CN111872414B - 一种微纳米预合金粉的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种微纳米预合金粉的制备方法，包括如下步骤：以草酸铁、碳酸钴、碳酸铜为原料，在氮气气氛下进行热分解；将热解后得到的粉末与氧化钨、石墨混拌均匀后装入高能球磨罐经球磨制备出前驱体材料；将前驱体材料送入还原炉中通入氢气加热还原；还原后通入氮气冷却至55‑60℃，在氮气气流保护的状态下加入石蜡搅拌均匀后冷却至室温；破碎、筛分得到微纳米Fe‑Co‑Cu‑Wu预合金粉。与现有的技术相比，本发明的有益效果是：该方法生产工艺简单、流程短、降低能耗、减少污染、合金粉氧含量低。

Description

一种微纳米预合金粉的制备方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金领域，尤其涉及一种微纳米预合金粉的制备方法。
背景技术
传统金刚石工具为达到使用性能，需添加一定量Co粉，但纯Co粉价格高限制了金刚石工具行业的发展。自20世纪80年代比利时Umicore公司在金刚石工具领域率先提出预合金粉的概念，预合金粉凭借其均匀的化学成分，低廉的价格得以在金刚石工具及粉末冶金行业广泛应用。
预合金粉生产方法主要是湿法冶金法、雾化法、机械合金化法。谢志刚[1]等将金属氯化物盐溶液和草酸溶液在一定温度条件下以相同速率注入反应釜，充分搅拌后加入氨水溶液调整pH值，反应完全后再静置沉淀一段时间，可制得Fe，Co，Cu复合草酸盐沉淀物。复合草酸盐沉淀物经过滤分离、去离子水清洗、干燥箱中除水，推杆煅烧炉内煅烧，经充分分解可得到Fe，Co，Cu的复合氧化物粉末。将Fe，Co，Cu复合氧化物粉末放入推杆还原炉内用氨分解气进行还原，可获得Fe73Co25Cu2预合金粉末。采用共沉淀法制备的金刚石制品用预合金粉纯度高，颗粒均匀，性能稳定，但制粉生产周期长，生产过程中产生大量废液，需进行废液处理，整个生产过程需耗费大量能源。黄圣坤等[3-5]对水雾化法制备预合金粉进行了研究。水雾化法生产预合金粉是按一定比例将纯金属用感应炉熔化，以高压水为介质，将熔融金属破碎成细小的金属液滴,再通过冷却而形成粉末颗粒。水雾化法制备的预合金粉合金化程度高、球形度好、流动性好，但生产工艺复杂、颗粒粗大、生产过程中粉末易氧化，往往需要进行二次还原，增加生产成本。除以上两种生产方法外机械合金化法也是生产预合金粉末的重要方法，吴志英等人将深度冷冻后的合金粉经鄂式破碎机破碎后获得预合金粉，周强等[6-7]对机械合金化法制备预合金粉进行了相关研究。此方法适用于生产脆性合金或经特殊处理后具有脆性的合金，具有一定局限性。机械合金化法生产工艺简便，所生产预合金粉烧结温度低，但生产效率低，生产过程中易引入杂质，对粉末性能有很大的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微纳米预合金粉的制备方法，该方法生产工艺简单、流程短、降低能耗、减少污染、合金粉氧含量低。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种微纳米预合金粉的制备方法，包括如下步骤：
1)以草酸铁、碳酸钴、碳酸铜为原料，将上述原料使用混料机对其进行混合，将混合后的粉末置于管式炉内通入氮气，升温进行热分解；
2)将步骤1)中热解后得到的粉末与氧化钨、石墨在混料机中混拌均匀，再将混拌均匀的混合物料装入高能球磨罐经球磨制备出前驱体材料；
3)将步骤2)中得到的前驱体材料平铺到烧舟中，将烧舟放于管式还原炉中的加热区，先通入氮气将炉中空气排尽，再通入氢气加热还原；
4)还原结束后，通入氮气将炉中氢气排尽，在氮气条件下冷却至55-60℃，再将还原得到的粉体在氮气气流保护的状态下装入混料机，并加入微米级石蜡粉，在50-55℃温度下搅拌30分钟以上，搅拌均匀后冷却至室温；
5)将步骤4)得到的物料经破碎、筛分得到微纳米Fe-Co-Cu-Wu预合金粉。
制备微纳米预合金粉的原料的重量份数为：草酸铁30-40份、碳酸钴20-30份、碳酸铜4-7份、氧化钨3-7份、石墨2-5份。
上述步骤1)的热分解温度为400-420℃。
上述步骤2)球磨时间为2-5h。
上述步骤3)还原温度为600-800℃，氢气流量为1-5L/min，保温时间为60-120分钟。
上述步骤4)中石蜡的添加量与粉末物料的体积比为3-5：18-24。
所述微纳米预合金粉其粒度分布在0.1-20μm，含氧量小于0.8％。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明生产工艺简单、流程短，还原温度低，可有效降低能耗减少污染，适合大规模生产。
2)本发明经球磨制备出的前驱体材料，还原制得的合金粉粒度分布均匀、粒径小、比表面积大，可有效降低烧结温度；粉末形状不规则，成形性好易于生产加工。
3)本发明在金属氧化物还原过程中添加一定比例的石墨，可在高温还原时，加速金属氧化物的还原速度，使金属氧化物还原更为彻底，降低合金粉的氧含量，同时，未参加反应的少量剩余石墨粉在合金粉中还能起到低熔点粘结相的作用，提高合金的耐磨性。同时，本发明还通过对氧化钨进行球磨、还原的方式加入微纳米金属钨，有效的提高了预合金粉的硬度。
4)本发明将还原后的合金粉在氮气保护状态下与石蜡混匀后破碎筛分，使得粉体表面覆盖一层石蜡，防止粉体在储存、运输或再加工过程中再次氧化。本发明的该项工序，使得还原后制得的粉体无需钝化，易于保存，有效降低粉体含氧量。
5)本发明的微纳米预合金粉，其粒度分布在0.1-20μm，含氧量小于0.8％。
附图说明
图1为实施案例1的SEM图；
图2为实施案例2的SEM图。
具体实施方式
下面对本发明做详细说明，但本发明的实施范围不仅仅限于下述的实施方式。
一种微纳米预合金粉的制备方法，包括如下步骤：
1)以草酸铁、碳酸钴、碳酸铜为原料，将上述原料使用混料机对其进行混合，将混合后的粉末置于管式炉内通入氮气，升温进行热分解；热分解后得到铁、钴、铜的金属氧化物，本发明通过上述方式得到的铁、钴、铜的金属氧化物杂质含量少，纯净度高。
2)将步骤1)中热解后得到的粉末与氧化钨、石墨在混料机中混拌均匀，再将混拌均匀的混合物料装入高能球磨罐经球磨制备出前驱体材料；
3)将步骤2)中得到的前驱体材料平铺到烧舟中，将烧舟放于管式还原炉中的加热区，先通入氮气将炉中空气排尽，再通入氢气加热还原；
4)还原结束后，通入氮气将炉中氢气排尽，在氮气条件下冷却至55-60℃，再将还原得到的粉体在氮气气流保护的状态下装入混料机，并加入微米级石蜡粉，在50-55℃温度下搅拌30分钟以上，搅拌均匀后冷却至室温；
5)将步骤4)得到的物料经破碎、筛分得到微纳米Fe-Co-Cu-Wu预合金粉。
制备微纳米预合金粉的原料的重量份数为：草酸铁30-40份、碳酸钴20-30份、碳酸铜4-7份、氧化钨3-7份、石墨2-5份。
上述步骤1)的热分解温度为400-420℃。
上述步骤2)球磨时间为2-5h。
上述步骤3)还原温度为600-800℃，氢气流量为1-5L/min，保温时间为60-120分钟。
上述步骤4)中石蜡的添加量与粉末物料的体积比为3-5：18-24。
实施例1：
1)依次称取332g草酸铁，248g草酸钴，46g草酸铜，使用混料机混合30min。将混合后的粉末置于管式炉内，通入氮气进行热分解，设定分解温度为400℃，时间为60min。
2)将步骤1)中热解后得到的粉末与40g氧化钨、30g石墨在混料机中混拌均匀，再将混拌均匀的混合物料和3000g磨球加入球磨罐中，设置球磨时间为2h，制得前驱体粉末。高能球磨能有效降低初始粉末的粒度，可大大降低前驱体粉末的还原温度。
3)将前驱体粉末盛放入烧舟内，推放至还原炉的加热区，设置还原温度为600℃，氢气流量为1.5L/min，待还原温度达到预定温度停止升温，保温60分钟。
4)保温结束后在氮气气氛下炉冷至55-60℃，再将还原得到的粉体在氮气气流保护的状态下装入混料机，并加入微米级石蜡粉，在50-55℃温度下搅拌30分钟以上，搅拌均匀后冷却至室温。石蜡的添加量与粉末物料的体积比为3-5：18-24。
5)将步骤4)的到的物料破碎、筛分后对其进行检测，根据预合金粉SEM图1所示，预合金粉颗粒均匀，分散性好；激光粒度分析仪测量其粒度分布于0.1-1μm；其氧含量为0.59wt％。
实施案例2：
1)依次称取300g草酸铁，240g草酸钴，45g草酸铜，使用混料机混合30min。将混合后的粉末置于管式炉内，通入氮气进行热分解，设定分解温度为400℃，时间为90min。
2)将步骤1)中热解后得到的粉末与50g氧化钨、40g石墨在混料机中混拌均匀，再将混拌均匀的混合物料和2800g磨球和100ml酒精加入球磨罐中，球磨3h干燥后制得前驱体粉末。加入的酒精作为球磨介质是为防止球磨过程中粉末粘接在球磨罐上，导致前驱体粉末成分、粒度不均匀。
3)将前驱体粉末盛放入烧舟内，推放至还原炉的加热区，设置还原温度为800℃，氢气流量为1L/min，待还原温度达到预定温度停止升温，保温90分钟。
4)保温结束后在氮气气氛下炉冷至55-60℃，再将还原得到的粉体在氮气气流保护的状态下装入混料机，并加入微米级石蜡粉，在50-55℃温度下搅拌30分钟以上，搅拌均匀后冷却至室温。石蜡的添加量与粉末物料的体积比为3-5：18-24。
5)将步骤4)得的到的物料破碎、筛分后对其进行检测，根据预合金粉SEM图2所示，激光粒度分析仪测量其粒度分布于10-20μm；其氧含量为0.37wt％。

Claims (6)

1.一种微纳米预合金粉的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）以草酸铁、碳酸钴、碳酸铜为原料，将上述原料使用混料机对其进行混合，将混合后的粉末置于管式炉内通入氮气，升温进行热分解；
2）将步骤1）中热解后得到的粉末与氧化钨、石墨在混料机中混拌均匀，再将混拌均匀的混合物料装入高能球磨罐经球磨制备出前驱体材料；
3）将步骤2）中得到的前驱体材料平铺到烧舟中，将烧舟放于管式还原炉中的加热区，先通入氮气将炉中空气排尽，再通入氢气加热还原；
4）还原结束后，通入氮气将炉中氢气排尽，在氮气条件下冷却至55-60℃，再将还原得到的粉体在氮气气流保护的状态下装入混料机，并加入微米级石蜡粉，在50-55℃温度下搅拌30分钟以上，搅拌均匀后冷却至室温；
5）将步骤4）得到的物料经破碎、筛分得到微纳米Fe-Co-Cu-W预合金粉；
上述步骤4）中石蜡的添加量与粉末物料的体积比为3-5：18-24。
2.根据权利要求1所述的一种微纳米预合金粉的制备方法，其特征在于，制备微纳米预合金粉的原料的重量份数为：草酸铁30-40份、碳酸钴20-30份、碳酸铜4-7份、氧化钨3-7份、石墨2-5份。
3.根据权利要求1所述的一种微纳米预合金粉的制备方法，其特征在于，上述步骤1）的热分解温度为400-420℃。
4.根据权利要求1所述的一种微纳米预合金粉的制备方法，其特征在于，上述步骤2）球磨时间为2-5h。
5.根据权利要求1所述的一种微纳米预合金粉的制备方法，其特征在于，上述步骤3）还原温度为600-800℃，氢气流量为1-5L/min，保温时间为60-120分钟。
6.根据权利要求1所述的一种微纳米预合金粉的制备方法，其特征在于，所述微纳米预合金粉其粒度分布在0.1-20μm，含氧量小于0.8%。
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