一種超細及納米WC-Co複合粉的團聚造粒方法

2023-04-24 15:39:56 2

專利名稱：一種超細及納米WC-Co複合粉的團聚造粒方法
技術領域：
本發明涉及一種超細及納米WC-C0複合粉的團聚造粒方法，屬於金屬陶瓷塗層技 術領域。
背景技術：
WC-Co類硬質合金塗層在磨粒磨損、衝蝕磨損等工礦條件下具有其他材料難以比 擬的耐磨、耐蝕和抗疲勞的綜合性能優勢，已在多個工業領域獲得成功應用。然而，目前國 內外工業領域應用的主要是微米級粗粉WC-Co類塗層，與之相比，超細結構(100-500nm)、 納米結構(< IOOnm)及超細/納米複合結構的硬質合金塗層具有更高的硬度、強度和韌 性。我們已有的研究工作表明，與粗粉WC-Co類硬質合金塗層相比，由於超細及納米粉末具 有特殊的小尺寸效應、表面效應等，使得粉末顆粒熔點降低，表面性能大幅度增強，噴塗過 程中粒子的平鋪性得到有效改善，沉積效率大大提高，同時，塗層組織的緻密性得到提高。 採用超音速火焰噴塗製備的超細及納米結構的硬質合金塗層具有顯著提高的表面質量、結 構緻密性和層間結合強度，尤其是硬度高、耐磨耐蝕性能優異和抗疲勞性能好，同時具有強 度和韌性的理想配合，其綜合性能明顯優於常規微米級塗層。這種具備優良綜合性能的超 細及納米結構的WC-Co類塗層，能大範圍替代帶來嚴重環境汙染問題的電鍍硬鉻層，尤其 在機械製造(如液壓傳動件)、航空航天(如飛機起落架)、水利電力(如水輪機葉片)、礦 山冶金(如結晶器、沉沒輥)、石油化工(如抽油泵活塞杆)和造紙皮革(如瓦楞棍、塗布 輥)等對表面耐磨蝕和強韌性有較高要求的場合擁有非常廣闊的應用前景。然而，超細及納米尺度的粉末顆粒由於尺寸和質量太小，流動性差，無法快速、均 勻地輸送到熱噴塗的焰流中；而且，超細及納米尺度的粉體表面活性極高，在熱噴塗過程中 顆粒易於合併粗化，且由於流動性差、在熱噴塗焰流中停留時間過長而使晶粒容易發生異 常長大，最終導致塗層性能下降。因此，超細及納米粉末顆粒不能直接用於熱噴塗，必須經 過二次造粒，團聚形成整體上較大尺度的粉體、同時又保持超細及納米顆粒原始組織結構 的特徵。申請人:已有的專利技術(「一種簡單快速的超細WC-Co複合粉的製備方法」，授權 專利號200610165554. 2)製備的平均粒徑在80_400nm範圍內的超細及納米WC-Co複合粉， 是本發明提供的造粒方法的一份原料，是製備高性能的超細及納米結構的硬質合金塗層的 前提條件。

發明內容
本發明目的是提供的一種超細及納米WC-Co複合粉的造粒方法，該方法是一種工 藝簡單、成本低、可控性強的造粒方法，從而滿足製備高性能的超細及納米結構的硬質合金 塗層的關鍵前提條件。本發明針對超細及納米尺度的WC-Co複合粉由於顆粒尺寸和質量太小、流動性差 等原因，無法快速、均勻地輸送到熱噴塗焰流中，因而很難製備超細及納米結構硬質合金塗層的問題，提出一種超細及納米WC-Co複合粉團聚造粒的技術，利用本發明方法對超細及 納米WC-Co複合粉進行團聚造粒後，團聚顆粒可直接用於熱噴塗工藝，製備具有優良綜合 性能的超細及納米結構的硬質合金塗層。本發明提供的一種超細及納米WC-Co複合粉的造粒方法，其特徵在於，包括以下 步驟(1)將平均粒徑在80-400nm範圍內的超細及納米WC-Co複合粉與聚乙烯醇 (PVA)、聚乙二醇(PEG)及去離子水按一定比例混合配製料漿，其中WC-Co複合粉質量 為料漿總質量的45-65%，PVA質量為複合粉質量的2% -4%, PEG質量為複合粉質量的 1%_3%。根據初始複合粉的粒徑來選取相應的料漿參數組合。具體步驟是首先根據預 定的料漿成分參數計算所需去離子水的質量，將PVA和PEG分別溶於去離子水中，再將複合 粉與PVA的水溶液混合、攪拌，最後加入PEG的水溶液，攪拌至少30min，得到WC-Co複合粉 的料漿，若有氣泡產生，滴加正丁醇消泡劑。(2)利用離心霧化乾燥設備對上述WC-Co複合粉的料漿進行噴霧造粒，乾燥機進 口溫度為140-200°C，霧化盤轉動頻率為200-300HZ，得到噴霧乾燥粉末。(3)利用真空熱處理爐對噴霧乾燥粉末進行熱處理，熱處理溫度為950-1200°C， 保溫時間為l_2h，爐內保持氬氣氣氛。通過上述步驟製備得到超細及納米WC-Co複合粉的 團聚顆粒，將團聚顆粒進行過篩分級處理，得到粒徑分布在10-50 μ m範圍內的複合粉的團 聚顆粒。本方法以申請人已有的專利技術製備的超細及納米WC-C0複合粉(「一種簡單快 速的超細WC-C0複合粉的製備方法」，授權專利號200610165554. 2)為原料，通過噴霧乾燥 和後續熱處理的方法製備超細及納米WC-Co複合粉的團聚顆粒，作為熱噴塗工藝所需的原 料用於製備硬質合金塗層。本發明方法的技術特色主要表現為(1)配製WC-Co複合粉的料漿時，依據初始 複合粉的平均粒徑來確定料漿的成分及含量參數，如複合粉的平均粒徑較小時，應降低料 漿複合粉的含量和PVA的含量，而提高PEG的含量；(2)進行後續熱處理時，依據初始複合 粉的平均粒徑來確定熱處理溫度，複合粉平均粒徑越小，熱處理溫度應越低，目的是防止復 合粉顆粒的快速粗化。通過有針對性的調控工藝參數，確定最佳的噴霧乾燥及熱處理工藝 參數組合，可製備得到平均粒徑及粒徑分布滿足熱噴塗工藝要求的團聚顆粒，且團聚顆粒 的球形度良好，同時保持了超細及納米複合粉的原始組織結構。利用本方法對超細及納米 WC-Co複合粉進行團聚造粒後，團聚顆粒可直接用於熱噴塗工藝，製備具有優良綜合性能的 超細及納米結構的硬質合金塗層。


圖1本發明使用的初始原料超細及納米WC-Co複合粉的顯微形貌圖；其中，a為實 施例1中的初始WC-Co複合粉的顯微形貌、b為實施例2中的初始WC-Co複合粉的顯微形 貌、c為實施例3中的初始WC-Co複合粉的顯微形貌；圖2本發明方法製備的超細及納米WC-Co複合粉團聚顆粒的顯微形貌圖；其中，a 為實施例1製備的WC-Co複合粉團聚顆粒的顯微形貌、b為實施例2製備的WC-Co複合粉 團聚顆粒的顯微形貌、c為實施例3製備的WC-Co複合粉團聚顆粒的顯微形貌；
圖3本發明方法製備的超細及納米WC-Co複合粉團聚顆粒的粒徑分布圖；其中，a 為實施例1製備的WC-Co複合粉團聚顆粒的粒徑分布、b為實施例2製備的WC-Co複合粉 團聚顆粒的粒徑分布、c為實施例3製備的WC-Co複合粉團聚顆粒的粒徑分布。
具體實施例方式以下實施例進一步解釋了本發明，但本發明並不限於以下實施例。以下實施例中聚乙烯醇(PVA)牌號為「PVA-124」，由廣東省精細化學品工程技術 研究開發中心生產。聚乙二醇(PEG)為「聚乙二醇6000」，由廣東省精細化學品工程技術研 究開發中心生產。所用離心霧化乾燥設備為青海三四一九乾燥設備有限公司生產的GLP-5 型高速離心霧化乾燥設備。初始WC-Co複合粉均利用申請人已有的專利技術(授權專利號 200610165554. 2)製備。均以WC_12wt. % Co複合粉的團聚造粒為例。實施例1將平均粒徑為SOnm的WC_12Co複合粉(形貌如圖1 (a))與聚乙烯醇(PVA)、聚乙 二醇(PEG)及去離子水按一定比例混合配製料漿，其中WC-12Co複合粉質量為料漿總質量 的45%，PVA質量為複合粉質量的2%，PEG質量為複合粉質量的3%。具體步驟是首先根 據預定的料漿成分參數計算所需去離子水的質量，將PVA和PEG分別溶於去離子水中，然後 將複合粉與PVA的水溶液混合、攪拌，最後加入PEG的水溶液，攪拌至少30min，得到WC-Co 複合粉的料漿。若有氣泡產生，滴加正丁醇消泡劑。料漿配好後，利用離心霧化乾燥設備對 料漿進行噴霧造粒，乾燥機進口溫度設定為200°C，霧化盤轉動頻率為300Hz，得到噴霧幹 燥粉末。然後利用真空熱處理爐對噴霧乾燥粉末進行熱處理，熱處理溫度為950°C，保溫時 間為lh，爐內保持氬氣氣氛，製備得到WC-12CO複合粉的團聚顆粒。最後將團聚顆粒進行過 篩分級處理，得到粒徑分布在10-50μπι範圍內的複合粉的團聚顆粒，如圖2(a)。利用雷射粒度分析儀統計分析製備得到的WC-12CO複合粉團聚顆粒的平均粒徑 及粒徑分布，利用標準漏鬥法(GB 1479-84)測量製備得到的WC_12Co複合粉團聚顆粒的松 裝密度和流動性，每個樣品測量三次取平均值，測量結果見表1，團聚顆粒的粒徑分布如圖 3 (a) ο實施例2將平均粒徑為210nm的WC_12Co複合粉(形貌如圖1 (b))與聚乙烯醇(PVA)、聚乙 二醇(PEG)及去離子水按一定比例混合配製料漿，其中WC-12Co複合粉質量為料漿總質量 的55%，PVA質量為複合粉質量的3%，PEG質量為複合粉質量的2%。具體步驟是首先根 據預定的料漿成分參數計算所需去離子水的質量，將PVA和PEG分別溶於去離子水中，然後 將複合粉與PVA的水溶液混合、攪拌，最後加入PEG的水溶液，攪拌至少30min，得到WC-Co 複合粉的料漿。若有氣泡產生，滴加正丁醇消泡劑。料漿配好後，利用離心霧化乾燥設備對 料漿進行噴霧造粒，乾燥機進口溫度設定為170°C，霧化盤轉動頻率為250Hz，得到噴霧幹 燥粉末，然後利用真空熱處理爐對噴霧乾燥粉末進行熱處理，熱處理溫度為1100°C，保溫時 間為1. 5h，爐內保持氬氣氣氛，製備得到WC-12CO複合粉的團聚顆粒。最後將團聚顆粒進行 過篩分級處理，得到粒徑分布在10-50μπι範圍內的複合粉的團聚顆粒，如圖2(b)。利用雷射粒度分析儀統計分析製備得到的WC-12CO複合粉團聚顆粒的平均粒徑 及粒徑分布，利用標準漏鬥法(GB 1479-84)測量製備得到的WC_12Co複合粉團聚顆粒的松裝密度和流動性，每個樣品測量三次取平均值，測量結果見表1，團聚顆粒的粒徑分布如圖 3(b)。實施例3將平均粒徑為380nm的WC_12Co複合粉(形貌如圖1 (C))與聚乙烯醇(PVA)、聚乙 二醇(PEG)及去離子水按一定比例混合配製料漿，其中WC-12Co複合粉質量為料漿總質量 的65%，PVA質量為複合粉質量的4%，PEG質量為複合粉質量的1%。具體步驟是首先根 據預定的料漿成分參數計算所需去離子水的質量，將PVA和PEG分別溶於去離子水中，然後 將複合粉與PVA的水溶液混合、攪拌，最後加入PEG的水溶液，攪拌至少30min，得到WC-Co 複合粉的料漿。若有氣泡產生，滴加正丁醇消泡劑。料漿配好後，利用離心霧化乾燥設備對 料漿進行噴霧造粒，乾燥機進口溫度設定為140°C，霧化盤轉動頻率為200Hz，得到噴霧幹 燥粉末，然後利用真空熱處理爐對噴霧乾燥粉末進行熱處理，熱處理溫度為1200°C，保溫時 間為2h，爐內保持氬氣氣氛，製備得到WC-12CO複合粉的團聚顆粒。最後將團聚顆粒進行過 篩分級處理，得到粒徑分布在10-50μπι範圍內的複合粉的團聚顆粒，如圖2(c)。利用雷射粒度分析儀統計分析製備得到的WC-12CO複合粉團聚顆粒的平均粒徑， 利用標準漏鬥法(GB 1479-84)測量製備得到的WC_12Co複合粉團聚顆粒的松裝密度和流 動性，每個樣品測量三次取平均值，測量結果見表1，團聚顆粒的粒徑分布如圖3(c)。表1實施例1-3製備得到的WC-12CO複合粉團聚顆粒的物性參數
權利要求
一種超細及納米WC-Co複合粉的造粒方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)將平均粒徑在80～400nm範圍內的超細及納米WC-Co複合粉與聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)及去離子水按一定比例混合配製料漿，其中WC-Co複合粉質量為料漿總質量的45～65％，PVA質量為複合粉質量的2％～4％，PEG質量為複合粉質量的1％～3％；(2)利用離心霧化乾燥設備對上述WC-Co複合粉的料漿進行噴霧造粒，乾燥機進口溫度為140～200℃，霧化盤轉動頻率為200～300Hz，得到噴霧乾燥粉末；(3)利用真空熱處理爐對噴霧乾燥粉末進行熱處理，熱處理溫度為950～1200℃，保溫時間為1～2h，爐內保持氬氣氣氛。
2.權利要求1的一種超細及納米WC-Co複合粉的造粒方法，其特徵在於，步驟(1)配製 料漿的過程為根據預定的料漿成分計算所需去離子水的質量，將PVA和PEG分別溶於去離 子水中，再將複合粉與PVA的水溶液混合、攪拌，最後加入PEG的水溶液，攪拌至少30min，得 到WC-Co複合粉的料漿，若有氣泡產生，滴加正丁醇消泡劑。
3.權利要求1的一種超細及納米WC-Co複合粉的造粒方法，其特徵在於，將步驟(3)制 備得到超細及納米WC-Co複合粉的團聚顆粒進行過篩分級處理，得到粒徑分布在10-50 μ m 範圍內的複合粉的團聚顆粒。
全文摘要
本發明公開了一種超細及納米WC-Co複合粉的團聚造粒方法，屬於金屬陶瓷塗層技術領域。方法為將超細及納米WC-Co複合粉與聚乙烯醇、聚乙二醇及去離子水按比例混合配製料漿；利用離心霧化乾燥設備對上述WC-Co複合粉的料漿進行噴霧造粒，乾燥機進口溫度140-200℃，霧化盤轉動頻率200-300Hz；利用真空熱處理爐對噴霧乾燥粉末進行熱處理，熱處理溫度為950-1200℃，保溫時間為1-2h，爐內保持氬氣氣氛。本發明可以得到平均粒徑及粒徑分布滿足熱噴塗工藝要求的團聚顆粒，團聚顆粒的球形度良好，可製備具有優良綜合性能的超細及納米結構的硬質合金塗層。
文檔編號B22F1/00GK101884892SQ20101021934
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月25日 優先權日2010年6月25日
發明者劉雪梅, 宋曉豔, 王海濱, 高楊 申請人:北京工業大學