。     

微量Ni对W-Cu纳米复合材料制备及热性能影响研究

采用化学共沉淀法和氢气还原工艺制备了钨铜纳米复合粉体,通过放电等离子烧结技术在不同温度下实现了钨铜合金的快速烧结,研究了微量活性剂Ni的添加对钨铜复合粉体形貌、烧结行为以及合金性能的影响。结果表明:微量Ni(0.5%)的添加使复合粉体粒径长大更充分且颗粒分布更加均匀;当烧结参数为温度970℃、压力120 MPa、保温时长10 min的最优值时,W-20%Cu-0.5%Ni粉体经SPS烧结后,合金中W颗粒平均晶粒为362.9 nm,相对密度为97.7%,孔隙率为2.10%,显微硬度为474.74HV,以上性能均优于相同SPS工艺制备的W-20%Cu合金。     

氧化钨粉还原碳化机理分析及超细碳化钨粉的制备

以碳化过程和碳化机理分析为基础,以蓝钨(WO_(2.9))和紫钨(WO_(2.72))为原料,研究了碳化温度、碳化时间和W粉粒度对制取WC粉粒度的影响。试验结果表明,以WO_(2.72)为原料时,所制备的粉末粒度均小于以WO_(2.9)为原料所制备的粉末粒度,故以WO_(2.72)为还原碳化制备超细WC粉的原料为最优选择。在W粉粒度为0.2~0.3μm,碳化温度为1 350℃,碳化时间为10min/舟的条件下,最终得到WC粉粒度为0.4~0.5μm,完全符合超细WC粉末标准。     

纳米钨粉形貌结构对碳化钨粉末性能的影响

采用球磨破碎分级的氧化钨为原料,氢还原制备出平均粒度为30 nm的纳米钨粉,并分别以干磨搅拌和添加适量分散剂的湿式球磨的方式配碳,然后置于通氢钼丝碳化炉中在1180℃长时间碳化,得到了粒度分别为109和148 nm的碳化钨粉末,继而于低压真空烧结炉中,在1360℃的温度下烧结制备出WC-7%Co(质量分数)烧结体,研究了纳米钨粉形貌结构对纳米碳化钨粉末及其超细晶硬质合金性能的影响。通过比表面测定仪和费氏粒度仪测定了粉体的比表面和粒度,采用X射线衍射(XRD)分析了碳化产物的相成分,用扫描电镜(SEM)观察了粉末的形貌和烧结体的显微组织结构,按硬质合金性能测试标准对WC-Co烧结体的物理和力学性能进行了测定。结果表明,湿磨配碳强制破坏了纳米钨颗粒,呈其氧化钨前驱体的团聚状的形貌结构,可以改善纳米钨粉和碳粉弥散分布的均匀性,更有利于获得颗粒细小、均匀,分散性好的优质纳米碳化钨粉,其所制备的超细晶WC-7%Co硬质合金,显微组织均匀,综合性能优,硬度和抗弯强度分别为HRA 93.7和4450 MPa。     

紫钨喷雾干燥-直接碳化法制备纳米WC-Co复合粉

以WC-6%Co为基本成分,计算原料紫钨、醋酸钴、有机碳及超纯炭黑配料量,称量后加入装有适量纯水的可倾斜式滚动球磨机,湿磨混匀12 h,形成复合盐料浆,然后充分搅拌,进行喷雾干燥后制备的前驱体粉末粒度在10¹00μm,平均粒度为50μm。将喷雾干燥好的粉末装舟(200 g),推入高温钼丝炉中,通入氢气,还原碳化温度950℃,时间30min制备的纳米WC-Co复合粉,粉末粒度分布窄,颗粒粒度在5100μm,平均粒度为50μm。将喷雾干燥好的粉末装舟(200 g),推入高温钼丝炉中,通入氢气,还原碳化温度950℃,时间30min制备的纳米WC-Co复合粉,粉末粒度分布窄,颗粒粒度在5⁴5μm,平均粒度为23.38μm。SEM、BET结果表明WC晶粒度在300 nm左右,由扫描电镜(SEM)、X光微区分析(EDS)及元素面分布图得到,W、Co、C分布均匀、Co相均匀包覆在WC晶粒周围,不存在成分偏析。XRD的半高宽窄,晶粒细小;物相纯净,无η相。     

Co含量与烧结温度对纳米晶WC-Co硬质合金结构与性能的影响

WC晶粒并合生长与WC原料特性以及合金中的Co含量密切相关。以比表面平均径为70 nm的WC粉末为原料,采用VC+Cr3C2作为晶粒生长抑制剂,探讨Co含量与烧结温度对WC-Co合金结构与性能的影响。结果表明,Co含量增加能降低纳米晶WC晶粒的邻接度,进而有效抑制烧结过程中WC晶粒的并合长大。在1 330℃下加压(0.9 MPa)烧结制备WC-15Co-0.7Cr3C2-0.6VC合金,WC平均晶粒尺寸为160 nm,合金硬度为93.6 HRA,抗弯强度为4160 MPa(C型样品),Palmqvist断裂韧性KIC为10.1 MPa m0.5。热分析结果表明,合金液相出现温度在1 322~1 345℃之间,没有出现液相温度的纳米尺寸效应。     

碳化钒对超细WC粒度和物相的影响

为了研究在超细WC粉的制备过程中,碳化钒(VC)添加对超细碳化钨(WC)粉末粒度和相形成的影响,对不同VC添加量和不同碳化温度下制备的超细WC粉末的粒度、相成分和微观形貌进行了分析。研究结果表明:在1 400℃碳化时,当碳化钒的添加量由0%增加到10%时,WC的BET粒度由0.274μm降到0.159μm,WC粉末单颗粒粒度在逐渐减小,WC粉末颗粒的聚集程度增加。随着碳化钒的添加量的增加,碳化钒相衍射峰强度增大,WC的衍射强度降低。此外,碳化温度提高到1 600℃时,WC粉末的BET粒度增大,VC晶粒结晶更完整。     

CeO2纳米粉体的一步熔融法制备及表征

采用熔盐法制备了氧化铈纳米粉体,探讨了改变铈与熔融盐之间的比例和烧结温度对粉体粒度的影响,确定了可控粉体的最佳实验条件.通过TG-DTA、XRD、TEM、BET等测试方法对其物相、颗粒度、分散性、颗粒形貌和比表面积等性能进行了表征.结果表明,烧结温度为400℃、熔融盐与铈比为3∶1时,制备出分散性好、呈良好的结晶状态的类球状纳米晶粒,比表面积为84.9 m2·g-1,平均粒径为10.7nm;随着烧结温度的升高,粉体的粒径逐渐增大,当烧结温度为600℃时,粒径为26nm.     

在还原过程中钒对纳米钨粉颗粒长大的抑制作用

采用V(NO3)5为抑制剂,分别加入到溶胶凝胶前的钨酸铵溶液中及溶胶反应后的凝胶体中,制备含V前躯体粉,并经两阶段低温还原法制备纳米W粉.运用XRD表征了纳米W粉的物相组成、相的变化,运用FESEM、定量金相以及SAXS表征了纳米W粉的颗粒形貌及颗粒粒度.并初步探讨了以V(NO3)5为抑制剂对纳米W粉在还原阶段及加热保温阶段长大的抑制效果.结果表明,V(NO3)5作为抑制剂的加入可有效抑制纳米W粉在还原阶段及加热保温阶段的长大.     

XRD技术在纳米WC-Co复合粉制备过程中的应用

介绍了X射线衍射技术(XRD)的原理及其在钨粉末冶金中的运用,并结合笔者对纳米WC-Co复合粉的研究,重点介绍了XRD技术在纳米WC-Co复合粉制备过程中的应用,包括物相定性分析、晶粒尺寸测定及点阵参数测定等方面的应用。以可溶钴盐、偏钨酸铵(AMT)、有机碳源为主要原料,通过喷雾转化、连续低温还原碳化法制备出了纳米晶WC-Co复合粉,用XRD技术对制备过程中样品进行分析,结果表明:采用喷雾转化、连续低温还原碳化工艺可制备出仅有WC和Co两相的复合粉末,W被完全碳化,WC晶粒度约60nm,Co相为面心立方结构。     

配碳量对放电等离子烧结无粘结剂纳米WC硬质合金的影响

研究了配碳量对放电等离子烧结制备无粘结剂纳米WC硬质合金的烧结行为、相组成、致密度、硬度及晶粒大小的影响。结果表明：纯纳米WC粉直接烧结，样品的晶粒度为300～400nm，致密度及硬度均较高，但主相变为缺碳相WC1-x和W2C配碳量为0．05％～0．25％时，样品中有少量缺碳相；配碳量为0．40％时，可以正确成相；配碳量为0．50％时，则出现游离碳；粉末配碳球磨后，因烧结过程提前到较低温度下完成，1800℃烧结时晶粒急剧长大且不均匀。     

纳米级超细晶粒硬质合金烧结收缩动力学曲线特征的研究

利用高温膨胀仪在氢气气氛下首次测定和研究了WC (Ni·Fe) 8%、WC VC (Ni·Fe) 8%纳米级超细晶粒 (WC平均晶粒 2 0 0～ 30 0nm)硬质合金与常规细颗粒 (WC平均晶粒≤ 1 5μm)硬质合金压坯在烧结过程中的膨胀收缩动力学曲线特征、起始收缩温度、剧烈收缩温度随温度变化的收缩速率与WC粉的总碳含量、WC粉的平均粒径以及压坯密度的关系。结果发现 ,超细晶粒硬质合金 (WC粉总碳 6 0 1% )在烧结过程中物理膨胀现象较弱 ,开始收缩温度与剧烈收缩温度均较低 ,分别为 80 0℃ ,1150℃ ,最大收缩速率高达 10 50× 10 -6mm ℃ ,常规细晶粒合金的物理膨胀严重 ,在 62 0～ 130 0℃范围内相对膨胀 1 7% ,开始收缩温度与剧烈收缩温度分别为 132 0℃和 1390℃ ,最大收缩速率为 60 0× 10 -6mm ℃ ,远低于纳米级超细晶粒合金。WC粉总碳含量增加 ,合金的开始收缩温度及剧烈收缩温度均明显降低。压坯密度提高 ,合金的最终收缩率降低。在压坯密度一定的情况下 ,随着烧结温度提高 ,合金收缩率增加。