材料科学
超细硬质合金混合料的制备与制粒技术①
张立1② Schubert W.D.2 黄伯云1
(1.中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南长沙,410083)
(2.Institute of Chemical Technologies and Analy tics,Vienna University of Technology,
Getreidem arkt9/164-CT,A-1060Vienna,Austria)
摘 要 超细硬质合金因为具有较好的综合性能,其应用领域正在不断扩大,因此超细
硬质合金的研究是当前硬质合金研究领域的一大热点。原料、工艺与设备是超细硬质
合金制备过程中的三个关键点,如果没有较好地解决超细硬质合金制备过程中的工艺
问题,即使采用最先进的设备也无法生产出性能优异的合金。本文介绍了作者新近开
发的超细硬质合金混合料的制备与制粒技术,采用这种技术可以制备平均粒度小于0.
3mm的球形料粒,而且成球率大于90%,因而较好地解决了超细硬质合金混合料的模
压成形问题。
关键词 超细硬质合金 湿磨介质 制粒技术 模压成形 生产工艺
1 前 言
近十年来,国际上在硬质合金超细原料与超细硬质合金的研究方面取得了令人瞩目的进展[1～3]。目前,一些世界著名的硬质合金生产企业,像Sand-vik AB[4],Konrad Friedrichs KG[5],Widia Valenite GmbH[2,3],Kennametal Inc.,M itsubishi M aterials Corporation,Sumitomo Electric Carbide Inc.,Toshi-ba Tungaloy Co.Ltd等,已能以工业规模生产合金晶粒度为0.2μm左右的纳米硬质合金(按照1999年Sandvik公司公布的硬质合金分类标准[4],合金晶粒度在0.1μm～0.3μm的硬质合金属于纳米硬质合金)。2000年,亚微、超细、纳米硬质合金的世界总产量达11500～12500吨,占硬质合金世界总产量的大约40%[2,3]。然而,我国在超细硬质合金的生产技术方面与世界著名的硬质合金公司相比尚存在较大差距。
要获得组织结构均匀,具有较好综合性能的超细硬质合金,第一个要解决的问题是原料问题,其次是混合料的制备、制粒以及成形技术问题。如果没有较好地解决超细硬质合金制备过程中的工艺问题,即使采用最先进的设备也无法生产出性能优异的合金[2,3]。事实上,混合料的制备、制粒与制粒料的成形性能三者之间是密切相关的。本文将对作者新近开发的超细硬质合金混合料的制备与制粒技术进行介绍。
2 研究思路与知识背景
超细颗粒在液体介质中的分散包括以下3个过程[6]:(a)超细颗粒在液体介质中的润湿;(b)团聚体在机械力的作用下被分散成独立的原生粒子或较小的团聚体;(c)将一次颗粒或较小的团聚体稳定,阻止再次发生团聚。
超细颗粒因具有巨大的表面积和较高的表面能,产生团聚的倾向是很大的。因此,在超细硬质合金的湿磨过程中,若不采取适当的措施阻止原生粒子(一次颗粒)的再次团聚,混合料的破碎与混合效
第20卷第3期Vol.20 No.3
硬 质 合 金
CE MEN TED CARBIDE
2003年9月
Sep.2003
①
②作者简介:张立,女(1965-),高级工程师,博士研究生,主要从事难熔金属与硬质合金的研究。
国家留学基金委资助。
率将大受影响。使原生粒子或较小的团聚体在悬浮液中稳定的手段主要有:
(1)离子稳定[7]
在液体中加入某些电解质,这些电解质电解后产生的离子对原生粒子产生选择性吸附,使粒子带正电荷或负电荷。两个带有同种电荷的粒子在布朗运动过程中会产生排斥作用,阻止凝聚发生。
(2)表面活性剂稳定[8]
表面活性剂在粒子外围形成一薄壳层,这一薄壳层增大了两粒子之间的距离,减少了范德华引力的相互作用,从而使分散体系得以稳定。在实践过程中,通过选择适当的表面活性剂,使粒子在悬浮液中稳定常常非常有效。
(3)高分子稳定[9]
高分子能够在粒子表面形成一吸附层,减少范德华力的作用,同时,这种高分子聚合物在粒子表面吸附还会产生一种新的排斥力-空间位阻斥力。吸附了高分子的粒子在相互接近时会产生两种情况: (a)吸附层被压缩而不发生相互渗透;(b)吸附层能
发生相互渗透与相互重叠。
这两种情况都将导致体系能量升高,自由能增大。第一种情况由于高分子失去结构熵而产生熵斥力位能;第二种情况由于重叠区域浓度升高而产生渗透斥力位能和混合斥力位能。因此,吸附高分子的原生粒子如果再发生团聚将非常困难。
湿磨过程中,随着湿磨时间的延长,粉末不断被破碎,使得散布在研磨介质中的原生粒子与较小的粉末团聚体数量不断增加,湿磨介质的粘度发生变化。在湿磨早期阶段,湿磨介质与粉末各为体系,分散明显,相互之间的作用不明显;随着湿磨时间的延长,粉末粒度不断减小,湿磨料浆可以被看作是悬浮液。此时,如果因湿磨介质而产生的静电排斥力不足以阻止粉末颗粒的再次团聚和料浆粘度的增加,就会降低研磨球与粉末碰撞的速度,减少撞击粉末的能量和频率,使研磨效率降低[10,11]。在一定的工艺条件下,如果湿磨过程中粉末颗粒之间受到的静电斥力作用较大,则粉末在湿磨介质中保持悬浮的倾向就会大于其团聚的倾向,有利于提高研磨效率。极性液体能够在粉末颗粒周围形成相似的电极电位层,使粉末颗粒之间产生排斥力。然而,在不同的湿磨介质中,粉末颗粒之间所产生的排斥力是不同的,因此湿磨介质的选择对制备超细硬质合金混合料是
非常重要的,在这一方面,人们往往对其重要性没有引起足够地重视。
3 实验过程
选择WC-20Co-1Y2O3硬质合金作为研究对象,其选择原因,本文作者在《热压固结与传统液相烧结对WC-20Co-1Y2O3硬质合金组织结构与性能的影响》(待发表)一文中已作详细介绍。
3.1 WC粉
WC粉由奥地利的Wolfram Bergbau-u.Hǜtten-GmbH提供。费氏粒度FSSS为0.51μm,总碳为6.09%,其扫描电镜形貌见图1。
3.2 Co粉
Co粉由德国的H.C.Starck GmbH提供。费氏粒度FSSS为0.93μm,Scott密度为14.3g/inch3,其扫描电镜形貌见图2。
3.3 Y2O3粉
Y2O3粉由德国的H.C.Starck Gm bH提供。单颗粒尺寸为(15～20)nm,聚集体尺寸约为100nm。
图1 原料WC粉的形貌
图2 原料Co粉的形貌
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